Tài liệu MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trao đổi trực tuyến tại: http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html Mục lục Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy điện Chƣơng 1: Máy điện một chiều 1.1 Cấu tạo máy điện một chiều 1.2 Bộ dây quấn phần ứng của máy điện một chiều 1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều. 1.4 Từ trường và sức điện động trong máy điện một chiều. 1.5 Máy phát điện một chiều. 1.6 Động cơ điện một chiều. 1.7 Kiểm tra Chƣơng 2: Máy biến áp. 2.1 Khái niệm chung về máy biến áp. 2.2 Cấu tạo của máy biến áp một pha 2.3 Nguyên lý làm việc của MBA một pha 2.4 Các trạng thái làm việc của MBA một pha 2.5 Máy biến áp ba pha. 2.6 Điều kiện làm việc song song của MBA 3 pha. 2.7 Các loại máy biến áp đặc biệt Chƣơng 3. Máy điện không đồng bộ 3.1 Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ 3.2 Từ trường của máy điện không đồng bộ 3.3 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ. 3.4 Sơ đồ thay thế và các phương trình của máy điện không đồng bộ. 3.5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ. 3.6 Mô men quay và phương trình đặc tính cơ của ĐCĐ không đồng bộ. 3.7 Mở máy và đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ ba pha. 3.8 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha 1 3.9 Hãm động cơ KĐB Bài tập 3.10 Động cơ không đồng bộ 1 pha. 3.11 Dây quấn động cơ điện không đồng bộ Kiểm tra Chƣơng 4. Máy điện đồng bộ 4.1 Khái niệm, cấu tạo máy điện đồng bộ 4.2 Máy phát điện đồng bộ. 4.3 Động cơ điện đồng bộ Tài liệu tham khảo: 1. Giáo trình máy điện: Nhà xb Giáo dục; Vụ Trung Học chuyên nghiệp – Dạy nghề. Tác giả : Đặng Văn Đào – Trần Khán Hà – Nguyễn Hồng Thanh. 2. Kỹ thuật điện : (Tài liệu dùng cho các trƣờng Trung Học Chuyên nghiệp và Dạy nghề). Tác giả : Nguyễn Ngọc Lân – Nguyễn Văn Trọng – Nguyễn Thị Quỳnh Hoa. Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN I. Những khái niệm về máy điện 1. Khái niệm: - Máy điện là thiết điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào các định luật điện từ. - Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn). Dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng như máy phát điện, biến đổi điện năng thành cơ năng như động cơ điện và đồng thời dùng để biến đổi dòng điện và điện áp ... 2. Phân loại máy điện: Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau: như phân loại theo công suất, theo dòng điện, theo chức năng .... Sơ đồ phân loại các máy điện cơ bản thường gặp: Máy điện Máy điện tỉnh Máy điện có phần quay Máy điện xoay chiều Máy điện không đồng bộ Máy điện một chiều Máy điện đồng bộ 2 II. Vật liệu dùng trong máy điện. 1. Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phần dẫn điện, vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện là đồng, nhôm và các hợp kim khác. 2. Vật liệu dẫn từ: Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, thường dùng các vật liệu sắt từ, thép kỹ thuật điện... 3. Vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc cách ly giữa các bộ phận dẫn điện với nhau, vật liệu chủ yếu là giấy, vải lụa, mica, sợi thuỷ tinh, sơn cách điện ...vv. 3 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1. Đại cƣơng về máy điện 1 chiều: Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặ .+c biệt là động cơ điện một chiều. Là loại máy điện sử dụng với lưới điện một chiều và có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ. Máy phát điện một chiều cung cấp nguồn điện một chiều cho động cơ và máy phát điện đồng bộ, cho công nghệ mạ, nạp ắc quy. Động cơ điện môt chiều có momen khởi động lớn, có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng nên được dùng nhiều trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như máy mài, máy xúc, xe điện… Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong mọi môi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ điện một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều). 1.1.2. Cấu tạo máy điện một chiều. Gồm có 2 bộ phận chính là phần tĩnh và phần quay. 1.Phần tĩnh (Stato) Phần tĩnh còn gọi là phần cảm gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy và cơ cấu chổi điện. a) Cực từ chính Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi thép cực từ và dây quấn cực từ chính. Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm hoặc 1mm được ép lại và tán chặt ở máy có công suất nhỏ thì được làm thép khối. Dây quấn cực từ chính làm bằng đồng có bọc cách điện, được quấn định hình thành từng bối, sau đó được quấn băng và tẩm vécni cách Chƣơng I: 4 điện. Bối dây được lồng vào thân lõi thép cực từ và gắn chặt cực từ vào gông nhờ các bulông. b) Cực từ phụ: Cực từ phụ gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép thường bằng thép khối, dây quấn tương tự dây quấn cực từ chính và được mắc nối tiếp với dây quấn rôto. Cực phụ đặt xen kẽ cực từ chính có tác dụng triệt tiêu tia lửa điện xuất hiện giữa chổi và cổ góp. c) Gông từ: Gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy công suất nhỏ làm bằng thép tấm cuốn lại và hàn hoặc bằng gang. Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d) Cơ cấu chổi điện: Chổi điện làm bằng than hoặc graphít đôi khi được trộn bột đồng để tăng độ dẫn điện, chổi điện được đặt trong một hộp nhờ 1 lò xo ép chổi tì sát vào cổ góp. Hộp chổi gắn chặt vào giá đỡ có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại. 2. Phần quay (rôto) Phần quay (rôto) là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn, cổ góp và trục rôto. a) Lõi thép rôto: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, bề mặt có sơn cách điện dập theo hình dạng rãnh rồi ghép lại thành rôto. Rãnh là nơi đặt dây quấn giữa có lỗ để thông gió dọc trục. b) Dây quấn rôto: Bằng dây đồng, có bọc cách điện, tiết diện tròn hay chữ nhật được bố trí trong rãnh của lõi thép theo sơ đồ cụ thể, các mối dây được nối lên các phiến góp của cổ góp ở đầu trục. c) Cổ góp: Gồm các phiến góp bằng đồng có đuôi én được ghép hợp lại thành hình trụ tròn, giữa các phiến góp được cách điện với nhau bằng lớp mica mỏng (0,2-1,2)mm và cách điện với trục, phần cuối của phiến góp có rãnh để hàn các bối dây vào. Thông qua cổ góp và chổi than dòng điện xoay chiều trong dây quấn rôto được đổi thành dòng 1 chiều đưa ra mạch ngoài do đó cổ góp còn gọi là vành đổi chiều. 1.2. BỘ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1. Khái niệm: Dây quấn phần ứng là loại dây quấn rải, đó là hệ thống dây dẫn khép kín đặt trong các rãnh của lõi phần ứng và được nối với các lá góp theo 1 quy tắc xác định hợp thành bộ dây phần ứng. 1.2.2. Dây quấn phần ứng: - Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử được nối lại với nhau theo một quy luật nhất định. + Phần tử: Là phần dây quấn nằm giữa hai phiến góp kế tiếp nhau theo sơ đồ nối dây (một phần tử hay gọi là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây). + Cạnh tác dụng của phần tử là phần bối dây nằm trong rãnh rôto. + Hai đầu dây của phần tử được nối với hai phiến góp và nối với hai đầu dây của hai phần tử khác. Thông thương thì trong mỗi rãnh rôto ta đặt hai lớp dây quấn (hai bối dây), giữa hai lớp dây quấn có sự cách điện. Một phần tử có 1 cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh này thì cạnh tác dụng còn lại đặt ở lớp dưới của rãnh khác. Nếu một rãnh có hai cạnh tác dụng thì gọi là rãnh nguyên tố. + Rãnh nguyên tố: Trong một rãnh có hai cạnh tác dụng được gọi là rãnh nguyên tố, để phân biệt với một rãnh có nhiều cạnh tác dụng ta kí hiệu rãnh nguyên tố là Znt. Nếu một rãnh có 2u cạnh tác dụng thì bằng u rãnh nguyên tố. Gọi S là số phần tử. (và một phần tử có hai cạnh tác dụng) Gọi Z là số rãnh thực của Rôto. Mối quan hệ giữa S,Z và Znt là Znt=u.Z=S 5 Mặc khác mỗi phiến góp được nối với hai đầu dây của hai phần tử khác nhau, nên số phiến góp bằng số phần tử. Gọi G là số phiến góp ta có G=S Vậy ta có Znt=Z=S=G. (Bao nhiêu rãnh có bấy nhiêu phiến góp) 1.2.3. Các phƣơng pháp quấn dây: Tuỳ theo cách nối phần tử với phiến góp mà ta có kiểu nối dây quấn xếp và dây quấn sóng. a. Quấn dây kiểu xếp: Dây quấn kiểu xếp có hai loại là quấn xếp phải và quấn xếp trái. Ở dây quấn xếp phải hai đầu phần tử được nối hai phiến góp gần nhau và hai phần tử nối tiếp ở gần nhau. Phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên phải của nó. phần tử 1 phần tử 2 1 1 2 2 1 3 3 4 4 3 1 1 2 1 1 1234 1 góp phiến 1 Quấn xếp phải Quấn Ở dây quấn xếp trái là phần tử thứ hai nối xếp trái phần tử thứ nhất ở bên trái của nó. tiếp sau (Để nối dây không bị chồng chéo nhau người ta thường dùng dây quấn xếp phải) b. Dây quấn kiểu sóng: là dây quấn có hai đầu phần tử được nối với hai phiến góp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau ở xa nhau (giống như làn sóng) y1 y2 y 1 Dây quấn sóng yG 1.2.4. Các đại lƣợng đặc trƣng a. Bƣớc cực: Ký hiệu: (tô) Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ kế tiếp nhau được tính bằng số rãnh nguyên tố. Z nt 2p Znt số rãnh nguyên tố 2p là số cực từ của máy. b. Bƣớc dây quấn thứ nhất: Ký hiệu: y1 Bước dây quấn là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử, được tính bằng số rãnh nguyên tố và cũng là khoảng cách của một bước cực. Với: y1 y1 Z nt 2p y1 y2 y2 y y 6 c. Bƣớc dây quấn thứ hai y2: là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử thứ nhất và cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp sau nó theo sơ đồ dây quấn. Bước dây quấn y2 phụ thuộc vào kiểu dây quấn. y2 = y1 - y d. Bƣớc dây quấn tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tương ứng của hai phần tử liên tiếp nhau. y = y1 – y2 e. Bƣớc trên cổ góp: Kí hiệu yG Bước trên cổ góp là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai cạnh tác dụng của một phần tử. yG có thể có giá trị âm, dương, lớp hay nhỏ phụ thuộc vào kiểu dây quấn. + Với dây quấn xếp ta có yG = m, m là số tự nhiên. ( Dấu + là quấn xếp phải. Dấu - là quấn xếp trái. + Với dây quấn sóng ta có yG = Gm , m là số tự nhiên.(- dấu + là quấn phải- dấu - là quấn p trái). 1.2.5. DÂY QUẤN KIỂU XẾP a. Dây quấn xếp đơn: + Tính toán bước dây quấn: Cho máy điện một chiều có các thông số sau: Số rãnh Z = Znt = S = G = 16 rãnh, số cực từ 2p=4 cực, bước cổ góp y G = +1. Tính toán và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng (kiểu xếp) của máy điện một chiều. - Bước dây quấn thứ nhất: y1= Z nt 2p 16 4 4 - Bước cổ góp yG=1 (dây quấn xếp phải) + Biểu đồ nối dây: - Biểu điễn biểu đồ nối dây có hai dòng, dòng trên chỉ cạnh tác dụng ở lớp trên và dòng dưới chỉ cạnh tác dụng ở lớp dưới. - Cách vẽ biểu đồ nối dây: Bắt đầu từ phần tử thứ nhất, phần tử này có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh, cạnh tác dụng thứ hai đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y 1=1+4=5. - Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và 2 (vì yG=1 dây quấn xếp phải). - Tình tự nối các phần tử trong rãnh như hình vẽ: Lớp trên Lớp dưới 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 12 16 13 14 15 16 1 2 3 1 4 + Sơ đồ khai triển dây quấn: - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 16 rãnh và qui ước ở lớp trên vẽ bằng đường liền nét và cạnh tác dụng ở lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. - Cách vẽ sơ đồ khai triển dây quấn: đặt lần lược 16 phần tử vào 16 rãnh, bắt đầu từ phần tử thứ nhất, cạnh thứ nhất của phần tử nối với phiến góp đổi chiều thứ nhất đặt vào rãnh 1 7 (đường liền nét) ở lớp trên và cạnh thứ hai của phần tử thứ nhất được đặt lớp dưới của rãnh thứ 5 (đường đứt nét) và nối với phiến góp 2. Tiếp tục nối tương tự với phần tử thứ hai, thứ ba….. cho đến phần tử thứ 16 rồi trở về phiến đổi chiều số 1. Ta được một mạch vòng khép kín được đặt đúng dưới các cực từ. b. Dây quấn xếp phức: - Điểm khác nhau giữa dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức là bước dây quấn y G=m, với dây quấn phức m=2,3…, thông thường yG=2. - Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn. + Tính toán các đại lượng đặc trưng: Cho máy điện có các thông số sau Znt=24, 2p=4, yG=2. tính và vẽ biểu đồ nối dây, sơ đồ khai triển dây quấn. - Bước dây quấn y1= Z nt 2p 24 4 6 - Bước cổ góp yG=2 + Biểu đồ nối dây: - Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y 1=1+6=7. - Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 3. vì yG=2. - Do yG=2 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+2=3 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín. Tiếp tục với phần tử chẳng, ta được biểu đồ nối dây tương tự. Gồm các phần tử số lẽ. Lớp trên Lớp dưới 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 23 1 5 Gồm các phần tử chẳn: Lớp trên Lớp dưới 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 24 2 6 + Sơ đồ khai triển dây quấn: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn với qui luật như dây quấn xếp đơn. Dựa vào biểu đồ nối dây ta có phần tử 1 nối 3 và tiếp tục 5….đến khép kín mạch gồm phần tử số lé và tiếp phần tử 2 nối với 4 tương tự đến hết phần tử chẳng. Do yG=2 nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp. Từ dó ta vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ bên. 8 1.2.6. DÂY QUẤN KIỂU SÓNG a. Dây quấn sóng đơn: + Tính toán bước dây quấn: Đặc điểm của dây quấn sóng là hai đầu của một phần tử nối với hai phiến góp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau theo sơ đồ dây quấn nằm cách xa nhau. Z nt 2p G m - Bước cổ góp yG= p - Bước dây quấn: y1= * Cho máy điện có thông số gồm Znt=15, 2p=4, m=-1 dây quấn sóng đơn, quấn trái. + Tính các bước dây quấn: y1= Z nt 2p 15 4 3 4 3 chọn dây quấn bước ngắn =-3/4. yG= G m p 15 1 7 y2=y1-y=7-3=4 2 + Biểu đồ nối dây: - Sau khi có các số liệu tính toán về bước dây quấn y1, y2, yG… ta lập biểu đồ nối dây. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cơn lại sẽ đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+3=4. - Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và phiến góp 1+y G=1+7=8. - Do yG=7 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là 1+yG=1+7=8. Tiếp tục thực hiện với phần tử tiếp theo theo qui luật ta vẽ được biểu đồ nối dây. Lớp trên Lớp dưới 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 3 10 6 13 2 5 9 1 12 + Sơ đồ khai triển dây quấn (sơ đồ trải) - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 15 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. - Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 15 phần tử vào 15 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối phần tử 1 với phần tử 8, tiếp đến là phần tử 15…vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H - Dây quấn đơn nên bề rộng chổi than lấy bằng một phiến góp 9 b. Dây quấn sóng phức: - Điểm khác nhau giữa dây quấn sóng đơn và dây quấn sóng phức là bước dây quấn yG=m, với dây quấn phức m=2,3,4…, thông thường yG=2. - Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn. + Tính toán bước dây quấn Cho máy điện có số liệu gồm Z=Znt=18, 2p=4, m=2. Tính bước dây quấn, vẽ sơ đồ nối dây và khai triển dây quấn. - Các bước dây quấn: y1= Z nt 2p 18 4 2 4 4 18 2 2 8 chọn dây quấn bước ngắn =2/4. yG= G m p + Biểu đồ nối dây: Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+4=5. - Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 9. vì yG=8. - Do yG=8 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+8=9 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín. Tiếp tục với phần tử chẳn, ta được biểu đồ nối dây tương tự. + Biểu đồ nối dây + Phần từ số lẻ: Lớp trên Lớp dưới 1 9 17 7 15 5 13 3 11 5 13 3 11 1 9 17 7 15 Lớp trên Lớp dưới 2 10 18 8 16 6 14 4 12 6 14 4 12 2 10 18 8 16 1 + Phần tử số chẳn: 1 + Sơ đồ khai triển dây quấn: - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 18 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. 10 - Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 18 phần tử vào 18 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối phần tử 1 với phần tử 9, tiếp đến là phần tử 17, phần tử 7…vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H - Dây quấn sóng phức nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp 1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.3.1. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp máy phát điện một chiều. a. Nguyên lý làm việc: 1- Cực từ stato (nam châm vĩnh cửu) 2- Dây quấn phần ứng 3- Chổi than 4- Cổ góp 5- Mạch ngoài (tải) 1 2 3 4 5 Khi động cơ sơ cấp quay với tốc độ góc là 1 có chiều như hình vẽ, dẫn đến các dây dẫn rôto cắt từ trường stato (từ trường cực từ), cảm ứng các sức điện động trong thanh dẫn.(chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải) từ trường hướng từ cực N đến S. Trong thanh dẫn ab có sức điện động E1 Trong thanh dẫn cd có sức điện động E2 Sức điện động trong dây dẫn rôto là E=E1+E2 Xét tại thời điểm t: Lúc này dây dẫn quay một góc 1800, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N. Khi thanh dẫn phần ứng quay nửa vòng, vị trí của thanh dẫn trong từ trường thanh dẫn: ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong phần tử đổi chiều, nhờ có chổi điện đứng yên tỳ vào phiến góp nên chổi than A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi than B vẫn nối với phiến góp phía dưới, chiều dòng điện mạch ngoài không thay đổi. 11 Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B (nối 2 đầu với tải (bóng đèn) ta có nguồn một chiều) b. Phương trình điện áp đầu cực máy phát: U = UAB = Eư - Iư.Rư Trong đó: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng. Rư là điện trở dây dẫn phần ứng. Iư là dòng điện phần ứng. Eư là sức điện động phần ứng. Đơn vị:U, Eư (V); Iư (A); Rư ( ) 1.3.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều. a. Nguyên lý làm việc: Khi đặt điện áp một chiều vào hai đầu chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng xuất hiện dòng điện một chiều Iư, dưới tác dụng của từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư, ở động cơ một chiều sức điện động phần ứng ngược chiều với dòng điện phần ứng nên sức điện động phần ứng con được gọi là sức phản điện. b. Phương trình điện áp U = UAB = Eư + Iư.Rư Trong đó: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng. Rư là điện trở dây dẫn phần ứng. Iư là dòng điện phần ứng. Eư là sức điện động phần ứng. Đơn vị:U, Eư (V), Iư (A), Rư ( ) 1.4. TỪ TRƢỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.4.1. Từ trƣờng của máy điện một chiều: - Khi máy phát điện 1 chiều chạy không tải, trong máy chỉ có từ trường do cực từ chính sinh ra gọi ra từ trường chính hay từ trường phần cảm. - Khi máy mang tải, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng sinh ra từ trường phần ứng. - Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng. Tác dụng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường tổng hợp của máy, ở mõm cực ra của cực từ được trợ từ còn ở mõm cực vào bị khử từ. Nếu mạch từ không bão hoà thì tác dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bão hoà thì tác dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường tổng giảm do đó sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn giảm. Đồng thời, phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại 2 điểm trên đường trung tính hình học khác 0. Đây là nguyên nhân làm xuất hiện tia lửa điện trên cổ góp. Để tránh hiện tượng trên phải xoay đường trung tính hình học đến 1 vị trí mới lệch so với trung tính hình học 1 góc đó là đường trung tính vật lý O’O’’ Hình vẽ 1.4.2. Sức điện động phần ứng. a. Sức điện động thanh dẫn: Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là: e = Btb.l.v Trong đó: Btb từ cảm trung bình dưới cực từ. v là tốc độ của thanh dẫn l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn. b. Sức điện động phần ứng Eư: 12 Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi than chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phản ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Gọi N là số thanh dẫn của dây quấn, a là số đôi nhánh. Số thanh dẫn một nhánh là N/2a (với a là số nhánh song song) Sức điện động phần ứng là Eư N .e 2a N .Btb .l.v 2a Tốc độ dài v xác định theo độ quay n (vòng/phút) bằng công thức: v = Thay v = Dn 60 Dn N N vào Eư = Btb lv và chú ý rằng từ thông dưới mỗi cực từ là e= 60 2a 2a = Dl 2p Cuối cùng ta có: Eư = pN n 60a hoặc Eư = ken . Trong đó p là số đôi cực. Hệ số ke = pN phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng. 60a Sức điện phản ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông, bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. 1.5. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.5.1. Phân loại máy phát điện một chiều. Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, để phân loại máy điện một chiều như sau: - Máy điện một chiều kích từ tự kích trong đó gồm: + Máy điện một chiều kích từ độc lập + Máy điện một chiều kích từ nối tiếp + Máy điện một chiều kích từ song song + Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp. 1.5.2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập a. Sơ đồ nối dây cơ bản: R I R - Rtải là điện trở tải - Rkt là điện trở kích từ. - Rdc là điện trở điều chỉnh dòng điện kích từ. E - Ukt là điện áp đưa vào mạch kích từ. - U là điện áp tải lấy ra từ máy phát - Ikt là dòng điện kích từ. - Iư là dòng điện phần ứng. b. Phương trình Rtải Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt+Rdc) (1) kt dc c ư Mạch phần ứng It=Iư (2) U = Eư- Iư.Rư (3) * Khi dòng điện tải tăng It thì dòng điện phần ứng tăng Iư (ptrình1) kéo theo điện áp giảm U xuống (ptrình 2) do hai yếu tố: 13 - Do tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm kéo theo sức điện động Eư giảm (Eư=ke.n. ) - Điện áp rơi trong mạch phần ứng tăng. * Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau: - Khi dòng điện tải tăng thì điện áp giảm, để giữ cho điện áp máy phát không đổi ta phải tăng dòng điện kích từ bằng cách điều chỉnh biến trở. U U=f(It) It * Ưu nhược điểm: - Ưu điểm: Dể điều chỉnh điện áp (được sử dụng trong các hệ thống máy phát và động cơ để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại ...) - Nhược điểm: Phải cần nguồn kích từ. 1.5.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp. a.Sơ đồ nối dây cơ bản: R I R kt dc Ec ư Rtải b. Phương trình: U = Eư - Iư(Rư+Rkt+Rdc) (1) Iư =Ikt =It (2) * Khi dòng điện tải tăng điện áp thay đổi rất nhiều, nên trong thực tế ít được sử dụng. * Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau: - Khi tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, từ thông tăng dẫn đến sức điện động phần ứng tăng lên rất nhiều do đó điện áp đầu cực máy phát tăng nhiều. - Khi dòng điện tải It=(2-2,5)Iđm thì mạch từ của máy bị bão hòa, lúc này dòng điện tải tăng thì điện áp giảm. Đường đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ độc lập: U U=f(It) It (Từ đường đặc tính nhận xét: Khi dòng điện tải tăng bằng 2Iđm máy phát lúc đó nếu Itải tiếp tục tăng thì điện áp đầu cực máy phát giảm.) 1.5.4. Máy phát điện một chiều kích từ song song. R I R a. Sơ đồ nối dây cơ bản: kt dc Ec ư b. Phương trình: U = Eư - IưRư (1) Rtải 14 Iư =Ikt + It (2) U = Ikt(Rkt+Rdc) (3) Ban đầu máy không có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra (nếu từ dư không có phải kích nguồn một chiều tạo ra từ dư hoạt dùng ngồn một chiều khởi động máy phát sau đó tách ra) * Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư tạo ra, sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định. * Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng (ptrình2) làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm (ptrình1), dòng điện kích từ giảm (ptrình3). Do đó đường đặc tính ngoài dốc so với máy điện kích từ độc lập. U U=f(It) It 1.5.5. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp. a. Sơ đồ nối dây cơ bản: I Rkt Rdc Rkt Ec ư R tải - Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn dây phần cảm 1. Khi nối thuận: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song.(phần cuộn kích từ song song nối trực tiếp với chổi than) Khi tải tăng, dẫn đến từ thông trong mạch nối tiếp tăng, làm cho từ thông của máy tăng, dẫn đến sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy phát được giữ hầu như không đổi. (Ưu điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giữ cho điện áp không thay đổi khi dòng tải thay đổi ứng dụng máy phát) 2. Khi nối ngược: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song. (Nhược điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giảm điện áp tải ứng dụng máy hàn điện một chiều) 1.6. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.6.1. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ, phân loại động cơ điện một chiều như đối với máy phát điện một chiều. a. Động cơ kích từ độc lập. R I dc Rkt Ecư b. Động cơ kích từ nối tiếp. Ecư Rkt I Rdc 15 c. Động cơ kích từ song song. Ecư I Rkt Rdc 1.6.2. Mômen và phƣơng trình đặc tính cơ. a. Mômen trong động cơ điện một chiều + Mômen quay: kí hiệu: M - Khi đặc điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, trong dây quấn xuất hiện dòng điện phần ứng, dưới tác dụng của từ trường stato trong dây quấn phần ứng xuất hiện lực điện từ tác dụng dẫn đến xuất hiện mômen điện từ làm cho rôto quay. (Đối với động cơ mômen điện từ được gọi là mômen quay) M=kM.Iư. (N.m) + Mômen cản. - Khi động cơ mang tải xuất hiện lực cản, tác dụng vào trục động cơ, lực cản này cản trở sự chuyển động của rôto do đó trên trục động cơ sẽ xuất hiện mômen cản. - Mômen cản có chiều ngược với chiều chuyển động của rôto. - Khi động cơ quay ổn định với một phụ tải xác định lúc đó ta có mômen tải cân bằng với mômen động cơ. 1.6.2. Phương trình đặc tính cơ. a. Phƣơng trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập hoặc kích từ song song. - Khi điện áp đặc vào mạch kích từ và mạch phần ứng có công suất lớn thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song giống nhau. + Phương trình điện áp: U=Eư + IưRư (1) Eư=U - IưRư (2) Mặc khác ta có: Eư=ke.n. (3) Thay phương trình (3) vào pt (3) ta có: ke.n. =U - IưRư hay U ke . n U n I u .Ru ke . I u . Ru ke . (4) Ta lại có mômen điện từ: M=ke.Iư. n U ke . Iư Ru k e .k M . 2 M kM . thay Iư vào pt (4) ta có: (5) .M Nếu trong mạch phần ứng có điện trở phụ Rp ta có phương trình tốc độ là: n U ke . ( Ru Rp ) k e .k M . 2 .M (6) Trong đó điện trở phụ là Rplà điện trở đặc vào mạch phần ứng để điều chỉnh dòng điện phần ứng nhỏ hơn dòng điện giới han IưU và dòng điện phần ứng đổi dấu nên mômen điện từ cũng đổi dấu thành mômen hãm. Máy lúc này làm việc trong chế độ máy phát điện vào lưới (trả lại lưới) - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp không thể chuyển sang chế độ hãm tái sinh. Muốn hãm tái sinh ta phải chuyển sang chế độ kích từ song song. b. Hãm ngƣợc. Trạng thái này thực hiện bằng hai cách. 19 - Máy được truyền động làm quay động cơ theo chiều ngược mômen điện từ. - Đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi chiều dòng điện phần ứng của động cơ. c. Hãm động năng. - Khi hãm động năng động cơ kích từ song song ta cắt phần ứng ra khỏi lưới và nối mạch qua một điện trở hãm. - Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp được thực hiện bằng cách chuyển động cơ sang kích từ độc lập. Nếu động cơ kích từ nối tiếp thì khi tốc độ nhỏ, dẫn đến mômen hãm yếu, khi tốc độ lớn mômen hãm mạnh BÀI TẬP MẪU Bài 1: Một 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 = 1300vg/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, hãy xác định điện áp đầu cực máy khi dòng điện giảm xuống I = 80,8A. Bài giải: a) Dòng điện định mức Iđm = Pdm 25000 = = 217,4A U dm 115 Dòng điện kích từ Ikt = U dm 115 = = 9,2A Rkt 12,5 Dòng điện phần ưng Iư = Iđm + Ikt = 217,4+ 9,2 = 226,6A Sức điện động của máy Eư = U + Iư.Rư = 115 + 226,6. 0,0238 = 120,4V Từ thông = 60aEw pNn 60.2.120,4 = 1,852.10-2Wb 2.300.1300 Dòng điện phần ứng Iư = I + Ikt = 80,8 + 9,2 = 90A Điện áp đầu cực máy phát. U = Eư – IưRư = 120,4 – 90.0,0238 = 118,3V. Bài 2: Một máy phát điện một chiều kích từ song song, điện áp định mức Uđm = 115V, cung cấp dòng điện tải It = 98,3A 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 đông Eư và hiệu suất của máy ở chế độ tải trên b) Tính dòng điện ngắn mạch khi ngắn mạch hai dầu 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. Bài giải: a) Dòng điện kích từ Ikt = U Rkt 115 19 6,05 A Dòng điện phần ứng 20