Tài liệu Truyền động điện tự động (phần 3) docx

Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Đ 2.3. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ một chiều
kích từ NốI TIếP (ĐM
nt
) Và HỗN HợP (ĐM
hh
)
2.3.1. Sơ đồ nối dây của ĐM
nt
:
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐM
nt
): nguồn một
chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp với kích từ.









Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng,
nên từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của
động cơ.
Theo sơ đồ hình 2-10a, có thể viết phơng trình cân bằng điện
áp của mạch phần ứng nh sau:
U = E + R.I

= k + R.I

(2-39)
Trong đó: U là điện áp nguồn, (V)
R = R

+ R
kt
+ R
f
(2-40)
Trong này: R

là điện trở phần ứng động cơ.
R
kt
là điện trở cuộn dây kích từ
R
f
là điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng
Trang 44
Tơng tự ĐM
đl
, từ các phơng trình trên ta rút ra:

I
k
RR
k
U
ổf

+


= (2-41)
M
)k(
RR
k
U
2
ổf

+


= (2-42)
Từ thông phụ thuộc vào dòng kích từ I
kt
theo đặc tính từ hoá
nh đờng Ư trên hình 2-10b. Đó là quan hệ giữa từ thông với sức
từ động kích từ F
kt
của động cơ. mà: F
kt
= I
kt
.W
kt
. Khi cho dòng kích

từ bằng định mức thì từ thông động cơ sẽ đạt định mức.

Để đơn giản hoá khi thành lập phơng trình đặc tính cơ ĐM
nt
, ta
coi mạch từ của động cơ là cha bảo hoà, quan hệ giữa từ thông với
dòng kích từ là tuyến tính đờng trên hình 2-10b:
= C.I
kt
; (C - hệ số tỉ lệ) (2-43)
Nếu bỏ qua phản ứng phần ứng, ta có:
= C.I
kt
= C.I

= C.I (2-44)
Kết hợp (2-44) với (2-39) ta đợc phơng trình đặc tính cơ điện
của ĐM
nt
:

= =
U
kCI I
B

R
k.C
A
1

(2-45)
Với: A
1
=
C.
k
U
= const ; B =
C.
k
R
= const ;
Mặt khác:
M = k..I = k.C.I
2
(2-46)
Nên:
I
M
kC
=
.
(2-47)
Trang 45
I

I
kt
U
+

-
R
f
E
Ckt
Ư

đm
F
ktđm
F
kt
a)
b)
H
ình 2-10: a) Sơ đồ nối dây ĐM
nt

b) Đặc tính từ hoá của ĐM
nt
.
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Thay (2-47) vào (2-45) ta có phơng trình đặc tính cơ ĐM
nt
:
=-=- (2-48)
AkC
MM
B
1

R
k.C
A
2
Trong đó:
A
2
= A
1
.
kC. = const.
Qua phơng trình (2-45) và (2-48) ta thấy đặc tính cơ điện và
đặc tính cơ của ĐM
nt
có dạng hypecbol và rất mềm nh hình 2-11a, b
và tốc độ không tải lý tởng bằng vô cùng. Thực tế không có tốc độ
không tải lý tởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của ĐM
nt
:

Nh vậy đặc tính cơ điện của ĐM
nt
có dạng đờng hypebol và
rất mềm. Nó có hai đờng tiệm cận (hình 2-12a):
+ Khi I

0,





: Tiệm cận trục tung.
+ Khi



-B, M



: Tiệm cận đờng = -B = - (R


)/K.C .
Trang 46
Tơng tự, đối với đặc tính cơ của ĐM
nt

cũng có hai đờng tiệm
cận (hình 2-12b):
+ Khi M

0,





: Tiệm cận trục tung.
+ Khi



-B, M



: Tiệm cận đờng = -B = - (R


)/K.C .

Với đặc tính cơ tự nhiên thì R
f
= 0, nên ta có hai đờng tiệm
cận ứng với:
+ Khi M

0,





: Tiệm cận trục tung.
+ Khi



-B(tn), M



: đặc tính cơ sẽ tiệm cận với đờng
thẳng = -B(nt) = - (R

)/K.C .
2.3.2. Đặc tính vạn năng của ĐM

nt
:
Các phơng trình (2-40) , (2-41) và các đặc tính trên hình 2-12
đợc rút ra với giả thiết đặc tính từ hoá = f(I) là đờng thẳng. Tuy
nhiên, thực tế quan hệ = f(I) là phi tuyến nên việc viết phơng trình
và vẽ các đặc tính cơ ĐM
nt
là rất khó khăn. Vì vậy các nhà chế tạo
động cơ thờng cho trớc các đờng cong thực nghiệm:
Trang 47


đm

1
TN
NT
1
, R
f1
I
đm
I


đm

1
TN
NT

1
, R
f1
M
đm
M
a) b)
H
ình 2-11: a) Đặc tính cơ điện của ĐM
nt
b) Đặc tính cơ của ĐM
nt



đ

đm
TN
NT, R
f
I
c
I
m

TN
NT, R
f
M

c
M
a) b)
H
ình 2-12: a) Tiệm cận của đặc tính cơ điện của ĐM
nt
b) Tiệm cận của đặc tính cơ của ĐM
nt
-B
-B
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động

*
= f(I
*
) và M
*
= f(I
*
) khi không có điện trở phụ, và gọi là đặc
tính vạn năng của ĐM
nt
nh hình 2-13.

Các đặc tính này cho theo đơn vị tơng đối:

*
= /
đm
;
I
*
= I/I
đm
;
M
*
= M/M
đm
;
Dùng chung cho các loại động cơ trong dãy công suất có cùng
tiêu chuẩn thiết kế.
Đối với động cơ đã cho, ta chỉ cần lấy giá trị
đm
nhân vào trục
tung và lấy I
đm
nhân vào trục hoành, ta sẽ đợc đặc tính cơ điện tự
nhiên = f(I) của động cơ đó. Mặt khác, từ giá trị I
*
tra theo đờng

M
*
= f(I
*
) ta đợc giá trị M
*
tơng ứng. Nhân giá trị M
*
đó với M
đm

của động cơ đã cho ta đợc M. Nh vậy, từ đặc tính cơ điện tự nhiên
và đờng đặc tính vạn năng M
*
= f(I
*
) ta sẽ đợc đặc tính cơ tự nhiên
= f(M). Ngời ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (dùng thêm điện trở
phụ trong mạch phần ứng) của ĐM
nt
khi sử dụng các đặc tính vạn
năng và đặc tính cơ tự nhiên.
Trang 48
2.3.3. Đặc tính cơ khi khởi động ĐM
nt
:
Tơng tự ĐM
đl
, để hạn chế dòng khởi động ĐM
nt

ngời ta cũng
đa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động,
và sau đó thì loại dần đi để đa tốc độ động cơ lên xác lập.
I
kđbđ
= I
nm
=
U
RR
m
f
đ


+
= (2ữ2,5)I
đm
I
cp
(2-49)
a) Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐM
đl
:
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động trình bày trên hình 2-13:

Quá trình xây dựng đặc tính khởi động theo các bớc sau:
1. Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng, vẽ ra
đặc tính cơ tự nhiên.
2. Chọn dòng điện giới hạn I
1
(2ữ2,5)I
đm
và tính điện trở tổng
của mạch phần ứng khi khởi động R = U
đm
/I
1
. Ta kẻ đờng I
1
= const
nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại e.
3. Chọn dòng chuyển khi khởi động I
2
= (1,1ữ1,3)I
c
. Kẻ đờng
I
2
= const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại f, và nó cũng cắt đặc tính

nhân tạo dốc nhất (có R) tại b theo biểu thức:

Trang 49
H
ình 2-13: Các đặc tính vạn năng của Đm
nt

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

*
M = f(I
*
)

*
= f(I
*
)
2,4
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4

0
I
*
Ckt
I

kt
I

e
K
2
K
1
R
f2
R
f1
U
+
-
H
ình 2-13: a) Sơ đồ nối dây Đm
nt
khởi động 2 cấp, m = 2
b) Các đ
ặ
c tính cơ khi khởi đ
ộ
n
g
Đ
m
nt
, m = 2.
a

)
0 I
c
I
2
I
1
I


XL
TN

1

2
d
e
h
2
1
a
b
c
f
A
b
)
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động

RI-U
RI-U
ổ2õm
2õm
)f(TN)b(NT
= (2-50)
Kẻ các đờng ef và ab kéo dài, chúng sẽ cắt nhau tại A, từ A
dựng tiếp các đờng đặc tính khởi động tuyến tính hoá thoả mãn các
yêu cầu khởi động và ta có đờng khởi động abcdefXL.
b) Tính điện trở khởi động:
Theo phơng pháp tuyến tính hoá trên, điện trở phụ tổng đợc
tính R
f
= R - R

, ta có điện trở phụ các cấp:
R
ac
ea
R
ce
ea
R
fff f
R
12
==; ; (2-51)
2.3.4. Các trạng thái hãm ĐM
nt
:

Động cơ ĐM
nt
có
0
, nên không có hãm tái sinh mà chỉ có
hai trạng thái hãm: Hãm ngợc và Hãm động năng.
2.3.4.1. Hãm ngợc ĐM
nt
:
a) Đa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng:
Động cơ đang làm việc tại A, đóng R
f
lớn vào phần ứng thì
động cơ sẽ chuyển sang B, C và sẽ thực hiện hãm ngợc đoạn CD:










Trang 50
b) Hãm ngợc bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:
Động cơ đang làm việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên với:
U

> 0, quay với chiều > 0, làm việc ở chế độ động cơ, chiều

mômen trùng với chiều tốc độ; Nếu ta đổi cực tính điện áp đặt vào
phần ứng U

< 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ
vào để hạn chế) và vẫn giữ nguyên chiều dòng kích từ thì dòng điện
phần ứng sẽ đổi chiều I

< 0 do đó mômen đổi chiều, động cơ sẽ
chuyển sang điểm B trên đặc tính hình 2-15, đoạn BC là đoạn hãm
ngợc, và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Lúc hãm động
năng, dòng hãm và mômen hãm của động cơ:






<=
+
+
=
+


=
0IKM
0<
RR
KU
RR

EU
I
hh
fổổfổổ
ổ
h
(2-52)
Phơng trình đặc tính cơ:

M
)K(
R+R
K
U
2
ổfổ




= (2-53)

Trang 51
H
ình 2-14: a) Sơ đồ nối dây Đm
nt
khi hãm ngợc với R
f

b) Đặc tính hãm n
g
ợc Đ
m
nt
, đoạn CD.
Ckt
I
kt
I

e
R
f

U
+
-
a
)

0 M
c
M

TN
D
B
C
R
f
A
b
)
HN


bđ
M
c
M
HN
D
A

ôđ
B
C
b)
M
c

a
)
U
+
-
Ư

Ckt
I
kt
R
f
I

e
H
ình 2-15: a) Sơ đồ hãm ngợc bằng cách đảo U

.
b) Đặc tính cơ khi hãm ngợc bằng cách đảo U

.
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
2.3.4.2. Hãm động năng ĐM
nt
:
a) Hãm động năng kích từ độc lập:
Động cơ đang làm việc với lới điện (điểm A, hình 2-16), thực
hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lới điện và đóng vào một điện trở

hãm R
h
, còn cuộn kích từ đợc nối vào lới điện qua điện trở phụ sao
cho dòng kích từ có chiều và trị số không đổi (I
ktđm
), và nh vậy giống
với trờng hợp hãm động năng kích từ độc lập của ĐM
đl
.
Phơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng:

M
)K(
R+R
2
hổ

=

(2-54)

b) Hãm động năng tự kích từ :
Động cơ đang làm việc với lới điện (điểm A), thực hiện cắt cả
phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi lới điện và đóng nối tiếp vào
một điện trở hãm R
h
, nhng dòng kích từ vẫn phải đợc giữ nguyên
theo chiều cũ do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ
vẫn quay và nó làm việc nh một máy phát tự kích biến cơ năng thành
nhiệt năng trên các điện trở.
Trang 52
Phơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ:

M
)K(
RR+R
2
hktổ

+
= (2-55)
Và từ thông giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích.

2.3.5. Đảo chiều ĐM
nt
:
Đặc tính cơ của động cơ ĐM
nt
khi đảo chiều bằng cách đảo
chiều điện áp phần ứng:

M
)]I(K[
RR
)I(K
U
2
ổ
fổổ
ổ
ổ

+



=

(2-56)
Khi U

> 0, động cơ quay thuận > 0 (tại điểm A trên đặc tính

cơ ở góc phần t thứ nhất của toạ độ [M, ], với phụ tải là M
c
> 0).
Nếu ta đảo cực tính điện áp phần ứng động cơ (vẫn giữ nguyên chiều
từ thông kích từ) U

< 0, phụ tải động cơ theo chiều ngợc lại M
c
'
< 0,
động cơ sẽ quay ngợc < 0 (tại điểm A
'
trên đặc tính cơ ở góc phần
t thứ ba của toạ độ [M, ]. Nếu cho điện trở phụ vào mạch phần ứng,
ta sẽ có các tốc độ nhân tạo ngợc, hình 2-18.
Trang 53
H
ình 2-17: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích từ ĐM
nt
.
b) Đặc tính cơ khi HĐN tự kích từ ĐM
nt
.
a)
U
+
-
I
kt
Ckt

I

e
R
h


hđ
M
c
M
HĐN
A

ôđ2
B
1
B
2
R
h1
R
h2
0
b)

ôđ1
M
hđ1
M

hđ2
C
2

C
1
H
ình 2-16: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập ĐM
nt
.
b) Đặc tính cơ khi HĐN kích từ độc lập ĐM
nt
.

bđ
M
c
M
HĐN
A

ôđ2
B
1
b)

ôđ1
B
2
R

h1
R
h2
0
C
2
C
1
a)
U
+
-
R
ktf
Ckt
I
kt
I

e
R
h
M
bđ2
M
bđ1
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động

2.3.6. Nhận xét về ĐM
nt
:
Về cấu tạo, ĐM
nt
có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiết diện to
và số vòng dây ít. Nhờ đó nó dễ chế tạo và ít h hỏng hơn so với ĐM
đl
.
Động cơ ĐM
nt
có khả năng quá tải lớn về mmomen. Khi có
cùng một hệ số quá tải dòng điện nh nhau thì mômen của ĐM
nt
lớn
hơn mômen của ĐM
đl
.
Thực vậy, lấy ví dụ khi cho quá tải dòng I
qt
= 1,5I

đm
thì mômen
quá tải của ĐM
đl
là : M
qt
= K
đm
.1,5I
đm
= 1,5M
đm
, nghĩa là hệ số quá
tải mômen bằng hệ số quá tải dòng điện: K
qtM
= K
qtI
= 1,5. Trong kho
đó, mômen của ĐM
nt
tỷ lệ với bình phơng dòng điện, nên M'
qt
=
K.C.I
2
= K.C.(1,5I
đm
)
2
= 1,5

2
.M
đm
= 2,25M
đm
, nghĩa là hệ số quá tải
mômen bằng bình phơng lần của hệ số quá tải dòng điện: K'
qtM
=
K
2
qtI
.
Mômen của ĐM
nt
Không phụ thuộc vào sụt áp trên đờng dây
tải điện, nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì
mômen động cơ cũng là định mức, cho dù động cơ nối ở đầu đờng
dây hay ở cuối đờng dây.

Trang 54
2.3.7. Đặc điểm, đặc tính cơ động cơ ĐM
hh
:
Sơ đồ nguyên lý của động cơ ĐM
hh
nh hình 2-19, với hai cuộn
kích từ song song và nối tiếp tạo ra từ thông kích từ động cơ:
=
s

+
n
(2-57)
Trong đó:
s
là phần từ thông do cuộn kích từ song song tạo
nên;
s
= (0,75 ữ 0,85)
đm
và không phụ thuộc vào dòng phần ứng, tức
không phụ thuộc vào phụ tải.
Còn
n
là phần từ thông do cuộn kích từ nối tiếp tạo ra, nó phụ
thuộc vào dòng phần ứng. Khi phụ tải M
c
= M
đm
thì I

= I
đm
, tơng
ứng:

n.đm
= (0,25 ữ 0,15)
đm
Do có hai cuộn kích từ nên đặc tính cơ của ĐM

hh
vừa có dạng
phi tuyến nh ĐM
nt
, đồng thời có điểm không tải lý tởng [0,
0
] nh
của ĐM
đl
, hình 2-20, trong đó tốc độ không tải lý tởng có giá trị khá
lớn so với tốc độ định mức:
0
(1,3 ữ 1,6)
đm
.
Động cơ ĐM
hh
có ba trạng thái hãm tơng tự nh ĐM
đl
.

ôđ
M
c
M
-
ôđ
A
b)
M
c

U
+
-
Ckt
I
kt
I

e
R
f
a)
H
ình 2-18: a) Sơ đồ đảo chiều điện áp U

của ĐM
nt

.
b) Đặc tính cơ khi đảo chiều U

của ĐM
nt
(ĐC
th
)
(ĐC
ng
)
A
M

M



0
0 M
c
M
-

ôđ
b)
U
+
-
I

e
a)
H
ình 2-20: a) Sơ đồ nối dây ĐM
hh
.
b) Đặc tính cơ của ĐM
hh
R
f
TN
I
gh
R
ktf
I
kts
Cks
Ckn
I
ktn
R
f
Ths. Kh−¬ng C«ng Minh Gi¸o Tr×nh: TruyÒn ®éng ®iÖn Tù ®éng Ths. Kh−¬ng C«ng Minh Gi¸o Tr×nh: TruyÒn ®éng ®iÖn Tù ®éng

Trang 55