Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động điện bộ biến đổi van động cơ một chiều không đảo chiều quay

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, tiến bộ
kỹ thuật áp dụng vào sản xuất, một trong những ứng dụng đó là sự phát triển
của các loại động cơ điện. Động cơ điện được coi như là cánh tay của công
nghiệp trực tiếp tạo ra năng suất lao động thay thế sức lao động của con
người, đó là sự thật khơng thể phủ nhận được. Vai trò của động cơ điện được
cụ thể trong các loại máy móc sử dụng các loại động cơ điện mơt chiều và
xoay chiều.
Để có thể sử dụng tối ưu hiệu quả và lâu dài nhất ứng dụng cảu động cơ điện
đặt ra yêu cầu phải tạo nguồn điện phù hợp cho việc hoạt động của động cơ là
ổn định nhất. Để có thể đáp ứng được u cầu phải có q trình nghiên cứu và
tìm hiểu nghiêm túc nhằm đáp ứng như cầu kĩ thuật đề ra. Là một sinh viên
khoa điện Trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật- Cơng nghiệp em cảm thấy đó
là kiến thức khung khơng thể thiếu để có thể áp dụng trong thực tiễn đời sống
và sản xuất cũng như yêu cầu công việc sau này. Trong đồ án này theo yêu
cầu đặt ra em xin trình bày nghiên cứu về đề tài: “ Thiết kế hệ thống truyền
động điện bộ biến đổi van động cơ một chiều không đảo chiều quay”.
Số liệu và yêu cầu:
1. Phụ tải Mc= const mang tính chất phản kháng
2. Động cơ một chiều kích từ độc lập: Pđ= 3,2 kw , nđ=1500 v/p
3. Bộ biến đổi sử dụng sơ đồ chienh lưu 2 pha có Diot không (Do)
4. Phạm vi điều chỉnh D=40:1, sai lệch tĩnh [s] = 0,08

Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng
dẫn: Võ Thu Hà và các thầy cô trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được
hoàn thành.
Do kiến thức chun mơn cịn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn nên đồ
án của em khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo,
góp ý của các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án của em được hoàn thiện
hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là cơ
Võ Thu Hà đã tận tình giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng hạn.

1


PHỤ LỤC
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN
CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN
1.1

PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

Động cơ điện một chiều:
Cấu tạo của động cơ điện: roto và stato
Stato (phần tĩnh) : đây là phần đứng yên, cấu tạo gồm: cực từ chính, cực từ
phụ, gơng từ, nắp máy, cơ cấu chổi than.
Roto (phần quay): cấu tạo gồm: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp,
cánh quạt, trục máy
Phân loại động cơ điện một chiều:
Động cơ kích từ độc lập
Động cơ kích từ song song
Động cơ kích từ nối tiếp
Động cơ kích từ hỗn hợp
Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Động cơ điện kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn một chiều
độc lập (đối nguồn có cơng suất khơng đủ lớn)
Nguyên lý của động cơ kích từ độc lập:

2

Khi cho điện áp một chiều U vào chổi điện, trong thanh dẫn phần ứng có
dịng điện Iư. Các dây quấn có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực F đt
tác dụng làm quay roto.
Khi động cơ quay, từ trường Eư sinh ra chống lại hiệu điện thế đầu vào, E ư
ngược chiều với dòng điện Iư
Sơ đồ tổng quát:

Hình 1.1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập

Theo hình ta có thể viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần
ứng như sau:
 U u = E u + (R u + R f ).I u                 
(1-1)
Trong đó:
Uu
: Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V)
Eu
: Sức điện động phần ứng(V)
Ru
Ω 
: Điện trở mạch phần ứng( )
Rf
Ω 
: Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( )
Iu
: Dòng điện mạch phần ứng (A)
Với
3

R u = ru + rct + rb + rcf             
Trong đó:
ru
Ω 
: Điện trở cuộn dây phần ứng ( )
rb
Ω 
: Điện trở cuộn bù ( )
rcf
Ω 
:Điện trở cuộn bù phụ ( )
rct
Ω 
: Điện trở tiếp xúc chổi điện ( )
Eu
Sức điện động
của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức như
sau:
PN
Eu =
.φ.ω = K.φ.ω
2πa
(1-2)
P: Số đôi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: Số đôi mạch nhánh song song của dây phần ứng
φ
: Từ thơng kích từ dưới mỗi cực từ (Wb)

ω
: Tốc độ góc (rad/s)
K=

PN
2πa

: Hệ số cấu tạo động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vịng/ phút) thì:
E u = K e .φ.n

ω=

2πn
n
=
60 9,55

Vì vậy:
PN
Eu =
.φ.n
60a

Ke =
Với

PN
K

=
≈ 0,105K
60a 9,55
4


ω=
=> Từ (1-1) và (1-2) ta có:

Uu R u + R f
−
.I u
K.φ
K.φ

(1-3)

Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
M dt
Mặt khác, momen điện từ
của động cơ được xác định bởi:
M dt = K.φ.I u
(1-4)
M
I u = dt
Iu
K.φ
: Thay giá trị vào (1-3) ta có:
U
R +R

ω = u − u 2 f .M dt
K.φ (K.φ)
(1-5)
Nếu bỏ qua tổn thất cơ trên trục động cơ thì momen cơ trên trục động cơ bằng
momen điện từ, ta kí hiệu là M:
 M dt =  M co = M
Phương trình kích từ độc lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
R + Rf
U
ω= u − u
.M
K .φ ( K .φ)2
(1-6)
Giản đồ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều:

Hình .1.2. Giản đồ đặc tính cơ và đặc tsinh cơ điện của động cơ một chiều

5


Dựa vào phương trình đặc tính cơ ta thấy sự thay đổi của vận tốc có quan hệ
với
φ
Uu, Rf, .
Hiện nay, trong thực tế có 3 phương pháp để thay đổi tốc độ của động cơ điện
một chiều:
Rf
+ thay đổi điện trở phụ phần ứng ( )
φkt
+ thay đổi từ thơng kích từ ( )

Uu
+ thay đổi điện áp phần ứng ( )
Rf
1.1.1
Thay đổi điện trở phụ phần ứng ( )
Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằng
phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào
mạch phần ứng
ω = f (R f , φkt , U)
Ta có:
Giả thiết:
U= const
Φkt = const
R = Var
Muốn thay đổi điện trở phụ phần ứng mắc nối tiếp với điện trở phụ thay đổi
được và mạch phần ứng, ta có:
R= Rư + Rf
Từ phương trình đặc tính cơ:
U
R + Rf
ω = dm *M
KΦ dm (KΦ dm ) 2
Từ phương trình đặc tính cơ => khi điện trở phụ R f tăng => tốc độ động cơ
giảm, khi điện trở phụ Rf giảm => tốc độ động cơ tăng
Tốc độ không tải lý tưởng:

6


ωo =

U dm
= const
kφdm

Độ cứng đặc tính cơ:
(kφdm ) 2
β=
= Var
Ru + Rf
Dạng đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta có dạng đặc tính cơ như hình:

Hình 1.3. giản đồ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ phần ứng

=> Nhận xét: Nếu Rf càng tăng thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời I nm và
Mnm càng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cư
khi khởi động.
Ưu điểm:
+ Đơn giản, dễ thực hiện.
Nhược điểm:
+ Độ cứng đặc tính cơ thấp
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn
+ Phạm vi điều chỉnh hẹp
1.1.2

Thay đổi từ thơng kích từ (

φkt

)

Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằng
phương pháp thay đổi từ thơng kích từ chính là điều chỉnh momen điện từ của
động cơ M= K.Φ.Iư và điều chỉnh sức điện động quay Eư = K.Φ.ω của động
cơ.
7


Sơ đồ ngun lý:

Hình 1.4. Sơ đồ điều chỉnh kích từ của động cơ kích từ động lập

Ta có:

ω = f (R f , φkt , U)

Giả sử:
U = Udm = const
Φ = Var
R = const
Để thay đổi tốc độ

ω

ta cần thay đổi

φkt

, mà từ thơng kích do dịng kích từ

sinh ra vậy ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ. Do tăng dịng kích từ
φkt = φdm
Ikt > Idm sẽ làm phá hỏng cuộn dây kích từ và khi
( trạng thái bão
φkt
hịa) ta tăng Ikt lên thì
cũng không thay đổi đáng kể nên ta thay đổi từ
thông kích từ bằng cách giảm từ thơng
- Phương trình đặc tính cơ:
U
R + Rf
ω = dm *M
KΦ dm (KΦ dm ) 2
Từ thông giảm => tốc độ động cơ tăng
Giảm từ thông => tốc độ không tải lý tưởng ωox tăng, độ cứng đặc tính cơ
giảm, dịng ngắn mạch Inm không đổi:
U
ωox = dm = var
KΦ x
Tốc độ không tải lý tưởng:
8


Độ cứng đặc tính cơ: β =

dịng ngắn mạch: Inm =

(K Φ x )2
=var

R

U dm
R

= const

Dạng đặc tính cơ: khi thay đổi từ thơng ta có dạng đặc tính cơ như hình.

Hình 1.5. dạng đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập khi
thay đổi từ thông

=> Nhận xét:
Nhược điểm:
D=
+Dải điều chỉnh không rộng:

ωmax
= 2 :1
ωmin

+ Tốc độ nhở nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên

+ Tốc độ lớn nhất
mạch của động cơ

ωmax

φ = φdm

bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển

Ưu điểm:
+ Cơng suất điều chỉnh mạch nhỏ, tổn thất năng lượng nhỏ.

9


Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 5:1 thậm chí đến 8:1
những phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và
công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên

Thay đổi điện áp phần ứng (
1.1.3.1 Cơ sở của phương pháp
ω = f (R f , φkt , U)
Ta có:
1.1.3

Uu

)

Giả sử :
Uư = Var
Φ = Const
R = Const
phương trình đặc tính cơ
U
R + Rf
ω = dm *M

KΦ dm (KΦ dm ) 2
Điện áp động cơ giảm => tốc độ động cơ giảm
Tốc độ không tải lý tưởng:
U
ωo = u = var
kφ
Độ cứng đặc tính cơ:
β=

(kφ) 2
=const
Ru

Dạng đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện áp mạch phần động cơ ta được một họ đắc tính song song
với nhau như hình vẽ.

10


Hình 1.6. giản đồ biểu thị sự thay đổi của điện áp phần ứng

1.1.3.2 Phương pháp điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng thêm một bộ biến đổi
điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mạch phần ứng của động cơ

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ

BBĐ dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và
điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của BBĐ Rbđ phụ

thuộc vào loại thiết bị vì thơng thường cơng suất của bộ biến đổi và động cơ
sấp sỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ
Sơ đồ nguyên lý thay thế:

Hình 1.8. sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ

11


=> Nhận xét:
Ưu điểm:
+ Không gây ồn
+Không gây tổn hao phụ trong động cơ
D ≈ 10 : 1 
+ Dải điều chỉnh rộng:
+ Độ cứng đặc tính cơ khơng đổi trong dải điều chỉnh
+ Dễ tự động hóa
Nhược điểm:
+ Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp
ra.
+ Điều khiển phức tạp
=> Kết luận: với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương
pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh
vực khác.
1.2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU
1.2.1 Phân tích hệ thống máy phát động cơ (F-Đ)
1.2.1.1 Cấu trúc hệ F-Đ và các đặc tính cơ bản
Hệ thống máy phát động cơ (F-Đ) là hệ truyền động didejn mà bộ biến
đổi diện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do
động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiern quay và coi tốc đọ quay của

máy phát là khơng đổi. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc
tính: Đặc tính từ hóa là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dịng
điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy
phát và dòng điện tải, các đặc tính này nối chung là phi tuyến do tính chất của
lõi sắt, do các phản ứng của dòng điện phần ứng.. Trong tính tốn gần đúng có
thể tính hóa các đặc tính này:
� � = � �.� �.

�

= ��.��. .

��

Trong đó: �� : là hệ số kết cấu cảu máy phát
C = ∆� .F/∆
∆

��

: là hệ số góc của đặc tính từ hóa

Nếu quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng � �� thì:
12


Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích
bởi hệ số hằng � � như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích
từ độc lập là một bộ khuếch đại tuyến tính:
�� = ��′. ���′′

Nếu đặt R = � ư� + �ư� thì có thể viết được phương trình các đặc
tính của hệ F-Đ như sau:
K
R
ω = f .U KF  −
.M
Kφ
(Kφ) 2
ω = ωD .(U KF.U KD ) −

M
β(U KD )

1.2.1.2 Các chế độ làm việc của hệ F-Đ
Trong mạch lực của hệ F-Đ khơng có phàn tử phi tuyến nào
nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các
chế độ điều chỉnh được cả hai phía: kích thích máy phát F và kích
độngc ơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích
máy phát, hãm động năng khi dịng bằng kích thích máy phát, hãm
động năng khi dịng kích từ máy bằng không, hãm tyasi sinh khi
giảm tốc ssộ hoặc khi đảo chiều dịng kích từ, hãm ngược ở cuối
giai đoạn hãm tái sinh khi đăỏ chiều hoặc khi làm việc ổn định với
momen tải có tính chất thế năng. Hệ F-Đ có các đặc tính cơ điện
(ω, M)
đầy đủ cả bốn góc phần tư của mặt phẳng tọa độ

13


a) Trạng thái động cơ là trạng thái momen của động cơ cùng chiều

M.ω
với tốc độ có nghĩa là
>0 . Ở trạng thái này điện năng từ lưới
qua động cơ sẽ biến thành cơ năng đưa ra trục động cơ.
Vậy M > 0 ; ω > 0 => M. ω > 0
M < 0 ; ω < 0 => M. ω > 0

(ω,M)

Nếu biểu diễn trên hệ tọa độ
thì chế độ động cơ được biểu
diễn ở góc phần tư thứ nhất và thứ ba.
b) Trạng thái máy phát
Trạng thái máy phát của động cơ là trạng thái mà momen
M.ω < 0
quay của động cơ ngược chiều với tốc độ nghĩa là
. Ở trạng
thái này động cơ sẽ làm việc như một máy phát, momen hãm sinh ra
do quá trình biến đổu năng lượng từ cơ ra điện và đóng ai trị là
Mh
momen hãm
. Biểu diễn trên đồ thị ở góc phần tư thứ hai và thứ
tư

14


1.2.1.3 Đặc điểm của hệ F-Đ
+Ưu điểm chung của hệ F-Đ: sự chuyển đổi linh hoạt trạng thái làm việc, khả
năng quá tải lớn. Do vậy hệ truyền động F-Đ thường được sử dụng trong các

máy khai thác dùng ở công nghiệp mỏ.
+ Nhược điểm: nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy
điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, cơng suất
lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần cơng suất động cơ chấp hành. Ngồi ra do các
máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc
độ.
1.2.2 Hệ thống truyền động xung áp động cơ một chiều
1.2.2.1 Nguyên lý hệ thống

Hình 1.9. Cấu trúc hệ truyền động xung áp một chiều

15


Sơ đồ đơn giản của hệ ĐAX-ĐM dùng khóa đóng và cắt bằng
thyristor. Trong đó, nguồn một chiều chỉnh lưu cầu diot 3 pha CL,
tạo ra điệ áp Ud tương đối bằng phẳng, giúp cho việc duy trì chế độ
dịng điện liên tục được dễ dàng.
Điều khiển thyristor T1 mở và khóa bằng xung mở của bộ
điều khiển, ta sẽ được điện áp ra của bộ băm nối tiếp Ub đặt vào
phần ứng của động cơ ĐM, tương ứng sẽ có tốc độ w. Trong chế độ
dịng điện liên tục, các đại lượng trong hệ được tính tốn theo giá trị
trung bình : Điện áp hoặc sức điện động trung bình của bộ ĐAX :
t
E b = U tb = d .U d = γ.U d
t ck 0
γ=

td
t

.U d = d = t d .f x
t ck
Tx

Trong đó :
kì tần số xung của bộ BĐK

tỷ số chu kì băm

Tx

và

fx

: chu

Dịng điện trung bình mạch phần ứng:
E − E γ.U d − Kφω
I u = I tb = b
=
Ru ∑
Ru∑
Phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ ĐAX-ĐM có dạng:
γ.Ud R u ∑
ω=
−
.I u
Kφ
Kφ

ω=

γ.U d R u ∑
−
.M
Kφ (Kφ) 2

Đặc tính cơ ở vùng dịng điện liên tục là những đường thẳng song song nhau,
tróng đó tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào tỉ số chu kỳ:

16


Hình 1.10. Đặc tính cơ của hệ truyền động

Xung điều khiển các thyristor T1 và T2 được tạo ra nhờ bộ BĐK với
1
fx =
Tx
Tx
tần số xung
. Khi thay đổi chu kỳ xung
hay tần số xung
fx
, ta sẽ làm thay đổi thời gian mở khóa của T1 và T2, từ đó thay
đổi được điệnáp Ub và Uu , dẫn đến điều chỉnh được tốc độ động cơ
ω
.

Hình 1.11. Cấu trúc bộ điều chỉnh điện áp

1.2.2.2 Đặc điểm hệ thống truyền động xung áp động cơ một chiều
Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là: sử dụng các linh kiện
bán dẫn nên tổn hao ít, khơng phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường,
khả năng tự động hóa cao, tuy nhiên sơ đồ phức tạp, mạch điều
khiển cũng phức tạp
17


1.2.2.3 Đưa ra phương án lựa chọn để thiết kế bộ biến đổi
Sau khi đưa ra bốn phương pháp án trên kết hợp với các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật và khả năng vận hành cùng với điều kiện phát
triển của khoa học kỹ thuật chọn phương án dùng T-Đ. Vì phương
pháp này có nhiều ưu điểm phù hợp với u cầu cơng nghệ.
Vì vậy ta chọn hệ thống truyền động như sau:
+ Động cơ: chọn loại động cơ 1 chiều kích từ độc lập
+ Phương pháp điều chỉnh tốc độ : thay đổi điện áp đặt vào phần
ứng động cơ.
+ Loại BBĐ: hệ truyền động T-Đ
1.3 PHÂN TÍCH CHỌN HÃM ĐỘNG CƠ

Hãm động cơ gồm 2 phương pháp:
+ Hãm theo phương pháp cơ
+ Hãm theo phương pháp điện
Hãm theo phương pháp cơ là dùng phanh cơ hoặc phanh điện – cơ, phanh
điện- cơ thường đặt ở cổ trục động cơ và có nhiều kiểu, nhiều loại nhưng
nguyên tấc điều khiển tương tự nhau. Khi cấp điện cho động cơ chạy thì cuộn
phanh cũng được cấp điện khi đó cổ trục động cơ chạy thì cuộn phanh cũng
được cấp điện vì cổ trục động cơ được nối lỏng. Khi cắt điện để động cơ được
nối lỏng thì cuộn phanh cũng mất điện vì cổ trục động cơ bị ép lại

Mục đích của hãm một hệ TĐĐ:
+ Dừng hệ TĐĐ
+ Giữ hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có hướng gây
chuyển động
+ Giảm tốc hệ TĐĐ
+ Ghìm cho hệ TĐĐ làm việc với tốc độ ổn định
Hai mục đích sau phương pháp hãm phanh điện – cơ rất khó thực hiện nên ta
khơng dùng phanh điện cơ
Phương pháp hãm điện dùng được trong tất cả các trường hợp trên nên ta
phân tích hãm điện.
18


Trạng thái hãm của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra momen điện từ
ngược với chiều quay của roto đang có, có 3 trạng thái hãm :
+ Hãm tái sinh
+ Hãm ngược
+ Hãm động năng
Đặc điểm chung cho cả 3 trạng thái hãm điện là động cơ điện làm việc ở chế
độ máy phát, cơ năng của hệ TĐĐ đang có qua động cơ chuyển hóa thành
điện năng để hoàn trả về lưới điện ( hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ ở dạng nhiệt
trên điện trở ( hãm ngược , hãm động năng)
1.3.1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh là trạng thái máy phát mà cơ năng tích lũy thành điện năng trả về
lưới điện. Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý
tưởng ( Eu > Uu ). Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với
lưới điện. So với chế độ động cơ, dòng và momen hãm đã đổi chiều được xác
định theo biểu thức:
U − E u Kφωo − Kφω

Ih = u
=
R
R
<0
Mh=Kkt.Ih<0
Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu thì
ω > ωo
hệ thống làm việc ổn định với
Hãm tái sinh xảy ra trong các trường hợp sau đây:
+ Với tải mang tính chất tải phản kháng, hãm tái sinh bằng cách giảm điện áp
Uu2+ Với tải mang tính chất thế năng, ta tiến hanh hạ tải bằng cách đảo chiều điện
áp phần ứng. Ở đây ta nghiên cứu tải mang tính chất phản kháng nên ta không
xét trường hợp này.
Khi hãm tái sinh không nên đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng vì đưa thêm
điện trở phụ vào sẽ làm cho hiệu suất của việc hãm tái sinh giảm đi tốc độ làm
việc khi hãm lớn gây ra mất an toàn
Vậy ta xét hãm tái sinh bằng phương pháp giảm điện áp nguồn
19


1.3.1.1 Hãm tái sinh với tải phản kháng (Uu2
Hãm tái sinh xảy ra ở những hệ có điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng. Động
cơ khi giảm điện áp để để điều chỉnh tốc độ sừng máy và để đảo chiều quay
Xảy ra hãm tái sinh khi:
ωd > ωo

Hình 1.12 . Hãm tái sinh với giảm điện áp Uu

Khi thay đổi điện áp phần ứng:
Tốc độ không tải lý tưởng tại A:
U
ωo1 = 1
Kφ
Tốc độ không tải lý tưởng sau khi tiến hanh hãm:
U
ωo2 = 2
Kφ
Độ cứng đặc tính cơ:
β=

(Kφ) 2
R u + Rf

= const nên 2 đường đặc tính cơ song song với nhau

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ với tốc độ khơng tải
lý tưởng Wo1 ở góc phần tư thứ nhất với momen cản Mc và tốc độ động cơ WA
Khi thay đổi điện áp phần ứng, theo quán tính cơ nên tốc độ động cơ chưa kịp
thay đổi tức thời nên động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B để thỏa mãn 2
điều kiện đề bài:
20


IB =

U u − Kφω Kφωo2 − KφωA
=

<0
Ru + Rf
Ru + Rf

M B = KφI B < 0

vì

Wo2 < WA

=> Momen hãm

M A = M o2
Tốc độ động cơ giảm dần từ B đến C do
nên dịng điện dẫn bằng
khơng dẫn tới momen bằng 0, dưới tác dụng của momen cản làm động cơ tiếp
tực giảm xuống dưới Wo2

Đoạn DC dòng điện và momen động cơ dương:
U − Kφω Kφωo2 − KφωCD
ICD = u
=
>0
Ru + Rf
Ru + Rf
M CD = KφωCD > 0

Đến D momen động cơ Mdc cân bằng Mc động cơ làm ciệc ở chế độ ổn định tại
ωD < ωA
điểm D với tốc độ

Đoạn BC là đoạn hãm tái sinh với tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ khơng tải lý
tưởng
Trong hãm tái sinh địng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới
điện có giá trị P=(E-U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ
sinh ra điện năng hữu ích
- Nhận xét:
Hãm tái sinh là phương pháp hãm kinh tế nhưng do ta chọn bộ biến đổi hình
tia 2 pha mắc Diod Do là bộ biến đổi đơn. Bộ biến đổi đơn khơng cho phép
dẫn dịng ngược mà chỉ cho dẫn dòng theo một chiều nên hệ truyền động của
ta không thực hiện hiện hãm tái sinh này
1.3.2 Hãm ngược

Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi momen cản động cơ ngược
↑↓ ω
chiều với tốc độ quay của động cơ (M
). Có 2 loại hãm ngược
+ Hãm đảo chiều điện áp phần ứng (sử dụng với tải phản kháng)
+ Hãm đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (sử dụng với tải mang tính chất
thế năng)
Ở đây ta chỉ xét tải phản kháng nên không xét đến tải thế năng
21


1.3.2.1 Hãm ngược đảo chiều điện áp phần ứng

Hình 1.13 . a) Sơ đồ hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng
b) Giản đồ hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng:
−U

ω=
= −ωo
Kφ
β1 =

(Kφ) 2
Ru

(Kφ) 2
β2 =
< β1
Ru + Rf

=> 2 đặc tính cơ khơng song song với nhau

Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng ( vì dịng đảo
chiều lớn nên phải mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế) thì
động cơ sẽ chuyển sang chế độ làm việc tại điểm B để thỏa mãn 2 điều kiện
làm việc trên đặc tính cơ mới và có tốc độ bằng tốc độ động cơ ở A:
− U u − Kφω −Kφωo − KφωA
IB =
=
<0
Ru + Rf
Ru + Rf
Wo2 < WA
vì
M B = KφI B < 0
=> Momen hãm
Tại điểm B do qn tính nên roto vẫn quay theo chiều cũ cịn Momen đã đổi

chiều chống lại chiều quay nên tốc độ giảm nhanh theo đoạn BC.
Tại C tốc độ bằng 0 nếu cắt phần ứng ra khỏi lưới điện động cơ sẽ dừng lại.
Cịn nếu vẫn tiếp tục đóng phần ứng vào lưới điện thì tại C momen cản M>
Mc thì động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại. Từ C đến D dòng điện, Momen
giảm dần
22


ICD =

− U u − (− Kφω) −Kφωo + KφωCD
=
<0
Ru + Rf
Ru + Rf

M CD = KφICD < 0

Đến D momen động cơ cân bằng với momen cản => động cơ bắt đầu là việc ở
chế độ xác lập
Đoạn BC hãm ngược vì Momen quay của động cơ ngược chiều với tốc độ
↑↓ ω
quay của động cơ (M
).
Nhận xét:
Hãm đảo chiều điện áp và đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng:
Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ khơng thực hiện được khi
có sự cố mất điện. Hãm ngược bằng phương pháp đảo cực tính đặt vào phần
ứng động cơ như trên dịng điện rất lớn gây tổn thất năng lượng lớn. E cũng
chiều U động cơ làm việc như một máy phát mắc nối tiếp với lưới. Lúc đó nó

vừa nhận năng lượng từ lưới điện đồng thời lượng điện do nó phát ra đều tiêu
tán trên mạch phần ứng dưới dạng nhiệt làm giảm tuổi thọ động cơ. Mặt khác
nếu như tốc độ động cơ đã giảm thấp nếu ta không cắt động cơ ra khỏi lưới
một cách chính xác thì động cơ sẽ quay ngược lại do đó khơng phù hợp với
yêu cầu công nghệ.
1.3.3 Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng
lượng cơ học của động cơ đã tích lũy trong q trình làm việc trước đó biến
thành điện năng sử dụng trong mạch hãm dưới dạng nhiệt
Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập
1.3.3.1 Hãm động năng kích từ độc lập

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt
phần ứng của động cơ khỏi lưới điện 1 chiều và đóng vào 1 điện trở hãm,
mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ.

23


Hình 1.14. a) Sơ đồ hãm động năng của động cơ kích từ độc lập
b) giản đồ hãm động năng của động cơ kích từ độ lập

Ban đầu K đóng, H mở động cơ làm việc ổn định tại điểm A, tốc độ không tải
ωA
lý tưởng là
Để tiến hanh hãm động năng ta mở khóa K và đóng H, nghĩa là cắt điện áp
phần ứng ra khỏi động cơ và đóng vào điện trở hãm Rhãm
U
ωo = u = 0

Kφ
vì lúc này Uu=0
−(Kφ)2 −(Kφ) 2
β=
<
Ru + Rf
Ru
Do quán tính cơ tốc độ động cơ không thể tahy đổi tức thời, động cơ chuyển
sang làm việc tại điểm B để thỏa mãn 2 điều kiện:
+ Tốc độ động cơ không đổi
+ Làm việc trên đặc tính cơ mới
Kφωo − KφωA
IB =
<0
Ru + Rf
M B = KφI B < 0

trở thành momen hãm nên tốc độ động cơ giảm dần từ B về 0
ωA
Đến 0 dòng điện bằng 0, tốc độ bằng 0, momen động cơ bằng 0 vì
giảm
dần bằng 0
Đến 0 có trường hợp với tải thế năng động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại,
24


nhưng ở đây ta chỉ xét tải phản kháng
Ở tải phản kháng động cơ dừng lại không khởi động theo chiều ngược lại
Từ B đến C là hãm động năng.
Nhận xét:

β
Độ cứng đặc tính cơ phụ thuộc vào Rh khi Rh càng nhỏ thì độ cứng đặc tính
đặc tính cơ càng cứng, momen hãm càng lớn hãm càng nhanh. Tuy nhiên phải
÷
chọn Rh sao cho Ihdb <(2 2.5)Iđm. Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu thụ
ít năng lượng từ lưới. Năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động
cơ tích được trong q trình làm việc. Trong q trình hãm động cơ chỉ tiêu
(1 ÷ 5)%Pdm
thụ cơng suất kích từ rất nhỏ Pkt=

1.2.4 Đánh giá, lựa chọn bộ biến đổi
Trong sơ đồ bộ chỉnh lưu tia 2 pha có D o ta chọn cho hệ thống truyền động
không làm việc ở chế độ nghịch lưu, khơng có chuyển năng lượng về nguồn
do đó khơng có hãm tái sinh. Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, suất
điện động E khơng đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ không đảo chiều. Muốn
hãm ngược ta phải có các cơng tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, như vậy
sẽ rất phức tạp, giá thành cao, kích thước lại lớn. Mặt khác về mặt năng lượng
thì hãm ngược có chỉ tiêu năng lượng xấu nhất, cho nên ta không chọn hãm
ngược trong hệ thống truyền động. Vì vậy chỉ cịn lại hãm động năng với ưu
điểm là đơn giản và chỉ tiêu năng lượng hơn ở hãm ngược nên hợp lý hơn cả
cho hệ thống truyền động điện.

25