Giáo trình Máy điện 1 (Phần 5: Máy điện một chiều) - Chương 4: Nguyên lý máy điện một chiều

Chia sẻ: Bùi Tấn Lợi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

271
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

"Máy điện 1 (Phần 5: Máy điện một chiều) - Chương 4: Nguyên lý máy điện một chiều" trình bày kiến thức đại cương về máy điện một chiều, cấu tạo của máy điện một chiều, dây quấn phần ứng, nguyên lý làm việc máy điện một chiều, các trị số định mức của MĐMC, SĐĐ phần ứng và mômen điện từ, phân loại máy điện một chiều,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện 1 (Phần 5: Máy điện một chiều) - Chương 4: Nguyên lý máy điện một chiều

94 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
95 PHẦN THỨ NĂM MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Chƣơng 4 NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1. ĐẠI CƢƠNG Máy điện một chiều được dùng trong những điều kiện làm việc khác nhau và có hai loại: máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều. Trong nền sản xuất hiện nay máy điện một chiều không được coi là máy quan trọng. Động cơ điện một chiều là loại linh hoạt nhất của các loại máy điện quay. Tốc độ của nó có thể thay đổi trơn trong phạm vi rất rộng từ không đến định mức hoặc cao hơn, và giới hạn của tốc độ cao bị hạn chế bởi lực ly tâm. Động cơ điện một chiều có thể tăng mômen đến định mức ở tất cả các tốc độ và mômen khởi động ban đầu của động cơ điện một chiều cao gấp nhiều lần động cơ điện xoay chiều cùng công suất và tốc độ. Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong truyền động công nghiệp có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao như ngành dầu khí, cán thép, giao thông vận tải, robot, dụng cụ cầm tay, … Trước đây máy phát điện một chiều làm nguồn điện cho các nhà máy công nghiệp lớn nhỏ, nhưng ngày nay do kỹ thuật điện tử phát triễn, nguồn một chiều được thay thế bằng các bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng trong hệ thống truyền Hình 4.1 Máy điện một chiều động và các ứng dụng khác. 4.2. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống nhau (hình 4.1 hay hinh 4.2). Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh, stator) và phần ứng (phần quay, rotor).
96 Hình 11-2 Cấu tạo của máy điện một chiều. 1. Lõi thép cực từ chính; 2. Dây quấn cực từ chính; 3.Mõm cực từ ; 4. Lõi thép cực từ phụ; 4. Dây quấn cực từ phụ; 6. Thân máy; 7. Gông từ; 8. Ổ bi; 4. Lõi thép phần ứng; 10. Quạt gió; 4. Dây quấn phần ứng; 12. Cổ góp; 13. Chổi than.
97 4.2.1. Phần cảm (stator) Phần cảm hay còn gọi là stator gồm có các bộ phận chính như sau: (a) (b) Hình 4.3 Cực từ chính 1. Cực từ chính Cực từ chính (hình 11-3a) là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép và dây quấn kích từ (hình 11-3b) lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại, tán chặc và gắn vào vỏ máy nhờ các bulông. 2. Cực từ phụ Cực từ phụ được đặc giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn và cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ các bulông (hình 4.2). 3. Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ, nối liền giữa các cực từ đồng thời dùng làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ thường làm bằng thép tấm uốn rồi hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. 4. Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than (hình 4.4). Cơ cấu chổi than để đưa điện từ phần quay ra ngoài gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ có lò xo ép chổi nên chổi than Hình 4.4 Giá đở chổi than 1. Chổi; 2. Hộp ; 3. Lò xo; 4. Cực tì chặt lên cổ góp. bắt chổi; 5 dây ; 6. Tay ép 4.2.2. Phần quay (Rotor, phần ứng) Phần ứng (hình 4.15b) của máy điện một chiều còn gọi là rotor, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy…
98 1. Lõi thép phần ứng : Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ (hình 4.5a). Nó là hình trụ thường được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện mỏng rồi ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ để gắn rôtor với trục và lỗ thông gió. Mặt ngoài lõi thép được dập các rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 4.5b). (a) (b) Hình 4.5 Phần ứng máy điện một chiều 2. Cổ góp (vành góp) Hình 4.6 Phiến đổi chiều và cổ góp
99 Cổ góp (vành góp hay còn gọi là vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (hình 4.6). Cổ góp gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy. Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy... 4.3. DÂY QUẤN PHẦN ỨNG Dây quấn phần ứng là phần đầu nối sinh ra sđđ và có dòng điện chạy Cạnh tác dụng qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách N S điện, gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau, đặt trong các rãnh (a) (b) của phần ứng tạo thành một hoặc 1 2 3 4 nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc Hình 4.7 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn phiến đổi chiều theo sơ đồ nối dây (hình 4.7a), hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên như trên hình 4.7b. Trong một rãnh đặt hai lớp dây quấn. Một phần tử có hai cạnh tác dụng, nên một cạnh đặt ở lớp trên còn cạnh kia đặt ở lớp dưới. Lớp trên là lớp gần mặt phần ứng. Yêu cầu của dây quấn phần ứng máy điện một chiều  Sinh ra được một sđđ cần thiết.  Cho qua dòng điện nhất định mà không nóng quá nhiệt độ cho phép.  Sinh ra được mômen theo yêu cầu  Đảm bảo đổi chiều tốt  Hết sức tiết kiệm nguyên vật liệu  Dây quấn phải có độ bền về điện, cơ, nhiệt, hóa để tuổi thọ của máy 15-20 năm Rãnh nguyên tố Znt Để giảm bớt số rãnh so với số phần tử, có thể chế tạo bối dây gộp u = 1, 2, 3,.., phần tử lại với nhau, như vậy khi đặt bối dây vào rãnh tạo thành dây quấn hai lớp trong rãnh có u =1 u =2 u =3 2u cạnh tác dụng. Mỗi rãnh hình (a) (c) (b) thành u rãnh nguyên tố, vậy có thể nói rãnh nguyên tố là rãnh chỉ có hai cạnh tác dụng. Trên hình 4.8 trình Hình 4.8 Rãnh nguyên tố trong rãnh thực bày số rãnh nguyên tố trong rãnh thực, trong đó hình4.8a có một rãnh nguyên tố trong một rãnh thực, hình4.8b có hai rãnh nguyên tố trong một rãnh thực và hình4.8c có ba rãnh nguyên tố trong một rãnh thực.
100 Gọi: u = rãnh nguyên tố trong rãnh thực Z = rãnh thực S = số phần tử G = số phiến góp Ta có quan hệ như sau: Znt = uZ = S = G (4.1) Dây quấn máy điện một chiều được phân ra thành các loại là dây quấn xếp gồm dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp; dây quấn sóng gồm dây quấn sóng đơn và dây quấn sóng phức tạp; và dây quấn hổn hợp là hỗn hợp của dây quấn xếp và dây quấn sóng. 4.3.1. Các thông số đặc trƣng của dây quấn máy điện một chiều 1. Bƣớc cực: Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ kế tiếp nhau tính bằng số rãnh nguyên tố: Z nt  (4.2) 2p với Znt = số rãnh nguyên tố 2p = số cực từ 2. Bƣớc dây quấn y: Bước dây quấn y là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử tính bằng số rãnh nguyên tố. Trên hình 4.9a, với y là bước của dây quấn xếp và hình 4.9b là bước của dây quấn sóng. y yư yư y yG yG = 1 Hình 4.9a Dây quấn xếp Hình 4.9b Dây quấn sóng Tính chọn y sao cho sđđ của phần tử là lớn nhất. Mà ta biết sđđ phần tử bằng tổng sđđ của hai cạnh tác dụng. Sđđ của cạnh tác dụng lớn nhất khi thanh dẫn ở Bmax, vì e = Blv. Vì vậy ta phải lấy y = , nhưng y phải là số nguyên, nên: Z y  nt  ε (4.3) 2p Khi  = 0, y =  : ta có dây quấn bước đủ; +  , y >  : ta có dây quấn bước dài; -  , y <  : ta có dây quấn bước ngắn.
101 3. Bƣớc trên phần ứng yƣ: Bước trên phần ứng yư là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng tương ứng (đầu hoặc cuối) của hai phần tử nối tiếp nhau tính bằng số rãnh nguyên tố. 4. Bƣớc trên vành góp yG: là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai đầu của một phần tử tính bằng số phiến góp. 5. Góc độ điện giữa hai phần tử cạnh nhau: gọi  là góc độ điện giữa hai rãnh cạnh nhau, ta có: p360 o  (4.4) Z nt 4.3.2. Dây Quấn Xếp Đơn Dây quấn xếp có bước trên vành góp: y G  m (m  1, 2, 3) (4.5) Khi m = 1 ta có dây quấn xếp đơn, khi m  2 ta có dây quấn xếp phức tạp. Chỉ dùng dây quấn xếp phức tạp trong các máy có công suất lớn. Ở đây, trong giáo trình này ta chỉ xét dây quấn xếp đơn và dây quấn sóng đơn. Trước hết ta xét dây quấn xếp đơn. Để làm quen với dây quấn máy điện một chiều, ta vẽ sơ đồ khai triển dây quấn với Znt = 16, 2p = 4, dây quấn xếp phải. 1. Tính toán các bƣớc dây quấn Các bước dây quấn tính được là: Z 16   nt   4 : bước cực. 2p 4 Z 16 y  nt  ε   4 , dây quấn bước đủ. 2p 4 yư = yG = 1: dây là đặc điểm của dây quấn xếp đơn. 2. Biểu đồ nối dây Căn cứ vào bước dây quấn, ta bố trí nối các phần tử thực hiện dây quấn. Ta bắt đầu từ phần tử thứ nhất có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên trong rãnh thứ nhất, còn cạnh tác dụng thứ hai đặt ở lớp dưới trong rãnh thứ 1 + y = và tiếp tục như vậy cho phần tử tiếp theo đến khi kín mạch, ta có: Lớp trên: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 kín Lớp dưới: 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 3. Sơ đồ khai triển Sơ đồ khai triển dây quấn là hình vẽ của dây quấn, khi cắt bề mặt phần ứng theo chiều dọc trục rồi trải ra thành mặt phẳng. Ta thấy từ sơ đồ khai triển hình 4.10 :  Cạnh tác dụng nằm ở lớp trên nét liền, nằm ở lớp dưới nét đứt.  Vẽ cực từ bằng khoảng 0,75.  Vẽ bề rộng chổi than bằng bề rộng phiến góp.
102  Chổi than phải đặt ở vị trí sao cho sđđ lấy ra là lớn nhất, vì thế nó phải đặt trên trục cực từ, khi đó chổi than ngắn mạch phần tử có cạnh tác dụng qua vùng trung tính hình học, e = 0.  Chổi than nằm dưới các cực từ cùng cực tính sẽ cùng dấu và ta nối chúng lại với nhau.     1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 N S N S 5 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 A1 B1 A2 B2 Hình 4.10 Sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơn 4. Số đôi mạch nhánh song song Để thấy rõ số đôi mạch nhánh song song, ta vẽ lại sơ đồ dây quấn đơn giản nhìn từ phía cổ góp như hình 4.4. Ta thấy có 4 cực từ thì có 4 nhánh song song. Tổng quát : 2a = 2p trong đó : a là số đôi mạch nhánh song song. Góc lệch pha giữa hai rãnh nguyên tố liên tiếp nhau: p.360 o 2.360 o    45 o Hình 4.11 Sơ đồ ký hiệu Z nt 16 dây quấn nhìn từ cổ góp 4.3.3. Dây Quấn Sóng Đơn Đặc điểm của dây quấn sóng đơn là hai đầu của một phần tử nối với hai phiến đổi chiều cách rất xa nhau và hai phần tử mắc nối tiép nhau cũng cách xa nhau. 1. Bƣớc dây quấn sóng đơn Để có bước dây quấn sóng đơn, ta nhận xét như sau:  Hai phần tử dây quấn muốn mắc nối tiếp nhau thì sđđ của chúng phải cùng chiều, như vậy hai phần tử mắc nối tiếp nhau phải nằm dưới các cực từ cùng cực tính, nghĩa là chúng cách nhau khoảng 2.
103  Máy có 2p cực từ thì có p cực từ cùng cực tính, nên khi quấn p phần tử thì chúng đi hết một vòng quanh bề mặt phần ứng và trở về bên trái hoặc bên phải phần tử xuất phát để quấn vòng mới và quá trình cứ thế tiếp tục cho đến hết các phần tử. Như vậy :  Khi đặt một phần tử thì ta qua được yG phiến đổi chiều.  Một vòng trên bề mặt phần ứng với p phần tử ta qua được p.yG phiến đổi chiều. Vậy ta có : G 1 p.y G  G  1  y G  (4.6) p Dấu ‘’ + ’’ : dây quấn sóng phải. Dấu ‘’ - ’’ : dây quấn sóng trái (thường dùng). Ta khảo sát dây quấn sóng với các số liệu sau : Znt = 15, 2p = 4, sóng trái. Các bước dây quấn được tính như sau: Z nt 15 3 y  ε    3 : chọn bước ngắn 2p 4 4 G  1 15  1 yG  y æ    7 : bước trên phần ứng, dây quấn sóng trái p 2 Z 15   nt   3,75 : bươc cực. 2p 4 2. Thứ tự nối các phần tử Ta bắt đầu bằng phần tử thứ nhất. Phần tử này có một cạnh tác dụng nằm ở rãnh thứ 1, cạnh tác dụng thứ hai nằm ở lớp dưới của rãnh 1+y = 1 + 3 = 4. Một đầu của phần tử này nối với phiến đổi chiều thứ 1 còn đầu kia nối với phiến đổi chiều 1 + yG = 1 + 7 = 8, tiếp tục qui luật này cho các phần tử tiếp còn lại, ta có : Lớp trên : 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 kín Lớp dưới : 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 3. Sơ đồ khai triển dây quấn: (hình 4.12) Chiều quay phần ứng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 N S N S 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 A1 B1 A2 B2 Hình 4.12 Sơ đồ khai triễn dây quấn sóng đơn
104 Từ thứ tự nối các phần tử dây quấn ta vẽ được sơ khai triễn dây quấn sóng đơn như trên hình 4.12. Cách vẽ các vị trí cực từ và chổi than giống như ở dây quấn xếp. Về lý thuyết chỉ cần hai chổi than cũng đủ vỉ chỉ có một mạch nhánh song song, nhưng thường vẫn đặt số chổi than bằng số cực từ. Làm như vậy là để phân bố dòng điện trên nhiều chổi than, kich thước chổi ngắn và giảm được chiều dài của vành góp, nhưng chủ yếu là để đảm bảo tính đối xứng của hai mạch nhánh song song. 4. Số đôi mạch nhánh song song Để thấy rõ số đôi mạch nhánh song song của dây quấn sóng đơn giản, ta nhìn từ phía cổ góp dây quấn sóng, ta thấy máy có 4 cực từ nhưng có 2 nhánh song song. Tổng quát, dây quấn sóng đơn chỉ có một đôi mạch nhánh song song: a=1 Góc lệch pha giữa hai rãnh nguyên tố liên tiếp nhau: p.360 o 2.360 o    45 o Z nt 16 4.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.4.1. Nguyên lý làm việc của máy phát một chiều Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều như hình 4.13. Máy gồm có một khung dây abcd có đầu nối với hai phiến góp. Khung dây và phiến góp quay quanh trục của nó với tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm N-S. Các chổi điện A, B đặt cố định và luôn luôn tỳ sát vào phiến góp. Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng (khung dây abcd) máy phát trong từ trường đều của phần cảm (nam châm S-N), các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường phần cảm, theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây sẽ cảm ứng sđđ xoay chiều mà trị số tức thời của nó được xác định theo biểu thức : e = Blv (4.7) Trong đó: B(T) = từ cảm nơi thanh dẫn quét qua. l (m) = chiều dài dây dẫn nằm trong từ trường. V(m/s)= tốc độ dài của thanh dẫn. e,i e,i t t (a) (b) (c) Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phát một chiều a).Mô tả nguyên lý máy phát; b) Sđđ máy phát có một phần tử; c) Sđđ máy phát có nhiều phần tử.
105 Và tần số f (Hz) của sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng là: np f (4.8) 60 Trong đó: n (vòng/phút) = tốc độ vòng của máy. p = số đôi cực từ. Chiều của sđđ được xác định theo qui tắc bàn tay phải. Vậy theo hình 4.13a, sđđ của thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N có chiều đi từ b đến a, còn của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều đi từ d đến c. Nếu nối hai chổi A và B với tải thì sđđ trong khung dây sẽ sinh ra trong mạch ngoài một dòng điện chạy từ chổi than A đến chổi than B. Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh dẫn ab ở cực S, thanh dẫn cd ở cực N, sđđ trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ chổi điện đứng yên, chổi A vẫn tiếp xúc với phiến góp trên, chổi B tiếp xúc với phiến góp dưới, nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Nhờ cổ góp và chổi than, điện áp trên chổi và dòng điện qua tải là điện áp và dòng điện một chiều. Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực máy phát như hình 4.13b. Để điện áp ra lớn và ít đập mạch như hình 4.13c, dây quấn phần ứng phải có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều. 4.4.2. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Trên hình 4.14 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hổ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay. Chiều lực tác dụng được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 4.14a). (a) (b) Hình 4.14 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 4.14b).
106 4.5. CÁC TRỊ SỐ ĐỊNH MỨC CỦA MĐMC Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo qui định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức. 1. Công suất định mức Pđm(kW hay W). 2. Điện áp định mức Uđm (V). 3. Dòng điện định mức Iđm (A). 4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ ... Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất trên đầu trục động cơ. 4.6. SĐĐ PHẦN ỨNG VÀ MÔMEN ĐIỆN TỪ 4.6.1. Sức điện động phần ứng Khi cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thì trong khe hở sẽ sinh ra từ thông. Khi quay rotor quay với một tốc độ nhất định nào đó, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường phần cảm, trong mỗi thanh dẫn có chiều dài tác dụng l, cảm ứng sđđ trung bình là: e tb  Btblv (4.9)  trong đó : B tb  là từ cảm trung bình trong khe hở; l Dn n v  2p là tốc độ dài thanh dẫn. 60 60 Với: D = đường kính ngoài phần ứng; p = số đôi cực từ của máy; n = tốc độ vòng  = từ thông khe hở dưới mỗi cực từ.  = bước cực từ S n Eư iư M Eư iư Btb B U  (a) (b) Hình 4.15 Xác định sđđ phần ứng và moment điện từ trong máy điện một chiều a) Từ trường cực từ; b) Sơ đồ ký hiệu dây quấn;
107 Thế vào (4.3), ta có sđđ trung bình trong một thanh dẫn: n e tb  2p 60 Từ phía cổ góp nhìn vào phần ứng ta thấy dây quấn có thể biểu thị bằng sơ đồ ký hiệu như hình 4.15b. Từ đó ta thấy dây quấn gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau tạo thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều (ở đây là 2) nhánh song song. Khi phần ứng quay, vị trí phần tử thay đổi nhưng nhìn từ ngoài vào vẫn là nhiều mạch nhánh song song. Sđđ phần ứng bằng tổng các sđđ thanh dẫn trong một nhánh. Nếu gọi số thanh dẫn của dây quấn phần ứng là N, số đôi mạch nhánh song song là a (2a số nhánh song song), số thanh dẫn của một nhánh song song N/2a. Vậy sđđ của dây quấn phần ứng là sđđ của một nhánh song song bằng: N pN Eæ  e tb   n  k E n  k M   (4.10) 2a 60a 2n trong đó:   là tốc độ góc của phần ứng; 60 pN pN kE  , và k M  hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy. 60 a 2a Chiều của sđđ Eư được xác định theo qui tắc bàn tay phải như trên hình 4.15a. Từ công thức (4.4) ta thấy, để thay đổi sđđ phần ứng thì có thể thay đổi tốc độ hoặc thay đổi từ thông  tức là thay đổi dòng điện kích từ và muốn đổi chiều sđđ thì hoặc đổi chiều quay, hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. VÍ DỤ 4.1 Một máy điện một chiều có 6 cực từ, 50kW đang làm việc ở tốc độ 1000vòng/phút sinh ra sđđ phần ứng 136,8V. Nếu từ thông cực từ không đổi và tốc độ giảm còn 75% giá trị ban đầu, xác định sđđ cảm ứng và vếu tốc độ giảm còn 75% giá trị ban đầu còn từ thông cực từ tăng gấp đôi, xác định sđđ cảm ứng và tần số điện áp trong dây quấn phần ứng. Bài giải Từ công thức (4.4), ta có: E æ1 n1 n1   E æ 2  E æ1  E æ 2 n2 n2 Sđđ khi tốc độ giảm 75%: 0,75 n   E æ 2  136 ,8   102 ,6V n Sđđ khi tốc độ giảm 75% và từ thông tăng gấp đôi: 0,75 n  2 E æ 2  136 ,8   205 ,2V n Tần số sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng: p  n 3 1050  0,8 f   42 Hz 60 60
108 VÍ DỤ 4.2 Máy điện một chiều có 4 cực từ, phần ứng có bán kính 12,5cm, chiều dài tác dụng của lõi thép l = 25cm. Cung cực từ bằng 75% bước cực. Dây quấn phần ứng có 33 phần tử , mỗi phần tử có 7 vòng. Từ thông của mỗi cực từ là 0,75T. A. Nếu phần ứng là dây quấn xếp đơn: 1. Xác định hệ số kM ? 2. Xác định sđđ trong dây quấn phần ứng khi phần ứng quay với tốc độ 1000vòng/phút ? B. Nếu phần ứng là dây quấn sóng đơn : Tính giống phần A, dòng trong phần tử bằng dòng trong dây quấn xếp. Bài giải A. Phần ứng là dây quấn xếp đơn: a. Tính hệ số kết cấu máy kM: Đặc điểm của dây quấn xếp đơn : 2a = 2p. Số thanh dẫn của máy : N = 2 x Số vòng x Số phần tử . =2.7.33 = 462 pN 2  462 kM    73,53 2a 2    2 b. Sđđ phần ứng: Diện tích cực từ 2R 2    0,25 Sp  l  0,75   0,125 0,75  36,8  103 m 2 2p 2 2 Từ thông dưới mỗi cực từ :   S p  B  36,8.10-3.0,75 = 0,0276 Wb Sđđ phần ứng : 2  1000 E æ  k M     73,53 0,0276  212,5 V 60 B. Nếu phần ứng là dây quấn sóng đơn : a. Tính hệ số kết cấu máy kM: Đặc điểm của dây quấn sóng đơn : a = 1. Số thanh dẫn của máy : N = 2 x Số vòng x Số phần tử . =2.7.33 = 462 pN 2  462 kM    147,06 2a 2    1 Vận tốc góc của rotor : 2  n 2  1000    104,67 rad / s 60 60 b. Tính Sđđ phần ứng: 2  1000 E æ  k M     147,06  0,0276  425 V 60
109 4.6.2. Moment điện từ và công suất điện từ của máy điện một chiều Khi máy điện làm việc trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua. Tác dụng của từ trường lên dây dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ trên trục máy. Để tính mômen điện từ, trước hết ta tính lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn : f  B tbli æ Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng là N và dòng điện chạy trong I mạch nhánh là i æ  æ thì moment điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng: 2a I D M  B tb æ l N 2a 2 trong đó: Iư = dòng điện phần ứng; a = số đôi mạch nhánh song song. D = Đường kính ngoài phần ứng; l = chiều dài tác dụng của thanh dẫn. 2p  Do: D và B tb  , nên ta có:  l pN M I æ  k M I æ (Nm) (4.11) 2a Từ công thức (4.4) ta thấy, muốn thay đổi moment điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ It. Trong máy phát điện một chiều moment điện từ là moment hãm vì vậy ngược chiều quay máy phát điện, còn trong động cơ điện một chiều, moment điện từ là moment quay nên cùng chiều quay với động cơ. Công suất ứng với moment điện từ lấy vào đối với máy phát và đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng: Pât  M (4.12) trong đó: M là moment điện từ. Thay (4.5) vào công thức (4.6), ta có: pN 2n pN Pât  M  I æ  nI æ  E æ I æ (4.13) 2a 60 60a Từ công thức (4.7), ta thấy được quan hệ giữa công suất điện từ với moment điện từ và sự trao đổi năng lượng trong máy điện. Trong máy phát điện công suất điện từ đã chuyển công suất cơ M thành công suất điện EưIư. Còn trong động cơ điện, công suất điện từ đã chuyển công suất điện EưIư thành công suất cơ M. VÍ DỤ 4.3 Máy điện một chiều có 4 cực từ, phần ứng có bán kính 12,5cm, chiều dài tác dụng của lõi thép l = 25cm. Cung cực từ bằng 75% bước cực. Dây quấn phần ứng có 33 phần tử , mỗi phần tử có 8 vòng. Từ thông của mỗi cực từ là 0,75T.
110 A. Nếu phần ứng là dây quấn xếp đơn: 1. Xác định hệ số kE và kM? 2. Xác định sđđ trong dây quấn phần ứng khi phần ứng quay với tốc độ 1200vòng/phút ? 3. Xác định dòng điện trong thanh dẫn và moment điện từ khi phần ứng có dòng điện 400A ? 4. Xác định công suất điện từ ? B. Nếu phần ứng là dây quấn sóng đơn : Tính giống phần A, dòng trong phần tử bằng dòng trong dây quấn xếp. Bài giải A. Phần ứng là dây quấn xếp đơn: a. Tính hệ số kết cấu máy kE: Đặc điểm của dây quấn xếp đơn: 2a = 2p. Số thanh dẫn của máy: N = 2 x Số vòng x Số phần tử =2.8.33 = 528 pN 2  528 pN 2  528 kE    8,8 và k M    84,034 60a 60  2 2a 2    2 b. Diện tích cực từ 2R 2    0,25 Sp  l  0,75   0,125 0,75  36,8  103 m 2 2p 2 2 Từ thông dưới mỗi cực từ :   S p  B  36,8.10-3.0,75 = 0,0276 Wb Sđđ phần ứng : E æ  k E   n  8,8  0,0276 1000  242 ,88 V c. Dòng điện chạy trong một mạch nhánh song song I 400 iæ  æ   100 A 2a 2  2 Moment điện từ : M = kM Iư = 84,034.0,0276.400 = 927,74 N.m Công suất điện từ : Pđt = Eư Iư = 242,88.400 = 97.1520 W = 97,152 kW B. Nếu phần ứng là dây quấn sóng đơn : a. Tính hệ số kết cấu máy kE và kM: Đặc điểm của dây quấn sóng đơn: a = 1. Số thanh dẫn của máy: N = 2 x Số vòng x Số phần tử . =2.7.33 = 462 pN 2  528 pN 2  528 kE    17,6 và k M    168 ,067 60a 60 1 2a 2   1 Tính Sđđ phần ứng : E æ  k E   n  17,6  0,0276 1000  485,76 V b. Dòng trong phần tử dây quấn sóng bằng dòng trong dây quấn xếp. iư = 100 A Dòng trong dây quấn xếp phần ứng : Iư = 2a. iư = 2.100 = 200 A. Moment điện từ : M = kM Iư = 168,067.0,0276.200 = 927,74 N.m Công suất điện từ : Pđt = Eư Iư = 485,76.200 = 97.153 W = 97,152 kW
111 4.7. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Ta đã phân máy điện một chiều thành máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều. Song tùy theo cách kích thích của cực từ chính, ta còn phân máy điện một chiều thành các loại như sau: 1. Máy điện một chiều kích thích độc lập (hình 4.16a): Mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích thích. Nếu máy có công suất nhỏ thì cực từ chính thường dùng nam châm vĩnh cửu, còn máy có công suất lớn cần có nguồn kích thích riêng để có thể điều chỉnh điện áp hoặc tốc độ trong phạm vi rộng. (Rđc = điện trở điều chỉnh dòng kích từ) U U U U I I I I _ + _ + _ _ + + Iư Iư Iư Iư Ut Rđc Rđc It It Rđc It (a) (b) (c) (d) Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý máy điện một chiều: a) Kích thích độc lập; b) Kích thích song song; c) Kích thích nối tiếp; d) Kích thích hỗn hợp. (mũi tên nét dứt chỉ dòng điện ở chế độ động cơ) 2. Máy điện một chiều kích thích song song (hình 4.16b): Mạch kích thích nối song song với mạch phần ứng. 3. Máy điện một chiều kích thích nối tiếp (hình 4.16c): Mạch kích thích mắc nối tiếp với mạch phần ứng. 4. Máy điện một chiều kích thích hỗn hợp (hình 4.16d): Vừa kích thích song song vừa kích thích nối tiếp. 4.8. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi máy điện một chiều làm việc không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ t. Trên hình 4.17a vẽ từ trường cực từ. Từ trường cực từ phân bố đối xứng. Ở đường trung tính hình học mn, cường độ từ cảm B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ. Khi máy điện có tải, dòng điện Iư chạy trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng ư như trên hình 4.17b. Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ khi chổi than trên đường trung tính hình học. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, từ trường trong máy (khe hở) sẽ là tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng (hình 4.17c).
112 N N (a) S (b) S (c) Hình 4.17 Từ trường của máy điện một chiều Trên hình 4.18a vẽ từ trường tổng hợp trong máy và hình 4.18b vẽ từ trường tổng hợp phân bố trên bề mặt phần ứng khi cắt phần ứng theo chiều dọc trục rồi trãi ra trên mặt phẳng và chổi than trên đường trung tính hình học. Trên hình 4.18b vẽ đường 1 là sự phân bố của từ trường cực từ, đường 2 là sự phân bố của từ trường phần ứng tương ứng với sự phân bố stđ phần ứng F ưx do dòng điện phần ứng sinh ra. Đường 3 là tổng hợp của đường 1 và 2 khi mạch từ không bão hoà, còn đường 4 là mạch từ bão hoà (nét đứt). Chế độ máy phát U N S Mỏm cực Mỏm cực ra vào F x x Fưx A/2 0 m 3 m’ 4 1 2 Khớp nối n ĐC sơ cấp n’ (a) (b) Hình 4.18 Từ trường phần ứng khi chổi than trên đường trung tính hình học 1. Sự phân bố từ trường cực từ. 2. Từ trường phần ứng. 3. Từ trường tổng của 1+2. 4. Từ trường tổng của 1+2 khi mạch từ bảo hòa.
113 Kết luận về phản ứng phần ứng như sau : 1. Tác dụng của phản ứng phần ứng khi chổi than trên đường trung tính hình học là chỉ có phản ứng ngang trục và làm méo dạng từ trường khe hở. Đối với máy phát thì ở mõm ra của cực máy được trợ từ, còn ở mõm vào khử từ, động cơ thì ngược lại. 2. Nếu mạch từ không bão hòa thì từ trường tổng là không đổi, vì tác dụng khử từ bằng tác dụng trợ từ. Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên từ trường tổng dưới một cực từ bị giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục có khử từ một ít. 3. Từ cảm ở đường trung tính hình học khác không, do đó mà trên bề mặt phần ứng từ cảm bằng không - gọi là đường trung tính vật lý, đã lệch khỏi đường trung tính hình học một góc thuận chiều quay máy phát và ngược chiều quay động cơ. 4.9. ĐỔI CHIỀU Như ta đã biết ở phần dây quấn, khi chuyển động trong từ trường của một cực từ, mỗi phần tử dây quấn thuộc vào một nhánh song song và có dòng điện iư, nó có chiều nhât định. Lúc các cạnh của phần tử đi vào vùng trung tính thì bị chổi than nối ngắn mạch, dòng điện trong phần tử thay đổi để sau đó khi phần tử bước sang ranh giới của cực từ kế tiếp và chuyển sang nhánh song song khác, dòng điện trong phần tử đó có chieuf ngược lại (-iư). Như vậy đổi chiều là quá trình đổi chiều của dòng điện khi phần tử chuyển động trong vùng trung tính và bị chổi than ngắn mạch.  iư i iư iư iư iư iư iư iư N a b a b a b i1 i2 i1 i2 i1 i2 1 2 1 2 1 2 2 iư 2 iư 2 iư i iư iư t=0 0< t < Tđc t =Tđc (a) (b) (c) a b Hình 4.19 Qúa trinh đổi chiều của dòng điện trong phần tử i1 i2 1 2 Để thấy cụ thể hơn về khái niệm đổi chiều, hình 2 iư 4.9 trình bày quá trình đổi chiều dòng điện trong phần tử dây quấn xếp đơn. Ta thấy chổi than phủ Hình 4.20. Phần tử chuyển hoàn toàn lên phiến 1 (hình 4.19a) dòng điện trong động trong vùng trung tính phần tử có chiều là + iư. Khi chổi than hoàn toàn tách khỏi 1 (hình 4.19c) thì dòng điện trong phần tử có chiều ngược lại –iư. Ở vị trí trung gian, chổi than tiếp xúc với các phiến đổi chiều 1 và 2, phần tử bị nối tắc và dòng điện trong nó biến đổi theo những qui luật