Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt) và hỗn hợp (ĐMhh )

Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Đ 2.3. ĐặC TíNH CƠ CủA động cơ một chiều kích từ NốI TIếP (ĐMnt) Và HỗN HợP (ĐMhh) 2.3.1. Sơ đồ nối dây của ĐMnt : Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn một chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp với kích từ. Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng, nên từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của động cơ. Theo sơ đồ hình 2-10a, có thể viết ph−ơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng nh− sau: U = E + R.I− = kφω + R.I− (2-39) Trong đó: U là điện áp nguồn, (V) R = R− + Rkt + R−f (2-40) Trong này: R− là điện trở phần ứng động cơ. Rkt là điện trở cuộn dây kích từ R−f là điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng Trang 44 T−ơng tự ĐMđl, từ các ph−ơng trình trên ta rút ra: I k RR k U ổf φ +−φ=ω (2-41) M )k( RR k U 2 ổf φ +−φ=ω (2-42) Từ thông φ phụ thuộc vào dòng kích từ Ikt theo đặc tính từ hoá nh− đ−ờng c trên hình 2-10b. Đó là quan hệ giữa từ thông φ với sức từ động kích từ Fkt của động cơ. mà: Fkt = Ikt.Wkt . Khi cho dòng kích từ bằng định mức thì từ thông động cơ sẽ đạt định mức. φ Để đơn giản hoá khi thành lập ph−ơng trình đặc tính cơ ĐMnt, ta coi mạch từ của động cơ là ch−a bảo hoà, quan hệ giữa từ thông với dòng kích từ là tuyến tính đ−ờng d trên hình 2-10b: φ = C.Ikt ; (C - hệ số tỉ lệ) (2-43) Nếu bỏ qua phản ứng phần ứng, ta có: φ = C.Ikt = C.I− = C.I (2-44) Kết hợp (2-44) với (2-39) ta đ−ợc ph−ơng trình đặc tính cơ điện của ĐMnt: ω = − = −U k C I I B . . R k.C A1 (2-45) Với: A1 = C.k U = const ; B = C.k R = const ; Mặt khác: M = k.φ.I = k.C.I2 (2-46) Nên: I M k C = . (2-47) Trang 45 I− Ikt U + - R−f E Ckt d c φđm Fktđm Fkta) b) Hình 2-10: a) Sơ đồ nối dây ĐMnt b) Đặc tính từ hoá của ĐMnt. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Thay (2-47) vào (2-45) ta có ph−ơng trình đặc tính cơ ĐMnt: ω = - = - (2-48) A k C M M B1 . . R k.C A2 Trong đó: A2 = A1. k C. = const. Qua ph−ơng trình (2-45) và (2-48) ta thấy đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của ĐMnt có dạng hypecbol và rất mềm nh− hình 2-11a, b và tốc độ không tải lý t−ởng bằng vô cùng. Thực tế không có tốc độ không tải lý t−ởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của ĐMnt : Nh− vậy đặc tính cơ điện của ĐMnt có dạng đ−ờng hypebol và rất mềm. Nó có hai đ−ờng tiệm cận (hình 2-12a): + Khi I → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung. + Khi ω → -B, M → ∞ : Tiệm cận đ−ờng ω = -B = - (R−Σ)/K.C . Trang 46 T−ơng tự, đối với đặc tính cơ của ĐMnt cũng có hai đ−ờng tiệm cận (hình 2-12b): + Khi M → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung. + Khi ω → -B, M → ∞ : Tiệm cận đ−ờng ω = -B = - (R−Σ)/K.C . Với đặc tính cơ tự nhiên thì R−f = 0, nên ta có hai đ−ờng tiệm cận ứng với: + Khi M → 0, ω → ∞ : Tiệm cận trục tung. + Khi ω → -B(tn), M → ∞ : đặc tính cơ sẽ tiệm cận với đ−ờng thẳng ω = -B(nt) = - (R−)/K.C . 2.3.2. Đặc tính vạn năng của ĐMnt: Các ph−ơng trình (2-40) , (2-41) và các đặc tính trên hình 2-12 đ−ợc rút ra với giả thiết đặc tính từ hoá φ = f(I) là đ−ờng thẳng. Tuy nhiên, thực tế quan hệ φ = f(I) là phi tuyến nên việc viết ph−ơng trình và vẽ các đặc tính cơ ĐMnt là rất khó khăn. Vì vậy các nhà chế tạo động cơ th−ờng cho tr−ớc các đ−ờng cong thực nghiệm: Trang 47 ω ωđm ω1 TN NT1, R−f1 Iđm I ω ωđm ω1 TN NT1, R−f1 Mđm M a) b) Hình 2-11: a) Đặc tính cơ điện của ĐMnt b) Đặc tính cơ của ĐMnt ω ω ωđωđm TN NT, R−f Ic I m TN NT, R−f Mc M a) b) Hình 2-12: a) Tiệm cận của đặc tính cơ điện của ĐMnt b) Tiệm cận của đặc tính cơ của ĐMnt -B -B Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động ω* = f(I*) và M* = f(I*) khi không có điện trở phụ, và gọi là đặc tính vạn năng của ĐMnt nh− hình 2-13. Các đặc tính này cho theo đơn vị t−ơng đối: ω* = ω/ωđm ; I* = I/Iđm ; M* = M/Mđm ; Dùng chung cho các loại động cơ trong dãy công suất có cùng tiêu chuẩn thiết kế. Đối với động cơ đã cho, ta chỉ cần lấy giá trị ωđm nhân vào trục tung và lấy Iđm nhân vào trục hoành, ta sẽ đ−ợc đặc tính cơ điện tự nhiên ω = f(I) của động cơ đó. Mặt khác, từ giá trị I* tra theo đ−ờng M* = f(I*) ta đ−ợc giá trị M* t−ơng ứng. Nhân giá trị M* đó với Mđm của động cơ đã cho ta đ−ợc M. Nh− vậy, từ đặc tính cơ điện tự nhiên và đ−ờng đặc tính vạn năng M* = f(I*) ta sẽ đ−ợc đặc tính cơ tự nhiên ω = f(M). Ng−ời ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (dùng thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng) của ĐMnt khi sử dụng các đặc tính vạn năng và đặc tính cơ tự nhiên. Trang 48 2.3.3. Đặc tính cơ khi khởi động ĐMnt: T−ơng tự ĐMđl, để hạn chế dòng khởi động ĐMnt ng−ời ta cũng đ−a thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần đi để đ−a tốc độ động cơ lên xác lập. I’kđbđ = I’nm = U R R m f đ − − + = (2ữ2,5)Iđm ≤ Icp (2-49) a) Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động trình bày trên hình 2-13: Quá trình xây dựng đặc tính khởi động theo các b−ớc sau: 1. Dựa vào các thông số của động cơ và đặc tính vạn năng, vẽ ra đặc tính cơ tự nhiên. 2. Chọn dòng điện giới hạn I1 ≤ (2ữ2,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi khởi động R = Uđm/I1 . Ta kẻ đ−ờng I1 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại e. 3. Chọn dòng chuyển khi khởi động I2 = (1,1ữ1,3)Ic . Kẻ đ−ờng I2 = const nó sẽ cắt đặc tính tự nhiên tại f, và nó cũng cắt đặc tính nhân tạo dốc nhất (có R) tại b theo biểu thức: Trang 49 Hình 2-13: Các đặc tính vạn năng của Đmnt 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 ω* M = f(I*) ω* = f(I*) 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 I * Ckt IktI− e K2 K1 R−f2 R−f1 U + - Hình 2-13: a) Sơ đồ nối dây Đmnt khởi động 2 cấp, m = 2 b) Các đặc tính cơ khi khởi động Đmnt, m = 2. a) 0 Ic I2 I1 I− ω XL TN ω1 ω2 d e h 2 1 a b c f A b) Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động RI-U RI-U ổ2õm 2õm )f(TN)b(NT ω=ω (2-50) Kẻ các đ−ờng ef và ab kéo dài, chúng sẽ cắt nhau tại A, từ A dựng tiếp các đ−ờng đặc tính khởi động tuyến tính hoá thoả mãn các yêu cầu khởi động và ta có đ−ờng khởi động abcdefXL. b) Tính điện trở khởi động: Theo ph−ơng pháp tuyến tính hoá trên, điện trở phụ tổng đ−ợc tính R−f = R - R− , ta có điện trở phụ các cấp: R ac ea R ce ea Rf f− − f − − f R 1 2= =; ; (2-51) 2.3.4. Các trạng thái hãm ĐMnt: Động cơ ĐMnt có ω0 ≈ ∞, nên không có hãm tái sinh mà chỉ có hai trạng thái hãm: Hãm ng−ợc và Hãm động năng. 2.3.4.1. Hãm ng−ợc ĐMnt: a) Đ−a điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng: Động cơ đang làm việc tại A, đóng R−f lớn vào phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang B, C và sẽ thực hiện hãm ng−ợc đoạn CD: Trang 50 b) Hãm ng−ợc bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: Động cơ đang làm việc ở điểm A trên đặc tính cơ tự nhiên với: U− > 0, quay với chiều ω > 0, làm việc ở chế độ động cơ, chiều mômen trùng với chiều tốc độ; Nếu ta đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng U− < 0 (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) và vẫn giữ nguyên chiều dòng kích từ thì dòng điện phần ứng sẽ đổi chiều I− < 0 do đó mômen đổi chiều, động cơ sẽ chuyển sang điểm B trên đặc tính d hình 2-15, đoạn BC là đoạn hãm ng−ợc, và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát. Lúc hãm động năng, dòng hãm và mômen hãm của động cơ: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ <φ= + φω+−=+ −−= 0IKM 0< RR KU RR EUI hh fổổfổổ ổ h (2-52) Ph−ơng trình đặc tính cơ: M )K( R+R K U 2 ổfổ φ−φ −=ω (2-53) Trang 51 Hình 2-14: a) Sơ đồ nối dây Đmnt khi hãm ng−ợc với R−f b) Đặc tính hãm ng−ợc Đmnt, đoạn CD. Ckt IktI− e R−f U + - a) 0 Mc M ω TN D B C R−f A b) HN ω ωbđ Mc M HN D A ωôđ B C b) Mc ’ a) U + - c d Ckt Ikt R−f I− e Hình 2-15: a) Sơ đồ hãm ng−ợc bằng cách đảo U−. b) Đặc tính cơ khi hãm ng−ợc bằng cách đảo U−. Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.3.4.2. Hãm động năng ĐMnt: a) Hãm động năng kích từ độc lập: Động cơ đang làm việc với l−ới điện (điểm A, hình 2-16), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi l−ới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, còn cuộn kích từ đ−ợc nối vào l−ới điện qua điện trở phụ sao cho dòng kích từ có chiều và trị số không đổi (Iktđm), và nh− vậy giống với tr−ờng hợp hãm động năng kích từ độc lập của ĐMđl. Ph−ơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng: M )K( R+R 2 hổ φ−=ω Σ (2-54) b) 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 nối tiếp vào một điện trở hãm Rh, nh−ng dòng kích từ vẫn phải đ−ợc giữ nguyên theo chiều cũ 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. Trang 52 Ph−ơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ: M )K( RR+R 2 hktổ φ +−=ω (2-55) Và từ thông giảm dần trong quá trình hãm động năng tự kích. 2.3.5. Đảo chiều ĐMnt: Đặc tính cơ của động cơ ĐMnt khi đảo chiều bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng: M )]I(K[ RR )I(K U 2 ổ fổổ ổ ổ φ +−φ −=ω Σ (2-56) Khi U− > 0, động cơ quay thuận ω > 0 (tại điểm A trên đặc tính cơ ở góc phần t− thứ nhất của toạ độ [M, ω], với phụ tải là Mc > 0). Nếu ta đảo cực tính điện áp phần ứng động cơ (vẫn giữ nguyên chiều từ thông kích từ) U− < 0, phụ tải động cơ theo chiều ng−ợc lại Mc' < 0, động cơ sẽ quay ng−ợc ω < 0 (tại điểm A' trên đặc tính cơ ở góc phần t− thứ ba của toạ độ [M, ω]. Nếu cho điện trở phụ vào mạch phần ứng, ta sẽ có các tốc độ nhân tạo ng−ợc, hình 2-18. Trang 53 Hình 2-17: a) Sơ đồ hãm động năng tự kích từ ĐMnt. b) Đặc tính cơ khi HĐN tự kích từ ĐMnt. a) U + - Ikt Ckt I− e Rh ω ωhđ Mc M HĐN A ωôđ2 B1B2 Rh1Rh2 0 b) ωôđ1 Mhđ1Mhđ2 C2 ω C1 Hình 2-16: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập ĐMnt. b) Đặc tính cơ khi HĐN kích từ độc lập ĐMnt. ωbđ Mc M HĐN A ωôđ2 B1 b) ωôđ1 B2 Rh1 Rh2 0 C2 C1 a) U + - Rktf Ckt Ikt I− e Rh Mbđ2 Mbđ1 Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động 2.3.6. Nhận xét về ĐMnt: Về cấu tạo, ĐMnt có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiết diện to và số vòng dây ít. Nhờ đó nó dễ chế tạo và ít h− hỏng hơn so với ĐMđl. Động cơ ĐMnt có khả năng quá tải lớn về mmomen. Khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện nh− nhau thì mômen của ĐMnt lớn hơn mômen của ĐMđl. Thực vậy, lấy ví dụ khi cho quá tải dòng Iqt = 1,5Iđm thì mômen quá tải của ĐMđl là : Mqt = Kφđm.1,5Iđm = 1,5Mđm, nghĩa là hệ số quá tải mômen bằng hệ số quá tải dòng điện: KqtM = KqtI = 1,5. Trong kho đó, mômen của ĐMnt tỷ lệ với bình ph−ơng dòng điện, nên M'qt = K.C.I2 = K.C.(1,5Iđm) 2 = 1,52.Mđm = 2,25Mđm, nghĩa là hệ số quá tải mômen bằng bình ph−ơng lần của hệ số quá tải dòng điện: K'qtM = K2qtI. Mômen của ĐMnt Không phụ thuộc vào sụt áp trên đ−ờng dây tải điện, nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mômen động cơ cũng là định mức, cho dù động cơ nối ở đầu đ−ờng dây hay ở cuối đ−ờng dây. Trang 54 2.3.7. Đặc điểm, đặc tính cơ động cơ ĐMhh : Sơ đồ nguyên lý của động cơ ĐMhh nh− hình 2-19, với hai cuộn kích từ song song và nối tiếp tạo ra từ thông kích từ động cơ: φ = φs + φn (2-57) Trong đó: φs là phần từ thông do cuộn kích từ song song tạo nên; φs = (0,75 ữ 0,85)φđm và không phụ thuộc vào dòng phần ứng, tức không phụ thuộc vào phụ tải. Còn φn là phần từ thông do cuộn kích từ nối tiếp tạo ra, nó phụ thuộc vào dòng phần ứng. Khi phụ tải Mc = Mđm thì I− = Iđm, t−ơng ứng: φn.đm = (0,25 ữ 0,15)φđm Do có hai cuộn kích từ nên đặc tính cơ của ĐMhh vừa có dạng phi tuyến nh− ĐMnt, đồng thời có điểm không tải lý t−ởng [0, ω0] nh− của ĐMđl, hình 2-20, trong đó tốc độ không tải lý t−ởng có giá trị khá lớn so với tốc độ định mức: ω0 ≈ (1,3 ữ 1,6) ωđm . Động cơ ĐMhh có ba trạng thái hãm t−ơng tự nh− ĐMđl. ω ωôđ Mc M -ωôđ A’ b) Mc ’ U + - Ckt Ikt I− e R−f a) Hình 2-18: a) Sơ đồ đảo chiều điện áp U− của ĐMnt . b) Đặc tính cơ khi đảo chiều U− của ĐMnt (ĐCth) (ĐCng) A M ω M ω ω ω0 0 Mc M -ωôđ b) U + - I− e a) Hình 2-20: a) Sơ đồ nối dây ĐMhh . b) Đặc tính cơ của ĐMhh R−f TN Igh RktfIktsCks Ckn Iktn R−f Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Kh−ơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Trang 55