- Dựa vào các thơng số của động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơ, đặc tính cơ điện tự nhiên.
2.2.7. Các trạng thái hãm trong động cơ điện một chiều
Hãm là trạng thái làm việc mà động cơ sinh ra mơmen quay ngược chiều với tốc độ quay. Chính vì vậy, trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ đều làm việc như ở chế độ máy phát.
Cĩ 3 trạng thái hãm trong động cơ điện một chiều là: - Hãm tái sinh.
- Hãm ngược. - Hãm động năng.
a. Hãm tái sinh:
Hãm tái sinh là trạng thái hãm trong đĩ tốc độ quay của động cơ cĩ giá trị lớn hơn tốc độ quay khơng tải lý tưởng ( > o hoặc n > no). Khi hãm tái sinh thì Eư > U0, động cơ làm việc như máy phát điện song song với lưới điện, phát ra cơng suất điện trả về cho lưới.
Hình 2.17: Vùng làm việc khi hãm tái sinh của động cơ 1 chiều kích từ song song
Trạng thái hãm tái sinh chỉ áp dụng cho động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (song song) chứ khơng áp dụng cho động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp. Vì ở loại động cơ này, tốc độ khơng tải lý tưởng là rất lớn. Nếu để động cơ làm việc ở chế độ tốc độ > o là khơng bảo đảm.
Đối với động cơ một chiều kích từ hỗn hợp, để áp dụng phương pháp hãm tái sinh, người ta thực hiện nối tắt cuộn dây kích từ nối tiếp, khi đĩ động cơ trở thành động cơ kích từ song song.
Từ phương trình cân bằng sức điện động phần ứng, ta thấy so với chế độ động cơ lúc này dịng điện và mơmen hãm đã đổi chiều và được xác định bằng biểu thức sau:
Trị số mơmen hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mơmen phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ > o hay n > no. Trong trạng thái hãm tái sinh, cơng suất được trả về lưới điện cĩ giá trị P = (E - U) I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích.
Đoạn đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm ở gĩc phần tư thứ hai và thứ tư của mặt phẳng tọa độ [ M, ] như biểu diễn trên hình 2.17.
Trạng thái hãm tái sinh thường xảy ra trong các trường hợp thực tế sau: - Khi động cơ đang làm việc điện áp đặt vào phần ứng giảm đột ngột, khi điện áp giảm thấp hơn trị số s.đ.đ thì U < Eư (hình 2.18a)
a) b)
Hình 2.18: Hãm tái sinh khi điện áp nguồn giảm đột ngột (a) và khi làm việc với tải thế năng (b)
- Ở các tải thế năng, khi hệ thống nâng hàng thì động cơ làm việc ở chế độ động cơ; khi hạ hàng, ta tiến hành đảo chiều điện áp phần ứng để động cơ đổi chiều quay. Do tải trọng khi hạ hàng cĩ tác dụng hỗ trợ chuyển động nên khiến cho tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ khơng tải lý tưởng dẫn đến dịng điện và mơmen quay bị đảo chiều. Trong trường hợp này để giảm dịng điện khởi động và giảm thời gian quá độ khi hãm thì thường người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Khi tốc độ gần đạt tốc độ khơng tải lý tưởng thì cắt điện trở phụ khỏi mạch phần ứng, động cơ làm việc ổn định tại
ôđ (hình 2.18b).
b. Hãm ngược:
Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi rơto quay ngược với chiều quay tương ứng của điện áp nguồn đặt vào động cơ.
Trạng thái hãm ngược cĩ thể xảy ra trong hai trường hợp:
- Đưa thêm điện trở phụ cĩ trị số đủ lớn vào mạch phần ứng của động cơ sao cho mơ men ngắn mạch của đặc tính biến trở nhỏ hơn mơmen cản. Trường hợp này chỉ gặp khi tải thế năng (xem hình 2.19).
a) b)
Hình 2.19: Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
a- Động cơ một chiều kích từ song song (độc lập)
b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
Giả sử động cơ đang nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm A, ta đưa thêm một điện trở phụ vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm B trên đặc tính biến trở. Tại B mơmen của động cơ nhỏ hơn mơmen cản nên động cơ giảm tốc độ nhanh. Đến điểm C tốc độ bằng khơng, nhưng vì mơmen của động cơ nhỏ hơn mơmen cản nên mơmen cản bắt rơto quay theo chiều ngược lại, lúc này tải được hạ xuống với tốc độ tăng dần. Đến điểm D thì mơmen động cơ cân bằng với mơmen cản nên tải được hạ xuống với tốc độ xác lập khơng đổi. Đoạn đặc tính hãm ngược là CD.
Khi hãm ngược ta thấy do tốc độ quay ngược nên Eư = k sẽ đổi chiều (đổi dấu và nĩ cùng chiều với điện áp nguồn) vì vậy dịng điện qua mạch phần ứng trên đoạn đặc tính hãm ngược CD là:
Như vậy ở đoạn hãm ngược rơto quay ngược chiều với mơmen, sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới U. Trong trạng thái này động cơ làm việc như một máy phát mắc nối tiếp với lưới biến năng lượng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng tỏa ra trên điện trở tổng của mạch phần ứng, vì vậy tổn thất năng lượng lớn:
Nếu bỏ qua các tổn hao trên phần cơ khí và tổn hao sắt từ (vì cĩ giá trị rất nhỏ) thì ta sẽ cĩ Pđt = Pcơ:
Pđ + Pcơ = Pnhiệt
Hay: UIh + M = ( Rư + Rp )Ih2
Phương trình đặc tính cơ của đoạn hãm ngược là phương trình đặc tính biến trở.
Hình 2.20: Đặc tính cơ hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng động cơ điện một chiều
a- Động cơ một chiều kích từ song song (độc lập)
b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
- Đảo chiều điện áp khi động cơ đang quay (hình 2.20): Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm A trên đặc tính tự nhiên với phụ tải Mc, ta đổi
chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ R vào mạch phần ứng,
động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm B trên đặc tính biến trở ở chiều quay ngược. Tại B do quán tính nên rơto vẫn quay theo chiều cũ, cịn mơmen đã đổi chiều chống lại chiều quay nên tốc độ giảm nhanh theo đoạn BC. Tại C tốc độ bằng khơng nếu cắt phần ứng khỏi lưới động cơ sẽ dừng lại cịn nếu vẫn tiếp tục đĩng phần ứng vào lưới và nếu tại C mơmen của động cơ lớn hơn mơmen cản Mc thì động cơ sẽ quay ngược lại, cuối cùng làm việc xác lập ở điểm D ứng với tải phản kháng Mc.. BC là đoạn đặc tính hãm ngược.
Từ phương trình:
Khi đảo chiều U thì chiều dịng điện cũng đổi nên chiều mơmen sinh ra cũng đảo chiều so với ở chế độ động cơ lúc đầu nên về mặt giá trị ta cĩ:
Dịng điện Ih cĩ chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dịng điện này khá lớn nếu khơng đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng. Vì vậy để giới
hạn dịng điện hãm cĩ giá trị trong khoảng Ih ( 2 2.5 )Iđm người ta cần tính tốn và đưa thêm trị số Rp cho phù hợp.
Phương trình đặc tính cơ cĩ dạng:
c. Hãm động năng:
Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát điện mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích lũy được trong quá trình làm việc trước đĩ biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
Đặc điểm của hãm động năng là khơng tiêu thụ cơng suất điện của lưới. Cĩ 2 phương pháp để hãm động năng:
* Hãm động năng kích từ độc lập (Hình 2.21):
- Khi động cơ đang làm việc muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đĩng vào mạch một điện trở hãm, cịn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ.
- Do nguồn cấp cho cuộn kích từ vẫn cịn nên Ikt = const = const vì vậy ở các động cơ kích từ song song và độc lập khi tiến hành hãm động năng kích từ độc lập, đặc tính cơ vẫn cĩ dạng đường thẳng.
- Ta cĩ phương trình cân bằng s.đ.đ phần ứng:
Ban đầu, tốc độ động cơ vẫn cĩ giá trị như cũ hđ nên và tương ứng dịng điện khi đĩ là:
- Phương trình đặc tính cơ khi hãm:
a) b)
Hình 2.21: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập
a- Động cơ một chiều kích từ song song b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
Ta thấy độ cứng đặc tính cơ phụ thuộc vào giá trị của điện trở hãm. Nếu Rh càng lớn thì độ dốc càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên ta phải chọn giá trị của Rh sao cho dịng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép Ihđ (2 – 2,5)Iđm.
- Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng, ta thấy rằng với mơmen cản Mc
là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn B1O hoặc B2O và BO. Với mơmen cản Mc là thế năng thì dưới tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại và làm việc ổn định tại điểm mà mơmen của động cơ bằng mơmen cản M = Mc. Ở đây đoạn B1C1 hoặc B2C2 , BCcũng là đặc tính hãm động năng.
- Khi hãm thì mơmen hãm sẽ giảm xuống rất nhanh khi tốc độ giảm nên hiệu quả hãm bị kém dần. Vì vậy ở một số truyền động người ta thực hiện cắt dần điện trở hãm khỏi mạch phần ứng (ít gặp và nếu cĩ chỉ cĩ 2 cấp hãm).
- Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích lũy được trước đĩ, cơng suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ rất ít.
PKTđm = ( 1 5 )%Pđm
- Phương trình cân bằng cơng suất khi hãm động năng là:
a) b)
Hình 2.22: Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập
a- Động cơ một chiều kích từ song song b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
* Hãm động năng kích từ tự kích:
- Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì khơng thể thực hiện được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ.
Hình 2.23: Sơ đồ hãm động năng kích từ tự kích
a- Động cơ một chiều kích từ song song b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
- Hãm động năng tự kích từ xảy ra khi động cơ đang làm việc ta cắt phần ứng và cuộn kích từ khỏi lưới điện và đĩng vào một điện trở hãm. Sơ đồ mạch điện nguyên lý thể hiện trên hình 2.23. Chú ý chiều dịng điện kích từ vẫn phải giữ khơng đổi.
- Nguồn kích từ lúc này là sức điện động cảm ứng trong phần ứng: Ikt = var = var và bị giảm dần vì vậy đặc tính cơ khơng cĩ dạng đường thẳng (xem hình 2.24).
Hình 2.24: Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ tự kích
a- Động cơ một chiều kích từ song song b- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp - Từ sơ đồ nguyên lý, ta cĩ: Iư = Ih + IKT
Và các phương trình đặc tính:
Trong số các biện pháp hãm nêu trên, hãm tái sinh cĩ tính kinh tế cao nhất. Tuy nhiên, trên thực tế các loại phụ tải chủ yếu là tải phản kháng. Vì vậy, các phương pháp hãm hay được ứng dụng là phương pháp hãm động năng và hãm ngược. Sau đây chúng ta sẽ so sánh các phương pháp động năng và hãm ngược về những mặt: Mức độ dừng nhanh, độ chính xác dừng máy, tính đơn giản của sơ đồ, độ tin cậy và điện năng tiêu thụ.
- Mức độ dừng nhanh: Đối với động cơ điện một chiều, khi dịng điện phần ứng ở đầu quá trình hãm như nhau thì hãm ngược sẽ dừng nhanh hơn hãm động năng. Sở dĩ như vậy là vì khi hãm động năng, mơmen hãm giảm dần từ giá trị cực đại cho đến 0 cịn khi hãm ngược, thì mơmen chỉ giảm từ giá trị cực đại đến một giá trị nhất định. Giá trị này được xác định bởi dịng điện khi phần ứng đứng yên và với tồn bộ điện trở ngồi.
- Độ chính xác dừng máy: Vì khi hãm động năng, mơmen của động cơ giảm đến 0 nên truyền động khơng cĩ xu hướng quay ngược mặc dù sau khi dừng máy, động cơ vẫn được nối theo sơ đồ hãm động năng.
Khi hãm ngược, nếu ta khơng kịp thời ngắt điện động cơ thì truyền động sẽ quay ngược. Trong thực tế, rất khĩ xác định một cách chính xác thời điểm tốc độ động cơ vừa bằng 0 để cắt động cơ khỏi lưới. Nếu động cơ được cắt điện trước khi dừng, thì ở hành trình cuối cùng truyền động sẽ phải chuyển sang làm việc với tốc độ rất thấp. Nếu ta cắt điện động cơ sau thời điểm tốc độ bằng 0 thì truyền động sẽ quay ngược, và do đĩ hành trình của truyền động sẽ ngắn hơn hành trình yêu cầu.
Khi hãm ngược, sự dao động của điện áp lưới cĩ ảnh hưởng lớn đến mơmen động cơ ở mức độ lớn hơn so với khi hãm động năng.
Vì những lí do như trên, ta thấy hãm động năng bảo đảm cho truyền động độ chính xác dừng máy cao hơn hãm ngược. Tuy nhiên, nếu mơmen tĩnh của truyền động cĩ tính chất phản kháng và cĩ giá trị lớn hơn mơmen ngắn mạch của động cơ ( khi nối tồn bộ điện trở vào mạch động lực ), thì hãm ngược cũng bảo đảm được dừng máy chính xác. Trong trường hợp này, sau
khi kết thúc quá trình hãm ngược, động cơ sẽ khơng quay ngược. Hơn nữa, mơmen hãm lúc này lớn hơn khi hãm động năng nên hành trình hãm của truyền động nhỏ hơn và độ chính xác cao hơn so với hãm động năng.
- Tính đơn giản của sơ đồ: Nếu hãm điện chỉ nhằm mục đích làm dừng truyền động thì sơ đồ hãm động năng đơn giản hơn và số lượng khí cụ ít hơn đáng kể. Nếu hãm điện dùng để dừng truyền động rồi sau đĩ thực hiện đảo chiều quay ngay thì sơ đồ hãm ngược lại đơn giản hơn.
- Độ tin cậy: Khi mất điện ( ví dụ khi aptơmát mạch động lực nhả ), thì trạng thái hãm ngược mất tác dụng, cịn hãm độn năng kích từ tự kích hay dùng một máy kích từ riêng thì vẫn cĩ tác dụng. Đối với hãm sự cố, cần phải bảo đảm độ tin cậy cao, làm việc liên tục, do đĩ chỉ cĩ thể hãm động năng tự kích hoặc hãm động năng dùng máy kích từ riêng mà thơi.
- Tiêu thụ điện năng: Nếu hãm máy xảy ra thường xuyên thì hãm ngược sẽ tiêu thụ của lưới một năng lượng đáng kể để đốt nĩng động cơ điện. Khi dùng phương pháp hãm động năng kích từ độc lập cho động cơ kích từ song song, cuộn kích từ cĩ tiêu thụ năng lượng của lưới nhưng khơng đáng kể. Động cơ kích từ hỗn hợp cũng vậy nếu thực hiện hãm bằng từ thơng của cuộn kích từ song song.
Nếu dùng phương pháp hãm động năng kích từ độc lập cho động cơ kích từ nối tiếp hoặc cho động cơ kích từ hỗn hợp cĩ nối cuộn kích từ nối tiếp vào nguồn thì động cơ vẫn lấy từ lưới một năng lượng tương ứng với dịng điện định mức.
Khi thực hiện hãm động năng kích từ kích thích thì động cơ hồn tồn khơng tiêu thụ năng lượng của lưới.
Từ những vấn đề nêu trên, chúng ta rút ra một vài nhận xét về lĩnh vực ứng dụng của hai phương pháp hãm nêu trên như sau:
- Hãm ngược thường được ứng dụng trong các hệ truyền động đảo chiều khi dùng quá trình giảm tốc để chuẩn bị đảo chiều nhanh, hoặc để dừng máy khơng tự động được nhanh chĩng. Thơng thường, người ta ứng dụng hãm ngược cho truyền động của cầu trục, cần trục, truyền động của các máy vận chuyển và các thiết bị di động.
- Hãm động năng thường được ứng dụng cho các hệ truyền động khơng đảo chiều. Tuy nhiên người ta vẫn cĩ thể ứng dụng cho các hệ truyền động