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

Chia sẻ: Bùi Tấn Lợi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

621
lượt xem 65
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Đại cương động cơ điện một chiều, động cơ một chiều kích từ song song, động cơ một chiều kích từ nối tiếp, động cơ một chiều kích từ hỗn hợp, ảnh hưởng của mạch từ bão hòa, khởi động động cơ một chiều, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Mời các bạn tham khảo

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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  (6.1a) Moment điện từ của động cơ tính theo công thức (6.4) : M  k M I æ (6.1b) Phương trình cân bằng điện áp của động cơ theo công thức (6.6) : U  E æ  R mæ I æ (6.1c) Hoặc E æ  U  R mæ I æ (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
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 E æ  U  R mæ I æ  k E Φn  k M ΦΩ (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 EΦ It U  R mæ I æ 0 Hay n  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 (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: U R mæ n  M (6.4) k EΦ k E k M  Φ2 n n1 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 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 : 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 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 : 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  n âm  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 99,4 n0 = 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 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. I Rmư Iư + n + Nguồn Eư Tải DC U 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) E æ  U  R mæ I æ  k E Φn (6.8) 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 (6.9) Khi Iư nhỏ, từ biểu thức (6.5) và (6.9), ta có : U 1 R n n   mæ (6.10a) kE kΦ / kM M k EkΦ n0 A n B (6.10b) M nđm Vậy đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp 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 thích nối tiếp có giá trị rất lớn. Khi tải giảm nhiều, Iư M0 Mđm Mk 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
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: I  I æ  I t ; I tn  I æ (6.11) U t  U  R t It (6.12) 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. I Rmư It Iư Rđc Itn + n + Nguồn Eư Tải DC U 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: U (R  R n )M n  2 æ (6.14) k M (Φ s  Φ n ) k M ( Φ s  Φ n ) 2 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 n 4 n1 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 0 hợp cộng; (4) Kích từ hỗn hợp trừ. 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 B(hay ) 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 (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:
171 M1 k M ΦI æ 1  (6.16) M 2 k M ΦI æ 2  U  I æ R mæ    n 1  k E Φ 1  våïi   0 (6.17) n 2  U  I æ 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: M1 BI æ 1  (6.18) M 2 BI æ 2 n1  U  I æ R mæ   B       (6.19) n2  B 1  U  I æ R 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 Pvào 40  746 P  UI  I đm    137 ,84 A 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:
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 Từ cảm B(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  I æ R mæ   B      n2  B 1  U  I æ R mæ  2 n1 U  I æ R mæ 2  B 2  B1   n 2 U  I æ R mæ 1
173 B 2  0,7  1150  240  135,43 1,15  0,0969 2  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 N t 1231 V U 240 It   R đc   R t   99,5  28,8 Ω R t  R đc It 1,87 Pđc  R đc Iđc 2  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: 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 Pra P P 125  746 η  ra  I  ra   454 ,97 A 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 Pđt 103,059 M đt  9550   9500   1158 Nm n 850 1,05 0,90 0,88 0,83 0,75 Từ cảm B(T) 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×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  M 2 BI æ 2 B1  I æ 2 396 ,08 Iæ2  (1) B2
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  B 2  B1   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 B22  0,8711 B2  0,0352  0 Giải phương trình bậc hai, ta có: 0,8711  (0,8711) 2  4  0,0352 B2  2  B1  0,83T; 0,043T (2) 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. 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  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 (3) 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 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 It2   3,58 A 577 4000  0,9  4,5  477 It2   3,58 A 577 U U 240 It2   R âc   Rt   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  Iæ    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. 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 0,75 Từ cảm B(T) Iư I 0,45 Rmư + + n DC U Eư Tải 0,34 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 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 I æ.Kí  (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. 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 I Kí  (6.22) R æ  R Kí RK 2 M n n 1 3 1 2 3 4 I I 0 4 Iư + It Rmư 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:
179 P 11 M đm  9550   9500   60 Nm n 1750 b. Sơ đồ mạch điện tương đương của ví dụ trình bày trên hình VD 6.5a, ta có U  E æ 230  0 I æ1    821,4 A Ræ 0,28 I It Iư Rt Rmư + Nguồn DC U=230V + n Eư Tải  (a) B+P Iư I It RK Rt + Rmư Nguồn DC U + n Eư Tải  B+P (b) 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 I æ 1 M   I æ 2  I æ1  2 M 2 I æ 2 M1
180 2  M1 I æ 2  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)  RK   Ræ Iæ 230  0 RK   0,28  1,83 Ω I109 Mômen khởi động khi điện áp nguồn giảm còn 215V: U 215 I t , 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 M1 I t I æ 1 I I  Vậy   M 2  M1  t æ 2 M 2 I t I æ 2 I t I æ 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 2  60   104 ,8 Nm 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 æ  R n  R p )M Ω  (6.23) k M (Φ s  Φ n ) k 2M (Φ s  Φ n ) 2 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 I It Rđc Rmư + Nguồn Rt DC U + 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  'o' ứng với các trị số khác nhau của Rđc ta ’ 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 tính cơ của động cơ m thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh điện một chiều kích từ song song với 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).