Trong máy điện một chiều, đại bộ phận công suất cơ biến thành công suất điện (máy phát điện) hay công suất điện biến thành công suất cơ (động cơ điện). Chỉ có một bộ phận rất ít biến thành tổn hao trong máy dƣới hình thức tỏa nhiệt ra ngoài. Tổn hao trong máy tùy theo tính chất đƣợc phân làm bốn loại sau:
a) Tổn hao cơ pcơ
Bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than và 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
b) Tổn hao sắt pFe
Do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên. Tổn hao này phụthuộc vào vật liệu, chiều dày của tấm thép, trọng lƣợng lõi thép, từ cảm và tần số f. Khi lõi thép đã định hình thì tổn hao thép tỷ lệ với f1,2 1,6
và B2.
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:
p0 = pcơ + pFe
Tổn hao cơ và sắt sinh ra momen hãm và momen này cả tồn tại khi không tải nên gọi là momen không tải M0. Quan hệ giữa M0 và p0 nhƣ sau:
𝑀0 =𝑝0
𝜔 Trong đó là tốc độ góc của rôto.
c) Tổn hao đồng pCu
Tổn hao đồng bao gồm hai phần tổn hao trong mạch phần ứng pCu.ƣ và tổn hao đồng trong mạch kích từ pCu.t.
Tổn hao đồng trong phần ứng bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng 𝐼ư2𝑟ư , tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ Iư2rf , tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và
vành góp ptx. Thƣờng với chổi than graphit điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của hai chổi
than 2Utx = 2V nên ptx = 2Iƣ.
Hiện nay thƣờng gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết dƣới dạng pƣ = 𝐼ư2𝑅ư trong đó Rƣ = rƣ + rf + rtx bao gồm điện trở dây quấn phần ứng rƣ, điện trở dây quấn phụ rf và điện trở tiếp xúc chổi than rtx, mặc dù rtx trên thực tế không phải là không đổi.
Tổn hao đồng trong mạch kích từ bao gồm tổn hao đồng của dây quấn kích từ và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích từ. Vì vậy pCu.kt = UtIt trong
đó Ut là điện áp đặt trên mạch kích từ và It là dòng điện kích từ.
d) Tổn hao phụ pf
Trong đồng và thép đều sinh ra tổn hao phụ. Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trƣờng phân bố không đều trên bề mặt phần ứng, các bulong ốc vít trên phần ứng làm từ trƣờng phân bố không đều trong lõi sắt, ảnh hƣởng của răng rãnh làm cho từ trƣờng đập mạch sinh ra.
Tổn hao 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 cho tổn hao tiếp xúc lớn, từ trƣờng phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện
xoáy, tổn hao trong dây nối cân bằng sinh ra. Trong máy điện một chiều pf tƣơng đối khó tính, thƣờng lấy bằng 1% công suất định mức.
2) Quá trình năng lượng trong máy điện mộtchiều và các phương trình cân bằng
a) Máy phát điện một chiều
Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp bất kì kéo quay với một tốc độ nhất định. Giả thiết công suất kích từ do một máy khác cung cấp nên không tính vào công suất đƣa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện. Công suất cơ đƣa vào P1, tiêu thụ một phần để bù vào tổn hao cơ pcơvà tổn hao sắt pFe,
còn đại bộ phận biến đổi thành công suất điện từ Pđt. Ta có:
Pđt = P1 - (pcơ + pFe) = P1 - p0 = Eƣ Iƣ (2-12) Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn thì có tổn hao đồng, nên công suất điện đƣa ra P2 bằng:
P2 = Pđt - pcu = Eƣ Iƣ -𝐼ư2𝑅ư = U.Iƣ (2-13)
(2-14)
Trong đó p = pco + pFe + pCu là tổng các tổn hao trong máy phát điện một chiều. Giản đồ năng lƣợng nhƣ hình 2.30
Hình 2. 30 Giản đồ năng lƣợng của máy phát điện một chiều
Chia cả hai vế phƣơng trình (2-13) cho Iƣta đƣợc:
U = Eƣ - IƣRƣ (2-15)
Đó là phƣơng trình cân bằng s.đ.đ của máy phát điện một chiều.
Có thể viết công suất cơ đƣa vào, công suất không tải và công suất điện từ theo dạng momen nhân với tốc độ góc và nhƣ vậy công thức (2-12) có thể viết thành:
M1 = M0 + M (2-16)
Chia hai vế cho ta đƣợc:
1 1 cu Fe co 1 1 2 P p 1 P p p p P P P
M1 = M0 + M (2-17)
Trong đó: M1 là momen đƣa vào; M là momen điện từ;
M0 là momen không tải.
Phƣơng trình (2-17) trên gọi là phƣơng trình cân bằng momen của máy phát điện một chiều.
b) Động cơ điện
Động cơ điện lấy công suất điện từ và truyền công suất cơ ra đầu trục. Công suất điện màđộng cơ nhận từ lƣới vào:
P1 = U.I = U.(Iƣ + It ) (2-18)
Trong đó: I = Iƣ + It là dòng nhận từ lƣới vào (Iƣlà dòng điện vào phần ứng,
It là dòng điện kích từ).
U là điện áp ở đầu cực máy.
Công suất P1, một phần cung cấp cho mạch kích từ UIt còn phần lớn đi vào phần ứng, tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trong mạch phần ứng pCu.ƣ, còn đại bộ phận là công suất điện từ Pđt. Ta có:
Pđt = P1 - (pcu.ƣ + pcu.t) (2-19)
Pđt = EƣIƣ
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 p0). Cuối cùng phần còn lại là công suất đƣa ra ở đầu trục P2 = M2.
Công suất cơ đƣara đầu trục: P2 = M2 = Pđt - (pcơ +pFe) = Pđt - p0 (2-20)
Giản đồ năng lƣợng nhƣ hình 2.31.
Hình 2. 31 Giản đồ năng lƣợng của động cơ điện một chiều
UIƣ = Pđt + pCu.ƣ = EƣIƣ + 𝐼ư2𝑅ư (2-21)
Chia cả hai vế phƣơng trình (2- 21) cho Iƣta đƣợc:
U = Eƣ + IƣRƣ (2- 22)
Đó là phƣơng trình cân bằng s.đ.đ của động cơ điện một chiều.
Có thể viết công suất cơ đƣa vào, công suất không tải và công suất điện từ theo dạng momen nhân với tốc độ góc và nhƣ vậy công thức (2-20) có thể viết thành:
M = M0 + M2 (2-23)
Chia hai vế cho ta đƣợc:
M = M0 + M2 (2-24)
Trong đó: M2 là momen đƣa ra đầu trục máy; M là momen điện từ:
M0 là momen không tải.
Phƣơng trình (2-24) trên gọi là phƣơng trình cần bằng momen của động cơ điện một chiều.
2.4.3 Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều
Máy điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện, cũng có thể dùng làm động cơ điện. Qua nghiên cứu ở các mục trên ta thấy trong máy phát điện, chiều của momen điện từ và tốc độ quay ngƣợc nhau, còn dòng điện và s.đ.đ cùng chiều; trong động cơ điện thì momen và tốc độ quay cùng chiều, còn dòng điện và s.đ.đ ngƣợc chiều nhau. Vì vậy chỉ cần có điều kiện khách quan thì máy sẽ có tính chất làm việc khác nhau. Giả sử máy đang làm việc ở trạng thái máy phát điện. Ta có dòng điện đƣa ra 𝐼ư =𝐸ư−𝑈
𝑅ư nghĩa là Eƣ > U. Máy sinh ra momen điện từ hãm. Nếu ta giảm từ thông hoặc tốc độ n để giảm Eƣ xuống một cách thích đáng thì Eƣ sẽ nhỏ hơn U và dòng điện Iƣ sẽ đổi chiều, Eƣ và Iƣ sẽ ngƣợc chiều nhau. Do đó chiều của từ thông không đổi nên momen điện từ (M = CMIƣ) nghĩa là M và n đã thành cùng chiều và momen điện từ đó đã từ momen hãm thành momen quay. Máy đã chuyển từ máy phát điện sang động cơ điện. Đó là tính chất thuận nghịch của máy điện. Tách động cơ sơ cấp ra ta đƣợc một động cơ điện một chiều thông thƣờng.
Ví dụ 2.1 Một động cơ điện một chiều kích từ song song có các số liệu sau:
Uđm = 220V, Rư = 0,4 ;Iđm = 52 A; rt = 110và tốc độ không tải no = 1000 vg/ph.
a. Sức điện động của 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.
Giải:
a) Ta có khi tải làm việc
Eƣđm = Uđm - Iƣđm.Rƣ Iƣđm = Iđm– Ikt = Iđm– Uđm/rt 50 A 110 220 52 => Eƣđm = 220 – 50.0,4 = 220 – 20 = 200 (V) b) Làm việc ở tải định mức, ikt không đổi, không đổi
Ta có: Eo = Ce.no Eđm = Ce.nđm 0 . o o đm đm đm đm o E n E n n E n E (Eo = Uđm) 1000 220 110 . 200 nđm (vòng/ phút) c) Pđtđm = Iƣđm.Uƣđm = 50.200 = 10000 W = 10 (KW) ) . ( 5 , 95 60 1000 . 2 10 . 10 60 . 2 10 . 10 3 3 m N n P M đm đm đtđm đtđm
2.5 Đổi chiều trong máy điện một chiều
2.5.1 Khái quát chung
Khi chuyển động trong từ trƣờng của một cực từ, mỗi phần tử dây quấn thuộc vào một nhánh song song và dòng điện iƣ 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 bƣớc sang ranh giới của cực từ kế tiếp và chuyển sang nhánh song song khác, dòng điện trong nó có chiều ngƣợc lại (-iƣ). Quá
trình đổi chiều của dòng điện khi phần tử di động trong vùng trung tính và bị chổi than nối ngắn mạch đƣợc gọi là sự đổi chiều.
+ Hình 2.32 trình bày quá trình đổi chiều dòng điện trong phần tử b của dây quấn xếp đơn. Ta thấy khi chổi than phủ toàn bộ lên phiến góp 1 (hình 2.32a) dòng
điện trong phần tử b có chiều giả sử là (+iƣ). Khi chổi than hoàn toàn tách khỏi phiến 1
(hình 2.32c) thì dòng điện trong phần tử b có chiều ngƣợc lại (-iƣ). Ở các vị trí trung
gian, chổi than tiếp xúc với các phiến góp 1 và 2 khiến cho phần tử đổi chiều b 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 mà ta sẽ xét ở mục này.
Hình 2. 32 Quá trình đổi chiều trong máy điện một 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 ứng với chiều rộng của chổi, nghĩa là:
𝑇đ𝑐 = 𝑏𝑐
𝑣𝐺 (2-25)
Trong đó: bc là chiều rộng của chổi góp;
vG là vận tốc dài của vành góp.
Gọi DG là đƣờng kính vành góp, G là số phiến góp, n là tốc độ quay của vành
góp
Ta có bƣớc vành góp: bG = .𝐷𝐺
𝐺 (2-26)
Vận tốc dài của vành góp: vG = DG. . n = bG.G.n (2-27)
Vậy chu kỳ đổi chiều ở dây quấn xếp đơn có dạng:
𝑇đ𝑐 =𝑏𝑏𝑐 𝐺𝐺𝑛 = 𝛽𝐺𝐺𝑛1 (2-28) a) 1 2 1 2 1 2 b) c) a b a b a b
Trong đó G = bc/bG là hệ số trùng khớp
+ Ở loại dây quấn xếp phức tạp có bƣớc vành góp yG = m (m ≠ 1) thì giữa đầu và cuối mỗi phần tử có (m – 1) phiến góp. Nhƣ 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:
𝑇đ𝑐 =𝑏𝑐− 𝑚−1 𝑏𝐺
𝑣𝐺 (2-29)
Thay bc = GbG, m = a/p và vG = DG. . n = bG.G.n ta thu đƣợc:
𝑇đ𝑐 =𝛽𝐺− 𝑎𝑝−1
𝐺𝑛 (2-30)
Khi máy điện làm việc, các phần tử liên tiếp đổi chiều, trong thực tế chu kỳ đổi chiều Tđc ≈ 0,001s nên quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn với tần số vào khoảng f =1000 3000 Hz.
Việc đổi chiều có thuận lợi hay không, nói cách khác là chất lƣợng sự đổi chiều phụ thuộc vào yếu tố cơ và điện từ. Sự đổi chiều kém chất lƣợng đƣợc biểu hiện bên ngoài bởi sự hình thành tia lửa điện dƣới các chổi than và trên mặt vành góp. Tiêu chuẩn nhà nƣớc quy định hình thành các cấp tia lửa nhƣ bảng sau:
Cấp tia lửa
Đặc điểm Tình trạng chổi và vành góp
1 Không có tia lửa Không có vết trên vành góp và
muội than trên các chổi
11
4
Đốm lửa yếu ở 1 phần chổi than
11
2
Tia lửa yếu ở phần lớn chổi than Có vết trên vành góp nhƣng có
thể làm sạch bằng xăng dầu. Có muội than trên chổi
2 Tia lửa ở toàn bộ chổi than, chỉ cho phép vởi tải xung hoặc quá tải ngắn hạn
Có vết trên vành góp không thể làm sạch bằng xăng dầu. Có muội than trên chổi
3 Tia lửa vung ra ở toàn bộ chổi than. Chỉ cho phép lúc mở máy trực tiếp không biến trở với điều kiện sau đó vành góp và chổi than vẫn ở trạng thái bình thƣ-
ờng có thể tiếp tục làm việc đƣợc.
Vết đậm trên vành góp không thể làm sạch bằng xăng dầu, cháy hoặc hỏng chổi điện
- Ta thấy tia lửa mạnh gây hao mòn nhanh chóng chổi than và vành góp. Do đó tia lửa cấp 2 chỉ cho phép với những tải xung ngắn hạn, tia lửa cấp 3 nói chung
là không cho phép.
- Chỉ làm cho phép việc lâu dài với cấp tia lửa 1.
2.5.2 Quá trình đổi chiều
Để thấy rõ quy luật biến đổi của dòng điện trong phần tử đổi chiều và nguyên nhân chủ yếu phát sinh tia lửa điện, từ đó nêu ra biện pháp cải thiện đổi chiều, ta đi nghiên cứu quy luật đổi chiều xảy ra ở phần tử dây quấn xếp đơn trên hình 2.32. Biểu thức của dòng điện trong phần tử đổi chiều có thể suy ra đƣợc từ các định luật Kirhoff
viết cho phần tử đó:
i.rpt + i1.(rtx1 + rd) - i2.(rtx2 + rd) = e (2-31)
Trong đó:
i: dòng điện ngắn mạch chạy trong phần tử đổi chiều;
i1, i2 là các dòng điện chạy qua dây nối với các phiến góp 1 và 2; rpt : Điện trở của phần tử đổi chiều;
rd : Điện trở dây nối;
rtx1,2: Điện trở tiếp xúc của chổi than với phiến góp 1 và 2; e : Tổng các s.đ.đ sinh ra trong phần tử đổi chiều:
e = eM + eL + eđc = epk + eđc
+ eL: s.đ.đ tự cảm gây ra do sự biến đổi của dòng điện trong phần tử đổi chiều;
+ eM: s.đ.đ hỗ cảm do ảnh hƣởng của sự đổi chiều đồng thời của các phần tử khác nằm trong cùng một rãnh;
+ eđc: s.đ.đ đổi chiều sinh ra khi phần tử đổi chiều chuyển động trong từ trƣờng tổng hợp tại vùng trung tính. Từ trƣờng này do cực từ phụ và phản ứng phần ứng tạo thành.
Các s.đ.đ eL và eM có tác dụng đối với quá trình đổi chiều nhƣ nhau và tổng của chúng đƣợc gọi là s.đ.đ phản kháng eM + eL = epk. Để quá trình đổi chiều đƣợc thuận lợi, s.đ.đ đổi chiều eđc phải ngƣợc chiều với s.đ.đ epk. Tùy theo tƣơng quan giữa hai loại s.đ.đ đó, tính chất của quá trình đổi chiều cũng sẽ khác nhau.
Theo định luật Kirhoff 1, có thể viết các phƣơng trình dòng điện lần lƣợt tại các điểm nút a và b nhƣ sau:
Nút a: iƣ + i - i1 = 0
Nút b: - iƣ + i - i2 = 0 (2-32)
Ở mức độ gần đúng giả thiết rpt 0, rd 0. Ta có:
(2-33)
Số hạng thứ nhất của biểu thức biểu thị thành phần cơ bản của dòng điện đổi chiều icb, còn số hạng thứ hai thành phần if. Vì giả thiết rpt 0, rd 0 nên (rtx1+ rtx2) là tổng trở của phần tử đổi chiều khi bị chổi than ngắn mạch và dòng if chính là dòng
ngắn mạch trong phần tử gây bởi e. Hình 2. 33 Diện tích tiếp xúc của chổi than với phiến
góp
Giả thiết rằng rtx1, rtx2 tỷ lệ nghịch với bề mặt tiếp xúc của chổi điện với phiến