Tài liệu Bài giảng truyền động điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GIẢNG VIÊN: ĐỖ QUANG HUY - ĐỖ CÔNG THẮNG HƯNG YÊN – 2015 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chương1: KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1.1 Ccấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện * Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động: Hệ truyền động điện là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, điện từ, phục vụ cho cho việc biến đổi năng lượng điện – cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ. * Cấu trúc chung: Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ. BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành. Cấu trúc của hệ TĐĐ gồm 2 phần chính: - Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX). Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt. - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành. Đồng thời một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển trong một dây truyền sản xuất. Phân loại hệ thống truyền động điện: 1 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN - Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định. - Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ. - Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình ... - Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v. - Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động. - Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v. 1.2 Cơ sở động học cơ bản của ht tđđ. 1.2.1 Đặc tính cơ của máy sản xuất. + Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất: Mc = f() (1-1) + Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:    M c  M c 0  ( M đm  M c 0 ).     đm   Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ  Mco - mômen ứng với tốc độ = 0. Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức đm 2 (1-2) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN b) a) c) Hình 1.2: a) Đặc tính cơ của một số MSX. b) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính thế năng. c) Dạng đặc tính cơ của một số MSX có tính phản kháng. + Ta có các trường hợp số mũ  ứng với các tải: - Khi  = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (hình 1-2. đường 1) - Khi  = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy phát một chiều tải thuần trở, (đường 2). - Khi  = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy gió, máy nén khí(đường 3) - Khi  = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng cơ cấu của máy cuốn dây, cuốn giấp, các truyền động trục chính của máy cắt gọt kim loại. (đường 4). + Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như: - Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f();hoặc mômen phụ thuộc vào đường đi Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính thuộc loại này. - Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(,s) như các loại xe điện. - Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng. Trên hình 1-2b biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng thế năng (Như ở các cơ cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính Mc = const và không phụ thuộc chiều quay. Trên hình 1-2c biểu diễn đặc tính cơ của máy sản xuất có mômen cản dạng phản kháng ( luôn chống lại chiều quay như mô men ma sát, mô men của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại…). 3 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.2.2 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() (1-3) * Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ: + Đặc tính cơ tự nhiên: Là đặc tính cơ khi động cơ vận hành ở chế độ định mức (động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức). Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. + Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi có sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo. Độ cứng đặc tính cơ: + Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ ” và được tính:  M  nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:   (1-4) M  Hoặc theo hệ đơn vị tương đối:   (1-5) dM là lượng sai phân của mômen M và d . Hình 1.3: Độ cứng đặc tính cơ.  lớn ta có đặc tính cơ cứng,  nhỏ đặc tính cơ mềm  đặc tính cơ tuyệt đối cứng. Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi ít khi mô men biến đổi lớn. Truyền động có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi mô men tăng. 4 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.2.3 trạng thái làm việc của hệ TĐĐ. + Trong hệ truyền động điện bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của hệ truyền động điện. Có thể lập Bảng 1-1: TT Biểu đồ công suất Pđiện Pcơ P Trạng thái làm việc 1 >0 =0 = Pđiện - Động cơ không tải 2 >0 >0 = Pđ - Pc - Động cơ có tải 3 =0 <0 =Pcơ  - Hãm không tải 4 <0 <0 =Pc - Pđ - Hãm tái sinh 5 >0 <0 6 =0 <0 = Pc + Pđ = Pcơ  - Hãm ngược - Hãm động năng Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M.  cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động 5 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. + Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ là: Pđ = Pc + Pđ (1-6) Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; P là tổn thất công suất. - Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng  (M). - Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (M). - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới. - Hãm ngược: 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 công suất tổn thất P. * Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M,  ]: Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ] hình 1. 4. Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và góc phần tư thứ tư của mặt phẳng [M,  ], hình 1. 4. Hình 1.4: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ. 6 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.2.4 Tính đổi các đại lượng cơ học 1.2.4.1 Mômen và lực quy đổi. + Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ. + Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ: - Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất: Ptr = Pc +P (1-7) Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ (Mcqđ và đ -mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ). Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv. lv (Mlv và lv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc). P là tổn thất trong các khâu cơ khí. * Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay: Ptr  Pc i  M lvlv i Rút ra: M cqd   M cqd . M lv  lv M lv   i .  i .i (1-8) i - hiệu suất của hộp tốc độ. Trong đó: i  d gọi là tỷ số truyền của hộp tốc  lv độ. * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi: M cqd  Trong đó: Flv  . (1-9)  = t. i hiệu suất bộ truyền lực. t hiệu suất của tang trống = d gọi là tỷ số quy đổi vlv - Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ: Ptr = Pc -P 1.2.4.2 Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính: + Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống: n W   Wi 1 7 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chuyển động quay: W Chuyển động tịnh tiến: 1 J 2 2 W mv 2 2 Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng đơn khối, và áp dụng các điều kiện trên ta có: J qd 2 D 2  JD 2 D 2 n J qd  J D   1 n   Ji. 12 1 2 q  mj 1 v2 j 2 q m Ji j  2 2 ii 1 j (1-10) Trong đó: Jqđ - mômen quán tính quy đổi về trục động cơ. đ - tốc độ góc trên trục động cơ. Jđ - mômen quán tính của động cơ. Jk - mômen quán tính của bánh răng thứ k. mj - khối lượng quán tính của tải trọng thứ j. i=k/đ - tỉ số truyền tốc độ từ trục. = /v - tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng. 1.2.5 .Phương trình động học của hệ truyền động điện + Là quan hệ giữa các đại lượng (, n, L, M, ...) với thời gian: Dạng tổng quát: n M i d ( J ) dt  i 1 (1-11) + Nếu coi mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ngược chiều nhau, và J = const, thì ta có phương trình dưới dạng số học: d M  Mc  J (1-12) dt  (Rad/s); Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); t(s). Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s): GD 2 dn M−Mc = . 375 dt (1-13) Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): M−Mc = J dn . 9,55 dt 8 (1-14) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Mômen động: Mđg = M−Mc = J d dt (1-15) Từ phương trình (1.21) ta thấy rằng: - Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì: d > 0  hệ tăng tốc dt - Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì: d < 0  hệ giảm tốc. dt - Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì: d = 0  hệ làm việc xác lập, hay hệ làm dt việc ổn định:  = const. 1.2.6. Điều kiện ổn định tĩnh của hệ TĐĐ Như phần trước đã nêu, điểm làm việc ổn định là giao của hai đặc tính cơ của cơ của động cơ và của cơ cấu sản xuất: M() và Mc(). Tuy nhiên, không phải bất kỳ điểm làm việc nào như vậy của động cơ với các loại tải cũng là các điểm làm việc ổn định, mà đó mới chỉ là điều kiện cần, điều kiện đủ là điểm giao nhau đó phải thỏa mãn điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay là sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. Để xác định điều kiện đó, ta dựa vào phương trình động học tại giao điểm: d M J dt Hình 1.5: Minh họa điểm làm việc ổn định.  Mc Suy ra, điều kiện để ổn định là: ( M Mc )x  ( )x  0   Hay: (1-16) (1- 17) Vậy, điều kiện cần và đủ để hệ thống truyền động điện làm việc ổn định tại một điểm là: Tại điểm đó phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: Điều kiện 1: MĐ – Mc = 0 Điều kiện 2: Đ - c < 0 Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm làm việc ổn định không? Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy: Hình 1.6: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn định. 9 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN - Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A: Xét điều kiện đủ: nc  n D  0 M c  0; M D  0  D  M D M D M c M c   0;  c   0 n D nc nc n D Vậy:  D   c  0 - Kết luận: Điểm A không thỏa mãn điều kiện đủ, A không phải là điểm làm việc ổn định. 1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập *Khái niệm chung. * Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và mômen cơ ở đầu trục động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ điện:  = f(M) hay n = f(M) hoặc ngược lại. * Đặc tính cơ của máy sản xuất: Đặc tính cơ của MSX là mối quan hệ giữa tốc độ quay của MSX (c, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay c = f(Mc) (Mc = f(c). * Đặc tính cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch phần ứng động cơ:  = f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại. Đơn vị tính: (Rad/s); n(vòng/phút); M, Mc(N.m). 2n n 30  Quy đổi:   hay n  . 60 30  * Biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối: Cách biểu diễn các đại lượng như trên được gọi là biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tuyệt đối (hệ đơn vị có tên, các đại lượng đều có thứ nguyên). Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ ra không thuận tiện. Người ta chuyển sang cách biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối ( hệ đơn vị không tên, các đại lượng không có thứ nguyên), nhằm đơn giản hóa việc tính toán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơ với phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc của truyền động điện. Một đại lượng trong hệ đơn vị tương đối được kí hiệu là x* = x xcb Trong đó: x: Trị số của đại lượng đó, xcb: Trị số cơ bản của đại lượng đó. Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb,...... 10 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Do đó: U *  U U R   ;U * %  100%; R *  ; *  ; *  ...... U dm U dm Rcb  dm 0 Trong đó: cb = đm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp. cb = 0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập. cb = 1 = đb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB. Rcb = U dm : Đối với động cơ điện một chiều. I dm R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ; Khi rotor đấu sao: R2cbY = E 2 nm 3I 2 dm Khi rotor đấu tam giác: R2cb = 1 R2cb 2 1.3.1 Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 2.1) Hình 1.7: Sơ đồ nối dâycủa động cơ kích từ song song. Hình 1.8: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập Khi nguồn điện 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, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 1.8) 1. Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 1.7 và 1.8 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư.(Rư+Rp). Trong đó: (1-18) Uư : Điện áp phần ứng, (V) Eư : Sức điện động phần ứng, (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng, (  ) 11 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN RP : Điện trở phụ trong mạch phần ứng, (  ) Iư : Dòng điện mạch phần ứng. Với Rư = rư + rcf + rb + rct , rư : Điện trở cuộn dây phần ứng, rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ, rb : Điện trở cuộn bù, rct : Điện trở tiếp xúc của chổi điện, Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: Eu  Trong đó: p.N .  K 2a (1-19) 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,  : Từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb  : Tốc độ góc, rad/s, K pN : Hệ số cấu tạo của động cơ. 2a Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc quay n (vòng/phút) thì: (1-20) Eu  K e .n Và: Vì vậy: Eư = pN n 60a Do đó: Ke = pN 60a Hay: Ke  K  0,105 K . 9,55 - Hệ số sức điện động của động cơ. Từ (2-1) và (2-2) ta có :  U u Ru  R f  Iu K K (1-21) Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định: Mđt = K  Iư Suy ra: Iư = M dt K Thay giá trị Iư vào (2-4) ta được: 12 (1-22) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  U u Ru  R f  .M đt K ( K  ) 2 (1-23) Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ M bằng mômen điện từ: Mđt = Mcơ = M.  U u Ru  R f  .M K ( K ) 2 (1-24) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc.  Giả thiết phần ứng được bù đủ,   const , thì phương trình đặc tính cơ điện (121) và phương trình đặc tính cơ (1-23) là tuyến tính. Chúng được biểu diễn là những đường thẳng: a) b) Hình 1.9: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập. +) Ta thấy, khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:  Uu  0 K (1- 25) 0 : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. +) Còn khi   0 ta có: Uu  I nm Ru  R f (1-26) M  KI nm  M nm (1-27) iu  Và I nm , M nm là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.  Mặt khác phương trình đặc tính (1-21) và (1-24) có thể được biểu diễn:  U u Ru  R f U R.I u  .I u  u   0   K K K K 13 (1-28) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  U u Ru  R f U R.M  .M  u    0   2 K  ( K ) K ( K ) 2 Trong đó: R  Ru  R f ,  0    (1-29) Uu K R.I u R  .M K ( K) 2  : Độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức    dm  Trong đó:  *  ( Rcb   I M R , I*  , M*  , R*  . 0 I dm M dm R cb U dm là điện trở cơ bản ). I dm Từ (2-4) và (2-7), ta biết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối:  *  1  R* I * (1-30)  *  1  R*M * (1-31) 2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ. Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: - Từ thông động cơ  . - Điện áp phần ứng Uư - Điện trở phần ứng động cơ Rư. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số: a. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng: Giả thiết: U u  U dm  const ;    dm  const . Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng. Ta có: 0  U dm  const K dm (1-32) Độ cứng của đặc tính cơ:  M ( K ) 2   var  Ru  R f (1-33) Khi R f càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. ứng với R f  0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:  TN   K dm 2 Ru 14 (1-34) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ. ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu điện trở phụ càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giản. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. H×nh 1.10: §Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi ®iÖn trë phô b. Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết:    dm  const , Ru  const . Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm. ta có: Tốc độ không tải :  0 x  Ux  var K dm Độ cứng đặc tính cơ:     K  2 Ru  const Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình vẽ. Hình 1.11: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động c. Ảnh hưởng của từ thông: Giả thiết: Uu= Uđm = const, Rư = const. 15 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ. Trong trường hợp này : Tốc độ không tải: 0 x  Độ cứng đặc tính cơ:    U dm  var K x  K x  2 Ru  var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì  ox tăng còn  sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với  ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Hình 1.12: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: U dm  const Ru Dòng điện ngắn mạch: I nm  Mômen ngắn mạch: M nm  K x I nm  var Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình a. Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên như hình b. 1.3.2 Vẽ các đặc tính cơ 1. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Vì đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểm của đường thẳng. Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức.  Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 1.13a) - Điểm thứ nhất: (Iư = 0,    0 ) 16 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 0  - U đm ; K đm Điểm thứ hai: K đm  U đm  I đm .Ru  đm I  I dm ,    dm   đm  2 .nđm nđm  60 9,55 Hình 1.13 : Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b) của động cơ một chiều kích từ độc lập  Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 1.13b). - Điểm thứ nhất: ( M  0;    0 ) Xác định  0 Như ở đặc tính cơ điện. - Điểm thứ hai: Trong đó: ( M  M dm ;    dm ) M dm  Pdm  dm , N .m 2. Cách vẽ đặc tính nhân tạo.  Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều đi qua điểm không tải lý tưởng  0 , vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai. Thường chọn là điểm ứng với tải định mức:  ứng với Iđm - Đối với đặc tính cơ điện:  ứng với Mđm - Đối với đặc tính cơ : Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (1-23) ta có: đm  U đm  I đm .Ru K đm Và phương trình đặc tính biến trở tính được: 17 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  / I đm  Lập tỉ số U đm  I đm ( Ru  R f ) K đm  và sau khi biến đổi ta được:  dm  / I đm   đm . U đm  I đm ( Ru  R f ) U đm  I đm Ru (1-35) Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở như hình vẽ sau: Hình 1.14: Cách vẽ đặc tính biến trở của động cơ điện một chiều kích từ độc lập a. Đặc tính cơ điện ; b. Đặc tính cơ. Thông thường giá trị điện trở phần ứng không ghi trên nhãn máy. Do vậy lúc đó ta có thể tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng. Một phương pháp tính gần đúng là dụa vào giá trị hiệu suất định mức đã biết  dm và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định mức. Coi gần đúng phần tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất. Như vậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là: Ru  0,5(1   đm ). U đm I đm (1-36) 3. Cách vẽ đặc tính giảm từ thông. Như phần trên đã nêu khi giảm từ thông, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ không đồng nhất với nhau, do vậy ta chỉ cần xét riêng từng loại đặc tính.  Đặc tính cơ điện: Khi giảm từ thông tốc độ không tải động cơ tăng tỷ lệ với độ suy giảm của từ thông,còn dòng điện ngắn mạch giữ không đổi .Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta chỉ cần xác định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng với giá trị suy giảm từ thông và điểm còn lại là dòng ngắn mạch. - Gọi độ suy giảm từ thông là x không tải khi giảm từ thông. 18  dm , ta có  ox   oTN .x là giá trị tốc độ  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN - Dòng điện ngắn mạch được tính: I nm  U udm Ru (1-37) Cách vẽ đặc tính cơ điện giảm từ thông được chỉ trên hình 2.9a. a) b) Hình 1.15: Cách vẽ đặc tính khi giảm từ thông a.Đặc tính cơ điện ; b.Đặc tính cơ  Đặc tính cơ: Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay vào giá trị dòng điện ngắn mạch Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng giá trị mômen ngắn mạch thay đổi.(hình vẽ 1.15b) M nm  M nmdm x (1-38) 1.3.3 Khởi động và tính toán điện trở khởi động. Udm Rkt K1 K 2 K3 Iu E Rf1 Rf2 Rf3 Hình 1.16: Sơ đồ đấu dây động cơ khi khởi động qua 3 cấp điện trở phụ Từ phương trình đặc tính cơ điện đã có:  U u Ru  R f  Iu K K Với đặc tính tự nhiên thì Rf = 0, khi khởi động dòng điện khởi động ban đầu: I nm  U đm Ru Ở những động cơ công suất trung bình và lớn, Rư thường có giá trị nhỏ, nên dòng khởi động ban đầu( dòng ngắn mạch). Inm =(20-25)Iđm . 19