Tài liệu Đặc tính cơ của động cơ điện_Chương 2a doc

Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Chơng 2:
ĐặC TíNH CƠ CủA Động cơ điện
Đ 2.1. KHáI NIệM CHUNG
Chơng 1 đã cho ta thấy, khi đặt hai đờng đắc tính cơ M() và
M
c
() lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể xác định đợc trạng thái
lamg việc của động cơ và của hệ (xem hình 1-2 và hình 1-3): trạng
thái xác lập khi M = M
c
ứng với giao điểm của hai đờng đặc tính
M() và M
c
(); hoặc trạng thái quá độ khi M M
c
tại những vùng có

xl
; trạng thái động cơ thuộc góc phần t thứ nhất và thứ ba; hoặc
trạng thái hãm thuộc góc phần t thứ hai và thứ t.
Khi phân tích các hệ truyền động, ta thờng coi máy sản xuất đã
cho trớc, nghĩa là coi nh biết trớc đặc tính cơ M
c
() của nó. Vậy
muốn tìm kiếm một trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu
nh tốc độ, mômen, dòng điện động cơ v... ta phải tạo ra những đặc
tính cơ của động cơ tơng ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững
các phơng trình đặc tính cơ và các đặc tính cơ của các loại động cơ
điện, từ đó hiểu đợc các phơng pháp tạo ra các đặc tính cơ nhân tạo
phù hợp với máy sản xuất đã cho và điều khiển động cơ sao cho có

đợc các trạng thái làm việc theo yêu cầu công nghệ.
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số
liệu định mức của nó. Trong nhiều trờng hợp ta coi đặc tính này nh
loạt số liệu cho trớc. Mặt khác nó có thể có vô số đặc tính cơ nhân
tạo có đợc do biến đổi một hoặc vài thông số của nguồn, của mạch
điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng
thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số nào có ảnh hởng đến
hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều đợc coi là thông số điều
khiển động cơ, và tơng ứng là một phơng pháp tạo đặc tính cơ nhân
tạo hay đặc tính điều chỉnh.
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng
thuận M = f() hay dạng ngợc = f(M).
Trang 20
Đ 2.2. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ một chiều
kích từ độc lập (ĐM
đl
)
2.2.1. Sơ đồ nối dây của ĐM
đl
và ĐM
ss
:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐM
đl
): nguồn một
chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau.
Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không
đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ
đợc gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐM
ss

).









2.2.2. Các thông số cơ bản của ĐM
đl
:
Các thông số định mức:
n
đm
(vòng/phút);
đm
(Rad/sec); M
đm
(N.m hay KG.m);
đm
(Wb);
f
đm
(Hz); P
đm
(KW); U
đm
(V); I

đm
(A); ...
Các thông số tính theo các hệ đơn vị khác:

*
= /
đm
; M
*
= M/M
đm
; I
*
= I/I
đm
;
*
= /
đm
; R
*
= R/R
đm
;
R
cb
= U
đm
/I
đm,

;
%; M%; I%; ...
Trang 21
a) b)
Hình 2-1: a) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
b) Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song.
Ckt
R
ktf
I
kt
I

I

I
kt
+ U -
+ U
kt
-
R
ktf
R
f
E
R
f
E
+ U

-
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
2.2.3. Phơng trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của ĐM
đl
:
Theo sơ đồ hình 2-1a và hình 2-1b, có thể viết phơng trình cân
bằng điện áp của mạch phần ứng nh sau:
U

= E + (R

+ R
f
).I

(2-1)
Trong đó:
U

là điện áp phần ứng động cơ, (V)
E là sức điện động phần ứng động cơ (V).

=

K
a2
p.N
=E (2-2)

a2
N.p
K

=
là hệ số kết cấu của động cơ.
Hoặc: E = K
e
.n (2-3)
Và:
55,9
n
60
n2
=

=
Vậy: K
e
=
55,9
K
= 0,105.K
R

là điện trở mạch phần ứng, R

= r

+ r

ctf
+ r
ctb
+ r
tx
, ().
Trong đó: r

là điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ ().
R
ctf
là điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ ().
R
ctb
là điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ ().
R
ctb
là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của
động cơ ().
R
f
là điện trở phụ mạch phần ứng.
I

là dòng điện phần ứng.
Từ (2-1) và (2-2) ta có:
Trang 22

I
K

R+R
K
U
ổ
ổfổổ



= (2-4)
Đây là phơng trình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều
kích từ độc lập.
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ đợc xác định:
M
đt
= KI

(2-5)
Khi bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép
thì có thể coi: M
cơ
M
đt
M
Suy ra: I

=


K
M

K
M
õt
(2-6)
Thay giá trị I

vào (2-4), ta có:

M
)K(
R
K
U
M
)K(
R+R
K
U
2
ổổ
2
ổfổổ



=

=

(2-7)
Đây là phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập.
Có thể biểu diễn đặc tính cơ dới dạng khác:
=
0
- (2-8)
Trong đó:

=
K
U
ổ
0
gọi là tốc độ không tải lý tởng. (2-9)


)K(
R
)K(
RR
2
ổ
2
fổổ

=

+
=

gọi là độ sụt tốc độ. (2-10)
Từ các phơng trình đặc tính cơ điện (2-4) và phơng trình đặc
tính cơ (2-8) trên, với giả thiết phần ứng đợc bù đủ và = const thì
ta có thể vẽ đợc các đặc tính cơ - điện (hình 2-2a) và đặc tính cơ
(hình 2-2b) là những đờng thẳng.
Trang 23
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động











Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định
mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:

M
)K(
R
K
U
2

õm
ổõm
õm
ổõm



= (2-11)
Đặc tính cơ nhân tạo (NT) là đặc tính cơ có một trong các tham
số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ.
Khi = 0, ta có:

nm
ổfổ
ổ
ổ
I
RR
U
I =
+
= (2-12)
Và:
nmnm
ổfổ
ổ
MKIK
RR
U
M ==

+
=
(2-13)
Trong đó: I
nm
- gọi là dòng điện (phần ứng) ngắn mạch
M
nm
- gọi là mômen ngắn mạch
Trang 24
Từ (2-7) ta xác định đợc độ cứng đặc tính cơ :

ổfổ
2
RR
)K(
d
dM
+

=

=
(2-14)
Đối với đặc tính cơ tự nhiên:

ổ
2
dm
tn

R
)K(
=
(2-15)
Và:
*

*
tn
R
1
= (2-16)
Nếu cha có giá trị R

thì ta có thể xác định gần đúng dựa vào
giả thiết coi tổn thất trên điện trở phần ứng do dòng điện định mức
gây ra bằng một nửa tổn thất trong động cơ:

= ,
I
U
)1.(5,0R
õm
õm
õmổ
(2-17)
* Ví dụ 2-1:

Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một
chiều kích từ độc lập có các số liệu sau:

Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện
áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch
phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26; điện
trở phụ đa vào mạch phần ứng: 1,26.
* Giải:
a) Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên:
Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: là điểm định mức
[M
đm
;
đm
] và điểm không tải lý tởng [M = 0; =
0
]. Hoặc điểm
không tải lý tởng [M = 0; =
0
] và điểm ngắn mạch [M
nm
; = 0].
Hoặc điểm định mức [M
đm
;
đm
] và điểm ngắn mạch [M
nm
; = 0].
Trang 25


0

đm
TN

nt

NT


I
đm
I
nm
I

a
)


0


đm
TN

nt

NT

M
đm
M
nm
M
b
)
Hình 2-2: a) Đặc tính cơ - điện động cơ một chiều kích từ độc lập.
b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Tốc độ góc định mức:

rad/s3,230
55,9
2200
55,9
n
õm
õm
===
Mômen (cơ) định mức:

Nm 6,28
3,230
1000.6,6
1000.P
M
õm
õm

õm
==

=
Nh vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là
điểm định mức: [28,6 ; 230,3].
Từ phơng trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính đợc:

Wb 091
3,230
26,0.35220
R.IU
K
õm
ổõmõm
õm
=

=


=

Tốc độ không tải lý tởng:

rad/s7,241
91,0
220
K
U

õm
õm
0
=

=
Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và nh vậy ta có thể
dựng đợc đờng đặc tính cơ tự nhiên nh đờng Ư trên hình 2 - 3.
Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch [M
nm
; 0]
Nm 770
26,0
220
91,0
R
U
KI.KM

dm
nmnm
====
Vậy ta có tọa độ điểm thứ ba của đặc tính cơ tự nhiên [770; 0].
Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức
(2-15) hoặc xác định theo số liệu lấy trên đờng đặc tính hình 2-3.

Nm.s 5,2
3,2307,241
6,28
M0

M
d
dM
õm0
õm
tn
=

=


=


=

=
Trang 26
b) Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo có R
f
= 0,78

:
Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không
tải lý tởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (có
R
f
= 0,78) qua các điểm không tải lý tởng [0;
0
] và điểm tơng

ứng với tốc độ nhân tạo [M
đm
;
nt
]:

(rad/s)

241,7







Ta tính đợc giá trị mômen (cơ) định mức:
Nm 66,28
3,230
1000.6,6
1000.P
M
õm
õm
õm
==

=
Và tính tốc độ góc nhân tạo:

rad/s3,183
91,0
35).26,126,0(220

K
I).RR(U
õm
õmổfổõm
nt
=
+
=

+
=

Ta có tọa độ điểm tơng ứng với tốc độ nhân tạo [28,66; 183,3]
Vậy ta có thể dựng đợc đờng đặc tính cơ nhân tạo có điện trở
phụ trong mạch phần ứng nh đờng trên hình 2 - 3.
Trang 27
230,3
Ư
183,3

0 28,6
M (Nm)
Hình 2 - 3: Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
2.2.4. Đặc tính cơ khi khởi động ĐM
đl

và
tính điện trở khởi động:
2.2.4.1. Khởi động và xây dựng đặc tính cơ khi khởi động:
+ Nếu khởi động động cơ ĐM
đl
bằng phơng pháp đóng trực
tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn: I
kđbđ
= U
đm
/R

(10 ữ 20)I
đm
,
nh vậy nó có thể đốt nóng động cơ, hoặc làm cho sự chuyển mạch
khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá huỷ quá trình cơ học
của máy.
+ Để đảm bảo an toàn cho máy, thờng chọn:
I
kđbđ
= I
nm
I
cp
= 2,5I
đm
(2-
18)
+ Muốn thế, ngời ta thờng đa thêm điện trở phụ vào mạch

phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra
để đa tốc độ động cơ lên xác lập.
I
kđbđ
= I
nm
=

RR
U
fổổ
õm
+
= (2ữ2,5)I
đm
I
cp
; (2-19)
* Xây dựng các đặc tính cơ - điện khi khởi động ĐM
đl
:
- Từ các thông số định mức (P
đm
; U
đm
; I
đm
; n
đm
,

đm
; ...) và thông
số tải (I
c
; M
c
; P
c
; ...), số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
- Xác định dòng điện khởi động lớn nhất: I
max
= I
1
= (2
ữ
2,5)I
đm
- Xác định dòng điện khởi động nhỏ nhất: I
min
= I
2
= (1,1
ữ
1,3)I
c
- Từ điểm a(I
1
) kẽ đờng a

0

nó sẽ cắt I
2
= const tại b; từ b kẽ
đờng song song với trục hoành nó cắt I
1
= const tại c; nối c

0
nó sẽ
cắt I
2
= const tại d; từ d kẽ đờng song song với trục hoành thì nó cắt
I
1
= const tại e; ...
Cứ nh vậy cho đến khi nó gặp đờng đặc tính cơ tự nhiên tại
điểm giao nhau của đặc tính cơ TN và I
1
= const, ta sẽ có đặc tính khởi
động abcde...XL.
Trang 28
Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao
điểm của đặc tính cơ TN và I
1
= const thì ta phải chọn lại I
1
hoặc I
2
rồi
tiến hành lại từ đầu.

2.2.4.2. Tính điện trở khởi động:
a) Phơng pháp đồ thị:
Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ trên các đặc tính cơ ứng
với một giá trị dòng điện (ví dụ I
1
) ta có:

1
fổổ
NT1
ổ
TN
I
K
RR
;I
K
R

+

=

= ; (2-20)
Rút ra: ;RR
ổ
TN
TNiNT
fiổ


= (2-21)
Qua đồ thị ta có:

;R
he
ae
R
he
heha
R
ổổ1fổ
=

=
Tơng tự nh vậy:
Trang 29
Hình 2-3: a) Sơ đồ nối dây Đm
đl
khởi động 2 cấp, m = 2
b) Các đặc tính khởi động Đm

đl
, m = 2.
Ckt
R
ktf
I
kt
I

e
K
2
K
1
R
f2
R
f1
U

+
-


0
a)

1

2

0 I
c
I
2
I
1
I

TN
XL
h
e
d
2
c
b
1
a
b)