máy điện 1 chiều động cơ đồng bộ

CHƯƠNG I: MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU:
1. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU:
1.1. CẤU TẠO:
1.1.1. PHẦN TĨNH (STATO):
a. Cực từ chính:
Đây là bộ phận sinh ra từ trường chính trong máy , bao gồm:
- Lõi cực từ:
+ Có thể làm bằng khối thép vì dẫn từ 1 chiều hoặc thép kỹ thuật điện (KTĐ)
cán lạnh không đẳng hướng.
+ Được gắn chặt vào vỏ máy bằng các bulông.
-Dây quấn cực từ chính:
+ Được làm bằng dây dẫn tròn có bọc cách điện hoặc dây dẫn tiết diện chữ
nhật quấn định hình rồi lồng vào thân cực từ.
+ Các dây quấn kích kích đặt trên các cực từ chính thường được nối tiếp với
nhau.
b. Cực từ phụ:
- Đây là bộ phận dùng để cải thiện đổi chiều.
- Được bố trí xen kẽ với các cực từ chính.
- Lõi cực từ phụ và dây quấn cực từ phụ có cấu tạo tương tự cực từ chính.

c. Gông từ:
- Làm mạch dẫn từ, nối liền các mạch từ chính và phụ; đồng thời làm vỏ máy .
- Máy nhỏ và vừa: dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Máy lớn: làm bằng thép
đúc.
d. Các bộ phận khác:
- Nắp máy: Để che chắn các vật ngoài rơi vào máy và làm giá đỡ ổ bi đối với máy
vừa và nhỏ.
- Cơ cấu chổi than: Chổi than được đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt
lên ổ góp.
1.1.2. PHẦN QUAY (ROTO):

a. Lõi sắt phần ứng:
Đây là bộ phận dẫn từ xoay chiều:
- Làm bằng những tấm thép KTĐ, dày 0,5 mm, cách điện.
- Dập lá thép dạng rãnh để bố trí dây quấn phần ứng.
- Máy cỡ trung: dập lỗ thông gió hướng trục. Máy cỡ lớn: chia lõi sắt thành nhiều
đoạn, tạo khe hở thông gió ngang trục.
- Máy cỡ nhỏ: lõi sắt được ép trực tiếp vào trục. Máy cỡ lớn: giữa trục và lõi sắt có
đặt giá roto nhằm tiết kiệm thép KTĐ và giảm nhẹ trong lượng roto.
b. Dây quấn phần ứng:
Đây là bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng lượng điện từ, sinh ra
s.đ.đ và có dòng điện chạy qua.
- Làm bằng dây đồng có bọc cách điện: tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật.
- Được phân bố cách điện cẩn thận trong các rãnh của lõi sắt phần ứng.
- Miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn để tránh việc
văng ra do lực ly tâm. Nêm bằng tre, gỗ hoặc bakelit.
c. Cổ góp:
Đây là bộ phận để đổi chiều dòng điện hay có thể coi nó là bộ phận chỉnh lưu cơ
khí.
- Gồm các phiến đồng, được ghép và ép lại thành cổng góp hình trụ.
- Giữa các phiến góp có lớp cách điện bằng mica dày 0,4 – 1,2 mm.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: lắp trên trục máy để làm mát cho máy .
- Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
1.2. PHÂN LOẠI:
MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU:
e = Blv
B: là từ cảm của nam châm N –S (T).
l: là chiều dài của thanh dẫn (m).
v: là vận tốc dài của thanh dẫn (m/s).
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy phát điện 1 chiều:

 Mặc dù chiều của s.đ.đ và dòng điện trong thanh dẫn thay đổi nhưng chiều
của chúng ở mạch ngoài là không đổi.
 Để có s.đ.đ lấy ra lớn và ít đập mạch, ta bố trí nhiều khung dây nối tiếp và
lệch nhau 1 góc nào đó (dây quấn phần ứng).
ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU:
Các đại lượng định mức:
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều
kiện mà xưởng chế tạo đã quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại
lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức.
- Công suất định mức: P
đm
(kW hay W).
- Điện áp định mức: U
đm
(V).
- Dòng điện định mức I
đm
(A).
- Tốc độ định mức: n
đm
(vòng /phút).
- Hiệu suất định mức: 


II. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU:
1. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU:
Từ trường trong máy điện một chiều chủ yếu là do cực từ và dòng điện phần ứng Iư
sinh ra. Các từ trường phần cảm và phần ứng tương đối cố định so với nhau, tạo
nên mômen ổn định khi vận hành ở trạng thái xác lập. Mômen điện từ sinh ra do đó
tỷ lệ với từ thông kích từ và dòng điện kích từ:

M = kΦI
ư

Trong đó:
Φ: là từ thông dưới 1 cực từ.
I
ư
: là dòng điện phần ứng.
k: là hệ số tỷ lệ.

Khi không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ragọi là từ
trường cực từ, phân bố đối xứng ở đường trung tính hình học, cường độ từ cảm B =
0 → thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứngsức điện động, I
ư
= 0.
Khi máy điện một chiều có tải, mômen điện từ tăng lên làm dòng điện phần
ứng cũng tăng lên. Từ trường phần ứng do dòng điện phần ứng sinh ra tác dụng
ngang trục với từ trường phần cảm, làm từ thông tổng hợp hơi giảm và có trục lệch
khỏi trục cừ từ phần cảm. Hiện tượng này gọi là phản ứng phần ứng.
Hệ quả: khi giữ nguyên vị trí chổi như khi vận hành không tải thì sẽ xuất hiện tia
lửa điện vì các thanh dẫn đang đổi chiều sẽ không nằm trongvùng trung tính từ.
2.CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỔI CHIỀU:
2.1. XÊ DỊCH CHỔI THAN KHỎI ĐƯỜNG TRUNG TÍNH HÌNH HỌC:
Để đổi chiều dòng điện thuận tiện, không phát sinh tia lửa điện, cần phải di
chuyển vị trí chổi điện đến vùng trung tính từ mới. Biện pháp này có rất nhiều hạn
chế vì vùng trung tính từ thay đổi theo dòng điện phần ứng, khi máy phát điện vận
hành ở chế độ máy phát và động cơ thì chiều di chuyển của chổi phải ngược nhau,
cũng như khi đổi chiều quay của máy .
2.2. DÙNG CỰC TỪ PHỤ:
Đối với máy điện công suất lớn, có thể sử dụng các cực từ phụ đặt giữa các

cực từ chính, kích từ bằng dòng điện phần ứng I
ư
. Như vậy , từ thông do cực từ phụ
sinh ra có thể khử được ảnh hưởng của từ trường phần ứng trong các trạng thái tải
và chiều quay khác nhau.



2.3. DÙNG DÂY QUẤN BÙ:
Ngoài ra, người ta có thể khắc phục ảnh hưởng của phản ứng phần ứng bằng
cách sử dụng dây quấn bù. Dây quấn bù được đặt trong các rãnh nằm dưới mặt các
cực từ của phần cảm, đấu nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho các dòng điện
trong các thanh dẫn bù ngược chiều với dòng điện trong dân quấn phần ứng nắm
dưới cùng cực từ. Nhờ vậy dây quấn bù sẽ khử được tác dụng của phản ứng phần
ứng ở mọi trạng thái tải.
III. MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU:
1. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU THEO PHƯƠNG PHÁP KÍCH TỪ:
1.1.MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP:

Dây quấn kích từ được cung cấp từ một nguồn điện độc lập với nguồn điện
nối với mạch phần ứng.
1.2. MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG:

Dây quấn kích từ được cung cấp từ nguồn điện nối với dây quấn phần ứng.
1.3. MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP:

Dây quấn kích từ được nối tiếp với mạch phần ứng và nối vào nguồn điện.
1.4. MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP:

Dây quấn kích từ gồm hai dây quấn song song và nối tiếp.

2. GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SỨC ĐIỆN
ĐỘNG:
2.1. GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG: (Giản đồ phân bố công suất)

a. Tổn hao cơ P
th-cơ
:
Bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao do
thông gió… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho ổ
bị, vành góp nóng lên.
b. Tổn hao sắt từ P
Fe
:
Do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên. Tổn hao này phụ thuộc
vào vật liệu, chiều dày của tấm thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm và tần số f.
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:
P
0
= P
th-cơ
+ P
Fe

Tổn hao cơ và sắt sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải nên gọi
là mômen không tải.








c. Tổn hao đồng P
Cu
:
Bao gồm cả tổn hao trong dây quấn phần ứng P
Cu.ư
và trong cuộn dây kích
nối tiếp.
P
Cu
= 


. (R
ư
+ R
kt
)
d. Tổn hao kích từ P
kt
của mạch kích từ song song:

P
kt
= U
kt
. I
kt

Trong đó: U
kt
, I
kt
là điện áp và dòng điện trong mạch kích từ.
Tổng tổn hao: P
th
= P
th_cơ
+ P
Fe
+ P
Cu
+ P
kt

Hiệu suất: 













Đặc tuyến hiệu suất là quan hệ =f(I
ư
) và điện áp đầu cực U hằng số.
2.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SỨC ĐIỆN ĐỘNG:

Công suất điện đưa ra P
2
bé hơn công suất điện từ P
đt
một lượng tổn hao trên R
ư
:




 





 








Vậy ta có được phương trình cân bằng sức điện động:
U = E
ư
– I
ư
.R
ư

3. CÁC ĐƯỜNG ĐẶT TÍNH CỦA MÁY PHÁT 1 CHIỀU :
3.1. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ ĐỘC LẬP:

Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống do hai
nguyên nhân:
-Dòng điện phần ứng bằng dòng điện tải (Iư = I).
- Phương trình cân bằng điện áp trên mạch phần ứng: U = E
ư
- R
ư
.I
- Trên mạch kích từ: U
kt
= I
kt
- (R

kt
+R
đc
)
Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong
hệ thống máy phát – động cơ để truyền động máy cán, máy cắt gọt kim loại. Có
nhược điểm là cần nguồn kích từ riêng.
Trong đó:
R
ư
: là điện trở dây quấn phần ứng.
R
kt
: là điện trở dây quấn kích từ.
R
đc
: điện trở điều chỉnh.




3. 2. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ SONG SONG:

Để tạo thành điện áp cần thực hiện một quá trình tự kt. Lúc đầu máy không
có dòng kích từ, từ thông trong máy là do từ dư của cực từ tạo ra (2-3)%Φ
đm
. Khi
quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng có sức điện động cảm ứng do từ dư sinh
ra, sức điện động này qua dây quấn kích từ →I
kt

tăng lên, quá trình tiếp tục cho đến
khi điện áp ổn định. Để máy phát ra điện áp, cần thiết phải có từ dư, nếu không có
từ dư ta phải mồi từ nếuchiều hai tư trường ngược nhau, ta phải đổi cực tính dây
quấn kích từ hoặc đổi chiều dây quấn phần ứng.
-Mạch phần ứng: U = E
ư
- R
ư
.I
ư

-Mạch kích từ: U = I
kt
.(R
kt
+R
đc
)
-Phương trình dòng điện: I
ư
= I+I
kt

-Khi tải tăng → I
ư
tăng → U giảm →I
kt
↓ → Φ↓→E
ư
↓.

3. 3. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ NỐI TIẾP:

Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi điện áp thay đổi rất
nhiều, trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Đặc tính ngoài
U=f(I), khi tải tăng Iư↑ →Φ↑→ Eư↑ →U↑.
3.4. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ HỖN HỢP:

- Rẽ ngắn: - Rẽ dài:
Iư = Ikt + It; Int = It I
ư
= I
kt
+ I
t
; I
nt
= I
ư

E
ư
= U + I
ư
.R

ư
+ I
nt
.R
nt
E
ư
= U + I
ư
.(R
ư
+ R
nt
)

U
kt
= R
kt
.I
kt
= R
nt
.I
nt
+ U U
kt
= R
kt
.I

kt
= U
Khi nối thuận, từ thông cuộn nối tiếp cùng chiều cuộn song song. Khi tải
tăng Φ
nt
↑→Φ
tổng
↑→E
ư
↑→U không đổi→ ưu điểm của máy phát kích từ hổn hợp.
Khi nối ngược Φ
n
tvà Φ
//
ngược nhau, khi tải tăng U giảm nhiềuU=f(I) dốc →
dùng làm máy hàn điện một chiều.
4. MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU LÀM VIỆC SONG SONG:
4.1. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 1
CHIỀU:
 Điều kiện cùng cực tính, nghĩa là phải nối cực dương của máy phát II vào
cực dương của thanh góp và cực âm vào cực âm của thanh góp.
 S.đ.đ của máy phát II phải bằng điện áp U của thanh góp.
 Nếu những máy làm việc song song thuộc loại máy phát kích từ hỗn hợp thì
cần có điều kiện: nối dây cân bằng giữa các điểm m và n như hình.

4.2. PHÂN PHỐI VÀ CHUYỂN TẢI GIỮA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN: (đọc
thêm trong giáo trình, trang 170).

IV. ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU:
Máy điện một chiều có thể làm việc theo chế độ máy phát khi E > U và theo
chế độ động cơ khi E < U. Việc chuyển từ chế động máy phát sang chế động động
cơ xảy ra hoàn toàn tự động không cần thay đổi gì ở mạch nối, cụ thể là khi giảm
dòng điện kích thích khiến cho E của máy phát hạ đến mức E < U, dòng điện trong
phần ứng sẽ tự động đổi chiều, năng lượng sẽ chuyển theo chiều ngược lại và máy
phát nghiễm nhiên trở thành động cơ.
Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao
thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục
trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện,…).
1. PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO PHƯƠNG PHÁP
KÍCH TỪ:
1.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
1.2. Động cơ điện một chiều kích từ song song:
1.3. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:
1.4. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp:






2. GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SỨC ĐIỆN
ĐỘNG:
2.1. GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG: (Giản đồ phân bố công suất)

P

in
= U
d
.I
d
– Công suất điện nhận từ nguồn.
P
ư
= U
d
.I
ư
– Công suất đưa vào mạch phần ứng.
P
đt
= E.I
ư
– Công suất điện từ.
P
kt
= U
d
. I
kt
– Công suất tổn hao trên mạch kích từ.
P
Cu
= R
ư
.



– Công suất tổn hao đồng.
P
Fe
– Tổn hao sắt từ.
P
th_cơ
– Tổn hao cơ.
Tổng tổn hao: P
th
= P
th_cơ
+ P
Fe
+ P
Cu
+ P
kt
Hiệu suất: 

















2.2. VẬN TỐC CỦA ĐỘNG CƠ:
Từ phương trình điện áp của động cơ điện một chiều:
U
d
= R
ư
.I
ư
+ E = R
ư
.I
ư
+ kΦ
Suy ra:



 





Tốc độ động cơ phụ thuộc vào điện áp nguồn U

d
, dòng điện phần ứng I
ư
, từ thông
và điện trở mạch phần ứng.
3. MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ:
Như giản đồ phân bố công suất đã thể hiện, công suất điện P
1
do động cơ
nhận từ nguồn bị tổn hao trên điện trở mạch phần ứng, phần còn lại là công suất
điện từ truyền từ khe hở đến rotor. Moment điện từ tương ứng là:
M = kΦI
ư
Moment điện từ của động cơ tỉ lệ thuận với từ thông và dòng điện phần ứng.
Tổng các tổn hao ở phía roto sẽ làm công suất cơ có ích ở đầu trục nhỏ hơn
công suất điện từ, tương ứng với Moment hữu ích của động cơ nhỏ hơn Moment
điện từ.
Momen tổn hao phía rotor:











Khi đó, Moment hữu ích M

2
là:
M
2
= M – M
0

4. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:
Yêu cầu:
 Dòng điện mở máy phải được hạn chế đến mức thấp nhất.
 Moment mở máy phải đủ lớn.
 Thời gian mở máy ngắn.
 Thiết bị và phương pháp mở máy phải đơn giản và làm việc chắc chắn.
Các phương pháp mở máy:
 Mở máy trực tiếp.
 Mở máy bằng biến trở.
 Hạ điện áp mở máy .
4.1. MỞ MÁY TRỰC TIẾP:
Phương trình cân bằng sđđ động cơ một chiều:
U = E
ư
+ I
ư
.R
ư



  







Khi mở máy n = 0 , E
ư
= 0







Xuất hiện các vòng lửa trên chổi than có thể làm hỏng cổ góp. Trường hợp
mở máy trực tiếp này chỉ dùng cho loại máy có công suất bé (thường động cơ công
suất bé khoảng vài trăm watt có Rư tương đối lớn), do đó khi mởmáy I
ư
<(4 - 6) I
đm
.


4.2. MỞ MÁY BẰNG BIẾN TRỞ:
Do dòng điện mở máy quá lớn, để tránh nguy hiểm cho động cơ, người ta
dùng biến trở mở máy.

I
mm

= (1,4  1,7) I
đm
đối với động cơ lớn.
I
mm
= (2  2,5) I
đm
đối với động cơ nhỏ.





4.3. MỞ MÁY BẰNG ĐIỆN ÁP THẤP: (U
mm
< U
đm
)
Phương pháp này đòi hỏi phải dùng một nguồn điện độc lập có thể điều
chỉnh điện áp được để cung cấp cho phần ứng của động cơ, trong khi đó mạch kích
từ phải được đặt dưới điện áp U = U
đm
của một nguồn khác.










với U
mm
< U
đm

5. CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU:
5.1. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:
U = C
E
Φn + I
ư
. R
ư


  







Do đó : Để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ta có các phương pháp:
 Điều khiển Φ.
Dòng kích từ hay từ thông của một động cơ kích từ song song hoặc động cơ
kích từ hỗn hợp được thay đổi bằng cách mắc biến trở nối tiếp với cuộn dây kích từ

song song. Tăng điện trở ở mạch kích từ làm giảm từ thông và do đó tăng tốc độ.
Ngược lại, giảm điện trở mạch kích từ làm tăng tốc độ.

 Điều khiển điện áp đặt vào phần ứng.
Điện trở mạch phần ứng của động cơ được thay đổi bằng cách mắc nối tiếp một
biến trở vào phần ứng. Khi điện trở nối tiếp tăng, điện áp qua phần ứng của động
cơ giảm và tốc độ động cơ giảm. Ngược lại, tốc độ động cơ được tăng khi điện trở
nối tiếp giảm. Phương pháp điều khiển tốc độ này thường được sử dụng cho động
cơ kích từ nối tiếp
 Điều khiển R
ư
.
Tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần
ứng.
5.2. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:
a. Động cơ kích từ song song hoặc độc lập:

























U =const, I
t
= const, k = const







b. Động cơ kích từ nối tiếp:
I = I
ư
= I
t
 Φ = K
Φ
.I

































Moment mở máy rất lớn nên được sử dụng trong trường hợp cần mở máy có
moment lớn.
Đặc tính cho thấy tốc độ quay giảm rất nhanh khi M.
Khi không tải (I = 0, M= 0) tốc độ động cơ rất lớnkhông để ĐC nối tiếp làm việc
không tải. Thông thường cho phép động cơ làm việc tối thiểu P
2
=(0,2 - 0,25)P
đm
.
 Động cơ kích từ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng
nề và cấn tốc độ thay đổi trong vùng rộng.
c. Động cơ kích từ hỗn hợp:
Động cơ kích từ hỗn hợp kết hợp đặc tính vận hành của động cơ kích từ nối
tiếp và đặc tính vận hành của động cơ kích từ song song. Nó có một tốc độ không
tải xác định và có thể được vận hành một cách an toàn ở không tải. Khi tải được
thên vào, một lượng từ thông được tăng làm cho tốc độ giảm nhiều hơn so với động
cơ kích từ song song. Do đó, sự điều chỉnh tốc độ của động cơ kích từ hỗn hợp thì
kém hơn động cơ kích từ song song.
Momen của động cơ kích từ hỗn hợp lớn hơn momen của động cơ kích từ
song song do từ thông của kích từ nối tiếp.
Động cơ kích từ hỗn hợp thường được sử dụng ở những nơi cần một tốc độ
tương đối ổn định với tải không đều hoặc tải nặng được đặt vào bất thình lình như.
Như các máy ép, máy cắt, các máy chuyển động qua lại thường được kéo bởi động
cơ kích từ hỗn hợp.