intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Chương 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Chia sẻ: Vương Mai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

296
lượt xem
88
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

So với máy điện xoay chiều, máy điện 1 chiều cấu tạo phức tạp, đắt tiền và hoạt động kém tin cậy hơn vì vậy ít thông dụng hơn. Tuy vậy có những lĩnh vực máy điện xoay chiều tỏ ra không thích hợp thì máy điện 1 chiều lại có ưu thế và được sử dụng. Động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơi có yêu cầu mô men mở máy lớn, hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động máy điện một chiều được...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

  1. Th.S Chiêm Trọng Hiển Chương 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU. So với máy điện xoay chiều, máy điện 1 chiều cấu tạo phức tạp, đắt tiền và hoạt động kém tin cậy hơn vì vậy ít thông dụng hơn. Tuy vậy có những lĩnh vực máy điện xoay chiều tỏ ra không thích hợp thì máy điện 1 chiều lại có ưu thế và được sử dụng. Động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơi có yêu cầu mô men mở máy lớn, hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động máy điện một chiều được dùng làm máy khuyếch đại công suất, động cơ chấp hành… Động cơ một chiều cũng được dùng trên ô tô, tàu thủy, máy bay… Máy phát điện một chiều dùng trong thiết bị điện hóa, hàn điện. 5.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều.  Hình 5.1 là mô hình của máy điện 1 chiều. Nó gồm một B O’ khung dây dẫn ABCD có thể quay đều quanh trục OO’ đặt S giữa hai cực N, S của một nam A châm. Hai đầu A, D của khung dây được nối với hai vành bán Chổi than C nguyệt dẫn điện gọi là vành đổi 1 chiều. Tỳ lên hai vành bán N nguyêt là hai chổi than đặt cố Iư D định. Hai chổi than là hai cực RL của máy. 2 O Vành đổi chiều Hình 5.1  Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng áp của máy phát điện một chiều. Dùng ngọai lực quay khung dây quanh trục OO’ thuận chiều kim đồng hồ, các thanh dẫn AB, CD sẽ chuyển động cắt các đường sức của từ trường và cảm ứng sức điện động. Theo qui tắc bàn tay phải thì khi thanh dẫn ở phía trên mặt phẳng ngang đi qua OO’ chiều sức điện động cảm ứng trong thanh hướng từ phía sau ra phía trước; thanh dẫn ở phía dưới mặt phẳng ngang, chiều sức điện động cảm ứng trong thanh hướng từ phía trước ra phía sau. Vành đổi chiều gắn với thanh dẫn đang ở phía trên mặt phẳng ngang sẽ tiếp xúc với chổi than 1; Vành đổi chiều gắn với thanh dẫn đang ở phía dưới mặt phẳng ngang sẽ tiếp xúc với chổi than 2. vậy chổi than 1 là cực dương và chổi than 2 là cực âm của máy. Khi mặt phẳng khung dây trùng với mặt phẳng ngang, sức điện động trong các thanh dẫn bằng 0 (do các thanh dẫn chuyển động song song với các đường sức), lúc này chổi than nối ngắn mạch 2 vành đồi chiều. Vậy khi 2 vành đổi chiều bị ngắn mạch trong khung dây không có sức điện động và dòng điện. Đồ thị sức điện động ở 2 cực máy như hình 5.2a. Để có điện áp ra ít gợn sóng, dây quấn rotor cần gồm 1 số 85
  2. Th.S Chiêm Trọng Hiển eư khung dây đặt rải dọc chu vi rotor. Hình 5.2b là đồ thị sức điện động của máy khi rotor có 2 khung dây đặt lệch nhau góc t 900. O Ta gọi dây quấn rotor là dây quấn (a) phần ứng của máy điện 1 chiều. Khi nối 2 cực của máy phát với tải, dây quấn phần eư ứng có dòng điện chảy cùng chiều với sức điện động và phương trình cân bằng áp t của máy là: U=Eư-RưIư (5.1) O Rư Trong đó: (b) Iư + U là điện áp giữa 2 cực máy. U Hình 5.2 Eư Rt Eư là sức điện động phần ứng. Iư là Dòng điện phần ứng. - Rư là điện trở phần ứng. (Để đơn giản trong (5.1) cũng như các HÌnh 5.3 phương trình sau này của máy điện 1 chiều trong bài giảng này đã bỏ qua điện áp trên điện trở tiếp xúc giữa chổi than và vành đổi chiều).  Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng áp của động cơ điện một chiều. Nếu nối cực dương (1) của máy điện một chiều với cực dương của nguồn điện 1 chiều; cực âm (2) máy điện một chiều với cực âm của nguồn điện 1 chiều, khi đó trong các thanh dẫn phần ứng sẽ có dòng điện. Khi thanh dẫn ở phía trên mặt phẳng ngang, chiều dòng điện trong thanh chảy từ trước ra sau và ngược lại. Theo qui tắc bàn tay trái, lực từ trường tác dụng lên thanh dẫn nằm phía trên mặt phẳng ngang sẽ có chiều hướng từ trái sang phải và ngược lại. Lực điện từ sẽ làm rotor quay thuận chiều kim đồng hồ. Khi rotor quay thì trong các thanh dẫn rotor xuất hiện sức điện động cảm ứng, rỏ ràng chiều sức điện động này ngược chiều dòng điện chảy trong nó. Vậy phương trình cân bằng áp của máy là: U=Eư+RưIư (5.2) 5.2. Cấu tạo máy điện một chiều. 5.2.1. Stator. Stator gọi là phần cảm của máy. Lõi thép stator làm bằng thép đúc trên đó có gắn các cực từ chính và các cực từ phụ như hình 5.4a. Dây quấn quanh cực từ chình gọi là dây quấn kích từ. Dây quấn quanh cực từ phụ gọi là dây quấn phụ. Dây quấn bù dược đặt trong các rãnh trên bề mặt 2 cực từ chính gần nhau. 86
  3. Th.S Chiêm Trọng Hiển Rãnh đặt dây quấn Lỗ thông gió quấn Cực từ chính Dây quấn kích từ Dây quấn phụ rotor Cực từ Lỗ lắp trục Dây quấn bù phụ (b) (a) 5.2.2. Rotor. Rotor còn gọi là phần ứng của máyHÌnh 5.4chiều. điện 1 Lõi thép rotor hìh trụ, được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như hình 5.4b. Mặt ngoài lõi thép có các rãnh đặt dây quấn phần ứng; Giữa có lỗ lắp trục. Ngoài ra trên thân rotor có thể có các lỗ thông gió theo hướng dọc trục. N S N N S (b) (a) Hình 5.4 Dây quấn phần ứng gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây gồm một số vòng dây đặt trong 2 rãnh dưới 2 cực từ khác tên. Hai đầu dây cùa bối dây nối với 2 phiến đổi chiều trên vành đổi chiều. Các b6í dây phần ứng nối tiếp nhau tạo thành một vòng kín. Có hai loại dây quấn:  Dây quấn xếp: là dây quấn có cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 nằm trên cùng một cực từ với cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ nhất (hình 5.5a).  Dây quấn sóng: là dây quấn có cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 nằm trên cực từ cùng tên gần nhất với cực từ chứa cạnh tác dụng thứ nhất cùa bối dây thứ nhất (hình 5.5b). 87
  4. Th.S Chiêm Trọng Hiển 5.2.3. Bộ phận đổi chiều. Bộ phận đổi chiều gồm có vành đổi chiều (cổ góp, vành góp) và chổi than.  Vành góp gồm 1 số phiến góc bằng đồng ghép cách điện với nhau tạo thành một hình trụ như hình 5.5a. Vành góp được gắn ở đầu trục. Lỗ lắp trục Cách điện Đầu nối với dây quấn. phiến góp Chổi than Vành góp Phiến góp. (b) (a) Hình 5.5  Chổi than có hình dạng như hình 5.5b. Chổi than luôn tỳ sát lên vành góp nhờ lò xo và giá chổi than gắn trên vỏ máy. Máy có bao nhiêu đôi cực thì có bấy nhiêu đôi chổi than. Các chổi than cùng cực tính được nố với nhau để tạo thành một cực của máy. Các chổi than chia dây quấn phần ứng thành các đôi mạch nhánh song song. Số đôi mạch của dây quấn song song của dây quấn phần ứng ký hiệu là a. 5.2.4. Dây quấn phần ứng máy điện một chiều. 5.2.4.1.Các khái niệm, ký hiệu.  Số rãnh chứa dây quấn (rãnh thực): Z. Rãnh chỉ chứa 2 cạnh tác dụng của các bối dây gọi là rãnh nguyên tố, ký hiệu Znt Rãnh thực chứa 2u cạnh tác dụng (u=1, 2…) thì chứa u rãnh nguyên tố:  Znt=u.Z  Số bối dây, ký hiệu: S  Số phiến góp, ký hiệu: G  S=G=Znt  Các bước dây quấn.  Bước dây quấn thứ nhất (y1): là khoảng cách giũa hai cạnh tác dụng của 1 bối dây tính bằng số rãnh nguyên tố.  Bước dây quấn thứ hai (y2): là khoảng cách từ cạnh tác dụng thứ 2 của bối dây thứ nhất đến cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 tính bằng số rãnh nguyên tố.  Bước dây quấn tổng hợp (y): là khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng tương ứng cùa 2 bối dây kế tiếp nhau. 88
  5. Th.S Chiêm Trọng Hiển  y=y1+y2.  Bước vành góp (yG): là khoảng cách giữa 2 phiến góp có 2 đầu dây của cùng một bối dây nối vào tính bằng số phiến góp. 5.2.4.2. Dây quấn xếp đơn.  Các bước dây quấn. Z nt  y1   2p với 01 sao cho y1 là số nguyên. Nếu lấy dấu (+) thì dây quấn gọi là dây quấn bước dài; Nếu lấy dấu (-) thì dây quấn gọi là dây quấn bước ngắn; Nếu =0 thì dây quấn gọi là dây quấn bước đủ.  yG=1  2 đầu bối dây nối nên 2 phiến góp kề nhau. Nếu yG=1 thì gọi là dây quấn xếp tiến (thường được sử dụng); Nếu yG=-1 thì gọi là dây quấn xếp lùi (ít sử dụng).  y=yG=1.  y2=y-y1
  6. Th.S Chiêm Trọng Hiển Dây cân bằng điện thế loại 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Hình 5.6a 5.2.4.3. Dây quấn xếp phức tạp.  Dây quấn xếp có yG=m, với m là số nguyên lớn hơn 1, gọi là dây quấn xếp phức tạp. Thông thường chỉ dùng m=2 (Các máy có công suất rất lớn mới có m>2).  Trừ khác biệt là y=yG=m, các bước dây quấn khác của dây quấn xếp phức tạp tính giống như ở dây quấn xếp đơn.  Dây quấn xếp phức tạp thực chất là m dây quấn xếp đơn hợp lại, do đó số đôi mạch nhánh song song của dây quấn xếp phức tạp là: a=m.p. Nếu G/m là một số nguyên thì dây quấn gồm m vòng kin độc lập; Nếu G/m không nguyên thì dây quấn gồm m vòng hở nối tiếp thành một vòng kín. Bề rộng chổi than bằng khoảng 2 lần bề rộng phiến góp để có thể lấy điện đồng thời trên 2 vòng kín độc lập của dây quấn phần ứng.  Đấu dây lên phiến góp tương tự như dây quấn xếp đơn với chú ý là: yG/2=m/2. Ví dụ: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều có: Znt=G=24, 2p=4. dây quấn xếp phức tạp với m=2, rãnh trên lõi thép thẳng giữa phiến góp, chổi than ở giữa cực từ. Z nt 24   Giải: y1   6; y=yG=m=2; y2=y-y1=1-6=- 4. 2p 4 Phân bố rãnh cho các bối dây và trật tự nối các bối dây: Lớp trên 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Vòng 1 Lớp dưới 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 Lớp trên 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Vòng 2 Lớp dưới 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 Sơ đồ dây quấn như hình 5.6b. 90
  7. Th.S Chiêm Trọng Hiển 1 23 4 5 67 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hình 5.6b 5.2.4.4. Dây quấn sóng đơn.  Đặc điểm: các bối dây nối tiếp nhau đi một vòng bề mặt phần ứng sẽ trở về vị trí kế tiếp bối dây đầu.  Các bước dây quấn. Z nt  y1   2p G 1 yG   p Nếu lấy dấu (+) thì gọi là dây quấn tiến, thường ít sử dụng. Nếu lấy dấu (-) thì gọi là dây quấn lùi, thường được sử dụng.  y=yG.  y2=y-y1.  Cách nối dây lên phiến góp tương tự như ở dây quấn xếp với chú ý: yG G  1  2 2p  Số đôi mạch nhánh song song bằng số đôi cực từ: a=p. Bề rộng chổi than bằng khoảng bề rộng phiến góp. Ví dụ: Vẽ sơ đồ dây quấn máy điện một chiều có Z=Znt=15, 2p=4, rãnh trên lõi thép thẳng giữa phiến góp, chổi than ở giữa cực từ, dây quấn sóng đơn. Z nt 15 3      3 (dây quấn bước ngắn). Giải: y1  2p 44 G  1 15  1 yG    7 (dây quấn lùi). p 2 Y=yG=7; y2=y-y1=7-3=4 Sơ đồ dây quấn như hình 5.6c 91
  8. Th.S Chiêm Trọng Hiển 1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 5.6c 5.2.4.5. Dây quấn sóng phức tạp.  Đặc điểm: Các bối dây nối tiếp nhau đi 1 vòng bề mặt phần ứng thì đến vị trí cách bối dây đầu m rãnh.  Các bước dây quấn: Gm Z nt  , y1  yG  , y=yG, y2=y-y1 2p p  Nối dây lên phiến góp tương tự dây quấn sóng đơn với chú ý yG G  m  2 2p Ví dụ: Vẽ sơ đò dây quấn máy điện một chiều có Z=Znt=G=18; 2p=4, rãnh trên lõi thép thẳng giữa phiến góp, dây quấn sóng phức tạp với m=2 G  m 18  2 Z nt 18 2      4 , Y=yG=   8, Giải: y1  p 2 2p 44 Y2=y-y1=8-4=4 Phân bố rãnh cho các bối dây và trật tự nối các bối dây: Lớp trên 1 9 17 7 15 5 13 3 11 1 Vòng 1 Lớp dưới 5 13 3 11 1 9 17 7 15 Lớp trên 2 10 18 8 16 6 14 4 12 2 Vòng 2 Lớp dưới 6 14 4 12 2 10 18 8 16 Sơ đồ dây quấn như hình 5.6d. 92
  9. Th.S Chiêm Trọng Hiển Dây cân bằng điện thế loại 2 1 234 5678 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hình 5.6d 5.2.4.6. Dây cân bằng điện thế.  Dây cân bằng điện thế loại một: Do cấu tạo máy điện không thể hoàn toàn đối xứng nên từ trường ở những vị trí giống nhau có thể khác nhau dẫn đến sức điện động trong các mạch nhánh cùa dây quấn xếp có thể khác nhau, do đó có dòng điện chảy trong dây quấn phần ứng khi máy không tải. Để khắc phục, người ta nối các điểm của dây quấn xếp về lý thuyết là đẳng thế lại với nhau để triệt tiêu dòng điện trên. Dây nối này gọi là dây cân bằng điện thế loại 1 (hình 5.6a).  Dây cân bằng điện thế loại hai: Trong dây quấn sóng và dây quấn xếp phức tạp do điện trở tiếp xúc giữa chổi than và vành góp của các mạch vòng có thể không đều làm phân bố dòng điện trong các mạch vòng không đều, dẫn đến phân bố điện áp trên các phiến góp kề nhau (nằm dưới chổi than) không đều, ảnh hưởng xấu đến tình trạng làm việc của máy. Để tránh điều này người ta dùng dây nối các điểm đẳng thế về lý thuyêt của các mạch vòng lại để làm cân băng dòng điện trong các mạch vòng và điện áp trên các phiến góp kể trên. Dây nối này gọi là dây cân bằng điện thế loại 2 (hình 5.6d). Dây cân bằng điện thế có thể nối ở phía vành góp hay ở phía đối diện. 5.3. Phản ứng phần ứng của máy điện 1 chiều.  Khi máy không mang tải, từ trường trong máy chỉ là từ trường cực từ chính, gọi là từ trường cực từ Bc (hình 5.7a). Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học mn (là một trục đối xứng của máy) từ cảm B=0, thanh dẫn khi chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động. Khi máy có tải, dòng điện phần ứng Iư sinh ra từ trường phần ứng Bư (hình 5.7b) hướng vuông góc từ trường cực từ dẫn đến làm thay đổi từ trường của máy, tác động này được gọi là phản ứng phần   ứng. Từ trường máy trong trường hợp này là: B  BC  Bu (hinh 5.7c). 93
  10. Th.S Chiêm Trọng Hiển N N N 2 1 m’  n n Bu m m m n n  n   BC B n’ 4 3 S S S (b) (c) (a) HÌnh 5.7  Hậu quả của phản ứng phần ứng.  Phản ứng phần ứng làm từ trường máy biến dạng: theo hình 5.7c, ở các vùng cực 2, 4 từ trường được tăng cường, còn ở các vùng cực 1, 3 từ trường bị yếu đi. Đường có B=0 (đường trung tính vật lý) dịch chuyển khỏi trung tính hình học mn đến vị trí m’n’. Góc lệch  giữa mn và m’n’ tỷ lệ với dòng điện phần ứng. Ở máy phát, chiều dịch chuyển của m’n’ cùng chiều quay rotor; ở động cơ thì ngược lại.  Khi dòng Iư lớn,  lớn, kết quả ở các vùng 2, 4 mạch từ bị bão hòa, từ cảm ở đó tăng rất ít, trong khi đó ở các vùng 1, 3 từ cảm giảm mạnh, do đó từ thông () của máy giảm.  giảm, ở máy phát sẽ làm giảm sức điện động Eư, điện áp cực máy phát (U) giảm; ở động cơ mô men và do đó tốc độ sẽ giảm. Ngoài ra khi trung tính vật lý lệch khỏi trung tính hình học còn làm phát sinh tia lửa trên vành góp do khi bị ngắn mạch, sức điện động trong bối dây khác 0.  Biện pháp khắc phục hậu quả phản ứng phần ứng: Để khắc phục hậu quả phản ứng phần ứng cần triệt tiêu từ trường phần ứng. Để triệt tiêu từ trường phần ứng ở vùng giữa hai cực từ, người ta đặt từ phụ tại vị trí đó; đối với vùng ở dưới các cực từ người ta đặt dây quấn bù trên bề mặt các cực từ. Từ trường cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng ở vùng đặt nó. Vì từ trường phần ứng thay đổi theo dòng điện phần ứng nên từ trường cực từ phụ và dây quấn bù phải thay đổi theo, để đạt được điều đó dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù được nối tiếp với dây quấn phần ứng. 5.4. Sức điện động phần ứng, công suất và mô men điện từ của máy điện một chiều. 5.4.1. Sức điện động phần ứng.  Sức điện động trung bình của 1 thanh dẫn phần ứng etb=Btb.l.v (5.3)  Btb: là cảm ứng từ trung bình ở khe hở  Btb  l n n .D  2p v 60 60 trong đo: D là đường kính ngoài cùa phần ứng (m). 94
  11. Th.S Chiêm Trọng Hiển D  là bước cực từ (   ), (m) p p là số đôi cực từ. n Là tốc độ quay phần ứng, (vòng/phút).  là từ thông khe hở dưới mỗi cực từ (gọi tắt là từ thông), (wb). Thế Btb, v vào (5.3) được: n etb  2 p  (5.4) 60  Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng, a là số đôi mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng thì trong mỗi mạch nhánh sẽ có N/2a thanh dẫn nối tiêp, do đó sức điện động của máy là: N pN  n  K E  n Eu  e tb  (5.5) 2a 60a pN KE  là hệ số phụ thuộc cấu tạo của máy. 60a Ta thấy sức điện động phần ứng tỷ lệ với từ thông () và tốc độ (n) của máy. Như vậy để thay đổi sức điện động có thể dùng cách thay đổi từ thông hay thay đổi tốc độ. Thường người ta dùng cách thay đổi từ thông. Để thay đổi từ thông thì phải thay đổi dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động phần ứng thì phải đổi chiều dòng điện kích từ hoặc đổi chiều quay của máy. 5.4.2. Công suất và mô men điện từ.  Công suấ điện từ: Pđt=EưIư (5.6) Thay (5.5) vào (5.6) được: PN n I u Pdt  (5.7) 60a  Mô men điện từ: P M dt  R với R là tốc độ góc củ rotor: R=2n/60 PN I u  K M   I u M dt  (5.8) 2a Ta thấy mô men tỷ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng. Như vậy muốn thay đổi mô men thì phải thay đổi từ thông hoặc dòng điện phần ứng. 5.5. Phân loại máy điện một chiều. Thường người ta dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ để phân loại máy điện một chiều, theo đó có 4 loại máy điện một chiều sau: 95
  12. Th.S Chiêm Trọng Hiển cuộn kích từ Nguồn Phần kích từ ứng. Kích từ song song Kích từ nối tiếp Kích từ độc lập Cuộn kích từ Cuộn kích từ Cuộn kích từ Cuộn kích từ song song nối tiếp nối tiếp song song Kích từ hỗn hợp rẽ dài Kích từ hỗn hợp rẽ ngắn Hình 5.8  Máy điện một chiều kích từ độc lập: trong loại này dòng điện kích từ cho máy lấy từ một nguồn điện riêng không liên hệ với phần ứng của máy.  Máy điện một chiều kích từ song song: trong loại này dây quấn kích từ nối song song với phần ứng của máy.  Máy điện một chiều kích từ nối tiếp: trong loại này dây quấn kích từ nối nối tiếp với phần ứng của máy.  Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp: trong loại này dây quấn kích từ gồm 2 phần, một phần nối song, một phần nối nối tiếp với phần ứng của máy. Nếu phần kích từ song song nối song song với mạch gồm phần ứng nối tiếp với phần kích tư nối tiếp thì gọi là máy kích tư hỗn hợp rẽ dài; Nếu phần kích từ song song nối song song chỉ với phần ứng thì gọi là máy kích tư hỗn hợp rẽ ngắn. Thường thì từ trường phần của phần song song mạnh hơn của phần nối tiếp. 5.6. Máy phát điện một chiều. Trong máy phát điện một chiều, sức điện động phần ứng và dòng điện phần ứng cùng chiều; Mô men điện từ của máy là mô men cản đối với chuyển động quay của máy thiết lập sự cân bằng năng lượng trong chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Dưới đây khảo sát những đặc điểm riêng của từng loại máy phát điện một chiều về một số vấn đề như: sơ đồ mạch, phương trình cân bằng điện áp, đặc điểm của đặc tính ngoài, đặc tính điều chỉnh và ứng dụng của chúng. 5.6.1. Máy phát kích từ độc lập. Mạch điện của máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập như hình 5.9a. 96
  13. Th.S Chiêm Trọng Hiển Ikt U E U VR Iư Eư0 It Ikt0 Rt Ukt U I I Ikt 0 0 In (c) (b) (a) Hình 5.9 Dòng điện phần ứng (Iư) bằng dòng điện tải (It): Iư=It Phương trình cân bằng áp mạch phần ứng là: U=Eư-RưI Phương trình cân bằng áp mạch kích từ là: Ukt=(Rkt+VR)Ikt Trong đó Rkt là điện trở của cuộn dây kích từ. Đường biểu diễn quan hệ giữa điện áp của máy (U) và dòng điện tải (I) khi dòng điện kích từ và tốc độ máy không đổi: I kt  const U  f (I ) n  const gọi là đặc tính ngoài của máy. Đặc tính ngoài của máy có dạng như hình 5.9b. Trong đó Eư0 là sức điện động phần ứng khi không tải. Khi dòng điện tải tăng, điện áp của máy giảm là do 2 nguyên nhân: phản ứng phần ứng làm giảm từ thông  dẫn đến Eư giảm, U giảm; và điện áp rơi trên điện trở phần ứng (RưIư) tăng. Thông thường độ giảm điện áp khi tải định mức so với khi không tải khoảng 8%-1o%. Muốn giữa điện áp không đổi khi dòng điện tải tăng phải tăng dòng điện kích từ. Đường biểu diễn quan hệ giửa dòng điện kích từ (Ikt) và dòng điện tải khi điện áp và tốc độ máy không đổi: U  const I kt  f ( I ) n  const gọi là đặc tính điều chỉnh. Đặc tính điều chỉnh có dạng như hình 5.8b. Trong đó Ikt0 là dòng điện kích từ khi máy không tải. Máy phát kích từ độc lập thường đước dùng trong hệ thống máy phát động cơ. 5.6.2. Máy phát kích từ song song. Mạch điện của máy phát điện 1 chiều kích từ song song như hình 5.10a. 97
  14. Th.S Chiêm Trọng Hiển Eư Eư=f(Ikt) Ikt Eư It Iư Điểm (a) Rt U làm VR việc. Ikt 0 (a) (b) U Ikt Eư0 Ikt0 I I 0 In 0 (c) (d) Hình 5.10 Quá trình thành lập điện áp ở máy như sau: Khi khởi động từ trường trong máy là từ dư của cực từ (khoảng 2%-3% từ trường định mức), khi phần ứng quay từ dư tạo ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần ứng, sức điện động này tạo ra điện áp trên cực máy, điện áp này tạo ra dòng điện trong dây quấn kích từ, dây quấn kích từ sinh ra từ trường, nếu nối đúng từ trường này sẽ cùng chiều từ dư làm tăng từ trường máy, quá trình diễn tiến cho đên khi sức điện động phần ứng đạt giá trị ổn định Eư là tung độ điểm làm việc không tải của máy trên đồ thị hình 5.10b. Điểm làm việc không tải của máy là giao điểm của đường thẳng (a): Eư=(Rư+VR+Rkt)Ikt và đường cong Eư=f(Ikt). Khi điều chỉnh VR sẽ làm thay đổi độ dốc của đường (a) thay đổi điểm làm việc thay đổi Eư ( thay đổi điện áp U). Dòng điện phần ứng (Iư) là tổng dòng điện tải (It) và dòng điện kích từ (Ikt): Iư=It+Ikt Phương trình cân bằng áp mạch phần ứng là: U=Eư-RưI Phương trình cân bằng áp mạch kích từ là: U=(Rkt+VR)Ikt Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy có dạng như hình 5.10c và 5.10d. Khi dòng điện tải tăng, kéo theo dòng điện phần ứng tăng, ngoài 2 nguyên nhân làm giàm điện áp như ở máy phát kích từ độc lập, trong máy phát kích từ song song khi điện áp của máy giảm còn làm giảm dòng điện kích từ dẫn đến từ trường máy giảm mạnh hơn ở máy phát kích từ độc lập, do đó đặc tính ngoài dốc hơn ở máy kích từ độc lập. khi mạch ngoài bị ngắn mạch, dòng điện kích từ Ikt=0, sức điện động máy chỉ do từ dư tạo ra nên rất nhỏ, kết quả là dòng điện ngắn mạch nhỏ hơn dòng điện định mức. 5.6.3. Máy phát kích từ nối tiếp. Mạch điện của máy phát điện 1 chiều kích từ nối tiếp như hình 5.11a. 98
  15. Th.S Chiêm Trọng Hiển U It Iư Ikt Rt U VR I 0 In (b) (a) Hình 5.11 Dòng điện phần ứng bằng dòng điện tài. Dòng điện kích từ tỷ lệ với dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi từ thông và điện áp máy thay đổi rất nhiều. Đặc tính ngoài có dạng như hình 5.11b. Dạng của đặc tính ngoài được giải thích như sau: khi dòng điện tải còn nhỏ, dòng điện tải tăng sẽ làm Ikt tăng từ trường tăng sức điện động tăng điện áp tăng. Khi dòng điện tải bằng khoảng 2 đến 2,5 dòng điện tải định mức, mạch từ trở nên bão hòa, từ trường cực từ không thể tăng được nữa. Mặt khác do phản ứng phần ứng làm từ trường máy giảm Eư giảm, trong khi đó I tăng làm điện áp RưIư tăng kết quả điện áp giảm rất mạnh. Máy phát kích từ nối tiếp thực tế không được dùng làm máy phát độc lập, nó thường được dùng làm máy tăng thế trong lưới điện 1 chiều bằng cách nối tiếp nó với một máy phát một chiều khác có công suất rất lớn hơn công suất của nó ( điện áp của máy phát kích từ nối tiếp nhỏ). Khi dòng điện tải tăng, điện áp trên máy tăng để bù vào điện áp rơi trên đường dây và trong máy chính. 5.6.4. Máy phát kích từ hỗn hợp. Mạch điện của máy phát điện 1 chiều kích từ hỗn hợp như hình 5.11a. . U 2 VR1 VR2 1 Uđm It Iư 3 Rt U Iktss Iktnt I 0 In Iđm (a) (b) Hình 5.11 Trong máy phát kích từ hỗn hợp, từ trường của cuộn kích từ song song luôn là từ trường chủ yếu. Khi nối thuận từ trường của cuộn kích từ nối tiếp cùng chiều từ trường của cuộn kích từ song song. Khi dòng điện tải tăng từ trường cuộn kích từ nối tiếp tăng làm Eư tăng bù lại sự giảm điện áp do phản ứng phần ứng và điện áp rơi RưIư do đó điện áp của máy ổn định. Đây là ưu điểm lớn của máy. Đặc tính ngoài của máy loại này có thể là một trong các đường 1, 2, 3 trong hình 5.11b. Đường 1: khi dòng điện 99
  16. Th.S Chiêm Trọng Hiển tải định mức, điện áp máy bằng điện áp định mức, ta nói máy bù đủ; Đường 2: khi dòng điện tải định mức, điện áp máy lớn hơn điện áp định mức, ta nói máy bù thừa; Đường 3: khi dòng điện tải định mức, điện áp máy nhỏ hơn điện áp định mức, ta nói máy bù thiếu. Khi nối ngược từ trường của cuộn kích từ nối tiếp ngược chiều từ trường của cuộn kích từ song song, khi dòng điện tải tăng từ trường cuộn kích từ nối tiếp tăng làm từ trường máy giảm mạnh, điện áp máy giảm mạnh, đặc tính ngoài của máy rất dốc như đường 4. Loại máy này thích hợp làm máy phát hàn điện 5.7. Động cơ điện một chiều. Trong động cơ điện một chiều, sức điện động phần ứng ngược chiều dòng điện phần ứng nên gọi là sức phản điện, còn mô men điện từ là mô men quay động cơ. Dưới đây khảo sát một số vấn đề về sử dụng động cơ điện một chiều như: khởi động, đảo chiều, điều chỉnh tốc độ; Mạch điện và đặc tính cơ của các loại động cơ. 5.7.1.Khởi động động cơ điện một chiều. Từ phương trình cân bằng áp mạch điện phần ứng (5.2) suy ra: U  Eu Iu  Ru Tại thời điểm khởi động Eư=0, dòng điện phần ứng lúc này cũng chính là dòng điện khởi động, có giá trị xác định bởi: U I kd  (5.9) Ru do Rư có giá trị rất nhỏ nên dòng điện khởi động rất lớn có thể gấp 20 đến 30 lần dòng điện định mức. Dòng điện quá lớn như vậy có thể làm hỏng chổi than, vành góp đồng thời cũng ảnh hưởng đến lưói điện. Từ đó đặt ra Yêu cầu là phải có biện pháp giảm dòng điện khởi động. Thông thường yêu cầu dòng điện khởi động cần giảm đến khoảng 1, 5 đến 2 lân dòng điện định mức. Căn cứ vào (5.9), để giảm dòng điện khởi động có thể áp dụng các phương pháp sau:  Khi khởi động mắc nối tiếp vào phần ứng một điện trở Rk (như hình 5.12) sao cho dòng điện khởi động: K CD VR U I kd  Ru  Rk Rk Nguồn thỏa yêu cầu đề ra. Sau đó khi tốc độ động cơ tăng đến gần ổn định thì loại bỏ Rk (bằng cáh đóng khóa K). Hình 5.12  Giảm điện áp đặt vào động cơ khi khởi động. Phương pháp này áp dụng khi nguồn 1 chiều có điện áp điều chỉnh được. Ví dụ: Hệ thống máy phát-động cơ; Nguồn chỉnh lưu có điều khiển; Nguồn xung áp 1 chiều. Cần chú ý khi khởi động, mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho từ thông đạt cực đại để có mô men mở máy lớn. 100
  17. Th.S Chiêm Trọng Hiển 5.7.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Eư=Ken Thay vào biểu thức Eư=U-RưIư U  Ru I u n được: (5.10) K e  (5.10) cho thấy có thể thay đổi tốc độ n cùa động cơ bằng cách các phương pháp sau:  Thay đổi điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ (U) bằng cách:  Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp để cung cấp cho động cơ: khi điện áp giảm, tốc độ động cơ giảm. Phương pháp này không gây tổn hao công suất.  Nối tiếp vào phần ứng một biến trở VR1 CD VR2 (VR1 hình 5.13). Khi điều chỉnh biến trở sẽ làm thay đổi điện áp rơi trên biến trở, do đó Nguồn thay đổi điện áp phần ứng, dẫn đến thay đổi kt tốc độ động cơ (tăng VR1 sẽ làm giảm tốc độ động cơ). Phương pháp này gây tổn hao công suất trên điện trở. Hình 5.13  Thay đổi từ thông () bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Khi dòng điện kích từ giảm, tốc độ động cơ sẽ tăng. (Trong hình 5.13 khi tăng VR2 thì dòng điện kích từ sẽ giảm). Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng thay đổi tốc độ động cơ từ tốc độ định mức trở xuống nên gọi là điều chỉnh dưới định mức; Phương pháp thay đổi từ thông thay đổi tốc độ động cơ từ tốc độ định mức trở lên nên gọi là điều chỉnh trên định mức. 5.7.3. Đảo chiều quay động cơ điện môt chiều. Theo nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều thì khi đảo chiều dòng điện phần ứng hoặc từ thông thì chiều mô men quay sẽ đổi, do đó chiều quay động cơ sẽ đổi. Đảo chiều các dòng điện trên + bằng cách đảo cực các nguồn cung cấp cho các bộ phận đó. Trên hình - 5.14. vẽ cách dùng cầu dao đảo chiều để điều khiển đảo chiều quay động cơ bằng cáh đảo chiều dòng điện phần ứng. Hình 5.14 5.7.4. Động cơ điện một chiều kích từ song song.  Sơ đồ mạch điện động cơ kích từ song song như hình 5.15a.  Để khởi động và điều chỉnh tốc độ dưới định mức dùng biến trở VR2; để điều chỉnh tốc độ trên định mức dùng biến trở VR1.  Đường đặc tính cơ: 101
  18. Th.S Chiêm Trọng Hiển U  const n  f ( M ) Ru  const I kt  const U  Ru I u và M=KMIư có: n Từ: K e  Ru U n  (5.11) M K e K e K M  Dạng của đặc tính cơ như hình 5.15b. Vì Rư rất nhỏ hơn KeKM nên đặc tính ìt dốc (đắc tính cơ cứng), n phụ thuộc rất ít vào M (tức phụ thuộc rất ít vào công suất tải P2) động cơ kích từ song song thường được dùng trong máy gia công kim loại. n 1 CD VR1 VR2 2 Rk Nguồn kt o M (b) (a) 5.7.4. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Hình 5.15  Sơ đồ mạch điện động cơ kích từ nối tiếp như hình 5.16a. n VR2 CD VR1 2  aVo  Rk '  Nguồn  bR  u  M o (b) (a) Hình 5.16 Biến trở VR2 dùng để khởi động và điều chỉnh tốc độ dưới định mức, VR1 dùng để điều chỉnh tốc độ trên định mức. Đặc tính cơ: U  const n  f (M ) Ru  const Khi mạch từ chưa bão hòa, dòng điện phần ứng và từ thông  tỷ lệ với nhau, tức: Iư=KI (5.12) Với KI là hệ số tỷ lệ. KM 2  M  K M  I u  I u  Mô men ty lệ với I u2 KI  M=KMIư= K M K I 2  K 22 102
  19. Th.S Chiêm Trọng Hiển Với K  K M K I M    (5.13) K Thay (5.12) và (5.13) vào (5.10) được: KI U aU   n  Ru   bRu (5.14) Ke Ke M M K với: R’ư=Rư+Rkt (Rkt là điện trở của mạch kích từ); a=K/Kc; b=KI/Ke (5.14) cho thấy đặc tính cơ là một đường hyperbol (hình 5.16b), đặc tính cơ mền, mô men tăng mạnh khi tốc độ động cơ giảm. Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ có thể rất lớn gây hư hỏng về cơ khí, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp khởi động không tải hoặc tải nhỏ. Động cơ kích từ nối tiếp khi tải tăng tốc giảm và mô men tăng mạnh nên thích hợp trong chế độ tải nặng. Vì vậy động cơ thường dùng trong thiết bị giao thông vận tải và cẩu trục. 5.7.5. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.  Sơ đồ mạch điện động cơ kích từ hỗn hợp như hình 5.17a. Trong đó VR2 là biến trở khởi động; VR1 là biến trở điều chỉnh kích từ. Hai cuộn kích từ nối tiếp và song song có thể nối thuận hoặc nối ngược. CD n 4 2 kt VR1 Nguồn 1 kt 3 M VR2 o (b) (a) Hình 5.17 Đặc tính cơ của động cơ có dạng như đường 1 và đường 4 hình 5.17b. Đặc tính cơ của động cơ nối thuận (đường 1) sẽ là giá trị trung gian giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và động cơ kích từ nối tiếp (đường 3). Các động cơ làm việc với tải nặng, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn chính, dây quấn kích từ song song là dây quấn phụ và được nối thuận. Dây quấn kích từ song song đảm bảo từ thông không quá nhỏ khi tải nhẹ hay không tải do đó tốc độ không quá lớn. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ song song là dây quấn chính, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn phụ và nối ngược có đặc tính cơ rất cứng (đường 4). Tốc độ động cơ hầu như không đổi khi mô men thay đổi, điều đó có thể giải thích như sau: khi mô men tăng, đối với động cơ kích từ song song tốc độ sẽ giảm một ít, nhưng do có cuộn kích từ nối tiếp, khi mô men tăng làm Iư tăng, từ 103
  20. Th.S Chiêm Trọng Hiển thông cuộn này tăng, do mắc ngược nên tác động làm giảm , dẫn đến làm tăng tốc độ, vì vây tốc độ hầu như không đổi. Trường hợp động cơ loại này nối thuận sẽ có đặc tính cơ mềm. 5.7.6. Động cơ điện vạn năng.  Động cơ vạn năng có cấu tạo như động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Do dòng điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khi nguồn cung cấp đổi chiều thì chiều từ thông và chiều dòng điện phần ứng đổi chiều đồng thời nên chiều mô men quay không đổi, nghĩa là động cơ có thể làm việc với cả nguồn điện một chiều và nguồn điện xoay chiều nên gọi là động cơ vạn năng.  Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, lõi thép stator động cơ vạn năng được làm bằng thép kỹ thuật điện.  Thực tế, do tính chất từ trễ của thép nên từ thông của máy có chậm pha hơn dòng điện kích từ (dòng điện phần ứng). Biểu thức của dòng điện phần ứng và từ thông có dạng: : iư=Imsin(t+) =msint Giá trị tức thời của mô men điện từ tình bằng biểu thức: mIm cos   cos2t    m  K M i  K M 2 Đồ thị dòng điện, từ thông và mô men điện từ của động cơ như hình 5.18a. Ta thấy mô men điện từ của động cơ thực tế có đổi chiều, trong khoảng thời gian mô men điện từ đổi sang chiều ngược lại sẽ xảy ra quá trình hãm động cơ, nhưng mô men ngược có giá trị nhỏ và thời gian tồn tại ngắn, đồng thời do quán tính của động cơ nên tốc độ động cơ hầu như ổn định. Giá trị trung bình của mô men được tính theo biểu thức: T /2 2  mdt  K I cos  M (5.15) M T 0 Trong đó: , I là giá trị hiệu dụng của từ thông và dòng điện phần ứng động cơ. n iư ,,m m  U_ nđm U t 0 M  i Mđm Hình 5.18b Hinh 5.18a 104
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2