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

133

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

MÁY ĐIỆN 1

2008


134

Chƣơng 5

MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
5.1. ĐẠI CƢƠNG
Mặc dù sử dụng phổ biến bộ biến đổi tĩnh và hệ thống điều khiển đã giảm đi
máy phát điện một chiều, nhưng nó vẫn cịn được sử dụng làm nguồn trong một
số lãnh vực đòi hỏi phải dùng máy phát điện một chiều làm nguồn như nhà máy
luyện thép, tàu phá băng, công nghiệp điện cơ và máy chải trong ngành dệt và
một vài hệ thống truyền động.
Sau đây ta sẽ nghiên cứu các đặc tính, sự vận hành và q 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 dịng điện kích từ It do nguồn
một chiều ngồi máy tạo ra, khơng phụ thuộc dịng điện phần ứng I ư 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 khơng điều khiển hoặc chỉnh lưu có điều khiển hoặc
nguồn accqui (nguồn E).
5.2.1. Mạch điện tƣơng đƣơng và các phƣơng trình cân bằng

Các phương trình của máy phát một chiều kích từ độc lập :
Phương trình dịng điện : I ỉ  I
Phương trình điện áp :
+ Mạch kích từ :
U t  E t  R mt I t
+ Mạch phần ứng : E æ  U  R mæ I æ  k E Φn
I

Iư
Rmư

Eư
ĐC sơ cấp

It

+
U

Tải

n

Rt

Nt

Et

_

Rđc

Hình 5.1 Mạch tương dương của máy phát kích từ độc lập

(5.1a)
(5.1b)
(5.1c)


135

Trong đó :

I = dịng điện phụ tải
E t = sđđ kích thích để tạo ra dịng kích từ.
R t = điện trở của dây quấn kích thích.
R âc = Biến trở để điều chỉnh dịng điện kích thích.
R t  R t  R âc : điện trở của mạch kích thích.
R mỉ = điện trở mạch phần ứng.

Chú ý: Khi khơng có điện trở điều chỉnh dịng điện kích từ Rđc thì điện trở dây
quấn kích từ là điện trở mạch kích từ.
Cho rằng máy khơng có từ dư và được thiết kế kích từ độc lập, từ thhong cực từ
có thể xác định là:

Φ
Trong đó:

N t It
μ

(5.2)

It = dịng điện kích từ (A)
Nt = số vịng dây của quấn trên một cực từ
 = từ trở của mạch từ (A-t/Wb)
 = từ thông cực từ (Wb)

Từ công thức (5.1c) và (5.2), ta có:



k E N t I t .n
μ

(5.3)

Chú ý, từ trở của vật liệu sắt từ không phải là hằng số, như vậy biểu thức (5.2) là
khơng tuyến tính.
Dịng điện trong cuộn dây kích thích được xác định từ định luật Ohm:

It 
Trong đó:

Et
R t  R đc

(5.4)

It = dịng điện kích từ (A)
Et = Sđđ nguồn kích thích (V)
Rt = điện trở của dây quấn kích thích ()
Rđc = điện trở điều chỉnh dịng điện kích thích ()

Từ biểu thức (5.4) cho ta thấy khi giảm điện trở kích từ làm tăng dịng 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 cơng 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. Dịng điện tải.
b. Điện trở mạch phần ứng


136

Bài giải
Công suất của tải P = 50kW = 50.000W, điện áp tải U = 125V.
Dòng điện tải là :

P 50.000

 400 A
U
125
Khi không tải, điện áp trên đầu cực mát phát U = sđđ phần ứng Eư.=137 V.
Điện trở mạch phần ứng :
I

Ræ 

E æ  U 137  125

 0,03 
I
400

5.2.2. Đặc tính khơng tải
Đặc tính khơng tải là quan hệ của đường cong giữa sđđ cảm ứng và dịng
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 I t = 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 khơng đáng kể. Điểm làm việc bình
thường của máy nằm trên đoạn chuyển tiếp vì nếu trên đoạn tuyến tính sđđ E ư sẽ
thay đổi nhiều theo dòng điện I t nên điện áp ra của máy bị dao động; còn trên
đoạn bão hòa dòng điện I t lớn 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 dịng điện kích từ để sđđ cảm khi không
tải là 290V, nếu được nối vào nguồn 240V.

Bài giải
Từ đường cong từ hóa hình 5.2, ta tìm được dịng điện kích từ để sđđ cảm ứng khi

khơng tải được 290V là 8,9A.
Dịng điện kích từ là :

It 

Et
E
 R đc  t  R đc
R t  R đc
It

R đc 

240
 10,4  16,57 Ω
8,9


137
350

C
B

300
Sđđ E (V)

Bão hịa

A

Chuyển tiếp

200

150

100
Tuyến tính

50

Edư
0

2

4

6

8

10

12

Dịng điện kích từ It (A)
Hình 5.2. Đường cong đặc tính khơng tải của máy phát điện một chiều

5.2.3. Đặc tính ngồi
Đặc tính ngồi 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 dịng điện kích
từ I t = const (hình 5.3).
Phương trình cân bằng điện áp của
của máy phát :

U

RưIư

E

1
Sụt áp do phản
ứng phần ứng

2

I

0
U  E ỉ  R mỉ I ỉ
(5.5)
Hình 5.3 Đặc tính ngồi máy phát DC
Khi dịng điện tải I tăng, nếu bỏ
qua phản ứng phần ứng thì sđđ Eư và
từ thơng  khơng đổi, nên điện áp U giảm xuống (hình 5.3, đường 1) do điện áp

138

rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng, cịn 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 khơng tải Uo và lúc có tải định mức Uđm với điều kiện
dịng điện kích từ bằng dịng điện kích từ định mức được qui định là độ biến đổi
điện áp định mức của máy phát một chiều :

U âm % 

U o  U âm
 100
U âm

(5.6)

Điện áp khơng tải có được bằng cách cho máy làm việc trong điều kiện định
mức rồi giảm tải dần về khơng, và quan sát thấy điện áp khơng tải.
VÍ DỤ 5.3
Máy phát điện một chiều kích từ độc lập có công suất định mức Pđm = 5kW,
điện áp Uđm = 125V, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,2.
a. Hãy tính dịng điện định mức và điện áp lúc khơng tải. Suy ra độ biến
đổi điện áp định mức của máy.
b. Tính điện áp khi máy phát làm việc bằng nửa tải. Cho là dịng kích từ và
tốc độ quay của máy không đổi.

Bài giải
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 :

I âm 

Pâm 5.000

 40 A
U âm
125

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:

U o  U âm
133 125
 100% 
 100%  6,4%
U âm
125
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 :
U âm % 

Khi máy phát làm việc bằng nửa tải thì dịng điện phần ứng lúc này Iư = 20A. Do
dịng 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


139

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:

Trong đó:

E ỉ  U  R mæ I æ

(5.7)

R mæ  R æ  R f  R b

(5.8)

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 ()
K

Iư
Rt

Rmư


It

Eư
ĐC sơ cấp P+B

U

I
Tải

n

+

Nt


Rđc

_

Ut
Hình 5.4 Mạch tương dương của máy phát kích từ độc lập có cực từ phụ và 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 khơng có dây quấn bù
Nếu máy phát điện một chiều như trên hình 5.4 được thiết kế khơng có dây quấn
bù nhưng có cực từ phụ, ta có phương trình cân bằng điện áp:

E æ  U  I æ (R ỉ  R f )

(5.9)

Cơng thức (5.9) khơng tính đến phản ứng phần ứng và sự bão hòa từ. Ảnh hưởng
của phản ứng phần ứng đến sđđ như trình bày trên hình 5.5. Trên hình 5.5, lúc
máy khơng tải, dịng điện kích từ thực It (Ft) sinh ra sđđ là Eưo. Khi máy có dịng
điện tải I, sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng là E ư = U + IưRư. Nếu Eư < Eưo,


140

tức là từ thông trong máy giảm do phản ứng phần ứng, mặc dù dịng điện kích từ
It vẫn khơng đổi. Vì vậy ta cho rằng, sđđ Eư cảm ứng trong máy là do dịng điện
kích thích hiệu dụng It.hd (Ft,hd) sinh
ra. Do vậy, phản ứng phần ứng được
E 
coi như làm khử một phần dịng điện
Eư0= U0
khích thích. Sự khác nhau giữa dịng
E
ư0
điện kích thích thực và dịng điện

kích thích hiệu dụng là do phản ứng
U + Iư.Rmư
Eư
phần ứng và có dịng điện kích từ
tương ứng It.pư. (Ft,pư)
Do đó ta có :

It.pư

It.hd = It - It.pư

(5.10a)

Ft.hd = Ft - Ft.pư

(5.10b)

Trong đó It.pư (Ft,pư) là dịng điện
kích từ tương ứng với phản ứng
phần ứng.

It(A)

0

It.hd

It

Hình 5.5 Ảnh hưởng phản ứng phần ứng

5.2.4. Đặc tính điều chỉnh
Đó là quan hệ giữa dịng điện kích từ và
dịng điện tải It =f(I) khi giữ điện áp và tốc
độ máy phát khơng đổi, được trình bày trên
hình 5.6. Để giữ cho điện áp máy phát khơng
đổi khi tải tăng, phải tăng dịng điện kích từ
It, như vậy dịng điện kích từ tăng là để bù lại
phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên dây
quấn phần ứng.

It
It0

I

Hình 5.6 Đặc tính điều chỉnh

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 vịng của dây quấn kích thích Nt = 1200vịng/cực từ, dịng kích từ là
6,7A (đặc tính khơng tải của máy hình 5.3, ứng với tốc độ 1000vịng/ph).
Máy đang vận hành thành máy phát kích từ độc lập với dịng 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 dịng kích từ là 0,6A:
a. Xác định điện áp trên đầu cực máy phát ?
b. Xác định dịng điện kích từ, cho rằng điện áp trên đầu cực máy phát

khi tải định mức là 240V.


141

Bài giải
1. Xét khi bỏ qua phản ứng phần ứng lúc dòng điện định mức ?
Dòng điện định mức của máy là :

Pâm 12000

 50 A
U âm
240
Từ đặc tính khơng tải của máy hình 5.3, khi It = 6,7A, ta có Eư = 250V
I âm 

Điện áp trên đầu cực máy phát khi dòng điện định mức:
U = Eư - Rư Iđm = 250 - 0,24 x 50 = 238 V
2. Xét khi có phản ứng phần ứng:
Dịng điện kích từ hiệu dụng :
It.hd = It – It.pư = 6,7 - 0,6 = 6,2 A
Từ hình đặc tính khơng tải trên 5.3 với dịng điện kích từ 1,84 A, ta có Sđđ Eư =
240V.
Điện áp trên đầu cực máy phát khi tải dòng điện tải định mức :
Uđm = Eư - Rư Iđm = 240 - 0,24 x 50 = 228 V
Sđđ cảm ứng trong máy khi tải định mức và điện áp U = 240V :
Eư = Uđm + Rư Iđm = 240 + 0,24.50 = 252 V
Từ đặc tính khơng tải trên hình 5.3, với Sđđ Eư = 252V, ta có dịng điện kích từ
hiệu dụng là:

It.hd = 6,9 A,
Dịng 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 = 900vịng/ph, Rư = 0,00243, Rf = 0,0008 khơng 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 = 1020vịng/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.


142

Bài giải
1. Điện áp khơng tải
Dịng điện định mức của máy là :

I âm 

Pâm 300000

 1250 A

U âm
240

280
255

Sđđ E ư(V)

240

160

K

Iư
Rmư
n



It

I
Tải

120

+

Rt

U

Eư
80

Rđc

P

_

Ut =120V

40

Edư
0

1

2

3

4

5

Stđ Ft (At/cực từ x 1000)

Hình 5.7. Đường cong từ hóa và sơ đồ mạch điện của VD 5.5

Điện áp trên đầu cực máy phát khi dòng điện định mức:
Eư = U + Rmư Iđm = 240 + 0,0,00323 x 1250 = 243,9 V
Với
Rmư = Rư + Rf = 0,00243 + 0,0008 = 0,00323
Từ đặc tính hình 5.7, khi Eư = 243,9V, ta có Ft = 5100A-t/cực từ

6


143

Ft.hd = Ft - Ft.pư = Ft (1- 0,121)

5100
 5802 A-t/cực từ
1  0,121
Từ đặc tính của máy trên hình 5.7, khi Ft = 5802A-t/cực từ, ta có Eư = 255V. Như
vậy điện áp không tải:
U0 = Eư0 = 255V


Ft 

2. Độ biến đổi điện áp định mức:
Ta có:

ΔU âm % 

U o  U âm
255  240
100 
100  6,25%
U âm
240

3. Điện trở điều chỉnh dịng kích từ:

Ft  N t I t  I t 
It 

Ft 5802

 5,69 A
N t 1020

Ut
U
 R đc  t  R đc
R t  R đc
It

R đc 

120
 18,1  3,0 Ω
5,69

5.3. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG

5.3.1. Mạch điện tƣơng đƣơng và các phƣơng 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 t được lấy từ mạch phần ứng,
như vậy U t  U .
Các phương trình cân bằng của máy phát kích thích song song:
Iỉ  It  I
Phương trình dịng diện :
(5.11a)
Mạch phần ứng :
(5.11b)
U  E ỉ  R mỉ I ỉ
Mạch kích thích :

U t  R mt I t  (R t  R đc )I t

(5.11c)

5.3.2. Quá trình thành lập điện áp và Điều kiện tự kích
Giả thiết trên hình 5.8a, cơng tắc ở mạch kích từ mở, máy phát quay với tốc
độ định mức ở tình trạng khơng tải (I = 0) và khơng được kich từ (It = 0). Nhờ có
từ dư  dỉ máy phát sẽ có sđđ cảm ứng E dỉ là 7V trên đầu cực của máy, như
trình bày ở đường cong từ hóa trên hình 5.8b. Khi cơng 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 dịng kích thích It = 0,6A, dịng điện nầy tạo ra từ
thơng  t cùng chiều với  dỉ . Lúc đó từ thông cực từ    t   dæ tăng lên,
sđđ Eư tăng lên 13V như trên đường cong từ hóa. Điện áp 13V tạo nên dịng kích


144

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 hịa từ và điện trở của mạch kích từ.
2. Nếu Edư = 7V tạo ra dịng kích thích It = 0,6A, mà dịng điện nầy tạo ra từ
thơng  t ngược chiều và triệt tiêu  dæ , tức là từ thông cực từ    t   dæ
giảm và sđđ Eư của máy sẽ giảm dần về khơng và máy khơng tự kích được.

K

Rmư
n

Rt

+
Eư

ĐC sơ cấp

P+B

KTs


It

+
Cực

đầu
ra
_

Sđđ phần ứng Eư

(a)

E=f(It)
(Đườngcong
từ hóa)

M
Điểm làm việc

U=RmtIt
(Đường thẳng
điện trở)
19
Edư

13
7
0

Dịng điện kích từ It
0,6

1,6
1,1

(b)

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


145

Giả sử máy đã tự kích được và chưa mang tải, bỏ qua điện áp rơi trên mạch
phần ứng vì dịng điện kích từ nhỏ, lúc đó E và It chính là nghiệm của hệ sau
(hình 5.9):
E = f(It)
(5.12a)
U = E = RmtIt = (Rt+ Rđc) It
(5.12b)

Đường E = f(It) là đặc tính khơng 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 khơng tải ứng với điện trở kích thích tới hạn R t.th, lúc đó
điện áp khơng ổn định. Nếu tiếp tục tăng điện trở mạch kích thích, máy sẽ
làm việc với sđđ Edư.
Rt3

Eư

Rt.th

Rt1

M

E
E=f(It)

ĐC
sơ cấp

n

0

U
Eư

It

+

Rt

+

U=RmtIt
Edư

Rđc

Rmư

P+B

It

KTs


It

_

(b)
(a)

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

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 dịng kích từ khi điện áp trên đầu cực
máy phát lúc không tải bằng điện áp máy phát lúc tải định mức ?
3. Xác định trị số điện trở tới hạn Rth của mạch kích thích ?

146

Bài giải
1. Xác định điện áp trên đầu cực máy phát khi dịng kích từ định mức :
E(V)
100
Rđc

It

0,1.
Rt

80

85

+

Iư

Rt.th

111V

M

U

Rt=80

+

Eư
KTs

111V

U=RtIt

_

Edư
(a)

It(A)

0

0,5

1,0

1,4

(b)

Hình VD 5.6

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 :

R mt 

U 100

 100 Ω = Rt + Rđc
It
1

Điện trở điều chỉnh ở mạch kích từ :
Rđc = Rmt - Rt = 100 - 80 = 20 
3. Xác định trị số điện trở tới hạn Rt.th
Từ gốc tọa độ đặc tính khơng tải của hình V 5.5b, ta vẽ đường thẳng tiếp tuyến
phát xuất từ gốc tọa độ tiếp xúc với đoạn tuyến tính. Từ dịng kích từ 0,5 A, tìm
được điện áp 85 V trên đường thẳng này. Vậy trị số điện trở tới hạn là :

R t.th 

U 85

 170 Ω

I t 0,5

Điện trở điều chỉnh ở mạch kích từ :
Rđc = Rt.th - Rt = 170 - 80 = 90 


147

Ảnh hƣởng của tốc độ đến sự thành lập điện áp
E(V)

Đường cong từ
M
hóa tốc độ cao
Đường thẳng điện trở

Đường cong từ hóa
tốc độ thấp
Edư

It(A)

0

0,5

1,0

1,4

Hình 5.10 Ảnh hưởng 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.
VÍ DỤ 5.7
Đường cong từ hóa của một máy phát điện một chiều kích từ song song 125V,
50kW, 1750 vịng/phút được trình bày trên hình VD 5.7. Điện áp khơng tải khi
Rđc = 0 là 156V. Hãy xác định (a) trị số điện trở dây quấn kích thích Rt; (b) điện
trở điều chỉnh dịng kích từ sẽ cung cấp cho máy khi điện áp không tải 140V; (c)
sđđ phần ứng nếu trị số điện trở tới hạn Rth của mạch kích thích là 14,23; (d)
điện trở điều chỉnh dịng kích từ để có điện trở tới hạn; (e) sđđ phần ứng khi tốc
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 vịng/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, dịng điện kích thích để có sđđ phần ứng
156V là 4,7A. Như vậy:

Rt 

E ỉ 156


 33,19 Ω
It
4,7


148

160
Đường thẳng
điện trở Rth

1750vg/ph

140
Tốc độ giảm
80%

Sđđ E ư(V)

120

80
Đường thẳng
điện trở, Rđc=0
60

40

20
Edư

0

1

3

2

4

5

6

Dịng điện kích thích It (A)
Hình VD 5.7. Đường cong từ hóa và đường thẳng điện trở VD 5.7

b. Xác định điện trở điều chỉnh dịng kích từ:

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

It 


E
 R đc  æ  R t
R t  R đc
It

R đc 

140
 33,19  10,56 Ω
3,2


149

c. Sđđ phần ứng của máy phát:

R mt  R t  R đc  33,19  14,23  47,42 Ω
Điện áp làm việc xác định từ giao điểm của đặc tính từ hóa và đường thẳng điện
trở mới trên hình VD 5.7. Như vậy, sử dụng hai điểm điện áp tùy ý (0 và 100V),
tương ứng dịng điện kích thích:

It 


0

 0A
R t  R đc 47 ,42

It 


100

 2,10 A

R t  R đc 47 ,42

Vẽ đường thẳng qua hai điểm (0A,0V) và (2,1A,100V) sẽ cắt đường cong từ hóa
tại điểm 130V.
d. Điện trở điều chỉnh dịng kích từ để có Rth của máy phát:
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 dịng điện kích từ. Như vậy:
Eư = 140V;

It = 2,35A

R th  R mt 

E æ 140

 59,6 Ω
It
2,35

R đc  R th  R t  59,6  33,19  26,41 Ω
e. Sđđ phần ứng khi điện trở điều chỉnh Rđc =0 và tốc độ giảm còn 80%:
Đường thẳng điện trở như trường hợp câu (a). Ta phải vẽ được đường cong từ
hóa mới với tốc độ giảm cịn 80%. Ta biết rằng sđđ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ quay
và dịng điện kích từ, nhưng It ở đây khơng đổi, cịn 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 cịn 80%. Như vậy:
Eư ở tốc độ 80% = 0,8 x Eư ở tốc độ định mức
Do đó:
Dịng kích từ

Sđđ cảm ứng Eư (v)

(A)

Tốc độ nđm

80% tốc độ nđm

4,50

155

124

3,95

150

120

3,20

140

112

2,70

130

104

Dựa vào bảng số liệu ta vẽ đường đặc tính mới trên hình VD 5.7. Giao nhau của
của đường cong từ hóa và đường thẳng điện trở khi tốc độ cịn 80% là điểm có
sđđ 116V.


150

f. Điện trở điều chỉnh Rđc khi chuyển về kích từ độc lập :
Từ đường cong từ hóa tốc độ 1750vg/ph, sđđ 140V thì dịng It = 3,2A.

It 


E
 R đc  æ  R t
R t  R đc
It

R đc 

120
 33,19  4,31 Ω
3,2

Các tham số khác ảnh hƣởng 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 cịn 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 thơng do dịng 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 thơng 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 thơng 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 khơng 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 dịng kích từ ngược
nên từ thơng 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
khơng 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 dịng kích từ cũng
ngược nên từ thơng 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 ngồi 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.

151

A1

F1

+
dư
n

t

Cực
từ

Bình thƣờng
Sự thành lập điện áp
đúng Cực tính

Cực
từ

Kích từ nối ngƣợc
Điện áp thành lập
giảm dần về không

_
A2

F1

(a)

A1

F1

+
dư
n

t

_
F1

A2
(b)

A1

dư

n

A2

F1

_

Cực
từ

t

Rotor quay ngƣợc
Điện áp thành lập
giảm dần về không

+
F1

(c)

A1

dư

n

A2
(d)

F1

_

Cực

từ

t

Từ dƣ ngƣợc lại
Điện áp thành lập
ngược cực tính

+
F1
Hình 5.11 Ảnh hưởng các hệ số khác đến sự
thành lập điện áp


152

5.3.3. Đặc tính ngồi
Đó là đường cong quan hệ giữa điện áp trên đầu cực máy với dòng điện phụ
tải U = f(I), khi n = const, Rt = const. Khi dòng điện tải I tăng, điện áp U giảm,
khiến It và Eư giảm theo nên điện áp U giảm nhiều hơn so với kích từ độc lập.
Trên hình 5.12, ta vẽ đặc tính ngồi kích từ song song chung với kích từ độc lập
để tiện so sánh.
U
Uđm

Uđm

1
2
Po

Id

I

Iđm

Ith

Hình 5.12 Đặc tính ngồi của máy phát một chiều
1. Kích từ độc lập; 2. Kích từ song song.

ư

Điểm đặc biệt của máy phát kích từ song song là dịng điện tải chỉ tăng đến
một trị số nhất định I = Ith sau đó nếu tiếp tục tăng tải thì dịng điện I không tăng
mà giảm nhanh đến trị số Io xác định bởi từ dư trong máy, điểm P. Sở dĩ như vậy
là do máy làm việc trong tình trạng khơng bão hịa ứng với đoạn thẳng của đặc
tính từ hóa, dịng điện It giảm sẽ làm cho E và U giảm rất nhanh. Điện áp U giảm
nhanh hơn dòng It đưa lại kết quả là dòng tải I giảm đến Io. Như vậy sự cố máy
phát kích từ song song khơng gây nguy hiểm như máy phát kích từ độc lập.
5.3.4. Đặc tính điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp ra trên đầu cực
máy phát, ta phải điều chỉnh dịng điện kích
từ, đường đặc tính điều chỉnh của máy phát
kích từ song song It = f(I), khi điện áp U và
tốc độ quay n khơng đổi được vẽ trên hình
5.13. Khi tăng tải điện áp trên trên đầu cực
máy phát giảm do phản ứng phần ứng và
điện áp rơi trên dây quấn phần ứng, muốn
điện áp ra không đổi ta phải tăng dịng điện

kích từ.

It
It0

I
Hình 5.13 Đặc tính điều chỉnh

5.4. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ NỐI TIẾP
Hình 5.14 là mạch điện dương đương của máy phát điện kích từ nối tiếp.
Dịng điện kích từ cũng chính là tải I, do đó khi tải thay đổi, U thay đổi rất nhiều,
trong thực tế gần như khơng sử dụng máy phát kích từ nối tiếp.


153

Trên hình 5.15 trình bày dạng đặc tính ngồi máy phát kích từ nối tiếp và
được giải thích như sau : khi tăng tải, dịng điện Iư tăng, từ thơng  và E ỉ tăng,
do đó U tăng, khi I = (2  2,5)Iđm, mạch từ máy bão hịa, thì I tăng và U sẽ giảm.
U

Iư
Rmư

+

KTn
Eư

U

I
R

_

Hình 5.14 Mạch tương đương của
máy phát kích từ hỗn hợp

I

Hình 5.15 Đặc tính ngồi

5.5. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP
5.5.1. Mạch điện tƣơng đƣơng phƣơng trình cân bằng
Theo hình 5.12, ta thấy điện áp của máy phát kích từ song song giảm nhiều
khi tải tăng. Để khắc phục, ta quấn thêm một cuộn kích từ trên cực từ chính, nó
có thể mắc nối tiếp với tải hoặc với mạch phần ứng, gọi là dây quấn kích từ nối
tiếp. Tùy theo dịng điện chạy qua cuộn dây này là dòng điện tải I (hình 5.16a)
hoặc dịng phần ứng Iư (hình 5.16b), tương ứng ta có phát kích từ hỗn hợp nối
ngắn hoặc nối dài.
Từ mạch điện tương đương hình 5.16, ta có các phương trình cân bằng như
sau:
 Nối ngắn (hình 5.16a) :
I æ  I t  I ; I tn  I
(5.13a)
E æ  I æ R æ  IR tn  U
(5.13b)
(5.13c)

U t  R t I t  I tn R tn  U
 Nối dài (hình 5.16b) :
I æ  I t  I ; I tn  I ư
E æ  I æ (R æ  R tn )  U
U t  R t It  U

(5.14a)
(5.14b)
(5.14c)

Chú ý : Nếu dịng điện kích thích song song It và nối tiếp Itn tạo ra các từ
thông  s và  n cùng chiều thì từ thơng tổng của mỗi cực là    s   n , ta có
máy phát kích thích hỗn hợp nối thuận, còn ngược lại,    s   n ta có máy
kích thích hỗn hợp nối ngược. Sđđ trong biểu thức (5.7b) và (5.8b) khi bỏ qua
phản ứng phần ứng là :

E æ  K E n  K E n( s   n )
(5.15)
trong đó:  s phụ thuộc dịng điện kích thích song song It và  n phụ thuộc dịng
điện kích thích nối tiếp Itn mà Itn bằng dòng điện của tải I, tức là phụ thuộc dòng
điện phụ tải.


154
It
Iư
Rmư

Rđc

KTs

+

I

KTn
R

U

Eư

_
(a)

It
+

Iư
Rđc

Rmư

KTn
U

KTs

I

R

Eư
_

P+B
(b)

Hình 5.16 Mạch tương dương của máy phát kích từ hỗn hợp
a. Nối ngắn; b. Nối dài

Nếu xét đến phản ứng phần ứng, ta biết rằng cả hai stđ kích thích nối tiếp
Ftn và kích thích song song Ft đều đặt trên cực từ chính, nên sức từ động hiệu
dụng trên một cực từ :

Ft.hd  Ft  Ftn  Ft.pæ

(5.16)

N t I t .hd  N t I t  N tn I tn  N t I t .pỉ

(5.17)

trong đó: Nt = số vịng của dây quấn kích từ song song.
Ntn = số vịng của dây quấn kích từ nối tiếp
Ft.pæ = stđ của phản ứng phần ứng qui đổi về stđ cực từ.
Từ biểu thức (5.17), ta có :

I t .hd  I t 

N tn
I tn  I t .pỉ
Nt

(5.18)

5.5.2. Đặc tính ngồi
Đó là đường cong quan hệ U = f(I), khi n = const, Rt = const. Gọi U0 là điện
áp lúc không tải và Uđm là điện áp đầy tải. Từ các phương tình (5.13b) và (5.15),
ta thấy khi dòng điện tải I tăng, điện áp U thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của  n
so với  s tức là phụ thuộc vào số vịng dây Ntn của cuộn kích từ nối tiếp.
Hình 5.17 trình bày các dạng đặc tính ngồi của máy phát kích từ hỗn hợp với:


155

1. Kích từ hỗn hợp nối thuận: có ba trường hợp xảy ra: bù thiếu, khi tăng tải
điện áp trên đầu cực máy giảm một ít; bù đủ, điện áp máy phát không thay đổi
mấy khi tăng tải; bù thừa, loại nầy dùng để cung cấp điện cho những phụ tải xa
nguồn, vì độ tăng điện áp ở đầu ra bù vào sụt áp trên đường dây tải điện.
2. Kích từ hỗn hợp nối ngược: do nối ngược nên từ thông tổng giảm nhiều
khi tải tăng nên điện áp ra U giảm rất nhanh.

U
Hỗn hợp thừa

Uđm
Hỗn hợp vừa
Hỗn hợp thiếu

Hỗn hợp ngược

I
0

Hình 5.17 Đặc tính ngồi của máy phát một
chiều kích từ hỗn hợp

Iđm

VÍ DỤ 5.8
Một máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp nối ngắn (Hình 5.12a) có số liệu
Pđm = 50kW, Uđm = 250V, Rư = 0,012, Rtn = 0,01, Rt = 126. Tính sđđ của
máy khi máy phát công suất định mức.

Bài giải
Công suất Pđm = 50kW = 50.000W, điện áp tải Uđm = 250V.
Dòng điện định mức của máy là :

I âm 

Pâm 50.000

 200 A
U âm
250

Điện áp trên mạch kích thích khi tải định mức: (nối ngắn)
Ut = Rtn Iđm + Uđm = 0,01. 200 + 250 = 252 V

Dịng điện kích thích :

It 

U t 252

2A
R t 126

Dòng điện trong mạch phần ứng :
Iư = Iđm + It = 200 + 2 = 202 A
Sđđ cảm ứng trong máy khi tải định mức :


156

Eư = Uđm + Rư Iư + Rtn Iđm = 250 + 0,05. 202 + 0,01.200 = 254 V
   

CÂU HỎI ƠN TẬP
1. Tìm ngun nhân khiến máy phát điện một chiều kích từ song song khơng
thể tự kích và thành lập được điện áp?
2. Nếu điện trở mạch kích từ Rmt nhỏ hơn điện trở tới hạn Rt.th và n < nđm thì
trong q trình từ kích phát điện một chiều kích từ song song, điện áp đầu
cực của máy sẽ ra sao? Trong trường hợp như thế nào máy sẽ khơng tự kích
được?
3. Ảnh hưởng của tốc độ quay máy phát đến quá trình thành lập điện áp như thế
nào?
4. Nếu máy phát điện một chiều kích từ song song mất từ dư thì phải làm cách
nào để tạo lại từ dư?

5. Cho biết các nguyên nhân làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm? Các biện
pháp nào để khắc phục tình trạng này.
6. Có thể đổi cực tính của máy có dây quấn kích thích khơng? Muốn đổi thì
phải làm thế nào?
7. Cho biết sự khác nhau giữa máy phát kích từ hỗ hợp nối thuận và nối ngược?
Tình trạng ứng dụng của máy phát kích từ hỗ hợp nối ngược?
8. Giải thích tại sao sự thay đổi tốc độ có liện quan đến mức độ hỗn hợp của
máy phát kích từ hỗ hợp?

   


157

BÀI TẬP
Bài số 5.1. Một máy phát điện một chiều lúc quay khơng tải ở tốc độ n =
1000Vg/ph thì sđđ phát ra bằng Eo = 222 V. Hỏi lúc không tải muốn phát ra sdđ
định mức Eođm = 220V thì tốc độ lúc này phải bằng bao nhiêu khi giữ dịng điên
kích từ khơng đổi ?
Đáp số : nođm = 990Vg/ph
Bài số 5.2. Một máy phát điện một chiều kích từ độc lập Uđm = 220V, nđm =
1000vg/ph. Biết rằng ở tốc độ n = 750vg/ph thì sđđ lúc khơng tải Eo = 176V.
Hãy tìm sđđ và dịng điện phần ứng lúc tải định mức, biết rằng điện trở phần ứng
là Rư = 0,4  ?
Đáp số : Eưđm = 234,6 V ; Iư.đm = 36,5 A.
Bài số 5.3. Một máy điện phát một chiều kích từ song song có Pđm = 10kW, Uđm
= 250V, nđm = 1000vg/ph, Rmư = 0,2 và điện trở dây quấn kích từ Rt. = 133.
Bảng số liệu đường cong từ hóa (đặc tính không tải) sau đây là máy đang quay ở
tốc độ 1000vg/ph.
It (A)

Eư (V)

0,0
10

0,1
40

0,2
80

0,3
120

0,4
150

0,5
170

0,75
200

1,0
220

1,5
245

2,0

263

a. Xác định điện áp máy phát khi khơng có dịng kích từ ?
b. Xác định điện trở tới hạn mạch kích từ ?
c. Xác định điện trở điều chỉnh Rđc ở mạch kích từ, nếu khi khơng tải có điện
áp trên đầu cực máy phát là 250V ?
d. Xác định trị số điện áp của máy phát khi không tải và quay ở tốc độ n=
800vg/ph và Rđc = 0 ?
e. Xác định tốc độ quay của máy phát khi khơng tải, lúc này có điện áp 200V
và Rđc = 0 ?
Đáp số : (a) 10V; (b) 400 ; (c) 33; (d) 200V; (e) 800vg/phút
Bài số 5.4. Một máy phát điện một chiều tự kích có Pđm = 10kW, Uđm = 250V,
tốc độ khi tải định mức nđm = 1000vg/ph, Rmư = 0,2 và điện trở dây quấn kích
từ song song Rt = 133. Tổn hao quay là 500W. Bảng số liệu đường cong từ hóa
(đặc tính không tải) sau đây là máy đang quay ở tốc độ 1000vg/ph như bài tập
5.3.
a. Xác định sđđ Eư máy phát ?
b. Xác định moment điện từ ?
c. Xác định dịng điện trong mạch kích từ, nếu bỏ qua phản ứng phần ứng ?
d. Xác định hiệu suất máy ?
Đáp số : (a) 258V; (b) 98,55Nm .(c) 1,86A; (d) 88,12% .
Bài số 5.5. Một máy phát kích từ độc lập 150kW, 250V, 1750 vịng/phút khơng
có dây quấn bù có các thông số sau: Rmư = 0,0072, Rt = 18,6, Nt = 1491
vịng/cực. Mạch kích từ được cấp từ nguồn 120V và đường cong từ hóa như trên