Giáo trình Máy điện 1- Chương 5: Máy điện một chiều

Máy điện 1- Chương 5: Máy điện một chiều giới thiệu tới người đọc các kiến thức đại cương về máy điện một chiều, máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát điện một chiều kích từ song song, máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp, máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp. Mời các bạn cùng tham khảo.

Sau đây ta sẽ nghiên cứu các đặc tính, sự vận hành và quá trình thành lập điện áp của các loại máy phát điện một chiều

5.2 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Máy phát điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ It do nguồn một chiều ngoài máy tạo ra, không phụ thuộc dòng điện phần ứng Iư như trên hình 5.1 Nguồn cung cấp cho mạch kích từ này có thể là một máy phát điện một chiều khác, bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc chỉnh lưu có điều khiển hoặc nguồn accqui (nguồn E)

5.2.1 Mạch điện tương đương và các phương trình cân bằng

Các phương trình của máy phát một chiều kích từ độc lập :

Phương trình dòng điện : Iæ I (5.1a)

Trong đó : I = dòng điện phụ tải

Trong đó: It = dòng điện kích từ (A)

Nt = số vòng dây của quấn trên một cực từ

t t

RR

EI



Trong đó: It = dòng điện kích từ (A)

Et = Sđđ nguồn kích thích (V)

Rt = điện trở của dây quấn kích thích ()

Rđc = điện trở điều chỉnh dòng điện kích thích ()

Từ biểu thức (5.4) cho ta thấy khi giảm điện trở kích từ làm tăng dòng kích thích giống như tăng số vòng dây trên cực từ, sẽ tăng sđđ phần ứng

VÍ DỤ 5.1

Máy phát điện một chiều kích từ độc lập công suất 100kW cung cấp 50kW cho tải ở điện áp 125V Nếu cắt tải và giữ nguyên tốc độ thì điện áp ra trên đầu cực máy phát là 137V Hãy tính:

a Dòng điện tải

b Điện trở mạch phần ứng

Bài giải

Công suất của tải P = 50kW = 50.000W, điện áp tải U = 125V

Dòng điện tải là :

A400125

000.50U

UE

5.2.2 Đặc tính không tải

Đặc tính không tải là quan hệ của đường cong giữa sđđ cảm ứng và dòng điện kích thích E = f(It) khi máy làm việc không tải (I = 0) và tốc độ quay của máy n = const như trên hình 5.2 Nó là dạng của đường cong từ hóa Đây là đặc tính rất quan trọng vì hầu hết các đặc tính làm việc khác phụ thuộc vào nó

Từ hình 5.2, ta lưu ý các điểm sau:

 Lúc dòng điện It= 0 vẫn có một sđđ nhỏ Edư do từ dư của lõi thép

 Trong đoạn tuyến tính từ Edư đến A sđđ E tỷ lệ dòng điện I t

 Trong đoạn chuyển tiếp AB, sđđ E tăng chậm hơn I t

 Trong đoạn bão hòa BC, sđđ Eư tăng không đáng kể Điểm làm việc bình thường của máy nằm trên đoạn chuyển tiếp vì nếu trên đoạn tuyến tính sđđ Eư sẽ thay đổi nhiều theo dòng điện I nên điện áp ra của máy bị dao động; còn trên tđoạn bão hòa dòng điện Itlớn làm tăng tổn hao kích thích

VÍ DỤ 5.2

Máy phát điện một chiều kích từ độc lập có điện trở của dây quấn kích từ và mạch phần ứng tương ứng là 10,4 và 0,014 Đường cong từ hóa của máy trên hình 5.2 Xác định điện trở điều chinh dòng điện kích từ để sđđ cảm khi không tải là 290V, nếu được nối vào nguồn 240V

t đc đc

RR

đcR

5.2.3 Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài của máy phát điện

một chiều là quan hệ giữa điện áp trên

dầu cực máy và dòng điện tải U = f(I),

khi tốc độ n = const và dòng điện kích

từ I = const (hình 5.3) t

Phương trình cân bằng điện áp của

của máy phát :

æ mæ

rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng, còn khi có xét phản ứng phần ứng thì điện áp

U giảm xuống (đường 2) do cả hai nguyên nhân sau:

 Tác dụng của phản ứng phần ứng làm cho từ thông tổng  giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm và,

 Điện áp rơi trong mạch phần ứng RmưIư tăng

Hiệu số điện áp lúc không tải Uo và lúc có tải định mức Uđm với điều kiện dòng điện kích từ bằng dòng điện kích từ định mức được qui định là độ biến đổi điện áp định mức của máy phát một chiều :

100U

UU

%U

âm

âm o

1 Điện áp lúc không tải và Uđm%

Công suất Pđm = 5kW = 5000W, điện áp tải Uđm = 125V

Dòng điện định mức của máy là :

AU

PI



Sđđ cảm ứng trong máy khi tải định mức :

Eư = Uđm + Rmư Iđm = 125 + 0,2 x 40 = 133 V

Độ biến đổi điện áp định mức của máy phát một chiều:

%4,6

%100125

125133

%100U

UU

%U

âm

âm o

Khi không tải, điện áp trên đầu cực mát phát U.= sđđ phần ứng Eư.=133 V

Điện áp khi máy phát làm việc bằng nửa tải :

Khi máy phát làm việc bằng nửa tải thì dòng điện phần ứng lúc này Iư = 20A Do dòng điện kích từ và tốc độ quay của máy không đổi, nên Eư = 133 V

Vậy điện áp trên đầu cực máy là:

U = Eư - Rư Iư = 133 - 0,2 20 = 129 V

Máy phát điện một chiều có dây quấn bù

Hình 5.4 trình bày hình máy phát điện một chiều kích từ độc lập có đặt cực từ phụ và dây quấn bù Máy đang cung cấp nguồn cho tải trong điều kiện định mức

Áp dụng định luật Kirchhoff về áp cho mạch phần ứng, ta có:

æ mæ

b f æ

Trong đó: U = điện áp của máy khi có tải (V)

Eư = Sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng (V)

Rư = điện trở của dây quấn phần ứng ()

Rf = điện trở dây quấn cực từ phụ ()

Rb = điện trở dây quấn bù ()

Do trong máy có dây quấn bù, nên phản ứng phần ứng bị triệt tiêu và sđđ Eư là sđđ sinh ra không đổi từ lúc không tải cho đến đầy tải Như vậy, trong trường hợp đặc biệt của máy phát điện một chiều kích từ độc lập có dây quấn bù, điện áp khi không tải U0 = Eư

Máy phát điện một chiều không có dây quấn bù

Nếu máy phát điện một chiều như trên hình 5.4 được thiết kế không có dây quấn

bù nhưng có cực từ phụ, ta có phương trình cân bằng điện áp:

U

Iư Rmư

tức là từ thông trong máy giảm do phản ứng phần ứng, mặc dù dòng điện kích từ

It vẫn không đổi Vì vậy ta cho rằng, sđđ Eư cảm ứng trong máy là do dòng điện kích thích hiệu dụng It.hd (Ft,hd) sinh

ra Do vậy, phản ứng phần ứng được

coi như làm khử một phần dòng điện

Đó là quan hệ giữa dòng điện kích từ và

dòng điện tải It =f(I) khi giữ điện áp và tốc

độ máy phát không đổi, được trình bày trên

hình 5.6 Để giữ cho điện áp máy phát không

đổi khi tải tăng, phải tăng dòng điện kích từ

It, như vậy dòng điện kích từ tăng là để bù lại

phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên dây

quấn phần ứng

VÍ DỤ 5.4

Một máy phát điện một chiều kích từ song song có Pđm = 12kW, điện áp

Uđm = 240V, nđm = 1000vòng/ph, Rư = 0,24 Dây quấn kích từ có điện trở Rt

=160 và số vòng của dây quấn kích thích Nt = 1200vòng/cực từ, dòng kích từ là 6,7A (đặc tính không tải của máy hình 5.3, ứng với tốc độ 1000vòng/ph)

Máy đang vận hành thành máy phát kích từ độc lập với dòng điện kích từ định mức

1 Bỏ qua phản ứng phần ứng, xác định điện áp trên đầu cực máy phát khi dòng điện định mức ?

2 Phản ứng phần ứng khi tải định mức tương đương dòng kích từ là 0,6A:

a Xác định điện áp trên đầu cực máy phát ?

b Xác định dòng điện kích từ, cho rằng điện áp trên đầu cực máy phát khi tải định mức là 240V

U + Iư.Rmư

Bài giải

1 Xét khi bỏ qua phản ứng phần ứng lúc dòng điện định mức ?

Dòng điện định mức của máy là :

AU

PI

Từ đặc tính không tải của máy hình 5.3, khi It = 6,7A, ta có Eư = 250V

Điện áp trên đầu cực máy phát khi dòng điện định mức:

Eư = Uđm + Rư Iđm = 240 + 0,24.50 = 252 V

Từ đặc tính không tải trên hình 5.3, với Sđđ Eư = 252V, ta có dòng điện kích từ hiệu dụng là:

It.hd = 6,9 A, Dòng điện kích từ thực tế là :

It = It.hd + It.pư = 6,9 + 0, 6 = 7,5 A

VÍ DỤ 5.5

Một máy phát điện một chiều kích từ độc lập có Pđm = 300kW, điện áp Uđm

= 240V, nđm = 900vòng/ph, Rư = 0,00243, Rf = 0,0008 không có dây quấn bù Dây quấn kích từ song song có điện trở Rt =18,1 và số vòng của dây quấn kích thích Nt = 1020vòng/cực từ, được nối vào nguồn 120V qua điện trở điều chỉnh Mạch điện tương đương và đường cong từ hóa của máy trình bày trên hình 5.7 Stđ phản ứng phần ứng khử từ tương đương 12,1% stđ của dây quấn kích từ song song khi máy làm việc trong điều kiện định mức

Hãy xác định:

1 Điện áp trên đầu cực máy phát khi không tải

2 Độ thay đổi điện áp định mức

3 Điện trở điều chỉnh nối vào mạch kích từ để cho điện áp trên đầu cực máy phát khi tải định mức là 240V

Bài giải

1 Điện áp không tải

Dòng điện định mức của máy là :

AU

PI

Ft.hd = Ft - Ft.pư = Ft (1- 0,121)

121,01

5100 



t

240255100

%

âm

âm o

âm

U

UUU

3 Điện trở điều chỉnh dòng kích từ:

AN

FIINF

t

t t t t

t đc đc

RR

đcR

5.3 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG

5.3.1 Mạch điện tương đương và các phương trình

Hình 5.9, trình bày mạch điện tương đương của máy phát điện một chiều kích từ song song Ta thấy điện áp kích thích U được lấy từ mạch phần ứng, tnhư vậy Ut U

Các phương trình cân bằng của máy phát kích thích song song:

Phương trình dòng diện : Iæ It I (5.11a)

Mạch kích thích : Ut RmtIt (Rt Rđc)It (5.11c)

5.3.2 Quá trình thành lập điện áp và Điều kiện tự kích

Giả thiết trên hình 5.8a, công tắc ở mạch kích từ mở, máy phát quay với tốc

độ định mức ở tình trạng không tải (I = 0) và không được kich từ (It = 0) Nhờ có

từ dư dæ máy phát sẽ có sđđ cảm ứng Edæ là 7V trên đầu cực của máy, như trình bày ở đường cong từ hóa trên hình 5.8b Khi công tắc ở mạch kích từ được đóng lại, dây quấn kích từ được nối với đầu cực của máy phát sẽ có dòng điện It

= 0,6A chạy qua dây quấn do sđđ Edư = 7V sinh ra, sẽ có hai trường hợp xảy ra:

1 Nếu Edư = 7V tạo ra dòng kích thích It = 0,6A, dòng điện nầy tạo ra từ thông t cùng chiều với  æ Lúc đó từ thông cực từ t  æ tăng lên, sđđ Eư tăng lên 13V như trên đường cong từ hóa Điện áp 13V tạo nên dòng kích

từ 1,1A trong dây quấn kích từ và cho điện áp 19V và cứ thế tăng lên, điện áp tăng thì từ thông tăng cho đến điểm giao nhau của đường cong từ hóa và đường

thẳng điện trở cảm gọi là điểm làm việc M, như vậy máy có thể tự kích được Sự

thành lập điện áp bị giới hạn bởi sự bão hòa từ và điện trở của mạch kích từ

2 Nếu Edư = 7V tạo ra dòng kích thích It = 0,6A, mà dòng điện nầy tạo ra từ thông t ngược chiều và triệt tiêu  æ, tức là từ thông cực từ t  ægiảm và sđđ Eư của máy sẽ giảm dần về không và máy không tự kích được

Hình 5.8 Quá trình thành lập điện áp máy phát kích từ song song

0,6 1,1 1,6

ra Rmư

Giả sử máy đã tự kích được và chưa mang tải, bỏ qua điện áp rơi trên mạch phần ứng vì dòng điện kích từ nhỏ, lúc đó E và It chính là nghiệm của hệ sau (hình 5.9):

U = E = RmtIt = (Rt+ Rđc) It (5.12b)

Đường E = f(It) là đặc tính không tải của máy phụ thuộc tốc độ n; còn

đường E = RtIt là đường thẳng điện trở phụ thuộc vào điện trở mạch kích từ

Rmt và tạo với trục ngang It một góc αarctgRmt Hai đường này cắt nhau tại điểm làm việc M (hình 5.9a) Nếu giả thiết giữ tốc độ quay của máy không đổi, và tăng Rđc tức là Rmt tăng, sẽ có một đường thẳng điện trở tiếp xúc với đặc tính không tải ứng với điện trở kích thích tới hạn Rt.th, lúc đó điện áp không ổn định Nếu tiếp tục tăng điện trở mạch kích thích, máy sẽ làm việc với sđđ Edư

Tóm lại điều kiện tự kích là :

1 Phải có từ dư trong hệ thống mạch từ (máy)

2 Từ thông do sđđ Edư tạo ra cùng chiều từ dư

3 Biến trở mạch kích từ phải đủ bé (Rmt < Rt.th)

VÍ DỤ 5.6

Một máy phát điện một chiều kích từ song song như hình VD 5.6 Máy đang vận hành ở chế độ máy phát và không tải

1 Xác định trị số điện áp cực đại trên đầu cực máy ?

2 Xác định điện trở điều chỉnh Rđc dòng kích từ khi điện áp trên đầu cực máy phát lúc không tảibằng điện áp máy phát lúc tải định mức ?

3 Xác định trị số điện trở tới hạn Rth của mạch kích thích ?

Hình 5.9 Điều kiện tự kích và Mạch tương đương của máy phát kích từ song song

U Rmư

Bài giải

1 Xác định điện áp trên đầu cực máy phát khi dòng kích từ định mức :

Điện áp cực đại máy sẽ phát khi điện trở điều chỉnh bé nhất, Rđc = 0 Trên hình VD 5.6b, vẽ đường điện trở mạch kích thích lúc Rt = dây quấn kích từ =

80 Điện áp cực đại máy phát là :

Eư = U = 111 V

2 Xác định trị số điện trở điều chỉnh:

Điện áp trên đầu cực máy phát khi không tải:

U = Eư - Rmư Iđm Eư = 100 V Điện trở của mạch kích từ :

Ω1001

100 



t

mtI

Ω1705,0

85

t th tI

UR

(b) Edư

Rt=80 

U=RtIt

1,4 1,0

0,5

111V 100

Hình VD 5.6

U

Iư 0,1 

80 

Rđc

Ảnh hưởng của tốc độ đến sự thành lập điện áp

Điện trở tới hạn của mạch kích thích liên quan mật thiết đến tốc độ quay của máy Cùng một điện trở mạch kích từ, máy làm việc ở tốc độ thấp không thể thành lập được điện áp bằng điện áp khi làm việc ở tốc độ cao Do đó, điện trở tới hạn của mạch kích thích khác nhau ở những tốc độ khác nhau Điều đó được trình bày trên hình 5.10 Ta thấy đường thẳng điện trở đã trình bày giao với đường cong từ hóa tốc độ cao với điện áp cao (điểm M), và giao với đường cong

từ hóa tốc độ thấp ở điện áp nhỏ gần bằng sđđ cảm ứng do từ dư

độ còn 80% định mức và trị số điện trở tới hạn Rđc = 0; (f) điện trở điều chỉnh dòng kích từ để có sđđ phần ứng 140V ở tốc độ 1750 vòng/phút nếu kích từ song song chuyển về kích từ độc lập nối vào nguồn một chiều 120V

Bài giải

a Xác định điện trở dây quấn kích từ:

Đường cong từ hóa trên hình VD 5.7, dòng điện kích thích để có sđđ phần ứng 156V là 4,7A Như vậy:

Ω19,337,4

156 



t

æ tI

ER

0

M

It(A)

Đường cong từ hóa tốc độ caoE(V)

Hình 5.10 Ảnh hưởng tốc độ đến sự thành lập điện áp

Edư

1,4 1,0

0,5

Đường cong từ hóa tốc độ thấp Đường thẳng điện trở

b Xác định điện trở điều chỉnh dòng kích từ:

Từ đường cong từ hóa trên hình VD 5.7, dòng điện kích thích để có sđđ phần ứng 140V là 3,2A Như vậy:

t t

æ đc đc

RR

đcR

Đường thẳng điện trở, Rđc=0

1750vg/ph Đường thẳng

điện trở Rth

c Sđđ phần ứng của máy phát:

Ω42,4723,1419,

AR

R

EI

đc t

æ

42,47

R

EI

đc t

æ

42,47

Đường thẳng điện trở tới hạn là đường tiếp tuyến với đường cong từ hóa ở đoạn tuyến tính trên hình VD 5.7 và để xác định điện trở tới hạn, ta xác định một điểm nào đó trên tung độ tương ứng sẽ có dòng điện kích từ Như vậy:

Eư = 140V; It = 2,35A

Ω6,5935,2

I

ER

R

Ω41,2619,336,

Đường thẳng điện trở như trường hợp câu (a) Ta phải vẽ được đường cong từ hóa mới với tốc độ giảm còn 80% Ta biết rằng sđđ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ quay

và dòng điện kích từ, nhưng It ở đây không đổi, còn lại tỉ lệ với tốc độ quay Như vậy cứ một điểm sđđ ứng với 1750 vòng/phút, ta tính được một điểm với tốc độ giảm còn 80% Như vậy:

Eư ở tốc độ 80% = 0,8 x Eư ở tốc độ định mức

Do đó:

Dòng kích từ (A)

Sđđ cảm ứng Eư (v) Tốc độ nđm 80% tốc độ nđm

f Điện trở điều chỉnh R đc khi chuyển về kích từ độc lập :

Từ đường cong từ hóa tốc độ 1750vg/ph, sđđ 140V thì dòng It = 3,2A

t t

æ đc đc

RR

đcR

Các tham số khác ảnh hưởng đến sự thành lập điện áp

Ngoài các tham số như điện trở mạch kích từ quá lớn hoặc tốc độ thấp ảnh hưởng đến sự thành lập điện áp máy phát còn có các tham số cũng ảnh hưởng đến sự thành lập điện áp máy phát như dây quấn kích từ song song nối ngược cực tính, rotor quay ngược, và từ dư ngược Các ảnh hưởng bất lợi này được mường tượng

để nghiên cứu được trình bày trên hình 5.11, và dùng qui tắc bàn tay phải để xác định chiều đường sức từ sinh ra trong cuộn dây Để cho việc nghiện cứu đơn giản, ta chỉ sử dùng một cực từ Trong mỗi trường hợp:

dư = từ thông do từ dư

t = từ thông do dòng kích từ

Hình 5.11a, trình bày khi máy làm việc bình thường: động cơ sơ cấp quay rotor

theo chiều kim đồng hồ, cả từ dư và từ thông do cuộn kích từ sinh ra cùng chiều Như ta đã biết ở phần trước, điện áp sẽ được thành lập bình thường

Hình 5.11b, trình bày dây quấn kích từ nối ngược: động cơ sơ cấp quay rotor

theo chiều kim đồng hồ, từ thông do cuộn kích từ t sinh ra ngược chiều từ dư

dư và từ thông tổng trong cực từ sẽ giảm dần làm mất từ dư Cũng đã trình bày

ở phần trước, điện áp không được thành lập

Hình 5.11c, trình bày rotor quay ngược lại: động cơ sơ cấp quay rotor ngược

chiều kim đồng hồ, sđđ phần ừng có chiều ngược lại Do đó dòng kích từ ngược nên từ thông do cuộn kích từ t sinh ra ngược chiều từ dư dư và từ thông tổng trong cực từ sẽ giảm dần làm mất từ dư Do đó sđđ sinh ra cũng giảm dần và máy không thành lập được điện áp

Hình 5.11d, trình bày từ dư có chiều ngược lại: động cơ sơ cấp quay rotor ngược

chiều kim đồng hồ, sđđ phần ừng có chiều ngược lại Do đó dòng kích từ cũng ngược nên từ thông do cuộn kích từ t sinh ra cùng chiều từ dư dư và từ thông tổng trong cực từ sẽ tăng dần, sđđ sinh ra cũng tăng dần và máy thành lập được điện áp Nhưng điện áp làm việc bây giờ có cực tính ngược với điện áp ban đầu

Để đổi chiều cực tính của máy phát hay tạo từ dư ta thực hiện bằng cách sử dụng nguồn một chiều bên ngoài từ hóa lại lõi thép cực từ Ở đây có thể nói thêm một điều kiện nữa cho việc thành lập điện áp máy phát kích từ song là máy phải quay theo một chiều nhất định Trong điều kiện để thành lập điện áp không đề cập đến

là do máy phát phải quay theo chiều nhất định