Bài giảng Truyền động điện

Bộ lao động thương binh và xà hội
Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

tập bài giảng

truyền động điện

Nam ®Þnh 2011


LỜI NĨI ĐẦU
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công
nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện
đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy
các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để
đáp ứng các yêu cầu cơng nghệ mới với mức độ tự động hóa cao.
Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử công suất, tin học các hệ truyền
động điện được phát triển và thay đổi một cách đáng kể. Các bộ biến đổi điện tử cơng
suất được chế tạo hồn chỉnh ứng dụng khoa học tiên tiến và phương pháp tính để điều
chỉnh tốc độ động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ, đạt chất lượng cao, tiết kiệm năng
lượng, giảm kích thước và hạ giá thành của hệ.
Ở nước ta, do u cầu cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế, ngày càng
xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với những hệ
truyền động hiện đại. Nghiên cứu các hệ truyền động, đó là nghiên cứu và phân tích
các đặc tính cơ của động cơ, máy sản xuất và các phương pháp điều chỉnh tốc độ đang
ứng dụng để truyền động cho các cơ cấu của máy công nghiệp.
Để thống nhất nội dung giảng dạy, có tài liệu nghiên cứu cho các giảng viên và
sinh viên. Bộ môn Kỹ thuật điều khiển đã biên tập bài giảng môn học truyền động
điện. Môn học chia 4 chương:
- Chương 1: Những khái niệm cơ bản về hệ truyền động điện
Nội dung chính xây dựng được cấu trúc của hệ truyền động điện, đặc tính cơ của động

cơ điện, độ cứng của đặc tính cơ, đặc tính cơ của máy sản xuất, phương trình động học
của truyền động điện.
- Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện
Xây dựng được phương trình đặc tính cơ của các động cơ điện một chiều kích từ độc
lập , kích từ nối tiếp, động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ, nêu ảnh
hưởng của các tham số đến đặc tính cơ.
- Chương 3: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện
Vẽ được sơ đồ ngun lý, xây dựng được các phương trình đặc tính, đặc tính làm việc
của các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động
cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ.
- Chương 4: Tính tốn và chọn cơng suất động cơ điện trong truyền động điện
Nêu được các điều kiện chung để tính tốn và chọn cơng suất động cơ cho truyền động
điện, các chế độ làm việc của truyền động điện, tính chọn và kiểm nghiệm cơng suất
động cơ điện cho các chế độ làm việc khác nhau.
1


Với kinh nghiệm giảng dạy, kiến thức tích lũy nhiều năm, các tác giả đã cố gắng
biên tập nội dung môn học những kiến thức cơ bản nhất, nhưng vẫn cập nhật được với
những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, với thực tế sản xuất, các hệ thống truyền động
đang trang bị điện cho các máy trong công nghiệp. Các nội dung chi tiết của từng
chương trình bày từ đơn giản đến phức tạp, từ các khâu đến tổng thể và có câu hỏi ơn
tập, bài tập giải mẫu, bài tập tự giải của cuối chương, tạo điều kiện cho sinh viên tự
học. Phần cuối tập bài giảng có hướng dẫn thiết kế và tính chọn hệ truyền động, tạo
điều kiện cho sinh viên nghiên cứu thiết kế các chuyên đề về truyền động điện trong
thực tế và làm đồ án tốt nghiệp.
Tập giáo trình được biên soạn theo hướng mở, kiến thức rộng và chỉ ra tính ứng
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất đang điều chỉnh tốc độ trong các máy cơng
nghiệp. Tập giáo trình được dùng để làm tài liệu để giảng dạy hoàn chỉnh kiến thức
cho các bậc cao đẳng lên đại học, làm tài liệu nghiên cứu của các cán bộ kỹ thuật đang

trực tiếp sản xuất.
Trong quá trình biên soạn, tác giả đã hết sức cố gắng tham khảo nhiều nguồn tài
liệu, cập nhật các kiến thức mới về điều khiển truyền động hiện đại, trao đổi ý kiến
chuyên môn với các bạn đồng nghiệp, song vẫn hạn chế về thông tin và khả năng nên
nội dung không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong các thầy, cơ giáo, bạn đọc đóng góp để
nhóm tác giả hồn thiện tốt hơn. Nội dung đống góp xin giử về bộ mơn Kỹ thuật điều
khiển – Khoa điện trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định.
Tác giả

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .........6
1.1. Cấu trúc chung và phân loại ...................................................................................12
1.2. Khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện .................................................13
1.3. Đặc tính cơ của máy sản xuất .................................................................................14
1.4. Trạng thái làm việc của truyền động điện .............................................................. 15
1.5. Qui đổi mômen cản , lực cản và mơmen qn tính, khối lượng qn tính ............17
1.6. Phương trình động học của truyền động điện.........................................................20
1.7. Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện .........................................................21
CÂU HỎI ÔN TẬP, BÀI TẬP ......................................................................................17
CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ...............................................19
2.1. Khái niệm chung................................................................................................ 19
2.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập .......................................... 20
2.2.1 Phương trình đặc tính cơ ..............................................................................20
2.2.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ. ........................................24
2.2.3. Cách vẽ đặc tính cơ .....................................................................................27
2.2.4. Khởi động và tính tốn điện trở khởi động. ................................................30

2.2.5. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm. ..........................................................36
2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp .................................. 42
2.3.1. Phương trình đặc tính cơ .............................................................................43
2.3.2. Cách vẽ đặc tính cơ .....................................................................................45
2.3.3. Khởi động và xác định điện trở khởi động. .................................................47
2.3.4. Trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. ............................. 48
2.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha ............................. 52
2.4.1. Phương trình đặc tính cơ .............................................................................53
2.4.2. Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ ...............................................57
2.4.3. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở. .................................62
2.4.4. Khởi động và cách xác định điện trở khởi động .........................................65
2.4.5. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm...........................................................67
2.5.Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ ....................................................................... 77
2.5.1. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ ................................................................ 77
2.5.2. Khởi động và hãm động cơ đồng bộ ...........................................................82
CHƯƠNG 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .................................97
3.1 Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện ................. 97
3.3.1. Sai số tốc độ.................................................................................................97
3


3.1.2. Dải điều chỉnh tốc độ .................................................................................. 97
3.1.3. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ. .................................................................... 98
3.1.4. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải. .................................. 99
3.1.5. Chỉ tiêu kinh tế ............................................................................................ 99
3.1.6. Các chỉ tiêu khác ......................................................................................... 99
3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.........................................................99
3.2.1. Khái niệm chung ......................................................................................... 99
3.2.2. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng .................................................... 100
3.2.3. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ .................................................... 104

3..2.4. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) ..............................105
1. Cấu trúc hệ F-Đ ............................................................................................... 105
2. Các chế độ làm việc của hệ F-Đ ...................................................................... 106
3. Đặc điểm của hệ F-Đ. ..................................................................................... 108
3.2.5. Hệ thống khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ) ...........................................108
1. Khái niệm chung ............................................................................................. 108
2. Hệ thống KĐT - Đ dùng khuếch đại từ một pha ............................................. 111
3. Hệ thống KĐT - Đ dùng KĐT 3 pha ............................................................... 112
4. Đặc tính cơ của hệ thống KĐT-Đ ................................................................... 112
5. Hệ thống KĐT-Đ có phản hồi, có chuyển dịch .............................................. 113
3.2.6. Hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều .........................................114
1. Khái quát chung .............................................................................................. 114
2.Đặc tính cơ của hệ truyền động chỉnh lưu tiristo- động cơ một chiều……….156
3.Truyền động tiristo- động cơ một chiều (T-Đ) có đảo chiều quay…………...159
4. Tính chọn các phần tử cơ bản trong hệ thống T-Đ ......................................... 129
5. Đặc điểm của hệ thống T-Đ ............................................................................ 132
3.2.7. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) .........132
1. Điều chỉnh xung áp mạch đơn ......................................................................... 132
2. Điều chỉnh xung áp đảo chiều ......................................................................... 136
3.2.8. Ổn định tốc độ làm việc của truyền động điện một chiều ............................139
1. Khái quát chung. ............................................................................................. 139
2. Điều chỉnh Eb theo dòng tải............................................................................. 140
3. Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng .............................................................. 141
4. Điều chỉnh Eb theo tốc độ động cơ .................................................................. 142
3.2.9. Hệ truyền động điều chỉnh tự động ...............................................................144
1. Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động dùng bộ khuếch đại tổng......................... 144
2 Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động có điều chỉnh độc lập các toạ độ kiểu nối tiếp . 145
4

3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ...................................................... 146
3.3.1. Khái quát điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha. ..146
3.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ .................147
3.3.3. Điều chỉnh điện áp động cơ .......................................................................151
3.3.4. Điều chỉnh điện trở mạch roto ...................................................................158
3.3.5. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ ........................160
3.3.6.Điều chỉnh công suất trượt .........................................................................195
3.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ................................................................. 202
3.4.1. Điều chỉnh tốc độ và mômen .....................................................................203
3.4.2. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ..................206
BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3.........................................................207
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN VÀ CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ..............................................................................................218
4.1. Khái niệm chung về tính tốn và chọn cơng suất động cơ điện ...................... 218
4.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện ....................................................... 219
4.3.Chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ ..... 220
4.3.1. Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn .................................................220
4.3.2. Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn ..............................................221
4.3.3. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại ...............................224
4.4. Tính chọn cơng suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ .............. 226
4.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ ..................................................................... 228
4.6. Hướng dẫn trình tự các bước thiết kế đồ án môn học truyền động điện ......... 237
4.6.1. Khái quát chung .........................................................................................237
4.6.2. Trình tự các bước khi thiết kế ...................................................................282
CÂU HỎI ÔN TẬP .....................................................................................................237
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................248

5

CHƯƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1. CẤU TRÚC CHUNG VÀ PHÂN LOẠI
Hệ thống truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị
điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện - cơ cũng như gia
cơng truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi năng lượng đó. Cấu
trúc chung của hệ truyền động điện, được trình bày trên hình1.1, bao gồm 2 phần
chính:
- Phần lực là bộ biến đổi và động cơ truyền động. Các bộ biến đổi thường dùng là bộ
biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ,
cuộn kháng bão hòa), bộ biến đổi điện tử ( chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzitor, thyristor).
Động cơ điện có các loại: động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng bộ và các
loại động cơ điện đặc biệt (động cơ bước, động cơ servo AC, servo DC).
- Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và cơng
nghệ, ngồi ra cịn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ cơng nghệ và cho con
người vận hành. Đồng thời một số hệ thống truyền động có cả mạch ghép nối với các
thiết bị tự động khác trong một dây truyền sản xuất.

Hình 1.1. Mô tả cấu trúc chung của hệ truyền động
Trong đó: BBD - Bộ biến đổi; DC - Động cơ truyền động; MSX – Máy sản xuất; RT –
Bộ điều chỉnh cơng nghệ; KT - các bộ đóng cắt phục vụ công nghệ; R - Các bộ điều
chỉnh truyền động; K - các bộ đóng cắt phục vụ truyền động; VH - người vận hành;
GN- mạch ghép nối
6


Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, không phải hệ thống truyền động nào cũng có
đầy đủ cấu trúc như vậy. Cho nên có thể phân loại hệ thống truyền động như sau:
- Truyền động không điều chỉnh: thường chỉ có một động cơ nối trực tiếp với
lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.

- Truyền động điện có điều chỉnh: trong loại này tùy thuộc vào u cầu cơng
nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mô men, lực kéo
và truyền động điều chỉnh vị trí. Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là
truyền động nhiều động cơ. Ngoài ra tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta
có được hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều
khiển theo chương trình v.v...
1.2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mơ men của động
cơ. Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, 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
( M đm ,đm ). Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số
nguồn hoặc nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc
tính cơ  và được tính:



M


(1-1)

Trong đó M là mơmen động cơ,  là tốc độ động cơ.
Độ cứng  có giá trị lớn ta có đặc tính cơ cứng,  có giá trị nhỏ đặc tính cơ
mềm,    đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi rất ít khi mơ men biến đổi lớn.
Truyền động có đặc tính cơ mềm tốc độ giảm nhiều khi mơ men tăng (xem hình.1-2)

Hình 1.2. Độ cứng đặc tính cơ

7


Ví dụ như trên hình vẽ đường đặc tính cơ 1 mềm hơn so với đường đặc tính cơ 2 và 3
1.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng. Tuy vậy phần lớn được biểu diễn
dưới dạng biểu thức tổng quát:


  

M c  M co  M đm  M co 
 đm 

(1-2)

Trong đó:

M co - mơ men ứng với tốc độ   0
M đm - mô men ứng với tốc độ định mức đm

M c - mơ men ứng với tốc độ 
Ta có các trường hợp:
-   0 , M c  M đm  const , các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt
gọt kim loại này (đường 1, hình 1-3a)
ω

ω

ω

(1)

(2)

ω c ®m

Mc

Mc

Mc

(3)

M

M

(4)

M c0

M c ®m

Mc

(2)

(1)

M c ®m

b)

a)

Mc

c)

Hình 1.3. a) Dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất:
(1)   0 , (2)   1, (3)   2 ,(4)   1 ;
b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng.
c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng
-   1, mơ men tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, thực tế rất ít gặp, về loại này có thể
lấy ví dụ máy phát điện một chiều tải thuần trở (đường 2, hình 1.3a)
-   2 , mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ, là đặc tính của các máy bơm, quạt gió
(đường 3, hình 1.3a)
-   1, mơ men tỷ lệ nghịch với tốc độ, các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy,
các truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại có đặc tính thuộc loại này
(đường 4, hình 1.3a)
Ngồi ra, một số cơ cấu của các máy có đặc tính khác nhau, ví dụ:

8


- Mơ men phụ thuộc vào góc quay của M c  f ( ) hoặc mô men phụ thuộc vào
đường đi M c  f (s) , trong thực tế các máy cơng tác có pittơng, các máy trục khơng có

cáp cân bằng có đặc tính cơ thuộc loại này.
- Mơ men phụ thuộc vào số vịng quay và đường đi M c  f (, s) như các loại xe điện.
- Mô men cản phụ thuộc vào thời gian M c  f (t ) , ví dụ như máy nghiền đá, quặng.
Trên hình 1.3b và c biểu diễn đặc tính cơ của mơmen cản phản kháng và mômen cản
thế năng.
- Mô men cản thế năng (như các cơ cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính
M c  const và khơng phụ thuộc vào chiều quay (hình 1.3b)

- Mô men cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như mômen ma sát,
mômen của cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v.v….(hình 1.3c)
1.4. TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Trong hệ thống truyền động điện, bao giờ cũng có q trình biến đổi năng lượng
điện – cơ. Chính q trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của truyền động
điện. Ta định nghĩa: Dịng cơng suất điện Pđ có giá trị dương nếu như nó có chiều
truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ
Pc  M . cấp cho máy sản xuất.

Cơng suất cơ này có giá trị dương nếu như mơ men động cơ sinh ra có cùng
chiều quay với tốc độ quay.
Ngược lại, cơng suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn,
cơng suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mô men động
cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay.
Mômen của máy sản xuất được gọi là mô men phụ tải hay mơ men cản. Nó
cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mô men của động cơ.
Phương trình cân bằng cơng suất của hệ thống truyền động là:

Pđ  Pc  P
Trong đó :

(1-3)

Pđ : cơng suất điện

Pc : công suất cơ
P : tổn thất công suất
Tùy thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việc của
động cơ gồm: Trạng thái động cơ và trạng thái hãm, (xem bảng 1-1)

9


Bảng 1-1 Trạng thái làm việc của truyền động điện
Biểu đồ công suất
1

Pcơ

P

>0

=0

= Pđ

Động cơ không
tải

>0

>0

= Pđ  Pc

Động cơ có tải

=0

<0

Pc

<0

<0

Pc

>0

<0

=0

<0

Pđ
P

2

Pđ

Trạng thái làm

Pđ

Pc

việc

P

3

Pc
P

4

Pđ

Pc

Hãm khơng tải

=

Pc - Pđ

Hãm tái sinh

=

Pc  Pđ

Hãm ngược

=

P

5

Pđ
P

6

Pc

= Pc

P

Hãm động năng

- Trạng thái động cơ bao gồm trạng thái có tải và khơng tải.
- Trạng thái hãm gồm hãm không tải, hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.
Hãm tái sinh Pđ < 0, Pc < 0 cơ năng biến thành điện năng trả về lưới

Hãm ngược Pđ > 0, Pc < 0 điện năng và cơ năng chuyển thành tổn thất P
Hãm động năng P đ = 0, Pc < 0 cơ năng biến thành công suất tổn thất P .
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ M  ; ở góc phần
tư I, II: trạng thái động cơ, góc phần tư II, IV: trạng thái hãm ( xem Hình 1.4)

10


Hình 1.4. Trạng thái làm việc của truyền động điện trên các góc phần tư đặc tính
1.5. QUI ĐỔI MƠMEN CẢN , LỰC CẢN VÀ MƠ MEN QN TÍNH, KHỐI
LƯỢNG QN TÍNH
Trên hình 1.5 mơ tả cấu trúc cơ học tổng quát của truyền động, mỗi một cơ cấu
của truyền động đều có các đại lượng  , M, v, F và mơ men qn tính J. Để dễ dàng
cho việc nghiên cứu và tính tốn, người ta thường tính quy đổi tất cả các đại lượng đó
về trục động cơ. Ngun tắc của tính tốn quy đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước
sau khi quy đổi không thay đổi.
a) Tính quy đổi mơmen M c và lực cản Fc về trục động cơ.
-

Giả sử khi tính tốn và thiết kế người ta cho giá trị của mô men tang trống
M t qua hộp giảm tốc có tỷ số truyền là i và hiệu suất là  i . Mơmen này sẽ

tác động lên trục động cơ có giá trị M cqđ
M cqđ .đ 

M cqđ  M t

Trong đó: i 

M t .t

(1-4)

i

1 1
.
i i

(1-5)

đ
;  i là hiệu suất hộp tốc độ
t

Giả thiết tải trọng G sinh ra lực F c có vận tốc chuyển động là V nó sẽ tác động lên trục
động cơ mơ men M cqđ , ta có:

11


M cqđ .đ 

M cqđ 
Trong đó :



đ
V

Fc .V
i .t

(1-6)

Fc 1
.

 

(1-7)

;    i . t

J ® ;ω® ; M®
Mq®

(1)

Jq®

x

(2)

x

J t ;ωt ; Mt
x

x

x

x

(3)
(4) V,F
G

Hình 1.5. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng
(1) động cơ điện; (2) hộp tốc độ; (3) tay quay; (4) tải trọng
b) Tính quy đổi mơ men qn tính
Các cặp bánh răng có mơ men qn tính J1 .....J K , mơ men qn tính tang trống
J t , khối lượng qn tính m và mơ men qn tính động cơ J đ đều có ảnh hưởng đến

tính chất động học của hệ truyền động.
Nếu xét điểm khảo sát là đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền
động tại điểm này ta gọi là J qđ . Lúc đó phương trình động năng của hệ là:

đ2
đ2  12
k2 
t2
V2
m
J qđ .
 Jđ .
  J1.

 ...  J k .   J t .
(1-8)
2
2 
2
2 
2
2
k

J qđ  J đ  
1

Jk
J
m
 2t  2
2

ik
it

(1-9)

Ví dụ 1-1: Xác định mơ men cản và mơ men qn tính của tải trọng và dây cáp qui đổi
về trục động cơ biết cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học giống như hình 1-5. Trong đó
bộ truyền gồm 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền của từng cặp i1 = i2 = 5, trọng lượng của
vật nâng G = 10KN, trọng lượng dây cáp Gc = 10%; tốc độ nâng v = 16,5m/s; hiệu

12

suất mỗi cặp bánh răng 1 = 2 = 0,95; hiệu suất tang trống tời t = 0,93; Đường kính
trống tời Dt= 0,6m.
Giải:
Lấy tốc độ tính tốn là tốc độ động cơ  , khi đó mơ men động cơ M được giữ nguyên.
Tổng trọng lượng được nâng hạ;
Gt = G + Gc= 10 + 1 = 11KN = 11000N
Mômen cản gây ra trên trống tời:
MCT = Gt .Dt/2.t = 11000.0,6/2.0,93 = 3548 Nm
Tỷ số truyền của hộp giảm tốc ( tính từ trục động cơ đến trục trống tời):
i = i1. i2 = 5.5 = 25
Hiệu suất hộp giảm tốc:
 = 1. 2 = 0,95.0,95 = 0,9
Vậy mômen cản tĩnh của tải trọng và dây cáp qui đổi về trục động cơ sẽ là:
MC = MCT / i. = 3548/ 25.0,9 = 157,7 Nm
Khối lượng tải trọng và dây cáp tính theo kg:
Gt
11000

1121 kg
9,81 9,81

m

Quan hệ giữa tốc độ quay nt ( vòng/ phút) của trống tời với tốc độ nâng v (m/s)
của tải trọng:
60.v
Dt

nt 

60
.t
2
60.v 60

.t
Dt 2

nt 

Từ đó ta rút ra được tỷ số truyền ( tỷ số biến đổi từ t sang v) của trống tời –
dây cáp:

t 

t
v



1
2
2

 3,33
Dt 0,6
m

Tỷ số truyền từ động cơ đến dây cáp:




v



 t
1
.  i. t  25.3,33  83,25
m
t v

Vậy mơ men qn tính của tải trọng và dây cáp qui đổi về trục động cơ sẽ là:
1
1
J Gqđ  m. 2  1121.
 0,16 kgm2
2

83,25

13


1.6. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Phương trình cân bằng năng lượng của truyền động điện :
W = Wc+ W

Trong đó :

(1-10)

W : là năng lượng đưa vào động cơ,

Wc : năng tiêu thụ của máy truyền động ,
W : mức chênh lệnh năng lượng giữa năng lượng đưa vào và năng

lương tiêu thụ chính là động năng của hệ:

W 

1 2
J
2

(1-11)

Đạo hàm phương trình (1-11) và chia hai vế cho  ta có:


1
d  J 2 
1 dW 1 dWc 1  2



 dt  dt 
dt

Ở đây :

(1-12)

1 dW
 M là mô men của động cơ,
 dt

1 dWc
 M c là mô men cản
 dt

1

d  j 2 
1 2
M
đơng

dt
Phương trình động học của hệ truyền động tổng qt có dạng

M J
Thơng thường

d 1 dJ
 
 Mc
dt 2 dt

(1-13)

dJ
 0 ,vì vậy ta có phương trình động học thường dùng là:
dt

M J

d
 Mc
dt

(1-14)

Từ phương trình (1-14) thấy rằng :
M  M c thì d > 0 hệ tăng tốc.
dt
M  M c thì d < 0 hệ giảm tốc.
dt
d
M  Mc
thì
= 0 hệ làm việc ổn định.
dt

14


Phương trình (1-14) mơ tả q trình q độ về cơ của hệ truyền động điện. Có thể giải
nó bằng phương pháp giải tích, đồ thị hoặc số tùy theo đặc tính cơ M () và M c ( ) .

1.7. ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Như ở phần 1.6 đã nêu, khi M  M c thì hệ truyền động làm việc ổn định. Điểm
làm việc ổn định là giao điểm của hai đặc tính cơ của động cơ M và của máy sản
xuất M c . Tuy nhiên không phải với bất kỳ động cơ nào cũng có thể làm việc với các
loại tải mà nó phải có điểm giao nhau do thỏa mãn điều kiện ổn định, người ta gọi là
ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ và tải.
Để xác định điểm làm việc ta dựa vào phương trình động học của truyền động
điện:

J

M 
d  M
 ( ) X  ( c ) X (   X )
dt  
 

(1-15)

Điều kiện để ổn định là :

(

M
M
)X  ( c )X  0



(1-16)

Hay  đ -  c  0
Chữ x đánh trên thể hiện điểm khảo sát tại giao điểm đặc tính cơ của động cơ và máy
sản xuất
Trên hình 6 a,b xét các điểm làm việc ổn định của hệ truyền động.
Ở tại điểm khảo sát ta xét thấy 3 điểm A, B, C là điểm làm việc ổn định, còn điểm D
là điểm làm việc không ổn định.
Trường hợp :
Điểm A:  đ  0 và  c 2  0

 đ   c 2  0 ổn định

Điểm B:  đ  0 và  c3  0 nên  đ   c3  0 ổn định
Điểm C:  đ  0 và  c 2  0 nên  đ   c 2 ổn định
Điểm D:  đ  0 và  c 2  0 nên  đ   c 2  0 không ổn định

15


a.
b.
Hình 1.6. Xét điểm làm việc ổn định của hệ truyền động
a) Đặc tính cơ động cơ 1 trơn đều độ cứng âm
b) Đặc tính cơ động cơ M gẫy 2 đoạn độ cứng âm và dương

16


CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Chức năng nhiệm vụ của hệ truyền động điện là gì?

2. Hệ truyền động gồm những khâu và những phần tử nào ? Lấy một máy thực tế
ở một nhà máy sản xuất mà anh (chị) đã biết.
3.Viết biểu thức tính độ cứng đặc tính cơ và nêu ý nghĩa của nó.
4. Viết biểu thức đặc tính cơ của máy sản xuất, lấy ví dụ đặc tính cơ của máy sản
xuất trong thực tế và vẽ dạng đặc tính của nó.
5. Thế nào là mơ men cản thế năng ? Đặc điểm của nó thể hiện trên đồ thị tốc độ ?
Lấy ví dụ một cơ cấu có mơmen cản thế năng.
6. Thế nào là mơ men cản phản kháng ? Lấy ví dụ cơ cấu có mơ men cản phản
kháng.
7. Nêu các trạng thái làm việc của truyền động điện
8. Viết các biểu thức tính qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính, khối
lượng quán tính về trục động cơ.
9. Thành lập phương trình động học của truyền động điện và nêu điều kiện để hệ
tăng tốc, hệ giảm tốc, hệ làm việc ổn định.
10. Nêu điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện, lấy ví dụ và phân tích.

BÀI TẬP
1. Một hệ thống TĐĐ có dạng đặc tính cơ như hình vẽ (Hình 1.7, Hình 1.8). Hãy
xác định điểm làm việc ổn định của hệ ?
Hình 1.7

Hình 1.8

ω

ω
MC

B

A
M§

M§
MC
M

M
a)

b)

2. Một hệ thống truyền động điện dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo
phụ tải quạt gió. Đặc tính cơ của tải có phương trình
ω 2
Mc = 50 +300 (
) Nm ; đmq = 158 rad/s
ω ®m

17


Đặc tính cơ của động cơ đã cho trên hình (Hình 1.9). Hãy xác định điểm làm việc ổn
định của hệ thống bằng phương pháp đồ thị.
ω(rad/s)

165
155

A

ω® m
M®m
100

200

300

M(N, m)

400

Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
3. Xác định mô men cản và mô men quán tính của tải trọng và dây cáp quy đổi về trục
động cơ biết rằng cơ cấu nâng hạ có sơ đồ động học tương tự như trên hình 1-5 trong
đó bộ truyền lực gồm 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền của từng cặp là i 1= i2= 8, trọng
lượng của vật nâng là G = 20KN, trọng lượng dây cáp là Gc = 10%G; tốc độ nâng
v=10 m/s; hiệu suất mỗi cặp bánh răng 1 = 2 = 0,95; hiệu suất của tang trống tời t =
0,92; đường kính trống tời Dt = 0,4m.

18


CHƯƠNG 2
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
2.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ
điện:  = f(M) hoặc n = f(M).
Quan hệ giữa tốc độ và mô men của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy

sản xuất :  = f(MC) hoặc nC = f(MC).
Các dạng đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược,
ví dụ  = f(M) hoặc M = f(  )
Ngoài đặc tính cơ đối với động cơ điện một chiều người ta cịn sử dụng đặc tính
cơ điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động
cơ :  = f(I) hay n = f(I).
Trong các biểu thức trên :

 - tốc độ góc đơn vị rad/s
n- tốc độ quay đơn vị vịng/ phút
M- mô men đơn vị Nm
Trong nhiều trường hợp để đơn giản trong tính tốn hoặc dễ dàng so sánh, đánh
giá các chế độ làm việc của truyền động điện người ta có thể dung đơn vị tương đối.
Muốn biểu diễn một đơn vị nào đó dưới dạng tương đối ta lấy trị số của nó chia
cho trị số cơ bản của đại lượng đó. Các đại lượng cơ bản thường được chọn là :
U đm , I

,  đm , M đm ,  đm , Rcb

đm

Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu ‘*’. Ví dụ điện áp tương đối là U * ,
mômen tương đối là M * . Như vậy một số thơng số có thể tính được trong hệ đơn vị
tương đối như sau :
U
U
hoặc U * % 
.100%
U* 
U đm

U đm
*
Tương tự các thông số khác : I 

* 

I
I đm

; M* 


M
R
; * 
; R* 
 đm
M đm
Rcb



,* 
đm
o

Việc chọn các đại lượng cơ bản là tùy ý , sao cho các biểu thức tính tốn được
đơn giản, thuận tiện như:

19

Tốc độ cơ bản của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp là
tốc độ tốc độ không tải lý tưởng  o , với động cơ không đồng bộ và đồng bộ là tốc độ
đồng bộ 1 . Cịn động cơ kích từ nối tiếp tốc độ cơ bản là đm .
Tri số điện trở cơ bản là RCb .
Với động cơ điện một chiều:
Rcb 

U đm
I đm

Trong đó Uđm điện áp định mức , Iđm là dòng điện định mức
Với động cơ điện không đồng bộ thông thường điện kháng định mức ở mỗi pha
rất nhỏ so với tổng trở định mức nên ta có thể coi gần đúng là :
Rcb  Z 2cb

Khi mạch roto đâu sao ta có R2cb 

E 2 nm
3.I 2 đm

Trong đó E2nm là sức điện động ngắn mạch của roto
là dòng điện định mức ở mỗi pha roto

I 2 đm

Nếu mạch roto đấu tam giác thì điện trở định mức ở mỗi pha của roto là :
1
R2cb  .R2cbY .

2
Trọng tâm của môn học chúng ta nghiên cứu đặc tính cơ , trạng thái làm việc ,
phương pháp khởi động của ba loại động cơ điện thường sử dụng:
Động cơ điện một chiều
Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
Động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha
2.2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
2.2.1 Phương trình đặc tính cơ
U

U

+

R kt
Ikt

C kt

E
I

Rf

R kt
C kt

E
I

Rf

+

-

+

a/

Ukt Ikt
b/

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều
a/ Động cơ kích từ song song; b/ Động cơ kích từ độc lập
20

-


Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp nguồn khơng
thay đổi thì mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi
là kích từ song song (Hình 2.1a).
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (Hình 2.1b), lúc này động
cơ được gọi là kích từ độc lập.
Trong động cơ điện một chiều từ thơng kích từ ln vng góc với dịng điện
phần ứng, từ thơng  do cuộn dây kích từ Ckt có dịng điện Ikt sinh ra. Khi đặt vào phần
ứng điện áp U trong cuộn dây phần ứng có dịng điện phần ứng I. Tương tác giữa  và
I tạo thành mô men làm phần ứng quay, phần ứng quay làm cuộn dây của nó cắt từ

thông , làm xuất hiện sức điện động.
Như đã biết khi dịng điện I tăng thì phản ứng phần ứng tăng, cho nên đối với
động cơ khơng có cuộn bù thì từ thơng  sẽ giảm. Trong thực tế các máy lớn người ta
chế tạo có cuộn bù, đối với máy nhỏ và trung bình thì có cuộn ổn định nối tiếp với
cuộn dây cực từ chính, chúng đều có tác dụng khử phản ứng phần ứng và giữ cho 
khơng đổi. Trong tính tốn người ta giả thiết là phản ứng phần ứng được bù hồn tồn,
có nghĩa là  không phụ thuộc vào I . Theo sơ đồ ngun lý (Hình 2.1) ta có thể viết
phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
U = E + (Ru +Rf) I
trong đó: U - điện áp phần ứng, V.
E - sức điện động phần ứng, V.

(2-1)

Ru - điện trở mạch phần ứng, 
Rf - điện trở phụ trong mạch phần ứng, 
I - dòng điện mạch phần ứng, A
với Ru = ru + rctf + rb + rct.
ru - điện trở cuộn dây phần ứng
rctf - điện trở cuộn cực từ phụ
rb - điện trở cuộn bù
rct - điện trở tiếp xúc của chổi than.
Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
E=
trong đó :

pN
 = K
2π a

p - số đơi cực từ chính
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

21

(2-2)


 - từ thơng kích từ dưới một cực từ, Wb.
 - tốc độ góc, rad/s.

pN
- hệ số cấu tạo của động cơ ( nó khơng đổi đối với mỗi loại động cơ)
2πa
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n thì:
K=

Vì vậy
Ke =

=

2πn
n

60 9,55

E =

pN
.n = Ken
60a

(2-3)

pN
- hệ số sức điện động của động cơ.
60a

K
= 0,105K
9,55
Từ (2-1) và (2-2) ta có:
Ke =



Ru  R f
U

I
K
K

(2-4)

Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mô men điện từ của động cơ được xác định bởi:
Mđt = KI

(2-5).

suy ra: I = Mđt/K.
Thay giá trị I vào (2-4 ) ta được:



Ru  R f
U

M đt
K K 2

(2-6)

Nếu bỏ qua các tổn thất thép thì mơ men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta
ký hiệu M. Nghĩa là Mđt = Mcơ= M.



Ru  R f
U

M
K K 2

(2-7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Phản ứng phần ứng được bù đủ nên từ thông động cơ  = const, các phương trình đặc
tính cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính. Đồ thị của chúng
được biểu diễn trên hình (Hình 2.2a) và (Hình 2.2b) là những đường thẳng.

22


ω

ω

ω0

ω0

ω® m

ω® m

I
0

M

I nm

I® m

0

a)

M nm

M® m

b)

Hình 2.2 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (a)
Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập (b)
Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0 ta có:

U
= o
K

=

(2- 8)

o được gọi là tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi  = 0 ta có:

I
và

U
 I nm
Ru  R f

M = KInm = Mnm

(2-9).
(2-10).

Inm, Mnm được gọi là dịng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch.
Mặt khác, phương trình đặc tính (2-4), (2-7) cũng có thể viết ở dạng:



U
R

I = o - 
KΦ ( KΦ) 2

(2-11).



U
R
M = o - 

KΦ ( KΦ) 2

(2-12).

0 

U
K

Trong đó R = Ru + Rf ;

 

R
R
I
M
2
K
K

 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị M.
Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối,
với điều kiện từ thông là định mức (  = đm).
Trong đó *= /o , I*= I/Iđm, M* = M/Mđm, R*= R/Rcb.
(Rcb = Uđm/Iđm được gọi là điện trở cơ bản).
23


Từ (2-4) và (2-7), ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ đơn vị tương đối:
*= 1 – R*I*

(2-13).

*= 1 – R*M*

(2-14).

2.2.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ.
Từ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ ,
điện áp phần ứng U và điện trở phần ứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng
tham số.
a. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Giả thiết U = Uđm= const và  = đm= const.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch
phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

0 
Độ cứng của đặc tính cơ:

U đm
= const.
K đm

2
ΔM  ( KΦ đm )
= var.
=

R  Rf
Δω
u

Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc
tính cơ tự nhiên:
TN =

 ( KΦ đm ) 2

(2-15).

R
u

TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đặc tính cơ có
điện trở phụ (đặc tính cơ nhân tạo). Trên đồ thị biểu diễn với các giá trị điện trở khác
nhau Rf3 > Rf2 > Rf1 .
ω
ω0

TN(R u )
R f1
Rf2

o

M

Rf3

Hình 2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở

24