Đề tài được thực hiện với mong muôn trình bảy những kien thức cơ bản về câu tạo nguyên lý hoạt động, các đặc tuyến và những ứng dụng của máy phát điện một chiều kích từ song song.. Máy đ
ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ
Trong máy điện, lõi thép đóng vai trò mạch từ dẫn từ thông qua mạch từ khép kín Định luật mạch từ là sự vận dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ Theo nội dung của định luật này, tổng suất điện động từ xung quanh mạch từ kín bằng tổng sức cản từ trên mạch từ đó.
` af b 1 [mm lL) poe }⁄/li di + 1 vn” dip “ weir ` J1) \
Hinh 1.9.1 Minh Hình1.9.2 Mạch +| — Hình].9.3 Mạch từ họa định luật dòng từ đông nhất có 2ÌN, có khe hở không khí điện toàn phan một cuộn đây _ và hai cuộn đây
Nếu H là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện H,l›,.l‹, lạ tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:
Voi d! 14 d6 doi vi phân trên (L) Dấu cua ix xdc định theo qui tắc vặn nút chai: quay cái vặn nỳt chai theo chiộu d 1 , chiều tiến của vặn nỳt chai trựng với chiều dũng điện Ăô thỡ dòng điện ix mang dấu đương, còn ngược lại lay dau 4m Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây như hình 1.9.1 ta có như sau:
H (Am): Cường độ từ trường trong mạch từ B=uH (T): Tự cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ
U=u: Ho (H/m): Độ từ thâm tuyệt đối của mạch từ
Ho=4z.107 (H/m): độ từ thâm của không khí
:= HÍ ko: độ từ thấm tương đối của mạch từ
I (m): chiều dài trung bình của mạch từ
N: số vòng dây của cuộn dây I(A}: gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ
F= Ni (A): goi la strc tir dong (std) H 1: goi là từ áp rơi trong mạch từ
Ry=— S (A/Wb) tir tro cua mạch từ
S (m?): tiết điện ngang của mạch từ
Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dai 11 và la tiết diện S; và S;, hình 1.9.3,ta có:
H¡, H¿ (A/m): cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2
| 4,1 2(m): chiéu đài trung bình của đoạn mạch , 2
Nà, Na la (A): suất từ động của cuộn day 1, 2
Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép núi tiếp định luật mạch từ được viết:
DD Gie=), Ned, ke F 1.12) ka
Trong đó, đòng điện ix nào có chiều phù hợp với chiều tir thong da chon theo qui tac van nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; j: chỉ số tên đoạn mạch từ; k: chỉ số tên cuộn dây có dòng điện.
CAC VAT LIEU CHE TAO MAY DIEN
Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rẻn, Ở các phân dẫn từ có từ thông biến đôi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 + Imm, trong thành phần thép có từ 2 + 5% silic đề tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội Hiện nay thường dùng thép cán nguội đề chế tạo các máy điện vì thép cán nguội có độ từ thâm cao hơn và suất tốn hao nhỏ hơn thép cán nóng Trên hình 1.10 trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu dẫn từ khác nhau Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kĩ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang Ở các phần dẫn từ có từ thông thay đôi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá thép
H 500 1000 1500 2000 2500 3000 Hình 1.10 Đường cong từ hóa của một số vật liệu 1.5.3 Vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện trong máy điện yêu cầu cường độ cách điện cao, chịu được nhiệt độ và âm thanh khắc nghiệt, đồng thời có độ bền cơ học tốt để đảm bảo hiệu suất tối ưu Đặc biệt, khả năng chịu nhiệt của cách điện bọc dây dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ cho phép của dây, cho phép truyền tải dòng điện lớn hơn.
Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thê rắn và gồm có 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa b)Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh c) Cac chat tông hợp d)Các loại men va son cach điện
Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt Giấy, vải, sợi rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, để bị ấm Vì vậy chúng phải được tâm sấy đê cách điện tốt hon
Căn cứ độ bên nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cap như sau:
- Cap Y: Nhiệt độ cho phép là 90°C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tâm sây băng sơn cách điện
- Cấp A: Nhiệt độ cho phép là 150%C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tâm sấy băng sơn cách điện
- Cấp E: Nhiệt độ cho phép là 120°C, bao gồm màng vải, sợi tống hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng
- Cấp B: Nhiệt độ cho phép là 130°C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tỉnh hoặc amiăng được liên kết bằng sơn hoặc nhựa sốc hữu cơ có thê chịu được nhiệt độ tương ứng
- Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 155°C, giống như B nhưng được tâm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tống hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng
- Cấp H: Nhiệt độ cho phép là 180°%C, giống như B nhưng dùng sơn tâm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng
- Cap C: Nhiệt độ cho phép là >180°C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tỉnh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thê khí (không khí) và thê lỏng ( dầu biến áp)
Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chan động và các tác động ly hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-10°C thi tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa.
Vật liệu kết cầu
Vật liệu kết cấu đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các chi tiết chịu lực như trục, vỏ máy hay nắp máy Trong lĩnh vực chế tạo máy điện, vật liệu kết cấu thông dụng bao gồm gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu cùng hợp kim của chúng, thậm chí cả vật liệu dẻo Những vật liệu này được lựa chọn dựa trên đặc tính chịu lực, độ bền và khả năng gia công phù hợp với yêu cầu thiết kế cụ thể.
PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tôn hao Tổn hao trong máy điện gồm tốn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tôn hao đồng trong dây quấn và tôn hao do ma sát ( ở máy điện quay) Tất cả các tốn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên Đề làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vó máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát
Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phân tử không được vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quả nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc qua tai lau dai.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước Sau: ® Mô tả các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện ®© Dựa vào các định luật vật lí, viết phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện Đó là mô hình toán của máy điện e Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện se Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu câu cụ thê.
CHUONG 2: MAY ĐIỆN MOT CHIEU
CAU TAO CUA MAY DIEN MOT CHIEU Máy điện một chiều có cấu tao gan giống với máy điện xoay chiều rotor day quan,
Cô góp Chỗi quét stator rotor cô góp nắp máy
Hình 2.1 Các thành phần của máy điện một chiều 2.1.1 Stator
Còn gọi là phân cảm, gôm có cực từ chính, cực từ phụ, gông từ nắp máy và cơ câu chối điện a Cực từ chính:
Cực từ là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ được quấn bên ngoài lõi sắt Lõi sắt cực từ được chế tạo bằng những lá thép kỹ thuật dày 0,5mm hoặc 1mm ép chặt và tôi lại Trong các máy điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được cố định vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ bằng đồng, được quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn được bọc cách điện và sơn cách điện trước khi lắp vào lõi sắt cực từ Các cuộn dây ở các cực từ được đấu nối tiếp nhau để tạo nên các cực từ trái dấu xen kẽ khi có dòng điện chạy qua.
Hình 2.2 Cực từ chính trong máy điện một chiếu: a) Bốn cực; b) Su cực 1 Cuộn dây kích từ; 2 Vỏ máy ( gông từ); 3 Lõi thép; 4 Bulông b._Cực từ phụ:
Cực từ phụ gồm có lối thép và dây quấn Lõi thép thường làm bằng thép khối còn dây quân cực tử phụ có cau tạo giống nhự dây quân cực từ chính Cực từ phụ được đặt xen kế với cực từ chính và được dung dé cai thiện đối chiều Dây quấn cực từ phụ được nối nối tiếp với dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông
Hình 2.3 Cực từ phụ 1) Lõi; 2) Cuộn dây c_Vo may (Géng tiv):
Gông từ làm mạch từ nói liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện công suất lớn gông từ làm bằng thép đúc, còn máy điện công suất vừa và nhỏ thường dùng thép tắm cuốn lại và hản d Co cau chỗi than:
Gồm có chỗi than đặt trong hộp chối than và tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo Hộp chối than được có định trên giá chôi than và cách điện với giá Giá chỗi than có thê quay được đề điều chỉnh vị trí chối than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì cố định lại bằng vit Chéi than làm bằng than hay gra-phít, đôi khi ta trộn thêm bột đồng đề làm tăng độ dẫn điện Chối than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phân ứng ra ngoài hay ngược lại
Hình 2.4 Cơ cấu chổi than
Hộp chối than, 2) Chối than, 3) Lò so ép, 4) Dây
Nắp máy để bảo vệ dây quấn và đảm bảo an toàn cho con người Đối với các máy điện công suất vừa và nhỏ, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ô bị và thường làm bằng gang
Còn gọi phân ứng gồm lõi thép, dây quần phần ứng và cô góp
Hình 2.5 Cdu tao ctia rotor a L6i thép rotor:
Hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện, ghép lai dé giảm tôn hao do dòng điện xoáy gây ra Các lá thép được rập có lỗ thông gió và rãnh đề đặt dây quan phần ứng Trong những máy cỡ trung bình trở lên đôi khi còn có lỗ để tạo sự thông gió dọc trục còn ở máy lớn hơn thì lõi sắt được chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn ấy ta đê một khe hở đề thông gió ngang trục
Hình 2.6 Lá thép phần ứng
1) Trục máy, 2) Lé thông gió đọc trục, 3) Rãnh, 4) Răng b Dây quấn phần ứng:
Dây quần phần ứng là phân sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua
Dây quần phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, có tiết diện hình tròn (đối với máy có công suất bé) hay hình chữ nhật (đối với máy công suất lớn) được đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và được cách điện với rãnh Để tránh dây quan bi vang ra khi rotor quay (lực ly tâm), ở miệng rãnh có dùng nêm bằng tre hay bakelit c Cổ góp:
Cô góp gồm có các phiến góp bằng đồng có đuôi én được ghép lại thành hình trụ tròn, giữa các phiến góp được cách điện với nhau băng các tắm mica dày 0,4 đến 1,2mm Hai đầu vành én có 2 vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và phiến góp cũng được cách điện bằng các tắm mica Đuôi vành góp nhô cao lên một ít đê hàn các đầu dây của phân tử nối với phiến góp Thông qua chôi điện và cô góp, dòng điện xoay chiều trong dây quan rotor duoc déi thành dòng điện một chiều đưa ra mạch ngoài, do đó cỗ góp còn gọi lả vành đổi chiều
Hinh 2.7 Phién doi chiéu (a), (b) và cổ góp (c)
1 Phién gop; 2,3 ốp hình chữ V; 4 cách điện bằng mi ca;
5 ranh noi đây; 6 vành đệm cách điện; 7 bulông xiẾ d Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm CÓ:
Cánh quạt được lắp trên trục máy để hút gió làm mát cho máy điện một chiều Những máy điện này thường dạng kín, thiết kế lỗ thông gió hai đầu nắp để đảm bảo lưu thông không khí Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ bên ngoài vào máy, sau đó gió lần lượt đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn trước khi thoát ra ngoài qua quạt gió, giúp làm mát các bộ phận của máy.
Trục quay làm bằng thép cácbon tốt Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành góp, cánh quạt
2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó được đặc trưng bởi những đại lượng ghi trên nhãn may va gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau: ° Công suất định mức Pa„ (W hay kW) e — Điện áp định mức Uan (V) ô Dũng điện định mite lim (A) e _ Tốc độ định mức nam (vòng/phút)
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng v.v
Cần chú ý là công suất định mức ở đây là chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với may phát điện, đó là công suất điện đưa ra ở đầu máy Đối với động cơ điện thì đó là công suất cơ đưa ra ở đầu trục
2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIẾU
Máy điện một chiều có thê làm việc ở chế độ máy phát điện, động cơ điện dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ
Hình 2.8 Sơ đồ khối chỉ chế độ làm việc của máy điện một chiều 2.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải và giá trị tức thời được tính theo biêu thức: e=B.l.v (2.1)
B: cảm ứng từ nơi thanh dẫn quét qua y: vận tốc quét của thanh dan; 1: chiều dai tác dung cua thanh dan
Hinh 2.9 M6 ta nguyén lý làm việc của máy phát điện một chiều trong đó dây quấn phần ứng chỉ có Ì phân tử nối với 2 phiến đôi chiéu
Theo hình 2.9 từ trường hướng từ cực N đến S, chiêu quay phần ứng ngược chiều kim đồng hé, ở thanh dẫn phía trên sức điện động có chiều đi từ b đến a Ở thanh dẫn phía dưới chiều sức điện động đi từ d đến c Sức điện động của phân tử bằng 2 lần sức điện động của thanh dẫn Nếu nói 2 chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện, điện áp của máy phát điện có cực dương ở chối A và cực âm ở chỗi B
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tứ thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đối chiều Nhờ có chối điện đứng yên, chối A vẫn nói với phiến góp phía trên, chổi B nói với phiến góp phía dưới nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chéi A va cuc 4m 6 chéi B Đề điện áp lớn và ít chập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiêu Ở chế độ máy phát điện, dòng điện phần ứng I„ cùng chiều với sức điện động phân ứng E,
Phương trình cân bằng điện áp là:
U= E¿-Rvlx (2.2) Rul : là điện áp rơi trên dây quần phần ứng: R„ là điện trở của dây quần phân ứng
U: là điện áp đầu cực máy phát điện; E„ là sức điện động phần ứng 2.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
Hình 2.10 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chối điện A va B, trong day quan phần ứng có dòng điện Dưới tác dụng của nam châm lên các thanh dẫn ab, cd có dòng điện, sẽ sinh ra lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay
Hình 2.10 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Khi điện áp một chiều U được đưa vào hai cực điện a và b, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng theo chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái, có độ lớn tỉ lệ với dòng điện.
F=Bul.i (2.3) ° Bu: cam ứng từ trung bình trong khe hở ° ¡: dòng điện chạy trong thanh dẫn; l: chiều dai thanh dan
Khi phần ứng quay được 1⁄2 vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đối chỗ cho nhau Do có phiến góp đối chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đối Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eu Chiều sức điện động sẽ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ, chiều sức điện động Eu ngược chiêu với dòng điện I„ nên E„ còn được gọi là sức phản điện
Phương trình cân bằng điện áp là: U=E+luRư (2.4)
Hình 2.11 Chiêu quay của phần ứng động cơ DC
2.4 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIẾU
Ta đã phan may điện một chiều thành máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều
Song tùy theo cách kích thích của cực từ chính, mà còn phân loại mảy điện một chiều thành các loại như sau:
“ May điện một chiêu kích từ độc lập: Mạch phân ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích từ Nếu máy có công suất nhỏ thì cực từ chính thường dùng nam châm vinh cửu, còn máy có công suất lớn cần có nguồn kích từ riêng đề có điều chỉnh điện áp hoặc tốc độ trong pham vi rộng ¢ May điện một chiều kích từ song song: Mạch kích từ nối song song với mạch phân ứng
* Máy điện một chiều kích từ nối tiếp: Mạch kích từ mắc nói tiếp với mạch phần ứng ey
“+ May dién mot chiều kích từ hỗn hợp: Mạch vừa kích từ nối tiếp vừa kích từ song song ¢ -> cq ¢ -> a ¢ -> Cc ® — b) c) d)
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý máy điện một chiếu: q) Kích từ độc lập b) Kích từ song song,
C)Kích từ nội tiếp, đ) Kích từ hôn hợp
2.5 QUAN HE LUC TU TRONG MAY DIEN MOT CHIEU
2.5.1 Sức điện độngpPhần ứng Sức điện động thanh dẫn: khi quay rotor, các thanh dẫn của dây quấn phân ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là:
Btb : cuong do từ cảm trung bình dưới cực từ ( đơn vị: T) v: tốc độ dài của thanh dẫn (đơn vị: m/s).
chiều dài tác dụng của thanh dẫn (đơn v¡:m) Sức điện động phần ứng: dây quán phân ứng gồm nhiều phản tử nói tiếp nhau thành
x N SA ga hoy ` dẫn của một nhánh 2" sức điện động phân ứng là:
Tốc độ dài v được xác định theo tốc độ quay n (vòng/phút):
Từ thông ® dưới mỗi cực từ là: ca 2p (2.8)
Trong đó: - p: là số đôi cực Hệ số kE= a phụ thuộc vảo kết cầu máy được gọi là hệ số kết cấu
Sức điện động phân ứng tý lệ với tốc độ quay phan ứng và từ thông ® dưới mỗi cực từ
Muốn thay đôi sức điện động ta có thê điều chỉnh tốc độ quay, hoặc điều chính từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ Muốn đổi chiều sức điện động, ta đôi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ
2.5.2 Công suất điện từ, momen điện từ của máy điện một chiều Công suât điện từ của máy điện một chiêu:
Par = Eu.ly (2.10) wpe j r=—— pN m= ta co: 2:
Oo œr là tần số góc quay của rotor, được tính theo tốc độ quay n (vòng/phút) bang biéu thức: ® =0 2m (2.13)
Thay Pa, @r vào ta được biểu thức:
Ma =—— kb = dt 2za pN Ky lu © ( 2.14 )
Trong do hộ so km= 2ơ phụ thuộc vảo kết cõu của mỏy
Moment điện từ Ma: ty lệ với dòng điện phan ứng l¿ và từ thông © Muốn thay đôi moment điện từ, ta phải thay doi dòng điện phân ú ứng I¿ hoặc thay đối dòng điện kích từ lụt, muốn đổi chiều momen điện từ phải đổi chiều đòng điện phần ứng hoặc dòng kích từ
2.6 QUA TRINH BIEN DOI NANG LUQNG 2.6.1 Các tôn hao trong máy điện một chiều
Tổn hao trong máy điện một chiều bao gồm tổn hao Peo và tổn hao sắt Pres Tổn hao Peo bao gồm tổn hao ơ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao thông gió, phụ thuộc vào tốc độ quay của máy Còn tổn hao sắt Pres do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây ra, phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài, trọng lượng của lõi thép, từ cảm và tần số Khi lõi thép đã định hình, tổn hao sắt tỉ lệ thuận với bình phương tần số và từ cảm.
Hai loại tốn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tôn hao không tải:
Mô men xoắn tĩnh là mô men không tải khi không được truyền tải, ký hiệu là Mo Mô men tĩnh có thể tồn tại trong hệ thống truyền động dưới tác dụng của tải trọng (lực, momen quay) hoặc do các yếu tố khác như ma sát, độ cứng
Ms# P, (2.15) oO Trong đó @ la tốc độ goc cua rotor c) Tổn hao đồng pcu: Tốổn hao đồng bao gồm hai phần: tôn hao đồng trong mạch phần Ứng pcu va tôn hao đồng trong mạch kich tt peut
Tốn hao đồng trong phân ú ứng bao gom ton hao đồng trong dây quan phan ứng luˆr¿, tổn hao đồng trong, dây quân cực tử phụ 1? 1 tốn hao tiếp - xúc giữa chỗi than và vành góp ro
Thường với chôi than graphit điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của hao chối than khống chế 2LU¿,= 2V nên pạ = 2l
Trong, tính toán, thường gộp tất cả các tốn hao đồng trên phân ú ứng lại và viết đưới dạng pu= lu2Ru trong đó R„= r¿+ rr + ra bao gồm điện tro dây quân ứng ru, điện trở dây quân phụ rr và điện trở tiếp xúc chỗi than px, mặt dù re thực tế không phải là không đổi
Tốn hao đồng trong mạch kích từ bao gồm tôn hao đồng của dây quấn kích từ và tốn hao đồng của điện trở diéu chinh trong mach kich tir Vi vay Pout = Url, trong do Ut là điện ap đặt trên mạch kich tir va It 1a dong điện kích từ d) Tén hao phụ pr:
Ton hao phụ trong thép có thê do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phân ứng, các bulông óc vít trên phần ứng làm từ trường phân bồ không đều trong lõi sắt, ảnh hưởng của răng, rãnh làm từ trường đập mạch sinh ra
Ton hao trong dong có thê do quá trình đối chiều làm dòng điện trong phân tử thay đối, dòng điện phân bố không đều trên bề mặt chối than làm tôn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy, tốn hao trong dây nối cân bằng sinh ra Trong máy điện một chiều p¡ tương đối khó tính Thường lấy bằng 1% công suất định mức
2.6.2 Quy trình năng lượng và các phương trình cân bằng năng lượng a) Máy phát điện Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng bên máy do một động cơ sơ cấp bất kỳ kéo hay quay với một tốc độ nhất định
Giả thiết công suất kích từ do một máy khác cung cấp nên không tính vào công suất đưa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện
Công suất điện từ (Pa) được tạo ra bởi công suất cơ đưa vào (P¡) sau khi trừ đi tổn hao cơ và tổn hao sát phạt Tổn hao cơ là năng lượng mất đi do ma sát, trong khi tổn hao sát phạt là năng lượng mất đi khi điện tử chuyển động trong dây dẫn Các tổn hao này làm giảm khả năng chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện từ, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi thấp hơn.
P1 =Pa + (Peo + Pre) = Pa + Po Par = Evle
Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn thì có tổn hao đồng, nên công suất điện đưa ra P2 bằng:
Pa = Pa — Pou = Euly — l2R = Ulu (2.17)
Hình 2.13: Gián đô năng lượng của máy phái điện một chiêu Chia hai về của phương trình (2.17) với lu ta được:
U=E,- I,R, (2.18) Đó là phương trình cân băng suất điện động (phương trình cân bằng áp) của máy phát điện một chiều
Có thê viết công suất cơ đưa vào, công suất không tải và công suất điện từ theo dạng momen nhân với tốc độ góc và như vậy có thê viết thành:
Chia hai vé cho @ ta duge: Mi = Mo + M (2.20)
M:: momen đưa vào M: momen điện từ Mo: momen không tải
Quan hệ trên gọi là phương trình cân bằng momen cua máy phát điện một chiêu b) Động cơ điện Động cơ điện lây công suât điện vào va truyền công suât cơ ra đầu trục
Công suât điện mà động cơ điện nhận được từ dưới vào băng:
(động cơ điện kích từ song song) Trong đó:
|= + It: dong điện từ lưới điện vào (1, là dòng điện vào phần ứng, I là dòng điện kích từ)
U: điện áp ở đầu cực may
Công suất P+, một phần cung cấp cho mạch kích từ Ult còn phần lớn đi vào phân ứng U1„„ tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trong mạch phần ứng pcuu„, còn đại bộ phận là công suất điện từ Pa, ta có:
CHƯƠNG 3: MAY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIẾU KÍCH TU SONG SONG
PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIẾU
Đa phần máy điện một chiều đều có cấu tạo gồm máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều Tuy nhiên, tùy thuộc vào cách kích thích của cực từ chính mà còn phân máy điện một chiều thành các loại như sau:
% Máy điện một chiều kích từ độc lập: Mạch phân ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích từ Nếu may có công suất nhỏ thì cực từ chính thường dùng nam châm vinh cứu, còn máy có công suất lớn cần có nguồn kích từ riêng để có điều chỉnh điện áp hoặc tốc độ trong pham vi rộng
“ May điện một chiều kích từ song song: Mạch kích từ nối song song với mạch phần ứng
* Máy điện một chiều kích từ nói tiếp: Mạch kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng
% Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp: Mạch vừa kích từ nối tiếp vừa kích từ song song
Hinh 3.1 So đồ nguyên lý máy điện một chiếu: a) Kích từ độc lập, b) Kích từ song song, c) Kích từ nối tiếp, d) Kích từ hôn hợp, (mũi tên nét đứt chỉ dòng điện ở chế đọ động cơ)
3.1.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập l
Dòng điện kích từ của máy lây nguôn điện khác không liên hệ với phân ứng của máy
3.1.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song
Dây quấn kích từ nối song song với mạch từ phần ứng
3.1.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp
Dây quấn kích từ mắc nói tiếp với mạch phần ứng
_ 3.14, May phát điện một chiều kích từ hỗn hợp Gom 2 day quân kích từ:
7 Day quan kich tir song song
" Dây quân kích từ nối tiếp
CÁC ĐẶC TUYẾN CUA MAY PHAT DIEN MOT CHIEU
Muốn vận hành máy phát điện được đúng đắn phải biết các giá trị định mức của nó là công suất Pam, điện áp định mức Uam, dòng điện định mức lam, tốc độ quay nam và các đại lượng khác, thường chỉ dẫn trên biển nhãn hiệu của máy
Mặc khác cũng cần biết mối quan hệ giữa các đại lượng đặt trưng cho máy phát điện
Những mối quan hệ này thường biêu diễn dưới dạng đồ thị gọi là đặc tuyến của máy phát điện
Các đặc tuyến gồm có:
3.2.1 Đặc tuyến không tải Đặc tuyến không tải là quan hệ giữa suất điện động của phần ú ứng (Eu) với dòng điện kích từ (J) khi tốc độ quay của máy (n) không đổi và dòng điện tải (I) băng không, tức là:
Ew = Uo = f(J) Trong do: n: không đổi
|=0 Úc: điện áp trên hai cực của máy khi không tải 3.2.2 Đặc tuyến ngoài Đặc tuyến ngoài là quan hệ giữa điện áp trên hai cực của máy (U) với dòng điện tai (I) khi tốc độ quay của máy (n) và dòng điện kích từ (J) không đối, tức là:
U=f() Trong đó: n: không đổi J: không đổi
3.2.3 Đặc tuyến điều chỉnh Đặc tuyên điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ (J) với dòng điện tải (l) khi điện ap trên hai cực (U) và tốc độ quay (n) của máy không đối, tức là:
Trong dó: U,n: không đổi 3.3 MÁY PHÁT ĐIỆN MOT CHIEU KÍCH TỪ SONG SONG
Máy phát điện một chiều kích từ song song là loại máy tự kích, cuộn dây kích từ được ghép nôi tiếp với một biên trở và mắc vào hai cực của máy phát Máy có thê tự kích từ nhờ từ dư của các cực từ
Cuộn dây kích từ song song của máy phát điện một chiều được thiết kế với dòng điện kích từ định mức chỉ bằng khoảng 2-3% dòng điện định mức của phân ứng.
Hình 3.2 Sơ đô máy phát điện một chiều kích từ song song 3.3.1 Đặc tuyến không tải Đặc tuyến không tải của máy phát điện một chiều kích từ song song giống như máy phát điện kích từ độc lập cũng có dạng đường cong từ hóa
Hình 3.3 Sơ đô đặc tuyển không tái của máy phát điện một chiếu kích từ song Song Theo hình vẽ ta có:
Uo = f(J): đặt tuyến không tải Uo = R J: đường thẳng cảm, phụ thuộc điện trở phan cam Ry
Để máy phát điện kích từ, dòng điện kích từ J phải đủ lớn để đường thẳng Uo = R¿.J (đặc tuyến không tải) cắt trục J tại điểm A, được gọi là điểm khởi máy Khi điện trở tải R¿ tăng, dòng điện kích từ J sẽ giảm và góc ơ giữa đường thẳng này với trục J sẽ tăng.
Gọi œc là góc hợp bởi đoạn thăng của đặc tuyến với trục J Rõ ràng ơc cũng chính là góc tới hạn của a Vậy điều kiện mở may: a < Oc tgơ < tgức
Rec= tgœc: là điện trở tới hạn
Do đó, khi mở máy người ta cho biến trở nói tắt
Tuy nhiên, điều kiện này chưa đủ đề máy chạy Khi máy chạy, từ thông dư ® „ trong mạch tir phan cam tao ra suất điện động nhỏ trong phần ứng Suất điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ sinh ra dòng điện kích từ, dòng điện kích tir nay sé tao ra tir thong © k ° Nếu từ thông ®, cùng chiều với từ thong ®, , từ thông tổng của máy sẽ được tăng cường, dẫn đến điện áp trên hai cực của máy sẽ tăng và máy sẽ tự kích được ° Nếu từ thông ®, ngược chiều với từ thông ®„, lúc này từ thông tổng của máy sẽ nhỏ hơn từ thông dư ®„ thì máy sẽ bị khử từ, không thê tự kích và tạo điện áp được
Trong trường hợp nảy, ta phải đối chiều quay của máy hoặc đối ngược dây noi voi phan cảm đề tăng từ thông dư, và nêu từ thông dư quá yêu, phải từ hóa mạch từ phân cảm với nguồn điện phụ
3.3.2 Đặc tuyến ngoài Là đường cong biêu diễn U = f(I) khi máy quay với vận tốc định mức và J không đổi
Bié ém lam viéc LO
Hinh 3.4 So đồ đặc tuyến ngoài của máy phát điện một chiều kích từ song song Phương trinh cân băng điện áp là:
Mạch phần ứng: U = E~ lu ; (3.1) Mạch phân cảm: U = J (Ru + Rac) (Rac: dién tro diéu chinh) (3.2)
Phương trình dong dién: ly =1+ J (3.3)
Vì ở máy phát điện một chiều kích từ song song, mạch kích từ nối vào đầu phần ứng nên:
Khi giảm phụ tải điện áp trên hai cực của máy tăng, dòng điện kích từ tăng dẫn tới từ thông và suất điện động của máy tăng Như vậy đặc tuyến ngoài của máy điện được nâng lên dốc hơn so với máy phát điện một chiều kích từ độc lập
Khi tăng phụ tải, điện áp trên hai cực của máy giảm xuống do độ sụt áp trên điện trở của phân ( ứng và phản ứng phân ứng Điều đó làm giảm dòng điện nuôi cuộn dây kích từ và giảm suất điện động của máy Vì vậy, khi tăng phụ tải, điện áp trên hai cực của máy phát điện một chiều kích từ song song giảm nhanh hơn so với máy phát điện kích từ độc lập
F—===——— ———B_ ———— Bich Kích từ độc lập
Hình 3.5 Sơ đô đặc tuyển ngoài của máy phái điện một chiều kích từ song song và độc lập
Tiếp tục tăng dòng điện phụ tải, không những làm giảm điện áp điện áp của máy mà còn làm giảm dòng điện kích từ và khi mạch ngoài của máy bị ngắn mạch, điện áp mạch ngoài giảm tới không (lúc này dòng điện ngắn mạch chỉ gây bởi suất điện động được sinh ra do từ dư của máy)
Vậy máy phát điện một chiều kích từ song song có khả năng chịu đựng nối tắt đột ngột
Theo đặc tuyến ngoài, máy làm việc ôn định khi đặc tuyến của máy nằm 6 phan trên của đặc tuyến
Là đặc tuyến J = ẹI) khi mỏy quay với tốc độ định mức cũng cú dạng tương tự đặc tuyến điêu chỉnh của máy điện không đôi kích từ độc lập a pe
CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIẾU KÍCH TU SONG SONG
Dây nối
Hình 4.3: 7áy nối 4.1.3 Phương án và các bước tiễn hành thí nghiệm
Thiết kế thí nghiệm như sơ đồ sau:
Hình 4.4 Sơ đô thí nghiệm
(1): Động cơ sơ cấp (2): Máy phát (3): Biến trở dùng đề thay đổi dòng điện kích từ E¡: Vôn kế dùng đề đo hiệu điện thế của tải lị: Ampe kế dùng dé do dong dién tai la: Ampe kê dùng dé đo dòng điện kích từ R: Tải
T: Máy đo giá trị momen N: Máy đo giá trị tốc độ của máy
Bộ thí nghiệm sau khi ráp mạch:
Hình 4.5: Hinh ảnh bộ thí nghiệm sau khi ráp mạch 4.1.3.1 Đặc tuyến không tải:
4.1.3.1.1 Phương án 1 tiễn hành thí nghiệm :
Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy (U) vào cường độ dòng điện kích từ (J) trong điều kiện tốc độ quay của máy không đổi (n) và máy hoạt động ở chế độ không tải.
4.1.3.1.1.1 Tiến hành thí nghiệm s* Bảng số liệu:
Lần 2: n = 1200 (vòng/phút)
Lan 3: n = 1300 (vòng/phút)
Khi tăng dòng điện kích từ, điện áp trên hai cực của máy cũng tăng theo và khi tốc độ quay của máy tăng thi điện máy trên hai cực của máy cũng tăng Đặc tuyên không tải khi tốc độ quay của máy không đôi, có dạng đường cong từ hóa
4.1.3.1.2.Phương án 2 tiến hành thí nghiệm :
Khi máy phát điện hoạt động ở chế độ không tải, điện áp giữa hai cực của máy (U) phụ thuộc vào tốc độ quay của máy (n) theo dạng hàm số bậc nhất Khi dòng điện kích từ (J) không đổi, điện áp U tăng tuyến tính theo tốc độ quay n Bảng số liệu cho thấy mối quan hệ này khi J giữ nguyên ở một giá trị cụ thể.
Lần 1: J = 0.07 A 4.1.3.1.2.1.Tiến hành thí nghiệm n(vòng/phút) 0 |1174.13 | 1231.55 | 1279.79 | 1320.62 | 1373.34| 1421.33 | 1465.62| 1513.51 E(V) 15.217| 63.54 66.11 68.19 69.93 72.15 74.40 76.31 78.51
Khi tăng tốc độ quay của máy thì điện áp trên hai cực của máy cũng tăng theo và khi dòng điện kích từ tăng thì điện áp trên hai cực cũng tăng Đặc tuyến không tải khi dòng điện kích từ không đổi, có dạng đường thắng tuyến tính
4.1.3.2.1 Phương án tiến hành thí nghiệm
Khi dòng điện kích từ (J) và tốc độ quay của máy (n) không đổi, việc khảo sát sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy (Ú) vào dòng điện tải (1) cho phép xác định đặc tuyến hoạt động của máy, thể hiện mối quan hệ giữa các thông số đầu vào (J, n) và đầu ra (Ú) của máy Đặc tuyến này đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, tối ưu hóa và vận hành máy điện, giúp các kỹ sư hiểu được cách máy phản ứng với các điều kiện tải khác nhau.
Lan 2: J =0.320A
Lần 3: J = 0.302 A
Khi tăng dòng điện tải, điện áp trên hai cực của máy giảm vả khi dòng điện kích từ tăng thì điện áp trên hai cực của máy cũng giảm Đường đặc tuyến không cong xiếng nhiều như lý thuyết là do ảnh hưởng tải nhỏ
4.1.3.3.1 Phương án tiến hành thí nghiệm
Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện kích từ (J) vào dòng điện tải (I) trong điều kiện điện áp trên hai cực của máy (U) và tốc độ quay của máy (n) không đổi.
Lần 1: U = 100 V
Lan 2: U = 150 V
NHẬN XÉT CHUNG -
4.2.1 So sánh ưu điềm và nhược điềm của máy phát điện một chiêu kích từ song song Ưu điểm:
Bộ thí nghiệm được kết nối với máy tính nên có thê hiển thị nhanh, chính xác các giá trị cần đo cùng một lúc, đồng thời máy tính còn có thê hiển thị các bảng số liệu và đồ thị cần về Tốc độ quay của | dong co so cap co thé diéu chinh duge
Bộ thí nghiệm gần gũi với công nghệ diéu khién tu dong
Thiet ke thi nghiệm phức tạp
4.2.2 So sánh lý thuyết và thực nghiệm
Sau quá trình khảo sát ba đặc tuyến (đặc tuyến không tải, đặc tuyến ngoài, đặc tuyến điều chỉnh) của may phat điện một chiều kích từ song song, một số kết luận được rút ra như sau:
Qua nhiều lần thực hiện thí nghiệm theo các phương pháp khác nhau, kết quả khảo sát thu được đều thống nhất và trùng khớp Điều này cho thấy kết quả thí nghiệm thực tế đã chứng minh và phù hợp với lý thuyết đã trình bày trước đó, củng cố thêm tính đúng đắn và chính xác của lý thuyết.