Máy điện 1- Chương 5: Máy điện một chiều giới thiệu tới người đọc các kiến thức đại cương về máy điện một chiều, máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát điện một chiều kích từ song song, máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp, máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp. Mời các bạn cùng tham khảo.
133 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 134 Chƣơng MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.1 ĐẠI CƢƠNG Mặc dù sử dụng phổ biến biến đổi tĩnh hệ thống điều khiển giảm máy phát điện chiều, cịn sử dụng làm nguồn số lãnh vực đòi hỏi phải dùng máy phát điện chiều làm nguồn nhà máy luyện thép, tàu phá băng, công nghiệp điện máy chải ngành dệt vài hệ thống truyền động Sau ta nghiên cứu đặc tính, vận hành trình thành lập điện áp loại máy phát điện chiều 5.2 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Máy phát điện chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ It nguồn chiều ngồi máy tạo ra, khơng phụ thuộc dịng điện phần ứng I hình 5.1 Nguồn cung cấp cho mạch kích từ máy phát điện chiều khác, chỉnh lưu không điều khiển chỉnh lưu có điều khiển nguồn accqui (nguồn E) 5.2.1 Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình cân Các phương trình máy phát chiều kích từ độc lập : Phương trình dịng điện : I ỉ I Phương trình điện áp : + Mạch kích từ : U t E t R mt I t + Mạch phần ứng : E æ U R mæ I æ k E Φn I Iư Rmư Eư ĐC sơ cấp It + U Tải n Rt Nt Et _ Rđc Hình 5.1 Mạch tương dương máy phát kích từ độc lập (5.1a) (5.1b) (5.1c) 135 Trong : I = dịng điện phụ tải E t = sđđ kích thích để tạo dịng kích từ R t = điện trở dây quấn kích thích R âc = Biến trở để điều chỉnh dịng điện kích thích R t R t R âc : điện trở mạch kích thích R mỉ = điện trở mạch phần ứng Chú ý: Khi khơng có điện trở điều chỉnh dịng điện kích từ Rđc điện trở dây quấn kích từ điện trở mạch kích từ Cho máy khơng có từ dư thiết kế kích từ độc lập, từ thhong cực từ xác định là: Φ Trong đó: N t It μ (5.2) It = dịng điện kích từ (A) Nt = số vòng dây quấn cực từ = từ trở mạch từ (A-t/Wb) = từ thông cực từ (Wb) Từ công thức (5.1c) (5.2), ta có: k E N t I t n μ (5.3) Chú ý, từ trở vật liệu sắt từ số, biểu thức (5.2) khơng tuyến tính Dịng điện cuộn dây kích thích xác định từ định luật Ohm: It Trong đó: Et R t R đc (5.4) It = dịng điện kích từ (A) Et = Sđđ nguồn kích thích (V) Rt = điện trở dây quấn kích thích () Rđc = điện trở điều chỉnh dịng điện kích thích () Từ biểu thức (5.4) cho ta thấy giảm điện trở kích từ làm tăng dịng kích thích giống tăng số vịng dây cực từ, tăng sđđ phần ứng VÍ DỤ 5.1 Máy phát điện chiều kích từ độc lập cơng suất 100kW cung cấp 50kW cho tải điện áp 125V Nếu cắt tải giữ nguyên tốc độ điện áp đầu cực máy phát 137V Hãy tính: a Dịng điện tải b Điện trở mạch phần ứng 136 Bài giải Công suất tải P = 50kW = 50.000W, điện áp tải U = 125V Dòng điện tải : P 50.000 400 A U 125 Khi không tải, điện áp đầu cực mát phát U = sđđ phần ứng Eư.=137 V Điện trở mạch phần ứng : I Ræ E æ U 137 125 0,03 I 400 5.2.2 Đặc tính khơng tải Đặc tính khơng tải quan hệ đường cong sđđ cảm ứng dịng điện kích thích E = f(It) máy làm việc không tải (I = 0) tốc độ quay máy n = const hình 5.2 Nó dạng đường cong từ hóa Đây đặc tính quan trọng hầu hết đặc tính làm việc khác phụ thuộc vào Từ hình 5.2, ta lưu ý điểm sau: Lúc dịng điện I t = có sđđ nhỏ Edư từ dư lõi thép Trong đoạn tuyến tính từ Edư đến A sđđ E tỷ lệ dòng điện I t Trong đoạn chuyển tiếp AB, sđđ E tăng chậm I t Trong đoạn bão hịa BC, sđđ Eư tăng khơng đáng kể Điểm làm việc bình thường máy nằm đoạn chuyển tiếp đoạn tuyến tính sđđ E thay đổi nhiều theo dòng điện I t nên điện áp máy bị dao động; đoạn bão hòa dòng điện I t lớn làm tăng tổn hao kích thích VÍ DỤ 5.2 Máy phát điện chiều kích từ độc lập có điện trở dây quấn kích từ mạch phần ứng tương ứng 10,4 0,014 Đường cong từ hóa máy hình 5.2 Xác định điện trở điều chinh dịng điện kích từ để sđđ cảm không tải 290V, nối vào nguồn 240V Bài giải Từ đường cong từ hóa hình 5.2, ta tìm dịng điện kích từ để sđđ cảm ứng khơng tải 290V 8,9A Dịng điện kích từ : It Et E R đc t R đc R t R đc It R đc 240 10,4 16,57 Ω 8,9 137 350 C B 300 Sđđ E (V) Bão hịa A Chuyển tiếp 200 150 100 Tuyến tính 50 Edư 10 12 Dòng điện kích từ It (A) Hình 5.2 Đường cong đặc tính không tải máy phát điện chiều 5.2.3 Đặc tính ngồi Đặc tính ngồi máy phát điện chiều quan hệ điện áp dầu cực máy dòng điện tải U = f(I), tốc độ n = const dịng điện kích từ I t = const (hình 5.3) Phương trình cân điện áp của máy phát : U RưIư E Sụt áp phản ứng phần ứng I U E æ R mæ I æ (5.5) Hình 5.3 Đặc tính ngồi máy phát DC Khi dịng điện tải I tăng, bỏ qua phản ứng phần ứng sđđ Eư từ thơng khơng đổi, nên điện áp U giảm xuống (hình 5.3, đường 1) điện áp 138 rơi mạch phần ứng RưIư tăng, cịn có xét phản ứng phần ứng điện áp U giảm xuống (đường 2) hai nguyên nhân sau: Tác dụng phản ứng phần ứng làm cho từ thông tổng giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm và, Điện áp rơi mạch phần ứng RmưIư tăng Hiệu số điện áp lúc khơng tải Uo lúc có tải định mức Uđm với điều kiện dịng điện kích từ dịng điện kích từ định mức qui định độ biến đổi điện áp định mức máy phát chiều : U âm % U o U âm 100 U âm (5.6) Điện áp không tải có cách cho máy làm việc điều kiện định mức giảm tải dần không, quan sát thấy điện áp khơng tải VÍ DỤ 5.3 Máy phát điện chiều kích từ độc lập có công suất định mức Pđm = 5kW, điện áp Uđm = 125V, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,2 a Hãy tính dịng điện định mức điện áp lúc không tải Suy độ biến đổi điện áp định mức máy b Tính điện áp máy phát làm việc nửa tải Cho dịng kích từ tốc độ quay máy không đổi Bài giải Điện áp lúc không tải Uđm% Công suất Pđm = 5kW = 5000W, điện áp tải Uđm = 125V Dòng điện định mức máy : I âm Pâm 5.000 40 A U âm 125 Sđđ cảm ứng máy tải định mức : Eư = Uđm + Rmư Iđm = 125 + 0,2 x 40 = 133 V Độ biến đổi điện áp định mức máy phát chiều: U o U âm 133 125 100% 100% 6,4% U âm 125 Khi không tải, điện áp đầu cực mát phát U.= sđđ phần ứng Eư.=133 V Điện áp máy phát làm việc nửa tải : U âm % Khi máy phát làm việc nửa tải dịng điện phần ứng lúc Iư = 20A Do dịng điện kích từ tốc độ quay máy không đổi, nên Eư = 133 V Vậy điện áp đầu cực máy là: U = Eư - Rư Iư = 133 - 0,2 20 = 129 V 139 Máy phát điện chiều có dây quấn bù Hình 5.4 trình bày hình máy phát điện chiều kích từ độc lập có đặt cực từ phụ dây quấn bù Máy cung cấp nguồn cho tải điều kiện định mức Áp dụng định luật Kirchhoff áp cho mạch phần ứng, ta có: Trong đó: E ỉ U R mæ I æ (5.7) R mæ R æ R f R b (5.8) U = điện áp máy có tải (V) Eư = Sđđ cảm ứng dây quấn phần ứng (V) Rư = điện trở dây quấn phần ứng () Rf = điện trở dây quấn cực từ phụ () Rb = điện trở dây quấn bù () K Iư Rt Rmư It Eư ĐC sơ cấp P+B U I Tải n + Nt Rđc _ Ut Hình 5.4 Mạch tương dương máy phát kích từ độc lập có cực từ phụ dây quấn bù Do máy có dây quấn bù, nên phản ứng phần ứng bị triệt tiêu sđđ Eư sđđ sinh không đổi từ lúc không tải đầy tải Như vậy, trường hợp đặc biệt máy phát điện chiều kích từ độc lập có dây quấn bù, điện áp không tải U0 = Eư Máy phát điện chiều khơng có dây quấn bù Nếu máy phát điện chiều hình 5.4 thiết kế khơng có dây quấn bù có cực từ phụ, ta có phương trình cân điện áp: E æ U I æ (R æ R f ) (5.9) Cơng thức (5.9) khơng tính đến phản ứng phần ứng bão hòa từ Ảnh hưởng phản ứng phần ứng đến sđđ trình bày hình 5.5 Trên hình 5.5, lúc máy khơng tải, dịng điện kích từ thực It (Ft) sinh sđđ Eưo Khi máy có dịng điện tải I, sđđ cảm ứng dây quấn phần ứng E = U + IưRư Nếu Eư < Eưo, 140 tức từ thông máy giảm phản ứng phần ứng, dịng điện kích từ It khơng đổi Vì ta cho rằng, sđđ Eư cảm ứng máy dịng điện kích thích hiệu dụng It.hd (Ft,hd) sinh Do vậy, phản ứng phần ứng E coi làm khử phần dòng điện Eư0= U0 khích thích Sự khác dịng E ư0 điện kích thích thực dịng điện kích thích hiệu dụng phản ứng U + Iư.Rmư Eư phần ứng có dịng điện kích từ tương ứng It.pư (Ft,pư) Do ta có : It.pư It.hd = It - It.pư (5.10a) Ft.hd = Ft - Ft.pư (5.10b) Trong It.pư (Ft,pư) dịng điện kích từ tương ứng với phản ứng phần ứng It(A) It.hd It Hình 5.5 Ảnh hưởng phản ứng phần ứng 5.2.4 Đặc tính điều chỉnh Đó quan hệ dịng điện kích từ dịng điện tải It =f(I) giữ điện áp tốc độ máy phát không đổi, trình bày hình 5.6 Để giữ cho điện áp máy phát không đổi tải tăng, phải tăng dịng điện kích từ It, dịng điện kích từ tăng để bù lại phản ứng phần ứng điện áp rơi dây quấn phần ứng It It0 I Hình 5.6 Đặc tính điều chỉnh VÍ DỤ 5.4 Một máy phát điện chiều kích từ song song có Pđm = 12kW, điện áp Uđm = 240V, nđm = 1000vịng/ph, Rư = 0,24 Dây quấn kích từ có điện trở Rt =160 số vịng dây quấn kích thích Nt = 1200vịng/cực từ, dịng kích từ 6,7A (đặc tính khơng tải máy hình 5.3, ứng với tốc độ 1000vòng/ph) Máy vận hành thành máy phát kích từ độc lập với dịng điện kích từ định mức Bỏ qua phản ứng phần ứng, xác định điện áp đầu cực máy phát dòng điện định mức ? Phản ứng phần ứng tải định mức tương đương dịng kích từ 0,6A: a Xác định điện áp đầu cực máy phát ? b Xác định dịng điện kích từ, cho điện áp đầu cực máy phát tải định mức 240V 141 Bài giải Xét bỏ qua phản ứng phần ứng lúc dòng điện định mức ? Dòng điện định mức máy : Pâm 12000 50 A U âm 240 Từ đặc tính khơng tải máy hình 5.3, It = 6,7A, ta có Eư = 250V I âm Điện áp đầu cực máy phát dòng điện định mức: U = Eư - Rư Iđm = 250 - 0,24 x 50 = 238 V Xét có phản ứng phần ứng: Dịng điện kích từ hiệu dụng : It.hd = It – It.pư = 6,7 - 0,6 = 6,2 A Từ hình đặc tính khơng tải 5.3 với dịng điện kích từ 1,84 A, ta có Sđđ Eư = 240V Điện áp đầu cực máy phát tải dòng điện tải định mức : Uđm = Eư - Rư Iđm = 240 - 0,24 x 50 = 228 V Sđđ cảm ứng máy tải định mức điện áp U = 240V : Eư = Uđm + Rư Iđm = 240 + 0,24.50 = 252 V Từ đặc tính khơng tải hình 5.3, với Sđđ Eư = 252V, ta có dịng điện kích từ hiệu dụng là: It.hd = 6,9 A, Dịng điện kích từ thực tế : It = It.hd + It.pư = 6,9 + 0, = 7,5 A VÍ DỤ 5.5 Một máy phát điện chiều kích từ độc lập có Pđm = 300kW, điện áp Uđm = 240V, nđm = 900vòng/ph, Rư = 0,00243, Rf = 0,0008 khơng có dây quấn bù Dây quấn kích từ song song có điện trở Rt =18,1 số vịng dây quấn kích thích Nt = 1020vịng/cực từ, nối vào nguồn 120V qua điện trở điều chỉnh Mạch điện tương đương đường cong từ hóa máy trình bày hình 5.7 Stđ phản ứng phần ứng khử từ tương đương 12,1% stđ dây quấn kích từ song song máy làm việc điều kiện định mức Hãy xác định: Điện áp đầu cực máy phát không tải Độ thay đổi điện áp định mức Điện trở điều chỉnh nối vào mạch kích từ điện áp đầu cực máy phát tải định mức 240V 142 Bài giải Điện áp không tải Dòng điện định mức máy : I âm Pâm 300000 1250 A U âm 240 280 255 Sđđ E ư(V) 240 160 K Iư Rmư n It I Tải 120 + Rt U Eư 80 Rđc P _ Ut =120V 40 Edư Stđ Ft (At/cực từ x 1000) Hình 5.7 Đường cong từ hóa sơ đồ mạch điện VD 5.5 Điện áp đầu cực máy phát dòng điện định mức: Eư = U + Rmư Iđm = 240 + 0,0,00323 x 1250 = 243,9 V Với Rmư = Rư + Rf = 0,00243 + 0,0008 = 0,00323 Từ đặc tính hình 5.7, Eư = 243,9V, ta có Ft = 5100A-t/cực từ 148 160 Đường thẳng điện trở Rth 1750vg/ph 140 Tốc độ giảm 80% Sđđ E ư(V) 120 80 Đường thẳng điện trở, Rđc=0 60 40 20 Edư Dịng điện kích thích It (A) Hình VD 5.7 Đường cong từ hóa đường thẳng điện trở VD 5.7 b Xác định điện trở điều chỉnh dịng kích từ: Từ đường cong từ hóa hình VD 5.7, dịng điện kích thích để có sđđ phần ứng 140V 3,2A Như vậy: It Eæ E R đc æ R t R t R đc It R đc 140 33,19 10,56 Ω 3,2 149 c Sđđ phần ứng máy phát: R mt R t R đc 33,19 14,23 47,42 Ω Điện áp làm việc xác định từ giao điểm đặc tính từ hóa đường thẳng điện trở hình VD 5.7 Như vậy, sử dụng hai điểm điện áp tùy ý (0 100V), tương ứng dịng điện kích thích: It Eæ 0A R t R đc 47 ,42 It Eæ 100 2,10 A R t R đc 47 ,42 Vẽ đường thẳng qua hai điểm (0A,0V) (2,1A,100V) cắt đường cong từ hóa điểm 130V d Điện trở điều chỉnh dịng kích từ để có Rth máy phát: Đường thẳng điện trở tới hạn đường tiếp tuyến với đường cong từ hóa đoạn tuyến tính hình VD 5.7 để xác định điện trở tới hạn, ta xác định điểm tung độ tương ứng có dịng điện kích từ Như vậy: Eư = 140V; It = 2,35A R th R mt E æ 140 59,6 Ω It 2,35 R đc R th R t 59,6 33,19 26,41 Ω e Sđđ phần ứng điện trở điều chỉnh Rđc =0 tốc độ giảm 80%: Đường thẳng điện trở trường hợp câu (a) Ta phải vẽ đường cong từ hóa với tốc độ giảm cịn 80% Ta biết sđđ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ quay dịng điện kích từ, It khơng đổi, cịn lại tỉ lệ với tốc độ quay Như điểm sđđ ứng với 1750 vòng/phút, ta tính điểm với tốc độ giảm cịn 80% Như vậy: Eư tốc độ 80% = 0,8 x Eư tốc độ định mức Do đó: Dịng kích từ Sđđ cảm ứng Eư (v) (A) Tốc độ nđm 80% tốc độ nđm 4,50 155 124 3,95 150 120 3,20 140 112 2,70 130 104 Dựa vào bảng số liệu ta vẽ đường đặc tính hình VD 5.7 Giao của đường cong từ hóa đường thẳng điện trở tốc độ 80% điểm có sđđ 116V 150 f Điện trở điều chỉnh Rđc chuyển kích từ độc lập : Từ đường cong từ hóa tốc độ 1750vg/ph, sđđ 140V dịng It = 3,2A It E R đc æ R t R t R đc It R đc 120 33,19 4,31 Ω 3,2 Các tham số khác ảnh hƣởng đến thành lập điện áp Ngoài tham số điện trở mạch kích từ lớn tốc độ thấp ảnh hưởng đến thành lập điện áp máy phát cịn có tham số ảnh hưởng đến thành lập điện áp máy phát dây quấn kích từ song song nối ngược cực tính, rotor quay ngược, từ dư ngược Các ảnh hưởng bất lợi mường tượng để nghiên cứu trình bày hình 5.11, dùng qui tắc bàn tay phải để xác định chiều đường sức từ sinh cuộn dây Để cho việc nghiện cứu đơn giản, ta sử dùng cực từ Trong trường hợp: dư = từ thông từ dư t = từ thơng dịng kích từ Hình 5.11a, trình bày máy làm việc bình thường: động sơ cấp quay rotor theo chiều kim đồng hồ, từ dư từ thơng cuộn kích từ sinh chiều Như ta biết phần trước, điện áp thành lập bình thường Hình 5.11b, trình bày dây quấn kích từ nối ngược: động sơ cấp quay rotor theo chiều kim đồng hồ, từ thông cuộn kích từ t sinh ngược chiều từ dư dư từ thông tổng cực từ giảm dần làm từ dư Cũng trình bày phần trước, điện áp khơng thành lập Hình 5.11c, trình bày rotor quay ngược lại: động sơ cấp quay rotor ngược chiều kim đồng hồ, sđđ phần ừng có chiều ngược lại Do dịng kích từ ngược nên từ thơng cuộn kích từ t sinh ngược chiều từ dư dư từ thông tổng cực từ giảm dần làm từ dư Do sđđ sinh giảm dần máy khơng thành lập điện áp Hình 5.11d, trình bày từ dư có chiều ngược lại: động sơ cấp quay rotor ngược chiều kim đồng hồ, sđđ phần ừng có chiều ngược lại Do dịng kích từ ngược nên từ thơng cuộn kích từ t sinh chiều từ dư dư từ thông tổng cực từ tăng dần, sđđ sinh tăng dần máy thành lập điện áp Nhưng điện áp làm việc có cực tính ngược với điện áp ban đầu Để đổi chiều cực tính máy phát hay tạo từ dư ta thực cách sử dụng nguồn chiều bên ngồi từ hóa lại lõi thép cực từ Ở nói thêm điều kiện cho việc thành lập điện áp máy phát kích từ song máy phải quay theo chiều định Trong điều kiện để thành lập điện áp không đề cập đến máy phát phải quay theo chiều định 151 A1 F1 + dư n t Cực từ Bình thƣờng Sự thành lập điện áp Cực tính Cực từ Kích từ nối ngƣợc Điện áp thành lập giảm dần không _ A2 F1 (a) A1 F1 + dư n t _ F1 A2 (b) A1 dư n A2 F1 _ Cực từ t Rotor quay ngƣợc Điện áp thành lập giảm dần không + F1 (c) A1 dư n A2 (d) F1 _ Cực từ t Từ dƣ ngƣợc lại Điện áp thành lập ngược cực tính + F1 Hình 5.11 Ảnh hưởng hệ số khác đến thành lập điện áp 152 5.3.3 Đặc tính ngồi Đó đường cong quan hệ điện áp đầu cực máy với dòng điện phụ tải U = f(I), n = const, Rt = const Khi dòng điện tải I tăng, điện áp U giảm, khiến It Eư giảm theo nên điện áp U giảm nhiều so với kích từ độc lập Trên hình 5.12, ta vẽ đặc tính ngồi kích từ song song chung với kích từ độc lập để tiện so sánh U Uđm Uđm Po Id I Iđm Ith Hình 5.12 Đặc tính ngồi máy phát chiều Kích từ độc lập; Kích từ song song Điểm đặc biệt máy phát kích từ song song dòng điện tải tăng đến trị số định I = Ith sau tiếp tục tăng tải dịng điện I khơng tăng mà giảm nhanh đến trị số Io xác định từ dư máy, điểm P Sở dĩ máy làm việc tình trạng khơng bão hịa ứng với đoạn thẳng đặc tính từ hóa, dịng điện It giảm làm cho E U giảm nhanh Điện áp U giảm nhanh dòng It đưa lại kết dòng tải I giảm đến Io Như cố máy phát kích từ song song khơng gây nguy hiểm máy phát kích từ độc lập 5.3.4 Đặc tính điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát, ta phải điều chỉnh dịng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh máy phát kích từ song song It = f(I), điện áp U tốc độ quay n không đổi vẽ hình 5.13 Khi tăng tải điện áp trên đầu cực máy phát giảm phản ứng phần ứng điện áp rơi dây quấn phần ứng, muốn điện áp không đổi ta phải tăng dịng điện kích từ It It0 I Hình 5.13 Đặc tính điều chỉnh 5.4 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Hình 5.14 mạch điện dương đương máy phát điện kích từ nối tiếp Dịng điện kích từ tải I, tải thay đổi, U thay đổi nhiều, thực tế gần khơng sử dụng máy phát kích từ nối tiếp 153 Trên hình 5.15 trình bày dạng đặc tính ngồi máy phát kích từ nối tiếp giải thích sau : tăng tải, dịng điện Iư tăng, từ thơng E ỉ tăng, U tăng, I = (2 2,5)Iđm, mạch từ máy bão hịa, I tăng U giảm U Iư Rmư + KTn Eư U I R _ Hình 5.14 Mạch tương đương máy phát kích từ hỗn hợp I Hình 5.15 Đặc tính ngồi 5.5 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP 5.5.1 Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình cân Theo hình 5.12, ta thấy điện áp máy phát kích từ song song giảm nhiều tải tăng Để khắc phục, ta quấn thêm cuộn kích từ cực từ chính, mắc nối tiếp với tải với mạch phần ứng, gọi dây quấn kích từ nối tiếp Tùy theo dịng điện chạy qua cuộn dây dịng điện tải I (hình 5.16a) dịng phần ứng Iư (hình 5.16b), tương ứng ta có phát kích từ hỗn hợp nối ngắn nối dài Từ mạch điện tương đương hình 5.16, ta có phương trình cân sau: Nối ngắn (hình 5.16a) : I ỉ I t I ; I tn I (5.13a) E æ I æ R æ IR tn U (5.13b) (5.13c) U t R t I t I tn R tn U Nối dài (hình 5.16b) : I æ I t I ; I tn I E æ I æ (R æ R tn ) U U t R t It U (5.14a) (5.14b) (5.14c) Chú ý : Nếu dịng điện kích thích song song It nối tiếp Itn tạo từ thông s n chiều từ thơng tổng cực s n , ta có máy phát kích thích hỗn hợp nối thuận, ngược lại, s n ta có máy kích thích hỗn hợp nối ngược Sđđ biểu thức (5.7b) (5.8b) bỏ qua phản ứng phần ứng : E æ K E n K E n( s n ) (5.15) đó: s phụ thuộc dịng điện kích thích song song It n phụ thuộc dịng điện kích thích nối tiếp Itn mà Itn dịng điện tải I, tức phụ thuộc dòng điện phụ tải 154 It Iư Rmư Rđc KTs + I KTn R U Eư _ (a) It + Iư Rđc Rmư KTn U KTs I R Eư _ P+B (b) Hình 5.16 Mạch tương dương máy phát kích từ hỗn hợp a Nối ngắn; b Nối dài Nếu xét đến phản ứng phần ứng, ta biết hai stđ kích thích nối tiếp Ftn kích thích song song Ft đặt cực từ chính, nên sức từ động hiệu dụng cực từ : Ft.hd Ft Ftn Ft.pæ (5.16) N t I t hd N t I t N tn I tn N t I t pæ (5.17) đó: Nt = số vịng dây quấn kích từ song song Ntn = số vòng dây quấn kích từ nối tiếp Ft.pỉ = stđ phản ứng phần ứng qui đổi stđ cực từ Từ biểu thức (5.17), ta có : I t hd I t N tn I tn I t pæ Nt (5.18) 5.5.2 Đặc tính ngồi Đó đường cong quan hệ U = f(I), n = const, Rt = const Gọi U0 điện áp lúc không tải Uđm điện áp đầy tải Từ phương tình (5.13b) (5.15), ta thấy dịng điện tải I tăng, điện áp U thay đổi phụ thuộc vào độ lớn n so với s tức phụ thuộc vào số vòng dây Ntn cuộn kích từ nối tiếp Hình 5.17 trình bày dạng đặc tính ngồi máy phát kích từ hỗn hợp với: 155 Kích từ hỗn hợp nối thuận: có ba trường hợp xảy ra: bù thiếu, tăng tải điện áp đầu cực máy giảm ít; bù đủ, điện áp máy phát không thay đổi tăng tải; bù thừa, loại nầy dùng để cung cấp điện cho phụ tải xa nguồn, độ tăng điện áp đầu bù vào sụt áp đường dây tải điện Kích từ hỗn hợp nối ngược: nối ngược nên từ thông tổng giảm nhiều tải tăng nên điện áp U giảm nhanh U Hỗn hợp thừa Uđm Hỗn hợp vừa Hỗn hợp thiếu Hỗn hợp ngược I Hình 5.17 Đặc tính ngồi máy phát chiều kích từ hỗn hợp Iđm VÍ DỤ 5.8 Một máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp nối ngắn (Hình 5.12a) có số liệu Pđm = 50kW, Uđm = 250V, Rư = 0,012, Rtn = 0,01, Rt = 126 Tính sđđ máy máy phát công suất định mức Bài giải Công suất Pđm = 50kW = 50.000W, điện áp tải Uđm = 250V Dòng điện định mức máy : I âm Pâm 50.000 200 A U âm 250 Điện áp mạch kích thích tải định mức: (nối ngắn) Ut = Rtn Iđm + Uđm = 0,01 200 + 250 = 252 V Dòng điện kích thích : It U t 252 2A R t 126 Dòng điện mạch phần ứng : Iư = Iđm + It = 200 + = 202 A Sđđ cảm ứng máy tải định mức : 156 Eư = Uđm + Rư Iư + Rtn Iđm = 250 + 0,05 202 + 0,01.200 = 254 V CÂU HỎI ÔN TẬP Tìm nguyên nhân khiến máy phát điện chiều kích từ song song khơng thể tự kích thành lập điện áp? Nếu điện trở mạch kích từ Rmt nhỏ điện trở tới hạn Rt.th n < nđm q trình từ kích phát điện chiều kích từ song song, điện áp đầu cực máy sao? Trong trường hợp máy khơng tự kích được? Ảnh hưởng tốc độ quay máy phát đến trình thành lập điện áp nào? Nếu máy phát điện chiều kích từ song song từ dư phải làm cách để tạo lại từ dư? Cho biết nguyên nhân làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm? Các biện pháp để khắc phục tình trạng Có thể đổi cực tính máy có dây quấn kích thích khơng? Muốn đổi phải làm nào? Cho biết khác máy phát kích từ hỗ hợp nối thuận nối ngược? Tình trạng ứng dụng máy phát kích từ hỗ hợp nối ngược? Giải thích thay đổi tốc độ có liện quan đến mức độ hỗn hợp máy phát kích từ hỗ hợp? 157 BÀI TẬP Bài số 5.1 Một máy phát điện chiều lúc quay không tải tốc độ n = 1000Vg/ph sđđ phát Eo = 222 V Hỏi lúc không tải muốn phát sdđ định mức Eođm = 220V tốc độ lúc phải giữ dịng điên kích từ khơng đổi ? Đáp số : nođm = 990Vg/ph Bài số 5.2 Một máy phát điện chiều kích từ độc lập Uđm = 220V, nđm = 1000vg/ph Biết tốc độ n = 750vg/ph sđđ lúc khơng tải Eo = 176V Hãy tìm sđđ dịng điện phần ứng lúc tải định mức, biết điện trở phần ứng Rư = 0,4 ? Đáp số : Eưđm = 234,6 V ; Iư.đm = 36,5 A Bài số 5.3 Một máy điện phát chiều kích từ song song có Pđm = 10kW, Uđm = 250V, nđm = 1000vg/ph, Rmư = 0,2 điện trở dây quấn kích từ Rt = 133 Bảng số liệu đường cong từ hóa (đặc tính khơng tải) sau máy quay tốc độ 1000vg/ph It (A) Eư (V) 0,0 10 0,1 40 0,2 80 0,3 120 0,4 150 0,5 170 0,75 200 1,0 220 1,5 245 2,0 263 a Xác định điện áp máy phát khơng có dịng kích từ ? b Xác định điện trở tới hạn mạch kích từ ? c Xác định điện trở điều chỉnh Rđc mạch kích từ, khơng tải có điện áp đầu cực máy phát 250V ? d Xác định trị số điện áp máy phát không tải quay tốc độ n= 800vg/ph Rđc = ? e Xác định tốc độ quay máy phát khơng tải, lúc có điện áp 200V Rđc = ? Đáp số : (a) 10V; (b) 400 ; (c) 33; (d) 200V; (e) 800vg/phút Bài số 5.4 Một máy phát điện chiều tự kích có Pđm = 10kW, Uđm = 250V, tốc độ tải định mức nđm = 1000vg/ph, Rmư = 0,2 điện trở dây quấn kích từ song song Rt = 133 Tổn hao quay 500W Bảng số liệu đường cong từ hóa (đặc tính khơng tải) sau máy quay tốc độ 1000vg/ph tập 5.3 a Xác định sđđ Eư máy phát ? b Xác định moment điện từ ? c Xác định dịng điện mạch kích từ, bỏ qua phản ứng phần ứng ? d Xác định hiệu suất máy ? Đáp số : (a) 258V; (b) 98,55Nm (c) 1,86A; (d) 88,12% Bài số 5.5 Một máy phát kích từ độc lập 150kW, 250V, 1750 vịng/phút khơng có dây quấn bù có thơng số sau: Rmư = 0,0072, Rt = 18,6, Nt = 1491 vòng/cực Mạch kích từ cấp từ nguồn 120V đường cong từ hóa 158 hình 5.23 Máy phát làm việc tải định mức sức từ động khử từ tương đương phản ứng phần ứng gây 15,2% sức từ động dây quấn kích từ Xác định (a) Điện áp không tải (b) Độ biến thiên điện áp định mức (c) Giá trị đặt biến trở để đạt điện áp định mức điều kiện định mức Đáp số: (a) 268V; (b) 7,2% (c) 7,3 280 240 Sức điện động cảm ứng (V) 200 160 120 80 40 Sức từ động (A-t/cực từ ×1000) Hình 5.23 Đường cong từ hóa cho tập số 5.5 đến 5.7 Bài số 5.6 Một máy phát kích từ độc lập 100kW, 1750 vịng/phút, 240V khơng có dây quấn bù có thơng số sau: Rmư = 0,026, Rt = 32, Nt = 1520 vòng/cực Đường cong từ hóa máy phát hình 5.23 Máy phát vận hành với tải định mức, kích từ độc lập từ nguồn 220V sức từ động khử từ tương đương phản ứng phần ứng 10,4% sức từ động dây quấn kích từ Xác định (a) Điện áp không tải (b) Độ biến thiên điện áp định mức (c) Giá trị đặt công suất tiêu thụ biến trở để đạt điện áp định mức điều kiện định mức Đáp số: (a) 260V; (b) 8,3%; (c) 23,5, 369W 159 Bài số 5.7 Một máy phát kích từ độc lập 250V, 50kW, 3450 vịng/phút khơng có dây quấn bù có thơng số sau: Rư + Rf = 0,023, Rt = 32,4, Nt = 1896 vòng/cực Đường cong từ hóa máy phát hình 5.23 Máy phát vận hành với tải định mức sức từ động khử từ tương đương phản ứng phần ứng 8,65% sức từ động dây quấn kích từ Xác định điện áp không tải tốc độ 3000 vòng/phút Đáp số: 227,8V Bài số 5.8 Một máy phát điện kích từ song song có dây quấn bù, tự kích, 60kW, 240V, 1750 vịng/phút có thơng số sau: Điện trở, Phần ứng 0,0415 Cực từ phụ + dq bù 0,0176 KT song song 44,6 Dây quấn kích từ có 1653 vịng/cực đường cong từ hóa máy phát hình 5.24 Máy phát làm việc chế độ định mức với biến trở mạch kích từ đặt 20,0 Xác định (a) Dịng điện tải (b) Dịng điện kích từ (c) Dịng điện phần ứng (d) Sức điện động cảm ứng làm việc điều kiện định mức (e) Điện áp không tải, giả thiết tốc độ biến trở kích từ không thay đổi (f) Điện trở tới hạn (g) Điện áp không tải biến trở điều chỉnh đến 13,6 máy phát làm việc 60% tốc độ định mức Đáp số: (a) 250A; (b) 3,72A; (c) 253,72A; (d) 255V; (e) 261V; (f) 103,7 Bài số 5.9 Một máy phát điện kích từ song song tự kích 170kW, 850 vịng/phút, 250V có thơng số sau: Điện trở, Phần ứng 0,0154 Cực từ phụ 0,0065 KT song song 29,0 Máy phát làm việc chế độ định mức với biến trở kích từ đặt 17,0 Dây quấn kích từ có 1121 vịng/cực đường cong từ hóa cho hình 5.24 Xác định (a) Sức điện động cảm ứng tải định mức (b) Điện áp không tải (c) Độ biến thiên điện áp định mức (d) Điện trở kích từ tới hạn (e) Điện áp không tải biến trở đặt 9,0 Đáp số: (a) 265V; (b) 290V; (c) 16,0%; (d) 73,1; (e) 315V; Bài số 5.10 Một máy phát điện kích từ song song tự kích, cực, 500kW, 240V, 1200 vòng/phút Tổng điện trở dây quấn phần ứng dây quấn cực từ phụ 0,00475, điện áp rơi chổi than không đáng kể Điện trở dây quấn kích từ biến trở kích từ 15,2 7,8 Dây quấn kích từ có 508 vịng/cực Đường cong từ hóa hình 5.24 Giả thiết máy phát cung cấp tín hiệu định mức Xác định (a) Dòng điện tải (b) Dòng điện kích từ (c) Dịng điện phần ứng (d) Sức điện động cảm ứng (e) Điện áp không tải (f) Độ biến thiên điện áp định mức (g) Tần số điện áp phát phần ứng (h) Điện áp không tải biến trở không đổi tốc độ giảm (i) Điện trở tới hạn mạch kích từ vận hành 1200 vịng/phút (j) Tổn hao mạch phần ứng, dây quấn kích từ biến trở vận hành điều kiện định mức (k) Mômen truyền động yêu cầu động sơ cấp máy phát 160 cung cấp (phát) công suất định mức tốc độ định mức điện áp định mức Bỏ qua tổn hao ma sát gió Đáp số: (a) 265V; (b) 290V; (c) 16,0%; (d) 73,1; (e) 315V; 350 300 Sức điện động cảm ứng (V) 250 200 150 100 50 10 12 Sức từ động (A-t/cực×1000) Hình 5.24 Đường cong từ hóa cho tập số 5.8 đến 5.12 Bài số 5.11 Một máy phát điện kích từ hỗn hợp nối thuận, tự kích, 125kW, 250V, 1450 vịng/phút có thơng số sau: Điện trở, Vòng/cực Phần ứng 0,02776 Cực từ phụ 0,00808 KT nối tiếp 0,00372 KT song song 32,39 927 Biến trở đặt 13,2 làm việc điều kiện định mức Đường cong từ hóa hình 5.24 Xác định (a) Dịng điện tải định mức (b) Dịng điện kích từ song song (c) Dòng điện phần ứng (d) Sức điện động cảm ứng điều 161 kiện định mức (e) Điện áp không tải (f) Độ biến thiên điện áp định mức (g) Kiểu hỗn hợp (bù thiếu, bù đủ hay bù thừa)? (h) Nếu dây quấn kích từ nối tiếp ngắt cô lập hư hỏng, hỏi máy phát vận hành máy phát kích từ song song đạt điều kiện làm việc định mức thơng qua việc điều chỉnh biến trở kích từ hay không? Đáp số: (a) 500A; (b) 5,5A; (c) 505,5A; (d) 270V; (e) 257V; (f) 2,8%; (g) trên; (h) yes Bài số 5.12 Một máy phát điện kích từ hỗn hợp nối thuận, tự kích, 320kW, 1450 vịng/phút, 250V làm việc điều kiện định mức với biến trở kích từ đặt 8,80 Đường cong từ hóa hình 5.24 máy phát có thông số sau: Phần ứng 0,0131 Điện trở, Vòng/cực Cực từ phụ+Dq bù 0,00380 KT nối tiếp 0,00175 KT song song 27,2 630 Xác định (a) Dịng điện tải (b) Dịng điện kích từ song song (c) Dịng điện phần ứng (d) Điện áp khơng tải (e) Độ biến thiên điện áp định mức (f) Điện trở tới hạn (g) Điện áp không tải cực đại đạt cách điều chỉnh biến trở (h) Tổng tổn thất điện tải định mức Đáp số: (a) 1400A; (b) 6,94A; (c) 1406,94A; (d) 285V; (e) 14%; Bài số 5.13 Một máy phát điện kích từ hỗn hợp tự kích cung cấp cơng suất định mức 400kW cho phụ tải 500V 850 vòng/phút, biến trở kích từ song song đặt 24 Các thông số máy phát là: Điện trở, Phần ứng 0,01754 Cực từ phụ+DQ bù 0,005105 KT nối tiếp 0,002351 KT song song 80 Xác định (a) Điện trở rẽ mạch (điện trở shunt) để giảm dòng điện dây quấn kích từ nối tiếp xuống 365A vận hành dòng điện phần ứng định mức (b) Tổn thất công suất điện trở rẽ mạch Đáp số: (a) 0,001951; (b) 377,4W Bài số 5.14 Một máy phát kích từ hỗn hợp tự kích 480kW, 720 vịng/phút, 500V có thơng số sau: Điện trở, Phần ứng 0,01432 Cực từ phụ 0,00501 KT nối tiếp 0,00216 KT song song 82 Máy phát làm việc tốc độ định mức cung cấp công suất định mức cho phụ tải, biến trở điều chỉnh dịng điện kích từ song song đặt 18,2 Nếu mắc thêm điện trở rẽ mạch, 0,00321 với dây quấn kích từ nối tiếp điều chỉnh biến trở kích từ mạch kích từ song song để dịng điện phần ứng định mức Xác định (a) Điện áp rơi điện trở rẽ mạch (b) Dòng điện dây quấn kích từ nối tiếp (c) Tổn thất cơng suất điện trở rẽ mạch Đáp số: (a) ; (b) ; (c) 162 Bài số 5.15* Hai máy phát kích từ hỗn hợp bù thiếu A B vận hành song song 125V đảm nhận công suất cho phụ tải 1000A Mỗi máy có công suất định mức 200kW 125V Độ biến thiên điện áp định mức máy A 6% máy B 4% Nếu tải tăng đến 1800A, xác định (a) Điện áp sau tăng tải (b) Phân bố phụ tải máy Đáp số: (a) 123,5V; (b) IA = 820A; IB = 980A Bài số 5.16* Hai máy phát kích từ hỗn hợp bù thiếu 500kW, 250V A B làm việc song song Độ biến thiên điện áp định mức tương ứng máy 2% 3% Cả hai máy vận hành tải định mức 250V Nếu tổng phụ tải giảm xuống 2800A, xác định (a) Điện áp sau giảm tải (b) Phân bố phụ tải máy Đáp số: (a) V; (b) IA = A; IB = A Bài số 5.17* Hai máy phát chiều vận hành song song đảm nhận công suất cho phụ tải 900kW 555V Máy phát A có Pđm = 500kW, Uđm = 600V Uđm% = 3% Máy phát B có Pđm = 700kW, Uđm = 600V Uđm% = 5% Nếu phụ tải giảm xuống 1000A, xác định (a) Điện áp sau giảm tải (b) Dòng điện cung cấp máy Đáp số: (a) 562,1V; (b) IA = 483,6A; IB = 516,4A Bài số 5.18* Hai máy phát chiều 1000kW, 600V có độ biến thiên điện áp định mức 4% vận hành song song đảm nhận công suất cho phụ tải 900W 620V Nếu máy phát cắt khỏi lưới, xác định (a) Điện áp máy lại (b) Điện áp máy cắt Đáp số: (a) 610V; (b) 624V Bài số 5.19* Ba máy phát chiều 240V vận hành song song đảm nhận công suất cho phụ tải 3000A, 240V Thông số định mức máy phát là: Uđm (%) Pđm (kW) A 400 B 300 C 200 Nếu tổng công suất tải giảm xuống 2000A, xác định (a) Điện áp tải (b) Dòng điện cung cấp máy Đáp số: (a) 241,9V; (b) IA = 351,35A; IB = 756,76A; IC = 891,89A ... Chƣơng MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.1 ĐẠI CƢƠNG Mặc dù sử dụng phổ biến biến đổi tĩnh hệ thống điều khiển giảm máy phát điện chiều, cịn sử dụng làm nguồn số lãnh vực đòi hỏi phải dùng máy phát điện chiều. .. phát điện chiều 5.2 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Máy phát điện chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ It nguồn chiều ngồi máy tạo ra, khơng phụ thuộc dịng điện phần ứng I hình 5.1... Edư 10 12 Dịng điện kích từ It (A) Hình 5.2 Đường cong đặc tính khơng tải máy phát điện chiều 5.2.3 Đặc tính ngồi Đặc tính ngồi máy phát điện chiều quan hệ điện áp dầu cực máy dòng điện tải U =