Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các dây chuyền sản xuất công nghiệp đòi hỏi mức độ tự động hóa ngày càng cao với các hệ thống truyền động điện hiện đại nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng sản phẩm và tăng năng lực cạnh tranh. Trong số các cơ cấu công nghiệp nặng, cơ cấu nâng hạ cầu trục đóng vai trò nền tảng, được ứng dụng rộng rãi từ các hải cảng, khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp đến các công trường xây dựng. Cơ cấu này trực tiếp giải phóng sức lao động thủ công nặng nhọc của con người, đẩy nhanh tiến độ lưu thông hàng hóa và vật liệu, đồng thời đảm bảo an toàn lao động trong môi trường làm việc tải trọng lớn.
Mục tiêu chính của đề tài là tính toán và thiết kế hệ thống truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục hoàn chỉnh, khảo sát trên hai loại động cơ điện công nghiệp phổ biến:
- Động cơ điện một chiều (DC) kích từ song song.
- Động cơ điện xoay chiều (AC) không đồng bộ ba pha rotor dây quấn.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật được xác định gồm 4 nội dung trọng tâm:
- Xây dựng lý thuyết đặc tính cơ, đặc tính tốc độ và các trạng thái làm việc (mở máy, điều chỉnh tốc độ, các chế độ hãm) của hai loại động cơ.
- Tính toán các cấp điện trở phụ mở máy cho động cơ qua 3 cấp điện trở bằng phương pháp đồ thị phụ tải.
- Tính toán các trị số điện trở phụ đóng vào mạch phần ứng (đối với động cơ DC) hoặc mạch rotor (đối với động cơ AC) để điều chỉnh tốc độ nâng tải định mức ở các mức tốc độ yêu cầu ($n = \frac{1}{2} n_{đm}$ và $n = \frac{1}{4} n_{đm}$).
- Tính toán trị số điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch khi hạ tải thế năng với các mức tốc độ lần lượt là $n = 0,5 n_{đm}$, $n = \frac{1}{3} n_{đm}$ và $n = \frac{3}{2} n_{đm}$, đồng thời thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực điều khiển vận hành hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động điện điều khiển cơ cấu nâng hạ cầu trục công nghiệp.
- Phạm vi dữ liệu và không gian: Đồ án được thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Lưu Văn Quang, áp dụng trên bộ thông số kỹ thuật định mức cụ thể của hai động cơ DC công suất 94 kW và AC công suất 54 kW.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nội dung đồ án được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền động điện và máy điện chuyên sâu:
- Lý thuyết truyền động điện một chiều kích từ song song: Thiết lập phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng $U_{đm} = E_ư + R_ư I_ư$, biểu thức sức điện động $E_ư = K_E \Phi_{đm} n$, và biểu thức mô-men điện từ $M = K_M \Phi_{đm} I_ư$. Từ đó xây dựng phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ tổng quát:
$$n = \frac{U_{đm}}{K_E \Phi_{đm}} - \frac{R_ư + R_p}{K_E K_M \Phi_{đm}^2} M$$
- Lý thuyết máy điện không đồng bộ ba pha: Dựa trên sơ đồ thay thế một pha, hệ số quy đổi dòng điện ($K_{qđI}$) và hệ số quy đổi sức điện động ($K_{qđE}$) từ rotor về stator. Xây dựng phương trình đặc tính cơ theo cân bằng công suất điện từ chuyển đổi từ stator sang rotor:
$$M = \frac{3 R' U_{1p}^2}{\frac{n_0}{9,55} S \left[ \left(R_1 + \frac{R'}{S}\right)^2 + X_N^2 \right]}$$
Xác định các tham số tới hạn gồm độ trượt tới hạn $S_{max} = \pm \frac{R'}{\sqrt{R_1^2 + X_N^2}}$, mô-men tới hạn $M_{max} = \frac{3 U_{1p}^2}{2 \frac{n_0}{9,55} \left( \pm R_1 + \sqrt{R_1^2 + X_N^2} \right)}$, và phương trình Kloss rút gọn $M = \frac{2 M_{max}}{\frac{S}{S_{max}} + \frac{S_{max}}{S}}$ khi $R_1 \ll X_N$.
- Lý thuyết các trạng thái hãm trong truyền động điện: Khảo sát chi tiết 3 trạng thái hãm cơ bản phục vụ cơ cấu nâng hạ gồm hãm tái sinh (hãm máy phát khi tốc độ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng $n > n_0$), hãm ngược (do đảo chiều điện áp hoặc do tải thế năng kéo ngược khi đóng thêm điện trở phụ lớn), và hãm động năng (kích từ độc lập hoặc tự kích từ).
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp giải tích kết hợp phương pháp đồ thị: Sử dụng các phương trình toán học giải tích để xác định tọa độ các điểm đặc biệt (điểm không tải lý tưởng, điểm định mức, điểm tới hạn), sau đó dựng đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo trên mặt phẳng tọa độ $(M, n)$ và $(I_ư, n)$.
- Phương pháp đồ thị phân cấp điện trở mở máy: Dựng các tia khởi động qua các ngưỡng dòng điện/mô-men cho phép ($I_1, I_2$ hoặc $M_1, M_2$) để xác định chính xác các giá trị điện trở phụ mở máy từng cấp.
Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Bộ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn được giao trong nhiệm vụ đồ án:
| Đại lượng | Động cơ DC kích từ song song | Đại lượng | Động cơ AC không đồng bộ 3 pha |
|---|---|---|---|
| Công suất định mức ($P_{đm}$) | 94 kW | Công suất định mức ($P_{đm}$) | 54 kW |
| Điện áp định mức ($U_{đm}$) | 204 V | Điện áp pha định mức ($U_{1đm}$) | 400 V |
| Dòng điện định mức ($I_{đm}$) | 524 A | Số đôi cực từ ($2p$) | 10 |
| Dòng kích từ định mức ($I_{KTđm}$) | 5,8 A | Số vòng dây stator/rotor ($N_1/N_2$) | 68 / 34 vòng |
| Tốc độ định mức ($n_{đm}$) | 600 vòng/phút | Hệ số quấn dây ($K_{dq1}/K_{dq2}$) | 0,954 / 0,954 |
| - | - | Hệ số công suất ($\cos\varphi_{đm}$) | 0,844 |
| - | - | Số pha ($m_1$) | 3 |
| - | - | Điện trở stator ($R_1$) | 0,24 $\Omega$ |
| - | - | Điện trở rotor ($R_2$) | 0,05 $\Omega$ |
| - | - | Điện kháng stator ($X_1$) | 0,64 $\Omega$ |
| - | - | Điện kháng rotor quy đổi ($X_2$) | 0,054 $\Omega$ |
| - | - | Dòng điện không tải ($I_0$) | 34 A |
| - | - | Hiệu suất định mức ($\eta$) | 0,84 |
Thiết kế và tính toán kỹ thuật
Quy trình tính toán và thiết kế hệ thống truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục được triển khai theo hai mạch giải pháp kỹ thuật:
- Thiết kế truyền động dùng động cơ điện một chiều:
- Tính toán dòng điện phần ứng định mức: $I_{ưđm} = I_{đm} - I_{KTđm} = 524 - 5,8 = 518,2\text{ A}$.
- Xác định điện trở phần ứng: $R_ư = 0,01\ \Omega$.
- Xác định tốc độ không tải lý tưởng: $n_0 = 639\text{ vòng/phút}$.
- Xác định đường đặc tính cơ tự nhiên đi qua điểm không tải $(0; 639)$ và điểm định mức $(518,2\text{ A}; 600\text{ vòng/phút})$.
- Tính toán phân cấp điện trở mở máy qua 3 cấp theo phương pháp đồ thị: tổng trở khởi động từng nấc lần lượt là $R_{pI} = 0,273\ \Omega$, $R_{pII} = 0,587\ \Omega$, $R_{pIII} = 1,533\ \Omega$.
- Xác định giá trị điện trở phụ từng cấp: $R_{p1} = 0,273\ \Omega$, $R_{p2} = R_{pII} - R_{pI} = 0,314\ \Omega$, $R_{p3} = R_{pIII} - R_{pII} = 0,946\ \Omega$.
- Tính toán điện trở phụ hạ tải thế năng (mô-men cản $M_c = 0,9 M_{đm} = 1346\text{ N.m}$, hằng số $K_E \Phi_{đm} = 0,319$):
- Tốc độ $n_1 = -\frac{1}{2} n_{đm} = -300\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p1} = 0,654\ \Omega$.
- Tốc độ $n_2 = -\frac{1}{3} n_{đm} = -200\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p2} = 0,582\ \Omega$.
- Tốc độ $n_3 = -\frac{3}{2} n_{đm} = -900\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p3} = 1,087\ \Omega$.
- Thiết kế truyền động dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn:
- Tính toán tốc độ đồng bộ: $n_0 = \frac{60f}{p} = \frac{60 \times 50}{5} = 600\text{ vòng/phút}$ (với tần số $f = 50\text{ Hz}$, số đôi cực $p = 5$).
- Tính toán hệ số quy đổi sức điện động $K_{qđE} = \frac{U_{1đm}}{E_{2đm}} = \frac{N_1 K_{dq1}}{N_2 K_{dq2}} = \frac{68 \times 0,954}{34 \times 0,954} = 2$.
- Dựng đặc tính cơ tự nhiên từ các điểm đặc biệt: điểm đồng bộ $(M=0, n=n_0)$, điểm tới hạn $(M_{max}, S_{max})$, và điểm mở máy $(M_{mm}, S=1)$.
- Thiết lập quy trình phân cấp 3 nấc điện trở phụ mạch rotor qua đồ thị giới hạn mô-men $M_1 \le 0,85 M_{max}$ và $M_2 = (1,1 \div 1,3) M_c$.
- Xác định thông số điện trở đóng vào mạch rotor khi hạ tải thế năng ở chế độ hãm ngược (nằm ở góc phần tư thứ IV trên đồ thị đặc tính cơ) và hãm tái sinh.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực: Mạch động lực được thiết kế đồng bộ bao gồm hệ thống cầu dao cách ly, các cặp tiếp điểm công tắc tơ thuận (T) và ngược (N) có liên động cơ - điện để đảo chiều quay/đảo cực tính điện áp hoặc thứ tự pha, hệ thống công tắc tơ gia tốc (1G, 2G, 3G) nối song song với các cấp điện trở phụ $R_{p1}, R_{p2}, R_{p3}$ để tuần tự ngắn mạch các cấp điện trở trong quá trình khởi động và điều chỉnh tốc độ. Mạch hãm động năng được bố trí với tiếp điểm đóng cắt cấp nguồn DC vào stator hoặc mạch điện trở xả năng lượng.
Nội dung chính theo từng chương
Phần A - Chương 1: Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ song song
Chương này tập trung phân tích lý thuyết cơ bản về động cơ DC kích từ song song:
- Xây dựng phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ tự nhiên, chứng minh độ dốc của đường đặc tính cơ tự nhiên rất nhỏ ($a_{TN} = \frac{R_ư}{9,55 K_E^2 \Phi_{đm}^2}$), đường đặc tính có độ cứng cao.
- Phân tích ảnh hưởng của các tham số mạch điện:
- Khi thêm điện trở phụ $R_p$ vào mạch phần ứng: tốc độ không tải lý tưởng $n_0$ không đổi, độ dốc đặc tính tăng lên, tạo thành chùm đường thẳng hội tụ tại điểm $n_0$.
- Khi giảm điện áp phần ứng $U$: tốc độ không tải giảm, tạo thành họ đường đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên.
- Khi giảm từ thông kích từ $\Phi$: tốc độ không tải $n_0$ tăng và mô-men ngắn mạch giảm.
- Khảo sát các phương pháp đảo chiều quay bằng cách đảo cực tính điện áp phần ứng hoặc đảo chiều dòng điện kích từ.
- Phân tích quá trình mở máy: dòng mở máy trực tiếp rất lớn $I_{mm} = \frac{U_{đm}}{R_ư} = (20 \div 25) I_{đm}$, gây cháy cách điện, sụt áp lưới và biến dạng cơ học. Tác giả trình bày phương pháp đồ thị xác định điện trở mở máy 3 cấp dựa trên dòng điện giới hạn $I_1 = (1,8 \div 2,5) I_{đm}$ và dòng điện chuyển cấp $I_2 = (1,1 \div 1,3) I_{đm}$.
- Phân tích các trạng thái hãm: hãm tái sinh (xảy ra khi $n > n_0$), hãm ngược (đảo cực tính điện áp phần ứng hoặc đóng điện trở phụ lớn khi hạ tải thế năng), và hãm động năng (kích từ độc lập và tự kích từ).
Phần A - Chương 2: Tính toán hệ thống cầu trục nâng hạ tải dùng động cơ DC kích từ song song
Chương 2 thực hiện các phép tính số học cụ thể cho động cơ DC 94 kW:
- Tính toán điện trở phần ứng $R_ư = 0,01\ \Omega$, dòng phần ứng định mức $I_{ưđm} = 518,2\text{ A}$, tốc độ không tải $n_0 = 639\text{ vòng/phút}$.
- Xác định trị số 3 cấp điện trở mở máy: $R_{p1} = 0,273\ \Omega$, $R_{p2} = 0,314\ \Omega$, $R_{p3} = 0,946\ \Omega$.
- Tính toán chế độ nâng tải với mô-men định mức $M_{đm} = 1496\text{ N.m}$ ở các tốc độ $n_1 = \frac{1}{2} n_{đm} = 300\text{ vòng/phút}$ và $n_2 = \frac{1}{4} n_{đm} = 150\text{ vòng/phút}$.
- Tính toán chế độ hạ tải thế năng ở chế độ hãm ngược với mô-men cản tải $M_c = 0,9 M_{đm} = 1346\text{ N.m}$:
- Tốc độ hạ $n_1 = -300\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p1} = 0,654\ \Omega$.
- Tốc độ hạ $n_2 = -200\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p2} = 0,582\ \Omega$.
- Tốc độ hạ $n_3 = -900\text{ vòng/phút} \Rightarrow R_{p3} = 1,087\ \Omega$.
- Trình bày sơ đồ mạch động lực điều khiển mở máy 3 cấp và thay đổi tốc độ nâng hạ.
Phần B - Chương 3: Đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha
Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết và các trạng thái vận hành của động cơ AC ba pha:
- Đánh giá cấu tạo, ưu điểm (cấu tạo đơn giản, bền vững, giá thành thấp, dùng trực tiếp lưới xoay chiều) và nhược điểm (khó điều chỉnh tốc độ, dòng khởi động lớn $I_{mm} = (4 \div 7) I_{đm}$) của động cơ không đồng bộ.
- Xây dựng phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ tổng quát, xác định các điểm đặc biệt và công thức Kloss.
- Khảo sát ảnh hưởng của điện áp stator (mô-men tới hạn giảm theo bình phương điện áp), điện trở/điện kháng phụ stator, điện trở phụ rotor (giữ nguyên $M_{max}$ và $n_0$ nhưng tăng độ trượt tới hạn $S_{max}$), số đôi cực $p$ và tần số nguồn cấp $f$.
- Phương pháp phân cấp điện trở mở máy qua 3 cấp bằng đồ thị giới hạn mô-men $M_1$ và $M_2$.
- Khảo sát các chế độ hãm: hãm tái sinh (khi tăng số đôi cực hoặc đảo thứ tự pha khi hạ tải), hãm ngược (đảo thứ tự 2 trong 3 pha stator hoặc đóng điện trở phụ lớn vào mạch rotor khi hạ tải thế năng), hãm động năng kích từ độc lập (cấp DC vào stator) và tự kích từ (chỉnh lưu dòng cảm ứng rotor).
Phần B - Chương 4: Tính toán cơ cấu nâng hạ trục dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
Chương 4 thực hiện tính toán ứng dụng cho động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn 54 kW:
- Tính toán điện trở mở máy qua 3 cấp điện trở phụ khi động cơ kéo tải định mức.
- Tính toán giá trị điện trở phụ đóng vào mạch rotor để nâng tải ở các cấp tốc độ $\frac{1}{2} n_{đm}$ và $\frac{1}{4} n_{đm}$.
- Tính toán điện trở phụ đóng vào mạch rotor khi hạ tải thế năng ở các dải tốc độ $n = 0,5 n_{đm}$, $n = \frac{1}{3} n_{đm}$, $n = \frac{3}{2} n_{đm}$.
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực điều khiển mở máy 3 cấp điện trở và nâng hạ cầu trục đa cấp tốc độ bằng hệ thống công tắc tơ chuyên dụng.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán và thiết kế kỹ thuật chính của đồ án:
| Thông số và hạng mục tính toán | Động cơ DC kích từ song song (94 kW) | Động cơ AC không đồng bộ (54 kW) |
|---|---|---|
| Điện trở mở máy cấp 1 ($R_{p1}$) | 0,273 $\Omega$ | Tính theo phương pháp đồ thị rotor |
| Điện trở mở máy cấp 2 ($R_{p2}$) | 0,314 $\Omega$ | Tính theo phương pháp đồ thị rotor |
| Điện trở mở máy cấp 3 ($R_{p3}$) | 0,946 $\Omega$ | Tính theo phương pháp đồ thị rotor |
| Điện trở phụ hạ tải ở $n = 0,5 n_{đm}$ | 0,654 $\Omega$ (tại $n = 1/4 n_{đm}$) | Tính toán theo đặc tính hãm ngược |
| Điện trở phụ hạ tải ở $n = 1/3 n_{đm}$ | 0,582 $\Omega$ | Tính toán theo đặc tính hãm ngược |
| Điện trở phụ hạ tải ở $n = 3/2 n_{đm}$ | 1,087 $\Omega$ | Tính toán theo đặc tính hãm tái sinh |
| Giải pháp hãm hạ tải thế năng | Hãm ngược (đóng $R_p$) / Hãm tái sinh | Hãm ngược rotor / Hãm tái sinh |
| Sơ đồ mạch động lực | Sơ đồ đảo chiều tiếp điểm T-N, 3 cấp tiếp điểm gia tốc 1G-2G-3G | Sơ đồ đảo pha stator, 3 cấp tiếp điểm cắt điện trở rotor |
Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:
- Giải pháp hạn chế dòng mở máy: Đề xuất sử dụng hệ thống điện trở phụ phân cấp cắt dần qua 3 nấc điều khiển bởi công tắc tơ gia tốc, đưa dòng điện khởi động về dải an toàn cho phép ($I_1 \le 2,5 I_{đm}$).
- Giải pháp điều khiển hạ tải thế năng an toàn: Sử dụng trạng thái hãm ngược khi đóng thêm điện trở phụ có trị số lớn vào mạch phần ứng/rotor để ghìm tải hạ ổn định ở tốc độ thấp, kết hợp trạng thái hãm tái sinh khi hạ tải ở tốc độ cao ($n > n_0$) nhằm trả năng lượng về nguồn điện.
- Thiết kế mạch động lực hoàn chỉnh: Tích hợp đầy đủ các khâu liên động an toàn chống ngắn mạch nguồn khi đảo chiều và tự động hóa quá trình tăng tốc theo các cấp điện trở.
Đóng góp của đồ án: Đồ án đã cung cấp một tài liệu tính toán và thiết kế kỹ thuật chi tiết, hoàn chỉnh và có tính đối sánh trực tiếp giữa hai giải pháp truyền động kinh điển (động cơ điện một chiều và động cơ xoay chiều ba pha rotor dây quấn) cho cơ cấu nâng hạ cầu trục công nghiệp nặng, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về mở máy, điều chỉnh tốc độ và hãm dừng an toàn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài:
- Đồ án tập trung vào phương pháp điều khiển truyền động cổ điển sử dụng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch rotor. Phương pháp này có nhược điểm tiêu hao năng lượng nhiệt lớn trên các điện trở phụ khi vận hành kéo dài ở tốc độ thấp.
- Chưa khảo sát và tính toán ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất hiện đại (như bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor cho động cơ DC hoặc bộ biến tần bán dẫn VFD cho động cơ AC) do giới hạn nội dung đồ án môn học truyền động điện cơ bản.
- Mạch điều khiển dừng lại ở mức thiết kế nguyên lý rơ-le - công tắc tơ truyền thống, chưa tích hợp các bộ điều khiển lập trình logic (PLC) hay các cảm biến giám sát vị trí, tốc độ hiện đại.
Hướng phát triển tiếp theo:
- Nghiên cứu thay thế phương pháp điều khiển điện trở phụ bằng hệ thống truyền động xoay chiều sử dụng biến tần (Inverter/VFD) với luật điều khiển vector không gian hoặc điều khiển trực tiếp mô-men (DTC).
- Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp màn hình giám sát HMI và cảm biến tải trọng để nâng cao độ chính xác điều khiển và mức độ an toàn tự động hóa cho cầu trục.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên và giảng viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện tự động công nghiệp, Thiết bị điện và Tự động hóa trong quá trình thực hiện đồ án môn học Truyền động điện, Đồ án Thiết kế máy điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp về hệ thống cầu trục, cổng trục, thang máy.
- Kỹ sư vận hành, thiết kế tại các nhà máy, xí nghiệp, cảng biển đang sử dụng các hệ thống cầu trục trang bị động cơ điện DC hoặc động cơ không đồng bộ rotor dây quấn mở máy qua điện trở phụ.
- Các phần có giá trị tham khảo cao: Phương pháp xây dựng đồ thị đặc tính cơ, các bước giải tích và dựng hình tính toán phân cấp điện trở mở máy, cùng công thức xác định điện trở phụ cho các chế độ làm việc đặc biệt (hạ tải thế năng, hãm ngược, hãm tái sinh, hãm động năng).
Câu hỏi thường gặp
1. Thông số kỹ thuật định mức của động cơ điện một chiều kích từ song song trong đồ án là bao nhiêu?
Theo bảng số liệu nhiệm vụ đồ án, động cơ DC kích từ song song có công suất định mức $P_{đm} = 94\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 204\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 524\text{ A}$, dòng điện kích từ định mức $I_{KTđm} = 5,8\text{ A}$, và tốc độ định mức $n_{đm} = 600\text{ vòng/phút}$.
2. Tại sao phải mở máy động cơ DC qua các cấp điện trở phụ và dòng mở máy trực tiếp lớn gấp bao nhiêu lần định mức?
Khi mở máy, tốc độ $n = 0$ nên sức điện động phần ứng $E_ư = 0$. Do điện trở phần ứng $R_ư$ rất nhỏ ($R_ư \approx 0,04 \div 0,05\text{ p.u}$), dòng mở máy trực tiếp $I_{mm} = \frac{U_{đm}}{R_ư}$ sẽ đạt giá trị rất lớn, gấp từ $20 \div 25$ lần dòng định mức ($I_{đm}$). Dòng điện quá lớn này sẽ gây cháy cách điện dây quấn, gây sụt áp nghiêm trọng trên lưới điện và sinh ra lực điện động làm biến dạng cơ cấu cơ khí của rãnh rotor. Do đó, bắt buộc phải nối thêm các cấp điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế dòng mở máy ban đầu trong giới hạn an toàn $I_1 = (1,8 \div 2,5) I_{đm}$.
3. Kết quả tính toán điện trở phụ mở máy qua 3 cấp cho động cơ DC kích từ song song là bao nhiêu?
Dựa trên phương pháp đồ thị phụ tải với dòng điện phần ứng $I_{ưđm} = 518,2\text{ A}$ và $n_0 = 639\text{ vòng/phút}$, các giá trị điện trở phụ mở máy tính được cho động cơ DC gồm:
- Cấp 1: $R_{p1} = 0,273\ \Omega$.
- Cấp 2: $R_{p2} = 0,314\ \Omega$ (tổng trở nấc II là $R_{pII} = 0,587\ \Omega$).
- Cấp 3: $R_{p3} = 0,946\ \Omega$ (tổng trở nấc III là $R_{pIII} = 1,533\ \Omega$).
4. Khi hạ tải thế năng với mô-men cản $M_c = 1346\text{ N.m}$, giá trị điện trở phụ mạch phần ứng động cơ DC cần đóng vào là bao nhiêu?
Khi hạ tải thế năng ở chế độ hãm ngược với $M_c = 1346\text{ N.m}$ ($0,9 M_{đm}$), các giá trị điện trở phụ cần đóng vào mạch phần ứng tương ứng với các tốc độ hạ gồm:
- Tốc độ hạ $n_1 = -300\text{ vòng/phút}$ ($\frac{1}{2} n_{đm}$): $R_{p1} = 0,654\ \Omega$.
- Tốc độ hạ $n_2 = -200\text{ vòng/phút}$ ($\frac{1}{3} n_{đm}$): $R_{p2} = 0,582\ \Omega$.
- Tốc độ hạ $n_3 = -900\text{ vòng/phút}$ ($\frac{3}{2} n_{đm}$): $R_{p3} = 1,087\ \Omega$.
5. Động cơ không đồng bộ ba pha được khảo sát các trạng thái hãm nào và trạng thái nào được dùng để hạ tải thế năng ổn định?
Đồ án khảo sát 3 trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ ba pha gồm: hãm tái sinh, hãm ngược (bằng cách đảo thứ tự 2 trong 3 pha stator hoặc đóng thêm điện trở phụ lớn vào mạch rotor), và hãm động năng (kích từ độc lập bằng nguồn DC hoặc tự kích từ qua chỉnh lưu dòng cảm ứng). Để hạ tải thế năng ổn định ở dải tốc độ thấp, phương pháp hãm ngược bằng cách đóng thêm điện trở phụ lớn vào mạch rotor được sử dụng (điểm làm việc nằm ở góc phần tư thứ IV trên đặc tính cơ), tại đó mô-men điện từ của động cơ cân bằng với mô-men do tải trọng thế năng gây ra ($M_đ = M_c$) để ghìm tải hạ xuống đều đặn.
Kết luận
Đồ án môn học Truyền động điện của sinh viên Nguyễn Thế Duy và Nguyễn Duy Phụng đã giải quyết trọn vẹn và chuẩn xác bài toán tính toán, thiết kế hệ thống truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục công nghiệp. Nghiên cứu đã xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết vững chắc về đặc tính cơ, đặc tính tốc độ và các trạng thái hãm của cả hai dòng động cơ DC kích từ song song (94 kW) và AC không đồng bộ ba pha rotor dây quấn (54 kW). Các kết quả tính toán định lượng về phân cấp điện trở mở máy 3 cấp, điện trở điều chỉnh tốc độ nâng tải và hạ tải thế năng cùng sơ đồ nguyên lý mạch động lực có độ tin cậy cao, mang giá trị ứng dụng thực tiễn và giá trị tham khảo học thuật rõ rệt cho chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa.