Chơng 5
Quá trình điện từ trong máy điện một chiều

5-1. Mômen điện từ và công suất điện từ

Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua. Tác
dụng của từ trờng lên dây dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ trên trục máy.
Giả thiết ở một chế độ làm việc nào đó của máy điện một chiều, từ trờng và dòng
điện phần ứng ở dới một cực từ nh hình 5-1. Theo quy tắc bàn tay trái, mômen điện
từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái.
Lực điện từ tác dụng lên từng thanh
dẫn bằng:
F = B
tb
li

(5-1)
Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn
bằng N, dòng điện trong mạch nhánh
a
I
i
u
u
2
,
,
= thì mômen điện từ tác dụng lên
dây quấn phần ứng bằng:

Hì n nh 5-1. Xác định s.đ.đ. phầ

không khí;
I

- dòng điện phần ứng;
l - chiều dài tác dụng của thanh dẫn;
D - đờng kính ngoài của phần ứng.

Do


p
D
2
=
,

2
=
- hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy điện.
Nếu mômen tính bằng kGm thì công thức (5-3) phải chia cho 9,81.

,
281,9
1
u
I
a
pN
M


= kGm (5-4)
Trong máy phát điện, khi có tải thì dòng điện sinh ra sẽ cùng chiều với s.đ.đ nên
mômen điện từ sinh ra sẽ ngợc chiều với chiều quay của máy. Vì vậy ở máy phát
điện, mômen điện từ là mômen hãm (hình 5-1). 42
Trong động cơ điện, khi cho dòng điện
vào phần ứng thì dới tác dụng của từ trờng,
trong dây quấn sẽ sinh ra mômen điện từ kéo
máy quay, vì vậy chiều quay của máy cùng
chiều với chiều của mômen (hình 5-2).
Công suất ứng với mômen điện từ lấy vào
(đối với máy phát) hay đa ra (đối với động
cơ) gọi là công suất điện từ và bằng:

- tốc độ góc phần ứng.
Thay vào biểu thức (5-5) ta có: ,,
6060
2

2
uu
dt
In
a
pNn
I
a
pN
MP




===
= E

I

(5-6)
Từ công thức (5-6) ta thấy đợc quan hệ giữa công suất điện từ với mômen điện từ
và sự trao đổi năng lợng trong máy điện. Trong máy phát điện công suất điện từ đã

ữ
1,6
và B
2
.
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:
P
0
= p
cơ
+ p
Fe
(5-7)
Tổn hao sắt và tổn hao cơ sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải
nên gọi là mômen không tải M
0
. Quan hệ giữa M
0
và p
0
nh sau:


0
0
P
M =
(5-8)
trong đó là tốc độ góc của rôto.
c. Tổn hao đồng p

p
cu.
= I

2
R

trong đó R

= r

+ r
f
+ r
tx
.
Tổn hao đồng trong mạch kích thích bao gồm tổn hao đồng trên dây quấn kích
thích và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích thích. Vì vậy p
cut
= U
t
I
t
,
trong đó U
t
là điện áp đặt trên mạch kích thích và I
t
là dòng điện kích thích.
d. Tổn hao phụ. Tổn hao phụ bao gồm tổn hao phụ trong đồng và tổn hao phụ

1
= P
đt
+ (p
cơ
+ p
Fe
) = P
đt
+ P
0
. (5-9)
hay P
đt
= P
1
- P
0
= E

I

(5-10)
Khi có dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng thì có tổn hao đồng nên công suất
điện đa ra P
2
bằng:
P
2
= P

I


P
1
=M
1

P
Fe

P
2
=U I


Giản đồ năng lợng đợc trình bày trên
hình 5-3.
Chia hai vế của phơng trình (5-11) cho
I

ta đợc:
U = E

- I

R

(5-12)
Đó là phơng trình cân bằng s.đ.đ của

trong đó: M
1
mômen đa vào trục của máy phát điện;
M mômen điện từ;
M
0
mômen không tải.
Biểu thức (5-14) gọi là phơng trình cân bằng mô men của máy phát điện.
b. Động cơ điện
Động cơ điện lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục.
Công suất điện mà động cơ nhận từ lới vào là:
P
1
= UI = U(I

+ I
t
) (5-15)
trong đó: I = I

+ I
t
là dòng điện lấy từ lới vào;
I

là dòng điện đi vào phần ứng;
I
t
- dòng điện kích thích;
U - điện áp ở đầu cực máy.

). Phần còn lại cuối cùng là công suất đa ra đầu trục P
2
= M
2
.
Ta có:
P
đt
= p
cơ
+ p
Fe
+ P
2
= p
0
+ P
2
(5-17)

45
P
1
= UI
Từ các phơng trình (5-16) và (5-17) ta
xây dựng đợc giản đồ năng lợng của
động cơ điện một chiều nh ở hình 5-4.
Từ công thức (5-15) và (5-16) ta có
công suất điện trong mạch phần ứng bằng:
UI

đt
= E

I

= M
P
2
= M
2

p
cu.
p
0
=
p
cơ
+
p
Fe
p
cu.t
Hình 5-4. Giản đồ năng lợng
của động cơ điện một chiều
Từ công thức (5-17) ta có thể viết:
M = M
0
+ M
2

,
u
u
u
R
UE
I

=
, nghĩa là E

> U. Máy sinh ra mômen điện từ có chiều
ngợc với chiều quay và đóng vai trò mômen hãm. Bây giờ nếu ta giảm từ thông
hoặc giảm tốc độ n để giảm E

xuống một cách thích đáng thì E

sẽ nhỏ hơn U và dòng
điện I

sẽ đổi chiều, E

và I

ngợc chiều nhau. Do chiều của từ thông không đổi nên
mômen điện từ đổi chiều (vì M = C
M
I

), nghĩa là mômen đã trở nên cùng chiều với

= C
e

0
.n
0
(n
0
= 1000 vg/ph).
Khi E
0đm
= 220 V thì E
0đm
= C
e

0
.n
0đm

Lấy E
0
/E
0đm
ta có:
dmdme
e
dm
n
n

dm
vg/ph
2. Một động cơ điện một chiều kích thích song song công suất định mức P
đm
= 5,5
kW, U
đm
= 110 V, I
đm
= 58 A (dòng điện tổng đa vào bằng dòng điện phần ứng I

và

46
dòng kích từ I
t
), n
đm
= 1470 vg/ph. Điện trở phần ứng R

= 0,15 , điện trở mạch kích
thích r
t
= 137 , điện áp giáng trên hai chổi than là 2U
tx
= 2 V. Tính s.đ.đ. phần ứng,
dòng điện phần ứng và mômen điện từ.
Giải
Dòng điện kích từ:



9,36
60
14702
2,574,99
60
2
=
ì
ì
===


n
IEP
M
uudt
N.m
Nếu tính ra kG.m thì:

76,3
81,9
9,36
==M kG.m
Câu hỏi
1. Sức điện động trong máy điện một chiều phụ thuộc vào những yếu tố nào?
2. Mômen điện từ trong máy điện một chiều phụ thuộc vào những yếu tố nào? Tính
chất của mômen điện từ ở chế độ máy phát điện, chế độ động cơ điện?
3. Phân tích quá trình năng lợng của máy phát điện và động cơ điện một chiều, từ
đó dẫn ra các quan hệ về công suất, mômen, dòng điện và s.đ.đ.

P
đm
= 90 kW, U
đm
= 440 V, I
đm
= 225 A, I
t
= 5 A, n
đm
= 500 vg/ph, R

= 0,078 .
Hãy tìm:
a. Mômen định mức ở đầu trục M
2đm
;
b. Mômen điện từ khi dòng điện định mức;
c. Tốc độ quay lúc không tải lý tởng (I = 0).
Đáp số: a) M
2đm
= 1719.75 N.m
b) M
đt
= 2007,7 N.m
c) n
0
= 523 vg/ph
3. Một máy phát điện kích thích độc lập có U
đm