Chương 4 máy điện một chiều

Chương 4: Máy điện chiều CHƢƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong sản xuất đời sống, máy điện chiều đóng vai trò quan trọng Nó dùng làm động điện, máy phát điện hay chế độ làm việc khác Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, dùng nghành cơng nghiệp có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ, giao thông vận chuyển, … Máy phát điện chiều dùng làm nguồn điện cho động điện chiều, nguồn chiều kích từ cho máy phát điện động Ngồi ứng dụng lĩnh vực luyện kim, mạ điện,… dùng nguồn chiều điện áp thấp Máy điện chiều có nhược điểm máy điện xoay chiều giá thành cao hơn, sử dụng kim loại màu nhiều hơn, chế tạo phức tạp , … có ưu điểm nên dùng sản xuất Cơng suất lớn máy điện chiều vào khoảng vài chục MW, điện áp khoảng vài kV Hướng phát triển cải thiện tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế máy chế tạo công suất lớn 1 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo máy điện chiều hình vẽ, gồm hai phần stato rơto Hình 5.1 Cấu tạo máy điện chiều Phần tĩnh (stato) Phần tĩnh gồm phận sau đây: a Cực từ 41 Chương 4: Máy điện chiều Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi thép cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi thép kích từ Lõi thép cực từ làm thép kỹ thuật điện dày từ 0,5  1mm ép lại tán chặt Trong máy điện nhỏ dùng thép khối, cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt lên cực từ nối nối tiếp với b Cực từ phụ Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống cực từ gắn vào vỏ nhờ bulông c Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc d Các phận khác - Nắp máy: Bảo vệ máy không bị vật bên rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện - Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi tì chặt lên cổ góp Phần quay (rơto) Rơto máy điện chiều gọi phần ứng, gồm có phận sau: a Lõi thép phần ứng Lõi thép phần ứng để dẫn từ Làm thép kỹ thuật điện dày 0,51 mm ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xốy Trên thép có dập dạng rãnh để đặt dây quấn vào 42 Chương 4: Máy điện chiều b Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm đồng tiết diện hình tròn hặc chữ nhật có bọc cách điện c Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều d Các phận khác + Cánh quạt: Gắn trục máy dùng để làm nguội máy + Trục máy: Trên có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Các trị số định mức Chế độ định mức chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo qui định ghi nhãn máy: - Công suất định mức: Pđm [KW,HP]; 1HP =746W (Pháp), HP =736W (Anh) - Điện áp định mức: Uđm [V] - Dòng điện định mức: Iđm [A] - Tốc độ định mức: nđm [vòng/phút] - Kiểu máy, phương pháp kích từ, Iktđm[A], Uktđm[V], khối lượng m[kg], điều kiện làm việc 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Chế độ máy phát điện Khi động sơ cấp quay phần ứng, dẫn dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ, cảm ứng sức điện động Chiều sức điện động xác định theo qui tắt bàn tay phải Ở dẫn sức điện động e có chiều từ b  a, dẫn có chiều từ d  c Nếu nối hai chổi than A B với tải có dòng điện từ A  B 43 Chương 4: Máy điện chiều Phương trình điện áp là: U  Eu  Ru I u (2.1) R ö : Điện trở phần ứng E ö : Sức điện động phần ứng U: Điện áp đầu cực máy Sơ đồ thay thế: Chế độ động điện Khi đặt điện áp U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dòng điện I Các dẫn nằm từ trường chịu tác dụng lực điện từ Fđt làm quay rơto Chiều Fđt xác định theo qui tắt bàn tay trái Khi động quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng sức điện động E ö , chiều xác định theo qui tắt bàn tay phải Phương trình cân điện áp là: U  Eu  Ru I u (2.2a2 Sơ đồ thay tương ứng: 3 DÂY QUẤN PHẦN ỨNG Đại cƣơng - Yêu cầu bản: + Đảm bảo sức điện động + Bền mặt điện, nhiệt + Tiết kiệm kim loại màu + Chế tạo, lắp rắp, sữa chữa dễ dàng - Dây quấn phần ứng hình thành gồm nhiều bối dây nối tiếp với nhờ phiến góp theo qui luật tạo thành 2, mạch kín - Bối dây + Bối dây phần tử phần ứng + Số vòng Ws 1 44 Chương 4: Máy điện chiều - Một số khái niệm khác + Rảnh nguyên tố (Znt): Là rảnh chứa hai cạnh tác dụng + Rảnh thực (Z): Là rảnh chứa 2u cạnh tác dụng + Gọi s số bối dây, G số phiếm góp ta được: Z nt  S  G  u.Z - Phân loại: + Dây quấn xếp: xếp đơn xếp phức + Dây quấn sóng: Sóng đơn sóng phức + Dây quấn hỗn hợp Các thông số đặt trƣng dây quấn phần ứng - Bước dây quấn y: Là khoảng cách hai cạnh phần tử tính số rảnh nguyên tố y Z nt  2p  Z - Bước phần ứng y ö : Là khoảng cách hai tác dụng đầu (hoặc cuối) hai phần tử liên tiếp tính số rảnh nguyên tố - Bước vành góp y G : Là khoảng cách hai phiến góp nối với hai đầu dây phần tử, khoảng cách hai đầu phần tử lên tiếp tính số phiến góp Dây quấn xếp - Dây quấn xếp có bước vành góp y G  m (m=1, 2, 3) Dấu (+) quấn phải, dấu(-) quấn trái a Dây quấn xếp đơn (m=1) Z nt  16 , p  , yG  1 Ví dụ: Z nt 16     dây quấn bước đủ 2p yö  yG  1  dây quấn xếp đơn quấn phải Ta có: y  - Trình tự nối phần tử: - Sơ đồ kí hiệu dây quấn: - Số đôi mạch nhánh song song số đôi cực từ a =p b) Dây quấn xếp phức tạp (m 2) Ví dụ: Z nt  12 , 2p  , y G  y Z nt 12   3 2p 45 Chương 4: Máy điện chiều  yG  2 Số đơi mạch nhánh song song dây quấn phức tạp m lần số đôi mạch nhánh dây quấn xếp đơn a  mp Dây quấn sóng Bước phần ứng yö  Z nt  m p a Dây quấn sóng đơn (m =1): Ví dụ: Z nt  Z  S  G  15 , p  , m  Z nt 15    3 2p 4 G  m 15  y ö  yG   7 p  bươc ngắn Ta có: y   quấn trái Trình tự nối dây quấn Hình đa giác sức điện động - Số đôi mạch nhánh song song a =1 b Dây quấn sóng phức tạp (m  2) Ví dụ: Z nt  Z  S  G  18 , p  , m  Các bước dây quấn: Z nt 18    4 2p 4 G  m 18  y ö  yG   8 p  bước ngắn y   quấn trái p.360 2.360   40 Z 18 Trình tự nối phần tử: Giản đồ triển khai dây quấn - Dây quấn sóng phức tạp xem gồm m dây quấn sóng đơn hợp lại, số đơi mạch nhánh song song m số đơi mạch nhánh dây quấn sóng đơn a=m 4 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG E - Sức điện động trung bình cảm ứng dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động từ trường với tốc độ v bằng: etb  Btb l.v (4.1) đó: v vận tốc dẫn 46 Chương 4: Máy điện chiều v  .r  2f D Dn n   2p 60 60 B tb từ cảm trung bình cực từ   Btb     S .l đó: D đường kính ngồi phần ứng  bước cực p số đôi cực n(vg/ph) tốc độ quay phần ứng   [Wb] từ thông khe hở cực từ ta ta được: etb  p.  n 60 (4.2) Gọi N tổng số dẫn dây quấn mạch nhánh song song có N / 2a dẫn nối tiếp sức điện động máy là: Eö  N p.N etb    n  K e   n 2a 60a (4.3) p.N hệ số  kết cấu máy dây quấn 60.a Chiều E ö phụ thuộc vào chiều   n, xác định theo qui tắt bàn tay phải với K e  5 MÔMEN ĐIỆN TỪ VÀ CÔNG SUẤT Khi máy làm việc dây quấn phần ứng có dòng điện chạy qua Tác dụng từ trường lên dẫn có dòng điện sinh lực điện từ Mômen điện từ lực điện từ tác dụng lên dẫn xác định theo qui tắc bàn tay trái Lực điện từ tác dụng lên dẫn bằng: f  Btb l.iö I Tổng số dẫn N, dòng điện mạch nhánh iu  u momen điện từ tác 2a dụng lên dây quấn phần ứng là: I D D M  f N  Btb u l.N (5.1) 2a B tb = từ cảm trung bình khe hở đó: I = dòng điện phần ứng a = số đơi mạch nhánh song song l= chiều dài dẫn D = đường kính ngồi phần ứng D ta được: với K M  p ,  Btb   .l  I u p p.N l.N   I u  l 2a 2 2 a M  K M  I u [ N m}  K M  I u [kg.m] 9.81 M p.N hệ số  kết cấu máy dây quấn 2a 47 (5.2) Chương 4: Máy điện chiều Ơ máy phát điện Mn nên mômen điện từ M mômen hãm Ở động điện Mn nên mômen điện từ mômen quay - Công suất điện từ là: p.N 2 n p.N Pdt  M    I u  n. I u 2 a 60 60a hay Pdt  Eu I u [W ] (5.3) Quan hệ Pñt với M trao đổi lượng máy Đối với MFđ Pđt cơng suất M thành cơng suất điện từ I Ngược lại động điện công suất điện từ chuyển cơng suất điện I thành cơng suất M 6 QUÁ TRÌNH NĂNG LƢỢNG VÀ CÁC PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG Tổn hao máy điện chiều a) Tổn hao PCơ: Chủ yếu ma sát ổ bi, chổi than với vành góp, thơng gió, phụ thuộc vào tốc độ rôto làm cho ổ bi, vành góp nóng lên b) Tổn hao sắt PFe: Do từ trể dòng điện xốy lõi thép tỉ lệ với f 1,21,6 B Tổn hao không tải: P0  PCo  PFe (6.1) Mômen không tải: M  P0  (6.2) c) Tổn hao đồng PCu: PCu  PCu.ö  PCu.t  Rö I ö2  U t I t (6.3) Rö  rö  r f  rtx với d) Tổn hao phụ Pf : Tổn hao phụ bao gồm Tổn hao phụ thép từ trường phân bố không bề mặt phần ứng, bulơng ốc vít, rãnh làm sinh từ trường đập mạch Tổn hao phụ đồng qúa trình đổi chiều dòng điện phân bố không chổi than làm tăng Ptx từ trường phân bố khơng làm sinh dòng điện xoáy tổn hao dây nối cần Thường lấy Pf  1%Pđm Q trình lƣợng phƣơng trình cân a) Máy phát điện: - Máy phát nhận công suất P1 , tiêu hao phần PCơ PFe lại biến thành Pñt Pñt  P1  P0 (6.4) - Khi có dòng điện dây dẫn có tổn hao đồng, công suất điện đưa P2 bằng: P2  Pđt  PCu  I  Rư I ö2  U.I ö (6.5) Chia hai vế cho I ö ta phương trình cân sức điện động là: U  Eö  Rö I ö từ (1)  (6.6) M1  M   M M1  M  M : phương trình cân mômen b) Động điện: 48 Chương 4: Máy điện chiều Ta có phương trình cân bằng: Pđt  P1  PCu.ö  PCu.t (6.7) (6.8) P2  Pđt  P0 UI  Pđt  PCu.ư  Eö I ö  Rö I ö2 U  Eö  Rö I ö M  M   M  : phương trình cân bằn sức điện động (6.9) M  M  M : phương trình mơmen động điện chiều (6.10) 7 PHƢƠNG PHÁP KÍCH TỪ Kích từ độc lập - Dùng nam châm vĩnh cữu: Công suất nhỏ - Dùng nguồn điện kích từ riêng: Ac quy, nguồn điện DC chỉnh lưu, máy phát điện chiều phụ (công suất lớn) - It  Ut thay đổi   thay đổi  E thay đổi Rdc  Rt Phƣơng pháp tự kích a) Kích từ song song - Máy phát: I  I ö  I t - Động cơ: I  I ö  I t - I kt  U thay đổi  U, R ñc Rkt  Rdc b) Kích từ nối tiếp Ta có: I t  I ö  I Chỉ dùng cho động chế độ máy phát yêu cầu U=const I thay đổi Mà I thay đổi  Ikt thay đổi  Φ thay đổi  E thay đổi  U khơng ổn định - Tổn hao kích từ lớn c) Kích từ hỗn hợp Gồm có: + Hỗn hợp cộng  tnt   t // + Hỗn hợp trừ  tnt   t // 8 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Phân loại Dựa vào phương pháp kích từ: + Máy phát điện chiều kích từ độc lập + Máy phát điện chiều kích từ song song + Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp + Máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp Các đặc tính máy phát điện chiều a) Đặc tính khơng tải: U  E0  f (I t ) I  0, n  const 49 Chương 4: Máy điện chiều b) Đặc tính ngồi: U  f (I ) I t  const , n  const  Kích từ độc lập: Ta có: U   I Rư Khi I tăng điện áp rơi dây quấn phần ứng I.R ö tăng, phản ứng phần ứng tăng nên E ö  giảm  U  - Độ biến đổi điện áp định mức là: U ñm %  U  U ñm 100%   15% U đm  Kích từ song song: Khi I  U  nhiều ngồi việc I.R  , E  U   I kt  U  Rt  Rñc     E  nhiều U ñm %  10  12%  Kích từ nối tiếp: Vì I t  I  I nên I  I t      E ö   U  Eö  I Rư   Kích từ hỗn hợp: + Khi nối thuận hai cuộn kích từ U khơng đổi + Khi bù thừa E  nhanh  U tăng tải tăng + Khi bù thiếu  E ö  nhanh  U  giảm nhanh kích từ song song c) Đặc tính điều chỉnh I t  f (I ö ) U  const , n  const  Kích từ độc lập Ta có: U   I Rư Khi I tăng, muốn U khơng đổi ta phải tăng dòng điện kích từ I t     E ö  để bù lại I.R ö  phản ứng phần ứng  Kích từ song song Khi I tăng U giảm nhiều, để U=const phải tăng I t nhiều kích từ độc lập  Kích từ hỗn hợp + Khi nối thuận U giảm nên I t tăng + Khi nối bù thừa U tăng lên nên I t giảm + Khi nối bù thiếu U giảm nhiều nên I t tăng nhanh d) Đặc tính ngắn mạch I  f (I t ) U  0, n  const Dùng với máy kích từ độc lập Khi ngắn mạch: U =0  E ö  I ö R ö , R ö nhỏ  E ö nhỏ để I  1,25  1,5I ñm  I t  mạch từ khơng bảo hòa, E  I t , I  I t đặc tuyến có dạng đường thẳng Máy phát điện chiều làm việc song song Điều kiện máy phát điện chiều làm việc song song: + Cùng cực tính + Sức điện động E máy phải U góp 50 Chương 4: Máy điện chiều + Đối với máy kích từ hỗn hợp phải nối dây cân Giải thích: - Nếu khơng thỏa điều kiện gây nên ngắn mạch máy - Nếu E >U máy nhận tải đột ngột làm điện áp lưới thay đổi E < U máy làm việc chế độ động - Nếu khơng có dây cân giả sử nI  EI  II   EI  nhanh  Máy I nhận hết tải  tải máy II chuyển thành động Nếu có dây cân làm cho sức điện động máy tăng 9 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Phân loại Dựa vào phương pháp kích từ: + Động điện kích từ độc lập: I  I + Động điện kích từ song song I  I ö  I t + Động điện kích từ nối tiếp I  I  I t + Động điện kích từ hỗn hợp I  I ö  I t Mở máy động điện chiều  Các yêu cầu mở máy: - Mơmen mở máy M k có giá trị lớn để hồn thành q trình mở máy - Dòng điện mở máy I k hạn chế đến mức nhỏ để dây quấn khỏi bị cháy ảnh hưởng xấu đến đổi chiều  Các phương pháp mở máy: a) Mở máy trực tiếp: Theo phương pháp cần mở máy ta việc đóng thẳng động vào lưới ta có: U  Eu  I u Ru  I u  U  Eu Ru (9.1) U  (5  10) I dm làm hỏng cổ góp Ru chổi than Nên dùng mở máy cho động công suất nhỏ khoảng vài trăm 100W Vì mở máy n =  Eu  Ke n.   I umm  với động Ru tương đối lớn b) Mở máy biến trở: - Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy : U I umm  (9.2) Ru  Rm - Lúc mở máy biến trở Rm lớn nhất, trình mở máy n   E   I ö   M   tốc độ tăng chậm dần, ta tiếp tục giảm R m sau M, Iu lại giảm, ta giảm dần Rm đến không, máy làm việc định mức c) Giảm điện áp vào phần ứng Sử dụng có nguồn điện chiều chỉnh điện áp (hệ thống máy phát – động cơ) nguồn chiều chỉnh lưu Khi mạch kích từ đặt điện áp Ut = Udm 51 Chương 4: Máy điện chiều nguồn khác  phương pháp dùng cho động công suất lớn kết hợp với việc thay đổi n nhờ thay đổi Ut Đặc tính n = f (M) điều chỉnh tốc độ động điện chiều ta có: E  K e n.  n  U  Rö I ö E  K e  K e  R I U  ö ö K e  K e  Rö M U  n  K e  K M K e  n M  K M .I (9.3) - Giả sử đặc tính tải MC = f(n) điều kiện làm việc ổn định động dM dMC dM dMC , ngược lại điều kiện không ổn định   dn dn dn dn a) Động điện kích từ song song hay kích từ độc lập - Với điều kiện U= const, It = const M (hoặc Iư) thay đổi    const n  n0  Rö M K (9.4) Rư nhỏ, M =0  Mđm n thay đổi  dùng trường hợp n không đổi tải thay đổi (máy cắt kim loại,…) i) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Nếu tăng điện trở Rđc mạch kích từ It    n đặc tính nâng lên ii) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng Ta được: n  n0  ( Rö  R f ).M K - Rf lớn  đặc tính dốc mềm iii) Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp Khi U  n , U  n U khơng vượt q Uđm nên n > nđm điều chỉnh phạm vi hẹp b) Động điện chiều kích từ nối tiếp Vì I t  I  I    K  I : chưa bão hòa M  K M .I ö  K M n K M U Ke K M Nếu bỏ qua Rư thì: n   2   K K M KM Rö K e K  C M  M (9.5) C' n2 : hypebol  Đặc tính mềm 52 vào (9.3) ta được: Chương 4: Máy điện chiều - Chú ý không cho máy làm việc chế độ không tải M=0  n lớn  hư hỏng học i) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Hai sơ đồ a, b I t  K I đó: K n Rst W'  K  t  lúc ta được: Rt  Rst Wt K M U K e K K  M  Rö C : hypebol  K e K K  M (9.6) Do điều chỉnh  < đm  tốc độ thay đổi vùng định mức (đường 2) - Sơ đồ c) mắc shunt phần ứng làm cho tổng trở toàn mạch giảm  I =It    n có dạng đường cong (n < nđm) ii) Điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ Rf mạch phần ứng Khi thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ta được: n K M U Ke K M  ( R f  Rö ) K e K  (9.7) Khi Rf   n (n < nđm), tăng tổn hao điện trở phụ Rf  hiệu suất giảm  đặc tính hình 4, iii) Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp Vì điều chỉnh U < Uđm  n < nđm (đường 6) c) Động điện chiều kích từ hỗn hợp Đặc tính mang tính trung gian động kích từ song song kích từ nối tiếp Áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động kích từ song song hay nối tiếp Đặc tính làm việc động điện chiều a) Đặc tính tốc độ n  f (I ) U = Uđm = const ta có: n  R I U  ö ö K  K e  M  K M .I nên đặc tính tốc độ giống đặc tính b) Đặc tính mơmen M  f (I ) U  U đm  const ta có: M  K M .I  Kích từ // :   const  M  I ö  M  f (I ) đường thẳng  Kích từ nối tiếp:   I ö  M  I ö2  M  f (I ö ) parabol  Kích từ hỗn hợp: Iư     chậm kích từ nối tiếp  đặc tính mơmen trung gian kích từ // kích từ nối tiếp 53 Chương 4: Máy điện chiều c) Đặc tính hiệu suất   f (I ) U  U ñm  const   max P0  PCu Iư = 0,75Iđm Thường   75  85% : công suất nhỏ   85  95% : công suất lớn 54 ... // 8 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Phân loại Dựa vào phương pháp kích từ: + Máy phát điện chiều kích từ độc lập + Máy phát điện chiều kích từ song song + Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp + Máy phát... hệ số  kết cấu máy dây quấn 2a 47 (5.2) Chương 4: Máy điện chiều Ơ máy phát điện Mn nên mômen điện từ M mômen hãm Ở động điện Mn nên mômen điện từ mômen quay - Công suất điện từ là: p.N... Máy phát điện chiều làm việc song song Điều kiện máy phát điện chiều làm việc song song: + Cùng cực tính + Sức điện động E máy phải U góp 50 Chương 4: Máy điện chiều + Đối với máy kích từ hỗn