BÀI 5 : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
5.4 TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
CHIỀU
5.4.1 Phản ứng phần ứng trong mỏy điện một chiều
Khi mỏy điện một chiều chạy khụng tải trong mỏy chỉ cú từ trường do cực từ chớnh sinh ra gọi là từ trường chớnh hay là từ trường phần cảm (hỡnh 5-8a).
Khi mỏy mang tải, dũng điện chạy trong dõy quấn phần ứng sinh ra từ trường phần ứng (hỡnh 5-8b).
Tỏc dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng (hỡnh 5-8c).
Gọi đường thẳng nn’ thẳng gúc với trục cực từ N - S là đường trung tớnh hỡnh học, đường thẳng mm’ xuyờn qua phần ứng tại hai điểm cú từ trường bằng 0 là đường trung tớnh vật lý.
Hỡnh 5-7. Nguyờn lý làm việc
(a) (b) (c) Hỡnh 5-8. Phản ứng phần ứng mỏy điện một chiều.
Tỏc dụng của phản ứng phần ứng làm mộo từ trường tổng hợp trong mỏy, ở mỏy phỏt tại mỏm ra của cực từ được trợ từ cũn ở mỏm vào của cực từ thỡ bị khử từ. Nếu mạch từ khụng bóo hũa thỡ tỏc dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nờn từ trường tổng khụng thay đổi, nếu từ trường bóo hũa thỡ tỏc dụng trợ từ ớt hơn khử từ, nờn từ trường trong mỏy giảm, do đú sức điện động cảm ứng trong cỏc thanh dẫn sẽ giảm. Đồng thời phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại hai điểm trờn đường trung tớnh hỡnh học khỏc 0, hay núi khỏc đi là phản ứng phần ứng làm cho đường trung tớnh vật lớ lệch khỏi trung tớnh hỡnh học một gúc nào đú theo chiều quay của mỏy phỏt (đối với động cơ thỡ ngược lại). Nếu chổi than vẫn đặt trờn đường trung tớnh hỡnh học thỡ do từ trường tại chỗ tiếp xỳc giữa chổi than và cổ gúp khỏc 0, sức điện động cảm ứng trong phần tử dõy quấn phần ứng sẽ bị chổi than làm ngắn mạch, đõy là nguyờn nhõn phỏt sinh tia lửa điện ở chỗ tiếp xỳc. Để khắc phục điều này phải xờ dịch chổi than lệch khỏi trung tớnh hỡnh học một gúc .
5.4.2 Từ trường cực từ phụ
Trong đa số mỏy điện một chiều người ta bố trớ cỏc cực từ phụ để trừ bỏ ảnh hưởng của phản ứng phần ứng làm dịch đường trung tớnh vật lý khỏi trung tớnh hỡnh học.
Để trừ bỏ từ trường tại đường trung tớnh hỡnh học, cực từ phụ được đặt xen kẽ với cỏc cực từ chớnh và cực tớnh của cực từ phụ cựng cực tớnh với cực từ chớnh đứng sau nú theo chiều quay của rụto đối với mỏy phỏt hoặc đứng trước nú theo chiều quay của rụto đối với động cơ. Đồng thời do phản ứng phần ứng tỷ lệ với dũng điện phần ứng (rụto) nờn để triệt tiờu được từ trường trờn đường trung tớnh hỡnh học, dõy quấn cực từ phụ được nối tiếp với dõy quấn phần ứng.
5.4.3 Sức điện động phần ứng
a. Sức điện động thanh dẫn.
Khi quay rụto, cỏc thanh dẫn của dõy quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là:
e = Btb.l.v (5-4)
Trong đú: Btb: từ cảm trung bỡnh dưới cực từ.
v: tốc độ của thanh dẫn.
l: chiều dài hiệu dụng thanh dẫn.
b. Sức điện động phần ứng Eư.
Dõy quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vũng kớn. Cỏc chổi than chia dõy quấn thành nhiều nhỏnh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng cỏc sức điện động thanh dẫn trong một nhỏnh. Nếu số thanh dẫn của dõy quấn là N, số nhỏnh song song là 2a (a là số đụi nhỏnh), số thanh dẫn một nhỏnh là
N 2a , sức điện động phần ứng là: E = N e = N Btb 2a 2a lv ư (5-5) Tốc độ v xỏc định theo độ quay n(vg/ph) bằng cụng thức: = πDn 60 v (5-6)
D là đường kớnh của rụto. Thay (5-6) vào (5-4), ta được: E = N πDnBtb 2a 60 l ư (5-7) Từ thụng dưới mỗi cực từ là: Φ = Btb πD 2p l (5-8) Cuối cựng ta cú: Eư = pN nΦ 60a (5-9a)
Hoặc: Eư = kEnΦ (5-9b)
Trong đú p là số đụi cực. Hệ số k =E pN
Qua biểu thức (5-9), sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thụng dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta cú thể điều chỉnh tốc độ quay, hoặc điều chỉnh từ thụng bằng cỏch điều chỉnh dũng điện kớch từ. Muốn đổi chiều sức điện động thỡ đổi chiều quay, hoặc đổi chiều dũng điện kớch từ.
5.5 CễNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MễMEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN
MỘT CHIỀU
Cụng suất điện từ của mỏy điện một chiều:
Pđt = Eư Iư (5-10)
Thay giỏ trị Eư trong (5-5) vào (5-7) ta cú: P =đt pN nΦ.I 60a ư (5-11) Mụmen điện từ là : đt đt r P M = ω (5-12)
Ta cú ωr là tốc độ gúc của rụto, được tớnh theo tốc độ quay của n(vg/ph) bằng biểu thức:
ω =r 2πn
60 (5-13)
Thay (5-13) vào (5-12) cuối cựng ta cú biểu thức của mụmen điện từ là: M =đt pN I Φ
2πa ư (5-14)
Hoặc Mđt = kMIưΦ (5-15)
Trong đú hệ số k =M pN
2πa phụ thuộc vào cấu tạo dõy quấn.
Qua (5-15), mụmen điện từ tỷ lệ với dũng điện phần ứng Iư và từ thụng. Muốn thay đổi mụmen điện từ, ta phải thay đổi dũng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dũng điện kớch từ Ikt. Muốn đổi chiều mụmen điện từ phải đổi chiều hoặc dũng điện phần ứng hoặc dũng điện kớch từ.
5.6 TIA LỬA ĐIỆN TRấN CỔ GểP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Khi mỏy điện làm việc, quỏ trỡnh đổi chiều thường gõy ra tia lửa giữa chổi than và cổ gúp. Tia lửa lớn cú thể gõy nờn vành lửa xung quanh cổ gúp, phỏ hỏng chổi than và cổ gúp, gõy nờn tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến mụi trường và gõy nhiễu đến sự làm việc của cỏc thiết bị điện tử. Sự phỏt sinh tia lửa trờn cổ gúp do cỏc nguyờn nhõn cơ khớ và điện tử.
5.6.1 Nguyờn nhõn cơ khớ
Sự tiếp xỳc giữa cổ gúp và chổi điện khụng tốt, do cổ gúp khụng trũn, khụng nhẵn, chổi than khụng đỳng qui cỏch, rung động của chổi than do cố định khụng tốt hoặc lực lũ xo khụng đủ để tỳ sỏt chổi than vào cổ gúp.
5.6.2 Nguyờn nhõn điện từ
Khi rụto quay liờn tiếp cú phần tử chuyển mạch nhỏnh này sang mạch nhỏnh khỏc. Ta gọi cỏc phần tử ấy là cỏc phần tử đổi chiều. Trong phần tử đổi chiều xuất hiện cỏc sức điện động sau:
- Sức điện động từ cảm eL, do sự biến thiờn dũng điện trong phần tử đổi chiều. - Sức điện động hổ cảm em, do sự biến thiờn dũng điện của cỏc phần tử đổi chiều khỏc lõn cận.
- Sức điện động eq, do từ trường của phần ứng gõy ra.
Hỡnh 5-9. Phần tử đổi chiều.
Ở thời điểm chổi than ngắn mạch phần tử đổi chiều (hỡnh 5-9), cỏc sức điện động trờn sinh ra dũng điện I chạy quõ̉n trong phần tử ấy, tớch lũy năng lượng và phúng ra dưới dạng tia lửa khi vành gúp chuyển động.
5.7 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền kinh tế quốc dõn, nhiều ngành sản xuất như luyện kim, húa chất, giao thụng vận tải… đũi hỏi phải dựng nguồn điện một chiều, và ngày nay vẫn khụng thể thay thế được dũng điện một chiều mặc dự dựng dũng điện xoay chiều trong cụng nghiệp đó rất phổ biến. Thụng thường để cú nguồn điện một chiều, cú thể dựng cỏc mỏy phỏt điện một chiều quay bằng cỏc động cơ sơ cấp như động cơ điện xoay chiều, động cơ đốt trong, tuabin,…
Tựy theo cỏch nối dõy giữa dõy quấn phần cảm (stato) và dõy quấn phần ứng (rụto) mà mỏy phỏt điện một chiều cú cỏc kiểu kớch từ:
+ Kớch từ độc lập: dũng điện kớch từ của mỏy được lấy từ nguồn điện khỏc, khụng liờn hệ với phần ứng của mỏy.
+ Kớch từ nối tiếp: dõy quấn kớch từ nối nối tiếp với mạch phần ứng.
+ Kớch từ hỗn hợp: gồm hai dõy quấn kớch từ (dõy quấn kớch từ song song và dõy quấn kớch từ nối tiếp), trong đú dõy quấn kớch từ song song là chủ yếu.
5.7.1 Mỏy phỏt điện một chiều kớch từ độc lập
Sơ đồ mỏy phỏt điện một chiều kớch từ độc lập (hỡnh 5-10a), dũng điện phần ứng Iư bằng dũng điện tải I.
(a) (b) (c) Hỡnh 5-10. Sơ đồ nối dõy MFĐMC kớch từ độc lập.
Phương trỡnh cõn bằng dũng điện là: Iư = I (5-16) Phương trỡnh điện ỏp là: Mạch phần ứng: U = Eư - IưRư (5-17) Mạch kớch từ: Ukt = Ikt(Kkt + Rđc) (5-18) Trong đú:
Rư: điện trở dõy quấn phần ứng. Rkt: điện trở dõy quấn kớch từ. Rđc: điện trở điều chỉnh.
Khi dũng điện tải I tăng, dũng điện phần ứng tăng, điện ỏp U giảm xuống do hai nguyờn nhõn sau:
- Tỏc dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thụng Ф giảm, kộo theo sức điện động Eư giảm. Điện ỏp rơi trờn mạch phần ứng IưRư tăng. Đường đặc tớnh ngoài U = f(I) khi tốc độ và dũng điện kớch từ khụng đổi (hỡnh 5-10b). Khi tải tăng điện ỏp giảm, độ giảm điện ỏp khoảng (8ữ10)% điện ỏp khi khụng tải.
- Để giữ cho điện ỏp mỏy phỏt khụng đổi phải tăng dũng điện kớch từ. Đường đặc tớnh điều chỉnh Ikt = f(I), khi giữ điện ỏp và tốc độ khụng đổi (hỡnh 5-10c).
Mỏy phỏt điện kớch từ độc lập cú ưu điểm về điều chỉnh điện ỏp, thường gặp trong cỏc hệ thống mỏy phỏt – động cơ để truyền động mỏy cỏn, mỏy cắt kim loại,… Song cú nhược điểm là cần cú nguồn điện kớch từ riờng.
5.7.2 Mỏy phỏt điện kớch từ song song
Sơ đồ mỏy phỏt điện kớch từ song song (hỡnh 5-11a). Để thành lập điện ỏp cần thực hiện một quỏ trỡnh kớch từ.
Lỳc đầu, mỏy khụng cú dũng điện kớch từ, từ thụng trong mỏy do từ dư của cực từ tạo ra, bằng khoảng (2ữ3)% từ thụng định mức. Khi quay phần ứng, trong dõy quấn phần ứng sẽ cú sức điện động cảm ứng do từ thụng dư sinh ra. Sức điện động này khộp kớn qua mạch dõy quấn kớch từ (điện trở mạch dõy quấn kớch từ nhỏ nhất), sinh ra dũng điện kớch từ, làm tăng từ trường cho mỏy. Quỏ trỡnh cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt điện ỏp ổn định. Để mỏy cú thể thành lập điện ỏp, cần thiết phải cú từ dư và chiều từ trường dõy quấn kớch từ phải cựng chiều từ trường dư. Nếu khụng cũn từ dư, ta phải mồi để tạo từ dư, nếu chiều của hai từ trường ngược nhau, ta phải đổi cực tớnh dõy quấn kớch từ hoặc đổi chiều quay phần ứng.
(a) (b) (c) Hỡnh 5-11. Sơ đồ nối dõy MFĐMC kớch từ song song.
+ Mạch phần ứng: U = Eư - IưRư (5-19) + Mạch kớch từ: Ukt = Ikt(kkt + Rđc) (5-20) + Phương trỡnh dũng điện là: Iư = I + Ikt (5-21)
Khi dũng điện tải I tăng, dũng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyờn nhõn làm điện ỏp U đầu cực giảm, làm cho dũng điện kớch từ giảm, từ thụng và sức điện động càng giảm, chớnh vỡ thế đường đặc tớnh ngoài dốc hơn so với mỏy phỏt điện một chiều kớch từ độc lập và cú dạng (hỡnh 5-11b). Từ đường đặc tớnh ta thấy, khi ngắn mạch, điện ỏp U = 0, dũng điện kớch từ bằng 0, sức điện động trong mỏy chỉ do từ dư vỡ thế dũng điện ngắn mạch In nhỏ hơn so với dũng điện định mức.
Để điều chỉnh điện ỏp, ta phải điều chỉnh dũng điện kớch từ, đường đặc tớnh điều chỉnh Ikt = f(I),khi U, n khụng đổi (hỡnh 5-11c).
5.7.3 Mỏy phỏt điện một chiều kớch từ nối tiếp
Sơ đồ mỏy phỏt điện kớch từ nối tiếp (hỡnh 5-12a).
Dũng điện kớch từ là dũng điện tải, do đú khi tải thay đổi, điện ỏp thay đổi rất nhiều, trong thực tế khụng sử dụng mỏy phỏt kớch từ nối tiếp. Đường đặc tớnh ngoài U = f(I) (hỡnh 5-12b). Dạng đường đặc tớnh ngoài được giải thớch như sau: khi tải tăng, dũng điện Iư tăng, từ thụng và Eư tăng, do đú U tăng, khi I = (2ữ2,5)Iđm, mỏy bóo hũa, thỡ I tăng U sẽ giảm.
(a) (b) Hỡnh 5-12. Sơ đồ nối dõy MFĐMC kớch từ nối tiếp.
5.7.4 Mỏy phỏt điện một chiều kớch từ hỗn hợp
(a) (b) (c) Hỡnh 5-13. Sơ đồ nối dõy MFĐMC kớch từ hỗn hợp
+ Khi nối thuận, từ thụng của dõy quấn kớch từ nối tiếp cựng chiều với dõy quấn kớch từ song song, khi tải tăng từ thụng cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thụng của mỏy tăng lờn, sức điện động của mỏy tăng, điện ỏp đầu cực của mỏy được giữ hầu như khụng đổi. Đõy là ưu điểm lớn nhất của mỏy phỏt điện kớch từ hỗn hợp. Đường đặc tớnh ngoài U = f(I) (hỡnh 5-13b).
+ Khi nối ngược, chiều từ trường của dõy quấn kớch từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dõy quấn kớch từ song song, khi tải tăng điện ỏp giảm rất nhiều. Đường đặc tớnh ngoài U = f(I) vẽ trờn hỡnh 5-13c. Do đường đặc tớnh ngoài dốc, nờn được sử dụng làm mỏy hàn điện một chiều.
5.8 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Việc chuyển từ chế độ mỏy phỏt sang chế độ động cơ xảy ra hoàn toàn tự động, khụng cần thay đổi gỡ ở mạch nối, cụ thể là khi giảm dũng điện kớch thớch khiến cho E của mỏy phỏt hạ đến mức E < U, dũng điện trong phần ứng sẽ tự động đổi chiều, năng lượng sẽ chuyển theo chiều ngược lại và mỏy phỏt nghiễm nhiờn trở thành động cơ.
Động cơ điện một chiều được dựng rất phổ biến trong cụng nghiệp, giao thụng vận tải và núi chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liờn tục trong một phạm vi rộng (mỏy cỏn thộp, mỏy cụng cụ lớn, đầu mỏy điện,…).
Trờn thực tế, đặc tớnh của động cơ điện kớch từ độc lập và kớch từ song song hầu như giống nhau, nhưng khi cần cụng suất lớn người ta thường dựng kớch từ độc lập để điều chỉnh dũng điện kớch thớch được thuận lợi và kinh tế hơn, mặc dự loại động cơ này đũi hỏi phải cú thờm nguồn điện phụ bờn ngoài.
Cũng như mỏy phỏt, động cơ điện một chiều được phõn loại theo cỏch kớch từ, thành cỏc động cơ kớch từ độc lập, kớch từ song song, kớch từ nối tiếp và kớch từ hỗn hợp. Sơ đồ nối dõy cũng tương tự ở trường hợp mỏy phỏt.
Cần chỳ ý rằng ở động cơ kớch từ độc lập Iư = I; ở động cơ kớch từ song song và hỗn hợp I = Iư + It; ở động cơ kớch từ nối tiếp I = Iư = It.
Theo cụng thức, sức điện động của động cơ điện một chiều là: E = pN nΦ
60a
ư (5-22)
Đối với động cơ, dũng điện Iư ngược chiều với sức điện động, nờn Eư cũn gọi là sức phản điện.
Mụmen điện từ của động cơ theo cụng thức: M =đt pn I Φ
2πa ư (5-23)
5.8.1 Mở mỏy động cơ điện một chiều
Từ phương trỡnh cõn bằng điện ỏp mạch phần ứng của động cơ:
U = Eư + IưRư (5-24) Ta cú: I = U - E R ư ư ư (5-25)
Khi mở mỏy, tốc độ n = 0, sức điện động E = k n = 0ư E , dũng điện phần ứng lỳc mở mỏy: I = U R ưmở ư (5-26)
Vỡ Rư rất nhỏ, cho nờn dũng điện phần ứng lỳc mở mỏy rất lớn, cú thể gấp 5 ữ 10 lần Iđm làm hỏng cổ gúp và chổi điện. Dũng điện phần ứng lớn kộo theo dũng điện mở mỏy Imở lớn, lảm ảnh hưởng đến lưới điện.
Để mở mỏy động cơ điện một chiều được tốt:
- Mụmen mở mỏy (hay khởi động) Mk phải cú trị số cao nhất cú thể cú để hoàn thành quỏ trỡnh mở mỏy, nghĩa là đạt được tốc độ quy định trong thời gian ngắn nhất.
- Dũng điện mở mỏy (hay khởi động) Ik phải được hạn chế đến mức nhỏ nhất để trỏnh cho dõy quấn khỏi bị chỏy hoặc ảnh hưởng xấu đến đổi chiều.
Thụng thường ta ỏp dụng cỏc phương phỏp mở mỏy sau:
a. Mở mỏy nhờ biến trở.
Để trỏnh nguy hiểm cho động cơ vỡ dũng điện mở mỏy quỏ lớn, người ta dựng biến trở mở mỏy Rk, gồm một số điện trở nối tiếp khỏc nhau và đặt trờn mạch phần ứng (hỡnh 5-14a). Biến trở mở mỏy được tớnh sao cho dũng điện mở mỏy Ik = (1,4 ữ 1,7)Iđm đối với cỏc động cơ lớn và Ik = (2 ữ 2,5)Iđm đối với cỏc động cơ nhỏ.
Hỡnh 5-14. a) Sơ đồ mở mỏy động cơ điện một chiều;
b) Cỏc quan hệ I, M và n đối với thời gian khi mở mỏy động cơ.