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

h

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI

GIÁO TRÌNH

TRUYỀN ĐỢNG ĐIỆN

NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỢ: CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo quyết định số 546 ngày 11 tháng 8 năm 2020)

NĂM 2020


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

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.

Nghề : Điện công nghiệp

1

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

LỜI MỞ ĐẦU
Truyền động điện là một trong các môn học cơ sở kỹ thuật của các chuyên
ngành điện cơng nghiệp, tự động hóa, cơ điện… Nhằm cung cấp cho người học
những kiến thức cơ bản về các kỹ năng: làm việc nhóm, quản lý thời gian, thuyết
trình, tiếp cận nhà tuyển dụng...
Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 10 bài như sau:
- Bài 1: Khái quát về hệ truyền động điện.
- Bài 2: Các đặc tính và các trạng thái làm việc của động cơ điện.
- Bài 3: Điều khiển tốc độ truyền động điện.
- Bài 4: Ổn định tốc độ làm việc của hệ truyền động điện.
- Bài 5: Đặc tính động của hệ truyền động điện.
- Bài 6: Chọn công suất động cơ cho hệ truyền động điện.
- Bài 7: Bộ khởi động mềm.
- Bài 8: Bộ biến tần.
- Bài 9: Bộ điều khiển máy điện servo
- Bài 10: Bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
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, điện tử công suất, trang bị điện.
Đối với hệ trung cấp nghề cần nắm vững cả 10 bài của giáo trình. 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 công nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn.

Để thực hiện biên soạn giáo trình này tác giả đã dựa vào các tài liệu tham khảo
chính nêu ở cuối giáo trình. Tác giả cố gắng trình bày các vấn đề một cách đơn
giản, dễ tiếp thu cho người học. Tuy nhiên do trình độ và đặc thù modun có kiến
thức rộng, thời gian hạn chế nên chắc rằng giáo trình cịn nhiều sai sót, rất mong
được sự đóng góp xây dựng của bạn đọc.
Nghề : Điện công nghiệp

2

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Mục lục
Mục lục ....................................................................................................................................... 3
Bài 1: KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ..................................................................... 5
1.1. Khái niệm chung . ............................................................................................................ 5
1.2. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện.......................................................................... 6
1.3. Phân loại hệ truyền động điện .......................................................................................... 7
1.4. Cơ học truyền động điện. ................................................................................................. 7
1.5. Các trạng thái làm việc xác lập của hệ truyền động điện............................................... 14
BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN .... 18
2.1. Động cơ điện một chiều. ................................................................................................ 18
2.2. Động cơ điện không đồng bộ. ........................................................................................ 42
2.3. Động cơ điện đồng bộ. ................................................................................................... 58
BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ....................................................... 64
3.1. Khái niệm về điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện; tốc độ đặt; chỉ tiêu chất lượng của

truyền động điều chỉnh. ........................................................................................................ 64
3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh sơ đồ mạch. ...................................... 66
3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh thông số của động cơ. ...................... 70
3.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi thông số nguồn. ................................... 74
3.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng (cascade). .................. 76
BÀI 4: ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ......................... 80
4.1. Khái niệm về ổn định tốc độ; độ chính xác duy trì tốc độ. ............................................ 80
4.2. Hệ truyền động cơ vịng kín : hồi tiếp âm điện áp, hồi tiếp âm tốc độ. ......................... 80
4.3. Hạn chế dòng điện trong truyền động điện tự động....................................................... 83
BÀI 5: ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .............................................. 87
5.1. Đặc tính động của truyền động điện. ............................................................................. 87
5.2. Quá độ cơ học; quá độ điện - cơ trong hệ truyền động điện. ......................................... 88
5.3. Khởi động hệ truyền động điện, thời gian mở máy. ...................................................... 92
54. Hãm hệ truyền động điện, thời gian hãm; dừng máy chính xác. .................................... 92
BÀI 6: CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ........................ 94
6.1. Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt. ................. 94
6.2. Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ. ............................. 97
6.3. Tính chọn cơng suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ. .......................... 101
6.4. Kiểm nghiệm công suất động cơ.................................................................................. 102
BÀI 7: BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM…………………………………………………………….105
7.1. Khái quát chung về bộ khởi động mềm...........................................................................105
Nghề : Điện công nghiệp

3

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

7.2. Kết nối mạch động lực............................................................................................106
7.3. Khảo sát các chức năng: Khởi động mềm, dừng mềm, giới hạn dòng khởi động...109
7.4. Hãm động năng. ......................................................................................................115
BÀI 8: BỘ BIẾN TẦN………………………………………………………………………117
8.1. Giới thiệu các loại biến tần......................................................................................117
8.2. Các phím chức năng.................................................................................................119
8.3. Các cổng vào/ra và cách kết nối...............................................................................120
8.4. Khảo sát hoạt động của biến tần..............................................................................123
`8.5. Ứng dụng thông dụng trong công nghiệp...............................................................125
BÀI 9: BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN SERVO.....................................................................129
9.1. Giới thiệu bộ điều khiển máy điện Servo. ................................................................129
9.2. Kết nối mạch động lực..............................................................................................130
9.3. Khảo sát chức năng..................................................................................................142
BÀI 10: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU............................................153
10.1. Giới thiệu các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ DC......................................................153
10.2. Cách kết nối mạch động lực. ....................................................................................154
10.3. Thực hiện các bài tập thực hành................................................................................157
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 162

Nghề : Điện công nghiệp

4

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

BÀI 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
A. MỤC TIÊU.
- Trình bày được khái niệm, đặc điểm, ý nghĩa của hệ truyền động điện.
- Giải thích được cấu trúc chung và phân loại hệ truyền động điện.
- Nhận dạng được các khâu cơ khí cơ bản của hệ truyền động điện.
- Tính tốn qui đổi được 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.
- Rèn luyện đức tính chủ động, nghiêm túc trong học tập và cơng việc.
B. NỢI DUNG.
1.1. Khái niệm chung
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 việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ
cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia cơng truyền tín hiệu thơng tin để
điều khiển, q trình biến đổi năng lượng đó theo u một cầu cơng nghệ.

Nghề : Điện cơng nghiệp

5

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

1.2. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

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 Bợ 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 hòa), 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 cơng nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ cơng
Nghề : Điện cơng nghiệp

6

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

nghệ và cho 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.

1.3. Phân loại hệ truyền động điện:
- Truyền động điện khơng 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 u cầu cơng 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…
- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động khơng tự động và hệ truyền
động điện tự động.
- Ngồi ra, cịn có hệ truyền động điện khơng đảo chiều, có đảo chiều, hệ
truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ …
1.4. Cơ học truyền động điện

1.4.1. Các khâu cơ khí của truyền động điện, tính tốn quy đổi các khâu
cơ khí của truyền động điện.
1.4.1.1. Các khâu cơ khí của truyền động điện:
Như trên đã phân tích thì một hệ truyền động điện bao gồm có phần cơ khí.
Nó bao gồm các phần tử chuyển động từ roto động cơ cho đến cơ cấu sản xuất.
Mỗi cơ cấu của truyền động đều có các đại lượng ω, M, v, F, J.
Để dễ dàng cho việc nghiên cứu và tính tốn, người ta thường tính quy đổi tất
cả các đại lượng đó về trục động cơ. Ngun tắc của tính tốn quy đổi là đảm bảo
năng lượng của hệ trước và sau quy đổi là khơng thay đổi.
Hình 1.2 mơ tả cấu trúc cơ học tổng quát của truyền động của cơ cấu nâng hạ
hàng.
Ta sẽ đi tính tốn, quy đổi các đại lượng trên của cơ cấu này như sau:

Nghề : Điện công nghiệp

7

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

4.1.1.2. Tính tốn quy đổi các khâu cơ khí của truyền động điện.
+ Quy đổi momen Mi: momen tác động vào phần tử thứ I làm việc ở tốc độ
ωi về tốc độ ω:
𝑀𝑖.𝑞𝑑 = 𝑀𝑖 .

Trong đó: 𝑖 =

𝜔

𝜔𝑖

1

(1-1)

𝑖.𝜂

: tỷ số truyền tính từ trục động cơ đến trục thứ i.

η: hiệu suất truyền lực từ trục động cơ đến trục thứ i.

Nếu phần tử I có phần tử chuyển động thẳng với tốc độ Vi và có lực tác động
là Fi thì:
𝑀𝑖.𝑞𝑑 = 𝐹𝑖 .

1

𝜌.𝜂

(1-2)

với

𝜌=

𝜔

𝑉𝑖

+ Quy đổi momen quán tính Ji của phần tử thứ I làm việc với vận tốc ωi về
tốc độ ω:
𝐽𝑖.𝑞𝑑 = 𝐽𝑖 .

1

𝑖2

(1-3)

Đối với phần tử chuyển động thẳng với tốc độ Vi, công thức quy đổi từ khối
lượng m về momen qn tính ở tốc độ góc ω như sau:
𝐽𝑖.𝑞𝑑 = 𝑚.

1

𝜌2

(1-4)

Sau khi quy đổi ta được sơ đồ tính tốn đơn khối như trên hình 1.5. Trong đó
: M: momen động cớ; MC = MCT (1/i.η); Jt = Jđ + ∑Ji.qd.
+ Ví dụ 1.1: lập sơ đồ tính tốn đơn khối cho phần cơ của một cầu trục có sơ
đồ động học như hình 1.2.

Nghề : Điện cơng nghiệp

8

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Hình 1.2 Sơ đồ đợng học của cầu trục.
Lấy tốc độ tính tốn là tốc độ động cơ ω, khi đó momen động cơ M được giử
nguyên.
Momen phụ tải do tải trọng G gây ra, tác động lên trống tời sẽ là:

𝑀𝐶𝑇 = 𝐺.

Trong đó:

𝐷𝑡
2

.

1

N.m

𝜂𝑡

G: trọng tải của vật nâng, N;

Dt: đường kính trống tời, m;
ηt: hiệu suất của trống tời.
Quy đổi MCT từ tốc độ ωCT về tốc độ ω, tức thời điểm đặt của MCT từ trục
trống tời về trục động cơ, theo (1-1):
𝑀𝐶 = 𝑀𝐶𝑇

Trong đó: I = ω/ωCT;

1

N.m

𝑖.𝜂

Η: hiệu suất của hộp giảm tốc;
Cũng có thể xác định momen cản MC bằng cách quy đổi lực trọng trường G
của tải trọng từ tốc độ thẳng v về tốc độ ω của động cơ, theo (1-2):

Trong đó:

𝑀𝐶 = 𝐺.

ρ = ω/v;

1

𝜌.𝜂 ′

η’ = η.ηt (tích của hiệu suất hộp giảm tốc và hiệu

suất của trống tồi).
Momen quán tính của động cơ Jđ và của bánh răng 1 (Jb1) khơng phải quy đổi
vì hai phần tử này làm việc với tốc độ ω.
Momen quán tính bánh răng 2 (Jb2) được quy đổi từ tốc độ ωCT về ω theo (13):
𝐽𝑏2.𝑞𝑑 = 𝐽𝑏2 .

1

𝑖2

Kgm2

Tương tự momen quán tính Jt1 của trống tời được quy đổi thành:

𝐽𝑡1.𝑞𝑑 = 𝐽𝑡𝑡 .

1

𝑖2

Kgm2

Momen qn tính quy đổi của tải trọng G có khối lượng là m và vận tốc v:
𝐽𝐺.𝑞𝑑 = 𝑚.

1

𝜌2

Kgm2

Kết quả ta được sơ đồ tính tốn đơn khối hình 1.5 với các loại đại lượng sau:
Nghề : Điện công nghiệp

9

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

M: momen động cơ.

MC: momen cản do tải trọng G hoạc MCT trên trống tời quy đổi.
Jt = Jđ + Jb1 + Jb2.qd + Jt1.qd + JG.qd: momen quán tính tổng của hệ.
+ Ví dụ 1.2: Xác định momen cản và momen quán tính của tải trọng và dây
cáp quy đổi về trục động cơ biết rằng cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học tương tự
như trên hình 1.6, trong đó bộ truyền gồm 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền từng
cặp i1 = i2 = 5, trọng lượng của vật nâng G = 10KN, trọng lượng dây cáp Gc ≃
10%G; tốc độ nâng v = 16,5m/s; Hiệu suất mỗi cặp bánh rắng η 1 = η2 = 0,95; hiệu
suất trống tời ηt = 0,93; đường kính trống tời Dt = 0,6 m.
Giải:
Lấy tốc độ tính tốn là tốc độ động cơ ω, khi đó momen động cơ M được giử
nguyên.
Trọng lượng nâng hạ: Gt = G + Gc = 10 + 1 = 11KN = 11000N
Momen cản do Gt gây ra trên trống tời:
𝐺𝐶𝑇 = 𝐺𝑡 .

𝐷𝑡
2

.

1

𝜂𝑡

= 11000.

0,6
2

.

1

0,93

= 3548 Nm

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc (tính từ trục động cơ đến trục trống tời):

i = i1.i2 = 5.5 = 25
Hiệu suất của hộp giảm tốc:
η = η1.η2 = 0,952 = 0,9
Vậy momen cản tĩnh của tải trọng và dây cáp (Gt) quy đổi về trục động cơ sẽ
là:
𝑀𝐶 = 𝑀𝐶𝑇 .

1

𝑖.𝜂

= 3548.

1

25.0,9

= 157.7 Nm

Khối lượng của tải trọng và dây cáp tính theo kg:
𝑚=

𝐺𝑡

9,81

=

11000
9,81

= 1121 kg

Quan hệ giữa tốc độ quay nt (vg/ph) của trống tời với tốc độ nâng v (m/s) của

tải trọng là: 𝑛𝑡 =
Thay 𝑛𝑡 =

60

2.𝜋

60.𝑣
𝜋.𝐷𝑡

. 𝜔𝑡 ta được

Nghề : Điện công nghiệp

60

2.𝜋

. 𝜔𝑡 =

60

𝜋.𝐷𝑡

10

.𝑣
Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Từ đó ta rút ra tỷ số truyền (tỷ số biến đổi tốc độ từ ωt sang v) của trống tời –
dây cáp:
𝜌𝑡 =

𝜔𝑡
𝑣

=

2

𝐷𝑡

=

2

0,6

= 3,33

1/m

Tỷ số truyền từ trục động cơ đến dây cáp:
𝜌=

𝜔
𝑣

=

𝜔 𝜔𝑡

𝜔𝑡

.

𝑣

= 𝑖. 𝜌𝑡 = 25.3,33 = 83,25 1/m

Vậy momen quán tính và tải trọng của dây cáp quy đổi về trục động cơ sẽ là:

𝐽𝐺.𝑞𝑑 = 𝑚.

1

𝜌2

= 1121.

1

83,252

= 0,16

kgm2.

1.4.2. Đặc tính cơ của máy sản xuất, động cơ.
1.4.2.1. Đặc tính cơ máy sản xuất:
Quan hệ giữa momen cản Mc = f(ω) được gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất,
có các dạng điển hình như hình 1.7 dạng của đặc tính này được đánh giá nhờ số
mũ của q trong phương trình (1-5), hoặc nhờ đại lượng “độ cứng đặc tính cơ” βC.
𝑀𝐶 = 𝑀𝐶𝑂 + 𝑀𝑑𝑚 . (
βc = dMC/dω

𝜔

𝜔𝑑𝑚

𝑞

)

(1-5)

Hình 1.3 Đặc tính cơ máy sản xuất.
q = - 1: Đặc tính cơ (loại momen cản)máy tiện.

Nghề : Điện công nghiệp

11

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

q = 0: Loại cầu trục; q = 1: loại ma sát nhớt; q = 2 loại quạt gió.
- Khi q = - 1: momen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu hình máy
tiện, doa, máy cuốn dây, cuốn giấy…
- Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm việc càng thấp thì momen 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…
- Khi q = 1, momen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát,
máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở…
- Khi q = 2, momen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm,
quạt gió, máy nén…
* Ngồi ra, một số máy sản xuất có đặc tính cơ khác, như:

- Momen phụ thuộc vào góc quay MC = f(φ); hoặc momen phụ thuộc vào
đường đi MC = f(s), các máy cơng tác có pittơng, các máy trục khơng có cáp cân
bằng có đặc tính thuộc loại này.
- Momen phụ thuộc vào số vòng quay và đường đi MC = f(ω,s) như các loại
xe điện.
- Momen phụ thuộc vào thời gian MC = f(t) như máy nghiền đá, nghiền quặng.
1.4.2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện:
Quan hệ giữa momen và tốc độ của động cơ MC = f(ω) gọi là đặc tính cơ động
cơ điện. Hình 1.8 trình bày dạng đặc tính cơ của một số động cơ điện thường gặp.

Nghề : Điện công nghiệp

12

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Hình 1.4 Đặc tính cơ của các đợng cơ điện.
1: đợng cơ điện mợt chiều kích từ đợc lập; 2: đợng cơ điện mợt chiều kích từ
nối tiếp; 3: động cơ không đồng bộ; 4: động cơ đồng bộ
* Thường người ta phân biệt ra làm hai loại đặc tính cơ:
- Đặc tính cơ tự nhiên là đặc tính cơ có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình
thường, khơng sử dụng thiết bị phụ trợ và các thông số nguồn là định mức. Như
vậy mỗi động cơ chỉ có đường đặc tính cơ.
- Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh là đặc tính cơ nhận được khi
thay đổi một thơng số đó của nguồn, hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch hay

sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đường đặc tính cơ nhân
tạo.
* Độ cứng đặc tính cơ:
- Động cơ khơng đồng bộ có độ cứng đặc tính cơ thay β đổi giá trị (β > 0, β <
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 (β ≥ 40).
- Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β ≤ 10).
Nghề : Điện công nghiệp

13

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

1.5. 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.
Bảng 1-1: Trạng thái làm việc của hệ truyền động:
TT Biểu đồ công suất

Pđiện

Pcơ

∆P

Trạng thái làm việc

- Động cơ không tải.

1

Pđiện

=0

= Pđiện

2

Pđiện

>0

= Pđ = Pc

3

=0

<0

= |𝑃𝑐ơ |

4

<0

<0

= |𝑃𝑐 − 𝑃đ | - Hãm tái sinh.

5

>0

>0

= |𝑃𝑐 + 𝑃đ | - Hãm ngược

Nghề : Điện công nghiệp

14

- Động cơ có tải (chế
độ động cơ).

- Hãm khơng tải

Giáo trình: Trùn động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

6

=0

Khoa: Điện - Điện tử

=0

- Hãm động năng

= |𝑃𝑐ơ |

* Ở trạng thái động cơ: Ta coi dịng 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.ω 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 momen 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 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 momen động cơ sinh ra
ngược chiều với tốc độ quay. Momen của máy sản xuất được gọi là momen phụ
tải hay momen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu
momen của động cơ.
+ Phương trình cân bằng cơng suất của hệ TĐĐ TĐ là:
Pđ = Pc + ∆Pđ

(1.6)

Trong đó: Pđ là cơng 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 khơng tải. Trạng thái động
cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng ω(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 ω(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, ω]:
Nghề : Điện công nghiệp

15

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

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, ω] Hình 1.9.
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, ω], Hình 1.9.

Hình 1.5. Các trạng thái làm việc của hệ trùn đợng điện.

CÂU HỎI ƠN TẬP

Câu 1: Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống truyền động điện là gì?
Câu 2: 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?
Câu 3: Thế nào là momen cản thế năng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị theo
tốc độ? Lấy ví dụ một cơ cấu có momen cản thế năng.
Câu 4: : Thế nào là momen cản phản kháng? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị
theo tốc độ? Lấy ví dụ một cơ cấu có momen cản phản kháng.
Câu 5: Định nghĩa đặc tính cơ của máy sản xuất. Phương trình tổng qt của nó
và giải thích các đại lượng trong phương trình?
Nghề : Điện công nghiệp

16

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Câu 6: Hãy vẽ đặc tính cơ của các máy sản xuất sau: máy tiện, cần trục, máy bào,
máy bơm.
Câu 7: 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?

Nghề : Điện công nghiệp

17

Giáo trình: Truyền động điện

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

BÀI 2: CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA
ĐỘNG CƠ ĐIỆN
A. MỤC TIÊU:
- Xây dựng được đặc tính cơ của các động cơ điện một chiều (DC), động cơ
điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ.
- Phân tích được các trạng thái làm việc của các động cơ: một chiều, không
đồng bộ, đồng bộ.
- So sánh đặc tính của các loại động cơ, phạm vi ứng dụng của các động cơ
dùng trong truyền động điện.
- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học.
B. NỘI DUNG:
2.1. Động cơ điện một chiều.
2.1.1. khái niệm chung:
- Đặc tính cơ của động cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và momen cơ ở đầu trục
động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ điện: ω = 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 (ωc, nc) và momen của nó (Mc): nc = f(Mc) (Mc = f(nc) hay
ωc = f(Mc) (Mc = f(ωc).
- Đặc tính cơ điện: Quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch phần ứng
động cơ: ω = f(I) hay n = f(I) hoặc ngược lại.
Đơn vị tính: ω(Rad/s); n(vịng/phút); M, Mc (N.m).
Quy đổi: 𝜔 =

2𝜋𝑛
60

=

𝜋𝑛
30

ℎ𝑎𝑦 𝑛 =

30.𝜔
𝜋

(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
ngun), nhằm đơn giản hóa việc tính tốn, dễ dàng so sánh các đại lượng với

Nghề : Điện công nghiệp

18

Giáo trình: Truyền động điện

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

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 ∗ =

𝑥

𝑥𝑐𝑏

(2-2)

Trong đó: x là trị số của đại lượng đó, xcb là trị số cơ bản của đại lượng đó.
Các đại lượng cơ bản thường được chọn là: Uđm, Iđm, ωđm, Mđm, Фđm, Rcb…

3)

Do đó: 𝑈 ∗ =

𝑈

𝑈𝑑𝑚

; 𝑈∗% =

𝑈

𝑈𝑑𝑚

. 100%; 𝑅∗ =

𝑅

𝑅𝑐𝑏

; 𝜔∗ =

𝜔

𝜔𝑑𝑚

; 𝜔∗ =

𝜔

𝜔 0

(2-

Trong đó:
ωcb = ωđm: Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
ωcb = ω0: Đối với động cơ một chiều kích từ song song hoặc độc lập.
ωcb = ω1 = ωdb: đối với động cơ không đồng bộ (KĐB, động cơ đồng bộ
(ĐCĐB).
𝑅𝑐𝑏 =

𝑈đ𝑚
𝐼đ𝑚

: đối với động cơ điện một chiều.

R2cb = Z2cb: đối với động cơ điện KĐB

Khi roto đấu sao: 𝑅2𝑐𝑏𝑌 =

𝐸2𝑛𝑚

√3.𝐼2𝑑𝑚

(2-4)

Khi roto đấu tam giác: R2cb∆ = 1/2R2cbY

(2-5)

2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
2.1.2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập và kích từ song song:
Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dịng điện kích từ và từ thơng động
cơ khơng phụ thuộc vào dịng điện phần ứng. Khi nguồn điện một chiều có cơng
suất vơ cùng lớn, điện trở trong của nguồn xem như bằng khơng thì điện áp nguồn
sẽ là khơng đổi, khơng phụ thuộc vào dòng điện chạy trong phần ứng của động
cớ. Khi đó động cơ kích từ song song cũng được coi như kích từ độc lập.

Nghề : Điện cơng nghiệp

19

Giáo trình: Truyền động điện

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Hình 2.1 Đơng cơ mợt chiều kích từ song song và kích từ đợc lập.
Khi nguồn điện DC 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 2.1b.
2.1.2.2. Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số:
a. Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ hình 2.1 ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
Uư = EE + Iư.(Rư + Rp)
Trong đó:

(2-6)

Uư: điện áp phần ứng (V).
Eư: suất điện động phần ứng (V).
Rư: điện trở mạch phần ứng (Ω).
Rp: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).
Iư: Dòng điện mạch phần ứng (A).

Với

Rư = rư + rcf + rb + rct
rư: điện trở cuộn dây phần ứng.
rcf: điện trở cượn cực từ phụ.
rb: điện trở cuộn bù.

rct: điện trở tiếp xúc của chổi than.

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

𝑝.𝑁

2.𝜋.𝑎

Trong đó:

. Ф. 𝜔 = 𝐾. Ф. 𝜔

(2-7)

p: số đơi 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.

Nghề : Điện công nghiệp

20

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Ф: từ thơng kích từ dưới một cực từ, Wb.
ω: tốc độ góc, rad/s.
𝑝.𝑁

𝐾=

: hệ số cấu tạo của động cơ.

2𝜋𝑎

Nếu biễu diễn suất điện động theo tốc độ quay n (vg/ph) thì:
Eư = Ke.Ф.n
Và:
Vì vậy:
Do đó:
Hay:
Suy ra:

2.𝜋.𝑛

𝜔=

𝐸ư =

60

𝑝.𝑁

60𝑎

𝐾𝑒 =

𝐾ư =
𝜔=

𝐾

𝐾.Ф

𝑛

(2-9)

9,55

Ф. 𝑛

𝑝.𝑁

60𝑎

9,55

𝑈ư

=

(2-8)

(2-10)

- Hệ số xuất điện động của động cơ.

≈ 0,105𝐾

−

𝑅𝑢 +𝑅𝑓
𝐾Ф

. 𝐼ư

(2-11)

Biểu thức (2-11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác momen điện từ Mđt của động cơ được xác định:
Mđt = K.Ф.Iư
Suy ra:

𝐼ư =

𝑀𝑑𝑡
𝐾.Ф

(2-12)

(2-13)

Thay giá trị Iư ta được: 𝜔 =

𝑈ư

𝐾.Ф

𝑅ư +𝑅𝑓

− (𝐾.Ф)2 . 𝑀đ𝑡

(2-14)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục động cơ M
bằng momen điện từ:

Mđt = Mcơ = M.
𝜔=

𝑈ư

𝐾.Ф

𝑅ư +𝑅𝑓

− (𝐾.Ф)2 𝑀 (2-15)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
* Giả thiết phần ứng được bù đủ, Ф = 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:

Nghề : Điện công nghiệp

21

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Hình 2.2. a. Đặc tính cơ điện của đợng cơ điện mợt chiều kích từ đợc lập.
b. Đặc tính cơ của đợng cơ mợt chiều kích từ đợc lập.
- Ta thấy khi không tải, lý tưởng coi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:
𝜔=

𝑈ư

𝐾Ф

= 𝜔0

(2-16) (ω0: tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ).

- Cịn khi ngắn mạch động cơ, tức động cơ được cấp nguồn phần ứng mà roto
không quay, đây là trạng thái bắt đầu khởi động hoặc mất từ thông động cơ hay
cơ cấu máy sản xuất bị kẹt trục, ω = 0 ta có:

Và

𝐼ư =

𝑈ư

𝑅ư +𝑅𝑓

= 𝐼𝑛𝑚 (2-17)

M = K.Ф.Inm =Mnm

(2-18)

Inm, Mnm là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch.
* Mặt khác phương trình đặc tính có thể được biểu diễn:

Trong đó:

𝑈ư

𝑈ư

𝐾.Ф

𝑅 = 𝑅ư + 𝑅𝑓 , 𝜔0 =

𝐾.Ф

𝜔=

∆𝜔 =

𝐾.Ф
𝑈ư

𝐾.Ф
𝑅

𝐾.Ф

−

𝑅ư +𝑅𝑓

𝐼ư =

𝜔=

−

𝐾.Ф

𝑅ư +𝑅𝑓
𝐾.Ф

𝑀=

𝑅

𝐼ư = (𝐾.Ф)2 𝑀

𝑈ư

𝐾.Ф
𝑈ư

−

𝑅.𝐼

𝐾.Ф

= 𝜔0 − ∆𝜔

𝑅.𝑀

− (𝐾.Ф)2 = 𝜔0 − ∆𝜔

(2-19).
(2-20).

∆ω: độ sụt áp 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 (Ф = Фđm).
Trong đó:

𝜔∗ =

Nghề : Điện cơng nghiệp

𝜔

𝜔0

; 𝐼∗ =

𝐼

𝐼đ𝑚

; 𝑀∗ =
22

𝑀

𝑀đ𝑚

; 𝑅∗ =

𝑅

𝑅𝑐𝑏

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

(𝑅𝑐𝑏 =

𝑈đ𝑚

𝐼đ𝑚

Khoa: Điện - Điện tử

: là điện trở cơ bản)

Ta biết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối:
𝜔∗ = 1 − 𝑅∗ . 𝐼∗

(2-21)

𝜔∗ = 1 − 𝑅∗ . 𝑀∗

(2-22)

b. Ảnh hưởng của các tham số:
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ
là từ thơng động cơ Ф; điện áp phần ứng Uư; điện trở phần ứng Rư.
* Ảnh hưởng của điện trở phần ứng và họ đặc tính biến trở:
Giả thiết:

Uư = Udm = const
Ф = Фđm = const.

Trong thực tế vận hành, người ta có thể nối thêm điện trở phụ R f vào mạch
phần ứng vì những mục đích khác nhau, ví dụ để giảm dòng điện phần ứng, để
điều chỉnh tốc độ, mơ men động cơ... Khi đó nhận thấy:
𝜔0 =

𝑈đ𝑚

𝐾Фđ𝑚

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2-23)

Độ cứng của đặc tính cơ thay đổi giá trị: 𝛽 =

∆𝑀
∆𝜔

=−

(𝐾Фđ𝑚 )2
𝑅ư +𝑅𝑓

= 𝑣𝑎𝑟 (2-24)

Khi Rf càng lớn, trị số β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. ứng với R f =
0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:

𝛽𝑇𝑁 = −

(𝐾.Фđ𝑚 )2
𝑅ư

(2-25)

βTN 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 M c nào đó, nếu điện trở phụ càng lớn thì
tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dịng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch
cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dịng
điện và điều chỉnh tốc đợ đợng cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

Nghề : Điện công nghiệp

23

Giáo trình: Truyền động điện


Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi

Khoa: Điện - Điện tử

Hình 2. 3 Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ,
* Ảnh hưởng của điện áp phần ứng và họ đặc tính giảm áp:
Giả thiết:

Ф = Фđm = const, Rư = const.

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm điện áp so với Uđm ta có:
Tốc độ khơng tải thay đổi:
Độ cứng đặc tính cơ:

𝜔0𝑥 =

𝛽=−

𝐾.Фđ𝑚

(𝐾.Ф)2
𝑅ư

𝑈𝑥

= 𝑣𝑎𝑟

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

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 2.4 Đặc tính cơ khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ.
Nghề : Điện công nghiệp

24

Giáo trình: Truyền động điện