Tập bài giảng Khí cụ điện và máy điện

và rôto (A), hệ số công suất, tốc độ quay (vòng/phút), cấp cách điện 6.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 1) Cấu tạo Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và rôto (hình 6.1). Hình 6.1 Mặt cắt ngang trục máy 1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Lõi thép rôto; 4. Dây quấn rôto a) Stato Stato của máy điện đồng bộ giống stato của máy điện không đồng bộ, bao gồm lõi thép, thân máy và nắp máy. Lõi thép được ép bằng các lá thép kỹ thuật điện, mặt trong được xẻ rãnh để đặt dây quấn và gọi là dây quấn phần ứng. b) Rôto Rôto của máy điện đồng bộ thường làm bằng thép hợp kim hoặc thép đúc và được gia công thành các cực từ. Tại các cực từ có đặt các dây quấn kích từ một chiều để tạo ra từ trường cho máy. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng có cách điện tốt và được cố định chặt trong rãnh. Hai đầu dây của nó được luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục. Nguồn điện kích từ sẽ được đưa vào dây quấn rôto thông qua hai chổi điện tì lên hai vành trượt đó. Ở các máy nhỏ thì rôto là nam châm vĩnh cửu. Hình 6.2 Lá thép rôto cực ẩn Hình 6.3 Lá thép rôto cực lồi 156 Rôto có 2 loại: kiểu cực ẩn và kiểu cực lồi. Kiểu rôto cực ẩn (hình 6.2) có rãnh rôto được gia công phay, thích hợp với tốc độ quay cao 3000 vòng/phút (số cực 2p = 2). Kiểu rôto cực lồi (hình 6.3) có các cực từ được chế tạo riêng và được cố định trên lõi thép bằng các bulông xuyên, thích hợp với tốc độ quay thấp (khoảng trên 200 vòng/phút với máy có trục nằm ngang và thấp hơn khi trục máy đặt thẳng đứng). Trên rôto, ngoài dây quấn kích từ còn có thêm dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trong động cơ đồng bộ) đặt ở đầu cực. 2) Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ a) Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ Dùng động cơ sơ cấp quay rôto với tốc độ n (vòng/phút), đồng thời cấp nguồn điện kích từ một chiều vào dây quấn kích từ thì từ trường do dòng điện trong dây quấn này sinh ra (có phương không đổi với rôto) cũng sẽ quay với tốc độ n. Do đó từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động hình sin trong dây quấn này, có trị số hiệu dụng: E0 = 4,44fwmkdq (6.1) Trong đó: E0, f, w, m, kdq lần lượt là s.đ.đ pha, tần số, số vòng dây, từ thông cực từ rôto và hệ số dây quấn stato. Nếu rôto có p đôi cực thì khi rôto quay được 1 vòng thì s.đ.đ phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó tần số s.đ.đ stato sẽ bằng: f = 60 pn (Hz) (6.2) Ở máy phát xoay chiều 3 pha, do dây quấn stato 3 pha cũng có p đôi cực và có trục lệch nhau 1200 điện trong không gian nên các s.đ.đ pha cũng lệch nhau góc pha 1200. Khi dây quấn stato nối với tải thì trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha lệch nhau góc pha 1200. Do đó, hệ thống dòng điện 3 pha này sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p (vòng/phút), đúng bằng tốc độ n của rôto. Chính vì đặc điểm này mà loại máy này được gọi là máy điện đồng bộ. b) Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ Cấp nguồn điện xoay chiều vào dây quấn stato và nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ rôto. Khi đó, từ trường stato sẽ quay với tốc độ n1, nếu rôto quay với tốc độ n  n1 thì sự tương tác giữa từ trường stato với từ trường kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ (mômen đồng bộ) kéo rôto quay đồng bộ với từ trường stato. Việc quay rôto đến tốc độ xấp xỉ tốc độ từ trường có thể thực hiện bằng một động cơ sơ cấp hoặc dùng dây quấn mở máy đặt ở stato. 157 c) Nguyên lý làm việc của máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải. Bằng việc điều chỉnh dòng điện kích từ mà máy bù đồng bộ có thể thu vào hay phát ra công suất phản kháng lên lưới điện có nghĩa là nó có thể tham gia vào việc ổn định điện áp và hệ số công suất của lưới. 6.1.3. Từ trường trong máy điện đồng bộ Khi máy phát điện làm việc không tải (I = 0), từ trường trong máy chỉ là từ trường kích thích rôto t cắt dây quấn stato và cảm ứng trên dây quấn stato s.đ.đ không tải E0 chậm pha góc 900 so với t. Khi máy phát làm việc có tải (I ≠ 0) thì trong dòng điện trong dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường phần ứng ư quay đồng bộ với t. Tác dụng của ư đối với t gọi là phản ứng phần ứng. Tính chất của phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải. Hình 6.4 Từ trường trong máy điện đồng bộ Khi máy phát làm việc có tải (I ≠ 0) thì trong dòng điện trong dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường phần ứng ư quay đồng bộ với t. Tác dụng của ư đối với t gọi là phản ứng phần ứng. Tính chất của phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải. Xét trường hợp đơn giản, máy phát đồng bộ 3 pha, mỗi pha có một vòng dây và số cực 2p = 2. 1) Tải thuần trở Giả sử vị trí của rôto nằm đối diện với dây quấn pha A thì chiều của các dòng điện pha A-X, B-Y và C-Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 6.5). Vì từ thông t xuyên qua pha A vượt trước s.đ.đ cảm ứng trong pha đó góc 900 nên khi s.đ.đ đạt cực đại thì cực từ đã quay được góc 900. Mặt khác khi tải thuần trở thì dòng điện ba pha trùng pha (góc  = 00) với các sức điện động cảm ứng tương ứng nên từ trường phần ứng ư sẽ nằm thẳng góc với từ trường kích thích. Do đó phản ứng phần ứng là ngang trục có tác dụng làm méo từ trường kích thích. Coi dòng điện và s.đ.đ cảm ứng có dạng hình sin thì đồ thị véctơ s.đ.đ cũng như vị trí của từ trường kích thích và từ trường phần ứng khi tải thuần trở như hình 6.6. 2) Tải thuần cảm S.đ.đ E vượt trước dòng điện góc  = 900 nên khi dòng điện pha A đạt cực đại thì cực từ đã quay thêm góc 900 so với trường hợp tải thuần trở. 158 Hình 6.5 Chiều dòng điện stato khi tải thuần trở Hình 6.6 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần trở Do đó, ư và t cùng phương nhưng ngược chiều. Phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ có tác dụng làm yếu từ trường cực từ. Vị trí không gian của từ trường cực từ và từ trường phần ứng như hình 6.7, sơ đồ véctơ s.đ.đ hình 6.8. Hình 6.7 Chiều dòng điện stato khi tải thuần cảm Hình 6.8 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần cảm 3) Tải thuần dung S.đ.đ chậm sau dòng điện góc  = +900 nên khi dòng điện pha A đại cực đại thì cực từ phải quay thêm một góc 900 nữa mới tới vị trí của nó như trường hợp tải thuần trở. Do đó từ trường phần ứng và từ trường cực từ trùng pha nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng từ trường cực từ (hình 6.9 và 6.10). 4) Tải hỗn hợp Ta có thể phân tích từ trường phần ứng thành 2 phần: Từ trường dọc trục: ưd = ưsin và từ trường ngang trục: ưq = ưcos. Khi tải điện cảm (0 <  < 900) phản ứng phần ứng là ngang trục khử từ (hình 6.11). Khi tải điện dung (0 >  > -900) phản ứng phần ứng là ngang trục trợ từ. 159 Hình 6.9 Chiều dòng điện stato khi tải thuần dung Hình 6.10 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần dung Hình 6.11 Chiều dòng điện stato khi bất kỳ Hình 6.12 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải bất kỳ 6.2. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 6.2.1. Phương trình cân bằng của máy phát điện đồng bộ 1) Máy phát đồng bộ cực lồi Ta biết rằng khi không tải thì từ thông cực từ 0 sinh ra s.đ.đ không tải E0. Khi máy điện có tải thì sẽ dòng điện I qua tải và điện áp U đặt trên tải. Đồng thời cũng làm xuất hiện phản ứng phần ứng. Mặt khác, do cấu tạo của máy cực lồi mà khe hở không khí theo hướng dọc và ngang trục cực từ là khác nhau nên ta phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hai hướng này. Từ trường phần ứng ngang trục ưq sinh ra s.đ.đ cảm ứng ngang trục: uqquq XIjE   (6.3) Từ trường phần ứng dọc trục sinh ra s.đ.đ cảm ứng dọc trục: uddud XIjE   (6.4) Từ trường tản của dây quấn stato sinh ra s.đ.đ tản không phụ thuộc vào hướng ngang trục hay dọc trục: 160 tdtqtt XIjXIjXIjE   (6.5) Trong các biểu thức trên thì Xưq, Xưd, Xt lần lượt là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục, dọc trục và điện kháng tản. Thực tế, các máy phát điện cực lồi có điện trở dây quấn phần ứng rất nhỏ so với các điện kháng nên có thể bỏ qua điện áp rơi trên nó. Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện cực lồi sẽ là: qqdd0tudqtudd0 tdtqudduqq0tuduq0 XIjXIjE)X(XIj)X(XIjE XIjXIjXIXIjEEEEEU     (6.6) Trong đó: Xd = Xưd + Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục Xq = Xưq+Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục Từ phương trình trên ta thấy góc lệch pha  giữa điện áp U và s.đ.đ E0 do tải quyết định. Hình 6.13 Đồ thị véctơ máy phát điện đồng bộ a. Máy cực lồi; b. Máy cực ẩn 2) Máy phát đồng bộ cực ẩn Do kết cấu của máy điện đồng bộ cực ẩn mà điện kháng dọc trục và ngang trục giống nhau Xd = Xq = Xđb gọi là điện kháng đồng bộ. Khi đó phương trình cân bằng điện áp sẽ có dạng đơn giản (bỏ qua điện trở phần ứng) : db0 XIjEU   (6.7) 6.2.2. Phương trình cân bằng của động cơ điện đồng bộ Khi chuyển sang làm việc ở chế độ động cơ máy lấy công suất tác dụng từ lưới điện để biến thành cơ năng trên rôto. Mặt khác, do cấu tạo của động cơ đồng bộ thường là rôto kiểu cực lồi nên phương trình cân bằng điện áp của nó sẽ là: a) b) 161 qqdd0 XIjXIjEU   (6.8) Hình 6.14 Đồ thị véctơ động cơ đồng bộ a. Khi thiếu kích từ; b. Khi quá kích từ 6.3. Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ 6.3.1. Công suất tác dụng Công suất tác dụng máy phát cung cấp cho tải là: P = mUIcos (6.9) Trong đó: m là số pha stato U, I là điện áp, dòng điện pha Dễ thấy:  =  -  nên: P = mUIcos( - ) = mUI(coscos+sinsin) = mU(Iqcos + Idsin) (6.10) Mặt khác, đối với máy phát điện cực lồi thì theo đồ thị véctơ ta có: d 0 d X UcosθE I   và q q X Usinθ I  Thay vào công thức 6.10 và sau một vài bước biến đổi đơn giản ta được: pc dq 2 d 0 PPsin2θ X 1 X 1 2 U msinθ X E mUP           (6.11) Khi bỏ qua các tổn hao trong dây quấn và trong mạch từ stato thì đó cũng là biểu thức của công suất điện từ Pđt. Từ biểu thức trên ta nhận thấy công suất điện từ gồm 2 thành phần: Thành phần sinθ X E mUP d 0 c  do dòng điện kích thích gây nên và là thành phần công suất chính của máy. a) b) 162 Thành phần sin2θ X 1 X 1 2 U mP dq 2 p          không phụ thuộc vào dòng kích từ và chỉ xuất hiện khi Xd ≠ Xq. Đây là thành phần công suất phụ nhỏ hơn nhiều Pc (chỉ chiếm khoảng 20% công suất điện từ tổng). Ở máy đồng bộ cực ẩn thì thành phần Pp = 0 (vì Xd = Xq) nên biểu thức công suất điện từ của máy đồng bộ cực ẩn đơn giản hơn: sinθ X E mUP d 0 (6.12) Như vậy, trong máy đồng bộ cực lồi thì khi (mất hoặc không có) kích từ (tức là Pc = 0) thì máy vẫn phát ra công suất điện từ P = Pp ≠ 0 rất nhỏ. Chính vì đặc điểm này mà người ta chế tạo ra các động cơ đồng bộ cực lồi công suất nhỏ không cần dây quấn kích từ và gọi là động cơ điện phản kháng. Hình 6.15 Đường đặc tính góc – công suất tác dụng máy điện đồng bộ Khi ta giữ kích từ không đổi và điện áp U của máy phát không đổi thì biểu thức toán học của công suất là hàm số theo góc tải . Đặc tính mô tả quan hệ giữa công suất điện từ và góc tải gọi là đặc tính góc - công suất tác dụng P = P() (hình 6.15). Máy phát làm việc ổn định khi  nằm trong khoảng (00 ÷ 900) và khi tải định mức thì  = 200 ÷ 300. Muốn điều chỉnh công suất tác dụng ta phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp (tuabin). Biểu thức 6.13 được gọi là công suất chỉnh bộ đặc trưng cho khả năng giữ cho máy làm việc đồng bộ với lưới điện.   2cos 11 cos 20          dqd cb XX mU X mUE d dP P (6.13) 6.3.2. Công suất phản kháng Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ là: 163 Q = mUIsin (6.14) Biến đổi tương tự như biểu thức của công suất tác dụng ta được:                   qd 2 dq 2 d 0 X 1 X 1 2 mU cos2θ X 1 X 1 2 mU cosθ X mUE Q (6.15) Khi  có trị số dương hay âm thì biểu thức của Q không thay đổi nên ở chế độ máy phát hay động cơ thì đặc tính góc – công suất phản kháng Q = Q() cũng giống nhau và có dạng như hình 6.16. Trong phạm vi (-’; +’) thì máy phát công suất phản kháng vào lưới điện (Q > 0). Ngoài phạm vi trên máy sẽ tiêu thụ công suất phản kháng (Q < 0). Để điều chỉnh công suất phản kháng (khi giữ nguyên U, f và P) thì ta điều chỉnh dòng điện kích từ. Khi Q > 0 máy quá kích từ và khi Q < 0 thì máy thiếu kích từ. Hình 6.16 Đường đặc tính góc – công suất phản kháng 6.4. Máy phát điện đồng bộ 6.4.1. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ Hình 6.17 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính máy phát đồng bộ Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ là cơ sở để suy ra được các tính chất quan trọng cũng như quy luật làm việc của máy phát điện. Thông thường các đặc tính được thành lập bằng thí nghiệm trực tiếp. Sơ đồ nối dây để làm thí nghiệm như hình 6.17. Trong đó tải Z có thể biến đổi được, dòng kích từ it được lấy từ nguồn bên ngoài và được điều chỉnh nhờ biến trở rt. 164 1) Đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ Đặc tính ngoài là đặc tính mô tả quan hệ điện áp U trên cực của máy phát với dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cost = const), tần số f = fđm và dòng điện kích từ không đổi (it = const). Đặc tính này cho thấy lúc giữ kích từ không đổi thì điện áp của máy phát thay đổi thế nào theo tải. Hình 6.18 Đặc tính ngoài máy phát đồng bộ Hình 6.19 Đặc tính điều chỉnh máy phát đồng bộ Từ đồ thị ta thấy dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào trị số và tính chất của tải. Với tải thuần trở (cos = 1), khi tải tăng thì điện áp rơi trên dây quấn của máy tăng nên điện áp giảm, đường đặc tính đi xuống. Với tải điện cảm, khi tải tăng do phản ứng phần ứng khử từ làm từ thông giảm nên đặc tính dốc hơn so với khi tải thuần trở. Ngược lại, với tải điện dung thì phản ứng phần ứng là trợ từ nên đường đặc tính đi lên khi tải tăng (hình 6.18). Độ thay đổi điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải khi giữ nguyên dòng kích từ và tính chất tải. 100.100.% 00 dm dm dm dm U UE U UU U     (6.16) Trị số của U% có thể đạt đến vài chục phần trăm do trị số điện kháng đồng bộ của máy phát khá lớn. 2) Đặc tính điều chỉnh Đường đặc tính điều chỉnh biểu diễn quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp U = Uđm, cos = const, f = fđm. Ta thấy rằng, với tải thuần trở thì khi tải tăng điện áp đầu cực giảm nên để giữ nguyên điện áp ta phải tăng dòng kích từ, đường đặc tính đi lên. Với tải điện cảm thì đường đặc tính còn dốc hơn do phản ứng phần ứng là khử từ. Còn với tải điện dung thì đặc tính lại đi xuống, tức là phải giảm kích từ khi tải tăng vì phản ứng phần ứng là trợ từ. Phần lớn các máy phát đồng bộ đều có bộ tự động điều chỉnh dòng kích từ để giữ cho điện áp đầu ra của máy không đổi (hình 6.19). 165 6.4.2. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song Mỗi nhà máy phát điện thường gồm một số tổ máy phát điện làm việc song song vì không thể chế tạo một máy phát có công suất quá lớn và nếu chỉ dùng một máy phát thì rất lãng phí khi tải nhỏ. Mặt khác, trong hệ thống điện thường gồm rất nhiều các nhà máy phát điện để giảm bớt chi phí lắp đặt, sửa chữa, đảm bảo cấp điện liên tục và sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng quốc gia. Đồng thời, chất lượng cấp điện (về điện áp và tần số) cũng có thể được giữ rất ổn định trên lưới điện khi tải thay đổi. Việc ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song với hệ thống điện hoặc với một máy phát điện đồng bộ khác gọi là hòa đồng bộ. Để hòa đồng bộ an toàn cho thiết bị và không gây rối loạn hệ thống điện thì trị số tức thời của điện áp máy phát điện và của lưới điện phải luôn bằng nhau, tức là phải đảm bảo các điều kiện sau: - Trị số điện áp của máy phát phải bằng điện áp lưới UF = UL. - Tần số của máy phát phải bằng tần số lưới fF = fL. - Thứ tự pha của máy phát và của lưới giống nhau. - Điện áp của máy phát và của lưới trùng pha nhau. Nếu không đảm bảo một trong các điều kiện trên sẽ làm xuất hiện dòng điện có trị số lớn chạy quẩn trong máy làm hỏng máy và gây loạn hệ thống điện. Điện áp của máy phát được điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy. Tần số của máy phát được điều chỉnh bằng cách thay đổi mômen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp. Sự trùng pha được kiểm tra bằng đèn, vônmét có chỉ số không hoặc dùng dụng cụ đo đồng bộ. Thứ tự pha thì được kiểm tra một lần khi lắp máy và hòa lần đầu. Khi hòa đồng bộ mà đảm bảo cả bốn điều kiện trên thì gọi là hòa đồng bộ chính xác. Nếu công suất của máy phát không lớn thì có thể hòa đồng bộ bằng phương pháp tự đồng bộ (không cần kiểm tra tần số, trị số và góc pha của điện áp). Lúc đầu, đây quấn kích từ không đóng vào nguồn kích từ mà được nối kín mạch qua một điện trở phóng điện. Rôto được quay đến tốc độ gần tốc độ đồng bộ rồi cứ thế đóng máy phát vào lưới điện và cuối cùng mới đóng nguồn điện kích từ vào dây quấn kích từ. 166 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Câu hỏi 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 2. Phân tích phản ứng phần ứng với các tải khác nhau của máy phát đồng bộ 3. Viết các phương trình cân bằng và vẽ đồ thị véctơ của máy phát và động cơ đồng bộ 4. Công suất điện từ trong máy phát điện đồng bộ 5. Nguyên lý làm việc, cách mở máy và điều chỉnh cos của động cơ đồng bộ Bài tập giải sẵn Bài tập 6.1 Máy điện đồng bộ ba pha cực ẩn, dây quấn stato đấu Y, có điện áp không tải Ud0 = 398,4V. Khi dòng điện tải I = 6A, cos = 0,8 (điện cảm) thì điện áp tải Ud = 380V. Thông số dây quấn stato R = 0, điện kháng tản Xt = 0,2. Tính s.đ.đ pha của máy phát khi không tải. Tính điện kháng đồng bộ và điện kháng phần ứng. Bài giải: Vì dây quấn stato đấu Y nên s.đ.đ pha khi không tải E0 bằng: E0= Ud0 √3 = 398,4 √3 =230V Đặt: U̇ = U∠00 = 380 √3 ∠00 = 220∠00(𝑉) Tải điện cảm có cos = 0,8 nên dòng điện chậm sau điện áp góc  = -36,870 İ = I∠−𝜑0 = 6∠−36,870(𝐴) = 4,8 − 𝑗3,6(𝐴) Theo phương trình cân bằng điện áp máy phát đồng bộ cực ẩn với Rư = 0 ta có: �̇� = �̇�0 − 𝑗𝐼�̇�đ𝑏 ⇒ �̇�0 = �̇� + 𝑗𝐼�̇�đ𝑏 = 220 + 𝑗(4,8 − 𝑗3,6). 𝑋đ𝑏 ⇒ �̇�0 = (220 + 3,6. 𝑋đ𝑏) + 𝑗4,8. 𝑋đ𝑏 ⇒ 𝐸0 2 = 2302 = (220 + 3,6. 𝑋đ𝑏) 2 + (4,8. 𝑋đ𝑏) 2 ⇒ 𝑋đ𝑏 = 2,68(Ω) Điện kháng phần ứng Xư = Xđb – Xt = 2,68 – 0,2 = 2,48() Chú ý: Ta cũng có thể giải bằng phương pháp véctơ khi máy phát đồng bộ cực ẩn làm việc với tải điện cảm. 167 Từ đồ thị véctơ ta có: AB = AH – BH = √𝑂𝐴2 − 𝑂𝐻2 − 𝑂𝐵. 𝑠𝑖𝑛𝜑 ⇒ 𝐼𝑋𝑑𝑏 = √𝐸0 2 − (𝑈𝑐𝑜𝑠𝜑)2 − 𝑈𝑠𝑖𝑛𝜑 ⇒ 𝑋đ𝑏 = 2,68(Ω) Bài tập 6.2 Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn có Sđm = 1500kVA, Uđm = 6600V; cosđm = 0,8 (chậm sau); dây quấn stato đấu Y, điện trở dây quấn stato R = 0,45; điện kháng đồng bộ Xđb = 6. a. Khi tải định mức hãy tính dòng điện tải, công suất tác dụng và phản kháng của tải. b. Nếu cắt tải nhưng vẫn giữ nguyên dòng điện kích từ như trên thì điện áp đầu cực của máy phát bằng bao nhiêu? Bài giải a. Dòng điện định mức của tải: Iđm = Sđm √3Uđm = 1500.103 √3.6000 = 131,2A Công suất tác dụng của tải: Pđm = √3UđmIđmcosφđm = Sdmcosφđm = 1200kW Công suất phản kháng của tải: Qđm = Sđmsinφđm= 900kVAr b. Khi cắt tải mà vẫn giữ nguyên kích từ thì điện áp pha đầu cực của máy chính là s.đ.đ không tải E0. Theo phương trình cân bằng điện áp của máy phát đồng bộ cực ẩn có tính đến điện trở dây quấn stato ta có: Ė0 = U̇𝑓 + İR + jİXđb Đặt: �̇�𝑓 = 𝑈𝑓∠0 0 = 6600 √3 ∠00 = 3810∠00 𝑉 İ = I∠−𝜑0 = 131,2∠−36,870(𝐴) = 104,96 − 𝑗78,72 (𝐴) �̇�0 = 3810 + (104,96 − 𝑗78,72). 0,45 + 𝑗(104,96 − 𝑗78,72). 6 = 4329,55 + 𝑗594,34 (𝑉) = 4370∠7,80 (𝑉) Điện áp dây đầu cực máy phát là: 𝑈0 = √3𝐸0 = √3. 4370 = 7569 (𝑉) 168 Cách khác: Dùng đồ thì véctơ 𝐸0 = 𝑂𝐴 = √𝑂𝐻2 + 𝐻𝐴2 = √(𝑂𝐶 + 𝐶𝐻)2 + (𝐻𝐵 + 𝐵𝐴)2 = √(𝑈𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝐼𝑅)2 + (𝑈𝑠𝑖𝑛𝜑 + 𝐼𝑋đ𝑏)2 = 4370 𝑉 BÀI TẬP TỰ GIẢI Bài tập 6.3 Một máy phát điện đồng bộ 3 pha cực ẩn dây quấn stato đấu Y, dòng điện tải I = 250A; cos = 0,85; Ud = 6,3kV; Ed = 6,65kV. Bỏ qua điện trở dây stato. Hãy tính: a) Điện kháng đồng bộ Xđb. b) Góc lệch pha  giữa s.đ.đ và điện áp pha của máy. Đáp số: a) Xđb = 1,36; b)  = 4,50 Bài tập 6.4 Cho một máy phát điện đồng bộ cực lồi Pđm = 8750kW; Uđm = 11kV; dây quấn stato đấu Y; điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục của một pha Xd = 17; Xq = 9; R = 0; làm việc ở tải định mức với cosđm = 0,8. Hãy tính s.đ.đ E0 và góc tải . Đáp số: E0 = 12,51kV;  = 20,50 Bài tập 6.5 Hai máy phát điện đồng bộ làm việc song song cùng cung cấp cho hai tải: Tải 1 có St1 = 5000kVA, cost1 = 0,8; tải 2 có St2 = 3000kVA, cost2 = 1. Máy phát thứ nhất phát ra công suất S1 = (4000 + j2500)kVA. Tính công suất của máy phát thứ hai và hệ số công suất phát của mỗi máy. Đáp số: S2 = (3000 + j500) kVA; cos1 = 0,848; cos2 = 0,986 Bài tập 6.6 Một động cơ điện đồng bộ 3 pha cực ẩn dây quấn đấu Y, điện áp đặt vào động cơ là U = 11kV, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng là I = 60A, điện trở một pha của dây quấn phần ứng là R = 1, điện kháng đồng bộ Xđb = 10. Xác định công suất tác dụng mà lưới cung cấp cho động cơ và s.đ.đ pha khi cos = 0,8 (chậm sau). Đáp số: P1 = 913,4kW; E0 = 5,97kV 169 Bài tập 6.7* Một nhà máy tiêu thụ công suất điện P1 = 700kW với cos = 0,7. Khi mở rộng sản xuất nhà máy có thêm một tải cơ với công suất cơ Pt = 100kW. Để kéo được tải cơ này và kết hợp nâng cao hệ số công suất của nhà máy người ta sử dụng một động cơ đồng bộ có hiệu suất  = 0,88. Xác định công suất biểu kiến của động cơ đồng bộ trên để nâng cao hệ số công suất của nhà máy đạt 0,8. Đáp số: Sđm = 154kVA 170 CHƯƠNG 7 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.1. Đại cương về máy điện một chiều Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều ngày càng thể hiện vai trò quan trọng không thể thay thế, đặc biệt là động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có mômen mở máy lớn, đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều. Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện cho động cơ điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy điện đồng bộ, trong thiết bị điện hóa, hàn điện chất lượng cao. Nhược điểm lớn nhất của máy điện một chiều là cần phải có cổ góp điện làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ. Động cơ một chiều cần có nguồn điện một chiều đi kèm (bộ chỉnh lưu hay máy phát một chiều). 7.1.1. Cấu tạo, phân loại và các đại lượng định mức 1) Cấu tạo Kết cấu của máy điện bao gồm những bộ phận chính sau: Stato, rôto và cổ góp a) Stato Stato còn được gọi là phần tĩnh hay phần cảm, gồm những bộ phận chính sau: + Cực từ chính Đây là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ chính và dây quấn kích từ. Lõi sắt làm bằng thép cácbon hoặc thép kỹ thuật điện mỏng (0,5 dến 1mm) ghép chặt bằng đinh tán. Dây quấn kích từ bằng đồng có bọc cách điện được quấn thành một khối trên khung nhựa cách điện tốt, rồi lồng vào các cực từ. Các cuộn kích từ được đấu nối tiếp với nhau. Hình 7.1 Cực từ chính 1. Đinh tán; 2. Lõi thép; 3. Dây quấn; 4. Khung nhựa; 5. Gông từ; 6. Bulông Hình 7.2 Cực từ phụ 1. Lõi thép; 2. Dây quấn 171 + Cực từ phụ Các cực từ được đặt xen giữa các cực từ chính có cấu tạo tương tự như cực từ chính nhưng có khe hở với rôto lớn hơn so với khe hở của cực từ chính với rôto. Cực từ phụ dùng để cải thiện đổi chiều. + Gông từ Gông từ dùng để nối liền các cực từ và cũng là vỏ máy. Vỏ máy thường làm bằng thép kết cấu hoặc thép đúc. + Các bộ phận khác - Nắp máy: Để bảo vệ máy không bị các vật ngoài lọt vào trong làm hư hỏng dây quấn. Nắp máy thường làm bằng gang. Trong các máy nhỏ và vừa thì nắp máy còn làm giá đỡ ổ bi. - Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngoài hoặc ngược lại. Hình 7.3 Cơ cấu chổi than 1. Hộp chổi than; 2. Chổi than; 3. Lò xo ép; 4. Dây cáp mềm dẫn điện b) Rôto Rôto còn được gọi là phần quay hay phần ứng, gồm những bộ phận sau: + Lõi thép phần ứng Lõi thép phần ứng để dẫn từ, dùng các lá thép kỹ thuật điện mỏng ghép chặt lại. Trên lá thép có dập rãnh để đặt dây quấn phần ứng và các lỗ thông gió dọc trục. Rôto được ép trực tiếp lên trục máy hoặc dùng giá đỡ rôto. Hình 7.4 Lá thép phần ứng 1. Lỗ trục; 2. Lỗ thông gió dọc trục; 3. Rãnh; 4. Răng Hình 7.5 Rãnh phần ứng 172 + Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Dây quấn thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Mỗi phần tử của dây quấn có hai đầu dây được hàn lên hai phiến góp trên cổ góp. Để dây khỏi bị văng ra ngoài do lực ly tâm khi rôto quay thì trên miệng rãnh có dùng nêm bằng tre, gỗ hoặc bakelit. c) Cổ góp và chổi than Cổ góp còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều, gồm nhiều phiến đồng (phiến đổi chiều) có cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng, hợp thành hình trụ tròn và được ép chặt lên trục máy. Phần đuôi của cổ góp có rãnh để hàn các đầu dây của dây quấn phần ứng. Chổi than còn gọi là chổi điện, làm bằng than graphit. Chổi than cùng với cổ góp làm thành bộ chỉnh lưu cơ khí biến đổi dòng điện xoay chiều trong phần ứng thành dòng điện một chiều ra tải. Máy có bao nhiêu cực từ thì có bấy nhiêu chổi than và các chổi than mang cực dương được nối chung với nhau, cực âm được nối chung với nhau. Hình 7.6 Cổ góp máy điện một chiều d) Các bộ phận khác - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm mát máy, hướng gió được điều chỉnh sao cho không hút bụi than tại cổ góp vào trong máy. - Trục máy: Là nơi để gắn phần quay và sẽ được nối với tải nên được làm từ thép cácbon tốt. 2) Phân loại Theo chức năng, máy điện một chiều được phân loại thành máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều. Theo cách kích thích ở cực từ chính máy điện một chiều được chia thành các loại sau. 173 Máy điện một chiều kích từ độc lập: kích thích bằng điện từ (dùng ắcquy hoặc nguồn DC), kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Máy điện một chiều tự kích, bao gồm: máy điện một chiều kích thích song song, kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp. Hình 7.7 Các dạng máy điện một chiều a. Kích từ độc lập; b. Kích từ song song; c. Kích từ nối tiếp; d. Kích từ hỗn hợp 3) Các đại lượng định mức Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện do nhà sản xuất quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng các đại lượng định mức ghi trên nhãn máy hoặc trong lý lịch của máy. Trên nhãn của máy điện 1 chiều thường ghi các đại lượng sau: + Công suất định mức đưa ra tải Pđm (W hay kW). Ở máy phát thì Pđm là công suất điện, còn ở động cơ thì Pđm là công suất cơ. + Điện áp định mức đầu cực của máy Uđm (V). + Dòng điện định mức đầu cực của máy Iđm (A). + Các đại lượng khác như: tốc độ định mức nđm (vòng/phút), dòng điện kích từ it (A), phương pháp kích từ, kiểu máy IP, điều kiện sử dụng... 7.1.2. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều 1) Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều Nguyên lý làm việc của máy phát điện 1 chiều dựa trên định luật cảm ứng điện từ trong trường hợp thanh dẫn chuyển động tương đối với từ trường cực từ. Xét trường hợp đơn giản nhất là máy điện 1 chiều có rôto chỉ gồm 1 khung dây abcd quay với tốc độ n (vòng/phút) trong từ trường của 1 cặp cực từ NS. Hai chổi than được đặt cố định và tì lên 2 phiến góp A và B (hình 7.8). Giả sử tại thời điểm xét khung dây có vị trí như hình 7.8a. Theo đó, thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N sẽ xuất hiện s.đ.đ cảm ứng e có chiều từ b đến a, còn thanh dẫn 174 cd nằm dưới cực từ S cũng sẽ xuất hiện s.đ.đ cảm ứng e có chiều từ d đến c (theo quy tắc bàn tay phải). Hình 7.8 Nguyên lý làm việc máy phát điện một chiều Trị số của e được tính theo công thức: e = Bvl (V) (7.1) Trong đó: B(T) là từ cảm trung bình dưới một cực từ. v(m/s) là vận tốc dài của thanh dẫn trên rôto; v = D/2 = Dn/60 (7.2) D (m) là đường kính ngoài rôto.  (rad/s) là vận tốc góc của rôto. l (m) là chiều dài của thanh dẫn. Như vậy chổi than A tì vào phiến góp nối với thanh ab sẽ có cực tính dương (+), còn chổi than B tì vào phiến góp nối với thanh cd sẽ có cực tính âm (-). Khi khung dây quay được nửa vòng (hình 7.8b) thì thanh dẫn ab sẽ nằm dưới cực từ S và cd sẽ nằm dưới cực từ N. Đồng thời vành góp cũng quay được nửa vòng nên chổi than A sẽ tì lên phiến góp nối với thanh cd, chổi B tì lên phiến góp nối với thanh ab. Do đó, mặc dù chiều của s.đ.đ e trong các thanh dẫn sẽ ngược lại nhưng cực tính tại các chổi than A và B vẫn không thay đổi. Khi khung dây quay tròn thì s.đ.đ e biến thiên hình sin theo thời gian và sẽ đạt cực trị tại các vị trí như hình 7.8. Về góc pha thì eab và ecd lệch pha nhau 1800. Kết quả là s.đ.đ eư ở 2 đầu chổi than sẽ có chiều không đổi nhưng đập mạch (hình 7.9). Để s.đ.đ đầu ra có trị số lớn hơn và ít đập mạch thì ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vòng dây nối tiếp nhau và lệch nhau một góc nào đó (hình 7.10). A B A B (a) (b) 175 Hình 7.9 Dạng sóng máy phát một chiều chỉ có một phần tử Hình 7.10 Dạng sóng máy phát một chiều có 2 phần tử 2) Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Nguyên lý làm việc của động cơ 1 chiều dựa trên định luật lực điện từ trong trường hợp dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường cực từ. Nếu ta đặt nguồn điện 1 chiều vào 2 đầu chổi than (cực + vào chổi A, cực - vào chổi B) thì dòng điện qua khung dây sẽ có chiều từ a đến b và từ c đến d. Giả sử, ban đầu khung dây có vị trí như (hình 7.11). Do đó, mỗi thanh dẫn ab (nằm dưới cực N) và cd (nằm dưới cực S) sẽ chịu tác dụng của một lực có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái và có trị số: F = BIl (N) (7.3) Với I là dòng điện trong thanh dẫn. Trong đó: Ft = Fcos là thành phần lực tiếp tuyến với bề mặt rôto. Fn = Fsin là thành phần lực pháp tuyến với bề mặt rôto.   nt FFF 176  là góc hợp bởi và . Thành phần tiếp tuyến với rôto của các lực điện từ sẽ hợp thành 1 cặp ngẫu lực và tạo ra mômen làm khung dây quay quanh trục của nó theo chiều của cặp ngẫu lực. Khi khung dây quay được 900 thì Ft = 0 nhưng khung vẫn tiếp tục quay theo quán tính. Khi khung dây quay được 1800 thì thanh ab sẽ nằm dưới cực S, thanh cd nằm dưới cực N, đồng thời phiến góp nối với thanh ab sẽ tì lên chổi than B, phiến nối với thanh cd sẽ tì lên chổi than A nên dòng điện trong các thanh dẫn sẽ đổi chiều nhưng lực điện từ và mômen sinh ra có chiều không thay đổi. Mômen này có trị số biến thiên tùy thuộc vào vị trí của khung dây trong từ trường và đạt cực đại tại các vị trí như hình 7.11. Do đó, khung dây sẽ quay với tốc độ không đều. Để cho rôto quay đều và có mômen đủ lớn thì ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vòng dây trên rôto có truc̣ lệch nhau một góc (điêṇ) nào đó. Hình 7.11 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều 7.2. Sức điện động của máy điện một chiều 7.2.1. Sức điện động phần ứng của máy điện một chiều Ta biết rằng, khi máy phát môṭ chiều làm việc thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng s.đ.đ. Tri ̣ số của s.đ.đ này phu ̣ thuôc̣ vào từ thông dưới mỗi cưc̣ từ, tốc đô ̣ máy, số thanh dâñ của dây quấn và kiểu dây quấn. Do dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi than sẽ chia dây quấn thành nhiều mạch nhánh song song (mỗi cặp chổi than sẽ có một đôi mạch nhánh song song). Cho nên s.đ.đ phần ứng sẽ bằng tổng các s.đ.đ thanh dẫn trong một nhánh. Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng, số đôi mạch nhánh song song là a thì số thanh dẫn trong một nhánh sẽ là N/2a, nên s.đ.đ phần ứng sẽ là:  I  B (a) (b) A B A B 177 Eư= N 2a e= N 2a Bvl (7.4) Mặt khác, từ thông dưới mỗi cực từ là:  = B πDl 2p (7.5) Do đó: Eư = pN 60a n= kEn (7.6) Hệ số kE phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn phần ứng. Từ biểu thức của Eư ta thấy nó tỉ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Để điều chỉnh Eư ta có thể thay đổi tốc độ quay của rôto, hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đảo chiều s.đ.đ thì ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. 7.2.2. Phương trình cân bằng điện áp và dòng điện 1) Máy phát điện một chiều a) Máy phát điện một chiều kích từ độc lập Theo sơ đồ trên hình 7.7a, dòng điện phần ứng bằng dòng điện tải. Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư (7.7) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.8) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt + Rđc) (7.9) Trong đó: Rư: là điện trở phần ứng, bao gồm điện trở của dây quấn phần ứng và điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp. Rkt: là điện trở dây quấn kích thích. Rđc: là điện trở điều chỉnh mắc nối tiếp với dây quấn kích thích. Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng tăng và điện áp tải giảm vì tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông tổng giảm kéo theo s.đ.đ Eư giảm và do điện áp rơi trên mạch phần ứng tăng. Để giữ cho điện áp không đổi thì cần phải tăng dòng điện kích từ. Máy phát một chiều kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp nhưng cần phải có nguồn kích thích một chiều riêng. Loại máy này thường gặp trong các hệ thống máy phát – động cơ một chiều để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, máy bay ... b) Máy phát điện một chiều kích từ song song. Để tạo được điện áp ở đầu cực của máy ta cần thực hiện một quá trình tự kích. Ban đầu, dòng điện kích thích bằng không, từ thông trong máy do từ dư rất nhỏ của 178 cực từ tạo ra (bằng khoảng 2 ÷ 3% từ thông định mức). Khi phần ứng quay thì từ thông dư này sẽ tạo ra s.đ.đ cảm ứng khép mạch qua cuộn kích từ và tạo ra dòng điện kích từ làm tăng từ trường trong máy. Quá trình sẽ tiếp tục đến khi điện áp đầu ra đạt ổn định. Lưu ý rằng nếu có điện trở điều chỉnh ở cuộn kích từ thì phải để ở mức thấp nhất và chiều của từ trường kích thích phải cùng chiều với từ dư. Nếu mất từ dư thì ta phải mồi để tạo từ dư. Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư - Ikt (7.10) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.11) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: U = Ikt (Rkt + Rđc) (7.12) Khi dòng điện tải tăng thì điện áp tải cũng giảm do hai nguyên nhân như ở máy kích thích độc lập, hơn nữa dòng kích từ cũng bị giảm nên từ thông và s.đ.đ càng giảm sâu hơn so với máy phát kích thích độc lập. Một đặc điểm rất quý là khi ngắn mạch đầu ra (U = 0) thì dòng kích từ bằng không, s.đ.đ trong máy chỉ do từ dư sinh ra nên dòng điện ngắn mạch sẽ nhỏ hơn dòng điện định mức. Chính vì vậy mà sự cố ngắn mạch đầu ra của máy phát kích từ song song ít nguy hiểm. c) Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp Theo sơ đồ hình 7.7c, dòng kích từ là dòng điện tải nên khi tải thay đổi điện áp tải thay đổi rất nhiều, thực tế không sử dụng máy phát loại này. Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư = Ikt (7.13) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rkt) (7.14) d) Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây của máy trên hình 7.7d. Khi nối thuận, từ thông dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song nên khi tải tăng thì từ thông của cuộn nối tiếp tăng bù vào sự suy giảm của từ thông cuộn song song nên điện áp đầu cực được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm lớn nhất của máy phát kích từ hỗn hợp. Nếu nối ngược, khi tải tăng thì điện áp giảm rất nhanh. Cách nối này được sử dụng trong máy hàn điện một chiều. Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iktnt = Iư - Iktss (7.15) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rktnt) (7.16) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: U = Iktss Rktss (7.17) 2) Động cơ điện một chiều Đối với động cơ, dòng điện Iư ngược chiều với s.đ.đ Eư nên Eư còn được gọi là sức phản điện. Phương trình cân bằng điện áp mạch điện phần ứng: U = Eư + IưRư (7.18) 179 Phương trình cân bằng dòng điện: - Động cơ kích từ độc lập: I = Iư (7.19) - Động cơ kích từ song song và hỗn hợp: I = Iư + Ikt. (7.20) - Động cơ kích từ nối tiếp I = Iư = Ikt (7.21) Trên thực tế, các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau, nhưng với công suất lớn thì người ta thường dùng động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế. Mặt khác, động cơ một chiều kích thích nối tiếp được dùng rất nhiều đặc biệt trong giao thông vận tải. 7.3. Công suất và mômen điện từ của máy điện một chiều 7.3.1. Mômen điện từ của máy điện một chiều Như ta đã biết, tác dụng của từ trường lên dây dẫn phần ứng mang dòng điện sẽ tạo nên lực điện từ, mômen điện từ tác dụng lên rôto. Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn là N và dòng điện chạy trong mỗi mạch nhánh sẽ là Iư/2a, thì mômen điện từ tổng hợp tác dụng lên rôto là: M = B Iư 2a lN D 2 (7.22) Thay biểu thức của B vào ta được: M = pn 2 Iư = 𝑘𝑀Iư (N.m) (7.23) Hệ số kM phụ thuộc kết cấu của dây quấn phần ứng. Nếu tính bằng kG.m thì công thức M phải chia cho 9,81. Mômen điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng và từ thông. Muốn đổi chiều mômen ta phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ. Trong máy phát điện, khi quay máy theo một chiều nhất định thì mômen điện từ sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của máy, tức là mômen hãm. Ngược lại, trong động cơ điện thì chiều quay của phần ứng cùng chiều mômen điện từ. 7.3.2. Công suất điện từ của máy điện một chiều Công suất điện từ của máy điện một chiều được tính bằng: Pđt = M. (7.24) Thay biểu thức của M và  vào ta được Pđt = pN 60a nIư= EưIư (7.25) Từ biểu thức này ta thấy được quan hệ giữa công suất điện từ và sự tra đổi năng lượng trong máy điện: Trong máy phát điện, công suất điện từ đã chuyển công suất cơ 180 thành công suất điện. Ngược lại, trong động cơ điện công suất điện từ đã chuyển thành công suất cơ. 7.4. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 7.4.1. Mở máy động cơ điện một chiều Để mở máy động cơ một chiều được tốt cần thực hiện được các yêu cầu sau: - Mômen mở máy Mmm phải có trị số đủ lớn để đạt được tốc độ quy định trong thời gian ngắn nhất. - Dòng điện mở máy Imm phải được hạn chế đến mức nhỏ nhất để tránh cho dây quấn bị phát nóng quá mức hoặc ảnh hưởng xấu đến đến đổi chiều trên vành góp. Khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có từ thông kích thích lớn nhất. Hơn nữa không được phép đứt mạch điện kích thích vì khi đó  = 0, M = 0, động cơ không quay được và dòng điện phần ứng sẽ rất lớn làm cháy vành góp và dây quấn. 1) Mở máy trực tiếp Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện Eư = 0. Từ biểu thức cân bằng điện áp của động cơ điện ta có: Imm = U - Eư Rư = U Rư (7.26) Thực tế, Rư rất bé nên với điện áp định mức thì dòng điện Imm = (10 ÷ 50)Iđm có trị số rất lớn. Phương pháp này chỉ thích hợp với các động cơ đến vài trăm oát. 2) Mở máy dùng biến trở Biến trở mở máy được mắc nối tiếp với phần ứng (hình 7.12). Dòng điện mở máy lúc có biến trở là: Imm = U - Eư Rư + ∑𝑅𝑚𝑚𝑖 (7.27) Khi mở máy ta để Rmm ở vị trí 1 để có điện trở mở máy lớn nhất và Rđc ở vị trí nhỏ nhất. Khi động cơ bắt đầu quay thì dòng điện sẽ giảm dần rồi tiếp tục chuyển tay gạt T sang các vị trí 2, 3, 4, 5 đến khi tốc độ động cơ đạt đến tốc độ định mức thì toàn bộ biến trở được tách khỏi mạch phần ứng. Muốn dừng động cơ ta chuyển tay gạt về vị trí 0. Biến trở mở máy được lựa chọn sao cho Imm = (1,4 ÷ 1,7)Iđm với máy lớn và bằng (2÷2,5)Iđm với các động cơ nhỏ. 181 Hình 7.12 Sơ đồ mạch điện khởi động động cơ một chiều dùng biến trở 3) Mở máy bằng điện áp thấp Phương pháp này được sử dụng khi có một nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp để cung cấp cho mạch phần ứng của động cơ và mạch kích từ được cung cấp dưới điện áp của một nguồn khác, ví dụ như trong hệ thống máy phát – động cơ hoặc bộ nguồn chỉnh lưu. Đây là phương pháp dùng trong các động cơ cỡ lớn mà nếu sử dụng biến trở mở máy sẽ rất cồng kềnh và tổn hao năng lượng lớn, nhất là khi cần mở máy liên tục và thường kết hợp với điều chỉnh tốc độ. 7.4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Từ biểu thức cân bằng điện áp của động cơ một chiều, biểu thức s.đ.đ cảm ứng và biểu thức mômen điện từ ta dễ dàng rút ra được biểu thức đặc tính cơ của máy điện một chiều: n = U kE - RưM kEkM 2 (7.28) Khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì n = U kE = n0 là tốc độ không tải lý tưởng. Khi n = 0 là lúc khởi động thì: M = kM U Rư = kMIn = Mn (7.29) Từ biểu thức trên, một cách tổng quát ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ sau đây: - Thêm điện trở phụ vào mạch điện phần ứng Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức. Tuy nhiên, do dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao trên điện trở phụ lớn, hiệu suất của động cơ giảm. Vì vậy, phương pháp này chỉ áp dụng với động cơ công suất nhỏ. - Thay đổi điện áp 182 Phương pháp này cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức. Phương pháp này không gây nên tổn hao phụ nhưng đòi hỏi phải có nguồn điện áp riêng điều chỉnh được. - Thay đổi từ thông Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ, có thể điều chỉnh liên tục và kinh tế. Khi điều chỉnh dòng kích từ chỉ có thể điều chỉnh giảm nên từ thông giảm nên tốc độ sẽ trên tốc độ định mức và giới hạn tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy. Thực tế thường người ta kết hợp các phương pháp trên. Ví dụ như kết hợp phương pháp điều chỉnh từ thông với phương pháp thay đổi điện áp nên phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng, đây là một ưu điểm rất lớn của động cơ một chiều. Dưới đây ta sẽ xét cụ thể các loại động cơ một chiều. 1) Động cơ kích từ song song và kích từ độc lập Để điều chỉnh tốc độ thường dùng phương pháp điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh Rđc trên mạch kích từ. Cần lưu ý rằng khi từ thông giảm có thể làm cho dòng điện phần ứng tăng quá trị số cho phép nên cần có thiết bị bảo vệ cắt điện động cơ khi từ thông giảm quá nhiều. Hình 7.13 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông động cơ kích từ độc lập Hình 7.14 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng động cơ kích từ độc lập - Khi từ thông giảm thì n0 tăng, độ dốc của đặc tính tăng nhanh và Mn giảm. - Nếu thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng thì phương trình đặc tính cơ: n = U kE - Rư + Rf kEkM 2 M (7.30) Khi Rf = 0, U = Uđm,  = đm ta có đặc tính cơ tự nhiên. Khi Rf tăng ta có họ đặc tính cơ thay đổi qua n0 và độ dốc của đặc tính tăng dần (mềm dần). - Nếu điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp (U ≤ Uđm) Ta có một họ các đặc tính cơ song song với nhau và thấp dần. 183 Hình 7.15 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ kích từ độc lập 2) Động cơ một chiều kích từ nối tiếp Khi máy không bão hòa, dòng điện phần ứng Iư tỉ lệ với từ thông , nghĩa là: Iư = kI (7.31) Do đó: M = kMIư = kMkI2 = k22 Nên: = √M k với k= √kMkI (7.32) Thay vào biểu thức đặc tính cơ ta được: n = kU kE√M - kIRư kE = a U √M - bRư với a = k kE và b = kI kE (7.33) Từ biểu thức trên ta thấy phương trình đặc tính có dạng hyperbol (hình 7.16 đường 1). Khi tải nhỏ hoặc không tải thì dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng có thể làm hỏng động cơ về cơ khí. Do đó không để động cơ một chiều kích thích nối tiếp mở máy khi không tải hoặc tải nhỏ (tối thiểu P = (0,2 ÷ 0,25)Pđm). Đường đặc tính cơ mềm, khi mômen tăng thì tốc độ giảm. Động cơ loại này rất ưu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề và cần điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng như các đầu máy xe điện, đầu máy điện... Thực tế, động cơ loại này được chế tạo làm việc với mạch từ bão hòa khi mômen cản lớn hơn mômen cản định mức (MC > MCđm) . Khi đó khi MC tăng thì  hầu như không đổi nên đoạn đặc tính gần như là đường thẳng (đoạn đứt nét trên đường 1). Việc thay đổi từ thông có thể thực hiện bằng các cách sau: Mắc sun song song với dây quấn kích thích, thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích, mắc sun song song dây quấn phần ứng và thêm điện trở vào dây quấn phần ứng. Hai cách đầu cho cùng một đặc tính (đường 2). Cách thứ ba cho ta đường đặc tính 3. Cách thêm điện trở vào mạch phần ứng cho đường 4 và 5. Khi thay đổi điện áp (U<Uđm) ta được đường 6. 184 Hình 7.16 Các dạng đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ ĐCMC KTNT 3) Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp Trong động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có hai cuộn dây kích từ: song song và nối tiếp. Nếu từ trường của hai cuộn dây đó cùng chiều làm tăng từ thông ta có động cơ một chiều kích từ hỗn hợp bù. Ngược lại, ta có động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ngược. Thực tế chỉ động cơ hỗn hợp bù mới đảm bảo làm việc ổn định và đặc tính cơ của nó mang tính chất trung gian giữa động cơ kích từ song song và động cơ kích từ nối tiếp. Đường 1 ứng với kích từ hỗn hợp bù, đường 2 – hỗn hợp ngược, đường 3 – kích từ song song và đường 4 – kích từ nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ hỗn hợp được điều chỉnh như động cơ kích từ song song, dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng các phương pháp giống như động cơ kích từ nối tiếp. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp được dùng trong những nơi cần các điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng như trong máy ép, máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng ... Trong thời gian gần đây còn được dùng trong giao thông vận tải vì có ưu điểm hơn so với động cơ kích từ nối tiếp ở chỗ dễ hãm ngược bằng chế độ máy phát điện. Hình 7.17 So sánh dạng đặc tính cơ của ĐCMC KTHH với các động cơ khác 185 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 7 CÂU HỎI 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện một chiều. 2. Sức điện động và mômen điện từ của máy điện một chiều. 3. Phân loại và sơ đồ đấu dây của máy điện một chiều. 4. Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều. 5. Phân biệt các dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Bài tập giải sẵn Bài tập 7.1 Một máy phát điện một chiều kích từ song song, công suất định mức Pđm = 25 kW, điện áp định mức Uđm = 115V, điện trở cuộn kích từ Rkt = 12,5; điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,0238; số đôi nhánh song song a = 2; số đôi cực p = 2; số thanh dẫn N = 300; tốc độ quay n = 1300 vòng/phút. a. Xác định s.đ.đ cảm ứng Eư và 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. Từ phương trình 7.10 và 7.11, sức điện động cảm ứng Eư là: Eư = U + IưRư = U + (Iđm + Ikt)Rư Dòng điện định mức: Iđm= Pđm Uđm = 25000 115 =217,4A Dòng điện kích từ: Ikt = Uđm Rkt = 115 12,5 = 9,2A Do đó: Eư = 115 + (217,4 + 9,2).0,0238 = 120,4V Từ thông trong máy (công thức 7.6): Φ = 60aEư pNn = 60.2.120,4 2.300.1300 = 1,852.10-2Wb b. 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 186 Bài tập 7.2 Một động cơ điện một chiều công suất định mức Pđm = 1,5kW; điện áp định mức Uđm = 220V; hiệu suất  = 0,82; tốc độ n = 1500 vòng/phút. Tính mômen định mức, tổng tổn hao trong máy và dòng điện định mức. Bài giải Mômen định mức của động cơ: Mđm = Pđm ωđm = 9,55. Pđm nđm = 9,55. 1500 1500 = 9,55Nm Công suất điện cung cấp cho động cơ: P1 = Pđm η = 1500 0,82 = 1829,3W Dòng điện định mức: Iđm = P1 Uđm = 1829,3 220 = 8,31A Tổng tổn hao trong máy: P = P1 – Pđm = 1829,3 – 1500 = 329,3W BÀI TẬP TỰ GIẢI Bài tập 7.3 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức: Pđm = 25kW; Uđm = 440V; Iđm = 65A; n =1000vòng/phút; Rư = 0,2. Bỏ qua phản ứng phần ứng. a) Tính công suất điện từ, mômen điện từ và hiệu suất khi tải định mức. b) Tính s.đ.đ phần ứng khi tốc độ rôto n’ = 800vòng/phút. Đáp số:a) Pđt = 29445W; Mđt = 238,75Nm ;  = 0, 874; b) Eư’ = 362,4V Bài tập 7.4 Động cơ điện một chiều kích từ song song có Pđm = 10kW; Uđm = 220V;  = 0,86; n = 2250 vòng/phút; Ikt =2,26A; Rư = 0,178. a) Tính dòng điện mở máy trực tiếp. b) Tính điện trở Rmm cần thiết để giảm dòng điện mở máy xuống bằng 2 lần dòng điện định mức. Đáp số:a) Imm =1238A; b) Rmm = 1,95 187 Bài tập 7.5* Cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập có Pđm = 25kW; Uđm = 200V; Rư = 0,2; Pđt = 30kW; nđm = 1000vòng/phút. a) Tính mômen điện từ Mđt và dòng điện phần ứng Iư. b) Để tốc độ động cơ còn 800 vòng/phút thì cần mắc vào phần ứng một điện trở điều chỉnh Rđc bằng bao nhiêu? Biết rằng tải không đổi và bỏ qua phản ứng phần ứng. Đáp số: a) Mđt = 286,5Nm; Iư = 159A; b) Rđc = 0,22 x TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh. Thiết kế máy biến áp. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2001. 2. Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn; Khí cụ điện; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 2002 3. Lê Văn Doanh, Phạm Văn Chới; Bảo dưỡng, thử nghiệm thiết bị điện; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật-1999. 4. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Máy điện 1, 2. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1998. 5. Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng; Khí cụ điện - Kết cấu sử dụng và sửa chữa; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 2001 6. Nguyễn Hồng Quang, Nguyễn Phúc Hải. Máy điện trong các thiết bị tự động. Nhà xuất bản giáo dục 2001.