Tài liệu Giáo trình truyền động điện tự động P9 doc

Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
CHƯƠNG 5
QUá TRìNH QUá Độ TRUYềN ĐộNG ĐIệN
Đ5.1. khái niệm chung
+ Quá trình quá độ truyền động điện (QTQĐ TĐĐ) là quá
trình làm việc của hệ thống TĐĐ khi chuyển từ trạng thái xác lập
này sang trạng thái xác lập khác, khi đó các đại lợng đặc trng
cho hệ thống TĐĐ (I, M, , ...) đều thay đổi theo thời gian.
+ Dựa vào các đặc tính I(t), M(t), (t), n(t) ... ta sẽ xác định
đợc thời gian và tính chất diễn biến của QTQĐ tơng ứng với
chế độ công nghệ của máy; từ đó đánh giá đợc mômen cho phép,
gia tốc dòng điện trong QTQĐ, cũng nh biết đợc mức độ quá
tải của động cơ, và từ đó mà chọn công suất động cơ và các khí
cụ, thiết bị điều khiển cho phù hợp.
+ Nguyên nhân có QTQĐ có thể là:
Nguyên nhân khách quan: do tác động ngẫu nhiên (nhiễu
loạn) nh: ma, bảo, sét đánh, nhiệt độ thay đổi, điện áp, tần số
lới thay đổi, phụ tải thay đỏi bất thờng ...
Nguyên nhân chủ quan: do con ngời điều khiển hoặc tác
động điều khiển các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống
TĐĐ theo yêu cầu công nghệ nh: thay đổi tốc độ, khởi động,
hãm, đảo chiều ..., vì các phần tử, các thiết bị có quán tính cơ và
quán tính điện từ nên có QTQĐ.
+ Hệ thống TĐĐ có các phần tử điện + cơ nên luôn luôn
tồn tại các phần tử tích luỹ năng lợng, do đó mà có quán tính.
Quán tính điện từ: đặc trng bởi hằng số thời gian điện từ
T
đt
=
L
R

, do các phần tử tích luỹ năng lợng điện từ nh điện
cảm L, tụ điện C.
Trang 148
Quán tính cơ: đặc trng bởi hằng số thời gian cơ T
c
=
J

,
do các khâu tích luỹ động năng nh mômen quán tính J và khối
lợng quán tính m ( là độ cứng đặc tính cơ).
Quán tính nhiệt: đợc đặc trng bởi hằng số thời gian nhiệt
T
n
=
C
A
, do các phần tử tích luỹ nhiệt năng nh nhiệt dung ... (C
là nhiệt dung, A là hệ số toả nhiệt).
Thờng T
n
rất lớn nên ta bỏ qua khi xét QTQĐ, vì QTQĐ
có thể đã kết thúc rồi mà quá trình thay đổi nhiệt vẫn còn, cho
nên coi nh không ảnh hởng đến QTQĐ đang xét.
T
đt
có thể xét đến khi điện cảm L lớn, lúc đó quán tính điện
từ tơng đơng với quán tính cơ.
Còn khi T
đt

<< T
c
thì bỏ qua quán tính điện từ.
T
c
luôn luôn xét đến, vì các phần tử thờng có J, m tơng
đối lớn.
+ Khảo sát QTQĐ sẽ xây dựng đợc các quan hệ của các
đại lợng cơ, điện (n,

, I, M ...) theo thời gian (t). Từ đó tính
đợc thời gian QTQĐ.
Nh vậy sẽ đánh giá đợc năng suất máy và nếu cần thiết
thì tìm biện pháp giảm thời gian quá độ để tăng năng suất máy.
Hoặc từ đó tính đợc các gia tốc, lực điện động và sẽ hạn
chế không cho vợt quá trị số cho phép.
Đồng thời sẽ tính đợc sự phát nóng của động cơ theo dòng
xác lập và dòng quá độ, từ đó tìm biện pháp khắc phục và chọn
công suất động cơ cho phù hợp.
Sau đây sẽ khảo sát một số quá trình quá độ (QTQĐ)
thờng xảy ra trong hệ thống truyền động điện (TĐĐ) và chủ yếu
xét đến hằng số T
c
và T
đt
.

Trang 149
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Đ5.2. quá trình quá độ cơ học khi

U
nguồn
= const và M
động
(
) là tuyến tính:
5.2.1. Phơng trình tổng quát:
+ Khảo sát QTQĐ khi chỉ xét đến quán tính cơ (T
c
) bỏ qua
quán tính điện từ
T
đt
- gọi tắt là QTQĐ cơ học.
+ Khảo sát QTQĐ cơ học với điều kiện điện áp nguồn là
hằng số (U
nguồn
= const), mômen động M
động
() tuyến tính là
trờng hợp đơn giản nhất, có thể coi hệ thuộc loại mẫu cơ học đơn
khối, tuy nhiên lại rất hay gặp, vì nó đúng với các dạng đặc tính
cơ M(), M
c
() là tuyến tính (hình 5-1a), cũng có thể áp dụng
cho các động cơ có M() là phi tuyến, nhng trong phạm vi xét
thì M() gần tuyến tính (hình 5-1b), hoặc M() và M
c
() là phi
tuyến cả nhng có dạng gần giống nhau, nh vậy cũng có thể có

M
động
() gần tuyến tính (hình 5-1c).









+ Các giả thuyết cho trớc:
M() và M
c
() là tuyến tính, vậy M
đg
() sẽ là tuyến tính;
J = const; U
ng
= const; ví dụ nh hình 5-1a, b; theo đó, QTQĐ
đợc mô tả bởi hệ phơng trình:
Trang 150

MMMJ
d
dt
MM
MM
dM

d
MM
dM
d
MM
dg c
n
ccoc
nxl
xl
c
cxlco
xl
= =
=
=+
==

==

(5-1)
Rút ra:
(M
n
-

) -(M
co
-

c

) = J
d
dt

MM
Jd
dt
nco
cc

+
=
+
+




M
c
()
M
c
()
M()
M()
M()

xl
Ta có:

T
d
dt

cxl
+=

(5-2)
Trong đó:
Hằng số thời gian cơ học:
T
J
c
c
=
+
(sec); (5-3)
Tốc độ xác lập:


xl
nco
c
MM
=

+
(rad/sec); (5-4)
Nếu đặt:
M
o
= M
n
- M

co
;


đg
=

+

c
;
Trang 151
M
c
()

xl
M
co
M
xl
M
n
M
M
đg
M
đg
M
đg

M
n
M
co
M M
co
M
n
M
xl
M

xl
(
xl
,M
xl
)
Hình 5-1: Các dạng có M
động
là tuyến tính
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Thì: M
đg
= M
o
-

đg
;

đg
= M
o
/

xl
;
Và: T
c
= J/

đg
; (5-3a)


xl
= M
o
/

đg
; (5-4a)
Nghiệm phơng trình không thuần nhất (5-2) là:


=

xl
+ c. e

tT
c
/

(5-5)
Theo điều kiện ban đầu: =
bđ
khi t = 0, do đó:
c =

bđ
-

xl
Vậy ta có:


(t) =

xl
+ (

bđ
-

xl
). (5-6) e
tT
c
/

Theo giả thiết: M nên:
M = M
xl
+(M
bđ
- M
xl
). (5-7) e
tT
c
/
T
c
là hằng số thời gian cơ học, nó đặc trng cho nhịp độ
biến thiên của mômen và tốc độ động cơ trong QTQĐ.
Có thể coi T
c
là thời gian tăng tốc của động cơ từ trạng thái
đứng im đến tốc độ xác lập nếu M
đg.bđ
= const trong QTQĐ.
Với giả thiết trên thì (5-6) và (5-7) có tính chất vạn năng.
Chúng đúng với các QTQĐ khác nhau (khởi động, hãm, thay đổi
tốc độ, đảo chiều ...) khi M() và M
c
() là tuyến tính.
Tuỳ trờng hợp cụ thể mà thay các giá trị tơng ứng của các
đại lợng
bđ
,

xl
, M
bđ
, M
xl
, và T
c
vào (5-6) và (5-7).
Ví dụ nếu M
c
() = const thì
c
= 0, do đó:

T
J
J
M
MM M
c
xl
nco
o
c
==
=

=

(5-8)
Trang 152
Các phơng trình (5-6), (5-7) cho thấy: (t) và M(t) có
dạng hàm mũ. Đặc điểm của hàm mũ là đạo hàm của nó theo thời
gian sẽ giảm đơn điệu, nghĩa là dM/dt và d/dt cứ sau một
khoảng thời gian t = T
c
thì chúng giảm đi e 2,718 lần:

Mt T
Mt
tT
t
e
e
cc
tT
T

t
T
c
cc





+
+
+
=
+
==
()
()
()
()


1
(5-9)
Tại thời điểm ban đầu, các đạo hàm có giá trị cực đại:

M
MM
T
M
T

xl bd
c
o
xl bd
c


=

==








()
()
0
0

(5-10)
Vì
o
T
c
= (
xl

-
bđ
) nên đờng tiếp tuyến với (t) tại thời
điểm ban đầu sẽ cắt đờng thẳng =
xl
= const ở điểm cách trục
tung một khoảng đúng bằng T
c
(hình 5-3).


M, I
M
n
T
c








Khi

bđ
= 0 thì:
=
xl

(1 - e
-t/Tc
)
Trang 153

xl

bđ
= 0
M
bđ
36,8% 13,5% 5%
95%
%
%
85
(t)
63,2
100%
M(t)
5%
t
o
t=T
c
2T
c
3T
c
t

Hình 5-3: Đặc tính QTQĐ khi

bđ
= 0 và M
bđ
= M
n
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
T
c
là khoảng thời gian cần thiết để tốc độ tăng từ:

bđ
= 0 lên đến = 0,632
xl
= 0,632
xl
lên đến = 0,85
xl
= 0,85
xl
lên đến = 0,95
xl
Và M(t) cũng diễn biến tơng tự (t).
Về lý thuyết thì t
qđ
= , nhng thực tế thì t
qđ
3T
c

(xem nh
kết thúc QTQĐ, vì sai số 5% có thể chấp nhận).
Khi giải phơng trình (5-6) hoặc (5-7) có thể có nghiệm
làm cho QTQĐ là ổn định hoặc không ổn định, không dao động
hoặc dao động:






Các phơng trình trên chỉ đúng khi M(), M
c
() là liên tục,
nếu M(), M
c
() không liên tục thì QTQĐ phải tính riêng cho
từng đoạn liên tục một. Sau điêmt đột biến của mômen, ta phải
thay các giá trị mới của
bđ
,
xl
, M
bđ
, M
xl
và T
c
vào các biểu thức
(5-6), (5-7).

*Có thể ứng dụng: M
động
() là tuyến tính đối với:
+ Động cơ ĐM
đl
, ĐK
dq
khi thay đổi phụ tải với M
c
.
+ Động cơ ĐM
đl
, ĐM
nt
, ĐK khi hãm: M
c
= const, M
c
.
+ Động cơ ĐK
ls
khi khởi động trực tiếp với phụ tải kiểu
quạt gió M
c

2
.
Trang 154
5.2.2. Quá trình quá độ cơ học khi khởi động:
5.2.2.1. Xét QTQĐ cơ học khi khởi động

với M(

) tuyến tính, M
c
(

) = const:

Trang 155



xl

xl

xl

ôđ.quán tính ôđ.dao động không ôđ. dđ.
t t t
Hình 5-4: Các QTQĐ ổn định, không ổn định, dao động ...
Hình 5-5: Các sơ đồ, đặc tính khởi động của ĐM
đl
, ĐM
nt
, ĐK
CKT
+
-

XL

XL
2G 1G
+
Ư
R
f2
R
f1
-
TN

2
e
d


1
b c
Ư
a)
+
Ư
CKT
2G 1G
R
f2
R
f1

-
b)
Đ
2G 2G
1G 1G
R
2f2
R
2f1
c)
0 M
c
M
2
M
1
M
TN
d
e
b
c

Ư
a


2

1

XL
0 M
c
M
2
M
1
M
a

XL
~

XL
TN
e

2
d

c

1
b
Ư
a
0 M
c
M
2

M
1
M
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Để đơn giản, ta xét QTQĐ khi khởi động 2 cấp điện trở phụ
mạch rôto của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 5-5a)
khi khởi động m = 2 cấp: sẽ có 3 giai đoạn QTQĐ khởi động:









* Giai đoạn 1: đoạn (ab) đặc tính Ư:
Trên đó: R
f
= R
f1
+ R
f2
R
1
= R

+ R
f1
+ R

f2
Theo đặc tính Ư:

1
2
1
=
()K
R



1
12
1
=
()MM

T
JJ
R
K
J
K
RR R
c
uuf uf
1
1
1

2
2
12
== =
++

()
()
()


(sec); (5-11a)
Điều kiện ban đầu: điểm (a):

bđ1
= 0 ; M
bđ1
= M
1
;
Điều kiện xác lập:

xl1
= xác định theo đặc tính cơ ; M
xl1
= M
c
;
Theo các điều kiện trên và phơng trình (5-6), (5-7) ta có
phơng trình QTQĐ trong giai đoạn 1 này:

Trang 156
(5-12a) =

xl
tT
e
c
1
1
1
.( )
/
(5-13a) MM M Me
cc
tT
c
=+

().
/
1
1
Khi =
1
: tính theo (5-13a) khi t = t
1
; M = M
2
thì chuyển
sang giai đoạn 2:

* Giai đoạn 2: đoạn (bcd) đặc tính :
Trên đó: R
f
= R
f2
R
2
= R

+ R
f2
Theo đặc tính :

2
2
2
=
()K
R



2
12

12
=


()MM

T
JJ
R
K
J
K
RR
c
uuf
2
2
2
2
2
2
== =
+

()
()
()


(sec); (5-11b)
Điều kiện ban đầu: điểm (c):

bđ2
=
1

; M
bđ2
= M
1
;
Điều kiện xác lập:

xl2
= xác định theo đặc tính cơ ; M
xl2
= M
c
;
Theo các điều kiện trên và phơng trình (5-6), (5-7) ta có
phơng trình QTQĐ trong giai đoạn 2 này:
) (5-12b) =+

xl xl
tT
e
c
21 2
2
().
/
(5-13b) MM M Me
cc
tT
c
=+

().
/
1
2
Khi =
2
: tính theo (5-13b) khi t = t
2
; M = M
2
thì chuyển
sang giai đoạn 3:
* Giai đoạn 3: đoạn (deXL) đặc tính TN:
Trên đó: R
f
= 0 R
3
= R

= R


Trang 157
Hình 5 - 6: Các đặc tính khởi động với m = 2
I
I
1

XL

I
2
I
c
(t)
I(t)

XL
T
c1
T
c2
T
c3
t
1
t
2
t
3
t
qđ
=t
kđ
t
TN
d
e
b c

Ư
a

xl2

2

xl1

1
0 M
c
M
2
M
1
M
a)
b)