Bài 5 : Máy điện một chiều
5. Tia lửa trên cổ góp và biện pháp khắc phục
5.1. Hiện tượng:
Chổi than áp vào cổ góp điện để cho dịng điện qua chỗ tiếp xúc. Khi rơto quay, cổ góp quay theo và điện tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than ln ln thay đổi.
ở trạng thái bình thường dịng điện qua chỗ tiếp xúc khơng xuất hiện tia lửa, nếu do tiếp xúc khơng tốt hay một ngun nhân nào đó, ở chỗ tiếp xúc có thể xuất hiện tia lửa dưới dạng hồ quang.
Tuỳ theo mức độ đánh lửa, tia lửa có thể yếu hay mạnh. Mức độ đánh lửa yếu tia lửa chỉ xuất hiện lấm tấm ở mép chổi than. Nếu bị đánh lửa mạnh hơn tia lửa có thể phát ra các tia dài toé ra từ chổi than. Nếu tình trạng trầm trọng hơn tia lửa có thể vươn dài bao phần lớn cổ góp, tạo thành vịng lửa. Tác hại của tia lửa là:
Làm rỗ và mịn cổ góp, chổi than do dó làm xấu mối tiếp xúc. Đánh lửa mạnh sẽ làm hư hỏng cổ góp.
Dễ gây hoả hoạn, nhất là khi mơi trường có chất dễ cháy, hay khi bị đánh lửa mạnh
Tiêu tốn năng lượng, khi bị đánh lửa mạnh có thể xảy ra trạng thái ngắn mạch dạng phóng điện ở chổi than.
Gây ra nhiễu các thiết bị điện tử
Vì thế khi vận hành, nếu xuất hiện tia lửa cần tìm nguyên nhân để khắc phục
5.2. Nguyên nhân:
Tia lửa trên cổ góp có thể do hai nguyên nhân: tiếp xúc xấu hoặc do quá trình điện từ (q trình đổi chiều dịng điện)
a. Nguyên nhân do tiếp xúc xấu:
Nếu chổi than tiếp xúc khơng tốt với cổ góp dịng điện lúc đóng lúc cắt sẽ phát sinh hồ quang tạo ra tia lửa ở cổ góp. Các trường hợp gây ra tiếp xúc xấu là:
Lực ép chổi than không đủ, nên chổi than tiếp xúc yếu. Khi cổ góp quay chổi than bị rung gây ra tia lửa.
Trục chổi than bị lệch khơng vng góc với cổ góp
Mặt chổi than khơng nhẵn hoặc độ cong bề mặt chổi than không phù hợp với độ cong bề mặt cổ góp.
Mặt cổ góp bị bẩn, bị rỗ hoặc bị mịn khơng đều (bị khắc rãnh hay ôvan) hoặc cách điện lá góp bị trồi lên.
Rơto bị rung, có thể do lệch tâm, bị mịn ổ đỡ hay cổ trục
b. Nguyên nhân do q trình đổi chiều dịng điện
Khi rôto quay, các bối dây lần lượt di chuyển qua chổi than để chuyển từ mạch rẽ này sang mạch rẽ khác, lúc đó dịng điện trong bối dây đổi chiều
Để thấy rõ quá trình đổi chiều, ta xét một bối dây chuyển qua chổi than. Trên
hình 5-3 ở vị trí (a) chổi than áp vào lá góp (8), bối (7’ – 3”) đang tham gia mạch
rẽ phía trái, dịng điện Iư / 2 đi từ cạnh 3” về cạnh 7’ ta tạm quy định đó là chiều
111
Hình 5-3 Q trình đổi chiều dịng điện khi bối dây qua chổi than
Iư / 2 = - iư ; iư là dòng điện ở mạch nhánh
Khi chổi than nằm đúng giữa hai lá góp 7 – 8 (hình 5-3b) dịng điện qua bối (7’ –3”) bằng không, bối dây này đang bị ngắn mạch.
Khi chổi than nằm hồn tồn ở lá góp 7, bối 7’ – 3” chuyển sang mạch rẽ phía phải dịng điện Iư / 2 đi từ cạnh 7’ sang cạnh 3” nên có giá trị dương + Iư / 2 = + iư
Như vậy khi bối dây chuyển qua vị trí chổi than, nó bị nối tắt và dòng điện trong bối biến thiên từ – iư đến + iư. Do sự biến đổi dòng diện này trong bối xuất hiện s.đ.đ từ cảm eL tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện, chiều xác định theo định luật Lenxơ dc - b b b L T i 2 I t i L e Lb là hệ số từ cảm của bối, t ib
là tốc độ biến thiên dòng điện trong bối
Tdc là thời gian bối qua chổi than gọi là chu kỳ đổi chiều
Vì bối bị ngắn mạch, nên trong bối xuất hiện dòng điện tự cảm iL
ct t x b L L r r r e i
với rb là điện trở bối dây, rtx là điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp, rct là điện trở chổi than
Khi ra khỏi chổi than, bối dây bị hở mạch đột ngột (hình 5-3c) dịng điện iL bị ngắt đột ngột, năng lượng từ cảm phát ra phía sau tạo thành tia lửa ở phía sau chổi than. Đó chính là ngun nhân tia lửa do sự đổi chiều dòng điện gây ra.
Nếu máy điện có đặt cực phụ thì khi bối vào khu vực đổi chiều, nó cắt qua từ trường cực phụ, sinh ra sức điện động cảm ứng eb gọi là s.đ.đ bù. Dùng quy tắc xác định chiều ta thấy eb ngược chiều với eL, do đó sẽ khử tác dụng của eL. Vì từ trường cực phụ tỷ kệ với Iư nên ebtỷ lệ với Iư. Từ công thức ta thâys.đ.đ tự cảm eL cũng tỷ lệ với dịng điện phần ứng Iư. Như vậy bằng cách tính tốn thích hợp eb sẽ bù hồn
112
tồn eL và nhờ vậy khắc phục dược hiện tượng gây ra tia lửa do quá trình đổi chiều.
Ta thấy cực từ phụ ngồi việc chống phản ứng phần ứng cịn làm nhiệm vụ cải thiện đổi chiều.
Nếu máy khơng có cực phụ, ta có thể thực hiện di chổi than để cải thiện đổi chiều hình 5-4. Từ vị trí cực phụ ta suy ra quy tắc di chổi than như sau. Đối với máy phát điện di chổi than theo chiều quay một góc , cịn đối với động cơ điện di chổi than ngược chiều quay một góc so với bối nằm trên đường trung tính hình học. Với cách di này, bối đổi chiều sẽ nằm trong từ trường cực chính nên sẽ xuất hiện eb tương tụ như khi có cực phụ.
Tuy nhiên vì từ chính coi như ít thay đổi theo tải, nên khi tải thay đổi eL thay
đổi ta phải thay đổi góc di để eb thay đổi để bù hết eL. Đó chính là nhược điểm của việc di chổi than.
Cần chú ý là nói di chổi than khỏi bối nằm trên trung tính hình học, tức di chổi than khỏi vị trí trục cực
a) Máy phát điện b) Động cơ điện
Hình 5-4 Phương pháp di chổi than để cải thiện đổi chiều 5.3. Xử lý khi có tia lửa:
Khi cổ góp có tia lửa nhẹ cần tìm ngun nhân khắc phục. Nguyên nhân tia lửa xảy ra trong vận hành chủ yếu là do tiếp xúc xấu. Chỉ sau khi xác định chắc chắn là tiếp xúc tốt, ta mới tính đến nguyên nhân điện từ.
Khi xuất hiện tia lửa mạnh có nguy cơ thành vịng lửa cần ngừng máy để sửa chữa.
6. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.1. Máy phát điện kích từ độc lập
Nguồn kích từ do một nguồn một chiều ngồi cung cấp (ác quy) Sơ đồ nguyên lý như hình 5-5
113
Hình 5-5. Máy phát điện kích từ độc lập
Tương tự máy phát điện đồng bộ, đặc tính làm việc của máy phát một chiều kích từ độc lập được xác đinh bởi đặc tính khơng tải U0 = Eư = f(Ikt). Đặc tính
khơng tải là đặc tính luyện từ của máy có dạng như (hình 5-5 b). Do cực từ có dư
nên tương ứng có Edư (khoảng 2 ÷ 5%Uđm) nên đặc tính có điểm xuất phát tại Edư.
Điện áp định mức của máy được lấy khi đặc tính đạt bắt đầu bảo hịa từ. Nhằm cho phép điều chỉnh được điện áp ra của máy.
Đặc tính ngồi U = f(I) với n = hằng số. Đặc tính có dạng như (hình 5-5 c).
Khi I tăng, điện áp U trên cực máy giảm do có sụt áp trên Rư và phản ứng phần ứng làm giảm 0. Để đánh giá sự điện áp khi không tải so với khi định mức người
ta dùng khái niệm biến thiên điện áp, ký hiệu U.
100 . 0 0 đm đm đm U U U U U U
U càng lớn biến thiên điện áp càng lớn
Đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) với n = hằng số; U = Uđm. Đặc tính có dạng như
(hình 5-5d). Khi I tăng, điện áp U trên cực máy giảm. Để giữ U trên cực máy bằng Uđm ta phải điều chỉnh (tăng) Ikt. Vậy khi dòng điện tải thay đổi điện áp trên cực
máy cũng thay đổi ta phải điều chỉnh dịng điện kích từ để giữ cho U = Uđm.
6.2. Máy phát điện tự kích từ
a. Q trình và điều kiện tự kích từ:
Khi mở máy do cực từ có từ dư nên phần ứng có s.đ.đ Edư. S.đ.đ này sẽ cung cấp dịng điện kích từ qua cuộn kích từ tạo ra từ thơng 0 cùng chiều với dư và làm
cho s.đ.đ phần ứng tăng lên. Tiếp đó dịng kích từ tăng làm tăng 0. Quá trình cứ
thế tiếp diễn cho tới khi cực t ừ bão hoà, tăng chậm làm Ikt khơng tăng nữa. Q trình từ kích kết thúc và s.đ.đ phần ứng đạt trị số cần thiết phụ thuộc trị số điện trở kích từ. Điều kiện để máy tự kích từ là:
- Máy phải có từ dư dư . Trường hợp mất từ dư hoặc máy mới sử dụng lần đầu, ta phải mồi từ bằng nguồn ngoài, tiện hơn cả là dùng ăcquy, quẹt hai đầu cực
114
ăcquy vào hai đầu cực cùng tên cuộn kích từ. Nếu làm ngược thì s.đ.đ khơng có khi ta bỏ nguồn kích từ đi.
- Dịng kích từ phải tạo ra 0 cùng chiều với dư nếu ngược chiều nó sẽ khử mất Edư và Ikt = 0. Q trình từ kích từ tự kết thúc U0 = 0
- Điện trở mạch kích từ khơng lớn q để dịng Ikt đủ tăng được. Từ thông 0 ở
mức độ xảy ra quá trình tự kích từ. Nếu Rkt qua lớn, làm cho Ikt nhỏ đến mức khơng đủ để kích từ làm cho 0 tăng và máy sẽ khơng tự kích từ được, giá trị lớn nhất của điện trở mạch kích từ gọi là điện trở tới hạn Rth
b. Máy phát tự kích song song
Hình 5-6 Máy phát song song
Hình 5-7 Đặc tính ngồi máy phát song song so với máy phát độc lập
1. của máy phát song song
2. của máy phát độc lập
Sơ đồ ngun lý máy phát tự kích song song hình 5-6 và đặc tính ngồi hinh
5-7
Cách lập đặc tính máy phát điện song song tương tự như mát phát độc lập. Đặc tính khơng tải của máy song song tương tự như máy độc lập. Chỉ chú ý là, do chiều dịng điện kích từ khơng thể đổi ngược (điều kiện từ kích từ) nên đặc tính khơng tải của máy song song chỉ có một nhánh phía dương. Trong khi ở máy độc lập ta có thể lấy cả hai phía âm và dương.
Đặc tính ngồi của máy phát song song đốc hơn của máy độc lập (hình 5-7).
Đó là vì sụt áp ở máy song song ngồi hai nguyên nhân do điện trở rư và phản ứng phần ứng cịn ngun nhân thứ ba là dịng điện kích từ bị giảm do điện áp giảm (khi tải tăng) vì thế biến thiên điện áp của máy song song lớn hơn. Nếu vẽ đặc tính điều chỉnh của máy song song ta thấy nó cũng dốc hơn máy độc lập.
c. Máy phát tự kích nối tiếp
Hình 5-8 vẽ sơ đồ máy phát điện tự kích từ nối tiếp. Cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng nên dịng kích từ bằng dịng điện tải Ikt = Iư = I
115
Hình 5-8 Sơ đồ máy phát nối tiếp
Hình 5-9
Đặc tính ngồi máy phát nối tiếp
Khi không tải Ikt = I = 0 nên U0 = Edư nên máy phát điện nối tiếp không lấy được đặc tính khơng tải.
Khi tải tăng, dịng lích từ tăng nên s.đ.đ Eư và điện áp U tăng theo đặc tính ngồi có dạng hình 5-9. Ta thấy điện áp biến đổi rất nhiều theo phụ tải nên máy này hầu như không dùng trong thực tế.
d. Máy phát tự kích hỗn hợp
Hình 5-10 là sơ đồ máy phát điện hỗn hợp. Ngồi cuộn song song, nó cịn có cuộn kích từ nối tiếp cùng chiều với cuộn song song, ta có máy hỗn hợp kích từ dương. Cịn nếu cuộn nối tiếp ngược chiều với cuộn song song ta có máy hỗn hợp kích từ âm.
Đặc tính khơng tải của máy hỗn hợp giống như máy song song, vì lúc đó dịng kích từ qua cuộn nối tiếp bằng khơng.
ở máy kích từ dương, khi tải tăng từ thơng cuộn nối tiếp tăng theo có tác dụng bù lại điện áp giảm nên điện áp được duy trì hầu như khơng đổi, đặc tính ngồi có dạng gần như nằm ngang (hình 5-11 đường 1). Như vậy cuộn nối tiếp có tác dụng điều chỉnh điện áp gọi là kích từ bổ sung.
Ở máy kích từ âm, khi tải tăng từ thông cuộn nối tiếp sẽ giảm làm giảm từ thông tổng, điện áp giảm nhanh, đặc tính ngồi rất dốc (hình 5-11 đường 2), máy phát điện cần hạn chế dòng điện ngắn mạch người tadùng kiểu kích từ này.
116 Hình 5-10 Máy phát hỗn hợp Hình 5-11 Đặc tính ngồi máy phát hỗn hợp 1. Kích từ dương 2. Kích từ âm
7. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Nếu ta cho dòng điện từ mạng điện một chiều vào máy điện một chiều thì mơmen điện từ trở thành mơmen quay, quay rôto chạy với tốc độ n và trở thành động cơ điện. Rơto động cơ nối với máy cơng tác có mơmen cản M2 kéo máy cơng
tác quay theo và phương trình cân bằng có dạng
M = M2 + M0
Rôto quay quét qua từ thông phần cảm sinh ra sức phản điẹn Eư. Phương trình cân bằng s.đ.đ có dạng:
U = Eư + Iư rư
Cũng như máy phát điện, động cơ điện một chiều có thể là loại kích từ song song, nối tiếp, hỗnhợp.
7.1. Chiều quay động cơ một chiều
Chiều quay của động cơ một chiều do tên cực từ và chièu quay dịng điện hần ứng quyết định. Hình 5-12 trình bày cách xác định chiều lực điện từ, từ đó suy ra chiều mômen điện từ, đồng thời cũng là chiều quay của rôto (quy tắc bàn tay trái)
117
Như vậy muốn đổi chiều quay động cơ, ta đổi chiều dịng điện kích từ hoặc đổi chiều dịng điện phần ứng. Nếu đổi chiều cả hai dịng điện này thì chiều quay đông cơ không đổi.
Như trên đã xét, nếu giữ nguyên chiều dòng điện và tên cực từ, rôto đông cơ sẽ quay ngược chiều so với máy phát.
7.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ: Ta có Eư = U – Iư Rư Ta có Eư = U – Iư Rư CE n = U – Iư Rư E C R I U n - - Rư là điện trở mạch phần ứng
Từ đó ta thấy, đối với động cơ một chiều có thể thực hiện các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau:
1. Thay đổi điện áp nguồn điện U, tốc độ sẽ thay đổi cùng chiều, tức U tăng thì n tăng; U giảm thì n giảm. Phương pháp này có ưu điểm là điều chỉnh trơn, phạm vi rất rộng, không tổn hao năng lượng. Nhưng có nhược điểm là địi hỏi phải có nguồn điện riêng cung cấp cho động cơ. Vì thế nó chỉ áp dụng trong các hệ truyền động đặc biệt (như hệ máy phát - động cơ, nắn điện động cơ)
2. Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dịng điện kích từ tốc độ sẽ thay đổi ngược chiều. Tức tăng thì n giảm; giảm thì n tăng. Phương pháp này cho phép
điều chỉnh trơn và rộng, cách thực hiện cũng đơn giản (dùng biến trở kích từ ở mạch kích từ song song hoặc biến trở phân nhánh ở mạch kích từ nối tiếp). Nói chung cơng suất mạch kích từ rất nhỏ (khoảng 2 – 5% công suất động cơ) nên phương pháp này gây ra tổn hao khơng đáng kể. Vì thế nó được sử dụng rất rộng
rãi.
3. Thay đổi điện trở mạch phần ứng, tốc độ sẽ thay đổi ngược chiều Rư tăng
thì n giảm; Rư giảm thì n tăng. Muốn thế ta mắc nối tiếp với mạch phần ứng một biến trở tương tự như biến trở mở máy. Từ đó Rư = rư + rmm (rưlà điện trở dây quấn phần ứng). Cần chú ý là nếu điện trở mở máy đồng thời dùng làm biến trở điều chỉnh tốc độ thì phải chọn lọc loại làm việc dài hạn với dòng điện định mức (biến trở mở máy là loại làm việc ngắn hạn) chỉ dùng khi mở máy sau đó được loại ra
khỏi mạch để chống tổn hao. Phương pháp này có ưu điểm là điều chỉnh trơn, dễ thực hiện. Tuy nhiên do dòng điện phần ứng lớn nên biến trở điều chỉnh cồng