Giáo trình Truyền động điện (dùng cho hệ TCCN) (Phần 1)

UBND TỈNH NAM ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ NAM ĐỊNH Chỉnh sửa: Giảng viên Trịnh Văn Tuấn GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (Dùng cho hệ TCCN) NĂM 2013-2014 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 1 Bài 1: CÁC ĐẶC TÍNH CƠ VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN. * Mục tiêu: Sinh viên nắm được sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động điện, đặc tính cơ của các động cơ điện, các trạng thái có thể xáy ra trong quá trình hệ thống làm việc. * Tóm tắt nội dung: Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về đặc tính cơ, đặc tính cơ điện cách xây dựng các đặc tính trên; Khởi động và tính điện trở khởi động; Các trạng thái hãm của bốn loại động cơ: ­ Động cơ điện một chiểu kích từ độc lập ­ Động cơ điện một chiểu kích từ nối tiếp ­ Động cơ không đồng bộ ­ Động cơ đồng bộ 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Như trong chương 1 đã nêu, quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:  = f(M) hoặc n = f(M). Quan hệ giữa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất c = f(Mc) hoặc nc = f(Mc). Các đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, ví dụ M = f() hay n = f(M). Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ:  = f(I) hoặc n = f(M) Trong các biểu thức trên: ­ : Tốc độ góc, rad/s ­ n: Tốc độ quay, v/ph ­ M: Mômen, Nm Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tính toán hoặc dễ dàng so sánh, đánh giá chế độ làm việc của truyền động điện, người ta có thể dùng hệ đơn vị tương đối. Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng đơn vị tương đối ta lấy trị số của nó chia cho trị số cơ bản của đại lượng đó. Các đại lượng cơ bản thường được chọn: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb. Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu “*” ví dụ điện áp tương đối là U*, mômen tương đối là M*. M số thông số có thể tính được trong hệ đơn vị tương đối như sau: dmU U U * hoặc %100%* dmU U U  Tương tự các thông số: Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 2 dmI I I * ; dmM M M * ; dm   * ; cbR R R * ; dm   * ; 0 *     Việc chọn các đại lượng cơ bản là tùy ý, sao cho các biểu thức tính toán được thuận tiện như: ­ Tốc độ cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp và tốc độ không tải lý tưởng o, tốc độ của động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ là tốc độ đồng bộ 1. Còn đối với động cơ kích từ nối tiếp tốc độ cơ bản là đm ­ Trị số điện trở cơ bản là Rcb Với các động cơ một chiều : dm dm cb I U R  Với các động cơ không đồng bộ thông thường điện kháng định mức ở mỗi pha của roto rất nhỏ so với tổng trở định mức nên ta có thể coi gần đúng là: R2cb = dm nm I E 2 2 .3 Trong đó: ­ E2nm: Sức điện động ngắn mạch của roto ­ I2đm: Dòng điện định mức ở mỗi pha roto Nếu mạch roto đấu tam giác thì điện trở định mức mỗi pha của roto là: R2cb = 2 1 R2cbY 1.2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1. Sơ đồ và đặc điểm 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. Rf Rf Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 3 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 nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.2.2. Phương trình đặc tính cơ 1.2.2.1. Phương trình cân bằng điện áp Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.1 và hình 2.2, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau: Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư (2.1) Trong đó: ­ Uư : Điện áp phần ứng động cơ, (V) ­ Eư : Sức điện động phần ứng động cơ (V). ­ Rư : Điện trở cuộn dây phần ứng () ­ Rp : Điện trở phụ mạch phần ứng () ­ Iư : Dòng điện phần ứng động cơ (A) Rư = rư + rct + rcb + rcp (2.2) ­ rư: Điện trở cuộn dây phần ứng. ­ rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. ­ rcb : Điện trở cuộn bù. ­ rcp : Điện trở cuộn phụ. 1.2.2.2. Phương trình đặc tính cơ điện, đặc tính cơ Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto: Eư =   K a pN  2 (2.3) ­  : Từ thông qua mỗi cực từ (Wb) ­ p : Số đôi cực từ chính ­ N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng. ­ a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng ­ : Tốc độ góc của động cơ (rad/s) K = a pN 2 là hệ số kết cấu của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: Eư = Ke..n (2.4) Và 55,960 2 nn    (2.5) Vì vậy: Eư = n a pN  60 (2.6) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 4 Ke = a pN 60 ­ Hệ số sức điện động của động cơ Ke = K K 155,0 55,9  (2.7) Từ phương trình (2.1) và phương trình (2.2) ta có: u fuu I K RR K U     (2.8) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K..Iu Suy ra: Iư = K M dt Thay giá trị Iư vào (2.8) ta được: dt fuu M K RR K U 2)(     (2.9) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M M K RR K U fuu 2)(     (2.10) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2.3 là những đường thẳng. Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: 0    K Uu (2.11) o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi  = 0 ta có: nm fu u I RR U I    (2.12) 0 đm 0 Iđm Inm I 0 đm 0 Mđm Mnm M  Hình 2.3. Đặc tính cơ điện a) và đặc tính cơ b) của ĐC một chiều kích từ độc lập  a b Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 5 và M = KInm = Mnm Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng:     ou u I K R K U (2.13)     o u M K R K U 2)( (2.14) Trong đó: R =   K U RR ufu  ; M K R I K R u 2)(     được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trong hệ đơn vị tương đối, với điều kiện từ thông là định mức ( = đm) Trong đó: dmI I I * ; dmM M M * ; dm   * ; cbR R R * ; dm   * ; 0 *     Rcb = dm dm I U được gọi là điện trở cơ bản Ta viết đặc tính cơ và đặc tính cơ điện ở đơn vị tương đối: *** .1 IR (2.15); *** .1 MR (2.16) 1.2.3. Ảnh hưởng của các thông số đối với đặc tính cơ Phương trình đặc tính cơ (2.10) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất  = f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện Uư, RƯ và . Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này. Khi xét đến ảnh hưởng của các thông số người ta thường chỉ cho một thông số biến thiên, còn các thông số khác giữ nguyên ở giá trị định mức. a) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng Ta xét đến ảnh hưởng của điện áp phần ứng với các thông số như sau: ­ Uư = var ­  = đm ­ R = Rư = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm các thông số đặc tính cơ như sau:  TN Uđm U1 U2 U3 U4 M, I Mc 0 4 3 2 1 0 Hình 2.5: Các đặc tính cơ giảm áp của ĐC một chiều kích từ độc lập Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 6 + Tốc độ không tải: var dm x ox K U   + Độ cứng đặc tính cơ: const R K u  2)(   + Mômen ngắn mạch: Mnm = KIư , mômen ngắn mạch giảm dần khi ta giảm điện áp phần ứng. Kết luận: Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng đặt vào động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của 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. b) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Ta xét ảnh hưởng điện trở phần ứng với các thông số như sau: ­ Uư = Uđm ­  = đm ­ R = Rư + Rf = var Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Khi đó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ. Cụ thể đến các thông số đặc tính cơ như sau: + Tốc độ không tải lý tưởng: const K U dm dm o    + Độ cứng của đặc tính cơ: fu dm RR K dM dd dM   2)(1    (2.17) Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. u dm TN R K 2)(    (2.18) TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có đặc tính cơ cứng hơn tất cả các đặc tính cơ có điện trở phụ.  0 0 TN Rf=0 Rf1 Rf2 Rf3 M Mc Hình 2.4. Các đặc tính cơ của ĐC một chiều kích từ độc lập khi thay đổi (tăng) điện Rf4 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 7 Kết luận: Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta có họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2.4. Ứng với phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời điện trở ngắn mạch và mômen ngắn mạch càng giảm. Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. c. Ảnh hưởng của từ thông Ta xét ảnh hưởng của từ thông với các thông số như sau: ­ Uư = Uđm ­  = var ­ R = Rư = const Để thay đổi từ thông , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ở mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức. Các thông số đặc tính cơ thay đổi như sau: + Tốc độ không tải: var x đm ox K U   + Độ cứng đặc tính cơ: var )( 2  u x R K  + Dòng điện ngắn mạch: Inm = const R U u dm  + Mômen ngắn mạch: Mnm = KxInm=var Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi. Kết luận: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì xo tăng, còn  sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với xo tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông. 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. 1  02 01 0 0 0 Inm I M Mnm Mnm1 Mnm2 2 đm (TN) 2 1 đm (TN)  02 01 0 Mc Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐC một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông a b Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 8 1.2.4. Cách dựng đặc tính cơ a) Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên Vì đặc tính của động cơ là đường thẳng nên khi ta vẽ ta chỉ cần xác định hai điểm của đường thẳng. Ta thường chọn điểm không tải lý tưởng và điểm định mức. ­ Đặc tính cơ điện tự nhiên: Điểm thứ nhất: Iư = 0,  = o dm dm o K U    (2.19) dm udmdm dm RIU K   .  (2.20) Điểm thứ hai: Iư = Iđm,  = đm với 55,9 dm dm n  ­ Đặc tính cơ tự nhiên: Điểm thứ nhất: M = 0,  = o dm dm o K U    ; dm udmdm dm RIU K   .  Điểm thứ hai: M = Mđm,  = đm Trong đó: dm dm dm P M   , N.m (2.21) b) Cách vẽ đặc tính cơ nhân tạo Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều bị đi qua điểm không tải lý tưởng o, vì vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ 2. 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 ta có:  0 đm 0 Iđm I  0 đm 0 Mđm M Hình 2.7: Cách vẽ đặc tính tự nhiên ĐC 1 chiều kích từ độc lập a) - Đặc tính cơ điện b) - Đặc tính cơ a b Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 9 dm udmdm dmtn K RIU   .  Và từ phương trình đặc tính biến trở tính được:  dm fudmdm dmnt K RRIU  ).(   (2.22) Lập tỉ số : dmnt dmtn   và sau khi biến đổi ta được:  udmdm fudmdm dmtndmnt RIU RRIU . ).( .    (2.23) Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở (hình 2.8). Thông thường giá trị điện trở phần ứng Rư không ghi trên nhãn máy. Do vậy lúc đó ta có thể tính gần đúng giá trị Rư . Một trong các phương pháp tính gần đúng là dựa vào giá trị hiệu suất định mức đã biết đm và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định mức. Coi gần đúng tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất. Như vậy ta tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng là: Rư = 0,5.(1 ­ đm). dm dm I U (2.24) c) Cách vẽ đặc tính giảm áp Đặc tính giảm áp là một họ các đường thẳng song song với đường đặc tính tự nhiên nên để vẽ được đặc tính giảm áp ta vẽ đặc tính tự nhiên sau đó xác định 0. Từ 0 vẽ đường thẳng song song với đặc tính tự nhiên. 0x = Ux/(Kđm)  0 đm 0 Iđm I  0 đm 0 Mđm M Hình 2.8: Cách vẽ đặc tính biến trở (a) - Đặc tính cơ điện (b) - Đặc tính cơ TN TN btđmbtđm a b Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 10 d) 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 cần xem xét riêng từng loại đặc tính. Đặc tính cơ điện Khi giảm từ thông tốc độ không tải lý tưởng của động cơ tăng tỉ lệ với độ giảm từ thông. Còn dòng điện ngắn mạch Inm không đổi. Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta 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 Inm ­ Gọi độ suy giảm từ thông là    dm (2.25) Ta có ox = oTN. là giá trị tốc độ không tải khi giảm từ thông. ­ Dòng điện ngắn mạch Inm được tính : u udm nm R U I  (2.26) Đặc tính cơ Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay giá trị Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng giá trị mômen ngắn mạch thay đổi.  nmdm nm M M  (2.27)  0x 0 Inm I đm x 0 Hình 2.10: Đặc tính cơ điện khi giảm từ thông  0x 0 Mnmđm M đm x 0 Hình 2.11. Đặc tính cơ khi giảm từ thông Mnmx Mđm  0 đm 0 Iđm I (a)  0 đm 0 Mđm M (b) Hình 2.9: Cách vẽ đặc tính giảm áp (a) - Đặc tính cơ điện (b) - Đặc tính cơ TN TN 01 01 02 02 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 11 1.2.5. Khởi động và tính toán điện trở khởi động 1.2.5.1. Yêu cầu, sơ đồ và đặc điểm khi khởi động a) Yêu cầu: Nếu khởi động động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/R− ≈ 20­25Iđm). Như vậy nó đốt nóng động cơ và gây sụt áp lưới điện. Hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích... Tình trạng càng xấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy... Để đảm bảo an toàn cho máy tránh khỏi các nguy hiểm ở trên, thường chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. b) Sơ đồ: c) Đặc điểm Trị số của điện trở phụ tổng mắc trong mạch khởi động được chọn sao cho khi khởi động ( = 0) thì dòng điện khởi động không vượt quá 2,5Iđm để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động. Ngoài ra Inm cũng không nên quá nhỏ khiến Mnm cũng nhỏ đi so với mômen cản. Thông thường: dm fu dm nm I RR U I )5,22(    (2.28) Khi tốc độ tăng lên dòng điện phần ứng giảm dần theo biểu thức: Eư Uư UKT Hình 2.12. Sơ đồ nối dây ĐC kích từ độc lập khởi động qua 3 cấp Rf CKT RKT Iư 1K 2K 3K rf1 rf2 rf3   0 m 0 Ic I2 I1 I h f d a b c e g A Hình 2.13. Đặc tính khởi động qua 3 cấp điện trở phụ nt TN i Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 12 fu dm RR KU I     (2.29) Muốn cho quá trình tăng tốc độ được tiến hành đều đặn và để cho động cơ làm việc ổn định ở tốc độ cao trên đặc tính tự nhiên ta phải cắt dần các điện trở phụ. Việc cắt dần các điện trở phụ nhờ có các tiếp điểm 1K, 2K, 3K của các công tắc tơ. Quá trình khởi động của động cơ sẽ làm việc trên một loạt đặc tính nhân tạo có độ dốc giảm dần tương ứng với việc cắt dần các điện trở phụ tại các điểm g,e,c. Cuối cùng động cơ tăng tốc độ trên đặc tính tự nhiên và làm việc ổn định tại điểm A. Tại đó dòng điện động cơ bằng dòng tải (I = Ic). 1.2.5.2. Các phương pháp xác định điện trở khởi động Muốn xác định trị số điện trở phụ khởi động có thể dùng các phương pháp sau: a) Phương pháp đồ thị * Các điều kiện ban đầu: ­ Cho động cơ và các thông số động cơ ­ Dựa vào yêu cầu khởi động ­ Biết rằng khi làm việc động cơ tồn tại hai loại quán tính là quán tính cơ học và quán tính điện. * Các bước xác định điện trở khởi động ­ Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên. ­ Chọn hai giới hạn chuyển dòng điện khởi động động cơ. I1  22,5 Iđm; I2  1,11,3 Iđm ­ Lấy giá trị I1, I2 trên trục hoành, từ I1, I2 kẻ hai đường dóng song song với trục tung cắt đường đặc tính tự nhiên tại a và b, nối o với h (I1) ta được đặc tính khởi động đầu tiên. Đặc tính này cắt đường dóng I2 tại g. Tại g ta cắt bớt điện trở phụ. Do quán tính điện vô cùng nhỏ, và quán tính cơ lớn nên điểm làm việc chuyển sang điểm f (f là giao điểm của đường đường song song với trục hoành cắt đường dóng I1). Nối o với f ta được đường đặc tính khởi động thứ haicứ tiếp tục như vậy tới khi từ c kẻ đường song song với trục hoành sẽ gặp điểm b. Nếu điều kiện này không thỏa mãn ta phải chọn lại I1,I2 rồi vẽ lại cho đến khi đạt được. Ngoài ra đặc tính khởi động còn phải đảm bảo số cấp khởi động yêu cầu. ­ Xác định giá trị của các điện trở khởi động: Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính đã vẽ ứng với một dòng điện, ví dụ I1: 1I K Ru TN    (2.30) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 13 11 I K RR fu NT     (2.31) Lập tỉ số = u fu TN NT R RR 11      (2.32) Từ đó rút ra: u TN TNNT f RR      11 (2.33) Qua đồ thị ta có: uuf R ib bd R ib ibid R   1 (2.34) Tương tự như vậy: uuf R ib df R ib idif R   2 ; uuf R ib fh R ib ifih R   3 b) Phương pháp giải tích * Các điều kiện ban đầu: ­ Cho động cơ và các thông số động cơ ­ Cho số cấp điện trở phụ ­ Dựa vào yêu cầu khởi động ­ Biết rằng khi làm việc động cơ tồn tại hai loại quán tính là quán tính cơ học và quán tính điện * Các bước xác định điện trở khởi động ­ Xác định bội số dòng điện khởi động  Điện trở phụ ở mỗi cấp ta cũng ký hiệu là Rf1, Rf2,...Rfm và điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính là: R1 = Rư + Rf1 R2 = Rư + Rf1+ Rf2 ... (2.35) Rm­1 = Rư + Rf1+ Rf2...+ Rf(m­1) Rm = Rư + Rf1+ Rf2...+ Rfm Tại điểm g trên hình 2.13 ta có: m dmdm R EU I  2 (2.36) Tại điểm f: 1 1    m dmdm R EU I (2.37) Trong đó Em là sức điện động của động cơ ứng với m, lập tỉ số I1/I2 ta có: Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 14 12 1   m m R R I I Tương tự với các cấp tiếp theo ta được:     um m m m R R R R R R I I 1 2 1 12 1 ...  gọi là bội số dũng điện khởi động. Từ đó rút ra: R1 = Rư R2 =  2Rư ... (2.38 a) Rm =  mRư Biểu thức (2.38 a) cho thấy: m ­ dm m ­ m IR U R R 1  (2.38 b) Trong đó: Rm = Uđm/I1 Trong hệ đơn vị tương đối: m ** ­ m ** MRIR 11 11  (2.38 c) Trong đó: cb­ * ­ R/RR  , * dmdm * MM/MI/II 111  (với  = đm) ­ Xác định số cấp điện trở khởi động m Nếu biết , Rm, Rư ta xác định được số cấp điện trở khởi động m:       lg MR lg lg IR lg lg R R lg m ** ­ ** ­­ m 11 11 (2.38 d) Trị số từng cấp điện trở khởi động được tính như sau: Rf1 = R1 ­ Rư = Rư ­ Rư = (­1)Rư Rf2 = R2 ­ R1 =  2Rư ­ Rư = (­1)Rư (2.38 e) ..... Rfm = Rm ­ Rm­1 =  mRư ­  m­1 Rư =  m­1(­1)Rư * Các trường hợp có thể ứng dụng phương pháp giải tích để xác định điện trở khởi động: - Khi cho trước số cấp điện trở khởi động m và yêu cầu khởi động nhanh (mở máy cưỡng bức): Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 15 + Chọn giới hạn dòng điện khởi động I1 là dòng lớn nhất cho phép: I1 = 2,5Iđm và tính Rm = Uđm/(2,5Iđm). + Tính  theo biểu thức (2.38 c). + Xác định các trị số điện trở khởi động theo biểu thức (2.38 e).: Rf1, Rf2, ... ­ 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 + Xác định  từ (2.38 b) hoặc (2.38 c) bằng cách thay I1 = I2 1 2  m ­ dm IR U + Xác định trị số các điện trở khởi động theo biểu thức (2.38 e). - Khi cần xác định số cấp khởi động m và trị số các điện trở khởi động theo các điều kiện khởi động cho trước. + Dựa vào các yêu cầu của truyền động và yêu cầu khởi động chọn các giá trị I1, I2, M1, M2. + Tính  dựa vào biểu thức (238b). + Tính số cấp khởi động m theo (2.38d). Nếu m không phải là số nguyên thì chọn lại I1, M1 hoặc I2, M2 rồi tính lại cho đến khi m là số nguyên. + Xác định trị số điện trở khởi động ở mỗi cấp theo (2.38 e) 1.2.6. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm Định nghĩa: 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. 1.2.6.1 Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới) a)Định nghĩa: Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. b) Quá trình hãm:  ođ o ­o Mc M I Ih U E U E Hình 2.14. Đặc tính hãm tái sinh của động cơ một chiều kích từ độc lập Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 16 Khi hãm tái sinh Eư > Uư. So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: 0     R KK R EU I ouuh  Mh = KIh <0 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 ôđ > o Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự như 2.7, nhưng mômen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2, và thứ tư của mặt phẳng tọa 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 = (E­U).I. Đây là phương pháp hãm tái sinh kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Trong thực tế cơ cấu nâng hạ của cầu trục, khi nâng động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ nhất. Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh. Khi hạ tải để hạn chế dòng điện khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Tốc độ động cơ tăng dần lên, khi tốc độ gần đạt đến giá trị o ta cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên. Khi tốc độ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng o mômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm đến điểm A mômen Mh = Mc , tải trọng được hạ với tốc độ ổn định ôđ trong trạng thái hãm tái sinh. b) Kết luận: Năng lượng được trả lại lưới điện, động cơ lúc này làm việc như một máy phát. Hãm tái sinh xảy ra trong hai trường hợp: ­ Tại các cần trục, máy nâng khi hạ tải trọng nặng. ­ Ở các hệ truyền động điều chỉnh khi giảm điện áp nguồn Uư, nghĩa là giảm đột ngột tốc độ không tải lý tưởng o khi tốc độ  chưa kịp giảm.  o® o ­o Mk® M Hình 2.15. Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải của động cơ một chiều kích từ độc lập  M Mc Nâng tải  M Mc Hạ tải Mc Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 17 1.2.6.2 Hãm ngược a) Định nghĩa: Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy 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: b) Đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng với tải Mc hằng số mang tính chất 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 trên động cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c tốc độ động cơ 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 ôđ, cd là đoạn đặc tính hãm ngược. Khi hãm ngược thì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên: 0       fufu uu h RR KU RR EU I  ; M = KIh Vì sơ đồ nối dây của động cơ không thay đổi, nên phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở. c) Đảo chiều điện áp phần ứng Giả sử động cơ làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên với tải Mc ta đảo chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biến trở. Tại b mômen đã đổi chiều quay chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c tốc độ bằng 0, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c, M > Mc thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc là đặc tính hãm ngược.  o® o c M(I) Hình 2.16. Đặc tính hãm ngược của ĐCMCKTĐL Nâng tải  M Mc Hạ tải Mc b a d Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 18 Dòng điện hãm được tính: fu u fu uu h RR EU RR EU I       (2­39) M = KIh Biểu thức (2­39) 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. Ihđ  22,5 Iđm Và phương trình đặc tính cơ có dạng: M K RR K U fuu 2)(     (2­40) d) Kết luận: Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tổn thất năng lượng lớn. 1.2.6.3 Hãm động năng a) Định nghĩa: Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Có hai loại hãm động năng: b) 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 Hình 2.17. Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm ngược(b) của ĐCMT kích từ độc lập a o b E I U Mc M Mc ođ (b) ­o c d N Ckt + ­ Ukt RKT ­ Rh + T N E (a) T RH Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 19 kích từ vẫn nối với nguồn như cũ. Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày trên hình Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên Ehđ = Khđ Và dòng điện hãm ban đầu: hu hd hu hd hd RR K RR E I       (2­41) Tương ứng có mômen hãm ban đầu: M hđ = KI hđ < 0 (2­42) Biểu thức (2­41) và (2­42) chứng tỏ I hđ, M hđ ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có phương trình đặc tính sau: u hu I K RR     (2­43) M K RR fu 2)(     (2­44) Đây là phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập được biểu diễn trên hình 2­18. Ta cũng nhận thấy rằng: Khi  = const thì độ cứng của đặc tính cơ 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: Ihđ  22,5 Iđm Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy với mômen cản Mc là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn o1b hoặc o2b. Với mômen tải Mc là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại Hình 2.18. Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm động năng kích từ độc lập (b) của ĐCMC kích từ độc lập Ukt + ­ CKT RKT o ođ1 ođ2 M(I) Mc Mhđ2 a b1 Rh1 0 (b)  c2 c1 b2 Mhđ1 Rh2 (a) U­ K Ih Rh E K H Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 20 đến làm việc ổn định tại điểm M = Mc. Đoạn b1c hoặc b2c 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 lũy được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ. Pkt đm = (15)%Pđm (2­45) Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng: EưIh = (Rư + Rh)Ih 2 (2­46) c) 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 cuộn 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. 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. Chú ý dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi. Để thực hiễn hãm động năng kích từ độc lập người ta phải bố trí hệ thống tiếp điểm đóng cắt sao cho khi thực hiện hãm ta có sơ đồ dạng sau đây: Từ sơ đồ nguyên lý ta có: Iư = Ih + Ikt (2­47) hkt hkt u hkt hkt u u RR RR R K RR RR R E I          (2­48) Hình 2.19. Sơ đồ đấu dây (a) và đặc tính hãm động năng tự kích (b) của ĐCMT kích từ độc lập o ođ1 ođ2 M(I) Mc Mhđ2 a b1 Rh1 0 (b)  c2 c1 b2 Mhđ1 Rh2 E CKT RKT Rh (a) Ih Ikt Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 21 Và các phương trình đặc tính là: u hkt hkt u I K RR RR R      (2­49) và M K RR RR R hkt hkt u 2)(      (2­50) Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần, 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. d) Kết luận: So với phương pháp hãm ngược, hàm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Mc. Tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới, nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cố mất điện lưới. 1.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 1.3.1. Sơ đồ và phương trình đặc tính cơ điện, đặc tính cơ. Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng. Uư = Eư + Rư Iư = K + Rư Iư (2.51) Rư = rư + rctf + rct+ rkt (2.52) Sau khi biến đổi ta nhận được: u uu I K R K U    (2.53) _ Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý ĐCMC kích từ nối tiếp E CKT Rf Ikt = I­ U + H×nh 2.19. S¬ ®å ®Êu d©y (a) vµ ®Æc tÝnh h·m ®éng n¨ng tù kÝch (b) cña §C ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp. o o®1 o®2 M(I) Mc Mh®2 a b1 Rh1 0 (b)  c2 c1 b2 Mh®1 Rh2 E CKT RKT Rh (a) Ih Ikt Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 22 M K R K U uu 2)(    (2.54) Trong các phương trình trên từ thông  biến đổi phụ thuộc vào dòng điện trong mạch kích từ theo đặc tính từ hóa. Để đơn giản khi thành lập phương trình các đặc tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính với dòng kích từ như đường (2)..  = C.Ikt với C là hệ số tỉ lệ. Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ:  = C.Iư (2.55) Thế vào phương trình (2­53) ta nhận được: B I A CK R ICK U u u  1 ...  (2.56) Trong đó đặt A1 = CK Uu . ; B = CK R . Ta cũng có: Iư = CK M . (2.57) Thay (2­57) vào (2­56) ta được: B M A B M CKA  21 ..  (2.58) Trong đó: A2 = A1. CK. Biểu thức (2­56) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ và (2­58) là phương trình đặc tính cơ của động cơ.Dạng của đặc tính này được biểu diễn trên hình 2.22. 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 hòa nên từ thông gần như không đổi và đặc tính cơ có dạng gần tuyến tính. 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, các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:  đm 2 1 Iktđm Ikt 0 Hình 2.21. Đặc tính từ hóa của ĐCMC kích từ nối tiếp  I 0 Hình 2.22 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ nối tiếp TN (Rf = 0) NT (Rf  0)  M 0 TN (Rf = 0) NT (Rf  0) (a) (b) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 23 dư = (210)’đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là: du u kt K U    Tốc độ ot 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: ­ Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó cho những truyền động có tốc độ thay đổi theo tải. ­ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở phần 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 có ưu điểm đó mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp với 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. 1.3.2. Cách dựng đặc tính cơ điện, đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo Do quan hệ  = f(Iư) là phi tuyến nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ người ta sử dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa vào các đường cong thực nghiệm đã cho. Vì các động cơ một chiều kích từ nối tiếp cùng loại đều có khe hở không khí và mức độ bão hòa từ không khác nhau nhiều nên các quan hệ giữa tốc độ , mômen M với dòng điện I theo đơn vị tương đối gần như trùng nhau. Người ta gọi các quan hệ *=f(I*), 2,4 * M* 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 I* Pđm10KW Pđm10KW = f(I) M= f(I) Hình 2.23. Đặc tính vạn năng của ĐCMC kích từ nối tiếp Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 24 M*=f(J*) là các đặc tính vạn năng và được xác định bằng thực nghiệm. a) Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng Với mỗi động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta biết các trị số của Pđm, Iđm, đm ... muốn vẽ đặc tính tự nhiên ta tiến hành như sau: Lấy các giá trị tùy 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 1 *, 2 *,...n *. Và M1 *,M2 *,...Mn *. Tính đổi các đại lượng tương đối ra đại lượng tuyệt đối theo biểu thức: I= I*.Iđm; M= M *.Mđm; =  *.đm Dựa vào các kêt quả tính được trên bảng ta vẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên =f(I) và đặc tính cơ tự nhiên =f(M) như trên hình 2.24. Bảng 2.1 b) Phương pháp vẽ đặc tính biến trở Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta có: u uu TN I K R K U    Từ phương trình đặc tính cơ nhân tạo ta cũng có: u fuu NT I K RR K U     I* I*1 I * 2 I * 3 I * 4 .... I * n I(A) I1 I2 I3 I4 .... In * *1  * 2  * 3  * 4 ....  * n (rad/s) 1 2 3 4 .... n M* M*1 M * 2 M * 3 M * 4 .... M * n M(Nm) M1 M2 M3 M4 .... Mn nt nt1 nt2 nt3  nt4 ....  ntn  1 2 nt1 3 0 nt3 nt4 nt2 I1 I2 I3 I (M) TN (Rf =0) NT (Rf  0) Hình 2.24. Cách vẽ đặc tính tự nhiên và nhân tạo của ĐCMC kích từ nối tiếp Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 25 Nếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên là như nhau, nên ta có: ) )( ( uuu fuuu TNNT RIU RRIU    (2.59) Từ (2.59) và ứng với các giá trị I1, I2,...In ta tính được TN1, TN2,... TNn với Rf đã biết và ghi kết quả tính vào bảng tính 2.1. Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được đường đặc tính cơ điện nhân tạo. 1.3.3. Khởi động và tính điện trở khởi động Tương tự như trường hợp động cơ một chiều kích từ độc lập, để hạn chế dòng điện khởi động ta cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính động cơ được biểu diễn trên hình. Để xác định các cấp điện trở khởi động ta có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính khởi động. Giả sử đã vẽ được đồ thị các đặc tính khởi động theo điều kiện đặt ra tương tự như với động cơ một chiều kích từ độc lập. Ứng với hai giá trị I1 và I2 trên mỗi đặc tính khởi động ta kẻ các đường thẳng ab, cd, ef, gh. Chúng sẽ đồng quy tại điểm X. Điều đó được chứng minh như sau: Xét với giá trị dòng điện I1 trên đặc tính cơ điện tự nhiên sẽ có tốc độ: u udm TN I K R K U   1 (2.60) Trên đặc tính cơ điện nhân tạo sẽ có tốc: _ Hình 2.25. Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính khởi động (b) của động cơ một chiều kích từ nối tiếp E CKT 1K Ikt = I­ U + rf1 rf2 rf3 2K 3K X  I a b d f h g e c 0 Ic I2 I1 (a) (b) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 26 1 1 )(   K RRIU fuudm NT   (2.61) bd K Rf NTTN  1 11   Tương tự với dòng điện I2 ta có: ac K Rf NTTN  2 22   Ta đặt 1 1 K A  và 2 1 K B  Chứng minh tương tự với các đặc tính nhân tạo còn lại ta được kết quả tương ứng: Khi I1 = const, I2 = const bd = ARf1; ac = ARf1 df = ARf2; ce = ARf2; fh = ARf3; eg = ARf3 Từ đó suy ra các đẳng thức: B A ac bd  ; B A ce df  ; B A cg fh  ; Các đẳng thức trên chứng tỏ rằng các đường thẳng ab, cd, ef, gh phải đồng quy tại một điểm X. Như vậy các đặc tính khởi động sau khi đã tuyến tính hóa có dạng hình tia như trên hình 2.25. Quá trình xây dựng các đặc tính khởi động và xác định trị số điện trở khởi động được tiến hành theo các bước sau: ­ Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng và vẽ ra đặc tính cơ điện tự nhiên. ­ Chọn dòng điện giới hạn I1  (22,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động 1I U R dm ­ Chọn dòng điện chuyển khi khởi động: I2  (1,11,3)Iđm Dóng I2 lên đặc tính cơ tự nhiên có giá trị TN2(a) từ đó xác định giảm (g) trên đặc tính khởi động ứng với giá trị dòng I2: udm dm TNNT RIU RIU 2 2 22    ­ Từ X dựng đường đặc tính khởi động hình tia thỏa mãn điều kiện: + Đảm bảo đúng số cấp khởi động đã yêu cầu + Từ điểm c kẻ đường song song với trục hoành phải cắt các đặc tính tự nhiên đúng ở điểm b. Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 27 Nếu không thỏa mãn điều kiện trên ta phải chọn lại giá trị I1,I2 để xây dựng lại đặc tính khởi động. ­ Tính điện trở khởi động; Gọi điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng khi khởi động là Rf . Ta có: Rf = R ­ Rư Nếu như vậy điện trở khởi động trong từng cấp là: ff R bh bd R 1 ; ff R bh df R 2 ; ff R bh fh R 3 ; 1.3.4. Các trạng thái hãm Do đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ o rất lớn nên động cơ chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái sinh. Phương pháp hãm ngược và hãm động năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp cũng giống như ở động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.3.4.1. Trạng thái hãm ngược a) Hãm ngược bằng cách đưa Rf đủ lớn vào động cơ. Đặc tính có 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 ngược được tính như sau: fu dm h RR KU I     (2.63) Đặc tính cơ hãm ngược với Rf trong mạch được trình bày trên hình 2.26 b) Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình 2.27. Chú ý rằng khi thực hiện hãm, chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên. Người ta thường sử dụng trạng thái hãm này để hãm máy. Đoạn bc trên đặc tính cơ là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm fu dm h RR KU I     (2.64)  0 M TN (Rf =0) Hình 2.26. Đặc tính hãm ngược với điện trở phụ trong mạch phần ứng Mc c a b d Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 28 Phương trình đặc tính cơ là: M K RR K U fudm 2)(     (2.65) Rf được tính để sao cho dòng điện ban đầu nằm trong giới hạn cho phép Ih2,5Iđm 1.3.4.2. Trạng thái hãm động năng a) 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 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. Phương trình đặc tính cơ khi hãm là: M K RR dm fu 2)(     Trong đó: R’ư = rư + rctf +rct Điện trở hãm Rh được chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép. dm hu bddm hd I RR K I )5,22( ' .     (2­67) u h bddm h R I K R  max  Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính hãm ngược (b) bằng đảo chiều điện áp phần ứng E CKT Ikt = I­ U + Rf  0 M Mc c a b Mc d (a) (b) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 29 b) 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 ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm nhưng dòng kích từ vãn giữ nguyên chiều cũ. Phương trình đặc tính cơ khi hãm là: M K RR hu 2)(     (2­68) Và từ thông kích từ giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích. 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.4.1. Các đặc tính Để phân tích trạng thái làm việc xác lập của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế. Giả thiết: Hình 2.28. Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính hãm động năng (b) kích từ độc lập của ĐCMC kích từ nối tiếp E CKT U + Rfkt (a) Rh Ih Iktđm  0 M Mc c a b (b) hđ ôđ Hình 2.29. Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính hãm động năng (b) tự kích của ĐCMC kích từ nối tiếp E CKT Rkt (a) Ih Ikt®m  0 M Mc c a b (b) h® «® Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 30 ­ Điện áp lưới hoàn toàn hình sin và 3 pha của động cơ là đối xứng. ­ Điện trở dây quấn rôto và stato coi như không đổi trong quá trình làm việc lâu dài của động cơ ở 75oC. ­ Mạch từ chưa bão hoà nên coi điện kháng stato và điện kháng rôto quy đổi về phía stator không thay đổi. ­ Điện trở mạch từ hoá và điện kháng mạch từ hoá coi như không đổi, dòng điện từ hoá I không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator của động cơ. ­ Bỏ qua tổn thất do ma sát, tổn thất trong lõi thép. Từ các giả thiết trên ta đưa ra sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ 3 pha bằng sơ đồ thay thế 1 pha (các pha khác tương tự) Uf: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato. I, I1, I ’ 2: Dòng điện từ hoá, dòng stato, dòng rô to quy đổi về stato. X, X1, X ’ 2: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng Stato, điện kháng rô to quy đổi về stato. R, R1, R ’ 2: Điện trở tác dụng của mạch từ hoá, điện trở cuộn dây statovà của rô to đã quy đổi về stato. s: độ trượt của động cơ: 1 1    s 1: tốc độ góc của từ trường quay: p f1 1 2   Với: f1: tần số điện áp nguồn đặt vào stato. p: số đôi cực của động cơ. : tốc độ góc của động cơ. a. Đặc tính dòng điện rôto của động cơ 2' 21 2 ' 2 1 ' 2 )()( XX s R R U I f   22 ' 2 1 ' 2 )( nm f X s R R U I   Khi  = 1  s = 0 thì I ’ 2 = 0 Khi  = 0  s = 1 I ' 2I I1 X1 R1 '2X X R Uf s R'2 H×nh2.30 S¬ ®å thay thÕ mét pha cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé Hình2.31 Đặc tính dòng Rô to của ĐC KĐB  s 0 1 I I2nm I1nm 1 0 Rf0 Rf=0 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 31 thì I’2 = '2 22' 21 1 )( nm nm f I XRR U   Với I’2nm là dòng điện ngắn mạch của roto b.Đặc tính cơ của động cơ Để tìm phương trình đặc tính cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ. ­ Công suất điện từ chuyển từ stato sang rô to: P12 = Mđt1 Mđt : mô men điện từ của động cơ. ­ Công suất đưa ra trục động cơ: Pcơ = Mcơ. Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: Mđt = Mcơ =M P2: công suất tổn thất đồng trong rôto P2 = Pđt – Pcơ P2 = M(1 ­ ) = M1s (2.69) Mặt khác: P2 = 3R’2(I’2) 2 (2.70) Từ phương trình (2.69) và (2.70) ta có M = s RI . 3 1 ' 2 2' 2  (2.71) Thay giá trị I’2 đã tính được ở trên vào (2.71) và biến đổi ta có: ])[( 3 22 ' 2 11 ' 2 2 1 nm f X s R Rs RU M    Biểu thức trên được gọi là đặc tính cơ của động cơ KĐB. *Vẽ dạng đặc tính cơ: Để tìm cực trị của đường cong này ta giải phương trình ds dM = 0. Kết quả là ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị gọi là mô men và độ trượt tới hạn ký hiệu là Mth, sth. 22 1 ' 2 nm th XR R s   1 0 sthĐ MthĐ M MthF sthF  s =0 s=1 Hình2.32 . Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 32 )(2 3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    Trong các biểu thức trên dấu “+” ứng với trạng thái động cơ còn dấu (­) ứng với trạng thái máy phát. Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng động cơ KĐB người ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0  s  sth. Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa M và Mth. Biến đổi ta được phương trình đặc tính cơ dạng: M = th th th thth s s s s s sM .2 ).1(2     Trong đó  =R1/R2 Đối với các động cơ có công suất lớn R1 thường rất nhỏ so với Xnm. Lúc này có thể bỏ qua R1 nghĩa là  = 0 và phương trình đặc tính cơ trở thành: M = s s s s M2 th th th + Với sth =  R ’ 2/Xnm; Mth =  nm1 2 1f X2 U3 ω Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách tuyến tính hoá các đặc tính trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng có độ trượt s << sth, tỷ số s/sth rất nhỏ, gần đúng coi s/sth = 0. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản: M = 2Mths/sth Nó chính là tiếp tuyến với đường đặc tính cơ tại điểm đồng bộ 1. Đường (1) trên hình vẽ. Cũng có thể tuyến tính hoá đoạn làm việc qua điểm định mức như đường (2). Phương trình gần đúng là: M = sMđm/sđm Từ dạng đặc tính cơ trên ta thấy độ cứng đặc tính cơ biến đổi cả về trị số và dấu tuỳ theo điểm làm việc. Mđm M  s 1 0 1 Mth đm TN (Rf=0) NT (Rf0) (2) (1) Hình 2.33 Đặc tính cơ ĐC KĐB  = f(M) trong chế độ động cơ Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 33  = ωΔ ΔM = ωΔ Δ Δ Δ s s M Với đặc tính tuyến tính hóa (đường 1 trên hình): s M Δ Δ = th th s M2 ; ωΔ Δs = ­ 1 1 ω Vậy:  = ­ th th s M 1 2  Như vậy trên đoạn làm việc của đặc tính cơ động cơ KĐB độ cứng đặc tính cơ  có giá trị âm và gần như không đổi. Khi s >>sth bỏ qua sth/s, phương trình đặc tính cơ trở thành: M = s sM2 thth ;  = 2 1 thth s sM2 ω Trong đoạn này  dương, có giá trị biến đổi. 1.4.2. Ảnh hưởng của các thông số tới đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ KĐB ])[( 3 22 ' 2 11 ' 2 2 1 nm f X s R Rs RU M    Ta thấy có các thông số sau ảnh hưởng đến đặc tính cơ: ­ Điện trở, điện kháng mạch stato R1, X1 ­ Điện trở mạch rô to (nối thêm điện trở phụ R’2f vào rô to với động cơ KĐB rô to dây quấn). ­ Điện áp lưới cấp cho động cơ. ­ Tần số của lưới điện. ­ Số đôi cực P Khi nghiên cứu ảnh hưởng của thông số nào đó đến đặc tính cơ ta coi các tham số còn lại là không đổi. a. Ảnh hưởng của điện áp lưới tới đặc tính cơ 22 1 ' 2 nm th XR R s   )(2 3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    Hình2.34 Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi giảm điện áp Mc1 M  s 1 0 1 MthTN đm TN (Uđm) MnmTN U1 Mc2 Mnm1 Mnm2 Mnm3 U2 U3 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 34 p f1 1 2   Khi Uf thay đổi dưới Uđm thì mô men tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp còn tốc độ đồng bộ 1 giữ nguyên và độ trượt tới hạn sth không đổi. Ta có dạng đặc tính cơ khi giảm điện áp lưới trên hình vẽ. Đặc tính này phù hợp với tải là bơm và quạt gió, không thích hợp cho tải là hằng số. Khi thay đổi điện áp đặt vào stato thì ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ và có thể hạn chế dòng điện khởi động. a. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato 22 11 ' 2 )( nmf th XRR R s   ; 2 1 2 1 ' 2 )( fnm th XXR R s   )))(2 3 22 11111 2 1 nmff f th XRRRR U M    (Mth khi đưa X1fvào tương tự ) p f1 1 2   Ta thấy rằng khi nối thêm điện trở phụ R1f hoặc điện kháng phụ X1f vào mạch stato thì 1 = const, sth giảm , Mth và Mkđ giảm nên đặc tính cơ có dạng như hình vẽ Ứng dụng đưa điện trở phụ R1f hoặc điện kháng phụ X1f vào mạch stato có thể giảm dòng khi khởi động và dùng điều chỉnh tốc độ. A ĐC B C R1f R1f R1f (a) A ĐC B C X1f X1f X1f (b) Hình2.35. Sơ đồ nguyên lý với R1f (a), với X1f (b) Mnm M  s 1 0 1 Mth đm TN MnmTN sth X1f R1f Hình2.36 Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi đưa thêm R1f và X1f Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 35 Nếu X1f = R1f ta thấy đặc tính đối với X1f tốt hơn vì độ cứng đặc tính cơ khi đưa điện kháng phụ lớn hơn độ cứng đặc tính khi đưa điện trở phụ vào mạch stator vì tổn thất trên điện trở phụ nhiều hơn nên trên thực tế người ta thường đưa thêm điện kháng phụ vào mạch stator. c. Ảnh hưởng của số đôi cực p Với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc nhiều cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ của nó người ta thay đổi số đôi cực ở mạch stator bằng cãch thay đổi cách đấu dây ở stato. p f1 1 2   ; 1 1    s   = 1(1 ­ s) 22 1 ' 2 nm th XR R s   ; )(2 3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    Khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ đồng bộ 1 thay đổi và do đó  cũng thay đổi theo. Còn sth không phụ thuộc p nên không đổi nghĩa là độ cứng đặc tính cơ không đổi ta được họ đặc tính như sau d. Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 Nếu cung cấp cho động cơ bởi nguồn điện có tần số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ thay đổi và dạng của đặc tính cơ cũng thay đổi. p f1 1 2   ; 22 1 ' 2 nm th XR R s   Với động cơ công suất lớn R1  0 nên 11 ' 2 ' 2 .2 . f A fL PR X R s nmnm th   )(2 3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    2 1 2 2 1 2 2 1 2 .8 31 . 8 .3 ..2 3        f U L p fL pU X U M f nmnm f nm f th  Như vậy mômen tới hạn sẽ thay đổi theo quy luật biến đổi của tỷ số 1f U f . Khi thay đổi f1 nếu giả thiết const f U  1 thì Mth = const và ta được họ đặc tính có dạng như hình vẽ  s M 12 0 1 Mth1 11 P2 Mnm1 Mnm2 P1 Mth2 Hình2.38 Đặc tính của động cơ KĐB khi thay đổi tần số f12<f1đm<f11 M 0 1 Mth 1đm 11 12 f1đm f12 f11  s Hình 2.37 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 36 e. Ảnh hưởng của điện trở mạch rô to Đối với động cơ KĐB rô to dây quấn người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch rô to để hạn chế dòng khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý như sau: Khi đưa R2f vào thì Sth, Mth, 1: 22 1 ' 2 ' 2 nm f th XR RR s    )(2 3 22 111 2 1 nm f th XRR U M    ; p f1 1 2   Khi đưa R2f vào thì sth tăng còn Mth không thay đổi Dòng điện khởi động : 22 ' 2 1 ' 2 )( nm f X s R R U I   Khi  = 0 thì s = 1 22 1 ' 2 )( nm f XRR U I   Khi  = 1 thì s = 0 I2’= 0 Ta thấy khi R2f càng tăng thì dòng điện khởi động càng giảm. Đặc tính cơ điện được biểu diễn trên hình vẽ. Trong một phạm vi nhất định việc tăng Rf sẽ làm Mkđ tăng lên còn sau đó Mkđ sẽ giảm. Vì thế phải căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải mà chọn trị số R2f cho phù hợp. 1.4.3.Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở a. Đặc tính cơ tự nhiên A ĐC B C R2f R2f R2f I  s 0 0 1 TN I2nm I2nm1 I2nm2 I2nm3 M  s 1 0 1 Mth TN R2f1 R2f2 (R2f=0) R2f3 Hình 2.39 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 37 Đặc tính cơ là đường cong phức tạp nên ta phải xác định nhiều điểm toạ độ (M, ) Từ phương trình đặc tính cơ: M = th th th thth s s s s s sM .2 ).1(2     ta lần lượt tính các giá trị của sth, Mth và  theo các thông số động cơ đã cho trước: Pđm, U1đm, I1đm, nđm, E’nm, R1, X1, R’2, X’2, M, MKđ. Thay các giá trị đó vào phương tình 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 mô men. Dựa vào các cặp giá trị s và M ta vẽ được đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB. Trong trương hợp không biết một vài thông số như R1, X1, R’2, X’2, R’2nm, I’2đm ta cũng có thể dùng công thức gần đúng: Mth = MMđm; Mkđ = MkđMđm Việc xác định  và sth có thể tiến hành giải phương trình đặc tính cơ tại hai điểm cụ thể đã xác định là điểm định mức và điểm khởi động: ­ Tại điểm định mức: Mđm = th dm th th dm thth s s s s s sM .2 ).1(2     ­ Tại điểm khởi động: Mkđ = Mkđ.Mđm = th dm th th dm thth s s s s s sM .2 ).1(2     sau đó thay Mth, sth,  vào phương trình đặc tính cơ để tính như đã nêu ở trên. b. §Æc tÝnh c¬ biÕn trë (®èi víi ®éng c¬ K§B r« to d©y quÊn) * Dựng đường đặc tính cơ biến trở khi biết đầy đủ các thông số: M = thNTNT thNT thNT thNTNTth s s s s s sM .2 ).1(2     NT = 2 ' 2 ' 1 fRR R  ; sthNT = 22 1 ' 22 ' nm f XR RR   Thế NT và sthNT vào M rồi cho s biến thiên từ 0 đến 2 ta dựng đường đặc tính cơ nhân tạo. * Dựng đường đặc tính biến trở dựa vào đặc tính tự nhiên: Bước 1: Dựng đường đặc tính cơ tự nhiên Bước 2 : Dựng đường đặc tính cơ nhân tạo Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 38 Tại A: Mc = thTNTN TN thTN thTN TN thNTNTth s s s s s sM .2 ).1(2     Tại A’: Mc = thNTNT NT thNT thNT NT thNTNTth s s s s s sM .2 ).1(2     thTNTN s. = 22 1 1 nmXR R  (1) thNTNT s. = 22 1 1 nmXR R  (2) Từ (1) và (2) suy ra: thTNTN s. = thNTNT s. từ đó ta có : NT thNYT thNT NT TN thTN thTN TN s s s s s s s s   thNT NT thNT TN s s s s   ' 2 ' 2 ' 2 R RR s s f thNT thTN    ' 2 ' 2 ' 2 R RR s s f TN NT    ' 2 ' 2 ' 2 R RR ss f TNNT   (*) Như vậy ứng với mỗi giá trị của mômen cản Mc trên đặc tính cơ tự nhiên ta xác định được snt thông qua biểu thức (*). Nối các điểm lại với nhau ta được đường đặc tính biến trở. 1.4.4. Khởi động và xác định điện trở khởi động Đối với động cơ KĐB rô to dây quấn để hạn chế dòng điện khởi động, tăng mô men khởi động, người ta đưa thêm vào mạch rô to điện trở phụ trong quá trình khởi động. Về nguyên tắc có thể có m cấp do vậy trong quá trình khởi động người ta phải loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình vẽ Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động, ta sử dụng sơ đồ hình tia là các đặc tính đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động. Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 39 Quá trình tính toán điện trở khởi động như sau: Bước 1: Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên. Bước 2: Chọn các trị số của mô men M1  0,85Mth, M2  (1,11,3)Mđm Từ M1, M2 dóng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b. Đường thẳng ab cắt đường thẳng song song với trục hoành đi qua 1 tại N. Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động. Bước 3: Từ N kẻ các đường đặc tính biến trở khởi động phải thoả mãn 2 điều kiện: + Đường đặc tính biến trỏ cuối cùng cắt trục hoành tại M1 + Đoạn bc song song với trục hoành. Nếu không thoả mãn 2 điều kiện trên ta phải chọn lại M1, M2. Bước 4: Xác định trị số các cấp điện trở khởi động Ta biết TN NT s s = 2 f22 R RR + nên R2f = ( TN NT s s ­ 1)R2 Từ đồ thị ta có: R2f1 = ( Kb Kd ­1)R2 = Kb bd R2 R2f2 = ( Kb Kf ­ Kb Kd )R2= Kb df R2 R2f3 = ( Kb Kh ­ Kb Kf )R2= Kb fh R2 1.4.5. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm a. Hãm tái sinh Hãm tái sinh là trạng thái máy phát mà động cơ biến cơ năng thành điện năng trả công suất tác dụng về lưới. Hình2.40 Khởi động ĐC KĐB rô to dây quấn bằng cách đưa Rf vào mạch rôto (a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Các đặc tính cơ khởi động A ĐC B C rf1 rf2 rf3 1K 2K 3K  (a) (b) 0  s N a b d f h g e c 0 TN M M2 M1 K Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 40 Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của rôto  lớn hơn tốc độ quay của từ trường quay 1. Khi đang làm việc ở trạng thái ĐC thì từ trường quay cắt qua các thanh dẫn của cuộn dây stato và rô to theo chiều như nhau nên sức điện động stato E1 và rô to E2 trùng pha nhau. Khi hãm tái sinh E1 vẫn giữ nguyên chiều như cũ còn E2 có chiều ngược lại vì khi đó  > 1  1 1    s < 0 nên các thanh dẫn rô to cắt từ trường quay theo chiều ngược lại. Dòng điện trong cuộn dây rô to được tính như sau: . 2sI = sjXR E 22 s2 + = sjXR sE 22 2 + = 2 2 2' 2 22 )sX(R sRE + ­ j 2 2 2 2 2 22 )sX(R sXE + . 2sI =Itd + jIpk Ta thấy rằng khi chuyển sang hãm tái sinh s < 0, như vậy chỉ có thành phần tác dụng của dòng điện rô to đổi chiều, do đó mô men đổi chiều, còn thành phần phản kháng vẫn giữ chiều như cũ. Ở trạng thái hãm tái sinh ĐC làm việc như một máy phát song song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới còn vẫn tiêu thu công suất phản kháng để duy trì từ trường quay. Trạng thái hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ thường xảy ra trong trường hợp: * Khi hạ tải trọng với phụ tải mang tính chất thế năng bằng cách đảo thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stator khi đó từ trường đổi chiều (hình 2.41) Đoạn hãm tái sinh khi hạ tải là đoạn ­1b. Hình2.42. Đặc tính cơ hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách thay đổi tần số M  s 11 0 1 Mc 14 a 12 13 b b’ a’ Hình2.41 . Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ KĐB với tải thế năng M  1 a MC ­ TS b Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 41 * Khi điều chỉnh tốc độ từ cao xuống thấp bằng cách thay đổi số đôi cực hoặc thay đổi tần số (hình 2.42) Đoạn hãm tái sinh: b12 b. Hãm ngược Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ mà tốc độ quay của rôto quay ngược với chiều quay của từ trường. ­Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc ta đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch stato, với tải thế năng động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm d . Đoạn cd là đoạn đặc tính hãm ngược. s = 1 1 ω ω+ω > 1 ­Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato; động cơ chuyển sang làm việc trên đoạn bc hoặc b’c’. Với tải mang tính chất phản kháng động cơ sẽ làm việc ổn định tại d hoặc d’. Trong cả hai trường hợp hãm ngược vì: s = 1 1     > 1 nên dòng điện rô to có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rô to f2 = sf1 lớn, nên điện kháng X’2 lớn, do đó mô men nhỏ. Vì vậy để tăng cường mô men hãm và hạn chế dòng điện rô to cần đưa thêm điện trở đủ lớn vào mạch rô to (đối với động cơ rô to dây quấn). Điện trở phụ này có xác định ứng với dòng điện hãm ban đầu tại b’ c. Hãm động năng Hãm động năng là trạng thái máy phát của động cơ mà động năng do động cơ đã tích luỹ trước đó được biến thành điện năng tạo ra mômen hãm. Trạng thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato ra khỏi nguồn điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều. Hãm động năng có 2 loại: + Hãm động năng kích từ độc lập + Hãm động năng tự kích b Hinh 2.44 M  1 a MC MC b’ c c’ d’ ­1 d 0 Hình2.43. Đặc tính cơ hãm ngược của động cơ KĐB với tải thế năng M 1 a MC 0 b c d Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 42 Quá trình hãm: * Hãm động kích từ độc lập: Động cơ làm việc ở trạng thái động cơ K đóng, H mở ra động cơ được nhận nguồn 3 pha. Khi hãm K mở ra, H đóng lại động cơ cắt khỏi lưới điện và được cung cấp 1 nguồn một chiều. (a) 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 b). Rô to động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cũ thể hiện như trên hình vẽ và các thanh dẫn rô to cắt từ trường đứng yên nên xuất hiện trong nó một sức điện động cảm ứng e2 với chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Vì rô to kín mạch nên e2 lại sinh ra dòng điện i2 cùng chiều và từ trường đứng yên tạo ra sức từ động F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Lực F sinh ra mô men hãm có chiều ngược với chiều quay của rô to làm cho rô to quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần. * Hãm động năng tự kích: A ĐC B C Rf  Rf Rf K H K K H Mh F Hình2.45 Nguyên lý tạo mô men hãm động năng ĐC KĐB (b)  e2 i2  A ĐC B C Rf Rf Rf K K K H A ĐC B C K K K H Hình 2.46 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 43 Hãm động năng tự kích sức điện động xoay chiều ở phía rôto được chỉnh lưu thành điện áp một chiều để cung cấp cho mạch stato Quá trình diễn ra tương tự như hãm động năng kích từ độc lập của động cơ không đồng bộ. 1.5. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Động cơ đồng bộ ( ĐCĐB) được sử dụng rộng rãi trong những truyền động có công suất trung bình và lớn, có yêu càu ổn định tốc độ cao. ĐCĐB được dùng cho các máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và thường được dùng làm ĐC sơ cấp cho các tổ máy phát­động cơ ccông suất lớn. Ưu điểm của ĐC ĐB là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, độ tin cậy khi vận hành cao. Ưu điểm của ĐC ĐB là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, độ tin cậy khi vận hành cao. Sơ đồ nguyên lí của ĐC ĐB như hình vẽ bên: Trong đó mạch stato tương tự như ĐC KĐB, mạch rôto có cuộn kích từ và các cuộn dây khởi động. 1.5.1. Các đặc tính Khi đóng stato ĐC ĐB vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, ĐC sẽ làm việc ở tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:1 = 2f/p Trong phạm vi mômen cho phép M  Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng nghĩa là độ cứng đặc tín cơ  = . Khi mômen vượt quá trị số cho phép Mmax thì tốc độ của động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ. Nguyên nhân: khi phụ tải tăng rôto bị tụt lại sau từ trường stato khi đó góc giữa vectơ điện áp và sức điện động do từ thông sinh ra sẽ tăng lên. Do đó sự phụ thuộc giữa 2 vectơ sức điện động stator và điện áp lưới gọi là đặc tính góc của động cơ đồng bộ: M = f() Đặc tính M = f() được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị véc tơ mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở của mạch stato. Đ + ­ U  I1   A B C U 1 Ul.sin ­ jIXS Mmax M 0  1 Hình 2.50: Đặc tính cơ của ĐC ĐB Hình 2.47 Hình 2.48 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 44 sl XIjEU . 1 ..  Trong đó: U1 ­ điện áp pha lưới điện, V E ­ SĐĐ pha stato, V I1 ­ dòng điện stato, A Xs ­ điện kháng pha stato bằng tổng điện kháng mạch từ hoá X và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato: Xs = X + X1  ­ góc lệch pha giữa U và E  ­ góc lệch pha giữa véctơ điện áp U1 và dòng điện I1. Pđt =Pđ = 3UlI1cos Mà 1 1 1 cos.3    IUp M ldt  (1) Từ đồ thị véc tơ ta có: U1.cos1 = E.cos( ­ ) Theo tam giác ABC: cos( ­ ) = sXI U 1 sin  Thay vào phương trình trên ta được: U1.cos1 = E. sXI U 1 sin  (2) Thay (2) vào (1) ta có:M =   sin .3 1 1 sX EU =Mssin Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ không đồng bộ. Một cách gần đúng ta thấy đặc tính góc có dạng hình sin, được biểu diễn như hình vẽ bên. Khi  = /2 ta có biểu đồ cực đại: Mmax = sX EU 1 1 .3  Lúc này: M = Mmax.sin Mmax đặc trưng cho khả năng quá tải của ĐC. Khi tải tăng góc lệch  tăng, nếu  > /2 thì mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức với: đm = (2025) 0. Hệ số quá tải về mômen: m = Mm/Mđm = 2  2,5 Những điều phân tích ở trên chỉ đúng với ĐC ĐB cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi có kích từ vào rôto. Còn với ĐC ĐB cực lồi do sự phân bố khe hở không khí  2  /2 0 M M M1 M2 Mm Hình 2.49 Đặc tính góc của ĐC ĐB Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 45 giữa rôto và stato không đều nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ và phương trình đặc tính có dạng như sau: M =            2sin) 11 ( 2 sin 3 211 1 dqd XX U X EU Xd, Xq: là điện kháng dọc trục và ngang trục. Đường cong biểu diễn M sẽ là tổng của 2 thành phần: M1 = sX EU 1 1 .3  sin ; M2 =   2sin) 11 ( 2 3 1 2 1 dq XX U  Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1,M2 bằng các đường nét đứt. Đối với máy cực ẩn Xd = Xq nên M2 = 0 và M = M1. Thường M2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Khi đó đặc tính góc của ĐC cực ẩn và cực lồi như nhau. 1.5.2.Khởi động và hãm ĐC ĐB a. Các phương pháp khởi động Trên sơ đồ nguyên lý của động cơ đồng bộ gồm 2 phần: ­ Stator giống như stator của động cơ KĐB ­ Rôtor có 2 cuộn dây: + CKĐ là cuộn khởi động kiểu lồng sóc + CKT là cuộn kích từ có nhiệm vụ để tạo ra từ trường cho máy Trong 1 số trường hợp đặc biệt người ta còn có thể khởi động ĐC ĐB bằng phương pháp sau: + Khởi động trực tiếp: bằng cách đóng stato ĐC vào lưới với Uđm ngay từ đầu. Phương pháp này chỉ sử dụng cho ĐC có công suất nhỏ hoặc ĐC có điện áp cao. + Khởi động gián tiếp: bằng cách đóng stato ĐC vào lưới điện qua điện kháng phụ Xf hoặc qua BATN để hạn chế dòng khởi động. b) Quá trình khởi động: Quá trình khởi động của ĐC ĐB được chia làm 2 giai đoạn: * Giai đoạn 1: stato của ĐC được đấu vào nguồn điện xoay chiều, cuộn kích từ đóng kín qua điện trở hạn chế Rhc để CKT không bị qua áp do SĐĐ cảm ứng sinh ra. Trong đó: Rhc = (810)Rkt. Trong giai đoạn này ĐC được khởi động như ĐC KĐB. Hình vẽ dưới biểu diễn đường đặc tính khởi động. A C B Rhc K CKT CKĐ K K Hình 2.50 Sơ đồ nguyên lý của ĐCĐB M Mnm1 Mnm2  0 vđ 1 2 Mvđ2 Mvđ1 Hình 2.51 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 46 + Đường 1: đặc tính khởi động của ĐC có cuộn dây khởi động điện trở nhỏ. + Đường 2: đặc tính khởi động của ĐC ĐB có cuộn dây khởi động điện trở lớn. Ta thấy đường đặc tính có Mnm lớn hơn thì Mvđ ( mômen vào đồng bộ) lại nhỏ hơn và ngược lại. * Giai đoạn 2: Cuối giai đoạn 1 khi tốc độ đạt (9598)% tốc độ đồng bộ. Lúc này ta đưa dòng kích từ vào rôto để tạo ra mômen đưa n ĐC lên đồng bộ. Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa ĐC quay với tốc độ đồng bộ được thì ĐC sẽ làm việc ở trạng thái KĐB dẫn đến cuộn khởi động bị phát nóng và có thể cháy. c. Trạng thái hãm ĐCĐB * Hãm động năng: Đối với ĐC ĐB thường dùng phương pháp hãm động năng. Khi ĐC đang quay muốn thực hiện hãm động năng ta cắt stato khỏi lưới điện xoay chiều và đóng vào điện trở phụ 3 pha, giữnguyên kích từ mạch rôto. Sơ đồ nguyên lí hãm động năng như hình vẽ: Đặc tính cơ khi hãm động năng có dạng như của ĐC KĐB khi hãm động năng kích từ độc lập. * Hãm tái sinh: Hãm tái sinh ĐC ĐB có thể xảy ra khi Đc làm việc ở đoạn đặc tính cơ nằm ở góc phần tư thứ II trên hệ toạ độ (M,). Lúc này ĐCĐB làm việc ở chế độ MF biến cơ năng thành điện năng trả về lưới. Trạng thái này ít gặp trong thực tế Đ + ­ Rh Hình 2.52 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 47 Bài 2:ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN * Mục đích: Sinh viên cần nắm được ý nghĩa của việc điều chỉnh tốc độ trong truyền động điện; các khái niệm và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống truyền động điện. * Tóm tắt nội dung: Cung cấp các khái niệm về điều chỉnh tốc độ, các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động điện như sai số tốc độ, độ trơn, dải điều chỉnh, sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải, chỉ tiêu kinh tế, tổn thất năng lượng... 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ quay của trục động cơ điện. Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ thường bị thay đổi do biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động thường dùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế ­ kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện. 2.2. CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN a. Sai số tốc độ Sai số tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt. Nó là giá trị tương đối của độ sụt tốc độ ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tải lý tưởng và thường được tính theo phần trăm: * ω ­ ω s% = 100% % ω o o   (3.1) Trong đó: - o : Tốc độ không tải lý tưởng đối với giá trị đặt - : Tốc độ làm ứng với tải định mức Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 48 Nếu tốc độ không tải lý tưởng của hệ không xác định thì sai số tĩnh được tính như sau: 1 2 1 ω ­ ω % .100% ω s  Trong đó: ­ 1: Tốc độ không tải nhỏ nhất Mmin ­ 2: Tốc độ khi tải M = Mmin + Mđm Nếu đặc tính cơ là đường thẳng thì từ quan hệ  = Mc/ ta có: c 0 s% = 100% ω M  Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào: + Độ cứng của đặc tính cơ  + Tốc độ đặt khi không tải lý tưởng ođ + Tải trên trục động cơ Mc Sai số càng nhỏ thì độ chính xác càng cao, hệ càng tốt. Thực tế có nhiều máy không yêu cầu độ chính xác cao, như các máy vận chuyển. Nhưng đa số máy lại có yêu cầu chặt chẽ về s% như trục quấn của máy làm giấy, máy dệt, máy doa, máy mài...Thường yêu cầu sai số tốc độ trong toàn dải biến đổi của tải (02Mđm) độ vài phần trăm. Truyền động ăn dao của máy cắt kim loại thường yêu cầu s% = 10%, còn truyền động chính = 5%. b. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ Độ trơn của điều chỉnh tốc độ được định nghĩa:  = i i   1 (3. 2) Trong đó: i là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. i+1 là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i + 1) Từ chỉ tiêu độ trơn của điều chỉnh tốc độ ta có thể phân loại: * Hệ điều chỉnh vô cấp nếu 1= 1i i      , tức là hệ truyền động điện có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh. * Hệ điều chỉnh có cấp, khi nó chỉ có thể làm việc ổn định ở một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh hay tỉ số 1i i    không tiến tới 1. c. Dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh tốc độ hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa   max min MC M Mn.m2 02 1 2 Hình 3.1: Ví dụ về xác định vùng điều chỉnh Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 49 giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với momen tải đã cho: max min D =   (3. 3) Giá trị tốc độ cực đại max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động cơ một chiều nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của vành góp. Tốc độ nhỏ nhất min bị chặn dưới bởi yêu cầu về momen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. Để minh hoạ, ta xét ví dụ trên H.3. 1. Giả thiết các đặc tính cơ là tuyến tính, có độ cứng không đổi 1 và 2, momen tải không đổi Mc, sai số tốc độ tương ứng sẽ là: 1 01 1 s % = 100% . cM   ; 2 02 2 s % = 100% . cM   Nếu gọi bội số momen khởi động là Knm2 = Mnm2/Mc thì: s2% = 2 1 nmK 100% và theo định nghĩa ta có: s2% = (1 ­ 02 min   ).100% suy ra min = (1 ­ s2). 2 2.  nmc KM (3.4) Từ biểu thức (3.4) ta có thể thấy được sự liên quan giữa dải điều chỉnh và độ cứng đặc tính cơ. Vì rằng dải điều chỉnh và độ chính xác đã được xác định bởi yêu cầu công nghệ, nên việc xác định giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ là một phần trong bài toán thiết kế hệ thống truyền động điện tự động. d. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng điện định mức, đảm bảo khả năng quá tải về momen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu trong toàn dải điều chỉnh. Vì vậy, khi thiết kế hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động điện 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. e. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh Để tính toán hoặc điều chỉnh dự đoán tổn thất ở trạng thái làm việc ổn định bất kỳ, chỉ cần xác định được giá trị của các loại tổn thất trong hệ thống ở một chế độ Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 50 làm việc xác định (thường chọn chế độ làm việc định mức), sau đó có thể xác định được tổn thất ở các chế độ khác theo phương pháp tính đổi. Dưới đây mô tả nguyên tắc tính toán tổn thất của máy điện quay. Tổn thất nhiệt trong dây quấn: Pj  I 2 Tổn thất trong mạch từ: ­ do từ trễ  B2f ­ do dòng xoáy  B2f2 Có thể dùng công thức kinh nghiệm, gần đúng coi tổn thất trong mạch từ như sau: Fe  B 2f1.3 Tổn thất cơ học do chuyển động và quạt gió tỷ lệ với 3, tổn thất do ma sát tỷ lệ với . Nói chung tổn thất cơ học là hàm số của tốc độ quay: cơ = f() ở mỗi phần của mạch lực lại có thể chia tổn thất thành hai loại: Tổn thất không đổi 0 và tổn thất biến đổi phụ thuộc vào bình phương dòng điện Cu. Ví dụ:Tính tổn thất của động cơ tại điểm làm việc A trên đặc tính cơ trên H.3­2: jA = MA(0 ­ A) Tổng tổn thất của động cơ khi làm việc tại điểm A là:  = 0 + K.MA(0 ­ A) Đối với động cơ một chiều có thể chọn K = 1, đối với động cơ xoay chiều thì: K = 2 21 R R+R Trong đó: R1­ điện trở dây quấn stato. R2­ điện trở dây quấn rôto đã quy đổi về stato. Khi thay đổi tốc độ từ giá trị 1 đến giá trị 2 trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 thì có thể tính được tổn thất năng lượng từ phương trình chuyển động của hệ thống. W =   2 1 )( 0 t t dtM = Wj + Wcơ,t (3 .5) Trong đó tổn thất nhiệt không phụ thuộc vào dạng đặc tính cơ mà chỉ phụ thuộc vào giá trị tốc độ đầu và cuối. Wj =   2 1 )( 0    dJ  A A MA M Hìh 3.2: Tính toán tổn thất của ĐC Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 51 Còn tổn thất cơ học trên tải là: Wcơ,t =   2 1 )( 0 t t c dtM f. Chỉ tiêu kinh tế Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định cho việc chọn các phương án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh đem lại. Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và khi điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài ra, hệ số công suất cos của hệ thống cũng góp phần ảnh hưởng không nhỏ đến chi phí vận hành. g. Các chỉ tiêu khác Ngoài các chỉ tiêu chung trên, trong từng trường hợp cụ thể còn dùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện, ví dụ: độ trơn điều chỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống Việc đánh giá chung hệ truyền động điện là bài toán tối ưu đa mục tiêu, tuỳ từng trường hợp cụ thể có thể chọn ra các chỉ tiêu ưu tiên để quyết định chọn lựa các phương án điều chỉnh. Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 52 Bài 3: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU * Mục tiêu: Sinh viên phải tiếp nhận được các vấn đề: ­ Điều chỉnh tốc độ là một yêu cầu không thể thiếu được của hệ thống truyền động điện điều chỉnh. Để điều chỉnh tốc độ phải tác động vào các thông số của đặc tính cơ. ­ Nguyên lí, đặc điểm, các chỉ tiêu kỹ thuật – kinh tế khi điều chỉnh tốc độ hệ: F­ Đ, T – Đ, xung áp – Đ. ­ Sự giống nhau khác nhau khi xây dựng đặc tính cơ của hệ F­ Đ, T – Đ, xung áp – Đ, từ đó nêu ra ưu nhược điểm của từng hệ. * Tóm tắt nội dung: Sinh viên cần nắm được các vấn đề: ­ Nguyên lý, các chỉ tiêu kỹ thuật – kinh tế khi điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp, điện trở, từ thông. ­ Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thay thế các đặc tính cơ điện, đặc tính cơ, quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện điển hình: F­ Đ, T – Đ, xung áp – Đ. ­ Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp điều chỉnh. 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế, có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau: ­ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. ­ Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng động cơ. ­ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay, trong công nghiệp sử dụng các loại bộ biến đổi chính: ­ Bộ biến đổi máy điện. ­ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu thiristơ (CLT). ­ Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristơ hoặc tranzito (BBĐXA). Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như: Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 53 ­ Hệ truyền động máy phát ­ động cơ (F ­ Đ). ­ Hệ truyền động chỉnh lưu tiristơ ­ động cơ (T ­ Đ). ­ Hệ truyền động xung áp ­ động cơ (XA ­ Đ). Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển "hở"). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động "hở". Ngoài ra, các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời, tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Trong phạm vi chương này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũng như tính chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. 3.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển Các thiết bị nguồn này có chức năng biến lưới điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb ­ Eư = Iư(Rb + Rưđ)  = ­ m® ®­b m® b I .K R+R .K E Φ ­ Φ (4. 1)  = 0(Uđk) ­ β M B B Đ Uđk LK Đ U Eư Eb(Uđk) Rb Rưđ I Hình 4.1: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 54 Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó, có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: β ­ωω β ­ωω m® min0min m® max0max M = M = (4. 2) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có momen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về momen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: min = (Mnmmin ­ Mđm)  1 = )1K( M M m® ­ β D = 1K 1 M . = /M)1K( M M m® max0 m®M m® max0 ­ ­ βω β­ β ­ω Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị min, Mđm, KM là xác định. Vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Mđm Mnm min M,I 0 min 0min max 0max  Hình 4.2: Xác định phạm vi điều chỉnh Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 55 Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó, có thể tính sơ bộ được: max.  /Mđm  10. Vì thế, với tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn được. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó, sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: s = min0min0 minmin0      ; s = min0 m® . M ωβ  scp Vì các giá trị Mđm, 0min, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp với tải Mc = hằng số ; Pc = Mc vì trong phạm vi điều chỉnh mômen cho phép của động cơ Mcp = KđmIđm = Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng  = đm, M = Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb = Eư + Iư(Rb +Rưđ) IưEb = IưEư + I 2 ư(Rb +Rưđ) Nếu đặt Rb + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: ư = 2 m® 2 ­­­ ­­ )K( MR + = RI+EI EI Φ ω ω ; ư = *** * RM  Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có momen do động cơ sinh ra đúng bằng Mtải trên trục: M* = M*c và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là M * c = ( *)x thì: Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 56 ư = 1*** * ).(   xR (4 ­ 3) Hình vẽ mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp momen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. 3.3. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH PHẦN ỨNG Sơ đồ nguyên lý nối dây như hình 3.6. Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình 3.6. Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng: ­ Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn. ­ Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở). ­ Vỡ điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn. ­ Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải. Tải càng nhỏ (M1) thỡ dải điều chỉnh D1 càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1 ­ Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng vỡ dũng là dòng mạch lực nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường sử dụng cho hệ thống công suất nhỏ hoặc điều chỉnh có cấp với hệ thống công suất lớn, đối với hệ thống công suất lớn muốn điều chỉnh trơn giá trị điện trở mạch phần ứng có thể dùng phương pháp xung điện trở mạch phần ứng.  ĐM MĐM M  1 1 Ư X=0 X= ­1 Hình 4.3: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động điện và tốc độ với các tải khác nhau Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 57 Phương pháp này phù hợp với tải Mc = hằng số(giữ Iư = hằng số thì M = KIư = h.số) 3.4. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ M = KIư và sức điện động quay của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: ik = dt d rr e k kb k   (4.4) Trong đó: rk ­ điện trở dây quấn kích thích. rb ­ điện trở của nguồn điện áp kích thích. k­ số vòng dây của dây quấn kích thích. Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 58 Trong chế độ xác lập ta có quan hệ: ik = kb k rr e  ;  = f(ik) Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó, đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy, để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:  = ­ 2)( R K hay * = ( *)2 Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện: Uđk ik rk wk E I + ­  max Đặc tính cơ bản 0 Mđm M 0  Lk(Uđk) ik,wk a) b) Hình 4.4: Sơ đồ thay thế (a), Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh động cơ (b) Quan hệ (ikt) (c) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 59  = C.ik = k kb e rr C  Để xác định Mccp(): Xuất phát từ Uư= K + IưRư , nếu coi sụt áp trong mạch phần ứng không đáng kể thì K =  U  Mccp() = KI =  U I (tức là Mc ~  1 )  Phương pháp này phù hợp với tải Mc tỷ lệ nghịch với tốc độ. 3.5. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (F - Đ) 3.5.1. Sơ đồ hệ F - Đ và các đặc tính cơ bản. Hệ thống máy phát ­ động cơ (F ­ Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hoá là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải. Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng của dòng điện phần ứng Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá đặc tính này: EF = KF. F.F = KF.F.C.iKF (4 ­ 5) Trong đó: KF là hệ số kết cấu của máy phát C = F/ikF là hệ số góc của đặc tính từ hoá. Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì: IKF = KF KF r U Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF, như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuếch đại tuyến tính: EF = KF.UKF (4 ­ 6) Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 60 Nếu đặt R = RưF + RưĐ thì có thể viết được p.trình các đặc tính của hệ F ­ Đ như sau:  =   K RI U K K KF F .  = M K R U K K KF F . )( . 2   (4 ­ 7)  = 0(UKF, UKĐ) ­ )U( M §Kβ Các biểu thức (4 ­ 7) chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. F Đ UF = UĐ I ĐK F M  MS UKF UđkU IKF UKF Uđk IKĐ iKF EF 0 0 I UF Hình 4.5: Hệ thống máy phát – động cơ a) Sơ đồ nguyên lí b) Các đặc tính từ hoá và đặc tính tải Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 61 3.5.2. Các chế độ làm việc của hệ F - Đ. Trong mạch lực của hệ F ­ Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ bản như H.4 ­ 5a động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với momen tải có tính chất thế năng Hệ F ­ Đ có các đặc tính điền đầy cả bốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ [, M]. Ở góc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và momen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và EEF  , c . Công suất điện từ của máy phát và động cơ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I < 0 (4 ­ 8) Pcơ = M.  > 0 (a) (b) I R EF E M  I R EF E M  iKFđm, iKĐđm iKFđm, iKĐmin M  iKFđm, iKĐmin iKFđm, iKĐđm I R EF E M  I R EF E M  M  Hình 4.6: Đặc tính cơ hệ F-Đ a) Trong chế độ ĐC; b) Trong chế độ hãm tái sinh Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 62 Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn  máy phát  động cơ  tải. Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV, lúc này do 0 nên EEF  , mặc dầu E, EF mắc xung đối nhưng dòng phần ứng lại chảy ngược 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 ĐC là: PF = EF.I < 0 PĐ = E.I > 0 (4 ­ 9) Pcơ= M. < 0 Chỉ do dòng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức (4 ­ 9) trở nên ngược với các bất đẳng thức tương ứng (4 ­ 8), 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 đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F ­ Đ được giới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục momen. Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều sđđ máy phát hoặc do rôto bị kéo quay ngược bởi ngoại 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 sức điện động E và EF cùng chiều và cùng cung cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên đó. I EF E M  I EF E M  M  Hình 4.7: Đặc tính cơ hệ F-Đ trong chế độ hãm ngược Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 63 Để có hình ảnh mô tả tất cả các trạng thái làm việc của hệ F ­ Đ, xét một ví dụ phụ tải có dạng momen ma sát, tức là khi chiều chuyển động đảo dấu thì momen cũng đảo dấu (H.4 ­ 8). Trong quá trình xét ta bỏ qua quá trình quá độ điện từ của mạch. Giả thiết hệ đang làm việc tại điểm A có MA = MC; EF = EFA và  = A. Khi sang điểm B, từ B, nếu giữ tốc độ giảm EF thích hợp với quán tính của hệ thì có thể giữ cho momen điện từ của động cơ là hằng số, do đó, tốc độ sẽ giảm tuyến tính theo thời gian. Tại điểm C kết thúc quá trình hãm tái sinh, với năng lượng tái sinh là: ts =   ct t dttM 0 )(. Đoạn CD là đoạn hãm ngược vì EF đã đổi dấu mà E = K chưa đổi dấu. Tại D tốc độ động cơ bằng không nhưng do vẫn tồn tại momen hãm nên động cơ được khởi động ngược lại. Đoạn DA của quá trình động cơ có tốc độ và momen EFA EFB EFA EFB E MC M EFA t t MB  tD tE tC t0 A A t t ’A tBC tCD tDE tEA tB’C’ tC’D’ tD’E’ tE’A’ b) Hình 4.8: a) Chuyển đổi trạng thái của hệ ; b) Đồ thị thời gian các đại lượng chính của hệ , E 0A A 'A '0A 0 M, I A B C D E A' ­Mc Mc B' C' E' D' a) Hình 4.8 Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 64 cùng chiều, trong đó ở đoạn EA momen động cơ giảm dần, tốc độ biến thiên theo luật hàm mũ. Quá trình chuyển trạng thái từ A' đến A xảy ra tương tự. 3.5.3 Đặc điểm của hệ F - Đ. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F ­ Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nói chung như đã nêu ở phần đầu của chương này. Ưu điểm nổi bật của hệ F ­ Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy, thường sử dụng hệ truyền động F ­ Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F ­ Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 3.6. HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TIRISTOR - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP (HỆ T - Đ) 3.6.1. Hệ thống truyền động điện T - Đ đặc trưng 3.6.1.1. Khái niệm chung Bộ biến đổi (BB Đ) xoay chiều ­ một chiều điều khiển dùng tiristor có công suất lớn nhất, do vậy nó được ứng dụng rộng rãi không những cho hệ truyền động điện công suất lớn và rất lớn mà còn cho nhiều lĩnh vực khác như: mạ điện, điện phân...Nhưng ở giáo trình này chúng tôi chỉ đề cập tới việc ứng dụng bộ biến đổi xoay chiều ­ một chiều làm nguồn cho động cơ một chiều. Do bộ biến đổi xoay chiều ­ một chiều đã được giảng dạy ở phần điện tử công suất 1a (ĐTCS1a), nên giáo trình này không đề cập lại nữa mà chỉ sử dụng những kiến thức, kết quả của môn học đó đưa vào nội dung bài giảng: * Tải của bộ biến đổi xoay chiều - một chiều: ­ Động cơ một chiều kích từ độc lập (E, R, L) ­ Nguồn kích từ cho động cơ hoặc máy phát một chiều (R, L) * Phân loại bộ biến đổi có nhiều cách nhưng cách sau đây thường được được sử dụng: - Sơ đồ mắc + số pha + van mắc trong mạch Ví dụ: + Hình cầu một pha bán điều khiển (2T + 2 Đ) + Hình cầu một pha điều khiển hoàn toàn (4T) ­ Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu ­ Chế độ dòng tải: liên tục, biên liên tục, gián đoạn. Trường cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình Truyền động điện 65 Vì bộ biến đổi xoay chiều ­ một chiều rất nhiều và đa dạng nên không thể phân tích toàn bộ hệ T – Đ được mà phải chọn ra một sơ đồ đặc trưng, kết quả phân tích sẽ được