Bài giảng Truyền động điện tự động - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện - Phạm Khánh Tùng
KHÁI NIỆM CHUNG
+ Trong phân tích các hệ truyền động, thường biết trước đặc tính
cơ M
c(ω) của máy sản xuất.
+ Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ,
mômen, dòng điện động cơ . cần phải tạo ra những đặc tính cơ
nhân tạo của động cơ tương ứng.
+ Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu
định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước.
+ Những đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi 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.
+ Bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của
đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và
tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc
tính điều chỉnh.
+ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng
thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Truyền động điện tự động - Chương 2: Đặc tính cơ của động cơ điện - Phạm Khánh Tùng
đôi cực + Khi động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |ω| > |-ω0| bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi MSX trở thành nguồn động lực Trong quá trình làm việc, khi máy sản xuất (MSX) trở thành nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ω > ω0, động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này: 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm 20Xnm ' 0;I2 Ihts 0;M Mhts 0 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách tăng số đôi cực Động cơ đang làm việc ở điểm A, với p1, nếu ta tăng số đôi cực lên p2 > p1 thì động cơ sẽ chuyển sang đặc tính có ω2 và làm việc với tốc độ ω > ω, trở thành máy phát CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm2 202Xnm2 60.f1 02 p2 ' 02;I2 Ihts 0;M Mhts 0 đoạn Bω02 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm tái sinh khi đảo chiều từ trường stato động cơ Động cơ đang làm việc ở chế độ động cơ (điểm A), nếu ta đảo chiều từ trường stato, với phụ tải thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hãm tái sinh, điểm D). Như vậy khi hạ hàng ta có thể cho động cơ làm việc ở chế độ máy phát, đồng thời tạo ra mômen hãm để cho động cơ hạ hàng với tốc độ ổn định ωD. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này thay ω0 bằng -ω0: 2M M th s s th sth s ' 2 R 2 3U1f Với: sth ; Mth Xnm 2( 0 )Xnm 0 (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN b. Hãm ngược Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto Động cơ đang làm việc ở điểm A, đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f) vào mạch rôto, mômen động cơ giảm (M < Mc) nên động cơ bị giảm tốc độ Động cơ sẽ chuyển sang điểm B, rồi C và nếu tải là thế năng thì động cơ sẽ làm việc ổn định ở điểm D (ωD = ωôđ ngược chiều với tốc độ tại điểm A) trên đặc tính cơ có thêm điện trở hãm Rhn>, và đoạn CD là đoạn hãm ng-ợc, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện. Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vừa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đặc tính tốc độ và mô men khi hãm ngược ' ' R2 R2f sth Xnm 2 3U1f Mth 20Xnm CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato. Khi đảo chiều, dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế không quá dòng cho phép Iđch = Icp, nên động cơ sẽ chuyển sang điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D. Đoạn BC là đoạn hãm ngược. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dòng hãm và mômen hãm của động cơ. ' ' R2 R2f sth Xnm 2 3U1f Mth 2( 0 )Xnm s 0 1 0 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN c. Hãm động năng Hãm động năng kích từ độc lập Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ khỏi lưới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập. Do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát cực ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của nó là điện trở mạch rôto. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sẽ sinh ra một từ trường đứng yên Φ so với stato. Rôto động cơ do quán tính vẫn quay theo chiều cũ nên các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên, do đó xuất hiện trong chúng một sức điện động e2. Vì rôto ngắn mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải. Tương tác giữa dòng i2 và Φ tạo nên lực điện từ F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto ω làm cho rôto quay chậm lại → sđđ e2 giảm dần. Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ khi hãm động năng ta thay thế một cách đẳng trị chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Nghĩa là cuộn dây stato thực tế đấu vào nguồn một chiều nhưng ta coi như đấu vào nguồn xoay chiều. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điều kiện đẳng trị: sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra như nhau: Fmc F1 Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra: 3 F 2.w .I 1 2 1 1 Stđ Fmc do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu dây của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát: Fmc a.w1.Imc CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ghép nối hai biểu thức stđ một chiều và xoay chiều 3 a.I F 2.w .I a.w .I F I mc A.I 1 1 1 1 mc mc 1 3 mc 2 2 2 2 A a 3 Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN o Fmc 2.Imc w1 cos30 3.Imc w1 Fmc a.w1.Imc 2 2 2 a 3 A a 3 3 3 3 3 2 a A 2 2 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2 a 1 A 3 3 1 a A 2 2 3 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ Chế độ động cơ: điện áp đặt vào stato không đổi (nguồn áp), dòng từ hóa Iμ từ thông Φ không đổi, còn dòng điện stato I1 và rôto I2 biến đổi theo tốc độ trượt s. Chế độ hãm động năng kích từ độc lập: Dòng một chiều Imc không đổi → dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi → nguồn cấp cho stato là nguồn dòng. Mặt khác, vì tổng trở mạch rôto khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên dòng rôto I2 và dòng từ hóa Iμ đều thay đổi, vậy nên từ thông Φ ở stato thay đổi theo tốc độ. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Sơ đồ thay thế khi hãm động năng Trong chế độ động cơ, động năng rôto (công suất cơ) tính theo tốc độ trượt s (TT quay) Trạng thái hãm động năng rôto được tính theo tốc độ tương đối (TT đứng yên). * 0 Từ sơ đồ thay thế, ta có đồ thị vectơ dòng điện CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ sơ đồ thay thế ta có: ' ' * ' E2 E2 I2 ' 2 '2 ' * 2 R R 2 (X2 ) 2 X'2 * 2 * ' XI ' ' ' I với R R R 2 '2 ' * 2 2 2 2f R2 (X2 ) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Theo đồ thị vectơ ta có: 2 ' 2 ' 2 I1 (I I2 sin 2) (I2 cos 2) 2 2 '2 ' I1 I I2 2II2 sin 2 X * với sin 2 2 '2 ' * 2 R2 (X2 ) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Thay I2’ và sinφ2 vào biểu thức I1: 2 2 *2 2 2 ' *2 2 2 IX 2IXX2 I1 I '2 ' * 2 '2 ' * 2 R2 (X2 ) R2 (X2 ) 2 I 1 1 I * 2 I (X' X )2 1 X'2 2 2 I CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN X I * Dòng điện rôto: I' 2 '2 ' 2 *2 R2 (X2 X ) ' '2 R 2 3.I2 * Mô men động cơ: M 0 '2 ' * 3.I2 R2 M '2 ' 2 *2 0[R2 (X2 X ) ] CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Đường cong M = f(ω*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ và cho ta những kết quả: R' 3.I2X2 * 2 1 th ' Mth ' X X2 20 (X X2 ) 2.Mth M * * th * * th Khi thay đổi R’2f → R’2Σ thay đổi → ω*th thay đổi và Mth = const Khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc → Mth thay đổi và ω*th = const. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Các đường đặc tính hãm động năng: Đường (1) và (2) có cùng điện trở R’2Σ(1) = R’2Σ(2), nhưng có mô men Mth1 < Mth2 nên dòng điện một chiều tương ứng Imc1 < Imc2. Đường (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở R’2Σ(2) < R’2Σ(3). Nên ω*th1 < ω*th2 Khi thay đổi điện trở phụ mạch rôto hoặc dòng điện một chiều stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi đặc tính tính cơ. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Hãm động năng tự kích từ Ở chế độ động cơ (tiếp K kín, tiếp điểm H hở), khi cho K hở, H kín lại, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm động năng tự kích từ. Khi đó, dòng điện Imc không phải từ nguồn bên ngoài, mà sử dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto hoặc bộ tụ điện ở mạch stato CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ví dụ 2-6: Hãy lựa chọn đặc tính cơ hãm động năng và xác định các thông số mạch hãm, gồm dòng điện một chiều Imc cấp vào cuộn dây stato và điện trở phụ Rh nối vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn sao cho mômen hãm cực đại đạt được Mh.max = 2,5Mđm và hiệu quả hãm cao. Số liệu cho trước: Động cơ 11KW; 220V; n = 953 vg/ph, λ = Mth/Mđm = 3,1; cosφđm = 0,71; cosφo (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ω; X1 = 0,465Ω; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ω; X2 = 0,27Ω; và Ke = 1,84. Giải: Trước hết, xác định thêm các thông số của động cơ: CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ góc định mức: n 953 đm 99,8(rad/s) đm 9,55 9,55 Tốc độ góc từ trường quay: 1000 104,7(rad/s) 0 9,55 Mô men định mức: Pđm1000 11.1000 Mđm 110,2(N.m) đm 99,8 Tốc độ trượt định mức: 0 đm 104,7 99,8 sđm 0,05 0 104,7 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Điện kháng mạch từ hóa Xμ được xác định theo s.đ.đ. và dòng điện không tải của stato (coi dòng không tải bằng dòng từ hóa): E1.0 KeE2nm.f 1,84.200 X 11,05() I1.0 I1.0 3.19,2 Điện kháng rôto qui đổi về stato: ' 2 2 X2 Ke.X2 1,84 0,27 0,92() Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn: Mth.đn Mh.max 2,5Mđm CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Tốc độ tới hạn ω*th có thể chọn bằng tốc độ hãm ban đầu: * * th bđ đm /0 Khi đó ta có đặc tính hãm là đường 2. Rõ ràng đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì mômen giảm gần như tuyến tính từ tốc độ ban đầu ωbđ = ωđm cho đến ω = 0. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để cho việc hãm có hiệu quả cao, cần tạo ra một đặc tính cơ đảm bảo bao một diện tích lớn nhất giữa nó với trục tung của đồ thị (vùng gạch sọc). Khi đó mômen hãm trung bình trong toàn bộ quá trình hãm sẽ là lớn nhất. Việc tính toán cho thấy đặc tính cơ dạng này có tốc độ tới * hạn: th.tu 0,407 Vậy đặc tính cơ hãm động năng được chọn là đường (1) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ biểu thức của mômen tới hạn hãm động năng ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1: ' Mth.đn.20 (X X2 ) I1 2 3X 2,5.110,2.104,7(11,05 0,992) I 43,4(A) 1 3.11,052 Qua hệ số tỷ lệ A của sơ đồ nối dây stato vào nguồn điện một chiều khi hãm (ví dụ chọn sơ đồ 1), ta có: A 2 / 3 0,815 Ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết: Imc I1 /A 43,4/0,815 53(A) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Giá trị điện trở trong mạch rôto khi hãm: ' * ' R2.t th(X X2) 0,407(11,05 0,92) 4,87() Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi: ' 2 2 R2t R2.t / ke 4,87/1,84 1,44() Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto R2h R2t r2 1,44 0,132 1,308() CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.3.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc: 2.M (1 a.s ) M th th s sth 2a.sth sth s CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Để đảo chiều động cơ, có thể đảo chiều từ trường stato (±ωo), hay đảo thứ tự pha điện áp (u1) động cơ (thường đảo 2 trong 3 pha stato). Khi đảo chiều, dòng đảo chiều rất lớn nên phải cho thêm điện trở phụ vào mạch rôto để hạn chế Iđc.h = Icp. Khi động cơ làm việc ở chiều ngược thì Mth sẽ đảo dấu và sth > 1. Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm B trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược, hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo ngược. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.4.1. Đặc tính cơ Khi đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc vào tải: 2 .f 1 0 p CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB này trong phạm vi mômen cho phép M =< Mmax là đường thẳng song song với trục hoành, với độ cứng β = ∞ . Tuy nhiên khi mômen vượt quá trị số cực đại cho phép M > Mmax thì tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ. CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.4.2. Đặc tính góc của động cơ Trong nghiên cứu tính toán hệ truyền động dùng động cơ ĐB, người ta sử dụng một đặc tính quan trọng là đặc tính góc. Đặc tính góc của động cơ đồng bộ quan hệ giữa giữa mômen của động cơ với góc lệch vectơ điện áp pha của lưới U1 và vectơ sức điện động cảm ứng E trong dây quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra: M = f(θ) Đặc tính này được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato (r1 ≈ 0). CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN U1 - điện áp pha của lưới (V) E - sức điện động pha stato (V) I - dòng điện stato (A) θ - góc lệch giữa U1 và E φ - góc lệch giữa vectơ điện áp U1 và dòng điện I. Xs = Xμ + X1 - điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng mạch từ hóa Xμ và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato X1 (Ω) CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Từ đồ thị vectơ U1 cos Ecos( ) Từ tam giác ABC CB U sin cos( ) 1 CA I.Xs U1 sin U1 cos E I.Xs U1 sin U1Icos E Xs CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Công suất 3 pha của động cơ: E.U P 3 1 sin Xs Mômen của động cơ: P 3E.U M 1 sin 0 0Xs Phương trình mô men chính là phương trình đặc tính góc của động cơ ĐB. Theo đó ta có đặc tính góc là đường cong hình sin CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3E.U Khi θ = π/2 ta có biên độ cực đại: 1 Mm 0Xs Phương trình mô men có dạng gọn: M Mm sin Mô men Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha θ tăng, nếu tăng quá mức θ > π/2 → mômen giảm. Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc lệch θ = 20o ÷ 25o Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ là: M m 2 2,5 Mđm CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Những điều đã phân tích ở trên chỉ đúng với những động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi rôto có kích từ. Còn đối với những động cơ đồng bộ cực lồi, do sự phân bố khe hở không khí không đều giữa rôto và stato nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ. Do đó đặc tính góc có biến dạng ít nhiều, như đường nét đứt trên hình CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
File đính kèm:
- bai_giang_truyen_dong_dien_tu_dong_chuong_2_dac_tinh_co_cua.pdf