8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
1
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Ngun lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mô tả
8.5 Quan hệ về công suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
2
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Page 1
Đặc điểm máy điện một chiều
• Ưu điểm:
- Dễ điều khiển tốc độ.
- Mơ men khởi động lớn.
• Khuyết điểm:
- Giá thành đắt (so với ĐCKĐB) do kết
cấu phức tạp hơn,
- Cần bảo trì thường xun,
- Khơng dùng được trong môi trường
dễ cháy nổ.
3
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Cấu tạo máy điện một chiều
+ vf _
stato
rơ to
B
stato
Rf
if
Lf
stato
cực từ
stato
La
Ra
+
ia
B
Ea=Gmif va
_
rơ to (phần ứng)
gơng
cổ góp
rơ to
rơ to
(phần ứng)
cổ góp
dây quấn
phần ứng
ổ bi
chổi than
stato
(phần cảm)
4
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 2
Cấu tạo máy điện một chiều
• Stato cịn gọi là phần cảm, là mạch từ
gồm các cực từ có quấn dây (để tạo từ
thông), và gông làm bằng thép đúc (đễ
dẫn từ) và làm vỏ máy.
cực từ
gơng
cuộn cảm
cổ góp
rơ to
(phần ứng)
• Rơ to cịn gọi là phần ứng, gồm lõi thép
được ghép từ các lá thép cách điện với
nhau. Các lá thép được dập có rãnh để
đặt dây quấn phần ứng.
Chổi than và cổ góp dùng để lấy điện
chổi than
một chiều vào dây quấn phần ứng.
dây quấn
phần ứng
stato
(phần cảm)
5
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Dây quấn stato
Dây quấn stato cịn gọi là dây quấn kích từ hay cuộn cảm.
Máy điện DC 4 cực
• gồm các cuộn dây quấn
tập trung chung quanh lõi
thép stato (cực từ) tạo
thành các nam châm điện
với các cực N và S xen kẽ
nhau.
Stato gồm 4 cuộn
dây quấn trên cực
từ, được kích từ một
chiều.
Máy điện DC 2 cực
• hoặc có thể dùng nam
châm vĩnh cửu đối với máy
điện công suất nhỏ.
Cuộn cảm là
cặp nam châm
vĩnh cửu N-S
6
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 3
Dây quấn stato
Từ thơng khép kín của máy
điện 4 cực nam châm điện dc
Dây quấn stato (hay cuộn cảm) từ thơng
Φ khép kín mạch từ gồm stato, khe hở
khơng khí và rơto:
• Từ thơng Φ móc vịng dây quấn rơ to
điện áp cảm ứng (sức điện động cảm
ứng) Ea trong dây quấn rơ to khi rơ to quay.
• Từ thông Φ mô men điện từ Te tác
động lên cạnh tác dụng của dây quấn rơ
to có dịng điện chạy qua.
+ vf _
Rf
La
if
Lf
Ra
ia
B
Ea
+
va
_
7
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Cực từ stato
Dây quấn rơ to
• Dây quấn rô to (phần ứng)
được cấp điện một chiều qua
chổi than và cổ góp.
Cổ góp bao gồm các phiến góp.
Cạnh tác dụng
+
-
Chổi than
cố định
Phiến góp
nối vào cạnh tác dụng
8
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 4
Phần tử dây quấn rơ to
• Mỗi phần tử (gồm một hay nhiều vịng
dây) dây quấn rơ to có hai đầu dây được
nối vào hai phiến góp.
Cạnh tác dụng
+
• Hai cạnh tác dụng của phần tử được đặt
trong hai rãnh dưới hai cực tên khác nhau
của stato.
-
Phiến góp
9
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Dây quấn rơ to thực tế
Phần tử, cuộn dây, dây quấn
phần tử
cuộn dây
dây quấn
10
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 5
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
11
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Nguyên lý hoạt động của động cơ
Trường hợp máy có 2 cực
B
Khi rơ to quay được nửa vịng (góc 180o) các cạnh tác dụng của
phần tử chuyển từ cực này sang cực kia, đồng thời phiến góp của mỗi
cạnh cũng chuyển sang chổi than trái dấu.
dòng điện trong cạnh tác dụng bị đổi chiều (vì dịng điện ln chạy từ
cực dương sang cực âm).
12
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 6
Nguyên lý hoạt động của động cơ
• Lực Lorentz:
Lực F tác động lên dịng điện I đặt
trong từ trường B.
• Do dòng điện trong cạnh tác
dụng bị đổi chiều khi chuyển từ
cực này sang cực kia mô
men tác động lên phần tử luôn
luôn cùng chiều quay.
F I B
B
I
phiến góp
+
chổi than
B
I
• Làm rơ to quay.
máy điện thực tế có
nhiều phần tử dây quấn.
13
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Nguyên lý hoạt động của máy phát
Từ thơng phần cảm móc vịng dây quấn phần ứng (quay nhờ động cơ sơ cấp)
điện áp cảm ứng (sức điện động cảm ứng) trong dây quấn phần ứng.
Ea
Ea=GωmIf
ωm vận tốc góc rơ to
If dịng điện stato.
Ea
Ea
14
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 7
Nguyên lý hoạt động
máy điện thực tế
Rô to máy điện thực tế có nhiều phần tử
dây quấn. Mỗi phần tử có hai đầu dây
được nối vào hai phiến góp.
Từ trường phần cảm
trong khe hở khơng khí
Dịng điện phần ứng
cố định
Cổ góp và vị trí chổi than sao cho từ trường của rơ to
và stato vng góc với nhau mơ men cực đại
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
15
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Ngun lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
16
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Page 8
Dùng đồng năng lượng tính mơ men điện từ
Xét máy điện có hai cực từ và rơ to có một phần tử
Từ thơng móc vịng cuộn dây phần ứng (rô to) λa
và cuộn cảm (dây quấn stator) λf :
a (ia , i f , ) Laf ( )i f La ia
f (ia , i f , ) L f i f Laf ( )ia
Đồng năng lượng
Wm'
1
1
L f i 2f Laia2 Laf i f ia
2
2
Laf(θ)
Chỉ có Laf phụ thuộc vào θ
17
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Dùng đồng năng lượng tính mơ men điện từ
Xét máy điện có hai cực từ và rơ to có một phần tử
Mơ men điện từ
dL
Wm'
iai f af
T
d
e
Với dịng điện rơ to
I a ; 0
ia
I a ;0
Ia
phiến góp
+
chổi than
B
Ia
Do dịng điện trong phần tử dây quấn đổi chiều khi đầu
phiến góp của nó chuyển qua cực chổi than trái dấu.
18
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 9
Dùng đồng năng lượng tính mơ men điện từ
Xét máy điện có hai cực từ và rơ to có một phần tử
Ia 0
Suy ra mô men điện từ:
T e GI a I f
Hằng số G
dL fa
d
0
I a 0
Laf(θ)
const ,
Henry
dL fa
d
0
dL fa
d
0
Mô men điện từ luôn cùng chiều.
19
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
20
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Page 10
Phương trình cân bằng áp phần ứng (dây quấn rơ to)
Xét máy điện có hai cực từ và rơ to có một phần tử
Khảo sát chế độ xác lập.
Từ thơng móc vịng dây quấn rơ to:
G
Điện áp (sđđ) cảm ứng phần ứng
dLaf
const
d
Ra
+
Ia
Va
Ea=GmIf
-
Lf
a ( I a , I f , ) Laf ( ) I f La I a
Ea
La
+ Vf _
Rf
If
Laf(θ)
dLaf d
d a
If
I f Gm
dt
d
dt
Ghi chú: dấu trị tuyệt đối do Ea>0 (nhờ phiến góp).
Phương trình cân bằng áp phần ứng (dây quấn rô to):
Va I a Ra I f G m
Với:
Va: điện áp nguồn phần ứng
Ea= IfGωm: điện áp (sđđ) cảm ứng phần ứng
Ra: điện trở dây quấn phần ứng
ωm (=dθ/dt): vận tốc góc quay rơ to
21
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Phương trình động học
Ra
ia
a
Rf
Phương trình trạng thái (quá độ) hệ thống
điện cơ
di f
vf Rf if Lf
dt
dia
Rf
v a R a i a La
G m i f
dt
dm
J
Bm Giai f Tload
dt
Ea=GωmIf: sđđ cảm ứng phần ứng
G=IdLrs(θ)/dθl: hằng số
Ra: điện trở dây quấn phần ứng
Rf: điện trở cuộn cảm
ωm: vận tốc góc quay của rơ to
if
Tload
f
+ vf
_
La
if
Lf
Ra
ia
Ea=Gmif
+
va
_
La: độ tự cảm dây quấn phần ứng
Lf: độ tự cảm cuộn cảm
J: mơ men qn tính
B: hệ số ma sát
22
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 11
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
23
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Quan hệ về cơng suất
• Xét máy điện hoạt động xác lập ở tốc độ không đổi và điện
áp nguồn khơng đổi, ta có:
- Cơng suất phần ứng
Pa Va I a Ra I a2 G m I a I f
Pf V f I f R f I 2f
- Công suất phần cảm
- Công suất điện từ (công suất cơ)
hay
Pm T em GI a I f m
Pm T em GI f m I a Ea I a
24
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 12
Quan hệ về cơng suất
động cơ điện
Giản đồ dịng cơng suất
Pđt=EaIa Pout hay P2 hay %Pđm
Pin hay P1 (bao gồm VaIa+VfIf)
RfIf2
Pa công suất phần ứng
Pf công suất phần cảm
RaIa2
Tổn hao
cơ và phụ
Pa V a I a R a I a2 G m I a I f
P f V f I f R f I 2f
Pag / Pđt / Pm công suất điện từ hoặc công suất cơ
Pdt Pm T e m G I a I f m E a I a
P1 hoặc Pin: công suất tác dụng nhận được từ nguồn điện
P2 hoặc Pout hoặc % Pđm: công suất cơ ở đầu ra trục động cơ
Hiệu suất của động cơ
Pout
Pin
Pin Pton hao
i
Pin
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Pout
Pout Pton hao
25
i
Quan hệ về cơng suất
máy phát điện
Rf
+ vf _
If
La
Lf
Giản đồ dịng công suất
Pđt=EaIa
Pin hay P1
Ra
ia
Ea=GmIf
+
va
_
Pout / P2 / %Pđm
(công suất cơ cung cấp+VfIf)
RfIf2
Tổn hao
cơ và phụ
RaIa2
Pa công suất phần ứng P V I R I 2 G I I
a
a a
a a
m a
Pf công suất phần cảm P f V f I f R f I 2f
Pag /Pđt /Pm công suất điện từ hoặc công suất cơ
f
Pm T e m G I a I f m E a I a
P1 hoặc Pin công suất cơ nhận được từ động cơ sơ cấp
P2 hoặc Pout công suất cung cấp cho tải
Hiệu suất của máy phát điện
P
out
Pin
Pout V a I a
Pin Pton hao
i
Pin
Pout
Pout Pton hao
i
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 13
26
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
27
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Động cơ DC kích từ độc lập
Sơ đồ đấu dây
Cuộn cảm và cuộn dây phần ứng đấu vào hai nguồn điện dc độc lập.
+ vf
Rf
if
Lf
_
La
Ra
ia
Gmif
+
va
_
Phương trình động học (quá độ):
di f
v f Rf i f Lf
dt
di
va Ra ia La a Gmi f
dt
dm
J
Bm Giai f Tload
dt
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 14
Ea=Gωmif: sđđ cảm ứng phần ứng
G=IdLrs(θ)/dθI: hằng số
La: độ tự cảm dây quấn phần ứng
Lf: độ tự cảm cuộn cảm
Ra: điện trở dây quấn phần ứng
Rf: điện trở cuộn cảm
ωm: vận tốc góc quay của rơ to
J: mơ men qn tính
B: hệ số ma sát
28
Động cơ DC kích từ độc lập
Phương trình xác lập:
Vf Rf I f
Va Ra I a Gm I f Ra I a Ea
+ Vf _
Rf
Vận tốc góc quay rơ to:
If
Lf
Nm
60m
, rad / s N m
, rpm
60
2
V Ra I a
m a
GI f
m 2
La
Ra
Ia
Ea=GmIf
+
Va
_
Các thơng số và ký hiệu
• Nm: tốc độ quay rơ to (vịng/phút)
• ωm: vận tốc góc quay rơ to (rad/giây)
• G phụ thuộc vào số cực p
• Va: điện áp nguồn phần ứng
• Ea=GωmIf: điện áp (sđđ) cảm ứng phần ứng
• G=IdLrs(θ)/dθI
• La: độ tự cảm dây quấn phần ứng
• Lf: độ tự cảm cuộn cảm
• Ra: điện trở dây quấn phần ứng
• Rf: điện trở cuộn cảm
29
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Động cơ DC kích từ độc lập
Tính các thơng số động cơ theo vận tốc góc:
Dịng điện phần ứng:
Ia
Va G m I f
Ra
Công suất điện cung cấp cho phần ứng:
Pa Va I a Va
Va Gm I f
Ra
Mô men điện từ (mô men cơ):
T e GI f I a GI f
Va Gm I f
Ra
Công suất điện từ (công suất cơ):
V Gm I f
Pm T em Ea I a GI f I am GI f m a
Ra
30
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 15
Máy điện DC kích từ độc lập
Tính cơng suất cực đại
V Gm I f
dPm
d
Gi f a
m 0
dm ds
Ra
Cho
m
Suy ra
Va
2GI f
Pmmax
Pmmax
Va2
4 Ra
Đặc tính mơ men – tốc độ
T e GI f I a GI f
Va Gm I f
m
Ra
tăng Va
Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi
điện áp nguồn phần ứng Va.
giảm Va
Do điện trở phần ứng Ra nhỏ
đặc tính tốc độ-mơ men gần như nằm ngang
tốc độ động cơ ít phụ thuộc vào mơ men tải.
Te
31
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Các chế độ làm việc của máy điện
Đặc tính mô men – tốc độ
T
e
Ra
Va Gm I f
Ra
m
GI f Va
Ra
Pm
Pa
điện
năng
T e GI f
cơ
năng
Chế độ hãm
khi ωm <0
Pa > 0 và Pm < 0
Pa
điện
năng
Pm
cơ
năng
Chế độ động cơ
khi 0<ωm< Va/(GIf)
Pa > 0 và Pm > 0
Va
GI f
Pa
điện
năng
Pm
cơ
năng
Chế độ máy phát điện
khi ωm > Va/(GIf)
Pm < 0 và Pa < 0,
Ở chế độ hãm, máy điện nhận công suất điện từ nguồn điện phần ứng
(Pa>0) và nhận công suất cơ (Pm<0) chuyển thành năng lượng nhiệt
Joule tiêu tán trên điện trở phần ứng Ra.
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 16
32
Tóm tắt máy điện DC kích từ độc lập
Với
Ea Gm I f
m 2
Chế độ động cơ điện
Nm
, rad / s
60
T e GI f I a
Pm
PT
cơ
năng
điện
năng
Vf Rf I f
_
+ vf
Va Ra I a Gm I f Ra I a Ea
V Ra I a
m a
GI f
Chế độ máy phát điện
Rf
La
if
Pm
cơ
năng
Ra
+
ia
va
Ea=Gmif
Lf
_
PT
điện
năng
Vf Rf I f
Va Ra I a Gm I f Ra I a Ea
V Ra I a
m a
GI f
Pm T em Ea I a
+ vf
Rf
if
Lf
_
La
Ra
ia
Ea=Gmif
+
va
_
33
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Ví dụ 8.1
Máy điện một chiều kích từ độc lập có điện áp nguồn phần ứng Va=300V và
dịng điện định mức phần ứng 60A. Cho điện trở phần ứng Ra=0,2Ω. Dòng điện
cảm ứng If=2A và hệ số G=1,5H. Tìm tốc độ và cơng suất ngựa của động cơ.
34
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 17
8.1 Giới thiệu chung, chức năng, cấu tạo
8.2 Nguyên lý hoạt động
8.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
8.4 Các phương trình mơ tả
8.5 Quan hệ về cơng suất
8.6 Máy điện DC kích từ độc lập
8.7 Máy điện DC kích từ nối tiếp. Động cơ vạn năng
8.8 Máy điện DC kích từ song song
8.9 Máy điện DC kích từ hỗn hợp
35
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5
Động cơ DC kích từ nối tiếp
Sơ đồ đấu dây
Cuộn cảm kích từ và cuộn dây phần ứng đấu nối tiếp với nhau.
La + Lf
Ra + Rf
i
Ea=Gmi
+
v
_
i ia i f
động cơ điện DC
v va v f
Phương trình cân bằng điện áp
Chế độ xác lập
V Ra R f I Gm I Ra R f I Ea
Với Ea= GωmI : điện áp (sđđ) cảm ứng phần ứng
Dòng điện phần ứng:
I
V
( Ra R f ) Gm
36
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 18
Động cơ DC kích từ nối tiếp
Mơ men và cơng suất
La + Lf
Ra + Rf
+
i
v
Gmi
_
m
thay đổi V
Mô men điện từ
T e Giai f GI 2 G
V
2
Ra R f Gm
2
Công suất điện từ (công suất cơ): Pm T em
Te
Nhận xét: tốc độ phụ thuộc nhiều vào mô men:
mô men càng lớn khi tốc độ càng nhỏ.
37
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Ví dụ 8.2
Máy điện một chiều kích từ nối tiếp 220VDC có dịng điện phần ứng I=25 A, tốc
độ 300 rpm. Cho điện trở dây quấn phần ứng Ra=0,6Ω và điện trở cuộn cảm
Rf=0,4Ω. Tìm cơng suất cơ trên trục động cơ và tính mơ men cơ.
38
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 19
Động cơ vạn năng
Động cơ vạn năng là trường hợp động cơ DC kích từ nối tiếp nhưng có
thể đấu vào nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều.
Sơ đồ đấu dây
La + Lf
Ra + Rf
+
i
v(t)
Gmi
_
Khảo sát trường hợp nguồn ac:
v(t ) 2V cos et
i (t ) 2 I cos et i
ωe: tần số góc của nguồn điện
39
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Động cơ vạn năng
Mơ men điện từ
La + Lf
i
Gmi
Ra + Rf
+
v(t)
_
Dịng điện phần ứng:
I
V
R
a
R f Gm La L f
2
2
e2
Mô men điện từ tức thời:
T e Gi 2 (t ) 2GI 2 cos2 (et i ) GI 2 1 cos(2et 2i )
Mơ men điện từ trung bình:
Tave GI 2 G
R
a
V2
R f Gm La L f e2
2
2
40
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
Page 20