Bài giảng Khí cụ điện và máy điện

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH TẬP BÀI GIẢNG KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ MÁY ĐIỆN TB2012-03-05 Ban biên soạn: Th.S Lã Văn Trưởng K.S Vũ Hải Thượng NAM ĐỊNH, 2012 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, việc lắp đặt, sử dụng sửa chữa khí cụ điện, máy điện công nghiệp, nông nghiệp ngành kinh tế khác ngày phát triển nhanh chóng Số lượng khí cụ điện, máy điện sử dụng ngành tăng lên không ngừng Đồng thời, tài liệu phục vụ giảng dạy học tập loại khí cụ điện máy điện cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện, điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định nhiều thiếu thốn chưa thống Chính vậy, chúng tơi biên soạn tập giảng “Khí cụ điện máy điện” gồm chương với nội dung sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện; Chương 2: Khí cụ điện hạ áp; Chương 3: Khí cụ điện cao áp; Chương 4: Máy biến áp; Chương : Máy điện không đồng bộ; Chương : Máy điện đồng bộ; Chương : Máy điện chiều Tập giảng biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy, làm tài liệu học tập cho đối tượng sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện, điện tử trường tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành liên quan kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu khí cụ điện máy điện Khi biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan phù hợp với đối tượng sử dụng cố gắng gắn nội dung lý thuyết với vấn đề thực tế thường gặp sản xuất, đời sống để tập giảng có tính thực tiễn cao Sau phần có câu hỏi tập Mặc dù cố gắng chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp người sử dụng Mọi ý kiến đóng góp xin gửi mơn Cơ sở kỹ thuật điện, khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Các tác giả i MỤC LỤC Danh mục hình vẽ v Danh mục bảng biểu ix Danh mục từ viết tắt ix CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN 1.1 Nam châm điện 1.1.1 Đại cương nam châm điện 1.1.2 Mạch từ cuộn dây nam châm điện 1.1.3 Lực hút điện từ nam châm điện 1.2 Sự phát nóng khí cụ điện 11 1.2.1 Khái niệm chung 11 1.2.2 Các dạng tổn hao lượng 12 1.2.3 Các phương pháp trao đổi nhiệt 13 1.3 Tiếp xúc điện 14 1.3.1 Khái niệm chung 14 1.3.2 Điện trở tiếp xúc 16 1.3.3 Vật liệu kết cấu tiếp điểm 18 1.4 Hồ quang điện 21 1.4.1 Khái niệm chung, trình ion hố khử ion chất khí 21 1.4.2 Các biện pháp dập hồ quang 22 1.5 Cách điện khí cụ điện 23 1.5.1 Khái niệm chung 23 1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cách điện 23 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 25 CHƯƠNG KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP 27 2.1 Khí cụ điện đóng cắt tay 27 2.1.1 Công tắc 27 2.1.2 Nút bấm 29 2.1.3 Cầu dao 30 2.1.4 Aptômat 32 2.2 Khí cụ điện đóng cắt tự động 37 2.2.1 Côngtăctơ 37 2.2.2 Khởi động từ 45 2.3 Khí cụ điện điều khiển bảo vệ 48 2.3.1 Cầu chì 48 2.3.2 Rơle 53 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 75 CHƯƠNG KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP 77 3.1 Máy cắt điện cao áp 77 ii 3.1.1 Khái niệm chung 77 3.1.2 Máy cắt nhiều dầu 78 3.1.3 Máy cắt khí SF6 80 3.1.4 Máy cắt chân không 82 3.2 Dao cách ly 83 3.2.1 Khái niệm công dụng 83 3.2.2 Phân loại 84 3.2.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc 84 3.3 Thiết bị chống sét 86 3.3.1 Khái niệm công dụng 86 3.3.2 Chống sét ống 86 3.3.3 Chống sét van 88 CÂU HỎI CHUƠNG 90 CHƯƠNG MÁY BIẾN ÁP 91 4.1 Đại cương máy biến áp 91 4.1.1 Định nghĩa, phân loại đại lượng định mức 91 4.1.2 Cấu tạo nguyên lí làm việc máy biến áp 92 4.2 Mơ hình tốn học máy biến áp 97 4.2.1 Các phương trình máy biến áp 97 4.2.2 Mạch điện thay máy biến áp 100 4.2.3 Đồ thị véctơ máy biến áp 102 4.2.4 Xác định tham số thí nghiệm khơng tải ngắn mạch 103 4.2.5 Các đặc tính làm việc tải đối xứng máy biến áp 111 4.3 Máy biến áp làm việc song song 118 4.3.1 Điều kiện tổ nối dây 118 4.3.2 Điều kiện tỷ số biến đổi điện áp 119 4.3.3 Điều kiện điện áp ngắn mạch 119 4.4 Máy biến áp đặc biệt 122 4.4.1 Máy biến áp ba dây quấn 122 4.4.2 Máy biến áp tự ngẫu 123 4.4.3 Máy biến áp đo lường 124 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 126 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 129 5.1 Đại cương máy điện không đồng 129 5.1.1 Định nghĩa, phân loại đại lượng định mức 129 5.1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy điện không đồng 130 5.2 Mơ hình tốn học máy điện không đồng 134 5.2.1 Các phương trình cân máy điện không đồng 134 5.2.2 Mạch điện thay máy điện KĐB 136 iii 5.3 Giản đồ lượng hiệu suất máy điện không đồng 137 5.3.1.Giản đồ lượng 137 5.3.2 Hiệu suất máy điện không đồng 139 5.4 Mômen điện từ máy điện không đồng 139 5.5 Mở máy điều chỉnh tốc độ động điện không đồng 145 5.5.1 Mở máy động điện không đồng 145 5.4.2 Điều chỉnh tốc độ động điện không đồng 148 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 152 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 154 6.1 Đại cương máy điện đồng 154 6.1.1 Định nghĩa, phân loại đại lượng định mức 154 6.1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy điện đồng 155 6.1.3 Từ trường máy điện đồng 157 6.2 Quan hệ điện từ máy điện đồng 159 6.2.1 Phương trình cân máy phát điện đồng 159 6.2.2 Phương trình cân động điện đồng 160 6.3 Công suất điện từ máy phát điện đồng 161 6.3.1 Công suất tác dụng 161 6.3.2 Công suất phản kháng 162 6.4 Máy phát điện đồng 163 6.4.1 Các đặc tính máy phát điện đồng 163 6.4.2 Máy phát điện đồng làm việc song song 165 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 166 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 170 7.1 Đại cương máy điện chiều 170 7.1.1 Cấu tạo, phân loại đại lượng định mức 170 7.1.2 Nguyên lý làm việc máy điện chiều 173 7.2 Sức điện động máy điện chiều 176 7.2.1 Sức điện động phần ứng máy điện chiều 176 7.2.2 Phương trình cân điện áp dòng điện 177 7.3 Công suất mômen điện từ máy điện chiều 179 7.3.1 Mômen điện từ máy điện chiều 179 7.3.2 Công suất điện từ máy điện chiều 179 7.4 Mở máy điều chỉnh tốc độ động điện chiều 180 7.4.1 Mở máy động điện chiều 180 7.4.2 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 181 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 185 TÀI LIỆU THAM KHẢO x iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện Hình 1.2 Đường cong từ hố vật liệu từ Hình 1.3 Mạch từ hình xuyến Hình 1.4 Mạch từ xoay chiều có vịng chống rung Hình 1.5 Các dạng bề mặt tiếp xúc điện 15 Hình 1.6 Tiếp xúc điện thực tế 16 Hình 1.7 Quan hệ lực ép tiếp điểm với Rtx 18 Hình 1.8 Quan hệ hình dạng tiếp xúc với Rtx 18 Hình 1.9 Tiếp điểm công son 19 Hình 1.10 Tiếp điểm kiểu cầu 20 Hình 1.11 Tiếp điểm kiểu dao 20 Hình 2.1 Cấu tạo công tắc hộp 28 Hình 2.2 Cơng tắc vạn 28 Hình 2.3 Ký hiệu số loại công tắc 29 Hình 2.4 Cấu tạo nút bấm 30 Hình 2.5 Ký hiệu nút bấm 30 Hình 2.6 Cầu dao có lưỡi dao phụ 31 Hình 2.7 Ký hiệu cầu dao 32 Hình 2.8 Hệ thống tiếp điểm kiểu Aptơmat 33 Hình 2.9 Cơ cấu truyền động Aptômat 34 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý làm việc Aptômat 35 Hình 2.11 Ký hiệu Aptômat 36 Hình 2.12 Ký hiệu Côngtăctơ 38 Hình 2.13 Hình dáng loại Côngtăctơ 38 Hình 2.14 Kết cấu hoạt động Côngtăctơ 39 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý Côngtăctơ điện tử 43 Hình 2.16 Cơngtăctơ điều khiển từ 43 Hình 2.17 Cơngtăctơ điều khiển biến áp 44 Hình 2.18 Cơngtăctơ điều khiển quang 44 Hình 2.19 Côngtăctơ điều khiển theo điện áp đầu 44 Hình 2.20 Mạch điện khởi động từ đơn 46 Hình 2.21 Mạch điện khởi động từ kép dùng nút bấm đơn 47 Hình 2.22 Cấu tạo cầu chì vặn 49 Hình 2.23 Đặc tính Ampe – giây cầu chì 50 Hình 2.24 Đặc tính rơle 54 Hình 2.25 Cấu tạo rơle điện từ 57 Hình 2.26 Cấu tạo rơle trung gian 58 Hình 2.27 Ký hiệu rơle trung gian 59 v Hình 2.28 Sơ đồ mạch rơle bảo vệ động DC 60 Hình 2.29 Rơle dòng khởi động động 60 Hình 2.30 Sơ đồ khởi động động pha rơle dòng tụ điện 61 Hình 2.31 Sơ đồ nối dây rơle điện áp cực đại PH-51 62 Hình 2.32 Sơ đồ nối dây rơle điện áp cực đại PH-53 63 Hình 2.33 Cấu tạo rơle nhiệt 64 Hình 2.34 Ký hiệu cuộn dây tiếp điểm rơle thời gian 66 Hình 2.35 Mạch điện rơle thời gian điện tử 66 Hình 2.36 Sơ đồ nối dây (sơ đồ chân) biểu đồ thời gian rơle 67 Hình 2.37 Nguyên lý cấu tạo rơle tốc độ 68 Hình 2.38 Sơ đồ khối rơle số 70 Hình 2.39 Rơle K8AB 71 Hình 2.40 Sơ đồ đấu dây rơle K8AB 72 Hình 2.41 Rơle EGR 73 Hình 2.42 Sơ đồ nguyên lý phối hợp bảo vệ rơle EGR K8AB 74 Hình 3.1 Máy cắt nhiều dầu 79 Hình 3.2 Máy cắt nhiều dầu Liên Xô chế tạo 79 Hình 3.3 Dịng điện chạy qua máy cắt khí SF6 80 Hình 3.4 Trạng thái độ cắt máy cắt khí SF6 80 Hình 3.5 Trạng thái cắt sinh hồ quang máy cắt khí SF6 81 Hình 3.6 Dập tắt hồ quang máy cắt khí SF6 81 Hình 3.7 Trạng thái cắt hồn tồn máy cắt khí SF6 81 Hình 3.8 Mặt cắt buồng đóng cắt chân khơng 12kV, 25kA 82 Hình 3.9 Mặt cắt máy cắt chân không VBL, VD4 83 Hình 3.10 Các phận cách ly 84 Hình 3.11 Dao cách ly kiểu quay 85 Hình 3.12 Cấu tạo dao cách ly đặt nhà 85 Hình 3.13 Sơ đồ nối chống sét ống 87 Hình 3.14 Cấu tạo chống sét ống 87 Hình 3.15 Chống sét van 88 Hình 3.16 Đặc tính điện trở Vilít 89 Hình 4.1 Các dạng lõi thép 93 Hình 4.2 Dây quấn máy biến áp 94 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý MBA pha hai dây quấn 95 Hình 4.4 Từ thơng MBA pha làm việc có tải 98 Hình 4.5 Mạch điện thay máy biến áp 101 Hình 4.6 Mạch điện thay đơn giản MBA 102 Hình 4.7 Đồ thị véctơ MBA 103 Hình 4.8 Thí nghiệm không tải 104 vi Hình 4.9 Đồ thị vectơ máy biến áp không tải 104 Hình 4.10 Mạch điện thay máy biến áp lúc ngắn mạch 105 Hình 4.11 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp pha 106 Hình 4.12 Đồ thị véctơ MBA thí nghiệm ngắn mạch 107 Hình 4.13 Giản đồ lượng máy biến áp 112 Hình 4.14 Xác định U MBA 114 Hình 4.15 Các kiểu điều chỉnh điện áp máy biến áp 115 Hình 4.16 Điều chỉnh điện áp MBA tải 116 Hình 4.17 Đồ thị véctơ MBA có tổ nối dây khác làm việc song song 119 Hình 4.18 Mạch điện thay MBA làm việc song song 119 Hình 4.19 Máy biến áp ba dây quấn 122 Hình 4.20 Sơ đồ MBA tự ngẫu pha 123 Hình 4.21 Máy biến điện áp 125 Hình 4.22 Máy biến dòng điện 125 Hình 5.1 Kết cấu chung máy điện không đồng 131 Hình 5.2 Cấu tạo mạch từ máy điện không đồng 131 Hình 5.3 Rơto dây quấn máy điện không đồng 132 Hình 5.4 Cấu tạo rơto lồng sóc 132 Hình 5.5 Quá trình tạo mômen máy điện không đồng 133 Hình 5.6 Mạch điện thay hình T máy điện khơng đồng 137 Hình 5.7 Mạch điện thay đơn giản máy điện không đồng 137 Hình 5.8 Giản đồ lượng máy điện không đồng 138 Hình 5.9 Quan hệ M = f(s) 141 Hình 5.10 Đường đặc tính động điện không đồng 141 Hình 5.11 Mở máy trực tiếp 146 Hình 5.12 Mở máy dùng biến áp tự ngẫu 147 Hình 5.13 Mở máy dùng cuộn kháng 147 Hình 5.14 Mở máy đổi nối Y/ 148 Hình 5.15 Mở máy thêm điện trở phụ vào dây quấn rôto 148 Hình 5.16 Sơ đồ đấu dây đổi tốc độ theo tỉ lệ 2:1 kiểuY/YY 149 Hình 5.17 Sơ đồ đấu dây đổi tốc độ theo tỉ lệ 2:1 kiểu /YY 149 Hình 5.18 Đặc tính M = f(n) động điện hai tốc độ Y/YY 149 Hình 5.19 Đặc tính M = f(n) động điện hai tốc độ /YY 149 Hình 5.20 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số với M = const 150 Hình 5.21 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số với M tỉ lệ nghịch với f1 150 Hình 5.22 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp 150 Hình 5.23 Điều chỉnh tốc độ động rôto dây quấn dùng điện trở phụ 151 Hình 6.1 Mặt cắt ngang trục máy 155 vii Hình 6.2 Lá thép rơto cực ẩn 155 Hình 6.3 Lá thép rơto cực lồi 155 Hình 6.4 Từ trường máy điện đồng 157 Hình 6.5 Chiều dịng điện stato tải trở 158 Hình 6.6 Vị trí từ trường kích từ từ trường phần ứng tải trở 158 Hình 6.7 Chiều dịng điện stato tải cảm 158 Hình 6.8 Vị trí từ trường kích từ từ trường phần ứng tải cảm 158 Hình 6.9 Chiều dịng điện stato tải dung 159 Hình 6.10 Vị trí từ trường kích từ từ trường phần ứng tải dung 159 Hình 6.11 Chiều dịng điện stato 159 Hình 6.12 Vị trí từ trường kích từ từ trường phần ứng tải 159 Hình 6.13 Đồ thị véctơ máy phát điện đồng 160 Hình 6.14 Đồ thị véctơ động đồng 161 Hình 6.15 Đường đặc tính góc – cơng suất tác dụng máy điện đồng 162 Hình 6.16 Đường đặc tính góc – cơng suất phản kháng 163 Hình 6.17 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính máy phát đồng 163 Hình 6.18 Đặc tính ngồi máy phát đồng 164 Hình 6.19 Đặc tính điều chỉnh máy phát đồng 164 Hình 7.1 Cực từ 170 Hình 7.2 Cực từ phụ 170 Hình 7.3 Cơ cấu chổi than 171 Hình 7.4 Lá thép phần ứng 171 Hình 7.5 Rãnh phần ứng 171 Hình 7.6 Cổ góp máy điện chiều 172 Hình 7.7 Các dạng máy điện chiều 173 Hình 7.8 Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều 174 Hình 7.9 Dạng sóng máy phát chiều có phần tử 175 Hình 7.10 Dạng sóng máy phát chiều có phần tử 175 Hình 7.11 Nguyên lý làm việc động chiều 176 Hình 7.12 Sơ đồ mạch điện khởi động động chiều dùng biến trở 181 Hình 7.13 Dạng đặc tính thay đổi từ thơng động kích từ độc lập 182 Hình 7.14 Dạng đặc tính thay đổi điện trở phần ứng động kích từ độc lập 182 Hình 7.15 Dạng đặc tính thay đổi điện áp phần ứng động kích từ độc lập 183 Hình 7.16 Các dạng đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐCMC KTNT 184 Hình 7.17 So sánh dạng đặc tính ĐCMC KTHH với động khác 184 viii Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Tham số mạch điện mạch từ Bảng 1.2 Điện trở suất () ứng suất biến dạng dẻo () số vật liệu 17 Bảng 1.3 Trị số K số vật liệu 17 Bảng 1.4 Hệ số m hình thức tiếp xúc 17 Bảng 2.1 Một vài tham số rơle 55 Bảng 2.2 Bảng thơng số rơle K8AB 71 Danh mục từ viết tắt TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Từ viết tắt KCĐ NCĐ KCL KVL S.t.đ TBĐ CT M, D CD AP K CC RTg Ri RU RN Rth HCB OCB SOCB DS MBA KĐB ĐB ĐCMC KTĐL KTSS KTNT KTHH Diễn giải Khí cụ điện Nam châm điện Định luật Kiêckhơp Định luật Kiêckhôp Sức từ động Macxoen Thiết bị điện Công tắc Nút bấm Cầu dao Aptômat Côngtăctơ Cầu chì Rơle trung gian Rơle dịng điện Rơle điện áp Rơle nhiệt Rơle thời gian Máy cắt cao áp Máy cắt nhiều dầu Máy cắt dầu Dao cách ly Van chống sét Máy biến áp Không đồng Đồng Động chiều Kích từ độc lập Kích từ song song Kích từ nối tiếp Kích từ hỗn hợp Tên tiếng Anh Electrical instrument Electromagnet Kirchhoff's Current Law Kirchhoff's Voltage Law Magnetomotive force Maxwell Electrical equipment Switch Push Button Disconnecting Switch Circuit Breaker Contactor Fuse Intermediate relay Current relay Voltage relay Thermal relay Time relay High-voltage circuit breaker Oil circuit breaker Small-oil-volume circuit-breaker Disconnecting Switch Valve type lightning arrester Transformer Asynchronous Synchronous Direct Current Motor ix cd nằm cực từ S xuất s.đ.đ cảm ứng e có chiều từ d đến c (theo quy tắc bàn tay phải) A A B B (a) (b) Hình 7.8 Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều Trị số e tính theo cơng thức: e = Bvl (V) Trong đó: B(T) từ cảm trung bình cực từ v(m/s) vận tốc dài dẫn rôto; v = D/2 = Dn/60 (7.1) (7.2) D (m) đường kính ngồi rơto  (rad/s) vận tốc góc rơto l (m) chiều dài dẫn Như chổi than A tì vào phiến góp nối với ab có cực tính dương (+), cịn chổi than B tì vào phiến góp nối với cd có cực tính âm (-) Khi khung dây quay nửa vịng (hình 7.8b) dẫn ab nằm cực từ S cd nằm cực từ N Đồng thời vành góp quay nửa vịng nên chổi than A tì lên phiến góp nối với cd, chổi B tì lên phiến góp nối với ab Do đó, chiều s.đ.đ e dẫn ngược lại cực tính chổi than A B khơng thay đổi Khi khung dây quay trịn s.đ.đ e biến thiên hình sin theo thời gian đạt cực trị vị trí hình 7.8 Về góc pha eab ecd lệch pha 1800 Kết s.đ.đ eư đầu chổi than có chiều khơng đổi đập mạch (hình 7.9) Để s.đ.đ đầu có trị số lớn đập mạch ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vòng dây nối tiếp lệch góc (hình 7.10) 174 Hình 7.9 Dạng sóng máy phát chiều có phần tử Hình 7.10 Dạng sóng máy phát chiều có phần tử 2) Nguyên lý làm việc động điện chiều Nguyên lý làm việc động chiều dựa định luật lực điện từ trường hợp dây dẫn mang dòng điện đặt từ trường cực từ Nếu ta đặt nguồn điện chiều vào đầu chổi than (cực + vào chổi A, cực - vào chổi B) dịng điện qua khung dây có chiều từ a đến b từ c đến d Giả sử, ban đầu khung dây có vị trí (hình 7.11) Do đó, dẫn ab (nằm cực N) cd (nằm cực S) chịu tác dụng lực có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái có trị số: F = BIl (N) (7.3) Với I dòng điện dẫn    F  Ft  Fn Trong đó: Ft = Fcos thành phần lực tiếp tuyến với bề mặt rôto Fn = Fsin thành phần lực pháp tuyến với bề mặt rơto 175    góc hợp I B Thành phần tiếp tuyến với rôto lực điện từ hợp thành cặp ngẫu lực tạo mômen làm khung dây quay quanh trục theo chiều cặp ngẫu lực Khi khung dây quay 900 Ft = khung tiếp tục quay theo quán tính Khi khung dây quay 1800 ab nằm cực S, cd nằm cực N, đồng thời phiến góp nối với ab tì lên chổi than B, phiến nối với cd tì lên chổi than A nên dòng điện dẫn đổi chiều lực điện từ mômen sinh có chiều khơng thay đổi Mơmen có trị số biến thiên tùy thuộc vào vị trí khung dây từ trường đạt cực đại vị trí hình 7.11 Do đó, khung dây quay với tốc độ không Để cho rôto quay có mơmen đủ lớn ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vịng dây rơto có tru ̣c lệch góc (điê ̣n) A A B B (a) (b) Hình 7.11 Ngun lý làm việc động chiều 7.2 Sức điện động máy điện chiều 7.2.1 Sức điện động phần ứng máy điện chiều Ta biết rằng, máy phát mô ̣t chiề u làm việc thì dây quấ n phầ n ứng cảm ứng s.đ.đ Tri ̣ số s.đ.đ này phu ̣ thuô ̣c vào từ thông dưới mỗi cực từ, tố c đô ̣ máy, số dẫn của dây quấn và kiể u dây quấ n Do dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp thành mạch vịng kín Các chổi than chia dây quấn thành nhiều mạch nhánh song song (mỗi cặp chổi than có đơi mạch nhánh song song) Cho nên s.đ.đ phần ứng tổng s.đ.đ dẫn nhánh Gọi N tổng số dẫn dây quấn phần ứng, số đôi mạch nhánh song song a số dẫn nhánh N/2a, nên s.đ.đ phần ứng là: 176 N N e= Bvl 2a 2a Mặt khác, từ thông cực từ là: πDl =B 2p Do đó: pN Eư = n= k E n 60a Hệ số kE phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng Eư = (7.4) (7.5) (7.6) Từ biểu thức Eư ta thấy tỉ lệ với tốc độ quay phần ứng từ thông cực từ Để điều chỉnh Eư ta thay đổi tốc độ quay rôto, điều chỉnh từ thông cách điều chỉnh dịng điện kích từ Muốn đảo chiều s.đ.đ ta đổi chiều quay đổi chiều dịng điện kích từ 7.2.2 Phương trình cân điện áp dịng điện 1) Máy phát điện chiều a) Máy phát điện chiều kích từ độc lập Theo sơ đồ hình 7.7a, dịng điện phần ứng dịng điện tải Phương trình cân dịng điện: I = Iư (7.7) Phương trình cân điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.8) Phương trình cân điện áp mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt + Rđc) (7.9) Trong đó: Rư: điện trở phần ứng, bao gồm điện trở dây quấn phần ứng điện trở tiếp xúc chổi than cổ góp Rkt: điện trở dây quấn kích thích Rđc: điện trở điều chỉnh mắc nối tiếp với dây quấn kích thích Khi dịng điện tải I tăng, dịng điện phần ứng tăng điện áp tải giảm tác dụng từ trường phần ứng làm cho từ thông tổng giảm kéo theo s.đ.đ E giảm điện áp rơi mạch phần ứng tăng Để giữ cho điện áp khơng đổi cần phải tăng dịng điện kích từ Máy phát chiều kích từ độc lập có ưu điểm điều chỉnh điện áp cần phải có nguồn kích thích chiều riêng Loại máy thường gặp hệ thống máy phát – động chiều để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động tàu thủy, máy bay b) Máy phát điện chiều kích từ song song Để tạo điện áp đầu cực máy ta cần thực q trình tự kích Ban đầu, dịng điện kích thích không, từ thông máy từ dư nhỏ 177 cực từ tạo (bằng khoảng ÷ 3% từ thông định mức) Khi phần ứng quay từ thơng dư tạo s.đ.đ cảm ứng khép mạch qua cuộn kích từ tạo dịng điện kích từ làm tăng từ trường máy Quá trình tiếp tục đến điện áp đầu đạt ổn định Lưu ý có điện trở điều chỉnh cuộn kích từ phải để mức thấp chiều từ trường kích thích phải chiều với từ dư Nếu từ dư ta phải mồi để tạo từ dư Phương trình cân dịng điện: I = Iư - Ikt Phương trình cân điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.10) (7.11) Phương trình cân điện áp mạch kích từ: U = Ikt (Rkt + Rđc) (7.12) Khi dịng điện tải tăng điện áp tải giảm hai nguyên nhân máy kích thích độc lập, dịng kích từ bị giảm nên từ thông s.đ.đ giảm sâu so với máy phát kích thích độc lập Một đặc điểm quý ngắn mạch đầu (U = 0) dịng kích từ khơng, s.đ.đ máy từ dư sinh nên dòng điện ngắn mạch nhỏ dòng điện định mức Chính mà cố ngắn mạch đầu máy phát kích từ song song nguy hiểm c) Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp Theo sơ đồ hình 7.7c, dịng kích từ dịng điện tải nên tải thay đổi điện áp tải thay đổi nhiều, thực tế không sử dụng máy phát loại Phương trình cân dịng điện: I = Iư = Ikt Phương trình cân điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rkt) (7.13) (7.14) d) Máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây máy hình 7.7d Khi nối thuận, từ thơng dây quấn kích từ nối tiếp chiều với từ thông dây quấn kích từ song song nên tải tăng từ thông cuộn nối tiếp tăng bù vào suy giảm từ thông cuộn song song nên điện áp đầu cực giữ không đổi Đây ưu điểm lớn máy phát kích từ hỗn hợp Nếu nối ngược, tải tăng điện áp giảm nhanh Cách nối sử dụng máy hàn điện chiều Phương trình cân dòng điện: I = Iktnt = Iư - Iktss Phương trình cân điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rktnt) Phương trình cân điện áp mạch kích từ: U = Iktss Rktss (7.15) (7.16) (7.17) 2) Động điện chiều Đối với động cơ, dòng điện Iư ngược chiều với s.đ.đ Eư nên Eư gọi sức phản điện Phương trình cân điện áp mạch điện phần ứng: U = Eư + IưRư (7.18) 178 Phương trình cân dịng điện: - Động kích từ độc lập: I = Iư - Động kích từ song song hỗn hợp: I = Iư + Ikt (7.19) (7.20) - Động kích từ nối tiếp I = Iư = Ikt (7.21) Trên thực tế, đặc tính động chiều kích từ độc lập kích từ song song giống nhau, với công suất lớn người ta thường dùng động kích thích độc lập để điều chỉnh dịng điện kích thích thuận lợi kinh tế Mặt khác, động chiều kích thích nối tiếp dùng nhiều đặc biệt giao thông vận tải 7.3 Công suất mômen điện từ máy điện chiều 7.3.1 Mômen điện từ máy điện chiều Như ta biết, tác dụng từ trường lên dây dẫn phần ứng mang dòng điện tạo nên lực điện từ, mômen điện từ tác dụng lên rôto Nếu tổng số dẫn dây quấn N dòng điện chạy mạch nhánh Iư/2a, mơmen điện từ tổng hợp tác dụng lên rôto là: Iư D M = B lN 2a Thay biểu thức B vào ta được: pn M= I  = 𝑘𝑀 Iư  (N.m) 2 Hệ số kM phụ thuộc kết cấu dây quấn phần ứng (7.22) (7.23) Nếu tính kG.m cơng thức M phải chia cho 9,81 Mơmen điện từ tỉ lệ với dịng điện phần ứng từ thông Muốn đổi chiều mômen ta phải đổi chiều dòng điện phần ứng dòng điện kích từ Trong máy phát điện, quay máy theo chiều định mơmen điện từ sinh ngược chiều với chiều quay máy, tức mơmen hãm Ngược lại, động điện chiều quay phần ứng chiều mômen điện từ 7.3.2 Công suất điện từ máy điện chiều Công suất điện từ máy điện chiều tính bằng: Pđt = M. (7.24) Thay biểu thức M  vào ta pN (7.25) Pđt = nIư = Eư Iư 60a Từ biểu thức ta thấy quan hệ công suất điện từ tra đổi lượng máy điện: Trong máy phát điện, công suất điện từ chuyển công suất 179 thành công suất điện Ngược lại, động điện công suất điện từ chuyển thành công suất 7.4 Mở máy điều chỉnh tốc độ động điện chiều 7.4.1 Mở máy động điện chiều Để mở máy động chiều tốt cần thực yêu cầu sau: - Mơmen mở máy Mmm phải có trị số đủ lớn để đạt tốc độ quy định thời gian ngắn - Dòng điện mở máy Imm phải hạn chế đến mức nhỏ để tránh cho dây quấn bị phát nóng mức ảnh hưởng xấu đến đến đổi chiều vành góp Khi mở máy phải đảm bảo có từ thơng kích thích lớn Hơn khơng phép đứt mạch điện kích thích  = 0, M = 0, động khơng quay dịng điện phần ứng lớn làm cháy vành góp dây quấn 1) Mở máy trực tiếp Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện Eư = Từ biểu thức cân điện áp động điện ta có: U - Eư U Imm = = (7.26) Rư Rư Thực tế, Rư bé nên với điện áp định mức dịng điện Imm = (10 ÷ 50)Iđm có trị số lớn Phương pháp thích hợp với động đến vài trăm oát 2) Mở máy dùng biến trở Biến trở mở máy mắc nối tiếp với phần ứng (hình 7.12) Dịng điện mở máy lúc có biến trở là: U - Eư (7.27) Imm = R + ∑ 𝑅𝑚𝑚𝑖 Khi mở máy ta để Rmm vị trí để có điện trở mở máy lớn Rđc vị trí nhỏ Khi động bắt đầu quay dịng điện giảm dần tiếp tục chuyển tay gạt T sang vị trí 2, 3, 4, đến tốc độ động đạt đến tốc độ định mức tồn biến trở tách khỏi mạch phần ứng Muốn dừng động ta chuyển tay gạt vị trí Biến trở mở máy lựa chọn cho Imm = (1,4 ÷ 1,7)Iđm với máy lớn (2÷2,5)Iđm với động nhỏ 180 Hình 7.12 Sơ đồ mạch điện khởi động động chiều dùng biến trở 3) Mở máy điện áp thấp Phương pháp sử dụng có nguồn điện chiều điều chỉnh điện áp để cung cấp cho mạch phần ứng động mạch kích từ cung cấp điện áp nguồn khác, ví dụ hệ thống máy phát – động nguồn chỉnh lưu Đây phương pháp dùng động cỡ lớn mà sử dụng biến trở mở máy cồng kềnh tổn hao lượng lớn, cần mở máy liên tục thường kết hợp với điều chỉnh tốc độ 7.4.2 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Từ biểu thức cân điện áp động chiều, biểu thức s.đ.đ cảm ứng biểu thức mômen điện từ ta dễ dàng rút biểu thức đặc tính máy điện chiều: U Rư M k E  k E k M 2 U Khi Iư = M = n = = n0 tốc độ không tải lý tưởng kE n= (7.28) Khi n = lúc khởi động thì: U (7.29) M = kM = k M In = Mn Rư Từ biểu thức trên, cách tổng quát ta có phương pháp điều chỉnh tốc độ sau đây: - Thêm điện trở phụ vào mạch điện phần ứng Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức Tuy nhiên, dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao điện trở phụ lớn, hiệu suất động giảm Vì vậy, phương pháp áp dụng với động công suất nhỏ - Thay đổi điện áp 181 Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức Phương pháp khơng gây nên tổn hao phụ địi hỏi phải có nguồn điện áp riêng điều chỉnh - Thay đổi từ thông Phương pháp áp dụng phổ biến cách điều chỉnh dòng điện kích từ, điều chỉnh liên tục kinh tế Khi điều chỉnh dịng kích từ điều chỉnh giảm nên từ thông giảm nên tốc độ tốc độ định mức giới hạn tốc độ bị hạn chế điều kiện khí đổi chiều máy Thực tế thường người ta kết hợp phương pháp Ví dụ kết hợp phương pháp điều chỉnh từ thông với phương pháp thay đổi điện áp nên phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, ưu điểm lớn động chiều Dưới ta xét cụ thể loại động chiều 1) Động kích từ song song kích từ độc lập Để điều chỉnh tốc độ thường dùng phương pháp điều chỉnh từ thông cách điều chỉnh Rđc mạch kích từ Cần lưu ý từ thơng giảm làm cho dịng điện phần ứng tăng q trị số cho phép nên cần có thiết bị bảo vệ cắt điện động từ thông giảm nhiều Hình 7.13 Dạng đặc tính thay Hình 7.14 Dạng đặc tính thay đổi đổi từ thơng động kích từ độc lập điện trở phần ứng động kích từ độc lập - Khi từ thơng giảm n0 tăng, độ dốc đặc tính tăng nhanh Mn giảm - Nếu thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng phương trình đặc tính cơ: U Rư + Rf n= M (7.30) k E  k E k M 2 Khi Rf = 0, U = Uđm,  = đm ta có đặc tính tự nhiên Khi Rf tăng ta có họ đặc tính thay đổi qua n0 độ dốc đặc tính tăng dần (mềm dần) - Nếu điều chỉnh cách thay đổi điện áp (U ≤ Uđm) Ta có họ đặc tính song song với thấp dần 182 Hình 7.15 Dạng đặc tính thay đổi điện áp phần ứng động kích từ độc lập 2) Động chiều kích từ nối tiếp Khi máy khơng bão hịa, dịng điện phần ứng Iư tỉ lệ với từ thông , nghĩa là: Iư = kI (7.31) Do đó: M = kMIư = kMkI2 = k22 Nên: √M với k= √k M k I k Thay vào biểu thức đặc tính ta được: kU kIRư U k kI n= =a - bR với a = b = kE kE k E √M k E √M = (7.32) (7.33) Từ biểu thức ta thấy phương trình đặc tính có dạng hyperbol (hình 7.16 đường 1) Khi tải nhỏ khơng tải dịng điện từ thơng nhỏ, tốc độ động tăng làm hỏng động khí Do khơng để động chiều kích thích nối tiếp mở máy khơng tải tải nhỏ (tối thiểu P = (0,2 ÷ 0,25)Pđm) Đường đặc tính mềm, mơmen tăng tốc độ giảm Động loại ưu việt nơi cần điều kiện mở máy nặng nề cần điều chỉnh tốc độ phạm vi rộng đầu máy xe điện, đầu máy điện Thực tế, động loại chế tạo làm việc với mạch từ bão hịa mơmen cản lớn mômen cản định mức (MC > MCđm) Khi MC tăng  khơng đổi nên đoạn đặc tính gần đường thẳng (đoạn đứt nét đường 1) Việc thay đổi từ thông thực cách sau: Mắc sun song song với dây quấn kích thích, thay đổi số vịng dây dây quấn kích thích, mắc sun song song dây quấn phần ứng thêm điện trở vào dây quấn phần ứng Hai cách đầu cho đặc tính (đường 2) Cách thứ ba cho ta đường đặc tính Cách thêm điện trở vào mạch phần ứng cho đường Khi thay đổi điện áp (U