Tải bản đầy đủ

Chương 5: Máy điện một chiều_hệ CD

Giáo

trình Máy điện

Bài 5: Máy điện một chiều
Mục tiêu của bài:
- Phân tích đợc cấu tạo, nguyên lý, quan hệ điện từ, các
phản ứng phần ứng xảy ra trong máy điện một chiều.
- Trình bày quá trình đổi chiều dòng điện trong dây
quấn phần ứng, các nguyên nhân gây ra tia lửa và biện
pháp cải thiện đổi chiều.
- Trình bày các phơng pháp mở máy, đảo chiều quay,
điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
- Vẽ và phân tích đúng sơ đồ dây quấn phần ứng máy
điện một chiều.
- Bảo dỡng và sửa chữa đợc những h hỏng thông thờng
của máy điện một chiều.
Nội dung của bài:
Thời gian: 17h (LT: 10h; TH:
7h)


1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Đại cơng về máy điện một chiều
Cấu tạo của máy điện một chiều
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy
điện một chiều.
Từ trờng và sức điện động của
máy điện một chiều.
Công suất điện từ và mô-men
điện từ của máy điện một chiều.
Tia lửa điện trên cổ góp và biện
pháp khắc phục.
Máy phát điện một chiều.
Động cơ điện một chiều.
Dây quấn phần ứng máy điện một
chiều.

Thời gian: 0.5h
Thời gian:1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 1h
Thời gian: 9.5h

Bài 5
Máy điện một chiều
5.1. Đại cơng về máy điện một chiều
5.1.1. Định nghĩa
Máy điện một chiều là một loại thiết bị điện sử dụng


điện một chiều để biến thành cơ năng hoặc ngợc lại biến
cơ năng thành điện năng một chiều.
5.1.2. Công dụng

Trờng CĐCN Thái Nguyên

161


trình Máy điện

Giáo

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc
độ rất tốt, vì vậy đối với những quá trình công nghệ có yêu
cầu cao về điều chỉnh tốc độ đa số đều dùng động cơ
điện một chiều nh ngành cán thép, hầm mỏ , giao thông
vận tải...
Máy phát điện một chiều dùng để cung cấp nguồn
điện một chiều cho các động cơ điện một chiều, nguồn
kích từ cho các máy điện đồng bộ. Ngoài ra trong công
nghiệp hoá học còn sử dụng nguồn một chiều để để tinh
luyện đồng , nhôm, mạ điện ...
Nhợc điểm của máy điện một chiều là giá thành chế tạo
cao hơn so với máy điện xoay chiều nhng tuổi thọ lại thấp
hơn .Tuy vậy do những u điểm đã nêu trên thì máy điện
một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản
xuất.
Công suất lớn nhất của máy đện một chiều hiện nay
vào khoảng 10.000 kW, điện áp vào khoảng vài trăm cho
đến 1000 V. Hớng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng
của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo
những máy có công suất lớn hơn.
5.1.3. Các đại lợng định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ
làm việc trong những điều kiện mà xởng chế tạo quy định.
Chế độ đó đợc đặc trng bằng các đại lợng ghi trên nhãn máy
gọi là những đại lợng định mức. Trên nhãn máy thờng ghi
những đại lợng sau:
- Công suất định mức Pđm (W, kW)
- Điện áp định mức Uđm (V)
- Dòng điện định mức Iđm (A)
- Tốc độ định mức nđm (vg/ph)
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng pháp kích từ, dòng
điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng v.v...
Lu ý: công suất định mức ở đây là công suất đa ra
của máy điện. Đối

Trờng CĐCN Thái Nguyên

162


trình Máy điện

Giáo

với máy phát điện, đó là công suất điện đa ra ở đầu cực
của máy. Đối với động cơ điện , thì đó là công suất cơ đa
ra ở đầu trục.
5.2. Cấu tạo của máy điện một chiều
Máy điện một chiều gồm các phần chính sau: stato,
rôto, cổ góp và chổi than. Hình 5.1 vẽ cấu tạo và mặt cắt
của máy điện một chiều.

5.2.1. Stato

Hình 5-1

Stato còn đợc gọi là phần cảm (là bộ phận sinh ra từ
thông). Gồm các phần sau:
- Lõi thép làm bằng thép đúc dùng làm gông từ đồng
thời làm vỏ máy.
- Cực từ đợc làm bằng thép đúc và đợc gắn vào vỏ
máy bằng các bu lông.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

163


trình Máy điện

Giáo

- Dây quấn kích từ đợc làm bằng dây đồng có bọc
cách điện quấn thành bối đặt các cực từ.
Cấu tạo của stato nh hình 5-1a
5.2.1. Rôto
Rô to của máy điện một chiều đợc gọi là phần ứng, bao
gồm lõi thép và dây quấn phần ứng:
a) Lõi thép: có dạng hình trụ gồm các lá tôn silích có
độ dày từ 0,35 đến 0,5 mm ghép lại. Các lá thép đợc dập các
rãnh để đặt dây quấn phần ứng nh hình 5-2 (trờng hợp
động cơ có công xuất trung bình và lớn thì lá thép còn
đựoc dập thêm các lỗ thông gió làm mát theo hớng dọc trục).

Hình 5-2
b) Dây quấn phần ứng
- Dây quấn phần ứng đợc chia làm các loại chủ yếu sau :
+ Dây quấn xếp,
+Dây quấn sóng
Ngoài ra

trong một số máy điện cỡ lớn còn dùng dây

quấn hỗn hợp, đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và
sóng .
Bộ dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử (bốidây).
Mỗi phần tử bao gồm nhiều vòng dây và đầu ra đợc nối với
hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của một phần tử đặt trong
hai rãnh thuộc hai cực khác tên. Các phần tử dây quấn đợc nối
với nhau (thông qua các phiến góp) tạo thành một mạch khép

Trờng CĐCN Thái Nguyên

164


trình Máy điện

Giáo

kín. Ví dụ: hình 5-3a,b thể hiện dây quấn phần ứng thuộc
loại dây quấn xếp, có bốn phần tử.

Hình 5-3
ở dây quấn xếp đơn giản số nhánh song song bằng số
cực. Dây quấn trên hình vẽ có hai cực từ và có hai nhánh
song song, hình 5-3c

Hình 5-3c
Trên hình 5-4 vẽ hai phần tử dây quấn kiểu sóng đơn
giản. Các phần tử đợc nối thành mạch vòng kín. ở dây quấn
sóng đơn chỉ có hai mạch nhánh song song, thờng thấy ở
máy có công suất nhỏ

Trờng CĐCN Thái Nguyên
Hình 5-4
Hình 5-5

165


trình Máy điện

Giáo

5.2.3. Cổ góp điện
Cổ góp điện gồm các phiến góp bằng đồng đợc ghép
cách điện với nhau, có dạng hình trụ, gắn vào đầu trục rô
to. Cấu tạo nh hình 5-5a. Các đầu dây của các phần tử đợc
nối với phiến góp.
Chổi than (chổi điện ) đợc làm bằng than graphit, cấu
tạo nh hình 5-5b. Các chổi than tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo
và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
5.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một
chiều
Máy điện một chiều gồm hai loại :
+ Máy phát điện một chiều
+ Động cơ điện một chiều
5.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một
chiều
a) Cấu tạo
Để xét nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
ta xét một máy phát điện một chiều dạng đơn giản nhất nh
hình vẽ

Trờng CĐCN Thái Nguyên
Hình 5-6

166


trình Máy điện

Giáo

Gồm một khung dây dẫn a b c d,có thể quay trên một
trục O O và đợc đặt trong từ trờng của một nam châm
vĩnh cửu N-S. Hai đầu vào và ra của khung dây đợc nối với
hai vành bán khuyên có cách điện với nhau. Để lấy điện ra
ngoài có dùng hai chổi than A, B .
b) Nguyên lý làm việc
Dùng động cơ sơ cấp quay khung dây abcd quanh trục
OO với tốc độ đều là . Ta xét khung dây ở một số thời
điểm sau:
- Mặt phẳng khung dây song song với từ trờng
Theo định luật cảm ứng điện từ thì trong khung dây
sẽ xuất hiện một sđđ cảm ứng. Chiều của s.đ.đ cảm ứng
đợc xác định theo qui tắc bàn tay phải. Nh hình 5-6, từ trờng hớng từ N đến S, chiều quay phần ứng ngợc chiều kim
đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên, sức điện động có chiều từ
b đến a. ở thanh dẫn phía dới, sức điện động có chiều từ d
đến c. Sức điện động của phần tử bằng hai lần s.đ.đ của
thanh dẫn. Nếu nối chổi than với tải, trên tải sẽ có dòng điện
chiều từ A đến B. Điện áp của máy phát điện có cực dơng ở
chổi A và âm ở chổi B.
- Khung dây quay đợc 900 so với vị trí ban đầu
Tại thời điểm này khung dây không cắt các đờng sức
từ trờng nên sđđ cảm ứng bằng 0.
-Khi khung dây quay đợc 1800
Hai cạnh tác dụng ab và cd thay đổi vị trí cho nhau,
theo quy tắc bàn tay phải ta lại xác định đợc chiều s.đ.đ
trong các thanh, lúc này sức điện động trong thanh dẫn
đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện A vẫn

Trờng CĐCN Thái Nguyên

167


trình Máy điện

Giáo

nối với phiến góp phía trên, chổi điện B vẫn nối với phiến
góp phía dới, nên chiều dòng điện lấy ra ngoài có chiều
không đổi.
Và ta có máy phát điện một chiều với cực dơng ở A, cực
âm ở B.
Nếu máy phát chỉ có một phần tử nh hình vẽ trên thì
điện áp và dòng điện ra có dạng đập mạch nh hình vẽ
(Hình 5-7a)

Hình 5-7
Để điện áp ra đợc lớn và ít bị đập mạch thì trên rôto ta
đặt nhiều khung dây lệch đều nhau và mỗi khung dây có
nhiều vòng, và thêm nhiều phiến đổi chiều và ta có đồ thị
nh hình 5-7b.
So sánh hai đồ thị ta thấy trờng hợp sau chất lợng điện
tốt hơn nhiều vì độ đập mạch giảm đi rất nhiều (nếu trên
rô to đặt càng nhiều khung dây thì độ đập mạch càng
nhỏ đi.
ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng I cùng chiều với
s.đ.đ phần ứng E , theo định luật Kiếchốp 2, phơng trình
điện áp của máy phát điện là:
U
=
E

I
.R
(5-1)
5.3.2.Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
a) Cấu tạo
Vẫn với mô hình trên bây giờ ta cho nguồn điện một
chiều U vào rôto thông qua hệ thống chổi than và phiến
góp.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

168


trình Máy điện

Giáo

b) Nguyên lý làm việc
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,
trong đay quấn phần ứng sẽ có dòng điện I.. Ta xét khung
dây ở một số thời điểm sau:
- Mặt phẳng khung dây song song với đờng sức
từ
Dòng điện đi vào khung dây theo chiều abcd, theo
định luật điện từ và theo qui tắc bàn tay trái ta xác định
đợc chiều của lực điện từ tác dụng lên cạnh ab và cạnh cd
nh hình 5-8a. Hai lực điện từ F tác dụng lên hai cạnh ab và
cd có độ lớn bằng nhau nhng ngựợc chiều nhau và tạo thành
mô men quay tác dụng lên trục quay của rô to theo chiều kim
đồng hồ.

Hình 5-8
- Khi khung dây quay đợc 900 thì mặt phẳng
khung dây vuông góc với đờng sức từ
Vẫn theo qui tắc bàn tay trái ta xác định đợc chiều của
các lực điện từ nh hình vẽ, trong trờng hợp này các lực điện
từ đó không tạo thành mô men quay mà chỉ có tác dụng kéo
dãn khung dây ra. Theo quán tính khung tiếp tục quay.
- Khi khung dây quay đợc 1800 so với vị trí ban
đầu
Dòng điện trong các khung dây đổi chiều đồng thời
các cạnh ab, cd cũng thay đổi vị trí trong không gian cho
nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện , giữ cho chiều

Trờng CĐCN Thái Nguyên

169


trình Máy điện

Giáo

lực điện điện từ không đổi, do đó
mô men có chiều
không thay đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không
đổi.
Nh vậy khi cho dòng điện một chiều vào khung dây
đặt trong từ trờng thì theo hiện tợng điện từ sẽ có mô men
quay tác dụng vào khung dây làm cho khung dây quay. Để
tạo ra mô men có giá trị không đổi thì trên rô to cần phải
đặt nhiều khung dây giống nhau. Đây chính là nguyên lý
làm việc của động cơ điện một chiều.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt các từ trờng, sẽ
cảm ứng các sức điện động E. Chiều s.đ.đ xác định theo
qui tắc bàn tay phải. ở động cơ một chiều, chiều s.đ.đ E
ngợc chiều dòng điện I , nên E còn gọi là sức phản điện
động.
Phơng trình cân bằng điện áp sẽ là:
U
=
E
+
I
.R
(5-2)
* Nhận xét:
Máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều
có cấu tạo giống nhau. Hay nói cách khác là máy điện một
chiều có tính chất thuận nghịch: Dùng cơ năng kéo máy
điện một chiều sẽ phát ra điện một chiều , ngợc lại nếu đa
điện một chiều vào thì máy điện một chiều sẽ quay thực
hiện biến đổi điện năng thành cơ năng.
5.4. Từ trờng và sức điện động của máy
điện một chiều
5.4.1. Từ trờng của máy điện một chiều
a) Từ trờng khi không tải
Khi máy điện một chiều không tải, từ trờng trong máy
chỉ do dòng điện kích từ gây ragọi là từ trờng cực từ. Trên
hình 5-9a vẽ từ trờng cực từ. Từ trờng cực từ phân bố đối
xứng, ở trung tính hình học mn thanh dẫn chuyển động
qua đó không cảm ứng đợc sức điện động.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

170


trình Máy điện

Giáo

b) Từ trờng khi có tải
Khi máy điện có tải, dòng điện I trong dây quấn phần
ứng sẽ sinh ra từ trờng phần ứng (hình 5-9b). Từ trờng phần
ứng hớng vuông góc với từ trờng cực từ.
Tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ trờng cực từ gọi là
phản ứng phần ứng, từ trờng trong máy là từ trờng tổng hợp
của từ trờng cực từ và từ trờng phần ứng. Trên hình 5-9c vẽ từ
trờng tổng hợp. ở một mỏm cực, từ trờng đợc tăng cờng (ở đó
từ trờng phần ứng trùng chiều với từ trờng cực từ), trong khi
đó ở mỏm kia, từ bị yếu đi (từ trờng phần ứng ngợc chiều với
từ trờng cực từ).
Hậu quả của phản ứng phần ứng là:

Hình 5-9

Trờng CĐCN Thái Nguyên

171


Giáo

trình Máy điện

1. Từ trờng trong máy bị biến dạng: Điểm trung tính
dịch chuyển từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi
là trung tính vật lý mn. Góc lệch thờng nhỏ và lệch theo
chiều quay rôto khi là máy phát điện, và ngợc chiều quay
rôto khi là động cơ điện. ở vị trí trung tính hình học, cảm
từ B 0, thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sđđ,
gây ảnh hởng xấu đến việc đổi chiều
2. Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn: Từ trờng phần ứng
lớn, phần
mỏm cực từ đợc tăng cờng bị bão hoà, từ cảm B ở đó đợc
tăng lên rất ít, trong khi đó, mỏm cực từ kia từ trờng bị giảm
đi nhiều, kết quả là từ thông của máy bị giảm xuống. Từ
thông giảm kéo theo s.đ.đ phần ứng E giảm , làm cho điện
áp đầu cực của máy phát giảm. ở chế độ động cơ, từ thông
giảm làm cho mômem giảm, và tốc độ động cơ thay đổi.
Để khắc phục hậu quả trên ngời ta dùng cực từ phụ và
dây quấn bù.
Từ trờng cực từ phụ và
dây quấn bù ngợc với từ trờng
phần ứng.
Để kịp thời khắc phục từ
trờng phần ứng khi tải thay
đổi, dây quấn cực từ phụ đấu
nối tiếp với mạch phần ứng
(hình 5-10)

Hình 5-10

5.4.2. Sức điện động phần ứng
a) Sức điện động của một thanh dẫn
Khi quay rô to, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng
cắt từ trờng, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng đợc một sđđ là:
e
=Btbl
v.
(5-3)
Trong đó:
Btb : cờng độ từ cảm trung bình dới cực từ.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

172


Giáo

trình Máy điện

v : vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)
l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)
b)
Sức điện động phần ứng E
Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp
nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn
thành nhiều nhánh song song. Do đo sđđ phần ứng sẽ bằng
tổng các sđđ của các thanh dẫn trong một nhánh.
- Nếu gọi N là số thanh dẫn của dây quấn phần ứng , số
mạch nhánh song song là 2a (a là số đôi mạch nhánh song
song ), thì số thanh dẫn của một nhánh sẽ là: N/2a.
Vậy sức điện động của phần ứng E sẽ là:

E

N
N
e
Btblv
2a
2a

(5-4)
- Tốc độ dài v đợc xác định theo tốc độ quay bằng
công thức:

v

(5-5)

Dn
60

- Từ thông dới mỗi cực từ là:

=Btb

pDl
2p

(5-6)
Thay các giá trị của v, vào biểu thức E trên , cuối cùng
ta có:

E
(5-7a)

pN
n
60a

Trong đó p là số đôi cực.
Hoặc:
(5-7b)

Trờng CĐCN Thái Nguyên

E

=

k..n

173


trình Máy điện

Giáo

pN
là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của dây
60a

Với hệ số ke=

quấn phần ứng.
Nhận xét :
Sđđ phần ứng E phụ thuộc và tốc độ quay phần ứng
và từ thông dới mỗi cực từ.
Từ đó muốn thay đổi trị số sđđ E ta có thể thay đôi
tốc độ quay, hoặc thay đổi từ thông bằng cách thay đổi
dòng điện kích từ hoặc kết hợp cả hai phơng pháp trên.
Muốn đổi chiều sđđ E thì hoặc đổi chiều quay hoặc
đổi chiều dòng điện kích từ.
5.5. công suất điện từ và Mô men điện từ
của máy điện một chiều
5.5.1. Công suất điện từ
Công suất điện từ của máy điện một chiều đợc tính theo
công thức:
Pđt
=
E.I.
(5-8)
Thay giá trị E trong (5-7a) vào (5-8) ta có:
pN
P

n
dt
(5-9)
60a

5.5.2. Mômen điện từ
Mô men điện từ đợc tính theo công thức:

P
M dt dt
(5-10)
r
Với r là tốc độ góc của rô to, đợc tính theo tốc độ quay n
(v/ph) bằng biểu thức:
2pn
r =
60
(5-11)

Trờng CĐCN Thái Nguyên

174


Giáo

trình Máy điện

Thay (5-11) vào (5-10), cuối cùng ta có biểu thức của mô men
điện từ là:

pn
M dt =
I
2pa
(5-12a)
Hoặc
:
Mđt
=
km...
I
(5-12b)
Nhận xét:
Mô men điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng và từ
thông . Muốn thay đổi trị số mô men ta có thể thực hiện
bằng cách thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay đổi
dòng điện kích từ. Muốn thay đổi chiều của mô men ta
phải thay đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc thay đổi
chiều dòng điện kích từ.
5.6. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục
Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thờng
gây ra tia lửa giữa chổi than và cổ góp. Tia lửa lớn có thể
gây ra vòng lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi than và
cổ góp, gây tổn hao năng lợng, ảnh hởng xấu đến môi trờng và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử.
Sự phát sinh ra tia lửa điện trên cổ góp do các nguyên nhân
sau:
5.6.1. Nguyên nhân cơ khí
- Do tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp không tốt vì
Khi rô to quay, thì sẽ có liên tiếp
những nguyên nhân sau: do cổ góp không tròn, không
các phần tử chuyển từ mạch nhánh
nhẵn, chổi than không đúng qui cách.
song song này sang mạch nhánh song
- Chổi
bị rung
do là
cố định không tốt hoặc
song khác.
Ta than
gọi các
phầnđộng
tử đó
lực éptửcủa
lò xochiều.
vào chổi
thanphần
với cổtửgóp không đủ chặt.
phần
đổi
Trong
5.6.2.xuất
Nguyên
nhân
từ
đổi chiều
hiệncác
các điện
sđđ sau:
(Hình vẽ 5-11)
- Sđđ tự cảm eL sinh ra do sự
biến thiên của dòng điện trong phần
tử đổi chiều.
- Sđđ hỗ cảm em sinh ra do sự
Trờng
CĐCN
Thái
Nguyên
biến
thiên
dòng
điện
của các phần tử
đổi chiều khác.

175
Hình 5- 11


trình Máy điện

Giáo

Tại thời điểm chổi than di chuyển nối ngắn mạch giữa
hai phiến góp làm ngắn mạch phần tử đổi chiều và các
sđđ trên sẽ sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử đổi
chiều đó, tích luỹ năng lợng và phóng ra dới dạng tia lửa điện
khi cổ góp chuyển động.
Để khắc phục tia lửa điện, ngoài việc loại trừ nguyên
nhân cơ khí ra ta phải tìm cách làm giảm nhỏ các s.đ.đ
trong phần tử đổi chiều đã nêu trên

bằng các biện pháp

sau: Dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần
tử đổi chiều các s.đ.đ nhằm triệt tiêu các s.đ.đ e L, em, eq.
Để làm đợc điều đó thì từ trờng của dây quấn bù và cực từ
phụ phải có chiều ngợc chiều với từ trờng phần ứng. Đối với
máy điện một chiều công suất nhỏ thì đơn giản hơn ngời
ta có thể thực hiện bằng cáh dịch chuyển chổi than đến đờng trung tính vật lý (dịch chuyển chổi than cùng chiều với
chiều quay của rô to đối với máy phát, ngợc chiều quay với
chiều quay rô to đối với động cơ)

5.7. Máy phát điện một chiều
Dựa vào phơng pháp kích từ mà máy phát điện có
những tính chất làm việc khác nhau. Sau đây ta sẽ đi
nghiên cứu từng loại một.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

176


trình Máy điện

Giáo

5.7.1. Máy phát điện kích từ độc lập
Sơ đồ máy phát điện một chiều kích từ độc lập nh
hình 5-13 dới đây:

Hình 5-13
Sơ đồ máy phát điện một chiều kích từ độc lập nh
hình 5-13a, dòng điện phần ứng I bằng dòng điện I tải:
Phơng
trình
dòng
điện
:
I
=
I.
(5-13a)
Phơng trình cân bằng điện áp:
+ Mạch phần ứng:
U =E - IR.
(5-13b)
+ Mạch kích từ:
UKt =IKt.(RKt +Rđc).
(5-13c)
Khi dòng điện tải tăng thì dòng điện phần ứng tăng,
điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân sau: (biểu diễn ở
hình 5-13b)
- Tác dụng của từ trờng phần ứng làm cho từ thông
giảm, kéo theo s.đ.đ E giảm.
- Điện áp rơi trên mạch phần ứng I.R tăng.

Trờng CĐCN Thái Nguyên

177


trình Máy điện

Giáo

Đờng đặc tính ngoài U = f(I) khi n, I kt không thay đổi
đợc biểu diễn nh đồ thị trên. Thông thờng khi có tải điện áp
bị giảm từ 8 10 điện áp khi không tải.
Để giữ cho điện áp máy phát ổn định thì phải tăng từ
thông bằng cách tăng dòng điện kích từ . Đờng đặc tính
điều chỉnh: Ikt = f(I) khi giữ điện áp cho điện áp và tốc độ
không đổi đợc biểu diễn nh đồ thị hình 5-13c
Máy phát điện kích từ độc lập có u điiểm là dùng
nguồn điện một chiều kích từ riêng nên có thể chọn U kt vừa
đủ để chọn Rđc có giá trị nhỏ để giảm tổn hao, song có
nhợc điểm là cần có nguồn điện kích từ riêng.
5.7.2. Máy phát điện kích từ song song
Sơ đồ máy phát điện kích từ song song nh (hình vẽ 514a)

Hình 5-14
ở trạng thái cha làm việc thì máy phát cha có từ trờng.
Để phát ra điện cần phải thực hiện quá trình tự kích từ. Cụ
thể nh sau:
Lúc ban đầu máy không có dòng điện kích từ, t thông
trong máy do từ d của các cực từ tạo ra, khoảng từ (2 3) từ
thông định mức. Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần
ứng sẽ có sđđ cảm ứng do từ thông d sinh ra. Sđđ này sẽ
khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở R đc để ở mức
nhỏ nhất), sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từ trờng cho

Trờng CĐCN Thái Nguyên

178


trình Máy điện

Giáo

máy. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi đạt điện áp ổn
định. Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết máy phải
có từ d và chiều từ trờng của dây quấn kích từ phải cùng
chiều với từ trờng d. Nếu từ d không còn, ta phải mồi để tạo
ra từ d. Trờng hợp chiều từ trờng ngợc chiều với từ d ta phải
đổi lại chiều từ trờng bằng cách đổi chiều quay rô to hoặc
đổi chiều cực tính cuộn dây kích từ.
Các phơng trình:
Cân bằng điện áp:
U
=
E
-R.I.
(5-14a)
- Mạch
kích
từ:
U
=
Ikt.(Rkt
+Rđc).
(5-14b)
- Phơng trình dòng điện :
I
= I
+
Ikt.
(5-14c)
So với máy phát kích từ độc lập, khi tải tăng máy phát
kích từ song song còn thêm một nguyên nhân làm giảm
điện áp U nữa là khi U giảm thì dòng điện kích từ I cũng
giảm theo dẫn đến E càng bị giảm, chính vì thế đờng
đặc tính ngoài bị dốc hơn so với đờng đặc tính ngoài của
máy phát điện kích từ độc lập và có dạng nh hình vẽ 5-14b.
Từ đờng đặc tính ngoài ta thấy, khi ngắn mạch (U=0)
thì E đợc sinh ra do từ thông d d (3)đm nên dòng điện
ngắn mạch In có giá trị nhỏ (In < Iđm).
Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng kích
từ, đờng đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I), khi U, n không đổi
vẽ trên hình 5-14c.
5.7.3. Máy phát điện kích từ nối tiếp
Sơ đồ máy phát nh hình 5-15

Trờng CĐCN Thái Nguyên

179
Hình 5-15


trình Máy điện

Giáo

Dòng điện kích từ cũng đồng thời là dòng điện tải,
do đó khi thay đổi tải thì điện áp cũng thay đổi rất
nhiều. Trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối
tiếp. Đờng đặc tính ngoài nh hình 5-15b đợc giải thích nh
sau: Khi tải tăng, dòng I tăng, từ thông và E tăng, do đó U
tăng. Khi I = (2 2,5)Iđm, mạch từ của máy phát bị bão hoà, khi
dó I có tăng nhng U sẽ giảm do E không tăng còn sụt áp do
dây quấn phần ứng và dây quấn kích từ tăng lên.

5.7.4. Máy phát điện kích từ hỗn hợp
Sơ đồ nh hình vẽ 5-16

Hình 5-16

Trờng CĐCN Thái Nguyên

180


trình Máy điện

Giáo

Máy phát có hai cuộn dây kích từ: một cuộn mắc song
song , một cuộn mắc nối tiếp. Tuỳ theo trạng thái mắc cùng
cực tính hay mắc ngợc cực tính mà máy phát có các chế độ
làm việc khác nhau:
- Khi mắc cùng cực tính: Khi có tải tăng thì cuộn kích
từ nối tiếp có dòng tăng làm từ thông (cùng chiều với chính)
tăng lên sđđ của máy tăng và điện áp ra đợc giữ hầu nh
không đổi. Đây chính là u điểm rất lớn của máy phát điện
kích từ hỗn hợp. Đờng đặc tính đợc thể hiện nh hình 5-16b
- Khi mắc ngợc cực tính: thì khi có tải tăng, dòng điện
qua cuộn dây kích từ nối tiếp tăng, từ thông của cuộn dây
cũng tăng nhng ngợc chiều với từ thông chính và làm cho từ
thông tổng bị giảm do đo sđđ cũng bị giảm mạnh và làm
cho đặc tính ngoài của máy phát rất dốc. Đặc tính ngoài đợc thể hiện nh hình 5-16c, ứng dụng của máy phát trong trờng hợp này dùng để làm máy phát hàn điện một chiều.

5.8. động cơ điện một chiều
Cũng giống nh máy phát điện một chiều, động cơ
điện một chiều cũng đợc phân loại theo kiểu kích từ của
động cơ.
Ta biết khi rô to quay, dây quấn phần ứng sinh ra một
sđđ phần ứng E và mô men điện từ Mđt:
E
=ke..n.
(5-15)
Mđt
=km..I.
(5-16)
ở chế độ động cơ thì dòng điện phần ứng ngợc chiều
với suất điện động phần ứng (nên E còn gọi là sức phản

Trờng CĐCN Thái Nguyên

181


trình Máy điện

Giáo

điện ) còn mômen điện từ là mômen quay, cùng chiều với
chiều quay n của rôto.
5.8.1. Mở máy động cơ điện một chiều
Phơng trình điện áp ở mạch phần ứng là:
U
=
E
+
IR
(5-17a)
Từ đó rút ra:
U - E
I =
R
(5-17b)
Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện động E =
ke..n = 0, dòng điện phần ứng lúc mở máy là:
U
I mm =
R
(5-18)
Vì điện trở R rất nhỏ, dòng điện phần ứng lúc mở
máy rất lớn trị rất khoảng (2030) Iđm, làm hỏng cổ góp và
chổi than. Để giảm dòng điện mở máy, đạt Imm = (1,5 2)
Iđm ta có thể dùng các biện pháp sau:
+ Dùng biến trở mở máy: Mắc nối tiếp điện trở phụ với
mạch phần ứng (hình 5-17)

Hình5-17
Khi đó dòng điện mở máy sẽ là:

Trờng CĐCN Thái Nguyên

182


trình Máy điện
I mm

Giáo

U
R R p

(5-19)
+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Phơng pháp này
chỉ đợc áp dụng với nguồn điện một chiều có thể thay đổi
đợc nh hệ thống máy phát - động cơ hoặc nguồn một chiều
chỉnh lu.
Lu ý: Để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ
thông lớn nhất, vì thế các thông số mạch kích từ phải điều
chínhao cho dòng điện kích từ lúc mở máy là lớn nhất.
5.8.2. Điều chỉnh tốc độ
Từ phơng trình (5-17a) rút ra:
E = U I.R
Thay E =ke..n , ta có phơng trình tốc độ là:

n=

U - R I
ke

(5-20)
Từ pgơng trình (5-20), một cách tổng quát, muốn điều
chỉnh tốc độ, ta có các phơng pháp sau:
a) Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng , tốc độ động cơ
giảm. Vì dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suát
trên điện trở điều chỉnh lớn. Phơng pháp này chỉ sử dụng ở
động cơ công suất nhỏ.
b) Thay đổi điện áp U
Dùng nguồn một chiều điều chỉnh đợc điện áp cung
cấp cho động cơ.
Phơng pháp này đợc sử dụng nhiều.
c) Thay đổi từ thông
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích
từ.
Khi điều chỉnh tốc độ động cơ, ta kết hợp các phơng
pháp trên. Ví dụ phơng pháp thay đổi từ thông kết hợp với

Trờng CĐCN Thái Nguyên

183


trình Máy điện

Giáo

phơng pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất
rộng, đây là u điểm lớn của động cơ một chiều.
5.8.3. Động cơ một chiều kích từ song song
Sơ đồ nối dây nh hình 5-1a
Để mở máy ta dùng biến trở Rmở.
Để điều chỉnh tốc độ, ta có thể dùng các phơng pháp
điều chỉnh điện
áp, thêm mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, thay
đổi từ thông, thực tế
thờng điều chỉnh Rđc để thay đổi Ikt do đó thay đổi từ
thông . Phơng pháp này sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý
khi giảm từ thông , có thể dòng điện I tăng quá trị số cho
phép, vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho
động cơ làm việc, khi từ thông giảm quá nhiều.

n0

Hình 5-18
a) Đờng đặc tính cơ n = f(M)
Đờng đặc tính cơ là đờng quan hệ giữa tốc độ n và
mômen quay M
khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ
không đổi.
Từ phơng trình cân bằng điện áp của động cơ ta có:

Trờng CĐCN Thái Nguyên

184


Giáo

trình Máy điện
U
=
E
(5-21)
Thay (5-15) vào biểu thức (5-21) ta có:
U = ke..n + I.R hoặc:
ke..n = U + I.R
Rút ra :
U RI

n

(5-22)

ke



+

I.R



ke

Biểu thức (5-22) đợc gọi là phơng trình đặc tính cơ
điện của động cơ.
Từ biểu thức M =km..I.
M
I
Thay vào (5-22) ta có:
km
n

R M
U

ke ke.km 2

(5-23a)
Nếu thêm điện trở phụ Rp vào mạch phần ứng ta có phơng trình:
n

(R +R p )M
U

ke
ke.km 2

(5-23b)

Trên hình 5-18b vẽ đờng đặc tính cơ, đờng 1 là đờng
đặc tính cơ tự nhiên (Rp = 0), đờng 2 là đờng đặc tính
cơ nhân tạo (Rp 0).
b) Đặc tính làm việc
Đờng đặc tính làm việc đợc xác định khi điện áp và
dòng kích từ không đổi. Đó là các đờng quan hệ giữa tốc
độ n, mômen M, dòng điện phần ứng I và hiệu suất theo
công suất cơ trên trục động cơ P2, đợc vẽ trên
hình 5-18c.
Nhận xét: Động cơ điện một chiều kích từ song song
có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu nh không đổi khi công
suất trên trục thay đổi, chúng đợc dùng nhiều trong các máy

Trờng CĐCN Thái Nguyên

185


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×