Th.S Chiêm Trọng Hiển
85
Chương 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU.
So với máy điện xoay chiều, máy điện 1 chiều cấu tạo phức tạp, đắt tiền và
hoạt động kém tin cậy hơn vì vậy ít thông dụng hơn. Tuy vậy có những lĩnh vực
máy điện xoay chiều tỏ ra không thích hợp thì máy điện 1 chiều lại có ưu thế và
được sử dụng.
Động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơi có yêu cầu mô men mở máy
lớn, hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi rộng. Trong các thiết bị
tự động máy điện một chiều được dùng làm máy khuyếch đại công suất, động cơ
chấp hành… Động cơ một chiều cũng được dùng trên ô tô, tàu thủy, máy bay…
Máy phát điện một chiều dùng trong thiết bị điện hóa, hàn điện.
5.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều.
฀Hình 5.1 là mô hình của
máy điện 1 chiều. Nó gồm một
khung dây dẫn ABCD có thể
quay đều quanh trục OO’đặt
giữa hai cực N, S của một nam
châm. Hai đầu A, D của khung
dây được nối với hai vành bán
nguyệt dẫn điện gọi là vành đổi
chiều. Tỳ lên hai vành bán
nguyêt là hai chổi than đặt cố
định. Hai chổi than là hai cực
của máy.
฀Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng áp của máy phát điện một chiều.
Dùng ngọai lực quay khung dây quanh trục OO’thuận chiều kim đồng hồ, các
thanh dẫn AB, CD sẽ chuyển động cắt các đường sức của từ trường và cảm ứng sức
điện động. Theo qui tắc bàn tay phải thì khi thanh dẫn ở phía trên mặt phẳng ngang
đi qua OO’chiều sức điện động cảm ứng trong thanh hướng từ phía sau ra phía
trước; thanh dẫn ở phía dưới mặt phẳng ngang, chiều sức điện động cảm ứng trong
thanh hướng từ phía trước ra phía sau. Vành đổi chiều gắn với thanh dẫn đang ở
phía trên mặt phẳng ngang sẽ tiếp xúc với chổi than 1; Vành đổi chiều gắn với
thanh dẫn đang ở phía dưới mặt phẳng ngang sẽ tiếp xúc với chổi than 2. vậy chổi
than 1 là cực dương và chổi than 2 là cực âm của máy. Khi mặt phẳng khung dây
trùng với mặt phẳng ngang, sức điện động trong các thanh dẫn bằng 0 (do các thanh
dẫn chuyển động song song với các đường sức), lúc này chổi than nối ngắn mạch 2
vành đồi chiều. Vậy khi 2 vành đổi chiều bị ngắn mạch trong khung dây không có
sức điện động và dòng điện.
Đồ thị sức điện động ở 2 cực máy
như hình 5.2a. Để có điện áp ra ít gợn
sóng, dây quấn rotor cần gồm 1 số
R
L
Iư
N
S
B
2
1
O
O
’
D
C
A
Hình 5.1
Chổi than
Vành đổi chiều
Th.S Chiêm Trọng Hiển
86
khung dây đặt rải dọc chu vi rotor. Hình
5.2b là đồ thị sức điện động của máy khi
rotor có 2 khung dây đặt lệch nhau góc
900.
Ta gọi dây quấn rotor là dây quấn
phần ứng của máy điện 1 chiều. Khi nối
2 cực của máy phát với tải, dây quấn phần
ứng có dòng điện chảy cùng chiều với sức
điện động và phương trình cân bằng áp
của máy là:
U=Eư-RưIư (5.1)
Trong đó:
U là điện áp giữa 2 cực máy.
Eưlà sức điện động phần ứng.
Iưlà Dòng điện phần ứng.
Rưlà điện trở phần ứng.
(Để đơn giản trong (5.1) cũng như các
phương trình sau này của máy điện 1
chiều trong bài giảng này đã bỏ qua điện áp trên điện trở tiếp xúc giữa chổi than và
vành đổi chiều).
฀Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng áp của động cơ điện một chiều.
Nếu nối cực dương (1) của máy điện một chiều với cực dương của nguồn điện
1 chiều; cực âm (2) máy điện một chiều với cực âm của nguồn điện 1 chiều, khi đó
trong các thanh dẫn phần ứng sẽ có dòng điện. Khi thanh dẫn ở phía trên mặt phẳng
ngang, chiều dòng điện trong thanh chảy từ trước ra sau và ngược lại. Theo qui tắc
bàn tay trái, lực từ trường tác dụng lên thanh dẫn nằm phía trên mặt phẳng ngang sẽ
có chiều hướng từ trái sang phải và ngược lại. Lực điện từ sẽ làm rotor quay thuận
chiều kim đồng hồ.
Khi rotor quay thì trong các thanh dẫn rotor xuất hiện sức điện động cảm ứng,
rỏ ràng chiều sức điện động này ngược chiều dòng điện chảy trong nó. Vậy phương
trình cân bằng áp của máy là:
U=Eư+RưIư (5.2)
5.2. Cấu tạo máy điện một chiều.
5.2.1. Stator.
Stator gọi là phần cảm của máy.
Lõi thép stator làm bằng thép đúc trên đó có gắn các cực từ chính và các cực
từ phụ như hình 5.4a.
Dây quấn quanh cực từ chình gọi là dây quấn kích từ. Dây quấn quanh cực từ
phụ gọi là dây quấn phụ. Dây quấn bù dược đặt trong các rãnh trên bề mặt 2 cực từ
chính gần nhau.
Rư
O
eư
t
(a)
O
eư
t
(b)
Hình 5.2
-
+U
Iư
Rt
Eư
HÌnh 5.3
Th.S Chiêm Trọng Hiển
87
5.2.2. Rotor.
Rotor còn gọi là phần ứng của máy điện 1 chiều.
Lõi thép rotor hìh trụ, được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như
hình 5.4b. Mặt ngoài lõi thép có các rãnh đặt dây quấn phần ứng; Giữa có lỗ lắp
trục. Ngoài ra trên thân rotor có thể có các lỗ thông gió theo hướng dọc trục.
Dây quấn phần ứng gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây gồm một số vòng dây đặt
trong 2 rãnh dưới 2 cực từ khác tên. Hai đầu dây cùa bối dây nối với 2 phiến đổi
chiều trên vành đổi chiều. Các b6í dây phần ứng nối tiếp nhau tạo thành một vòng
kín.
Có hai loại dây quấn:
฀Dây quấn xếp: là dây quấn có cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 nằm
trên cùng một cực từ với cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ nhất (hình 5.5a).
฀Dây quấn sóng: là dây quấn có cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 nằm
trên cực từ cùng tên gần nhất với cực từ chứa cạnh tác dụng thứ nhất cùa bối dây
thứ nhất (hình 5.5b).
(a) (b)
HÌnh 5.4
rotor
Dây quấn bù
Dây quấn
phụ
Dây quấn kích từ
Cực từ
phụ
Cực từ chính Rãnh đặt dây quấn Lỗ thông gió quấn
Lỗ lắp trục
SN N S N
(a)
(b)
Hình 5.4
Th.S Chiêm Trọng Hiển
88
5.2.3. Bộ phận đổi chiều.
Bộ phận đổi chiều gồm có vành đổi chiều (cổ góp, vành góp) và chổi than.
฀Vành góp gồm 1 số phiến góc bằng đồng ghép cách điện với nhau tạo thành
một hình trụ như hình 5.5a. Vành góp được gắn ở đầu trục.
฀Chổi than có hình dạng như hình 5.5b. Chổi than luôn tỳ sát lên vành góp nhờ
lò xo và giá chổi than gắn trên vỏ máy. Máy có bao nhiêu đôi cực thì có bấy nhiêu
đôi chổi than. Các chổi than cùng cực tính được nố với nhau để tạo thành một cực
của máy.
Các chổi than chia dây quấn phần ứng thành các đôi mạch nhánh song song.
Số đôi mạch của dây quấn song song của dây quấn phần ứng ký hiệu là a.
5.2.4. Dây quấn phần ứng máy điện một chiều.
5.2.4.1.Các khái niệm, ký hiệu.
฀Số rãnh chứa dây quấn (rãnh thực): Z.
Rãnh chỉ chứa 2 cạnh tác dụng của các bối dây gọi là rãnh nguyên tố, ký hiệu
Znt
Rãnh thực chứa 2u cạnh tác dụng (u=1, 2…) thì chứa u rãnh nguyên tố:
Znt=u.Z
฀Số bối dây, ký hiệu: S
฀Số phiến góp, ký hiệu: G
S=G=Znt
฀ Các bước dây quấn.
฀ Bước dây quấn thứ nhất (y1): là khoảng cách giũa hai cạnh tác dụng của
1 bối dây tính bằng số rãnh nguyên tố.
฀ Bước dây quấn thứ hai (y2): là khoảng cách từ cạnh tác dụng thứ 2 của
bối dây thứ nhất đến cạnh tác dụng thứ nhất của bối dây thứ 2 tính bằng số rãnh
nguyên tố.
฀ Bước dây quấn tổng hợp (y): là khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng tương
ứng cùa 2 bối dây kế tiếp nhau.
phiến góp
Lỗ lắp trục
Cách
điện
Vành góp
(a)
Đầu nối với
dây quấn.
Phiến góp. Chổi than
(b)
Hình 5.5
Th.S Chiêm Trọng Hiển
89
y=y1+y2.
฀ Bước vành góp (yG): là khoảng cách giữa 2 phiến góp có 2 đầu dây của
cùng một bối dây nối vào tính bằng số phiến góp.
5.2.4.2. Dây quấn xếp đơn.
฀ Các bước dây quấn.
฀
p
Z
ynt
2
1
với 01 sao cho y1là số nguyên. Nếu lấy dấu (+) thì dây quấn gọi là dây
quấn bước dài; Nếu lấy dấu (-) thì dây quấn gọi là dây quấn bước ngắn; Nếu =0 thì
dây quấn gọi là dây quấn bước đủ.
฀yG=1
2 đầu bối dây nối nên 2 phiến góp kề nhau.
Nếu yG=1 thì gọi là dây quấn xếp tiến (thường được sử dụng); Nếu yG=-1 thì gọi là
dây quấn xếp lùi (ít sử dụng).
฀y=yG=1.
฀y2=y-y1<0
các bối dây liên tiếp nhau xếp nên nhau.
฀Nối dây lên phiến góp.
฀Nguyên tắc: Nối dây lên phiến góp sao cho khi chổi than nối ngắn mạch
2 đầu của bối dây thì sức điện động trong bối dây bằng 0 (hay các cạnh tác dụng của
bối dây ở vùng trung tính vật lý)
฀Phương pháp nối: dóng trục đối xứng của bối dây lên vành góp và đánh
dấu. Nếu chổi than ở giữa cực từ, nối 2đầu bối dây lên 2 phiến góp ở 2 bên điểm
dấu và cách điểm dấu khoảng yG/2. Nếu chổi than ở giữa 2 cực từ thì di chuyển
điểm dấu đi 1 khoảng bằng G/4p rồi thực hiện như trên
฀Số đôi mạch nhánh song song của dây quấn bằng số đôi cực từ: a=p.
Bề rộng chổi than bằng khoảng bề rộng phiến góp.
Ví dụ: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều có:
Znt=G=16, 2p=4. dây quấn xếp đơn, rãnh trên lõi thép thẳng miếng cách điện giữa 2
phiến góp, chổi than ở giữa cực từ.
Giải: ;4
4
16
2
1
p
Z
ynt y=yG=1; y2=y-y1=1-4=-3.
Sơ đồ dây quấn như hình 5.6a