Điện - Điện Tử - Chương 10: Máy điện một chiều

Máy Điện Một Chiều Chương 10 10.1.Cấu tạo máy phát điện một chiều Gồm hai phần chính: 1. Xtato ( phần cảm) 2. Rôto (phần ứng) 10.1.1. Xtato Phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, có các cực từ chính gắn với vỏ máy, và các dây quấn cực từ là dây quấn kích từ. 10.1.2. Rôto  Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.  Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng.  Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng trong 2 rãnh dưới 2 cực khác tên . Máy điện một chiều sử dụng trong thực tế ở hai dạng : 1. Máy phát điện một chiều 2. Động cơ điện một chiều 10.2.1.Nguyên lý làm việc máy phát điện một chiều Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Như hình vẽ, từ trường hướng từ cực N đến S, chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ. Nhờ có cổ góp (vành đổi chiều) + chổi than đóng vai trò như bộ phận chỉnh lưu mà dòng điện trong dây quấn phần ứng đi ra tải là dòng điện một chiều ở chế độ máy phát. 10.2.2. Phương trinh cân bằng điện áp máy phát điện  Ở CHẾ ĐỘ MÁY PHÁT DÒNG ĐIỆN PHẦN ỨNG IƯ CÙNG CHIỀU VỚI SĐĐ PHẦN ỨNG EƯ . PHƯƠNG TRINH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP LÀ: U = EƯ ­ RƯ IƯ TRONG ĐÓ RƯ IƯ LÀ ĐIỆN ÁP RƠI TRONG DÂY QUẤN PHẦN ỨNG, RƯ LÀ ĐIỆN TRỞ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG. U LÀ ĐIỆN ÁP HAI ĐẦU CỰC MÁY. EƯ LÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG. 10.2.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều  Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Nhờ có cổ góp ( vành đổi chiều) mà dòng điện 1 chiều đưa vào cổ góp sẽ biến thành dòng xoay chiều trong các thanh dẫn của phần ứng làm cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi . 10.2.4. Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều  Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ caỷm ứng sđđ Eư . Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phaỷi .  ở động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phaỷn điện.  Phương trỡnh cân bằng điện áp sẽ là: U= Eư + RIư 10.3.Từ trường của máy điện một chiều 1. Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ. Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng. Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng. 2. Hậu quả của phản ứng phần ứng: Khi tải lớn, từ trường phần ứng lớn, kết qủa là từ trường tổng  của máy bị giảm xuống . Từ thông  giaỷm kéo theo sức điện động phần ứng Eư giaỷm, làm cho điện áp đầu cực máy phát U giaỷm. ở chế độ động cơ, từ thông giaỷm làm cho mômen quay giaỷm, và tốc độ động cơ thay đổi. Để khắc phục người ta mắc dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng mục đích là dùng từ trường các dây quấn này để bù ngược( triệt tiêu) với từ trường phần ứng khi 10.4. Công suất điện từ và mômen điện từ của máy điện một chiều  Công suất điện từ của máy điện một chiều: Pđt = Eư * Iư Thay giá trị Eư = N/2a e= pN/(60a) * n trong ta có: Pđt = pN /(60 a) * n * Iư  Mômen điện từ là Mđt = pđt / r Tốc độ quay n(v/ph) bằng biểu thức :  r= 2 n/60 Mđt = pN/(2 a)* Iư = kM Iư trong đó hệ số kM phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn: kM = pN/ 2a ( N: số thanh dẫn; 2a : số nhánh song song) Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iu và từ thông ( dòng điện kích từ) Muốn đổi chiều mômen điện từ phải đổi chiều Iư và Ikt . 10.5. Máy phát điện một chiều 10.5.1.Phân loại máy điện một chiều : 1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập ( hình a) 2. Máy phát điện một chiều kích từ song song ( hình b) 3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp ( hình c) 4. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp ( hình d) a) b) c) d) 10.5..2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: UE = Eư ­ Rư Iư Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt +Rđc). Trong đó Rư là điện trở dây quấn phần ứng, Rkt là điện trở dây quấn kích từ ,Rđc là điện trở điều chỉnh A R IktA L Ikt U1 Eư I I U E Hình 10.5 a Hình 10.5 c O O Hình 10.5 b Máy phát điện một chiều kích từ độc lập Khi dòng điện taỷi taờng, dòng điện phần ứng taờng, điện áp U giaỷm xuống do 2 nguyên nhân sau: ­ Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông  giaỷm, kéo theo sức điện động Eư giaỷm. ­ ẹiện áp rơi trong mạch phần ứng Rư Iư taờng. ẹường đặc tính ngoài U= f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ(Ikt ) không đổi (hỡnh 10.5 b) A R IktA L Ikt U1 Eư I I U E Hình 10.5 a Hình 10.5 c O O Hình 10.5 b Máy phát điện một chiều kích từ độc lập ChÕ ®é cã tải muèn giữ cho ®iƯn ¸ p kh«ng ®ỉi khi tải thay ®ỉi, thì ta thay ®ỉi ®iƯn trë ®iỊu chØnh ®Ĩ thay ®ỉi dßng kÝch tõ trªn d©y quÊn cùc tõ chÝnh . Khi I tai tang, ta cịng phai tang dßng ®iƯn kÝch tõ Ikt Đ­êng ®Ỉc tÝnh ®iỊu chØnh Ikt = f(I), khi ®iƯn ¸p vµ tèc ®é kh«ng ®ỉi (hình 10.5 c) A R IktA L Ikt U1 Eư I I U E Hình 10.5 a Hình 10.5 c O O Hình 10.5 b 10.5..3. Máy phát điện kích từ song song Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: UE = Eư ­ Rư Iư Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt +Rđc) Phương trình dòng điện: Iư = I +Ikt I Ikt L A Rkt V U A I U In Hình 10.6 a Hình 10.6 c Hình 10.6 b 10.5.3. Máy phát điện kích từ song song Điều kiện để thành lập điện áp : 1. Mạch từ máy điện phải có từ dư. 2. Chiều của từ trường dây quấn kích thích phải trùng với chiều của từ trường dư (không đảm bảo điều kiện này thì điện áp máy phát không tăng, phải thay đồi cực tính của dây quấn kích thích hoặc đổi chiều quay)* Riêng điều kiện này áp dụng cho tất cả máy phát điện 1 chiều bắt buộc phải thỏa mãn.* 3. Điện trở mạch kích từ nhỏ hơn điện trở tới hạn. I Ikt L A Rkt V U A I U In Hình 10.6 a Hình 10.6 c Hình 10.6 b Máy phát điện kích từ song song Khi dòng điện taỷi taờng, dòng điện phần ứng taờng, ngoài 2 nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giaỷm, như máy phát điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song, Còn thêm một nguyên nhân nửừa là khi U giaỷm, làm cho dòng điện kích từ giaỷm, từ thông và sức điện động càng giaỷm. ẹiện áp giaỷm mạnh hơn trường hợp máy phát điện kích từ độc lập ẹường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập và có dạng như hỡnh 10.6 b. Từ đường đặc tính ngoài ta thấy, khi ngắn mạch điện áp U=0, suy ra Ikt =0, sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh ra vỡ thế dòng In< Iđm I Ikt L A Rkt V U A I U In Hình 10.6 a Hình 10.6 c Hình 10.6 b Máy phát điện kích từ song song ĐĨ ®iỊu chØnh ®iƯn ¸p, ta phải ®iỊu chØnh dßng ®iƯn kÝch tõ, ®­êng ®Ỉc tÝnh ®iỊu chØnh ( t­¬ng tù m¸y ph¸t kÝch tõ ®éc lËp) Ikt= f(I) khi U, n kh«ng ®ỉi vÏ trªn hình 10.6 c. I Ikt L A Rkt V U A I U In Hình 10.6 a Hình 10.6 c Hình 10.6 b 10.5..4. Máy phát điện kích từ nối tiếp Dòng điện kích từ là dòng điện taỷi, do đó khi taỷi thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều, trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp . Ikt = Iư = I, khi I =0 suy ra Ikt =0 cho nên máy phát điện kích từ nối tiếp không có đường đặc tính không taỷi.( đặc tính không taỷi là U=f(Ikt ) khi I =0) ẹường đặc tính ngoài U=f(I) vẽ trên hỡnh 10.7 b. * Khi taỷi taờng, dòng điện Iư taờng, từ thông  và Eư taờng, do đó U taờng, khi I = (2­2,5) Iđm, máy bão hoà, thỡ I taờng U sẽ giaỷm. U I U=f(I) L U V A Hình 10.7 a Hình 10.7 b 10.5..5. Máy phát điện kích từ hỗn hợp Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song, khi taỷi taờng, từ thông cuộn nối tiếp taờng làm cho từ thông máy taờng lên, sức điện động của máy taờng, điện áp đầu cực của máy được giửừ hầu như không đổi . ẹường đặc tính ngoài U= f(I) như hỡnh 10.8 b. Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dây quấn kích từ song song, khi taỷi taờng, điện áp giaỷm rất nhiều. ẹường đặc tính ngoài U= f(I) vẽ trên hỡnh 10.8 c. I U Rkt L A V U A I U Hình 10.8 a Hình 10.8 c Hình 10.8 b 10.6.1.Mở máy động cơ điện một chiều Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phaỷn điện Eư = kE n =0 , kE: hệ số cấu tạo dây quấn. Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iu mở =U/Rư ẹiện trở Rư rất nhỏ, Imở máy = (20 ­ 30) Iđm , làm hỏng cổ góp và chổi than. Imở máy lớn là aỷnh hưởng đến lưới điện. ẹể giaỷm Imở máy, đạt Imở máy = (1,5­2) Iđm, ta dùng biện pháp sau: a) Dùng biến trở mở máy Rmở . Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng. Dòng điện mở máy phần ứng lúc là: Iư mở = U/ ( Rư+Rmở) Lúc đầu để biến trở Rmở lớn nhất, trong quá trỡnh mở máy, tốc độ taờng lên và điện trở mở máy giaỷm dần đến không, máy làm việc đúng điện áp định mức . b) Giaỷm điện áp đặt vào phần ứng Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp. ẹể mômen mở máy lớn, lúc mở máy phai có từ thông lớn nhất, cho nên phai điều chỉnh dòng kích từ lúc mở máy là lớn nhất 10.6.2.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Thay trị số Eư = kEn , kE: hệ số cấu tạo dây quấn ta có phương trỡnh tốc độ là: n = (U­ RưIư)/ kE. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ sau: a) Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng . Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giaỷm. Vỡ rằng dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn . Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ. b) Thay đổi điện áp U. Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều. c) Thay đổi từ thông. Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thỡ phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều. Tóm lại: Động cơ điện một chiều có thể tạo mômen mở máy lớn và có phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng. 10.6.3. Động cơ điện kích từ song song ĐĨ më m¸y ta dïng biÕn trë më m¸y Rmo • ĐĨ ®iỊu chØnh tèc ®é, th­êng ®iỊu chØnh R®c ®Ĩ thay ®ỉi Ikt , do ®ã thay ®ỉi tõ th«ng . Đéng c¬ mét chiỊu kÝch tõ song song cã thĨ ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ trong ph¹m vi réng . a) Đ­êng ®Ỉc tÝnh c¬ n = f(M) . Đưêng ®Ỉc tÝnh c¬ lµ ®­êng quan hƯ tèc ®é n vµ m«men quay M khi ®iƯn ¸p U vµ ®iƯn trë m¹ch phÇn øng vµ m¹ch kÝch tõ kh«ng ®ỉi . Tõ c«ng thøc (1) ta cã n = (U­ R­I­)/kE. MỈt kh¸c theo biĨu thøc m«men ®iƯn tõ M=kMI­, rĩt ra I­ = M/kM, thay vµo biĨu thøc tèc ®é ta cã: • n=U/ kE ­ R­M/ kEkM 2 (a) Động cơ điện kích từ song song Nếu thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thỡ ta có phương trỡnh: n=U/ kE ­ (Rư+ Rp )M / kEkM 2 (b) Trên hỡnh a vẽ đường đặc tính cơ, đường 1 là đường đặc tính cơ tự nhiên (Rp=0) ứng với phương trỡnh (a), đường 2 với Rp 0 ứng với phương trỡnh (b). a) ẹặc tính làm việc . ẹường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và điện kích từ không đổi . ẹó là các đường quan hệ giửừa tốc độ m, mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất  theo công suất cơ trên trục P2 , được vẽ trên hỡnh b. M n η Iư P2 M; n Iư ; η b) M n 1 2 a) O 10.6.4. Động cơ điện kích từ nối tiếp a) ẹể mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở . ẹể điều chỉnh tốc độ ta có thể dùng các phương pháp đã nói ở tiết trước, song chú ý rằng khi điều chỉnh từ thông, ta mắc biến trở điều chỉnh song song với dây quấn kích từ nối tiếp. ẹường đặc tính cơ n = f(M). Khi máy không bão hoà, dòng điện phần ứng Iư và từ thông  tỷ lệ với nhau, nghĩa là: Iư = kI  Do đó: M = kM Iư  = kMkI 2 = k22 Hoặc là = / k trong đó k = Thay biểu thức ta có n= kU/kE­ kIRư/ kE ẹặt k/kE = a, kI/kE = b, cuối cùng ta có: n = aU/ ­ bRư (**) Rmở A V U + - Rdc I a) M IM kk M Động cơ điện kích từ nối tiếp Từ công thức (**) thấy rằng, phương trỡnh đặc tính cơ có dạng hypecbôn. ẹường đặc tính cơ mềm, mômen taờng thỡ tốc độ động cơ giaỷm. Khi không taỷi hoặc taỷi nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ taờng rất lớn so với tốc độ định mức do đó có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ khí, vỡ thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không taỷi hoặc taỷi nhỏ . M n n O n ; M I ;  P2P2 n  M I O b) c)