CHƯƠNG 7 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
7.2. Sức điện động của máy điện một chiều
7.2.1. Sức điện động phần ứng của máy điện một chiều
Ta biết rằng, khi máy phát một chiều làm việc thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng s.đ.đ. Tri ̣ số của s.đ.đ này phu ̣ thuô ̣c vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc đô ̣ máy, số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn.
Do dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín.
Các chổi than sẽ chia dây quấn thành nhiều mạch nhánh song song (mỗi cặp chổi than sẽ có một đôi mạch nhánh song song). Cho nên s.đ.đ phần ứng sẽ bằng tổng các s.đ.đ thanh dẫn trong một nhánh.
Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng, số đôi mạch nhánh song song là a thì số thanh dẫn trong một nhánh sẽ là N/2a, nên s.đ.đ phần ứng sẽ là:
I
B
(a) (b)
A
B
A
B
177 Eư= N
2ae= N
2aBvl (7.4)
Mặt khác, từ thông dưới mỗi cực từ là:
= BπDl
2p (7.5)
Do đó:
Eư = pN
60an= kEn (7.6)
Hệ số kE phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn phần ứng.
Từ biểu thức của Eư ta thấy nó tỉ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Để điều chỉnh Eư ta có thể thay đổi tốc độ quay của rôto, hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đảo chiều s.đ.đ thì ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.
7.2.2. Phương trình cân bằng điện áp và dòng điện 1) Máy phát điện một chiều
a) Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
Theo sơ đồ trên hình 7.7a, dòng điện phần ứng bằng dòng điện tải.
Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư (7.7)
Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.8) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: Ukt = Ikt (Rkt + Rđc) (7.9) Trong đó:
Rư: là điện trở phần ứng, bao gồm điện trở của dây quấn phần ứng và điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp.
Rkt: là điện trở dây quấn kích thích.
Rđc: là điện trở điều chỉnh mắc nối tiếp với dây quấn kích thích.
Khi dòng điện tải I tăng, dòng điện phần ứng tăng và điện áp tải giảm vì tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông tổng giảm kéo theo s.đ.đ Eư giảm và do điện áp rơi trên mạch phần ứng tăng. Để giữ cho điện áp không đổi thì cần phải tăng dòng điện kích từ.
Máy phát một chiều kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp nhưng cần phải có nguồn kích thích một chiều riêng. Loại máy này thường gặp trong các hệ thống máy phát – động cơ một chiều để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, máy bay ...
b) Máy phát điện một chiều kích từ song song.
Để tạo được điện áp ở đầu cực của máy ta cần thực hiện một quá trình tự kích.
Ban đầu, dòng điện kích thích bằng không, từ thông trong máy do từ dư rất nhỏ của
178 cực từ tạo ra (bằng khoảng 2 ÷ 3% từ thông định mức). Khi phần ứng quay thì từ thông dư này sẽ tạo ra s.đ.đ cảm ứng khép mạch qua cuộn kích từ và tạo ra dòng điện kích từ làm tăng từ trường trong máy. Quá trình sẽ tiếp tục đến khi điện áp đầu ra đạt ổn định. Lưu ý rằng nếu có điện trở điều chỉnh ở cuộn kích từ thì phải để ở mức thấp nhất và chiều của từ trường kích thích phải cùng chiều với từ dư. Nếu mất từ dư thì ta phải mồi để tạo từ dư.
Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư - Ikt (7.10) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – IưRư (7.11) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: U = Ikt (Rkt + Rđc) (7.12) Khi dòng điện tải tăng thì điện áp tải cũng giảm do hai nguyên nhân như ở máy kích thích độc lập, hơn nữa dòng kích từ cũng bị giảm nên từ thông và s.đ.đ càng giảm sâu hơn so với máy phát kích thích độc lập. Một đặc điểm rất quý là khi ngắn mạch đầu ra (U = 0) thì dòng kích từ bằng không, s.đ.đ trong máy chỉ do từ dư sinh ra nên dòng điện ngắn mạch sẽ nhỏ hơn dòng điện định mức. Chính vì vậy mà sự cố ngắn mạch đầu ra của máy phát kích từ song song ít nguy hiểm.
c) Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp
Theo sơ đồ hình 7.7c, dòng kích từ là dòng điện tải nên khi tải thay đổi điện áp tải thay đổi rất nhiều, thực tế không sử dụng máy phát loại này.
Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iư = Ikt (7.13) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rkt) (7.14) d) Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp
Sơ đồ nối dây của máy trên hình 7.7d. Khi nối thuận, từ thông dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song nên khi tải tăng thì từ thông của cuộn nối tiếp tăng bù vào sự suy giảm của từ thông cuộn song song nên điện áp đầu cực được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm lớn nhất của máy phát kích từ hỗn hợp.
Nếu nối ngược, khi tải tăng thì điện áp giảm rất nhanh. Cách nối này được sử dụng trong máy hàn điện một chiều.
Phương trình cân bằng dòng điện: I = Iktnt = Iư - Iktss (7.15) Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = Eư – Iư (Rư + Rktnt) (7.16) Phương trình cân bằng điện áp mạch kích từ: U = Iktss Rktss (7.17) 2) Động cơ điện một chiều
Đối với động cơ, dòng điện Iư ngược chiều với s.đ.đ Eư nên Eư còn được gọi là sức phản điện.
Phương trình cân bằng điện áp mạch điện phần ứng: U = Eư + IưRư (7.18)
179 Phương trình cân bằng dòng điện:
- Động cơ kích từ độc lập: I = Iư (7.19)
- Động cơ kích từ song song và hỗn hợp: I = Iư + Ikt. (7.20) - Động cơ kích từ nối tiếp I = Iư = Ikt (7.21) Trên thực tế, các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau, nhưng với công suất lớn thì người ta thường dùng động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế. Mặt khác, động cơ một chiều kích thích nối tiếp được dùng rất nhiều đặc biệt trong giao thông vận tải.