Tài liệu Truyền động điện tự động (phần 4) docx

Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 2.4. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ không đồng bộ (ĐK) 2.4.1. Các giả thiết, sơ đồ thay thế, đặc tính cơ của động cơ ĐK: 2.4.1.1. Các giả thiết: Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ). Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu, ta giả thiết: + Ba pha của động cơ là đối xứng. + Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bảo hoà nên điện trở, điện kháng, không thay đổi. + Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato. + Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. + Điện áp lới hoàn toàn sin và đối xứng. Trang 56 2.4.1.2. Sơ đồ thay thế: Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ nh hình 2-23. X 2 I 1 X 1 R 1 Trong đó: R 2 /s I 2 X à Độn g cơ khôn g đồn g bộ (ĐK) nh hình 2-21, đợc sử dụn g rộn g rãi tron g thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó là: cấu tạo đơn g iản, làm việc tin cậ y , vốn đầu t ít, g iá thành hạ, trọn g lợn g , kích thớc nhỏ hơn khi cùn g côn g suất định mức so với độn g cơ một chiều. Sử dụn g trực tiế p lới điện xoa y chiều 3 pha U 1f là trị số hiệu dụng của U 1f điện áp pha stato (V). I 1 , I à , I 2 là các dòng stato, mạch từ hóa, rôto đã quy đổi về stato (A). X 1 , X à , X 2 là điện kháng stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (). R 1 , R à , R 2 là điện trở stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (). R 2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đã quy đổi về stato (). s là hệ số trợt của động cơ: 0 0 1 1 s = = (2-58) Trong đó: 1 = 0 là tốc độ của từ trờng quay ở stato động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s): p f2 1 01 == (2-59) là tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s). Trong đó: f 1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz), p là số đôi cực của động cơ, 2.4.1.3. Biểu đồ năng lợng của ĐK: Với các giả thiết ở trên, ta có biểu đồ năng lợng của động cơ ĐK 3 pha nh hình 2-24: Trang 57 ĐK ls H ình 2-21: Động cơ không đồng bộ lồng s (ĐK óc ls ) và dây quấn (ĐK dq ) ~ ~ I à R 2f /s R à H ình 2-23: Sơ đồ thay thế ĐK dq R 2f ĐK dq Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trong biểu đồ năng lựong: P 1 là công suất điện từ đa vào 3 pha stato động cơ ĐK P 1 = P Cu1 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stato P 12 là công suất điện từ truyền giữa stato và rôto động cơ ĐK P 2 = P Cu2 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rôto P 2 là công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ của ĐK truyền động cho máy sản xuất. 2.4.1.4. Phơng trình và đặc tính cơ ĐK: Từ sơ đồ thay thế hình 2-23, ta tính đợc dòng stato: + + + + = àà 2 nm 2 ' 2 1 22 f11 X s R R 1 XR 1 UI (2-60) Trong đó: R 2 = R 2 + R 2f là điện trở tổng mạch rôto. X nm = X 1 + X 2 là điện kháng ngắn mạch. Từ phơng trình đặc tính dòng stato (2-60) ta thấy: Trang 58 Khi = 0, s = 1, ta có: I 1 = I 1nm - dòng ngắn mạch của stato. Khi = 0 , s = 0, ta có: à àà = + = I XR 1 UI 22 f11 Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ, động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ta từ trờng quay. Trị số hiệu dụng của dòng rôto đã quy đổi về stato: I U R R s X f nm 2 1 1 2 2 2 ' ' = + + (2-61) Phơng trình (2-61) là quan hệ giữa dòng rôto I 2 với hệ số trợt s hay giữa I 2 với tốc độ , nên gọi là đặc tính điện-cơ của động cơ ĐK, (hình 2-25). Qua (2-61) ta thấy: Khi = 0 , s = 0, ta có: I 2 = 0. Khi = 0, s = 1, ta có: I U RR X I f nm nm2 1 12 22 2 ' ' ' () = ++ = Trong đó: I 2nm là dòng ngắn mạch của rôto hay dòng khởi động. Trang 59 P 1 = 3U 1f I 1 cos P 1 2 P 2 = P trục = P cơ P 2 = P Cu2 P 1 = P Cu1 H ình 2-24: Biểu đồ năng lợng của động cơ ĐK dq ~ 0 ĐK dq R 2f 0 I nm I 2 H ình 2-26: Đặc tính điện-cơ của ĐK Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Để tìm phơng trình đặc tính cơ của ĐK, ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P 12 = M đt . 0 (2-62) M đt là mômen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ: M đt = M cơ = M (2-63) Và: P 12 = P cơ + P 2 (2-64) Trong đó: P cơ = M. là công suất cơ trên trục động cơ. P 2 = 3I 2 2 .R 2 là tổn hao công suất đồng trong rôto. Do đó: M. 0 = M( 0 - ) = M. 0 .s Vậy: M IR s = 3 2 2 2 0 / '' (2-65) Thay (3-4) vào (3-8) và biến đổi ta có : M .U .R sR R s X f ' nm = + + 3 1 2 2 01 2 2 2 ' (2-66) Phơng trình (2-66) là phơng trình đặc tính cơ của ĐK. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đờng cong nh hình 2-27b. Có thể xác định các điểm cực trị của đờng cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ đợc các trị số về độ trợt tới hạn s th và mômen tới hạn M th tại điểm cực trị: s R RX th nm = + 2 1 22 ' (2-67) Và: () M U RRX th f nm = + 1 2 01 1 22 2 . (2-68) Trang 60 Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng thái máy phát, (M thĐ > M thF ). Phơng trình đặc tính cơ của ĐK có thể biểu diễn theo closs: M Mas s s s s as th th th th th = + ++ 21 2 () (2-69) Trong đó: a = R 1 /R 2 . M th và s th lấy theo (2-67) và (2-68). Đối với động cơ ĐK công suất lớn, thờng R 1 rất nhỏ so với X nm nên có thể bỏ qua R 1 và as th 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản: M M s s s s th th th = + 2 (2-70) Lúc này: nm0 2 f1 th nm ' 2 th X2 U3 M ; X R s (2-71) Trang 61 H ình 2-27: Đặc tính cơ của ĐK ĐK dq ~ (đoạn làm việc) R 2f a) 0 0 M nm M th M s th (+) M c () (1) (2) (đoạn khởi động) b) Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động + Trong nhiều trờng hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính hoá đạc tính cơ trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trợt nhỏ s < 0,4s th thì ta xem s/s th 0 và ta có: M M s s th th = 2 (2-72) Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính cơ làm việc qua 2 điểm: điểm đồng bộ (không tải lý tởng) và điểm định mức: M M s s= đm đm (2-73) Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay M = M đm , M th = M đm , ta có: ( ) 1SS 2 mth += (2-74) Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên của ĐK hình 2-27, một cách gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn làm việc: m0 m 0 s M ds dM1 d dM = = = (2-75) Và: m0 m * s 1 /d M/dM = = (2-76) + Đối với đoạn đặc tính có s >> s th thì coi s th /s 0 và ta có: M Ms s th th = 2. (2-77) Và: = 2 0 2 Ms s th th . . (2-78) Trong đoạn này độ cứng > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây thờng là đoạn động cơ khởi động. Trang 62 2.4.2. ảnh hởng của các thông số đến đặc tính cơ của ĐK: Qua chơng trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ ĐK, ta thấy các thông số có ảnh hởng đến đặc tính cơ ĐK nh: R s , R r , X s , X r , U L , f L , Sau đây, ta xét ảnh hởnh của một số thông số: 2.4.2.1. ảnh hởng của điện áp lới (U l ): Khi điện áp lới suy giảm, theo biểu thức (2-68) thì mômen tới hạn M th sẽ giảm bình phơng lần độ suy giảm của U L . Trong khi đó tốc độ đồng bộ o , hệ số trợt tới hạn S th không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi U L giảm nh hình 2-28. Qua đồ thị ta thấ y : với một mômen cản xác định (M C ), điện á p lới càn g g iảm thì tốc độ xác lậ p càn g nhỏ. Mặt khác, vì mômen khởi động M kđ = M nm và mômen tới hạn M th đều g iảm theo điện áp, nên khả năng quá tải và khởi độn g bị g iảm dần. Do đó, nếu điện á p q uá nhỏ (đờng U 2 , ) thì hệ tru y ền độn g trên có thể khôn g khởi độn g đợc hoặc khôn g làm việc đợc. M c () 2.4.2.2. ảnh hởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (R lf ), điện kháng phụ (X lf ) vào mạch stato, nếu o = const, v à theo biểu thức (2-67), (2-68) thì mômen M th và S th đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng nh hình 2-29. Trang 63 H ình 2-28: ảnh hởng của U L 0 0 M th2 M th1 M th M TN (U đm ) U 1 <U đm s th U 2 <U 1 Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.2.3. ảnh hởng của điện trở, điện kháng mạch rôto: Khi thêm điện trở phụ (R 2f ), điện kháng phụ (X 2f ) vào mạch rôto động cơ, thì o = const, và theo (2-67), (2-68) thì M th = const; còn S th sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng nh hình 2-30. Trang 64 2.4.2.4. ảnh hởng của tần số lới cung cấp cho động cơ: Qua đồ thị ta thấ y : với mômen M kđ = M nm. f thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện khán g p hụ (X lf ) cứn g hơn đặc tính có R lf . Khi tăng X lf hoặc R l f thì M th và S th đều g iảm. Khi dùng X lf hoặc R lf để khởi độn g nhằm hạn ch ế dòn g khởi độn g , thì có thể dựa vào tam g iác tổn g trở n g ắn mạch để xác định X lf hoặc R lf . M c () Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f 1 ) thay đổi thì tốc độ từ trờng o và tốc độ của động cơ sẽ thay đổi theo. Vì o = 2.f 1 /p, và X = .L, nên o f 1 , f 1 và X f 1 . * Ví dụ 2 - 5: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐK dq ) có: P đm = 850KW ; U đm = 6000V ; n đm = 588vg/ph ; = 2,15 ; E 2đm = 1150V ; I 2đm = 450A. Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha rôto là: R 2f = 0,75. Trang 65 H ình 2-29: ảnh hởng của R lf , X lf 0 0 M nmf M nm M th M TN s th R 1f > 0 X 1f > 0 Qua đồ thị ta thấ y : Khi tần số tăng (f 13 > f 1.đm ), thì M th sẽ g iảm, (với điện áp nguồn U 1 = const) thì : 2 1 th f 1 (hình 2-31). M Khi tần số n g uồn giảm (f 11 < f 1đm , ) càn g nhiều, nếu giữ điện áp u 1 khôn g đổi, thì dòn g điện độn g cơ sẽ tăn g rất lớn. Do vậ y , khi g iảm tần số cần g iảm điện á p theo q u y luật nhất định sao cho độn g c ơ sinh ra mômen nh tron g chế độ định mức. M c () Qua đồ thị ta thấ y : đặc tính cơ khi có R 2f , X 2f càn g lớn thì S th càn g tăn g , độ cứn g đặc tính c ơ càn g g iảm, với p hụ tải không đổi thì khi có R 2f , X 2f càn g lớn thì tốc độ làm việc của độn g cơ càn g bị thấ p , và dòn g điện khởi độn g càn g giảm. H ình 2-30: ảnh hởng của R 2f , X 2f 0 0 M th M s th R 2f2 > R 2f1 X 2f2 > X 2f1 M c () TN R 2f1 , X 2f1 > 0 s th1 s th2 H ình 2-31: ảnh hởng của f 1 0 0 M th M TN, f 1đm f 11 < f 1đm f 14 > f 13 04 f 13 > f 1đm 03 01 02 f 12 < f 11 Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động * Giải : Với động cơ có công suất lớn, ta có thể sử dụng phơng trình gần đúng (2-70) coi R 1 rất nhỏ hơn R 2 tức a = 0. Độ trợt định mức: 02,0 600 588600 n nn s o mo m = = = Mômen định mức: N.m 13805 55,9/588 1000.850 55,9/n 1000P M m m m === , hoặc 1M * m = Mômen tới hạn: M th = M đm = 2,15.13085 = 29681 N.m, hoặc 15,2M * m = Điện trở định mức: == 1,476I3/ER m.2nm.2m Điện trở dây quấn rôto: ==== 0295,0476,1.02,0RsRRR mmm * 22 Độ trợt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên cá định theo (2-74): ( ) ( ) 08,0115,215,202,01ss 22 mth =+=+= Phơng trình đặct tính cơ tự nhiên: s 08,0 08,0 s 362,59 s s s s M2 M th th th + = + = hoặc s s s s 2 M th th * + = Với mômen ngắn mạch: mnm 0,35M Nm 4777 08,0 08,0 1 59362 M == + = Trang 66 Theo đó ta vẽ đợc đờng đặc tính tự nhiên nh trên hình 2-32 đi qua 4 điểm: điểm không tải [M = 0; s = 0]; điểm định mức [ * =1; s m M đm = 0,02]; điểm tới hạn TH [ =2,15; s * th M đm = 0,08]; điểm ngắn mạch NM [ =0,35; s * nm M đm = 1]. Đối với đặc tính nhân tạo có R f = 0,175 ta có độ trợt tới hạn nhân tạo: 55,0 0295,0 175,00295,0 08,0 R RR ss 2 f2 thnt.th = + = + = Phơng trình đặc tính cơ nhân tạo sẽ là: s 55,0 55,0 s 2 M * + = Và đặc tính đợc vẽ trên cùng đồ thị hình 2-32. S Trang 67 S đm = 0,02 TN 0 0,08 Điểm TH NT 0,55 Điểm NM 1 0 0,35 1 2,15 M H ình 2-32: Các đặc tính cơ TN và NT trong ví dụ 2-5 Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.3. Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi khởi động: 2.4.3.1. Khởi động và tính điện trở khởi động: + Nếu khởi động động cơ ĐK bằng phơng pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn. Nh vậy, tơng tự khởi động ĐM đl , ta cũng đa điện trở phụ vào mạch rôto động cơ ĐK có rôto dây quấn để han chế dòng khởi động: mcpkb III 5,2 = .Và sau đó thì loại dần chúng ra để đa tốc độ động cơ lên xác lập. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động đợc trình bày trên hình 2-33 (hai cấp khởi động m = 2). * Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐK: + Từ các thông số định mức (P đm ; U đm ; I đm ; n đm ; đm ;) và thông số tảI (I c ; M c ; P c ;) số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Trang 68 + Vì đặc tính cơ của động cơ ĐK là phi tuyến, nên để đơn giản, ta dùng phơng pháp gần đúng: theo toán hoc đã chứng minh thì các đờng đặc tính khởi động của động cơ ĐK tuyến tính hóa sẽ hội tụ tại một điểm T nằm trên đờng o = const phía bên phải trục tung của tọa độ (, M) nh hình 2-33. + Chọn: M max = M 1 = (2 ữ 2,5)M đm ; hoặc M max = 0,85M th và M min = M 2 = (1,1 ữ 1,3)M c trong quá trình khởi động. + Sau khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta tiến hành xây dựng đặc tính khởi động tơng tự động cơ ĐM đl , cuối cùng ta đợc các đặc tính khởi động gần đúng edcbaXL nh hình 2-33. Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN mà M 1 = const thì ta phải chọn lại M 1 hoặc M 2 rồi tiến hánh lại từ đầu. ~ 2.4.3.2. Tính điện trở khởi động: *Dùng phơng pháp đồ thị: + Khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta có: 2 f22 TN NT R RR S S = ; (2-79) Rút ra: 2 TN TNNT f2 R S SS R = ; (2-80) Từ đồ thị ta có điện trở phụ các cấp: 221f2 R he ac R he hcha R = = ; (2-81) 222f2 R he ce R he hehc R = = ; (2-82) Trang 69 H ình 2-33: a) Sơ đồ nối dây ĐK khởi động 2 cấp, m = 2 b) Các đặc tính cơ khởi động ĐM đl , m = 2 ĐK R 2f2 a) 0 0 M c M 2 M 1 M th M s NT h TN T xl a s TN b c d K 2 K 2 K 1 K 1 R 2f1 e b) . Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.3. Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi khởi động: 2.4.3.1. Khởi động. Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.4.2.3. ảnh hởng của điện trở, điện kháng