Bài giảng máy điện chương 6 TS nguyễn quang nam

Dòng kích từ và từthông có thể được thay đổi trong một dải rộng nhờ biến trở ở mạch kích từ, dẫn đến tốc độ thay đổi tương ứng, để duy trì sức điện động xấp xỉ điện áp đặt vào động cơ...

Ph ầ n 1

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 6: Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u

TS Nguyễn Quang Nam

Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u – T ổ ng quan

Phân b ố t ừ thông do dây qu ấ n kích t ừ

1 2

2 p dFa

T = π Φ

Ph ầ n ứ ng

Kích t ừ

Ph ầ n 1

Tính Fa1 theo dòng ph ầ n ứ ng ia, độ l ớ n c ủ a mômen

Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u – T ổ ng quan (tt)

Khi dùng dây qu ấ n phân b ố , m ỗ i cu ộ n dây t ạ o ra m ộ t đ i ệ n áp hình sin

và đổ i chi ề u ở vùng trung tính T ạ i các ch ổ i, điệ n áp phát ra là t ổ ng vect ơ

c ủ a các đ i ệ n áp trong m ỗ i cu ộ n dây n ố i ti ế p c ủ a m ộ t nhánh song song

V ớ i s ố phi ế n góp đủ l ớ n, điệ n áp trung bình c ủ a cu ộ n dây

Điệ n áp gi ữ a các ch ổ i

a d a a

d a

a

pZ i

pa

Z p

π π

c coil

d m

d

c coil

a

pZ a

C pN e

Ki ể m tra l ạ i công su ấ t trung bình

Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u – T ổ ng quan (tt)

Nghĩa là công suất điện tức thời tính theo điện áp tốc độbằng công suất cơ

tức thời tính theo mômen điện từ Chiều của dòng công suất được xác định từ

chế độlàm việc của máy: động cơ hay máy phát

(W)

m a

m d a

a

pZ i

=

Từthông khe hởdọc trục do stđ (mmf) tổng của

dây quấn kích từtạo ra Đặc tính từ thông-mmf

được gọi là đường cong từ hóa Tuy nhiên, dạng

thuận tiện hơn là sức điện động-mmf ởtốc độ

không đổi Sức điện động tại tốc độbất kỳ

Đặ c tính khe h ở

T ố c độ = ωm0

ΣΣΣΣN f i f

e a0

0 0

a m

m

e

ω ω

=

U = − (V)

Trong máy phát, E a > U t và mômen điện từ là mômen cản ngược chiều quay

Ph ầ n 1

Điệ n áp c ủ a máy phát kích t ừ song song hơi giả m theo t ả i, nh ư ng

không theo cách th ứ c thích h ợ p cho nhi ề u m ụ c đ ích T ừ thông khe h ở và

đ i ệ n áp c ủ a máy phát kích t ừ n ố i ti ế p thay đổ i r ộ ng theo t ả i, do đ ó không đượ c s ử d ụ ng r ộ ng rãi.

Các máy phát kích t ừ h ỗ n h ợ p th ườ ng đượ c n ố i theo ki ể u h ỗ n h ợ p

c ộ ng để t ạ o ra đ i ệ n áp g ầ n nh ư không đổ i hay h ơ i t ă ng khi t ả i t ă ng.

Dây qu ấ n kích t ừ song song thườ ng g ồ m nhi ề u vòng dây nh ỏ , dây

qu ấ n kích t ừ n ố i ti ế p th ườ ng có ít vòng dây l ớ n Điệ n áp c ủ a c ả máy kích

t ừ song song l ẫ n h ỗ n h ợ p có th ể đượ c đ i ề u ch ỉ nh gi ữ a nh ữ ng gi ớ i h ạ n

h ợ p lý b ằ ng bi ế n tr ở trên dây qu ấ n kích t ừ song song.

Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u – T ổ ng quan (tt)

U = + (V)

Trong động cơ kích từ song song và độc lập, từ thông kích từgần như là

hằng số Do đó tốc độ sẽ hơi giảm khi tăng tải Thực tế, động cơ kích từ song song có độ sụt tốc khoảng 5% từ không tải đến đầy tải Mômen khởi động và

cực đại bị giới hạn bởi khả năng đổi chiều thành công dòng phần ứng

Một thuận lợi quan trọng của động cơ kích từ song song là sự dễdàng trong điều khiển tốc độ Dòng kích từ và từthông có thể được thay đổi trong

một dải rộng nhờ biến trở ở mạch kích từ, dẫn đến tốc độ thay đổi tương ứng,

để duy trì sức điện động xấp xỉ điện áp đặt vào động cơ

Ph ầ n 1

Độ ng c ơ kích t ừ n ố i ti ế p có đặ c tính c ơ d ố c xu ố ng đ áng k ể V ớ i các ứ ng d ụ ng đ òi h ỏ i kh ả năng qu á t ả i mômen l ớ n, đặ c tính này

đặ c bi ệ t thu ậ n l ợ i vì công su ấ t t ươ ng ứ ng đượ c gi ữ ở giá tr ị h ợ p lý

ở các độ s ụ t t ố c khác nhau Độ ng c ơ kích t ừ h ỗ n h ợ p có th ể kh ắ c

ph ụ c khuy ế t đ i ể m t ố c độ non t ả i cao mà v ẫ n gi ữ đượ c các ư u đ i ể m

c ủ a độ ng c ơ kích t ừ n ố i ti ế p.

S ứ c t ừ độ ng ph ầ n ứ ng có ả nh h ưở ng nh ấ t đị nh đế n phân b ố

không gian c ủ a t ừ thông khe h ở và biên độ c ủ a t ừ thông t ổ ng d ướ i

m ỗ i c ự c Điề u này s ẽ ả nh h ưở ng đế n các gi ớ i h ạ n đổ i chi ề u, điệ n

áp phát ra và mômen trên đơn vị dòng ph ầ n ứ ng.

Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u – T ổ ng quan (tt)

Ph ầ n 2

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 6: Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u

TS Nguyễn Quang Nam

Tr ụ c s ứ c t ừ độ ng ph ầ n ứ ng n ằ m l ệ ch 90 ° so v ớ i tr ụ c t ừ

tr ườ ng chính, do đ ó t ạ o ra t ừ thông đổ i chi ề u gi ữ a các m ặ t

c ự c => ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng ngang tr ụ c Điề u này làm gi ả m

t ừ thông t ổ ng d ướ i m ộ t n ử a m ặ t c ự c, và tăng từ thông t ổ ng

d ướ i n ử a m ặ t c ự c còn l ạ i (hình 7.20).

S ứ c t ừ độ ng ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng

Ph ầ n 2

S ứ c t ừ độ ng ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng (tt)

S ứ c t ừ độ ng ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng (tt)

Ph ầ n 2

Khi các dây qu ấ n ph ầ n ứ ng và kích t ừ đề u đượ c kích thích, phân b ố

t ừ c ả m trong khe h ở là x ế p ch ồ ng c ủ a các t ừ c ả m thành ph ầ n Do bão hòa t ừ , t ừ c ả m t ổ ng không ph ả i là t ổ ng đạ i s ố c ủ a các t ừ c ả m thành

ph ầ n, mà s ẽ có giá tr ị nh ỏ hơn Hi ệ n t ượ ng này đượ c g ọ i là hi ệ u ứ ng

kh ử t ừ c ủ a ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng ngang tr ụ c.

Ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng ngang tr ụ c còn h ạ n ch ế kh ả năng đổ i chi ề u và làm gi ả m kh ả năng qu á t ả i ng ắ n h ạ n c ủ a máy DC Độ ng c ơ v ớ i kích t ừ ít thay đổ i ch ị u ả nh h ưở ng m ạ nh nh ấ t.

Có th ể thi ế t k ế máy để gi ớ i h ạ n ả nh h ưở ng c ủ a ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng ngang tr ụ c, s ử d ụ ng các bi ệ n pháp: t ă ng m ứ c bão hòa t ạ i r ă ng ph ầ n ứ ng

và m ặ t c ự c, t ạ o khe h ở không đề u d ướ i m ặ t c ự c, hay dùng dây qu ấ n bù.

S ứ c t ừ độ ng ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng (tt)

6

Ph ầ n 2

Các ph ươ ng trình cho máy DC

d ấ u “+” cho độ ng c ơ , d ấ u “-” cho máy phát, ∆ U là điệ n áp r ơ i trên ch ổ i than Tích s ố EaIa đượ c g ọ i là công su ấ t đ i ệ n t ừ Pđt Phân b ố công su ấ t trong hai tr ườ ng h ợ p máy phát và độ ng c ơ nh ư hình d ướ i đ ây.

Máy đ i ệ n DC – Phân tích m ạ ch đ i ệ n

a a a

U = ± Ut = Ea ± IaRa ± ∆ U

a d

ph ầ n

ứ ng

T ổ n hao kích

t ừ Máy phát

T ổ n hao kích

t ừ

T ổ n hao

ph ầ n

ứ ng

T ổ n hao quay

Độ ng c ơ

P đ t

Ph ầ n 2

Công su ấ t đ i ệ n t ừ chênh l ệ ch v ớ i công su ấ t c ơ trên tr ụ c

máy m ộ t l ượ ng b ằ ng t ổ n hao quay Pr Các t ổ n hao ph ầ n ứ ng

và kích t ừ l ầ n l ượ t ký hi ệ u là Pa và Pf.

Chú ý r ằ ng công su ấ t kích t ừ n ố i ti ế p đượ c g ộ p vào t ổ n hao

ph ầ n ứ ng Ra là điệ n tr ở t ổ ng m ạ ch ph ầ n ứ ng, Uf là điệ n áp

đặ t vào dây qu ấ n kích t ừ song song, và Rf là điệ n tr ở c ủ a dây

qu ấ n kích t ừ song song T ổ n hao quay Pr thườ ng ph ụ thu ộ c vào t ố c độ máy, và đượ c xác đị nh b ằ ng th ự c nghi ệ m.

Phân tích m ạ ch đ i ệ n (tt)

a a

P = 2 Pf = Uf2 Rf (W)

Xét tr ườ ng h ợ p t ổ ng quát c ủ a m ộ t máy kích t ừ h ỗ n h ợ p, st đ t ươ ng đươ ng

Feq cho b ở i (trong đ ó Nfvà Nsl ầ n l ượ t là s ố vòng dây kích t ừ song song và

n ố i ti ế p), khi ch ư a xét đế n ph ả n ứ ng ph ầ n ứ ng

Ngoài tr ườ ng h ợ p s ơ đồ h ỗ n h ợ p ki ể u r ẽ dài đ ã bi ế t, còn có ki ể u r ẽ ng ắ n.

Đườ ng cong t ừ hóa c ủ a máy DC th ườ ng đượ c cho ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p kích t ừ song song St đ t ươ ng đươ ng c ủ a máy h ỗ n h ợ p có th ể quy đổ i v ề

b ằ ng v ớ i st đ c ủ a ch ỉ m ộ t dây qu ấ n kích t ừ song song có Nfvòng dây, v ớ i dòng đ i ệ n t ươ ng đươ ng

Phân tích m ạ ch t ừ

s s f

f

( f s) s f

eq

Phân tích m ạ ch t ừ (tt)

0 m m a

AR I

N I

N

Feq = f f ± s s − (A.vòng)

10

Ph ầ n 2

Hiệu suất là đại lượng đặc trưng cho tính hiệu quảvề mặt năng lượng của máy,

được định nghĩa là tỷsốgiữa công suất ngõ ra P ovà công suất ngõ vào P i

với ∆Plà tổng tổn hao công suất

Khi phân tích tính năng xác lập, bản chất của các vấn đềlà khác nhau trong hai

chế độ máy phát và động cơ Ở chế độ máy phát, tốc độ thường được xác lập bởi

động cơ sơ cấp, và vấn đề thường gặp là xác định điện áp đầu cực ứng với tải vàkích từ nào đó, hay tìm kích từ cho một tải và điện áp đầu cực nào đó

Ở chế độ động cơ, bài toán thường gặp là xác định tốc độ tương ứng với một

tải và kích từnào đó, điện áp đầu cực thường được giữ cố định

Phân tích xác l ậ p

% 100

% 100

%

∆ +

P P

P P

P

P

o

o i

i i

o

η

Trong máy phát có cuộn kích từ song song,

dòng điện kích từ song song quan hệ với điện

Vì điện áp đầu cực động cơ thường không đổi, không có sự phụ thuộc của kích

từsong song vào điện áp như trong máy phát có cuộn kích từ song song Do đó,

việc phân tích gần như đối với máy phát kích từ độc lập, dù tốc độlà một biến quan trọng và thường phải xác định nó

Đường cong từ hóa là quan hệ sức điện động theo kích từ Quan hệgiữa mômen điện từ với từthông và dòng phần ứng là quan trọng, vì thường phải khảo sát sựphụ thuộc tương hỗ giữa mômen và cường độtừ trường rôto và stato.Quan hệ sức điện động với từ thông và tốc độ thường là trung gian đểxác định

tốc độ động cơ ởcác điều kiện vận hành khác nhau

Tốc độ động cơ ứng với dòng phần ứng đã cho I acó thể tìm được bằng cách tính điện áp cảm ứng E a, tiếp đó tìm được kích từ và xác định được điện áp E a0

ứng với tốc độω bằng đường cong từhóa, từ đó tìm được tốc độthực

Phân tích xác l ậ p độ ng c ơ

Ph ầ n 2

Yếu tốgiới hạn quan trọng nhất trong vận hành máy DC là khả năng truyền dòng điện qua chổi mà không sinh ra tia lửa và làm nóng bộ đổi chiều quá mức.Tia lửa có thểxuất hiện do điều kiện cơ khí kém hay điều kiện điện xấu Các

tGiai đoạn đổi chiều

14

Ph ầ n 2

Các cu ộ n dây đ ang đổ i chi ề u b ị ch ổ i than làm ng ắ n m ạ ch,

v ớ i m ạ ch t ươ ng đươ ng g ồ m đ i ệ n c ả m, điệ n tr ở thay đổ i theo

th ờ i gian ở ch ổ i, và điệ n áp quay c ả m ứ ng trong cu ộ n dây.

S ự đổ i chi ề u hi ệ u qu ả thườ ng đượ c xác đị nh t ừ th ự c

nghi ệ m, do các khó khăn trong việ c phân tích đị nh l ượ ng Màng ti ế p xúc gi ữ a ch ổ i và phi ế n góp có điệ n tr ở ph ụ

thu ộ c vào nhi ề u y ế u t ố như mậ t độ dòng , h ướ ng dòng đ i ệ n, nhi ệ t độ ch ổ i, độ ẩ m và áp su ấ t không khí, trong đ ó m ậ t độ dòng đ óng vai trò quan tr ọ ng nh ấ t.

V ấ n đề đổ i chi ề u và c ự c t ừ ph ụ (tt)

Ph ầ n 2

N ề n t ả ng th ự c nghi ệ m c ủ a vi ệ c đổ i chi ề u không tia l ử a là tránh m ậ t

độ dòng quá cao ở m ọ i đ i ể m trên ti ế p xúc đồ ng-than, k ế t h ợ p v ớ i vi ệ c

t ậ n d ụ ng v ậ t li ệ u Điề u ki ệ n t ố i ư u: m ậ t độ dòng là đề u trên m ặ t ch ổ i trong toàn b ộ giai đoạ n đổ i chi ề u => quá trình đổ i chi ề u tuy ế n tính.

Điệ n tr ở có th ể ả nh h ưở ng đế n vi ệ c đổ i chi ề u, nh ư ng quan tr ọ ng

h ơ n là điệ n c ả m Các đ i ệ n áp ph ả n kháng làm trì hoãn dòng điệ n trong

cu ộ n dây đượ c đổ i chi ề u, d ẫ n đế n hi ệ n t ượ ng đổ i chi ề u tr ễ

V ớ i các máy công su ấ t nh ỏ , có th ể thi ế t k ế để điệ n áp r ơ i trên ti ế p xúc ch ổ i l ớ n h ơ n nhi ề u so v ớ i các đ i ệ n áp c ả m ứ ng => đổ i chi ề u đ i ệ n

tr ở

V ấ n đề đổ i chi ề u và c ự c t ừ ph ụ (tt)

Điệ n áp quay c ả m ứ ng trong các cu ộ n dây đ ang đổ i chi ề u

có th ể h ỗ tr ợ cho quá trình đổ i chi ề u, b ằ ng cách kh ử đi c ác

đ i ệ n áp ph ả n kháng => đổ i chi ề u đ i ệ n áp Ng ườ i ta th ự c hi ệ n

b ằ ng cách đặ t các c ự c t ừ nh ỏ gi ữ a các c ự c t ừ chính trong khu v ự c đổ i chi ề u, g ọ i là các c ự c t ừ ph ụ

V ớ i máy phát, c ự c tính c ủ a c ự c t ừ ph ụ ph ả i gi ố ng v ớ i c ự c

t ừ chính ngay tr ướ c nó (tính theo chi ề u quay) V ớ i độ ng c ơ thì c ự c tính c ủ a c ự c t ừ ph ụ gi ố ng v ớ i c ự c t ừ chính ngay sau nó.

V ấ n đề đổ i chi ề u và c ự c t ừ ph ụ (tt)

Ph ầ n 3

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 6: Máy đ i ệ n m ộ t chi ề u

TS Nguyễn Quang Nam

Với các máy quá tải nặng, tải thay đổi nhanh, hay làm việc với kích từ yếu, có

thểxuất hiện các vấn đềkhác bên cạnh tia lửa ở chổi Vào thời điểm cuộn dây

nằm ởvị tríứng với dạng sóng méo dạng mạnh của từthông khe hở, điện áp

cuộn dây có thể đủ lớn làm đánh thủng không khí giữa các phiến góp kềnhau, và

tạo ra quầng lửa, hay hồquang giữa các phiến góp

Điện áp giữa các phiến góp thường được giới hạn 30 – 40 V, thường dẫn đến

việc cần dùng nhiều phiến góp Ngoài ra còn có thể xuất hiện điện áp cao do cảm

ứng theo sự thay đổi của từ thông Điện áp này sẽ cộng tác dụng với sức điện

động quay khi tải của máy phát giảm, hay tải của động cơ tăng => vầng quang

giữa các phiến góp

Ngay cả khi có cực từ phụ, phản ứng phần ứng cũng vẫn gây ra các hiện tượng làm giới hạn khả năng làm việc của máy => dây quấn bù dưới mặt cực từ

Máy đ i ệ n DC – Dây qu ấ n bù

Ph ầ n 3

Dây quấn bù được đặt trong các rãnh trên mặt cực từ, với cực tính thích

hợp đểkhửsức từ động phần ứng Dây quấn bù được nối tiếp với dây quấn

phần ứng để đảm bảo tác dụng khửtừcho mọi giá trị dòng phần ứng

Nhờ dây quấn bù và cực từ phụ, phân bốtừcảm trong khe hởcó thểtrở

lại dạng cơ bản như của cực từ chính, trừ vùng đổi chiều Ngoài ra, dây

Dây qu ấ n bù (tt)

Đặc tính cơ là quan hệ giữa mômen và tốc độcủa động cơ Dưới đây sẽ khảo sát đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập như một trường hợp mẫu

Tốc độ động cơ tính theo mômen, từ các quan hệ cơ bản đã biết

Dựa vào phương trình sau, có thể thấy khi không có mômen cản, động cơ đạt

tốc độcao nhất, được gọi là tốc độkhông tải ωm0 Đặc tính cơ có dạng đường

thẳng, với tốc độgiảm dần khi tăng mômen cản đầu trục Đặc tính cơ đi qua điểm

tốc độkhông tải ωm0và mômen mởmáy T s(là mômen sinh ra đầu trục khi động

cơđược mởmáy trực tiếp ở điện áp đầu cực tương ứng)

Máy đ i ệ n DC – Đặ c tính c ơ

(rad/s)

( ) k T

R k

T k

R k

U k

I R U k

m a

t a

a t

− Φ

= Φ

−

= Φ

ω

t s

R

U k

T Φ

Ph ầ n 3

Với các động cơ kích từ song song, nối tiếp, và hỗn hợp, có thể rút ra được

biểu thức tương tự cho đặc tính cơ Điều cần chú ý là mối quan hệ giữa từ thông

và điện áp đầu cực trong các trường hợp này

Với động cơ kích từ song song, nếu điện trởmạch kích từ không thay đổi, từ

thông coi như tỷlệ với điện áp U t, do đó số hạng ωm0sẽ không thay đổi khi thay

đổi điện áp đầu cực Trong khi với động cơ kích từ độc lập thì ωm0sẽ thay đổi

Với động cơ kích từ nối tiếp, từ thông lại tỷlệ với dòng phần ứng, tức là gián

tiếp phụ thuộc vào mômen (giảthiết là sức điện động không đổi, vì xấp xỉvới điện

áp đầu cực cố định) Giảsửmômen tải tăng lên, từ thông và dòng phần ứng sẽ

Tốc độkhông tải ωm0phụ thuộc vào điện áp U t và từ thông Φ, còn độdốc của

đặc tính cơ thì phụthuộc vào điện trởphần ứng R avà từ thông Φ Từ đó dẫn đến

3 phương pháp điều khiển tốc độ: điều chỉnh từ thông, điều chỉnh điện trở phần

ứng, và điều chỉnh điện áp phần ứng

Việc điều chỉnh từ thông có thểdễdàng thực hiện trong máy kích từ độc lập hay có cuộn kích từsong song, bằng cách thay đổi biến trởkích từ Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền và không làm thay đổi các tổn hao động cơ

Tốc độcao nhất ứng với kích từcực tiểu, và tốc độcao nhất bịgiới hạn về điện

do phản ứng phần ứng ở điều kiện từ trường yếu gây mất ổn định cho động cơ

Đ i ề u khi ể n t ố c độ độ ng c ơ

R T

k

R k

m a

− Φ

ω

Phương ph áp này có th ể áp d ụ ng cho m ọ i ki ể u kích t ừ c ủ a độ ng

c ơ Đ ây là phương ph áp ph ổ bi ế n cho độ ng c ơ kích t ừ n ố i ti ế p.

T ổ n hao công su ấ t trong đ i ệ n tr ở ph ụ có th ể l ớ n, do đ ó không

hi ệ u qu ả v ề m ặ t n ă ng l ượ ng v ậ n hành lâu dài Tuy nhiên, v ớ i chi phí ban đầ u th ấ p, ph ươ ng pháp này có th ể dùng trong các ch ế độ

V ớ i độ ng c ơ kích t ừ song song, s ự ổ n đị nh t ố c độ trong vùng

t ố c độ th ấ p đượ c c ả i thi ệ n đ áng k ể vì t ố c độ không t ả i nh ỏ hơn

giá tr ị khi không có điệ n tr ở điề u khi ể n.

V ớ i ph ươ ng pháp đ i ề u ch ỉ nh đ i ệ n áp ph ầ n ứ ng, ch ỉ có t ố c độ

không t ả i ωm0 b ị ả nh h ưở ng, còn độ d ố c c ủ a đặ c tính c ơ s ẽ không

thay đổ i Do đ ó phương ph áp này s ẽ t ạ o ra m ộ t h ọ đặ c tính c ơ

song song nhau.

Đ i ề u khi ể n t ố c độ độ ng c ơ (tt)