BÀI 6: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
6.1. Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đại lượng định mức
6.1.3. Nguyên lý làm việc
1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
Nguyên lý làm việc của máy phát điện 1 chiều dựa trên định luật cảm ứng điện từ trong trường hợp thanh dẫn chuyển động tương đối với từ trường cực từ.
Xét trường hợp đơn giản nhất là máy điện 1 chiều có rôto chỉ gồm 1 khung dây abcd quay với tốc độ n (vòng/phút) trong từ trường của 1 cặp cực từ NS. Hai chổi than được đặt cố định và tì lên 2 phiến góp A và B (hình 6.8).
Giả sử tại thời điểm xét khung dây có vị trí như hình 6.8a. Theo đó, thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N sẽ xuất hiện s.đ.đ cảm ứng e có chiều từ b đến a, còn thanh dẫn cd nằm dưới cực từ S cũng sẽ xuất hiện s.đ.đ cảm ứng e có chiều từ d đến c (theo quy tắc bàn tay phải).
Hình 6.8. Nguyên lý làm việc máy phát điện một chiều Trị số của e được tính theo công thức:
e = Bvl (V) (6.1)
Trong đó:
B(T) là từ cảm trung bình dưới một cực từ.
v(m/s) là vận tốc dài của thanh dẫn trên rôto;
v = D/2 = Dn/60 (6.2)
D (m) là đường kính ngoài rôto.
(rad/s) là vận tốc góc của rôto.
l (m) là chiều dài của thanh dẫn.
Như vậy chổi than A tì vào phiến góp nối với thanh ab sẽ có cực tính dương (+), còn chổi than B tì vào phiến góp nối với thanh cd sẽ có cực tính âm (-).
Khi khung dây quay được nửa vòng (hình 6.8b) thì thanh dẫn ab sẽ nằm dưới cực từ S và cd sẽ nằm dưới cực từ N. Đồng thời vành góp cũng quay được nửa vòng nên chổi than A sẽ tì lên phiến góp nối với thanh cd, chổi B tì lên phiến góp nối với thanh ab. Do đó, mặc dù chiều của s.đ.đ e trong các thanh dẫn sẽ ngược lại nhưng cực tính tại các chổi than A và B vẫn không thay đổi.
Khi khung dây quay tròn thì s.đ.đ e biến thiên hình sin theo thời gian và sẽ đạt cực trị tại các vị trí như hình 6.8.
Về góc pha thì eab và ecd lệch pha nhau 1800. Kết quả là s.đ.đ eư ở 2 đầu chổi than sẽ có chiều không đổi nhưng đập mạch (hình 6.9).
Để s.đ.đ đầu ra có trị số lớn hơn và ít đập mạch thì ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vòng dây nối tiếp nhau và lệch nhau một góc nào đó (hình 6.10).
A
B
A
B
(a) (b)
Hình 6.9. Dạng sóng máy phát một chiều chỉ có một khung dây
Hình 6. 10 Dạng sóng máy phát một chiều có 2 khung dây 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Nguyên lý làm việc của động cơ 1 chiều dựa trên định luật lực điện từ trong trường hợp dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường cực từ.
Nếu ta đặt nguồn điện 1 chiều vào 2 đầu chổi than (cực + vào chổi A, cực - vào chổi B) thì dòng điện qua khung dây sẽ có chiều từ a đến b và từ c đến d.
Giả sử, ban đầu khung dây có vị trí như (hình 6.11). Do đó, mỗi thanh dẫn ab (nằm dưới cực N) và cd (nằm dưới cực S) sẽ chịu tác dụng của một lực có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái và có trị số:
F = BIl (N) (6.3)
Lực điện từ của 2 cạnh khung dây sẽ hợp thành 1 cặp ngẫu lực và tạo ra mômen làm khung dây quay quanh trục của nó theo chiều của cặp ngẫu lực.
Khi khung dây quay được 900 thì F = 0 nhưng khung vẫn tiếp tục quay theo quán tính.
Khi khung dây quay được 1800 thì thanh ab sẽ nằm dưới cực S, thanh cd nằm dưới cực N, đồng thời phiến góp nối với thanh ab sẽ tì lên chổi than B, phiến nối với thanh cd sẽ tì lên chổi than A nên dòng điện trong các thanh dẫn sẽ đổi chiều nhưng lực điện từ và mômen sinh ra có chiều không thay đổi.
Mômen này có trị số biến thiên tùy thuộc vào vị trí của khung dây trong từ trường và đạt cực đại tại các vị trí như hình 6.11. Do đó, khung dây sẽ quay với tốc độ không đều. Để cho rôto quay đều và có mômen đủ lớn thì ta bố trí nhiều khung dây gồm nhiều vòng dây trên rôto có trục lệch nhau một góc (điện) nào đó.