CHƯƠNG 7 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
7.4. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
7.4.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Từ biểu thức cân bằng điện áp của động cơ một chiều, biểu thức s.đ.đ cảm ứng và biểu thức mômen điện từ ta dễ dàng rút ra được biểu thức đặc tính cơ của máy điện một chiều:
n = U
kE - RưM
kEkM2 (7.28)
Khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì n = U
kE = n0 là tốc độ không tải lý tưởng.
Khi n = 0 là lúc khởi động thì:
M = kM U
Rư = kMIn = Mn (7.29)
Từ biểu thức trên, một cách tổng quát ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ sau đây:
- Thêm điện trở phụ vào mạch điện phần ứng
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức. Tuy nhiên, do dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao trên điện trở phụ lớn, hiệu suất của động cơ giảm. Vì vậy, phương pháp này chỉ áp dụng với động cơ công suất nhỏ.
- Thay đổi điện áp
182 Phương pháp này cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức.
Phương pháp này không gây nên tổn hao phụ nhưng đòi hỏi phải có nguồn điện áp riêng điều chỉnh được.
- Thay đổi từ thông
Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ, có thể điều chỉnh liên tục và kinh tế. Khi điều chỉnh dòng kích từ chỉ có thể điều chỉnh giảm nên từ thông giảm nên tốc độ sẽ trên tốc độ định mức và giới hạn tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy.
Thực tế thường người ta kết hợp các phương pháp trên. Ví dụ như kết hợp phương pháp điều chỉnh từ thông với phương pháp thay đổi điện áp nên phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng, đây là một ưu điểm rất lớn của động cơ một chiều.
Dưới đây ta sẽ xét cụ thể các loại động cơ một chiều.
1) Động cơ kích từ song song và kích từ độc lập
Để điều chỉnh tốc độ thường dùng phương pháp điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh Rđc trên mạch kích từ. Cần lưu ý rằng khi từ thông giảm có thể làm cho dòng điện phần ứng tăng quá trị số cho phép nên cần có thiết bị bảo vệ cắt điện động cơ khi từ thông giảm quá nhiều.
Hình 7.13 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông động cơ kích từ độc lập
Hình 7.14 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng động cơ kích từ độc lập - Khi từ thông giảm thì n0 tăng, độ dốc của đặc tính tăng nhanh và Mn giảm.
- Nếu thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng thì phương trình đặc tính cơ:
n = U
kE - Rư + Rf
kEkM2M (7.30)
Khi Rf = 0, U = Uđm, = đm ta có đặc tính cơ tự nhiên. Khi Rf tăng ta có họ đặc tính cơ thay đổi qua n0 và độ dốc của đặc tính tăng dần (mềm dần).
- Nếu điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp (U ≤ Uđm)
Ta có một họ các đặc tính cơ song song với nhau và thấp dần.
183 Hình 7.15 Dạng đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ kích từ độc lập 2) Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
Khi máy không bão hòa, dòng điện phần ứng Iư tỉ lệ với từ thông , nghĩa là:
Iư = kI (7.31)
Do đó: M = kMIư = kMkI2 = k22 Nên:
=√M
k với k= √kMkI (7.32)
Thay vào biểu thức đặc tính cơ ta được:
n = kU
kE√M -kIRư
kE = a U
√M - bRư với a = k
kE và b =kI
kE (7.33)
Từ biểu thức trên ta thấy phương trình đặc tính có dạng hyperbol (hình 7.16 đường 1). Khi tải nhỏ hoặc không tải thì dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng có thể làm hỏng động cơ về cơ khí. Do đó không để động cơ một chiều kích thích nối tiếp mở máy khi không tải hoặc tải nhỏ (tối thiểu P = (0,2 ÷ 0,25)Pđm).
Đường đặc tính cơ mềm, khi mômen tăng thì tốc độ giảm. Động cơ loại này rất ưu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề và cần điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng như các đầu máy xe điện, đầu máy điện...
Thực tế, động cơ loại này được chế tạo làm việc với mạch từ bão hòa khi mômen cản lớn hơn mômen cản định mức (MC > MCđm). Khi đó khi MC tăng thì hầu như không đổi nên đoạn đặc tính gần như là đường thẳng (đoạn đứt nét trên đường 1).
Việc thay đổi từ thông có thể thực hiện bằng các cách sau: Mắc sun song song với dây quấn kích thích, thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích, mắc sun song song dây quấn phần ứng và thêm điện trở vào dây quấn phần ứng. Hai cách đầu cho cùng một đặc tính (đường 2). Cách thứ ba cho ta đường đặc tính 3.
Cách thêm điện trở vào mạch phần ứng cho đường 4 và 5.
Khi thay đổi điện áp (U<Uđm) ta được đường 6.
184 Hình 7.16 Các dạng đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ ĐCMC KTNT
3) Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp
Trong động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có hai cuộn dây kích từ: song song và nối tiếp. Nếu từ trường của hai cuộn dây đó cùng chiều làm tăng từ thông ta có động cơ một chiều kích từ hỗn hợp bù. Ngược lại, ta có động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ngược. Thực tế chỉ động cơ hỗn hợp bù mới đảm bảo làm việc ổn định và đặc tính cơ của nó mang tính chất trung gian giữa động cơ kích từ song song và động cơ kích từ nối tiếp.
Đường 1 ứng với kích từ hỗn hợp bù, đường 2 – hỗn hợp ngược, đường 3 – kích từ song song và đường 4 – kích từ nối tiếp.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ hỗn hợp được điều chỉnh như động cơ kích từ song song, dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng các phương pháp giống như động cơ kích từ nối tiếp.
Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp được dùng trong những nơi cần các điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng như trong máy ép, máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng ... Trong thời gian gần đây còn được dùng trong giao thông vận tải vì có ưu điểm hơn so với động cơ kích từ nối tiếp ở chỗ dễ hãm ngược bằng chế độ máy phát điện.
Hình 7.17 So sánh dạng đặc tính cơ của ĐCMC KTHH với các động cơ khác
185 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 7
CÂU HỎI
1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện một chiều.
2. Sức điện động và mômen điện từ của máy điện một chiều.
3. Phân loại và sơ đồ đấu dây của máy điện một chiều.
4. Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều.
5. Phân biệt các dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Bài tập giải sẵn Bài tập 7.1
Một máy phát điện một chiều kích từ song song, công suất định mức Pđm = 25 kW, điện áp định mức Uđm = 115V, điện trở cuộn kích từ Rkt = 12,5; điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,0238; số đôi nhánh song song a = 2; số đôi cực p = 2; số thanh dẫn N = 300; tốc độ quay n = 1300 vòng/phút.
a. Xác định s.đ.đ cảm ứng Eư và từ thông .
b. Giả sử dòng điện kích từ không đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng, hãy xác định điện áp đầu cực máy khi dòng điện giảm xuống I = 80,8A.
Bài giải
a. Từ phương trình 7.10 và 7.11, sức điện động cảm ứng Eư là:
Eư = U + IưRư = U + (Iđm + Ikt)Rư
Dòng điện định mức:
Iđm= Pđm
Uđm= 25000
115 =217,4A Dòng điện kích từ:
Ikt = Uđm
Rkt = 115
12,5 = 9,2A
Do đó: Eư = 115 + (217,4 + 9,2).0,0238 = 120,4V Từ thông trong máy (công thức 7.6):
Φ = 60aEư
pNn = 60.2.120,4
2.300.1300 = 1,852.10-2Wb b. Dòng điện phần ứng:
Iư = I + Ikt = 80,8 + 9,2 = 90A Điện áp đầu cực máy phát:
U = Eư - IưRư = 120,4 – 90.0,0238 = 118,3V
186 Bài tập 7.2
Một động cơ điện một chiều công suất định mức Pđm = 1,5kW; điện áp định mức Uđm = 220V; hiệu suất = 0,82; tốc độ n = 1500 vòng/phút.
Tính mômen định mức, tổng tổn hao trong máy và dòng điện định mức.
Bài giải
Mômen định mức của động cơ:
Mđm = Pđm
ωđm = 9,55.Pđm
nđm = 9,55.1500
1500 = 9,55Nm Công suất điện cung cấp cho động cơ:
P1 = Pđm
η = 1500
0,82 = 1829,3W Dòng điện định mức:
Iđm = P1
Uđm = 1829,3
220 = 8,31A Tổng tổn hao trong máy:
P = P1 – Pđm = 1829,3 – 1500 = 329,3W
BÀI TẬP TỰ GIẢI Bài tập 7.3
Máy phát điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức: Pđm = 25kW; Uđm = 440V; Iđm = 65A; n =1000vòng/phút; Rư = 0,2. Bỏ qua phản ứng phần ứng.
a) Tính công suất điện từ, mômen điện từ và hiệu suất khi tải định mức.
b) Tính s.đ.đ phần ứng khi tốc độ rôto n’ = 800vòng/phút.
Đáp số:a) Pđt = 29445W; Mđt = 238,75Nm ; = 0, 874;
b) Eư’ = 362,4V Bài tập 7.4
Động cơ điện một chiều kích từ song song có Pđm = 10kW; Uđm = 220V; = 0,86; n = 2250 vòng/phút; Ikt =2,26A; Rư = 0,178.
a) Tính dòng điện mở máy trực tiếp.
b) Tính điện trở Rmm cần thiết để giảm dòng điện mở máy xuống bằng 2 lần dòng điện định mức.
Đáp số:a) Imm =1238A;
b) Rmm = 1,95
187 Bài tập 7.5*
Cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập có Pđm = 25kW; Uđm = 200V; Rư
= 0,2; Pđt = 30kW; nđm = 1000vòng/phút.
a) Tính mômen điện từ Mđt và dòng điện phần ứng Iư.
b) Để tốc độ động cơ còn 800 vòng/phút thì cần mắc vào phần ứng một điện trở điều chỉnh Rđc bằng bao nhiêu? Biết rằng tải không đổi và bỏ qua phản ứng phần ứng.
Đáp số: a) Mđt = 286,5Nm; Iư = 159A;
b) Rđc = 0,22