Phần thứ nhất Máy điện một chiều Chơng 1 đại cơng về máy điện một chiều Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn đợc 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 đợc 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 nhợc 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, nhng 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 đợc quay quanh trục của nó với một tốc độ không đổi trong từ trờng của hai cực nam châm N - S. Khi khung dây quay, các thanh dẫn ab và cd sẽ cắt các đờng sức từ trờng. 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 đợc 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 trờng; v - vận tốc quét của thanh dẫn. Chiều của s.đ.đ. cảm ứng đợc 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 ngợc chiều kim đồng hồ thì thanh dẫn ab đang nằm dới cực bắc N, s.đ.đ. cảm ứng e sẽ có chiều từ b đến a, 5 6 e , i t 2 1 Hình 1-2. S.đ.đ. và dòng điện trong khung dây (1) và ở mạch ngoài (2). Hình 1-1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều A B - + b a d R n e e c e t Hình 1-3. S.đ.đ. ở mạch ngoài khi có 2 khun g dâ y đ ặ t l ệ ch nhau 90 0 còn thanh dẫn cd đang nằm dới cực nam S, chiều của s.đ.đ. cảm ứng trong nó sẽ từ d đến c. Nếu mạch ngoài khép kín qua tải thì s.đ.đ. trong khung dây sẽ sinh ra trong mạch ngoài một dòng điện chạy từ chổi than A đến chổi than B. Do khung dây quay nên các thanh dẫn ab và cd lần lợt thay đổi vị trí nằm dới các cực từ, do đó s.đ.đ. cảm ứng trong các thanh dẫn là 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 cũng là hình sin. Vì chổi điện A luôn tì lên phiến góp nối với thanh dẫn nằm dới vùng cực bắc N, còn chổi điện B luôn tì lên phiến góp nối với thanh dẫn nằm dới vùng cực nam S nên dòng điện ở mạch ngoài chỉ chạy theo một chiều từ chổi A (cực dơng) đến chổi B (cực âm). Nh vậy, s.đ.đ. xoay chiều cảm ứng trong khung dây và dòng điện tơng ứng đã đợc chỉnh lu thành s.đ.đ. và dòng điện một chiều ở mạch ngoài nhờ hệ thống vành góp và chổi than (hình 1-2). 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 đờng 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 giảm sự đập mạch của s.đ.đ. đó, ngời 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 hai phiến góp mà có nhiều phiến góp ghép lại với nhau thành một cổ góp 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 trờng hợp máy có hai khung dây đặt lệch nhau trong không gian một góc 90 0 nh ở hình 1-3 (đờng nét liền). 1.1.2. Chế độ động cơ điện Ngợc 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 trờng của nam châm N - S, dới tác dụng của từ trờng nam châm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ có độ lớn: F = B tb .l.i (1-2) trong đó: B tb - 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 đợc 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 dới 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 dới 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 7 1 2 3 4 a ) 8 6 7 12 13 9 b ) H ình 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. 1.2.1. Phần tĩnh (stato) Phần tĩnh còn đợc 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 trờng, 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 đợc ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ đợc gắn chặt vào vỏ máy bằng bu lông (hình 1-5). Dây quấn kích từ đợc làm bằng đồng bọc cách điện, đợc quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ chính đợc 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. Cu ộ n dâ y kích từ; 2. Gôn g từ; 3. Lõi thé p c ự c từ; 4. Bu lôn g b. Cực từ phụ Cực từ phụ đợc đặt giữa các cực từ chính (hình 1-4) và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép thờng 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 đợc 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 thờng 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 xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than đợc cố Hình 1-6. Cơ cấu chổi than: 1. chổi than; 2. hộp chổi than; 3. lò xo; 4. giá đỡ; 5. d â y dẫn đi ệ n; 6. cò m ổ 8 định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đợc 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 đợc trộn thêm bột đồng để tăng độ dẫn điện. Chổi than có nhiệm vụ đa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngợc 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 ngời 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 trờng hợp này nắp máy thờng làm bằng gang. 1.2.2. Phần quay (rôto) Phần quay còn gọi là phần ứng, gồm các bộ phận sau: 9 a. Lõi thép phần ứng Lõi thép rôto dùng để dẫn từ, thờng 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, ngời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục (hình 1-7). Trong máy điện hơi lớn thì lõi sắt đợc chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong những máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc 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 lợng rôto. b. Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ. cảm nêm Cách điện rãnh D ây dẫn H ình 1- 7 . Lá thép phần ứn g H ình 1-8. Mặt cắt rãnh phần ứn g 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), đợc đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và đợc 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 lu dòng điện xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điện một chiều đa 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 đợc 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 đợc cách điện bằng các tấm mi ca. Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp đợc dễ dàng. 10 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. 5 1 2 3 4 4 6 7 b ) a) d. Các bộ phận khác Các bộ phận khác gồm có: Cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy. Máy điện một chiều thờng 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 góp, cánh quạt. 2 c ) H ình 1-10. Rôto của máy điện một chiều Phần ứng (rôto) của máy điện một chiều nh ở hình 1-10. 1-3. Các đại lợng định mức Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xởng chế tạo đã quy định. Chế độ đó đợc đặc trng bởi những đại lợng ghi trên nhãn máy và gọi là những lợng định mức. Trên nhãn máy thờng ghi những đại lợng sau: Công suất định mức P đm (W hay kW); Điện áp định mức U đm (V); Dòng điện định mức I đm (A); Tốc độ định mức n đm (vg/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng 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 đa ra của máy điện. Đối với máy phát điện, đó là công suất điện đa ra ở đầu cực của máy. Đối với động cơ điện thì đó là công suất cơ đa 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 thờng 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 đa ra đầu trục hay công suất điện đa vào động cơ? 11 . 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. nhất Máy điện một chiều Chơng 1 đại cơng về máy điện một chiều Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn đợc coi là một loại máy quan. 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