Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 8: Máy điện một chiều - Nguyễn Quang Nam

5 Máy điện một chiều 
Cấu tạo máy một chiều 
Ổ đỡ 
Phần ứng có 
nghiêng rãnh 
Cổ góp 
 Mạch từ phần ứng ghép từ nhiều 
lá mỏng, có các rãnh rôto. Mỗi 
cạnh cuộn dây được đặt trong một 
rãnh và nối với một phiến góp. 
Luôn luôn có 2 cạnh cuộn dây nối 
vào một phiến góp, để tạo thành 
dây quấn xếp hoặc sóng. 
 Mạch từ phần cảm không 
cần ghép từ lá mỏng, vì chỉ 
có kích thích một chiều. Lõi 
thép này được gắn cố định 
vào khung máy. 
6 Máy điện một chiều 
Cấu tạo máy một chiều (ảnh chụp phần cảm) 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
2 
7 Máy điện một chiều 
Cấu tạo máy một chiều (ảnh chụp phần ứng) 
8 Máy điện một chiều 
Dây quấn xếp 
Dây quấn xếp và dây quấn sóng 
Dây quấn sóng 
9 Máy điện một chiều 
 Xét máy một chiều đơn giản nhất 
với sơ đồ như hình bên phải. 
 Mỗi cạnh cuộn dây được nối vào 
một phiến góp. 
 Khi một cạnh cuộn dây chuyển từ cực 
từ này sang cực từ kia, phiến góp của nó 
cũng chuyển sang chổi đối diện. Điều này 
làm đổi chiều dòng điện chạy trong cạnh 
cuộn dây đó, dẫn đến mômen tác động 
lên cạnh cuộn dây giống như cũ. 
Nguyên tắc hoạt động 
Cực từ 
Cuộn dây 
rôto 
Cổ góp 
Chổi 
 Từ pp đồng năng lượng, mômen là  
 



d
dL
iiiiT srsrsr
e ,,
10 Máy điện một chiều 
 Các máy một chiều thực có nhiều phiến góp và cuộn dây 
rôto (Hình 8.4). Phiến góp hoạt động sao cho luôn tạo ra một 
trục từ phần ứng vuông góc với trục từ kích từ  mômen 
không đổi. 
 Nói chung, mômen sinh ra tỷ lệ với các dòng điện phần 
ứng và kích từ: 
Một máy một chiều thực tế hơn 
fa
e iGiT 
 Dưới đây là mạch tương đương cùng với các phương 
trình động học: 
11 Máy điện một chiều 
Một máy một chiều thực tế hơn (tt) 
 Mạch tương đương và các phương trình động học: 
dt
di
LiRv
f
ffff 
fm
a
aaaa iG
dt
di
LiRv 
Gmif 
La Ra 
va 
+ 
_ 
ia 
Rf 
Lf 
+ 
_ 
vf 
if 
Sức phản điện động 
12 Máy điện một chiều 
 Xét điều kiện vận hành với điện áp và tốc độ không đổi, ở 
trạng thái xác lập, các quan hệ công suất là 
Một máy một chiều thực tế hơn (tt.) 
famaaaaa IIGIRIVP 
2
2
fffff IRIVP 
mfam
e
m IGITP  
Công suất phần ứng 
Công suất kích từ 
Công suất cơ 
 Có thể thấy rằng công suất cơ được tạo ra từ công suất 
phần ứng. Điều này cho phép sử dụng nam châm vĩnh cửu 
trong dây quấn kích từ của máy nhỏ. 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
3 
13 Máy điện một chiều 
 Các dây quấn kích từ và phần ứng được cung cấp bởi các 
nguồn riêng biệt. Dây quấn kích từ thường được nối với một 
nguồn áp không đổi, tạo ra một từ trường không đổi. Tốc độ 
và mômen của máy được điều khiển bởi dòng điện phần ứng. 
 Ở trạng thái xác lập, các quan hệ sau được thỏa mãn 
Máy kích từ độc lập 
loadafm TIGIB  fmaaa IGIRV 
dẫn đến 
a
fma
a
R
IGV
I


a
fma
f
e
R
IGV
GIT


Mômen-tốc độ 
14 Máy điện một chiều 
Đặc tính cơ 
 Đặc tính mômen – tốc độ thường được gọi là đặc tính cơ, 
là một đường thẳng trong trường hợp máy DC, và dưới một 
dạng khác 
   
e
f
a
m
e
f
a
f
a
m T
GI
R
T
GI
R
GI
V
202
 
 Chế độ hãm diễn ra khi công suất được đưa vào máy ở cả 
phần ứng (Pa > 0) lẫn trục máy (Pm < 0), và toàn bộ công 
suất này được tiêu tán trên điện trở phần ứng Ra. 
15 Máy điện một chiều 
 Chế độ máy phát tương ứng với Pm < 0 và Pa < 0, và chỉ xảy ra 
khi m > Va/(GIf). Chế độ động cơ xảy ra khi Pa > 0 và Pm > 0 
(Hình 8.7). 
Đặc tính cơ (tt) 
m 
Te 
Tăng Va 
 Bằng cách cho dPm/dm = 0 và 
giải theo m, có thể xác định tốc độ 
ứng với công suất cực đại 
f
a
mP
GI
V
2

a
a
m
R
V
P
4
2
max và 
 Tốc độ có thể được điều chỉnh nhuyễn bằng cách thay đổi điện 
áp phần ứng Va (hình trên). 
16 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.1 
 Động cơ DC kích từ độc lập có Va = 300 V và dòng phần 
ứng định mức là 60 A. Điện trở phần ứng là 0,2 W, dòng kích 
từ If = 2 A và G = 1,5 H. Tìm tốc độ và công suất điện từ (tính 
bằng HP). Tính hiệu suất? Tính tốc độ khi moment còn ½? 
  fmaaa IGIRV  2,060300
 Từ phương trình điện áp 
 Suy ra tốc độ động cơ 
 
 
rad/s 96
25,1
2,060300


m
17 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.1 (tt) 
   N.m 1806025,1  af
e IGIT
 Tốc độ tính bằng vòng/phút: 
 Công suất điện từ tương ứng: 
 
HP 16,23
 W1728096180

 m
e
m TP 
   
7,916
2
9660
2
60


mn vòng/phút 
 Mômen điện từ: 
18 Máy điện một chiều 
 Cuộn dây kích từ và phần ứng nằm nối tiếp nhau, tạo 
thành mạch tương đương dưới đây. 
Máy kích từ nối tiếp 
Gmi 
La + Lf Ra + Rf 
v 
+ 
_ 
i 
    iG
dt
di
LLiRRv mfafa 
2GiT e 
 Vận hành xác lập với điện áp 
không đổi được mô tả bởi 
  mfa GRR
V
I


  2
2
mfa
e
GRR
V
GT


m 
Te 
Tăng V 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
4 
19 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.2 
 Động cơ DC kích từ nối tiếp 220 V tiêu thụ dòng điện 25 A 
và quay với tốc độ 300 vòng/phút. Điện trở phần ứng là 0,6 
W và điện trở kích từ là 0,4 W. Tính công suất ra đầu trục để 
kéo một tải quạt và mômen của máy? Tính hiệu suất? Tính 
tốc độ khi moment giảm còn ½? Tính dòng điện và moment 
khởi động? 
    IGIRRV mfaa  4,06,025220
 Từ phương trình điện áp 
 Công suất do động cơ tạo ra: 
    HP 54,6 W488025195  IIGP mm 
20 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.2 (tt) 
 
rad/s 42,31
60
3002
60
2



n
m
 Tốc độ động cơ tính bằng rad/s: 
 Mômen của động cơ: 
N.m 3,155
42,31
4880

m
me PT

21 Máy điện một chiều 
 Các động cơ vạn năng thực chất là các động cơ một 
chiều kích từ nối tiếp, có thể làm việc với nguồn AC lẫn DC. 
Khi được cấp nguồn AC, điện cảm của các dây quấn nên 
được xem xét. 
 Vận hành xác lập có thể được mô tả bởi 
Động cơ vạn năng 
    222
efamfa LLGRR
V
I
 

    222
2
2
efamfa
e
av
LLGRR
GV
GIT
 

với e là tần số điện (rad/s). 
22 Máy điện một chiều 
Động cơ vạn năng (tt) 
 Với đặc tính cơ của một động cơ kích từ nối tiếp, động cơ 
vạn năng rất thích hợp cho các máy công cụ, như máy xay, 
khoan điện, vì dải tốc độ làm việc rất rộng và khả năng thích 
ứng với các mômen thay đổi rộng, trong khi công suất làm 
việc gần như không đổi trong dải tốc độ làm việc. 
 Điện áp vào AC có thể được cắt pha bằng các mạch SCR 
hay triac để giảm giá trị hiệu dụng của dòng điện, từ đó giảm 
mômen sinh ra. 
23 Máy điện một chiều 
 Trong các máy kích từ song song, cuộn dây kích từ và phần 
ứng được nối song song, tạo thành mạch tương đương dưới 
đây (ở chế độ động cơ). 
Máy điện kích từ song song – Động cơ DC 
La Ra 
Rf 
Lf 
ia 
i 
+ 
_ 
v 
if 
Gmif 
dt
di
LiRv
f
fff 
fm
a
aaa iG
dt
di
LiRv 
fa
e iGiT 
24 Máy điện một chiều 
Máy kích từ song song (tt) 
 Khi vận hành xác lập với điện áp ngõ vào không đổi v = V, 
f
f
R
V
I 
a
fm
a
R
IGV
I


af
mf
fa
e
RR
GR
GVIGIT
2
2


 Việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện tốt nhất bằng cách 
nối một điện trở với dây quấn kích từ. 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
5 
25 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.3 
 Động cơ DC kích từ độc lập ở ví dụ 8.1 (U=300V, Ia=60A, 
Ra=0,2W, If=2A, G=1,5) được nối thành dạng kích từ song song 
như hình 8.13, tiêu thụ 30A (/62A). Điện trở kích từ là 100W 
/150W. Tính tốc độ, công suất điện từ (hp), và mômen của 
động cơ? Tính dòng điện và moment khởi động (mở máy)? 
A 3
100
300
fI
 Dòng điện kích từ: 
 Dòng điện phần ứng: 
A 27330  fa III
26 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.3 (tt) 
 Từ phương trình điện áp 
 Do đó: 
  fmaaa IGIRV  2,027300
 Suy ra, tốc độ của động cơ: 
 
 
rad/s 5,65
35,1
2,027300


m
   
625
2
5,6560
2
60


mn vòng/phút 
27 Máy điện một chiều 
Ví dụ 8.3 (tt) 
 Công suất điện từ của động cơ: 
    W7954276,294  afmm IIGP 
 Mômen điện từ của động cơ: 
N.m 4,121
5,65
7954

m
me PT

28 Máy điện một chiều 
 Một máy kích từ song song có thể vận hành như một máy 
phát, với một tải RL nối giữa các cực máy như dưới đây. 
Máy phát kích từ song song 
dt
di
LiRv
f
fff 
dt
di
LiRiGv aaaafm  
 Khi vận hành xác lập với điện áp ngõ ra không đổi v = V, 
La Ra 
Rf 
Lf 
ia 
i 
+ 
_ 
v 
if 
Gmif RL 
 
faL iiRv 
 
faLaafmff IIRIRIGRIV  
29 Máy điện một chiều 
Máy phát DC kích từ song song phát công suất định 
mức 200kW ở điện áp 600V. Máy có điện trở phần 
cảm là 250W, điện trở phần ứng là 0,234W. Biết tốc độ 
quay luôn không đổi và bằng 1000 vòng/phút. 
a) Tính sức điện động của máy phát khi dòng điện tải 
bằng dòng định mức? 
b) Tính moment điện từ kéo máy phát? 
c) Tính hiệu suất của máy phát? Bỏ qua tổn hao cơ. 
Máy phát kích từ song song 
La Ra 
Rf 
Lf 
ia 
i 
+ 
_ 
v 
if 
Gmif RL 
30 Máy điện một chiều 
 Trong một máy kích từ hỗn hợp, một phần dây quấn kích 
từ nằm nối tiếp với phần ứng, và phần còn lại thì song song 
với phần ứng. Có 4 tổ hợp khác nhau của hai phần dây 
quấn kích từ. 
 Lý do chính của việc sử dụng dây quấn kích từ hỗn hợp là 
để giới hạn dòng điện phần ứng ở tốc độ thấp (bao gồm cả 
trạng thái mở máy). 
Máy kích từ hỗn hợp và vấn đề mở máy 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
6 
31 Máy điện một chiều 
Máy kích từ hỗn hợp và vấn đề mở máy 
32 Máy điện một chiều 
 Khi mở máy hay chạy ở tốc độ thấp, sức phản điện động 
của máy nhỏ hơn nhiều so với điện áp đặt vào, do đó dòng 
điện rất lớn sẽ chạy qua phần ứng, và chỉ bị giới hạn bởi 
điện trở phần ứng. Có thể dùng một điện trở ngoài để giảm 
dòng điện đến mức chấp nhận được với cái giá phải trả là 
lãng phí năng lượng trên điện trở này. 
 Một cách tốt hơn để mở máy động cơ là dùng các bộ biến 
đổi công suất để điều chỉnh điện áp phần ứng, thông qua kỹ 
thuật điều chế độ rộng xung (PWM). 
Máy kích từ hỗn hợp và vấn đề mở máy