Giáo trình Truyền động điện (Nghề Điện công nghiệp Trình độ CĐTC)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC/MƠ ĐUN: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
NGÀNH/ NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng và Trung cấp

(Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 5 tháng 4 năm
2022 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

An Giang, Năm ban hành: 2022


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép dùng
nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu
lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI MỞ ĐẦU
Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyên ngành
điện công nghiệp, tự động hóa, cơ điện,...Nhằm cung cấp cho người học những kiến thức
cơ bản về các phương pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện, tính chọn được động
cơ điện cho các hệ truyền động, phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển
hình như: soft stater, inverter, các bộ biến đổi, cũng như lựa chọn được các bộ biến đổi
phù hợp với yêu cầu hệ truyền động.
Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 6 bài như sau:
- Bài 1: Cơ học truyền động điện.
- Bài 2: Các đặc tính và trạng thái làm việc của động cơ điện.

- Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song
- Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
- Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ.
- Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện.
Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển
nhận thức của người học nghề. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo
trình này, người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác,
đặc biệt là các môn như: máy điện, mạch điện, điện tử công suất, trang bị điện.
Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản làm cơ sở để phát triển nhận thức của người
học. Tuy nhiên trong các bài giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với các cơ cấu sản xuất,
các hệ thống truyền động trong cơng nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn.
Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu và giáo
trình khác nhưng tác giả không khỏi tránh được những thiếu sót và hạn chế. Tác giả chân
thành mong đợi những nhận xét, đánh giá và góp ý để cuốn giáo trình ngày một hồn thiện
hơn.
An Giang, ngày 15 tháng 05 năm 2021
Tác giả biên soạn

Lý Đa Tạo

1


MỤC LỤC
Đề mục
LỜI MỞ ĐẦU
MỤC LỤC
CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Trang

1
2
3

BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
8
BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 16
BÀI 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP HOẶC SONG SONG

29

BÀI 4: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ NỐI TIẾP
BÀI 5: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

40
43

BÀI 6: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

50

2


CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mã mơn học: MH 19
Thời gian thực hiện môn học: 60 giờ (Lý thuyết: 45 giờ, thực hành, thí nghiệm, thảo

luận: 0 giờ, bài tập: 12 giờ, kiểm tra: 3 giờ).
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC
1. Vị trí: Mơn học này học sau các môn học, mô đun: mạch điện, trang bị điện, máy
điện.
2. Tính chất: là mơn học cung cấp kiến thức về hệ thống truyền động điện, đọc hiểu
và xây dựng được các sơ đồ tự động dùng rờ le, contactor,...của hệ thống truyền động điện.
II. MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC
1. Về kiến thức:
- Nhận dạng được tổ hợp các thiết bị điện cơ trong hệ truyền động điện.
- Trình bày được nguyên tắc và biện pháp điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện.
- Tính chọn được động cơ điện cho hệ truyền động không điều chỉnh.
- Phân tích được cấu tạo, nguyên lý của một số thiết bị điển hình như: soft stater,
inverter, các bộ biến đổi.
2. Về kỹ năng:
- Kết nối mạch điều khiển tốc độ của các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều.
- Kết nối mạch điều khiển, vận hành hệ thống truyền động điện.
- Tính tốn các thơng số kỹ thuật trong chọn lựa động cơ điện và bộ điểu khiển
3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Ứng dụng vận hành, sửa chữa hệ thống truyền động điện trong thực tế cơng việc.
III. NỘI DUNG MƠN HỌC
1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian:

TT

Tên chương, mục

Tổng
số

1

2

Bài 1: Cơ học truyển động điện
Bài 2: Các đặc tính cơ và trạng thái làm việc
của động cơ điện
Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một
chiều kích từ độc lập/song song
Kiểm tra định kỳ lần 1
Bài 4: Truyển động điện dùng động cơ một
chiều kích từ nối tiếp
Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không
đồng bộ
Kiểm tra định kỳ lần 2
Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyển
động điện
Kiểm tra định kỳ lần 3

4
8

3
4
5
6

Thời gian (giờ)
Thực
hành, thí
Lý
nghiệm,

thuyết
thảo
luận, bài
tập
4
8

Kiểm
tra

12

8

3

1

8

6

2

12

8

3

1

16

11

4

1
1

1

1
3


Cộng

60

45

12

3

2. Nội dung chi tiết:
Bài 1: Cơ học truyền động điện.
Thời gian: 4 giờ

A. Mục tiêu:
- Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện.
- Tính tốn qui đổi mơ men cản, lực cản, mơ men quán tính về trục động cơ.
- Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện.
- Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện.
B. Nội dung:
I. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện.
II. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính tốn qui đổi các khâu cơ khí của truyền
động điện.
III. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ.
IV. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện.
Bài 2: Các đặc tính cơ và trạng thái làm việc của động cơ điện
Thời gian: 8 giờ
A. Mục tiêu:
- Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ, cơ điện của các động cơ
điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ.
- Lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có của các
động cơ dùng trong truyền động điện.
B. Nội dung:
I. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm.
II. Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm.
III. Đặc tính của động cơ điện đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm.
Bài 3: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ độc lập/song song.
Thời gian: 12 giờ
A. Mục tiêu:
- Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều kích từ độc lập/song song.
- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế.
B. Nội dung:
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.

II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.
III. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng.
IV. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập/song song
Kiểm tra định kỳ lần 1
Thời gian: 1 giờ
Bài 4: Truyền động điện dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
Thời gian: 8 giờ
A. Mục tiêu:
- Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
4


- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế.
B. Nội dung:
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng.
III. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
Bài 5: Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ.
Thời gian: 12 giờ
A. Mục tiêu:
- Dựa vào phương trình đặc tính cơ, xây dựng các phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ.
- Kết nối mạch điều khiển cho ứng dụng thực tế.
B. Nội dung:
I. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator.
II. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor.
III. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực p.
IV. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số.
V. Kết nối ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.

Kiểm tra định kỳ lần 2
Thời gian: 1 giờ
Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện.
Thời gian: 16 giờ
A. Mục tiêu:
- Chọn đúng công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ.
- Chọn gần đúng công suất động cơ cho những truyền động có đIều chỉnh tốc độ.
- Kiểm nghiệm công suất động cơ sau khi đã chọn cho phù hợp với máy sản xuất
theo nguyên lý phát nhiệt của máy điện.
- Kết nối ứng dụng dùng soft starter và các mạch bảo vệ động cơ.
B. Nội dung:
I. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt.
II. Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ.
III. Chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ.
IV. Kiểm nghiệm công suất động cơ.
V. Khởi động và dừng mềm dùng soft starter.
VI. Các mạch bảo vệ (bảo vệ mất pha, bảo vệ đảo thứ tự pha, bảo vệ quá áp, bảo vệ
thấp áp, bảo vệ quá nhiệt).
Kiểm tra định kỳ lần 3
Thời gian: 1 giờ
IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC
1. Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng:
2. Các điều kiện khác:
- PC, máy chiếu,..
3. Trang thiết bị, máy móc:
- Các mơ hình mơ phỏng điều khiển hệ thống truyền động điện
- Các động cơ điện một chiều, xoay chiều.
- Bộ khởi động mềm, biến tần, bộ bảo vệ động cơ,...
4. Học liệu, dụng cụ, nguyên liệu:
- Dụng cụ thực hành điện, dây điện, contactor, rờ le, nút nhấn,...

5


V. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
1. Nội dung:
- Về kiến thức:
+ Các đặc tính của động cơ, các phương pháp điều khiển tốc độ truyền động điện.
+ Các phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện.
+ Chọn được công suất động cơ phù hợp yêu cầu của tải.
+ Các đặc tính kỹ thuật của biến tần, khởi động mềm...
- Về kỹ năng:
+ Lắp đặt và vận hành các mạch khởi động, điều chỉnh tốc độ, mạch hãm động cơ
điện.
+ Tính chọn cơng suất động cơ phù hợp với phụ tải.
+ Nhận dạng các thiết bị điều khiển truyền động.
+ Xử lý các lỗi trong các bộ điều khiển truyền động.
+ Kết nối dây và điều khiển được các loại động cơ khác nhau trong mơ hình thí
nghiệm.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong cơng việc.
2. Phương pháp:
Áp dụng hình thức kiểm tra tự luận. Các nội dụng trọng tâm cần kiểm tra là:
- Xây dựng phương trình đặc tính cơ của các loại động cơ.
- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện.
- Tính chọn cơng suất động cơ phù hợp với phụ tải.
- Kết nối điều khiển được hệ thống trong mơ hình thí nghiệm.
VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MƠN HỌC
1. Phạm vi áp dụng mơn hoc:
- Chương trình mơn học này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng.
2. Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:

- Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để chuẩn
bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy.
- Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để Học viên ghi nhớ kỹ hơn.
- Khi giải bài tập, làm các bài thực hành... Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa
sai tại chỗ cho Học viên.
- Nên sử dụng các mơ hình, học cụ mô phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng các
hệ truyền động điện, các loại thiết bị điều khiển.
3. Những trọng tâm cần chú ý:
- Các đặc tính làm việc, khởi động, hãm của các loại động cơ.
- Các phương pháp điều chỉnh, ổn định tốc độ truyền động điện.
- Cấu tạo, nguyên lý, nhận dạng các thiết bị điều khiển: biến tần, khởi động mềm, bộ
bảo vệ động cơ...
- Sửa chữa một số hư hỏng thường gặp.
4. Tài liệu tham khảo:
- Truyền động điện, Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, NXB
Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2013.
- Cơ sở truyền động điện tự động, Bùi Đình Tiếu - Phạm Duy Nhi,
NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008.
- Cơ sở truyền động điện tự động, Nguyễn Xuân Phú - Nguyễn Công Hiền Nguyễn Bội Khê, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1998.
6


- Trang bị điện – điện tử, Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thị Liên Anh,
NXB Giáo dục, Hà Nội 2011.
- Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển tự động truyền động điện, Trịnh Đình Đề,
NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1996.
- Các sách báo và tạp chí về điện.
5. Ghi chú và giải thích (nếu có).

7

BÀI 1: CƠ HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mục tiêu của bài:
- Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện.
- Tính tốn qui đổi mơ men cản, lực cản, mơ men qn tính về trục động cơ.
- Xây dựng được phương trình chuyển động của hệ truyền động điện.
- Phân biệt được các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện.
I. Phụ tải và phần cơ của truyền động điện
1. Định nghĩa hệ thống truyền động điện
Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết
bị điện tử,… phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu
công tác trên các máy sản xuất.
2. Phụ tải của truyền động điện
Phụ tải hay chính là cơ cấu cơng tác của hệ truyền động điện. Phụ tải của hệ
truyền động điện rất đa dạng. Tính chất của mỗi loại phụ tải khác nhau sẽ tạo nên những
hệ truyền động điện khác nhau.
Đặc trưng cho phụ tải của hệ truyền động điện là sự hình thành mơmen cản tác động
lên trục động cơ. Mỗi cơ cấu công tác khác nhau sẽ tạo ra mơmen cản khác nhau, ví dụ
như: mơmen cản thế năng, mômen cản phản kháng,...
a. Lực cản và mômen cản
Lực cản và mơmen cản bao gồm 4 thành phần chính:
Fc  F1  F2  F3  F4

Trong đó:
F1, M1
F2, M2
F3, M3
chất lỏng tạo ra.
F4, M4

biệt.

và

M c  M1  M 2  M 3  M 4

thành phần hữu ích do công tiêu thụ trên bộ phận làm việc sinh ra.
thành phần ma sát cơ khí.
thành phần ma sát dính do các bộ phận làm việc chuyển động trong
thành phần lực cản và mômen cản sinh ra do các chuyển động đặc

b. Phân loại phụ tải của truyền động điện
+ Mômen cản phụ thuộc vào chiều chuyển động
- Mômen phản kháng: là loại mơmen mà chiều của nó ln chống lại chiều
chuyển động như mômen ma sát trên trục các máy sản xuất. Qui ước chiều âm của
mômen trùng chiều dương của tốc độ.
- Mô men cản thế năng: là loại mômen cản do tải trọng sinh ra trong các máy
8


nâng hạ, tời, cần trục. Loại mơmen cản này có chiều không phụ thuộc vào chiều chuyển
động.
+ Mômen cản phụ thuộc trị số tốc độ
- Mômen cản không phụ thuộc tốc độ.
- Mômen cản tỉ lệ bậc nhất với tốc độ.
- Mômen cản tỉ lệ bậc hai với tốc độ.
- Mômen cản tỉ lệ nghịch với tốc độ.
+ Mômen cản phụ thuộc vào góc quay
+ Mơmen cản phụ thuộc vào hành trình
+ Mơmen cản phụ thuộc vào thời gian

- Phụ tải dài hạn không đổi.
-

Phụ tải dài hạn biến đổi liên tục.
Phụ tải thay đổi đột biến.
Phụ tải ngắn hạn.
Phụ tải ngắn hạn lặp lại.

3. Phần cơ của truyền động điện
Phần cơ của hệ truyền động điện bao gồm các phần tử chuyển động từ rotor động
cơ cho đến các cơ cấu công tác. Mỗi phần tử chuyển động được đặc trưng bởi các đại lượng
sau:
- Lực tác động F (N)
- Mơmen tác động M (N.m)
- Tốc độ góc  (rad/s)
- Tốc độ thẳng v (m/s)
- Mơmen qn tính J (kg.m2)
- Khối lượng m (kg)
II. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính tốn qui đổi các khâu cơ khí của truyền
động điện
1. Các khâu cơ khí của truyền động điện
Các khâu cơ khí của truyền động điện là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ
động cơ đến các bộ phận công tác của máy. Thông thường có biến đổi tốc độ, lực, hoặc
mơmen, nhưng đơi khi có biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động. Có thể chia làm 2
nhóm chính:
- Truyền động bằng ma sát: truyền động bánh ma sát (tiếp xúc trực tiếp), truyền
động đai (tiếp xúc giáp tiếp).
- Truyền động bằng ăn khớp: truyền động bánh răng, truyền động trục vít, bánh vít
(tiếp xúc trực tiếp), truyền động xích (tiếp xúc gián tiếp).
2. Tính tốn qui đổi các khâu cơ khí của truyền động điện

9


a. Đặt vấn đề
Một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều phần tử cơ khí cấu tạo nên, chúng
chuyển động với các tốc độ khác nhau tạo thành một sơ đồ động học phức tạp. Các mômen
và lực tác động lên hệ thống có các điểm đặt khác nhau. Vì vậy muốn tính chọn được
cơng suất của động cơ hay viết các phương trình cân bằng lực,... ta phải quy đổi các
đại lượng này về trục động cơ.
b. Mômen và lực qui đổi
Quan niệm về sự tính tốn qui đổi như việc dời điểm đặt từ trục này vể trục khác
của mơmen hay lực có xét đến tổn thất ma sát trong bộ truyền lực. Thường qui đổi mômen
cản Mc (hay lực cản Fc) của bộ phận làm việc về trục động cơ.
Điều kiện qui đổi: đảm bảo cân bằng cơng suất trong phần cơ hệ truyền động điện.

Hình 1.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ
Số 1 động cơ điện
Số 2 hộp tốc độ
Số 3 tang trống quay
Số 4 tải trọng
+ Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất:
Ptr = Pc +P
Trong đó:
Ptr

cơng suất trên trục động cơ, Ptr = Mcqđ.đ

Mcqđ mômen cản tĩnh qui đổi
đ

tốc độ góc trên trục động cơ

Pc

cơng suất của máy sản xuất, Pc = Mlv.lv

Mlv

mômen cản trên trục làm việc

lv

tốc độ góc trên trục làm việc

10


tổn thất trong các khâu cơ khí

P

* Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:
P M .
Ptr  c  lv lv  M cqđ .đ
i
i
M lv .lv M lv

i .đ
i .i

Rút ra:

M cqđ 

i

hiệu suất hộp tốc độ

i

đ
lv

gọi là tỉ số truyền của hộp tốc độ

* Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực qui đổi:
M cqđ 

Flv
 .

Trong đó:
=t.i

hiệu suất bộ truyền lực

t

hiệu suất của tang trống



đ

gọi là tỉ số qui đổi

vlv

+ Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất đến động cơ:
Ptr = Pc - P
(Tương tự như khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất)
c. Qui đổi mômen quán tính và khối lượng quán tính
Điều kiện qui đổi: bảo tồn động năng tích lũy trong hệ thống
n

W  Wi
1

Chuyển động quay:

W

1
J . 2
2

Chuyển động tịnh tiến:

W

1
m.v 2
2

Ta có:

J qđ

Suy ra:

đ2
2

 Jđ

đ2
2

n

J qđ  J đ  
1

Trong đó:
Jqđ

n

  Ji

1

i2
2

q

 mj
1

v 2j
2

q
mj
Ji


2
2
ii
1 j

mơmen qn tính qui đổi về trục động cơ

đ

tốc độ góc trên trục động cơ

Jđ

Ji

mơmen qn tính của động cơ
mơmen qn tính của bánh răng thứ i

11


mj
i

khối lượng của tải trọng thứ j
đ
i



đ
vj

tỉ số truyền tốc độ từ trục
tỉ số qui đổi vận tốc của tải trọng

III. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ
1. Đặc tính cơ của máy sản xuất
Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mơmen cản của máy
sản xuất:
Mc = f()
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn
dưới dạng biểu thức tổng quát:

M c  M co  ( M đm  M co )(

 
)
đm

Trong đó:
Mc

mơmen ứng với tốc độ 

Mco

mơmen ứng với tốc độ =0

Mđm

mômen ứng với tốc độ định mức đm

Hình 1.2: Đặc tính cơ của một số máy sản xuất
Ta có các trường hợp số mũ  ứng với các tải:
+ Khi  = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy tiện,
doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,… (đường 4). Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc
càng thấp thì mơmen cản (lực cản) càng lớn.
+ Khi  = 0, Mc = Mđm = const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục, thang
máy, băng tải,… (đường 1).
+ Khi  = 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,… (đường 2).
12

+ Khi  = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm, quạt
gió, máy nén,… (đường 3).
Ngồi ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác như: mơmen phụ thuộc vào góc
quay, mơmen phụ thuộc vào số vịng quay và đường đi, mơmen phụ thuộc vào thời gian.
2. Đặc tính cơ của động cơ
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:
M = f()
Thường phân biệt 2 loại đặc tính cơ:
a. Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường,
khơng 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.
b. Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh: là đặc tính cơ nhận được khi
có sự thay đổi một trong các thơng số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết
bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc
tính cơ nhân tạo.
c. Độ cứng đặc tính cơ: đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái
niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính:  

M
M
, nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:  



+ Động cơ khơng 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).
IV. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện

Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có q trình biến đổi năng lượng
điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính q trình biến đổi này quyết định trạng thái
làm việc của hệ truyền động điện. Có thể lập Bảng 1-1:
TT

1

Biểu đồ cơng suất

Pđiện

Pcơ

P

Trạng thái làm việc

0

=0

= Pđ

- Động cơ không tải

13


2

0

>0

= Pđ - P c

- Động cơ có tải

3

=0

<0

=Pc

- Hãm không tải

4

<0

<0

=Pc - Pđ

- Hãm tái sinh

5

>0

>0

=Pc + Pđ

- Hãm ngược

6

=0

=0

= Pc

- Hãm động năng

1. Ở trạng thái động cơ: Ta coi cơng 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. Cơng
suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay.
2. Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một
điều kiện nào đó cơ cấu cơng 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, cơng suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất
về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. Mômen của máy sản
xuất được gọi là mômen phụ tải hay mơmen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và
dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ.

Phương trình cân bằng cơng suất của hệ TĐĐ là:
Pđ = Pc + P
Trong đó:
Pđ

cơng suất điện
14


Pc

công suất cơ

P

tổn thất công suất

Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ khơng tải. Trạng thái động cơ phân
bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (,M).
Trạng thái hãm có: hãm khơng 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 I và góc phần
tư III của mặt phẳng (,M), (hình 1.3).
Trạng thái máy phát: tương ứng với các điểm nằm trong góc phần tư II và góc phần
tư IV của mặt phẳng (,M), (hình 1.3).

Hình 1.3: Trạng thái làm việc của truyền động điện trong góc phần tư đặc tính cơ

15


BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC
CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Mục tiêu của bài:
- Thành lập được phương trình và vẽ được dạng đặc tính cơ điện của các động cơ
điện một chiều (DC), động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ.
- Thành lập phương trình đặc tính cơ, các trạng thái làm việc của các động cơ: một
chiều, không đồng bộ, đồng bộ.
- Thành lập được bảng so sánh các trạng thái làm việc, phạm vi ứng dụng có thể có
của các động cơ dùng trong truyền động điện.
I. Đặc tính của động cơ điện DC, các trạng thái khởi động và hãm
1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và song song
Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch
kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ
kích từ song song (hình 2.1)
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất khơng 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)

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

a. Phương trình đặc tính cơ

Theo sơ đồ hình 2-2 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
Uư = Eư + Iư.(Rư+Rp)

(2-1)

Trong đó:
Uư
Eư

điện áp phần ứng (V)
sức điện động phần ứng (V)

Rư

điện trở của mạch phần ứng (  )
16


Rp
Iư

điện trở phụ trong mạch phần ứng (  )
dòng điện trong mạch phần ứng (A)

rư

Rư = rư + rcf + rb + rct
điện trở cuộn dây phần ứng

rcf

rb

điện trở cuộn cực từ phụ
điện trở cuộn bù

rct

điện trở tiếp xúc của chổi điện

Với:

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

p.N
. .  K . .
2. .a

(2-2)

Trong đó:
p
N

số đơi cực từ chính
số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a

số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng



từ thơng kích từ dưới một cục từ (Wb)



tốc độ góc (rad/s)

n

tốc độ quay (vòng/phút)
K



2 .n
n

60
9,55

pN
: Hệ số cấu tạo của động cơ
2a

Từ (2-1) và (2-2) ta có:


U u Ru  R p

.I u

K .
K .

(2-3)

Biểu thức (2-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định:
Mđt = K  Iư
Suy ra:

Iư =

(2-4)

M dt
K

Thay giá trị Iư vào (2-3) ta được:


U u Ru  Rp

.M dt
K . ( K . ) 2

(2-5)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ Mc bằng

mơmen điện từ: Mđt = Mc = M.


U u Ru  Rp

M
K ( K)2

(2-6)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
17


b. 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:
+ Điểm thứ nhất: Iư = 0,   0 

U dm
Kdm

+ Điểm thứ hai: I = Iđm,  = đm
* Đặc tính cơ tự nhiên:
+ Điểm thứ nhất: M = 0,  = 0
+ Điểm thứ hai: M = Mđm,  = đm

Hình 2.3: 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
c. Trạng thái khởi động
Nếu khởi động động cơ bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dịng khởi động ban
đầu rất lớn: I kđ  U đm R  (10  20) I đm . Như vậy, nó có thể đốt nóng động cơ, hoặc làm cho
u

sự chuyển mạch khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá hủy quá trình cơ học
của máy.
Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: I kđ  I nm  I cp  2,5 I đm
Do đó, người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu
khởi động, và sau đó loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập.
'
I kđ'  I nm


U đm
 ( 2  2,5) I đm  I cp
Ru  R p

d. 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.
18


Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm
ngược và hãm động năng.
+ Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới)
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So

với chế độ động cơ, dịng điện và mơmen cản đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:
U u  Eu K . .0  K . .
Ih 

Ru



Ru

0

M h  K . .I h  0

+ Hãm ngược
Trạng thái hãm ngược của động 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.
- Đảo chiều điện áp phần ứng.

Hình 2.4: Đảo chiều điện áp phần ứng
+ 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 đã tích lũy được trong q trình làm việc trước đó biến thành điện năng
tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
Có hai trường hợp hãm động năng:
- Hãm động năng kích từ độc lập: động cơ đang quay ta cắt phần ứng động cơ khỏi

lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở hãm, cịn mạch kích từ vẫn nối với nguồn
như cũ.

19


Hình 2.5: Hãm động năng kích từ độc lập
- Hãm động năng tự kích từ: động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích
từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm

Hình 2.6: Hãm động năng tự kích từ
2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và hỗn hợp
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 vịng ít, chế tạo
dễ dàng. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích nối tiếp được mơ tả trên hình dưới đây.
Vì dịng kích từ cũng là dịng phần ứng nên từ thơng của động cơ biến đổi theo dịng điện
phần ứng.

Hình 2.7: Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ nối tiếp
a. Phương trình đặc tính cơ
Từ sơ đồ ngun lý ta có:
Uư = Eư + Iư.R = K  +Iư.R
R = Rư + Rkt + Rp

Với:

(2-7)

Trong đó:
Rư

Rkt

điện trở phần ứng động cơ
điện trở cuộn dây kích từ

Rp

điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng
20


Sau khi biến đổi ta nhận được:


Uu
R

Iu
K K 

(2-8)



Uu
R

M
K  ( K ) 2

(2-9)

Ở phương trình trên,  biến đổi phụ thuộc dịng điện trong mạch kích từ theo đặc
tính từ hố (đường 1 hình 2.8)
Để đơn giản khi thành lập phương trình đặc tính cơ, ta giả thiết từ thơng phụ thuộc
tuyến tính với dịng điện kích từ (đường 2 hình 2.8)
  C.I kt  C.I u

(2-10)

Với C là hệ số tỉ lệ
Thế vào (2-8):



Uu
R

K .C.I u K .C

(2-11)

Biểu thức (2-11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.

Hình 2.8: Đặc tính từ hóa
Ta cũng có:

Iu 

M

K .C

(2-12)

Thế vào (2-11):



Uu
R

K .C.M K .C

(2-13)

Biểu thức (2-13) là phương trình đặc tính cơ của động cơ.
b. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên
Do quan hệ  = f(Iư) 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, gọi là các đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
c. Trạng thái khởi động
Tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập, để hạn chế dịng khởi động, người ta
cũng đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó loại
dần đi để đưa tốc độ động cơ lên xác lập.
'
I kđ'  I nm


U đm
 ( 2  2,5) I đm  I cp

Ru  R p

21


d. Các trạng thái hãm
Do đặc điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có tốc độ 0 rất lớn nên
chỉ thực hiện được hãm ngược và hãm động năng chứ khơng có trạng thái hãm tái sinh.
+ Hãm ngược
- Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng.
- Đảo chiều điện áp phần ứng.
+ Hãm động năng
- Hãm động năng kích từ độc lập.
- Hãm động năng tự kích từ.

Hình 2.9: Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập a) và tự kích từ b)
II. Đặc tính của động cơ điện khơng đồng bộ, các trạng thái khởi động và hãm
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 q trình quá độ khó khăn, các động cơ lồng sóc có các chỉ tiêu khởi
động xấu (dịng khởi động lớn, mơmen khởi động nhỏ).
1. Phương trình đặc tính cơ
Để lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha hình 2.10

Hình 2.10: Sơ đồ thay thế một pha động cơ KĐB
Trong đó:

U1ph hay U1f trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)
22


I’2

dòng rotor đã quy đổi về stator (A)

I

dòng điện từ hóa

I1

dịng điện pha dây quấn stator

X

điện kháng mạch từ ()

X1
X’2

điện kháng tản stator
điện kháng tản rotor đã quy đổi về stator

R

điện trở mạch từ ()

R1
R’2

điện trở dây quấn pha stator
điện trở dây quấn rotor đã quy đổi về stator

s là hệ số trượt của động cơ:
   n1  n

s 1
1
n1

(2-14)

Trong đó:
1

tốc độ của từ trường quay ở stator động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ

(rad/s):
1 

2f1
n
60 f1
 1 hay n1 
9,55
p
p



tốc độ góc của rotor động cơ (rad/s)

f1

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

(2-15)

p
số đơi cực của động cơ
Ngồi ra, nếu gọi f2 là tần số của dịng điện rotor thì f2 = s.f1
Từ sơ đồ thay thế:
I1  U1 f [

1
R2  X 2



1
R'
2
( R1  2 ) 2  X nm
s

]

(2-16)

Đặt X nm  X 1  X 2' là điện kháng ngắn mạch. Nó có giá trị lớn nhất khi ngắn mạch
động cơ.
I 2' 

U1 f
R'
2
( R1  2 ) 2  X nm
s

(2-17)

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+ P2
Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mơmen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen
cơ Mcơ:
Mđt= Mcơ= M
23