Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện ppt

Chương 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN2.1 Khái niệm chung 2.2 ĐTC của động cơ điện một chiều kích từ độc lập song song 2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 2.4 ĐTC của độ

Chương 2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung

2.2 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập (song song)

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

2.5 Các đặc tính công tác của động cơ

đồng bộ

2.1 Khái niệm chung

• Khi đặt 2 ĐTC của động cơ M(ω) và của

máy sản xuất Mc(ω) lên cùng một tọa độ ta

có thể xác định được trạng thái hoạt động

của động cơ hoặc của hệ:

+ Trạng thái xác lập.

+ Trạng thái quá độ.

+ Trạng thái động cơ.

+ Trạng thái hãm6

2.1 Khái niệm chung

• Đơn vị tương đối:

- Đại lượng cơ bản thường được chọn:

I

dm

MM

R

=

Câu hỏi

• Mỗi máy sản xuất có bao nhiêu ĐTC tải,

có thể thay đổi được không?

• Mỗi động cơ có bao nhiêu ĐTC tự nhiên,

bao nhiêu ĐTC nhân tạo?

• Khi động cơ kéo tải, số điểm làm việc ổn

định là bao nhiêu?

• Vậy làm thế nào có thể điều khiển/thay đổi

trạng thái của hệ trong mặt phẳng [M,ω]?

2.2 ĐTC của động cơ điện một chiều kích từ

2 a

= π

b) Cấu trúc của động cơ

b) Cấu trúc của động cơ

Khi mạch từ đã xác lập k φ =const:

d) Đường đặc tính cơ và đường đặc

d) Đường đặc tính cơ và đường đặc tính cơ điện

− f −

−

.I k

=ω

hay

U k

dm tn

−

kR

φ

−

1 R

β =

2.2.3 Đặc tính tự nhiên

• Ở đơn vị tương đối: φ = φđm⇒φ* =1 ⇒M* =I*

⇒ phương trình ĐTC tự nhiên ở đơn vị tương đối:

ω* = 1 - Rư*.I* = 1 - Rư*.M*

- Vẽ ĐTC tự nhiên từ các số liệu catalog

• Từ nhãn máy hoặc catalog ta thường biết các số liệu

- Vẽ ĐTC tự nhiên từ các số liệu catalog

3 I M

φ φ ⇒ Rfư, Uư, φ có thể thay đổi.

a) Đặc tính nhân tạo “biến trở”: (Uư= Uđm, φ = φđm)

φ φ

2.2.4 Các đặc tính nhân tạo

®m nt

φφ

∆ω =

φφ

- Độ cứng ĐTC: ( )2

2

k

~Rφ

3 Dựa vào các ĐTC cơ nhân tạo, hãy đưa ra các phương

pháp khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập

4 Dựa vào các ĐTC cơ nhân tạo, hãy đưa ra các phương

pháp thay đổi tốc độ động cơ một chiều kích từ độc

lập

5 So sánh các ĐTC nhân tạo?

Bài tập 2-2

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

Đáp án

Bài tập 2-3

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

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

một chiều kích từ độc lập

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|

- 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 (Iư) và ω cùng chiều => Pcơ= M.ω = Mc.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 + M (Iư)

và ω ngược chiều => Pcơ = M.ω = Mc.ω < 0

+ Động cơ làm việc ở các góc ¼ thứ II (ω>0; M và I < 0)

và góc ¼ thứ IV (ω<0; Mvà I>0)

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

B

Đ

C

P cơ M.ωω

P đ U.I

∆

∆P đ Chế độ hãm tái sinh

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

một chiều kích từ độc lập

|I

|.k

Rk

U

u u u

U

2 u u

M M

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

P đ U.I

( )k .M

RRk

U

2 fu u u

φ

+

−φ

∆

k

U M

k

R

0 2

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

P đ U.I

( )k |M|

R R k

| U

|

2 fu u u

φ

+ + φ

.M

k k

+

φ φ

, M <0

2.2.5 Các trạng thái hãm của động cơ

I k

R R

2 h u

u h u

φ

+

−

= φ

2

R R

• Động cơ đang làm việc tại điểm A, muốn đưa trạng

thái của động cơ qua điểm B, C, D, E, thì làm thế

năng động cơ điện một chiều kích từ song song

với yêu cầu mômen hãm lớn nhất Mhmax =

2.Mđm Trước khi hãm động cơ làm việc ở

Momen (dòng điện) hãm lớn nhất sẽ tại thời điểm ban đầu

của quá trình hãm, ngay khi chuyển đổi mạch điện làm việc

sang mạch hãm động năng

Ví dụ

Ihmax = Ihbđ hay Mhmax= Mhbđ

Vì φ = φđm = const nên để đảm bảo Mhmax= 2 Mđmthì

70

9,210I

EI

kI

.k

R

hbd

a hbd

a u

ut

Vậy điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng là:

Rh= Rut– Ru= 3,01 – 0,26 = 2,75 [Ω]

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

2.3.1 Phương trình và dạng đặc tính cơ của động cơ một

chiều kích từ nối tiếp

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

2.3.1 Phương trình và dạng đặc tính cơ của động cơ một

chiều kích từ nối tiếp

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

φ ≈ c.Ikt= c.I

BI

AI.I.c.k

RRI

U

A1 =

c k

R R

B u + f

= A2 = A1 k c

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

Khi M/I → ∞: ω→ -B, tiệm cận ngang ω=-B

Khi M/I → 0: ω→ +∞, tiệm cận đứng M=0, I=0

2.3 ĐTC của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

2.3.2 Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ

nối tiếp

ω* = ω/ωđm

2.3.2 Đặc tính vạn năng của động cơ một

chiều kích từ nối tiếp

I*33

I*22

I*11

ω = ω*.ωđm

M = M*.Mđm

I = I*.Iđmω*

M*

I*

TT

I*

2.3.3 Đặc tính nhân tạo của động cơ một

chiều kích từ nối tiếp

k

R.IU

nt

k

)RR.(

IU

2.3.3 Đặc tính nhân tạo của động cơ một

chiều kích từ nối tiếp

Chia từng vế 2 công thức bên ta được:

u 1

f u 1 1

1

nt

RIU

)RR(IU

−

+

−ω

=

ω

Như vậy với I1 đã chọn và ω1 tra được trên đặc tính cơ tự

nhiên, sẽ tính được giá trị ωnt1 trên đường đặc tính cơ nhân

tạo cần tìm

Làm tương tự với các giá trị I2, I3,… ta sẽ có ωnt2, ωnt3,… và

cuối cùng ta vẽ được đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ Rf

2.3.4 Các trạng thái hãm của động cơ

một chiều kích từ nối tiếp

Do ω0 -> ∞ nên động cơ một chiều kích từ nối tiếp không có

hãm tái sinh

a) Trạng thái hãm ngược: xảy ra khi tốc độ quay của động cơ

ngược chiều với tốc độ không tải lí tưởng (ω0= +/- ∞)

2.3.4 Các trạng thái hãm của động cơ

một chiều kích từ nối tiếp

c

2.3.4 Các trạng thái hãm của động cơ

một chiều kích từ nối tiếp

b) Trạng thái hãm động năng (ωo = 0):

2.3.5 Nhận xét về động cơ một chiều kích từ

nối tiếp

- Về cấu tạo, động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn

kích từ chịu dòng lớn, nên tiêt diện to và số vòng ít Nhờ

đó dễ chế tạo hơn và ít hư hỏng hơn so với động cơ một

chiều kích từ song song.

- Có khả năng quá tải lớn về mômen Khi có cùng hệ số

quá tải dòng k I thì mômen của động cơ kích từ nối tiếp

lớn hơn k I lần so với mômen động cơ kích từ song song.

- Mômen không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải

điện.

- Có khả năng tự điều tiết giá trị tốc độ khi phụ tải thay

đổi để giữ cho công suất động cơ gần như không đổi nhờ

đặc tính cơ dạng hybecbol.

2.3.6 Đặc điểm, đặc tính cơ và các trạng thái

hãm của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

2.3.6 Đặc điểm, đặc tính cơ và các trạng thái

hãm của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

• Các trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược và hãm

động năng

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

2.4.1 Đặc tính cơ điện ω = f(I1) hoặc ω = f(I2)

Ở đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ không đồng

bộ, đại lượng tốc độ được biểu thị thông qua đại lượng “hệ

số trượt” s:

0

0s

ω

ω

− ω

π

=ω

với

Với g/t 3 pha đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở,

điện kháng không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất

trong lõi thép, điện áp nguồn đối xứng⇒ sơ đồ thay thế 1

pha:

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

Với U1, X1,

( ' )2 1

2 ' 2 1

1 '

2

2

X X s

R R

U I

+ +

⇒ phương trình Đặc tính cơ-điện viết theo dòng rôto

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

R2’= R2.Ke2;

X2’= X2.Ke2; 2nm.f

1 e

E

E

K =

Ke- hệ số biến đổi sức điện động của dây quấn stato và

rôto (giá trị pha), và có thể xác định gần đúng:

1 e

E2nm.f - sức điện động pha roto khi hở mạch và rôto đứng yên

Biểu thị đặc tính cơ điện theo quan hệ I1 = f(ω):

Đ1= Đ2’ + е

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

Viết theo modul:

+ +

2 2 1 1

X s

R R

1 X

R

1 U

I

- Khi không tải lí tưởng, s = 0 thì I1= Iµ= 2 1 2

X R

+ +

2 2 1 1

X s

R R

1 X

R

1 U I

( ' )2 1

2 ' 2 1

1 '

2

2

X X s

R R

U I

+ +

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

' ' 2

2 2 0

3R I M

=

2 ' nm

2 ' 2 1 0

' 2 2 1

Xs

RR

s/RU3M

⇒ đây chính là phương trình ”đặc tính cơ”

0 s

2 1

' 2 th

X R

R s

3U

M = ±

2.4.2 Đặc tính cơ

TH

2.4.2 Đặc tính cơ

th th

th

th th

s.as

s

s

s

)s.a1(

M

2

M

++

s

M2

M

th th

th

+

= gọi là phương trình Kloss

- Khi chỉ tính toán trong vùng làm việc với phụ tải Mc≤ Mđm,

coi s << sthta bỏ qua thành phần s/sth ta được:

s.s

M

2

M

th th

= (ta đã tuyến tính hoá trong vùng có s nhỏ)

2.4.2 Đặc tính cơ

Ta thấy đường đặc tính cơ có 2 đoạn:

- Đoạn thứ nhất, từ điểm ω0 đến điểm tới hạn TH (s=sth), gọi

việc xác lập trên đoạn này

- Đoạn thứ hai, từ điểm TH đến điểm ngắn mạch (s=1) có

β>0, phi tuyến mạnh, chỉ tồn tại trong giải đoạn khởi động

hoặc quá độ

• Ứng với mỗi đường ĐTC Mc(ω) tồn tại tối đa bao nhiêu

điểm cắt với ĐTC của động cơ KĐB?

2.4 ĐTC của động cơ điện không đồng bộ

2.4.3 Dựng đặc tính tự nhiên

Từ số liệu catalog động cơ như Pđm[kW], nđm[vòng/phút],

hệ số mômen cực đại (mômen tới hạn) λ = Mth/Mđm, ta có:

= [vòng/phút] ⇒ ωo

Ở lưới điện có tần số f = 50Hz, vì p là các số nguyên

1,2,3, tương ứng no = 3000, 1500, 1000, Vì vậy tốc độ

không tải lí tưởng có thể được suy ra từ nđmtheo nguyên

tắc làm tròn lên, do sđm thường <0,1 nên nếu nđm= 1485

Như vậy ta đã xác định được 3 điểm trên “đoạn công tác”

của đường đặc tính cơ tự nhiên đó là:

Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác qua điểm không

tải lí tưởng và điểm định mức thì có thể biểu thị đặc tính cơ

2 ' 2 1

2 ' 2 1

' 2 2 1 2

' nm

2 ' 2 1 0

' 2 2 1

XXs

RRp

f2

s/RU3

Xs

RR

s/RU3M

⇒ M = f(s) : U1, f, p, R2, R1, X1và X2

Do f2= sf1 nhỏ nên thay đổi X2ít hiệu quả

⇒ không dùng

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

a) Họ đặc tính thay đổi R 2(họ đặc tính biến trở)

Khi thay đổi Rfmạch rôto thì

f 2

nm

2 1

' f

' 2 2

nm

2 1

' 2

XR

RrX

=

2 1 th

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

b) Họ đặc tính thay đổi điện áp stato U 1

Khi thay đổi U1thì

ωo = const

constX

R

Rs

2 nm

2 1

' 2

+

=

2 2

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

c) Họ đặc tính thay đổi điện trở R 1 và điện kháng X 1 stato

Khi thay đổi R1và X1thì

ωo = const

1 1

2 nm

2 1

' 2 th

X

1,R

1X

X

1 , R 2

1 X

R R 2

U 3

+ +

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

c) Họ đặc tính thay đổi điện trở R 1 và điện kháng X 1 stato

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

d) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p

ωo = 2πf/p, p = 1,2, nên tốc độ từ trường quay thay đổi

nhẩy cấp

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

- Khi giảm f thì E = 4,44KwN1.Φ.f giảm, Z1 = 2πf.L1

giảm Nếu U1vẫn giữ nguyên = Uđmthì dòng điện trong

động cơ:

1 1

1 1

.

Z

EU

= sẽ lớn hơn Iđm

vì vậy khi thay đổi f thì bắt buộc phải điều chỉnh cả U1

- Nếu điều chỉnh f<fđm, ta muốn giữ Mth= const thì:

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

Còn khi điều chỉnh f>fđmta nếu điều chỉnh theo luật

f

U/ = const ta có thể giữ cho động cơ không bị quá tải

về công suất

22

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

a) Hãm tái sinh

- Hạ tải ở các máy nâng hạ (cẩu tháp, vận thăng, cần trục, )

- Giảm tần số dòng điện stato đột ngột

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

b) Hãm ngược

- Thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto R2f(chỉ dùng cho

động cơ rôto dây quấn)

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

b) Hãm ngược

- Đổi thứ tự pha điện áp stato (đảo chiều từ trường quay ωo):

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

c) Hãm động năng

Đường 1, 2 có cùng điện trở R2 nhưng khác nhau về I1

Đường 2, 3 có cùng dòng I1 nhưng khác nhau về R2

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

tốc độ tương đối tới hạn: '

2

' 2

* th

XX

R+

=ω

µ

- Mômen tới hạn hãm động năng

( )

2 2 1 th.®n

3I X

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

c) Hãm động năng

trong công thức này, I1 là dòng điện xoay chiều (giả

tưởng) thay thế cho dòng điện một chiều Imc chạy trong

cuộn dây stato khi thực hiện hãm động năng

( )

2 2 1

3I X M

µ µ

=

I1= A.Imc

A được xác định theo cách đấu các cuộn dây stato:

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

c) Hãm động năng

2.4.5 Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

c) Hãm động năng

Ta cũng có thể lấy Imc từ nguồn do chính động cơ phát ra

thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto hoặc bộ tụ điện ở mạch

stato Các sơ đồ này gọi là “hãm động năng tự kích”

Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo

của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn động cơ

850kW, 6000V, no=600vg/ph, nđm= 588vg/ph, λ = 2,15;

E2nm= 1150V, I2đm = 450A Với điện trở phụ mỗi pha

roto Rfcho theo bảng dưới đây:

Bài tập 1:

0,50,40,30,20,1Giá trị Rf(Ω)

54321Phương án

Bài tập 2:

Bài tập 2: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và

xác định các thông số hãm, gồm dòng điện một chiều Imc

cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rhnối vào mạch

rôto của động cơ sao cho mômen hãm cực đại đạt được

Mhmax= 2,5Mđmvà hiệu quả hãm cao

Số liệu cho trước: Động cơ 11kW, 220V, 953vg/ph,

λ = 3,1; cosϕđm = 0,71; cosϕo = 0,24 (không tải);

I1đm = 28,4A; I1.0(không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω;

X1= 0,465Ω; E2nm = 200V; I2đm= 35,4A; r2 = 0,132Ω;

X2= 0,27Ω; Ke = 1,84

2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ

2.5.1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ

H 0

2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ

2.5.2 Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

M = f(θ), θ - là góc lệch pha giữa E và Ul

nếu bỏ qua r1 (≈0)0H = Ul cosϕ = E.cos(ϕ-θ)

s

U sin CB

Vế trái chính là công suất

của 1 pha động cơ

Bài tập cuối chương 2

Bài 1: Xác định các thông số của động cơ một chiều kích

từ song song Số liệu cho trước là các thông số catalog

Yêu cầu xác định: Từ thông định mức (hoặc kφđm), Iưđm,

Mđm (mômen cơ), mômen điện từ định mức Mđt.đm, điện

trở phần ứng Rư, điện trở định mức Rđm, Rư*, độ sụt tốc

ứng với tải định mức ∆ωc và ∆ω*

c; tốc độ không tải lý tưởng ωo, dòng điện ngắn mạch Inm, mômen ngắn mạch

Mnm, độ cứng ĐTC tự nhiên β và β*; phương trình ĐTC

và ĐT cơ-điện tự nhiên ở hệ đơn vị tuyệt đối và tương đối,

vẽ ĐTC ở đơn vị tuyệt đối và đơn vị tương đối Số liệu

cho trước:

Bài tập cuối chương 2

1,0 0,87

1580 220

33,5 9

0,5 0,86

1500 220

21 8

0,5 0,84

1050 220

13,5 7

0,4 0,83

1560 220

15 6

0,125 0,87

2250 220

10 5

0,16 0,85

1500 220

9 4

0,07 0,80

1000 220

2,5 3

0,07 0,85

1500 220

4,4 2

0,07 0,85

2200 220

6,6 1

J, kgm 2

ηđm

nđm, vg/ph

Uđm, V

Pđm, kW

Thông số Phương

án

Bài tập cuối chương 2

Bài 2 Tính toán các thông

D và E Biết các điểm này

có toạ độ ở đơn vị tương

B

C

DE

McM

Bài tập cuối chương 2

Bài 3 Xác định thông số của động cơ xoay chiều không

đồng bộ rôto dây quấn Cho trước các số liệu catalog Yêu

cầu xác định các đại lượng: mômen (cơ) định mức Mđm; độ

trượt định mức sđm; hệ số biến áp Ke, hệ số quy đổi điện

trở và điện kháng Kr, R2đm, R2*, R2, R2’, Xnm, Xnm’,

mômen khởi động; phương trình ĐTC dạng Kloss, vẽ ĐTC

tự nhiên Số liệu cho trước: