Chơng 10 Máy phát điện một chiều 10.1 Đại cơng. 1. Máy phát điện 1 chiều kích thích độc lập Gồm: máy phát 1 chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, chế tạo với công suất rất bé. Máy phát điện 1 chiều kích thích điện từ, nguồn kích thích chủ yếu lấy từ ắc quy, công suất lớn, điều chỉnh điện áp dể dng v dãi rộng, hình 6.1a. 2. Máy phát điện 1 chiều tự kích thích. - MF1C kích thích song song, hình 6.1b. Mạch kích thích nối song song với mạch phần ứng. Dq kích thích có số vòng dây nhiều, tiết diện dây bé. - MF1C kích thích nối tiếp, hình 6.1c. Dq kích thích nối nối tiếp với dq phần ứng. Dq kích thích có số vòng dây ít, tiết diện dây lớn. Hình 6.1 Nguyên lý kích thích của các loại - MF1C kích thích hổn hợp, hình 6.1d. 10.2 Các đặc tính của máy phát điện 1 chiều. Máy phát điện 1 chiều có 4 đại lợng đặc trng l: U, I , I t v n. Trong đó n thờng đợc giữ không đổi còn lại 3 đại lợng xác định cho ta 5 đờng đặc tính. 1) Đặc tính không tải U 0 = E = f(I t ) khi I = 0, n = C te ; 2) Đặc tính ngắn mạch I n = f(I t ) khi U = 0, n = C te ; 3) Đặc tính ngoi U = f(I) khi I t = C te ; n = C te ; 4) Đặc tính điều chỉnh I = f (I t ) khi U = C te , n = C te ; 5) Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = C te , n = C te ; Trong 5 đặc tính trên thì đặc tính không tải l trờng hợp đặc biệt của đặc tính tải, khi I = 0; Đặc tính ngắn mạch l trờng hợp đặc biệt của đặc tính điều chỉnh khi U = 0. Đặc tính không tải v ngắn mạch của các loại máy phát 1 chiều cơ bản giống nhau, nên ta xét chung. Các đặc tính khác ta xét riêng cho từng loại máy. a) Đặc tính không tải Để lấy đặc tính không tải ta lm thí nghiệm không tải. Lúc đó cầu dao nối với tải bên ngoi để hở, cho máy quay lên đến tốc độ n = n đm = const. Tăng dần dòng kích từ I t từ 0 đến I tm lúc đó điện áp đầu cực máy đạt khoảng U = (1,15 - 1,25)U đm . Giảm I t cho đến lúc U = 0. Với máy kích từ độc lập đổi chiều dòng điện kích từ lại tăng v giảm theo chiều (-) ta đợc ton bộ chủ trình từ trễ BABA'B'A nh hình 6.2. Hình 6.2 Đặc tính không tải của Máy điện 2 46 Đoạn OB l s.đ.đ E d = (2 - 3)%U đm ứng với I t = 0 l do từ d gây nên. Đờng trung bình của chu trình từ trễ l đặc tính không tải của máy. Đây cũng chính l đặc tính từ hóa đã xác định ở phần tính toán từ trờng không tải. b) Đặc tính ngắn mạch I n = f(I t ), khi U = 0, n = C te ; Để có đặc tính ngắn mạch tất cả các loại máy phát đều phải đợc kích từ độc lập. Nối ngắn mạch các chổi than, quay máy lên tốc độ n = n đm , điều chỉnh I t ta đợc các giá trị I tơng ứng. Khi ngắn mạch, E =R .I vì R rất bé nên để I =(1,25-1,5)I đm thì I t rất bé nên mạch từ không bảo hòa do vậy quan hệ I = f(I t ) l đờng thẳng. Đờng 1 máy cha khử từ; đờng 2 máy đã khử từ. c) Tam giác đặc tính. Trên cùng 1 trục tọa độ vẽ các đờng đặc tính không tải (1) v đặc tính ngắn mạch (2), hình 6.4. Từ I nm = I đm chiếu sang (2) v chiếu xuống trục I t , ta đợc I t = OC. Dòng I t ny gồm 2 phần: OD để sinh ra E nm = AD = BC, phần còn lại DC = AB để khắc phục phản ứng phần ứng lúc ngắn mạch. Ta giác ABC có cạnh AB v BC đều tỷ lệ với I gọi l tam giác đặc tính hình 6.4a. Với máy kích thích hổn hợp dây quấn kích thích nối tiếp đợc nối thuận, bù thừa thì cạnh AB nằm bên phải cạnh BC, hình 6.4b. Hình 6.4 Dựng tam giác đặc tính: a) khi phản ứng phần Hình 6.3 Đặc tính ngắn 1. Máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập. a) Đặc tính ngoi U=f(I) khi I t =C te , n=C te . Theo phơng trình điện áp máy phát điện 1 chiều U = E - R I nên khi I tăng, R I tăng v phản ứng phần ứng tăng, nên E giảm xuống, cuối cùng l U giảm xuống. 10)%(5100 U UU %U dm dm0 dm = = - Xây dựng đặc tính ngoi bằng phơng pháp vẽ: Trên hệ trục tọa độ UOI t vẽ đặc tính U = f(I t ). Trên trục I t lấy I t = OP = C te , đặt tam giác đặc tính ABC có các cạnh AB v BC tỷ lệ với I đm , sao cho đỉnh A nằm trên đặc tính không tải, cạnh BC nằm trên Hình 6.5 Đặc tính ngoi máy phát Máy điện 2 47 đờng PP' thì đoạn PC = U khi I = I đm . Dóng sang hệ trục UOI ta đợc điểm D' của đặc tính ngoi. Từ đây ta tìm tiếp đợc các điểm D'' khác, hình 6.6. Chứng minh: Khi không tải I = 0, dòng kích từ I t = OP để sinh ra E = U 0 = PP' = OD. Khi tải định mức I = I đm , dòng kích từ chỉ còn lại phần I t0 = OQ vì nó đã mất đi phần QP = AB để khắc phục phản ứng phần ứng. Nh vậy s.đ.đ cảm ứng đợc trong dq phần ứng bây giờ l E = QA = PB. Điện áp trên đầu cực sẽ l U = E - R I = PB - BC = PC. Thực tế do mạch từ có bảo hòa nên đờng đặc tính ngoi thực nghiệm l đờng đứt nét, nằm dới. b) Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U=C te , n = C te . Đặc tính điều chỉnh cho biết hớng cần phải điều chỉnh I t nh thế no để giữ cho U = C te . Thờng từ không tải đến tải I đm để giữ U = U đm dòng I t phải tăng từ (15-25)%, hình 6.7. Xây dựng đặc tính điều chỉnh bằng phơng pháp vẽ: Vẽ đặc tính không tải, trên trục OU lấy U = U đm = OF. Kẻ đờng FD song song với trục honh, cắt đặc tính không tải tại điểm M. Từ M hạ vuông góc với trục honh xác định đợc điểm M' ứng với dòng kích từ I t0 khi không tải I = 0. Trên đờng FD ta đặt tam gíac đặc tính ứng với I = I đm , sao cho đỉnh A nằm trên đặc không tải, đỉnh C nằm trên đờng FD v BC// OU. Từ điểm C ta xác định đợc điểm N, thì ON = I tđm , ứng với I đm . Hình 6.6 Đặc tính ngoi xây dựng theo phơng Hình 6.7 Đặc tính điều Cứ lm nh vậy ta xây dựng đợc đặc tính điều chỉnh, hình 6.8. Đờng đặc tính điều chỉnh thực nghiệm l đờng đứt nét do có ảnh hởng của bảo hòa. 2. Máy phát điện 1 chiều kích từ song song. a) Điều kiện tự kích thích. Từ đờng đặc tính không tải ta thấy, khi máy điện 1 chiều ngừng hoạt động, trong lỏi thép cực từ chính, gông từ vẫn còn một lợng từ thông d. Khi quay máy đến tốc độ định mức n = n đm , ban đầu I t = 0, lúc ny đầu cực của máy phát vẫn có một điện áp do d cảm ứng nên, U = E d = (2-3)%U đm . Nếu mạch kích từ đợc nối kín trong nó sẽ Hình 6.8 Dựng tam giác Máy điện 2 48 có dòng điện kích từ I t0 chạy qua. Dòng I t0 sinh ra từ thông kích từ đầu tiên d. Nếu t0 cùng chiều với d thì điện áp đầu cực của máy phát sẽ tăng trởng, quá trính thnh lập điện áp sẽ đợc thiết lập. Nếu t0 ngợc chiều với d chúng sẽ triệt tiêu nhau v máy không tự kích đợc. Điện áp xác lập đầu cực máy phát l giao điểm của đờng đặc tính từ hóa của mạch từ v đờng đặc tính Vol- Ampe của mạch kích thích, hình 6.9. Từ đó ta có tg = U/I t = R t . Nếu R t quá lớn thì điện áp sẽ xác lập tại điểm ứng với E d . Vậy điều kiện để máy tự kích l: Hình6.9 quá trình - Máy phải có từ d - Chiều quay của máy phải phù hợp để t0 cùng chiều với d - R t đủ nhỏ để U đạt giá trị yêu cầu. b) Đặc tính ngoi U=f(I) khi R t =C te , n=C te . Dạng của đặc tính ngoi nh hình 6.10, đờng 1 của máy phát kích thích song song, đờng 2 của máy kích thích độc lập. Ta thấy đờng 1 dốc hơn đờng 2 đó l vì, với máy phát kích thích song song, khi tải tăng (I tăng), ngoi 2 nguyên nhân l cho điện áp đầu cực giảm xuống l: - Sụt áp trên R I tăng - Phản ứng phần ứng tăng lm E giảm Nó còn nguyên nhân thứ 3 l khi U giảm thì I t = U/R t sẽ giảm, dẫn tới t giảm v E giảm nhiều. Từ đờng đặc tính ta thấy khi tải tăng đến một giá trị tới hạn I th ứng với điểm K thì sau đó điện áp tụt nhanh về zéro, với dòng điện ngắn mạch xác lập I 0 ứng với E d . Điểm K l điểm ứng với điểm chớm bảo hòa trên đờng đặc tính không tải, sau đó l phần tuyến tính nên điện áp sẽ giảm nhanh. Đặc tính ngoi của máy phát kích thích song song xây dựng theo phơng pháp vẽ nh trên hình 6.11. Vì ở máy phát kích thích song song I t phụ thuộc vo U nên đờng U = R t I t l đờng 0P đi qua gốc tọa độ. Hình 6.10 Đặc tính Hình 6.11 Đặc tính ngoi xây dựng theo phơng b) Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U=C te , n = C te . Vì việc điều chỉnh dòng điện I t không phụ thuộc nguồn kích từ lấy từ đâu nên đờng đặc tính điều chỉnh của máy phát kích thích song song cũng giống nh máy phát kích thích nối tiếp, tuy nhiên do điện áp của MF kích thích song song thay đổi nhiều hơn nên I t phải điều chỉnh nhiều hơn. Máy điện 2 49 3. Máy phát điện 1 chiều kích thích hổn hợp. Máy phát điện 1 chiều kích thích hổn hợp có 2 dây quấn kích thích l song song v nối tiếp. Tuỳ theo cách nối dây quấn nối tiếp m từ trờng kích thích của 2 dây quấn có thể cùng chiều (nối thuận) hoặc ngợc chiều (nối ngợc). Nối ngợc chỉ dùng cho máy phát hn điện 1 chiều. a) Đặc tính ngoi U = f(I) khi n = C te Cuộn dây kích từ nối tiếp có thể nối thuận hoặc nối ngợc, nên dạng các đặc tính ngoi nh hình 6.12. Đờng 1, nối thuận, bù thừa; đờng 2, nối thuận, bù đủ; đờng 3, kích thích song song; đờng 4, nối ngợc Hình 6.12 Đặc tính ngoi MF- Phơng pháp dựng đặc tính ngoi từ đặc tính không tải v tam giác đặc tính tơng tự nh máy phát kích thích song song. Trên hình 6.13, đờng (1) l đặc tính không tải, đờng (2) l l quan hệ U = r t I t , đờng (3) l điện áp rơi trên R I . Giao điểm của đờng (1) v (2) l điểm M ứng với I = 0 dóng sang trục tung ta đợc U 0 , điện áp lúc không tải. Tam giác ABC ứng với I đm v trờng hợp bù thừa. Cho ABC tịnh tiến theo đờng thẳng 2, sao cho A' năm trên đờng (1), C' nằm trên đờng (2) thì G 0 C' = U đm , dóng sang bên trái cắt đờng I đm cho ta điểm D l điểm của đặc tính ngoi ứng với I đm . Lm tơng tự với tam giác A 1 B Hình 6.13 Đặc tính ngoi theo phơng Hình 6.14 Đặc tính điều chỉnh máy PĐ1C kích B 1 C 1 ứng với I đm /2 ta đợc điểm D 1 Nối các điểm U 0 , D 1 , D ta đợc đặc tính ngoi. Khi cần bù điện áp trên đờng dây tải ta tăng dòng kích từ nối tiếp v đặc tính ngoi l đờng đứt nét (ứng với điểm D') b) Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U=C te , n = C te . Đặc tính điều chỉnh của máy kích từ hổn hợp nh hình 6.14 với đờng 1, nối thuận, bù đủ; đờng 2, nối thuận, bù thừa; đờng 3, nối ngợc 10.3 Máy phát điện một chiều lm việc song song. 1. Điều kiện ghép song song các máy phát. Giả sử máy phát 1 đang phát điện lên thanh cái, ta cần ghép máy phát 2 vo lm việc song song với máy 1, hình 6.15. Để việc ghép đợc thuận lợi thì phải đảm bảo các điều kiện sau: 1. Cực tính của máy phát phải nối đúng cực tính của thanh cái 2. S.đ.đ của máy phát bằng điện áp của thanh cái (E 2 = U) 3. Với máy kích từ hổn hợp cần phải có dây cân bằng điện thế Máy điện 2 50 Điều kiện thứ nhất bắt buộc phải đảm bảo: nếu không khi nối máy 2 vo lới thì cả hai máy đều bị ngắn mạch. Điều kiện thứ 2 nếu không đảm bảo: khi ghép máy 2 vo lới thì hoặc l máy 2 sẽ phải nhận tải đột ngột (nếu E 2 > U), hoặc l máy 2 sẽ chuyển sang lm việc theo chế độ động cơ (nếu E 2 < U). Điều kiện thứ 3 nếu không đảm bảo: Máy kích từ hổn hợp, cuộn kích từ nối tiếp thờng đợc nối thuận. Do đó nếu khi vận hnh vì một lý do no đó giả sử tốc độ của máy 1 tăng lên, lúc đó s.đ.đ E 1 tăng lên, thì I 1 tăng lên v E 1 tiếp tục tăng. Cứ nh thế cho đến khi máy 1 dnh hết tải v bị quá tải, còn máy 2 chuyển sang lm việc ở chế độ động cơ. Hình 6.15 Máy phát điện một chiều lm việc 2. Phân phối v chuyển tải giữa các máy phát. Giả sử máy phát 1 đang lm việc với tải I, có đặc tính ngoi, đờng (1) trên hình vẽ. Nếu máy phát 2 có đặc tính ngoi dạng nh đờng (2), ta cần chuyển tải từ máy 1 qua máy 2, quá trình đợc tiến hnh nh sau: Tăng kích từ của máy 2 để đẩy đờng (2) lên phía trên, đồng thời giảm kích từ của máy (1) để hạ thấp đờng (1) xuống, sao cho U = C te v I = I 1 + I 2 . Nếu muốn chuyển ton bộ tải sang máy 2 ta cứ tiến hnh nh trên, cho đến khi E 1 = U, thì cắt hẳn máy 1 ra khỏi lới v máy 2 sẽ mang tải ton bộ, hình 6.16 Chú ý rằng:Nếu ta giảm I t1 qua nhanh m E 1 < U thì máy 1 sẽ chuyển sang lm việc ở chế độ động cơ. Điều ny rất nguy hiểm nếu các máy phát đợc kéo bằng động cơ nhiệt. Hình 6.16 Phân phối tải giữa Từ hình 6.16 ta nhận thấy rằng muốn sự phân phối tải giũa các máy hợp lý v thuận lợi thì các máy phải có đặc tính ngoi có độ dốc nh nhau. Máy điện 2 51 . Chơng 10 Máy phát điện một chiều 10. 1 Đại cơng. 1. Máy phát điện 1 chiều kích thích độc lập Gồm: máy phát 1 chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, chế tạo với công suất rất bé. Máy phát điện. tính của máy phát phải nối đúng cực tính của thanh cái 2. S.đ.đ của máy phát bằng điện áp của thanh cái (E 2 = U) 3. Với máy kích từ hổn hợp cần phải có dây cân bằng điện thế Máy điện 2 50 Điều. phần Hình 6.3 Đặc tính ngắn 1. Máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập. a) Đặc tính ngoi U=f(I) khi I t =C te , n=C te . Theo phơng trình điện áp máy phát điện 1 chiều U = E - R I nên