MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải, …
Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện cho các động cơ điện một chiều, làm nguồn điện một chiều kích từ trong máy điện đồng bộ. Ngoài ra trong công nghiệp điện hóa học như tinh luyện đồng, nhôm, mạ điện, … cũng cần dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp.
Máy điện một chiều cũng có những nhược điểm của nó, như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp… Nhưng do nó có những ưu điểm đặc biệt nên máy điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
Công suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay khoảng 10.000 kW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1.000 V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo những máy công suất lớn hơn.* Các đại lượng định mức:
Các đại lượng định mức do nhà thiết kế và chế tạo quy định đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy, được ghi trên nhãn máy, gồm:
+ Công suất định mức: P (W, kW)
- Nếu là máy phát thì đó là công suất ở đầu cực của máy.
- Nếu là động cơ thì đó là công suất cơ trên trục.
+ Điện áp định mức: Uđm (V).
+ Dòng điện định mức: Iđm (A) + Tốc độ định mức: nđm (Vg/ph)
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng.
II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Kết cấu chủ yếu của máy điện một chiều có thể phân thành hai phần chính là phần tĩnh và phần quay.
1. Stato (phần tĩnh).
Đây là phần đứng yên (hình 5-1), bao gồm các bộ phận chính sau:
a) Cực từ chính.
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm cú lừi thộp cực từ và dõy quấn kớch từ lồng ngoài lừi thộp cực từ. Lừi thộp cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau.
b) Cực từ phụ.
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chớnh và dựng để cải thiện đổi chiều. Lừi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ
chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ những bulông.
c) Gông từ.
Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
d) Các bộ phận khác.
Các bộ phận khác gồm có:
- Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: chổi than được làm bằng than kỹ thuật điện hay graphit, đôi khi được trộn bằng đồng để tăng độ dẫn điện. Chổi than được đặt trong một hộp và nhờ một lò xo ép chổi than tì sát lên cổ góp. Hộp chổi than được gắn vào một giá đỡ và cách điện với giá. Giá đỡ có thể điều chỉnh quay được để điều chỉnh vị trí chổi than.
Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại. Thông qua cổ góp và chổi than, dòng điện xoay chiều trong dây quấn rôto được đổi thành dòng điện một chiều đưa ra mạchngoài, do đó cổ góp điện còn được gọi là vành đổi điện.
Hình 5-1. Stato máy điện một chiều.
1. Lừi thộp cực từ chớnh; 2. Dõy quấn cực từ chớnh; 3. Lừi thộp cực từ phụ; 4. Dõy quấn cực từ phụ; 5. Gông từ.
2. Rôto (phần quay).
Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng, gồm có những bộ phận sau:
a) Lừi thộp phần ứng.
Lừi thộp phần ứng dựng để dẫn từ. Thường dựng những lỏ thộp kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những máy cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lừi thộp cú thể tạo được những lỗ thụng giú dọc trục (hỡnh 5-2).
Trong những mỏy điện hơi lớn thỡ lừi thộp thường chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có đặt một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục.
Trong mỏy điện nhỏ, lừi sắt phần ứng được ộp trực tiếp vào trục. Trong mỏy điện lớn, giữa trục và lừi sắt cú đặt giỏ rụto. Dựng giỏ rụto cú thể tiết kiệm thộp kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
b) Dây quấn phần ứng.
Hình 5-2. Lá thép rôto. Hình 5-3. Mặt cắt rãnh phần ứng.
1. Rãnh rôto; 2. Lỗ thông gió; 3. Lỗ gắn trục máy.
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kW) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn, thường dựng dõy tiết diện chữ nhật. Dõy quấn được cỏch điện với rónh của lừi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit (hình 5-3).
c) Cổ góp.
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Kết cấu của cổ góp như hình 5-4. Cổ góp gồm có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn (hình 5-4a) cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 1,2mm và hợp thành một hình trụ tròn (hình 5-4b,c). Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d) Các bộ phận khác.
Các bộ phận khác gồm có:
+ Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy.
+ Trục mỏy: trờn đú đặt lừi thộp phần ứng, cổ gúp, cỏnh quạt và ổ bi.
Hình 5-4. Phiến đổi chiều và cổ góp.
1. Đuôi phiến góp; 2. Bề mặt phiến góp; 3. Tấm cách điện 4. Chổi điện; 5. Vành ốp hình chữ V.
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện dựa vào nguyên tắc cảm ứng điện từ.
1. Chế độ máy phát điện.
Xét một máy phát điện một chiều đơn giản, dây quấn phần ứng chỉ có một khung dây abcd, hai đầu được nối với hai phiến góp, hai chổi điện A, B đặt cố định và luôn tì sát vào phiến góp. Khung dây abcd được đặt trong lòng của nam châm vĩnh cữu N-S (hình 5-5).
Khi dùng động cơ sơ cấp quay khung dây quanh trục của nó với một vận tốc không đổi, các thanh dẫn ab, cd sẽ cắt các đường sức từ trường, theo định luật cảm ứng điện từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng các sức điện động, giá trị tức thời được xác định theo biểu thức:
e = B.l.v (5-1)
Trong đó: B: từ cảm nơi thanh dẫn quét qua.
l: chiều dài của thanh dẫn.
v: vận tốc quét qua của thanh dẫn.
Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo qui tắc bàn tay phải. Như hình 5-5 thì thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N, sức điện động cảm ứng sẽ có chiều từ trong ra ngoài (từ b đến a), thanh dẫn cd nằm dưới cực từ S, sức điện động cảm ứng có chiều từ ngoài vào trong (từ d đến c).
Do khung dây quay nên các thanh dẫn ab, cd lần lượt thay đổi vị trí nằm dưới các vùng cực từ N-S, do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn là sức điện động xoay chiều. Chổi than A luôn tì lên phiến góp nối với thanh dẫn nằm dưới vùng cực từ N nên có cực tính (+), chổi than B tì lên phiến nối với thanh dẫn nằm dưới vùng cực từ S nên có cực tính (-). Dòng điện chạy qua phụ tải chỉ theo một chiều từ A đến B. Như vậy hệ thống cổ góp - chổi than đã chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều qua phụ tải.
Hình 5-5. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều.
(a) (b)
Hình 5-6. Đồ thị điện áp đầu cực máy phát điện một chiều.
Nếu máy phát điện một chiều có một khung dây abcd (hình 5-5) thì điện áp đầu cực A, B có dạng như hình 5-6a là điện áp đập mạch. Để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 5-6b) phải có thanh dẫn nối tiếp nhau và bố trí lệch nhau trong không gian một góc a nào đó, có nhiều phiến góp hợp thành một cổ góp. Nhờ vậy điện áp giữa hai chổi than là tổng các sức điện động trên các thanh dẫn trong một mạch nhánh.
Ở chế độ máy phát điện, dòng điện phần ứng cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư. Phương trình cân bằng điện áp là:
U = Eư - Iư.Rư (5-2) Trong đó:
Rư: điện trở dây quấn phần ứng.
U: điện áp đầu cực máy phát.
Iư.Rư: điện áp rơi trên dây quấn phân ứng.
Eư: sức điện động phần ứng.
2. Chế độ động cơ điện.
Ngược lại với máy phát điện một chiều, thay vì dùng động cơ sơ cấp quay rôto thì đặt vào hai chổi điện AB nguồn điện một chiều, dòng điện một chiều chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường của nam châm N-S sẽ chịu tác dụng một lực điện từ F có độ lớn:
F = Btb.l.i (5-3)
Trong đó: Btb: Cảm ứng từ trung bình trong khe hở.
l: chiều dài của thanh dẫn.
i: dòng điện chạy trong thanh dẫn.
Chiều lực điện từ được xác định bằng qui tắc bàn tay trái, nếu chổi điện A nối với cực (+) và chổi điện B nối với cực (-) của nguồn điện, thì thanh dẫn nào nằm dưới vùng cực từ N, dòng điện trong thanh dẫn sẽ chạy từ ngoài vào trong và thanh dẫn nào nằm dưới cực từ S, dòng điện trong thanh dẫn sẽ có chiều chạy từ trong ra ngoài. Do đó lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực từ có chiều không đổi, mômen quay sẽ có chiều không đổi làm cho khung dây quay theo một chiều nhất định.
Hình 5-7. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
IV. TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều.
Khi máy điện một chiều chạy không tải trong máy chỉ có từ trường do cực từ chính sinh ra gọi là từ trường chính hay là từ trường phần cảm (hình 5-8a).
Khi máy mang tải, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng sinh ra từ trường phần ứng (hình 5-8b).
Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng (hình 5-8c).
Gọi đường thẳng nn’ thẳng góc với trục cực từ N - S là đường trung tính hình học, đường thẳng mm’ xuyên qua phần ứng tại hai điểm có từ trường bằng 0 là đường trung tính vật lý.
(a) (b) (c) Hình 5-8. Phảnứng phần ứng máy điện một chiều.
Tác dụng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường tổng hợp trong máy, ở máy phát tại mỏm ra của cực từ được trợ từ còn ở mỏm vào của cực từ thì bị khử từ.
Nếu mạch từ không bão hòa thì tác dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ trường tổng không thay đổi, nếu từ trường bão hòa thì tác dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường trong máy giảm, do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn sẽ giảm.
Đồng thời phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại hai điểm trên đường trung tính hình học khác 0, hay nói khác đi là phản ứng phần ứng làm cho đường trung tính vật lí lệch khỏi trung tính hình học một góc nào đó theo chiều quay của máy phát (đối với động cơ thì ngược lại). Nếu chổi than vẫn đặt trên đường trung tính hình học thì do từ trường tại chỗ tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp khác 0, sức điện động cảm ứng trong phần tử dây quấn phần ứng sẽ bị chổi than làm ngắn mạch, đây là nguyên nhân phát sinh tia lửa điện ở chỗ tiếp xúc. Để khắc phục điều này phải xê dịch chổi than lệch khỏi trung tính hình học một góc .
2. Từ trường cực từ phụ.
Trong đa số máy điện một chiều người ta bố trí các cực từ phụ để trừ bỏ ảnh hưởng của phản ứng phần ứng làm dịch đường trung tính vật lý khỏi trung tính hình học.
Để trừ bỏ từ trường tại đường trung tính hình học, cực từ phụ được đặt xen kẽ với các cực từ chính và cực tính của cực từ phụ cùng cực tính với cực từ chính đứng sau nó theo chiều quay của rôto đối với máy phát hoặc đứng trước nó theo chiều quay của rôto đối với động cơ. Đồng thời do phản ứng phần ứng tỷ lệ với dòng điện phần ứng (rôto) nên để triệt tiêu được từ trường trên đường trung tính hình học, dây quấn cực từ phụ được nối tiếp với dây quấn phần ứng.
3. Sức điện động phần ứng.
a) Sức điện động thanh dẫn.
Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là:
e = Btb.l.v (5-4)
Trong đó: Btb: từ cảm trung bình dưới cực từ.
v: tốc độ của thanh dẫn.
l: chiều dài hiệu dụng thanh dẫn.
b) Sức điện động phần ứng Eư.
Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi than chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a (a là số đôi nhánh), số thanh dẫn một nhánh là N
2a , sức điện động phần ứng là:
tb
N N
E = e = B
2a 2a lv
(5-5)
Tốc độ v xác định theo độ quay n(vg/ph) bằng công thức:
= πDn
v 60 (5-6)
D là đường kính của rôto.
Thay (5-6) vào (5-4), ta được:
tb
N πDn
E = B
2a 60 l
(5-7)
Từ thông dưới mỗi cực từ là:
tb
Φ = B πD 2p
l (5-8)
Cuối cùng ta có:
Eư = pN nΦ
60a (5-9a)
Hoặc: Eư = kEnΦ (5-9b)
Trong đó p là số đôi cực.
Hệ số E
k = pN
60a phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng.
Qua biểu thức (5-9), 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 điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì đổi chiều quay, hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.
V. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MÔMEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Công suất điện từ của máy điện một chiều:
Pđt = Eư Iư (5-10)
Thay giá trị Eư trong (5-5) vào (5-7) ta có:
P =đt pN nΦ.I
60a (5-11)
Mômen điện từ là :
đt đt r
M =P
ω (5-12)
Ta có ωr là tốc độ góc của rôto, được tính theo tốc độ quay của n(vg/ph) bằng biểu thức:
r
ω =2πn
60 (5-13)
Thay (5-13) vào (5-12) cuối cùng ta có biểu thức của mômen điện từ là:
đt pN
M = I Φ
2πa (5-14)
Hoặc Mđt = kMIưΦ (5-15)
Trong đó hệ số M
k = pN
2πa phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn.
Qua (5-15), mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông. Muốn thay đổi mômen điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Muốn đổi chiều mômen điện từ phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ.