Bài giảng Trang bị điện trong máy - Chương 2: Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện trong máy - Chương 2: Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện

1. Ch−ơng 2 đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện (6 tiết) 2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song Nh− chúng ta đã biết trong vật lý, khi đặt vào trong từ tr−ờng một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ tr−ờng sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (chính là vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động. Chiều của từ lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng hoạt động theo nguyên tắc này. Trên các sơ đồ điện, động cơ điện một chiều đ−ợc kí hiệu nh− hình 2.1 và hình 2.2. 2.1.1 Ph−ơng trình đặc tính cơ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ đ−ợc cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto. U1 + - + - I KTĐ kt Rkt I KTĐ kt Rkt Iu Đ E Rp Iu Đ E Rp U2 Hình 2.1- Sơ đồ nguyên lý động cơ điện Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập một chiều kích từ song song Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng đ−ợc cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song. Tr−ờng hợp này nếu nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ t−ơng tự nh− động cơ kích từ độc lập. Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ tr−ờng của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ng−ợc với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.1 và hình 2.2, có thể viết ph−ơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) nh− sau: U− = E− + (R− + Rp).I− (2.1) Trong đó: - U− là điện áp phần ứng động cơ, (V) - E− là sức điện động phần ứng động cơ (V). - R− là điện trở cuộn dây phần ứng - Rp là điện trở phụ mạch phần ứng. - I− là dòng điện phần ứng động cơ. R− = r− + rct + rcb + rcp (2.2) Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 7
2. r− - Điện trở cuộn dây phần ứng. rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. rcb - Điện trở cuộn bù. rcp - Điện trở cuộn phụ. Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto: p. N E = ⋅⋅φω =K φω ⋅ (2.3) − 2πa pN. K = là hệ số kết cấu của động cơ. 2πa φ - Từ thông qua mỗi cực từ. p - Số đôi cực từ chính. N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng. a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng. Hoặc ta có thể viết: E− = Keφ.n (2.4) 2πnn Và: ω == 60 9, 55 Vậy: Ke = K/ 9,55 = 0,105K Nhờ lực từ tr−ờng tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rôto quay d−ới tác dụng của mômen quay: M = K.φ.I− (2.5) Từ hệ 2 ph−ơng trình (2.1) và (2.3) ta có thể rút ra đ−ợc ph−ơng trình đặc tính cơ điện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập nh− sau: U R + R ω = − − − p I (2.6) Kφ Kφ − Từ ph−ơng trình (2.5) rút ra I− thay vào ph−ơng trình (2.6) ta đ−ợc ph−ơng trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập nh− sau: U R + R ω = − − − p M (2.7) Kφ (Kφ)2 Có thể biểu diễn đặc tính cơ d−ới dạng khác: ω = ω0 - ∆ω (2.8) Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 8
3. U Trong đó: ω = − gọi là tốc độ không tải lý t−ởng. 0 Kφ R + R ∆ω = − p M gọi là độ sụt tốc độ (Kφ)2 Ph−ơng trình đặc tính cơ (2.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đ−ờng biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đ−ờng thẳng với độ dốc âm. Đ−ờng đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung U độ: ω = − . Tốc độ ω đ−ợc gọi là tốc độ không tải lý t−ởng khi không có lực cản nào cả. Đó là 0 Kφ 0 tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt đ−ợc ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra tr−ờng hợp MC = 0. ω U ω = ο K.φ M 0 Hình 2.3 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0 đến ωđm. Điểm A(Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức. Rõ ràng đ−ờng đặc tính cơ có thể vẽ đ−ợc từ 2 điểm ω0 và A. Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ ph−ơng trình (2.7): U dm M = Mnm = Kφđm = Kφđm.Inm (2.9) R− ω ωo A ωđm M 0 M M đm nm Hình 2.4 - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 9
4. Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi đ−ợc cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Tr−ờng hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không đ−ợc. Dòng điện Inm này lớn và th−ờng bằng: Inm = (10 ữ 20)Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện t−ợng tồn tại kéo dài. 2.1.2 ảnh h−ởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ Ph−ơng trình đặc tính cơ (2.7) cho thấy, đ−ờng đặc tính cơ bậc nhất ω = f(M) phụ thuộc vào các hệ số của ph−ơng trình, trong đó có chứa các thông số điện U, Rp và φ. Ta lần l−ợt xét ảnh h−ởng của từng thông số này. 1. Tr−ờng hợp thay đổi điện áp phần ứng Vì điện áp phần ứng không thể v−ợt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi về phía giảm. U− biến đổi; Rp = const; φ = const Trong ph−ơng trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ không thay đổi: R + R - − p = const (Kφ)2 Tốc độ không tải lý t−ởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp: U ω = − = var 0 Kφ Nh− vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta đ−ợc một họ các đ−ờng đặc tính cơ song song với đ−ờng đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đ−ờng đặc tính cơ tự nhiên. ω ω o TN ω 1 Uđm ω 2 U1 ω 3 U2 U3 M 0 Hình 2.5 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng 2. Tr−ờng hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: R−Σ = R− + R−f nên điện trở mạch phần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng R−f. U− = const ; R−f = var; φ = const Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 10
5. Tr−ờng hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên: U ω = − = const 0 Kφ Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo R−Σ R + R - − − f = var (Kφ) 2 Nh− vậy, khi tăng điện trở R−f trong mạch phần ứng, ta đ−ợc một họ các đ−ờng đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0,ω0). ω ω o TN 0 R R R Ru p1 p2 p3 R u + Rp1 R u + Rp2 M 0 M c.đm R + R u p3 Hình 2.6 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng. 3. Tr−ờng hợp thay đổi từ thông kích từ U− = const ; R−f = const; φ = var Để thay đổi từ thông φ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ở mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức. Tr−ờng hợp này, cả tốc độ không tải lý t−ởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi. U ω = − = var 0 Kφ R + R - − − f = var (Kφ) 2 Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý t−ởng ω0 tăng, còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh. Họ đặc tính cơ nhân tạo thu đ−ợc nh− hình 2.7. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 11
6. ω ω 3 ω 2 ω 1 φ 3 φ 2 ω o φ 1 φ TN đm M 0 Hình 2.7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ. 2.1.3 Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng ph−ơng pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/R− ≈ 10ữ20Iđm). Nh− vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp l−ới điện. Hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm nh−: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích Tình trạng càng xấu hơn nếu nh− hệ TĐĐ th−ờng xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện th−ờng xuyên nh− ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy Để đảm bảo an toàn cho máy, th−ờng chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm Muốn thế, ng−ời ta th−ờng đ−a thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đ−a tốc độ động cơ lên xác lập. Uđm Ikđbđ = Inm = = (2ữ2,5)Iđm ≤ Icp (2.10) RR−−+ f Công suất động cơ lớn thì chọn Imm nhỏ. Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động của động cơ E−=K.φ.ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm: U − E I = − (2.11) R− + Rp do đó mômen động cơ cũng giảm. Động cơ mở máy trên đ−ờng đặc tính cơ nh− hình 2.8b. Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đ−ờng đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ mômen Mmm xuống bằng mômen cản Mc, động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp ωb. Do vậy, khi mômen giảm đi một mức nào đó (chẳng hạn M2) thì phải cắt dần điện trở phụ để động cơ tiếp tục quá trình mở máy cho đến điểm làm việc A trên đ−ờng đặc tính tự nhiên. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 12
7. Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động, mômen ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm. Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh Mc do đó động cơ bắt đầu đ−ợc gia tốc. Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống theo đ−ờng cong ab. Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ và mômen cản: ∆M = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo. Đến một tốc độ nào đó, ứng với điểm b, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điện trở khởi động bị nối tắt. Và ngay tại tốc độ đó, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm c trên đ−ờng đặc tính cơ thứ 2. Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớn hơn và sau đó gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng, mômen động cơ giảm dần theo đ−ờng cong cd. Tiếp theo quá trình lại xảy ra t−ơng tự nh− vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2G mômen động cơ giảm theo đ−ờng ef và đến điểm f tiếp điểm 3G đóng lại thì động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. + - Ikt KTĐ I Đ u Rp1 Rp2R p3 E 1G 2G 3G Hình 2.8a - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở ω M, n ω a c e g o A TN g 1G, 2G, 3G f 3 d e 1G, 2G b d f M 2 mm n f g b c 1G d M e Mc 1 1 b c a a M t 0 M M M c 1 mm 0 Hình 2.8b,c - Đặc tính cơ lúc mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập qua 3 cấp điện trở. 2.1.4 Đảo chiều quay động cơ Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ng−ợc lại. Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách: - Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ). - Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 13
8. + - + - Ikt KTĐ R I KTĐ R kt kt kt Đ Iu R E p Đ Iu R E p Hình 2.9 - Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng Đ−ờng đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ng−ợc là đối xứng nhau qua gốc tọa độ. ω Đ ω ωo M 0 − ωo Đ ω Hình 2.10 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay Ph−ơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên. Ngoài ra, dùng ph−ơng pháp đảo chiều từ thông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ động cơ tăng quá cao. 2.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 2.2.1 Ph−ơng trình đặc tính cơ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng nh− sơ đồ nguyên lý ở hình 2.11. + - I u I Đ kt E Rp KTĐ Hình 2.11 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 14
9. Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = I− nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải: φ = K'.I− Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ. Ph−ơng trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện I− Iđm) thì có thể coi φ=const vì mạch từ đã bị bão hòa. φ I 0 Hình 2.12 - Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là dòng kích từ) động cơ điện mộ t chiều kích từ nối tiếp Xuất phát từ các ph−ơng trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung: U− = E− + (R− + R−f).I− E− = K.φ.ω 2 M = K.φ.I− = K.K'. I − (2.12) Ta có thể tìm đ−ợc ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: U R ω = − − ∑ (2.13) K.K'. M K.K' Đồ thị đ−ờng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đ−ờng hyperbol. ω A ωđm M 0 M C. đm Hình 2.13 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 15
10. Thực tế, động cơ th−ờng đ−ợc thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đ−ờng hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa (φ = const). Khi MC = 0 (I− = 0), theo ph−ơng trình đặc tính cơ (2.13) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ d− (φd− ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là: U ω0 = (2.14) Kφd − Tốc độ này không phải lớn vô cùng nh−ng do từ d− φd− nhỏ nên ω0 cũng lớn hơn nhiều so với trị số dịnh mức (5ữ6)ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ. Vì vậy không đ−ợc để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông th−ờng, tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10ữ20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải. 2.2.2 ảnh h−ởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu nh− không bị ảnh h−ởng bởi điện áp. Ph−ơng trình đặc tính cơ ω = f(M) (2.13) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh h−ởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng và cũng là mạch kích từ). Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ R−f = 0. Các đặc tính cơ nhân tạo ứng với R−f ≠ 0. Đặc tính càng thấp khi R−f càng lớn. ω Rp2 Rp1 Rp TN R p =0 R p1 M 0 R p2 M mm Hình 2.14 - ảnh h−ởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Trị số Mmm suy từ ph−ơng trình đặc tính cơ khi cho ω = 0 2  U    2 Mmm = K.K'  = K.K'.Inm (2.15)  R−  Trong đó: Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 16
11. U Inm = R− 2.2.3 Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Lúc mở máy động cơ, phải đ−a thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ để hạn chế dòng điện mở máy không đ−ợc v−ợt quá giới hạn 2,5Iđm. Trong quá trình động cơ tăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quá trình mở máy, động cơ sẽ làm việc trên đ−ờng đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở máy. ω TN A + - ω A I 1 u I K1 K2 Đ kt 2 E ω 1 d e KTĐ R R 1 2 ω 2 c b a M 0 MC M 2 Mmm Hình 2.15 - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ. Khi động cơ đ−ợc cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1 và R2 vào mạch động cơ. Dòng điện qua động cơ đ−ợc hạn chế trong giới hạn cho phép ứng với mômen mở máy: Mmm = M1 = (2ữ2,5)Mđm Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b. Cùng với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần. Tới điểm b, tốc độ động cơ là ω2 và mômen là M2=(1,1ữ1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2 ra khỏi mạch động cơ. Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1. Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi nh− giữ nguyên. Đoạn bc song song với trục hoành OM. Lúc này mômen động cơ lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1. Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở máy R1 còn lại đ−ợc cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A. Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA. 2.2.4 Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Cũng nh− động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 17
12. ω TN Đ ω + - Rp I u I Đ kt M E Rp 0 - + KTĐ Rp TN Đ ω Hình 2.16 - Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. 2.3 Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều Hãm một hệ TĐĐ nhằm đạt đ−ợc một trong các mục đích sau: - Dừng hệ TĐĐ. - Giữ hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có xu h−ớng gây chuyển động. - Giảm tốc hệ TĐĐ. - Ghìm cho hệ TĐĐ làm việc với tốc độ ổn định. Ví dụ: giữ tốc độ đều khi xe điện xuống dốc, khi hạ xe kíp tải liệu, khi hạ vật cẩu ở cần trục ). Để hãm một hệ TĐĐ, có thể bằng hai ph−ơng pháp: Hãm theo ph−ơng pháp cơ hoặc hãm theo ph−ơng pháp điện (hãm điện). Hãm theo ph−ơng pháp cơ là dùng phanh cơ hoặc điện - cơ. Phanh điện - cơ th−ờng đặt ở cổ trục động cơ và có nhiều kiểu, nhiều loại nh−ng nguyên tắc hoạt động của chúng t−ơng tự nhau. Đó là khi cấp điện cho động cơ chạy thì cuộn phanh cũng đ−ợc cấp điện và cổ trục động cơ đ−ợc nới lỏng. Khi cắt điện để động cơ dừng thì cuộn phanh cũng mất điện và cổ trục động cơ bị ép chặt. Với cách hãm bằng ph−ơng pháp cơ thì khó đạt đ−ợc cả 4 mục đích nêu trên (2 mục đích sau cùng khó thực hiện). Trạng thái hãm điện của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từ ng−ợc với chiều quay của rôto. Ph−ơng pháp hãm điện tỏ ra rất có hiệu lực trong tất cả các mục đích nêu trên. Khi hãm điện, trục động cơ không bị phần tử nào tỳ vào cả mà chỉ có mômen điện từ tác dụng vào rôto động cơ để cản lại chuyển động quay mà rôto đang có. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có 3 trạng thái hãm điện: - Hãm tái sinh (Hãm có hoàn trả năng l−ợng về l−ới). - Hãm ng−ợc. - Hãm động năng. Đặc điểm chung của cả 3 trạng thái hãm điện là động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát, biến cơ năng mà hệ TĐĐ đang có qua động cơ thành điện năng để hoặc hoàn trả về l−ới (hãm tái sinh) hoặc tiêu thụ thành dạng nhiệt trên điện trở hãm (hãm ng−ợc, hãm động năng). Mômen để quay động cơ ở chế độ máy phát sẽ là mômen hãm đối với hệ TĐĐ. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 18
13. 2.3.1 Hãm tái sinh Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý t−ởng (ω>ω0). Khi hãm tái sinh: E− > U−, động cơ làm việc nh− một máy phát song song với l−ới và trả năng l−ợng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ: UE− KKφω− φω  I = −−= 0 ω0. Đ−ờng đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần t− thứ II và thứ IV của mặt phẳng tọa độ. Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đ−ợc đ−a trả về l−ới điện có giá trị P = (E-U)I. Đây là ph−ơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. ω I I ωôđ U U E E ωo M M C 0 Hình 2.17 - Đặc tính cơ hãm tái sinh động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi nâng tải, động cơ truyền động th−ờng làm việc ở chế độ động cơ (điểm A). Khi hạ tải, ta đảo chiều điện áp phần ứng đặt vào động cơ. Nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ sẽ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Tốc độ động cơ tăng dần lên, khi tốc độ động cơ gần đạt tới giá trị ω0 ta cắt điện trở phụ (điểm c), động cơ tăng tốc độ trên đ−ờng đặc tính tự nhiên (đoạn cB). Khi tốc độ v−ợt quá ω > ω0 thì mômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm. Đến điểm B thì mômen Mh = MC, tải trọng đ−ợc hạ với tốc độ ổn định ωôđ trong trạng thái hãm tái sinh. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 19
14. ω M Nâng tải M ωo A c Mkđ M 0 M C Hạ tải M c −ω Mc d o ωôđ B Hình 2.18 - Đặc tính hãm tái sinh khi hạ tải trọng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. 2.3.2 Hãm ng−ợc Hãm ng−ợc là trạng thái của động cơ khi mômen hãm của động cơ ng−ợc chiều với tốc độ quay (M↑↓ω). Mômen hãm sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại chiều quay của cơ cấu sản xuất. Hãm ng−ợc có hai tr−ờng hợp: a) Đ−a điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm a, ta đ−a thêm Rp lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm b trên đặc tính biến trở. Tại điểm b mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảm tốc độ nh−ng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên d−ới tác động của tải trọng, động cơ quay theo chiều ng−ợc lại. Tải trọng đ−ợc hạ xuông với tốc độ tăng dần. Đến điểm d mômen động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ làm việc ổn định với tốc độ hạ không đổi ωôđ. Đoạn cd là đoạn hãm ng−ợc, động cơ làm việc nh− một máy phát nối tiếp với l−ới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu nên: U u + Eu U u + Kφω  I h = =  Ru + R p Ru + R p  (2.17)  M h = KφI h  Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 20
15. ω ωo a Nâng tải b c M C M M Hạ tải ω d ôđ M I c U E Hình 2.19 - Đặc tính cơ hãm ng− ợc của ĐMđl tr−ờng hợp đ−a điện trở phụ vào mạch phần ứng. b) Hãm ng−ợc bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm a, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì động cơ sẽ chuyển sang điểm b, tại điểm b mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c nếu ta cắt động cơ khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu không thì tại điểm c mômen động cơ lớn hơn mômen cản nên động cơ sẽ quay ng−ợc lại và sẽ làm việc xác lập ở d nếu phụ tải ma sát. Đoạn bc là đoạn hãm ng−ợc, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ: −−UE−− UK− + φω  I h = =− <0  RR−−+ ffRR−−+  (2.18)  MKIhh=<φ 0  Ph−ơng trình đặc tính cơ: - U R+R ω = −−−- f M (2.19) Kφ ()Kφ 2 Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 21
16. ω ω b o a I E U M Mc Mc c d ωôđ −ωo Hình 2.20 - Đặc tính hãm ng −ợc ĐMđl tr−ờng hợp đảo chiều điện áp phần ứng. 2.3.3 Hãm động năng a) Hãm động năng kích từ độc lập: Động cơ đang làm việc với l−ới điện (điểm a), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi l−ới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc nh− một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng. Ph−ơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng: R+R ω =− − h M (2.20) ()Kφ 2 Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là ωhđ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu: EKhd= φω hd   E hd Kφω hd  I hd =− =− <0  (2.21) RR−−+ h RR+ h   MKIhd=<φ hd 0  Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn (các đoạn b10 hoặc b20), còn nếu mômen cản là thế năng thì d−ới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ng−ợc lại (0c1 hoặc 0c2). Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 22
17. ω ωo b2 b1 a + - Rh1 Rh2 KTĐ Rkt M 0 Mc Ih Đ E M hđ2 M hđ1 ωôđ1 c2 Rh ωôđ2 c1 Hình 2.21 - Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập của ĐMđl b) Hãm động năng tự kích từ: Nh−ợc điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện l−ới thì không thể thực hiện hãm đ−ợc do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nh−ợc điểm này ng−ời ta th−ờng sử dụng ph−ơng pháp hãm động năng tự kích từ. Động cơ đang làm việc với l−ới điện (điểm a), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ của động cơ ra khỏi l−ới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc nh− một máy phát tự kích biến cơ năng thành nhiệt năng trên các điện trở. Ph−ơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: R .R R+ h kt − R + R ω =− h kt M (2.22) ()Kφ 2 Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũng giảm dần và là hàm của tốc độ, vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ giống nh− đặc tính không tải của máy phát tự kích từ. ω ωo b2 b1 a KTĐ R Rh2 h1 I kt Đ M E 0 Mc M M Ih hđ2 hđ1 R h ωôđ1 c2 ωôđ2 c1 Hình 2.22 - Sơ đồ hãm động năng tự kích của ĐMđl. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 23
18. So với ph−ơng pháp hãm ng−ợc, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độ hãm ban đầu, nhất là tốn ít năng l−ợng hơn. 2.4 Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ (KĐB) 2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Nh− đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện 3 pha vào 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ tr−ờng tổng do 3 cuộn dây tạo ra là một từ tr−ờng quay. Nếu trong từ tr−ờng quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ tr−ờng quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ tr−ờng quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này một từ lực có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra một mômen làm quay lồng trụ và các thanh dẫn theo chiều quay của từ tr−ờng quay. Để mômen đều hơn, các thanh dẫn th−ờng đ−ợc đặt hơi chéo. a) b) Hình 2.23 - a) Nguyên lý từ tr−ờng quay b) Cấu tạo rôto Tốc độ quay của lồng trụ luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ tr−ờng quay. Nếu lồng trụ quay với tốc độ bằng tốc độ của từ tr−ờng quay thì từ tr−ờng sẽ không quét qua các thanh dẫn nữa nên không có dòng điện cảm ứng và mômen quay cũng không còn. Khi đó do mômen cản, lồng trụ sẽ quay chậm lại hơn từ tr−ờng quay và các thanh dẵn lại bị từ tr−ờng quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có mômen quay làm lồng trụ tiếp tục quay nh−ng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từ tr−ờng quay. Động cơ làm việc trên nguyên tắc này nên đ−ợc gọi là không đồng bộ (hay còn gọi là động cơ dị bộ). Động cơ có nguyên lý cấu tạo nh− đã xét ở trên với rotor lồng trụ ghép từ các thanh dẫn gọi là động cơ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch). Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 24
19. Nếu phần ứng là 3 cuộn dây nối theo hình sao Y, còn 3 đầu cuộn dây còn lại nối với 3 vòng tr−ợt để qua 3 chổi than nối với điện trở mạch ngoài thì rotor gọi là rotor dây quấn. Động cơ gọi là động cơ rotor dây quấn. Cuộn cảm (cuộn kích từ) ở stator của động cơ có thể đấu theo hình sao Y hay theo hình tam giác ∆. Hình 2.24 - Sơ đồ cấu tạo stator động cơ xoay chiều KĐB. Các đại l−ợng liên quan đến cuộn cảm (mạch stator) có chỉ số 1 nh−: U1, I1, R1 và các đại l−ợng liên quan đến mạch phần ứng (mạch stator) có chỉ số 2 nh−: U2, I2, R2, f2 Tốc độ quay của từ tr−ờng quay phụ thuộc vào số đoi cực từ p, số đôi cực từ càng lớn thì tốc độ quay của từ tr−ờng càng bị giảm. Với cuộn cảm tạo ra từ tr−ờng có p đôi cực từ thì tốc độ quay giảm f p lần là 1 (vg/s) p 60 f hay: n = 1 , (vg/ph) (2.23) 0 p 2π.n 2π. f hoặc: ω = 0 = 1 , (rad/s) (2.24) 0 60 p ω0 là tốc độ lớn nhất mà rotor có thể đạt đ−ợc nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ đồng bộ hay là tốc độ không tải lý t−ởng. Tần số l−ới điện xoay chiều ở Việt Nam là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ th−ờng là 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 (vòng/phút). Tốc độ không đồng bộ n2 của rotor nhỏ hơn tốc độ đồng bộ n0 và sự sai lệch này đ−ợc đánh giá qua một đại l−ợng gọi là độ tr−ợt s: n − n ω − ω ω s = 0 2 = 0 2 = 1− 2 (2.25) n0 ω0 ω0 ở chế độ động cơ, độ tr−ợt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ t−ơng đối của rotor đối với từ tr−ờng quay: p.(n − n ) f = 0 2 = s.f (Hz) (2.26) 2 60 1 Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 25
20. Các động cơ xoay chiều KĐB có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, vận hành tin cậy hơn so với động cơ một chiều nên đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn. 2.4.2 Ph−ơng trình đặc tính cơ Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, đ−ợc cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hoà thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại l−ợng điện ở mạch rôto đã quy đổi về stator. I' I1 X12 R1 + X'2 Io Xm R'2 R m 2 - Hình 2.25 - Sơ đồ thay thế một pha động cơ KĐB Khi cuộn dây stator đ−ợc cấp điện với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà giữ yên rotor (không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện một sức điện động E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là: E1ph.dm kE = (2.27) E2 ph.dm Từ đó ta có hệ số quy đổi dòng điện: 1 kI = (2.28) kE và hệ số quy đổi trở kháng: kE 2 kR = kX = =kE (2.29) kI Với các hệ số quy đổi này, các đại l−ợng điện ở mạch rotor có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau: - Dòng điện: I'2 = kII2 - Điện kháng: X'2 = kXX2 - Điện trở: R'2 = kRR2 Trên sơ đồ thay thế ở hình 2.25, các đại l−ợng khác là: I0 - Dòng điện từ hóa của động cơ. Rm, Xm - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa. I1 - Dòng điện cuộn dây stator. R1, X1 - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện rotor quy đổi về stator có thể tính từ sơ đồ thay thế: Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 26
21. ' U1ph I2 = (2.30) ' 2  R  2  2  '  R1 +  + ()X 1 + X 2  s  Khi động cơ hoạt động, công suất điện từ P12 từ stator chuyển sang rotor thành công suất cơ Pcơ đ−a ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + ∆P2 (2.31) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen cơ Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M.ω0 = Mω + ∆P2 (2.32) ∆P ∆P Suy ra: M = 2 = 2 (2.33) ω0 − ω s.ω0 Công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha là: 2 ∆P2 = 3R'2I'2 (2.34) Thay vào ph−ơng trình tính mômen ta có đ−ợc: 3U 2 R' M = 1ph 2 (2.35) 2  R'   sω  R + 2  + X 2  0  1 s  nm    Trong đó:Xnm = X1 + X'2 là điện kháng ngắn mạch. Ph−ơng trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Với những giá trị khác nhau của s (0≤ s ≤1), ph−ơng trình đặc tính cơ cho ta những giá trị t−ơng ứng của M. Đ−ờng biểu diễn M = f(s) trên hệ trục tọa độ sOM nh− hình 2.26, đó là đ−ờng đặc tính cơ của động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ. Đ−ờng đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: dM = 0 ds ' R2 Giải ph−ơng trình ta có: sth = ± (2.36) 2 2 R1 + X nm Thay vào ph−ơng trình đặc tính cơ ta có: 2 3U1ph Mth = ± (2.37) 2 2 2ω0 (R1 ± R1 + X nm ) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0≤ s ≤1 nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ chỉ ứng với dấu (+). Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 27
22. ω s ω 0 0 A ωth K sth M 0 1 B M Mmm th Hình 2.26 - Đặc tính cơ động cơ KĐB. Ta nhận thấy, đ−ờng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là một đ−ờng cong phức tạp và có 2 đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K. Đoạn đặc tính AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này, mômen động cơ tăng thì tốc độ động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định. Đoạn KB cong với độ dốc d−ơng. Trên đoạn này, động cơ làm việc không ổn định. 2.4.3 ảnh h−ởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ Ph−ơng trình đặc tính cơ cho thấy đ−ờng đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha KĐB chịu ảnh h−ởng của nhiều thông số điện: Điện áp l−ới U1ph, điện trở mạch rotor R2', điện trở R1 và điện kháng X1 ở mạch stator, tần số l−ới f1, số đôi cực p của động cơ. Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại l−ợng: 2πf - Tốc độ đồng bộ: ω = 1 (2.38) 0 p ' R2 - Độ tr−ợt giới hạn: sth = (2.39) 2 2 R1 + X nm 2 3U1ph - Mômen tới hạn: Mth = (2.40) 2 2 2ω0 (R1 + R1 + X nm ) 2.4.3.1 Tr−ờng hợp thay đổi điện áp U1ph Điện áp U1ph đặt vào Stator động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm. Khi U1ph giảm thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm rất nhanh theo bình ph−ơng của U1ph, còn tốc độ đồng bộ ω0 và độ tr−ợt tới hạn sth không thay đổi. Các đặc tính cơ khi giảm điện áp nh− hình 2.27. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 28
23. ω s 0 ω0 A ωth K sth U U2 U1 đm M 0 1 B Mmm Mth Hình 2.27 - Họ đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi điện áp U1ph 2.4.3.2 Tr−ờng hợp thay đổi điện trở R2' Tr−ờng hợp này chỉ có đối với động cơ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòng tr−ợt - chổi than. Động cơ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay đổi đ−ợc điện trở mạch rotor. Việc thay đổi điện trở mạch rotor chỉ có thể thực hiện về phía tăng điện trở R2'. Khi tăng R2' thì độ tr−ợt tới hạn sth cũng tăng lên, còn tốc độ đồng bộ ω0 và mômen tới hạn Mth giữ nguyên. Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở mạch rotor đ−ợc biểu diễn nh− hình vẽ. Điện trở mạch rotor càng lớn thì đặc tính càng dốc. ω s ~ 0 ω0 A ωth sth 1 M 0 R'2 M th Hình 2.28 - Sơ đồ nối và họ đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi điện trở mạch rôto. 2.4.3.3 Tr−ờng hợp thay đổi điện trở R1, điện kháng X1 ở mạch Stator Tr−ờng hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng R1 hoặc X1. Sơ đồ nối dây nh− hình 2.28. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 29
24. ~ ~ ω X1 R1 R'2 M 0 Hình 2.29 - Sơ đồ nối và họ đặc tính cơ động cơ KĐB khi nối thêm R 1 hoặc X1 vào mạch stator Khi nối thêm vào mạch Stator R1 hoặc X1 thì ta thấy tốc độ đồng bộ ω0 không đổi, còn độ tr−ợt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth đều giảm. Hình vẽ 2.29 biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo khi tăng trở kháng mạch stator và khi giảm điện áp cấp cho stator. Các đặc tính đ−ợc vẽ trong tr−ờng hợp này có cùng mômen mở máy Mmm. Đặc tính tăng X1 (đ−ờng 2) cứng hơn đặc tính tăng R1 (đ−ờng 3) và đặc tính tăng R1 cứng hơn đặc tính giảm điện áp (đ−ờng 4). 2.4.3.4 Tr−ờng hợp thay đổi số đôi cực p Khi số đôi cực thay đổi thì tốc độ đồng bộ ω0 bị thay đổi. Thông th−ờng, động cơ loại này đ−ợc chế tạo với cuộn cảm stator có nhiều đầu dây ra để có thể đổi cách đấu dây t−ơng ứng với số đôi cực nào đó. Tuỳ theo khả năng đổi nối mà động cơ KĐB đ−ợc gọi là động cơ có 2,3,4 cấp tốc độ. Do số đôi cực thay đổi nhờ đổi nối cuộn cảm stator nên các thông số U1ph đặt vào cuộn pha, trở kháng R1 và cảm kháng X1 có thể bị thay đổi. Từ đó, độ tr−ợt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth có thể khác đi. 2.4.3.5 Tr−ờng hợp thay đổi tần số f1 của nguồn điện áp cấp Khi thay đổi f1 thì tốc độ đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi (vì X = 2πfL), kéo theo sự thay đổi cả độ tr−ợt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth. Hình vẽ 2.30 biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi tần số. Quan hệ độ tr−ợt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và mômen tới hạn theo tần số Mth = F(f1) là phức tạp nh−ng vì ω0 và X1 phụ thuộc tỉ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth rút ra: 1 sth ~ f1 (2.41) 1 Mth ~2 f1 Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 30
25. ω ω ω 0 M/Mth M 0 0 Hình 2.30 - Đặc tính cơ động cơ Hình 2.31 - Đặc tính cơ động cơ KDBB khi thay đổi tần số. KDBB khi thay đổi tần số kết hợp với thay đổi điện áp. Khi tần số nguồn f1 giảm, độ tr−ợt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth đều tăng lên nh−ng Mth tăng nhanh hơn. Do vậy độ cứng của đặc tính cơ tăng lên. Chú ý khi giảm tần số f1 xuống d−ới tần số định mức thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì thế khi giảm tần số nguồn xuống d−ới trị số định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: U 1 = const (2.42) f1 Nh− vậy mômen tới hạn Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 f1đm thì không đ−ợc tăng điện áp nguồn cấp mà giữ U1 = const. Mômen tới hạn Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình ph−ơng tần số. 2.4.4 Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB Khi đóng điện trực tiếp vào động cơ KĐB để mở máy thì do lúc đầu rotor ch−a quay, độ tr−ợt lớn (s=1) nên s.đ.đ cảm ứng và dòng điện cảm ứng lớn. Imm = (5ữ8)Iđm Dòng điện này có trị số đặc biệt lớn ở các động cơ công suất trung bình và lớn, tạo ra nhiệt đốt nóng động cơ và gây xung lực có hại cho động cơ. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 31
26. ω ω0 A ωA M M M C mm th Hình 2.32 - Đặc tính động cơ KĐB khi mở máy trực tiếp. Tuy dòng điện lớn nh−ng mômen mở máy lại nhỏ: Mmm = (0,5ữ1,5)Mđm. Do vậy cần phải có biện pháp mở máy. Tr−ờng hợp động cơ có công suất nhỏ thì có thể mở máy trực tiếp. Động cơ mở máy theo đặc tính tự nhiên với mômen mở máy nhỏ. Những động cơ không mở máy trực tiếp thì có thể thực hiện một trong các ph−ơng pháp mở máy gián tiếp sau. 2.4.4.1 Ph−ơng pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor Ph−ơng pháp này chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn vì điện trở mở máy ở mạch ngoài mắc nối tiếp với cuộn dây rotor. Hình 2.33 trình bày một sơ đồ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ R1, R2 và R3 ở cả 3 pha rotor. Đây là sơ đồ mở máy với các điện trở rotor đối xứng. ~ ω A ω0 TN KB g f e d K3 3 c R3 b 1 K2 2 R2 K1 a M M Mth R1 C 2 M2 Hình 2.33 - Sơ đồ mở máy động cơ KĐB qua 3 cấp điện trở phụ và đặc tính cơ t−ơng ứng. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 32
27. Lúc bắt đầu mở máy, các tiếp điểm công tắc tơ K1, K2, K3 đều mở, cuộn dây rotor đ−ợc nối với cả 3 cấp điện trở phụ (R1+R2+R3) nên đ−ờng đặc tính cơ là đ−ờng 1. Tới điểm b, tốc độ động cơ đạt ωb và mômen giảm còn M2, các tiếp điểm K1 đóng lại, cắt các điện trở phụ R1 ra khỏi mạch rotor. Động cơ đ−ợc tiếp tục mở máy với điện trở phụ (R2+R3) trong mạch rotor và chuyển sang làm việc tại điểm c trên đặc tính 2 ít dốc hơn. Mômen tăng từ M2 lên M1 và tốc độ động cơ lại tiếp tục tăng. Động cơ làm việc trên đ−ờng đặc tính 2 từ c đến d. Lúc này, các tiếp điểm K2 đóng lại, nối tắt các điện trở R2. Động cơ chuyển sang mở máy với điện trở R3 trong mạch rotor trên đặc tính 3 tại điểm e và tiếp tục tăng tốc tới điểm f. Lúc này các tiếp điểm K3 đóng lại, điện trở R3 trong mạch rotor bị loại. Động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính tự nhiên tại g và tăng tốc đến điểm làm việc A ứng với mômen cản MC. Quá trình mở máy kết thúc. Để đảm bảo quá trình mở máy nh− đã xét sao cho các điểm chuyển đặc tính ứng với cùng một mômen M2, M1 thì các điện trở phụ tham gia vào mạch rotor lúc mở máy phải đ−ợc tính chọn cẩn thận theo ph−ơng pháp riêng. Ngoài sơ đồ mở máy với điện trở đối xứng ở mạch rotor, trong thực tế còn dùng sơ đồ mở máy với điện trở không đối xứng ở mạch rotor, nghĩa là điện trở mở máy đ−ợc cắt giảm không đều trong các pha rotor khi mở máy. 2.4.4.2 Ph−ơng pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stator. Ph−ơng pháp này dùng điện trở hoặc điện kháng mắc nối tiếp với mạch stator lúc mở máy và có thể áp dụng cho cả động cơ rotor lồng sóc lẫn rotor dây quấn. Do có điện trở hoặc điện kháng nối tiếp nên dòng mở máy của động cơ giảm đi, nằm trong giá trị cho phép. Mômen mở máy của động cơ cũng giảm. Thời điểm ban đầu của quá trình mở máy, các tiếp điểm K2 đóng lại (các tiếp điểm K1 mở) để điện trở (hình a) hoặc điện kháng (hình b) tham gia vào mạch stator nhằm hạn chế dòng điện mở máy. Khi tốc độ động cơ đã tăng đến một mức nào đó (tuỳ hệ truyền động) thì các tiếp điểm K1 đóng lại, K2 mở ra để loại điện trở hoặc điện kháng ra khỏi mạch stator. Động cơ tăng tốc đến tốc độ làm việc. Quá trình mở máy kết thúc. ~ 3 ~ 3 ω K1 K2K1 K2K1 K2 K1 K2 K1 K2 K1 K2 ω0 A R1 R1 R1 X1 X1 X1 a b a b c c Đ Đ M M C mm Hình 2.34 - Sơ đồ mở máy dùng R1 và X1 ở mạch stator và dạng đặc tính cơ khi mở máy Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 33
28. Sơ đồ hình 2.34 ở trên là mở máy với 1 cấp điện trở hoặc điện kháng ở mạch stator. Có thể mở máy với nhiều cấp điện trở hoặc điện kháng khi công suất động cơ lớn. 2.4.4.3 Ph−ơng pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫu Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng để đặt một điện áp thấp cho động cơ khi mở máy. Do vậy, dòng điện của động cơ khi mở máy giảm đi. Các tiếp điểm K' đóng, K mở lúc mở máy. Khi K' mở, K đóng thì quá trình mở máy kết thúc. Ph−ơng pháp mở máy dùng cuộn kháng X và máy biến áp tự ngẫu thích hợp cho việc mở máy các động cơ cao áp. ~ 3 CD K' K K K BATN a b K' c Đ Hình 2.35 - Sơ đồ mở máy động cơ KĐB dùng MBA tự ngẫu. 2.4.4.4 Ph−ơng pháp đổi nối Υ - ∆ khi mở máy Động cơ KĐB làm việc bình th−ờng ở sơ đồ mắc ∆ các cuộn stator thì khi mở máy có thể mắc theo sơ đồ Y. Thực chất của ph−ơng pháp này là giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator khi đổi nối vì Uph = Ud khi mắc ∆, còn khi mắc Y thì điện áp giảm 3 lần: Ud Uph = 3 2.4.5 Đảo chiều quay động cơ điện KĐB Để đảo chiều quay của động cơ KĐB, cần đảo chiều quay của từ tr−ờng quay do stator tạo ra. Muốn vậy, chỉ cần đảo chiều hai pha bất kỳ trong 3 pha nguồn cấp cho stator. Đặc tính cơ khi đảo chiều quay nằm ở góc phần t− thứ III. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 34
29. ω ω CDA CDB a b c −ω Hình 2.36 - Sơ đồ đảo chiều quay động cơ KĐB và đặc tính cơ khi đảo chiều quay. 2.5 Các trạng thái hãm của động cơ điện KĐB 2.5.1 Hãm tái sinh Đặc tính hãm tái sinh của động cơ KĐB nh− hình vẽ. Động cơ điện xoay chiều KĐB ở chế độ hãm tái sinh khi tốc độ động cơ v−ợt quá tốc độ đồng bộ ω0. Khi hãm tái sinh thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát. ω s ω ω K sthĐ F s=1 M M thF thĐ Hình 2.37 - Đặc tính cơ hãm tái sinh động cơ KĐB. Từ công thức (2.36) và (2.37), loại trừ tr−ờng hợp dấu (+) đối với chế độ động cơ ta có ở chế độ máy phát: ' R2 sth = − (2.43) 2 2 R1 + X nm 2 3U1ph Mth = − (2.44) 2 2 2ω0 (R1 − R1 + X nm ) Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 35
30. Qua đó ta thấy ở chế độ máy phát, độ tr−ợt tới hạn sthF đổi dấu so với động cơ, còn mômen tới hạn có trị số lớn hơn trị số mômen tới hạn ở chế độ động cơ. Chế độ hãm tái sinh của động cơ KĐB đ−ợc thiết kế trên đoạn NK', góc phần t− thứ II. 2.5.2 Hãm ng−ợc a) Hãm ng−ợc nhờ đ−a điện trở phụ vào mạch phần ứng Động cơ KĐB rôto dây quấn truyền động cho cơ cấu nâng-hạ của một của một cầu trục, đang làm việc nâng tải tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ở góc phần t− thứ I với mômen cản MC và tốc độ quay nâng ωA (các tiếp điểm K đóng). Để dừng và hạ vật xuống, ta đ−a điện trở RP đủ lớn vào mạch phần ứng (các tiếp điểm K mở ra), động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính có điện trở 2 cùng với tốc độ ωA. Mômen của động cơ giảm xuống (MB < MC) nên tốc độ động cơ giảm. Lúc này vật P vẫn đ−ợc nâng lên nh−ng với tốc độ nâng nhỏ dần. Tới điểm D thì ω = 0 và vật dừng lại nh−ng vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản (MD < MC) nên vật bắt đầu tụt xuống. Động cơ đảo chiều quay (ω < 0). Động cơ bắt đầu làm việc ở trạng thái hãm ng−ợc (tốc độ âm đi xuống, mômen d−ơng có xu h−ớng kéo vật P đi lên). ω MC ω0 B A MĐ ωA 1 ωA P ~ D M M MB C th M MC KB E M ωE Đ ωA 2 K K P Rp Hình 2.38 - Hãm ng−ợc động cơ KĐB nhờ đ−a điện trở phụ vào mạch phần ứng. Đặc tính hãm ng−ợc nằm ở góc phần t− thứ IV. Điểm làm việc hãm của động cơ chuyển theo đặc tính hãm từ D đến E. Tại đây MĐ = ME = MC, động cơ quay đều, hãm ghìm vật để hạ vật xuống đều với tốc độ ωE. b) Hãm ng−ợc nhờ đảo chiều quay Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 36
31. MC ~ ω MĐ ω Đ ω B B' 0 A MC 1 MĐ 3 2 F ω M D' C KB M M D C th E M ωE MC MĐ K K Đ ω R E' p Hình 2.39 - Hãm ng−ợc động cơ KĐB nhờ đảo chiều quay. Động cơ điện KĐB rôto dây quấn đang làm việc với tải có mômen cản phản kháng tại điểm A trên đ−ờng đặc tính cơ 1, sơ đồ nối dây nh− hình vẽ. Để hãm máy, ta đổi thứ tự hai pha bất kỳ trong 3 pha cấp cho stato để đảo chiều quay động cơ. Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính 1 sang điểm B' trên đặc tính 2. Do quán tính của hệ cơ, động cơ coi nh− giữ nguyên tốc độ ωA khi chuyển đặc tính. Quá trình hãm ng−ợc bắt đầu. Khi tốc độ động cơ giảm theo đặc tính hãm 2 tới điểm D' thì ω = 0. Lúc này, nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Đoạn hãm ng−ợc là B'D'. Nễu không cắt điện thì nh− tr−ờng hợp ở hình 2.82a, động cơ có MD' > MC nên động cơ bắt đầu tăng tốc, mở máy chạy ng−ợc theo đặc tính cơ 2 và làm việc ổn định tại điểm E' với tốc độ ωE' theo chiều ng−ợc. Khi động cơ hãm ng−ợc theo đặc tính 2, điểm B' có mômen nhỏ nên tác dụng hãm không hiệu quả. Thực tế phải tăng c−ờng mômen hãm ban đầu (Mhãm ≈ 2,5Mđm) nhờ vừa đảo chiều từ tr−ờng quay của stato, vừa đ−a thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto. Động cơ sẽ hãm ng−ợc theo đặc tính 3 (đoạn BD). Tới D mà cắt điện thì động cơ sẽ dừng. Nếu không cắt điện, động cơ sẽ tăng tốc theo chiều ng−ợc lại và làm việc tại điểm E với tốc độ ωE < ωE'. Nếu lúc này lại cắt điện trở phụ RP thì động cơ sẽ chuyển sang làm việc trên đặc tính 2 tại điểm F và tăng tốc tới điểm E'. 2.5.3 Hãm động năng Để hãm động năng một động cơ điện KĐB đang làm việc ở chế độ động cơ, ta phải cắt stator ra khỏi l−ới điện xoay chiều (mở các tiếp điểm K ở mạch lực) rồi cấp vào stator dòng điện một chiều để kích từ (đóng các tiếp điểm H). Thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 37
32. ~ 3 K K K Rkt + H - a b H c Đ Hình 2.40 - Sơ đồ nối dây hãm động năng động cơ KĐB. Vì cuộn dây stato của động cơ là 3 pha nên khi cấp kích từ một chiều phải tiến hành đổi nối và có thể thực hiện theo một trong các sơ đồ sau. + + + + + - - - - - Hình 2.41 - Các cách cấp kích từ một chiều cho cuộn stator 3 pha khi hãm động năng động cơ KĐB. Do động năng tích lũy, rôto tiếp tục quay theo chiều cũ trong từ tr−ờng một chiều vừa đ−ợc tạo ra. Trong cuộn dây phần ứng xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Lực từ tr−ờng tác dụng vào dòng cảm ứng trong cuộn dây phần ứng sẽ tạo ra mômen hãm và rôto quay chậm dần. Động cơ điện xoay chiều khi hãm động năng sẽ làm việc nh− một máy phát điện có tốc độ (do đó tần số) giảm dần. Động năng qua động cơ sẽ biến đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở ở mạch rôto. Nếu tr−ớc khi hãm, động cơ làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 thì khi hãm động năng, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính hãm động năng 2 ở góc phần t− thứ II. Đặc tính hãm động năng của động cơ xoay chiều 3 pha KĐB có dạng nh− hình Tốc độ động cơ giảm dần theo đặc tính về O trên đoạn đặc tính hãm động năng BO. Tại điểm O, động cơ sẽ dừng nếu tải là phản kháng. Nếu tải có tính chất thế năng thì tải sẽ kéo động cơ quay ng−ợc cho đến khi ổn định tại điểm D (góc phần t− thứ IV). Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 38
33. ω ω Đ B 0 A 1 F ωA MC ω D D M F Hình 2.42 - Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập động cơ KĐB. Điện trở mạch rôto và dòng kích từ cấp cho stato lúc hãm động năng có ảnh h−ởng tới dạng đặc tính cơ khi hãm. Trên hình vẽ 2.43, các đặc tính hãm 1 và 2 ứng với cùng một dòng kích từ nh− nhau (Ikt1 = Ikt2) nh−ng điện trở hãm trong mạch rôto khác nhau (Rh1 < Rh2). ~ 3 ω 2 4 KK K Rkt 1 + H - a b H c 3 Đ HH Rh M Hình 2.43-Họ các đặc tính cơ khi hãm động Hình 2.44-Sơ đồ nối dây hãm động năng năng kích từ độc lập động cơ KĐB. kích từ độc lập động cơ KĐB. Bộ mụn TĐ-ĐL, Khoa Điện 39