Máy điện 2 pot

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Khi cho dòng điện kích từ dòng điện không đổi vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor.. Khi dây quấn stator nối với tải, trong các dây

Máy điện 2

Giới thiệu môn học : MÁY ĐIỆN 2

1 Tên môn học : Máy điện 2

2 Mã số môn học : DD03

3 Số đơn vị học trình : 4(4,0)

4 Môn học tiên quyết : Máy điện 1, Điện Kỹ Thuật, Vật liệu điện, Vật lý đại cương

5 Môn học song hành :

6 Tài liệu tham khảo :

- Giáo trình Máy điện – Vụ THCN&DN

- Máy điện 1 – Trần KHánh Hà, NXB KHKT

- Điện kỹ thuật – Nguyễn Kim Đính, Đại học quốc gia – NXB KHKT

7 Nội dung tóm tắt :

- Trang bị những kiến thức chung về nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của các lọai máy điện : máy điện đồng bộ, máy điện một chiều

- Tính tóan cơ bản và ứng dụng các lọai máy điện trong ngành công nông nghiệp, dân dụng, giao thông vận tải, … phục vụ cho công tác vận hành, bảo trì, sửa chữa sau này

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 : MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3

1.1 Định nghĩa và công dụng 3

1.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha 3

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ 6

1.4 Phản ứng phấn ứng của máy điện đồng bộ 7

1.5 Mô hình tính toán của máy phát điện đồng bộ 8

1.6 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ 9

1.7 Đặc tuyến của máy phát đồng bộ 11

1.8 Sự làm việc song song của máy phát điện đồng bộ 13

1.9 Động cơ đồng bộ 14

1.9.1 Khái niệm chung 14

1.9.2 Cấu tạo 14

1.9.3 Nguyên lý làm việc 15

1.9.4 Sơ đồ thay thế và đồ thị vevtơ của động cơ đồng bộ 15

1.9.5 Điều chỉnh hệ số công suất cosϕ của động cơ đồng bộ 15

1.9.6 Máy bù đồng bộ 17

1.9.7 Mở máy động cơ đồng bộ 19

Bài tập chương 1 21

CHƯƠNG 2 : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 23

2.1 Cấu tạo máy điện một chiều 23

2.2 Các thông số định mức 26

2.3 Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ một chiều 26

2.4 Sức điện động phần ứng, công suất và momen điện từ của máy điện một chiều 28

2.5 Phản ứng phần ứng của máy điện một chiều 29

2.6 Nguyên nhân tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục 30

2.7 Máy phát điện một chiều 31

2.7.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 31

2.7.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song 33

2.7.3 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 34

2.7.4 Công suất, tổn hao và hiệu suất của máy phát điện một chiều 35

2.8 Động cơ điện một chiều 36

2.8.1 Đại cương 36

2.8.2 Momen của động cơ một chiều 36

2.8.3 Mở máy động cơ điện một chiều 37

2.8.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 38

2.8.5 Động cơ một chiều song song kích từ song song (động cơ shunt 39

2.8.6 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp 42

2.8.7 Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp 45

Bài tập chương 2 48

PHỤ LỤC : DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN 47

CHƯƠNG 1

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG

Máy điện đồng bộ là những máy điện xoay chiều có tốc độ rotor n bằng tốc độ quay của từ trường stator n1

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng

Máy phát điện đồng bộ là nguồn năng lượng chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc nước Ơû các lưới điện công suất nhỏ hoặc máy phát dự phòng, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi động cơ diesel hoặc các tuabin khí

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, khí nén, quạt gió… nói chung với yêu cầu tốc độ không đổi Một chế độ quan trọng khác của động cơ đồng bộ là chế độ máy bù đồng bộ, khi đó nó là động cơ đồng bộ không tải để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, nhằm mục đích cải thiện hệ số công suất của lưới điện và ổn định điện áp

1.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA

Máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stator và rotor

1.2.1 Stator

Tương tự như của động cơ không đồng bộ, stator gồm có lõi thép và dây quấn Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng Lõi thép làm bằng vật liệu sắt từ tốt, nghĩa là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn Loại vận tốc chậm có chiều dài dọc trục ngắn; còn loại vận tốc nhanh chiều dài dọc trục lớn gấp đường kính nhiều lần Ngoài ra, trong stator còn có hệ thống làm mát (nước, khí hydro)

Đường kính D của rotor cực lồi có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15÷0,2

Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối trụ (bánh xe) trên mặt có đặt các cực từ Ơû các máy lớn, lõi thép được hình thành bởi các tấm thép dày 1÷6mm được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng

Dây quấn cản (trường hợp máy phát đồng bộ) hoặc

dây quấn mở máy (trường hợp động cơ đồng bộ) được

đặt trên các đầu cực Các dây quấn này giống như dây

quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa

là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và

được nối bởi hai vòng ngắn mạch

Trục của máy cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở

các động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện

diesel hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc

độ quay tương đối lớn (khoảng trên 200 vòng/phút) Ở trường hợp các máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm, trục máy được đặt

thẳng đứng theo hai kiểu : kiểu treo và kiểu dù

2 Rotor cực ẩn

Rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn làm bằng thép

hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ,

sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ

Phần không phay hình thành mặt cực từ

Máy điện đồng bộ cực ẩn thường chế tạo với số

Hình 3.1 − Cực từ của rotor của máy đồng bộ cực lồi

Hình 3.2 − Dây quấn cản (dây quấn mở máy) của máy điện

đồng bộ

cực 2p = 2, tốc độ quay của rotor là 3000 vòng/phút, và để hạn chế lực ly tâm, đường kính D của rotor không được vượt quá 1,1÷1,5m Để tăng công suất của máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rotor Chiều dài tối đa của rotor vào khoảng 6,5m

1.2.3 Hệ kích từ của máy đồng bộ

Hệ kích từ của máy điện đồng bộ phải bảo đảm :

- Cưỡng bức kích từ để giữ đồng bộ máy phát với lưới điện khi điện áp lưới hạ thấp

do xảy ra ngắn mạch ở xa

- Triệt tiêu từ trường kích thích, nghĩa là giảm nhanh dòng Ikt đến 0 (khi sự cố ngắn mạch nội bộ dây quấn stator)

Có ba loại hệ kích từ máy đồng bộ :

a) Máy phát điện một chiều :

Máy phát điện một chiều có thể được gắn ở đầu trục máy phát đồng bộ như trên hình vẽ (gọi là bộ kích từ đầu trục) hoặc có thể kéo bởi một động cơ riêng biệt Dòng kích từ được đưa đến dây quấn kích từ qua hệ thống chổi than_vành trượt (cổ góp)

b) Bộ kích từ không chổi than (Brushless Excitation)

Máy một chiều

Phiến góp

Vành trượt

Trục máy phát

Đến kích từ máy phát

Hình 3.4 − Máy phát một chiều đồng trục với máy phát đồng bộ để

cung cấp dòng kích từ (bộ kích từ đầu trục)

Hình 3.5 − Bộ kích từ không chổi than

iDC Stator máy phát

kích từ đồng trục

Rotor máy phát kích từ đồng trục

Diode quay

Rotor máy phát chính

Stator máy phát chính

nđb

S1

S2 S3

Một bộ kích từ phụ dùng nam châm vĩnh cữu sẽ cung cấp dòng kích từ một chiều cho bộ kích từ chính

Bộ kích từ chính là một máy phát xoay chiều ba pha mà phần ứng (dây quấn ba pha) được đặt trên rotor của máy phát đồng bộ Điện áp xoay chiều ba pha của bộ kích từ chính được chỉnh lưu thành một chiều nhờ một bộ chỉnh lưu quay cũng đặt trên rotor của máy phát đồng bộ

c) Bộ kích từ dùng chỉnh lưu (tự kích)

Điện áp ba pha của máy phát đồng bộ (ban đầu được sinh ra do từ dư) được chỉnh lưu thành DC, xong đưa đến dây quấn kích từ thông qua hệ thống chổi than-vành trượt

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

Khi cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor Khi quay rotor bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rotor sẽ cắt dây quấn phần ứng stator và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị hiệu dụng :

E0 = 4,44.f.W1.kdq.Φ0 (V) (3.1) E0 : sức điện động pha

W1 : số vòng dây 1 pha dây quấn phần

ứng

kdq :hệ số dây quấn

Φ0 : từ thông cực từ rotor

Nếu rotor có p đôi cực, khi rotor quay n

vòng/phút, thì tần số sức điện động sinh ra trong

các cuộn dây ax, by, cz là :

) Hz ( p

n f

60

Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau trong không gian 1 góc 120° điện cho nên sức điện động các pha lệch nhau 1 góc 120° Khi dây quấn stator nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha giống như ở máy điện không đồng bộ, dòng điện 3 pha

MF

uAC

UDCnđb

Tự động điều chỉnh kích từ (AVR : Automatic Voltage Regulator) Hình 3.6 – Bộ kích từ dùng chỉnh lưu (tự kích)

Hình 3.7 – Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

trong dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ đồng bộ

p

f

n1 =60 đúng bằng tốc độ

n của rotor

1.4 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường của dây quấn stator còn gọi là từ trường phần ứng Tùy theo tính chất của tải mà trục từ trường phần ứng với từ trường cực từ sẽ hợp thành 1 góc nhất định Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng

1.4.1 Tải trở _ phản ứng ngang trục

Khi trục của hai cực kề nhau đối diện với cạnh cuộn dây, sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đạt cực đại Khi tải thuần trở, góc lệch pha giữa E và I là Ψ = 0; E và I cùng pha nên dòng ứng cũng đạt cực đại lúc đó, và sinh ra từ trường phần ứng Fư vuông góc với từ trường cực từ Ft Từ trường phần ứng theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ, ta gọi là phản ứng ngang trục

1.4.2 Tải thuần cảm _ phản ứng dọc khử từ

Dòng ứng chậm pha 90° so với sức điện động nên sẽ đạt cực đại sau khi rotor đã quay thêm 90° điện Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng Fư ngược chiều với Ft ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ thông tổng

1.4.3 Tải thuần dung _ phản ứng dọc trợ từ

Dòng ứng nhanh pha hơn sức điện động 1 góc 90° nên nó đạt cực đại trước đó, trong khi rotor phải quay thêm 1 góc 90° nữa mới đến vị trí cực đại của sức điện động

Do đó dòng ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng Fư cùng chiều với Ft, ta gọi là phản ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng

1.4.5 Tải bất kỳ

Ta phân tích dòng điện I làm 2 thành phần :

- Thành phần dọc trục : Id = I.sinΨ (3.3)

- Thành phần ngang trục : Iq = I cosΨ (3.4)

Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tính ngang trục và vừa có tính dọc trục, khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải

Hình 3.8 – Từ trường phản ứng phần ứng với :a) Tải trở; b) Tải cảm; c) Tải dung

1.5 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.5.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi

Khi máy phát làm việc, từ thông chính Φ0 sinh ra sức điện động E0 ở dây quấn stator Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải

Ở máy cực lồi, vì khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau do đó ta phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục

• Từ trường phần ứng ngang trục tạo nên sức điện động ngang trục :

ưq q

ưq jI x

E• = • , xưq : điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục (3.5)

• Từ trường phần ứng dọc trục tạo nên sức điện động dọc trục :

ưd d

ưd jI x

E• = • , xưd : điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục (3.6)

• Từ thông tản của dây quấn stator đặc trưng bởi điện kháng tản xt không phụ thuộc hướng dọc trục hay ngang trục :

t q t d t

t j Ix j I x j I x

• Điện áp rơi trên điện trở dây quấn stator : I.rư

• Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi :

t ưd ưq ư

Gọi xưd + xt = xd : điện kháng đồng bộ dọc trục (3.9)

xưq + xt = xq : điện kháng đồng bộ ngang trục (3.10) Vậy : U• =E•0−I•d(rư +jxd)−I•q(rư +jxq) (3.11)

vì rư << xd và xq, nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng thì công thức (3.11) có thể viết lại thành :

ϕ : góc hợp bởi I• và U•

Ψ: góc hợp bởi I• và

1.5.2 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn

Đối với máy phát điện đồng bộ cực ẩn thì : xd = xq = xđb : điện kháng đồng bộ

Phương trình điện áp của máy phát đồng bộ cực ẩn :

0 I r jx E

1.6 CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.6.1 Công suất tác dụng

Công suất tác dụng của máy phát điện cung cấp cho tải :

với I.cosΨ = Iq; I.sinΨ = Id

vậy P = 3.U.Iq cosθ + 3.U.Id.sinθ (3.16)

Theo đồ thị vectơ điện áp máy điện đồng bộ cực lồi :

q q

x

sin U

d

0 d

x

cos U E

2 sin x

1 x

1 2

U 3

θ

sin x

E U 3 P

d q

1 2

U 3

d q

θ

sin x

E U 3

đb

1.6.2 Công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ :

= 3.U.I.sinΨ.cosθ - 3.U.I.cosΨ.sinθ (3.21)

với I.cosΨ = Iq; I.sinΨ = Id

vậy : Q = 3.U.Id cosθ + 3.U.Iq.sinθ (3.22)

thay

q q

x

sin U

d

0 d

x

cos U E

=

d q

2 d

q

2 d

0

x

1 x

1 2

U 3 2 cos x

1 x

1 2

U 3

θ

cos x

E U 3

Suy ra công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực ẩn (xd = xq = xđb) :

U 3

θ

cos

E U 3 Q

Ta thấy khi θ có trị số dương hoặc âm thì trị số Q vẫn không đổi, nên đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát và động cơ điện đồng bộ giống nhau

Ta thấy : khi -θ’< θ < θ’ : máy phát công suất phản kháng vào lưới điện

khi θ < -θ’ hoặc θ >θ’ : máy tiêu thụ công suất phản kháng

1.7 ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

1.7.1 Đặc tuyến không tải

Đó là đồ thị của sức điện động pha E0 theo dòng kích từ Ik khi hở mạch tải (I = 0) và vận tốc rotor không đổi, nó có dạng của đường cong Φm(Ik) tức là đường cong từ hóa B_H của mạch từ

1.7.2 Đặc tuyến ngoài

Là đồ thị quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng tải I khi tính chất của tải không đổi, tần số không đổi (tức là n không đổi) và dòng điện kích từ không đổi

cosϕt = const; n = const; Ik = const

Khi tải có tính chất cảm, phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải trở

Để giữ cho điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E0 bằng cách thay đổi (điều chỉnh) dòng kích từ sao cho I = Iđm có U = Uđm

Độ biến thiên điện áp đầu cực máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải xác định như sau :

% 100 U

U E U

U U

%

đm

đm đm

1.7.3 Đặc tuyến điều chỉnh

Là đồ thị cho biết phải điều chỉnh dòng kích từ Ik theo dòng tải It như thế nào để giữ được điện áp U không đổi và bằng định mức khi n và cosϕt không đổi

Hình 3.13 Các đặc tuyến không tải của máy phát đồng bộ : (a) đặc tuyến không tải;

(b) đặc tuyến ngoài; (c) đặc tuyến điều chỉnh; (d) đặc tuyến hiệu suất

1.7.4 Đặc tuyến hiệu suất

Công suất cơ do máy nhận từ động cơ sơ cấp : P1 = M ω (3.26) Các tổn hao trong máy phát đồng bộ :

- Tổn hao cơ Pmq (do ma sát, quạt gió) không phụ thuộc tải vì vận tốc không đổi

- Tổn hao sắt từ pFe do dòng xoáy và từ trễ trong mạch từ ; phụ thuộc vào từ cảm cực đại Bm

- Tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng : PCu = 3 Iư 2 Rư (3.27)

- Tổn hao đồng trong dây quấn kích từ : Pkt = Uk Ik = Ik2 Rk (3.28)

Ik : dòng kích từ ; Rk : điện trở kích từ

- Tổn hao phụ Pp do dòng xoáy trong dây dẫn phần ứng và do tổn hao lõi vì từ trường phần ứng bị xoắn dạng

Tổng tổn hao là :

Và hiệu suất là : 100% 100%

2 2 1

2

th

P P

P P

VÍ DỤ : Một máy phát đồng bộ 3 pha 2000KVA, 2300V có điện trở phần ứng (đo được giữa 2 đầu ra của máy phát bằng điện một chiều) bằng 0,068Ω Mạch kích từ tiêu thụ 35A từ nguồn một chiều 220V Tổn hao ma sát và quạt gió là 22,8KW; tổn hao lõi thép và tổn hao phụ là 41,2KW Tính hiệu suất đầy tải của máy phát ở hệ số công suất bằng 0,8 trễ Giả sử máy đấu Y và điện trở xoay chiều bằng 1,25 điện trở một chiều

10 2000 3

Điện trở phần ứng mỗi pha : = = 0 , 0425 Ω

2

068 , 0 25 , 1

ư

R

Tổn hao ma sát và quạt gió : Pmq = 22,8 KW

Tổn hao lõi thép và tổn hao phụ : PFe + Pp = 41,2 KW

Tổn hao đồng ứng : PCu = 3 Iư 2 Rư = 3 0,0425 (503)2 = 32,3 KW Tổn hao kích từ : Pk = 220 35 = 7700W = 7,7KW

Tổng tổn hao : Pth = 104 KW

104 8 , 0 2000

8 , 0 2000

% 100 P cos S

cos S

% 100 P P

P

th th

2

+

=+

=+

=

ϕ

ϕη

đm đm

1.8 SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chế độ làm việc chính của máy phát đồng bộ là làm việc song song trong một hệ thống điện lớn Công suất của lưới điện rất lớn so với công suất mỗi máy riêng lẻ, do đó điện áp cũng như tần số của lưới có thể xem như không đổi

Trước khi đưa một máy vào làm việc, nó phải được hòa đồng bộ (Hình 3.14)

Trước khi đóng máy cắt, phải kiểm tra các điều kiện sau :

Hình 3.14 – Hòa đồng bộ máy phát vào hệ thống lớn:(a) Sơ đồ; (b) Các điều kiện hòa đồng bộ

Hệ thống lớn

Máy phát đồng bộ

1 Tần số của máy phát phải bằng tần số hệ thống, nghĩa là máy phát phải được quay bằng vận tốc đồng bộ (góc θ không đổi)

2 Sức điện động của máy phát phải bằng điện áp của hệ thống : máy phải được điều chỉnh kích từ sao cho Ep = Up

3 Thứ tự pha của các sức điện động Ea, Eb, Ec của máy phải giống với thứ tự pha

Ua, Ub, Uc của hệ thống

4 Góc lệch pha θ của E và U phải bằng không

Khi thỏa các điều kiện trên và điện áp 2 đầu máy cắt bằng 0, ta đóng máy cắt để hòa đồng bộ

Sau khi hòa đồng bộ, cần chú ý :

- Cho dù ta có thay đổi dòng kích từ Ik, điện áp của máy phát vẫn như cũ vì đó là điện áp chung của cả hệ thống Việc thay đổi dòng kích từ Ik chỉ làm thay đổi công suất phản kháng mà máy nhận từ hệ thống

- Muốn máy phát công suất tác dụng cho hệ thống, phải tăng công suất vào động

cơ kéo máy phát : tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy nhiệt điện Nhưng vận tốc vẫn được giữ không đổi vì lúc vận tốc là vận tốc đồng bộ phụ thuộc vào tần số f, nhưng tần số f của hệ thống không đổi

1.9 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

1.9.1 Khái niệm chung

Máy phát đồng bộ có thể làm việc như một động cơ đồng bộ Nếu tháo động cơ sơ cấp ra khỏi máy phát và cung cấp cho dây quấn stator một hệ thống điện 3 pha tần số không đổi; đồng thời cung cấp dòng một chiều cho dây quấn kích từ, động cơ sẽ quay với vận tốc không đổi và tạo ra momen kéo tải đấu vào trục của nó

Một ưu điểm của động cơ đồng bộ là hệ số công suất cao và điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh dòng kích từ, điều này cho phép nâng cao hệ số công suất của lưới khi phần lớn tải là động cơ không đồng bộ (có hệ số công suất trễ và không điều chỉnh được)

Nếu cho quay không tải và tăng dòng kích từ khá lớn thì dòng vào động cơ sẽ sớm pha gần 90° so với điện áp, động cơ làm việc như một tụ điện và đây là chế độ bù đồng bộ

Động cơ đồng bộ không tự mở máy được nên phải có biện pháp để mang động cơ đến gần vận tốc đồng bộ để đồng bộ hóa trước khi kéo tải Biện pháp thường gặp nhất là dùng cuộn đệm

1.9.2 Cấu tạo

Tương tự máy phát đồng bộ

- Stator : tương tự máy phát đồng bộ, có số cực bằng với số cực rotor

N

S

S

N n1

n1

Trục từ trường quay stator Trục rotor θ

Hình 3.15 − Sự tạo ra momen quay trong động cơ đồng bộ

- Rotor : thường có dạng cực lồi và có một điểm khác so với máy phát là nó còn có thêm cuộn đệm đặt trong mặt các cực từ và giống dạng rotor lồng sóc trong động cơ không đồng bộ Cuộn đệm dùng để mở máy (hay còn gọi là dây quấn mở máy) (hình 3.2)

1.9.3 Nguyên lý làm việc

Vì dây quấn stator của động cơ đồng bộ

cũng giống như động cơ không đồng bộ nên

khi cung cấp cho stator một hệ thống dòng

điện 3 pha cân bằng, ta được một từ trường

quay có 2p cực và quay với vận tốc đồng bộ

p

f

n1 = 60 (vòng/phút)

Khi cho dòng một chiều vào dây quấn

rotor, rotor biến thành một nam châm điện

Nếu rotor đang đứng yên thì cực S của

rotor bị cực N của stator kéo theo và nó có

khuynh hướng quay theo chiều quay của từ

trường stator Nhưng do quán tính và do cực

N của stator quét quá nhanh, kết quả là rotor không quay được

Tuy nhiên nếu ta có biện pháp để cho rotor quay trước với vận tốc đồng bộ thì các cực rotor sẽ bị khoá chặt vào các cực stator trái dấu Lúc không tải, trục của chúng trùng nhau (θ = 0) Lúc có tải, trục của rotor đi chậm sau trục từ trường stator một góc θ, nếu tải càng nặng thì θ càng lớn, nhưng cả hai cùng quay với vận tốc đồng bộ

1.9.4 Sơ đồ thay thế và đồ thị vevtơ của động cơ đồng bộ cực từ ẩn

Phương trình điện áp : U E o Iư Rư j Iư xđb

1.9.5 Điều chỉnh hệ số công suất cosϕϕϕϕ của động cơ đồng bộ

Hình trên (hình 3.16) ứng với trường hợp thiếu kích từ, dòng I chậm pha hơn điện áp U

• ư

R

0

E•

Hình 3.16 − Mạch tương đương và đồ thị vectơ của động cơ đồng bộ cực ẩn

(Bỏ qua điện trở phần ứng)

Trong công nghiệp, người ta cho động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước điện áp pha U do đó, động cơ vừa tạo ra cơ năng, vừa phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất cosϕ của lưới điện Đó là ưu điểm rất lớn của động cơ đồng bộ

Từ mạch tương đương của máy phát đồng bộ, ta có công suất điện đưa vào động cơ: P1 = 3 U.Iư cosϕ

Sau khi trừ đi tổn hao đồng trong dây quấn stator :

pCuư = 3 Iư2.Rư

Còn lại công suất cơ tổng :

PcΣ = P1 - 3 Iư2.Rư = 3 E0 Iư cosψ

ψ : góc hợp bởi E•0 và I•ư

Nếu tải trên trục động cơ không đổi, tức là công suất ra P2 không đổi Nếu xem hiệu suất động cơ không đổi, U và f không đổi suy ra P1 không đổi ⇒ Iư cosϕ không đổi Vậy hình chiếu của I•ư lên U• (gọi là thành phần tác dụng của I•ư ) không đổi, nghĩa là quỹ tích điểm ngọn của I•ư khi E0 thay đổi là một đường thẳng ⊥ với I•ư

Nếu bỏ qua Rư, tương tự công thức P trong máy phát cực ẩn : θ

x

E U

P 3 0 sin

1

đb

=

Nếu P1 không đổi ⇒ E0 sinθ không đổi

Vậy đầu cuối của các vectơ I•ư và E•0 chạy trên 2 đường ∆ ⊥U• và ∆’ // U•

VÍ DỤ : Một động cơ đồng bộ 3 pha đấu Y, 75Hp, 440V, 900 v/p có điện trở phần ứng Rư = 0,15 Ω/pha và điện kháng đồng bộ 2 Ω/pha Khi động cơ mang tải định mức và có cosϕ = 0,8 sớm, hãy tính :

a) Sức điện động cảm ứng E0

b) Góc công suất θ

Hình 3.17 − Vận hành của động cơ đồng bộ khi tải không đổi và sự thay đổi của

Iư và E0 khi điểu chỉnh dòng kích từ để thay đổi hệ số công suất của động cơ

c) Công suất cơ tổng

Giả sử hiệu suất động cơ bằng 90%

Giải Công suất vào : P P 62167W

9 , 0

746 75

I

d

8,04403

62167cos

.3

Ta có thể tìm E0 bằng 2 cách :

- Giải bằng số phức :

Chọn = ∠ °

•

0 254

( 110,16 172,38) 364,16 172,38

=

( )V °

−

∠

- Giải bằng đồ thị vectơ :

Dựa vào đồ thị vectơ, giải bằng phương pháp hình học, ta có :

2 2

R I U

4032

.1026,0.245102

.15,08,0.254

sincos

2 2

2 2

=+

+

−

=

++

−

ta có :

466,0403

102.15,08,0.254cos

OC

CB OD OC

α

⇒ α = 62,2° = ϕ + θ (với cosϕ = 0,8 ⇒ ϕ = 36,87°)

⇒ θ = 25,33°

Công suất cơ tổng : PcΣ = P1 - 3 Iư2.Rư = 62167 – 3 1022 0,15 = 57485 W

1.9.6 Máy bù đồng bộ

Khi động cơ quay không tải, nó cũng tiêu thụ một ít công suất để bù vào các tổn hao Công suất này rất nhỏ nên thành phần (Iư cosϕ) trên hình 3.17 rất nhỏ Nếu động cơ làm việc thừa kích từ với Iư khá lớn thì hình 3.ô5 y I•ư sớm gần 90° so với U• , nghĩa là

động cơ gần giống như tụ điện và được dùng để nâng cao hệ số công suất của lưới điện Trong các nhà máy sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ, chúng sẽ tiêu thụ công suất phản kháng Khi đấu song song một động cơ đồng bộ làm việc không tải và quá kích từ, nó sẽ phát ra công suất phản kháng và đem lại các điều lợi như sau :

- Điện áp không bị sụt nhiều

- Tăng được khả năng cung cấp của máy biến áp và đường dây

- Giảm được giá điện

Động cơ đồng bộ làm việc như trên gọi là máy bù đồng bộ Sơ đồ trên hình 3.18

VÍ DỤ: Một nhà máy có công suất biểu kiến 1600KVA và hệ số công suất 0,6 trễ 1) Tính công suất tiêu thụ của nhà máy

2) Tính công suất biểu kiến của một máy bù đồng bộ đấu song song với tải để nâng hệ số công suất lên bằng 0,85 trễ

Giải 1) Công suất tiêu thụ của nhà máy :

ta có : cosϕ = 0,6 trễ ⇒ sinϕ = 0,8; P = S cosϕ = 1600 × 0,6 = 960KW

2) Công suất phản kháng do nhà máy tiêu thụ khi chưa có máy bù :

Q = S sinϕ = 1600 × 0,8 = 1280 Kvar

Công suất phản kháng mới tiêu thụ bởi (tải + máy bù) là :

Q1 = P tgϕ1 với cosϕ1 = 0,85 trễ ⇒ ϕ1 = 31,79° ⇒ tgϕ1 =0,62

⇒ Q1 = 960 × 0,62 = 595 Kvar = Q + Qb’

⇒ Qb’= 595 – 1280 = -685

Vậy công suất biểu kiến của máy bù đồng bộ là 685Kvar

Nhà máy có cosϕ trễ

Máy bù đồng bộ

cosϕ được nâng cao

°

°

Kích từ một chiều

Hình 3.18 − Nâng cao hệ số công suất bằng máy bù đồng bộ

1.9.7 Mở máy động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ không tự mở máy được Từ trường quay stator quét qua các cực từ rotor với vận tốc đồng bộ và vì lực tác động luân phiên kéo đẩy nên do quán tính của rotor và do tải cơ, momen trung bình bằng không Vì vậy rotor phải được quay đến bằng hoặc gần bằng vận tốc đồng bộ trước khi động cơ có thể làm việc

Trong vài trường hợp, ngưới ta dùng một động cơ một chiều gắn vào trục rotor để kéo rotor đến vận tốc đồng bộ Trong động cơ nhỏ, người ta dùng momen từ trở Tuy nhiên, với các động cơ lớn, người ta dùng cuộn đệm (hình 3.2) Khi đưa điện ba pha vào stator, từ trường quay sẽ sinh ra dòng cảm ứng trong cuộn đệm và kéo rotor quay theo từ trường stator, giống như trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Khi rotor đã quay gần bằng vận tốc đồng bộ, người ta cho dòng kích từ Ik chạy vào cực từ rotor và rotor sẽ được kéo vào tình trạng đồng bộ Như vậy, rotor phải có một gia tốc tức thời khá nhanh để “đuổi kịp” từ trường stator và vì động cơ thường được mở máy không tải và non tải Có thể xảy ra hiện tượng sau : ngay khi đóng kích từ, các cực từ cùng tên của rotor và stator đối diện nhau Lúc đó, từ thông trong khe hở không khí bị giảm khiến dòng dây đột ngột tăng lên Muốn tránh hiện tượng này, người ta mở máy với điện áp thấp, đóng kích từ rồi sau đó mới tăng điện áp lên bình thường

Khi động cơ quay đều, cuộn đệm không mang dòng điện Tuy nhiên, nếu vì lý do nào đó mà tải cơ dao động thì trục rotor cũng sẽ dao động so với trục từ trường quay stator Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh ra trong cuộn đệm sẽ có tác dụng chống lại sự dao động đó, tức là có khuynh hướng làm tắt dần dao động của rotor

TÓM TẮT CHƯƠNG 1 : MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Tốc độ rotor = Tốc độ đồng bộ

Sức điện động pha stator E0 =4, 44fW k1 dq1Φ 0

Phương trình điện áp stator máy phát cực

Đồ thị vectơ máy phát cực từ ẩn

Công suất điện từ

θ

2 sin x

1 x

1 2

U 3

θ

sin x

E U 3 P

d q

2 d

=đtĐiều chỉnh công suất tác dụng Điều chỉnh công suất động cơ sơ cấp

Điều chỉnh công suất phản kháng Điều chỉnh dòng kích từ

Đặc tính ngoài máy phát đồng bộ :

Ik = const; n = const ; cosϕt = const

Mở máy động cơ đồng bộ Dùng động cơ phụ hoặc lồng sóc mở máy Điều chỉnh cosϕ động cơ đồng bộ để cải

thiện mạng điện Điều chỉnh dòng kích từ

Máy bù đồng bộ Điều chỉnh dòng kích từ để điều chỉnh điện

áp và cosϕ lưới điện

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1) Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

2) Mô hình tính toán, đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ

3) Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ

4) Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ

5) Sự làm việc song song của các máy phát đồng bộ

6) Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ

7) Mô hình tính toán, đồ thị vectơ của động cơ đồng bộ cực từ ẩn

8) Điều chỉnh cosϕ của động cơ đồng bộ

9) Mở máy động cơ đồng bộ

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Một máy phát đồng bộ ba pha10KVA, 230V, đấu Y có điện kháng đồng bộ 1,2Ω/pha và điện trở phần ứng 0,5Ω/pha Tính phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát 8KW cho tải với HSCS=0,8 trễ

2 Một máy phát đồng bộ 500KVA, 500V, 6 cực, ba pha, đấu Y có tổng trở đồng bộ bằng 0,1 + j1,5 Ω/pha Vận tốc rotor là 1000 v/p

a) Tìm tần số nguồn điện phát ra

b) Tính sức điện động pha lúc đầy tải, cosϕ = 0,8 trễ

c) Tính góc công suất lúc đầy tải

ĐS : f = 50Hz; E0 = 388,3; θ = 5,120

3 Một máy phát đồng bộ 30KVA, ba pha, 230V, đấu Y có điện trở phần ứng không đáng kể, xđb = 1Ω /pha Tính phần trăm thay đổi điện áp lúc :

a) Đầy tải với HSCS = 0,8 sớm

b) Nửa tải với HSCS = 1

c) 25% tải với HSCS = 0,8 trễ

4 Một máy phát đồng bộ 3 pha, nối Y, 220V cung cấp cho một tải 3 pha có

5 30 ( ) /

p

Z = ∠ ° Ω pha đấu ∆ Điện kháng đồng bộ mỗi pha máy phát là 5Ω và bỏ qua điện trở phần ứng Tính :

a) Độ sụt áp phần trăm

b) Góc công suất

c) Công suất biểu kiến do máy phát cung cấp cho tải trên

5 Một động cơ đồng bộ 400V, ba pha, đấu Y tiêu thụ 60KW với HSCS = 1 Điện kháng đồng bộ bằng 1 Ω/pha; còn điện trở phần ứng không đáng kể Hãy tính :

a) Sức điện động cảm ứng trong mỗi pha

b) Góc công suất

6 Một động cơ đồng bộ 2300V, ba pha, đấu Y đang làm việc ở chế độ quá kích từ với góc công suất bằng 21° Tổng trở đồng bộ là 0,1 + j2 Ω/pha; dòng dây là 350A Hãy tính HSCS của động cơ

7 Một tải tiêu thụ 100KVA với HSCS = 0,8 trễ Người ta muốn nâng HSCS lên = 1 bằng cách dùng một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và quá kích từ Tính công suất biểu kiến của động cơ biết rằng tổn hao không tải của nó là 10KW

8 Tổn hao quay (cơ + từ) của một động cơ đồng bộ 1000HP là 18KW Động cơ nhận điện từ nguồn ba pha 2300V với HSCS = 0,8 trễ Tìm sức điện động cảm ứng lúc đầy tải, biết rằng Xđb = 1,9 Ω/pha, Rư = 0

9 Một nhà máy tiêu thụ công suất điện P1 = 700KW với HSCS = 0,7 trễ Nhà máy có thêm một tải cơ với công suất cơ 100KW Để kéo lại và kết hợp nâng cao HSCS, người

ta chọn một động cơ đồng bộ có hiệu suất bằng 0,88 Xác định công suất biểu kiến Sđm của động cơ đồng bộ để nâng HSCS nhà máy đạt 0,8 trễ

10 Một động cơ đồng bộ 3 pha cực từ ẩn, 400V, nối Y, có hiệu suất 92% khi cung cấp cho tải 18HP Tổng trở đồng bộ mỗi pha là 0,5+j1,5 Ω/pha Nếu động cơ vận hành ở hệ số công suất 0,9 trễ Xác định góc công suất

11 Một động cơ đồng bộ 3 pha cực từ ẩn, 400V, nối Y, có Xđb = 1Ω / pha và bỏ qua điện trở phần ứng Dòng kích từ được điều chỉnh sao cho điện áp cảm ứng là 270V/pha, khi động cơ tiêu thụ 40KW từ nguồn Tính :

a) Hệ số công suất động cơ

b) Công suất phản kháng mà động cơ cung cấp cho nguồn

CHƯƠNG 2

MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong công nghiệp hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng, nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt Vì vậy máy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải

Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn cho các động cơ điện một chiều , làm nguồn kích từ trong máy điện đồng bộ , cung cấp nguồn điện một chiều điện áp thấp cho công nghiệp điện hóa học như tinh luyện đồng, nhôm, mạ điện

So với máy điện xoay chiều, máy điện một chiều có những nhược điểm như : giá thành đắt hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp Tuy nhiên, do những ưu điểm vừa kể trên, máy điện một chiều vẫn còn giữ một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất công nghiệp

2.1 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1.1 Phần tĩnh (Stator)

Đóng vai trò là phần cảm, bao gồm các bộ phận chính

a) Cực từ chính : đây là bộ phận sinh ra từ trường chính trong máy, bao gồm :

Cực từ chính

Dây quấn cực từ chính

Cực từ phụ Dây quấn cực từ chính Gông

Rotor

Dây quấn phần ứng

Hình 4.1 – Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều

- Lõi cực từ : hình dạng như hình 4.2, có thể

làm bằng thép khối, vì dẫn từ một chiều Tuy

nhiên, để giảm kích thước, ngày nay nó được

làm từ thép kỹ thuật điện cán lạnh không đẳng

hướng

- Dây quấn cực từ chính : còn gọi là dây

quấn kích từ, được làm bằng dây dẫn tròn có bọc

cách điện hoặc dây dẫn tiết diện hình chữ nhật

được quấn định hình rồi lồng vào thân cực từ Các

dây quấn kích từ đặt trên các cực từ chính thường

được nối nối tiếp với nhau

b) Cực từ phụ : đây là bộ phận dùng để cải thiện đổi chiều

- Lõi cực từ có thể làm bằng thép đúc

- Dây quấn cực từ phụ được lồng vào cực phụ và nối nối tiếp với dây quấn phần ứng qua chổi than Các cực từ phụ được bố trí xen kẽ giữa các cực từ chính

c) Gông từ : làm mạch dẫn từ, nối liền các cực từ chính và phụ, đồng thời làm võ máy Máy nhỏ và vừa, gông từ làm bằng thép tấm, máy lớn làm bằng thép đúc

2.1.2 Phần quay (Rotor)

Đóng vai trò là phần ứng, bao gồm các bộ phận :

a) Lõi thép phần ứng :

Đây là bộ phận dẫn từ xoay chiều, nên được làm từ

các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5 mm ghép lại

Trên lõi thép có dập rãnh để bố trí dây quấn phần ứng

Máy nhỏ và vừa có lỗ thông gió hướng trục, máy lớn còn

có kênh thông gió hướng kính

b) Dây quấn phần ứng :

Đây là bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng lượng điện từ, nó được phân bố trong các rãnh của lõi thép phần ứng Ở miệng các rãnh , có dùng nêm để chèn chặt dây quấn , tránh bị văng ra do lực ly tâm khi rôto quay

Dây quấn rôto được đặt trong các rãnh của lõi thép rôto thành 2 lớp : lớp trên và lớp dưới Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, mỗi phần tử có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của cổ góp , hai cạnh tác dụng của một phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên Vì trong mỗi rãnh có 2 lớp nên nếu cạnh tác dụng này của phần tử đặt ở lớp trên của một rãnh thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới của một rãnh khác Ví dụ hình 4.4a và b vẽ 4 phần tử dây quấn xếp thành 2 lớp, mỗi phần tử chỉ có 1 vòng dây Các phần tử được nối thành vòng kín tạo thành các mạch nhánh song song (hình 4.4c)

Hình 4.2 – Cực từ stator

Hình 4.3 – Lá thép rotor

Hình 4.4

Hình 4.6 – Rotor của máy điện một chiều

2.1.3 Cổ góp và chổi than

Cổ góp hay vành góp dùng để đổi

chiều dòng điện xoay chiều thành một

chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có

đuôi nhạn ghép cách điện với nhau bằng

lớp mica và hợp thành một hình trụ tròn

Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp chữ V

ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn

cũng cách điện bằng mica Đuôi cổ góp

có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của

các phần tử dây quấn phần ứng vào

phiến góp được dễ dàng Cổ góp được

bắt chặt ở đầu trục rôto

Để đưa dòng điện từ cổ góp ra ngoài, người ta dùng cơ cấu chổi than Cơ cấu gồm chổi than làm bằng than graphit, đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được đặt cố định và cách điện trên giá chổi than Giá chổi than được gắn trên nắp máy

Hình 4.5 – Cổ góp và phiến góp

2.2 CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC

Đối với máy điện một chiều, các thông số định mức bao gồm :

- Công suất định mức Pđm (W hoặc KW)

- Điện áp định mức Uđm (V)

- Dòng định mức Iđm (A)

- Tốc độ định mức nđm (vòng/phút)

Ngoài ra, còn có các thông số khác như : kiểu máy, phương pháp kích từ và dòng kích từ …

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.3.1 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của máy phát điện một chiều Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh

dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ ,

cảm ứng các sức điện động Chiều sức điện động

được xác định theo quy tắc bàn tay phải Ví dụ, trên

hình 4.7, nếu từ trường cực từ hướng từ trên xuống

dưới và rôto quay ngược chiều kim đồng hồ, thì ở

thanh dẫn phía trên sức điện động có chiều từ b đến

a, ở thanh dẫn phía dưới , sức điện động hướng từ d

đến c Sức điện động của phần tử bằng 2 lần sức điện

động của thanh dẫn Nếu nối 2 chổi điện A và B với

tải, trên tải sẽ có dòng điện hướng theo chiều từ A

đến B, nghĩa là điện áp U trên 2 cực của máy phát có

cực dương là A và cực âm là B

Khi rôto quay được nửa vòng thì vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh

cd ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều Nhưng nhờ các chổi điện đứng yên, chổi A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B vẫn nối với phiến góp phía dưới, nên chiều dòng điện qua tải vẫn không đổi Ta có máy phát điện một chiều với cực dương là chổi A, cực âm là chổi B

Nếu máy chỉ có một phần tử thì điện áp đầu cực sẽ như hình 4.8a Để điện áp lớn và ít nhấp nhô như hình 4.8b dây quấn phần ứng cần có nhiều phần tử và nhiều phiến góp

Ở chế độ máy phát, dòng trong dây quấn phần ứng gọi là dòng ứng, ký hiệu Iư, cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư Do vậy, phương trình điện áp của máy phát điện một chiều được viết như sau :

(4.1)

Hình 4.7 – Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Trong đó :

Rư là điện trở dây quấn phần ứng → IưRư là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng

U : điện áp đầu cực máy phát

2.3.2 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều Khi đặt một điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng Iư Các thanh dẫn ab, cd mang dòng Iư nằm trong từ trường cực từ, sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng Chiều lực điện từ cho bởi quy tắc bàn tay trái, ví dụ như hình 7 Lực điện từ sinh ra chính là momen làm quay rotor

Khi rôto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau , nhưng nhờ có phiến góp đổi chiều dòng Iư , nên chiều lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn không đổi (hình 8), đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Khi rôto quay, các thanh dẫn cắt từ trường cực từ, cảm ứng sức điện động Eư có chiều xác định bởi quy tắc bàn tay phải (hình 7) Ở động cơ, Eư ngược chiều Iư, nên Eư còn được gọi là sức phản điện (spđ), và do đó, phương trình điện áp của động cơ điện một chiều được viết như sau :

Hình 4.9 – Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

a) Hình 4.8 – Sức điện động của máy phát điện một chiều

b)

2.4 SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG, CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VÀ MOMEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.4.1 Sức điện động phần ứng

Khi rotor quay, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt ngang từ trường cực từ, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là :

trong đó : Btb – mật độ từ thông (hay từ cảm) trung bình dưới mỗi cực từ

v – tốc độ dài của thanh dẫn

l – chiều dài hiệu dụng thanh dẫn Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh (song song) là 2a, với a là số đôi mạch nhánh, số thanh dẫn của một nhánh là

Dn

π.l

D

p

π

Φ2.l =

a

pN

60 nΦ Hoặc :

a

= là hằng số phụ thuộc vào kết cấu dây quấn phần ứng

Kết luận : sức điện động phần ứng Eư tỉ lệ với tốc độ quay n của rôto và tỉ lệ với từ thông φ đưới mỗi cực từ Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay n, hoặc điều chỉnh từ thông φ bằng cách điều chỉnh dòng kích từ Ik Còn muốn đổi chiều sức điện động, ta đổi chiều quay , hoặc đổi chiều dòng kích từ

2.4.2 Công suất điện từ và momen điện từ :

Công suất điện từ :

Momen điện từ : đt

đt

P M

60

n a

I n pN

π

Φ ư =

a

I n pN

60 =

2

M

pN k

a

π

= là hằng số phụ thuộc vào kết cấu dây quấn phần ứng

Kết luận : Momen điện từ Mđt tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư và tỉ lệ với từ thông φ

dưới mỗi cực từ Muốn thay đổi trị số Mđt, ta phải thay đổi dòng Iư, hoặc thay đổi từ thông

φ bằng cách điều chỉnh dòng kích từ Ik Còn muốn đổi chiều momen điện từ, ta phải đổi chiều dòng Iư, hoặc dòng kích từ

2.5 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Khi máy điện một chiều làm việc không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng kích từ Ikt gây ra, gọi là từ trường cực từ (hình 4.10a) Từ trường này phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học mn, cảm ứng từ B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động

Khi máy điện có tải, dòng Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng (hình 4.10b) Từ trường này có hướng vuông góc từ trường cực từ

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng (hình 4.10c) Do phản ứng phần ứng, ở mỏm cực mà từ trường phần ứng cùng chiều với từ trường cực từ, thì từ trường được tăng cường ( mỏm cực số 1 và số 3 ); ở mỏm cực mà từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ, thì từ trường bị yếu đi (mỏm cực số 2 và số 4)

Hậu quả 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 m’n’ , gọi là trung tính vật lý Góc lệch β thường nhỏ và lệch theo chiều quay rôto , nếu là máy phát , ngược chiều quay rôto , nếu là động cơ Ở trung tính hình học , từ cảm B ≠ 0 , thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sức điện động, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều dòng điện trong máy

• Điện áp đầu cực máy phát giảm – Tốc độ động cơ thay đổi

Khi tải lớn, dòng ứng Iư lớn, từ trường phần ứng lớn, mỏm cực từ được tăng cường

bị bão hòa, từ cảm B ở đó tăng lên được rất ít, trong khi ơ mỏm cực kia, từ trường lại bị giảm đi nhiều Kết quả là từ thông Φ của máy bị giảm xuống, Φ giảm kéo theo sức điện động phần ứng Eư giảm làm cho điện áp U ở đầu cực máy phát giảm Còn ở chế độ động

cơ, φ giảm làm cho momen 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 từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù được đấu nối tiếp với mạch phần ứng

2.6 NGUYÊN NHÂN TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Khi máy điện một chiều làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi than và cổ góp, gây tổn hao năng lượng và làm nhiễu các thiết bị điện tử khác

4.6.1 Nguyên nhân

Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau :

1 Nguyên nhân cơ khí :

- Vành góp không đồng tâm với trục

- Sự cân bằng quay không tốt, gây dao động hướng kính

- Cổ góp không tròn, lực ép chổi than không đủ

2 Nguyên nhân về điện :

Khi rotor quay, liên tiếp có phần tử chuyển đổi từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác, trong phần tử đổi chiều ấy, sẽ xuất hiện các sức điện động sau :

a Sức điện động tự cảm eL do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều

b Sức điện động hỗ cảm em do sự biến thiên dòng điện trong cácphần tử đổi chiều khác lân cận

c Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra

Khi đi qua chổi than, các phần tử này bị nối tắt, mà tổng các sức điện động ∑e≠ 0

do đó phát sinh tia lửa điện

2.6.2 Biện pháp khắc phục

- Loại trừ nguyên nhân cơ khí

- Dùng dây quấn bù và cực từ phụ để triệt tiêu từ trường phần ứng dưới bề mặt cực từ làm cho từ trường khe hở phân bố đều, thuận lợi cho quá trình đổi chiều

- Đối với các máy công suất nhỏ, không bố trí cực từ phụ và dây quấn bù, thì ta có thể dời chổi than đến vị trí trung tính vật lý

2.7 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

Dựa vào phương pháp cung cấp dòng kích từ , người ta chia máy điện một chiều ra các loại như sau

• Máy điện một chiều kích từ độc lập : dòng kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy

• Máy điện một chiều kích từ song song : dây quấn kích từ nối song song với dây quấn phần ứng

• Máy điện một chiều kích từ nối tiếp : dây quấn kích từ mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng

• Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp : gồm 2 dây quấn kích từ , dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp

2.7.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập

1/ Mạch tương đương và các phương trình

Trong đó :

Ut : điện áp đầu cực máy phát cũng là điện áp trên tải

Uk : điện áp nguồn kích từ để tạo ra dòng kích từ Ik

Rs : điện trở cuộn kích từ

Rk : biến trở điều chỉnh kích từ

Rf = Rs + Rk : điện trở mạch kích từ

Rư : điện trở dây quấn phần ứng

Rt : điện trở tải

2/ Đặc tuyến không tải : Eư = f (Ik)

Là đường cong Eư = f (Ik) khi không tải It= 0

và tốc độ không đổi Theo hình 4.12, nó có dạng

đường cong từ hoá Lúc Ik = 0, vẫn có một sđđ rất

nhỏ Ed do từ dư của lõi thép Trong đoạn EdA, Eư

tỉ lệ với Ik (đoạn tuyến tính), trong đoạn chuyển

tiếp AB, Eư tăng chậm hơn Ik, và trong đoạn bão

hòa BC, Eư tăng không đáng kể do lõi thép bị bão

hoà, từ thông không tăng được nữa

3/ Đặc tuyến ngoài : Ut = f (It)

Khi dòng tải It tăng, dòng ứng Iư tăng, điện áp

Ut giảm xuống do 2 nguyên nhân :

- Tác dụng của từ trường phần ứng làm Φ giảm,

kéo theo sức điện động Eư giảm

- Điện áp rơi trong mạch phần ứng Iư.Rư tăng

Đặc tuyến ngoài U= f(I) được cho trên hình

4.13, khi tốc độ và dòng kích từ không đổi

Phần trăm thay đổi điện áp:

% U

U E

% U

U U

đm

4/ Đặc tuyến điều chỉnh : Ik = f(It)

Để giữ cho điện áp đầu cực máy phát không

đổi khi dòng tải thay đổi, bắt buộc phải điều chỉnh Ik

Hình 4.13 là đường đặc tính điều chỉnh khi giữ điện

áp U không đổi và tốc độ n không đổi

* Máy phát một chiều kích từ độc lập có ưu

điểm về điều chỉnh điện áp, song nhược điểm là cần

phải có nguồn kích từ riêng biệt