Tài liệu giáo trình truyền động điện , chương 2 ppt

Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 1 Chương 2 CÁC TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung 2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song) 2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 2.4 Động cơ điện không đồng bộ 2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ 2.1 Khái niệm chung - ĐTC của máy sản xuất (tải) M c (ω) : biết trước - ĐTC của động cơ điện M(ω): Tự nhiên/ nhân tạo - Hệ đơn vị tương đối. 2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song) 2.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song 2.2.2 Phương trình đặc tính cơ (ĐTC) a) Các phương trình chính - Phương trình cân bằng điện áp phần ứng và mạch kích từ: Laplace u u ut u ut u u ut u u di u e R .i L . U E R (1 T .p).I dt = + + → = + + Laplace kt kt kt kt kt kt kt kt kt di u R .i L . U R (1 T .p).I dt = + → = + trong đó: R ut = R u +R fu ; L ut =L u +L fu ; T u = L ut /R ut ; T kt = L kt /R kt - Theo lý thuyết máy điện: a) b) Hình 2.1 Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 2 E u = k φ . ω và M = k φ .I u trong đó pN k 2 .a = π φ = c.I kt - Phương trình chuyển động: Laplace c t c t d M M J . M M J .p. dt ω − = → − = ω - Sơ đồ cấu trúc động cơ: - Trong trường hợp mạch kích từ đã xác lập: - Tốc độ quay roto: u u ut u U 1 T .p R .I k k + ω = − φ φ phương trình đặc tính cơ-điện có xét quá độ ( ) u u ut 2 U 1 T .p R .M k k + ω = − φ φ phương trình ĐTC có xét quá độ - Trạng thái xác lập t = ∞ hay p = 0: u fuuu I k RR k U φ + − φ =ω (2-4) Phương trình “đặc tính cơ điện” biểu thị quan hệ ω = f(I u ) và: ( ) M. k RR k U 2 fuuu φ + − φ =ω (2-6) Phương trình “đặc tính cơ” biểu thị quan hệ ω = f(M) ut 1 R u 1 1 T .p + t 1 J .p kt 1 R kt 1 1 T .p + c k U u U kt E u ω φ I kt I u M M c k φ - - ut 1 R u 1 1 T .p + t 1 J .p U u E u ω I u M M c k φ k φ - - Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 3 b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện φ ≈ const ⇒ ω = f(I u ) và ω = f(M) tuyến tính - Khi I u = 0, M = 0: 0 u k U ω= φ =ω “ tốc độ không tải lý tưởng” (2-7) - Khi ω = 0: nm fu u u u I RR U I = + = “ dòng điện ngắn mạch” (2-8) và nmnm fu u u Mk.Ik. RR U M =φ=φ + = “ momen ngắn mạch ” (2-9) Từ (2-6) ta xác định được độ cứng đặc tính cơ: ( ) fu u 2 RR k d dM + φ −= ω =β (2-10) hay ( ) fu u 2 RR k d dM + φ = ω =β c) Các dạng khác của phương trình ĐTC - Dạng 1: ω = ω 0 - ∆ω (2-11) trong đó: u fuu I. k RR φ + =ω∆ (2-12) “độ sụt tốc độ” - Dạng 2: Hình 2-2 ∆ ω ω 0 A M ω Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 4 M. 1 0 β −ω=ω (2-13) - Dạng 3: ( ) ω + φ − + φ= . RR k RR U .kM fu u 2 fu u u hay βω − = nm MM (2-14) - Dạng 4 (ở đơn vị tương đối) * u * * fu * u * * u * I. RRU φ + − φ =ω (2-15) ( ) * 2 * * fu * u * * u * M. RRU φ + − φ =ω (2-16) trong đó: ω * = ω / ω 0 ; U u * = U u /U đm ; φ * = φ / φ đm = k φ /k φ đm ; I u * = I u /I đm ; M* = M/M đm ; R u * = R u /R đm ; R fu * = R fu /R đm ; với dm dm dm I U R = (2-17) Ứng với M = M c (xác lập) sẽ có tốc độ xác lập ω xl : I u = I c = M c /k φ : “ dòng điện tải ” 2.2.3 Đặc tính tự nhiên (R fu = 0, U u = U đm ; φ = φ đm ) - Phương trình: ( ) M k R k U 2 dm u dm dm φ − φ =ω (2-18) u dm u dm dm I k R k U φ − φ =ω (2-19) - Tốc độ không tải và độ cứng ĐTC tự nhiên: ®m o ®m U k ω = φ (2-20) ( ) u 2 dm tn R kφ =β (2-21) * u * tn R 1 =β (2-22) - Vẽ ĐTC tự nhiên từ các số liệu catalog: P đm [kW], n đm [vòng/phút], U đm [V], I đm [A], η đm , R u [ Ω ], : 1. điểm không tải [0, ω 0 ]. 2. điểm định mức [M đm , ω đm ] hoặc [I đm , ω đm ]. 3. điểm ngắn mạch [M nm ,0] hoặc [I nm , 0]. Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 5 dm dm 0 k U φ =ω với dm dmudm dm IRU k ω − =φ dm dm dm 1000.P M ω = hoặc M đm = k φ dm .I dm = ®m nm − U I R u dm dmnm R U .kM φ= hoặc A, U. 1000.P I dm dm dm dm η = (2-23) Ωη−≈ , I U )1.(5,0R dm dm dmu (2-24) 2.2.4 Các đặc tính nhân tạo Từ phương trình (2-6): ( ) − − f − 2 U R R .M k k + ω = − φ φ (2-6) ⇒ R fư , U ư , φ có thể thay đổi. a) Đặc tính nhân tạo “biến trở”: (U u = U đm , φ = φ đm ) - Phương trình: ( ) ®m − f − 2 ®m ®m U R R M k k + ω = − φ φ (2-25) ®m − f− − ®m ®m U R R .I k k + ω = − φ φ (2-26) - Tốc độ không tải: ®m 0 0.tn ®m U const k ω = ω = = φ (2-27) - Độ sụt tốc độ ở M c hay I c : ( ) − f − − f − c c c f − 2 ®m ®m R R R R .M .I ~ R k k + + ∆ω = = φ φ (2-28) ( ) ( ) − f − c c c c.tn c.Rf 2 2 ®m ®m R R .M .M k k ∆ω = + = ∆ω + ∆ω φ φ 1 2 3 I M ω ω 0 0 I nm M nm ω đm I đm M đm Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 6 - Độ cứng ĐTC: ( ) 2 ®m tn − f − f − k 1 ~ R R R φ β = + (2-29) - Dòng điện ngắn mạch: ®m nm − f − f − U 1 I ~ R R R = + (2-30) - Momen ngắn mạch: nm ®m nm f − 1 M k .I ~ R = φ (2-31) Tăng R fư …. b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng U ư : (R fư = 0, φ = φ đm ) - Phương trình: ( ) − − 2 ®m ®m U R M k k ω = − φ φ (2-32) − − − ®m ®m U R .I k k ω = − φ φ (2-33) - Tốc độ không tải: − 0 − ®m U ~ U k ω = φ (2-34) - Độ sụt tốc độ ở M c hay I c : TN, R fư =0 NT, R fu ∆ ω c.tn ∆ ω c.Rf M c ω 0 ∆ ω c Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 7 ( ) − − c c c c.tn 2 ®m ®m R R .M .I const k k ∆ω = = = ∆ω = φ φ (2-35) - Độ cứng ĐTC: ( ) 2 ®m tn − k const R φ β = = β = (2-36) - Dòng điện ngắn mạch: − nm − − U I ~ U R = (2-37) - Momen ngắn mạch: − nm ®m nm ®m − − U M k .I k ~ U R = φ = φ (2-38) ⇒ Khi giảm U ư < U đm … Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 8 b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi từ thông φ φφ φ : (R fư = 0, U ư = U đm ) - Phương trình: ( ) ®m − 2 U R M k k ω = − φ φ (2-39) ®m − − U R .I k k ω = − φ φ (2-40) - Tốc độ không tải: ®m 0 U 1 ~ k ω = φ φ (2-41) - Độ sụt tốc độ ở M c hay I c : ( ) − c c 2 2 R 1 .M ~ k ∆ω = φ φ (2-42) - Độ cứng ĐTC: ( ) 2 2 − k ~ R φ β = φ (2-34) - Dòng điện ngắn mạch: ®m nm nm.tn − U I I const R = = = (2-30) - Momen ngắn mạch: φ φ = ~I.kM nm nm (2-31) ⇒ Khi giảm φ < φ đm … Chú ý: Vì không thể tăng i kt trên giá trị định mức, nên chỉ có thể tạo φ < φ đm . Do đó, các đặc tính cơ điện nhân tạo đều có vị trí cao hơn đặc tính tự nhiên; tương tự, trong vùng phụ tải Mc cho phép tốc độ trên các đặc tính nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên. φ 2 < φ 1 < φ đm φ 2 < φ 1 < φ đm Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 9 * Ví dụ 1: Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ song song. Số liệu cho trước: Động cơ loại làm việc dài hạn, cấp điện áp 220V, công suất định mức 6,6kW; tốc độ định mức 2200 vòng/phút; dòng điện định mức 35A; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω. Giải: + Dựng đặc tính cơ tự nhiên dựa vào 2 trong 3 điểm: 1. điểm không tải [0, ω 0 ]. 2. điểm định mức [M đm , ω đm ]; hoặc [I đm , ω đm ] cho đặc tính cơ điện tự nhiên. 3. điểm ngắn mạch [M nm ,0]; hoặc [I nm , 0] cho đặc tính cơ điện tự nhiên. Tốc độ định mức: 3,230 55,9 2200 55,9 n dm dm ===ω [rad/s] Momen định mức: 6,28 3,230 1000.6,61000.P M dm dm dm == ω = [Nm] Như vậy ta đã xác định được điểm định mức [28,6 ; 230,3]. Từ thông động cơ: 91,0 3,230 26,0.35220 R.IU k dm udmdm dm = − = ω − =φ [Wb] Tốc độ không tải lý tưởng: 7,241 91,0 220 k U dm dm 0 == φ =ω [rad/s] Như vậy ta đã xác định được điểm không tải [0 ; 241,7]. Dòng điện ngắn mạch: 846 26,0 220 R U I u dm nm === [A] Mômen ngắn mạch: 770846.91,0I.kM nmdmnm = = φ = [Nm] Như vậy ta xác định được điểm ngắn mạch [770 ; 0]. Từ 2 điểm trong 3 điểm: điểm không tải và điểm định mức hoặc điểm ngắn mạch ta có thể dựng được đặc tính cơ như hình bên. + Đánh giá đường đặc tính cơ: - Độ sụt tốc khi có tải định mức (so với tốc độ không tải lí tưởng): ∆ω c = ω 0 - ω đm = 241,7 – 230,3 = 11,4 [rad/s] %7,4%100. 7,241 4,11 %100% 0 c c == ω ω ∆ =ω∆ (< 5%) - Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: ( ) 18,3 26,0 91,0 R k 2 u 2 dm == φ =β [Nm.s] 1 2 3 I M ω ω 0 0 I nm M nm ω đm I đm M đm Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện) GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006 10 Bài tập 2.1: Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ song song. Số liệu cho trước: Động cơ loại làm việc dài hạn, cấp điện áp 220V, công suất định mức 4,4kW; tốc độ định mức 1500 vòng/phút; hiệu suất định mức 0,85. Đáp án. 2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ độc lập - Trạng thái động cơ: là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra hỗ trợ việc quay. Hay chiều của momen động cơ cùng chiều với chiều của tốc độ quay. + M (I ư ) và ω cùng chiều => P cơ = M.ω = M c .ω > 0 + Động cơ làm việc ở các góc ¼ thứ I (ω>0; M và I > 0) và góc ¼ thứ III (ω<0; Mvà I<0). Trạng thái máy phát (hãm): là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra chống lại sự quay. Hay, chiều của mômen động cơ ngược chiều với chiều của tốc độ quay. a) Hãm tái sinh (ω > ω 0 , |U|<|E|) II I III IV Chế độ động cơ M>0, ω>0, I>0, U>0, U>E P = M.ω>0 Pđ = U.I >0 Chế độ máy phát M<0, ω>0, I<0, U>0, U<E P = M.ω<0, Pđ = U.I<0 Chế độ máy phát M>0, ω<0, I>0, U<0, |U|<|E| P = M.ω<0, Pđ = U.I<0 Chế độ động cơ M<0, ω<0, I<0, U<0, |U|>|E| P = M.ω>0, Pđ = U.I>0 M, I ω ωω ω I U E I I U E IV I U E II I U E III II I III IV ω ω ωω ω 0 M C M C1 A B Đ C P cơ M.ω P đ U.I ∆ ∆∆ ∆ P đ Chế độ động cơ Đ C P cơ M.ω P đ U.I ∆ ∆∆ ∆ P đ Chế độ hãm tái sinh [...]... Kloss, v TC t nhiên S li u cho trư c: P.án 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P m kW 1,4 3,5 5 11 22 30 40 45 60 100 U1 m V 380 380 380 380 380 380 380 380 380 380 λ nm vg/ph 855 915 925 945 965 720 730 575 578 584 2, 3 2, 3 2, 5 2, 8 2, 8 2, 8 2, 8 3,0 3,0 2, 8 I1 m A cosϕ 5,3 1 0,5 1 4,8 2 8,6 55 77 101 115 145 22 5 m 0,6 5 0,7 0 0,6 9 0,7 3 0,7 1 0,6 8 0,6 9 0,7 0 0,7 2 0,6 7 E2nm V I2 1 12 181 20 6 1 72 225 28 0 322 185 24 5 27 5 m A 4,3 ... Mnm, c ng TC t nhiên β và β*; phương trình TC và T cơ- i n t nhiên h ơn v tuy t i và tương i, v TC ơn v tuy t i và ơn v tương i S li u cho trư c: Phương án 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P m, kW 6,6 4,4 2, 5 9 10 15 1 3,5 21 3 3,5 4 6,5 U m, V 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 22 0 Thông s n m, vg/ph 22 00 1500 1000 1500 22 50 1560 1050 1500 1580 1500 ηm 0,8 5 0,8 5 0,8 0 0,8 5 0,8 7 0,8 3 0,8 4 0,8 6 0,8 7 0,8 8 J, kgm2 0,0 7... 380 29 30 2, 5 14 380 29 30 2, 5 20 380 29 40 2, 9 28 380 1460 2, 3 40 380 1460 2, 3 55 380 1410 2, 3 40 380 980 2, 2 55 380 985 2, 2 75 380 985 2, 2 100 380 1470 2, 3 m KM=Mnm/M 1,3 1,5 1 ,2 1,4 1 ,2 1,3 1,5 1 ,2 1 ,2 1 ,2 G i ý: Phương pháp chính xác: S d ng phương trình: 2. M th (1 + a.sth ) M= xác nh a và sth ta thay các s li u t i i m s sth + + a.sth sth s ng n m ch s thu ư c h 2 phương trình và gi i ra ta t ư c... 0,6 7 E2nm V I2 1 12 181 20 6 1 72 225 28 0 322 185 24 5 27 5 m A 4,3 1 3,7 1 6,6 4 2, 5 6 1,0 6 7,5 7 6,5 155 153 23 0 J kgm2 0,0 21 0,0 49 0,0 67 0 ,2 15 0,5 0 1,0 25 1,4 0 4 ,2 5 5 ,2 5 1 0,3 5 Bài 3 Nghiên c u các ch làm vi c tr ng thái ng cơ và tr ng thái hãm ng năng c a ng cơ m t chi u kích t song song S li u cho trư c: ng cơ 10kW, 22 0V, 54A, 970vòng/phút, Rư = 0,3 5Ω; i n tr cu n kích t Rkt = 140Ω 1) D ng các TC khi có i n... hãm, g m dòng i n m t chi u Imc c p vào cu n dây stato và i n tr ph Rh n i vào m ch rôto c a ng cơ sao cho mômen hãm c c i t ư c Mhmax = 2, 5 M m và hi u qu hãm cao S li u cho trư c: ng cơ 11kW, 22 0V, 953vg/ph, λ = 3,1 ; cosϕ m = 0,7 1; cosϕ0 = 0 ,2 4 (không t i); I1 m = 2 8,4 A; I1.0 (không t i) = 1 9 ,2 A; R1 = 0,4 15Ω; X1 = 0,4 65Ω; E2nm = 20 0V; I2 m = 3 5,4 A; r2 = 0,1 32 ; X2 = 0 ,2 7Ω; Ke = 1,8 4 áp án: Rh = 1,3 08 ,. .. 0,0 7 0,0 7 0,0 7 0,1 6 0,1 25 0,4 0,5 0,5 1,0 1 ,2 30 GV: Hà Xuân Hòa October 7, 20 06 Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n) Bài 2 Xác nh thông s c a ng cơ xoay chi u không ng b rôto dây qu n Cho trư c các s li u catalog Yêu c u xác nh các i lư ng: mômen (cơ) nh m c M m; trư t nh m c s m; * h s bi n áp Ke, h s quy i i n tr và i n kháng Kr, R2 m, R2 , R 2, R2 , Xnm, Xnm , mômen kh i ng; phương trình. .. 0 s dm | β |= 22 GV: Hà Xuân Hòa October 7, 20 06 Môn h c: i u khi n 2. 4.4 Các M= ng cơ i n (Truy n ng i n) c tính nhân t o 2 3U1 R '2 / s 2   R '2  2  R1 +  + X 'nm  ω0  s       = 2 3U1 R '2 / s 2 f p 2  2 R '2   R1 +  + (X1 + X '2 )   s       ⇒ M = f(s) : U 1, f, p, R 2, R 1, X1 và X2 Do f2 = sf1 nh nên thay i X2 ít hi u qu ⇒ không dùng a) H c tính thay i R2 (h c tính bi... 1 = 2 + µ ng yên Vi t theo modul:    1 1 + I1 = U 1  2 2 2   R µ + Xµ R '2   R1 +  + X2 nm   s     - Khi không t i lí tư ng, s = 0 thì I1 = Iµ =        U1 2 2 R µ + Xµ - Khi ng n m ch s = 1, thì I1nm = Iµ + I2nm 2. 4 .2 c tính cơ Công su t i n t chuy n t stato sang rôto: P 12 = Pcơ + ∆P trong ó P 12 = M t.ω0 Pcơ = M.ω M t≈M ∆P ≈ 3.I2 2. R2’ ⇒ Mω0 = Mω + 3.I2 2. R2’ hay 3.I2 2. R2’ =... − ω ω0 v i ω0 = U1 I '2 = ng b , i lư ng t c ư c bi u th 2 f p ⇒ I2’= f(s) 2  2 R '2   R1 +  + (X1 + X '2 )  s    trong ó X1 + X2’ = Xnm R2’= R2.Ke2; X2’= X2.Ke2; Ke = xác E1 E 2 nm.f - h s bi n is c i n ng c a dây qu n stato và rôto (giá tr pha ), và có th nh g n úng: 19 GV: Hà Xuân Hòa October 7, 20 06 Môn h c: i u khi n K e ≈ 0,9 5 ng cơ i n (Truy n ng i n) U1 E 2nm.f E2nm.f - s c i n ng pha... Khi thay i Rf m ch rôto thì s th = và M th = R '2 2 R1 + X 2 nm [ = ' r2 + R 'f 2 R1 + X 2 nm 2 3U1 2 2ω0 R1 + R1 + X 2 nm ≡ Rf ] = const ω0 = const b) H c tính thay Khi thay i U1 thì ω0 = const s th = M th = i i n áp stato R '2 2 R1 + X 2 nm [ = const 2 3U1 2 2ω0 R1 + R1 + X 2 nm 2 ]  U  2 = M th.tn  1  ≡ U1 U   dm  23 GV: Hà Xuân Hòa October 7, 20 06 Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i . 24 1,7 – 23 0,3 = 1 1,4 [rad/s] % 7,4 %100. 7 ,2 41 4,1 1 %100% 0 c c == ω ω ∆ =ω∆ (< 5%) - Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: ( ) 1 8,3 2 6,0 9 1,0 R k 2 u 2 dm == φ =β . [M nm ,0 ]; hoặc [I nm , 0] cho đặc tính cơ điện tự nhiên. Tốc độ định mức: 3 ,2 30 5 5,9 22 00 5 5,9 n dm dm ===ω [rad/s] Momen định mức: 6 ,2 8 3 ,2 30 1000. 6,6 1000.P M dm dm dm == ω = [Nm]