CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Để phục vụ tốt cho việc dạy và học môn học truyền động điện, tập thể tác giả Khoa Điện - Tự động hóa đã tìm hiểu, đúc kết và biên soạn ra cuốn “Truyền động điện”, với nội dung bám sát đ

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện là học phần rất quan trọng đối với sinh viên ngành Điện nói chung, đặc biệt là sinh viên ngành điều khiển và tự động hóa Để phục vụ tốt cho việc dạy

và học môn học truyền động điện, tập thể tác giả Khoa Điện - Tự động hóa đã tìm hiểu, đúc kết và biên soạn ra cuốn “Truyền động điện”, với nội dung bám sát đề cương môn học và đã được hội đồng xét duyệt nhà trường thông qua

Nội dung bài giảng gồm 5 chương :

Chương 1 Các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện

Chương 2 Trình bày các đặc tính cơ của các động cơ điện thông dụng

Chương 3 Trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ của các hệ truyền động điện, các động cơ điện

Chương 4 Trình bày các phương pháp tính chọn cơ bản các động cơ điện cho các hệ truyền động điện thông dụng

Chương 5 Giới thiệu và phân tích các hệ thống truyền động điện một chiều và xoay chiều thông dụng trong công nghiệp

Bài giảng được dùng làm tài liệu học tập chính cho sinh viên cao đẳng ngành điều khiển và tự động hóa Ngoài ra cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến lĩnh vực này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các bạn đọc Mọi ý kiến thắc mắc xin gửi về Khoa Điện- Tự động hóa, trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Các tác giả

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

1.1 Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ)

1.1.1.Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động:

1.1.1.1 Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động:

Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

1.1.1.2 Cấu trúc chung:

Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh

GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành

Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại),

bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho

người vận hành Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị

tự động khác hoặc với máy tính điều khiển

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và

hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện

tự động nhiều động cơ

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v

1.2 Các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện :

1.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất:

Mc = f() (1.1) + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:

(1.2) Trong đó:

Mc - mômen ứng với tốc độ 

Mco - mômen ứng với tốc độ = 0

Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số MSX

+ Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải:

- Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, (1)

Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn

máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, (2)

- Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở…(3)

- Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén,…(4)

* Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như:

thuộc loại này

- Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(,s) như các loại xe điện

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện:

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:

M = f() (1.3)

* Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:

+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên

+ Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ nhân tạo

Độ cứng đặc tính cơ:

+ Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính

cơ ” và được tính:

(1.4) nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:

1.2 3 Trạng thái làm việc của hệ TĐĐ TĐ

+ Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện

Bảng 1-1: Trạng thái làm việc hệ truyền động điện

TT Biểu đồ công suất P điện P cơ  P Trạng thái làm việc

1 P điện = 0 = Pđiện - Động cơ không tải

Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó

có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công

Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay

Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều

kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản

xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ

+ Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ là:

Pđ = Pc + Pđ (1.6) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; P là tổn thất công suất

- Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng  (M)

- Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng

- Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới

- Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P

- Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất P

* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M,  ]:

Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ] hình 1 4

Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M,  ], hình 1 4

Hình 1.4: Trạng thái làm việc của truyền động điện

1.2.4 Tính đổi các đại lượng cơ học :

1.2.4.1 Mômen và lực quy đổi

+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ

+ Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ TĐ:

- Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất:

Ptr = Pc +P (1.7) Trong đó:

Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ

(Mcqđ và đ -mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ)

Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv lv

(Mlv và lv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc)

P là tổn thất trong các khâu cơ khí

* Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:

(1.8)

Rút ra:

i

M M

M

i lv

i

lv lv cqd





* Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi:





lv cqd

F

Trong đó:

 = t i hiệu suất bộ truyền lực

t hiệu suất của tang trống

gọi là tỷ số quy đổi

- Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ:

Ptr = Pc -P (1.11) (tự chứng minh)

1.2.4.2 Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính:

+ Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống:



 n1 i

i

c

i i

)(

.375

2

(1.17) Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s):

dt

dn J

.55,

1.2.6 Điều kiện ổn định tĩnh của hệ TĐĐ TĐ

Như phần trước đã nêu, điểm làm việc ổn định

là giao của hai đặc tính cơ của cơ của động cơ và của

cơ cấu sản xuất: M() và Mc() Tuy nhiên, không

phải bất kỳ điểm làm việc nào như vậy của động cơ

với các loại tải cũng là các điểm làm việc ổn định,

mà đó mới chỉ là điều kiện cần, điều kiện đủ là điểm

giao nhau đó phải thỏa mãn điều kiện ổn định, người

ta gọi là ổn định tĩnh hay là sự làm việc phù hợp giữa

động cơ với tải

Để xác định điều kiện đó, ta dựa vào phương trình

động học tại giao điểm:

Mc M



Hay: (1.20) (1- 23)

Vậy, điều kiện cần và đủ để hệ thống

truyền động điện làm việc ổn định tại

một điểm là: Tại điểm đó phải thỏa mãn

đồng thời hai điều kiện:

Điều kiện 1: MĐ – Mc = 0

Điều kiện 2: Đ - c < 0

Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm

làm việc ổn định không?

Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy:

- Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A:

c

c c

c D

M n

M n

Vậy: D c 0 (1.23)

- Kết luận: Điểm A không thỏa mãn điều kiện đủ, A không phải là điểm làm việc ổn định

Câu hỏi ôn tập

1 Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ?

2 Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ?

3 Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? Lấy ví dụ minh họa

ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ?

4 Mômen cản hình thành từ đâu? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức quy đổi mômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ ?

5 Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức tính quy đổi mômen quán tính từ tốc độ i nào đó về tốc độ của trục động cơ ?

6 Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng

7 Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phản kháng

8 Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất Phương trình tổng quát của nó và giải tích các đại lượng trong phương trình ?

9 Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máy bơm

10 Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơ học đơn khối và giải thích các đại lượng trong phương trình ?

11 Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng M và Mc ?

12 Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ?

13 Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xá định độ cứng đặc tính cơ theo những cách nào ?

14 Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằng những dấu hiệu nào? Lấy ví dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơ cấu mà anh (chị) đã biết ?

15 Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái động

cơ ?

16 Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái máy phát ?

17 Điều kiện ổn định tĩnh là gì ? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh trên tọa độ [M.] và [Mc, ]?

Chương 2

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về đặc tính cơ của các động cơ điện thông dụng và ứng dụng từ các họ đặc tính cơ

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

2.1 Khái niệm chung :

* Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và mômen cơ ở đầu trúc động cơ

gọi là đặc tính cơ của động cơ điện:  = f(M) hay n = f(M) hoặc ngược lại

* Đặc tính cơ của máy sản xuất: Đặc tính cơ của MSX là mối quan hệ giữa tốc độ quay

của MSX (c, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay c = f(Mc) (Mc = f(c)

= f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại

Đơn vị tính: (Rad/s); n(vòng/phút); M, Mc(N.m)

Quy đổi:

3060

* Biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối: Cách biểu diễn các đại lượng như

trên được gọi là biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tuyệt đối (hệ đơn vị có tên, các đại lượng đều có thứ nguyên) Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ ra không thuận tiện Người ta chuyển sang cách biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối (

hệ đơn vị không tên, các đại lượng không có thứ nguyên), nhằm đơn giản hóa việc tính toán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơ với phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc của truyền động điện

Một đại lượng trong hệ đơn vị tương đối được kí hiệu là x* =

cb x

x

(2.2) Trong đó: x: Trị số của đại lượng đó, xcb: Trị số cơ bản của đại lượng đó

Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb,

dm

R R U

U U

U

U

Trong đó:

cb = đm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp

cb = 0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập

cb = 1 = đb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB

: Đối với động cơ điện một chiều

R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ;

Khi rotor đấu sao: R2cbY =

dm

nm I

E

2

2

3 (2.4) Khi rotor đấu tam giác: R2cb = R2cb

2

1

(2.5)

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc sông song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích

từ song song Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 2.2)

2.2.1 Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số

rct : Điện trở tiếp xúc của chổi điện,

(2.7)

 : Từ thông kích từ dưới một cục từ, Wb

 : Tốc độ góc, rad/s,

a

pN K



2

Suy ra:

(2.11)

Biểu thức (2.11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

mômen điện từ: Mđt = Mcơ = M

K

R R K

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

phương trình đặc tính cơ là tuyến tính Chúng được biểu diễn là những đường

thẳng:

a) b)

Hình 2.3: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

+) Ta thấy, khi không tải, lý tưởng coi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:

+) Còn khi ngắn mạch động cơ, tức động cơ được cấp nguồn phần ứng mà rôto

không quay, đây là trạng thái bắt đầu khởi động hoặc mất từ thông động cơ hay cơ cấu

máy sản xuất bị kẹt, 0 ta có:

f u

M K

R R

2





Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mứcdm

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ:

- Từ thông động cơ 

- Điện trở phần ứng động cơ Rư

Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số:

* Ảnh hưởng của điện trở phần ứng và họ đặc tính biến trở:

Giả thiết: U u U dm const

Trong thực tế vận hành, người ta cú thể nối thờm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng

vỡ những mục đớch khỏc nhau, vớ dụ để giảm dũng điện phần ứng, để điều chỉnh tốc độ,

mụ men động cơ Khi đú nhận thấy:

const K

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tớnh biến trở cú dạng như

giảm đồng thời dũng điện ngắn mạch và mụmen ngắn mạch cũng giảm Cho nờn người ta

thường sử dụng phương phỏp này để hạn chế dũng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phớa dưới tốc độ cơ bản

Hình 2.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

* Ảnh hưởng của điện áp phần ứng và

họ đặc tính giảm áp:

Giả thiết: dm const, R u const

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do

đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

* Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết: U u = U đm = const, R ư = const

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ

Trong trường hợp này :





x

dm x

Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

R

U I

u

dm

Mômen ngắn mạch: M nm  Kx I nm var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình a

từ thông tốc độ động cơ tăng lên như hình b

2.2.2 Vẽ các đặc tính cơ

2.2.2.1 Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên :

Vì đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểm của đường thẳng

Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức

 Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 2.7a)

dm dm



  (2.27)

Hình 2.7 : Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b) của động cơ một chiều kích từ độc lập

 Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 2.7b)

vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai Thường chọn là điểm ứng với tải định mức:

- Đối với đặc tính cơ điện:  ứng với Iđm

- Đối với đặc tính cơ :  ứng với Mđm

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (3-6) ta có:

(2.28)

Và phương trình đặc tính biến trở tính được:

(2.29)

Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở như hình vẽ sau:

Hình 2.8: Cách vẽ đặc tính biến trở của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a Đặc tính cơ điện ; b Đặc tính cơ

Thông thường giá trị điện trở phần ứng không ghi trên nhãn máy Do vậy lúc đó ta

có thể tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng Một phương pháp tính gần đúng là dụa vào

mức Coi gần đúng phần tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất Như vậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là:

(2.31)

2.2.2.3 Cách vẽ đặc tính giảm từ thông :

Như phần trên đã nêu khi giảm từ thông, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động

cơ không đồng nhất với nhau, do vậy ta chỉ cần xét riêng từng loại đặc tính

 Đặc tính cơ điện:

Khi giảm từ thông tốc độ không tải động cơ tăng tỷ lệ với độ suy giảm của từ thông,còn dòng điện ngắn mạch giữ không đổi Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta chỉ cần xác định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng với giá trị suy giảm từ thông và điểm còn lại là dòng ngắn mạch

- Gọi độ suy giảm từ thông là

Hình 2.9: Cách vẽ đặc tính khi giảm từ thông

a.Đặc tính cơ điện ; b.Đặc tính cơ

 Đặc tính cơ:

Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay vào giá trị dòng điện ngắn mạch Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng già trị mômen ngắn mạch thay đổi.(hình vẽ 2.9b)

x

M

2.2.3 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm :

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay Trong tất

cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược

và hãm động năng

2.2.3.1 Hãm tái sinh (hãm có trả năng lượng về lưới):

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát địên song song với lưới

So với chế độ động cơ dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:

R

E U

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi

cân bắng với mômen phụ tải của cơ cấu

sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định

với tốc độ 0d o

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm

tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và

thứ tư của mặt phẳng toạ độ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng

điện hãm đổi chiều và công suất được

đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E -

U)I Đây là phương pháp hãm kinh tế

nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu

Có hai trường hợp hãm ngược:

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a Ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở

Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì

mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d, mômen động

cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặc tính hãm ngược Khi hamư ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên:

f u f

u

u u h

R R

K U R R

E U

Như vậy ở đặc tính hãm ngược s.đ.đ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tổn thất năng lượng lớn

 Đảo chiều điện áp phần ứng:

Hình 2.12: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ a.Sơ đồ đấu dây, b Đặc tinh cơ

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều

việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồnthì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản thì động cơ sẽ quay ngược lại

và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc trên hình vẽ là đặc tính hãm ngược

Dòng điện hãm được tính:

f u

u u

f u

u u h

R R

E U R R

E U I

 K M

R R K

 Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày như hình vẽ

Hinh 2.13: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ DC kích từ độc lập

a Sơ đồ điện khi hãm, b Đặc tính cơ hãm

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hd nên:

hd

hd K

u h u

I K

R R

Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.Ta nhận thấy rằng:

Khi  const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh Khi Rhcàng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh

Tuy nhiên cần chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép:

I  22,5

thế năng thì dướ tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại đến làm việc

ổn định tại điểm M = Mc Đoạn b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

Hãm động năng tự kích xãy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích

từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm, chiều dòng điện kích từ vẫn giữ không đổi.Sơ đồ nguyên lý ta có: Iu = Ih + Ikt

(2.46)

Và phương trình đặc tính cơ là:

(2.47)

trong đó, từ thông Ф thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm số của tốc độ Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tính không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến như hình vẽ trên

So với phương pháp hãm ngựơc,hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ điện năng từ lưới nên phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất lưới điện

2.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp :

Đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo

dễ dàng Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích nối tiếp được mô tả trên hình dưới đây.Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ

Từ sơ đồ nguyên lý ta có:

Uư = Eư + IưRư = K +IưRư (2.49)

Với : R = rư + rctf + rct + rkt

Sau khi biến đổi ta nhận được:

u u u

I K

R K

Để đơn giản khi thành lập phương trình các

đặc tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính

với dòng điện kích từ như đường 2

A KC

R I C K

Trong đó: Đặt

C K

R B



Ta cũng có:

C K

A B M

C K A

dm



kt I kdm

I

kt I kdm

I kdm I kt I

Hình 2.16: Đặc tính từ hoá của động

cơ một chiều kích từ nối tiếp



Hình 2.17: a Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

b Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là vô cùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

mà nên sử dụng nó trong những truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

- Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập Nhờ ưu điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường

có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển máy cán thép

- Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài

2.3.2 Cách vẽ đặc tính cơ :

Do quan hệ  f I u là phi tuyến

nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc

tính cơ của động cơ điện người ta sử

dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa

vào

Các đường cong thực nghiệm đã

cho Vì các động cơ một chiều kích từ

nối tiếp cùng loại đều có khe hở không

khí và mức độ bảo hoà từ thông không

khác nhau nhiều nên các quan hệ giữa

tốc độ  , mômen M với dòng điện I

theo đơn vị tưong đối gần như là trùng

nhau Người ta gọi các quan hệ

Các đặc tính này được biểu diễn trên hình vẽ

 Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng

Với mỗi động cơ một chiều nối tiếp ta biết các chỉ số của Pđm, Iđm, dm

Muốn vẽ đặc tính tự nhiện ta tiến

hành như sau:

Lấy các gí trị tuỳ ý của dòng điện

tương đối I1, I2, , In Dựa vào các đặc

tính vạn năng ta tra được các trị số

tương ứng của tốc độ và mômen tương

đổi các đại lượng đối ra đại lượng tuyệt

đối theo biểu thức:

M  * Hình 2.19: Cách vẽ đặc tính tự nhiên và

nhân tạo của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

U u u u f TN

f u u u TN TN

R I U

R R I U



Từ (2-59) và ứng với các giá trị I1, I2 In ta tính được TN1,TN2, TNn với Rf đã biết, và ghi tiếp kết quả tính này vào bảng trên Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được đường đặc tính cơ điện nhân tạo như hình vẽ

2.3.3 Trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp:

Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ 0t rất lớn nên dòng điện chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh

2.3.3.1.Trạng thái hãm ngược:

Đặc tính cơ khi hãm chính là đặc tính biến trở ứng với tải thế năng, đoạn đặc tính

cd chính là đặc

tính hãm ngược Dòng điện hãm được

tính như sau:

f u

dm h

R R

K U

Đặc tính cơ hãm ngược với Rf

trong mạch được trình bày như hình

vẽ

Hình 2.20: Đặc tính cơ hãm ngược với điện trở trong mạch phần ứng

 Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình vẽ

Chú ý khi thực hiện hãm chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên

Người ta thường sử dụng trạng thái này để hãm dừng máy

Đoạn bc trên đặc tính cơ là đặc tính hãm ngược Dòng điện hãm là:

p u

dm h

R R

K U I

- Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm ta cắt phần ứng động cơ khỏi nguồn điện áp một chiều và đóng vào điện trở hãm Còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện với một điện trở phụ sao cho dòng kích từ lúc này có chièu như cũ và trị số không đổi bằng

đặc tính được thể hiện như hình 26

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

R R

dm

f u

2 '

Hình 2.22: a Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ một chiều kích từ nối tiếp

b Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập cửa động cơ kích từ nối tiếp

Điện trở hãm được chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép:

h u

bd dm

R R

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

và từ thông kích tù giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích

- Cấu tạo đơn giản

- Giá thành hạ so với động cơ DC

- Vận hành tin cậy, chắc chắn, không cần linh kiện phụ

Để lập phương trình đặc tính cơ ta sử

dụng sơ đồ thay thế một pha hình 2.29

Một số giả thiết:

- Ba pha động cơ là đối xứng

- Nguồn xoay chiều hình sin ba pha

U1ph hay U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)

I’2 là dòng rôto đã quy đổi về stator (A)

X, X1, X’2  là điện kháng mạch từ, điện kháng tản stator, điện kháng tản rôto đã

quy đổi về stator

R, R1, R’2 là điện trở mạch từ, điện trở dây quấn pha stator, rôto đã quy đổi về stator

s là hệ số trượt của động cơ:

1 1

1

1

n

n n

1

n p

Ngoài ra, nếu gọi f2 là tần số của dòng điện rotor thì f2 = s f1

Ta có dòng điện rotor quy đổi về stator:

(2.64) Khi  = 1, s=0 thì I'2 =0

Khi  = 0, s = 1

nm

f nm

X R

R

U I

I

2 2 ' 2 1

1 2

' 2

3



s

I R

Ta được:

Và:

Hình 2.27: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB

Hình 2.28: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB = f(M) trong chế độ động cơ

2.4.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ :

2.4.2.1 Ảnh hưởng của điện áp lưới (U L – Điện áp cấp vào Stator):

phương lần độ suy giảm của UL Trong khi đó tốc độ đồng bộ 1, hệ số trượt tới hạn Sth

không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm như hình 2.34

Hình 2.29: Đặc tính cơ khi giảm điện áp

2.4.2.2 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stator:

điện kháng phụ (X1f) vào mạch stato, nếu o = const, và theo biểu thức trên thì mômen

Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2.35

Hình 2.30: Đặc tính cơ khi có R f và X f trong m ạch.stato

2.4.2.3 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto:

Khi thêm điện trở phụ R2f, điện kháng phụ X2f vào mạch rôto động cơ, thì o = const, và theo trên thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình 3.36