đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI CBHD: ThS Trần Quang Thọ SVTH: Nguyễn Văn A (MSSV: 08502023) Lớp: 08502DN Thành phố Hồ Chí Minh - tháng 01 năm 2011 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trang 1.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Trang 1.1.Cấu tạo Trang 1.2.Nguyên lý hoạt động Trang 2.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ DC KTĐL Trang 2.1.Phương trình đặc tính Trang 2.2.Ảnh hưởng thơng số điện đặc tính Trang 2.2.1.Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng Trang 2.2.2.Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Trang 2.2.3.Trường hợp thay đổi từ thơng kích từ Trang 11 3.BÀI TẬP MINH HỌA Trang 12 SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN: LÝ DO CHỌN NỘI DUNG: SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ NỘI DUNG 1.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KTDL Máy điện chiều sử dụng phổ biến nhờ vào việc sử dụng điều khiển đơn giản,mơ men khởi động lớn Ngồi giá thành thiết bị điều khiển ngày rẻ nhờ vào công nghệ chế tạo ngày phát triển 1.1 Cấu tạo: Gồm có stator rotor Stator lõi thép ghép từ thép kỹ thuật điện bên có xẻ rảnh để đặt dây quấn kích từ Rotor lõi thép ghép từ thép kỹ thuật điện bên ngồi có xẻ rảnh để đặt dây quấn phần ứng Nguồn điện chiều cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chơi than cổ góp a) Chổi than b) Stator c) Rotor Hình 1: Các phận động chiều SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ 1.2 Nguyên lý hoạt động: Là thiết bị điện từ quay, làm việc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi điện chiều thành trục động điện 2.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KTDL: Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mô men động thể dạng: n=f(Mđc), có loại đặc tính cơ: Đặc tính tự nhiên: Nếu động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, Wđm Đặc tính nhân tạo: Là đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động 2.1.Phương trình đặc tính cơ: Động điện chiều kích từ độc lập cuộn kích từ cấp điện từ nguồn chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rotor Hình 2: sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Khi động làm việc, rotor mang cuộn dây phần ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng xuất sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động Theo sơ đồ nguyên lý hình 2, viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng (rotor) sau: (2.1) Trong đó: - Uư điện áp phần ứng động (V) - Eư sức điện động phần ứng động (V) - Rư điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) - Rp điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) - Iư dòng điện phần ứng động (2.2) Trong đó: - rư điện trở cuộn dây phần ứng - rct điện trở tiếp xúc giửa chổi than phiến góp - rcblà điện trở cuộn bù - rcp điện trở cuộn phụ Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay rotor: (2.3) K= p.N hệ số kết cấu động 2π a φ - Từ thông qua cực từ p - Số đôi cực từ N - Số dẫn tác dụng cuộn ứng a - Số mạch nhánh song song cuộn ứng Hoặc ta viết: (2.4) Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dòng điện, rotor quay tác dụng cùa momen quay: SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ (2.5) Từ hệ phương trình (2.1) (2.3)ta rút phương trình đặc tính điện (hay phương trình đặc tính tốc độ) biểu thị mối quan hệ ω =f(I) động điện chiều kích từ độc lập sau: ω= U u Ru + R p − Iu Kφ Kφ (2.6) Từ phương trình (2.5) rút Iư thay vào phương trình (2.6) ta phương trình đặc tính biểu thị mối quan hệ ω = f(M) động điện chiều kích từ độc lập sau: ω= U u Ru + R p − M Kφ ( K φ ) (2.7) Có thể biểu diễn đặc tính dạng khác: ω = ω0 − ∆ω Trong đó: ω0 = (2.8) Uu gọi tốc độ không tải lý tưởng Kφ gọi độ sụt tốc độ Phương trình đặc tính (2.7) có dạng hàm bậc y = B + Ax, nên đường biểu diễn hệ tọa độ M0ω đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cắt trục tung 0ω điểm có tung độ: ω0 = Uu Tốc độ ω0 gọi tốc độ không tải Kφ lý tưởng lực cản Đó tốc độ lớn động mà đạt chế độ động khơng xảy trường hợp M c = Hình - Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi phụ tải tăng dần từ MC=0 đến MC=Mđm tốc độ động giảm dần từ ω0 đến ωđm Điểm A(Mđm, ωđm) gọi điểm định mức SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Rõ ràng đường đặc tính vẽ từ điểm ω0 A Điểm cắt đặc tính với trục hồnh 0M có tung độ ω = có hồnh độ suy từ phương trình (2.7): Hình 4- Đặc tính tự nhiên động điện chiều kích từ độc lập Mơmen Mnm Inm gọi mơmen ngắn mạch dòng điện ngắn mạch Đó giá trị mơmen lớn dòng điện lớn động cấp điện đầy đủ mà tốc độ Trường hợp xảy bắt đầu mở máy động chạy mà bị dừng lại bị kẹt tải lớn q kéo khơng Dòng điện I lớn thường bằng: I nm = (10 ÷ 20) I dm 2.2 Ảnh hưởng thông số điện đặc tính cơ: Phương trình đặc tính (2.7) cho thấy, đường đặc tính bậc ω = f(M) phụ thuộc vào hệ số phương trình, có chứa thơng số điện U, RP f Ta xét ảnh hưởng thông số 2.2.1 Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng : Vì điện áp phần ứng khơng thể vượt giá trị định mức nên ta thay đổi phía giảm Uư biến đổi; RP = const; φ = const Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính không thay đổi: Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp: SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 10 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Như thay đổi điện áp phần ứng ta họ đường đặc tính song song với đường đặc tính tự nhiên thấp đường đặc tính tự nhiên Hình - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập giảm điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp (giảm áp ) mơ men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch động giảm tốc độ động giảm ứng với phụ tải định Dó phương pháp sử dụng để điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng điện khởi động Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn tồn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh - Độ sụt tốc tuyệt đối toàn dải điều chỉnh ứng với mômen Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp không vượt sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp có thể: D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư ≤ Uđm ) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp 2.2.2 Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Vì điện trở tổng mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng thay đổi phía tăng Rưf Uư = const ; Rưf = var; φ = const SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 11 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Trường hợp tốc độ không tải giữ nguyên: Còn độ dốc (hay độ cứng) đặc tính thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ Như vậy, tăng điện trở Rưf mạch phần ứng, ta họ đường đặc tính nhân tạo qua điểm (0, ω0) Hình - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập tăng điện trở phụ mạch phần ứng Như thay đổi điện trở phụ Rf ta họ đặc tính biến trở ứng với phụ tải MC đó, MC lớn tốc độ động giảm Người ta thường sử dụng phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ Đặc điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng: - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm độ ổn định tốc độ kém, sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 12 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ - Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải Tải nhỏ (M1) dải điều ω D1 = max chỉnh nhỏ Nói chung, phương pháp cho dải điều chỉnh:D ≈ 5:1 ωmin - Về nguyên tắc, phương pháp cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở khó khăn Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo cấp điện trở 2.2.3 Trường hợp thay đổi từ thơng kích từ : Uư = const ; Rưf = const; φ = var Để thay đổi từ thông φ , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc mạch kích từ động Vì tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thơng kích từ thay đổi phía giảm so với từ thông định mức Trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng độ dốc đặc tính thay đổi Uu = var Kφ R + Ruf − u = var ( Kφ ) ω= Khi điều chỉnh giảm từ thơng kích từ, tốc độ khơng tải lý tưởng ω0 tăng, độ cứng đặc tính giảm mạnh Họ đặc tính nhân tạo thu hình Hình - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng kích từ SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 13 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Phương pháp điều chỉnh tốc độ thay đổi từ thơng có đặc điểm sau: - Từ thơng giảm tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn - Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thơng - Có thể điều chỉnh trơn dải điều chỉnh:D ~ 3:1 - Chỉ điều chỉnh thay đổi tốc độ phía tăng - Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thơng nên đặc tính cắt đó, với tải khơng lớn (M1) tốc độ tăng từ thơng giảm Còn vùng tải lớn (M2) tốc độ tăng giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp sử dụng vùng tải không lớn so với định mức - Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dòng kích từ (1÷10)% dòng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp BÀI TẬP MINH HỌA: Cho động điện dc kích từ độc lập kéo tải 75 Nm ,Rư=0,12Ω ,Rkt=220Ω, KΦ = 1,34V/rad/s Tốc độ động điều chỉnh qua chỉnh lưu cầu pha không đối xứng với UAC= 220V , f = 50Hz bỏ qua tổn hao ma sát Hãy xác định góc kích α mạch phần ứng để động làm việc tốc độ 900 vòng/phút ,800 vòng/phút, 700 vòng/phút với tải 75Nm BÀI LÀM Để động làm việc tốc độ 900 vòng/phút, cần góc kích α là: Ta có: ω= U u Ru − I u (1) Kφ Kφ SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 14 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Với ω= 2π n 2π × 900 = = 94, 25(rad / s ) 60 60 Từ 1: ⇒ U u = ω × Kφ + Ru × I (2) Trong : M = Kφ × I M 75 ⇒I = = = 55,97( A) Kφ 1,34 (2) ⇒ U u = 94, 25 ×1,34 + 0,12 × 55, 97 = 133(V ) Mà : Uu = (3)⇒ cos α = × U AC π (1 + cos α ) (3) Uu × π 133 × π −1 = − = 0,343 × U AC × 220 ⇒ α = 69,940 Để động làm việc tốc độ 800 vòng/phút, cần góc kích α là: Ta có : U u = ω × Kφ + Ru × I Với 2π n 2π × 800 ω= = = 83, 78(rad / s ) 60 60 ⇒ U u = 83, 78 × 1,34 + 0,12 × 55,97 = 118,98(V ) U ×π 118,98 × π (3) ⇒ cos α = u −1 = − = 0, 201 × U AC × 220 ⇒ α = 78,40 Để động làm việc tốc độ 700 vòng/phút, cần góc kích α là: Ta có : U u = ω × Kφ + Ru × I Với 2π n 2π × 700 ω= = = 73,3(rad / s ) 60 60 ⇒ U u = 73,3 × 1,34 + 0,12 × 55,97 = 104,94(V ) U ×π 104,94 × π (3) ⇒ cos α = u −1 = − = 0, 06 × U AC × 220 ⇒ α = 86,560 SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 15 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ Mạch điều khiển tốc độ động SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 16 ĐAMH1- Truyền động điện SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 GVHD: ThS Trần Quang Thọ Trang 17 ĐAMH1- Truyền động điện GVHD: ThS Trần Quang Thọ KẾT LUẬN SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023 Trang 18 ... ngắn mạch động giảm tốc độ động giảm ứng với phụ tải định Dó phương pháp sử dụng để điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng điện khởi động Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp... đổi điện chiều thành trục động điện 2.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KTDL: Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mô men động thể dạng: n=f(Mđc), có loại đặc tính cơ: Đặc tính tự nhiên:... thơng kích từ, tốc độ khơng tải lý tưởng ω0 tăng, độ cứng đặc tính giảm mạnh Họ đặc tính nhân tạo thu hình Hình - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng kích từ SVTH: