Giáo trình điện - Chương 1: Đại cương về máy điện 1 chiều ppt

Động cơ điện một chiều có mô men mở máy lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng nên chúng được dùng nhiều trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về điều

Phần thứ nhất

Máy điện một chiều

Chương 1

đại cương về máy điện một chiều

Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song 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 mô men mở máy lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng nên chúng được dùng nhiều trong các máy 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 thích từ trong máy điện đồng bộ Ngoài ra trong công nghiệp điện hoá 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 so với máy điện xoay chiều như giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp, nhưng do những ưu điểm của nó nên máy điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất

1-1 Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc chế độ động cơ

điện dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ

1.1.1 Chế độ máy phát điện

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điện một chiều như hình 1-1 Máy gồm có một

khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp (hai nửa vòng đồng) Hai chổi điện (chổi

than) A và B đặt cố định và luôn tì sát vào phiến góp Khung dây và phiến góp được quay quanh trục của nó với một tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm N - S

Khi khung dây quay, các thanh dẫn ab và cd sẽ cắt các đường sức từ trường Theo

định luật cảm ứng điện từ, trong các thanh dẫn xuất hiện sức điện động (s.đ.đ) cảm ứng, trị số tức thời của s.đ.đ cảm ứng được xác định theo biểu thức:

e = B.l.v (1-1)

trong đó: B - từ cảm ở nơi thanh dẫn quét qua;

l - chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường;

v - vận tốc quét của thanh dẫn

Chiều của s.đ.đ cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải Theo vị trí của khung dây trên hình 1-1 và giả thiết chiều quay của khung dây ngược chiều kim đồng

hồ thì thanh dẫn ab đang nằm dưới cực bắc N, s.đ.đ cảm ứng e sẽ có chiều từ b đến a,

e, i

t

2

1

Hình 1-2 S.đ.đ và dòng điện trong

khung dây (1) và ở mạch ngoài (2)

Hình 1-1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

A

B

-+

b

a d

R

n

e e

c

e

t Hình 1-3 S.đ.đ ở mạch ngoài khi

có 2 khung dây đặt lệch nhau 90 0

còn thanh dẫn cd đang nằm dưới cực

nam S, chiều của s.đ.đ cảm ứng trong

nó sẽ từ d đến c Nếu mạch ngoài

khép kín qua tải thì s.đ.đ trong khung

dây sẽ sinh ra trong mạch ngoài một

dòng điện chạy từ chổi than A đến

chổi than B Do khung dây quay nên

các thanh dẫn ab và cd lần lượt thay

đổi vị trí nằm dưới các cực từ, do đó

s.đ.đ cảm ứng trong các thanh dẫn là

s.đ.đ xoay chiều Nếu từ cảm trong

khe hở không khí (nơi thanh dẫn quét

qua) phân bố hình sin thì theo công

thức (1-1) s.đ.đ trong khung dây

cũng là hình sin

Vì chổi điện A luôn tì lên phiến

góp nối với thanh dẫn nằm dưới vùng

cực bắc N, còn chổi điện B luôn tì lên

phiến góp nối với thanh dẫn nằm dưới

vùng cực nam S nên dòng điện ở

mạch ngoài chỉ chạy theo một chiều

từ chổi A (cực dương) đến chổi B

(cực âm) Như vậy, s.đ.đ xoay chiều

cảm ứng trong khung dây và dòng

điện tương ứng đã được chỉnh lưu

thành s.đ.đ và dòng điện một chiều ở

mạch ngoài nhờ hệ thống vành góp và

chổi than (hình 1-2)

Nếu máy phát điện một chiều có

một khung dây như ở hình 1-1 thì

điện áp giữa hai chổi điện A, B có

dạng như đường 2 ở hình 1-2, gọi là

điện áp đập mạch Trên thực tế, để có

s.đ.đ lớn giữa các chổi than và để

giảm sự đập mạch của s.đ.đ đó,

người ta dùng nhiều khung dây đặt

lệch nhau một góc trong không gian

làm thành dây quấn phần ứng Cũng

chính vì vậy nên không phải chỉ có

hai phiến góp mà có nhiều phiến góp

ghép lại với nhau thành một cổ góp

điện Các phiến góp cách điện với

nhau bằng mica mỏng Điện áp giữa

hai chổi điện là tổng các s.đ.đ trên các thanh dẫn nối tiếp trong một mạch nhánh, nên

nó có trị số lớn và giảm bớt sự đập mạch Dạng điện áp giữa hai chổi điện trong trường hợp máy có hai khung dây đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 như ở hình 1-3 (đường nét liền)

1.1.2 Chế độ động cơ điện

Ngược lại với máy phát, nếu ta nối hai chổi điện A và B vào nguồn điện một chiều, dòng một chiều chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường của nam châm N - S, dưới tác dụng của từ trường nam châm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực

điện từ có độ lớn:

F = Btb.l.i (1-2)

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 của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Nếu chổi điện A nối vào cực (+) và chổi B nối vào cực (-) của nguồn điện thì thanh

dẫn nào nằm dưới vùng cực S, dòng điện trong nó sẽ chạy từ trong ra ngoài (từ c đến d

trên hình 1-1), còn thanh dẫn nào nằm dưới vùng cực N, dòng điện sẽ chạy từ ngoài

vào trong (từ a đến b)

Do đó lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực có chiều không đổi, mô men do lực điện từ sinh ra có chiều không đổi làm cho khung dây quay theo một chiều nhất định Đó là nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

1-2 kết cấu của máy điện một chiều

Kết cấu chủ yếu của máy điện một chiều như ở hình 1-4 và có thể chia thành hai phần chính: phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto)

1

2

3

4

a)

8 6 7 12 13

9

b) Hình 1-4 Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang(b) của máy điện một chiều

1 trục; 2 ổ bi; 3 nắp; 4 cánh quạt; 5 vỏ; 6 lõi thép cực từ chính; 7 lõi sắt phần ứng; 8 dây quấn cực từ chính; 9 dây quấn phần ứng; 10 chổi than; 11 cổ góp; 12 dây quấn cực từ phụ; 13 lõi sắt cực từ phụ

1.2.1 Phần tĩnh (stato)

Phần tĩnh còn được gọi là phần cảm, gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy và cơ cấu chổi điện

a Cực từ chính

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi thép cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép

các bon dày 0,5 đến 1mm được ép lại và tán chặt Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép

khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bu lông (hình 1-5) Dây quấn kích từ được làm bằng đồng bọc cách điện, được quấn thành từng cuộn, 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 chính được nối nối tiếp nhau sao cho khi có dòng

điện chạy qua chúng thì hình thành các cực từ trái dấu xen kẽ

1 2 3 4

Hình 1-5 Cực từ chính trong máy điện một chiều: a) Bốn cực; b) Sáu cực

1 Cuộn dây kích từ; 2 Gông từ; 3 Lõi thép cực từ; 4 Bu lông

b Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính (hình 1-4) và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép thường làm bằng thép khối, trên thân cực từ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

c Gông từ

Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ,

đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện công

suất lớn gông từ làm bằng thép đúc Trong

máy điện công suất nhỏ và vừa thường dùng

thép tấm cuốn lại và hàn Có khi trong máy

điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d Cơ cấu chổi than

Cơ cấu chổi than (hình 1-6) gồm có chổi

than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò Hình 1-6 Cơ cấu chổi than: 1 chổi

than; 2 hộp chổi than; 3 lò xo; 4 giá

định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại Chổi than làm bằng than hay graphit, đôi khi được trộn thêm bột đồng để tăng độ dẫn điện Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại

e Nắp máy

Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

đảm bảo an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong các máy điện công suất nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường

làm bằng gang

1.2.2 Phần quay (rôto)

Phần quay còn gọi là phần ứng, gồm các bộ phận sau:

a Lõi thép phần ứng

Lõi thép rôto dùng để dẫn từ, thường làm bằng

các lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày

0,5mm, bề mặt có phủ sơn cách điện rồi ghép lại

để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên

lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ghép lại

thì đặt dây quấn vào Trong những máy cỡ trung

bình trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió

để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ

thông gió dọc trục (hình 1-7)

Trong máy điện hơi lớn thì lõi sắt được chia

thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn ấy có để một

khe hở gọi là khe thông gió ngang trục Khi máy

làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn

và lõi sắt Trong những máy điện nhỏ, lõi sắt phần

ứng được ép trực tiếp vào trục Trong máy điện

lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá

rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm

nhẹ trọng lượng rôto

b Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ cảm

nêm

Cách điện rãnh

Dây dẫn

Hình 1-7 Lá thép phần ứng

Hình 1-8 Mặt cắt rãnh phần ứng

ứng và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, tiết diện hình tròn (trong máy công suất bé) hay hình chữ nhật (trong máy công suất lớn), được đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và được cách điện cẩn thận với rãnh Để tránh khi quay bị vung ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm

để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể bằng tre, gỗ hay bakêlít (hình 1-8)

c Cổ góp

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điện một chiều đưa ra ngoài

Kết cấu của cổ góp như hình 1-9, gồm có nhiều phiến đồng có đuôi én (hình 1-9a

và b) ghép lại thành hình trụ tròn (hình 1-9c), giữa các phiến đồng được cách điện với

nhau bằng các tấm mi ca dày 0,4 đến 1,2mm Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình

chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và phiến góp cũng được cách điện bằng các tấm mi ca

Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

Hình 1-9 Phiến đổi chiều (a), (b) và cổ góp (c)

1 phiến góp; 2, 3 ốp hình chữ V; 4 cách điện bằng mi ca; 5 rãnh nối dây; 6 vành đệm cách

điện; 7 bulông xiết

5

1

2

b) a)

d Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có:

Cánh quạt dùng để quạt gió làm mát

máy Máy điện một chiều thường chế tạo

theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ

thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy

Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài

vào máy Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi

sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài

làm nguội máy

Trục máy làm bằng thép các bon tốt

Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành

góp, cánh quạt

2

c)

Hình 1-10 Rôto của máy điện một chiều

Phần ứng (rôto) của máy điện một chiều như ở hình 1-10

1-3 Các đại lượng định mức

Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện

mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó được đặc trưng bởi những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:

Công suất định mức Pđm (W hay kW);

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 v.v

Cần chú ý là công suất định mức ở đây là chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phát điện, đó là công suất điện đưa ra ở đầu cực của máy Đối với động cơ

điện thì đó là công suất cơ đưa ra ở đầu trục

Câu hỏi

1 Kết cấu của máy điện một chiều gồm những bộ phận chính nào, công dụng của các bộ phận đó?

2 Tại sao lõi sắt phần ứng của máy điện một chiều phải làm bằng thép kỹ thuật

điện, cực từ thì có thể dùng thép kỹ thuật điện hay thép lá thường ghép lại, còn gông từ lại dùng thép đúc hoặc thép tấm uốn lại rồi hàn? Tại sao vỏ của máy điện một chiều không dùng gang là loại vật liệu rẻ tiền và dễ đúc?

3 Cho biết ý nghĩa của trị số công suất định mức ghi trên nhãn máy? Công suất

định mức của động cơ điện ghi trên nhãn máy là công suất cơ đưa ra đầu trục hay công suất điện đưa vào động cơ?