Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 4.11 ppt

máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rô to.Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy.. Cực chính Trên h

PHẦN IV MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Có hai loại máy điện 1 chiều: loại có cổ góp, loại không có cổ góp

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

11.2 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trên hình 11 biểu diễn cấu tạo của máy điện một chiều Ta sẽ nghiên cứu cụ thể các bộ phận chính

11.2.1 Cấu tạo của stato

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và phần quay (rô to) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với

Hình 11 Kích thước dọ, ngang máy điện một chiều.1-Thép, 2-cực chính với cuộn kích

từ, 3-cực phụ với cuộn dây,4-Hộp ổ bi,5-Lõi thép, 6-cuộn phần ứng, 7-Thiết bị

chổi,8-Cổ góp, 9-Trục, 10-Nắp hộp đấu dây

máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rô to.

Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của

máy Stato gồm các chi tiết sau:

A Cực chính

Trên hình 11.2a biểu diễn một cực chính gồm: Lõi cực 2 được làm bằng

các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực 4 có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ đi qua khe khí Cuộn dây kích từ 3 đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh làm mất

B Cực phụ(hình 11.2.b)

Cực phụ nằm giữa các cực chính , thông thường số cực phụ bằng ½ số cực chính số cực chính Lõi thép cực phụ (2) thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép cuộn dây 3 đặt trên lõi thép 2 Khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính

C Thân máy

Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ được gắn vào thân máy Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc không Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy được gắn với chân máy Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông số sau đây:

yếu là loại rôto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật

Ở những máy công suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghép lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát)

E Cổ góp

Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp Phiến góp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ

học, chống mài mòn (hình 11.3).

G Thiết bị chổi.

Để đưa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữ chổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi

và các thiết bị phụ khác

11.2.2 Tính toán mạch từ của máy

Hình 11.3.Kích thước ngang của cổ góp1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4-phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi

Trên hình 11.5 biểu diễn một đoạn mạch từ của máy điện một chiều.

Tính toán mạch từ tức là xác định stđ của máy Chúng ta đưa ra một số khái niệm:

- Từ thông chính của máy điện một chiều là từ thông của khe khí φ0 trên diện tích tương ứng với một bước cực τ ở chế độ không tải

- Từ thông sinh ra do cực chính chia làm 2 phần đối xứng qua trục cực

hình 11.5, chúng tạo thành những đường khép kín đi qua 2 lần khe khí, 2 lần lớp

răng của rôto, thân rôto, thân cực và thân máy (gông từ) Do tính đối xứng của máy ta chỉ cần chú ý tới 1 đường khép kín

- Ngoài từ thông chính còn từ thông tản Đó là từ thông ở giữa các cực, không đi qua rôto, không tham gia vào tạo Sđđ ở máy điện Ta ký hiệu φσ

Gọi tổng từ thông do cực chính sinh ra là φM thì:

0 0

φ

φ φ φ φ

F0 = ∫Hdl = Ikt.Wkt (11.2)

Lúc này stđ của cuộn kích từ một cực bằng:

và độ thẩm từ của đoạn đó Thứ tự tính toán như sau:

1- khi cho biết sđđ ta tính từ thông cơ bản theo biểu thức:

Hình 11.5 Mạch từ của máy điện một chiều 4 cực δ -khe khí, hz-độ dài của lớp răng;ha

-độ dài lõi phần ứng,La,hp,Lg-độ dài lõi thép,cực và gông từ

Lg

h p L

a

3- Xác định cường độ từ trường trên các đoạn:

b) Đối với các đoạn còn lại sử dụng đặc tính nhiễm từ lõi thép Bk= f(Hk)

mm, còn ở những máy có công suất lớn có thể đạt 10 mm

Ở vùng răng rô to từ thông phân bố không đều : ở mặt răng mật độ đường sức lớn, ở các rãnh mật độ nhỏ hơn nên từ trở ở răng nhỏ hơn ở rãnh Trên hình 11.6 biểu diễn sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí theo kích thước

ln

b

l a

B i' '

B

HÌnh 11.6 Sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí máy điện một chiều

,

ngang (a) và dọc (b) của máy Vì cảm ứng từ trong khe khí thay đổi theo chu vi đường tròn rô to và độ dài của nó, nên ta đưa khái niệm về độ cảm ứng tính toán trong khe khí và dùng phương pháp qui đổi.

Thực chất của phương pháp này như sau: thay thế sự phân bố phức tạp của cảm ứng từ trong khe khí bằng một hình chữ nhật có chiều cao Bδ , còn đáy của nó là cung cực tính toán τ’( trường hợp 11.6a) và là độ dài rô to tính toán l’

(hình 11.5) Tỷ số α′=τ′/τ gọi là hệ số tính toán cung cực.

Điện áp giữa các phiến góp sẽ phụ thuộc vào hệ số

l kd =

'

αKtb

l

Trong các máy một chiều có cực phụ α′= 0,62 ÷ 0,72

Với độ chính xác cho phép, độ dài tính toán của rô to xác định bằng công thức:

Nếu bB - độ rộng rãnh làm mát, còn nB –số rãnh làm mát thì:

l = la - nBbB

Trong đó la là toàn bộ độ dài của rô to theo hướng trục

Sử dụng τ′ và l′, giá trị cảm ứng từ tính toán được xác định :

Từ thông lớp răng đi theo 2 con đường song song : theo răng và theo rãnh

Khi độ cảm cảm ứng cực đại của răng Bz ≤ 1,8T ( Tesla) thì từ thông qua rãnh có thể bỏ qua Lúc này cường độ từ trường của lớp răng xác định bằng giá trị trung bình của cường độ từ trường răng lớn nhất và nhỏ nhất

Nếu φt là từ thôngở khe khí trên một bước răng còn φz và φr là từ thông

l t

l t

2

1 '

(11.14b)

ở đây kc =0,9 ÷0,93 là hệ số làm đầy lá thép có lưu ý tới các lớp cách điện; bz2-

độ rộng ở chân của răng hình 11.7

Dựa vào đường cong nhiễm từ thép của răng ta xác định cường độ từ trường Hzl và Hz2 cho các giá trị tính toán Bzl và Bz2 Giá trị tính toán cường độ từ trường bằng :

Trong đó : hz- Chiều cao của răng Độ cảm ứng từ trong các răng thường

có giá trị: Bz >1,8T Vì vậy có chú ý tới từ thông của rãnh chỉ làm phức tạp thêm

b z1

Hz1

Hz2

Hình 11.7 Sự phân bố từ trường trong lớp răng

Hz=f(hz)

Các số đo của răng và rãnh :

x

lk b

Trong đó : B’zx- cảm ứng tính toán của răng ở tiết diện ngang ( với giả thiết tất

cả từ thông đi qua 1 răng ); Bzx - cảm ứng từ thực tế trong răng

Vì rằng cường độ từ trường của răng và rãnh trong tiết diện ngang bằng nhau Hrx≈Hrx, nên phương trình (11.19) có thể viết :

B’ = Bzx +µ 0kzxHzx hoặc cho một tiết diện x

B’ = Bz +µ 0kzHz = f(Hz) +µ 0kzHz (11.20)

Để sử dụng công thức (11.20) tính stđ của răng, chúng ta làm như sau: dựng đường cong của thép kỹ thuật làm rô to ( đường 1 hình 11.8a) Nếu các số đo của răng đã cho nghĩa là biết được kzx, cho giá trị cảm ứng thực tế ở răng Bzx, dựa vào đường 1 tìm Hzx Tính µ 0Hrxkzx

Sử dụng công thức (11.20) tìm được B’zx Làm hàng loạt điểm ta tìm được đường cong B’zx=f(Hz) với một giá trị kzx cho trước Ở hình 11.8b biểu diễn đặc tính B’zx = f(Hz) với kz=0÷2,4 cho các lá thép điện kỹ thuật thường gặp E11,E12 và E21

Theo đường cong này khi biết B’z và kz ta có thể xác định được cường

độ từ trường trong răng (Hzx)

Như ta đã xác định từ trước rằng cảm ứng từ tính toán là cảm ứng từ tương đương với trường hợp khi từ thông hoàn toàn đi vào răng nghĩa là:

d c

b a

0,4

1,6 0,8

Hình 11.8 Các đường cong B’z=f(Hz) 1

c

zx k b

l t

l t

1

1 '-1-Điểm giữa:

B’ztb=Bδ

c ztb k b

l

t '1

-1-Điểm ở chân răng:

B’z2=Bδ

c

z k b

l t

l t

2

1 '-1Khi biết Bz’ và kz theo đặc tính hình 11.8 chúng ta xác định được Hz1,

2

φ

(11.25)Theo đường cong nhiễm từ của lõi thép ta tìm được Ha Lúc này stđ lõi thép rô to:

Trong đó La-độ dài trung bình của đường sức từ trong lõi thép rô to

d.Stđ lõi cực từ.

Độ cảm ứng từ ở lõi cực xác định bằng tỷ số:

Lgt-dộ dài đường sức gông từ, thường nhận Bgt = 0,8-1,5Tesla

11.3 ĐẶC TÍNH NHIỄM TỪ CỦA LÕI THÉP

Khi cho các giá trị khác nhau của stđ hay từ thông ví dụ 0,5, 0,75, 1,25 của giá trị định mức, dựa vào phương pháp trên ta có thể tính được các giá trị stđ tương ứng (hoặc từ thông) Từ những kết quả tính toán được ta dựng đặc tính

φ=f(F) (hình 11.9) Đường đặc tính này gọi là đường nhiễm từ

Ở phần đầu đặc tính có dạng đường thẳng vì khi từ thông nhỏ mạch từ chưa bão hòa, mối quan hệ giữa φ và F là tuyến tính Ta có thể giả thiết rằng ở phần này stđ F bằng stđ ở khe khí Khi tăng từ thông, mạch từ bắt đầu bão hòa, 2 đường này tách khỏi nhau Với giá trị φ=Fđm=1 (ứng với đoạn thẳng ab) ở hình 11.9 thì khoảng 60% stđ dùng để tạo từ thông qua khe khí, vì thế sự chính xác tính toán stđ của khe khí quyết định độ chính xác tính stđ của mạch từ Ta đưa

ra khái niệm hệ số bão hòa:

11.4 MẠCH ĐIỆN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Mạch điện chính là cuộn dây máy điện, nó giữ một vai trò vô cùng quan trọng bởi vì nơi đây xảy ra quá trình biến đổi năng lượng Cuộn dây máy điện cần phải thực hiện hết ít vật liệu nhất nhưng lại phải có hiệu suất lớn, phải đảm bảo độ bền về cơ, về nhiệt và điện trong thời gian khai thác

Cuộn dây máy điện một chiều khác cuộn dây máy điện xoay chiều ở chỗ

nó là cuộn kín, trong đó mỗi bin được nối với một phiến góp Hiện nay cuộn dây máy điện một chiều được sử dụng rộng rãi là cuộn dây có rô to rỗng

Người ta chia cuộn dây máy điện một chiều thành:

-Cuộn xếp đơn

-cuộn sóng đơn

-Cuộn sóng kép

-Cuộn xép kép

11.4.1 Những thông số cuộn dây.

Phần lớn cuộn dây máy điện dòng một chiều dùng trong công nghiệp hiện nay là loại cuộn dây đơn vì dễ thực hiện, tốn ít đồng, giá thành rẻ, sử dụng đồng tốt Không nên dùng cuộn dây máy điện có số vòng dây lớn vì điện áp giữa các vòng dây lớn Máy điện một chiều dùng cuộn dây nhiều vòng thường

có công suất nhỏ, đường kính cổ góp bé (vì phải giảm số lượng phiến góp để tăng chiều rộng của phiến góp)

Cuộn dây phần ứng là một cuộn dây khép kín gồm các dây dẫn cách điện với nhau và với rãnh Cuộn dây phần ứng là nơi biến đổi năng lượng nên có một số yêu cầu sau:có tính điện tốt, tỏa nhiệt tốt , bền về cơ học, tốn ít nguyên liệu có hiệu suất cao nhất Hai thanh dẫn nối với nhau hình thành vòng dây, một

số vòng dây gộp lại với nhau tạo thành mô bin hình 11.10 Trong một rãnh thực

tế có thể có vài phần tử rãnh (hình 10 c,d)

1.Mô bin (hay còn gọi là bin).

Đây là phần tử cơ bản của cuộn dây, nó bao gồm 1 vòng dây hay nhiều vòng dây có các cạnh cách nhau một bước cực, 2 đầu được nối với 2 phiến góp cách nhau một bước cổ góp (hình 11.10 a,b) Từ đây ta chỉ nghiên cứu bin một vòng dây và qui ước thanh dẫn của bin nằm ở lớp trên vẽ đường liền, ở lớp dưới

Hình 11.10 Vòng dây (a), Mô bin(b), một phần tử của rãnh (c) và 2 phần tử rãnh (d)

b)

đường nét đứt Căn cứ vào nối đầu cuộn dây ta chia cuộn dây thành chộn chéo

và cuộn không chéo(vòng tái hay vòng phải)

2- Bước cuộn dây theo chu vi phần ứng và theo cổ góp

với cạnh tác dụng thứ 2 của bin (hình 11.11), thông thường y1 = τ

Trong sơ đồ cuộn dây, y1 cho ta số rãnh nằm giữa 2 cạnh của mô bin Ở cuộn dây có bin nhiều vòng thì trong một rãnh nằm nhiều dây dẫn (hình 11.10) ở đây mỗi thanh dẫn là một hình chữ nhật) Ở cuộn dây này ta dùng khái niệm rãnh cơ bản Rãnh cơ bản là rãnh chứa 2 thanh dẫn, vì bin một vòng dây có 2 thanh dẫn nên ta coi một rãnh cơ bản là một bin Gọi Umb là số cặp dây dẫn nằm trong rãnh, Z là số rãnh thực tế vậy số rãnh cơ bản sẽ là:

Zcb = ZUmb

Đến một phiến góp được nối 2 đầu của hai bin khác nhau Vậy ta có thể coi cứ một phiến góp ứng với một bin (có 2 thanh dẫn) Gọi S là số bin của một cuộn dây, K là số phiến góp thì:

Ở đây ε -là đại lượng rút gọn hay kéo dài của cuộn dây

b.Bước thứ 2 của cuộn dây theo chu vi rô to: Đó là khoảng cách của cạnh

tác dụng thứ 2 của bin trước với cạnh tác dụng thứ nhất của bin sau hình 11.11a Bước này cũng đo bằng rãnh cơ bản

Hình 11.11 Biểu diễn các số đo của cuộn dây a)Xếp đơn; b)Sóng đơn

c.Bước tổng hợp y: Đây là khoảng cách đo bằng rãnh cơ bản của 2 cạnh tác

dụng của 2 bin nằm cạnh nhau ở sơ đồ hình 11.11

y=y1+y2 (cuộn sóng)

y=y1-y2 (uộn xếp)

d.Bước cổ góp :Đây là khoảng cách giữa 2 phiến góp mà các đầu dây

của 2 bin cạnh nhau nối vào (hình 11.10) Bước sổ góp được đo bằng các phiến góp

Bước cổ góp sóng đơn đo bằng: yk= K p±1

Để đổi chiều dòng điện được tốt và giảm độ nhấp nháy sđđ ở lối ra nên thực hiên cuộn xếp đơn theo điều kiện:

1 Zcb = Umb.Z =1.12=12Vây Zcb=S=K=12; y=yk=1 (cuộn dây vòng phải)

2 y1=Z cb p

2 ±ε=12/3=3 (ε=0)

3 y2=y1-y=4-1=3Cách dựng như sau (hình 11.12) Bắt đầu từ rãnh 1 ta nối với phiến 1, cạnh thứ 2 của bin này nằm ở lớp dưới của rãnh 4 (vì y1=3) được nối với phiến góp 2 Cạnh thứ 1 của bin tiếp theo nối với phiến góp 2 còn cạnh thứ 2 của bin này nằm ở rãnh 5(lớp dưới) được nối với phiến góp 3 Cứ thế ta thực hiện cho tới cuối cùng Kết thúc ta được cuộn dây như hình 11.12

Ta nhận thấy với Umb=1 thì từ một rãnh sẽ có 2 đầu ra ở một phía (một đầu vẽ liền, một vẽ nét đứt) còn nếu Umb=2 thì sẽ có 4 đầu ra v.v Chổi phải được đặt trên dường trung tuyến hình học của máy Đó là đường thẳng nằm giữa

2 cực và cách đều 2 cực có tên khác nhau Trên đường này độ cảm ứng từ bằng không (B=0), còn nằm sát 2 bên của đường trung tuyến hình học gọi là vùng trung hoà

Cần lưu ý rằng vùng trung hoà trên rô to và trên cổ góp không trùng nhau

Do vậy chổi sẽ được đặt ở phiến góp nối với dây dẫn đi ra từ vùng trung tuyến hình học, ví dụ rãnh 7 Các chổi phải được đặt cách đều nhau ở cổ góp

-Sao sđđ cuộn dây

Để dựng sao sđđ cuộn dây ta dựng sao sđđ của bin.(hình 11.13)

Ta xét mô bin thứ nhất Mô bin này có một cạnh nằm trong rãnh 1 ở giữa cực nam (S) nên sđđ cảm ứng trong nó có giá trị lớn nhất, có chiều từ cổ góp đi

ra, còn cạnh 5 nếu nằm đúng giữa cực Bắc (N) thì giá trị của nó sẽ ngược pha

với sđđ trong rãnh 1, nhưng vì rãnh 5 lại dài hơn bước cực một đại lượng 1/2 rãnh cơ bản nên nó không ngược pha Góc lệch giữa 2 rãnh cơ bản tính như sau:

và trên sơ đồ rải của cuộn dây nó chính là khoảng cách giữa 2 cạnh cơ bản

Như vậy góc lệch pha giữa sđđ e1 và e5 như sau:

β =1800 + α2 = 4α

Sđđ của mô bin phụ thuộc vào cách nối mô bin Nếu mô bin nối như hình 11.13a thì e mb1 sẽ là hình 11.13b, còn nếu nối như hình 11.13c thì sđđ mô bin

như hình 11.13d

Bây giờ ta dựng sao điện áp cho cuộn dây trên hình 11.12

Vì rãnh 1 có 2 cạnh (trên và dưới) nằm trong cùng trạng thái trong từ trường nên sđđ của chúng như nhau và trùng pha nhau Ta biểu diễn chúng bằng một véc tơ nhưng dùng 2 ký hiệu 1’ và 1” (2 sđđ của một rãnh); lệch đi một góc

3600 là rãnh 7 cũng có cùng tình trạng như 1, vậy véc tơ 7’ và 7’’ sẽ nằm trên một đường thẳng với 1’ và 1’’ Dịch đi một góc α so với rãnh 1 là rãnh 2 và so với rãnh 7 là 8 Ta có véc tơ 2’, 2’’ và 8’, 8’’ nằm trên cùng một đường thẳng Bằng cách đó ta dựng được một sao điện áp có số tia là Zcb/p, mỗi tia gồm 2 đoạn (hình 11.14a) Dựa trên sao này ta dựng được 2 đa giác, mỗi đa giác gồm 6 cạnh Để dựng đa giác này ta làm như sau: từ một điểm ở ngoài sao ta dựng một véc tơ song song với một véc tơ bất kỳ nào đó (ví dụ 1’) Vì véc tơ 1’ được nối với cạnh 4 (phía dưới) nên nó là véc tơ 4” do đó từ cuối véc tơ 1 ta dựng một véc tơ song song với véc tơ 4”, độ dài của các véc tơ này nhận bằng chính độ dài của véc tơ 1’ và 4” Căn cứ vào cách nối các bin, tiếp tục ta làm như vậy sẽ nhận được 2 đa giác (hình 11.14b)

12 3 4 5

S N

1 7

2 8

11 5

3 9

4 10

12’’