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

Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng
điện cơ
-Máy điện một chiều
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Có đặc tính cơ (moment-tốc độ) ưu việt. Dễ dàng trong việc điều khiển tốc độ. 
Cả cuộn stator (kích từ) và cuộn rotor (phần ứng) đều có mang dòng DC.
 Với cùng chi tiết kĩ thuật, máy điện DC đắt hơn máy điện AC. Cuộn kích từ
trong máy DC công suất nhỏ có thể được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu.
 Cuộn kích từ ở stator được cấp bởi dòng DC, hay dùng nam châm vĩnh cửu, 
để tạo ra từ trường tĩnh. Dòng rotor được cấp qua chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ 
thay đổi chiều dòng điện trong các cạnh của khung dây để cho từ trường stator 
và rotor vuông góc với nhau. Moment tạo ra càng lớn thì việc điều khiển càng đơn 
giản.
 Động cơ vạn năng có thể chạy được với điện áp AC mặc dù được xếp loại là 
động cơ DC.
Máy điện DC – Giới thiệu
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Bearings
Armature with
skewed slots
Commutator
 Lõi từ rotor làm bằng các lá
thép, có rãnh. Mỗi cạnh của cuộn 
được đặt trong rãnh và nối với 
một vành góp. 
 Lõi stator có thể không dùng 
lá thép (do kích từ DC) và 
được gắn cố định vào vỏ máy.
Máy điện DC – Cấu tạo
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét một máy DC đơn giản như hình 
bên.
 Mỗi cạnh của khung được nối tới một 
vành góp.
 Khi cạnh khung quay từ cực này sang 
cực kia, vành góp cũng chuyển sang chổi 
than đối diện. Điều này sẽ làm đổi chiều 
dòng điện trong cạnh khung, dẫn đến 
chiều moment không đổi cho dù cực tính 
của từ trường thay đổi. 
Magnetic poles
Rotor coil
Commutator
Brushes
 Dùng đồng năng lượng, moment là 



d
dL
iiiiT srsrsr
e ,,
Máy điện DC – Nguyên tắc hoạt động
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Máy điện DC thực tế có nhiều vành góp và cuộn rotor (Fig. 8.4). Vành góp 
dùng làm cho trục từ phần ứng vuông góc với trục từ stator  moment không đổi.
 Về tổng quát, moment tỉ lệ với dòng phần ứng và dòng kích từ:
fa
e iGiT 
 Mạch tương đương và các phương trình động học tương ứng:
dt
di
LiRv
f
ffff 
fm
a
aaaa iG
dt
di
LiRv  
Gmif
La Ra
va
+
_
ia
Rf
Lf
+ _vf
if
Back EMF
Máy điện DC thực tế
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Giả sử tại xác lập với điện áp, tốc độ là hằng số, quan hệ công suất là
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 đến từ phần ứng, do đó có thể dùng nam châm 
vĩnh cửu thay cho cuộn kích từ trong các máy công suất nhỏ.
 Cuộn phần ứng và kích từ có thể được nối theo nhiều cách tương ứng với các 
ứng dụng khác nhau. Có 3 pp chính: kích từ độc lập, kích từ nối tiếp và kích từ
song song.
Máy điện DC thực tế (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Cuộn kích từ và cuộn phần ứng được cấp nguồn độc lập với nhau. Cuộn kích 
từ thường được nối với nguồn điện áp hằng số, tạo ra từ trường không đổi. Tốc 
độ và moment của máy được điều khiển bằng dòng phần ứng.
 Ở xác lập, có các quan hệ sau
loadafm TIGIB  fmaaa IGIRV  
Dẫn tới
a
fma
a
R
IGV
I
 
a
fma
f
e
R
IGV
GIT
 
 Đặc tính cơ là đường thẳng
e
f
a
m
e
f
a
f
a
m T
GI
R
T
GI
R
GI
V
202
 
Torque-speed
Máy điện DC kích từ độc lập
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Quá trình thắng xuất hiện khi công suất được đặt vào cả phần ứng (Pa > 0) và
trục(Pm < 0), và tất cả các công suất này bị tiêu tán ở điện trở phần ứng Ra.
 Quá trình máy phát tương ứng với Pm 
Va/(GIf). Quá trình động cơ xuất hiện khi Pa > 0 và Pm > 0 (Fig. 8.7).
m
Te
Increasing Va
 Bằng việc thiết lập dPm/dm = 0 và giải 
tìm m, tốc độ tại công suất cực đại có thể
tìm được
f
a
mP
GI
V
2
 
a
a
m
R
V
P
4
2
max và
 Tốc độ có thể được điều khiển dễ dàng 
bởi việc thay đổi điện áp phần ứng Va.
Đặc tính cơ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Cuộn kích từ và cuộn phần ứng được nối tiếp, ta có mạch tương đương như 
sau.
Gmi
La + Lf Ra + Rf
v
+
_
i
 iG
dt
di
LLiRRv mfafa  
2GiT e 
 Quá trình xác lập với điện áp hằng số 
được mô tả bởi
 mfa GRR
V
I
 
  2
2
mfa
e
GRR
V
GT
 
m
Te
Increasing V
Máy điện DC kích từ nối tiếp
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Động cơ vạn năng về bản chất là động cơ DC kích từ nối tiếp, có thể hoạt 
động với nguồn DC hay AC. Khi chạy từ nguồn AC, điện cảm của các cuộn dây 
cần được xem xét.
 Quá trình xác lập có thể được mô tả bởi
 222 efamfa LLGRR
V
I
 
 222
2
2
efamfa
e
av
LLGRR
GV
GIT
 
Trong đó e là tần số điện.
 Điện áp AC đầu vào có thể được cắt dùng các mạch SCR hay triac để giảm
giá trị rms của dòng điện, vì vậy làm giảm moment của động cơ.
Động cơ vạn năng
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Cuộn kích từ và cuộn phần ứng được nối song song, mạch tương đương như 
sau.
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 
 Quá trình xác lập với điện áp vào hằng số
v = V,
f
f
R
V
I 
a
fm
a
R
IGV
I
 
af
mf
fa
e
RR
GR
GVIGIT
2
2
 
 Điều khiển tốc độ bằng cách dùng điện trở nối tiếp cuộn kích từ.
Máy điện DC kích từ song song
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Máy điện kích từ song song có thể hoạt động như một máy phát, với một tải RL
nối như sau.
dt
di
LiRv
f
fff 
dt
di
LiRiGv aaaafm 
 Quá trình xác lập với điện áp vào hằng số
v = V,
La Ra
Rf
Lf
ia
i
+
_
v
if
GmifRL
 faL iiRv 
 faLaafmff IIRIRIGRIV 
Máy phát DC kích từ song song
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Trong một máy kích từ hỗn hợp, một phần cuộn kích từ được nối tiếp, phần 
còn lại nối song song với cuộn phần ứng. Có 4 kiểu kết hợp khác nhau cho 2 
phần của cuộn kích từ.
 Nguyên nhân chính của việc sử dụng kiểu kích từ hỗn hợp là để giới hạn dòng 
phần ứng tại tốc độ thấp.
 Khi khởi động hay chạy ở tốc độ thấp, sức điện động cảm ứng rất nhỏ so với 
điện áp cung cấp, vì vậy sẽ tạo ra dòng điện rất lớn (chỉ bị giới hạn bởi điện trở
phần ứng). Một điện trở ngoài được dùng để giảm dòng điện xuống mức cho 
phép có thể gây ra thêm tổn hao công suất. 
Một phương pháp để khởi động động cơ là dùng bộ biến đổi công suất để điều 
chỉnh điện áp trung bình đặt vào cuộn phần ứng, gọi là kỹ thuật điều rộng xung 
PWM.
Máy điện DC kích từ hỗn hợp và khởi động
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Hai cuộn stator được đặt lệch 900 có thể tạo ra từ trường quay khi được cấp 
dòng điện 2 pha. Nếu có thể tạo ra dòng điện 2 pha từ nguồn 1 pha, thì động cơ 
KĐB một pha có thể hoạt động.
 Có thể thấy rằng với chỉ một cuộn kích từ, máy điện KĐB một pha có thể chạy 
theo một chiều nào đó, nhưng không có moment khởi động.
 Trong thực tế, một cuộn dây phụ được thêm vào máy KĐB 1 pha, và có các pp 
để tạo ra moment ban đầu: split-phase, capacitor-start, permanent-split capacitor, 
capacitor-start/capacitor-run, split-phase start/capacitor-run, and shaded-pole.
Động cơ không đồng bộ một pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Động cơ không đồng bộ một pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Split-phase
Capacitor-start Permanent-split
capacitor
Capacitor-start/
capacitor-run
Split-start/
capacitor-run
Các kiểu động cơ không đồng bộ một pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Động cơ kđb 1 pha
-Từ thông đập mạch tạo
bởi cuộn dây chính có thể
phân tích thành 2 thành
phần quay ngược chiều
nhau và bằng nhau 
moment tổng bằng 0.
-Nếu rotor đc quay theo
một chiều nào đó, 1 thành
phần từ thông làm việc ở
chế độ động cơ, thành
phần kia ở chế độ hãm.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Động cơ kđb 1 pha
-Dùng cuộn dây phụ để tạo
thành động cơ 2 pha
-Cuộn phụ đặt lệch 900 trong
không gian so với cuộn
chính
-Có thể dùng tụ điện để làm
tăng góc lệch pha giữa 2 
cuộn
 Đảo chiều ?
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Cuộn chính và cuộn phụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Dây quấn chính và phụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Dùng cuộn dây phụ khởi động
Dùng cuộn phụ có từ cảm nhỏ và điện trở lớn hơn cuộn chính (ít vòng hơn và
dùng dây nhỏ hơn) để tạo dòng lệch pha so với dòng trong cuộn chính.
Khi tốc độ đạt gần tốc độ đồng bộ (3/4 nđb), công tắc ly tâm sẽ ngắt cuộn phụ. 
Khởi động không dùng tụ điện chỉ dùng với tải nhỏ và động cơ công suất nhỏ.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Khởi động bằng tụ điện
Có thể dùng tụ điện kết hợp với
cuộn dây phụ để khởi động động cơ
1 pha (để tăng moment khởi động).
Khi động cơ khởi động xong, tụ điện
bị ngắt bởi một công tắc ly tâm.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Dùng tụ điện thường trực
Khi khởi động, hai tụ điện mắc
song song để có giá trị lớn
(tăng moment khởi động)
Tụ điện có giá trị nhỏ được
mắc thường trực để cải thiện
đặc tính hoạt động của động
cơ.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ một pha dùng cuộn
dây phụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Dùng khâu từ cực (vòng ngắn mạch
ở cực từ)
Cực từ stator được chia
làm 2 phần, một phần
được bọc bằng vòng ngắn
mạch
Hai từ thông lệch pha tại
cực từ làm từ thông tổng
trượt trên mặt cực từ, 
chiều về phía phần có
vòng ngắn mạch động
cơ quay theo chiều từ
phần không có vòng ngắn
mạch sang phần có vòng
ngắn mạch
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Các vấn đề kỹ thuật trong vận hành máy điện
Các loại tổn hao trong máy điện:
3 nguyên nhân chủ yếu để xem xét tổn thất trong máy điện:
-Tổn thất quyết định hiệu suất và ảnh hưởng đáng kể tới chi phí vận hành
-Ảnh hưởng tới phát nóng của thiết bị, có thể phát ra công suất ra định
mức mà không làm hư hỏng cách điện.
-Sụt áp hay dòng do tổn thất phải được tính đến khi mô tả máy điện.
Hiệu suất = output/input
Hiệu suất = (input – losses)/input
Hiệu suất = output/(output+losses)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Các vấn đề kỹ thuật trong vận hành máy điện
Các loại tổn hao chính trong máy điện:
-Tổn hao I2R: tổn hao trong dây quấn, tiếp xúc giữa chổi than-cổ góp
-Tổn hao cơ: ma sát do chổi than, bearing, sức cản của gió.
-Tổn hao không tải (tổn hao lõi thép): do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy. 
Trong máy điện DC và đồng bộ, tổn hao lõi thép chủ yếu trên mạch từ
phần ứng. Trong máy điện không đồng bộ, chủ yếu ở mạch từ stator.
-Ngoài ra còn có một số tổn hao phụ do sự phân bố không đều của dòng
điện trong dây dẫn, sự méo dạng từ thông do dòng tải.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Các vấn đề kỹ thuật trong vận hành máy điện
Phát nóng trong máy điện:
Định mức trong thiết bị điện được quyết định bởi các vấn đề nhiệt và cơ. 
Ví dụ, dòng định mức được quyết định bởi nhiệt độ vận hành tối đa mà
không làm hư hỏng cách điện.
>18018015513512010590Nhiệt độ 0C
CHFBEAYCấp cách điện
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Các vấn đề kỹ thuật trong vận hành máy điện
Hiệu quả năng lượng trong máy điện: để tối ưu hiệu suất của máy điện
cần giảm các tổn hao bên trong nó.
-Tổn hao I2R: giảm bằng cách tăng tiết diện rãnh (tăng tiết diện dây 
giảm điện trở)
-Tổn hao không tải (tổn hao lõi thép): giảm mật độ từ trường trong mạch
từ tăng thể tích. Tuy nhiên sẽ làm tăng kích thước thiết bị. Dùng thép
mỏng hơn để giảm dòng xoáy.
-Ngoài ra để tối ưu hiệu suất sử dụng máy điện, cần chọn máy điện phù
hợp với ứng dụng cụ thể, về cả công suất và hiệu suất.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Ôn tập
Kiểm tra cuối kỳ (60%)
-Sử dụng tài liệu
-Thời gian làm bài 120 phút
-5 câu (mỗi câu 2 điểm)
Mạch từ và nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ
Máy biến áp
Máy điện không đồng bộ
Máy điện đồng bộ
Máy điện một chiều