động cơ và cơ sở truyền động điện

Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
MỤC LỤC
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 1
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
I.1 Cấu trúc chung và phân loại
I.1.1 Cấu trúc chung
Hệ truyền động điện là một tập hợp gồm nhiều thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị
điện tử, phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện – cơ cũng như gia công truyền
tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó.
Cấu trúc chung của hệ truyền động điện gồm 2 phần chính:
Phần lực: phần lực là bộ phận biến đổi và động cơ truyền động. Các bộ biến đổi
thường dùng là bộ biến đổi máy điện, bộ biến đổi từ, bộ biến đổi điện tử. Động cơ
điện có các loại: động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, động cơ đồng bộ và động cơ
không đồng bộ, các loại động cơ đặc biệt khác…
Phần điều khiển: bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh truyền động
và công nghệ. Ngoài ra còn các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và
cho người vận hành. Ngoài ra, còn có một số hệ truyền động điện có cả mạch ghép
nối với các thiết bị tự động khác trong một dây truyền sản xuất.
VÒ cÊu tróc, mét hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn (T§§) nãi chung bao gåm c¸c kh©u:
1. BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều
hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại),
biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số
Các bộ biến đổi thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ), các
chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần
2. Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành
điện năng (khi hãm điện).
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 2
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha rôto
dây quấn hay lồng sóc; động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ

bằng nam châm vĩnh cữu; động cơ xoay chiều đồng bộ
3. TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất
hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù
hợp về tốc độ, mômen, lực.
Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các
bộ ly hợp cơ hoặc điện từ
4. CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và
công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển ).
5. ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động
cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực.
Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công
nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay
không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn). Một số hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ)
khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các
bộ vi xử lý, PLC
Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là
các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang
I.1.2 Phân loại
Tuy nhiên trong thực tế, không phải hệ truyền động nào cũng có đầy đủ cấu trúc
như đã trình bày trên. Cho nên có thể phân loại hệ truyền động điện như sau:
a) Theo đặc điểm của động cơ điện:
- Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều. Truyền động điện
một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, nó có
chất lượng điều chỉnh tốt.
Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó
đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu
cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ không đồng bộ (KĐB) để thay thế.
- Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng
bộ. Động cơ không đồng bộ ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 3

Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên,
trước đây các hệ truyền động động cơ không đồng bộ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ có khó khăn hơn động cơ điện một chiều.
Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết
bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển
mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần
số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền
động một chiều.
- Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha.
Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều
chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió,
bơm nước, máy nghiền.v.v ).
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được
nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W
(cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy)
đến hàng MW (cho các truyền động máy cán, kéo tàu tốc độ cao )
b) Theo tính năng điều chỉnh:
- Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc độ
nhất định.
- Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có
truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động
điều chỉnh vị trí.
c) Theo thiết bị biến đổi:
- Hệ máy phát - động cơ (F-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từ một máy
phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện).
Thuộc hệ này có hệ máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ), đó là hệ có BBĐ
là máy điện khuếch đại từ trường ngang.
- Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL - Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ
chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (Điôt) hay có điều khiển

(Thyristor)
d) Một số cách phân loại khác:
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 4
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số cách phân loại khác như truyền động
đảo chiều và không đảo chiều, truyền động đơn (nếu dùng một động cơ) và truyền
động nhiều động cơ (nếu dùng nhiều động cơ để phối hợp truyền động cho một cơ cấu
công tác), truyền động quay và truyền động thẳng,
I.2 Khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:
ω = f(M).
Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo.
Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau.
Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số
như điện áp, dòng điện của động cơ là định mức theo thông số đã được thiết kế chế
tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng Như vậy mỗi
động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên.
Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số
điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng
hoặc có sự thay đổi mạch nối. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo.
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ
điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ:
ω = f(I) hay n = f(I).
Trong hệ truyền động điện bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ.
Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện. Người
ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện P
điện
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
P

cơ
= M.ω cấp cho máy sản xuất (sau khi đã có tổn thất ΔP).
Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của động
cơ gồm: Trạng thái động cơ và trạng thái hãm.
Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính
cơ β và được tính:
β=
ΔM
Δω
Nếu |β| bé thì đặc tính cơ là mềm (|β | < 10).
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 5
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Nếu |β| lớn thì đặc tính cơ là cứng (|β | = 10 ÷ 100).
Khi | β | = ∞ thì đặc tính cơ là nằm ngang và tuyệt đối cứng.
Đặc tính cơ có độ cứng β càng lớn thì tốc độ càng ít bị thay đổi khi mômen thay đổi.
Ở hình vẽ dưới, đường đặc tính cơ 1 cứng hơn đường đặc tính cơ 2 nên với cùng một
biến động ΔM thì đặc tính cơ 1 có độ thay đổi tốc độ Δω1 nhỏ hơn độ thay đổi tốc độ
Δω2 cho bởi đặc tính cơ 2.
I.3 Đặc tính cơ của máy sản xuất
Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay:
ω = f(M) hoặc n = F(M)
Trong đó: ω - Tốc độ góc (rad/s).
n - Tốc độ quay (vg/ph).
M - Mômen (N.m).
Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy
sản xuất: M
c
= f(ω).
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biếu diễn
dưới dạng biểu thức tổng quát:

M
c
=M
co
+(M
đm
−M
co
)(
ω
ω
đm
)
q
Trong đó:
M
c
là mômen ứng với tốc độ ω
M
co
là mômen ứng với tốc độ ω = 0.
M
đm
là mômen ứng với tốc độ định mức ω
đm

Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 6
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
a. Các dạng đặc tính cơ của máy sản xuất:
1: Đặc tính cơ ứng với q = -1.

2: Đặc tính cơ ứng với q = 0.
3: Đặc tính cơ ứng với q = 1.
4: Đặc tính cơ ứng với q = 2.
b. Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng.
c. Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng.
Dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất
q = -1: mômen tỉ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu dịch chuyển, cơ cấu ly tâm, cơ cấu
dịch chuyển, máy cuộn…
q = 1: mômen tỉ lệ thuận với tốc độ, thực tế ít gặp. Ví dụ máy phát một chiều tải
thuần trở.
q = 2: mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ là đặc tính của các máy bơm, quạt gió.
I.4 Các trạng thái làm việc của hệ truyền động điện
Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng
điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng
thái làm việc của hệ truyền động điện. Có thể lập bảng sau:
Thứ tự Biểu đồ công suất P
điện
P
cơ
ΔP Trạng thái làm việc
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 7
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
1
0 = 0 = P
điện
Động cơ không tải
2
0 0 = P
đ
– P

c
Động cơ có tải
3
= 0 < 0 = | P
cơ
| Hãm không tải
4
< 0 < 0 = | P
c
– P
đ
| Hãm tái sinh
5
>0 < 0 = | P
c
+ P
đ
| Hãm ngược
6
= 0 < 0 = | P
cơ
| Hãm động năng
Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện P
điện
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: P
cơ
= M.ω cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của
máy. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều

với tốc độ quay.
Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều
kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc
thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ
tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 8
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công 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 mômen cản. Nó cũng
được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ.
Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ là:
P
đ
= P
c
+ ΔP
Trong đó: P
đ
là công suất điện; P
c
là công suất cơ; ΔP là tổn thất công suất.
- Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải.
Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư thứ I, III của mặt phẳng ω(M).
- Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng.
Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng ω(M).
- Hãm tái sinh: P
điện
< 0, P
cơ

< 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới.
- Hãm ngược: P
điện
> 0 , P
cơ
< 0, điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất ΔP.
- Hãm động năng: P
điện
= 0, P= < 0, cơ năng biến thành công suất tổn thất ΔP
I.5 Tính đổi các đại lượng cơ học
I.5.1 Mômen và lực quy đổi
Quan niệm về sự tính đổi như việc dời điểm đặt từ trục này về trục khác của mômen
hay lực có xét đến tổn thất ma sát ở trong bộ truyền lực. Thường quy đổi mômen cản
M
c
, (hay lực cản F
c
) của bộ phận làm việc về trục động cơ.
+ Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất trong phần cơ của hệ TĐĐ:
- Khi năng lượng truyền từ động cơ đến máy sản xuất:
P
tr
= P
c
+ ΔP
Trong đó: P
tr
là công suất trên trục động cơ, P
tr
= M

cqđ
.ω, (M
cqđ
và ω - mômen cản
tĩnh quy đổi và tốc độ góc trên trục động cơ).
P
c
là công suất của máy sản xuất, P
c
= M
lv
.ω
lv
,
(M
lv
và ω
lv
- mômen cản và tốc độ góc trên trục làm việc).
ΔP là tổn thất trong các khâu cơ khí.
Nếu tính theo hiệu suất hộp tốc độ đối với chuyển động quay:
P
tr
=
P
c
η
i
=
M

lv
. ω
lv
η
i
=M
cqđ
. ω
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 9
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Rút ra:
M
cqđ
=
M
lv
. ω
lv
η
i
. ω
=
M
lv
η
i
. i
Trong đó:
η
i

là hiệu suất của hộp tốc độ
i=
ω
ω
lv
là tỷ số truyền của hộp tốc độ.
Nếu chuyển động tịnh tiến thì lực quy đổi:
M
cqđ
=
F
lv
η.ρ
Trong đó: η = η
i
.η
t
là hiệu suất bộ truyền lực
η
t
là hiệu suất của tang trống.
ρ=
ω
v
lv
là tỉ số quy đổi
Khi năng lượng truyền từ máy sản xuất tới động cơ :
P
tr
= P

c
– ΔP
I.5.2 Quy đổi môment quán tính và khối lượng quán tính
Điều kiện quy đổi: bảo toàn động năng tích luỹ trong hệ thống:
W =
∑
1
n
W
i
Chuyển động quay :
W =J.
ω
2
2
Chuyển động tịnh tiến :
W =m.
v
2
2
Nếu sử dụng sơ đồ tính toán phần cơ dạng đơn khối, và áp dụng các điều kiện trên
ta có:
Trong đó: J
qđ
- mômen quán tính quy đổi về trục động cơ.
ω
Đ
- tốc độ góc trên trục động cơ.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 10
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”

J
Đ
- mômen quán tính của động cơ.
J
i
- mômen quán tính của bánh răng thứ i.
m
j
- khối lượng quán tính của tải trọng thứ j.
i
i
= ω/ω
i
- tỉ số truyền tốc độ từ trục thứ i.

ρ
= ω /v
j
- tỉ số quy đổi vận tốc của tải trọng.
I.6 Điều kiện ổn định của hệ truyền động điện
Ta có phương trình momen động học của hệ truyền động điện là
M
đg
=M −M
c
=J.
dω
dt
Khi M
đg

= 0 thì M = M
C
do đó dω/dt = 0. Hệ làm việc xác lập hay hệ làm việc ổn
định. Điểm làm việc xác lập là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện ω(M) với
đặc tính cơ của máy sản suất ω(M
c
). Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của
hai đặc tính cơ trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn
định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải.
Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học:
J.
d
dt
=
[
(
∂ M
∂ ω
)
x
−
(
∂ M
c
∂ ω
)
x
]
.
(

ω−ω
x
)
Người ta đã xác định được điều kiện xác lập ổn định là
(
∂ M
∂ ω
)
x
−
(
∂ M
c
∂ ω
)
x
<0
Hay β – β
c
< 0
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 11
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
CHƯƠNG II. ĐỘNG CƠ ĐIỆN
II.1 Khái niệm và cấu tạo chung
Động cơ điện là thiết bị biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Ngày
nay, động cơ điện có mặt ở hầu hết mọi nơi và được sử dụng rộng rãi. Như máy hút
bụi, máy giặt, quạt điện, máy bơm nước….
Xét về cấu tạo chung, động cơ điện bao gồm hai thành phần chính:
Phần đứng yên gọi là stator có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc là các cuộn dây
Phần chuyển động hay gọi là rotor có thể là lõi sắt từ, các cuộn dây hoặc nam châm

vĩnh cửu
Tùy theo các loại động cơ khác nhau mà có thêm các bộ phận khác nhau như vành
khuyên, chổi góp…
Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại
các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của
rotor quanh trục hay 1 mômen.
II.2 Nguyên lý hoạt động chung của động cơ điện
Phần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ. Nguyên lý cơ bản đó
là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ
trường. Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả
với từ trường.
Như vậy, ta có sơ đồ chuyển đổi từ năng lượng điện thành cơ năng như sau:
Năng lượng điện -> Từ trường -> Cơ năng.
Công thức liên hệ giữa mật độ từ thông
⃗
B
và từ trường
⃗
H
như sau:
H =
B
μ
0
Với
μ
0
là hằng số độ từ thẩm
Để tìm lực từ tác dụng lên các hạt mang điện chuyển động, ta áp dụng
định luật Lorentz: “khi một vật dẫn mang dòng điện đặt trong

từ trường thì nó sẽ chịu tác động của một lực cảm ứng,
lực này tính theo công thức”:
⃗
F =
⃗
i .
⃗
B
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 12
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Trong đó:
⃗
F
là véc tơ lực lorentz
⃗
i
là vector dòng điện chạy trong vật dẫn
⃗
B
là vector mật độ từ thông
Độ lớn tính theo công thức : F = I.B.l với l là chiều dài vật có dòng điện chạy qua.
Khi các hạt mang điện chuyển động trong từ trường thì sẽ sinh ra một sức điện động
ở hai đầu vật dẫn được xác định theo định luật Faraday. Định luật Faraday cho biết
mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện
trường cảm ứng dọc theo vùng đó :
E=
−dΦ
dt
Với
dΦ

dt
là độ biến thiên từ thông.
Ta xét một dây dẫn mang dòng điện dài vô hạn và thẳng. Khi đó quanh nó sẽ tồn tại
một từ trường, và để tính từ trường tại khoảng cách r cho trước, ta dùng công thức định
luật Boit – Savart :
dB=
μ
0
4π
μ.
I.dl.sinθ
r
2
Với
θ
là góc giữa vector d
⃗
l
và
⃗
r
Phương dB vuông góc với vector d
⃗
l
và
⃗
r
, chiều tuân theo quy tắc vặn nút
chai ‘‘quay sao cho nút chai tiến theo chiều dòng điện, khi đó chiều quay của nút chai
sẽ chỉ chiều của vector cảm ứng từ’’.

Trong quá trình động cơ điện hoạt động, nhiệt do động cơ sinh ra sẽ gây tổn hao tới
động cơ và làm ảnh hưởng tới các bộ phận, thiết bị trong đó. Người ta chia ra làm 2
loại tổn hao :
Tổn hao đồng, gây ra do điện trở của cuộn dây, làm phát nhiệt trên chính cuộn dây.
- Tổn hao từ hóa, gây ra do từ thông tản không móc vòng qua phần ứng, làm phát
nhiệt.
Phát nhiệt còn phụ thuôc vào chế độ làm việc của động cơ:
- Chế độ định mức liên tục, nhiệt độ tăng đến giá trị xác lập (nhiệt độ làm việc).
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 13
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Chế độ làm việc định mức ngắn hạn, nhiệt độ thăng giáng ít
- Chế độ làm việc gián đoạn lắp lại, nhiệt độ dao động trong phạm vi thấp hơn
nhiệt độ làm việc.
II.3 Động cơ điện một chiều.
II.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Stator, phần tĩnh, là các cực lồi ghép từ lá thép kỹ thuật điện, và các cuộn dây quấn
xung quanh.
Rotor, phần ứng, là các cuộn dây đặt giữa các rãnh.
Nguyên tắc hoạt động :
Pha 1: Từ trường của rotor
cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau
tạo ra chuyển động quay của
rotor
Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ
đổi cực sao cho từ trường giữa
stator và rotor cùng dấu, trở lại
pha 1
Từ trường tạo ra có dạng đập mạch, hiệu suất hoạt động thấp.
Có 3 phương pháp nâng cao hiệu suất hoạt động:
- Tăng số cuộn dây;

- Tăng số đôi cực;
- Tăng số vòng dây.
II.3.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
a. Phương trình đặc tính cơ
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố
trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Φ, phần ứng là phần quay nối
tiếp với điện áp lưới qua vành góp và chổi than. Tác động giữa từ thông Φ và dòng
điện phần ứng I
ư
tạo nên mô men quay của động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 14
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
phần ứng cắt qua từ thông Φ tạo nên sức điện động E
ư.
Sơ đồ nguyên lý của động cơ
điện kích từ độc lập được trình bày trên hình sau:
Theo sơ đồ nguyên lý trên hình ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp
của mạch phần ứng (rôto) như sau:
U
ư
= E
ư
+ (R
ư
+ R
p
).I
ư
Trong đó:
- U

ư
là điện áp phần ứng động cơ, (V)
- E
ư
là sức điện động phần ứng động cơ (V).
- R
ư
là điện trở cuộn dây phần ứng
- R
p
là điện trở phụ mạch phần ứng.
- I
ư
là dòng điện phần ứng động cơ.
R
ư
= r
ư
+ r
ct
+ r
cb
+ r
cp
r
ư
Điện trở cuộn dây phần ứng.
r
ct
- Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp.

r
cb
- Điện trở cuộn bù.
r
cp
- Điện trở cuộn phụ.
Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:
E
ư
= KΦω
K= pN/(2πa) là hệ số kết cấu của động cơ.
Φ - Từ thông qua mỗi cực từ.
p - Số đôi cực từ chính.
N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Hoặc ta có thể viết:
E
ư
= K
e
Φn
Với ω=2πn/(60)=n/9.55
Vậy: K
e
= K/ 9,55 = 0,105K
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 15
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rôto quay dưới
tác dụng của mômen quay:
M = K.Φ.I

ư

Từ hệ 2 phương trình trên ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơ điện biểu
thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:
ω=
U
ư
K ∅
−
R
ư
+R
p
K ∅
. I
ư
Ta được phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện
một chiều kích từ độc lập như sau:
ω=
U
ư
K ∅
−
R
ư
+R
p
(K ∅)
2
. M

Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:
ω = ω
0
- Δω
Trong đó
0=¿
U
ư
K ∅
ω
¿
gọi là tốc độ không tải lý tưởng
∆ ω=
R
ư
+ R
p
(K ∅)
2
. M
gọi là độ sụt tốc độ
Phương trình đặc tính cơ có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểu diễn
trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính cơ cắt trục
tung 0ω tại điểm có tung độ
ω
0
=
U
ư
K ∅

. Tốc độ ω
0
được gọi là tốc độ không tải lý
tưởng khi không có lực cản nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể
đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp M
C
= 0.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 16
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập
b. Ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ.
Từ phương trình trên ta thấy có 3 yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính cơ đó là: từ thông
Φ, điện áp phần ứng U
ư
và điện trở phần mạch ứng động cơ.
+ Ảnh hưởng của điện áp phần ứng
Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi
về phía giảm.
U
ư
biến đổi; R
p
= const; Φ = const
Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ
cứng) đặc tính cơ không thay đổi:
−R
ư

+ R
p
(
K ∅
)
2
. M =const
Tốc độ không tải lý tưởng ω
0
thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:
ω
0
=
U
ư
K ∅
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính cơ song
song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên.
+ Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng
Giả thiết U
ư
= U
đm
và Φ = Φ
đm
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng, ta nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần
ứng.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 17

Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
ω=
U
đm
K Φ
đm
=const
Độ cứng đặc tính cơ:
β=
dM
dω
=
−(K Φ
đm
)
2
R
ư
+R
f

Tức là khi tăng điện trở phụ thì độ cứng đặc tính cơ suy giảm
+ Ảnh hưởng của từ thông
U
ư
= const ; R
ưf
= const; Φ = var
Để thay đổi từ thông Φ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở R
kt

mắc ở
mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ R
kt
nên từ
thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức.
Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi.
c. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song)
Các phương pháp thường dùng là:
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng
d. Các hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện một chiều
 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ)
 Hệ F - Đ đơn giản
 Hệ F - Đ có phản hồi âm áp, dương dòng.
 Hệ F - Đ có phản hồi âm tốc độ
II.3.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
a. Đặc tính cơ
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 18
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây
phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình dưới.
Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng I
kt
= I
ư
nên cuộn
dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải:

Φ = K’.I
ư
Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ. Phương trình trên
chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện I
ư
< (0,8÷0,9)I
đm
. Tiếp tục
tăng I
ư
thì tốc độ tăng từ thông Φ chậm hơn tốc độ tăng I
ư
rồi sau đó khi tải lớn (I
ư
>
I
đm
) thì có thể coi Φ = const vì mạch từ đã bị bão hòa.
Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp
Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung:
U
ư
= E
ư
+ (R
ư
+ R
ưf
).I

ư
E
ư
= K.Φ.ω
M = K.Φ.I
ư
= K.K’.I
2
u
Ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp:
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 19
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
ω=
U
√
K.K ' .
√
M
−
R
ư Σ
K.K '
Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đường
hyperbol.
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở vùng tải
định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn
khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo
hòa (f = const).

Khi M
C
= 0 (I
ư
= 0), theo phương trình đặc tính cơ (2.13) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn.
Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi I
kt
= 0 vẫn còn có từ dư nên
khi không tải M
C
≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:
ω
0
=
U
K. ∅
dư
Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư Φ
dư
nhỏ nên ω
0
cũng lớn hơn
nhiều so với trị số dịnh mức (5÷6)ω
đm
và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ truyền
động điện. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ
không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều kích từ nối
tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông thường, tải tối thiểu của động cơ
là khoảng (10÷20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt)
mới có thể cho phép chạy không tải.

b. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng điện
kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 20
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cho
thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng và cũng là
mạch kích từ).
Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ R
ưf
= 0. Các đặc tính cơ nhân tạo
ứng với R
ưf
≠ 0. Đặc tính càng thấp khi R
ưf
càng lớn.
Trị số M
mm
suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0
M
mm
= K. K
'
.
(
U
R
ư
)
2

c. Nhận xét
Về cấu tạo, động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên
tiết diện to và số vòng dây ít. Nhờ đó nó dễ chế tạo và ít hư hỏng hơn so với động cơ
một chiều kích từ độc lập.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Khi có cùng
một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ một chiều kích từ nối
tiếp lớn hơn mômen của động cơ một chiều kích từ độc lập (ĐMđl).
Thực vậy, lấy ví dụ khi cho quá tải dòng I
qt
= 1,5I
đm
thì mômen quá tải của ĐMđl
là : M
qt
= KΦ
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 khi đó, mômen của ĐMnt tỷ lệ với bình phương dòng
điện, nên M'
qt
=K.C.I
2

= K.C.(1,5I
đm
)
2
= 1,5
2
.M
đm
= 2,25 M
đm
, nghĩa là hệ số quá tải
mômen bằng bình phương lần của hệ số quá tải dòng điện: K'
qtM
= K
2
qtI
.
Mômen của ĐMnt Không phụ thuộc vào sụt áp trên đường 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 đường dây hay ở cuối đường dây.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 21
Ảnh hưởng của điện

trở mạch phần ứng tới
đặc tính cơ động cơ điện
một chiều kích từ nối
tiếp.
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
II.4 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
Khi cho dòng điện 3 pha vào 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120

0
trong không gian thì từ
trường tổng do 3 cuộn dây tạo ra là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này
có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm
xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng
điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác
dụng vào chính dòng cảm ứng này một từ lực có chiều xác định theo quy tắc bàn tay
trái và tạo ra một mômen làm quay lồng trụ và các thanh dẫn theo chiều quay của từ
trường quay. Để mômen đều hơn, các thanh dẫn thường được đặt hơi chéo.
Cấu tạo: Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ không đồng bộ ba pha
gồm có các bộ phận chính sau :
+ phần tỉnh hay còn gọi là stato gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn.
+ phần quay hay còn gọi là roto
II.4.1 Phương trình đặc tính cơ
Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3
pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hoà thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ
thay thế 1 pha. đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rôto
đã quy đổi về stator.
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 22
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Qua một quá trình biến đổi, ta có phương trình đặc tính cơ khi tính toán trên sơ đồ
thay thế ở trên:
M =
3.U
1ph
2
R
2
'

s.ω
0
[
(
R
1
+
R
2
'
s
)
+ X
nm
2
]
Trong đó
X
nm
= X
1
+ X
2
'
là điện kháng ngắn mạch
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:
dM
ds
=0
Ta nhận thấy, đường đặc tính cơ của động cơ không đồng

bộ là một đường cong phức tạp và có 2 đoạn AK và KB, phân
giới bởi điểm tới hạn K.
Đoạn đặc tính AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn
này, mômen động cơ tăng thì tốc
độ động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc
trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định. Đoạn KB cong với độ dốc dương. Trên đoạn này,
động cơ làm việc không ổn định.
II.4.2 Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
Phương trình đặc tính cơ cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3
pha KĐB chịu ảnh hưởng của nhiều thông số điện: Điện áp lưới U
1ph
, điện trở mạch
rotor R
2
', điện trở R
1
và điện kháng X
1
ở mạch stator, tần số lưới f
1
, số đôi cực p của
động cơ.
Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 23
Đồ thị đường đặc tính cơ động

cơ không đồng bộ 3 pha
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
- Tốc độ đồng bộ:
ω

0
=
2π f
1
p
- Độ trượt giới hạn:
s
th
=
R
2
√
R
1
2
+ X
nm
2
Momen tới hạn:
M
th
=
3.U
1ph
2
2.ω
0
[
R
1

+
√
X
nm
2
+R
1
2
]
II.4.2.1 Trường hợp thay đổi điện áp U
1ph
Điện áp U
1ph
đặt vào Stator động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm.
Khi U
1ph
giảm thì mômen tới hạn M
th
sẽ giảm rất nhanh theo bình
phương của U
1ph
, còn tốc độ đồng bộ ω
0
và độ trượt tới hạn s
th
không
thay đổi. Các đặc tính cơ khi giảm điện áp như hình bên.
II.4.2.2 Thay đổi điện trở R
2
’

Trường hợp này chỉ có đối với động cơ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với
điện trở ngoài qua hệ vòng trượt - chổi than. Động cơ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn
mạch) không thể thay đổi được điện trở mạch rotor.
Việc thay đổi điện trở mạch rotor chỉ có thể thực hiện về phía tăng điện trở R
2
'. Khi
tăng R
2
' thì độ trượt tới hạn s
th
cũng tăng lên, còn tốc độ đồng bộ ω
0
và mômen tới hạn
M
th
giữ nguyên.
Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở mạch rotor được biểu diễn như hình
vẽ. Điện trở mạch rotor càng lớn thì đặc tính càng dốc.
II.4.2.3 Trường hợp thay đổi điện trở R
1
, điện kháng X
1
ở mạch Stator
Trường hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng R
1
hoặc X
1
. Sơ đồ nối dây như hình
của thay đổi R
2

’
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 24
Tiểu luận “Động cơ và cơ sở truyền động điện”
Khi nối thêm vào mạch Stator R
1
hoặc X
1
thì ta thấy tốc độ đồng bộ ω
0
không đổi,
còn độ trượt tới hạn s
th
và mômen tới hạn M
th
đều giảm. Hình vẽ trên biểu thị các đặc
tính cơ nhân tạo khi tăng trở kháng mạch stator và khi giảm điện áp cấp cho stator. Các
đặc tính được vẽ trong trường hợp này có cùng mômen mở máy M
mm
. Đặc tính tăng X
1
(đường 2) cứng hơn đặc tính tăng R
1
(đường 3) và đặc tính tăng R
1
cứng hơn đặc tính
giảm điện áp (đường 4).
II.4.2.4 Trường hợp thay đổi số đôi cực p
Khi số đôi cực thay đổi thì tốc độ đồng bộ ω
0
bị thay đổi. Thông thường, động cơ

loại này được chế tạo với cuộn cảm stator có nhiều đầu dây ra để có thể đổi cách đấu
dây tương ứng với số đôi cực nào đó. Tuỳ theo khả năng đổi nối mà động cơ KĐB
được gọi là động cơ có 2,3,4 cấp tốc độ.
Do số đôi cực thay đổi nhờ đổi nối cuộn cảm stator nên các thông số U
1ph
đặt vào
cuộn pha, trở kháng R
1
và cảm kháng X
1
có thể bị thay đổi. Từ đó, độ trượt tới hạn s
th
và mômen tới hạn M
th
có thể khác đi.
II.4.2.5 Trường hợp thay đổi tần số f
1
của nguồn điện áp cấp
Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ trường
ω
o
và tốc độ của động cơ ω sẽ thay đổi theo.
Vì ω
o
= 2p.f
1
/p, và X = ω.L, nên ω
o
= f
1

, ω = f
1
và X = f
1
.
Qua đồ thị ta thấy:Khi tần số tăng (f
13
>
f1.đm
), thì M
th
sẽ giảm, (với điện
áp nguồn U1 = const) thì :
M
th
≅
1
f
1
2
Khi tần số nguồn giảm (f
11
< f
1đm
, …) càng
nhiều, nếu giữ điện áp u
1
không đổi, thì dòng điện
động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm
Nguyễn Văn Đại. MSV 08020095 25