đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI

CBHD: ThS. Trần Quang Thọ
SVTH: Nguyễn Văn A (MSSV: 08502023)
Lớp: 08502DN

Thành phố Hồ Chí Minh - tháng 01 năm 2011


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................... Trang 2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................... Trang 3
1.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ....................................... Trang 4
1.1.Cấu tạo ..................................................................................... Trang 4
1.2.Nguyên lý hoạt động ................................................................ Trang 5
2.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ DC KTĐL .................. Trang 5
2.1.Phương trình đặc tính cơ ........................................................... Trang 5
2.2.Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ .............. Trang 8
2.2.1.Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng ........................... Trang 8
2.2.2.Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng.................. Trang 9
2.2.3.Trường hợp thay đổi từ thông kích từ .............................. Trang 11
3.BÀI TẬP MINH HỌA ............................................................................ Trang 12

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 1


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ
LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CẢM ƠN:

.
LÝ DO CHỌN NỘI DUNG:

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 2


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 3


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 4


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 5


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

NỘI DUNG
1.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU KTDL
Máy điện một chiều được sử dụng phổ biến nhờ vào việc sử dụng và điều khiển
đơn giản,mô men khởi động lớn. Ngoài ra còn do giá thành của các thiết bị điều
khiển ngày càng rẻ nhờ vào công nghệ chế tạo ngày càng phát triển.
1.1 Cấu tạo:
Gồm có stator và rotor. Stator là lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện bên
trong có xẻ rảnh để đặt dây quấn kích từ. Rotor là lõi thép ghép từ các lá thép kỹ
thuật điện bên ngoài có xẻ rảnh để đặt dây quấn phần ứng. Nguồn điện một chiều
cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chôi than và cổ góp

a) Chổi than

b) Stator

c) Rotor
Hình 1: Các bộ phận chính của động cơ một chiều

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 6


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

1.2 Nguyên lý hoạt động:
Là một thiết bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến
đổi điện năng một chiều thành cơ năng trên trục động cơ điện.

2.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KTDL:
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mô men của động
cơ được thể hiện dưới dạng: n=f(Mđc), có 2 loại đặc tính cơ:
Đặc tính cơ tự nhiên: Nếu như động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện
áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng
vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có
giá trị Mđm, Wđm.
Đặc tính cơ nhân tạo: Là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc
nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ.
2.1.Phương trình đặc tính cơ:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một
chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rotor.

Hình 2: sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập.
SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 7


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của
cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều

ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2, có
thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rotor) như sau:
(2.1)
Trong đó:
- Uư là điện áp phần ứng động cơ (V)
- Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V)
- Rư là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)
- Rp là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)
- Iư là dòng điện phần ứng động cơ
(2.2)
Trong đó:
- rư là điện trở cuộn dây phần ứng
- rct là điện trở tiếp xúc giửa chổi than và phiến góp
- rcblà điện trở cuộn bù
- rcp là điện trở cuộn phụ
Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rotor:

(2.3)
K=

p.N
là hệ số kết cấu của động cơ.
2π a

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:

(2.4)

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor quay
dưới tác dụng cùa momen quay:
SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 8


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

(2.5)
Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.3)ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơ
điện (hay phương trình đặc tính tốc độ) biểu thị mối quan hệ ω =f(I) của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập như sau:
ω=

U u Ru + R p
−
Iu
Kφ
Kφ

(2.6)

Từ phương trình (2.5) rút ra Iư thay vào phương trình (2.6) 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 u Ru + R p
−
M
Kφ ( K φ ) 2

(2.7)

Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:
ω = ω0 − ∆ω
Trong đó: ω0 =

(2.8)

Uu
gọi là tốc độ không tải lý tưởng
Kφ

gọi là độ sụt tốc độ.
Phương trình đặc tính cơ (2.7) 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: ω0 =

Uu
.Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải
Kφ

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.

Hình 3 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi phụ tải tăng dần từ MC=0 đến MC=Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0 đến
ωđm. Điểm A(Mđm, ωđm) gọi là điểm định mức.

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 9


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A. Điểm cắt của đặc
tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình
(2.7):

Hình 4- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá
trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ
mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang
chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện I này
lớn và thường bằng: I nm = (10 ÷ 20) I dm
2.2 Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ:
Phương trình đặc tính cơ (2.7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω = f(M) phụ
thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện U, RP và
f. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này.
2.2.1. Trường hợp thay đổi 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.
Uư biến đổi; RP = const; φ = const
Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ không
thay đổi:

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 10


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

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.

Hình 5 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm điện áp phần ứng
Khi thay đổi điện áp (giảm áp ) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của
động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với phụ tải nhất định. Dó đó
phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế
dòng điện khi khởi động.
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi
điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau.
Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Do
vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá
sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.
- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm ).
- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra.
2.2.2. Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng
Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng
chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf.
Uư = const ; Rưf = var; φ = const

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 11


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Trường hợp này tốc độ không tải giữ nguyên:

Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ

Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các đường
đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω0).

Hình 6 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng.

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính cơ biến trở. ứng với
một phụ tải MC nào đó, nếu MC càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Người ta
thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động
cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch
phần ứng:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng
mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể
tăng thêm điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công
suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 12


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải. Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều
ω
D1 = max chỉnh càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh:D ≈ 5:1
ωmin
- Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở
nhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường
sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
2.2.3. Trường hợp thay đổi từ thông kích từ :

Uư = const ; Rưf = const; φ = var
Để thay đổi từ thông φ , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ở
mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt 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.
Uu
= var
Kφ
R + Ruf
− u
= var
( Kφ ) 2

ω=

Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng, còn độ
cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh. Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như hình 7.

Hình 7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ.

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 13


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc
độ động cơ càng lớn.
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh:D ~ 3:1.
- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và
do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm. Còn ở vùng tải
lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ
sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.
- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ
với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh
thấp.
3. BÀI TẬP MINH HỌA:
Cho động cơ điện dc kích từ độc lập kéo 1 tải là 75 Nm ,Rư=0,12Ω ,Rkt=220Ω,
KΦ = 1,34V/rad/s. Tốc độ của động cơ được điều chỉnh qua chỉnh lưu cầu 1 pha
không đối xứng với UAC= 220V , f = 50Hz bỏ qua tổn hao của ma sát.
Hãy xác định góc kích α của mạch phần ứng để động cơ làm việc ở tốc độ 900
vòng/phút ,800 vòng/phút, 700 vòng/phút với tải là 75Nm.
BÀI LÀM
Để động cơ làm việc ở tốc độ 900 vòng/phút, thì cần góc kích α là:
Ta có:
ω=

U u Ru
−
I u (1)
Kφ Kφ

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 14


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Với
ω=

2π n 2π × 900
=
= 94, 25(rad / s )
60
60

Từ 1:
⇒ U u = ω × Kφ + Ru × I (2)
Trong đó :

M = Kφ × I
M
75
⇒I =
=
= 55,97( A)
Kφ 1,34

(2) ⇒ U u = 94, 25 ×1,34 + 0,12 × 55, 97 = 133(V )

Mà :
Uu =

(3)⇒ cos α =

2 × U AC

π

(1 + cos α ) (3)

Uu × π
133 × π
−1 =
− 1 = 0,343
2 × U AC
2 × 220

⇒ α = 69,940
Để động cơ làm việc ở tốc độ 800 vòng/phút, thì cần góc kích α là:
Ta có :
U u = ω × Kφ + Ru × I
Với
2π n 2π × 800
ω=
=
= 83, 78(rad / s )

60
60

⇒ U u = 83, 78 × 1,34 + 0,12 × 55,97 = 118,98(V )
U ×π
118,98 × π
(3) ⇒ cos α = u
−1 =
− 1 = 0, 201
2 × U AC
2 × 220

⇒ α = 78,40
Để động cơ làm việc ở tốc độ 700 vòng/phút, thì cần góc kích α là:
Ta có :
U u = ω × Kφ + Ru × I
Với
2π n 2π × 700
ω=
=
= 73,3(rad / s )

60
60
⇒ U u = 73,3 × 1,34 + 0,12 × 55,97 = 104,94(V )
U ×π
104,94 × π
(3) ⇒ cos α = u
−1 =
− 1 = 0, 06
2 × U AC
2 × 220

⇒ α = 86,560

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 15


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Mạch điều khiển tốc độ động cơ

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 16


ĐAMH1- Truyền động điện

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

Trang 17


ĐAMH1- Truyền động điện

GVHD: ThS. Trần Quang Thọ

KẾT LUẬN

SVTH: Nguyễn Văn A - MSSV:08502023

Trang 18