Đề cương 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 1 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: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2 - 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:           đm cđmcc MMMM ).( 00 (1-2) Trong đó: Mc - mômen ứng với tốc độ  Mco - mômen ứng với tốc độ = 0. Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức đm ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 3 a) b) 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). ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4 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 (1-4) nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:      M (1-5) Hoặc theo hệ đơn vị tương đối:   d dM  là lượng sai phân của mômen M và . 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. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 5 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 = Pc + Pđ - Hãm ngược 6 = 0 < 0 = Pcơ  - 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 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 6 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. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 7 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: Rút ra: i MM M i lv i lvlv cqd ..    (1-8) i - hiệu suất của hộp tốc độ. Trong đó: lv di    gọi là tỷ số truyền của hộp tốc độ. * Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi: . lv cqd F M  (1-9) Trong đó:  = t. i hiệu suất bộ truyền lực. t hiệu suất của tang trống = lv d v  gọi là tỷ số quy đổi - 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 1 iWW     .cqd i lvlv i c tr M MP P  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 8 Chuyển động quay: 2 2 1 JW  Chuyển động tịnh tiến: 2 2mv W  Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng đơn khối, và áp dụng các điều kiện trên ta có:   q j j n i D D D qd v mJJJ 1 22 1 1 22 22 . 22    n q j j i i Dqd m i J JJ 1 1 22  (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: dt Jd M n i 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: dt d JMM c   (1-12)  (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): M−Mc = dt dnGD . 375 2 (1-13) Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s): M−Mc = dt dnJ . 55,9 (1-14) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 9 Mômen động: Mđg = M−Mc = J dt d (1-15) Từ phương trình (1.21) ta thấy rằng: - Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì: dt d > 0  hệ tăng tốc - Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì: dt d < 0  hệ giảm tốc. - Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì: dt d = 0  hệ làm việc xác lập, hay hệ làm 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: Mc dt d JM   Suy ra, điều kiện để ổn định là: 0)()(       xx McM  (1-16) Hay: (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 1.5: Minh họa điểm làm việc ổn định. Hình 1.6: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn định. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 10 - Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A: Xét điều kiện đủ: 0 Dc nn  0;0              D c c c c c D D D D n M n M n M n M  Vậy: 0 cD  - 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). Quy đổi: 3060 2 nn    hay  30 n . * 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* = cbx x 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,...... 0;0  Dc MM ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 11 Do đó: ......;;%;100%; 0 *****        dmcbdmdm R R R U U U U U U 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 = dm dm I U : Đối với động cơ điện một chiều. R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ; Khi rotor đấu sao: R2cbY = dm nm I E 2 2 3 Khi rotor đấu tam giác: R2cb = cbR2 2 1 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). (1-18) Trong đó: Uư : Điện áp phần ứng, (V) Eư : Sức điện động phần ứng, (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng, ( )  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 12 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:    K a Np Eu . 2 . (1-19) Trong đó: : Số đôi cực từ chính, : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, : 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, : Hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc quay (vòng/phút) thì: nKE eu . (1-20) Và: Vì vậy: Eư = Do đó: = - Hệ số sức điện động của động cơ. Hay: . Từ (2-1) và (2-2) ta có : u fuu I K RR K U      (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 (1-22) Suy ra: Iư = Thay giá trị Iư vào (2-4) ta được:  p N a   a pN K 2  n n a pN  60 eK a pN 60 K K Ke 105,0 55,9   K M dt ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 13 đt fuu M K RR K U . )( 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. M K RR K U fuu . )( 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, , thì phương trình đặc tính cơ điện (1- 21) 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: (1- 25) : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. +) Còn khi ta có: nm fu u u I RR U i    (1-26) Và (1-27) 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:            0 . . K IR K U I K RR K U uu u fuu (1-28) const 0    K U u 0 0 nmnm MIKM  nmnm MI , ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 14            022 )( . . )( K MR K U M K RR K U ufuu (1-29) Trong đó: , M K R K IR u . )( . 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 Trong đó: , , , . ( dm dm cb I U R  là điện trở cơ bản ). Từ (2-4) và (2-7), ta biết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối: *** 1 IR (1-30) *** 1 MR (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: ; . Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Ta có: (1-32) Độ cứng của đặc tính cơ: var )( 2        fu RR KM   (1-33) Khi càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. ứng với ta có đặc tính cơ tự nhiên: (1-34) fu RRR    K U u 0   dm 0 *     dmI I I * dmM M M * cbR R R *  constUU dmu  constdm  fR const K U dm dm   0 fR  0fR   u dm TN R K 2   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 15 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: , . Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm. ta có: Tốc độ không tải : Độ cứng đặc tính cơ: 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. TN constdm  constRu  var0    dm x x K U    const R K u    2  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 16 Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ. Trong trường hợp này : Tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì tăng còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với 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: Dòng điện ngắn mạch: Mômen ngắn mạch: 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, ) var0    x dm x K U    var 2    u x R K  ox  ox const R U I u dm nm  var nmxnm IKM 0  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 17 đm uđmđm đm đm đm RIUK K U   . ;0     - Điểm thứ hai: 55,960 .2 đmđm đm nn    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: ( ) Xác định Như ở đặc tính cơ điện. - Điểm thứ hai: ( ) Trong đó: 2. Cách vẽ đặc tính nhân tạo.  Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều đi qua điểm không tải lý tưởng , vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai. Thường chọn là điểm ứng với tải định mức: - Đối với đặc tính cơ điện: ứng với Iđm - Đối với đặc tính cơ : ứng với Mđm Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên (1-23) ta có: đm uđmđm đm K RIU    .  Và phương trình đặc tính biến trở tính được:  dmdmII   , 0;0  M 0 dmdmMM   ; mN P M dm dm dm .,   0   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 18 đm fuđmđm đm K RRIU I    )( / Lập tỉ số và sau khi biến đổi ta được: uđmđm fuđmđm đmđm RIU RRIU I    )( ./  (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 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: đm đm đmu I U R ).1(5,0  (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 , ta có là giá trị tốc độ không tải khi giảm từ thông. dm  dm    dmx xoTNox .  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 19 - Dòng điện ngắn mạch được tính: (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) (1-38) 1.3.3 Khởi động và tính toán điện trở khởi động. E Udm Iu Rf1 Rf2 Rf3 K1 K2 K3 Rkt 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 fuu I K RR K U      Với đặc tính tự nhiên thì Rf = 0, khi khởi động dòng điện khởi động ban đầu: u đm nm R U I  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 . u udm nm R U I  x M M nmdmnm  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 20 Khi dòng khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Đặc biệt là những hệ thống cần khởi động và hãm nhiều lần trong quá trình làm việc. Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm điện áp nguồn đặt vào động cơ hoặc nối thêm điện trở phụ 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 động cơ được cung cấp điện áp cố định. Sau đây ta khảo sát phương pháp khởi động dùng điện trở phụ. Trên hình 1.16 là sơ đồ nối dây của động cơ khi khởi động dùng điện trở phụ. Trị số điện trở phụ tổng được tính toán sao cho khi khởi động(=0) thì dòng khởi động không được vượt quá 2,5 Iđm để đảm bảo cho động cơ và cơ cấu truyền động. Ngoài ra Inm cũng không nên quá nhỏ khiến mô men Mnm cũng nhỏ đi so với mô men cản, thường chọn đm fu đm nm I RR U I )5,22(    (1-39) Khi tốc độ động cơ tăng lên dòng điện phần ứng giảm dần theo biểu thức: fu đm RR KU I     (1-40) Hình 1.17: Các đặc tính khởi động qua 3 cấp điện trở phụ Muốn cho quá trình tăng tốc độ được tiến hành đều đặn và để cho động cơ làm việc ổn định trên đặc tính cơ tự nhiên ta phải dần cắt các điện trở phụ. Việc cắt các điện trở phụ nhờ các tiếp điểm K1 , K2, K3 của các công tắc tơ. Quá trình khởi động sẽ làm việc trên một loạt đường đặc tính cơ 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 trên đặc tính cơ tự nhiên và làm việc ổn định tại điểm A. Ở đó dòng điện chạy trong động cơ bằng dòng điện tải (I=Ic ) Muốn xác định trị số điện trở phụ khởi động ta dùng một số phương pháp sau: a) Phương pháp đồ thị ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 21 - Dựa vào các thông số của động cơ ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên (H.1.16) - Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động cho động cơ: I1 ≤ (22,5)Iđm (1-41) I2 (1,1 1,3)Iđm (1-42) Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành: Từ I1, I2 kẻ hai đường dóng song song với tục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và b, nối 0 với h(I1) ta được đặc tính khởi động đầu tiên; Đặc tính này cắt đường dóng I2 tại g. Từ g kẻ đường song song với trục hoành cắt đường dóng I1 tại f. Nối 0 với f ta được đường đặc tính khởi động thứ hai. Cứ tiếp tục như vậy tới khi từ c kẻ đường song song với trục hoành sẽ gặp điểm b. Nếu không thỏa mãn ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi vẽ lại cho tới khi đạt được. Ngoài ra đặc tính khởi động còn phải đảm bảo số cấp điện trở khởi động theo yêu cầu. - Xác định trị số các điện trở khởi động: Dựa vào biểu thức độ sụt tốc độ ∆ trên các đặc tính đã vẽ ứng với dòng điện, ví dụ với I1 : 111 .;. I K RR I K R fu NT u NT       Lập tỉ số: u fu NT NT R RR 11      Từ đó rút ra: u NT NTNT f RR . 1 1      Qua đồ thị ta có: uuf R ib bd R ib ibid R ..1    (1-43) uuf R ib df R ib idif R ..2    (1-44) uuf R ib fh R ib ifih R ..3    (1-45) b) Phương pháp giải tích Giả thiết động cơ được khởi động với m cấp điện trở phụ. Đặc tính khởi động dốc nhất là đặc tính thứ (m); ví dụ trên đồ thị hình 2.11 là đường 3, các đặc tính khởi động tiếp theo là (m-1), (m-2) Điện trở phụ ở mỗi cấp ta ký hiệu là Rf1, Rf2, Rf3 Rfm và điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính là: R1 = Ru + Rf1 R2 = Ru + Rf1+ Rf2 Rm-1 = Ru + Rf1+ Rf2+ Rf3 +.+ Rfm-1 (1-46) Rm = Ru + Rf1+ Rf2+ Rf3 +.+ Rfm ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 22 Tại điểm g trên hình 2.11 ta có: m mđm R EU I  2 Tại điểm f: 1 1    m mđm R EU I Trong đó Em là sức điện động của động cơ ứng với m lập tỉ số I1/I2 ta có: 12 1   m m R R I I Tương tự đối với các cấp tiếp theo ta được:     um m m m R R R R R R I I 1 2 1 12 1 .... (1-47)  2 1 I I là bội số dòng khởi động Ta lần lượt rút ra: R1 = .Ru R2 = .R1 =  2.Ru R3 = .R2 = 3.Ru (1-48) .. Rm = .Rm-1 =  m.Ru Như vậy, nếu biết số cấp điện trở khởi động m và điện trở tổng các cấp Rm, điện trở phần ứng động cơ, ta tính được bội số dòng điện khởi động: m u dm m u m IR U R R 1.  (1-49) Trong đó 1I U R đmm  Nếu tính trong hệ đơn vị tương đối: m u m u MRIR * 1 ** 1 * . 1 . 1  (1-50) Trong đó: đmđmcb u u M M I I I R R R 11*1 * ;  (Với =đm) - Nếu biết , Rm, Ru ta xác định được số cấp điện trở khởi động m: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23  lg . 1 lg lg . 1 lg lg lg * 1 ** 1 * MRIRR R m uuu m  (1-51) Trị số từng cấp điện trở khởi động được tính như sau: Rf1=R1-Ru =Ru- Ru = (-1).Ru Rf2=R2-R1 = 2Ru- Ru =  (-1).Ru (1-52) Rf3=R3-R2 = 3Ru-  2Ru =  2 (-1).Ru . Như vậy xác định điện trở bằng phương pháp giải tích có thể tiến hành trong các trường hợp sau đây: 1. Khi cho trước số cấp điện trở khởi động m và yêu cầu khởi động nhanh (mở máy cưỡng bức) - Chọn giới hạn dòng điện khởi động I1 là cực đại cho phép: I1 = 2,5Iđm và tính 1I U R đmm  - Theo biểu thức (1-50) tính ; theo biểu thức (1-52) xác định trị số các cấp điện trở khởi động cần thiết: Rf1 ; Rf2 ; Rf3 ;Rfm 2. Khi cho trước số cấp điện trở khởi động m, chế độ khởi động bình thường: - Chọn giới hạn dòng điện chuyển khi khởi động: I2=(1,11,3)Iđm - Từ (1-49) hoặc (1-50) thay I1= I2 hoặc I * 1= I * 2=  M * 2 và biến đổi ta sẽ tính được : 1 2.  m u đm IR U  (1-53) Hoặc 1 ** 1 * 2 * 11   m u m RMIM  (1-54) - Theo biểu thức(1-52) xác định trị số các cấp điện trở khởi động Rf1 ; Rf2 ; Rf3 ;Rfm 3. Khi cần xác định số cấp điện trở khởi động m và các điện trở khởi động theo các điều kiện khởi động cho trước - Dựa vào các yêu cầu của truyền động và khởi động chọn các giá trị I1, I2, M1, M2. - Theo biểu thức (1-49) tính  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 24 - Theo biểu thức (1-51) tính số cấp điện trở khởi động m, nếu m tính ra không phải là số nguyên thì phải chọn lại I1M1 hoặc I2M2 và tính lại cho tới khi m là số nguyên. - Theo biểu thức (1-52) xác định trị số các cấp điện trở khởi động mỗi cấp. 1.3.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen 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 và hãm động năng. a. Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới): Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát địên song song với lưới. So với chế độ động cơ dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: (1-55) Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mômen phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư của mặt phẳng toạ độ. Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa 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. Hình 1.18: Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ kích từ độc lập. b.Hãm ngược: Trạng thái hãm ngược của dộng cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Có hai trường hợp hãm ngược: 00      R KK R EU I uuh  0 hh IKM od  0 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 25  Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng: Hình 1.19: Đặc tính cơ hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng tải thế năng Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen 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, mômen động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặc tính hãm ngược. Khi hãm ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên: (1-57) (1-58) Như vậy ở đặc tính hãm ngược s.đ.đ 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.  Đảo chiều điện áp phần ứng: fufu uu h RR KU RR EU I      hIKM  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 26 a) b) Hình 1.20: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ. a.Sơ đồ đấu dây, b. Đặc tính cơ Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch. Động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômem đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồnthì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc trên hình vẽ là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm được tính: fu uu fu uu h RR EU RR EU I       (1-59) (1-60) Biểu thức (1-59) biểu thị dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này có thể khá lớn; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép: và phương trình đặc tính cơ có dạng: (1-61) 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 đẵ tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. uh IKM    dmhd II 5,22    M K RR K U fuu 2      ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 27  Hãm động năng kích từ độc lập: Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ. Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày như hình vẽ. a) b) Hinh 1.21: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ DC kích từ độc lập a. Sơ đồ điện khi hãm, b. Đặc tính cơ hãm Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị nên: (1-62) và dòng điện hãm ban đầu: (1-63) Biểu thức (1-62) và (1-63) chứng tỏ dòng hãm Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau: (1-64) (1-65) Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.Ta nhận thấy rằng: Khi thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh. Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh. Tuy nhiên cần chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: . Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản Mc là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn b1o hoặc b2o. Với mômen cản là thế năng thì dướ tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược hd hdhd KE  0 hdhd IKM u hu I K RR      M K RR hu 2    const   dmhd II 5,22  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 28 lại đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc. Đoạn b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng. Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ mằm trong mạch kích từ. Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng:  Hãm động năng tự kích: Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không thực hiện hãm được do vậy cuôn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ. Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm, chiều dòng điện kích từ vẫn giữ không đổi. Sơ đồ nguyên lý ta có: Iu = Ih + Ikt a) b) Hình 1.22: Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. a. Sơ đồ nguyên lý; b. Đặc tính cơ hãm. hkt hkt u hkt hkt u u RR RR R K RR RR R E I         ..  (1-66) Và phương trình đặc tính cơ là: u hkt hkt uu I K RR RR RR . .     (1-67) và: M K RR RR RR hkt hkt uu . )( . 2    (1-68)   dmkhdm PP %51   2hhuuu IRRIE  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 29 Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tính không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến như hình vẽ trên. So với phương pháp hãm ngựơc, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản. Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ điện năng từ lưới nên phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất lưới điện. 1.4.. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Đặc điểm của động cơ điện 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 của động cơ một chiều kích nối tiếp được vẽ trên hình dưới.Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng điện phần ứng. Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp. 1.4.1. Phương trình đặc tính cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có: Uư = Eư + IưRư = K +IưRư Với : R = rư + rctf + rct + rkt Sau khi biến đổi ta nhận được: (1-69) (1-70) Trong các phương trình trên biến đổi phụ thuộc dòng điện trong mạch kích từ theo đặc tính từ hoá ( đường 1 - hình vẽ) 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. (1-71) Với C là hệ tỉ lệ. Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ: (1-72)  u uu I K R K U       M K R K U uu 2      ktIC. uIC. Hình 1.24: Đặc tính từ hoá của động cơ một chiều kích từ nối tiếp  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 30 Thế vào phương trình (2-52) ta được: (1-73) Trong đó: Đặt Ta cũng có: (1-74) Thay (2-57) vào (2-56) ta được: (1-75) Trong đó: Biểu thức (1-73) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ và (1-75) là phương trình đặc tính cơ của động cơ. Dạng của đặc tính này được biểu diễn trên hình a, b. Ta thấy các đặc tính này có dạng Hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn định mức. Ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hoà nên từ thông hầu như không đổi và đặc tính có dạng tuyến tính Hình 1.25: a. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là vô cùng lớn. Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư: nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị là: Tốc độ này thường rất lớn so với tốc độ 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: B I A KC R ICK U u u  1 ..  CK U A u . 1  CK R B .  CK M Iu .  B M A B M CKA  21 ..  CKAA .12    '102 dmdu  du u ot K U   ot ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 31 - 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 trong những truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. - Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó mômen 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 mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập. Nhờ ưu điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu mômen 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. 1.4.2 Cách vẽ đặc tính cơ: Do quan hệ là phi tuyến nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện 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 hoà từ thông khác nhau nhiều nên các quan hệ giữa tốc độ , mômen M với dòng điện I theo đơn vị tương đối gần như là trùng nhau. Người ta gọi các quan hệ , là các đặc tính vạn năng và được xác định bằng thực nghiệm. Hình 1.26: Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều khích từ nối tiếp. Các đặc tính này được biểu diễn trên hình vẽ.  Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng. Với mỗi động cơ một chiều nối tiếp ta biết các chỉ số của Pđm, Iđm, ...  uIf   ** If  ** JfM  dm ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 32 Muốn vẽ đặc tính tự nhiện ta tiến hành như sau: Lấy các gí trị tuỳ ý của dòng điện tương đối I1, I2, ..., In. Dựa vào các đặc tính vạn năng ta tra được các trị số tương ứng của tốc độ và mômen tương đối: và . Tính đổi các đại lượng đối ra đại lượng tuyệt đối theo biểu thức: , , Hình 1 .27: Cách vẽ đặc tính tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Ta có bảng sau: Dựa vào các kết quả tình được trên bảng ta vẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên và đặc tính tự nhiên như hình vẽ trên.  Phương pháp vẽ đặc tính biến trở. Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có: Từ phương trình đặc tính cơ nhân tạo ta cũng có: Nếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên như nhau nên ta có: (1-76) ** 2 * 1 ,...,, n ** 2 * 1 ,..., nMMM dmIII . * dm . * dmMMM . * *I *1I * 2I * 3I * nI  AI 1I 2I 3I nI * *1 * 2 * 3 * n  srad / 1 2 3 n *M *1M * 2M * 3M * nM  NmM 1M 2M 3M nM  If  Mf    K RIU uuu TN      K RRIU fuuu TN            uuu fuuu TNTN RIU RRIU  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 33 Từ (1-76) và ứng với các giá trị I1, I2.... In ta tính được với Rf đã biết, và ghi tiếp kết quả tính này vào bảng trên. Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được đường đặc tính cơ điện nhân tạo như hình vẽ. 1.4.3 Khởi động và xác định điện trở khởi động. (Tham khảo TL trang 52 ) 1.4.4 Trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp: Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ rất lớn nên dòng điện chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh. a.Trạng thái hãm ngược:  Hãm ngược bằng cách đưa Rf lớn vào động cơ. Đặc tính cơ khi hãm chính là đặc tính biến trở. ứng với tải thế năng, đoạn đặc tính cd chính là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm được tính như sau: (1-77) Đặc tính cơ hãm ngược với Rf trong mạch được trình bày như hình vẽ. Hình 1.28: Đặc tính cơ hãm ngược với điện trở trong mạch phần ứng  Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình vẽ. Chú ý khi thực hiện hãm chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên. Người ta thường sử dụng trạng thái này để hãm dừng máy. Đoạn bc trên đặc tính cơ là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm là: Phương trình đặc tính cơ là: (1-78) Rf được tính để sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép TNnTNTN  ,....., 21 t0 fu dm h RR KU I     pu dm h RR KU I       M K RR K U fudm 2       dmh II 5,2 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 34 a) b) Hình 1.27: a. Sơ đồ nguyên lý hãm ngược đảo chiều điện áp phần ứng động cơ; b.Đặc tính cơ hãm ngược bằng đổi chiều cực tính điện áp phần ứng. b.Trạng thái hãm động năng: - Hãm động năng kích từ độc lập: Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm ta cắt phần ứng động cơ khỏi nguồn điện áp một chiều và đóng vào điện trở hãm. Còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện với một điện trở phụ sao cho dòng kích từ lúc này có chiều như cũ và trị số không đổi bằng dòng Iktđm. Trạng thái hãm này giống như ở máy điện một chiều kích từ độc lập. Sơ đồ và đặc tính được thể hiện như hình 1.30. Phương trình đặc tính cơ khi hãm là: (1-79) Trong đó: a) b) Hình 1.30: a. Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ một chiều kích từ nối tiếp. b. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập cửa động cơ kích từ nối tiếp.   M K RR dm fu 2 '    ctctfuu rrrR  ' ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 35 Điện trở hãm được chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: (1-80) Nên: - Hãm động năng tự kích khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng tự kích ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm nhưng dòng kích từ vẫn giữ nguyên chiều cũ. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ hãm biểu diễn như hình vẽ sau: Phương trình đặc tính cơ khi hãm là: (1-81) và từ thông kích từ giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích. a) b) Hình 1.31: a. Sơ đồ nguyên lý hãm động tự kích của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. b. Đặc tính cơ hãm động năng tự kích cửa động kích từ nối tiếp. 1.5. Đặc tính cơ động cơ KĐB. Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản. - Giá thành hạ so với động cơ DC. - Vận hành tin cậy, chắc chắn, không cần linh kiện phụ. Nhược điểm: - Điều chỉnh tốc độ khó. - Khống chế quá trình quá độ khó khăn,các động cơ lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).   dm hu bddm hd I RR K I 5,22 '      u h bddm h R I K R    max    M K RR hu 2    ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 36 1.5.1 Phương trình đặc tính cơ. Để lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha hình 1.32. Một số giả thiết: - Ba pha động cơ là đối xứng - Nguồn xoay chiều hình sin ba pha đối xứng - Thông số của động cơ không đổi. - Tổng dẫn mạch từ không đổi, dòng từ hoá chỉ phụ thuộc điện áp vào stato. - Bỏ qua tổn thất do ma sát, trong lõi thép. Hình 1.32: Sơ đồ thay thế một pha ĐC KĐB Trong đó: U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V). I’2 là dòng rôto đó quy đổi về stato (A). I là dòng mạch từ hóa I1 là dòng stato, X, X1, X’2 là điện kháng mạch từ, điện kháng tản stato, điện kháng tản rôto đó quy đổi về stato. R, R1, R’2 là điện trở mạch từ, stato, rôto đó quy đổi về stato s là hệ số trượt của động cơ: 1 1    s (1-82) Trong đó: 1 tốc độ của từ trường quay ở stato động cơ, cũng gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s): 55,9 2 1 1 n p f     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. Từ sơ đồ thay thế: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 37                         2 ' 2 1 2211 11 nm f X s R R XR UI  (1-83) Xnm = X1 + X ' 2 điện kháng ngắn mạch. Hình 1.33: Đặc tính dòng stato Ta thấy: Khi  = 0, s = 1 thì I1 = I1nm Khi  = 1, s = 0 thì:   I XR UI f            2211 1 (1-84) Hình 1.34: Đặc tính dòng rôto Ta có dòng điện rotor quy đổi về stator : nm f X s R R U I 22 ' 2 1 1' 2 )(   (1-85) Khi  = 1, s=0 thì I ' 2 =0. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 38 Khi  = 0, s = 1 thì nm f nm XRR U II 22' 21 1 2 ' 2 )(   (1-86) Dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor: P12 = Mđt.1 P12 = Pcơ+ 2P Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mô men điện từ Mđt của động cơ bằng mô men cơ Mcơ: Mđt= Mcơ= M hay M1 = M.  + 2P Nên: 2P = M(1- ) = M1s Xét công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha: P2 = 3R’2 .I’2 2 Nên: 1 2 2 ' 2 '3 s IR M  (1-87) Ta được:                 2 2' 2 11 ' 2 2 1..3 nm f X s R Rs RU M  (1-88) Phương trình (1-88) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ. Hình 1.35: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 39 Biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 1.35. Có thể tìm điểm cực trị của đường bằng cách giải 0 ds dM , ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị ký hiệu là Mth , sth (mômen và hệ số trượt tới hạn) Ta được: 22 1 ' 2 nm th XR R s   (1-89) Và: )(2 .3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    (1-90) Trong hai biểu thức trên dấu (+) tương ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) tương ứng với trạng thái máy phát. Do dó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn Mth ở chế độ động cơ. Lập tỉ số (1-88) và (1-90) rồi biến đổi ta có thể biểu diễn đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ dưới dạng. th th th thth sa s s s s saM M .2 ).1(2    (1-91) Trong đó : ' 2 1 R R a  Hình 1.36: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB = f(M) trong chế độ động cơ. Đối với động cơ công suất lớn thì R1 rất nhỏ so với Xnm lúc này có thể bỏ qua R1 , coi R1=0, s.sth =0 và (1-91) được viết dưới dạng gần đúng: s s s s M M th th th   2 (1-92) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 40 Trong đó: )941( 2 3 )931( 1 2 1 ' 2   nm f th nm th X U M X R s  Nhiều trường hợp cho phép 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 coi gần đúng s/sth = 0. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản: s s M M th th . 2  (1-95) Nó chính là đường tiếp tuyến với đường đặc tính cơ tại điểm đồng bộ 1 : Đường 1 trên hình 1.36 Cũng có thể tuyến tính hóa đoạn làm việc qua điểm định mức như đường 2 H 1.36. Phương trình gần đúng là: s s M M đm đm . (1-96) Từ dạng đặc tính cơ biểu diễn trên hình 2.33 ta thấy độ cứng của đường đặc tính cơ cả về trị số và dấu, tùy theo điểm làm việc.           s s MM . (1-97) Với đặc tính tuyến tính hóa đường 1: 1 1 ; 2        s s M s M th th Vậy : th th s M 1 2    (1-98) tương tự đặc 2 trên H2.33: đm đm s M 1   (1-99) Như vậy trên đoạn làm việc của đặc tính cơ động cơ không đồng bộ  có giá trị âm và gần như không đổi. Đối với đoạn đặc tính ssth khi ssth bỏ qua s/sth và phương trình đặc tính cơ sẽ là: s sM M thth 2  (1-100) Và 2 1 2 s sM thth    (1-101) Trong đoạn này độ cứng  là dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ không đồng bộ ba pha không làm việc trên đoạn đặc tính này. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 41 1.5.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ. 1. Ảnh hưởng của điện áp lưới (UL): Khi điện áp lưới suy giảm, theo biểu thức trên thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó tốc độ đồng bộ o, hệ số trượt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm như hình 1.37. Hình 1.37: Đặc tính cơ khi giảm điện áp 2. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (R1f), điện kháng phụ (X1f) vào mạch stato, nếu o = const, và theo biểu thức trên thì mômen Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình 1.38. Hình 1.38: Đặc tính cơ khi có Rf và Xf trong m ạch.stato. 3. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto: Khi thêm điện trở phụ R2f, điện kháng phụ X2f vào mạch rôto động cơ, thì o = const, và theo trên thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình 1.39. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 42 Hình 1.39: Đặc tính cơ khi có Rf trong m ạch rô to. 4. 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 thì tốc độ từ trường o và tốc độ của động cơ  sẽ thay đổi theo vì o = 2.f1/p. Hình .1.40: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số. 5. Ảnh hưởng của số đôi cực p: Để thay đổi số đôi cực ở stato ta thường thay đổi cách đấu dây. Do: p f1 1 .2   và )1(1 s Hình 1.41: a) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực, Mth = const. b) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực, p1 = const. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 43 1.5.3. Cách vẽ đặc tính cơ. 1. Đặc tính cơ tự nhiên. Từ phương trình đặc tính cơ (1-91): th th th thth sa s s s s saM M .2 ).1(2    Ta lần lượt tính các giá trị sth, Mth, và a theo các thông số của động cơ cho trước như: Pđm, U1đm, I1đm, nđm, E2nm, R1, Thay các các giá trị đó vào phương trình đặc tính cơ và cho độ trượt s biến thiên từ s=0 đến s=1 ta xác định được các giá trị tương ứng của mômen. Theo các cặp trị số s và M ta sẽ vẽ được đặc tính cơ tự nhiên của động cơ. Tính càng nhiều điểm thì đặc tính vẽ được càng chính xác. s 0 s1 . sđm sth 1 M 0 M1 . Mđm Mth Mkđ Trong một số trường hợp, thông số động cơ không đầy đủ ta có thể tính gần đùng như sau: Mth = M.Mđm thth th thth kđ ass s asM M 2 1 )1(2    )1( 2MMđmth ss   đm nđm I Es R 2 2 2 3  2. Đặc tính cơ biến trở. (đối với động cơ rôto dây quấn). Với các thông số cho trước của động cơ ta có thể tính được độ trượt tới hạn của đặc tính cơ nhân tạo ( Khi có điện trở phụ ở mạch roto): 22 1 ' 2 ' 2 nm f thNT XR RR s    ; ' 2 ' 2 1 f NT RR R a   ; th f thNT s RR R s ' 2 ' 2 ' 2   Phương trình đặc tính cơ biến trở có dạng: thNTNT thNT thNT thNTNTth sa s s s s saM M .2 ).1(2    Đặc tính cơ khi có điện trở phụ mạch roto cũng được vẽ bằng cách cho giá trị của s biến thiên từ s=0 đến s=1 và tính M tương ứng và xác định từng điểm trên đặc tính. Khi vẽ đặc tính cơ dạng gần đúng thì coi a=0. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 44 1.5.4. Khởi động và cách xác định điện trở 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 rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng mô men khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch rôto trong quá trình khởi động sau đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp. Hình 1.42: Khởi động động cơ không đồng bộ rôto dây cuốn bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch rôto khi khởi động a)Sơ đồ nguyên lý ; b) Đặc tính cơ khởi động 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 hoá trong đoạn khởi động. Quá trình tính toán khởi động như sau: - Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên. - Chọn các trị số của mô men M1 ≤ 0,85Mth M2  (1,11,3)Mđm Từ M1và M2 dóng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, đường này cắt đường song song với trục hoành qua 1 tại N. Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động. Phương pháp vẽ giống như đối với động cơ một chiều kích từ độc lập. Xác định điện trở khởi động: Ta biết : 2 22 R RR S S f TN NT   nên 22 R S SS R TN TNNT f   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 45 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 22 22 2 ).( .. . ).( .. .. . SXR SXE J SXR SRE SXJR SE      Từ đồ thị ta có : 2221 R Kb bd R Kb KbKd Rf    2222 R Kb df R Kb KdKf Rf    2223 R Kb fh R Kb KfKh Rf    1.5.5. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 1. Hãm tái sinh Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ đồng bộ khi đang làm việc ở trạng thái động cơ thì từ trường quay cắt các thanh dẫn của cuộn dây stato và rôto theo chiều như nhau, nên sức điện động stato E1 và sức điện động rôto E2 trùng pha nhau, còn khi hãm tái sinh E1 vẫn giữ chiều như cũ còn sức điện động E2 có chiều ngược lại vì khi đó > , các thanh dẫn rôto cắt từ trường quay theo chiều ngược lại Dòng điện trong cuộn dây rôto được tính: Ta thấy rằng khi chuyển sang trạng thái hãm tái sinh s < 0, như vậy chỉ có thành phần tác dụng của dòng điện rôto đổi chiều, do đó mômen đổi chiều, còn thành phần phản kháng vẫn giữ chiều như cũ: ở trong trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới, còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trường quay. Những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tần số hoặc số đôi cực. Khi giảm tốc có thể thực hiện hãm và tái sinh. Trên hình 1.43 đoạn đặc tính hãm tái sinh là b ,b , ở đó hoặc (a) (b) Hình 1.43: Đặc tính cơ hãm tái sinh khi thay đổi tần số (a) khi tải thế năng (b)  1  1 12 13 12  13  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 46 Với những động cơ không đồng bộ sử dụng trong hệ truyền động có tải là thế năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng với tốc độ >- trên hình 1.43b: là đoạn hãm tái sinh khi hạ tải ứng với đường đặc tính cơ này, từ trường quay đã đổi chiều bằng cách đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp stato. 2. Hãm ngược a. Hãm ngược nhờ thêm điện trở phụ vào mạch rôto(tải thế năng) Hình 1.44: Đặc tính hãm ngược khi thêm Rp Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ở góc phần tư thứ I để nâng tải với tốc độ A(hình 1.44). Lúc này nếu nối thêm điện trở phụ Rp đủ lớn vào mạch rôto, động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại B trên đặc tính cơ 2 rất dốc. Tại B mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản của tải ( MB<MC), động cơ giảm tốc nhưng vẫn theo chiều nâng tải, đến D tốc độ bằng 0, nhưng do tải mang tính thế năng và MC>MD nên thế năng của tải sẽ kéo động cơ quay ngược để hạ tải, tốc độ của hệ tăng dần theo chiều ngược, đến E thì mômen động cơ cân bằng mômen của tải (ME=MC) nên động cơ hạ tải với tốc độ ổn định E. Đoạn DE chính là đặc tính hãm ngược. Ở chế độ này, mômen động cơ sinh ra là mômen cản chuyển động xuống của vật còn mômen tải trọng là mômen gây ra chuyển động đi xuống. Động cơ làm việc ở chế độ máy phát. b. Hãm ngược nhờ đảo chiều từ trường quay Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc ta đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp đặt vào stato. Giả sử động cơ đang đóng điện quay thuận (hình 1.45a) làm việc với tải có mômen phản kháng tại điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên 1 (hình 1.45d). Để hãm máy động cơ được đảo chiều quay nhờ đảo nối hai trong ba pha (hình 1.45b) cấp điện cho stato.  1 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 47 Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính cơ 1 sang B trên đặc tính cơ 2 với cùng tốc độ (do quán tính cơ). Quá trình hãm nối ngược bắt đầu. Khi tốc độ động cơ giảm theo đặc tính 2 tới điểm D thì  = 0. Lúc này nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Đoạn hãm ngược (MĐ 0) là BD. Nếu không cắt điện khi  = 0 thì trường hợp ở hình (1.45d), động cơ có mômen MĐ > Mc nên bắt đầu tăng tốc, mở máy quay ngược lại theo đặc tính cơ 2 và làm việc ổn định tại điểm E với tốc độ E theo chiều ngược lại. Khi động cơ hãm nối ngược theo đặc tính cơ 2, điểm B ứng với mômen (âm) trị số nhỏ nên tác dụng hãm không hiệu quả. Thực tế phải tăng cường mômen hãm ban đầu (Mh ~ 2,5Mđm) nhờ vào đảo chiều quay của từ trường stato vừa đưa thêm điện trở phụ ngược theo đặc tính 4 (đoạn KL) với mômen hãm ban đầu Mk đủ lớn. Tới điểm L thì  = 0. Lúc này nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Nếu không cắt điện thì động cơ sẽ tăng tốc theo chiều ngược lại tới điểm N. Nếu lúc này lại cắt điện trở phụ thì động cơ sẽ chuyển điểm làm việc sang đặc tính cơ 2 và tăng tốc tiếp tới điểm E. Trường hợp điện trở phụ quá lớn, động cơ có đặc tính 3 khi hãm nối ngược thì quá trình hãm kết thúc tại điểm I. Động cơ không thể tăng tốc chạy ngược lại vì |MI| < |Mc| Chú ý: Trong cả hai trường hợp hãm ngược vì nên dòng điện rôto có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rôto f2 = s.f1 lớn, nên điện kháng X2 ’ lớn, do đó mômen nhỏ. Vì vậy để tăng cường mômen hãm và hạn chế dòng điện rôto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto. Điện trở này có thể ứng với dòng điện hãm ban đầu tại K trên hình 1.45. 1 1 1      S ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 48 (d) Hình 1.45: Sơ đồ nối dây (a,b,c) Đặc tính hãm ngược (d) khi hãm ngược nhờ đảo chiều quay. 3. Hãm động năng Trạng thái hãm động năng xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato động cơ khỏi nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều. Người ta chia hãm động năng của động cơ loại này thành hai dạng: Hãm động năng kích từ độc lập và hãm động năng tự kích. a. Hãm động năng kích từ độc lập (kích từ ngoài) Để hãm động năng kích từ độc lập một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, ta phải cắt stato ra khỏi lưới điện xoay chiều (mở các tiếp điểm K) rồi cấp vào stato dòng ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 49 điện một chiều để kích từ (đóng các tiếp điểm H). Thay đổi dòng kích từ nhờ Rkt (hình 1.46) Hình 1.46:Sơ đồ nguyên lý hãm động năng Vì cuộn stato là 3 pha nên khi cấp kích từ một chiều phải tiến hành đổi nối và có thể thực hiện theo một trông các sơ đồ (hình 1.47) Hình 1.47:Sơ đồ đấu dây mạch stato và đồ thị véc tơ sức điện động Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sinh ra một từ trường đứng yên so với stato. Giả sử từ thông có chiều như mũi tên (hình 1.48). Rôto động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cũ thể hiện như trên hình vẽ và các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên. Nên xuất hiện trong nó một sức điện động cảm ứng e2. Xác định chiều của e2 theo quy tắc bàn tay phải và ứng với ký hiệu dấu (+) khi sức điện động có chiều đi vào và kí hiệu dấu (•), khi sức điện động có chiều đi ra. Vì rôto kín mạch nên b2 lại sinh ra dòng i1 cùng chiều. Tương tác ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 50 giữa dòng điện i2 và từ trường đứng yên tạo nên sức điện động F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Lực F sinh ra mômen hãm có chiều ngược với chiều quay của rôto làm cho rôto quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần. Hình 1.48: Nguyên lý tạo mômen hãm động năng Động cơ làm việc ở chế độ máy phát điện. Động năng của hệ qua động cơ sẽ biến đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở ở mạch rôto (điện trở cuộn ứng và điện trở nối thêm vào mạch phần ứng nếu có). Giả sử trước khi hãm, động cơ làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1(hình 1-49) thì hãm động năng, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính hãm động năng 2 ở góc phần tư II (hình 1.49). Hình 1.49: Đặc tính hãm động năng kích từ độc lập Tốc độ động cơ giảm dần theo đặc tính hãm về O theo đoạn BO. Tại điểm O, động cơ sẽ dừng nếu tải là phản kháng. Nếu tải có tính chất thế năng thì động cơ sẽ bị kéo quay ngược, ổn định tại điểm D (góc phần tư IV). • • • • F i2   F Mh ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 51 Điện trở mạch rôto và dòng kích từ cấp cho stato lúc hãm động năng có ảnh hưởng tới dạng đặc tính cơ khi hãm. Thay đổi điện trở hãm ở mạch rôto theo sơ đồ (hình 1.50a). (a) (b) Hình 1.50: a) Sơ đồ nguyên lý hãm động năng kích từ độc lập b) Các đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập Trên hình 1.50b, đường đặc tính hãm 1 và 2 ứng với cùng một dòng kích từ (Ikt1 = Ikt2). Nhưng điện trở hãm trong mạch rôto khác nhau (Rh1 < Rh2). Đường đặc tính hãm 3 và 4 có dòng kích từ nhỏ hơn đặc tính hãm 1 và 2 (Ikt3 = Ikt4 < Ikt1 = Ikt2) và ứng với điện trở hãm khác nhau trong mạch rôto (Rh3 < Rh4) Các đặc tính hãm 1 và 3 ứng với các dòng kích từ khác nhau (Ikt1 > Ikt3) nhưng cùng một giá trị điện trở hãm (Rh1 = Rh3) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 52 b. Hãm động năng tự kích Đối với hãm động năng tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ đã tích luỹ được, sơ đồ nguyên lý này thể hiện trên hình 1.5148a,b Hình 1.51: Sơ đồ nguyên lý hãm động năng tự kích Trong cách hãm động năng kích từ độc lập (hay kích từ ngoài). Từ trường lúc này hãm được tạo ra nhờ nguồn một chiều từ bên ngoài và có giá trị không đổi. Trong cách hãm động năng tự kích từ, từ trường lúc hãm được tạo do chính dòng điện cảm ứng của phần ứng. Dòng cảm ứng xoay chiều sẽ được chỉnh lưu rồi cấp lại kích từ qua điện trở hạn chế (hình 1.51b). Từ trường hãm sẽ yếu dần khi tốc độ động cơ giảm (vì suất điện động cảm ứng giảm). (b) (a) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 53 Hình 1.52: Đặc tính cơ khi hãm bằng tụ điện Hình 1.52, trình bày sơ đồ nguyên lý nối động cơ để hãm bằng tụ điện. Các tụ điện nối tam giác mắc song song với động cơ và chúng được nạp điện đầy khi động cơ làm việc tại điểm làm việc (hình 1.52) trên đặc tính cơ 1. Khi cắt động cơ ra khỏi lưới điện thì các tụ điện sẽ phóng điện và tạo ra từ trường quay với tốc độ không tải lý tưởng , thấp hơn nhiều so với tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ 1. Do tốc độ làm việc lớn hơn nhiều nên động cơ chuyển sang hãm tái sinh tại điểm B trên đặc tính 2. Tốc độ động cơ giảm nhanh theo đặc tính 2 xuống tốc độ . Trị số điện dung của tụ điện càng lớn thì mômem hãm ban đầu càng lớn và tốc độ không tải lý tưởng càng nhỏ (đường đặc tính 3). Nghĩa là quá trình hãm kéo xuống tốc độ thấp hơn, hãm hiệu quả hơn. Giá trị điện dung của tụ cần chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu không vượt quá dòng điện mở máy, với sơ đồ hình 1.52 thì C=3185.k. Trong đó: Ith : Dòng từ hoá một pha của động cơ (A) Uđm: Điện áp dây định mức (V) k: Hệ số quyết định mômen hãm hay dòng điện hãm ban đầu thường chọn K = 4 – 6. Quá trình hãm bằng tụ điện sẽ kết thúc khi tốc độ giảm còn (30 – 40)% giá trị tốc độ định mức và lúc này động cơ đã bị tiêu hao 3/4 cơ năng dự trữ được khi làm việc. Để dừng hoàn toàn động cơ có thể dùng phanh. Chương 2 : ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1. Vấn đề điều chỉnh tốc độ và các chỉ tiêu chất lượng hệ thống TĐ Đ 2.1.1. Các định nghĩa: Hệ thống truyền động điện không chỉ làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, mà còn điều khiển quá trình làm việc của cơ cấu công tác theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo nếu hệ có khả năng đặt trước các thông số gia công cho tứng công đoạn, duy trì các thông số đó với một độ chính xác nào đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, ví trí của cơ cấu công tác ), cưỡng bức thay đổi các giá trị đó theo ý muốn, hạn chế giá trị của chúng theo mức cho phép của quá trình công nghệ hoặc theo khả năng về độ bền, độ quá tải của máy. ' 0 LV ' 0 ' 0 ' 0 )(, F U I m Th   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 54 Các thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M và tốc độ  của động cơ điện, có các mối quan hệ được định nghĩa: a) Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh: Đó là mômen (M), tốc độ () của động cơ, Do M và  là 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, ], nên việc điều chỉnh chúng thường gọi là “điều chỉnh tọa độ”. b) Các thông số đầu vào hay còn gọi là thông số điều chỉnh: + Đối với động cơ điện một chiều, thông số đầu vào là điện trở phần ứng Rư (hoặc Rưf), từ thông  (hoặc điện áp kích từ Ukt; dòng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư. + Đối với động cơ điện không đồng bộ, thông số đầu vào là điện trở mạch rôto R2 (hoặc R2f), điện trở mạch stato R1, điện kháng stato X1, điện áp stato U1 và tần số của dòng điện stato f1. + Đối với động cơ điện đồng bộ, thông số đầu vào là tần số của dòng điện stato f1. c) Các phần tử điều khiển: Là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào. Chú ý, người ta thường gọi việc điều chỉnh các thông số đầu ra là “điều khiển động cơ điện”. Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra của động cơ: Tùy theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, việc điều chỉnh M,  nhằm thực hiện các mục đích sau: + Đặt giá trị làm việc và duy trì mức đạt đó, ví dụ duy trì tốc độ làm việc khi phụ tải thay đổi ngẫu nhiên. + Thay đổi thông số theo quy luật yêu cầu, ví dụ trong thời gian khởi động và tăng tốc động cơ thang máy từ 0 lên đến tốc độ ổn định, mômen lúc đầu phải tăng tuyến tuyến tính theo thời gian, sau đó giữ không đổi, và cuối cùng giảm tuyến tính cho đến khi M = Mc. + Hạn chế thông số ở một mức độ cho phép, ví dụ hạn chế dòng điện khởi động Ikđ ≤ Icp. + Tạo ra một quy luật chuyển động cho cơ cấu công tác (tức cho trục động cơ) theo quy luật cho trước ở đầu vào với một độ chính xác nào đó. Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động: a) Điều chỉnh không tự động: Là việc thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động, ) sẽ tác động vào hệ, nhưng ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 55 thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hay “điều chỉnh không tự động” hoặc “điều chỉnh vòng hở”. Phương pháp điều chỉnh này đơn giản nên vẫn được dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại, tuy nhiên nó không đảm bảo được các yêu cầu cao về chế độ công nghệ. b) Điều chỉnh tự động: Được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở”. Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”. Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao. c) Nhiễu của các thông số đầu ra: Đối với các hệ truyền động và động cơ điện, có hai thông số đầu ra chủ yếu là mômen và tốc độ. Có nhiều loại nhiễu gây tác động lên các thông số này như điện áp nguồn, tần số lưới điện, nhiệt độ môi trường, hệ số tự cảm của cuộn dây, nhưng ta quan tâm đến các tác động nhiễu loạn chủ yếu. Khi điều chỉnh tốc độ, thông số được điều chỉnh là , thông số điều chỉnh là một trong các thông số tạo ra đặc tính nhân tạo, còn chủ yếu là phụ tải biểu thị bằng mômen cản Mc, hoặc dòng tải Ic. Ngược lại, khi điều chỉnh mômen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M hoặc I, thì nhiễu loạn chủ yếu lại là tốc độ . Sự ảnh hưởng qua lại giữa hai đại lượng M và  được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó. 2.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng: 1. Chỉ tiêu chất lượng động (chế độ quá độ): * Độ quá điều chỉnh max (max  40% hoặc có thể nhỏ hơn). * Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt). * số lần dao động n ( n = 23 là tốt). ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 56 2. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh (chế độ xác lập): Sai số tĩnh tốc độ s% : Là đại lượng đặc trưng cho sự chính xác duy trì tốc độ đặt đ: %%100.%       d ds  tốc độ làm việc thực của động cơ. đ tốc độ đặt của động cơ.  độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 → Mđm. Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lí tưởng ta có hệ điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động diều chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu s% ≤ 10%, tryuền động ăn dao: s% ≤ 5%, 3.Phạm vi điều chỉnh tốc độ D: min max   D D càng lớn càng tốt. Tuy nhiên giá trị max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ, bởi điều kiện chuyển mạch. Tốc độ min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. 4. Độ trơn điều chỉnh tốc độ : Là sự chênh lệch giữa 2 cấp tốc độ liền nhau: i 1i     Trong đó: i - là tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. i+1- là tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1). Hệ số  càng nhỏ càng tốt lý tưởng là 1: đó là hệ điều chỉnh vô cấp. Còn hệ điều chỉnh có cấp nếu: .1 5. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải: Với các động cơ 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 định mức của nó, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu v.v... trong toàn giải điều chỉnh. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh, sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ nhỏ nhất. 6. Chỉ tiêu kinh tế: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 57 Nhiều trường hợp, chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn phương án truyền động. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, chi phí vận hành, bảo quản, sửa chữa ít, đặc biệt là tổn thất năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ. Năng suất của máy sản xuất do hệ điều chỉnh mang lại. Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế, thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn. Thường người ta căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật để đề xuất vài phương án điều chỉnh, sau đó tính toán kinh tế để so sánh hiệu quả và quyết định chọn hệ thống hoặc phương pháp điều chỉnh thông số đầu ra của động cơ. 2.2. Các nguyên lý điều chỉnh 2.2.1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ: Muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi (hình 2.1): a) b) Hình 2.1: a) Sơ đồ khối. b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập. Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện: dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha; Bộ biến đổi điện tử - bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor, các bộ băm điện áp (BĐA) dùng tiristor, transistor, Đặc tính của hệ thống: Eư = Eb - (Rb + Rưđ)Iư. u udbb I K RR K E     (2-1)   M U dk  )(0 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 58 Xác định dải điều chỉnh: (2-2) 0max, Mđm, KM là xác định nên D phụ thuộc tuyến tính vào . Sơ bộ ta có: dmM  .max0  10 Ta thấy khi điều chỉnh Uư thì  = const do đó độ sụt tốc độ sẽ lớn nhất ở đặc tính thấp nhất. Như vậy nếu đảm bảo sai số tốc độ tại đặc tính thấp nhất kh ông vượt quá giá trị cho phép thì HTĐ luôn làm việc đạt yêu cầu: Sai số tương đối: min0min0 minmin0        s cp đm s M s  min0 (2-3) Mđm, 0min, scp, là xác định nên xác định giá trị tối thiểu  s scp. Ví dụ : Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số: Pđm = 29kW; Uđm = 220V; Iđm = 151A; nđm = 1000vg/ph; Rư = 0,07; và hệ số quá tải Kqt = 2. Hãy xác định tốc độ cực tiểu và dải điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu ? Giải: Điện trở định mức của động cơ: Rđm = Uđm / Iđm = 220V / 151A = 1,45 Giá trị tương đương của điện trở phần ứng: Rư* = Rư / Rđm = 0,07 /1,45 = 0,048 Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: tn* = 1/Rư* = 20,8 Độ cứng đặc tính cơ thấp nhất: min* = Kqt = 2 Giá trị tương đối của tốc độ cực đại (tức tốc độ định mức của động cơ) sẽ là: nmax*=ωmax= 0952,0048,011 1 1 * 00  u dmdm R n n   Tốc độ không tải lý tưởng: n0= phvg phvg n ndm /1050 0952,0 /1000 max*  Giá trị tương đối của tốc độ cực tiểu: nmin*=ωmin= 5,0 2 1 1 1 1 min   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 59 Vậy tốc độ quay cực tiểu của động cơ là: nmin=nmin*.n0=0,5.1050vg/ph=525vg/ph Từ giá trị của tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu, ta rút ra phạm vi điều chỉnh tốc độ: D= 9,1 525 1000 min max  n n Từ biểu thức thay *min = Kqt = 2; *tn = 20,8; ta cũng được kết quả D = 1,9. Qua ví dụ trên ta thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hep. Tuy nhiên, nếu xét theo yêu cầu về sai số tốc độ cho phép thì dảI điều chỉnh còn hẹp hơn nữa hoặc thậm chí còn không thể điều chỉnh được tốc độ. Thực vậy, ta biết: s% = * = Ru* min = 0 - cp ; và *min = 1 - s% = 1 - R*ư Nếu s%cp = 10% thì D = 1,05 ≈ 1, nghĩa là hầu như không thể điều chỉnh được. 2.2.2. Nguyên lý điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát ta thấy rằng khi thay đổi  thì 0 và  đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng  càng nhỏ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi  càng giảm, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi từ thông  giảm. Như vậy: đm> 1 > 2 >... thì đm < 1 < 2 <..., nhưng nếu giảm  quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. a) b) Hình 2.2: a) Sơ đồ thay thế. b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông thay đổi. Mạch kích từ của động cơ là phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông là phi tuyến: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 60 dt d w rr e i K Kb K K  .   (2-4) ở chế độ xác lập: Kb K K rr e i   ;  = f(iK) 2.2.3 Điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: M K RR K U f 2)(     Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì 0 = const còn  thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng 0 và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp. Như vậy: 0 1 > 2 > ... , nhưng nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M  Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch,  = 0. Từ lúc này, ta có thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để. 2.3. Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ): 2.3.1. Cấu trúc hệ F - Đ và các đặc tính cơ bản. Trước đây, hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý như hình 2.3. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 61 Hình 2-3: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng máy phát. Coi mạch từ máy phát chưa bão hoà, nên ta có: EF = KF. F. F = KF. F. C.iF (2-7) Trong đó: KF - hệ số kết cấu của máy phát, C = F/ iKF - hệ số góc của đặc tính từ hoá Nếu dây quấn được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì: iKF = UKF/rKF Có thể coi gần đúng MF DC kích từ độc lập là bộ KĐ tuyến tính với: EF = KF.UKF (2-8) Nếu đặt: R = RưĐ + RưF Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát: M K R U K K KF F . )( . 2   )( );(0 KD KDKF U M UU    (2-9) Đặc tính từ hoá, đặc tính tải HT F - Đ. (Trang 104) 2.3.2. Chế độ làm việc của hệ F - Đ. Hệ F – Đ có đặc tính cơ cả 4 góc phần tư của mặt phẳng [,M] a) Góc phần tư I, III: chế độ động cơ. Hình 2.4: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ động cơ. EEF   0 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 62 Công suất điện từ của MF và ĐC: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I < 0 (2-10) Pcơ = M. > 0 Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. b) Chế độ hãm tái sinh: Góc phần tư II, IV. Hình 2.5: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm tái sinh. Lúc này do FEEnên  0 , mặc dù E, EF mắc xung đối nhưng dòng phần ứng lại chảy ngược lại từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I < 0 PĐ = E.I > 0 (2-11) Pcơ = M. < 0 Chỉ do dòng điện đổi chiều mà năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảm đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. c) Chế độ hãm ngược:       ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 63 Hình 2.6: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm ngược. Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ đựơc giới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục mômen. Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều Sđđ máy phát hoặc rôto bị kéo quay ngược bởi ngoaị lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo dấu. Biểu thức tính công suất sẽ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều và cùng cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên đó. d) Đặc điểm hệ F - Đ. Đặc điểm của hệ F - Đ là điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự động chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ. Ví dụ động cơ đang làm việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ máy phát F (Mc = const) thì động cơ sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hãm tái sinh, hãm ngược, khởi động ngược và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hãm tái sinh). Khi điều chỉnh EF thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ   cb; khi đảo chiều iktF thì đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được . Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ điều chỉnh và đảo chiều được tốc độ của động cơ   cb. Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thì sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ   cb và   cb (cả 2 vùng tốc độ). ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 64 Nhược điểm của hệ: - Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. - Công suất đặt máy lớn. - Vốn đầu tư ban đầu cao. - Khó điều chỉnh sâu tốc độ do MF có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ. 2.3.3. Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều (CL – Đ) * Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển - hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng (hoặc IKT) động cơ điện một chiều, ta cũng gọi là hệ T - Đ. * Tuỳ theo yêu cầu TĐ mà dùng các sơ đồ CL: - Số pha: 1; 3; 6;.. - Sơ đồ nối: tia, cầu, đối xứng, không đối xứng. - Số nhịp: số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn (p). - Khoảng điều chỉnh: vị trí đặc tính ngoài trên mặt phẳng [Ud,Id]. - Chế độ năng lượng: CL, nghịch lưu phụ thuộc. - Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. 1. Xét hệ T - Đ không đảo chiều: phân tích một sơ đồ CL hình tia 3 pha. Sơ đồ nguyên lý: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 65 a) b) Hình 2.7: a) Sơ đồ nối dây. b) Sơ đồ thay thế. Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cos Hình 2.8: Đồ thị thời gian chế độ dòng liên tục Do chỉnh lưu hình tia 3 pha nên p = 3: ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 66 Nên: Đặc tính điều chỉnh: Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh Giá trị trung bình dòng CL: LR EE I e d d      cos.0 Dòng CL chính là dòng phần ứng động cơ nên từ sơ đồ thay thế: Hình 2.10: Sơ đồ thay thế Ta có: M K XR K E đm K đm d 2 0 )( cos        Độ cứng đặc tính cơ: Tốc độ không tải giả tưởng: .   cos. 2 33 2md UE  md UE 20 . 2 33   K dm XR K   2)(   dm d K   cos0 0   ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 67 Hình 2.11: Đặc tính cơ của hệ T - Đ. Chế độ dòng điện gián đoạn: Ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh dốc hơn tốc độ không tải lý tưởng thực 0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ’0 Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung. Vùng này HT làm việc không ổn định. Thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần tính biên giới hạn, là khi:  = 2/p;  = 0 bởi phương trình: 1 cossinsin 2 * 2                            pp p I p p bltblt      Với: 2.3.4. Các hệ TĐ điều chỉnh xung áp - động cơ ĐC.(XA-Đ) 1. Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: tải R, L, E). m blt U E 2  m e blt U LI I 2 * .. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 68 Hình 2.12: Nguyên lý làm việc của bộ XA loai A. Chú ý: +) Nếu S thông liên tục (tđ = T) thì dòng phần ứng không đổi, có giá trị: I = Imax = Imin = +) Nếu thời gian thông của S giảm đến giá trị tới hạn nào đó tđ = tđgh thì Imin = 0 và HT chuyển sang làm việc chế độ dòng gián đoạn. Tại trạng thái blt và vùng gián đoạn: R EU N  ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 69 Imax = Do yêu cầu đóng ngắt cao (200  300Hz) nên khoá S thường là khoá bán dẫn. Ta có sơ đồ: Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý khoá S trong XA đơn. 2. Đặc tính cơ. Trong chế độ dòng liên tục: tx = T Trong chế độ gián đoạn: tx < T Với uT T  a) b) Hình 2.14: a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đặc tính cơ  ud TtN e R EU /1   NN d D UU T t U . I K R K U uN     . ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 70 2.4 Ổn định tốc độ làm việc của TĐĐ một chiều Biện pháp chủ yếu để ổn định tốc độ là tăng độ cứng của đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín. Các đặc tính của hệ hở có: trong toàn dải điều chỉnh. Tiến hành như hình vẽ: Hình 2.15: Đặc tính của hệ BĐ - Đ Sai số tĩnh: Để sai số tĩnh đạt được: S = ScF cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến  = min. Ta có điểm làm việc [min ;Mđm] , đường đặc tính có độ cứng mong muốn là m và: Giao điểm của đặc tính mong muốn với đặc tính của hệ hở cho biết giá trị cần thiết của Eb khi Mc thay đổi: Hình 2.16: Đặc tính xác định Eb khi tải thay đổi. 2.4.1 Điều chỉnh Eb theo dòng tải. Tìm quan hệ: Eb = f(I)  Đặc tính cơ hệ hở: const R K  2)(   cf dm S M S  min0. m M    0   M K E dm b  . ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 71  Đặc tính cơ mong muốn: Tìm giao của hai đường này được: Eb = Eb0 + K'd.I (*) Với K'd = (Kđm) 2. Nguyên lý điều chỉnh (*) có thể thực hiện bằng sơ đồ mạch phản hồi dương dòng điện phần ứng sau: Hình 2.17: Phản hồi dương dòng Theo mạch: Eb = Kb(Uđ + Rd.I) = Kb(Uđ + Ui) (2*) Ta được: (3*) Uđ : Điện áp đặt tốc độ Ui : Điện áp phản hồi dòng Rd : điện trở sun mạch phần ứng Từ (*), (2*) có: Eb0 = Kb.Uđ K'd = Kb.Rd +) Nếu chọn: Kd.Rd = R+ Rd thì đặc tính có độ cứng tuyệt đối. +) Nếu chọn: Kd.Rd > R+ Rd thì đặc tính có độ cứng dương. +) Nếu chọn: Kd.Rd = R+ Rd thì đặc tính có độ cứng âm. m M    0 ) 11 ( m  dd m RKR K )1( )( 2     ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 72 Hình 2.18: Lựa chọn để có đặc tính có độ cứng tốt. Chú ý: Do đưa thêm Rd vào nên có tổn thất. 2.4.2. Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng. Ta có biểu thức sđđ phần ứng theo điện áp: Eb = E'b0 - K'a.U Luật điều chỉnh này được thực hiện bằng phản hồi âm áp sau: Hình 2.19: Mạch phản hồi âm áp Nếu bỏ qua dòng trong r1, r2 ta được: Eb = Kb(Uđ - Ka.U) Ka = r2/r1 + r2. Do đó: Nếu mạch có: Kb.Ka>> 1 thì đặc tính có dạng: Hay Chú ý: - Khi thay đổi hệ số phản hồi đ/a thì cả 0 và  đều thay đổi. - Tr.h HT có độ KĐ lớn thì độ cứng có thể bằng TN. M K R KK U dm u adm d . ).(.. 2   tn ad M KU    ),(0 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 73 Hình 2.20: Độ cứng phụ thuộc hệ số KĐ HT 2.4.3. Điều chỉnh Eb theo tốc độ Sau khi BĐ ta được: Eb = E'b0 - K't. Luật điều chỉnh này được thực hiện bằng phản hồi âm tốc độ sau: Hình 2.21: Mạch phản hồi âm tốc độ Đầu ra máy FT: U = Kt.  Đặc tính cơ: M K K KK R K KK K UK đm đm tb đm tb đm bb . ))(1()1( 2       Chú ý: Nếu Kb.Kt   thì   . Chương 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 74 Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động cơ khác. Thường dùng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sau: Thứ nhất: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thysistor. Thứ hai: Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung thysistor. Thứ ba: Điều chỉnh công suất trượt P5. Thứ tư: Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động sơ bằng các bộ biến đổi tần số thysistor hay transistor. Đây là các phương pháp thường sử dụng nhiều trong công nghiệp hiện nay. Ta nghiên cứu cấu trúc, đặc tính của các hệ truyền động này. 3.1. Điều chỉnh điện áp động cơ. Như ta đã biết momen động cơ không động bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. Hình 3.1: Điểu chỉnh điện áp động cơ. Để điều chỉnh được điên áp động cơ không đồng bộ ba pha ta phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐA XC). Nếu coi ĐA XC là nguồn áp lý tưởng (zb=0) thì căn cứ vào biểu thức có quan hệ sau: 2. )( dm b th uth U U M M  ,hay 2**, )( bth UuM  (3-1) Công thức (1) đúng với mọi điện áp và mômen. Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi: gh ubu M M MconstUM 1 2** ,,   (3-2) ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 75 Trong đó: Mđm: Điện áp định mức của động cơ Ub: Điện áp đầu ra của ĐAXC Mth: Mômen tới hạn khi điện áp là định mức Mu : Mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh Mgh : Mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf Vì giá trị độ trượt tới hạn Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ roto lồng sóc. Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cân nối them điện trở phụ vào mạch roto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen. (như thấy trên hình vẽ trên), tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi mọi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay. Theo lập luận thì tổn thất khi điều chỉnh là: Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng: Thì tổn thất trong mạch roto khi điều chỉnh là: Tổn thất là cực đại khi  = 0: Pmax = Mcđm.1 = Pđm Như vậy tương đối trong mạch rôto là: (3-3) Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị sau: Hình 3.2: Quan hệ tổn thất rôto và tốc độ điều chỉnh. Sự phụ thuộc giữa tổn thất roto và tốc độ điều chỉnh s s PMP cocr   1 )( '21  x dmc x dmc dmcc MMM ).()( 1 . . .      ).1(.).( 1 .1 1 .       xdmcr MP )1.()( )1.()( . *** 111          x r x cdm r P M P ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 76 ứng với từng loại phụ tải có tính chất khác nhau, phương pháp điều chỉnh điện áp thích hợp với tuyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm. Có thể dùng may biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van ban dẫn là phổ biến hơn cả. Momen của động cơ không đông bộ có thể được tính theo dòng điện rôto s RI M rr . .3 1 2   (3-4) Nếu giữ dòng rôto không đổi: Ir = const thì mômen và độ trượt có quan hệ sau: M.s = const. Vùng điều chỉnh tốc độ và momen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục tạo độ và các đường cong: s RI sM rr . .3 . 1 2   (3-5) Độ rộng của vùng này tuỳ thuộc vào giá trị của điện trở phụ Rf. Do cách nối các van bán dẫn nên để có dòng chạy qua động cơ thì tại một thời điểm phải co ít nhất hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn điện. Đông cơ không đồng bộ ba pha co thể coi là phụ tải ba pha gồm điện cảm và điện trở nối tiếp nhau . ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 77 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 78 Hình 3.3: Điều chỉnh điện áp ĐC KĐB. a) Sơ đồ. b) Dạng đặc tính. Trong đó điên trở roto biến thiên theo tốc độ quay R=R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vi trí tương đối giữa dây quấn rôto và dây quấn stato, do đó góc pha giữa dòng điện và điện áp cũng sẽ biến thiên theo tcs độ quay: =(s) Ví dụ trạng thái dẫn của các van bán dẫn: Hình 3.4: VD trạng thái van dẫn Do tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm nên nếu trong khoảng thời gian  <  mà đặt xung điều khiển vào các van bán dẫn thì các van này chỉ dẫn dòng từ thời điểm  =  trở đi và do đó dòng điện và điện áp động cơ không phụ thuộc vào góc điều khiển  (H3.4a).Như vậy chỉ có thể điều chỉnh được điện áp khi góc điều khiển  > . Khi góc điều khiển  >  thì tuỳ thuộc vào giá trị tức thời của các điện áp dây mà có lúc ba van ở ba pha khác nhau dẫn dòng(H3.4a), điểm a’ nối vào a, b’ vào b, c’ M S=0 0 Ir=Ir®m  dt,tn b> D¹ng ®Æc tÝnh c¬ M ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 79 nối vào c, điện áp tức thời trên tải chính là điện áp pha Ua’ = Ua. ở những đoạn chỉ có hai van dẫn dòng (H3.4b). Điểm a’ nối vào a, b’ nối với b và c’ để hở mạch, điện áp dây trên tải sẽ là môt nửa điện áp dây tương ứng: U’a=1/2.Uab’ Khi góc điều khiển vươt quá giá trị giới hạn nào đó:  > gh thì không tồn tại chế độ dẫn dòng ở cả ba pha mà chỉ có chế độ dẫn dòng hai pha (H3.4b). ở đoạn các van dẫn dòng thì điện áp tải bằng một nửa điện áp dây tương ứng: Ua= 1/2 .Uab’ * Giản đồ điện áp pha khi điều chỉnh góc mở van: Hình 3.5: Đồ thị điện áp pha khi điều chỉnh góc mở van. Phương trình vi phân mô tả dong và áp trên mỗi đoạn là : (3-6) Trong đó : n=1,2,3,.. là số chỉ của mỗi đoạn dẫn dòng Nghiệm tổng quát củap phương trình có dạng: (3-7) Trong đó : n = 0, /6 là các điểm mốc )(.. ).(. )(     n in cln iR d d U     tgnnn n n eA Z U i )( )sin(.)(   t t t t 0 0 0 0 uab uac 2    ua uab/2 uac/2  uab/2 uac/2 ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 80 An - các hằng số tích phân n - góc mở van ở đoạn thứ n Z - tổng trở pha của đông cơ Do trong mạch có điện cảm nên giá trị cuối cùng của dòng điện ở đoạn thứ (n-1) bằng giá trị đầu của dòng điện ở đoạn thứ (n) , vì thế có thể tính được các hằng số tích phân để tìm nghiệm riêng: An= I(n-1).c - Điện áp đặt nên động cơ không phải là sin,trong đó chỉ song điều hòa cơ bản là sinh momen chính ,các điều hòa cao coi như chỉ gây đốt nóng phụ động cơ. Biên độ điều hòa cơ bản trong khai triển Fourie là: (3-8) Khi <gh (3-9) ở đoạn n=1,3,5 thì U’a =U a =Um.sin ở đoạn n=2 ,thì U’a= 1/2 .Uab = ở đoạn n=4 ,thì U’a= 1/2 .Uac = Khi >gh: (3-10) Coi u1n= ub và đạt v = ub/um thì v là hàm số của hai biến s góc điều khiển  và góc (s): v = v[,(s)]. Đồ thị v2(,) được dựng trên hình H3.6, ở góc trên bên trái và được coi là đồ thị vạn năng dùng cho mọi hệ thống ĐAXC- ĐKB . )sin(. mnn n Z U   2 1 2 11 nnu baU               5 1 1 5 1 1 ).sin(.'. 1 ).cos(.'. 1 n n an n n an dUb dUa     ) 6 sin(. 2 3   mU ) 6 sin(. 2 3   mU          1 3 1 )cos(. 2 )cos(. 2 1   d U d U a acabu          1 3 1 )sin(. 2 )sin(. 2 1   d U d U b acabu ĐỀ CƯƠNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 81 Do tính chất phức tạp của quan hệ giữa mômen, điện áp và tốc độ của động cơ không đồng bộ nên trong tính toán thực dụng thường dùng phương pháp đồ thị để dựng các đặc tính điều chỉnh trên H3.6. Dựng đặc tính (s) của động cơ ở góc dưới bên trái, đặc tính này có thể dựng được khi sử dụng sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ. Dựng đặc tính cơ tự nhiên (đường nét đứt) và đặc tính cơ các điện trở phụ ở góc trên bên phải theo các bước như đã hướng dẫn phần mô tả đặc tính