Tài liệu Máy điện một chiều

MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện Một chiều bao gồm stato với cực từ, rôto  và cổ góp với chổi than
PHẦN TĨNH (STATO )
Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là Mạch từ vừa là vỏ
Máy. Gắn với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ
PHẦN QUAY (RÔTO)
Rôto của Máy điện Một chiều gọi là phần ứng bao gồm lõi thép, dây
quấn phần ứng, cổ góp và chổi than (hình 10.1.2.a)
Hình 10.1.2.a
Lõi thép và dây quấn
Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. 
Các lá thép kỹ thuật điện có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng.
Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp. Các phiến góp đặt trên cổ góp
Cổ góp và chổi than
Cổ góp gổm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ 
, được gắn ở đầu trục rôto. Các đầu dây của phần tử dây quấn rôto nối với phiến góp.
Chổi than làm bằng than graphit, các chổi than được tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo 
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
Ta xét Máy phát điện Một chiều có dây quấn phần ứng gồm hai thanh dẫn ab và cd chỉ nối với hai phiến góp 1 và 2  ( hình 10.2.1)
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay phải.
Trên thanh dẫn ab sức điện động có chiều từ a đến b.
Trên thanh dẫn cd  chiều sức điện động từ c đến d .
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của hai thanh dẫn phần tử và hai phiến góp thay đổi cho nhau. Sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều nhưng chiều dòng điện ở Mạch ngoài không đổi.
Cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ chỉnh lưu dòng điện I ra tải có chiều không đổi.
Phương trình cân bằng điện áp:
U = Eư –Rư Iư
Rư là điện trở dây quấn phần ứng; U là điện áp hai đầu cực Máy ; Eư là sức điện động phần ứng.
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khi cho điện áp Một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp 1 và 2, trong dây quấn phần ứng có dòng điện (hình  10.2.2 )
Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Hình 10.2.2
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1 và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi 
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eưtrong dây quấn rôto
Phương trình điện áp động cơ điện Một chiều:
U = Eư + Rư Iư
SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG, CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VÀ MÔMEN ĐIỆN TỪ
Sức điện động phần ứng
Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong Mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động : e =Btbl.v
Sức điện động phần ứng Eư bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong Một nhánh. 
Số thanh dẫn trong Một nhánh: N/2a  
Sức điện động phần ứng Eư:
Eư = N/2a *e = N/2a * Btbl.v  (1)
Tốc độ dài:    v= pDn/60  (2)
Mặt khác từ thông Mỗi cực từ fi = Btb pDl/2p  (3)  
Từ (1) (2) (3) ta có Eư= pN/60a *nfi = kEnfi  
Kết luận: Eư = kEnfi  
Công suất điện từ và MôMen điện từ
Công suất điện từ:  Pđt = Eư Iư  (5)
Từ (4) và (5) ta có : Pđt = pN/60a *nfi Iư    
MôMen điện từ: Mđt = Pđt /Wr (6)
Wr là tần số góc quay của rôto: Wr =2pn/60  (7)
Từ (6) và (7) ta có: Mđt = pN/2pa Iư fi = kM Iư fi  
Kết luận :  Mđt =kM Iư fi  
PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khi Máy điện Một chiều không tải, từ trường trong Máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ .
Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học AB
Ở đường trung tính hình học có cường độ từ cảM B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động .
Khi Máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng (rôto) sinh ra từ trường phần ứng .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 .
  Hậu quả của phản ứng phần ứng 
Từ trường trong Máy bị biến dạng
Đường trung tính hình học AB đến vị trí Mới gọi là trung tính vật lý A1B1 với góc lệch thường nhỏ và lệch theo chiều quay của rôto khi là Máy phát điện, và ngược chiều quay của rôto khi là động cơ điện.
Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, từ thông fi của Máy bị giảm xuống, kéo theo sức điện động phần ứng Eư giảm, điện áp Máy phát U giảm .
Ở chế độ động cơ, từ thông giảm làm cho MôMen 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 cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng nhằm triệt tiêu từ trường phần ứng .
NGUYÊN NHÂN TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Khi Máy điện 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 điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, và làM nhiễu đến các thiết bị điện tử khác.
Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau:
Nguyên nhân cơ khí
Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp .
Nguyên nhân điện từ
Khi rôto 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:
Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều .
Sức điện động hỗ cảm eM, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận .
Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra
Biện pháp khắc phục
Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù ( triệt tiêu) tổng 3 sức điện động eL, eM,eq .  
MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia Máy điện Một chiều ra các loại : 
Máy điện Một chiều kích từ độc lập.
Máy điện Một chiều kích từ song song
Máy điện Một chiều kích từ nối tiếp
Máy điện Một chiều kích từ hỗn hợp
MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Sơ đồ Máy phát điện kích từ độc lập
Phưong trình cân bằng điện áp
Mạch phần ứng: U = Eư –RưIư
Mạch kích từ : Ukt = Ikt ( Rkt + Rđc)
Khi dòng điện I tải tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân:
Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông fi giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm.
Điện áp rơi Rư.Iư tăng.
Đường đặc tính ngoài U=fi(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi
Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = fi(I) , khi giữ điện áp và tốc độ không đổi
Máy phát kích từ độc lập có ưu điểM về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong các hệ thống Máy phát - động cơ, truyền động Máy cán, Máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, Máy bay v.v  
MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ SONG SONG
Để Máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ dư 
Phương trình cân bằng điện áp
Mạch phần ứng : U = Eư –RưIư
Mạch kích từ : U=Ikt (Rkt +Rđc)
Phương trình dòng điện: Iư =I+Ikt
Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U giảM như Máy phát điện kích từ độc lập, ở Máy kích từ song song khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảM, từ thông và sức điện động càng giảM.
Đường đặc tính ngoài dốc hơn so với Máy kích từ độc lập
Đường đặc tính điều chỉnh của Máy phát điện Ikt=fi(I) khi U,n không đổi 
MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP
Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều, trong thực tế không sử dụng Máy phát kích từ nối tiếp.
Khi I tải tăng, dòng điện Iư tăng, từ thông fi và Eư tăng, do đó U tăng,
Khi I = (2-2,5)IđM, Máy bão hoà, thì I tăng U sẽ giảm.
MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP
Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song.
Khi tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông Máy tăng lên, sức điện động của Máy tăng, điện áp đầu cực của Máy được giữ hầu như không đổi. 
Đây là ưu điểm của Máy phát điện kích từ hỗn hợp.
Đường đặc tính ngoài U= fi(I) 
Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dây quấn kích từ song song
Khi tải tăng, điện áp giảM rất nhiều. Đường đặc tính ngoài dốc, nên được sử dụng làm Máy hàn Một chiều.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Dựa vào phương pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện Một chiều giống đối với Máy phát Một chiều.
Sức điện động của động cơ điện Một chiều Eư:
Eư= pN/60a *nfi = kEnfi
MôMen điện từ Mđt của động cơ:
Mđt = pN/2pa Iư fi = kM Iư fi
MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Mở Máy động cơ điện Một chiều
Phương trình cân bằng điện áp: U=Eư + RưIư suy ra Iư= (U- Eư)/ Rư
Khi Mở Máy, tốc độ n=0 suy ra Eư = kE nfi =0 suy ra Iư= U/ Rư
Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc Mở Máy rất lớn Iư=(20¸30) IđM , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện.
  Để giảm dòng điện Mở Máy, dùng các biện pháp :
 -  Dùng biến trở Mở Máy RMở
Mắc biến trở Mở Máy vào Mạch phần ứng, dòng điện Mở Máy lúc có biến trở Mở Máy:  IưMở =U/( Rư+RMở)
Lúc đầu để biến trở RMở lớn nhất, trong quá trình Mở Máy, tốc độ tăng lên, điện trở Mở Máy giảm dần đến không  (hình 10.7.1 )
 -  Giảm điện áp đặt vào phần ứng
Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện Một chiều có thể điều chỉnh được điện áp  
Hình 10.7.1
Điều chỉnh tốc độ
Eư = U - RưIư = kE n.fisuy ra n = (U - RưIư)/ kE fi
Điều chỉnh tốc độ bẳng các phương pháp:  
 -  Mắc điện trở điều chỉnh vào Mạch phần ứng
Khi thêm điện trở vào Mạch phần ứng, tốc độ giảm.
Dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ.
 - Thay đổi điện áp U
Dùng nguồn điện Một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ.
Phương pháp này được sử dụng nhiều.
 -  Thay đổi từ thông
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. 
Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp phương pháp thay đổi từ thông  với thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng.  
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG
Để Mở Máy dùng biến trở Mở Máy RMở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc  .
Đường đặc tính cơ n = fi(M)
n = (U - RưIư)/ kEfi (1)
Mặt khác: Mđt = kM Iư fi (2)
Từ (1) và (2) ta có:
n= U/ kEfi - RưM/ (kM kEfi2)   
Thêm điện trở Rp vào Mạch phần ứng thì ta có:
n= U/ kEfi - (Rư +Rp )M/ (kM kEfi2)
Đường 1 đặc tính cơ tự nhiên (Rp =0), đường 2 đặc tính cơ ứng với Rp ¹ 0. (hình 10.7.2)
  Đặc tính làM việc
Các đường quan hệ giữa tốc độ n, MôMen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất h theo công suất cơ trên trục P2
Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong Máy cắt kiM loại, Máy công cụ .
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP
Để điều chỉnh tốc độ ta có thể điều chỉnh từ thông, Mắc biến trở điều chinh song song với dây quấn kích từ nối tiếp.
Đường đặc tính cơ n = fi(M)
Khi Máy không bão hoà, dòng điện phần ứng Iư và từ thông fi tỷ lệ với nhau:
Iư = kI fi (1)
Ta có: M=kM Iư fi = kM kI fi2 (2)
n = (U - RưIư)/ kEfi (3)
Từ (1), (2) và (3) ta có:
Phương trình đặc tính cơ có dạng hypecbôn
Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp Mở Máy không tải hoặc tải nhỏ.
  Đường đặc tính làm việc
 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP
Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường hai dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông, hoặc nối ngược làm giảm từ thông
Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận ( đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3)
Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính, còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận .
Dây quấn kích từ song song đảm bảo tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi MôMen nhỏ.
Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ, và nối  ngược, có đặc tính cơ rất cứng là đường 4, nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi MôMen thay đổi.