a) Các bớc dây quấn. 4 4 2 4 18 2p Z y nt 1 === bớc ngắn 8 2 18 p m-G yy G = === 2 y 2 = y - y 1 = 8 - 4 = 4 Hình 1.16 Giản đồ dq sóng phức tạp với b) Trình tự nối dây quấn Dây quấn ny có 2 mạch vòng kín. c) Giản đồ khai triển. Từ trình tự nối các phần tử ta vẽ đợc giản đồ khai triển dây quấn nh hình 1.16 d) Hình tia v đa giác s.đ.đ Với số liệu dây quấn trên ta xác định đợc góc lệch giữa hai phần tử liên tiếp l: 0 00 40 18 2.360 S p360 === Từ đấy vẽ đợc hình tia v đa giác s.đ.đ nh hình 1.17 3. Số đôi mạch nhánh. Dây quấn sóng phức có: a = m 1.5 Dây quấn hổn hợp Dây quấn hổn hợp l sự kết hợp giữa dq xếp v dq sóng, nh hình 1.18. Hình 1.17 Hình tia v đa g iác s.đ.đ của d q 1.6 Dây cân bằng điện thế. 1. Dây cân bằng loại một. Dây cân bằng loại 1 dùng cho dây quấn xếp đơn, nối các điểm đẳng thế trên dq với nhau, điểm 1 v 9; 2 v 10; 3 v 11, trên hình 1.6 v hình 1.8(b). Dây cân bằng loại một nhằm cân bằng điện thế của các nhánh dới các cặp cực khác nhau. 2. Dây cân bằng loại hai. Hình 1.18 Dq Dây cân bằng loại 2 dùng cho dây quấn sóng phức tạp. Với dq xếp phức tạp thì các dq xếp đơn dùng dây cần bằng loại 1 giữa các dq xếp đơn dùng dây cần bằng loại 2. Dây cân bằng loại 2 thờng đợc nối ở phía các phiến góp, để khắc phục sự phân bố điện áp giữa các phiến đổi chiều kề nhau không đều nhau. Máy điện 2 36 Chơng 7 Đại cơng về máy điện một chiều 7.1 Cấu tạo của máy điện 1 chiều. Cấu tạo của máy điện một chiều nh hình 2.1 1. Phần tĩnh (Stato) Phần tĩnh của máy điện 1 chiều gồm các bộ phần sau: a) Cực từ chính Đây l bộ phận sinh ra từ trờng chính trong máy, nó bao gồm: - Lõi cực từ: Hình dạng nh hình 2.1, có thể lm bằng thép khối vì dẫn từ 1 chiều. Tuy nhiên để giảm kích thớc, ngy nay nó đợc lm bằng thép kỹ thuật điện (KTĐ) cán lạnh không đẳng hớng. - Dây quấn cực từ chính. Đợc lm bằng dây dẫn tròn có bọc cách điện hoặc dây dẫn tiết diện chử nhật quấn định hình rồi lồng vo thân cực từ. Các dây quấn kích thích đặt trên các cực từ chính thờng đợc nối nối tiếp với nhau. b) Cực từ phụ. Đây l bộ phận dùng để cải thiện đổi chiều. - Lõi cực có thể lm bằng thép khối - Dây quấn cực từ phụ, đặt trên cực từ phụ v nối nối tiếp với dây quấn phần ứng qua các chổi than. Cực từ phụ đợc bố trí xen kẻ với cực từ chính. c) Gông từ. Lm mạch dẫn từ, nối liền các cực từ chính v phụ, đồng thời lm vỏ máy. Máy nhỏ v vừa gông từ lm bằng thép tấm, máy lớn lm bằng thép đúc. d) Các bộ phận khác. - Nắp máy: Để che chắn các vật ngoi rơi vo máy v lm giá đở ổ bi - Cơ cấu chổi than: Hộp chổi than v chối than đợc cố định trên nắp máy Hình 2.1 Mặt cắt dọc v ngang của một máy điện một Hình 2.2 Cực từ Máy điện 2 37 2. Phần quay (Roto) a) Lõi thép phần ứng. Đây l bộ phận dẫn từ xoay chiều, nên lm bằng thép KTĐ, dy 0,35 - 0,5. Trên lõi thép có dập rãnh để bố trí dây quấn phần ứng. Máy nhỏ v vừa có lổ thông gió hớng trục, máy lớn còn có kênh thông gió hớng kính, hình 2.3. b) Dây quấn phần ứng. Đây l bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng lợng điện từ, nó đợc phân bố trong các rãnh của lõi thép phần ứng, hình 2.4. Dây quấn phần ứng đã xét ở chơng 1. c) Cổ góp. Đây l bộ phận để đổi chiều dòng điện hay có thể coi nó l bộ chỉnh lu cơ khí. Cổ góp bao gồm các phiến góp lm bằng đồng, đợc ghép v ép lại thnh cổ góp hình trụ. Giữa các phiến góp có lớp cách điện bằng mica dy 0,4 - 1,2 mm. d) các bộ phận khác. - Trục máy - Quạt gió Hình 2.3 Lá thép phần ứng Hình 2.4 Rãnh lỏi thép Hình 2.5 Phiến góp v cổ góp 7.2 các trị số định mức. Đối với máy điện một chiều các trị số định mức bao gồm: - Công suất định mức P đm (kW) - Điện áp định mức U đm (V) - Dòng điện định mức I đm (A) - Tốc độ định mức n đm (vg/ph) Các thông số khác nh kiểu máy, phơng pháp v dòng điện kích thích Máy điện 2 38 7.3 Nguyên lý lm việc cơ bản của máy điện một chiều. Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý lm việc của Sơ đồ nguyên lý nh hình 2.6. Nó gồm một khung dây abcd hai đầu nối với 2 phiến góp, đặt trong từ trờng của nam châm vĩnh cửu N-S, hai chổi điện A v B đặt cố định v tỳ sát lên trên 2 phiến góp. Khi cho khung dây quay, theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab v cd sẽ cảm ứng đợc một s.đ.đ. e = Blv (v) Trong đó: - B (T) l từ cảm của nam châm N-S - l (m) l chiều di của thanh dẫn - v (m/s) l vận tốc di của thanh dẫn Tại thời điểm trên hình 2.6 thanh dẫn ab nằm dới cực N nên s.đ.đ có chiều hớng từ b đến a, thanh dẫn cd nằm dới cực S có s.đ.đ chiều hớng từ d đến c. Lúc ny dòng điện chạy trong mạch ngoi hớng từ chổi A (+) đến chổi B (-). Khi khung dây quay đợc 1/2 vòng, thanh dẫn cd lúc ny nằm dới cực N nên chiều s.đ.đ v dòng điện hớng từ c đến d, còn trong thanh dẫn ab nằm dới cực S v chiều e hớng từ a đến b. Nh vậy ở mạch ngoi chổi A vẫn có dấu (+) v chổi B vẫn mang dấu (-). Nh vậy mặc dầu chiều của s.đ.đ v dòng điện trong thanh dẫn thay đổi nhng chiều của chúng ở mạch ngoi l không đổi. Chổi A luôn (+) v chổi B luôn (-). Sức điện động v dòng điện mạch ngoi nh hình 2.6b. Để có s.đ.đ lấy ra lớn v ít đập mạch ta bố trí nhiều khung dây nối tiếp v lệch nhau 1 góc no đó (dây quấn phần ứng). Trên đây l nguyên lý lm việc cơ bản của máy phát điện. Nêu ta cho dòng điện 1 chiều chạy vo chổi A (+) v chạy ra ở chổi B (-) thì dòng điện trong thanh dẫn dới cực N luôn hớng từ trớc ra sau, v dòng điện trong thanh dẫn dới cực S luôn hớng từ sau ra trớc vì vậy lực (mômen) điện từ do chúng sinh ra sẽ có chiều không đổi nên nó lm cho khung dây quay với một chiều không đổi. Đó l nguyên lý lm việc của động cơ điện 1 chiều. Máy điện 2 39 Chơng 8. Quá trình điện từ trong máy điện một chiều 8.1 Sức điện động, mômen v công suất điện từ. Giả sử chiều của nh hình 4.1, khi cho phần ứng quay với tốc độ n, giả sử theo chiều kim đồng hồ. Từ thông quét qua dây quấn phần ứng v cảm ứng lên trong thanh dẫn s.đ.đ: e td = B tb .l.v 4.1 Trong đó: Hình 4.1 S.đ.đ v mô men điện từ Hình 4.2 Mô men điện từ trong Trong máy phát điện 1 chiều động cơ điện 1 chiều 60 n p2 60 nD v == v l B tb = 4.2 Vậy 60 n .p2e td = 4.3 Nếu gọi N l tổng số thanh dẫn thì số thanh dẫn trong một nhánh song song l N/2a. Nh vậy s.đ.đ của dây quấn phần ứng sẽ l: nCn 60a pN e 2a N E etdu === (V) vậy E = C e n 4.4 Trong đó: tính bằng (Wb); n (vg/ph); C e = pN/60a l hệ số S.đ.đ. Khi trong thanh dẫn có dòng điện i với chiều nh hình 4.1 v 4.2, thì thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác động, chiều xác định theo quy tắc bn tay trái, độ lớn: f đt = B tb .l.i , với i = I /2a thì f đt = B tb .l. I /2a 4.5 v M = NfD/2 với D = 2p / v BB tb = / l 4.6 Ta có: M = C M .I (N.m) 4.7 Trong đó C M = pN/2 a l hệ số mômen Máy điện 2 40 Hoặc uM .I.C 9,81 1 M = (kg.m) 4.8 Trong chế độ máy phát M ngợc chiều n; E cùng chiều i . Chế độ động cơ ngợc lại. - Công suất điện từ. Đây l công suất ứng với M lấy vo ở chế độ máy phát v đa ra ở chế độ động cơ. P đt = M. với 60 n2 = l tốc độ góc của phần ứng. uuuudt IE.n.I 60a pN .I a2 pN . 60 n2 P === với n 60a pN E u = Vậy P đt = E .I 4.9 Chế độ máy phát: Đầu vo c/s cơ P = M. ; Đầu ra c/s điện P = E .I Chế độ động cơ: Đầu vo c/s điện P = E .I ; Đầu ra c/s cơ P = M. 8.2 Quá trình năng lợng v các phơng trình cân bằng. 1. Tổn hao trong máy điện 1 chiều. a) Tổn hao cơ (p cơ ) Đây l tổn hao do ma sát ổ bi, chổi than v vnh góp; tổn hao thông gió lm mát. p cơ tỷ lệ với n v hiệu suất ổ bi, b) Tổn hao sắt (p fe ) Nguyên nhân do từ trễ v dòng điện xoáy p fe f 1,2-1,6 v B 2 Tổn hao không tải: P 0 = p cơ + p fe ta có M 0 = p 0 / c) Tổn hao đồng (p cu ): Bao gồm: p cu. v p cu.t p cu. = I 2 .R với R = r + r f + r tx p cu.t = U t .i t d) Tổn hao phụ (p f ) Tổn hao phụ trong đồng v thép (p f = 1%P đm ) 2. Quá trình năng lợng v các phơng trình cân bằng. a) Máy phát điện. Gọi P 1 l c/s cơ đa vo đầu trục của máy phát, để biến thnh c/s điện từ nó phải mất đi các tổn hao p cơ v p fe . P đt = P 1 - (p cơ + p fe ) = P 1 - p 0 = E .I Vậy P đt = P 1 - p 0 hay M. = M 1 . - M 0 . Hay ta có phơng trình cân bằng mômen: M = M 1 - M 0 4.10 Máy điện 2 41 Công suất điện đa ra bé hơn công suất điện từ một lợng tổn hao trên R P 2 = P đt - p cu. = E .I -I 2 .R = U.I Vậy ta đợc phơng trình điện áp: U = E - I .R 4.11 Hình 4.3 Giản đồ năng lợng chế độ máy b) Động cơ điện. Công suất lấy vo l c/s điện, c/s đa ra l c/s cơ. P 1 = P đt + p cu. = E .I + I 2 .R = U.I Ta có pt cần bằng điện áp: U = E + I .R 4.12 Công suất cơ đa ra đầu trục bé hơn c/s điện lợng tổn hao không tải. Hình 4.4 Giản đồ năng lợng chế độ động P 2 = P đt - p 0 hay P đt = P 2 + p 0 hoặc M = M 2 + M 0 Ta có phơng trình cân bằng mômen: M = M 2 + M 0 4.13 Từ sự phân tích trên ta vẻ đợc giản đồ năng lợng: 4. Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều Giả sử máy đang lm việc chế độ máy phát với 0 R UE I u u u = E > U v M l mômen hãm. Nếu giảm I t thì t giảm xuống, dẫn tới E giảm xuống, cho tới khi E < U thì I đổi dấu, máy chuyển sang chế độ động cơ. Máy điện 2 42 Chơng 9. Đổi chiều dòng điện trong m.đ.1.c 9.1 Đại cơng Đổi chiều l ton bộ các hiện tợng xảy ra của dòng điện trong phần tử dây quấn phần ứng, khi nó dịch chuyển từ vị trí bị chổi than nối ngắn mạch qua ranh giới tiếp theo. Xét 1 dây quấn xếp đơn giản, hình 5.1 Khi t = 0, Chổi than phủ hon ton lên phiến 1. Lúc đó nếu dòng điện chạy trong phần tử b l (+ i ), thì tại thời điểm t = T đc Chổi than rời khỏi phiến 1 v phủ hon ton lên phiến 2, lúc ny phần tử (b) đã chuyển sang một nhánh khác v dòng điện trong nó đổi chiều (- i ). Vị trí trung gian khi 0 < t < T đc phần tử (b) bị nối ngắn mạch, dòng điện chạy trong phần tử (b) lúc ny biến thiên theo những quy luật rất phức tạp, phụ thuộc vo quá trình quá độ trong phần tử (b) v các phần tử cùng đổi chiều ở các nhánh khác. Hình 5.1 Quá trình đổi chiều trong dây quấn Thờng T đc < 0,001 (s) nên f đc = 1000 - 3000 (Hz). 5.2 Quá trình đổi chiều. Viết phơng trình định luật K1 v K2 cho nút (1), (2) v mạch vòng của phần tử (b) ta có: i + i - i 1 = 0 5.1 i - i - i 2 = 0 5.2 r pt .i + (r d + r tx1 ).i 1 - (r d + r tx2 ).i 2 = e 5.3 Trong đó: i l dòng điện chạy trong phần tử (b) bị nối ngắn mạch; i 1 v i 2 l dòng điện chạy trong dây nối với phiến đổi chiều 1 v 2; r pt l điện trở của phần tử dây quấn; r d l điện trở dây nối; r tx1 v r tx2 l điện trở tiếp xúc giữa chổi than với phiến 1 v 2; e l tổng các s.đ.đ cảm ứng đợc trong phần tử đổi chiều (b), nó gồm: a) S.đ.đ tự cảm e L , do sự biến thiên của dòng điện trong phần tử đổi chiều sinh ra. b) S.đ.đ hổ cảm e M , do các dòng điện đổi chiều trong các phần tử khác hổ cảm qua. c) S.đ.đ đổi chiều e đc , do phần tử đổi chiều chuyển động trong vùng trung tính hình học có B 0. Vậy e = e L + e M + e đc = e pk + e đc . 5.4 Giải 3 phơng trình trên, khi bỏ qua r pt v r d (vì chúng rất bé), ta đợc: Máy điện 2 43 tx2tx1 u tx2tx1 tx1tx2 rr e .i rr rr i + + + = 5.5 Giả thiết r tx1 v r tx2 tỷ lệ nghịch với bề mặt tiếp xúc S tx1 v S tx2 giữa chổi than v phiến góp 1 v 2. Nếu coi quá trình đổi chiều từ t = 0 đến t = T đc , nghĩa l b c = b G thì: S T tT S dc dc tx1 = v S T t S dc tx2 = 5.6 Trong đó: S l mặt tiếp xúc ton phần giữa chổi than v phiến đổi chiều, thì r tx l điện trở tiếp xúc ton phần. Từ đây ta có: tx dc dc tx tx1 tx1 r tT T r S S r == tx dc tx tx2 tx2 r t T r S S r == 5.7 Thay các giá trị trên vo (4) ta có: n u dc r e ).i T 2t (1i += với t)(Tt T .rr dc 2 dc txn = 5.8 1. Đổi chiều đờng thẳng. Nếu e = 0 ta có u dc ).i T 2t (1i = Quan hệ giữa i = f(t) l đờng thẳng, trên hình vẻ ta có mật độ dòng điện: Phía ra 1 dc dc 1dc tx1 1 1 .tg S T tT i . S T S i j = == Phía vo 2 dc2dc tx2 2 2 .tg S T t i . S T S i j === Vì 1 = 2 nên j 1 = j 2 nghĩa l mật độ dòng điện ở phía phiến góp đi ra bằng phía phiến góp đi vo, điều ny rất thuận lợi cho quá trình đổi chiều. Hình 5.2 Đổi chiều đờng 2. Đổi chiều đờng cong. Thực tế e 0, nên ngoi dòng điện ở trên còn có dòng điện phụ: 0 r e i n f = 5.9 Đờng biểu diễn r n v i f nh hình 5.3. a) Đổi chiều trì hoãn ( e > 0) Lúc ny i = i cb + i f v dòng điện đổi chiều đi qua giá trị zéro chậm hơn đổi chiều đờng thẳng (a a'), hình 5.4. Khi đổi chiều trì hoãn 1 > 2 nên j 1 > j 2 tia lửa xuất hiện ở phía chổi than đi ra. Điều ny giống nh tia lửa khi ta mở cầu dao có tải. Hình 5.3 Dòng Máy điện 2 44 . than: Hộp chổi than v chối than đợc cố định trên nắp máy Hình 2. 1 Mặt cắt dọc v ngang của một máy điện một Hình 2. 2 Cực từ Máy điện 2 37 2. Phần quay (Roto) a) Lõi thép phần ứng. Đây l bộ. = 0 5. 1 i - i - i 2 = 0 5 .2 r pt .i + (r d + r tx1 ).i 1 - (r d + r tx2 ).i 2 = e 5. 3 Trong đó: i l dòng điện chạy trong phần tử (b) bị nối ngắn mạch; i 1 v i 2 l dòng điện. e đc . 5. 4 Giải 3 phơng trình trên, khi bỏ qua r pt v r d (vì chúng rất bé), ta đợc: Máy điện 2 43 tx2tx1 u tx2tx1 tx1tx2 rr e .i rr rr i + + + = 5. 5 Giả thiết r tx1 v r tx2 tỷ lệ