Bài giảng Máy điện I (cơ sở) - Chương 5: Máy điện 1 chiều

2017 1ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Máy điện Một chiều TS. Trần Tuấn Vũ BM Thiết Bị Điện - Điện Tử Viện Điện / C3-106 vu.trantuan@hust.edu.vn / 0906 298 290 Chương 5 Học phần EE3140 – MÁY ĐIỆN I 2017 2ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tóm tắt Các mục chính đã học buổi trước Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Buổi học này Chương 5 – Máy điện một chiều Các mục sẽ học buổi này 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều 2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 3. Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 4. Từ trường trong máy điện 1 chiều 5. Máy phát điện 1 chiều 6. Động cơ điện 1 chiều 2017 3ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều Động cơ 1 chiều, cán thép, đưa vào sử dụng từ 1915, đại tu 1955, vẫn còn hoạt động 2017 4ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều ĐC 1 chiều, cán thép đưa vào sử dụng 1950: 2500 kN.m @50 vg/ph 2017 5ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều 2017 6ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động MFĐMC Cấp điện cho ĐCMC Cấp dòng MC cho công nghiệp điện phân Cấp dòng kích từ cho MĐĐB ĐCMC Đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt: rộng liên tục Nhược điểm của MĐMC Ít thông dụng Cấu tạo có hệ thống tiếp xúc (vành góp, chổi than) hay gây sự cố Dây quấn phần ứng (rôto) khó chế tạo Giá thành cao. 2017 7ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động a) Phần tĩnh (phần cảm, stato): để sinh ra từ trường. Thành phần chính Cấu tạo Tác dụng Vỏ máy (gông từ ) Thép đúc Dẫn từ Cực từ chính Lõi sắt = thép lá 0,5 - 1 mm Sinh ra từ trườngDây quấn kích từ: - Độc lập - Song song - Nối tiếp - Hỗn hợp Cực từ phụ Lõi sắt = thép đúc Cải thiện đổi chiềuDây quấn kích từ Thành phần Tác dụng b) Phần quay (phần ứng, rôto) Lõi sắt = thép KTĐ Cảm ứng sức điện độngDây quấn phần ứng c) Bộ phận đổi chiều Vành góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng cách điện mica Chỉnh lưu hoặc nghịch lưu Chổi than 2017 8ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Chiều: theo qui tắc bàn tay phải Độ lớn: tde B l v= N Sa b c d +- tde tde d c b a +- a b c d + - d c n b a + - d c n b a + - Φ a b c d +- Máy phát 2017 9ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 9 2017 10ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2017 11ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Dây quấn máy điện 1 chiều 2017 12ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tóm tắt Các mục chính đã học buổi trước Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Buổi học này Chương 5 – Máy điện một chiều Các mục sẽ học buổi này 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều 2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 3. Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 4. Từ trường trong máy điện 1 chiều 5. Máy phát điện 1 chiều 6. Động cơ điện 1 chiều 2017 13ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Các đại lượng định mức/đọc nhãn ĐC 2017 14ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Phân loại MĐMC U Ut MĐMC kích từ độc lập MĐMC kích từ hỗn hợp U MĐMC kích song song U MĐMC kích từ nối tiếp 2017 15ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Quan hệ điện từ trong MĐMC 15 ⊕ • ⊕ • N S n 3.1. Sức điện động phần ứng MĐMC eư = Blv + B: từ cảm trung bình dưới mặt cực + l : chiều dài tác dụng thanh dẫn + v: vận tốc dài của thanh dẫn Dnv 60 pi = + N: tổng số thanh dẫn phần ứng + 2a : số nhánh song song 2a N 2a Eư eưke : không đổi Iư iư v v D B l φ = τ B ur D 2p pi τ = eE = k nφ−ư pNE = n 60a φ −ư NE = e 2a− −ư ư Dn e lD 60l 2p φ pi = pi−ư p e n 30 φ = −ư 2017 16ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Quan hệ điện từ trong MĐMC fđt = Bliư 3.2. Mômen điện từ 3.3. Công suất điện từ Pđt = Mđt .Ω Fđt Fđt DMđt 2 n 60 pi Ii 2a = − −ư ư Ip D a φ = pi −ưIf lD 2al 2p φ = pi − ®t ư đt pNF Nf I Da = = φ pi ®t ®t −ưđ đ DM F 2 = ®t ®tđ đ t mM = k Iφ® −đt ư pN nI 60a = φ −ư pN I 2 a = φ pi −ư tP E I=® − −ư ưđt pNM I 2 a = φ pi ®t −đ ư 2017 17ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Quan hệ điện từ trong MĐMC 3.4. Cân bằng năng lượng trong MĐMC 3.4.1. Máy phát điện ω P ω p ω P đt01 =− - pt (điện): cấp cho mạch kích từ; - pcơ: tổn hao cơ; + p0: tổn hao không tải; + pFe: tổn hao sắt từ; - pư (pCu): tổn hao trên dây quấn phần ứng. *Phương trình cân bằng mômen: → M1 - M0 = Mđt MFĐMC kích từ độc lập: MFĐMC kích từ song song: → I = Iư *Phương trình cân bằng điện áp: Eư.Iư – Rư.Iư2 = U.Iư → U = Eư - Rư.Iư → I = Iư - It 2017 18ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Quan hệ điện từ trong MĐMC 3.4. Cân bằng năng lượng trong MĐMC 3.4.2. Động cơ điện - pt (điện): cấp cho mạch kích từ; - pcơ: tổn hao cơ; + p0: tổn hao không tải; + pFe: tổn hao sắt từ; - pư (pCu): tổn hao trên dây quấn phần ứng. *Phương trình cân bằng mômen: → Mđt - M0 = M2 MFĐMC kích từ độc lập: MFĐMC kích từ song song: → I = Iư *Phương trình cân bằng điện áp: U.Iư - Rư.Iư2 = Eư.Iư → U = Eư + Rư.Iư → I = Iư + It ω P ω p ω P 20đt =− 2017 19ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3. Quan hệ điện từ trong MĐMC Hiệu suất động cơ? 2017 20ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Từ trường trong MĐMC 4.1. Tổng quan Khi không tải : Iư = 0 → Φδ = Φt; Khi có tải : Iư ≠ 0 → Φδ = Φt + Φư; Φδ - từ thông khe hở không khí; Φt - từ thông cực từ (phần cảm, dây quấn kích từ); Φư - từ thông phần ứng; Tác dụng của Φư lên Φt gọi là phản ứng phần ứng. 4.2. Từ trường phần ứng Từ trường phần ứng với giả thiết Φt = 0 2017 21ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Từ trường trong MĐMC 4.2. Từ trường phần ứng Từ trường phần ứng với giả thiết Φt = 0 Trung tính hình học (TTHH): nằm giữa 2 cực từ. Trung tính vật lí (TTVL): đi qua điểm từ cảm B trên bề mặt phần ứng bằng 0. *Nhận xét : •Phản ứng phần ứng làm méo từ trường của cực từ (có tác dụng ngang trục) •Trung tính vật lý lệch khỏi trung tính hình học. •Có 4 khu vực : 2 khu vực được trợ từ (ít) và hai khu vực bị khử từ (mạnh) 2017 22ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Từ trường trong MĐMC 4.3. Từ trường cực từ phụ Tại TTHH, Bδ ≠ 0 là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện làm đổi chiều dòng điện khó khăn,  cần thêm cực từ phụ có Bf nằm trên đường TTHH, ngược chiều với từ trường phần ứng và có biên độ bằng nhau 2017 23ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Từ trường trong MĐMC 4.4. Từ trường trong dây quấn bù Đối với MĐMC làm việc ở chế độ tải thay đổi đột ngột, phản ứng phần ứng làm méo từ trường khe hở không khí → đổi chiều dòng điện khó khăn.  Cần phải làm thêm cuộn cản trên mặt cực từ chính và nối tiếp với dây quấn phần ứng 2017 24ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. Từ trường trong MĐMC 9 nđcnF ⊕ • ⊕ • ⊕⊕⊕⊕ • •• • Biện pháp khắc phục tia lửa điện • Cực từ phụ • Dây quấn bù • Dịch chuyển chổi điện Φư D/q bùD/q cực từ phụ Φf NfSf N⊕ • S⊕ • 2017 25ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 5. Đổi chiều trong MĐMC 5.1. Khái niệm chung Quá trình biến thiên dòng điện trong phần tử dây quấn khi nó đi vào vùng trung tính hình học và bị chổi than nối ngắn mạch gọi là đổi chiều Ví dụ: Phần tử bị đổi chiều 1 (rãnh 1, 5’) 2017 26ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 5. Đổi chiều trong MĐMC 5.2. Quá trình đổi chiều iư : dòng trong phần tử không bị đổi chiều hoặc chưa đổi chiều; Rpt : điện trở của phần tử; Rtx1, Rtx2 : điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến đổi chiều tương ứng. Rd : điện trở dây nối. Giải 3 phương trình trên: Viết phương trình cho nút a, b i + iư - i1 = 0 iư - i - i2 = 0 Rpt.i + (Rd + Rtx1)i1 – (Rd + Rtx2)i2 = Σe i = n u dc R Σe)i T 2t(1 +− (Rn = Rtx1 + Rtx2) 2017 27ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 5. Đổi chiều trong MĐMC 5.3. Các biện pháp cải thiện đổi chiều 5.3.1. Nguyên nhân phát sinh tia lửa điện trên vành đổi chiều a. Nguyên nhân về cơ - Vành góp không đồng trục với Rotor - Một vành góp không nhẵn - Lò xo áp chổi không thích hợp b. Nguyên nhân điện từ - Khi phần tử đổi chiều bị nối ngắn mạch thì sinh ra dòng điện phụ if, tích luỹ một năng lượng từ trường WM = L.if/2 .  Khi đổi chiều xong mạch điện hở, năng lượng này được giải phóng dưới dạng tia lửa điện. 5.3.2. Các biện pháp khắc phục - Cơ : Cải tiến công nghệ - 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 2017 28ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6. Máy phát điện 1 chiều U Rđ/c Ikt n Edư => Ikt1 => φkt Edư Eư Ikt Eư = f(Ikt ) U = f(Ikt ) = Rkt Ikt α αth Edư φkt cùng chiều φdư => Ikt2 > Ikt1. . ĐK thành lập điện áp - Tồn tại φdư - φkt cùng chiều φdư - α < αth - nđc sơ cấp đủ lớn tg α = Rkt = Rđ/c + rkt => Rđ/c < Rth => φ tổng => Eư 6.1. Quá trình thành lập điện áp 2017 29ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6. Máy phát điện 1 chiều 6.2. Đặc tính ngoài: Quan hệ U = f(I) n = const Rkt = const a. Kích từ độc lập U = Eư – Rư Iư Khi I - RưIư - Phản ứng phần ứng  U giảm => từ thông φ tổng giảm U In 0 Điều kiện 2017 30ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6. Máy phát điện 1 chiều b. Kích từ song song U = Eư – Rư Iư Khi I U In 0 U giảm  φ giảm  Eư giảm  U KT // In// KT ĐL - RưIư - Phản ứng phần ứng  φ tổng  Ikt Iư = I + Ikt 2017 31ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 6. Máy phát điện 1 chiều 6.3. Đặc tính điều chỉnh Ikt I0 Quan hệ Ikt = f (I) n = const U = const Đ/k Iđm Iktđm KT // KT ĐL 2017 32ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều 7. 1. Mở máy n = 0 => Eưm = keφn = 0 Uđm = Eưm + Rư Iưm => UI R = ®m −m − Rất nhỏ  Rất lớn Tia lửa mạnh Phải giảm Iưm 2017 33ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều Uđm Rđ/c Ikt Eư = 0 Rf(m) Im Iưm *Phương pháp mở máy a. Nối tiếp Rf với Rư f UI R R = + ®m −m − Rf = ? để Im ≤ (2 ÷ 2,5 ) Iđm Im = Iưm • KT độc lập: • KT song song: Im = Iưm + Ikt b. Giảm điện áp phần ứng
Bộ điều chỉnh điện áp 2017 34ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều 7.2. Đặc tính cơ: n = f(M) U = Eư + Rư Iư Eư = U - Rư Iư Eư = ke φ n e e U R I n k k = −φ φ ®m − − => M = kmφ Iư * Động cơ kích từ song song và độc lập 2 e e m U R n M k k k = −φ φ ®m − => n M nđm Mđm noKhi U và φ = const o e U = const = n k φ ®m 2 e m R const b k k = =φ − n = no- bM KT // & ĐL 2017 35ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều 2 e e m U R n M k k k = −φ φ ®m −7. 3. Điều chỉnh tốc độ a. Thay đổi Rf nối tiếp mạch phần ứng có Rf độ dốc f2 e m R Rb k k + = φ − o e U n k = φ ®m = const n M no 1 Mđm 2 3 Rf3 > Rf2 > Rf1 = 0 * Đặc điểmĐặc tính tự nhiên - Điều chỉnh trơn - Phạm vi tương đối rộng - Vùng nđc < nđm : dưới định mức - Độ cứng đặc tính cơ giảm - Tổn hao trên Rf U Rđ/c Ikt Rf(m) Im Iưm 2017 36ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều 2 e e m U R n M k k k = −φ φ ®m −b. Giảm điện áp phần ứng U giảm U độ dốc 2 e m Rb k k = φ − o e U n k = φ = const n M no 1 Mđm U3 < U2 < U1 = Uđm * Đặc điểm Đặc tính tự nhiên - Điều chỉnh trơn - Dải điều chỉnh rộng - Vùng nđc < nđm - Độ cứng đặc tính cơ không thay đổi - Cần nguồn 1 chiều thay đổi được U 2 3 • Tổ MF – ĐC • Bộ chỉnh lưu có điều khiển  Được sử dụng rộng rãi nhất 2017 37ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7. Động cơ điện 1 chiều 2 e e m U R n M k k k = −φ φ ®m −c. Thay đổi φ giảm φ độ dốc 2 e m Rb k k = φ − o e U n k = φ no 1 Mđm φ 3 < φ 2 < φ 1 = φ đm * Đặc điểm - Điều chỉnh trơn, phạm vi tương đối rộng - Vùng nđc > nđm - Độ cứng đặc tính cơ có thay đổi - Tổn hao ít, hiệu suất cao (Pkt << Pđc) 3 2 n M Đặc tính tự nhiên Khi Mc = Mđm = const Mđ/c = km φ Iư = const => Tia lửa mạnh hạn chế /cn 2 n ≤® ®m Rung, hỏng trục động cơ => n Khi φ 2017 38ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU So sánh ĐC 1 chiều vs KĐB - Ưu điểm: khả năng điều chỉnh tốc độ tốt - Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, giá cao, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn, cần nguồn 1 chiều Ví dụ : Động cơ 1 chiều KT// có : Pđm = 15 kW; Uđm = 220 V; Rư = 0,35 Ω ; Rkt =100 Ω; ηđm = 0,88; nđm= 1300 vg/ph 1. Tìm Rf nối tiếp mạch rotor để Im ≤ 2,5 Iđm 2. Cho đ/c làm việc ở chế độ máy phát với Pđm = 16 kW; Uđm = 230V; biết Ikt = const. Tìm nđm ở chế độ máy phát 2017 39ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Ví dụ f 220 220 2,5.77,5 0,35 R 100 + ≤ + PI U = η®m ®m ®m ®m 315.10 0,88.220 = = => f 220R 0,35 2,5.77,5 2, 2 ≥ − − 77,5 A = 0,8 Ω Giải : 1. Tìm Rf nối tiếp mạch Rotor để Im ≤ 2,5 Iđm m f kt U UI 2,5I R R R = + ≤ + ®m ®m ®m − Im= Iưm + I kt => Từ Eư = ke φ n => 2. Tìm nđm ở chế độ máy phát =>e e E k n E k n φ = φ −®mF ®mF ®mF −®m ®m ®m§ § § E n n E = −®mF ®mF ®m ®m § § 2017 40ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Ví dụ PI U = ®mF ®mF ®mF 316.10 230 = EưđmF = UđmF+ RưIưđmF IưđmF = IđmF + Ikt = 69,6 +2,2 = 71,8 A = 69,6 A EưđmF = 230 + 0,35.71,8 = 255,13 V n 1300 193,6 = ®mF 255,13 = 1713 vg/ph EưđmĐ = UđmĐ - RưIưđmĐ = 220 - 0,35.(77,5-2,2) = 193,6 IưđmF = IđmF + Ikt 2017 41ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 5 – MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Tổng kết Các mục chính đã học buổi hôm nay Chương 5 – Máy điện Một chiều 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều 2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 3. Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 4. Từ trường trong máy điện 1 chiều 5. Máy phát điện 1 chiều 6. Động cơ điện 1 chiều Buổi học tới The END Các mục sẽ học buổi tới