Kỹ thuật điện đại cương - Chương 7 pptx

Năm 2008
102
Chơng 7. Máy điện một chiều

Mục tiêu:
Cấu tạo, nguyên lý và đặc điểm của máy điện DC

Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song máy
điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều đợc sử dụng ở những nơi yêu
cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi
rộng.Trong tự động hoá làm động cơ chấp hành, làm động cơ khởi động trên trên
ôtô, tàu thuỷ Các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị
điện hoá, thiết bị hàn điện có chất lợng cao.
Nhợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo
phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trờng dễ cháy nổ. Khi sử
dụng động cơ điện một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo.

Đ7-1
. Cấu tạo máy phát điện một chiều.
Máy điện 1 chiều thực chất là máy điện đồng bộ có thêm bộ phận đổi chiều.
Cũng giống nh máy điện đồng bộ máy điện một chiều có stato, rôto và vỏ máy.
Trên hình 7-1a vẽ stato (a), rôto (b), nắp (c), chổi than (d). Trên hình 7-1b vẽ
mặt cắt ngang trục.

1. Stato
Stato là phần cảm, gồm vỏ máy, các cực từ chính và các cực từ phụ. Cực từ
chính để tạo ra từ trờng chính cho máy. Gồm có lõi thép hình 7-3 làm bằng thép
lá kĩ thuật điện và dây quấn hình 7- 4 làm bằng dây điện từ.
H7-1
a
b
c
c
b a
d
Cổ
g
ó
p

Năm 2008
103
Cực từ phụ lõi thép có thể là khối thép rèn cũng có thể làm bằng thép lá kỹ
thuật điện, dây quấn quấn đồng tâm quanh lõi thép và nối tiếp với dây quấn phần
ứng. Cực từ phụ để tạo ra từ trờng phụ nhằm khắc phục ảnh hởng của phản ứng
phần ứng và hiện tợng tia lửa điện giữa cổ góp và chổi than.
Vỏ máy đợc làm bằng thép
là nơi gá lắp các cực từ chính, cực
từ phụ và làm gông từ.
2. Rô to ( hình 7-5)
Rô to của máy điện một chiều

là phần ứng, gồm lõi thép, dây
quấn và bộ phận đổi chiều. Lõi
thép hình trụ, làm bằng các lá
thép kỹ thuật điện dày 0,5mm,
phủ sơn cách điện, ghép lại. Các
lá thép đợc dập có lỗ thông gió
và rãnh để đặt dây quấn phần ứng
(hình 7-6).
Mỗi phần tử của dây quấn
phấn ứng có nhiều vòng dây, hai
đầu nối với hai phiến góp, hai
cạnh tác dụng của phần tử dây
quấn đặt trong hai rãnh dới hai
cực khác tên (hình 7-7), các phần tử đợc nối thành nhiều mạch nhánh song
song. ở dây quấn xếp số nhánh song song bằng số cực từ. Dây quấn trên hình 7-
7, có hai cực từ và có hai nhánh song song.


H7-2

C. chính
cực phụ
rôto
cổ
g
ó
p
S
N
H7-3

H7-4
H7-5
H7-6

Năm 2008
104













A, B chổi than
a,b,c,d,e,h là 6 phiến góp
1, 2 12 là thứ tự 12 rãnh
là bớc cực
Ngoài dây quấn xếp ở máy điện một chiều
còn kiểu dây quấn sóng hình 7-8 vẽ 2 phần tử
dây quấn sóng chỉ có hai mạch nhánh song song, thờng thấy ở máy có công suất
nhỏ.
3. Cổ góp và chổi điện.
Với máy phát cổ góp và chổi điện có tác dụng biến đổi dòng điện AC ở dây quấn
phần ứng thành dòng DC chạy ở mạch ngoài. Đối với động cơ cổ góp và chổi

điện có tác dụng biến đổi dòng điện DC thành dòng AC chạy trong dây quấn
phần ứng.
Cấu tạo của cổ góp ở hình 7-9b . Các phiến góp (1) bằng đồng đợc ghép
cách điện trên đế cách điện 2, tạo thành cổ góp dạng hình trụ, gắn ở đầu trục
rôto. Hình 7-9b vẽ cổ góp cắt
bỏ 1/4 để thấy rõ hình dáng
của phiến góp. Mỗi phiến đợc
hàn với 2 đầu của 2 phần tử
liên tiếp.
Chổi điện (chổi than) làm
bằng graphit hình 7-9a. Các
H7-9b
1
2
H7-9a
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
a b c d e h
H7- 7

S

N



A
B
H7-8
N S N
S

Năm 2008
105
chồi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
Đ 7-2. Nguyên lý làm việc
1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều.
Cho dòng điện DC vào cuộn dây phần
cảm, phần cảm trở thành nam châm điện,
có từ trờng B
o
.
Dùng động cơ sơ cấp quay rôto, làm từ
thông của từ trờng phần cảm biến thiên
trong dây quấn phần ứng, theo định luật
cảm ứng điện từ, trong dây quấn phần
ứng cảm ứng các sức điện động hình
sin.Trên hình 7-10 theo quy tắc bàn tay
phải chiều sđđ xác định nh hình vẽ.
Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện và điện áp có cực
dơng ở A( chổi điện dới cực N) và cực âm ở B ( chổi điện dới cực S).
Nếu dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử, thì điện áp đầu cực nh hình 7-
11a. Để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 7-11b), dây quấn phải có nhiều phần tử,
nhiều phiến đổi chiều.
ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng I

cùng chiều với sđđ phần ứng E


Phơng trình cân bằng điện áp là:
U = E

- R

I

(7-1)
Trong đó:
- R

I

là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng R

là điện trở của dây quấn
phần ứng U là điện áp đầu cực máy.
- E

là sức điện động phần ứng.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
H7-10
H7-11a
t
o
u
t o
u
H7-11b

Năm 2008
106

Hình 7-12 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho
dòng điện một chiều vào hai chổi điện A và B, nhờ bộ phận đổi chiều trong dây
quấn phần ứng có dòng điện xoay chiều chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd có dòng
điện nằm trong từ trờng, sẽ chịu lực tác dụng tạo thành mô men làm rôto quay.
Chiều lực tác dụng đợc xác định theo quy tắc bàn tay trái, hình 7-12.
Khi phần ứng quay đợc
nửa vòng, vị trí các thanh dân
ab, cd đổi chỗ nhau, nhờ có
bộ phận đổi chiều đổi chiều
dòng điện trong thanh dẫn,
giữ cho chiều lực tác dụng
không đổi, đảm bảo động cơ
có chiều quay cố định.
Khi động cơ quay, các
thanh dẫn cắt từ trờng, sẽ
cảm ứng sđđ E

. Chiều sđđ
xác định theo quy tắc bàn tay phải. ở động cơ, chiều sđđ E

ngợc chiều với
dòng điện I

, nên E

đợc gọi là sức phản điện.
Phơng trình cân bằng điện áp sẽ là: U = E

+ R

I

(7-2)
Đ 7-3. Từ trờng và sức điện động của máy điện một chiều
1. Từ trờng của máy điện một chiều













n
B
o

m
H7-13
uo
BBB
r
rr
+=
m

n
B
u

a)
b)
c)
m'
n'
I
+
-
S N
F
F

Năm 2008
107

Khi dòng điện I
u
= 0, từ trờng trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi
là từ trờng cực từ (hình7-13a). Từ trờng cực từ phân bố đối xứng, tại giao điểm
của đờng trung tính hình học mn với mặt rôto có từ trờng bằng 0, thanh dẫn
chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ.
Khi máy điện có tải dòng điện I

trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trờng
phần ứng (hình 7-13b).
Từ trờng phần ứng hớng vuông góc với từ trờng cực từ.

Khi máy làm việc từ trờng trong máy là:
U0
BBB
r
r
r
+= (7-3)
Tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ trờng cực từ gọi là phản ứng phần
ứng. ở một mỏm cực rôto đi vào từ trờng đợc trợ từ, từ trờng trong máy mạnh
lên. ở mỏm cực rôto đi ra từ trờng bị khử từ, từ trờng B
o
bị yếu đi.
Tác hại của phản ứng phần ứng là:
- Từ trờng trong máy bị biến dạng. Điểm có từ cảm B = 0 dịch chuyển từ
trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m'n'. ở vị trí trung
tính hình học, từ cảm B
0, thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sđđ, gây
ảnh hởng xấu đến việc đổi chiều (xét ở tiết 7- 5).
- Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trờng phần ứng lớn, vùng mỏm
cực rôto đi vào từ trờng đợc tăng cờng và bị bão hoà, từ cảm B ở đó tăng lên
đợc rất ít, trong khi đó, mỏm cực kia từ trờng giảm đi nhiều, kết quả là từ
thông
của máy bị giảm xuống. Từ thông giảm kéo theo sức điện động phần
ứng E
u
giảm, làm cho điện áp U đầu cực máy phát giảm. ở chế độ động cơ, từ
thông giảm, làm cho mômen quay giảm, và tốc độ động cơ thay đổi.
Để khắc phục hậu quả trên, ngời ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù.Từ
trờng của cực từ phụ và dây quấn bù ngợc với từ trờng phần ứng.
Để kịp thời khắc phục phản ứng phần ứng khi tải thay

đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đợc đấu nối
tiếp với mạch phần ứng (hình 7-14).
2. Sức điện động phần ứng
a. Sức điện động trong 1 thanh dẫn
Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng
cắt từ trờng, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện
động:
E = B
tb
lv (7-4)
H7-14

N
S

Năm 2008
108
Trong đó: - B
tb
cờng độ từ cảm trung bình dới cực từ.
- v tốc dài của thanh dẫn.
- l chiều dài hiệu dụng thanh dẫn.
b. Sức điện động phần ứng E


Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín.
Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần
ứng bằng tổng các sức điện động trong các thanh dẫn của một nhánh. Nếu số
thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a(a là đôi nhánh), số thanh
dẫn trong một nhánh là N/2a, nên sức điện động phần ứng là:

lvB
2a
N
e
2a
N
E
tdu
== (7-5)
Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n (v/ph) bằng công thức

60
Dn
v
= (7-6)
v B
tb
= S

2p
Dl
S =

2p
Dl
B
tb
=
(7-7)

Thay (7-7) v (7-8)vào (7-6) đợc:


n
60a
pN
E =
u
(7-8a)
Trong đó: p là số đôi cực
Đặt
60a
pN
k
E
= thì: E

= k
E
n (7-8b)
Hệ số K
E
phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng.
Nhận xét: Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay và từ thông dới
mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay,
hoặc điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi
chiều quay, hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.
Đ 7-4. Công suất và mômen điện từ của máy điện DC
1. Công xuất điện từ của máy điện một chiều.
Công xuất điện từ đợc xác định theo công thức: P

đt
= E

I

(7-9a)
Thay giá trị E

trong (7-8a) vào (7- 9a) ta có:

Năm 2008
109

udt
In
60a
pN
P = = k
e
nI

(7-9b)
2. Mômem điện từ.

r
dt
dt
P
M

=
(7-10)

r
là tốc độ góc của rôto, đợc tính theo tốc độ quay n (v/ph) bằng biểu thức:

60
n2
r
= (7-11)
Thay (7-11) vào (7-10), ta có biểu thức của mômen điện từ là:

I
a
2
pN
M
udt
= (7-12a)
hoặc M
đt
= K
M
I

(7-12b)
Trong đó hệ số
a
2
pN

k
M

=
phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn.
Nhận xét:
Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng I

và từ thông . Muốn thay đổi
mômen điện từ, ta phải thay đổi tải hoặc thay đổi dòng điện kích từ I
kt
. Để đổi
chiều mômen điện từ phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện
kích từ.
Đ 7-5. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục
Khi máy điện làm việc, thờng có tia lửa giữa chổi điện và cổ góp. Tia lửa
lớn có thể phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lợng ảnh hởng xấu
đến môi trờng và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Sự phát sinh
tia lửa trên cổ góp do các nguyên nhân sau:
1. Nguyên nhân cơ khí
Do tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, nh cổ góp không tròn,
không nhẵn, chổi than không đúng quy cách. Giá chổi gắn không chặt hoặc lực
lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp.
2. Nguyên nhân điện từ
Khi máy làm việc liên tiếp có các phần tử chuyển từ mạch nhánh này sang
mạch nhánh khác, và dòng điện trong phần tử đó sẽ đổi chiều. Ta gọi các phần tử
ấy là phần tử đổi chiều. Trên hình 7-15, ở thời điểm A phần tử b chuẩn bị chuyển
từ nhánh bên trái sang nhánh bên phải và chuẩn bị đổi chiều.
ở thời điểm b phần

Năm 2008
110
tử b bị chổi than ngắn mạch.
ở thời điểm C phần tử b đã chuyển sang nhánh phải,
và phần tử b vừa thực hiện xong việc đổi chiều.Trong phần tử đổi chiều xuất hiện
các sức điện động sau:
- Sức điện động tự cảm e
L
, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi
chiều gây ra.








- Sức điện động hỗ cảm e
m
, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi
chiều lân cận.
- Sức điện động e
q
do từ trờng của phần ứng gây ra.
ở thời điểm chổi than ngắn mạch phần tử đổi chiều (hình 7-15B), các sức điện
động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích luỹ năng lợng và
phóng ra dới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động.
Biện pháp khắc phục tia lửa:
- Loại trừ nguyên nhân cơ khí.

- Làm giảm trị số các sức điện động e
L
, e
M
, e
q
bằng cách dùng cực từ phụ và
dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm triệt tiêu
3 sức điện động này. Từ trờng của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngợc chiều
với từ trờng phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ, ngời ta không dùng cực từ
phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến đờng trung tính vật lý.
Đ7-6. Máy phát điện một chiều
1. Phân loại máy điện một chiều
Dựa vào phơng pháp cung cấp dòng điện kích từ,
ngời ta chia máy điện một chiều ra các loại sau:
- Máy điện một chiều kích từ độc lập
- Máy điện một chiều kích từ song song
- Máy điện một chiều kích từ nối tiếp
- Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp
I
I
2I
A
2I
II
B
I
I
I
I

2I
C
H7-15
E
u
W
kt
H7-16
R
kt
+
-
I
E
kt

Năm 2008
111
2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập vẽ trên hình 7-16; dòng điện phần ứng I


bằng dòng điện tải I.

Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện riêng không liên hệ với phần
ứng của máy.
Phơng trình dòng điện là: I

= I (7-13a)
Phơng trình cân bằng điện áp là:

Mạch phần ứng: U = E

- R

I (7-13b)
Mạch kích từ: U
kt
= I
kt
(R
kt
+ R
đc
) (7-13c)
Trong đó: R

là điện trở dây quấn phần ứng
R
kt
là điện trở dây quấn kích từ
R
đc
điện trở điều chỉnh.
Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống do
2 nguyên nhân sau:
- Tác dụng của từ trờng phần ứng làm cho từ thông
giảm, kéo theo sức điện
động E

giảm.

- Điện áp rơi trong mạch phần ứng R

I

tăng.
- Đờng đặc tính ngoài U =f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi, vẽ
trên hình 7-17a. Khi tải tăng điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng 8
ữ 10% điện
áp khi không tải.
Để giữ cho điện áp máy phát không đổi, phải tăng dòng điện kích từ. Đờng
đặc tính điều chỉnh I
kt
= f(I), khi giữ điện áp và tốc độ không đổi vẽ trên hình 7-
17b.
Máy phát kích từ độc
lập có u điểm về điều
chỉnh điện áp, thờng gặp
trong các hệ thống máy
phát - động cơ để truyền
động máy cán, máy cắt
kim loại, thiết bị tự động
trên tầu thuỷ, máy bay
nhợc điểm là cần nguồn điện kích từ riêng.
3. Máy phát điện tự kích từ song song
Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tự kích từ song song vẽ trên hình 7-18.
I
I
kt

O

H7-17b
I
I
n

U E
u
E
u


U
O
H7-17a
E
o

Năm 2008
112
mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng.
Lúc đầu, máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ d của cực
từ tạo ra, bằng khoảng 2
ữ 3% từ thông định mức. Khi quay phần ứng, trong dây
quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ d sinh
ra. Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ
(điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất), sinh ra dòng điện
kích từ, làm tăng từ trờng cho máy. Quá trình tiếp tục cho
đến khi đạt điện áp ổn định. Để máy có thể thành lập điện
áp, nhất thiết phải có từ d và chiều từ trờng dây quấn kích
từ phải cùng chiều từ d. Nếu không còn từ d, ta phải mồi

để tạo từ d, nếu chiều hai từ trờng ngợc nhau, ta phải đổi
cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng.
Phơng trình cân bằng điện áp của máy tự kích thích song
song là:
Mạch phần ứng: U = E

- R

I (7-14a)
Mạch kích từ: U
kt
= I
kt
(R
kt
+ R
đc
) (7-14b)
Phơng trình dòng điện: I

= I + I
kt

Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài 2
nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm, nh máy phát
điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song, còn thêm một nguyên nhân nữa là
khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng
giảm, chính vì thế đờng đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập và có
dạng nh hình 7-18b. Từ đờng đặc tính ta thấy, khi ngắn mạch, điện áp U = 0,
dòng kích từ bằng không, sức điện động trong máy chỉ do từ d sinh ra vì thế

dòng điện ngắn mạch I
n
nhỏ so với dòng điện định mức.
Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đờng đặc tính
đều chỉnh I
kt
= f(I), khi U, n không đổi vẽ trên hình 7-18c.
4. Máy phát điện kích từ nối tiếp
Sơ đồ mạch nh hình 7-19a Dòng điện
kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay
đổi, điện áp thay đổi rất nhiều. Đờng đặc
tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 7-19b.
Dạng đờng đặc tính ngoài đợc giải
thích nh sau: Khi tải tăng, dòng điện I


O
I
U
H7-19b
+
W
kt

H7-19
a
I
U
E
u

-
I
I
k
O
H7-18c
U
I
I
n

O
H7-18b
W
kt
E
u
R
kt
H7-18a
+
-

Năm 2008
113
tăng, từ thông
và E

tăng, do đó U tăng, khi I = (2 ữ 2,5)I

đm
, máy bão hoà từ,
nếu I tăng U giảm.
5. Máy phát điện kích từ hỗn hợp
Sơ đồ mạch vẽ trên hình 7-20a. Máy có 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích
từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song
song thờng là kích từ chính.
Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ
nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn
kích từ song song, khi tải tăng, từ thông cuộn nối
tiếp tăng làm cho từ thông của máy tăng lên, sức
điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của
máy đợc giữ hầu nh không đổi, là u điểm rất
lớn của máy phát điện kích từ hồn hợp. Đờng
đặc tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 7-20b.
Khi nối ngợc, chiều từ trờng
của dây quấn kích từ nối tiếp ngợc
với chiều từ trờng của dây quấn
kích từ song song, khi tải tăng, điện
áp giảm rất nhiều. Đờng đặc tính
ngoài U = f(I) vẽ trên hình 7-20c.
Đờng đặc tính ngoài dốc, nên
đợc sử dụng làm máy hàn điện một chiều.
Đ 7-7. Động cơ điện một chiều
Dựa vào phơng pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện một chiều, giống
nh máy phát một chiều.
Theo công thức (7-8a), sức phản điện của động cơ điện một chiều là:
n
60a
pN

E
u
=
(7-8a)
Đối với động cơ, dòng điện I

ngợc chiều với E

và E

còn gọi là sức phản
điện.
Mômen điện từ của động cơ tính theo công thức (7-12a).
I
a2
pN
M
udt
=
=k
M
I
u
(7-12a)
Đối với động cơ, mômen điện từ là mômen quay, cùng chiều với tốc độ quay n.
U E
u
E
u

U
I
O
H7-20b
I
U
u

O
H7-20c
H7-20a
E
u
W
n
t
U
w
//
R
đc
I
I
u
I
kt

Năm 2008
114
1. Mở máy động cơ điện một chiều tự kích thích song song.

Từ phơng trình cân bằng điện áp ở mạch phần ứng của động cơ:
U = E

+ R

I

(7-15a)
rút ra:
u
u
u
R
EU
I

=
(7-15b)
Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện E

= k
E
n = 0, dòng điện phần ứng
lúc mở máy là:
u
mo
R
U
I =
(7-15c)

Vì điện trở R

rất nhỏ, cho nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng
(20
ữ 30)I
đm
, làm hỏng cổ góp và chổi than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo
dòng điện mở máy I
mở
lớn, làm ảnh hởng đến lới điện.
Để giảm dòng điện mở máy I
mở
= (1,5 ữ 2)I
đm
, ta dùng các biện pháp sau:
a. Dùng biến trở mở máy R
mở

Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng (hình 7-21a). Dòng điện mở máy
phần ứng lúc có biến trở mở máy là:

mở
RR
U
I
+
=
mo
(7-15d)
Lúc đầu để biến trở R

mở
lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên,
sức phản điện E

tăng và từ từ giảm R
mở
đến không để máy làm việc đúng điện áp
định mức.
b. Giảm điện áp đặt vào phần ứng.
Phơng pháp này đợc sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều
chỉnh điện áp, ví dụ trong hệ thống máy phát - động cơ, hoặc nguồn một chiều
chỉnh lu.
Cần chú ý rằng để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớn
nhất, vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ
lúc mở máy lớn nhất.
2. Điều chỉnh tốc độ
Từ phơng trình (7-15a) rút ra: E

= U - R

I


Thay trị số E

= k
E
n , ta có phơng trình tốc độ là:

E

k
IRU
n

=
(7- 16)

Năm 2008
115
Từ phơng tình (7-16), thấy rằng muốn điều chỉnh tốc độ, ta có các phơng
pháp sau:
a. Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng (hình 7-21a)
Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Vì rằng dòng điện phần
ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn. Phơng pháp này chỉ
sử dụng ở động cơ công suất nhỏ.
b. Thay đổi điện áp U
Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh đợc điện áp cung cấp diện cho động
cơ. Phơng pháp này đợc sử dụng nhiều.
c. Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp các phơng pháp. Ví dụ phơng pháp thay
đổi từ thông, kết hợp với phơng pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất
rộng, đây là u điểm lớn của động cơ điện một chiều.
Dới đây ta sét cụ thể các loại động cơ một chiều.
3. Động cơ điện kích từ song song
Mạch điện nh hình 7-21, trong đó dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần
ứng I

và dòng điện kích từ I
kt

.
Để mở máy ta dùng biến trở mở máy R
mở
.
Khi điều chỉnh tốc độ, thờng điều chỉnh R
đc

để thay đổi I
kt
, do đó thay đổi từ thông .
Phơng pháp này sử dụng rất rộng rãi, nhng
chú ý, khi giảm từ thông
, có thể dòng điện
phần ứng I

tăng quá giá trị cho phép, vì thế
cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho
động cơ làm việc, khi từ thông giảm quá
nhiều.
a. Đờng đặc tính cơ n = f(M)
Đờng đặc tính cơ là đờng quan hệ giữa
tốc độ n và mômen quay M khi điện áp U và
điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ
không đổi.
Từ công thức (7-16) ta có:

E
u
E
I

k
R
k
U
n

=
(7- 17a)
1
2
M
M
n
O
H7-21b
E
u

R
mo
U
W
kt
I
I
u

I
kt
R

đc
+
-

H7-21a


Năm 2008
116
Mặt khác theo biểu thức mômen điện từ M= k
M
I

, rút ra:
k
M
I
M
u
=
, thay vào
biểu thức tốc độ ta có:

M
kk
R
k
U
n
2

ME

E

= (7-17b)
Nếu thêm điện trở R
p
vào mạch phần ứng thì ta có phơng trình:
M
kk
RR
k
U
n
2
ME
p
E

+
=
(7-17c)
Trên hình 7-21b vẽ đờng đặc tính cơ, đờng 1 là đờng đặc tính cơ tự nhiên
(R
p
= 0) ứng với phơng trình (7-17b). Đờng 2 với R
p
0 ứng với phơng trình
(7-17c).
b. Đặc tính làm việc

Đờng đặc tính làm việc đợc xác định khi điện
áp và dòng điện kích từ không đổi. Đó là các đờng
biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ n, mômen M, dòng
điện phần ứng I

và hiệu suất theo công suất cơ P
2

trên trục máy, đợc vẽ trên hình 7-21c.
Nhận xét: động cơ điện kích từ song song có đặc
tính cơ cứng, và tốc độ hầu nh không đổi khi công
suất P
2
thay đổi, chúng đợc dùng nhiều trong các
máy cắt kim loại, các máy công cụ Khi có yêu cầu
cao về điều chỉnh tốc độ, ta dùng động cơ kích từ độc
lập.
4. Động cơ kích từ nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý trên hình 7-22.
Để mở máy ta dùng biến trở mở
máy R
mở
. Để điều chỉnh tốc độ ta có
thể dùng các phơng pháp ở mục 2,
song chú ý rằng, khi điều chỉnh từ
thông, ta mắc biến trở điều chỉnh
song song với dây quấn kích từ nối
tiếp.
a. Đờng đặc tính cơ n = f(M)
I

u

M
P
2
n
O
H7-21c
W
k
t
U
E
u

I
+
H7-22
R
mo
-
H7-23
M
n
O
n
a, b,
I
u

M
P
2
n
O
P
2

Năm 2008
117
Khi máy không bão hoà, dòng điện phần ứng I

và từ thông tỷ lệ với nhau,
nghĩa là: I

= k
I
(7-18a)
Nên: M = k
M
I

= k
M
k
I

2
= k
2

.
2

hoặc là:
k
M
= (7-18b)
Trong đó:
IM
kkk =

Thay biểu thức (7-18a) và (7-18b) vào (7-16) ta có:
E
I
E
k
Rk
Mk
kU
n =

Đặt
b
k
k
a;
k
k
E
I

E
== , cuối cùng ta có:

bR
M
aU
n =
(7-18c)
Từ biểu thức (7-18c) thấy rằng, đặc tính cơ có dạng hypecbon (hình 7-23a),
khi mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm. Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện
và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ
khí, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải
nhỏ.
b. Đờng đặc tính làm việc
Trên hình 7-23b vẽ các đờng đặc tính làm
việc. Động cơ đợc phép làm việc với tốc độ n
nhỏ hơn tốc độ giới hạn n
gh
. Đờng đặc tính
trong vùng làm việc vẽ bằng đờng nét liền.
Vì rằng khi cha bão hoà, mômen quay
động cơ tỷ lệ với bình phơng dòng điện, và
tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp
thích hợp trong chế độ tải nặng nề, đợc sử
dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các
thiết bị cầu trục.
5. Động cơ kích từ hỗn hợp
Sơ đồ nguyên lý trên hình 7-24a. Các dây quấn kích
từ có thể nối thuận (từ trờng 2 dây quấn cùng chiều)
làm tăng từ thông hoặc nối ngợc (từ trờng 2 dây quấn

ngợc nhau) làm giảm từ thông.
Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối
thuận (đờng 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của
động cơ kích từ song song (đờng 2) và nối tiếp (đờng
H7-24
a
E
u

U
W
//
R
1
I
I
u

I
kt
-
+
W
nt
R
2
H7-24b
4

2

M

1
O
3

n


Năm 2008
118
3) (hình 7-24b).
Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ
chính, còn dây quấn kích từ song song là phụ và đợc nối thuận. Dây quấn kích
từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ.
Động cơ kích từ hồn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ, và nối
ngợc, có đặc tính cơ rất cứng đờng 4 hình 7-24b, nghĩa là tốc độ quay hẫu nh
không đổi khi mômen thay đổi. Thật vậy, khi mômen quay tăng, dòng điện phần
ứng tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm một ít, nhng vì có dây
quấn kích từ nối tiếp đợc nối ngợc, làm giảm từ thông trong máy, sẽ tăng tốc
độ động cơ lên nh cũ. Ngợc lại khi nối thuận, sẽ làm cho đặc tính của động cơ
mềm hơn, mômen mở máy lớn hơn, thích hợp với máy ép, máy bơm, ngày
nghiền, máy cán
6. Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm việc nặng nề, nên nhiều nớc
sử dụng động cơ này trên đờng sắt với lới điện xoay chiều tần số 50Hz. Động
cơ vạn năng có cấu tạo nh động cơ một chiều, nhng làm với dòng điện xoay
chiều. Động cơ vạn năng có cuộn kích từ nối tiếp.


Bài tập chơng 7

1. Máy phát điện một chiều kích thích song song U
đm
= 115V; cung cấp dòng điện
I
t
= 98,3 A. Có R
kt
= 60; R
u
= 0,0735; Tổn hao cơ, sắt, và phụ bằng 4% công
suất điện.

a - Xác định E
u
; ở chế độ trên.
b - Tính dòng điện ngắn mạch khi nối tắt 2 đầu cực biết từ thông còn lại bằng
3% và tốc độ máy phát không đổi.

Đáp số:E
u
= 122,4V; I
u
= 50A; = 0,89
2. Máy phát điện một chiều kích thích song song P
đm
= 25kW, U
đm
= 115V; R
kt
=

12,5;
R
u
= 0,0238 ; a = 2; p = 2; N =300; n = 1300 vg/ph.
a - Xác định E
u
; ?
b - Giả sử dòng điện kích thích không đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng, xác
định U trên 2 đầu cực khi dòng còn 80,8A.
Đáp số: E
u
= 120,4 V; =1,852.10
-2
Wb;I
u
= 90A; U = 118,3V.
3. Máy phát điện một chiều kích thích hỗn hợp P
đm
= 20 kW, U
đm
= 230V; R
kt//
=
71,87 ; R
u
= 0,098 ; R
knt
= 0,04; Tổn hao cơ, sắt, và phụ bằng 4% công xuất
định mức. Xác định E
u

; ?

Năm 2008
119

Đáp số: E
u
=242,4V; = 0,89
4. Động cơ điện một chiều P
đm
= 1,5kW; U
đm
= 220V;
đm
= 0.85; n = 1500vg/ph Tổn
hao cơ, sắt, và phụ bằng 4% công xuất định mức. Xác định M
đm
; tổn hao trong
máy; I
đm
?
Đáp số: M
đm
= 9,8Nm; 7,75 A;

P = 265W
5. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp I
đm
=120A; U
đm

=230V;
đm
= 0.85
R
kt//
= 115; Tổn hao cơ, sắt, và phụ là 1250W. Xác định P
1
; P
đm
;Tổn hao trên
dây quấn rôto, kích nối tiếp, cực từ phụ?
Đáp số: P
1
= 27600W; P
đm
= 23460W ;

P = 2430W
6. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp I
đm
= 94A; U
đm
=220V;
đm
= 0.85 R
kt//
= 338; điện trở R
u
+ R
nt

= 0,17 ; a = 1; p = 2 ; N =372; n = 1100 vg/ph.
Xác định E
u
; ; P
đt
; M
đt
?
Đáp số: E
u
=204 V; = 1,49 Wb; P
đt
= 19,043 kW; M
đt
= 165 Nm.
7. Động cơ điện một chiều kích thích song song P
đm
= 12kW, U
đm
= 220V; n
đm
= 685
vg/ph; I
đm
= 64 A; I
ktđm
= 2A; R
u
= 0,281 . Động cơ kéo tải có mô men cản
không đổi.

a - Tính n và hiệu suất của động cơ khi mắc R
p
= 0,7 nối tiếp với mạch
phần ứng.
b - Giảm điện áp đặt vào động cơ còn 176,6V, tính ? Bỏ qua tổn hao cơ và
phụ, từ thông không đổi.
Đáp số: n = 538vg/ph. = 0,67; khi U= 176,6V thì n = 538vg/ph; = 0,834
8. Động cơ điện một chiều kích thích song song có: P
đm
= 10kW ,U
đm
= 220V;

đm
= 0,86; I
kt
= 2,26A; R
u
= 0,178.
a - Xác định I
mo
?
b - Để giảm dòng điện mở máy còn 2I
đm,
tính R
mo
?
Đáp số: I
mo

=1238A; R
mo
= 1,96
9. Máy phát điện một chiều kích thích song song P
đm
= 7,5kW; U
đm
= 230V ;
n
đm
=1450vg/ph ; R
kt
= 191,7

; R
u
= 0,54 ; điện áp rơi trên chổi than 2V.
Khi sử dụng máy phát ở chế độ động cơ U = 220V thì n = 1162 vg/ph,

= 0,825
Xác định P
1
và P
2
.
Đáp số: P
1
= 7392W; P
1
= 6100W