Chương 5. Máy điện một chiều

Dây quấn phần ứng MĐMC thực chất là dây quấn phần ứng MĐKĐB hoặc ĐB gồm các phần tử nối tiếp nhau qua vành đổi chiều để chỉnh lưu sđđ xoay chiều thành một chiều.. Hình vẽ cấu tạo một MFM

MÁY ĐIỆN I

1

Nội dung

Chương 1 Máy biến áp

Chương 3 Máy điện không đồng bộ

Chương 4 Máy điện đồng bộ

Chương 5 Máy điện một chiều

Chương 2 Những vấn đề chung về MĐ quay

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

2

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

3

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

1 Cấu tạo máy đ iện một chiều

I Tổng quan về MĐMC

Hình 5.1: Mặt cắt dọc trục và mặt cắt ngang trục máy điện một chiều

Máy điện một chiều (MĐMC) có hai phần chính là stato (phần cảm) và roto (phần ứng) Hình 5.1 vẽ mặt cắt dọc trục và mặt cắt ngang trục MĐMC hai đôi cực

1 Cấu tạo máy đ iện một chiều (tiếp)

I Tổng quan về MĐMC

1.1 Phần stator (phần cảm)

I Tổng quan về MĐMC

!  Stato còn gọi là phần cảm gồm gông từ làm bằng thép đúc, vừa để dẫn

từ vừa làm vỏ máy (hình 5.2b); các cực từ chính gồm cực từ và dây quấn kích từ; các cực từ phụ gồm cực từ và dây quấn kích từ mạch các bộ phận chính sau:

Hình 5.2:a) Cực từ chính b)Stato và roto

a Cực từ chính

I Tổng quan về MĐMC

!  Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng thép lá kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ghép lại bằng đinh tán

!  Vành cung mỏm cực từ (hình 5.2a) thường bằng 2/3 τ và có khe hở sao cho phân bố từ trường dọc khe hở gần hình sin Trên lõi cực có dây quấn kích từ Các cực từ được gắn chặt vào thân máy nhờ những bu lông

Hình 5.2

1.1 Phần stator (phần cảm) (tiếp)

Dây quấn cực từ chính

Cực từ phụ

1.1 Phần stator (phần cảm) (tiếp)

Cực từ phụ Cực từ chính

c Vỏ máy (gông từ)

I Tổng quan về MĐMC

Vỏ máy làm nhiệm vụ kết cấu đồng thời dùng làm mạch từ Trong MĐ nhỏ

và vừa thường dùng thép tấm để uốn và hàn lại Máy có công suất lớn dùng thép đúc

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi

d Các bộ phận khác

- Chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngoài hoặc ngược lại Chổi than làm bằng than hay graphit, đôi khi chộn thêm bột đồng để tăng tính dẫn điện

1.1 Phần stator (phần cảm) (tiếp)

Nêm

Cách điện rãnh

Dây quấn

Lâi sắt

I Tổng quan về MĐMC

1.2 Phần ứng (Rotor) (tiếp)

b Dây quấn phần ứng

!  Dây quấn thường làm bằng đồng có bọc cách điện, với loại

máy điện nhỏ thì dây hình tròn, với loại máy điện vừa và lớn

dây hình chữ nhật

Dây quấn phần ứng MĐMC thực chất là dây quấn phần ứng MĐKĐB (hoặc ĐB) gồm các phần tử nối tiếp nhau qua vành đổi chiều để chỉnh lưu sđđ xoay chiều thành một chiều

!  Để tránh bị văng ra do sức ly tâm, miệng rãnh

thường có nêm hoặc đai chặt dây quấn Nêm

có thể bằng tre hoặc nhựa bakelit

Dây quấn có hai kiểu quấn là quấn sóng và quấn

xếp (xem lại chương 2)

lớp trên lớp dưới

phiến góp

phần tử Dây quấn xếp

2

1 3 chổi than

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

-  Cổ góp gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn, cách điện với nhau bằng Mica, hợp thành hình trụ tròn

Phiến góp đồng

Vòng chặn

Bu lông xiết

Tấm ốp kim loại

Trục máy Cách điện Mica

Cổ góp

I Tổng quan về MĐMC

1.2 Phần ứng (Rotor) (tiếp)

c Cổ góp và chổi than

!  Các chổi than dương được nối chung thành cực dương của máy, đồng thời các chổi than âm cũng được nối chung tạo thành cực âm của máy

d Các bộ phận khác

!  Cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy

!  Trục máy, trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt Trục máy thường được làm bằng thép các bon

!  Ổ bi

I Tổng quan về MĐMC 1.3 Nguyên lý làm việc của MĐMC

a Máy phát điện

!  Hình vẽ cấu tạo một MFMC đơn giản, stato là nam châm điện một đôi cực từ (N - S); roto gồm dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử (có hai cạnh tác dụng ab và cd) nối với hai phiến đổi chiều; hai chổi than A và

B nối với tải là bóng đèn

!  Khi dùng ĐC sơ cấp quay phần ứng,

các thanh dẫn ab và cd cắt dường

sức từ trường của cực từ, cảm ứng

sđđ Chiều sđđ xác định theo quy

tắc bàn tay phải

I Tổng quan về MĐMC 1.3 Nguyên lý làm việc của MĐMC

a Động cơ điện

!  Khi đặt điện áp một chiều U vào AB, trong

dây quấn có dòng điện phần ứng Iư qua

các thanh dẫn ab và cd Các thanh dẫn có

dòng điện, đặt trong từ trường, chịu lực tác

dụng, chiều lực tác dụng xác định theo quy

tắc bàn tay trái

I Tổng quan về MĐMC

1.4 Các đại lượng định mức của MĐMC

Chế độ làm việc định mức của các máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo đã qui định Chế độ định mức được đặc trưng bởi những đại lượng định mức được ghi trên nhãn máy hoặc trong lý lịch máy Các đại lượng định mức bao gồm:

!  Công suất định mức: Pđm (W, kW) là công suất đầu ra, đối với MF là công suất điện, đối với ĐC là công suất cơ trên trục của máy điện

!  Điện áp định mức: Uđm (V, kV): Là điện áp ra ở hai đầu cực ở chế độ định mức

!  Dòng điện định mức Iđm (A, kA): Là dòng điện qua hai cực MĐ ở chế

độ định mức

!  Tốc độ định mức: nđm (vòng / phút)

!  Hiệu suất định mức: ηđm

I Tổng quan về MĐMC 1.5 Phân loại và ứng dụng

!  Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng Để điều chỉnh dòng kích

từ người ta sử dụng Rđc Công suất mạch kích từ vào khoảng 1 ÷ 5% công suất máy tiêu thụ

!  Dây quấn kích từ và nguồn kích từ độc lập với phần ứng Để điều chỉnh dòng kích từ người ta sử dụng Rđc Công suất mạch kích từ vào khoảng 1 ÷ 5% công suất máy tiêu thụ

I Tổng quan về MĐMC 1.5 Phân loại và ứng dụng

!  Dây quấn kích từ nối tiếp với phần ứng (hình 5.23c) Công suất mạch kích từ vào khoảng 5 ÷ 10% công suất máy tiêu thụ

!  Dây quấn kích từ gồm hai phần: Dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Thường thì dây quấn kích từ song song là phần chính Để điều chỉnh dòng kích từ người ta sử dụng Rđc Công suất mạch kích từ vào khoảng 5 ÷ 10% công suất máy tiêu thụ

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

20

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

I Tổng quan về MĐMC

2.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn MĐMC

21

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín Các chổi điện chia dây quấn thành 2a đôi mạch nhánh song song Sđđ Eư

của MĐMC bằng tổng sđđ thanh dẫn e tb trên một mạch nhánh song song

a Sđđ trung bình cảm ứng trong một thanh dẫn

•  v – vận tốc dài của dây dẫn

D – đường kính ngoài, n – tốc độ quay, p – số cặp cực, τ - bước cực

Φ

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

2.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn MĐMC (tiếp)

•  Ce là hệ số sđđ và ∈ kết cấu của máy & kiểu dây quấn

•  Chiều sđđ ∈ Φ, n => xác định theo quy tắc bàn tay phải

áp MF) ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ

Nhận xét:

!  Công suất điện từ được tính bằng công thức:

ω

(trong đó: )

2πn ω=

60

pN

ΦI = ΦI 2πa

=

dt

pN 2πa

=

C

Từ biểu thức trên ta suy ra: Mđt tỷ lệ với dòng điện phần ứng và từ thông dưới một cực từ Muốn điều chỉnh Mđt ta thay đổi Iư hoặc thay đổi It Muốn đổi chiều Mđt ta đổi chiều Iư hoặc đổi chiều It

Nhận xét:

(trong đó tốc độ góc của rotor: )

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

2.3 Cân bằng năng lượng trong MĐMC

a Máy phát điện

!  Công suất cơ P1 quay MF biến đổi

thành điện năng P2 theo biểu thức:

P2 =P1 – ΣΔP = P1- ΔPt– ΔPcơ – ΔPst

– ΔPp – ΔPư

ΣΔPt: là tổng tổn hao trong máy, bao gồm: tổn hao ở dây quấn kích từ (ΔPt), tổn hao cơ (ΔPcơ), tổn hao sắt từ trong lõi thép (ΔPst), tổn hao phụ (ΔPp), tổn hao ở dây quấn phần ứng (ΔPư)

Trong đó:

Pđt = P1 – ΔPt – ΔPcơ – ΔPst – ΔPp

!  Công suất điện từ của MFMC:

Tổn hao ma sát chổi than và cổ góp thường vào khoảng 25%÷35% tổng tổn hao cơ trong máy

Giản đồ năng lượng của MFMC

kích từ //

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

2.3 Cân bằng năng lượng trong MĐMC (tiếp)

b Động cơ điện

!  Công suất điện P1 từ lưới cung cấp cho

động cơ một phần tổn hao trong máy

Σ∆Pt, phần còn lại biến đổi thành công

suất cơ P2 đưa ra trục máy, ta có biểu

Trong đó:

Pđt = P1 – ΔPt – ΔPư

!  Công suất điện từ của ĐCMC:

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

26

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

I Tổng quan về MĐMC

3.1 Đại cương

III Từ trường trong MĐMC

"  Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở

S

N

chổi than

trục TTHH

dq kích từ

Φt

Từ trường cực từ lúc không tải Φư = 0

!  Khi MĐ không tải, Iư = 0, Φt chỉ do It

sinh ra, gọi là từ trường cực từ

n

m

"  Ở trung tính vật lý, từ trường khe hở

bằng không, thanh dẫn chuyển động qua

vùng này không cảm ứng sđđ

3.1 Đại cương (tiếp)

III Từ trường trong MĐMC

!  Tác dụng Φư lên Φt gọi là phản ứng phần ứng

!  Khi MĐ có tải, Iư ≠ 0, trong MĐMC có thêm từ trường phần ứng do Iư trong dây quấn phần ứng sinh ra Từ trường phần ứng hướng vuông góc từ trường cực từ

n

m

Từ trường phần ứng với giả thiết Φt = 0

Φư

!  Từ trường trong máy lúc này là tổng hợp Φư và Φt :

Φδ = Φt + Φư

3.1 Đại cương (tiếp)

III Từ trường trong MĐMC

!  Ở một mỏm cực, từ trường được tăng

dq kích từ

!  Ở một mỏm cực còn lại, từ trường bị yếu

đi, khử từ (từ Φư ngược chiều Φt ) Hậu quả

của phản ứng phần ứng là:

Từ trường không còn đối xứng: TTVL (tại đó B

= 0) không còn trùng với TTHH mà chuyển

"  ở MF, trùng chiều quay của roto

"  ở ĐC, ngược chiều quay của roto

Ở TTHH, từ trường khe hở B ≠ 0 thanh dẫn

chuyển động qua vùng này sẽ cảm ứng sđđ,

ảnh hưởng xấu đến đổi chiều MĐMC

3.1 Đại cương (tiếp)

III Từ trường trong MĐMC

Khi tải lớn từ trường tổng bị giảm: Do tải lớn mỏm cực được trợ từ bị bão hòa, từ

trường tăng ít, trong khi mỏm khử từ không bão hòa, từ trường giảm nhiều Dẫn đến:

!  Để khắc phục ảnh hưởng xấu của phản ứng phần ứng:

"  Đặt cực từ phụ xen kẽ với cực từ chính và dây quấn bù đặt ở mỏm cực từ

Φt và từ trường dây quấn bù ngược chiều Φư Ngoài ra dây quấn cực từ phụ

và dây quấn bù nối tiếp với dòng Iư, đảm bảo khử Φư khi tải thay đổi

"  Ở MF từ thông giảm làm sđđ giảm, dẫn đến điện áp MF giảm

"  Ở ĐC từ thông giảm làm mômen giảm và tốc độ thay đổi

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

31

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

I Tổng quan về MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

4.1 Tia lửa điện trên vành góp và biện pháp khắc phục

Khi MĐMC là việc, trong quá trình đổi chiều thường có tia lửa điện trên vành góp Tia lửa lớn có thể phát triển gần hết chu vi cổ góp, làm tăng tổn hao, gây nhiễu và làm xấu môi trường, làm cháy chổi điện và vành góp Các nguyên nhân chính gây tia lửa điện là:

a Nguyên nhân cơ khí: Tiếp xúc chổi điện và cổ góp không tốt, do cổ

góp không tròn, không nhẵn, chổi than sai quy cách, mòn, chổi rung do

bộ phận gá chổi không tốt, lò xo không tốt

b Nguyên nhân điện từ: Khi roto quay

cạnh các phần tử dây quấn MĐMC lần

lượt chuyển từ mạch nhánh này sang

mạch nhánh khác, ta gọi các phần tử đó

là phần tử đổi chiều (hình b)

IV Đổi chiều trong MĐMC

Tóm lại trong điều kiện lý tưởng không có sđđ cảm ứng ở phần tử đổi chiều trong suốt khoảng thời gian 0 ≤ t ≤ Tđc (thời gian đổi chiều)

Trong thực tế, trong khoảng thời gian đổi chiều có sđđ cảm ứng ở phần tử đổi chiều do các nguyên nhân đã nhắc đến ở trên, cụ thể là:

!  Phần tử đổi chiều có các cạnh tác dụng nằm trên đường trung tính hình học, tại đó do phản ứng phần ứng mà từ cảm khe hở B ≠ 0, làm cảm ứng sđđ, ký hiệu eq

!  Phần từ đổi chiều gần đó có từ thông móc vòng hỗ cảm, làm cảm ứng sđđ,

IV Đổi chiều trong MĐMC

4.2 Biện pháp khắc phục

!  Điện từ:

trong phạm vi cực từ chính

"  Cải tiến công nghệ

!  Cơ:

Nội dung

Chương 5 Máy điện một chiều

35

II Quan hệ điện từ trong MĐMC

III Từ trường trong MĐMC

IV Đổi chiều trong MĐMC

V Máy phát và ĐCĐMC

I Tổng quan về MĐMC

5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập

V Máy phát và ĐCĐMC

a Đặc tính không tải U 0 = E 0 = f(I t ) khi I=0 và n=Const

Nếu kể đến từ dư cực từ thì đường đặc tính không qua gốc tọa độ (đường 1 hình b) Trong thực tế khi khảo sát quá trình làm việc thường lấy đường trung bình làm đường đặc tính không tải (đường 2 hình b) Đường đặc tính không tải cũng chính là đường cong từ hóa của MFMC

5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp)

V Máy phát và ĐCĐMC

b Quan hệ dòng diện và điện áp

!  Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I: Iư = I

!  Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư – IưRư

!  Phương trình cân bằng điện áp kích tử: Ut = It(Rt + Rđc) Trong đó:

Rư- điện trở dây quấn phần ứng

Rt- điện trở dây quấn kích từ

Rđc- điện trở điều chỉnh

5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp)

V Máy phát và ĐCĐMC

c Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh I t (I)

!  Khi tăng tải, I tăng, Iư tăng theo Dựa vào phương trình CBĐA ta thấy điện áp U giảm do các nguyên nhân sau đây:

"  Iư tăng làm phản ứng phần ứng tăng, làm cho từ thông cực

từ Φ giảm, dẫn đến Eư giảm

"  Iư tăng làm IưRư tăng

Đặc tính ngoài U(I) với tốc độ quay n = const và It = const Độ giảm điện áp khi tải định mức so với khi không tải khoảng 8÷10%

5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập (tiếp)

V Máy phát và ĐCĐMC

c Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh I t (I) (tiếp)

!  Để điều chỉnh giữ U =const khi thay đổi phụ tải người ta phải điều chỉnh

It Hình vẽ thể hiện quan hệ It(I) để giữ điện áp không đổi khi tốc độ không đổi gọi là đặc tính điều chỉnh

!  MF kích từ độc lập có ưu điểm dễ dàng điều chỉnh điện áp, thường dùng cấp điện cho động cơ cán, kéo kim loại, thiết bị tự động tàu thủy, máy bay Nhược điểm là phải dùng nguồn kích từ độc lập gây tốn kém

V Máy phát và ĐCĐMC

5.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song

a Tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song

!  Dòng điện kích từ do sđđ phần ứng cung cấp Khi roto đứng yên, sđđ phần ứng bằng không, nhưng nếu quay roto, mặc dù ban đầu dòng điện kích từ

It=0, nhưng điện máy phát vẫn dần được thành lập, hiện tượng đó gọi là sự

tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song

V Máy phát và ĐCĐMC

5.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song

a Tự thành lập điện áp của máy phát kích từ song song (tiếp)

!  Để máy có thể tự thành lập điện áp trước hết

phải có từ dư, nếu không có ta phải nạp từ dư

!  Từ thông do dòng It sinh ra phải cùng chiều từ

dư, nói cách khác Φdư+Φ1> Φdư Nếu hai từ

thông ngược chiều ta phải nối lai cực tính dây

quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng

!  Trong khi sđđ phần ứng tăng, điện áp rơi trên

điện trở kích từ ItRt cũng tăng Điện áp ổn định

của máy phát được xác định từ điểm A là giao

điểm của đường E(It) và ItRt

V Máy phát và ĐCĐMC

5.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song

b Quan hệ dòng điện và điện áp

!  Dòng điện phần ứng Iư = It+ I

!  Phương trình cân bằng điện áp : U = Eư – IưRư

!  Phương trình cân bằng điện áp kích tử: Ut = It(Rt + Rđc)

c Đặc tính ngoài U(I) và đặc tính điều chỉnh I t (I)

!  Khi tăng tải, I tăng, Iư và It đều tăng theo Dựa vào phương trình ta thấy điện áp U giảm do các nguyên nhân sau đây:

"  Iư tăng làm phản ứng phần ứng tăng, làm cho từ thông cực từ Φ giảm, dẫn đến Eư giảm

"  Iư tăng làm IưRư tăng

!  Khi điện áp giảm dòng điện kích từ giảm làm giảm sđđ Eư

!  Để điều chỉnh giữ U = const khi thay đổi phụ tải, phải điều chỉnh It Muốn (xem lại hình vẽ ở mục MFĐMC kích từ độc lập)