TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN BỘ MÔN CS KỸ THUẬT ĐIỆN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN BỘ MÔN CS KỸ THUẬT ĐIỆN BIÊN SOẠN : ĐẶNG VĂN THÀNH- PHẠM THỊ NGA Biên soạn theo chương trình công nghệ nghành Điện hệ Cao đẳng Kỹ thuật THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2006 1 PHẦN I - MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều(MĐ1C) hiện ngày càng chiếm vò trí quan trọng trong sản xuất và đời sống. Nó dùng làm động cơ điện, máy phát điện hoặc tổ hợp máy, thiết bò điện một chiều chuyên dụng. Công suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay vào khoảng 1000kW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy, chế tạo những máy công suất lớn hơn, sử dụng lưới điện 1 chiều truyền tải điện áp cao. CHƯƠNG1.KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Mục tiêu đạt được:  Sinh viên nhận biết và hiểu được kết cấu chung các loại máy điện một chiều  Hiểu nguyên tắc hoạt động , mạch điện tương úng và phương trình cân bằng áp của máy phát và động cơ điện một chiều  Hiểu ý nghóa các thông số đònh mức trong máy điện một chiều và các thông số ghi trên nhãn máy  ng dụng giải các bài tập liên quan I.KẾT CẤU CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Kết cấu chủ yếu của máy điện một chiều như có thể phân thành hai phần chính là phần tónh và phần quay. 1. PHẦN TĨNH( STATO) Phần tónh gồm các bộ phận chính như sau: a. Cực từ chính Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm các lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cácbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông (hình 1-1). Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thuật một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ Dọc theo chu vi cuả stato, cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để hạn chế ảnh hưởng xấu của phản ứng phần ứng khi máy làm việc nhằm cải thiện việc đổi chiều, giảm tia lửa trên vành góp. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn có cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Hình 1 - 1 . Cực từ chính Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 2 Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ những bulông. Kích thước cực từ phụ thường nhỏ hơn nhiều so với cực từ chính. c. Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Trong máy điện nhỏ có thể dùng gang làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm có: - Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi bò những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố đònh trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vò trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố đònh chặt lại. 2. PHẦN QUAY( RÔTO) Phần quay gồm những bộ phận sau: a. Lõi sắt phần ứng (rôto) Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thông thường những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những máy cỡ trung trở lên, người ta thường dập những lỗ thông gió để khi ép lại lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục (hình1-2). Trong những máy điện lớn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b. Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ. và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Để tránh khi quay bò văng ra do sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit (hình 1-3). c. Cổ góp Hình 1-2. Lá thép phần ứng Hình1-3. Mặt cắt rãnh phần ứng Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 3 Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Kết cấu của cổ góp gồm có nhiều phiến đồng cách điện với nhau bằng lớp mica dầy 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica .Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d. Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm có: - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy. Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. -Trục máy : Trên có đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cácbon tốt. II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, PHƯƠNG TRÌNH CẦN BẰNG ÁP CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU (MPĐ1C) MPĐ1C như hình vẽ 1.4. Khi cho thanh dẫn có chiều dài cạnh tác dụng là l quay trong từ trường (cực từ N-S) theo chiều như hình vẽ (tốc độ n,v). Khi thanh dẫn quay , vò trí thanh dẫn thay đổi, rtên thanh dẫn xuất hiện sức điện động(s.đ.đ) có phương chiều xác đònh theo qui tắc bàn tay phải. Nhưng do vò trí chổi than không thay đổi, nên s.đ.đ lấy ra ở hai đầu chổi than có cực tính không đổi, ta có máy phát điện một chiều. Khi nối mạch ngoài (hai đầu chổi than với tải Z) thì điện áp và dòng điện trên đó không thay đổi chiều. Nếu máy có một phần tử ( có hai cạnh tác dụng tương ứng hai thanh dẫn nối với hai phiến góp có hai chổi than tỳ vào), có điện trở là Rư, s.đ.đ tổng là , điện áp hai đầu máy phát là U, dòng điện đi qua mạch ngoài(chính là dòng chạy qua dây quấn của phần tử đó) là Iư, thì mạch điện tương ứng đó của MPĐ1C cho ta quan hệ : U = – IưRư. Với máy nhiều phần tử, = E (với là sđđ của một nhánh, E là sđđ của toàn máy, Iư, Rư là dòng điện và điện trở tổng của phần ứng). Phương trình này gọi là phương trình cân bằng áp của MPĐ1C. S.Đ.Đ tức thời, sđđ trung bình của máy có 1 phần tử và nhiều phần tử như trên hình và đồ thò dưới đây(hình vẽ 1.5): Hình1.4.Nguyên lý mpđ 1chiều n phiến góp chổi than Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 4 2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo các bộ phận ĐCĐ1C tương tự như máy phát. khi có từ trường có trò số từ cảm B, dòng điện qua dây quấn phần ứng là Iư, thì sẽ xuất hiện lực điện từ tác động lên dây quấn phần ứng ( tương tự tác động lên các thanh dẫn trên, lực tác động có phương chiều xác đònh theo qui tắc bàn tay trái) làm dây quấn chuyển động và kéo rôto quay theo trục với tốc độ n. Khi rô to quay,trong dây quấn rô to lúc này cũng xuất hiện sđđ cảm ứng . Tuy nhiên, chiều của và Iư ngược nhau (xác đònh theo theo luật cảm ứng điện từ). Lập mạch điện thay thế ĐCĐ1C ta có quan hệ: U = + RưIư . Đây chính là phương trình cân bằng áp của ĐCĐ1C III. CÁC TRỊ SỐ ĐỊNH MỨC Chế độ làm việc đònh mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy đònh . Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những lượng đònh mức. Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau: Công suất đònh mức P đm (kW hay W) -Với máy phát điện: P đm = U đm I đm ( công suất điện đầu ra máy phát điện) - Với động cơ điện : P đm = U đm I đm  đm = M cơ đm  (công suất cơ trên trục động cơ) với : M cơ - môment cơ trên trục động cơ khi tải đònh mức. đm  = 60 n . 2 đm  (rad/s) - tốc độ góc tương ứng của động cơ điện Điện áp đònh mức U đm (V) Dòng điện đònh mức I đm (A) Tốc độ đònh mức n đm (vg/ph) Hiệu suất đònh mức đm Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng … Cần chú ý là công suất đònh mức ở đây là chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện, đó là công suất điện đưa ra ở đầu cực của máy. Đối với động cơ điện, thì đó là công suất cơ đưa ra ở đầu trục. a. S.đ.đ của máy có 1 phần tư û b. S.đ.đ của máy có 2 phần tử Hình 1.5(a,b) e e t e e t t t e e t t Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 5 CÂU HỎI : 1. Nêu kết cấu chung của động cơ và máy phát điện một chiều? Chức năng từng chi tiết ? công nghệ chế tạo nó? 2. Nguyên tắc hoạt động của máy điện 1 chiều và phương trình cân bằng áp của nó ? Giải thích ? 3. Nêu và giải thích các trò số đònh mức của máy điện một chiều? BÀI TẬP: Bài tập 1: Máy phát điện một chiều có P đm = 85 kW; U đm = 230 V; tốc độ n đm = 1470 vg/ph; hiệu suất đm  = 0,895. Tính dòng điện, tổng tổn hao công suất của động cơ sơ cấp ở chế độ đònh mức. Gợi ý: Quan hệ giữa các đại lượng điện trong máy phát điện 1 chiều như sau: Công suất đònh mức ghi trên nhãn máy phát điện một chiều là công suất điện. Công suất điện của máy phát điện một chiều: P đm = U đm . I đm (W) Hiệu suất đònh mức: đm  % = cơ đm P P .100% P cơ : công suất động cơ sơ cấp (P 1 ). Từ đó, ta có bài giải như sau: Bài giải: Dòng điện đònh mức của máy phát: Từ P đm = U đm . I đm . Suy ra I đm = đm đm U P = 230 10.85 3 = 369,6 (A). Công suất cơ của động cơ sơ cấp là: P cơ = đm đm P  = 895,0 10.85 3 = 95 (kW). Tổng tổn hao công suất động cơ sơ cấp:  P = P cơ - P đm = 95 – 85 = 10 (kW). Bài tập 2: Một động cơ điện một chiều kích từ độc lập P đm = 12 kW, điện áp đònh mức U đm = 220 V, n đm = 685 vg/ph, dòng điện phần ứng I ư = 63 A. Khi điện áp đặt vào động cơ giảm U = 180 V. Tính: a/ Công suất tiêu thụ của động cơ. b/ Công suất có ích của động cơ khi tốc độ động cơ giảm n = 550 vg/ph với U = 180 V. c/ Hiệu suất của động cơ khi điện áp đặt vào động cơ giảm. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 6 Biết: M cơ = đm đm P  (Nm); đm  = 60 n . 2 đm  (rad/s). Gợi ý: Quan hệ giữa các đại lượng điện trong động cơ như sau: P đm : công suất cơ trên đầu trục động cơ được ghi trên nhãn máy động cơ. Công suất điện động cơ tiêu thụ ở chế độ đònh mức: P 1 = U đm . I đm (W). Công thức quan hệ giữa công suất cơ và mômen cơ: M cơ = đm đm P  (Nm). Tốc độ góc ở trục động cơ là: đm  = 60 n . 2 đm  (rad/s). Sơ đồ mạch điện tương đương: E ư R ư R KT I I KT U DC n Trước hết tính mômen ở chế độ đònh mức, suy ra công suất có ích khi tốc độ giảm. Hiệu suất đònh mức: đm  % = 1 đm P P .100% P 1 : công suất điện cấp cho động cơ. Bài giải: a/ øCông suất điện động cơ tiêu thụ: P 1 = U . I đm = 180.63 = 11340 (W). b/ Mômen có ích ở chế độ đònh mức: M cơ = đm đm P  = đm đm n.2 P .60  = 685 . 2 10.12 .60 3  = 167,3 (Nm). Công suất cơ có ích khi n = 550 vg/ph: P 2 = M cơ .  = 167,3. 60 n . 2  = 167,3. 60 550.2  = 9635,8 (W). c/ Hiệu suất của động cơ khi n = 550 vg/ph là: đm  % = 1 2 P P .100% = 11340 8,9635 .100% = 0,85 . *** Bài tập tự giải: Bài 1: Máy phát điện một chiều có P đm = 95 kW, U đm = 115 V, tốc độ n đm = 2820 vg/ph, đm  = 0,792. Ở chế độ đònh mức, hãy tính: 1. Công suất cơ của động cơ sơ cấp kéo máy phát. 2. Dòng điện cung cấp cho tải. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 7 3. Mômen cơ của động cơ sơ cấp kéo máy phát. ĐS: a/ 120 kW. b/ I = 826 A. c/ 406 Nm. Bài 2: Động cơ điện một chiều điện áp đònh mức U đm = 220 V, dòng điện đònh mức I đm = 50,2 A, hiệu suất đònh mức đm  = 0,905. Ở chế độ đònh mức, hãy tính công suất động cơ tiêu thụ, công suất đònh mức và tổn hao công suất trong động cơ. ĐS: P đ = 11044 A; P đm = 9994 W; P  = 1050 W. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM . HỒ CHÍ MINH NĂM 2006 1 PHẦN I - MÁY I N MỘT CHIỀU Máy i n một chiều( MĐ1C) hiện ngày càng chiếm vò trí quan trọng trong sản xuất và đ i sống. Nó dùng làm động cơ i n, máy phát i n hoặc. G i ý: Quan hệ giữa các đ i lượng i n trong máy phát i n 1 chiều như sau: Công suất đònh mức ghi trên nhãn máy phát i n một chiều là công suất i n. Công suất i n của máy phát i n một. ở hai đầu ch i than có cực tính không đ i, ta có máy phát i n một chiều. Khi n i mạch ngo i (hai đầu ch i than v i t i Z) thì i n áp và dòng i n trên đó không thay đ i chiều. Nếu máy