Bài tập lớn môn Điều khiển máy điện - Vũ Huy Hoàng

Nội dung text: Bài tập lớn môn Điều khiển máy điện - Vũ Huy Hoàng

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN  BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG GVHD: TS. Nguyễn Thanh Sơn Sinh viên thực hiện: Vũ Huy Hoàng MSSV: 20181162 Mã lớp: 124663 Hà Nội, 08/2021
2. Mục lục I. Yêu cầu bài tập 3 II. Giải bài tập 3 1. Cơ sở lý thuyết 3 1.1. Đặc tính cơ 4 1.2. Hãm động năng 4 1.3. Khởi động động cơ mắc thêm điện trở phụ 5 2. Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét 6 2.1. Điểm định mức 6 2.2. Điểm không tải lý tưởng 6 2.3. Điểm ngắn mạch 7 3. Dựng đặc tính cơ nhân tạo khi mắc thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng 8 4. Xác định giá trị điện trở hãm 11 5. Tính giá trị điện trở khởi động 11 2
3. I. Yêu cầu bài tập Cho động cơ điện một chiều kích từ song song có thông số như sau: • Điện áp định mức: 푈 = 100( ) • Dòng điện định mức: = 20 ( ) • Tổng trở mạch phần ứng: 푅 = 0,26 (훺) • Công suất định mức: 푃 = 6,6 ( 푊) • Tốc độ: 푛 = 2200 (푣ò푛 / ℎú푡) Yêu cầu: • Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét • Dựng đặc tính cơ nhân tạo khi mắc thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng 푅 = 2 (훺) • Để dừng nhanh động cơ, người ta dùng hãm động năng. Xác định giá trị điện trở hãm • Để khởi động động cơ, người ta mắc thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng. Tính giá trị điện trở khởi động II. Giải bài tập 1. Cơ sở lý thuyết Động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song khi nguồn có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng. Hình 1: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song 3
4. 1.1. Đặc tính cơ Quan hệ giữa mô men và tốc độ động cơ được gọi là đặc tính cơ: 휔 = ( ) 푛 = ( ) Đặc tính cơ tự nhiên có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 푈 푅 휔 = − 퐾 퐾2 Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Phương trình đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng: 푈 푅 + 푅 휔 = − 퐾 퐾2 Phương trình đặc tính cơ điện của động cơ: 휔 = ( ) 푈 푅 + 푅 휔 = − 퐾 퐾 1.2. Hãm động năng Hãm động năng là một trong các trạng thái làm việc của truyền động điện. Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học đã tích lũy được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tạo ra mô men hãm. Hãm động năng có 2 dạng: • Hãm động năng kích từ độc lập • Hãm động năng tự kích Trong bài này ta sẽ phân tích trường hợp hãm động năng kích từ độc lập. Hình 2: Sơ đồ nối dây hãm động năng kích từ độc lập 4
5. Khi động cơ đang làm việc với lưới điện, thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm 푅ℎ. Do động năng tích lũy 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: 푅 + 푅 휔 = − ℎ 퐾2 Tại thời điểm ban đầu, tốc độ hãm là 휔ℎ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mô men hãm ban đầu là: • Sức điện động hãm ban đầu: ℎ = 퐾휔ℎ • Dòng hãm ban đầu: ℎ = − < 0 푅 +푅ℎ • Mô men hãm ban đầu: ℎ = 퐾 ℎ < 0 1.3. Khởi động động cơ mắc thêm điện trở phụ Khi 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 hủy quá trình cơ học của máy. Dòng mở máy trực tiếp có phương trình 푈 푡푡 = = [10 − 15] 푅 Để hạn chế dòng khởi động, ta 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. Hình 3: Sơ đồ nối dây phương pháp khởi động mắc thêm điện trở phụ 2 cấp 5
6. Sau khi mắc thêm điện trở phụ, ta có phương trình dòng khởi động: 푈 푡 = = [2 − 2,5] 푅 + 푅 2. Dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhận xét Đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ bằng 2 trong số 3 điểm: • Điểm định mức [ ; 휔 ] • Điểm không tải lý tưởng [ = 0 ; 휔 = 휔0] • Điểm ngắn mạch [ 푛 ; 휔 = 0] 2.1. Điểm định mức Tần số góc định mức: 푛 2200 휔 = = = 230,36 ( /푠) 9,55 9,55 Mô men định mức: 푃 6600 = = = 28,65 ( . ) 휔 230,36 Như vậy ta tìm được điểm định mức [ ; 휔 ] = [28,65 ; 230,36] 2.2. Điểm không tải lý tưởng Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 푈 푅 푈 푅 푈 푅 휔 = − = − 퐾 = − 퐾 퐾2 퐾 퐾2 퐾 퐾 Suy ra hệ số kết cấu của động cơ: 푈 − 푅 푈 − 푅 퐾 = = 휔 휔 Thay số: 100 − 0,26.20 퐾 = = 0,41(푊 ) 230,36 Ngoài ra, phương trình đặc tính cơ tự nhiên còn được viết dưới dạng: 휔 = 휔0 − 훥휔 Trong đó: 푈 • Tốc độ không tải lý tưởng: 휔 = ( /푠) 0 퐾 푅 • Độ sụt tốc độ: 훥휔 = ( /푠) 퐾2 푡 6
7. Từ phương trình tốc độ không tải lý tưởng: 푈 휔 = 0 퐾 Thay số: 100 휔 = = 243,9 ( /푠) 0 0,41 Như vậy ta tìm được điểm không tải lý tưởng [ = 0 ; 휔 = 휔0] = [0 ; 243,9] 2.3. Điểm ngắn mạch Ta có thể tìm thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch: 푈 100 푛 = 퐾 푛 = 퐾 = 0,41. = 157,69 ( . ) 푅 0,26 Như vậy ta tìm được điểm ngắn mạch [ 푛 ; 휔 = 0] = [157,69 ; 0] Từ 2.1 và 2.2 ta có bảng đặc tính cơ tự nhiên: ( . ) 28,65 0 휔 ( /푠) 230,36 243,9 Tiến hành vẽ bằng Matlab, ta được đồ thị: Hình 4: Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên 7
8. Từ phương trình độ sụt tốc độ theo lý thuyết: 푅 푅 푅 훥휔 = = 퐾 = 퐾2 푡 퐾2 퐾 Thay số: 0,26 훥휔 = . 20 = 12,68 ( /푠) 0,41 Từ đồ thị đặc tính cơ tự nhiên (Hình 4), ta tính được độ sụt tốc độ: 훥휔 = 휔0 − 휔 = 243,9 − 230,36 = 13,54 ( /푠) 훥휔 13,54 훥휔 (%) = . 100 = . 100 = 5,5 (%) 휔0 243,9 Nhận xét: • Độ sút tốc độ phù hợp với lý thuyết • Độ sút tốc độ nằm trong giới hạn cho phép (khoảng 5%) Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên xác định theo đường đặc tính: 훥 0 − 28,65 |훽 | = = | | = 2, 11 ( . 푠) 푡푛 훥휔 243,9 − 230,36 3. Dựng đặc tính cơ nhân tạo khi mắc thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng Khi mắc thêm điện trở phụ trên mạch phần ứng, tốc độ không tải không thay đổi. Ta có thể vẽ đường đặc tính cơ nhân tạo qua 2 điểm: • Điểm không tải lý tưởng [ = 0 ; 휔 = 휔0] • Điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [ ; 휔푛푡] Ta chỉ cần tìm thêm điểm [ ; 휔푛푡]. Từ phương trình đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng: 푈 푅 + 푅 휔 = − 퐾 퐾2 Suy ra tốc độ góc nhân tạo (ứng với mô men định mức): 푈 − (푅 + 푅 ) 푈 − (푅 + 푅 ) 휔 = = 푛푡 퐾 퐾 Thay số: 100 − (0,26 + 2). 201 휔 = = 133,66 ( /푠) 푛푡 0,41 Như vậy ta tìm được điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [ ; 휔푛푡] = [28,65 ; 133,66] 8
9. Ta có bảng đặc tính cơ nhân tạo: ( . ) 28,65 0 휔 ( /푠) 133,66 243,9 Tiến hành vẽ bằng Matlab, ta được đồ thị: Hình 5: Đồ thị đặc tính cơ nhân tạo Từ phương trình độ sụt tốc độ theo lý thuyết: 푅 + 푅 푅 + 푅 푅 + 푅 훥휔 = = 퐾 = 퐾2 푡 퐾2 퐾 Thay số: 0,26 + 2 훥휔 = . 20 = 110,24 ( /푠) 0,41 Từ đồ thị đặc tính cơ nhân tạo (Hình 5), ta tính được độ sụt tốc độ: 훥휔 = 휔0 − 휔 = 243,9 − 133,66 = 110,24 ( /푠) 훥휔 110,24 훥휔 (%) = . 100 = . 100 = 45,2 (%) 휔0 243,9 9
10. Nhận xét: • Độ sụt tốc độ phù hợp với lý thuyết • Độ sụt tốc độ vượt ngoài khoảng giới hạn cho phép (5%) • Khi mắc thêm điện trở phụ, tốc độ của động cơ giảm đáng kể Độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo xác định theo đường đặc tính: 훥 0 − 28,65 |훽 | = = | | = 0,26 ( . 푠) 푡푛 훥휔 243,9 − 133,66 Từ Hình 4 và Hình 5, ta có đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo: Hình 6: Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo Nhận xét: • Theo tính toán, giá trị độ cứng đường đặc tính cơ nhân tạo nhỏ hơn đường đặc tính cơ tự nhiên • Theo đồ thị, ta thấy độ cứng đường đặc tính cơ nhân tạo mềm hơn đường đặc tính cơ tự nhiên • Phù hợp với lý thuyết 10
11. 4. Xác định giá trị điện trở hãm Trước thời điểm hãm, động cơ làm việc ở điểm định mức có mô men định mức = 28,65 ( . ) và tốc độ góc định mức 휔 = 230,36 ( /푠). Sức điện động của động cơ trước khi hãm: = 푈 − 푅 = 100 − 0,26.20 = 94,8 ( ) Dòng điện hãm ban đầu: ℎ = 2 = 2.20 = 40 ( ) Từ phương trình dòng điện hãm ban đầu ta suy ra: 94,8 푅 + 푅 = = = 2,37 (훺) ℎ 40 Suy ra điện trở hãm được tính như sau: 푅ℎ = 2,37 − 푅 = 2,37 − 0,26 = 2,11 (훺) 5. Tính giá trị điện trở khởi động Để hạn chế dòng khởi động, ta mắc thêm điện trở phụ theo 3 cấp như hình dưới đây: Hình 7: Mạch khởi động động cơ mắc điện trở phụ 3 cấp 11
12. Điện áp ngược trong mạch phần ứng 푛 ứng với tốc độ định mức 휔 được tính như sau: 푛 = 퐾. 휔 = 0,41.230,36 = 94,44 ( ) Phương trình dòng mở máy gián tiếp: 푈 = 푅 + 푅 Theo tiêu chuẩn, dòng mở máy có giá trị thỏa mãn: = [2 − 2,5] Hay: ≤ 2,5 = 2,5.20 = 50 ( ) Từ đó suy ra: 푈 ≤ 2,5 ( ) 푅 + 푅 푈 100 푅 ≥ ( − 푅 ) = − 0,26 = 1,74 (훺) 2,5 50 Chọn 푅 = 2 (훺) Kiểm tra các điều kiện khởi động tại những tốc độ khác nhau của động cơ: Sau khi khởi động được một thời gian, tốc độ động cơ tăng lên 500 (푣ò푛 / ℎú푡). Khi đó sức điện động ngược có giá trị như sau: 푛 500 = 퐾. 휔 = 퐾 1 = 0,41. = 21,46 ( ) 푛1 1 9,55 9,55 Dòng khởi động (1) lúc này: 푈 − 푛1 100 − 21,46 1 = = = 34,75 ( ) 푅 + 푅 0,26 + 2 Nhận xét: Dòng 1 nhỏ hơn 2,5 = 50 ( ) Sau một khoảng thời gian, tiếp điểm 1G đóng lại. Khi này giá trị điện trở phụ giảm còn 2 3 giá trị ban đầu. Giả thiết khi này tốc độ động cơ tăng lên 1000 (푣ò푛 / ℎú푡). Khi đó sức điện động ngược có giá trị như sau: 푛 1000 = 퐾. 휔 = 퐾 2 = 0,41. = 42,93 ( ) 푛2 2 9,55 9,55 Dòng khởi động (2) lúc này: 12
13. 푈 − 100 − 42,93 = 푛2 = = 35,81 ( ) 2 2 2 푅 + 3 푅 0,26 + 3 . 2 Nhận xét: Dòng 2 nhỏ hơn 2,5 = 50 ( ) Sau một khoảng thời gian, tiếp điểm 2G đóng lại. Khi này giá trị điện trở phụ giảm còn 1 3 giá trị ban đầu. Giả thiết khi này tốc độ động cơ tăng lên 1500 (푣ò푛 / ℎú푡). Khi đó sức điện động ngược có giá trị như sau: 푛 1500 = 퐾. 휔 = 퐾 3 = 0,41. = 64,39 ( ) 푛3 3 9,55 9,55 Dòng khởi động (3) lúc này: 푈 − 100 − 64,39 = 푛3 = = 38,43 ( ) 3 1 1 푅 + 3 푅 0,26 + 3 . 2 Nhận xét: Dòng 3 nhỏ hơn 2,5 = 50 ( ) Sau một khoảng thời gian, tiếp điểm 3G đóng lại. Khi này giá trị điện trở phụ bằng 0. Khi đó dòng điện phần ứng là dòng điện định mức của động cơ. Điện trở hãm được tính như sau: 푛 퐾. 휔 0,41.230,36 푅ℎ = − 푅 = − 푅 = − 0,26 = 2,1 (훺) ℎ 2 2.20 13