MỤC LỤC
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện tự động .......................................................................................................................... 1 1.1. Cấu trúc và phân loại.............................................................................. 1
1.2. Khái niệm cơ bản ................................................................................... 2
1.3. Đặc tính cơ của máy sản xuất ................................................................ 4
1.4. Các trạng thái làm việc của động cơ điện .............................................. 5
1.5. Quy đổi moment cản, lực cản, moment quán tính và khối quán tính .... 7
1.6. Phương trình động học của hệ truyền động điện .............................. 9
Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện ................................................... 12
2.1. Kh|i niệm chung ................................................................................. 12
2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ......................... 12
2.2.1. Phương trình đặc tính cơ ............................................................. 13
2.2.2. Ảnh hưởng c|c thông số đến dạng đặc tính cơ ......................... 17
2.2.3. Đặc tính cơ trong trạng thái hãm ................................................ 20
2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ................ 26
2.3.1 Phương trình đặc tính cơ .............................................................. 26
2.3.2. Ảnh hưởng các thông số đến dạng đặc tính cơ ........................... 28
2.3.3. Đặc tính cơ trong trạng th|i h~m m|y ....................................... 29
2.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ............................................ 31
2.4.1. Phương trình đặc tính cơ ............................................................. 31
2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số đến dạng đặc tính cơ .................... 36
2.4.3. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK: .......................................... 39
2.4.5. Đảo chiều động cơ ĐK: ................................................................. 47
2.5. Đặc tính cơ động cơ đồng bộ............................................................. 48
Chương 3: Các mạch cơ bản của hệ thống điều khiển truyền động điện ........................................................................................................................ 54 3.1. Maïch ñieàu khieån khôûi ñoäng ñoäng cô AC duøng rôø le .............. 54 3.2. Mạch khóa lẫn động cơ ........................................................................ 59
3.3 Mạch hãm động năng ............................................................................ 60
3.4 Mạch hãm ngược không đảo chiều ....................................................... 61
3.5 Mạch hãm ngược đảo chiều .................................................................. 62
i
3.6 Mạch hãm điện cơ ................................................................................. 62
3.7 Mạch hãm động cơ điện 1 chiều kích từ song song .............................. 63
Chương 4: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện ...................................... 64
4.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ....................................... 64
4.1.1. Khái niệm chung ........................................................................... 64
4.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ............................................ 65
4.1.3. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng ................................ 67
4.1.4. Phương pháp điều chỉnh từ thông ............................................... 68
4.1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều................................ 70
4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ AC ............................................................ 77
4.2.1. Khái niệm chung ........................................................................... 77
4.2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ............................................ 78
Chương 5: Tính và chọn hệ truyền động điện ......................................... 84 5.1. Vấn đề chung ....................................................................................... 84
5.2. C|c chế độ l{m việc của truyền động điện ........................................ 84
5.3. Chọn công suất động cơ điện ............................................................. 86
5.3.1. Chọn công suất động cơ điện làm việc dài hạn ........................... 86
5.3.2. Chọn công suất động cơ điện làm việc ngắn hạn ........................ 87
5.3.3. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại ..................... 89
5.4. Chọn động cơ điện khi điều chỉnh tốc độ ............................................ 90
5.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ điện ............................................... 92
5.5.1. Kiểm nghiệm động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình: 93
5.5.2. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị .......... 95
5.5.3. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng mô men đẳng trị ............. 97
5.5.4. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng công suất đẳng trị .......... 97
ii
Chương 1:
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG (TĐĐ TĐ)
1.1. Cấu trúc và phân loại
1.1.1. 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 tập hợp các thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục vụ cho cho việc biến đổi năng lượng điện – cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó.
* Cấu trúc chung:
Hình 1.1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: 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.
1
1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:
a) Theo đặc điểm của động cơ điện Ta có truyền động điện 1 chiếu (dùng động cơ điện 1 chiều), truyền động điện không đồng bộ (dùng động cơ không đồng bộ), truyền động điện đồng bộ (dùng động cơ đồng bộ), truyền động điện bước (dùng động cơ bước)...
Truyền động điện 1 chiều được sử dụng cho các máy sản xuất có yêu cầu điều chỉnh tốc độ và mômen. Nó có chất lượng điều chỉnh tốt, tuy nhiên động cơ điện 1 chiều có cấu tạo phức tạp, giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi cần có nguồn 1 chiều. Do đó nếu không cơ yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường sử dụng truyền động điện không đồng bộ. Trong những năm gần đây truyền động điện không đồng bộ phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ 1 chiều.
b) Theo tính năng điều chỉnh Ta có truyền động không điều chỉnh (động cơ điện chỉ làm việc ở 1 cấp tốc độ) và truyền động điều chỉnh. Các hệ truyền động không điều chỉnh thường phải kết hợp với 1 hợp tốc độ để thực hiện điều chỉnh bằng cơ khí, do đó kết cấu của phần cơ phức tạp, chất lượng điều chỉnh thấp, giá thành máy sản xuất cao. Các hệ điều chỉnh cho phép điều chỉnh tốc độ và mômen của máy sản xuất bằng cách điều chỉnh từ động cơ điện, do đó kết cấu máy đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao và thuận tiện trong thao tác.
c) Theo mức độ tự động hóa
Ta có hệ truyền động điện không tự động và hệ truyền động điện tự động. Các hệ truyền động không tự động thường đơn giản và được sử dụng bất kỳ ở đâu nếu có thể được. Lúc đó phần điện của hệ có thể chỉ có động cơ điện và các khí cụ bảo vệ, đóng cắt. Các hệ truyền động tự động là các hệ truyền động điều chỉnh vòng kín có mạch phản hồi. Chất lượng điều chỉnh của các hệ này rất cao, có thể đáp ứng bất kỳ yêu cầu nào của quá trình công nghệ của máy sản xuất.
d) Phân loại khác
Như truyền động không đảo chiều và truyền động đảo chiều, truyền động đơn (dùng 1 động cơ) và truyền động nhiều động cơ, truyền động vạn năng (có dung thiết bị biến đổi bán dẫn).
1.2. Khái niệm cơ bản
+ 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
2
chiều kích từ nối tiếp hay hỗn hợp (đường ), động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (đường ), đồng bộ (đường ), hình 1.2.
Hình 1.2: Các đặc tính cơ của bốn loại động cơ điện
* Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:
+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm, 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 (điện trở, điện kháng vào động cơ), 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:
; nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:
; (1-1)
β lớn, ta có đặc tính cơ cứng, β nhỏ đặc
tính cơ mềm, β→∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
Hình 1.3: Độ cứng đặc tính cơ Đường 1: đặc tính cơ mềm; Đường 2: đặc tính cơ cứng; Đường 2: đặc tính cơ tuyệt đối cứng
+ 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).
3
1.3. 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:
(1-2)
Trong đó:
Mc - mômen ứng với tốc độ ω. Mco - mômen ứng với tốc độ ω = 0. 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 1.4). 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 1.4).
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 1.4).
Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm,
quạy gió, máy nén, (đường hình 1.4).
+ Trên hình 1.4a biểu diễn các đặc tính cơ của máy sản xuất:
Hình 1.4: 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.
4
+ Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f(φ) hoặc mômen 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 1.4b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế
năng.
Trên hình 1.4c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng
phản kháng.
1.4. Các trạng thái làm việc của động cơ điện
+ 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 1-1:
TT ΔP Pđiện Pcơ Biểu đồ công suất Trạng thái làm việc
> 0 = 0 1 =Pđiện Động cơ không tải
> 0 > 0 2 =Pđ - Pc Động cơ có tải
= 0 < 0 3 Hãm không tải
< 0 < 0 4 Hãm tái sinh
< 0 < 0 Hãm ngược 5
= 0 < 0 6 Hãm động năng
5
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 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 m|y sản xuất được gọi l{ mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu }m v{ dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ.
+ Phương trình c}n bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ l{: Pđ = Pc+ ∆P (1-3)
Trong đó: Pđ l{ công suất điện; Pc l{ công suất cơ; ∆P l{ tổn thất công suất. - Trạng th|i động cơ gồm: chế độ có tải v{ chế độ không tải. Trạng th|i
động cơ ph}n bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng ω(M).
- Trạng th|i h~m có: H~m không tải, H~m t|i sinh, H~m ngược v{ H~m
động năng.Trạng th|i h~m ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M).
- Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến th{nh điện năng trả về lưới. - Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng v{ cơ năng chuyển th{nh tổn
thất ∆P.
- H~m động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến th{nh công suất tổn thất
∆P.
* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω]:
Trạng thái động cơ: tương ứng với c|c điểm nằm trong góc phần tư thứ
nhất v{ góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ω], hình 1.5.
Trạng thái máy phát: tương ứng với c|c điểm nằm trong góc phần tư thứ hai v{ góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M, ω], hình 1.5. Ở trạng th|i n{y, mômen động cơ chống lại chiều chuyển động, nên động cơ có t|c dụng như bộ h~m, v{ vì vậy trạng th|i m|y ph|t còn có tên gọi l{ "trạng th|i h~m".
6
Hình 1.5: Biểu diễn các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ω]
1.5. Quy đổi moment cản, lực cản, moment quán tính và khối quán tính
Trên hình 1.6 mô tả cấu trúc cơ học tổng qu|t của truyền động, mỗi cơ cấu của truyền động đều có c|c đại lượng ω, M, v, F v{ mômen qu|n tính J. Để dễ d{ng cho việc nghiên cứu v{ tính to|n, người ta thường quy đổi tất cả c|c đại lượng đó về trục động cơ.
Nguyên tắc của tính to|n quy đổi l{ đảm bảo năng lượng của hệ trước v{
sau khi quy đổi.
Hình 1.6: Sơ đồ động học của cơ cấu năng hạ hàng (1)Động cơ điện, (2) hộp tốc độ, (3) tang quay, (4) tải trọng
1.5.1. Tính quy đổi mômen Mc và lực cản Fc về trục động cơ
7
+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục n{y về trục kh|c của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma s|t ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận l{m việc về trục động cơ.
+ Điều kiện quy đổi: đảm bảo c}n bằng công suất trong phần cơ của hệ
TĐĐTĐ:
- Khi năng lượng truyền từ động cơ đến m|y sản xuất:
Ptr = Pc+ ∆P (1-4)
Trong đó: Ptr l{ công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.ω, (Mcqđ và ω-
mômen cản tĩnh quy đổi v{ tốc độ góc trên trục động cơ).
Pc l{ công suất của m|y sản xuất,
(Mlvvà ωlv - mômen cản v{ tốc độ góc trên trục l{m việc).
∆P l{ tổn thất trong c|c kh}u cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: Pc = Mlv.ωlv, ta có:
(1-5)
Rút ra: (1-6)
Trong đó: ηi- hiệu suất của hộp tốc độ.
gọi l{ tỷ số truyền của hộp tốc độ.
* Nếu xét tải trọng G chuyển động tịnh tiến với lực cản Flv, vận tốc vlv: Pc = Flv.vlv, ta có:
(1-7)
Trong đó: η= ηi.ηt - hiệu suất bộ truyền lực. ηt- hiệu suất của tang trống. ηi- hiệu suất của hộp tốc độ. Ρ = ω/vlv- gọi l{ tỷ số quy đổi.
- Khi năng lượng truyền từ m|y sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc- ∆P (tự
chứng minh).
1.5.2. Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính
+ Điều kiện quy đổi: bảo to{n động năng tích luỹ trong hệ thống:
8
(1-8)
Chuyển động quay: (1-9)
Chuyển động tịnh tiến: (1-10)
Các cặp bánh răng có mômen quán tính J1, J2,…Jn, mômen quán tính tang trống Jt, khối lượng quán tính m và mômen quán tính động cơ Jđ đều có ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ truyền động.
Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ
truyền động tại điểm này gọi là Jqđ. Lúc đó phương trình động năng của hệ là :
(1-11)
(1-12)
Trong đó:
Jqđ- mômen qu|n tính quy đổi về trục động cơ. ωĐ- tốc độ góc trên trục động cơ. JĐ- mômen qu|n tính của động cơ. Ji- mômen qu|n tính của b|nh răng thứ i. Jt- mômen qu|n tính của tang trống. mj- khối lượng qu|n tính của tải trọng thứ j. ii= ω/ωi- tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i. it= ω/ωt- tỉ số truyền tốc độ tang trống. ρ= ω/vj- tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng.
1.6. Phương trình động học của hệ truyền động điện
+ L{ quan hệ giữa c|c đại lượng (ω, n, M, ...) với thời gian:
Dạng tổng qu|t: (1-14)
+ Nếu coi mômen do động cơ sinh ra v{ mômen cản ngược chiều nhau, v{
J = const, thì ta có phương trình dưới dạng số học:
(1-15)
M: mômen của động cơ. Mc: môn men cản. Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); ω(Rad/s); t(s).
9
Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s):
(1-16)
Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s):
(1-17)
Mômen động:
(1-18)
Từ phương trình (1-19) ta thấy rằng:
- Khi Mđg> 0 hay M > Mc, thì →hệ tăng tốc.
- Khi Mđg< 0 hay M < Mc, thì →hệ giảm tốc.
- Khi Mđg = 0 hay M = Mc, thì dω/dt = 0 →hệ l{m việc x|c lập, hay hệ l{m
việc ổn định: ω = const.
* Nếu chọn v{ lấy chiều của tốc độ ω l{m chuẩnthì: M(+) khi M↑↑ω và M(-)
khi M↑↓ω. Còn Mc(+) khi Mc↑↓ω; Mc(-) khi Mc↓↓ω.
Bài tập chương 1
Bài 1: Cho một vật có khối lượng m = 500kg , g = 9,81m/s2. Tỷ số truyền i = 10, đường kính quán tính Dt = 10KM. Hiệu suất của bộ biến đổi là 0,9. Nếu vật có thể đi lên và có tốc độ tối thiểu = 0,5 m/s thì phải chọn động cơ có Mđm và tốc độ là bao nhiêu ?
Bài 2: Một vật có m = 500kg, g = 9,81 m/s2 di chuyển với vận tốc bằng 1 m/s, Jt = 500kg/m2, ibt = 100, GD2 = 100kgm2. Hãy quy đổi Moment quán tính của hệ thống về đầu trục động cơ.
Bài 3: Cho một động cơ có GD2 = 100kgm2, nđ = 720v/phút, i = 10, một phần tử chuyển động quay có J = 15kgm2, một vật chuyển động thẳng có G = 500Kg với vận tốc 2 m/s. Tính Moment quán tính quy đổi về đầu trục động cơ.
Bài 4:
Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền cho một hệ thống dùng băng tải
để chuyển hàng từ nơi này đến nơi khác cho biết :
10
F = 1110kg (lực kéo băng tải), vận tốc băng tải vbt = 0,47m/s. Băng tải làm việc một chiều, tải coi như ổn định. Tính Moment cản trên đầu trục động cơ. Biết rằng nđc = 1400v/phút.
11
Chương 2:
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
2.1. Khái niệm chung
Chương 1 đ~ cho ta thấy, khi đặt hai đường đắc tính cơ M(ω) và Mc(ω) lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể x|c định được trạng th|i l{m việc của động cơ v{ của hệ (xem hình 1-2 và hình 1-3): trạng th|i x|c lập khi M = Mc ứng với giao điểm của hai đường đặc tính M(ω) và Mc(ω); hoặc trạng th|i qu| độ khi M ≠Mc tại những vùng có ω ≠ ωxl; trạng th|i động cơ thuộc góc phần tưthứ nhất v{ thứ ba; hoặc trạng th|i h~m thuộc góc phần tư thứ hai v{ thứ tư.
Khi ph}n tích c|c hệ truyền động, ta thường coi m|y sản xuất đ~ cho trước, nghĩa l{ coi như biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng th|i l{m 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 c|c phương trình đặc tính cơ v{ c|c đặc tính cơ của c|c loại động cơ điện, từ đó hiểu được c|c phương ph|p tạo ra c|c đặc tính cơ nh}n tạo phù hợp với m|y sản xuất đ~ cho v{ điều khiển động cơ sao cho có được c|c trạng th|i l{m việc theo yêu cầu công nghệ.
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên x|c định bởi c|c số liệu định mức của nó. Trong nhiều trường hợp ta coi đặc tính n{y như loạt số liệu cho trước. Mặt kh|c nó có thể có vô số đặc tính cơ nh}n tạo có được do biến đổi một hoặc v{i thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi c|ch nối d}y của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số n{o có ảnh hưởng đến hình d|ng v{ vị trí của đặc tính cơ, đều được coi l{ thông số điều khiển động cơ, v{ tương ứng l{ một phương ph|p tạo đặc tính cơ nh}n tạo hay đặc tính điều chỉnh.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M
= f(ω) hay dạng ngược ω= f(M).
2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
*) 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 v{ cấp cho kích từ độc lập nhau.
Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn v{ điện |p không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi l{ động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐMss).
12
Hình 2.1: a) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
b) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song
*). Các thông số cơ bản của ĐMđl:
C|c thông số định mức: nđm(vòng/phút); ωđm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); Фđm(Wb); fđm(Hz);
Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); ...
C|c thông số tính theo c|c hệ đơn vị kh|c: ω*= ω/ωđm; M*= M/Mđm; I*= I/Iđm; Ф*= Ф/Фđm; R*= R/Rđm; Rcb= Uđm/Iđm,;
ω%; M%; I%; ...
2.2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo sơ đồ hình 2-1a và hình 2-1b, có thể viết phương trình c}n bằng điện
|p của mạch phần ứng như sau:
Uư= E + (Rư+ Rưf).Iư (2-1)
Trong đó: Uư l{ điện |p phần ứng động cơ, (V) E l{ sức điện động phần ứng động cơ (V).
(2-2)
l{ hệ số kết cấu của động cơ.
Hoặc: (2-3)
Và:
Vậy:
Rư là điện trở mạch phần ứng, Rư= rư+ rctf+ rctb+ rtx, (Ω). Trong đó: rư l{ điện trở cuộn d}y phần ứng của động cơ (Ω).
13
Rctf l{ điện trở cuộn d}y cực từ phụ của động cơ (Ω). Rctb l{ điện trở cuộn d}y cực từ bù của động cơ (Ω). Rctb l{ điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ (Ω). Rưf l{ điện trở phụ mạch phần ứng.
Iư l{ dòng điện phần ứng.
Từ (2-1) và (2-2) ta có:
(2-4)
Đ}y l{ phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều kích từ độc
lập.
Mặt kh|c, mômen điện từ của động cơ được x|c định:
Mđt= KФIư (2-5)
Khi bỏ qua tổn thất ma s|t trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể
coi: Mcơ ≈ Mđt ≈ M
Suy ra: (2-6)
Thay gi| trị Iưvào (2-4), ta có:
(2-7)
Đ}y l{ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng kh|c:
Ω = ω0 - ∆ω (2-8)
Trong đó: gọi l{ tốc độ không tải lý tưởng. (2-9)
gọi l{ độ sụt tốc độ. (2-10)
Từ c|c phương trình đặc tính cơ điện (2-4) v{ phương trình đặc tính cơ (2-8) trên, với giả thiết phần ứng được bù đủ v{ Ф= const thì ta có thể vẽ được c|c đặc tính cơ - điện(hình 2-2a) v{ đặc tính cơ(hình 2-2b) l{ những đường thẳng.
14
Hình 2.2: a) Đặc tính cơ = điện động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Đặc tính cơ tự nhiên(TN) l{ đặc tính cơ có c|c tham số định mức v{ không
có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:
(2-11)
Đặc tính cơ nh}n tạo (NT) l{ đặc tính cơ có một trong c|c tham số kh|c
định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Khi ω = 0, ta có:
(2-12)
Và: (2-13)
Trong đó: Inm- gọi l{ dòng điện (phần ứng) ngắn mạch Mnm- gọi l{ mômen ngắn mạc
Từ (2-7) ta x¸c định được độ cứng đặc tính cơ:
(2-14)
Đối với đặc tính cơ tự nhiên:
(2-15)
Và (2-16)
Nếu chưa có gi| trị Rư thì ta có thể x|c định gần đúng dựa v{o giả thiết coi tổn thất trên điệntrở phần ứng do dòng điện định mức g}y ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ:
15
(2-17)
* Ví dụ 2-1:
X}y dựng đặc tính cơ tự nhiên v{ nh}n tạo của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập có c|c số liệu sau:
Động cơ l{m việc d{i hạn, công suất định mức l{ 6,6KW; điện |p định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn d}y phần ứng v{ cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đưa v{o mạch phần ứng: 1,26Ω. * Giải: a) X}y dựng đặc tính cơ tự nhiên:
Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: l{ điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω= ω0]. Hoặc điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω= ω0] v{ điểm ngắn mạch [Mnm; ω= 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; ωđm] v{ điểm ngắn mạch [Mnm; ω= 0]. Tốc độ góc định mức:
Mômen (cơ) định mức:
Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm l{
điểm định mức: [28,6 ; 230,3].
Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được:
Tốc độ không tải lý tưởng:
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 l{ điểm ngắn mạch [Mnm; 0]
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 x|c định theo biểu thức (2-15)
hoặc x|c định theo số liệu lấy trên đường đặc tính hình 2-3.
16
b) X}y dựng đặc tính cơ nh}n tạo có Rưf = 0,78Ω:
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 nh}n tạo (có Rưf = 0,78Ω) qua c|c điểm không tải lý tưởng [0; ω0] v{ điểm tương ứng với tốc độ nh}n tạo [Mđm; ωnt]:
Hình 2.3 : Đặc tính cơ tự mhiên và đặc tính cơ nhân tạo
Ta tính được gi| trị mômen (cơ) định mức:
V{ tính tốc độ góc nh}n tạo:
Ta có tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nh}n tạo [28,66; 183,3] Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nh}n tạo có điện trở phụ trong
mạch phần ứng như đường dtrên hình 2 - 3.
2.2.2. Ảnh hưởng các thông số đến dạng đặc tính cơ
Từ phương tình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện |p phần ứng Uư v{ điện trở phần ứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng từng tham số đó.
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Giả thiết Uư = Uđm = const và Φư = Φđm = const.
Muốn thay đổi điện trở mạch phân ứng ta nối thêm điện trở phụ Rt vào
mạch phần ứng.
Trong trường hợp n{y tốc độ không tải lý tưởng:
17
Độ cứng đặc tính cơ:
Khi Rưf c{ng lớn, β càng nhỏ, nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0
ta có đặc tính cơ tự nhiên:
Hình 2.4: Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các
đường đặc tính có điện trở phụ.
Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.4. Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản.
b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng
Giả thiết từ thông Φư = Φđm = const, điện trở phầnn ứng Rư = const. Khi
thay đổi điện |p theo hướng giảm so với Uđm, ta có:
18
Tốc độ không tải:
Độ cứng đặc tính cơ:
Như vậy khi thay đổi điện |p đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ
đặc tính song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình 2.5.
Hình 2.5: Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
c) Ảnh hưởng của từ thông
Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phần ứng Rư = const.
Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng kích từ Ikt động cơ.
Trong trường hợp này :
Tốc độ không tải:
Độ cứng đặc tính cơ:
19
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωox tăng, còn β sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cớ với ωox tăng dần và độ cứng đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điện ngắn mạch:
Mômen ngắn mạch:
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được
biểu diên trên hình 2.6.
Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ một chiềukích từ độc lập khi giảm từ thông
Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì
khi giảm từ thông tốc dộ động cơ tăng lên.
2.2.3. Đặc tính cơ trong trạng thái hãm
H~m l{ trạng th|i m{ động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay còn gọi l{ chế độ m|y ph|t. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng th|i h~m: 2.2.3.1. Hãm tái sinh:
Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω> ω0). Khi h~m t|i sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện |p nguồn: E > Uư, động cơ l{m việc nhưmột m|y ph|t song song với lưới v{ trả năng lượng về nguồn, lúc n{y thì dòng h~m v{ mômen h~m đ~ đổi chiều so với chế độ động cơ. Khi hãm tái sinh:
20
(2-30)
* Một số trạng thái hãm tái sinh:
+ Hãm tái sinh khi ω> ω0: lúc n{y m|y sản xuất nhưl{ nguồn động lực quay rôto động cơ, l{m cho động cơ trở th{nh m|y ph|t, ph|t năng lượng trả về nguồn.
Hình 2.7a: Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ
Vì E > Uư, do đó dòng điện phần ứng sẽthay đổi chiều so với trạng th|i
động cơ :
Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) v{ trở nên ngược chiều với tốc độ, trở
thành mômen hãm (Mh).
+ H~m t|i sinh khi giảm điện |p phần ứng (Uư2< Uư1), lúc này Mc l{ dạng mômen thế năng (Mc= Mtn). Khi giảm điện |p nguồn đột ngột, nghĩa l{ tốc độ ω0giảm đột ngột trong khi tốc độ ω chưa kịp giảm, do đó l{m cho tốc độ trên trục động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω> ω02). Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn v{o trục động cơ l{m cho động cơ trở th{nh m|y ph|t, ph|t năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi l{ h~m t|i sinh), hình 2-7b.
21
Hình 2.7b: Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp điện áp phần ứng động cơ (Uư2< Uư1)
+ H~m t|i sinh khi đảo chiều điện |p phần ứng (+Uư ⇒- Uư): lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc= Mtn). Khi đảo chiều điện |p phần ứng, nghĩa l{ đảo chiều tốc độ + ω0 ⇒- ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính có -Uư, và Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên sẽ l{m việc tại điểm B
cao lớn sẽ tuôn v{o động cơ, l{m cho động cơ trở th{nh m|y ph|t, ph|t năng lượng trả lại nguồn, hình 2-7c.
Trong thực tế, cơ cấu n}ng hạ của cầu trục, thang m|y, thì khi n}ng tải, động cơ truyền động thường l{m việc ở chế độ động cơ (điểm A hình 2-7c), và khi hạ tải thì động cơ l{m việc ở chế độ m|y ph|t (điểm B hình 2-7c).
Hình 2.7c: Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng động cơ (+Uư ⇒- Uư)
2.2.3.2. Hãm ngược:
22
Hãm ngược l{ khi mômen h~m của động cơ ngược chiều với tốc độ quay
(M↑↓ω). Hãm ngược có hai trường hợp:
a) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang l{m việc ở điểm A, ta đưa thêm Rưf lớn v{o mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D v{ l{m việc ổn định ở điểm E (ωôđ= ωEvà ωôđ↑↓ωA) trên đặc tính cơ có thêm Rưflớn, v{ đoạn DE l{ đoạn h~m ngược, động cơ l{m việc nhưmột m|y ph|t nối tiếp với lưới điện, lúc n{y sức điện động của động cơ đảo dấu nên:
(2-31)
Hình 2.8a: a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm Rưf b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách thêm Rưf
Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen
cản (MB b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:
Động cơ đang l{m việc ở điểm A, ta đổi chiều điện |p phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ v{o để hạn chế) thì: Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C v{ sẽ l{m việc x|c lập ở D nếu phụ tải
ma s|t. Đoạn BC l{ đoạn h~m ngược, lúc n{y dòng h~m v{ mômen h~m của
động cơ: (2-32) Phương trình đặc tính cơ: (2-33) 2.2.3.3. Hãm động năng: (cho Uư= 0) a) Hãm động năng kích từ độc lập:
Động cơ đang l{m việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt phần ứng
động cơ ra khỏi lưới điện v{ đóng v{o một điện trở h~m Rh, do động năng tích
luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay v{ nó l{m việc nhưmột m|y ph|t
biến cơ năng th{nh nhiệt năng trên điện trở h~m v{ điện trở phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ khi h~m động năng: (2-34) Hình 2.8b: a) Sơ đồ hãm ngược bằng các đảo Uư
b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng các đảo Uư Tại thời điểm h~m ban đầu, tốc độ h~m ban đầu l{ ωhđ nên sức điện động ban đầu, dòng h~m ban đầu v{ mômen h~m ban đầu: (2-35) Hình 2.9a: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập
b) Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập
Trên đồ thị đặc tính cơ h~m động năng ta thấy rằng nếu mômen cản l{
phản kh|ng thì động cơsẽ dừng hẵn (c|c đoạn B10 hoặc B20), còn nếu mômen
cản l{ thế năng thì dưới t|c dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược
lại (ωôđ1hoặc ωôđ2). b) Hãm động năng tự kích từ:
Động cơ đang l{m việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng
v{ kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện v{ đóng v{o một điện trở h~m Rh, do
động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay v{ nó l{m việc
nhưmột m|y ph|t tự kích biến cơ năng th{nh nhiệt năng trên c|c điện trở. Phương trình đặc tính cơ khi h~m động năng tự kích từ: (2-36) Hình 2.9b: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích từ
b) Đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ Trên đồ thị đặc tính cơ h~m động năng tự kích từ ta thấy rằng trong qu|
trình h~m, tốc độ giảm dần v{ dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũng giảm dần v{ l{ h{m của tốc độ, vì vậy c|c đặc tính cơ khi h~m
động năng tự kích từ giống như đặc tính không tải của m|y ph|t tự kích từ. So với phương ph|p h~m ngược, h~m động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độ h~m ban đầu, nhất l{ tốn ít năng lượng hơn.
2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
2.3.1 Phương trình đặc tính cơ
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn một chiều cấp chung
cho phần ứng nối tiếp với kích từ. Hình 2.10: a) Sơ đồ nối dây ĐMnt
b) Đặc tính từ hóa của ĐMnt Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính l{ dòng phần ứng, nên từ thông của động cơ phụ thuộc v{o dòng phần ứng v{ phụ tải của động cơ. Theo sơ đồ hình 2-10a, có thể viết phương trình c}n bằng điện |p của mạch phần ứng như sau: U = E + R.Iư = kФω+ R.Iư (2-37) Trong đó: U l{ điện |p nguồn, (V) R = Rư+ Rkt+ Rưf (2-38) Trong này: Rư l{ điện trở phần ứng động cơ.
Rkt l{ điện trở cuộn d}y kích từ
Rưf l{ điện trở phụ mắc thêm v{o mạch phần ứng
Tương tự ĐMđl, từ c|c phương trình trên ta rút ra: (2-39) (2-40) Từ thông Ф phụ thuộc v{o dòng kích từ Ikt theo đặc tính từ ho| như đường
trên hình 2-10b. Đó l{ quan hệ giữa từ thông Ф với sức từ động kích từ Fkt
của động cơ. m{: Fkt= Ikt.Wkt. Khi cho dòng kích từ bằng định mức thì từ thông
động cơ sẽ đạt định mức. Để đơn giản ho| khi th{nh lập phương trình đặc tính cơ ĐMnt, ta coi mạch
từ của động cơ l{ chưa bảo ho{, quan hệ giữa từ thông với dòng kích từ l{ tuyến
tính đường trên hình 2-10b: Ф = C.Ikt; (C - hệ số tỉ lệ) (2-41) Nếu bỏ qua phản ứng phần ứng, ta có:
Ф = C.Ikt= C.Iư= C.I (2-42) Kết hợp (2-42) với (2-37) ta được phương trình đặc tính cơ điện của ĐMnt: (2-43) Với: Mặt kh|c: M = k.Ф.I = k.C.I2 (2-44) Nên: (2-45) Thay (2-45) vào (2-43) ta có phương trình đặc tính cơ ĐMnt: (2-46) Trong đó: Qua phương trình (2-43) và (2-46) tathấy đặc tính cơ điện v{ đặc tính cơ
của ĐMnt có dạng hypecbol v{ rất mềm nhưhình 2-11a, b v{ 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. C|c đặc tính cơ điện v{ đặc tính cơ của ĐMnt: Hình 2.11: a) Đặc tính cơ điện của ĐMnt
b) Đặc tính cơ của ĐMnt Như vậy đặc tính cơ điện của ĐMnt có dạng đường hypebol v{ rất mềm. Nó có hai đường tiệm cận (hình 2-12a):
+ Khi I →0, ω → ∞: Tiệm cận trục tung.
+ Khi ω →-B, M → ∞: Tiệm cận đường ω= -B = - (RưΣ)/K.C . Tương tự, đối với đặc tính cơ của ĐMnt cũng có hai đường tiệm cận (hình 2-
12b): + Khi M →0, ω → ∞: Tiệm cận trục tung.
+ Khi ù →-B, M → ∞: Tiệm cận đường ω= -B = - (RưΣ)/K.C. Hình 2.12: a) Tiệm cận của đặc tính cơ điện của ĐMnt
b) Tiệm cận của đặc tính cơ của ĐMnt Với đặc tính cơ tự nhiên thì Rưf = 0, nên ta có hai đường tiệm cận ứng với: + Khi M →0, ω → ∞: Tiệm cận trục tung.
+ Khi ω →-B(tn), M → ∞: đặc tính cơ sẽ tiệm cận với đường thẳng ω= - B(nt) = (Rư)/K.C . 2.3.2. Ảnh hưởng các thông số đến dạng đặc tính cơ a) X}y dựng c|c đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl:
Sơ đồ nguyên lý v{ đặc tính khởi động trình b{y trên hình 2-13: Hình 2.13: a) Sơ đồ nối dây ĐMnt khởi động 2 cấp, m=2
b) Các đặc tính cơ khi khởi động ĐMnt, m=2 Qu| trình x}y dựng đặc tính khởi động theo c|c bước sau:
1. Dựa v{o c|c thông số của động cơ v{ đặc tính vạn năng, vẽ ra đặc tính cơ tự
nhiên. 2. Chọn dòng điện giới hạn I1≤(2÷2,5)Iđm v{ 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, v{ nó cũng cắt đặc tính nh}n tạo dốc nhất (có R) tại b
theo biểu thức: (2-50) Kẻ c|c đường ef và ab kéo d{i, chúng sẽ cắt nhau tại A, từ A dựng tiếp c|c
đường đặc tính khởi động tuyến tính ho| thoả m~n c|c yêu cầu khởi động v{ ta
có đường khởi động abcdefXL. b) Tính điện trở khởi động: Theo phương ph|p tuyến tính ho| trên, điện trở phụ tổng được tính Rưf = R -
Rư, ta có điện trở phụ c|c cấp: (2-51) 2.3.3. Đặc tính cơ trong trạng thái hãm máy
Động cơ ĐMnt có ω0 ≈ ∞, nên không có h~m t|i sinh m{ chỉ có hai trạng th|i
hãm: Hãm ngượcv{ H~m động năng. 2.3.3.1. Hãm ngược ĐMnt: a) Đưa điện trở phụ lớn v{o mạch phần ứng:
Động cơ đang l{m việc tại A, đóng Rưf lớn v{o phần ứng thì động cơ sẽ chuyển
sang B, C v{ sẽ thực hiện h~m ngược đoạn CD: Hình 2.14: a) Sơ đồ nối dây ĐMnt khi hãm ngược với Rưf
b) Đặc tính hãm ngược ĐMnt đoạn CD b) Hãm ngược bằng c|ch đảo chiều điện |p phần ứng:
Động cơ đang l{m việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên với: Uư > 0, quay với
chiều ω> 0, l{m việc ở chế độ động cơ, chiều mômen trùng với chiều tốc độ; Nếu tađổi cực tính điện |p đặt v{o phần ứng Uư < 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên
phải thêm điện trở phụ v{o để hạn chế) v{ 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 2-15, đoạn BC l{ đoạn h~m ngược, v{
sẽ l{m việc x|c lập ở D nếu phụ tải ma s|t. Lúc h~m động năng, dòng h~m v{
mômen h~m của động cơ: (2-47) Phương trình đặc tính cơ: (2-48) Hình 2.15: a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo Uư
b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo Uư 2.3.3.2. Hãm động năng ĐMnt: a) Hãm động năng kích từ độc lập:
Động cơ đang l{m việc với lưới điện (điểm A, hình 2-16), thực hiện cắt
phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện v{ đóng v{o một điện trở h~m Rh, còn cuộn
kích từ được nối v{o lưới điện qua điện trở phụ sao cho dòng kích từ có chiều
v{ trị số không đổi (Iktđm), và nhưvậy giống với trường hợp h~m động năng kích
từ độc lập của ĐMđl. Phương trình đặc tính cơ khi h~m động năng: (2-49) Hình 2.16: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập ĐMnt
b) Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập ĐMnt b) Hãm động năng tự kích từ:
Động cơ đang l{m việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng
v{ kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện v{ đóng nối tiếp v{o một điện trở h~m
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 v{ nó l{m việc như một m|y
ph|t tự kích biến cơ năng th{nh nhiệt năng trên c|c điện trở.
Phương trình đặc tính cơ khi h~m động năng tự kích từ: (2-50) V{ từ thông giảm dần trong qu| trình h~m động năng tự kích. Hình 2.17: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích từ ĐMnt
b) Đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ ĐMnt 2.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 2.4.1. Phương trình đặc tính cơ * Các giả thiết: Động cơ khôngđồng bộ (ĐK) như hình 2.18, được sử dụng rộng r~i trong
thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó l{: cấu tạo đơn giản, l{m việc tin cậy, vốn
đầu tư ít, gi| th{nh hạ, trọnglượng, 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 ... Hình 2.18 Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ v{ khống chế c|c qu| trình qu| độ khó
khăn hơn, c|c động cơ ĐK lồng sóc có c|c chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi
động lớn, mômen khởi động nhỏ). Để đơn giản cho việc khảo s|t, nghiên cứu, ta
giả thiết: + Ba pha của động cơ l{ đối xứng.
+ C|c thông số của mạch không thay đổi nghĩa l{ không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bảo ho{ nên điện trở, điện kh|ng, ... không thay đổi. + Tổng dẫn của mạch vòng từ ho| không thay đổi, dòng từ ho| không phụ thuộc tải m{ chỉ phụ thuộc điện |p đặt v{o stato. + Bỏ qua c|c tổn thất ma s|t, tổn thất trong lõi thép.
+ Điện |p lưới ho{n to{n sin v{ đối xứng. * Sơ đồ thay thế: Hình 2.19 Với c|c giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ như hình 2-19. Trong đó: U1f l{ trị số hiệu dụng của điện |p pha stato (V).
I1, Iμ, I’2 l{ c|c dòng stato, mạch từ hóa, rôto đ~ quy đổi về stato (A).
X1, Xμ, X’2 l{ điện kh|ng stato, mạch từ, rôto đ~ quy đổi về stato (Ω).
R1, Rμ, R’2l{ điện trở stato, mạch từ, rôto đ~ quy đổi về stato (Ω).
R’2f l{ điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đ~ quy đổi về stato (Ω).
s l{ hệ số trượt của động cơ: (2-51) Trong đó:
ω1= ω0 l{ tốc độ của từ trường quay ở stato động cơ, còn gọi l{ tốc độ đồng bộ
(rad/s): (2-52) ω l{ tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s).
Trong đó: f1l{ tần số của điện |p nguồn đặt v{o stato (Hz),
pl{ số đôi cực của động cơ, * Biểu đồ năng lượng của ĐK: Với c|c giả thiết ở trên, ta có biểu đồ năng lượng của động cơ ĐK 3 pha
Trong biểu đồ năng lượng: P1 l{ công suất điện từ đưa v{o 3 pha stato động cơ ĐK
∆P1= ∆PCu1l{ tổn thất công suất trong c|c cuộn d}y đồng stato
P12l{ công suất điện từ truyền giữa stato v{ rôto động cơ ĐK
∆P2= ∆PCu2l{ tổn thất công suất trong c|c cuộn d}y đồng rôto
P2 l{ công suất trên trục động cơ, hay l{ công suất cơ của ĐK truyền động cho m|y sản xuất.
* Phương trình và đặc tính cơ ĐK:
Từ sơ đồ thay thế hình 2-23, ta tính được dòng stato: (2-53) Trong đó: R’2Σ= R’2+ R’2f l{ điện trở tổng mạch rôto.
Xnm= X1+ X’2 l{ điện kh|ng ngắn mạch.
Từ phương trình đặc tính dòng stato (2-53) ta thấy:
Khi ω = 0, s = 1, ta có: I1 = I1nm- dòng ngắn mạch của stato. Khi ω = ω0, s = 0, ta có: Nghĩa l{ ở tốc độ đồng bộ, động cơvẫn tiêu thụ dòng điện từ ho| để tạo ta từ trường quay. Trị số hiệu dụng của dòng rôto đ~ quy đổi về stato: (2-54) Phương trình (2-61) l{ quan hệ giữa dòng rôto I’2 với hệ số trượt s hay
giữa I’2 với tốc độ ω, nên gọi l{ đặc tính điện-cơ của động cơ ĐK. Qua (2-54) ta
thấy: Khi ω = ω0, s = 0, ta có: I’2= 0. Khi ω = 0, s = 1, ta có: Trong đó: I’2nm l{ dòng ngắn mạch của rôto hay dòng khởi động. Hình 2.20: Đặc tính điện-cơ của ĐK
Để tìm phương trình đặc tính cơ của ĐK, ta xuất ph|t từ điều kiện c}n bằng
công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P12= Mđt.ω0 (2-55)
Mđt l{ mômen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua c|c tổn thất phụ: Mđt = Mcơ = M (2-56) Và: P12= Pcơ+ ∆P2 (2-64)
Trong đó: Pcơ= M.ω l{ công suất cơ trên trục động cơ.
∆P2= 3I’22.R’2Σ l{ tổn hao công suất đồng trong rôto.
Do đó: M.ω0= M(ω0- ω) = M.ω0.s Vậy: (2-57) Thay v{ biến đổi ta có : (2-58) Phương trình (2-58) l{ phương trình đặc tính cơ của ĐK. Nếu biểu diễn đặc tính
cơ trên đồ thị sẽ l{ đường cong như hình 2-20b. Có thể x|c định c|c điểm cực
trị của đường cong đó bằng c|ch cho đạo h{m dM/ds = 0, ta sẽ được c|c trị số
về độ trượt tới hạn sthvà mômen tới hạn Mth tại điểm cực trị: (2-59) Và: (2-60) Trong c|c biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng th|i động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng th|i m|y ph|t, (MthĐ> MthF). Phương trình đặc tính cơ của ĐK có thể biểu diễn theo closs: (2-61) Trong đó: a = R1/R’2Σ.
Mthvà sth lấy theo (2-60) và (2-61).
Đối với động cơ ĐK công suất lớn, thường R1rất nhỏ so với Xnm nên có thể bỏ
qua R1 và asth ≈0, khi đó ta có dạng closs đơn giản: (2-62) Lúc này: (2-63) Hình 2.21: Đặc tính cơ của ĐK + Trong nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính ho| đạc tính cơ trong đoạn l{m việc. Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s < 0,4sththì ta xem s/sth ≈0 v{ ta có: (2-64) Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính cơ l{m việc qua 2 điểm: điểm đồng bộ (không tải lý tưởng) v{ điểm định mức: (2-73) Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay M = Mđm, Mth= λMđm, ta có: (2-65) Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên của ĐK hình 2-21, một c|ch gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn l{m việc: (2-66) Và: (2-67) + Đối với đoạn đặc tính có s >> sth thì coi sth/s ≈0 v{ ta có: (2-68) Và (2-69) Trong đoạn n{y độ cứng β > 0 v{ gi| trị của nó thay đổi, đ}y thường l{ đoạn
động cơ khởi động. 2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số đến dạng đặc tính cơ Qua chương trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ ĐK, ta thấy c|c thông
số có ảnh hưởng đến đặc tính cơ ĐK như: Rs, Rr, Xs, Xr, UL, fL,…Sau đ}y, ta xét
ảnh hưởnh của một số thông số: 2.4.2.1. Ảnh hưởng của điện áp lưới (Ul): Khi điện |p lưới suy giảm thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó
tốc độ đồng bộ ω0, hệ số trượt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ
khi UL giảm. Qua đồ thị ta thấy: với một mômen cản x|c định(MC), điện |plưới
c{ng giảmthì tốc độ x|c lập càng nhỏ. Mặt kh|c, vì mômen khởi động Mkđ= Mnm
và mômen tới hạn Mth đều giảm theo điện |p, nên khả năng qu| tảiv{ khởi
động bị giảm dần. Do đó, nếu điện |p qu| nhỏ (đường U2, …) thì hệ truyền
động trên có thể không khởi động được hoặc khôngl{m việc được. Hình 2.22: Ảnh hưởng của UL 2.4.2.2. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi điện trở hoặc điện kh|ng mạchstato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở
phụ (Rlf), điện kh|ng phụ (Xlf) v{o mạch stato, nếu ω0 = const, v{ theo biểu thức
(2-67), (2-68) thì mômen Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình
2-23. Hình 2.23: Ảnh hưởng của R1f, X1f Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ= Mnm.fthì đoạn l{m việc của đặctính cơ
có điện kh|ng phụ (Xlf) cứnghơn đặc tính có Rlf. Khi tăng Xlf hoặc Rlf thì Mth và
Sth đều giảm. Khi dùng Xlf hoặc Rlf để khởi độngnhằm hạn chếdòng khởi động,
thì có
thể dựa v{o tam gi|c tổng trở ngắn mạch để x|cđịnh Xlf hoặc Rlf. 2.4.2.3. ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto: Khi thêm điện trở phụ (R2f), điện kh|ng phụ (X2f) v{o mạch rôto động cơ,
thì ωo= const, và theo (2-67), (2-68) thì Mth= const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc
tính cơ có dạng như hình 2-24. Hình 2.24: Ảnh hưởng của R2f, X2f
Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi có R2f, X2f c{nglớn thì Sth c{ngtăng, độ
cứngđặc tính cơ c{ng giảm, với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f c{nglớn thì
tốc độ l{m việc của động cơ c{ng bị thấp, v{ dòng điện khởi động càng giảm. 2.4.2.4. ảnh hưởng của tần số lưới cung cấp cho động cơ: Khi điện |p nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ trường ωo v{ tốc độ của động cơ ω sẽ thay đổi theo. Vì ωo= 2đ.f1/p, và X =ω.L, nên ωo≡ f1, ω ≡ f1v{ X ≡ f1.
Qua đồ thị ta thấy: Khi tần số tăng (f13> f1.đm), thì Mthsẽ giảm, (với điện |p nguồn U1= const) thì : (hình 2-25). Hình 2.25: Ảnh hưởng của f1 Khi tần số nguồn giảm (f11< f1đm, …) c{ng nhiều, nếu giữ điện |p u1 không
đổi, thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện
áp theo quyluật nhất định sao cho động cơ sinh ra mômen như trong chế độ
định mức. 2.4.3. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK: Động cơ điện ĐK cũng có ba trạng th|i h~m: h~m t|i sinh, h~m ngược v{ h~m động năng.
2.4.3.1. Hãm tái sinh: Động cơ ĐK khi h~m t|i sinh: ω> ωo, v{ có trả năng lượng về lưới.
H~m t|i sinh động cơ ĐK thường xảy ra trong c|c trường hợp như: có
nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω> ωo (nhưhình 2-34a,b), hay khi
giảm tốc độ động cơ bằng c|ch tăng số đôi cực (nhưhình 2-35a,b), hoặc khi
động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |ω| > |-ωo| bằng
c|ch đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ (như hình 2-6a,b).
a) Hãm tái sinh khi MSX trở thành nguồn động lực:
Trong qu| trình l{m việc, khi m|y sản xuất (MSX) trở th{nh nguồn động
lực l{m quay rôto động cơ với tốc độ ω> ωo , động cơ trở th{nh m|y ph|t ph|t
năng lượng trả lại nguồn, hay gọi l{ h~m t|i sinh, hình 2-26. Hình 2.26: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm tái sinh (HTS)
b) Đặc tính hãm tái sinh khi: ω > ωo Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp n{y l{: (2-70) Với: và ; (2-71) Và: ω> ωo; I’2= Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (tại điểm B) b) Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực: Động cơ đang l{m việc ở điểm A, với p1, nếu ta tăng số đôi cực lên p2> p1
thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ω2v{ l{m việc với tốc độ ω> ω2, trở
thành máy phát, hay là HTS, hình 2-27. Hình 2.27: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách tăng p
b) Đặc tính HTS khi thay đòi số đôi cực: p2> p1 Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp n{y chỉ kh|c l{: (2-72) Và: ω> ω02; I’2= Ihts< 0 ; M = Mhts< 0 (đoạn Bω02) c) Hãm tái sinh khi đảo chiều từ trường stato động cơ:
Động cơ đang l{m 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 |p
stato động cơ), với phụ tải l{ thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay v{ l{m việc ở
chế độ m|y ph|t (hay h~m t|i sinh, điểm D), như trên hình 2-28. Nhưvậy khi hạ
hàng ta có thể cho động cơ l{m việc ở chế độ m|y ph|t, đồng thời tạo ra mômen
h~m để cho động cơ hạ h{ng với tốc độ ổn định ωD. Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp n{y thay ω0 bằng -ω0: (2-73) Và : |ω0|> |-ω0|, M = Mhts(điểm D, hạ tải ở chế độ HTS). Hình 2.28: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách đảo 2 trong
3 pha stato động cơ ĐK
b) Đặc tính HTS đảo 2 trong 3 pha stato động cơ
(hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ ĐK) 2.4.3.2. Hãm ngược động cơ ĐK: Hãm ngược l{ khi mômen h~m của động cơ ĐK ngược chiều với tốc độ quay (M ngược chiều với ù). H~m ngược có hai trường hợp: a) Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto:
Động cơ đang l{m việc ở điểm A, ta đóng thêm điện trở h~m lớn (Rhn> =
R2f> ) v{o mạch rôto, lúc n{y mômen động cơ giảm (M < Mc) nên động cơ bị
giảm tốc độ do sức cản của tải. Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, rồi C v{ nếu tải
l{thế năng thì động cơ sẽ l{m việc ổn định ở điểm D (ωD= ωôđ ngược chiều với
tốc độ tại điểm A) trên đặc tính cơ có thêm điện trở h~m Rhn>, v{ đoạn CD l{
đoạn h~m ngược, động cơ l{m việc nhưmột m|y ph|t nối tiếp với lưới điện
(hình 2-29). Hình 2.29: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm ngược với R2f>
b) Đặc tính hãm ngược (HN) khi có:R2f> Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vứa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra
mômen hãm. Với: và (2-74) b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato:
Động cơ đang l{m việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato (đảo 2 trong 3 pha stato động cơ, hay đảo thứ tạ pha điện |p stato), hình 2-30. Hình 2.30: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm ngược bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato ĐK b) Đặc tính HN đảo chiều từ trường stato ĐK
Khi đảo chiều vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ v{o để
hạn chế không qu| dòng cho phép Iđch ≤Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B,
C v{ sẽ l{m việc x|c lập ở D nếu phụ tải ma s|t, còn nếu l{ phụ tảI thế năng thì
động cơ sẽ l{m việc x|c lập ở điểm E. Đoạn BC l{ đoạn h~m ngược, lúc n{y dòng
h~m v{ mômen h~m của động cơ.
Với (2-75) (2-89) 2.4.3.3. Hãm động năng động cơ ĐK: Có hai trường hợp h~m động năng động cơ ĐK: a ) Hãm động năng kích từ độc lập (HĐN KTĐL):
Động cơ đang l{m việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ ĐK ra
khỏi lưới điện v{ đóng v{o nguồn một chiều (U1c) độc lập như sơ đồ hình 2-31a. Hình 2.31: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HĐN KTĐL b) Sơ đồ nguyên lý tạo mômen hãm HĐN KTĐL
Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay v{ nó l{m
việc như một m|y ph|t cực ẩn có tốc độ v{ tần số thay đổi, v{ phụ tải của nó l{
điện trở mạch rôto. Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng v{o nguồn một chiều thì
dòng một chiều n{y sẽ sinh ra một từ trường đứng yên Ф so với stato nhưhình
2-31b. Rôto động cơ do qu|n tính vẫn quay theo chiều cũ nên c|c 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 e2và i2 x|c định
theo qui tắc b{n tay phải: “+” khi e2có chiều đi v{o v{ “•” l{ đi ra. Tương t|c
giữa dòng i2và Ф tạo nên sức từ động F có chiều x|c định theo qui tắc b{n tay
trái (hình 2-31b). Chú ý rằng, trong trường hợp hãm ngược vì:
Lực F sinh ra mômen h~m Mhcó chiều ngược với chiều quay của rôto ùl{m cho rôto quay chậm lai v{ sức điện động e2 cũng giảm dần. * Để th{nh lập phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi h~m động
năng ta thay thế một c|chđẳng trị chế độ m|y ph|t đồng bộ có tần số thay đổi
bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Nghĩa l{ cuộn d}y stato thực tế đấu v{o
nguồn một chiều nhưng ta coi như đấu v{o nguồn xoay chiều. Điều kiện đẳng
trị ở đ}y l{ sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) v{ dòng điện xoay chiều
đẳng trị (F1) sinh ra l{ như nhau:
F1= Fmc (2-76) Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1)sinh ra là: (2-77) Sức từ động một chiều do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc v{o c|ch đấu day của mạch stato khi h~m v{ biểu diễn tổng qu|t như sau: Fmc= a.w1.Imc (2-78) C}n bằng (2-91) và (2-79) và rút ra: (2-80) Trong đó: a, A l{ c|c hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi h~m động năng nhưbảng (2-2). Ví dụ, theo bảng (2-2), sơ đồ nối d}y v{ đồ thị vectơ (a): (2-81) Và: Đối với c|c sơ đồ đấu d}y kh|c nhau của mạch stato, ta có thể x|c định hệ số A theo bảng 2-2.
Bảng 2.2: Dựa v{o sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ h~m động năng để x}y dựng đặc tính cơ (hình 2-32). Ở chế độ động cơ ĐK thì điện |p đặt v{o stato không đổi, đó l{ nguồn |p,
dòng từ hóa từ thông Ф không đổi, còn dòng điện stato I{ I1, dòng điện stato I2
biến đổi theo độ trượt s. Còn ở trạng th|i h~m 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 l{ nguồn dòng. Mặt kh|c, vì tổng trở mạch rôto khi h~m phụ thuộc v{o tốc
độ nên dòng rôto I2 v{ dòng từ hóa Iμ đều thay đổi, vậy nên từ thông Ф ở stato
thay đổi theo tốc độ. Hình 2.32: Sơ đồ thay thế khi hãm động năng ĐK Trong chế độ l{m việc của động cơ ĐK, độ trượt sl{ tốc độ cắt tương đối của
thanh dẫn rôto với từ trường stato, ở trạng th|i h~m động năng nó được thay
bằng tốc độ tương đối: (2-82) Từ sơ đồ thay thế hình 2-32, ta có đồ thị vectơ dòngđiện như hình 2-33. Hình 2.33: Đồ thị véctơ dòng điện khi HĐN Từ sơ đồ thay thế ta có: (2-83) Hay: (2-84) Trong đó: Theo đồ thị vectơ ta có: Hay (2-85) Trong đó: (2-86) Thay I’2 v{ sin φ2 vào (2-98), ta có: (2-87) Từ đó rút ra: (2-88) Từ c|c biểu thức (2-98) (2-100), sau khi biến đổi ta có (2-89) Tương tự nhưđ~ xét ở động cơ ĐK, ta x|c định được mômen: (2-90) Hay: (2-91) Đường cong M = f(ω*) cũng được khảo s|t tương tự như với đường cong đặc
tính cơ của động cơ ĐK v{ cho ta những kết quả: (2-92) (2-93) Và: (2-94) Biểu thức (2-95) là phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi h~m động năng kích từ độc lập. Ta thấy rằng, khi thay đổi R2f thì R’2Σ thay đổi, nên ω*th thay đổi, còn Mth =
const, còn khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1 , nghĩa l{ thay đổi dòng
điện một chiều Imc, thì mômen Mth thay đổi, còn ω*th = const.
C|c đường đặc tính h~m động năng được biểu diễn như trên hình 2-34. Trên
đó: đường (1) v{ (2) có cùng điện trở R’2Σ(1) = R’2Σ(2) nhưng có Mth2 > Mth1 nên
dòng một chiều tương ứng Imc2> Imc1. Như vậy khi thay đổi nguồn một chiều đưa v{o stato động cơ khi h~m động năng thì sẽ thay đổi được mômen tới hạn. Hình 2.34: Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi HĐN-KTĐL Còn đường (2) v{ (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở R’2Σ(2) < R’2Σ(3) Như vậy khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto hoặc dòng điện một
chiều trong stato động cơ khi h~m động năng thì sẽ thay đổi được vị trí của đặc
tính tính cơ. 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 h~m động năng tự kích từ.
Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn điện một chiều bên ngo{i, m{ sử
dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto (hình
2-35a) hoặc bộ tụ điện ở mạch stato. Hình 2.35: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HĐN TKT
b) Sơ đồ nguyên lý tạo mômen hãm HĐN TKT 2.4.5. Đảo chiều động cơ ĐK: Giả sử động cơ đang l{m việc ở điểm A theo chiều quay thuận trên đặc tính cơ
tự nhiên thuận với tải (2-96) Hình 2.36: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi đảo chiều 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK
b) Đặc tính cơ khi làm việc thuận (A) và ngược( B) Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều từ trường stato (±ωo), hay
đảo thứ tự pha điện |p (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 v{o mạch
rôto để hạn chế Iđch ≤Icp. Khi động cơ ĐK l{m việc ở chiều ngược lại thì Mth sẽ đảo dấu v{ sth> 1 như hình 2-36: Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm B trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nh}n tạo ngược.
2.5. Đặc tính cơ động cơ đồng bộ
*)Đặc tính cơ
Khi đóng stato của động cơ đồng bộ v{o lưới điện xoay chiều có tần số f1 không
đổi, động cơ sẽ l{m việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc v{o tải: (2-97) Hình 2.37: Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ của động cơ ĐDB Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB n{y tong phạm vi mômen cho phép
M ≤Mmax l{ đường thẳng song song với trục ho{nh, với độ cứng β = ∞v{ được
biểu diễn trên hình 2 -37. Tuy nhiên khi mômen vượt qu| 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 đồng bộ Trong nghiên cứu tính to|n hệ truyền động dùng động cơ ĐĐB, người ta sử
dụng một đặc tính quan trọng l{ đặc tính góc. Nó l{ sự phụ thuộc giữa mômen
của động cơ với góclệch vectơ điện |p pha của lưới Ul v{ vectơ sức điện động
cảm ứng E trong d}y quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra: M = f(θ) Hình 2.38: Đồ thị véctơ của mạch stato của động cơ ĐĐB Đặc tính n{y được x}y dựng bằng c|ch sử dụng đồ thị vectơ của mạch
stato vẽ trên hình 2-37 với giả thiết bỏ qua điện trở t|c dụng của cuộn d}y stato
(r1≈0). Trên đồ thị vectơ hình 2-38: Ul- điện |p pha của lưới (V)
E - sức điện động pha stato (V)
I - dòng điện stato (A)
θ - góc lệch giữa Ul và E;
φ - góc lệch giữa vectơ điện |p Ulv{ dòng điện I.
Xs= xμ+ x1 - điện kh|ng pha của stato l{ tổng của điện kh|ng mạch từ hóa xμ và
điện kh|ng cuộn d}y 1 pha của stato x1(Ω)
Từ đồ thị vectơ ta có: (2-98) Từ tam gi|c ABC tìm được: (2-99) Thay (2-110) vào (2-111) ta được: (2-100) Hay: (2-101) Vế tr|i của (2-113) l{ công suất 1 pha của động cơ.
Vậy công suất 3 pha của động cơ: (2-102) Mômen của động cơ: (2-103) (2-115) l{ phương trình đặc tính góc của động cơ ĐĐB. Theo đó ta có đặc tính
góc l{ đường cong hình sin nhưtrên hình 2-48. Khi θ = π/2 ta có biên độ cực đại của hình sin l{: (2-104) Phương trình (2-115) có thể viết gọn hơn: M = Mmsinθ (2-105) Mm đặc trưng cho khả năng qu| tảI của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha θ tăng. Nếu tải tăng qu| mức , mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường l{m việc định mức ở trị số của góc lệch θ= 200 ÷ 250. Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ l{: Những điều đ~ ph}n tích ở trên chỉ đúng với những động cơ đồng bộ cực ẩn v{
mômen chỉ xuất hiện khi rôto có kích từ. Còn đối với những động cơ đồng bộ
cực lồi, do sự ph}n bố khe hở không khí không đều giữa rôto v{ stato nên trong
m|y xuất hiện mômen phản kh|ng phụ. Do đó đặc tính góc có biến dạng ít
nhiều, như đường nét đứt trên hình 2-39. Hình 2.39: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ Bài tập chương 2 Bài 1: Động cơ không đồng bộ có các thông số: Pđm =22,5kW,Uđm =380V; nđm =
’=1,21Ω. Động cơ đang làm việc ở Giải: Phương trình đặc tính cơ của ĐK làm việc ở chế độ định mức: Trong đó: Ta có: nđm = 1460v/ph nên 2p = 4 để có: Động cơ làm việc ở chế độ định mức: Thay (2) vào (1) ta có: Thay số vào ta có: Ta có: Bài 2: Một động cơ KĐB 3 pha đang nâng tải 100 Nm trên đặc tính cơ tự nhiên thì thực hiện: a. Đảo thứ tự 2 trong 3 pha điện áp stator, tính mô men hãm ban đầu và tốc độ ổn định của động cơ? b. Hạ tải với tốc độ 800vg/ph bằng phương pháp hãm ngược. Tính điện trở phụ thêm vào mỗi pha mạch rotor qui về stator khi hạ tải? Biết thông số động cơ như sau: nối sao, 4 cực, 380V, 50Hz, R1=0,4 ,
R2’=0,3, Xnm=1,4, bỏ qua mạch từ hóa. Bài 3: Động cơ không đồng bộ có các thông số: Nối sao, 4 cực, Uđm =380V; R1 . Động cơ =0,2Ω, R2 đang làm việc ở chế độ định mức, hãy tìm tốc độ và mômen của động cơ? Bài 4: Động cơ không đồng bộ có các thông số: 4 cực, Pđm =22,5kW, fđm =50Hz; nđm = 1460v/ph; hệ số quá tải . a) Hãy xác định tốc độ của động cơ khi Moment phụ tải đặt lên trục động cơ Mc = 0,8 Mđm b) Khi động cơ mở máy trực tiếp thì Moment khởi động của động cơ là bao nhiêu ? Bài 5: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐKdq) có:
Pđm= 850KW ; Uđm= 6000V ; nđm= 588vg/ph ; λ= 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 = 0,75Ω. Bài 6: Một động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha có các tham số sau : Pđm = 7,5KW, nđm = 945V/phút, fđm= 50Hz , m= 2,5, 2p = 6, Iđm= 20A, Uđm 380V
Hãy xác định Moment mở máy của động cơ khi mở máy trực tiếp. Tốc độ
tự nhiên với làm việc trên đặc tính của động cơ khi động cơ
Mc = 0,8Mđm. Câu 7: Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn có thông số: 400V; 60Hz; nối
sao; 6 cực, R1=1; R2’=1; Xnm=4Ω. Bỏ qua dòng từ hóa. a. Xác định dòng điện và mô men của động cơ lúc khởi động? b. Xác định tốc độ động cơ khi nâng tải có mô men bằng 100Nm? c. Khi động cơ đang nâng tải 80Nm trên đặc tính cơ tự nhiên thì thực hiện hạ
tải bằng phương pháp hãm ngược với tốc độ 200vg/ph. Tính điện trở phụ
thêm vào mỗi pha mạch rotor (biết tỉ số N1/N2=2)? Tính mô men động cơ
khi bắt đầu hạ tải? Chương 3 Các mạch cơ bản của hệ thống điều khiển truyền động điện 3.1. Maïch ñieàu khieån khôûi ñoäng ñoäng cô AC duøng rôø le
Cho caùc thaønh phaàn cuûa maïch ñoäng löïc goàm: nguoàn caáp, nuùt nhaán, rôø
le, ñoäng cô. a) Mạch điều khiển bằng rơle/contactor
Sô ñoà noái maïch ñöôïc thöïc hieän nhö sau: Sô ñoà ñieàu khieån khôûi ñoäng ñoäng cô AC 3 pha roâ to daây quaán khoâng
ñaûo chieàu *Nguyeân lyù hoaït ñoäng:
Khi nhaán nuùt Start, cuoän daây M1 cuûa coâng
taéc tô ñöôïc caáp ñieän vaø laøm ñoùng tieáp
ñieåm thöôøng môû M1. Tieáp ñieåm thöôøng
môû M1 maéc noái tieáp vôùi ñoäng cô ñoùng
vaø caáp nguoàn 3 pha cho ñoäng cô hoaït
ñoäng. Ñoàng thôøi, tieáp ñieåm thöôøng môû
M1 maéc song song vôùi nuùt nhaán Start cuõng
ñoùng vaø giuùp töï duy trì nguoàn caáp cho
cuoän daây M1. Khi nhaán nuùt Stop, nguoàn
caáp cho cuoän daây coâng taéc tô M1 bò ngaét,
tieáp ñieåm thöôøng môû M1 ôû maïch ñoäng
löïc môû ra, ñoäng cô döøng laïi. *Sơ đồ đấu dây thực tế b)Maïch khôûi ñoäng duøng nuùt gaït
Khi söû duïng nuùt gaït thì maïch ñieàu khieån seõ ñôn giaûn hôn do ta khoâng
caàn duøng nuùt Stop cuõng nhö khoâng caàn duøng kyõ thuaät töï duy trì. Maïch khôûi ñoäng khoâng ñaûo chieàu vôùi nuùt nhaán löïa chọnï cheá ño *Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Cheá ñoä hoaït ñoäng phuï thuoäc vaøo vò trí cuûa nuùt löïa choïn.
Off: Khi nuùt löïa choïn ôû vò trí Off. Ñoäng cô khoâng hoaït ñoäng.
Hand: Khi nuùt löïa choïn ñöôïc gaït sang vaø giöõ ôû vò trí Hand thì
ñoäng cô seõ hoaït ñoäng. Ñoäng cô ñöôïc taét neáu gaït sang cheá
ñoä Off. Auto: Khi nuùt löïa choïn ôû vò trí Auto. Vieäc ñoäng cô chaïy hoaëc döøng laø do coâng taéc aùp suaát quyeát ñònh. c) Maïch khôûi ñoäng coù ñaûo chieàu *Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Khi nhaán nuùt Forward (quay thuaän), cuoän daây M1 cuûa coâng taéc tô ñöôïc caáp ñieän vaø laøm ñoùng tieáp ñieåm thöôøng môû M1. Tieáp ñieåm
thöôøng môû M1 maéc noái tieáp vôùi ñoäng cô ñoùng vaø caáp nguoàn 3 pha cho
ñoäng cô hoaït ñoäng theo chieàu thuaän. Ñoàng thôøi, tieáp ñieåm thöôøng môû
M1 maéc song song vôùi nuùt nhaán Forward cuõng ñoùng vaø giuùp töï duy trì
nguoàn caáp cho cuoän daây M1. Tieáp ñieåm thöôøng ñoùng M2 maéc noái tieáp
vôùi cuoän daây M1 nhaàm khoùa laãn ñeå ñaûm baûo ñoäng cô hai tieáp ñieåm
M1 vaø M2 khoâng ñoùng ñoàng thôøi. Khi nhaán nuùt Reverse (quay nghòch), cuoän daây M2 cuûa coâng taéc tô ñöôïc caáp ñieän vaø laøm ñoùng tieáp ñieåm thöôøng môû M2. Tieáp ñieåm
thöôøng môû M2 maéc noái tieáp vôùi ñoäng cô ñoùng vaø caáp nguoàn 3 pha cho
ñoäng cô hoaït ñoäng theo chieàu nghòch. Ñoàng thôøi, tieáp ñieåm thöôøng môû
M2 maéc song song vôùi nuùt nhaán Reverse cuõng ñoùng vaø giuùp töï duy trì
nguoàn caáp cho cuoän daây M2. Tieáp ñieåm thöôøng ñoùng M1 maéc noái tieáp
vôùi cuoän daây M2 nhaàm khoùa laãn ñeå ñaûm baûo ñoäng cô hai tieáp ñieåm
M1 vaø M2 khoâng ñoùng ñoàng thôøi. Khi nhaán nuùt Stop, maïch duy trì bò ngaét. Caùc tieáp ñieåm M1 hoaëc M2 beân maïch ñoäng löïc môû ra vaø ñoäng cô döøng laïi.
d) Maïch khôûi ñoäng keát hôïp caàu chì vaø caàu dao ngaét *Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Khi nhaán nuùt Start, cuoän daây M1 cuûa coâng taéc tô
ñöôïc caáp ñieän vaø laøm ñoùng tieáp ñieåm thöôøng môû M.
Tieáp ñieåm thöôøng môû M1 maéc noái tieáp vôùi ñoäng cô
ñoùng vaø caáp nguoàn 3 pha cho ñoäng cô hoaït ñoäng. Ñoàng
thôøi, tieáp ñieåm thöôøng môû M1 maéc song song vôùi nuùt
nhaán Start cuõng ñoùng vaø giuùp töï duy trì nguoàn caáp cho
cuoän daây M1. Khi nhaán nuùt Stop, nguoàn caáp cho cuoän
daây coâng taéc tô M1 bò ngaét, tieáp ñieåm thöôøng môû M1
ôû maïch ñoäng löïc môû ra, ñoäng cô döøng laïi.
e) Maïch khôûi ñoäng baèng tay 3.2. Mạch khóa lẫn động cơ Trường hợp a, động cơ 2 chỉ khởi động khi động cơ 1 đã hoạt động.
Trường hợp b, mỗi động cơ có thể khởi động riêng lẻ hoặc khởi động đồng thời. 3.3 Mạch hãm động năng Khi nhấn nút khởi động, cuộn dây M được tác động làm đóng TĐTM M cấp
điện cho động cơ hoạt động. Công tắt thường mở M song song với nút nhấn K đóng
và tự duy trì. Cùng lúc rờ le hãm động năng RHd ở mạch 1 chiều được tác động làm đóng
tiếp điểm thường mở đóng mở chậm RHd. Tuy nhiên do TĐTĐ M đang hở nên Hd
vẫn chưa được tác động. Khi nhấn nút dừng, cuộn dây M thôi tác động TĐTM M hở mạch động
cơ không được cấp điện. Đồng thời TĐTĐ M đóng mạch làm tác động cuộn dây Hd
làm đóng mạch một chiều. Động cơ được cấp dòng 1 chiều vào 2 dây pha gây ra
hãm động năng. Sau thời gian thiết lập, TĐTM mở chậm RHd mở ra làm ngắt nguồn một chiều cấp cho động cơ. 3.4 Mạch hãm ngược không đảo chiều Khi nhấn nút khởi động K, cuộn dây M được tác động làm đóng TĐTM M cấp
điện cho động cơ hoạt động. Công tắt thường mở M song song với nút nhấn K đóng
và tự duy trì. Khi động cơ quay thì rờ le vận tốc được tác động làm đóng tiếp điểm thường mở RV. Tuy nhiên do TĐTĐ M đang hở nên Hn vẫn chưa được tác động. Khi nhấn nút dừng, cuộn dây M thôi tác động TĐTM M hở mạch động
cơ không được cấp điện. Đồng thời TĐTĐ M đóng mạch làm tác động cuộn dây Hn
làm đóng mạch đảo pha. Động cơ được hãm ngược. Khi động cơ giảm tốc đến mức nào đó thì rờ le vận tốc thôi tác động, TĐTM RV hở ra và ngừng cấp điện cho động cơ.
3.5 Mạch hãm ngược đảo chiều Khi nhấn nút khởi động K, cuộn dây M được tác động làm đóng TĐTM M cấp
điện cho động cơ hoạt động. Công tắt thường mở M song song với nút nhấn K đóng
và tự duy trì. Khi động cơ quay thì rờ le vận tốc được tác động làm đóng tiếp điểm thường mở RV. Tuy nhiên do TĐTĐ M đang hở nên Hn vẫn chưa được tác động. Khi nhấn nút dừng, cuộn dây M thôi tác động TĐTM M hở mạch động
cơ không được cấp điện. Đồng thời TĐTĐ M đóng mạch làm tác động cuộn dây Hn
làm đóng mạch đảo pha. Động cơ được hãm ngược. Khi động cơ giảm tốc đến mức nào đó thì rờ le vận tốc thôi tác động, TĐTM RV hở ra và ngừng cấp điện cho động cơ. 3.6 Mạch hãm điện cơ Khi nhấn nút khởi động K, cuộn dây M được tác động làm đóng TĐTM M cấp
điện cho động cơ hoạt động. Công tắt thường mở M song song với nút nhấn K đóng
và tự duy trì. Khi nhấn nút dừng, cuộn dây M thôi tác động TĐTM M hở mạch động
cơ không được cấp điện. Đồng thời cuộn dây H được tác động làm đóng TĐTM H
Cuộn dây nam châm Nc của phanh điện cơ được tác động làm hãm động cơ. 3.7 Mạch hãm động cơ điện 1 chiều kích từ song song Điện trở hãm được mắc song song với phần ứng.
Khi nhấn nút khởi động K, cuộn dây M được tác động làm đóng TĐTM M cấp
điện cho động cơ hoạt động. TĐTĐ M hở ra. Công tắt thường mở M song song với
nút nhấn K đóng và tự duy trì. Khi nhấn nút dừng, cuộn dây M thôi tác động TĐTM M hở mạch động cơ không được cấp điện. Đồng thời TĐTĐ M đóng phần ứng vào mạch điện trở
hãm Động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ máy phát dòng điện phần ứng
đảo chiều moment hãm xuất hiện làm động cơ bị dừng nhanh. Chương 4 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện 4.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 4.1.1. Khái niệm chung Hệ thống truyền động điện không chỉ l{m nhiệm vụ biến đổi điện năng
th{nh cơ năng, m{ còn điều khiển qu| trình l{m việc của cơ cấu công t|c theo
yêu cầu công nghệ của m|y sản xuất. Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo
nếu hệ có khả năng đặt trước c|c thông số gia công cho tứng công đoạn, duy trì
c|c thông số đó với một độ chính x|c n{o đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, vítrí
của cơ cấu công t|c …), cưỡng bức thay đổi c|c gi| trị đó theo ý muốn, hạn chế
gi| trị của chúng theo mức cho phép của qu| trình công nghệ hoặc theo khả
năng về độ bền, độ qu| tải của m|y. C|c thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M v{ tốc độ ω của động cơ điện, có c|c mối quan hệ được định nghĩa:
a) Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh: Đó l{ mômen (M), tốc độ (ω) của động cơ, …
Do M và ω l{ 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, ω], nên việc điều chỉnh chúng thường gọi l{ “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 v{o l{ điện trở phần ứng Rư (hoặc Rưf), từ thông Ф (hoặc điện |p kích từ Ukt; dòng điện kích từ
Ikt) v{ điện |p phần ứng Uư. + Đối với động cơ điện không đồng bộ, thông số đầu v{o l{ điện trở mạch
rôto R2 (hoặc R2f), điện trở mạch stato R1, điện kh|ng stato X1, điện |p stato U1
v{ tần số của dòng điện stato f1. + Đối với động cơ điện đồng bộ, thông số đầu v{o l{ tần số của dòng điện stato f1.
c) Các phần tử điều khiển: L{ c|c thiết bị hoặc dụng cụ l{m thay đổi c|c thông số đầu v{o.
Chú ý, người ta thường gọi việc điều chỉnh c|c thông số đầu ra l{ “điều khiển động cơ điện”. *Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra của động cơ: Tùy theo yêu cầu công nghệ của m|y sản xuất, việc điều chỉnh M, ω nhằm thực hiện c|c mục đích sau: + Đặt gi| trị l{m việc v{ duy trì mức đặt đó, ví dụ duy trì tốc độ l{m việc khi phụ tải thay đổi ngẫu nhiên. + Thay đổi thông số theo quy luật yêu cầu, ví dụ trong thời gian khởi động
v{ tăng tốc động cơ thang m|y từ 0 lên đến tốc độ ổn định, mômen lúc đầu phải
tăng tuyến tuyến tính theo thời gian, sau đó giữ không đổi, v{ 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 t|c (tức cho trục động cơ) theo quy luật cho trước ở đầu v{o với một độ chính x|c n{o đó. * Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều
Về phương diện điều chỉnh tốc độ động cơ điện DC có nhiều ưu điểm hơn
so với c|c loại động cơ kh|c, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
d{ng m{ cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
4.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 4.1.2.1 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 qu|t: Ta thấy rằng khi thay đổi Rưf thì ω0 = const còn ∆ω thay đổi, vì vậy ta sẽ
được c|c đường đặc tính điều chỉnh có cùng ω0 v{ dốc dần khi Rưf c{ng lớn, với
tải như nhau thì tốc độ c{ng thấp: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf
b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf Như vậy: 0 < Rưf1< Rưf2< ... thì ωđm > ω1> ω2> ... , nhưng nếu ta tăng Rưf đến
một gi| trị n{o đó thì sẽ l{m cho M ≤Mc và như thế động cơ sẽ không quay được
v{ động cơ l{m việc ở chế độ ngắn mạch, ω= 0. Từ lúc n{y, ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa l{ không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do
đó phương ph|p điều chỉnh n{y l{ phương ph|p điều chỉnh không triệt để. 4.1.2.2 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 qu|t: Ta thấy rằng khi thay đổi Ф thì ω0 v{ ∆ω đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được c|c
đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng β c{ng giảm) v{ cao hơn đặc tính
cơ tự nhiên khi Ф c{ng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ c{ng cao khi giảm từ
thông Ф: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc ĐMđl bằng cách thay đổi Ф b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Ф Như vậy: Фđm> Ф1> Ф2> ... thì ωđm< ω1< ω2<... , nhưng nếu giảm Ф qu| nhỏ
thì có thể l{m cho tốc độ động cơ lớn qu| giới hạn cho phép, hoặc l{m 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 v{ nhưvậy sẽ l{m
cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị qu| tải. 4.1.2.3 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 qu|t: Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ω0 thay đổi còn ∆ω = const, vì vậy ta sẽ được
c|c đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi Uưthì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện |p ra, thường dùng c|c bộ biến
đổi: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc ĐMđl bằng cách thay đổi Uư b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư
C|c bộ biến đổi có thể l{: Bộ biến đổi m|y điện: dùng m|y ph|t điện một chiều
(F), m|y điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một
pha, ba pha; Bộ biến đổi điện tử - b|n dẫn: c|c bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor,
c|c bộ băm điện |p (BĐA) dùng tiristor, transistor, … 4.1.3. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển v.v...Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb, điện trở trong Rb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Ở chế độ xác lập: Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương ph|p điều chỉnh này là triệt để. Xác định giải điều chỉnh tốc độ: Giải điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động: Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là, KM hệ số quá tải về mômen: Ta có: Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào các giá trị độ cứng β 4.1.4. Phương pháp điều chỉnh từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ và sức điện động của động cơ Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: r điện trở dây quấn kích từ, w là số vòng dây của cuộn dây kích từ, r điện trở của nguồn điện áp điều chỉnh từ thông: Ở chế độ xác lập: Tuyến tính hóa đoạn làm việc: Khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất ứng với từ thông định mức gọi là đặc tính cơ bản. Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông (điều chỉnh từ thông theo hướng giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ) bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp. 4.1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều 4.1.5.1 Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ): Trước đ}y, hệ thống M|y ph|t - Động cơ một chiều l{ một hệ truyền động
điện điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt v{ thuận
tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều m|y điện quay nên cồng kềnh, khi l{m việc
g}y ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý như
hình : Coi mạch từ m|y ph|t chưa bảo ho{, nên ta có: EF= KF.ФF.ωF= KF.ωF.C.iKF Trong đó: KF- hệ số kết cấu của m|y ph|t,
C = ∆ФF/∆iKF- hệ số góc của đặc tính từ ho|. Với: iKF= UKF/rKF
Và: EF= KF.UKF
R = RưĐ+ RưF Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng m|y ph|t: Như vậy, khi thay đổi UKF(hoặc iKF) thì ta sẽ được một họ đường đặc tính cơ song song nhau ở cả 4 góc phần tư. Ở góc phần tư (I) v{ (III) của tọa độ đặc tính cơ thì động cơ l{m việc ở chế độ động cơ quay thuận và chế độ động cơ quay ngược. a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ hệ F-Đ; b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ F-Đ
Đặc tính cơ hãm động năng (EF = 0) đi qua gốc toạ độ; C|c vùng nằm giữa
trục tung (ω) v{ đặc tính cơ h~m động năng (EF= 0) l{ chế độ hãm tái sinh hay
chế độ máy phát (ω> ω0) của động cơ; C|c vùng nằm giữa trục ho{nh (M) v{ đặc tính cơ khi h~m động năng (EF= 0) l{ chế độ h~m ngược (ω↑↓M) của động cơ. Đặc điểm của hệ F - Đ l{ điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự
động chuyển đổi qua c|c chế độ l{m việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc
độ. Ví dụ động cơ đang l{m việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ m|y ph|t F
(Mc = const) thì động cơ sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang h~m
tái sinh, hãm ngược, khởi động ngược v{ sẽ l{m việc x|c lập ở điểm B (chế độ
hãm tái sinh). Khi điều chỉnh EF thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ ω ≤ ωcb; khi đảo chiều iktF thì đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được ω. Nếu kết hợp điều chỉnh v{ đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ điều chỉnh v{ đảo chiều được tốc độ của động cơ ω ≥ ωcb. Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thì sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ω ≤ ωcb và ω ≥ ωcb (cả 2 vùng tốc độ).
4.1.5.2 Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều (CL-ĐM): Khi ta dùng c|c bộ chỉnh lưu có điều khiển - hay l{ c|c bộ chỉnh lưu dùng
thyristor để l{m bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một
chiều, ta còn gọi l{ hệ T - Đ.
Sơ đồ nguyên lý: a) Xét hệ CL - ĐM không đảo chiều: + Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cosα Trong đó: l{ tốc độ không tải giả tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gi|n đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt |p nên đường đặc tính điều chỉnh dốc
hơn, tốc độ không tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả
tưởng ω’0 a) Sơ đồ thay thế Hệ T-Đ không đảo chiều; b) Đặc tính điều chỉnh tốc hệ T-Đ Vậy, khi thay đổi góc điều khiển α= (0÷π) thì Ed thay đổi từ Ed0 đến - Ed0 và
ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt
phẳng toạ độ [ω, I] hoặc [ω, M] nếu chúng ta chỉ cho một bộ chỉnh lưu l{m việc
ở chế độ chỉnh lưu (hình 4-4). Vùng dòng điện gi|n đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung: Trong đó: XBA- điện kh|ng m|y biến |p.
LưΣ- Điện cảm tổng mạch phần ứng.
fl- tần số lưới.
m - số pha chỉnh lưu. Trong vùng dòng điện gi|n đoạn (ω’0< ω0): Trong đó: E2m- biên độ sức điện động thứ cấp m|y biến |p CL.
Đường giới hạn tốc độ cực đại: ( b) Xét hệ CL - ĐM có đảo chiều: Muốn đảo chiều tốc độ động cơ thì phải dùng hai bộ chỉnh lưu đấu song song ngược - chỉnh lưu kép, nguyên tắc điều khiển hai bộ chỉnh lưu l{: + Khi cho bộ CL1 l{m việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL2 chuẩn bị l{m việc ở
chế độ nghịch lưu, dòng chỉnh lưu chạy theo chiều dương, tốc độ động cơ quay
thuận. + Ngược lại, khi cho bộ CL2 l{m việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL1 chuẩn bị
l{m việc ở chế độ nghịch lưu, dòng chỉnh lưu chạy theo chiều }m, tốc độ động
cơ quay ngược. Để khỏi truyền năng lượng từ bộ CL n{y qua bộ CL kia về lưới thì cần thoả m~n điều kiện: |Ed.NL| ≥ |Ed.CL| Để điều khiển hai bộ chỉnh lưu l{m việc theo đúng c|c chế độ yêu cầu thì có thể dùng phương ph|p điều khiển chung hoặc điều khiển riêng. * Phương pháp điều khiển chung: tín hiệu điều khiển được đưa v{o cả 2
nhóm van sao cho thoả m~n |Ed.NL| ≥ |Ed.CL|. Đối với phương ph|p n{y, có thể
xuất hiện dòng điện c}n bằng chạy qua 2 bộ chỉnh lưu, không qua tải, g}y qu|
tải cho c|c van v{ m|y biến |p, cho nên cần hạn chế dòng c}n bằng, thường
dùng c|c cuộn kh|ng c}n bằng CK để hạn chế dòng c}n bằng. Trong phương ph|p điều khiển chung, khi phối hợp điều khiển kiểu tuyến tính: α1+ α2= π Khi đó, c|c đặc tính cơ của hệ T - ĐM sẽ gần giống hệ F - Đ.
Khi phối hợp điều khiển kiểu phi tuyến (phối hợp không ho{n to{n) thì sẽ có thêm hệ số phi tuyến ξ: α1+ α2= π+ ξ Góc ξ phụ thuộc v{o c|c gi| trị của α1và α2 một c|ch phi tuyến. Lúc n{y c|c đặc tính cơ của hệ T - ĐM có đoạn phi tuyến ở vùng gần trục tung. a) Điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính; b) Điều khiển chung phối hợp kiểu
phi tuyến * Phương pháp điều khiển riêng: tín hiệu điều khiển chỉ được đưa v{o
bộ CL đang l{m việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ CL kia (không l{m việc) không
có tín hiệu điều khiển đưa v{o, cho nên không có dòng c}n bằng. Trong phương ph|p điều khiển riêng cũng có phối hợp điều khiển kiểu tuyến tính và phi tuyến. Để thay đổi trạng th|i l{m việc của c|c bộ CL thì phải dùng thiết bị đặc biệt
để chuyển c|c tín hiệu điều khiển từ bộ CL n{y sang bộ CL kia. Bởi vậy, khi điều
khiển riêng, c|c đặc tính cơ của hệ sẽ bị gi|n đoạn ở tại trục tung. Như vậy, khi
thực hiện thay đổi chế độ l{m việc của hệ sẽ khó khăn hơn v{ hệ sẽ có tính linh
hoạt kém hơn khi điều chỉnh tốc độ. Nếu kết hợp điều chỉnh v{ đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ điều chỉnh v{ đảo chiều được tốc độ của động cơ ω≥ ωcb. Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktFvà iktĐ thì sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ω ≤ ωcb và ω ≥ ωcb (cả 2 vùng tốc độ). 4.1.5.3 Hệ Khuếch đại từ - Động cơ một chiều (KĐT - ĐM): Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ khuyếch đại từ - Động cơ điện một chiều Để điều chỉnh tốc độ động cơ dùng khuếch đại từ, ta thay đổi dòng điều
khiển khuếch đại từ (thay đổi góc từ ho| αs) thì điện |p ra của khuếch đại từ sẽ
thay đổi v{ như vậy sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ: C|c đặc tính cơ của hệ KĐT - ĐM gần giống nhưc|c đặc tính cơ của hệ T -
ĐM. Trong vùng dòng điện liên tục, đặc tính cơ cứng hơn vùng dòng điện gi|n
đoạn, v{ vùng dòng điện gi|n đoạn cũng bị giới hạn bởi đường elip bao quanh
gốc toạ độ mặt phẳng đặc tính cơ. Kết hợp điều chỉnh điện |p ra của khuếch đại từ v{ điều chỉnh từ thông
động cơ ta cũng điều chỉnh được tốc độ động cơ cả trên v{ dưới tốc độ cơ bản.
Muốn đảo chiều tốc độ động cơ cũng phải dùng hai khuếch đại từ mắc song song ngược (khuếch đại từ kép). 4.1.5.4 Hệ Băm điện áp - Động cơ một chiều (ĐAX - ĐM): Sơ đồ nguyên lý: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng bộ Băm ĐA Sơ đồ đơn giản của hệ ĐAX - ĐM dùng khóa đóng/cắt bằng thyristor.
Trong đó, bộ nguồn một chiều l{ bộ chỉnh lưu cầu diot ba pha CL, t|o ra điện |p
Ud tương đối bằng phẳng, giúp cho việc duy trì chế độ dòng điện liên tục được dễ d{ng. Điều khiển thyristor T1mở/khóa bằng xung mở của bộ điều khiển
BĐK, ta sẽ được điện |p ra của bộ băm nối tiếp Ub đặt v{o phần ứng của động
cơ ĐM, tương ứng sẽ có tốc độ ω. Trong chế độ dòng điện liên tục, c|c đại lượng trong hệ được tính to|n theo gi| trị trung bình: Điện |p hoặc s.đ.đ. trung bình của bộ ĐAX: Trong đó: - l{ tỷ số chu kỳ băm, Với Tx và fx l{ chu kỳ xung v{ tần số xung của bộ BĐK.
Dòng điện trung bình mạch phần ứng sẽ l{: Phương trình đặc tính cơ-điện v{ đặc tính cơ của hệ ĐAX - ĐM có dạng: Và: Đặc tính cơ theo phương trình trên, ở vùng dòng điện liên tục l{ những
đường thẳng song song nhau, trong đó tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc v{o
tỉ số chu kỳ : ω0 = γUd/KФ. Đặc tính cơ của hệ ĐAX- ĐM Xung điều khiển c|c thyristor T1và T2 được tạo ra nhờ bộ BĐK với tần số
xung fx = 1/Tx. Khi thay đổi chu kỳ xung Tx hay tần số xung fx, ta sẽ l{m thay đổi
thời gian mở/khóa của T1 và T2, từ đó thay đổi được điện |p Ub và Uư, dẫn đến
điều chỉnh được tốc độ động cơ ω. 4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ AC 4.2.1. Khái niệm chung Động cơ ĐK, được sử dụng rộng r~i trong thực tế. Ưu điểm nổi bật của nó
l{: cấu tạo đơn giản, l{m việc tin cậy, vốn đầu tư ít, gi| th{nh 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 v{ khống chế c|c qu| trình qu| độ khó
khăn hơn, c|c động cơ ĐK lồng sóc có c|c chỉ tiêu khởi động xấu, (dòng khởi
động lớn, mômen khởi động nhỏ). Trong thời gian gần đ}y, do ph|t triển công nghiệp chế tạo b|n dẫn công
suất v{ kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới được khai th|c c|c ưu điểm của
chúng. Nó trở th{nh hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Thyristor
- Động cơ điện một chiều. Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK: Trong đó: Và: (4-19) Qua biểu các thức trên ta thấy rằng khi dùng c|c bộ biến đổi: xung điện
trở mạch rôto, điều |p xoay chiều stato, biến tần mạch stato, thì sẽ thay đổi
được sth, Mth và sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ ĐK. Động cơ đồng bộ (ĐB), trước đ}y thường dùng cho loại truyền động
không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn h{ng trăm kW đến h{ng MW (C|c m|y
nén khí, quạt gió, bơm nước, m|y nghiền v.v...). Ng{y nay do sự ph|t triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ
đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi dải công
suất từ v{i trăm W (cho cơ cấu ăn dao m|y cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động
của tay m|y), đến h{ng MW cho c|c truyền động kéo t{u tốc độ cao, m|y c|n
v.v... Để điều chỉnh tốc độ ĐB ta sử dụng c|c hệ truyền động bộ biến tần số - động cơ đồng bộ (BBĐ-ĐB) 4.2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 4.2.2.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp động cơ Mômen động cơ ĐK tỉ lệ với bình phương điện |p stato, nên có thể điều
chỉnh mômen v{ tốc độ động cơ ĐK bằng c|ch thay đổi điện |p stato v{ giữ tần
sốkhông đổi nhờ bộ biến đổi điện |p xoay chiều (ĐAXC) như hình: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ đ/c ĐK bằng bộ ustato
b) Các đặc tính điều chỉnh bằng bộ ustato đ/c ĐK Nếu coi bộ ĐAXC l{ nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi ub ≠uđm thì mômen tới hạn Mth.u
tỉ lệ với bình phương điện |p, còn sth.u = const: Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh v{ giảm bớt mức ph|t nóng của động
cơ, người ta mắc thêm điện trở R2f. Khi đó, nếu điện |p đặt v{o stato l{ định
mức (ub = u1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi l{ đặc tính
giới hạn. Rõ ràng là: Trong đó: Mth.gh, sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn (đ/tGH). Mth, sth l{ mômen v{ hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên. Dựa v{o đặc tính giới hạn Mgh(s), v{ nếu ω = const, ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với gi| trị ub cho trước nhờ quan hệ: Phương ph|p điều chỉnh điện |p chỉ thích hợp với truyền động m{
mômen tải l{ h{m tăng theo tốc độ như: m|y bơm, quạt gió, …Có thể dùng m|y
biến |p tự ngẫu, điện kh|ng, hoặc bộ biến đổi b|n dẫn l{m bộ ĐAXC cho động
cơ ĐK. 4.2.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto a,b) Sơ đồ và đặc tính điều chỉnh bằng xung Rroto đ/c ĐK c,d) Các đặc tính cơ điều chỉnh xung điện trở roto ĐK Hình trên trình b{y nguyên lý điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng
phương ph|p xung. Điện |p ur được điều chỉnh bởi cầu chỉnh lưu điôt CL, qua
điện kh|ng lọc L, cấp v{o mạch điều chỉnh gồm điện trở Ro nối song song với
khóa b|n dẫn T1. Khóa T1 được điều khiển đóng ngắt một c|ch chu kì. Hoạt động của khóa
T1 tương tự như mạch điều chỉnh xung |p một chiều. Khi khóa T1 đóng điện trở Ro bị ngắn mạch (bị loại ra khỏi mạch), dòng rôto tăng lên, khi T1 ngắt, điện trở
Ro được đưa v{o mạch, dòng rôto giảm xuống. Với chu kì đóng-ngắt nhất định
(T = const), ta sẽ có một gi| trị điện trở tương đương (Rtđ) trong mạch rôto.
Hình 4-9b: thời gian đóng tđ = T - tn, nếu điều chỉnh trơn tỷ số chu kì γ= (tđ/T),
thì ta sẽ điều chỉnh trơn được gi| trị gi| trị điện trở trong mạch rôto: Rtđ = (1-γ).Ro Điện trở Rtđ trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều 3 pha
ở rôto theo qui tắc bảo to{n công suất. Tổn hao trong mạch rôto nối theo sơ đồ
hình 3-9a là: V{ hao tổn khi mạch rôto nối theo sơ đồ hình a là: Cơ sở để tính đổi l{ tổn hao công suất như nhau, nên: Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì: , nên: Khi đ~ có điện trở tính đổi sẽ dễ d{ng dựng được c|c đặc tính cơ theo
phương ph|p thông thường, họ c|c đặc tính cơ n{y sẽ quét kín phần mặt phẳng
giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên v{ đặc tính cơ có điện trở phụ R2f = Ro/2 như
hình c. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen thì có thể mắc nối tiếp điện trở Ro
với một tụ điện có điện dung đủ lớn (hình d). Việc x}y dựng c|c mạch phản hồi
điều chỉnh tốc độ v{ dòng điện rôto được tiến h{nh tương tự hệ điều chỉnh điện
áp. 4.2.2.3 Phương pháp điều chỉnh công suất trượt Phương pháp nối tầng dùng Thyristor. Hình trên giới thiệu một sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh nối tầng điện.
Trong n{y, năng lượng trượt trong mạch rôto của động cơ ĐK (được biểu thị
bởi c|c thông số s.đ.đ. xoay chiều E2, dòng xoay chiều I2 v{ tần số mạch rôto f2=
f1.s) cũng được chỉnh lưu th{nh dạng một chiều (với c|c thông số E2d, Id) nhờ
cầu diot CL rồi được truyền v{o bộ nghịch lưu NL (với chức năng l{ thiết bị
biến đổi. Với bộ nghịch lưu n{y, việc chuyển mạch c|c thyristor được thực hiện
nhờ điện |p lưới (ul), do đó năng lượng trượt dạng một chiều sẽ được biến đổi
th{nh xoay chiều có tần số của điện |p lưới, cuối cùng qua m|y biến |p BA,
năng lượng trượt được trả về lưới điện. Trong sơ đồ nối tầng điện, dòng điện rôto I2 của động cơ ĐK hoặc dòng
điện trong mạch một chiều Id cũng được x|c định theo biểu thức, trong đó Ebđlà
s.đ.đ. của bộ nghịch lưu có dạng:
Ebđ = ENL= Ud0 cosα
Trong đó: α l{ góc mở của c|c thyristor (α > π/2) β= π- α l{ góc mở chậm của thyristor ở trạng th|i nghịch lưu.
Ud0 l{ điện |p lớn nhất của bộ nghịch lưu với trường hợp α = 0;
Ud0= 2,34U2ba. Với U2ba l{ điện |p pha thứ cấp m|y biến |p BA. Từ c|c biểu thức trên ta thấy, khi thay đổi góc mở α của c|c van trong bộ
nghịch lưu (từ π/2 đến ≈ π) tương ứng với sự thay đổi của s.đ.đ. nghịch lưu Ebđ
(từ 0 đến ≈Ud0), thì dòng điện Id và I2 sẽ thay đổi, nhờ đó mômen v{ tốc độ của
động cơ sẽ được điều chỉnh. 4.2.2.4 Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn điện cấp cho động cơ Thông thường khi điều chỉnh tốc độ bằng c|ch th|y đổi tần số, người ta
kết hợp thay đổi điện |p stato sao cho hệ số qu| tải mômen của động cơ Ф=
const, phụ thuộc c|c loại phụ tải kh|c nhau ta đ~ x|c định được quan hệ giữa sự
thay đổi điện |p v{ tần số theo công thức: ; (với q = -1, 0, 1, 2) Hay: ;(với q = -1, 0, 1, 2) C|c khối chức năng: nguồn xoay chiều có u1.đm, f1.đmqua bộ chỉnh lưu (CL)
biến đổi th{nh điện |p một chiều Uđ cấp cho bộ biến tần: Bộ nghịch lưu |p ba
pha (NL) gồm 6 thyristor (T1÷T6) v{ cầu chỉnh lưu ngược (CLng) gồm (D1÷D6)
để ho{n trả năng lượng phản kh|ng. Điện |p đầu ra của bộ BT (u1) có dạng “sin
chữ
nhật”v{ tần số l{ f1, đặt lên stato động cơ ĐK cần điều chỉnh tốc độ ω. Muốn điều chỉnh tần số f1đặt v{o stato để điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK,
thì thay đổi điện |p điều khiển Uđk.f của bộ biến tần |p. Còn muốn điều chỉnh
điện |p u1
đặt v{o stato theo qui luật trên, thì thay đổi điện |p điều khiển Uđk.u của bộ
chỉnh lưu. Hình: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp * Các đặc điểm của việc điều chỉnh tần số:
Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng c|ch biến đổi điện |p v{ tần số trên
đầu nối stato l{ một trong những phương ph|p được chú ý v{ có nhiều triển
vọng. Bằng phương ph|p điều chỉnh n{y, ta nhận được những đặc tính cơ ứng. Khi đó tổn thất công suất không lớn. Thực vậy, từ biểu thức: ∆P2điện = Mωos Ta thấy, nếu coi động cơ l{m việc trên đoạn đờng thẳng của đặc tính cơ
khi điều chỉnh tần số thì s có trị số nhỏ, nên ∆P2điên cũng nhỏ. Khi s dụng c|c bộ
biến tần thích hợp, ta có thể điều chỉnh được tốc độ với độ trơn tùy ý. Quan trọng hơn nữa l{ các ưu điểm trên đều được thể hiện cả với khi điều
chỉnh động cơ không đồng bộ lồng sóc l{ loại động cơ đơn giản, chắc chắn v{ rẻ
tiền. Nhược điểm chủ yếu của c|c hệ thống truyền động điện n{y l{ hiện nay bộ
biến tần còn tương đối phức tạp v{ đắt tiền. Vì vậy đ~ hạn chế phạm vi ứng
dụng của truyền động điện có điều khiển tần số. Nhưng những ưu điểm của chúng vẫn l{ cơ bản. Nếu tạo ra được những bộ
biến tần với mức độ phức tạp v{ gi| th{nh vừa phải, thì truyền động điện điều
khiển tần số dùng động cơ ĐK lồng sóc sẽ được ứng dụng rộng r~i trong sản
xuất v{ sinh hoạt. Chương 5 Tính và chọn hệ truyền động điện 5.1. Vấn đề chung Muốn hệ thống truyền động điện tự động (HT TĐĐTĐ) l{m việc đúng c|c chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế v{ an to{n, cần chọn đúng động cơ điện. Nếu chọn động cơ không phù hợp, công suất động cơ qu| lớn, sẽ l{m tăng gi| th{nh, giảm hiệu suất truyền động v{ giảm hệ số công suất cosφ. Ngược lại, nếu chọn động cơ có công suất qu| nhỏ so với yêu cầu thì có thể
động cơ không l{m việc được hoặc bị qu| tải dẫn đến ph|t nóng qu| nhiệt độ
cho phép g}y ch|y hoặc giảm tuổi thọ động cơ. Khi chọn động cơ phải căn cứ v{o trị số v{ chế độ l{m việc của phụ tải; phải xét đến sự ph|t nóng của động cơ lúc bình thường cũng như lúc qu| tải. 5.2. Các chế độ làm việc của truyền động điện Khi m|y điện l{m việc sẽ ph|tsinh c|c tổn thất công suất ∆P v{ tổn thất năng lượng: (5-1) Tổn thất n{y sẽ đốt nóng m|y điện. Nếu m|y điện không có sự trao đổi
nhiệt với môi trường thì nhiệt độ trong m|y điện sẽ tăng đến vô cùng v{ l{m
ch|y m|y điện. Thực tế thì trong qu| trình l{m việc, m|y điện cótrao đổi nhiệt
với môi trường nên nhiệt độ trong nó chỉ tăng đến mội gi| trị ổn định n{o đó. Đối với vật thể đồng nhất ta có: ∆P.dt = C.dτ+ A.τ.dt (5-2) Trong đó: τ = (tomđ- tomt) l{ nhiệt sai (độ chênh nhiệt độ giữa m|y điện v{ môi trường, tính theo độ oC). tomđ l{ nhiệt độ của m|y điện (oC).
tomt l{ nhiệt độ môi trường (oC).
A l{ hệ số toả nhiệt của m|y điện (Jul/ cal.oC).
C l{ nhiệt dung của m|y điện (Jul/ oC).
dt l{ khoảng thời gian nhỏ (s).
Giải phương trình (5-2) ta được:
+ Qu| trình đốt nóng khi m|y điện l{m việc (nhiệt sai tăng): (5-3) + C|c đường cong ph|t nóng v{ nguội lạnh của m|y điện: Hình 5.1: Đường cong phát nóng (a) và nguội lạnh (b) tổng quát Trong đó: τôđ = Q/ A l{ nhiệt sai ổn định của m|y điện khi t = ∞.
Q l{ nhiệt lượng của m|y điện (Jul/ s).
τbđl{ nhiệt sai ban đầu khi t = 0.
θ = C/A l{ hằng số thời gian đốt nóng.
Khi t = 0 và τbđ= 0 (tức ban đầu tomđ = tomt) thì: (5-4) + Qu| trình nguội lạnh khi m|y điện ngừng l{m việc (nhiệt sai giảm): (5-5) Trong đó: θol{ hằng số thời gian nguội lạnh. Hình 5.2: a) Đường cong phát nóng khi τbđ =0
b) Đường cong nguội lạnh * C|c chế độ l{m việc của hệ ph}n loại theo τ có 3 loại:
+ Chế độ d{i hạn: khi có tải l}u d{i, τc.tải = τôđ (hình 5-3a).
+ Chế độ ngắn hạn: Trong thời gian có tải: τc.tải < τôđ như hình 5-3b.
+ Chế độ ngắn hạn lặp lại: lúc có tải: τc.tải < τôđ , lúc dừng thì τk.tải ≠ τbđ như hình 5 - 3c, (τc.tải ≡ tlv, τk.tải ≡ tn) . Hình 5.3: Phân loại chế độ làm việc theo τ 5.3. Chọn công suất động cơ điện 5.3.1. Chọn công suất động cơ điện làm việc dài hạn 5.3.1a. Chọn công suất động cơ phục vụ phụ tải dài hạn không đổi Dựa v{o Pc(t) hoặc Mc(t) đ~ quy đổi về trục động cơ.
Ví dụ như hình 5-4, dựa v{o sổ tay, chọn động cơ có:
Pđm ≥ Pc; (5-6) Thông thường chọn: Pđm = (1 ÷ 1,3).Pc; (5-7) Không cần kiểm nghiệm qu| tải về mô men, nhưng cần kiểm nghiệm điều kiện khởi động v{ ph|t nóng. Hình 5.4: Phụ tải dài hạn 5.3.1b. Chọn công suất động cơ phục vụ phụ tải dài hạn biến đổi Hình 5.5: Phụ tải dài hạn biến đổi Chọn công suất động cơ theo trị trung bình: (5-8a) (5-8b) Động cơ chọn phải có: Mđm = (1 ÷1,3 )Mtb; (5-9a)
Pđm= (1 ÷1,3)Ptb; (5-9b) Điều kiện kiểm nghiệm: theo điều kiện ph|t nóng, qu| tải về mô men v{ khởi động. 5.3.2. Chọn công suất động cơ điện làm việc ngắn hạn 5.3.2a. Chọn công suất động cơ dài hạn làm việc cho phụ tải ngắn hạn Nếu chọn Pdh.đm ≥ Pc.nh thì τ < τcp, nhưvậy sẽ không sử dụng hết khả năng chịu
nhiệt của động cơ. Vậy có thể chọn công suất Pdh.đm < Pc.nh Giả sử động cơ d{i hạn có Pdh.đm và Mdh.đm. Khi nó l{m việc trong chế độ ngắn hạn với thời gian tlv thì có thể tăng phụ tải đến: Pc.nh= λ.Pdh.đm; (5-10a)
Mc.nh = λ.Mdh.đm; (5-10b) Khi đó phải tính to|n thời gian l{m việc sao cho ph|t nóng của động cơ đạt gi| trị cho phép (để tận dụng hết khả năng chịu nhiệt của động cơ). Với động cơ d{i hạn (đường 1): τôđ1 = (∆Pdh.đm/ A) = τcp (5-11) Khi chọn động cơ d{i hạn có công suất nhỏ hơn phụ tải ngắn hạn thì: τôđ2 = (∆Pc.nh/ A) > τôđ1= τcp (5-11) Muốn τ tiến tới τôđ1 = τcptrong thời gian l{m việc tlv thì dựa v{o phương trình đường cong ph|t nóng với điều kiện ban đầu l{ τbđ= 0, ta có: (5-12) Hệ số qu| tải về nhiệt khi chọn Pdh.đm < Pc.nh là: (5-13) Mặt kh|c ta có: (5-14) Rút ra: (5-15) Hệ số qu| dòng khi chọn Pdh.đm < Pc.nh là: qd = Ic.nh/ Idh.đm= Pc.nh/ Pdh.đm (5 - 16) Mặt kh|c: (5-17) Đặt: K / Vdh.đm = α, (thường: α = 0,5 ÷ 2) ta có: (5-18) (5-19) V{ cuối cùng ta chọn động cơ d{i hạn phục vụ cho phụ tải ngắn hạn: Pdh.đm.chọn ≥ Pc.nh/ qd (5-20) 5.3.2b. Chọn công suất động cơ ngắn hạn phục vụ phụ tải ngắn hạn Động cơ ngắn hạn được chế tạo có thời gian l{m việc tiêu chuẩn l{:
ttc=15, 30, 60, 90, ( phút ). Nhưvậy ta phải chọn: tlv = ttc (5-21)
Pđm.chọn ≥ Plv.nh (5-22) Nếu tlv ≠ ttc thì sơ bộ chọn động cơ có ttc và Pđmgần với gi| trị tlv và Pc.nh.
Sau đó x|c định tổn thất động cơ ∆Pđm với công suất Pđm, v{ ∆Pc.nh với Pc.nh. Quy
tắc chọn động cơ l{: (5-23) Đồng thời tiến h{nh kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện qu| tải về mômen, mômen khởi động v{ điều kiện ph|t nóng. 5.3.3. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại 5.3.3a. Đồ thị phụ tải và đường cong phát nóng Sau một số chu kỳ l{m việc, τ(t) sẽ dao động trong khoảng τmin ÷ τmax: Trong khoảng tlv: (6-31) Trong khoảng tn: (6-32) Ta tính được τmax và τmin: (5-24) (5-25) (5-26) (5-27) Nếu θ= θothì: (5-28) Khai triển chuỗi Furiê v{ lấy số hạng thứ 1 của chuỗi ta có: τmax ≈ τôđ.( tlv/ tck) = τôđ.ε (5-29) Hình 5 - 6: Đồ thị phụ tải và đường cong phát nóng 5.3.3b. Chọn động cơ dài hạn phục vụ phụ tải ngắn hạn lặp lại Thường chọn động cơ d{i hạn có Pdh.đm< Pc.nhll để tận dụng khả năng ph|t nóng cho phép của động cơ. Nhưvậy hệ số qu| tải về nhiệt: (5-30) Biến đồi số mũ: (5-31) β l{ hệ số xét tới điều kiện l{m m|t bị kém đi trong thời gian nghỉ.
β = 0,5 đối với động cơ điện một chiều.
β = 0,25 đối với động cơ điện xoay chiều. là hằng số thời gian đóng điện tương đối có xét đến điều kiện l{m m|t bị kém đi trong thời gian nghỉ. Cuối cùng ta có: (5-32) Chọn công suất động cơ d{i hạn phục vụ phụ tải ngắn hạn lặp lại: ∆Pdh.đm.chọn ≥ ∆Pc.nh/ qn(6- 42) 5.3.3c. Chọn động cơ ngắn hạn lặp lại phục vụ phụ tải NHLL Động cơ ngắn hạn lặp lại thường được chế tạo chuyên dụng có độ bền cơ
khí cao, qu|n tính nhỏ (để đảm bảo khởi động v{ h~m thường xuyên) v{ khả
năng qua tải lớn (từ 2,5 ÷ 3,5 lần). Đồng thời được chế tạo với thời gian đóng điện tiêu chuẩn l{: εtc% = 15%, 25%, 40% và 60%.
Động cơ được chọn: εtc% = εfụtải% (5-34)
Pđm.chọn ≥ Pc.nhll (5-35) Trong trường hợp εtc% ≠ εft% thì cần hiệu chỉnh lại công suất động cơ: (5-36) Sau đó phải kiểm tra về mô men qu| tải, khởi động v{ ph|t nóng. 5.4. Chọn động cơ điện khi điều chỉnh tốc độ Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp n{y cần phải biết những yêu cầu cơ bản sau:
1. Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) v{ đồ thị phụ tải Pc(t), Mc(t), ω(t)
2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D = ωmax/ ωmin
3. Loại động cơ định chọn ( một chiều, xoay chiều, ... ). 4. Phương ph|p điều chỉnh v{ bộ biến đổi trọng hệ thống TĐĐTĐ đó.
Hai yêu cầu trên nhằm x|c định những tham số Pyc.maxvà Myc.max.
Ví dụ: Đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh có P = const (xem hình 5-7a). Ta có công suất yêu cầu cực đại: Pmax = Pđm = const, nhưng mô men yêu cầu cực đại lại phụ thuộc v{o phạm vi điều chỉnh: Mmax = Pđm/ ωmin. Đối với phụ tải truyền động yêu cầu trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, M = const (xem hình 5-7b). Ta có: Pmax = Mđm.ωmax. Hình 5.7: Các đặc tính Pc(ω) và Mc(ω) Hai yêu cầu về loại động cơ v{ loại truyền động có ý nghĩa đặc biệt quan
trọng. Nó x|c định kích thước công suất lắp đặt truyền động, bởi vì hai yêu cầu
n{y cho biết hiệu suất truyền động v{ đặc tính điều chỉnh Pđ.ch(ω), Mđ.ch(ω) của
truyền động. Thông thường c|c đặc tính điều chỉnh n{y thường phù hợp với
đặc tính
phụ tải yêu cầu Pyc(ω), Myc(ω) (xem hình 5 -8) Hình 5.8: Các đặc tính Myc(ω) và Pyc(ω) và Mđ.ch(ω) và Pđ.ch(ω) Tuy vậy có trường hợp, người ta thiết kế hệ truyền động có đặc tính điều chỉnh không phù hợp chỉ vì mục đích l{ đơn giản cấu trúc điều chỉnh. Ví dụ: Đối với tải P = const, khi sử dụng động cơ điện một chiều, phương
ph|p điều chỉnh thích hợp l{ điều chỉnh từ thông kích từ. Nhưng ta dùng
phương ph|p điều chỉnh điện |p phần ứng thì khi tính chọn công suất động cơ
cần phải xét yêu cầu Mmax (hình 5 - 9). Vậy công suất động cơ lúc đó không phải l{ Pđm = Pyc mà: Pđm = Mmax.ωmax = (ωmax/ ωmin).Pyc = D.Pyc (5-37) Như vậy công suất đặt sẽ lớn hơn D lần so với Pyc. Hình 5.9: Chọn động cơ có đặc tính Pđ.ch(ω) không phù hợp Mặt kh|c việc tính chọn công suất động cơ còn phụ thuộc v{o phương
ph|p điều chỉnh tốc độ, ví dụ cùng một loại động cơ như động cơ không đồng
bộ, mỗi phương ph|p điều chỉnh kh|c nhau có đặc tính truyền động kh|c nhau,
phương ph|p điều chỉnh điện |p dùng tiristor có hiệu suất thấp so với phương
ph|p điều chỉnh tần số dùng bộ biến đổi tiristor. Vì vậy khi tính chọn công suất
động cơ bắt buộc phải xem xét tới tổn thất cộng suất ∆P v{ tiêu thụ công suất
phản kh|ng Q trong suốt dải điều chỉnh. Do vậy việc tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc
độ cần phải gắn với một hệ truyền động chọn trước để có đầy đủ yêu cầu cơ
bản cho việc tính chọn. 5.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ điện Việc tính chọn công suất động cơ ở c|c mục trên được coi l{ giai đoạn
chọn sơ bộ ban đầu. Để khẳng định chắc chắn việc tính chọn đó l{ chấp nhận
được, ta cần phải kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó. Yêu cầu về kiểm nghiệm việc tính chọn công suất động cơ gồm có:
- Kiểm nghiệm ph|t nóng: τôđ ≤ τcp (5-38) - Kiểm nghiệm qu| tải về mô men: Mđm > Mc.max (5-39) - Kiểm nghiệm mô men khởi động: Mkđ ≥ Mc.mởm|y (5- 40) Ta thấy rằng việc kiểm nghiệm theo yêu cầu qu| tải về mô men v{ mô men khởi động có thể thực hiện dễ d{ng. Riêng về yêu cầu kiểm nghiệm ph|t nóng l{ khó khăn, không thể tính to|n
ph|t nóng động cơ một c|ch chính x|c được (vì tính ph|t nóng động cơ l{ b{i
to|n phức tạp). Tuy vậy gần đúng có thể sử dụng c|c phương ph|p kiểm nghiệm ph|t nóng gi|n tiếp qua c|c đại lượng điện sau đ}y. 5.5.1. Kiểm nghiệm động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình: - Giả sử có đặc tính tải Pc(t) l{ đường cong thì phải hình thang ho| từng đoạn v{ trong mỗi đoạn được coi l{ có Pc = const (như hình 5 - 41). Hình 5.10: Hình thang hóa đặc tính tải Xuất ph|t từ phương ph|p nhiệt sai cực đại (xem t{i liệu tham khảo) với
điều kiện xét ở chu kỳ xa điểm gốc toạ độ, lúc đó thì nhiệt sai của động cơ biến
thiên theo quy luật x|c định, v{ ta có: τbđ= τcc= τx. Từ phương trình τmax(t) ta có: (5-41) Xem nhiệt sai ổn định τx do lượng tổn thất công suất trung bình ∆Ptb gây ra, ta có: (5-42) Thay vào ta có: (5-43) Khai triển h{m e- xv{ chỉ lấy 2 số hạng đầu, ta có: (4-44) Với giả thiết trong qu| trình l{m việc: A = const, θ = const, ta có: (5-45) V{ động cơ được chọn phải đảm bảo: ∆Pđm.chọn ≥ ∆Ptb (5-46) Trong thực tế, việc tính to|n ∆Pi, ∆Ptb có thể dựa v{o Pc(t) và η(Pc) của động cơ (xem hình 5-11): V{ ∆Pđm.chọn được x|c định theo công thức: (5-47) Đối với động cơ có quạt gió tự l{m m|t thì trong biểu thức (5-45) phải
tính đến khả năng suy giảm của truyền nhiệt khi dừng m|y, khi khởi động v{
hãm, ta có: (5-48) Hình 5.11: Các đặc tính Pc(t) và η( Pc) Trong đó:
α l{ hệ số giảm truyền nhiệt khi khởi động v{ h~m,
α = 0,75 đối với động cơ điện một chiều,
α = 0,5 đối với động cơ điện xoay chiều.
tk l{ thời gian khởi động v{ h~m.
β l{ hệ số giảm truyền nhiệt khi động cơ dừng.
β = 0,5 đối với động cơ điện một chiều.
β = 0,25 đối với động cơ điện xoay chiều.
t0 l{ thời gian nghỉ của động cơ. 5.5.2. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị Xuất ph|t từ biểu thức: ΔP = K + V = K + bI2 (5-49) Trong đó:
K l{ tổn thất công suất không đổi.
V l{ tổn thất công suất biến đổi, thường: V = bI2.
I l{ dòng điện động cơ.
b l{ hệ số tỷ lệ. Hình 5.12a: Dòng điện i(t) Hình 5.12b: Cách tính gần đúng i(t) Như vậy tương đương với biểu thức ∆Ptb ta có biểu thức dòng điện đẳng trị: (5-50) Điều kiện kiểm nghiệm: Iđt ≤ Iđm.chọn (5-51) Để tính gi| trị Iđt ta phải tính quá trình quá độ.Giả thiết có kết quả tính
dòng điện i(t), nó có dạng đường cong liên tục, như trên hình 5-12a (bậc thang
hoá) và trên hình 5-12b (g~y khúc ho|) để tìm Ii và ti: Trong trường hợp đường cong dòng điện có dạng tăng trưởng lớn như trên hình 5-12b, thì ta dùng công thức gần đúng: (5-52) (5-53) Trong đó: Idi, Ici x|c định theo đồ thị trên hình 6-15. Hình 5.13: Gãy khúc hóa 5.5.3. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng mô men đẳng trị Phương ph|p kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện ph|t nóng gi|n tiếp l{
mô men được suy ra từ phương ph|p dòng điện đẳng trị, khi mô men tỷ lệ với
dòng điện: M = cI (c l{ hệ số tỷ lệ). Đối với động cơ điện một chiều thì điều kiện n{y được thoả m~n khi từ thông của động cơ không đổi. Đối với động cơ không đông bộ: M = CmI2Φ2cosφ2 (5-53) Ta cần phải có Φ2= const, và cosφ2= const ( tức l{ gần tốc độ định mức của động cơ). Tính mô men đẳng trị: (5-54) Kiểm nghiệm động cơ: Mđm.chọn ≥ Mđt (5-55) 5.5.4. Kiểm nghiệm động cơ theo đại lượng công suất đẳng trị Trong truyền động m{ tốc độ động cơ ít thay đổi thì P ≡ M, do vậy có thể dùng đại lượng công suất đẳng trị để kiểm nghiệm ph|t nóng. Hình 5.14: Minh họa cách tính hiệu chỉnh P(t) Công suất đẳng trị: (5-56) Chọn động cơ có: Pđm.chọn ≥ Pđt (5-57) Trong thực tế ở giản đồ phụ tải, tốc độ truyền động thường thay đổi lớn
trong qu| trình khởiđộng v{ h~m. Cho nên cần phải tính to|n hiệu chỉnh P(t)
như hình 5.14.23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
’=1,44Ω; X1= 0,39Ω, X2
1460v/ph; R1 =0,2Ω, R2
chế độ định mức, hãy tìm tốc độ của động cơ?
51
’=1,21Ω; hệ số quá tải
’=1,44Ω; X1= 0,39Ω, X2
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
k
b
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
