Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

CHƢƠNG II : MÁY ĐIỆN

d. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

2.3 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.3.2. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: “Là một thiết bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều (máy phát điện) hoặc ngược lại để biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện)”.

a. Chế độ máy phát điện

Hình 2.20: Nguyên lý hoạt động của máy phát

Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các s.đ.đ.Chiều s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Trên Hình 8.7 từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới), chiều qua phần ứng ngược với chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên s.đ.đ có chiều từ b đến a. Ở thanh dẫn phía dưới chiều s.đ.đ từ d đến c. S.đ.đ của phần tử bằng 2 lần s.đ.đ của thanh dẫn. Nếu nối 2 chổi điện AB với tải, trên tải sẽ có dòng điện chiều từ A đến B. Điện áp máy phát có cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B.

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N, s.đ.đ trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện A vẫn nối với phiến góp trên chổi B nối với phiến góp dưới nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi.

Ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng cùng chiều với s.đ.đ phần ứng. Phương trình điện áp là: UEuR Iu. u

Trong đó: R Iu. ulà điện áp rơi trên dây quấn phần ứng, Ru là điện trở dây quấn phần ứng, U là điện áp đầu cực máy phát, Eu là sđđ phần ứng.

b. Chế độ động cơ điện

Khi cho điện áp 1 chiều vào 2 chổi điện AB, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư . Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ có lực Fđt tác động làm roto quay. Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái (Hình 2.21a).

Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chổ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo cho động cơ có chiều quay không đổi (Hình 2.21b).

Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 65 Hình 2.21: Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư. Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện 1 chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là sức phản điện có phương trình điện áp là:

.

u u u

U E R I

Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều. a. Từ trường máy điện 1 chiều

Khi máy điện 1 chiều không tải từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ.

Trên (Hình 2.22a) vẽ từ trường cực từ, từ trường cực từ phân bố đối xứng ở trung tính hình học mn, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng suất điện động. Trên (Hình 2.22b) khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng.Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ.

Trên (Hình 2.22c) tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng. Trên (Hình 2.22) vẽ từ trường tổng hợp, ở 1 mỏm cực từ, từ trường được tăng cường, trong khi đó ở mỏm cực từ kia từ trường bị yếu đi.

Hình 2.22: Từ trường máy điện một chiều Kết quả của phản ứng phần ứng là:

Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 66 - Khi tải lớn dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, phần mỏm cực từ trường được tăng cường bị bảo hòa, từ cảm B tăng lên rất ít, trong khi đó mỏm cực từ kia từ trường giảm đi nhiều kết quả là từ thông của máy giảm xuống kéo theo sđđ phần ứng giảm làm điện áp đầu cực máy phát giảm. Ở chế độ động cơ, từ thông giảm làm momen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi.

Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù. Từ trường của cực từ phụ và dây quấn phụ ngược với từ trường phần ứng.

Để kịp thời khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng như hình 8.10.

Hình 2.23: Cực từ phụ

a. Suất điện động phần ứng - Suất điện động thanh dẫn:

Khi quay roto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sđđ là: e = Btb.l.v

Trong đó: Btb từ cảm trung bình dưới cực từ. v: Vận tốc thanh dẫn.

l: chiều dài hiệu dụng thanh dẫn.

- Sức điện động phần ứng:

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín, các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song, sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong 1 nhánh, nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a, số thanh dẫn 1 nhánh là:

2 N a, sức điện động phần ứng là: . . . 2 2 u tb N N E e B l v a a   (1)

Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n:

60

Dn v (2) Thay (2) vào (1) và chú ý rằng từ thông dưới mỗi cực là:

2 tb Dl B p   Suy ra : 60 u pN E n a   hoặc Eu k nE  Hệ số 60 E pN k a

Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 67 Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì đổi chiều quay hoặc điều chỉnh dòng kích từ.

b. Công suất điện từ và mô - men điện từ của máy điện một chiều

Công suất điện từ của máy điện 1 chiều: Pdt E Iu u suy ra

60 dt u pN P n I a   Momen điện từ: dt dt r P M   với 2 60 r n 

  là tốc độ góc quay của roto tính theo tốc độ quay n.

Từ đó ta có biểu thức momen điện từ:

2 dt u pN M I a    hoặc Mdt k IM u Với 2 M pN k a 

 phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn.

Momen điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông, muốn thay đổi momen điện từ ta phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay đổi dòng kích từ, muốn đổi chiều momen điện từ phải đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc dòng kích từ.

c. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục

Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp.

Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp phá hỏng chổi điện và cổ góp gây tổn hao năng lượng và làm nhiễu đến các thiết bị điện tử khác.

Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau:

d. Nguyên nhân cơ khí

Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ đúng quy cách rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp.

e. Nguyên nhân điện từ

Khi rôto quay liên tiếp có phần tử chuyển đổi từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác, trong phần tử đổi chiều ấy sẽ xuất hiện các sức điện động sau:

- Sức điện động tự cảm do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều gây ra.

- Sức điện động hỗ cảm do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận gây ra.

- Sức điện động do từ trường phần ứng gây ra. Biện pháp khắc phục:

Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù (triệt tiêu) tổng 3 sức điện động nêu trên.

Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 68

MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trên thực tế các trạm phát điện hiện đại chỉ phát ra điện năng xoay chiều 3 pha, phần lớn năng lượng đó được dùng dưới dạng điện xoay chiều trong công nghiệp, để thắp sáng và dùng cho các nhu cầu trong đời sống. Trong những trường hợp do điều kiện sản xuất bắt buộc phải dùng điện 1 chiều (xí nghiệp hóa học, luyện kim, giao thông vận tải v.v…) thì người ta thường biến điện xoay chiều thành một chiều nhờ các bộ chỉnh lưu hoặc chỉnh lưu kiểu máy điện, cách thứ hai là dùng máy phát điện một chiều để tạo nguồn điện một chiều.

Phân loại các máy phát điện một chiều theo phương pháp kích thích chúng được chia thành:

1. Máy phát điện một chiều kích thích độc lập

 Máy phát DC kích thích bằng điện từ: dùng nguồn DC, ắc qui v.v. ..  Máy phát điện một chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.

2. Máy phát điện một chiều tự kích

 Máy phát điện một chiều kích thích song song.  Máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp.  Máy phát điện một chiều kích thích hỗn hợp.

Hình 2.24: a).Máy phát DC kích từ độc lập; b).Máy phát DC kích từ song song;c).Máy phát DC kích từ nối tiếp; d).Máy phát DC kích từ hỗn hợp.

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và ở các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng rãi.