Giáo trình Máy điện II - Chương 11: Động cơ điện một chiều

 Ch−ơng11 Động cơ điện một chiều 
11.1 Đại c−ơng 
Động cơ điện 1 chiều đ−ợc sử dụng nhiều trong giao thông vμ những nơi cần điều chỉnh 
tốc độ liên tục trong dãi rộng. 
Phân loại động cơ 1 chiều cũng nh− máy phát: kích thích độc lập, song song, nối tiếp vμ 
hổn hợp 
11.2 Mở máy động cơ điện 1 chiều. 
Yêu cầu: 
- Mômen mở máy cμng lớn cμng tốt để dể dμng thích ứng với tải 
- Dòng điện mở máy cμng bé cμng tốt 
Các ph−ơng pháp mở máy. 
1. Mở máy trực tiếp 
Theo ph−ơng pháp nμy khi cần mở máy ta chỉ việc 
đóng thẳng động cơ vμo l−ới. 
Đặc điểm của ph−ơng pháp: Tại t = 0, khi đó n = 0 
nên E = Ceφ n = 0, dòng điện mở máy lúc đó lμ: 
uu
mm R
U
R
EU
I =−= vì R− rất bé, th−ờng R−* = 0,2 - 
0,1 nên Imm = (5-10)Iđm
Hình 7.1 Mở máy nhờ 
biến trở 
Ph−ơng pháp nμy chỉ đ−ợc áp dụng cho các động cơ 
có công suất bé, vì với các động cơ nμy R− t−ơng đối lớn 
2. Mở máy nhờ biến trở. 
Sơ đồ mở máy nh− hình 7.1. 
Do có biến trở mắc nối tiếp vμo mạch phần ứng 
nên dòng điện mở máy đ−ợc tính. 
fufu
mm RR
U
RR
EU
I +=+
−= . 
Điện trở Rf đ−ợc chọn sao cho Imm = (1,4-1,7)Iđm 
đối với động cơ lớn vμ Imm = (2,0-2,5)Iđm với động cơ 
bé. 
Theo sơ đồ hình 7.1 quá trình mở máy đ−ợc tiến 
hμnh nh− sau: 
Khi t < 0, con tr−ợt của Rđc để ở vị trí b để φt có 
giá trị cực đại, chuyển mạch CM đặt ở vị trí số 1, toμn bộ điện trở phụ đ−ợc nối nối tiếp với 
dq phần ứng 
Hình 7.2 Quá trình mở máy 
nhờ biến trở mắc vμo mạch phần 
Khi t = 0, động cơ đ−ợc đóng vμo l−ới điện, có dòng điện I− vμ φt phần ứng sẽ xuất 
hiện mômen M = CMφtI− nếu M > MC động cơ sẽ quay, tốc độ động cơ tăng từ 0 đến 1 
giá trị nμo đó, s.đ.đ tăng theo n, (E = Ceφtn). Khi E tăng lên thì 
fu
u RR
EUI +
−= giảm xuống, 
Máy điện 2 52
dẫn tới M giảm xuống, gia tốc giảm xuống. I− vμ M giảm theo quy luật hμm mũ, phụ thuộc 
vμo hằng số thời gian R−-L− của dây quấn phần ứng. 
Tại thời điểm t = t1 khi I− = (1,1 - 1,3)Iđm quay chuyển mạch sang vị trí 2, cắt bớt một 
phần Rf ra khỏi mạch phần ứng, dòng điện I− lại tăng lên, M tăng lên vμ n lại tiếp tục tăng. 
I− vμ M tăng gần nh− tức thời vì R− rất bé. Quá trình cứ tiếp tục nh− vậy cho đến khi toμn 
bộ Rf đ−ợc cắt ra khỏi mạch phần ứng vμ tốc độ động cơ đạt đến giá trị định mức, hình 7.2. 
 3. Mở máy bằng cách giảm điện áp. 
Ph−ơng pháp mở máy nμy gần giống nh− mở máy nhờ biến trở nh−ng cần phải có một 
bộ nguồn có thể điều chỉnh đ−ợc điện áp. 
 11.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. 
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều lμ quan hệ n = f(M), đây lμ đặc tính quan trọng 
nhất của động cơ. 
Từ biểu thức s.đ.đ vμ ph−ơng trình điện áp của động cơ 1 chiều ta có: 
φφ e
u
e C
IRU
C
E
n
−== 7.1 
vì M = CMφ I nên 2
eM
u
e CC
MR
C
U
n φφ −= 7.2 
Xét sự lμm việc ổn định của động cơ theo sự phối hợp đặc tính cơ của động cơ vμ đặc 
tính cơ của tải, hình 7.3a,b 
Tr−ờng hợp hình 7.3a, vì một lý do nμo đấy tốc độ của động cơ tăng lên n = nlv +Δ n thì 
MC > M vμ động cơ sẽ bị hãm lại để trở về nlv ban đầu ứng với điểm P. Cũng vậy nếu tốc độ 
của động cơ giảm xuống thì MC < M vμ động cơ sẽ đ−ợc gia tốc để trở về điểm P. 
Sự phối hợp đặc tính cơ của động cơ vμ của tải nh− hình 7.3b thì ng−ợc lại. Nếu tốc độ 
của động cơ tăng lên thì MC < M vμ động cơ tiếp tục đ−ợc gia tốc vμ tăng mãi. Nếu tốc độ 
của động cơ giảm thì nó tiếp tục giảm về n = 0. 
Hình 7.3 (a) chế độ lμm việc ổn định, (b) chế độ lμm việc không 
Vậy điều kiện để hệ lμm việc: 
ổn định lμ 
dn
dM
dn
dM C〈 7.4 
vμ không ổn định 
dn
dM
dn
dM C> 7.5 
Máy điện 2 53
1. Đặc tính cơ động cơ điện 1 chiều kích thích song song hoặc độc lập. 
Nếu U = Uđm = C
te vμ It = C
te, thì khi M thay đổi, φ vẫn không đổi, ảnh h−ởng lμm 
giảm φ do phản ứng phần ứng ngang trục rất bé không đáng kể nên ta có ph−ơng trình đặc 
tính cơ: 
Hình 7.4 Đặc tính cơ 
động cơ 
K
.MR
nn u0 −= 7.6 
Đặc tính n = f(M) lμ đ−ờng thẳng, hình 7.4. Vì R− rất 
bé nên từ không tải đến định mức, Δn = (2-8)% , hai loại 
động cơ trên có đặc tính cơ rất cứng, phù hợp cho các máy 
cắt gọt kim loại. 
a) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi φ. 
Từ ph−ơng trình đặc 
tính cơ 
2
eM
u
e CC
MR
C
U
n φφ −= 
Khi tăng Rđc ta chỉ có 
thể giảm đ−ợc từ thông φ, 
khi đó ta đ−ợc một họ 
đ−ờng đặc tính cơ có độ 
dốc khác nhau ứng với: 
 φđm > φ' > φ'' > φ''' vμ nđm < n1 < n2 < 
n3 Hình 7.5 Điều chỉnh Hình 7.6 Điều chỉnh n 
Nh− vậy theo ph−ơng 
pháp nμy ta có thể điều 
chỉnh n > nđm hình 7.5 
n bằng bằng cách 
b) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi Rf. 
Khi đ−a thêm Rf vμo mạch phần ứng, đặc tính cơ 
lμ: 
K
).MR(R
nn fu0
+−= 
 7.7 
Theo ph−ơng pháp nμy n0 = C
te, khi tăng Rf độ 
dốc của đặc tính cơ tăng lên, tức lμ tốc độ thay đổi 
nhiều hơn khi tải thay đổi, hình 7.6. 
c) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U. 
 Vì chỉ có thể thay đổi đ−ợc U < Uđm, nên khi 
giảm U ta sẽ đ−ợc một họ đặc tính cùng độ dốc (độ cứng), hình 7.7 
Hình 7.7 Điều chỉnh tốc độ bằng 
 cách thay đổi 
Uđm > U1 > U2 vμ nđm > n1 > n2 
Ph−ơng pháp nμy chỉ có thể điều chỉnh đ−ợc n < nđm vμ chỉ áp dụng cho các động 
cơ kích từ độc lập. 
Máy điện 2 54
 2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp 
Loại động cơ nμy có It = I− = I vμ φ = KφI, trong đó Kφ = Cte khi I < 0,8Iđ,m, còn khi 
I > 0,8Iđm thì Kφ giảm xuống một ít do ảnh h−ởng bảo hòa của mạch từ. 
Từ 
φ
φφ
K
CICM
2
MuM == 
 7.8 
suy ra 
MC
MKφφ = 
thay vμo biểu thức 
2
eM
u
e CC
MR
C
U
n φφ −= ta có: 
φφ KC
R
MKC
.UC
n
e
u
e
M −= 
 7.9 
Hình 7.9 Các sơ đồ đ/c tốc độ đ.c.đ.1.c kích từ 
bỏ qua R− thì 
M
U
~n hay 
2
2
n
C
M =
 7.10 Vậy đặc tính cơ của động cơ điện 
một chiều kích từ nối tiếp sẽ có dạng đ−ờng 
hypecpon, hình 7.8 (đ−ờng 1) 
Từ đ−ờng đặc tính cơ ta thấy ở động cơ kích từ 
nối tiếp khi M tăng n giảm rất nhiều. Đặc biệt khi 
không tải (I = 0, M = 0), tốc độ có trị số rất lớn. Điều 
nμy rất nguy hại vì nó có thể lμm gãy trục, vì vậy với 
loại động cơ nμy không đ−ợc để mất tải (truyền động 
đai). Chỉ cho phép lμm việc với công suất tối thiểu P2 
= (0,2-0,25)Pđm
Hình 7.8 Đặc tính cơ 
đ.c.đ.1.c với 
Khi xét đến bμo hòa, đ−ờng M = f(n) lμ đ−ờng 
đứt nét. 
a) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi từ thông φ. 
Với động cơ kích từ nối tiếp việc thay đổi từ thông φ đ−ợc thực hiện bằng cách: mắc 
sun dây quấn kích thích, hình 7.9a; điều chỉnh số vòng dây kích thích, hình 7.9b; mặc sun 
vμo phần ứng, hình 7.9c. 
Hai sơ đồ 7.9a vμ 7.9b đều có cùng một kết quả, đ−ờng 2 hình 7.8. 
Lúc đầu It = I, sau khi mắc sun hoặc điều chỉnh Wt thì It = K.It 
Khi mắc sun 1
RR
R
K
stt
st <+= 
Khi thay đổi Wt, 1W
W
K
t
t <′= 
Nh− vậy hai ph−ơng pháp nμy cho từ thông φ giảm nên n tăng, (n > nđm) 
Máy điện 2 55
Biện pháp thứ 3 mắc sun vμo mạch phần ứng, lúc nμy điện trở toμn mạch giảm xuống 
I tăng lên vμ It = I tăng lên, φ tăng dẫn tới n < nđm, đ−ờng 3 hình 7.8. 
b) Điều chỉnh n bằng cách thêm Rđc vμo mạch phần ứng hình 7.8d 
Lúc nμy điện trở tổng của toμn mạch tăng lên nên It = I đều giảm xuống, đ/c n < nđm, 
đ−ờng 4 vμ 5, hình 7.8. 
c) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp. 
Vì chỉ có thể đ/c U < Uđm nên n < nđm, đ−ờng 6, hình 7.8. 
3. Đặc tính cơ đ.c kích thích hổn hợp. 
Động cơ kích từ hổn hợp th−ờng cuộn kích thích nối tiếp đ−ợc nối thuận (bù kích thích) 
do đó đặc tính cơ có dạng trung gian giữa kích thích song song vμ kích thích nối tiếp, hình 
7.10. 
Đ−ờng 1 kích thích hỗn hợp bù thuận; đ−ờng 2 kích thích hỗn hợp ng−ợc; đ−ờng 3 kích 
thích song song vμ đ−ờng 4 kích thích nối tiếp. 
11.4 Các đặc tính lμm việc của động cơ điện 
một chiều. 
Các đặc tính lμm việc của động cơ điện một 
chiều lμ quan hệ: n, M, η = f(I−) khi U = 
Uđm = C
te. 
Đặc tính n = f(I−) giống nh− đặc tính cơ n 
= f(M) vì M ~ I−.. Đ−ờng 1 ứng với động cơ kích 
thích song song, đ−ờng 2, 3 với động cơ kích thích 
hổn hợp khi dq nối tiếp nối thuận vμ nối ng−ợc; 
đ−ờng 4 với động cơ kích từ nối tiếp, hình 7.11 
Đặc tính M = f(I−) khi U = Uđm = C
te. Đây 
chính lμ quan hệ M = CMφI−
Với động cơ kích thích song song φ = Cte 
nên đ−ờng M = f(I−) lμ đ−ờng thẳng (đ−ờng I). 
Động cơ kích từ nối tiếp φ ~ I− nên M ~ I−2 đặc tính mômen lμ đ−ờng parabol (đ−ờng IV). 
Động cơ kích từ hổn hợp có đặc tính mômen trung gian giữa kích thích song song vμ nối 
tiếp (đ−ờng II vμ III). 
Hình 7.10 Đặc tính cơ đ.c.đ.1.c 
kích thích hỗn hợp so với các loại đ.c 
Đặc tính hiệu suất η = f(I−) khi U = Uđm = Cte nh− hình 7.12. 
Hiệu suất cực đại th−ờng đ−ợc thiết kế ứng với I− = 0,75Iđm 
Th−ờng η = 0,75 - 0,85 với động cơ công suất bé vμ η = 0,85 - 0,94 với động cơ công 
suất trung bình vμ lớn. 
Máy điện 2 56
Hình 7.12 Hiệu suất 
Hình 7.11 Các đặc tính l/việc của 
Máy điện 2 57