Đối với máy điện một chiều, các thông số định mức bao gồm : - Công suất định mức Pđm (W hoặc KW)
- Điện áp định mức Uđm (V) - Dòng định mức Iđm (A)
- Tốc độ định mức nđm (vòng/phút)
Ngoài ra, còn có các thông số khác như : kiểu máy, phương pháp kích từ và dòng kích từ …
2.3. NGUYÊN LÝ LAØM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VAØ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.3.1. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của máy phát điện một chiều Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh
dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ , cảm ứng các sức điện động . Chiều sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ví dụ, trên hình 4.7, nếu từ trường cực từ hướng từ trên xuống dưới và rôto quay ngược chiều kim đồng hồ, thì ở thanh dẫn phía trên sức điện động có chiều từ b đến a, ở thanh dẫn phía dưới , sức điện động hướng từ d đến c. Sức điện động của phần tử bằng 2 lần sức điện động của thanh dẫn. Nếu nối 2 chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện hướng theo chiều từ A đến B, nghĩa là điện áp U trên 2 cực của máy phát có cực dương là A và cực âm là B.
Khi rôto quay được nửa vòng thì vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh cd ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhưng nhờ các chổi điện đứng yên, chổi A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B vẫn nối với phiến góp phía dưới, nên chiều dòng điện qua tải vẫn không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương là chổi A, cực âm là chổi B.
Nếu máy chỉ có một phần tử thì điện áp đầu cực sẽ như hình 4.8a. Để điện áp lớn và ít nhấp nhô như hình 4.8b dây quấn phần ứng cần có nhiều phần tử và nhiều phiến góp.
Ở chế độ máy phát, dòng trong dây quấn phần ứng gọi là dòng ứng, ký hiệu Iư, cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư. Do vậy, phương trình điện áp của máy phát điện một chiều được viết như sau :
U = E – I R (4.1)
Hình 4.7 – Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
Trong đó :
Rư là điện trở dây quấn phần ứng →IưRư là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng
U : điện áp đầu cực máy phát.
2.3.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều Khi đặt một điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng Iư. Các thanh dẫn ab, cd mang dòng Iư nằm trong từ trường cực từ, sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng. Chiều lực điện từ cho bởi quy tắc bàn tay trái, ví dụ như hình 7 . Lực điện từ sinh ra chính là momen làm quay rotor
Khi rôto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau , nhưng nhờ có phiến góp đổi chiều dòng Iư , nên chiều lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn không đổi (hình 8), đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi .
Khi rôto quay, các thanh dẫn cắt từ trường cực từ, cảm ứng sức điện động Eư có chiều xác định bởi quy tắc bàn tay phải (hình 7). Ở động cơ, Eư ngược chiều Iư, nên Eư còn được gọi là sức phản điện (spđ), và do đó, phương trình điện áp của động cơ điện một chiều được viết như sau :
U = Eư + IưRư (4.2)
a) b)
Hình 4.9 – Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
a)
Hình 4.8 – Sức điện động của máy phát điện một chiều
2.4. SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG, CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VAØ MOMEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.4.1. Sức điện động phần ứng
Khi rotor quay, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt ngang từ trường cực từ, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là :
e = Btb.l.v (4.3)
trong đó : Btb – mật độ từ thông (hay từ cảm) trung bình dưới mỗi cực từ
v – tốc độ dài của thanh dẫn
l – chiều dài hiệu dụng thanh dẫn
Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh (song song) là 2a, với a là số đôi mạch nhánh, số thanh dẫn của một nhánh là a N 2 , sức điện động phần ứng là : . . . 2 2 ư tb N N E e B l v a a = =
Tốc độ dài v được xác định theo tốc độ quay n (v/p) bằng công thức : . .
60
D n
v π
= ,
với D là đường kính rôto (m)
Thay vào : . . . . 2 60 ư tb N D n E B l a π = (4.4)
Mặt khác, từ thông Φ dưới mỗi cực từ là : Φ = Btb.
p D 2 l π , với p là số đôi cực từ Suy ra : Btb 2p D π Φ = l . Cuối cùng ta có : Eư = a N 2 . 60 Dn π . l D p π Φ 2 .l = a pN 60 nΦ Hoặc : Eư = kEnΦΦΦΦ (4.5) với : 60 E pN k a
= là hằng số phụ thuộc vào kết cấu dây quấn phần ứng
Kết luận : sức điện động phần ứng Eư tỉ lệ với tốc độ quay n của rôto và tỉ lệ với từ thông φ đưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay n, hoặc điều chỉnh từ thông φ bằng cách điều chỉnh dòng kích từ Ik. Còn muốn đổi chiều sức điện động, ta đổi chiều quay , hoặc đổi chiều dòng kích từ.
2.4.2. Công suất điện từ và momen điện từ : Công suất điện từ : . . . .
60
đt ư ư pN ư
P E I n I
a
Momen điện từ : đt đt P M ω = (4.7) với ω = 60
2πn là tần số góc quay của rôto , từ đó ta có :
Mđt = 60 2 n P π đt = 60 2 60 n a I . . n . pN π Φ ư = a I . . n . pN 60 ư Φ × n π 2 60 = a pN π 2 Iư.Φ ⇔ Mđt = kM Iư ΦΦΦΦ (4.8) với : 2 M pN k a π
= là hằng số phụ thuộc vào kết cấu dây quấn phần ứng
Kết luận : Momen điện từ Mđt tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư và tỉ lệ với từ thông φ
dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số Mđt, ta phải thay đổi dòng Iư, hoặc thay đổi từ thông
φ bằng cách điều chỉnh dòng kích từ Ik . Còn muốn đổi chiều momen điện từ, ta phải đổi chiều dòng Iư, hoặc dòng kích từ.
2.5. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khi máy điện một chiều làm việc không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng kích từ Ikt gây ra, gọi là từ trường cực từ (hình 4.10a). Từ trường này phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học mn, cảm ứng từ B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động.
Khi máy điện có tải, dòng Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng (hình 4.10b). Từ trường này có hướng vuông góc từ trường cực từ.
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 (hình 4.10c). Do phản ứng phần ứng, ở mỏm cực mà từ trường phần ứng cùng chiều với từ trường cực từ, thì từ trường được tăng cường ( mỏm cực số 1 và số 3 ); ở mỏm cực mà từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ, thì từ trường bị yếu đi (mỏm cực số 2 và số 4). a) b) c) m n m’ n’ 1 2 3 4 1 2 3 4
Hậu quả của phản ứng phần ứng là : • Từ trường trong máy bị biến dạng
Điểm có từ cảm B = 0 dịch chuyển từ trung tính hình học mn đến vị trí mới m’n’ , gọi là trung tính vật lý . Góc lệch β thường nhỏ và lệch theo chiều quay rôto , nếu là máy phát , ngược chiều quay rôto , nếu là động cơ . Ở trung tính hình học , từ cảm B ≠ 0 , thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sức điện động, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều dòng điện trong máy.
• Điện áp đầu cực máy phát giảm – Tốc độ động cơ thay đổi
Khi tải lớn, dòng ứng Iư lớn, từ trường phần ứng lớn, mỏm cực từ được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B ở đó tăng lên được rất ít, trong khi ơ mỏm cực kia, từ trường lại bị giảm đi nhiều. Kết quả là từ thông Φ của máy bị giảm xuống, Φ giảm kéo theo sức điện động phần ứng Eư giảm làm cho điện áp U ở đầu cực máy phát giảm. Còn ở chế độ động cơ, φ giảm làm cho 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 bù 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 được đấu nối tiếp với mạch phần ứng.
2.6. NGUYÊN NHÂN TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VAØ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Khi máy điện một chiều 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 than và cổ góp, gây tổn hao năng lượng và làm nhiễu các thiết bị điện tử khác.
4.6.1. Nguyên nhân
Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau :
1. Nguyên nhân cơ khí :
- Vành góp không đồng tâm với trục
- Sự cân bằng quay không tốt, gây dao động hướng kính. - Cổ góp không tròn, lực ép chổi than không đủ.
2. Nguyên nhân về điện :
Khi rotor 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 :
a. Sức điện động tự cảm eL do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều. b. Sức điện động hỗ cảm em do sự biến thiên dòng điện trong cácphần tử đổi chiều khác lân cận.
c. Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra.
Khi đi qua chổi than, các phần tử này bị nối tắt, mà tổng các sức điện động ∑e≠0
do đó phát sinh tia lửa điện.
2.6.2. Biện pháp khắc phục - Loại trừ nguyên nhân cơ khí.
- Dùng dây quấn bù và cực từ phụ để triệt tiêu từ trường phần ứng dưới bề mặt cực từ làm cho từ trường khe hở phân bố đều, thuận lợi cho quá trình đổi chiều.
- Đối với các máy công suất nhỏ, không bố trí cực từ phụ và dây quấn bù, thì ta có thể dời chổi than đến vị trí trung tính vật lý.
2.7. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
Dựa vào phương pháp cung cấp dòng kích từ , người ta chia máy điện một chiều ra các loại như sau
• Máy điện một chiều kích từ độc lập : dòng kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy.
• Máy điện một chiều kích từ song song : dây quấn kích từ nối song song với dây quấn phần ứng.
• Máy điện một chiều kích từ nối tiếp : dây quấn kích từ mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng.
• Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp : gồm 2 dây quấn kích từ , dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.
2.7.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 1/. Mạch tương đương và các phương trình 1/. Mạch tương đương và các phương trình
Các phương trình : Iư = It Ut = Eư – Iư .Rư = It . Rt Uk = Ik (Rk + Rs) =Ik . Rf Eư = kE . n.Φ Uk + _ Ut _ + Ik Rk Rs Rt It Iư Eư Rư
Trong đó :
Ut : điện áp đầu cực máy phát cũng là điện áp trên tải.
Uk : điện áp nguồn kích từ để tạo ra dòng kích từ Ik Rs : điện trở cuộn kích từ
Rk : biến trở điều chỉnh kích từ
Rf = Rs + Rk : điện trở mạch kích từ
Rư: điện trở dây quấn phần ứng
Rt : điện trở tải.
2/. Đặc tuyến không tải : Eư = f (Ik)
Là đường cong Eư = f (Ik) khi không tải It= 0 và tốc độ không đổi. Theo hình 4.12, nó có dạng đường cong từ hoá. Lúc Ik = 0, vẫn có một sđđ rất nhỏ Ed do từ dư của lõi thép. Trong đoạn EdA, Eư tỉ lệ với Ik (đoạn tuyến tính), trong đoạn chuyển tiếp AB, Eư tăng chậm hơn Ik, và trong đoạn bão hòa BC, Eư tăng không đáng kể do lõi thép bị bão hoà, từ thông không tăng được nữa.
3/. Đặc tuyến ngoài : Ut = f (It)
Khi dòng tải It tăng, dòng ứng Iư tăng, điện áp
Ut giảm xuống do 2 nguyên nhân :
- Tác dụng của từ trường phần ứng làm Φ giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm.
- Điện áp rơi trong mạch phần ứng Iư.Rư tăng. Đặc tuyến ngoài U= f(I) được cho trên hình 4.13, khi tốc độ và dòng kích từ không đổi.
Phần trăm thay đổi điện áp:
% U U E % U U U % U = o − ×100 = − ×100 ∆ đm đm ư đm đm (4.10)
4/. Đặc tuyến điều chỉnh : Ik = f(It)
Để giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi khi dòng tải thay đổi, bắt buộc phải điều chỉnh Ik
. Hình 4.13 là đường đặc tính điều chỉnh khi giữ điện áp U không đổi và tốc độ n không đổi.
* Máy phát một chiều kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp, song nhược điểm là cần phải có nguồn kích từ riêng biệt.
Ed A B C Ikt Eư tuyến tính chuyển tiếp bão hoà
Hình 4.12 – Đặc tuyến không tải
I U
Hình 4.13 – Đặc tuyến ngoài
Ik
2.7.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song
1/. Điều kiện tự kích
Lúc đầu máy không có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra, bằng khoảng 2 dến 3% từ thông định mức. Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sđđ cảm ứng do từ thông dư sinh ra. Sđđ này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở mạch kích từ ở vị trí bé nhất), sinh ra dòng kích từ làm tăng từ trường cho máy từ đó tăng sđđ phần ứng. Quá trình tiếp tục cho đến khi đạt điện áp ổn định, quá trình này gọi là hiện tượng tự kích. Như vậy, điều kiện máy phát điện kích từ song song có thể tự kích được là :
- Phải có từ dư. Nếu không còn từ dư, ta phải mồi để tạo từ dư.
- Chiều của từ trường dư phải cùng chiều với từ trường dây quấn kích từ. Nếu chiều 2 từ trường ngược nhau, ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng.
- Điện trở điều chỉnh kích từ khi khởi động phải ở vị trí nhỏ nhất. - Vận tốc quay phải lớn.
2/. Mạch điện tương đương và các phương trình Các phương trình : Ut = Uk ⇔ Ik (Rk + Rs) = It.Rt U = Eư – Iư Rư Iư = Ik + It 3/. Đặc tuyến ngoài Ut = f (It)
Khi dòng tải It tăng, dòng ứng Iư tăng, điện áp Ut đầu cực máy phát kích từ song song giảm nhiều hơn so với điện áp Ut đầu cực máy phát kích từ độc lập, vì ngoài ảnh hưởng của phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên Rư như trong máy phát kích từ độc lập, trong máy phát kích từ song song, khi Ukt=Ut giảm làm dòng kích từ Ikt giảm, từ thông và sđđ Eư càng giảm nhiều so với kích từ độc lập.
Trên hình 4.16 vẽ đường đặc tính ngoài Ut = f(It) của máy phát kích từ song song, đường 2, ta thấy dốc hơn so với đường 1, là đường đặc tính ngoài của máy phát kích từ độc lập. Từ đường đặc tính ta thấy : khi dòng tải tăng đến một giá trị tới hạn Ith (tương ứng điểm K) thì sau đó điện áp giảm nhanh về zero.