Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài 10: Máy điện một chiều - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 10
408001
Biến đổi năng lượng điện cơ
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK2
2Bài giảng 10

 Máy một chiều là một thiết bị đa dụng với các đặc tính cơ 
ưu việt. Điều khiển tốc độ dễ dàng là một trong những ưu 
điểm. Cả dây quấn stato (kích từ) lẫn rôto (phần ứng) đều 
tiêu thụ dòng điện một chiều tại đầu cực.

 Với cùng chỉ tiêu kỹ thuật, các máy một chiều đắt tiền hơn 
các máy xoay chiều. Dây quấn kích từ trong các máy một 
chiều nhỏ có thể là nam châm vĩnh cửu.

 Dây quấn kích từ trên stato được kích thích bởi dòng một 
chiều, hoặc có thể dùng nam châm vĩnh cửu, để tạo một từ 
trường đứng yên.
Máy điện một chiều – Giới thiệu
3Bài giảng 10

 Dòng điện rôto được cung cấp thông qua các chổi than và
bộ cổ góp. Bộ cổ góp sẽ đổi chiều dòng điện trong các cạnh 
cuộn dây để từ trường rôto và stato luôn vuông góc nhau. 
Điều này giúp cực đại hóa mômen sinh ra với một dòng điện 
đã cho, và đơn giản hóa các yêu cầu điều khiển của máy.

 Các động cơ vạn năng cũng có thể làm việc với điện áp 
AC, mặc dù được phân loại là động cơ DC.
Máy điện một chiều – Giới thiệu (tt)
4Bài giảng 10

 Thường được phân loại theo cách kích từ: kích từ độc lập, 
kích từ song song, kích từ nối tiếp, và kích từ hỗn hợp.

 Với máy kích từ độc lập, nguồn kích từ có thể là một 
nguồn điện, hoặc là một nam châm vĩnh cửu.

 Động cơ vạn năng có thể làm việc với nguồn DC lẫn AC, 
nhưng bản chất là một động cơ DC kích từ nối tiếp.

 Với những tiến bộ về điện tử công suất, động cơ DC 
không chổi than đang ngày càng phát triển.
Phân loại
5Bài giảng 10
Cấu tạo máy một chiều
Ổ đỡ
Phần ứng có
nghiêng rãnh
Cổ góp

 Mạch từ phần ứng ghép từ nhiều 
lá mỏng, có các rãnh rôto. Mỗi 
cạnh cuộn dây được đặt trong một 
rãnh và nối với một phiến góp. 
Luôn luôn có 2 cạnh cuộn dây nối 
vào một phiến góp, để tạo thành 
dây quấn xếp hoặc sóng.

 Mạch từ phần cảm không 
cần ghép từ lá mỏng, vì chỉ
có kích thích một chiều. Lõi 
thép này được gắn cố định 
vào khung máy.
6Bài giảng 10
Cấu tạo máy một chiều (ảnh chụp phần cảm)
7Bài giảng 10
Cấu tạo máy một chiều (ảnh chụp phần ứng)
8Bài giảng 10
Dây quấn xếp
Dây quấn xếp và dây quấn sóng
Dây quấn sóng
9Bài giảng 10

 Xét máy một chiều đơn giản nhất 
với sơ đồ như hình bên phải.

 Mỗi cạnh cuộn dây được nối vào 
một phiến góp.

 Khi một cạnh cuộn dây chuyển từ cực 
từ này sang cực từ kia, phiến góp của nó
cũng chuyển sang chổi đối diện. Điều này 
làm đổi chiều dòng điện chạy trong cạnh 
cuộn dây đó, dẫn đến mômen tác động 
lên cạnh cuộn dây giống như cũ.
Nguyên tắc hoạt động
Cực từ
Cuộn dây
rôto
Cổ góp
Chổi

 Từ pp đồng năng lượng, mômen là ( ) ( )θ
θθ
d
dLiiiiT srsrsr
e
=,,
10Bài giảng 10

 Các máy một chiều thực có nhiều phiến góp và cuộn dây 
rôto (Hình 8.4). Phiến góp hoạt động sao cho luôn tạo ra một 
trục từ phần ứng vuông góc với trục từ kích từ  mômen 
không đổi.

 Nói chung, mômen sinh ra tỷ lệ với các dòng điện phần 
ứng và kích từ:
Một máy một chiều thực tế hơn
fa
e iGiT =

 Dưới đây là mạch tương đương cùng với các phương 
trình động học:
11Bài giảng 10
Một máy một chiều thực tế hơn (tt)

 Mạch tương đương và các phương trình động học:
dt
di
LiRv fffff +=
fm
a
aaaa iGdt
di
LiRv ω++=
Gωmif
La Ra
va
+
_
ia
Rf
Lf
+
_
vf
if
Sức phản điện động
12Bài giảng 10

 Xét điều kiện vận hành với điện áp và tốc độ không đổi, ở
trạng thái xác lập, các quan hệ công suất là
Một máy một chiều thực tế hơn (tt.)
famaaaaa IIGIRIVP ω+==
2
2
fffff IRIVP ==
mfam
e
m IGITP ωω ==
Công suất phần ứng
Công suất kích từ
Công suất cơ

 Có thể thấy rằng công suất cơ được tạo ra từ công suất 
phần ứng. Điều này cho phép sử dụng nam châm vĩnh cửu 
trong dây quấn kích từ của máy nhỏ.
13Bài giảng 10

 Các dây quấn kích từ và phần ứng được cung cấp bởi các 
nguồn riêng biệt. Dây quấn kích từ thường được nối với một 
nguồn áp không đổi, tạo ra một từ trường không đổi. Tốc độ
và mômen của máy được điều khiển bởi dòng điện phần ứng.

 Ở trạng thái xác lập, các quan hệ sau được thỏa mãn
Máy kích từ độc lập
loadafm TIGIB −=ω fmaaa IGIRV ω+=
dẫn đến
a
fma
a R
IGV
I
ω−
=
a
fma
f
e
R
IGV
GIT
ω−
=
Mômen-tốc độ
14Bài giảng 10
Đặc tính cơ

 Đặc tính mômen – tốc độ thường được gọi là đặc tính cơ, 
là một đường thẳng trong trường hợp máy DC, và dưới một 
dạng khác
( ) ( ) ef
a
m
e
f
a
f
a
m TGI
RT
GI
R
GI
V
202 −=−= ωω

 Chế độ hãm diễn ra khi công suất được đưa vào máy ở cả
phần ứng (Pa > 0) lẫn trục máy (Pm < 0), và toàn bộ công 
suất này được tiêu tán trên điện trở phần ứng Ra.
15Bài giảng 10

 Chế độ máy phát tương ứng với Pm < 0 và Pa < 0, và chỉ xảy ra 
khi ωm > Va/(GIf). Chế độ động cơ xảy ra khi Pa > 0 và Pm > 0
(Hình 8.7).
Đặc tính cơ (tt)
ωm
Te
Tăng Va

 Bằng cách cho dPm/dωm = 0 và
giải theo ωm, có thể xác định tốc độ
ứng với công suất cực đại
f
a
mP GI
V
2
=ω
a
a
m R
V
P
4
2
max
=và

 Tốc độ có thể được điều chỉnh nhuyễn bằng cách thay đổi điện 
áp phần ứng Va (hình trên).
16Bài giảng 10
Ví dụ 8.1
 Động cơ DC kích từ độc lập có Va = 300 V và dòng phần 
ứng định mức là 60 A. Điện trở phần ứng là 0,2 Ω, dòng kích 
từ If = 2 A và G = 1,5 H. Tìm tốc độ và công suất điện từ (tính 
bằng HP).
( ) fmaaa IGIRV ω=−=− 2,060300

 Từ phương trình điện áp

 Suy ra tốc độ động cơ
( )
( ) rad/s 9625,1
2,060300
=
−
=mω
17Bài giảng 10
Ví dụ 8.1 (tt)
( )( ) N.m 1806025,1 === afe IGIT

 Tốc độ tính bằng vòng/phút:

 Công suất điện từ tương ứng:
( )
HP 16,23
 W1728096180
=
=== m
e
m TP ω
( ) ( ) 7,916
2
9660
2
60
===
pipi
ωmn vòng/phút

 Mômen điện từ:
18Bài giảng 10

 Cuộn dây kích từ và phần ứng nằm nối tiếp nhau, tạo 
thành mạch tương đương dưới đây.
Máy kích từ nối tiếp
Gωmi
La + Lf Ra + Rf
v
+
_
i
( ) ( ) iG
dt
diLLiRRv mfafa ω++++=
2GiT e =

 Vận hành xác lập với điện áp 
không đổi được mô tả bởi
( )
mfa GRR
VI
ω++
=
( )[ ]2
2
mfa
e
GRR
VGT
ω++
=
ωm
Te
Tăng V
19Bài giảng 10
Ví dụ 8.2
 Động cơ DC kích từ nối tiếp 220 V tiêu thụ dòng điện 25 A 
và quay với tốc độ 300 vòng/phút. Điện trở phần ứng là 0,6 
Ω và điện trở kích từ là 0,4 Ω. Tính công suất ra đầu trục để
kéo một tải quạt và mômen của máy.
( ) ( ) IGIRRV mfaa ω=+−=+− 4,06,025220

 Từ phương trình điện áp

 Công suất do động cơ tạo ra:
( ) ( ) HP 54,6 W488025195 ==== IIGP mm ω
20Bài giảng 10
Ví dụ 8.2 (tt)
( )
rad/s 42,31
60
3002
60
2
===
pipi
ω
n
m

 Tốc độ động cơ tính bằng rad/s:

 Mômen của động cơ:
N.m 3,155
42,31
4880
===
m
me PT
ω
21Bài giảng 10

 Các động cơ vạn năng thực chất là các động cơ một 
chiều kích từ nối tiếp, có thể làm việc với nguồn AC lẫn DC. 
Khi được cấp nguồn AC, điện cảm của các dây quấn nên 
được xem xét.

 Vận hành xác lập có thể được mô tả bởi
Động cơ vạn năng
( ) ( ) 222
efamfa LLGRR
VI
ωω ++++
=
( ) ( ) 222
2
2
efamfa
e
av LLGRR
GVGIT
ωω ++++
==
với ωe là tần số điện (rad/s).
22Bài giảng 10
Động cơ vạn năng (tt)

 Với đặc tính cơ của một động cơ kích từ nối tiếp, động cơ 
vạn năng rất thích hợp cho các máy công cụ, như máy xay, 
khoan điện, vì dải tốc độ làm việc rất rộng và khả năng thích 
ứng với các mômen thay đổi rộng, trong khi công suất làm 
việc gần như không đổi trong dải tốc độ làm việc.

 Điện áp vào AC có thể được cắt pha bằng các mạch SCR 
hay triac để giảm giá trị hiệu dụng của dòng điện, từ đó giảm 
mômen sinh ra.
23Bài giảng 10

 Trong các máy kích từ song song, cuộn dây kích từ và phần 
ứng được nối song song, tạo thành mạch tương đương dưới 
đây (ở chế độ động cơ).
Máy kích từ song song
La Ra
Rf
Lf
ia
i
+
_
v
if
Gωmif
dt
di
LiRv ffff +=
fm
a
aaa iGdt
di
LiRv ω++=
fa
e iGiT =
24Bài giảng 10
Máy kích từ song song (tt)

 Khi vận hành xác lập với điện áp ngõ vào không đổi v = V,
f
f R
VI =
a
fm
a R
IGV
I
ω−
=
af
mf
fa
e
RR
GR
GVIGIT 2
2 ω−
==

 Việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện tốt nhất bằng cách 
nối một điện trở với dây quấn kích từ.
25Bài giảng 10
Ví dụ 8.3
 Động cơ DC ở ví dụ 8.1 được nối thành dạng kích từ song 
song như hình 8.13, tiêu thụ 30 A. Điện trở kích từ là 100 Ω. 
Tính tốc độ, công suất điện từ, và mômen của động cơ.
A 3
100
300
==fI

 Dòng điện kích từ:

 Dòng điện phần ứng:
A 27330 =−=−= fa III
26Bài giảng 10
Ví dụ 8.3 (tt)

 Từ phương trình điện áp

 Do đó:
( ) fmaaa IGIRV ω=−=− 2,027300

 Suy ra, tốc độ của động cơ:
( )
( ) rad/s 5,6535,1
2,027300
=
−
=mω
( ) ( ) 625
2
5,6560
2
60
===
pipi
ωmn vòng/phút
27Bài giảng 10
Ví dụ 8.3 (tt)

 Công suất điện từ của động cơ:
( ) ( ) W7954276,294 === afmm IIGP ω

 Mômen điện từ của động cơ:
N.m 4,121
5,65
7954
===
m
me PT
ω
28Bài giảng 10

 Một máy kích từ song song có thể vận hành như một máy 
phát, với một tải RL nối giữa các cực máy như dưới đây.
Máy phát kích từ song song
dt
di
LiRv ffff +=
dt
diLiRiGv aaaafm −−= ω

 Khi vận hành xác lập với điện áp ngõ ra không đổi v = V,
La Ra
Rf
Lf
ia
i
+
_
v
if
GωmifRL
( )faL iiRv −=
( )faLaafmff IIRIRIGRIV −=−== ω
29Bài giảng 10

 Trong một máy kích từ hỗn hợp, một phần dây quấn kích 
từ nằm nối tiếp với phần ứng, và phần còn lại thì song song 
với phần ứng. Có 4 tổ hợp khác nhau của hai phần dây 
quấn kích từ.

 Lý do chính của việc sử dụng dây quấn kích từ hỗn hợp là 
để giới hạn dòng điện phần ứng ở tốc độ thấp (bao gồm cả
trạng thái mở máy).
Máy kích từ hỗn hợp và vấn đề mở máy
30Bài giảng 10

 Khi mở máy hay chạy ở tốc độ thấp, sức phản điện động 
của máy nhỏ hơn nhiều so với điện áp đặt vào, do đó dòng 
điện rất lớn sẽ chạy qua phần ứng, và chỉ bị giới hạn bởi 
điện trở phần ứng. Có thể dùng một điện trở ngoài để giảm 
dòng điện đến mức chấp nhận được với cái giá phải trả là
lãng phí năng lượng trên điện trở này.

 Một cách tốt hơn để mở máy động cơ là dùng các bộ biến 
đổi công suất để điều chỉnh điện áp phần ứng, thông qua kỹ
thuật điều chế độ rộng xung (PWM).
Máy kích từ hỗn hợp và vấn đề mở máy