Các trạng thái hoạt động của động cơ điện
Khái niêm chung - động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ nối tiếp - động cơ điện không đồng bộ - các đặc tính công tác của động cơ đồng bộ
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Chương 2
CÁC TR NG THÁI HO T NG C A NG CƠ I N
2.1 Khái ni m chung
2.2 ng cơ i n m t chi u kích t c l p (song song)
2.3 ng cơ i n m t chi u kích t n i ti p
2.4 ng cơ i n không ng b
2.5 Các c tính công tác c a ng cơ ng b
2.1 Khái ni m chung
- TC c a máy s n xu t (t i) Mc(ω) : bi t trư c
- TC c a ng cơ i n M(ω): T nhiên/ nhân t o
- H ơn v tương i.
2.2 ng cơ i n m t chi u kích t c l p (kích t song song)
2.2.1 Sơ n i dây c a ng cơ m t chi u kích t c l p và kích t song song
a) b)
Hình 2.1
2.2.2 Phương trình c tính cơ ( TC)
a) Các phương trình chính
- Phương trình cân b ng i n áp ph n ng và m ch kích t :
di Laplace
u u = e + R ut .i u + L ut . u U u = E u + R ut (1 + Tu .p).Iu
→
dt
di Laplace
u kt = R kt .i kt + L kt . kt U kt = R kt (1 + Tkt .p).Ikt
→
dt
trong ó: Rut = Ru+Rfu; Lut=Lu+Lfu; Tu = Lut/Rut; Tkt = Lkt/Rkt
- Theo lý thuy t máy i n:
1
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
pN
Eu = kφ.ω và M = kφ.Iu trong ó k =
2π.a
φ = c.Ikt
- Phương trình chuy n ng:
dω Laplace
M − Mc = J t . M − M c = J t .p.ω
→
dt
- Sơ c u trúc ng cơ:
Mc
Uu 1 1 Iu M - 1 ω
- R ut 1 + Tu .p J t .p
Eu
kφ
k
Ukt 1 1 Ikt φ
c
R kt 1 + Tkt .p
- Trong trư ng h p m ch kích t ã xác l p:
Mc
Uu 1 1 Iu M - 1 ω
kφ
- R ut 1 + Tu .p J t .p
Eu
kφ
-T c quay roto:
U 1 + Tu .p
ω = u − R ut .Iu phương trình c tính cơ- i n có xét quá
kφ kφ
U 1 + Tu .p
ω = u − R ut .M phương trình TC có xét quá
kφ ( kφ )
2
- Tr ng thái xác l p t = ∞ hay p = 0:
U u R u + R fu
ω= − Iu (2-4)
kφ kφ
Phương trình “ c tính cơ i n” bi u th quan h ω = f(Iu)
và:
U u R u + R fu
ω= − .M (2-6)
kφ (kφ)2
Phương trình“ c tính cơ” bi u th quan h ω = f(M)
2
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
b) ư ng c tính cơ và c tính cơ i n
φ ≈ const ⇒ ω = f(Iu) và ω = f(M) tuy n tính
Hình 2-2
- Khi Iu = 0, M = 0:
Uu
ω= = ω0 “t c không t i lý tư ng” (2-7)
kφ
- Khi ω = 0:
Uu
Iu = = I nm “dòng i n ng n m ch” (2-8)
R u + R fu
Uu
và M= .kφ = I nm .kφ = M nm “momen ng n m ch” (2-9)
R u + R fu
T (2-6) ta xác nh ư c c ng c tính cơ:
β=
dM
=−
(kφ) 2
(2-10)
dω R u + R fu
hay β=
dM
=
(kφ)2
dω R u + R fu
c) Các d ng khác c a phương trình TC
- D ng 1: ω0
ω = ω0 - ∆ω (2-11) A ∆ω
ω
trong ó:
R u + R fu
∆ω = .I u (2-12)
kφ
“ s tt c ”
- D ng 2:
M
3
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
1
ω = ω0 − .M (2-13)
β
- D ng 3:
M = kφ.
Uu
−
(kφ)2 .ω hay M = M − βω (2-14)
nm
R u + R fu R u + R fu
- D ng 4 ( ơn v tương i)
* * *
* U u R u + R fu *
ω = − .I u (2-15)
* *
φ φ
U* R * + R *
ω = *u − u * 2 fu .M*
*
(2-16)
φ (φ )
trong ó: ω* = ω/ω0; Uu* = Uu/U m; φ* = φ/φ m = kφ/kφ m;
Iu* = Iu/I m; M* = M/M m; Ru* = Ru/R m; Rfu* = Rfu/R m;
U dm
v i R dm = (2-17)
I dm
ng v i M = Mc (xác l p) s có t c xác l p ωxl:
Iu = Ic = Mc/kφ : “dòng i n t i”
2.2.3 c tính t nhiên (Rfu = 0, Uu = U m; φ = φ m)
- Phương trình:
U dm Ru
ω= − M (2-18)
kφdm (kφdm )2
U R
ω = dm − u I u (2-19)
kφdm kφdm
-T c không t i và c ng TC t nhiên:
U
ωo = ®m (2-20)
kφ®m
(kφdm )2
β tn = (2-21)
Ru
1
β* =
tn (2-22)
R*
u
- V TC t nhiên t các s li u catalog: P m [kW], n m [vòng/phút], U m [V], I m [A], η m, Ru
[Ω],...:
1. i m không t i [0, ω0].
2. i m nh m c [M m, ω m] ho c [I m, ω m].
3. i m ng n m ch [Mnm,0] ho c [Inm, 0].
4
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
U dm
ω0 = ω
kφdm ω0 1
2
U − R u I dm ωm
v i kφ dm = dm
ωdm
P .1000
M dm = dm
ωdm
ho c M m = kφdm.Idm 3
U 0
I nm = ®m Im Inm I
R−
Mm Mnm M
U
M nm = kφdm . dm
Ru
ho c
P .1000
Idm = dm , A (2-23)
ηdm .U dm
U
R u ≈ 0,5.(1 − ηdm ) dm , Ω (2-24)
I dm
2.2.4 Các c tính nhân t o
T phương trình (2-6):
U R + Rf −
ω= − − − .M (2-6)
kφ ( kφ )
2
⇒ Rfư, Uư, φ có th thay i.
a) c tính nhân t o “bi n tr ”: (Uu = U m, φ = φ m)
- Phương trình:
U R + Rf −
ω = ®m − − M (2-25)
kφ®m ( kφ )2
®m
U ®m R − + R f −
ω= − .I − (2-26)
kφ®m kφ®m
- T c không t i:
U
ω0 = ω0.tn = ®m = const (2-27)
kφ®m
- s tt c Mc hay Ic:
R− + Rf − R + Rf −
∆ωc = .M c = − .I c ~ R f − (2-28)
( kφ ) 2 kφ®m
®m
R− Rf −
∆ωc = .M c + .M c = ∆ωc.tn + ∆ωc.Rf
( kφ®m ) 2
( kφ®m ) 2
5
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
ω0
∆ωc.tn
TN, Rfư=0
∆ωc ∆ωc.Rf
NT, Rfu
- c ng TC: Mc
βtn =
( kφ®m )2 ~
1
(2-29)
R − + Rf − Rf −
- Dòng i n ng n m ch:
U ®m 1
I nm = ~ (2-30)
R − + Rf − Rf −
- Momen ng n m ch:
1
M nm = kφ®m .I nm ~ (2-31)
Rf −
Tăng Rfư ….
b) c tính nhân t o khi thay i i n áp ph n ng Uư: (Rfư = 0, φ = φ m)
- Phương trình:
U− R−
ω= − M (2-32)
kφ®m ( kφ )2
®m
U− R
ω= − − .I − (2-33)
kφ®m kφ®m
- T c không t i:
U−
ω0 = ~ U− (2-34)
kφ®m
- s tt c Mc hay Ic:
6
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
R− R−
∆ωc = .M c = .I c = ∆ωc.tn = const (2-35)
( kφ®m ) 2 kφ®m
- c ng TC:
β=
( kφ®m )2= βtn = const (2-36)
R−
- Dòng i n ng n m ch:
U
I nm = − ~ U − (2-37)
R−
- Momen ng n m ch:
U−
M nm = kφ®m .I nm = kφ®m ~ U− (2-38)
R−
⇒ Khi gi m Uư < U m …
7
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
b) c tính nhân t o khi thay i t thông φ: (Rfư = 0, Uư = U m)
- Phương trình:
U R−
ω = ®m − M (2-39)
kφ ( kφ ) 2
U ®m R −
ω= − .I (2-40)
kφ kφ −
- T c không t i:
U 1
ω0 = ®m ~ (2-41)
kφ φ
- s tt c Mc hay Ic:
R− 1
∆ωc = .M c ~ (2-42)
( kφ ) 2
φ2
- c ng TC:
β=
( kφ ) 2 ~ φ2 (2-34)
R−
- Dòng i n ng n m ch:
U
I nm = ®m = I nm.tn = const (2-30)
R−
- Momen ng n m ch:
M nm = kφ.Inm ~ φ (2-31)
⇒ Khi gi m φ < φ m …
φ2 < φ1 < φ m φ2 < φ1 < φ m
Chú ý: Vì không th tăng ikt trên giá tr nh m c, nên ch có th t o φ < φ m. Do ó, các c tính
cơ i n nhân t o u có v trí cao hơn c tính t nhiên; tương t , trong vùng ph t i Mc cho
phép t c trên các c tính nhân t o l n hơn t c trên c tính cơ t nhiên.
8
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
* Ví d 1: D ng c tính cơ t nhiên và nh n xét v d ng c tính c a ng cơ i n m t chi u
kích t song song. S li u cho trư c: ng cơ lo i làm vi c dài h n, c p i n áp 220V, công su t
nh m c 6,6kW; t c nh m c 2200 vòng/phút; dòng i n nh m c 35A; i n tr m ch ph n
ng g m i n tr cu n dây ph n ng và c c t ph : 0,26Ω.
Gi i:
+ D ng c tính cơ t nhiên d a vào 2 trong 3 i m:
1. i m không t i [0, ω0].
2. i m nh m c [M m, ω m]; ho c [I m, ω m] cho c tính cơ i n t nhiên.
3. i m ng n m ch [Mnm,0]; ho c [Inm, 0] cho c tính cơ i n t nhiên.
T c nh m c:
n 2200 ω
ωdm = dm = = 230,3 [rad/s] ω0 1
9,55 9,55 ωm 2
Momen nh m c:
Pdm .1000 6,6.1000
M dm = = = 28,6 [Nm]
ωdm 230,3
Như v y ta ã xác nh ư c i m nh m c [28,6 ; 230,3]. 3
T thông ng cơ: 0
U dm − I dm .R u 220 − 35.0,26 Im Inm I
kφ dm = = = 0,91 [Wb] Mm Mnm M
ωdm 230,3
T c không t i lý tư ng:
U dm 220
ω0 = = = 241,7 [rad/s]
kφ dm 0,91
Như v y ta ã xác nh ư c i m không t i [0 ; 241,7].
Dòng i n ng n m ch:
U dm 220
I nm = = = 846 [A]
Ru 0,26
Mômen ng n m ch:
M nm = kφ dm .I nm = 0,91.846 = 770 [Nm]
Như v y ta xác nh ư c i m ng n m ch [770 ; 0].
T 2 i m trong 3 i m: i m không t i và i m nh
m c ho c i m ng n m ch ta có th d ng ư c c tính cơ như hình bên.
+ ánh giá ư ng c tính cơ:
- s t t c khi có t i nh m c (so v i t c không t i lí tư ng):
∆ωc = ω0 - ω m = 241,7 – 230,3 = 11,4 [rad/s]
∆ωc 11,4
∆ωc % = 100% = .100% = 4,7% (< 5%)
ω0 241,7
- c ng c tính cơ t nhiên:
β=
(kφdm )2 =
0,912
= 3,18 [Nm.s]
Ru 0,26
9
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Bài t p 2.1: D ng c tính cơ t nhiên và nh n xét v d ng c tính c a ng cơ i n m t chi u
kích t song song. S li u cho trư c: ng cơ lo i làm vi c dài h n, c p i n áp 220V, công su t
nh m c 4,4kW; t c nh m c 1500 vòng/phút; hi u su t nh m c 0,85.
áp án.
2.2.5 Các tr ng thái hãm c a ng cơ m t chi u kích t cl p
- Tr ng thái ng cơ: là tr ng thái mà mômen ng cơ sinh ra h tr vi c quay. Hay chi u c a
momen ng cơ cùng chi u v i chi u c a t c quay.
+ M (Iư) và ω cùng chi u => Pcơ = M.ω = Mc.ω > 0
+ ng cơ làm vi c các góc ¼ th I (ω>0; M và I > 0) và góc ¼ th III (ω0,
I0, U0, U>0, U>E
U E U E
II P = M.ω0 I
P = U.I0
II I
III IV M, I
I Ch ng cơ Ch máy phát I
MMôn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Uu R u
ω= + . | Iu | phương trình c tính cơ i n
kφ kφ
U R
ω = u + u .| M | phương trình c tính cơ
kφ (kφ)2
Hãm tái sinh x y ra khi h t i c n tr c, máy nâng h có t i tr ng n ng, ho c khi i u ch nh i n
áp ph n ng gi m t ng t làm ω0 < ω và ω chưa k p gi m.
2 1 1
ω
ω0 2
Mh Mc
b) Hãm ngư c: Hãm ngư c x y ra khi ng cơ (dư i tác ng c a th năng ho c ng năng
tích lu trong cơ c u công tác) quay ngư c chi u t c không t i lí tư ng.
Có hai trư ng h p x y ra hãm ngư c:
+ Thêm Rfư l n vào m ch ph n ng ng cơ:
11
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Ch ng cơ Ch hãm ngư c
P Pcơ P Pcơ
U.I C M.ω U.I C M.ω
∆P ∆P +∆PRfu
K K
I I
Ru Rfu Ru Rfu
U E U E
I IV
U u R u + R fu
ω= − .M ,
kφ (kφ)2
R u + R fu Uu
trong ó ∆ω = .M > ω0 = , do ó ω Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Ch ng cơ Ch hãm ngư c
P Pcơ P Pcơ
U.I C M.ω U.I C M.ω
∆P ∆P +∆PRfu
K K
I I
Ru Rfu Ru Rfu
U E U E
I IV
| U u | R u + R fu
ω=− + . | M | , M ω0 = , do ó ω >0.
(kφ)2 kφ
Chú ý: tr ng thái hãm ngư c, i n áp ngu n cùng chi u v i s E, nên dòng i n Iư có th r t
l n. h n ch Iu ngư i ta thư ng n i thêm i n tr ph Rh khá l n vào m ch ph n ng.
c) Hãm ng năng: Hãm ng năng x y ra khi t c không t i ω0 = 0.
Ru + Rh R +R
ω=− .I u = − u 2 h .M ch n Rh sao cho Ih ≤ Icp = (2÷2,5)I m
kφ (kφ)
13
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
| β |=
(kφ)2
Ru + Rh
Ti p ví d 1: Xác nh tr s i n tr hãm u vào m ch ph n ng hãm ng năng ng cơ
i n m t chi u kích t song song v i yêu c u mômen hãm l n nh t Mhmax = 2M m. Trư c khi
hãm ng cơ làm vi c i m nh m c, s d ng sơ hãm kích t c l p.
Gi i: Ta s d ng sơ hãm ng năng kích t c l p, trong ó m b o φ = φ m.
i m làm vi c trư c khi hãm là i m nh m c, ta có:
Ic = Iư = I m = 35A, tương ng v i momen nh
m c M m;
ωa = ω m = 230,3 [rad/s]
ωa
S c a ng cơ trư c khi hãm:
Ea = U m – Iư.Rư = 220 – 35.0,26 = 210,9 [V]
momen (dòng i n) hãm l n nh t s t i th i i m ban u
c a quá trình hãm, ngay khi chuy n i m ch i n làm vi c
sang m ch hãm ng năng.
Ihmax = Ihb hay Mhmax = Mhb Mhmax Mc = M m
Ihmax
Vì φ = φ m = const nên m b o Mhmax = 2 M m thì
Ihb = 2I m = 2.35 = 70 [A]
kφ.ω kφωa E 210,9
i n tr t ng m ch ph n ng: R ut = = = a = = 3,01Ω
Iu I hbd I hbd 70
V y i n tr hãm u vào m ch ph n ng là: Rh = Rut – Ru = 3,01 – 0,26 = 2,75 [Ω]
2.3 ng cơ i n m t chi u kích t n i ti p
2.3.1 Phương trình và d ng c tính cơ c a ng cơ m t chi u kích t n i ti p
U = E + (Ru+ Rf).I
Ru = ru + rcf + rct + rkích t E=
kφω
M = kφ.I
Uu R u + Rf
ω= − .I
kφ kφ
U R +R
ω = u − u 2 f .M
kφ (kφ)
φ ≈ c.Ikt = c.I
Uu R u + R f A
ω= − .I = 1 − B
k.c.I k.c.I I
“phương trình c tính cơ - i n”
14
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
Uu R + Rf A
ω= − u = 2 −B
k.c .M k.c M
“phương trình c tính cơ”
trong ó
U Ru + Rf
A1 = B=
k.c k.c
A 2 = A1. k.c
2.3.2 c tính v n năng c a ng cơ m t chi u kích t n i ti p
ω* = ω/ω m
TT I* M* ω* I = I*.I m M = M*.M m ω = ω*.ω m
1 I*1
2 I*2
3... I*3
15
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
2.3.3 Các c tính nhân t o c a ng cơ m t chi u kích t n i ti p
“ c tính nhân t o bi n tr ” ư c xác nh d a trên c tính t nhiên (Rf = 0):
L y m t giá tr I1 nào ó, dóng lên c tính này ta có t c tương ng ω1. Có th bi u th ω1 theo
công th c:
U − I1 .R u
ω1 =
kφ1
Trên c tính cơ nhân t o i n tr ph Rf, t c ng cơ dòng i n I1 là:
U − I1.(R u + R f )
ωnt1 =
kφ1
Chia 2 t ng v công th c trên ta có ư c:
U − I1 ( R u + R f )
ωnt1 = ω1 .
U − I1R u
Như v y v i I1 ã ch n và ω1 tra ư c trên c tính cơ t nhiên, s tính ư c giá tr ωnt1 trên
ư ng c tính cơ nhân t o c n tìm.
Làm tương t v i các giá tr I2, I3,… ta s có ωnt2, ωnt3,… và cu i cùng ta v ư c c tính cơ
nhân t o có i n tr ph Rf.
16
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
2.3.4 Các tr ng thái hãm c a ng cơ m t chi u kích t n i ti p
Do ω0 -> ∞ nên ng cơ m t chi u kích t n i ti p không có hãm tái sinh.
a) Tr ng thái hãm ngư c: x y ra khi t c quay c a ng cơ ngư c chi u v i t c không t i
lí tư ng (ω0 = +/- ∞).
+ ưa thêm i n tr ph Rf l n vào m ch ng cơ khi t i th năng.
Trên o n c tính cd, có M >0 và ωMôn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
b) Tr ng thái hãm ng năng (ω0 = 0):
2.3.5 Nh n xét v ng cơ m t chi u kích t n i ti p
- V c u t o, ng cơ m t chi u kích t n i ti p có cu n kích t ch u dòng l n, nên tiêt di n to và
s vòng ít. Nh ó d ch t o hơn và ít hư h ng hơn so v i ng cơ m t chi u kích t song song.
- Có kh năng quá t i l n v mômen. Khi có cùng h s quá t i dòng kI thì mômen c a ng cơ
kích t n i ti p l n hơn kI l n so v i mômen ng cơ kích t song song.
- Mômen không ph thu c vào s t áp trên ư ng dây t i i n.
- Có kh năng t i u ti t giá tr t c khi ph t i thay i gi cho công su t ng cơ g n như
không i nh c tính cơ d ng hybecbol.
2.3.6 c i m, c tính cơ và các tr ng thái hãm c a ng cơ m t chi u kích t h n h p
φ = φs + φn
thư ng φs = (0,75÷0,85)φ m
khi Mc = M m thì Iư = I m, tương ng φn = (0,25÷0,15)φ m
ω0 ≈ (1,3÷1,6)ω m
18
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
2.4 ng cơ i n không ng b
2.4.1 c tính cơ i n ω = f(I1) ho c ω = f(I2)
c tính cơ và c tính cơ i n c a ng cơ không ng b , i lư ng t c ư c bi u th
thông qua i lư ng “h s trư t” s:
ω0 − ω 2πf
s= v i ω0 =
ω0 p
U1
I '2 = ⇒ I2’= f(s)
2
R '2
+ (X1 + X '2 )
2
R1 +
s
trong ó X1 + X2’ = Xnm
R2’= R2.Ke2; X2’= X2.Ke2;
E1
Ke = - h s bi n is c i n ng c a dây qu n stato và rôto (giá tr pha), và có th
E 2 nm.f
xác nh g n úng:
19
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
Môn h c: i u khi n ng cơ i n (Truy n ng i n)
U1
K e ≈ 0,95.
E 2nm.f
E2nm.f - s c i n ng pha roto khi h m ch và rôto ng yên.
Bi u th c tính cơ i n theo quan h I1 = f(ω):
1 = 2’ + µ
Vi t theo modul:
1 1
I1 = U 1 +
R µ + Xµ
2 2 2
R '2
R1 +
+ X2
s
nm
U1
- Khi không t i lí tư ng, s = 0 thì I1 = Iµ =
R µ + Xµ
2 2
- Khi ng n m ch s = 1, thì I1nm = Iµ + I2nm
2.4.2 c tính cơ
Công su t i n t chuy n t stato sang rôto:
P12 = Pcơ + ∆P
trong ó P12 = M t.ω0
Pcơ = M.ω
M t≈M
∆P ≈ 3.I2’2.R2’
ω0 − ω
⇒ Mω0 = Mω + 3.I2’2.R2’ hay 3.I2’2.R2’ = M(ω0 - ω) = Mω0 = Mω0.s
ω0
3R '2 I '22
M=
s.ω0
20
GV: Hà Xuân Hòa October 7, 2006
