Bài giảng Truyền động điện tự động - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện - Phạm Khánh Tùng
KHÁI NIỆM CHUNG
+ Trong phân tích các hệ truyền động, thường biết trước đặc tính
cơ M
c(ω) của máy sản xuất.
+ Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ,
mômen, dòng điện động cơ . cần phải tạo ra những đặc tính cơ
nhân tạo của động cơ tương ứng.
+ Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu
định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước.
+ Những đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi thông số của
nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của
mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi.
+ Bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của
đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và
tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc
tính điều chỉnh.
+ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng
thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Truyền động điện tự động - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện - Phạm Khánh Tùng
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐiỆN Phạm Khánh Tùng Bộ môn Kỹ thuật điện – khoa Sư phạm kỹ thuật tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÁI NIỆM CHUNG + Trong phân tích các hệ truyền động, thường biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của máy sản xuất. + Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mômen, dòng điện động cơ ... cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng. + Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước. + Những đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh. + Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M). tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1.1. Sơ đồ nối dây + Nguồn cấp cho phần ứng và kích từ độc lập nhau. + Khi nguồn có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.2. Các thông số cơ bản Thông số định mức: nđm(vòng/phút); ωđm(Rad/s); Mđm(N.m hay KG.m); Fđm(Wb); fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); ... Các thông số tính theo các hệ đơn vị tương đối ω* = ω / ωđm ; M* = M / Mđm ; I* = I / Iđm; Φ* = Φ / Φđm; R* = R / Rđm; Rcb = Rđm = Uđm / Iđm; ω%; M%; I%; tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.3. Phương trình đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng Trong đó: U – điện áp phần ứng động cơ (V) E – sức điện động phần ứng động cơ (V) R – điện trở mạch phần ứng Rf – điện trở phụ mạch phần ứng I – dòng điện phần ứng I)RR(EU f tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hệ số kết cấu của động cơ: a.2 N.p K Qui đổi tốc độ của động cơ: 55,9 n 60 n.2 Hệ số kết cấu của động cơ (tính theo tốc độ vòng/phút): K.105,055,9 K Ke Sức điện động phần ứng tính theo các đơn vị tốc độ: Tốc độ ω (rad/s) Tốc độ n (vòng/phút) ..K. a.2 N.p E n..KE e tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện trở mạch phần ứng: R = rư + rctf + rctb + rtx Trong đó: rư – điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ rctf – điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ rctb – điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ rtx – điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ phương trình điên áp và hệ số kết cấu động cơ → phương trình đặc tính cơ-điện I .K RR .K U f Mômen điện từ của động cơ: I..KMđt Bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép: Mcơ ≈ Mđt ≈ M .K M .K M I đt Phương trình đặc tính cơ: M ).K( R .K U M ).K( RR .K U 22 f tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác: 0 .K U 0 M ).K( R 2 Tốc độ không tải lý tưởng Độ sụt tốc độ tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ các phương trình đặc tính cơ-điện và phương trình đặc tính cơ, với giả thiết phần ứng được bù đủ và f = const có thể vẽ được các đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ là những đường thẳng tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính cơ tự nhiên (TN): đặc tính cơ có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ M ).K( R .K U 2 đm đm đm đm Đặc tính cơ nhân tạo (NT): đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ Khi ω = 0 → nm f I RR U I nmnm f M.KI.K RR U M tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Độ cứng đặc tính cơ f 2 RR ).K( d dM Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: R ).K( 2đm tn * * tn R 1 Giá trị điện trở phần ứng có thể xác định gần đúng theo giả thiết coi tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ: đm đm đm I U )1( 2 1 R tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ: Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau: Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng: 0,78Ω. Giải: a. Xây dựng đường đặc tính cơ tự nhiên Đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 trong số 3 điểm: Điểm định mức [Mđm; ωđm] ; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0] tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ góc định mức: )s/rad(3,230 55,9 2200 55,9 nđm đm Mômen (cơ) định mức: )m.N(6,281000 3,230 6,6 1000 P M đm đm đm Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức: [28,6 ; 230,3] Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được: )Wb(91,0 3,230 26,0.35220RIU .K đm đmđm đm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ không tải lý tưởng: )s/rad(7,241 91,0 220 .K U đm đm 0 Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên (đường 1) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch )m.N(770 26,0 220 91,0 R U .KI.KM đmđmnmđmnm Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức tổng quát hoặc xác định theo số liệu lấy trên đường đặc tính )s.Nm(5,2 3,2307,241 6,28M0M đm0 đm tn tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Xây dựng đường đặc tính cơ nhân tạo khi điện trở phụ Rf = 0,78Ω Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo qua các điểm không tải lý tưởng [0; ω0] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [Mđm; ωnt] Tốc độ góc nhân tạo (với mô men định mức) đm fđmđm đm .K )RR(IU )s/rad(3,183 91,0 )78,026,0.(35220 đm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [28,6; 183,3] Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng (đường 2) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.4. Đặc tính cơ khi khởi động và tính điện trở khởi động a. Khởi động và xây dựng đặc tính cơ khi khởi động + Khởi động trực tiếp: Dòng khởi động rất lớn có thể đốt nóng động cơ, gây khó khăn cho sự chuyển mạch, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá huỷ quá trình cơ học của máy. Ikđbđ = Uđm / R ≈ (10 – 20)Iđm + Điều kiện khởi động an toàn cho máy, thường chọn dòng khởi động: Ikđbđ = Inm = Icp = 2,5Iđm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Khởi động gián tiếp: Đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. cpđm f đm' nm ' kđđb II)5,22( RR U II tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Xây dựng đặc tính cơ – điện khi khởi động: – Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm, ηđm; ...) và thông số tải (Ic; Mc; Pc; ...), số cấp khởi động m, vẽ đặc tính cơ tự nhiên. – Xác định dòng điện khởi động lớn nhất: Imax = I1 = (2 – 2,5)Iđm – Xác định dòng điện khởi động nhỏ nhất: Imin = I2 = (1,1 – 1,3)Ic tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Từ điểm a(I1) kẻ đường aω0 nó sẽ cắt I2 = const tại b. + Từ b kẻ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại c. + Nối cω0 nó sẽ cắt I2 = const tại d. + Từ d kẽ đường song song với trục hoành thì nó cắt I1 = const tại e... Cứ như vậy cho đến khi nó gặp đường đặc tính cơ tự nhiên tại điểm giao nhau của đặc tính cơ TN và I1 = const, ta sẽ có đặc tính khởi động abcde...XL. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Tính điện trở khởi động Phương pháp đồ thị: Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ Δω trên các đặc tính cơ ứng với một giá trị dòng điện (ví dụ I1 ) ta có: 1 f NT 1TN I .K RR I .K R RR TN TNNT 1f tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Qua đồ thị ta có: R he ae R he heha R 1f R he ce R he hehc R 2f Điện trở phần ứng của mỗi đặc tính cơ: 2f1f1 RRRR 2f2 RRR tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương pháp giải tích: Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ. Đặc tính khởi động đầu tiên và dốc nhất là đường 1, sau đó đến cấp 2, cấp 3, ... cấp m, cuối cùng là đặc tính cơ tự nhiên. Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ: fm)m(fm fm1fm)1m(f1m 1fm2f1f)2(f2 fm2f1f)1(f1 RRRRR )RR(RRRR ... )R...RR(RRRR )R...RR(RRRR tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tại các điểm b, c trên đường khởi động: 1 1đm 2 R EU I 2 1đm 1 R EU I Lấy tỉ số các dòng điện khởi động không đổi: const I I 2 1 R R R R ... R R R R m m 1m 3 2 2 1 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện trở các bậc khởi động: RRR RRR ... RRR RR m 21 1m 32 2 m1m m Xác định qui trình khởi động: + Nếu biết số cấp điện trở khởi động m và R1, R thì ta tính được bội số dòng điện khi khởi động 1m 2 đm m 1 đmm 1 I.R U I.R U R R 12 I I tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Xác định qui trình khởi động: + Nếu biết λ, R1, R ta xác định được số cấp điện trở khởi động: log )R/Rlog( m 1 Trị số điện trở các cấp khởi động: R)1(RRR R)1(RRR ... R)1(RRR R)1(RRR 1m 21)1(f 2m 32)2(f m1m)1m(f m)m(f tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-2: Cho động cơ kích từ song song: Pđm = 25KW; Uđm = 220V; nđm = 420vg/ph; Iđm = 120A; R* = 0,08 khởi động hai cấp điện trở phụ với tần suất 1lần/1ca, làm việc ba ca, mômen cản quy đổi về trục động cơ (cả trong thời gian khởi động) Mc ≈ 410Nm. Hãy xác định các cấp điện trở phụ. Giải: Số liệu cần thiết của động cơ: Điện trở định mức: Điện trở phần ứng: Tốc độ góc định mức: )(83,1 120 220 I U R đm đm đm )(146,083,1.08,0RRR đm * )s/rad(44 55,9 420 55,9 nđm đm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ thông của động cơ và hệ số kết cấu: )Wb(6,4 44 146,0.120220RIU .K đm đmđm đm Dòng điện phụ tải: đm đm c c I74,0)A(89 6,4 410 .K M I Với tần suất khởi động ít, dòng điện và mômen phụ tải nhỏ hơn định mức, nên ta coi trường hợp này thuộc loại khởi động bình thường → số cấp khởi động cho trước m = 2. Chọn trước giá trị dòng điện I2 theo tiêu chuẩn Imin = (1,1 – 1,3)Ic của dòng khởi động : )A(9889.1,1I.1,1I c2 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Bội số dòng điện khởi động: 5,2 98.146,0 220 I.R U 121m 2 đm Dòng điện khởi động cấp 1: đm21 I2)A(24598.5,2I.I Giá trị dòng khởi động thấp hơn giá trị cho phép (Imax = (2 – 2,5)Iđm) nghĩa là số liệu đã tính là hợp lý tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Cấp điện trở tổng: )(912,0146,05,2RRR )(365,0146,0.5,2RR 22 12 1 Điện trở phụ của các cấp: )(547,0146,0219,0912,0RRRR )(219,0146,0365,0RRR )f(12)2(f 1)1(f tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.5. Các đặc tính cơ khi hãm Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay còn gọi là chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm a. Hãm tái sinh Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > U, động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi hãm tái sinh: 0I..KM 0 R ..K..K R EU I hh 0 h Dòng điện và mô men trong hãm tái sinh đều âm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Một số trạng thái hãm tái sinh: + Hãm tái sinh khi ω > ω0: lúc này máy sản xuất như nguồn động lực quay rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Vì E > U, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ : 0 R EU II h 0I..KM hh Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ, trở thành mômen hãm (Mh) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (U2 < U1): Khi điện áp nguồn giảm → tốc độ không tải lý tưởng ω0 giảm, mặt khác tốc độ hệ truyền động ω chưa kịp giảm → tốc độ trục động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω02). Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc = Mtn) Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+U → – U): Mc – có dạng mômen thế năng (Mc = Mtn). Đảo chiều điện áp phần ứng → đảo chiều tốc độ + ω0 → – ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính – U, và sẽ làm việc tại điểm B (|ωB| > |ω0|). Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy hoạt động ở hai chế độ: động cơ và hãm đảo chiều: + Khi nâng tải, động cơ truyền động làm việc ở chế độ động cơ (điểm A). + Khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát (điểm B). tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm ngược Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay (M↑↓ω). Hãm ngược có hai trường hợp: – Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm làm việc, đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN – Đưa điện trở phụ lớn v ... tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực Động cơ đang làm việc ở điểm A, với p1, nếu ta tăng số đôi cực lên p2 > p1 thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ω2 và làm việc với tốc độ ω > ω, trở thành máy phát tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này s s s s M2 M th th th Với: ; X R s 2nm ' 2 th 2nm02 2 f1 th X2 U3 M 0MM;0II; htshts ' 202 2 1 02 p f.60 đoạn Bω02 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi đảo chiều từ trường stato động cơ Động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ (điểm A), nếu ta đảo chiều từ trường stato, với phụ tải thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hãm tái sinh, điểm D). Như vậy khi hạ hàng ta có thể cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát, đồng thời tạo ra mômen hãm để cho động cơ hạ hàng với tốc độ ổn định ωD. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này thay ω0 bằng -ω0: Với: ; X R s nm ' 2 th nm0 2 f1 th X)(2 U3 M s s s s M2 M th th th 0 (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm ngược Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto Động cơ đang làm việc ở điểm A, đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f) vào mạch rôto, mômen động cơ giảm (M < Mc) nên động cơ bị giảm tốc độ Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, rồi C và nếu tải là thế năng thì động cơ sẽ làm việc ổn định ở điểm D (ωD = ωôđ ngược chiều với tốc độ tại điểm A) trên đặc tính cơ có thêm điện trở hãm Rhn>, và đoạn CD là đoạn hãm ng-ợc, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện. Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vừa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính tốc độ và mô men khi hãm ngược nm ' f2 ' 2 th X RR s nm0 2 f1 th X2 U3 M tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato. Khi đảo chiều, dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch = Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D. Đoạn BC là đoạn hãm ngược. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng hãm và mômen hãm của động cơ. nm ' f2 ' 2 th X RR s nm0 2 f1 th X)(2 U3 M 1s 0 0 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Hãm động năng Hãm động năng kích từ độc lập Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ khỏi lưới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập. Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát cực ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của nó là điện trở mạch rôto. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sẽ sinh ra một từ trường đứng yên Φ so với stato. Rôto động cơ do quán tính vẫn quay theo chiều cũ nên các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên, do đó xuất hiện trong chúng một sức điện động e2. Vì rôto ngắn mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải. Tương tác giữa dòng i2 và Φ tạo nên lực điện từ F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto ω làm cho rôto quay chậm lại → sđđ e2 giảm dần. Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ khi hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Nghĩa là cuộn dây stato thực tế đấu vào nguồn một chiều nhưng ta coi như đấu vào nguồn xoay chiều. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điều kiện đẳng trị: sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra như nhau: 1mc FF Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra: 111 I.w.2 2 3 F Stđ Fmc do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu dây của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát: mc1mc I.w.aF tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ghép nối hai biểu thức stđ một chiều và xoay chiều mcmc1111 FI.w.aI.w.2 2 3 F mc mc 1 I.A 2 2 3 I.a I Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng 3 2 aA tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1mc o 1mcmc wI.330coswI.2F 3 2 3 2 3 3 2 aA3a mc1mc I.w.aF 2 2 A 2 3 a tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3 2 A1a 32 1 A 2 3 a tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ Chế độ động cơ: điện áp đặt vào stato không đổi (nguồn áp), dòng từ hóa Iμ từ thông Φ không đổi, còn dòng điện stato I1 và rôto I2 biến đổi theo tốc độ trượt s. Chế độ hãm động năng kích từ độc lập: Dòng một chiều Imc không đổi → dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi → nguồn cấp cho stato là nguồn dòng. Mặt khác, vì tổng trở mạch rôto khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên dòng rôto I2 và dòng từ hóa Iμ đều thay đổi, vậy nên từ thông Φ ở stato thay đổi theo tốc độ. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Sơ đồ thay thế khi hãm động năng Trong chế độ động cơ, động năng rôto (công suất cơ) tính theo tốc độ trượt s (TT quay) Trạng thái hãm động năng rôto được tính theo tốc độ tương đối (TT đứng yên). 0 * Từ sơ đồ thay thế, ta có đồ thị vectơ dòng điện tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ sơ đồ thay thế ta có: 2*' 2 2' 2 *' 2 2' 2 2 * ' 2 ' 2' 2 )X(R E X R E I 2*' 2 2' 2 * ' 2 )X(R IX I ' f2 ' 2 ' 2 RRR với tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Theo đồ thị vectơ ta có: 2 2 ' 2 2 2 ' 2 2 1 )cosI()sinII(I 2 ' 2 2' 2 22 1 sinII2III 2*' 2 2' 2 * 2 2 )X(R X sin với tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Thay I2’ và sinφ2 vào biểu thức I1: 2*' 2 2' 2 2*' 2 22 2*' 2 2' 2 2*22 22 1 )X(R XXI2 )X(R XI II 2' 2 2 12' 2 2 1 * X I I )XX( 1 I I tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng điện rôto: 2*2' 2 2' 2 * ' 2 )XX(R IX I Mô men động cơ: 0 * ' 22' 2 R I.3 M ])XX(R[ RI.3 M 2*2' 2 2' 20 *' 2 2' 2 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đường cong M = f(ω*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ và cho ta những kết quả: ' 2 ' 2* th XX R )XX(2 XI.3 M ' 20 22 1 th * * th * th * thM.2M Khi thay đổi R’2f → R’2Σ thay đổi → ω*th thay đổi và Mth = const Khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc → Mth thay đổi và ω*th = const. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Các đường đặc tính hãm động năng: Đường (1) và (2) có cùng điện trở R’2Σ(1) = R’2Σ(2), nhưng có mô men Mth1 < Mth2 nên dòng điện một chiều tương ứng Imc1 < Imc2. Đường (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở R’2Σ(2) < R’2Σ(3). Nên ω*th1 < ω*th2 Khi thay đổi điện trở phụ mạch rôto hoặc dòng điện một chiều stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi đặc tính tính cơ. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm động năng tự kích từ Ở chế độ động cơ (tiếp K kín, tiếp điểm H hở), khi cho K hở, H kín lại, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm động năng tự kích từ. Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn bên ngoài, mà sử dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto hoặc bộ tụ điện ở mạch stato tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-6: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rh nối vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mômen hãm cực đại đạt được Mh.max = 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho trước: Động cơ 11KW; 220V; n = 953 vg/ph, λ = Mth/Mđm = 3,1; cosφđm = 0,71; cosφo (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω; X1 = 0,465Ω; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ω; X2 = 0,27Ω; và Ke = 1,84. Giải: Trước hết, xác định thêm các thông số của động cơ: tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ góc định mức: )s/rad(8,99 55,9 953 55,9 nđm đm Tốc độ góc từ trường quay: )s/rad(7,104 55,9 1000 0 Mô men định mức: )m.N(2,110 8,99 1000.111000P M đm đm đm Tốc độ trượt định mức: 05,0 7,104 8,997,104 s 0 đm0 đm tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện kháng mạch từ hóa Xμ được xác định theo s.đ.đ. và dòng điện không tải của stato (coi dòng không tải bằng dòng từ hóa): )(05,11 2,19.3 200.84,1 I EK I E X 0.1 nm.f2e 0.1 0.1 Điện kháng rôto qui đổi về stato: )(92,027,084,1X.KX 22 2 e ' 2 Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn: đmmax.hđn.th M5,2MM tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ tới hạn ω*th có thể chọn bằng tốc độ hãm ban đầu: 0đm * bđ * th / Khi đó ta có đặc tính hãm là đường 2. Rõ ràng đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì mômen giảm gần như tuyến tính từ tốc độ ban đầu ωbđ = ωđm cho đến ω = 0. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để cho việc hãm có hiệu quả cao, cần tạo ra một đặc tính cơ đảm bảo bao một diện tích lớn nhất giữa nó với trục tung của đồ thị (vùng gạch sọc). Khi đó mômen hãm trung bình trong toàn bộ quá trình hãm sẽ là lớn nhất. Việc tính toán cho thấy đặc tính cơ dạng này có tốc độ tới hạn: 407,0 * tu.th Vậy đặc tính cơ hãm động năng được chọn là đường (1) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ biểu thức của mômen tới hạn hãm động năng ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1: )A(4,43 05,11.3 )992,005,11(7,104.2,110.5,2 I X3 )XX(2.M I 21 2 ' 20đn.th 1 Qua hệ số tỷ lệ A của sơ đồ nối dây stato vào nguồn điện một chiều khi hãm (ví dụ chọn sơ đồ 1), ta có: Ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết: 815,03/2A )A(53815,0/4,43A/II 1mc tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Giá trị điện trở trong mạch rôto khi hãm: )(87,4)92,005,11(407,0)XX(R '2 * th ' t.2 Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi: )(44,184,1/87,4k/RR 22e ' t.2t2 Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto )(308,1132,044,1rRR 2t2h2 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc: th th th thth s.a2 s s s s )s.a1(M.2 M tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để đảo chiều động cơ, có thể đảo chiều từ trường stato (±ωo), hay đảo thứ tự pha điện áp (u1) động cơ (thường đảo 2 trong 3 pha stato). Khi đảo chiều, dòng đảo chiều rất lớn nên phải cho thêm điện trở phụ vào mạch rôto để hạn chế Iđc.h = Icp. Khi động cơ làm việc ở chiều ngược thì Mth sẽ đảo dấu và sth > 1. Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm B trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo ngược. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.4.1. Đặc tính cơ Khi đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải: p f.2 1 0 tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB này trong phạm vi mômen cho phép M =< Mmax là đường thẳng song song với trục hoành, với độ cứng β = ∞ . Tuy nhiên khi mômen vượt quá trị số cực đại cho phép M > Mmax thì tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ. tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4.2. Đặc tính góc của động cơ Trong nghiên cứu tính toán hệ truyền động dùng động cơ ĐB, người ta sử dụng một đặc tính quan trọng là đặc tính góc. Đặc tính góc của động cơ đồng bộ quan hệ giữa giữa mômen của động cơ với góc lệch vectơ điện áp pha của lưới U1 và vectơ sức điện động cảm ứng E trong dây quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra: M = f(θ) Đặc tính này được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato (r1 ≈ 0). tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN U1 - điện áp pha của lưới (V) E - sức điện động pha stato (V) I - dòng điện stato (A) θ - góc lệch giữa U1 và E φ - góc lệch giữa vectơ điện áp U1 và dòng điện I. Xs = Xμ + X1 - điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng mạch từ hóa Xμ và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato X1 (Ω) tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ đồ thị vectơ )cos(EcosU1 Từ tam giác ABC s 1 X.I sinU CA CB )cos( s 1 1 X.I sinU EcosU s 1 1 X sinU EcosIU tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Công suất 3 pha của động cơ: sin X U.E 3P s 1 Mômen của động cơ: sin X U.E3P M s0 1 0 Phương trình mô men chính là phương trình đặc tính góc của động cơ ĐB. Theo đó ta có đặc tính góc là đường cong hình sin tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi θ = π/2 ta có biên độ cực đại: s0 1 m X U.E3 M Phương trình mô men có dạng gọn: sinMM m Mô men Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha θ tăng, nếu tăng quá mức θ > π/2 → mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc lệch θ = 20o ÷ 25o Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ là: 5,22 M M đm m tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Những điều đã phân tích ở trên chỉ đúng với những động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi rôto có kích từ. Còn đối với những động cơ đồng bộ cực lồi, do sự phân bố khe hở không khí không đều giữa rôto và stato nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ. Do đó đặc tính góc có biến dạng ít nhiều, như đường nét đứt trên hình tungpk@hnue.edu.vn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN tungpk@hnue.edu.vn
File đính kèm:
- bai_giang_truyen_dong_dien_tu_dong_chuong_2_dac_tinh_co_cua.pdf