- 1 -

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện là học phần rất quan trọng đối với sinh viên ngành Điện nói

chung, đặc biệt là sinh viên ngành điều khiển và tự động hóa. Để phục vụ tốt cho việc dạy

và học môn học truyền động điện, tập thể tác giả Khoa Điện - Tự động hóa đã tìm hiểu,

đúc kết và biên soạn ra cuốn “Truyền động điện”, với nội dung bám sát đề cương môn

học và đã được hội đồng xét duyệt nhà trường thông qua

Nội dung bài giảng gồm 5 chương :

Chương 1 Các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện

Chương 2 Trình bày các đặc tính cơ của các động cơ điện thông dụng

Chương 3 Trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ của các hệ truyền động điện, các

động cơ điện

Chương 4 Trình bày các phương pháp tính chọn cơ bản các động cơ điện cho các hệ

truyền động điện thông dụng

Chương 5 Giới thiệu và phân tích các hệ thống truyền động điện một chiều và xoay chiều

thông dụng trong công nghiệp

Bài giảng được dùng làm tài liệu học tập chính cho sinh viên cao đẳng ngành điều

khiển và tự động hóa. Ngoài ra cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến

lĩnh vực này.

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu

sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các bạn đọc. Mọi ý kiến thắc mắc xin

gửi về Khoa Điện- Tự động hóa, trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Các tác giả

- 2 -

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

1.1. Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ)

1.1.1.Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động:

1.1.1.1. Định nghĩa hệ thống truyền động điện tự động:

Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử,

v.v. phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công

tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá

trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.

1.1.1.2. Cấu trúc chung:

Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ.

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh

truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ;

GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành.

Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ

biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX). Các bộ biến đổi

như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại),

bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn

(Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại

như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh

tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho

- 3 -

người vận hành. Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị

tự động khác hoặc với máy tính điều khiển.

1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới

điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền

động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và

hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện

tự động nhiều động cơ.

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều

khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động

điều khiển theo chương trình ...

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một

chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v.

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động

điện tự động.

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền

động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v.

1.2. Các khái niệm cơ bản về hệ thống truyền động điện :

1.2.1. Đặc tính cơ của máy sản xuất.

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của

máy sản xuất:

Mc = f() (1.1)

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu

diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:

(1.2)

Trong đó:

Mc - mômen ứng với tốc độ

Mco - mômen ứng với tốc độ = 0.

Mđm - mômen ứng với tốc độ định mức đm

- 4 -

Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số MSX.

+ Ta có các trường hợp số mũ q ứng với các tải:

- Khi q = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện,

doa, máy cuốn dây, cuốn giấy, ... (1)

Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì mômen cản (lực cản)

càng lớn.

- Khi q = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang

máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, ... (2)

- Khi q = 1, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát, máy

bào, máy phát một chiều tải thuần trở…(3)

- Khi q = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạy

gió, máy nén,…(4)

* Ngoài ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như:

- Mômen phụ thuộc vào góc quay Mc = f();hoặc mômen phụ thuộc vào đường đi

Mc = f(s), các máy công tác có pittông, các máy trục không có cáp cân bằng có đặc tính

thuộc loại này.

- Mômen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi Mc = f(,s) như các loại xe

điện.

- Mômen phụ thuộc vào thời gian Mc = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng.

1.2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện:

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:

M = f() (1.3)

* Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:

+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình

thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như

của động cơ là định mức. Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên.

- 5 -

+ Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được sự

thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ

trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ

nhân tạo.

Độ cứng đặc tính cơ:

+ Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính

cơ ” và được tính:

(1.4)

nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:

M (1.5)

Hoặc theo hệ đơn vị tương đối:

d

dM là lượng sai phân của mômen M và .

Hình 1.3: Độ cứng đặc tính cơ.

+ Động cơ không đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay đổi giá trị (> 0, < 0).

+ Động cơ đồng bộ có đặc tính cơ tuyệt đối cứng ( ).

+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng ( 40).

+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm ( 10).

1.2. 3. Trạng thái làm việc của hệ TĐĐ TĐ.

+ Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng

lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính quá trình biến đổi này quyết định

trạng thái làm việc của hệ truyền động điện.

Bảng 1-1: Trạng thái làm việc hệ truyền động điện

TT Biểu đồ công suất Pđiện Pcơ P Trạng thái làm việc

- 6 -

1

Pđiện = 0 = Pđiện - Động cơ không tải

2

Pđiện > 0 = Pđ - Pc - Động cơ có tải( chế độ

động cơ)

3

= 0 < 0 =Pcơ - Hãm không tải

4

< 0 < 0 =Pc - Pđ - Hãm tái sinh

5

> 0 > 0 =Pc + Pđ - Hãm ngược

6

= 0 = 0 = Pcơ - Hãm động năng

Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó

có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công

suất cơ: Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy.

Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ

quay.

Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều

kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc

thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp

nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm

nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản

- 7 -

xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của máy

sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và

dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ.

+ Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ TĐ là:

Pđ = Pc + Pđ (1.6)

Trong đó: Pđ là công suất điện; Pc là công suất cơ; P là tổn thất công suất.

- Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ

phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (M).

- Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng.

Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (M).

- Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới.

- Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P.

- Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất P.

* Các trạng thái làm việc trên mặt phẳng [M, ]:

Trạng thái động cơ: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ nhất và góc

phần tư thứ ba của mặt phẳng [M, ] hình 1. 4.

Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư thứ hai và góc

phần tư thứ tư của mặt phẳng [M, ], hình 1. 4.

Hình 1.4: Trạng thái làm việc của truyền động điện

1.2.4. Tính đổi các đại lượng cơ học :

1.2.4.1. Mômen và lực quy đổi.

- 8 -

+ Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của

mômen hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen

cản Mc, (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ.

+ Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ TĐ:

- Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất:

Ptr = Pc +P (1.7)

Trong đó:

Ptr là công suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ

(Mcqđ và đ -mômen cản tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ).

Pc là công suất của máy sản xuất, Pc = Mlv. lv

(Mlv và lv - mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc).

P là tổn thất trong các khâu cơ khí.

* Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:

(1.8)

Rút ra: i

MMM

i

lv

i

lvlvcqd

..

(1.9)

i - hiệu suất của hộp tốc độ. Trong đó: lv

di

gọi là tỷ số truyền của hộp tốc độ.

* Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi:

.

lvcqd

FM (1.10)

Trong đó:

= t. i hiệu suất bộ truyền lực.

t hiệu suất của tang trống

=lv

d

v

gọi là tỷ số quy đổi

- Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ:

Ptr = Pc -P (1.11) (tự chứng minh).

1.2.4.2. Quy đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính:

+ Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống:

n

1

iWW (1.12)

.cqd

i

lvlv

i

ctr M

MPP

- 9 -

Chuyển động quay: 2

2

1JW (1.13)

Chuyển động tịnh tiến: 2

2mvW (1.14)

1.2.5 . Phương trình động học của hệ TĐĐ TĐ

+ Là quan hệ giữa các đại lượng (, n, L, M, ...) với thời gian:

Dạng tổng quát:

dt

JdM

n

i

i

)(

1

(1.15)

+ Nếu coi mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ngược chiều nhau, và J =

const, thì ta có phương trình dưới dạng số học:

dt

dJMM c

(1.16)

(Rad/s); Theo hệ đơn vị SI: M(N.m); J(kg.m2); t(s).

Theo hệ kỹ thuật: M(KG.m); GD(KG.m2); n(vg/ph); t(s):

M−Mc = dt

dnGD.

375

2

(1.17)

Theo hệ hỗn hợp: M(N.m); J(kg.m2); n(vg/ph); t(s):

M−Mc =dt

dnJ.

55,9 (1.18)

Mômen động: Mđg = M−Mc = J dt

d (1.19)

Từ phương trình (1-..) ta thấy rằng:

- Khi Mđg > 0 hay M > Mc , thì: dt

d> 0 hệ tăng tốc

- Khi Mđg < 0 hay M < Mc , thì: dt

d < 0 hệ giảm tốc.

- Khi Mđg = 0 hay M = Mc , thì: dt

d = 0 hệ làm việc xác lập, hay hệ làm việc

ổn định: = const.

* Nếu chọn và lấy chiều của tốc độ làm chuẩn thì: M(+) khi M . và M(-)

khi M ; Còn Mc(+) khi Mc ; Mc(-) khi Mc .

- 10 -

1.2.6. Điều kiện ổn định tĩnh của hệ TĐĐ TĐ

Như phần trước đã nêu, điểm làm việc ổn định

là giao của hai đặc tính cơ của cơ của động cơ và của

cơ cấu sản xuất: M() và Mc(). Tuy nhiên, không

phải bất kỳ điểm làm việc nào như vậy của động cơ

với các loại tải cũng là các điểm làm việc ổn định,

mà đó mới chỉ là điều kiện cần, điều kiện đủ là điểm

giao nhau đó phải thỏa mãn điều kiện ổn định, người

ta gọi là ổn định tĩnh hay là sự làm việc phù hợp giữa

động cơ với tải.

Để xác định điều kiện đó, ta dựa vào phương trình

động học tại giao điểm:

Mcdt

dJM

Suy ra, điều kiện để ổn định là: 0)()(

xx

McM

(1-22)

Hay: (1.20) (1- 23)

Vậy, điều kiện cần và đủ để hệ thống

truyền động điện làm việc ổn định tại

một điểm là: Tại điểm đó phải thỏa mãn

đồng thời hai điều kiện:

Điều kiện 1: MĐ – Mc = 0

Điều kiện 2: Đ - c < 0

Ví dụ: Xét xem điểm A có phải là điểm

làm việc ổn định không?

Theo hình vẽ trên, dễ nhận thấy:

- Điểm A thỏa mãn điều kiện cần: Tại A:

Xét điều kiện đủ:

0 Dc nn

(1.21)

0;0

D

c

c

cc

c

D

D

DD

n

M

n

M

n

M

n

M (1.22)

0;0 Dc MM

0 cD

n(v/p)

M(N.m)0

nc = f(Mc)

nĐ = f(MĐ)

A.

Hình 1.5: Minh họa điểm làm

việc ổn định.

n(v/p)

M(N.m)0

nc = f(Mc)

nĐ = f(MĐ)

A.nc=nĐ

Mc MĐ

. .ca b.

Hình 1.6: Minh họa cách xét điểm làm việc ổn

định.

- 11 -

Vậy: 0 cD (1.23)

- Kết luận: Điểm A không thỏa mãn điều kiện đủ, A không phải là điểm làm việc ổn định.

Câu hỏi ôn tập

1. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì ?

2. Có máy loại máy sản xuất và cơ cấu công tác ?

3. Hệ thống truyền động điện gồm các phần tử và các khâu nào ? Lấy ví dụ minh họa

ở một máy sản xuất mà các anh (chị) đã biết ?

4. Mômen cản hình thành từ đâu? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức quy đổi

mômen cản từ trục của cơ cấu công tác về trục động cơ ?

5. Mômen quán tính là gì ? Đơn vị đo lường của nó ? Công thức tính quy đổi mômen

quán tính từ tốc độ i nào đó về tốc độ của trục động cơ ?

6. Thế nào là mômen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo tốc độ ?

Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản thế năng.

7. Thế nào là mômen cản phản kháng? Lấy ví dụ một cơ cấu có mômen cản phản

kháng.

8. Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng quát của nó và giải tích

các đại lượng trong phương trình ?

9. Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện; cần trục, máy bào, máy

bơm.

10. Viết phương trình chuyển động cho hệ truyền động điện có phần cơ dạng mẫu cơ

học đơn khối và giải thích các đại lượng trong phương trình ?

11. Dùng phương trình chuyển động để phân tích các trạng thái làm việc của hệ thống

truyền động tương ứng với dấu của các đại lượng M và Mc ?

12. Định nghĩa đặc tính cơ của động cơ điện ?

13. Định nghĩa độ cứng đặc tính cơ ? Có thể xá định độ cứng đặc tính cơ theo những

cách nào ?

14. Phân biệt các trạng thái động cơ và các trạng thái hãm của động cơ điện bằng

những dấu hiệu nào? Lấy ví dụ thực tế về trạng thái hãm của động cơ trên một cơ

cấu mà anh (chị) đã biết ?

15. Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái động

cơ ?

16. Chiều của dòng năng lượng sẽ như thế nào khi động cơ làm việc ở trạng thái máy

phát ?

- 12 -

17. Điều kiện ổn định tĩnh là gì ? Phân tích một điểm làm việc xác lập ổn định tĩnh

trên tọa độ [M.] và [Mc, ]?

- 13 -

Chương 2

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về đặc tính cơ của các động cơ điện thông

dụng và ứng dụng từ các họ đặc tính cơ

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

2.1. Khái niệm chung :

* Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và mômen cơ ở đầu trúc động cơ

gọi là đặc tính cơ của động cơ điện: = f(M) hay n = f(M) hoặc ngược lại.

* Đặc tính cơ của máy sản xuất: Đặc tính cơ của MSX là mối quan hệ giữa tốc độ quay

của MSX (c, nc) và mômen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay c = f(Mc) (Mc =

f(c).

* Đặc tính cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch phần ứng động cơ:

= f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại.

Đơn vị tính: (Rad/s); n(vòng/phút); M, Mc(N.m).

Quy đổi: 3060

2 nn hay

30n . (2.1)

* Biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối: Cách biểu diễn các đại lượng như

trên được gọi là biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tuyệt đối (hệ đơn vị có tên, các

đại lượng đều có thứ nguyên). Trong nhiều trường hợp, cách biểu diễn này tỏ ra không

thuận tiện. Người ta chuyển sang cách biểu diễn các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối (

hệ đơn vị không tên, các đại lượng không có thứ nguyên), nhằm đơn giản hóa việc tính

toán, dễ dàng so sánh các đại lượng với nhau, dễ nhận biết khả năng làm việc của động cơ

với phụ tải đang tác động lên đầu trục động cơ, đánh giá được các chế độ làm việc của

truyền động điện.

Một đại lượng trong hệ đơn vị tương đối được kí hiệu là x* =

cbx

x (2.2)

Trong đó: x: Trị số của đại lượng đó, xcb: Trị số cơ bản của đại lượng đó.

Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, đm, Mđm, đm, Rcb,......

Do đó: ......;;%;100%;0

*****

dmcbdmdm R

RR

U

UU

U

UU (2.3)

Trong đó:

cb = đm : Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

cb = 0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập.

- 14 -

cb = 1 = đb: Đối với động cơ KĐB, ĐCĐB.

Rcb = dm

dm

I

U: Đối với động cơ điện một chiều.

R2cb = Z2cb: Đối với động cơ điện không đồng bộ;

Khi rotor đấu sao: R2cbY =dm

nm

I

E

2

2

3. (2.4)

Khi rotor đấu tam giác: R2cb = cbR22

1. (2.5)

2.2 . Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch

kích từ thường mắc sông song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ

kích từ song song (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích

từ song song.

Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ

kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và

mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là

động cơ kích từ độc lập (hình 2.2)

2.2.1. Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số.

2.2.1.1. Phương trình đặc tính cơ :

Theo sơ đồ hình 2-1 và 2-2 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

Uư = Eư + Iư.(Rư+Rp). (2.6)

Trong đó: Uư : Điện áp phần ứng, (V)

Eư : Sức điện động phần ứng, (V)

Rư : Điện trở của mạch phần ứng, ( )

RP : Điện trở phụ trong mạch phần ứng, ( )

- 15 -

Iư : Dòng điện mạch phần ứng.

Với Rư = rư + rcf + rb + rct ,

rư : Điện trở cuộn dây phần ứng,

rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ,

rb : Điện trở cuộn bù,

rct : Điện trở tiếp xúc của chổi điện,

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

(2.7)

Trong đó: p : Số đôi cực từ chính,

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng,

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

: Từ thông kích từ dưới một cục từ, Wb

: Tốc độ góc, rad/s,

a

pNK

2 : Hệ số cấu tạo của động cơ.

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc quay n (vòng/phút) thì:

(2.8)

Và: (2.9)

Vì vậy: Eư = na

pN

60 (2.10)

Do đó: eK = a

pN

60 - Hệ số sức điện động của động cơ.

Hay: KK

Ke 105,055,9

.

Suy ra:

(2.11)

Biểu thức (2.11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định:

- 16 -

Mđt = K Iư (2.12)

Suy ra: Iư = K

M dt (2.13)

Thay giá trị Iư ta được:

= K

U u - (2.14)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ M bằng

mômen điện từ: Mđt = Mcơ = M.

MK

RR

K

U fuu

2)(

(2.15)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc.

Giả thiết phần ứng được bù đủ, const , thì phương trình đặc tính cơ điện và

phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Chúng được biểu diễn là những đường

thẳng:

a) b)

Hình 2.3: a) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

b) Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập.

+) Ta thấy, khi không tải, lý tưởng coi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:

0

K

U u (2.16)

0 : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.

+) Còn khi ngắn mạch động cơ, tức động cơ được cấp nguồn phần ứng mà rôto

không quay, đây là trạng thái bắt đầu khởi động hoặc mất từ thông động cơ hay cơ cấu

máy sản xuất bị kẹt, 0 ta có:

dt

fuM

K

RR2

- 17 -

(2.17)

Và nmnm MIKM (2.18)

nmnm MI , là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.

Mặt khác phương trình đặc tính có thể được biểu diễn:

(2.19)

(2.20)

Trong đó: fu RRR ,

K

U u0

: Độ sụt tốc độ ứng với mỗi giá trị của M.

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối, với

điều kiện từ thông là định mức dm

Trong đó: 0

*

,

dmI

II * ,

dmM

MM * ,

cbR

RR * .

(dm

dmcb

I

UR là điện trở cơ bản ).

Ta biết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối:

(2.21)

(2.22)

2.2.1.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ :

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ:

- Từ thông động cơ .

- Điện áp phần ứng Uư

- Điện trở phần ứng động cơ Rư.

Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số:

* Ảnh hưởng của điện trở phần ứng và họ đặc tính biến trở:

Giả thiết: constUU dmu

constdm .

- 18 -

Trong thực tế vận hành, người ta có thể nối thêm điện trở phụ fR vào mạch phần ứng

vì những mục đích khác nhau, ví dụ để giảm dòng điện phần ứng, để điều chỉnh tốc độ,

mô men động cơ... Khi đó nhận thấy:

constK

U

dm

dm

0 (2.23)

Độ cứng của đặc tính cơ thay đổi giá trị:

(2.24)

Khi fR càng lớn, trị số càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. ứng với 0fR ta

có đặc tính cơ tự nhiên:

u

dmTN

R

K2

(2.25)

TN có giá trị lớn nhất đối với một động cơ.

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đường đặc tính biến trở có dạng như

hình vẽ. ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu điện trở phụ càng lớn thì tốc độ động cơ càng

giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta

thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ

phía dưới tốc độ cơ bản.

H×nh 2.4: §Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi ®iÖn trë phô

- 19 -

* Ảnh hưởng của điện áp phần ứng và

họ đặc tính giảm áp:

Giả thiết: constdm , constRu .

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm

so với Uđm. ta có:

Tốc độ không tải thay đổi:

var0

dm

xx

K

U

Độ cứng đặc tính cơ:

const

R

K

u

2

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào

phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như

hình vẽ.

Hình 2.5: Các đặc tinh của động cơ một

chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào

phần ứng động cơ

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn

mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do

đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng

điện khi khởi động

* Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết: Uu= Uđm = const, Rư = const.

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ động cơ.

Trong trường hợp này :

Tốc độ không tải: var0

x

dmx

K

U

Độ cứng đặc tính cơ:

var

2

u

x

R

K

Do cấu tạo của động cơ điện, thục tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ

thông giảm thì ox tăng còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ox tăng dần và độ

cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.

- 20 -

Hình 2.6: Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: constR

UI

u

dmnm

Mômen ngắn mạch: var nmxnm IKM

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình a.

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm

từ thông tốc độ động cơ tăng lên như hình b.

2.2.2. Vẽ các đặc tính cơ

2.2.2.1. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên :

Vì đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng nên khi vẽ ta chỉ cần xác định 2 điểm

của đường thẳng.

Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức.

Đặc tính cơ điện tự nhiên (xem hình 2.7a)

- Điểm thứ nhất: (Iư = 0, 0 )

(2.26)

- Điểm thứ hai: dmdmII ,

55,9

dmdm

(2.27)

- 21 -

Hình 2.7 : Cách vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên (a) và đặc tính cơ tự nhiên (b)

của động cơ một chiều kích từ độc lập

Đặc tính cơ tự nhiên (xem hình 2.7b).

- Điểm thứ nhất: ( 0;0 M )

Xác định 0

Như ở đặc tính cơ điện.

- Điểm thứ hai: ( dmdmMM ; )

Trong đó: mNP

Mdm

dmdm .,

2.2.2.2. Cách vẽ đặc tính nhân tạo :

Đặc tính biến trở: Các đặc tính biến trở đều đi qua điểm không tải lý tưởng 0 , vì

vậy khi vẽ các đặc tính này chỉ cần xác định điểm thứ hai. Thường chọn là điểm

ứng với tải định mức:

- 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 (3-6) ta có:

(2.28)

Và phương trình đặc tính biến trở tính được:

(2.29)

- 22 -

Lập tỉ số dm

và sau khi biến đổi ta được:

(2.30)

Từ các số liệu đã biết trên ta vẽ được các đặc tính biến trở như hình vẽ sau:

Hình 2.8: Cách vẽ đặc tính biến trở của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a. Đặc tính cơ điện ; b. Đặc tính cơ.

Thông thường giá trị điện trở phần ứng không ghi trên nhãn máy. Do vậy lúc đó ta

có thể tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng. Một phương pháp tính gần đúng là dụa vào

giá trị hiệu suất định mức đã biết dm và tính được tổn thất của máy điện ở chế độ định

mức. Coi gần đúng phần tổn thất do điện trở phần ứng gây ra bằng một nửa tổn thất. Như

vậy ta tính gần đúng giá trị trên điện trở phần ứng là:

(2.31)

2.2.2.3. Cách vẽ đặc tính giảm từ thông :

Như phần trên đã nêu khi giảm từ thông, đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động

cơ không đồng nhất với nhau, do vậy ta chỉ cần xét riêng từng loại đặc tính.

Đặc tính cơ điện:

Khi giảm từ thông tốc độ không tải động cơ tăng tỷ lệ với độ suy giảm của từ

thông,còn dòng điện ngắn mạch giữ không đổi .Vì vậy khi vẽ đặc tính cơ điện ta chỉ

cần xác định hai điểm: Điểm không tải lý tưởng ứng với giá trị suy giảm từ thông và

điểm còn lại là dòng ngắn mạch.

- 23 -

- Gọi độ suy giảm từ thông là

dmx , ta có xoTNox . là giá trị tốc độ không tải

khi giảm từ thông.

- Dòng điện ngắn mạch được tính: u

udmnm

R

UI (2.32)

Cách vẽ đặc tính cơ điện giảm từ thông được chỉ trên hình 2.9a.

a)

b)

Hình 2.9: Cách vẽ đặc tính khi giảm từ thông

a.Đặc tính cơ điện ; b.Đặc tính cơ

Đặc tính cơ:

Cách vẽ đặc tính cơ giảm từ thông cũng tương tự như đặc tính cơ điện nhưng thay

vào giá trị dòng điện ngắn mạch Inm không đổi ở đặc tính cơ điện bằng già trị

mômen ngắn mạch thay đổi.(hình vẽ 2.9b)

x

MM nmdm

nm (2.33)

2.2.3. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm :

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Trong tất

cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược

và hãm động năng.

2.2.3.1. Hãm tái sinh (hãm có trả năng lượng về lưới):

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.

Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát địên song song với lưới.

So với chế độ động cơ dòng điện và mômen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu

thức:

00

R

KK

R

EUI uu

h

(2.34)

- 24 -

0 hh IKM

Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi

cân bắng với mômen phụ tải của cơ cấu

sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định

với tốc độ od 0

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm

tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và

thứ tư của mặt phẳng toạ độ.

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng

điện hãm đổi chiều và công suất được

đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E -

U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế

nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu

ích.

Hình 2.10: Đặc tính cơ hãm tái sinh của

động cơ kích từ độc lập.

2.2.3.2.Hãm ngược:

Trạng thái hãm ngược của dộng cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích

luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với

mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển

động của cơ cấu sản xuất.

Có hai trường hợp hãm ngược:

Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng:

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa một

điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên

đặc tính biến trở.

Tại điểm b, mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ

nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c tốc độ bằng 0 nhưng vì

mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơ quay theo

chiều ngược lại. Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần. Đến điểm d, mômen động

cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặc tính

hãm ngược. Khi hamư ngược, vì tốc độ đổi chiều, s.đ.đ đổi dấu nên:

fufu

uuh

RR

KU

RR

EUI

(2.35)

hIKM (2.36)

- 25 -

Như vậy ở đặc tính hãm ngược s.đ.đ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ

làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng

trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng vì vậy tổn thất năng

lượng lớn.

Đảo chiều điện áp phần ứng:

a)

b)

Hình 2.12: Hãm ngựơc bằng pp đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

a.Sơ đồ đấu dây, b. Đặc tinh cơ

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc, ta đổi chiều

điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong mạch. Động cơ chuyển sang làm

việc ở điểm b trên đặc tính biến trở tại b mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của

động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi

điện áp nguồnthì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp nguồn đặt vào

động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản thì động cơ sẽ quay ngược lại

và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc trên hình vẽ là đặc tính hãm ngược.

Dòng điện hãm được tính:

fu

uu

fu

uuh

RR

EU

RR

EUI

(2.37)

uh IKM (2.38)

Biểu thức 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:

dmhd II 5,22

và phương trình đặc tính cơ có dạng:

- 26 -

MK

RR

K

U fuu

2

(2.39)

2.2.3.3. Hãm động năng :

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ

học của động cơ đă tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng

tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.

Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần

ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ

vẫn nối với nguồn như cũ. Mạch điện động cơ khi hãm động năng được trình bày như

hình vẽ.

a)

b)

Hinh 2.13: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của động cơ DC kích từ độc lập

a. Sơ đồ điện khi hãm, b. Đặc tính cơ hãm

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hd nên:

hdhd KE (2.40)

và dòng điện hãm ban đầu: 0 hdhd IKM (2.41)

Biểu thức chứng tỏ dòng hãm Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ

khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau:

uhu I

K

RR

(2.42)

MK

RR hu

2

(2.43)

- 27 -

Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ

độc lập.Ta nhận thấy rằng:

Khi const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh. Khi Rhcàng 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:

dmhd II 5,22 .

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản Mc là phản kháng

thì động cơ sẽ dừng hẳn, đặc tính hãm động năng là đoạn b1o hoặc b2o. Với mômen cản là

thế năng thì dướ tác động của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại đến làm việc

ổn định tại điểm M = Mc. Đoạn b1c1 hoặc b2c2 cũng là đặc tính hãm động năng.

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của

động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.

dmkhdm PP %51 (2.44)

Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng:

Eư Ih = ( Rư + Rh)Ih2

(2.45)

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 mất từ thông. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng

phương pháp hãm động năng tự kích từ.

Hãm động năng tự kích xãy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích

từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm, chiều dòng điện kích từ vẫn giữ không

đổi.Sơ đồ nguyên lý ta có: Iu = Ih + Ikt

a)

b)

Hình 2.14: Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập.

a. Sơ đồ nguyên lý; b. Đặc tính cơ hãm.

- 28 -

(2.46)

Và phương trình đặc tính cơ là:

(2.47)

và: (2.48)

trong đó, từ thông Ф thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ.

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm

dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tính

không tải của máy phát điện tự kích và phi tuyến như hình vẽ trên.

So với phương pháp hãm ngựơc,hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có

cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản. Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về mặt

năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ điện năng từ lưới nên

phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất lưới điện.

2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp :

Đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp

với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo

dễ dàng. Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích nối tiếp được mô tả trên hình dưới

đây.Vì dòng kích từ cũng là dòng phần ứng nên từ thông của động cơ biến đổi theo dòng

điện phần ứng.

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

2.3.1. Phương trình đặc tính cơ.

Từ sơ đồ nguyên lý ta có:

Uư = Eư + IưRư = K +IưRư (2.49)

- 29 -

Với : R = rư + rctf + rct + rkt

Sau khi biến đổi ta nhận được:

uuu I

K

R

K

U

(2.50)

MK

R

K

U uu

2

(2.51)

Trong các phương trình trên biến đổi phụ thuộc dòng điện trong mạch kích từ theo

đặc tính từ hoá ( đường 1 - hình vẽ)

Để đơn giản khi thành lập phương trình các

đặc tính ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính

với dòng điện kích từ như đường 2.

ktIC. (2.52)

Với C là hệ tỉ lệ.

Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ:

uIC. (2.53)

Thế vào phương trình ta được:

BI

A

KC

R

ICK

U

u

u 1

.. (2.54)

Trong đó: Đặt CK

UA u

.1

CK

RB

.

Ta cũng có: CK

MIu

. (2.55)

Thay vào ta được:

BM

AB

M

CKA 21 ..

(2-56)

Trong đó: CKAA .12

Biểu thức (2-56) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ và (2-58) là phương

trình đặc tính cơ của động cơ. Dạng của đặc tính này được biểu diễn trên hình a, b. Ta

thấy các đặc tính này có dạng Hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn

định mức. ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hoà nên từ thông hầu như không đổi và

đặc tính có dạng tuyến tính

dm

ktI kdmI

2 1

ktI kdmI ktI kdmI

Hình 2.16: Đặc tính từ hoá của động

cơ một chiều kích từ nối tiếp

- 30 -

Hình 2.17: a. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là vô

cùng lớn. Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

'102 dmdu nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị là:

du

uot

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 trong những truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.

- Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Nhờ cuộn kích từ nối

tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định

mức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện. Như vậy với

mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá

tải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập. Nhờ ưu

điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường

có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển máy cán

thép...

- Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải

của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện. Loại động cơ này thích hợp

cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài.

- 31 -

2.3.2. Cách vẽ đặc tính cơ :

Do quan hệ uIf là phi tuyến

nên để vẽ các đặc tính cơ điện và đặc

tính cơ của động cơ điện người ta sử

dụng phương pháp đồ thị giải tích dựa

vào

Các đường cong thực nghiệm đã

cho. Vì các động cơ một chiều kích từ

nối tiếp cùng loại đều có khe hở không

khí và mức độ bảo hoà từ thông không

khác nhau nhiều nên các quan hệ giữa

tốc độ , mômen M với dòng điện I

theo đơn vị tưong đối gần như là trùng

nhau. Người ta gọi các quan hệ

** If , ** JfM là các đặc tính

vạn năng và được xác định bằng thực

nghiệm.

Hình 2.18: Đặc tính vạn năng của động cơ

một chiều khích từ nối tiếp.

Các đặc tính này được biểu diễn trên hình vẽ.

Phương pháp vẽ đặc tính tự nhiên từ các đặc tính vạn năng.

Với mỗi động cơ một chiều nối tiếp ta biết các chỉ số của Pđm, Iđm, dm ...

Muốn vẽ đặc tính tự nhiện ta tiến

hành như sau:

Lấy các gí trị tuỳ ý của dòng điện

tương đối I1, I2, ..., In. Dựa vào các đặc

tính vạn năng ta tra được các trị số

tương ứng của tốc độ và mômen tương

đối: **

2

*

1 ,...,, n và **

2

*

1 ,..., nMMM . Tính

đổi các đại lượng đối ra đại lượng tuyệt

đối theo biểu thức:

dmIII .* , dm .* ,

dmMMM .*

Hình 2.19: Cách vẽ đặc tính tự nhiên và

nhân tạo của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp.

- 32 -

Ta có bảng sau:

*I *

1I *

2I *

3I *

nI

AI 1I 2I 3I nI

* *

1 *

2 *

3 *

n

srad / 1 2 3 n

*M *

1M *

2M *

3M *

nM

NmM 1M 2M 3M nM

Dựa vào các kết quả tình được trên bảng ta vẽ được đặc tính cơ điện tự nhiên

If và đặc tính tự nhiên Mf như hình vẽ trên.

Phương pháp vẽ đặc tính biến trở.

Từ phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên ta có:

K

RIU uuuTN

Từ phương trình đặc tính cơ nhân tạo ta cũng có:

K

RRIU fuuu

TN

Nếu xét ở cùng một dòng điện thì từ thông trong hai phương trình trên như nhau

nên ta có:

uuu

fuuu

TNTNRIU

RRIU (2-57)

Từ (2-59) và ứng với các giá trị I1, I2.... In ta tính được TNnTNTN ,....., 21 với Rf đã

biết, và ghi tiếp kết quả tính này vào bảng trên. Căn cứ vào các số liệu này ta vẽ được

đường đặc tính cơ điện nhân tạo như hình vẽ.

2.3.3. Trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp:

Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ t0 rất lớn nên

dòng điện chỉ thực hiện hãm ngược và hãm động năng chứ không có trạng thái hãm tái

sinh.

2.3.3.1.Trạng thái hãm ngược:

Hãm ngược bằng cách đưa Rf lớn vào động cơ.

Đặc tính cơ khi hãm chính là đặc tính biến trở. ứng với tải thế năng, đoạn đặc tính

cd chính là đặc

- 33 -

tính hãm ngược. Dòng điện hãm được

tính như sau:

fu

dmh

RR

KUI

(2-58)

Đặc tính cơ hãm ngược với Rf

trong mạch được trình bày như hình

vẽ.

Hình 2.20: Đặc tính cơ hãm ngược với

điện trở trong mạch phần ứng

Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng.

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi hãm được biểu diễn trên hình vẽ.

Chú ý khi thực hiện hãm chiều dòng điện kích từ cần giữ nguyên.

Người ta thường sử dụng trạng thái này để hãm dừng máy.

Đoạn bc trên đặc tính cơ là đặc tính hãm ngược. Dòng điện hãm là:

pu

dmh

RR

KUI

Phương trình đặc tính cơ là:

MK

RR

K

U fudm

2

(2-59)

Rf đựoc tính để sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép

dmh II 5,2

a)

b)

Hình 2.21: a. Sơ đồ nguyên lý hãm ngược đảo chiều điện áp phần ứng động cơ;

b.Đặc tính cơ hãm ngược bằng đổi chiều cực tính điện áp phần ứng.

2.3.3.2.Trạng thái hãm động năng:

- 34 -

- Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm ta cắt phần ứng động cơ khỏi nguồn

điện áp một chiều và đóng vào điện trở hãm. Còn cuộn kích từ được nối vào lưới điện với

một điện trở phụ sao cho dòng kích từ lúc này có chièu như cũ và trị số không đổi bằng

dòng Iktđm. Trạng thái hãm này giống như ở máy điện một chiều kích từ độc lập. Sơ đồ và

đặc tính được thể hiện như hình 26.

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

MK

RR

dm

fu

2

'

(2-60)

Trong đó: ctctfuu rrrR '

a)

b)

Hình 2.22: a. Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

b. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập cửa động cơ kích từ nối tiếp.

Điện trở hãm được chọn sao cho dòng điện hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho

phép:

dm

hu

bddmhd I

RR

KI 5,22

'

(2-61)

Nên: u

h

bddmh R

I

KR

max

- Hãm động năng tự kích khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng tự

kích ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm

nhưng dòng kích từ vẫn giữ nguyên chiều cũ. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ hãm biểu

diễn như hình vẽ sau:

Phương trình đặc tính cơ khi hãm là:

MK

RR hu

2

(2-62)

- 35 -

và từ thông kích tù giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích.

a)

b)

Hình 2.23: a. Sơ đồ nguyên lý hãm động tự kích của động cơ một chiều kích từ nối

tiếp.b. Đặc tính cơ hãm động năng tự kích cửa động kích từ nối tiếp.

2.4. Đặc tính cơ của động cơ KĐB :

Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản.

- Giá thành hạ so với động cơ DC.

- Vận hành tin cậy, chắc chắn, không cần linh kiện phụ.

Nhược điểm:

- Điều chỉnh tốc độ khó.

- Khống chế quá trình quá độ khó khăn,các động cơ lồng sóc có các chỉ tiêu

khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).

2.4.1. Phương trình đặc tính cơ :

- 36 -

Để lập phương trình đặc tính cơ ta sử

dụng sơ đồ thay thế một pha hình 2.29.

Một số giả thiết:

- Ba pha động cơ là đối xứng

- Nguồn xoay chiều hình sin ba pha

đối xứng

- Trở kháng không thay đổi theo nhiệt

độ.

- Tổng dẫn mạch từ không đổi, dòng

từ hoá chỉ phụ thuộc điện áp vào stator.

- Bỏ qua tổn thất do ma sát ổ đỡ, trong

lõi thép.

Hình 2.24: Sơ đồ thay thế một pha ĐC

KĐB

Trong đó:

U1ph hay U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V).

I’2 là dòng rôto đã quy đổi về stator (A).

I là thành phần dòng điện từ hóa

I1 là dòng điện pha dây quấn stator,

X, X1, X’2 là điện kháng mạch từ, điện kháng tản stator, điện kháng tản rôto đã

quy đổi về stator.

R, R1, R’2 là điện trở mạch từ, điện trở dây quấn pha stator, rôto đã quy đổi về

stator

s là hệ số trượt của động cơ:

1

1

1

1

n

nns

Trong đó:

1 tốc độ của từ trường quay ở stator động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s):

55,9

2 111

n

p

f

hay

p

fn 1

1

60

tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s).

f1 tần số của điện áp nguồn đặt vào stator (Hz),

p số đôi cực của động cơ.

Ngoài ra, nếu gọi f2 là tần số của dòng điện rotor thì f2 = s f1

- 37 -

Từ sơ đồ thay thế:

Đặt Xnm = X1 + X'2 là điện kháng ngắn mạch. Nó có giá trị lớn nhất khi ngắn mạch

động cơ.

Hình 2.25: Đặc tính dòng stator

Ta thấy:

Khi = 0, s = 1 thì I1 = I1nm

Khi = 1, s = 0 thì:

(2.63)

Hình 2.26: Đặc tính dòng rôto

s =1

=0

- 38 -

Ta có dòng điện rotor quy đổi về stator:

(2.64)

Khi = 1, s=0 thì I'2 =0.

Khi = 0, s = 1 nm

f

nm

XRR

UII

22'

21

1

2

'

2

)( (2.65)

Dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện từ chuyển từ

stator sang rotor:

P12 = Mđt.1

P12 = Pcơ+ 2P

Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mô men điện từ Mđt của động cơ bằng mô men

cơ Mcơ: Mđt= Mcơ= M

hay M1 = M. + 2P

Nên: 2P = M(1- ) = M1s (2.66)

Xét công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha: P2 = 3R’2 .I’22 (2.67)

Nên: 1

22

'2

'3

s

IRM

Ta được:

(2.68)

Đó là quan hệ M = f(s)

Phương trình (2.68) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha

không đồng bộ.

Xác định điểm cực trị:

Giải 0ds

dM

Ta được:

(2.69)

- 39 -

Và:

Hình 2.27: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB

Hình 2.28: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB = f(M) trong chế độ động cơ.

2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ :

2.4.2.1. Ảnh hưởng của điện áp lưới (UL – Điện áp cấp vào Stator):

Khi điện áp lưới suy giảm, theo biểu thức trên thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình

phương lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó tốc độ đồng bộ 1, hệ số trượt tới hạn Sth

không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm như hình 2.34.

- 40 -

Hình 2.29: Đặc tính cơ khi giảm điện áp

2.4.2.2. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stator:

Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (R1f),

điện kháng phụ (X1f) vào mạch stato, nếu o = const, và theo biểu thức trên thì mômen

Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2.35.

Hình 2.30: Đặc tính cơ khi có Rf và Xf trong m ạch.stato.

2.4.2.3. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto:

Khi thêm điện trở phụ R2f, điện kháng phụ X2f vào mạch rôto động cơ, thì o =

const, và theo trên thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình

3.36.

- 41 -

Hình 2.31: Đặc tính cơ khi có Rf trong m ạch rô to.

2.4.2.4. Ảnh hưởng của tần số lưới cung cấp cho động cơ:

Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ

trường o và tốc độ của động cơ sẽ thay đổi theo vì o = 2.f1/p.

Hình 2.32: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số.

2.4.2.5. Ảnh hưởng của số đôi cực p :

Để thay đổi số đôi cực ở stato ta thường thay đổi cách đấu dây. Do:

p

f1

1

2 và )1(1 s (2.70)

- 42 -

Hình 2.32: a) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực, Mth = const.

b) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực, p1 = const.

2.4.3. Khởi động và cách xác định điện trở khởi động :

Các yêu cầu về khởi động cũng như các phương pháp khởi động của động cơ

không đồng bộ nói chung nói chung không khác biệt với động cơ một chiều kích từ độc

lập ta đã xét. đối với động cơ rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng mô men

khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch rôto trong quá trình khởi động sau đó loại

dần các điện trở phụ này theo từng cấp.

Hình 2.33: Khởi động động cơ không đồng bộ rôto dây quấn bằng

cách đưa điện trở phụ vào mạch rôto khi khởi động

a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Đặc tính cơ khởi động

Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta có thể sử dụng sơ đồ các đặc tính

dã được tuyến tính hoá trông đoạn khởi động.

- 43 -

2

2

2

2

2

22

2

2

2

2

22

22

2

).(

...

).(

..

..

.

SXR

SXEJ

SXR

SRE

SXJR

SE

Quá trình tính toán khởi động như sau:

- Dựa vào các thông số của động cơ về đặc tính cơ tự nhiên.

- Chọn các trị số của mô men

M1 ≤ 0,85Mth

M2 ≤ (1,1- 1,3)Mđm

Từ M1và M2 dóng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, đường

này cắt đường song song với trục hoành qua ự1 tại N. Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát

của các đặc tính khởi động. Phương pháp vẽ giống như đối với động cơ một chiều kích từ

độc lập.

Xác định điện trở khởi động:

Ta biết : 2

22

R

RR

S

S f

TN

NT

nên 22 RS

SSR

TN

TNNTf

Từ đồ thị ta có : 2221 RKb

bdR

Kb

KbKdR f

2222 RKb

dfR

Kb

KdKfR f

2223 RKb

fhR

Kb

KfKhR f

2.4.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

2.4.4.1. Hãm tái sinh :

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ đồng bộ 1 khi đang làm

việc ở trạng thái động cơ thì từ trường quay cắt các thanh dẫn của cuộn dây stato và rôto

theo chiều như nhau, nên sức điện động stato E1 và sức điện động rôto E2 trùng pha nhau,

còn khi hãm tái sinh E1 vẫn giữ chiều như cũ còn

sức điện động E2 có chiều ngược lại vì khi đó > 1 , các thanh dẫn rôto cắt từ trường

quay theo chiều ngược lại

Dòng điện trong cuộn dây rôto được tính:

Ta thấy rằng khi chuyển sang trạng thái hãm tái sinh S < 0, như vậy chỉ có thành

phần tác dụng của dòng điện rôto đổi chiều, do đó mômen đổi chiều, còn thành phần phản

kháng vẫn giữ chiều như cũ: ở trong trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một

- 44 -

máy phát điện song song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới, còn vẫn tiêu thụ công

suất phản kháng để duy trì từ trường quay.

Những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tần số hoặc số

đôi cực. Khi giảm tốc có thể thực hiện hãm và tái sinh.

Trên hình 2.38 đoạn đặc tính hãm tái sinh là b 12 ,b 13 , ở đó 12 hoặc 13

(a) (b)

Hình 2.34: Đặc tính cơ hãm tái sinh khi thay đổi T (a) khi tải thế năng (b)

Với những động cơ không đồng bộ sử dụng trong hệ truyền động có tải là thế

năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng với tốc độ >- 1 trên hình 2.38b: là

đoạn hãm tái sinh khi hạ tải ứng với đường đặc tính cơ này, từ trường quay đã đổi chiều

bằng cách đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp stato.

2.4.4.2. Hãm ngược :

* Hãm ngược nhờ thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng :

Hãm ngược xảy ra khi động cơ đàn làm việc ta đóng vào mạch phần ứng (rôto)

điện trở phụ đủ lớn. Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 góc phần

tư I để nâng tải với tốc độ (hình 2.39). Lúc này các tiếp điểm K đóng lại để dừng vật và hạ

xuống. Động cơ được nối thêm điện trở phụ Rp vào mạch phần ứng nhờ mở các tiếp điển

K (công tắc tơ K thôi tác động) đặc tính cơ tương ứng là đặc tính 2 rất dốc.

- 45 -

Hình 2.35: Đặc tính hãm ngược khi thêm Rp

Ở chế độ này, mômen động cơ sinh ra là mômen cản chuyển động xuống của vật

còn mômen tải trọng là mômen gây ra chuyển động xuống. Động cơ làm việc ở chế độ

máy phát.

* Hãm ngược nhờ đảo thứ tự 2 trong 3 pha cấp cho Stator :

Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc ta đổi thứ tự hai trong ba pha

điện áp đặt vào stato. Giả sử động cơ đang đóng điện quay thuận (hình 2.40a) làm việc

với tải có mômen phản kháng tại điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên 1 (hình

2.40d). Để hãm máy động cơ được đảo chiều quay nhờ đảo chỗ hai trong ba pha (hình

2.40b) cấp điện cho stato.

Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính cơ 1 sang B trên đặc tính cơ 2

với cùng tốc độ (do quán tính cơ). Quá trình hãm nối ngược băt đầu. Khi tốc độ động cơ

giảm theo đặc tính 2 tới điểm D thì ự = 0. Lúc này nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Đoạn

hãm ngược (MĐ < 0, ựĐ > 0) là BD. Nếu không cắt điện khi ự = 0 thì trường hợp ở hình

(2.40d), động cơ có mômen MĐ > Mc nên bắt đầu tăng tốc, mở máy quay ngược lại theo

đặc tính cơ 2 và làm việc ổn định tại điểm E với tốc độ ựE theo chiều ngược lại.

- 46 -

(d)

Hình 2.36: Sơ đồ nối dây (a,b,c)

Đặc tính hãm ngược (d) khi hãm ngược nhờ đảo chiều quay.

Khi động cơ hãm nối ngược theo đặc tính cơ 2, điểm B ứng với mômen (âm) trị số

nhỏ nên tác dụng hãm không hiệu quả. Thực tế phải tăng cường mômen hãm ban đầu (Mh

~ 2,5Mđm) nhờ vào đảo chiều quay của từ trường stato vừa đưa thêm điện trở phụ ngược

theo đặc tính 4 (đoạn KL) với mômen hãm ban đầu Mk đủ lớn. Tới điểm L thì ự = 0. Lúc

này nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Nếu không cắt điện thì động cơ sẽ tăng tốc theo

chiều ngược lại tới điểm N. Nếu lúc này lại cắt điện trở phụ thì động cơ sẽ chuyển điểm

làm việc sang đặc tính cơ 2 và tăng tốc tiếp tới điểm E. Trường hợp điện trở phụ quá lớn,

- 47 -

động cơ có đặc tính 3 khi hãm nối ngược thì quá trình hãm kết thúc tại điểm I. Động cơ

không thể tăng tốc chạy ngược lại vì |MI| < |Mc|

Chú ý: Trong cả hai trường hợp hãm ngược vì 11

1

S nên dòng điện rôto

có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rôto f2 = S f1 lớn, nên điện kháng X2’ lớn, do

đó mômen nhỏ. Vì vậy để tăng cường mômen hãm và hạn chế dòng điện rôto ta cần đưa

thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto. Điện trở này có thể ứng với dòng điện hãm ban

đầu.

2.4.4.3. Hãm động năng :

Trạng thái hãm động năng xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato động cơ khỏi

nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều. Người ta chia hãm động năng của

động cơ loại này thành hai dạng: Hãm động năng kích từ độc lập và hãm động năng tự

kích.

* Hãm động năng kích từ độc lập (kích từ ngoài) :

Để hãm động năng kích từ độc lập một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, ta

phải cắt stato ra khỏi lưới điện xoay chiều (mở các tiếp điểm K) rồi cấp vào stato dòng

điện một chiều để kích từ (đóng các tiếp điểm H). Thay đổi dòng kích từ nhờ Rkt (hình

2.37)

Hình 2.37:Sơ đồ nguyên lý hãm động năng

Vì cuộn stato là 3 pha nên khi cấp kích từ một chiều phải tiến hành đổi nối và có

thể thực hiện theo một trông các sơ đồ (hình 2.38)

- 48 -

Hình 2.38:Sơ đồ đấu dây mạch stato và đồ thị véc tỏ sức điện động

Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều

này sinh ra một từ trường đứng yên so với stato. Giả sử từ thông có chiều như mũi tên

(hình 2.43). Rôto động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cụ thể như trên hình vẽ và

các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên. Nên xuất hiện trong nó một sức điện động

cảm ứng e2. Xác định chiều của e2 theo quy tắc bàn tay phải và ứng với ký hiệu dấu (+)

khi sức điện động có chiều đi vào và kí hiệu

dấu (•), khi sức điện động có chiều đi ra. Vì rôto kín mạch nên b2 lại sinh ra dòng i1 cùng

chiều. Tương tác giữa dòng điện i2 và từ trường đứng yên tạo nên sức điện động F có

chiều xác đinh theo quy tắc bàn tay trái. Lúc F sinh ra mômen hãm có chiều ngược với

chiều quay của rôto làm cho rôto quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần.

Hình 2.39: Nguyên lý tạo mômen

hãm động năng

Động cơ làm việc ở chế độ máy phát điện. Động năng của hệ qua động cơ sẽ biến

đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở ở mạch rôto (điện trở cuộn ứng và điện trở nối

thêm vào mạch phần ứng nếu có).

•

• •

• •

F

i2

F

Mh

- 49 -

Giả sử trước khi hãm, động cơ làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1(hình 3- 30) thì

hãm động năng, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính hãm động năng 2

ở góc phần tư II (hình 2.40).

Hình 2.40: Đặc tính hãm động năng kích từ độc lập

Tốc độ động cơ giảm dần theo đặc tính hãm về O theo đoạn BO. Tại điểm O, động

cơ sẽ dừng nếu tải là phản kháng. Nếu tải có tính chất thế năng thì động cơ sẽ bị kéo quay

ngược, ổn định tại điểm D (góc phần tư IV).

Điện trở mạch rôto và dòng kích từ cấp cho stato lúc hãm động năng có ảnh hưởng

tới dạng đặc tính cơ khi hãm. Thay đổi điện trở hãm ở mạch rôto theo sơ đồ (hình 2.41a).

- 50 -

(a) (b)

Hình 2.41: a) Sơ đồ nguyên lý hãm động năng kích từ độc lập

b) Các đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập

Trên hình 2.41b, đường đặc tính hãm 1 và 2 ứng với cùng một dòng kích từ (Ikt1 =

Ikt2). Nhưng điện trở hãm trong mạch rôto khác nhau (Rh1 < Rh2). Đường đặc tính hãm 3

và 4 có dòng kích từ nhỏ hơn đặc tính hãm 1 và 2 (Ikt3 = Ikt4 < Ikt1 = Ikt2) và ứng với điện

trở hãm khác nhau trông mạch rôto (Rh3 < Rh4)

Các đặc tính hãm 1 và 3 ứng với các dòng kích từ khác nhau (Ikt1 > Ikt3) nhưng cùng một

giá trị điện trở hãm (Rh1 = Rh3)

*. Hãm động năng tự kích :

Đối với hãm động tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ

đã tích luỹ được, sơ đồ nguyên lý này thể hiện trên hình 2.42a,b

- 51 -

Hình 2.42: Sơ đồ nguyên lý hãm động năng tự kích

Trong cách hãm động năng kích từ độc lập (hay kích từ ngoài). Từ trường lúc này

hãm được tạo ra nhờ nguồn một chiều từ bên ngoài và có giá trị không đổi. Trong cách

hãm động năng tự kích từ, từ trường lúc hãm được tạo do chính dòng điện cảm ứng của

phần ứng. Dòng cảm ứng xoay chiều sẽ được chỉnh lưu rồi cấp lại kích từ qua điện trở

hạn chế (hình 2.42b). Từ trường hãm sẽ yếu dần khi tốc độ động cơ giảm (vì suất điện

động cảm ứng giảm).

Hình 2.43: Đặc tính cơ khi hãm bằng tụ điện

(b) (a)

- 52 -

Hình 2.43, trình bày sơ đồ nguyên lý nối động cơ để hãm bằng tụ điện. Các tụ điện

nối tam giác mắc song song với động cơ và chúng được nạp điện đầy khi động cơ làm

việc tại điểm làm việc (hình 2.43) trên đặc tính cơ 1.

Khi cắt động cơ ra khỏi lưới điện thì các tụ điện sẽ phóng điện và tạo ra từ trường

quay với tốc độ không tải lý tưởng '

0 , thấp hơn nhiều so với tốc độ không tải lý tưởng

của đặc tính cơ 1. Do tốc độ làm việc LV lớn hơn nhiều '

0 nên động cơ chuyển sang hãm

tái sinh tại điểm B trên đặc tính 2. Tốc độ động cơ giảm nhanh theo đặc tính 2 xuống tốc

độ '

0 . Trị số điện dung của tụ điện càng lớn thì mômem hãm ban đầu càng lớn và tốc độ

không tải lý tưởng '

0 càng nhỏ (đường đặc tính 3). Nghĩa là quá trình hãm kéo xuống tốc

độ thấp hơn, hãm hiệu quả hơn. Giá trị điện dung của tụ cần chọn sao cho dòng điện hãm

ban đàu không vượt quá dòng điện mở máy với sơ đồ hình 2.43 thì

C=3185.k. )(, FU

I

m

Th

(2.71)

Trong đó: Ith : Dòng từ hoá một pha của động cơ (A)

Uđm: Điện áp dây định mức (V)

k: Hệ số quyết định mômen hãm hay dòng điện hãm ban đầu thường chọn

K = 4 – 6.

Quá trình hãm bằng tụ điện sẽ kết thúc khi tốc độ giảm còn (30 – 40)% giá trị tốc

độ định mức và lúc này động cơ đã bị tiêu hao 3/4 cơ năng dự trữ được khi làm việc. Để

dừng hoàn toàn động cơ có thể dùng phanh.

Câu hỏi ôn tập

1. Có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

bằng mấy dạng? Hãy viết các dạng phương trình đó? Giải thích các đại lượng trong

phương trình và cách xác định các đại lượng đó? Vẽ dạng đặc tính cơ điện và đặc

tính cơ ĐM ĐL?

2. Đơn vị tương đối là gì? Đơn vị tương đối của các đại lượng điện, cơ của động cơ

ĐM ĐL được xác định như thế nào? Viết phương trình đặc tính cơ ở dạng đơn vị

tương đối? Ý nghĩa của việc sử dụng phương trình dạng đơn vị tương đối?

3. Độ cứng đặc tính cơ của ĐMđl có biểu thức xác định như thế nào? Giá trị tương đối

của nó? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng với sai số tốc độ và điện trở mạch phần ứng

(theo đơn vị tương đối). Ý nghĩa của độ cứng đặc tính cơ ?

4. Cách vẽ đặc tính cơ của ĐMđl ? Cách xác định các đại lượng: Mđm, đm, 0, Inm,

Mnm, … để vẽ đường đặc tính này ?

- 53 -

5. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của ĐMđl ? họ đặc tính cơ

nhân tạo khi thay đổi thông số đó ? Sơ đồ nối dây, phương trình đặc tính, dạng của

các họ đặc tính nhân tạo, nhận xét về ứng dụng của chúng ?

6. Tại sao khi khởi động ĐMđl thường phải đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần

ứng động cơ ? Các dòng điện khởi động lớn nhất và nhỏ nhất khi khởi động ĐMđl

thường khống ở mức nào ? Vẽ các đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl với 2 cấp điện

trở khởi động ?

7. Động cơ ĐMđl có mấy phương pháp hãm ? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm

đó ? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm ? Ứng dụng thực tế

của các trạng thái hãm đó ? Giải thích quan hệ về chiều tác dụng của các đại lượng

điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm ?

8. Sự khác nhau giữa động cơ một chiều kích từ nối tiếp với ĐMđl về cấu tạo, từ

thông, dạng đặc tính cơ, các phương pháp hãm ? Có nhận xét gì về đặc điểm và

khả năng ứng dụng của ĐMnt thực tế ?

9. Có thể biểu thị phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ bằng những

biểu thức nào ? Viết các phương trình đó, giải thích các đại lượng và cách xác định

các đại lượng đó khi viết phương trình và dựng đặc tính cơ ?

10. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên theo các số liệu định mức trong catalo: dạng chính

xác, dạng gần đúng và dạng tuyến tính hóa ?

11. Biểu thức xác định độ cứng đặc tính cơ ? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng đặc tính

cơ với độ trượt định mức và điện trở mạch rôto của động cơ ĐK ?

12. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của động cơ ĐK ? Cách

nối dây động cơ ĐK để tạo ra đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các thông số này ?

Dạng các hộ đặc tính cơ nhân tạo và ứng dụng thực tế của chúng ?

13. Vẽ các dạng đặc tính cơ khi khởi động động cơ ĐK hai cấp tốc độ ? Khi khởi động

động cơ ĐK, các đại lượng: hệ số trượt tới hạn, mômen tới hạn thay đổi như thế

nào ? Các biểu thức xác định các đại lượng đó ? Thường mômen khởi động lớn

nhất của động cơ ĐK bằng bao nhiêu mômen tới hạn của động cơ ?

14. Động cơ ĐK có mấy trạng thái hãm ? Cách nối dây động cơ để thực hiện các trạng

thái hãm và điều kiện để xảy ra hãm ? Giải thích quan hệ năng lượng giữa máy sản

xuất (tải của động cơ) và động cơ ở từng trạng thái hãm ? Ứng dụng thực tế của

các trạng thái hãm ?

15. Giải thích ý nghĩa của đặc tính cơ và đặc tính goác của động cơ đồng bộ ? Sự phụ

thuộc giữa mômen cực đại của động cơ với điện áp lưới ? Mômen cực đại ở đặc

tính góc có ý nghĩa như thế nào với đặc tính cơ của động cơ ĐĐB ?

- 54 -

Chương 3.

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp điều chỉnh tốc độ các

động cơ điện và các hệ thống truyền động điện

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

3.1. Các khái niệm và các chỉ tiêu cơ bản :

Hệ thống truyền động điện không chỉ làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ

năng, mà còn điều khiển quá trình làm việc của cơ cấu công tác theo yêu cầu công nghệ

của máy sản xuất. Yêu cầu công nghệ có thể được đảm bảo nếu hệ có khả năng đặt trước

các thông số gia công cho tứng công đoạn, duy trì các thông số đó với một độ chính xác

nào đó (như tốc độ, mômen, gia tốc, ví trí của cơ cấu công tác …), cưỡng bức thay đổi các

giá trị đó theo ý muốn, hạn chế giá trị của chúng theo mức cho phép của quá trình công

nghệ hoặc theo khả năng về độ bền, độ quá tải của máy.

Các thông số gia công nói trên có liên quan đến mômen M và tốc độ ự của động cơ

điện, có các mối quan hệ được định nghĩa:

3.1.1. Các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh:

Đó là mômen (M), tốc độ () của động cơ, …

Do M và là 2 trục của mặt phẳng tọa độ đặc tính cơ [M, ], nên việc điều chỉnh

chúng thường gọi là “điều chỉnh tọa độ”.

+ Đối với động cơ điện một chiều, thông số đầu vào là điện trở phần ứng Rư (hoặc

Rưf), từ thông (hoặc điện áp kích từ Ukt; dòng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng

Uư.

+ Đối với động cơ điện không đồng bộ, thông số đầu vào là điện trở mạch rôto R2

(hoặc R2f), điện trở mạch stato R1, điện kháng stato X1, điện áp stato U1 và tần số của

dòng điện stato f1.

+ Đối với động cơ điện đồng bộ, thông số đầu vào là tần số của dòng điện stato f1.

3.1.2. Các phần tử điều khiển:

Là các thiết bị hoặc dụng cụ làm thay đổi các thông số đầu vào.

Chú ý, người ta thường gọi việc điều chỉnh các thông số đầu ra là “điều khiển động

cơ điện”.

- 55 -

3.1.2.1. Mục đích điều chỉnh các thông số đầu ra của động cơ:

Tùy theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, việc điều chỉnh M, ự nhằm thực

hiện các mục đích sau:

+ Đặt giá trị làm việc và duy trì mức đạt đó, ví dụ duy trì tốc độ làm việc khi phụ tải

thay đổi ngẫu nhiên.

+ Thay đổi thông số theo quy luật yêu cầu, ví dụ trong thời gian khởi động và tăng tốc

động cơ thang máy từ 0 lên đến tốc độ ổn định, mômen lúc đầu phải tăng tuyến

tuyến tính theo thời gian, sau đó giữ không đổi, và cuối cùng giảm tuyến tính cho

đến khi M = Mc.

+ Hạn chế thông số ở một mức độ cho phép, ví dụ hạn chế dòng điện khởi động Ikđ ≤

Icp.

+ Tạo ra một quy luật chuyển động cho cơ cấu công tác (tức cho trục động cơ) theo

quy luật cho trước ở đầu vào với một độ chính xác nào đó.

3.1.2.2. Điều chỉnh không tự động và điều chỉnh tự động:

* Điều chỉnh không tự động:

Là việc thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách

rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta

được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn (như phụ tải

thay đổi, điện áp nguồn dao động, …) sẽ tác động vào hệ, nhưng thông số đầu vào vẫn

giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ.

Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hay “điều chỉnh không

tự động” hoặc “điều chỉnh vòng hở”. Phương pháp điều chỉnh này đơn giản nên vẫn được

dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại, tuy nhiên nó không đảm bảo được các yêu

cầu cao về chế độ công nghệ.

* Điều chỉnh tự động:

Được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch

của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi

có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay

đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch

chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường

đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động.

Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của

các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở”.

Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”.

- 56 -

Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch

này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở

lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu

vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”. Hệ điều chỉnh tự động tuy

phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao.

3.1.2.3. Nhiễu của các thông số đầu ra:

Đối với các hệ truyền động và động cơ điện, có hai thông số đầu ra chủ yếu là

mômen và tốc độ. Có nhiều loại nhiễu gây tác động lên các thông số này như điện áp

nguồn, tần số lưới điện, nhiệt độ môI trường, hệ số tự cảm của cuộn dây, … nhưng ta

quan tâm đến các tác động nhiễu loạn chủ yếu.

Khi điều chỉnh tốc độ, thông số được điều chỉnh là , thông số điều chỉnh là một trong

các thông số tạo ra đặc tính nhân tạo, còn chủ yếu là phụ tải biểu thị bằng mômen cản Mc,

hoặc dòng tải Ic.

Ngược lại, khi điều chỉnh mômen hoặc dòng điện, thông số được điều chỉnh là M

hoặc I, thì nhiễu loạn chủ yếu lại là tốc độ . Sự ảnh hưởng qua lại giữa hai đại lượng M

và được thể hiện bằng đường đặc tính cơ và phương trình của nó.

3.1.3. Các chỉ tiêu chất lượng :

3.1.3.1. Chỉ tiêu chất lượng động (chế độ quá độ):

* Độ quá điều chỉnh max (max 40% hoặc có thể nhỏ hơn).

* Thời gian quá độ Tqđ (Tqđ càng nhỏ càng tốt).

* số lần dao động n ( n = 23 là tốt).

3.1.3.2. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh (chế độ xác lập):

* Sai số tĩnh tốc độ s% :

Là đại lượng đặc trưng cho sự chính xác duy trì tốc độ đặt đ:

%%100.%

d

ds

tốc độ làm việc thực của động cơ.

đ tốc độ đặt của động cơ.

độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 → Mđm.

Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lí tưởng ta có hệ điều chỉnh

tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động diều

chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động

chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu s% ≤ 10%, tryuền động ăn dao: s% ≤ 5%, …

- 57 -

* Phạm vi điều chỉnh tốc độ D:

min

max

D

D càng lớn càng tốt. Tuy nhiên giá trị max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ, bởi

điều kiện chuyển mạch. Tốc độ min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả

năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép.

* Độ trơn điều chỉnh tốc độ J:

Là sự chênh lệch giữa 2 cấp tốc độ liền nhau:

i

1i

Trong đó: i - là tốc độ ổn định đạt được ở cấp i.

i+1- là tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1).

Hệ số càng nhỏ càng tốt lý tưởng là 1: đó là hệ điều chỉnh vô cấp. Còn hệ

điều chỉnh có cấp nếu: .1

* Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải:

Với các động cơ thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ.

Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện

động cơ không vượt quá dòng định mức của nó, đảm bảo khả năng quá tải về mômen

(trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu v.v... trong

toàn giải điều chỉnh.

Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ

truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh, sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám

sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này thì tổn thất trong quá trình

điều chỉnh sẽ nhỏ nhất.

* Chỉ tiêu kinh tế:

Nhiều trường hợp, chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn phương án

truyền động. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành

hạ, chi phí vận hành, bảo quản, sửa chữa ít, đặc biệt là tổn thất năng lượng khi điều chỉnh

và vận hành nhỏ. Năng suất của máy sản xuất do hệ điều chỉnh mang lại.

Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế,

thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn. Thường

người ta căn cứ các chỉ tiêu kỹ thuật để đề xuất vài phương án điều chỉnh, sau đó tính toán

kinh tế để so sánh hiệu quả và quyết định chọn hệ thống hoặc phương pháp điều chỉnh

thông số đầu ra của động cơ.

- 58 -

3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

3.2.1. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng của động cơ:

Muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường

dùng các bộ biến đổi (hình 3.1):

a) b)

Hình 3.1: a) Sơ đồ khối. b) Sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.

Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện: dùng máy phát điện một chiều

(F), máy điện khuếch đại (MĐKĐ); Bộ biến đổi từ: khuếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha;

Bộ biến đổi điện tử - bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng tiristor, các bộ băm điện áp

(BĐA) dùng tiristor, transistor, …

Đặc tính của hệ thống:

Eư = Eb - (Rb + Rưđ)Iư. (3.1)

uudbb I

K

RR

K

E

(3.2)

M

U dk )(0 (3.3)

Xác định dải điều chỉnh:

(3.4)

0max, Mđm, KM là xác định nên D phụ thuộc tuyến tính vào .

Sơ bộ ta có:

dmM

.max0 10

Ta thấy khi điều chỉnh Uư thì = const do đó độ sụt tốc độ sẽ lớn nhất ở đặc tính

thấp nhất. Như vậy nếu đảm bảo sai số tốc độ tại đặc tính thấp nhất kh ông vượt quá giá

trị cho phép thì HTĐ luôn làm việc đạt yêu cầu:

Sai số tương đối:

- 59 -

(3.5)

(3.6)

Mđm, 0min, scp, là xác định nên xác định giá trị tối thiểu s scp.

Ví dụ :

Cho ĐMđl có các thông số: Pđm = 29KW; Uđm = 220V; Iđm = 151A; nđm =

1000vg/ph; Rư = 0,07; và hệ số quá tảI Kqt = 2.

Hãy xác định tốc độ cực tiểu và dải điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu ?

Giải:

Điện trở định mức của động cơ:

Rđm = Uđm / Iđm = 220V / 151A = 1,45

Giá trị tương đương của điện trở phần ứng:

Rư* = Rư / Rđm = 0,07 /1,45 = 0,048

Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: tn* = 1/Rư* = 20,8

Độ cứng đặc tính cơ thấp nhất: min* = Kqt = 2

Giá trị tương đối của tốc độ cực đại (tức tốc độ định mức của động cơ) sẽ là:

nmax*=ωmax= 0952,0048,0111

1 *

00

udmdm R

n

n

Tốc độ không tải lý tưởng:

n0= phvgphvg

n

ndm /10500952,0

/1000

max*

Giá trị tương đối của tốc độ cực tiểu:

nmin*=ωmin= 5,02

11

11

min

Vậy tốc độ quay cực tiểu của động cơ là:

nmin=nmin*.n0=0,5.1050vg/ph=525vg/ph

Từ giá trị của tốc độ cực đại và tốc độ cực tiểu, ta rút ra phạm vi điều chỉnh tốc độ:

D= 9,1525

1000

min

max n

n

Từ biểu thức thay *min = Kqt = 2; *tn = 20,8; ta cũng được kết quả D = 1,9.

Qua ví dụ trên ta thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hep.

Tuy nhiên, nếu xét theo yêu cầu về sai số tốc độ cho phép thì dảI điều chỉnh còn

hẹp hơn nữa hoặc thậm chí còn không thể điều chỉnh được tốc độ. Thực vậy, ta biết:

- 60 -

s% = * = Ru*

min = 0 - cp ; và *min = 1 - s% = 1 - R*ư

Nếu s%cp = 10% thì D = 1,05 ≈ 1, nghĩa là hầu như không thể điều chỉnh được.

3.2.2. Phương pháp thay đổi từ thông kích từ của động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát ta thấy rằng khi thay đổi thì 0 và đều

thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng càng nhỏ)

và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi càng giảm, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi

từ thông giảm

Như vậy: đm> 1 > 2 >... thì đm < 1 < 2 <..., nhưng nếu giảm quá nhỏ thì có thể

làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch

bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần

phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm

nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải.

a) b)

Hình 3.2: a) Sơ đồ thay thế. b) Đặc tính điều chỉnh khi từ thông thay đổi.

Mạch kích từ của động cơ là phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông là phi tuyến:

dt

dw

rr

ei K

Kb

KK

.

(3.7)

ở chế độ xác lập: Kb

KK

rr

ei

; = f(iK) (3.8)

3.2.3. Phương pháp thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng:

Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:

MK

RR

K

U f

2)(

(3.9)

Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì 0 = const còn thay đổi, vì vậy ta sẽ được các

đường đặc tính điều chỉnh có cùng 0 và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc

độ càng thấp.

- 61 -

Như vậy: 0 < Rf1 < Rf2 <... thì đm > 1 > 2 > ... , nhưng nếu ta tăng Rf đến một

giá trị nào đó thì sẽ làm cho M Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ

làm việc ở chế độ ngắn mạch, = 0. Từ lúc này, ta có thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng

không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều

chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để.

3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ :

Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công

suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động cơ khác. Thường

dùng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sau:

Thứ nhất: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thysistor.

Thứ hai: Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung thysistor.

Thứ ba: Điều chỉnh công suất trượt P5.

Thứ tư: Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động sơ bằng các bộ biến đổi tần số

thysistor hay transistor.

Đây là các phương pháp thường sử dụng nhiều trong công nghiệp hiện nay. Ta

nghiên cứu cấu trúc, đặc tính của các hệ truyền động này.

3.3.1. Điều chỉnh điện áp Stator động cơ :

Như ta đã biết momen động cơ không động bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato,

do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều

chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số.

- 62 -

Hình 3.3: Điểu chỉnh điện áp động cơ.

Để điều chỉnh được điên áp động cơ không đồng bộ ba pha ta phải dùng các bộ biến

đổi điện áp xoay chiều (ĐA XC). Nếu coi ĐA XC là nguồn áp lý tưởng (zb=0) thì căn cứ

vào biểu thức có quan hệ sau:

2. )(dm

b

th

uth

U

U

M

M ,hay 2**

, )( bth UuM (3.10)

Công thức (1) đúng với mọi điện áp và mômen.

Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi:

gh

ubu

M

MMconstUM 12** ,, (3.11)

Trong đó: Mđm: Điện áp định mức của động cơ

Ub: Điện áp đầu ra của ĐAXC

Mth: Mômen tới hạn khi điện áp là định mức

Mu : Mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh

Mgh : Mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf

Vì giá trị độ trượt tới hạn Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói chung không

áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ roto lồng sóc. Khi thực hiện điều chỉnh điện áp

cho động cơ rôto dây quấn cân nối them điện trở phụ vào mạch roto để mở rộng dải điều

chỉnh tốc độ và momen. (như thấy trên hình vẽ trên), tốc độ động cơ được điều chỉnh

bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi mọi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi

đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay. Theo lập luận thì tổn thất khi điều

chỉnh là:

s

sPMP cocr

1)( '21

Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng:

x

dmc

x

dmc

dmcc MMM ).()(1

.

.

.

(3.12)

Thì tổn thất trong mạch roto khi điều chỉnh là:

).1(.).(1

.1

1

.

x

dmcr MP (3.13)

Tổn thất là cực đại khi = 0: Pmax = Mcđm.1 = Pđm

Như vậy tương đối trong mạch rôto là:

)1.()(

)1.()(.

***

111

xr

x

cdm

r

P

M

P

(3.14)

- 63 -

Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị sau:

Hình 3.4: Quan hệ tổn thất rôto và tốc độ điều chỉnh.

Sự phụ thuộc giữa tổn thất roto và tốc độ điều chỉnh

ứng với từng loại phụ tải có tính chất khác nhau, phương pháp điều chỉnh điện áp

thích hợp với tuyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly

tâm. Có thể dùng may biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC,

trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van ban dẫn là phổ biến hơn cả.

Momen của động cơ không đông bộ có thể được tính theo dòng điện rôto

s

RIM rr

.

.3

1

2

(3.15)

Nếu giữ dòng rôto không đổi: Ir = const thì mômen và độ trượt có quan hệ sau:

M.s = const. (3.16)

Vùng điều chỉnh tốc độ và momen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục

tạo độ và các đường cong:

s

RIsM rr

.

.3.

1

2

(3.17)

Độ rộng của vùng này tuỳ thuộc vào giá trị của điện trở phụ Rf.

Do cách nối các van bán dẫn nên để có dòng chạy qua động cơ thì tại một thời điểm

phải co ít nhất hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn điện. Đông cơ không đồng bộ ba pha

co thể coi là phụ tải ba pha gồm điện cảm và điện trở nối tiếp nhau .

- 64 -

H×nh 3.5: §iÒu chØnh ®iÖn ¸p §C K§B. a) S¬ ®å. b) D¹ng ®Æc tÝnh.

Trong đó điên trở roto biến thiên theo tốc độ quay R=R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vi trí

tương đối giữa dây quấn rôto và dây quấn stato, do đó góc pha giữa dòng điện và điện áp

cũng sẽ biến thiên theo tcs độ quay: =(s)

Ví dụ trạng thái dẫn của các van bán dẫn:

dt,tn

0

M

S=0

Ir=Ir®m

b> Dạng đặc tính cơ

M

a> Sơ đồ cơ bản

LOG

FX

a b c

T1 T2 T3 T4 T5 T6

Uđ

k

U

đ

Đảo

chiều Ub=Uđk

Rf

U

- 65 -

Hình 3.6: VD trạng thái van dẫn

Do tính chất phức tạp của quan hệ giữa mômen, điện áp và tốc độ của động cơ

không đồng bộ nên trong tính toán thực dụng thường dùng phương pháp đồ thị để dựng

các đặc tính điều chỉnh trên hình 3.7.

Dựng đặc tính (s) của động cơ ở góc dưới bên trái, đặc tính này có thể dựng được

khi sử dụng sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ.

Dựng đặc tính cơ tự nhiên (đường nét đứt) và đặc tính cơ các điện trở phụ ở góc

trên bên phải theo các bước như đã hướng dẫn phần mô tả đặc tính cơ.

Sử dụng đặc tính v2(,),(s), đặc tính MSvà công thức

H×nh 3.7: §Æc tÝnh ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p

­

- 66 -

M= H.v2; S = cost.

Ta dựng được họ đặc tính co điều chỉnh khi lấy các giá trị khác nhau. Vì đặc tính

cơ của hệ hở là rất dốc nên thường dùng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ làm việc

và mở rộng dải điều chỉnh (H5.3b) trên (H 5.7) là các đặc tính thực nghiệm của một hệ

điều chỉnh như vậy.

Hình 3.8: Đặc tính cơ có phản hồi âm tốc độ (ĐK 3kW)

3.3.2. Điều chỉnh điện trở mạch rotor bằng bộ biến đổi xung thysistor.

Như đã phân tích ở phân ở phần đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha, có

thể điều chỉnh tốc độ của động cơbằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotor, trong mục

này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trên điện trở mạch rotor bằng các van bán dẫn, ưu

thế của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rotor

động cơ không đồng bộ:

Rr = Rrd + Rf

Trong đó: Rrd - là điện trở dây quấn rotor .

Rf - là điện trở ngoài mắc vào mạch rotor.

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rotor thì mômen tới hạn của động cơ không

thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỉ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc

của động cơ không đồng bộ , tức là đoạn có độ trượt trở S=0 đến S= Sthlà thẳng thì khi

điều chỉnh điện trở ta có thể viết.

rd

ri

R

RSS , M = cost. (3.18)

Trong đó : S - độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rr

Si - độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rrd.

Thay (10) vào (3) ta được biểu thức tính mômen là:

i

rdr

S

RIM

.

.32

(3.19)

- 67 -

Nếu ta giữ dòng mômen không đổi thì mômen cũng không thay đổi và không phụ

thuộc vào tốc độ của động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ

bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotorcho truyền động có mômen tải không đổi.

*) Sơ đồ biểu thị:

c) d)

Hình 3.9: Điều chỉnh xung trở rôto.

Trên (H3.9a) trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rotor bằng

phương pháp xung. Điện áp ur được chỉnh lưu bởi cầu diode CL, qua điện kháng lọc L

được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1. Khoá

- 68 -

T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu khỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn

mạch.

Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một

chiều. Khi khoá T1 đóng điện trở R0 bị loại bỏ khỏi mạch, dòng điện rotor tăng lên, khi

khoá T1ngắt điện trở R0 lại được đưa vào mạch , dòng điện rotor giảm với tần số đóng

ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng rotor có thể coi như không đổi và ta có một

điện trở tương đương Re trong mạch thời gian ngắt tn=T- tđ (H3.9b), nếu điều chỉnh trơn tỉ

số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trơ trong

mạch rotor.

.000 RT

tR

tt

tRR d

nd

de

(3.20)

Điện trở tương đương Re trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều

ba pha ở rotor theo quy tắc bảo toàn công suất. Tổn hao trong mạch rotor nối theo sơ đồ

(H3.9a) là:

P =Td2(2Rrd + Re) (3.21)

Và tổn thất (hao) khi mạch rotor nối theo sơ đồ(H5.1) là:

P = 3Ir2( Rrd + Rf)

Cơ sở để tính đổi là tổn hao công suất là như nhau nên

3Ir2( Rrd + Rf) = Id

2(2Rrd + Re)

Với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì : Id2 =1,5 Ir

2 nên:

22

1 0RRR ef (3.22)

Khi đã có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng được đặc tính cơ theo phương phá thông

thường, họ các đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên

và đặc tính cơ có điện trở phụ:

Rf =R0/2 (xem H3.9c)

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen (H3.9d) có thể mắc nối tiếp với điện trở R0

một tụ điện dung đủ lớn. Việc xây dựng mạch phản hồi điều chỉnh tốc độ và dòng điện

rotor được tiến hành tương tự như hệ điều chỉnh điện áp.

3.3.3. Điều chỉnh công suất trượt PS

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba hpa bằng

cách làm mềm đặc tính và để nguyênớcocs độ không tải lý tưởng thì công suất trượt PS

=S.Pdt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. ở các hệ thống truyền động điện công suất

lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận

dụng đượ công suất trượt người ta sư dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là

- 69 -

các sơ đồ nội tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đay trình bày

phương pháp nối tầng điện dùng tiristo (H3.10a)

a)

b)

Hình 3.10: Hệ thống nối tầng van. a)Sơ đồ nguyên lý. b) Giản đồ năng lượng.

Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:

Ps = Mc(1- ) = Mc1.s = Pđt.s (3.23)

s = PS/ Pđt.

Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rotor được biểu diễn trên hình (H3.10b)

trong đó Pbđ là công suất được trả về lưới điện, Pbđ là tổn hao trong mạch biến đỏi công

suất trượt thành công suất điện có cùng tần số và điện áp lưới.

Sức điện động rotor ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng lọc L

cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL, Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA, uB, uC) có biên

độ và tần số không đổi đo được xác định bởi điện áp và tần số của lưới điện. Nghịch lưu

- 70 -

làm việc với góc điều khiển thay đỏi từ 900 140

0, phần còn lại làm viẹc cho góc

chuyển mạch và góc hồi phục tính chất khoá của các van.

Độ lớn dòng điện rotor phụ thuộc hoàn toàn vào mômen tải của động cơ mà không

phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu – nghịch lưu phụ thuộc

chỉ làm thay đổi được góc ta của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch lưu khi điều

chỉnh góc mở . Qúa trình dòng điện và điện áp của bộ biến đổi được mô tả trên (H3.10c

) cho trường hợp độ trựot S=1/3 giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là

như nhau.

Udr = Udn = Ud

Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp trên

điện kháng lọc L.

Để đơn giản trong cách viết, giả thiết bỏ qua điện trở và diện kháng tản của mạch

stator và coi động cơ có số vòng dây stator và rotor là như nhau, thì góc trị trung bình của

điện áp chỉnh lưu khi Id= 0 là:

1

0133

lmd uU (3.24)

Trong đó: ulm- biên độ điện áp lưới

0 – tốc độ không tải lý tưởng

1- tốc độ từ trường quay stator

Khi tải Id 0 thì điện áp này giảm xuống do sutj áp chuyển mạch giữa các van trong

cầu chỉnh lưu và sụt áp do điện trở dây quấn rotor

(3.25)

trong đó: 2 = e -

là tần số trượt của rotor, dòng điện chỉnh lưu trung bình sẽ là hàm số của tôc độ quay:

(3.26)

Độ trượt s0 gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt là do tải gây

ra:

1

0'

1

010 ;

.33

.

s

U

Us

lm

d (3.27)

- 71 -

Điện áp stator có dạng ua=Ulmcoset, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator thì từ

thông có biên độ tỷ lệ điện áp stator:

- Ulm/1 (3.28)

và mômen của động cơ tỉ lệ với thành phần dọc trục của dòng điện rotor động cơ

drlm I

UpM

1

'.2

3

(3.29)

Giá trị trung bình của dòng điện idr được tính như sau:

XXr

lmdr

s

s

s

s

X

UI

''

).1.(.6

(3.30)

Trong đó: sX= s0 + s’+ 2Rr/3Xr

Cuối cùng phương trình xac định momen của hệ thống nối tần van điện sẽ là:

XXre

lm

s

s

s

s

L

UpM

''1.

1.)(

9 2'

(3.31)

Trên hình (H5.9d - TĐĐ/175) có dưng các đặc tính cơ của hệ nối tầng van cho

từng góc điều khiển của nghịch lưu.

3.3.4. Điều chỉnh tần số của nguồn cấp

Khi điều khiển tần số trở kháng ,từ thông ,dòng điện… của động cơ thay đổi ,để

đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều

chỉnh cả điện áp.Đối vơi hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá

tải và momen không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Momen cưc đại mà động cơ

sinh ra được chính là momen tới hạn Mth, khả năng quá tải về momen được qui định bằng

hệ số quá tải mômen M.

M.= = Mth/ M

- 72 -

Hình 3.11: Xác định khả năng quá tải về momen

Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stato :Rs= 0 thì ta có phương trình

2

0

2

0

2

'

2

2

..2

SS

roS

mth

UK

U

LL

LM (3.32).

Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:

dm

thdmthM

M

M

M

M (3.33)

Thay thế (1D) vào (2D) rút gọn ta được:

thdmdm

sdms

M

MUU

00 (3.34)

Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất (phụ tải) có thể viết như sau:

X

dm

dmc MM )(0

0

(3.35)

- 73 -

H×nh 3.11: S¬ ®å nguyªn lý biÕn tÇn nguån ¸p

Hình 3.12: Nguyên lý tạo điện áp xoay chiều 3 pha

a: Trật tự đóng ngắt khoá S b: Đồ thị điện áp dây và pha c: Sơ đồ nối tải vào nguồn

- 74 -

Từ (4D) và(3D) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về

momen không đổi:

21

21

0

0 )()(

x

Sdm

S

x

dmSdm

S

f

f

U

U

(3.36)

Thay ở dạng đơn vị không tên:

)

21*(*

x

SS fU

(3.37)

3.3.4.1. Các bộ biến đổi tần số điện áp:

Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp trên (H2D-2) bao gồm bốn

khối chức năng chính :nguồn điện một chiều NMC, mạch lọc F, nghịch lưu độc lập nguồn

áp NL và động cơ không đồng bộ . Nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp một chiều

có giá trị điều chỉnh được ,nghịch lưu gồm 6khoá bán dẫn S1….S6 và cần 6 van điều

khiển D1….D6 các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định(xem H2D-3a)

tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt nên động cơ chấp hành ,góc dẫn của các khoá là

180 , thời điểm các khóa S1,S3,S5 và S2,S4,S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 120 ,do đó điện áp

ra của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là 120 và thỏa mãn điều kiện phân

tích thành chuỗi điều hòa.

1

)6

sin(.6

cos.1

.32

k

edab tkk

kuU

(3.38)

k=1 + 6C; C = 0; 1; 2…

Thành phần điều hòa cơ bản của (6D) có biên độ

ddabm uuU 103,1321

(3.39)

Và giá trị hiệu dụng là:

ddab uuU 78,061

(8D)

Giá trị hiệu dụng của chuỗi (6D)

ddab uuU 816,03

21 (9D)

Biên độ sóng hài bậc k:

.

32

kuU d

k

abm (10D)

- 75 -

Đồ thị điện áp pha của động cơ có dạng bậc thang ,tại thời điểm các khoá chuyển

mạch thì điện áp pha có đột biến nhẩy cấp.Giá trị từng cấp sẽ được xác định bởi (H2D-3b)

.Dòng của động cơ là nghiệm của phương trình vi phân mô tả động cơ được giải ở từng

đoạn.Khi điện áp pha không đổi dòng có dạng xoay chiều không điều hòa – xem H5.13

sau:

Hình 3.13 : Đồ thị dòng điện và khoảng dẫn của các van.

Các khóa S là các khóa ban dẫn ,ở các truyền động công suất nhỏ thường ding các

tranzito , ở các truyền động công suât lớn thường dùng các van thyritor ,khi này việc khóa

(ngắt) các khóa được thực hiện bằng các mạch đặc biệt như dùng tụ điện và các van

thyritor phụ … thời gian gần đây sử dụng các thyritor đặc biệt là các van khóa được bằng

xung điều khiển(GTO).

- 76 -

Hình 3.14 : Phương pháp điều chỉnh điện áp trong nghịch lưu tần số - điện áp.

a) Điều chỉnh biên độ. b) Điều chỉnh độ rộng một xung; c) Điều chỉnh độ rộng bằng

điều chế một cực tính; d) Điều chế độ rộng xung hai cực tính.

Giá trị điện áp của động cơ hoặc bởi điều chỉnh biên độ điện áp một chiều –bằng

chỉnh lưu điều khiển hoặc bằng bộ băm xung áp (H5.14a) .Điện áp cũng có thể điều chỉnh

bằng điều chỉnh thời gian đóng của các khóa S (H5.14b) hoặc là bằng điều chế độ rộng

xung áp băng chính nghịch lưu (H5.14c,d).

- 77 -

Câu hỏi ôn tập

1. Làm thế nào để thay đổi và đảo chiều được tốc độ động cơ trong phương pháp điều

chỉnh dùng hệ thống “Máy phát - Động cơ điện một chiều” ?

2. Làm thế nào để thay đổi được điện áp chỉnh lưu ? Đặc điểm của phương pháp điều

chỉnh tốc độ dùng hệ “Chỉnh lưu - Động cơ điện một chiều không đảo chiều” ? Các

phương pháp điều khiển các bộ chỉnh lưu trong hệ truyền động T - Đ có đảo chiều

? Cách phối hợp góc điều khiển trong các phương pháp điều khiển các bộ chỉnh

lưu ?

3. Làm thế nào để thay đổi tốc độ động cơ trong phương pháp điều chỉnh dùng hệ

thống “Băm điện áp - Động cơ điện một chiều” ?

4. Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách dùng

bộ băm điện trở mạch rôto ? So sánh chỉ tiêu chất lượng với phương pháp điều

chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách dùng các cấp điện trở phụ mạch rôto ?

5. Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi tần số

dòng điện stato (hệ :BT - ĐK) ? Tại sao khi thay đổi tần số người ta thường kết

hợp điều chỉnh điện áp stato ?

6. Phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng các hệ “nối tầng

điện cơ” và “nối tầng điện” ? Ưu, nhược điểm của các phương pháp đó ?

- 78 -

Chương 4

TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp tính toán và lựa chọn

công suất của động cơ ứng với từng đặc điểm của các hệ truyền động điện

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

4.1. Khái quát chung :

4.1.1. Một số vấn đề cơ bản :

Khi thiết kế một hệ thống TĐĐ, người ta phải tiến hành các bước sau:

- Tính chọn công suất động cơ truyền động.

- Chọn loại động cơ và loại truyền động: Một chiều, xoay chiều, có hay không có điều

chỉnh tốc độ, có đảo chiều quay không, dùng hệ F - Đ, V - Đ hay BBT - Đ v.v…

- Tính chọn các thiết bị ở mạch lực như: BBĐ, các thiết bị đóng,cắt, các mạch lọc v.v …

- Tính chọn mạch điều khiển.

- Tính chọn thiết bị và mạch bảo vệ, đo lường, tín hiệu hoá.

Như vậy, yếu tố hàng đầu cần quan tâm là công suất động cơ trong HTTĐĐ. Bởi

vì, để một hệ thống truyền động điện làm việc tốt, thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế

và an toàn, cần chọn đúng công suất động cơ điện. Sự làm việc tin cậy và kinh tế của

HTTĐĐ phụ thuộc vào sự lựa chọn chính xác công suất đông cơ điện và biện pháp điều

khiển động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động. Các tiêu chuẩn để chọn động cơ là: Chọn

đủ công suất kéo, tốc độ phù hợp với phạm vi điều chỉnh D và phương pháp điều chỉnh

tốc độ, thoả mãn yêu cầu mở máy và hãm, phù hợp với nguồn điện, điều kiện làm việc v.v

… Trong đó, tiêu chuẩn chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa lớn. Nếu chọn Pđm của

động cơ lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải thì: Động cơ kéo tải dễ nhưng giá thành

cao, hiệu suất truyền động thấp, cos thấp do động cơ non tải làm ảnh hưởng đến chất

lượng lưới điện. Ngược lại nếu chọn Pđm nhỏ hơn công suất yêu cầu của phụ tải thì động

cơ không kéo tải được hoặc bị làm việc quá tải gây phát nóng cuộn dây làm cháy hỏng

hoặc giảm tuổi thọ động cơ. Tuy nhiên, dựa vào đâu để tính chọn công suất động cơ ?

Người ta dựa vào các thông tin sau:

- Dựa vào đặc tính phụ tải và quy luật phân bố tải theo thời gian: Mc (t);Qc (t); Pc(t). Từ

dó, biết được đặc điểm của phụ tải làm việc ở chế độ nào: Ngắn hạn, dài hạn, ngắn hạn

lặp lại …, Có yêu cầu đảo chiều, điều chỉnh chế độ tốc độ không ? Chế độ khởi động? …

- Dựa vào sự tính toán về nhiệt độ cho phép của động cơ: Động cơ trong chế độ làm việc

bình thường cũng như khi quá tải cho phép thì nhiệt độ không được vượt quá nhiệt độ cho

phép: Tcp.

- 79 -

- Ngoài ra, còn phải xem xét đến yêu cầu về khả năng quá tải cho phép của động cơ để

xác định mômen quá tải rồi chọn công suất động cơ theo mômen quá tải.

4.1.2. Phát nóng và làm nguội động cơ điện.

4.1.2.1. Nguyên nhân phát nóng động cơ:

Trong quá trình làm việc, thực hiện biến đổi điện năng thành cơ năng, một phần

năng lượng bị tiêu tán bên trong động cơ dưới dạng nhiệt, biểu diễn dưới dạng tổn thất

công suất: P = Pđ - Pcơ

Pđ: Công suất điện mà động cơ tiêu thụ từ lưới.

Pcơ ( Pc ): Công suất cơ động cơ đưa ra ở đầu trục.

Vì Pcơ = . Pđ P = (1-). Pđ =

cP)1( = cđđ

đm

cđm PP

)1( .

(Nếu ở chế độ định mức)

Công suất tổn hao gồm ba phần:

- Tổn hao do ma sát ở các ổ bi và roto quay trong không khí.

- Tổn hao sắt từ, phụ thuộc và chất lượng lõi sắt rôto và stato.

- Tổn hao trong các cuộn dây (tổn hao đồng) do hiệu ứng Jull. Tổn hao này tỉ lệ với bình

phương dòng chạy qua roto, stato -> phụ thuộc vào tải -> Tổn hao thuộc loại tổn hao biến

đổi, chiếm tỉ lệ lớn trong P : Vậy P = P không đổi + P biến đổi . Chính P sinh ra nhiệt

lượng đốt nóng động cơ làm t0 động cơ tăng lên. Nếu động cơ không trao đổi nhiệt với

môi trường xung quanh thì t0 tăng mãi đếnnếu động cơ làm việc lâu dài. Thực tế, nhiệt

lượng toả ra môi trường ngoài qua mặt ngoài động cơ làm hạn chế sự phát nóng đó. Sau

một thời gian làm việc, t0 động cơ không tăng nữa mà đạt trị số ổn định. Lúc đó, nhiệt

lương tỏa ra môi trường trong một đơn vị thời gian bằng nhiệt lượng sinh ra trong động

cơ. Đó là trạng thái cân bằng động về nhiệt của động cơ:

4.1.2.2. Các phương trình cân bằng nhiệt:

Giả thiết động cơ là một vật thể đồng nhất, nhiệt độ giống nhau ở mọi điểm và dẫn

truyền nhiệt tức thời (hệ số dẫn nhiệt rất lớn). Nhiệt lượng sinh ra ở động cơ trong thời

gian dt là: P dt (J), nhiệt lượng này chia làm hai phần: Phần nhiệt lượng làm cho động

cơ nóng lên là C.d (C: Nhiệt dung của động cơ, tức là nhiệt lượng cần thiết làm cho động

cơ nóng lên 10c (J/

0C)), : Nhiệt sai (nhiệt độ chênh lệch giữa động cơ và môi trường(

0C).

). Phần nhiệt lượng từ động cơ toả ra môi trường trong khoảng dt: A. . dt (A: Hệ số toả

nhiệt, nhiệt lượng mà động cơ toả ra môi trường trong 1 đơn vị thời gian khi chênh lệch

giữa nhiệt độ động cơ và nhiệt độ môi trường là10C(w/

0C)); A phụ thuộc vào điều kiện

làm mát của động cơ, nếu làm mát tốt thì A lớn.

- 80 -

Vậy, phương trình cân bằng nhiệt: P .dt = Cd + Adt (1).

Dùng phương pháp phân ly biến số, giải (1) với , điều kiện đầu: t=0, = bđ ta có

nghiệm: =ôđ (1 - e-t/

)(2).

ôđ = A

P: Nhiệt sai ổn định ; : Hằng số thời gian đốt nóng : =

A

C(thực chất,

nghiệm là: = ôđ + (bđ- ôđ). e-t/

, nhưng tại t = 0 có bd = 0: t0 động cơ = t

0môi trường)

=> = ôđ (1 - e-t/

).

Đây là phương trình biểu diễn đường cong phát nóng của động cơ.

Khi đang làm việc với một nhiệt sai nào đó, nếu cắt động cơ khỏi nguồn điện thì

động cơ sẽ nguội dần. Lúc này, nguyên nhân sinh ra nhiệt của động cơ chỉ còn là lượng

mất mát do ma sát rất nhỏ nên xem nhiệt lượng phát ra: Q=0

(ôđ =0) => = bđ .e-t/

.

Đây là phương trình biểu diễn đường cong nguội lạnh của động cơ.

Chú ý: bđ trong quá trình nguội lạnh chính là ôđ trong quá trình phát nóng. Từ đó, ta xây

dựng được đường cong phát nóng và nguội lạnh:

4.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện:

Để tiến hành chọn công suất động cơ điện dựa theo chế độ nhiệt của động cơ,

người ta phân loại các chế độ làm việc của động cơ:

4.2.1. Chế độ làm việc dài hạn:

- Chế độ này động cơ làm việc có phụ tải

trong một thời gian dài. Do đó, khi làm việc, động

cơ có nhiệt độ đạt tới giá trị ổn định. Trong đó,

nhiệt sai của động cơ cũng đạt tới trị số ổn định.

VD: Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn là

các động cơ kéo quạt gió, bơm nước, máy nén khí.

Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai của động cơ như hình vẽ.

4.2.2. Chế độ làm việc ngắn hạn:

Động cơ làm việc có phụ tải trong 1 thời gian

ngắn. Nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị

số ổn định thì mất phụ tải, thời gian nghỉ của

động cơ rất dài, nhiệt sai của động cơ đủ để

giảm xuống bằng nhiệt sai ban đầu.

VD: Động cơ đóng, mở cửa đập nước, động cơ

trong các cơ cấu nâng – hạ xà ngang, nêm chặt xà ở

- 81 -

các máy cắt gọt kim loại lớn (Tiện đứng, phay

giường, bào giường…). Giản đồ phụ tải, đường

cong nhiệt sai như hình bên:

4.2.3. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

Thời gian làm việc có phụ tải và thời gian nghỉ

xen kẽ nhau. Các khoảng thời gian này tương

đối ngắn. trong thời gian làm việc: tlv, nhiệt

sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định

thì mất phụ tải.Trong thời gian nghỉ, nhiệt

sai động cơ giảm nhưng chưa về trị số cũ thì

lại có phụ tải, nhiệt sai lại tăng lên. Quá trình

cứ thế mà lặp lại, cuối cùng, nhiệt độ động

cơ dao động xung quanh một nhiệt độ ổn

định trung bình tb nào đó giữa max và min.

VD: Cầu trục, máy hàn, cần trục…

Chế độ này được đặc trưng bởi hệ số thời gian đóng điện tương đối:

% = %100%100 ck

lv

nglv

lv

T

t

tt

t. Các trị số tiêu chuẩn của % là: 15%; 25%; 40%; 60%.

4.3. Các bước chọn công suất động cơ.

4.3.1. Các chỉ tiêu chọn động cơ điện.

Chọn động cơ điện phải đảm bảo hai mặt: Kinh tế và kỹ thuật.

4.3.1.1. Về mặt kỹ thuật:

- Động cơ được chọn phải có cấp điện áp phù hợp với nguồn.

- Động cơ phải thích ứng với môi trường làm việc (khô ráo, ẩm ướt, sạch sẽ hoặc bụi bẩn,

nóng hoặc lạnh…).

- Động cơ đựơc chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng (Điều kiện cơ bản nhất), sao cho

khi làm việc bình thường hoặc khi quá tải cho phép, t0 động cơ không được vượt quá t

0

cho phép.

- Động cơ phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, xem có hay không điều chỉnh tốc độ, có cấp hay

vô cấp.

- Phải đảm bảo điều kiện khởi động tốt theo yêu cầu phụ tải.

4.3.1.2. Về mặt kinh tế.

Động cơ điện được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư rẻ chi

phí vận hành, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất động cơ.

4.3.2. Các bước chọn công suất động cơ.

- 82 -

Động cơ điện muốn kéo đựơc cơ cấu sản xuất cần phải sản ra một mômen Mđ có

khả năng khắc phục được các mômen sau: Mômen phụ tải cơ cấu sản xuất: Mpt; Mômen

không tải M0; Mômen động Mđg, nghĩa là Mđ Mpt + M0 + Mđg. Muốn tìm được Mđ cần

có các điều kiện ban đầu và các bước tính toán.

4.3.2.1. Điều kiện ban đầu.

- Phải có biểu đồ phụ tải cơ cấu sản xuất: Mc = f1(t) hoặc Pc = f2(t) hoặc nhiệt lượng tiêu

hao Q= f3(t) hay dòng điện I= f4(t).

- Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trong qúa trình làm việc: n= f5(t) hoặc = f6(t). Giả

thiết biểu đồ đã cho như hình vẽ trang bên.

4.3.2.2. Các bước tính toán.

Trước hết căn cứ vào biểu đồ phụ tải tĩnh: Mc = f(t), tính mômen trung bình theo biểu

thức:

n

i

i

n

i

ii

tb

t

tM

M

1

1

Sau đó, chọn sơ bộ động cơ có Mđm Mtb.

- Tính mômen động: Mđg ( xuất hiện trong quá trình quá độ: Mở, hãm, đảo chiều quay

động cơ v.v…):

tgJdt

dJMMM hthtcĐđg

Jht: Mômen quán tính của hệ thống đã quy đổi về đầu trục động cơ.

- Vẽ biểu đồ Mđg = f(t) như hình vẽ.

- Vẽ biểu đồ phụ tải động của hệ thống như hình vẽ: Mcđg= Mpt+ Mo + Mđg

- Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả năng quá tải của động cơ theo điều kiện:

M . Mđm Mmax

Trong đó: Mđm: Mô men định mức của động cơ đã chọn sơ đồ.

Mmax: Mô men max trên biểu đồ phụ tải.

M: Bội số mômen (hệ số quá tải).

- Kiểm tra lại suất động cơ theo điều kiện phát nóng. Nếu kiểm tra không thoả mãn =>

Chọn lại động cơ.

4.4 . Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ.

Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã quy đổi

về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu. Từ đồ thị phụ tải, chọn sơ bộ công suất động cơ,

tra sổ tay các tham số, từ đó, xây dựng đồ thị phụ tải chính xác. Sau đó, tiến hành kiểm

nghiệm động cơ đã chọn.

4.4.1. Chọn động cơ làm việc dài hạn.

- 83 -

Đối với phụ tải dài hạn, có loại không đổi, có loại biến đổi.

4.4.1.1. Phụ tải dài hạn không đổi:

Động cơ cần chọn phải có công suất định mức lớn hơn công suất yêu cầu: Pđm ≥ Pc

và tốc độ định mức phù hợp với yêu cầu. Thường thì chọn Pđm = (1 1,3)Pc. Trong

trường hợp này, việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản, không cần kiểm nghiệm quá tải về

mômen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng.

4.4.1.2. Phụ tải dài hạn biến đổi:

Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải, tính ra giá trị trung bình của

mômen hoặc công suất:

n

oi

i

n

oi

ii

tb

t

tM

M

.

;

i

ii

tb

t

tP

P

.

Động cơ chọn phải có: Mđm = (1 1,3).Mtb

Pđm = (1 1,3).Ptb

Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm về phát nóng, khởi động, quá tải về mômen.

4.4.2. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại.

Biểu đồ phụ tải như hình vẽ: Sau 1 thời gian, nhiệt sai động cơ sẽ ổn định biến

thiên trong khoảng min, max. Tương tự như trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta có thể chọn

động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại hoặc chọn động cơ chuyên dùng

ngắn hạn lặp lại.

4.4.2.1. Chọn công suất động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại.

Thường động cơ dài hạn được chọn:

Pđm Plv

Hệ số quá tải về nhiệt:

= max

od

dm

lv

P

P

Từ đường cong phát nóng, ta có = vt

vt

od

lv

lv

e

e/

'/

max 1

1

Trong đó: : Hằng số thời gian phát nóng A

C ;

olv

lv

v

v

t

t

;'

: Hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi trong thời gian nghỉ t0. ( = 0,5: Động cơ

một chiều, = 0,25: Động cơ KĐB).

- 84 -

Dựa vào đồ thị phụ tải, xác định Plv yêu cầu, tlv, to từ đó chọn sơ bộ công suất động cơ để có

và o rồi tính ’ và suy ra . Dùng phương pháp tính lặp sao cho: dm

lv PP

4.4.2.2. Chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại.

Động cơ ngắn hạn lặp lại được chế tạo chuyên dùng, độ bền cơ khí tốt, quán tính

nhỏ, khả năng quá tải lớn (từ 2,53,5), đồng thời chế tạo chuẩn với % = 15%; 25%;

40%; 60%.

Động cơ được chọn cần thỏa mãn hai điều kiện:

+ Pđm chọn ≥Plv.

+ %đm chọn phù hợp với %lv.

Trường hợp chưa phù hợp thì hiệu chỉnh lại Pđm theo công thức:

Pđmchọn ≥Plv.dmchon

lv

%

%

Chú ý: Trường hợp phụ tải biến đổi thì phải dùng công thức các đại lượng đẳng trị:

Pđt =

i

ii

t

tP2

;

ioi

i

dttt

t%

Sau đó kiểm tra quá tải về mômen, mômen khởi động và phát nóng.

4.5. Chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ.

Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp này, cần phải biết các yêu cầu cơ

bản:

+ Đặc tính phụ tải: Pyêu cầu (); Myêu cầu(); đồ thị phụ tải: Pc(t); Mc(t); (t).

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ: max, min

+ Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn.

+ Phương pháp điều chỉnh và BBĐ trong hệ thống truyền động đó cần định hướng trước.

Như vậy, để tính chọn công suất động cơ ta phải biết phụ tải. Trong nhiều trường hợp,

phụ tải rất khác nhau. Ta có thể chia thành hai nhóm.

+ Nhóm 1: ở mọi tốc độ, điều chỉnh Mc = const, công suất cản tỉ lệ bậc 1 với tốc độ.

+ Nhóm 2: ở mọi tốc độ, điều chỉnh công suất không đổi (Pc = const), còn Mc tỉ lệ nghịch

với tốc độ:

oc

PM

Đối với động cơ điện, các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo tải cho phép được chia hai

nhóm:

- 85 -

+ Nhóm 1: Điều chỉnh tốc độ với mômen cho phép của động cơ không biến đổi ở mọi tốc

độ, thường gọi là các phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ mômen cho phép không đổi, Rp tỉ

lệ bậc nhất với .

Các phương pháp này thường được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp hoặc Rp mạch

phần ứng của động cơ điện một chiều KTĐL, thay đổi Rp mạch rôtor hoặc số đôi cực ở

ĐCKĐB.

+ Nhóm 2: Điều chỉnh tốc độ với Pcp = const;

cp

cp

PM , thực hiện bằng cách giảm

(ĐCMC) hoặc thay đổi số đôi cực (1 số trường hợp ĐCKĐB).

4.5.1. Chọn công suất động cơ cho truyền động điều chỉnh tốc độ có: Mc = const

4.5.1.1. Trường hợp: Mcp = const

Động cơ chọn phải có: Mđm = Mc

đm = max (điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản)

Pđm = Mđm.đm = Mcmax = Pcmax.

4.5.1.2. Trường hợp: Pcp = const

Động cơ chọn phải có: Pđm = Pcmax =Mcmax

đm = min (điều chỉnh ở n>ncb do Pcp = const)

Mđm = DMMPP

c

mim

cc

dm

dm .max

min

max

Cho thấy: Những truyền động yêu cầu Mc = const, nếu chọn động cơ theo phương pháp

điều chỉnh tốc độ có: Pcp = const (không phù hợp yêu cầu của tải) => Mđm = D.Mc =>

Tăng kích thước, giá thành động cơ.

4.5.1.3. Chọn công suất động cơ có Pc = const.

* Pcp = const: Phù hợp với yêu cầu phụ tải.

Yêu cầu: Pđm = Pc

Mđm = dmdmP

Riêng ĐCMCKTĐL: Pcp = const (thực nghiệm với n>ccb bằng cách )

Yêu cầu chọn: đm = min

Mđm = max

min

cc M

P

* Mcp = const (không phù hợp với yêu cầu tải)

Yêu cầu chọn: Mđm = Mcmax

- 86 -

Với min

max

cc

PM

Mcp = const => thực hiện với < cb thì phải chọn:

đm = max

Pđm = Mđm. đm = Pc. DPc.min

max

Câu hỏi ôn tập :

Câu 1 Đồ thị phụ tải và ý nghĩa của đồ thị phụ tải

Câu 2 Các chế độ làm việc của động cơ điện trong hệ truyền động điện theo đồ thị phụ tải

Câu 3 Các bước chung tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện

Câu 4 Các bước tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện không điều

chỉnh tốc độ

Câu 5 Các bước tính chọn công suất động cơ điện cho hệ truyền động điện có điều chỉnh

tốc độ

- 87 -

Chương 5

MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH THÔNG DỤNG

Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về hệ tuyền động điện thông dụng ứng dụng

trong các máy trang bị điện và các dây chuyền điện công nghiệp

Tài liệu tham khảo : Bùi Quốc Khánh (2002), Giáo trình Truyền động

điện,NXBKHKT

5.1. Hệ truyền động điện một chiều :

5.1.1. Hệ máy phát – động cơ ( F-Đ ) :

5.1.1.1. CÊu tróc hÖ F - § vµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n :

Trước đây, hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện

điều chỉnh tốt nhất. Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ

thống dùng nhiều máy điện quay nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi

phải có nền móng vững chắc. Sơ đồ nguyên lý như hình 5.1.

Hình 5.1: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng máy phát.

Coi mạch từ máy phát chưa bảo hoà, nên ta có:

EF = KF. F. F = KF. F. C.iF (4-1)

Trong đó: KF - hệ số kết cấu của máy phát,

C = F/ iKF - hệ số góc của đặc tính từ hoá

Nếu dây quấn được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì:

iKF = UKF/rKF

- 88 -

Có thể coi gần đúng MF DC kích từ độc lập là bộ KĐ tuyến tính với:

EF = KF.UKF

Nếu đặt: R = RưĐ + RưF

Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát:

MK

RU

K

KKF

F .)(

.2

)(

);(0

KD

KDKFU

MUU

5.1.1.2. Chế độ làm việc của hệ F - Đ.

* Góc phần tư I, III: chế độ động cơ.

Hình 5.2: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ động cơ.

EEF 0

Công suất điện từ của MF và ĐC:

PF = EF.I > o

PĐ = E.I < o

Pcơ = M. > o

Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn

máy phát động cơ tải.

* Chế độ hãm tái sinh: Góc phần tư II, IV.

- 89 -

Hình 5.3: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm tái sinh.

Lúc này do 0 nên E > EF, mặc dù E, EF mắc xung đối nhưng dòng phần

ứng lại chảy ngược lại từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ

quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ

là:

PF = EF.I < o

PĐ = E.I > o

Pcơ = M. > o

Chỉ do dòng điện đổi chiều mà năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải

động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm

tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảm đảo chiều

quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng.

* Chế độ hãm ngược:

- 90 -

Hình 5.4: Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm ngược.

Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ đựơc giới hạn bởi đặc tính hãm động

năng và trục mômen. Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều Sđđ máy phát hoặc

rôto bị kéo quay ngược bởi ngoaị lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo

dấu.

Biểu thức tính công suất sẽ là:

PF = EF.I > o

PĐ = E.I > o

Pcơ = M. < o

Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều và cùng cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt

năng tiêu tán trên đó.

5.1.1.3. Đặc điểm hệ F - Đ.

Đặc điểm của hệ F - Đ là điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự động

chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ. Ví dụ động

cơ đang làm việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ máy phát F (Mc = const) thỡ động cơ

sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hóm tỏi sinh, hóm ngược, khởi động

ngược và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hóm tỏi sinh).

Khi điều chỉnh EF thỡ sẽ thay đổi được tốc độ động cơ cb; khi đảo chiều iktF thỡ

đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được .

Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thỡ sẽ điều chỉnh và đảo

chiều được tốc độ của động cơ cb.

- 91 -

Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thỡ sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ cb

và cb (cả 2 vùng tốc độ).

Nhược điểm của hệ:

- Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%), cồng kềnh, tốn

diện tích lắp đặt, gây ồn lớn.

- Công suất đặt máy lớn.

- Vốn đầu tư ban đầu cao.

- Khó điều chỉnh sâu tốc độ do MF có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ.

5.1.2. Hệ Chỉnh lưu - Động cơ ( CL-Đ, hoặc T-Đ ) :

* Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển - hay là các bộ chỉnh lưu dùng

thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng (hoặc IKT) động cơ điện một

chiều, ta cũng gọi là hệ T - Đ.

* Tuỳ theo yêu cầu TĐ mà dùng các sơ đồ CL:

- Số pha: 1; 3; 6;..

- Sơ đồ nối: tia, cầu, đối xứng, không đối xứng.

- Số nhịp: số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn (p).

- Khoảng điều chỉnh: vị trí đặc tính ngoài trên mặt phẳng [Ud,Id].

- Chế độ năng lượng: CL, nghịch lưu phụ thuộc.

- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.

* Ví dụ một hệ T-Đ :

Sơ đồ nguyên lý:

a) b)

H×nh 5.5: a) S¬ ®å nèi d©y. b) S¬ ®å thay thÕ.

Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cos

- 92 -

Hình 5.6: Đồ thị thời gian chế độ dòng liên tục

Do chỉnh lưu hình tia 3 pha nên p = 3:

cos.2

332md UE

Nên: md UE 20 .2

33

Đặc tính điều chỉnh:

Hình 5.7: Đặc tính điều chỉnh

Giá trị trung bình dòng CL:

Dòng CL chính là dòng phần ứng động cơ nên từ sơ đồ thay thế:

- 93 -

Hình 5.8: Sơ đồ thay thế

Ta có:

Độ cứng đặc tính cơ:

K

dm

XR

K

2)(

Tốc độ không tải giả tưởng:

dm

d

K

cos0

0

.

H×nh 5.9: §Æc tÝnh c¬ cña hÖ T - §.

Chế độ dòng dòng gián đoạn:

- 94 -

Ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính

điều chỉnh dốc hơn tốc độ không tải lý tưởng thực 0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng

giả tưởng ’0

Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung. Vùng

này HT làm việc không ổn định.

Thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần tính biên giới hạn, là khi: = 2/p; = 0 bởi

phương trình:

Với: m

bltU

E

2

m

eblt

U

LII

2

* ..

5.1.3. Hệ xung áp – động cơ ( XA-Đ ) :

5.1.3.1. Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: tải R, L, E).

- 95 -

Hình 5.10: Nguyên lý làm việc của bộ XA loai A.

Chú ý:

+) Nếu S thông liên tục (tđ = T) thì dòng phần ứng không đổi, có giá trị:

I = Imax = Imin = R

EU N

+) Nếu thời gian thông của S giảm đến giá trị tới hạn nào đó tđ = tđgh thì Imin = 0 và

HT chuyển sang làm việc chế độ dòng gián đoạn. Tại trạng thái blt và vùng gián đoạn:

Imax = ud TtN eR

EU /1

Do yêu cầu đóng ngắt cao (200 300Hz) nên khoá S thường là khoá bán dẫn. Ta

có sơ đồ:

Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý khoá S trong XA đơn.

5.1.3.2. Đặc tính cơ.

Trong chế độ dòng liên tục: tx = T

NNd

D UUT

tU .

IK

R

K

U uN

.

- 96 -

Trong chế độ gián đoạn: tx < T

Với uT

T

a) b)

Hình 5.12: a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đặc tính cơ

5.2. Hệ truyền động điện xoay chiều :

5.2.1. Điều khiển dùng bộ biến tần :

5.2.1.1. Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp :

Hiện nay trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp có sử dụng động cơ điện xoay

chiều, đặc biệt là các động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Việc điều chỉnh tốc độ và

khởi động hầu hết đều có sử dụng các bộ biến tần. Trong đó phổ biến là các bộ

biến tần gián tiếp.

Cấu trúc cơ bản của bộ biến tần gián tiếp như cho trên hình 5.13

5.2.1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch lực :

Sơ đồ nguyên lý mạch lực phổ biến của hầu hết các bộ biến tần trên thị trường

được cho trên hình 5.14

Hình 5.13 Sơ đồ cấu trúc BBT gián tiếp

- 97 -

5.2.2. Hệ thống ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ :

Ổn định điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộ một cách tự động là một trong

các yêu cầu cơ bản của điều khiển tự động hệ thống máy phát điện, trong đó có máy phát

đồng bộ

Từ lý thuyết máy điện đã chỉ ra rằng, để điều khiển và giữ ổn định điện áp máy

phát điện đồng bộ, người ta dùng phương pháp điều chỉnh dòng điện kích từ

5.2.2.1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát :

Trên hình 5.15 chỉ ra sơ đồ khối tổng quát ổn định điện áp máy phát điện xoay

chiều

Trong đó : Bộ biến đổi có thể là bộ chỉnh lưu Thyristo hoặc bộ băm áp

5.2.2.2. Một số sơ đồ thực hiện :

Trên hình 5.16 chỉ ra một số phương án thực hiện hệ thống tự động ổn định điện áp

máy phát điện xoay chiều

Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần gián tiếp

Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ổn định điện áp máy phát

- 98 -

Hình 5.16 Mạch lực ổn áp máy phát :

a,b Dùng bộ chỉnh lưu Thyristor

c,d Dùng bộ băm áp

Câu hỏi ôn tập

Câu 1 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống F-Đ

Câu 2 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống T-Đ

Câu 3 Phân tích hoạt động và nêu các đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ hệ thống XA-Đ

Câu 4 So sánh các hệ F-Đ, T-Đ, XA-Đ

Câu 5 Nêu các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều khiển tần số để điều khiển động cơ

không đồng bộ

Câu 6 Phân tích hoạt động của sơ đồ cấu trúc tổng quát ổn định điện áp máy phát xoay

chiều

R