Ch−¬ng 5
Qu¸ tr×nh ®iÖn tõ trong m¸y ®iÖn mét chiÒu
5-1. M«men ®iÖn tõ vµ c«ng suÊt ®iÖn tõ
Khi m¸y ®iÖn lµm viÖc, trong d©y quÊn phÇn øng sÏ cã dßng ®iÖn ch¹y qua. T¸c
dông cña tõ tr−êng lªn d©y dÉn cã dßng ®iÖn sÏ sinh ra m«men ®iÖn tõ trªn trôc m¸y.
Gi¶ thiÕt ë mét chÕ ®é lµm viÖc nµo ®ã cña m¸y ®iÖn mét chiÒu, tõ tr−êng vµ dßng
®iÖn phÇn øng ë d−íi mét cùc tõ nh− h×nh 5-1. Theo quy t¾c bµn tay tr¸i, m«men ®iÖn
tõ do lùc ®iÖn tõ t¸c dông lªn c¸c thanh dÉn cã chiÒu tõ ph¶i sang tr¸i.
Lùc ®iÖn tõ t¸c dông lªn tõng thanh
dÉn b»ng:
F = Btbli− (5-1)
NÕu tæng sè thanh dÉn cña d©y quÊn
b»ng N, dßng ®iÖn trong m¹ch nh¸nh
a
I
iu
u2
,
,=th× m«men ®iÖn tõ t¸c dông lªn
d©y quÊn phÇn øng b»ng:
H× n nh 5-1. X¸c ®Þnh s.®.®. phÇ
øng vµ m«men ®iÖn tõ trong
m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu
S
Φ
n
M
Bδtb
Bδ
ChiÒu cña E−, i−
22
,D
lN
a
I
BM u
tb
= (5-2)
trong ®ã:
Btb - tõ c¶m trung b×nh trong khe hë
kh«ng khÝ;
I− - dßng ®iÖn phÇn øng;
l - chiÒu dµi t¸c dông cña thanh dÉn;
D - ®−êng kÝnh ngoµi cña phÇn øng.
τ
Do
π
τ
p
D2
=, l
Btb
τ
δ
Φ
= nªn ta cã:
,,
2u
M
uICI
a
pN
M
δδ
π
Φ=Φ= , Nm (5-3)
trong ®ã:
δ
Φ- tõ th«ng d−íi mçi cùc tõ, Wb;
π
a
pN
CM2
=- hÖ sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y ®iÖn.
NÕu m«men tÝnh b»ng kGm th× c«ng thøc (5-3) ph¶i chia cho 9,81.
,
281,9
1
u
I
a
pN
M
δ
π
Φ= kGm (5-4)
Trong m¸y ph¸t ®iÖn, khi cã t¶i th× dßng ®iÖn sinh ra sÏ cïng chiÒu víi s.®.® nªn
m«men ®iÖn tõ sinh ra sÏ ng−îc chiÒu víi chiÒu quay cña m¸y. V× vËy ë m¸y ph¸t
®iÖn, m«men ®iÖn tõ lµ m«men h·m (h×nh 5-1).
42
Trong ®éng c¬ ®iÖn, khi cho dßng ®iÖn
vµo phÇn øng th× d−íi t¸c dông cña tõ tr−êng,
trong d©y quÊn sÏ sinh ra m«men ®iÖn tõ kÐo
m¸y quay, v× vËy chiÒu quay cña m¸y cïng
chiÒu víi chiÒu cña m«men (h×nh 5-2).
C«ng suÊt øng víi m«men ®iÖn tõ lÊy vµo
(®èi víi m¸y ph¸t) hay ®−a ra (®èi víi ®éng
c¬) gäi lµ c«ng suÊt ®iÖn tõ vµ b»ng:
P®t = Mω (5-5)
trong ®ã : M - lµ m«men ®iÖn tõ;
43
H×nh 5-2. X¸c ®Þnh m«men ®iÖn
tõ trong ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
S
Φ
n
M
Bδtb
Bδ
ChiÒu cña E−, i−
τ
60
2n
π
ω
=- tèc ®é gãc phÇn øng.
Thay vµo biÓu thøc (5-5) ta cã:
,, 6060
2
..
2uu
dt In
a
pNn
I
a
pN
MP
δδ
π
π
ω
Φ=Φ== = E−I− (5-6)
Tõ c«ng thøc (5-6) ta thÊy ®−îc quan hÖ gi÷a c«ng suÊt ®iÖn tõ víi m«men ®iÖn tõ
vµ sù trao ®æi n¨ng l−îng trong m¸y ®iÖn. Trong m¸y ph¸t ®iÖn c«ng suÊt ®iÖn tõ ®·
chuyÓn c«ng suÊt c¬ Mω thµnh c«ng suÊt ®iÖn E−I−. Ng−îc l¹i, trong ®éng c¬ ®iÖn c«ng
suÊt ®iÖn tõ ®· chuyÓn c«ng suÊt ®iÖn E−I− thµnh c«ng suÊt c¬ Mω.
5-2. Qu¸ tr×nh n¨ng l−îng vµ
c¸c ph−¬ng tr×nh c©n b»ng
5.2.1. Tæn hao trong m¸y ®iÖn mét chiÒu
Trong m¸y ®iÖn mét chiÒu, ®¹i bé phËn c«ng suÊt c¬ biÕn thµnh c«ng suÊt ®iÖn
(m¸y ph¸t) hay c«ng suÊt ®iÖn biÕn thµnh c«ng suÊt c¬ (®éng c¬), chØ cã mét phÇn rÊt
Ýt biÕn thµnh tæn hao trong m¸y d−íi h×nh thøc nhiÖt to¶ ra ngoµi kh«ng khÝ. Tæn hao
trong m¸y ®−îc ph©n thµnh bèn lo¹i sau:
a. Tæn hao c¬ pc¬. Tæn hao c¬ bao gåm tæn hao æ bi, tæn hao ma s¸t chæi than víi
vµnh gãp, tæn hao do th«ng giã ... Tæn hao nµy phô thuéc chñ yÕu vµo tèc ®é quay cña
m¸y vµ lµm cho æ bi, vµnh gãp nãng lªn.
b. Tæn hao s¾t pFe. Tæn hao s¾t do tõ trÔ vµ dßng ®iÖn xo¸y g©y nªn. Tæn hao nµy
phô thuéc vµo vËt liÖu, chiÒu dµy cña tÊm thÐp, träng l−îng lâi thÐp, tõ c¶m vµ tÇn sè f.
Khi lâi thÐp ®· ®Þnh h×nh th× tæn hao thÐp tû lÖ víi f1,2÷1,6 vµ B2.
Hai lo¹i tæn hao trªn khi kh«ng t¶i ®· tån t¹i nªn gäi lµ tæn hao kh«ng t¶i:
P0 = pc¬ + pFe (5-7)
Tæn hao s¾t vµ tæn hao c¬ sinh ra m«men h·m vµ m«men nµy tån t¹i khi kh«ng t¶i
nªn gäi lµ m«men kh«ng t¶i M0. Quan hÖ gi÷a M0 vµ p0 nh− sau:
ω
0
0
P
M= (5-8)
trong ®ã ω lµ tèc ®é gãc cña r«to.
c. Tæn hao ®ång pcu. Tæn hao ®ång bao gåm tæn hao ®ång trong m¹ch phÇn øng
pcu.− vµ tæn hao ®ång trong m¹ch kÝch thÝch pcut.
Tæn hao ®ång trong m¹ch phÇn øng bao gåm tæn hao ®ång trong d©y quÊn phÇn
øng I−
2r−, tæn hao ®ång trong d©y quÊn cùc tõ phô I−
2rf, tæn hao tiÕp xóc gi÷a chæi than
vµ vµnh gãp ptx. Th−êng víi chæi than graphit ®iÖn ¸p gi¸ng trªn chç tiÕp xóc cña chæi
than 2∆Utx = 2 V nªn ptx = 2I−.
HiÖn nay th−êng gép tÊt c¶ c¸c tæn hao ®ång trªn phÇn øng l¹i vµ viÕt d−íi d¹ng
pcu.− = I−
2R− trong ®ã R− = r− + rf + rtx.
Tæn hao ®ång trong m¹ch kÝch thÝch bao gåm tæn hao ®ång trªn d©y quÊn kÝch
thÝch vµ tæn hao ®ång cña ®iÖn trë ®iÒu chØnh trong m¹ch kÝch thÝch. V× vËy pcut = UtIt,
trong ®ã Ut lµ ®iÖn ¸p ®Æt trªn m¹ch kÝch thÝch vµ It lµ dßng ®iÖn kÝch thÝch.
d. Tæn hao phô. Tæn hao phô bao gåm tæn hao phô trong ®ång vµ tæn hao phô
trong thÐp.
Tæn hao phô trong thÐp cã thÓ lµ do tõ tr−êng ph©n bè kh«ng ®Òu trªn bÒ mÆt phÇn
øng, c¸c bul«ng èc vÝt trªn phÇn øng lµm tõ tr−êng ph©n bè kh«ng ®Òu trong lâi thÐp,
¶nh h−ëng cña r¨ng vµ r·nh lµm tõ tr−êng ®Ëp m¹ch ... sinh ra
Tæn hao phô trong ®ång cã thÓ do qu¸ tr×nh ®æi chiÒu lµm dßng ®iÖn trong phÇn tö
thay ®æi, dßng ®iÖn ph©n bè kh«ng ®Òu trªn bÒ mÆt chæi than lµm tæn hao tiÕp xóc lín,
tõ tr−êng ph©n bè kh«ng ®Òu trong r·nh lµm sinh ra dßng ®iÖn xo¸y trong d©y dÉn, tæn
hao trong d©y nèi c©n b»ng sinh ra. Trong m¸y ®iÖn mét chiÒu th−êng lÊy pf = 1%P®m.
5.2.2. Qu¸ tr×nh n¨ng l−îng vµ c¸c ph−¬ng tr×nh c©n b»ng trong m¸y ®iÖn mét
chiÒu
a. M¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu
M¸y ph¸t ®iÖn biÕn c¬ n¨ng thµnh ®iÖn n¨ng nªn m¸y do mét ®éng c¬ s¬ cÊp bÊt
kú kÐo quay víi mét tèc ®é nhÊt ®Þnh.
Gi¶ thiÕt c«ng suÊt kÝch thÝch do mét m¸y kh¸c cung cÊp nªn kh«ng tÝnh vµo c«ng
suÊt ®−a tõ ®éng c¬ s¬ cÊp vµo cña m¸y ph¸t ®iÖn.
C«ng suÊt c¬ P1 ®−a vµo m¸y ph¸t ®iÖn, mét phÇn ®Ó bï vµo tæn hao c¬ pc¬ vµ tæn
hao s¾t pFe, cßn ®¹i bé phËn biÕn ®æi thµnh c«ng suÊt ®iÖn tõ P®t.. Ta cã:
P1 = P®t + (pc¬+ pFe) = P®t + P0. (5-9)
hay P®t = P1 - P0 = E− I− (5-10)
Khi cã dßng ®iÖn ch¹y trong d©y quÊn phÇn øng th× cã tæn hao ®ång nªn c«ng suÊt
®iÖn ®−a ra P2 b»ng:
P2 = P®t- pcu = E−.I− - I2
−R− = U.I− (5-11)
p
c¬
44
H×nh 5-3.
Gi¶n ®å n¨ng l−îng cña
m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu.
cu
P®t =Mω =E− I−
P1 =M1ω
Fe
2 =U I−
Gi¶n ®å n¨ng l−îng ®−îc tr×nh bµy trªn
h×nh 5-3.
Chia hai vÕ cña ph−¬ng tr×nh (5-11) cho
I− ta ®−îc:
U = E− - I−R− (5-12)
§ã lµ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng s.®.® cña
m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu.
Cã thÓ viÕt c«ng suÊt c¬ ®−a vµo, c«ng
suÊt kh«ng t¶i vµ c«ng suÊt ®iÖn tõ d−íi d¹ng
m«men nh©n víi tèc ®é gãc nh− sau:
M1.ω = M.ω + M0.ω (5-13)
Chia hai vÕ cña ph−¬ng tr×nh (5-13) cho
ω
ta ®−îc:
M1= M + M0 (5-14)
trong ®ã: M1 – m«men ®−a vµo trôc cña m¸y ph¸t ®iÖn;
M – m«men ®iÖn tõ;
M0 – m«men kh«ng t¶i.
BiÓu thøc (5-14) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng m« men cña m¸y ph¸t ®iÖn.
b. §éng c¬ ®iÖn
§éng c¬ ®iÖn lÊy c«ng suÊt ®iÖn vµo vµ truyÒn c«ng suÊt c¬ ra ®Çu trôc.
C«ng suÊt ®iÖn mµ ®éng c¬ nhËn tõ l−íi vµo lµ:
P1 = UI = U(I− + It) (5-15)
trong ®ã: I = I− + It lµ dßng ®iÖn lÊy tõ l−íi vµo;
I− lµ dßng ®iÖn ®i vµo phÇn øng;
It - dßng ®iÖn kÝch thÝch;
U - ®iÖn ¸p ë ®Çu cùc m¸y.
C«ng suÊt nhËn vµo P1, mét phÇn cung cÊp cho m¹ch kÝch thÝch UIt, cßn phÇn lín
®i vµo phÇn øng UI−, mét phÇn tiªu hao trªn d©y quÊn phÇn øng pcu.−, cßn ®¹i bé phËn lµ
c«ng suÊt ®iÖn tõ P®t. Ta cã:
P1 = pcu.− + pcu.t + P®t (5-16)
C«ng suÊt ®iÖn tõ sau khi chuyÓn thµnh c«ng suÊt c¬ th× cßn tiªu hao mét Ýt ®Ó bï
vµo tæn hao c¬ pc¬ vµ tæn hao s¾t pFe (gäi chung lµ tæn hao kh«ng t¶i hay c«ng suÊt
kh«ng t¶i p0). PhÇn cßn l¹i cuèi cïng lµ c«ng suÊt ®−a ra ®Çu trôc P2 = M2ω.
Ta cã:
P®t = pc¬ + pFe + P2 = p0 + P2 (5-17)
45
P
1= UI
Tõ c¸c ph−¬ng tr×nh (5-16) vµ (5-17) ta
x©y dùng ®−îc gi¶n ®å n¨ng l−îng cña
®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu nh− ë h×nh 5-4.
Tõ c«ng thøc (5-15) vµ (5-16) ta cã
c«ng suÊt ®iÖn trong m¹ch phÇn øng b»ng:
UI− = P®t + pcu.− = E−I− + I−
2R− (5-18)
Chia hai vÕ cña (5-18) cho I− ta ®−îc
ph−¬ng tr×nh:
U = E− + I−R− (5-19)
§©y chÝnh lµ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng
s.®.®. cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu.
P
®t= E−I− = Mω
P
2= M2ω
p
cu.−
p
0 =
p
c¬ +
p
Fe
p
cu.t
H×nh 5-4. Gi¶n ®å n¨ng l−îng
cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
Tõ c«ng thøc (5-17) ta cã thÓ viÕt:
Mω = M0ω + M2ω (5-20)
Chia hai vÕ cho ω ta ®−îc:
M = M0 + M2 (5-21)
trong ®ã: M2- m«men ®−a ra ®Çu trôc m¸y;
M0 - m«men kh«ng t¶i.
Ph−¬ng tr×nh (5-21) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng m«men cña ®éng c¬ ®iÖn mét
chiÒu.
5-3. TÝnh chÊt thuËn nghÞch
trong m¸y ®iÖn mét chiÒu
Nh− ®· biÕt ë trªn, m¸y ®iÖn mét chiÒu cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t vµ ë chÕ
®é ®éng c¬. Khi lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t, chiÒu cña m«men ®iÖn tõ vµ chiÒu cña tèc
®é quay ng−îc nhau, cßn dßng ®iÖn vµ s.®.® cïng chiÒu. Trong chÕ ®é ®éng c¬ ®iÖn th×
m«men vµ tèc ®é cïng chiÒu, cßn dßng ®iÖn vµ s.® ® ng−îc chiÒu nhau. Nh− vËy chØ
cÇn cã mét ®iÒu kiÖn kh¸c nhau th× m¸y sÏ cã tÝnh chÊt lµm viÖc kh¸c nhau.
Gi¶ sö m¸y ®ang lµm viÖc ë tr¹ng th¸i m¸y ph¸t nèi vµo l−íi cã U = Cte, dßng ®iÖn
phÇn øng ®−a ra lµ
,
,
,
u
u
uR
UE
I−
=, nghÜa lµ E− > U. M¸y sinh ra m«men ®iÖn tõ cã chiÒu
ng−îc víi chiÒu quay vµ ®ãng vai trß m«men h·m. B©y giê nÕu ta gi¶m tõ th«ng Φ
hoÆc gi¶m tèc ®é n ®Ó gi¶m E− xuèng mét c¸ch thÝch ®¸ng th× E− sÏ nhá h¬n U vµ dßng
®iÖn I− sÏ ®æi chiÒu, E− vµ I− ng−îc chiÒu nhau. Do chiÒu cña tõ th«ng Φ kh«ng ®æi nªn
m«men ®iÖn tõ ®æi chiÒu (v× M = CMΦI−), nghÜa lµ m«men ®· trë nªn cïng chiÒu víi
tèc ®é vµ ®· tõ m«men h·m trë thµnh m«men quay. M¸y ®· chuyÓn tõ chÕ ®é m¸y ph¸t
®iÖn sang chÕ ®é ®éng c¬ ®iÖn. B©y giê ta t¸ch ®éng c¬ s¬ cÊp ra ta sÏ ®−îc mét ®éng
c¬ ®iÖn mét chiÒu th«ng th−êng.
ThÝ dô
1. Mét m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu lóc quay kh«ng t¶i ë tèc ®é n0 = 1000 vg/ph th×
s.®.®. ph¸t ra b»ng E0 = 222 V.
Hái lóc kh«ng t¶i muèn ph¸t ra s.®.®. ®Þnh møc E0®m = 220 V th× tèc ®é n0®m ph¶i
b»ng bao nhiªu khi gi÷ dßng kÝch tõ kh«ng ®æi?
Gi¶i
Dßng ®iÖn kÝch tõ kh«ng ®æi nghÜa lµ tõ th«ng Φ0 kh«ng ®æi.
Theo c«ng thøc E− = CeΦδ.n, khi E0 = 222 V ta cã E0 = CeΦ0.n0 (n0 = 1000 vg/ph).
Khi E0®m = 220 V th× E0®m = CeΦ0.n0®m
LÊy E0/E0®m ta cã:
dmdme
e
dm n
n
nC
nC
E
E
0
0
00
00
0
0
..
.=
Φ
Φ
=
Tõ ®ã suy ra 990
222
220
.1000.
0
0
00 === E
E
nn dm
dm vg/ph
2. Mét ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch thÝch song song c«ng suÊt ®Þnh møc P®m = 5,5
kW, U®m = 110 V, I®m = 58 A (dßng ®iÖn tæng ®−a vµo b»ng dßng ®iÖn phÇn øng I− vµ
46