Bài giảng Truyền động điện - ĐH Phạm Văn Đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

BÀI GIẢNG DÙNG CHO BẬC CAO ĐẲNG



o

i

tn

nt1

m

A tn b a c 1 d e Rf1 2 f g Rf1 + Rf2 3

0 Ic h I1 Iư I2 Rf1 + Rf2 + Rf3

TH.S LÊ TRƯƠNG HUY

BÀI GIẢNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

DÙNG CHO BẬC CAO ĐẲNG

SỐ TIẾT: 30

QUẢNG NGÃI, NĂM 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN được soạn thảo dựa trên cơ sở chương trình

môn học cùng tên đã được Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - công nghệ, Trường

Đại học Phạm Văn Đồng thông qua, nhằm phục vụ cho sinh viên bậc Cao đẳng, ngành

Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử của Trường Đại học Phạm Văn Đồng. Để tiếp thu tốt

kiến thức của môn học này, sinh viên cần phải nắm vững kiến thức của môn Mạch điện,

Máy điện và Điện tử công suất.

Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN gồm 3 chương:

- Chương 1 và chương 2 nêu các khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện và

đặc tính cơ của động cơ điện.

- Chương 3 trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

kích từ độc lập và động cơ không đồng bộ.

Trong khi soạn thảo bài giảng này, tác giả đã đưa ra một số ví dụ cụ thể nhằm

mục đích minh họa các vấn đề lý thuyết và ứng dụng trong thực tế của hệ truyền động

điện.

Ở cuối mỗi chương có các câu hỏi ôn tập hay bài tập tự giải, giúp sinh viên hiểu

sâu hơn kiến thức đã học và rèn luyện kỹ năng tính toán để phục vụ cho kỳ thi cuối học

kỳ.

Nội dung bài giảng chắc chắn còn nhiều vấn đề cần bổ sung, hoàn thiện. Rất

mong nhận được sự các góp ý xây dựng của đồng nghiệp và người học.

Mọi góp ý xin gởi về địa chỉ:

Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - công nghệ,

Trường Đại học Phạm Văn Đồng.

509 Phan Đình Phùng, Quảng Ngãi.

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

0 LỜI NÓI ĐẦU

1 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1. Cấu trúc của hệ truyền động điện 1

1.2. Phân loại các hệ truyền động điện 5

1.3. Phân loại momen cản 5

1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện 9

1.5. Phương trình chuyển động của truyền động điện 10

1.6. Các trạng thái làm việc của động cơ điện 11

CÂU HỎI ÔN TẬP 14

15 CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1. Khái niệm chung 15

2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập (kích từ song song) 16

2.2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song 16

2.2.2. Phương trình đặc tính cơ 17

2.2.3. Đặc tính tự nhiên 21

2.2.4. Các đặc tính nhân tạo 23

2.2.5. Các trạng thái hãm 29

2.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 40

2.3.1. Sơ đồ đấu dây 40

2.3.2. Phương trình đặc tính cơ 41

2.3.3. Đặc tính cơ tự nhiên 47

2.3.4. Các đặc tính nhân tạo 48

2.3.5. Các trạng thái hãm 54

BÀI TẬP TỰ GIẢI

60

61 CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1. Các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ 61

3.1.1. Sai số tốc độ đặt 61

3.1.2. Phạm vi điều chỉnh 62

3.1.3. Độ tinh điều chỉnh 62

3.1.4. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ và đặc tính cơ 64

máy sản xuất

3.1.5. Tính kinh tế của hệ điều chỉnh 65

3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 65

3.2.1. Điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng 65

3.2.2. Điều chỉnh từ thông kích từ 69

3.2.3. Điều chỉnh điện áp phần ứng 71

3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 74

3.3.1. Điều chỉnh điện trở phụ trong mạch rôto 75

3.3.2. Điều chỉnh điện áp stato 77

3.3.3. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ 79

3.3.4. Điều chỉnh công suất trượt 86

BÀI TẬP TỰ GIẢI 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1. Cấu trúc của hệ truyền động điện

1.1.1. Định nghĩa hệ truyền động điện

Hệ truyền động điện là tổ hợp của nhiều thiết bị và phần tử điện - cơ dùng để

biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu công tác trên các máy sản xuất,

đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó tùy theo yêu cầu công nghệ của máy

sản xuất.

1.1.2. Hệ truyền động của máy sản xuất

Xét sơ đồ truyền động của 3 loại máy sau đây:

a) Truyền động của máy bơm nước



Động cơ Đ CT (Cánh bơm)

M

Mct (Mc) Đ

Khớp nối trục

Hình 1.1. Truyền động của máy bơm nước

Động cơ điện Đ biến đổi điện năng thành cơ năng tạo ra momen quay M làm

quay trục máy và các cánh bơm. Cánh bơm chính là cơ cấu công tác CT, nó chịu tác

động của nước tạo ra momen Mct ngược chiều tốc độ quay  của trục, chính momen

này tác dụng lên trục động cơ, ta gọi nó là momen cản Mc. Nếu Mc cân bằng với

momen động cơ: M = Mc thì hệ sẽ có chuyển động ổn định với tốc độ không đổi  =

1

const.

b) Truyền động của mâm cặp máy tiện

Bộ truyền lực TL Mâm cặp MC Phôi PH



x

M

x x

x

Đ Mc Mct Fc

x x

Động cơ Đ Dao cắt DC

Cơ cấu công tác CT

Hình 1.2. Truyền động của mâm cặp máy tiện

Cơ cấu công tác CT bao gồm mâm cặp MC, phôi (kim loại) PH được kẹp trên

mâm và dao cắt DC. Khi làm việc động cơ Đ tạo ra momen M làm quay trục, qua bộ

truyền lực TL gồm đai truyền và các cặp bánh răng, chuyển động quay được truyền đến

mâm cặp và phôi. Lực cắt do dao tạo nên trên phôi sẽ hình thành momen Mct tác động

trên cơ cấu công tác có chiều ngược với chiều chuyển động. Nếu dời điểm đặt của Mct

về trục động cơ ta sẽ có momen cản Mc (thay thế cho Mct). Cũng tương tự như ví dụ

trước, khi M = Mc hệ sẽ làm việc ổn định với tốc độ quay  = const và tốc độ cắt của

dao trên phôi cũng sẽ không đổi.

c) Truyền động của cần trục hoặc máy nâng

Cơ cấu công tác gồm trống tời TT, dây cáp C và tải trọng G. Lực trọng trường G

tác động lên trống tời tạo ra momen trên cơ cấu công tác Mct và nếu dời điểm đặt của

nó về trục động cơ thì ta sẽ có momen cản Mc (thay thế cho Mct), còn động cơ Đ thì tạo

ra momen quay M. Khác với hai ví dụ trước, ở cần trục và máy nâng Mct (hoặc Mc) có

chiều tác động do lực trọng trường quyết định nên không phụ thuộc chiều tốc độ, nghĩa

là có trường hợp nó ngược chiều chuyển động – cơ cấu công tác tiêu thụ năng lượng do

động cơ cung cấp và có trường hợp Mct cùng chiều chuyển động – cơ cấu công tác gây

2

ra chuyển động, tạo ra năng lượng cấp cho trục động cơ.

Bộ truyền lực TL Động cơ Đ



x

M

x

x

x

Đ

Dt

Mct

Trống tời TT Dây cáp C

Tải trọng G

Hình 1.3. Truyền động của cần trục

Ví dụ, khi nâng tải trọng, động cơ cấp năng lượng để gây ra chuyển động: M

cùng chiều . Tải trọng cản trở chuyển động và tiêu thụ năng lượng do động cơ cấp

vào hệ: Mc ngược chiều .

Khi hạ tải trọng nặng, tải trọng với lực trọng trường và thế năng sẽ làm trống tời

. Năng lượng qua bộ truyền TL sẽ đưa về động cơ làm quy trục động cơ. Lúc này

quay. Chính thế năng đó cấp vào hệ và gây ra chuyển động: Mct (hoặc Mc) cùng chiều

động cơ làm việc như một máy phát điện, tiêu thụ cơ năng và biến thành điện năng.

Đồng thời momen do động cơ sinh ra sẽ ngược chiều quay của trục: M ngược chiều .

3

Động cơ sẽ biến thành một bộ phanh hãm.

1.1.3. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

Trong các ví dụ trên, động cơ Đ có thể nối trực tiếp vào lưới điện công nghiệp

hoặc cũng được nối vào một bộ nguồn riêng, gọi là thiết bị biến đổi (BĐ) để tạo ra

dạng năng lượng cần thiết với những thông số phù hợp với yêu cầu động cơ.

Có thể mô tả khái quát cấu trúc của hệ truyền động điện bằng sơ đồ khối hình

1.4. Ngoài các khâu đã giới thiệu ở trên còn có bộ điều khiển ĐK để đóng cắt, bảo vệ

và điều khiển hệ thống.

n ệ i đ

Phần Điện Phần Cơ

i ớ ư L

BĐ Đ TL CT

ĐK

Lệnh đặt

Hình 1.4. Cấu trúc của hệ truyền động điện

Để thuận tiện việc khảo sát, ta chia các khâu của hệ truyền động điện thành hai

phần: phần điện và phần cơ.

- Phần điện gồm lưới điện, bộ biến đổi BĐ, mạch điện – từ của động cơ Đ và

các thiết bị điều khiển ĐK.

4

- Phần cơ gồm rôto và trục động cơ, khâu truyền lực TL và cơ cấu công tác CT.

1.2. Phân loại hệ truyền động điện

Người ta phân loại truyền động điện theo nhiều cách tùy theo đặc điểm của động

cơ điện, mức độ tự động hóa, đặc điểm hoặc chủng loại thiết bị biến đổi, công suất hệ

thống ... Từ cách phân loại sẽ hình thành ra tên gọi của hệ, ví dụ:

a) Theo đặc điểm động cơ điện ta có truyền động điện một chiều (dùng động

cơ điện một chiều), truyền động điện không đồng bộ (dùng động cơ điện không đồng

bộ), truyền động điện đồng bộ (dùng động cơ điện đồng bộ) ...

b) Theo tính năng điều chỉnh ta có truyền động không điều chỉnh (khi động cơ

điện chỉ làm việc ở một cấp tốc độ) và truyền động điều chỉnh.

c) Theo mức độ tự động hóa ta có hệ truyền động điện không tự động và hệ

truyền động tự động.

d) Một số cách phân loại khác như truyền động đảo chiều và không đảo chiều,

truyền động đơn (nếu dùng một động cơ) và truyền động nhiều động cơ (nếu dùng

nhiều động cơ để phối hợp truyền động cho một cơ cấu công tác) ...

1.3. Phân loại momen cản

Momen cản được hình thành tại cơ cấu công tác và phụ thuộc đặc điểm công

nghệ của máy sản xuất, do đó rất đa dạng. Vì momen cản tác động lên trục động cơ, do

đó tính chất của nó sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ và hệ thống truyền động.

Vì vậy, khi khảo sát các hệ truyền động, ta cần biết được momen cản có dạng như thế

nào, hoặc thuộc loại nào.

Có thể phân loại momen cản theo nhiều cách dựa vào những dấu hiệu đặc trưng

của chúng. Tuy nhiên, hay dùng nhất là ba cách phân loại sau: phân loại theo chiều tác

dụng (so với chiều tốc độ), phân loại theo hàm số phụ thuộc tốc độ và phân loại theo

thời gian tác dụng.

a) Phân loại momen cản Mc theo chiều tác dụng

Theo đặc điểm về chiều tác dụng của Mc so với chiều tốc độ  ta chia momen

5

cản thành hai loại:

- Momen cản thế năng: là loại có chiều không phụ thuộc vào chiều tốc độ, ví dụ

momen cản do tải trọng sinh ra ở máy nâng, cần trục. Nó có chiều luôn hướng theo lực

trọng trường, không phụ thuộc vào chiều nâng hay hạ tải trọng. Có thể biểu diễn loại

Mc này như trên hình 1.5a, ở đó Mc không đổi dấu dù  > 0 hay  < 0, nghĩa là Mc có

thể cùng chiều hoặc ngược chiều với tốc độ chuyển động.

Rõ ràng khi Mc tác động ngược chiều , cơ cấu công tác có tác dụng cản trở

chuyển động, nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng, còn động cơ nhận điện năng năng từ

lưới, biến đổi thành cơ năng để cung cấp cho cơ cấu công tác. Đó chính là trường hợp

nâng tải trọng, được minh họa bằng các mũi tên chỉ chiều của Mc , , v, G trên hình





1.5a (phần phía trên trục hoành).



Mc Nâng tải

Mc v Mc

G M 0



0 M

Mc Mc Hạ tải

v

b)

G

a)

Hình 1.5

a) Đồ thị momen cản thế năng b) Đồ thị momen cản phản kháng

Ngược lại, khi Mc cùng chiều tốc độ, như trong trường hợp hạ tải trọng, thì Mc

hỗ trợ chuyển động, nghĩa là cơ cấu công tác lấy thế năng của tải trọng G, tạo ra cơ

năng cung cấp cho động cơ. Như vậy momen cản thế năng là loại phụ tải có khả năng

6

trao đổi năng lượng thuận nghịch với động cơ điện.

- Momen cản phản kháng: luôn có chiều ngược lại với tốc độ, ví dụ momen do

lực ma sát sinh ra. Các cơ cấu công tác có momen cản loại này chỉ tiêu thụ năng lượng

mà thôi. Đồ thị biểu diễn momen cản phản kháng được vẽ trên hình 1.5b.

b) Phân loại theo hàm số phụ thuộc giữa momen cản và tốc độ - Đặc tính

cơ của máy sản xuất

Tùy thuộc vào từng loại máy sản xuất, tức phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại

máy, lực cản hoặc momen cản có giá trị phụ thuộc tốc độ làm việc theo những hàm số

Mc = f( ) khác nhau.

Quan hệ Mc = f( ) được gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất.

Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu

q

diễn dưới dạng biểu thức tổng quát sau:



 M M



c

co

 M M ñm

co

ñm

  

  

(1.1)

Trong đó:

Mc - momen cản khi với tốc độ  .

Mco - momen cản khi tốc độ  = 0

Mđm ,  đm - momen và tốc độ định mức.

Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải:

- Khi q = 0, Mc = Mđm = const, cơ cấu nâng hạ, cần trục, thang máy, băng tải

thuộc loại này.

- Khi q = 1, momen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có

thể lấy ví dụ momen cản loại ma sát nhớt.

- Khi q = 2, momen tỷ lệ bậc hai với tốc độ là đặc tính của máy bơm, quạt gió.

- Khi q = -1, momen tỷ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn

giấy, các truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc đường

7

này.



q = 1 q = 0 q = -1

 đm

q = 2

0 Mco M Mđm

Hình 1.6. Dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất

c) Phân loại momen cản theo thời gian tác dụng – Đồ thị phụ tải

Người ta còn phân loại momen cản theo hàm số phụ thuộc thời gian Mc = f(t),

còn gọi là “đồ thị phụ tải”. Theo đó ta phân momen cản (hoặc phụ tải của động cơ)

thành ba loại chính: phụ tải dài hạn (hình 1.7a), phụ tải ngắn hạn (hình 1.7b), phụ tải

ngắn hạn lặp lại (hình 1.7c). Trong từng loại, ở mỗi chu kỳ làm việc Tck , giá trị Mc có

thể không đổi hoặc biến đổi.

Mc Mc Mc

tlv 0 0 t t 0 t

a) Tck b) tlv Tck c)

Hình 1.7. Đồ thị phụ tải (momen cản phụ thuộc thời gian)

8

a) Loại dài hạn b) Loại ngắn hạn c) Loại ngắn hạn lặp lại

1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện

Quan hệ giữa momen và tốc độ quay của động cơ M = f( ) được gọi là đặc tính

cơ của động cơ điện.

Thông 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 và các thông số nguồn là định mức.

Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đường đặc tính tự nhiên.

- Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính có được khi thay đổi một thông số nào đó của

nguồn, hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi

động cơ có thể có rất nhiều đặc tính nhân tạo.

Để đánh giá mức độ phụ thuộc giữa tốc độ và momen động cơ, nghĩa là để đánh

giá đặc tính cơ, người ta sử dụng đại lượng “độ cứng đặc tính cơ”:

 



dM  d

 M 



(1.2)

o 2

3

1

2

1 M

0 M

Hình 1.8. Độ cứng đặc tính cơ

Đường 1: Đặc tính cơ mềm

Đường 2: Đặc tính cơ cứng

9

Đường 3: Đặc tính cơ cứng tuyệt đối

 nhỏ, ta có đặc tính cơ mềm.

 lớn, ta có đặc tính cơ cứng.

   , ta có đặc tính cơ cứng tuyệt đối.

Truyền động có đặc tính cơ cứng, tốc độ thay đổi rất ít khi momen biến đổi lớn.

Truyền động có đặc tính cơ mềm, tốc độ giảm nhiều khi momen tăng.

1.5. Phương trình chuyển động của truyền động điện



M



'' Tổng các momen tác dụng lên hệ bằng đạo hàm của momen động lượng''

i

 d(J ) dt

(1.3)

Như ta đã biết, hệ truyền động có hai đại lượng momen tác động và thường

ngược chiều nhau: momen động cơ M và momen cản Mc , do đó ta viết:

 d(J ) dt

(1.4) M - Mc =

Khi sử dụng phương trình (1.4) cần chú ý cách lấy dấu của các đại lượng như sau:

- Trước hết lấy chiều tốc độ  làm chuẩn (ví dụ coi là chiều dương).

- Dấu của momen động cơ:

M > 0 nếu cùng chiều  .

M < 0 nếu ngược chiều  .

- Dấu của momen cản:

Mc > 0 nếu ngược chiều  .

Mc < 0 nếu cùng chiều  .

Chú ý: Dấu “ - ” trong vế trái của (1.4) được giữ nguyên vì coi đó là dấu của

J

 

phương trình.

dJ dt

M - Mc = Biến đổi phương trình (1.4) ta được:  d dt

Bình thường J = const nên ta có:

J

 d dt

10

(1.5) M - Mc =

Từ phương trình (1.5) ta thấy:

 d dt

> 0 - hệ tăng tốc. - Khi M > Mc thì

 d dt

< 0 - hệ giảm tốc. - Khi M < Mc thì

 d dt

= 0 - hệ làm việc xác lập với tốc độ ổn định  = const - Khi M = Mc thì

1.6. Các trạng thái làm việc của động cơ điện

Sử dụng các quan hệ đặc tính cơ M( ) và Mc( ), theo phương trình chuyển

động (1.5) ta sẽ xác định điểm làm việc xác lập khi M( ) = Mc( ). Trên mặt phẳng

đặc tính cơ [M, ], đó là điểm giao nhau của hai đường đặc tính, ở đó hệ sẽ làm việc

với tốc độ ổn định (xác lập) là  xl và momen của động cơ bằng momen cản và có giá

trị là Mxl (hình 1.9).

Chú ý rằng, hình 1.9 minh họa cho trường hợp tương ứng trên hình 1.3, khi

, còn cơ cấu công tác của máy sản xuất tiêu thụ năng lượng, nghĩa là Mc ngược chiều

.



động cơ ấp năng lượng vào hệ, nghĩa là momen động cơ M tác động cùng chiều tốc độ



M

)

cM (

o

M( )

xl

Mc

0 M Mco Mxl

11

Hình 1.9. Điểm làm việc ở trạng thái xác lập

Nếu quy ước  có chiều dương thì trong trường hợp này M và Mc đều được

biểu thị phía trục M > 0, do đó điểm xác lập nằm ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng

[M, ]. Ta nói trường hợp này động cơ làm việc ở “trạng thái động cơ”.

Cần phân biệt hai trạng thái làm việc cơ bản của động cơ: Trạng thái động cơ và

trạng thái máy phát (còn gọi là trạng thái hãm). Hai trạng thái đó khác nhau về hướng

truyền năng lượng trong hệ và chiều tác động của momen động cơ so với chiều chuyển

động.

a) Trạng thái động cơ

Năng lượng được truyền từ động cơ đến máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ

cấu công tác của máy. Trường hợp này, công suất điện đưa vào động cơ Pđiện > 0, công

suất do động cơ sinh ra Pcơ = M  > 0, momen của động cơ cùng chiều tốc độ. Với điều

kiện đó, trạng thái động cơ sẽ tương ứng với góc phần tư thứ I và thứ III của mặt phẳng

[M,  ] (xem hình 1.10). Ở trạng thái này, cơ cấu công tác của máy sản xuất thu nhận

cơ năng, nghĩa là Pc = Mc  < 0, momen cản Mc có chiều ngược với chiều tốc độ  .





M



M( )

M Mc II

I

cM ( )

Trạng thái động cơ

M  > 0, Mc  < 0

II I III IV M Trạng thái máy phát

cM ( )

M( )

M  < 0, Mc  > 0



 M

M III

Mc IV

Mc Trạng thái máy phát M  < 0, Mc  > 0 Trạng thái động cơ M  > 0, Mc  < 0 Mc

12

Hình 1.10. Biểu diễn các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M,  ]

b) Trạng thái máy phát

Năng lượng truyền từ phía máy sản xuất về động cơ. 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 động cơ Pcơ = M  < 0, momen động cơ ngược chiều tốc độ, còn công suất

do máy sản xuất tạo ra sẽ là Pc = Mc  > 0, nghĩa là momen cản cùng chiều tốc độ.

Trạng thái này tương ứng với điểm làm việc nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV

của mặt phẳng [M,  ] (hình 1.10).

Vì ở trạng thái này, momen động cơ chống lại chiều chuyển động, nên động cơ

13

có tác động như một bộ hãm, vì vậy trạng thái máy phát còn gọi là trạng thái hãm.

CÂU HỎI ÔN TẬP

1.1. Chức năng nhiệm vụ của hệ truyền động điện là gì ?

1.2. Hệ truyền động gồm những khâu và những phần tử nào ? Lấy ví dụ minh họa ở

một máy sản xuất mà anh (chị) biết.

1.3. Thế nào là momen cản thế năng, phản kháng ? Đặc điểm của chúng thể hiện trên

đồ thị theo tốc độ ? Lấy ví dụ một cơ cấu momen cản thế năng, một cơ cấu momen cản

phản kháng.

1.4. Thế nào là momen cản phản kháng ? Lấy ví dụ cơ cấu momen cản phản kháng.

1.5. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng quát của nó, giải thích

các đại lượng trong phương trình.

1.6. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện, cần trục, máy có ma sát

nhớt, quạt gió.

1.7. Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện, giải thích các đại lượng

trong chương trình, giải thích dấu của các đại lượng M và Mc .

1.8. Phương trình chuyển động cho ta biết những thông tin gì về trạng thái làm việc của

hệ truyền động điện ?

1.9. Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện, độ cứng đặc tính cơ.

1.10. Phân biệt trạng thái động cơ và trạng thái hãm của động cơ điện bằng những dấu

hiệu nào ? Lấy ví dụ thực tế và thạng thái hãm của động cơ trên một cơ cấu công tác

14

mà anh (chị) biết.

Chương 2

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1. Khái niệm chung

Chương 1 đã cho ta thấy đặc tính cơ, bao gồm của máy sản xuất và của động cơ

điện, là một công cụ quan trọng trong việc phân tích, tính toán các hệ truyền động điện.

Khi đặt hai đường đặc tính cơ M( ) và Mc( ) lên cùng một hệ tọa độ, ta có thể xác

   ), trạng thái động cơ (góc phần tư thứ nhất và

định trạng thái làm việc của động cơ điện và của hệ (xem hình 1.9, 1.10): trạng thái xác

xl

lập (khi M = Mc tại những vùng

thứ ba) hoặc trạng thái hãm (góc phần tư thứ hai và thứ bốn).

Khi phân tích các hệ truyền động, ta thường coi máy sản xuất đã cho trước,

nghĩa là coi như biết trước đặc tính cơ Mc( ) của nó. Vậy, muốn tìm kiếm một trạng

thái làm việc với những thông số yêu cầu như tốc độ, momen, dòng điện động cơ ... ta

phải tạo ra những đặc tính của những động cơ tương ứng. Chương 2 giúp ta nắm vững

việc lập các phương trình đặc tính cơ của động cơ, các phương pháp tạo ra các đặc tính

cơ nhân tạo ra các đặc tính nhân tạo để sử dụng động cơ phù hợp với máy sản xuất đã

cho và điều khiển động cơ để có được trạng thái làm việc theo yêu cầu của công nghệ.

Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi số liệu định mức của nó.

Nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước. Mặt khác, nó có thể có

vô số các đường đặc tính cơ nhân tạo, nhận được nhờ sự biến đổi của một hoặc vài

thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do dùng thêm thiết bị phụ trợ, hoặc

do thay đổi cách nối dây của mạch. Nói một cách tổng quát, các đặc tính nhân tạo được

tạo ra bằng cách làm biến dạng đường đặc tính cơ tự nhiên. Do đó bất kỳ thông số nào

ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển

động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết dưới dạng thuận M = f( )

hay dạng ngược  = f(M), biểu thị theo hệ đơn vị có tên (M – Nm,  - rad/s) hoặc hệ

* ). Đại lượng quan trọng để đánh giá dạng của đặc tính cơ là 

15

đơn vị tương đối (M*,

Theo trình tự, ta sẽ khảo sát đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập

(kích từ song song) và động cơ không đồng bộ, gồm đặc tính tự nhiên, đặc tính ở trạng

thái động cơ và các trạng thái hãm, các đặc tính nhân tạo, cách vẽ các đặc tính cơ.

2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song

2.2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập (kích từ song song)

_ Uư

_ + Uư

Rư Iư Rfư Rư E E Iư Rfư E E Ikt CK Rfk

Ikt CK Rfk +

_ b) Ukt +

a)

Hình 2.1

a) Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập

b) Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ song song

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ

thông động cơ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng. Sơ đồ nối dây của của nó như

trên hình 2.1a với nguồn điện Ukt riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng Uư .

Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn, điện trở trong của nguồn coi

như bằng không thì điện áp nguồn sẽ là không đổi, không phụ thuộc dòng điện chạy

trong phần ứng động cơ. Khi đó động cơ một chiều kích từ song song (hình 2.1b) cũng

được coi như động cơ một chiều kích từ độc lập (hình 2.1a). Vì vậy, ở đây ta coi hai

16

loại động cơ này như nhau.

2.2.2. Phương trình đặc tính cơ

a) Các phương trình chính

Theo sơ đồ mạch điện hình 2.1, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của

mạch phần ứng như sau:

(2.1) Uư = Eư + Iư (Rư +Rfư)

Trong đó:

Uư - điện áp nguồn đặt vào phần ứng, V.

Rư - điện trở mạch phần ứng,  .

Rư = rư + rcf + rcb + rct

rư - điện trở cuộn dây phần ứng.

rcf - điện trở cuộn cực từ phụ.

rb - điện trở cuộn bù.

rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp.

Rfư - điện trở phụ trong mạch phần ứng,  .

Iư - dòng điện mạch phần ứng, A.

E - sức phản điện động của phần ứng, V, nó tỷ lệ với từ thông  và tốc

độ quay của động cơ  theo biểu thức:

(2.2) E = K  

pN 2 a

Trong đó: K = - hệ số cấu tạo của động cơ.

pN 2 a

K = (2.3)

Với: p - số đôi cực từ chính.

N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.

a - số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng.

R

fö

Thay (2.2) vào (2.1), ta được:

 



I

ö

ö 

U K

 R ö  K

17

(2.4)

Biểu thức (2.4) là “phương trình đặc tính cơ điện của động cơ” của động cơ, nó

biểu thị mối quan hệ giữa đại lượng cơ học  và đại lượng điện Iư của động cơ.

Mặt khác, momen điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thông  và dòng điện phần

(2.5) ứng Iư : M đt = K  Iư



R

Rút Iư từ (2.5) thay vào (2.4) ta được:

 



R fö 2

ö 

U K

ö  (K )

(2.6) Mđt

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng



R

momen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M.

 



M

ö 

U K

R ö fö 2  (K )

(2.7)

Biểu thức (2.7) biểu thị quan hệ giữa hai đại lượng cơ học M và  của động cơ

và được gọi là “phương trình đặc tính cơ của động cơ”.

b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện

Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông  = const thì các phương trình đặc tính

cơ điện (2.4) và phương trình đặc tính cơ (2.7) đều là tuyến tính. Đồ thị của chúng , tức

đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện được biểu thị trên hình 2.2 là những đường

thẳng.

Ở các đồ thị trên, khi M = 0 hoặc Iư = 0, nghĩa là khi động cơ hoàn toàn không

 

  o

ö 

U K

o gọi là tốc độ không tải lý tưởng.

tải, ta có: (2.8)





I

I

ö

nm

U ö  R

R

fö

ö

(2.9) Khi  = 0, ta có:

 

 



M K

K .I

M

nm

nm

U 

ö R

R

fö

ö

và (2.10)

18

Inm và Mnm lần lượt được gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch.





o

o

 xl

 xl

0 0 Iư = Ic M = Mc Inm Mmn M Iư

a) b)

Hình 2.2

a) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập

2

 

 

Từ (2.7) ta xác định được độ cứng của đặc tính cơ:

dM  d

 R

 K  R

ö

fö

(2.11)

c) Các dạng khác của phương trình đặc tính cơ

Phương trình (2.7) là phương trình đặc tính cơ thông dụng nhất. Ngoài ra, ta còn

có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ dưới một số dạng khác như sau:

- Thành phần thứ hai ở vế phải của (2.7) là độ sụt tốc ứng với momen M so với

R



R

fö

 



khi động cơ không tải lí tưởng.

I

M

ö

R fö 2

 R ö  K

ö  (K )

(2.12)

     o

Ta có phương trình dạng: (2.13)

   

.M

Thay (2.11) vào (2.7) ta được phương trình viết theo độ cứng:

o

1 

(2.14)

19

Trong đó  là modul độ cứng (không lấy dấu âm trong biểu thức (2.11) của nó).

2

Từ (2.7) ta biến đổi để biểu thị M theo , ta được phương trình dạng hàm

 

 

 



M K

M

nm

    o

U ö  R

R

 R

 K  R

fö

ö

ö

fö

ngược: (2.15)



U

R

* ö

* fö

Nếu sử dụng đơn vị tương đối thì từ (2.4) và (2.7) ta có:

*  



* I ö

R *

* ö * 





U

R

* ö

* fö

(2.16)



*  

* M

R *

* ö * 



(2.17)

*

Trong đó, các đại lượng biểu thị theo đơn vị tương đối là:

U

U / U ;    

/

I

I

/ I

/

* ö

ö

ñm

* ö

ö

ñm

ñm

   o *

*

M M / M ;

R

R / R ;

R

R / R

ñm

* ö

ñm

ö

* fö

ñm

fö

; ;

Chú ý, đại lượng “điện trở định mức” của động cơ Rđm dùng để biểu thị điện trở

theo đơn vị tương đối chỉ là một đại lượng quy ước giả tưởng.

R

ñm

U / I ñm

ñm

(2.18)

Tùy theo mục tiêu phân tích, ta có thể sử dụng dạng này hoặc dạng khác của

phương trình đặc tính cơ sao cho thuận tiện nhất.

Cần hiểu rằng, các phương trình đã nêu ở trên đều được viết ở trạng thái tĩnh,

chưa xét đến các quá trình quá độ. Vì vậy các đặc tính trên hình 2.2 gọi là “đặc tính cơ

tĩnh” và “đặc tính cơ điện tĩnh”. Nó có quỹ tích các điểm làm việc xác lập của động

cơ, nghĩa là nếu đặt giá trị momen của động cơ bằng momen cản M = Mc lên trục M,

xl như trên hình 2.2a. Mặt khác, ứng với

thì ta sẽ có giá trị tốc độ xác lập của động cơ

M = Mc dòng điện trong phần ứng theo (2.5) sẽ là:

cM K

- gọi là dòng điện tải. Iư = Ic =

Đặt Iư = Ic lên trục hoành của đồ thị đặc tính cơ điện hình 2.2b ta cũng xác định

xl như trên.

20

được tốc độ xác lập

2.2.3. Đặc tính tự nhiên

Theo định nghĩa (mục 1.4) đặc tính tự nhiên sẽ tương ứng với trường hợp Rfư =

0, Uư = 0,  =  đm . Thay các số liệu vào (2.4) và (2.7) và các phương trình dạng

R

ö

khác ta sẽ được phương trình đặc tính cơ và cơ điện tự nhiên:

 



M

2

U ñm  K

ñm



K





ñm

(2.19)

 



I

ö

R ö 

U ñm  K

K

ñm

ñm

(2.20)

Tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng đặc tính cơ tự nhiên là:

  o

U ñm  K

ñm

(K

2 )

ñm

(2.21)

  

tn

 R

ö

(2.22)

  

* tn

1 * R ö

(2.23)

Ta có thể vẽ được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ tự nhiên nhờ các số liệu của

động cơ như công suất định mức Pđm (kW), tốc độ nđm (vòng/phút), điện áp định mức

Uđm (V), dòng điện Iđm (A), hiệu suất ñm , điện trở phần ứng Rư (  ).

Vì đặc tính của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định hai điểm

của đường thẳng. Ta thường chọn điểm không tải lý tưởng và điểm định mức.

   )

- Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 2.3a).

o

U

ñm

I R ñm ö

Điểm thứ nhất: (Iư = 0 ,

K

  ñm

 

ñm

(2.24)

  o

U ñm  K

ñm

21

(2.25)

ñm

n   ñm 9,55





o

o

 đm

 đm

(2.26) Điểm thứ hai: (I = Iđm ,   ñm ):

0 0 Iđm Mđm M Iư

a) Hình 2.3 b)

a) Đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 2.3b).

   ): xác định

o

o như ở đặc tính cơ điện.

Điểm thứ nhất: (M = 0 ,

Điểm thứ hai: (M = Mđm ,   ñm ):



M

ñm

P ñm 

ñm

(2.27)

Nếu chưa cho trước giá trị Rư , có thể xác định gần đúng dựa vào giả thiết coi

tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất



 

P

P Cu

1 2









 

2 I R ñm ö

(P 1

P ) 2

(P 1

P ) ñm 1

1 2

1 2





 



 

(1

(1

)U I

2 I R ñm ö

)P 1

ñm

ñm ñm

ñm

1 2

1 2

ñm

trong động cơ.

 

R

(1

)

ö

ñm

1 2

U I

ñm

22

(2.28)  

2.2.4. Các đặc tính nhân tạo

Từ (2.4) và (2.7) ta thấy có thể tạo ra các đặc tính nhân tạo bằng cách thay đổi

một trong ba thông số: điện trở mạch phần ứng Rưt = Rư + Rfư , điện áp phần ứng Uư

và từ thông  . Tác động vào mỗi thông số ta sẽ được một họ đặc tính nhân tạo tương

ứng.

a) Đặc tính nhân tạo “biến trở ” (khi thay đổi điện trở mạch phần ứng)

Khi giữ không đổi điện áp Uư = Uđm = const và từ thông  = ñm = const, bằng

cách nối thêm một biến trở Rfư vào mạch phần ứng như sơ đồ hình 2.1, thì ta sẽ làm

thay đổi được điện trở tổng của mạch này. Khi đó, ứng với mỗi giá trị của Rfư ta được

R

R

fö

một đường đặc tính nhân tạo với các phương trình sau:

 



I

ö

 

U ñm  K

ö K

ñm

ñm



R

ö

(2.29)

 



M

fö 2

U ñm  K

ñm



K

R 



ñm



o

c.tn

ñm

c1

(2.30)

c2

1 0

Rfư = 0

2 0

Rfư1

0 M Rfư2 (Iư) Mc = Mđm (Ic = Iđm)

23

Hình 2.4. Họ đặc tính cơ nhân tạo biến trở

Trong đó, tốc độ không tải lý tưởng được giữ không đổi (bằng tốc độ không tải

lý tưởng của đặc tính tự nhiên).

   

o.tn

o

U ñm  K

ñm

= const (2.31)

Độ sụt tốc ứng với một giá trị momen Mc hoặc một giá trị dòng điện Iư = Ic nào

đó sẽ lớn hơn độ sụt tốc của đặc tính tự nhiên, và tỷ lệ với điện trở tổng trong mạch



R

R

R

ö

fö

phần ứng:



M

I

  c

c

c

fö 2

 

ö K

ñm



K

R 



ñm

(2.32)

Hay nói cách khác, độ cứng đặc tính cơ nhân tạo biến trở tỷ lệ nghịch với điện

2

trở tổng Rưt :

  

(K R

 ) ñm  R

ö

fö

(2.33)

Như vậy, càng tăng Rfư đặc tinh nhân tạo càng mềm. Tất cả các đặc tính này đều

o ]. Từ các nhận

thấp hơn đặc tính tự nhiên và đều đi qua điểm không tải lý tưởng [0,

xét trên, ta thấy các đặc tính nhân tạo biến trở được tạo ra nhờ sự thay đổi độ cứng 

(còn tốc độ không tải lý tưởng được giữ không đổi). Họ đặc tính cơ biến trở được vẽ

trên hình 2.4

b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng

Khi giữ từ thông không đổi  = ñm = const và không nối thêm điện trở phụ

trong mạch phần ứng (Rfư = 0, Rưt = Rư = const), nếu làm thay đổi điện áp đặt vào phần

ứng (Uư = var) ta sẽ được họ đặc tính nhân tạo khi biến đổi điện áp như trên hình 2.5.

Đó là những đường song song và song song với đặc tính tự nhiên.

Trong trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng tỷ lệ thuận với điện áp Uư :



var

  o

U ö 

K

ñm

(2.34)

24

và đều nhỏ hơn tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính tự nhiên.



o

c.tn

ñm

c

Uđm

c

Uư1

01 0 1 0 02 0 2 0 0

Uư2

M Mc = Mđm

(Iư) (Ic = Iđm)

Hình 2.5. Họ đặc tính thay đổi điện áp phần ứng

Độ sụt tốc trên các đặc tính nhân tạo so với khi không tải lý tưởng sẽ không phụ



R

R

R

fö

ö

thuộc điện áp và bằng độ sụt tốc trên đặc tính tự nhiên.



  

I

M

const

  c

c

c

c.tn

fö 2

 

ö K

ñm



K

R 



ñm

(2.35)

Tương tự , độ cứng đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng không

2

ñm



phụ thuộc điện áp Uư :

  

const

   tn

 K R

ö

(2.36)

Hình 2.5 cho thấy mỗi đường đặc tính nhân tạo cho ta một giá trị dòng điện

ngắn mạch và một tốc độ làm việc tương ứng. Ở đây các đặc tính nhân tạo được tạo ra

bằng cách thay đổi tốc độ không tải lý tưởng (còn độ cứng đặc tính cơ được giữ không

25

đổi).

c) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi từ thông

Nếu giữ điện áp phần ứng Uư = Uđm = const, không nối thêm điện trở phụ vào

mạch phần ứng, tức giữ Rưt = Rư = const, bằng cách thay đổi dòng kích từ ta sẽ làm





02

02

2

01

2

1

1

0

thay đổi từ thông  và sẽ nhận được họ đặc tính nhân tạo tương ứng (hình 2.6).

0

ñm

01

ñm

Mc

0 0 Mnm2 Inm M Mnm1 Iư

a) b)

Hình 2.6. Họ đặc tính cơ điện nhân tạo (a) và họ đặc tính cơ nhân tạo (b)

2 <

1 < ñm

khi thay đổi từ thông

Tốc độ không tải lý tưởng tỷ lệ nghịch với từ thông:



var

  o

ñm 

U K

(2.37)

Độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo tỷ lệ thuận với bình phương từ thông:

  



var

2  (K ) R

ö

(2.38)

Cần phân biệt dạng của họ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện khi thay đổi từ thông

như trên hình 2.6a và 2.6b. Đối với đặc tính cơ điện, tất cả đều đi qua điểm ngắn mạch

(2.39) [Inm , 0]. Inm = Uđm / Rư = const

Còn ở họ đặc tính cơ thì mỗi đường (ứng với mỗi giá trị  ) có một giá trị Mnm

26

tương ứng: (2.40) Mnm = K  Inm = var

Chú ý: Vì không thể tăng dòng kích từ lớn hơn giá trị định mức, nên chỉ có thể

tạo ra các giá trị từ thông  < ñm . Do đó các đặc tính nhân tạo cơ điện đều có vị trí

cao hơn đặc tính tự nhiên. Tương tự, trong vùng phụ tải cho phép tốc độ trên các đặc

tính cơ nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên.

Các biểu thức (2.37) và (2.38) cho thấy đặc tính nhân tạo này được tạo ra bằng

cách làm thay đổi cả tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng của đặc tính.

Ví dụ 2.1: Vẽ đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét về dạng đặc tính của động cơ

một chiều kích từ độc lập có số liệu sau:

- Công suất định mức Pđm = 6,6 kW

- Điện áp cung cấp cho phần ứng Uđm = 220V

- Tốc độ định mức nđm = 2200 (vòng/phút)

- Dòng điện định mức Iđm = 35A

- Điện trở mạch phần ứng Rư = 0,26 

Giải





230,3

  ñm

n ñm 9,55

2200 9,55

Tốc độ góc định mức: (rad/s)







M

28,6

ñm

P ñm 

6,6.1000 230,3

ñm

U

ñm

I R ö

ö

Momen định mức: (Nm)





K

0,91

  ñm

 

 220 35.0,26 230,3

ñm

Từ thông động cơ: (Wb)





241,7

o

U ñm  K

220 0,91

ñm

(rad/s) Tốc độ không tải lý tưởng:  



 241,7 230,3 11,4 (rad/s)

      o

ñm

c

Độ sụt tốc khi có tải định mức:

Độ sụt tốc nằm trong giới hạn dưới 5%, đảm bảo độ chính xác duy trì tốc độ làm

27

việc khi phụ tải biến thiên.



300

tn 241,7 230,3

200

100

0 10 28,6 30 40 M 20

Hình 2.7. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ trong ví dụ 2.1

ñm







 





2,5

 0 M   

dM  d

M  

28,6 11,4

o

ñm

M ñm  c

Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên:

28

Đặc tính cơ này thuộc loại cứng.

2.2.5. Các trạng thái hãm

Trên đây ta đã khảo sát các đặc tính tự nhiên và nhân tạo của động cơ một chiều

kích từ độc lập ở trạng thái động cơ. Các đặc tính đó đều bố trí ở góc phần tư thứ nhất

của mặt phẳng [M, ] tương ứng với chiều quay thuận (  > 0) và momen tác động

cùng chiều tốc độ (M > 0). Cũng tương tự như vậy, nếu ta đổi cực tính điện áp phần

o < 0 thì dòng điện, momen và tốc độ đều đổi chiều:  <

ứng, nghĩa là có Uư < 0 và

0, M < 0. Khi đó, các đặc tính cơ ở trạng thái động cơ sẽ nằm ở góc phần tư thứ ba như

đã giới thiệu trong chương 1.

Để có cơ sở phân tích các trạng thái hãm, ta hãy lưu ý đến các quan hệ của một

số đại lượng ở trạng thái động cơ.

Giả sử xét trường hợp động cơ làm việc ở chiều thuận:

o > 0.

- Điện áp phần ứng Uư > 0, tương ứng với tốc độ không tải lý tưởng

o .

- Tốc độ của động cơ  > 0, và có giá trị  <

- Sức điện động của động cơ tỷ lệ với tốc độ và ngược chiều điện áp Uư , nhưng





I

0

có giá trị E < Uư .

ö

 U E ö R

öt

- Dòng điện phần ứng có chiều trùng với chiều của Uư :

- Momen động cơ tỷ lệ với Iư , cùng chiều tốc độ : M > 0.

Các quan hệ đó được ghi trên góc phần tư thứ nhất của hình 2.8 để dễ so sánh

với các quan hệ tương ứng ở các trạng thái hãm (ở góc phần tư thứ hai và thứ tư) của

các hình vẽ 2.8, 2.9, 2.10, 2.11.

Như đã trình bày ở mục 1.6, ngoài trạng thái động cơ nêu trên, động cơ điện còn

có thể làm việc ở trạng thái hãm trong những điều kiện nhất định. Khi đó năng lượng

sẽ được truyền từ phía máy sản xuất về động cơ, còn động cơ sẽ làm việc như một máy

phát điện biến năng lượng đó (cơ năng) thành điện năng. Trong quá trình đó, động cơ

sẽ sinh ra momen ngược chiều tốc độ, gây ra tác động hãm chuyển động của hệ.

Động cơ một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái (hoặc gọi là ba phương

29

pháp) hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.

a) Hãm tái sinh: xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý

o , tương ứng với sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn E > Uư

tưởng  >

, động cơ làm việc như máy phát điện song song với lưới.

So với chế độ động cơ, dòng điện và momen hãm đã đổi chiều và được xác định



  

U E K

K

theo biểu thức:







I

0

h

ö R

o R

öt

öt

(2.41)

(2.42) Mh = K Ih < 0

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản



Ih < 0

Uư

E

Iư > 0

Uư

E

oñ

o

xuất thì hệ thống làm việc ổn định với o ñ > o .

Trạng thái hãm tái sinh

Mc

M Mc 0

Trạng thái hãm tái sinh

- o

30

Hình 2.8. Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ một chiều kích từ độc lập

So với trạng thái động cơ, mạch điện của động cơ ở trạng thái hãm tái sinh

không có gì thay đổi. Phương trình đặc tính cơ áp dụng (2.4) và (2.7) bằng cách đổi

dấu Iư và M:

 



. I

ö

ö 

ö 

U K

R K

R

ö

(2.43)

 



. M

2

ö 

U K



K





(2.44)

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ hai và thứ tư

của mặt phẳng tọa độ.

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa

trả về lưới điện có giá trị P = (E – Uư)Iư . Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động



cơ sinh ra điện năng hữu ích.

o



M

Mc

Nâng tải

Mkđ

0 M Mc



M

Mc

- o

Hạ tải A - oñ

Hình 2.9. Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng

31

của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cần trục, khi nâng tải động cơ được đấu vào

nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ I.

Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này momen

do tải trọng gây ra lớn hơn momen ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu,

động cơ điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh.

Trên hình 2.9, khi hạ tải, để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ

vào mạch phần ứng. Tốc độ động cơ tăng dần lên, khi tốc độ gần đạt tới giá trị o ta

 > o , momen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành momen hãm đến điểm A momen

cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên. Khi tốc độ vượt quá

Mh = Mc , tải trọng được hạ với tốc độ ổn định o ñ , trong trạng thái hãm tái sinh.

b) Hãm ngược

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động

năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược

chiều với momen điện từ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự

chuyển động của cơ cấu sản xuất.

Có hai trường hợp hãm ngược:

- Trường hợp 1: Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Giả sử động cơ đang nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa một

điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm b

trên đặc tính biến trở.

Tại điểm b momen do động cơ sinh ra nhỏ hơn momen cản nên động cơ giảm

tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên đến điểm d, tốc độ bằng 0 nhưng vì momen

động cơ nhỏ hơn momen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều

ngược lại. Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần đến điểm e, momen động cơ

cân bằng momen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi o ñ , de là đoạn đặc tính

32

hãm ngược.

ö

Khi hãm ngược vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên:



I

h

  U E U K   R R

  R

ö R

ö

f

ö

f

(2.45)

(2.46) Mh = K Ih

_ Uư +



o

Rư Iư E E M



_ Uư + Mc a b

Rư Iư Rf Nâng tải E E

d



0 Mc M _ Uư + M

Mc Rư Iư Rf E E e - oñ Hạ tải

Hình 2.10. Đặc tính hãm ngược khi đưa Rf vào mạch phần ứng với tải thế năng

Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp

lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ

lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì

vậy tổn thất năng lượng lớn.

Vì sơ đồ nối dây của động cơ không thay đổi nên phương trình đặc tính cơ là

33

phương trình đặc tính biến trở.

- Trường hợp 2: Đảo chiều điện áp phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc , ta đổi

chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Động cơ làm

việc tại điểm b trên đường đặc tính biến trở, tại điểm b momen đã đổi chiều chống lại

chiều quay của động cơ nên tốc độ động cơ giảm theo đoạn bd. Tại d tốc độ bằng

không, nếu cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ

điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm d momen động cơ lớn hơn momen cản Mc

thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc tại điểm e. Đoạn bd trên hình 2.11 là đặc tính

hãm ngược. _ Uư + _ Uư +



o

Rư Iư E E Iư Rư E E Rf a b

Trạng thái hãm ngược

Mc

o ñ

0 d Mc M

o

e

Hình 2.11. Đặc tính hãm ngược bằng phương pháp

đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Dòng điện hãm và momen hãm được tính:



I

h

  U E ö  R R

ö

f

(2.47)

34

(2.48) Mh = K Ih

Biểu thức (2.47) biểu thị dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban

đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn, do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ



 (2 2,5)

lớn để hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihbđ trong phạm vi cho phép:

Ihbđ Iđm



R

f

và phương trình đặc tính cơ có dạng:

 



M

R 2

 U ö  K

ö  (K )

(2.49)

c) Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng

lượng cơ học của động cơ tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành

điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.

- Hãm động năng kích từ độc lập

Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt

phần ứng ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn

nối nguồn như cũ.

Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày trên hình 2.12.

Rh

Rư Ih E E

Ikt CK

Rfk

Ukt _ +

Hình 2.12. Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập

35

của động cơ một chiều kích từ độc lập

h nên:

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị

E

I

(2.50) Ehbđ = hbñ K

 

 

hbñ

 

hbñ  R

R

K R

hbñ R

h

ö

ö

h

và dòng điện hãm ban đầu: (2.51)

I

Tương ứng có momen hãm ban đầu:



o

< 0 (2.52) Mhbđ = K . hbñ

b2 b1 a

Rh1

Rh2

0 Mc Mhbđ2 Mhbđ1 M

o ñ 2

d2

o ñ1

d1

Hình 2.13. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập

của động cơ một chiều kích từ độc lập

Biểu thức (2.51) và (2.52) chứng tỏ dòng hãm Ihbđ và Mhbđ ngược chiều với tốc

độ ban đầu của động cơ. Khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc

R

h

tính như sau:

  

I

ö

 R ö  K



R

h

(2.53)

  

M

R ö 2  (K )

36

(2.54)

Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích

từ độc lập được biểu diễn trên hình 2.13. Ta cũng nhận thấy rằng:

Khi  = const thì độ cứng đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh. Khi Rh càng nhỏ,

đặc tính cơ càng cứng, momen hãm càng lớn, hãm càng nhanh.



 (2 2,5)

Tuy nhiên cần chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép

Ihbđ Iđm .

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với momen cản Mc là phản

kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn, đặc tính hãm động năng là đoạn b10 hoặc b20. Với

momen cản Mc là thế năng thì dưới tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều

ngược lại đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc . Đoạn b1d1 hoặc b2d2 cũng là đặc tính

hãm động năng.

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động

năng của động cơ tích lũy được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.

Pktđm = (1  5)% Pđm

Phương trình cần bằng công suất khi hãm động năng:

hI

EIh = (Rư + Rh) 2

- Hãm động năng tự kích

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện thì không thực

hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nhược

điểm này người ta thường dùng phương pháp hãm động năng tự kích từ.

Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng lẫn

cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm. Chiều dòng điện kích từ vẫn

giữ không đổi. Sơ đồ nguyên lý thể hiện trên hình 2.14a.





I

ö





R

R

ö

ö

 E R R h kt  R R

  K R R h kt  R R

kt

h

kt

h

37

Từ sơ đồ nguyên lý ta có: Iư = Ih + Ikt



R

ö

h

và các phương trình đặc tính là:

  

I

ö

kt 

R R h kt  R R K



R

ö

h

(2.55)

  

M

R R kt h  R R kt 2  (K )



o

(2.56)

b1 b2 a Rh Rh1

Rh2

Rư Ih E E 0 Mhbđ2 Mhbđ1 Mc M Ikt

CK

o ñ 2 o ñ1

d2 a) d1

b)

Hình 2.14. Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính cơ hãm

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông

 giảm dần và là hàm của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường

đặc tính không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến (hình 2.14b).

So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng

có cùng tốc độ ban đầu và cùng momen cản Mc . Tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn

về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ

38

lưới nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cố mất điện lưới.

Ví dụ 2.2: Xác định trị số điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng để hãm động

năng động cơ điện một chiều kích từ song song với yêu cầu momen hãm lớn nhất

Mhmax = 2Mđm .

Số liệu cho trước: động cơ trong ví dụ 2.1, trước khi hãm động cơ làm việc ở

trạng thái định mức (M = Mđm ,   ñm ), sử dụng sơ đồ hãm kích từ độc lập (hình

2.13).

Giải

Ta sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập hình 2.13 trong đó đảm bảo từ

thông trong quá trình hãm là định mức   ñm .

Đặc tính cơ của động cơ trước khi hãm là đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ khi

hãm động năng , ví dụ đường b20, có dạng như đã biểu diễn trên hình 2.1.

Điểm làm việc trước khi hãm (điểm a trên hình 2.13) là điểm định mức, ta có:

   

230,3 (rad/s) (xem ví dụ 2.1)

a

ñm

Ic = Iư = Iđm = 35A tương ứng với momen định mức Mđm.

Sức điện động của động cơ trước khi hãm sẽ là:

Ea = Uđm – Iư Rư = 220 – 35.0,26 = 210,9V

Từ hình 2.13 ta thấy momen và dòng điện hãm lớn nhất sẽ có được tại thời điểm

ban đầu quá trình hãm, ngay cả khi chuyển đổi mạch điện làm việc sang mạch hãm

động năng (điểm b1): Ihmax = Ihbđ hoặc Mhmax = Mhbđ

Vì   ñm nên momen M tỷ lệ với dòng điện Iư do đó để đảm bảo điều kiện

Mhmax = 2Mđm thì: Ihbđ = 2Iđm = 2.35 = 70A

a

Điện trở tổng trong mạch phần ứng xác định theo (2.53):











R

3, 01

 K I

 K a I

E I

210,9 70

ö

hbñ

hbñ



Vậy điện trở hãm phải đấu vào mạch phần ứng sẽ là:

39

Rh = R – Rư = 3,01 – 0,26 = 2,75 

2.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm

nổi bật của loại động cơ này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ lồng sóc; so với

động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc

chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên

không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các

quá trình quá độ khó khăn, riêng đối với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi

động xấu hơn.

Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: động cơ

rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc (còn gọi là động cơ rôto ngắn mạch).

2.3.1. Sơ đồ nối dây

U1 I1

Dây quấn stato Dây quấn stato

Dây quấn rôto

Dây quấn rôto I2

Điện trở phụ

b)

a)

Hình 2.15. Sơ đồ nối dây a) và ký hiệu bản vẽ b)

của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

40

vẽ cho trường hợp dây quấn stato nối Y

U1 I1

Dây quấn stato

b)

Rôto ngắn mạch

a)

Hình 2.16. Sơ đồ nối dây a) và ký hiệu bản vẽ b)

của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

vẽ cho trường hợp dây quấn stato nối Y

2.3.2. Phương trình đặc tính cơ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ta sử dụng

sơ đồ thay thế. Trên hình 2.17 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ.

Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau:

- Ba pha của động cơ đối xứng .

- Các thông số dây quấn của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào

nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto; mạch từ bão hòa nên

điện kháng X1 , X2 không đổi.

- Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải

mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato.

- Bỏ qua tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.

- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha.

41

Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình 2.17.

'

'

2X

2I

'

I

2r s

R

X1 R1 I1

'

X

fR s

U1

Hình 2.17. Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ

Trong đó:

2I - các dòng điện từ hóa, stato, rôto đã qui đổi về stato.

I , I1 , '

'

2X - điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato, điện kháng tản rôto

X , X1 ,

U1 - trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.

'

2R - điện trở tác dụng của mạch từ hóa, của cuộn dây stato và rôto đã

R , R1 ,

đã qui đổi về stato.

qui đổi về stato.

s - độ trượt của động cơ.

   1  1

1 - tốc độ góc của từ trường quay, (rad/s).

s = (2.57)

1 =

 2 f p

(2.58)

Trong đó:

f - tần số của điện áp nguồn đặt vào stato.

 - tốc độ góc của động cơ, (rad/s).

42

p - số đôi cực từ của động cơ.

1

1

Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stato:



2

R



X

2 

2 

R





X

1

2 nm

' R 2 s

  

  

       

       

'

I1 = U1 (2.58)

2X = Xnm - điện kháng ngắn mạch của động cơ.

'

' 2R =

2r + '

fR

với : X1 +

r2 - điện trở dây quấn rôto.

Rf - điện trở phụ nối mạch ngoài.

Biểu thức (2.58) là phương trình đặc tính dòng điện stato và có thể biểu diễn

trên hình 2.18.

Từ (2.58) ta thấy:

0  , s = 1 thì I1 = I1nm

Khi



I



   , s = 0 ta có:

I 1



1

R

X

U 1 2  

2 

Khi (2.59)

 s

1 0

I1nm - dòng điện ngắn mạch stato.

1I

1nmI

I

0

43

Hình 2.18. Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

Ta cũng tính được dòng điện rôto quy đổi về stato:

' 2I =

U 1 2

2

R





1

 X X 1

' 2





' R 2 s

  

  

(2.60)

1 , s = 0 thì '

2I = 0.

U 1

Khi  =

2I = '

2nmI

2



X

 R R 1

' 2

2 nm





Khi  = 0, s = 1 thì ' = (2.61)

 s

1 0

Đặc tính dòng điện rôto được biểu diễn trên hình 2.19.

' 2nmI

' 2I

1 0

Hình 2.19. Đặc tính dòng điện rôto của động cơ không đồng bộ

Phương trình đặc tính cơ được suy ra từ điều kiện cân bằng công suất trong

động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato vào rôto P12 sẽ bằng tổng của công suất cơ

đưa ra trên trục động cơ Pcơ và công suất tổn thất P trong động cơ.

(2.62) P12 = Pcơ + P

1

Trong đó: P12 = Mđt

Pcơ = M 

Với những giả thiết đã nêu khi lập sơ đồ thay thế một pha, ta có momen điện từ

Mđt và momen cơ M bằng nhau, còn tổn hao công suất P chỉ xét đến tổn hao đồng do

44

dòng điện rôto gây ra trên điện trở mạch rôto, nghĩa là:

   

P

P 2

' 2 3I R 2

' 2

và Mđt = M

M

   

M 3I R

'2 2

' 2

1



M(

   

) 3I R

1

' 2 2

' 2



M



 1

'2 3I R 2

' 2

   1  1



M s 3I R

  1

' 2 2

' 2

' 2



Như vậy (2.62) được viết gần đúng như sau:

M



'2 3I R 2  s 1

(2.63)

' 2I bằng biểu thức (2.60), ta được:

' 2

Thay giá trị

M



2 3U R / s 1 2

R





X

 1

1

2 nm

' R 2 s

  

  

   

   

(2.64)

Đây là một dạng của phương trình đặc tính cơ. Cho s những giá trị khác nhau,

     , ta

 1 s

1

theo (2.64) ta tính ra momen tương ứng, đồng thời cũng tính ra tốc độ

vẽ được đặc tính cơ như trên hình 2.20.

 , ta 0

dM ds

Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải

sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị ký hiệu là Mth , sth , cụ thể là:



' R 2 2  R X 1

2 nm

(2.65) sth =

2 3U 1

Thay giá trị sth vào biểu thức (2.64), ta được momen tới hạn:



R



 2 1

1

2  R X 1

2 nm

  

  

(2.66) Mth =

Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với

45

trạng thái máy phát.



1

1 s = 0

sđm 2

sth

tn (Rf = 0)

nt (Rf  0)

 = 0

Mnm.nt s = 1

Mđm Mnm.tn Mth M

s

Hình 2.20. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nếu biểu diễn (2.64) thông qua đại lượng sth và Mth ta được dạng phương trình

thông dụng của đặc tính cơ:

2as





th

 2M (1 as ) th s s

th s th s

th

a



(2.67) M =

R R

1 ' 2

Trong đó:

Trong trường hợp không yêu cầu độ chính xác cao, coi R1 = 0, ta có thể sử dụng

các phương trình dạng gần đúng của (2.64) như sau:



2M s s

th s th s

th

46

(2.68) M =

Khi chỉ tính toán trong vùng làm việc với phụ tải Mc  Mđm , coi s  sth , ta bỏ

s s

th

th

qua thành phần ở mẫu số, ta được:

s

2M s

th

(2.69) M =

Phương trình (2.69) chính là phương trình tuyến tính hóa trong vùng có độ trượt

nhỏ (đường 1 trên hình 2.).

Các phương trình (2.67), (2.68), (2.69) sử dụng thuận tiện trong thực tế vì có thể

xác định các giá trị Mth , sth theo các số liệu trên nhãn máy hoặc catalo.

Hình 2.20 cho thấy đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là đường cong có

hai đoạn:

   ) đến điểm tới hạn (s =

1

- Đoạn thứ nhất, từ điểm không tải lý tưởng (s = 0,

sth) gọi là “đoạn công tác” có độ cứng  < 0. Động cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn

này.

 > 0 và chỉ tồn tại trong giai đoạn khởi động hoặc quá độ. Giá trị momen ngắn mạch

- Đoạn thứ hai, từ điểm tới hạn đến điểm ngắn mạch (s = 1,  = 0), có độ cứng

(momen khởi động) Mnm có thể xác định bằng cách thay s = 1 vào (2.67) hoặc (2.68).

2.3.3. Đặc tính cơ tự nhiên

Đặc tính cơ tự nhiên nhận được từ phương trình (2.67), (2.68) khi thay các số

liệu định mức trong catalo để xác định các đại lượng Mth và sth . Nó cũng tương ứng

với trường hợp thay các số liệu định mức của nguồn và Rf = 0 vào các phương trình

(2.64), (2.65), (2.66).

Khi cho trước công suất định mức Pđm (kW), tốc độ nđm (vòng/phút), tốc độ từ

1 , hệ số momen tới hạn  = Mth / Mđm , ta có:

trường quay

Momen tới hạn Mth của động cơ:

(2.70) Mth =  Mđm

Việc xác định sth có thể tiến hành giải phương trình đặc tính cơ tại điểm định

47

mức:

2M

th



th s s

s đm s

đm

t

h

th

t

h





  2

s s

2M M

s  đm s th

đm

đ

m

 2

Mđm =

ths - 2  sđm . sth + 2 đms

= 0

2 1    



 sth = sđm

(2.71)

Sau đó thay Mth và sth vào (2.68), ta được phương trình đặc tính cơ tự nhiên.

Cho s biến thiên từ s = 0 đến s = 1 ta xác định được các giá trị tương ứng của

momen M.

Từ các cặp giá trị s và M ta sẽ vẽ được đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không

đồng bộ.

  

2 f / p

2.3.4. Các đặc tính nhân tạo

1

Viết lại phương trình đặc tính cơ (2.64) với , ta được:

M



' 2 3U R / s 2 1 2

2

' 2

R





1

 X X 1

' 2





 2 f p

R s

  

  

   

   

(2.72)

Từ phương trình (2.72), ta thấy có thể tạo ra các đặc tính nhân tạo cho động cơ

không đồng bộ bằng cách thay đổi một trong bảy thông số sau:

- Điện áp stato U1

- Tần số dòng điện stato f.

- Số đôi cực từ p

- Điện trở mạch rôto R2

- Điện trở mạch stato R1

- Điện kháng mạch stato X1

48

- Điện kháng mạch stato X2

Phương pháp thay đổi X2 không có hiệu quả vì tần số dòng điện rô to rất nhỏ

nên người ta không sử dụng. Các phương pháp còn lại đều được áp dụng để tạo ra các

đặc tính nhân tạo khi điều chỉnh tốc độ hoặc điều khiển các quá trình khởi động, các

quá trình quá độ của động cơ. Sau đây ta xét các họ đặc tính cơ nhân tạo.

a) Họ đặc tính khi thay đổi R2

Để thay đổi điện trở mạch rôto, ta phải nối thêm điện trở phụ Rf vào ba pha như

1 và momen tới hạn được giữ không

sơ đồ hình 2.21. Khi thay đổi R2 , tốc độ đồng bộ

1 = const

đổi, còn hệ số trượt tới hạn thì phụ thuộc tỷ lệ thuận với điện trở tổng trong mạch rôto.

R

R

f

Mth = Mth.tn = const

 2 R

2



sth = sth.tn

tn (Rf = 0)

1 I sthtn

Rf1

sthnt1 Rf2

sthnt2

Rf

0 Mth M

a) b)

Hình 2.21. Sơ đồ đấu dây (a) và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở

mạch rôto (b) của động cơ không đồng bộ.

Thực tế người ta ứng dụng họ đặc tính này để khởi động và điều chỉnh tốc độ

49

động cơ rôto dây quấn.

Ví dụ 2.3: Cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có các số liệu sau:

- Công suất định mức Pđm = 850kW

- Tốc độ từ trường quay 1n = 600 (vòng/phút)

- Tốc độ định mức của động cơ nđm = 588 (vòng/phút)

- Hệ số momen tới hạn  = 2,15

- Điện trở dây quấn rôto r2 = 0,0295 

a) Thành lập phương trình đặc tính cơ tự nhiên.

b) Thành lập phương trình đặc tính cơ nhân tạo khi nối thêm điện trở phụ Rf =

0,175  vào mỗi pha của rôto.

n

n 1

ñm

Giải







s

0,02

ñm

 600 588 600

 n 1

a) Độ trượt định mức:

 

 





M

M

2,15

29681

th

ñm

P ñm 

850.1000 588 / 9,55

ñm

Momen tới hạn: (Nm)

2

2



   









s

n

1

0, 02 2,15

2,15

1

0, 08

th

ñm

Độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên:









2M





M





59362 s 0,08

0,08 s

th s th s

s s

th

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:

b) Khi nối thêm điện trở phụ Rf = 0,175  vào mỗi pha của rôto.

f

Momen tới hạn nhân tạo: Mth.nt = Mth = 29681 (Nm)

s



s



0, 08



0,55

th

th.nt

 0,0295 0,175 0, 0295

 r R 2 r 2

2M

Độ trượt tới hạn nhân tạo:





M

th.nt s

s





59362 s 0,55

0,55 s

th.nt s

s

th.nt

50

Phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

b) Họ đặc tính khi thay đổi điện áp sato

1 và hệ số trượt tới hạn sth của động cơ

Khi giảm điện áp stato, tốc độ đồng bộ

1 = const

không đổi, còn momen tới hạn sẽ giảm bình phương lần so với mức giảm điện áp.

2

sth = sth.tn = const

U 1 U

đ m

  

  



1

Mth = Mth.tn

Uđm > U1 > U2 U2

U1 sth

Mc1

0 M Mth1 Mthtn

Mth2

Hình 2.22. Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp stato

của động cơ không đồng bộ

Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi U1 có dạng như trên hình 2.22. Người ta ứng

dụng họ đặc tính này chủ yếu để khởi động động cơ và một số trường hợp để điều

chỉnh tốc độ.

c) Họ đặc tính khi thay đổi điện trở và điện kháng stato

Ảnh hưởng của R1 và X1 đến dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ gần

giống nhau. Để thay đổi các thông số này ta phải nối thêm một điện trở phụ hoặc một

51

điện kháng phụ vào ba pha của động cơ như ở hình 2.23.

Do sự tăng điện trở hoặc điện kháng của mạch stato (R1 + R1f hoặc X1 + X1f )

nên hệ số trượt tới hạn và momen tới hạn đều giảm, còn tốc độ đồng bộ thì không đổi.

Họ đặc tính nhân tạo của hai phương pháp này có dạng như trên hình 2.23. Thực tế

 s

thường gặp các đặc tính này khi khởi động động cơ rôto lồng sóc.

1 s

R1f

(X1f) tn R1f X1f sthtn

a)

0 M Mnmnt Mnmtn

b)

Hình 2.23. Sơ đồ nối điện trở hoặc điện kháng phụ stato (a)

và đặc tính cơ nhân tạo tương ứng (b) của động cơ không đồng bộ.

d) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p

Người ta chế tạo hai loại động cơ có khả năng thay đổi số đôi cực từ: loại có hai

bộ dây quấn stato riêng biệt, mỗi bộ có một số đôi cực p độc lập và loại có một bộ dây

quấn nhưng mỗi pha đều chia ra hai phân đoạn, khi đổi nối các phân đoạn đó theo

những nguyên tắc nhất định ta nhận được các số đôi cực khác nhau.

  1

 2 f p

Vì

    1(1 s)

52

và

1 thay đổi, do đó tốc độ động cơ cũng thay đổi.

Nếu thay đổi số đôi cực p thì

Còn sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ

vẫn giữ nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stato

động cơ nên một số thông số như U1 , R1 , X1 có thể thay đổi và do đó tùy từng trường

hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến momen tới hạn Mth của động cơ.

Hình 2.24 biểu diễn đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực với p2 = p1/2 và Mth =



const.

11

p2

12

p1

0 Mth M

Hình 2.24. Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực với p2 = p1/2 và Mth = const

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

Khi thay đổi tần số dòng điện stato, tốc độ từ trường quay thay đổi theo, nên các

đặc tính nhân tạo cũng tương tự như khi thay đổi số đôi cực từ. Tuy nhiên, so với

đường đặc tính tự nhiên có fđm = 50Hz, thì các đặc tính nhân tạo có thể thấp hơn (nếu f

< fđm) và cũng có thể cao hơn (nếu f > fđm). Biểu thức (2.66) cho thấy momen tới hạn

phụ thuộc cả tần số và điện áp. Ta có thể viết gọn biểu thức (2.66) thành:

 M A th

2 U 1 2 f

(2.73)

53

(A – hệ số tỷ lệ).

Do đó khi thay đổi tần số f, người ta thường thay đổi cả điện áp U1 theo những

quy luật nhất định để đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ tốt nhất. Trên hình

(2.25) là họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số, trong đó ở vùng f < fđm ta điều chỉnh theo

quy luật U/f = const để giữ Mth = const, còn ở vùng f > fđm ta điều chỉnh điện áp theo

f = const để cho động cơ không bị quá tải về công suất.



quy luật U/

 1

 11

 đm

 1đm

f11 < f1đm

 2

 12

f1đm

f12 < f1đm

0 M Mđm

Hình 2.25. Họ đặc tính cơ nhân tạo

khi thay đổi tần số của động cơ không đồng bộ

2.3.5. Các trạng thái hãm

Tương tự như động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động cơ không đồng bộ

cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.

Điều kiện để cho động cơ làm việc ở trạng thái này và công dụng thức tế của

chúng cũng giống như đã trình bày đối với động cơ một chiều kích từ độc lập. Ở đây

cần chú ý thêm cách nối mạch để thực hiện hãm và dạng các đặc tính cơ khi hãm.

a) Hãm tái sinh

Hãm tái sinh động cơ không đồng bộ xảy ra khi tốc độ rôto lớn hơn tốc độ từ

1 ), lúc đó động cơ làm việc như một máy phát điện xoay chiều

trường quay (  >

54

song song với lưới, biến cơ năng từ trục thành điện năng trả về lưới.



a b

a’ b’

11 s 12 s 13 s 14 s

0 Mc M

Hình 2.31. Đặc tính cơ hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách thay đổi tần số

13 ... ở đó

   hoặc 12

   .

13



Trên hình 2.31 đoạn đặc tính hãm tái sinh là b 12 , b’

1 0

a

0 M

b

- 1 0

Hình 2.32. Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ với tải thế năng

Với những động cơ không đồng bộ được sử dụng trong hệ truyền động có tải là

   .

1

55

thế năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng với tốc độ

1b là đoạn hãm tái sinh khi hạ tải. Ứng với đường đặc tính cơ này,

Trên hình

từ trường quay đã đổi chiều bằng cách đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato.

b) Hãm ngược

Tương tự như với động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của

động cơ không đồng bộ có hai trường hợp:

- Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đóng vào rôto một điện trở

đủ lớn, với tải thế năng động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm e (hình 2.33). Đoạn de là

đặc tính hãm ngược.

- Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện

áp đặt vào stato, động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính hãm ngược bd hoặc b'd'.



Nếu tải có tính phản kháng hệ thống sẽ làm việc tại điểm e hoặc e'.

1 0

b a

0 d Mc M

e

Hình 2.33. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm ngược với tải thế năng

s





1

   1  1

56

Chú ý rằng trong hai trường hợp hãm ngược vì:

'

nên dòng điện rôto có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rôto f2 = sf1 lớn, nên

2X đủ lớn, do đó momen nhỏ. Vì vậy để tăng cường momen hãm và hạn

điện kháng

chế dòng điện rôto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto (đối với động cơ

rôto dây quấn). Điện trở phụ này có thể xác định ứng với dòng điện hãm ban đầu tại b’



trên hình 2.34.

1 0

b a b’

d d’

0 Mc M

e’

e - 1 0

Hình 2.34. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

khi hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường quay

c) Hãm động năng

Trạng thái hãm động năng động cơ xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato

động cơ ra khỏi nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều.

Người ta chia hãm động năng của động cơ không đồng bộ thành hai dạng: Hãm

động năng kích từ độc lập và tự kích.

Hãm động năng kích từ độc lập thực hiện theo sơ đồ nguyên lý hình 2.35a với

nguồn một chiều được lấy từ bên ngoài, không liên quan đến năng lượng do động cơ

tạo ra.

Đối với hãm động năng tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà

57

động cơ tích lũy được. Sơ đồ nguyên lý loại này thể hiện trên hình 2.35b,c.

H

C C C

C H

K +

_

Imc b)

H

Rf

a) Đ K K

Hình 2.3

Sơ đồ nguyên lý hãm động năng

của động cơ không đồng bộ

a) Hãm động năng kích từ độc lập

b) Hãm động năng tự kích dùng tụ điện

c) Hãm động năng tự kích từ mạch rôto

58

c)

Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một

chiều này sinh ra một từ trường đứng yên so với stato, giả sử từ thông  có chiều như

mũi tên trên hình 2.36. Rôto động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cũ thể hiện

như hình vẽ và các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên nên xuất hiện trong nó

một sức điện động cảm ứng e2 . Xác định chiều của e2 theo quy tắc bàn tay phải và ứng

với ký hiệu dấu “+” khi sức điện động có chiều đi vào và ký hiệu dấu “.” , khi sức điện

động có chiều đi ra. Vì rôto kín mạch nên e2 lại sinh ra dòng i2 cùng chiều. Tương tác

giữa dòng điện i2 và từ trường đứng yên tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo

quy tắc bàn tay trái. Lực F sinh ra momen hãm có chiều ngược với chiều quay của rôto

làm cho rôto quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần.





F

+ + Mh e2 + +

i2

F

Hình 2.36. Nguyên lý tạo momen hãm động năng của động cơ không đồng bộ

Trong hãm động năng kích từ độc lập, từ thông  có giá trị không đổi còn ở

hãm động năng tự kích thì  có giá trị biến đổi. Khi hãm động năng, động cơ không

đồng bộ làm việc như một máy phát điện đồng bộ cức từ ẩn có tốc độ và tần số thay

59

đổi, và phụ tải của máy phát này là điện trở mạch rôto.

BÀI TẬP TỰ GIẢI

2.1. Động cơ một chiều kích từ độc lập công suất định mức Pđm = 16kW, điện áp cung

cấp cho phần ứng Uđm = 220V, tốc độ định mức nđm = 1000 (vòng/phút), dòng điện

định mức Iđm = 70A, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,28  , điện trở phụ trong mạch

phần ứng Rf = 0,52 

Xác định tốc độ động cơ biết động cơ làm việc trên đặc tính nhân tạo khi có Rf

với momen cản Mc = 0,6Mđm .

2.2. Động cơ một chiều kích từ độc lập công suất định mức Pđm = 6,5 kW, điện áp cung

cấp cho phần ứng Uđm = 220V, tốc độ định mức nđm = 1500 (vòng/phút), dòng điện

định mức Iđm = 34,4A, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,24 

Động cơ đang làm việc trên đường đặc tính tự nhiên với Mc = Mđm. Xác định giá

trị điện trở phụ Rf thêm vào phần ứng động cơ để tốc độ động cơ không đổi khi từ

0,7

ñm

. thông động cơ giảm  

2.3. Cho động cơ không đồng bộ 3 pha công suất định mức: Pđm = 60 kW, tốc độ định

mức: nđm = 720 vòng/phút, tần số dòng điện stato: f = 50Hz, số cực 2p = 8, hệ số

momen tới hạn  = Mth / Mđm = 2,2. Hãy xác định:

a / Momen mở máy của động cơ khi động cơ mở máy trực tiếp.

b/ Tốc độ của động cơ khi động cơ làm việc trên đặc tính tự nhiên với momen

60

cản Mc = 0,8Mđm .

Chương 3

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Điều chỉnh tốc độ điện là một trong những nội dung chính của truyền động điện

tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ truyền

động điện là dùng các phương pháp thuần túy điện, tác động lên bản thân hệ thống

truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ của trục động cơ điện.

Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc

độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ làm việc của động cơ

thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây sai lệch tốc độ thực

so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động thường dùng các phương

pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống

truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ

tiêu này được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định hệ thống truyền động điện.

3.1. Các chỉ tiêu điều chỉnh cơ bản

3.1.1. Sai số tốc độ

Sai số tốc độ tĩnh là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và

thường được tính theo phần trăm:







*  

s%

100%

100%

100%

%

   ñ  ñ

   o  o

  o

(3.1)

ñ - tốc độ đặt

 - tốc độ làm việc thực

Trong đó:

Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lý tưởng ta có hệ điều chỉnh

tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ có độ chính xác

đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, chẳng hạn truyền động chính của máy

61

cắt kim loại yêu cầu s%  10%, truyền động ăn dao s%  5%...

3.1.2. Độ tinh điều chỉnh tốc độ

Độ trơn điều chỉnh tốc độ được định nghĩa:

 

 i 1  i

(3.2)

i - tốc độ ổn định ở cấp thứ i

i 1 - tốc độ ổn định ở cấp thứ kế tiếp (i+1)

Trong đó:

Từ chỉ tiêu độ tinh tốc độ điều chỉnh, ta có thể phân loại:

  , tức hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở

1

- Hệ điều chỉnh vô cấp nếu

mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh.

- Hệ điều chỉnh có cấp, khi nó chỉ làm việc ổn định ở một số giá trị trong suốt

dải điều chỉnh.

3.1.3. Dải điều chỉnh tốc độ

Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ

max

nhất của tốc độ làm việc ứng với momen tải đã cho:

D



 

min

(3.3)

Giá trị tốc độ max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động cơ một

chiều nó còn bị hạn chế bới khả năng chuyển mạch của vành góp.

Tốc độ nhỏ nhất min bị chặn bởi yêu cầu về momen khởi động, về khả năng quá

tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. Để minh họa, ta xét ví dụ 3.1.

1 và

2 , momen

Giả thiết các đặc tính cơ là tuyến tính, có độ cứng không đổi



100%

s % 1

M c   01 1



100%

s % 2

M c   02 2

62

tải không đổi Mc , sai số tốc độ tương ứng sẽ là:



01 0

1 0

max 0 02 0

2 0

min 0

0 Mnm2 M Mc

Hình 3.1. Ví dụ xác định vùng điều chỉnh

1



100%

s % 2

K

nm2

Nếu gọi bội số momen khởi động là Knm2 = Mnm2 / Mc thì:

100%

 s % 1 2

02

  

 min   

nm 2

và theo định nghĩa, ta có:

  1 s



  min

2

M K c 

2

(3.4)

Từ biểu thức (3.4) ta có thể thấy được sự liên quan giữa dải điều chỉnh, độ chính

xác điều chỉnh và độ cứng của đặc tính cơ. Vì rằng dải điều chỉnh và độ chính xác đã

được xác định bởi yêu cầu công nghệ, nên việc xác định giá trị tối thiểu của độ cứng

63

đặc tính cơ là một phần trong bài toán thiết kế hệ truyền động điện tự động.

3.1.4. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ và đặc tính cơ của

máy sản xuất

Ta có định nghĩa: Momen tải cho phép của một động cơ ở một tốc độ làm việc

nào đó là momen do động cơ sinh ra khi cho dòng điện trong mạch chính bằng Iđm .

Như vậy nếu động cơ làm việc ở tốc độ định mức thì momen tải cho phép của

nó Mtcp = Mđm . Khi điều chỉnh, tốc độ làm việc có thể thay đổi, do đó Mtcp có thể bằng

hoặc khác với định mức, và nói chung nó phụ thuộc vào tốc độ. Hàm số Mtcp = f(  )

được gọi là đặc tính tải cho phép của động cơ.

Mỗi hệ truyền động và mỗi phương pháp điều chỉnh tốc độ có một dạng đặc tính

A 

A   

o

(A là hằng số). Mtcp = f(  ) tương ứng, ví dụ Mtcp = const, Mtcp = , Mtcp =

Một hệ truyền động điều chỉnh được coi là tốt nếu đặc tính tải cho phép của

động cơ Mtcp = f(  ) bám sát (phù hợp) với đặc tính cơ của máy sản xuất Mc = f(  ).

Trường hợp lý tưởng là hai đặc tính này trùng nhau. Khi đó toàn bộ dải điều chỉnh tốc





2

3

độ động cơ đều làm việc với I = Iđm .

2

1

Mtcp(  ) Mtcp(  ) Mc(  )

1

0

0

Mc(  )

M M a) b)

Hình 3.2. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ

và đặc tính cơ của máy sản xuất

64

a) Mtcp trùng với Mc b) Mtcp không trùng với Mc

Trên hình 3.2 đưa ra hai ví dụ:

a) Khi Mtcp trùng với Mc như trường hợp lý tưởng đã nêu.

b) Khi hai đặc tính này không phù hợp với nhau, khi đó động cơ chỉ làm việc tốt

2 ; trong vùng

2 

3 , Mc < Mtcp nên động cơ làm việc

(với I = Iđm ) tại một tốc độ

1  2 , Mc > Mtcp nên động cơ bị quá tải, I >

tải nhẹ gây lãng phí, còn trong vùng từ

Iđm và sẽ gây hư hỏng cho động cơ.

3.1.5. Chỉ tiêu kinh tế

Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định cho việc

chọn các phương án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành

hệ thống và hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh mang lại. Trong chi phí vận

hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài

ra hệ số công suất cos  cũng góp phần ảnh hưởng không nhỏ đến chi phí vận hành.

3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được thể hiện cụ thể bằng việc điều chỉnh

các tọa độ của nó. Thực chất của việc điều chỉnh tọa độ chính là làm biến dạng các đặc

tính cơ, nghĩa là tạo ra các đặc tính nhân tạo. Vì vậy các phương pháp điều chỉnh tốc

độ động cơ cũng chính là các phương pháp tạo ra đặc tính nhân tạo đã đề cập trong

chương 2.

Đối với động cơ một chiều, ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ:

- Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng Rf .

- Điều chỉnh bằng từ thông kích từ 

- Điều chỉnh bằng điện áp phần ứng Uư

3.2.1. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng Rf

a) Nguyên lý điều chỉnh

Ở đây ta sử dụng một điện trở có 3 cấp (3 đoạn) Rf1 , Rf2 , Rf3 và các tiếp điểm

65

công tắc N, H, K song song với các đoạn điện trở.

_ + Uđm

N H K Rư Iđm E

Rf1 Rf2 Rf3

Ikt CK

Ukt _ +

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều



o

ñm

khi điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng

min

tn



nt: Rf  0

0 Mc = Mđm M Mccp

Hình 3.4. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ một chiều

66

khi điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng

R

f

Phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ:

 



I

ö

 

U ñm  K

R ö K

ñm

ñm



ö

(3.5)

 



M

f 2

U ñm  K

ñm



K

R 

R 

ñm

(3.6)

Khi cho Rf thay đổi ta sẽ làm thay đổi độ cứng đặc tính cơ, còn tốc độ không tải

lý tưởng không thay đổi nên có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.

2

b) Đánh giá

 

 R

 K ñm  R

ö

f

Ta có: (3.7)

- Sai số tốc độ lớn

/

- Khả năng quá tải thấp

 min

R

R

ö

ö

D = max



   

1

M

M

max =

 o

ñm

ñm

o

ñm

2

2





K

K









 o

ñm

ñm

   

   

R

ö

ö

=







1

K

1

 o

I ñm ñm

 o

2

ñm



K





ñm

U ñm  K

R U I

ñm

ñm

     

     

     

     

ö

= =



1

 o

  o

* ö

  1 R



R R

ñm

  

  

min xác định theo khả năng qúa tải cho phép.

=

Mccp = Kqt Mđm

67

Kqt là hệ số quá tải của máy sản xuất, là số liệu cho trước.



 

tg

min 

 o  M M

M

c

ccp

ccp



1

Ta có:





M

M

M

  min

ccp

c

K M qt

ñm

ñm









K  qt o K

 o M

qt

ccp

 o K M qt

ñm

K

 o

= = 



* ö

  1 R



  1 R K

 * ö  1

qt 

K

1

 D = max  min

qt

 o

qt K

qt

Suy ra: = (3.8)

Ví dụ 3.1. Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau:

- Công suất định mức: Pđm = 29kW

- Điện áp định mức: Uđm = 220V

- Dòng điện định mức: Iđm = 151A

- Điện trở mạch phần ứng: Rư = 0,07 

Xác định phạm vi điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu của động cơ trên,

biết hệ số qúa tải Kqt = 2.

Giải

Điện trở định mức của động cơ:

Rđm = Uđm / Iđm = 220 / 151 = 1,45 

*

öR = Rư / Rđm = 0,07 / 1,45 = 0,048

Điện trở mạch phần ứng tính theo đơn vị tương đối:

K

Phạm vi điều chỉnh:



 1 0, 048



* ö

  1 R



qt 

K

1

2  2 1

qt

D = = = 1,9

Ví dụ trên cho thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hẹp.

Momen tải cho phép:





M

const

I ñm ñm

ñm

68

(3.9) =  K Iư Mtcp = ñmK Iư = Iđm

Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục.

Hướng điều chỉnh là dưới tốc độ cơ bản.

Điều chỉnh không triệt để: khi Mc = 0 không điều chỉnh được.

3.2.2. Điều chỉnh bằng từ thông kích từ 

a) Nguyên lý điều chỉnh

Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển bằng từ thông được vẽ trên hình 3.5a,b, trong

đó dòng kích từ Ikt và từ thông  có thể thay đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn

kích từ có điện áp Ukt thay đổi. Các đặc tính tự nhiên và nhân tạo được vẽ trên hình

3.5c, trong đó đặc tính tự nhiên có   ñm ở vị trí thấp nhất. Các đặc tính điều chỉnh

đều ứng với các từ thông   ñm có vị trí cao hơn.

_ + Uđm

2 < 1 <ñm

1

 02 01

0

ñm

Rư Iư _ Uđm E E + Rf Rư Ikt CK Iư E E _ Ukt Rf + Ikt CK

Rfk M Mđm 2Mđm a) 0

c)

b)

Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý (a, b) và các đặc tính cơ

khi điều chỉnh bằng từ thông kích từ  của động cơ một chiều

R

ö

Phương trình đặc tính cơ:

 



M

2

ñm 

U K



K





69

(3.10)

2



b) Đánh giá

 

o

ñm 

U K

ö

Ta có: và    K R

Khi  giảm thì o tăng,  giảm và độ sụt tốc  càng lớn.

Thực tế các đặc tính này chỉ tồn tại trong vùng 0  < 2Mđm . Ở đó khi từ thông

giảm, o sẽ tăng nhiều so với phần tăng của độ sụt tốc  và kết quả là tốc độ động cơ

tăng lên. Ở vùng phụ tải lớn, độ sụt tốc có thể tăng nhiều hơn, nên tốc độ có thể lại

giảm khi ta giảm từ thông. Tuy nhiên vùng này ít gặp trong thực tế.

Sai số tốc độ lớn, khả năng quá tải giảm

max và phía

min . Tốc độ thấp nhất bị giới hạn bởi đặc tính tự nhiên ( min = ñm ). Tốc độ cao nhất

Phạm vi điều chỉnh của phương pháp này bị hạn chế cả về phía



(1,5 2)

bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch trên cổ góp động cơ. Đối với

 ñm . Do đó dải điều chỉnh D  2. Các động

các động cơ thông dụng: max

cơ chế tạo đặc biệt có thể có D = 3  6 nhưng kích thước to và giá thành đắt.

 



 

U

E I R

E K

ö

ö

ñm

Ta có:

K

ñmU 

(3.11) Do đó:  

Momen tải cho phép:





ñm

U I ñm ñm 

P ñm 

(3.12) =  K I Iư = Iđm Mtcp = K Iư

Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải máy tiện.

Phương pháp điều chỉnh này có ưu điểm về độ tinh điều chỉnh, có thể dễ dàng

điều chỉnh tốc độ vô cấp, nhờ phần tử điều chỉnh đặt ở mạch kích từ, có công suất nhỏ

(chỉ bằng khoảng 2  5% công suất định mức của động cơ).

Trong các hệ truyền động hiện đại, sử dụng sơ đồ 3.5b, kết hợp phương pháp

điều chỉnh tự động người ta cải thiện được độ chính xác điều chỉnh, còn dải điều chỉnh

70

thì không mở rộng thêm được.

3.2.3. Điều chỉnh bằng điện áp phần ứng Uư

a) Nguyên lý điều chỉnh

Khi giữ từ thông không đổi   ñm , không nối thêm điện trở phụ Rf ta có thể

điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều hiệu quả bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư .

Để tạo ra điện áp Uư người ta sử dụng các bộ nguồn “Thiết bị biến đổi điều khiển” làm

chức năng biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh sức điện động Eb

của nó theo tín hiệu điều khiển Uđk. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế được vẽ trên

hình 3.6.

Iư Rb Rư

Uđk

Uư BĐ Đ Eb E

a)

b)

Hình 3.6. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng

a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ thay thế

Phương trình đặc tính cơ có thể rút ra từ phương trình cân bằng điện áp của

mạch điện hình 3.6b:

(3.13) Eb – E = Iư (Rư + Rb)

Trong đó:

Eb – sức điện động của bộ biến đổi, phụ thuộc điện áp điều khiển Eb = f(Uđk)

E – sức điện động của động cơ: E =  ñmK

Rb – điện trở trong bộ biến đổi, thường có giá trị đáng kể hoặc xấp xỉ với điện

71

trở phần ứng động cơ (Rb  Rư).

R

b

Từ đó ta có phương trình:

 



I

ö

E b 

 

K

R ö K

ñm

ñm



ö

(3.14)

 



M

b 2

E b 

K

ñm



K

R 

R 

ñm

(3.15)

Khi thay đổi điện áp điều khiển Uđk của bộ biến đổi, sức điện động Eb thay đổi,

o , còn độ cứng đặc tính cơ

b và độ sụt tốc  không đổi.

dẫn đến sự thay đổi của

Kết quả ta thu được họ đặc tính điều chỉnh là những đường thẳng song song trên hình



o max max

3.7.

o min

b

tn

min

A

0 B Mccp Mc = Mđm M

Hình 3.7. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh bằng điện áp phần ứng

2

b) Đánh giá

  b

 R

 K ñm  R

ö

b

- Độ cứng các đặc tính điều chỉnh được giữ không đổi = const và

tn / 2 , nhờ đó sai

không bị giảm khi điều chỉnh sâu. Thông thường Rb  Rư nên   b

số tốc độ  không đổi và có giá trị nhỏ nên sai số tốc độ đặt nhỏ.

72

- Khả năng quá tải lớn.

/

 min

R

ö

ñm

   

M

max =

ñm

o

ñm

- D = max

2

M 

tn



K





ñm

min xác định theo khả năng qúa tải cho phép: Mccp = Kqt Mđm





M

M

c

c

A

=   o





M M 

  b

 M 

ccp 

ccp   0

 M M B    A B

min

min





M

M

M

c

K M qt

ñm

ñm







(K

1)

Ta có:

  min

qt

ccp 

ñm 

M 

b

b

b

ñm

b

ñm

b



  o

  o

M 

M 

  o b M

ñm

tn

tn

  









tn 



   M  1

K

ñm K

  1

 D = max  min

ñm

qt

qt



(K

1)

qt

M 

b

2

1

Do đó:



.



  o b M

U ñm  K

 R

ñm

ñm

 K ñm .  R K b

ö

I ñm ñm

1

1

Ta có:









U / I ñm ñm R R

R ñm  R

R



R

R

ö

b

ö

b

b

ö

* ö

* b



R R

R R

ñm

ñm

2



K

b

ö





b 2

 

R ö 

R

R

tn

ö

b



K

 R 

 ñm  R 

ñm

R

ö



R ö 

R

R

1 

R

b

* ö

=



* R b K

ö 1

qt

73

Suy ra: D = (3.16)

Với động cơ cho trong ví dụ 3.1, nếu bộ biến đổi cũng có Rb = Rư = 0,07 







R

R

0,048 ) và khi có cùng Kqt = 2 thì dải điều chỉnh là:

* ö

* b



1 2

(

1 2.0,048  2 1

D = = 9,9

Ta thấy dải điều chỉnh trong trường hợp này lớn hơn rất nhiều so với dải điều

chỉnh ở phương pháp dùng Rf ở ví dụ 3.1 (D = 1,9).

Momen tải cho phép:





M

const

I ñm ñm

ñm

(3.17) =  K Iư Iư = Iđm Mtcp = ñmK

Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục.

Phương pháp điều chỉnh động cơ bằng điện áp phần ứng cũng đảm bảo độ tinh

cao, có thể điều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít.

Điều chỉnh triệt để: khi Mc = 0 vẫn điều chỉnh được.

Với những chỉ tiêu chất lượng nêu trên, phương pháp điều chỉnh động cơ bằng

điện áp phần ứng được đánh giá tốt và sử dụng rộng rãi trong thực tế.

3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, người ta thường tác động vào một

trong các thông số sau:

- Điện trở mạch rôto R2

- Điện áp stato U1

- Tần số dòng điện stato f

Ngoài ra người ta còn sử dụng sơ đồ đặc biệt - sơ đồ tầng để điều khiển tốc độ

động cơ này thông qua việc điều chỉnh công suất trượt trong mạch rôto. Ta sẽ lần lượt

74

khảo sát các phương pháp đó.

3.3.1. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf

Có thể nêu một nhận xét tổng quát rằng: phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

không đồng bộ bằng điện trở phụ trong mạch rôto hoàn toàn tương đồng với phương

pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điện trở phụ trong mạch phần

ứng, cả về sơ đồ nối dây, họ đặc tính, các chỉ tiêu chất lượng.

a) Sơ đồ nguyên lý của một hệ điều khiển hai cấp điện trở phụ và họ đặc tính



được nêu trên hình 3.8.

1 sđm

tn

sc1

Rf1

sc2

H Rf1 + Rf2

Rf1

K

Mth Rf2 0 M Mc = Mđm

a) b)

Hình 3.8. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf

a) Sơ đồ nguyên lý b) Họ đặc tính cơ

Theo kết quả phân tích trong chương 2 khi Rf thay đổi ta có:

Momen tới hạn của động cơ:

M





const

th

2 3U 1  2 X 1

nm

75

(3.18)

' f

Độ trượt tới hạn:

s



th

'  r R 2 X

nm

(3.19)

Tốc độ không tải lý tưởng:



const

  1

 2 f p

(3.20)

Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác trong phạm vi phụ tải từ 0  Mc =

Mđm , ta có biểu thức gần đúng:



M

s

M ñm s

c

(3.21)

Trong đó: sc - độ trượt tại Mc = Mđm

Lúc đó đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi Rf = var hoàn toàn trùng hợp

với họ đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ki điều chỉnh Rf , với độ cứng

của các đặc tính nhân tạo:

 

M 

ñm s 1 c

(3.22)

Khi tăng điện trở phụ Rf , độ cứng đặc tính cơ  giảm, do đó điều chỉnh được

tốc độ làm việc.

b) Đánh giá

- Do độ cứng của các đặc tính điều chỉnh thấp, nên sai số tốc độ lớn, momen quá

tải nhỏ và dải điều chỉnh thường không vượt quá 2 (D  2).

3I

' 2

- Momen tải cho phép:





M

const

ñm

' 2 3I R 2  s 1

'2 ' R 2 ñm 2  s 1

' 2I = Iđm

Mtcp = = (3.23)

Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục.

76

- Hệ điều chỉnh không triệt để, khi Mc = 0 không điều chỉnh được.

3.3.2. Điều chỉnh bằng điện áp stato U1

Momen tới hạn của động cơ:

M



th

2 3U 1  2 X 1

nm

(3.24)

' f

Độ trượt tới hạn:

s



th

'  r R 2 X

nm

= const (3.25)

Tốc độ không tải lý tưởng:



const

  1

 2 f p



(3.26)

Ul = const

1

tn

Uđk

sth

Ul = var U11

U12

Mth 0 MnmU MthU Mnm M



b) Ro

1

a) tn gh Hình 3.9. Điều chỉnh bằng điện áp stato

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Họ đặc tính khi Ro = 0

77

U12 U11 (động cơ rôto lồng sóc) sth.gh c) Họ đặc tính khi Ro  0 Mth 0 (động cơ rôto dây quấn) M MthU

c)

Nếu dùng bộ nguồn có điện áp ra thay đổi U1 = var cung cấp cho mạch stato

động cơ theo sơ đồ khái quát hình 3.9a ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Dạng các

đặc tính điều chỉnh vẽ ở hình 3.9b, c. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp điều

chỉnh này cho động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn có khác nhau.

a) Đối với động cơ rôto lồng sóc

Do độ trượt tới hạn nhỏ, nên phần tác dụng (đoạn công tác) trên các đặc tính

điều chỉnh ngắn, hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao (xem hình 3.9b), vì vậy phương

pháp này thường được ứng dụng để điều khiển momen và dòng điện khởi động.

b) Đối với động cơ rôto lồng sóc

Người ta thường đưa thêm một bộ điện trở cố định Ro vào ba pha rôto (như hình

3.9a) để làm tăng độ trượt cố định. Khi đó đặc tính cơ giới hạn sẽ là đường gh trên hình

3.9c ứng với Uđm và có Ro . Các đặc tính giảm áp khác (U11 , U12) đều được kéo dài

đoạn đặc tính công tác, nhờ đó mở rộng được vùng điều chỉnh (cả tốc độ và momen

tải). Nhờ đó phương pháp này còn có thể điều chỉnh tốc độ.

3I

' 2

- Momen tải cho phép:



A s

' 2 3I R 2  s 1

' 2 ' R 2 ñm 2  s 1

' 2I = Iđm

3I

Mtcp = = (3.27)



A

' 2 ' R 2 ñm 2  1

Trong đó: = const, nghĩa là Mtcp tỉ lệ nghịch với độ trượt.

Đặc tính Mtcp = f(s) cũng chính là Mtcp = f(  ) được vẽ trên hình 3.10, là đường

cong phù hợp với tải quạt gió hoặc các tải có Mc là hàm tăng theo tốc độ.

Nếu sử dụng phương pháp này cho động cơ kéo các máy có Mc là hàm tăng của

tốc độ, thì dải điều chỉnh được mở rộng đáng kể. Hình 3.10 kết hợp minh họa cho điều

đó: với đặc tính cơ của máy sản xuất quạt gió Mc(  ) như trên hình vẽ, khi thay đổi

78

điện áp stato từ U1min đến Uđm , ta sẽ điều chỉnh được tốc độ từ min đến max .



Mc(  ) s = 0

1 max min

Mtcp(  )

gh: Uđm U1m U1i

0 M

Hình 3.10. Đặc tính momen tải cho phép Mtcp = (  )

của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp U1

và phạm vi điều chỉnh khi tải quạt gió

3.3.3. Điều chỉnh bằng tần số

Phương pháp điều chỉnh tần số đã đưa lại cho động cơ không đồng bộ khả năng

điều chỉnh các thông số đầu ra vượt trội, đạt đến mức độ tương đương như động cơ một

chiều kích từ độc lập khi điều khiển bằng điện áp phần ứng, nhờ đó các hệ truyền động

không đồng bộ có điều chỉnh tần số đã được ứng dụng rộng rãi.

Phương pháp này cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao.

Sơ đồ khái quát của hệ (hình 3.11) bao gồm bộ nguồn BT có khả năng điều chỉnh tần

số và điện áp hoặc dòng điện, cấp cho stato động cơ Đ và một khối điều khiển ĐK

dùng để xử lý các tín hiệu điều khiển hệ thống.

Hệ biến tần - động cơ không đồng bộ BT - Đ có được sự hoàn thiện về lý thuyết

cũng như thực tiễn như ngày nay một phần lớn nhờ sự phát triển mạnh của kỹ thuật

điện tử công suất và kỹ thuật tính toán. Nhờ đó người ta tạo ra được các bộ nguồn BT

với tần số f1 biến đổi tùy ý và điện áp ra U1 hoặc I1 thay đổi theo các quy luật yêu cầu.

79

Khối điều khiển ĐK có khả năng tính toán, chuyển đổi từ hệ phương trình này sang hệ

phương trình khác để xử lý tín hiệu đặt Uđ và các tín hiệu phản hồi Uph1 , Uph2 … thành

hai tín hiệu cơ bản để điều chỉnh tần số (Uđk) và điều khiển duy trì từ thông động cơ

ñU ). Sơ đồ khái quát hình 3.11 cũng cho ta thấy đa phần hệ BT - Đ là hệ tự động

(

vòng kín, chỉ có một số ít có luật điều khiển đơn giản đặt trước là hệ điều khiển vòng

hở. Trước hết cần hiểu cấu tạo của bộ biến tần.

Ul fl

const const

ñU

Uđf Uđ

I1 Uph1 fl var Ul var



Uph2

Hình 3.11. Sơ đồ khái quát hệ BT - Đ

a) Bộ biến tần

Ngày nay các loại biến tần dùng máy điện quay hầu như không được sử dụng,

mà người t chỉ dùng các loại biến tần có van bán dẫn. Chức năng của bộ biến tần là

biến đổi tần số và điện áp lưới tạo ra f1 = var và U1 = var để cấp vào sao động cơ. Nếu

hai đại lượng đó (f1 và U1) có khả năng biến đổi độc lập với nhau thì càng tốt. Trước

đây thỉnh thoảng ta còn gặp loại biến tần trực tiếp với tần số ra được điều chỉnh nhảy

cấp và nhỏ hơn tần số lưới điện (fl < fl). Hiện nay chủ yếu người ta dùng loại “biến tần

80

có khâu trung gian một chiều”. Cấu tạo của nó gồm có ba khâu chính: Khâu chỉnh lưu

(điều khiển hoặc không điều khiển) CL, khâu lọc (dung tính hoặc cảm tính) và khâu

nghịch lưu (điện áp và dòng điện) NL. Sơ đồ khối của nó như trên hình 3.12.

Id fl = var

+ + Ul = var NL CL Lọc Đ Ul = const

(Ud) _ Ud _ fl = const

Hình 3.12. Sơ đồ khối của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

- Khâu chỉnh lưu có chức năng biến điện xoay chiều (từ lưới điện Ul = const

và fl = const) thành điện một chiều có điện áp Ud (điều chỉnh hoặc không điều chỉnh).

Nó được thiết lập nhờ các van iristo, hoặc diot. Cũng có thể sử dụng bộ băm xung gồm

chỉnh lưu diot và khóa băm tiristor. Yêu cầu điều chỉnh điện áp U1 trên stato động cơ

cũng có thể thực hiện nhờ sự thay đổi Ud của khâu chỉnh lưu.

- Khâu nghịch lưu làm nhiệm vụ biến điện áp một chiều Ud (và Id) thành điện

xoay chiều 3 pha có tần số thay đổi theo yêu câu vào stao động cơ. Trong nhiều trường

hợp, khâu nghịch lưu đồng thời thực hiện cả việc thay đổi điện áp ra U1 , mà không cần

đến khâu chỉnh lưu (khi đó dùng chỉnh lưu không điều khiển). Tùy theo sự thuận tiện

thực hiện luật điều khiển động cơ, ta có thể dùng nghịch lưu nguồn áp hoặc nghịch lưu

nguồn dòng.

- Khâu lọc có tác dụng làm giảm đập mạch của điện áp Ud và dòng điện Id sau

chỉnh lưu. Nếu dùng nghịch lưu áp thì khâu lọc có tụ lớn (để giữ điện áp Ud = const),

còn nếu dùng nghịch lưu dòng thì khâu lọc có cuộn cảm lớn (để giữ Id = const).

b) Các luật (nguyên lý) điều chỉnh tần số

Đặc điểm làm việc của động cơ không đồng bộ là khi nối nó vào nguồn điện áp

Uđm và tần số fđm thì từ thông ñm và mạch từ ở vào trạng thái bắt đầu bão hòa. Như 81

vậy mạch từ đã làm việc hết công suất và động cơ làm việc ở chế độ tối ưu. Sức điện

.

.

1

1

. E 1

.    1

động của cuộn dây stato tỷ lệ với từ thông 1và tần số f1 theo biểu thức:

1

 (3.28) C f U I Z 1

Khi điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số f1 thì từ thông 1 có thể bị

thay đổi và động cơ không đảm bảo được chế độ tối ưu nói trên. Vì vậy người ta đặt ra

vấn đề tìm các luật điều khiển sao cho khi f1 thay đổi thì từ thông động cơ vẫn giữ

 .

2 hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa

được giá trị  = ñm . Nó có thể là từ thông của stato 1 hoặc từ thông của rôto

Có một số luật điều khiển sau đây:

- Luật U/f không đổi: U1/f1 = const

E U 1

1

, do đó: Từ (3.29) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có

C

  1

U 1 f

1

(3.29)

1 = ñm = const , khi điều chỉnh tần số f1, ta phải thay đổi U1

Như vậy, để giữ

* U f 1

* 1

U 1

f 1

U  ñm f ñm

một cách tỷ lệ: hoặc (3.30)

Luật (3.30) rất đơn giản, có thể thực hiện điều khiển vòng hở, bằng cách lấy tín

hiệu đặt tần số Uđf làm chủ đạo, suy ra tín hiệu đặt điện áp UđU qua khâu tỷ lệ để cùng

điều chỉnh tần số và điện áp ra của bộ biến tần, như sơ đồ hình 3.13a.

2  M U / f 1

2 1

th

1f  và

Về lý thuyết, khi điều khiển theo luật (3.30), = const,

nghĩa là momen tới hạn không đổi và ta có họ đặc tính cơ trên hình 3.13b, (các đường

nét đứt).

Tuy nhiên ở các cấp tần số nhỏ (cỡ dưới 10  15Hz) thì ảnh hưởng của sụt áp

trên điện trở R1 đáng kể làm cho điện áp U1 bị giảm nhiều hơn giá trị tỷ lệ ở (3.30), do

82

đó Mth giảm nhiều (xem hình 3.13b các đường nét liền).

UđU (CL)

Uđf BT

Uđf (NL) (NL)



a)

f1 > fđm

'

1f < fđm

fđm = 50Hz

10 Hz

5 Hz

0 M

b)

Hình 3.13. Sơ đồ khối và đặc tính cơ của hệ BT - Đ

điều khiển theo luật U/f = const

 



M / M const c

th

- Luật hệ số quá tải không đổi:

Luật U/f nêu trên với Mth = const khi điều chỉnh tốc độ chỉ thích hợp với phụ tải

có Mc = const. Nếu căn cứ điều kiện về sự phù hợp giữa momen cho phép của động cơ

83

và momen cản thì quy luật  = const sẽ ưu việt hơn.

2 3U 1

2 3U 1





2 3U 1  2 X 1

nm

R



2





 2 1

1

2  R X 1

2 nm

2 f (L 1 1

sL ) 2

  

  

 2 f 1 p

Ta có: Mth =



.

.

2

2 3p U 1 2   8 (L sL ) f 1

1

2

2 U 1 2 f 1

= B



3p 

2  8 (L 1

sL ) 2

với B = const

 



.

M / M const c

th

2 U 1 2 f 1

U

và Từ quan hệ: Mth = B



 

2 ñm 2 f M ñm

c.ñm

2 U 1 2 f M 1

c

U

M

f 1

c

Ta có: = const

U

M

1 ñm

f ñm

c.ñm

Do đó:

* U f M 1

* 1

* c

q

hoặc (3.31)

ñm

      

q

c

Ta có: Mc = Mco + (Mđm - Mco)

M M

ñm

ñm

   

  

q

*

Nếu ta coi Mco = 0 thì:



cM

 *  



(3.32)

 

 (1 s)

 (1 s)

  ñm

 2 f 1ñm p

 12 f p

*

Mà và

  *

1f

q

(3.33)

* *  U f 1 1

* f 1





84

Suy ra: (3.34)

1

- Khi tải loại máy nâng, cần trục, Mc = const, q = 0 ta có:

* * U f 1 1

U f

1

hoặc = const

1

- Khi tải loại máy tiện, Mc tỉ lệ nghịch với  , q = -1 ta có:



* *  U f 1 1

* f 1

* f 1





U 1 f 1

3/2

hoặc = const



* *  U f 1 1

* f 1

* f 1

U 1 3/2 



f 1

2 , q = 2 ta có:

2

hoặc = const - Khi tải loại ma sát nhớt, Mc tỉ lệ thuận với  , q = 1 ta có:  



* U 1

* f 1



U 1 2 f 1

hoặc = const - Khi tải loại quạt gió, Mc tỉ lệ thuận với 

Quy luật điều chỉnh điện áp U1 khi điều chỉnh tốc độ  động cơ không đồng bộ

bằng cách điều chỉnh tần số f1 không những phụ thuộc vào f1 mà còn phụ thuộc vào tải





trên trục động cơ.



Mc

f12 f13 Mc f12 f12 f1đm f1đm Mc f1đm f1đm f11 f11 f11 f11

f12

0 0 0 Mc Mth M M 0 1

a) b) c)

 

const

Hình 3.14. Đặc tính cơ của hệ BT - Đ khi điều chỉnh theo luật

với các loại tải khác nhau

85

a) Tải cần trục b) Tải máy tiện c) Tải quạt gió

Để điều khiển bộ biến tần theo luật này, ta cũng lấy tín hiệu đặt tần số làm chủ

đạo (Uđf), kết hợp với hàm số Mc = f(  )  f’(f1) để tạo ra tín hiệu đặt điện áp UđU . Ưu

điểm của luật này là momen tới hạn Mth thay đổi phù hợp với Mc . Dạng các đặc tính

cơ điều chỉnh với các loại đặc tính cơ của máy sản xuất khác nhau sẽ như trên hình

3.14.

Chú ý, ở các cấp tần số thấp, điện áp U1 cũng sẽ bị giảm nhiều hơn so với giá trị

tính (3.30), do đó Mth cũng bị giảm tương tự như ở trường hợp sử dụng luật U/f = const

(xem đường nét đứt trên hình 3.14a).

c) Đánh giá

- Độ cứng đặc tính cơ  lớn, sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn.

- Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh theo luật U/f = const

tương tự như đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh điện áp

phần ứng Uư , phạm vi điều chỉnh lớn.

- Điều chỉnh tinh, vô cấp và có khả năng điều chỉnh tự động tốc độ.

- Điều chỉnh được cả trên ñm .

- Điều chỉnh triệt để, khi M = 0 vẫn điều chỉnh được tốc độ.

3.3.4. Điều chỉnh công suất trượt trong mạch rôto

a) Việc sử dụng công suất trượt trong sơ đồ tầng

Khi động cơ không đồng bộ làm việc ở tốc độ  ứng với độ trượt s nào đó,

1 sẽ được

công suất lấy từ lưới điện sau khi chuyển thành công suất điện từ P12 = Mđt

chia thành hai thành phần chính: công suất cơ đưa ra trục Pc = M  và công suất trượt

SP = P12.s (giả thiết bỏ qua các tổn thất trên các dây quấn, lõi

chuyển vào mạch rôto

thép và ma sát trên ổ trục). Ta có:

SP

86

P12 = Pc +

SP được tiêu tán vô ích trên điện trở

Ở các hệ điều khiển trước đây, công suất

mạch rôto dưới dạng nhiệt, nên nó được coi là công suất tổn thất - gọi là tổn thất trượt

và tỷ lệ với độ trượt s. Điều chỉnh tốc độ càng sâu, độ trượt càng lớn, do đó chỉ tiêu

năng lượng của các phương pháp điều chỉnh đã xét càng thấp.

Vì vậy, đối với các động cơ không đồng bộ rôto dây quấn công suất lớn, có khả

SP lớn, người ta sử dụng phương pháp điều khiển theo sơ đồ tầng,

năng phát sinh

nhằm mục đích sử dụng có ích công suất trượt khi điều chỉnh tốc độ.

Lưới Lưới

P1  P12 P1  P12

SP

SP

Pc Pc Động cơ Động cơ Máy sản xuất Máy sản xuất

'

cP

 Pđiện

Thiết bị biến đổi Thiết bị biến đổi

a) b)

Hình 3.15. Biểu đồ năng lượng trong các sơ đồ tầng

a) Sơ đồ tầng điện cơ b) Sơ đồ tầng điện

Để thực hiện ý tưởng đó, người ta đưa vào mạch rôto một thiết bị biến đổi để

SP rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ sung vào trục động cơ

tiếp nhận năng lượng trượt

để cùng quay máy sản xuất (hình 3.15a) hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số

lưới điện f1 và trả về lưới (hình 3.15b).

b) Phân loại sơ đồ tầng

Người ta chia sơ đồ tầng thành hai loại tương ứng với hai dạng năng lượng được

87

sử dụng từ công suất trượt của động cơ, như đã mô tả trên hình 3.15:

- Sơ đồ tầng điện cơ có biểu đồ năng lượng như hình 3.15a, dùng thiết bị biến

đổi điện cơ. Đó là một động cơ điện nối chung trục với động cơ được điều chỉnh. Nếu

'

bỏ qua các tổn thất trong thiết bị biến đổi thì năng lượng trượt được biến đổi thành cơ

cP =

SP . Công suất cơ tổng chuyển cho máy sản xuất là:

'

(3.35)

năng

cP = Pc +

SP = P12 = Mđt

1 = const

Pc.t = Pc +

Vì vậy sơ đồ tầng điện cơ còn được gọi là sơ đồ tầng có công suất không đổi

(khi điều chỉnh tốc độ).

- Sơ đồ tầng điện có biểu đồ năng lượng như hình 3.15b. Ở đây thiết bị biến đổi

là bộ nghịch lưu phụ thuộc, biến năng lượng trượt với tần số của dòng điện rôto thành

điện năng có tần số của lưới điện f1 để trả về lưới. Nếu giữ dòng điện cấp vào động cơ

1 .

là định mức I1đm thì công suất điện từ của động cơ cũng là định mức: P12 = Mđm

(3.36)

Công suất cơ tổng chuyển cho máy sản xuất là:

SP = Mđm

1 - Mđm

1 s = Mđm

1 (1 – s)

Pc = P12 -

Như vậy, công suất cơ cấp cho máy sản xuất sẽ phụ thuộc độ trượt, tức phụ

thuộc vào tốc độ làm việc. Từ (3.37) ta xác định được momen tải cho phép của động cơ

(1 s)

trong sơ đồ tầng điện như sau:



  ñm 1M 

cP 

(3.37) Mcp = = Mđt = const

Trong đó:    1(1 s) - tốc độ làm việc của động cơ.

Vì vậy người ta gọi sơ đồ tầng điện là tầng có momen không đổi.

c) Sơ đồ nguyên lý của tầng điện cơ và tầng điện

- Tầng điện cơ

Sơ đồ nguyên lý được vẽ trên hình 3.16. Đ là động cơ được điều chỉnh. Sức điện

động rôto E2 được chỉnh lưu thành sức điện động một chiều E2.tb có biểu thức:

(3.38) E2.tb = Ku E2 = Ku E2nm.s

Trong đó: Ku = 2,34 - hệ số chỉnh lưu cầu ba pha

88

E2nm - sức điện động ngắn mạch rôto (giá trị pha)

Sức điện động này được nối vào phần ứng của động cơ một chiều Đmc (kích từ

độc lập) đóng vai trò thiết bị biến đổi (trong hình 3.15a). Động cơ này sẽ nhận năng

lượng trượt từ bộ chỉnh lưu dưới dạng điện năng một chiều, và biến đổi thành cơ năng

trên trục. Truc của nó được nối chung với trục động cơ Đ, do đó nối truyền năng lượng

trượt về trục cơ của máy sản xuất. Sức điện động phần ứng của Đmc như đã biết, phụ

thuộc vào từ thông và tốc độ của nó:

(3.39) Ebđ = K .  = K.a.Ikt . 

Trong đó, từ thông phụ thuộc dòng điện kích từ:

 = a.Ikt

Đmc (Thiết bị biến đổi)



+ Máy sản xuất Ebđ Ikt

Đ

_ E2 Id I2 (Iư)

CL +

E2d

_

Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý tầng điện cơ

Dòng điện phần ứng động cơ Id = Iư tỷ lệ nghịch với dòng điện rôto I2 và được

89

xác định theo các sức điện động trong mạch:

E

E

bñ

2d R

t

(3.40) Id = Ki I2 =

Trong đó:

Rt - điện trở trong mạch chỉnh lưu - động cơ một chiều (Rt = RCL + Rbđ)

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm xác lập nào đó với tốc độ  , độ trượt s

và dòng điện I2 xác lập, nếu ta thay đổi dòng kích từ của động cơ Đmc , sức điện động

Ebđ của nó sẽ thay đổi (xem biểu thức 3.41), dòng điện I2 thay đổi theo biểu thức

(3.42), do đó momen động cơ thay đổi. Sự thay đổi momen sẽ làm tốc độ động cơ thay

đổi, và hệ thống sẽ chuyển sang làm việc ở một điểm xác lập mới với tốc độ làm việc

khác. Đó là nguyên tắc điều chỉnh tốc độ trong tầng điện cơ.

- Tầng điện

Hình 3.17 giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của tầng điện. Ở đây năng lượng trượt

trong mạch rôto của động cơ Đ (được biểu thị bởi các thông số sức điện động xoay

chiều E2 , dòng điện xoay chiều I2 và tần số mạch rôto f2 = sf1) cũng được chỉnh lưu

thành dạng một chiều (với các thông số E2d , Id) nhờ cầu diot CL rồi được truyền vào

bộ nghịch lưu NL (với chức năng là thiết bị biến đổi trong biểu đồ hình 3.15b). Ở bộ

nghịch lưu này việc chuyển mạch các tiristo được thực hiện nhờ điện áp lưới, do đó

năng lượng trượt dạng một chiều sẽ được biến đổi thành xoay chiều có tần số của điện

áp lưới, cuối cùng qua máy biến áp BA, năng lượng trượt được trả về lưới điện.

Trong sơ đồ tầng điện (hình 3.17), dòng điện rôto của động cơ I2 hoặc dòng điện

trong mạch một chiều Id cũng được xác định theo biểu thức (3.42), trong đó Ebđ -sức

điện động của bộ nghịch lưu có biểu thức:

(3.41) Ebđ = ENL = Ud0cos  = - Ud0cos

 - góc mở của các tiristo (  >  /2)

 =  -  - góc mở chậm của tiristo ở trạng thái nghịch lưu.

90

Trong đó:

Ud0 - điện áp lớn nhất của bộ nghịch lưu ứng với trường hợp  = 0.

Ud0 = 2,34.U2.ba

Với U2.ba – điện áp pha thứ cấp của máy biến áp BA.

Ul

BA Đ E2 U2.ba

I2 NL CL

+ +

E2d Ebđ KL Id

Hình 3.17. Sơ đồ tầng điện

Từ biểu thức (3.42) và (3.43) ta thấy, khi thay đổi góc mở  của các van trong

bộ nghịch lưu (từ -  /2 đến   /2) tương ứng với sự thay đổi của sức điện động nghịch

lưu Ebđ từ 0 đến  Ud0 thì dòng điện Id và I2 sẽ thay đổi, nhờ đó momen và tốc độ của

91

động cơ sẽ được điều chỉnh.

BÀI TẬP TỰ GIẢI

Xác định thông số điều chỉnh của động cơ mộ chiều kích từ độc lập khi nối

mạch theo hệ “Bộ biến đổi - Động cơ” điều chỉnh điện áp phần ứng.

Số liệu động cơ:

Pđm = 12 kW; nđm = 685 (vòng/phút); Uđm = 220V; Iđm = 64A; Rư = 0,21 

Số liệu bộ biến đổi: Chỉnh lưu tiristor 3 pha, 17kVA, Udo = 245V, Rcl = 0,4  ,

hệ làm việc ở chế độ dòng điện liện tục.

Hãy xác định giá trị sức điện động (hoặc điện áp) của chỉnh lưu để đảm bảo các

giá trị tốc độ tương ứng với momen cản tĩnh trên trục động cơ cho trong bảng 3.1.

Bảng 3.1

Phương án

Thông số

1 2 3 4 5 6

33,46 83,65 167,3 251 167,3 251 Mc , Nm

 , rad/s

81,3 61,13 71,7 33,5 7,17 65,6

U

ñm

I R ñm ö

Gợi ý

K

ñm

  ñm

 

n   ñm 9,55

ñm

Ta có: ;



ö

 



M

cl 2

E b 

K

ñm



K

R 

R 

ñm

Phương trình đặc tính cơ của hệ BĐ - Đ:

Thay số liệu các phương án từng cặp Mc và  , lấy trong bảng số liệu, xác định

92

được giá trị Eb tương ứng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Bê, Khương Công Minh, Lê Tiến Dũng, Trang bị điện trong máy, Trường

Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2009.

[2] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học quốc gia

Tp.HCM, 2003.

[3] Hà Xuân Hòa, Truyền động điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2008

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB

Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007.

[5] Khương Công Minh, Truyền động điện tự động, Trường Đại Học Bách Khoa Đà

Nẵng, 2005.

[6] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2003

[7] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật,

Hà Nội, 2004.

93

[8] Bùi Đình Tiếu, Giáo trình Truyền động điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2004

94