Giáo trình Máy điện 1 - Phần 5: Máy điện một chiều - Chương 6: Động cơ điện một chiều

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Phần 5: Máy điện một chiều - Chương 6: Động cơ điện một chiều

1. 162 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
2. 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) : Eæ kEn kM (6.1a) Moment điện từ của động cơ tính theo công thức (6.4) : M kMIæ (6.1b) Phương trình cân bằng điện áp của động cơ theo công thức (6.6) : U Eæ R mæ Iæ (6.1c) Hoặc Eæ U R mæ Iæ (6.1d) P cơ P điện P cơ P điện Máy điện DC Máy điện DC It It (a) (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
3. 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 (6.2a) U U It = = (6.2b) R âc + R t R mt Eæ U RmæIæ kEΦn kMΦΩ (6.2c) I Rt Rmư It Iư + + Nguồn n U DC Eư Tải  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 phần ứng Iư = const và điện áp U = const. n Rđc Từ công thức (6.2c), ta có tốc độ động cơ max điện một chiều là: E n æ với  0 (6.3a) Rđc= 0 k Φ E It U R I 0 Hay n mæ æ với  0 (6.3b) k EΦ Hình 6.3 Đặc tính tốc độ theo dòng kích thích Theo biểu thức (6.3a), tốc độ tỉ lệ nghịch với từ thông (It ) ; trong khi đó quan hệ (It ) 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).
4. 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: U R n mæ M (6.4) 2 k EΦ k Ek M Φ n n 1 n0 n nđm 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 n1 (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 Io 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 : 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
5. 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 1,0 1,5 2,0 Eư (V) 10 20 30 40 50 60 80 100 145 163 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 : Ut 100 R mt = R âc + R 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 k Φ n n æ0 E 0 0 0 Eæâm k EΦâmnâm nâm
6. 167 Eæâm 88 nâm n0 1000 885,31vòng/phút Eæ0 99,4 2 n 2 885,31  âm 92,71 rad/s âm 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 k Φ n æ0 E 0 0 Eæâm k EΦâmnâm 99,4 n = 0 88 0,95nâm 88 1 n 1000 931,91vòng/phút âm 99,4 0,95 Chú ý rằng, tốc độ tăng nếu từ thông gỉam do phản ứng phần ứng. 2 n 2 931,91  âm 97,59 rad/s âm 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. Eư = 93,5 V = kM  = kM kM = 0,893 V/rad/s MK = kM Iư = 0,893 x 180 =160,71 N.m
7. 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. I Rmư Iư + n + Nguồn Eư Tải U DC KTn M B+P Hình 6.5 Mạch tương dương của động cơ kích từ nối tiếp Các phương trình cân bằng là : I In Iæ (6.7) Eæ U R mæ Iæ kEΦn (6.8) Chú ý : Ở đây dòng điện Iæ và từ thông (Iæ ) 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Iæ , ta có : 2 M k MkIæ (6.9) Khi Iư nhỏ, từ biểu thức (6.5) và (6.9), ta có : U 1 R n n mæ (6.10a) k E kΦ / k M M k EkΦ n A 0 n B (6.10b) M n Vậy đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp đm có dạng hypebôn như trình bày trên hình 6.6. Khi tốc M độ n = 0 moment khởi động Mk của động cơ kích 0 M M thích nối tiếp có giá trị rất lớn. Khi tải giảm nhiều, Iư 0 Mđm k nhỏ,  nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh. Đặc biệt lúc động cơ không tải, dòng điện Iư = I0 rất nhỏ khiến Hình 6.6 Đặc tính của động cơ tốc độ quá lớn, rất nguy hiểm. Vì vậy cần phải vận kích từ song song
8. 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Iæ 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: I Iæ It ; Itn Iæ (6.11) Ut U R t It (6.12) Eæ U Rmæ Iæ kEn(Φs Φn ) kMΩ(Φs Φn ) (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. I Rmư Iư It Rđc Itn + n + Nguồn Eư Tải U DC 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(Iæ ), từ (6.1b) và (6.13), ta có: U (R R )M n æ n (6.14) 2 2 k M (Φs Φn ) k M (Φs Φn ) 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.
9. 170 n 4 n 1 1 3 2 Hình 6.8 Các đặc tính cơ của động cơ một chiều. M (1) Kích từ song song; (2) Kích từ nối tiếp; (3) Kích từ hỗn hợp cộng; (4) Kích từ hỗn hợp trừ. 0 6.5. ẢNH HƢỞNG CỦA MẠCH TỪ BÃO HÒA 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 B(hay 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 (6.15) Trong đó: 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:
10. 171 M k ΦI  1 M æ 1 (6.16) M2 k MΦIæ 2 U Iæ R mæ n k EΦ 1 1 våïi  0 (6.17) n 2 U Iæ R mæ k EΦ 2 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: M BI  1 æ 1 (6.18) M2 BIæ 2 n1 U Iæ R mæ B (6.19) n B U I R 2 1 æ mæ 2 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: Phần ứng Cực từ phụ KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,068 0,0198 0,00911 99,5 Vòng/cực   1, rồi 2 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 40 746 P U I I vào 137,84 A đm U 0,902 U 240 It 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:
11. 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 = 0,068 + 0,0198 + 0,00911 = 0,0969 Ω 1,05 B(T) ảm c ừ T 0,90 0,75 0,70 0,60 0,56 Iư I It 0,45 Rđc Rmư + + n DC U KT Eư Tải Song song 0,30  B+P Rt KT nối tiếp 0,15 0 1 2 3 4 5 6 7 Sức từ động Ft (A-t/cực từ×1000) Hình VD 6.2. Sơ đồ mạch điện và Đường cong từ hóa n1 U Iæ R mæ B n B U I R 2 1 æ mæ 2 n1 U Iæ R mæ 2 B2 B1 n 2 U Iæ R mæ 1
12. 173 1150 240 135,43 1,15 0,0969 2 B2 0,7 0,56 T 1,25 1150 240 135,43 0,0969 1 Stđ tương ứng từ đường cong hình VD 6.2 là: Ft = Nt.It = 2,3 x 1000 = 2300 At/cực từ Ft 2300 It 187 A Nt 1231 V U 240 It R đc R t 99,5 28,8 Ω R t R đc It 1,87 2 2 Pđc Rđc Iđc 2,88 1,87 100,7 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: Phần ứng Cực từ phụ KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,0172 0,005 0,0023 49,5 Vòng/cực   2 577 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 U 240 It 4,88 A R t 49,2 P P P 125 746 η ra ra I ra 454,97A 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
13. 174 Pđt = Eư. Iư = 228,97 x 450,09 = 103057 W P 103,059 M 9550 đt 9500 1158 Nm đt n 850 1,05 0,90 0,88 0,83 0,75 B(T) ảm c Iư ừ T I It 0,45 Rđc Rmư + + n DC U KT Eư Tải 0,30 Song song  B+P Rt KT nối tiếp 0,15 0 1 2 3 4 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 BIæ 1 0,88 450,09 Iæ M2 BIæ 2 B1 Iæ2 396,08 Iæ2 (1) B2
14. 175 Chú ý: Công thức (1) là riêng cho bài toán này. n1 U Iæ R mæ B n B U I R 2 1 æ mæ 2 n1 U Iæ R mæ 2 B2 B1 n 2 U Iæ R mæ 1 850 240 396,08 0,0245 / B B 0,88 2 2 900 240 450,09 0,0245 2 B2 0,8711B2 0,0352 0 Giải phương trình bậc hai, ta có: 0,8711 ( 0,8711)2 4 0,0352 B 2 2 B1 0,83T; 0,043T (2) Thay (2) vào công thức (1), ta có: 396,08 396,08 I 477 A; I 9211A æ2 0,83 æ2 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. 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: n.M Iæ 9,55 Eæ Nếu mômem M không đổi và Eư không đổi thì Iư  n: n 2 Iæ2 n 2 900 Iæ2 Iæ1 450,09 477 A (3) n1 Iæ1 n1 850 Thay (3) vào công thức (1), ta có: 396,08 B 0,83 T 2 477 e. Tính điện trở mắc nối tiếp với dây quấn kích Từ đường cong từ hóa hình VD 6.3 ứng với từ cảm 0,83 ta có stđ F = 4000At/cực từ. F2 NtIt2 NnIæ2 0,1.Nn .Iæ2
15. 176 F 0,9 N I I 2 n æ2 3,58 A t2 577 4000 0,9 4,5 477 I 3,58 A t2 577 U U 240 It2 R âc R t 49,2 17,8 Ω R t R âc It2 3,58 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: Phần ứng Cực từ phụ KT nối tiếp Điện trở,  0,0202 0,00588 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 I I 346,91 A æ 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. n1 U Iæ R mæ B n B U I R 2 1 æ mæ 2 650 240 346,91 0,0288 0,34 n 2 0,87 1 240 0,3 346,91 0,0288 2 n2 = 1714 vòng/phút
16. 177 1,05 0,90 0,87 0,75 B(T) ảm c ừ T Iư I 0,45 Rmư + + n DC U 0,34 Eư Tải 0,30 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 æIæ (6.20a) Từ (6.20a), rút ra dòng điện phần ứng: U Eæ Iæ (6.20b) R æ Khi khởi động, tốc độ n 0, spđđ Eæ kEΦn 0 , nên dòng điện phần ứng lúc khởi động trực tiếp là:
17. 178 U Iæ.Kí (6.21) R æ 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. 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 IKí (6.22) R æ R Kí RK n 2 M n 1 3 1 2 3 4 I I 0 4 Iư Rmư + It +  Rđc U Eư Tải M Rt M _ Mc 0 t Hình 6.10 Dùng biến trở điều chỉnh tốc độ (khởi Hình 6.11 Các quan hệ I, M, n với thời động) động cơ kích từ song song 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:
18. 179 P 11 M 9550 9500 60 Nm đm n 1750 b. Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.5a, ta có U Eæ 230 0 Iæ1 821,4 A R æ 0,28 I It Iư Rt Rmư + Nguồn U=230V DC + n Eư Tải  (a) B+P I ư I It RK Rt + R Nguồn mư U DC + n Eư Tải  (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 U 230 It 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 Iæ 1 M2 Iæ2 Iæ1 M2 Iæ 2 M1
19. 180 2 M1 Iæ2 54,52 109,0 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) R K R æ Iæ 230 0 R 0,28 1,83 Ω K I109 Mômen khởi động khi điện áp nguồn giảm còn 215V: U 215 It,215 1,57 A R t 137 U Eæ 215 0 Iæ,215 101,9 A R æ R K 0,28 1,83 Giả thiết từ trở không đổi, ta có quan hệ: M kMΦIæ  ItIæ M1 It Iæ 1 It Iæ 2 Vậy M2 M1 M2 It Iæ 2 It Iæ 1 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 60 104,8 Nm 2 1,68 54,52 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 : U (R R R )M Ω æ n p (6.23) 2 2 k M (Φs Φn ) k M (Φs Φn ) 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.
20. 181 6.7.1. Động cơ kích từ song song (độc lập) a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông  Iư I I t Rđc Rmư + Nguồn Rt U DC + n Eư Tải  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 ''' o đổi dòng điện kích từ It (hình 6.12) thì ''  ứng với các trị số khác nhau của R ta o ’ đc '  có các đặc tính cơ như trên hình 6.6. Các o ’’ ’  ’ ’ đường đặc tính này có no > nođm, và sẽ âm  giao nhau trên trục hoành khi n = 0 : đm U Iæ (6.24) R mæ 0 Mđ (Iưđm M(Iư) Do điều kiện đổi chiều, các động cơ Hình 6.13 Đặc tínhm cơ của) động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh điện một chiều kích từ song song với tốc độ quay bằng phương pháp này trong các It khác nhau 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).
21. 182 Bài giải Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.6 a. Điều kiện định mức: U 240 It 1,5 A R t 160 Iư = I - It = 37,5 – 1,5 = 36 A Iư I It Rđc Rmư + Nguồn Rt U=240V DC + n Eư Tải  B+P Hình VD 6.6 Sử dụng công thức (6. 1b) và lập tỉ số, ta có: M1 ΦIæ 1 M2 Φ1 Iæ1 Iæ1 M2 ΦIæ 2 M1 Φ2 0,5 M1 Φ1 Iæ1 36 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 Iæ R mæ k EΦ n k U I R 1 EΦ 2 æ 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.
22. 183 b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U U n o4 o1 4 o2 1 Uđm o3 2 C 3 U 0 Mđ (Iưđm M(Iư) Bộ A Bộ B m ) Hình 6.14 Dùng bộ biến đổi thyristor thay đổi UC để Hình 6.15 Đặc tính cơ (tốc độ) của điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 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: o Uc 1,35Ucos , 0 90 (6.25) 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 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 Điện trở,  0,0054 0,0042 14,7 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.
23. 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 P 1229 ,316 M 9550 đt 9500 12293 ,16 Nm đt n 955 b. Mômen điện từ yêu cầu khi tốc độ bằng ½ định mức: Theo đề ta có: P  n3 M n  n3 . Vậy: M  n2 2 2 M1 n1 n 2 M2 M1 M2 n 2 n1 2 0,5n1 M2 12293 ,16 3073,3Nm 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 BIæ 1 M2 B Iæ2 Iæ1 M2 BIæ 2 M1 B 3073,3 I 1675 418,75 A æ2 12293 ,2 Sử dụng công thức (6.3) và lập tỉ số, ta có: n1 U Iæ R mæ k EΦ n k U I R 2 EΦ 1 æ mæ 2 n 2 U2 (U IæR mæ )1 Iæ2R mæ2 n1 0,5n1 U2 (750 1675 0,0096 ) 418,75 0,0096 n1 U2 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.
24. 185 VÍ DỤ 6.8 n Một động cơ điện một chiều kích từ no song song có công suất 25 hp, 240V, Rp=0 850vòng/phút, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới là Rp1 91A. Điện trở mạch phần ứng và của Rp2 mạch kích từ tương ứng là Rmư = Rp3 0,221Ω, và Rt = 120Ω. Hãy xác định 0 dòng điện phần ứng mới, nếu mắc Mđm (Iưđm) M(Iư) thêm điện trở phụ 2,14 Ω nối tiếp vào mạch phần ứng và tốc độ giảm còn Hình 6.16 Đặc tính cơ (tốc độ) của động cơ điện 634vòng/phút. 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 U 240 It = = = 2 A R t 120 Iư = I - It = 91 - 2 = 89 A Iư I R t 120Ω R =2,14Ω p It + R = 0,221Ω Nguồn mư U=240V DC + n Eư Tải  B+P Hình VD 6.8 Sử dụng công thức (6.10) và cho rằng từ thông không đổi, lập tỉ số, ta có: n (U I R ) 1 æ1 mæ n 2 U Iæ2 (R mæ R p ) n 2 U (U Iæ1R mæ ) n1 Iæ2 (R mæ R p )
25. 186 634 240 (240 98. 0,221) I 850 32,05A æ2 (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 : U 220 It 2 A R t 110 Iư = I - It = 35,5 - 2 = 33,5A 120Ω Iư I It R =1,0Ω pư + Rmư Nguồn Rt U=240V DC + n Eư Tải  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:
26. 187 n 2 U Iæ R mæ k EΦ n k U I R 1 EΦ 2 æ mæ 1 220 33,5 (1 0,36) k EΦ n 2 1750 k E.Φ 2 220 33,5 0,36 1 n 2 1468 vg/ phuït Như vậy, ta thấy nếu nối thêm điện trở vào mạch phần ứng để điều chỉnh tốc độ thì tốc độ động cơ giảm. 6.7.2. Động cơ kích từ nối tiếp a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông  Từ thông động cơ kích từ nối tiếp có thể thay đổi bằng các 3 phương pháp sau : Hai phương pháp đầu, hình 6.17a mắc shunt mạch kích từ, hình 6.17b giảm số vòng dây quấn kích từ nối tiếp, đều dẫn đến cùng một kết quả, tức là điều chỉnh được  <đm và tốc độ sẽ thay đổi trong vùng trên định mức (đường 2). Phương pháp thứ ba mắc shunt phần ứng (hình 6.17c), thì điện trở tổng của toàn mạch bé đi nên dòng điện và từ thông tăng lên và tốc độ động cơ giảm xuống. Như vậy tốc độ điều chỉnh được dưới vùng định mức (đường 3). Phương pháp này bị hạn chế bởi mạch từ bão hòa nên ít dùng. Rư R I I ư + Iư + Iư Is Rs   Itn Itn U Eư Tải U Eư Tải KTn KT _ M _ M _ n _ Hình 6.17b Điều chỉnh tốc độ động cơ Hình 6.17a Điều chỉnh tốc độ động kích từ nối tiếp bằng cách thay đổi số cơ kích từ nối tiếp dùng R sun vòng cuộn Nn * 2 I Iư + Rmư Itn KTn  2 U 1 Eư Tải 1 3 M 4 _ Rsun _ 0 1 M* Hình 6.18 Đặc tính cơ của động cơ điện Hình 6.17c Điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ nối tiếp bằng cách mắc shunt một chiều kích từ nối tiếp với các điều phần ứng chỉnh tốc độ khác nhau
27. 188 b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở vào mạch phần ứng Phần trước ta đã có các công thức cơ bản mômen điện từ và sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng như sau: M kMΦIæ (6.26) Eæ kMΦΩ (6.27) Cho rằng từ thông kích từ nối tiếp tỉ lệ với dòng phần ứng, nghĩa là: kM. =kN.Iư (6.28) Thế (6.28) vào các biểu thức (6.26) và (6.27), ta có: 2 M kMΦIæ k NIæ (6.29) Eæ k NIæΩ (6.30)  * 2 I Rmư Rp =0 + Iư Rp +  Itn KTn 1 U Eư Tải _ M Rp tăng _ (a) 0 1 M* Hình 6.19 Điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ nối tiếp bằng cách thêm điện trở phụ mạch phần ứng (b) Từ hình 6.19a, ta có phương trình cân bằng điện áp: Eæ U Iæ (R mæ R p ) (6.31) Từ biểu thức (6.30) và (6.31), ta có: U R R Ω mæ p (6.32) k NIæ k N Từ biểu thức (6.29) và (6.32), ta có: U R R Ω mæ p (6.33) k N M k N Biểu thức (6.33) là phương trình đặc tính cơ  = f(M) dạng khác của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Vẽ họ đặc tính cơ  = f(M) với các điện trở phụ Rp khác nhau trình bày trên hình 6.19b cho ta thấy, khi nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức và kèm theo tổn hao trên điện trở làm giảm hiệu suất của động cơ, nên ít được ứng dụng. Nếu điện áp nguồn không đổi, tăng điện trở phụ Rp mắc nối tiếp mạch phần ứng tốc độ động cơ giảm.
28. 189 VÍ DỤ 6.10 Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 7hp, 300vòng/phút, 220V, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện là 25A khi không có điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng (Rp = 0). Mômen yêu cầu của tải tỉ lệ bình phương với tốc độ. Điện trở phần ứng và dây quấn kích từ nối tiếp tương ứng là 0,6 và 0,4. Bỏ qua phản ứng phần ứng và tổn hao quay. Hãy xác định (a) Công suất và mômen điện từ khi làm việc chế độ định mức; (b) trị số điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng để tốc độ động cơ giảm còn 200vòng/phút và công suất điện từ tương ứng. Sơ đồ mạch điện của động cơ như trên hình 6.19. Bài giải Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình 6.19 a. Chế độ định mức: Eæ U Iæ (R mæ R p ) 220 25 (0,6 0,4 0,0 195 V Pđt Eæ Iæ 195 25 4880 W E I 4880 M æ æ 155,2 Nm Ω 2π 300 / 60 b. Tính trị số điện trở phụ và công suât điện từ: M 155,2 M k I2 k 0,248 N æ N 2 2 Iæ 25 2 2 2 Ta có: Iæ  n M  Iæ  n . Vậy: M  n 2 2 M300 n1 n 2 M200 M300 M200 n 2 n1 2 200 M200 155,2 68,98 Nm 300 Tính điện trở mắc vào mạch phần ứng: U R R Ω mæ p k N M k N Thế số vào, ta có: 2π 200 220 0,6 0,4 R p 60 0,248 68,98 0,248 R p 7 Ω Pđt M.Ω 68,98 2π 200 /60 1444 W Cũng có thể tính theo cách khác để tìm Rp và Pđt.
29. 190 c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức (hình 6.18, đường 4) vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhưng lại giữ được điện áp cao do không gây thêm tổn thất khi điều chỉnh. Phương pháp này áp dụng nhiều trong giao thông vận tải. Bộ băm điện áp U s + Is Utb T2 C T1 t Iư L t Iư D1 t Us ID 1 t2 L I D t D2  R Eư Tải I _ s t M T _ R mư T Hình 6.20a Điều chỉnh điện áp để Hình 6.20b Dạng sóng điện áp đặt thay đổi tốc độ động cơ kích từ nối vào động cơ và dòng qua nó Rư tiếp nhờ bộ băm xung Thay đổi liên tục điện áp một chiều đặt vào động cơ nhờ bộ băm điện áp một chiều như trình bày trên hình 6.20a. Điện áp một chiều Us đặt vào động cơ sẽ được đóng mở luân lưu T1 trong các khoảng thời gian t1 và t2 (hình6.20b). Điện áp trung bình đặt vào động cơ : t1 t1 Utb Us Us Us (6.34) t1 t 2 T Tần số bộ băm điện áp một chiều f =1/(t1+ t2) = 1/T, khoảng 1kHz    
30. 191 BÀI TẬP Bài số 6.1. Một động cơ điện một chiều kích từ song song có Pđm = 5,5kW, Uđm = 110V, Iđm= 58A (gồm dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ), nđm = 1470vg/ph. Điện trở mạch phần ứng Rmư = 0,15 , điện trở mạch kích từ Rmt, = 137 , điện áp rơi trên chổi than 2 U = 2 V. Hỏi dòng điện, sđđ phần ứng phần ứng và moment điện từ ? Đáp số : Iư = 57,2A; Eư = 99,4 V; Mđt = 36,9 N.m Bài số 6.2. Một động cơ điện một chiều kích từ song song có các số liệu sau : Uđm = 220V, Iđm= 52A (gồm dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ), điện trở mạch phần ứng Rmư = 0,4 , điện trở mạch kích từ Rmt, = 110 , tốc độ không tải no = 1100vg/ph. Hãy tìm : a. SĐĐ phần ứng lúc tải định mức ? b. Tốc độ lúc tải định mức ? c. Công suất điện từ và moment điện từ lúc tải định mức ? (Khi phân tích bỏ qua dòng điện không tải) Đáp số : Eư.đm = 200 V; nđm = 1000vg/ph; Pđt = 10kW; Mđt = 95,5 N.m Bài số 6.3. Một động cơ điện một chiều kích từ song song có các số liệu sau : Pđm = 96kW, Uđm = 440V, Iđm= 255A , It = 5A , nđm = 500vg/ph, Rmư = 0,078 . Hãy tìm: a. Moment định mức ở đầu trục M2đm. b. Moment điện từ lúc tải định mức. c. Tốc độ quay lúc không tải lý tưởng. Đáp số : M2đm = 1833,5 N.m; Mđt = 2007,7 N.m; n0 = 523vg/ph; Bài số 6.4. Một động cơ điện một chiều kích từ song song đang làm việc ở chế độ định mức có các số liệu sau: Pđm = 95kW, Uđm = 220V, Iđm= 470A , It.đm = 4,25A , nđm = 500vg/ph, Rmư = 0,025 . Hãy tìm (a) hiệu suất của động cơ; (b) tổn hao đồng trong máy, tổn hao không tải và dòng điện không tải; (c) moment lúc tải định mức; (d) điện trở phụ Rp mắc nối tiếp mạch phần ứng để động cơ quay với tốc độ n= nđm, Iư = Iưđm và từ thông giảm 40%; (e) Điện trở phụ Rp cần thiết để động cơ quay với tốc độ n= nđm, Iư = 0,85Iưđm và từ thông giảm 25% ? Đáp số :  = 91,8%; P = 5,42kW; P0 = 2,04kW; I0 = 13,5A M2đm = 1814,5 N.m ; Rp = 0,18 ; R’p = 0,136. Bài số 6.5. Một động cơ điện một chiều kích từ song song đang vận hành ở chế độ định mức có các thông số như sau: Pđm = 17kW, Uđm = 220V, nđm = 1150vg/ph, Rmư = 0,1 , Mđt=12 kG.m. Hãy xác định : a. Công suất điện từ và dòng điện phần ứng ? b. Điện trở phụ Rp mắc thêm mạch phần ứng để động cơ quay với tốc độ n = 500vg/ph khi moment tải không đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng) ? Đáp số : Pđt = 14,5kW; Iư = 66,3A; Rp = 1,82 .
31. 192 Bài số 6.6. Một động cơ kích từ song song (có dây quấn bù) 60hp, 240V, 400 vòng/phút đang làm việc ở các điều kiện định mức và tiêu thụ dòng điện lưới là 209,1A. Biết rằng điện trở mạch phần ứng Rmư = 0,0483; điện trở dây quấn kích từ Rt = 39,1 và số vòng dây của dây quấn kích từ Nt = 1476 vòng/cực. Đường cong từ hóa như trên hình 6.21. Xác định (a) điện trở cần mắc nối tiếp với dây quấn kích từ để tăng tốc độ đến 600 vòng/phút và mômen tải không đổi; (b) công suất do điện trở tiêu thụ. Giả thiết mômen tải giảm còn 40% mômen định mức, (c) xác định dòng điện phần ứng mới; Đáp số : (a) 33,2; (b) 365,9W; (c) 119,7A. 0,7 0,6 0,5 0,4 (B, T) (B, ảm c ừ T 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 Sức từ động (A-t/cực×2000) Hình 6.21. Đường cong từ hóa cho các bài tập số 6.6 đến 6.9 Bài số 6.7. Một động cơ kích từ song song có dây quấn bù 55kW, 240V, 250 vòng/phút có các thông số sau: Rmư = 0,0665; Rt = 25,6 và Nt = 835 vòng/cực.
32. 193 Đường cong từ hóa như trên hình 6.21. Động cơ đang làm việc ở các điều kiện định mức và có hiệu suất bằng 86,4%. Xác định trị số và công suất tiêu thụ của điện trở cần mắc nối tiếp với dây quấn kích từ để tăng tốc độ đến 500 vòng/phút. Giả thiết rằng công suất tải trên trục và hiệu suất vẫn không thay đổi. Đáp số : 35,12  Bài số 6.8. Một động cơ kích từ song song có dây quấn bù 150hp, 240V, 650 vòng/phút có các thông số sau: Rư = 0,00872; Rf + Rb = 0,0038; Rt = 32,0 và Nt = 1143 vòng/cực. Hiệu suất của động cơ khi tải định mức là 92,0%. Đường cong từ hóa như trên hình 6.21. Xác định (a) điện trở cần mắc nối tiếp với dây quấn kích từ để có tốc độ không tải là 2100 vòng/phút. Giả thiết dòng điện của động cơ lúc không tải là 18,4A. (b) Xác định công suất do điện trở tiêu thụ. Đáp số : (a) 97,4; (b) 335W Bài số 6.9. Một động cơ kích từ song song có dây quấn bù 37kW, 240V, 1750 vòng/phút vận hành với tải định mức có hiệu suất 88,7%. Động cơ có các thông số: Rư = 0,0287; Rf,b = 0,0138; Rt = 67,4 và Nt = 1850 vòng/cực. Đường cong từ hóa như trên hình 6.21. Xác định (a) điện trở cần mắc nối tiếp với phần ứng để đạt được tốc độ 1024 vòng/phút. Giả thiết rằng động cơ đang vận hành ở 65% mômen định mức. (b) Xác định công suất do điện trở tiêu thụ. Đáp số : (a) 0,896; (b) 11kW Bài số 6.10. Một động cơ kích từ hỗn hợp 700hp, 850vòng/phút, 500V có hiệu suất 93,2% khi đang vận hành ở các điều kiện định mức. Động cơ có các thông số: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,00689 0,001374 0,000687 72,5 Vòng/cực   6 995 Đường cong từ hóa của động cơ như trên hình 6.22. Xác định (a) Phần trăm sức từ động cung cấp bởi dây quấn kích từ nối tiếp. (b) Tốc độ nếu mạch kích từ song song được ngắt ra. Giả thiết rằng với tải đã có thì dòng điện phần ứng của máy là 1540A. Đáp số : (a) 49,3%; (b) 969vòng/phút Bài số 6.11. Một động cơ kích từ song song có dây quấn bù 40hp, 1150vòng/phút, 240V đang cung cấp cho một phụ tải có mômen biến thiên tỷ lệ (tuyến tính) với tốc độ. Hiệu suất của động cơ ở các điều kiện định mức là 92,0% và các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT song song Điện trở,  0,0680 0,0289 99,5 Vòng/cực   1231 Đường cong từ hóa như trên hình 6.22. Xác định điện trở cần mắc nối tiếp với mạch kích từ song song để tốc độ bằng 125% tốc độ định mức. Đáp số :
33. 194 1,05 0,90 0,75 0,60 (B, T) (B, ảm c ừ T 0,45 0,30 0,15 0 1 2 3 4 5 6 7 Sức từ động (A-t/cực×2000) Hình 6.22. Đường cong từ hóa cho các bài tập số 6.10 đến 6.16 Bài số 6.12. Một động cơ kích từ hỗn hợp 400hp, 250V, 100 vòng/phút có dây quấn bù đang vận hành ở các điều kiện định mức và có hiệu suất bằng 89,8%. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,002660 0,000774 0,000356 24,1 Vòng/cực   2 400 Đường cong từ hóa như trên hình 6.22. Xác định (a) Dòng điện của động cơ. (b) Dòng điện phần ứng. (c) Công suất điện từ. (d) Biết mômen cần thiết để khởi động động cơ bằng 115% mômen định mức. Nếu động cơ được vận hành không có dây quấn kích từ nối tiếp và dòng điện phần ứng được giới hạn ở 200% dòng điện phần ứng định mức, hỏi động cơ có khởi động được hay không? Đáp số : (a) 1329A; (b) 1218,8A; (c) 323109W; (d) yes
34. 195 Bài số 6.13. Một động cơ kích từ hỗn hợp 50hp, 230V, 500 vòng/phút có dây quấn bù và có các thông số sau: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,071 0,0140 0,031 75 Vòng/cực   6 1000 Đường cong từ hóa như trên hình 6.22. Động cơ đang làm việc ở các điều kiện định mức và tiêu thụ dòng điện 190A. Xác định (a) Sức phản điện động. (b) Công suất điện từ. (c) Mômen ra định mức. (d) Công suất cơ cần để khắc phục được tổn hao quay. (e) Giả thiết rằng mômen tải không đổi, xác định tốc độ nếu không sử dụng dây quấn kích từ nối tiêp. Đáp số : Bài số 6.14. Một động cơ kích từ hỗn hợp 60hp, 468 vòng/phút, 240V có hiệu suất 89,0% khi làm việc ở các điều kiện định mức. Dây quấn kích từ nối tiếp của động cơ được thiết kế để sinh ra sức từ động chỉ vừa đủ triệt tiêu sức từ động khử từ tương đương của phản ứng phần ứng. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,0342 0,00924 0,00308 71,6 Vòng/cực   1,5 1268 Đường cong từ hóa như trên hình 6.22. Hãy vẽ mạch điện của động cơ và xác định (a) Dòng điện định mức. (b) Dòng điện kích từ định mức. (c) Dòng điện phần ứng định mức. (d) Mômen ra định mức. (e) Điện trở ngoài cần có để giới hạn dòng điện phần ứng khi khởi động bằng 200% giá trị định mức của nó. (f) Số vòng dây cần thêm vào dây quấn kích từ nối tiếp để mômen khởi động tăng đến 135%, giả thiết rằng dòng điện phần ứng được giới hạn ở 200% giá trị định mức. (g) Tốc độ của trạng thái ổn định mới, giả thiết đã có các vòng dây thêm vào dây quấn kích từ nối tiếp, động cơ có tải đến dòng điện phần ứng định mức và không có điện trở mắc thêm vào dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Đáp số : (a) 209,6A; (b) 3,35A; (c) 206,2A; (d) 888Nm; (e) 0,5347; (f) 6 vg/ph; (g) 423 vg/ph Bài số 6.15. Một động cơ kích từ nối tiếp 75hp, 850 vòng/phút, 500V có hiệu suất 90,2% khi làm việc ở các điều kiện định mức. Số vòng dây của dây quấn kích từ nối tiếp là 30 vòng/cực và các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp Điện trở,  0,1414 0,0412 0,0189 Tốc độ lớn nhất an toàn của động cơ là 1700 vòng/phút. Hỏi có an toàn hay không khi cho động cơ làm việc với tải trên trục 10hp. Sử dụng đường cong từ hóa trên hình 6.22. Bỏ qua các thay đổi do ma sát và gió. Đáp số : Bài số 6.16. Một động cơ kích từ nối tiếp 150hp, 400 vòng/phút, 240V được sử dụng để truyền động một phụ tải có chu trình được giới hạn giữa 120% và 40% công suất định mức của động cơ. Sức từ động khử từ tương đương do phản ứng
35. 196 phần ứng bằng khoảng 7,5% sức từ động của dây quấn kích từ. Biết rằng điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,01346; điện trở dây quấn cực từ phụ Rf = 0,00392; điện trở dây quấn kích từ Rt = 0,00181 và số vòng dây của dây quấn kích từ Nt = 12 vòng/cực. Hiệu suất của động cơ khi tải định mức là 93,2%. Xác định các tốc độ ứng với giới hạn trên và dưới của công suất tải. Sử dụng đường cong từ hóa trên hình 6.22. Đáp số : 700 vg/ph; 377 vg/ph Bài số 6.17. Một động cơ kích từ hỗn hợp 240V, 50hp, 1150 vòng/phút có các thông số sau: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,0673 0,0196 0,00902 85,6 Vòng/cực   8 750 Hiệu suất khi tải định mức là 88,7%. Xác định tốc độ của động cơ nếu mắc nối tiếp với dây quấn kích từ song song một điện trở bằng 20. Biết rằng ở tốc độ đó dòng điện phần ứng bằng 200A. Bỏ qua hiệu ứng bão hòa. Đáp số : Bài số 6.18. Một động cơ kích từ hỗn hợp 15hp, 2500 vòng/phút, 240V tiêu thụ dòng điện 58,6A khi làm việc ở điều kiện định mức. Các thông số của động cơ: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,241 0,0700 0,322 138 Vòng/cực   10 1360 Nếu mắc nối tiếp điện trở 1,6 với phần ứng, điện trở 100 với dây quấn kích từ song song, phụ tải trên trục làm cho động cơ tiêu thụ dòng điện 40A từ lưới và bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ. Hãy xác định (a) Tốc độ của động cơ. (b) Công suất điện từ. (c) Mômen điện từ. Đáp số : (a) 3121vg/ph; (b) 5936W; (c) 17,7Nm Bài số 6.19*. Một động cơ kích từ hỗn hợp 240V, 30hp, 650 vòng/phút có hiệu suất 94,2% khi vận hành ở điều kiện định mức. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,1192 0,0347 0,0159 80 Vòng/cực   7 513 Bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ. Xác định (a) tốc độ khi dòng điện phần ứng định mức và không sử dụng dây quấn kích từ nối tiếp. (b) Tốc độ khi dòng điện phần ứng định mức và dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược. Đáp số : (a) ; (b) Bài số 6.120*. Một động cơ kích từ hỗn hợp 240V, 20hp, 300 vòng/phút có hiệu suất 84,3% và các thông số sau: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,168 0,0490 0,0226 100 Vòng/cực   1,5 1096
36. 197 Dây quấn kích từ nối tiếp của động cơ được thiết kế để sinh ra sức từ động chỉ vừa đủ triệt tiêu stđ tương đương của phản ứng phần ứng khử từ. Bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ. Xác định (a) Tốc độ không tải, biết rằng dòng điện không tải của động cơ là 15A. (b) Độ biến thiên điện áp định mức ở điều kiện của câu (a). (c) Mômen điện từ khi dòng điện phần ứng bằng 60% dòng điện phần ứng định mức. Đáp số : (a) 319vg/ph; (b) 6,3%; (c) 296Nm Bài số 6.21*. Một động cơ kích từ hỗn hợp 100hp, 3500 vòng/phút, 240V có hiệu suất 94,6% khi tải định mức. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,0358 0,0104 0,00480 52,3 Vòng/cực   3 367 Bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ. Xác định (a) Tốc độ của động cơ nếu tải trên trục giảm đến giá trị ứng với dòng điện mà động cơ tiêu thụ từ nguồn là 136A. (b) Mômen điện từ ứng với các điều kiện ở câu (a). Đáp số : (a) 3645 vòng/phút; (b) 80,5Nm Bài số 6.22. Một băng tải được truyền động bởi một tổ máy phát - động cơ. Động cơ truyền động là động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ độc lập được nối với nguồn một chiều không đổi 120V và dây quấn kích từ nối tiếp được thiết kế để sinh ra sức từ động chỉ vừa đủ triệt tiêu sức từ động khử từ tương đương của phản ứng phần ứng. Băng tải là một tải mômen không đổi của động cơ. Phần ứng động cơ tiêu thụ công suất 700hp, 400 vòng/phút, 250V, 2230A. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,006294 0,001831 0,000843 10,8 Xác định điện áp đặt vào phần ứng khi vận hành ở tốc độ 100 vòng/phút. Đáp số : 77,5V Bài số 6.23. Một tổ máy phát - động cơ được dùng để truyền động cho một cái guồng trong máy cán thép. Khi thép được quấn trên guồng, đường kính guồng tăng lên, tăng mômen tải trên trục động cơ. Để giữ cho công suất không đổi, tốc độ phải thay đổi tỷ lệ nghịch với mômen. Kết quả là cái guồng biểu thị cho một tải công suất không đổi. Động cơ truyền động guồng là một động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ độc lập được nối với bộ chỉnh lưu từ hệ thống 120V, 60Hz và dây quấn kích từ nối tiếp được thiết kế để sinh ra sức từ động chỉ vừa đủ triệt tiêu sức từ động khử từ tương đương của phản ứng phần ứng. Phần ứng của động cơ tiêu thụ công suất 1000hp, 400 vòng/phút, 500V, 1522A. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT nối tiếp KT song song Điện trở,  0,0115 0,00179 0,00156 15,76 Xác định điện áp đặt vào phần ứng khi vận hành ở tốc độ 700 vòng/phút. Đáp số : 77,5V
37. 198 Bài số 6.124*. Một động cơ kích từ độc lập có dây quấn bù 550V, 400hp, có tốc độ cơ bản là 1750 vòng/phút. Dây quấn kích từ được cấp từ nguồn một chiều 120V. Hiệu suất của động cơ (trừ dây quấn kích từ) là 94,6% khi làm việc ở các điều kiện định mức. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT song song Điện trở,  0,0192 0,00573 28 Giả thiết rằng động cơ đang làm việc ở các điều kiện định mức thì vành góp bị quá nhiệt bắt đầu bốc khói. Phần ứng được cắt ra khỏi nguồn cung cấp và nối với một điện trở hãm động năng. Quán tính của tải ngăn cản sự chậm lại tức thời của động cơ, bằng 200% mômen định mức được hình thành khi mạch hãm động năng được đóng vào. Xác định giá trị của điện trở hãm động năng. Mạch điện được cho như trên hình 6.11b. Đáp số : 0,442 Bài số 6.25*. Một động cơ kích từ song song có dây quấn bù 150hp, 1750 vòng/phút, 240V đang vận hành ở các điều kiện định mức và có hiệu suất 92,3%. Các thông số của động cơ là: Phần ứng Cực từ phụ + dq bù KT song song Điện trở,  0,0233 0,0099 33,9 Xác định dòng điện phần ứng ở tốc độ 500 vòng/phút khi hãm động năng qua một điện trở 0,324. Mạch điện đƣợc cho nhƣ trên hình 6.11b. Đáp số : Bài số 6.26. Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi rotor đứng yên có dòng điện 5A, mômen điện từ 5Nm lúc đó được nối nguồn 5V. Khi kéo tải có dòng điện là 10A, nối nguồn điện áp 120V và tốc độ 300vòng/phút. Giả thiết mạch từ không bão hòa. Hãy xác định (a) mômen điện từ và (b) trị số điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng khi động cơ làm việc. Đáp số : (a) 20Nm; (b) 6,72 Bài số 6.27 Một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 12hp, 1200vòng/phút, 230V, đang làm việc ở chế độ định mức có dòng điện là 40A. Điện trở phần ứng và dây quấn kích từ nối tiếp tương ứng là 0,25 và 0,1. Giả thiết mạch từ không bão hòa. Hãy xác định (a) Công suất và mômen điện từ khi làm việc chế độ định mức; (b) tốc độ, mômen và công suất điện từ nếu động cơ có dòng điện còn 20A. Đáp số : (a) 8640W, 68,76Nm; 17,2Nm, 4460W, 2478 vòng/phút    