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

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

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

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

I

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

=E (2-2)

a2
N.p
K

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

=
Vậy: K
e
=
55,9
K
= 0,105.K
R

là điện trở mạch phần ứng, R

= r

I
K
R+R
K
U
ổ
ổfổổ



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

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

=





=

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

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


U
2
õm
ổõm
õm
ổõm



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

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

dm
tn
R
)K(
=
(2-15)
Và:
*

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

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

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



0đm
TN

nt

NT I
đm
I
nm
I

a
)



0đm
TN

nt

1000.P
M
õm
õm
õm
==

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

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

=


=

Tốc độ không tải lý tởng:

rad/s7,241

Nm.s 5,2
3,2307,241
6,28
M0
M
d
dM
õm0
õm
tn
=

=


=


=

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

:
Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không
tải lý tởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (có
R


=
Và tính tốc độ góc nhân tạo:

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

K
I).RR(U
õm
õmổfổõm
nt
=
+
=

+

=

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

0 28,6

cp
= 2,5I
đm
(2-
18)
+ Muốn thế, ngời ta thờng đa thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra
để đa tốc độ động cơ lên xác lập.
I
kđbđ
= I
nm
=

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

c
- Từ điểm a(I
1
) kẽ đờng a

0
nó sẽ cắt I
2
= const tại b; từ b kẽ
đờng song song với trục hoành nó cắt I
1
= const tại c; nối c

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

RR
;I
K
R

+
=

= ; (2-20)
Rút ra: ;RR
ổ
TN
TNiNT
fiổ






= (2-21)
Qua đồ thị ta có:

;R
he
ae
R
he
heha
R


+
-


0
a)

1

2
0 I
c
I
2
I
1
I

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

+ R
f (2)
= R

+ (R
f 2
)
b) Phơng pháp giải tích:
Giả thiết động cơ đợc khởi động với m cấp điện trở phụ. Đặc
tính khởi động đầu tiên và dốc nhất là đờng 1 (hình 2-3b), sau đó đến
cấp 2, cấp 3, cấp m, cuối cùng là đặc tính cơ tự nhiên::
Điện trở tổng ứng với mỗi đặc tính cơ:
R
1
= R

+ R
f (1)
= R

+ (R
f 1
+ R
f 2
+ + R
f m
)
R
2
= R
R
EU
I
1
1õm
2

= (2-22)
Tại điểm c trên hình 2-3b ta có:
I
UE
R
m
1
1
2
=
-
đ
(2-23)
Trong quá trình khởi động, ta lấy:

=
2
1
I
I
= const (2-24)

RRR
RRR

RRR
RR
ổ
m
21
ổ
1m
32
ổ
2
m1m
ổm









==
==
==
=



1
; rồi thay tiếp I
1
= I
2
.
+ Nếu biết , R
1
, R

ta xác định đợc số cấp điện trở khởi động: lg
)R
/
Rlg(
m
ổ1

= (2-28)
* Trị số các cấp khởi động đợc tính nh sau:
(2-29)

R).1(RRR
R).1(RRR

R).1(RRR
R).1(RRR
ổ

đm
= 220V; n
đm
= 420vg/ph; I
đm
= 120A; R

*
= 0,08. Khởi động hai
cấp điện trở phụ với tần suất 1lần/1ca, làm việc ba ca, mômen cản quy
đổi về trục động cơ (cả trong thời gian khởi động) M
c
410Nm. Hảy
xác định các cấp điện trở phụ.
* Giải:

Trớc hết ta xác định các số liệu cần thiết của động cơ:
Điện trở định mức: R
đm
= U
đm
/I
đm
= 220V/120A = 1,83.
Điện trở phần ứng: R

= R

*
.R

đm
.
Với tần suất khởi động ít, dòng điện và mômen phụ tải nhỏ hơn
định mức, nên ta coi trờng hợp này thuộc loại khởi động bình thờng
với số cấp khởi động cho trớc m = 2, dùng biểu thức (2-27), chọn
trớc giá trị I
2
:
I
2
= 1,1.I
c
= 1,1.89A = 98 A
Ta tính đợc bội số dòng điện khởi động:

5,2
98.146,0
220
I.R
U
12
1m
2ổ
õm
==
+
+

Kiểm nghiệm lại giá trị dòng điện I
1

= 2,5.0,146 = 0,365
R
2
= R
1
= 2,5.0,365 = 0,912
Và các điện trở phụ của các cấp sẽ là:
R
f1
= R
1
- R


= 0,365 - 0,146 = 0,219
R
f2
= R
2
- R
f1
- R


= 0,912 - 0,219 - 0,146 = 0,547 Trang 33
H
ình 2-4: a) Sơ đồ nối dây Đm


e
K
2
K
1
R
f2
R
f1
U

+
-


0
a)

1

2
0 I
c
I
2
I
1
I



0IKM
0
R
KK
R
EU
I
hh
0
ổổ
h





<=
<

=

=
(2-30)
* Một số trạng thái hãm tái sinh:
+ Hãm tái sinh khi

>

0

h
= K.I
h
< 0 ;
Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngợc chiều với
tốc độ, trở thành mômen hãm (M
h
).
+ Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (U
2
< U
1
), lúc này
M
c
là dạng mômen thế năng (M
c
= M
tn
). Khi giảm điện áp nguồn đột
ngột, nghĩa là tốc độ
0
giảm đột ngột trong khi tốc độ cha kịp
giảm, do đó làm cho tốc độ trên trục động cơ lớn hơn tốc độ không tải
lý tởng (
>
02
). Về mặt năng lợng, do động năng tích luỹ ở tốc độ
cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát,
phát năng lợng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh), hình 2-5b.

tn
). Khi đảo chiều điện áp
phần ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ +
0


-
0
, động cơ sẽ dần
chuyển sang đờng đặc tính có -U

, và sẽ làm việc tại điểm B
(
B
>-
0
). Về mặt năng lợng, do thế năng tích luỹ ở trên cao
lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát
năng lợng trả lại nguồn, hình 2-5c.
Trang 35
I
h
A

02
U
2
HTS
E
2

E
Hãm tái sinh (HTS),
Trạng thái máy phát
M
h
M
H
ình 2- 5a: Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ.
Trạng thái động cơ

M
M
h
0
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi
nâng tải, động cơ truyền động thờng làm việc ở chế độ động cơ
(điểm A hình 2-5c), và khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế độ máy
phát (điểm B hình 2-5c).
UK
RR
MKI
h
ff
(2-31)
hh
=
+
+
=
+
+
=











(vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế) thì:

Trang 37


bđ

0
I
h
-U

-E
I

U

E
M
c
M
HTS
-
0
B
A

ôđ
H
ình 2- 5c: Hãm tái sinh khi đảo chiều

E
A

ôđ
B
D
b)
I
h
U

E

R
ktf
U

+
-
Ckt
I
kt
I

e
R
f
a)
(+R
f

0IKM
0<
RR
KU
RR
EU
I
hh
fổổ
ổ
fổổ
ổổ
h
(2-32)
Phơng trình đặc tính cơ:

M
)K(
R+R
K
U
2
ổfổổ




= (2-33)
= (2-34)
Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là
hđ
nên sức
điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu: 0IKM
0<
RR
K
RR
E
I
KE
hdhd
hổ
hd
hổ
hd
hd
hdhd







<=

ôđ2
).

Trang 39
H
ình 2-7a: a) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập.
b) Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.


bđ

0
I

U

E

M
c
M
HĐN
A

ôđ2
B
1
b)

ôđ1

bđ

0
U

I

E

M
c
M
HN
D
A

ôđ
B
C
b)
M
c

I
E
h
-U


-

thành nhiệt năng trên các điện trở.
Phơng trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ:

M
)K(
RR+R
2
hktổ

+
= (2-36)

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.
So với phơng pháp hãm ngợc, hãm động năng có hiệu quả hơn
khi có cùng tốc độ hãm ban đầu, nhất là tốn ít năng lợng hơn.
=
Thuận
Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều điện áp phần ứng
hoặc đảo chiều từ thông kích từ động cơ. Thờng đảo chiều động cơ
bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng. Khi đảo chiều điện áp phần
ứng thì

0
đảo dấu, còn thì không đảo dấu, đặc tính cơ khi quay
ngợc chiều:

M
)]I(K[
RR
)I(K
U
2
ổ
fổổ
ổ
ổ

+



= (2-38)

U

+
-
C
kt
I
kt
I

e
R
f
a)
H
ình 2-8: a) Sơ đồ hãm ngợc bằng cách đảo U

.
b) Đặc tính cơ khi hãm ngợc bằng cách đảo U

.
(ĐC
th
)
(ĐC
ng
)
A
M
HĐN
A

ôđ2
B
1
B
2
b)

ôđ1
R
h1
R
h2
0
M
hđ2
M
hđ1
C
2
C
1
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
* Ví dụ 2-3:
Động cơ làm việc dài hạn, công suất định mức là 6,6KW; điện
áp định mức: 220V; tốc độ định mức: 2200vòng/phút; điện trở mạch
phần ứng gồm điện trở cuộn dây phần ứng và cực từ phụ: 0,26;


Đặc tính cơ của động cơ trớc khi hãm là đặc tính cơ tự nhiên,
và khi chuyển sang đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập
(đoạn
B0 trên hình 2-9b).
Trang 42
Điểm làm việc trớc khi hãm là điểm định mức A, có:
I

= I
đm
= 35A, tơng ứng mômen định mức M
đm
;

A
=
đm
= 230,3rad/s (xem ví dụ 2-1)
Sức điện động của động cơ trớc khi hãm sẽ là:
E
bđ
= E
A
= U
đm
- I

.R


Điện trở tổng trong mạch phần ứng động cơ đợc xác định theo
(2-34):

==
=

=

=


01,3
70
9,210
R
I
E
I
K
I
K
R
ổ
bõ.h
A
bõ.h
A
ổ
ổ


M
c
M
HĐN
KTĐL
A
B
b)

ôđ
R
h
0
C
a)
U
+
-
R
ktf
M
h.max

I
kt
Ckt
I

e
R