ykukyu

Các giả thiết, sơ đồ thay thế, đặc tính cơ của động cơ ĐK:
Các giả thiết:
ĐKlsHình 2-21:Động cơ không đồng bộ lồng sóc (ĐKls) và dây quấn (ĐKdq)Động cơ không đồng bộ (ĐK) như hình 2-21, được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nỗi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi cùng công suất định mức so với động cơ một chiều. Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha ...~ĐKdq~R2f
Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).
Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu, ta giả thiết:
+ Ba pha của động cơ là đối xứng.
+ Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt độ, tần số, mạch từ không bảo hoà nên điện trở, điện kháng, ... không thay đổi.
+ Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato.
+ Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
+ Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng.
Sơ đồ thay thế:
U1fI1X1X’2R’2/sR’2f/sImI’2XmRmHình 2-23: Sơ đồ thay thế ĐKdqR1Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ như hình 2-23.
Trong đó:
U1f là trị số hiệu dụng của
điện áp pha stato (V).
I1, Im, I’2 là các dòng stato,
mạch từ hóa, rôto đã
quy đổi về stato (A).
X1, Xm, X’2 là điện kháng stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (W).
R1, Rm, R’2 là điện trở stato, mạch từ, rôto đã quy đổi về stato (W).
R’2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rôto đã quy đổi về stato (W).
s là hệ số trượt của động cơ:
s=ω1−ωω1=ω0−ωω0(2-58)
Trong đó:
w1 = w0 là tốc độ của từ trường quay ở stato động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s):
ω1=ω0=2πf1p(2-59)
w là tốc độ góc của rôto động cơ (rad/s).
Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato (Hz),
p là số đôi cực của động cơ,
Biểu đồ năng lượng của ĐK:
Với các giả thiết ở trên, ta có biểu đồ năng lượng của động cơ ĐK 3 pha như hình 2-24:
Trong biểu đồ năng lựong:
P1 là công suất điện từ đưa vào 3 pha stato động cơ ĐK
ÄP1 = ÄPCu1 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stato
P12 là công suất điện từ truyền giữa stato và rôto động cơ ĐK
ÄP2 = ÄPCu2 là tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rôto
P2 là công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ của ĐK truyền động cho máy sản xuất.
P1 = 3U1fI1cosửP1 2Hình 2-24: Biểu đồ năng lượng của động cơ ĐKdqP2 = Ptrục = Pcơ ÄP1 = ÄPCu1ÄP2 = ÄPCu2
Phương trình và đặc tính cơ ĐK:
Từ sơ đồ thay thế hình 2-23, ta tính được dòng stato:
I1=U1f1Rμ2+Xμ2+1R1+R2Σ's2+Xnm2(2-60)
Trong đó: R’2S = R’2 + R’2f là điện trở tổng mạch rôto.
Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch.
Từ phương trình đặc tính dòng stato (2-60) ta thấy:
Khi w = 0, s = 1, ta có: I1 = I1nm - dòng ngắn mạch của stato.
Khi w = w0, s = 0, ta có: I1=U1f1Rμ2+Xμ2=Iμ
Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ, động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ta từ trường quay.
Trị số hiệu dụng của dòng rôto đã quy đổi về stato:
I2'=U1fR1+R2S's2+Xnm2(2-61)
Phương trình (2-61) là quan hệ giữa dòng rôto I’2 với hệ số trượt s hay giữa I’2 với tốc độ w, nên gọi là đặc tính điện-cơ của động cơ ĐK, (hình 2-25). Qua (2-61) ta thấy:
Khi w = w0, s = 0, ta có: I’2 = 0.
Khi w = 0, s = 1, ta có: I2'=U1f(R1+R2S')2+Xnm2=I2nm'
Trong đó: I’2nm là dòng ngắn mạch của rôto hay dòng khởi động.
ĐKdq~R2fựự00 I’nm I’2Hình 2-26: Đặc tính điện-cơ của ĐK
Để tìm phương trình đặc tính cơ của ĐK, ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang rôto:
P12 = Mđt.w0(2-62)
Mđt là mômen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ:
Mđt = Mcơ = M(2-63)
Và:P12 = Pcơ + DP2(2-64)
Trong đó: Pcơ = M.w là công suất cơ trên trục động cơ.
DP2 = 3I’22.R’2S là tổn hao công suất đồng trong rôto.
Do đó:M.w0 = M(w0 - w) = M.w0.s
Vậy: M=3.I2'2.R2S'/sw0(2-65)
Thay (3-4) vào (3-8) và biến đổi ta có :
M=3.U1f2.R2S©s.w0.R1+R2S's2+Xnm2(2-66)
Phương trình (2-66) là phương trình đặc tính cơ của ĐK. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 2-27b. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ được các trị số về độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth tại điểm cực trị:
sth=±R2S'R12+Xnm2(2-67)
Và: Mth=±U1f22w0.R1±R12+Xnm2(2-68)
Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng thái máy phát, (MthĐ > MthF).
Phương trình đặc tính cơ của ĐK có thể biểu diễn theo closs:
M=2Mth(1+asth)ssth+sths+2asth(2-69)
Trong đó: a = R1/R’2S.
Mth và sth lấy theo (2-67) và (2-68).
Đối với động cơ ĐK công suất lớn, thường R1 rất nhỏ so với Xnm nên có thể bỏ qua R1 và asth » 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản:
M=2Mthssth+sths(2-70)
Lúc này: sth≈±R2Σ'Xnm ; Mth≈±3U1f22ω0Xnm(2-71)
Hình 2-27: Đặc tính cơ của ĐKĐKdq~R2fa)ựự00 Mnm Mth Msth(+)Mc(ự)(1)(2)b)(đoạn làm việc)(đoạn khởi động)
+ Trong nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách truyến tính hoá đạc tính cơ trong đoạn làm việc.
Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s < 0,4sth thì ta xem s/sth » 0 và ta có:
M=2Mthsth⋅s(2-72)
Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc tính cơ làm việc qua 2 điểm: điểm đồng bộ (không tải lý tưởng) và điểm định mức:
M=M®ms®ms(2-73)
Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay M = Mđm, Mth = ởMđm, ta có:
Sth=Sđmλ+λ2−1 (2-74)
Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên của ĐK hình 2-27, một cách gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn làm việc:
∣β∣=dMdω=1ω0⋅dMds=Mđmω0sđm(2-75)
Và: β=dM/Mđmdω/ω0=1sđm(2-76)
+ Đối với đoạn đặc tính có s >> sth thì coi sth/s » 0 và ta có:
M=2Mth.sths(2-77)
Và: β=2Mth.sthw0.s2(2-78)
Trong đoạn này độ cứng õ > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây thường là đoạn động cơ khởi động.
Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của ĐK:
Qua chương trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ ĐK, ta thấy các thông số có ảnh hưởng đến đặc tính cơ ĐK như: Rs, Rr, Xs, Xr, UL, fL,… Sau đây, ta xét ảnh hưởnh của một số thông số:
Ảnh hưởng của điện áp lưới (Ul):
Khi điện áp lưới suy giảm, theo biểu thức (2-68) thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của UL. Trong khi đó tốc độ đồng bộ ựo, hệ số trượt tới hạn Sth không thay đổi, ta có dạng đặc tính cơ khi UL giảm như hình 2-28.
Hình 2-28: Ảnh hưởng của UL ựự00 Mth2 Mth1 Mth MsthU2Uđm)U1Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:
Khi điện trở hoặc điện kháng mạch stato bị thay đổi, hoặc thêm điện trở phụ (Rlf), điện kháng phụ (Xlf) vào mạch stato, nếu ựo = const, và theo biểu thức (2-67), (2-68) thì mômen Mth và Sth đều giảm, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2-29.
Qua đồ thị ta thấy: với mômen Mkđ = Mnm.f thì đoạn làm việc của đặc tính cơ có điện kháng phụ (Xlf) cứng hơn đặc tính có Rlf. Khi tăng Xlf hoặc Rlf thì Mth và Sth đều giảm. Khi dùng Xlf hoặc Rlf để khởi động nhằm hạn chế dòng khởi động, thì có thể dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch để xác định Xlf hoặc Rlf.Hình 2-29: ảnh hưởng của Rlf, Xlfựự00 Mnmf Mnm Mth MsthR1f > 0Mc(ự)TN X1f > 0
Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch rôto:
Khi thêm điện trở phụ (R2f), điện kháng phụ (X2f) vào mạch rôto động cơ, thì ựo = const, và theo (2-67), (2-68) thì Mth = const; còn Sth sẽ thay đổi, nên đặc tính cơ có dạng như hình 2-30.
Qua đồ thị ta thấy: đặc tính cơ khi có R2f, X2f càng lớn thì Sth càng tăng, độ cứng đặc tính cơ càng giảm, với phụ tải không đổi thì khi có R2f, X2f càng lớn thì tốc độ làm việc của động cơ càng bị thấp, và dòng điện khởi động càng giảm.Hình 2-30: ảnh hưởng của R2f, X2fựự00 Mth MsthR2f2 > R2f1X2f2 > X2f1Mc(ự)TN R2f1, X2f1 > 0sth1sth2
Ảnh hưởng của tần số lưới cung cấp cho động cơ:
Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ trường ựo và tốc độ của động cơ ự sẽ thay đổi theo.
Vì ựo = 2ð.f1/p, và X = ự.L, nên ựo ≡ f1, ự ≡ f1 và X ≡ f1.
Qua đồ thị ta thấy: Khi tần số tăng (f13 > f1.đm), thì Mth sẽ giảm, (với điện áp nguồn U1 = const) thì : (hình 2-31).Khi tần số nguồn giảm (f11 < f1đm, …) càng nhiều, nếu giữ điện áp u1 không đổi, thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra mômen như trong chế độ định mức. Hình 2-31: Ảnh hưởng của f1ựự00 Mth MMc(ự)TN, f1đm f11 < f1đmf12 < f11f13 > f1đmf14 > f13ự01ự02ự03ự04
* Ví dụ 2 - 5:
Cho một động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (ĐKdq) có:
Pđm = 850KW ; Uđm = 6000V ; nđm = 588vg/ph ; ở = 2,15 ;
E2đm = 1150V ; I2đm = 450A.
Tính và vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn với điện trở phụ mỗi pha rôto là: R2f = 0,75Ù.
* Giải :
Với động cơ có công suất lớn, ta có thể sử dụng phương trình gần đúng (2-70) coi R1 rất nhỏ hơn R2 tức a = 0.
Độ trượt định mức:
s đm = n o − n đm n o = 600 − 588 600 = 0, 02
Mômen định mức:
Mđm=Pđm1000nđm/9,55=850.1000588/9,55=13805 N.m, hoặc Mđm=1
Mômen tới hạn:
Mth = ởMđm = 2,15.13085 = 29681 N.m, hoặc Mđm=2,15
Điện trở định mức: Rđm=E2.nm/3I2.đm=1,476 Ω
Điện trở dây quấn rôto:
R 2 = R 2 R đm = s đm R đm = 0, 02 . 1, 476 = 0, 0295 Ω
Độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên cá định theo (2-74):
s th = s đm λ + λ 2 − 1 = 0, 02 2, 15 + 2, 15 2 − 1 = 0, 08
Phương trình đặct tính cơ tự nhiên:
M=2Mthssth+sths=59,362s0,08+0,08s hoặc M=2λssth+sths
Với mômen ngắn mạch:
M nm = 59362 1 0, 08 + 0, 08 = 4777 Nm = 0,35M đm
Theo đó ta vẽ được đường đặc tính tự nhiên như trên hình 2-32 đi qua 4 điểm: điểm không tải [M = 0; s = 0]; điểm định mức [ Mđm=1; sđm = 0,02]; điểm tới hạn TH [ Mth=2,15; sđm = 0,08]; điểm ngắn mạch NM [ Mnm=0,35; sđm = 1].
Đối với đặc tính nhân tạo có Rf = 0,175Ù ta có độ trượt tới hạn nhân tạo:
s th . nt = s th R 2 + R f R 2 = 0, 08 0, 0295 + 0, 175 0, 0295 = 0, 55
Phương trình đặc tính cơ nhân tạo sẽ là:
M = 2λ s 0, 55 + 0, 55 s
Và đặc tính được vẽ trên cùng đồ thị hình 2-32.
S00,080,550 0,35 1 2,15MĐiểm NMĐiểm THSđm = 0,02TNNTHình 2-32: Các đặc tính cơ TN và NT trong ví dụ 2-5
Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi khởi động:
Khởi động và tính điện trở khởi động:
+ Nếu khởi động động cơ ĐK bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn. Như vậy, tương tự khởi động ĐMđl, ta cũng đưa điện trở phụ vào mạch rôto động cơ ĐK có rôto dây quấn để han chế dòng khởi động: Ikđbđ≤Icp=2,5Iđm.Và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập.
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được trình bày trên hình 2-33 (hai cấp khởi động m = 2).
Hình 2-33: a) Sơ đồ nối dây ĐK khởi động 2 cấp, m = 2b) Các đặc tính cơ khởi động ĐMđl, m = 2ĐK~R2f2a)ựự00 Mc M2 M1 Mth MsNThTNb)R2f1T xlsTNecdbaK1 K1K2 K2
* Xây dựng các đặc tính cơ khi khởi động ĐK:
+ Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm; ỗđm;…) và thông số tảI (Ic; Mc; Pc;…) số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
+ Vì đặc tính cơ của động cơ ĐK là phi tuyến, nên để đơn giản, ta dùng phương pháp gần đúng: theo toán hoc đã chứng minh thì các đường đặc tính khởi động của động cơ ĐK tuyến tính hóa sẽ hội tụ tại một điểm T nằm trên đường ựo = const phía bên phải trục tung của tọa độ (ự, M) như hình 2-33.
+ Chọn: Mmax = M1 = (2 2,5)Mđm ; hoặc Mmax = 0,85Mth
và Mmin = M2 = (1,1 1,3)M c trong quá trình khởi động.
+ Sau khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta tiến hành xây dựng đặc tính khởi động tương tự động cơ ĐMđl, cuối cùng ta được các đặc tính khởi động gần đúng edcbaXL như hình 2-33.
Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN mà M1 = const thì ta phải chọn lại M1 hoặc M2 rồi tiến hánh lại từ đầu.
Tính điện trở khởi động:
*Dùng phương pháp đồ thị:
+ Khi đã tuyến hóa đặc tính khởi động động cơ ĐK, ta có:
SNTSTN=R2−R2fR2;(2-79)
Rút ra:
R2f=SNT−STNSTNR2;(2-80)
Từ đồ thị ta có điện trở phụ các cấp:
R2f1=ha−hcheR2=acheR2;(2-81)
R2f2=hc−heheR2=ceheR2;(2-82)
Các đặc tính cơ khi hãm động cơ ĐK:
Động cơ điện ĐK cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.
Hãm tái sinh:
Động cơ ĐK khi hãm tái sinh: ự > ựo, và có trả năng lượng về lưới.
Hãm tái sinh động cơ ĐK thường xảy ra trong các trường hợp như: có nguồn động lực quay rôto động cơ với tốc độ ự > ựo (như hình 2-34a,b), hay khi giảm tốc độ động cơ bằng cách tăng số đôi cực (như hình 2-35a,b), hoặc khi động cơ truyền động cho tải có dạng thế năng lúc hạ tải với |ự| > |-ựo| bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato của động cơ (như hình 2-6a,b).
a) 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 làm quay rôto động cơ với tốc độ ự > ự0, động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn, hay gọi là hãm tái sinh, hình 2-34.
ĐK~R2fa)Hình 2-34: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm tái sinh (HTS) b) Đặc tính hãm tái sinh khi: ự > MSXựự0Mhts 0 MB (m/f)A(đ/c)Mc(ự)b)HTS
Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này là:
M≈2Mthssth+sths(2-83)
Với: sth≈R2Σ'Xnm ; và Mth≈3U1f22ω0Xnm(2-84)
Và:ự > ự0 ; I’2 = Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (tại điểm B)
b) 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 ự2 và làm việc với tốc độ ự > ự2, trở thành máy phát, hay là HTS, hình 2-35.
Hình 2-35: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách tăng p b) Đặc tính HTS khi thay đổi số đôi cực: p2 > p1.ựự01Mhts 0 Mc MB(m/f)Ab)Cp1 < p2ự02(đ/c)HTSĐK~R2fa)MSX
Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này chỉ khác là:
sth≈R2Σ'Xnm2 ; Mth≈3U1f22ω02Xnm2 ; và ω0=2πf1p2;(2-85)
Và:ự > ự02 ; I’2 = Ihts < 0 ; M = Mhts < 0 (đoạn Bự02)
c) 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, hay đảo 2 trong 3 pha stato động cơ (hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ), với phụ tải là thế năng, động cơ sẽ đảo chiều quay và làm việc ở chế độ máy phát (hay hãm tái sinh, điểm D), như trên hình 2-36. 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 ựD.
Phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này thay ự0 bằng -ự0:
sth≈R2Σ'Xnm ; Mth≈3U1f22(−ω0)Xnm ; (2-86)
Và : |ự0| > |-ự0| , M = Mhts (điểm D, hạ tải ở chế độ HTS).
ựự00 Mc MA (đ/c)b)(1)D(m/f)-ự0HTS(2)Hình 2-36: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi HTS bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐKb) Đặc tính HTS đảo 2 trong 3 pha stato động cơ(hay đảo thứ tự pha điện áp stato động cơ ĐKĐK~R2fa)MSXG
Hãm ngược động cơ ĐK:
Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ĐK ngược chiều với tốc độ quay (M ngược chiều với ự). Hãm ngược có hai trường hợp:
a) Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch rôto:
Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đóng thêm điện trở hãm lớn (Rhn> = R2f>) vào mạch rôto, lúc này mômen động cơ giảm (M < Mc) nên động cơ bị giảm tốc độ do sức cản của tải. 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 (ựD = ựôđ ngược chiều với tốc độ tại điểm A) trên đặc tính cơ có thêm điện trở hãm Rhn>, và đoạn CD là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện (hình 2-37). Động cơ vừa tiêu thụ điện từ lưới vứa sử dụng năng lượng thừa từ tải để tạo ra mômen hãm.
Với: sth≈R2'+R2f>'Xnm ; và Mth≈3U1f22ω0Xnm(2-87)
ĐK~R2f>a)b)ựự00 Mn Mc MDA (đ/c)BHNR2f>CựôđHình 2-37: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi hãm ngược với R2f> . b) Đặc tính hãm ngược (HN) khi có: R2f>.
b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường stato:
Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều từ trường stato (đảo 2 trong 3 pha stato động cơ, hay đảo thứ tạ pha điện áp stato), hình 2-38.
Khi đảo chiều vì 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 nếu phụ tải ma sát, còn nếu là phụ tảI thế năng thì động cơ sẽ làm việc xác lập ở điểm E. Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ.
Với: sth≈R2'+R2f'Xnm ; Mth≈3U1f22(−ω0)Xnm ; (2-88)
s=ω0−ωω0>l(2-89)
ựự00 Mc MA (đ/c)b)(1)-ự0HND ựôđHình 2-38: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi Hãm ngược bằng cách đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐKb) Đặc tính HN đảo chiều từ trường stato ĐKĐK~R2fa)MSXBC M’cMh.bđ
Hãm động năng động cơ ĐK:
Có hai trường hợp hãm động năng động cơ ĐK:
a) Hãm động năng kích từ độc lập (HĐN KTĐL):
ĐK~R2fKMSXHRđch+-U1cHình 2-39: a)Sơ đồ nối dây ĐK khi HĐN KTĐLb) Sơ đồ nguyên lý tạo mômen hãm HĐN KTĐL++++ệFFe2i2RựMha)b)
Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), khi cắt stato động cơ ĐK ra khỏi lưới điện và đóng vào nguồn một chiều (U1c) độc lập như sơ đồ hình 2-39a.
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.
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 ệ so với stato như hình 2-39b. 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 kín mạch nên e2 lại sinh ra i2 cùng chiều. Chiều của e2 và i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải: “+” khi e2 có chiều đi vào và “•” là đi ra. Tương tác giữa dòng i2 và ệ tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2-39b).
Chú ý rằng, trong trường hợp hãm ngược vì:
Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto ự làm cho rôto quay chậm lai và sức điện động e2 cũng giảm dần.
* Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK 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.
Điều kiện đẳng trị ở đây là sức từ động do dòng điện một chiều (Fmc) và dòng điện xoay chiều đẳng trị (F1) sinh ra là như nhau:
F1 = Fmc(2-90)
Sức từ động xoay chiều do dòng đẳng trị (I1) sinh ra là:
F1=322.w1.I1(2-91)
Sức từ động một chiều do dòng một chiều thực tế sinh ra phụ thuộc vào cách đấu day của mạch stato khi hãm và biểu diễn tổng quát như sau:
Fmc = a.w1.Imc(2-92)
Cân bằng (2-91) và (2-92) và rút ra:
I1=a.w1322.w1Imc=A.Imc(2-93)
Trong đó: a, A là các hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch stato khi hãm động năng như bảng (2-2).
Ví dụ, theo bảng (2-2), sơ đồ nối dây và đồ thị vectơ (a):
Fmc=2Imc.w1cos30o=3.w1.Imc(2-94)
Và: a = 3; A=23
Đối với các sơ đồ đấu dây khác nhau của mạch stato, ta có thể xác định hệ số A theo bảng 2-2.
Bảng 2-2
+ Sơ đồ đấu dây mạch stato và đồ thị véc tơ sức điện động:RđchImc/2+Umc-d)Imc/2W1W1RđchImcW1Imc+Umc-a)W1RđchImcW1Imc/2+Umc-b)Imc/2RđchImc/32Imc/3+Umc-c)Imc/3W130oImcW1/2ImcW1/2FmcImcW1ImcW1/2FmcImcW1/22ImcW1/3ImcW1/3FmcImcW1/330oImcW1ImcW1Fmc
Hệ số A: a):23 ; b): 22 ; c): 23 ; d): 123 ;
Dựa vào sơ đồ thay thế một pha của động cơ trong chế độ hãm động năng để xây dựng đặc tính cơ (hình 2-40).
Ở chế độ động cơ ĐK thì điện áp đặt vào stato không đổi, đó là nguồn áp, dòng từ hóa Iμ từ thông ệ không đổi, còn dòng điện stato I1, dòng điện stato I2 biến đổi theo độ trượt s.
Còn ở trạng thái hãm động năng kích từ độc lập, vì dòng điện một chiều Imc không đổi nên dòng xoay chiều đẳng trị cũng không đổi, do đó 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 Iỡ đều thay đổi, vậy nên từ thông ệ ở stato thay đổi theo tốc độ.
I1I’2E’2XỡIỡX’2R’2 / ự*R’2f / ự*Hình 2-40: Sơ đồ thay thế khi hãm động năng ĐK
Trong chế độ làm việc của động cơ ĐK, độ trượt s là tốc độ cắt tương đối của thanh dẫn rôto với từ trường stato, ở trạng thái hãm động năng nó được thay bằng tốc độ tương đối:
ω=ωωo (2-95)
E’2I1ử2ử2I’2IỡHình 2-41: Đồ thị vectơdòng điện khi HĐNTừ sơ đồ thay thế hình 2-39, ta có đồ thị vectơ dòng điện như hình 2-41.
Từ sơ đồ thay thế ta có:
I2'=E2'R2Σ'ω2+X2'2=E2'.ωR2Σ'2+(X2'.ω)2(2-96)
Hay: I2'=Iμ.Xμ.ωR2Σ'2+(X2'.ω)2(2-97)
Trong đó: R2Σ'=R2'+R2f'
Theo đồ thị vectơ ta có:
I12=(Iμ+I2'sinϕ2)2+(I2'sinϕ2)2;
Hay I12=Iμ2+I2'2+2Iμ.I2'sinϕ2)2;(2-98)
Trong đó:
sinϕ2=X2'.ωR2Σ'2+(X2'.ω)2(2-99)
Thay I2' và sinử2 vào (2-98), ta có:
I12=Iμ2+Iμ2Xμ2ω*2R2Σ'2+(X2'ω)2+2Iμ2XμX2'ω*2R2Σ'2+(X2'ω)2(2-100)
Từ đó rút ra:
ω=R2Σ'I1Iμ2−1(X2'+Xμ)2−I1Iμ2X2'2(2-101)
Từ các biểu thức (2-98) (2-100), sau khi biến đổi ta có:
I2'=Iμ.Xμ.ωR2Σ'2+(X2'+Xμ)2.ω2(2-102)
Tương tự như đã xét ở động cơ ĐK, ta xác định được mômen:
M=3I2'2R2Σ'ω2ωo(2-103)
Hay: M=3I2'2XμR2Σ'ωωo[R2Σ'2+(X2'+Xμ)2ω2](2-104)
Đường cong M = f(ự*) cũng được khảo sát tương tự như với đường cong đặc tính cơ của động cơ ĐK và cho ta những kết quả:
ωth=R2Σ'Xμ+X2'(2-105)
Mth.th=3I12Xμ22ωo(Xμ+X2')(2-106)
Và: M=2Mth.thωωth+ωthω(2-107)
Biểu thức (2-107) là phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK khi hãm động năng kích từ độc lập.
Ta thấy rằng, khi thay đổi R2f thì R2Σ' thay đổi, nên ωth thay đổi, còn Mth = const, còn khi thay đổi dòng điện xoay chiều đẳng trị I1, nghĩa là thay đổi dòng điện một chiều Imc, thì mômen Mth thay đổi, còn ωth = const.
Các đường đặc tính hãm động năng được biểu diễn như trên hình 2-42. Trên đó: đường (1) và (2) có cùng điện trở R2Σ(1)'=R2Σ(2)' nhưng có Mth2 > Mth1 nên dòng một chiều tương ứng Imc2 > Imc1.
Như vậy khi thay đổi nguồn một chiều đưa vào stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi được mômen tới hạn.
Hình 2-42: Đặc tính cơ của động cơ ĐK khi HĐN-KTĐLự* ựự0Mth2 Mth1 0 MMc(ự)A (đ/c)(3)HĐN(2)(1)ự*th2ự*th1
Còn đường (2) và (3) thì có cùng dòng điện một chiều nhưng điện trở R2Σ(2)'Như vậy khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto hoặc dòng điện một chiều trong stato động cơ khi hãm động năng thì sẽ thay đổi được vị trí của đặc tính tính cơ.
b) Hãm động năng tự kích từ:
Động cơ đang hoạt động 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 điện một chiều bên ngoài, mà sử dụng ngay năng lượng của động cơ thông qua bộ chỉnh lưu ở mạch rôto (hình 2-43a) hoặc bộ tụ điện ở mạch stato.
Hình 2-43: a)Sơ đồ nối dây ĐK khi HĐN TKTb) Sơ đồ nguyên lý tạo mômen hãm HĐN TKT++++ệFFe2i2RựMhb)ĐK~KMSXHRđchHa)CL
* 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; 953vg/ph, ở = Mth/Mđm = 3,1; cosửđm = 0,71; cosửo (không tải) = 0,24; I1đm = 28,4A; I1.0 (không tải) = 19,2A; R1 = 0,415Ù; X1 = 0,465Ù; E2nm(điện áp dây) = 200V; I2đm = 35,4A; r2 = 0,132Ù; X2 = 0,27Ù; và Ke = 1,84.
* Giải:
Trước hết, xác định thêm các thông số của động cơ:
Tốc độ định mức:
ω đm = n đm 9, 55 = 953 9, 55 = 99 , 8 rad/s
Tốc độ từ trường quay: ựo = 1000/9,55 = 104,7 rad/s
Mômen định mức: Mđm=Pđm.1000ωđm=11.100099,8=110,2N.m
Độ trượt định mức: sđm=ωo−ωđmωo=104,7−99,8104,7=0,05
Điện kháng mạch hóa Xỡ được xác định theo s.đ.đ. và dòng điện không tải của stato (coi dòng không tải bằng dòng từ hóa):
X μ = E 1 . 0 I 1 . 0 = 212 19 , 2 = 11 , 05 Ω
(với: E1.0=Ke.E2nmf=1,84.2003=212 V)
Điện kháng rôto qui đổi về stato:
X 2 ' = X 2 . K e 2 = 0, 27 . 1, 84 2 = 0, 92 Ω
Theo yêu cầu của đề bài ta có thể chọn đặc tính hãm động năng có mômen tới hạn là: Mth.đn = Mh.max = 2,5Mđm.
Tốc độ tới hạn ωth có thể chọn bằng tốc độ hãm ban đầu:
ω th = ω bđ = ω đm / ω o
Khi đó ta có đặc tính hãm là đường 2 trên hình 2-38. Rõ ràng đặc tính này có hiệu quả hãm thấp vì mômen giảm gần như tuyến tính từ tốc độ ban đầu ựbđ = ựđm cho đến ự = 0.
Để cho việc hãm có hiệu quả cao, ta 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 trên hình 2-44). 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: ωth.tu= 0,407.
Vậy đặc tính cơ hãm động năng được chọn là đường (1) trên hình 2-44.
ự
ự00,05
ựbđ =ựđm
(1)
(2)
ự*th.tư
Mh.max = Mth.đn Mđm 3,1Mđm M
Hình 2-44: Đặc tính cơ TN và đặc tính cơ hãm ĐN
Từ biểu thức của mômen tới hạn hãm động năng (biểu thức 2-106) ta rút ra biểu thức tính dòng điện xoay chiều đẳng trị I1:
I 1 = M th . đn . 2ω o ( X μ + X 2 ' ) 3X μ 2 = = 2,5 . 110 , 2 . 2 . 104 , 7 . ( 11 , 05 + 0, 92 ) 3 . 11 , 05 2 = 43 , 4A
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 trong bảng 2-2, ta có: A=2/3=0,815, ta xác định được dòng điện một chiều cần thiết:
Imc = I1/A = 43,4/0,815 = 53A
Từ biểu thức của tốc độ tới hạn (2-74) ta xác định được giá trị điện trở trong mạch rôto khi hãm:
R 2t ' = ω th ( X μ + X 2 ' ) = 0, 407 . ( 11 , 05 + 0, 92 ) = 4, 87 Ω
Tương ứng với giá trị trước khi qui đổi là:
R 2t = R 2t ' / K e 2 = 4, 87 / 1, 84 2 = 1, 44 Ω
Vậy điện trở phụ cần nối vào mạch rôto là:
Rh = R2t - r2 = 1,44 - 0,132 = 1,308 Ù
Đảo chiều động cơ ĐK:
Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều quay thuận trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc:
M=2Mth(1+asth)ssth+sths+2asth(2-108)
ựự00 Mc MA (đ/cT)b)-ự0Hình 2-45: a) Sơ đồ nối dây ĐK khi đảo 2 trong 3 pha stato động cơ ĐKb) Đặc tính cơ khi làm việc thuận (A) và ngược (B)ĐK~R2fa)MSXM’c sthNB (đ/cN)
Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều từ trường stato (±ựo), hay đảo thứ tự pha điện áp (u1) động cơ ĐK (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 Iđch Icp.
Khi động cơ ĐK làm việc ở chiều ngược lại thì Mth sẽ đảo dấu và sth > 1 như hình 2-45:
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.
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ (ĐĐB)
Đặc tính cơ của động cơ ĐĐB:
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:
ω0=2πf1p(2-109)
ĐKB~Rđcha)MSX+ Uđk -0 Mđm Mựự0b)Hình 2-46: Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ của động cơ ĐĐB
Như vậy đặc tính cơ của động cơ ĐĐB này tong phạm vi mômen cho phép M ≤ Mmax là đường thẳng song song với trục hoành, với độ cứng õ = ∞ và được biểu diễn trên hình 2 -46.
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.
Đặc tính góc của động cơ ĐĐB:
Trong nghiên cứu tính toán hệ truyền động dùng động cơ ĐĐB, người ta sử dụng một đặc tính quan trọng là đặc tính góc. Nó là sự phụ thuộc giữa mômen của động cơ với góc lệch vectơ điện áp pha của lưới Ul và vectơ sức điện động cảm ứng E trong dây quấn stato do từ trường một chiều của rôto sinh ra:
M = f(ố)

Hình 1

Hình 2

Hình 3
ử - ố Ulsinố ABCố ửjixs Hình 2-47: Đồ thị vectơ của mạch stato của động cơ ĐĐB
Đặc tính này được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của mạch stato vẽ trên hình 2-47 với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato (r1 ≈ 0).
Trên đồ thị vectơ hình 2-47:
Ul - điện áp pha của lưới (V)
E - sức điện động pha stato (V)
I - dòng điện stato (A)
ố - goác lệch giữa Ul và E;
ử - góc lệch giữa vectơ điện áp Ul và dòng điện I.
Xs = xỡ + x1 - điện kháng pha của stato là tổng của điện kháng
mạch từ hóa xỡ và điện kháng cuộn dây 1 pha của stato x1 (Ù)
Từ đồ thị vectơ ta có:
Ulcosϕ=Ecos(ϕ−θ)(2-110)
Từ tam giác ABC tìm được:
cos(ϕ−θ)=CBCA=UlsinθIxs(2-111)
Thay (2-110) vào (2-111) ta được:
U1cosϕ=EUlsinθIxs(2-112)
Hay: U1Icosϕ=EUlxssinθ(2-113)
Vế trái của (2-113) là công suất 1 pha của động cơ.
Vậy công suất 3 pha của động cơ:
P=3EUlxssinθ(2-114)
Mômen của động cơ:
M=Pω0=3EUlω0xssinθ(2-115)
(2-115) là phương trình đặc tính góc của động cơ ĐĐB. Theo đó ta có đặc tính góc là đường cong hình sin như trên hình 2-48.
Khi ố = ð/2 ta có biên độ cực đại của hình sin là:
Mm=3EUlω0xs(2-116)
Phương trình (2-115) có thể viết gọn hơn:
M = Mmsinố (2-117)
Mm đặc trưng cho khả năng quá tảI của động cơ. Khi tải tăng góc lệch pha ố tăng. Nếu tải tăng quá mức θ>π2, mômen giảm.
Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức ở trị số của góc lệch ố = 20o 25o. Hệ số tải về mômen tương ứng sẽ là:
λ M = M m M đm = 2 ÷ 2,5
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 2-48.
MmM0 ð/2 ð 2ð ố3ð/2Hình 2-48: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập bằng mấy dạng ? hảy viết các dạng phương trình đó ? Giải thích các đại lượng trong phương trình và cách xác định các đại lượng đó ? Vẽ dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ĐMđl ?
2. Đơn vị tương đối là gì ? Đơn vị tương đối của các đại lượng điện, cơ của động cơ ĐMđl được xác định như thế nào ? Viết phương trình đặc tính cơ ở dạng đơn vị tương đối ? Ý nghĩa của việc sử dụng phương trình dạng đơn vị tương đối ?
3. Độ cứng đặc tính cơ của ĐMđl có biểu thức xác định như thế nào ? Giá trị tương đối của nó ? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng với sai số tốc độ và điện trở mạch phần ứng (theo đơn vị tương đối). Ý nghĩa của độ cứng đặc tính cơ ?
4. Cách vẽ đặc tính cơ của ĐMđl ? Cách xác định các đại lượng: Mđm, ựđm, ự0, Inm, Mnm, … để vẽ đường đặc tính này ?
5. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của ĐMđl ? họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi thông số đó ? Sơ đồ nối dây, phương trình đặc tính, dạng của các họ đặc tính nhân tạo, nhận xét về ứng dụng của chúng ?
6. Tại sao khi khởi động ĐMđl thường phải đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ ? Các dòng điện khởi động lớn nhất và nhỏ nhất khi khởi động ĐMđl thường khống ở mức nào ? Vẽ các đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl với 2 cấp điện trở khởi động ?
7. Động cơ ĐMđl có mấy phương pháp hãm ? Điều kiện để xảy ra các trạng thái hãm đó ? Sơ đồ nối dây động cơ khi thực hiện các trạng thái hãm ? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm đó ? Giải thích quan hệ về chiều tác dụng của các đại lượng điện và chiều truyền năng lượng trong hệ ở các trạng thái hãm ?
8. Sự khác nhau giữa động cơ một chiều kích từ nối tiếp với ĐMđl về cấu tạo, từ thông, dạng đặc tính cơ, các phương pháp hãm ? Có nhận xét gì về đặc điểm và khả năng ứng dụng của ĐMnt thực tế ?
9. Có thể biểu thị phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ bằng những biểu thức nào ? Viết các phương trình đó, giải thích các đại lượng và cách xác định các đại lượng đó khi viết phương trình và dựng đặc tính cơ ?
10. Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên theo các số liệu định mức trong catalo: dạng chính xác, dạng gần đúng và dạng tuyến tính hóa ?
11. Biểu thức xác định độ cứng đặc tính cơ ? Biểu thị quan hệ giữa độ cứng đặc tính cơ với độ trượt định mức và điện trở mạch rôto của động cơ ĐK ?
12. Có những thông số nào ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ của động cơ ĐK ? Cách nối dây động cơ ĐK để tạo ra đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi các thông số này ? Dạng các hộ đặc tính cơ nhân tạo và ứng dụng thực tế của chúng ?
13. Vẽ các dạng đặc tính cơ khi khởi động động cơ ĐK hai cấp tốc độ ? Khi khởi động động cơ ĐK, các đại lượng: hệ số trượt tới hạn, mômen tới hạn thay đổi như thế nào ? Các biểu thức xác định các đại lượng đó ? Thường mômen khởi động lớn nhất của động cơ ĐK bằng bao nhiêu mômen tới hạn của động cơ ?
14. Động cơ ĐK có mấy trạng thái hãm ? Cách nối dây động cơ để thực hiện các trạng thái hãm và điều kiện để xảy ra hãm ? Giải thích quan hệ năng lượng giữa máy sản xuất (tải của động cơ) và động cơ ở từng trạng thái hãm ? Ứng dụng thực tế của các trạng thái hãm ?
15. Giải thích ý nghĩa của đặc tính cơ và đặc tính goác của động cơ đồng bộ ? Sự phụ thuộc giữa mômen cực đại của động cơ với điện áp lưới ? Mômen cực đại ở đặc tính góc có ý nghĩa như thế nào với đặc tính cơ của động cơ ĐĐB ?