Giáo trình Máy điện 1- Chương 5: Động cơ điện một chiều

162

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

MÁY ĐIỆN 1

2008


163

Chƣơng 6

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

6.1. ĐẠI CƢƠNG
Máy điện một chiều có thể làm việc ở cả hai chế độ máy phát và động cơ.
Khi máy làm việc ở chế độ máy phát (hình 6.1a), công suất đầu vào là công suất
cơ còn công suất đầu ra là công suất điện. Động cơ sơ cấp quay rotor máy phát
điện một chiều có thể là turbine gas, động cơ diesel hoặc là động cơ điện. Khi máy
điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ (hình 6.1b), công suất đầu vào là công
suất điện cơ còn công suất đầu ra là công suất cơ.
Cả hai chế độ làm việc, dây quấn phần ứng của máy điện một chiều đều quay
trong từ trường và có dòng điện chạy qua. Như vậy, công thức sđđ cảm ứng và
moment điện từ cũng giống như chế độ máy phát.
Sđđ phần ứng của động cơ điện một chiều tính theo công thức (6.3) :

E æ  k E n  k M 
Moment điện từ của động cơ tính theo công thức (6.4) :

M  k M I æ

(6.1a)
(6.1b)

Phương trình cân bằng điện áp của động cơ theo công thức (6.6) :
Hoặc

P cơ

U  E æ  R mæ I æ

(6.1c)

E æ  U  R mæ I æ

(6.1d)

P điện
Máy điện DC

P cơ

Máy điện DC

It
(a)

It
(b)

Hình 6.1 Tính thuận nghịch của máy điện một chiều

6.2. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG
6.2.1. Mạch điện tƣơng đƣơng và các phƣơng trình

P điện


164

Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều kích từ song song có cực
từ phụ và dây quấn bù được trình bày trên hình 6.2; với các ký hiệu tương tự như
máy phát, ta có các phương trình cân bằng là:

I  Iæ  It
U
U
It =
=
R âc + R t R mt
E æ  U  R mæ I æ  k E Φn  k M ΦΩ

I

Nguồn
DC

Rt
+

U

(6.2b)
(6.2c)

Rmư
Iư

It

+

(6.2a)

n

Tải

Eư


B+P

Hình 6.2 Mạch tương dương của động cơ điện một chiều kích từ song song

6.2.2. Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ n = f(It).
Đặc tính tốc độ theo dòng kích từ là đường cong quan hệ giữa tốc độ theo
dòng điện kích từ n = f(It), khi dòng điện điện
n

phần ứng Iư = const và điện áp U = const.
Từ công thức (6.2c), ta có tốc độ động cơ
điện một chiều là:
E
với   0
(6.3a)
n æ
k EΦ
U  R mæ I æ
Hay n 
với   0 (6.3b)
k EΦ

Rđc
max

Rđc= 0

It

0
Hình 6.3 Đặc tính tốc độ
theo dòng kích thích

Theo biểu thức (6.3a), tốc độ tỉ lệ nghịch
với từ thông (I t ) ; trong khi đó quan hệ (I t ) có dạng đường cong từ hóa B(H).
Vậy n = f(It) có dạng hypebôn như trình bày trên hình 6.3.
Từ đặc tính này cho thấy, để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ song song ta
điều chỉnh dòng điện kích từ It. Đây là ưu điểm động cơ điện một chiều so với
động cơ điện xoay chiều.

6.2.3. Đặc tính cơ n = f(M).


165

Đó là đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mômen n = f(M), khi
dòng điện kích từ It = const và điện áp U = const. Rút dòng điện Iư từ công thức
(6.1b) và thay vào (6.3b), ta có biểu thức đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
như sau:
R mæ
U
(6.4)
n

M
k EΦ k E k M  Φ2
n
n1
n0
nđm

n

M

0

Hình 6.4 Đặc tính cơ của động cơ kích từ song song

M0

Mđm

Nếu điện áp U và từ thông  không đổi thì đặc tính cơ là đường thẳng dốc
xuống như trình bày trên hình 6.4. Mômen tăng thì tốc độ giảm rất ít, như vậy đặc
tính cơ máy điện một chiều kích từ song song cứng. Trong những máy điện thực
khi có tải, từ thông giảm một ít do phản ứng phần ứng, cho nên mômen M hay
dòng phần ứng Iư tăng làm tốc độ giảm ít hơn so với đặc tính trình bày trên hình
6.4. Như vậy, phản ứng phần ứng có lợi trong việc điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều.
Nếu mômen cản M2 = 0 và M0 = 0 thì dòng điện Iư = 0, động cơ quay với tốc
độ không tải lý tưởng (hình 6.4):

U
(6.5)
k EΦ
Nhưng thực tế lúc không tải động cơ cũng phải lấy dòng điện I0 để bù vào tổn
hao không tải P0, và quay với tốc độ n0 < n1 một ít:
U  R mæ I o
no 
 n1
(6.6)
k EΦ
Từ công thức (6.4), ta thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có ba
phương pháp :
n1 

1. Điều chỉnh điện áp U đặt vào mạch phần ứng.
2. Điều chỉnh từ thông  tức điều chỉnh dòng điện kích từ.
3. Điều chỉnh điện trở phụ Rp mắc nối tiếp với mạch phần ứng.

Tóm lại, tốc độ của động cơ điện một chiều sẽ được thay đổi khi điều chỉnh
điện áp U, từ thông  (tức dòng điện kích từ It) và điện trở phụ Rp, điều đó sẽ
được đề cập ở phần sau.
VÍ DỤ 6.1


166

Một máy điện một chiều kích từ song song có Pđm = 12kW, điện áp Uđm =
100V, nđm = 1000vòng/ph, Rmư = 0,1. Dây quấn kích từ song song có điện trở Rt
= 80 và số vòng của dây quấn kích thích Nt = 1200vòng/cực từ, dòng kích từ là
1A. Máy được cung cấp nguồn một chiều có điện áp 100V và làm việc ở chế độ
động cơ. Khi không tải động cơ quay 1000 vòng /phút và dòng điện phần ứng là
6A.
Đặc tính từ hóa khi 1000 vòng/phút cho ở bảng sau:
Ikt (A)
0.0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 0,75
Eư (V)
10
20
30
40
50
60
80

1,0
100

1,5
145

2,0
163

1. Tính trị số điện trở điều chỉnh Rđc của mạch kích từ song song.
2. Tính tổn hao quay ở tốc độ 1000 vòng /phút.
3. Tính tốc độ, moment điện từ, hiệu suất của động cơ khi dòng trong dây
quấn phần ứng là định mức trong các trường hợp:
a. Cho rằng từ thông trong khe hở không khí như lúc không tải.
b. Cho rằng từ thông trong khe hở không khí giảm 5% khi dòng trong dây
quấn phần ứng là định mức.
4. Xác định moment khởi động nếu dòng điện khởi động phần ứng bị giới
hạn bằng 150% của trị số định mức trong các trường hợp:
a. Bỏ qua phản ứng phần ứng.
b. Phản ứng phần ứng tương ứng dòng điện kích từ It.pư = 0,16 A.

Bài Giải
1. Tính trị số điện trở điều chỉnh Rđc của mạch kích từ song:
Khi không tải, dòng điện Iư = 6A.
Eư = U - IưRmư = 100 - 6 x 0,1 = 99,4 V.
Từ đặc tính từ hóa cho ở bảng, sđđ Eư = 99,4V và tốc độ 1000 vòng/phút có
dòng điện khích từ It = 0,99A. Điện trở của mạch kích từ song song :
U
100

R mt = R âc + R t = t =
= 101 Ω
It
0,99
Điện trở điều chỉnh của mạch kích từ song song :
Rđc = Rmt - Rt =101 - 80 = 21 
2. Tổn hao quay ở tốc độ 1000 vòng/phút
Khi không tải, công suất điện từ trong máy là tổn hao quay :
Pquay = EưIư = 99,4 x 6 = 596,4 W
3. Khi động cơ làm việc ở tải định mức Iư = Iư đm = 120A
a. Bỏ qua phản ứng phầm ứng: 0 = đm; Eư 0 = 99,4 V
Eư đm = U - EưIư = 100 - 120 x 0,1 = 88 V
E æ0
k Φ n
n
 E 0 0  0
E æâm k E Φ âm n âm n âm


167

E æâm
88
n0 
 1000  885,31 vòng/phút
E æ0
99,4
2n âm 2  885,31

 âm 


 92,71 rad/s
60
60
E I
88  120
M æ æ 
 113,9 N.m
 âm
92,71
P2 = Pđt - Pquay = 88 x 120 - 596,4 = 9963,6 W
P1 = UtI = U(Iư + It) = 100 x (120 + 0,99) = 12.099 W
P
9963 ,6
η  2 100 % 
100 %  82,35%
P1
12099
b. Có phản ứng phầm ứng : đm = 0,950
E æ0
k Φ n
 E 0 0
E æâm k E Φ âm n âm
n0
99,4
=
88
0,95 n âm
88
1

n âm 

 1000  931,91vòng/phút

99,4 0,95
Chú ý rằng, tốc độ tăng nếu từ thông gỉam do phản ứng phần ứng.
2n âm 2  931,91
 âm 

 97,59 rad/s

60
60
E I
88  120
M æ æ 
 108,21 N.m
 âm
97,59
P
9963,6
η  2  100 
 100%  82,35%
P1
12099
4. Tính moment khởi động
a. Bỏ qua phản ứng phầm ứng : 0 = đm
2  1000
Eư 0 = 99,4 V = kM  = kM
60

kM = 0,949 V/rad/s
Iư = 1,5 x 120 = 180 A
MK = kM Iư = 0,949 x 180 =170,82 N.m
b. Có phản ứng phầm ứng : Ikt = 0,99 A khi Iư = 180 A
It.hd = It - It.pư = 0,99 - 0,16 = 0,83 A
Từ đặc tính từ hóa cho ở bảng, với dòng điện khích từ It = 0,83A. Ta có sđđ Eư =
93,5V và tốc độ 1000 vòng/phút.
2  1000
Eư = 93,5 V = kM  = kM
60
kM = 0,893 V/rad/s


n âm 

MK = kM Iư = 0,893 x 180 =160,71 N.m


168

6.3. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP
6.3.1. Mạch điện tƣơng đƣơng và các phƣơng trình
Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.
Vì dòng kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vòng
dây và điện trở nhỏ. Mạch điện tương đương trình bày trên hình 6.5 và gọi Rn là
điện trở của dây quấn kích từ nối tiếp.
Rmư

I

Iư
Nguồn
DC

+

+

U

n
Tải

Eư
KTn

M
B+P

Hình 6.5 Mạch tương dương của động cơ kích từ nối tiếp

Các phương trình cân bằng là :
(6.7)
I  In  Iæ
(6.8)
E æ  U  R mæ I æ  k E Φn
Chú ý : Ở đây dòng điện I æ và từ thông (I æ ) phụ thuộc tải của động cơ và điện
trở mạch phần ứng có cả điện trở dây quấn kích từ nối tiếp.
6.3.2. Đặc tính cơ n = f(M).
Đó là đường cong quan hệ n  f (M) khi điện áp U = const.

Theo công thức (6.4) và   k  I æ , ta có :

M  k M k  I 2æ
Khi Iư nhỏ, từ biểu thức (6.5) và (6.9), ta có :
R
U
1
n

 mæ
(6.10a)
kE kΦ / kM
M k EkΦ

A
n
B
M

(6.9)
n
n0

(6.10b)

Vậy đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp
có dạng hypebôn như trình bày trên hình 6.6. Khi tốc
độ n = 0 moment khởi động Mk của động cơ kích
thích nối tiếp có giá trị rất lớn. Khi tải giảm nhiều, Iư
nhỏ,  nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh. Đặc biệt lúc

động cơ không tải, dòng điện Iư = I0 rất nhỏ khiến
tốc độ quá lớn, rất nguy hiểm. Vì vậy cần phải vận

nđm

0

M
M0 Mđm

Mk

Hình 6.6 Đặc tính của động cơ
kích từ song song


169

hành động cơ kích từ nối tiếp sao cho tình trạng khởi động không tải hoặc làm việc
không tải không xảy ra; và cũng cần tránh động cơ làm việc quá non tải.
Khi dòng điện Iư lớn, mạch từ bão hòa, từ thông  (Iư) tăng chậm hơn nghĩa là
 (Iư) < k  I æ nên đặc tính ở trên hypebôn đó.
6.4. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP
6.4.1. Mạch điện tƣơng đƣơng và các phƣơng trình
Giống máy phát kích từ hỗn hợp, trên mỗi cực từ mang hai dây quấn kích từ :
song song có điện trở Rts; nối tiếp có điện trở Rtn.
Từ hình 6.7, ta viết được các phương trình làm việc là:
(6.11)
I  I æ  I t ; I tn  I æ
(6.12)

U t  U  R t It
E æ  U  R mæ I æ  k E n(Φs  Φ n )  k M Ω(Φs  Φ n ) (6.13)
Trong biểu thức (6.13) dấu (+) ứng với hỗn hợp cộng; dấu (-) ứng với hỗn hợp
trừ. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp trừ ít được dùng vì không ổn định. Lúc
này điện trở mạch phần ứng có cả điện trở dây quấn kích từ nối tiếp.
Rmư

I
It
Nguồn
DC

+

U

Iư
Rđc

Itn

+

n
Tải

Eư
KTs

KTn

M
B+P

Hình 6.7 Mạch tương đương của động cơ kích từ hỗn hợp

6.4.2. Đặc tính cơ (tốc độ - Moment) n = f(M).
Đó là đường cong quan hệ n  f (M) khi điện áp U = const và điện trở điều
chỉnh Rđc =const.
Biết được quan hệ  n  f (I æ ) , từ (6.1b) và (6.13), ta có:

n

(R  R n )M
U
 2 æ
k M (Φ s  Φ n ) k M ( Φ s  Φ n ) 2

(6.14)

Đây chính là phương trình thông số của đường cong đặc tính cơ động cơ điện
một chiều. Các đường cong đặc tính của phương trình được vẽ trên hình 6.8.
Đường (1) là động cơ kích từ song song; đường (2) kích từ nối tiếp; (3) kích từ
hỗn hợp cộng ; (4) kích từ hỗn hợp trừ.


170
4

n

n1

1
3
2
Hình 6.8 Các đặc tính cơ của động cơ một chiều.
M

0

(1) Kích từ song song; (2) Kích từ nối tiếp; (3) Kích từ hỗn
hợp cộng; (4) Kích từ hỗn hợp trừ.

6.5. ẢNH HƢỞNG CỦA MẠCH TỪ BÃO HÒA

B(hay )

Do ảnh hưởng của bão hòa mạch từ mà từ thông cực từ không tỉ lệ stđ sinh ra
nó. Vì vậy để tính toán chính xác
mômen và tốc độ động cơ trong
những điều kiện làm việc khác
nhau đòi hỏi phải sử dụng đường
cong từ hóa, như trình bày trên
hình 6.9. Đường cong từ hóa cụ
thể của máy điện được cho bởi nhà
sản xuất.
0

Ftổng(A-t/cực từ)

Hình 6.9 Đường cong từ hóa của máy điện

Stđ tổng trong cực từ bao gồm stđ dây quấn kích từ song song, dây quấn kích
từ nối tiếp và phản ứng phần ứng tương đương. Trong trường hợp chung stđ tổng
là:

Ftäøng• Ft  Fn  Fæ
Trong đó:

(6.15)

Ftổng = stđ tổng (A-t/cực từ)
Ft = stđ kích từ song song NtIt (A-t/cực từ)
Fn = stđ kích từ nối tiếp NnIư (A-t/cực từ)
Fư = stđ do phản ứng phần ứng qui đổi về cực từ (A-t/cực từ)

Chú ý: Cho rằng stđ Fư tỉ lệ với dòng điện phần ứng, mặc dầu điều đó không chính
xác lắm. Và nếu máy có sử dụng dây quấn bù thì bỏ qua phản ứng phần ứng (xem
như Fư = 0). Lấy dấu “+” hoặc “-” trong công thức (6.15) là phụ thuộc vào kiểu
đấu của dây quấn khích từ nối tiếp.
Khi biết được ảnh hưởng của các trị số khác đến từ trường cực từ và dòng điện
phần ứng đến mômen điện từ và tốc độ quay của máy, điều đó thuận tiện cho việc
sử dụng các công thức (6.1b) và (6.3d) để lập tỉ số sau đây:


171

M1 k M ΦI æ 1

M 2 k M ΦI æ 2

 U  I æ R mæ 


n 1  k E Φ 1

n 2  U  I æ R mæ 


 k EΦ  2

(6.16)

våïi   0

(6.17)

Thay Φ  B S vào các công thức (6.16) và (6.17), trong đó S là diện tícch tiết
diện của cực từ và ước lược các hằng số, ta có:

M1 BI æ 1

M 2 BI æ 2

(6.18)


n1  U  I æ R mæ  
B






n2 
B
1  U  I æ R mæ  2

(6.19)

VÍ DỤ 6.2
Một động cơ kích từ hỗn hợp 40hp, 1150vòng/phút, 240V có hiệu suất 93,2% khi
đang vận hành ở các điều kiện định mức. Động cơ có các thông số:
Điện trở, 
Vòng/cực

Phần ứng
0,068


Cực từ phụ
0,0198


KT nối tiếp
0,00911
1, rồi 2

KT song song
99,5
1231

Sơ đồ mạch điện và đường cong từ hóa của động cơ như trên hình VD 6.2. Xác
định (a) dòng điện phần ứng khi động cơ làm việc ở chế độ định mức; (b) điện trở
và công suất của nó để mắc nối tiếp với dây quấn kích từ khi tốc độ đạt 125% định
mức. Giả thiết rằng với tải trên trục của máy thì chỉ điều chỉnh dòng điện phần ứng
giới hạn bằng 115% dòng định mức.

Bài giải
a. Dòng điện phần ứng:
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.2
P  UI 

It 

I đm 

Pvào 40  746

 137 ,84 A
U
0,902

U 240

 2,412 A
R t 99,5

Iưđm = Iđm - It = 137,84 – 2,41 = 135,43 A
b. Điện trở và công suất của nó
Cho rằng stđ cuộn dây kích từ nối tiếp được thiết kế bù hết stđ do phản ứng

phần ứng sing ra, do vậy stđ trong động cơ là ổn định và có stđ tổng là:


172

Ftổng = Ft = Nt.It = 1231 x 2,412 = 2969,2 A-t/cực từ
Từ đường cong từ hóa trên hình VD 6.2, từ cảm ứng với stđ tổng đã tính
2969,2 A-t/cực từ là 0,70T.
Điện trở mạch phần ứng:
Rmư = Rư + Rf + Rtn

Từ cảm B(T)

= 0,068 + 0,0198 + 0,00911 = 0,0969 Ω
1,05

0,90

0,75
0,70
0,60
0,56

Iư
It

I
Rđc

0,45

Rmư

+

+
U

DC
0,30

KT
Song song



B+P
KT
nối tiếp

0,15

1

2

3

4

Tải

Eư

Rt

0

n

5

Sức từ động Ft (A-t/cực từ×1000)
Hình VD 6.2. Sơ đồ mạch điện và Đường cong từ hóa


n1  U  I æ R mæ  
B




n2 
B
1  U  I æ R mæ  2


B 2  B1 

n1 U  I æ R mæ 2


n 2 U  I æ R mæ 1

6

7


173

B 2  0,7 

240  135,43 1,15  0,0969 2  0,56 T
1150

240  135,43  0,0969 1
1,25 1150

Stđ tương ứng từ đường cong hình VD 6.2 là:
Ft = Nt.It = 2,3 x 1000 = 2300 At/cực từ


It 

Ft
2300

 187 A
N t 1231

It 

V
U
240
 R đc   R t 
 99,5  28,8 Ω
R t  R đc
It
1,87

2
Pđc  R đc Iđc
 2,88 1,87 2  100 ,7 W

VÍ DỤ 6.3
Một động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 125hp, 850vòng/phút, 240V, hiệu
suất định mức 85,4% có các thông số như sau:
Điện trở, 
Vòng/cực

Phần ứng
0,0172


Cực từ phụ
0,005


KT nối tiếp

0,0023
2

KT song song
49,5
577

Sơ đồ mạch điện và đường cong từ hóa của động cơ như trên hình VD 6.3. Cho
rằng khoảng 10% dòng điện kích thích nối tiếp bù lại phản ứng phần ứng khử từ.
Máy làm việc với mômen tải không đổi Xác định (a) dòng điện kích từ song song;
(b) dòng điện phần ứng (c) mômen điện từ khi vận hành định mức; (d) dòng điện
phần ứng nếu thêm điện trở mắc nối tiếp với dây quấn kích từ để tăng tốc độ đến
900vòng/phút; (e) điện trở mắc nối tiếp với dây quấn kích trong trường hợp câu
(d).

Bài giải
a. Dòng điện kích từ:
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.3

It 

U
240

 4,88 A
R t 49,2

η

P

Pra
P
125  746
 454 ,97 A
 ra  I  ra 
Pvào U  I
η.U 0,854  240

b. Dòng điện phần ứng:
Iư = I - It = 454,97 – 4,88 = 450,09 A
c. Mômen điện từ:
Rmư = Rư + Rf + Rn
= 0,0172 + 0,005 + 0,0023 = 0,0245 Ω
Eư = U-Iư Rư = 240 – 450,09 x 0,0245 = 228,97 V


174

Pđt = Eư. Iư = 228,97 x 450,09 = 103057 W

M đt  9550 

Pđt
103,059
 9500 
 1158 Nm
n
850

1,05

0,90
0,88
0,83

Từ cảm B(T)

0,75

Iư
It

I
Rđc

0,45

Rmư

+

+
U

DC
0,30

KT
Song song



B+P
KT
nối tiếp

0,15

1

3

2

4

Tải

Eư

Rt

0

n

5

6

7

Sức từ động Ft (A-t/cực×1000)
Hình VD 6.3. Sơ đồ mạch điện và Đường cong từ hóa

d. Dòng điện phần ứng khi thêm điện trở điều chỉnh dòng điện kích từ:
Ftổng = Nt.It + Nn.Iư – 0,1.Nn.Iư =
Ftổng = 577 x 4,88 + 4,5 x 450,09(1-0,1) = 4638,6 A-t/cực từ
Từ đường cong, ta có được từ cảm cực từ B = 0,88 T.
M1 BI æ 1
0,88  450 ,09
Iæ 


B1  I æ 2
M 2 BI æ 2

Iæ2 

396 ,08
B2

(1)


175

Chú ý: Công thức (1) là riêng cho bài toán này.



n1  U  I æ R mæ  
B





n2 
B
1  U  I æ R mæ  2



n1 U  I æ R mæ 2

n 2 U  I æ R mæ 1
850 240  396 ,08  0,0245 / B 2
B 2  0,88 

900
240  450 ,09  0,0245

B 2  B1 

B22  0,8711 B2  0,0352  0
Giải phương trình bậc hai, ta có:
0,8711  (0,8711) 2  4  0,0352
2
(2)
 B1  0,83T; 0,043T

Thay (2) vào công thức (1), ta có:
396 ,08
396 ,08
Iæ2 
 477 A; I æ 2 
 9211 A
0,83
0,043
Ta nói về toán học động cơ có thể làm việc với tốc độ 900vòng/phút ở từ cảm
0,83T hoặc 0,043T. Khi máy làm việc ở từ cảm 0,043T thì dòng điện phần ứng là
9211A, tương đương trường hợp máy ngắn mạch; động cơ sẽ bị hỏng nếu thiết bị
bảo vệ không cắt nó ngay ra khỏi lưới điện.
B2 

Chọn từ cảm trong hai giá trị đáp ứng được điều kiện tải, từ cảm cao sẽ cho
dòng điện phần ứng thấp, đó là điều kiện lựa chọn bắt buộc.
Để tính B2 đơn giản, có thể sử dụng cách gần đúng, cho rằng điện áp I.R rơi
trên mạch phần ứng nhỏ và bỏ qua trong mọi điều kiện tải. Cơ sở của cách này là
spđđ Eư = U – RưIư = const. Như vậy dòng điện, Chương 4:

Iæ 

n.M
9,55  E æ

Nếu mômem M không đổi và Eư không đổi thì Iư  n:

n 2 Iæ2
n
900


 I æ 2  I æ1  2  450 ,09 
 477 A
n1 I æ1
n1
850
Thay (3) vào công thức (1), ta có:
396 ,08
B2 
 0,83 T
477
e. Tính điện trở mắc nối tiếp với dây quấn kích

(3)

Từ đường cong từ hóa hình VD 6.3 ứng với từ cảm 0,83 ta có stđ F =
4000At/cực từ.
F2  N t I t 2  N n I æ 2  0,1.N n .I æ 2


176

F2  0,9  N n  I æ 2
 3,58 A
577
4000  0,9  4,5  477

 3,58 A
577
U

U
240

 R âc 
 Rt 
 49,2  17,8 Ω
R t  R âc
It2
3,58

It2 
It2

It2
VÍ DỤ 6.4

Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 100hp, 650vòng/phút, 240V, hiệu
suất định mức 89,6%, kích từ nối tiếp có số vòng 14vòng/cực từ và cho rằng stđ
phản ứng phần ứng tương đương 8% stđ kích từ nối tiếp. Các thông số động cơ
như sau:
Điện trở, 

Phần ứng
0,0202

Cực từ phụ
0,00588

KT nối tiếp
0,00272

Sơ đồ mạch điện và đường cong từ hóa của động cơ như trên hình VD 6.4. Xác
định tốc độ động cơ nếu giảm tải để dòng điện phần ứng giảm còn 30% dòng định
mức.

Bài giải
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.4

P 100  746

 346 ,91 A
U
240
Rmư = Rư + Rf + Rn
= 0,0202 + 0,00588 + 0,00272 = 0,0288 Ω
Gọi Ftổng,1 Stđ tổng trước khi thay đổi tốc độ:
Ftổng,1 = Fn – Fpư = Nn.Iư (1– 0,08)
Ftổng = 14 x 346,91x(1-0,08) = 4468,2 A-t/cực từ
Với stđ Ftổng,1 và đường cong từ hóa của động cơ hình VD 6.4, ta có:
B1 = 0,87T.
Gọi Ftổng,2 Stđ tổng sau khi thay đổi tốc độ:
Ftổng,2 = 0,30 x Ftổng,1 = 0,30 x 4468,2 = 1340,5 A-t/cực từ.
Với stđ Ftổng,2 và đường cong từ hóa của động cơ hình VD 6.4, ta có:
B1 = 0,34T.
I  Iæ 


n1  U  I æ R mæ  
B






n2 
B
1  U  I æ R mæ  2
650  240  346 ,91  0,0288  
0,34





n2 
0,87
1  240  0,3  346 ,91  0,0288  2
n2 = 1714 vòng/phút


177
1,05

0,90
0,87

Từ cảm B(T)

0,75

Iư

I

Rmư

0,45
+
U

DC

0,34
0,30

+

n
Tải

Eư
B+P

KT
nối tiếp

0,15

0

1

2

3

4

5

6

7

Sức từ động Ft (A-t/cực×1000)
Hình VD 6.4. Sơ đồ mạch điện và Đường cong từ hóa

6.6. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Khởi động là quá trình đóng điện vào động cơ để động cơ làm việc.
6.6.1. Khởi động trực tiếp
Ta có phương trình cân bằng điện áp ở mạch phần ứng của động cơ:
U  Eæ  R æ Iæ
(6.20a)
Từ (6.20a), rút ra dòng điện phần ứng:
U  Eæ
Iæ 
(6.20b)
Ræ
Khi khởi động, tốc độ n  0 , spđđ E æ  k E Φn  0 , nên dòng điện phần ứng

lúc khởi động trực tiếp là:


178

U
(6.21)
Ræ
Vì điện trở Rư rất nhỏ, cho nên dòng điện phần ứng lúc khởi động rất lớn
khoảng (20-30)Iđm, làm hỏng chổi than và cổ góp, đồng thời ảnh hưởng đến lưới
điện. Phương pháp này chỉ cho phép khởi động các động cơ có công suất nhỏ hơn
2kW.
Để hạn chế dòng điện khởi động, đạt IK = (1,5-2)Iđm, ta xét các biện pháp sau.
I æ.Kí 

6.6.2. Khởi động dùng biến trở RK
Mắc biến trở RK nối tiếp vào mạch phần ứng như trình bày trên hình 6.10.
Dòng điện khởi động lúc có biến trở khởi động là :
U
(6.22)
I Kí 
R æ  R Kí
RK
2

1

I
+

M n
1
I

3
4

0

U
_

4

n



+

Rđc

3

Iư

Rmư

It

2

Tải

Eư
Rt

M

M

0
Hình 6.10 Dùng biến trở điều chỉnh tốc độ (khởi
động) động cơ kích từ song song

Mc
t

Hình 6.11 Các quan hệ I, M, n với thời
gian t khi khởi động động cơ

Lúc đầu để biến trở khởi động RK ở vị trí lớn nhất trong quá trình khởi động,
tốc độ tăng lên, spđđ Eư tăng lên và giảm dần RK về không, động cơ làm việc với
điện áp định mức (hình 6.10).
VÍ DỤ 6.5
Một động cơ điện một chiều kích từ song song có công suất 11kW, 230V,
1750vòng/phút, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới là
56,2A. Các thông số của động cơ là Rmư = 0,280Ω và Rt = 137Ω. Hãy xác định (a)
mômen định mức; (b) dòng điện phần ứng nếu rotor đứng yên khi chưa có điện trở
khởi động; (c) điện trở mắc nối tiếp vào mạch phần ứng để giảm dòng điện khởi

động và có mômen khởi động bằng 200% trị số mômen định mức; (d) cho rằng hệ
thống có điện áp giảm còn 215V, xác định mômen khởi động khi có điện trở khởi
động trong điều kiện câu (c).

Bài giải
a. Tính mômen định mức:


179

P
11
 9500 
 60 Nm
n
1750
b. Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.5a, ta có
M đm  9550 

I æ1 

U  E æ 230  0

 821,4 A
Ræ
0,28

It

I

Iư

Rt

Rmư

+

Nguồn
DC

U=230V

+

n

Tải

Eư



(a)

B+P

Iư
It

I

RK

Rt
+

Nguồn
DC

Rmư
U

+

n

Tải

Eư


(b)

B+P

Hình VD 6.5

c. Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.7b, ta có

It 

U 230

 1,68 A
R t 137

Iưđm = Iđm - It = 56,2 – 1,68 = 54,52 A
Sử dụng công thức (6. 1b) và lập tỉ số để tính dòng điện khi mômen khởi động
bằng 200%Mđm, ta có:

M1 I æ 1
M

 I æ 2  I æ1  2
M 2 I æ 2
M1


180

I æ 2  54,52 

2  M1
 109 ,0 A
M1

Tính điện trở khởi động. Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho hình 6.2b, ta có:
U  Eæ

U =Eư – Iư(Rmư + RK)
 RK 
 Ræ
Iæ
230  0
RK 
 0,28  1,83 Ω
I109
Mômen khởi động khi điện áp nguồn giảm còn 215V:

U 215

 1,57 A
R t 137
U  Eæ
215  0
I æ , 215 

 101,9 A
R æ  R K 0,28  1,83
Giả thiết từ trở không đổi, ta có quan hệ:
M  k M ΦI æ  I t I æ
I I 
M1 I t I æ 1
Vậy

 M 2  M1  t æ 2
I t I æ 1
M 2 I t I æ 2
Vì tổn hao quay như ma sát và quạt gió không cho, nên mômen định mức cho

bằng mômen điện từ:
1,57 101,9
M 2  60 
 104 ,8 Nm
1,68  54,52
I t , 215 

6.6.3. Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào phần ứng
Phương pháp nầy được sử dụng khi có nguồn một chiều có thể điều chỉnh
được điện áp. Ví dụ trong hệ thống T - Đ (Thyristor - Động cơ) đang sử dụng phổ
biến.
6.7. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Đặc tính cơ của các loại động cơ một chiều trình bày trên hình 6.8, còn phụ tải
khác nhau yêu cầu tốc độ khác nhau. Vì vậy để phù hợp với tải cần phải điều chỉnh
tốc độ động cơ lúc có tải.
Từ công thức (6.14), ta viết lại như sau :

Ω

(R æ  R n  R p )M
U

k M (Φ s  Φ n )
k 2M (Φ s  Φ n ) 2

(6.23)

Trong đó, Rp : điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng (Rp = RK, hình 6.10).
Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau :
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông  .

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U.
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rp.


181

6.7.1. Động cơ kích từ song song (độc lập)
a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 
Iư
It

I
Rđc
Nguồn
DC

Rmư

+
U

Rt

+

n

Tải

Eư



B+P

Hình 6.12 Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ kích từ song song

Nếu thay đổi từ thông  bằng cách
thay đổi điện trở điều chỉnh Rđc để thay
đổi dòng điện kích từ It (hình 6.12) thì
ứng với các trị số khác nhau của Rđc ta
có các đặc tính cơ như trên hình 6.6. Các
đường đặc tính này có no > nođm, và sẽ
giao nhau trên trục hoành khi n = 0 :
U
Iæ 
(6.24)
R mæ



 'o''
 'o'

’
’’ ’

’ ’

đm

 'o
 âm

0

Mđ (Iưđm
M(Iư)
)
m
Hình 6.13 Đặc tính cơ của động cơ

Do điều kiện đổi chiều, các động cơ
điện một chiều kích từ song song với
thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh
các It khác nhau
tốc độ quay bằng phương pháp này trong
giới hạn 1:2. Cũng có thể sản xuất động
cơ có giới hạn điều chỉnh 1:5, hoặc thậm chí 1:8.

VÍ DỤ 6.6
Một động cơ điện một chiều kích từ song song có công suất 7,5 kW, 240V,
2500vòng/phút, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới là
37,5A. Các thông số của động cơ là Rư = 0,213Ω, Rb = 0,065Ω, Rp = 0,092Ω và Rt
= 160Ω. Hãy xác định (a) dòng điện phần ứng nếu mắc nối tiếp một điện trở vào
mạch kích từ để điều chỉnh từ thông, khi đó từ thông giảm còn 75% trị số định
mức và mômen tải giảm còn 50% định mức; và (b) tốc độ động cơ trong điều kiện
câu (a).

182

Bài giải
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.6
a. Điều kiện định mức:

It 

U 240

 1,5 A
R t 160

Iư = I - It = 37,5 – 1,5 = 36 A
Iư
It

I
Rđc
Nguồn
DC

Rmư

+
U=240V

Rt
+

n

Tải

Eư



B+P

Hình VD 6.6

Sử dụng công thức (6. 1b) và lập tỉ số, ta có:

M1 ΦI æ 1
M
Φ

 I æ1  I æ1  2  1
M 2 ΦI æ 2
M1 Φ 2

I æ1  36 

0,5  M1
Φ1

 24,0A
M1
0,75  Φ1

b. Tính tốc độ rotor:
Điện trở mạch phần ứng:
Rmư = Rư + Rb + Rf
= 0,213Ω + 0,065 + 0,092 = 0,370 Ω
Từ công thức (6.3), lập tỉ số, ta có:

n 2  U  I æ R mæ   k E Φ 


 
n1  k E Φ  2  U  I æ R mæ 1
 240  24  0,37  
k EΦ

n 2  2500  
 


 k E .0,75 .Φ  2  240  36  0,37 1
n 2  3399 vg / phuït
Như vậy, ta thấy từ thông cực từ giảm thì tốc độ động cơ tăng lên.


183

b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U

U

n
o4
o1

4
1 Uđm
2
3

o2

UC

o3

0
Bộ A

Bộ B

Hình 6.14 Dùng bộ biến đổi thyristor thay đổi UC để
điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Mđ (Iưđm
)
m

M(Iư)

Hình 6.15 Đặc tính cơ (tốc độ) của

động cơ điện một chiều kích từ độc lập
với các U khác nhau

Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cần hai nguồn: một nguồn
có thể điều chỉnh điện áp được để nối với mạch phần ứng và một nguồn khác nối
với mạch kích từ. Hệ thống truyền động T-Đ (Thyristor - Động cơ) như trình bày
trên hình 6.14, đang sử dụng phổ biến. Bộ biến đổi A và B được nối song song
ngược, trong đó bộ B được dùng khi cần đổi chiều quay động cơ. Điện áp một
chiều Uc đặt vào phần ứng liên quan với U theo biểu thức:
(6.25)
Uc  1,35U cos , 0    90o
Khi thay đổi U, có họ đặc tính cơ trình bày trên hình 6.15. Đường 1 ứng với
Uđm, đường 3 và 2 ứng với U3 < U2 < Uđm, còn đường 4 ứng với U4 > Uđm.
VÍ DỤ 6.7
Hệ thống truyền động điện áp môt chiều (T - Đ) như trên hình 6.14 có động cơ
điện một chiều kích từ độc lập với công suất phần ứng định mức 1600hp, 750V,
955vòng/phút. Dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ khi tải định mức tương
ứng là 1675A và 5,20A. Động cơ có dây quấn bù và dây quấn kích từ riêng. Dây
quấn kích từ độc lập được cung cấp từ nguồn có điện áp 240V qua điện trở điều
chỉnh. Các thông số động cơ như sau:
Phần ứng
Cực từ phụ + bù
KT độc lập
0,0054
0,0042
14,7
Điện trở, 
Công suất yêu cầu của tải thay đổi tỉ lệ lập phương với tốc độ. Hãy xác định
mômen điện từ sinh ra khi làm việc ở tốc độ định mức; (b) mômen điện từ yêu cầu
khi tốc độ bằng nửa định mức; (c) điện áp phần ứng cần có tốc độ bằng nửa định

mức. Cho rằng dòng điện kích từ định mức và dây quấn bù với cực từ phụ bù được
phản ứng phần ứng khử từ.


184

Bài giải
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình 6.14
a. Mômen điện từ:
Rmư = Rư + Rf+b =0,0054 + 0,0042 = 0,0096 Ω
Eư = U – Iư Rư = 750 – 1675 x 0,0096 = 733,92 V
Pđt = Eư . Iư = 733,92 x 1675 = 1.229.316 W

Pđt
1229 ,316
 9500 
 12293 ,16 Nm
n
955
b. Mômen điện từ yêu cầu khi tốc độ bằng ½ định mức:
M đt  9550 

Theo đề ta có:

P  n 3  M  n  n 3 . Vậy: M  n 2
2

n 
M1  n1 
    M 2  M1   2 

M2  n2 
 n1 

2

2

 0,5n1 
  3073 ,3Nm
M 2  12293 ,16  
 n1 
c. Điện áp yêu cầu khi tốc độ bằng ½ định mức:
Sử dụng công thức (6. 18) và lập tỉ số, ta có:

M1 BI æ 1
M
B

 I æ 2  I æ1  2 
M 2 BI æ 2
M1 B

I æ 2  1675 

3073 ,3
 418 ,75 A
12293 ,2

Sử dụng công thức (6.3) và lập tỉ số, ta có:



n1  U  I æ R mæ   k E Φ 


 
n 2  k E Φ 1  U  I æ R mæ  2
n
U 2  2  ( U  I æ R mæ )1  I æ 2 R mæ 2
n1
0,5n1
U2 
 (750  1675  0,0096 )  418 ,75  0,0096
n1
U 2  371,0 V

c) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf.
Mắc thêm Rp vào mạch phần ứng (hình 6.10), ta thấy tốc độ động cơ giảm như
trên hình 6.16. Ta có họ đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rp, trong đó
Rp = 0 là đặc tính cơ tự nhiên. Như vậy nếu Rp càng lớn đặc tính cơ càng dốc, tức
đặc tính cơ càng mềm, nghĩa là tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi.


185

VÍ DỤ 6.8
Một động cơ điện một chiều kích từ
song song có công suất 25 hp, 240V,
850vòng/phút, đang làm việc ở chế độ
định mức có dòng điện nhận từ lưới là

91A. Điện trở mạch phần ứng và của
mạch kích từ tương ứng là Rmư =
0,221Ω, và Rt = 120Ω. Hãy xác định
dòng điện phần ứng mới, nếu mắc
thêm điện trở phụ 2,14 Ω nối tiếp vào
mạch phần ứng và tốc độ giảm còn
634vòng/phút.

n
no

Rp=0
Rp1
Rp2
Rp3

0
Mđm (Iưđm)

M(Iư)

Hình 6.16 Đặc tính cơ (tốc độ) của động cơ điện
một chiều kích tư song song với các Rp khác nhau

Bài giải
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.8

It =

U 240

=
=2A
R t 120

Iư = I - It = 91 - 2 = 89 A
Iư
I

120Ω

Rp=2,14Ω

It

+

Nguồn
DC

Rt

U=240V

Rmư = 0,221Ω
+

n

Tải

Eư



B+P

Hình VD 6.8

Sử dụng công thức (6.10) và cho rằng từ thông không đổi, lập tỉ số, ta có:

( U  I æ1R mæ )
n1

n 2 U  I æ 2 (R mæ  R p )
U


Iæ2 

n2
 ( U  I æ1R mæ )
n1
(R mæ  R p )


186

Iæ2 

240 

634
 (240  98 .  0,221)
850
 32,05 A
(0,221  2,14)

VÍ DỤ 6.9
Một động cơ điện một chiều kích từ song song có công suất 10hp, 220V,
1750vòng/phút, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới là
35,5A. Các thông số của động cơ là Rư = 0,203Ω, Rb = 0,062Ω, Rf = 0,095Ω và Rt
= 110Ω. Hãy xác định (a) dòng điện phần ứng định mức; (b) tốc độ động cơ nếu
mắc nối tiếp một điện trở phụ 1,0 Ω vào mạch phần ứng, khi đó từ thông cực từ và
mômen cản trên trục không đổi.

Bài giải
Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.9
a. Tính dòng điện phần ứng :

It 

U 220

2A
R t 110

Iư = I - It = 35,5 - 2 = 33,5A

120Ω
Iư

I

Nguồn
DC

Rpư=1,0Ω

It

+
U=240V

Rmư

Rt
+

n

Tải

Eư



B+P

Hình VD 6.9

b. Tính tốc độ rotor:
Điện trở mạch phần ứng:
Rmư = Rư + Rb + Rf
= 0,203Ω + 0,062 + 0,095 = 0,360 Ω
Từ công thức (6.3), lập tỉ số, ta có: