Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

át triển nhảy vọt. Việc ứng dụng tin học và kỹ thuật điện tử với những thiết bị hiện đại như bộ lập trình PLC, CNC, các cảm ứng điện tử Thyristor điều khiển... vào hệ truyền động điện làm cho hệ truyền động điện ngày càng có ưu điểm nổi bật so với hệ truyền động cũ như : Dải điều chỉnh rộng, độ tin cậy cao, gọn nhẹ và khả năng tự động hoá cao. ở nước ta do yêu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước nên ngày càng xuất hiện nhiều những dây truyền sản xuất mới có mức độ tự động hoá cao với hệ truyền động hiện đại. Việc xuất hiện các hệ truyền động hiện đại đã thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu, đào tạo ngành tự động hoá ở nước ta tiếp thu khoa học kỹ thuật hiện đại nhằm tạo ra những hệ truyền động mớivà hoàn thiện những hệ truyền động cũ. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp đề tài em được giao là xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao vì máy điện một chiều được sử dụng rất nhiều trong thực tế cuộc sống. Trong quá trình làm đồ án em được sự chỉ dẫn tận tình của thầy cô trong bộ môn tự động hoá xí nghiệp công nghiệp, trường đại học Bách Khoa Hà Nội Chương I: Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều. Trong mọi ngành sản xuất hiện nay,các công nghệ tiên tiến,các dây truyền thiết bị hiên đại đac và đang thâm nhập vào nước ta.Vớí chính sách mở cửa của đảng và nhà nước,chắc chắn nền kỹ thuật tiên tiến trên thế giới sẽ ngày càng thâm nhập vào Việt Nam.tác dụng của các công nghệ mới và nhưng dây truyền, thiết bị hiện đại đã và đang góp phần tích cực thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá.Các máy điện hiện đại trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện năng thông qua các thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng...trong cá dây truyền hiện đại , các thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không thể không kể đến các động cơ điện.Đặc biệt hơn nữa trong quyển báo cáo này em muốn đề cập sâu hơn nữa về động cơ điện một chiều. Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều với những mức công suất to nhỏ khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó. Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm). Trong động cơ điện có rất nhiều loại khác nhau như: Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ Rotor lồng sóc hay dây quấn, động cơ điện xoay chiều ba pha có cổ góp. Động cơ điện một chiều co những loại: +Động cơ điện một chiều kích từ độc lập +Động cơ điện một chiều kích từ song song +Động cơ đện một chiều kích từ nối tiếp +Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ băbf na châm vĩnh cửu. Nói tóm lại động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các dây truyền thiết bị,các cơ cấu vận hành như thang máy,máy nâng...Nó có vai trò quan trọng và cần thiết trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá của đất nước ta hiện nay.Với cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho chung ta chế tạovà sửa chữa nó.Góp phần cải thiện cuộc sống, sức lao động của con người nói chung và nhân dân Việt Nam ta nói riêng. I - Nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện một chiều. Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động.Chiều của từ lực được xác định bằng quay tắc bà tay trái.Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoatj đông theo quy tắc này. * ) Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều: 1 ) Cấu tạo : Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh ( Stator ) và phần động ( Rotor ). A ) Phần tĩnh gồm có : a ) Cực từ chính : Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây : Lõi sắt cực từ được làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dầy : 0,5 41 mm được ép lại với nhau và tán chặt thành một khối các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng các bulông. Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với nhau qua trục động cơ, tuỳ theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3,... các máy điện nhỏ cực từ được làm bằng thép khối. Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn. Các cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau. Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận trước khi đặt vào các cực từ. b ) Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều. Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn. Dây quấn cực từ phụ tương tự như dây quấn cực từ chính. c ) Gông từ : Gông từ là phần nối tiếp các cực từ . Đồng thời gông từ làm vỏ máy , từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ. Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ tròn rồi hàn. d ) Các bộ phận khác : - ) Nắp máy : Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vật bên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ ...Đồng thời nắp máy để cách ly người sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện. Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ. - ) Cơ cấu chổi than : Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ ngoài vào nếu máy là động cơ và đưa dòng điện ra nếu máy là phát điện. Cơ cấu chổi than gồm có 2 chổi than làm từ than cacbon thường là hình chữ nhật. Hai chổi than được đựng trong hộp chổi than và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ 2 lò xo. Hộp chổi than có thể thay đổi được vị trí sao cho phù hợp. B ) Phần quay : a ) Lõi sắt phần ứng : Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silic dầy 0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Phucô gây lên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối thống nhất. Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ. b ) Dây quấn phần ứng : Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động. c ) Cổ góp : Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục. Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mea đặt ở giữa. Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau. d ) Các bộ phận khác : - ) Cánh quạt : Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy , khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ. - ) Trục máy : Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy. * ) Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều : Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điệnmột chiều chạy qua.Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được cuốn quanh các cực từ 4.Trên hình vẽ động cơ điện một chiều,stator 6 của động cơ có đặt các cuộn cảm nên stator gọi còn gọi là phần cảm.từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một từ lực vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện chạy qua.Cuộn dây này gọi là cuộn ứng.Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than 2 và cổ góp 1.Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ. - Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor có dòng điện hướng vào,còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ.Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ.động cơ trên có 2 cực từ hay một đôi cực (1 cặp cực, P=1). - Trong thời gian động cơ làm việc,cuộn cảm tạo ra từ trường Fd dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với cực từ.Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng chung tính vật lý .Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng Fn hướng ngang trục cực từ .Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục (hình c) và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc F (ngược chiều quay của rotor)so với mặt phẳng trung tính hình học. - Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì Fn càng mạnh và góc quay β càng lớn.Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh. - phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổp góp.Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phảng trung tính vật lý.(tức là theo góc β).Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thê cực từ phụ. - Cực từ phụ được đặt giũa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang trục so cới từ trường chính và ngược chiều với từ trường Fn của cuộn ứng để khử từ trường Fn .Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn. - Bởi vì rằng từ trường Fn gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iưnên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ truờng ngược mạnh hơn để khử từ trường Fn. - Ngoài ra,biện pháp tăng khe hở không khí giữa Stator và rotor cũng được áp dụng.Cách này dẫn đến sự tăng kích thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính. - Còn đối với các loại động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn thì biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở các cực từ chính (Như hình vẽ) nhằm tạo ra từ thông Fb ngựoc chiều với Fn làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữavà cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng. - Trên đây là nguyên lý làm việc chung của một động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoạt động dựa theo nguyên lý này.Và cùng với các phương pháp để có thể hạn chế được những nhược điểm của động cơ điện một chiều với các phương pháp đã nêu ở trên. II - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song. - Trong động cơ điện một chiều gồm có bốn loại khác nhau.Và ở chương này chúng ta đề cập kỹ hơn về hai loại động cơ điện một chiều kích từ độc lập và động cơ điện một chièu kích từ song song. - Trước tiên chúng ta cần hiểu và phân biệt rằng hai động cơ điện một chiều kích tư độc lập và động cơ điện một chiều kích từ song song. - ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng). Và khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch điện phần kích từ được mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập. - Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song.Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì phần ứng và phần kích từ thường mắc song song.Trong trường hợp này mà nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập. 1 - Phương trình đặc tính cơ : - Khi động cơ làm việc rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điện động).Có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ.Theo sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một chiều kích từ song song ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: U = E +IưRư Trong đó: U: điện áp lưới (V) E: Sức điện động của động cơ (V) Iư::dòng điện phần ứng của động cơ (A) Rư:Điện trở toànbộ của mạch phần ứng (V) Rư = Rư +Rp Rp: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (V) Rư:Điện trở mạch phần ứng (V) Rư = rư +rct+ rcb + rcp rư : Điện trở cuộn dây phần ứng . rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. rcb: Điện trở cuộn bù. rcp:Điện trở cuộn phụ. Sức điện động Eư của phần ứng động cơ dược xác định theo biểu thức: Eư = (*)(*) Trong đó P: Số đôi cực từ chính N:Thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhán song song của cuộn dây phàn ứng :Từ thông kích từ dưới cực từ b v: Tốc độ góc rad/s K = Hệ số cấu tạo của động cơ +Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: Eư =KeFn Và v= = Vì vậy Eư =Fn Ke = : Hệ số sức điện động của động cơ Ke = 0,105K Từ phương trình (*)và (**) ta có: v = - Iư (***) Biểu thức (***) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi : Mđt = KFIư Suy ra : Iư = Thay giá trị Iư vào (***) ta được phương trình : v = - Mđt Nếu chúng ta bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng với mômen điện từ, ta ký hiệu M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M. v = - M (****) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 2 - Giả sử rằng phần ứng của động cơ dược bù đủ,từ thông F =const, thì phương trình đặc tính cơ điện(***) và phương trình đặc tính cơ (****) là tuyến tính.Khi đó dồ thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ là những đường thẳng. a. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiêu kích từ độc lập. b.Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: v = = v0 Khi đó thì v0 được là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi v = 0 ta có từ phương trình đặc tính cơ của động cơ và phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.Ta có: Iư = = Inm M = KFInm Và Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch của động cơ. Qua đồ thị đường đặc tính cơ điện, đặc tính cơ của động cơ một chiều ta thấy đồ thị là đường thẳng. Nên phương trình đặc tính cơ có dạng : v = - M là hàm bậc nhất y = Ax +B, nên đường biểu diễn trên hệ toạ độ M0 là một đường thẳng với độ dốc am.Đường đặc tính cơ cắt trục tung o tại điểm có tung độ: v = Tốc dộ động cơ v0 là tốc độ ứng với Mc = 0 nghĩa là khi không có lực cản nào cả.Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ổ chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra được trường hợp Mc = 0 (do lực ma sát luôn luôn tồn tai khi động cơ quay)Vì vậy như ta đã nói ở trên v0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Khi mà toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì Rư= Rư và phương trình đặc tính cơ của động cơ được viết là: v = - M (*) Thì khi này đường đặc tính cơ lúc này được gọi là đường đặc tính cơ tự nhiên và đường đặc tính cơ tự nhiên được biểu diễn như hình vẽ: - Với đường đặc tính cơ như vậy.khi mà phụ tải của động cơ tăng dần từ Mc = 0 đến Mc= Mđm (Mc = Mđm – 0) thì tốc độ động cơ sẽ giảm dần từ xuống Fđm (v=v0 - vđm).Khi đó điểm A(vđm , Mđm) gọi là điểm làm việc định mức của động cơ. Phương trình : v = - M Và : v = - M Có thể viết dưới dạng v = v0 - v với độ sụt dốc tỷ lệ với mômen tải: M = M Chúng ta có thể thấy rõ rằng đường đặc tính cơ có thể vẽ được nhờ vào hai điểm v0 và A.Cũng có thể kết hợp một trong hai điểm đó với một điểm thứ ba là điểm cắt của đường đặc tính cơ với trục hoành OM. Điểm này có tung độ v = 0 và hoành độ được suy ra từ phương trình( *) : M = Mnm = KFđm = KFđm Inm Trong đó : Inm= Mnm, Inm là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng không.Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy, và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì kẹt hoặc tải quá lớn không kéo được. Và dòng điện Inm này lớn và thường bằng Inm = ( 10420 )Iđm. Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng này kéo dài. Chính vì nguyên nhân này để đảm bảo tuổi thọ của động cơ, đồng thời bảo vệ động cơ.Nên khi mở máy chúng ta phải thêm điện trở phụ vào mạch rotor để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị sự cố dừng đột ngột thì cần phải cắt điện cấp cho động cơ ngay. 3- ảnh hưởng của các thông số với đặc tính cơ : Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiêud kích từ độc lập.Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ của động cơ: từ thông động cơ F,điện áp phần ứng Uư,và điện trở phần ứng của động cơ.Chúng ta sẽ lần lượt đề cập những ảnh hưởng của các tham số này. ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Giả thiết Uư = Uđm = const và F = Fđm =const Để thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.Trong trường hợp này tộc độ không tải lý tưởng v = = const Còn độ dốc (hay độ cứng) sẽ thay đổi theo tỷ lệ thuận theo điện trở tổng cộng phần ứng : b = - = var Như vậy khi tăng điện trở phụ Rf trong mạch phần ứng ta được một họ đường đặc tính nhân tạo cùng đi qua điểm O (0,0). Khi tăng Rflớn, b càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc.Ưng với giá trị Rf = 0 ta có đường đặc tính cơ tự nhiên b = = var Khi Rf = 0 suy ra : Từ đó suy ra bTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đướng đặc tính có điện trở phụ. Tóm lại khi ta thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đường đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ.Ưng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm.Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. ảnh hưởng của điện áp phần ứng : Giả sử từ thông F = Fđm = const điện trở phần ứng Rư = const. Khi chúng thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm.Vì điện áp đặt vào phần ứng không thể thay đổi vượt qua giá trị định mức.Trong trường hợp này, dộ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ không thay đổi. b = - = const Còn tốc độ không tải lý tưởng o thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp cấp cho động cơ: Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng,ta được một họ đường đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên (TN) và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên.Các đường đặc tính cơ này gọi là các đường đặc tính cơ nhân tạo. Chúng ta có thể nhận thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện nhắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. ảnh hưởng của từ thông : Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phần ứng Rư = const. Để thay đổi dòng kích từ Ikt nhờ biến trở Rkt mắc ở cuộn cảm. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi. + Tốc độ không tải lý tưởng + Độ cứng đặc tính cơ : Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì vox tăng còn b giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với vox tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông : Dòng điện ngắn mạch : Momen ngắn mạch : Mnm = KFđm Inm = Var Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ giảm khi giảm từ thông được biểu diễn trên hình vẽ 4 - Đảo chiều động cơ: Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều quay từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lục có chiều ngược lại.Vậy muốn đảo chiều động cơ điện một chiều có thể thực hiện một trong hai cách như hình vẽ trên và đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc toạ độ. Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện được nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít được sử dụng. Ngoài ra dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt cho động cơ. 5 - Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập : Như chúng ta đã biết lúc bắt đầu đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ còn bằng không nên dòng điện động cơ lúc này ngắn mạch.Và dòng ngắn mạch này được tính là rất lớn. Tạo ra mômen ngắn mạch cũng rất lớn: Dòng điện mở máy của động cơ là rất lớn: Đối với động cơ có công suất càng lớn thì Rư thường có giá trị càng nhỏ và khi ấy dòng điện Inm càng lớn. Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạch động cơ và gây sụt áp lưới điện. Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ truyền động điện thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy trục, máy can đảo chiều, thang máy lên xuống.v.v.. Mmm = Mnm = KFđm Inm Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như ảnh hưởng xấu đến lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt qua giá trị: Imm = (1,5 4 2,5) Iđm Nghĩa là chúng ta cần phải thêm điện trở phụ như hình vẽ trên vào mạch phần ứng sao cho : = Công suất động cơ lớn thì phải chọn Imm nhỏ. Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ w tăng dần lên, sức điện động của động cơ lúc này E = KFv cũng tăng dần nhưng dòng điện của động cơ khi ấy sẽ bị giảm do đó mômen cũng sẽ giảm. Chúng ta vẽ và có thể nhìn thấy rõ hơn điều những điều ấythông qua sơ đồ đặc tính cơ lúc mở máy của động cơ một chiều kích từ độc lập qua một cấp điện trở phụ. Đặc tính cơ động cơ mở máy theo mũi tên trên đường đặc tính cơ 1 như trên sơ đồ.Nếu giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ mở máy Mmm, xuống bằng mômen cản Mc động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ góc thấp vb.Do vậy khi mômen giảm đi một mức nào đó (chẳng hạn MD) thì phải cắt điện trở phụ trong mach phần ứng nhờ đóng tiếp điểm k để động cơ trở về làm việc (hay tiếp tục mở máy). Trên dặc tính tự nhiên tại điểm E. Lúc này mômen động cơ ME lại lớn hơn nhiều mômen tải MC nên động cơ tiếp tục tăng nhanh. Tới điểm A thì mômen động cơ bằng với mômen cản MD = MC và động cơ sẽ chạy ổn đinh với tốc độ vA trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Chúng ta cần phải chú ý rằng khi đóng tiếp điểm K để cắt điện trở phụ Rf ra khỏi mạch Rotor thì ngay lập tức động cơ chuyển từ điểm làm việc D trên đường đặc tính cơ nhân tạo1 sang làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên 2. Do quán tính cơ học, khi chuyển đặc tính tốc độ động cơ không kịp thay đổi trong một thời gian qúa ngắn nên đoạn chuyển đổi DE là nằm ngang. Mở máy động cơ theo sơ đồ nối dây gọi là mở máy động cơ qua một cấp điện trở. Trong thực tế để giảm bớt sự biến động mômen và thời gian lúc mở máy thì động cơ thường mở máy qua vài cấp điện trở phụ.chúng ta có thể mở máy động cơ qua 2 cấp, 3 cấp... điện trở phụ với các đặc tính cơ tương ứng như khi mở máy động cơ qua một cấp điện trở và các điện trở phụ này được tính chọn sao cho các đặc tính cơ mở máy có các điểm chuyển đổi tương ứng với các mômen: M1 (2 4 2,5) Mđm M2 ( 1,1 4 1,3) Mđm Tóm lại để hạn chế dòng điện quá lớn lúc mở máy thì chúng ta cần phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Trong quá trình động cơ tăng tốc phải loại bỏ dần các điện trở phụ ( điện trở mở máy ) ra khỏi mach phần ứng của động cơ. Chương II : Các phương án Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều . Như ta đã biết ngày nay tuyệt đại đa số các nhà máy sản xuất từ nhỏ đến lớn, từ đơn lẻ đến cả một dây chuyền sản xuất đều sử dụng truyền động điện. Để đảm bảo những đòi hỏi của các công nghệ phức tạp khác nhau, nâng cao mức độ tự động cũng như năng suất, các hệ truyền động điện thường phải điều chỉnh tốc độ , tức là cần phải điều chỉnh được tốc độ máy theo yêu cầu của công nghệ. Có thể điều chỉnh tốc độ máy bằng phương pháp cơ khí hoặc bằng phương pháp điện thông qua việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện, nguồn động lực của hệ truyền động điện. ở đây ta chỉ xem xét việc điều chỉnh tốc độ theo phương pháp điện, mặt khác ta cũng nên biết việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện khác với việc tự thay đổi tốc độ của động cơ, chẳng hạn như một động cơ điện một chiều kích từ độc lập đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ (1) ứng với momen cản MA. Đặc tính cơ (1) ứng với momen điện áp đặt vào phần ứng động cơ là U1. Vì một lý do nào đó , momen cản tăng lên (Mt > MA) Làm động cơ bị giảm tốc độ. Điểm làm việc sẽ chuyển dịch theo đoạn AT về phía tốc độ giảm. Nhưng tốc độ càng giảm thì dòng điện phần ứng Iư càng tăng và momen động cơ càng tăng. Tới điểm T thì momen động cơ sinh ra bằng momen cản (MĐ = MT). Động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểmT với tốc độ thấp hơn (vT < vA) và dòng phần ứng lớn hơn động cơ nóng hơn. Đó là hiện tượng tự thay đổi tốc độ và điểm làm việc dịch chuyển trên cùng một đường đặc tính cơ. Nhưng nếu momen cản vẫn giữ nguyên giá trị MA nghĩa là lúc này động cơ đang làm việc ổn định tại điểm A trên đường đặc tính cơ 1 , ta giảm điện áp phần ứng từ U1 xuống U2 (đặc tính cơ tương ứng là đường 2 ) . Do quán tính cơ , động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đường 1 sang điểm B trên đương 2 với cùng tốc độ vA . Momen của động cơ tại điểm B nhỏ hơn momen cản MA (MB < MA )nên động cơ bị giảm tốc độ . điểm làm việc trượt xuống đường đặc tính cơ 2. Tốc độ động cơ càng giảm thì dòng điện phần ứng càng tăng , momen động cơ càng tăng. Tới điểm D thì momen động cơ cân bằng với momen cản MA ( MD = MA ) động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm D với tốc độ thấp hơn . Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ . Theo như chúng em được học thì việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều từ phương trình : - Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình như : U, F, Rưtông . Do vậy ta có các cách sau : Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng . Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng . Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông . Sau đây ta sẽ tìm hiểu các phương pháp : * ) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng : Ta có từ thông được giữ không đổi . Điện áp phần ứng được cấp từ bộ biến đổi. Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau , song song nhau như hìng vẽ đường đặc tinh cơ trên . Như ta biết điện áp chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U < Udm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ . Quá trình điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng đựoc giải thích như sau : Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 trên phần ứng. Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm việc từ điểm A có tốc độ lơn hơn vA trên đương 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn (vA vI . Phương pháp này có những đặc điểm sau : - Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ . - Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. - Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh . - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như nhau . Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh .Do vậy sai số tốc độ tương đối ( sai số tĩnh ) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh . - Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể : D ~ 10 : 1 - Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm ( vì chỉ có thể thay đổi với Uư <Iđm) - Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra. * ) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp : * ) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông : Muốn thay đổi từ thông động cơ , ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ . Rõ ràng , Phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ ( Ikt < Iktđm ) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông , đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Ta có họ đặc tính cơ khi khi giảm từ thông như hình vẽ trên. Phương pháp này cũng có những đặc điểm sau : - Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn . - Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh : D ~ 3 : 1 - Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này . - Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính cơ sẽ cắt nhau và do vậy , với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm , còn ở vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải . Thực tế , phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức . - Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là ( 1 ữ 10)% dòng định mức của phần ứng . Tổn hao điều chỉnh thấp rất kinh tế. * ) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp : * ) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng : Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng . Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng được biểu diễn như trên. Đặc điểm của phương pháp này là: - Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn ( càng mềm), độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. - Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm ( do chỉ có thể tăng thêm điện trở ). - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh là khá lớn . - Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải . Tải càng nhỏ ( M1 ) thì dải điều chỉnh D càng nhỏ . Nói chung phương pháp này cho : D ~ 5 : 1 - Về nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở nhưng vì dòng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường th._.