Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều

DÂY QUẤN XẾP ĐƠN

Giả thiết từ cảm dưới cực từ phân bố hình sin, như vậy thì sức điện động cảm ứng trong mỗi phần tử cũng biến đổi hình sin và ta có thể dùng một véc tơ quay để biểu thị, trị số tức thời của sức điện động phần tử là hình chiếu của véc tơ trên trục tung. 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 như làn sóng Cách xác định bước dây quấn y1 giống như dây quấn xếp đơn, chỉ khác ở yG.

SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG TRONG DÂY QUẤN PHẦN ỨNG

Về lý luận ta thấy chỉ cần 2 chổi than cũng đủ (vì chỉ có một đôi mạch nhánh) nhưng ta vẫn thường đặt số chổi than bằng số cực từ nhằm phân bố dòng điện trên nhiều chổi than hơn, làm giảm kích thước chổi than và chiều dài của vành góp. Nếu là bước ngắn thì sức điện động của các thanh dẫn của một phần tử sẽ cộng véc tơ nên sức điện động của cả phần tử sẽ nhỏ hơn so với phần tử bước đủ và như vậy sức điện động phần ứng cũng nhỏ hơn một ít.

MÔ MEN ĐIỆN TỪ VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ

Sự phân tích trên dựa trên giả thiết dây quấn bước đủ, sức điện động trên các thanh dẫn của phần tử đều cộng số học với nhau. Trong máy phát điện, khi có tải thì dòng điện sinh ra sẽ cùng chiều với sức điện động nên mô-men điện từ sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của máy nên mô-men điện từ là mô-men hãm. Trong động cơ điện, khi cho dòng điện vào phần ứng thì dưới tác dụng của từ trường, trong dây quấn sẽ sinh ra mô-men điện từ kéo máy quay, vì vậy chiều quay của máy sẽ cùng chiều với chiều quay của mô- men.

Công suất ứng với mô-men điện từ lấy vào (máy phát) hay đưa ra (động cơ) gọi là công suất điện từ của máy điện một chiều và bằng: Pđt=Mϖ. Từ công thức trên ta thấy quan hệ giữa công suất điện từ với mô-men điện từ và sự trao đổi năng lượng trong máy điện một chiều.

TỪ TRƯỜNG CỦA CỰC TỪ

Các cực từ có cực tính khác nhau được bố trí xen kẽ nhau dọc theo chu vi phía trong than vỏ máy, từ thông đi từ cực bắc N qua khe hở và phần ứng rổi trở về cực nam S nằm bên cạnh. Đại bộ phận từ thông đi qua khe hở vào phần ứng, chỉ có một bộ phận rất nhỏ không đi qua phần ứng mà đi thẳng vào các cực từ bên cạnh hay gông từ, nắp máy… làm thành mạch kín. Do khe hở giữa phần ứng và cực từ không đều nhau, ở giữa cực từ khe hở nhỏ, ở hai đầu mặt cực từ khe hở lớn nhất, thường δmax =1,5−2,5mm cho nên từ cảm ở các điểm thẳng góc với bề mặt phần ứng cũng khác nhau.

Ở giữa cực từ từ cảm lớn nhất, ở 2 mép cực từ thì nhỏ đi rất nhiều và ở đường trung tính hình học mn, cường độ từ cảm B=0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động. Để dễ tính toán Fδ, ta đơn giản hóa đường cong phân bố từ cảm theo phương pháp đẳng trị nghĩa là đường cong phân bố từ cảm thực tế bằng hình chữ nhật có chiều cao là Bδ =Bδmaxvà đáy b/ =αδτlà sao cho diện tích hình chữ nhật bằng với diện tích đường cong thực.

TỪ TRƯỜNG PHẦN ỨNG

Ở một mỏm cực, từ trường được tăng cường (tại đó từ trường phần ứng trùng chiều với từ trường cực từ) trong khi đó ở mỏm cực kia, từ trường bị yếu đi (tại đó từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ). Khi ta quay chổi than ra khỏi đường trung tính hình học một góc tương đương với khoảng cách b trên phần ứng như hình, thì do sự phân bố của dòng điện ứng với vị trí chổi than là không đổi nên trục sức từ động cũng quay đi một góc và luôn trùng với trục chổi than. Khi chổi than ở trên đường trung tính hình học, theo hỡnh vẽ ta thấy, đường sức từ đi ra ở dưới ẵ cực từ và đi vào ở dưới ẵ cực từ, do đú tỏc dụng của nú trong khe hở ở dưới 2 nửa cực từ có chiều ngược nhau.

Theo định luật toàn dòng điện, nếu lấy mạch vòng đối xứng với điểm giữa của 2 chổi than thì ở một điểm cách gốc một khoảng là x, sức từ động phần ứng sẽ bằng:Fưx=A.2x (A/đôi cực). Từ công thức ta thấy đường từ cảm dưới mặt cực từ có dạng như đường cong sức từ động nhưng ở phần giữa 2 cực từ, từ cảm giảm đi rất nhiều do chiều dài đường từ trong không khí tăng lên, nên đường cong từ cảm có dạng yên ngựa.

PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Khi xét tác dụng của phần ứng ta chú ý rằng nếu máy điện có chiều dòng điện và cực tính của cực từ như trong hình thì chiều quay của máy phát điện và động cơ sẽ ngược nhau và được ký hiệu bằng các mũi tên trong hình. Khi mạch từ không bảo hoà thì theo nguyên lý xếp chồng, sự phân bố của từ trường tổng như đường 3, nhận được bằng cách cộng từ trường của cực từ (đường 1) với từ trường của phần ứng (đường 2). Nhưng khi mạch từ bão hòa thì không dùng nguyên lý xếp chồng không hoàn toàn đúng vì lúc mạch bão hòa từ thông không tăng tỉ lệ với sức từ động nữa, nên sự phân bố từ trường tổng như đường 4.

Trong máy phát điện một chiều, thường chổi than đặt ở trên đường trung tính hình học nhưng 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 đường trung tính hình học. Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay của máy phát (hay ngược chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ, ngược lại nếu xê dịch chổi than ngược chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất trợ từ.

CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

Loại thứ 2 có dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy.

QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG

Hiện nay ta thường gộp tất cả các tổn hao này thành tổn hao đồng trên phần ứng và ta có: pCuư =I2 ưRư (với Rư=rư+rf+rtx). Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp kéo với tốc độ nhất định. Giả sử công suất phần kích thích do một máy khác cung cấp nên ta không tính vào công suất đưa từ động cơ sơ cấp.

Công suất cơ đưa vào máy phát điện, một phần tổn hao không tải p0 (gồm tổn hao sắt và tổn hao cơ), còn lại biến đổi thành công suất điện từ: Pđt=P1- p0 = Eư Iư. Khi có dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng, một phần công suất điện từ bù vào tổn hao đồng nên công suất điện đưa ra P2: P2=Pđt-pCu =Eư Iư-I2 ư Rư=UIư.

GIỚI THIỆU

Tất cả các đặc tính trên đều có thể dùng thực nghiệm trực tiếp để thiết lập.

CÁC ĐẶC TÍNH

Sức điện động này rất nhỏ, khoảng 2-3% Uđm nên có thể bỏ qua, vì vậy coi đặc tính không tải của máy phát điện một chiều là đường trung bình đi qua góc tọa độ. Do điện trở Rư của dây quấn phần ứng rất bé và mặt khác phải giữ cho dòng điện I không vượt quá (1,25-1,5)Iđm nên Eư rất nhỏ và dòng điện It tương ứng sẽ rất bé. Nếu máy chưa được khử từ dư thì ta sẽ có đặc tính 2 và để có đường đặc tính ngắn mạch tiêu chuẩn ta chỉ cần vẽ đường thẳng song song với đường 2 qua góc tọa độ.

Khi dòng điện tải I tăng, điện áp rơi trên dây quấn phần ứng tăng, mặt khác do phản ứng phần ứng cũng tăng theo I nên sức điện động E giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát điện U giảm xuống. Nếu từ điểm a ứng với U=Uđm trên đặc tính tải ta vẽ thẳng đứng lên phía trên một đoạn ab bằng điện áp rơi RưIư trên dây quấn phần ứng và kẻ đoạn nằm ngang cắt đường đặc tính không tải tại c.