CHƯƠNG 2.1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN potx

Phân loại đặc tính cơ - Đặc tính cơ tĩnh : mối quan hệ = f M của động cơ trong những trạng thái làm việc xác lậpcủa - Đặc tính cơ động : là qũy tích các điểm có tọa độ Mi , ωi trong th

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN

§2.1 Các khái niệm cơ bản

I Khái niệm về đặc tính cơ

Hàm ngược thường được sử dụng trong việc tính toán giải tích

2 Phân loại đặc tính cơ

- Đặc tính cơ tĩnh : mối quan hệ = f (M) của động cơ trong những trạng thái làm việc xác lậpcủa

- Đặc tính cơ động : là qũy tích các điểm có tọa độ ( Mi , ωi ) trong thời gian của quá trình quá

độ hay còn được gọi là qũy đạo pha của hệ

- Đặc tính cơ điện : Là mối quan hệ giữa tốc độ của động cơ và dòng điện phần ứng hoặc mạchđộng lực

n = f (I) hoặc = f(I)

Đặc tính cơ điện dùng để đánh giá mức độ chịu tải của động cơ về mặt dòng điện

Đối với đặc tính cơ tĩnh và đặc tính cơ động thì mỗi đặc tính lại được chia làm 2 loại

- Đặc tính cơ tự nhiên : là đặc tính cơ ứng với các thông số của động cơ là định mức

- Đặc tính cơ nhân tạo : là đặc tính cơ thu được khi ta thay đổi các thông số của động cơ

ω

M

M C0

A ω0

Đễ dễ phân biệt thì độ cứng của động cơ ta ký hiệu là β còn của máy sản xuất là βc

II Hệ đơn vị tương đối sử dụng trong truyền động điện

Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế , hoặc so sánh đánh giá các hệ truyền động điện , người ta

thường sử dụng hệ đơn vị tương đối

Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng đơn vi tương đối ta lấy trị số của nó chia cho trị sốcủa đại lượng cơ bản tương ứng đã chọn Trong truyền động điện các đại lượng cơ bản thường chọn

là các đại lượng định mức như :

Uđm , Iđm , ωđm , Mđm Rđm

Để ký hiệu ta dùng dấu * trên các đại lượng đó Ví dụ trị số tương đối của điện áp

6

% .100%

dm

U U

I

I  ; mô men

dm M

- Đại lượng cơ bản của điện trở là điện trở định mức

Với các máy một chiều

 ()

dm

dm dm

I

U R

Với động cơ không đồng bộ ro to dăy quấn thì điện trở định mức của ro to Rđm bao gồm điệntrở của cuộn dây roto ở một pha r2 cộng với điện trở phụ Rf mắc nối tiếp vào mỗi pha sao cho khiroto đứng yên , mạch stato đặt vào điện áp định mức , tần số định mức thì dòng ở mỗi pha có trị

số định mức Khi roto đấu hình sao thì tổng trở định mức ở mỗi pha là

I

E

E2nm : sđđ giữa 2 vành góp khi roto đứng yên còn stato có thông số định mức

I2đm : dòng điện định mức ở mỗi pha của roto

do trong các động cở không đồng bộ x2đm<< Z2đm nên ta có R2đm = Z2đm

Nếu mạch roto đấu tam giác thì điện trở định mức ở mỗi pha tính quy đổi sang đấu sao là

III Đặc tính cơ của máy sản xuất

Trong thực tế sản xuất có nhiều loại máy sản xuất khác nhau , tuy nhiên đặc tính cơ của chúng có thểbiểu diễn bằng biểu thức tổng quát sau

x

dm

c c cdm c

Mco : Mô men cản trên trục máy sản xuất ứng với tốc độ ω=0

Mcđm : Mô men cản trên trục máy sản xuất ứng với tốc độ ωđm

x : số tự nhiên đặc trưng cho từng đặc tính

3 Với x=2 Mc tỷ lệ với bình phương tốc độ

Mô men cản dạng này thường xuất hiện trong các bơm ly tâm , quạt gió

4 Với x= -1 Mc tỷ lệ nghịch với tốc độ

Thường có trong các máy cắt gọt kim lọai

IV Các trạng thái làm việc xác lập của truyền động điện

1 Khái niệm về trạng thái làm việc xác lập

Hệ thống truyền động điện làm việc ở trạng thái xác lập khi mô men quay của động cơ cân bằngvới mô men cản, nghĩa là :

Mđg = Mđ - Mc = 0Trong trạng thái làm việc xác lập tốc độ của động cơ không đổi và không phụ thuộc thời giannghĩa là  0

dt

d

Vì mô men của động cơ trong chế độ tĩnh là một hàm của tốc độ nên sự cânbằng Mđ=Mc chỉ tồn tại khi mô men cản cũng là một hàm của tốc độ hoặc có trị số không đổi.Nếu mô men cản lại phụ thuộc vào các đại lượng khác thì điều kiện xác lập không bao giờ tồn tại

mà chỉ có trạng thá tựa xác lập Trong trạng thái tựa xác lập giá trị tức thời của mô men và tốc

độ đều thay đổi , còn giá trị trung bình của mô men động cơ và mô men cản bằng nhau do giá trịtrung bình của tốc độ không đổi

Theo quy ước về dấu của các mô men trong phương trình chuyển động thì ở trường hợp mô menđộng cơ cùng chiều tốc độ còn mô men cản ngược chiều tốc độ , các đặc tính cơ của động cơ vàcủa máy sản xuất được biểu diễn trên cùng một góc phần tư của mặt phẳng tọa độ Giao điểm Acủa chúng chính là điểm làm việc xác lập của hệ

Là trạng thái mà mô men của động cơ ngược chiều với tốc độ nghĩa là M ω <0 Trong trạngthái này máy điện làm việc như một phanh hãm mô men hãm được sinh ra do quá trình biến đổingược năng lượng từ cơ ra điện

I “ Đ “ Trạng thái động cơ điện

M , ω > 0 M.ω > 0

II “ MF “ Trạng thái máy phát điện

M <0 , ω > 0 M.ω < 0

III “ Đ “ Trạng thái động cơ điện

M < 0 , ω < 0 M.ω > 0

IV “ Đ “ Trạng thái máy phát điện

M > 0 , ω < 0 M.ω > 0

V ổn định tĩnh và tiêu chuẩn ổn định tĩnh

Trạng thái xác lập của hệ truyền động điện là Mđ = Mc , đặc trưng cho trạng thái này là mô men

và tốc độ không đổi Đây có thể được xem làmột trạng thái cân bằng của hệ thống truyền độngđiện đối với tọa độ Trạng thái cân bằng này có thể bị phá vỡ nếu những thông số trong hoặcngoài của hệ thống thay đổi như : Điện áp lưới , sự biến thiên của phụ tải

Sau khi trạng thái cân bằng cũ bị phá vỡ hệ thống có thể xác lập được một trạng thái cân bằngmới hoặc không thể xác lập được trạng thái cân bằng nào

Quá trình cân bằng có thể được chia làm hai loại :

- Quá trình diễn biến nhanh nên bắt buộc phải xem xét đến quán tính điện từ và quán tính cơhọc của hệ Độ ổn định tương ứng của loại này gọi là ổn định động

- Quá trình diễn biến chậm đến mức có thể bỏ qua quán tính điện từ và quán tính cơ học của hệ, nghĩa là chỉ cần quan tâm đến trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ Dộ ổn định tươngứng với loại này gọi là độ ổn định tĩnh của hệ thống truyền động điện

Phát biểu về tiêu chuẩn ổn định tĩnh :

“ Điều kiện cần và đủ để một trạng thái xác lập của hệ thống truyền động điện ổn định là gia số tốc

độ , đặc trưng cho hiện tượng mất cân bằng và mô men động xuất hiện khi đó phải ngược dấu nhau ,nghĩa là  0

d M M

c c

Thì điểm xác lập của hệ là ổn định tĩnh Theo tiêu chuẩn ổn định tĩnh ta xét cho truyền động dùngđộng cơ không đồng bộ với các dạng tải khác nhau

Trong lý thuyết hệ thống có thể làm việc ở điểm 1 và 2 nhưng điểm 2 có độ dự trữ ổn định kém ,

độ trượt lớn , tổn hao nhiều

2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

I Thành lập phương trình đặc tính

1 Đặc điểm

Đặc điểm của động cơ là dòng điện kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vàođiện áp và điện trở mạch kích từ

Để đảm bảo các điều kiện như trên thì ta mắc động cơ theo các cách sau:

- Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc // vớimạch phần ứng

k : hệ số cấu tạo động cơ

Thay vào và biến đổi ta được

I

k

R R k

I

Đây là các phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ ở dạng thường và dạng tương đối

Mặt khác Mđt của động cơ được xác định theo biểu thức

k

R R

k

U

2 ) ( 

M

k

R R k

U l u f

2 ) ( 

nm f

u

l

M I

k M

I R

R U I

Inm và Mnm là dòng điện và mô men ngắn mạch

Từ các phương trình trên mối quan hệ  =f(M) và = f(I) được biểu diễn như hình sau:

II Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

1. ảnh hưởng của thông số Rf

Giả thiết rằng Ul = Uđm ,  = ddm , muốn thay đổi điện trở tổng của mạch phần ứng ta thayđổi Rf

Trong trường hợp này ta có

const

k

U dm

k d

dM

f u

R

k )2( 

  có giá trị là lớn nhất

ở hệ đơn vị tương đối *

u tn

R





Như vậy khi thay đổi điện trở Rf ta được một họ đặc tính như trên hình vẽ

12

2 ảnh hưởng của điện áp Ul

Giả thiết rằng Rf = const ,  = ddm ,khi thay đổi điện áp phần ứng ta có

Tốc độ không tải lý tưởng Var

k

U dm

k d

dM

f u

3 ảnh hưởng của từ thông kích từ 

Giả thiết rằng Rf = const , U= Udm ,khi thay đổi từ thông kích từ kt ta có

Tốc độ không tải lý tưởng Var

k d

dM

f u

III Phương pháp xây dựng đường đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo

Để xây dựng được đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song ) tacần biết các thông số sau đây

Pđm ,Uđm , Iđm ,nđm ,Rư , đm

1 Cách dựng đường đặc tính cơ điện , cơ tự nhiên

Vì các đường đặc tính cơ là các đường thẳng cho nên khi xây dựng đường đặc tính cơ ta chi cầnxác định 2 điểm đặc biệt : Điểm không tải và điểm làm việc định mức

a Đặc tính cơ điện tự nhiên

- Điểm không tải có tọa độ [ I = 0 ;    0] trong đó các điểm này được xác định như sau :

dm

u dm dm dm dm dm

R I U k

k U

- Điểm định mức có tọa độ [ I = Iđm ;   dm] trong đó các điểm được xác định như sau :

55 , 9

dm dm

n



b Đặc tính cơ tự nhiên

- Điểm thứ nhất được xác định như trong đặc tính cơ điện

- Điểm thứ 2 có tọa độ [ M = Mđm ;   dm] trong đó

dm

dm dm

P M

Trong đó giá trị của ntdm được xác định như sau

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có

dm

u dm dm dm

k

R I U

k

R R I U

f u dm dm dm ntdm

R I U

R R I U

dm dm

dm dm

dm x

k

U k

ntdm

k

R I

k

R I

- Với đặc tính cơ :

Điểm thứ nhất được xác định như ở trên

Điểm thứ 2 ứng với Mđm ta cần xác định độ sụt tốc độ tương ứng 2

)( x

u dm tndm

k

R M

dm dm

I

U

r 0,5(1  ) 0,5(1  )

và trong các phương trình thường lấy Rư = rư

IV Khởi động và cách xác định điện trở khởi động cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập

dm

dm u

I I

I

U R

)2520(

)05,004,0(

dm

R R

U

I  (  2 2 , 5 )



Điện trở này sẽ được cắt đần ra khỏi mạch phần ứng trong quá trình khởi động.Ta có sơ đồkhởi động như sau ( 1K, 2K ,3K là các tiếp điểm khống chế quá trình khởi động

16

Phương pháp này được tiến hành theo các bước sau đây:

-Dựa vào các thông số của động cơ tiến hành dựng đường đặc tính cơ tư nhiên

-Chọn 2 giới hạn chuyển đổi của dòng điện khởi động : Giới hạn dòng điện trên I1 được chọnđảm bảo điều kiện phát nóng của động cơ

I1  ( 2  2 , 5 )I dm

Dòng điện chuyển cấp I2 được chọn để không làm giảm thời gian khởi động

I2  ( 1 , 1  1 , 3 )I dmhoặc Ic

-Đặt I1 , I2 lên trục hoành , từ I1 , I2 kẻ 2 đường dòng song song với trục tung cắt đường đặc tính

cơ tự nhiên tại 2 điểm a,b Từ điểm b kẻ đường song song với trục hoành cắt đường dóng I2 tại c Nối 0,c ta được đường đặc tính biến trở thứ 1 Đặc tính này cắt đương dóng I1 tại d Tại d lại

kẻ đường song song với trục hoành cắt đường dóng I2 tại e Nối 0, e ta được đặc tính biến trởthứ 2 Tiếp tục làm như vậy cho đến khi đồ thị thỏa mãn các điều kiện sau :

+ Số đặc tính biến trở bằng số cấp khởi động m yên cầu

+ Đặc tính biến trở cuối cùng phải cắt trục hoành tại điểm I1 ứng với  0

n

I

b c

d e

f g

h I1 I2

- Xác định giá trị của các cấp điện trở khởi động

Từ  0 kẻ đường song song với trục hoành cắt đường dòng I1 tại i

ứng với I1 trên đặc tính cơ điện tự nhiên ta có :

I1

k

R u tn



Trên đặc tính biến trở 1 ta có

u

tn

tn nt

R















1

Từ đồ thị ta có f u R u

ib

bd R ib

ib id

R 1    Tương tự với các đặc tính biến trở khác ta có

u u f u u f R ib fh R ib if ih R R ib df R ib id if R       3 2 b Phương pháp giải tích Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở , đường đặc tính dốc nhất là đường thứ m , lần lượt là m-1

Điện trở phụ tại mỗi cấp là rf1 , rf2 , rfm và điện trở tổng với mỗi đặc tính là R1 = Rư +rf1 R2 = Rư +rf1 +rf2

Rm-1 = Rư +rf1 +rf2 + rf(m-1) Rm = Rư +rf1 +rf2 + rf(m-1)+rfm Tại điểm g trên đường đặc tính ta có m m dm R E U I2   Tại điểm f

1 1    m m dm R E U I Em là sdd của động cơ ứng với gf Tiến hành lập tỉ số I1/I2 ta có I1/I2 = Rm/Rm-1 Tương tự với các cấp khác ta có :

u m m m m R R R R R R I I 1 2 1 1 2 1    

   Đặt  2 1 I I là bội số dòng điện khởi động ta có

u m m m m R R R R R R I I 1 2 1 1 2 1    

     Ta rút ra được

u m m m u u u R R R R R R R R R R R                1 3 2 3 2 1 2 1

- Nếu biết số cấp điện trở khởi động m , Rm ,Rư ta tìm được bội số dòng điện kđ m u dm m u m I R U R R 1    trong đó Rm = Udm/I1 - Nếu biết , Rm,Rư ta xác định được m





1 lg lg

1 lg lg

1

*

* 1

R R

R

m







Khi đó trị số các cấp điện trở khởi động được xác định như sau :

18

u m

m m

m

u

u f

u u

f

R R

R

r

R R

R

r

R R

R

r

R R

R

r

) 1 (

) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 1 1 2 2 3 3 1 2 2 1 1                          Việc xác định số cấp điện trở khởi động được tính toán cụ thể như sau : +.Cho m , yêu cầu khởi động nhanh ta có thể tiến hành như sau : - Chọn I1 = 2.5Iđm và tính Rm = Uđm/I1 - Tính  - Xác định các cấp điện trở cần thiết rf1, rf2, rfm. + Cho m , yêu cầu khởi động bình thường ta có thể tiến hành như sau : - Chọn giới hạn dưới của dòng điện khởi động I2=(1.1 –1.3)Ic hoặc Iđm - Các định  theo biểu thức 1 * 2 * 1 2 1     m u m u dm M R I R U  - Từ  xác định trị số cấp điện trở cần thiết + Cần xác định số cấp điện trở khi không biết m : - Tùy theo yêu cầu chọn chế độ khởi động ( bình thường , êm hoặc không êm ) và xác định I1 hoặc I2 - Tính  - Xác định m theo biểu thức    lg 1 lg lg 1 lg lg lg * 1 * * 1 *I R M R R R m u u u m    - Nếu m không nguyên chọn lại I1 hoặc I2 và tính lại - Xác định trị số của các cấp điện trở khởi động V Các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ độc lập Hãm là một trạng thái mà mô men động cơ sinh ra ngược lại với chiều quay của rotor Động cơ điện có 3 trạng thái hãm : Hãm tái sinh , hãm ngược và hãm động năng 1 Hãm tái sinh Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của ro to lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng nhờ phụ tải có tính thế năng Khi hãm E > U động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới Trong chế độ này dòng điện và mô men đổi chiều

0

0 0





















h h

l h

I k M

R

k k

R

E U

Phương trình đặc tính cơ trong quá trình hãm là

h M h

k

R I

k

R

2 0

0

) ( 











Đặc tính cơ được biểu diễn trên hình

a Các trương hợp xảy ra hãm tái sinh

- ở những hệ có điều chỉnh tóc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào phầnứng động cơ, HTS xảy ra trên những đoạn đặc tinh mà điện áp phần ứng có trị số nhỏ hơnsdd của nó H1

- ở nhưng hệ TDD có tải thế năng , HTS xảy ra khi hạ tải với tốc độ lớn hơm tốc độ khôngtải

a Đưa thêm điện trở phụ có giá trị đủ lớn vào trong mạch ro to

Khi đó mô men ngắn mạch của đặc tính biến trở nhỏ hơn mô men cản

P P P

P

dt

dt dt

d     1  2





Giả sử động cơ đang nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a trên đặc tính , khi đưa thêm điện trởphụ vào mạch phần ứng động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biến trở Tại b do mômen của động cơ nhỏ hơn mô men cản nên nó giảm tốc , tải vẫn được nâng lên với tốc độ giảm dần.Đến c tốc độ bằng 0 do mô men của động cơ nhỏ hơn mô men cản nên mô men cản bắt rô to quayngược lại, tải được hạ với tốc độ tăng dần.

Tại d do mô men động cơ cân bằng với mô men cản nên tải được hạ với tốc độ không đổi

Đoạn hãm ngược là doạn cd trên đường đặc tính

h h

f u

h l

f u

l h

I k M

R R

I k U R R

E U I

UlI + M=(Rư + R f )I2

Phương trình dặc tính cơ là phương trình biến trở

b.Đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng

Sơ đồ hãm có dạng như sau

Đặc tính và quả trình hãm được chỉ ra trên hình vẽ

n

Mc1 Mc2

n01

n02

a b

c d

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên với phụ tải là Mc ta tiếnhành đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng , động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đường đặctính theo chiều ngược lại Tại b do quán tính ro to vẫn quay theo chiều cũ nhưng tốc độ giảm dần.Taị c tốc độ động cơ bằng 0 , nếu ta cắt động cơ ra khỏi lưới thì ro to sẽ dừng , nếu không tốc độđộng cơ sẽ quay tăng dần theo chiều ngược lại và động cơ sẽ làm việc xác lập tại điểm d trên đườngđặc tính Đoạn bc là đoạn hãm ngược

Trong giai đoạn hãm ngược do điện áp đổi cực tính nên