Bài giảng Kĩ thuật điện - Chương 9: Máy điện một chiều

KỸ THUẬT ĐIỆN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG IX CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều (đặc biệt động cơ điện một chiều) được sử dụng nhiều bên cạnh máy điện xoay chiều. Động cơ điện một chiều có ưu điểm ở khả năng điều chỉnh tốc độ n bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng, mômen mở máy Mmở lớn. Máy điện một chiều dùng để khuếch đại, chuyển đổi tốc độ, cơ cấu chấp hành, trong các thiết bị điện có yêu cầu đặc biệt. Máy điện một chiều có nhược điểm chủ yếu là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy, nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều, cần phải có nguồn một chiều kèm theo (máy phát điện một chiều, chỉnh lưu CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều cũng có tính thuận nghịch, nên có thể dùng làm máy phát hoặc động cơ. Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn, cổ góp và chổi điện 1. Cấu tạo máy điện một chiều cổ góp CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Stato (phần tĩnh) Stato còn gọi là phần cảm, lõi thép bằng thép đúc, mặt trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ. Dây quấn cực từ chính được đặt trên các cực từ chính. Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ (giữa các cực từ chính) CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2. Rôto (phần quay) Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện, ghép lại. Trên các lá thép có dập lỗ thông gió để làm mát và rãnh để đặt dây quấn rôto. a) Lõi thép: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dây quấn rôto gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có cách điện với nhau và với lõi thép. Dây quấn phần ứng có những đặc điểm sau: - Đặt trong các rãnh lõi thép rôto thành 2 lớp: trên và dưới. - Gồm nhiều phần tử (bối dây), mỗi phần tử có các vòng dây và hai đầu nối với hai phiến góp. - Hai cạnh tác dụng của phần tử (phần của bối dây đặt trong rãnh) đặt dưới hai cực từ khác tên. - Tạo thành các mạch nhánh gồm nhiều cạnh tác dụng của các phần tử ghép lại b) Dây quấn: Vì mỗi rãnh có hai lớp → một cạnh tác dụng đặt ở lớp trên, thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dây quấn phần ứng của máy điện có 4 phần tử (1-2, 3-4, 5-6 và 7-8) Sơ đồ đặt dây trong Rôto và Sơ đồ triển khai: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Mạch nhánh dây quấn phần ứng (mỗi cạnh tác dụng được biểu diễn bằng một sđđ: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.3. Cổ góp và chổi điện Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục. Hình vẽ cắt cổ góp để dễ thấy rõ hình dạng các phiến góp và hình phiến góp. Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit . Các chổi tì chặt lên cổ góp nhờ lò so và giá chổi điện gắn trên nắp máy CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Nguyên lý làm việc 2.1. Nguyên lý và phương trình điện áp máy phát điện một chiều Máy gồm có một khung dây abcd đầu nối với 2 phiến góp. Khung dây và phiến góp được quay quanh trục của nó với một tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm N-S. Các chổi điện A và B đặt cố định và tì sát vào phiến góp CHƯƠNG IX : MÁY 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 thay phải. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi: thanh dẫn ở các cực từ trái dấu với nửa vòng trước → Sđđ trong các thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên → chổi điện nối với phiến góp của thanh dẫn đối diện → chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát điện một chiều: cực dương và âm ở các chổi điện đối diện. . CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Để điện áp lớn hơn và ít nhấp nhô → dây quấn phải có nhiều phần tử và nhiều phiến góp Dạng sóng sđđ máy điện một chiều khi có một phần tử (1-2). Dạng sóng sđđ máy điện một chiều khi có 2 phần tử (1-2 và 7-8) CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương trình điện áp máy phát điện một chiều: Chế độ máy phát điện: dòng điện và sđđ cùng chiều. uuu RIEU  Rư - điện trở dây quấn phần ứng U - điện áp đầu cực máy IưRư - điện áp rơi trên dây quấn phần ứng Eư - sức điện động (sđđ) phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.2. Nguyên lý và phương trình điện áp động cơ điện một chiều Xét động cơ điện một chiều gồm 1 phần tử Cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện (dương phía trên và âm phía dưới), trong khung dây abcd có dòng điện. Khung dây abcd có điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F (quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen làm quay khung dây CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau, nhưng do có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo chiều quay của khung dây (tức rôto) không đổi. Khi rôto quay, các thanh dẫn rôto cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư, chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều uuu RIEU  Rư - điện trở dây quấn phần ứng U - điện áp cấp cho động cơ IưRư - điện áp rơi trên dây quấn phần ứng Eư - sức điện động phần ứng (sức phản điện) CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Từ trường và sức điện động máy điện một chiều 3.1. Từ trường máy điện một chiều 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. Từ trường cực từ phân bố đối xứng. Đường trung tính hình học mn, cường độ từ cảm B=0 → thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ Số lượng các đường sức, thanh dẫn cắt qua khi chuyển động → tốc độ biến thiên từ trường đối với thanh dẫn CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU - Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng Từ trường phần ứng được xác định theo chiều dòng điện trong các thanh dẫn (qui tắc vặn nút chai). Chiều từ trường phần ứng trong hình vuông góc với từ trường cực từ và có hướng từ trái → phải. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phản ứng phần ứng làm cho từ trường của máy biến dạng: - Một mỏm cực được tăng cường (ở đó từ trường phần ứng cùng chiều với từ trường cực từ ). - Mỏm cực từ kia, từ trường bị yếu đi (từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ) Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng. Ảnh hưởng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ → phản ứng phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU - Đường trung tính dịch chuyển đến vị trí mới (trung tính vật lý) m’n’, lệch với (trung tính hình học) mn góc β Góc lệch  thường nhỏ, với máy phát góc lệch  lấy theo chiều quay rôto, và với động cơ điện  có chiều ngược lại. Tại vị trí trung tính hình học, từ cảm B0, thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sđđ (có chiều ngược so với lúc chỉ có từ trường cực từ), gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều dòng điện trong máy CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi tải lớn, dòng điện phần ứng Iư lớn, từ trường phần ứng lớn, phần mỏm cực từ trường được tăng cường bị bão hoà, từ cảm B ở đó tăng lên được rất ít, trong khi đó, mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều. Kết quả là từ thông  của máy bị giảm xuống. Từ thông  giảm: Máy phát điện → sđđ phần ứng Eư giảm → điện áp đầu cực máy phát U giảm. Động cơ → mômen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Để khắc phục hậu quả trên, người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù. Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng. Để kịp thời khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.2. Sức điện động phần ứng Khi rôto quay, các thanh dẫn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sđđ: a) Sức điện động thanh dẫn v.lBe tb Btb - cường độ từ cảm trung bình dưới cực từ v - vận tốc dài của thanh dẫn l - chiều dài hiệu dụng thanh dẫn CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a (a là số đôi mạch nhánh), số thanh dẫn một nhánh N/2a, sức điện động phần ứng: b) Sức điện động phần ứng Eư v.lB a2 N e a2 N E tb CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tốc độ dài v (m/s) xác định theo tốc độ quay n (vg/ph): 60 n.D. v   Từ thông dưới mỗi cực từ: p2 l.D. Btb   l.D. p2 Btb   Thay các giá trị vào biểu thức sđđ phần ứng:  n a60 pN 60 n.D. l l.D. p2 a2 N v.lB a2 N E tb   a60 pN ke  → Hệ số, phụ thuộc vào cấu tạo dq phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Nhận xét: - Sđđ phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng n và từ thông  dưới mỗi cực từ. - Thay đổi trị số sđđ : Điều chỉnh tốc độ quay n, hoặc điều chỉnh từ thông  bằng cách điều chỉnh dòng kích từ. - Đổi chiều sđđ : Đổi chiều quay, hoặc đổi chiều dòng điện kích từ CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Công suất điện từ và mômen điện từ Công suất điện từ của máy điện một chiều uuđt IEP  uđt I.n a60 pN P  Mômen điện từ r đt đt P M   Tần số góc của Rôto: 60 n.2 r    I. a.2 pN n.2 60 I.n a60 pNP M r đt đt   CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU I.kM Mđt  a.2 pN kM   Mômen điện từ → Hệ số mômen điện từ Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông . Thay đổi mômen điện từ: Phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Đổi chiều mômen điện từ: Phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 5. Tia lửa điện trên cổ góp - biện pháp khắc phục Khi máy điện một chiều làm việc thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp. Tia lửa điện có thể gây ra vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường, gây nhiễu cho các thiết bị điện tử Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng quy cách, do chổi than cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp gây ra sự rung động của chổi than 5.1. Nguyên nhân cơ khí CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Nguyên nhân điện từ Khi rôto quay, liên tiếp có phần tử dây quấn chuyển từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác (gọi là phần tử đổi chiều). Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sđđ sau: a) Sđđ tự cảm eL do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều b) Sđđ hỗ cảm eM do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận c) Sđđ cảm ứng eq do từ trường của phần ứng gây ra. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Thời điểm chổi điện làm ngắn mạch các phiến góp của phần tử đổi chiều, các sđđ trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích luỹ năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí, ta phải tìm cách giảm trị số các sđđ trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sđđ nhămg bù (triệt tiêu) tổng 3 sđđ eL, eM, eq. Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ, người ta không dùng cực từ phụ mà chuyển chổi than đến đường trung tính vật lý CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6. Máy phát điện một chiều 6.1. Phân loại máy điện một chiều - Máy điện một chiều kích từ độc lập Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy - Máy điện một chiều kích từ song song Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU - Máy điện một chiều kích từ nối tiếp Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng - Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp Gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường là chủ yếu CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập. Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I. Mạch kích từ có biến trở để điều chỉnh dòng điện kích từ CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương trình máy phát điện kích từ độc lập: Phương trình dòng điện Phương trình điện áp: uII  uuu IREU  )RR(IU đcktktkt  Rư - điện trở dây quấn phần ứng, Rkt - điện trở dây quấn kích từ, Rđc - điện trở điều chỉnh (thay đổi dòng kích từ) CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân sau: - Từ trường phần ứng tăng → cho từ thông giảm → sức điện động Eư giảm. - Điện áp rơi trong mạch phần ứng rưIư tăng. - Đặc trưng cho sự biến đổi điện áp → đặc tính ngoài CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Đường đặc tính ngoài U = f (I) khi tốc độ máy điện ( n ) và dòng điện kích từ ( Ikt ) không đổi. Khi tải tăng điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng 810% điện áp khi không tải CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Để giữ cho điện áp máy phát không đổi, phải tăng dòng điện kích từ. Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f( I ), khi giữ điện áp và tốc độ không đổi. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Ưu nhược điểm của máy phát kích từ độc lập: - Ưu điểm: khả năng điều chỉnh điện áp linh hoạt, phạm vi rộng. Máy thường được dùng trong hệ thống máy phát - động cơ phục vụ mục đích truyền động những thiết bị đòi hỏi chính xác cao: máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thuỷ, máy bay ... - Nhược điểm: cần có nguồn điện kích từ riêng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.3. Máy phát điện kích từ song song Sơ đồ máy phát điện kích từ song song. Máy cần thực hiện một quá trình tự kích từ để hoạt động Khi mở máy, không có dòng điện kích từ, từ thông (từ thông dư Φdư) trong máy do từ dư của cực từ tạo ra, bằng khoảng 23% từ thông định mức. Khi phần ứng quay, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư sinh ra (có trị số nhỏ). CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở điều chỉnh mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất), sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho đến khi đạt điện áp ổn định. Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải trùng chiều từ trường dư. Nếu không còn từ dư, ta phải mồi để tạo từ dư. Nếu chiều hai từ trường ngược nhau, ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương trình dòng điện Phương trình điện áp: ktu III  uuu IREU  )RR(IU đcktktkt  Rư - điện trở dây quấn phần ứng, Rkt - điện trở dây quấn kích từ, Rđc - điện trở điều chỉnh (thay đổi dòng kích từ) Phương trình máy phát điện kích từ song song: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do những nguyên nhân (ngoài nguyên nhân 1, 2 như máy kích từ độc lập, thêm một nguyên nhân thứ ba): 1- Từ trường phần ứng tăng → cho từ thông giảm → sức điện động Eư giảm. 2- Điện áp rơi trong mạch phần ứng rưIư tăng. 3- Điện áp U giảm → Dòng điện kích từ giảm → Từ thông cực từ và Sức điện động càng giảm → đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Từ đường đặc tính ta thấy, khi ngắn mạch, điện áp U = 0, dòng kích từ bằng không, sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức. Đường đặc tính ngoài của máy phát kích từ song song: Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I), khi U, n không đổi CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.4. Máy phát điện kích từ nối tiếp Sơ đồ nối dây Đặc điểm: Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều. Trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Đường đặc tính ngoài U = f(I) Dạng đường đặc tính ngoài được giải thích như sau: Khi tải tăng, dòng điện Iư tăng, từ thông và Eư tăng, do đó U tăng, khi I = (22,5)Iđm, máy bão hoà, thì I tăng U sẽ giảm. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.5. Máy phát điện kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây: Máy kích từ hỗn hợp có hai cách nối: thuận và ngược - Nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song. - Nối ngược, chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dây quấn kích từ song song CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Nối thuận: Khi tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông của máy tăng lên, sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm rất lớn của máy phát điện kích từ hỗn hợp. Đường đặc tính ngoài U = f(I) Đặc điểm sơ đồ nối dây: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Nối ngược: Khi tải tăng điện áp giảm rất nhiều. Đường đặc tính ngoài U = f(I) Đường đặc tính ngoài dốc, nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ, động cơ điện một chiều được phân loại giống như đã xét đối với máy phát một chiều. Đối với động cơ, sức điện động phần ứng Eư ngược chiều với dòng điện, nên Eư còn gọi là sức phản điện.  n a60 pN E Mômen điện từ: I. a.2 pN Mđt   Trị số của sức phản điện: I.kM Mđt  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.1. Mở máy động cơ điện một chiều Dòng điện phần ứng u u u R EU I   Khi mở máy, tốc độ n = 0 → sức phản điện Eư = kEn = 0, dòng điện phần ứng lúc mở máy: u u R U I  Do điện trở Rư rất nhỏ → dòng điện Iư lúc mở máy rất lớn, có thể gấp 2030 lần Iđm làm hỏng cổ góp và chổi điện. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy Imở lớn, làm ảnh hưởng đến lưới điện. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương pháp mở máy động cơ một chiều ( Imở= 1,52 Iđm ): 1. Dùng biến trở mở máy Rmở Biến trở mở máy được mắc vào mạch phần ứng như hình 9-17. Dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy là mu m RR U I   Lúc bắt đầu mở máy, biến trở Rmở để ở vị trí có trị số lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, sđđ Eư tăng, và điện trở mở máy phải giảm đến không, lúc đó quá trình mở máy kết thúc. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Giảm điện áp đặt vào phần ứng Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được (trong hệ thống máy phát - động cơ F-Đ) nguồn một chiều chỉnh lưu CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Phương pháp mở máy nhờ biến trở mở máy đối với các động cơ lớn thường cồng kềnh và tiêu hao một phần năng lượng đáng kể (tổn hao trong biến trở) nhất là với động cơ yêu cầu mở máy liên tục. Do đó, để mở máy động cơ công suất lớn, người ta sử dụng nguồn một chiều độc lập có thể điều chỉnh được như hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ). Cấp điện cho phần ứng động cơ Đ, người ta dùng máy phát F, trong khi mạch kích từ được đặt dưới điện áp U = Uđm của nguồn một chiều đang sử dụng, có như vậy, mới đảm bảo lúc mở máy có từ thông lớn nhất để có mômen mở máy lớn CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Phương trình tốc độ:    E uu k RIU n Các phương pháp muốn điều chỉnh tốc độ : 1. Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng. - Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. - Do 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 bé CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Thay đổi điện áp U Dùng nguồn một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều 3. Thay đổi từ thông Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng kích từ. Để thay đổi dòng kích từ, người ta mắc thêm Rđc vào mạch kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ, kết hợp các phương pháp Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.3. Động cơ điện một chiều kích từ song song Sơ đồ nối dây: Mở máy, dùng biến trở Rmở. Điều chỉnh tốc độ dùng biến trở Rđc để thay đổi Ikt, do đó thay đổi từ thông . Phương pháp này sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý khi giảm từ thông , có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép, vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt động cơ khỏi lưới điện khi từ thông giảm quá nhiều CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU a) Đặc tính cơ n = f(M) Biểu diễn quan hệ giữa tốc độ n và mômen quay M khi điện áp U = const, điện trở mạch phần ứng Rư = const, điện trở mạch kích từ Rkt = const Từ phương trình tốc độ:    E uu k RIU n u E u E I k R k U n     Mômen điện từ: uM I.kM    M u k M I M kk R k U k M k R k U n 2 ME u EME u E         CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Nếu có mắc điện trở Rp vào mạch phần ứng: M kk RR k U n 2 ME pu E      Đường 1 - đặc tính cơ tự nhiên (Rp = 0) Đường 2 – đặc tính cơ khi có điện trở phụ (Rp  0) CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU b) Đặc tính làm việc Đặc tính làm việc xác định khi điện áp U = const và dòng điện kích từ Ikt = const. Các đường đặc tính: Tốc độ n = f (P2) Mômen M = f(P2) Dòng điện Iư = f(P2) Hiệu suất η = f (P2) với P2 - công suất cơ trên trục. Đặc tính cơ cứng và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục thay đổi. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.4. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Sơ đồ nối dây: Mở máy ta dùng Rmở. Điều chỉnh tốc độ ta dùng các phương pháp: 1. Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng. 2. Thay đổi điện áp U 3. Thay đổi từ thông bằng điện trở Rđc Nhưng cần chú ý khi điều chỉnh từ thông phải mắc biến trở điều chỉnh song song với dây quấn kích từ nối tiếp CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU a) Đặc tính cơ n = f(M) Khi máy chưa bão hoà, dòng điện phần ứng Iư và từ thông tỷ lệ với nhau:  1u kI 222 1MuM kkkI.kM  k M  u E 1 E u E u E R k k Mk U.k I k R k U n      Thay các giá trị vào biểu thức tốc độ động cơ: u E 1 E R k k Mk U.k n  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Ek k a Đặt các hệ số: E 1 k k b  uR.b M U an  Phương trình đặc tính cơ: Đặc tính cơ có dạng hypecbôn, đó là đường đặc tính cơ mềm, mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm. Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn có thể phá huỷ động cơ về mặt cơ khí, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU b) Đặc tính làm việc Động cơ được phép làm việc với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn ngh. Trong vùng làm việc, đường đặc tính vẽ bằng đường nét liền. Động cơ kích từ nối tiếp khi chưa bão hoà, mômen quay tỷ lệ với bình phương dòng điện và tốc độ giảm theo tải, nên thích hợp dùng trong chế độ tải nặng nề, được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các thiết bị cầu trục CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.5. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp Sơ đồ nối dây: Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường của chúng cùng chiều nhau) làm tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường của chúng ngược nhau) làm giảm từ thông CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Đường đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và của động cơ kích từ nối tiếp (đường 3) Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính, còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận. Dây quấn kích từ song song bảo đảm cho tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc tính cơ rất cứng như đường 4, nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi. Khi mômen quay tăng, dòng điện phần ứng tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ n giảm một ít, nhưng vì có dây quấn kích từ nối tiếp nối ngược làm giảm từ thông trong máy, sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ. Ngược lại, khi nối thuận, sẽ làm cho đặc tính của động cơ mềm hơn, mômen mở máy lớn hơn, thích hợp với các máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 8. Các ví dụ Máy phát điện kích từ song song, công suất định mức Pđm = 25kW, điện áp định mức Uđm = 115V, có các thông số sau: điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 12,5 ; điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,0238 , số đôi nhánh a = 2, số đôi cực từ p = 2, số thanh dẫn N = 300, tốc độ quay n = 1300 vg/ph. a) Xác định sức điện động Eư , từ thông  b) Giả sử dòng điện kích từ không đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng, xác định điện áp đầu cực máy khi dòng điện giảm xuống I = 80,8 A Ví dụ 1 CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU a) Dòng điện định mức Bài giải: A4,217 115 25000 U P I đm đm đm  Dòng điện kích từ A2,9 5,12 115 R U I kt đm kt  Dòng điện phần ứng A6,2262,94,217III ktđmu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Sức điện động của máy phát: V4,1200238,0.6,226115RIUE uuu  Từ thông  của máy phát: Wb852,1 1300.300.2 4,120.2.60 n.pN E.a.60  b) Dòng điện máy phát giảm, I = 80,8A → dòng điện phần ứng A902,98,80III ktu  Điện áp đầu cực máy phát: V3,1180238,0.904,120RIEU uuu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một máy phát điện một chiều kích từ song song, điện áp định mức Uđm =115V, cung cấp dòng điện It = 98,3 A cho tải. Điện trở phần ứng Rư = 0,0735, điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 19. Tổn hao cơ, sắt từ và phụ bằng 4% công suất điện. a) Xác định sức điện động Eư và hiệu suất  của máy ở chế độ tải trên. b) Tính dòng điện ngắn mạch khi ngắn mạch hai đầu cực máy phát. Cho biết từ thông dư bằng 3% từ thông của máy ở chế độ tải trên, và tốc độ máy không đổi. Ví dụ 2 CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Bài giải: a) Dòng điện kích từ: A05,6 19 115 R U I kt kt  Dòng điện phần ứng: A35,10405,63,98III kttu  Sức điện động phần ứng: V7,1220735,0.35,104115RIUE uuu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tổn hao trong dây quấn kích từ song song: W69519.05,6RIP 2kt 2 ktkt  Tổn hao trong dây quấn phần ứng: W8000735,0.35,104RIP 2u 2 uu  Tổn hao sắt từ và cơ phụ: W4523,98.115.04,0P.04,0P cf.st  Hiệu suất máy phát: 853,0 6958004523,98.115 3,98.115 PP P      CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp, điện áp định mức Uđm = 220V, dòng điện định mức Iđm= 94A, điện trở dây quấn kích từ song song Rkt// = 338 , điện trở dây quấn phần ứng và kích từ nối tiếp Rư+Rnt = 0,17 , số đôi nhánh a = 1, số đôi cực p = 2, số thanh dẫn N = 372, tốc độ n = 1100 vg/ph. Tính sức điện động Eư (đối với động cơ còn được gọi là sức phản điện), từ thông , công suất điện từ, mômen điện từ Ví dụ 3 CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dòng điện kích từ song song Bài giải A65,0 228 220 R U I //kt đm //kt  Dòng điện phần ứng A35,9365,094III //ktđmu  Sức điện động phần ứng   V20417,0.35,93220RRIUE ntuuđmu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Từ thông  của máy điện: Wb10.49,1 1100.3720.2 204.2.60 n.pN E.a.60 2 Công suất điện từ: kW04,1935,93.204IEP uuđt  Mô men điện từ: Nm165 1100.2 6010.04,19P M 3 đt đt   )s/rad( 60 n.2   CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Mô men điện từ: Nm16510.49,1.35,93 1.2 372.2 I a.2 N.p M 2uđt    CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ điện một chiều kích từ song song có các thông số: Công suất định mức Pđm = 10kW Điện áp định mức Uđm = 220V Hiệu suất  = 0,86 Tốc độ định mức n = 2250 vg/ph Dòng điện kích từ định mức Ikt = 2,26 A Điện trở phần ứng Rư = 0,178 . Tính dòng điện mở máy trực tiếp. Để giảm dòng điện mở máy xuống bằng 2 lần dòng điện định mức, tính điện trở mở máy Rmm Ví dụ 4: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dòng điện định mức A85,52 220 10.628,11 U P I 3 đm 1 đm  Dòng điện mở máy trực tiếp: A1238 178,0 220 26,2 R U II u đm ktmm  Công suất điện động cơ tiêu thụ Bài giải: kW628,11 86,0 10P P đm1   CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Điện trở mở máy:       96,1178,0 26,285,52.2 220 R II.2 U R u ktđm đm mm Dòng điện mở máy khi có biến trở: đm mmu đm ktmm I.2 RR U II    A44,10326,285,52.2II.2 RR U ktđm mmu đm    CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một động cơ điện một chiều kích từ song song Pđm = 12kW, điện áp định mức Uđm = 220V, tốc độ định mức nđm = 685 vg/ph, dòng điện định mức Iđm = 64A, dòng điện kích từ định mức Iktđm = 2A, điện trở phần ứng Rư = 0,821 . Động cơ kéo tải có mômen cản không đổi. Để giảm tốc độ, dùng hai phương pháp sau: a) Thêm điện trở phụ Rp = 0,7  vào mạch phần ứng. Tính tốc độ và hiệu suất của động cơ ở tình trạng này. b) Giảm điện áp dặt vào động cơ. Tính tốc độ và hiệu suất lúc U = 176,6 V. Có nhận xét gì về hiệu suất trong hai phương pháp đã sử dụng. Giả thiết bỏ qua tổn hao cơ và phụ, và trong hai trường hợp trên giữ từ thông không đổi. Ví dụ 5: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU a) Mômen cơ hữu ích trên trục Bài giải: Nm3,167 685 12 9550 n P 9550M đm đm đt  Dòng điện phần ứng ở tải định mức: A62264III ktđmđm.u  Sức điện động phần ứng: V6,201281,0.62220RIUE uđm.uđmu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU b) Bỏ qua tổn hao cơ và phụ, mômen cơ trên trục bằng mômen điện từ, nghĩa là Mc = M đt = kMIư = const, do đó khi  không đổi, dòng điện phần ứng Iư không đổi Khi thêm điện trở phụ Rp, sức điện động phần ứng:   puđm.uđmu RRIUE    V2,1597,0281,062220Eu  Vì từ thông  không đổi, sức điện động tỷ lệ với tốc độ: 6,202 2,159 685 n  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tốc độ động cơ điện )ph/vg(538685 6,202 2,159 n  Công suất cơ hữu ích kW425,9 60 538 2.3,167MP đt2   Hiệu suất động cơ: 67,0 64.220 10.425,9 P P 3 1 2  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU b) Khi đặt vào động cơ điện áp U = 176,6V → sđđ phần ứng V2,159281,0.626,176RIUE uuu  Công suất điện động cơ tiêu thụ kW302,1164.6,176I.UP1  Công suất cơ hữu ích kW425,9 60 538 2.3,167MP2   Hiệu suất động cơ: 834,0 10.302,11 10.425,9 P P 3 3 1 2  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU So sánh trường hợp b với a, ta thấy rằng phương pháp dùng biến trở mắc vào mạch phần ứng cho hiệu suất thấp rất nhiều so với phương pháp giảm điện áp đặt vào động cơ. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một máy phát điện một chiều kích từ song song công suất định mức Pđm = 7,5 kW, điện áp định mức Uđm = 230 V, tốc độ quay định mức nđm = 1450 vg/ph; Điện trở mạch phần ứng Rư = 0,54 , điện trở mạch kích từ song song Rkt = 191,66 , điện áp rơi trên chổi than 2V. Máy phát sử dụng ở chế độ động cơ U = 220V, quay với tốc độ n = 1162 vg/ph và hiệu suất  = 0,825. Xác định công suất điện động cơ tiêu thụ, công suất cơ hữu ích trên trục động cơ. Ví dụ 6: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dòng điện định mức máy phát: Bài giải: - Chế độ máy phát: A6,32 230 7500 U P I đm đm p.đm  Dòng điện kích từ: A2,1 66,191 230 R U I kt đm kt  Dòng điện phần ứng: A8,332,16,32III p.ktp.đmp.u  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Sức điện động phần ứng: V25,250254,0.8,332302RIUE up.uđmp.u  - Chế độ động cơ: Vì từ thông  ở hai chế độ như nhau, do đó sức điện động tỷ lệ với tốc độ. Sức điện động phần ứng động cơ: V5,200 1450 1162 25,250 n n EE p đ p.uđ.u  Dòng điện phần ứng động cơ A4,32 54,0 25,200220 R 2EU I u đ.u đ.u      CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Dòng điện động cơ tiêu thụ A6,332,14,32III ktđ.uđ  Công suất động cơ tiêu thụ W73926,33.220I.UP đđ.1  Công suất cơ hữu ích động cơ: W61007392.825,0P.P đ.1đ.2  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp, thanh dẫn N = 300, điện áp hai đầu cực của máy 110V, khi dòng tải 100A, phần ứng máy quay với tốc độ 1500 vg/ph. Xác định độ lớn của từ thông dưới mỗi cực của máy, biết điện trở dây quấn phần ứng là 0,1  và số đôi mạch nhánh a = 1. Bài tập chương 9 Bài số 9.1 CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Bài giải: uuu RIEU  Phương trình điện áp phần ứng máy phát : V1201,0.100110RIUE uuu  Wb10.8 1500.300.2 120.1.60 n.pN E.a.60 3 Từ thông máy phát : CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một máy phát một chiều kích từ song song, điện trở dây quấn phần ứng bằng 0,25 , điện trở mạch kích từ bằng 44, điện trở tải bằng 4. Điện áp đặt lên tải 220V. Tính dòng điện phần ứng và sức điện động của máy Bài số 9.2. Bài giải: A55 4 220 R U I  Dòng điện tải: A5 44 220 R U I kt kt  Dòng điện kích từ: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Theo sơ đồ nối dây máy phát một chiều kích từ song song: A60555III ktu  Sức điện động phần ứng: V23525,0.60220RIUE uuu  CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp có dòng điện mạch ngoài I = 100A, điện áp đặt lên tải 110V, điện trở phần ứng Rư = 0,07, điện trở dây quấn kích từ nối tiếp Rktnt = 0,07; điện trở dây quấn kích từ song song Rkt// = 24. a) Xác định Eư, Iư. b) Xác định tổn hao trong dây quấn phần ứng và các dây quấn kích từ. c) Xác định công suất máy phát ra và hiệu suất Bài số 9.3: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Bài giải: Iư I Ikt Dòng điện kích từ song song A58,4 24 110 R U I //kt //kt  Dòng điện phần ứng A58,10458,4100III //ktu  Sức điện động phần ứng  ntuuu RRIUE    V6,12407,007,058,104110Eu  a) Dòng điện và sức điện động phần ứng: CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU b) Tổn hao trong dây quấn phần ứng và kích từ: W76607,0.58,104RIP 2u 2 uu  W76607,0.58,104RIP 2nt 2 unt.kt  W50324.58,4RIP 2//.kt 2 //.kt//.kt  c) Công suất máy phát ra và hiệu suất W10.11100.110I.UP 32  844,0 50376676610.11 10.11 PP P 3 3 2 2        CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Một động cơ điện một chiều kích từ song song có Uđm = 220V, Rư = 0,4 , Iđm = 52 A, Rkt = 110, tốc độ không tải n0 ≈ U/kE.Φ = 1100 (vg/ph) Hãy tính: a) Eư lúc tải định mức b) Tốc độ lúc tải định mức c) Pđt, Mđt lúc tải định mức Bài số 9.4. CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Bài giải CHƯƠNG IX : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU