Giáo trình Máy điện 1- Chương 5: Động cơ điện một chiều

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Đại cương động cơ điện một chiều, động cơ một chiều kích từ song song, động cơ một chiều kích từ nối tiếp, động cơ một chiều kích từ hỗn hợp, ảnh hưởng của mạch từ bão hòa, khởi động động cơ một chiều, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Mời các bạn tham khảo

162 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 163 Chƣơng ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.1 ĐẠI CƢƠNG Máy điện chiều làm việc hai chế độ máy phát động Khi máy làm việc chế độ máy phát (hình 6.1a), cơng suất đầu vào cơng suất cơng suất đầu công suất điện Động sơ cấp quay rotor máy phát điện chiều turbine gas, động diesel động điện Khi máy điện chiều làm việc chế độ động (hình 6.1b), cơng suất đầu vào cơng suất điện cơng suất đầu cơng suất Cả hai chế độ làm việc, dây quấn phần ứng máy điện chiều quay từ trường có dòng điện chạy qua Như vậy, cơng thức sđđ cảm ứng moment điện từ giống chế độ máy phát Sđđ phần ứng động điện chiều tính theo cơng thức (6.3) : E æ  k E n  k M  Moment điện từ động tính theo cơng thức (6.4) : M  k M I æ (6.1a) (6.1b) Phương trình cân điện áp động theo cơng thức (6.6) : Hoặc P U  E æ  R mæ I æ (6.1c) E æ  U  R mæ I æ (6.1d) P điện Máy điện DC P Máy điện DC It (a) It (b) Hình 6.1 Tính thuận nghịch máy điện chiều 6.2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 6.2.1 Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình P điện 164 Mạch điện tương đương động điện chiều kích từ song song có cực từ phụ dây quấn bù trình bày hình 6.2; với ký hiệu tương tự máy phát, ta có phương trình cân là: I  Iỉ  It U U It = = R âc + R t R mt E æ  U  R mæ I æ  k E Φn  k M ΦΩ I Nguồn DC Rt + U (6.2b) (6.2c) Rmư Iư It + (6.2a) n Tải Eư  B+P Hình 6.2 Mạch tương dương động điện chiều kích từ song song 6.2.2 Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ n = f(It) Đặc tính tốc độ theo dòng kích từ đường cong quan hệ tốc độ theo dòng điện kích từ n = f(It), dòng điện điện n phần ứng Iư = const điện áp U = const Từ công thức (6.2c), ta có tốc độ động điện chiều là: E với   (6.3a) n æ k EΦ U  R mæ I æ Hay n  với   (6.3b) k EΦ Rđc max Rđc= It Hình 6.3 Đặc tính tốc độ theo dòng kích thích Theo biểu thức (6.3a), tốc độ tỉ lệ nghịch với từ thơng (I t ) ; quan hệ (I t ) có dạng đường cong từ hóa B(H) Vậy n = f(It) có dạng hypebơn trình bày hình 6.3 Từ đặc tính cho thấy, để điều chỉnh tốc độ động kích từ song song ta điều chỉnh dòng điện kích từ It Đây ưu điểm động điện chiều so với động điện xoay chiều 6.2.3 Đặc tính n = f(M) 165 Đó đường cong biểu thị quan hệ tốc độ quay mômen n = f(M), dòng điện kích từ It = const điện áp U = const Rút dòng điện Iư từ cơng thức (6.1b) thay vào (6.3b), ta có biểu thức đặc tính động điện chiều sau: R mæ U (6.4) n  M k EΦ k E k M  Φ2 n n1 n0 nđm n M Hình 6.4 Đặc tính động kích từ song song M0 Mđm Nếu điện áp U từ thơng  khơng đổi đặc tính đường thẳng dốc xuống trình bày hình 6.4 Mơmen tăng tốc độ giảm ít, đặc tính máy điện chiều kích từ song song cứng Trong máy điện thực có tải, từ thơng giảm phản ứng phần ứng, mơmen M hay dòng phần ứng Iư tăng làm tốc độ giảm so với đặc tính trình bày hình 6.4 Như vậy, phản ứng phần ứng có lợi việc điều khiển tốc độ động điện chiều Nếu mômen cản M2 = M0 = dòng điện Iư = 0, động quay với tốc độ khơng tải lý tưởng (hình 6.4): U (6.5) k EΦ Nhưng thực tế lúc không tải động phải lấy dòng điện I0 để bù vào tổn hao khơng tải P0, quay với tốc độ n0 < n1 ít: U  R mỉ I o no   n1 (6.6) k EΦ Từ công thức (6.4), ta thấy để điều chỉnh tốc độ động chiều có ba phương pháp : n1  Điều chỉnh điện áp U đặt vào mạch phần ứng Điều chỉnh từ thơng  tức điều chỉnh dòng điện kích từ Điều chỉnh điện trở phụ Rp mắc nối tiếp với mạch phần ứng Tóm lại, tốc độ động điện chiều thay đổi điều chỉnh điện áp U, từ thơng  (tức dòng điện kích từ It) điện trở phụ Rp, điều đề cập phần sau VÍ DỤ 6.1 166 Một máy điện chiều kích từ song song có Pđm = 12kW, điện áp Uđm = 100V, nđm = 1000vòng/ph, Rmư = 0,1 Dây quấn kích từ song song có điện trở Rt = 80 số vòng dây quấn kích thích Nt = 1200vòng/cực từ, dòng kích từ 1A Máy cung cấp nguồn chiều có điện áp 100V làm việc chế độ động Khi không tải động quay 1000 vòng /phút dòng điện phần ứng 6A Đặc tính từ hóa 1000 vòng/phút cho bảng sau: Ikt (A) 0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,75 Eư (V) 10 20 30 40 50 60 80 1,0 100 1,5 145 2,0 163 Tính trị số điện trở điều chỉnh Rđc mạch kích từ song song Tính tổn hao quay tốc độ 1000 vòng /phút Tính tốc độ, moment điện từ, hiệu suất động dòng dây quấn phần ứng định mức trường hợp: a Cho từ thơng khe hở khơng khí lúc khơng tải b Cho từ thông khe hở không khí giảm 5% dòng dây quấn phần ứng định mức Xác định moment khởi động dòng điện khởi động phần ứng bị giới hạn 150% trị số định mức trường hợp: a Bỏ qua phản ứng phần ứng b Phản ứng phần ứng tương ứng dòng điện kích từ It.pư = 0,16 A Bài Giải Tính trị số điện trở điều chỉnh Rđc mạch kích từ song: Khi khơng tải, dòng điện Iư = 6A Eư = U - IưRmư = 100 - x 0,1 = 99,4 V Từ đặc tính từ hóa cho bảng, sđđ Eư = 99,4V tốc độ 1000 vòng/phút có dòng điện khích từ It = 0,99A Điện trở mạch kích từ song song : U 100 R mt = R âc + R t = t = = 101 Ω It 0,99 Điện trở điều chỉnh mạch kích từ song song : Rđc = Rmt - Rt =101 - 80 = 21  Tổn hao quay tốc độ 1000 vòng/phút Khi khơng tải, cơng suất điện từ máy tổn hao quay : Pquay = EưIư = 99,4 x = 596,4 W Khi động làm việc tải định mức Iư = Iư đm = 120A a Bỏ qua phản ứng phầm ứng: 0 = đm; Eư = 99,4 V Eư đm = U - EưIư = 100 - 120 x 0,1 = 88 V E æ0 k Φ n n  E 0  E æâm k E Φ âm n âm n âm 167 E æâm 88 n0   1000  885,31 vòng/phút E ỉ0 99,4 2n âm 2  885,31   âm    92,71 rad/s 60 60 E I 88  120 M æ æ   113,9 N.m  âm 92,71 P2 = Pđt - Pquay = 88 x 120 - 596,4 = 9963,6 W P1 = UtI = U(Iư + It) = 100 x (120 + 0,99) = 12.099 W P 9963 ,6 η  100 %  100 %  82,35% P1 12099 b Có phản ứng phầm ứng : đm = 0,950 E æ0 k Φ n  E 0 E æâm k E Φ âm n âm n0 99,4 = 88 0,95 n âm 88 n âm    1000  931,91vòng/phút  99,4 0,95 Chú ý rằng, tốc độ tăng từ thông gỉam phản ứng phần ứng 2n âm 2  931,91  âm    97,59 rad/s  60 60 E I 88  120 M æ æ   108,21 N.m  âm 97,59 P 9963,6 η   100   100%  82,35% P1 12099 Tính moment khởi động a Bỏ qua phản ứng phầm ứng : 0 = đm 2  1000 Eư = 99,4 V = kM  = kM 60 kM = 0,949 V/rad/s Iư = 1,5 x 120 = 180 A MK = kM Iư = 0,949 x 180 =170,82 N.m b Có phản ứng phầm ứng : Ikt = 0,99 A Iư = 180 A It.hd = It - It.pư = 0,99 - 0,16 = 0,83 A Từ đặc tính từ hóa cho bảng, với dòng điện khích từ It = 0,83A Ta có sđđ Eư = 93,5V tốc độ 1000 vòng/phút 2  1000 Eư = 93,5 V = kM  = kM 60 kM = 0,893 V/rad/s  n âm  MK = kM Iư = 0,893 x 180 =160,71 N.m 168 6.3 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 6.3.1 Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình Động kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Vì dòng kích từ dòng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, vòng dây điện trở nhỏ Mạch điện tương đương trình bày hình 6.5 gọi Rn điện trở dây quấn kích từ nối tiếp Rmư I Iư Nguồn DC + + U n Tải Eư KTn M B+P Hình 6.5 Mạch tương dương động kích từ nối tiếp Các phương trình cân : (6.7) I  In  Iæ (6.8) E æ  U  R mæ I æ  k E Φn Chú ý : Ở dòng điện I ỉ từ thơng (I ỉ ) phụ thuộc tải động điện trở mạch phần ứng có điện trở dây quấn kích từ nối tiếp 6.3.2 Đặc tính n = f(M) Đó đường cong quan hệ n  f (M) điện áp U = const Theo công thức (6.4)   k  I ỉ , ta có : M  k M k  I 2æ Khi Iư nhỏ, từ biểu thức (6.5) (6.9), ta có : R U n   mæ (6.10a) kE kΦ / kM M k EkΦ A n B M (6.9) n n0 (6.10b) Vậy đặc tính động kích thích nối tiếp có dạng hypebơn trình bày hình 6.6 Khi tốc độ n = moment khởi động Mk động kích thích nối tiếp có giá trị lớn Khi tải giảm nhiều, Iư nhỏ,  nhỏ, động quay nhanh Đặc biệt lúc động khơng tải, dòng điện Iư = I0 nhỏ khiến tốc độ lớn, nguy hiểm Vì cần phải vận nđm M M0 Mđm Mk Hình 6.6 Đặc tính động kích từ song song 169 hành động kích từ nối tiếp cho tình trạng khởi động khơng tải làm việc không tải không xảy ra; cần tránh động làm việc non tải Khi dòng điện Iư lớn, mạch từ bão hòa, từ thơng  (Iư) tăng chậm nghĩa  (Iư) < k  I ỉ nên đặc tính hypebơn 6.4 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP 6.4.1 Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình Giống máy phát kích từ hỗn hợp, cực từ mang hai dây quấn kích từ : song song có điện trở Rts; nối tiếp có điện trở Rtn Từ hình 6.7, ta viết phương trình làm việc là: (6.11) I  I æ  I t ; I tn  I æ (6.12) U t  U  R t It E æ  U  R mæ I æ  k E n(Φs  Φ n )  k M Ω(Φs  Φ n ) (6.13) Trong biểu thức (6.13) dấu (+) ứng với hỗn hợp cộng; dấu (-) ứng với hỗn hợp trừ Động chiều kích từ hỗn hợp trừ dùng khơng ổn định Lúc điện trở mạch phần ứng có điện trở dây quấn kích từ nối tiếp Rmư I It Nguồn DC + U Iư Rđc Itn + n Tải Eư KTs KTn M B+P Hình 6.7 Mạch tương đương động kích từ hỗn hợp 6.4.2 Đặc tính (tốc độ - Moment) n = f(M) Đó đường cong quan hệ n  f (M) điện áp U = const điện trở điều chỉnh Rđc =const Biết quan hệ  n  f (I æ ) , từ (6.1b) (6.13), ta có: n (R  R n )M U  æ k M (Φ s  Φ n ) k M ( Φ s  Φ n ) (6.14) Đây phương trình thơng số đường cong đặc tính động điện chiều Các đường cong đặc tính phương trình vẽ hình 6.8 Đường (1) động kích từ song song; đường (2) kích từ nối tiếp; (3) kích từ hỗn hợp cộng ; (4) kích từ hỗn hợp trừ 170 n n1 Hình 6.8 Các đặc tính động chiều M (1) Kích từ song song; (2) Kích từ nối tiếp; (3) Kích từ hỗn hợp cộng; (4) Kích từ hỗn hợp trừ 6.5 ẢNH HƢỞNG CỦA MẠCH TỪ BÃO HÒA B(hay ) Do ảnh hưởng bão hòa mạch từ mà từ thông cực từ không tỉ lệ stđ sinh Vì để tính tốn xác mơmen tốc độ động điều kiện làm việc khác đòi hỏi phải sử dụng đường cong từ hóa, trình bày hình 6.9 Đường cong từ hóa cụ thể máy điện cho nhà sản xuất Ftổng(A-t/cực từ) Hình 6.9 Đường cong từ hóa máy điện Stđ tổng cực từ bao gồm stđ dây quấn kích từ song song, dây quấn kích từ nối tiếp phản ứng phần ứng tương đương Trong trường hợp chung stđ tổng là: Ftäøng• Ft  Fn  Fỉ Trong đó: (6.15) Ftổng = stđ tổng (A-t/cực từ) Ft = stđ kích từ song song NtIt (A-t/cực từ) Fn = stđ kích từ nối tiếp NnIư (A-t/cực từ) Fư = stđ phản ứng phần ứng qui đổi cực từ (A-t/cực từ) Chú ý: Cho stđ Fư tỉ lệ với dòng điện phần ứng, điều khơng xác Và máy có sử dụng dây quấn bù bỏ qua phản ứng phần ứng (xem Fư = 0) Lấy dấu “+” “-” công thức (6.15) phụ thuộc vào kiểu đấu dây quấn khích từ nối tiếp Khi biết ảnh hưởng trị số khác đến từ trường cực từ dòng điện phần ứng đến mômen điện từ tốc độ quay máy, điều thuận tiện cho việc sử dụng công thức (6.1b) (6.3d) để lập tỉ số sau đây: 171 M1 k M ΦI æ 1  M k M ΦI æ 2  U  I æ R mæ    n  k E Φ 1  n  U  I æ R mæ     k EΦ  (6.16) våïi   (6.17) Thay Φ  B S vào công thức (6.16) (6.17), S diện tícch tiết diện cực từ ước lược số, ta có: M1 BI æ 1  M BI æ 2 (6.18)  n1  U  I æ R mæ   B      n2  B 1  U  I æ R mæ  (6.19) VÍ DỤ 6.2 Một động kích từ hỗn hợp 40hp, 1150vòng/phút, 240V có hiệu suất 93,2% vận hành điều kiện định mức Động có thơng số: Điện trở,  Vòng/cực Phần ứng 0,068  Cực từ phụ 0,0198  KT nối tiếp 0,00911 1, KT song song 99,5 1231 Sơ đồ mạch điện đường cong từ hóa động hình VD 6.2 Xác định (a) dòng điện phần ứng động làm việc chế độ định mức; (b) điện trở công suất để mắc nối tiếp với dây quấn kích từ tốc độ đạt 125% định mức Giả thiết với tải trục máy điều chỉnh dòng điện phần ứng giới hạn 115% dòng định mức Bài giải a Dòng điện phần ứng: Sơ đồ mạch điện tương đương ví dụ trình bày hình VD 6.2 P  UI  It  I đm  Pvào 40  746   137 ,84 A U 0,902 U 240   2,412 A R t 99,5 Iưđm = Iđm - It = 137,84 – 2,41 = 135,43 A b Điện trở công suất Cho stđ cuộn dây kích từ nối tiếp thiết kế bù hết stđ phản ứng phần ứng sing ra, stđ động ổn định có stđ tổng là: 184 Bài giải Sơ đồ mạch điện tương đương ví dụ trình bày hình 6.14 a Mơmen điện từ: Rmư = Rư + Rf+b =0,0054 + 0,0042 = 0,0096 Ω Eư = U – Iư Rư = 750 – 1675 x 0,0096 = 733,92 V Pđt = Eư Iư = 733,92 x 1675 = 1.229.316 W Pđt 1229 ,316  9500   12293 ,16 Nm n 955 b Mômen điện từ yêu cầu tốc độ ½ định mức: M đt  9550  Theo đề ta có: P  n  M  n  n Vậy: M  n 2 n  M1  n1      M  M1    M2  n2   n1  2  0,5n1    3073 ,3Nm M  12293 ,16    n1  c Điện áp yêu cầu tốc độ ½ định mức: Sử dụng cơng thức (6 18) lập tỉ số, ta có: M1 BI æ 1 M B   I æ  I æ1   M BI æ 2 M1 B I æ  1675  3073 ,3  418 ,75 A 12293 ,2 Sử dụng công thức (6.3) lập tỉ số, ta có:  n1  U  I æ R mæ   k E Φ      n  k E Φ 1  U  I æ R mæ  n U   ( U  I æ R mæ )1  I æ R mæ n1 0,5n1 U2   (750  1675  0,0096 )  418 ,75  0,0096 n1 U  371,0 V c) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf Mắc thêm Rp vào mạch phần ứng (hình 6.10), ta thấy tốc độ động giảm hình 6.16 Ta có họ đặc tính ứng với trị số khác Rp, Rp = đặc tính tự nhiên Như Rp lớn đặc tính dốc, tức đặc tính mềm, nghĩa tốc độ thay đổi nhiều tải thay đổi 185 VÍ DỤ 6.8 Một động điện chiều kích từ song song có cơng suất 25 hp, 240V, 850vòng/phút, làm việc chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới 91A Điện trở mạch phần ứng mạch kích từ tương ứng Rmư = 0,221Ω, Rt = 120Ω Hãy xác định dòng điện phần ứng mới, mắc thêm điện trở phụ 2,14 Ω nối tiếp vào mạch phần ứng tốc độ giảm 634vòng/phút n no Rp=0 Rp1 Rp2 Rp3 Mđm (Iưđm) M(Iư) Hình 6.16 Đặc tính (tốc độ) động điện chiều kích tư song song với Rp khác Bài giải Sơ đồ mạch điện tương đương ví dụ trình bày hình VD 6.8 It = U 240 = =2A R t 120 Iư = I - It = 91 - = 89 A Iư I 120Ω Rp=2,14Ω It + Nguồn DC Rt U=240V Rmư = 0,221Ω + n Tải Eư  B+P Hình VD 6.8 Sử dụng công thức (6.10) cho từ thơng khơng đổi, lập tỉ số, ta có: ( U  I æ1R mæ ) n1  n U  I æ (R mæ  R p ) U  Iæ2  n2  ( U  I æ1R mæ ) n1 (R mæ  R p ) 186 Iæ2  240  634  (240  98  0,221) 850  32,05 A (0,221  2,14) VÍ DỤ 6.9 Một động điện chiều kích từ song song có cơng suất 10hp, 220V, 1750vòng/phút, làm việc chế độ định mức có dòng điện nhận từ lưới 35,5A Các thông số động Rư = 0,203Ω, Rb = 0,062Ω, Rf = 0,095Ω Rt = 110Ω Hãy xác định (a) dòng điện phần ứng định mức; (b) tốc độ động mắc nối tiếp điện trở phụ 1,0 Ω vào mạch phần ứng, từ thơng cực từ mômen cản trục không đổi Bài giải Sơ đồ mạch điện tương đương ví dụ trình bày hình VD 6.9 a Tính dòng điện phần ứng : It  U 220  2A R t 110 Iư = I - It = 35,5 - = 33,5A 120Ω Iư I Nguồn DC Rpư=1,0Ω It + U=240V Rmư Rt + n Tải Eư  B+P Hình VD 6.9 b Tính tốc độ rotor: Điện trở mạch phần ứng: Rmư = Rư + Rb + Rf = 0,203Ω + 0,062 + 0,095 = 0,360 Ω Từ công thức (6.3), lập tỉ số, ta có: 187 n  U  I æ R mæ   k E Φ      n1  k E Φ   U  I æ R mæ 1   220  33,5  (1  0,36 )   k EΦ  n  1750      k E Φ    220  33,5  0,36 1 n  1468 vg / phuït Như vậy, ta thấy nối thêm điện trở vào mạch phần ứng để điều chỉnh tốc độ tốc độ động giảm 6.7.2 Động kích từ nối tiếp a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông  Từ thông động kích từ nối tiếp thay đổi phương pháp sau : Hai phương pháp đầu, hình 6.17a mắc shunt mạch kích từ, hình 6.17b giảm số vòng dây quấn kích từ nối tiếp, dẫn đến kết quả, tức điều chỉnh 