Bài giảng máy điện chương 6 TS nguyễn quang nam

Bài giảng
Chương 6: Máy điện một chiều
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>
Phần 1

1

Máy điện một chiều – Tổng quan
Máy điện DC là máy điện có dòng điện phần ứng luôn luôn được đổi
chiều thích hợp bằng bộ đổi chiều cơ khí, do đó từ trường của phần ứng
cũng như của phần cảm luôn có trục cố định.

Kích từ
Rôto

Phân bố từ thông do dây quấn kích từ
tạo ra đối xứng quanh trục cực từ, do đó
trục này được gọi là trục kích từ hay trục

N

S

dọc. Các chổi than nằm ở ví trị thuận lợi
cho sự đổi chiều, trên trục ngang.
Độ lớn mômen

T=

π
2

p 2 Φ d Fa1

Phần ứng
Chổi

Stato có
cực từ

Kích từ
Phần 1

2


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Hình chụp cấu tạo của máy DC
Vòng đệm

Cực từ

Cách điện

Đầu nối

Quạt

Chổi

Dây quấn rôto
Ổ đỡ

Phiến
đồng

Cổ góp
Phần 1

3

Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)

Phần 1

4


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)

Dây quấn xếp đơn

Phần 1

5

Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)

Dây quấn sóng đơn

Phần 1

6


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Tính Fa1 theo dòng phần ứng ia, độ lớn của mômen

T=

π
2

p 2Φ d

Z
pZ
i
=
Φ d ia = K a Φ d ia
a
π 2 4 pa
πa
8

(N.m)

Khi dùng dây quấn phân bố, mỗi cuộn dây tạo ra một điện áp hình sin

và đổi chiều ở vùng trung tính. Tại các chổi, điện áp phát ra là tổng vectơ
của các điện áp trong mỗi cuộn dây nối tiếp của một nhánh song song.
Với số phiến góp đủ lớn, điện áp trung bình của cuộn dây

ecoil =

2 pN c

π

Điện áp giữa các chổi

ea =

Φ d ωm

C
2 pN c C
pZ
ecoil =
Φ d ωm =
Φ ω = K a Φ d ωm
πa
πa d m
a

(V)

Phần 1

7

Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Kiểm tra lại công suất trung bình

ea ia =

pZ
Φ d ω m i a = Tω m
πa

(W)

Nghĩa là công suất điện tức thời tính theo điện áp tốc độ bằng công suất cơ
tức thời tính theo mômen điện từ. Chiều của dòng công suất được xác định từ
chế độ làm việc của máy: động cơ hay máy phát.
Từ thông khe hở dọc trục do stđ (mmf) tổng của

ea0

Đặc tính
khe hở

dây quấn kích từ tạo ra. Đặc tính từ thông-mmf
được gọi là đường cong từ hóa. Tuy nhiên, dạng
thuận tiện hơn là sức điện động-mmf ở tốc độ
không đổi. Sức điện động tại tốc độ bất kỳ

ea =

ωm
ea 0
ω m0

Tốc độ = ωm0

ΣNfif
Phần 1

8


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Ưu điểm chính của máy DC là các đặc tính vận
hành có thể thay đổi rộng nhờ việc chọn phương
Độc lập

pháp kích từ thích hợp. Dây quấn kích từ có thể

Nối tiếp

được cấp nguồn ngoài, hay do máy tự cấp nguồn
(tự kích). Các sơ đồ nối dây được thể hiện như
Song song

hình bên.

Hỗn hợp

Máy kích từ độc lập có dòng kích từ chỉ chiếm một phần nhỏ so với dòng định

mức (1 – 3%). Do đó, máy có thể được coi như một bộ khuếch đại công suất lớn.
Trong các hệ thống điều khiển có hồi tiếp cần điều chỉnh điện áp phần ứng trong
phạm vi rộng, máy phát kích từ độc lập có thể được sử dụng.
Dây quấn kích từ của máy phát tự kích có thể nối theo 1 trong 3 cách: nối tiếp,
song song, và hỗn hợp. Cần có từ dư để máy có thể khởi động quá trình tự kích.
Phần 1

9

Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Đặc tính V-A xác lập được thể

Điện áp (% so với định mức)

hiện trong hình bên, với tốc độ

Song song

của động cơ sơ cấp là hằng số.

Độc lập

Quan hệ giữa sức điện động
xác lập Ea và điện áp đầu cực Ut

Hỗn hợp

như sau

U t = E a − I a Ra

(V)

Nối tiếp

Ia là dòng phần ứng, Ra là điện
trở mạch phần ứng
Dòng điện tải (% so với định mức)

Trong máy phát, Ea > Ut và mômen điện từ là mômen cản ngược chiều quay.
Phần 1

10


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Điện áp của máy phát kích từ song song hơi giảm theo tải, nhưng
không theo cách thức thích hợp cho nhiều mục đích. Từ thông khe hở và
điện áp của máy phát kích từ nối tiếp thay đổi rộng theo tải, do đó không
được sử dụng rộng rãi.
Các máy phát kích từ hỗn hợp thường được nối theo kiểu hỗn hợp
cộng để tạo ra điện áp gần như không đổi hay hơi tăng khi tải tăng.
Dây quấn kích từ song song thường gồm nhiều vòng dây nhỏ, dây
quấn kích từ nối tiếp thường có ít vòng dây lớn. Điện áp của cả máy kích
từ song song lẫn hỗn hợp có thể được điều chỉnh giữa những giới hạn
hợp lý bằng biến trở trên dây quấn kích từ song song.
Phần 1

11

Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Mọi phương pháp kích từ dùng cho máy phát đều có thể áp dụng cho
động cơ. Giữa sức điện động và điện áp đầu cực có quan hệ

U t = E a + I a Ra

(V)

Trong động cơ kích từ song song và độc lập, từ thông kích từ gần như là
hằng số. Do đó tốc độ sẽ hơi giảm khi tăng tải. Thực tế, động cơ kích từ song
song có độ sụt tốc khoảng 5% từ không tải đến đầy tải. Mômen khởi động và
cực đại bị giới hạn bởi khả năng đổi chiều thành công dòng phần ứng.
Một thuận lợi quan trọng của động cơ kích từ song song là sự dễ dàng
trong điều khiển tốc độ. Dòng kích từ và từ thông có thể được thay đổi trong
một dải rộng nhờ biến trở ở mạch kích từ, dẫn đến tốc độ thay đổi tương ứng,
để duy trì sức điện động xấp xỉ điện áp đặt vào động cơ.
Phần 1

12


Máy điện một chiều – Tổng quan (tt)
Động cơ kích từ nối tiếp có đặc tính cơ dốc xuống đáng kể. Với
các ứng dụng đòi hỏi khả năng quá tải mômen lớn, đặc tính này
đặc biệt thuận lợi vì công suất tương ứng được giữ ở giá trị hợp lý
ở các độ sụt tốc khác nhau. Động cơ kích từ hỗn hợp có thể khắc
phục khuyết điểm tốc độ non tải cao mà vẫn giữ được các ưu điểm
của động cơ kích từ nối tiếp.
Sức từ động phần ứng có ảnh hưởng nhất định đến phân bố
không gian của từ thông khe hở và biên độ của từ thông tổng dưới

mỗi cực. Điều này sẽ ảnh hưởng đến các giới hạn đổi chiều, điện
áp phát ra và mômen trên đơn vị dòng phần ứng.
Phần 1

13


Bài giảng
Chương 6: Máy điện một chiều
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>
Phần 2

1

Sức từ động phản ứng phần ứng
Tính toán theo hình 7.17, sóng stđ phần ứng có thể xấp xỉ
bằng một tam giác. Với máy có chổi nằm ở vị trí trung tính,
sóng sức từ động và phân bố từ cảm khe hở được thể hiện
trong hình 7.18.
Trục sức từ động phần ứng nằm lệch 90° so với trục từ
trường chính, do đó tạo ra từ thông đổi chiều giữa các mặt
cực => phản ứng phần ứng ngang trục. Điều này làm giảm
từ thông tổng dưới một nửa mặt cực, và tăng từ thông tổng
dưới nửa mặt cực còn lại (hình 7.20).
Phần 2

2

Sức từ động phản ứng phần ứng (tt)

Phần 2

3

Sức từ động phản ứng phần ứng (tt)

Phần 2

4


Sức từ động phản ứng phần ứng (tt)
Khi các dây quấn phần ứng và kích từ đều được kích thích, phân bố
từ cảm trong khe hở là xếp chồng của các từ cảm thành phần. Do bão
hòa từ, từ cảm tổng không phải là tổng đại số của các từ cảm thành
phần, mà sẽ có giá trị nhỏ hơn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng
khử từ của phản ứng phần ứng ngang trục.
Phản ứng phần ứng ngang trục còn hạn chế khả năng đổi chiều và
làm giảm khả năng quá tải ngắn hạn của máy DC. Động cơ với kích từ ít
thay đổi chịu ảnh hưởng mạnh nhất.
Có thể thiết kế máy để giới hạn ảnh hưởng của phản ứng phần ứng
ngang trục, sử dụng các biện pháp: tăng mức bão hòa tại răng phần ứng
và mặt cực, tạo khe hở không đều dưới mặt cực, hay dùng dây quấn bù.
Phần 2

5

Máy điện DC – Phân tích mạch điện
Các phương trình cho máy DC

Ka =

Ea = K a Φ d ω m

T = KaΦd I a
U t = E a ± I a Ra

pZ
πa

U t = E a ± I a Ra ± ∆U

dấu “+” cho động cơ, dấu “-” cho máy phát, ∆U là điện áp rơi trên chổi than
Tích số EaIa được gọi là công suất điện từ Pđt. Phân bố công suất trong
hai trường hợp máy phát và động cơ như hình dưới đây.
C/suất
động cơ
sơ cấp

C/suất
điện
ngõ ra
UtI

Pđt

Tổn
hao
quay
Máy phát

Tổn
hao
phần
ứng

C/suất
điện
ngõ vào
UtI

Tổn
hao
kích
từ

Tổn
hao
kích
từ
Phần 2

C/suất
cơ
ngõ ra

Pđt

Tổn
hao
phần
ứng

Tổn
hao
quay
Động cơ
6


Phân tích mạch điện (tt)
Công suất điện từ chênh lệch với công suất cơ trên trục
máy một lượng bằng tổn hao quay Pr. Các tổn hao phần ứng
và kích từ lần lượt ký hiệu là Pa và Pf.

Pa = I a2 Ra

Pf = U 2f R f

(W)

Chú ý rằng công suất kích từ nối tiếp được gộp vào tổn hao
phần ứng. Ra là điện trở tổng mạch phần ứng, Uf là điện áp
đặt vào dây quấn kích từ song song, và Rf là điện trở của dây
quấn kích từ song song. Tổn hao quay Pr thường phụ thuộc
vào tốc độ máy, và được xác định bằng thực nghiệm.

Phần 2

7

Phân tích mạch từ
Xét trường hợp tổng quát của một máy kích từ hỗn hợp, stđ tương đương
Feq cho bởi (trong đó Nf và Ns lần lượt là số vòng dây kích từ song song và
nối tiếp), khi chưa xét đến phản ứng phần ứng

Feq = N f I f ± N s I s

(A.vòng)

Ngoài trường hợp sơ đồ hỗn hợp kiểu rẽ dài đã biết, còn có kiểu rẽ ngắn.
Đường cong từ hóa của máy DC thường được cho ứng với trường hợp
kích từ song song. Stđ tương đương của máy hỗn hợp có thể quy đổi về
bằng với stđ của chỉ một dây quấn kích từ song song có Nf vòng dây, với
dòng điện tương đương

I f _ eq = I f ± (N f N s )I s
Phần 2

(A)
8


Phân tích mạch từ (tt)
Nếu xét đến stđ phản ứng phần ứng

Feq = N f I f ± N s I s − AR

(A.vòng)

Đường cong từ hóa không tải có thể được biểu diễn dưới dạng chuẩn
hóa (trong hệ đơn vị tương đối pu). Stđ hay dòng kích từ đơn vị là giá trị
cần thiết để tạo ra điện áp định mức (1 đvtđ) ở tốc độ định mức khi máy
không tải. Điện áp không tải ở tốc độ khác có thể tính bởi

E a = E a 0 (ω m ω m 0 )

(V)

Các đường cong bão hòa có tải bị dịch sang bên phải đường cong
không tải một lượng coi như tỷ lệ với dòng phần ứng, trong phạm vi vận
hành bình thường.
Phần 2

9

Phân tích xác lập
Hiệu suất là đại lượng đặc trưng cho tính hiệu quả về mặt năng lượng của máy,
được định nghĩa là tỷ số giữa công suất ngõ ra Po và công suất ngõ vào Pi.

η=

Po
P − ∆P
Po
× 100% = i
× 100% =

× 100%
Pi
Pi
Po + ∆P

với ∆P là tổng tổn hao công suất.
Khi phân tích tính năng xác lập, bản chất của các vấn đề là khác nhau trong hai
chế độ máy phát và động cơ. Ở chế độ máy phát, tốc độ thường được xác lập bởi
động cơ sơ cấp, và vấn đề thường gặp là xác định điện áp đầu cực ứng với tải và
kích từ nào đó, hay tìm kích từ cho một tải và điện áp đầu cực nào đó.
Ở chế độ động cơ, bài toán thường gặp là xác định tốc độ tương ứng với một
tải và kích từ nào đó, điện áp đầu cực thường được giữ cố định.
Phần 2

10


Phân tích xác lập máy phát
Trong máy phát kích từ độc lập, dòng kích
từ độc lập với điện áp phát ra, do đó điện áp
phát ra được xác định theo đường cong từ
hóa.
Trong máy phát có cuộn kích từ song song,
dòng điện kích từ song song quan hệ với điện
áp phát theo định luật Ohm của nhánh kích từ
song song.
Quá trình thành lập điện áp được minh họa ở hình trên, với điều kiện có từ dư,
dây quấn kích từ đấu đúng cực tính, và điện trở mạch kích từ song song đủ nhỏ.
Giá trị điện trở ứng với trường hợp hai đặc tính tiếp xúc nhau là giá trị tới hạn.

Phần 2

11

Phân tích xác lập động cơ
Vì điện áp đầu cực động cơ thường không đổi, không có sự phụ thuộc của kích
từ song song vào điện áp như trong máy phát có cuộn kích từ song song. Do đó,
việc phân tích gần như đối với máy phát kích từ độc lập, dù tốc độ là một biến
quan trọng và thường phải xác định nó.
Đường cong từ hóa là quan hệ sức điện động theo kích từ. Quan hệ giữa
mômen điện từ với từ thông và dòng phần ứng là quan trọng, vì thường phải khảo
sát sự phụ thuộc tương hỗ giữa mômen và cường độ từ trường rôto và stato.
Quan hệ sức điện động với từ thông và tốc độ thường là trung gian để xác định
tốc độ động cơ ở các điều kiện vận hành khác nhau.
Tốc độ động cơ ứng với dòng phần ứng đã cho Ia có thể tìm được bằng cách
tính điện áp cảm ứng Ea, tiếp đó tìm được kích từ và xác định được điện áp Ea0
ứng với tốc độ ωm0 bằng đường cong từ hóa, từ đó tìm được tốc độ thực.
Phần 2

12


Máy điện DC – Vấn đề đổi chiều và cực từ phụ
Yếu tố giới hạn quan trọng nhất trong vận hành máy DC là khả năng truyền
dòng điện qua chổi mà không sinh ra tia lửa và làm nóng bộ đổi chiều quá mức.
Tia lửa có thể xuất hiện do điều kiện cơ khí kém hay điều kiện điện xấu. Các
điều kiện điện bị ảnh hưởng mạnh bởi stđ phần ứng và từ thông.
Trong giai đoạn đổi chiều, cuộn dây được chuyển từ nhóm này sang nhóm kia
(hình 7.22), và ở cuối giai đoạn thì dòng điện cuộn dây phải bằng giá trị nhưng
ngược dấu so với dòng điện ở đầu giai đoạn.

t
Dòng điện trong
dây quấn phần ứng

Giai đoạn đổi chiều
Phần 2

13

Vấn đề đổi chiều và cực từ phụ (tt)
Các cuộn dây đang đổi chiều bị chổi than làm ngắn mạch,
với mạch tương đương gồm điện cảm, điện trở thay đổi theo
thời gian ở chổi, và điện áp quay cảm ứng trong cuộn dây.
Sự đổi chiều hiệu quả thường được xác định từ thực
nghiệm, do các khó khăn trong việc phân tích định lượng.
Màng tiếp xúc giữa chổi và phiến góp có điện trở phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như mật độ dòng, hướng dòng điện,
nhiệt độ chổi, độ ẩm và áp suất không khí, trong đó mật độ
dòng đóng vai trò quan trọng nhất.
Phần 2

14


Vấn đề đổi chiều và cực từ phụ (tt)
Nền tảng thực nghiệm của việc đổi chiều không tia lửa là tránh mật
độ dòng quá cao ở mọi điểm trên tiếp xúc đồng-than, kết hợp với việc
tận dụng vật liệu. Điều kiện tối ưu: mật độ dòng là đều trên mặt chổi
trong toàn bộ giai đoạn đổi chiều => quá trình đổi chiều tuyến tính.

Điện trở có thể ảnh hưởng đến việc đổi chiều, nhưng quan trọng
hơn là điện cảm. Các điện áp phản kháng làm trì hoãn dòng điện trong
cuộn dây được đổi chiều, dẫn đến hiện tượng đổi chiều trễ.
Với các máy công suất nhỏ, có thể thiết kế để điện áp rơi trên tiếp
xúc chổi lớn hơn nhiều so với các điện áp cảm ứng => đổi chiều điện
trở.
Phần 2

15

Vấn đề đổi chiều và cực từ phụ (tt)
Điện áp quay cảm ứng trong các cuộn dây đang đổi chiều
có thể hỗ trợ cho quá trình đổi chiều, bằng cách khử đi các
điện áp phản kháng => đổi chiều điện áp. Người ta thực hiện
bằng cách đặt các cực từ nhỏ giữa các cực từ chính trong
khu vực đổi chiều, gọi là các cực từ phụ.
Với máy phát, cực tính của cực từ phụ phải giống với cực
từ chính ngay trước nó (tính theo chiều quay). Với động cơ
thì cực tính của cực từ phụ giống với cực từ chính ngay sau
nó.
Phần 2

16


Bài giảng
Chương 6: Máy điện một chiều
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>
Phần 3

1

Máy điện DC – Dây quấn bù
Với các máy quá tải nặng, tải thay đổi nhanh, hay làm việc với kích từ yếu, có
thể xuất hiện các vấn đề khác bên cạnh tia lửa ở chổi. Vào thời điểm cuộn dây
nằm ở vị trí ứng với dạng sóng méo dạng mạnh của từ thông khe hở, điện áp
cuộn dây có thể đủ lớn làm đánh thủng không khí giữa các phiến góp kề nhau, và
tạo ra quầng lửa, hay hồ quang giữa các phiến góp.
Điện áp giữa các phiến góp thường được giới hạn 30 – 40 V, thường dẫn đến
việc cần dùng nhiều phiến góp. Ngoài ra còn có thể xuất hiện điện áp cao do cảm
ứng theo sự thay đổi của từ thông. Điện áp này sẽ cộng tác dụng với sức điện
động quay khi tải của máy phát giảm, hay tải của động cơ tăng => vầng quang
giữa các phiến góp.
Ngay cả khi có cực từ phụ, phản ứng phần ứng cũng vẫn gây ra các hiện tượng
làm giới hạn khả năng làm việc của máy => dây quấn bù dưới mặt cực từ.
Phần 3

2


Dây quấn bù (tt)
Dây quấn bù được đặt trong các rãnh trên mặt cực từ, với cực tính thích
hợp để khử sức từ động phần ứng. Dây quấn bù được nối tiếp với dây quấn
phần ứng để đảm bảo tác dụng khử từ cho mọi giá trị dòng phần ứng.
Nhờ dây quấn bù và cực từ phụ, phân bố từ cảm trong khe hở có thể trở
lại dạng cơ bản như của cực từ chính, trừ vùng đổi chiều. Ngoài ra, dây
quấn bù cũng làm giảm thời hằng của mạch phần ứng, giúp đáp ứng nhanh

hơn.
Khuyết điểm chính của dây quấn mặt cực là chi phí cao, do đó chúng chỉ
dùng cho các máy đặc biệt như quá tải nặng hay có tải thay đổi nhanh (động
cơ máy cán thép, chẳng hạn) hay các động cơ có phạm vi tốc độ rộng điều
khiển bằng kích từ song song.
Phần 3

3

Máy điện DC – Đặc tính cơ
Đặc tính cơ là quan hệ giữa mômen và tốc độ của động cơ. Dưới đây sẽ khảo
sát đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập như một trường hợp mẫu.
Tốc độ động cơ tính theo mômen, từ các quan hệ cơ bản đã biết

ωm =

E a U t − R a I a U t Ra T
Ra
=
=
−
= ω m0 −
T
2
kΦ
kΦ
kΦ kΦ kΦ
(kΦ )

(rad/s)

Dựa vào phương trình sau, có thể thấy khi không có mômen cản, động cơ đạt
tốc độ cao nhất, được gọi là tốc độ không tải ωm0. Đặc tính cơ có dạng đường
thẳng, với tốc độ giảm dần khi tăng mômen cản đầu trục. Đặc tính cơ đi qua điểm
tốc độ không tải ωm0 và mômen mở máy Ts (là mômen sinh ra đầu trục khi động
cơ được mở máy trực tiếp ở điện áp đầu cực tương ứng).

Ts =

kΦU t
Ra

(N.m)
Phần 3

4


Đặc tính cơ (tt)
Với các động cơ kích từ song song, nối tiếp, và hỗn hợp, có thể rút ra được
biểu thức tương tự cho đặc tính cơ. Điều cần chú ý là mối quan hệ giữa từ thông
và điện áp đầu cực trong các trường hợp này.
Với động cơ kích từ song song, nếu điện trở mạch kích từ không thay đổi, từ
thông coi như tỷ lệ với điện áp Ut, do đó số hạng ωm0 sẽ không thay đổi khi thay
đổi điện áp đầu cực. Trong khi với động cơ kích từ độc lập thì ωm0 sẽ thay đổi.
Với động cơ kích từ nối tiếp, từ thông lại tỷ lệ với dòng phần ứng, tức là gián
tiếp phụ thuộc vào mômen (giả thiết là sức điện động không đổi, vì xấp xỉ với điện
áp đầu cực cố định). Giả sử mômen tải tăng lên, từ thông và dòng phần ứng sẽ
cùng tăng lên, dẫn đến tốc độ phải giảm xuống để có được sức điện động phù
hợp với việc gia tăng dòng phần ứng và từ thông.

Động cơ kích từ hỗn hợp cần được xét theo từng trường hợp cụ thể.
Phần 3

5

Điều khiển tốc độ động cơ
Nhắc lại phương trình của đặc tính cơ

ωm =

Ra
Ut
Ra
−
=
−
ω
T
T
m
0
2
2
kΦ (kΦ )
(kΦ )

Tốc độ không tải ωm0 phụ thuộc vào điện áp Ut và từ thông Φ, còn độ dốc của
đặc tính cơ thì phụ thuộc vào điện trở phần ứng Ra và từ thông Φ. Từ đó dẫn đến
3 phương pháp điều khiển tốc độ: điều chỉnh từ thông, điều chỉnh điện trở phần
ứng, và điều chỉnh điện áp phần ứng.

Việc điều chỉnh từ thông có thể dễ dàng thực hiện trong máy kích từ độc lập
hay có cuộn kích từ song song, bằng cách thay đổi biến trở kích từ. Phương pháp
này đơn giản, rẻ tiền và không làm thay đổi các tổn hao động cơ.
Tốc độ cao nhất ứng với kích từ cực tiểu, và tốc độ cao nhất bị giới hạn về điện
do phản ứng phần ứng ở điều kiện từ trường yếu gây mất ổn định cho động cơ.
Phần 3

6


Điều khiển tốc độ động cơ (tt)
Khi điều chỉnh điện trở mạch phần ứng, chỉ có thể đạt được tốc
độ thấp hơn so với đặc tính tự nhiên (ứng với điện trở dây quấn
phần ứng), bằng cách thêm điện trở nối tiếp vào mạch phần ứng.
Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi kiểu kích từ của động
cơ. Đây là phương pháp phổ biến cho động cơ kích từ nối tiếp.
Tổn hao công suất trong điện trở phụ có thể lớn, do đó không
hiệu quả về mặt năng lượng vận hành lâu dài. Tuy nhiên, với chi
phí ban đầu thấp, phương pháp này có thể dùng trong các chế độ
làm việc ngắn hạn hay gián đoạn.

Phần 3

7

Điều khiển tốc độ động cơ (tt)
Biến thể của phương pháp điều chỉnh điện trở mạch phần ứng
là phương pháp phần ứng song song, sử dụng một cầu phân áp
để giảm điện áp đặt vào phần ứng.
Với động cơ kích từ song song, sự ổn định tốc độ trong vùng

tốc độ thấp được cải thiện đáng kể vì tốc độ không tải nhỏ hơn
giá trị khi không có điện trở điều khiển.
Với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, chỉ có tốc độ
không tải ωm0 bị ảnh hưởng, còn độ dốc của đặc tính cơ sẽ không
thay đổi. Do đó phương pháp này sẽ tạo ra một họ đặc tính cơ
song song nhau.
Phần 3

8


Điều khiển tốc độ động cơ (tt)
Trước đây, hệ động cơ-máy phát được sử dụng để thay đổi
điện áp phần ứng. Gần đây, các bộ biến đổi bán dẫn đã phát triển
mạnh như một giải pháp thay thế với nhiều ưu điểm vượt trội.
Hệ động cơ-máy phát (sơ đồ Ward-Leonard) sử dụng một động
cơ có tốc độ tương đối ổn định kéo một máy phát DC với điện áp
được điều chỉnh nhờ thay đổi kích từ.
Máy phát sẽ cung cấp điện cho động cơ DC cần được điều
chỉnh điện áp phần ứng. Hiển nhiên là phương án này rất tốn
kém, vì cần đầu tư 3 máy điện cùng cỡ công suất.

Phần 3

9

Điều khiển tốc độ động cơ (tt)

Điều chỉnh từ thông

Điều chỉnh điện trở phần ứng

Điều chỉnh điện áp phần ứng
Phần 3

10


Điều khiển tốc độ động cơ (tt)
Việc điều khiển điện áp phần ứng được kết hợp với điều khiển từ thông
để đạt được phạm vi tốc độ rộng nhất có thể có. Tốc độ cơ bản là tốc độ
ở từ thông cực đại, điện áp phần ứng định mức. Tốc độ cao hơn tốc độ
cơ bản có được nhờ giảm từ thông, còn tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản do
điều chỉnh điện áp phần ứng đảm nhận.
T

P

hằ
ng

Công suất hằng
uấ
th
ằn
g

Tốc độ cơ bản

en

Cô
ng
s

M
ôm

Mômen hằng

ω

Tốc độ cơ bản

ω

Phần 3

11

Điều khiển tốc độ động cơ (tt)
Tùy theo mức độ công suất và chất lượng điều khiển, một số sơ đồ
biến đổi công suất sử dụng linh kiện bán dẫn có thể được sử dụng.

Phần 3

12


Mở máy động cơ DC

Xét quá trình mở máy, tức là quá
trình đóng điện cho động cơ để tăng tốc
từ trạng thái đứng yên. Khi động cơ
đứng yên, tốc độ sẽ bằng 0. Nếu động
cơ được đóng điện trực tiếp vào điện áp
định mức (hoặc một giá trị xấp xỉ), dòng
điện khi mở máy sẽ có giá trị rất lớn

Is =

U t − kΦω
Ra

=
ω =0

Ut
Ra

(A)

Công thức trên ước tính giá trị dòng điện mở máy trong trường hợp thời hằng
của mạch điện là rất nhỏ so với thời hằng của cơ hệ gồm động cơ và tải. Trong
thực tế thì dòng điện mở máy sẽ không đạt đến giá trị lý thuyết đó.
Phần 3

13

Mở máy động cơ DC (tt)
Dòng điện mở máy tuy không đạt đến giá trị lý thuyết, nhưng vẫn rất lớn so

với dòng định mức, và càng nguy hiểm khi hệ máy càng lớn. Do đó, cần có các
biện pháp giới hạn dòng điện mở máy.
Các biện pháp mở máy
Biến trở mở máy: mắc nối tiếp biến trở vào mạch phần ứng và điều chỉnh
từ giá trị cực đại dần về 0 khi máy đạt chế độ làm việc cần thiết.
Giảm điện áp đặt vào phần ứng: áp dụng khi có thể điều chỉnh điện áp đặt
vào phần ứng.
Khi thực hiện mở máy, cần điều chỉnh kích từ để đạt được từ thông lớn nhất,
nhằm tạo ra mômen lớn giúp cho quá trình mở máy đạt hiệu quả cao.
Xem ví dụ 8.1 trong giáo trình
Phần 3

14


Chế độ hãm của động cơ DC
Ngược với quá trình mở máy là quá trình hãm, khi tốc độ của động cơ được
giảm dần từ giá trị làm việc về 0. Có hai chế độ hãm: hãm tái sinh (động cơ trả
năng lượng về nguồn) và hãm động năng (tiêu tán năng lượng trên điện trở).
Hãm tái sinh: Máy chuyển sang làm việc ở chế độ máy phát, với động năng
được chuyển dần thành điện năng và trả về nguồn. Giả thiết nguồn có thể nhận
lại năng lượng từ máy. Thường phải tăng dần từ thông để đảm bảo điều kiện
vận hành ở chế độ máy phát. Đến giá trị giới hạn của từ thông thì phải chuyển
sang dùng chế độ hãm động năng.
Hãm động năng: ngắt tải của động cơ, và đóng hai đầu cực của động cơ vào
mạch điện trở hãm. Động năng của động cơ sẽ được chuyển thành nhiệt tiêu
tán trên điện trở hãm.

ωm = −

(Ra + Rb )I a + ∆U

Phần 3

kΦ

(rad/s)
15