Giáo trình Truyền động điện

63 trang vanle 2060

Download

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

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_truyen_dong_dien.pdf

Nội dung text: Giáo trình Truyền động điện

Giáo trình: Truyền động điện Lời Mở Đầu Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyên ngành điện công nghiệp, tự động hóa, cơ điện Nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về các phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện, tính chọn được động cơ điện cho các hệ truyền động, phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi, cũng như lựa chọn được các bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu hệ truyền động. Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 11 bài như sau: - Bài 1: Cấu trúc chung của hệ truyền động điện. - Bài 2: Cơ học truyền động điện. - Bài 3: Các đặc tính và các trạng thái làm việc của động cơ điện. - Bài 4: Điều khiển tốc độ truyền động điện. - Bài 5: Ổn định tốc độ của hệ thống truyền động điện. - Bài 6: Đặc tính động của hệ truyền động - Bài 7: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện. - Bài 8: Bộ khởi động mềm. - Bài 9: Bộ biến tần. - Bài 10: Bộ điều khiển máy điện servo. - Bài 11: Bộ điều khiển tốc độ động cơ DC. Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển nhận thức của người học nghề, tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo trình này người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác, đặc biệt là các môn như máy điện, điện tử công suất, trang bị điện. Đối với hệ cao đẳng kỹ thuật và cao đẳng nghề cần nắm vững cả 10 bài của giáo trình. Tuy nhiên trong các bài giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với các cơ cấu sản xuất, các hệ thống truyền động trong công nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn. Để thực hiện biên soạn giáo trình này tác giả đã dựa vào các tài liệu tham khảo chính nêu ở cuối giáo trình, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy ở bậc cao đẳng nghề. Tác giả cố gắng trình bày các vấn đề một cách đơn giản, dễ tiếp thu cho người học. Tuy nhiên do trình độ và thời gian hạn chế nên chắc rằng giáo trình còn nhiều sai sót, rất mong được sự đóng góp xây dựng của bạn đọc. GV: Trương Xuân Linh Page 1
Giáo trình: Truyền động điện GV: Trương Xuân Linh Page 2
Giáo trình: Truyền động điện BÀI 1: CẤU TRÚC CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Định nghĩa hệ truyền động điện. Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ. 2. Hệ truyền đông của máy sản xuất. 2.1. Truyền động của máy bơm nước (hình 1-1) Động cơ điện Đ biến đổi điện năng thành cơ năng tạo ra mômen 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 mômen MCT ngược chiều tốc độ quay  của trục, chính mônem này tác động lên trục động cơ, ta gọi nó là mômen cản MC cân bằng với mômen động cơ: M = MC thì hệ sẽ có chuyển động ổn định với tốc đ không đổi  = const. Hình 1-1. Truyền động của máy bơm nước 2.2. Truyền động mâm cặp máy tiện (hình 1-2) Cơ cấu công tác CT bao gồm mâm cặp MC, phôi ( kim loại) PH được cặp trên mâm và dao cắt DC. Khi làm việc động cơ Đ tạo ra mômen M làm quay trục, qua bộ truyền lực TL. Hình 1-2. Truyền động mâm cặp máy tiện gồm đai truyền và các cặp bánh răng, chuyển động quay được truyền đến mâm cặp 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 mômen cản MC ( thay thế cho MCT ). Cũng tương như ví dụ trước, khi GV: Trương Xuân Linh Page 3
Giáo trình: Truyền động điện M=MC hệ sẽ làm việc ổn định với tốc độ quay  = const và độ cắt của dao trên phôi cũng sẽ không đổi. 2.3. Truyền động của cần trục hoặc máy nâng (hình 1-3) 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 mômen trên cơ cấu công tác MCT và nếu dời điểm đặt của nó về trục động cơ ta sẽ có mômen cản MC (thay thế cho MCT). Còn động cơ Đ tạo ra mômen quay M. Khác với 2 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 của 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 ra chuyển động, tạo ra năng lượng cấp cho trục động cơ. Hình 1-3. Truyền động cần trục 3. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện Hình 1-4. Cấu trúc của hệ truyền động điện Cấu trúc chung của hệ truyền động điện: có thể mô tả khái quát cấu trúc của hệ truyền động điện bằng sơ đồ khối hình 1-4: Trong đó: BĐ: bộ biến đổi dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi số pha, tần số Các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzito, tiristo). GV: Trương Xuân Linh Page 4
Giáo trình: Truyền động điện Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện) Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha roto dây quấn hay lồng sóc, động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, động cơ xoay chiều đồng bộ TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hoặc lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, momen, lực. Để truyền lực có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ CT: Cơ cấu công tác (cơ cấu sản xuất, cơ cấu làm việc) thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ tải trọng, dịch chuyển ). ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BĐ, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực. Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơ le, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn). Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi, có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ Để thuận tiện cho việc khảo sát ta chia các khâu của hệ truyền động điện thành hai phần: phần điện (bao gồm lưới điện, bộ biến đổi BĐ, mạch điện từ của động cơ Đ và các thiết bị điều khiển ĐK) và phần cơ (roto và trục động cơ, khâu truyền lực TL và cơ cấu công tác CT). Việc nghiên cứu hệ thống sẽ được bắt đầu từ phần cơ. 4. Phân loại các hệ truyền động điện Người ta phân loại hệ 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 của hệ thống Từ cách phân loại sẽ hình thành tên gội của hệ, ví dụ: 1.1. Theo đặc điểm của động cơ điện Ta có truyền động điện 1 chiếu (dùng động cơ điện 1 chiều), truyền động điện không đồng bộ (dùng động cơ không đồng bộ), truyền động điện đồng bộ (dùng động cơ đồng bộ), truyền động điện bước (dùng động cơ bước) Truyền động điện 1 chiều được sử dụng cho các máy sản xuất có yêu cầu điều chỉnh tốc độ và mômen. Nó có chất lượng điều chỉnh tốt, tuy nhiên động cơ điện 1 chiều có cấu tạo phức tạp, giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi cần có nguồn 1 chiều. Do đó nếu không cơ yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường sử dụng truyền động điện không đồng bộ. Trong những năm gần đây truyền động điện không đồng bộ phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ 1 chiều. 4.2 Theo tính năng điều chỉnh Ta có truyền dộng không điều chỉnh (động cơ điện chỉ làm việc ở 1 cấp tốc độ) và truyền động điều chỉnh. Các hệ truyền động không điều chỉnh thường phải kết hợp với 1 hợp tốc độ để thực hiện điều chỉnh bằng cơ khí, do đó kết cấu của phần cơ phức tạp, chất lượng điều chỉnh thấp, giá thành máy sản xuất cao. Các hệ điều chỉnh cho phép điều chỉnh tốc độ và mômen của máy sản xuất bằng cách điều chỉnh từ động cơ điện, do đó kết cấu máy đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao và thuận tiện trong thao tác. GV: Trương Xuân Linh Page 5
Giáo trình: Truyền động điện 4.3 Theo mức độ tự động hóa Ta có hệ truyền động điện không tự động và hệ truyền động điện tự động. Các hệ truyền động không tự động thường đơn giản và được sử dụng bất kỳ ở đâu nếu có thể được. Lúc đó phần điện của hệ có thể chỉ có động cơ điện và các khí cụ bảo vệ, đóng cắt. Các hệ truyền động tự động là các hệ truyền động điều chỉnh vòng kín có mạch phản hồi. Chất lượng điều chỉnh của các hệ này rất cao, có thể đáp ứng bất kỳ yêu cầu nào của quá trình công nghệ của máy sản xuất. 4.4. Phân loại khác Như truyền động không đảo chiều và truyền động đảo chiều, truyền động đơn (dùng 1 động cơ) và truyền động nhiều động cơ, truyền động vạn năng (có dung thiết bị biến đổi bán dẫn). 2. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện. 2.1. Phụ tải của truyền động điện. Phụ tải hay chính là cơ cấu công tác của hệ truyền động điện. Phụ tải của hệ truyền động điện rất đa dạng. Tính chất của mỗi loại phụ tải khác nhau sẽ tạo nên những hệ truyền động điện khác nhau. Đặc trưng cho phụ tải của hệ truyền động điện là sự hình thành momen cản tác động lên trục động cơ. Mỗi cơ cấu công tác khác nhau sẽ tạo ra momen cản khác nhau, ví dụ như: momen cản thế năng, momen cản phản kháng, momen cản loại máy tiện, momen cản loại cần trục 2.2. Phần cơ của truyền động điện. Phần cơ của hệ truyền động điện bao gồm các phần tử chuyển động từ roto động cơ cho đến cơ cấu công tác. Mỗi phần tử chuyển động được đặc trưng bởi các đại lượng sau: - Lực tác động (F): N (Niuton) - Momen tác động (M): Nm (Niuton mét) - Tốc độ góc (ω): rad/s (radian/giây) - Tốc độ thẳng (v): m/s (mét/giây) - Momen quán tính (J): kgm2 (kilogam khối mét bình phương) - Khối lượng (m): kg (kilogam khối). Chú ý: Nếu các đại lượng trên cho theo các đơn vị khác thì khi tính toán cần đổi về hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI) như đã nêu trên. Ví dụ, nếu lực cho theo KG, momen cho theo KGm, tốc độ cho theo vòng/phút, quán tính cho theo momen đà GD2 với đơn vị là KGm2, thì: 1KG = 9.8 N; 1KGm = 9.8 Nm; 1 vòng/phút = 9,55 rad/s; GD2 [KGm2] = 4J [Kgm2]. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì? Câu 2: Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào? Lấy ví dụ minh họa ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết? GV: Trương Xuân Linh Page 6
Giáo trình: Truyền động điện Bài 2: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính toán quy đổi các khâu cơ khí của truyền động điện. Như trên đã phân tích thì một hệ truyền động điện bao gồm có phần cơ khí. Nó bao gồm các phần tử chuyển động từ roto động cơ cho đến cơ cấu sản xuất. Mỗi cơ cấu của truyền động đều có các đại lượng ω, M, v, F, J. Để dễ dàng cho việc nghiên cứu và tính toán, người ta thường tính quy đổi tất cả các đại lượng đó về trục động cơ. Nguyên tắc của tính toán quy đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau quy đổi là không thay đổi. Hình 2.1 mô tả cấu trúc cơ học tổng quát của truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng. Ta sẽ đi tính toán, quy đổi các đại lượng trên của cơ cấu này như sau: 1.1. Tính quy đổi momen Mc và lực cản Fc về trục động cơ. i, ηi Jđ, ω, M 1 2 1 I 2 Jt, ωt, Mt 3 3 4 4 v, F G Hình 2.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng. I: Động cơ điện, II: Hộp tốc độ, III: Tang trống quay, IV: Tải trọng Giả sử khi tính toán và thiết kế người ta cho giá trị của momen tang trống Mt qua hộp giảm tốc có tỷ số truyền là i và hiệu suất là ηi. Momen này sẽ tác động lên trục động cơ có giá trị là Mcqđ:  Trong đó: i chính là tỷ số truyền của hộp giảm tốc. i ηt là hiệu suất hộp tốc độ. Giả thiết tải trọng G sinh ra lực Fc có vận tốc chuyển động là v, nó sẽ tác động lên trục động cơ một momen Mcqđ, ta có: GV: Trương Xuân Linh Page 7
Giáo trình: Truyền động điện Trong đó ; 1.2. Tính quy đổi momen quán tính J. Các cặp bánh răng có momen quán tính J1, J2, Jk, momen quán tính tang trống Jt, khối lượng quán tính m và momen quán tính động cơ Jđ đều có ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ truyền động điện. Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền động điện tại điểm này ta gọi là Jqt. Ta có momen quán tính của phần tử thứ i làm việc với tốc độ ωi về tốc độ ω: Đối với phần tử chuyển động thẳng với tốc độ Vi, công thức quy đổi từ khối lượng m về momen quán tính ở tốc độ góc ω như sau: Tổng momen quán tính: 2. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ. 2.1. Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay: ω = f(M) hoặc n = f(M) Trong đó: ω - Tốc độ góc (rad/s). n - Tốc độ quay (vg/ph) M - Mômen (N.m). Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất: Mc = f(ω). Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát: q Mc = Mc0 + (Mđm – Mco)( ) (1-1) GV: Trương Xuân Linh Page 8
Giáo trình: Truyền động điện Trong đó: Mc là mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ ω. Mc0 là mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ ω = 0. Mđm là mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ định mức ωđm ω q= -1 q = 0 q = 1 1: Đặc tính cơ ứng với q = -1. 2: Đặc tính cơ ứng với q = 0. q = 2 3: Đặc tính cơ ứng với q = 1. 4: Đặc tính cơ ứng với q = 2. ωđm Mc Mc0 Hình 2.2 - Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất ứng với các trường hợp máy Mđm sản xuất khác nhau Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các trường hợp tải: q Mc P Loại tải (Công suất) -1 ~ Const Ứng với trường hợp đặc tính cơ của cơ cấu máy quấn dây, cuốn giấy, cơ cấu truyền động chính của các máy cắt gọt kim loại như máy tiện (đường 1). 0 Const ~ ω Các cơ cấu nâng - hạ, băng tải, máy nâng vận chuyển, truyền động ăn dao máy gia công kim loại (đường 2) 1 ~ ω ~ ω2 Máy phát điện một chiều với tải thuần trở (đường 3). 2 ~ ω2 ~ ω3 Đặc tính cơ của các máy thủy khí: bơm, quạt, chân vịt tàu thủy (đường 4) Ngoài ra, theo đặc điểm về chiều tác dụng của Mc so với chiều của tốc độ ω ta chia momen cản thành hai loại sau: - 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 2.3a. - Momen cản phản kháng: luôn luôn chống lại chiều quay như momen ma sát, momen của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại (hình 2.3b) GV: Trương Xuân Linh Page 9
Giáo trình: Truyền động điện ω ω M‟c Mc Mc M M M‟c a) b) Hình 2.3:a): Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng b): Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng. 2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện. Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M=f(ω). Hình 2.4 trình bày dạng đặc tính cơ của một số động cơ điện thường gặp. ω 1 Đường 1: Động cơ điện đồng bộ. ω0 2 Đường 2: Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. 3 Đường 3: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đường 4: Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. 4 Mc Hình 2.4: Đặc tính cơ của các động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích sau. Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số như điện áp, dòng điện của động cơ là định mức theo thông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị là Mđm, ωđm. Mỗi động cơ chỉ có một đường đặc tính cơ tự nhiên. Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng hoặc có sự thay đổi mạch nối. Mỗi động cơ có thể có rất nhiều đặc tính cơ nhân tạo. Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β và được tính: GV: Trương Xuân Linh Page 10
Giáo trình: Truyền động điện β lớn, ta có đặc tính cơ cứng, β nhỏ ta có đặc tính cơ mềm, β→∞ ta có đặc tính cơ tuyệt đối cứng. Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ ít thay đổi khi momen biến đổi lớn. Truyền động có đặc tính cơ mềm, tốc độ giảm nhiều khi momen tăng (hình 2.5). Trên hình vẽ: Đường 1: Đặc tính cơ mềm; Đường 2: Đặc tính cơ cứng; Đường 3: Đặc tính cơ tuyệt đối cứng. ω 1 ∆ω2 2 ∆ω1 3 M Hình 2.5: Độ cứng đặc tính cơ. ∆ 3. Các trạng thái làm việc xác lập củaM h ệ truyền động điện. Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện. Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ = M.ω cấp cho máy sản xuất (sau khi đã có tổn thất ∆P). Công suất cơ Pcơ có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn. Momen của máy sản xuất được gọi là momen phụ tải hay momen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dấu dương, ngược lại với dấu momen của động cơ. Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động điện là: Trong đó: Pđ - công suất điện; Pc – công suất cơ; ∆P – tổn thất công suất. Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động cơ gồm: Trạng thái động cơ và trạng thái hãm. Trạng thái động cơ: Gồm trạng thái có tải và không tải Trạng thái hãm: Gồm hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. - Hãm tái sinh: Pđiện 0, Pcơ < 0 : điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất ∆P - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0: cơ năng biến thành tổn thất ∆P. GV: Trương Xuân Linh Page 11
Giáo trình: Truyền động điện Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ω(M) ở 4 góc phần tư như hình 2.6. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Thế nào là momen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ? Lấy ví dụ một cơ cấu có momen cản thế năng. Câu 2: : Thế nào là momen cản phản kháng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ? Lấy ví dụ một cơ cấu có momen cản phản kháng. Câu 3: Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng quát của nó và giải thích các đại lượng trong phương trình? Câu 4: Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện, cần trục, máy bào, máy bơm. Câu 5: Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng M và Mc? GV: Trương Xuân Linh Page 12
Giáo trình: Truyền động điện BÀI 3: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm. A. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song (hình 3.1). U _ + _ + kt Uư Rkt Ckt Rkt Ck Ikt Ik t Rf Eư t Iư Rf Eư _ Iư Uư + Hình 3.1: Sơ đồ nối dây động cơ điện Hình 3.2: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song. một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (hình 3.2), lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. 1.1. Đặc tính của động cơ. 1.1.1. Phương trình đặc tính cơ. Theo sơ đồ hình 3.1 và hình 3.2, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạnh phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (3.1) Trong đó: - Uư là điện áp phần ứng động cơ, (V) - Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V). - Rư là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) - Rf là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) - Iư là dòng điện phần ứng động cơ (A). Với Rư = rư + rct + rcb + rcp rư - Điện trở cuộn dây phần ứng. rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. rcb - Điện trở cuộn bù. rcp - Điện trở cuộn cực từ phụ. GV: Trương Xuân Linh Page 13
Giáo trình: Truyền động điện Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: (3 - 2) Trong đó: p - Số đôi cực từ chính N – Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a – Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. Φ – Từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb). ω – Tốc độ góc (rad/s) là hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng / phút) thì: (3 - 3) Và Vì vậy - hệ số sức điện động của động cơ. Từ (3 - 1) và (3 - 2) ta có: (3 - 4) Biểu thức (3 - 4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện. Mặt khác momen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: (3 - 5) Suy ra Thay giá trị của Iư vào (2 - 4) ta được: (3 - 6) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen trên trục động cơ bằng momen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M (3 - 7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. GV: Trương Xuân Linh Page 14
Giáo trình: Truyền động điện ω ω I M Iư = Ic Inm M= Mc Mnm a) b) Hình 3.3: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (3 - 4) và phương trình đặc tính cơ (3 - 7) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình (3.3a) và hình (3.3b) là những đường thẳng. Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0, ta có: (3 - 8) ω0 gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi ω = 0 ta có: (3 - 9) Và (3 - 10) Inm, Mnm gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch. Từ (3 - 7) ta có thể xác định được độ cứng đặc tính cơ: 1.1.2. Đặc tính tự nhiên. Theo định nghĩa, đặc tính tự nhiên sẽ tương ứng với trường hợp Rf = 0, Uư = Uđm Φ = Φđm. Thay các số liệu đó vào (3 - 4), (3 - 6) ta sẽ được phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ tự nhiên: Tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng đặc tính cơ tự nhiên là: GV: Trương Xuân Linh Page 15
Giáo trình: Truyền động điện Ta có thể vẽ được đặc tính cơ và đặc tính cơ tự nhiên nhờ các số liệu của động cơ như công suất định mức Pđm (KW), tốc độ ωđm (rad/s), điện áp Uđm (V), dòng điện Iđm (A), hiệu suất ηđm, điện trở phần ứng Rư (Ω). Vì đặc tính là đường thẳng nên chỉ cần xác định hai điểm: điểm không tải [0; ω0] và điểm định mức [Mđm; ωđm]. Cũng có thể dùng điểm không tải và điểm ngắn mạch [Mnm; 0] hoặc [Inm, 0]. Tọa điểm các điểm nêu trên được xác định như sau: với trong đó Pđm (W), ωđm (rad/s) Hoặc: Thường người ta vẽ các đặc tính tự nhiên qua điểm không tải và điểm định mức, ta được đồ thị hình 3.4. ω ω ω0 ω0 đm đm Mnm M Inm I Hình 3.4: a) Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điệ n một chiều kích từ độc lập; b) Đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Có trường hợp phải tính Iđm thông qua hiệu suất ηđm: Nếu chưa cho 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 1 nửa toàn bộ tổn thất trong động cơ: , (Ω) Sau khi vẽ được đặc tính tự nhiên thì chính nó lại là các số liệu cho trước để tính toán các đặc tính nhân tạo cũng như giải các bài toán khác. GV: Trương Xuân Linh Page 16
Giáo trình: Truyền động điện 1.1.3. Các đặc tính nhân tạo. Từ (3 - 4), (3 - 6) 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, điện áp phần ứng, từ thông Φ. 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 Φ = Φđm = const, bằng cách nối thêm 1 biến trở Rf vào mạch phần ứng, thì ta sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này. Khi đó, ứng với mỗi giá trị của Rf ta được một đường đặc tính nhân tạo với các phương trình sau: Trong đó tốc độ không tải được giữ không đổi (bằng tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính tự nhiên): Độ sụt tốc ứng với một giá trị momen Mc hoặc một giá trị dòng điện Iư = Ic nào đó sẽ lớn hơn sụt tốc của đặc tính tự nhiên, và tỷ lệ với điện trở tổng trong mạch phần ứng: Hoặc nói cách khác, độ cứng đặc tính nhân tạo biến trở tỷ lệ nghịch với điện trở tổng: Như vậy, càng tăng Rf đặc tính nhân tạo càng mềm. Tất cả các đặc tính này đều thấp hơn đặc tính tự nhiên và đều đi qua điểm không tải lý tưởng [0; ω0]. Từ các nhận xét trên, ta thấy các đặc tính nhân tạo biến trở được tạo ra nhờ sự thay đổi độ cứng β (còn tốc độ không tải lý tưởng được giữ không đổi). Họ đặc tính cơ biến trở được vẽ trên hình 3.5. b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng. Khi giữ từ thông không đổi Φ = Φđm = const và không nối thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng (Rf = 0, 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 3.6. 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: GV: Trương Xuân Linh Page 17
Giáo trình: Truyền động điện Độ sụt tốc trên các đặc tính nhân tạo so với khi không tải lý tưởng sẽ không phụ thuộc điện áp và bằng độ sụt tốc trên đặc tính tự nhiên. Tương tự, độ cứng đặc tính nhân tạo biến áp không phụ thuộc điện áp Uư: Hình 3.6: Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp phần ứng. c) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi từ thông. Nếu giữ điện áp phần ứng không đổi Uư = Uđm = const, không nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, tức Rf = 0, Rư= const, bằng cách thay đổi dòng kích từ ta sẽ làm thay đổi từ thông Φ và sẽ nhận được họ đặc tính nhân tạo tương ứng (hình 3.7), trong đó: - Tốc độ không tải lý tưởng tỷ lệ nghịch với từ thông: (K) 2 - Độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo tỷ lệ với bình phương từ thông:  Ru GV: Trương Xuân Linh Page 18
Giáo trình: Truyền động điện Cần phân biệt dạng của họ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện khi t Thay đổi từ thông như trên hình 3.7a và 3.7b. Đối với đặc tính cơ điện, tất cả đều đi qua điểm ngắn mạch [Inm; 0] Còn ở họ đặc tính cơ thì mỗi đường (ứng với mỗi giá trị Φ) có một giá trị Mnm tương ứng: Mnm = KΦInm =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 Φ < Φđm. 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 Mc cho phép, tốc độ trên các đặc tính cơ nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên. 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: 2200 vòng/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: 1,26Ω. a) xây dựng đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: là điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]. Hoặc điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; ωđm] và điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]. Tốc độ góc định mức: Mômen (cơ) định mức: Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức: [28,6 ; 230,3]. Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được: Tốc độ không tải lý tưởng: Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên như đường 1 trên hình 3.8. Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch [Mnm; 0]: Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức sau hoặc xác định theo số liệu lấy trên đường đặc tính hình 3.8: GV: Trương Xuân Linh Page 19
Giáo trình: Truyền động điện b) Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo. 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]: Ta tính được giá trị momen cơ định mức: Và tính tốc độ góc nhân tạo: Ta có tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo (28,66; 183,3). Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng như đường 2 trên hình 3.8: ω (rad/s) 241,7 230,3 1 183,3 2 0 M (Nm) 28,66 Hình 3.8 : Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo 1.2. Trạng thái khởi động. U R Từ phương trình đặc tính cơ điện đã có:  u I K K u Với đặc tính tự nhiên (R = Rư) khi khởi động, ta thấy dòng điện khởi động lúc ban đầu là: Ở những động cơ công suất trung bình và lớn, Rư thường có giá trị khá nhỏ, nên dòng ban đầu (dòng ngắn mạch) lớn, Inm = (20 ÷25).Iđm. Với giá trị dòng điện khởi động lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động, hãm máy nhiều lần trong quá trình làm việc. Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm điện áp nguồn đặt vào phần ứng động cơ điện hoặc nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Phương pháp thứ nhất được sử dụng trong những hệ thống có bộ biến đổi điện áp. Phương pháp thứ hai thường sử dụng khi GV: Trương Xuân Linh Page 20
Giáo trình: Truyền động điện động cơ được cung cấp điện áp cố định. Sau đây ta sẽ khảo sát phương pháp khởi động dùng các điện trở phụ. Sơ đồ nối dây của động cơ được trình bày trên hình 3.9: _ + U ư Rk Ckt t Ikt K2 K1 E R Iư Rf2 f1 Hình 3.9: Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ độc lập khởi động 2 cấp. Trị số của điện trở phụ tổng mắc trong mạch khởi động được chọn sao cho khi khởi động (ω = 0) thì dòng điện khởi động không vượt quá 2,5 Iđm để đảm bảo cho động cơ và các cơ cấu truyền động. Ngoài ra Inm cũng không nên quá nhỏ khiến cho Mnm cũng nhỏ đi so với momen cản. Thông thường : (3 - 11) Khi tốc độ tăng lên dòng điện phần ứng giảm dần theo biểu thức: (3 - 12) Muốn cho quá trình tăng tốc độ được tiến hành đều đặn và để cho động cơ làm việc ổn định ở tốc độ cao trên đặc tính tự nhiên ta phải cắt dần các điện trở phụ. Việc cắt dần điện trở phụ nhờ các tiếp điểm 1K, 2K của các công tắc tơ. Quá trình khởi động động cơ sẽ làm việc trên một loạt đường đặc tính nhân tạo có độ dốc giảm dần tương ứng với việc cắt dần các điện trở phụ tại các điểm g, e, c; cuối cùng động cơ tăng tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên và làm việc ổn định tại điểm A. Ở đó dòng điện động cơ bằng dòng tải (I = Ic). Để xác định trị số điện trở phụ khởi động ta có thể sử dụng phương pháp đồ thị như sau: - Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên (hình 3.1) - Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động động cơ: (3 - 13) (3 - 14) - Từ điểm a (I1) kẻ đường a 0 nó sẽ cắt I2 = const tại b, từ b kẻ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại c, nối c 0 nó sẽ cắt I2 = const tại d, từ d kẻ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại e, Cứ như vậy cho đến khi nó gặp đường đặc tính cơ tự nhiên của điểm giao nhau của đường đặc tính cơ tự nhiên và I1 = const, ta sẽ có đặc tính khởi động abcde XL GV: Trương Xuân Linh Page 21
Giáo trình: Truyền động điện ω ω0 h T N ω2 e d 2 ω1 c b 1 a I 0 Ic I2 I1 Hình 3.10: Các đặc tính khởi động qua hai cấp điện trở. - Xác định các điện trở khởi động: Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ ∆ω trên trên các đặc tính đã vẽ được ứng với một dòng điện, ví dụ với I1: ; Lập tỉ số: Từ đó rút ra: Qua đồ thị ta có: (3 - 15) Tương tự như vậy: (3 - 16) Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ: R1 = Rư + Rf(1) = Rư + (Rf1 + Rf2) (3-17) R2 = Rư + Rf(2) = Rư + (Rf2) 1.3. Các trạng thái hãm. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay. Trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. a) Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới). Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: Eư > Uư, động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ. GV: Trương Xuân Linh Page 22
Giáo trình: Truyền động điện Khi hãm tái sinh: (3 - 18) Mh = KΦIh ω0. Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự như (3 - 7) nhưng momen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong 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 trả về lưới điện có giá trị P = (E - U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ 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 nhất. Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu momen do trọng tải 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. Hình 3.11: Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trên hình 3.11 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 ω0 ta cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên. Khi tốc độ vượt quá ω > ω0, momen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành momen hãm đến điểm A, momen Mh = Mc, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ω0đ, trong trạng thái hãm tái sinh. 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 a, ta đưa thêm Rf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm b. 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 c, 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 d momen động cơ cân bằng với momen GV: Trương Xuân Linh Page 23
Giáo trình: Truyền động điện cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ωođ, cd là đoạn đặc tính hãm ngược. Khi hãm ngược vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên: (3 - 19) (3 - 20) Hình 3.12: Đặc tính cơ khi hãm ngược khi đưa điện trở phụ 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 phương trình đặc tính biến trở. - Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. ω _ + Uư ω 0 E B A R C I HN kt kt I U M C kt M(I) Rf c Mc E D ωođ Iư b) - ω a) 0 Hình 3.13: a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư. b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo Uư. GV: Trương Xuân Linh Page 24
Giáo trình: Truyền động điện Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ: (3 - 21) (3 - 22) Biểu thức (3 - 21) biểu thị dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm lúc này có thể khá lớn; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép: Ihđ ≤ (2 † 2,5)Iđm Phương trình đặc tính cơ: (3 - 23) 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 đã 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: Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: (3 - 24) Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là ωhđ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu: (3 - 25) (3 - 26) (3 - 27) Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn (các đoạn B1O hoặc B2O), còn nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại ( ) GV: Trương Xuân Linh Page 25
Giáo trình: Truyền động điện - Hãm động năng tự kích từ : Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phuc nhược điểm này người ta dùng phương pháp hãm động năng tự kích từ. Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: (3 - 28) Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũng giảm dần và là hàm của tốc độ, vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ giống như đặc tính không tải của máy phát tự kích từ. Hình 3.15: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích. b) Đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích. So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độ hãm ban đầu, nhất là tốn ít năng lượng hơn. B. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp. Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ trên hình 3.16. Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thôngcủa động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng. GV: Trương Xuân Linh Page 26
Giáo trình: Truyền động điện 1.1. Đặc tính cơ của động cơ. 1.1.1. Phương trình đặc tính cơ. Theo sơ đồ hình 3.16, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Với Trong đó: rư - Điện trở cuộn dây phần ứng. rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. rkt - Điện trở cuộn dây kích từ. rctf - Điện trở cuộn cực từ phụ. Sau khi biến đổi ta nhận được: (3 - 29) (3 - 30) Trong các phương trình trên từ thông Φ biến đổi phụ thuộc dòng điện trong mạch kích từ theo đặc tính từ hóa (1) hình 3.17: Φ 2 1 ωđm I kđm Ikt Hình 3.17: Đặc tính từ hóa của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Để đơn giản khi thành lập phương trình các đặc tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính với dòng điện kích từ như đường 2 , với C là hệ số tỷ lệ. Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ thì: (3 - 31) Thế vào phương trình (3 - 29) ta được: (3 - 32) GV: Trương Xuân Linh Page 27
Giáo trình: Truyền động điện Trong đó: và Ta cũng có: (3 - 33) Thay (3 - 33) vào (3 - 32) ta được: (3 - 34) Trong đó: Biểu thức (3 - 32) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ và phương trình (3 - 34) là phương trình đặc tính cơ của động cơ. Dạng của đặc tính này được biểu diễn trên hình 3.18. Ta thấy các đặc tính này có dạng hyperbol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn định mức. Ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hòa nên từ thông hầu như không đổi và đặc tính có dạng gần tuyến tính. ω ω ωđm TN ωđm TN ω1 ω1 NT ,R NT1, Rf1 1 f1 I M Iđm Mđ a) b) m Hình 3.18: a) Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tương sẽ là vô cùng lớn. Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư: Φdư=(2÷10)Φđm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị là: Tốc độ ω0t này thường rất lớn so với định mức, nên thực tế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải. Ngoài ra, nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó ta có nhận xét sau: - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó cho những truyền động cơ yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về momen. Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn GV: Trương Xuân Linh Page 28
Giáo trình: Truyền động điện hơn định mức, do đó momen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện. Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về momen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độ lập. Nhờ có ưu điểm đó mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu momen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép - Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện. Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài. 1.1.2. Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Do quan hệ Φ = f(Iư) là phi tuyến nên để vẽ các đặc tính cơ điện và các đặc tính cơ của động cơ người ta sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa vào các đường cong thực nghiệm đã cho. Vì các động cơ một chiều kích từ nối tiếp cùng loại đều có khe hở không khí và mức độ bão hòa từ không khác nhau nhiều nên các quan hệ tốc độ ω, momen M với dòng điện I theo đơn vị tương đối gần như trùng nhau. Người ta gọi các quan hệ là các đặc tính vạn năng và được xác định bằng thực nghiệm. Các đặc tính này biểu diễn trên hình 3.19. Hình 3.19: Các đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. 1.1.3. Các đặc tính nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, người ta thường sử dụng các đặc tính nhân tạo „biến trở‟ (dùng thêm Rf). Các đặc tính nhân tạo biến đổi điện áp có thể gặp trong vài trường hợp, ví dụ khi đổi nối, các cặp động cơ giống nhau từ nối song song sang nối nối tiếp vào một nguồn điện áp. Còn đặc tính thay đổi từ thông thì rất ít gặp. Vì vậy ở đây ta chỉ quan tâm đến đặc tính nhân tạo „biến trở‟. Các đặc tính nhân tạo biến trở, với sơ đồ nối điện trở phụ như trên hình 3.17, sẽ được tính toán dựa trên đường đặc tính tự nhiên (với Rf = 0). Giả sử ta đã có đặc tính tự nhiên (được suy ra từ đặc tính vạn năng nêu trên) như hình 3.20. Lấy một giá trị I1 nào đó, dóng lên đặc tính này ta có tốc độ tương ứng ω1. Có thể biểu thị ω1 theo phương trình đặc tính cơ tự nhiên: GV: Trương Xuân Linh Page 29
Giáo trình: Truyền động điện Nếu theo phương trình đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ Rf thì ứng với I1 ta có tốc độ: So sánh hai biểu thức trên ta có biểu thức xác định ωnt1: Như vậy với I1 đã chọn và ω1 tra được trên đặc tính tự nhiên, ta sẽ tính ra giá trị ωnt1 trên đường đặc tính nhân tạo cần tìm. Với I1 và ωnt1 ta xác định được một điểm trên đặc tính nhân tạo. Làm tương tự như vậy với các giá trị I2, I3, ta có ωnt2, và cuối cùng vẽ được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ Rf (hình 3.20) 1.2. Trạng thái khởi động. Tương tự như động cơ một chiều kích từ độc lập, để hạn chế dòng điện khởi động ta cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, sau đó thì loại dần đi để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. a) Xây dựng đặc tính cơ khi khởi động Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình 3.21. ω _ + U A XL TN h f ω2 e K2 K1 d 1 ω c Ckt 1 b e E 2 Iư Rf2 Rf1 a Ikt Iư 0 Ic I2 I1 a) b) Hình 2.21: a) Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ nối tiếp khởi động 2 cấp b) Các đặc tính cơ khi khởi động. Quá trình xây dựng đặc tính khởi động theo các bước sau: 1. Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng, vẽ ra đặc tính cơ tự nhiên. 2. Chọn dòng điện giới hạn I1 ≤ (2÷2,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động R = Uđm/I1. Ta kẻ đường I1 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại e. 3. Chọn dòng chuyển khi khởi động I2 = (1,1÷1,3)Ic . Kẻ đường I2 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại f, và nó cũng cắt đặc tính nhân tạo dốc nhất (có R) tại b theo biểu thức: GV: Trương Xuân Linh Page 30
Giáo trình: Truyền động điện Kẻ các đường ef và ab kéo dài, chúng sẽ cắt nhau tại A, từ A dựng tiếp các đường đặc tính khởi động tuyến tính hoá thoả mãn các yêu cầu khởi động và ta có đường khởi động abcdefXL b) Tính các điện trở khởi động. Theo phương pháp tuyến tính hoá trên, điện trở phụ tổng được tính Rf = R - Rư ta có điện trở phụ các cấp: (3 - 35) 1.3. Trạng thái hãm. Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ ω0t rất lớn nên động cơ chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh. Phương pháp hãm ngược và hãm động năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp cũng giống như ở động cơ một chiều kích từ độc lập. a) Trạng thái hãm ngược. - Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc tại A, đóng Rf lớn vào phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang B, C và sẽ thực hiện hãm ngược đoạn CD (ứng với tải thế năng). ω _ + U TN A B Rf Ckt C M 0 HN Iư E Rf Ikt D Hình 3.22: a) Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ nối tiếp khi hãm ngược. b) Đặc tính hãm ngược, đoạn CD Dòng điện hãm ngược được tính như sau: (3 - 36) - Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng. Động cơ đang làm việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên với: Uư > 0, quay với chiều ω > 0, làm việc ở chế độ động cơ, chiều mômen trùng với chiều tốc độ; Nếu ta đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng Uư< 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) và vẫn giữ nguyên chiều dòng kích từ thì dòng điện phần ứng sẽ đổi chiều Iư < 0 do đó mômen đổi chiều, động cơ sẽ chuyển sang điểm B trên đặc tính hình 3.22, đoạn GV: Trương Xuân Linh Page 31
Giáo trình: Truyền động điện BC là đoạn hãm ngược, và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Lúc hãm động năng, dòng hãm và mômen hãm của động cơ: (3 - 37) Phương trình đặc tính cơ: (3 - 38) Rf được tính để sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép (Ih ≤ 2,5Iđm). ω 1 + U _ B ωbđ A 2 R f HN M‟ c M C Mc Ckt ω E D ôđ Ikt Ikt a) b) Hình 3.23: a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng. b) Các đặc tính khi hãm ngược. b) Trạng thái hãm động năng. - Hãm động năng kích từ độc lập: Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A, hình 3.24), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện qua điện trở phụ sao cho dòng kích từ có chiều và trị số không đổi (Iktđm), và như vậy giống với trường hợp hãm động năng kích từ độc lập của động cơ một chiều kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: (3 - 39) Trong đó: Điện trở hãm Rh được tính sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: (3 - 40) Nên: GV: Trương Xuân Linh Page 32
Giáo trình: Truyền động điện ω + _ U B2 B1 ωbđ A Rkt HĐN Rf1 Ckt Rf2 E M Mbđ2 0 Iư C2 Ikt ωôđ2 Mbđ1 ωôđ1 Rh C1 Hình 3.24: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập động cơ một chiều kích từ nối tiếp. b) Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập - Hãm động năng tự kích từ : Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng nối tiếp vào một điện trở hãm Rh, nhưng dòng kích từ vẫn phải được giữ nguyên theo chiều cũ do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: (3 - 41) Và từ thông giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích. ω _ + U B2 B1 A ωhđ HĐN R R h1 Ckt h2 E M M Mhđ1 Iư hđ2 Ikt ωôđ2 C2 ωôđ1 C1 Rh a) b) \ Hình 3.25: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích từ động cơ một chiều kích từ nối tiếp. b) Các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ. 2. Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm. Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng kích thước nhỏ hơn khi cùng công suất định mức so với động cơ một chiều. 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. GV: Trương Xuân Linh Page 33
Giáo trình: Truyền động điện Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ roto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. ĐKls ĐKdq Hình 3.26: Động cơ không đồng bộ lồng sóc (ĐKls) và dây quấn (ĐKdq) Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: Động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc (còn gọi là động cơ roto ngắn mạch). 2.1. Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ. 2.1.1. 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 3.27 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ. Khi nghiên cứu người ta đưa ra một số giả thiết sau đây: - Ba pha của động cơ là đối xứng. - Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bão hoà nên điện trở, điện kháng, không thay đổi. - Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stator. - Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. - Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng. Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ như hình 3.27: ‟ I1 X1 R1 X 2 ‟ Xμ I ‟ 2 R 2/s Uf1 Iμ R R‟ /s μ 2f Hình 3.27: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ. Trong đó: Uf1 là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V). ‟ Iμ, I1, I 2 là các dòng từ hóa, stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato. ‟ Xμ, X1, X 2 là điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator và điện kháng tản roto đã quy đổi về stator. ‟ Rμ, R1, R 2 là các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và roto đã quy đổi về stato. GV: Trương Xuân Linh Page 34
Giáo trình: Truyền động điện ‟ R 2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha roto đã quy đổi về stator. s – độ trượt của động cơ. (3 - 42) ω1 là tốc độ của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ. (3 - 43) Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato. p là số đôi cực từ động cơ. ω là tốc độ góc của động cơ. Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stator: (3 - 44) ‟ ‟ ‟ R 2Σ = R 2 + R 2f là điện trở tổng mạch roto. ‟ Xnm = X1δ + X 2δ là điện kháng ngắn mạch. Biểu thức (3 - 44) là phương trình đặc tính dòng điện stator và có thể biểu diễn trên hình 3.28. Hình 3.28: Đặc tính dòng điện stator của động cơ không đồng bộ. Từ (3 - 44) ta thấy: Khi ω = 0, s = 1 thì I1 = I1nm. Khi ω = ω1, s = 0 ta có: GV: Trương Xuân Linh Page 35
Giáo trình: Truyền động điện (3 - 45) I1nm là dòng điện ngắn mạch stator. Iμ là dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay với tốc độ đồng bộ. Ta cũng tính được dòng điện roto quy đổi về stato: (3 - 46) ‟ Khi ω = ω1, s = 0 thì I 2 = 0 Khi ω = 0, s = 1 thì (3 - 47) Đặc tính dòng điện roto biểu diễn trên hình 3.29: ω s Rf =0 Rf ≠0 0 1 ‟ ‟ I 2nm I 2 Hình 3.29: Đặc tính dòng điện roto của động cơ không đồng bộ. Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện từ chuyển từ stator sang roto: P12 = Mđt.ω1 Mđt là momen điện từ của động cơ. Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ = M. Công suất đó chia thành 2 phần: Pcơ: Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ. ∆P2: Công suất tổn hao đồng trong roto. P12 = Pcơ + ∆P2 Hay M.ω1 = M.ω + ∆P2. Do đó: ∆P2 = M(ω1 - ω) = M ω1s (3 - 48) Mặt khác: (3 - 49) Nên: (3 - 50) GV: Trương Xuân Linh Page 36
Giáo trình: Truyền động điện ‟ Thay giá trị I 2 đã tính được ở trên vào (3 - 50) và biến đổi ta có (3 - 51) Biểu thức (3 - 51) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 3.30. Đó là đường cong có điểm cực trị, gọi là điểm „tới hạn‟ ứng với tọa độ: Độ trượt tới hạn: (3 - 52) Và momen tới hạn: (3 - 53) Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Hình 3.30: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Ngoài ra, khi nghiên cứu các hệ truyền động điện với động cơ không đồng bộ người ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ s ≤ sth Hình 3.31: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ω = f(M) trong chế độ động cơ. GV: Trương Xuân Linh Page 37
Giáo trình: Truyền động điện Đặc tính trên hình 3.31, tất nhiên lúc này phương trình (3 - 53) ứng với dấu (+). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách thành lập tỷ số giữa (3 - 52) và (3 - 53), biến đổi sẽ được phương trình đặc tính cơ: (3 - 54) Trong đó Đối với các động cơ công suất lớn thường Rf rất nhỏ so với Xnm, lúc này có thể bỏ qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, asth = 0 và (3 - 54) có dạng gần đúng: (3 - 55) Trong đó: (3 - 56) (3 - 57) Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách tuyến tính hóa các đặc tính trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s << sth, tỷ số nhỏ, gần đúng coi s/sth = 0. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản: (3 - 58) Nó chính là đường tiếp tuyến với đường đặc tính cơ tại điểm đồng bộ ω1: Đường 1 trên hình 3.31 Cũng có thể tuyến tính hóa đoạn làm việc qua điểm định mức như đường 2 trên hình 3.31. Phương trình gần đúng là: (3 - 59) Từ dạng đặc tính cơ biểu diễn trên hình 3.31 ta thấy độ cứng của đặc tính cơ biến đổi cả về trị số lẫn về dấu tùy theo điểm làm việc: (3 - 60) Với đặc tính tuyến tính hóa đường 1 hình 3.31: GV: Trương Xuân Linh Page 38
Giáo trình: Truyền động điện Vậy: (3 - 61) Tương tự với đặc tính 2 trên hình 3.30: (3 - 62) Như vậy trên đoạn làm việc của đặc tính cơ động cơ không đồng bộ β có giá trị âm và gần như không đổi. Đối với đoạn đặc tính s > sth khi s >> sth bỏ qua sth /s và phương trình đặc tính cơ sẽ là: (3 - 63) Và (3 - 64) Trong đoạn này độ cứng β là dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ không đồng bộ không làm việc trên đoạn đặc tính này. 2.1.2. Đặc tính tự nhiên. Đặc tính cơ tự nhiên nhận được từ phương trình (3 - 54), (3 - 55) khi thay các số liệu định mức trong catalo để xác định các đại lượng Mth, sth. Nó cũng tương ứng với trường hợp thay các số liệu định mức của nguồn và Rf = 0 vào các phương trình (3-51), (3-52), (3-53). Khi cho trước công suất định mức Pđm(KW), tốc độ nđm(vg/ph), hệ số momen cực đại (momen tới hạn) λ = Mth/Mđm và biết tốc độ từ trường quay ω0, ta có: ; ; Thay vào (3 - 55) các giá trị M = Mđm; Mth = λMđm, ta rút ra biểu thức xác định độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên: (3 - 65) Cuối cùng, thay Mth, sth vào (3 - 55), ta được phương trình của đặc tính cơ tự nhiên. Nếu tuyến tính hóa đoạn công tác của đặc tính này qua điểm không tải lý tưởng và điểm định mức (đường 2 trên hình 3.31) thì có thể biểu thị đặc tính cơ tự nhiên bằng phương trình: (3 – 66) Như vậy, một cách gần đúng ta có độ cứng đặc tính cơ trong đoạn công tác là: (3 - 67) Và (3 - 68) Nghĩa là độ cứng đặc tính cơ tự nhiên tỷ lệ nghịch với độ trượt định mức. 2.1.3. Các đặc tính nhân tạo. GV: Trương Xuân Linh Page 39
Giáo trình: Truyền động điện Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ta thấy có thể tạo ra các đặc tính cơ nhân tạo bằng cách thay đổi một trong các thông số sau: - Thay đổi điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm R1f và X1f vào mạch stator) - Thay đổi điện trở mạch roto (nối thêm R2f vào mạch roto đối với đ/c roto dây quấn). - Thay đổi điện áp lưới cấp cho động cơ. - Thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ f1. Ngoài ra việc thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ (trường hợp này xảy ra với động cơ nhiều cấp tốc độ) Ta sẽ đi nghiên cứu một số các họ đặc tính cơ nhân tạo: a) Họ đặc tính thay đổi điện áp lưới (Ul): Khi điện áp lưới suy giảm, theo biểu thức (3-53) thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của Ul. Trong khi đó tốc độ đồng bộ ω0 hệ số trượt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi Ul giảm như hình 3.32. ω s Mc(ω) TN (Uđm) ω0 U1 0 sth R1f >0 M Mnmf Mnm M th Hình 3.33: Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở, điện kháng mạch stato. GV: Trương Xuân Linh Page 40
Giáo trình: Truyền động điện Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ = Mnmf thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện kháng phụ (X1f) cứng hơn đặc tính có R1f. Khi tăng X1f hoặc R1f thì Mth và sth đều giảm. Khi dùng X1f hoặc R1f để khởi động nhằm hạn chế dòng khởi động, thì có thể dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch để xác định X1f hoặc R1f c) Họ đặc tính khi thay đổi điện trở, điện kháng mạch rôto. Mc TN R2f1, X2f1 > 0 R2f2 > R2f1 X2f2 > X2f1 Mth M Hình 3.34: Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở, điện kháng mạch rôto. Khi thêm điện trở phụ (R2f), điện kháng phụ (X2f) vào mạch rôto động cơ, thì ω0 = const, và theo (3-52), (3-53) thì Mth = const; còn sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình 3.34. Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi có R2f, X2f càng lớn thì sth càng tăng, độ cứng đặc tính cơ càng giảm, với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f càng lớn thì tốc độ làm việc thấp, và dòng điện khởi động càng giảm. d) Họ đặc tính khi thay đổi tần số lưới cung cấp cho động cơ. Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (fl) thay đổi thì tốc độ từ trường và tốc độ của động cơ ω sẽ thay đổi theo. Vì , và X = ω.L, nên ω0 ≡ fl và X ≡ fl ω M (ω) c ω f14 > f13 04 f > f ω03 13 1đm ω 0 TN, f1đm ω01 f11 f1đm) thì Mth sẽ giảm (với điện áp nguồn Ul = const), do vậy: (hình 3.35) GV: Trương Xuân Linh Page 41
Giáo trình: Truyền động điện Khi tần số nguồn giảm fl < f1đm càng nhiều, nếu giữ nguyên điện áp Ul không đổi, thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra momen như trong chế độ định mức. Ví dụ: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐKdq) có: Pđm = 850KW; Uđm = 6000V; nđm = 588vg/ph; λ = 2,15 ; E2đm = 1150V ; I2đm = 450A. Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha rôto là: R2f = 0,75Ω Giải: Với động cơ có công suất lớn, ta có thể sử dụng phương trình gần đúng (3 - 55) coi R1 rất nhỏ hơn R2 tức a = 0. Độ trượt định mức: Momen định mức: * hoặc M đm =1 Momen tới hạn: Điện trở định mức: Điện trở dây quấn roto: Độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên xác định theo (3 - 65): Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: Momen ngắn mạch: Theo đó ta vẽ được đường đặc tính tự nhiên như trên hình 3.36 đi qua 4 điểm: điểm * không tải [M = 0; s = 0]; điểm định mức [M đm =1; sđm = 0,02]; điểm tới hạn TH [ M*th =2,15; s = 0,08]; điểm ngắn mạch [M*nm =0,35; sđm= 1] Đối với đặc tính nhân tạo có Rf = 0,175Ω ta có độ trượt tới hạn nhân tạo: GV: Trương Xuân Linh Page 42
Giáo trình: Truyền động điện Phương trình đặc tính cơ nhân tạo sẽ là: Và đặc tính được vẽ trên cùng đồ thị hình 3.36 Hình 3.36: Các đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo. 2.2. Các trạng thái khởi động. Các yêu cầu về khởi động cũng như các phương pháp khởi động của động cơ không đồng bộ nói chung không khác biệt với động cơ một chiều kích từ độc lập ta đã xét. Đối với động cơ roto dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng momen khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch roto trong quá trình khởi động sau đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình 3.37. Hình 3.37: Khởi động động cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng cách đưa điện trở phụ Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta có thể sử dụng sơ đồ các đặc tính đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động. Quá trình tính toán khởi động như sau: o mạch roto khi khởi động. a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đặc tính cơ khởi động GV: Trương Xuân Linh Page 43
Giáo trình: Truyền động điện - Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên. - Chọn các trị số của momen M1 ≤ 0,85 Mth M2 ≥ (1,1 † 1,3)Mđm - Từ M1 và M2 gióng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, đường này cắt đường song song với trục hoành qua ω1 tại N. Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động. Phương pháp vẽ giống như với động cơ một chiều kích từ độc lập. - Xác định điện trở khởi động: Ta biết: Nên: Từ đồ thị ta có: 2.3. Các trạng thái hãm: Động cơ điện không đồng bộ cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. a) Hãm tái sinh: Động cơ không đồng bộ khi hãm tái sinh: ω > ω0, và có trả năng lượng về lưới. ̃ ω B(m/f) ω0 A(đ/c) HTS ĐK MSX Mc(ω) R2f a) b) Mhts 0 M Hình 3.38:a) Sơ đồ nối dây động cơ ĐK khi hãm tái sinh (HTS) b) Đặc tính hãm tái sinh khi ω > ω0 Hãm tái sinh động cơ không đồng bộ thường xảy ra trong các trường hợp như: có nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω > ω0 (như hình 3.38), hay khi giảm tốc độ động cơ bằng cách tăng số đôi cực (như hình 3.39), hoặc khi động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |ω| > |-ω0| bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ (như hình 3.40) GV: Trương Xuân Linh Page 44
Giáo trình: Truyền động điện ~ ω ω01 B (m/f) A (đ/c) ĐK MSX ω 02 HTS C p p 2 1 ~ ω 1 ω0 MSX ĐK 0 Mc M 2 R2f G -ω0 HTS a) b) Hình 3.40: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm tái sinh bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK b) Đặc tính HTS khi đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK. b) Hãm ngược. Hãm ngược là khi mômen hãm M của động cơ không đồng bộ ngược chiều với tốc độ quay ω. Hãm ngược có hai trường hợp: - Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đóng thêm điện trở hãm lớn vào mạch rôto, lúc này mômen động cơ giảm (M . b) Đặc tính hãm ngược (HN) khi có R2f>. GV: Trương Xuân Linh Page 45
Giáo trình: Truyền động điện Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vừa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. - Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato: Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato (đảo 2 trong 3 pha stato động cơ, hay đảo thứ tự pha điện áp stato), hình 3.42. Khi đảo chiều vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch ≤ Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải là phản kháng. Đoạn BC là đoạn hãm ngược. ω ~ 1 ω0 B \\\ A MSX C ĐK Mh.bđ Mc M D ω0đ R2f -ω0 a) b) Hình 3.41: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm ngược bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐK. c) Hãm động năng. b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động Trạng thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stator động cơ khỏi cơ ĐK. nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều. Có hai trường hợp hãm động năng động cơ không đồng bộ: 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 3.43a với nguồn một chiều được lấy từ bên ngoài không liên quan đến năng lượng do động cơ tạo ra. ~ ~ Rđch K H K + _ H H ĐK MSX ĐK MSX Rđch R2f CL a) b) Hình 3.43: 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 từ mạch roto. Đối với hãm động năng tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ đã tích lũy được, sơ đồ nguyên lý này được thể hiện trên hình 3.43b. GV: Trương Xuân Linh Page 46
Giáo trình: Truyền động điện Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập: (3 - 65) Tốc độ tương đối: Tốc độ tương đối tới hạn: (3 - 66) Momen tới hạn: (3 - 67) ‟ Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì R 2 thay đổi nên Mth = const. Còn khi thay đổi dòng * điện I1 tức là thay đổi dòng điện một chiều thì momen tới hạn Mth thay đổi còn ω th = const. Các dạng đặc tính hãm động năng đó được biểu diễn trên hình 3.44. Đường 1 và 2 có cùng ‟ điện trở R 2 nhưng có Mth2 > Mth1. Còn đường 2 và 3 có cùng dòng một chiều nhưng điện trở ‟ R 2 lại khác nhau. * M (ω) ω ω c ω 0 A (3) (2) (1) * ω th2 ω* th1 M 0 Mth2 Mth1 Hình 3.44: Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng kích từ độc lập. 3. Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm. Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát – động cơ công suất lớn. Ưu điểm của động cơ đồng bộ là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cosθ và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. Sơ đồ nguyên lý của động cơ đồng bộ được trình bày trên hình 3.45 Mạch stator của nó tương tự như động cơ không đồng bộ, mạch roto có cuộn kích từ và các cuộn dây khởi động. 3.1. Đặc tính của động cơ điện đồng bộ. Khi đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, 2 . f động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải:  1 1 p GV: Trương Xuân Linh Page 47
Giáo trình: Truyền động điện Như vậy đặc tính cơ của động cơ đồng bộ này nằm trong phạm vi mômen cho phép M ≤ Mmax là đường thẳng song song với trục hoành, với độ cứng β = ∞ và được biểu diễn trên hình 3.45. ~ ω MSX ω0 ĐĐB Rđch Uđk _ + Mđm M Hình 3.45: Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ của động cơ đồng bộ (ĐĐB). 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. Trong hệ truyền động điện dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc M = f(θ). Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa momen của động cơ với góc lệch của vecto điện áp lưới điện và vecto sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato do từ trường một chiều roto sinh ra. Đặc tính M = f(θ) được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato vẽ trên hình 3.46, với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato. C θ - θ U1 sinθ jiXs B A θ θ Hình 3.46: Đồ thị vecto của mạch stato động cơ đồng bộ. Trên đồ thị vectơ hình 3.46: Ul - điện áp pha của lưới (V). E - sức điện động pha stato (V). I - dòng điện stato (A) θ - góc lệch giữa Ul và E Xs = Xμ + Xl - điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng mạch từ hóa Xμ và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato Xl θ - góc lệch giữa vectơ điện áp Ul và dòng điện Il. Từ đồ thị vectơ ta có: (3 - 68) Theo tam giác ABC thì: (3 - 69) GV: Trương Xuân Linh Page 48
Giáo trình: Truyền động điện Thay vào phương trình trên ta được: (3 - 70) Hay (3 - 71) là công suất một pha của động cơ. Vậy công suất ba pha của động cơ là: (3 - 72) Momen động cơ: (3 - 73) Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ. Một cách gần đúng ta thấy đặc tính góc có dạng hình sin biểu diễn trên hình 3.47 Khi θ = π/2 ta có biểu đồ cực đại: Lúc này: M = Mmsinθ. Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng góc lệc θ tăng, nếu θ > π/2 thì momen giảm. 0 0 Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc θđm = 20 ÷ 25 . Hệ số quá tải về momen: 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 3.47. M Mm 0 θ Hình 3.47: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ. GV: Trương Xuân Linh Page 49
Giáo trình: Truyền động điện 3.2. Các trạng thái khi khởi động. Mạch roto của động cơ đồng bộ có hai cuộn dây: cuộn dây kích từ để sinh ra từ trường trong máy và cuộn dây khởi động kiểu lồng sóc và dây quấn. Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm hai giai đoạn: + Giai đoạn thứ nhất: stator của động cơ được đấu vào nguồn điện xoay chiều, còn cuộn kích từ đóng kín qua điện trở hạn chế Rhc để cuộn kích từ khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó (Rhc = (8 ÷ 10)Rkt). Trong giai đoạn này động cơ đồng bộ được khởi động như một động cơ không đồng bộ. Trên hình 3.48 biểu diễn đặc tính khởi động. Hình 3.48: Đặc tính khởi động của động cơ đồng bộ. Đường 1: Đặc tính khởi động của động cơ có cuộn dây khởi động điện trở nhỏ. Đường 2: Đặc tính khởi động của động cơ đồng bộ có cuộn dây khởi động điện trở lớn. Ta thấy rõ đường đặc tính có Mnm lớn hơn thì Mvđ (Momen vào đồng bộ) lại nhỏ hơn và ngược lại. + Giai đoạn thứ 2: Cuối giai đoạn thứ nhất khi tốc độ đạt (95% † 98%) tốc độ đồng bộ. Lúc này ta đưa dòng kích từ vào roto để tạo ra momen đưa tốc độ động cơ lên đồng bộ. Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa động cơ quay với tốc độ đồng bộ được thì động cơ sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát nóng quá mức, có thể bị cháy. Trong một số trường hợp đặc biệt, người ta có thể khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp sau đây: + Khởi động trực tiếp bằng cách đóng stator vào lưới điện với điện áp định mức ngay từ đầu. Phương pháp này chỉ sử dụng cho động cơ công suất nhỏ hoặc động cơ có điện áp cao. + Khởi động gián tiếp bằng cách đóng stator vào lưới điện qua điện kháng phụ Xf hoặc biến áp tự ngẫu để hạn chế dòng khởi động sau đó ngắn mạch chúng. 3.3. Các trạng thái hãm. + Đối với động cơ đồng bộ thường dùng phương pháp hãm động năng. Khi động cơ đang quay, muốn hãm động năng ta cắt stator khởi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào điện trở phụ ba pha, còn roto vẫn được kích từ như trước đó. Sơ đồ nguyên lý khi hãm động năng động cơ đồng bộ được thể hiện trên hình 3.49. GV: Trương Xuân Linh Page 50
Giáo trình: Truyền động điện R h + - Hình 3.49: Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ điện đồng bộ. Đặc tính cơ hãm động năng có dạng như của động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập. + Trạng thái hãm tái sinh của động cơ đồng bộ có thể xảy ra khi động cơ làm việc ở đoạn đặc tính cơ nằm ở góc phần tư thứ II trên hệ tọa độ (M, ω). Lúc này động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát biến cơ năng thành điện năng trả về lưới. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên của động cơ một chiều kích từ độc lập? Cách xác định các đại lượng Mđm, ωđm, ω0, Inm, Mnm, để vẽ đường đặc tính này. Câu 2: Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập? Họ các đặc tính nhân tạo khi thay đổi thông số đó. Sơ đồ nối dây, phương trình đặc tính, dạng của các họ đặc tính nhân tạo, nhận xét về ứng dụng của chúng. Câu 3: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mấy phương pháp hãm? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm? Sơ đồ nối dây động cơ để thực hiện trạng thái hãm? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm? Câu 4: Sự khác nhau giữa động cơ một chiều kích từ nối tiếp với động cơ một chiều kích từ độc lập về cấu tạo, từ thông, dạng đặc tính cơ, các phương pháp hãm? Có nhận xét gì về đặc điểm và khả năng ứng dụng của động cơ kích từ nối tiếp trong thực tế? Câu 5: Có thể biểu thị phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ bằng những biểu thức nào? Viết các phương trình đó, giải thích các đại lượng và cách xác định các đại lượng đó khi viết phương trình và dựng đặc tính cơ. Câu 6: Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ? Cách nối dây động cơ để tạo ra đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các thông số này? Dạng các họ đặc tính cơ nhân tạo và ứng dụng thực tế của chúng? Câu 7: Động cơ không đồng bộ có mấy trạng thái hãm? Cách nối dây động cơ để thực hiện trạng thái hãm và điều kiện để xảy ra hãm? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm. Câu 8: Giải thích ý nghĩa của đặc tính cơ và đặc tính góc của động cơ đồng bộ. Sự phụ thuộc giữa momen cực đại của động cơ với điện áp lưới? Momen cực đại ở đặc tính góc có ý nghĩa như thế nào với đặc tính cơ của động cơ này? GV: Trương Xuân Linh Page 51
Giáo trình: Truyền động điện Bài 4: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Khái niệm về hệ điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện; tốc độ đặt; chỉ tiêu chất lượng của truyền động điều chỉnh. Ngày nay, đại đa số các máy sản xuất từ nhỏ đến lớn, từ đơn lẻ đến cả một dây chuyền sản xuất đều sử dụng truyền động điện. Để đảm bảo những yêu cầu của các công nghệ phức tạp khác nhau, nâng cao mức độ tự động cũng như năng suất, các hệ truyền động điện thường phải điều chỉnh tốc độ, tức là cần phải điều chỉnh được tốc độ máy theo yêu cầu công nghệ. 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 quay 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 của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra 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 truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ truyền động điện. Bao gồm các chỉ tiêu cơ bản như sau: a. Sai số tốc độ. Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và thường được tính theo phần trăm: (4 - 1) Trong đó: ωđ là tốc độ đặt. ω là tốc độ làm việc thực. b. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ. Độ trơn điều chỉnh tốc độ khi điều chỉnh được biểu thị bởi tỷ số giữa 2 giá trị tốc độ của 2 cấp kế tiếp nhau trong dải điều chỉnh: (4 - 2) Trong đó: ωi - Tốc độ ổn định ở cấp i. ωi+1 - Tốc độ ổn định ở cấp i+1. Trong một dải điều chỉnh tốc độ, số cấp tốc độ càng lớn thì sự chênh lệch tốc độ giữa 2 cấp kế tiếp nhau càng ít do đó độ trơn càng tốt. Khi số cấp tốc độ rất lớn (k→∞) thì độ trơn điều chỉnh γ →1. Trường hợp này hệ điều chỉnh gọi là hệ điều chỉnh vô cấp và có thể có mọi giá trị tốc độ trong toàn bộ dải điều chỉnh. c. Dải điều chỉnh tốc độ. Dải điều chỉnh tốc độ (hay phạm vi điều chỉnh tốc độ) là tỉ số giữa các giá trị tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất của hệ truyền động điện ứng với một momen tải đã cho: (4 - 3) GV: Trương Xuân Linh Page 52
Giáo trình: Truyền động điện Dải điều chỉnh tốc độ của một hệ truyền động điện càng lớn càng tốt. Mỗi một máy sản xuất yêu cầu một dải điều chỉnh nhất định và mỗi một phương pháp điều chỉnh tốc độ chỉ đạt được một dải điều chỉnh nào đó. d. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải. Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng điện định mức, đảm bảo khả năng quá tải về momen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo về yêu cầu ổn định tĩnh khi có nhiễu trong toàn dải điều chỉnh. Khi chọn hệ điều chỉnh tốc độ với phương pháp điều chỉnh nào đó cho một máy sản xuất cần lưu ý sao cho các đặc tính điều chỉnh bám sát yêu cầu đặc tính của tải máy sản xuất. Như vậy hệ làm việc sẽ đảm bảo được các yêu cầu chất lượng, độ ổn định e. 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 pháp điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phương pháp đem lại. Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và khi điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài ra hệ số công suất cosθ của hệ thống cũng góp phần ảnh hưởng không nhỏ đến chi phí vận hành. f. Các chỉ tiêu khác. Ngoài các chỉ tiêu chung đã nêu ở trên, trong từng trường hợp cụ thể còn dùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện. Ví dụ: độ trơn điều chỉnh, khả năng tự động hóa hệ thống Việc đánh giá chung hệ truyền động điện là bài toán tối ưu đa mục tiêu, tùy từng trường hợp cụ thể ta có thể chọn ra các chỉ tiêu ưu tiên để quyết định chọn lựa các phương án điều chỉnh. 2. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập. 2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng. Đối với động cơ điện một chiều, khi cho điện trở phụ vào mạch phần ứng ta sẽ làm thay đổi độ cứng đặc tính cơ, do đó có thể thay đổi được tốc độ của động cơ (tạo ra được tốc độ làm việc thấp hơn định mức: ωlv < ωđm). Nếu cho trước yêu cầu tốc độ làm việc ωlv ứng với momen phụ tải Mc nào đó, ta có thể xác định được giá trị điện trở phụ Rfư cần nối vào mạch. Đặc tính momen tải cho phép Mtcp = f(ω) khi điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ mạch phần ứng được xác định từ biểu thức momen của động cơ: M = KΦIư. Nếu thay Iư = Iđm ta sẽ được M = Mtcp (theo định nghĩa của momen tải cho phép): Mtcp = KΦđmIđm = Mđm = const Như vậy phương pháp này có momen tải cho phép của động cơ không đổi, không phụ thuộc tốc độ điều chỉnh (hình 4.1). Đặc tính này phù hợp với loại tải cần trục Mc = const. GV: Trương Xuân Linh Page 53
Giáo trình: Truyền động điện ω βtn ωmax ωmin β min 0 Mt.cp M Hình 4.1: Đặc tính momen tải cho phép của động cơ một chiều khi điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng. Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng: - Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn. - Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở). - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn. - Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số momen tải. Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều chỉnh càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1 2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng từ thông kích thích. Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Họ đặc tính giảm từ thông như hình 4.2. _ + Ikt CKT Rkt I ư E ω _ ω ω02 ω02 ω01 Φ2 ω01 ω0đm ω0đm Φ1 Φđm 0 M 0 I Mc Inm Hình 4.2: Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi từ thông kích thích GV: Trương Xuân Linh Page 54
Giáo trình: Truyền động điện Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau: - Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn. - Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. - Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1. - Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng. - Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm. Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức. - Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1 † 10)% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh thấp. 2.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trên hình 4.3. Từ thông động cơ được giữ không đổi. Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi. + _ ω ω0 TN Uđm _ + U1 U2. . BBĐ ~ ~ Mđm M Hình 4.3: Động cơ truyền động điện động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng. Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 trên phần ứng. Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm việc từ điểm A có tốc độ lớn ωA trên đường 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn (ωD<ωA) trên đường 2 (ứng với điện áp U2). GV: Trương Xuân Linh Page 55
Giáo trình: Truyền động điện Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh điện áp, nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với quá trình giảm tốc có thể xảy ra quá trình hãm tái sinh. Chẳng hạn, cũng trên hình 4.4, động cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ lớn ωA trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1. Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống U3. Lúc này động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đường 1 sang điểm E trên đường 3 (chuyển ngang với ωA=ωE). Vì ωE lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ω03 của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC của đặc tính 3. Quá trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh. Khi tốc độ xuống thấp hơn ω03 thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ. Lúc này do momen MĐ = 0 nên động cơ tiếp tục giảm tốc cho tới điểm làm việc mới tại F, vì tại F momen động cơ sinh ra cân bằng với momen cản MC. Động cơ chạy ổn định tại F với tốc độ ωF ωI. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ. - Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. - Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như nhau. Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh. - Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1. - Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm). - Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra. 3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng vì có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành, nguồn điện sẵn (lưới điện xoay chiều). Tuy nhiên, trong các hệ cần điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng thì động cơ xoay chiều được sử dụng ít hơn động cơ một chiều vì còn gặp nhiều khó khăn. Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, bán dẫn, việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ đã có nhiều khả năng tốt hơn. 3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto. Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ rotor dây quấn và được ứng dụng rất rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng như hình 4.5. GV: Trương Xuân Linh Page 56
Giáo trình: Truyền động điện Nhận xét: - Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm. - Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của momen tải. - Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải. Momen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng hẹp. - Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn. - Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp. 3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi thông số điện áp đặt vào stator Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số. Điện áp cấp cho động cơ lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều (BĐĐA). Bộ biến đổi điện áp có thể là một máy biến áp tự ngẫu hoặc một bộ biến đổi điện áp bán dẫn. Hình 4.6 trình bày sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm. Hình 4.6: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stator. Nhận xét: - Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theo momen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp. - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ ở mạch rotor để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh lớn hơn. GV: Trương Xuân Linh Page 57
Giáo trình: Truyền động điện - Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, momen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. 3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều. Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ. Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn. Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các thông số liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó, dòng điện, từ thông, của động cơ đều bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, momen tới hạn cũng bị thay đổi. Chính vì vậy, điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số thường kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn được biểu diễn trên hình 3.35 (Bài 3). Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức, cảm kháng của động cơ cũng giảm và dòng điện động cơ tăng lên. Tần số giảm, dòng điện càng lớn, momen tới hạn càng lớn. Để tránh cho động cơ bị quá dòng, phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao cho . Đó là luật điều chỉnh tần số - điện áp. 3.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng (cascade). Đối với các động cơ roto dây quấn công suất lớn, người ta còn sử dụng sơ đồ đặc biệt gọi là „sơ đồ nối tầng‟ nối một bộ biến đổi trong mạch roto, tạo ra suất điện động phụ có giá trị thay đổi, nhờ đó thay đổi được dòng điện I2, momen động cơ và tốc độ làm việc. Phương pháp này có lợi về mặt năng lượng nhưng thiết bị phức tạp. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Có những chỉ tiêu chất lượng nào dùng để đánh giá các phương pháp điều khiển động cơ? Nêu định nghĩa và trình bày ý nghĩa của từng chỉ tiêu. Câu 2: Trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Câu 3: Nêu ứng dụng của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng. Câu 4: Nêu ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi từ thông kích thích. Câu 5: Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số điện trở phụ trong mạch roto? Câu 6: Nêu đặc điểm của phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều khiển điện áp lưới. Câu 7: Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển tần số của động cơ không đồng bộ? GV: Trương Xuân Linh Page 58
Giáo trình: Truyền động điện BÀI 5: ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Khái niệm về ổn định tốc độ; độ chính xác duy trì tốc độ. Trong quá trình làm việc của các hệ thống truyền động điện nhiều hệ thống đòi hỏi phải ổn định tốc độ để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất của thiết bị. Mặt khác ổn định tốc độ của truyền động điện còn có khả năng mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và tăng khả năng quá tải cho động cơ điện. Để đánh giá khả năng duy trì điểm làm việc khi có những tác động ngẫu nhiên vào hệ người ta đưa ra thông số độ chính xác duy trì tốc độ hay độ ổn định tốc độ. Nó được đánh giá như sau: Trong đó: là độ sụt tốc độ tương đối %, càng nhỏ thì độ ổn định tốc độ càng cao. n0 là tốc độ không tải lý tưởng. nđm là tốc độ định mức. 2. Hệ truyền động cơ vòng kín; hồi tiếp âm điện áp, hồi tiếp âm tốc độ. 2.1. Hệ truyền động cơ vòng kín. Để cải thiện các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống truyền động điện điều chỉnh, người ta thường thực hiện các phương pháp điều chỉnh tự động, tạo ra khả năng biến đổi thông số điều chỉnh (thông số đầu vào Xđc) một cách liên tục theo mức độ thay đổi của thông số được điều chỉnh ở đầu ra (đại lượng X). Muốn vậy, ta phải thiết lập hệ điều chỉnh vòng kín, lấy tín hiệu phản hồi từ đầu ra trực tiếp tỉ lệ với đại lượng X hoặc gián tiếp qua các đại lượng liên quan đến X, cho tác động lên thông số đầu vào, làm cho thông số này thay đổi tự động theo chiều hướng đưa đại lượng X đạt đến giá trị đặt trước. Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín: Uđ ω Đch Đ Uph PH Hình 5.1: Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tốc độ vòng kín. Trong đó: Uđ: Tín hiệu đặt, tỷ lệ với giá trị đặt của thông số được điều chỉnh: tốc độ ωđ. Uph: Tín hiệu phản hồi, tỷ lệ với giá trị thực của thông số được điều chỉnh ω. ∆U = Uđk: Tín hiệu sai lệch, phản ánh mức độ sai lệch giữa giá trị thực của thông số ra ω với giá trị mong muốn đã đặt trước ωđ. Uđk chính là tín hiệu dùng để điều khiển phần tử điều chỉnh Đch sao cho thông số của nó tự động thay đổi, và tác động vào động cơ Đ để đủ làm cho giá trị ω tiến đến ωđ GV: Trương Xuân Linh Page 59
Giáo trình: Truyền động điện Biện pháp chủ yếu để ổn định tốc độ là tăng độ cứng đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín. Các đặc tính của hệ hở có trong toàn dải điều chỉnh. Sai số tĩnh: E b Eb(M) Eb 0 M, I Hình 5.2: Đặc tính xác định Eb khi tải thay đổi. Để sai số tĩnh S < Scp cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến ω = ωmin. Ta có điểm làm việc (ωmin; Mđm), đường đặc tính có độ cứng mong muốn là βm và: Giao điểm của đặc tính mong muốn và đặc tính của hệ hở cho biết giá trị cần biết của Eb khi Mc thay đổi. 2.2. Phản hồi âm điện áp. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như trên hình 5.3 ω ω0 βm = βtn β m I, M 0 Hình 5.3: Phản hồi âm điện áp động cơ. Trong đó: Đ là động cơ một chiều kích từ độc lập. BĐ là bộ biến đổi, tùy theo từng hệ thống mà BĐ có thể là bộ biến đổi máy điện, có thể là bộ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor, Trong sơ đồ để lấy tín hiệu phản hồi âm điện áp ta sử dụng bộ phân áp bằng chiết áp R. Nếu bỏ qua dòng điện trong các điện trở r1, r2 và đặt Ka = r2/r1 +r2 thì ta có quan hệ sau đây: GV: Trương Xuân Linh Page 60
Giáo trình: Truyền động điện Kb là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi. Nếu mạch có Kb.Ka >> 1 thì phương trình trên sẽ có dạng sau: Khi thay đổi hệ số phản hồi điện áp (bằng con trượt trên chiết áp R) thì cả tốc độ không tải lý tưởng lẫn độ cứng đặc tính cơ đều thay đổi theo. Trường hợp hệ thống có hệ số khuếch đại lớn thì độ cứng đặc tính cơ có thể đạt giá trị tối đa bằng độ cứng đặc tính cơ tự nhiên. 2.3. Phản hồi âm tốc độ. Để ổn định tốc độ của hệ truyền động điện người ta có thể dùng mạch phản hồi âm tốc độ. Sơ đồ này thuộc nguyên lý điều chỉnh theo sai lệch. Đại lượng được điều chỉnh ω sẽ được đo lường nhờ bộ cảm biến là máy phát tốc FT lắp trên trục động cơ, điện áp ra của nó tỷ lệ với tốc độ động cơ và được dùng làm tín hiệu phản hồi tốc độ: Upω = UFT = Kpω.ω Trong đó, Kpω = KFT – hệ số phản hồi tốc độ (ở đây nó bằng hệ số khuếch đại của máy phát tốc). Điện áp điều khiển đưa vào mạch khống chế của bộ biến đổi là: Uđk = Uđ - Upω = Uđ - Kpω.ω Nhờ đó, nếu vì một nguyên nhân nào đó mà tốc độ ω của động cơ tăng lên chẳng hạn, theo biểu thức trên ta thấy Uđk sẽ giảm xuống, làm cho sức điện động của bộ biến đổi Eb (Eb = Kb Uđk) giảm theo, kết quả là tốc độ ω sẽ giảm trở về giá trị cũ (giá trị đặt) 3. Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động. Vấn đề hạn chế dòng điện chỉ được đặt ra với các hệ truyền động điện kiểu vòng kín vì khi thiết kế, tính toán các hệ này có dùng các mạch phản hồi để giảm sai số tốc độ, tức là tăng độ cứng đặc tính cơ, đồng thời làm tăng giá trị dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch. Kết quả là gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải lớn và gây hỏng hóc các bộ phận truyền lực bởi gia tốc quá lớn khi khởi động và hãm. Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ làm việc và yêu cầu về hạn chế dòng điện, thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng. Trong vùng biến thiên cho phép của momen và dòng điện phần ứng, đặc tính cơ cần có độ cứng cao để đảm bảo sai số tốc độ là nhỏ. Khi dòng điện và momen vượt quá phạm vi này thì phải giảm mạnh độ cứng đặc tính cơ để hạn chế dòng điện. Mặt khác, trong quá trình khởi động, hãm, điều chỉnh tốc độ động cơ thường có yêu cầu giữ gia tốc không đổi để hệ đạt được tối ưu về thời gian quá trình quá độ. Để đạt được điều này GV: Trương Xuân Linh Page 61
Giáo trình: Truyền động điện trong các hệ truyền động có momen tải không đổi thì đặc tính cơ phải có đoạn độ cứng bằng không. Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu hạn chế dòng điện bằng các mạch ngắt dòng: Hình 5.5: Phản hồi âm dòng có ngắt. Biện pháp phân vùng bằng các mạch ngắt dòng thường dùng cho các truyền động điện hay bị quá tải ngẫu nhiên trong thời gian ngắn. Khi bị quá tải hệ vẫn làm việc tiếp nhưng tốc độ phải giảm để tránh va đập trong các cơ cấu truyền lực, tốc độ giảm ít hay nhiều tùy thuộc vào mức độ quá tải lớn hay nhỏ. Để có thể phát hiện ra điểm chuyển vùng và để giảm độ cứng đặc tính đến ức cần thiết, thường dùng mạch phản hồi âm dòng điện có ngắt, sơ đồ như trên hình vẽ: Khi dòng điện Iư > Ing, V0 sẽ thông và điện áp phản hồi sẽ là: Điện áp điều khiển đưa vào bộ biến đổi sẽ là: Và sức điện động của bộ biến đổi sẽ phụ thuộc vào dòng Iư: Khi dòng điện tăng (Iư > Ing), Eb sẽ giảm và tốc độ động cơ sẽ giảm mạnh sao cho khi ω = 0 (ngằn mạch) thì Inm = Icp. Ta được đoạn 1 trên đường đặc tính cơ hình 5.5. Khi dòng điện không lớn (Iư ≤ Ing), điện áp rơi trên điện trở Rđo nhỏ hơn ngưỡng thông của diot ổn áp ( ), van này khóa, khâu phản hồi âm dòng sẽ bị ngắt ( ). Như vậy trong vùng dòng điện 0 < Iư < Ing, hệ sẽ làm việc trên đặc tính tự nhiên, ta được đoạn 2 trên hình 5.5 Đặc tính cơ hai đoạn gấp khúc như trên được gọi là „đặc tính máy xúc‟ và rất hay gặp trong thực tế. Người ta thường chọn Ing ≈ (1,5 † 1,7)Iđm ; Imm = Icp = (2 ÷ 2,5)Iđm GV: Trương Xuân Linh Page 62
Giáo trình: Truyền động điện CÂU HỎI ÔN TẬP. Câu 1: Hãy trình bày nguyên lý làm việc của hệ “Bộ biến đổi - Động cơ một chiều” có điều chỉnh tốc độ tự động vòng kín khi dùng phản hồi âm điện áp phần ứng”. Câu 2: Hãy trình bày nguyên lý làm việc của hệ “Bộ biến đổi - Động cơ một chiều” có điều chỉnh tốc độ tự động vòng kín khi dùng phản hồi âm tốc độ. Câu 3: Hãy trình bày hoạt động của sơ đồ nguyên lý hệ “Bộ biến đổi - Động cơ một chiều” có phản hồi âm dòng điện có ngắt và cách tạo ra đặc tính máy xúc. GV: Trương Xuân Linh Page 63