Kỹ thuật điện_ Phần 4.11

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:1

Thêm vào BST

Báo xấu

150
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật điện_ Phần 4.11 " Mạch điện, mạch từ của máy điện một chiều" dành cho các bạn học viên, sinh viên đang theo học các ngành liên quan đến điện- điện tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điện_ Phần 4.11

PHẦN IV MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG 11 MẠCH ĐIỆN, MẠCH TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 11.1. KHÁI NIỆM Máy điện một chiều là loại máy điện biến cơ năng thành năng lượng điện một chiều (máy phát) hoặc biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng (động cơ một chiều). Ở máy điện một chiều từ trường là từ trường không đổi. Để tạo ra từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều. Có hai loại máy điện 1 chiều: loại có cổ góp, loại không có cổ góp. Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều. Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V. Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V. 11.2. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Trên hình 11. biểu diễn cấu tạo của máy điện một chiều. Ta sẽ nghiên cứu cụ thể các bộ phận chính. Hình 11 Kích thước dọ, ngang máy điện một chiều.1-Thép, 2-cực chính với cuộn kích từ, 3-cực phụ với cuộn dây,4-Hộp ổ bi,5-Lõi thép, 6-cuộn phần ứng, 7-Thiết bị chổi,8-Cổ góp, 9-Trục, 10-Nắp hộp đấu dây 11.2.1. Cấu tạo của stato Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và phần quay (rô to). Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). 182
Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rô to. 1 2 2 b) a) 3 3 4 Hình 11.2 Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a)Cực chính, b)Cực phụ Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy. Stato gồm các chi tiết sau: . A. Cực chính Trên hình 11.2a biểu diễn một cực chính gồm: Lõi cực 2 được làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực 4 có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ đi qua khe khí. Cuộn dây kích từ 3 đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện. Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt. Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh làm mất. B. Cực phụ(hình 11.2.b) Cực phụ nằm giữa các cực chính , thông thường số cực phụ bằng ½ số cực chính số cực chính. Lõi thép cực phụ (2) thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép. cuộn dây 3 đặt trên lõi thép 2. Khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính. C. Thân máy Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ được gắn vào thân máy. Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc không. Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy. Thân máy được gắn với chân máy. Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông số sau đây: - Công suất định mức Pđm. - Tốc độ định mức nđm - Điện áp định mức Uđm - Dòng điện định mức Iđm - Dòng kích từ định mức Iktđm 183
D.Rô to Rô to của máy điện một chiều là phần ứng. Ngày nay người ta dùng chủ yếu là loại rôto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật. Ở những máy công suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghép lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát). E. Cổ góp Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp. Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp. Phiến góp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn. (hình 11.3). 1 6 2 3 3 2 4 Hình 11.3.Kích thước ngang của cổ góp 1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4- 5 phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi G. Thiết bị chổi. Để đưa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữ chổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác. a) Hình 11.4 Thiết bị chổi. a) Thanh giữ chổi, b)thiết ) bị giữ chổi.1.Ốc vít,2-Dây dẫn,3-Cách điện,4-Giữ chổi, 5-Chổi, 6-Lò so,7-Đòn gánh,8-Dây dẫn điện ra,9- Ốc giữ chổi. 184
11.2.2. Tính toán mạch từ của máy Trên hình 11.5 biểu diễn một đoạn mạch từ của máy điện một chiều. Lg hz φ hp δ hp φs La ha Hình 11.5 Mạch từ của máy điện một chiều 4 cực δ -khe khí, hz-độ dài của lớp răng;ha-độ dài lõi phần ứng,La,hp,Lg-độ dài lõi thép,cực và gông từ Tính toán mạch từ tức là xác định stđ của máy. Chúng ta đưa ra một số khái niệm: - Từ thông chính của máy điện một chiều là từ thông của khe khí φ 0 trên diện tích tương ứng với một bước cực τ ở chế độ không tải. - Từ thông sinh ra do cực chính chia làm 2 phần đối xứng qua trục cực hình 11.5, chúng tạo thành những đường khép kín đi qua 2 lần khe khí, 2 lần lớp răng của rôto, thân rôto, thân cực và thân máy (gông từ). Do tính đối xứng của máy ta chỉ cần chú ý tới 1 đường khép kín. - Ngoài từ thông chính còn từ thông tản. Đó là từ thông ở giữa các cực, không đi qua rôto, không tham gia vào tạo Sđđ ở máy điện. Ta ký hiệu φ σ. Gọi tổng từ thông do cực chính sinh ra là φ M thì: φσ φ M = φ 0 + φσ = φ 0 (1 + ) = Kσ φ0 (11.1) φ0 σ φ Trong đó: K σ = (1 + φ ) - hệ số từ thông tản của cực từ, Kσ = 1,12 ÷ 0 1,25. -Sức từ động cần thiết để tạo ra từ thông φ 0 là F0. Theo định luật tổng từ thông cho một vòng khép kín, stđ của một cặp cực: F0 = ∫ Hdl = Ikt.Wkt (11.2) Trong đó: Ikt – dòng kích từ, Wkt - số vòng dây cuộn kích từ. Lúc này stđ của cuộn kích từ một cực bằng: 5 F=IktWkt= ∑ K k L K = Fδ + Fz + Fa + Fc + Ft (11.3) 1 185
Trong đó Fδ , Fz, Fa, Fc, Ft – là độ sụt từ khe khí, lớp răng, rôto, cực từ và thân cực. Độ sụt từ của từng phần sẽ xác định được khi biết được số đo hình học và độ thẩm từ của đoạn đó. Thứ tự tính toán như sau: 1- khi cho biết sđđ ta tính từ thông cơ bản theo biểu thức: E φ= (11.4) Ce n 2-Cho một đoạn mạch từ cụ thể ta tìm độ cảm ứng từ theo biểu thức: φk Bk= S (11.5) k Lúc này chúng ta tính được hệ số tản của cực cho từ thông của gông từ và cực từ. 3- Xác định cường độ từ trường trên các đoạn: a)Cho khe khí: Bδ Hδ = µ (11.6) 0 Trong đó µ 0 độ thẩm từ của không khí b) Đối với các đoạn còn lại sử dụng đặc tính nhiễm từ lõi thép Bk= f(Hk) để tìm cường độ từ trường. 4. Tính tổng stđ theo biểu thức (11.3) 5.Khi biết stđ tổng F0, số vòng dây kích từ, dòng kích từ tính được theo công thức: F0 I kt = (11.7) W kt 11.2.3. Tính toán stđ của từng đoạn riêng biệt: a. Stđ của khe khí: Trở từ khe khí là lớn nhất nên thường làm khe khí có kích thước nhỏ nhất. Trong những máy có công suất 50KW khe khí có kích thước từ 0,7÷ 3 mm, còn ở những máy có công suất lớn có thể đạt 10 mm. Ở vùng răng rô to từ thông phân bố không đều : ở mặt răng mật độ đường sức lớn, ở các rãnh mật độ nhỏ hơn nên từ trở ở răng nhỏ hơn ở rãnh. Trên hình 11.6 biểu diễn sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí theo kích thước a) b) l n , b l a B B ' i ' 186 HÌnh 11.6 Sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí máy điện một chiều
ngang (a) và dọc (b) của máy. Vì cảm ứng từ trong khe khí thay đổi theo chu vi đường tròn rô to và độ dài của nó, nên ta đưa khái niệm về độ cảm ứng tính toán trong khe khí và dùng phương pháp qui đổi. Thực chất của phương pháp này như sau: thay thế sự phân bố phức tạp của cảm ứng từ trong khe khí bằng một hình chữ nhật có chiều cao B δ , còn đáy của nó là cung cực tính toán τ ’ ( trường hợp 11.6a) và là độ dài rô to tính toán l’ (hình 11.5). Tỷ số α′ =τ ′ /τ gọi là hệ số tính toán cung cực. Điện áp giữa các phiến góp sẽ phụ thuộc vào hệ số . l Ktb lkd = α' Trong các máy một chiều có cực phụ α′ = 0,62 ÷ 0,72. Với độ chính xác cho phép, độ dài tính toán của rô to xác định bằng công thức: lC + l l’= (11.8) 2 Trong đó:lc - Độ dài cực từ theo trục máy l - Độ dài rô to không tính các kênh làm mát, tức là độ dài các tệp lá thép. Nếu bB - độ rộng rãnh làm mát, còn nB –số rãnh làm mát thì: l = la - nBbB Trong đó la là toàn bộ độ dài của rô to theo hướng trục. Sử dụng τ ′ và l′ , giá trị cảm ứng từ tính toán được xác định : φ Bδ = (11.9) τ ' l' Còn cường độ từ trường ở khe khí: Bδ Hδ = µ (11.10) 0 Giả sử các đường sức từ đi qua khe khí ở răng và rãnh khác nhau. Để đơn giản cho tính toán một rô to có răng, thực tế người ta tăng khe khí ở rô to phẳng bằng một hệ số tính toán như sau: δ ' = δ kδ (11.11) Trong đó kδ - gọi là hệ số khe khí và được xác định : t 1 + 10δ kδ = b + 10δ (11.12) z1 Trong đó t1 –bước răng, bz1- chiều rộng phần trên của răng ( theo chu vi rô to). Với các răng nửa kín thì k δ =1,05 ÷ 1,1 còn rãnh kín kδ = 1,2 ÷ 1,5. Khi biết được các đại lượng tính toán ta có thể tính được stđ ở khe khí : 2 Fδ =Hδ lδ =Hδ 2δ′ = µ ° Bδ kδ δ (11.13) 187
b-Stđ lớp răng: Từ thông lớp răng đi theo 2 con đường song song : theo răng và theo rãnh. Khi độ cảm cảm ứng cực đại của răng Bz ≤ 1,8T ( Tesla) thì từ thông qua rãnh có thể bỏ qua. Lúc này cường độ từ trường của lớp răng xác định bằng giá trị trung bình của cường độ từ trường răng lớn nhất và nhỏ nhất. Nếu φ t là từ thôngở khe khí trên một bước răng còn φ z và φ r là từ thông củ rãnh thì khi Bz ≤ 1,8T ta có: φ r ≈ 0 và φ t ≈ φ z Độ cảm ứng từ của tiết diện trên và dưới của răng xác định theo biểu thức : φ t= φ z= Bδ t1l’ =Bzlbzlkc =Bz2bz2lkc (11.14) Từ đây ta có : t1 l ' Bzl = Bδ b lk (11.14a) z1 c t1 l ' Bz2 = Bδ b lk (11.14b) z2 c ở đây kc =0,9 ÷ 0,93 là hệ số làm đầy lá thép có lưu ý tới các lớp cách điện; bz2- độ rộng ở chân của răng hình 11.7 t1 Hz1 bz1 Hz=f(hz) bzx btb Hình 11.7 Sự phân bố từ trường hz x trong lớp răng bz2 Hz2 Dựa vào đường cong nhiễm từ thép của răng ta xác định cường độ từ trường Hzl và Hz2 cho các giá trị tính toán Bzl và Bz2. Giá trị tính toán cường độ từ trường bằng : H z1 + H z 2 Hz = (11.15) 2 Stđ của lớp răng : Fz = HzLz = Hz2hz Trong đó : hz- Chiều cao của răng. Độ cảm ứng từ trong các răng thường có giá trị: Bz >1,8T. Vì vậy có chú ý tới từ thông của rãnh chỉ làm phức tạp thêm sự tính toán Cho khoảng cách X đối với chân răng ta có thể viết : φ t=φ rx+φ τ x Ta phân tích biểu thức trên ra diện tích răng (Szx- tiết diện răng ) ta có : 188
φt φ zx φ tx S sx = S zx + S (11.16) zx Số hạng thứ hai có thể biểu diễn : φrx φ rx S r S rx = . S r S zx =Brxkzx = µ 0 Hrxkzx (11.17) Trong đó : Sr – tiết diện ngang của rãnh, kzx- hệ số răng, xác định bằng các thông số hình học Các số đo của răng và rãnh : Sr S tx − S zx t x l' kzx = S = S = b lk -1 (11.18) zx zx zx c Lúc này (11.16) có dạng : B’zx =Bzx + µ 0 Hrxkzx (11.19) Trong đó : B’zx- cảm ứng tính toán của răng ở tiết diện ngang ( với giả thiết tất cả từ thông đi qua 1 răng ); Bzx - cảm ứng từ thực tế trong răng Vì rằng cường độ từ trường của răng và rãnh trong tiết diện ngang bằng nhau Hrx ≈ Hrx, nên phương trình (11.19) có thể viết : B’ = Bzx + µ 0 kzxHzx hoặc cho một tiết diện x B’ = Bz + µ 0 kzHz = f(Hz) + µ 0 kzHz (11.20) Để sử dụng công thức (11.20) tính stđ của răng, chúng ta làm như sau: dựng đường cong của thép kỹ thuật làm rô to ( đường 1 hình 11.8a). Nếu các số đo của răng đã cho nghĩa là biết được kzx, cho giá trị cảm ứng thực tế ở răng Bzx, dựa vào đường 1 tìm Hzx. Tính µ 0 Hrxkzx Sử dụng công thức (11.20) tìm được B’zx. Làm hàng loạt điểm ta tìm được đường cong B’zx=f(Hz) với một giá trị kzx cho trước. Ở hình 11.8b biểu diễn đặc tính B’zx = f(Hz) với kz=0÷ 2,4 cho các lá thép điện kỹ thuật thường gặp E11,E12 và E21. Theo đường cong này khi biết B’z và kz ta có thể xác định được cường độ từ trường trong răng (Hzx) Bz B’z[T] 2,4 1 Bz’=f‘(Hz) d 2,8 2,0 }kz Bz’=f‘(Hz) c 2,6 1,6 1,2 0,8 2,4 0,4 0 2,2 µ 0,kz,hz 2,0 b 1,8 a 1,6 Hz 200 600 1000 1400 1800 a) b) Hình 11.8 Các đường cong B’z=f(Hz) 1 189
Như ta đã xác định từ trước rằng cảm ứng từ tính toán là cảm ứng từ tương đương với trường hợp khi từ thông hoàn toàn đi vào răng nghĩa là: φ zx = φ t B’zxbzxlkc=Bδ .l.t1 Từ đây: t1l ' B’zx=Bδ b k zx c Trong thực tế ta chỉ cần 3 vị trí cụ thể: -Điểm ở đỉnh: t1l ' B’z1=Bδ b k (11.21) z1 c t1l ' kz1= b k -1 z1 c -Điểm giữa: t1 l ' B’ztb=Bδ b k (11.22) ztb c t1 l ' kztb= b k -1 ztb c -Điểm ở chân răng: t1l ' B’z2=Bδ b k (11.23) z2 c t1l ' kz2= b k -1 z2 c Khi biết Bz’ và kz theo đặc tính hình 11.8 chúng ta xác định được Hz1, Hztb, Hz2 Cường độ từ trường tính toán của răng tính theo biểu thức: H z1 + 4 H ztb + H z 2 Hz = 6 Thường để đơn giản trong tính toán ta chỉ xác định cường độ tại một hz H điểm x = và có Hz ≈ z1 do đó stđ của lớp răng z z Fz=HzLz=Hz2hz (11.24) c.Stđ lõi rô to Từ thông lõi rô to tính bằng: φ a = φ /2 = BaSa Tiết diện ngang lõi rô to có giá trị: Sa=halkc Độ cảm ứng từ của rô to xác định bằng tỷ số: φ Ba= 2h lk (11.25) a c 190
Theo đường cong nhiễm từ của lõi thép ta tìm được Ha. Lúc này stđ lõi thép rô to: Fa=HaLa (11.26) Trong đó La-độ dài trung bình của đường sức từ trong lõi thép rô to. d.Stđ lõi cực từ. Độ cảm ứng từ ở lõi cực xác định bằng tỷ số: φ ct Bct = S (11.27) ct Trong đó φ ct-từ thông cực từ xác định bằng biểu thức (11.1),Sct- tiết diện cực từ. Theo đặc tính nhiễm từ ta tìm được Hct , lúc này stđ cực từ : Fct = HctLct = Hct2hct (11.28) hct-chiều cao cực từ chính là hz trên hình (11.6) e.Stđ gông từ Từ thông gông từ : φ gt = φ ct/2 Nếu Sgt-là tiết diện của gông từ thì φ gt Bgt = S gt Theo đặc tính nhiễm từ ta tìm được Hgt , lúc này stđ gông từ : Fgt = HgtLgt (11.29) Lgt-dộ dài đường sức gông từ, thường nhận Bgt = 0,8-1,5Tesla . 11.3 ĐẶC TÍNH NHIỄM TỪ CỦA LÕI THÉP Khi cho các giá trị khác nhau của stđ hay từ thông ví dụ 0,5, 0,75, 1,25 của giá trị định mức, dựa vào phương pháp trên ta có thể tính được các giá trị stđ tương ứng (hoặc từ thông). Từ những kết quả tính toán được ta dựng đặc tính φ =f(F) (hình 11.9). Đường đặc tính này gọi là đường nhiễm từ. φ φ đm a b c Hình 11.9 đặc tính nhiễm từ lõi thép Fđm F Ở phần đầu đặc tính có dạng đường thẳng vì khi từ thông nhỏ mạch từ chưa bão hòa, mối quan hệ giữa φ và F là tuyến tính. Ta có thể giả thiết rằng ở phần này stđ F bằng stđ ở khe khí. Khi tăng từ thông, mạch từ bắt đầu bão hòa, 2 đường này tách khỏi nhau. Với giá trị φ =Fđm=1 (ứng với đoạn 191
thẳng ab) ở hình 11.9 thì khoảng 60% stđ dùng để tạo từ thông qua khe khí, vì thế sự chính xác tính toán stđ của khe khí quyết định độ chính xác tính stđ của mạch từ. Ta đưa ra khái niệm hệ số bão hòa: ac kµ = (11.30) bc Hệ số này có giá trị từ 1,0-1,35. Căn cứ vào hệ số bão hòa ta có thể đánh giá được chất lượng mạch từ ứng với một giá trị từ thông cho trước. 11.4 MẠCH ĐIỆN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Mạch điện chính là cuộn dây máy điện, nó giữ một vai trò vô cùng quan trọng bởi vì nơi đây xảy ra quá trình biến đổi năng lượng. Cuộn dây máy điện cần phải thực hiện hết ít vật liệu nhất nhưng lại phải có hiệu suất lớn, phải đảm bảo độ bền về cơ, về nhiệt và điện trong thời gian khai thác. Cuộn dây máy điện một chiều khác cuộn dây máy điện xoay chiều ở chỗ nó là cuộn kín, trong đó mỗi bin được nối với một phiến góp. Hiện nay cuộn dây máy điện một chiều được sử dụng rộng rãi là cuộn dây có rô to rỗng. Người ta chia cuộn dây máy điện một chiều thành: -Cuộn xếp đơn -cuộn sóng đơn -Cuộn sóng kép -Cuộn xép kép 11.4.1 Những thông số cuộn dây. Phần lớn cuộn dây máy điện dòng một chiều dùng trong công nghiệp hiện nay là loại cuộn dây đơn vì dễ thực hiện, tốn ít đồng, giá thành rẻ, sử dụng đồng tốt. Không nên dùng cuộn dây máy điện có số vòng dây lớn vì điện áp giữa các vòng dây lớn. Máy điện một chiều dùng cuộn dây nhiều vòng thường có công suất nhỏ, đường kính cổ góp bé (vì phải giảm số lượng phiến góp để tăng chiều rộng của phiến góp) . Cuộn dây phần ứng là một cuộn dây khép kín gồm các dây dẫn cách điện với nhau và với rãnh. Cuộn dây phần ứng là nơi biến đổi năng lượng nên có một số yêu cầu sau:có tính điện tốt, tỏa nhiệt tốt , bền về cơ học, tốn ít nguyên liệu có hiệu suất cao nhất. Hai thanh dẫn nối với nhau hình thành vòng dây, một số vòng dây gộp lại với nhau tạo thành mô bin hình 11.10. Trong một rãnh thực a) b) d) c) Hình 11.10 Vòng dây (a), Mô bin(b), một phần tử của rãnh (c) và 2 phần tử rãnh (d) 192
tế có thể có vài phần tử rãnh (hình 10 c,d) 1.Mô bin (hay còn gọi là bin). Đây là phần tử cơ bản của cuộn dây, nó bao gồm 1 vòng dây hay nhiều vòng dây có các cạnh cách nhau một bước cực, 2 đầu được nối với 2 phiến góp cách nhau một bước cổ góp (hình 11.10 a,b). Từ đây ta chỉ nghiên cứu bin một vòng dây và qui ước thanh dẫn của bin nằm ở lớp trên vẽ đường liền, ở lớp dưới đường nét đứt. Căn cứ vào nối đầu cuộn dây ta chia cuộn dây thành chộn chéo và cuộn không chéo(vòng tái hay vòng phải). 2- Bước cuộn dây theo chu vi phần ứng và theo cổ góp -Bước thứ nhất y1:đó là khoảng cách của cạnh tác dụng thứ nhất của bin với cạnh tác dụng thứ 2 của bin (hình 11.11), thông thường y1 = τ Trong sơ đồ cuộn dây, y1 cho ta số rãnh nằm giữa 2 cạnh của mô bin. Ở cuộn dây có bin nhiều vòng thì trong một rãnh nằm nhiều dây dẫn (hình 11.10) ở đây mỗi thanh dẫn là một hình chữ nhật). Ở cuộn dây này ta dùng khái niệm rãnh cơ bản. Rãnh cơ bản là rãnh chứa 2 thanh dẫn, vì bin một vòng dây có 2 thanh dẫn nên ta coi một rãnh cơ bản là một bin. Gọi Umb là số cặp dây dẫn nằm trong rãnh, Z là số rãnh thực tế vậy số rãnh cơ bản sẽ là: Zcb = ZUmb Đến một phiến góp được nối 2 đầu của hai bin khác nhau. Vậy ta có thể coi cứ một phiến góp ứng với một bin (có 2 thanh dẫn). Gọi S là số bin của một cuộn dây, K là số phiến góp thì: Zcb=K=S y1 y1 Y2 y N S N s y2 y yk b) a) Hình 11.11 Biểu diễn các số đo của cuộn dây a)Xếp đơn; b)Sóng đơn Z cb Với khái niệm như vậy thì y1= 2 p (p-số đôi cực). 193
Z cb Thông thường 2 p là phép tính không chia hết, nhưng để thực hiện được cuộn dây, y1 phải là số nguyên vậy: Z cb y1= 2 p ±ε Ở đây ε -là đại lượng rút gọn hay kéo dài của cuộn dây. b.Bước thứ 2 của cuộn dây theo chu vi rô to: Đó là khoảng cách của cạnh tác dụng thứ 2 của bin trước với cạnh tác dụng thứ nhất của bin sau hình 11.11a. Bước này cũng đo bằng rãnh cơ bản. c.Bước tổng hợp y: Đây là khoảng cách đo bằng rãnh cơ bản của 2 cạnh tác dụng của 2 bin nằm cạnh nhau ở sơ đồ hình 11.11. y=y1+y2 (cuộn sóng) y=y1-y2 (uộn xếp) d.Bước cổ góp :Đây là khoảng cách giữa 2 phiến góp mà các đầu dây của 2 bin cạnh nhau nối vào (hình 11.10). Bước sổ góp được đo bằng các phiến góp. K ±1 Bước cổ góp sóng đơn đo bằng: yk= p Còn vuộn xếp đơn: yk= ± 1 Ở đây dấu ‘+’ cho cuộn dây không chéo nhau, còn dấu’-‘ cho cuộn dây chéo nhau. Để thực hiện cuộn dây đối xứng thì bước cuộn dây theo cổ góp phải liên quan chặt chẽ với bước cuộn dây theo chu vi rô to. Về số phải đảm bảo 2 bước yk và y bằng nhau, tức là yk=y (11.31) Bước cực được tính như sau; Z cb τ = 2p (11.32) 11.4.2 Cuộn xếp. Cuộn xếp có các đại lượng đặc trưng sau: y=y1-y2 Nếu cuộn dây quay phải (y1>y2) thì y>0 còn nếu cuộn dây quay trái thì y
Sở dĩ như vậy vì cứ mỗi cặp chổi cho ta 2 nhánh làm việc song song (a=1) mà chổi lại được đặt ở trung tuyến hình học (giữa 2 cực). Để sử dụng được tất cả các nhánh song song thì số chổi phải bằng số cực. Các chổi dương được nối với nhau, các chổi âm được nối với nhau. Để đổi chiều dòng điện được tốt và giảm độ nhấp nháy sđđ ở lối ra nên thực hiên cuộn xếp đơn theo điều kiện: K/p=số lẻ. Ví dụ: Dựng cuộn xếp đơn với các số liệu sau: 2p=4; S=K=12, Umb=1 Để dựng cuộn dây ta tính các đại lượng cần thiết: 1. Zcb = Umb.Z =1.12=12 Vây Zcb=S=K=12; y=yk=1 (cuộn dây vòng phải) Z cb 2. y1= 2 p ±ε =12/3=3 (ε=0) 3. y2=y1-y=4-1=3 Cách dựng như sau (hình 11.12) Bắt đầu từ rãnh 1 ta nối với phiến 1, cạnh thứ 2 của bin này nằm ở lớp dưới của rãnh 4 (vì y1=3) được nối với phiến góp 2. Cạnh thứ 1 của bin tiếp theo nối với phiến góp 2 còn cạnh thứ 2 của bin này nằm ở rãnh 5(lớp dưới) được nối với phiến góp 3. Cứ thế ta thực hiện cho tới cuối cùng. Kết thúc ta được cuộn dây như hình 11.12. n b a a’ b’ 10’ 11’ 12’ 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 9’ N S N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 I - II + III - IV + Hình 11.12 Sơ đồ cuộn dây xếp đơn có S=K=12,Umb=1,2p=4 Ta nhận thấy với Umb=1 thì từ một rãnh sẽ có 2 đầu ra ở một phía (một đầu vẽ liền, một vẽ nét đứt) còn nếu Umb=2 thì sẽ có 4 đầu ra v.v. Chổi phải được đặt trên dường trung tuyến hình học của máy. Đó là đường thẳng nằm giữa 2 cực và cách đều 2 cực có tên khác nhau. Trên đường này độ cảm 195
ứng từ bằng không (B=0), còn nằm sát 2 bên của đường trung tuyến hình học gọi là vùng trung hoà. Cần lưu ý rằng vùng trung hoà trên rô to và trên cổ góp không trùng nhau. Do vậy chổi sẽ được đặt ở phiến góp nối với dây dẫn đi ra từ vùng trung tuyến hình học, ví dụ rãnh 7 .Các chổi phải được đặt cách đều nhau ở cổ góp. -Sao sđđ cuộn dây Để dựng sao sđđ cuộn dây ta dựng sao sđđ của bin.(hình 11.13) Ta xét mô bin thứ nhất. Mô bin này có một cạnh nằm trong rãnh 1 ở giữa cực nam (S) nên sđđ cảm ứng trong nó có giá trị lớn nhất, có chiều từ cổ góp đi ra, còn cạnh 5 nếu nằm đúng giữa cực Bắc (N) thì giá trị của nó sẽ ngược pha với sđđ trong rãnh 1, nhưng vì rãnh 5 lại dài hơn bước cực một đại lượng 1/2 rãnh cơ bản. nên nó không ngược pha. Góc lệch giữa 2 rãnh cơ bản tính như sau: p360 α= Z (11.34) cb và trên sơ đồ rải của cuộn dây nó chính là khoảng cách giữa 2 cạnh cơ bản. Như vậy góc lệch pha giữa sđđ e1 và e5 như sau: α β =1800 + = 4α 2 Sđđ của mô bin phụ thuộc vào cách nối mô bin. Nếu mô bin nối như hình 11.13a thì e mb1 sẽ là hình 11.13b, còn nếu nối như hình 11.13c thì sđđ mô bin y1 -e5 τ e1 e1 N S cuối cuối emb 12 3 4 5 0 5 1800+α/2 1 e5 e5 Đầu e5 Đầu a) b) c) d) Hình 11.13 Cách xác định sđđ mô bin cuộn dây như hình 11.13d. Bây giờ ta dựng sao điện áp cho cuộn dây trên hình 11.12. Vì rãnh 1 có 2 cạnh (trên và dưới) nằm trong cùng trạng thái trong từ trường nên sđđ của chúng như nhau và trùng pha nhau. Ta biểu diễn chúng bằng một véc tơ nhưng dùng 2 ký hiệu 1’ và 1” (2 sđđ của một rãnh); lệch đi một góc 3600 là rãnh 7 cũng có cùng tình trạng như 1, vậy véc tơ 7’ và 7’’ sẽ nằm trên một đường thẳng với 1’ và 1’’. Dịch đi một góc α so với rãnh 1 là rãnh 2 và so với rãnh 7 là 8. Ta có véc tơ 2’, 2’’ và 8’, 8’’ nằm trên cùng một 196
đường thẳng. Bằng cách đó ta dựng được một sao điện áp có số tia là Zcb/p, mỗi tia gồm 2 đoạn (hình 11.14a). Dựa trên sao này ta dựng được 2 đa giác, mỗi đa giác gồm 6 cạnh. Để dựng đa giác này ta làm như sau: từ một điểm ở ngoài sao ta dựng một véc tơ song song với một véc tơ bất kỳ nào đó (ví dụ 1’). Vì véc tơ 1’ được nối với cạnh 4 (phía dưới) nên nó là véc tơ 4” do đó từ cuối véc tơ 1 ta dựng một véc tơ song song với véc tơ 4”, độ dài của các véc tơ này nhận bằng chính độ dài của véc tơ 1’ và 4”. Căn cứ vào cách nối các bin, tiếp tục ta làm như vậy sẽ nhận được 2 đa giác (hình 11.14b) 3 4 8’ 8” 7’ 9’ 9 10 7” 1’ 2’ 2’’ 3’ 9” 1” 3” (+) 11 5 4’ 6’ 2 8 6’’ 4’’ 1 12 12’ 5’ 5 ” 10’ 12’’ 10’’ 7 6 11’ 11” (-) b) a) Hình 11.14 Sao điện áp cuộn dây máy điện một chiều Vấn đề quan trọng là phải đặt chổi đúng vị trí trên cổ góp. Khi đặt đúng vị trí chổi thì điện áp ra sẽ lớn nhất. Trên hình vẽ chúng ta chỉ hướng quay của rô to.Ta bắt đầu vòng quay của cuộn dây ví dụ bắt đầu từ dây dẫn số 1 theo thứ tự sau:1-1’-2-2’-3-3’ ta thấy rằng sđđ trong những dây dẫn này cùng chiều. Giả sử sđđ trong một dây dẫn là 5V thì 6 dây dẫn ta có 30V nghĩa là ta có thể đặt chổi tại phiến góp 1 và 4. Đi tiếp theo vòng ta thấy 4-4’ sđđ có chiều ngược lại với hướng quay của vòng cuộn dây, như vậy giữa phiến góp 1 và 5 sđđ sẽ là 30V-10V=20V ngiã là theo chiều giảm sđđ vì vậy phải đặt chổi tại phiến 4, tương tự như vậy ta đặt chổi tại phiến 10 và 7. 11.4.2.2 Cuộn xếp kép Nhiều cuộn xếp đơn nối chung với một cổ góp gọi là cuộn xếp kép, vậy bước cổ góp này yk=m trong đó m là một số nguyên vậy: yk=y=m Các bước y1, y2 vẫn tính toán như xếp đơn, số chổi cuộn xếp kép bằng số cặp cực, còn số nhánh song song bằng: 2a=2mp (11.35) 197
Dựng cuộn dây xếp kép theo nguyên tắc sau: mô bin thứ 1 ứng với phiến góp thuộc cuộn đơn thứ nhất, mô bin thứ 2 ứng với phiến góp thứ 2 thuộc cuộn đơn thứ 2 và cứ thế cho tới cuộn đơn thứ m, nghĩa là yk=m. Cuộn kép không đòi hỏi K/m là số nguyên. Nhưng nếu K/m là số lẻ thì giữa các cuộn xếp đơn sẽ chỉ tạo thành một vòng kín, còn nếu K/m là số nguyên thì thương số này sẽ là số lần khép kín của cuộn dây. Trên hình 11.15 biểu diễn sơ đồ Z cb rải của cuộn xếp kép có:2p=4, S=K=20, Umb=1,m=2, y=yk=2, y1= 2 p +ε=20/4=5(ε=0) và y2=5-2=3 b’ N S N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 A1(+) B1(-) A2(+ ) B2(-) Hình 11. 15 Sơ đồ cuộn dây xếp kép có S=K=20,Umb=1,2p=4, m=2 Nếu K/p nguyên, không cần nối cân bằng, còn nếu lẻ thì phải nối cân bằng. Ở máy một chiều cần dòng điện lớn thì dùng cuộn kép vì dòng phần ứng : I=i1+i2+...in (ii-dòng trong các nhánh song song). Cách dựng cuộn dây trên đây là dựng theo sơ đồ cuộn dây phẳng (sơ đồ Richter), tuy mhiên để tiện hơn, sáng sủa hơn nên dựng theo phương pháp Novak (hình 11.16). Bản chất của phương pháp này như sau: khi ta vẽ trùng lên nhau 2 cạnh ở một rãnh thuộc lớp trên và lớp dưới, rồi nối chúng lại ứng với nối điện của các cạnh trong vòng dây và trong mô bin. Bằng cách đó ta nhận được một sơ đồ điện sáng sủa, trong đó nằm cạnh nhau là các cạnh nối trực tiếp với nhau về điện, trong khi đó ở sơ đồ của Richter, nằm cạnh nhau là các thanh dẫn và vòng dây phù hợp với sự phân bố thực tế của chúng trên mạch phần ứng máy điện.Từ sơ đồ Novak ta dễ dàng biết được các bước nhảy của cuộn dây (y1,y2,y), xác định được số cặp nhánh mắc song song, số chổi và vị trí đặt chổi. 198
Trên hình 11.16 biểu diễn sơ đồ Novak cho cuộn xếp đơn mà sơ đồ Richter biểu diễn trên hình 11.12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 9’ 10’ 11 12 1’ 2’ 3’ Hình 11.16 sơ đồ cuộn xếp đơn nối theo Novak. 11.4.3 Cuộn sóng. a.Sóng đơn Cuộn sóng có các thông số đặc trưng sau: -Bước tổng hợp y=y1+y2 K ±1 -bước cổ góp: yk=y= p (11.36) Nếu cuộn dây vòng phải là dấu ‘+’ còn vòng trái là dấu trừ (-) Cuộn dây được thực hiện như sau: Sau khi nối cạnh trái cuộn dây ví dụ vào phiến 1 và sau khi thực hiện p vòng dây dưới các cặp cực, cạnh phải của vòng dây thứ p nối vào phiến 2, sẽ xuất hiện vòng dây sóng đơn vòng phải (bắt chéo). Ta sẽ thực hiện tương tự cho vòng tiếp theo, vòng này sẽ được nối vào phiến góp tiếp theo ở phía phải phiến trước (phiến 3), cứ thế ta nối hết các phiến góp và hết các vòng dây của rô to để vòng dây cuối cùng sẽ nối vào phiến đầu tiên, bằng cách đó ta được một cuộn dây kín. Từ cách thực hiện đó ta rút ra mối quan hệ giữa bước tổng y, số đôi cực p và số phiến góp K: 1+py=K (11.37) (vì rằng sau khi ra khỏi phiến 1 và thực hiện p lần bước y trừ đi K phiến góp). Biểu thức (11.37) cho phép ta tính bước y của cuộn dây sóng đơn khi biết số cặp cực p và số phiến góp K (biểu thức 11.36). Trên hình 11.17 biểu diễn cuộn dây sóng đơn có:S=Zcb=K=13, 2p=4, cuộn dây vòng trái có bước rút gọn.Trước hết ta tính: S 13 1 y1= 2 p − ε = 4 − 4 =3 S − 1 13 − 1 y=yk= = =6 2 2 y2=y-y1=6-3=3. n 199
N S N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 IV - I + II - III + + - Hình 11.17 Sơ đồ cuộn dây sóng đơn có S=K=13,Umb=1,2p=4 Cuộn dây được thực hiện như sau: bắt đầu từ một cạnh bất kỳ ví dụ cạnh 4, cạnh này được nối với phiến 4, cạnh thứ 2 của bin này nằm ở lớp dưới rãnh 7 (vì y2=3) được nối với phiến góp 10 (vì yk=6), mô bin tiếp theo có cạnh thứ nhất nằm ở rãnh 10, được nối với phiến góp 10, còn cạnh thứ 2 của nó nằm ở rãnh 13 và nối với phiến góp 3 nằm phía trái phiến góp 4, tiếp theo là rãnh 3 nối với phiến góp 3 , cạnh thứ 2 của nó nằm lớp dưới rãnh 6 được nối với phiến góp chín, mô bin thứ 2 nằm ở rãnh 9, cạnh thứ 2 của nó nằm ở lớp dưới rãnh 12 nối với phiến góp thứ 2. Cứ tiếp tục như thế ta nối hết các dây dẫn vào các phiến góp và được vòng dây khép kín vòng trái. Từ cách dựng trên đây ta thấy rằng ở cuộn sóng đơn tất cả các mô bin có sđđ cùng chiều được nối tiếp với nhau. Như vậy ta đã biến cuộn dây nhiều cực thành cuộn dây một đôi cực. Cần lưu ý: để có thể dựng được cuộn sóng đơn thì y phải là số nguyên. Nếu y không phải là số nguyên thì để dựng cuộn dây ta phải sử dụng mô bin chết (mô bin không được nối với phiến góp). Cuộn này dùng rất ít trong thực tế. b.Cuộn sóng kép Cuộn sóng kép gồm m cuộn dây sóng đơn mắc chung vào một cổ góp do đó nhánh song song của nó bằng: 2a=2m hay a=m Ở cuộn sóng kép sau khi đi hết một vòng xung quanh rô to, cạnh cuối cùng của mô bin cuối cùng sẽ được nối với phiến góp nằm cạnh phiến góp m phía trái (vòng trái) hoặc phía phải của phiến góp đầu tiên nếu là vòng phải. Vậy hước cổ góp y±m yk= p Để cuộn kép đối xứng thì vẫn phải thỏa mãn điều kiện K/a là số nguyên và Z/a-là số nguyên. 200
11.4.4 Điều kiện đối xứng của cuộn dây một chiều Cuộn dây đối xứng là cuộn dây có sđđ và điện trở của các nhánh song song bằng nhau. Để cuộn dây đối xứng phải thỏa mãn các điều kiện sau: -Với cuộn dây 2 lớp: 1.Z/a là số nguyên 2. Umb=S/Z=K/Z=số nguyên 3. 2p/a-là số nguyên Với cuộn xếp có thể biểu diễn dưới dạng khác: 1. K/p- số nguyên không là bội số của m 2. Z/p-là số nguyên không chia hết cho m 3. Umb-là số nguyên không chia hết cho m Với cuộn xếp đơn điều kiên đối xứng giống với cuộn 2 lớp, còn với xếp kép thì ta có thể biểu diễn như sau: Z/m=số nguyên Điều kiện này chỉ thực hiện được ở cuộn dây có m=2 11.4.5 Nối cân bằng cuộn dây 1.Nối cân bằng loại 1 Đây là loại nối cân bằng dùng cho các cuộn xếp đơn để làm cân bằng các điểm có điện thế lý thuyết bằng nhau. Ở các cuộn xếp đơn mỗi nhánh làm việc song song nằm ở dưới những cặp cực riêng biệt. Nếu như vì một lý do nào đó ví dụ: khe khí không đều nhau, sự bố trí các chổi ở cổ góp không đều nhau , trục rô to lệch tâm v.v. thì từ thông của cặp cực này khác từ thông của cặp từ kia, như vậy các nhánh song song nằm dưới các cực khác nhau sẽ khác nhau, điều đó dẫn tới chạy dòng điện cân bằng. Dòng cân bằng sẽ làm điều kiện chuyển mạch dòng điện xấu đi, máy bị đốt nóng do tổn hao tăng lên. Khi ta nối cân bằng, dòng cân bằng sẽ chạy ở dây nối cân bằng mà không đi qua chổi. Dòng cân bằng sẽ tạo ra từ thông có hướng làm giảm độ phi đối xứng các sđđ . Như vậy nối cân bằng loại một là nối cân bằng làm giảm độ phi đối xứng của từ trường . Loại này thường được nối ở phía có cổ góp, đôi khi cũng thực hiện ở phía không có cổ góp. Bước nối cân bằng phải bằng 2 bước cực ycb=2τ . Bước cân bằng có thể biểu diễn bằng: S K K ycb= a = a = p (11.38) Một dây nối cân bằng không đủ mà phải nối nhiều cân bằng. Số dây cân bằng lớn nhất được xác định như sau: K Ncb= a Vì mỗi mô bin hay bước cổ góp nằm ở giữa một cặp nhánh song song có thể nối với một mô bin hay phiến góp nằm trong giới hạn của a-1 nhánh 201