Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (794.99 KB, 17 trang )
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Chöông 2
MÁY ĐIỆN QUAY: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.
Máy điện một chiều
1.1. Suất điện động phần ứng của máy phát một chiều
❖
Sức điện động e được tạo bởi một thanh dẫn có bề dài
trong từ trường B tạo bời phần cảm, ta có:
di chuyển với vận tốc dài v
e = B. .v
❖
(1)
Sức điện động trên toàn bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau:
Eu =
N
e
2a
(2)
Trong đó:
N: Tổng số thanh dẫn phần ứng.
2a: Số mạch nhánh song song phần ứng.
❖
Cuối cùng Eư xác định theo n (vòng/phút) : E u = K E ..n
(3)
Trong đó:
Φ: Từ thông kích từ qua một cực từ.
p: Số đôi cực.
1.2. Công suất và momen điện từ máy điện một chiều
1.2.1. Công suất điện từ
Pdt = E u Iu
(4)
1.2.2. Momen điện từ
M dt =
Pdt
= K M Iu
r
(5)
Trong đó:
Ωr là tốc độ quay của rotor, được tính theo tốc độ quay của n (vòng / phút) như sau:
r =
KM =
2n
60
p.N
2a
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
(6)
(7)
Trang 1
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
2.
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Máy phát điện một chiều
2.1. Máy phát một chiều kích từ độc lập
Hình 2.1. Sơ đồ tương đương máy phát một chiều.
2.1.1. Phương trình máy phát DC kích từ độc lập:
E u = U t + Iu R u
E u = K e.n
Vkt = ( R kt + R f ) I kt
(8)
Iu = I t
Trong đó:
Eu: Sức điện động phần ứng.
Vkt: Điện áp kích từ để tạo dòng Ikt.
Ru: Điện trở phần ứng [Điện trở dây quấn phần ứng + Điện trở dây quấn cực phụ (nếu
có) + Điện trở dây quấn cuộn bù (nếu có)]
Rkt: Điện trở dây quấn mạch kích từ.
Rf: Biến trở kích từ để thay đổi Ikt.
2.1.2. Đặc tuyến ngoài
Hình 2.2. a) Đặc tuyến không tải E = f(Ikt).
b) Đặc tuyến tải Ut = f(It).
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 2
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Khi tải tăng, điện áp giảm để It = const; n = const. Độ giảm điện áp của máy phát điện 1
chiều kích từ độc lập:
U% =
Eu − It
100
Ut
(9)
2.1.3. Các tính chất của máy phát kích từ độc lập
❖
Sụt áp từ không tải đến đầy tải khá nhỏ (≤ 10%).
❖
Với cùng Ik, E tỉ lệ với N:
E1 ( N1 ) N1
=
E2 ( N2 ) N2
(10)
Từ đó ta có thể vẽ được một họ đặc tuyến không tải với nhiều giá trị n khác nhau.
❖
Với cùng Ik, It và Ut gần như tỉ lệ với N:
U t1 ( N1 ) E1 ( N1 ) − R u I u
E (N ) N
=
= 1 1 = 1
U t2 ( N 2 ) E 2 ( N 2 ) − R u I u E 2 ( N 2 ) N 2
(11)
❖
Ut được điều chỉnh dễ dàng và ổn định bằng cách điều chỉnh Ik.
❖
Với các máy lớn, kích từ độc lập bất tiện vì cần thêm nguồn phụ. Do đó, người ta dung
kích từ song song.
2.2. Máy phát một chiều kích từ song song
Hình 2.3. Sơ đồ tương đương máy phát 1 chiều kích từ song song.
❖
Phương trình mô tả máy phát điện một chiều kích từ song song:
U t = E u − I u R u = I kt ( R f + R kt ) = I t R t
E u = ( R kt + R u + R f ) .I kt = K e.n
(12)
I u = I kt + I t
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 3
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
2.3. Máy phát một chiều kích từ nối tiếp
Hình 2.4. Sơ đồ tương đương máy phát 1 chiều kích từ nối tiếp.
❖
Phương trình mô tả máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp:
U t = E u – Iu ( R u + R kt ) = I t R t
E u = K e n
Iu = Ikt = I t
(13)
2.4. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp
2.4.1. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắn
Hình 2.5. Sơ đồ tương đương máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắn.
❖
Phương trình mô tả máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắn:
E u = Ut + Iu R u + I ktnt R ktnt
E u = Iu R u + I kt / / ( R kt / / + R f ) I u = I kt / / + I t
(14)
E u = K e ( / / nt ) n
Iktnt = I t
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 4
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
2.4.2. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dài
Hình 2.6. Sơ đồ tương đương máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dài.
❖
Phương trình mô tả máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dài:
E u = U t + I u ( R u + R ktnt )
U t = I t R t = I kt / / ( R kt / / + R f )
E u = K e .( kt / / ktnt ) .n
(15)
I u = I kt / / + I t
I u = Iktnt
2.5. Công suất, tổn hao và hiệu suất của máy phát một chiều
❖
Xét máy phát hỗn hợp rẽ dài làm ví dụ. Dòng công suất cũng tương tự như trong máy
phát đồng bộ. Công suất cơ P1 = M r do máy phát nhận từ động cơ sơ cấp chịu các tổn
hao sau:
Tổn hao cơ Pmq do ma sát, quạt gió; phụ thuộc vận tốc n.
Tổn hao từ Pđt do từ trễ và dòng xoáy trong mạch từ; phụ thuộc vận tốc n và từ cảm
cực đại Bm trong lõi thép.
Tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng R u I 2u, trong cuộn kích từ nối tiếp R ktnt Iu2 và
2
trong mạch kích từ song song R kt / / Ikt
// .
Tổng tổn hao là:
❖
Pth = Pmq + Pdt + Pu + Pktnt + Pkt / / = P1 − P2
(16)
Hiệu suất của máy phát:
=
P2
P2
100 =
100
P1
P2 + Pth
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
(17)
Trang 5
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
3.
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Động cơ điện một chiều
3.1. Vận tốc của động cơ một chiều
U − R u Iu
KE
❖
Vận tốc của động cơ một chiều: n =
❖
Nếu máy làm việc với không đổi và nếu dung vận tốc góc = 2πn, ta có:
E = K E .n. = K E ..
(18)
= K ‘E
2
(19)
3.2. Momen của động cơ một chiều
❖
Công suất điện UIu do động cơ nhận từ nguồn bị mất một phần I 2u R u (biến thành nhiệt),
phần còn lại biến thành cơ năng để kéo phần ứng:
UI u − I 2u R u = EI u = M
❖
Hay
K E .n..I u = 2Mn
Vậy:
M=
Với:
KM =
KE
I u = K M I u = K ‘E I u
2
KE
1 p
=
N
2 2 a
(20)
(21)
Momen M chưa phải là momen có ích.
Gọi Pmq là tổn hao cơ (ma sát + quạt gió); Pt là tổn hao lõi thép (từ trễ + dòng xoáy); P0 là
tổn hao không tải. Momen tổn hao là:
M0 =
P0
P
= 0
2n
(22)
Suy ra: Momen có ích:
M2 = M − M0
(23)
3.3. Động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 2.7. Sơ đồ tương đương động cơ 1 chiều kích từ độc lập
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 6
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.3.1. Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập
U = E u + Iu R u
E u = K en
Vkt = ( R kt + R f ) I kt
(24)
3.3.2. Phương trình năng lượng
Hình 2.8. Giản đồ phân bố năng lượng động cơ DC kích từ độc lập
P1 = Pđiện = Pđiện cảm + Pđiện ứng
2
Pđiện cảm = Pj cảm = VktIkt = ( R f + R kt ) Ikt
Pđiện ứng = Pj ứng + Pđt = UI
(25)
Pj ứng = Ru I2u
Pđt = EuIu
Trong đó:
P1: Công suất điện cung cấp cho động cơ.
Pđiện ứng: Công suất điện cung cấp từ nguồn cho phần ứng.
Pđt: Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng.
Pj ứng: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư.
Pj cảm: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt.
Pmq: Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép.
❖
Hiệu suất: =
P2
.
P1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 7
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.3.3. Đặc tính tốc độ
Hình 2.9. Đặc tính tốc độ động cơ DC kích từ độc lập
❖
Đặc tính tốc độ được xây dựng:
n=
U − Iu R u
K E
n=−
(26)
Ru
U
Iu +
K E
K E
❖
Hay:
❖
Đặc tính tốc độ có dạng đường thẳng:
(27)
Khi n = 0:
Iu =
U
Ru
(28)
Khi Iu = 0:
n0 =
U
K E
(29)
3.3.4. Đặc tính momen theo dòng phần ứng
Momen điện từ được xác định như sau:
M đt = 9,55
Pđt
E I
= 9,55 u u = 9,55.K E I u
n
n
(30)
3.3.5. Đặc tính cơ
Đặc tính cơ của động cơ là quan hệ giữa momen điện từ theo tốc độ.
n=−
Ru
9,55K 2M
M đt +
U
KM
(31)
Trong đó: K M = K E kt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 8
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.4. Động cơ một chiều kích từ song song
Hình 2.10. Sơ đồ tương đương động cơ 1 chiều kích từ song song.
3.4.1. Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song
U = E ư + I ưR ư
U = (Rf + Rkt)Ikt
Eư = KeΦn = K’e
(32)
I = Iư + Ikt
3.4.2. Phương trình năng lượng – hiệu suất
Hình 2.11. Giản đồ phân bố năng lượng động cơ DC.
P1 = Pđiện = UI
Pjcảm = VktIkt = (R f + R kt )I 2kt
(33)
Pjứng = RưIư
Pđt = EưIư
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 9
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Trong đó:
P1: Công suất điện cung cấp cho động cơ.
Pj cảm: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt (Tổn hao trên mạch
kích thích).
Pj ứng: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư (Tổn hao trên dây quấn
phần ứng).
Pđt: Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng.
Pmq: Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép.
P2: Công suất ra của động cơ.
❖
Hiệu suất: =
P2
.
P1
3.4.3. Đặc tuyến vận tốc
1. Nếu momen ra M2 = 0 và nếu momen tổn hao Mo = 0 thì Iư = 0 và động cơ quay với
vận tốc không tải lí tưởng.
n1 =
U
(34)
K ‘E
2. Trên thực tế, ngay lúc không tải, động cơ cũng phải lấy dòng không tải I0 để bù vào
tổn hao không tải P0, và quay với vận tốc không tải n0 < n.
n0 =
U − R u I0
(35)
K ‘E
3. Khi động cơ kéo tải định mức (đầy tải), nó lấy dòng Iđm và quay với vận tốc định mức
nđm.
n đm =
U − R u Iđm
(36)
K ‘E
4. Phần trăm thay đổi vận tốc là:
n % =
n 0 − n đm
n −n
100 = 1 đm 100
n đm
n1
(37)
n % =
R u Iđm
100
U
(38)
3.4.4. Đặc tuyến momen – vận tốc (đặc tuyến cơ)
n=
U
K ‘E
−
Ru
Ru
KE
K ‘E
M = n1 −
‘2
M
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
(39)
Trang 10
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.4.5. Công suất trong động cơ
1. Công suất điện P1 = UI nhận từ nguồn gồm hai phần: Pkt = UI kt là tổn hao kích từ và
Pu = UI u đi vào phần ứng.
P1 = UI = U(I kt + I u ) = Pkt + Pu
(40)
2. Công suất Pư, sau khi trừ đi tổn hao đồng Pđư trong phần ứng, được biến thành cơ
năng, gọi là công suất điện từ.
Pđt = Pu − R u I 2u = UI u − R u I u = E u I u
(41)
3. Công suất điện từ, sau khi trừ đi tổn hao không tải P0 = Pt + Pmq, còn lại công suất có
ích P2 (công suất ra).
P2 = Pđt − P0 = Pđt − Pmq − Pt = M 2 n
(42)
3.5. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
Hình 2.12. Sơ đồ tương đương động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp.
3.5.1. Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
U = Eư + Iư(Rư + Rktnt)
Eư = KeΦn
(43)
Iư = Ikt = I
3.5.2. Phương trình năng lượng – hiệu suất
P1 = Pđiện = UI
Pjcảm = Rkt I 2kt
(44)
Pjứng = Rư I 2u
Pđt = EưIư
Trong đó:
P1: Công suất điện cung cấp cho động cơ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 11
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Pj cảm: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt (Tổn hao trên mạch
kích thích).
Pj ứng: Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư (Tổn hao trên dây quấn
phần ứng).
Pđt: Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng.
Pmq: Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép.
P2: Công suất ra của động cơ.
Hình 2.13. Giản đồ phân bố năng lượng động cơ DC.
❖
Hiệu suất: =
P2
.
P1
3.5.3. Đặc tính tốc độ
Hình 2.14. Đặc tính tốc độ động cơ DC kích từ nối tiếp.
❖
Đặc tính tốc độ của động cơ là đồ thị mô tả quan hệ giữa tốc độ quay n của động cơ với
dòng điện Iư qua mạch phần ứng:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 12
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
n=
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
U − ( R u + R kt ) I u
K E kt Iu
Khi Iư nhỏ, mạch từ chưa bảo hoà, thì = K I u và n =
(45)
R + Ru
U
− kt
K E I u
K EK
(46)
Nghĩa là đặc tuyến có dạng hyperbol. Khi Iư lớn, tăng chậm hơn Iư và đặc tuyến ở
trên hyperbol đó.
Khi tải giảm nhiều, Iư nhỏ, nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh. Đặc biệt, lúc động cơ
không tải, dòng Iư = I0 rất nhỏ khiến vận tốc quá lớn, rất nguy hiểm. Vì vậy phải vận
hành động cơ nối tiếp sao cho tình trạng mở máy không tải hoặc làm việc không tải
không xảy ra, và cũng tránh để động cơ bị non tải.
❖
Dòng Inm được gọi là dòng điện ngắn mạch hay dòng điện khởi động trực tiếp của động
cơ.
Inm =
U
R u + R kt
(47)
3.5.4. Đặc tuyến momen theo dòng phần ứng
Hình 2.15. Đặc tính momen động cơ DC kích từ nối tiếp.
❖
Momen điện từ được xác định:
M dt = 9,55
Pdt
E I
= 9,55 u u
n
n
(48)
Với: Mđt (N/m); Pđt (W); n (vòng / phút).
Mdt = 9,55.K E .K .Iu2 = K ‘M .Iu2
❖
(49)
Khi Iư lớn, tăng chậm hơn: Đặc tuyến ở dưới parabol.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 13
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.5.5. Đặc tuyến momen – vận tốc (đặc tính cơ)
❖
Khi Iư nhỏ, tính Iư theo M từ xong thay vào ta có:
n=
R + R kt
U
− u
KM
A M
(50)
Trong đó: A = const; KM = KE.kt.
Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa momen điện từ theo tốc độ.
❖
Momen khởi động động cơ được xác định từ (50) khi cho giá trị n = 0 hay thay dòng điện
mở máy trực tiếp ta có kết quả sau:
2
M mm
U
= B
; B = const
R u + R kt
(51)
3.5.6. Công suất trong động cơ
P1 = UI u = E u I u + R kt I u2 + R u I u2 = Pdt + Pkt + Pu
Pdt = P2 + Pmq + Pt = P2 + P0 = M.n
(52)
P2 = Pdt − P0 = M 2 .n
3.6. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp
3.6.1. Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ ngắn
Hình 2.16. Sơ đồ tương đương động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ ngắn.
U = Eư + IưRư + IRktnt
U = Ikt//Rkt// + IRktnt
I = Ikt// + Iư = Iktnt
(53)
Vkt = Ikt//. (R kt // + R f ) = U – IRktnt
Eư = Ke ( ktnt kt // ) .n
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 14
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
3.6.2. Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ dài
Hình 2.17. Sơ đồ tương đương động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ dài
U = Eư + Iư(Rư + Rktnt)
Vkt = U = Ikt// (R kt // + R f )
I = Ikt// + Iư
(54)
Iư = Iktnt
Eư = Ke ( ktnt kt // ) .n
3.6.3. Công suất, tổn hao và hiệu suất
P1 = Pđiện = UI
Pứng = RưIư
Pktnt = RktntIktnt
(55)
Pkt// = Rkt//Ikt//
Pđt = EưIư
ΔP = Pứng + Pktnt + Pkt// + Pmq
Trong đó:
P1: Công suất điện cung cấp cho động cơ.
Pứng: Tổn hao trên dây quấn phần ứng.
Pktnt: Tổn hao cuộn kích từ nối tiếp.
Pkt//: Tổn hao cuộn kích từ song song.
Pđt: Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng.
Pmq: Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép.
P2: Công suất ra của động cơ.
ΔP: Tổng tổn hao (ΔP = P1 – P2).
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 15
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Lưu ý: Tổn hao không tải : P0 = Pmq.
❖
Hiệu suất : =
P2
.
P1
3.6.4. Đặc tính tốc độ
Hình 2.18. Đặc tính tốc độ động cơ DC hỗn hợp
❖
Dạng đặc tính tốc độ như sau (U = const; Rf = const):
n=
U − ( R u + R ktnt ) I u
K E ( ktnt + kt / / )
(56)
Trong đó:
+ Φkt// = const; Φktnt tăng theo Iư.
+ Dấu “+” ứng với kích từ hỗn hợp cộng; dấu “-” ứng với kích từ hỗn hợp trừ.
3.6.5. Đặc tính momen theo dòng phần ứng
Hình 2.19. Đặc tính momen động cơ DC hỗn hợp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Trang 16
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1
❖
BIÊN SOẠN: TRẦN LÊ MÂN
Momen điện từ được xác định như sau:
M dt = 9,55
Pdt
E I
= 9,55 u u
n
n
(57)
Trong đó: Mđt = [Nm]; Pđt = [W]; n = [vòng / phút].
❖
Từ (57), ta viết lại như sau:
Mđt = 9,55.K E .( ktnt kt / / ).Iu
(58)
3.7. Công suất, tổn hao và hiệu suất của động cơ một chiều
❖
Gọi:
P1 = UI là công suất điện cung cấp cho động cơ.
P2 = M2.n là công suất cơ có ích.
Ta có: P1 – P2 = Pth.
P2 P1 − Pth
=
P1
P2
❖
Hiệu suất của động cơ: =
❖
Chú ý: Nếu cùng một máy được dùng làm máy phát và động cơ thì công suất định mức
của máy phát lớn hơn của động cơ.
(59)
3.8. Mở máy động cơ một chiều
❖
Dòng điện mở máy:
I mm =
U
I max
R u + R mm
U
Suy ra:
R mm
❖
Momen định mức:
Mñm =
❖
Hằng số K ‘M :
K ‘M =
❖
Momen mở máy:
Mmm = K ‘MI2mm =
I max
(60)
− Ru
(61)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
( 2 ) Trong đó : N : Tổng số thanh dẫn phần ứng. 2 a : Số mạch nhánh song song phần ứng. Cuối cùng Eư xác lập theo n ( vòng / phút ) : E u = K E. . n ( 3 ) Trong đó : Φ : Từ thông kích từ qua một cực từ. p : Số đôi cực. 1.2. Công suất và momen điện từ máy điện một chiều1. 2.1. Công suất điện từPdt = E u Iu ( 4 ) 1.2.2. Momen điện từM dt = Pdt = K M Iu r ( 5 ) Trong đó : Ωr là vận tốc quay của rotor, được tính theo vận tốc quay của n ( vòng / phút ) như sau : r = KM = 2 n60p. N2 aTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. Hồ Chí Minh ( 6 ) ( 7 ) Trang 1M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 12. BIÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNMáy phát điện một chiều2. 1. Máy phát một chiều kích từ độc lậpHình 2.1. Sơ đồ tương tự máy phát một chiều. 2.1.1. Phương trình máy phát DC kích từ độc lập : E u = U t + Iu R uE u = K e . nVkt = ( R kt + R f ) I kt ( 8 ) Iu = I tTrong đó : Eu : Sức điện động phần ứng. Vkt : Điện áp kích từ để tạo dòng Ikt. Ru : Điện trở phần ứng [ Điện trở dây quấn phần ứng + Điện trở dây quấn cực phụ ( nếucó ) + Điện trở dây quấn cuộn bù ( nếu có ) ] Rkt : Điện trở dây quấn mạch kích từ. Rf : Biến trở kích từ để biến hóa Ikt. 2.1.2. Đặc tuyến ngoàiHình 2.2. a ) Đặc tuyến không tải E = f ( Ikt ). b ) Đặc tuyến tải Ut = f ( It ). TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 2M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNKhi tải tăng, điện áp giảm để It = const ; n = const. Độ giảm điện áp của máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập : U % = Eu − It 100U t ( 9 ) 2.1.3. Các đặc thù của máy phát kích từ độc lậpSụt áp từ không tải đến đầy tải khá nhỏ ( ≤ 10 % ). Với cùng Ik, E tỉ lệ với N : E1 ( N1 ) N1E2 ( N2 ) N2 ( 10 ) Từ đó ta hoàn toàn có thể vẽ được một họ đặc tuyến không tải với nhiều giá trị n khác nhau. Với cùng Ik, It và Ut gần như tỉ lệ với N : U t1 ( N1 ) E1 ( N1 ) − R u I uE ( N ) N = 1 1 = 1U t2 ( N 2 ) E 2 ( N 2 ) − R u I u E 2 ( N 2 ) N 2 ( 11 ) Ut được kiểm soát và điều chỉnh thuận tiện và không thay đổi bằng cách kiểm soát và điều chỉnh Ik. Với những máy lớn, kích từ độc lập phiền phức vì cần thêm nguồn phụ. Do đó, người ta dungkích từ song song. 2.2. Máy phát một chiều kích từ tuy nhiên songHình 2.3. Sơ đồ tương tự máy phát 1 chiều kích từ song song. Phương trình miêu tả máy phát điện một chiều kích từ song song : U t = E u − I u R u = I kt ( R f + R kt ) = I t R tE u = ( R kt + R u + R f ). I kt = K e . n ( 12 ) I u = I kt + I tTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 3M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN2. 3. Máy phát một chiều kích từ nối tiếpHình 2.4. Sơ đồ tương tự máy phát 1 chiều kích từ tiếp nối đuôi nhau. Phương trình diễn đạt máy phát điện một chiều kích từ tiếp nối đuôi nhau : U t = E u – Iu ( R u + R kt ) = I t R tE u = K e nIu = Ikt = I t ( 13 ) 2.4. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp2. 4.1. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắnHình 2.5. Sơ đồ tương tự máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắn. Phương trình diễn đạt máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ ngắn : E u = Ut + Iu R u + I ktnt R ktntE u = Iu R u + I kt / / ( R kt / / + R f ) I u = I kt / / + I t ( 14 ) E u = K e ( / / nt ) nIktnt = I tTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 4M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN2. 4.2. Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dàiHình 2.6. Sơ đồ tương tự máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dài. Phương trình diễn đạt máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp dạng rẽ dài : E u = U t + I u ( R u + R ktnt ) U t = I t R t = I kt / / ( R kt / / + R f ) E u = K e. ( kt / / ktnt ). n ( 15 ) I u = I kt / / + I tI u = Iktnt2. 5. Công suất, tổn hao và hiệu suất của máy phát một chiềuXét máy phát hỗn hợp rẽ dài làm ví dụ. Dòng hiệu suất cũng tựa như như trong máyphát đồng điệu. Công suất cơ P1 = M r do máy phát nhận từ động cơ sơ cấp chịu những tổnhao sau : Tổn hao cơ Pmq do ma sát, quạt gió ; phụ thuộc vào tốc độ n. Tổn hao từ Pđt do từ trễ và dòng xoáy trong mạch từ ; phụ thuộc vào tốc độ n và từ cảmcực đại Bm trong lõi thép. Tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng R u I 2 u, trong cuộn kích từ tiếp nối đuôi nhau R ktnt Iu2 vàtrong mạch kích từ song song R kt / / Ikt / /. Tổng tổn hao là : Pth = Pmq + Pdt + Pu + Pktnt + Pkt / / = P1 − P2 ( 16 ) Hiệu suất của máy phát : = P2P2 100 = 100P1 P2 + PthTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. Hồ Chí Minh ( 17 ) Trang 5M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 13. BIÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNĐộng cơ điện một chiều3. 1. Vận tốc của động cơ một chiềuU − R u IuKE Vận tốc của động cơ một chiều : n = Nếu máy thao tác với không đổi và nếu dung tốc độ góc = 2 πn, ta có : E = K E. n. = K E. . ( 18 ) = K ‘ E 2 ( 19 ) 3.2. Momen của động cơ một chiềuCông suất điện UIu do động cơ nhận từ nguồn bị mất một phần I 2 u R u ( biến thành nhiệt ), phần còn lại biến thành cơ năng để kéo phần ứng : UI u − I 2 u R u = EI u = M HayK E. n. . I u = 2 MnVậy : M = Với : KM = KE I u = K M I u = K ‘ E I u2 KE1 p N2 2 a ( 20 ) ( 21 ) Momen M chưa phải là momen có ích. Gọi Pmq là tổn hao cơ ( ma sát + quạt gió ) ; Pt là tổn hao lõi thép ( từ trễ + dòng xoáy ) ; P0 làtổn hao không tải. Momen tổn hao là : M0 = P0 = 0 2 n ( 22 ) Suy ra : Momen có ích : M2 = M − M0 ( 23 ) 3.3. Động cơ một chiều kích từ độc lậpHình 2.7. Sơ đồ tương tự động cơ 1 chiều kích từ độc lậpTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 6M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 3.1. Phương trình miêu tả động cơ điện một chiều kích từ độc lậpU = E u + Iu R uE u = K e nVkt = ( R kt + R f ) I kt ( 24 ) 3.3.2. Phương trình năng lượngHình 2.8. Giản đồ phân bổ nguồn năng lượng động cơ DC kích từ độc lậpP1 = Pđiện = Pđiện cảm + Pđiện ứngPđiện cảm = Pj cảm = VktIkt = ( R f + R kt ) IktPđiện ứng = Pj ứng + Pđt = UI ( 25 ) Pj ứng = Ru I2uPđt = EuIuTrong đó : P1 : Công suất điện cung ứng cho động cơ. Pđiện ứng : Công suất điện phân phối từ nguồn cho phần ứng. Pđt : Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng. Pj ứng : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư. Pj cảm : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt. Pmq : Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép. Hiệu suất : = P2P1TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 7M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 3.3. Đặc tính tốc độHình 2.9. Đặc tính vận tốc động cơ DC kích từ độc lậpĐặc tính vận tốc được thiết kế xây dựng : n = U − Iu R uK E n = − ( 26 ) Ru Iu + K E K E Hay : Đặc tính vận tốc có dạng đường thẳng : ( 27 ) Khi n = 0 : Iu = Ru ( 28 ) Khi Iu = 0 : n0 = K E ( 29 ) 3.3.4. Đặc tính momen theo dòng phần ứngMomen điện từ được xác lập như sau : M đt = 9,55 PđtE I = 9,55 u u = 9,55. K E I u ( 30 ) 3.3.5. Đặc tính cơĐặc tính cơ của động cơ là quan hệ giữa momen điện từ theo vận tốc. n = − Ru9, 55K 2M M đt + KM ( 31 ) Trong đó : K M = K E ktTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 8M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 4. Động cơ một chiều kích từ tuy nhiên songHình 2.10. Sơ đồ tương tự động cơ 1 chiều kích từ song song. 3.4.1. Phương trình diễn đạt động cơ điện một chiều kích từ tuy nhiên songU = E ư + I ưR ưU = ( Rf + Rkt ) IktEư = KeΦn = K’e ( 32 ) I = Iư + Ikt3. 4.2. Phương trình nguồn năng lượng – hiệu suấtHình 2.11. Giản đồ phân bổ nguồn năng lượng động cơ DC.P 1 = Pđiện = UIPjcảm = VktIkt = ( R f + R kt ) I 2 kt ( 33 ) Pjứng = RưIưPđt = EưIưTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 9M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNTrong đó : P1 : Công suất điện cung ứng cho động cơ. Pj cảm : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt ( Tổn hao trên mạchkích thích ). Pj ứng : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư ( Tổn hao trên dây quấnphần ứng ). Pđt : Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng. Pmq : Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép. P2 : Công suất ra của động cơ. Hiệu suất : = P2P13. 4.3. Đặc tuyến vận tốc1. Nếu momen ra M2 = 0 và nếu momen tổn hao Mo = 0 thì Iư = 0 và động cơ quay vớivận tốc không tải lí tưởng. n1 = ( 34 ) K ‘ E2. Trên trong thực tiễn, ngay lúc không tải, động cơ cũng phải lấy dòng không tải I0 để bù vàotổn hao không tải P0, và quay với tốc độ không tải n0 < n. n0 = U − R u I0 ( 35 ) K ' E3. Khi động cơ kéo tải định mức ( đầy tải ), nó lấy dòng Iđm và quay với tốc độ định mứcnđm. n đm = U − R u Iđm ( 36 ) K ' E4. Phần trăm biến hóa tốc độ là : n % = n 0 − n đmn − n 100 = 1 đm 100 n đmn1 ( 37 ) n % = R u Iđm 100 ( 38 ) 3.4.4. Đặc tuyến momen – tốc độ ( đặc tuyến cơ ) n = K ' ERuRuKEK ' E M = n1 − ' 2 MTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. Hồ Chí Minh ( 39 ) Trang 10M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 4.5. Công suất trong động cơ1. Công suất điện P1 = UI nhận từ nguồn gồm hai phần : Pkt = UI kt là tổn hao kích từ vàPu = UI u đi vào phần ứng. P1 = UI = U ( I kt + I u ) = Pkt + Pu ( 40 ) 2. Công suất Pư, sau khi trừ đi tổn hao đồng Pđư trong phần ứng, được biến thành cơnăng, gọi là hiệu suất điện từ. Pđt = Pu − R u I 2 u = UI u − R u I u = E u I u ( 41 ) 3. Công suất điện từ, sau khi trừ đi tổn hao không tải P0 = Pt + Pmq, còn lại hiệu suất cóích P2 ( hiệu suất ra ). P2 = Pđt − P0 = Pđt − Pmq − Pt = M 2 n ( 42 ) 3.5. Động cơ một chiều kích từ nối tiếpHình 2.12. Sơ đồ tương tự động cơ 1 chiều kích từ tiếp nối đuôi nhau. 3.5.1. Phương trình diễn đạt động cơ điện một chiều kích từ nối tiếpU = Eư + Iư ( Rư + Rktnt ) Eư = KeΦn ( 43 ) Iư = Ikt = I3. 5.2. Phương trình nguồn năng lượng – hiệu suấtP1 = Pđiện = UIPjcảm = Rkt I 2 kt ( 44 ) Pjứng = Rư I 2 uPđt = EưIưTrong đó : P1 : Công suất điện cung ứng cho động cơ. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 11M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNPj cảm : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần cảm Rkt ( Tổn hao trên mạchkích thích ). Pj ứng : Công suất tiêu thụ trên điện trở dây quấn phần ứng Rư ( Tổn hao trên dây quấnphần ứng ). Pđt : Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng. Pmq : Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép. P2 : Công suất ra của động cơ. Hình 2.13. Giản đồ phân bổ nguồn năng lượng động cơ DC.Hiệu suất : = P2P13. 5.3. Đặc tính tốc độHình 2.14. Đặc tính vận tốc động cơ DC kích từ tiếp nối đuôi nhau. Đặc tính vận tốc của động cơ là đồ thị miêu tả quan hệ giữa vận tốc quay n của động cơ vớidòng điện Iư qua mạch phần ứng : TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 12M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1 n = BIÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNU − ( R u + R kt ) I uK E kt IuKhi Iư nhỏ, mạch từ chưa bảo hòa, thì = K I u và n = ( 45 ) R + Ru − ktK E I uK EK ( 46 ) Nghĩa là đặc tuyến có dạng hyperbol. Khi Iư lớn, tăng chậm hơn Iư và đặc tuyến ởtrên hyperbol đó. Khi tải giảm nhiều, Iư nhỏ, nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh. Đặc biệt, lúc động cơkhông tải, dòng Iư = I0 rất nhỏ khiến tốc độ quá lớn, rất nguy khốn. Vì vậy phải vậnhành động cơ tiếp nối đuôi nhau sao cho thực trạng mở máy không tải hoặc thao tác không tảikhông xảy ra, và cũng tránh để động cơ bị non tải. Dòng Inm được gọi là dòng điện ngắn mạch hay dòng điện khởi động trực tiếp của độngcơ. Inm = R u + R kt ( 47 ) 3.5.4. Đặc tuyến momen theo dòng phần ứngHình 2.15. Đặc tính momen động cơ DC kích từ tiếp nối đuôi nhau. Momen điện từ được xác lập : M dt = 9,55 PdtE I = 9,55 u u ( 48 ) Với : Mđt ( N / m ) ; Pđt ( W ) ; n ( vòng / phút ). Mdt = 9,55. K E. K . Iu2 = K ' M. Iu2 ( 49 ) Khi Iư lớn, tăng chậm hơn : Đặc tuyến ở dưới parabol. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 13M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 5.5. Đặc tuyến momen – tốc độ ( đặc tính cơ ) Khi Iư nhỏ, tính Iư theo M từ xong thay vào ta có : n = R + R kt − uKMA M ( 50 ) Trong đó : A = const ; KM = KE. kt. Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa momen điện từ theo vận tốc. Momen khởi động động cơ được xác lập từ ( 50 ) khi cho giá trị n = 0 hay thay dòng điệnmở máy trực tiếp ta có hiệu quả sau : M mm = B ; B = const R u + R kt ( 51 ) 3.5.6. Công suất trong động cơP1 = UI u = E u I u + R kt I u2 + R u I u2 = Pdt + Pkt + PuPdt = P2 + Pmq + Pt = P2 + P0 = M.n ( 52 ) P2 = Pdt − P0 = M 2. n3. 6. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp3. 6.1. Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ ngắnHình 2.16. Sơ đồ tương tự động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ ngắn. U = Eư + IưRư + IRktntU = Ikt / / Rkt / / + IRktntI = Ikt / / + Iư = Iktnt ( 53 ) Vkt = Ikt / /. ( R kt / / + R f ) = U – IRktntEư = Ke ( ktnt kt / / ). nTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 14M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂN3. 6.2. Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ dàiHình 2.17. Sơ đồ tương tự động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp rẽ dàiU = Eư + Iư ( Rư + Rktnt ) Vkt = U = Ikt / / ( R kt / / + R f ) I = Ikt / / + Iư ( 54 ) Iư = IktntEư = Ke ( ktnt kt / / ). n3. 6.3. Công suất, tổn hao và hiệu suấtP1 = Pđiện = UIPứng = RưIưPktnt = RktntIktnt ( 55 ) Pkt / / = Rkt / / Ikt / / Pđt = EưIưΔP = Pứng + Pktnt + Pkt / / + PmqTrong đó : P1 : Công suất điện cung ứng cho động cơ. Pứng : Tổn hao trên dây quấn phần ứng. Pktnt : Tổn hao cuộn kích từ tiếp nối đuôi nhau. Pkt / / : Tổn hao cuộn kích từ song song. Pđt : Công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng. Pmq : Tổn hao ma sát cơ, quạt và thép. P2 : Công suất ra của động cơ. ΔP : Tổng tổn hao ( ΔP = P1 – P2 ). TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 15M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNLưu ý : Tổn hao không tải : P0 = Pmq. Hiệu suất : = P2P13. 6.4. Đặc tính tốc độHình 2.18. Đặc tính vận tốc động cơ DC hỗn hợpDạng đặc tính vận tốc như sau ( U = const ; Rf = const ) : n = U − ( R u + R ktnt ) I uK E ( ktnt + kt / / ) ( 56 ) Trong đó : + Φkt / / = const ; Φktnt tăng theo Iư. + Dấu “ + ” ứng với kích từ hỗn hợp cộng ; dấu “ - ” ứng với kích từ hỗn hợp trừ. 3.6.5. Đặc tính momen theo dòng phần ứngHình 2.19. Đặc tính momen động cơ DC hỗn hợpTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCMTrang 16M ÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU – MÁY ĐIỆN 1BI ÊN SOẠN : TRẦN LÊ MÂNMomen điện từ được xác lập như sau : M dt = 9,55 PdtE I = 9,55 u u ( 57 ) Trong đó : Mđt = [ Nm ] ; Pđt = [ W ] ; n = [ vòng / phút ]. Từ ( 57 ), ta viết lại như sau : Mđt = 9,55. K E. ( ktnt kt / / ). Iu ( 58 ) 3.7. Công suất, tổn hao và hiệu suất của động cơ một chiềuGọi : P1 = UI là hiệu suất điện cung ứng cho động cơ. P2 = M2. n là hiệu suất cơ có ích. Ta có : P1 – P2 = Pth. P2 P1 − PthP1P2Hiệu suất của động cơ : = Chú ý : Nếu cùng một máy được dùng làm máy phát và động cơ thì hiệu suất định mứccủa máy phát lớn hơn của động cơ. ( 59 ) 3.8. Mở máy động cơ một chiềuDòng điện mở máy : I mm = I maxR u + R mmSuy ra : R mm Momen định mức : Mñm = Hằng số K ' M : K ' M = Momen mở máy : Mmm = K ' MI2mm = I max ( 60 ) − Ru ( 61 ) Pñmnñm ( 62 ) Mñm ( 63 ) IñmMñmIñmI2mmTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. Hồ Chí Minh ( 64 ) Trang 17
