DC Generator 618 221 Basic Electric Machines อ.กิตติธัช พาพลเพ็ญ สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และระบบคอมพิวเตอร์ ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ และเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยศิลปากร

DC Generator
Introduction
Equivalent circuit of DC Generator
Types of DC Generators
Separately excited generator
Shunt DC Generator
Series DC Generator
Compound DC Generator


Cumulatively Compound DC Generator
Differentially Compound DC Generator

Introduction
DC Generator คือ DC Machine ทีKทาํ

หน้ าทีเK ป็ นเครืKองกําเนิดไฟฟ้า
DC Generator -> แปลง กล -> ไฟฟ้า พิจารณาเอาท์ พทุ ทีเK ป็ นไฟฟ้า: Voltage Regulation = VR =

Vnl − V fl V fl

×100%

Equivalent circuit of DC Generator

Equivalent circuit of DC Generator ยุบ Radj และ RF เป็ น RF ตัวเดียวทีปK รับค่าได้

ไม่ คดิ แรงดันตกคร่ อมแปรงถ่ าน

วงจรสมมูลอย่ างง่ าย

DC Generator Separately excited generator
Shunt generator
Series generator
Compounded generator


 

Cumulatively compounded generator Differentially compound generator

Separately excited generator

KVL@loop IF:

KVL@loop IA:

VF IF = RF

VT = E A − I A RA

I A = IL

Terminal Characteristic of a Separately excited generator VT = E A − I A RA

มีขดลวดชดเชย

ไม่ มีขดลวดชดเชย

Armature reaction (AR) คือ อะไร

Armature reaction (AR)

Armature reaction (AR)

Control of Terminal Voltage





เปลียK นความเร็วของการหมุน ω 

E A = Kφω ↑



VT = E A ↑ − I A RA

เปลียK นกระแสสร้ างสนามแม่ เหล็ก IF 

I F = VF / RF ↓⇒ I F ↑⇒ φ ↑



E A = Kφ ↑ ω



VT = E A ↑ − I A RA

Control of Terminal Voltage

ลดค่ า RF

Nonlinear Analysis of a Separately excited generator


ผลของ AR ทําให้  ℑnet = N F I F − ℑAR

ℑ AR I = IF − NF

equivalent field current
ความสั มพันธ์ ของความเร็วกับแรงดันเหนีKยวนําทีเK ครืKอง กําเนิดไฟฟ้าสร้ างขึนd มา 

* F

EA n = E A0 n0

Example 9-9


Separately excited dc generator มีพกิ ดั อยู่ทีK 172 kW 430 V 400 A และ 1800 rpm

Example 9-9






(a) ถ้ า Radj = 63 Ω และตัวขับกําลังทางกลหมุนด้ วยความเร็ว 1600 rpm จงหา แรงดันทีปK ลายขัdวทีสK ภาวะไม่ มโี หลด (b) แรงดันทีปK ลายขัdวจะมีค่าเท่ าใดถ้ าต่ อโหลดทีKมกี ระแสเท่ ากับ 360 A สมมติ ว่ า generator มีขดลวดชดเชย (c) แรงดันทีปK ลายขัdวจะมีค่าเท่ าใดถ้ าต่ อโหลดทีมK ีกระแสเท่ ากับ 360 A โดยทีK generator ไม่ มขี ดลวดชดเชย และ mmf จาก AR มีค่าเท่ ากับ 450 A.turns (d) เมือK ต่ อโหลดแล้ว ทําอย่างไรแรงดันจึงจะมีค่าเท่ ากับแรงดันในขณะไม่ มี โหลด (e) IF มีค่าเท่ าใดจึงจะรักษาระดับแรงดันให้ มคี ่ าเท่ ากับตอนไม่ มโี หลดได้ (generator มีขดลวดชดเชย) และต้ องปรับ Radj เป็ นเท่ าใดจึงได้ ค่า IF ตามทีK ต้ องการ

Example 9-9


(a) เมืKอปรับ Radj = 63 Ω ความต้ านทานรวมทีวK งจรสร้ าง สนามแม่ เหล็กมีค่าเท่ ากับ RF + Radj = 20 Ω + 63 Ω = 83 Ω

KVL@loop IF:

IF =

IF

VF 430 V = = 5.2 A Radj + RF 83 Ω

I F = 5.2 A, E A0 = 430 V, @ speed 1800 rpm

@ speed 1800 rpm ⇒ E A = 430 V 430 V )(1600 rpm ) ( @ speed 1600 rpm ⇒ E A = = 382 V (1800 rpm )

KVL@loop IL: @noload:

VT = E A − I A RA I A = 0 ⇒ VT = E A = 382 V

(b) ต่ อโหลดทีกK นิ กระแสเท่ ากับ 360 A

KVL@loop IL:

VT = E A − I A RA

@load IA = 360 A: VT = 382 V − ( 360 A )( 0.05 Ω ) = 364 V

(c) ต่ อโหลดทีกK นิ กระแส 360 A และเกิด AR ทีมK คี ่ าเท่ ากับ 450 A.turns ดังนัdน I * = I − ℑAR = 5.2 A − 450 A ⋅ turns = 4.75 A F

F

NF

1000 turns

I F* = 4.75 A, E A0 = 410 V, @ speed 1800 rpm

@ speed 1800 rpm ⇒ E A = 410 V 410 V )(1600 rpm ) ( @ speed 1600 rpm ⇒ E A = = 364 V (1800 rpm )

KVL@loop IL:

VT = E A − I A RA

@load IA = 360 A: VT = 364 A − ( 360 A )( 0.05 Ω ) = 346 V

(d) @noload: VT = E A = 382 V @load IA = 360 A No AR: VT = 364 V

KVL@loop IL:

VT = E A − I A RA

ต้ องการแรงดัน VT ให้ เหมือนเดิม โดยทีเK ครืKองกําเนิดไฟฟ้ายังคงหมุนด้ วย ความเร็วเท่ าเดิม: VT = E A ↑ − I A RA E A = Kφ ↑ ω ⇒ I F = VF / RF ↓⇒ I F ↑⇒ φ ↑

ดังนัdนจึงต้ องปรับให้ RF มีค่าลดลง

(e) ต้ องปรับ RF ให้ มคี ่ าเท่ าใดจึงจะรักษาระดับแรงดันไว้ ได้ ระดับแรงดันทีตK ้ องการรักษาไว้ : VT = 382 V

KVL@loop IL:

VT = E A − I A RA

E A = VT + I A RA = 382 V + ( 360 A )( 0.05 Ω ) = 400 V @ speed 1600 rpm

@ speed 1600 rpm ⇒ E A = 400 V 400 V )(1800 rpm ) ( @ speed 1800 rpm ⇒ E A = = 450 V (1600 rpm )

E A0 = 450 V, I F = 6.15 A, @ speed 1800 rpm

IF

KVL@loop IF:

VF IF = Radj + RF Radj

VF + RF = IF

VF RF = − Radj IF

430 V RF = − 20 Ω = 49.9 Ω ≈ 50 Ω 6.15 A

The Shunt DC Generator A

KCL@node A: I A = IF + IL

KVL@mesh IA: VT = E A − I A RA

KVL@mesh IF: VT IF = RF

ข้ อดี: ไม่ มีแหล่งจ่ ายจากภายนอกจ่ ายไฟ DC ให้ กบั วงจรสร้ างสนามแม่ เหล็ก สร้ างฟลักซ์ แม่ เหล็กในตอนเริKมสตาร์ ทได้ อย่ างไร?

Voltage Buildup in a Shunt Generator


ต้ องมีฟลักซ์ แม่ เหล็กตกค้างในขัdวแม่ เหล็กก่ อน

E A = Kφres ↑ ω

I F = VT ↑ / RF

E A = Kφ ↑ ω

VT = E A ↑ − I A RA

Voltage Buildup in a Shunt Generator


สาเหตุททีK าํ ให้ ไม่ สามารถ voltage buildup ได้ คือ  ไม่ มี φres ในขัdวแม่ เหล็ก แก้ ไขด้ วยวิธี “flashing the field”  Generator หมุนกลับทิศทาง ทําให้ φ มีค่าน้ อยมาก แก้ ไข โดยให้ generator หมุนกลับทิศเดิมโดยสลับวงจรสร้ าง สนามแม่ เหล็กหรือทํา flashing the field  RF มีค่าเกินค่ า R วิกฤต แก้ ไขโดยลดค่ า RF ลง

Voltage Buildup in a Shunt Generator R วิกฤต

Terminal Characteristic of a Shunt Generator ช่ วงแรก: เพิมK โหลด IL เพิมK ช่ วงสอง:

VT ลดลง

IF =

I A = IF + IL ↑ VT ↓ RF

E A = Kφ ↓ ω

VT = E A − I A ↑ RA VT = E A ↓ − I A RA

load

VR มากกว่ า VR ของ separately excited generator

Voltage Control of a Shunt Generator





เปลียK นความเร็วของการหมุน ω 

E A = Kφω ↑



VT = E A ↑ − I A RA

เปลียK นกระแสสร้ างสนามแม่ เหล็ก IF 

I F = VF / RF ↓



E A = Kφ ↑ ω



VT = E A ↑ − I A RA

The Series DC Generator

I A = IS = IL

KVL@mesh IA: VT = E A − I A ( RA + RS )

The Terminal Characteristic of a Series DC Generator load

The Cumulatively Compound DC Generator Cumulatively Compound Short-shunt

Cumulatively Compound Long-shunt

The Cumulatively Compound DC Generator A

mmf เสริมกัน: ℑnet = ℑF + ℑSE − ℑ AR N F I F* = N F I F + N SE I A − ℑ AR N SE ℑ AR I = IF + IA − NF NF * F

Cumulatively Compound Long-shunt KCL@node A: I A = IF + IL

KVL@mesh IA: VT = E A − I A ( RA + RS )

KVL@mesh IF:

IF =

VT RF

The Terminal Characteristic of a Cumulatively Compound DC Generator เมืKอโหลดเพิมK ขึนd IL เพิมK : 1.

I A = I F + I L ↑⇒ I A ↑

VT = EA − I A ↑ ( RA + RS ) VT ↓

2.

ℑSE = N SE I A ↑

load

ℑtot = N F I F + N SE I A ↑

VT = E A ↑ − I A ( RA + RS ) VT ↑

ทัdง 2 กรณีมที ศิ สวนทางกัน กรณีไหนมีผลกระทบมากกว่ า?

The Terminal Characteristic of a Cumulatively Compound DC Generator NSE มีค่ามาก NSE มีค่ามากขึนd NSE มีค่าน้ อย

The Differentially Compound DC Generator Differentially Compound Long-shunt

A

KCL@node A: mmf หักล้างกัน: ℑnet = ℑF − ℑSE − ℑ AR ℑnet = N F I F − N SE I A − ℑ AR I eq = −

N SE ℑ I A − AR NF NF

I A = IF + IL

I = I F + I eq * F

I F* = I F −

N SE ℑ I A − AR NF NF

KVL@mesh IA: VT = E A − I A ( RA + RS ) KVL@mesh IF: VT IF = RF

The Terminal Characteristic of a Differentially Compound DC Generator เมืKอโหลดเพิมK ขึนd IL เพิมK 1.

I A = I F + I L ↑⇒ I A ↑

VT = E A − I A ↑ ( RA + RS ) load

VT ↑

2.

ℑSE = N SE I A ↑

ℑtot = N F I F − N SE I A ↑

VT = E A ↓ − I A ( RA + RS ) VT ↓

ทัdง 2 กรณีมที ศิ เดียวกัน

The Terminal Characteristic of a Differentially Compound DC Generator

Voltage Control of a Differentially Compound DC Generator





เปลียK นความเร็วของการหมุน ω 

E A = Kφω ↑



VT = E A ↑ − I A RA

เปลียK นกระแสสร้ างสนามแม่ เหล็ก IF 

I F = VF / RF ↓



E A = Kφ ↑ ω



VT = E A ↑ − I A RA