Tập bài giảng Máy điện 2

động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng η = 75 ÷ 85%, ở động cơ công suất trung bình và lớn η = 85 ÷ 94%. Ví dụ 2.3: Cho một động cơ điện một chiều có công suất định mức Pđm = 10 HP, điện áp định mức 230V kích từ song song; Rư = 0,35 Ω; rt = 288 Ω. Khi Iư = 1,6A thì n = 1040 vg/ph. Muốn cho dòng điện mạch ngoài I = 40,8A và tốc độ n = 600 vg/ph. Hãy tính: a. Trị số điện trở cần thiết cho vào mạch phần ứng b. Với điện trở đó nếu I = 22,8A thì tốc độ động cơ bằng bao nhiêu? c. Nếu Iđm = 38,5A, hãy tính M/Mđm trong hai câu hỏi trên? d. Công suất đưa vào động cơ điện, công suất mạch phần ứng và công suất cơ khi I = 40,8A? Giải: a. Giả thiết khi tải thay đổi, từ thông là hằng số, ta có:     ­ ­ ­ ­ . ' ' .( ) dc U I Rn n U I R R Với n = 1040 vg/ph và n’ = 600 vg/ph; Iƣ = 1,6A và Iƣ’= I – It = 40,8 -230/288 = 40 A Tính đƣợc Rđc = 2,1Ω b. Với Rđc = 2,1 Ω; I = 22,8 A     ­ 230 22,8 22 288 t U I I A R Tƣơng tự nhƣ trên ta có: η Iƣ 1,0 0,5 Hình 2. 71 Đặc tính hiệu suất của ĐCMC 139      ­ ­ ­ ­ .( )'' ' ' .( ) dc dc U I R Rn n U I R R Thay số tính đƣợc n’’ = 800 vg/ph. c. Ta có: M = CMΦ.Iƣ. Vậy:     ­ '' 40 1,06 38,5 0,8 dm dm IM M I Và: '''' 22 0,58 38,5 0,8 u dm dm IM M I     d. Công suất đƣa vào bằng: P1 = Uđm.I = 230.401,8 = 9400 W Công suất mạch phần ứng: P1 – rt.It 2 = 9400 – 0,82.288 = 9216 W Công suất cơ: Pcơ = P1 - rt.It 2 – Rƣ.Iƣ 2 = 9216 – 402.2,45 = 5296 W Ví dụ 2.4 Cho một máy phát điện kích thích song song có Pđm = 27kW; Uđm = 115V; nđm = 1150 vg/ph. It = 5A; hiệu suất ηđm = 86%. Điện trở trong mạch phần ứng Rư = 0,02Ω; điện áp tiếp xúc 2ΔUtx = 2V. a. Nếu đem dùng như một động cơ điện (bỏ qua tác dụng của phản ứng phần ứng) với Uđm = 110V; Pđm = 25kW; η = 86%. Hãy tính tốc độ của động cơ? b. Độ thay đổi tốc độ từ đầy tải tới không tải? Giải: a. Khi máy làm việc ở chế độ máy phát điện thì: EF = U + Iƣ(F).Rƣ + 2ΔUtx Thay số với Uđm = 115V; 2ΔUtx = 2V; Rƣ = 0,02 Ω, và Iƣ(F) = Pđm/Uđm + It = 27000/115 + 5 = 240 A ta đƣợc EF = 121,8 V Khi máy làm việc ở chế độ động cơ điện thì: EĐ = U - Iƣ(F).Rƣ - 2ΔUtx Với Uđm = 110V; Rƣ = 0,02 Ω; 2ΔUtx = 2V và ( ) 25000 110 ' 5. 259,3 . 0,86.110 115 dm u D t dm P I I A U      140 Ta đƣợc EĐ = 102,3 V Vì: . . 120,3 . . 121,8 e D DD F e F F C nE E C n     Giả thiết rằng 4,7 5 tDD F tF I I     Ta có: 102,3 5 1150. . 1030 121,8 4,7 Dn   vg/ph b. Khi động cơ làm việc không tải IƣD = 0 nên E0D = U = 110V = Ce.ΦD.n0D. 0 0 110 102,3 D D D D E n E n   suy ra noD = 1105 vg/ph 2.8 Máy điện một chiều đặc biệt Nhiều trƣờng hợp trong kỹ thuật và sản xuất đã đặt ra cho máy điện một chiều một số yếu cầu mà những máy có cấu tạo thông thƣờng không thể thỏa mãn đƣợc. Thực tế đòi hỏi phải nghiên cứu và chế tạo những máy điện một chiều đặc biệt và trong lĩnh vực này, ngành chế tạo máy điện đã thu đƣợc những kết quả nhất định. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu sơ lƣợc một vài loại máy điện một chiều đặc biệt đã có hoặc có triển vọng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, bao gồm các máy điện một chiều với từ trƣờng ngang, máy phát hàn điện, máy phát một cực và một số máy cực nhỏ dùng trong kỹ thuật đo lƣờng và tự động. 2.8.1 Máy điện một chiều từ trường ngang Máy điện một chiều từ trƣờng ngang là máy điện có vành góp, dùng từ trƣờng tạo nên bởi phần ứng phần ứng dùng để cảm ứng dòng điện đƣa ra dùng. Nhƣ vậy trong dây quấn phần ứng đồng thời có hai dòng điện: dòng điện thứ nhất tạo ra từ trƣờng ngang và dòng điện thứ hai đƣa ra dùng đƣợc sinh ra bởi từ trƣờng ngang đó. Sơ đồ cấu tạo của máy điện từ trƣờng ngang hai cực đƣợc trình bày trong hình 2.72, trong đó: - Phần cảm nằm ở stator gồm các cực và gông từ; - Phần ứng nằm ở rôto và có vành góp. Cặp chổi 1-1 đƣợc đặt trên đƣờng trung tính hình học và đƣợc nối với nhau, cặp chổi 2-2 lệch khỏi cặp 1-1 một góc 900 và nối với đầu dây ra của máy. Trên phần ứng, những kí hiệu ở vòng ngoài chỉ chiều dòng điện I1 trong dây quấn phần ứng và những kí hiệu ở vòng trong, chiều dòng điện I2 cũng trong dây quấn đó. Nhƣ vậy ở hai nửa bƣớc cực dòng điện trong dây quấn phần ứng bằng tổng số hai dòng điện I1, I2; còn ở hai nửa bƣớc cực kia bằng hiệu số của chúng. 141 Hình 2. 72 Cấu tạo máy phát điện một chiều từ trƣờng ngang 2.8.2 Máy phát hàn điện Ta biết rằng muốn cho mối hàn có chất lƣợng cao, nhiệt lƣợng ở mối hàn và dòng điện sinh ra nhiệt lƣợng đó phải ổn định. Hình 2. 73 Cấu tạo máy phát hàn điện và đặc tính điện áp ra Máy phát hàn điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Duy trì chế độ ngắn mạch khi khi ngƣời thợ hàn làm việc nối ngắn mạch các cực hàn. - Trị số dòng điện không đổi khi điện trở hồ quang thay đổi. Để đáp ứng đƣợc yêu cầu đó, máy phát điện cần phải có đặc tính ngoài U = f(I) có độ dốc cao (hình 2.73b). Muốn có đặc tính nhƣ vậy trên thực tế ngƣời ta chế tạo loại máy phát đặc biệt có sơ đồ cấu tạo trình bày trên hình 2.73a. Ở loại máy này, lõi sắt của mỗi cực từ đƣợc chia làm hai phần, một phần có tiết diện rộng. Một phần có tiết diện hẹp. Lõi sắt hẹp bão hòa mạnh còn lõi sắt rộng ít bão hòa. Máy có hai dây a) b) 142 quấn kích thích, một dây quấn kích thích đặt trên các lõi thép tiết diện rộng và một dây quấn kích thích đặt trên lõi thép tiết diện hẹp. Phần ứng của máy phát có thể xem nhƣ đƣợc chia làm 4 phần. Các phần ad và cb tạo nên phần ứng phần ứng khử từ đối với các cực từ rộng, còn các phần ac và bd tạo ra phần ứng phần ứng trợ từ đối với các cực hẹp. Nhƣ vậy khi Iƣ tăng, từ thông của các cực rộng giảm nhiều, thậm chí có thể đổi chiều, còn từ thông của các cực hẹp hầu nhƣ không đổi do lõi thép của các cực hẹp bị bão hòa, kết quả là từ thông tổng của các cực NN-SS giảm nhanh, khiến cho điện áp đầu cực UAB hạ thấp rất nhiều, đặc tính ngoài rất dốc. Chú ý rằng điện áp UBC giữa chổi chính B và chổi phụ C cung cấp cho các dây quấn kích thích vẫn giữ không đổi khi Iƣ tăng vì từ thông của các cực hẹp không thay đổi. Ứng với các trị số khác nhau của Rt, It ta có các đặc tính ngoài khác nhau nhƣ trình bày trên hình 2.73b. Hiện nay các máy phát hàn điện kiểu này đƣợc sản xuất với U đm = 35V (U0 = 80V) và I = 500A. 2.8.3 Động cơ chấp hành một chiều Động cơ chấp hành có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện (điện áp điều khiển) nhận đƣợc thành di chuyển cơ học của trục tác dụng lên các bộ phận điều khiển hoặc điều chỉnh khác. Yêu cầu chính đối với loại động cơ này là tác động nhanh, chính xác, hơn thế nữa momen và tốc độ quay của nó phải phụ thuộc vào điện áp điều khiển theo quan hệ đƣờng thẳng. Cấu tạo của động cơ chấp hành tƣơng tƣ nhƣ của một động cơ điện kích thích độc lập. Động cơ chấp hành có thể đƣợc điều khiển trên phần ứng hoặc trên cực từ. Khi điều khiển trên phần ứng (hình 2.74a), điện áp kích thích đƣợc đặt thƣờng trực trên dây quấn kích thích và nhƣ vậy động cơ ở trạng thái chuẩn bị chấp hành. Nếu có tín hiệu điều khiển Uđk đặt lên dây quấn phần ứng lập tức động cơ hoạt động. Với phƣơng pháp điều khiển này M =f(đk) là những đƣờng thẳng. Khi điều khiển từ cực từ (hình 2.74b), dây quấn phần ứng đƣợc đặt thƣờng trực dƣới điện áp Uƣ và điện áp điều khiển Uđk đƣợc đƣa vào dây quấn kích thích. Nhƣ vậy công suất điều khiển sẽ nhỏ nhƣng quan hệ n = f(Uđk) không còn là đƣờng thẳng nữa. Vì vậy thƣờng ngƣời ta dùng cách điều khiển trên phần ứng. Động cơ chấp hành có cấu tạo thông thƣờng nhƣ trình bày ở trên đƣợc chế tạo đến công suất 500 ÷ 600W. Trong thời gian gần đây, nhờ chế tạo đƣợc nam châm vĩnh cửu có từ tính cao, ngƣời ta sản xuất những động cơ chấp hành điều khiển từ phần ứng với cực từ bằng 143 nam châm vĩnh cửu có công suất 50 ÷ 100W, nhƣng loại này còn ít đƣợc dùng vì giá thành quá đắt. Hình 2. 74 Sơ đồ nguyên lý động cơ chấp hành a- Điều khiển phần ứng, b- Điều khiển phần cảm Để động cơ chấp hành tác động nhanh, ngƣời ta chế tạo phần ứng có quán tính nhỏ dƣới dạng rôto rỗng hoặc rôto dẹt hĩnh đĩa có mạch in, loại đầu thƣờng chế tạo với công suất 10÷15W còn loại sau 100 ÷ 200W. 2.8.4 Máy phát tốc một chiều Máy phát điện một chiều đo tốc độ là máy phát dùng để biến đổi chuyển động quay thành tín hiệu điện (điện áp). Yêu cầu đối với loại máy này là phải có quan hệ đƣờng thẳng U = f(n) và độ chính xác khoảng 0,2 ÷ 0,5%, đôi khi đến 0,01%. Máy phát điện một chiều đo tốc độ thƣờng có công suất từ 10 đến 50W. Ở máy công suất nhỏ, khi tốc độ n =1000 vg/ph, điện áp U = 3 ÷ 5 V; còn ở máy công suất lớn U = 50 ÷ 100V. Hầu hết các máy phát đo tốc độ dều có cấu tạo nhƣ máy phát thông thƣờng kích thích độc lập hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Trong trƣờng hợp cần giảm quán tính của phần quay và sự đập mạch của từ thông và điện áp vì sự tồn tại của răng trên mặt phần ứng, rôto đƣợc chế tạo theo kiểu phần ứng rỗng. Hình 2. 75 Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc một chiều Máy phát tốc một chiều đƣợc dùng làm dụng cụ chỉ thị tốc độ và trong hệ thống điều khiển tự động tốc độ động cơ. 2.8.5 Động cơ một chiều không tiếp xúc Động cơ một chiều không tiếp xúc (ĐCMCKTX) vẫn giữ đƣợc ƣu điểm của động cơ một chiều nhƣ: đặc tính cơ tốt, đáp ứng nhanh, hiệu suất cao. Ngoài ra nó Uđk = Var Ukt = const a) Ukt = const Uđk = var b) + - + - - + - + KT 144 khắc phcuj đƣợc nhƣợc điểm của động cơ một chiều thông thƣờng. ĐCMCKTX không có tiếp xúc chổi than - vành góp, đổi chiều không có tia lửa điện, độ tin cậy cao có thể làm việc ở mọi môi trƣờng, không có tiếng ồn. Nên ĐCMCKTX ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong điều khiển học kỹ thuật nói chung và trong truyền động điện nói riêng. Với công suất nhỏ và trung bình, dải công suất thƣờng dùng trong điều khiển học kỹ thuật, từ vài chục W đến vài chục kW. Tuy nhiên ĐCMCKTX có hạn chế nhƣ: phức tạp về điều khiển, giá thành cao. Về mặt cấu tạo nó ngƣợc với động cơ một chiều thông thƣờng, phần ứng nằm trên stato và phần cảm nằm trên rôto. Trên hình 2.76 vẽ mô hình của ĐCMCKTX . Stato (1) của ĐC đƣợc ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Trong các rãnh của stato đặt cuộn ứng (2) giống nhƣ trong rãnh của ĐC bình thƣờng. Phần cảm của ĐC thƣờng là nam châm vĩnh cửu (3). Để đơn giản có thể mô hình hóa bộ phận đổi chiều điện tử (4) đặt trên rôto. Bộ phận đổi chiều quay cùng rôto và đóng ngắt các bối dây của cuộn ứng trên stato sao cho dòng điện chạy trong cuộn ứng đối diện với từng cực từ phần cảm rôto có chiều không đổi. Khi đó các quan hệ điện từ của ĐCMCKTX giống nhƣ ĐCMC bình thƣờng. Hình 2. 76 Mô hình đơn giản của ĐCMCKTX ĐCMCKTX cấu tạo từ 3 thành phần chính: - Động cơ - Cảm biến vị trí rôto - Bộ đổi chiều không tiếp xúc Tùy thuộc vào phân bố từ trƣờng phần cảm và dây quấn phần ứng ĐCMCKTX đƣợc chia thành hai loại: loại một s.đ.đ hình thang có cấu tạo dây quấn và cực từ đơn giản, và loại hai s.đ.đ hình sin có cấu tạo dây quấn và cực từ phức tạp. Xét nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 2.77 gồm: 145 Hình 2. 77 Sơ đồ nguyên lý đơn giản của ĐCMCKTX - Động cơ một chiều không tiếp xúc (1), ở stato, đặt ba cuộn dây A, B, C nối chung một đầu với nhau. Đầu còn lại của mỗi pha nối với các cực của transistor. Rôto là NCVC. - Cảm biến vị trí (2) gồm hai phần. Rôto là NCVC có dạng hình tròn khuyết và đặt trên cùng một trục với rôto ĐC là phần tử tín hiệu của cảm biến. Stato có các phần tử cảm ứng CA, CB, CC – Số lƣợng của chúng bằng số pha và vị trí của chúng tƣơng ứng với vị trí các pha A, B, C của động cơ. - Bộ đổi chiều (3) gồm ba transistor TA, TB, TC mắc nối tiếp với các pha của ĐC. Chúng làm việc ở chế độ khóa, tức có hai trạng thái đóng khi có tín hiệu và trạng thái mởi khi không có tín hiệu từ phần tử cảm ứng đƣa vào. Khi NCVC ở vị trí nhƣ hình 2.77, CA có tín hiệu vào TA nên TA mở, pha A đƣợc nối với nguồn, xuất hiện dòng điện IA, nên xuất hiện từ trƣờng cuộn A có hƣớng dọc trục cuộn A kéo rôto quay theo chiều kim đồng hồ kéo cảm biến vị trí quay theo. Tiếp đó là CB, rồi đến CC có tín hiệu và nhờ đó rôto tiếp tục quay theo chiều của mình. Nếu tăng số pha và số phần từ cảm ứng và số Transistor cũng sẽ tăng thì đặc tính ĐCMCKTX sẽ tiến gần giống với ĐCMC thông thƣờng, nhƣng điều đó sẽ làm phức tạp cấu tạo. Ứng dụng của ĐCMCKTX rất đa dạng. Trong thiết bị văn phòng nhƣ máy in, ổ đĩa cứng máy tính..., trong giao thông vận tải nhƣ ôtô, xe đạp điện..., robot, máy công cụ, hàng không vũ trụ Câu hỏi và bài tập Câu hỏi Câu 2.1 Tại sao lõi thép phần ứng phải làm bằng thép kỹ thuật điện, cực từ thì có thể dùng thép kỹ thuật điện hoặc thép thƣờng ghép lại, gông từ dùng thép đúc hoặc thép tầm uốn lại? Tại sao vỏ máy điện một chiều không dùng gang là vật liệu rẻ tiền dễ đúc? 146 Câu 2.2 Ý nghĩa của trị số công suất định mức ghi trên nhãn máy là gì? Câu 2.3 Nêu các bộ phận chính của máy điện một chiều và công dụng của nó? Câu 2.4 Nêu tính chất của từ trƣờng phần ứng? Câu 2.5 Nếu chổi than không ở trên trung tính hình học và dòng kích từ lúc có tải không đổi, khi máy phát quay thuận và quay ngƣợc thì điện áp đầu cực máy có bằng nhau không? Câu 2.6 Vẽ sơ đồ nối của dây quấn cực từ phụ? Tác dụng của từ trƣờng cực từ phụ nhƣ thế nào? Câu 2.8 Dây quấn bù trong MĐMC đƣợc bố trí nhƣ thế nào? Tác dụng của từ trƣờng dây quấn bù? Câu 2.8 Dây quấn máy điện một chiều khác dây quấn máy điện xoay chiều nhƣ thế nào? Nguyên tắc chuyển từ dây quấn máy điện xoay chiều sang máy điện một chiều? Câu 2.8 Nêu quy luật nối các phần tử của dây quấn xếp và dây quấn sóng dây quấn máy điện một chiều? Quan hệ với số đôi mạch nhánh nhƣ thế nào? Câu 2.09 Nêu sự khác nhau chính giữa dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức, dây quấn sóng đơn và dây quấn sóng phức? Câu 2.10 Dây cân bằng điện thế dùng để làm gì? Tác dụng của dây quấn cần bằng loại 1 và dây quấn cân bằng loại 2? Câu 2.11 Sức điện động trong máy điện một chiều phụ thuộc vào những yếu tố nào? Câu 2.12 Phân tích giản đồ năng lƣợng của máy phát và động cơ điện một chiều, từ đó dẫn ra các quan hệ về công suất, momen, dòng điện và s.đ.đ? Câu 2.13 Trình bày ảnh hƣởng của tốc độ đến đổi chiều? Câu 2.14 Ảnh hƣởng của bƣớc dây quấn đến đổi chiều nhƣ thế nào? Câu 2.15 So sánh các phƣơng pháp dùng để cải thiện đổi chiều, nói rõ hiệu quả và ứng dụng từng phƣơng pháp? Câu 2.16 Vẽ sơ đồ nối dây các dây quấn bù và dây quấn của cực từ phụ? Câu 2.17 Tìm các nguyên nhân khiến máy phát điện kích từ song song không thể tự kích từ và tạo ra đƣợc điện áp? Câu 2.18 Nếu máy phát điện kích từ song song không thể tự kích do mất từ dƣ thì phải làm nhƣ thế nào để tạo ra đƣợc điện áp ở đầu cực? 147 Câu 2.19 Khi tải chung không đổi, nếu tăng kích từ của máy phát điện I mà không giảm kích từ của máy phát điện II đang làm việc song song với máy phát I thì tải sẽ phân phối lại giữa hai máy nhƣ thế nào? Điện áp của lƣới điện lúc đó? Câu 2.20 So sánh các đặc tính của các động cơ điện một chiều? Câu 2.21 Khi mở máy động cơ kích thích song song , mạch kích từ bị đứt thì hiện tƣợng gì sẽ xảy ra? Cũng nhƣ vậy trong trƣờng hợp điện trở điều chỉnh trên machk kích từ quá lớn? Câu 2.22 Nếu chổi điện đặt không đúng vị trí mà bị xê dịch ngƣợc chiều quay của rôto thì tốc độ của động cơ điện sẽ nhƣ thế nào? Câu 2.23 Trình bày đặc điểm cấu tạo của máy phát hàn điện một chiều? Câu 2.24 Trình bày những ƣu điểm của động cơ một chiều không tiếp xúc? Bài tập Bài 2.1 Dây quấn xếp đơn quấn phải có các số liệu sau: S = G =24, p = 3, u =1, có lắp 1/3 tổng số dây cân bằng. Vẽ giản đồ khai triển dây quấn? Bài 2.2 Một dây quấn sóng đơn quấn trái bƣớc ngắn có các số liệu sau: Znt = 19, p=2. Hãy tính: a. Các bƣớc quấn dây y, yƣ, yG; b. Số đôi mạch nhánh song song; c. Vẽ giản đồ khai triển dây quấn. Bài 2.3 Một động cơ điện một chiều kích từ song song có các số liệu sau: Pđm = 5,5kW, Uđm = 110V, Rƣ = 0,15 ; Iđm = 58A; rt = 137 và tốc độ định mức nđm = 1470 vg/ph, điện áp trên chổi than 2Utx = 2V. Hãy tìm: a. Sức điện động của phần ứng lúc tải định mức; b. Công suất điện từ và mômen điện từ lúc tải định mức. Bài 2.4 Một máy phát điện kích thích ngoài có Uđm = 220V, nđm = 1000 vg/ph. Ở tốc độ n =750vg/ph thì s.đ.đ lúc không tải E0 = 176V. Hỏi sức điện động và dòng điện phần ứng lúc tải định mức của máy là bao nhiêu, biết điện trở phần ứng Rƣ = 0,4. Bài 2.5 Máy phát điện một chiều có Pđm = 215kW; Uđm = 115V và nđm = 450 vg/ph. Điện trở của dây quấn phần ứng và cực từ phụ bằng 0,002 Ω; 2ΔUtx =2V. Các số liệu của đặc tính không tải và đặc tính ngắn mạch nhƣ sau: 148 It, A 5 10 15 20 25 30 35 U0, V 49 87 108 119,3 125,2 129,5 135 It, A 0 6 Inm,A 0 Iđm a. Vẽ tam giác ngắn mạch b. Dùng kích thích ngoài sao cho máy đầy tải U = Uđm; I = Iđm; n = nđm. Nếu bỏ tải đi, hãy tính ΔU% c. Dùng kích thích ngoài sao cho khi máy không tải U = Uđm; giữ kích từ It không đổi thì khi I = Iđm độ thay đổi điện áp ΔU% là bao nhiêu? Bài 2.6 Hai máy phát điện kích thích song song có các số liệu sau: Máy Pđm, kW n (vg/ph) U0 (V) Uđm (V) I 20 1000 230 210 II 15 1200 240 210 Giả thiết quan hệ U = f(I) là tuyến tính. Hãy tính: a. Công suất của mỗi máy khi tải chung là 20kW và điện áp lúc đó? b. Tải chung lớn nhất với điều kiện không máy nào bị quá tải? Bài 2.7 Cho hai máy phát điện một chiều làm việc song song với tải chung P = 100 kW. S.đ.đ của từng máy lần lƣợt là E1 = 250V; E2 = 248V; dòng điện kích từ It1 = It2 = 21A. Điện trở dây quấn phần ứng Rƣ1 = Rƣ2 = 0,05Ω. Hãy xác định điện áp chung và công suất của mỗi máy? Bài 2.8 Cho một động cơ kích từ song song với các số liệu sau: Pđm = 95kW; Uđm = 220V; Iđmm = 470A; Itđm = 4,25A; Rƣ = 0,025Ω; nđm = =500 vg/ph. Hãy xác định: a. Hiệu suất của động cơ? b. Tổn hao đồng trong máy, tổn hao không tải và dòng điện không tải? c. Momen của động cơ? d. Trị số dòng điện tải để hiệu suất cực đại e. Điện trở điều chỉnh cần thêm vào mạch phần ứng để động cơ quay với n = nđm; Iƣ = Iƣđm và từ thông giảm đi 40%? f. Điện trở Rf cần thêm vào để có n = nđm; Iƣ = 0,85Iđm và từ thông giảm đi 25%? 149 Bài 2.9 Số liệu của máy phát điện một chiều kích từ song song nhƣ sau: Pđm = 27kW; Uđm = 116V; nđm = 1150 vg/ph; It = 5A; ηđm = 86%; Rƣ = 0,01673Ω; điện trở dây quấn cực từ phụ bằng 0,00717 Ω; 2ΔUtx = 2V. Nếu chuyển sang làm việc nhƣ động cơ điện ở điện áp 110V thì có công suất ở trục là 25kW. Giả thiết rằng trạng thái bão hòa và hiệu suất của máy không đổi. Hãy tính: a. Tốc độ quay của máy ở chế độ động cơ? b. Khi máy đột nhiên không tải thì động cơ làm việc với tốc độ là bao nhiêu? (bỏ qua dòng điện không tải và phản ứng phần ứng) Bài 2.10 Cho động cơ điện kích thích song song có Pđm = 17kW; Uđm = 220V; nđm = 1150 vg/ph. Rƣ = 0,1Ω. Mđt = 12kg.m. Hãy tính: a. Công suất điện từ và dòng điện Iƣ? b. Điện trở điều chỉnh Rđc mắc vào mạch phần ứng để động cơ quay với tốc độ 500 vg/ph khi momen tải không đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng)? 150 CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ VÀNH GÓP 3.1 Khái quát chung Động cơ điện không đồng bộ xoay chiều đƣợc ứng dụng rất rộng rãi vì kết cấu đơn giản, làm việc đảm bảo, giá thành hạ, nhƣng có nhƣợc điểm là không dùng đƣợc với những phƣơng pháp và thiết bị đơn giản để điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng, tiêu thụ công suất phản kháng lớn, làm cho hệ số cos của lƣới điện thấp. Động cơ điện một chiều khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm trên nhƣng đòi hỏi phải có nguồn một chiều nên phạm vi sử dụng bị hạn chế. Do đó ngƣời ta chế tạo ra loại máy điện xoay chiều có vành góp mà chủ yếu dùng làm động cơ điện. Máy phát điện xoay chiều có vành góp cũng đƣợc chế tạo song phạm vi sử dụng ít hơn và thƣờng đƣợc dùng trong những trƣờng hợp đặc biệt nhƣ tạo tần số hay giữ điện áp không đổi khi tốc độ thay đổi. Nhƣợc điểm của máy điện xoay chiều có vành góp là kết cấu phức tạp, giá thành cao. Ngƣời ta tính rằng, một máy điện xoay chiều ba pha có vành góp đắt gấp 1,5 đến 2 lần máy điện một chiều và gấp 4 đến 6 lần máy điện không đồng bộ cùng công suất; đổi chiều phức tạp và khó khăn hơn các máy điện một chiều thông thƣờng, hiệu suất thấp hơn và làm việc không đƣợc chắc chắn. Do vậy máy điện xoay chiều có vành góp thƣờng đƣợc ứng dụng trong một số ngành chuyên môn đặc biệt, trong giao thông vận tải,... Hiện nay, một số nƣớc châu Âu nhƣ Đức, Thụy Sỹ, Cộng hòa Séc...dùng nhiều máy điện xoay chiều có vành góp, còn ở Nga, Mỹ và một số nƣớc khác thì loại máy điện này không phát triển. Mặt khác khuynh hƣớng sử dụng thiết bị điện tử công suất vào điều khiển các máy điện trong những năm gần đây chứng tỏ nhiều ƣu điểm về đặc tính điều khiển, về tính đơn giản và rẻ tiền của thiết bị... đang hạn chế việc chế tạo các loại máy điện xoay chiều có vành góp. 3.2 Động cơ điện ba pha có vành góp Trong truyền động điện bằng động cơ xoay chiều có hai vấn đề đặt ra cần đƣợc giải quyết là: làm sao điều chỉnh đƣợc tốc độ quay trong phạm vi rộng, bằng phẳng, kinh tế và chắc chắn, đồng thời lại nâng cao đƣợc hệ số công suất của lƣới điện. Để giải quyết những vấn đề trên, thực tế có nhiều phƣơng pháp nhƣ: chế tạo những động cơ xoay chiều có đặc tính tốt hơn; dùng một số thiết bị phụ trong vận hành và sử dụng động cơ. Bên cạnh đó, ngƣời ta còn tạo ra những máy mới là những động 151 cơ điện xoay chiều ba pha có vành góp nhƣ các động cơ xoay chiều kích thích song song, kích thích nối tiếp, các động cơ bù pha và máy bù pha. Ở các máy này, biện pháp chính để giải quyết hai vấn đề trên là đƣa thêm sức điện động phụ có chiều xác định vào mạch thứ cấp của động cơ không đồng bộ. Biện pháp này có ý nghĩa rất quan trọng và đồng thời cũng là nguyên tắc cơ bản vận hành các máy điện chiều có vành góp. 3.2.1 Động cơ điện ba pha kích từ song song 1) Sơ lược kết cấu Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 3.1. Phần tĩnh giống máy điện không đồng bộ thông thƣờng nhƣng dây quấn ba pha (2) có các đầu dây nối với từng đôi chổi than a1a2, b1b2 và c1c2 tỳ lên vành góp ở phần quay. Các chổi than đƣợc nối với hai hệ thống cơ khí riêng biệt để có thể hoặc xê dịch đồng thời hai chổi của cả ba cụm chổi than (a1a2 - b1b2 - c1c2) hoặc cố định một chổi, xê dịch chổi kia của cả ba cụm chổi (a1, b1, c1 cố định; a2, b2, c2 xê dịch). Phần quay gồm dây quấn ba pha (1), một đầu nối Y còn đầu kia nối với ba vành trƣợt giống nhƣ dây quấn rôto của động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn. Trong rãnh rôto còn đặt cả dây quấn (3) nối với vành góp giống hệt dây quấn phần ứng của máy điện một chiều (để đơn giản, trên hình dây quấn (3) và vành góp đƣợc vẽ thành một vòng nét đậm). Tóm lại có thể xem phần quay nhƣ là sự “kết hợp” giữa rôto của động cơ điện dây quấn với phần ứng của máy điện một chiều. Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý của ĐC ba pha kích từ song song n b1 b2 c1 c2 a1 a2 O 1 O 3 O β β B Y 2 3 C Z A X 1 U1,f1 A1,B1,C1 1 Φ[n] O 2 152 2) Nguyên lý làm việc Dòng điện ba pha cho vào dây quấn (1) ở rôto (A1, B1, C1) sinh ra từ trƣờng quay. Từ trƣờng này tác dụng với dòng điện cảm ứng trong dây quấn (2) sẽ sinh ra lực điện từ tác dụng lên dây quấn này, nhƣng vì dây quấn (2) nằm ở trên phần tĩnh nên phản lực sẽ thể hiện lên dây quấn rôto làm rôto quay theo chiều ngƣợc lại. Nhƣ vậy, động cơ điện làm việc cũng giống nhƣ động cơ điện không đồng bộ thông thƣờng, chỉ khác là ở đây dây quấn rôto dóng vai trò của dây quấn sơ cấp, còn dây quấn stato đóng vai trò của dây quấn thứ cấp và chiều quay n ngƣợc với chiều từ trƣờng quay n1. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn (2) là E2s = sE2 có tần số f2 = sf1. Dây quấn (3) với những trị số xác định của góc mở 2 giữa từng đôi chổi than một (a1a2, b1b2 và c1c2) sẽ cho s.đ.đ phụ Ef tƣơng ứng cũng có cùng tần số trƣợt f2 =sf1 nhƣ ta đã biết ở trên. 3) Điều chỉnh tốc độ quay và cos a) Điều chỉnh tốc độ quay Khi  = 0 Nếu điều chỉnh hệ thống cơ khí để từng đôi chổi than nhập lại với nhau và trùng với trục các pha dây quấn phần tĩnh tƣơng ứng thì s.đ.đ 𝐸𝑓 = 0 và dây quấn 2 coi nhƣ bị ngắn mạch. Lúc đó động cơ điện làm việc nhƣ một động cơ điện không đồng bộ thông thƣờng quay với tốc độ n nhƣng ngƣợc với chiều quay của từ trƣờng n1. Khi  ≠ 0 Cho hai chổi than dịch về hai phía đối với trục OO1 ta có góc mở +. Giả sử hai dây quấn 2 và 3 có chiều quấn nhƣ nhau thì những s.đ.đ cảm ứng trong chúng sẽ cùng pha và đi theo mạch vòng AXa2a1A, ta có hai s.đ.đ 𝐸2𝑠 và 𝐸𝑓 ngƣợc chiều nhau, trong đó 𝐸2𝑠 là s.đ.đ trong dây quấn 2 còn 𝐸𝑓 là s.đ.đ của các phần tử của dây quấn 3 giới hạn giữa hai chổi than a1a2 cần đƣa vào mạch dây quấn 2. Theo lý thuyết trên, 𝐸2𝑠 và Hình 3. 2 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐC ba pha kích từ song song A X a1 a2 2 -β n1 O n < n1 n c) 3 Ef -β E2s A X O1 a1 a2 2 E2s β=0 n1 O n < n1 n a) 3 A X O1 a1 a2 2 E2s +β n1 O n < n1 n b) 3 Ef +β O1 153 𝐸𝑓 ngƣợc chiều nhau ta có trƣờng hợp điều chỉnh giảm tốc độ. Tùy theo việc điều chỉnh cả hai chổi than để gọc mở  lớn hay bé mà 𝐸𝑓 sẽ có trị số lớn hay bé và tốc độ động cơ điện điều chỉnh đƣợc nhiều hay ít. Khi cho hai chổi than dịch ngƣợc lại với trên ta có góc -. Lúc này đi theo mạch vòng AXa2a1A, ta có hai s.đ.đ 𝐸2𝑠 và 𝐸𝑓 cùng chiều nhau, tƣơng ứng ta có trƣờng hợp điều chỉnh tăng tốc độ (có thể điều chỉnh n lớn hơn n1). b) Điều chỉnh cos Hình 3. 3 Điều chỉnh cos của ĐC ba pha kích từ song song Nếu điều chỉnh trục của cơ cấu chổi than để trục OO1’ của dây quấn 3 giữa từng đôi chổi than lệch với trục OO1 của dây quấn 2 tƣơng ứng một góc  nào đó thì s.đ.đ 𝐸𝑓 sẽ lệch với trƣờng hợp hình cũng một góc  tƣơng ứng. Kết quả có thể có đƣợc 𝐼2 vƣợt trƣớc 𝐸2𝑠 và sẽ có tác dụng nâng cao hệ số cos của lƣới điện. Cần chú ý rằng trƣờng hợp này s.đ.đ 𝐸𝑓 ngoài thành phần vuông góc với s.đ.đ 𝐸2𝑠 còn có thành phần trùng pha vớ s.đ.đ 𝐸2𝑠 nên nó còn có tác dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện (ở đây điều chỉnh giảm tốc độ). Động cơ điện ba pha kích từ song song ngoài việc điều chỉnh tốc độ quay tƣơng đối tốt (phạm vi 3:1) và nâng cao đƣợc hệ số cos của lƣới điện, nó còn có đặc tính mở máy tốt vì đƣa đƣợc 𝐸𝑓 vào trong mạch thứ cấp nên có thể giảm đƣợc dòng điện mở máy. Nhƣợc điểm chính của động cơ điện này là điện áp phải đặt vào phần quay qua vành trƣợt. Do đó, chỉ chế tạo đƣợc với loại điện áp thâp, thƣờng U  500V. Mặt khác do chế tạo phức tạp, giá thành cao, đổi chiều lại khó khăn nên chủ yếu ngƣời ta chỉ sản xuất với loại công suất không lớn, thƣờng là từ vài chục đến vài trăm kW (có thể đến . 2sI . 2 fI . 2'I . 2sE . fE . . 2fE s E . m . fE 0 α b) υ . m 0 . U . 2'I . 2'I . 2sE . 0I c) A X O 1 a1 a2 2 E2s β n1 O n < n1 n 3 Ef β O’ 1 α a) 154 A B C 1 2 3 b c Φ n 0 . 1F . 2F . F . m α a) b) 500kW). Động cơ điện ba pha kích từ song song đƣợc dùng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt, giấy, in, đƣờng... 3.2.2 Động cơ điện ba pha kích từ nối tiếp 1) Sơ đồ nguyên lý Phần tĩnh giống động cơ điện không đồng bộ thông thƣờng, nhƣng dây quấn ba pha (1) có ba đầu nối với lƣới điện xoay chiều, còn ba đầu kia nối với ba chổi than a, b, c tì lên vành góp ở rôto. Hình 3. 4 ĐC ba pha kích thích nối tiếp a-Sơ đồ nguyên lý, b-Đồ thị véc tơ Phần quay giống phần ứng máy điện một chiều có dây quấn phần ứng nối với vành góp. Để đơn giản ta có thể dùng sơ đồ dây quấn hình Y đẳng trị (2) để thay thế cho dây quấn phần ứng nối với hình  (hình 3.4). 2) Nguyên lý làm việc Dòng điện 𝐼1 sinh ra ra s.t.đ 𝐹1 , dòng điện 𝐼2 sinh ra ra s.t.đ 𝐹2 và 𝐹1 với 𝐹2 lệch nhau một góc  nào đó trong không gian. S.t.đ tổng 𝐹 = 𝐹1 + 𝐹2 sinh ra từ thông Φ𝑚 tác dụng với dòng điện 𝐼2 trong rôto tạo nên momen quay làm động cơ điện quay. Trƣờng hợp góc lệch  = 0 hay  = 1800, tức các véctơ không gian s.t.đ 𝐹1 và 𝐹2 trùng pha nhau, nghĩa là lực tiếp tuyến tạo nên momen quay bằng không, do đó M = 0 và động cơ điện đứng yên (hình 3.4b). Chiều quay của động cơ điện phụ thuộc vào chiều xê dịch các chổi than. Theo quy luật chung thì trục của dây quấn phần quay có khuynh hƣớng trùng với trục dây quấn phần tĩnh và vì vậy từ thông xuyên qua dây quấn phần quay sẽ lớn nhất. Do đó nếu dịch chổi than ngƣợc chiều quay của từ thông thì rôto sẽ quay cùng chiều với từ thông, nếu dịch chổi than cùng chiều quay với từ thông thì rôto sẽ quay ngƣợc lại với 155 chiều quay của từ thông. Đó cũng là phƣơng pháp đƣợc dùng để thay đổi chiều quay của động cơ điện. Nhƣng khi rôto quay ngƣợc với từ trƣờng thì tổn hao trong thép sẽ tăng tƣơng ứng với tần số f2 = f1(n1 + n) và s.đ.đ biến áp trong phần tử bị chổi than ngắn mạch cũng tăng theo tần số đó làm khó khăn cho quá trình đổi chiều của dòng điện. Chính vì thế trên thực tế các động cơ điện ba pha kích từ nối tiếp đƣợc vận hành với chiều quay cùng chiều với chiều quay của từ trƣờng. Đặc tính cơ của động cơ điện này cũng tƣơng tự nhƣ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Với những góc  khác nhau, ta đƣợc họ đặc tính cơ nhƣ hình 3.5. Ở đây đƣờng nét đứt là giới hạn phạm vi ổn định (1) và không ổn định (2) của họ đƣờng đặc tính cơ. Thƣờng động cơ điện làm việc trong phạm vi góc  = 130  1600. Động cơ điện ba pha kích từ nối tiếp đƣợc dùng nhiều trong truyền động máy bơm, quạt gió ly tâm, máy nén, thiết bị trục hàng, máy in... và có thể chế tạo đƣợc với công suất hàng trăm kW. 3.2.3 Động cơ điện bù pha và máy bù pha Để nâng cao hệ số cosυ của lƣới điện, có thể dùng động cơ không đồng bộ có cosυ đƣợc bù hay dùng máy bù cosυ riêng cho động cơ. Vấn đề ở đây vẫn là đƣa một sức điện động phụ . fE vào trong mạch thứ cấp của động cơ một cách thích hợp để cải thiện cosυ. Để giải quyết vấn đề đó, ngƣời ta cũng lợi dụng tính chất của phần ứng máy điện một chiều nhƣ động cơ ba pha kích thích song song và kích thích nối tiếp ở trên. Nếu máy nhỏ thì phần ứng của máy điện một chiều đƣợc đặt ngay vào trong máy chính làm thành một máy gọi là động cơ bù pha; nếu máy lớn thì phần ứng của máy một chiều làm thành một máy riêng gọi là máy bù pha. 1) Động cơ điện bù pha Động cơ điện bù pha có sơ đồ nguyên lý đƣợc trình bày nhƣ trong hình 3.6. Phần tĩnh có dây quấn ba pha 2 nhƣ động cơ không đồng bộ thông thƣờng, ba đầu nối với ba chổi than a, b, c tỳ lên vành góp và có thể đồng thời thay đổi vị trí đƣợc; ba đầu còn lại nối với ba biến trở BT dùng để mở máy động cơ điện. Phần quay có hai bộ dây: bộ dây ba pha 1 nối Y và ba đầu nối với ba vành trƣợt để đƣa điện vào; bộ dây phần ứng của máy điện một chiều 3 nối với vành góp giống 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 M α = 160 0;1500;1400 1000 1200 1300 (2) (1) 1350 Hình 3. 5 Họ đặc tính của động cơ điện ba pha kích thích nối tiếp 156 máy điện một chiều. Dây quấn 1 ở phần quay làm nhiệm vụ dây quấn sơ cấp, dây quấn 2 ở phần tĩnh làm nhiệm vụ dây quấn thứ cấp. Đặt điện áp U1 có tần số f1 vào dây quấn 1, từ trƣờng quay sinh ra quay với tốc độ 11 60 f n p  đối với phần quay. Do tác dụng phản lực, phần quay sẽ quay ngƣợc lại với tốc độ là n tƣơng tự nhƣ động cơ ba pha kích thích song song đã nghiên cứu. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn 2 là . 2E và trong dây quấn 3 là . fE , cả hai cùng có tần số là f2 = sf1. Nếu xê dịch chổi than ngƣợc chiều quay từ từ một góc α nào đó thì . fE sẽ vƣợt trƣớc . 2sE một góc pha tƣơng ứng. Kết quả là nhờ có thành phần . sinfE  vuông góc với . 2sE làm cho hệ số cosυ đƣợc nâng cao. Lƣu ý rằng thành phần . osfE c  trùng pha với . 2sE có tác dụng làm thay đổi tốc độ động cơ. Thực tế, thƣờng các động cơ bù pha làm việc với góc 00 90   vì lúc đó tác dụng bù là tốt nhất. 2) Máy bù pha Rôto là phần ứng của máy điện một chiều và điện đƣợc đƣa vào ở vành góp thông qua ba chổi than đặt cách nhau 1200. Stato chỉ là những lá thép ghép lại để làm mạch dẫn từ mà không có dây quấn (hình 3.7). Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý ĐC bù pha A1B1C1 n b c a O 2 3 1 U1,f1 Φ[n ] α BT 157 b a c stato Hình 3. 7 Máy bù pha có kích từ ở phần quay Cấu tạo của máy bù pha đơn giản hơn động cơ điện bù pha. Ngày nay ngƣời ta có thể chế tạo những máy bù pha với rôto rãnh kín sao cho từ thông khép kín luôn trên các rãnh đó mà không cần làm mạch từ ở stato nữa. Máy bù pha B làm việc đƣợc nối mạch với dây quấn rôto của động cơ không đồng bộ Đ1 làm thành một tổ liên hợp. Thƣờng máy bù pha đƣợc quay bởi một động cơ không đồng bộ Đ2 (hình 3.8a), song có khi không cần Đ2 mà dùng ngay động cơ Đ1 để quay. Khi máy bù pha đứng yên, dòng điện I2 có tần số f2 = sf1 ở dây quấn rôto của động cơ Đ1 đi vào máy bù pha tạo nên từ trƣờng quay Φb quay với tốc độ 2 1 60 b f n p  so với ba chổi than (trong đó pb là số đôi cực của máy bù) và sinh ra s.đ.đ: Ef = 4,44f2Wb.kdqb chậm sau từ thông Φb và dòng điện I2 một góc 90 0 (hình 3.8b). Nếu rôto của máy bù đƣợc quay theo chiều của Φb với tốc độ nb < n1b thì từ thông Φb vẫn tiếp tục quay với tốc độ n1b so với các chổi than, nhƣng s.đ.đ của máy bù sẽ là: Ef = 4,44(f2 – fb)Wb.kdqb trong đó 60 b b b p n f  là tần số tƣơng ứng với tốc độ quay nb của máy bù. Ta thấy s.đ.đ Ef giảm nhỏ hơn trƣớc nhƣng vẫn chậm sau dòng điện I2 một góc 90 0. Nếu đƣa tốc độ quay của máy bù đến nb = n1b thì fb = f2 và Ef = 0. Khi từ thông vẫn quay theo chiều đó nhƣng tốc độ nb > n1b thì s.đ.đ Ef đổi ngƣợc dấu và vƣợt trƣớc I2 một góc 90 0 (hình 3.8b). Thông thƣờng động cơ không đồng bộ làm việc với hệ số trƣợt s rất nhỏ nên góc ψ2 giữa E2 và I2 rất bé, do đó với tốc độ nb > n1b và s.đ.đ Ef đủ lớn sẽ có tác dụng sinh ra dòng điện I2 vƣợt trƣớc s.đ.đ E2s. 158 a) b) U1, f1 Đ1 Đ2 B f2 = sf1 . 1( )f b bE n n . 1( )f b bE n n . b . 2I 0 90 0 90 0 Hình 3. 8 ĐCKĐB có máy bù pha và s.đ.đ Ef Đồ thị véctơ ứng với trƣờng hợp này đƣợc biểu thị trên hình 3.9. Ở đây do OA = E2s là véctơ s.đ.đ chính của mạch thứ cấp của động cơ không đồng bộ. AB = Ef là véctơ s.đ.đ phụ do máy bù sinh ra, OB = E2s + Ef = ΣE2 là s.đ.đ tổng trong mạch thứ cấp lúc đã cho s.đ.đ phụ vào. Lúc đó ψ 2 là góc lệch giữa ΣE2 và I2 . Do I2 vƣợt trƣớc E2s nên I1 sẽ gần U1, nghĩa là góc υ giữa U1 và I1 càng nhỏ và cosυ càng đƣợc nâng cao. Chú ý rằng thực ra s.đ.đ E f có thể đƣợc xem là hai thành phần: thành phần Efsinα có tác dụng cải thiện hệ số cosυ của bộ nối cấp còn thành phần Efcosα có tác dụng làm giảm tốc độ quay của động cơ điện trong trƣờng hợp đó. Hình 3. 9 Đồ thị véctơ của ĐCKĐB khi có máy bù pha nb > n1b . 1 1jI x . 1 1I r . 1I . 2'I . 0I . n 2E  . I b  . fE . osfE c  . sin f E  2sE  . 1U . 1E 0 υ α ψ2 A C B 2 2jI x  159 Hình 3.10 thể hiện đặc tính cosυ = f(P2*) của động cơ làm việc khi có máy bù (đƣờng 1) và không có máy bù (đƣờng 2). Từ đƣờng cong (1) ta thấy rằng, khi tải vào khoảng 30% tải định mức thì động cơ điện có máy bù, hệ số công suất cosυ đƣợc cải thiện rất nhiều và bắt đầu từ 60% trở đi thì cosυ = 1. Nhƣng khi tải nhỏ hay không tải cosυ rất thấp, đó cũng là nhƣợc điểm của máy bù. Để khắc phục nhƣợc điểm đó, nghĩa là vẫn bù đƣợc cos𝜑 lúc dòng I2 nhỏ và tránh hiện tƣợng bù quá lúc I2 gần định mức thì máy bù thƣờng đƣợc chế tạo với mạch từ bão hòa rất cao. Trong trƣờng hợp đó, khi dòng điện nhỏ, thép của máy bù còn chƣa bão hòa, s.đ.đ tăng nhanh sẽ thỏa mãn đƣợc yêu cầu thứ nhất; ngƣợc lại khi dòng điện lớn, thép bão hòa mạnh, s.đ.đ tăng chậm hơn so với dòng điện sẽ thỏa mãn đƣợc yêu cầu thứ hai. Ngoài ra hiện tƣợng bão hòa của máy bù sẽ có tác dụng cải thiện điều kiện đổi chiều, vì sự bão hòa mạnh sẽ làm cho đƣờng cong từ thông ngang bằng hơn và sẽ làm giảm từ tản ở khu vực đổi chiều. 3.3 Động cơ điện một pha có vành góp Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung có kết cấu tƣơng tự nhƣ máy điện một chiều thông thƣờng, chỉ có khác là ở đây điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một pha. Động cơ điện loại này đƣợc dùng nhiều trong kéo tải bằng điện, trong một số máy móc dùng trong sinh hoạt và một vài ngành chuyên môn đặc biệt. 3.3.1 Sức điện động của máy điện một pha có vành góp Khi đƣa điện áp xoay chiều một pha vào phần ứng của máy điện xoay chiều có vành góp nói chung trong chúng sẽ có hai loại s.đ.đ cảm ứng: + S.đ.đ kiểu nhƣ máy biến áp gọi là s.đ.đ biến áp Eba, vì sự liên hệ giữa các dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng qua từ trƣờng xoay chiều cũng tƣơng tự nhƣ sự liên hệ giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. 0 0,2 0,4 0,2 0,4 0,6 0,6 0,8 0,8 1,0 1,0 1,2 1,4 0 2 4 6 P2* s% cosυ 1 2 3 sB s Hình 3. 10 Đặc tính cosυ và s = f(P2*) của ĐCKĐB có và không có máy bù 160 π/2 . baE . m 0 c) A B U~ . . Eba= 0 Φ a) . . A B U= Φ b) Eba max + S.đ.đ do phần ứng quay gây nên gọi là s.đ.đ quay Eq, bởi vì khi phần ứng quay các thanh dẫn sẽ cắt các đƣờng sức từ trƣờng và gây nên s.đ.đ cảm ứng giống nhƣ trong máy điện một chiều thông thƣờng. 1) Sức điện động biến áp Eba Đặt điện áp xoay chiều một pha U vào dây quấn kích từ K trên phần tĩnh từ thông  do dòng điện xoay chiều tạo ra sẽ đập mạch với tần số f của lƣới điện. Khi n = 0 từ thông sẽ biến thiên và xuyên qua dây quấn phần ứng và cảm ứng bên trong dây dẫn của thanh dẫn của dây quấn phần ứng sức điện động Eba nhƣ trong máy biến áp. Ở đây dây quấn kích từ là dây quấn sơ cấp và dây quấn phần ứng là dây quấn thứ cấp. Chiều của sức điện động của các thanh dẫn dây quấn phần ứng ở hai phía với trục dây quấn kích từ K sẽ trái dấu nhau. Hình 3. 11. S.đ.đ Eba do từ trƣờng đập mạch sinh ra trong dây quấn phần ứng khi n = 0 Nếu chổi than đặt trên đƣờng trung tính hình học, vì mỗi nhánh dây quấn có số phần tử bằng nhau với các s.đ.đ ngƣợc dấu nên s.đ.đ biến áp ở hai đầu chổi than sẽ bằng không Eba= 0 (hình 3.11a). Nếu chổi than đặt trên trục dây quấn kích từ (tức chính giữa cực từ) thì s.đ.đ biến áp lấy ra sẽ có trị số cực đại Eba= Ebamax (hình 3.11b). Tần số của s.đ.đ biến áp trên các chổi than bằng tần số f của từ trƣờng đập mạch, nghĩa là dòng điện kích từ tƣơng ứng. Cũng tƣơng tự nhƣ trong máy biến áp, trị hiệu dụng của suất điện động biến áp là: Ebamax = 4,44f.w.kdq. max , Trong đó: w là số vòng dây của một mạch nhánh dây quấn phần ứng; kdq là hệ số dây quấn . Về góc pha, sức điện động biến áp baE  chậm sau Φ một góc 900 (hình 3.11c). 161 Khi chổi than lệch với đƣờng trung tính hình học một góc  (hình 3.12) thì: Eba()= Ebamaxsin() 2) Sức điện động quay Eq. Nếu max= const, khi phần ứng quay với tốc độ n, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng quét qua từ trƣờng kích từ  và sẽ cảm ứng đƣợc sức điện động xoay chiều với tần số fq = pn/60, nhƣng sức điện động lấy ra trong chổi than là sức điện động một chiều nhƣ trong máy điện một chiều: 𝐸𝑞 = 𝑝𝑁 60𝑎 𝑛Φ𝑚𝑎𝑥 Khi chổi than nằm trên trung tính hình học Eq= Eqmax và khi chổi than nằm trên trục dây quấn kích thích thì Eq= 0. Khi chổi than lệch với đƣờng trung tính 1 góc  thì: Eq = Eqcos Hình 3. 12 S.đ.đ Eba khi chổi than lệch khỏi trung tính hình học . . A B U ~ Φ Eba(α) α Hình 3. 13 S.đ.đ quay Eq sinh ra do từ trƣờng đập mạch . qE (+n) . m . qE (-n) b) n U~ Φ Eq a) 162 Nếu từ thông đập mạch với tần số f và phần ứng quay với tốc độ n thì trong mỗi phần tử dây quấn sẽ tồn tại cả 2 loại sức điện động: - Sức điện động quay với tần số: fq= pn/60 - Sức điện động biến áp có tần số: fba= f Khi chổi than đặt trên đƣờng trung tính hình học thì Eba = 0, còn Eq  max khi n = const. Chiều của Eq phụ thuộc vào chiều của n nhƣ hình vẽ. Khi chổi than lệch đƣờng trung tính 1 góc ỏ bất kì thì sẽ tồn tại cả 2 loại Eba và Eq có cùng tần số f. 𝐸 = 𝐸𝑏𝑎 2 𝑠𝑖𝑛2𝛼 + 𝐸𝑞 2𝑐𝑜𝑠2𝛼 Tóm lại dƣới tác dụng của điện áp xoay chiều một pha ở đầu chổi than phần ứng ta đƣợc s.đ.đ tổng gồm hai loại Eba và Eq. Sức điện động tổng biến thiên với tần số f của nguồn kích thích, còn tốc độ quay và vị trí của chổi than chỉ có tác dụng làm thay đổi trị số và chiều của s.đ.đ chứ không ảnh hƣởng gì đến tần số của nó. 3.3.2 Động cơ điện nối tiếp một pha 1) Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện nối tiếp một pha không khác nhiều so với máy điện một chiều kích từ nối tiếp thông thƣờng. Đáng chú ý là ở đây cực từ đƣợc ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ và về hình dáng thì có thể làm cực lồi (đối với máy nhỏ) hay cực ẩn (đối với máy lớn). Trên cực từ cũng có dây quấn kích từ K, dây quấn bù B và cũng có cực từ phụ với dây quấn F để cải thiện đổi chiều nhƣ máy điện một chiều thông dụng. Sơ đồ nối dây động cơ điện một pha kích từ nối tiếp nhƣ hình 3.14. 2. Nguyên lý làm việc Khi đặt điện áp xoay chiều một pha vào động cơ, từ thông Φ của cuộn kích thích nối tiếp tác dụng lên dòng điện I chạy trong phần ứng tạo nên momen quay làm động cơ quay. Vì phần ứng mắc nối tiếp với cuộn kích thích nên Φ và I cùng dấu (bỏ qua góc lệch pha do tổn hao sắt), do đó momen luôn luôn dƣơng và động cơ luôn quay theo một chiều. Hình 3. 14 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện nối tiếp một pha U Φ K B F 163 3) Momen của động cơ Giả sử xem rằng dòng điện trong một mạch nhánh iƣ và từ thông kích từ Φ đều biến đổi hình sin theo thời gian, trị số tức thời: iƣ = Iƣmsinωt; Φ = Φmsin(ωt-γ). Trong đó: γ là góc lệch pha giữa iƣ và Φ do tổn hao sắt từ và tham số của phần tử bị ngắn mạch quyết định. Do đó trị số tức thời của momen cũng giống nhƣ ở máy điện một chiều: u um. . sin .sin( )t m pN pN M i I t t          (3-1) Và momen trung bình: um 0 0 1 1 . sin .sin( ) os os 2 2 t m m um m um pN M M dt I t t dt pN pN M I c I c                       (3-2) Trong đó: Iƣ là trị số hiệu dụng của dòng điện trong một mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng của động cơ điện; Φm là biên độ của từ thông kích từ. Góc γ thƣờng rất nhỏ nên momen do động cơ sinh ra vẫn lớn. Đƣờng cong dòng điện, từ thông và momen theo thời gian của động cơ nhƣ hình 3.15. 4) Đồ thị véctơ Giả thiết động cơ quay với tốc độ n và các chổi than đƣợc đặt trên trung tính hình học. Khi đặt điện áp U vào động cơ ta có dòng điện I chạy trong máy. Từ thông Φm do f sinh ra chậm sau một góc γ. Sức điện động . 2E sinh ra bởi từ thông đó sẽ ngƣợc pha với Φm vì máy làm việc ở chế độ động cơ điện, nghĩa là . qE ngƣợc chiều với . I . Sức điện động biến áp trong trƣờng hợp này bằng 0 vì chổi than đặt trên trung tính hình học. Trong động cơ điện còn có: sức điện động tƣơng ứng với toàn bộ từ thông γ 2π Φm iƣ Mt Φ M t Hình 3. 15 Đồ thị dòng điện, từ thông, momen động cơ điện nối tiếp một pha 164 kích từ chậm sau . I một góc 90 0 là . K j Ix , với xK là điện kháng toàn phần của dây quấn kích từ; sức điện động tƣơng ứng với từ thông tản của dây quấn phần ứng, dây quấn bù và dây quấn cực từ phụ cũng chậm sau . I một góc 90 0 là . I x , trong đó Σx là tổng điện kháng của các dây quấn trên; điện áp rơi . I r , trong đó Σr là tổng các điện trở của động cơ điện kể cả điện trở tiếp xúc của chổi than. Vì vậy, phƣơng trình cân bằng sức điện động của động cơ điện đƣợc viết nhƣ sau: . . . . qU E j I x I r     . . . q KU E j I x jI x I r      Đồ thị véctơ tƣơng ứng vẽ ở hình 3.16, ở đây: υ là góc lệch pha giữa điện áp . U và dòng điện . I . Thông thƣờng động cơ làm việc với hệ số cosυ = 0,7  0,95 và tốc độ càng lớn thì hệ số cosυ càng cao. Hình 3. 16 Đồ thị véctơ động cơ điện nối tiếp 1 pha 5) Ứng dụng Động cơ điện một pha có vành góp đƣợc ứng dụng chủ yếu trong việc điện khí hóa đƣờng sắt bằng dòng điện một pha. Loại động cơ này thƣờng đƣợc chế tạo với công suất khá lớn đặt trên các đầu máy xe điện làm việc trên các tuyến đƣờng sắt điện khí hóa ở một số nƣớc nhƣ Pháp, Đức, Mỹ, Nga, v.v Các động cơ công suất nhỏ hơn 0,5 kW đƣợc dùng rộng rãi trong công nghiệp hoặc trong đời sống với yêu cầu tốc độ . I rI . qE . jI x  U . qE . ( ) K jI x x I r  K jIx  jI x    165 cao (3.000 30.000 vg/ph) và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng nhƣ máy mài, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu, v.v Ngày nay, ngƣời ta còn chế tạo ra loại động cơ điện kích thích nối tiếp vạn năng có thể dùng điện xoay chiều hoặc một chiều. Khi dùng điện một chiều, vì không có điện áp rơi trên điện kháng nên với cùng một trị số điện áp thì tốc độ quay của động cơ sẽ lớn hơn. Do đó, để cho đặc tính cơ của động cơ không thay đổi ngƣời ta làm các đầu điện áp xoay chiều và một chiều khác nhau (hình 3.17). Trong đó đầu điện áp xoay chiều ứng với số vòng dây nhỏ hơn đầu điện áp một chiều. Tụ điện C dùng để giảm nhiễu vô tuyến điện. Hình 3. 17 Sơ đồ nguyên lý ĐC vạn năng 3.3.3 Động cơ điện đẩy 1) Động cơ điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh Cấu tạo của động cơ này đƣợc trình bày nhƣ hình 3.18. Dây quấn kích từ K và dây quấn bù B nối tiếp nhau và đặt dƣới điện áp xoay chiều U~ chổi than đặt trên đƣờng trung tính hình học Hình 3. 18 ĐC điện đẩy với hai dây quấn ở phần tĩnh c) U~ B ΦB Ebamax b) U~ U~ B K ΦK ΦB I2 a) B ΦB Eba = 0 C C KT KT ~ = iƣ 166 Nguyên lý làm việc: Từ thông của cuộn kích từ ΦK chỉ gây ra sức điện động quay hai đầu chổi than khi phần ứng quay, do đó khi phần ứng đứng yên, nhờ từ thông đập mạch ΦB của dây quấn bù nên hai đầu chổi than sẽ cảm ứng dòng điện I2. Dòng điện I2 tác dụng với từ thông ΦK tạo nên momen quay làm động cơ quay. Nhƣ vậy, ta thấy có một sự “đẩy” giữa từ trƣờng của phần ứng với từ trƣờng của cực từ tạo nên momen quay. Do đó loại động cơ này đƣợc gọi là động cơ điện đẩy. Trƣờng hợp chổi than đặt trùng với trục của dây quấn kích từ thì sức điện động biến áp Eba = 0, dòng điện I2 = 0 do đó momen quay bằng không (hình 3.18c.). Biểu thức momen nói chung cũng có dạng: . . 2 2os( , )Km KM C I c I   Thông thƣờng góc giữa . 2I và . K gần bằng không nên 2m KM C I  trong đó Cm là hằng số momen. 2) Động cơ điện đẩy chỉ có một dây quấn ở phần tĩnh (Động cơ Thompson) Cấu tạo của loại động cơ này tƣơng tự nhƣ động cơ điện đẩy ở mục 1, phần tĩnh chỉ có 1 dây quấn W và một bộ chổi than di chuyển đƣợc ở phần ứng với trục của chổi than, có thể làm thành góc α bất kỳ với trục của dây quấn phần tĩnh (hình 3.19). Trƣờng hợp này, có thể xem nhƣ động cơ có hai cuộn dây: cuộn W1 = Wsinα đóng vai trò là cuộn kích thích WK và cuộn W2 = Wcosα đóng vai trò của dây quấn bù WB nhƣ trƣờng hợp động cơ điện đẩy có hai dây quấn ở phần tĩnh nhƣ đã xét ở mục 1. Động cơ sẽ làm việc tƣơng tự động cơ đó. Chiều quay của động cơ tùy thuộc vào chiều chuyển dịch của chổi than đối với trục cuộn dây W. Hình 3. 19 ĐC điện đẩy có một cuộn dây phần tĩnh a b W1 α b) W2 a b W U α a) U U 167 Chú ý rằng lúc α = 900 (hình 3.20a) thì tổng sức điện động trong mỗi nhánh của dây quấn phần ứng bằng không. Do đó, dòng điện trong phần ứng và momen do động cơ đó sinh ra cũng bằng không. Lúc đó động cơ điện đƣợc coi nhƣ một máy biến áp hở mạch thứ cấp. Vị trí của chổi than ứng với góc α = 900 gọi là vị trí không tải. Một vị trí đặc biệt khác của chổi than là lúc α = 00 (hình 3.20b) lúc này sức điện động ở hai đầu chổi than sẽ có trị số lớn nhất. Trong phần ứng sẽ sinh ra dòng điện I2 tạo thành sức điện động ngƣợc với sức điện động của dây quấn kích từ. Do đó, momen sinh ra cũng bằng không. Động cơ đƣợc xem nhƣ một máy biến áp làm việc ở tình trạng ngắn mạch, vị trí của chổi than tƣơng ứng lúc đó gọi là vị trí ngắn mạch. Ở những góc α xác định thì đặc tính cơ và các đặc tính làm việc cũng gần giống nhƣ động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ và mở máy loại động cơ này tƣơng đối thuận lợi nhờ việc xê dịch chổi than. Động cơ Thompson thƣờng đƣợc chế tạo với công suất vào khoảng vài chục kW và đƣợc dùng trong nhiều lĩnh vực kéo tải bằng điện. Câu hỏi Câu 3.1 Tại sao đƣa s.đ.đ phụ vào mạch thứ cấp của động cơ không đồng bộ lại điều chỉnh đƣợc tốc độ quay và cos? Làm thế nào để đƣa đƣợc s.đ.đ phụ vào? Câu 3.2 Trình bày nguyên lý làm việc và cách vận hành của các loại động cơ ba pha kích thích song song, động cơ ba pha kích thích nối tiếp? Câu 3.3 Khi đƣa điện áp xoay chiều một pha vào động cơ xoay chiều một pha có vành góp thì trong đó xuất hiện những s.đ.đ loại nào, tính chất của chúng ra sao? Câu 3.4 Trình bày nguyên lý làm việc và cách vận hành của các loại động cơ nối tiếp một pha và động cơ điện đẩy? α=900 a b U α=00 a b U Hình 3. 20 Động cơ điện đẩy a- vị trí chổi than khi không tải b- khi ngắn mạch b) a) 168 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Gia Hanh- Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu, Máy điện 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006. 2. Vũ Gia Hanh- Trần Khánh Hà-Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu, Máy điện 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006. 3. Nguyễn Thế Kiệt, Tính toán sửa chữa dây quấn máy điện, Nhà xuất bản Giáo dục, 1995. 4. Nguyễn Hồng Thanh, Máy điện trong điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001. 5. Nguyễn Đức Sỹ, Công nghệ chế tạo thiết bị điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2009. 6. Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006.