Bài giảng Máy điện I - Chương 5: Máy điện một chiều

MÁY ĐIỆN I 1 Nội dung Chương 1. Máy biến áp Chương 3. Máy điện không đồng bộ Chương 4. Máy điện đồng bộ Chương 5. Máy điện một chiều Chương 2. Những vấn đề chung về MĐ quay Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 2 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I.  Tổng quan về MĐMC Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 3 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I.  Tổng quan về MĐMC 1. Cấu tạo máy điện một chiều I. Tổng quan về MĐMC Hình 5.1: Mặt cắt dọc trục và mặt cắt ngang trục máy điện một chiều Máy điện một chiều (MĐMC) có hai phần chính là stato (phần cảm) và roto (phần ứng). Hình 5.1 vẽ mặt cắt dọc trục và mặt cắt ngang trục MĐMC hai đôi cực. 1. Cấu tạo máy điện một chiều (tiếp) I. Tổng quan về MĐMC 1.1. Phần stator (phần cảm) I. Tổng quan về MĐMC !  Stato còn gọi là phần cảm gồm gông từ làm bằng thép đúc, vừa để dẫn từ vừa làm vỏ máy (hình 5.2b); các cực từ chính gồm cực từ và dây quấn kích từ; các cực từ phụ gồm cực từ và dây quấn kích từ mạch các bộ phận chính sau: Hình 5.2:a) Cực từ chính b)Stato và roto a. Cực từ chính I. Tổng quan về MĐMC !  Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng thép lá kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ghép lại bằng đinh tán. !  Vành cung mỏm cực từ (hình 5.2a) thường bằng 2/3 τ và có khe hở sao cho phân bố từ trường dọc khe hở gần hình sin. Trên lõi cực có dây quấn kích từ. Các cực từ được gắn chặt vào thân máy nhờ những bu lông. Hình 5.2 1.1. Phần stator (phần cảm) (tiếp) b. Cực từ phụ I. Tổng quan về MĐMC Được đặt giữa các cực từ chính dùng để cải thiện đổi chiều, triệt tia lửa trên chổi than. Lõi thép của cực từ phụ cũng có thể làm bằng thép khối, trên thân có đặt dây quấn kích từ. Cực từ chính Dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực từ chính Cực từ phụ 1.1. Phần stator (phần cảm) (tiếp) Cực từ phụ Cực từ chính c. Vỏ máy (gông từ) I. Tổng quan về MĐMC Vỏ máy làm nhiệm vụ kết cấu đồng thời dùng làm mạch từ. Trong MĐ nhỏ và vừa thường dùng thép tấm để uốn và hàn lại. Máy có công suất lớn dùng thép đúc. - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. d. Các bộ phận khác - Chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngoài hoặc ngược lại. Chổi than làm bằng than hay graphit, đôi khi chộn thêm bột đồng để tăng tính dẫn điện 1.1. Phần stator (phần cảm) (tiếp) Rãnh dây quấn Lỗ thông gió dọc trục Lỗ nắp trục máy 1.2. Phần ứng (Rotor) I. Tổng quan về MĐMC a. Lõi sắt phần ứng !  Lõi sắt thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,5 mm có sơn cách điện hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. !  Trên các lá thép có dập các rãnh để đặt dây quấn. Rãnh có thể hình thang, hình quả lê hoặc hình chữ nhật !  Roto còn được gọi là phần ứng, gồm lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, vành góp. Dây quấn phần ứng nối với mạch ngoài qua vành góp và hệ thống chổi than. Nêm Cách điện rãnh Dây quấn Lâi sắt I. Tổng quan về MĐMC 1.2. Phần ứng (Rotor) (tiếp) b. Dây quấn phần ứng !  Dây quấn thường làm bằng đồng có bọc cách điện, với loại máy điện nhỏ thì dây hình tròn, với loại máy điện vừa và lớn dây hình chữ nhật. Dây quấn phần ứng MĐMC thực chất là dây quấn phần ứng MĐKĐB (hoặc ĐB) gồm các phần tử nối tiếp nhau qua vành đổi chiều để chỉnh lưu sđđ xoay chiều thành một chiều. !  Để tránh bị văng ra do sức ly tâm, miệng rãnh thường có nêm hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể bằng tre hoặc nhựa bakelit. Dây quấn có hai kiểu quấn là quấn sóng và quấn xếp (xem lại chương 2) lớp trên lớp dưới phiến góp phần tử Dây quấn xếp 2 1 3 chổi than phần tử 1 phần tử 2 y2 y1 y phiến góp 1 2 Es N S S N I. Tổng quan về MĐMC 1.2. Phần ứng (Rotor) (tiếp) b. Dây quấn phần ứng Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. -  Cổ góp gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn, cách điện với nhau bằng Mica, hợp thành hình trụ tròn. Phiến góp đồng Vòng chặn Bu lông xiết Tấm ốp kim loại Trục máy Cách điện Mica Cổ góp I. Tổng quan về MĐMC 1.2. Phần ứng (Rotor) (tiếp) c. Cổ góp và chổi than I. Tổng quan về MĐMC 1.2. Phần ứng (Rotor) (tiếp) c. Cổ góp và chổi than !  Chổi than (chổi điện) làm bằng than graphit. Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo, giá chổi điện gắn trên nắp máy. Số chổi than bằng số cực từ !  Các chổi than dương được nối chung thành cực dương của máy, đồng thời các chổi than âm cũng được nối chung tạo thành cực âm của máy. d. Các bộ phận khác !  Cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy. !  Trục máy, trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt. Trục máy thường được làm bằng thép các bon. !  Ổ bi I. Tổng quan về MĐMC 1.3. Nguyên lý làm việc của MĐMC a. Máy phát điện !  Hình vẽ cấu tạo một MFMC đơn giản, stato là nam châm điện một đôi cực từ (N - S); roto gồm dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử (có hai cạnh tác dụng ab và cd) nối với hai phiến đổi chiều; hai chổi than A và B nối với tải là bóng đèn. !  Khi dùng ĐC sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn ab và cd cắt dường sức từ trường của cực từ, cảm ứng sđđ. Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải I. Tổng quan về MĐMC 1.3. Nguyên lý làm việc của MĐMC a. Động cơ điện !  Khi đặt điện áp một chiều U vào AB, trong dây quấn có dòng điện phần ứng Iư qua các thanh dẫn ab và cd. Các thanh dẫn có dòng điện, đặt trong từ trường, chịu lực tác dụng, chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái. I. Tổng quan về MĐMC 1.4. Các đại lượng định mức của MĐMC Chế độ làm việc định mức của các máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo đã qui định. Chế độ định mức được đặc trưng bởi những đại lượng định mức được ghi trên nhãn máy hoặc trong lý lịch máy. Các đại lượng định mức bao gồm: !  Công suất định mức: Pđm (W, kW) là công suất đầu ra, đối với MF là công suất điện, đối với ĐC là công suất cơ trên trục của máy điện !  Điện áp định mức: Uđm (V, kV): Là điện áp ra ở hai đầu cực ở chế độ định mức. !  Dòng điện định mức Iđm (A, kA): Là dòng điện qua hai cực MĐ ở chế độ định mức.. !  Tốc độ định mức: nđm (vòng / phút). !  Hiệu suất định mức: ηđm . I. Tổng quan về MĐMC 1.5. Phân loại và ứng dụng !  Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng. Để điều chỉnh dòng kích từ người ta sử dụng Rđc. Công suất mạch kích từ vào khoảng 1 ÷ 5% công suất máy tiêu thụ !  Dây quấn kích từ và nguồn kích từ độc lập với phần ứng. Để điều chỉnh dòng kích từ người ta sử dụng Rđc. Công suất mạch kích từ vào khoảng 1 ÷ 5% công suất máy tiêu thụ. I. Tổng quan về MĐMC 1.5. Phân loại và ứng dụng !  Dây quấn kích từ nối tiếp với phần ứng (hình 5.23c). Công suất mạch kích từ vào khoảng 5 ÷ 10% công suất máy tiêu thụ !  Dây quấn kích từ gồm hai phần: Dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Thường thì dây quấn kích từ song song là phần chính. Để điều chỉnh dòng kích từ người ta sử dụng Rđc. Công suất mạch kích từ vào khoảng 5 ÷ 10% công suất máy tiêu thụ Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 20 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I. Tổng quan về MĐMC 2.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn MĐMC 21 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành 2a đôi mạch nhánh song song. Sđđ Eư của MĐMC bằng tổng sđđ thanh dẫn etb trên một mạch nhánh song song. a. Sđđ trung bình cảm ứng trong một thanh dẫn tb tbe B lv= 2 60 60 Dn nv pπ τ= = tbB l δ τ Φ=•  Btb – từ cảm trung bình và được xác định: •  l – chiều dài cạnh tác dụng •  v – vận tốc dài của dây dẫn D – đường kính ngoài, n – tốc độ quay, p – số cặp cực, τ - bước cực 2 2 60 60tb tb pn ne B lv l p l δ δ τ τ Φ= = = Φ 22 ( )2 ; 2 2 60 60u tb e N N n pNE e p n C n V a a aδ δ δ = = Φ = Φ = Φ II. Quan hệ điện từ trong MĐMC 2.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn MĐMC (tiếp) •  Ce là hệ số sđđ và ∈ kết cấu của máy & kiểu dây quấn •  Chiều sđđ ∈ Φ, n => xác định theo quy tắc bàn tay phải b. Sức điện động phần ứng Gọi số thanh dẫn của dây quấn là N, số thanh dẫn một nhánh là: N/2a. Sđđ phần ứng được xác định: Từ biểu thức trên ta suy ra: Sđđ phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của phần ứng và từ thông dưới một cực từ. Muốn điều chỉnh sđđ (điện áp MF) ta thay đổi tốc độ hoặc thay đổi dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sđđ (điện áp MF) ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. Nhận xét: !  Công suất điện từ được tính bằng công thức: 23 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC 2.2  Công  suất  và  Mômen  điện  từ     Pđt = EưIư u pN nΦI 60a =dtP!  Thay giá trị Eư theo biểu thức ta có: !  Mômen điện từ Mđt: = dtdt PM ω (trong đó: ) 2πnω= 60 u M u pN ΦI = ΦI 2πa =dtM C M pN 2πa =C Từ biểu thức trên ta suy ra: Mđt tỷ lệ với dòng điện phần ứng và từ thông dưới một cực từ. Muốn điều chỉnh Mđt ta thay đổi Iư hoặc thay đổi It. Muốn đổi chiều Mđt ta đổi chiều Iư hoặc đổi chiều It. Nhận xét: (trong đó tốc độ góc của rotor: ) II. Quan hệ điện từ trong MĐMC 2.3 Cân bằng năng lượng trong MĐMC a. Máy phát điện !  Công suất cơ P1 quay MF biến đổi thành điện năng P2 theo biểu thức: P2 = P1 – ΣΔP = P1- ΔPt– ΔPcơ – ΔPst – ΔPp – ΔPư ΣΔPt: là tổng tổn hao trong máy, bao gồm: tổn hao ở dây quấn kích từ (ΔPt), tổn hao cơ (ΔPcơ), tổn hao sắt từ trong lõi thép (ΔPst), tổn hao phụ (ΔPp), tổn hao ở dây quấn phần ứng (ΔPư). Trong đó: Pđt = P1 – ΔPt – ΔPcơ – ΔPst – ΔPp. !  Công suất điện từ của MFMC: Tổn hao ma sát chổi than và cổ góp thường vào khoảng 25%÷35% tổng tổn hao cơ trong máy Giản đồ năng lượng của MFMC kích từ // II. Quan hệ điện từ trong MĐMC 2.3 Cân bằng năng lượng trong MĐMC (tiếp) b. Động cơ điện !  Công suất điện P1 từ lưới cung cấp cho động cơ một phần tổn hao trong máy Σ∆Pt, phần còn lại biến đổi thành công suất cơ P2 đưa ra trục máy, ta có biểu thức: Giản đồ năng lượng của ĐCMC kích từ // P1 = P2 + ΣΔP= ΔPt + ΔPư + ΔPst + ΔPcơ + ΔPp ΣΔP là tổng tổn hao trong máy, bao gồm: tổn hao ở dây quấn kích từ (ΔPt), tổn hao ở dây quấn phần ứng (ΔPư), tổn hao sắt từ trong lõi thép (ΔPst), tổn hao cơ (ΔPcơ), tổn hao phụ (ΔPp). Trong đó: Pđt = P1 – ΔPt – ΔPư !  Công suất điện từ của ĐCMC: Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 26 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I. Tổng quan về MĐMC 3.1 Đại cương III. Từ trường trong MĐMC "  Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở vùng mn (gọi là trung tính hình học), từ trường khe hở bằng không (gọi là trung tính vật lý). . . . cực từ S N chổi than trục TTHH dq kích từ Φt . . Từ trường cực từ lúc không tải Φư = 0 !  Khi MĐ không tải, Iư = 0, Φt chỉ do It sinh ra, gọi là từ trường cực từ. n m "  Ở trung tính vật lý, từ trường khe hở bằng không, thanh dẫn chuyển động qua vùng này không cảm ứng sđđ. 3.1 Đại cương (tiếp) III. Từ trường trong MĐMC !  Tác dụng Φư lên Φt gọi là phản ứng phần ứng !  Khi MĐ có tải, Iư ≠ 0, trong MĐMC có thêm từ trường phần ứng do Iư trong dây quấn phần ứng sinh ra. Từ trường phần ứng hướng vuông góc từ trường cực từ. n m Từ trường phần ứng với giả thiết Φt = 0 Φư !  Từ trường trong máy lúc này là tổng hợp Φư và Φt : Φδ = Φt + Φư. 3.1 Đại cương (tiếp) III. Từ trường trong MĐMC !  Ở một mỏm cực, từ trường được tăng cường, trợ từ (Φư cùng chiều Φt ) Từ trường tổng Φδ = Φt + Φư S N Trợ từ Khử từ Khử từ Trợ từ 1 3 2 4 TTVL TTHH . . . dq kích từ !  Ở một mỏm cực còn lại, từ trường bị yếu đi, khử từ (từ Φư ngược chiều Φt ). Hậu quả của phản ứng phần ứng là: Từ trường không còn đối xứng: TTVL (tại đó B = 0) không còn trùng với TTHH mà chuyển đến vị trí mới m’n’. Góc lệch β thường nhỏ, có chiều như sau: m m’ n n’ β "  ở MF, trùng chiều quay của roto "  ở ĐC, ngược chiều quay của roto Ở TTHH, từ trường khe hở B ≠ 0 thanh dẫn chuyển động qua vùng này sẽ cảm ứng sđđ, ảnh hưởng xấu đến đổi chiều MĐMC 3.1 Đại cương (tiếp) III. Từ trường trong MĐMC Khi tải lớn từ trường tổng bị giảm: Do tải lớn mỏm cực được trợ từ bị bão hòa, từ trường tăng ít, trong khi mỏm khử từ không bão hòa, từ trường giảm nhiều. Dẫn đến: !  Để khắc phục ảnh hưởng xấu của phản ứng phần ứng: "  Đặt cực từ phụ xen kẽ với cực từ chính và dây quấn bù đặt ở mỏm cực từ. Φt và từ trường dây quấn bù ngược chiều Φư. Ngoài ra dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù nối tiếp với dòng Iư, đảm bảo khử Φư khi tải thay đổi. "  Ở MF từ thông giảm làm sđđ giảm, dẫn đến điện áp MF giảm "  Ở ĐC từ thông giảm làm mômen giảm và tốc độ thay đổi Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 31 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I. Tổng quan về MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC 4.1 Tia lửa điện trên vành góp và biện pháp khắc phục Khi MĐMC là việc, trong quá trình đổi chiều thường có tia lửa điện trên vành góp. Tia lửa lớn có thể phát triển gần hết chu vi cổ góp, làm tăng tổn hao, gây nhiễu và làm xấu môi trường, làm cháy chổi điện và vành góp. Các nguyên nhân chính gây tia lửa điện là: a. Nguyên nhân cơ khí: Tiếp xúc chổi điện và cổ góp không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than sai quy cách, mòn, chổi rung do bộ phận gá chổi không tốt, lò xo không tốt. b. Nguyên nhân điện từ: Khi roto quay cạnh các phần tử dây quấn MĐMC lần lượt chuyển từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác, ta gọi các phần tử đó là phần tử đổi chiều (hình b). IV. Đổi chiều trong MĐMC Tóm lại trong điều kiện lý tưởng không có sđđ cảm ứng ở phần tử đổi chiều trong suốt khoảng thời gian 0 ≤ t ≤ Tđc (thời gian đổi chiều). Trong thực tế, trong khoảng thời gian đổi chiều có sđđ cảm ứng ở phần tử đổi chiều do các nguyên nhân đã nhắc đến ở trên, cụ thể là: !  Phần tử đổi chiều có các cạnh tác dụng nằm trên đường trung tính hình học, tại đó do phản ứng phần ứng mà từ cảm khe hở B ≠ 0, làm cảm ứng sđđ, ký hiệu eq. !  Phần từ đổi chiều gần đó có từ thông móc vòng hỗ cảm, làm cảm ứng sđđ, ký hiệu eM. !  Phần tử đổi chiều có dòng điện biến thiên làm xuất hiện sđđ tự cảm, ký hiệu eL. 4.1 Tia lửa điện trên vành góp IV. Đổi chiều trong MĐMC 4.2 Biện pháp khắc phục !  Điện từ: "  Đặt cực từ phụ giữa các cực từ chính "  Xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học "  Dùng dây quấn bù triệt tiêu từ trường phần ứng trong phạm vi cực từ chính "  Cải tiến công nghệ !  Cơ: Nội dung Chương 5. Máy điện một chiều 35 II. Quan hệ điện từ trong MĐMC III. Từ trường trong MĐMC IV. Đổi chiều trong MĐMC V. Máy phát và ĐCĐMC I. Tổng quan về MĐMC 5.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập V. Máy phát và ĐCĐMC a. Đặc tính không tải U0= E0= f(It) khi I=0 và n=Const. Nếu kể đến từ dư cực từ thì đường đặc tính không qua gốc tọa độ (đường 1 hình b). Trong thực tế khi khảo sát quá trình làm việc thường lấy đường trung bình làm đường đặc tính không tải (đường 2 hình b). Đường đặc tính không tải cũng chính là đường cong từ hóa của MFMC. 5.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp) V. Máy phát và ĐCĐMC b. Quan hệ dòng diện và điện áp !  Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I: Iư = I !  Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư – IưRư !  Phương trình cân bằng điện áp kích tử: Ut = It(Rt + Rđc) Trong đó: Rư- điện trở dây quấn phần ứng Rt- điện trở dây quấn kích từ Rđc- điện trở điều chỉnh 5.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp) V. Máy phát và ĐCĐMC c. Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh It(I) !  Khi tăng tải, I tăng, Iư tăng theo. Dựa vào phương trình CBĐA ta thấy điện áp U giảm do các nguyên nhân sau đây: "  Iư tăng làm phản ứng phần ứng tăng, làm cho từ thông cực từ Φ giảm, dẫn đến Eư giảm "  Iư tăng làm IưRư tăng Đặc tính ngoài U(I) với tốc độ quay n = const và It = const. Độ giảm điện áp khi tải định mức so với khi không tải khoảng 8÷10% 5.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp) V. Máy phát và ĐCĐMC c. Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh It(I) (tiếp) !  Để điều chỉnh giữ U =const khi thay đổi phụ tải người ta phải điều chỉnh It. Hình vẽ thể hiện quan hệ It(I) để giữ điện áp không đổi khi tốc độ không đổi gọi là đặc tính điều chỉnh !  MF kích từ độc lập có ưu điểm dễ dàng điều chỉnh điện áp, thường dùng cấp điện cho động cơ cán, kéo kim loại, thiết bị tự động tàu thủy, máy bay. Nhược điểm là phải dùng nguồn kích từ độc lập gây tốn kém V. Máy phát và ĐCĐMC 5.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song a. Tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song !  Dòng điện kích từ do sđđ phần ứng cung cấp. Khi roto đứng yên, sđđ phần ứng bằng không, nhưng nếu quay roto, mặc dù ban đầu dòng điện kích từ It=0, nhưng điện máy phát vẫn dần được thành lập, hiện tượng đó gọi là sự tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song. V. Máy phát và ĐCĐMC 5.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song a. Tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song (tiếp) !  Để máy có thể tự thành lập điện áp trước hết phải có từ dư, nếu không có ta phải nạp từ dư. !  Từ thông do dòng It sinh ra phải cùng chiều từ dư, nói cách khác Φdư+Φ1> Φdư. Nếu hai từ thông ngược chiều ta phải nối lai cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng. !  Trong khi sđđ phần ứng tăng, điện áp rơi trên điện trở kích từ ItRt cũng tăng. Điện áp ổn định của máy phát được xác định từ điểm A là giao điểm của đường E(It) và ItRt V. Máy phát và ĐCĐMC 5.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song b. Quan hệ dòng điện và điện áp !  Dòng điện phần ứng Iư = It+ I !  Phương trình cân bằng điện áp : U = Eư – IưRư !  Phương trình cân bằng điện áp kích tử: Ut = It(Rt + Rđc) c. Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh It(I) !  Khi tăng tải, I tăng, Iư và It đều tăng theo. Dựa vào phương trình ta thấy điện áp U giảm do các nguyên nhân sau đây: "  Iư tăng làm phản ứng phần ứng tăng, làm cho từ thông cực từ Φ giảm, dẫn đến Eư giảm. "  Iư tăng làm IưRư tăng. !  Khi điện áp giảm dòng điện kích từ giảm làm giảm sđđ Eư. !  Để điều chỉnh giữ U = const khi thay đổi phụ tải, phải điều chỉnh It. Muốn (xem lại hình vẽ ở mục MFĐMC kích từ độc lập) V. Máy phát và ĐCĐMC 5.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp a. Quan hệ dòng điện và điện áp !  Dòng điện phần ứng Iư : Iư = I = It !  Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư - Iư(Rư+Rt) I Eư U Iư It V. Máy phát và ĐCĐMC 5.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp (tiếp) b. Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh It(I) !  Khi tăng tải, I tăng, Iư tăng theo. Dựa vào PTCBĐA ta thấy điện áp U thay đổi do: "  U giảm do: Iư tăng làm phản ứng phần ứng tăng, làm cho từ thông cực từ Φ giảm, dẫn đến Eư giảm; mặt khác Iư tăng làm Iư(Rư+Rt) tăng "  U tăng do: Iư tăng làm It tăng, làm cho từ thông cực từ Φ tăng, dẫn đến Eư tăng !  Khi I = It còn nhỏ, mạch từ chưa bão hòa, pư/pư làm Φt ↓, điện áp rơi Iư(Rư+Rt) còn nhỏ vì thế U ↓ không đáng kể; trong khi It tăng, vì thế Φt↑ mạnh khiến độ tăng U nhiều hơn độ giảm U !  Khi I = It đủ lớn, mạch từ bão hòa, pư/pư làm Φt ↓, điện áp rơi Iư(Rư+Rt) lại lớn vì thế độ giảm U sẽ lớn; mặc dù It tăng nhưng mạch từ bão hòa, vì thế Φt↑ rất ít. Độ tăng U không đáng kể so với độ U. V. Máy phát và ĐCĐMC 5.4. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp Có hai cách thường dùng: nối thuận, từ trường hai dây quấn cùng chiều và nối ngược, từ trường hai dây quấn ngược chiều nhau Khi nối thuận Từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song. Khi tải tăng, dòng kích từ nối tiếp tăng, từ thông quận kích từ nối tiếp làm từ thông tổng tăng lên, sđđ của máy tăng lên. Đường 1 vẽ đặc tính ngoài MFMC kích từ hỗn hợp nối thuận, khi tải thay đổi điện áp hầu như không thay đổi, đây là ưu điểm nổi bật của loại này. Khi nối ngược Từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song, khi tải tăng điện áp giảm nhiều. Đường 2 vẽ đặc tính ngoài MFMC kích từ hỗn hợp nối ngược, đường đặc tính ngoài dốc nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều. V. Máy phát và ĐCĐMC Ví dụ 5.1: MFMC lúc quay không tải ở tốc độ n0 = 1000 V/ph thì sđđ phát ra E0 = 222 V. Hỏi lúc không tải muốn phát ra sđđ định mức E0đm = 220 V thì tốc độ n0đm phải bằng bao nhiêu, biết rằng dòng điện kích từ không đổi ? Giải Giữ dòng điện kích từ không đổi nghĩa là từ thông không đổi. Áp dụng công thức tính sđđ E = CenΦ ta có: 0 0 0 0dm 0dm 0dm E Φn n = = E Φn n e e C C 0 0 0 0dm E E 2201000 990 / 222 = = =dmn n vg ph Khi đó V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5. Động cơ điện một chiều !  Dựa vào quan hệ giữa dây quấn phần ứng và dây quấn kích từ người ta phân ĐCMC thành bốn loại tương tự như MFMC: !  Một điểm khác trên sơ đồ giữa ĐCMC và MFMC là: "  ĐC kích từ độc lập "  ĐC kích từ song song "  ĐC kích từ nối tiếp "  ĐC kích từ hỗn hợp "  Ở MFMC dòng điện phần ứng Iư cùng chiều sđđ phần ứng Eư. "  Ở ĐCMC dòng điện phần ứng Iư ngược chiều sđđ phần ứng Eư. !  Biểu thức sđđ cảm ứng và biểu thức mômen điện ở ĐCMC và MFMC là giống nhau: pN nΦ= nΦ 60a =u eE C u u pN ΦI = ΦI 2πa =dt MM C V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.1. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp Trên thực tế đặc tính ĐC kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau. khi công suất lớn người ta thường dùng ĐC kích từ độc lập. a. ĐC kích từ song song !  Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I: Iư = I + It !  Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = Eư + IưRư b. ĐC kích từ nối tiếp !  Dòng điện phần ứng Iư : Iư = I = It !  Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = Eư + Iư(Rư+Rt) V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.2. Mở máy !  Xuất phát từ phương trình CBĐA, ta có: −= uu u U EI R !  Bắt đầu mở máy, tốc độ n = 0 do đó sđđ Eư = CenΦ = 0, dòng điện phần ứng mở máy: =u u UI R !  Do Rư rất nhỏ, trừ trường hợp công suất rất nhỏ dòng Iưmở = (20 ÷ 30)Iđm, dòng điện này một mặt làm hỏng chổi than – vành góp mặt khác làm tăng dòng điện mở máy (Imở), ảnh hưởng điện áp của lưới điện. Người ta thường quy định cho phép dòng điện Imở = (1,5 ÷ 2)Iđm. Để giảm Imở người ta sử dụng các biện pháp sau: V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.2. Mở máy (tiếp) a. Mở máy trực tiếp Phương pháp mở máy trực tiếp chỉ được sử dụng với động cơ công suất vài trăm Oát, vì loại này có điện trở Rư tương đối lớn, dòng điện mở máy trực tiếp vào khoảng (4 ÷ 6)Iđm. b. Mở máy dùng biến trở Rm nối tiếp với mạch phần ứng Khi mở máy đặt điện trở Rm ở nấc lớn nhất, ta có: ( ) I= = ++u mo mo tu m UI I R R Muốn Imở ≤ (1,5 ÷ 2)Iđm thì Rm phải thỏa mãn: (1.5 2) ≥ ÷ +m dm t UR I I Khi roto đã quay, dòng Iư đã giảm, từng bước giảm Rm để giảm thời gian mở máy V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.2. Mở máy (tiếp) a. Mở máy bằng phương pháp giảm điện áp PP này chỉ dùng khi ĐC có nguồn cung cấp độc lập có thể điều chỉnh được điện áp cung cấp cho phần ứng, trong khi đó mạch kích từ phải duy trì điện áp bằng Uđm. Đây là phương pháp dùng với động cơ công suất lớn kết hợp dùng nguồn điều chỉnh điện áp để điều chỉnh tốc độ. V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.3. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ ĐCMC KTSS và KTĐL a. Đặc tính cơ !  Đặc tính cơ là quan hệ n(M) khi điện áp U = const, điện trở Rđc = const. do đó Φ ≈ const. u u uE U-I R= Φ Φ = e e n C C (thay Iư từ biểu thức M = CMΦIư, ta có: u 2 R Φ C Φ = − e e M Un M C C !  Thêm điện trở Rđc2 vào mạch phần ứng ta có: u 2 R +R Φ C Φ = − dc e e M Un M C C !  Quan hệ n(M) được vẽ, đường 1 ứng với Rđc=0, đường 2 với Rđc≠0. !  Do điện trở Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức, tốc độ chỉ thay đổi vào khoảng 2 ÷8%. V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.3. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ ĐCMC KTSS và KTĐL (tiếp) b. Điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ Φ≡ It = U/Rt, Nối điện trở Rđc vào mạch kích từ để thay đổi từ thông Φ. Hình vẽ đặc tính cơ ứng với thay đổi điện trở Rđc. Khi tăng Rđc, n0 tăng, các đặc tính đều cắt trục hoành tại điểm (n = 0, Iu = U/Ru ) V. Máy phát và ĐCĐMC b. Điều chỉnh tốc độ (tiếp) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở Rđc trên mạch phần ứng !  Thêm điện trở Rđc vào mạch phần ứng đặc tính cơ được biểu diễn bằng công thức: !  Đường đặc tính cơ sẽ “mềm” hơn, hình vẽ thể hiện đặc tính cơ ứng với thay đổi điện trở Rđc, tăng Rđc tốc độ giảm u 2 R +R Φ C Φ = − dc e e M Un M C C V. Máy phát và ĐCĐMC b. Điều chỉnh tốc độ (tiếp) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U !  Nói chung phương pháp này chỉ sử dụng điều chỉnh giảm tốc độ, vì muốn tăng tốc độ phải tăng điện áp có thể làm động cơ quá áp. Đặc điểm là thay đổi tốc độ, M và Iư không đổi. V. Máy phát và ĐCĐMC a. Đặc tính cơ 5.5.4. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp Iư = I = It. Trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: Φ = kφIư Với kφ là hằng số trong vùng I (0.8-0.9) Iđm thì kφ hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hòa mạch từ Như vậy biểu thức mômen có dạng: M =CMΦIư = CM Φ/ kφ kết hợp với biểu thức u 2 R Φ C Φ = − e e M Un M C C Ta có: uR= −M ee C U n C kC k M φφ Nếu bỏ qua Rư ≡ Un M Hay là 2 2= CM n V. Máy phát và ĐCĐMC a. Đặc tính cơ (tiếp) !  Quan hệ n(M) có dạng hypecpol và được vẽ trên hình vẽ (đường 1), Đường đặc tính mềm, khi mômen tăng tốc độ giảm, khi không tải hoặc non tải tốc độ tăng cao có thể gây hỏng ĐC. !  Tối thiểu tải ĐC kích từ nối tiếp trong khoảng (0,2 ÷ 0,25)Pđm, không cho mở máy không tải hoặc non tải. ĐC kích từ nối tiếp rất thuận lợi cho những tải mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong phạm vi rộng, như đầu máy kéo tải xe điện, metro, cầu trục. Đặc tính cơ ĐCMC kích thích hỗn hợp(1,2),song song (3), nối tiếp (4) V. Máy phát và ĐCĐMC b. Đặc tính điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ Từ thông Φ của ĐC kích từ nối tiếp có thể thay đổi bằng những cách sau: !  Nối sun dây quấn kích từ bằng một điện trở điều chỉnh Rst (hình a) !  Thay đổi số vòng dây của dây quấn kích từ (hình b) !  Nối sun dây quấn phần ứng bằng một điện trở điều chỉnh Rsư (hình c) Hai trường hợp đầu, có thêm điện trở sun làm giảm dòng kích từ, do đó điều chỉnh tăng tốc độ ĐC; trường hợp thứ ba làm tăng dòng kích từ, do đó điều chỉnh giảm tốc độ ĐC. V. Máy phát và ĐCĐMC b. Đặc tính điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở Rđc trên mạch phần ứng Thêm điện trở Rđc vào mạch phần ứng (hình d). Phương pháp này làm tăng tổn hao, giảm hiệu suất động cơ nên ít được sử dụng. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U Phương pháp này chỉ được sử dụng điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức, nhưng ít tổn hao. Thường được dùng trong giao thông. V. Máy phát và ĐCĐMC b. Đặc tính điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở Rđc trên mạch phần ứng 5.5.5. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ hỗn hợp !  Dây quấn kích từ của ĐCMC kích từ hỗn hợp gồm hai phần: !  Dây quấn kích từ song song !  Dây quấn kích từ nối tiếp. !  Cũng như MFMC, có hai cách thường dùng: nối thuận, từ trường hai dây quấn cùng chiều và nối ngược, từ trường hai dây quấn ngược chiều nhau Trong thực tế động cơ kích từ hỗn hợp thường được sử dụng loại nối thuận V. Máy phát và ĐCĐMC Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở Rđc trên mạch phần ứng 5.5.5. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ hỗn hợp !  Đường đặc tính cơ ĐCMC hỗn hợp nối thuận (đường 1) sẽ là trung gian giữa đường đặc tính cơ ĐCMC song song (đường 3) và nối tiếp (đường 4) !  Đường đặc tính cơ ĐCMC hỗn hợp nối ngược (đường 2). Điều chỉnh tốc độ của ĐCMC kích từ hỗn hợp được thực hiện như ĐCMC kích từ song song Đặc tính cơ ĐCMC kích thích hỗn hợp(1,2),song song (3), nối tiếp (4) !  ĐCMC kích từ hỗn hợp được sử dụng trong trường hợp có yêu cầu mômen mở máy lớn, tốc độ thay đổi theo tải trong phạm vi rộng như máy ép, máy cán thép, máy nâng, giao thông vận tải V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Đặc tính làm việc của ĐCMC bao gồm các quan hệ n, M, η = f(Iư) khi U = Uđm. Từ các biểu thức u 2 R Φ C Φ = − e e M Un M C C u 2 R +R Φ C Φ = − dc e e M Un M C C và ta thấy !  Quan hệ n = f(Iư) gần giống các đặc tính cơ, được vẽ trên hình vẽ, trong đó: "  Đường 1 của ĐCMC kích từ song song "  Đường 4 của ĐCMC kích từ nối tiếp "  Đường 2, 3 của ĐCMC kích từ hỗn hợp Đặc tính n(Iư)và M(Iư) của các loại ĐCMC V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Quan hệ M = f(Iư). Từ quan hệ M = CMΦIư ta thấy: !  Ở ĐCMC kích từ song song Φ=Const. nên quan hệ M = f(Iư) là đường thẳng (đường 1). !  Ở ĐCMC kích từ nối tiếp Φ ≡ Iư, do đó M ≡ Iư2 nên quan hệ M = f(Iư) là đường parapol (đường 4). !  Ở ĐCMC kích từ hỗn hợp, có cả dây quần kích từ nối tiếp và song song nên quan hệ M = f(Iư) nằm trung gian (đường 2, 3) Đặc tính n(Iư)và M(Iư) của các loại ĐCMC V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Đặc tính n(Iư)và M(Iư) của các loại ĐCMC !  Đặc tính η = f(Iư) khi U = Uđm có dạng như hình vẽ, ĐCMC thường thiết kế sao cho khi mang tải bằng 0,75 định mức (Iư = 0,75Iưđm) thì hiệu suất cực đại. !  Hiệu suất ĐCMC loại nhỏ thường vào khoảng η = 0,75 ÷ 0,85, hiệu suất ĐCMC trung bình và lớn thường vào khoảng η = 0,85 ÷ 0,95. V. Máy phát và ĐCĐMC 5.5.6. Ưu nhược điểm cơ bản của ĐCMC !  ĐCMC được sử dụng rất sớm, ưu điểm nổi bất của nó là: "  Điều chỉnh tốc độ dễ dàng, tốc độ thay đổi liên tục trong phạm vi rộng "  Mô men mở lớn, khả năng quá tải tốt "  Thích hợp trong hệ thống tự động "  Dùng nguồn một chiều không thông dụng. "  Giá thành đắt. "  Có chổi than và vành đổi chiều dễ gây tia lửa, dễ hỏng, gây nhiễu !  ĐCMC có những nhược điểm sau: Cũng vì nhược điểm trên mà người ta tìm mọi cách nâng cao tính năng của ĐCKĐB để hy vọng nhanh chóng thay thế ĐCĐMC, nhưng do những ưu điểm nổi bật về điều chỉnh tốc độ, mở máy và khẳ năng quá tải, như tác giả I.L Kapulov đã viết “ngày ấy cũng còn lâu” !  It should be noted that: