Đồ án truyền động điện tự động TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
ĐỀ TÀI :

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ
CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC

GVHD : TS. Nguyễn Thị Mi Sa
MÃ MÔN HỌC: PRES316945

TP. Hồ Chí Minh, tháng năm


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
HỒ CHÍ MINH, NGÀY

THÁNG

NĂM 2023

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN


Mục Lục
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3
PHA DÂY QUẤN......................................................................................................................2
1.1. Động cơ không đồng bộ ba pha.............................................................................................3

1.1.1. PHÂN LOẠI........................................................................................................3
1.1.2. CẤU TẠO............................................................................................................3
1.1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC..................................................................................5
1.1.4. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC.........................................................................6
1.2. Các phương trình cơ bản và mạch điện thay thế của động cơ khơng đồng bộ........................6

1.2.1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐIỆN ÁP DÂY QUẤN................................................6
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH ĐIỆN ÁP DÂY QUẤN ROTOR...........................................6
1.2.2.1. KHI ROTOR ĐỨNG YÊN...............................................................................6
1.2.2.2. KHI ROTOR QUAY........................................................................................7
1.3. Mạch điện thay thế của mạch điện không đồng bộ................................................................7
1.4. Giản đồ năng lượng..............................................................................................................8

1.5. Đặc tính cơ............................................................................................................................9
1.6. Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator........................12

1.6.1. ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTOR (ĐỘNG CƠ ROTOR DÂY
QUẤN):....................................................................................................................... 12
1.6.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CẤP ĐIỆN ÁP CẤP CHO STATOR..............................13
1.6.3. ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI TẦN SỐ LƯỚI CẤP CHO ĐỘNG CƠ.......13
1.6.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ ĐƠI CỰC P...............................................................14
Chương 2: Tính tốn và thiết kế cơ cấu dùng động cơ xoay chiều khơng đồng bộ 3 pha
rotor dây quấn.........................................................................................................................15
2.1. Đặc tính tự nhiên................................................................................................................16

2.1.1. XÁC ĐỊNH DỊNG ĐIỆN ĐỊNH MỨC STATOR I1ĐM.....................................16
2.1.3. TÍNH TỐN CÁC THÀNH PHẦN TRỞ KHÁNG NGẮN MẠCH.................16
2.1.4. TÍNH DỊNG ĐIỆN MỞ MÁY IMM...................................................................17
2.1.5. XÁC ĐỊNH BỘI SỐ DÒNG ĐIỆN MỞ MÁY KI.............................................17
2.1.6. TÍNH TỐC ĐỘ TRƯỢT ĐỊNH MỨC SĐM........................................................17


2.1.7. TÍNH TỐC ĐỘ ĐỊNH MỨC CỦA ĐỘNG CƠ NĐM.........................................17
2.1.8. TÍNH TỐN MOMENT ĐỊNH MỨC MĐM......................................................17
2.1.9. KHẢ NĂNG Q TẢI CỦA ĐỘNG CƠ.........................................................18
2.1.10. ĐỘNG CƠ MỞ MÁY CÓ TẢI ĐƯỢC HAY KHƠNG?................................18
2.1.11. VẼ ĐẶC TÍNH CƠ TỰ NHIÊN......................................................................18
2.2. Chọn các giá trị moment trong quá trình mở máy..............................................................20
2.3. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ 3 pha mở máy quá 3 cấp điện trở................20
2.4. Xác định điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị..........................................................21
CHƯƠNG 3: Yêu cầu nâng tải..............................................................................................23
3.1. Động cơ nâng tải với tốc độ bằng 1/2 tốc độ định mức:..................................................24
3.2. Động cơ nâng tải với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức:.......................................................24

CHƯƠNG 4: Yêu cầu hạ tải..................................................................................................26
4.1. Động cơ hạ tải với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức........................................................27
4.2. Động cơ hạ tải với tốc độ bằng 1/2 tốc độ định mức........................................................27
4.3. Động cơ hạ tải với tốc độ bằng tốc độ định mức..............................................................28
4.4. Động cơ hạ tải với tốc độ bằng 2 lần tốc độ định mức.....................................................28
KẾT LUẬN..............................................................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................31


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MƠN HỌC


Tính tốn và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ AC khơng
đồng bộ 3 pha có các số liệu nhóm 8 sau đây:
P đm

cơng suất động cơ

57

(Kw)
U1đm (V)
2p
N1

điện áp định mức
số cực từ
số vòng mỗi pha dây quấn

400

10
67

N2
Kdq1
Kdq2
R1 (Ω))
R2 (Ω))
X1 (Ω))
X2 (Ω))
m1
m2

stator
số vòng mỗi pha dây quấn rotor
hệ số dây quấn stator
hệ số dây quấn rotor
điện trở dây quấn stator
điện trở dây quấn rotor
điện kháng dây quấn stator
điện kháng dây quấn rotor
số pha dây quấn stator
số pha dây quấn rotor

37
0.957
0.957
0.27
0.08
0.37

0.057
3
3


TRÌNH TỰ TÍNH TỐN CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG CƠ
KĐB BA PHA:
Đặc tính cơ tự nhiên
 Xác định dịng điện định mức Stator I1đm
 Tính tốn dịng điện rotor ở chế độ định mức I2đm
 Tính tốn các thành phần trở kháng ngắn mạch
 Tính dịng điện mở máy Imm
 Xác định bội số dòng điện mở máy KI
 Tính tốc độ trượt định mức Sđm
 Tính tốc độ định mức của động cơ nđm
 Khả năng q tải của động cơ

 Tính tốn moment định mức Mđm
 Động cơ mở máy có tải được hay khơng?
 Vẽ đặc tính cơ tự nhiên
1.2.

Chọn giá trị moment lớn nhất và nhỏ nhất trong quá trình mở máy

3.3.

Động cơ hạ tải với tốc độ bằng tốc độ định mức

Chương 1: DTC của DC điện XC KDB 3 pha rotor dây quấn
Chương 2: Tính tốn và thiết kế cơ cấu dùng DC XC KBD 3 pha rotor dq

Chương 3: Yêu cầu năng tải
Chương 4: Yêu cầu hạ tải


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những đầu tàu kinh tế của nước ta đso chính là ngành cơng nghiệp.
Với sự hội nhập và phát triển sâu rộng về kinh tế, khoa học kỹ thuật đã làm cho ngành
công nghiệp nước ta phát triển mạnh mẽ và cũng mở ra khơng ít cơ hội lẫn thách thức.
Một trong những thách thức lớn nhất đó là việc yêu cầu cao về khả năng, tính
linh hoạt hiệu quả cũng với một hiểu suất ổn định của các động cơ điện nhầm phục vụ
trong ngành cơng nghiệp cũng như là các ngành khác có liên quan.
Động cơ điện phù hợp nhất trong việc phục vụ tất cả các ngành nghề liên quan
vừa thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật cũng như là sự linh hoạt trong việc sử dụng đáp
ứng đầy đủ, phù hợp cho mọi loại hình sản xuất cần sử dụng động cơ đó là Đơng Cơ
Điện Xoay Chiều Ba Pha Khơng đồng bộ.
Với những ưu điểm vượt trội hơn các động cơ điện khác như: Hiệu suất cao, độ
tin cậy cao, khởi động tốt, độ tin cậy cao. Thì đó chính là sự lựa chọn phù hợp nhất
cho các ngành nghề cần sử dụng động cơ điện nhầm giảm chi phí sản xuất, vận hành
nâng cao chất lượng sản phẩm…

1


CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA DÂY QUẤN

2


1.1. Động cơ không đồng bộ ba pha

1.1.1. Phân loại
- Theo kết cấu vỏ, chia làm các loại: Kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín,…
- Theo kết câu roto chia làm 2 loại: Roto dây quấn và roto lồng sóc
- Theo số pha: 1pha, 3pha
1.1.2. Cấu tạo
- Phần tĩnh (stator): Vỏ, lõi sắt và dây quấn.
 Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator. Vỏ máy làm bằng nhôm (máy
nhỏ), hay gang hoặc thép đúc (máy lớn). Vỏ máy có chân máy để cố định máy
trên bệ, hai đầu có nắp máy để đở trục rotor hay bảo vệ dây quấn.
 Lõi thép do nhiều lá thép kỹ thuật đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau, chiều
dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong các rãnh để đặt dây quấn.

Hình: Lõi thép của Stator
 Dây quấn stator gồm ba bộ dây, đặt trong các rãnh của lõi thép, giữa lõi thép
và dây quấn có một lớp cách điện. Các pha dây quấn đặt lệch nhau 1200 điện.
- Phần động (rotor): Gồm 2 loại là rotor lồng sóc và rotor dây quấn
3


 Rotor lồng sóc: Dây quấn là những thanh đồng hay nhôm đặt trên các rảnh lõi
thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối tiếp với hai vành đồng hay nhơm, gọi là
vịng ngắn mạch. Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng, gọi là lồng
sóc.

Hình: Rotor lồng sóc
 Rotor dây quấn: Dây quấn làm bằng dây điện từ, đặt trong các rãnh của lõi
thép rotor. Dây quấn rotor gồm ba dây, lệch nhau 1200 điện, đấu hình sao, ba
đầu được nối với ba vành trượt bằng đồng. Ba vành trượt này được cách điện
với nhau và với trục. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện
với điện trở bên ngồi.

Hình: Roto dây quấn

4


1.1.3. Nguyên lý làm việc

Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f1 vào dây quán stator sẽ tạo ra từ trường quay với
tốc độ n1 =

60 f 1
. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng nên
p

sức điện động e2 sẽ sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rotor. Chiều E2 và chiều I2
được xác định theo quy tắc bàn tay.
Dòng điện I2 nằm trong từ trường quay sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ, tạo thành moment tac
dụng lên rotor, làm quay với tốc độ n theo chiều từ trường (dùng quy tắc bàn tay trái xác định
chiều của lực và chiều moment tac dụng lên rotor)

5


1.1.4. Các đại lượng định mức
Pđm(W, kW): Công suất định mức của động cơ
Iđm(A): Dòng điện dây định mức
Uđm(V, kV): Điện áp dây định mức
nđm(vòng/phút): Tốc độ định mức của rotor
ηđm: Hiệu suất định mức của động cơ

cosφđm: Hệ số công suất định mức
fđm: Tần số định mức
1.2. Các phương trình cơ bản và mạch điện thay thế của động cơ khơng đồng bộ
1.2.1. Các phương trình điện áp dây quấn
E1 = 4.44fkdq1W1Фmax
Trong đó:

kdq1: Hệ số dây quấn stator
W1: Hệ số vịng dây quấn stator
Фmax: Từ thơng cực đại

Ta có phương trinh cân bằng điện áp
´ 1 = (−E
´ 1 ¿ + ´I 1 Z´ 1
U
´ 1 = −E
´ 1 + ´I 1 ¿)
U

Trong đó:

Z1 = R1 + jX1: Tổng trở phức của một dây quấn stator
R1: Điện trở dây quấn stator
X1: Điện kháng tản dây quấn stator X1 = 2πfLfL1

1.2.2. Phương trình điện áp dây quấn rotor
1.2.2.1. Khi rotor đứng yên
Sức điện động cảm ứng mỗi pha có biểu thức tương tự như trong stator
E2 = 4.44fkdq2W2Фm
Trong đó:

kdq2: Hệ số dây quấn rotor
W2: Số vịng dây quấn rotor

Vì rotor ngắn mạch nên: U´ 2 = 0
´ 2 = −E
´ 2 + I´ 2 ¿ ) = 0
U
´ 1 = ´I 2 ¿ )
U

Trong đó:

Z2 = R2 + jX2: Tổng trở của một pha dây quấn stator (khi đứng yên)
6


R2: Điện trở dây quấn rotor (khi đứng yên)
X2: Điện kháng tản dây quấn rotor (khi đứng yên)
1.2.2.2. Khi rotor quay
Khi rotor quay với tốc độ n, tức với hệ số trượt s, tử trường stator quay đối với rotor
với vận tốc tương đối sn1 nên tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor và sức điện
động cảm ứng rotor lần lượt là:
F2s = sf
X2s = 2πfL(sf)L2 = sX2
´ 2 s = 4.44 (sf)kdq2W2Фm = s E
´2
E

Phương trình điện áp rotor lúc rotor quay là:

´2= E
´ 2 s = ´I 2 ¿ ) = ´I 2 ¿ ) = I2Z2s
sE

trong đó:

Z2s = R2 + jsX2: Là tổng trở một pha dây quấn rotor (khi rotor quay)

Tỉ số quy đổi sức điện động pha stator và rotor:
Hệ số quy đổi sức điện động: ke =

W 1 × k dq 1
W 2 × k dq 2

1.3. Mạch điện thay thế của mạch điện khơng đồng bộ
Dựa vào các phương trình cơ bản, ta thành lập sơ đồ thay thế hình T cho động cơ
không đồng bộ khi rotor quay giống như máy biến áp. Từ sơ đồ thay thế có thể tính
dịng điện stator, dịng điện rotor, moment, cơng suất cơ…

Mạch điện thay thế hình T

7


1.4. Giản đồ năng lượng

P1: Công suất điện đầu vào
Pđt: Công suất điện từ chuyển qua rotor
Pcơ: Công suất cơ
P2: Cơng suất cơ hữu ích trên trục

Pcu1, Pcu2: Tổn hao đồng trên dây quấn stator, rotor
PFe: Tổn hao sắt từ
Pcơ + Pf: Tổn hao cơ + tổn hao phụ

Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với công suất:
P1 = m1U1I1cosφ1
Với: m1: Số pha
U1: Điện áp pha
φ1: Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp
Một phần nhỏ của cơng suất đó biến thành tổn hao đồng, tổn hao sắt trong dây quấn
stator:
Pcu1 = m1 I 21R1
PFe1 = m1 I 2oRm

8


Phần lớn công suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua rotor
Pđt = P1 – (Pcu1 + PFe1) = m1 I 22
Trong đó:

R2
R
= m2 I 22 2
s
s

s: Hệ trượt của động cơ
I`2: Dòng rotor quy đổi và stator

Do trong rotor có tổn hao điện nẻn có tổn hao đồng trong dây quấn rotor
Pcu2 = m1 I 22R`2
Do đó cơng suất của động cơ
Pcơ = Pđt – Pcu2 = m1 I 22

R2
1−s
- m1 I 22R`2 = m1 I 22R`2
s
s

Công suất đưa ra trục động cơ P2 sẽ nhỏ hơn cơng suất cơ vì máy quay có tính tổn hao
cơ Pcơ (tổn hao do ma sát và quạt gió) và tổn hao phụ Pf

Tổng tổn hao trong động cơ điện
Công suất đưa ra đầu trục: P2 = P1 - ∑ P

Hiệu suất: η% =

P2
× 100%
P1

1.5. Đặc tính cơ
Để thành lập phương trình đặc tính cơ, ta sử dụng sơ đồ thay thế như hình dưới

9


Mạch tương đường một pha

Dựa vào sơ đồ thay thế một pha ở trên ta có
I 1=I 2' + I m
I m ≈ 0 ¿qui đổi về stator có thể bỏ qua dịng từ hóa)
⇒ I 1 (dịng điệnđộng cơ )=I 2'
I 1 ≈ I 2' =

Up
=
√ Rnm2 + X nm2

Vp

√(

2

R '2
R1 +
+ X nm2
s

)

Khi mở máy tốc độ n=0, s=1
I 2 mm,=

Up
' 2
2

√(R +R ) + X
1

2
nm

Phương trình đặc tính cơ:
'
Pd 3
2 R2
M d = = .(I ¿¿ 2¿¿ ' ) . ( 1−s )=
ω ω
s

Ta có: ω=ω s ( 1−s )
⇒ M d=

3 Up 2 ⋅ R'2
2

R'
s . ω s . R1 + 2 + X nm2
s

[( ) ]

10

3 Up 2 ⋅ R'2 ( 1−s )
2

R'
s . ω . R1 + 2 + X nm2
s

[( ) ]

¿¿


Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ba pha
Đường biểu diễn của phương trình đặc tính cơ có dạng đường cong nên toạ độ điểm
cực trị được xác định bằng cách giải phương trình
Độ trượt tới hạn: smax =

d Md
=0 ta được:
ds

± R'2

√R

2
1

2

+ X nm

Thay phương trình smax ⁡(1,2) vào phương trình đặc tính cơ ta được moment tới hạn:
M max =±

Trong đó:

3 Up2
2. ω s . [ R1 ± √ R21 + X 2nm ]

(+): Hoạt động ở chế độ động cơ
(-): Hoạt động ở chế độ máy phát

Trong hai biểu thức trên dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái
máy phát. Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động điện với động cơ không đồng
bộ người ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc
tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ s ≤ sth

11


n

S=0

ns

A
B

smax

C
S =1

0

S >1

Mc1

Mkd Mc2 Mmax Mc3

M

s

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu tải là M c 3 thì động cơ khơng kéo được tải
Nếu tải là M c 1 điểm làm việc ổn định ban đầu A
Nếu tải là M c 2 điểm làm việc ổn định ban đầu A, điểm C là không ổn định (vì khi khởi
động đi qua C).
Phương tình đặc tính cơ có thể biểu diễn theo closs:
M=

2 . M max
s smax
+
s max s

1.6. Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator
Khi nối thêm R f hay X f phụ vào mạch stator: (Đường đặc tính màu đỏ)

Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi (thêm trở kháng phụ R f , X f ), nếu
n s= const, thì mơmen M maxvà smax đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình bên dưới

12


n

S=0

ns

S =1

Mkd

0

S >1

Xf

Rf

smax

Mmax

M

s

1.6.1. Ảnh hưởng điện trở mạch Rotor (Động cơ rotor dây quấn):
Từ phương trình:
M=

M max =

smax =
I 2' =

3 Vp2 ⋅(R'2 + R'f )
2

R' + R'
s . ωs . R 1+ 2 f + X nm2
s

[(

)

]

3 Up 2
2. ω s . [ R 1 ± √ R 21+ X 2nm ]
R '2+ R 'f

√R

2
1

+ X nm2
Up

√(

2

R'2 + R'f
R 1+
+ X nm2
s

)

Đối với động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn người ta thường mắc thêm R f
mạch rotor để hạn chế dòng khỏi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ
Khi đưa R2 f vào mạch rotor thì ω s=const , . M max=const

13

vào


1.6.2. Ảnh hưởng của cấp điện áp cấp cho stator
Từ phương trình:
M max =

smax =

3 Up 2
2. ω s . [ R 1 ± √ R 21+ X 2nm ]
± R'2

√R

2
1

+ X nm2

Khi Vp giảm thì M max giảm, smax = const (khả năng kéo tải của động cơ giảm)
Khi điện áp lưới suy giảm, mômen tới hạn M maxsẽ giảm bình phương lần độ suy giảm
của V.
Trong khi đó tốc độ đồng bộ n s, hệ số trượt tới hạn smax khơng thay đổi, ta có dạng đặc
tính cơ khi Vp thay đổi. Momen max nói lên khả năng quá tải của động cơ
1.6.3. Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ
Khi thay đổi tần số f, tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ sẽ thay đổi.
Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số ( f 1) thay đổi → tốc độ từ trường n0
và tốc độ của động cơ n sẽ thay đổi theo.
1.6.4. Ảnh hưởng của số đơi cực p
Từ phương trình:
n=n0 ( 1−s ) =
M max =

smax =

60 f

( 1−s )
p
3 Up 2

2. ω s . [ R 1 ± √ R 21+ X 2nm ]
± R'2

√R

2
1

+ X eq2

Để thay đổi số đôi cực ở stator, người ta thường thay đổi cách đấu dây.
Khi thay đổi p, ω s=const , tốc độ động cơ sẽ thay đổi cịn smax khơng đổi.
Khi thay đổi p, U, R, X có thể thay đổi do đó tùy vào trường hợp mà sẽ có ảnh hưởng
khác nhau đến M max.

14