Giáo trình Máy điện 1- Chương 5: Động cơ điện một chiều

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Đại cương động cơ điện một chiều, động cơ một chiều kích từ song song, động cơ một chiều kích từ nối tiếp, động cơ một chiều kích từ hỗn hợp, ảnh hưởng của mạch từ bão hòa, khởi động động cơ một chiều, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Mời các bạn tham khảo

Cả hai chế độ làm việc, dây quấn phần ứng của máy điện một chiều đều quay trong từ trường và có dòng điện chạy qua Như vậy, công thức sđđ cảm ứng và moment điện từ cũng giống như chế độ máy phát

Sđđ phần ứng của động cơ điện một chiều tính theo công thức (6.3) :

Phương trình cân bằng điện áp của động cơ theo công thức (6.6) :

æ mæ

E

6.2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG

6.2.1 Mạch điện tương đương và các phương trình

Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều kích từ song song có cực

từ phụ và dây quấn bù được trình bày trên hình 6.2; với các ký hiệu tương tự như máy phát, ta có các phương trình cân bằng là:

mt t

âc t

R

UR

6.2.2 Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ n = f(I t )

Đặc tính tốc độ theo dòng kích từ là đường cong quan hệ giữa tốc độ theo

dòng điện kích từ n = f(I t ), khi dòng điện điện

phần ứng Iư = const và điện áp U = const

k

IRU

n  với   0 (6.3b)

Theo biểu thức (6.3a), tốc độ tỉ lệ nghịch

với từ thông  It); trong khi đó quan hệ  It) có dạng đường cong từ hóa B(H) Vậy n = f(It) có dạng hypebôn như trình bày trên hình 6.3

Từ đặc tính này cho thấy, để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ song song ta điều chỉnh dòng điện kích từ It Đây là ưu điểm động cơ điện một chiều so với

động cơ điện xoay chiều

I

B+P

+Nguồn

R đc = 0

Đó là đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mômen n = f(M), khi

dòng điện kích từ It = const và điện áp U = const Rút dòng điện Iư từ công thức (6.1b) và thay vào (6.3b), ta có biểu thức đặc tính cơ của động cơ điện một chiều như sau:

M

Rk

Nếu mômen cản M2 = 0 và M0 = 0 thì dòng điện Iư = 0, động cơ quay với tốc

độ không tải lý tưởng (hình 6.4):

Φ

1 E

E

o mæ

Từ công thức (6.4), ta thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có ba phương pháp :

1 Điều chỉnh điện áp U đặt vào mạch phần ứng

2 Điều chỉnh từ thông  tức điều chỉnh dòng điện kích từ

3 Điều chỉnh điện trở phụ Rp mắc nối tiếp với mạch phần ứng

Tóm lại, tốc độ của động cơ điện một chiều sẽ được thay đổi khi điều chỉnh điện áp U, từ thông  (tức dòng điện kích từ It) và điện trở phụ Rp, điều đó sẽ được đề cập ở phần sau

Một máy điện một chiều kích từ song song có Pđm = 12kW, điện áp Uđm = 100V, nđm = 1000vòng/ph, Rmư = 0,1 Dây quấn kích từ song song có điện trở Rt

= 80 và số vòng của dây quấn kích thích Nt = 1200vòng/cực từ, dòng kích từ là 1A Máy được cung cấp nguồn một chiều có điện áp 100V và làm việc ở chế độ động cơ Khi không tải động cơ quay 1000 vòng /phút và dòng điện phần ứng là 6A

Đặc tính từ hóa khi 1000 vòng/phút cho ở bảng sau:

a Cho rằng từ thông trong khe hở không khí như lúc không tải

b Cho rằng từ thông trong khe hở không khí giảm 5% khi dòng trong dây quấn phần ứng là định mức

4 Xác định moment khởi động nếu dòng điện khởi động phần ứng bị giới hạn bằng 150% của trị số định mức trong các trường hợp:

a Bỏ qua phản ứng phần ứng

b Phản ứng phần ứng tương ứng dòng điện kích từ It.pư = 0,16 A

Bài Giải

1 Tính trị số điện trở điều chỉnh R đc của mạch kích từ song:

Khi không tải, dòng điện Iư = 6A

Eư = U - IưRmư = 100 - 6 x 0,1 = 99,4 V

Từ đặc tính từ hóa cho ở bảng, sđđ Eư = 99,4V và tốc độ 1000 vòng/phút có dòng điện khích từ It = 0,99A Điện trở của mạch kích từ song song :

99,0

100

=

=+

=

t

t t âc mt

I

URRR

Điện trở điều chỉnh của mạch kích từ song song :

âm E

k

nkE

Φ



 1000 885,31

4,99

88n

,92

12088I

EM

%10012099

6,9963

%100η

1

PP

b Có phản ứng phầm ứng : đm = 0,950

âm âm E

E

æâm

æ

nk

nkE

=88

4,

95,0

14,99

,97

12088I

EM

%10012099

6,9963100

6.3 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

6.3.1 Mạch điện tương đương và các phương trình

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

Vì dòng kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vòng dây và điện trở nhỏ Mạch điện tương đương trình bày trên hình 6.5 và gọi Rn là điện trở của dây quấn kích từ nối tiếp

Các phương trình cân bằng là :

æ

n II

nkIRU

1

RMk

kk

Un

E

mæ

M E

Vậy đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp

có dạng hypebôn như trình bày trên hình 6.6 Khi tốc

độ n = 0 moment khởi động Mk của động cơ kích

thích nối tiếp có giá trị rất lớn Khi tải giảm nhiều, Iư

nhỏ,  nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh Đặc biệt lúc

động cơ không tải, dòng điện Iư = I0 rất nhỏ khiến

tốc độ quá lớn, rất nguy hiểm Vì vậy cần phải vận

DC

hành động cơ kích từ nối tiếp sao cho tình trạng khởi động không tải hoặc làm việc không tải không xảy ra; và cũng cần tránh động cơ làm việc quá non tải

Khi dòng điện Iư lớn, mạch từ bão hòa, từ thông (Iư) tăng chậm hơn nghĩa là

(Iư) < kIæ nên đặc tính ở trên hypebôn đó

6.4 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP

6.4.1 Mạch điện tương đương và các phương trình

Giống máy phát kích từ hỗn hợp, trên mỗi cực từ mang hai dây quấn kích từ : song song có điện trở Rts; nối tiếp có điện trở Rtn

Từ hình 6.7, ta viết được các phương trình làm việc là:

t

æ II

t t

)ΦΦ(Ω)

ΦΦ

E æ mæ

Trong biểu thức (6.13) dấu (+) ứng với hỗn hợp cộng; dấu (-) ứng với hỗn hợp trừ Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp trừ ít được dùng vì không ổn định Lúc này điện trở mạch phần ứng có cả điện trở dây quấn kích từ nối tiếp

)ΦΦ(

)(

)ΦΦ

n æ

n s

MRRk

Un

Hình 6.7 Mạch tương đương của động cơ kích từ hỗn hợp

6.5 ẢNH HƯỞNG CỦA MẠCH TỪ BÊO HÒA

Do ảnh hưởng của bêo hòa mạch từ mă từ thông cực từ không tỉ lệ stđ sinh ra

nó Vì vậy để tính toân chính xâc

mômen vă tốc độ động cơ trong

những điều kiện lăm việc khâc

nhau đòi hỏi phải sử dụng đường

cong từ hóa, như trình băy trín

hình 6.9 Đường cong từ hóa cụ

thể của mây điện được cho bởi nhă

sản xuất

Stđ tổng trong cực từ bao gồm stđ dđy quấn kích từ song song, dđy quấn kích

từ nối tiếp vă phản ứng phần ứng tương đương Trong trường hợp chung stđ tổng lă:

ư n t tổng• F F F

Trong đó: Ftổng = stđ tổng (A-t/cực từ)

Ft = stđ kích từ song song NtIt (A-t/cực từ)

Fn = stđ kích từ nối tiếp NnIư (A-t/cực từ)

Fư = stđ do phản ứng phần ứng qui đổi về cực từ (A-t/cực từ) Chú ý: Cho rằng stđ Fư tỉ lệ với dòng điện phần ứng, mặc dầu điều đó không chính xâc lắm Vă nếu mây có sử dụng dđy quấn bù thì bỏ qua phản ứng phần ứng (xem như Fư = 0) Lấy dấu “+” hoặc “-” trong công thức (6.15) lă phụ thuộc văo kiểu đấu của dđy quấn khích từ nối tiếp

Khi biết được ảnh hưởng của câc trị số khâc đến từ trường cực từ vă dòng điện phần ứng đến mômen điện từ vă tốc độ quay của mây, điều đó thuận tiện cho việc

sử dụng câc công thức (6.1b) vă (6.3d) để lập tỉ số sau đđy:

Hình 6.8 Câc đặc tính cơ của động cơ một chiều

(1) Kích từ song song; (2) Kích từ nối tiếp; (3) Kích từ hỗn

 

 212

1

Φ

Φ

æ M

æ M

Ik

IkM

mæ æ

k

RIUk

RIU

2 1

mæ æ

RIU

BB

RIUn

Bài giải

a Dòng điện phần ứng:

Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.2

IU

74640

ào

AR

UI

t

5,99

240 





Iưđm = Iđm - It = 137,84 – 2,41 = 135,43 A

b Điện trở và công suất của nó

Cho rằng stđ cuộn dây kích từ nối tiếp được thiết kế bù hết stđ do phản ứng phần ứng sing ra, do vậy stđ trong động cơ là ổn định và có stđ tổng là:

mæ æ

RIU

BB

RIUn

mæ æ

mæ æ

RIU

RIUn

nBB

 U

I

B+P

n+

KT Song song

0,56

0,70

0,60

 

0969,043,135240

0969,015,143,1352401150

25,1

11507

,0

Ft = Nt.It = 2,3 x 1000 = 2300 At/cực từ

N

FI

240

đc đc

I

UR

RR

VI

WI

Bài giải

a Dòng điện kích từ:

Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.3

AR

UI

t

2,49

240 





IU

PP

746125

Eư = U-Iư Rư = 240 – 450,09 x 0,0245 = 228,97 V

Pđt = Eư Iư = 228,97 x 450,09 = 103057 W

Nmn

P

850

059,1039500

2 1

09,45088,0

æ

æ

IB

08,396B

 U

I

B+P

n+

KT Song song 0,83

0,88

Chú ý: Công thức (1) là riêng cho bài toán này

2 1

mæ æ

RIU

BB

RIUn

mæ æ

mæ æ

RIU

RIUn

nBB

/0245,008,396240900

85088,

2

0352,04)8711,0(8711,

TT

B1 0,83 ; 0,043

Thay (2) vào công thức (1), ta có:

;47783

,0

08,396

043,0

08,396

Ta nói về toán học động cơ có thể làm việc với tốc độ 900vòng/phút ở từ cảm 0,83T hoặc 0,043T Khi máy làm việc ở từ cảm 0,043T thì dòng điện phần ứng là 9211A, tương đương trường hợp máy ngắn mạch; động cơ sẽ bị hỏng nếu thiết bị bảo vệ không cắt nó ngay ra khỏi lưới điện

Chọn từ cảm trong hai giá trị đáp ứng được điều kiện tải, từ cảm cao sẽ cho dòng điện phần ứng thấp, đó là điều kiện lựa chọn bắt buộc

Để tính B2 đơn giản, có thể sử dụng cách gần đúng, cho rằng điện áp I.R rơi trên mạch phần ứng nhỏ và bỏ qua trong mọi điều kiện tải Cơ sở của cách này là spđđ Eư = U – RưIư = const Như vậy dòng điện, Chương 4:

æ

æ

E

MnI



55,9

Nếu mômem M không đổi và Eư không đổi thì Iư  n:

An

nIII

In

n

æ æ æ

æ

477850

90009,450

1

2 1 2 1

e Tính điện trở mắc nối tiếp với dây quấn kích

Từ đường cong từ hóa hình VD 6.3 ứng với từ cảm 0,83 ta có stđ F = 4000At/cực từ

2 2

2

2 NtIt NnIæ 0,1.Nn.Iæ

NF

577

9,

Ω8,172,4958,3

t

I

UR

RR

UI

VÍ DỤ 6.4

Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 100hp, 650vòng/phút, 240V, hiệu suất định mức 89,6%, kích từ nối tiếp có số vòng 14vòng/cực từ và cho rằng stđ phản ứng phần ứng tương đương 8% stđ kích từ nối tiếp Các thông số động cơ như sau:

Sơ đồ mạch điện và đường cong từ hóa của động cơ như trên hình VD 6.4 Xác định tốc độ động cơ nếu giảm tải để dòng điện phần ứng giảm còn 30% dòng định mức

Bài giải

Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.4

AU

PI

Ftổng,1 = Fn – Fpư = Nn.Iư (1– 0,08)

Ftổng = 14 x 346,91x(1-0,08) = 4468,2 A-t/cực từ Với stđ Ftổng,1 và đường cong từ hóa của động cơ hình VD 6.4, ta có:

B1 = 0,87T

Gọi Ftổng,2 Stđ tổng sau khi thay đổi tốc độ:

Ftổng,2 = 0,30 x Ftổng,1 = 0,30 x 4468,2 = 1340,5 A-t/cực từ Với stđ Ftổng,2 và đường cong từ hóa của động cơ hình VD 6.4, ta có:

B1 = 0,34T

2 1

mæ æ

RIU

BB

RIUn

n

2 1

34,087

,0

0288,091,346240650

n2 = 1714 vòng/phút

6.6 KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Khởi động là quá trình đóng điện vào động cơ để động cơ làm việc

6.6.1 Khởi động trực tiếp

Ta có phương trình cân bằng điện áp ở mạch phần ứng của động cơ:

æ æ

æ R IE

Từ (6.20a), rút ra dòng điện phần ứng:

æ

æ æ

R

EU

Tải

Eư

Rmư

KT nối tiếp 0,34

0,87

Để hạn chế dòng điện khởi động, đạt IK = (1,5-2)Iđm, ta xét các biện pháp sau

VÍ DỤ 6.5

Một động cơ điện một chiều kích từ song song có công suất 11kW, 230V, 1750vòng/phút, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới là 56,2A Các thông số của động cơ là Rmư = 0,280Ω và Rt = 137Ω Hãy xác định (a) mômen định mức; (b) dòng điện phần ứng nếu rotor đứng yên khi chưa có điện trở khởi động; (c) điện trở mắc nối tiếp vào mạch phần ứng để giảm dòng điện khởi động và có mômen khởi động bằng 200% trị số mômen định mức; (d) cho rằng hệ thống có điện áp giảm còn 215V, xác định mômen khởi động khi có điện trở khởi động trong điều kiện câu (c)

Bài giải

a Tính mômen định mức:

n 4

3 2 M

Hình 6.10 Dùng biến trở điều chỉnh tốc độ (khởi

động) động cơ kích từ song song

P

1750

1195009550

b Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.5a, ta có

AE

UI

æ

æ

28,0

0230R

c Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.7b, ta có

AR

UI

II

IM

M

æ æ æ

DC

 U=230V

I

B+P

n+

DC

RK

 U

I

B+P

n+

Tải

Eư

Rmư

(b)

Ω83,128,0109

0

I

RKMômen khởi động khi điện áp nguồn giảm còn 215V:

AR

UI

EUI

K æ

æ

83,128,0

0215R

æ t æ

M I I Ik

æ t

æ t

æ t

II

IIMMI

I

IIM

9,10157,160

6.6.3 Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào phần ứng

Phương pháp nầy được sử dụng khi có nguồn một chiều có thể điều chỉnh được điện áp Ví dụ trong hệ thống T - Đ (Thyristor - Động cơ) đang sử dụng phổ biến

6.7 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Đặc tính cơ của các loại động cơ một chiều trình bày trên hình 6.8, còn phụ tải khác nhau yêu cầu tốc độ khác nhau Vì vậy để phù hợp với tải cần phải điều chỉnh tốc độ động cơ lúc có tải

Từ công thức (6.14), ta viết lại như sau :

2 2

)ΦΦ(

)(

)ΦΦ(

Ω

n s M

p n æ

n s

MRRRk

Trong đó, Rp : điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng (Rp = RK, hình 6.10)

Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau :

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rp

6.7.1 Động cơ kích từ song song (độc lập)

Nếu thay đổi từ thông  bằng cách

thay đổi điện trở điều chỉnh Rđc để thay

đổi dòng điện kích từ It (hình 6.12) thì

ứng với các trị số khác nhau của Rđc ta

có các đặc tính cơ như trên hình 6.6 Các

đường đặc tính này có no > nođm, và sẽ

giao nhau trên trục hoành khi n = 0 :

m

Do điều kiện đổi chiều, các động cơ

thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh

tốc độ quay bằng phương pháp này trong

= 160Ω Hãy xác định (a) dòng điện phần ứng nếu mắc nối tiếp một điện trở vào mạch kích từ để điều chỉnh từ thông, khi đó từ thông giảm còn 75% trị số định mức và mômen tải giảm còn 50% định mức; và (b) tốc độ động cơ trong điều kiện câu (a)

 '' o

 ' o



âm



M(I ư ) (Iưđm

)



0

Hình 6.13 Đặc tính cơ của động cơ

điện một chiều kích từ song song với các It khác nhau

Hình 6.12 Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ kích từ song song

Iư

Rt

It

+Nguồn

DC

 U

I

B+P

n+

Tải

Eư

Rmư

Rđc

Bài giải

Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.6

a Điều kiện định mức:

AR

UI

II

IM

M

æ æ æ

æ

AM

M

Φ75,0

Φ5

,036

Từ công thức (6.3), lập tỉ số, ta có:

1 2

E

E

mæ æ

RIU

kk

RIUn

n



phuïtvgn

kk

E

/3399

37,036240

ΦΦ

.75,0

37,0242402500

2

1 2

DC

 U=240V

I

B+P

n+

Tải

Eư

Rmư

Rđc

b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U

Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cần hai nguồn: một nguồn

có thể điều chỉnh điện áp được để nối với mạch phần ứng và một nguồn khác nối với mạch kích từ Hệ thống truyền động T-Đ (Thyristor - Động cơ) như trình bày trên hình 6.14, đang sử dụng phổ biến Bộ biến đổi A và B được nối song song ngược, trong đó bộ B được dùng khi cần đổi chiều quay động cơ Điện áp một chiều Uc đặt vào phần ứng liên quan với U theo biểu thức:

Khi thay đổi U, có họ đặc tính cơ trình bày trên hình 6.15 Đường 1 ứng với

Uđm, đường 3 và 2 ứng với U3 < U2 < Uđm, còn đường 4 ứng với U4 > Uđm

VÍ DỤ 6.7

Hệ thống truyền động điện áp môt chiều (T - Đ) như trên hình 6.14 có động cơ điện một chiều kích từ độc lập với công suất phần ứng định mức 1600hp, 750V, 955vòng/phút Dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ khi tải định mức tương ứng là 1675A và 5,20A Động cơ có dây quấn bù và dây quấn kích từ riêng Dây quấn kích từ độc lập được cung cấp từ nguồn có điện áp 240V qua điện trở điều chỉnh Các thông số động cơ như sau:

Công suất yêu cầu của tải thay đổi tỉ lệ lập phương với tốc độ Hãy xác định mômen điện từ sinh ra khi làm việc ở tốc độ định mức; (b) mômen điện từ yêu cầu khi tốc độ bằng nửa định mức; (c) điện áp phần ứng cần có tốc độ bằng nửa định mức Cho rằng dòng điện kích từ định mức và dây quấn bù với cực từ phụ bù được phản ứng phần ứng khử từ

U đm 4

3 2

M đ

m

M(I ư ) (I ưđm

)

n

0

Hình 6.15Đặc tính cơ (tốc độ) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập với các U khác nhau

Hình 6.14 Dùng bộ biến đổi thyristor thay đổi UC để

điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

U 