Tia lửa sinh ra dƣới chổi than có thể do nguyên nhân cơ hoặc nguyên nhân điện từ.
a) Nguyên nhân cơ khí
- Vành góp không đồng tâm với trục;
- Sự cân bằng bộ phận quay không tốt;
- Bề mặt vành góp không phẳng do những phiến đổi chiều hoặc mi ca cách điện
giữa các phiến đổi chiều nhô lên;
- Lực ép chổi than không thích hợp (mạnh quá có thể làm mòn chổi và vành góp), kẹt chổi trong hộp chổi, hộp chổi than không đƣợc giữ chặt hay đặt không đúng vị trí.
b) Nguyên nhân điện từ
- Do s.đ.đ phản kháng không triệt tiêu hết s.đ.đ đổi chiều.
- Do sự phân bố không đều mật độ dòng điện trên mặt tiếp xúc và quan hệ phi tuyến của điện trở tiếp xúc: rtx = f(t,) với là thông số đặc trƣng cho tác dụng nhiệt và hiện tƣợng điện phân dƣới chổi than.
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 hóa và đó chính là điều kiện tốt để nguyên nhân gây rối loạn chƣa bị loại trừ, chùm tia lửa sau đó sinh ra càng mãnh liệt hơn. Ở mức độ ác liệt, các chùm tia lửa căng dài ra và nối từ chổi than này sang chổi than khác tạo nên một 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 trong hoặc ngoài máy). 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 (trong khoảng 0,05 0,10s).
Quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn và sinh ra dao động điện từ với tần số khoảng 1000 3000Hz.
Nếu máy đƣợc sử dụng vào lĩnh
vực vô tuyến, sự đánh tia lửa dƣới chổi than với tần số ấy sẽ gây nhiễu trong hệ
thống vô tuyến. Để chống sự nhiễu loạn
ấy, ngƣời ta chia những cuộn dây nối tiếp với phần ứng trong đó có các cuộn dây của cực từ phụ thành hai phần và nối đối xứng với phần ứng nhƣ hình 2.38.
Hình 2. 38 Sơ đồ chống nhiễu vô tuyến điện
-
+ CP CP
ĐC
Ngoài ra giữa các chổi than và thân máy còn nối những tụ điện để tạo đƣờng thoát cho các dao động tần số cao tại các đầu ra của máy.
2) Các phương pháp cải thiện đổi chiều
Để tạo điều kiện tốt cho sự đổi chiều, trƣớc hết cần phải giữ đúng những điều quy định về trạng thái của vành góp và cơ cấu giữ chổi than sao cho bảo đảm loại trừ đƣợc những nguyên nhân cơ khí sinh ra tia lửa. Dƣới đây ta xét những biện pháp tạo ra điều kiện điện từ cần thiết cho sự đổi chiều dựa vào khuynh hƣớng giảm dòng điện phụ if chạy trong phần tử đổi chiều.
a) Cực từ phụ
Biện pháp cơ bản để cải thiện đổi chiều trong những máy điện một chiều hiện đại là tạo ra từ trƣờng ngoài, còn gọi là từ trƣờng đổi chiều tại vùng trung tính bằng cách đặt cực từ phụ giữa cực từ chính.
S.t.đ của cực từ phụ Ff phải có chiều ngƣợc với thành phần ngang trục của phản ứng phần ứng Fƣq và có độ lớn sao cho ngoài việc trung hòa đƣợc ảnh hƣởng của Fƣq còn tạo ra đƣợc từ trƣờng phụ để sinh ra s.đ.đ đổi chiều eđc làm triệt tiêu ảnh hƣởng của s.đ.đ phản kháng epk. Hình 2.11 cho thấy rõ cực từ phụ ở máy phát điện phải có cùng cực tính với cực từ chính mà các cạnh trong phần ứng tại cực từ phụ sắp quay tới. Ở động cơ điện cực tính của cực từ phụ sẽ ngƣợc lại.
Ta có epk tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng Iƣ, và eđctỷ lệ thuận với từ cảm đổi chiều Bđc. Do đó để cực từ phụ có thể phát huy tác dụng thì điều kiện cơ bản là Bđc tỷ lệ với Iƣ. Muốn vậy dây quấn của cực từ phụ phải đƣợc nối tiếp với dây quấn phần ứng và dòng điện tải Iƣ phải thay đổi trong phạm vi khiến mạch từ của cực từ phụ không bão hòa. Trên thực tế không thể đạt đƣợc Bđc Iƣ ở nhiều tải khác nhau và do đó không thể đạt đƣợc đổi chiều đƣờng thẳng. Ở những máy điện làm việc ở chế độ thƣờng bị quá tải không nặng lắm, ngƣời ta chế tạo cuộn dây cực từ phụ thích hợp sao
cho khi máy điện làm việc ở chế độ định mức thì sự đổi chiều hơi vƣợt trƣớc (nhƣng chƣa có tia lửa), khi quá tải nhẹ thì đổi chiều đƣờng thẳng và khi quá tải nặng thì đổi chiều hơi trì hoãn.
Cấu tạo của cực từ phụ phải làm sao tạo ra đƣợc từ trƣờng đổi chiều trong khắp khu vực đổi chiều và sinh ra s.đ.đ đổi chiều tƣơng ứng với s.đ.đ phản kháng. Thƣờng khe hở dƣới cực từ phụ bằng 1,5 2 lần khe hở dƣới cực từ chính. Bề rộng mặt cực từ phụ vào khoảng 0,4 0,8 bề rộng của khu vực đổi chiều.
Cực từ phụ thƣờng đặt ở máy có P > 0,3kW. Số cực từ phụ thƣờng bằng số cực từ chính, tuy nhiên trong máy có P < 2 2,5 kW có thể chỉ đặt một nửa số cực từ phụ là đủ.
b) Xê dịch chổi than khỏi vùng 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 trƣờng tổng của máy để có từ trƣờng đổi chiều bằng cách xê dịch chổi than khỏi vùng trung tính hình học. Ở trƣờng hợp máy phát điện, muốn từ trƣờng ở khu vực đổi chiều có cực tính của cực từ chính mà sau khi đổi chiều các cạnh phần tử sẽ đi tới nhƣ trƣờng hợp cực từ phụ thì phải xê dịch chổi than thuận chiều quay của phần ứng một góc: = + .
Trong đó
: góc giữa đƣờng trung tính hình học và trung tính vật lý;
: Góc có trị số ứng với điều kiện từ trƣờng tổng bằng từtrƣờng
đổi chiều.
Trong trƣờng hợp động cơ điện thì chổi than phải xê dịch ngƣợc chiều quay của phần ứng.
Phƣơng pháp xê dịch chổi than
có nhƣợc điểm là do epk phụ thuộc vào Iƣ nên mỗi khi tải thay đổi muốn cho eđc thay đổi theo bắt buộc phải xê dịch lại vị trí chổi than để thay đổi góc (hình 2.39).
Trên thực tế điều đó không thể thực hiện đƣợc và phƣơng pháp này chỉ có thể cải thiện đƣợc đổi chiều ở một tải nhất định.
c) Dây quấn bù
Đối với những máy điện có công suất P > 150kW và làm việc trong điều kiện tải thay đổi đột ngột, để ngăn hiện tƣợng vòng lửa và hỗ trợ thêm cho cực từ phụ, ngƣời ta dùng dây quấn bù để triệt tiêu từ trƣờng của phần ứng trong phạm vi dƣới mặt cực từ chính. Kết quả là từ trƣờng của cực từ chính hầu nhƣ không bị biến dạng. Vì từ trƣờng phần ứng phụ thuộc theo dòng điện tải Iƣnên để có thể bù đƣợc từ trƣờng đó ở
Hình 2. 39 Xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học Trung tính hình học; 2- Trung tính vật lý
tải bất kỳ, dây quấn bù phải đƣợc nối tiếp với dây quấn phần ứng. Khi có dây quấn bù, s.t.đ của cực từ phụ sẽ đƣợc giảm nhỏ, mạch từ của cực từ phụ ít bị bão hòa hơn và hiệu quả cải thiện đổi chiều của cực từ phụ sẽ tăng lên.
d) Những biện pháp khác
Để giảm nhỏ dòng điện phụ if và do đó cải thiện đổi chiều ta có thể tăng điện trở tiếp xúc hoặc khi thiết kế khống chế sao cho s.đ.đ phản kháng epk < 7 10V.
Nhƣng những biện pháp đó khiến cho cấu tạo của máy phức tạp và công nghệ chế tạo khó khăn cho nên không đƣợc thông dụng và ta cũng không đề cập đến.
2.6 Máy phát điện một chiều
2.6.1 Khái quát chung
Trong nền kinh tế quốc dân, nhiều ngành sản xuất nhƣ luyện kim, hóa chất, giao thông vận tải... đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều và ngày nay vẫn không thể thay thế đƣợc dòng điện một chiều mặc dù việc dùng dòng điện xoay chiều trong công nghiệp đã rất phổ biến. Thông thƣờng để có nguồn điện một chiều có thể dùng máy phát điện một chiều quay bằng các động cơ sơ cấp, dùng bộ chỉnh lƣu chuyển từ nguồn xoay chiều thành một chiều.
Tùy theo cách kích thích cực từ chính, máy phát điện một chiều đƣợc phân loại nhƣ sau:
- Máy phát điện một chiều kích từ độc lập: Bao gồm máy phát kích từ bằng nam châm vĩnh cửu chỉ chế tạo với công suất nhỏ và máy phát kích từ điện từ. Loại này dây quấn kích từ lấy dòng điện từ acquy, lƣới điện một chiều hoặc máy phát điện một chiều phụ (hình 2.40) và dùng nhiều trong trƣờng hợp cần điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn, điện áp thấp (4 24)V hoặc điện áp cao trên 600V.
Hình 2. 40 Sơ đồ nguyên lý MPMC kích từ độc lập
- Máy phát điện một chiều tự kích từ
Dòng điện kích từ đƣợc lấy từ bản thân máy phát điện. Tùy theo cách nối các dây quấn kích từ ta có:
+ Máy phát điện một chiều kích từ song song (hình 2.41a);
+ - Iƣ U Ikt + -
+ Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp (hình 2.41b); + Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp (hình 2.41c).
Trong mọi trƣờng hợp, công suất kích từ chiếm 0,3 0,5 công suất định mức của máy.
Từ hình 2.41 ta thấy máy phát điện kích từ song song và kích từ hỗn hợp I = Iƣ - It, còn máy phát điện kích từ nối tiếp I = Iƣ = If.
Hình 2. 41 Sơ đồ nguyên lý của MPMC tự kíchtừ
a- MPMC kích từ song song; b- MPMC kích từ nối tiếp; c- MPMC kích từ hỗn hợp
2.6.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều
Máy phát điện một chiều có bốn đại lƣợng đặc trƣng là U, Iƣ, Ikt, n. Trừ tốc độ n đƣợc động cơ sơ cấp giữ không đổi ba đại lƣợng còn lại U, Iƣ, Ikt là những đại lƣợng biến thiên có liên hệ chặt chẽ với nhau. Dựa vào đó, khi nghiên cứu máy phát điện một chiều ta có các đặc tính sau:
1) Đặc tính không tải
Đặc tính không tải là quan hệ U0 =E0 f(Ikt) khi I = 0, n = const.
Làm thí nghiệm (hình 2.42a) cho máy phát điện làm việc ở tốc độ n không đổi, cầu dao để hở mạch không nối với tải bên ngoài (I = 0), đo các trị số Ikt và U tƣơng ứng ta sẽ có đặc tính không tải.
Đối với máy phát điện kích từ độc lập, do có thể đổi chiều dòng điện kích từ nên ta có thể vẽ đƣợc toàn bộ chu trình trễ đối xứng ABA’B’A giữa hai trị số giới hạn của dòng điện kích từ Iktm ứng với điện áp cỡ (1,15 1,25)Uđm.
Đối với máy điện tự kích từ, do cực tính ở đầu máy (chổi than) là cố định và không thể thực hiện đƣợc –Ikt nên ta chỉ có thể vẽ đƣợc chu trình ABA giữa + Iktm và 0. + - I U Iktss a) + - Iƣ U Iktnt b) + - Iƣ U Iktss c) Iktnt I I Iƣ
Hình 2. 42 Đặc tính không tải MPMC
a - Sơ đồ thí nghiệm, b -Đặc tính
Đoạn OB trên hình là s.đ.đ ứng với từ dƣ trong mạch từ của máy. S.đ.đ này rất nhỏ, thƣờng bằng (2 3)% Uđmnên có thể bỏ qua, vì vậy đặc tính không tải của máy phát điện một chiều là đƣờng trung bình đi qua gốc tọa độ AOA’ biểu thị bằng nét đứt. Đó cũng chính là đƣờng cong từ hóa của máy phát điện suy ra đƣợc khi tính toán mạch từ của máy lúc không tải.
2) Đặc tính ngắn mạch
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ I = f(Ikt) khi U = 0, n = const.
Trƣớc hếtcần chú ý rằng để có đặc tính ngắn mạch tất cả các loại máy phát điện một chiều đều phải có kích từ độc lập. Nếu đem nối ngắn mạch các chổi than và cho máy phát điện làm việc ở tốc độ không đổi rồi đo các trị số Ikt và I tƣơng ứng ta đƣợc đặc tính ngắn mạch.
Khi ngắn mạch thì Eƣ = IƣRƣ. Do Rƣ rất nhỏ, mặt khác phải giữ dòng điện I không lớn quá trị số (1,25 1,5)Iđm nên Eƣ phải rất nhỏ và dòng điện kích từ Ikt tƣơng ứng cũng rất nhỏ.
Vì It nhỏ nên mạch từ của máy không bão hòa và đặc tính ngắn mạch là một đƣờng thẳng
(hình 2.42).
Nếu máy đã đƣợc khử từ dƣ thì đƣờng thẳng này đi qua gốc tọa độ (đƣờng 1). Nếu máy chƣa đƣợc khử từ dƣ thì ta đƣợc đƣờng (2)
song song với đƣờng thẳng đặc
tính ngắn mạch tiêu chuẩn. Hình 2. 43 Đặc tính ngắn mạch MPMC a) b) + - Iƣ U Ikt + - Ukt A V
Tam giác đặc tính:
Hình 2. 44 Dựng tam giác đặc tính
a- phản ứng phần ứng khử từ, b- phản ứng phần ứng trợ từ
Để thành lập tam giác đặc tính, trên hệ tọa độ chung có trục hoành Ikt, ta vẽ các đặc tính không tải (1) và đặc tính ngắn mạch (2) nhƣ trên hình 2.44. Giả sử khi ngắn mạch trong phần ứng có dòng điện Iđmtƣơng ứng với dòng điện kích từ Ikt = OC. Dòng
điện kích từ dành một phần OD để sinh ra s.đ.đ khắc phục điện áp rơi trên điện trở phần ứng IđmRƣ = AD = BC; phần còn lại DC = AB dùng để khắc phục phản ứng phần ứng lúc ngắn mạch (hình 2.44a).Tam giác ABC gọi là tam giác đặc tính có cạnh BC tỷ lệ với dòng điện phần ứng I, và cạnh AB trong điều kiện mạch từ không bão hòa tỷ lệ với phản ứng phần ứng, nghĩa là cũng tỷ lệ với dòng điện I.
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 nhƣ bị triệt tiêu, cạnh AB ≈ 0. Ở máy điện một chiều kích từ 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 triệt tiêu ảnh hƣởng của phần ứng còn s.t.đ để trợ từ, thì cạnh AB sẽ nằm về phía bên phải của BC (hình 2.44b).
3) Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là mối quan hệ U = f(I) khi Ikt = const, n = const.
a) Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
Khi I tăng, điện áp rơi trên dây quấn phần ứng tăng, mặt khác do phản ứng phần ứng tăng theo I nên s.đ.đ E giảm. Kết quả là điện áp U đầu máy phát điện giảm xuống. Dạng đặc tính ngoài của máy phát điện kích từ độc lập đƣợc trình bày nhƣ trên hình
2.45b. Hiệu số điện áp lúc không tải (I = 0) và lúc tải định mức (I = Iđm) với điều kiện dòng điện kích từ định mức đƣợc gọi là độ biến đổi điện áp định mức:
0 % dm100 dm dm U U U U (2-42)
Ở máy phát điện một chiều kích từ độc lập ΔUđm = 5 ÷ 15%
Hình 2. 45 Đặc tính ngoài MPMC kích từ độc lập
a- Sơ đồ thí nghiệm, b- Đặc tính
Có thể dựng đặc tính ngoài từ đặc tính không tải và tam giác đặc tính nhƣ hình
2.45. Cho đoạn OP = Ikt = const, đoạn PP' ứng với It đã cho biểu thị điện áp U = Eƣ lúc
không tải E0 (I= 0) và xác định điểm xuất phát D của đặc tính ngoài. Đặt tam giác ABC có các cạnh AB, BC theo tỉ lệ ứng với I = Iđm sao cho đỉnh A nằm trên đặc tính không tải và cạnh BC nằmtrên đƣờng thẳng đứng PP’ thì đoạn PC sẽ là điện áp khi I =
Iđm và tƣơng ứng ta có điểm D’ vẽ ở góc phần tƣ thứ 2. Để chứng minh, ta thấy rằng nếu U = PC thì Eƣ = U + Iđm.Rƣ = PC + CB = BP = AQ.
Hình 2. 46 Dựng đặc tính ngoài của MPMC kích từ độc lập
Lúc không tải để có Eƣ = AQ cần có dòng điện kích từ từ Ikt(0) = OQ; khi có tải định mức phải tăng dòng kích từ lên một lƣợng ΔIt = QP = AB để bù lại sự khử từ của phản ứng phần ứng. Toàn dòng điện kích từ lúc ấy đúng bằng: