Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều

a) Chổi than đặt trên trung tính hình học

Lúc máy điện làm việc có tải, trong máy có từ trƣờng cực từ và từ trƣờng phần ứng. Khi chổi than đặt ở trung tính hình học (hình 2.7), từ trƣờng khe hở không khí (c) là tổng của từ trƣờng cực từ (a) và từ trƣờng phần ứng (b).

Hình 2. 8 Từ trƣờng trong Máy điện một chiều

a) Từ trƣờng phần cảm, b) Từ trƣờng phần ứng, c) Từ trƣờng tổng

Chiều dòng điện phần ứng và cực tính của cực từ nhƣ trên hình vẽ thì chiều quay n của máy phát điện F và động cơ điện Đ sẽ ngƣợc nhau và đƣợc ký hiệu bằng hai mũi tên ngƣợc chiều nhau.

Từ hình vẽ đó ta thấy rằng, khi có tải các đƣờng lực từ tập trung về một phía mỏm cực khác với khi không tải, hơn nữa đƣờng trung tính giữa các cực từ chuyển từ trung tính hình học đến trung tính vật lý. n c) n ' nĐ nF Sƣ Nƣ S

Để thấy rõ sự thay đổi của từ trƣờng khe hở khi có phản ứng phần ứng ta biểu thị các đƣờng biểu diễn từ cảm của cực từ Bt và từ cảm của phần ứng Bƣ dọc khe hở dƣới một đôi cực rồi lấy tổng của chúng nhƣ hình 2.9

Hình 2. 9 Phản ứng phần ứng khi chổi than ở trên trung tính hình học

+ Từ cảm cực từ Bt: Từ hình vẽ (a) phân bố từ trƣờng của cực từ chính của máy 2 cực ta thấy từ trƣờng chính nhận trục cực từ làm trục đối xứng và không thay đổi vị trí trong không gian đƣờng (1) hình 2.9.

+ Từ cảm phần ứng Bƣ:

Ta xét 1 mạch vòng đối xứng với điểm giữa của 2 chổi than thì ở một điểm cách gốc là x, s.t.đ đƣợc tính nhƣ sau:

Fƣx = A.2x (A/đôi cực) (2-1)

A = 𝑁𝑖ư

𝜋𝐷ư (A/cm): là phụ tải đƣờng của phần ứng. (2-2) iƣ = 𝐼ư

2𝑎 là dòng trong thanh dẫn. (2-3)

S.t.đ sẽ lớn nhất khi x = /2. Khi đó: Fƣ = A.2. /2 = A..

Nếu bỏ qua từ trở của lõi thép thì từ trở của mạch phần ứng chỉ còn là 2 khe hở không khí nên từ cảm của phần ứng dƣới mặt cực từ đƣợc biểu diễn:

Bƣx = 0.Hƣx = 0.𝐹ư𝑥

2𝛿 = 0.𝐴∙2𝑥

2𝛿 = 0.𝐴

𝛿 .x (2-4)

Đƣờng biểu diễn Bƣx dọc khe hở là đƣờng (2) hình 2.9, dƣới mặt cực từ khe hở  là không đổi nên đƣờng biểu diễn Bƣx là đƣờng thẳng còn ở giữa hai cực từ, từ cảm

Bƣx giảm đi rất nhiều do chiều dài đƣờng từ trong khe hở không khí tăng lên cho nên đƣờng cong từ cảm có dạng yên ngựa.

+ Khi mạch từ không bão hòa thì theo nguyên lý xếp chồng ta đƣợc từ trƣờng khe hở không khí là đƣờng (3) hình 2.9. Nếu mạch từ bão hòa thì nguyên lý xếp chồng không hoàn toàn là đúng do từ thông không tăng tỷ lệ theo s.t.đ nữa nên thực tế sự phân bố từ trƣờng tổng nhƣ đƣờng (4) hình 2.9.

Từ những phân tích trên ta đƣợc những kết luận về tác dụng phản ứng phần ứng nhƣ sau:

+ Khi chổi than ở trung tính hình học chỉ có phản ứng ngang trục mà tác dụng của nó là làm méo từ trƣờng khe hở. Đối với máy phát điện thì ở mỏm ra cực từ (mỏm cực từ mà phần ứng đi ra) máy đƣợc trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì khử từ. Đối với động cơ điện thì chiều quay ngƣợc với máy phát điện nên kết luận ngƣợc lại.

+ Nếu mạch từ không bão hòa thì từ trƣờng tổng không đổi vì tác dụng khử từ và trợ từ nhƣ nhau. Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên từ thông tổng dƣới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục có một ít tác dụng khử từ.

+ Từ cảm ở đƣờng trung tính hình học không bằng không, do đó đƣờng ở trên bề mặt phần ứng từ cảm bằng không gọi là đƣờng trung tính vật lý đã lệch khỏi đƣờng trung tính hình học một góc thuận theo chiều quay của máy phát điện hay ngƣợc với chiều quay của động cơ điện (đƣờng nn’ hình 2.8c).

Tóm lại: khi chổi than đặt trên trung tính hình học thì chỉ có phản ứng ngang trục làm méo từ trƣờng khe hở và do đó xuất hiện đƣờng trung tính vật lý. Nếu mạch từ không bão hòa thì từ thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bão hòa thì từ thông tổng giảm đi một ít.

b) Xê dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học

Trong máy điện một chiều, thƣờng chổi than đặt ở trên đƣờng trung tính hình học nhƣng do lắp ghép không tốt, hoặc khi máy không có cực từ phụ, muốn cải thiện đổi chiều, có thể xê dịch chổi than khỏi đƣờng trung tính hình học. Khi xê dịch chổi than nhƣ vậy thì s.t.đ phần ứng có thể chia làm hai thành phần: ngang trục Fƣq và dọc trục Fƣd. Tác dụng của phản ứng phần ứng ngang trục nhƣ ta đã nói ở trên là làm méo từ trƣờng của cực từ chính và khử từ một ít nếu mạch từ bão hòa.

Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh hƣởng đến từ trƣờng cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tùy theo chiều xê dịch của chổi than. Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay máy phát điện (hoặc ngƣợc chiều quay động cơ điện) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ và ngƣợc lại nếu quay chổi than ngƣợc chiều quay máy phát điện (hay thuận chiều quay động cơ điện) thì có phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ.

Hình 2. 10 Phản ứng phần ứng khi xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học.

(1) Trung tính hình học (2) Trung tính vật lý

Trong máy điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho phép quay chổi than theo chiều quay của phần ứng nếu là máy phát điện, hay ngƣợc chiều quay của phần ứng nếu là động cơ điện.

Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hƣởng đến trị số của từ thông tổng mà không làm cho nó biến dạng.

2) Từ trường cực từ phụ

Hiện nay, trong hầu hết các máy điện một chiều (trừ những máy công suất nhỏ hơn 0,5kW) đều có đặt cực từ phụ. Cực từ phụ đặt giữa hai cực từ chính trên đƣờng trung tính hình học.

Nhƣ đã phân tích, khi có tải, do phản ứng phần ứng nên trên đƣờng trung tính hình học từ trƣờng khác không và từ trƣờng đó lại có cùng chiều với từ trƣờng dƣới cực từ đứng trƣớc trung tính hình học theo chiều quay của máy phát điện (hình 2.8c).

Để cải thiện đổi chiều, thƣờng yêu cầu ở khu vực đổi chiều (tức khu vực có chổi than mà chổi than thƣờng đặt ở trung tính hình học) có từ trƣờng ngƣợc chiều với từ trƣờng phầnứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy phải đặt cực từ phụ.

Tác dụng của cực từ phụ là sinh ra một s.t.đ triệt tiêu từ trƣờng phần ứng ngang trục đồng thời tạo ra một từ trƣờng ngƣợc chiều với từ trƣờng phần ứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy cực tính của cực từ phụ phải cùng cực tính với cực từ chính mà phần ứng sẽ chạy vào nếu máy ở chế độ máy phát điện (còn đối với động cơ điện thì ngƣợc lại).

Để triệt tiêu từ trƣờng phần ứng ngang trục, từ trƣờng cực từ phụ phải tỉ lệ thuận với dòng điện tải

nên dây quấn cực từ phụ đƣợc mắt nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch từ không bão hòa. Cách đấu dây cực từ phụ nhƣ ở hình 2.11. Sự phân bố của từ trƣờng tổng khi có cả từ trƣờng cực từ phụ nhƣ ở hình 2.12, trong đó đƣờng 1, 2 và 3 ở hình a là đƣờng phân bố s.t.đ cực từ chính, phụ và s.t.đ phần ứng, hình b là đƣờng phân bố s.t.đ tổng; hình c là đƣờng phân bố từ cảm.

Hình 2. 11 Sơ đồ nối dây cực từ phụ

Khi chổi điện đặt trên đƣờng trung tính hình học, các cực từ phụ không ảnh hƣởng đến từ trƣờng cực từ chính vì trong phạm vi tác dụng một bƣớc cực, tác dụng khử từ và trợ từ của các cực từ phụ bằng nhau nên bù cho nhau. Nếu xê dịch chổi than khỏi đƣờng trung tính hình học, ví dụ theo chiều quay của phần ứng chế độ máy phát điện (hay ngƣợc chiều quay đối với động cơ điện) thì trong phạm vi một bƣớc cực,tác dụng khử từ của

Hình 2. 12 S.t.đ và đƣờng cong từ trƣờng tổng của MĐMC có cực từ phụ

cực từ phụ lớn hơn tác dụng trợ từ của nó, do đó trong trƣờng hợp này, các cực từ phụ làm cho máy bị khử từ. Nếu quay ngƣợc chiều quay phần ứng ở chế độ máy phát điện thì tác dụng ngƣợc lại. Nhƣ vậy ảnh hƣởng của các cực từ phụ đối với từ trƣờng cực từ chính nhƣ phản ứng dọc trục của phần ứng.

3)Từ trường của dây quấn bù

Nhƣ đã biết, ảnh hƣởng của phản ứng phần ứng làm méo từtrƣờng khe hở, do

đó điện áp phân bố trên các phiến góp không đều, vì vậy đổi chiều của máy có khó

khăn. Do đó trong những máy điện một chiều có công suất lớn hay điều kiện làm việc nặng nhọc (nhƣ tải thay đổi đột ngột) đều có đặt dây quấn bù. Tác dụng của dây quấn bù là sinh ra từ trƣờng triệt tiêu phản ứng phần ứng làm cho từ trƣờng khe hở căn bản không bị méo nữa.

Hình 2. 13 Sơ đồ nối dây dây quấn bù

1- Cực từ chính, 2-Dây quấn bù

Dây quấn bù đƣợc đặt trên mặt của cực từ chính (hình 2.13).

Để có thể bù đƣợc ở bất cứ tải nào, dây quấn bù đƣợc nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho s.t.đ của hai dây quấn đó ngƣợc chiều nhau. Trên hình khai triển

2.14 các đƣờng 1, 2 biểu thị sự phân bố các s.t.đ phần ứng ngang trục Fƣq và của dây Hình 2. 14 Các đƣờng s.t.đ và từ trƣờng tổng của MĐMC có cực từ

quấn bù Fb. Ta thấy về cơ bản là bù đƣợc trên phạm vi mặt cực từ chính, chỉ giữa hai cực từ chính không đặt đƣợc dây quấn bù nên s.t.đ Fb có dạng hình thang do đó ở giữa hai cực từ không bù đƣợc mà còn lại một phần. Nhƣng ở máy có dây quấn bù bao giờ cũng có đặt cực từ phụ nên dƣới tác dụng của cực từ phụ và dây quấn bù, từ trƣờng tổng của máy gần giống nhƣ từ trƣờng lúc không tải mà không phụ thuộc vào tải của máy. Điều đó đảm bảo cho máy điện đổi chiều tốt. Vấn đề đổi chiều sẽ đƣợc trình bày rõ hơn ở mục 2.5.

2.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều

2.3.1 Khái quát chung

Dây quấn phần ứng máy điện một chiều thực chất là dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều kết hợp với vành đổi chiều (vành góp) để chỉnh lƣu s.đ.đ xoay chiều thành s.đ.đ một chiều. Trên thực tế dây quấn này đƣợc hình thành do đối nối tiếp các phần tử dây quấn xếp hoặc sóng (hình 2.15) thành một hoặc hai, ba mạch kín. Một bối dây gồm một hay nhiều vòng dây mà hai đầu của nó nối vào hai phiến góp. Mỗi bối dây có hai cạnh tác dụng, đó là phần đặt vào rãnh của lõi thép. Phần nối hai cạnh tác dụng nằm ngoài lõi thép là phần đầu nối (hình 2.15).

Dây quấn phần ứng máy điện một chiều chia làm các loại:

- Dây quấn xếp đơn và xếp phức tạp

- Dây quấn sóng đơn và sóng phức tạp

- Dây quấn hỗn hợp là sự kết hợp của hai dây quấn xếp và sóng thƣờng dùng trong các máy điện một chiều công suất lớn.

(a) (b) (1) (2) (3) Hình 2. 15 Hình dáng bối dây a) dạng xếp, b)dạng sóng

Để giảm bớt số rãnh so với số phần tử, có thể chế tạo bố dây gộp u = 1, 2, 3... phần tử lại với nhau (hình 2.16). Nhƣ vậy

khi đặt bối dây vào rãnh thành dây quấn hai lớp trong rãnh sẽ có 2u cạnh tác dụng. Chia rãnh thành u rãnh nguyên tố, mỗi rãnh nguyên tố có hai cạnh tác dụng, một cạnh nằm ở lớp trên, một cạnh nằm ở lớp dƣới thì quan hệ giữa số rãnh Z của phần ứng so với số rãnh nguyên tố Znt = u.Z.

Vì mỗi rãnh nguyên tố có đặt hai cạnh tác dụng, mỗi phần tử có hai cạnh tác dụng và mỗi phiến góp cũng hàn với hai cạnh tác dụng của hai phần tử nối tiếp nhau nên ta có quan hệ:

Znt = S = G, trong đó S là số phần tử, G là số phiến góp.

Để vẽ sơ đồ trải ta phải xác định các tham số của dây quấn phần ứng:

a) b) Hình 2. 17 Các tham số sơ đồ trải dây quấn phần ứng

a) Kiểu xếp tiến,b) Kiểu sóng tiến

+ Bƣớc dây quấn y là khoảng cách giữa hai cạnh của mỗi phần tử, của dây quấn phần ứng máy điện một chiều đƣợc tính theo số rãnh nguyên tố:

𝑦 =𝑍𝑛𝑡

2𝑝 ±𝜀 (2-5)

Trong đó:  là số nguyên hoặc phân sốđể y là số nguyên. Khi:  = 0: dây quấn bƣớc đủ, y = ;  > 0 : dây quấn bƣớc dài, y > ;  < 0: dây quấn bƣớc ngắn, y < . u =2 u=1 u =3 Hình 2. 16 Rãnh nguyên tố và rãnh thực

+ Bƣớc trên phần ứng yƣ là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng đầu (hoặc cuối) của hai phần tử liên tiếp tính bằng số rãnh nguyên tố.

+ Bƣớc trên vành góp yG là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai đầu dây của một phần tử, cũng là khoảng cách giữa hai đầu của hai phần tử liên tiếp tính bằng số phiến góp.

Khi đặt hai phần tử liên tiếp cách nhau yƣ rãnh nguyên tố trên phần ứng thì cũng phải xê dịch yG phiến góp trên vành góp, nên phải có quan hệ yƣ = yG.

2.3.2 Dây quấn xếp

Dây quấn xếp có bƣớc trên vành góp yG =  m, (m =1, 2, 3); Khi: m = 1: dây quấn xếp đơn;

m 2: dây quấn xếp phức tạp;m > 0: quấn phải (quấn tiến); m > 0: quấn phải (quấn tiến); m < 0: quấn trái (quấn lùi).

1) Dây quấn xếp đơn

Xét dây quấn xếp đơn có Z = Znt = S = G = 16, 2p =4, yG = + 1.

a) Tính các bước dây quấn

1 16 4 2 4 nt Z y p      (Bƣớc đủ) y2 = y1 – y = 4 – 1 = 3; yƣ = yG = 1; .360 2.360 45 16 p G     b) Thứ tự nối các phần tử

Căn cứvào các bƣớc dây quấn ta có thể bố trí cách nối các phần tử để thực hiện dây quấn. Đánh só các rãnh từ 1 đến 16. Phần tử thứ nhất có cạnh tác dụng 1 (coi nhƣ đặt nằm lớp trên) đặt vào rãnh nguyên tố 1 thì cạnh tác dụng thứ hai đặt vào lớp dƣới

rãnh nguyên tố số 5 ( vì y = 5 -1 = 4), hai đầu của phần tử nối vào phiến góp số 1 và 2. Cạnh tác dụng đầu của phần tử số 2 phải đặt vào rãnh nguyên tố thứ hai và nằm ở lớp

trên (vì yƣ = 2-1 =1). Cứ tiếp tục nhƣ vậy cho đến khi khép kín mạch. Ta có thể biểu thị bằng sơ đồ sau:

c) Giản đồ khai triển

- Giả sử tại thời điểm khảo sát phần tử 1 nằm trên đƣờng trung tính hình học (đó là đƣờng thẳng trên bề mặt phần ứng mà dọc theo nó cảm ứng từ bằng 0).

- Vị trí của các cực từ trên hình vẽ phải đối xứng nhau, khoảng cách giữa chúng phải đều nhau. Chiều rộng cực từ bằng 0,7 bƣớc cực.Vị trí của chổi than trên phiến đổi chiều cũng phải đối xứng, khoảng cách giữa các chổi than phải bằng nhau. Chiều rộng chổi than lấy bằng 1 phiến đổi chiều.

- Yêu cầu chổi than phải đặt ở vị trí để dòng điện trong phần tử khi bị chổi than ngắn mạch là nhỏ nhất và s.đ.đ lấy ra ở 2 đầu chổi than là lớn nhất. Nhƣ vậy chổi than phải đặt trên trung tính hình học và trục chổi than trùng với trục cực từ.

Hình 2. 18 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn xếp đơn - 1, 9 A2 3, 11 4, 12 5, 13 6, 14 7, 15 8, 16 1 2 9 1 2 9 + B2 B1 A1 1, 9 1, 10 3, 11 4, 12 5, 13 6, 14 7, 15 8, 16 α = 450 a) b)

Căn cứ vào bƣớc dây quấn, lập trình tự nối các phần tử ta có thể vẽ giản đồ khai