›
›

Giáo trình Truyền động điện tự động

pdf 203 trang ngocly 140
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Truyền động điện tự động", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_truyen_dong_dien_tu_dong.pdf

Nội dung text: Giáo trình Truyền động điện tự động

  1. Giáo trình Truyền động Điện Tự động Biên tập bởi: Khương Công Minh
  2. Giáo trình Truyền động Điện Tự động Biên tập bởi: Khương Công Minh Các tác giả: unknown Phiên bản trực tuyến:
  3. MỤC LỤC 1. Chương 1: 1.1. Khái niệm chung về hệ truyền động điện tự động 2. Chương 2: 2.1. Các tính cơ của động cơ điện 2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp (đmnt) Và hỗn hợp (đmhh) 2.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (ĐK) 2.4. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK 3. Chương 3: 3.1. Điều chỉnh các thông số đầu ra của hệ thống truyền động điện 3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng thay đổi thông số 4. Chương 4: 4.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện Các hệ thống bộ biến đổi ­ động cơ 5. Chương 5: 5.1. Quá trình quá Độ truyền động điện 6. Chương 6: 6.1. Chọn công suất động cơ điện 7. Chương 7: 7.1. Hệ thống điều khiển tự động 8. Tài liệu tham khảo 8.1. Tài liệu tham khảo Tham gia đóng góp 1/201
  4. Chương 1: Khái niệm chung về hệ truyền động điện tự động Mục đích và yêu cầu: + Nắm được cấu trúc chung của hệ thống truyền động điện tự động (HT­TĐĐTĐ). + Nắm được đặc tính của từng loại động cơ trong các hệ thống truyền động điện tự động cụ thể. + Phân tích được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ và vấn đề điều chỉnh tốc độ trong các hệ “bộ biến đổi ­ động cơ ”. + Khảo sát được quá trình quá độ của HT­TĐĐTĐ với các thông số của hệ hoặc của phụ tải. + Tính chọn các phương án truyền động và nắm được nguyên tắc cơ bản để chọn công suất động cơ điện. + Nắm được các nguyên tắc cơ bản điều khiển tự động HT­TĐĐTĐ. + Phân tích và đánh giá được các mạch điều khiển tự động điển hình của các máy hoặc hệ thống đã có sẵn. + Nắm được nguyên tắc làm việc của phần tử điều khiển logic. + Tổng hợp được một số mạch điều khiển logic. + Thiết kế được các mạch điều khiển tự động của các máy hoặc hệ thống theo yêu cầu công nghệ. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (tđđ tđ) Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động: * 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 2/201
  5. 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. * Cấu trúc chung: Hình 1­1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và R T : Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và K T : các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; 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. 3/201
  6. 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. Đặc tính cơ của máy sản xuất Và động cơ 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(ω). + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: Trong đó: Mc ­ mômen ứng với tốc độ ω. Mco ­ mômen ứng với tốc độ ω = 0. 4/201
  7. Mđm ­ mômen ứng với tốc độ định mức ωđm + 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 máy tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, (đường ? hình 1­2). Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn. Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, (đường ? hình 1­2). 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, (đường ? hình 1­2). Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén, (đường ? hình 1­2). + Trên hình 1­2a biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất: Hình 1­2: a) Các dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất ? : q = -1; ? : q = 0; ? : q = 1; ? : q = 2. b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng. c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng. 5/201
  8. + Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: ­ Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(φ) hoặc mômne phụ thuộc vào đường đi Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này. ­ Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(ω,s) như các loại xe điện. ­ Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 1­2b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng. Trên hình 1­2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng. 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(ω). + Nhìn chung có 4 loại đặc tính cơ của các loại động cơ đặc trưng như: động cơ điện một chiều kích từ song song hay độc lập (đường?), và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường?), động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (đường?), đồng bộ (đường?), hình 1­3. Hình 1­3: Các đặc tính cơ của bốn loại động cơ điện * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: 6/201
  9. + 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 định nghĩa: * Trong đó: ΔM và Δω là lượng sai phân của mômen và tốc độ tương ứng; M = M/Mđm * * ; ω = ω/ωđm ; hoặc ω = ω/ωcb . Hình 1­ 4: Cách tính độ cứngđặc tính cơ bằng đồ thị Trong đó: 7/201
  10. + mM là tỉ lệ xích của trục mômen + mω là tỉ lệ xích của trục tốc độ + ? là góc tạo thành giữa tiếp tuyến với trục ω tại điểm xét của đặc tính cơ. + Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị (β > 0, β < 0). + Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng (β ≈ ∞). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (β ≥ 40). + Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β ≤ 10). Các trạng thái làm việc của hệ tđđtđ + 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. Có thể lập Bảng 1­1: 8/201
  11. 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 suất cơ: Pcơ = M.ω cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. 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 9/201
  12. 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 + ΔP (1­4) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; ΔP 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 ω(M). ­ Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M). ­ Hãm tái sinh: Pđiện 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất ΔP. ­ Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất ΔP. * Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω]: 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, ω], hình 1 ­ 5. 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, ω], hình 1 ­ 5. ở trạng thái này, mômen động cơ chống lại chiều chuyển động, nên động cơ có tác dụng như bộ hãm, và vì vậy trạng thái máy phát còn có tên gọi là "trạng thái hãm". 10/201
  13. Hình 1 - 5: Biểu diễn các trạng thái làm việc Tính đổi các đại lượng cơ học 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 TĐĐTĐ: ­ Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc + ΔP (1­5) Trong đó: Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.ω, (Mcqđ và ω ­ mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ). Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.ωlv , 11/201
  14. (Mlv và ωlv ­ mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc). ΔP là tổn thất trong các khâu cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: Trong đó: ? = ?i.?t ­ hiệu suất bộ truyền lực. ?t ­ hiệu suất của tang trống. ρ = ω/vlv ­ gọi là tỷ số quy đổi. ­ Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc ­ ΔP (tự chứng minh). Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính: + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống: 12/201
  15. Trong đó: Jqđ ­ mômen quán tính quy đổi về trục động cơ. ωĐ ­ tốc độ góc trên trục động cơ. JĐ ­ mômen quán tính của động cơ. Ji ­ mômen quán tính của bánh răng thứ i. mj ­ khối lượng quán tính của tải trọng thứ j. ii = ω/ωi ­ tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i. ρ = ω/vj ­ tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. • Ví dụ: Sơ đồ truyền động của cơ cấu nâng, hạ : 13/201
  16. Hình 1- 6: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ ? động cơ điện; ? hộp tốc độ; ? tang trống quay; ? tải trọng Phương trình động học của hệ tđđ tđ + Là quan hệ giữa các đại lượng (ω, n, L, M, ) với thời gian: 14/201
  17. Từ phương trình (1­19) ta thấy rằng: ­ Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì dω/dt = 0 → hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc ổn định: ω = const. * Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ ω làm chuẩn thì: M(+) khi M??ω và M(­) khi M??ω. Còn Mc(+) khi Mc??ω; Mc(­) khi Mc??ω. Điều kiện ổn định tĩnh của hệ tđđ tđ Như ở trên đã nêu, khi M = Mc thì hệ TĐĐTĐ làm việc xác lập. Điểm làm việc xác lập là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện ω(M) với đặc tính cơ của máy sản suất ω(Mc). Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của hai đặc tính cơ trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. 15/201
  18. Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học: Hay: β - βc βc vì β > 0 và βc1 = 0 → không ổn định. Động học của hệ tđđ tđ Trong hệ TĐĐ TĐ có cả các thiết bị điện + cơ, trong đó các bộ phận cơ có nhiệm vụ chuyển cơ năng từ động cơ đến bộ phận làm việc của máy sản xuất và tại đó cơ năng được biến thành công hửu ích. Động cơ điện có cả phần điện (stato) và phần cơ (roto và trục). 16/201
  19. Hình 1­ 8: Sơ đồ cấu trúc hệ TĐĐ TĐ Phần cơ phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và loại máy, chúng rất đa dạng và phức tạp, bởi vậy phải đưa về dạng điển hình đặc trưng cho các loại, phần cơ có dạng tổng quát đặc trưng đó gọi là mẫu cơ học của truyền động điện. Mẫu cơ học (đơn khối) là một vật thể rắn quay xung quanh một trục với tốc độ động cơ, nó có mômen quán tính J, chịu tác động của mômen động cơ (M) và mômen cản (Mc), hình 9. Tính đàn hồi lớn cũng có thể xuất hiện ở những hệ thống có mạch động học dài mặc dù trong đó không chứa một phần tử đàn hồi nào. Sự biến dạng trên từng phần tử tuy nhỏ nhưng vì số phần tử rất lớn nên đối với toàn máy nó trở nên đáng kể. Trong những trường hợp trên phần cơ khí của hệ không thể thay thế tương đương bằng mẫu cơ học đơn khối mà phải thay thế bằng mẫu cơ học đa khối, hình 9b. 17/201
  20. Nếu quy đổi mômen và mômen quán tính về một trục tốc độ nào đó (động cơ hoặc máy sản xuất) thì trong phần lớn các trường hợp hệ truyền động có khâu đàn hồi phần cơ của nó có thể thay tương đương bởi mấu cơ học đa khối gồm 3 khâu: khâu 1 gồm rôto hoặc phần ứng của động cơ với những phần tử nối cứng với động cơ như hộp tốc độ, trống tời v.v ; khâu 2 là khâu đàn hồi không quán tính; khâu 3 là khâu cơ của máy sản xuất; như hình 1­ 9b. Trong đó Mđh là mômen đàn hồi. 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 ωi nào đó về tốc độ của trục động cơ ω ? 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. 18/201
  21. 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 vị 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, ω] và [Mc, ω]. 18. Mẫu cơ học đơn khối là gì ? Khi nào thì dùng mẫu cơ học đơn khối để khảo sát hệ thống truyền động điện ? 19. Mẫu cơ học đa khối là gì ? Khi nào thì dùng mẫu cơ học đa khối để khảo sát hệ thống truyền động điện ? 19/201
  22. Chương 2: Các tính cơ của động cơ điện Khái niệm chung Chương 1 đã cho ta thấy, khi đặt hai đường đắc tính cơ M(() và Mc(() lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể xác định được trạng thái lamg việc của động cơ và của hệ (xem hình 1­2 và hình 1­3): trạng thái xác lập khi M = Mc ứng với giao điểm của hai đường đặc tính M(() và Mc((); hoặc trạng thái quá độ khi M ( Mc tại những vùng có ( ( (xl ; trạng thái động cơ thuộc góc phần tư thứ nhất và thứ ba; hoặc trạng thái hãm thuộc góc phần tư thứ hai và thứ tư. Khi phân tích các hệ truyền động, ta thường coi máy sản xuất đã cho trước, nghĩa là coi như biết trước đặc tính cơ Mc(() của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu như tốc độ, mômen, dòng điện động cơ v ta phải tạo ra những đặc tính cơ của động cơ tương ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững các phương trình đặc tính cơ và các đặc tính cơ của các loại động cơ điện, từ đó hiểu được các phương pháp tạo ra các đặc tính cơ nhân tạo phù hợp với máy sản xuất đã cho và điều khiển động cơ sao cho có được các trạng thái làm việc theo yêu cầu công nghệ. Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức của nó. Trong nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước. Mặt khác nó có thể có vô số đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi một hoặc vài thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(() hay dạng ngược ( = f(M). Đặc tính cơ của động Cơ một chiều kích từ độc lập (ĐMđl) Sơ đồ nối dây của ĐMđl và ĐMss: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐMđl): nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau. 20/201
  23. Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐMss). Các thông số cơ bản của ĐMđl: Các thông số định mức: nđm(vòng/phút); (đm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); (đm(Wb); fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); Các thông số tính theo các hệ đơn vị khác: (* = (/(đm ; M* = M/Mđm ; I* = I/Iđm; (* = (/(đm; R* = R/Rđm; Rcb = Uđm/Iđm,; ω%; M%; I%; Phương trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của ĐMđl: Theo sơ đồ hình 2­1a và hình 2­1b, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = E + (Rư + Rưf).Iư (2­1) Trong đó: Uư là điện áp phần ứng động cơ, (V) E là sức điện động phần ứng động cơ (V). 21/201
  24. p.N E= 2πa ⋅ φ ⋅ ω = Kφ ⋅ ω (2­2) ĉ là hệ số kết cấu của động cơ. Hoặc: E = Ke(.n (2­3) Và:ĉ Vậy: Ke =Ġ= 0,105.K Rư là điện trở mạch phần ứng, Rư = rư + rctf + rctb + rtx , ((). Trong đó: rư là điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ ((). Rctf là điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ ((). Rctb là điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ ((). Rctb là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ ((). Rưf là điện trở phụ mạch phần ứng. Iư là dòng điện phần ứng. Từ (2­1) và (2­2) ta có: Uæ Ræ+Ræf ω = Kφ − Kφ Iæ (2­4) Đây là phương trình đặc tính cơ ­ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập. Mặt khác, mômen điện từ của động cơ được xác định: Mđt = K(Iư (2­5) Khi bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể coi: Mcơ ( Mđt ( M Suy ra: Iư =Ġ (2­6) Thay giá trị Iư vào (2­4), ta có: 22/201
  25. U R +R U R ω = æ − æ æf M = æ − æΣ M (2­7) Kφ (Kφ)2 Kφ (Kφ)2 Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác: ω = ω0 ­ Δω (2­8) Trong đó: Ġ gọi là tốc độ không tải lý tưởng. (2­9) Ġ gọi là độ sụt tốc độ. (2­10) Từ các phương trình đặc tính cơ điện (2­4) và phương trình đặc tính cơ (2­8) trên, với giả thiết phần ứng được bù đủ và ( = const thì ta có thể vẽ được các đặc tính cơ ­ điện (hình 2­2a) và đặc tính cơ (hình 2-2b) là những đường thẳng. Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ: Uæâm Ræâm ω = Kφ − 2 M (2­11) âm (Kφâm) Đặc tính cơ nhân tạo (NT) là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Khi ( = 0, ta có: Uæ Iæ = = Inm (2­12) Ræ + Ræf 23/201
  26. Và:ĉ (2­13) Trong đó: Inm ­ gọi là dòng điện (phần ứng) ngắn mạch Mnm ­ gọi là mômen ngắn mạch Từ (2­7) ta xác định được độ cứng đặc tính cơ : 2 β = dM = − (Kφ) (2­14) dω Ræ + Ræf Đối với đặc tính cơ tự nhiên: 2 (Kφdm) βtn = − (2­15) Ræ Và:ĉ (2­16) Nếu chưa có giá trị Rư thì ta có thể xác định gần đúng dựa vào giả thiết coi tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ: Uâm Ræ = 0,5.(1 − ηâm) , Ω (2­17) Iâm * Ví dụ 2­1: Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau: Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26(; điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng: 1,26(. * Giải: a) Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: là điểm định mức [Mđm; (đm] và điểm không tải lý tưởng [M = 0; ( = (0]. Hoặc điểm không tải lý tưởng [M = 0; ( = (0] và điểm ngắn mạch [Mnm; ( = 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; (đm] và điểm ngắn mạch [Mnm; ( = 0]. Tốc độ góc định mức: nâm 2200 ωâm = 9,55 = 9,55 = 230,3rad/s 24/201
  27. Mômen (cơ) định mức: Pâm.1000 6,6.1000 Mâm = = = 28,6Nm ωâm 230,3 Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức: [28,6 ; 230,3]. Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được: Uâm − Iâm.Ræ 220−35 .0,26 Kφâm = = = 091Wb ωâm 230,3 Tốc độ không tải lý tưởng: Uâm 220 ω0 = = ≈ 241,7rad/s Kφâm 0,91 Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên như đường ( trên hình 2 ­ 3. Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch [Mnm; 0] Udm 220 Mnm = Kφ.Inm = Kφ ⋅ = 0,91 ⋅ = 770Nm R­ 0,26 Vậy ta có tọa độ điểm thứ ba của đặc tính cơ tự nhiên [770; 0]. Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức (2­15) hoặc xác định theo số liệu lấy trên đường đặc tính hình 2­3. dM ΔM 0 − Mâm 28,6 ∣βtn∣ = = = = = 2,5Nm.s dω Δω ω0 − ωâm 241,7 − 230,3 b) Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo có Rưf = 0,78(: Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (có Rưf = 0,78() qua các điểm không tải lý tưởng [0; (0] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [Mđm; (nt]: 25/201
  28. Ta tính được giá trị mômen (cơ) định mức: Pâm.1000 6,6.1000 Mâm = = = 28,66Nm ωâm 230,3 Và tính tốc độ góc nhân tạo: Uâm − (Ræ + Ræf).Iâm ωnt = Kφâm 220 − (0,26+1,26).35 = 0,91 = 183,3rad/s Ta có tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [28,66; 183,3] Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng như đường ( trên hình 2 ­ 3. Đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl và tính điện trở khởi động: Khởi động và xây dựng đặc tính cơ khi khởi động: + Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn: Ikđbđ = Uđm/Rư ( (10 ( 20)Iđm, như vậy nó có thể đốt nóng động cơ, hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá huỷ quá trình cơ học của máy. + Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: Ikđbđ = Inm ( Icp = 2,5Iđm (2­18) + Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. 26/201
  29. I’kđbđ = I’nm =Ġ= (2(2,5)Iđm ( Icp ; (2­19) * Xây dựng các đặc tính cơ - điện khi khởi động ĐMđl: ­ Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm, (đm; ) và thông số tải (Ic; Mc; Pc; ), số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên. ­ Xác định dòng điện khởi động lớn nhất: Imax = I1 = (2(2,5)Iđm ­ Xác định dòng điện khởi động nhỏ nhất: Imin = I2 = (1,1(1,3)Ic ­ Từ điểm a(I 1) kẽ đường a(0 nó sẽ cắt I2 = const tại b; từ b kẽ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại c; nối c(0 nó sẽ cắt I2 = const tại d; từ d kẽ đường song song với trục hoành thì nó cắt I1 = const tại e; Cứ như vậy cho đến khi nó gặp đường đặc tính cơ tự nhiên tại điểm giao nhau của đặc tính cơ TN và I1 = const, ta sẽ có đặc tính khởi động abcde XL. Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN và I1 = const thì ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi tiến hành lại từ đầu. Tính điện trở khởi động: a) Phương pháp đồ thị: Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ (( trên các đặc tính cơ ứng với một giá trị dòng điện (ví dụ I1) ta có: Ræ Ræ + Ræf ΔωTN = Kφ I1;ΔωNT = Kφ I1; (2­20) 27/201
  30. Rút ra: ĉ (2­21) Qua đồ thị ta có: ha−he ae Ræf1 = he Ræ = he Ræ; Tương tự như vậy: hc−he ce Ræf2 = he Ræ = he Ræ; Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ: R1 = Rư + Rưf (1) = Rư + (Rưf 1 + Rưf 2) R2 = Rư + Rưf (2) = Rư + (Rưf 2) b) Phương pháp giải tích: Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ. Đặc tính khởi động đầu tiên và dốc nhất là đường 1 (hình 2­3b), sau đó đến cấp 2, cấp 3, cấp m, cuối cùng là đặc tính cơ tự nhiên:: Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ: R1 = Rư + Rưf (1) = Rư + (Rưf 1 + Rưf 2 + + Rưf m) R2 = Rư + Rưf (2) = Rư + (Rưf 1 + Rưf 2 + + Rưf m­1) Rm­1 = Rư + (Rưf m­1 + Rưf m) Rm = Rư + (Rưf m) Tại điểm b trên hình 2­3b ta có: Uâm − E1 I2 = (2­22) R1 Tại điểm c trên hình 2­3b ta có: U®m − E1 I1 = (2­23) R2 Trong quá trình khởi động, ta lấy: 28/201
  31. I 1 = λ= const (2­24) I2 Vậy:Ġ (2­25) Rút ra: Rm = λRæ 2 Rm − 1 = λRm = λ Ræ m − 1 (2­26) R2 = λR3 = λ Ræ m R1 = λR2 = λ Ræ }}}} + Nếu cho trước số cấp điện trở khởi động m và R1, Rư thì ta tính được bội số dòng điện khi khởi động: m R m U m + 1 U λ = 1 = âm = âm (2­27) √ Ræ √ Ræ.I1 √ Ræ.I2 Trong đó: R1 = Uđm/I1; rồi thay tiếp I1 = (I2. + Nếu biết (, R1, Rư ta xác định được số cấp điện trở khởi động: lg(R1 / Ræ) m = lgλ (2­28) * Trị số các cấp khởi động được tính như sau: Ræfm = Rm − Ræ = (λ − 1).Ræ Ræfm − 1 = Rm − 1 − Rm = λ(λ − 1).Ræ m − 2 (2­29) Ræf2 = R2 − R3 = λ (λ − 1).Ræ m − 1 Ræf1 = R1 − R2 = λ (λ − 1).Ræ }}}} * Ví dụ 2­2: 29/201
  32. Cho động cơ kích từ song song có các số liệu sau: Pđm = 25KW; Uđm = 220V; nđm = 420vg/ph; Iđm = 120A; Rư* = 0,08. Khởi động hai cấp điện trở phụ với tần suất 1lần/ 1ca, làm việc ba ca, mômen cản quy đổi về trục động cơ (cả trong thời gian khởi động) Mc ( 410Nm. Hảy xác định các cấp điện trở phụ. * Giải: Trước hết ta xác định các số liệu cần thiết của động cơ: Điện trở định mức: Rđm = Uđm/Iđm = 220V/120A = 1,83(. Điện trở phần ứng: Rư = Rư*.Rđm = 0,08.1,83 = 0,146(. Tốc độ góc định mức: (đm = nđm/ 9,55 = 420/ 9,55 = 44 rad/s. Từ thông của động cơ và hệ số kết cấu của nó: Uâm − Ræ.Iâm 220 − 0,146.120 Kφâm = = = 4,6Wb ωâm 44 Dòng điện phụ tải: Ic = Mc/K(đm = 410/4,6 = 89A ( 0,74Iđm. Với tần suất khởi động ít, dòng điện và mômen phụ tải nhỏ hơn định mức, nên ta coi trường hợp này thuộc loại khởi động bình thường với số cấp khởi động cho trước m = 2, dùng biểu thức (2­27), chọn trước giá trị I2: I2 = 1,1.Ic = 1,1.89A = 98 A Ta tính được bội số dòng điện khởi động: m + 1 U λ = âm = 2 + 1 220 ≈ 2,5 √ Ræ.I2 √ 0,146.98 Kiểm nghiệm lại giá trị dòng điện I1: I1 = (.I2 = 2,5.98A = 245A ( 2Iđm Giá trị dòng khởi động thấp hơn giá trị cho phép, nghĩa là số liệu đã tính là hợp lý. 30/201
  33. Theo (2­26) ta xác định được các cấp điện trở tổng với hai đường đặc tính nhân tạo: R1 = (Rư = 2,5.0,146 = 0,365 ( R2 = λR1 = 2,5.0,365 = 0,912 ? Và các điện trở phụ của các cấp sẽ là: Rưf1 = R1 ­ Rư = 0,365 ­ 0,146 = 0,219 ? Rưf2 = R2 ­ Rưf1 ­ Rư = 0,912 ­ 0,219 ­ 0,146 = 0,547 ? Các đặc tính cơ khi hãm ĐMđl: Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay còn gọi là chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh: Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (( > (0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > Uư, động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ. 31/201
  34. Khi hãm tái sinh: Uæ − Eæ Kφω0 − Kφω Ih = R = R (0: lúc này máy sản xuất như là nguồn động lực quay rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn. Vì E > Uư, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ : Uæ − E Iæ = Ih = (02). Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh), hình 2­5b. 32/201
  35. + Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+Uư ( ­ Uư): lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc = Mtn). Khi đảo chiều điện áp phần ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ + (0 ( ­ (0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính có ­Uư, và sẽ làm việc tại điểm B (((B(>(­ (0(). Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn, hình 2­5c. Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi nâng tải, động cơ truyền động thường làm việc ở chế độ động cơ (điểm A hình 2­5c), và khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát (điểm B hình 2­5c). Hãm ngược: Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay (M(((). Hãm ngược có hai trường hợp: 33/201
  36. a) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D và làm việc ổn định ở điểm E ((ôđ = (E và (ôđ(((A) trên đặc tính cơ có thêm Rưf lớn, và đoạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu nên: U­ + E­ U­ + Kfw Ih = = R­ + R­f R­ + R­f Mh = KfIh (2­31) } Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản (MB < Mc) nên tốc độ động cơ giảm dần. Khi ( = 0, động cơ ở chế độ ngắn mạch (điểm D trên đặc tính có Rưf ) nhưng mômen của nó vẫn nhỏ hơn mômen cản: Mnm < Mc; Do đó mômen cản của tải trọng sẽ kéo trục động cơ quay ngược và tải trọng sẽ hạ xuống, (( < 0, đoạn DE trên hình 2­6a). Tại điểm E, động cơ quay theo chiều hạ tải trọng, trường hợp này sự chuyển động cử hệ được thực hiện nhờ thế năng của tải. b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì: 34/201
  37. Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ: − Uæ − Eæ Uæ + Kφω Ih = = − <0 Ræ + Ræf Ræ + Ræf Mh = KφIh < 0 (2­32) } Phương trình đặc tính cơ: − U R +R ω = æ − æ æf M (2­33) Kφ (Kφ)2 Hãm động năng: (cho Uư = 0) a) Hãm động năng kích từ độc lập: Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: R +R ω = − æ h M (2­34) (Kφ)2 35/201
  38. Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là (hđ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu: Ehd = Kφωhd Ehd Kφωhd Ihd = − = − <0 Ræ + Rh Ræ + Rh (2­35) Mhd = KφIhd < 0 }} Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn (các đoạn B10 hoặc B20), còn nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại ((ôđ1 hoặc (ôđ2). b) Hãm động năng tự kích từ : Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: R +R + R ω = − æ kt h M (2­36) (Kφ)2 36/201
  39. Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũng giảm dần và là hàm của tốc độ, vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ giống như đặc tính không tải của máy phát tự kích từ. So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độ hãm ban đầu, nhất là tốn ít năng lượng hơn. Các đặc tính cơ khi đảo chiều ĐMđl: Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều quay thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc: U­®m R­®m w = Kf − 2 M (2­37) ®m (Kf®m) Với M = Mc thì ( = (A = (Thuận Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều từ thông kích từ động cơ. Thường đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng. Khi đảo chiều điện áp phần ứng thì (0 đảo dấu, còn (( thì không đảo dấu, đặc tính cơ khi quay ngược chiều: − Uæ Ræ + Ræf ω = Kφ(I ) − 2 M (2­38) æ [Kφ(Iæ)] 37/201
  40. Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm A’ trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo. * Ví dụ 2­3: Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26(; Trước khi hãm động cơ làm ở điểm định mức A(M = Mđm , ( = (đm); Hãy xác định trị số điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng động cơ để hãm động năng kích từ độc lập với yêu cầu mômen hãm lớn nhất Mh.max = 2Mđm. Sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập như trong hình 2­9a. * Giải: Sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập hình 2­9a khi đó đảm bảo từ thông động cơ trong quá trình hãm là không đổi: ( = (đm. 38/201
  41. Đặc tính cơ của động cơ trước khi hãm là đặc tính cơ tự nhiên, và khi chuyển sang đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập (đoạn B0 trên hình 2­9b). Điểm làm việc trước khi hãm là điểm định mức A, có: Iư = Iđm = 35A, tương ứng mômen định mức Mđm; (A = (đm = 230,3rad/s (xem ví dụ 2­1) Sức điện động của động cơ trước khi hãm sẽ là: Ebđ = EA = Uđm ­ Iư.Rư Ebđ = 220 ­ 35.0,26 = 210,9V Từ hình 2­9b ta thấy, mômen (và dòng điện) hãm lớn nhất sẽ có được tại thời điểm ban đầu của quá trình hãm, ngay khi chuyển đổi mạch điện từ chế độ động cơ trên đặc tính cơ tự nhiên sang mạch điện làm việc ở chế độ hãm động năng kích từ độc lập (điểm B): Ih.max = Ih.bđ Hoặc Mh.max = Mh.bđ Vì ( = (đm nên mômen động cơ tỉ lệ thuận với dòng điện động cơ khi hãm, do đó để đảm bảo điều kiện Mh.max = 2Mđm thì: Ih.bđ = 2Iđm = 2.35 = 70A Điện trở tổng trong mạch phần ứng động cơ được xác định theo (2­34): 39/201
  42. Kφω KφωA EA RæΣ = ∣ ∣ = ∣ ∣ = ∣ ∣ Iæ Ih.bâ Ih.bâ 210,9 RæΣ = 70 = 3,01 Ω Vậy điện trở hãm phải đấu vào phần ứng động cơ khi hãm động năng kích từ độc lập sẽ là: Rh = Rư( ­ Rư Rh = 3,01 ­ 0,26 = 2,75 ?. 40/201
  43. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp (đmnt) Và hỗn hợp (đmhh) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp (đmnt) Và hỗn hợp (đmhh) Sơ đồ nối dây của ĐMnt : Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn một chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp với kích từ. Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng, nên từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của động cơ. Theo sơ đồ hình 2­10a, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: U = E + R.Iư = k(( + R.Iư (2­39) Trong đó: U là điện áp nguồn, (V) R = Rư + Rkt + Rưf (2­40) Trong này: Rư là điện trở phần ứng động cơ. Rkt là điện trở cuộn dây kích từ Rưf là điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng Tương tự ĐMđl, từ các phương trình trên ta rút ra: 41/201
  44. U R + Ræf ω = kφ − kφ I (2­41) R + R ω = U − æf M (2­42) kφ (kφ)2 Từ thông ( phụ thuộc vào dòng kích từ Ikt theo đặc tính từ hoá như đường ( trên hình 2­10b. Đó là quan hệ giữa từ thông ( với sức từ động kích từ Fkt của động cơ. mà: Fkt = Ikt.Wkt . Khi cho dòng kích từ bằng định mức thì từ thông động cơ sẽ đạt định mức. Để đơn giản hoá khi thành lập phương trình đặc tính cơ ĐMnt, ta coi mạch từ của động cơ là chưa bảo hoà, quan hệ giữa từ thông với dòng kích từ là tuyến tính đường ( trên hình 2­10b: ( = C.Ikt ; (C ­ hệ số tỉ lệ) (2­43) Nếu bỏ qua phản ứng phần ứng, ta có: ( = C.Ikt = C.Iư = C.I (2­44) Kết hợp (2­44) với (2­39) ta được phương trình đặc tính cơ điện của ĐMnt: U R A1 w = k.C.I − k.C = I − B (2­45) Với: A1 =Ġ = const ; B =Ġ = const ; Mặt khác: M = k.ϕ.I = k.C.I2 (2­46) Nên: ĉ (2­47) Thay (2­47) vào (2­45) ta có phương trình đặc tính cơ ĐMnt: A1.√k.C R A2 w = √M − k.C = √M − B (2­48) Trong đó: A2 = A1. √k.C = const. Qua phương trình (2­45) và (2­48) ta thấy đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của ĐMnt có dạng hypecbol và rất mềm như hình 2­11a, b và tốc độ không tải lý tưởng bằng vô cùng. Thực tế không có tốc độ không tải lý tưởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. 42/201
  45. Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của ĐMnt : Như vậy đặc tính cơ điện của ĐMnt có dạng đường hypebol và rất mềm. Nó có hai đường tiệm cận (hình 2­12a): + Khi I ( 0, ( ( ( : Tiệm cận trục tung. + Khi ( ( ­B, M ( ( : Tiệm cận đường ( = ­B = ­ (Rư()/K.C . Tương tự, đối với đặc tính cơ của ĐMnt cũng có hai đường tiệm cận (hình 2­12b): + Khi M ( 0, ( ( ( : Tiệm cận trục tung. + Khi ( ( ­B, M ( ( : Tiệm cận đường ( = ­B = ­ (Rư()/K.C . Với đặc tính cơ tự nhiên thì Rưf = 0, nên ta có hai đường tiệm cận ứng với: 43/201
  46. + Khi M ( 0, ( ( ( : Tiệm cận trục tung. + Khi ( ( ­B(tn), M ( ( : đặc tính cơ sẽ tiệm cận với đường thẳng ( = ­B(nt) = ­ (Rư)/K.C . Đặc tính vạn năng của ĐMnt: Các phương trình (2­40) , (2­41) và các đặc tính trên hình 2­12 được rút ra với giả thiết đặc tính từ hoá ( = f(I) là đường thẳng. Tuy nhiên, thực tế quan hệ ( = f(I) là phi tuyến nên việc viết phương trình và vẽ các đặc tính cơ ĐMnt là rất khó khăn. Vì vậy các nhà chế tạo động cơ thường cho trước các đường cong thực nghiệm: (* = f(I*) và M* = f(I*) khi không có điện trở phụ, và gọi là đặc tính vạn năng của ĐMnt như hình 2­13. Các đặc tính này cho theo đơn vị tương đối: (* = (/(đm ; I* = I/Iđm ; M* = M/Mđm ; Dùng chung cho các loại động cơ trong dãy công suất có cùng tiêu chuẩn thiết kế. Đối với động cơ đã cho, ta chỉ cần lấy giá trị (đm nhân vào trục tung và lấy Iđm nhân vào trục hoành, ta sẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên ( = f(I) của động cơ đó. Mặt khác, từ giá trị I* tra theo đường M* = f(I*) ta được giá trị M* tương ứng. Nhân giá trị M* đó với Mđm của động cơ đã cho ta được M. Như vậy, từ đặc tính cơ điện tự nhiên và đường đặc tính vạn năng M* = f(I*) ta sẽ được đặc tính cơ tự nhiên ( = f(M). Người ta 44/201
  47. có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (dùng thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng) của ĐMnt khi sử dụng các đặc tính vạn năng và đặc tính cơ tự nhiên. Đặc tính cơ khi khởi động ĐMnt: Tương tự ĐMđl, để hạn chế dòng khởi động ĐMnt người ta cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần đi để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. I’kđbđ = I’nm =Ġ= (2(2,5)Iđm ( Icp (2­49) a) Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động trình bày trên hình 2­13: Quá trình xây dựng đặc tính khởi động theo các bước sau: 1. Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng, vẽ ra đặc tính cơ tự nhiên. 2. Chọn dòng điện giới hạn I1 ( (2(2,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động R = Uđm/I1 . Ta kẻ đường I1 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại e. 3. Chọn dòng chuyển khi khởi động I2 = (1,1(1,3)Ic . Kẻ đường I2 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại f, và nó cũng cắt đặc tính nhân tạo dốc nhất (có R) tại b theo biểu thức: Uâm­I2R ωNT(b) = ωTN(f) (2­50) Uâm­I2Ræ Kẻ các đường ef và ab kéo dài, chúng sẽ cắt nhau tại A, từ A dựng tiếp các đường đặc tính khởi động tuyến tính hoá thoả mãn các yêu cầu khởi động và ta có đường khởi động abcdefXL. 45/201
  48. b) Tính điện trở khởi động: Theo phương pháp tuyến tính hoá trên, điện trở phụ tổng được tính Rưf = R ­ Rư , ta có điện trở phụ các cấp: ac ce R­f1 = ea R­f;R­f2 = ea R­f; (2­51) Các trạng thái hãm ĐMnt: Động cơ ĐMnt có (0 ( (, nên không có hãm tái sinh mà chỉ có hai trạng thái hãm: Hãm ngược và Hãm động năng. Hãm ngược ĐMnt: a) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc tại A, đóng Rưf lớn vào phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang B, C và sẽ thực hiện hãm ngược đoạn CD: b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên với: Uư > 0, quay với chiều ( > 0, làm việc ở chế độ động cơ, chiều mômen trùng với chiều tốc độ; Nếu ta đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng Uư < 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) và vẫn giữ nguyên chiều dòng kích từ thì dòng điện phần ứng sẽ đổi chiều Iư < 0 do đó mômen đổi chiều, động cơ sẽ chuyển sang điểm B trên đặc tính ( hình 2­15, đoạn BC là đoạn hãm ngược, và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Lúc hãm động năng, dòng hãm và mômen hãm của động cơ: 46/201
  49. − U − Eæ U + Kφω Ih = = − <0 Ræ + Ræf Ræ + Ræf Mh = KφIh < 0 (2­52) } Phương trình đặc tính cơ: R +R ω = − U − æ æf M (2­53) Kφ (Kφ)2 Hãm động năng ĐMnt: a) Hãm động năng kích từ độc lập: Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A, hình 2­16), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện qua điện trở phụ sao cho dòng kích từ có chiều và trị số không đổi (Iktđm), và như vậy giống với trường hợp hãm động năng kích từ độc lập của ĐMđl. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: R +R ω = − æΣ h M (2­54) (Kφ)2 47/201
  50. b) Hãm động năng tự kích từ : Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng nối tiếp vào một điện trở hãm Rh, nhưng dòng kích từ vẫn phải được giữ nguyên theo chiều cũ do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: R +R + R ω = − æ kt h M (2­55) (Kφ)2 Và từ thông giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích. Đảo chiều ĐMnt: Đặc tính cơ của động cơ ĐMnt khi đảo chiều bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: 48/201
  51. − Uæ RæΣ + Ræf ω = Kφ(I ) − 2 M (2­56) æ [Kφ(Iæ)] Khi Uư > 0, động cơ quay thuận ( > 0 (tại điểm A trên đặc tính cơ ở góc phần tư thứ nhất của toạ độ [M, (], với phụ tải là Mc > 0). Nếu ta đảo cực tính điện áp phần ứng động cơ (vẫn giữ nguyên chiều từ thông kích từ) Uư < 0, phụ tải động cơ theo chiều ngược lại Mc' < 0, động cơ sẽ quay ngược ( < 0 (tại điểm A' trên đặc tính cơ ở góc phần tư thứ ba của toạ độ [M, (]. Nếu cho điện trở phụ vào mạch phần ứng, ta sẽ có các tốc độ nhân tạo ngược, hình 2­18. Nhận xét về ĐMnt: Về cấu tạo, ĐMnt có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiết diện to và số vòng dây ít. Nhờ đó nó dễ chế tạo và ít hư hỏng hơn so với ĐMđl. Động cơ ĐMnt có khả năng quá tải lớn về mmomen. Khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của ĐMnt lớn hơn mômen của ĐMđl. Thực vậy, lấy ví dụ khi cho quá tải dòng Iqt = 1,5Iđm thì mômen quá tải của ĐMđl là : Mqt = K(đm.1,5Iđm = 1,5Mđm, nghĩa là hệ số quá tải mômen bằng hệ số quá tải dòng điện: KqtM = KqtI = 1,5. Trong kho đó, mômen của ĐMnt tỷ lệ với bình phương dòng điện, nên M'qt = K.C.I2 = K.C.(1,5Iđm)2 = 1,52.Mđm = 2,25Mđm, nghĩa là hệ số quá tải mômen bằng bình phương lần của hệ số quá tải dòng điện: K'qtM = K2qtI. 49/201
  52. Mômen của ĐMnt Không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện, nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mômen động cơ cũng là định mức, cho dù động cơ nối ở đầu đường dây hay ở cuối đường dây. Đặc điểm, đặc tính cơ động cơ ĐMhh : Sơ đồ nguyên lý của động cơ ĐMhh như hình 2­19, với hai cuộn kích từ song song và nối tiếp tạo ra từ thông kích từ động cơ: ϕ = ϕs + ϕn (2­57) Trong đó: (s là phần từ thông do cuộn kích từ song song tạo nên; (s = (0,75 ( 0,85)(đm và không phụ thuộc vào dòng phần ứng, tức không phụ thuộc vào phụ tải. Còn (n là phần từ thông do cuộn kích từ nối tiếp tạo ra, nó phụ thuộc vào dòng phần ứng. Khi phụ tải Mc = Mđm thì Iư = Iđm, tương ứng: (n.đm = (0,25 ( 0,15)(đm Do có hai cuộn kích từ nên đặc tính cơ của ĐMhh vừa có dạng phi tuyến như ĐMnt, đồng thời có điểm không tải lý tưởng [0, (0] như của ĐMđl, hình 2­20, trong đó tốc độ không tải lý tưởng có giá trị khá lớn so với tốc độ định mức: (0 ( (1,3 ( 1,6) (đm . Động cơ ĐMhh có ba trạng thái hãm tương tự như ĐMđl. 50/201
  53. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (ĐK) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (ĐK) Các giả thiết, sơ đồ thay thế, đặc tính cơ của động cơ ĐK: Các giả thiết: Động cơ không đồng bộ (ĐK) như hình 2­21, được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi cùng công suất định mức so với động cơ một chiều. Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ). Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu, ta giả thiết: + Ba pha của động cơ là đối xứng. + Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bảo hoà nên điện trở, điện kháng, không thay đổi. + Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato. + Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. + Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng. 51/201
  54. Sơ đồ thay thế: Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ như hình 2­23. Trong đó: U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V). I1, I(, I’2 là các dòng stato, mạch từ hóa, rôto đã quy đổi về stato (A). X1, X(, X’2 là điện kháng stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato ((). R1, R(, R’2 là điện trở stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato ((). R’2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đã quy đổi về stato ((). s là hệ số trượt của động cơ: ω − ω ω − ω s = 1 = 0 (2­58) ω1 ω0 Trong đó: (1 = (0 là tốc độ của từ trường quay ở stato động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s): 2πf1 ω1 = ω0 = p (2­59) ( là tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s). Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz), p là số đôi cực của động cơ, 52/201
  55. Biểu đồ năng lượng của ĐK: Với các giả thiết ở trên, ta có biểu đồ năng lượng của động cơ ĐK 3 pha như hình 2­24: Trong biểu đồ năng lựong: P1 là công suất điện từ đưa vào 3 pha stato động cơ ĐK ?P1 = ?PCu1 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stato P12 là công suất điện từ truyền giữa stato và rôto động cơ ĐK ?P2 = ?PCu2 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rôto P2 là công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ của ĐK truyền động cho máy sản xuất. Phương trình và đặc tính cơ ĐK: Từ sơ đồ thay thế hình 2­23, ta tính được dòng stato: 1 1 I1 = U1f 2 2 + 2 (2­60) R + X R' √ μ μ 2Σ R + + X2 [ √( 1 s ) nm ] Trong đó: R’2( = R’2 + R’2f là điện trở tổng mạch rôto. Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch. Từ phương trình đặc tính dòng stato (2­60) ta thấy: 53/201
  56. Khi ( = 0, s = 1, ta có: I1 = I1nm ­ dòng ngắn mạch của stato. Khi ( = (0, s = 0, ta có:Ġ Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ, động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ta từ trường quay. Trị số hiệu dụng của dòng rôto đã quy đổi về stato: ' U1f I2 = 2 (2­61) R' 2S R + + X2 √( 1 s ) nm Phương trình (2­61) là quan hệ giữa dòng rôto I’2 với hệ số trượt s hay giữa I’2 với tốc độ (, nên gọi là đặc tính điện­cơ của động cơ ĐK, (hình 2­25). Qua (2­61) ta thấy: Khi ( = (0, s = 0, ta có: I’2 = 0. Khi ( = 0, s = 1, ta có:Ġ Trong đó: I’2nm là dòng ngắn mạch của rôto hay dòng khởi động. Để tìm phương trình đặc tính cơ của ĐK, ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P12 = Mđt.(0 (2­62) Mđt là mômen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ: Mđt = Mcơ = M (2­63) Và: P12 = Pcơ + (P2 (2­64) Trong đó: Pcơ = M.( là công suất cơ trên trục động cơ. 54/201
  57. (P2 = 3I’22.R’2( là tổn hao công suất đồng trong rôto. Do đó: M.(0 = M((0 ­ () = M.(0.s Vậy:ĉ (2­65) Thay (3­4) vào (3­8) và biến đổi ta có : 3.U2 .R© M = 1f 2S (2­66) 2 R' 2S s.w . R + + X2 0 [( 1 s ) nm] Phương trình (2­66) là phương trình đặc tính cơ của ĐK. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 2­27b. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ được các trị số về độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth tại điểm cực trị: R' 2S sth = ± (2­67) R2 + X2 √ 1 nm Và:ĉ (2­68) Trang 60 Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (­) ứng với trạng thái máy phát, (MthĐ > MthF). Phương trình đặc tính cơ của ĐK có thể biểu diễn theo closs: 2M (1 + as ) M = th th (2­69) s sth + + 2asth sth s Trong đó: a = R1/R’2(. Mth và sth lấy theo (2­67) và (2­68). Đối với động cơ ĐK công suất lớn, thường R1 rất nhỏ so với Xnm nên có thể bỏ qua R1 và asth ( 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản: 2M M = th (2­70) s sth + sth s 55/201
  58. Lúc này: Ġ (2­71) + Trong nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính hoá đạc tính cơ trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s > sth thì coi sth/s ( 0 và ta có: 2Mth.sth M = s (2­77) 56/201
  59. Và: ĉ (2­78) Trong đoạn này độ cứng ? > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây thường là đoạn động cơ khởi động. Trang 62 ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của ĐK: Qua chương trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ ĐK, ta thấy các thông số có ảnh hưởng đến đặc tính cơ ĐK như: Rs, Rr, Xs, Xr, UL, fL, Sau đây, ta xét ảnh hưởnh của một số thông số: ảnh hưởng của điện áp lưới (Ul): Khi điện áp lưới suy giảm, theo biểu thức (2­68) thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó tốc độ đồng bộ ?o, hệ số trượt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm như hình 2­28. Qua đồ thị ta thấy: với một mômen cản xác định (MC), điện áp lưới càng giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác, vì mômen khởi động Mkđ = Mnm và mômen tới hạn Mth đều giảm theo điện áp, nên khả năng quá tải và khởi động bị giảm dần. Do đó, nếu điện áp quá nhỏ (đường U2, ) thì hệ truyền động trên có thể không khởi động được hoặc không làm việc được. ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (Rlf), điện kháng phụ (Xlf) vào mạch stato, nếu ?o = const, và theo biểu thức (2­67), (2­68) thì mômen Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2­29. 57/201
  60. Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ = Mnm.f thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện kháng phụ (Xlf) cứng hơn đặc tính có Rlf. Khi tăng Xlf hoặc Rlf thì Mth và Sth đều giảm. Khi dùng Xlf hoặc Rlf để khởi động nhằm hạn chế dòng khởi động, thì có thể dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch để xác định Xlf hoặc Rlf. 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 (2­67), (2­68) thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2­30. Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi có R2f, X2f càng lớn thì Sth càng tăng, độ cứng đặc tính cơ càng giảm, với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f càng lớn thì tốc độ làm việc của động cơ càng bị thấp, và dòng điện khởi động càng giảm. 58/201
  61. ảnh hưởng của tần số lưới cung cấp cho động cơ: Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ trường ?o và tốc độ của động cơ ? sẽ thay đổi theo. Vì ?o = 2?.f1/p, và X = ?.L, nên ?o ? f1, ? ? f1 và X ? f1. Qua đồ thị ta thấy: Khi tần số tăng (f13 > f1.đm), thì Mth sẽ giảm, (với điện áp nguồn 1 U1 = const) thì : Mth ≃ (h×nh 2­31). f2 1 Khi tần số nguồn giảm (f11 < f1đm, ) càng nhiều, nếu giữ điện áp u1 không đổi, thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra mômen như trong chế độ định mức. 59/201
  62. * Ví dụ 2 ­ 5: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐKdq) có: Pđm = 850KW ; Uđm = 6000V ; nđm = 588vg/ph ; ? = 2,15 ; E2đm = 1150V ; I2đm = 450A. Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha rôto là: R2f = 0,75?. Trang 65 * Giải : Với động cơ có công suất lớn, ta có thể sử dụng phương trình gần đúng (2­70) coi R1 rất nhỏ hơn R2 tức a = 0. Độ trượt định mức: no − nđm 600−588 sđm = = = 0,02 no 600 Mômen định mức: 60/201
  63. Ġ, hoặcĠ Mômen tới hạn: Mth = ?Mđm = 2,15.13085 = 29681 N.m, hoặcĠ Điện trở định mức: ĉ Điện trở dây quấn rôto: R2 = R2Rđm = sđmRđm = 0,02.1,476 = 0,0295 Ω Độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên cá định theo (2­74): 2 2 sth = sđm(λ + √λ − 1) = 0,02(2,15+√2,15 − 1) = 0,08 Phương trình đặct tính cơ tự nhiên: Ġ hoặcĠ Với mômen ngắn mạch: 59362 Mnm = 1 = 4777Nm = 0,35Mđm + 0,08 0,08 Trang 66 Theo đó ta vẽ được đường đặc tính tự nhiên như trên hình 2­32 đi qua 4 điểm: điểm không tải [M = 0; s = 0]; điểm định mức ś=1; sđm = 0,02]; điểm tới hạn TH ś=2,15; sđm = 0,08]; điểm ngắn mạch NM ś=0,35; sđm = 1]. Đối với đặc tính nhân tạo có Rf = 0,175? ta có độ trượt tới hạn nhân tạo: R2 + Rf 0,0295+0,175 sth.nt = sth = 0,08 = 0,55 R2 0,0295 Phương trình đặc tính cơ nhân tạo sẽ là: 2λ M = s 0,55 + 0,55 s Và đặc tính được vẽ trên cùng đồ thị hình 2­32. 61/201
  64. Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi khởi động: Khởi động và tính điện trở khởi động: + Nếu khởi động động cơ ĐK bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn. Như vậy, tương tự khởi động ĐMđl, ta cũng đưa điện trở phụ vào mạch rôto động cơ ĐK có rôto dây quấn để han chế dòng khởi động:Ġ.Và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được trình bày trên hình 2­33 (hai cấp khởi động m = 2). * Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐK: + Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm; ?đm; ) và thông số tảI (Ic; Mc; Pc; ) số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên. 62/201
  65. + Vì đặc tính cơ của động cơ ĐK là phi tuyến, nên để đơn giản, ta dùng phương pháp gần đúng: theo toán hoc đã chứng minh thì các đường đặc tính khởi động của động cơ ĐK tuyến tính hóa sẽ hội tụ tại một điểm T nằm trên đường ?o = const phía bên phải trục tung của tọa độ (?, M) như hình 2­33. + Chọn: Mmax = M1 = (IJ2,5)Mđm ; hoặc Mmax = 0,85Mth và Mmin = M2 = (1,ı1,3)Mc trong quá trình khởi động. + Sau khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta tiến hành xây dựng đặc tính khởi động tương tự động cơ ĐMđl, cuối cùng ta được các đặc tính khởi động gần đúng edcbaXL như hình 2­33. Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN mà M1 = const thì ta phải chọn lại M1 hoặc M2 rồi tiến hánh lại từ đầu. Tính điện trở khởi động: *Dùng phương pháp đồ thị: + Khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta có: S R − R NT = 2 2f ; (2­79) STN R2 Rút ra: SNT − STN R2f = R2; (2­80) STN Từ đồ thị ta có điện trở phụ các cấp: ha−hc ac R2f1 = he R2 = he R2; (2­81) hc−he ce R2f2 = he R2 = he R2; (2­82) 63/201
  66. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK: Động cơ điện ĐK cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. Hãm tái sinh: Động cơ ĐK khi hãm tái sinh: ? > ?o, và có trả năng lượng về lưới. Hãm tái sinh động cơ ĐK thường xảy ra trong các trường hợp như: có nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ? > ?o (như hình 2­34a,b), hay khi giảm tốc độ động cơ bằng cách tăng số đôi cực (như hình 2­35a,b), hoặc khi động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |?| > |­?o| bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ (như hình 2­6a,b). a) Hãm tái sinh khi MSX trở thành nguồn động lực: Trong quá trình làm việc, khi máy sản xuất (MSX) trở thành nguồn động lực làm quay rôto động cơ với tốc độ ? > ?0, động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn, hay gọi là hãm tái sinh, hình 2­34. Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này là: 2M M ≈ th (2­83) s sth + sth s 64/201
  67. Với:ĉ (2­84) Và: ? > ?0 ; I’2 = Ihts p1 thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ?2 và làm việc với tốc độ ? > ?2, trở thành máy phát, hay là HTS, hình 2­35. Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này chỉ khác là: R' 3U2 2Σ 1f 2πf1 sth ≈ ; Mth ≈ ; vàω0 = ; (2­85) Xnm2 2ω02Xnm2 p2 Và: ? > ?02 ; I’2 = Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (đoạn B?02) c) Hãm tái sinh khi đảo chiều từ trường stato động cơ: Động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ (điểm A), nếu ta đảo chiều từ trường stato, hay đảo 2 trong 3 pha stato động cơ (hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ), với phụ tải là thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hay hãm tái sinh, điểm D), như trên hình 2­36. Như vậy khi hạ hàng ta có thể cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát, đồng thời tạo ra mômen hãm để cho động cơ hạ hàng với tốc độ ổn định ?D. Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này thay ?0 bằng ­?0: 65/201
  68. R' 3U2 2Σ 1f sth ≈ ; Mth ≈ ; (2­86) Xnm 2( − ω0)Xnm Và : |?0| > |­?0| , M = Mhts (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS). Hãm ngược động cơ ĐK: Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ĐK ngược chiều với tốc độ quay (M ngược chiều với ?). Hãm ngược có hai trường hợp: a) Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f>) vào mạch rôto, lúc này mômen động cơ giảm (M , và đoạn CD là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện (hình 2­37). Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vứa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. Với:ĉ (2­87) 66/201
  69. b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato (đảo 2 trong 3 pha stato động cơ, hay đảo thứ tạ pha điện áp stato), hình 2­38. Khi đảo chiều vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch ? Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát, còn nếu là phụ tảI thế năng thì động cơ sẽ làm việc xác lập ở điểm E. Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ. Với:ĉ (2­88) ω − ω s = 0 > l (2­89) ω0 67/201
  70. Hãm động năng động cơ ĐK: Có hai trường hợp hãm động năng động cơ ĐK: a) Hãm động năng kích từ độc lập (HĐN KTĐL): Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ ĐK ra khỏi lưới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập như sơ đồ hình 2­39a. Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát cực ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của nó là điện trở mạch rôto. Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sẽ sinh ra một từ trường đứng yên ? so với stato như hình 2­39b. Rôto động cơ do quán tính vẫn quay theo chiều cũ nên các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên, do đó xuất hiện trong chúng một sức điện động e2. Vì rôto kín mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải: “+” khi e2 có chiều đi vào và “•” là đi ra. Tương tác giữa dòng i2 và ? tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2­39b). Chú ý rằng, trong trường hợp hãm ngược vì: Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto ? làm cho rôto quay chậm lai và sức điện động e2 cũng giảm dần. * Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ động cơ 68/201
  71. 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 điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra là như nhau: F1 = Fmc (2­90) Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra là: 3 F1 = 2 √2.w1.I1 (2­91) Sức từ động một chiều do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu day của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát như sau: Fmc = a.w1.Imc (2­92) Cân bằng (2­91) và (2­92) và rút ra: a.w1 I1 = 3 Imc = A.Imc (2­93) 2.w 2√ 1 Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng như bảng (2­2). Ví dụ, theo bảng (2­2), sơ đồ nối dây và đồ thị vectơ (a): o Fmc = 2Imc.w1cos30 = √3.w1.Imc (2­94) Và: a =Ġ;ĉ Đối với các sơ đồ đấu dây khác nhau của mạch stato, ta có thể xác định hệ số A theo bảng 2­2. Bảng 2­2 69/201
  72. Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ (hình 2­40). ở chế độ động cơ ĐK thì điện áp đặt vào stato không đổi, đó là nguồn áp, dòng từ hóaĠ từ thông ? không đổi, còn dòng điện stato I1, dòng điện stato I2 biến đổi theo độ trượt s. Còn ở trạng thái hãm động năng kích từ độc lập, vì dòng điện 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 rôto I2 và dòng từ hóa I? đều thay đổi, vậy nên từ thông ? ở stato thay đổi theo tốc độ. ’ ’ ’ ’ * ’ * I1I 2E 2XμIμX 2R 2 / ω R 2f / ω H×nh 2-40: S¬ ®å thay thÕ khi h·m ®éng n¨ng §K Trong chế độ làm việc của động cơ ĐK, 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 bằng tốc độ tương đối: ω = ω (2­95) ωo 70/201
  73. ’ ’ E 2I1φ2φ2I 2IμH×nh 2-41: §å thÞ vect¬dßng ®iÖn khi H§NTõ s¬ ®å thay thÕ h×nh 2­39, ta cã ®å thÞ vect¬ dßng ®iÖn nh h×nh 2­41. Từ sơ đồ thay thế ta có: E' E' .ω ' 2 2 I2 = 2 = '2 ' 2 (2­96) R' R + (X .ω) 2Σ √ 2Σ 2 + X'2 √( ω ) 2 ' Iμ.Xμ.ω Hay: I2 = (2­97) R'2 + (X' .ω)2 √ 2Σ 2 Trong đó:ĉ Theo đồ thị vectơ ta có: 2 ' 2 ' 2 I1 = (Iμ + I2sinϕ2) + (I2sinϕ2) ; 2 2 '2 ' 2 Hay I1 = Iμ + I2 + 2Iμ.I2sinϕ2) ; (2­98) Trong đó: X' .ω 2 sinϕ2 = (2­99) R'2 + (X' .ω)2 √ 2Σ 2 ThayĠ và sin?2 vào (2­98), ta có: I2X2ω*2 2I2X X' ω*2 2 2 μ μ μ μ 2 I1 = Iμ + + (2­100) R'2 + (X' ω)2 R'2 + (X' ω)2 2Σ 2 2Σ 2 Từ đó rút ra: 2 I1 − 1 I ' ( μ) ω = R2Σ 2 (2­101) ' 2 I1 '2 (X + Xμ) − X √ 2 (Iμ) 2 Từ các biểu thức (2­98)Ġ (2­100), sau khi biến đổi ta có: ' Iμ.Xμ.ω I2 = (2­102) R'2 + (X' + X )2.ω2 √ 2Σ 2 μ Tương tự như đã xét ở động cơ ĐK, ta xác định được mômen: 71/201
  74. R' 2Σ 3I'2 2 2 M = ω (2­103) ωo 3I'2X R' ω 2 μ 2Σ Hay: M = 2 (2­104) ω [R'2 + (X' + X )2ω ] o 2Σ 2 μ Đường cong M = f(?*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ ĐK và cho ta những kết quả: R' 2Σ ωth = (2­105) X + X' μ 2 3I2X2 1 μ Mth.th = (2­106) 2ω (X + X' ) o μ 2 Và:ĉ (2­107) Biểu thức (2­107) là phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng kích từ độc lập. Ta thấy rằng, khi thay đổi R2f thìĠ thay đổi, nênĠ thay đổi, còn Mth = const, còn khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc, thì mômen Mth thay đổi, cònĠ = const. Các đường đặc tính hãm động năng được biểu diễn như trên hình 2­42. Trên đó: đường (1) và (2) có cùng điện trởĠ nhưng có Mth2 > Mth1 nên dòng một chiều tương ứng Imc2 > Imc1. Như vậy khi thay đổi nguồn một chiều đưa vào stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi được mômen tới hạn. * H×nh 2-42: §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ §K khi H§N-KT§Lω ωω0Mth2 Mth1 0 * * MMc(ω)A (®/c)(3)H§N(2)(1)ω th2ω th1 Còn đường (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trởĠ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto hoặc dòng điện một chiều trong stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi được vị trí của đặc tính tính cơ. 72/201
  75. b) Hãm động năng tự kích từ: Động cơ đang hoạt động ở chế độ động cơ (tiếp K kín, tiếp điểm H hở), khi cho K hở, H kín lại, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm động năng tự kích từ. Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn điện một chiều bên ngoài, mà sử dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto (hình 2­43a) hoặc bộ tụ điện ở mạch stato. H×nh 2-43: a)S¬ ®å nèi d©y §K khi H§N TKTb) S¬ ®å nguyªn lý t¹o m«men h·m H§N TKT++++ΦFFe2i2RωMhb)§K~KMSXHR®chHa)CL * Ví dụ 2­6: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rh nối vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mômen hãm cực đại đạt được Mh.max = 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho trước: Động cơ 11KW; 220V; 953vg/ph, ? = Mth/Mđm = 3,1; cos?đm = 0,71; cos?o (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415?; X1 = 0,465?; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132?; X2 = 0,27?; và Ke = 1,84. * Giải: Trước hết, xác định thêm các thông số của động cơ: Tốc độ định mức: nđm 953 ωđm = 9,55 = 9,55 = 99,8rad/s Trang 82 Tốc độ từ trường quay: ?o = 1000/9,55 = 104,7 rad/s Mômen định mức:Ġ Độ trượt định mức:Ġ Điện kháng mạch hóa X? được xác định theo s.đ.đ. và dòng điện không tải của stato (coi dòng không tải bằng dòng từ hóa): E 1.0 212 Xμ = = = 11,05 Ω I1.0 19,2 (với:Ġ) 73/201
  76. Điện kháng rôto qui đổi về stato: ' 2 2 X2 = X2.Ke = 0,27.1,84 = 0,92 Ω Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn là: Mth.đn = Mh.max = 2,5Mđm. Tốc độ tới hạnĠ có thể chọn bằng tốc độ hãm ban đầu: ωth = ωbđ = ωđm / ωo Khi đó ta có đặc tính hãm là đường 2 trên hình 2­38. Rõ ràng đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì mômen 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 đặc tính cơ đảm bảo bao một diện tích lớn nhất giữa nó với trục tung của đồ thị (vùng gạch sọc trên hình 2­44). Khi đó mômen hãm trung bình trong toàn bộ quá trình hãm sẽ là lớn nhất. Việc tính toán cho thấy đặc tính cơ dạng này có tốc độ tới hạn:Ġ= 0,407. Vậy đặc tính cơ hãm động năng được chọn là đường (1) trên hình 2­44. ω ω00,05 ωb® =ω®m * ω th.t Mh.max = Mth.®n M®m 3,1M®m M H×nh 2­44: §Æc tÝnh c¬ TN vµ ®Æc tÝnh c¬ h·m §N Từ biểu thức của mômen tới hạn hãm động năng (biểu thức 2­106) ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1: ' M .2ωo(Xμ + X ) th.đn 2 I1 = = 3X2 √ μ = 2,5.110,2.2.104,7.(11,05+0,92) = 43,4A √ 3.11,052 74/201
  77. Qua hệ số tỷ lệ A của sơ đồ nối dây stato vào nguồn điện một chiều khi hãm, ví dụ chọn sơ đồ 1 trong bảng 2­2, ta có:Ġ, ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết: Imc = I1/A = 43,4/0,815 = 53A Từ biểu thức của tốc độ tới hạn (2­74) ta xác định được giá trị điện trở trong mạch rôto khi hãm: ' ' R2t = ωth(Xμ + X2) = 0,407.(11,05+0,92) = 4,87 Ω Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi là: ' 2 2 R2t = R2t / Ke = 4,87 / 1,84 = 1,44 Ω Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto là: Rh = R2t ­ r2 = 1,44 ­ 0,132 = 1,308 Ω Đảo chiều động cơ ĐK: Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều quay thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc: 2M (1 + as ) M = th th (2­108) s sth + + 2asth sth s ωω00 Mc MA (®/cT)b)­ω0H×nh 2-45: a) S¬ ®å nèi d©y §K khi ®¶o 2 trong 3 pha ’ stato ®éng c¬ §Kb) §Æc tÝnh c¬ khi lµm viÖc thuËn (A) vµ ngîc (B)§K~R2fa)MSXM c sthNB (®/cN) Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều từ trường stato (±?o), hay đảo thứ tự pha điện áp (u1) động cơ ĐK (thường đảo 2 trong 3 pha stato). Khi đảo chiều, dòng đảo chiều rất lớn nên phải cho thêm điện trở phụ vào mạch rôto để hạn chế IđchĠ Icp. Khi động cơ ĐK làm việc ở chiều ngược lại thì Mth sẽ đảo dấu và sth > 1 như hình 2­45: Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm B trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo ngược. 75/201
  78. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ đồng bộ (ĐĐB) Đặc tính cơ của động cơ ĐĐB: Khi đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải: 2πf1 ω0 = p (2­109) §KB~R®cha)MSX+ U®k ­0 M®m Mωω0b)H×nh 2-46: S¬ ®å nèi d©y vµ ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ §§B Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB này tong phạm vi mômen cho phép M ? Mmax là đường thẳng song song với trục hoành, với độ cứng ? = ? và được biểu diễn trên hình 2 ­46. Tuy nhiên khi mômen vượt quá trị số cực đại cho phép M > Mmax thì tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ. Đặc tính góc của động cơ ĐĐB: Trong nghiên cứu tính toán hệ truyền động dùng động cơ ĐĐB, người ta sử dụng một đặc tính quan trọng là đặc tính góc. Nó là sự phụ thuộc giữa mômen của động cơ với góc lệch vectơ điện áp pha của lưới Ul và vectơ sức điện động cảm ứng E trong dây quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra: M = f(θ) φ ­ θ Ulsinθ ABCθ φjixsH×nh 2-47: §å thÞ vect¬ cña m¹ch stato cña ®éng c¬ §§B Đặc tính này được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato vẽ trên hình 2­47 với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato (r1 ? 0). Trên đồ thị vectơ hình 2­47: Ul ­ điện áp pha của lưới (V) E ­ sức điện động pha stato (V) 76/201
  79. I ­ dòng điện stato (A) ? ­ goác lệch giữa Ul và E; ? ­ góc lệch giữa vectơ điện áp Ul và dòng điện I. Xs = x? + x1 ­ điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng mạch từ hóa x? và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato x1 (?) Từ đồ thị vectơ ta có: Ulcosϕ = Ecos(ϕ − θ) (2­110) Từ tam giác ABC tìm được: CB Ulsinθ cos(ϕ − θ) = = (2­111) CA Ixs Thay (2­110) vào (2­111) ta được: Ulsinθ U1cosϕ = E (2­112) Ixs EUl Hay: U1Icosϕ = sinθ (2­113) xs Vế trái của (2­113) là công suất 1 pha của động cơ. Vậy công suất 3 pha của động cơ: EU P = 3 l sinθ (2­114) xs Mômen của động cơ: 3EU M = P = l sinθ (2­115) ω0 ω0xs (2­115) là phương trình đặc tính góc của động cơ ĐĐB. Theo đó ta có đặc tính góc là đường cong hình sin như trên hình 2­48. Khi ? = ?/2 ta có biên độ cực đại của hình sin là: 3EUl Mm = (2­116) ω0xs 77/201
  80. Phương trình (2­115) có thể viết gọn hơn: M = Mmsinθ (2­117) Mm đặc trưng cho khả năng quá tảI của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha ? tăng. Nếu tải tăng quá mứcĠ, mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc lệch ? = 20oĠ 25o. Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ là: Mm λM = = 2 ÷ 2,5 Mđm Những điều đã phân tích ở trên chỉ đúng với những động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi rôto có kích từ. Còn đối với những động cơ đồng bộ cực lồi, do sự phân bố khe hở không khí không đều giữa rôto và stato nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ. Do đó đặc tính góc có biến dạng ít nhiều, như đường nét đứt trên hình 2­48. MmM0 π/2 π 2π θ3π/2H×nh 2-48: §Æc tÝnh gãc cña ®éng c¬ ®ång bé Câu hỏi ôn tập 1. Có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập bằng mấy dạng ? hảy viết các dạng phương trình đó ? Giải thích các đại lượng trong phương trình và cách xác định các đại lượng đó ? Vẽ dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ĐMđl ? 2. Đơn vị tương đối là gì ? Đơn vị tương đối của các đại lượng điện, cơ của động cơ ĐMđl được xác định như thế nào ? Viết phương trình đặc tính cơ ở dạng đơn vị tương đối ? ý nghĩa của việc sử dụng phương trình dạng đơn vị tương đối ? 3. Độ cứng đặc tính cơ của ĐMđl có biểu thức xác định như thế nào ? Giá trị tương đối của nó ? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng với sai số tốc độ và điện trở mạch phần ứng (theo đơn vị tương đối). ý nghĩa của độ cứng đặc tính cơ ? 4. Cách vẽ đặc tính cơ của ĐMđl ? Cách xác định các đại lượng: Mđm, ?đm, ?0, Inm, Mnm, để vẽ đường đặc tính này ? 5. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của ĐMđl ? họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi thông số đó ? Sơ đồ nối dây, phương trình đặc tính, dạng của các họ đặc tính nhân tạo, nhận xét về ứng dụng của chúng ? 78/201
  81. 6. Tại sao khi khởi động ĐMđl thường phải đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ ? Các dòng điện khởi động lớn nhất và nhỏ nhất khi khởi động ĐMđl thường khống ở mức nào ? Vẽ các đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở khởi động ? 7. Động cơ ĐMđl có mấy phương pháp hãm ? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm đó ? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm ? ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm đó ? Giải thích quan hệ về chiều tác dụng của các đại lượng điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm ? 8. Sự khác nhau giữa động cơ một chiều kích từ nối tiếp với ĐMđl về cấu tạo, từ thông, dạng đặc tính cơ, các phương pháp hãm ? Có nhận xét gì về đặc điểm và khả năng ứng dụng của ĐMnt thực tế ? 9. Có thể biểu thị phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ bằng những biểu thức nào ? Viết các phương trình đó, giải thích các đại lượng và cách xác định các đại lượng đó khi viết phương trình và dựng đặc tính cơ ? 10. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên theo các số liệu định mức trong catalo: dạng chính xác, dạng gần đúng và dạng tuyến tính hóa ? 11. Biểu thức xác định độ cứng đặc tính cơ ? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng đặc tính cơ với độ trượt định mức và điện trở mạch rôto của động cơ ĐK ? 12. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của động cơ ĐK ? Cách nối dây động cơ ĐK để tạo ra đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các thông số này ? Dạng các hộ đặc tính cơ nhân tạo và ứng dụng thực tế của chúng ? 13. Vẽ các dạng đặc tính cơ khi khởi động động cơ ĐK hai cấp tốc độ ? Khi khởi động động cơ ĐK, các đại lượng: hệ số trượt tới hạn, mômen tới hạn thay đổi như thế nào ? Các biểu thức xác định các đại lượng đó ? Thường mômen khởi động lớn nhất của động cơ ĐK bằng bao nhiêu mômen tới hạn của động cơ ? 14. Động cơ ĐK có mấy trạng thái hãm ? Cách nối dây động cơ để thực hiện các trạng thái hãm và điều kiện để xảy ra hãm ? Giải thích quan hệ năng lượng giữa máy sản xuất (tải của động cơ) và động cơ ở từng trạng thái hãm ? ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm ? 15. Giải thích ý nghĩa của đặc tính cơ và đặc tính goác của động cơ đồng bộ ? Sự phụ thuộc giữa mômen cực đại của động cơ với điện áp lưới ? Mômen cực đại ở đặc tính góc có ý nghĩa như thế nào với đặc tính cơ của động cơ ĐĐB ? 79/201
  82. Chương 3: Điều chỉnh các thông số đầu ra của hệ thống truyền động điện Điều chỉnh các thông số đầu ra của hệ thống truyền động điện Khái niệm chung: Các định nghĩa: Hệ thống truyền động điện không chỉ làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, mà còn điều khiển quá trình làm việc của cơ cấu công tác theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo nếu hệ có khả năng đặt trước các thông số gia công cho tứng công đoạn, duy trì các thông số đó với một độ chính xác nào đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, ví trí của cơ cấu công tác ), cưỡng bức thay đổi các giá trị đó theo ý muốn, hạn chế giá trị của chúng theo mức cho phép của quá trình công nghệ hoặc theo khả năng về độ bền, độ quá tải của máy. Các thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M và tốc độ ? của động cơ điện, có các mối quan hệ được định nghĩa: a) Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh: Đó là mômen (M), tốc độ (?) của động cơ, Do M và ? là 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, ?], nên việc điều chỉnh chúng thường gọi là “điều chỉnh tọa độ”. b) Các thông số đầu vào hay còn gọi là thông số điều chỉnh: + Đối với động cơ điện một chiều, thông số đầu vào là điện trở phần ứng Rư (hoạc Rưf), từ thông ? (hoặc điện áp kích từ Ukt; dòng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư. + Đối với động cơ điện không đồng bộ, thông số đầu vào là điện trở mạch rôto R2 (hoạc R2f), điện trở mạch stato R1, điện kháng stato x1, điện áp stato u1 vàtần số của dòng điện stato f1. + Đối với động cơ điện đồng bộ, thông số đầu vào là tần số của dòng điện stato f1. 80/201
  83. c) Các phần tử điều khiển: Là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào. Chú ý, người ta thường gọi việc điều chỉnh các thông số đầu ra là “điều khiển động cơ điện”. Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra của động cơ: Tùy theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, việc điều chỉnh M, ? nhằm thực hiện các mục đích sau: + Đặt giá trị làm việc và duy trì mức đạt đó, ví dụ duy trì tốc độ làm việc khi phụ tải thay đổi ngẫu nhiên. + Thay đổi thông số theo quy luật yêu cầu, ví dụ trong thời gian khởi động và tăng tốc động cơ thang máy từ 0 lên đến tốc độ ổn định, mômen lúc đầu phải tăng tuyến tuyến tính theo thời gian, sau đó giữ không đổi, và cuối cùng giảm tuyến tính cho đến khi M = Mc. + Hạn chế thông số ở một mức độ cho phép, ví dụ hạn chế dòng điện khởi động Ikđ ? Icp. + Tạo ra một quy luật chuyển động cho cơ cấu công tác (tức cho trục động cơ) theo quy luật cho trước ở đầu vào với một độ chính xác nào đó. Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động: a) Điều chỉnh không tự động: Là việc thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động, ) sẽ tác động vào hệ, nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hay “điều chỉnh không tự động” hoặc “điều chỉnh vòng hở”. Phương pháp điều chỉnh này đơn giản nên vẫn được dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại, tuy nhiên nó không đảm bảo được các yêu cầu cao về chế độ công nghệ. 81/201
  84. b) Điều chỉnh tự động: Được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở”. Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”. Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao. c) Nhiễu của các thông số đầu ra: Đối với các hệ truyền động và động cơ điện, có hai thông số đầu ra chủ yếu là mômen và tốc độ. Có nhiều loại nhiễu gây tác động lên các thông số này như điện áp nguồn, tần số lưới điện, nhiệt độ môI trường, hệ số tự cảm của cuộn dây, nhưng ta quan tâm đến các tác động nhiễu loạn chủ yếu. Khi điều chỉnh tốc độ, thông số được điều chỉnh là ?, thông số điều chỉnh là một trong các thông số tạo ra đặc tính nhân tạo, còn chủ yếu là phụ tải biểu thị bằng mômen cản Mc, hoặc dòng tải Ic. Ngược lại, khi điều chỉnh mômen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M hoặc I, thì nhiễu loạn chủ yếu lại là tốc độ ?. Sự ảnh hưởng qua lại giữa hai đại lượng M và ? được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó. Các chỉ tiêu chất lượng: Chỉ tiêu chất lượng động (chế độ quá độ): * Độ quá điều chỉnh (max ((max ( 40% hoặc có thể nhỏ hơn). * Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). * số lần dao động n ( n = 2(3 là tốt). 82/201
  85. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh (chế độ xác lập): Sai số tĩnh tốc độ s% : Là đại lượng đặc trưng cho sự chính xác duy trì tốc độ đặt ((đ): ω0 − ω 1 s = .100 = Δωc = (3­1) ω0 β ( ­ tốc độ làm việc thực của động cơ. (0 ­ tốc độ không tải của động cơ. ??c ­ độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 ? Mđm. Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lí tưởng ta có hệ điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi S% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động diều chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu S% ? 10%, tryuền động ăn dao : S% ? 5%, Phạm vi điều chỉnh tốc độ D: w D = max (3­2) wmin D càng lớn càng tốt. Tuy nhiên, giá trị (max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ, bởi điều kiện chuyển mạch. Tốc độ (min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. * Ví dụ trên hình 3­2: 83/201
  86. Cũng có trường hợp phối hợp hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng diện như: thay đổi điện áp phần ứng động cơ một chiều sẽ điều chỉnh tốc độ từ ?min đến ?đm, và phương pháp thay đổi từ thông kích từ thì điều chỉnh tốc độ từ ?đm đến ?max. Khi đó ta có “hệ điều chỉnh hai vùng tốc độ” và đạt được dải điều chỉnh rộng: ωđm ωmax D = ⋅ = DU.DΦ (3­3) ωmin ωđm Giả thiết các đặc tính cơ là tuyến tính, có độ cứng không đổi (1 và (2 = (1, mômen tải không đổi Mc, sai số tốc độ tưng ứng sẽ là: Mc Mc s1 = .100;s2 = .100 (3­4) ω01.β1 ω02.β2 Nếu gọi bội số mômen khởi động là Knm2 = Mnm2/Mc thì: 1 ωmin s2 = .100; hays2 = 1 − .100 (3­5) Knm2 ( ω02 ) Mc.Knm2 ⇒ wmin = 1 − s2 . (3­6) ( ) β2 Qua (3­6) ta thấy được quan hệ giữa D, s%, ( và Knm. Theo khả năng quá tải, ta có thể xác định phạm vi điều chỉnh: ωmax (βtn − 1) βmin D = ω = ⋅ β (3­7) min (βmin − 1) tn Trong đó: ?min = Kqt.Mđm / ?0 ; Ġ; Kqt = Mnm.min / Mđm 84/201
  87. Độ trơn điều chỉnh tốc độ ( : Là sự chênh lệch giữa 2 cấp tốc độ liền nhau: w j = i + 1 (3­8) wi Trong đó: (i ­ là tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. (i+1­ là tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1). Hệ số ( càng nhỏ càng tốt, lý tưởng là ( ( 1: đó là hệ điều chỉnh vô cấp. Còn hệ điều chỉnh có cấp nếu: ( ( 1. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải: Với các động cơ thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng định mức của nó, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu v.v trong toàn giải điều chỉnh. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh, sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ nhỏ nhất. Chỉ tiêu kinh tế: Nhiều trường hợp, chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn phương án truyền động. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, chi phí vận hành, bảo quản, sửa chữa ít, đặc biệt là tổn thất năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ. Năng suất của máy sản xuất do hệ điều chỉnh mang lại. Tổn thất năng lượng bao gồm tổn thất nhiệt và tổn thất cơ: ΔW=ΔWj + ΔWc.t ω2 t2 (3­9) = ∫ JΣ.(ω0 − ω)dω+ ∫Mc.(ω0 − ω)dt ω1 t1 Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế, thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn. Thường người ta căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật để đề xuất vài phương án điều chỉnh, sau đó tính toán kinh tế 85/201
  88. để so sánh hiệu quả và quyết định chọn hệ thống hoặc phương pháp điều chỉnh thông số đầu ra của động cơ. các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng thay đổi thông số: Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: U R +R ω = ­ − ­ ­f M (3­10) Kφ (Kφ)2 Ta thấy rằng khi thay đổi Rưf thì (0 = const còn (( thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng (0 và dốc dần khi Rưf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp (hình 3­3): Như vậy: 0 (1 > (2 > , nhưng nếu ta tăng Rưf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ( Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch, ( = 0. Từ lúc này, ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: 86/201
  89. U­ R­S w = Kf − 2 M (Kf) (3­11) ⇒ w = w0 − Dw Ta thấy rằng khi thay đổi ( thì (0 và (( đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng ( càng giảm) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi ( càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông ( (hình 3­4): Như vậy: (đm > (1 > (2 > thì (đm < (1 < (2 < , nhưng nếu giảm ( quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: U­ R­ w = Kf − 2 M (Kf) (3­12) ⇒ w = w0 − Dw Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì (0 thay đổi còn (( = const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi (hình 3­5): 87/201
  90. Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện: dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha; Bộ biến đổi điện tử - bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor, các bộ băm điện áp (BĐA) dùng tiristor, transistor, * Ví dụ 3­1: Cho ĐMđl có các thông số: Pđm = 29KW; Uđm = 220V; Iđm = 151A; nđm = 1000vg/ph; Rư = 0,07?; và hệ số quá tảI Kqt = 2. Hảy xác định tốc độ cực tiểu và dải điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu ? * Giải: Điện trở định mức của động cơ: Rđm = Uđm / Iđm = 220V / 151A = 1,45? Giá trị tương đương của điện trở phần ứng: Rư* = Rư / Rđm = 0,07? /1,45? = 0,048 Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: ?tn* = 1/Rư* = 20,8 Độ cứng đặc tính cơ thấp nhất: ?min* = Kqt = 2 88/201
  91. Giá trị tương đối của tốc độ cực đại (tức tốc độ định mức của động cơ) sẽ là: ĉ= 1 ­ Rư* = 1 ­ 0,048 = 0,0952 Tốc độ không tải lý tưởng: nđm 1000vg/ph n0 = = = 1050 vg/ph nđm 0,0952 Giá trị tương đối của tốc độ cực tiểu: 1 1 nmin = ωmin = 1 − = 1 − = 0,5 βmin 2 Vậy tốc độ quay cực tiểu của động cơ là: nmin = nmin.n0 = 0,5.1050 vg/ph = 525 vg/ph Từ giá trị của tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu, ta rút ra phạm vi điều chỉnh tốc độ: n D = max = 1000 = 1,9 nmin 525 Từ biểu thức (3­7) thay ?*min = Kqt = 2; ?*tn = 20,8; ta cũng được kết quả D = 1,9. Qua ví dụ trên ta thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hep. Tuy nhiên, nếu xét theo yêu cầu về sai số tốc độ cho phép thì dảI điều chỉnh còn hẹp hơn nữa hoặc thậm chí còn không thể điều chỉnh được tốc độ. Thực vậy, ta biết: s% = ??c* = R*ư? 89/201
  92. ?min = ?0 ­ ?c.cp ; và ?*min = 1 ­ s% = 1 ­ R*ư? Nếu s%cp = 10% thì D = 1,05 ? 1, nghĩa là hầu như không thể điều chỉnh được. 90/201
  93. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng thay đổi thông số Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng thay đổi thông số Vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK: Động cơ ĐK, được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so với động cơ một chiều. Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ). Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới được khai thác các ưu điểm của chúng. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Tiristor ­ Động cơ điện một chiều. Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK: 2M (I + as ) M = th th (3­13) s sth + + 2asth sth s Trong đó:ĉ (3­14) Và: ĉ (3­15) R' 2Σ sth = ± (3­16) R2 + X2 √ 1 nm Qua biểu thức (3­13), (3­14), (3­15), (3­16) ta thấy rằng khi thay đổi các thông số điện trở, điện kháng, điện áp, tần số, số đôi cực thì sẽ thay đổi được sth, Mth và sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ ĐK. 91/201
  94. Điều chỉnh tộc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto (R2f): Qua các biểu thức (3­14), (3­15), khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ ĐK sẽ làm cho sth thay đổi tỷ lệ còn Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ ? của động cơ ĐK như trên hình 3­6: * Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thay đổi tỷ lệ, con` Mth = const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ có chung ?o, Mth, có tốc độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng. Qua hình 3­6, ta có: Mth = const Và: 0 ω1 > ω2 > > ωic > Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc tính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí khi R2f = R2f.ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay được (? = 0). Và khi thay đổi các giá trị R2f.i > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không (? = 0), nghĩa là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để. 92/201
  95. * Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp: Phương pháp này có sai số tĩnh lớn, nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s% càng lớn, có thể s% > s%cp. Phạm vi điều chỉnh hẹp (thường D = IJ3). Độ tinh khi điều chỉnh: ?Ġ 1 (điều chỉnh có cấp). Vùng điều chỉnh dưới tốc độ định mức (? < ?đm). Phù hợp với phụ tải thế năng, vì khi điều chỉnh mà giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi (M ~ Mc). * Ưu: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK như trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tảI dạng thế năng (Mc = const). * Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là điều chỉnh không triệt để; khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn. Mặc dù vậy, phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các động cơ ĐK truyền động cho các máy nâng ­ vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao. Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lượng thì dùng phương pháp “ xung điện trở ”. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi điện áp stato (us): Mômen động cơ ĐK tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen và tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như hình 3­7: 93/201
  96. Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi ub ? uđm thì mômen tới hạn Mth.u tỉ lệ với bình phương điện áp, còn sth.u = const: 2 ub 2 Mth.u = Mth.gh = Mth.ub ( u1 ) sth.u = sth.gh = const (3­17) } Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ, người ta mắc thêm điện trở R2f (hình 3­7). Khi đó, nếu điện áp đặt vào stato là định mức (ub = u1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới hạn. Rõ ràng là:Ġ; Mth.gh = Mth (3­18) Trong đó: Mth.gh, sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn (đ/tGH). Mth, sth là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên. Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s), và nếu ? = const, ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị ub cho trước nhờ quan hệ: 2 Mu Mu = u ;Mu = (3­19) b Mgh Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 3­7b. 94/201
  97. Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm bộ ĐAXC cho động cơ ĐK. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi số đôi cực (p): Theo quan hệ: 2pf1(1 − s) ω = ω0(1 − s) = p (3­20) Trong đó: f1 là tần số lưới điện, p là số đôi cực. Vậy, thay đổi số đôi cực p, sẽ điều chỉnh được ?o và sẽ điều chỉnh được ?. Để có thể thay đổi được số đôi cực p, người ta phải chế tạo những động cơ ĐK đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau, gọi là máy đa tốc. Ví dụ ta có một tổ nối dây stato (1 pha) gồm 2 đoạn, mỗi đoạn là một phần tử như hình 3­8. Nếu ta đấu nối tiếp 2 đoạn đó thuận cực nhau (đánh dấu * trên hình vẽ), thì do đường sức từ phân bố trên như trên hình 3­8a, nên số cực sẽ là 4 và p = 2. Như vậy, bằng cách đổi nối đơn giản các tổ dây quấn, ta đã điều chỉnh được tốc độ: từ ?o ở sơ đồ 3­8a thành lên 2?o như ở sơ đồ 3­8b, c; và điều chỉnh được tốc độ ? của động cơ ĐK. Thực tế, các động cơ ĐK đa tốc độ thường gặp là đổi nối theo hai cách: hình saoĠsao kép (YĠ ) và tam giácĠsao kép (?Ġ ). Sơ đồ đổi nối đước giới thiệu trên hình 3­9: 95/201
  98. Khi nối ? hoặc Y, hai đoạn dây quấn mỗi pha được đấu nối tiếp thuận cực giống như trên hình 3­9a, nên ta giả thiết khi đó p = 2 và tương ứng tốc độ đồng bộ là ?o. Khi đổi nối thành , các đoạn dây sẽ nối song song ngược cực giống như hình 3­9c, nên p = 1, tốc độ đồng bộ tăng gấp đôi (?o = 2?o). Để dựng các đặc tính điều chỉnh, ta cần xác định cá trị số Mth, sth và ?o cho từng cách nối dây. Đối với trường hợp ?Ġ ta có các quan hệ khi nối ?, hai đoạn dây stato đấu nối tiếp, nên: R1 = 2r1;X1 = 2x1 R2 = 2r2;X2 = 2x2;Xnm = 2xnm (3­21) } Trong đó: r1, r2, x1, x2 là điện trở và điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto. Điện áp trên dây quấn mỗi pha làĠ. Do đó: R' r' 2Δ 2 sth.Δ = = (3­22) R2 + (X + X' )2 r2 + x2 √ 1Δ 1Δ 2Δ √ 1 nm 2 9U2 3(√3.U1) 1 Mth.Δ = = (3­23) 2ω R ± R2 + X2 4ω r + r2 + x2 o[ 1Δ √ 1Δ nmΔ] o[ 1 √ 1 nm] Nếu đổi thành thì: 1 1 1 1 R1 = 2 r1;X1 = 2 x1;R2 = 2 r2; X2 = 2 x2 (3­24) Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là: Uf = U1. Vì vậy: 96/201
  99. R' r' 2 2 sth. = = (3­25) R2 + (X + X' )2 r2 + x2 √ 1 1 2 √ 1 nm 2 9U2 3(√3.U1) 1 Mth. = = 2ω R ± R2 + X2 4ω r + r2 + x2 o[ 1 √ 1 nm] o[ 1 √ 1 nm] (3­26) So sánh (3­62) với (3­59) ta thấy: M th = 2 (3­27) Mth.Δ 3 Như vậy, khi đổi nối ?Ġ , tốc độ không tải lý tưởng tăng lên 2 lần (?o = ?o?), độ trượt tới hạn không đổi (giá trị tương đối), còn mômen tới hạn giảm mất 1/3 lần. Đặc tính điều chỉnh có dạng như trên hình 3­10a. Đối với trường hợp đổi nốiĠ ta cũng suy luận tương tự. Khi nối Y, các đoạn dây đấu nối tiếp và U1Y = U1, nên: r' 2 sth.Δ = r2 + x2 √ 1 nm 3U2 1 (3­28) MthY = 4ω r ± r2 + x2 o[ 1 √ 1 nm] } So sánh (3­28) với các biểu thức tương ứng của sơ đồ sao kép là (3­25) và (3­26) ta được: 97/201
  100. 1 sthY = sth ; MthY = 2 Mth (3­29) Như vậy, khi đổi nốiĠ , tốc độ không tải lý tưởng và mômen tới hạn tăng gấp đôi, còn hệ số trượt tới hạn vẫn giữ nguyên giá trị tương đối của nó (hình 3­10b). Để xác định phụ tải cho phép khi điều chỉnh tốc độ, xuất phát từ giá trị công suất rồi suy ra mômen. Từ biểu thức của công suất, ta có: Khi nối ?: Pc.cpΔ = 3√3U1I1đmcosϕΔηΔ (3­30) Khi nối : Pc.cp = 3√3U1I1đmcosϕη (3­31) Do đó:ĉ (3­32) Thực tế cho phép coi Pc.cp? ? Pc.cp , vì hệ số công suất và hiệu suất khi nối ? cao hơn khi nối . Đó là do khi nối , điện áp đặt lên từng đoạn dây quấn lớn hơn khi nối ?, nên dòng từ hóa tăng một cách vô ích: Từ (3­32) ta suy ra quan hệ của mômen tải cho phép: M P / ω ω c.cp ≈ c.cp o ≈ o = 1 (3­33) Như vậy, khi đổi nốiĠ , mômen phụ tải cho phép của Mc.cpΔ Pc.cpΔ / ωoΔ ωo 2 động cơ giảm đi hai lần, còn công suất cho phép thì được giữ không đổi (Pcp = const). Điều đó chứng tỏ phương pháp đổi nối này phù hợp với những máy có mômen tải tỷ lệ nghịch với tốc độ. Nếu đặt: ? = Mth/Mc.cp thì từ (3­27) và (3­32) ta thấy: M / M λ ≈ th c.cp = 4 (3­34) λΔ MthΔ / Mc.cpΔ 3 Nghĩa là khi đổi nốiĠ , khả năng quá tải của động cơ tăng lên 4/3 lần. Nếu các đoạn dây nối hình Y, thì: Pc.cpY = 3U1I1đmcosϕYηY (3­35) So sánh với trường hợp nối [xem (3­31)] ta có: P c.cp = 2cosϕη ≈ 2 (3­36) Pc.cpY √3cosϕYηY 98/201