Bài giảng Mạch điện tử - Chương 10: Máy điện một chiều

Bài giảng Mạch điện tử - Chương 10: Máy điện một chiều cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản sau: Cấu tạo máy điện một chiều; nguyên lý làm việc của máy điện một chiều; từ trường và sức điện động của máy điện một chiều; công suất điện từ, mômen điện từ;… Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 10: Máy điện chiều Ngày nay, dòng điện xoay chiều sử dụng rộng rãi, máy điện chiều tồn tại, đặc biệt động điện chiều Trong công nghiệp: sử dụng nơi yêu cầu Mmm lớn cần điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi điều chỉnh rộng Trong thiết bị tự động, máy điện khuếch đại, động chấp hành, thiết bị ơtơ, tàu thủy, máy bay… Ngồi ra, máy phát điện chiều điện áp thấp dùng thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao Nhược điểm máy điện chiều có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, tin cậy, nguy hiểm môi trường dễ nổ, sử dụng động chiều cần phải có nguồn điện chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện chiều) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.1 Cấu tạo máy điện chiều Máy điện chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn cổ góp với chổi điện 10.1.1 Stato - Stato gọi phần cảm - Gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa làm vỏ máy, cực từ có dây quấn kích từ 10.1.2 Rôto - Rôto gọi phần ứng - Gồm lõi thép dây quấn phần ứng, lõi thép hình trụ ghép từ thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, có phủ sơn cách điện Các thép dập rãnh để đặt dây quấn phần ứng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mỗi phần tử dây quấn phần ứng có nhiều vịng dây, hai đầu nối với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng phần tử dây quấn đặt hai rãnh cực khác Dây quấn quấn xếp quấn sóng 10.1.3 Cổ góp chổi điện - Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ gắn đầu trục rôto Các đầu dây phần tử nối với phiến góp - Chổi điện làm than graphit, chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lị xo giá chổi điện gắn nắp máy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.2 Nguyên lý làm việc máy điện chiều 10.2.1 Nguyên lý làm việc phương trình điện áp máy phát điện chiều Xét máy phát chiều dây quấn có phần tử: Khi động sơ cấp quay phần ứng, dẫn dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ, cảm ứng sức điện động Thanh dẫn phía trên: sđđ từ b đến a Thanh dẫn phía dưới: sđđ từ d đến c Sđđ phần tử lần sđđ dẫn Nối chổi điện A B với tải, tải có dòng điện, chiều từ A đến B Điện áp máy phát điện có cực dương chổi A âm chổi B Khi phần ứng quay nửa vòng, phần tử thay đổi vị trí, ab cực S, dc cực N, sđđ dẫn đổi chiều Chổi điện đứng yên nên chiều dòng điện mạch ngồi khơng thay đổi Ta có máy phát điện chiều với cực dương chổi A, cực âm chổi B CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Dây quấn có phần tử: điện áp đập mạch lớn Để điện áp lớn đập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều 1+2+7+8 Ở chế độ máy phát, dòng điện Iư chiều với sđđ Eư, phương trình điện áp: U = Eư – RưIư Rư điện trở dây quấn phần ứng,Eư sđđ phần ứng, U điện áp đầu cực máy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.2.2 Nguyên lý làm việc phương trình điện áp động điện chiều Đưa điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Iư Các dẫn ab, cd có dịng điện, nằm từ trường chịu lực Fđt tác động, làm rôto quay + Fđt a Iư d b Fđt n I c Fđt d _ B + _ n c I b Fđt B Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ, có phiến góp đổi chiều dịng điện, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, đảm bảo động có chiều quay không đổi Động quay, dẫn cắt từ trường, cảm ứng sđđ Eư (ngược chiều với dòng điện Iư, gọi sức phản điện) Phương trình điện áp: U = Eư + RưIư CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.3 Từ trường sức điện động máy điện chiều 10.3.1 Từ trường máy điện chiều Máy điện chiều không tải: từ trường máy dịng kích từ gây ra, gọi từ trường cực từ: từ trường phân bố đối xứng qua đường trung tính hình học mn, dẫn chuyển động qua khơng cảm ứng sđđ Máy có tải: Iư dây quấn sinh từ trường phần ứng vng góc với từ Trường cực từ Tác dụng từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi phản ứng phần ứng, từ trường máy tổng hợp từ trường N N m’ m n m n m  n n’ S S CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hậu từ trường phần ứng: • Từ trường máy bị biến dạng: đường trung tính hình học mn dịch chuyển đến vị trí gọi đường trung tính vật lý m’n’, lệch góc  so với mn theo chiều quay rôto máy phát, ngược chiều quay rơto động • Khi tải lớn, Iư lớn, từ trường phần ứng lớn, phần mỏm cực từ trường tăng cường bị bão hòa, B tăng ít, đó, mỏm cực từ từ trường giảm nhiều Do đó, từ thơng máy giảm xuống, sđđ Eư giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát U giảm Ở chế độ động cơ, từ thông giảm làm cho mômen quay giảm, tốc độ động thay đổi Để khắc phục dùng cực từ phụ dây quấn bù, từ trường cực từ phụ dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.3.2 Sức điện động phần ứng a/ Sức điện động dẫn: Rôto quay, dẫn cắt từ trường, dẫn cảm ứng sđđ: e = Btblv Btb : từ cảm trung bình cực từ l : chiều dài hiệu dụng dẫn v : tốc độ dẫn b/ Sức điện động phần ứng Eư Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp tạo thành mạch vịng kín Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song, Eư tổng sức điện động dẫn nhánh N: số dẫn N Số dẫn nhánh 2a: số nhánh song song 2a Sức điện động phần ứng là: Eu  CuuDuongThanCong.com N N e  B tb lv 2a 2a https://fb.com/tailieudientucntt Dn vào biểu thức Eư,, ta có: 60 N Dn pN Dl E u  B tb l  n.B tb 2a 60 60a 2p pN  n  k E n 60a pN Với k E  phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng 60a Thay tốc độ dài v  Eư tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng từ thông cực từ Muốn thay đổi trị số Eư, ta điều chỉnh tốc độ quay điều chỉnh từ thơng cách điều chỉnh dịng điện kích từ Muốn đổi chiều Eư đổi chiều quay đổi chiều dịng điện kích từ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.6 Máy phát điện chiều 10.6.1 Phân loại máy điện chiều Dựa vào phương pháp cung cấp dịng điện kích từ, phân thành loại: a/ MĐ chiều kích từ độc lập: Ikt lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng máy b/ MĐ chiều kích từ song song: dq kích từ nối song song với mạch phần ứng c/ MĐ chiều kích từ nối tiếp: dq kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng d/ MĐ chiều kích từ hỗn hợp: có dây quấn kích từ, dây quấn nối tiếp dây quấn song song, dây song song thường chủ yếu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.6.2 Máy phát điện chiều kích từ độc lập Dịng điện phần ứng dòng điện tải: Iư = I Phương trình điện áp: - Mạch phần ứng: U = Eư – RưIư - Mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt + Rđc) Rư: điện trở dây quấn phần ứng Rkt: điện trở dây quấn kích từ Rđc : điện trở điều chỉnh Khi dòng điện tải I tăng, Iư tăng, U giảm xuống do: - Tác dụng từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm, kéo theo Eư giảm - Điện áp rơi mạch phần ứng RưIư tăng Độ giảm điện áp khoảng – 10 % điện áp không tải Để giữ U khơng đổi phải tăng Ikt • Ưu điểm điều chỉnh điện áp, thường gặp hệ thống máy phát động để truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động tàu thủy… • Nhược điểm: cần có nguồn điện kích từ riêng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.6.3 Máy phát điện kích từ song song • Cần có q trình tự kích từ: - Đầu tiên, máy khơng có Ikt, từ thơng máy từ dư cực từ tạo – 3% từ thông định mức - Khi quay phần ứng, dây quấn phần ứng có sđđ cảm ứng từ thông dư sinh ra, khép mạch qua dây quấn kích từ (Rđc vị trí nhỏ nhất), sinh Ikt tàm tăng từ trường cho máy - Quá trình tiếp tục đạt điện áp ổn định • Để máy tạo điện áp cần phải có từ dư chiều từ trường dây quấn kích từ chiều với từ trường dư Nếu khơng cịn từ dư phải mồi để tạo từ dư, chiều hai từ trường ngược phải đổi cực tính dây quấn kích từ đổi chiều quay phần ứng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình cân điện áp: U Mạch phần ứng: U = Eư – RưIư Mạch kích từ: U = Ikt (Rkt + Rđc) Phương trình dịng điện: Iư = I + Ikt • Khi dòng điện tải tăng, Iư tăng, U giảm do: - Tác dụng từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm, kéo theo Eư giảm - Điện áp rơi mạch phần ứng RưIư tăng Ikt - U giảm, Ikt giảm làm từ thông Eư giảm, Do đường đặc tính ngồi U = f(I) dốc so với máy kích từ độc lập • Khi ngắn mạch, U = 0, Ikt = 0, sđđ máy từ dư sinh ra, In nhỏ so với Iđm • Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh Ikt CuuDuongThanCong.com I In I https://fb.com/tailieudientucntt 10.6.4 Máy phát điện kích từ nối tiếp • Ikt = I, tải thay đổi, điện áp thay đổi nhiều • Trong thực tế khơng sử dụng loại • Đường đặc tính ngồi U = f(I): - Khi tải tăng, Iư tăng, từ thông sđđ cảm ứng tăng, U tăng - Khi I = (2 – 5)Iđm, máy bão hịa, I tăng U giảm U I CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.6.5 Máy phát điện kích từ hỗn hợp • Khi nối thuận: - Từ thơng dây quấn kích từ nối tiếp chiều với từ thơng dây quấn kích từ song song - Khi tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tăng làm từ thông máy tăng, U đầu cực máy giữ khơng đổi • Khi nối ngược: - Từ thơng dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thơng dây quấn kích từ song song - Khi tải tăng, điện áp giảm nhiều - Đường đặc tính ngồi dốc, sử dụng làm U máy hàn điện chiều U I CuuDuongThanCong.com I https://fb.com/tailieudientucntt 10.7 Động điện chiều • Phân loại động điện chiều dựa vào phương pháp kích từ máy phát chiều • Sức điện động động chiều: Eu  pN n 60a Dòng Iư động ngược chiều với Eư, Eư cịn gọi sức phản điện • Mơmen điện từ tính theo cơng thức: M đt  pN Iu 2a Mômen điện từ mômen quay, chiều cới tốc độ quay n CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.7.1 Mở máy động điện chiều Phương trình điện áp mạch phần ứng U = Eư + RưIư U U  Eu I  Iu  umm Ru Ru Vì Rư nhỏ, Iư lúc mở máy lớn, khoảng 20 – 30 lần dòng định mức, làm hỏng cổ góp chổi than, Iư lớn dịng dịng mở máy lớn, gây ảnh hưởng đến lưới điện • Để giảm dịng mở máy Imm = (1,5 – 2)Iđm, dùng biện pháp: U a/ Dùng biến trở mở máy Rmm: I umm  R u  R mm Lúc đầu để Rmm lớn nhất, trình mở máy, tốc độ tăng lên, Eư tăng, giảm dần Rmm đến không, máy làm việc điện áp định mức b/ Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Chú ý để có Mmm lớn, lúc mở máy phải có từ thơng lớn thơng số mạch kích từ phải điều chỉnh cho Ikt lúc mở máy lớn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.7.2 Điều chỉnh tốc độ Ta có: E u  U  R u I u U  R u Iu n mà: E u  k E n k E Để điều chỉnh tốc độ, ta có phương pháp: a/ Mắc Rđc vào mạch phần ứng • Thêm Rđc vào mạch phần ứng, tốc độ giảm Tuy nhiên, Iư lớn nên tổn hao Rđc lớn • Phương pháp dùng cho động công suất nhỏ b/ Thay đổi điện áp U • Dùng nguồn điện chiều điều chỉnh điện áp cung cấp cho động • Phương pháp sử dụng nhiều c/ Thay đổi từ thơng • Thay đổi từ thơng cách thay đổi Ikt Khi điều chỉnh tốc độ, kết hợp phương pháp Ví dụ kết hợp phương pháp thay đổi từ thông với phương pháp thay đổi điện áp phạm vi điều chỉnh rộng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.7.3 Động điện kích từ song song • Sơ đồ nối dây hình vẽ • Để mở máy dùng biến trở Rmm • Để điều chỉnh tốc độ, thường điều chỉnh Rđc để thay đổi Ikt, từ thay đổi từ thơng Khi sử dụng phương pháp cần ý giảm từ thơng, Iư tăng trị số cho phép, cần có phận bảo vệ a/ Đường đặc tính -là quan hệ n = f(M) điện áp U, Rư, Rkt khơng đổi Ta có: M M  k M Iu Iu  k M R U Thay vào biểu thức n   u Iu k E k E n n Rp=0 Ru U  M k E k Ek M Rp  U Ru  Rp  M Thêm Rp vào mạch phần ứng: n  k E  k E k M 2 CuuDuongThanCong.com M https://fb.com/tailieudientucntt b/ Đặc tính làm việc Đường đặc tính làm việc quan hệ tốc độ n, mômen M, dòng điện phần ứng Iư hiệu suất theo công suất trục P2, xác định U, Ikt khơng đổi Nhận xét: - Động điện kích từ song song có đặc tính cứng, tốc độ không đổi công suất trục P2 thay đổi - Loại động sử dụng nhiều máy cắt kim loại, máy công cụ… có u cầu điều chỉnh tốc độ khơng cao CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.7.4 Động kích từ nối tiếp • Sơ đồ nối dây hình vẽ • Để mở máy dùng biến trở Rmm • Để điều chỉnh tốc độ sử dụng cách: - mắc Rđc vào mạch phần ứng - thay đổi U - thay đổi từ thông (chú ý mắc biến trở điều chỉnh song song với dây quấn kích từ nối tiếp) a/ Đường đặc tính n = f(M) Khi máy khơng bão hịa, Iư từ thơng  tỷ lệ với nhau: Iu  k I M  k M Iu n  k M k I   k  k  k M k I  M k kR kU n  I u kE M kE  CuuDuongThanCong.com M https://fb.com/tailieudientucntt Đặt a  k k ; b I kE kE aU n  bR u M Ta thấy: • Phương trình đặc tính có dạng hyperbol • Đường đặc tính mềm, M tăng n giảm • Khi khơng có tải tải nhỏ, dịng điện từ Thơng nhỏ, tốc độ động tăng gây hỏng động Cơ mặt khí, khơng mở máy động Kích từ nối tiếp khơng tải tải nhỏ b/ Đường đặc tính làm việc: Động phép làm việc với tốc độ n < ngh Khi chưa bão hịa, mơmen quay tỷ lệ với bình phương dịng điện, tốc độ giảm theo tải, động kích từ nối tiếp thích hợp chế độ tải nặng nề, sử dụng nhiều giao thông vận tải hay thiết bị cầu trục CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.7.5 Động kích từ hỗn hợp • Sơ đồ nối dây hình vẽ • Các dây quấn kích từ nối thuận để tăng từ thônghoặc nối ngược để giảm từ thơng • Đặc tính động kích từ hỗn hợp nối thuận(1) trung bình đặc tính động kích từ song song (2) nối tiếp (3) • Các động làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp dây quấn kích từ chính, nối thuận với dây quấn kích từ song song (là phụ, đảm bảo tốc độ động khơng tăng q lớn M nhỏ) • Động kích từ hỗn hợp dây quấn kích từ n nối tiếp kích từ phụ, nối ngược có đặc tính cứng (4), n khơng đổi M thay đổi (Khi M tăng, Iư tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm ít, dây quấn kích từ nối tiếp nối ngược làm giảm từ thông, n tăng lên cũ) Khi nối thuận: đặc tính mềm hơn, Mmm lớn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt M 10.7.6 Động vạn Trong công nghiệp thiết bị điện sinh hoạt, người ta sử dụng rộng rãi loại động có vành góp dùng với dòng điện chiều xoay chiều, gọi động vạn Động vạn thường có hai cực từ với dây quấn kích từ nối tiếp Dịng kích từ dịng phần ứng, nên từ thơng dòng phần ứng biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều mômen quay động không đổi Động vạn thích hợp với chế độ làm việc nặng nề nên nhiều nước giới, loại động sử dụng đường sắt với lưới điện xoay chiều tần số 50Hz (hoặc 25 hay 16 2/3 Hz) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... trình điện áp: U = Eư + RưIư CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10.3 Từ trường sức điện động máy điện chiều 10.3.1 Từ trường máy điện chiều Máy điện chiều không tải: từ trường máy. .. có phần tử: điện áp đập mạch lớn Để điện áp lớn đập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều 1+2+7+8 Ở chế độ máy phát, dòng điện Iư chiều với sđđ Eư, phương trình điện áp:... Cấu tạo máy điện chiều Máy điện chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn cổ góp với chổi điện 10.1.1 Stato - Stato gọi phần cảm - Gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa làm vỏ máy, cực