Bài giảng truyền động điện Nguyễn Xuân Huy 2016 (autosaved)

Bài giảng Truyền Động Điện

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
(ELECTRIC DRIVE)

Nha Trang, ngày 24 tháng 08 năm 2016

1


Bài giảng Truyền Động Điện

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .................................................5
1.1. Định nghĩa và các cấu trúc của hệ thống truyền động ..............................................5
1.2. Phân loại hệ thống truyền động ..................................................................................9
1.2.1. Theo số cơ cấu chấp hành và động cơ .................................................................9
1.2.2. Theo dạng chuyển động của động cơ ...................................................................9
1.2.3. Theo thiết bị truyền động ......................................................................................9
1.2.4. Theo khả năng điều chỉnh ....................................................................................9
1.2.5. Theo thông số điều khiển ....................................................................................10
1.2.6. Theo dạng điều khiển ..........................................................................................10
1.3. Đặc tính cơ của động cơ và tải ..................................................................................10
1.3.1. Khái niệm đặc tính cơ của động cơ ....................................................................11
1.3.2. Phân loại ..............................................................................................................12
1.3.3. Đặc tính cơ của tải ..............................................................................................13
1.4. Chế độ làm việc của hệ thống truyền động ...............................................................14
1.5. Phương trình động học của hệ thống truyền động ..................................................15
1.5.1. Phương trình moment cơ bản .............................................................................15
1.5.2. Các thành phần cơ bản của moment cản...........................................................17
1.5.3. Một số dạng đặc tính tải thường gặp..................................................................17

1.5.4. Moment quán tính ...............................................................................................18
1.5.5. Điều kiện ổn định tĩnh ........................................................................................18
1.6. Phép qui đổi về trục động cơ......................................................................................19
BÀI TẬP ............................................................................................................................21
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ..........24
2.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều.......................................................................24
2.2. Đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập ...................................................................24
2.3. Phương pháp điều chỉnh động cơ DC kích từ độc lập .............................................22
2.3.1. Thay đổi điện áp phần ứng .................................................................................22
2.3.2. Thay đổi điện trở phần ứng ................................................................................23
2.3.3. Thay đổi từ thông ................................................................................................23
2.3.4. Điều khiển hỗn hợp phần ứng và từ thông kích từ ...........................................24
2.4. Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp ............................................................25
2.5. Phương pháp điều khiển động cơ DC kích từ nối tiếp .............................................27
2


Bài giảng Truyền Động Điện
2.5.1. Thay đổi điện áp phần ứng .................................................................................27
2.5.2. Điều khiển điện trở phần ứng ............................................................................27
2.5.3. Điều khiển từ thông ............................................................................................28
2.6. Các chế độ làm việc của động cơ DC ........................................................................29
2.7. Hệ truyền động máy phát – động cơ DC ...................................................................35
2.8. Hệ truyền động bộ chỉnh lưu – động cơ DC .............................................................36
2.8.1. Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu .......................................................................36
2.8.2. Các thông số đặc trưng ảnh hưởng ....................................................................36
2.8.3. Các loại bộ chỉnh lưu .........................................................................................37
2.9. Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC ................................................................43
2.9.1. Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC .........................................................43
2.9.2. Hệ truyền động bộ chopper – động cơ DC kích từ độc lập ...............................43

2.9.3. Các loại bộ Chopper thông dụng ........................................................................46
BÀI TẬP ............................................................................................................................55
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .............58
3.1. Mô hình của động cơ DC điều khiển vòng kín .........................................................58
3.2. Bộ điều khiển PID ......................................................................................................60
3.3. Điều khiển vòng kín động cơ DC ..............................................................................61
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .......62
4.1. Động cơ không đồng bộ ba pha .................................................................................62
4.1.1.

Đặc tính cơ tĩnh động cơ không đồng bộ ba pha .........................................62

4.1.2.

Khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha..........................................64

4.2. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha....................................................67
4.2.1.

Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor.............................67

4.2.2.

Điều khiển điện áp phần ứng........................................................................67

4.2.3.

Điều khiển thay đổi tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ....................68

BÀI TẬP ............................................................................................................................69

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .....71
5.1. Bộ nghịch lưu ba pha và vector không gian .............................................................71
5.1.1. Bộ nghịch lưu ba pha ..........................................................................................71
5.1.2. Vector không gian điện áp ..................................................................................72
5.2. Vector không gian hệ tọa độ stator () ...................................................................74
5.2.1. Vector không gian ...............................................................................................74
3


Bài giảng Truyền Động Điện
5.3. Hệ quy chiếu quay ......................................................................................................75
5.3.1. Hệ tọa độ từ thông rotor (dq) ..............................................................................75
5.3.2. Chuyển đổi hệ tọa độ  sang dq và ngược lại..................................................75
5.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ từ thông rotor ............................76
5.4.1. Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu ...........................................76
5.4.2. Mô hình động cơ trong hệ truyền động từ thông rotor .....................................77
5.5. Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha ............78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................92

4


Bài giảng Truyền Động Điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1. Định nghĩa và các cấu trúc của hệ thống truyền động
Các hệ thống truyền động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sản
xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng.
Hệ thống truyền động là phụ tải chính của hệ thống điện, theo ước tính của các chuyên
gia khoảng 70%-75% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động.

Hệ thống truyền động có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi
được.
Hiện nay khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại tốc độ không đổi, với các hệ thống
này chỉ thực hiện quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại, chiếm khoảng 20-25%, là các hệ
thống có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ để phối hợp được đặc tính động cơ và đặc tính
tải yêu cầu.
Hệ thống truyền động điện ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể
thiếu được trong quá trình tự động hóa sản xuất nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán
dẫn và điện tử công suất lớn với kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện
tử.
Hệ thống truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến
đổi điện năng thành cơ năng truyền chuyển động cho cơ cấu chấp hành để thực hiện quá trình
công nghệ cũng như biến đổi cơ năng thành điện năng và điều kiển quá trình biến đổi này.
Chức năng của hệ truyền động:
+ Biến đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại.
+ Điều khiển quá trình biến đổi năng lượng.
+ Điều khiển chuyển động của cơ cấu chấp hành và các quá trình công nghệ.
+ Điều khiển các thông số năng lượng cơ như công suất, momen, tốc độ, vị trí.
Cấu trúc của hệ truyền động: Hệ truyền động được cấu tạo bởi hai thành phần: Phần
động lực và phần điều khiển. Phần động lực được chia ra phần động lực - điện: Nguồn điện,
thiết bị biến đổi công suất, động cơ và phần động lực – cơ: rotor, trục động cơ, thiết bị truyền
động, cơ cấu chấp hành (tải).

5


Bài giảng Truyền Động Điện

Bộ biến đổi
Nguồn

Mạch động lực

Động cơ

Mạch điều khiển

Tải

Khâu hồi tiếp

Tín hiệu điều khiển

Nguồn điện
Thông thường là lưới điện xoay chiều 3 pha công nghiệp tần số 50 hoặc 60 Hz với điện
áp chuẩn 220, 380, 660, 6000, 10KV. Trong một số trường hợp nguồn điện là một chiều (pin,
ắc quy…). Để cấp nguồn cho động cơ (ví dụ động cơ DC) cần phải biến đổi điện năng từ lưới
thành dạng điện năng phù hợp với động cơ.
Thiết bị biến đổi công suất
Là các thiết bị có chức năng biến đổi dạng năng lượng điện. Các thiết bị này được sử
dụng trong các hệ truyền động điều khiển tốc độ, mômen. Các dạng bộ biến đổi công suất:
Bộ chỉnh lưu, Bộ biến tần, Bộ chopper, BBĐĐAXC.

Bộ chỉnh lưu – Rectifiers: biến đổi điện áp, áp dòng điện xoay chiều thành một chiều
AC/DC. Ứng dụng cấp nguồn cho các động cơ DC.

6


Bài giảng Truyền Động Điện

Bộ biến đổi điện áp một chiều – Chopper DC – DC: biến đổi điện áp một chiều có
giá trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có giá trị trung bình thay đổi được.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều – AC – AC Convertor: biến đổi điện áp xoay chiều
có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được. Ứng dụng
cung cấp nguồn cho động cơ AC.

Bộ biến tần gián tiếp AC – DC – AC: chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó
chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng điện áp và tần số
thay đổi được. Ứng dụng cấp nguồn cho động cơ AC.

Động cơ
Là phần tử chính của hệ truyền động có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng và
ngược lại. Động cơ thông thường chuyển động quay và phân loại ra: động cơ DC, động cơ
KĐB, động cơ ĐB, động cơ servo, động cơ bước.

7


Bài giảng Truyền Động Điện

Thiết bị truyền động (TBTĐ): có chức năng truyền chuyển động, truyền cơ năng từ
động cơ đến cơ cấu chấp hành, biến đổi dạng chuyển động, thích ứng về tốc độ, moomen, lực:
Dây cu roa, khớp nối, bánh răng.

Thiết bị điều khiển: Là tổ hợp các thiết bị có nhiệm vụ quan trọng điều khiển quá trình
biến đổi năng lượng, quá trình công nghệ.
Thành phần:
 Các thiết bị bảo vệ khỏi sự cố, thiết bị điều khiển đóng, cắt, đảo chiều phục vụ công

nghệ và cho người vận hành.
 Vi xử lý, vi điều khiển, máy tính, thiết bị điều chỉnh: nhận tín hiệu từ thiết bị hồi tiếp,
xử lý thuật toán điều khiển cho hệ truyền động.
8


Bài giảng Truyền Động Điện
 Thiết bị tín hiệu hồi tiếp: các cơ cấu đo lường, sensor dòng điện, điện áp, sensor tốc
độ, máy phát tốc, encorder.
Cơ cấu chấp hành (tải)
Thực hiện quá trình công nghệ - máy cắt, máy bào, máy bơm, máy nén khí, máy nghiền
giấy, cầu trục, thang máy, băng truyền, máy may, quạt…v.v.

1.2. Phân loại hệ thống truyền động
1.2.1. Theo số cơ cấu chấp hành và động cơ
 Độc lập: 1 động cơ – 1 cơ cấu chấp hành
 Nhóm: 1 động cơ – 2 hay nhiều cơ cấu chấp hành
 Nhiều động cơ – 2 hay nhiều động cơ cho 1 cơ cấu chấp hành
 Liên kết: 2 hay nhiều động cơ cho 2 hay nhiều cơ cấu chấp hành, tạo chuyển động
bằng các cơ cấu truyền động.
1.2.2. Theo dạng chuyển động của động cơ
 Chuyển động quay
 Chuyển động tịnh tiến
 Chuyển động nhiều hướng
1.2.3. Theo thiết bị truyền động
 Không có thiết bị truyền động – trục động cơ gắn trực tiếp với cơ cấu chấp hành: quạt,
bơm.
 Có thiết trị truyền động.
 Thiết bị truyền động tích hợp
1.2.4. Theo khả năng điều chỉnh

 Có điều chỉnh
9


Bài giảng Truyền Động Điện
 Không điều chỉnh
1.2.5. Theo thông số điều khiển
 Điều khiển theo momen
 Điều khiển theo tốc độ
 Điều khiển theo vị trí
1.2.6. Theo dạng điều khiển
 Điều khiển bằng tay
 Điều khiển bán tự động
 Điều khiển vòng hở
 Điều khiển vòng kín theo thông số của tốc độ của các cơ cấu chấp hành
 Điều khiển vòng kín theo vị trí
 Điều khiển theo chương trình sẵn
 Điều khiển theo dõi, thích nghi
1.3. Đặc tính cơ của động cơ và tải
Chuyển động tịnh tiến
Đại lượng

Chuyển động quay

Ký hiệu

Đơn vị

Quảng
đường

S

m

Vận tốc

V

m/s

Gia tốc

A

m2/s

Lực

F

N

Khối lượng

M

Kg

Đại lượng

Ký hiệu

Đơn vị



rad

Vận tốc góc

 = d/dt

rad/s

Gia tốc góc

a = d/dt =
d2/d2t

rad/s2

Moment

M

N.m

Moment quán tính

J

Kg.m2

Góc quay

Để thay đổi các đại lượng đặc trưng cho quá trình chuyển động máy công nghệ phải tác động
lên chúng một lực F, hay mô men quay M, được tạo ra nhờ các lực đặt vào máy.
M = F.R

10


Bài giảng Truyền Động Điện

Động cơ là nguồn sinh ra mô men quay. Dấu của mô men đặt lên các phần cơ của hệ
truyền động phải tương ứng với dấu của tốc độ.
Quy ước tương đối: theo chiều kim đồng hồ là chiều dương (chiều thuận) và ngược lại
(chiều nghịch) là chiều âm. Như vậy tốc độ theo chiều thuận sẽ có dấu dương và theo chiều
nghịch sẽ có dấu âm.
Khi động cơ quay theo chiêu thuận, mô men M do động cơ sinh ra mang dấu + ở chế độ
động cơ, biến đổi điện năng thành cơ năng và mang dấu âm khi động cơ làm việc ở chế độ
hãm biến đổi cơ năng thành điện năng.
Khi động cơ quay theo chiều nghịch thì dấu của mô men M có dấu dương ở chế độ hãm
và dấu âm ở chế độ động cơ.
 (rad/s)
Hãm chiều thuận

Động cơ theo chiều thuận

M.  < 0

M.  > 0

M < 0;  > 0

M > 0;  > 0

II
III

I
IV

Động cơ theo chiều nghịch

Hãm chiều nghịch

M.  > 0

M.  < 0

M < 0;  < 0

M > 0;  < 0

M(N.m)

1.3.1. Khái niệm đặc tính cơ của động cơ
+ Mô men do động cơ sinh ra phụ thuộc vào tốc độ của nó.

11


Bài giảng Truyền Động Điện
+ Mối quan hệ giữa mô men do động cơ sinh ra và tốc độ của nó M(  ) được gọi là đặc tính
cơ của động cơ.
Đặc trưng cho đặc tính cơ của động là độ cứng của động cơ



dM M

d 

Độ cứng của đặc tính 1 (tuyến tính) là không đổi.
Độ cứng của đặc tính 2 (phi tuyến) là thay đổi.

1.3.2. Phân loại
Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính của động cơ khi thông số nguồn cấp là định mức và không
thay đổi nào trong các cuộn dây của động cơ. Ví dụ động cơ không đồng bộ, khi điện áp và
tần số là định mức.
Đặc tính cơ nhân tạo – đặc tính cơ hiệu chỉnh: là đặc tính khi thay đổi thông số nguồn hay
thêm điện trở phụ vào cuộn dây động cơ hoặc kết nối động cơ theo sơ đồ đặc biệt.
W

Wdm

dm

1: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ đồng bộ.
2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ độc lập.
3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ hỗn hợp.
12


Bài giảng Truyền Động Điện
4: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ nối tiếp.
5: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ.
1.3.3. Đặc tính cơ của tải
Mô men tải Mc còn được gọi mô men cản tạo ra trên cơ cấu chấp hành
Mô men cản có thể là:
-

Mô men có ích Mt dùng để thực hiện các quá trình công nghệ. Phụ thuộc vào tính
chất của tải. Mô men này có thể độc lập hoặc phụ thuộc vào tốc độ, hoặc có thể là
một hàm theo tốc độ, có thể bất biến hoặc biến thiên theo thời gian, và có thể thay
đổi tùy theo chế độ hoạt động của tải.

-

Mô mem chống lại chuyển động đặc trưng bởi tổn hao, ví dụ ma sát, quạt gió hiện
điện trên trục động cơ và các bộ phận khác của cơ cấu. Mô men ma sát bao gồm ma
sát trên trục động cơ và ma sát trên bộ phận qui đổi về trục động cơ.

Mô men ma sát Mms có thể phân thành các thành phần:
-

Mô men ma sát tĩnh Mms-t (nhỏ không đáng kể).

-

Mô men ma sát khô (Ma sát coulomb) Mms-c.

-

Mô men ma sát nhớt Mms-n : M ms n  B

-

Mô men quạt gió Mq : Khi động cơ chuyển động, gió làm mát động cơ sẽ sinh ra mô
men chống lại chuyển động này. Mô men quạt gió tỉ lệ với bình phương tốc độ
M q  C 2
M c  M t  B  M ms c  C 2

Mối quan hệ giữa mô men tải và tốc độ cảu nó M c ( ) được gọi là đặc tính cơ của
tải.
Mô men tải có thể phân thành hai dạng tổng quát
+ Mô men tải có tính thế năng
+ Mô men tải tính phản kháng
Mô men tải có tính thế năng không đổi dấu khi chiều chuyển động thay đổi. các tải phụ
thuộc trọng lực như cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, hoặc tải của các cơ cấu nén, kéo
thuộc vào loại tải này.
Mô men tải có tính phản kháng luôn luôn chống lại chuyển dộng và thay đổi dấu khi
chiều chuyển động thay đổi. Mô men sinh ra do ma sát hoặc do các cơ cấu cắt gọt thuộc vào
loại này.
13


Bài giảng Truyền Động Điện

1: Đặc tính tải có tính thế năng.
2: Đặc tính tải có tính phản kháng.
3: Đặc tính cơ tỉ lệ với bình phương tốc độ.
4: Đặc tính cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ.
1.4. Chế độ làm việc của hệ thống truyền động
Hệ truyền động có thể làm việc ở hai chế độ.
-

Chế độ động cơ: biến đổi điện năng thành cơ năng.

-

Chế độ hãm: biến đổi cơ năng thành điện năng.

Pđiện – công suất nguồn cấp cho động cơ
Pcơ – công suất động cơ cấp cho tải
P - tổn hao công suất

Chế độ động cơ
Pđiện > 0: tiêu thụ công suất nguồn
Pcơ > 0: nhận năng lượng từ HTĐ
P  Pdien  Pco

Hãm tái sinh: Khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ lý tưởng. Động cơ biến cơ năng thành điện
năng trả về lưới. có lợi nhất. Công suất điện cung cấp năng lượng cho nguồn, công suất cơ
chuyển thành nhiệt.
- Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn.
- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải.
14

Bài giảng Truyền Động Điện
P  Pco  Pdien

Hãm ngược: tốn năng lượng nhất. Công suất điện và công suất cơ chuyển thành nhiệt.
- P điện > 0: tiêu thụ công suất về nguồn.
- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải. P  Pco  Pdien

Hãm động năng: công suất cơ chuyển thành nhiệt. Có tác dụng động cơ dừng nhanh. Khi cắt
nguồn thì động cơ vẫn quay khi đó động cơ đóng vai trò là máy phát, sinh ra suất điện động
E, để tiêu thụ suất điện động này thì khi cắt nguồn thì ta nối với điện trở làm cho động cơ
dùng nhanh hơn.
- P điện = 0: cách ly với nguồn.
- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải. P  Pco

1.5. Phương trình động học của hệ thống truyền động
1.5.1. Phương trình moment cơ bản
M co  M c  J

d
dt

Mc: là moment cản
Mco: là moment cơ
J: là moment quán tính cơ
15


Bài giảng Truyền Động Điện

M co  M c   J

Hay

d
dt

Khi: Mco > Mc tải cơ tăng tốc
Mco < Mc tải cơ giảm tốc
Mco = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định, xác lập, trạng thái tĩnh
Mô men M mang dấu “+” khi HTĐ ở chế độ động cơ - cùng chiều với tốc độ, và dấu “-”
khi làm việc ở chế độ máy phát – ngược chiều với tốc độ
Mô men cản được phân loại ra thành mô men có tính thế năng Mca nên có thể có dấu “+”
hoặc dấu “-” và có tính phản kháng Mcp chỉ có dấu “-”
Ví dụ 1.1: Một hệ thống truyền động có mô men tải quy đổi về trục động cơ Mc = 10Nm, mô
men quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ và mô men quán tính của động cơ là J =
0,05 kgm2.
Giả thuyết cần có quan hệ tốc độ của động cơ  và thời gian t như hình. Hãy tính quan
hệ mô men động cơ và thời gian cần thiết để đạt được sự biến thiên tốc độ như yêu cầu trên.
𝜔
[rad/s]

376,8

ta
0

ta

0,2

0,8

1,0

t[s]

Giải:
Theo công thức ta có:
M co  M  J

d
dt

Trong vùng biến thiên tuyến tính của tốc độ, gia tốc động cơ là :
d
376,8

 1884 [rad/s2]
dt
0, 2

Trong vùng tốc độ ổn định:
16


Bài giảng Truyền Động Điện
d
0
dt

t = [0-0,2]
M co  M  J

d
 10  0,05.1884  104, 2 [N.m]
dt

t = [0,2-0,8]
M co  M  J

d
 10  0,05.0  10 [N.m]
dt

t = [0,8-1]
M co  M  J

d
 10  0,05.1884  84, 2 [N.m]
dt

1.5.2. Các thành phần cơ bản của moment cản
M c  M t  B.  M msk  M mst  C. 2

Trong đó: Mt: là moment tải
B. : là moment ma sát nhớt
Mmsk: là moment ma sát cơ
Mmst: là moment ma sát tĩnh
C.: là moment cản của quạt gió làm mát

Trong đó, có một số đại lượng có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua: M c  M t  B.
1.5.3. Một số dạng đặc tính tải thường gặp

17


Bài giảng Truyền Động Điện
1.5.4. Moment quán tính
2
  i2  k  v j 

  mj
J  J m    J i



2
2
i 1 
 j 1 

n

Trong đó: Jm: là moment quán tính trục động cơ
Ji, i: là moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i
mj, vj: là khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j
1.5.5. Điều kiện ổn định tĩnh
Ổn định tĩnh là khả năng quay trở lại trạng thái làm việc ổn định của HTĐ khi có sự thay đổi
về vận tốc mô men hay trạng thái.

dM co dM c

   c  0
d
d
Ví dụ 1.2: Giải thích tính ổn định của các đặc tính cơ – tải bên dưới

Điểm A là điểm ổn định.
Giải thích: bất cứ sự thay đổi nào ví dụ tốc độ ( 1   A ). A là điểm xác lập, mô men của động
cơ sinh ra lớn hơn mô men tải

 M  0 , làm cho tốc độ tăng trở lại, hệ truyền động ổn định

lại.

Điểm B là không ổn định.
18


Bài giảng Truyền Động Điện
Giải thích: bất cứ một sự thay đổi nào ví dụ tốc độ ( 1  B ), mô men động cơ sinh ra nhỏ
hơn mô men tải

 M  0 , làm cho hệ giảm tốc tiếp, hệ truyền động không ổn định tĩnh.

Ví dụ 1.3: Sinh viên giải thích tính ổn định đặc tính cơ – tải hình dưới

1.6. Phép qui đổi về trục động cơ
Ta xét một hệ truyền động đơn giản nhất gồm rô to động cơ gắn trực tiếp với cơ cấu
chấp hành (quạt, máy bơm,….).

Phương trình chuyển động
M  M c  J

d
dt

Mô men quán tính của hệ thống quy về trục động cơ
J  J DC  JTAI

Thực tế thì hệ truyền động phức tạp hơn nhiều.

19


Bài giảng Truyền Động Điện
J

2
2

 J DC

2
2

 J1

12
2

22

 J2

2

m

v2
2

J: mơ men qn tính qui đổi về trục động cơ của hệ thống
JĐC: mơ men qn tính của động cơ
J1: mơ men qn tính của phần tử quay với tốc độ 1  
J2: mơ men qn tính với các phần tử quay với tốc độ 2  
Ví dụ 1.4: Một hệ thống truyền động động điện cho thang máy như hình I. Động cơ có tốc độ
định mức ndm=1550v/ph. Hiệu suất của hệ thống bánh răng là =0.8
Hãy tính mơ men qn tính của tồn hệ thống qui về trục động cơ, mơ men và cơng suất
động cơ khi có đối trọng và khi khơng có đối trọng.

J6=8[kgm2]
d=7.5[rad/s]

U=1m/s

U=1m/s

mc=1200kg

counterweight

t=2.5[rad/s]

J5=200[kgm2]

inertia

electric

disk

m=162.22[rad/s]

motor

J1=1.5[kgm2]

J3=0.5[kgm2] J4=0.5[kgm2]
=8[kgm2]

J2

ball-screw
transmission

Hệ thống truyền động thang máy
Vận tốc góc của động cơ là:
m  2

1550

 162.22 rad / s
60

Mơ men qn tính qui đổi về trục động cơ

J r = J 1 + J 2 + J 3 + (J 4 + J 5)

Wt2

w

2
m

+J6

3Wd2

w

2
m

=10.0533kgm 2

20


Bài giảng Truyền Động Điện
J e   mc  mcw 

U2



2
m

 0.076kgm 2

Jt = Jr + Je =10.1293kgm2

+ Khi không có đối trọng: M d .wm.h = mc.g.U
Suy ra: M d  92.46 Nm;
Pem  M d m  15000W

+ Khi có đối trọng: M dw.wm.h = ( mc - mcw ).g.U
Suy ra: M dw  30.82 Nm;
Pemw  M dw .m  5000W

Bài Tập
Bài 1: Xét hệ thống tời nâng như hình (a). Hình (b) là đặc tính thay đổi tốc độ vt của tải theo
thời gian. Tải có khối lượng mt=1000 kg, trống tời có đường kính D=0.3m, tỉ số truyền của
bộ giảm tốc i=ω/ωt=50. Mô men quán tính của trống tời Jtr=3kgm2, mô ment quán tính của
động cơ và của bộ giảm tốc qui về trực động cơ là 0.3 kgm2. Hiệu suất của hệ thống truyền
động tử động cơ đến tải là η=0.85. Bỏ qua tổn hao không tải của động cơ. Gia tốc trọng trường
g=10m/s2. a. Xét hình 1b, ở chế độ xác lập của tải, tính giá trị mô men động cơ cần cung cấp
cho hệ thống? b. Xét hình 1b, ở chế độ quá độ của tải, tính mô men động cơ cần cung cấp cho
hệ thống. Giả thiết tải tăng tốc tuyến tính theo thời gian? (Lưu ý: tốc độ góc của trống tời ωt=
vt/(D/2)).

Bài 2: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V điện trở phần ứng 0,2, tốc độc không tải lý
tưởng là 1000 vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A. Biết từ thông kích
từ không đổi bằng định mức.
21


Bài giảng Truyền Động Điện
a. Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?
b. Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?
Bài 3: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức là 500V, 100A, 1000v/p.
Điện trở phần ứng 1. Biết từ thông kích từ không đổi bằng định mức.
a. Tính moment và công suất định mức của động cơ?
b. Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu biết công suất tổn hao của cuộn kích
từ là 5kw.
c. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A. Tính tốc độ, moment và hiệu
suất của động cơ khi đó?
d. Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?
e. Vẽ đặc tuyến moment – tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên.
Bài 4: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 400V, 100A, 1500v/p.
a. Tính công suất động cơ.
b. Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ
là 3kW.
c. Động cơ mang tải và dòng điện phần ứng là 20A. Tính tốc độ moment và hiệu
suất của động cơ khi đó.
d. Tính dòng khởi động và moment khởi động của động cơ.
Biết điện trở phần ứng là 0,5 và từ thông kích từ không đổi và bằng định mức.
Bài 5: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0,2 và điện trở cuộn kích từ
là 0,1. Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000v/p. Khi động cơ vận hành ở
định mức:

a. Tính tốc độ, moment của động cơ?
b. Tính công suất và hiệu suất của động cơ?
c. Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ.

22


Bài giảng Truyền Động Điện
Bài 6: một động cơ DC kích từ nối tiếp, vận hành ở chế độ định mức 161,2Nm, 1000v/p,
41A, 420V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2. Tính tốc độ và dòng điện của
động cơ khi moment điện 87Nm.
Bài 7: Một động cơ DC kích từ độc lập, 400V điện trở phần ứng 0,2, tốc độ không tải lý
tưởng là 1500 vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 50A. Biết từ thông kích
từ không đổi bằng định mức.
a. Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?
b. Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?
c. Vẽ đường đặc tính của động cơ.

23


Bài giảng Truyền Động Điện

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
2.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều – Động cơ DCC thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền
động cần thay đổi tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường
xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều.
Một số ứng dụng quan trọng của động cơ điện một chiều như truyền động cho xe điện,

máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền (trong công nghiệp giấy)…
Phân loại động cơ

2.2. Đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập

24


Bài giảng Truyền Động Điện
Khi mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau.
Lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ

U u = E + Ru I u

E  K
M  K I u
  K kt .I kt
Trong đó:
Iư: dòng điện phần ứng (A)
Uư: điện áp phần ứng (V)
Rư: điện trở phần ứng (Ω)
E: sức điện động động cơ (V)
M: mô men điện từ (N.m)
K: hệ số cấu tạo của động cơ

 : từ thông kích từ (Wb)
Ikt: dòng điện kích từ (A)
Kkt: hệ số kích từ

 : tốc độ góc động cơ (rad/s)

Rư – tổng điện trở cuộn dây phần ứng, cuộn cực từ phụ, cuộn bù, điện trở tiếp xúc của chổi
than.
Phương trình đặc tính cơ điện:






Uu
R
 u I u  0  
K K

Tốc độ không tải lý tưởng:

Uu
R
 u Iu
K K

Uu
R
 u 2M
K ( K )



0 

Uu
R
 u 2 M  0  
K ( K )

Uu
K
21