Bài giảng Truyền động điện - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện

161 trang haiha333 08/01/2022 10600

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Truyền động điện - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_truyen_dong_dien_chuong_2_dac_tinh_co_cua_dong_co.pdf

Nội dung text: Bài giảng Truyền động điện - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐiỆN Phạm Khánh Tùng Bộ môn Kỹ thuật điện – khoa Sư phạm kỹ thuật tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÁI NIỆM CHUNG + Trong phân tích các hệ truyền động, thường biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của máy sản xuất. + Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mômen, dòng điện động cơ cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng. + Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước. + Những đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh. + Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M). tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1.1. Sơ đồ nối dây + Nguồn cấp cho phần ứng và kích từ độc lập nhau. + Khi nguồn có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.2. Các thông số cơ bản Thông số định mức: nđm(vòng/phút); ωđm(Rad/s); Mđm(N.m hay KG.m); Fđm(Wb); fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); Các thông số tính theo các hệ đơn vị tương đối ω* = ω / ωđm ; M* = M / Mđm ; I* = I / Iđm; Φ* = Φ / Φđm; R* = R / Rđm; Rcb = Rđm = Uđm / Iđm; ω%; M%; I%; tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.3. Phương trình đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng U E (R Rf )I Trong đó: U – điện áp phần ứng động cơ (V) E – sức điện động phần ứng động cơ (V) R – điện trở mạch phần ứng Rf – điện trở phụ mạch phần ứng I – dòng điện phần ứng tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Sức điện động phần ứng tính theo các đơn vị tốc độ: p.N Tốc độ ω (rad/s) E . K.. 2 .a Tốc độ n (vòng/phút) E Ke..n p.N Hệ số kết cấu của động cơ: K 2 .a 2 .n n Qui đổi tốc độ của động cơ:  60 9,55 K Hệ số kết cấu của động cơ K 0,105.K (tính theo tốc độ vòng/phút): e 9,55 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện trở mạch phần ứng: R = rư + rctf + rctb + rtx Trong đó: rư – điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ rctf – điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ rctb – điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ rtx – điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ phương trình điên áp và hệ số kết cấu U R R  f I động cơ → phương trình đặc tính cơ-điện K. K. Mômen điện từ của động cơ: Mđt K..I Bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn Mđt M thất cơ, tổn thất thép: M ≈ M ≈ M I cơ đt K. K. Phương trình đặc tính cơ: U R R U R  f M  M K. (K.)2 K. (K.)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:  0  U Tốc độ không tải lý tưởng  0 K. R Độ sụt tốc độ   M (K.)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ các phương trình đặc tính cơ-điện và phương trình đặc tính cơ, với giả thiết phần ứng được bù đủ và f = const có thể vẽ được các đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ là những đường thẳng tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính cơ tự nhiên (TN): đặc tính cơ có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ Uđm Rđm  2 M K.đm (K.đm) Đặc tính cơ nhân tạo (NT): đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ U Khi ω = 0 → I Inm R Rf U M K. InmK. Mnm R Rf tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Độ cứng đặc tính cơ dM (K.)2  d R Rf Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: 2 (K.đm) * 1  tn tn R R* Giá trị điện trở phần ứng có thể xác định gần đúng theo giả thiết coi tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức gây ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ: 1 Uđm R (1 đm) 2 Iđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ: Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau: Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω; điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng: 0,78Ω. Giải: a. Xây dựng đường đặc tính cơ tự nhiên Đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 trong số 3 điểm: Điểm định mức [Mđm; ωđm] ; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0] tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN n 2200 Tốc độ góc định mức:  đm 230,3(rad/s) đm 9,55 9,55 Pđm 6,6 Mômen (cơ) định mức: Mđm 1000 1000 28,6(N.m) đm 230,3 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: Uđm IđmR 220 35.0,26 K.đm 0,91(Wb) đm 230,3 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Uđm 220 Tốc độ không tải lý tưởng: 0 241,7(rad/s) K.đm 0,91 Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên (đường 1) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch U 220 M K. I K. đm 0,91 770(N.m) nm đm nm đm R 0,26 Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức tổng quát hoặc xác định theo số liệu lấy trên đường đặc tính M 0 Mđm 28,6 tn 2,5(Nm.s)  0 đm 241,7 230,3 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Xây dựng đường đặc tính cơ nhân tạo khi điện trở phụ Rf = 0,78Ω Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo qua các điểm không tải lý tưởng [0; ω0] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [Mđm; ωnt] Tốc độ góc nhân tạo (với mô men định mức) Uđm Iđm(R Rf ) đm K.đm 220 35.(0,26 0,78)  183,3(rad/s) đm 0,91 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [28,6; 183,3] Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng (đường 2) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.4. Đặc tính cơ khi khởi động và tính điện trở khởi động a. Khởi động và xây dựng đặc tính cơ khi khởi động + Khởi động trực tiếp: Dòng khởi động rất lớn có thể đốt nóng động cơ, gây khó khăn cho sự chuyển mạch, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá huỷ quá trình cơ học của máy. Ikđbđ = Uđm / R ≈ (10 – 20)Iđm + Điều kiện khởi động an toàn cho máy, thường chọn dòng khởi động: Ikđbđ = Inm = Icp = 2,5Iđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Khởi động gián tiếp: Đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. ' ' Uđm Ikđđb Inm (2 2,5)Iđm Icp R Rf tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Xây dựng đặc tính cơ – điện khi khởi động: – Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm, ηđm; ) và thông số tải (Ic; Mc; Pc; ), số cấp khởi động m, vẽ đặc tính cơ tự nhiên. – Xác định dòng điện khởi động lớn nhất: Imax = I1 = (2 – 2,5)Iđm – Xác định dòng điện khởi động nhỏ nhất: Imin = I2 = (1,1 – 1,3)Ic tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Từ điểm a(I1) kẻ đường aω0 nó sẽ cắt I2 = const tại b. + Từ b kẻ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại c. + Nối cω0 nó sẽ cắt I2 = const tại d. + Từ d kẽ đường song song với trục hoành thì nó cắt I1 = const tại e Cứ như vậy cho đến khi nó gặp đường đặc tính cơ tự nhiên tại điểm giao nhau của đặc tính cơ TN và I1 = const, ta sẽ có đặc tính khởi động abcde XL. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Tính điện trở khởi động Phương pháp đồ thị: Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ Δω trên các đặc tính cơ ứng với một giá trị dòng điện (ví dụ I1 ) ta có: R  I TN K. 1 R R  f I NT K. 1 NT TN Rf1 R TN tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Qua đồ thị ta có: ha he ae R R R f1 he he hc he ce R R R f 2 he he Điện trở phần ứng của mỗi đặc tính cơ: R1 R Rf1 Rf 2 R2 R Rf 2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương pháp giải tích: Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ. Đặc tính khởi động đầu tiên và dốc nhất là đường 1, sau đó đến cấp 2, cấp 3, cấp m, cuối cùng là đặc tính cơ tự nhiên. Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ: R1 R Rf (1) R (Rf1 Rf 2 Rfm ) R 2 R Rf (2) R (Rf1 Rf 2 Rfm 1) R m 1 R Rf (m 1) R (Rfm 1 Rfm ) R m R Rf (m) R Rfm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tại các điểm b, c trên đường khởi động: Uđm E1 Uđm E1 I2 I1 R1 R2 Lấy tỉ số các dòng điện khởi động không đổi: I 1  const I2 R R R R  1 2 m 1 m R2 R3 Rm R tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện trở các bậc khởi động: R m R 2 R m 1 R m  R m 1 R 2 R3  R m R1 R 2  R Xác định qui trình khởi động: + Nếu biết số cấp điện trở khởi động m và R1, R thì ta tính được bội số dòng điện khi khởi động R1 Uđm Uđm I m m m 1 1  I2 R R.I1 R.I2  tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Xác định qui trình khởi động: + Nếu biết λ, R1, R ta xác định được số cấp điện trở khởi động: log(R / R) m 1 log  Trị số điện trở các cấp khởi động: Rf (m) R m R ( 1)R Rf (m 1) R m 1 R m ( 1)R m 2 Rf (2) R 2 R3  ( 1)R m 1 Rf (1) R1 R 2  ( 1)R tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-2: Cho động cơ kích từ song song: Pđm = 25KW; Uđm = 220V; nđm = 420vg/ph; Iđm = 120A; R* = 0,08 khởi động hai cấp điện trở phụ với tần suất 1lần/1ca, làm việc ba ca, mômen cản quy đổi về trục động cơ (cả trong thời gian khởi động) Mc ≈ 410Nm. Hãy xác định các cấp điện trở phụ. Giải: Số liệu cần thiết của động cơ: Uđm 220 Điện trở định mức: Rđm 1,83() Iđm 120 Điện trở phần ứng: * R R Rđm 0,08.1,83 0,146() nđm 420 Tốc độ góc định mức: đm 44(rad/s) tungpk@hnue.edu.vn9,55 9,55
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ thông của động cơ và hệ số kết cấu: Uđm IđmR 220 120.0,146 K.đm 4,6(Wb) đm 44 Mc 410 Dòng điện phụ tải: Ic 89(A) 0,74Iđm K.đm 4,6 Với tần suất khởi động ít, dòng điện và mômen phụ tải nhỏ hơn định mức, nên ta coi trường hợp này thuộc loại khởi động bình thường → số cấp khởi động cho trước m = 2. Chọn trước giá trị dòng điện I2 theo tiêu chuẩn Imin = (1,1 – 1,3)Ic của dòng khởi động : I2 1,1.Ic 1,1.89 98(A) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Bội số dòng điện khởi động: Uđm 220  m 1 2 1 2,5 R.I2 0,146.98 Dòng điện khởi động cấp 1: I1 .I2 2,5.98 245(A) 2Iđm Giá trị dòng khởi động thấp hơn giá trị cho phép (Imax = (2 – 2,5)Iđm) nghĩa là số liệu đã tính là hợp lý tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Cấp điện trở tổng: R1 R 2,5.0,146 0,365() 2 2 R2 R1  R 2,5 0,146 0,912() Điện trở phụ của các cấp: Rf (1) R1 R 0,365 0,146 0,219() Rf (2) R2 R1(f ) R 0,912 0,219 0,146 0,547() tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.5. Các đặc tính cơ khi hãm Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay còn gọi là chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm a. Hãm tái sinh Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > U, động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi hãm tái sinh: U E K..0 K..  Ih 0 R R  Mh K..Ih 0  Dòng điện và mô men trong hãm tái sinh đều âm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Một số trạng thái hãm tái sinh: + Hãm tái sinh khi ω > ω0: lúc này máy sản xuất như nguồn động lực quay rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Vì E > U, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ : U E I I 0 h R Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ, trở thành mômen hãm (Mh) Mh K..Ih 0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (U2 ω02). Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc = Mtn) Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+U → – U): Mc – có dạng mômen thế năng (Mc = Mtn). Đảo chiều điện áp phần ứng → đảo chiều tốc độ + ω0 → – ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính – U, và sẽ làm việc tại điểm B (|ωB| > |ω0|). Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy hoạt động ở hai chế độ: động cơ và hãm đảo chiều: + Khi nâng tải, động cơ truyền động làm việc ở chế độ động cơ (điểm A). + Khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát (điểm B). tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm ngược Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay (M↑↓ω). Hãm ngược có hai trường hợp: – Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm làm việc, đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN – Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A, đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D và làm việc ổn định ở điểm E (ωôđ = ωE và ωôđ↑↓ωA) Trên đặc tính đoạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng điện và mô men trong hãm ngược: U E U K.. Ih R Rf R Rf Mh K..Ih tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện phần ứng mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản (MB < Mc) → tốc độ động cơ giảm. Khi ω = 0, động cơ ở chế độ ngắn mạch (điểm D trên đặc tính có Rưf ) nhưng mômen của nó vẫn nhỏ hơn mômen cản: Mnm < Mc; Do đó mômen cản của tải trọng sẽ kéo trục động cơ quay ngược và tải trọng sẽ hạ xuống, (ω < 0, đoạn DE). Tại điểm E, động cơ quay theo chiều hạ tải trọng, trường hợp này sự chuyển động cử hệ được thực hiện nhờ thế năng của tải. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc, đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế). Sơ đồ mạch hãm ngược tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi đổi chiều điện áp phần ứng, động cơ từ điểm làm việc A (chế độ động cơ) sang điểm B (chế độ hãm), điểm C và xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ: U E U K.. Ih 0 R Rf R Rf Mh K..Ih 0 U R Rf Phương trình đặc tính cơ  M K. (K.)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Hãm động năng: (cho U = 0) 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. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: R R  h M (K.)2 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: Ehđ K..hđ E K..hđ Ih 0 R R h R Rf Mhđ K..Ihđ 0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 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 B10 hoặc B20). Nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại tại các điểm C1 và C2 (ωôđ1 hoặc ωôđ2) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 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 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. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ: 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. 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 l-ợng hơn. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1.6. Các đặc tính cơ khi đảo chiều Để đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều từ thông kích từ động cơ. Thực tế thường áp dụng phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng. Khi đảo chiều điện áp dòng Iư tăng mạnh do sđđ E và điện áp Uư cùng chiều nên phải thêm vào mạch phần ứng. Khi đảo chiều điện áp phần ứng thì ω0 đảo dấu, còn Δω không đảo dấu. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Giả thiết động cơ ở điểm làm việc (điểm A) theo chiều quay thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc, tốc độ tương ứng ωA. Biểu thức đặc tính cơ theo chiều thuận: Uđm R  2 M K.đm (K.đm) Biểu thức đặc tính cơ theo chiều ngược: U R R  f M K.(I) [K.(I)]2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Động cơ quay ngược chiều tơng ứng với điểm A’ trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-3: Động cơ làm việc dài hạn, Pđm = 6,6KW; Uđm = 220V; nđm = 2200 vòng/phút; điện trở mạch phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26Ω. Trước khi hãm động cơ làm ở điểm định mức A(M = Mđm , ω = ωđm). Hãy xác định trị số điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng động cơ để hãm động năng kích từ độc lập với yêu cầu mômen hãm lớn nhất Mh.max = 2Mđm. Sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Giải: Sử dụng sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập, khi đó đảm bảo từ thông động cơ trong quá trình hãm là không đổi: ϕ = ϕđm. Đặc tính cơ của động cơ trước khi hãm là đặc tính cơ tự nhiên, và khi chuyển sang đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập (đoạn B0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điểm làm việc trước khi hãm là điểm định mức A, có: Iư = Iđm = 35A, tương ứng mômen định mức Mđm; ωA = ωđm = 230,3 rad/s (xem ví dụ 2-1) Sức điện động của động cơ trước khi hãm: Ebđ EA U I.R Ebđ 220 35.0,26 210,9V Từ đồ thị đặc tính cơ: Mômen (và dòng điện) hãm lớn nhất có được tại thời điểm ban đầu của quá trình hãm, ngay khi chuyển đổi mạch điện từ chế độ động cơ trên đặc tính cơ tự nhiên sang mạch điện làm việc ở chế độ hãm động năng kích từ độc lập (điểm B): tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Mô men và dòng điện hãm lớn nhất: Mmax Mh.bđ Imax Ih.bđ Vì ϕ = ϕđm nên mômen động cơ tỉ lệ thuận với dòng điện động cơ khi hãm, do đó để đảm bảo điều kiện Mh.max = 2Mđm thì: Ih.max 2Iđm 2.35 70A Điện trở tổng trong mạch phần ứng động cơ: K.. K..A EA 210,9 R 3,01 I Ih.bđ Ih.bđ 70 Vậy điện trở hãm phải đấu vào phần ứng động cơ khi hãm động năng kích từ độc lập Rh R R 3,01 0,26 2,75 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP VÀ HỖN HỢP 2.2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có sơ đồ mạch kích từ nối tiếp mạch phần ứng và được nguồn một chiều cấp chung cho cả hai mạch. Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng, nên từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của động cơ. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Theo sơ đồ mạch, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng: U E R.I K R.I Với R = Rư + Rkt + Rưf Phương trình đặc tính cơ của loại động cơ này: U R R  f I K K U R R  f M K (K)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ thông ϕ phụ thuộc vào dòng kích từ Ikt theo đặc tính từ hoá (đường 2) chính là quan hệ giữa từ thông ϕ với sức từ động kích từ Fkt của động cơ. Fkt = Ikt.Wkt Khi cho dòng kích từ định mức thì từ thông động cơ sẽ đạt định mức. Để đơn giản hoá khi thành lập phương trình đặc tính cơ, ta coi mạch từ của động cơ là chưa bảo hoà, quan hệ giữa từ thông với dòng kích từ là tuyến tính (đường 1) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ thông của động cơ  C . I kt với C – hệ số tỉ lệ Bỏ qua phản ứng phần ứng, ta có:  C.Ikt C.I Thế biểu thức từ thông vào phương trình đặc tính cơ: U R R U R A  f I 1 B K K K.C.I K.C I U R A const B const 1 K.C K.C M M K.I K.C.I2 I K.C tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Thế biểu thức từ thông vào phương trình đặc tính cơ: A A KC R A  1 B 1 2 B I M KC M A2 A1 KC const Qua phương trình đặc tính cơ, ta thấy đặc tính cơ–điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp có dạng hyperbol và rất mềm và tốc độ không tải lý tưởng bằng vô cùng. Thực tế không có tốc độ không tải lý tưởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đường đặc tính cơ–điện: – Độ cứng mềm. – Dạng đường hypebol – Có hai đường tiệm cận + Khi I → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung. + Khi ω → – B, I → ∞ : Tiệm cận đường ω = – B = – (RΣ)/K.C tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đường đặc tính cơ: Có dạng tương tự đặc tính cơ–điện và cũng có hai đường tiệm cận + Khi M → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung + Khi ω → – B, M → ∞ : Tiệm cận đường ω = – B = – (RΣ)/K.C Đặc tính cơ tự nhiên thì Rưf = 0, nên ta có hai đường tiệm cận ứng với: + Khi M → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung. + Khi ω → – B(tn) , M → ∞ : Tiệm cận đường ω = – B(tn) = – (Rư)/K.C tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.2. Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp Phương trình đặc tính cơ–điện và đặc tính cơ được lập với giả thiết đặc tính từ hoá ϕ = f(I) tuyến tính. Thực tế quan hệ ϕ = f(I) là phi tuyến nên việc viết phương trình và vẽ các đặc tính cơ rất khó khăn. Vì vậy nhà chế tạo động cơ thường cho trước các đường cong thực nghiệm: ω* = f(I*) và M* = f(I*) khi không có điện trở phụ, và gọi là đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Các đặc tính này cho theo đơn vị tương đối: *  / đm * I I/ Iđm * M M / Mđm Dùng chung cho các loại động cơ trong dãy công suất có cùng tiêu chuẩn thiết kế. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Cách xây dựng đặc tính cơ–điện và đặc tính cơ tự nhiên Đối với động cơ đã cho, ta chỉ cần lấy giá trị ωđm nhân vào trục tung và lấy Iđm nhân vào trục hoành, ta sẽ được đặc tính cơ–điện tự nhiên ω = f(I) của động cơ đó. Mặt khác, từ giá trị I* tra theo đường M* = f(I*) ta được giá trị M* tương ứng. Nhân giá trị M* đó với Mđm của động cơ đã cho ta được M. Như vậy, từ đặc tính cơ điện tự nhiên và đ-ờng đặc tính vạn năng M* = f(I*) ta sẽ được đặc tính cơ tự nhiên ω = f(M). Ngoài ra có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (dùng thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng) khi sử dụng các đặc tính vạn năng và đặc tính cơ tự nhiên tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.3. Đặc tính cơ khi khởi động Để hạn chế dòng khởi động, áp dụng biện pháp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. Dòng điện khởi động bắt đầu được chọn từ tiêu chuẩn bội số khởi động từ đó xác định được điện trở phụ khởi động ' ' Uđm Ibđ.kđ Inm (2  2,5)Iđm R Rf tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN a) Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động Bước 1: Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng, vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Bước 2: Chọn dòng điện giới hạn I1 = (2 – 2,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động RΣ = Uđm/I1 . Kẻ đường I1 = const, cắt đặc tính tự nhiên tại e. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Bước 3: Chọn dòng chuyển khi khởi động I2 = (1,1 –1,3)Ic . Kẻ đường I2 = const, cắt đặc tính tự nhiên tại f, và cắt đặc tính nhân tạo dốc nhất (có Rf) tại b theo biểu thức: Uđm I2R NT(b) TN (f ) Uđm I2R Bước 4: Kẻ các đường ef và ab kéo dài, 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 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b) Tính điện trở khởi động: Theo phương pháp tuyến tính hoá trên, điện trở phụ tổng được tính Rf = RΣ – R Ta có điện trở phụ các cấp: ac R R f (1) ea  ce R R f (2) ae  tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.4. Các trạng thái hãm Động cơ kích từ nối tiếp ω0 ≈ ∞ , nên không có hãm tái sinh mà chỉ có hai trạng thái hãm: Hãm ngược và Hãm động năng a. Hãm ngược Thêm điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc tại A, thêm Rf lớn vào phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang B, C và sẽ thực hiện hãm ngược đoạn CD tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đảo chiều điện áp phần ứng Động cơ đang làm việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên (1) với: Uư > 0, chiều quay ω > 0, làm việc ở chế độ động cơ, chiều mômen trùng với tốc độ. Nếu đổi cực tính điện áp phần ứng Uư < 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) và 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 (2) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng điện và mô men lúc hãm U E U K. Ih 0 R Rf R Rf Mh K..Ih 0 Phương trình đặc tính cơ U R R  f M K. (K.)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm động năng Hãm động năng kích từ độc lập Động cơ đang làm việc với lưới điện thực hiện các thao tác: Phần ứng động cơ được cắt khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh Cuộn kích từ được nối vào lưới điện qua điện trở phụ sao cho dòng kích từ có chiều và trị số không đổi (Ikt.đm). Như vậy giống với trường hợp hãm động năng kích từ độc lập của động cơ kích từ độc lập tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Động cơ đang làm việc bình thường với lưới điện (điểm A). Khi hãm, điểm làm việc dịch chuyển sang B1 hoặc B2 (đẳng tốc) tùy theo điện trở hãm là Rh1 hay Rh2. Kết thúc hãm tại điểm 0 Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: R R   h M (K.)2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm động năng tự kích từ Động cơ đang làm việc bình thường với lưới điện. Phần ứng và kích từ cũng được ngắt khỏi lưới điện, và đóng nối tiếp vào điện trở hãm Rh, tạo thành mạch kín 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. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Động cơ đang làm việc bình thường với lưới điện (điểm A). Khi hãm, điểm làm việc dịch chuyển sang B1 hoặc B2 (đẳng tốc) tùy theo điện trở hãm là Rh1 hay Rh2. Kết thúc hãm tại điểm 0 Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: R R R  kt h M (K.)2 Từ thông giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích từ tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.5. Đảo chiều Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp khi đảo chiều quay bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: U R Rf  2 M K.(I) [K.(I) ] tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi Uư > 0, động cơ quay thuận ω > 0 (tại điểm A trên đặc tính cơ ở góc phần tư thứ nhất của toạ độ [M, ω], với phụ tải là Mc > 0). Đảo cực tính điện áp phần ứng động cơ (vẫn giữ nguyên chiều từ thông kích từ) Uư < 0, phụ tải động cơ theo chiều ngược lại M’c < 0, động cơ sẽ quay ngược ω < 0 (tại điểm A’ trên đặc tính cơ ở góc phần tư thứ ba của toạ độ [M, ω]. Nếu cho điện trở phụ vào mạch phần ứng, ta sẽ có các tốc độ nhân tạo ngược tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.6. Nhận xét về động cơ một chiều kích từ nối tiếp – Về cấu tạo, động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiết diện to và số vòng dây ít. Nên dễ chế tạo và ít hư hỏng hơn so với kích từ độc lập. – Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ kích từ nối tiếp lớn hơn động cơ kích từ độc lập. – Ví dụ: hệ số quá tải dòng 1,5 khi đó: Mô men quá tải của động cơ độc lập Mqt = K.ϕ.1,5.Iđm = 1,5Mđm . Mô men quá tải của động cơ 2 2 2 nối tiếp Mqt = K.C.I = K.C.(1,5) .I đm = 2,25 Mđm. – Mômen của động cơ nối tiếp không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện, nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mômen độngtungpk@hnue.edu.vn cơ cũng là định mức
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.2.7. Đặc điểm, đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp có hai cuộn dây kích từ (song song và nối tiếp), đồng thời tạo nên từ trường cực từ:  s n Trong đó ϕs là phần từ thông do cuộn kích từ song song tạo nên, ϕs = (0,75 ÷ 0,85)ϕđm và không phụ thuộc vào dòng phần ứng (tải). Còn ϕn là phần từ thông do cuộn kích từ nối tiếp tạo ra, nó phụ thuộc vào dòng phần ứng. Khi phụ tải Mc = Mđm thì Iư = Iđm, tương ứng: n.đm (0,15 0,25)đm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Do có hai cuộn kích từ nên đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp vừa có dạng phi tuyến như kích từ nối tiếp, đồng thời có điểm không tải lý tưởng [0, ω0] như của kích từ độc lập, trong đó tốc độ không tải lý tưởng có giá trị khá lớn so với tốc độ định mức: ω0 ≈ (1,3 ÷ 1,6) ωđm . Động cơ kích từ hỗn hợp có ba trạng thái hãm tương tự như kích từ độc lập. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (KĐB) 2.3.1. Các giả thiết, sơ đồ thay thế, đặc tính cơ của động cơ KĐB a. Các giả thiết Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi bật: 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. Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ KĐB lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ). Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu, ta giả thiết: + 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 stato. + Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. + Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Sơ đồ thay thế Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ U1f – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato I1, Iμ, I’2 – các dòng stato, mạch từ hóa, rôto đã quy đổi về stato X1, Xμ, X’2 – điện kháng stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato R1, Rμ, R’2 – điện trở stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato R’2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đã quy đổi về stato tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hệ số trượt tốc độ của động cơ:     s 1 0 1 0 Với ω1 = ω0 – tốc độ của từ trường quay ở stato động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s) 2 .f   1 1 0 p Trong đó: ω – tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s) f1 – tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz) p – số đôi cực của động cơ tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Biểu đồ năng lượng Trong biểu đồ: P1 – công suất điện từ đưa vào 3 pha stato động cơ ΔP1 = ΔPCu1 – tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stato P12 – công suất điện từ truyền giữa stato và rôto động cơ ΔP2 = ΔPCu2 – tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rôto P2 – công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ truyền động cho máy sản xuất. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN d. Phương trình và đặc tính cơ Theo sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ 1 1 I1f U1f R2 X2 ' 2 2   R1 R2 /s Xnm R’2Σ = R’2 + R’2f – điện trở tổng mạch rôto. Xnm = X1 + X’2 – điện kháng ngắn mạch. Từ phương trình đặc tính dòng điện Khi ω = 0 → s = 1 → I1 = I1nm - dòng ngắn mạch của stato. 1 Khi ω = ω0 → s = 0, ta có: I1f U1f I R2 X2 tungpk@hnue.edu.vn  
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trị số hiệu dụng của dòng rôto đã quy đổi về stato: ' U1f I2 ' 2 2 R1 R2 /s Xnm Quan hệ giữa dòng rôto I’2 với hệ số trượt s hay giữa I’2 với tốc độ góc ω, được gọi là đặc tính điện-cơ Khi ω = ω0 → s = 0 → I’2 = 0. U Khi ω = 0 → s = 1, ta có: I' 1f I' 2 2 2nm R R' X2 1 2 nm I’ – dòng ngắn mạch rôto hay dòng khởi động 2nm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính điện-cơ tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ được thành lập từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P12 Mđt0 Nếu bỏ qua các tổn thất phụ: Mđt Mco M P12 Pco P2 Với P co M .  – công suất cơ trên trục động cơ '2 ' P 2 3 . I 2 R 2  – tổn hao công suất đồng trong rôto Thay thế vào phương trình cân bằng công suất: P2 P12 Pco M0 M M(0 ) M.s.0 '2 ' P2 M.s.0 3.I2 R2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3.I'2R' Mô men động cơ: M 2 2 s.0 Thay biểu thức dòng điện rôto: 3.U2 R' M 1f 2 2 R' s. R 2 X2 0 1 s nm Biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ được các trị số về độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth tại điểm cực trị: tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Độ trượt tới hạn sth : R' s 2 th 2 2 R1 Xnm Mômen tới hạn Mth : U2 M 1f 2 2 20 (R1 R1 Xnm ) Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng thái máy phát, (MthĐ > MthF) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ có thể biểu diễn theo closs: 2M (1 a.s ) R M th th a 1 s s với ' th R 2 2a.sth sth s Đối với động cơ KĐB công suất lớn, thường R1 << Xnm, nên có thể bỏ qua R1 và a.sth ≈ 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản: 2M R' U2 M th và: s 2 M 1f s s th X 2 X th nm 0 nm sth s tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Trong nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính hoá đặc tính cơ trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s < 0,4.sth → có thể coi s/sth ≈ 0 và ta có: 2M M th s sth Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính cơ làm việc qua 2 điểm: điểm đồng bộ (không tải lý tưởng) và điểm định mức M M đm s sđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay M = Mđm, Mth = λ.Mđm, ta có: 2 sth sđm(  1) Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên, một cách gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn làm việc: dM 1 dM M  đm d 0 ds 0sđm dM / M 1 * đm d/0 sđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đối với đoạn đặc tính có s >> sth thì coi sth/s ≈ 0 và ta có: 2M M th s s th 2Mthsth  2 0s Trong đoạn này độ cứng β > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây thường là đoạn động cơ khởi động. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ a. Ảnh hưởng của điện áp lưới (Ul) Khi điện áp lưới suy giảm, 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 thay đổi tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Qua đồ thị ta thấy: với một mômen cản xác định (MC), điện áp lưới càng giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác, vì mômen khởi động Mkđ = Mnm và mômen tới hạn Mth đều giảm theo điện áp, nên khả năng quá tải và khởi động bị giảm dần Do đó, nếu điện áp quá nhỏ (đ-ờng U2, ) thì hệ truyền động trên có thể không khởi động được hoặc không làm việc được tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi (thêm trở kháng phụ Rlf, Xlf), nếu ω0 = const, thì mômen Mth và sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình bên Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ = Mnm.f thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện kháng phụ (Xlf) cứng hơn đặc tính có Rlf. Khi tăng Xlf hoặc Rlf thì Mth và sth đều giảm. Khi dùng Xlf hoặc Rlf để khởi động để hạn chế dòng khởi động, có thể dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch để xác định Xlf hoặc Rlf. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto Khi thêm điện trở kháng phụ (R2f, X2f) vào mạch rôto, thì ω0 = const, và Mth = const; còn sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình bên. Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi trở kháng phụ R2f, X2f tăng thì tốc độ trượt sth giảm, độ cứng đặc tính cơ giảm. Với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f tăng thì tốc độ làm việc của động cơ giảm, và dòng điện khởi động giảm. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN d. Ảnh hưởng của tần số lưới cung cấp cho động cơ Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi → tốc độ từ trường ω0 và tốc độ của động cơ ω sẽ thay đổi theo. Qua đồ thị ta thấy: Khi tần số tăng (f13 > f1.đm), thì Mth sẽ giảm, (với điện áp nguồn U1 = const, thì Mth giảm theo tỉ lệ bình phương tần số) : 1  2 f1 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi tần số nguồn giảm: (f11 < f1đm, ), nếu giữ điện áp U1 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 mômen như trong chế độ định mức tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2 - 5: Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 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 coi R1 rất nhỏ hơn R2 tức a = 0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Độ trượt định mức: n0 nđm 600 588 sđm 0,02 n0 600 Mômen định mức: Pđm1000 850.1000 * Mđm 13805(N.m) Mđm 1 nđm /9,55 588/9,55 Mômen tới hạn: * Mth Mđm 2,15.13805 29681(N.m) Mth 2,15 Điện trở định mức: Rđm E2.nm / 3I2.đm 1,476() tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện trở dây quấn rôto: * R2 R2Rđm sđmRđm 0,02.1,476 0,0295() Độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên 2 2 sth sđm(  1) 0,02(2,15 2,15 1) 0,08 Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 2M 59,362 2 M th hoặc M* s s s 0,08 s s th th sth s 0,08 s sth s Mômen ngắn mạch: 59362 M 4777(N.m) 0,35M nm 1 đm 0,08 0,08 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Theo đó ta vẽ được đường đặc tính tự nhiên, qua 4 điểm: + không tải [M = 0; s = 0]; + định mức [ M*đm = 1; sđm = 0,02]; + tới hạn TH [M*th = 2,15; sth = 0,08]; + ngắn mạch NM [M*nm =0,35; s = 1] tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính nhân tạo: với Rf = 0,175Ω ta có độ trượt tới hạn nhân tạo: R2 Rf 0,0295 0,175 sth.nt sth 0,08 0,55 R2 0,0295 Phương trình đặc tính cơ 2 M* s 0,55 0,55 s 2 M* 1,816 nm 1 0,55 0,55 1 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.3. Đặc tính cơ khi khởi động: a. Khởi động và tính điện trở khởi động Nếu khởi động động cơ bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn. Tương tự như khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập, ta cũng đưa điện trở phụ vào mạch rôto đối với động cơ rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động: Ikđ.bđ Icp 2,5Iđm Và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN + Bắt đầu khởi động, K1 và K2 đều mở, điện trở phụ của mạch rôto gồm cả R2.f1 và R2.f2 + Kết thúc bước 1, K1 đóng, điện trở phụ chỉ còn R2.f2 + Kết thúc bước 2, K2 đóng, không còn điện trở phụ mạch rôto, động cơ chuyển tới trạng thái làm việc xác lập. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm; ηđm; ) và thông số tải (Ic; Mc; Pc; ) số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Vì đặc tính cơ là phi tuyến, nên để đơn giản, ta dùng phương pháp gần đúng: Đã chứng minh được các đường đặc tính khởi động của động cơ khi tuyến tính hóa sẽ hội tụ tại một điểm T trên đường ω0 = const phía bên phải trục tung của tọa độ (ω, M) như hình bên tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Quá trình khởi động, chọn mô men: Mmax = M1 = (2 ÷ 2,5)Mđm hoặc Mmax = 0,85Mth Mmin = M2 = (1,1 ÷ 1,3)Mc Sau khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động, tiến hành xây dựng đặc tính khởi động tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập. Đặc tính khởi động gần đúng là đường e–d–c–b–a–XL tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Tính điện trở khởi động Phương pháp đồ thị Khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động snt R2 R2f snt stn R2f R2 stn R2 stn Từ đồ thị ta có điện trở phụ các cấp: ha hc ac R R R 2.f1 he 2 he 2 hc he ce R R R 2.f 2 he 2 he 2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.4. Các đặc tính cơ khi hãm Động cơ điện KĐB cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng a. Hãm tái sinh Hãm tái sinh động cơ: ω > ω0, và có trả năng lượng về lưới. Hãm tái sinh thường xảy ra trong các trường hợp: + Có nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω > ω0 + Khi giảm tốc độ động cơ bằng cách tăng số đôi cực + 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. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi MSX trở thành nguồn động lực Trong quá trình làm việc, khi máy sản xuất (MSX) trở thành nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω > ω0, động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này: 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm 20Xnm '  0;I2 Ihts 0;M Mhts 0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực Động cơ đang làm việc ở điểm A, với p1, nếu ta tăng số đôi cực lên p2 > p1 thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ω2 và làm việc với tốc độ ω > ω, trở thành máy phát tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm2 202Xnm2 60.f1 02 p2 '  02;I2 Ihts 0;M Mhts 0 đoạn Bω02 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi đảo chiều từ trường stato động cơ Động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ (điểm A), nếu ta đảo chiều từ trường stato, với phụ tải thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hãm tái sinh, điểm D). Như vậy khi hạ hàng ta có thể cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát, đồng thời tạo ra mômen hãm để cho động cơ hạ hàng với tốc độ ổn định ωD. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này thay ω0 bằng -ω0: 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm 2( 0 )Xnm  0 (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm ngược Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto Động cơ đang làm việc ở điểm A, đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f) vào mạch rôto, mômen động cơ giảm (M , và đoạn CD là đoạn hãm ng-ợc, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện. Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vừa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính tốc độ và mô men khi hãm ngược ' ' R2 R2f sth Xnm 2 3U1f Mth 20Xnm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato. Khi đảo chiều, dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch = Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D. Đoạn BC là đoạn hãm ngược. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng hãm và mômen hãm của động cơ. ' ' R2 R2f sth Xnm 2 3U1f Mth 2( 0 )Xnm   s 0 1 0 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Hãm động năng Hãm động năng kích từ độc lập Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ khỏi lưới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập. Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát cực ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của nó là điện trở mạch rôto. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sẽ sinh ra một từ trường đứng yên Φ so với stato. Rôto động cơ do quán tính vẫn quay theo chiều cũ nên các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên, do đó xuất hiện trong chúng một sức điện động e2. Vì rôto ngắn mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải. Tương tác giữa dòng i2 và Φ tạo nên lực điện từ F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto ω làm cho rôto quay chậm lại → sđđ e2 giảm dần. Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ khi hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Nghĩa là cuộn dây stato thực tế đấu vào nguồn một chiều nhưng ta coi như đấu vào nguồn xoay chiều. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điều kiện đẳng trị: sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra như nhau: Fmc F1 Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra: 3 F 2.w .I 1 2 1 1 Stđ Fmc do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu dây của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát: Fmc a.w1.Imc tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ghép nối hai biểu thức stđ một chiều và xoay chiều 3 a.I F 2.w .I a.w .I F I mc A.I 1 1 1 1 mc mc 1 3 mc 2 2 2 2 A a 3 Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN o Fmc 2.Imc w1 cos30 3.Imc w1 Fmc a.w1.Imc 2 2 2 a 3 A a 3 3 3 3 3 2 a A 2 2 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2 a 1 A 3 3 1 a A 2 2 3 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ Chế độ động cơ: điện áp đặt vào stato không đổi (nguồn áp), dòng từ hóa Iμ từ thông Φ không đổi, còn dòng điện stato I1 và rôto I2 biến đổi theo tốc độ trượt s. Chế độ hãm động năng kích từ độc lập: Dòng một chiều Imc không đổi → dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi → nguồn cấp cho stato là nguồn dòng. Mặt khác, vì tổng trở mạch rôto khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên dòng rôto I2 và dòng từ hóa Iμ đều thay đổi, vậy nên từ thông Φ ở stato thay đổi theo tốc độ. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Sơ đồ thay thế khi hãm động năng Trong chế độ động cơ, động năng rôto (công suất cơ) tính theo tốc độ trượt s (TT quay) Trạng thái hãm động năng rôto được tính theo tốc độ tương đối (TT đứng yên).  * 0 Từ sơ đồ thay thế, ta có đồ thị vectơ dòng điện tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ sơ đồ thay thế ta có: ' ' * ' E2 E2 I2 ' 2 '2 ' * 2 R R 2 (X2 ) 2 X'2 * 2  * ' XI ' ' ' I với R R R 2 '2 ' * 2 2 2 2f R2 (X2 ) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Theo đồ thị vectơ ta có: 2 ' 2 ' 2 I1 (I I2 sin 2) (I2 cos 2) 2 2 '2 ' I1 I I2 2II2 sin 2 X * với sin 2 2 '2 ' * 2 R2 (X2 ) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Thay I2’ và sinφ2 vào biểu thức I1: 2 2 *2 2 2 ' *2 2 2 IX 2IXX2 I1 I '2 ' * 2 '2 ' * 2 R2 (X2 ) R2 (X2 ) 2 I 1 1 I *   2 I (X' X )2 1 X'2 2  2 I tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN X I * Dòng điện rôto: I'   2 '2 ' 2 *2 R2 (X2 X )  ' '2 R 2 3.I2 * Mô men động cơ: M  0 '2 ' * 3.I2 R2 M '2 ' 2 *2 0[R2 (X2 X )  ] tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đường cong M = f(ω*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ và cho ta những kết quả: R' 3.I2X2 * 2 1  th ' Mth ' X X2 20 (X X2 ) 2.Mth M * *  th * * th  Khi thay đổi R’2f → R’2Σ thay đổi → ω*th thay đổi và Mth = const Khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc → Mth thay đổi và ω*th = const. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Các đường đặc tính hãm động năng: Đường (1) và (2) có cùng điện trở R’2Σ(1) = R’2Σ(2), nhưng có mô men Mth1 < Mth2 nên dòng điện một chiều tương ứng Imc1 < Imc2. Đường (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở R’2Σ(2) < R’2Σ(3). Nên ω*th1 < ω*th2 Khi thay đổi điện trở phụ mạch rôto hoặc dòng điện một chiều stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi đặc tính tính cơ. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm động năng tự kích từ Ở chế độ động cơ (tiếp K kín, tiếp điểm H hở), khi cho K hở, H kín lại, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm động năng tự kích từ. Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn bên ngoài, mà sử dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto hoặc bộ tụ điện ở mạch stato tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-6: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rh nối vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mômen hãm cực đại đạt được Mh.max = 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho trước: Động cơ 11KW; 220V; n = 953 vg/ph, λ = Mth/Mđm = 3,1; cosφđm = 0,71; cosφo (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω; X1 = 0,465Ω; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ω; X2 = 0,27Ω; và Ke = 1,84. Giải: Trước hết, xác định thêm các thông số của động cơ: tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ góc định mức: n 953  đm 99,8(rad/s) đm 9,55 9,55 Tốc độ góc từ trường quay: 1000  104,7(rad/s) 0 9,55 Mô men định mức: Pđm1000 11.1000 Mđm 110,2(N.m) đm 99,8 Tốc độ trượt định mức: 0 đm 104,7 99,8 sđm 0,05 0 104,7 tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện kháng mạch từ hóa Xμ được xác định theo s.đ.đ. và dòng điện không tải của stato (coi dòng không tải bằng dòng từ hóa): E1.0 KeE2nm.f 1,84.200 X 11,05() I1.0 I1.0 3.19,2 Điện kháng rôto qui đổi về stato: ' 2 2 X2 Ke.X2 1,84 0,27 0,92() Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn: Mth.đn Mh.max 2,5Mđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ tới hạn ω*th có thể chọn bằng tốc độ hãm ban đầu: * * th bđ đm /0 Khi đó ta có đặc tính hãm là đường 2. Rõ ràng đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì mômen giảm gần như tuyến tính từ tốc độ ban đầu ωbđ = ωđm cho đến ω = 0. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để cho việc hãm có hiệu quả cao, cần tạo ra một đặc tính cơ đảm bảo bao một diện tích lớn nhất giữa nó với trục tung của đồ thị (vùng gạch sọc). Khi đó mômen hãm trung bình trong toàn bộ quá trình hãm sẽ là lớn nhất. Việc tính toán cho thấy đặc tính cơ dạng này có tốc độ tới * hạn: th.tu 0,407 Vậy đặc tính cơ hãm động năng được chọn là đường (1) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ biểu thức của mômen tới hạn hãm động năng ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1: ' Mth.đn.20 (X X2 ) I1 2 3X 2,5.110,2.104,7(11,05 0,992) I 43,4(A) 1 3.11,052 Qua hệ số tỷ lệ A của sơ đồ nối dây stato vào nguồn điện một chiều khi hãm (ví dụ chọn sơ đồ 1), ta có: A 2 / 3 0,815 Ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết: Imc I1 /A 43,4/0,815 53(A) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Giá trị điện trở trong mạch rôto khi hãm: ' * ' R2.t th(X X2) 0,407(11,05 0,92) 4,87() Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi: ' 2 2 R2t R2.t / ke 4,87/1,84 1,44() Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto R2h R2t r2 1,44 0,132 1,308() tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc: 2.M (1 a.s ) M th th s sth 2a.sth sth s tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để đảo chiều động cơ, có thể đảo chiều từ trường stato (±ωo), hay đảo thứ tự pha điện áp (u1) động cơ (thường đảo 2 trong 3 pha stato). Khi đảo chiều, dòng đảo chiều rất lớn nên phải cho thêm điện trở phụ vào mạch rôto để hạn chế Iđc.h = Icp. Khi động cơ làm việc ở chiều ngược thì Mth sẽ đảo dấu và sth > 1. Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm B trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo ngược. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.4.1. Đặc tính cơ Khi đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải: 2 .f  1 0 p tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB này trong phạm vi mômen cho phép M = Mmax thì tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ. tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4.2. Đặc tính góc của động cơ Trong nghiên cứu tính toán hệ truyền động dùng động cơ ĐB, người ta sử dụng một đặc tính quan trọng là đặc tính góc. Đặc tính góc của động cơ đồng bộ quan hệ giữa giữa mômen của động cơ với góc lệch vectơ điện áp pha của lưới U1 và vectơ sức điện động cảm ứng E trong dây quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra: M = f(θ) Đặc tính này được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato (r1 ≈ 0). tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN U1 - điện áp pha của lưới (V) E - sức điện động pha stato (V) I - dòng điện stato (A) θ - góc lệch giữa U1 và E φ - góc lệch giữa vectơ điện áp U1 và dòng điện I. Xs = Xμ + X1 - điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng mạch từ hóa Xμ và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato X1 (Ω) tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ đồ thị vectơ U1 cos Ecos( ) Từ tam giác ABC CB U sin  cos( ) 1 CA I.Xs U1 sin  U1 cos E I.Xs U1 sin  U1Icos E Xs tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Công suất 3 pha của động cơ: E.U P 3 1 sin  Xs Mômen của động cơ: P 3E.U M 1 sin  0 0Xs Phương trình mô men chính là phương trình đặc tính góc của động cơ ĐB. Theo đó ta có đặc tính góc là đường cong hình sin tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3E.U Khi θ = π/2 ta có biên độ cực đại: 1 Mm 0Xs Phương trình mô men có dạng gọn: M Mm sin  Mô men Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha θ tăng, nếu tăng quá mức θ > π/2 → mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc lệch θ = 20o ÷ 25o Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ là: M  m 2  2,5 Mđm tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Những điều đã phân tích ở trên chỉ đúng với những động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi rôto có kích từ. Còn đối với những động cơ đồng bộ cực lồi, do sự phân bố khe hở không khí không đều giữa rôto và stato nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ. Do đó đặc tính góc có biến dạng ít nhiều, như đường nét đứt trên hình tungpk@hnue.edu.vn
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN tungpk@hnue.edu.vn