You are here: Home » Content » Đặc tính cơ của động cơ điện
Content Actions

Đặc tính cơ của động cơ điện

Module by: ThS. Khương Công Minh

Summary: Phần này trình bày các khái niệm chung về đặc tính cơ của động cơ điện

KHÁI NIỆM CHUNG

Chương 1 đã cho ta thấy, khi đặt hai đường đắc tính cơ M() và Mc() lên cùng một hệ trục tọa độ, ta có thể xác định được trạng thái lamg việc của động cơ và của hệ (xem hình 1-2 và hình 1-3): trạng thái xác lập khi M = Mc ứng với giao điểm của hai đường đặc tính M() và Mc(); hoặc trạng thái quá độ khi M  Mc tại những vùng có   xl ; trạng thái động cơ thuộc góc phần tư thứ nhất và thứ ba; hoặc trạng thái hãm thuộc góc phần tư thứ hai và thứ tư.
Khi phân tích các hệ truyền động, ta thường coi máy sản xuất đã cho trước, nghĩa là coi như biết trước đặc tính cơ Mc() của nó. Vậy muốn tìm kiếm một trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu như tốc độ, mômen, dòng điện động cơ v... ta phải tạo ra những đặc tính cơ của động cơ tương ứng. Muốn vậy, ta phải ta phải nắm vững các phương trình đặc tính cơ và các đặc tính cơ của các loại động cơ điện, từ đó hiểu được các phương 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 được các trạng thái làm việc theo yêu cầu công nghệ.
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức của nó. Trong nhiều trường hợp ta coi đặc tính này như loạt số liệu cho trước. Mặt khác nó có thể có vô số đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi một hoặc vài thông số của nguồn, của mạch điện động cơ, hoặc do thay đổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị biến đổi. Do đó bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều được coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f() hay dạng ngược  = f(M).

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP (ĐMđl)

Sơ đồ nối dây của ĐMđl và ĐMss:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐMđl): nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau.
Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song (ĐMss).
a) b)Hình 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.CktRktfIktIưIưIkt+ Ukt -+ U -RktfRưfRưf+ Uư -EE

Các thông số cơ bản của ĐMđl:

Các thông số định mức:
nđm(vòng/phút); đm(Rad/sec); Mđm(N.m hay KG.m); đm(Wb);
fđm(Hz); Pđm(KW); Uđm(V); Iđm(A); ...
Các thông số tính theo các hệ đơn vị khác:
* = /đm ; M* = M/Mđm ; I* = I/Iđm; * = /đm; R* = R/Rđm;
Rcb = Uđm/Iđm,;
%; M%; I%; ...

Phương trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của ĐMđl:

Theo sơ đồ hình 2-1a và hình 2-1b, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư = E + (Rư + Rưf).Iư (2-1)
Trong đó:
Uư là điện áp phần ứng động cơ, (V)
E là sức điện động phần ứng động cơ (V).
E=p.N2πa⋅φ⋅ω=Kφ⋅ωE=p.N2πa⋅φ⋅ω=Kφ⋅ω size 12{"E=" { {p "." N} over {2πa} } cdot φ cdot ω=Kφ cdot ω} {}(2-2)
K=p.N2πaK=p.N2πa size 12{K= { {p "." N} over {2πa} } } {} là hệ số kết cấu của động cơ.
Hoặc:E = Ke.n(2-3)
Và: ω=2πn60=n9,55ω=2πn60=n9,55 size 12{ω= { {2πn} over {"60"} } = { {n} over {9,"55"} } } {}
Vậy:Ke = K9,55K9,55 size 12{ { {K} over {9,"55"} } } {}= 0,105.K
Rư­ là điện trở mạch phần ứng, Rư = rư + rctf + rctb + rtx , ().
Trong đó: rư là điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ ().
Rctf là điện trở cuộn dây cực từ phụ của động cơ ().
Rctb là điện trở cuộn dây cực từ bù của động cơ ().
Rctb là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của
động cơ ().
Rư­f là điện trở phụ mạch phần ứng.
Iư là dòng điện phần ứng.
Từ (2-1) và (2-2) ta có:
ω=UæKφ−Ræ+RæfKφIæω=UæKφ−Ræ+RæfKφIæ size 12{ω= { {U rSub { size 8{æ} } } over {Kφ} } - { {R rSub { size 8{æ} } "+R" rSub { size 8{"æf"} } } over {Kφ} } I rSub { size 8{æ} } } {}(2-4)
Đây là phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ được xác định:
Mđt = KIư(2-5)
Khi bỏ qua tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ, tổn thất thép thì có thể coi: Mcơ  Mđt  M
Suy ra:Iư = MâtKφ≈MKφMâtKφ≈MKφ size 12{ { {M rSub { size 8{ ital "ât"} } } over {Kφ} } approx { {M} over {Kφ} } } {}(2-6)
Thay giá trị Iư vào (2-4), ta có:
ω=UæKφ−Ræ+Ræf(Kφ)2M=UæKφ−RæΣ(Kφ)2Mω=UæKφ−Ræ+Ræf(Kφ)2M=UæKφ−RæΣ(Kφ)2M size 12{ω= { {U rSub { size 8{æ} } } over {Kφ} } - { {R rSub { size 8{æ} } "+R" rSub { size 8{"æf"} } } over { \( Kφ \) rSup { size 8{2} } } } M= { {U rSub { size 8{æ} } } over {Kφ} } - { {R rSub { size 8{æΣ} } } over { \( Kφ \) rSup { size 8{2} } } } M" "} {} (2-7)
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:
 = 0 - (2-8)
Trong đó: ω0=UæKφω0=UæKφ size 12{ω rSub { size 8{0} } = { {U rSub { size 8{æ} } } over {Kφ} } } {} gọi là tốc độ không tải lý tưởng.(2-9)
Δω=Ræ+Ræf(Kφ)2=RæΣ(Kφ)2Δω=Ræ+Ræf(Kφ)2=RæΣ(Kφ)2 size 12{Δω= { {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{æf} } } over { \( Kφ \) rSup { size 8{2} } } } = { {R rSub { size 8{æΣ} } } over { \( Kφ \) rSup { size 8{2} } } } } {} gọi là độ sụt tốc độ.(2-10)
Từ các phương trình đặc tính cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-8) trên, với giả thiết phần ứng được bù đủ và  = const thì ta có thể vẽ được các đặc tính cơ - điện (hình 2-2a) và đặc tính cơ (hình 2-2b) là những đường thẳng.
0 đm TNnt NTIđm Inm Iưa)0 đm TNnt NTMđm Mnm Mb)Hình 2-2: a) Đặc tính cơ - điện động cơ một chiều kích từ độc lập.b) Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:
ω=UæâmKφâm−Ræâm(Kφâm)2Mω=UæâmKφâm−Ræâm(Kφâm)2M size 12{ω= { {U rSub { size 8{"æâm"} } } over {Kφ rSub { size 8{"âm"} } } } - { {R rSub { size 8{"æâm"} } } over { \( Kφ rSub { size 8{"âm"} } \) rSup { size 8{2} } } } M } {}(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:
Iæ=UæRæ+Ræf=InmIæ=UæRæ+Ræf=Inm size 12{I rSub { size 8{æ} } = { {U rSub { size 8{æ} } } over {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{ ital "æf"} } } } =I rSub { size 8{ ital "nm"} } } {}(2-12)
Và: M=UæRæ+Ræf⋅Kφ=Inm⋅Kφ=MnmM=UæRæ+Ræf⋅Kφ=Inm⋅Kφ=Mnm size 12{M= { {U rSub { size 8{æ} } } over {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{ ital "æf"} } } } cdot Kφ=I rSub { size 8{ ital "nm"} } cdot Kφ=M rSub { size 8{ ital "nm"} } } {}(2-13)
Trong đó: Inm - gọi là dòng điện (phần ứng) ngắn mạch
Mnm - gọi là mômen ngắn mạch
Từ (2-7) ta xác định được độ cứng đặc tính cơ :
β=dMdω=−(Kφ)2Ræ+Ræfβ=dMdω=−(Kφ)2Ræ+Ræf size 12{β= { { ital "dM"} over {dω} } = - { { \( Kφ \) rSup { size 8{2} } } over {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{ ital "æf"} } } } } {}(2-14)
Đối với đặc tính cơ tự nhiên:
βtn=−(Kφdm)2Ræβtn=−(Kφdm)2Ræ size 12{β rSub { size 8{ ital "tn"} } = - { { \( Kφ rSub { size 8{ ital "dm"} } \) rSup { size 8{2} } } over {R rSub { size 8{æ} } } } } {}(2-15)
Và: βtn=−1R­βtn=−1R­ size 12{β rSub { size 8{ ital "tn"} } rSup { size 8{*} } = - { {1} over {R rSub { size 8{­} } rSup { size 8{*} } } } } {}(2-16)
Nếu chưa có giá trị Rư 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:
Ræ=0,5.(1−ηâm)UâmIâm,ΩRæ=0,5.(1−ηâm)UâmIâm,Ω size 12{R rSub { size 8{æ} } =0,5 "." \( 1 - η rSub { size 8{ ital "âm"} } \) { {U rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {I rSub { size 8{ ital "âm"} } } } , %OMEGA } {}(2-17)
* Ví dụ 2-1:
Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau:
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; điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng: 1,26.
* Giải:
a) Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên:
Đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 điểm: là điểm định mức [Mđm; đm] và điểm không tải lý tưởng [M = 0;  = 0]. Hoặc điểm không tải lý tưởng [M = 0;  = 0] và điểm ngắn mạch [Mnm;  = 0]. Hoặc điểm định mức [Mđm; đm] và điểm ngắn mạch [Mnm;  = 0].
Tốc độ góc định mức:
ω âm = n âm 9, 55 = 2200 9, 55 = 230 , 3 rad/s ω âm = n âm 9, 55 = 2200 9, 55 = 230 , 3 rad/s size 12{ω rSub { size 8{ ital "âm"} } = { {n rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {9,"55"} } = { {"2200"} over {9,"55"} } ="230",3" rad/s"} {}
Mômen (cơ) định mức:
M âm = P âm . 1000 ω âm = 6,6 . 1000 230 , 3 = 28 , 6 Nm M âm = P âm . 1000 ω âm = 6,6 . 1000 230 , 3 = 28 , 6 Nm size 12{M rSub { size 8{ ital "âm"} } = { {P rSub { size 8{ ital "âm"} } "." "1000"} over {ω rSub { size 8{ ital "âm"} } } } = { {6,6 "." "1000"} over {"230",3} } ="28",6" Nm"} {}
Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức: [28,6 ; 230,3].
Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được:
Kφ âm = U âm − I âm . R æ ω âm = 220 − 35 . 0, 26 230 , 3 = 091 Wb Kφ âm = U âm − I âm . R æ ω âm = 220 − 35 . 0, 26 230 , 3 = 091 Wb size 12{Kφ rSub { size 8{ ital "âm"} } = { {U rSub { size 8{ ital "âm"} } - I rSub { size 8{ ital "âm"} } "." R rSub { size 8{æ} } } over {ω rSub { size 8{ ital "âm"} } } } = { {"220" - "35" "." 0,"26"} over {"230",3} } ="091"" Wb"} {}
Tốc độ không tải lý tưởng:
ω 0 = U âm Kφ âm = 220 0, 91 ≈ 241 , 7 rad/s ω 0 = U âm Kφ âm = 220 0, 91 ≈ 241 , 7 rad/s size 12{ω rSub { size 8{0} } = { {U rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {Kφ rSub { size 8{ ital "âm"} } } } = { {"220"} over {0,"91"} } approx "241",7" rad/s"} {}
Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 241,7] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên như đường  trên hình 2 - 3.
Ta có thể tính thêm điểm thứ ba là điểm ngắn mạch [Mnm; 0]
M nm = Kφ . I nm = Kφ ⋅ U dm R ­ = 0, 91 ⋅ 220 0, 26 = 770 Nm M nm = Kφ . I nm = Kφ ⋅ U dm R ­ = 0, 91 ⋅ 220 0, 26 = 770 Nm size 12{M rSub { size 8{ ital "nm"} } =Kφ "." I rSub { size 8{ ital "nm"} } =Kφ cdot { {U rSub { size 8{ ital "dm"} } } over {R rSub { size 8{­} } } } =0,"91" cdot { {"220"} over {0,"26"} } ="770"" Nm"} {}
Vậy ta có tọa độ điểm thứ ba của đặc tính cơ tự nhiên [770; 0].
Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên có thể xác định theo biểu thức (2-15) hoặc xác định theo số liệu lấy trên đường đặc tính hình 2-3.
∣ β tn ∣ = dM dω = ΔM Δω = 0 − M âm ω 0 − ω âm = 28 , 6 241 , 7 − 230 , 3 = 2,5 Nm . s ∣ β tn ∣ = dM dω = ΔM Δω = 0 − M âm ω 0 − ω âm = 28 , 6 241 , 7 − 230 , 3 = 2,5 Nm . s size 12{ lline β rSub { size 8{ ital "tn"} } rline = { { ital "dM"} over {dω} } = { {ΔM} over {Δω} } = { {0 - M rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {ω rSub { size 8{0} } - ω rSub { size 8{ ital "âm"} } } } = { {"28",6} over {"241",7 - "230",3} } =2,5" Nm" "." s} {}
b) Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo có Rưf = 0,78:
Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo (có Rưf = 0,78) qua các điểm không tải lý tưởng [0; 0] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [Mđm; nt]:
 (rad/s)241,7230,328,60M (Nm)Hình 2 - 3: Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo183,3
Ta tính được giá trị mômen (cơ) định mức:
M âm = P âm . 1000 ω âm = 6,6 . 1000 230 , 3 = 28 , 66 Nm M âm = P âm . 1000 ω âm = 6,6 . 1000 230 , 3 = 28 , 66 Nm size 12{M rSub { size 8{ ital "âm"} } = { {P rSub { size 8{ ital "âm"} } "." "1000"} over {ω rSub { size 8{ ital "âm"} } } } = { {6,6 "." "1000"} over {"230",3} } ="28","66"" Nm"} {}
Và tính tốc độ góc nhân tạo:
ω nt = U âm − ( R æ + R æf ) . I âm Kφ âm = 220 − ( 0, 26 + 1, 26 ) . 35 0, 91 = 183 , 3 rad/s ω nt = U âm − ( R æ + R æf ) . I âm Kφ âm = 220 − ( 0, 26 + 1, 26 ) . 35 0, 91 = 183 , 3 rad/s alignl { stack { size 12{ω rSub { size 8{ ital "nt"} } = { {U rSub { size 8{ ital "âm"} } - \( R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{ ital "æf"} } \) "." I rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {Kφ rSub { size 8{ ital "âm"} } } } } {} # " "= { {"220" - \( 0,"26"+1,"26" \) "." "35"} over {0,"91"} } ="183",3" rad/s" {} } } {}
Ta có tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [28,66; 183,3]
Vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng như đường  trên hình 2 - 3.

Đặc tính cơ khi khởi động ĐMđl và tính điện trở khởi động:

Khởi động và xây dựng đặc tính cơ khi khởi động:

+ Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì dòng khởi động ban đầu rất lớn: Ikđbđ = Uđm/Rư  (10  20)Iđm, như vậy nó có thể đốt nóng động cơ, hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc sinh ra lực điện động lớn làm phá huỷ quá trình cơ học của máy.
+ Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn:
Ikđbđ = Inm  Icp = 2,5Iđm(2-18)
+ Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập.
I’kđbđ = I’nm = UâmRæ+RæfUâmRæ+Ræf size 12{ { {U rSub { size 8{ ital "âm"} } } over {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{æf} } } } " "} {}= (22,5)Iđm  Icp ; (2-19)
* Xây dựng các đặc tính cơ - điện khi khởi động ĐMđl:
- Từ các thông số định mức (Pđm; Uđm; Iđm; nđm, đm; ...) và thông số tải (Ic; Mc; Pc; ...), số cấp khởi động m, ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
- Xác định dòng điện khởi động lớn nhất: Imax = I1 = (22,5)Iđm
- Xác định dòng điện khởi động nhỏ nhất: Imin = I2 = (1,11,3)Ic
- Từ điểm a(I 1) kẽ đường a0 nó sẽ cắt I2 = const tại b; từ b kẽ đường song song với trục hoành nó cắt I1 = const tại c; nối c0 nó sẽ cắt I2 = const tại d; từ d kẽ đường song song với trục hoành thì nó cắt I1 = const tại e; ...
Cứ như vậy cho đến khi nó gặp đường đặc tính cơ tự nhiên tại điểm giao nhau của đặc tính cơ TN và I1 = const, ta sẽ có đặc tính khởi động abcde...XL.
Nếu điểm cuối cùng gặp đặc tính TN mà không trùng với giao điểm của đặc tính cơ TN và I1 = const thì ta phải chọn lại I1 hoặc I2 rồi tiến hành lại từ đầu.
Hình 2-3: a) Sơ đồ nối dây ĐMđl khởi động 2 cấp, m = 2b) Các đặc tính khởi động ĐMđl, m = 2.CktRktfIktIưEK2 K1Rưf2 Rưf1Uư+-a)0120 Ic I2 I1 IưTNXL21abcdehb)

Tính điện trở khởi động:

a) Phương pháp đồ thị:

Dựa vào biểu thức của độ sụt tốc độ  trên các đặc tính cơ ứng với một giá trị dòng điện (ví dụ I1 ) ta có:
ΔωTN=RæKφI1;ΔωNT=Ræ+RæfKφI1ΔωTN=RæKφI1;ΔωNT=Ræ+RæfKφI1 size 12{Δω rSub { size 8{ ital "TN"} } = { {R rSub { size 8{æ} } } over {Kφ} } I rSub { size 8{1} } ;" "Δω rSub { size 8{"NT"} } = { {R rSub { size 8{æ} } +R rSub { size 8{æf} } } over {Kφ} } I rSub { size 8{1} } } {};(2-20)