Tương tự như máy phát điện kích từ độc lập, phần cảm và phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập được cung cấp bằng các nguồn áp một chiều riêng biệt. Mạch điện tương đương của động cơ một chiều kích từ độc lập được trình bày trong hình H7.33. Từ đó suy ra các phương trình cân bằng dòng và áp như sau, trong đó:
Rf : là điện trở của dây quấn kích thích (phần cảm).
Rư : điện trở dây quấn phần ứng.
n : tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của động cơ).
kt : từ thông kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm và dòng điện kích thích Ikt.
kt f kt
V R .I (7.37)
E kt
E K . .n (7.38)
V E R .I ử ử (7.39)
7.8.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG – HIỆU SUẤT:
Từ phương trình cân bằng áp trên mạch phần ứng, quan hệ (7.39); nhân hai vế cho giá trị dòng điện Iư , ta có:
2
ử ử ử ử
V.I E.I R .I (7.40)
Đặt:
điệntừ ư
P E.I (7.41)
Pđiện từ : công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng.
V.Iư : công suất điện cung cấp từ nguồn cho phần ứng.
Rư.Iư2 : công suất nhiệt tiêu thụ trên điện trở Rư phần ứng.
Tóm lại trên phần ứng chúng ta có phương trình cân bằng năng lượng như sau:
điện ứng ư 2
j ứng ư ư
điện ứng điệntừ j ứng
P V.I
P R .I
P P P
(7.42)
Vì động cơ thuộc dạng kích từ độc lập, điện năng cung cấp cho động cơ lấy từ hai nguồn khác nhau, do đó tổng điện năng cấp cho động cơ gồm điện năng cấp cho phần ứng phần cảm.
Điện năng cấp vào phần cảm chính là tổn hao trên điện trở dây quấn phần cảm Rf. Ta có:
2
điện cảm j cảm kt kt f f
P P V .I R .I (7.43)
E = KE.kt.n Ukt
+
+
-
Ikt B; (kt)
n
+ U -
Iổ
Iổ
Ikt
Iổ
M
+ -
+ -
Vkt
V Rổ
Rf
+ -
E
HÌNH H7.33:Mạch tương đương động cơ DC kích từ độc lập.
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
Căn cứ vào các quan hệ (7.41), (7.42) và (7.43) chúng ta xây dựng giản đồ phân bố năng lượng. Từ giản đồ này cho thấy công suất điện từ trên phần ứng chính là công suất cơ đưa ra trên trục nhưng chưa trừ đi tổn hao ma sát cơ (tổn hao ma sát trên ổ bi, quạt gió giải nhiệt..) và tổn hao thép của động cơ. Khi trừ đi các thành phần tổn hao này vào công suất điện từ, phần còn lại chính là công suất cơ hữu ích đưa ra trên trục của động cơ.
THÍ DỤ 7.4:
Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức như sau:
Điện áp định mức (cấp vào phần ứng) : Vđm = 120 V.
Dòng điện định mức (qua phần ứng) : Iđm = 40 A.
Điện trở dây quấn phần ứng: Rư = 0,25 .
Điện áp cấp vào phần cảm : Vkt = 100 V.
Điện trở dây quấn kích thích : Rf = 100 .
Công suất định mức của động cơ là : Pđm = 4 kW a./ Hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức.
b./ Tổn hao ma sát cơ và tổn hao thép lúc tải định mức.
GIẢI:
a./Hiệu suất của động cơ tại tải định mức:
Công suất định mức chính là công suất cơ ra trên trục động cơ khi tải định mức.
Công suất điện cung cấp cho động cơ bao gồm tổng công suất điện cung cấp cho phần cảm và phần ứng, ta có:
điện điệnứng điệncảm đm đm kt kt
P P P V .I V .I 120 40 100 100 4900 W
100
Hiệu suất của động cơ tại điểm định mức là:
cụ ủm
ủieọn ủieọn
P P 4000 0,8163
P P 4900
Tóm lại: % = 81,63%
b./Tổn hao thép và tổn hao ma sát cơ tại tải định mức:
Muốn xác định tổng tổn hao ma sát cơ và tổn hao thép cần dựa vào giản đồ năng lượng.
Đầu tiên xác định sức phản điện trên phần ứng khi tải định mức:
ủm ử ủm
E V R .I 120 0,25 40 110 V
Công suất điện từ tại điểm định mức được xác định theo quan hệ (7.41):
điện từ ư đm
P E.I E.I 110 40 4400 W
Tổn hao ma sát cơ, quạt giá và tổn hao thép xác định theo quan hệ sau:
mq thép điệntừ cơ điệntừ đm
P P P P P 4400 4000 400 W Pj caím
Pđiện
Pđiện ứng
Pđiện cảm
Pđiện từ PCơ
Pj ứng
Pma sạt cồ
+Ptổn hao thép
(Pmq+thép)
HÌNH H7.34 : Giản đồ phân bố năng lượng
7.8.2. ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ :
Đặc tính tốc độ của động cơ là đồ thị mô tả quan hệ giữa tốc độ quay n của động cơ với dòng điện Iư qua mạch phần ứng.
Đặc tính tốc độ được xây dựng bằng cách khử E trong các quan hệ (7.38) và (7.39); ta có:
ử ử
E kt
V R .I n K .
(7.44)
Ta có thể ghi lại theo dạng sau:
ử ử
E kt E kt
R V
n .I
K . K .
(7.45)
Đồ thị của đặc tính tốc độ có dạng đường thẳng y Ax B ,A 0 và B 0 . Đặc tuyến này đi qua hai điểm đặc biệt.
Giao điểm của đồ thị với trục hòanh (trục dòng điện Iư):
Khi n= 0 , ta cú ử
ử
I V
R ; tại vị trí này động cơ không quay (n = 0) nhưng vẫn có dòng điện qua mạch phần ứng.
Điểm làm việc này tương ứng với điểm khởi động động cơ, dòng điện tính được gọi là dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ qua phần ứng hay dòng điện ngắn mạch phần ứng tại thời điểm khởi động (mở máy). Ta có quan hệ sau:
ư khởi động nm ử
I I V
R (7.46)
Giao điểm của đồ thị với trục tung (trục tốc độ n): Khi Iư = 0, ta có tốc độ :
không tải o
E kt
n n V
K .
(7.47)
Muốn hiểu được ý nghĩa vật lý giao điểm của đồ thị với trục tung, chúng ta quan sát đặc tính tốc độ động cơ trong hình H7.35.
Tại thời điểm bắt đầu khởi động động cơ (điểm a); dòng mở máy (hay khởi động trực tiếp) qua phần ứng có giá trị là In ; động cơ tăng dần tốc độ từ giá trị 0. Khi rotor đã quay: tốc độ động cơ tăng dần, trong khi dòng qua phần ứng giảm dần (quan sát đọan ab trên hình H7.35).
Tại chế độ không tải, động cơ không mang tải trên trục, tốc độ động cơ tiếp tục tăng và dòng điện qua phần ứng giảm thấp hơn giá trị định mức , điểm làm việc trên đọan cd. Tóm lại , tại chế độ không tải điểm làm việc của động cơ trên đặc tính tốc độ nằm gần vị trí d.
Tuy nhiên, tại chế độ không tải điện làm việc của động cơ không thể ở đúng vị trí d, vì tại đây dòng điện qua mạch phần ứng là Iư = 0 (không có dòng điện qua các thanh dẫn phần ứng) như vậy không hình thành lực điện từ để tạo momen quay rotor.
Thực sự động cơ chỉ có thể tiến về vùng cận của điểm d trong qúa trình họat động không tải; do lý do này điểm d được gọi là điểm không tải lý tưởng; tốc độ động cơ tại d là no được gọi là tốc độ không tải lý tưởng.
nâm
no
Iâm
Inm Iổ
n
a b
c d
Điểm định mức
Điểm khởi động Điểm không tải lý tường
HÌNH H7.35: Đặc tính tốc độ động cơ DC kích từ độc lập.
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
7.8.3. ĐẶC TÍNH MOMEN THEO DÒNG PHẦN ỨNG :
Gọi Pđt là công suất điện từ tạo bởi phần ứng, ta có:
ủt ử
P E.I (7.48)
Với n là tốc độ động cơ khi đang mang tải ứng với công suất điện từ vừa xác định theo quan hệ (7.48), ta có momen điện từ được xác định như sau:
ủt ử
ủt
P E.I
M 9,55. 9,55.
n n
(7.49)
Trong đĩ, Mđt N.m; Pđt W ; n vòng phuùt
, chúng ta có thể viết lại quan hệ (7.49) như sau:
E kt ử
ủt E kt ử
K . .n.I
M 9,55. 9,55.K . .I
n
(7.50)
Khi bỏ qua ảnh hưởng ma sát cơ, quan hệ giữa momen điện từ theo dòng qua phần ứng có dạng đường thẳng qua gốc tọa độ y Ax A 0
7.8.4. ĐẶC TÍNH CƠ :
Từ các quan hệ (7.45) và (7.50) suy ra quan hệ giữa momen điện từ theo tốc độ của động cơ, đặc tính này gọi là đặc tính cơ của động cơ. Ta có quan hệ sau:
ử ủt
E kt E kt E kt
R M V
n .
K . 9,54.K . K .
(7.51) Đặt:
M E kt
K K . (7.52)
Suy ra:
ử ủt 2 M M
R .M V
n 9,54.K K
(7.53)
Từ quan hệ (7.53) cho thấy đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập hay có dạng đường thẳng y Ax B A 0 ; B 0