Giáo trình Máy điện

Nội dung text: Giáo trình Máy điện

1. Giỏo trỡnh mỏy điện
2. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Phần thứ nhất Máy điện một chiều Ch−ơng 1 đại c−ơng về máy điện một chiều Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đ−ợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn đ−ợc coi là một loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có mô men mở máy lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng nên chúng đ−ợc dùng nhiều trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh− cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện cho các động cơ điện một chiều, làm nguồn điện một chiều kích thích từ trong máy điện đồng bộ. Ngoài ra trong công nghiệp điện hoá học nh− tinh luyện đồng, nhôm, mạ điện cũng cần dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp. Máy điện một chiều cũng có những nh−ợc điểm của nó so với máy điện xoay chiều nh− giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp, nh−ng do những −u điểm của nó nên máy điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất. 1-1. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc chế độ động cơ điện dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ. 1.1.1. Chế độ máy phát điện Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điện một chiều nh− hình 1-1. Máy gồm có một khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp (hai nửa vòng đồng). Hai chổi điện (chổi than) A và B đặt cố định và luôn tì sát vào phiến góp. Khung dây và phiến góp đ−ợc quay quanh trục của nó với một tốc độ không đổi trong từ tr−ờng của hai cực nam châm N - S. Khi khung dây quay, các thanh dẫn ab và cd sẽ cắt các đ−ờng sức từ tr−ờng. Theo định luật cảm ứng điện từ, trong các thanh dẫn xuất hiện sức điện động (s.đ.đ) cảm ứng, trị số tức thời của s.đ.đ. cảm ứng đ−ợc xác định theo biểu thức: e = B.l.v (1-1) trong đó: B - từ cảm ở nơi thanh dẫn quét qua; l - chiều dài thanh dẫn nằm trong từ tr−ờng; v - vận tốc quét của thanh dẫn. Chiều của s.đ.đ. cảm ứng đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay phải. Theo vị trí của khung dây trên hình 1-1 và giả thiết chiều quay của khung dây ng−ợc chiều kim đồng hồ thì thanh dẫn ab đang nằm d−ới cực bắc N, s.đ.đ. cảm ứng e sẽ có chiều từ b đến a, 5
3. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - còn thanh dẫn cd đang nằm d−ới cực nam S, chiều của s.đ.đ. cảm ứng trong nó sẽ từ d đến c. Nếu mạch ngoài n khép kín qua tải thì s.đ.đ. trong khung c dây sẽ sinh ra trong mạch ngoài một dòng điện chạy từ chổi than A đến d e chổi than B. Do khung dây quay nên b các thanh dẫn ab và cd lần l−ợt thay B e - đổi vị trí nằm d−ới các cực từ, do đó s.đ.đ. cảm ứng trong các thanh dẫn là A a s.đ.đ. xoay chiều. Nếu từ cảm trong + khe hở không khí (nơi thanh dẫn quét qua) phân bố hình sin thì theo công thức (1-1) s.đ.đ. trong khung dây R cũng là hình sin. Vì chổi điện A luôn tì lên phiến Hình 1-1. Nguyên lý làm việc góp nối với thanh dẫn nằm d−ới vùng của máy phát điện một chiều cực bắc N, còn chổi điện B luôn tì lên phiến góp nối với thanh dẫn nằm d−ới e, i vùng cực nam S nên dòng điện ở 2 mạch ngoài chỉ chạy theo một chiều từ chổi A (cực d−ơng) đến chổi B (cực âm). Nh− vậy, s.đ.đ. xoay chiều cảm ứng trong khung dây và dòng t điện t−ơng ứng đã đ−ợc chỉnh l−u 1 thành s.đ.đ. và dòng điện một chiều ở mạch ngoài nhờ hệ thống vành góp và Hình 1-2. S.đ.đ. và dòng điện trong chổi than (hình 1-2). khung dây (1) và ở mạch ngoài (2). Nếu máy phát điện một chiều có một khung dây nh− ở hình 1-1 thì điện áp giữa hai chổi điện A, B có dạng nh− đ−ờng 2 ở hình 1-2, gọi là điện áp đập mạch. Trên thực tế, để có s.đ.đ. lớn giữa các chổi than và để e giảm sự đập mạch của s.đ.đ. đó, ng−ời ta dùng nhiều khung dây đặt lệch nhau một góc trong không gian làm thành dây quấn phần ứng. Cũng chính vì vậy nên không phải chỉ có t hai phiến góp mà có nhiều phiến góp Hình 1-3. S.đ.đ. ở mạch ngoài khi ghép lại với nhau thành một cổ góp có 2 khung dây đặt lệch nhau 900 điện. Các phiến góp cách điện với nhau bằng mica mỏng. Điện áp giữa hai chổi điện là tổng các s.đ.đ. trên các thanh dẫn nối tiếp trong một mạch nhánh, nên nó có trị số lớn và giảm bớt sự đập mạch. Dạng điện áp giữa hai chổi điện trong tr−ờng hợp máy có hai khung dây đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 nh− ở hình 1-3 (đ−ờng nét liền). 6
4. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 1.1.2. Chế độ động cơ điện Ng−ợc lại với máy phát, nếu ta nối hai chổi điện A và B vào nguồn điện một chiều, dòng một chiều chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ tr−ờng của nam châm N - S, d−ới tác dụng của từ tr−ờng nam châm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ có độ lớn: F = Btb.l.i (1-2) trong đó: Btb- cảm ứng từ trung bình trong khe hở; l - chiều dài của thanh dẫn; i - dòng điện chạy trong thanh dẫn. Chiều của lực điện từ đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay trái. Nếu chổi điện A nối vào cực (+) và chổi B nối vào cực (-) của nguồn điện thì thanh dẫn nào nằm d−ới vùng cực S, dòng điện trong nó sẽ chạy từ trong ra ngoài (từ c đến d trên hình 1-1), còn thanh dẫn nào nằm d−ới vùng cực N, dòng điện sẽ chạy từ ngoài vào trong (từ a đến b). Do đó lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực có chiều không đổi, mô men do lực điện từ sinh ra có chiều không đổi làm cho khung dây quay theo một chiều nhất định. Đó là nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. 1-2. kết cấu của máy điện một chiều Kết cấu chủ yếu của máy điện một chiều nh− ở hình 1-4 và có thể chia thành hai phần chính: phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto). 5 6 7 8 9 10 11 8 4 6 3 7 2 1 12 13 9 a) b) Hình 1-4. Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang(b) của máy điện một chiều 1. trục; 2. ổ bi; 3. nắp; 4. cánh quạt; 5. vỏ; 6. lõi thép cực từ chính; 7. lõi sắt phần ứng; 8. dây quấn cực từ chính; 9. dây quấn phần ứng; 10. chổi than; 11. cổ góp; 12. dây quấn cực từ phụ; 13. lõi sắt cực từ phụ. 7
5. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 1.2.1. Phần tĩnh (stato) Phần tĩnh còn đ−ợc gọi là phần cảm, gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy và cơ cấu chổi điện. a. Cực từ chính Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ tr−ờng, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm đ−ợc ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ đ−ợc gắn chặt vào vỏ máy bằng bu lông (hình 1-5). Dây quấn kích từ đ−ợc làm bằng đồng bọc cách điện, đ−ợc quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều đ−ợc bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện tr−ớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ chính đ−ợc nối nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì hình thành các cực từ trái dấu xen kẽ. 1 2 3 4 a) b) Hình 1-5. Cực từ chính trong máy điện một chiều: a) Bốn cực; b) Sáu cực 1. Cuộn dây kích từ; 2. Gông từ; 3. Lõi thép cực từ; 4. Bu lông b. Cực từ phụ Cực từ phụ đ−ợc đặt giữa các cực từ chính (hình 1-4) và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép th−ờng làm bằng thép khối, trên thân cực từ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống nh− dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đ−ợc gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c. Gông từ Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện công suất lớn gông từ làm bằng thép đúc. Trong máy điện công suất nhỏ và vừa th−ờng dùng thép tấm cuốn lại và hàn. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d. Cơ cấu chổi than Cơ cấu chổi than (hình 1-6) gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò Hình 1-6. Cơ cấu chổi than: 1. chổi xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than đ−ợc cố than; 2. hộp chổi than; 3. lò xo; 4. giá đỡ; 5. dây dẫn điện; 6. cò mổ 8
6. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đ−ợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại. Chổi than làm bằng than hay graphit, đôi khi đ−ợc trộn thêm bột đồng để tăng độ dẫn điện. Chổi than có nhiệm vụ đ−a dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ng−ợc lại. e. Nắp máy Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm h− hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho ng−ời khỏi chạm phải điện. Trong các máy điện công suất nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong tr−ờng hợp này nắp máy th−ờng làm bằng gang. 1.2.2. Phần quay (rôto) Phần quay còn gọi là phần ứng, gồm các bộ phận sau: a. Lõi thép phần ứng Lõi thép rôto dùng để dẫn từ, th−ờng làm bằng các lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm, bề mặt có phủ sơn cách điện rồi ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ghép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những máy cỡ trung bình trở lên, ng−ời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo đ−ợc những lỗ Hình 1-7. Lá thép phần ứng thông gió dọc trục (hình 1-7). Trong máy điện hơi lớn thì lõi sắt đ−ợc chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn ấy có để một nêm khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy Cách điện làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn rãnh và lõi sắt. Trong những máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng đ−ợc ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng l−ợng rôto. Dây dẫn b. Dây quấn phần ứng Hình 1-8. Mặt cắt rãnh phần ứng Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ. cảm ứng và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, tiết diện hình tròn (trong máy công suất bé) hay hình chữ nhật (trong máy công suất lớn), đ−ợc đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và đ−ợc cách điện cẩn thận với rãnh. Để tránh khi quay bị vung ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể bằng tre, gỗ hay bakêlít (hình 1-8). c. Cổ góp Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để chỉnh l−u dòng điện xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điện một chiều đ−a ra ngoài. Kết cấu của cổ góp nh− hình 1-9, gồm có nhiều phiến đồng có đuôi én (hình 1-9a và b) ghép lại thành hình trụ tròn (hình 1-9c), giữa các phiến đồng đ−ợc cách điện với nhau bằng các tấm mi ca dày 0,4 đến 1,2mm. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và phiến góp cũng đ−ợc cách điện bằng các tấm mi ca. 9
7. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp đ−ợc dễ dàng. 4 1 5 3 2 2 4 6 7 a) b) c) Hình 1-9. Phiến đổi chiều (a), (b) và cổ góp (c) 1. phiến góp; 2, 3. ốp hình chữ V; 4. cách điện bằng mi ca; 5. rãnh nối dây; 6. vành đệm cách điện; 7. bulông xiết. d. Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm có: Cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy. Máy điện một chiều th−ờng chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy. Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. Trục máy làm bằng thép các bon tốt. Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành Hình 1-10. Rôto của máy điện một chiều góp, cánh quạt. Phần ứng (rôto) của máy điện một chiều nh− ở hình 1-10. 1-3. Các đại l−ợng định mức Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà x−ởng chế tạo đã quy định. Chế độ đó đ−ợc đặc tr−ng bởi những đại l−ợng ghi trên nhãn máy và gọi là những l−ợng định mức. Trên nhãn máy th−ờng ghi những đại l−ợng sau: Công suất định mức Pđm (W hay kW); Điện áp định mức Uđm (V); 10
8. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Dòng điện định mức Iđm (A); Tốc độ định mức nđm (vg/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, ph−ơng pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng v.v Cần chú ý là công suất định mức ở đây là chỉ công suất đ−a ra của máy điện. Đối với máy phát điện, đó là công suất điện đ−a ra ở đầu cực của máy. Đối với động cơ điện thì đó là công suất cơ đ−a ra ở đầu trục. Câu hỏi 1. Kết cấu của máy điện một chiều gồm những bộ phận chính nào, công dụng của các bộ phận đó? 2. Tại sao lõi sắt phần ứng của máy điện một chiều phải làm bằng thép kỹ thuật điện, cực từ thì có thể dùng thép kỹ thuật điện hay thép lá th−ờng ghép lại, còn gông từ lại dùng thép đúc hoặc thép tấm uốn lại rồi hàn? Tại sao vỏ của máy điện một chiều không dùng gang là loại vật liệu rẻ tiền và dễ đúc? 3. Cho biết ý nghĩa của trị số công suất định mức ghi trên nhãn máy? Công suất định mức của động cơ điện ghi trên nhãn máy là công suất cơ đ−a ra đầu trục hay công suất điện đ−a vào động cơ? 11
9. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 2 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều 2-1. Đại c−ơng Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của máy điện vì nó tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi năng l−ợng từ điện năng thành cơ năng hay ng−ợc lại. Về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn chiếm một tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành máy. Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm: - Sinh ra đ−ợc một s.đ.đ. cần thiết, có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua để sinh ra một mômen cần thiết mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định, đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt. - Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn và an toàn. Dây quấn phần ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau: - Dây quấn xếp đơn và xếp phức tạp. - Dây quấn sóng đơn và sóng phức tạp. Trong một số máy điện cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp, đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và sóng. 2.1.1. Cấu tạo của dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng gồm nhiều ”phần tử dây quấn“ nối với nhau theo một quy luật nhất định. Phần tử th−ờng là một bối dây gồm một hay nhiều vòng dây mà hai đầu của nó nối vào hai phiến góp. Các phần tử nối với nhau thông qua các phiến góp đó và làm thành mạch vòng kín. Mỗi phần tử có hai cạnh tác dụng, đó là phần đặt vào rãnh của lõi sắt. Phần nối hai cạnh tác dụng của phần tử nằm ngoài lõi sắt gọi là phần đầu nối. Để dễ chế tạo, một cạnh tác dụng của phần tử đặt ở lớp d−ới của một rãnh, còn cạnh tác dụng kia đặt ở lớp trên của một rãnh khác. Các phần tử khác cũng xếp theo thứ tự nh− vậy vào các rãnh kề bên cho đến khi đầy các rãnh. Nếu trong một rãnh phần ứng (gọi là rãnh thực) chỉ đặt a) b) c) hai cạnh tác dụng (một cạnh nằm ở lớp trên và một cạnh nằm ở lớp d−ới rãnh) thì ta gọi rãnh đó là rãnh nguyên tố (hình 2- Hình 2-1 1a). Nếu trong một rãnh thực đó có đặt 2u Rãnh thực có 1, 2 và 3 rãnh nguyên tố cạnh tác dụng (trong đó u = 1, 2, 3 n) thì ta có thể chia rãnh thực đó ra thành u rãnh nguyên tố (hình 2-1b và c). Vì vậy quan hệ giữa số rãnh thực Z của phần ứng với số rãnh nguyên tố Znt nh− sau: Znt = uZ (2-1) Giữa số phần tử của dây quấn S, số rãnh nguyên tố Znt và số phiến góp G cũng có một quan hệ nhất định. Vì mỗi phần tử có hai đầu nối với hai phiến góp, đồng thời ở 12
10. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - mỗi phiến góp lại nối hai đầu của hai phần tử lại với nhau, nên số phần tử S phải bằng số phiến góp G. Ta có: S = G. (2-2) Do trong mỗi rãnh nguyên tố đặt hai cạnh tác dụng mà mỗi phần tử cũng có hai cạnh tác dụng nên ta có quan hệ: Znt = S = G (2-3) a) b) c) Hình 2-2. Dây quấn có phần tử đồng đều (a) và theo cấp (b và c) Tuỳ theo kích th−ớc của các phần tử mà ta chia dây quấn ra làm dây quấn có phần tử đồng đều và dây quấn theo cấp. Dây quấn có phần tử đồng đều là dây quấn mà kích th−ớc của các phần tử hoàn toàn giống nhau (hình 2-2a). Dây quấn theo cấp là dây quấn mà khi cạnh tác dụng thứ nhất của các phần tử cùng nằm trong một rãnh thực thì cạnh tác dụng thứ hai của chúng lại nằm trong các rãnh thực khác nhau (hình 2-2b và c). Vì vậy trong dây quấn theo cấp, kích th−ớc của các phần tử không giống nhau. y1 y2 y1 y y y2 1 2 3 15 1 2 3 8 15 yG yG a) b) Hình 2-3. Các b−ớc dây quấn. a) dây quấn xếp; b) dây quấn sóng 2.1.2. Các b−ớc dây quấn Quy luật nối các phần tử dây quấn có thể đ−ợc xác định theo các b−ớc dây quấn sau (hình 2-3): a. B−ớc dây quấn thứ nhất y1. Đó là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử đo bằng số rãnh nguyên tố. 13
11. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - b. B−ớc dây quấn thứ hai y2. Đó là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử thứ nhất với cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp ngay sau đó và đo bằng số rãnh nguyên tố. c. B−ớc dây quấn tổng hợp y. Đó là khoảng cách giữa hai cạnh t−ơng ứng của hai phần tử liên tiếp nhau đo bằng số rãnh nguyên tố. d. B−ớc trên vành góp yG. Đó là khoảng cách giữa hai phiến góp có hai cạnh tác dụng của cùng một phần tử nối vào đó và đo bằng số phiến góp. Gọi khoảng cách giữa hai cực từ tính theo chu vi phần ứng là b−ớc cực τ , ta có: Z τ = nt (p là số đôi cực). 2 p 2-2. Dây quấn xếp đơn 2.2.1. B−ớc dây quấn a. B−ớc dây quấn thứ nhất y1 B−ớc dây quấn thứ nhất phải chọn sao cho s.đ.đ. cảm ứng trong phần tử lớn nhất. Muốn thế thì hai cạnh tác dụng của phần tử phải cách nhau một b−ớc cực, vì lúc đó trị số tức thời của s.đ.đ. của hai cạnh tác dụng bằng nhau về trị số và ng−ợc chiều nhau và do trong một phần tử đuôi của hai cạnh tác dụng nối với nhau nên s.đ.đ. tổng của phần tử bằng tổng số học của hai s.đ.đ. của hai cạnh tác dụng. Nếu biểu thị s.đ.đ. của mỗi cạnh tác dụng bằng một véc tơ thì hai s.đ.đ. của hai cạnh tác dụng này cùng ph−ơng và véc tơ s.đ.đ. tổng của phần tử bằng hai lần vectơ s.đ.đ. của mỗi cạnh tác dụng (hình 2-4a). Vì số rãnh nguyên tố d−ới mỗi b−ớc cực bằng Z Z Z /2p (trong đó p là số đôi cực) nên tốt nhất là y = nt . Nếu y = nt không phải là nt 1 2 p 1 2 p Z số nguyên thì phải chọn y bằng một số nguyên gần bằng nt . Tổng quát ta có: 1 2 p Z y = nt ± ε = số nguyên. (2-4) 1 2 p Z Khi y = nt ta có dây quấn b−ớc đủ; 1 2 p Z y = nt + ε ta có dây quấn b−ớc dài; 1 2 p Z y = nt − ε ta có dây quấn b−ớc ngắn. 1 2 p Dây quấn th−ờng đ−ợc thực hiện theo b−ớc ngắn vì đỡ tốn đồng hơn. Dù là b−ớc dài hay b−ớc ngắn thì s.đ.đ. của phần tử cũng nhỏ hơn so với b−ớc đủ vì khi đó véctơ s.đ.đ. của hai cạnh tác dụng không cùng ph−ơng nữa, nên s.đ.đ. tổng bằng cộng vectơ hai s.đ.đ. đó chứ không thể cộng trị số số học của chúng đ−ợc (hình 2-4b và c). 14
12. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - y1 = τ / -1 -1// -1/// 1 1// 1/ 1/// / E&1 // E& 1 N S E& /// 1 1 1 1 / 1 1// 1/// 1 2 Chiều quay a) c) phần ứng b) Hình 2-4. S.đ.đ. của phần tử: a) khi b−ớc đủ; b) b−ớc ngắn; c) b−ớc dài b. B−ớc dây quấn tổng hợp y và b−ớc vành góp yG Đặc điểm của dây quấn xếp đơn là hai đầu dây của một phần tử nối liền vào hai phiến góp kề nhau nên yG = 1. Cũng từ đấy ta thấy b−ớc tổng hợp y cũng phải bằng 1, ta có: y = yG = 1 (2-5) c. B−ớc dây quấn thứ hai y2 Có thể xác định y2 theo y1 và y. Theo định nghĩa và hình 2-3, ta có: y2 = y1 - y (2-6) Từ hình vẽ ta thấy, do đặc điểm về b−ớc dây quấn của kiểu dây quấn này nên các phần tử nối nối tiếp nhau đều xếp lên nhau nên gọi là dây quấn xếp. 2.2.2. Giản đồ khai triển của dây quấn Có thể phân tích cách đấu dây của các phần tử bằng giản đồ khai triển. Đó là hình vẽ khai triển của dây quấn khi cắt bề mặt phần ứng theo chiều trục rồi trải ra thành mặt phẳng. Để hiểu rõ cách phân tích hơn ta có thể xét ví dụ sau: Có dây quấn xếp đơn với Znt = S = G = 16, 2p = 4. a. Các b−ớc dây quấn Z 16 y = nt ± ε = = 4 1 2 p 4 y = yG = 1 y2 = y1 - y = 4 - 1 = 3 b. Thứ tự nối các phần tử Căn cứ vào các b−ớc dây quấn có thể bố trí cách nối các phần tử để thực hiện dây quấn. Đánh số các rãnh từ 1 đến 16. Phần tử thứ nhất có cạnh tác dụng thứ nhất (coi nh− đặt nằm trên rãnh) đặt vào rãnh nguyên tố thứ nhất thì cạnh tác dụng thứ hai của phần tử đó phải đặt vào phía d−ới của rãnh nguyên tố thứ 5 (vì y1 = 5 - 1 = 4). Hai đầu của phần tử nối vào phiến đổi chiều 1 và 2. Cạnh thứ nhất của phần tử thứ hai phải đặt 15
13. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ở rãnh nguyên tố thứ hai và nằm ở lớp trên (vì y2 = 5 - 2 = 3), và cứ tiếp tục nh− vậy cho đến khi mạch khép kín. Ta có thể diễn tả bằng sơ đồ sau: Lớp trên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 kín mạch Lớp d−ới 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 c. Giản đồ khai triển Chiều quay phần ứng Ta có thể theo trình tự nối các phần tử để vẽ giản đồ khai triển (hình 2-5). Khi vẽ, quy −ớc các cạnh của phần tử ở lớp trên vẽ bằng nét liền, còn ở lớp 12345678910111213141516 d−ới vẽ bằng nét đứt. N S N S Vị trí của các cực từ phải đối xứng, nghĩa là khoảng cách giữa chúng phải đều nhau, chiều rộng cực từ vào khoảng 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 B _ A _ 0,7 b−ớc cực. Theo cực tính của cực từ A1 + 1 2 + B2 và chiều quay của phần ứng mà chiều s.đ.đ. cảm ứng nh− trong hình vẽ. Vị trí của chổi than trên phiến đổi chiều cũng C + D _ phải đối xứng, nghĩa là khoảng cách giữa các chổi than phải bằng nhau. Chiều Hình 2-5. rộng của chổi than có thể lấy bằng một Giản đồ khai triển dây quấn xếp đơn. phiến đổi chiều. Vị trí t−ơng đối giữa chổi than với cực từ phải có một quan hệ nhất định. Chổi than phải đặt ở vị trí để s.đ.đ. lấy ra ở hai đầu chổi than lớn nhất, đồng thời để dòng điện trong phần tử khi bị chổi than nối ngắn mạch là nhỏ nhất. Dòng điện trong phần tử bị chổi than nối ngắn mạch là nhỏ nhất khi hai cạnh của phần tử nằm ở vị trí trùng với đ−ờng trung tính hình học của phần ứng. Nh− vậy thì vị trí của chổi than đặt trên vành góp phải trùng với trục cực từ. Để tiện lợi, có khi trong một số hình vẽ ta quy −ớc vẽ vị trí của các chổi than ở đúng đ−ờng trung tính hình học trên phần ứng. Theo hình vẽ 2-5, khi chổi than trên vành góp đặt đúng giữa trục cực từ thì s.đ.đ. của các phần tử giữa hai chổi than đều cộng với nhau nên s.đ.đ. giữa hai chổi than là lớn nhất. Nếu dịch chổi than đến vị trí khác thì s.đ.đ. sẽ giảm đi. d. Số đôi mạch nhánh Giả thiết ở thời điểm nào đấy dây quấn quay đến vị trí nh− trong giản đồ khai triển trên. Ta thấy s.đ.đ. của các phần tử giữa hai chổi than cùng chiều và chổi than A1, A2 cùng cực tính (cực +). Cực tính của các chổi than B1, B2 cũng giống nhau (cực -). Vì vậy ta th−ờng nối A1 với A2 và B1 với B2. Từ ngoài nhìn vào, dây quấn có thể biểu thị bằng sơ đồ ký hiệu nh− hình 2-6. Từ hình 2-6 ta thấy dây quấn là một mạch điện gồm bốn mạch nhánh ghép song song hợp lại. Khi phần ứng quay, vị trí của phần tử thay đổi nh−ng nhìn từ ngoài vào vẫn là bốn mạch nhánh song song. ở ví dụ trên, máy có bốn cực nên có bốn mạch nhánh song song. Nếu số cực là 2p thì số mạch nhánh cũng sẽ là 2p. Vì vậy, đặc điểm 16
14. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - của dây quấn xếp đơn là số mạch nhánh ghép song song của dây quấn phần ứng bằng số cực từ: 2a = 2p nghĩa là số đôi mạch nhánh bằng số đôi cực từ: a = p (2-7) Trong thí dụ trên yG = 1 nên dây quấn đ−ợc xếp theo thứ tự từ trái sang phải, ta gọi là dây quấn phải. Nếu yG = - 1 thì đầu cuối của phần tử phải nằm bên trái của đầu đầu phần tử nên ta có dây quấn trái (hình 2-7). Cách quấn này tốn đồng hơn nên nói chung không đ−ợc dùng. A2 E i − − E− i− 16 1 4 5 y y1 E− i− E i B1 − − B2 y 2 A 4i− 1 14 15 16 1 2 4i− _ + Hình 2-6. Sơ đồ ký hiệu Hình 2-7. Dây quấn xếp trái dây quấn xếp đơn e. Dùng đa giác s.đ.đ. nghiên cứu dây quấn phần ứng Giả thiết từ cảm d−ới cực từ phân bố hình sin, nh− vậy thì s.đ.đ. cảm ứng trong mỗi phần tử cũng biến đổi hình sin và có thể dùng một vectơ quay để biểu thị, trị số tức thời của s.đ.đ. phần tử là hình chiếu của vectơ lên trục tung. Nh− vậy có thể biểu thị s.đ.đ. của tất cả các phần tử bằng hình sao s.đ.đ. (hay còn gọi là hình tia s.đ.đ.). Vì cứ qua mỗi đôi cực s.đ.đ. biến đổi một chu kỳ 360 độ điện và số rãnh nguyên tố Z d−ới mỗi đôi cực là nt , nên nếu coi nh− các phần tử dây quấn phân bố đều trên bề p mặt phần ứng thì góc độ điện giữa hai rãnh nguyên tố (cũng là góc độ điện giữa hai s.đ.đ. của hai phần tử kề nhau) sẽ là: 3600 p3600 p3600 α = = = (2-8) Z nt / p Z nt S 2.3600 Theo thí dụ trên, p = 2, Z = S = 16 thì ta có α = = 450. nt 16 Với chiều quay của phần ứng cho tr−ớc nh− trên hình 2-5 thì các phần tử 1, 2, 3, lần l−ợt quét qua cực từ nên s.đ.đ. của phần tử 2 (tức vectơ 2) chậm sau s.đ.đ. của phần tử 1 (tức vectơ 1) một góc α = 450. Theo quy −ớc đó mà vẽ, ta có hình tia s.đ.đ. nh− hình 2-8a. 17
15. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Từ hình vẽ 2-5 ta thấy, từ rãnh 1 đến rãnh 8 phân bố d−ới đôi cực thứ nhất (chiếm 3600 góc độ điện) nên ta vẽ đ−ợc một hình sao s.đ.đ. gồm các vectơ từ 1 đến 8, góc lệch pha giữa các véc tơ là 450. Từ rãnh 9 đến rãnh 16 phân bố d−ới đôi cực thứ hai và ta vẽ đ−ợc hình sao s.đ.đ. thứ hai trùng với hình sao s.đ.đ. thứ nhất. Sở dĩ nh− vậy vì chúng có vị trí t−ơng đối giống nhau ở d−ới cực từ. Vì tất cả các phần tử của dây quấn phần ứng đ−ợc nối nối tiếp nhau sao cho cuối phần tử tr−ớc nối với đầu phần tử sau, nên s.đ.đ. sinh ra trong nó đ−ợc cộng hình học với nhau. Để thực hiện điều đó ta làm nh− sau: từ cuối của véctơ 1 ta vẽ liên tiếp các véctơ 2, 3, 4, Kết quả ta sẽ đ−ợc đa giác s.đ.đ. Theo thí dụ trên ta thấy dây quấn này có hai đa giác s.đ.đ. trùng nhau (hình 2-8b). + A2 A1 7,15 9 10 1 2 6,14 8,16 16,8 1,9 15,7 2,10 5,13 1,9 α = 450 14,6 3,11 13,5 4,12 4,12 2,10 14 13 6 5 3,11 B1 B2 _ a) b) Hình 2-8. Hình tia (a) và đa giác s.đ.đ.(b) của dây quấn xếp đơn ở hình 1-14 Dùng đa giác s.đ.đ. có thể thấy rõ các vấn đề sau: 1. Nếu đa giác s.đ.đ. khép kín thì chứng tỏ tổng s.đ.đ. trong mạch vòng phần ứng bằng 0 và trong điều kiện làm việc bình th−ờng không có dòng điện cân bằng. 2. Hình chiếu của đa giác s.đ.đ. lên trục tung là trị số cực đại của các véctơ s.đ.đ. của một số phần tử nối với nhau trong mạch vòng phần ứng, nên muốn cho s.đ.đ. lấy ra ở hai đầu chổi than cực đại thì chổi than phải đặt ở các phần tử ứng với các véc tơ ở đỉnh và đáy của đa giác. Khi rôto quay thì đa giác cũng quay, hình chiếu của đa giác lên trục tung có thay đổi chút ít theo chu kỳ. Điều đó nói lên điện áp phần ứng lấy ra ở chổi than có đập mạch. G Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng, nếu càng lớn thì sự đập mạch của điện áp 2 p G càng ít. Khi = 8 thì sự đập mạch đó đã khó nhận thấy và điện áp của máy phát đ−ợc 2 p coi nh− không đổi. 3. Các véctơ s.đ.đ. của đa giác cũng có thể biểu thị cho cách nối tiếp các phần tử. Do đó từ đa giác s.đ.đ. có thể thấy số đôi mạch nhánh a (cứ mỗi một đa giác t−ơng ứng với một đôi mạch nhánh). 4. Những điểm trùng nhau trên đa giác là những điểm đẳng thế của dây quấn, có thể nối dây cân bằng điện thế đ−ợc, nh− điểm 1- 9, 2-10, v.v 18
16. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2-3. Dây quấn sóng đơn 2.3.1. B−ớc dây quấn Đặc điểm của dây quấn sóng là hai đầu của phần tử nối với hai phiến góp cách rất xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau cũng cách xa nhau nên nhìn cách đấu gần giống nh− làn sóng (hình 2-3b). Cách xác định b−ớc dây quấn y1 giống nh− đối với dây quấn xếp đơn, chỉ khác ở yG. Khi chọn yG, tr−ớc hết yêu cầu s.đ.đ. sinh ra trong hai phần tử nối tiếp nhau cùng chiều, có nh− vậy s.đ đ. mới có thể cộng số học với nhau đ−ợc. Muốn thế thì hai phần tử đó phải nằm d−ới các cực từ cùng cực tính, có vị trí t−ơng đối gần giống nhau trong từ tr−ờng, nghĩa là cách nhau một khoảng bằng hai b−ớc cực. Mặt khác các phần tử nối tiếp nhau sau khi quấn vòng quanh bề mặt phần ứng phải trở về bên cạnh phần tử đầu tiên để lại tiếp tục nối với các phần tử khác quấn vòng thứ hai. Nh− vậy, nếu máy có p đôi cực thì muốn cho các phần tử nối tiếp nhau đi một vòng bề mặt phần ứng, phải có p phần tử. Hai phiến đổi chiều nối với hai đầu của phần tử cách nhau yG phiến, do đó muốn cho khi quấn xong vòng thứ nhất đầu cuối của phần tử phải kề với đầu đầu của phần tử đầu tiên thì số phiến đổi chiều mà các phần tử v−ợt qua phải bằng: p.yG = G ± 1 G ±1 và ta có: y = (2-9) G p Nếu lấy dấu ”-“ ta có dây quấn trái, nếu lấy dấu ”+“ ta có dây quấn phải. Th−ờng dùng dây quấn trái cho đỡ tốn đồng. Theo định nghĩa của các b−ớc dây quấn ta có: y = yG (2-10) y2 = y - y1 (2-11) Mặc dù hai phần tử nối tiếp nhau ở d−ới các cực từ cùng cực tính nh−ng vị trí t−ơng đối trong từ tr−ờng không hoàn toàn nh− nhau, vì khoảng cách rãnh giữa hai phần tử đó là: G ±1 Z ±1 Z 1 y = y = = nt = nt ± G p p p p trong khi đó khoảng cách giữa hai b−ớc cực tính bằng số rãnh lại là Znt/p, do đó hai cạnh t−ơng ứng của của hai phần tử nối tiếp nhau lệch nhau đi một góc bằng 1/p b−ớc rãnh trong từ tr−ờng. Đó là hiện t−ợng tất nhiên trong dây quấn sóng. 2.3.2. Giản đồ khai triển của dây quấn Ví dụ có dây quấn sóng đơn với 2p = 4, G = S = Znt = 15. a. B−ớc dây quấn Z 15 3 y = nt ± ε = − = 3, (chọn dây quấn b−ớc ngắn). 1 2 p 4 4 G ±1 15 −1 y = = = 7 , (dây quấn trái). G p 2 19
17. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - y = yG = 7 y2 = y - y1 = 7 - 3 = 4. b. Thứ tự nối các phần tử Lớp trên 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 khép kín Lớp d−ới 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 c. Giản đồ khai triển dây quấn Chiều quay phần ứng Cách vẽ vị trí cực từ và chổi than trong giản đồ khai triển giống nh− ở dây quấn xếp. Theo thứ tự nối các 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 phần tử ta thấy, phần tử 1 nối với phần tử 8 rồi với phần tử 15, cách nhau 7 N S N S phần tử. Nhìn trên giản đồ khai triển (hình 2-9) ta thấy, các cạnh t−ơng ứng của các phần tử ấy đều nằm d−ới các 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 cực từ cùng cực tính, ví dụ cạnh thứ B1 _ A2 A1 + + B2 _ nhất của các phần tử 1, 8, 15 đều nằm d−ới cực S. Nh−ng sau khi nối đến phần tử thứ 5 trở đi thì tất cả các cạnh C + D _ sẽ nằm ở d−ới cực N cho đến khi nối thành mạch kín. Hình 2-9 Giản đồ khai triển dây quấn sóng đơn Nh− vậy dù máy có bao nhiêu đôi cực thì quy luật nối dây của dây quấn này vẫn là: tr−ớc hết nối nối tiếp tất cả các phần tử ở d−ới các cực từ cùng cực tính lại sau đó nối các phần tử ở d−ới các cực từ có cực tính khác cho đến khi hết. d. Số đôi mạch nhánh Có thể dùng đa giác s.đ.đ. để xác định nhanh chóng số đôi mạch nhánh của dây quấn sóng đơn. Theo hình tia s.đ.đ, góc độ điện giữa hai phần tử kề nhau là: p.3600 2.3600 α = = = 480 S 15 Khi vẽ hình tia s.đ.đ. (hình 2-10a) ta thấy không có véctơ s.đ.đ. nào trùng nhau, do đó ta chỉ đ−ợc một đa giác s.đ.đ. (hình 2-10b). Vì chỉ có một đa giác s.đ.đ. nên chỉ có một đôi mạch nhánh, ta có: a = 1 (2-12) Về lý luận ta thấy chỉ cần hai chổi than cũng đủ (vì chỉ có một đôi mạch nhánh) nh−ng th−ờng vẫn đặt số chổi than bằng số cực từ. Làm nh− vậy để phân bố dòng điện trên nhiều chổi than hơn, kích th−ớc chổi than ngắn đi, giảm đ−ợc chiều dài của vành góp. Điều quan trọng là để đảm bảo tính đối xứng của cả hai mạch nhánh. Theo hình 2-10b ta thấy có năm phần tử bị ngắn mạch và khép kín qua chổi than (2, 5, 6, 9 và 13) nên trong mỗi mạch nhánh chỉ còn lại năm phần tử, nghĩa là chúng đối xứng nhau. 20
18. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + 7 A A 14 15 2 1 6 12 13 5 6 8 13 12 5 13 1 6 0 4 14 α= 48 5 9 11 7 12 2 3 15 4 10 10 8 11 2 3 9 1 2 1 9 a) B b) 2 - B1 Hình 2-10. Hình tia và đa giác s.đ.đ của dây quấn sóng đơn theo hình 1-21 2-4. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện một chiều (MĐMC) Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở không khí sẽ sinh ra từ thông. Khi phần ứng quay với một tốc độ nhất định nào đó thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một s.đ.đ. S.đ.đ. đó phụ thuộc vào từ thông d−ới mỗi cực từ, tốc độ quay của máy, số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn. Vì dây quấn gồm có 2a mạch nhánh ghép song song nên s.đ.đ. của dây quấn bằng s.đ.đ. cảm ứng trên một mạch nhánh, nghĩa là bằng tổng s.đ.đ. của các thanh dẫn nối tiếp trong mạch nhánh đó. S.đ.đ. trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động với tốc độ v trong từ tr−ờng bằng: etb = Btblv (2-13) trong đó Btb là cảm ứng từ trung bình trong khe hở. πDn n Φ Do tốc độ quay v = = 2τp và B = δ , 60 60 tb τl trong đó: D - đ−ờng kính ngoài phần ứng; τ - b−ớc cực; p - số đôi cực; n - tốc độ quay phần ứng; Φδ - từ thông khe hở d−ới mỗi cực từ. Thay vào ph−ơng trình (2-13), ta có: n e = 2 pΦ (2-14) tb δ 60 21
19. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song sẽ có N/2a thanh dẫn nối tiếp nhau, trong đó 2a là số mạch nhánh ghép song song, nh− vậy s.đ.đ của máy bằng: − N pN i Φ , E , = e = Φ n = C Φ n , V (2- − u 2a tb 60a δ e δ S a E 15) ủ u c trong đó: Φδ - tính bằng Wb ; n - tính bằng vg/ph. n M Chiề pN C = - hệ số phụ thuộc vào kết cấu e 60a B của máy và dây quấn. δ Bδtb Chiều của E− phụ thuộc vào chiều của từ thông τ Φδ, chiều quay n và đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 2-11). Hình 2-11. Xác định s.đ.đ. Sự phân tích trên dựa trên giả thiết dây quấn phần ứng và mômen điện từ b−ớc đủ, s.đ.đ. trên các thanh dẫn của phần tử đều trong MFĐ1 chiều cộng số học với nhau. Nếu là b−ớc ngắn thì s.đ.đ. của các thanh dẫn của một phần tử sẽ cộng véctơ nên s.đ.đ. của cả phần tử sẽ nhỏ hơn so với phần tử b−ớc đủ và nh− vậy s.đ.đ. phần ứng cũng nhỏ đi một ít. Nh−ng vì trong máy điện một chiều không cho phép b−ớc ngắn nhiều nên ảnh h−ởng này ít và th−ờng là không xét đến khi tính s.đ.đ. Câu hỏi 1. Quy luật nối các phần tử của dây quấn xếp và sóng có những điểm nào khác nhau? Quan hệ giữa số đôi mạch nhánh của chúnh nh− thế nào? 2. Một máy 4 cực dây quấn xếp đơn đổi thành sóng đơn mà số thanh dẫn và những điều kiện khác không thay đổi thì điện áp và dòng điện của máy sau khi thay đổi sẽ nh− thế nào? Công suất định mức của máy có thay đổi không ? 3. Tại sao trong giản đồ khai triển của dây quấn khi vị trí chổi than trùng với trục cực từ thì s.đ.đ. lấy ra là lớn nhất ? Tại sao dây quấn b−ớc ngắn và b−ớc dài đều làm cho s.đ.đ. nhỏ đi một ít so với b−ớc đủ? Bài tập 1. Vẽ giản đồ khai triển của dây quấn xếp đơn quấn phải có các số liệu nh− sau: S = G = Znt = 24, p = 3, u = 1, có lắp 1/3 tổng số dây cân bằng điện thế. 2. Một dây quấn sóng đơn quấn trái có số liệu sau: Znt = 19, p = 2. Hỏi: a) Các b−ớc dây quấn y1, y2, y và yG b) Vẽ giản đồ khai triển. c) Vẽ hình tia và đa giác s.đ.đ. d) Số đôi mạch nhánh song song. Đáp số: a) y1 = 4; y2 = 5; y = yG = 9 d) a =1 22
20. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 3 từ tr−ờng trong máy điện một chiều 3-1. Từ tr−ờng lúc không tải (Từ tr−ờng cực từ) Từ tr−ờng trong máy điện là một yếu tố không thể thiếu đ−ợc để sinh ra s.đ.đ. và mômen điện từ. Trong hầu hết các máy điện hiện nay, từ tr−ờng lúc không tải đều do dòng điện một chiều chạy trong dây quấn kích từ đặt trên cực từ sinh ra. Việc nghiên cứu mạch từ lúc không tải của máy điện một chiều cũng nh− của tất cả các loại máy điện khác nh− máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ v.v là xác định sức từ động (viết tắt là s.t.đ.) cần thiết để tạo ra từ thông ở khe hở đủ để sinh ra trong dây quấn phần ứng một s.đ.đ. và mômen điện từ theo yêu cầu của thiết kế. Trong phần này sẽ trình bày cách tính toán cụ thể mạch từ của máy điện một chiều. Tuy nhiên, vì ph−ơng pháp đó có tính chất tổng quát nên cũng có thể ứng dụng để tính toán mạch từ của các loại máy điện quay khác. 3.1.1. Từ tr−ờng chính và từ tr−ờng tản Trong các máy điện, các cực từ có cực tính khác nhau đ−ợc bố trí xen kẽ nhau dọc theo chu vi phía trong thân vỏ máy, từ thông đi từ cực bắc N qua khe hở và phần ứng rồi trở về hai cực nam S nằm kề bên. Sự phân bố của đ−ờng sức từ ở một máy bốn cực nh− trên hình 3-1. Theo hình vẽ đó ta thấy, từ thông đi ra d−ới mỗi cực từ đại bộ phận đi qua khe hở vào phần ứng, chỉ có một bộ phận rất nhỏ không qua phần ứng mà trực tiếp đi vào các cực từ bên cạnh hoặc gông từ, nắp máy làm thành mạch kín. Phần từ thông đi vào phần ứng gọi là từ thông chính hay từ thông khe hở Φ0. Từ thông này cảm ứng nên s.đ.đ. trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây quấn phần ứng để sinh ra mômen. Đây là phần chủ yếu của từ thông cực từ Φc. Phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông tản Φб, nó không cảm ứng nên s.đ.đ. và không sinh ra mômen trong phần ứng mà chỉ làm cho độ bão hoà từ trong cực từ và gông từ tăng lên. Từ thông này nhiều hay ít còn phụ thuộc vào độ bão hoà và kết cấu của cực từ. Tóm lại toàn bộ từ thông của cực từ bằng: φσ φ0 ⎛ φσ ⎞ NS Φ = Φ + Φ = φ ⎜1+ ⎟ = б Φ (3- C 0 б 0 ⎜ φ ⎟ t 0 ⎝ 0 ⎠ 1) φσ ⎛ φ ⎞ ⎜ σ ⎟ trong đó: бt = ⎜1+ ⎟ - hệ số tản từ của cực ⎝ φ0 ⎠ Hình 3-1 từ chính. Th−ờng бt = 1,15 ữ 1,28. Sự phân bố của từ tr−ờng chính và từ 3.1.2. S.t.đ. cần thiết sinh ra từ thông tr−ờng tản trong máy điện một chiều Để có từ thông chính Φ0 cần thiết phải 23
21. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - có một s.t.đ. kích từ F0 nào đó. S.t.đ. này do số ampe vòng của dây quấn kích từ trên một đôi cực sinh ra. Theo định luật toàn dòng điện, trong mạch từ kín, tổng s.t.đ. bằng tích phân vòng của c−ờng độ từ tr−ờng trong mạch từ đó, tức là: ΣIw = ∫ Hdl Trong thiết kế máy điện, trực tiếp dùng công thức trên để tính toán có khó khăn vì mạch từ trong máy điện không quy củ, khó xác định c−ờng độ từ tr−ờng H ở các điểm. Vì vậy để dễ tính toán ta dùng cách phân đoạn và trong các đoạn đó coi nh− c−ờng độ từ tr−ờng không đổi. Trong máy điện th−ờng chia mạch từ ra làm năm đoạn sau: khe hở, răng phần ứng, l−ng phần ứng, cực từ và gông từ. Nh− vậy s.t.đ. cần thiết cho một đôi cực F0 để sinh ra từ thông chính có thể tính nh− sau: F0 = ΣIw = ΣHl = 2H δ δ + 2H r hr + H u lu + 2H clc + H g l g = Fδ + Fr + F− + Fc + Fg (3-2) trong đó các chữ nhỏ δ, r, −, c, g chỉ khe hở, răng phần ứng, l−ng phần ứng, cực từ và gông từ; h chỉ chiều cao và l chỉ chiều dài. C−ờng độ từ tr−ờng có thể tính theo công thức: B H = (3-3) à Φ trong đó: B = - từ cảm trên từng đoạn; S Φ, S và à - từ thông, tiết diện và hệ số từ thẩm của các đoạn. -7 Trong không khí, à = à0 = 4π.10 H/m, nh−ng trong sắt từ à không phải là một hệ số không đổi, vì vậy th−ờng không tính toán theo công thức (3-3) để đ−ợc H mà trực tiếp tìm ra H theo đ−ờng đặc tính từ hoá của vật liệu, tức là đ−ờng B = f(H) khi biết B. Đ−ờng đặc tính từ hoá cơ bản của các loại thép có ghi trong các tài liệu “thiết kế máy điện”. Sau khi phân đoạn, tính s.t.đ. trên các đoạn, có thể tìm đ−ợc s.t.đ. tổng d−ới mỗi đôi cực theo công thức (3-2). 3.1.3. Đ−ờng cong từ hoá Muốn sinh ra một từ thông Φ0 nào đó cần có một s.t.đ. kích từ nhất định F0. Khi Φ0 thay đổi thì F0 cũng thay đổi theo. Đ−ờng biểu diễn quan hệ giữa Φ0 và F0 gọi là đ−ờng cong từ hoá của máy điện (hình 3-2). Khi thiết Φ0 Từ thông d−ới mỗi đôi cực kế máy điện, có thể giả thiết những giá trị Φ0 b khác nhau rồi tính F0 t−ơng ứng. Đối với máy Φđm a c điện có sẵn thì dùng thí nghiệm để vẽ đ−ờng từ hoá. Φ Do s.đ.đ. lúc không tải tỷ lệ thuận với 0 và dòng điện kích từ It tỷ lệ thuận với F0 nên nếu dùng một tỷ lệ xích khác thì ta hoàn toàn có thể biến đ−ờng từ hoá Φ = f(F ) thành đ−ờng biểu 0 0 F (A/đôi cực) F0 0 24 Hình 3-2. đ−ờng từ hoá của máy điện một chiều
22. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - diễn quan hệ giữa E0 với It: E0 = f(It). Khi từ thông trong máy điện nhỏ, thép của máy ít bão hoà đ−ờng từ hoá là đ−ờng thẳng. Khi từ thông tăng lên, lõi sắt bắt đầu bão hoà nên đ−ờng từ hoá nghiêng về bên phải. Kéo dài phần đ−ờng thẳng của đ−ờng cong từ hoá ta đ−ợc quan hệ Fδ = f(Φ0). Khi từ thông Φ0 định mức (dùng để sinh ra điện áp định mức) thì s.t.đ. khe hở bằng đoạn ab trên hình 3-2. Đoạn bc trên hình vẽ chỉ s.t.đ. rơi trên các phần sắt của mạch từ. Tỷ số F0 ac k à = = gọi là hệ số bão hoà của mạch từ. Fδ ab Trong máy điện thông th−ờng, để triệt để lợi dụng vật liệu, khi điện áp định mức, máy điện làm việc ở đoạn đ−ờng cong từ hoá bắt đầu cong với hệ số bão hoà kà = 1,1 ữ 1,35. Đ−ờng cong từ hoá ảnh h−ởng rất lớn đến đặc tính làm việc của máy điện. 3-2. Từ tr−ờng phần ứng Khi máy điện làm việc không tải, trong máy chỉ có dòng điện trong dây quấn kích từ sinh ra từ tr−ờng. Từ tr−ờng đó gọi là từ tr−ờng lúc không tải. Khi máy có tải, trong dây quấn phần ứng có dòng điện tải chạy qua. Dòng điện này còn chạy qua dây quấn cực từ phụ và trong những máy lớn còn chạy qua cả dây quấn bù. Dòng điện chạy qua các dây quấn đó sẽ sinh ra từ tr−ờng cho nên khi máy có tải, ngoài từ tr−ờng cực từ chính còn có từ tr−ờng phần ứng, từ tr−ờng cực từ phụ và từ tr−ờng dây quấn bù. Tất cả các từ tr−ờng đó tác dụng với nhau để thành từ tr−ờng khe hở làm thay đổi từ tr−ờng lúc không tải của máy. Để nghiên cứu đ−ợc rõ ràng từ tr−ờng trong máy lúc có tải, tr−ớc hết xét riêng từ tr−ờng sinh ra trong các dây quấn rồi dùng nguyên lý xếp chồng tìm ra từ tr−ờng tổng của máy, từ đó thấy rõ tác dụng của từ tr−ờng các dây quấn đối với từ tr−ờng lúc không tải . Để đơn giản hoá vấn đề, lúc dùng nguyên lý xếp chồng ta giả thiết mạch từ không bão hoà, sau đó sẽ xét đến ảnh h−ởng của bão hoà sau. 3.2.1. Chiều của từ tr−ờng phần ứng Muốn tạo nên một từ tr−ờng phần ứng N riêng, ta cho qua chổi than vào phần ứng một dòng điện một chiều sao cho chiều dòng điện trong các thanh dẫn giống nh− lúc máy làm việc bình th−ờng. Trung tính n hình học Tr−ờng hợp chổi than đặt trên đ−ờng trung F− tính hình học (hình 3-3) và không xét đến từ tr−ờng cực từ chính. Khi phần ứng có dòng điện thì bản thân phần ứng là một nam châm điện. Dù máy S quay hay không thì sự phân bố của dòng điện trong dây quấn vẫn không đổi, nghĩa là dòng điện ở hai phía của các chổi than luôn luôn Hình 3-3 Từ tr−ờng phần ứng khi chổi 25 than ở đ−ờng trung tính hình học
23. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - khác dấu nhau. Vì vậy từ tr−ờng phần ứng sinh ra đứng yên và trục sức từ động (s.t.đ) của nó luôn luôn trùng với trục của chổi than, nghĩa là trùng với đ−ờng trung tính hình học. ở đây nói đến trục s.t.đ. là chỉ trục s.t.đ. tổng N của cả dây quấn sinh ra chứ không riêng gì F phần tử dây quấn nào, cho nên kết luận trên A B đúng với kiểu dây quấn bất kỳ. Đ F−d F b − Nếu ta quay chổi than đi một góc khỏi Trung tính hình học đ−ờng trung tính hình học t−ơng đ−ơng với F−q một khoảng cách b trên phần ứng nh− ở hình b 3-4, thì do sự phân bố của dòng điện ứng với vị trí chổi than là không đổi nên trục s.t.đ. D C cũng quay đi một góc và luôn luôn trùng với S trục chổi than. Ta có thể phân tích s.t.đ. phần ứng F− ra làm hai thành phần: thành phần thẳng góc với s.t.đ. cực từ gọi là s.t.đ. ngang Hình 3-4 trục F−q và thành phần cùng trục với s.t.đ. cực Từ tr−ờng phần ứng khi chổi than từ gọi là s.t.đ. dọc trục F−d. không ở đ−ờng trung tính hình học Theo hình vẽ 3-4, ta có thể coi nh− s.t.đ. ngang trục do dòng điện trong cung AB và CD sinh ra, còn s.t.đ. dọc trục do dòng điện trong cung AD và CB sinh ra (cung này bằng 2b). 3.2.2. Sự phân bố của từ tr−ờng trên bề mặt phần ứng Khi chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học, theo hình vẽ 3-3 ta thấy, đ−ờng sức từ đi ra ở d−ới nửa cực từ này và đi vào ở d−ới nửa cực từ kia, do đó tác dụng của nó trong khe hở ở d−ới hai nửa cực từ có chiều ng−ợc nhau. Theo định luật toàn dòng điện, ở điểm giữa mạch nhánh dây quấn giữa hai chổi than, nghĩa là ở tâm cực từ khi chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học tác dụng của s.t.đ. phần ứng bằng 0. Vì vậy th−ờng lấy điểm giữa hai chổi than làm gốc để xét sự phân bố của s.t.đ. phần ứng trên bề mặt phần ứng. Giả thiết bề mặt phần ứng nhẵn, khe hở đều d−ới mặt cực từ và dây quấn phần ứng phân bố đều trên mặt phần ứng. I u, Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn, i , = là dòng điện trong thanh dẫn u 2a (trong đó I− là dòng điện phần ứng, a là số đôi mạch nhánh) thì số ampe thanh dẫn trên đơn vị chiều dài của chu vi phần ứng bằng: N.i , A = u A/cm (3-4) π.D trong đó: D là đ−ờng kính ngoài của phần ứng, tính bằng cm. Trị số A bằng s.t.đ. trên một đơn vị dài (cm) của chu vi phần ứng đ−ợc gọi là phụ tải đ−ờng của phần ứng. Đó là một tham số quan trọng khi thiết kế máy điện. Theo định luật toàn dòng điện, nếu lấy mạch vòng đối xứng với điểm giữa của hai chổi than thì ở một điểm cách gốc một khoảng cách x, s.t.đ. phần ứng sẽ bằng: F−x = A.2x (A/đôi cực) (3-5) 26
24. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - τ Rõ ràng s.t.đ. phần ứng sẽ lớn nhất ở chổi điện, nghĩa là khi x = . Lúc đó s.t.đ. 2 phần ứng sẽ bằng: τ F , = A2 = Aτ (A/đôi cực) (3-6) u 2 trong đó: τ là b−ớc cực tính bằng cm. Vì A và i− đều tỷ lệ với I− nên N S F− cũng tỷ lệ với I−, nghĩa là khi dòng điện tải (tức là dòng I−) càng n lớn thì s.t.đ. phần ứng càng lớn. F + Sự phân bố s.t.đ. phần ứng trên bề Đ x x F mặt phần ứng nh− ở hình 3-5a. −x Aτ 2 Nếu bỏ qua từ trở của thép thì a) F−x Aτ từ trở của mạch từ phần ứng chỉ 2 còn là hai khe hở không khí nên B từ cảm phần ứng ở d−ới bề mặt −x cực từ bằng: b) Fu, x A B =à H = à = à x −x 0 −x 0 2δ 0 δ Hình 3-5 (3-7) Đ−ờng phân bố s.t.đ.và từ cảm phần ứng trong đó H−x là c−ờng độ từ tr−ờng khi chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học phần ứng ở điểm cách gốc một đoạn x. Từ công thức (3-7) ta thấy rằng đ−ờng từ cảm d−ới mặt cực từ có dạng nh− đ−ờng cong s.t.đ. nh−ng ở phần giữa hai cực từ, từ cảm giảm đi rất nhiều do chiều dài đ−ờng từ trong không khí tăng lên, nên đ−ờng cong từ cảm có dạng yên ngựa (hình 3-5b). Nếu chổi than không ở trên đ−ờng trung tính hình học mà lệch đi một góc t−ơng đ−ơng với một khoảng cách b trên chu vi phần ứng (hình 3-4) thì d−ới mỗi b−ớc cực, trong phạm vi 2b dòng điện sinh ra s.t.đ. dọc trục F−d và trong phạm vi (τ - 2b) sinh ra s.t.đ. ngang trục F−q. Do đó ta có: F−d = A. 2b (A/đôi cực) (3-8) F−q = A. (τ − 2b ) (A/đôi cực) (3-9) Tóm lại, từ tr−ờng phần ứng phụ thuộc vào vị trí chổi điện và mức độ tải. Chính những yếu tố đó quyết định tính chất tác dụng của từ tr−ờng phần ứng lên từ tr−ờng cực từ chính. 3.2.3. Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện phần ứng sinh ra từ tr−ờng phần ứng. Tác dụng của từ tr−ờng phần ứng với từ tr−ờng cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Khi xét đến tác dụng của phản ứng ta cần chú ý rằng nếu máy có chiều dòng điện và cực tính của cực từ nh− trong hình 3-3 và 3-4 thì chiều quay của máy phát điện và của động cơ điện sẽ ng−ợc nhau và đ−ợc ký hiệu bằng những mũi tên nh− trên hình vẽ. 27
25. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - m n N m n N S Trung tính n m vật lý F Đ 4 n F Đ n Trung tính hình học + + 3 m + + 2 + + 1 m n m n a) b) Hình 3-6. Phản ứng phần ứng khi chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học Sau đây sẽ nghiên cứu hai tr−ờng hợp: chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học và không ở trên đ−ờng trung tính hình học. a. Chổi than đặt ở trên đ−ờng trung tính hình học Sự phân bố của từ thông tổng do từ tr−ờng cực từ chính và từ tr−ờng phần ứng hợp lại nh− ở hình 3-6a. Cũng có thể dùng hình khai triển của nó (hình 3-6b) để phân tích sự thay đổi của từ thông khe hở khi có phản ứng phần ứng. Trong hình 3-6b đ−ờng 1 chỉ sự phân bố của từ tr−ờng chính, đ−ờng 2 là sự phân bố của từ tr−ờng phần ứng. Khi mạch từ không bão hoà thì theo nguyên lý xếp chồng, sự phân bố của từ tr−ờng tổng nh− đ−ờng 3, nhận đ−ợc bằng cách cộng từ tr−ờng của cực từ (đ−ờng 1) với từ tr−ờng của phần ứng (đ−ờng 2) . Nh−ng khi mạch từ bão hoà thì dùng nguyên lý xếp chồng không hoàn toàn đúng vì lúc mạch từ bão hoà từ thông không tăng tỷ lệ với s.t.đ. nữa, nên thực tế sự phân bố từ tr−ờng tổng nh− đ−ờng 4. Từ những phân tích trên, ta có thể rút ra những kết luận sau đây: a. Khi chổi than ở trên đ−ờng trung tính hình học chỉ có phản ứng phần ứng ngang trục mà tác dụng của nó là làm méo từ tr−ờng khe hở. Đối với máy phát điện thì ở mỏm ra cực từ (mỏm cực mà phần ứng đi ra) máy đ−ợc trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì bị khử từ. Đối với động cơ điện tác dụng sẽ ng−ợc lại, vì chiều quay ng−ợc với chiều quay của máy phát điện. b. Nếu mạch từ không bão hoà thì từ tr−ờng tổng không đổi vì tác dụng trợ từ và khử từ nh− nhau. Nếu mạch từ bão hoà thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên từ thông tổng d−ới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục có một ít tác dụng khử từ. c. Từ cảm ở đ−ờng trung tính hình học không bằng 0, đ−ờng mà ở trên bề mặt phần ứng từ cảm bằng 0 - gọi là đ−ờng trung tính vật lý - đã lệch khỏi đ−ờng trung tính hình học một góc thuận theo chiều quay của máy phát điện, hay ng−ợc chiều quay của động cơ điện (đ−ờng mm trên hình 3-6). 28
26. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tóm lại: Khi chổi than đặt trên đ−ờng trung tính hình học thì chỉ có phản ứng phần ứng ngang trục F−q làm méo dạng từ tr−ờng khe hở, do đó xuất hiện đ−ờng trung tính vật lý. Nếu mạch từ không bão hoà thì từ thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bão hoà thì từ thông tổng giảm đi một ít. b. Xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học Trong máy điện một chiều, th−ờng chổi than đặt ở trên đ−ờng trung tính hình học nh−ng do lắp ghép không tốt, hoặc khi máy không có cực từ phụ, muốn cải thiện đổi chiều, có thể xê dịch chổi than đi một góc khỏi đ−ờng trung tính hình học. Khi xê dịch chổi than nh− vậy thì s.t.đ. phần ứng có thể chia làm hai thành phần: ngang trục F−q và dọc trục F−d. Tác dụng của phản ứng phần ứng ngang trục nh− đã nói ở trên là làm méo dạng từ tr−ờng của cực từ chính và khử từ một ít nếu mạch từ bão hoà. Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh h−ởng đến từ tr−ờng cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tuỳ theo chiều xê dịch của chổi than. Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay của máy phát (hay ng−ợc chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ (hình 3-4), ng−ợc lại nếu xê dịch chổi than ng−ợc chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất trợ từ. Trong máy phát điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho phép quay chổi than theo chiều quay phần ứng nếu là máy phát, hay ng−ợc chiều quay phần ứng nếu là động cơ. Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh h−ởng đến trị số của từ tr−ờng tổng chứ không làm nó biến dạng. 3-3. Từ tr−ờng cực từ phụ Hiện nay, trong hầu hết các máy điện một chiều (trừ máy có công suất nhỏ hơn 0,5 kW) đều có đặt cực từ phụ. Cực từ phụ đặt giữa hai cực từ chính, trên đ−ờng trung tính hình học. Nh− đã biết, khi có tải, do có phản ứng phần ứng nên trên đ−ờng trung tính hình học từ tr−ờng khác không và từ tr−ờng đó cùng chiều với từ tr−ờng cực từ đứng tr−ớc đ−ờng trung tính hình học theo chiều quay của máy phát (xem hình 3-6). Để cải thiện đổi chiều, th−ờng yêu cầu ở khu vực đổi N chiều (khu vực có chổi than, chổi than đặt ở đ−ờng trung tính hình học) có từ tr−ờng ng−ợc chiều với từ tr−ờng phần ứng ở khu S1 N1 vực đó, vì vậy phải đặt cực từ phụ. Tác dụng của cực từ phụ là sinh ra một s.t.đ. để triệt tiêu từ tr−ờng phần ứng ngang trục S đồng thời tạo ra một từ tr−ờng ng−ợc chiều với từ tr−ờng phần ứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy cực tính của cực từ phụ Hình 3-7. Cách bố trí và đấu dây của phải cùng cực tính của cực từ chính mà cực từ phụ trong máy điện một chiều 29
27. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - phần ứng sẽ chạy vào nếu máy ở chế độ máy phát (còn với động cơ thì ng−ợc lại). Để triệt tiêu từ tr−ờng phần ứng ngang trục, từ tr−ờng cực từ phụ phải tỉ lệ thuận với dòng điện tải (dòng phần ứng) nên dây quấn cực từ phụ phải đ−ợc nối nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch từ không bão hoà (hình 3-7). Sự phân bố từ tr−ờng tổng khi có cả từ tr−ờng cực từ phụ nh− ở hình 3-8, trong đó đ−ờng 1, 2 và 3 ở hình 3-8a là đ−ờng phân bố của s.t.đ. cực từ chính, cực từ phụ và s.t.đ. phần ứng. Hình 3-8b là đ−ờng phân bố s.t.đ. tổng, hình 3-8c là đ−ờng phân bố từ cảm. N S Sf f f Khi chổi than đặt trên đ−ờng trung tính N hình học, các cực từ phụ không ảnh h−ởng S đến từ tr−ờng cực từ chính vì trong phạm vi một b−ớc cực, tác dụng trợ từ và khử từ của các cực từ phụ là bằng nhau nên bù trừ cho a) nhau. Nếu xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học theo chiều quay của phần 2 3 1 ứng ở chế độ máy phát (hay ng−ợc chiều quay ở chế độ động cơ) thì trong phạm vi b) một b−ớc cực, tác dụng khử từ lớn hơn tác dụng trợ từ của nó, do đó trong tr−ờng hợp này các cực từ phụ làm cho máy bị khử từ. c) Nếu xê dịch chổi than ng−ợc chiều quay phần ứng ở chế độ máy phát thì tác dụng ng−ợc lại. Nh− vậy ảnh h−ởng của các cực từ Hình 3-8. S.t.đ. và đ−ờng cong phụ đối với từ tr−ờng cực từ chính nh− phản từ tr−ờng tổng của máy điện ứng phần ứng dọc trục của phần ứng. một chiều có cực từ phụ 3-4. Từ tr−ờng của dây quấn bù Trong các máy điện một chiều công suất lớn hay điều kiện làm việc nặng nhọc (nh− tải thay đổi đột ngột), đều có đặt dây quấn bù. Tác dụng của dây quấn bù là sinh ra từ tr−ờng triệt tiêu phản ứng phần ứng làm cho từ tr−ờng khe hở căn bản không bị méo nữa. Dây quấn bù đ−ợc đặt lên trên mặt cực của cực từ chính nh− hình 3-9. Sf N S N f S Để có thể bù đ−ợc ở bất cứ tải nào, dây quấn bù đ−ợc mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho s.t.đ. của hai dây quấn đó a) 2 1 ng−ợc chiều nhau. Trên hình vẽ khai triển 3-9a, đ−ờng 1 biểu thị sự phân bố s.t.đ. phần ứng ngang b) τ trục F−q, đ−ờng 2 biểu thị s.t.đ. của dây quấn bù Fb. Ta thấy, về cơ bản là bù đ−ợc trên phạm vi mặt cực, chỉ có ở giữa hai cực là không bù đ−ợc mà còn một phần (phần Hình 3-9. Các đ−ờng s.t.đ và từ gạch chéo). Nh−ng ở máy có dây quấn bù tr−ờng tổng của máy điện một bao giờ cũng có đặt cực từ phụ nên d−ới tác chiều có cực từ phụ và dây quấn bù 30
28. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dụng của cực từ phụ và dây quấn bù, từ tr−ờng tổng của máy gần giống nh− từ tr−ờng lúc không tải mà không phụ thuộc vào tải của máy (hình 3-9b), điều đó đảm bảo cho máy đổi chiều tốt. Câu hỏi 1. Tính chất của từ tr−ờng cực từ? Tại sao từ thông tản không có tác dụng sinh ra s.đ.đ ? Tại sao từ thông tản chỉ chiếm khoảng 10 ữ 20% từ thông khe hở? 2. ở trạng thái định mức máy điện th−ờng làm việc ở đoạn nào của đ−ờng cong từ hoá? Tại sao? 3. Tính chất của từ tr−ờng phần ứng? 4. Khi nào trong máy điện một chiều phản ứng phần ứng ngang trục có tính chất khử từ? Tại sao? 5. Nếu chổi than không ở trên đ−ờng trung tính hình học và dòng điện kích từ lúc có tải không đổi, hỏi khi máy phát quay thuận và quay ng−ợc thì điện áp đầu cực máy có bằng nhau không? Có thể dùng ph−ơng pháp này để tìm đ−ờng trung tính vật lý không? 6. Tác dụng của từ tr−ờng cực từ phụ và từ tr−ờng dây quấn bù nh− thế nào? 31
29. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 4 Đổi chiều dòng điện 4-1. Đại c−ơng Nh− đã trình bày ở ch−ơng 2, khi chuyển động trong từ tr−ờng của một cực từ, mỗi phần tử của dây quấn phần ứng thuộc vào một nhánh song song và dòng điện i− trong nó có chiều nhất định. Lúc các cạnh của phần tử đi vào vùng trung tính thì phần tử bị chổi than nối ngắn mạch, dòng điện trong phần tử thay đổi để sau đó khi phần tử b−ớc sang ranh giới của cực kế tiếp và chuyển sang nhánh song song khác, dòng điện trong nó có chiều ng−ợc lại - i− (hình 4-1). Quá trình đổi chiều của dòng điện khi phần tử di động trong vùng trung tính và bị chổi than nối ngắn mạch đ−ợc gọi là sự đổi chiều. a b c a b c a b c i i i i − − i i i i i− i− − i− i− − − − A B i1 i2 i i i i 1 2 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2i− 2i− 2i− t = Tđc t = 0 o < t < Tđc a) b) c) Hình 4-1. Quá trình đổi chiều Để có khái niệm cụ thể, hình 4-1 trình bày quá trình đổi chiều dòng điện trong phần tử b của dây quấn xếp đơn. Ta thấy khi chổi than phủ hoàn toàn lên phiến góp 1 (hình 4-1a) dòng điện trong phần tử b giả sử có chiều + i−. Khi chổi than hoàn toàn tách khỏi phiến góp 1 (hình 4-1c) thì dòng điện trong phần tử b có chiều ng−ợc lại (-i−). ở các vị trí trung gian, chổi than tiếp xúc với cả hai phiến đổi chiều 1 và 2 khiến cho phần tử bị nối tắt và dòng điện trong nó biến đổi theo những quy luật nhất định, phụ thuộc vào quá trình quá độ điện từ xảy ra trong và xung quanh phần tử đổi chiều. Quá trình đổi chiều của dòng điện trong mỗi phần tử tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Khoảng thời gian để dòng điện hoàn thành việc đổi chiều gọi là chu kỳ đổi chiều, ký hiệu Tđc. Đó là thời gian cần thiết để vành góp quay đi một góc t−ơng ứng với chiều rộng của chổi điện, nghĩa là: bc Tđc = (4-1) vG trong đó: vG - là tốc độ dài của vành góp; bc - chiều rộng của chổi than. πDG Nếu chúng ta ký hiệu: DG - đ−ờng kính của vành góp; b = - b−ớc vành góp; G G bc G - số phiến góp; β G = và biết rằng tốc độ dài của vành góp là: bG 32
30. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - vG = πDGn = bG.G.n (4-2) trong đó n là tốc độ quay của vành góp, thì chu kỳ đổi chiều ở dây quấn xếp đơn (hình 4-1) có dạng: 1 T = β (4-3a) dc G G.n ở loại dây quấn xếp phức tạp (mục 2.3) có b−ớc vành góp yG = m (m ≠ 1), giữa đầu và cuối của mỗi phần tử có (m - 1) phiến góp. Nh− vậy phần tử sẽ bị chổi than nối ngắn mạch trong khoảng thời gian để vành góp quay đi một cung bc - (m - 1)bG, do đó: bc − (m −1)bG Tdc = vG a Thay b = β .b , m = và v ở biểu thức (4-2) ta sẽ thu đ−ợc: c G G p G ⎛ a ⎞ β − ⎜ −1⎟ G ⎜ p ⎟ T = ⎝ ⎠ (4-3b) dc G.n a Rõ ràng ở dây quấn xếp đơn = 1 nên biểu thức (4-3b) sẽ có dạng nh− biểu thức p (4-3a). Khi máy điện làm việc, các phần tử liên tiếp tiến hành đổi chiều và trong thực tế Tđc ≈ 0,001s nên quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn với tần số 1000 ữ 3000 Hz. Việc đổi chiều có thuận lợi hay không, nói cách khác là chất l−ợng của sự đổi chiều phụ thuộc vào nhiều yếu tố cơ và điện từ. Sự đổi chiều kém chất l−ợng đ−ợc biểu hiện bên ngoài bởi sự hình thành tia lửa điện trên bề mặt vành góp và d−ới chổi than. Tiêu chuẩn Nhà n−ớc quy định các cấp tia lửa trình bày nh− ở bảng 4-1. Bảng 4-1. Cấp tia lửa của máy điện Cấp tia lửa Đặc điểm Tình trạng chổi điện và vành góp 1 Không có tia lửa Không có vết trên vành góp và 1 1 Đốm lửa yếu ở một phần chổi than muội than trên các chổi 4 1 Tia lửa yếu ở phần lớn chổi than Có vết trên vành góp nh−ng có thể 1 2 chùi sạch bằng dầu, xăng. Có muội trên chổi. 2 Tia lửa ở toàn bộ chổi than chỉ cho Có vết trên vành góp không thể phép đối với tải xung hoặc quá tải chùi sạch bằng dầu xăng và có ngắn hạn. muội than trên các chổi. 3 Tia lửa mạnh vung ra ở toàn bộ Vết đậm trên vành góp không thể chổi than. Chỉ cho phép lúc mở chùi sạch bằng xăng dầu, cháy máy trực tiếp với điều kiện sau đó hoặc hỏng chổi điện. vành góp và chổi than vẫn ở trạng thái bình th−ờng, có thể tiếp tục làm việc đ−ợc. 33
31. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 4-2. Quá trình đổi chiều 4.2.1. Ph−ơng trình dòng điện Để thấy rõ quy luật biến đổi của dòng điện trong phần tử đổi chiều và nguyên nhân chủ yếu phát sinh tia lửa, từ đó nêu ra biện pháp cải thiện đổi chiều, ta hãy nghiên cứu quy luật đổi chiều xảy ra ở phần tử của dây quấn xếp đơn trên hình 4-1b. Biểu thức của dòng điện trong bối dây đổi chiều có thể suy ra từ các định luật Kirhhoff viết cho bối dây đó. Theo định luật Kirhhoff thứ hai viết cho mạch vòng của bối đổi chiều ta có: i.rpt + i1(rd + rtx1) - i2(rd + rtx2) = Σe (4-4) trong đó: i - dòng điện chạy trong phần tử đổi chiều (phần tử b trên hình 4-1); i1 , i2 - dòng điện chạy trên các dây nối với các phiến đổi chiều 1 và 2; rtx1 , rtx2 - là các điện trở tiếp xúc giữa chổi than với các phiến đổi chiều 1 và 2; rpt, rd - là điện trở của phần tử, điện trở của dây nối Σe - tổng các s.đ.đ. cảm ứng sinh ra trong phần tử đổi chiều, bao gồm: 1. S.đ.đ. tự cảm eL gây ra do sự biến đổi của dòng điện i trong phần tử đổi chiều. 2. S.đ.đ. hỗ cảm eM sinh ra do ảnh h−ởng của sự đổi chiều đồng thời của các phần tử khác nằm trong cùng một rãnh. 3. S.đ.đ. đổi chiều eđc sinh ra khi phần tử đổi chiều chuyển động trong từ tr−ờng tổng hợp tại vùng trung tính. Từ tr−ờng này do cực từ phụ và phản ứng phần ứng tạo thành. Các s.đ.đ. eL và eM có tác dụng nh− nhau đối với quá trình đổi chiều và tổng của chúng đ−ợc gọi là s.đ.đ. phản kháng: epk = eL + eM. Để quá trình đổi chiều tiến hành đ−ợc thuận lợi, s.đ.đ. đổi chiều eđc phải luôn luôn ng−ợc chiều với epk nói trên. Tuỳ theo quan hệ giữa hai loại s.đ.đ. đó, tính chất của quá trình đó sẽ đ−ợc trình bày ở phần sau. Theo định luật Kirhhoff thứ nhất, có thể viết ph−ơng trình dòng điện lần l−ợt tại các điểm nút A và B (hình 4-1b) nh− sau: iu + i − i1 = 0⎫ ⎬ (4-5) iu − i − i2 = 0⎭ Trên thực tế rtx1, rtx2 không những phụ thuộc vào i1, i2 và thời gian mà còn phụ thuộc vào sự đốt nóng của chổi than và phiến đổi chiều và cả hiện t−ợng điện phân d−ới mặt chổi nữa. Hơn nữa tổng các s.đ.đ. Σe cũng khó xác định đ−ợc chính xác nên d−ới đây ta chỉ xét vấn đề ở mức độ gần đúng. Với giả thiết rpt = rd = 0, thay trị số của i1 và i2 theo (4-5) vào (4-4) ta đ−ợc: e rtx 2 − rtx1 ∑ i = iu, + (4-6) rtx1 + rtx 2 rtx1 + rtx 2 34
32. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Số hạng thứ nhất của biểu thức (4-6) là thành phần cơ bản của dòng điện đổi chiều icb, số hạng thứ hai là thành phần phụ iph. Với giả thiết rpt = rd = 0 thì rõ ràng (rtx1 + rtx2) là tổng số điện trở của phần tử đổi chiều khi bị chổi than nối ngắn mạch. Vì vậy dòng điện phụ iph chính là dòng điện ngắn mạch trong phần tử gây nên bởi tổng các s.đ.đ. Σe. Giả thiết rằng các điện trở rtx1 và rtx2 tỉ lệ nghịch với các bề mặt tiếp xúc Stx1 và Stx2 giữa chổi than với các phiến đổi chiều 1 và 2. Nếu cho rằng quá trình đổi chiều bắt đầu khi t = 0 và kết thúc khi t = Tđc với điều kiện bc = bG thì: Tdc − t Stx1 = S (4-7) Tdc t Stx2 = S (4-8) Tdc trong đó: S là bề mặt tiếp xúc toàn phần giữa chối than và phiến góp. Gọi điện trở tiếp xúc toàn phần ứng với mặt tiếp xúc toàn phần là rtx, ta có: S Tdc rtx1 = rtx = rtx (4-9a) Stx1 Tdc − t S Tdc rtx2 = rtx = rtx (4-9b) Stx2 t Thay các trị số rtx1 và rtx2 vừa tìm đ−ợc vào (4-6) ta có quan hệ giữa dòng điện i trong phần tử đổi chiều và thời gian t nh− sau: ⎛ 2t ⎞ ∑e i = ⎜1− ⎟i , + (4-10a) ⎜ ⎟ u ⎝ Tdc ⎠ rn 2 Tdc trong đó: rn = rtx1 + rtx2 = rtx (4-10b) t(Tdc − t) 4.2.2. Xác định các s.đ.đ. trong phần tử đổi chiều Để đảm bảo điều kiện đổi chiều bình th−ờng của máy, khi thiết kế cần phải xác định các s.đ.đ. sinh ra trong phần tử đổi chiều để giới hạn chúng trong một phạm vi nhất định. D−ới đây ta sẽ lần l−ợt tính các s.đ.đ. đó. a. S.đ.đ. tự cảm eL S.đ.đ. tự cảm eL có dạng: di e = −L (4-11) L dt trong đó: L - hệ số tự cảm của phần tử. di Vì qua quá trình đổi chiều, dòng điện biến đổi từ + i đến - i nên 0 và làm cho sự thay đổi của dòng điện trong phần tử chậm dần. Giá trị trung bình của s.đ.đ. tự cảm trong chu kỳ đổi chiều là: 35
33. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2Li , u eLtb = (4-12) Tdc b. S.đ.đ. hỗ cảm eM Cùng một lúc với sự đổi chiều dòng điện trong phần tử đang xét, sự đổi chiều cũng xảy ra ở một số phần tử khác. ở dây quấn xếp đơn hai lớp b−ớc đủ, sự đổi chiều xảy ra đồng thời trong các cạnh tác dụng cùng nằm trong một rãnh. Hơn nữa, th−ờng bc > bG và các chổi than nối ngắn mạch vài phần tử liên tiếp nhau có cạnh nằm trong một rãnh, nên các phần tử cùng tham gia đổi chiều đó có sự liên hệ hỗ cảm rất mạnh. Vì vậy trong phần tử tham gia đổi chiều đang xét, ngoài s.đ.đ. tự cảm còn có s.đ.đ. hỗ cảm: n n n di n eM = Σ eM = − Σ M n (4-13) 1 1 dt trong đó: Mn - hệ số hỗ cảm giữa phần tử đang xét với phần tử thứ n; in - dòng điện trong bối thứ n. S.đ.đ. hỗ cảm eM cũng có tác dụng đối với quá trình đổi chiều giống nh− s.đ.đ. tự cảm eL. Trị số trung bình của s.đ.đ. hỗ cảm bằng: 2i , u e Mtb = ΣM n (4-14) Tdc c. S.đ.đ. phản kháng Vì eL và eM có tính chất giống nhau (đều làm chậm quá trình đổi chiều) nên tổng của chúng gọi là s.đ.đ. phản kháng epk. S.đ.đ. phản kháng trung bình bằng: epktb = eLtb + eMtb (4-15) d. S.đ.đ. đổi chiều eđc Gọi Bđc là từ cảm tổng hợp của từ tr−ờng cực từ phụ và từ tr−ờng của phần ứng tại vùng trung tính (còn gọi là từ cảm đổi chiều) thì biểu thức s.đ.đ. đổi chiều do từ cảm này sinh ra bằng: eđc = 2Bđc.ws.lđc. v− (4-16) trong đó: lđc là chiều dài của thanh dẫn cắt đ−ờng sức của từ tr−ờng đổi chiều; ws - số vòng dây của bối đổi chiều; v− - tốc độ dài của phần ứng. Chiều của s.đ.đ. đổi chiều phụ thuộc vào chiều của từ tr−ờng đổi chiều và chiều quay của phần ứng và đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay phải. Vì vậy mà eđc có thể cùng chiều hoặc ng−ợc chiều với epk. 4.2.3. Các loại đổi chiều a. Đổi chiều đ−ờng thẳng Giả sử s.đ.đ. đổi chiều eđc cảm ứng trong phần tử đổi chiều do tác dụng của các từ tr−ờng tổng hợp tại vùng trung tính triệt tiêu đ−ợc hoàn toàn s.đ.đ. phản kháng epk, nghĩa là Σe = 0, thì dòng điện phụ trong phần tử đổi chiều bằng không và từ ph−ơng trình (4-10a) ta có: 36
34. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ⎛ 2t ⎞ ⎜ ⎟ (4-17) i = ⎜1 − ⎟iu i ⎝ Tdc ⎠ α Đ−ờng biểu diễn của dòng điện i theo 2 i2 = i− - i thời gian t là một đ−ờng thẳng (hình 4-2) và i đổi chiều mang tên là đổi chiều đ−ờng − i thẳng. t Khi đổi chiều đ−ờng thẳng, mật độ 0 dòng điện ở bề mặt tiếp xúc phía đi ra và i1 = i− + i -i− phía đi vào của chổi than bằng: t α1 i1 Tdc J1 = = i1 Tđc Stx1 (Tdc − t)S i T J = 2 = dc i (4-18) 2 2 H ình 4-2. Đổi chiều đ−ờng thẳng Stx2 S.t Từ hình 4-2 ta thấy: i1 i2 = tgα1 và = tgα 2 . Tdc − t t te Vì α1 = α2 nên tgα1 = tgα2 do đó trong suốt quá trình đổi chiều J1 = J2 = C và quá trình đổi chiều đ−ợc tiến hành thuận lợi (không phát sinh tia lửa). b. Đổi chiều đ−ờng cong Trên thực tế các s.đ.đ. epk và eđc trong phần tử đổi chiều không hoàn toàn triệt tiêu ∑e nhau, nghĩa là Σe ≠ 0 và trong bối đổi chiều sẽ xuất hiện dòng điện phụ iph = . rn Dòng điện phụ iph cộng với dòng điện cơ bản icb làm cho quan hệ i = f(t) không còn đ−ờng thẳng nữa và ta có đổi chiều đ−ờng cong. Giả sử điện trở tiếp xúc toàn phần rtx không đổi, từ biểu thức (4-10b) ta thấy rằng trong quá trình đổi chiều (từ t = 0 đến t = Tđc) sự biến đổi của rn thay đổi có dạng nh− đ−ờng cong 1 trên hình 4-3. Nếu e > e nghĩa là Σe > 0 và coi Σe = Cte pk đc r, iph thì dòng điện phụ iph biến thiên theo đ−ờng cong 2 r trên hình 4-3 và dòng điện đổi chiều i = i + i n cb ph 1 thay đổi theo dạng đ−ờng cong trên hình 4-4. Tr−ờng hợp này đổi chiều mang tính chất trì hoãn, iph (∑e>0) nghĩa là dòng điện đổi chiều i thay đổi chậm hẳn 2 so với khi đổi chiều đ−ờng thẳng. Sở dĩ có sự trì t 3 hoãn đó là do tác dụng của s.đ.đ phản kháng epk i (∑e α2 , do đó J1 > J2. Hình 4-3 Nh− vậy, trong tr−ờng hợp đổi chiều trì hoãn tia Dòng điện phụ khi đổi chiều lửa th−ờng xuất hiện ở đầu ra của chổi than khi phần tử ra khỏi tình trạng bị chổi than nối ngắn mạch. Sự xuất hiện tia lửa này có thể giải thích nh− sau: do hiện t−ợng điện hoá và nhiệt ở bề mặt tiếp xúc giữa chổi than và 37
35. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - phiến đổi chiều, nên lúc quá trình đổi chiều kết thúc, điện trở tiếp xúc rtx1 trong biểu thức (4-9a) không phải là vô cùng lớn mà có một trị số nhất định, kết quả là lúc t = Tđc dòng điện phụ iph ≠ 0 và trong từ tr−ờng của phần tử đổi chiều tích luỹ một năng l−ợng 1 đáng kể Li 2 . Khi phần tử đổi chiều ra khỏi tình trạng bị chổi than nối ngắn mạch, sự 2 ph xuất hiện tia lửa chính là hậu quả của việc giải phóng năng l−ợng điện từ đó một cách đột ngột, t−ơng tự nh− khi dùng cầu dao cắt mạch điện có r và L. i i α2 α2 i2 i i − − i2 i t t 0 i 0 i 1 - i− - i t t − i1 α α 1 1 T đc Tđc Hình 4-4 Hình 4-5 Đổi chiều có tính chất trì hoãn Đổi chiều có tính chất v−ợt tr−ớc Nếu epk 0 và có dạng nh− đ−ờng cong 3 ở hình 4-3. Đ−ờng biểu diễn dòng điện đổi chiều i t−ơng ứng đ−ợc trình bày trên hình 4-5 và sự đổi chiều mang tính chất v−ợt tr−ớc. Khi đổi chiều v−ợt tr−ớc α1 < α2, do đó J1 < J2 và có hiện t−ợng phóng tia lửa ở đầu vào của chổi than t−ơng tự nh− khi đóng cầu dao khép mạch điện. Trên thực tế hiện t−ợng phóng tia lửa này rất yếu. ở giai đoạn cuối của quá trình đổi chiều v−ợt tr−ớc i1 và J1 rất nhỏ nên phần tử đổi chiều ra khỏi tình trạng bị chổi than nối ngắn mạch một cách nhẹ nhàng và thuận lợi. 4-3. Nguyên nhân phát sinh ra tia lửa và các biện pháp cải thiện đổi chiều 4.3.1. Nguyên nhân phát sinh tia lửa Tia lửa sinh ra d−ới chổi than có thể do những nguyên nhân cơ hoặc nguyên nhân điện từ. Những nguyên nhân về cơ có thể là: vành góp không đồng tâm với trục, sự cân bằng bộ phận quay không tốt, bề mặt vành góp không phẳng, lực ép trên chổi than không thích hợp, chổi than bị kẹt trong hộp, hộp chổi than không đ−ợc giữ chặt hay đặt không đúng vị trí v.v Nguyên nhân điện từ là do s.đ.đ. đổi chiều không triệt tiêu đ−ợc s.đ.đ. phản kháng trong phần tử đổi chiều. Ngoài ra còn phải kể đến sự phân bố không đều của mật độ dòng điện trên bề mặt tiếp xúc và quan hệ phi tuyến của điện trở tiếp xúc Rtx = f(t,θ )trong đó θ là thông số đặc tr−ng cho tác dụng nhiệt và hiện t−ợng điện phân d−ới chổi than. 38
36. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi sự đổi chiều bị rối loạn phía sau chổi than phóng ra tia lửa mãnh liệt. Chùm tia lửa này khi tắt để lại một vùng ion hoá, đây chính là điều kiện tốt để chùm tia lửa sau đó sinh ra càng mạnh hơn nếu nguyên nhân gây ra rối loạn ch−a bị loại trừ. ở mức độ ác liệt, các chùm lửa càng dài ra và nối từ chổi này sang chổi khác tạo thành vòng lửa trên mặt vành góp. Vòng lửa xuất hiện khi dòng điện trong phần ứng tăng lên quá định mức (quá tải, ngắn mạch). Để chống lại vòng lửa phải dùng dây quấn bù và trang bị máy cắt cực nhanh kịp thời cắt mạch ngay sau khi xảy ra sự cố (0,05 ữ 0,1s). Cần chú ý rằng quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn và sinh ra dao động điện từ với +cp cp - tần số khoảng 1000 ữ 3000 Hz. Nếu máy đ−ợc sử dụng vào lĩnh vực vô tuyến điện, sự đánh lửa d−ới chổi than với tần số ấy sẽ gây nhiễu trong hệ thống vô tuyến. Để chống sự nhiễu loạn ấy ng−ời ta chia những cuộn dây Hình 4-6. Chống nhiễu vô tuyến điện nối tiếp với phần ứng, trong đó có các cuộn dây cực từ phụ thành hai phần và nối đối xứng với phần ứng nh− ở hình 4-6. Ngoài ra giữa các chổi than và thân máy còn nối những tụ để tạo đ−ờng thoát cho các dao động tần số cao tại các đầu ra của máy. 4.3.2. Các ph−ơng pháp cải thiện đổi chiều Để tạo điều kiện tốt cho sự đổi chiều, tr−ớc hết phải giữ đúng những quy định về trạng thái của vành góp và cơ cấu giữ chổi than để loại trừ những nguyên nhân về cơ sinh ra tia lửa. Sau đây là những biện pháp cải thiện đổi chiều dựa vào khuynh h−ớng giảm dòng điện phụ chạy trong phần tử đổi chiều. a. Đặt cực từ phụ Biện pháp cơ bản để cải thiện đổi chiều trong các máy điện một chiều hiện đại là tạo ra từ tr−ờng ngoài, còn gọi là từ tr−ờng đổi chiều tại vùng trung tính , bằng cách đặt những cực từ phụ giữa những cực từ chính (hình 3-7). S.t.đ. của cực từ phụ Ft phải có chiều ng−ợc với s.t.đ. ngang trục F−q của phản ứng phần ứng và phải có độ lớn sao cho vừa trung hoà đ−ợc ảnh h−ởng của F−q, vừa tạo ra đ−ợc từ tr−ờng phụ để sinh ra s.đ.đ. đổi chiều eđc triệt tiêu đ−ợc s.đ.đ. phản kháng epk. Để đạt đ−ợc mục đích trên, ng−ời ta bố trí các cực từ phụ nh− sau: cực từ phụ ở máy phát điện phải có cùng cực tính với cực từ chính mà các cạnh của phần tử dây quấn phần ứng tại cực từ phụ sắp quay tới (hình 3-7). ở động cơ điện cực tính sẽ ng−ợc lại. Nh− đã biết, s.đ.đ. phản kháng epk = (eL + eM) ≡ I− và s.đ.đ. đổi chiều eđc ≡ Bđc (theo biểu thức 4-16) nên để cực từ phụ phát huy tác dụng thì điều kiện cơ bản là Bđc ≡ I− . Muốn vậy dây quấn cực từ phụ phải đ−ợc nối nối tiếp với dây quấn phần ứng và dòng điện tải I− chỉ đ−ợc thay đổi trong phạm vi khiến cho mạch từ của cực từ phụ không bão hoà. Trên thực tế không thể đạt đ−ợc điều kiện Bđc ≡ I− ở nhiều tải khác nhau, do đó không thể đạt đ−ợc một vùng đổi chiều đ−ờng thẳng. Vì vậy ở những máy điện làm việc ở chế độ th−ờng bị quá tải không nặng lắm, ng−ời ta th−ờng chế tạo cuộn dây cực từ phụ thích hợp sao cho khi máy làm việc ở chế độ định mức thì sự đổi chiều hơi v−ợt tr−ớc (nh−ng ch−a phát sinh tia lửa), khi quá tải - đổi chiều đ−ờng thẳng và khi quá tải nặng - đổi chiều hơi trì hoãn. Cấu tạo của cực từ phụ phải làm sao tạo ra đ−ợc từ tr−ờng đổi chiều trong khắp khu vực đổi chiều và sinh ra s.đ.đ. đổi chiều t−ơng ứng với s.đ.đ. phản kháng. Th−ờng khe 39
37. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - hở d−ới cực từ phụ bằng 1,5 ữ 2 lần khe hở d−ới cực từ chính, bề rộng của cực từ phụ vào khoảng 0,4 ữ 0,8 bề rộng của khu vực đổi chiều. Cũng cần nói thêm là cực từ phụ chỉ đặt ở những máy có P > 0,3 kW. Số cực từ phụ th−ờng bằng số cực từ chính, tuy nhiên trong các máy P < 2 ữ 2,5 kW có thể chỉ đặt một nửa số cực từ phụ là đủ. ở máy có cực từ phụ thì chổi than đ−ợc đặt cố định trên đ−ờng trung tính hình học. b. Xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học ở những máy điện nhỏ, để thay thế cho tác dụng của cực từ phụ, ta có thể lợi dụng từ tr−ờng tổng của máy để tạo ra từ tr−ờng đổi chiều bằng cách xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học (hình 4-7). Từ hình 4-7 có thể thấy rằng, ở tr−ờng hợp máy phát điện, muốn từ tr−ờng ở khu vực đổi chiều có cực tính của cực từ chính mà sau khi đổi chiều các cạnh bối dây sẽ đi tới nh− ở tr−ờng hợp cực từ phụ thì phải xê dịch chổi than thuận theo chiều quay của máy một góc: β = α +γ trong đó: N α - góc giữa các đ−ờng trung tính hình Trung tính học và vật lý; vật lý γ - góc có trị số ứng với điều kiện từ F Đ tr−ờng tổng bằng từ tr−ờng đổi chiều. Trung tính hình học Đối với động cơ điện phải xê dịch chổi α than ng−ợc chiều quay của máy. β γ + Vì s.đ.đ. phản kháng epk ≡ I− nên khi tải thay đổi, muốn e thay đổi theo thì phải xê đc S dịch lại chổi than để thay đổi góc γ , điều mà trong thực tế không thể thực hiện đ−ợc. Do đó ph−ơng pháp xê dịch chổi than chỉ cải Hình 4-7 thiện đ−ợc đổi chiều ở một tải nhất định. Xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung c. Dùng dây quấn bù tính hình học để cải thiện đổi chiều Đối với các máy điện có công suất lớn hơn 150 kW và làm việc trong điều kiện tải thay đổi đột ngột, để ngăn ngừa hiện t−ợng vòng lửa và hỗ trợ thêm cho cực từ phụ, ng−ời ta dùng dây quấn bù. Tác dụng của dây quấn bù là triệt tiêu từ tr−ờng của phần ứng trong phạm vi d−ới mặt cực từ chính. Kết quả là từ tr−ờng cực từ chính hầu nh− không bị biến dạng. Vì từ tr−ờng phần ứng phụ thuộc theo dòng điện tải I− nên để có thể bù đ−ợc từ tr−ờng đó ở tải bất kỳ, dây quấn bù đ−ợc mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng. Khi có dây quấn bù thì s.t.đ. của cực từ phụ đ−ợc giảm nhỏ, mạch từ của nó ít bão hoà hơn và hiệu quả cải thiện đổi chiều sẽ tăng lên. d. Những biện pháp khác Để giảm nhỏ dòng điện phụ iph và do đó cải thiện đổi chiều, từ biểu thức 4-6 ta thấy còn có khả năng tăng điện trở tiếp xúc, hoặc khi thiết kế khống chế sao cho s.đ.đ. phản kháng epk ≤ 7 ữ 10V. Nh−ng những biện pháp đó khiến cho cấu tạo của máy phức tạp và công nghệ chế tạo khó khăn cho nên không đ−ợc thông dụng và ta cũng không đề cập đến. 40
38. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Câu hỏi 1. Các s.đ.đ. xuất hiện trong phần tử đổi chiều? Tác dụng của các s.đ.đ. đó đối với quá trình đổi chiều của dòng điện? 2. Nguyên nhân phát sinh tia lửa d−ới bề mặt chổi than? 3. So sánh các ph−ơng pháp cải thiện đổi chiều, hiệu quả và ứng dụng của từng ph−ơng pháp đó? 4. Vẽ cách nối dây của các dây quấn bù và dây quấn cực từ phụ. Bài tập 6. Tính số vòng dây của cực từ phụ của máy phát điện một chiều để có thể đổi chiều đ−ờng thẳng. Cho N = 834, I− = 50 A, a = p = 1, ws = 3, D = 24,5 cm, n = 1460 6 vg/ph, λ = 8,5.10 H/m, lδ = lđc = 8 cm, δp = 3 mm, kδp = 1,3. Đáp số: wp = 118 vg 41
39. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 5 Quá trình điện từ trong máy điện một chiều 5-1. Mômen điện từ và công suất điện từ Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy qua. Tác dụng của từ tr−ờng lên dây dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ trên trục máy. Giả thiết ở một chế độ làm việc nào đó của máy điện một chiều, từ tr−ờng và dòng điện phần ứng ở d−ới một cực từ nh− hình 5-1. Theo quy tắc bàn tay trái, mômen điện từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái. Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn bằng: − , i Φ − F = Btbli− (5-1) a E S ủ Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn u c bằng N, dòng điện trong mạch nhánh n Chiề I u, i , = thì mômen điện từ tác dụng lên M u 2a dây quấn phần ứng bằng: Bδ Bδtb I , D M = B u lN (5-2) tb 2a 2 trong đó: τ Btb - từ cảm trung bình trong khe hở không khí; Hình 5-1. Xác định s.đ.đ. phần ứng và mômen điện từ trong I - dòng điện phần ứng; − máy phát điện một chiều l - chiều dài tác dụng của thanh dẫn; D - đ−ờng kính ngoài của phần ứng. 2 pτ Φ Do D = , B = δ nên ta có: π tb τl pN M = Φ I , = C Φ I , , Nm (5-3) 2aπ δ u M δ u trong đó: Φδ - từ thông d−ới mỗi cực từ, Wb; pN C = - hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy điện. M 2aπ Nếu mômen tính bằng kGm thì công thức (5-3) phải chia cho 9,81. 1 pN M = Φ I , kGm (5-4) 9,81 2aπ δ u Trong máy phát điện, khi có tải thì dòng điện sinh ra sẽ cùng chiều với s.đ.đ nên mômen điện từ sinh ra sẽ ng−ợc chiều với chiều quay của máy. Vì vậy ở máy phát điện, mômen điện từ là mômen hãm (hình 5-1). 42
40. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong động cơ điện, khi cho dòng điện Φ − , i vào phần ứng thì d−ới tác dụng của từ tr−ờng, − S trong dây quấn sẽ sinh ra mômen điện từ kéo a E ủ máy quay, vì vậy chiều quay của máy cùng u c chiều với chiều của mômen (hình 5-2). n M Chiề Công suất ứng với mômen điện từ lấy vào (đối với máy phát) hay đ−a ra (đối với động B cơ) gọi là công suất điện từ và bằng: δ Bδtb Pđt = Mω (5-5) trong đó : M - là mômen điện từ; τ 2πn ω = - tốc độ góc phần ứng. Hình 5-2. Xác định mômen điện 60 từ trong động cơ điện một chiều Thay vào biểu thức (5-5) ta có: pN 2πn pN P = Mω = Φ .I , . = nΦ I , = E−I− (5-6) dt 2aπ δ u 60 60 a δ u Từ công thức (5-6) ta thấy đ−ợc quan hệ giữa công suất điện từ với mômen điện từ và sự trao đổi năng l−ợng trong máy điện. Trong máy phát điện công suất điện từ đã chuyển công suất cơ Mω thành công suất điện E−I−. Ng−ợc lại, trong động cơ điện công suất điện từ đã chuyển công suất điện E−I− thành công suất cơ Mω. 5-2. Quá trình năng l−ợng và các ph−ơng trình cân bằng 5.2.1. Tổn hao trong máy điện một chiều Trong máy điện một chiều, đại bộ phận công suất cơ biến thành công suất điện (máy phát) hay công suất điện biến thành công suất cơ (động cơ), chỉ có một phần rất ít biến thành tổn hao trong máy d−ới hình thức nhiệt toả ra ngoài không khí. Tổn hao trong máy đ−ợc phân thành bốn loại sau: a. Tổn hao cơ pcơ. Tổn hao cơ bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao do thông gió Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho ổ bi, vành góp nóng lên. b. Tổn hao sắt pFe. Tổn hao sắt do từ trễ và dòng điện xoáy gây nên. Tổn hao này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày của tấm thép, trọng l−ợng lõi thép, từ cảm và tần số f. Khi lõi thép đã định hình thì tổn hao thép tỷ lệ với f1,2ữ1,6 và B2. Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải: P0 = pcơ + pFe (5-7) Tổn hao sắt và tổn hao cơ sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải nên gọi là mômen không tải M0. Quan hệ giữa M0 và p0 nh− sau: P M = 0 (5-8) 0 ω trong đó ω là tốc độ góc của rôto. c. Tổn hao đồng pcu. Tổn hao đồng bao gồm tổn hao đồng trong mạch phần ứng pcu.− và tổn hao đồng trong mạch kích thích pcut. 43
41. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tổn hao đồng trong mạch phần ứng bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần 2 2 ứng I− r−, tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ I− rf, tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp ptx. Th−ờng với chổi than graphit điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của chổi than 2∆Utx = 2 V nên ptx = 2I−. Hiện nay th−ờng gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết d−ới dạng 2 pcu.− = I− R− trong đó R− = r− + rf + rtx. Tổn hao đồng trong mạch kích thích bao gồm tổn hao đồng trên dây quấn kích thích và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích thích. Vì vậy pcut = UtIt, trong đó Ut là điện áp đặt trên mạch kích thích và It là dòng điện kích thích. d. Tổn hao phụ. Tổn hao phụ bao gồm tổn hao phụ trong đồng và tổn hao phụ trong thép. Tổn hao phụ trong thép có thể là do từ tr−ờng phân bố không đều trên bề mặt phần ứng, các bulông ốc vít trên phần ứng làm từ tr−ờng phân bố không đều trong lõi thép, ảnh h−ởng của răng và rãnh làm từ tr−ờng đập mạch sinh ra Tổn hao phụ trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử thay đổi, dòng điện phân bố không đều trên bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ tr−ờng phân bố không đều trong rãnh làm sinh ra dòng điện xoáy trong dây dẫn, tổn hao trong dây nối cân bằng sinh ra. Trong máy điện một chiều th−ờng lấy pf = 1%Pđm. 5.2.2. Quá trình năng l−ợng và các ph−ơng trình cân bằng trong máy điện một chiều a. Máy phát điện một chiều Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp bất kỳ kéo quay với một tốc độ nhất định. Giả thiết công suất kích thích do một máy khác cung cấp nên không tính vào công suất đ−a từ động cơ sơ cấp vào của máy phát điện. Công suất cơ P1 đ−a vào máy phát điện, một phần để bù vào tổn hao cơ pcơ và tổn hao sắt pFe, còn đại bộ phận biến đổi thành công suất điện từ Pđt Ta có: P1 = Pđt + (pcơ+ pFe) = Pđt + P0. (5-9) hay Pđt = P1 - P0 = E− I− (5-10) Khi có dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng thì có tổn hao đồng nên công suất điện đ−a ra P2 bằng: 2 P2 = Pđt- pcu = E−.I− - I −R− = U.I− (5-11) Giản đồ năng l−ợng đ−ợc trình bày trên p P hình 5-3. cơ cu Chia hai vế của ph−ơng trình (5-11) cho I− ta đ−ợc: P1 =M1ω Pđt =Mω =E− I− P2 =U I− U = E− - I−R− (5-12) Đó là ph−ơng trình cân bằng s.đ.đ của máy phát điện một chiều. PFe Có thể viết công suất cơ đ−a vào, công suất không tải và công suất điện từ d−ới dạng Hình 5-3. mômen nhân với tốc độ góc nh− sau: Giản đồ năng l−ợng của máy phát điện một chiều. M1.ω = M.ω + M0.ω (5-13) 44
42. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Chia hai vế của ph−ơng trình (5-13) cho ω ta đ−ợc: M1= M + M0 (5-14) trong đó: M1 – mômen đ−a vào trục của máy phát điện; M – mômen điện từ; M0 – mômen không tải. Biểu thức (5-14) gọi là ph−ơng trình cân bằng mô men của máy phát điện. b. Động cơ điện Động cơ điện lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục. Công suất điện mà động cơ nhận từ l−ới vào là: P1 = UI = U(I− + It) (5-15) trong đó: I = I− + It là dòng điện lấy từ l−ới vào; I− là dòng điện đi vào phần ứng; It - dòng điện kích thích; U - điện áp ở đầu cực máy. Công suất nhận vào P1, một phần cung cấp cho mạch kích thích UIt, còn phần lớn đi vào phần ứng UI−, một phần tiêu hao trên dây quấn phần ứng pcu.−, còn đại bộ phận là công suất điện từ Pđt. Ta có: P1 = pcu.− + pcu.t + Pđt (5-16) Công suất điện từ sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù vào tổn hao cơ pcơ và tổn hao sắt pFe (gọi chung là tổn hao không tải hay công suất không tải p0). Phần còn lại cuối cùng là công suất đ−a ra đầu trục P2 = M2ω. Ta có: Pđt = pcơ + pFe + P2 = p0 + P2 (5-17) Từ các ph−ơng trình (5-16) và (5-17) ta pcu.− p = p +p xây dựng đ−ợc giản đồ năng l−ợng của 0 cơ Fe động cơ điện một chiều nh− ở hình 5-4. Từ công thức (5-15) và (5-16) ta có P1= UI P = M công suất điện trong mạch phần ứng bằng: Pđt= E−I− = Mω 2 2 ω 2 UI− = Pđt + pcu.− = E−I− + I− R− (5-18) Chia hai vế của (5-18) cho I− ta đ−ợc pcu.t ph−ơng trình: U = E− + I−R− (5-19) Hình 5-4. Giản đồ năng l−ợng của động cơ điện một chiều Đây chính là ph−ơng trình cân bằng s.đ.đ. của động cơ điện một chiều. Từ công thức (5-17) ta có thể viết: Mω = M0ω + M2ω (5-20) Chia hai vế cho ω ta đ−ợc: 45
43. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - M = M0 + M2 (5-21) trong đó: M2- mômen đ−a ra đầu trục máy; M0 - mômen không tải. Ph−ơng trình (5-21) gọi là ph−ơng trình cân bằng mômen của động cơ điện một chiều. 5-3. Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều Nh− đã biết ở trên, máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát và ở chế độ động cơ. Khi làm việc ở chế độ máy phát, chiều của mômen điện từ và chiều của tốc độ quay ng−ợc nhau, còn dòng điện và s.đ.đ cùng chiều. Trong chế độ động cơ điện thì mômen và tốc độ cùng chiều, còn dòng điện và s.đ đ ng−ợc chiều nhau. Nh− vậy chỉ cần có một điều kiện khác nhau thì máy sẽ có tính chất làm việc khác nhau. Giả sử máy đang làm việc ở trạng thái máy phát nối vào l−ới có U = Cte, dòng điện E , U u − I , phần ứng đ−a ra là u = , nghĩa là E− > U. Máy sinh ra mômen điện từ có chiều R , u ng−ợc với chiều quay và đóng vai trò mômen hãm. Bây giờ nếu ta giảm từ thông Φ hoặc giảm tốc độ n để giảm E− xuống một cách thích đáng thì E− sẽ nhỏ hơn U và dòng điện I− sẽ đổi chiều, E− và I− ng−ợc chiều nhau. Do chiều của từ thông Φ không đổi nên mômen điện từ đổi chiều (vì M = CMΦI−), nghĩa là mômen đã trở nên cùng chiều với tốc độ và đã từ mômen hãm trở thành mômen quay. Máy đã chuyển từ chế độ máy phát điện sang chế độ động cơ điện. Bây giờ ta tách động cơ sơ cấp ra ta sẽ đ−ợc một động cơ điện một chiều thông th−ờng. Thí dụ 1. Một máy phát điện một chiều lúc quay không tải ở tốc độ n0 = 1000 vg/ph thì s.đ.đ. phát ra bằng E0 = 222 V. Hỏi lúc không tải muốn phát ra s.đ.đ. định mức E0đm = 220 V thì tốc độ n0đm phải bằng bao nhiêu khi giữ dòng kích từ không đổi? Giải Dòng điện kích từ không đổi nghĩa là từ thông Φ0 không đổi. Theo công thức E− = CeΦδ.n, khi E0 = 222 V ta có E0 = CeΦ0.n0 (n0 = 1000 vg/ph). Khi E0đm = 220 V thì E0đm = CeΦ0.n0đm E0 CeΦ 0 .n0 n0 Lấy E0/E0đm ta có: = = E0dm Ce .Φ 0 .n0dm n0dm E0dm 220 Từ đó suy ra n0dm = n0 . = 1000. = 990 vg/ph E0 222 2. Một động cơ điện một chiều kích thích song song công suất định mức Pđm = 5,5 kW, Uđm = 110 V, Iđm = 58 A (dòng điện tổng đ−a vào bằng dòng điện phần ứng I− và 46
44. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dòng kích từ It), nđm = 1470 vg/ph. Điện trở phần ứng R− = 0,15 Ω, điện trở mạch kích thích rt = 137 Ω, điện áp giáng trên hai chổi than là 2∆Utx = 2 V. Tính s.đ.đ. phần ứng, dòng điện phần ứng và mômen điện từ. Giải Dòng điện kích từ: U 110 I t = = = 0,8A rt 137 Dòng điện phần ứng: I− = Iđm - It = 58 – 0,8 = 57,2 A Sức điện động phần ứng: E− = U - I−R− - 2∆Utx = 110 - (57,2 ì 0,15) - 2 = 99,4 V Mômen điện từ: P E I 99,4ì 57,2 M = dt = u u = = 36,9 N.m ω 2πn 2π ì1470 60 60 Nếu tính ra kG.m thì: 36,9 M = = 3,76 kG.m 9,81 Câu hỏi 1. Sức điện động trong máy điện một chiều phụ thuộc vào những yếu tố nào? 2. Mômen điện từ trong máy điện một chiều phụ thuộc vào những yếu tố nào? Tính chất của mômen điện từ ở chế độ máy phát điện, chế độ động cơ điện? 3. Phân tích quá trình năng l−ợng của máy phát điện và động cơ điện một chiều, từ đó dẫn ra các quan hệ về công suất, mômen, dòng điện và s.đ.đ. Bài tập 1. Một động cơ điện một chiều kích thích song song có các số liệu sau: Uđm = 220 V, R− = 0,4 Ω, Iđm = 52 A, rt = 110 Ω và tốc độ không tải n0 = 1100 vg/ph. Hãy tìm: a. S.đ.đ. phần ứng lúc tải định mức; b. Tốc độ lúc tải định mức; c. Công suất điện từ và mômen điện từ lúc tải định mức. Khi phân tích bỏ qua dòng điện không tải. Đáp số: a) E−đm = 200 V b) nđm = 1000 vg/ph c) Pđt = 10 kW, M = 95,5 N.m 2. Một động cơ điện một chiều kích thích song song có các số liệu sau: 47
45. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Pđm = 90 kW, Uđm = 440 V, Iđm = 225 A, It = 5 A, nđm = 500 vg/ph, R− = 0,078 Ω. Hãy tìm: a. Mômen định mức ở đầu trục M2đm; b. Mômen điện từ khi dòng điện định mức; c. Tốc độ quay lúc không tải lý t−ởng (I = 0). Đáp số: a) M2đm = 1719.75 N.m b) Mđt = 2007,7 N.m c) n0 = 523 vg/ph 3. Một máy phát điện kích thích độc lập có Uđm = 220 V, nđm = 1000 vg/ph. Biết rằng ở tốc độ n = 750 vg/ph thì s.đ.đ. lúc không tải E0 = 176 V. Hỏi s.đ.đ. và dòng điện phần ứng lúc tải định mức của máy là bao nhiêu, biết điện trở phần ứng R− = 0,4 Ω. Đáp số: E−đm = 234,6 V I−đm = 36,5 A. 48
46. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 6 Máy phát điện một chiều 6-1. Đại c−ơng Trong nền kinh tế quốc dân, nhiều ngành sản xuất nh− luyện kim, hoá chất, giao thông vận tải, đòi hỏi phải dùng nguồn điện một chiều, và ngày nay vẫn không thể thay thế đ−ợc dòng điện một chiều mặc dù việc dùng dòng điện xoay chiều trong công nghiệp đã rất phổ biến. Thông th−ờng để có nguồn điện một chiều có thể dùng các thiết bị chỉnh l−u hoặc máy phát điện một chiều quay bằng động cơ sơ cấp là động cơ xoay chiều, hoặc động cơ đốt trong, tuabin Tuỳ theo cách kích thích cực từ chính, các máy phát điện một chiều đ−ợc phân loại nh− sau: 6.1.1. Máy phát điện một chiều kích thích độc lập Máy phát điện một chiều kích thích độc lập bao gồm máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát kích thích điện từ. Loại đầu chỉ đ−ợc chế tạo với công suất nhỏ. Loại thứ hai có dây quấn kích thích nhận dòng điện một chiều từ ắc quy, l−ới điện một chiều hoặc máy phát điện phụ gọi là máy phát kích thích (hình 6-1a) và đ−ợc dùng nhiều trong các tr−ờng hợp cần điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn. U U U U I I I=I I− t I− - + I - + - I− + - I− - It + It + It a) b) c) d) Hình 6-1 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện một chiều: a) Kích thích độc lập; b) kích thích song song; c) kích thích nối tiếp; d) kích thích hỗn hợp. 6.1.2. Máy phát điện một chiều tự kích thích Máy phát điện một chiều tự kích thích có dòng điện kích thích lấy từ bản thân máy phát điện. Tuỳ theo cách nối các dây quấn kích thích, ta có: Máy phát điện một chiều kích thích song song (hình 6-1b) có dây quấn kích thích nối vào hai đầu dây quấn phần ứng, song song với phụ tải. Máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp (hình 6-1c) có dây quấn kích thích mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng. 49
47. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Máy phát điện một chiều kích thích hỗn hợp (hình 6-1d) có hai dây quấn kích thích: nối tiếp và song song. Trong mọi tr−ờng hợp, công suất kích thích chiếm 0,3 ữ 0,5% công suất định mức của máy. Từ hình vẽ 6-1 ta thấy rằng ở các máy kích thích song song và kích thích hỗn hợp I = I− - It, còn ở máy phát kích thích nối tiếp I = I− = It. 6-2. các đặc tính của máy phát điện kích thích độc lập Máy phát điện một chiều có bốn đại l−ợng đặc tr−ng là U, I−, It và n. Trừ tốc độ quay đ−ợc động cơ sơ cấp giữ không đổi, ba đại l−ợng còn lại U, I−, It là những đại l−ợng biến thiên có liên hệ chặt chẽ với nhau. Với ba đại l−ợng đó có thể thành lập đ−ợc các mối quan hệ (các đặc tính) của máy phát điện sau đây: te 1) Đặc tính không tải U0 = E = f(It) khi I = 0, n = C ; te 1) Đặc tính ngắn mạch In = f(It) khi U = 0, n = C ; te te 3) Đặc tính ngoài U = f(I) khi It = C , n = C ; te te 4) Đặc tính tải U = f(It) khi I− = C , n = C ; te te 5) Đặc tính điều chỉnh It = f(I−) khi U = C , n = C . Trong các đặc tính trên, đặc tính không tải là tr−ờng hợp đặc biệt của đặc tính tải khi I = 0 và đặc tính ngắn mạch là tr−ờng hợp đặc biệt của đặc tính điều chỉnh khi U = 0. Tất cả các đặc tính trên đều có thể thành lập đ−ợc bằng thực nghiệm trực tiếp trên máy phát điện. Tuy nhiên trong một số tr−ờng hợp, để đơn giản chỉ cần làm hai thí nghiệm không tải và ngắn mạch, sau đó dựa vào tam giác đặc tính để suy ra ba đặc tính còn lại. te 6.2.1. Đặc tính không tải U0 = E = f(It) khi I = 0, n = C Khi làm thí nghiệm không tải, cầu dao để hở mạch không nối với tải bên ngoài (I = U0 = E 0), cho máy phát điện quay với tốc độ không +Um A đổi, đo các trị số It và U0 t−ơng ứng ta sẽ có đặc tính không tải. B Cần chú ý rằng, đối với máy phát điện kích thích độc lập, do có thể đổi chiều dòng -Itm 0 +I điện kích thích nên ta có thể vẽ đ−ợc toàn bộ tm It ’ chu trình từ trễ đối xứng ABA’B’A giữa hai B trị số giới hạn của dòng điện kích thích ± Itm ứng với điện áp U = ± (1,15 ữ 1,25)U ’ m đm A -U (hình 6-2). m Đoạn OB trên hình 6-2 là s.đ.đ. ứng với từ d− trong mạch từ của máy phát điện. S.đ.đ. Hình 6-2. Đặc tính không tải của máy phát điện kích thích độc lập này rất nhỏ, th−ờng bằng khoảng 2 ữ 3%Uđm nên có thể bỏ qua, vì vậy có thể coi đặc tính không tải của máy phát điện một chiều là 50
48. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - đ−ờng trung bình AOA’ đi qua gốc toạ độ. I Đó cũng chính là đ−ờng cong từ hoá của máy phát điện suy ra đ−ợc khi tính toán 2 mạch từ của máy lúc không tải. 1 6.2.2. Đặc tính ngắn mạch I = f(It) khi U = 0, n = Cte 0 It Tr−ớc hết cần chú ý rằng, để có đặc tính ngắn mạch của tất cả các loại máy Hình 6-3 phát điện một chiều, chúng phải đ−ợc kích Đặc tính ngắn mạch của máy thích độc lập. phát điện kích thích độc lập Nối ngắn mạch phần ứng qua một ampe mét, cho máy phát điện làm việc với tốc độ không đổi (bằng định mức) rồi đo các trị số It và I t−ơng ứng ta sẽ đ−ợc đặc E,I tính ngắn mạch (hình 6-3). U(1) Theo biểu thức (5-12), khi ngắn mạch U = 0 nên E = R I . Do điện trở R của I(2) − − − − Inm = Iđm dây quấn phần ứng rất nhỏ, mặt khác phải A B giữ cho dòng điện I không v−ợt quá (1,25 Enm ữ 1,5)Iđm nên E− rất nhỏ và dòng điện kích thích I t−ơng ứng sẽ rất bé. Vì I nhỏ nên t t 0 D C I mạch từ của máy không bão hoà (à = Cte), t tức là E− ≡ It, do đó I ≡ It và đặc tính ngắn Hình 6-4. Dựng tam giác đặc tính trong mạch là một đ−ờng thẳng. Nếu máy đã tr−ờng hợp phản ứng phần ứng khử từ đ−ợc khử từ d− thì đ−ờng thẳng này đi qua gốc toạ độ (đ−ờng 1 trên hình 6-3). Nếu máy ch−a đ−ợc khử từ d− ta sẽ có đ−ờng đặc tính 2 và để có đ−ờng đặc tính ngắn mạch tiêu chuẩn ta chỉ việc vẽ đ−ờng thẳng song song với đ−ờng 2 qua gốc toạ E,I độ. I(2) U(1) Tam giác đặc tính Để thành lập tam giác đặc tính, trên Inm = Iđm B hệ toạ độ chung có trục hoành It ta vẽ các E A đ−ờng đặc tính không tải (đ−ờng 1) và đặc nm tính ngắn mạch (đ−ờng 2) nh− trên hình 6- 4. Giả thử rằng khi ngắn mạch trong phần 0 C D It ứng có dòng điện Iđm t−ơng ứng với dòng Hình 6-5. Dựng tam giác điện kích thích It = OC. Dòng kích thích dành một phần OD để sinh ra s.đ.đ. khắc đặc tính trong tr−ờng hợp phục điện áp rơi trên điện trở phần ứng phản ứng phần ứng trợ từ IđmR− = AD = BC; phần còn lại DC = AB dùng để khắc phục phản ứng phần ứng dọc trục lúc ngắn mạch. Tam giác ABC gọi là tam giác đặc tính có cạnh BC tỉ lệ với dòng điện phần ứng I, cạnh AB trong điều kiện mạch từ không bão hoà tỉ lệ với phản ứng phần ứng, nghĩa là cũng tỉ lệ với dòng điện I. 51
49. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Độ lớn của cạnh AB phụ thuộc vào loại máy và lớn nhất ở máy điện một chiều không có dây quấn bù và cực từ phụ. ở máy có dây quấn bù và cực từ phụ, phản ứng phần ứng hầu nh− bị triệt tiêu nên cạnh AB ≈ 0. ở máy điện một chiều kích thích hỗn hợp, dây quấn nối tiếp có tác dụng trợ từ và nếu s.t.đ. của nó lớn hơn AB, nghĩa là ngoài phần s.t.đ. để triệt tiêu ảnh h−ởng của phần ứng còn s.t.đ. để trợ từ, thì cạnh AB sẽ nằm về bên phải của BC (hình 6-5). te 6.2.3. Đặc tính ngoài U = f(I) khi It = C ; te U n = C E Khi dòng điện I tăng, điện áp rơi trên dây U0 quấn phần ứng tăng, mặt khác do phản ứng ∆Uđm Uđm phần ứng cũng tăng theo I nên s.đ.đ. E giảm. Kết quả là điện áp U đầu cực máy phát giảm I−R− U xuống. Dạng của đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích độc lập có dạng nh− trên hình I R 6-6. − − Hiệu số điện áp khi không tải (I = 0) và khi tải định mức (I = I ) với điều kiện dòng 0 Iđm I đm điện kích từ bằng định mức (It = Itđm) đ−ợc gọi là độ biến đổi điện áp định mức, đ−ợc tính Hình 6- 6 theo phần trăm so với điện áp định mức: Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích độc lập U 0 −U dm ∆U dm % = 100. U dm ở máy phát điện kích thích độc lập ∆Uđm% = 5 ữ 15%. Đặc tính ngoài có thể có đ−ợc bằng thí nghiệm trực tiếp hoặc bằng ph−ơng pháp gián tiếp dựa vào đặc tính không tải và tam giác đặc tính. Cách xây dựng đặc tính ngoài dựa vào đặc tính không tải và tam giác đặc tính đ−ợc trình bày nh− trên hình 6-7. te ’ Hãy cho đặc tính không tải của máy phát và đoạn OP = It = C , đoạn PP ứng với It đã cho biểu thị điện áp U = E− lúc không tải (I = 0) và xác định điểm xuất phát D của đặc tính ngoài. Đặt tam giác ABC có các cạnh AB, BC theo tỉ U , lệ ứng với I = Iđm sao cho đỉnh A ,, D P D A nằm trên đặc tính không tải và D, B cạnh BC trên đ−ờng thẳng PP, thì C đoạn PC sẽ là điện áp khi I = Iđm, t−ơng ứng ta có điểm D’ vẽ ở góc phần t− thứ hai. Để chứng minh ta thấy rằng, nếu U = PC thì E = U + I R = − đm − I I /2 Q P PC + CB = BP = AQ. Lúc không I đm đm 0 It tải để có E = AQ cần có dòng − điện kích từ It(0) = OQ. Khi có tải Hình 6-7. Dựng đặc tính ngoài của máy định mức phải tăng dòng điện phát điện kích thích độc lập từ đặc tính kích từ lên một l−ợng ∆I = QP = không tải và tam giác đặc tính t AB để bù lại sự khử từ của phản 52
50. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ứng phần ứng. Dòng điện kích thích toàn phần lúc ấy là It = It(0) + ∆It = OQ + QP = OP nh− đã cho tr−ớc. Nếu I = Iđm/2 thì tam giác đặc tính có các cạnh bằng một nửa của tam giác ABC. Cũng làm nh− trên ta sẽ xác định đ−ợc điểm D’’. Tiếp tục làm với một số điểm ứng với các trị số khác nhau của dòng điện I theo trình tự nh− trên. Nối các điểm D, D’, D’’ te te lại với nhau ta đ−ợc đặc tính ngoài U = f(I) khi It = C , n = C . Trên thực tế do ảnh h−ởng của bão hoà, khi I tăng và U giảm, cạnh AB của tam giác đặc tính không còn tỉ lệ với I nữa nên đ−ờng đặc tính ngoài thu đ−ợc bằng thí nghiệm trực tiếp hơi lệch đi (đ−ờng nét đứt trên hình 6-7). Điểm ứng với U = 0 của đặc tính ngoài cho ta trị số của dòng điện ngắn mạch khi kích thích hoàn toàn đầy đủ. Vì R− rất bé nên dòng điện ngắn mạch In = (5 ữ 15)Iđm và rất nguy hiểm, có thể gây ra vòng lửa trên vành góp và ứng lực điện động rất lớn, do đó phải trang bị máy cắt tự động cực nhanh tách máy phát điện ra khỏi l−ới khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên. Chú ý rằng biện pháp này không bảo vệ đ−ợc ngắn mạch bên trong máy. 6.2.4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = te te C , n = C It Đặc tính điều chỉnh cho ta biết cần điều chỉnh I dòng kích thích thế nào để giữ cho điện áp đầu ra t0 của máy phát không đổi khi tải thay đổi. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện một chiều kích thích độc lập đ−ợc trình bày trên hình 6-8. Từ hình 6-8 0 I− ta thấy, khi tải tăng thì cần phải tăng It để bù đ−ợc điện áp rơi trên R− và ảnh h−ởng của phản ứng Hình 6- 8 te phần ứng để giữ cho U = C . Ng−ợc lại, khi tải Đặc tính điều chỉnh của máy giảm cần phải giảm It. phát điện kích thích độc lập Từ không tải (I = 0) với U = Uđm tăng đến tải định mức (I = Iđm) th−ờng phải tăng dòng điện kích thích lên 15 ữ 25%. U A, A Ph−ơng pháp dựng đặc tính điều chỉnh bằng P B Uđm C đặc tính không tải và tam giác đặc tính đ−ợc trình F bày trên hình 6-9. Với trị số xác định của U0 = Uđm = MP, khi I = 0 ta đ−ợc điểm M ứng với dòng điện kích thích It = OM. Nếu đặt tam giác đặc tính ABC ứng với tải định mức Iđm sao cho đỉnh A nằm 0 M , N trên đặc tính không tải và đỉnh C nằm trên đ−ờng N It thẳng FC (ứng với U = U = Cte) và hạ đ−ờng đm I thẳng đứng BN thì đoạn ON cho ta dòng điện kích dm từ ở tải định mức. Việc chứng minh đ−ợc tiến 2 hành t−ơng tự nh− ở tr−ờng hợp dựng đặc tính ngoài. Để tìm những điểm khác ta chỉ cần kẻ Iđm những đoạn A’C’, A’’C’’, song song với cạnh I huyền AC nằm giữa đặc tính không tải và đ−ờng thẳng CF, sau đó hạ những đ−ờng thẳng đứng cắt Hình 6-9. Dựng đặc tính điều trục hoành tại những điểm N’, N’’, Các đoạn chỉnh của máy phát điện kích ON’, ON’’, sẽ biểu thị các dòng điện kích thích thích độc lập từ đặc tính ứng với các trị số của dòng điện I xác định bằng tỉ không tải và tam giác đặc tính 53