Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
1

Chương 2
CÁC TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung
2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song)
2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
2.4 Động cơ điện không đồng bộ
2.5 Các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ 2.1 Khái niệm chung
- ĐTC của máy sản xuất (tải) M
c
(ω) : biết trước
- ĐTC của động cơ điện M(ω): Tự nhiên/ nhân tạo
- Hệ đơn vị tương đối.
2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (kích từ song song)
2.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song


trong đó: R
ut
= R
u
+R
fu
; L
ut
=L
u
+L
fu
; T
u
= L
ut
/R
ut
; T
kt
= L
kt
/R
kt

- Theo lý thuyết máy điện:
a) b)
Hình 2.1
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)


d
M M J . M M J .p.
dt
ω
− = → − = ω

- Sơ đồ cấu trúc động cơ: - Trong trường hợp mạch kích từ đã xác lập:
- Tốc độ quay roto:

u u
ut u
U 1 T .p

RR
k
U
φ
+
−
φ
=ω
(2-4)
Phương trình
“đặc tính cơ điện”
biểu thị quan hệ
ω
= f(I
u
)
và:

( )
M.
k
RR
k
U
2
fuuu
φ
+
−
φ

1
1 T .p
+

c

k

U
u
U
kt

E
u
ω

φ

I
kt
I
u
M

M
c
k
φ


φ

k
φ

-

-

Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
3

b) Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện

φ ≈ const ⇒ ω = f(I
u
) và ω = f(M) tuyến tính


=
“
dòng điện ngắn mạch”
(2-8)
và
nmnm
fu
u
u
Mk.Ik.
RR
U
M =φ=φ
+
=
“
momen ngắn mạch
” (2-9)
Từ (2-6) ta xác định được độ cứng đặc tính cơ:

( )
fu
u
2
RR
k
d
dM
+
φ

u
fuu
I.
k
RR
φ
+
=ω∆
(2-12)
“độ sụt tốc độ”
- Dạng 2:
Hình 2-2
∆
ω

ω
0
A

M

ω

Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
4
nm
MM
(2-14)
- Dạng 4 (ở đơn vị tương đối)

*
u
*
*
fu
*
u
*
*
u
*
I.
RRU
φ
+
−
φ
=ω
(2-15)

( )
*
2
*
*

* =
φ
/
φ
đm
= k
φ
/k
φ
đm
;
I
u
* = I
u
/I
đm
; M* = M/M
đm
; R
u
* = R
u
/R
đm
; R
fu
* = R
fu
/R

2.2.3 Đặc tính tự nhiên
(R
fu
= 0, U
u
= U
đm
;
φ
=
φ
đm
)
- Phương trình:

( )
M
k
R
k
U
2
dm
u
dm
dm
φ
−
φ
=ω

u
2
dm
tn
R
kφ
=β
(2-21)

*
u
*
tn
R
1
=β
(2-22)

- Vẽ ĐTC tự nhiên từ các số liệu catalog: P
đm
[kW], n
đm
[vòng/phút], U
đm
[V], I
đm
[A],
η
đm
, R

, 0].
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
5
dm
dm
0
k
U
φ
=ω

với
dm
dmudm
dm
IRU
k
ω
−
=φ

dm
dm
dm

A,
U.
1000.P
I
dm
dm
dm
dm
η
=
(2-23)
Ωη−≈ ,
I
U
)1.(5,0R
dm
dm
dmu
(2-24)
2.2.4 Các đặc tính nhân tạo
Từ phương trình (2-6):

( )
− − f −
2
U R R
.M
k
k
+

®m
U
R R
M
k
k
+
ω = −
φ
φ
(2-25)
®m
− f−
−
®m ®m
U
R R
.I
k k
+
ω = −
φ φ
(2-26)
- Tốc độ không tải:

®m
0 0.tn
®m
U
const

c c c c.tn c.Rf
2 2
®m ®m
R R
.M .M
k k
∆ω = + = ∆ω + ∆ω
φ φ
1
2
3
I
M
ω

ω
0
0

I
nm

M
nm
ω
đm
I

1
~
R R R
φ
β =
+
(2-29)
- Dòng điện ngắn mạch:

®m
nm
− f − f −
U
1
I ~
R R R
=
+
(2-30)
- Momen ngắn mạch:

nm ®m nm
f −
1
M k .I ~
R
= φ
(2-31)

Tăng R

U R
M
k
k
ω = −
φ
φ
(2-32)
− −
−
®m ®m
U R
.I
k k
ω = −
φ φ
(2-33)
- Tốc độ không tải:

−
0 −
®m
U
~ U
k
ω =
φ
(2-34)
-
Độ sụt tốc
( )
− −
c c c c.tn
2
®m
®m
R R
.M .I const
k
k
∆ω = = = ∆ω =
φ
φ
(2-35)
- Độ cứng ĐTC:

( )
2
®m
tn
−
k
const
R
φ
β = = β =
(2-36)
- Dòng điện ngắn mạch:


Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
8

b) Đặc tính nhân tạo khi thay đổi từ thông
φ
φφ
φ
:
(R
fư
= 0, U
ư
= U
đm
)
- Phương trình:
( )

ω =
φ φ
(2-41)
-
Độ sụt tốc
độ ở M
c
hay I
c
:

( )
−
c c
2 2
R
1
.M ~
k
∆ω =
φ
φ
(2-42)
- Độ cứng ĐTC:

( )
2
2
−
k
Chú ý:
Vì không thể tăng i
kt
trên giá trị định mức, nên chỉ có thể tạo φ < φ
đm
. Do đó, các đặc tính
cơ điện nhân tạo đều có vị trí cao hơn đặc tính tự nhiên; tương tự, trong vùng phụ tải Mc cho
phép tốc độ trên các đặc tính nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên.
φ
2
<
φ
1
<
φ
đm

φ
2

đm
]; hoặc [I
đm
, ω
đm
] cho đặc tính cơ điện tự nhiên.
3.
điểm ngắn mạch
[M
nm
,0]; hoặc [I
nm
, 0] cho đặc tính cơ điện tự nhiên.
Tốc độ định mức:

3,230
55,9
2200
55,9
n
dm
dm
===ω
[rad/s]
Momen định mức:

6,28
3,230
1000.6,61000.P
M

91,0
220
k
U
dm
dm
0
==
φ
=ω
[rad/s]
Như vậy ta đã xác định được
điểm không tải
[0 ; 241,7].
Dòng điện ngắn mạch:

846
26,0
220
R
U
I
u
dm
nm
===
[A]
Mômen ngắn mạch:

770846.91,0I.kM

ω
∆
=ω∆
(< 5%)
-
Độ cứng
đặc tính cơ tự nhiên:

(
)
18,3
26,0
91,0
R
k
2
u
2
dm
==
φ
=β
[Nm.s]
1
2
3
I
M
ω


momen động cơ cùng chiều với chiều của tốc độ quay.
+ M (I
ư
) và ω cùng chiều => P
cơ
= M.ω = M
c
.ω > 0
+ Động cơ làm việc ở các góc ¼ thứ I (ω>0; M và I > 0) và góc ¼ thứ III (ω<0; Mvà I<0). Trạng thái máy phát (hãm): là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra chống lại sự quay. Hay,
chiều của mômen động cơ ngược chiều với chiều của tốc độ quay.

a) Hãm tái sinh

I<0, U>0, U<E
P = M.ω<0,
Pđ = U.I<0
Chế độ máy phát
M>0, ω<0,
I>0, U<0, |U|<|E|
P = M.ω<0,
Pđ = U.I<0

Chế độ động cơ
M<0, ω<0,
I<0, U<0, |U|>|E|
P = M.ω>0,
Pđ = U.I>0
M, I
ω
ωω
ω

I
U
E

I

I
U
E
IV


cơ

M.ω
P
đ

U.I
∆
∆∆
∆
P
đ

Chế độ động cơ
Đ
C
P
cơ

M.ω
P
đ

U.I
∆
∆∆
∆
P
đ


2
uu
φ
+
φ
=ω

phương trình đặc tính cơHãm tái sinh xẩy ra khi hạ tải ở cần trục, máy nâng hạ có tải trọng nặng, hoặc khi điều chỉnh điện
áp phần ứng giảm đột ngột làm ω
0
< ω và ω chưa kịp giảm. b) Hãm ngược: Hãm ngược xảy ra khi động cơ (dưới tác động của thế năng hoặc động năng
tích luỹ trong cơ cấu công tác) quay ngược chiều tốc độ không tải lí tưởng.

ω
0
1
2
M
c
M
h
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
12
fuu
, do đó ω <0.

+ Đảo ngược cực tính điện áp mạch phần ứng động cơ (hay đổi chiều quay tốc độ không tải lí
tưởng
ω
0
):


P
đ
+
∆
∆∆
∆
P
Rfu

Chế độ hãm ngược
I
U
E
I

R
u

I
U
E
IV

R
u
R
fu
R
fu


2
fuuu
φ
+
+
φ
−=ω
, M <0.
trong đó
( )
φ
=ω>
φ
+
=ω∆
k
U
M.
k
RR
u
0
2
fuu
, do đó ω >0.

Chú ý: Ở trạng thái hãm ngược, điện áp nguồn cùng chiều với sđđ E, nên dòng điện Iư có thể rất
lớn. Để hạn chế I
u
người ta thường nối thêm điện trở phụ R

hu
u
hu
φ
+
−=
φ
+
−=ω
chọn R
h
sao cho I
h
≤ I
cp
= (2÷2,5)I
đm
Đ
C
P
cơ

M.ω
P
đ

U.I
∆
∆∆
∆

I

R
u

I
U
E
IV

R
u
R
fu
R
fu

K K
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
14

ω
a
M
c
= M
đm

I
c
= I
ư
= I
đm
= 35A, tương ứng với momen định
mức M
đm
;
ω
a
= ω
đm
= 230,3 [rad/s]
Sđđ của động cơ trước khi hãm:
E
a
= U
đm
– I
ư
.R
ư
= 220 – 35.0,26 = 210,9 [V]
momen (dòng điện) hãm lớn nhất sẽ tại thời điểm ban đầu
của quá trình hãm, ngay khi chuyển đổi mạch điện làm việc
sang mạch hãm động năng.
I
hmax

.k
R
hbd
a
hbd
a
u
ut

Vậy điện trở hãm đấu vào mạch phần ứng là: R
h
= R
ut
– R
u
= 3,01 – 0,26 =
2,75 [Ω
]
2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
2.3.1 Phương trình và dạng đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

U = E + (R
u
+ R
f
).I
R
u
= r
u

−
φ
=ωφ ≈ c.I
kt
= c.I

B
I
A
I.
I
.
c
.
k
RR
I
.
c
.
k
U
1fuu
−=
+
−=ω


=
c
.
k
RR
B
fu
+
=

c.k.AA
12
=
2.3.2 Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp


2.3.3 Các đặc tính nhân tạo của động cơ một chiều kích từ nối tiếp
“ đặc tính nhân tạo biến trở”
được xác định dựa trên đặc tính tự nhiên (R
f
= 0):


)RR.(IU
φ
+
−
=ω

Chia 2 từng vế công thức trên ta có được:

u1
fu1
11nt
RIU
)RR(IU
.
−
+
−
ω=ω
Như vậy với I
1
đã chọn và ω
1
tra được trên đặc tính cơ tự nhiên, sẽ tính được giá trị ω
nt1
trên
đường đặc tính cơ nhân tạo cần tìm.
Làm tương tự với các giá trị I
2
, I
3

+ Đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng của động cơ
:


- Có khả năng quá tải lớn về mômen. Khi có cùng hệ số quá tải dòng k
I
thì mômen của động cơ
kích từ nối tiếp lớn hơn k
I
lần so với mômen động cơ kích từ song song.
- Mômen không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện.
- Có khả năng tự điều tiết giá trị tốc độ khi phụ tải thay đổi để giữ cho công suất động cơ gần như
không đổi nhờ đặc tính cơ dạng hybecbol.

2.3.6 Đặc điểm, đặc tính cơ và các trạng thái hãm của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp φ = φ
s
+ φ
n
thường φ
s
= (0,75÷0,85)φ
đm
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
19

2.4 Động cơ điện không đồng bộ

2.4.1 Đặc tính cơ điện
ω = f(I
1
) hoặc ω = f(I
2
)

Ở đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ không đồng bộ, đại lượng tốc độ được biểu thị

2
'
1
2
'
2
1
1
'
2
2
XX
s
R
R
U
I
++








+
=
⇒
⇒⇒

;
f.nm2
1
e
E
E
K =
- h
ệ
s
ố
bi
ế
n
đổi
s
ức

đ
i
ện

động
c
ủa
d
â
y qu
ấ
n stato v

1
e
2nm.f
U
K 0,95.
E
≈
E
2nm.f
- sức điện động pha roto khi hở mạch và rôto đứng yên.
Biểu thị đặc tính cơ điện theo quan hệ I
1
= f(ω):
İ
1
= İ
2
’ +

İ
µViết theo modul:







11
X
s
R
R
1
XR
1
UI- Khi không tải lí tưởng, s = 0 thì I
1
= I
µ
=
22
1
XR
U
µµ
+

- Khi ngắn mạch s = 1, thì I
1nm
= I
µ
+ I
2nm


= M.ω
Mđt ≈ M
∆P ≈ 3.I
2
’
2
.R
2
’
⇒ Mω
0
= Mω + 3.I
2
’
2
.R
2
’ hay 3.I
2
’
2
.R
2
’ = M(ω
0
- ω) = Mω
0
0
0
ω



+








+ω
=
2'
nm
2
'
2
10
'
2
2
1
X
s
R
R
s/RU3
M
⇒ đây chính là phương trình ”

2
1
th
XRR2
U3
M
+±ω
±=


th
th
+
=
gọi là phương trình Kloss
- Khi chỉ tính toán trong vùng làm việc với phụ tải M
c
≤ M
đm
, coi s << s
th
ta bỏ qua thành phần
s/s
th
ta được:
TH
Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
22s.
s
M2
M
th
th
=

π
=ω
[rad/s]
n
0

p
f.60
=
[vòng/phút]
Ở lưới điện có tần số f = 50Hz, vì p là các số nguyên 1,2,3, tương ứng n
0
= 3000, 1500, 1000,
Vì vậy tốc độ không tải lí tưởng có thể được suy ra từ n
đm
theo nguyên tắc làm tròn lên, do s
đm

thường <0,1 nên nếu n
đm
=

1485 vòng/phút thì n
0
= 1500vòng/phút.

0
dm0
dm
s

đoạn công tác
” của đường đặc tính cơ tự nhiên đó là:
1. Không tải (0,ω
0
).
2. Định mức (M
đm
, ω
đm
).
3. Tới hạn (M
th
, ω
th
).
Thay s
th
và M
th
vào phương trình Kloss ta thu được phương trình đặc tính cơ tự nhiên.
Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác qua điểm không tải lí tưởng và điểm định mức thì có
thể biểu thị đặc tính cơ tự nhiên bằng phương trình:
dmdm
s
s
M
M
=
hoặc
s.

s
1
/d
dM/dM
=
ωω
=β

Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
23

2.4.4 Các đặc tính nhân tạo

( )








++





'
2
1
'
2
2
1
2'
nm
2
'
2
10
'
2
2
1
XX
s
R
R
p
f2
s/RU3
X
s
R
R
s/RU3
M

2
nm
2
1
'
f
'
2
2
nm
2
1
'
2
th
R
XR
Rr
XR
R
s ≡
+
+
=
+
=và
[

b) Họ đặc tính thay đổi điện áp stato
Khi thay đổi U
1
thì
ω
0
= const
const
XR
R
s
2
nm
2
1
'
2
th
=
+
=[

++ω
=

Môn học: Điều khiển động cơ điện (Truyền động điện)

GV: Hà Xuân Hòa
October 7, 2006
24

c) Họ đặc tính thay đổi điện trở và điện kháng stato

Khi thay đổi R
1
và X
1

110
2
1
th
X
1
,
R2
1
XRR2
U3
M ≡
++ω
=


ω
0
= 2πf/p, p = 1,2, nên tốc độ từ trường quay thay đổi nhẩy cấp.

e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f

Khi giảm f thì E = Kφ.f giảm, Z
1
= 2πf.L
1
giảm. Nếu U
1
vẫn giữ nguyên = U
đm
thì dòng điện
trong động cơ:

1

2
2
1
2
nm
2
110
2
1
th
=≡
++ω
=
hay U/f = const
Còn khi điều chỉnh f>f
đm
ta nếu điều chỉnh theo luật U/
f
= const ta có thể giữ cho động cơ
không bị quá tải về công suất.

2
2
1 1
th
2
o
max th o
U U
1 const