Kỹ thuật điện đại cương - Chương 7 pptx

Với máy phát cổ góp và chổi điện có tác dụng biến đổi dòng điện AC ở dây quấn phần ứng thành dòng DC chạy ở mạch ngoài.. Dùng động cơ sơ cấp quay rôto, làm từ thông của từ trường phần cả

Chương 7 Máy điện một chiều

Mục tiêu: Cấu tạo, nguyên lý và đặc điểm của máy điện DC

Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song máy

điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều

Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng.Trong tự động hoá làm động cơ chấp hành, làm động cơ khởi động trên trên

ôtô, tàu thuỷ Các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị

điện hoá, thiết bị hàn điện có chất lượng cao

Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ Khi sử dụng động cơ điện một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo

Đ7-1 Cấu tạo máy phát điện một chiều

Máy điện 1 chiều thực chất là máy điện đồng bộ có thêm bộ phận đổi chiều Cũng giống như máy điện đồng bộ máy điện một chiều có stato, rôto và vỏ máy Trên hình 7-1a vẽ stato (a), rôto (b), nắp (c), chổi than (d) Trên hình 7-1b vẽ mặt cắt ngang trục

1 Stato

Stato là phần cảm, gồm vỏ máy, các cực từ chính và các cực từ phụ Cực từ chính để tạo ra từ trường chính cho máy Gồm có lõi thép hình 7-3 làm bằng thép lá kĩ thuật điện và dây quấn hình 7- 4 làm bằng dây điện từ

b

c

c

b a

d

Cổ góp

Cực từ phụ lõi thép có thể là khối thép rèn cũng có thể làm bằng thép lá kỹ thuật điện, dây quấn quấn đồng tâm quanh lõi thép và nối tiếp với dây quấn phần ứng Cực từ phụ để tạo ra từ trường phụ nhằm khắc phục ảnh hưởng của phản ứng phần ứng và hiện tượng tia lửa điện giữa cổ góp và chổi than

Vỏ máy được làm bằng thép

là nơi gá lắp các cực từ chính, cực

từ phụ và làm gông từ

2 Rô to ( hình 7-5)

Rô to của máy điện một chiều

là phần ứng, gồm lõi thép, dây

quấn và bộ phận đổi chiều Lõi

thép hình trụ, làm bằng các lá

thép kỹ thuật điện dày 0,5mm,

phủ sơn cách điện, ghép lại Các

lá thép được dập có lỗ thông gió

và rãnh để đặt dây quấn phần ứng

(hình 7-6)

Mỗi phần tử của dây quấn

phấn ứng có nhiều vòng dây, hai

đầu nối với hai phiến góp, hai

cạnh tác dụng của phần tử dây

quấn đặt trong hai rãnh dưới hai

cực khác tên (hình 7-7), các phần tử được nối thành nhiều mạch nhánh song

song ở dây quấn xếp số nhánh song song bằng số cực từ Dây quấn trên hình

7-7, có hai cực từ và có hai nhánh song song

H7-2

C chính

cực phụ

rôto

cổ góp

S

N

H7-3

H7-4

H7-5

H7-6

• A, B chổi than

• a,b,c,d,e,h là 6 phiến góp

• 1, 2 12 là thứ tự 12 rãnh

• τ là bước cực

Ngoài dây quấn xếp ở máy điện một chiều

còn kiểu dây quấn sóng hình 7-8 vẽ 2 phần tử

dây quấn sóng chỉ có hai mạch nhánh song song, thường thấy ở máy có công suất nhỏ

3 Cổ góp và chổi điện

Với máy phát cổ góp và chổi điện có tác dụng biến đổi dòng điện AC ở dây quấn phần ứng thành dòng DC chạy ở mạch ngoài Đối với động cơ cổ góp và chổi

điện có tác dụng biến đổi dòng điện DC thành dòng AC chạy trong dây quấn phần ứng

Cấu tạo của cổ góp ở hình 7-9b Các phiến góp (1) bằng đồng được ghép cách điện trên đế cách điện 2, tạo thành cổ góp dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rôto Hình 7-9b vẽ cổ góp cắt

bỏ 1/4 để thấy rõ hình dáng

của phiến góp Mỗi phiến được

hàn với 2 đầu của 2 phần tử

liên tiếp

Chổi điện (chổi than) làm

bằng graphit hình 7-9a Các

H7-9b

1

2 H7-9a

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

a b c d e h

H7- 7

H7-8

chồi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy

Đ 7-2 Nguyên lý làm việc

1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Cho dòng điện DC vào cuộn dây phần

cảm, phần cảm trở thành nam châm điện,

có từ trường Bo

Dùng động cơ sơ cấp quay rôto, làm từ

thông của từ trường phần cảm biến thiên

trong dây quấn phần ứng, theo định luật

cảm ứng điện từ, trong dây quấn phần

ứng cảm ứng các sức điện động hình

sin.Trên hình 7-10 theo quy tắc bàn tay

phải chiều sđđ xác định như hình vẽ

Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện và điện áp có cực dương ở A( chổi điện dưới cực N) và cực âm ở B ( chổi điện dưới cực S)

Nếu dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử, thì điện áp đầu cực như hình 7-11a Để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 7-11b), dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều

ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sđđ phần ứng Eư Phương trình cân bằng điện áp là:

U = Eư - RưIư (7-1) Trong đó:

- RưIư là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng Rư là điện trở của dây quấn phần ứng U là điện áp đầu cực máy

- Eư là sức điện động phần ứng

2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

H7-10

H7-11a

t

o

u

t

o

u

H7-11b

Hình 7-12 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho dòng điện một chiều vào hai chổi điện A và B, nhờ bộ phận đổi chiều trong dây quấn phần ứng có dòng điện xoay chiều chạy qua Các thanh dẫn ab, cd có dòng

điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tác dụng tạo thành mô men làm rôto quay Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái, hình 7-12

Khi phần ứng quay được

nửa vòng, vị trí các thanh dân

ab, cd đổi chỗ nhau, nhờ có

bộ phận đổi chiều đổi chiều

dòng điện trong thanh dẫn,

giữ cho chiều lực tác dụng

không đổi, đảm bảo động cơ

có chiều quay cố định

Khi động cơ quay, các

thanh dẫn cắt từ trường, sẽ

cảm ứng sđđ Eư Chiều sđđ

xác định theo quy tắc bàn tay phải ở động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư, nên Eư được gọi là sức phản điện

Phương trình cân bằng điện áp sẽ là: U = Eư + RưIư (7-2)

Đ 7-3 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều

1 Từ trường của máy điện một chiều

n

B o

m

H7-13

u

B

B r r r

+

=

a)

b)

c)

m'

n'

I

+

F

F

Khi dòng điện Iu = 0, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi

là từ trường cực từ (hình7-13a) Từ trường cực từ phân bố đối xứng, tại giao điểm của đường trung tính hình học mn với mặt rôto có từ trường bằng 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ

Khi máy điện có tải dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng (hình 7-13b)

Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ

Khi máy làm việc từ trường trong máy là:Br Br0 BrU

+

= (7-3) Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng ở một mỏm cực rôto đi vào từ trường được trợ từ, từ trường trong máy mạnh lên ở mỏm cực rôto đi ra từ trường bị khử từ, từ trường Bo bị yếu đi

Tác hại của phản ứng phần ứng là:

- Từ trường trong máy bị biến dạng Điểm có từ cảm B = 0 dịch chuyển từ

trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m'n' ở vị trí trung tính hình học, từ cảm B ≠ 0, thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sđđ, gây

ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều (xét ở tiết 7- 5)

- Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, vùng mỏm

cực rôto đi vào từ trường được tăng cường và bị bão hoà, từ cảm B ở đó tăng lên

được rất ít, trong khi đó, mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều, kết quả là từ thông Φ của máy bị giảm xuống Từ thông Φ giảm kéo theo sức điện động phần ứng Eu giảm, làm cho điện áp U đầu cực máy phát giảm ở chế độ động cơ, từ thông giảm, làm cho mômen quay giảm, và tốc độ động cơ thay đổi

Để khắc phục hậu quả trên, người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù.Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng

Để kịp thời khắc phục phản ứng phần ứng khi tải thay

đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù được đấu nối

tiếp với mạch phần ứng (hình 7-14)

2 Sức điện động phần ứng

a Sức điện động trong 1 thanh dẫn

Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng

cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện

động:

E = Btblv (7-4)

H7-14

N

S

Trong đó: - Btb cường độ từ cảm trung bình dưới cực từ

- v tốc dài của thanh dẫn

- l chiều dài hiệu dụng thanh dẫn

b Sức điện động phần ứng E ư

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động trong các thanh dẫn của một nhánh Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a(a là đôi nhánh), số thanh dẫn trong một nhánh là N/2a, nên sức điện động phần ứng là:

B lv

2a

N e 2a

N

Eu = = td (7-5) Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n (v/ph) bằng công thức

60

πDn

v = (7-6)

và Btb = SΦ

2p

πDl

2p

πDl

Btb =Φ (7-7) Thay (7-7) và (7-8)vào (7-6) được: nΦ

60a

pN

Eu = (7-8a) Trong đó: p là số đôi cực

Đặt

60a

pN

kE = thì: Eư = kE nΦ (7-8b)

Hệ số KE phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng

Nhận xét: Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay và từ thông Φ dưới

mỗi cực từ Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay, hoặc điều chỉnh dòng điện kích từ Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi chiều quay, hoặc đổi chiều dòng điện kích từ

Đ 7-4 Công suất và mômen điện từ của máy điện DC

1 Công xuất điện từ của máy điện một chiều

Công xuất điện từ được xác định theo công thức: Pđt = EưIư (7-9a)

Thay giá trị Eư trong (7-8a) vào (7- 9a) ta có:

dt nΦIu

60a

pN

P = = kenIư φ (7-9b)

2 Mômem điện từ

r

dt dt

P M

ω

= (7-10)

ωr là tốc độ góc của rôto, được tính theo tốc độ quay n (v/ph) bằng biểu thức:

60

n π 2

r =

ω (7-11)

Thay (7-11) vào (7-10), ta có biểu thức của mômen điện từ là:

a π 2

pN

Mdt = u (7-12a)

hoặc Mđt = KMIưΦ (7-12b)

Trong đó hệ số

a 2

pN

kM

π

= phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn

Nhận xét:

Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông Φ Muốn thay đổi mômen điện từ, ta phải thay đổi tải hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt Để đổi chiều mômen điện từ phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ

Đ 7-5 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục

Khi máy điện làm việc, thường có tia lửa giữa chổi điện và cổ góp Tia lửa lớn có thể phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng ảnh hưởng xấu

đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử Sự phát sinh tia lửa trên cổ góp do các nguyên nhân sau:

1 Nguyên nhân cơ khí

Do tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, như cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng quy cách Giá chổi gắn không chặt hoặc lực

lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp

2 Nguyên nhân điện từ

Khi máy làm việc liên tiếp có các phần tử chuyển từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác, và dòng điện trong phần tử đó sẽ đổi chiều Ta gọi các phần tử

ấy là phần tử đổi chiều Trên hình 7-15, ở thời điểm A phần tử b chuẩn bị chuyển

từ nhánh bên trái sang nhánh bên phải và chuẩn bị đổi chiều ở thời điểm b phần

tử b bị chổi than ngắn mạch ở thời điểm C phần tử b đã chuyển sang nhánh phải,

và phần tử b vừa thực hiện xong việc đổi chiều.Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau:

- Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều gây ra

- Sức điện động hỗ cảm em, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều lân cận

- Sức điện động eq do từ trường của phần ứng gây ra

ở thời điểm chổi than ngắn mạch phần tử đổi chiều (hình 7-15B), các sức điện

động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích luỹ năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động

Biện pháp khắc phục tia lửa:

- Loại trừ nguyên nhân cơ khí

- Làm giảm trị số các sức điện động eL, eM, eq bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm triệt tiêu

3 sức điện động này Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng Đối với máy công suất nhỏ, người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến đường trung tính vật lý

Đ7-6 Máy phát điện một chiều

1 Phân loại máy điện một chiều

Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ,

người ta chia máy điện một chiều ra các loại sau:

- Máy điện một chiều kích từ độc lập

- Máy điện một chiều kích từ song song

- Máy điện một chiều kích từ nối tiếp

- Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp

I I

2I

B

I I

I I

2I

C

H7-15

Eu

Wkt

H7-16

Rkt

+

-

I

Ekt

2 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập

Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập vẽ trên hình 7-16; dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I

Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện riêng không liên hệ với phần ứng của máy

Phương trình dòng điện là: Iư = I (7-13a)

Phương trình cân bằng điện áp là:

Mạch phần ứng: U = Eư - RưI (7-13b)

Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt + Rđc) (7-13c)

Trong đó: Rư là điện trở dây quấn phần ứng

Rkt là điện trở dây quấn kích từ

Rđc điện trở điều chỉnh

Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống do

2 nguyên nhân sau:

- Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông Φ giảm, kéo theo sức điện

động Eư giảm

- Điện áp rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng

- Đường đặc tính ngoài U =f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi, vẽ trên hình 7-17a Khi tải tăng điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng 8 ữ 10% điện

áp khi không tải

Để giữ cho điện áp máy phát không đổi, phải tăng dòng điện kích từ Đường

đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I), khi giữ điện áp và tốc độ không đổi vẽ trên hình 7-17b

Máy phát kích từ độc

lập có ưu điểm về điều

chỉnh điện áp, thường gặp

trong các hệ thống máy

phát - động cơ để truyền

động máy cán, máy cắt

kim loại, thiết bị tự động

trên tầu thuỷ, máy bay

nhược điểm là cần nguồn điện kích từ riêng

3 Máy phát điện tự kích từ song song

Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tự kích từ song song vẽ trên hình 7-18

I

I kt

O

H7-17b

I

I n

U E u

E u

U

O

H7-17a

E o

mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng

Lúc đầu, máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực

từ tạo ra, bằng khoảng 2 ữ 3% từ thông định mức Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ dư sinh

ra Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ

(điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất), sinh ra dòng điện

kích từ, làm tăng từ trường cho máy Quá trình tiếp tục cho

đến khi đạt điện áp ổn định Để máy có thể thành lập điện

áp, nhất thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích

từ phải cùng chiều từ dư Nếu không còn từ dư, ta phải mồi

để tạo từ dư, nếu chiều hai từ trường ngược nhau, ta phải đổi

cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng

Phương trình cân bằng điện áp của máy tự kích thích song

song là:

Mạch phần ứng: U = Eư - RưI (7-14a)

Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt + Rđc) (7-14b)

Phương trình dòng điện: Iư = I + Ikt

Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài 2

nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm, như máy phát

điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song, còn thêm một nguyên nhân nữa là khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm, chính vì thế đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập và có dạng như hình 7-18b Từ đường đặc tính ta thấy, khi ngắn mạch, điện áp U = 0, dòng kích từ bằng không, sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính

đều chỉnh Ikt = f(I), khi U, n không đổi vẽ trên hình 7-18c

4 Máy phát điện kích từ nối tiếp

Sơ đồ mạch như hình 7-19a Dòng điện

kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay

đổi, điện áp thay đổi rất nhiều Đường đặc

tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 7-19b

Dạng đường đặc tính ngoài được giải

thích như sau: Khi tải tăng, dòng điện Iư

U

H7-19b

+

Wkt

H7-19a

I

U

Eu

-I

Ik

O H7-18c

U

I

In

O

H7-18b

Wkt

Eu

Rkt H7-18a +

-