Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

2.4.5. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Hãm tái sinh xẩy ra khi tốc độ  của rôto lớn hơn tốc độ đồng bộ 1. Khi đang làm việc ở trạng thái động cơ thì từ tường quay cắt qua các thanh dẫn của cuộn dây stato và rôto theo chiều như nhau nên sức điện động stato E1 và sức điện động rôto E2

trùng nhau, còn khi hãm tái sinh E1 vẫn giữ ngyuên chiều cũ, còn E2 có chiều ngược lại vì khi đó  > 1, các thanh dẫn rôto cắt từ trường quay theo chiều ngược lại.

S =

1 1

ω ω ω -  0

Dòng điện trong cuộn dây rôto được tính :

I2' = ' 2

2 2 ' 2

2 2 ' 2 2

2 2 ' 2

' 2 ' 2 '

2 ' 2

' 2 '

2 ' 2

' S 2

) S X ( + R

S X j E ) - S X ( + R

R

= SE S jX + R

= SE S jX + R

E (2-102).

= ' _jI'2p a I2 '

a

I2 : thành phần tác dụng của dòng rôto ' p

I2 : thành phần phản kháng của dòng rôto

Hình 2.36. Đặc tính cơ khi hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách thay đổi tần số Ta thấy khi chuyển sang hãm tái sinh s< 0, như vậy chỉ có thành phần tác dụng của dòng điện rôto đổi chiều, còn thành phần phản kháng không đổi chiêù, do đó mômen đổi chiều. Ở trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như máy phát điện song song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trường quay.

Những động cơ không đồng bộ đièu chỉnh tốc độ bằng phương pháp tần số hoặc số đôi cực khi giảm tốc độ để thực hiện hãm tái sinh. Trên hình 2-36, đoạn đặc tính hãm tái sinh bp2,b’p3...ở đó  > p2 hoặc  > p3...

Với những động cơ không đồng bộ được sử dụng trong hệ thống truyền động có tải là thế năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng với tốc độ  > -1. Trên hình 2.37. -1b là đoạn hãm tái sinh khi hạ tải . Ứng với đặc tính cơ này, từ trường quay đã đổi chiều bằng cách đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato.

1

ωp

ω

Mc

M 2

ωp

4

ωpp3

ω

a a'

0

b b

ω1

ω

a

b

Mc M

ω1

-

Hình 2.37. Đặc tính hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ khi đảo chiều quay và tải mang tính chất thế năng.

b. Hãm ngược

Tương tự như động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ có 2 trường hợp:

Hãm ngược xẩy ra khi động cơ đang làm việc, ta đóng vào mạch rôto điện trở phụ đủ lớn, với tải thế năng động cơ sẽ làm việc ổn dịnh tại d, trên hình 2.38a. Đoạn cd là đoạn đặc tính hãm ngược.

ω1

ω

a

d

M

o®

ω

b

c

b/

b'

d'

c'

Mc

ω1

-

Mc N

ω1

ω

a

d

Mc M

o®

ω

b

c

a/

Hình 2.38 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm ngược

a) Khi đưa điện trở phụ lớn vào mạch rotor tải mang tính chất thế năng; b) Khi đảo chiều điện áp đặt vào động cơ

 Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato, động cơ sẽ chuyển sang làm việc trên đặc tính hãm ngược b c hoặc b’c’. Trên hình 2.38.b.

Nếu tải có tính phản kháng hệ thống sẽ làm việc ổn định tại d hoặc d’.

Chú ý: Trong cả hai trường hợp vì >1 ω

ω ω +

= s

1

1 nên dòng điện rôto có giá trị lớn. Mặt khác tần số dòng điện rôto f2 = sf1 lớn, nên điện kháng X’2 lớn, do đó mô men nhỏ. Để tăng mô men hãm và hạn chế dòng điện rôto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto (đối với loại động cơ rôto day quấn). Điện trở phụ này có thể xác định ứng với dòng điện hãm ban đầu tại b’ trên hình 2.38.b.

c. Hãm động năng

Trạng thái hãm động năng xẩy ra khi động cơ đang quaty ta cắt stato ra khỏi lưới điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều .

Hãm động năng của động cơ không đồng bộ có 2 dạng:

Hãm động năng kích từ độc lập và tự kích.

* Hãm động năng kích từ độc lập thực hiện theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2- 39.a. Nguồn một chiều từ bên ngoài không liên quan đến năng lượng do động cơ sinh ra.

* Hãm động năng tự kích thực hiện theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2-39.c, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc.

M

K K K

H H

VR

c/

~

b/

Rf

M

K K K

c c c

~

a/

M

K K K

H

H

VR

~

+ -

Hình 2.39. Sơ đồ mach hãm động năng động cơ không đồng bộ a) Hãm động năng kích từ độc lập dung nguồn

một chiều; b) Hãm động năng tự kích dung tụ điện; c) Hãm động năng tự kích từ mạch rotor Hình 2.40. Nguyên lý tạo mô men hãm động năng động cơ không đồng bộ

*Nguyên lý hãm động năng: Khi cắt stato động cơ khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sinh ra một từ

E

Φ

ω

h e 2

i2

F M

trường đứng yên so với stato, giả sử từ thông  có chiều như mũi tên trên hình 2.40.

Rôto động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cũ thể hiện như trên hình vẽ và các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên nên xuất hiện trong nó một sức điện động cảm ứng e2. Xác định chiều của e2 theo quy luật bàn tay phải và ứng với ký hiệu “+”

khi sức điện động có chiều đi vào và ký hiệu “.”, khi sức điện động có chiều đi ra. Vì rôto kín mạch nên e2 lại sinh ra dòng i2 cùng chiều. Tương tác giữa i2 và từ trường đứng yên tạo ra lực F có chiều xác định theo quy luật bàn tay trái. Lực F sinh ra mô men hãm có chiều ngược chiều quay của rôto làm cho rôto quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần.

Trong hãm động năng kích từ độc lập từ thông  = const, còn hãm động năng tự kích từ thì  = var. Khi hãm động năng động cơ không đồng bộ làm việc như máy phát điện đồng bộ cực từ ẩn có tốc độ và tần số thay đổi và phụ tải của máy phát này là điện trở mạch rôto.

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở trạng thái hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ làm việc động cơ không đồng bộ. Nghĩa là cuộn dây stato thực tế đấu vào nguồn một chiều nhưng ta coi như đấu vào nguồn xoay chiều. Điều kiện đẳng trị ở đây là sức từ động do dòng một chiều sinh ra và dòng điện xoay chiều đẳng trị sinh ra là như nhau

Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị được xác định theo công thức:

F1 = 2I1W1 2

3 (2-103)

Sức từ động một chiều do dòng một chiều thực tế tạo ra phụ thuộc vào cách đấu dây của mạch stato khi hãm và biểu thức tổng quát:

Fmc = aw1Imc (2-104) Cân bằng hai biểu thức trên ta được :

I1 = mn

1

1 I

W 2 2 3

aW = AImc (2-105)

trong đó a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng.

Ví dụ sơ đồ nối dây và đồ thi véc tơ trên hình 2.41 ta có thể xác định a, A như sau:

ImcW1

ImcW1

Fmc

30o VR

+

Imc

Imc

- w1

w1

w1

Hình 2.41. Một kiểu sơ đồ nối dây và đồ thị véc tơ sức tự động một chiều của động cơ khi hãm động năng

Fmc =2ImcW1 cos 300 = 3 w1Imc và a = 3 ; A = 3 2

Đối với các sơ đồ đấu dây khác nhau của mạch stato ta có thể xác định hệ số A theo bảng sau:

Bảng 2-4 Sơ đồ nối dây mạch stato và đồ thị véc tơ.

Imc

- w1

w1

+

Imc

+ -

1/3Imc 2/3Imc

1/3Imc

Imc 1/2Imc

w1 - w1

1/2Imc

+

1/2 Imc

Imc

+ -

3 2

2 2

3 2

3 2

1

1 mcW 2I 1

1 mcW 2I 1 Fmc

Fmc

mc

1 I

3 W1

mc

1 I

3 W2

mc

1 I

3 W1 ImcW1

Imc

ImcW1

ImcW1

Fmc

30o

hệ số A :

Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ.

-Ở chế độ động cơ không đồng bộ thì điện áp đặt vào stato không đổi, đó là nguồn áp, dòng từ hoá I , từ thông  không đổi còn dòng điện stato I1, dòng điện rôto I2 bíên đổi theo độ trượt s.

-Còn ở trạng thái hãm động năng kích từ độc lập vì dòng một chiều Imc không đổi nên dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi, do đó nguồn cấp cho stato là nguồn

dòng. Mặt khác vì tổng trở mạch rôto khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên dòng điện rôto I2 và dòng từ hoá I đều thay đổi, do đó từ thông  ở stato thay đổi theo tốc độ .

Trong chế độ làm việc của động cơ, độ trượt s là tốc độ cắt tương đối của thanh dẫn rôto với từ trường stato, ở trạng thái hãm động năng nó được thay thế bằng tốc độ tương đối : *= /1.

Từ sơ đồ thay thế trên hình 2. 42.a, ta có đồ thị véc tơ dòng điện trên hình 2. 42.b.

b/

X’2

I’2

E2

ω* ' r 2

* ' rf ω a/

I1

I1

φ2

φ2

I’2

E’2

Xμ

Iμ

Iμ

Hình 2.42. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập (a); Đồ thị véc tơ khi hãm động năng (b)

Từ sơ đồ thay thế :

I’2 =

2

* ' 2 2

' 2

* ' 2

2 2 2

n ' 2

' 2

ω) X ( R

E ω ω X

R E

 

 



 



 = '22 '2 * 2

* μ μ

) X ( + R

X I

ω ω

trong đó : R2 = r2 + Rf2. Theo đồ thị véc tơ ta có:

I21 = (I + I’2sin2 )2 + (I’2cos2)2 hay I21= I2 + I’22 + 2I I’2sin2 (2-106) trong đó :

sin2 =

2

* ' 2 2

' 2

* 2

) X ( R

X ω ω



Thay I’2 và sin2 vào (2-106) ta có

I12 =I2 + ' * 2

2 2 ' 2

2

* ' μ 2 2 μ 2

* ' 2 2 ' 2

2

* 2 μ 2 μ

) X ( + R

X X I + 2 ) X ( + R

X I

ω ω ω

ω (2-107)

Từ đó ta rút ra :

* = R’2

2 ' 2 1 2

2 '

2

1 2

X - I ) (I ) X + X (

1 - I ) ( I

μ μ

μ

-

(2-108)

Từ biểu thức (3-43), (3-44) ,(3-45) sau khi biến đổi ta được : I’2 =

2

* 2 μ ' 2 '

2

* 1 μ

) X + X ( + ) R (

X I

ω

ω (2-109)

Tương tự như đã xét ở động cơ không đồng bộ ta xác định được mô men :

M =

1 ' 2 2 ' 2

.R I 3

ω

ω (2-110)

và M =

[ μ '2 2 *2]

' 2 1

* ' μ 2 2 ' 2

) X + X ( + R

R X . I 3

ω ω

ω (2-111)

Đường cong M = f(*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ và cho ta những kết quả :

th = '

μ 2 ' 2

X + X

R (2-112)

Mth =

) X + X ( 2

X I 3

' μ 2 1

2 μ 2 1

ω (2-113).

M =

*

* th

* th

+ M 2

ω ω ω

ω *th (2-114)

Biểu thức (2-114) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập.

Khi Rf thay đổi thì điện trở trong mạch rôto thay đổi , Mth= const.

Khi thay đổi dòng điện I1 tức là thay đổi dòng điện một chiều Imc thì mô men tới hạn Mth thay đổi, còn *th= const.

Các đặc tính hãm động năng đó trên hình 2.43.

1 2 3

Mth1 Mth2 0

M TN

ω

ωth1

ωth2

Hình 2. 43. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ không đồng bộ Đường 1và 2 có cùng điện trở trong mạch rôto nhưng có Mth2 > Mth1 nên dòng điện một chiều tương ứng Imc2>Imc1. Còn đường 2 và 3 có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở phụ trong mạch rôto khác nhau.

Ví dụ:

Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số của mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato của động cơ và điện trở hãm Rh nối vào mạch rôto động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mô men hãm cực đại đạt được Mhmax= 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho trước: Động cơ 11KW; 220V; nđm= 953 vòng/phút;  3,1

đm th

M

 M ; cosđm 0,71; cos0 0,24(không tải); I1đm 28,4A; I10 19,2A (không tải); R1= 0,415; X1=0,465; E2nm( điện áp dây)=200V; I2đm= 35,4A; r2= 0,132; X2= 0,27; Ke= 1,84.

Giải :

Tốc độ định mức: nđm rad s

đm 99,8 /

55 , 9

953 55

,

9  

 

Tốc độ từ trường quay : 104,7rad/s 55

, 9 1000

1  



Mô men định mức: P Nm

M

đm đm

đm 110,2

8 , 99

1000 . 11 1000

.  

 

Độ trượt định mức : 0,05

7 , 104

8 , 99 7 , 104

1

1   

 



 đm sđm

Điện kháng mạch từ hóa X được xác định theo sức điện động và dòng điện không tải stato ( coi dòng không tải bằng dòng từ hóa):







 11,05

2 , 19

212

10 10

I X E

V E

K

E e nmf 212

3 84200 , 1 . 2

10   

Điện kháng rôto qui đổi vế mạch stato : X2, X2.Ke2 0,27.1,842 0,92 Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn là:

Nm M

M

Mth.đn  h.max 2,5. đm 2,5.110,2275,5

Tốc độ tới hạn 0,953

7 , 104

8 , 99

1

*

*    



 

th bđ đm

Khi đó đặc tính hãm là đường số 2 trên hình vẽ rõ rang đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì momen hãm giảm gần như tuyến tính từ tốc độ ban đầu bđ đm cho đến

0

 .

Để cho việc hãm có hiệu quả cao ta cần tạo ra một đặctính cơ đảm bảo một diện tích lớn nhất giữa nó với trục tung của đồ thị. Khi đó mômen hãm trung bình trong toàn bộ quá trình hãm là lớn nhất.

Việc tính toán cho thấy đặc tính cơ dạng này có tốc độ tới hạn: th*.tu 0,407 Từ iểu thức tính mômen tới hạn hãm động năng ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1:

   

X A

X X

I Mthđn 43,4

05 , 11 . 3

92 , 0 05 , 11 7 , 104 . 2 . 5 , 275 3

2 .

2 2

, 2 1

.

1    





 

Qua hệ số tỷ lệ A của sơ đồ nối dây mạch stato vào nguồn điện một chiều khi hãm, chọn sơ đồ nối 1 trong bảng 2-1, ta có A= 0,815

3

2  , ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết:

815 53 , 0

4 ,

1  43 

 A Imc I

Từ biểu thức của tốc độ tới hạn ta xác định được điện trở trong mạch roto khi hãm:

   





 *( 2,) 0,40711,05 0,92 4,87

,

2 X X

Rt th 

Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi là:







 1,44

84 , 1

87 , 4

2 2

, 2 2

e t

t K

R R

Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto là:











R2 r2 1,44 0,132 1,308 Rh t