LUẬN văn sư PHẠM vật lý máy điện một CHIỀU và ỨNG DỤNG

Bởi vì trong dây quấn phần ứng của bất kỳ một máy một chiều nào cũng đều có dòng xoay chiều chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra sự biến đổi liên tục năng lượng cơ – điện trong máy.. Máy p

ThS Dương Quốc Chánh Tín Nguyễn Ngọc Trân

Thầy Phạm Phú Cường

Cần Thơ, tháng 4 – 2012

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm – Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy trong suốt quá trình học tập

Tôi xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Dương Quốc Chánh Tín đã giúp đỡ rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn

Đồng thời, tôi cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Sư phạm Vật lý – Tin học K34 đã giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian thực hiện đề tài

Do điều kiện còn hạn chế thời gian cũng như kiến thức có hạn, mặc

dù có cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm có thể

có Kính mong quý thầy cô và các bạn có thể đóng góp ý kiến để tôi có thể rút ra kinh nghiệm cho những nghiên cứu sau này

Xin kính chúc sức khỏe quý thầy cô và các bạn!

Chân thành cám ơn!

MỤC LỤC

PHẦN MỘT 1

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.1 Hoàn cảnh thực tế 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Giả thiết của đề tài 1

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 1

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 1

PHẦN HAI 3

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG I 3

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1.1 Định luật cảm ứng điện từ 3

1.1.1.1 Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên 3

1.1.1.2 Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường 3

1.1.2 Định luật lực điện từ 4

1.2 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.2.1 Mục đích và phạm vi sử dụng của máy điện một chiều 4

1.2.2 Những tư liệu lịch sử về máy một chiều 6

1.2.3 Cấu tạo của máy điện một chiều 7

1.2.3.1 Phần cảm (phần tĩnh hay stato) 8

1.2.3.2 Phần ứng (phần quay hay rôto) 9

1.2.3.3 Vành đổi chiều (cổ góp hay vành góp) 10

1.2.4 Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều 11

1.2.4.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều 11

1.2.4.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 12

1.2.5 Các trị số định mức 12

1.3 TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 13

1.3.1 Đại cương 13

1.3.2 Từ trường lúc có tải 13

1.3.2.1 Phản ứng trong máy điện một chiều 13

1.3.3 Từ trường cực từ phụ 15

1.3.4 Từ trường của dây quấn bù 15

1.4 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 16

1.4.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện một chiều 16

1.4.2 Mômen điện từ và công suất 17

1.4.3 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng 19

1.4.3.1 Tổn hao trong máy điện một chiều 19

1.4.3.2 Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương trình cân bằng 20 1.4.4 Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều 22

1.5 ĐỔI CHIỀU 22

1.5.1 Đại cương 22

1.5.2 Quá trình đổi chiều 24

1.5.3 Nguyên nhân sinh ra tia lửa và phương pháp cải thiện đổi chiều 26

1.5.3.1 Nguyên nhân sinh ra tia lửa 26

1.5.3.2 Các phương pháp cải thiện đổi chiều 27

CHƯƠNG II 30

CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 30

2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 30

2.1.1 Đại cương 30

2.1.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều 30

2.1.2.1 Máy phát kích thích độc lập hay kích thích độc lập – nối tiếp 33

2.1.2.2 Máy phát kích thích song song hay kích thích song song – nối tiếp 37

2.1.3 Máy phát điện một chiều làm việc song song 41

2.1.3.1 Điều kiện làm việc song song của máy phát điện một chiều 41

2.1.3.2 Phân phối và chuyển tải giữa các máy phát điện 42

2.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 43

2.2.1 Đại cương 43

2.2.2 Mở máy động cơ điện một chiều 44

2.2.2.1 Mở máy trực tiếp 45

2.2.2.2 Mở máy nhờ biến trở 45

2.2.2.3 Mở máy bằng điện áp thấp (U k < U đm ) 46

2.2.3 Các đặc tính của động cơ điện một chiều 46

2.2.3.1 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều 47

A Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập 48

B Động cơ điện một chiều kích thích song song nối tiếp 50

C Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp 52

2.2.3.2 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều 53

2.3 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT 54

2.3.1 Máy một chiều nam châm vĩnh cửu 54

2.3.2 Máy phát có bù kích dọc 56

2.3.3 Máy phát có hệ thống cực từ kép 56

2.3.4 Máy phát kích thích ngang 57

2.3.5 Máy điện khuếch đại 58

2.3.5.1 Máy phát kích thích độc lập như một máy khuếch đại 58

2.3.5.2 Máy điện khuếch đại hai phần ứng 59

2.3.5.3 Máy điện khuếch đại một phần ứng kích thích ngang 59

2.3.6 Động cơ phần ứng không rãnh và động cơ phần ứng mạch in 60

2.3.7 Máy một cực 62

2.3.8 Máy từ thủy động một chiều 63

2.4 MÁY BIẾN ĐỔI KIỂU MÁY ĐIỆN 64

2.4.1 Máy biến đổi hai phần ứng 64

2.4.2 Máy biến đổi một chiều một phần ứng 65

2.4.3 Máy biến đổi xoay chiều thành một chiều một phần ứng 67

2.5 MÁY MỘT CHIỀU VỚI BỘ ĐỔI CHIỀU BÁN DẪN 69

2.5.1 Các dạng khác nhau của máy một chiều với bộ đổi chiều bán dẫn 69

2.5.2 Động cơ nhỏ một chiều dùng tranzitơ 72

2.5.3 Động cơ một chiều dùng tiristơ với dây quấn nhiều phần tử khép kín và có đổi chiều do sức điện động quay 73

CHƯƠNG III 77

ỨNG DỤNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 77

3.1 HỒ QUANG ĐIỆN 77

3.1.1 Hồ quang điện 77

3.1.2 Bản chất của hồ quang 77

3.1.3 Ứng dụng và phân loại hồ quang 78

3.1.4 Các loại lò hồ quang điện sử dụng trong luyện kim 78

3.1.4.1 Lò điện hồ quang trực tiếp 79

3.1.4.2 Lò điện hồ quang gián tiếp 79

3.1.4.3 Lò điện hồ quang điện trở 79

3.2 ĐIỆN PHÂN 79

3.2.1 Điện phân 79

3.2.2 Sự điện phân các chất điện li 80

3.2.2.1 Điện phân chất điện li nóng chảy 80

3.2.2.2 Điện phân dung dịch chất điện li trong nước 80

3.2.3 Ứng dụng của điện phân 80

3.3 MÁY KÍCH TỪ CHO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 81

3.4 MÁY CẮT KIM LOẠI 82

3.4.1 Điều chỉnh tốc độ trong các máy cắt kim loại 82

3.4.2 Sự phù hợp giữa đặc tính của hệ thống và đặc tính của phụ tải 82

3.5 MÁY CÁN THÉP 83

PHẦN BA 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

1 KẾT LUẬN 84

2 KIẾN NGHỊ 84

3 NHỮNG ĐỊNH HƯỚNG TƯƠNG LAI 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu và nắm bắt được những kiến thức cơ bản về máy điện một chiều như cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, các đặc tuyến… Đồng thời, tìm hiểu một số loại máy điện một chiều được sử dụng và ứng dụng của chúng trong thực tế

1.3 Giả thiết của đề tài

Nội dung đề tài là tìm hiểu máy phát điện một chiều, trước hết ta cần nghiên cứu

về máy điện Nắm kiến thức cơ bản về định luật vật lý, nguyên lý hoạt động chung… để

có thể hiểu được cách chế tạo và ứng dụng của máy điện một chiều

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc tài liệu, tổng hợp và phân tích tài liệu

- Minh họa bằng hình vẽ

 Phương tiện nghiên cứu

- Sách, báo tham khảo

- Các trang Web cung cấp thông tin

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

- Nhận đề tài và xác định nội dung giới hạn của đề tài

- Nghiên cứu những tài liệu có liên quan

- Tiến hành tổng hợp tài liệu, trao đổi với giáo viên hướng dẫn

- Hoàn thành luận văn

- Báo cáo luận văn

PHẦN HAI

NỘI DUNG CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý làm việc của máy điện thường dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và định luật lực điện từ

1.1.1 Định luật cảm ứng điện từ

1.1.1.1 Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên

Hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện năm 1831, sau đó năm 1833

Lentz phát hiện ra quy tắc về chiều Nội dung định luật như sau: Khi từ thông xuyên qua

vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng ra sức điện động, sức điện động ấy có chiều sao cho dòng điện nó sinh ra có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ thông

Nếu chọn chiều dương của sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông

 theo quy tắc vặn nút chai thì sức điện động cảm ứng trong một vòng dây được viết theo công thức Macxoen như sau:

d N

Trong đó: Ngọi là từ thông móc vòng của cuộn dây

Từ thông đo bằng vebe (Wb), sức điện động cảm ứng đo bằng vôn (V)

1.1.1.2 Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Khi một thanh dẫn chuyển động cắt đường sức từ trường, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e có trị số là:



sin

v l B

e

Trong đó: B là cường độ từ cảm đo bằng Tesla (T);

l là chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ

trường) đo bằng mét (m);

v là vận tốc của thanh dẫn đo bằng m/s;

 là góc giữa chiều vận tốc với chiều từ trường

Khi chiều chuyển động vuông góc với chiều từ trường (thường gặp trong máy điện, = 90o) thì sức điện động cảm ứng là: e = Blv

Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải được

phát biểu như sau: Cho đường sức từ trường đi vào lòng bàn tay phải, chiều chuyển động

của thanh dẫn theo chiều ngón tay cái choãi ra, thì chiều 4 ngón tay còn lại là chiều của sức điện động cảm ứng

Khi thanh dẫn chuyển động song song với phương từ trường, trong thanh dẫn sẽ không có sức điện động cảm ứng

1.1.2 Định luật lực điện từ

Khi thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, thanh dẫn sẽ chịu lực điện từ tác dụng có trị số là:F đtBIlsin

Trong đó: B là cường độ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T);

I là dòng điện đo bằng Ampe (A);

l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng mét (m);

 là góc giữa chiều dòng điện và chiều từ trường;

F đt là lực điện từ đo bằng Niutơn (N)

Khi thanh dẫn đặt vuông góc với từ trường (thường gặp trong máy điện,= 90o)

lực điện từ là: F đt = BIl

Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái như sau: Cho chiều đường sức

từ trường xuyên vào lòng bàn tay trái, chiều dòng điện trùng với chiều 4 ngón tay, thì chiều ngón tay cái choãi ra là chiều lực điện từ F đt

1.2 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.2.1 Mục đích và phạm vi sử dụng của máy điện một chiều

Bất kỳ máy một chiều nào cũng có bộ đổi chiều dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Bởi vì trong dây quấn phần ứng của bất kỳ một máy một chiều nào cũng đều có dòng xoay chiều (chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra sự biến đổi liên tục năng lượng cơ – điện trong máy)

Phổ biến nhất là người ta sử dụng bộ đổi chiều cơ khí, được làm dưới dạng vành góp với một hệ thống chổi điện Các máy điện có bộ đổi chiều như vậy có tên là máy điện dạng vành góp

Ngày nay, người ta sử dụng rộng rãi các bộ đổi chiều kiểu van có điều khiển và van không điều khiển Dùng chủ yếu trong các thiết bị bán dẫn (điốt, tiristo, tranzisto…)

Thuật ngữ thông dụng, người ta gọi máy một chiều là máy điện kiểu bộ đổi chiều vành góp

Máy điện một chiều có thể được dùng làm động cơ hay máy phát:

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: có năng lực điều chỉnh tốc độ quay rất tốt, bảo đảm

hiệu suất cao trong toàn dãy điều chỉnh và có thể có những đặc tính cơ đáp ứng được những yêu cầu đặc biệt

Tuy động cơ một chiều đắt gấp 2 – 3 lần so với động cơ không đồng bộ ngắn mạch, chúng vẫn được sử dụng trong mọi trường hợp khi mà những phẩm chất đặc biệt của chúng có ý nghĩa quyết định

Động cơ một chiều được dùng rộng rãi trong kéo tải điện ở các phương tiện đòi hỏi đặc tính cơ mềm và phạm vi điều chỉnh tốc độ quay rộng như: đầu tàu điện bánh sắt nội thành và ngoại ô, các động cơ làm việc trong các đầu máy, tàu điện ngầm, xe điện bánh hơi…

Ngoài ra, trong truyền động cho các thiết bị nâng chuyển khác nhau như cần trục

mà ở đấy cũng đòi hỏi những đặc tính như vậy, thường người ta dùng động cơ điện một chiều

Các máy cán (cán phôi tấm, cán thô…) được dẫn động nhờ các động cơ một chiều lớn (~ 12.000KW) Nhiều động cơ một chiều khác được sử dụng để truyền động điện có điều chỉnh trong ngành luyện kim Các động cơ một chiều lớn quay các chân vịt trên các tàu thủy điện điezen Các động cơ một chiều công nghiệp thông dụng đã được chế tạo thành dãy được dùng trong truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay Các ô tô, máy kéo, máy bay và các thiết bị bay khác có hệ thống cung cấp điện một chiều Các thiết bị

bổ trợ đều được dẫn động bằng các động cơ một chiều Các động cơ một chiều công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) được sử dụng trong nhiều thiết bị tự động khác nhau

Dòng điện một chiều cấp cho động cơ thường được lấy từ máy phát một chiều hay qua các thiết bị chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều

MÁY PHÁT MỘT CHIỀU: là nguồn cung cấp cho các thiết bị công nghiệp dùng

dòng một chiều điện áp thấp (các thiết bị như điện phân và mạ điện…)

Nhiều trường hợp việc cấp điện cho các dây quấn kích thích của các máy phát đồng bộ cũng được thực hiện bằng các máy phát một chiều (máy kích thích) Người ta

cũng dùng phổ biến các máy phát một chiều chuyên dụng có đặc tính đặc biệt (máy hàn, máy phát để thắp sáng trong tàu hỏa, máy một chiều khuếch đại…)

1.2.2 Những tƣ liệu lịch sử về máy một chiều

Sự phát triển của các máy phát và động cơ một chiều đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau

Nguyên lý tạo thành động cơ đã được Faraday đưa ra năm 1821 Ông trình bày một dụng cụ vật lý trong đó xuất hiện hiện tượng quay của một dây dẫn mang dòng điện một chiều quanh một nam châm Dụng cụ này thực chất là hình mẫu của máy một cực Những năm sau đó đã xuất hiện một loạt những dụng cụ để chứng minh sự biến đổi điện năng thành cơ năng

Ví dụ: Năm 1833, mô hình đầu tiên của động cơ với kiểu cực tính xen kẽ có bộ đổi chiều dòng điện đã được nhà bác học Anh U.Risin mô tả Từ trường kích thích là một nam châm hình móng ngựa, giữa các cực được bố trí một nam châm điện lấy điện từ nguồn một chiều qua bộ đổi chiều Do tác dụng của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện mà chiều dòng điện trong dây quấn của nó biến thiên một cách tuần hoàn theo chu

kỳ đã sinh ra một mômen quay có chiều không đổi

Năm 1834, động cơ một chiều kích thích bằng nam châm điện được sử dụng trong thực tế để truyền động cho máy móc khác nhau do viện sĩ Petecbua BC Lacobi chế tạo Năm 1838, BC Lacobi đã chế tạo được một động cơ điện lớn hơn, hoàn hảo hơn

Năm 1860, động cơ điện có cấu tạo kiểu phần ứng dạng cực ẩn với dây quấn rời

có mômen quay không đổi được nhà bác học người Ý Antonio chế tạo

Nhìn chung ở tất cả các giai đoạn, sự phát triển của máy phát đều chậm hơn so với động cơ Ý định về một máy phát một chiều một cực được thực hiện dưới dạng một đĩa quay trong từ trường do Faraday đề xuất năm 1831 Mô hình đầu tiên về máy phát một chiều kiểu cực từ luân phiên trong đó sử dụng thiết bị đổi chiều để chỉnh lưu đã được anh

em Picxi chế tạo năm 1832

Năm 1842, máy phát kiểu từ điện có kết cấu tương tự dùng trong thực tế đã được B.C Lacobi áp dụng lần đầu tiên Đến năm 1851, Zinsteden đề nghị thay thế nam châm vĩnh cửu bằng nam châm điện được kích thích bằng dòng điện lấy từ một máy phát kiểu

từ điện khác

Năm 1854, C.Khiocto – nhà phát minh người Đam Mạch – đã nhận được bằng phát minh về một máy tự kích (thực tế là máy có bù kích thích)

Năm 1856, nhà vật lý Hunggari A.lêđlic đưa ý kiến về khả năng tự kích của máy phát chỉ do từ dư Đến năm 1861, ông chế tạo được máy phát một chiều tự kích

Năm 1866, V.Simenx đã áp dụng nguyên lý tự kích đối với các máy phát kích thích nối tiếp mà sau đó những máy phát này đã được sử dụng rộng rãi để cấp điện thấp sáng

Máy phát một chiều được sử dụng mang tính công nghiệp nhờ Z.Gramm là loại máy phát tự kích có phần ứng hình vành và dây quấn hình xuyến nhiều phần tử được nối lên các phiến góp như kết cấu hiện nay Những năm 1970, nguyên lý thuận nghịch đã được mọi người biết đến nên máy Gramm đã được sử dụng ở cả chế độ máy phát và cả ở chế độ động cơ Từ lúc đó, cả hai hướng phát triển của máy một chiều – máy phát và động cơ – đã được thống nhất lại

Những năm 70 – 80, máy phát một chiều tiếp tục có những cải tiến quan trọng Năm 1973, các nhà kỹ thuật điện người Đức F.Gefner – Altenec và V.Limenx đã thay phần ứng hình vành bằng phần ứng hình trống mà cả 2 cạnh của mỗi một phần tử dây quấn đều tham gia tạo thành suất điện động Từ năm 1878, mạch từ của phần ứng hình trống đã làm có răng và đã làm giảm khe hở phi từ tính theo hướng kính

Năm 1879, V.Sinmenx sử dụng máy phát kích thích nối tiếp để cung cấp cho xe lửa chạy điện đầu tiên giới thiệu ở triển lãm Beclin

Năm 1880, nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ T.A.Edixon đã đề nghị ghép mạch

từ của phần ứng bằng các lá thép có cách điện đã đưa tới việc giảm đáng kể tổn hao do dòng xoáy và do phản ứng phần ứng Những năm 1884 – 1885, người ta đề nghị làm dây quấn bù và các cực từ phụ để giảm phản ứng phần ứng và cải thiện đổi chiều Từ đó, máy một chiều đã có kết cấu hoàn chỉnh

1.2.3 Cấu tạo của máy điện một chiều

Máy điện một chiều là máy điện mà dây quấn phần ứng nối với lưới điện một chiều nhờ bộ biến tần cơ khí

Thực chất máy điện không đổi giống máy điện đồng bộ, điểm khác biệt căn bản là

có vành đổi chiều, vành đổi chiều được gắn trên trục máy quay với rotor

Máy điện một chiều có thể phân thành 3 phần chính: phần cảm, phần ứng và vành đổi chiều

Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay

thép cacbon dày 0.5 – 1mm ép lại và tán chặt Trong

mạng điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn

chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc

cách điện và 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 này được nối tiếp với nhau

Số lượng các cực từ chính phụ thuộc vào tốc độ quay Thông thường có 4 hoặc 6 cực từ, trong máy điện nhỏ có 2 còn trong các máy thật lớn có đến vài chục

b Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều, có nhiệm vụ làm tắt tia lửa điện trên vành đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông

Hình 1.1 – Mặt cắt ngang và dọc của máy điện một chiều

Hình 1.2 – Cực từ chính

c Gông từ

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại, có khi dùng gang làm vỏ máy Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc

d Các bộ phận khác

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

hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện vừa và nhỏ nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: Chổi than dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ

cấu chổi than gồm có chổi than nằm trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố 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

1.2.3.2 Phần ứng (phần quay hay rôto)

Phần quay gồm có những bộ phận sau:

a Lõi sắt phần ứng

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng

những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày

0.5mm phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để

giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có

dập hình dạng rãnh để sao khi ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những máy cỡ trung 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

Những máy điện hơi nước lớn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn có 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 máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Đối với 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)

Hình 1.3 – Lá thép phần ứng

b Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện

động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần

ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện

Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện

tròn, máy vừa và lớn dây có hình chữ nhật

Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh

của lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra do sức ly

tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đay chặt dây quấn nên thường làm bằng gỗ, tre, bakêlic… (Hình 1.4)

c Các bộ phận khác

- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy, cánh quạt được 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: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

1.2.3.3 Vành đổi chiều (cổ góp hay vành góp)

Vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng

điện xoay chiều thành dòng một chiều Cổ góp

1.2.4 Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều

1.2.4.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Ta nối mỗi cạnh vòng dây với một phím đồng gắn trên trục vòng dây và quay theo vòng dây Hai phím đồng tạo thành một vành đổi chiều có nhiệm vụ đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho mạch ngoài

Khi vòng dây ở vị trí (Hình 1.6, 1) sức điện động có chiều từ ba và từ dc (quy tắc bàn tay phải), nối mạch ngoài với hai chổi thu điện, sức điện động tạo nên dòng điện chạy ra ở phím e qua phụ tải và đi vào phím f

Khi quay vòng dây 90o ở vị trí mặt phẳng trung tính, cực đại, sức điện động bằng 0 nên i = 0, chổi tiếp xúc cả hai phím

Vòng dây quay tiếp 90o

Thực ra, trong phần ứng máy phát điện gồm nhiều bộ vòng dây nối tiếp nhau (mỗi

bộ gồm nhiều vòng dây), các bộ vòng dây đặt lệch nhau trong không gian một góc Sức điện động trong các phần tử lệch nhau góc

Phương trình cân bằng điện áp: U = E ư – R ư I ư

Trong đó: R ư là điện trở dây quấn phần ứng;

U là điện áp hai đầu cực máy;

E ư là sức điện động phần ứng

Hình 1.6 – Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Hình 1.7 – Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

1.2.4.2 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 1.7)

Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1 và 2 đổi chỗ 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

E ư trong dây quấn rôto

Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: U = E ư + R ư I ư

1.2.5 Các trị số 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 bằng 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: P đm (kW hay W);

- Điện áp định mức: U đm (V);

- Dòng điện định mức: I đm (A);

- Tốc độ định mức: n đm (vòng/phút)

1.3 TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.3.1 Đại cương

Từ trường trong máy điện một chiều chủ yếu là do cực từ và dòng điện phần ứng

I Ư sinh ra

Khi máy làm việc không tải, trong dây quấn phần ứng không có dòng điện (I ư = 0)

từ trường trong máy chỉ do các cực từ kích thích bằng dòng kích từ I t hoặc trong các máy nhỏ có thể là các nam châm vĩnh cửu sinh ra Từ trường khi đó còn được gọi là từ trường

lúc không tải Khi rôto quay từ trường này sẽ sinh ra sức điện động E ư lúc không tải trong dây quấn phần ứng Nếu máy làm việc có tải, ngoài từ trường cực từ còn có từ trường

phần ứng do dòng điện I ư Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng làm hình thành từ trường tổng ở khe hở lúc có tải

Phản ứng phần ứng làm thay đổi sự phân bố từ trường khe hở lúc không tải có ảnh hưởng xấu đến quá trình đổi chiều trong các phần tử dây quấn phần ứng bị chổi điện nối ngắn mạch, gây ra tia lửa nơi tiếp xúc của chổi điện với vành góp Để cải thiện đổi chiều

và sự phân bố từ trường dọc khe hở lúc có tải trong các máy có công suất trung bình và lớn, thường phải đặt thêm các cực từ phụ và đôi khi cả dây quấn bù Trong những trường hợp đó từ trường trong máy lúc có tải là tổng hợp của từ trường cực từ, từ trường phần ứng, từ trường cực phụ và từ trường của dây quấn bù

1.3.2 Từ trường lúc có tải

1.3.2.1 Phản ứng trong máy điện một chiều

a Chổi điện đặt trên đường trung tính hình học

Ta có được những kết luận về tác dụng của phản ứng phần ứng:

- Khi chổi than ở trên đường trung tính hình học chỉ có phản ứng ngang trục mà tác dụng của nó là làm méo từ trường khe hở Đối với máy phát thì ở mỏm ra cực từ (mỏm cực từ mà phần ứng đi ra) máy được trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì khử từ Đối với động cơ thì chiều quay ngược với máy phát nên kết luận ngược lại

- Nếu mạch từ không bão hòa thì từ trường tổng không đổi vì tác dụng trợ từ và khử từ như nhau Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên

từ thông tổng dưới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục cũng

có một ít tác dụng khử từ

- Từ cảm ở đường trung tính hình học không

bằng 0, do đó đường mà ở trên bề mặt phần ứng từ

cảm bằng 0 – gọi là đường trung tính vật lý – đã lệch

khỏi đường trung tính hình học một góc thuận theo

chiều quay của máy phát hay ngược chiều quay của

động cơ

Tóm lại: Khi chổi than đặt trên đường trung

tính hình học thì chỉ có phản ứng ngang trục F ưq làm

méo từ trường khe hở và do đó xuất hiện đường

trung tính vật lý Nếu mạch từ không bão hòa thì từ

thông tổng không đổi Nếu mạch từ bão hòa thì từ

thông tổng giảm đi một ít

b Xê dịch chổi than khỏi đường trung

tính hình học

Trong máy điện một chiều, thường chổi than

đặt ở trên đường trung tính hình học nhưng do lắp ghép không tốt, hoặc khi máy không

có cực từ phụ, muốn cải thiện đổi chiều, có thể xê dịch chổi than đi một góc khỏi đường trung tính hình học Khi xê dịch chổi than như vậy thì sức từ động phần ứng có thể chia

làm hai thành phần: ngang trục F ưq và dọc trục F ưq

Tác dụng của phản ứng phần ứng ngang trục là làm méo từ trường của cực từ chính và khử từ một ít nếu mạch từ bão hòa Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh hưởng đến từ trường cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tùy theo chiều xê dịch của chổi than

Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay của máy phát (hay ngược chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ và ngược lại nếu quay chổi than ngược chiều quay của máy phát (hay thuận chiều quay của động cơ) thì có phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ Trong máy điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho phép quay chổi than theo chiều quay của phần ứng nếu là máy phát, hay ngược chiều quay của phần ứng nếu là động cơ

Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hưởng đến trị số của từ thông tổng mà không làm cho nó biến dạng

Hình 1.8 – Phản ứng phần ứng khi chổi than (ở trên đường trung tính

hình học)

1.3.3 Từ trường cực từ phụ

Hiện nay, trong hầu hết các máy điện một chiều (trừ những máy công suất nhỏ hơn 0,5kW) đều có đặc cực từ phụ Cực từ phụ đặt giữa hai cực từ chính trên đường trung tính hình học

Khi có tải, do phản ứng phần ứng nên đường trung tính hình học từ trường khác 0

và từ trường đó lại cùng chiều với từ trường dưới cực từ đứng trước đường trung tính hình học theo chiều quay của máy phát (Hình 1.8) Để cải thiện đổi chiều, thường yêu cầu ở khu vực đổi chiều (tức khu vực có chổi than mà chổi than thường đặt ở đường trung tính hình học) có từ trường ngược chiều với từ trường phần ứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy phải đặt cực từ phụ Tác dụng của cực từ phụ là sinh ra một sức từ động triệt tiêu từ trường phần ứng ngang trục đồng thời tạo ra một từ trường ngược chiều với từ

trường phần ứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy cực tính của cực từ phụ phải cùng cực tính

của cực từ chính mà phần ứng sẽ chạy vào nếu máy ở chế độ máy phát (còn đối với động

cơ điện thì ngược lại)

Để triệt tiêu từ trường phần ứng ngang trục, từ trường cực từ phụ phải tỷ lệ thuận

với dòng điện tải nên dây quấn cực từ phụ được nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch

từ không bão hòa

Khi chổi điện đặt trên đường trung tính hình học, các cực từ phụ không ảnh hưởng đến từ trường cực từ chính vì trong phạm vi một bước cực, tác dụng khử từ và trợ từ của các cực từ phụ bằng nhau nên bù cho nhau

Nếu xê dịch chổi điện khỏi đường trung tính hình học, theo chiều quay của phần ứng ở chế độ máy phát (hay ngược chiều quay đối với động cơ) thì trong phạm vi một bước cực, tác dụng khử từ của cực từ phụ lớn hơn tác dụng trợ từ của nó, do đó trong trường hợp này, các cực từ phụ làm cho máy bị khử từ Nếu quay ngược chiều quay phần ứng ở chế độ máy phát thì tác dụng ngược lại Như vậy ảnh hưởng của các cực từ phụ đối với từ trường cực từ chính như phản ứng dọc trục của phần ứng

1.3.4 Từ trường của dây quấn bù

Ảnh hưởng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường khe hở, do đó điện áp phân

bố trên các phiến đổi chiều không đều, vì vậy đổi chiều của máy có khó khăn Do đó trong những máy một chiều công suất lớn hay điều kiện làm việc nặng nhọc (như tải thay đổi đột ngột) đều có đặt dây quấn bù Tác dụng của dây quấn bù là sinh ra từ trường triệt tiêu phản ứng phần ứng làm cho từ trường khe hở căn bản không bị méo nữa

Dây quấn bù được đặt lên trên mặt cực của cực từ chính Để có thể bù được ở bất

cứ tải nào, dây quấn bù được nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho sức từ động của hai dây quấn đó ngược chiều nhau Về cơ bản là bù được trên phạm vi mặt cực, chỉ có giữa hai cực do không đặt được dây quấn bù nên sức từ động Fb có dạng hình thang do đó ở giữa hai cực không bù được mà còn lại một phần Nhưng ở máy có dây quấn bù bao giờ cũng có đặt cực từ phụ nên dưới tác dụng của cực từ phụ và dây quấn bù, ta thấy sự phân

bố từ trường tổng của máy gần giống như từ trường lúc không tải mà không phụ thuộc vào tải của máy Điều đó đảm bảo cho máy đổi chiều tốt

1.4 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.4.1 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện một chiều

Khi cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở sẽ sinh ra từ thông Khi phần ứng quay với một tốc độ nhất định nào đó thì trong dây quấn sẽ cảm ứng một sức điện động Sức điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc độ của máy, số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn

Vì dây quấn gồm có 2 mạch nhánh ghép song song nên sức điện động của dây quấn bằng sức điện động cảm ứng trên một mạch nhánh, nghĩa là bằng tổng sức điện động của các thanh dẫn nối tiếp trong mạch nhánh đó

Sức điện động trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động trong từ trường với tốc độ v bằng:

v l B

p n D

 là từ thông khe hở dưới mỗi cực từ

Thay vào hệ thức trên (1.1), ta có:

60

2p n

Gọi N là tổng số dây dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song sẽ có

N p e a

C e

60

 là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy và dây quấn

Chiều của E ư phụ thuộc vào chiều  và n được xác định theo quy tắc bàn tay

1.4.2 Mômen điện từ và công suất

Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng

sẽ có dòng điện chạy qua Tác dụng của từ trường lên dây

dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ trên trục máy

Giả thiết ở một chế độ làm việc nào đó của máy

điện một chiều, từ trường và dòng điện phần ứng ở dưới

một cực (Hình 1.9), thì theo quy tắc bàn tay trái mômen

lực từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều

từ phải sang trái

Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn bằng:

u

tbl i B

I

i 

thì mômen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng bằng:

22

D N l

I B

tb 

Hình 1.9 – Mômen điện từ trong động cơ điện một

chiều

Trong đó: B tb là từ cảm trung bình trong khe hở;

u C I I

N p

C M  là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy điện

Nếu tính bằng kg.m thì (1.6) phải chia cho 9,81

u I N p

chiều với chiều quay của máy Vì vậy ở máy phát điện, mômen điện từ là một mômen

hãm

Trong động cơ điện, khi cho dòng điện vào phần ứng thì dưới tác dụng của từ

trường, trong dây quấn sẽ sinh ra mômen điện từ kéo máy quay, vì vậy chiều quay của

máy trùng với chiều quay của mômen

Công suất ứng với mômen điện từ lấy vào (đối với máy phát) hay đưa ra (đối với động cơ) gọi là công suất điện từ và bằng:

u u

2 2

.

u

u I E

[P đm] = W Tóm lại, trong máy phát điện công suất điện từ đã chuyển công suất cơ M thành công suất điệnE u I u Ngược lại, trong động cơ điện công suất điện từ đã chuyển công suất điện E u I u thành công suất cơM

1.4.3 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng

1.4.3.1 Tổn hao trong máy điện một chiều

Trong máy điện một chiều, đại bộ phận công suất cơ biến thành công suất điện (máy phát) hay công suất điện biến thành công suất cơ (động cơ) Chỉ có một bộ phận rất

ít biến thành tổn hao trong máy dưới hình thức nhiệt tỏa ra ngoài không khí Tổn hao trong máy tùy theo tính chất được phân làm bốn loại:

- Tổn hao p cơ: bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao do thông gió… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho

ổ bi, vành góp nóng lên

- Tổn hao sắt p Fe: do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên Tổn hao này

phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài của tấm thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm và tần số f

Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:

Tổn hao cơ và sắt sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải nên gọi

là mômen không tải M o Quan hệ giữa M o và P o là:

o

o

P

Trong đó:  là tốc độ góc của rôto

- Tổn hao đồng p Cu: tổn hao đồng bao gồm 2 phần: tổn hao đồng trong mạch phần

ứng p Cu.ư và tổn hao đồng trong mạch kích thích p Cu.t

Tổn hao đồng trong phần ứng bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng

I ư 2 r ư , tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ I ư 2 r f , tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và

vành góp p tx

Hiện nay thường gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết dưới dạng

p ư = I ư 2 R ư trong đó R ư = r ư + r f + r tx bao gồm điện trở dây quấn phần ứng r ư, điện trở dây

quấn phụ r f và điện trở tiếp xúc chổi than r tx , mặc dù r tx thực tế không phải là không đổi

Tổn hao đồng trong mạch kích thích bao gồm tổn hao đồng của dây quấn kích

thích và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích thích Vì vậy p Cu.t = U t I t ,

trong đó U t là điện áp đặt trên mạch kích thích và I t là dòng điện kích thích

- Tổn hao phụ p f Trong đồng và thép đều sinh ra hao tổn phụ

Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần cứng, các bu lông ốc vít trên phần ứng làm từ trường phân bố không đều trong lõi sắt, ảnh hưởng của răng rãnh làm từ trường đập mạch… sinh ra

Tổn hao trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử thay đổi, dòng điện phân bố không đều trên bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy, tổn

hao trong dây nối cân bằng sinh ra Trong máy điện một chiều p f thường lấy bằng 1% công suất định mức

1.4.3.2 Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương trình cân bằng

a Máy phát điện

Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp bất

kỳ kéo quay với một tốc độ nhất định

Giả thiết công suất kích từ do một máy khác cung cấp nên không tính vào công

suất đưa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện Công suất cơ đưa vào P 1, tiêu hao đi một phần để bù vào tổn hao cơ pcơ và tổn hao sắt p Fe, còn đại bộ phận biến đổi thành công

Phương trình trên gọi là phương trình cân bằng sức điện động của máy phát điện một chiều

Ta có thể viết công suất cơ đưa vào, công suất không tải và công suất điện từ theo dạng mômen nhân với tốc độ góc:

M  o

Trong đó: M 1 là mômen đưa vào;

M là mômen điện từ;

M o là mômen không tải

Phương trình (1.16) gọi là phương trình cân bằng mômen của máy phát điện một chiều

b Động cơ điện

Động cơ điện lấy công suất điện đưa vào và truyền công suất cơ ra đầu trục

Công suất điện mà động cơ điện nhận được từ lưới vào là:

P 1 = UI + U (I ư + I t ) (1.17)

Trong đó: I = I ư + I t là dòng điện từ lưới vào (I ư là dòng điện vào phần ứng, I t là dòng điện kích thích)

U là điện áp ở đầu cực máy

Công suất P 1 , một phần cung cấp cho mạch kích thích UI t còn phần lớn đi vào

phần ứng UI ư , tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trên mạch phần ứng p Cu.ư, còn đại bộ

phận là công suất điện từ P đt Ta có:

Công suất điện từ sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù

vào tổn hao cơ p cơ và tổn hao sắt p Fe (gọi chung là tổn hao không tải P o) Cuối cùng phần còn lại là công suất đưa ra ở đầu trụcP2M2

Ta cũng có thể viết theo dạng mômen nhân với tốc độ góc:

M o

Trong đó: M 2 là mômen đưa ra đầu trục máy;

M o là mômen không tải

Phương trình (1.23) gọi là phương trình cân bằng mômen của động cơ điện một chiều

1.4.4 Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều

Máy điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện, cũng có thể dùng làm động cơ điện Qua nghiên cứu ta thấy trong máy phát điện, chiều của mômen điện từ và tốc độ quay ngược nhau, còn dòng điện và sức điện động cùng chiều; trong động cơ điện thì mômen và tốc độ quay cùng chiều, còn dòng điện và sức điện động ngược chiều nhau Vì vậy chỉ cần có điều kiện khách quan khác nhau thì máy sẽ có tính chất làm việc khác nhau

Giả sử máy đang làm việc ở trạng thái máy phát Ta có dòng điện đưa ra

nghĩa là E ư > U Máy sinh ra mômen điện từ hãm

Nếu ta giảm từ thông  hoặc tốc độ n để giảm E ư xuống một cách thích đáng thì

E ư sẽ nhỏ hơn U và dòng điện I ư sẽ đổi chiều, E ư và I ư ngược chiều nhau Do chiều của từ thông  không đổi nên mômen điện từ M C MI u sẽ đổi dấu, nghĩa là M và n đã thành cùng chiều và mômen điện từ đó đã từ mômen hãm thành mômen quay Máy đã

chuyển từ máy phát điện sang động cơ điện Đó là tính chất thuận nghịch của máy điện

Tách động cơ sơ cấp ra ta sẽ được một động cơ điện một chiều thông thường

1.5 ĐỔI CHIỀU

1.5.1 Đại cương

Ta đã biết, khi chuyển động trong từ trường của một cực, mỗi phần tử dây quấn

thuộc vào một nhánh song song và dòng điện i ư, trong nó có chiều nhất định Lúc các cạnh của phần tử đi vào vùng trung tính thì phần tử bị chổi than nối ngắn mạch, dòng điện trong phần tử thay đổi để sau đó khi phần tử bước sang ranh giới của cực kế tiếp và

chuyển sang nhánh song song khác, dòng điện trong nó có chiều ngược lại (–i ư) Quá

Hình 1.10 – Quá trình đổi chiều

trình đổi chiều của dòng điện khi phần tử di động trong vùng trung tính và bị chổi than nối ngắn mạch được gọi là sự đổi

chiều

Để có khái niệm cụ thể, hình

trên trình bày quá trình đổi chiều dòng

điện trong phần tử b của dây quấn xếp

đơn Ta thấy khi chổi than phủ hoàn

toàn lên phím 1, dòng điện trong phần

tử b có chiều giả sử là +i ư Khi chổi

than hoàn toàn tách khỏi phím 1 thì

dòng điện trong phần tử b có chiều ngược lại (– i ư) Ở các vị trí trung gian, chổi than tiếp xúc với các phiến đổi chiều 1 và 2 khiến cho phần tử bị nối tắt và dòng điện trong nó biến đổi theo những quy luật nhất định, phụ thuộc vào quá trình quá độ điện từ xảy ra trong và xung quanh phần tử mà ta xét Quá trình đổi chiều của dòng điện trong mỗi phần tử tồn tại trong một thời gian rất ngắn Khoảng thời gian để dòng điện hoàn thành việc đổi chiều

gọi là chu kỳ đổi chiều, ký hiệu T dc Đó là thời gian cần thiết để vành góp quay đi một một góc ứng với chiều rộng của chổi, nghĩa là:

G

c dc

3000

1000  Việc đổi chiều có thuận lợi hay không, nói cách khác là chất lượng của sự đổi chiều phụ thuộc vào nhiều yếu tố cơ và điện từ Sự đổi chiều kém chất lượng được biểu hiện bên ngoài bởi sự hình thành tia lửa dưới các chổi than và trên mặt vành góp

1.5.2 Quá trình đổi chiều

Để thấy rõ quy luật biến đổi của dòng điện trong phần tử đổi chiều và nguyên nhân chủ yếu phát sinh tia lửa, từ đó có biện pháp cải thiện đổi chiều, ta nghiên cứu quy luật đổi chiều xảy ra ở phần tử của dây quấn xếp đơn Biểu thức của dòng điện trong phần tử đổi chiều có thể suy ra được từ các định luật Kirchhoff viết cho phần tử đó

Theo định luật thứ hai viết cho mạch vòng của phần tử, ta có:

Trong đó: i là dòng điện ngắn mạch chạy trong phần tử đổi chiều;

i 1 , i 2 là các dòng điện chạy qua dây nối với các phiến đổi chiều 1 và 2;

r pt là điện trở của phần tử;

r d là điện trở của dây nối;

r tx.1 , r tx.2 là điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến đổi chiều tương ứng

e là tổng các sức điện động cảm ứng sinh ra trong phần tử đổi chiều, bao gồm:

+ Sức điện động tự cảm e L gây ra do sự biến đổi của dòng điện i trong phần tử

đổi chiều

+ Sức điện động hỗ cảm e M do ảnh hưởng của sự đổi chiều đồng thời của các phần tử khác nằm trong cùng một rãnh

+ Sức điện động đổi chiều e dc sinh ra khi phần tử đổi chiều chuyển động trong

từ trường tổng hợp tại vùng trung tính Từ trường này do cực từ phụ và phản ứng phần ứng tạo thành

Các sức điện động e L và e M có tác dụng đối với quá trình đổi chiều như nhau và

tổng của chúng được gọi là sức điện động phản kháng e L + e M = e pk Để quá trình đổi

chiều tiến hành được thuận lợi, sức điện động đổi chiều e dc phải luôn ngược chiều với sức

điện động e pk Tuỳ theo tương quan giữa hai loại sức điện động đó, tính chất của quá trình đổi chiều cũng sẽ khác nhau

Theo định luật Kirchhoff thứ nhất, có thể viết các phương trình dòng điện lần lượt tại các điểm nút a và b như sau:

i i i

u

u

Các dòng điện i, i 1 , i 2 có thể suy ra từ các phương trình (1.29) và (1.30) nếu các đại

lượng khác trong các phương trình đó đã được biết Trên thực tế r tx.1 , r tx.2 không những

phụ thuộc vào i 1 , i 2 và thời gian mà còn phụ thuộc vào sự đốt nóng chổi than và phiến đổi chiều và cả hiện tượng điện phân dưới mặt chổi Hơn nữa tổng các sức điện động e

cũng khó xác định được chính xác nên dưới đây ta chỉ xét vấn đề được ở mức độ gần đúng Với giả thiết r pt 0 và r d 0 sau khi thay trị số i 1 và i 2 theo (1.29) vào (1.30) ta được:

2 1 2

1

1 2

tx tx u tx tx

tx tx

r r

e i

r r

r r i

Trong lý thuyết cổ điển về đổi chiều người ta giả thiết rằng r tx.1 và r tx.2 tỷ lệ nghịch

với bề mặt tiếp xúc S tx.1 và S tx.2 giữa chổi than và phiến đổi chiều Nếu cho rằng quá trình

đổi chiều bắt đầu khi t = 0 và kết thúc khi t = T dc với điều kiện b c = b G thì:

t S

S T

t T S

dc tx dc

dc tx

2

1

Trong đó S là mặt tiếp xúc toàn phần giữa chổi và phiến đổi chiều

Ký hiệu điện trở tiếp xúc toàn phần ứng với mặt tiếp xúc toàn phần bằng r tx ta có:

tx dc

dc tx

tx tx

r t

T r S

S r

r t T

T r

S

S r

2 2

1 1

Thay (1.33) vào (1.31) ta có quan hệ giữa dòng điện trong phần tử đổi chiều i và thời gian t như sau:

n u

dc r

e i

dc

dc tx

n  

2

.

1.5.3 Nguyên nhân sinh ra tia lửa và phương pháp cải thiện đổi chiều

1.5.3.1 Nguyên nhân sinh ra tia lửa

Tia lửa sinh ra dưới chổi than có thể do nguyên nhân cơ hoặc nguyên nhân điện từ Những nguyên nhân thuộc loại thứ nhất có thể là: vành góp không đồng tâm với trục, sự cân bằng bộ phận quay không tốt, bề mặt vành góp không phẳng do những phiến đổi chiều hoặc mica cách điện giữa các phiến đổi chiều nhô lên, lực ép trên chổi than không thích hợp, kẹt chổi trong hộp chổi, hộp chổi không được giữ chặt hay đặt không đúng vị trí v.v… Nguyên nhân thuộc loại thứ hai là do sức điện động đổi chiều không triệt tiêu được sức điện động phản kháng trong phần tử đổi chiều Ngoài ra còn phải kể đến sự phân bố không đều của mật độ dòng điện trên mặt tiếp xúc và quan hệ phi tuyến của điện trở tiếp xúc r tx  f , , trong đó  là thông số đặc trưng cho tác dụng nhiệt và hiện tượng điện phân dưới chổi than

Khi sự đổi chiều bị rối loạn phía sau chổi than phóng ra tia lửa mãnh liệt Chùm tia lửa này khi tắt để lại một vùng ion hóa và đó chính là điều kiện tốt để nếu nguyên nhân gây rối loạn chưa bị loại trừ, chùm tia lửa sau đó sinh ra càng mãnh liệt hơn Ở mức độ ác liệt, các chùm tia căng dài ra và sẽ nối từ chổi này sang chổi khác tạo nên một vòng lửa trên mặt vành góp Vòng lửa xuất hiện khi dòng điện trong phần ứng tăng lên quá định mức (quá tải, ngắn mạch trong hoặc ngoài máy) Để chống lại vòng lửa phải dùng dây quấn bù và trang bị máy cắt cực nhanh kịp thời cắt mạch ngay sau khi xảy ra sự cố (trong khoảng 0,050,01s) Cần chú ý rằng quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn và sinh ra dao động điện từ với tần số khoảng 10003000Hz

Nếu máy được sử dụng vào lĩnh vực vô tuyến

điện, sự đánh tia lửa dưới chổi than với tần số ấy

sẽ gây nhiễu trong hệ thống vô tuyến Để chống

sự nhiễu loạn ấy, người ta chia những cuộn dây

nối tiếp với phần ứng trong đó có các cuộn dây

của cực từ phụ thành 2 phần và nối đối xứng với phần ứng như Hình 1.11 Ngoài ra giữa các chổi và thân máy còn nối những tụ điện để tạo đường thoát cho các dao động tần số cao tại các đầu ra của máy

Hình 1.11 Chống nhiễu vô tuyến

điện

1.5.3.2 Các phương pháp cải thiện đổi chiều

Để tạo điều kiện tốt cho sự đổi chiều, trước hết cần phải giữ đúng những điều quy định về trạng thái của vành góp và cơ cấu giữ chổi than sao cho đảm bảo loại trừ được những nguyên nhân cơ sinh ra tia lửa Dưới đây ta xét những biện pháp tạo ra điều kiện

điện từ cần thiết cho sự đổi chiều dựa vào khuynh hướng làm giảm dòng điện phụ i f chạy

trong phần tử đổi chiều

a Cực từ phụ

Biện pháp cơ bản để cải thiện đổi chiều trong những máy điện một chiều hiện đại

là tạo ra từ trường ngoài, còn gọi là từ trường đổi chiều tại vùng trung tính bằng cách đặt những cực từ phụ giữa những cực từ chính

Sức từ động của cực từ phụ F t phải có chiều

ngược với thành phần ngang của phản ứng phần ứng F ưq

và có độ lớn sao cho ngoài việc trung hòa được ảnh

hưởng của F ưq còn tạo ra được từ trường phụ để sinh ra

sức điện động đổi chiều e dc làm triệt tiêu ảnh hưởng của

sức điện động phản kháng e pk Cực từ phụ ở máy phát

điện phải có cùng cực tính với cực từ chính mà các

cạnh trong phần ứng tại cực từ phụ sắp quay tới Ở

động cơ điện cực tính sẽ ngược lại

Như đã biết e pk  A  I ư và e đc  B đc , do đó để cực từ phụ có thể phát huy tác dụng thì điều kiện cơ bản là B dc  I ư Muốn vậy, dây quấn của cực từ phụ phải được nối nối tiếp với dây quấn phần ứng và dòng điện tải I ư phải thay đổi trong phạm vi khiến

mạch từ của cực từ phụ không bão hòa (Hình 1.12)

Trên hình vẽ, đường 1 là đường cong từ hóa của cực từ phụ, đường 2 là đường từ tản của cực từ phụ và đường 3 là đường cong dc(B dc) Từ O đến A quan hệ B dc = f(I ư )

còn tuyến tính, quá điểm A mạch từ bắt đầu bão hòa, tác dụng của cực từ phụ giảm bớt và tại vùng lân cận điểm C thì không còn tác dụng nữa Trên thực tế không thể đạt được

B dcI ư ở nhiều tải khác nhau và do đó không thể đạt được một vùng đổi chiều đường

thẳng Vì vậy ở những máy điện làm việc ở chế độ thường bị quá tải không nặng lắm, người ta chế tạo cuộn dây cực từ phụ thích hợp sao cho khi máy làm việc ở chế độ định mức thì sự đổi chiều hơi vượt trước (nhưng chưa có tia lửa), khi quá tải – đổi chiều đường thẳng và khi quá tải nặng – đổi chiều hơi trì hoãn

Hình 1.12 – Đường cong của

từ thông tại vùng đổi chiều

Cấu tạo của cực từ phụ phải làm sao tạo ra được từ trường đổi chiều trong khắp khu vực đổi chiều và sinh ra sức điện động đổi chiều tương ứng với sức điện động phản

kháng Thường khe hở dưới cực từ phụ bằng 1,5  2 lần khe hở dưới cực từ chính Bề

rộng mặt cực từ phụ vào khoảng 0,4  0,8 bề rộng của khu vực đổi chiều

Thường cực từ phụ được đặt ở những máy có P > 0,3kW Số cực từ phụ thường bằng số cực từ chính, tuy nhiên trong những máy có P < 2  2,5kW có thể chỉ đặt một

nửa số cực từ phụ là đủ

b Xê dịch chổi than khỏi vùng trung tính hình học

Ở những máy điện nhỏ, để thay thế cho tác dụng của cực từ phụ, ta có thể lợi dụng

từ trường tổng của máy để có từ trường đổi chiều bằng cách xê dịch chổi than khỏi vùng

trung tính hình học Ở trường hợp máy phát điện, muốn từ trường ở khu vực đổi chiều có

cực tính của cực từ chính mà sau khi đổi chiều các cạnh phần tử sẽ đi tới như ở trường

hợp cực từ phụ thì phải xê dịch chổi than thuận chiều quay của máy một góc: 

Trong đó:  là góc giữa các đường trung tính hình học và vật lý;

 là góc có trị số ứng với điều kiện từ trường tổng bằng từ trường đổi chiều

Trong trường hợp động cơ điện thì chổi than phải xê dịch ngược chiều quay của

máy

Phương pháp xê dịch chổi than có nhược điểm là do e pk phụ thuộc vào I ư nên mỗi

khi tải của máy thay đổi muốn cho e dc thay đổi theo bắt buộc phải xê dịch lại vị trí của chổi than để thay đổi góc Trên thực tế điều đó không thể thực hiện được và phương pháp này chỉ có thể cải thiện được đổi chiều ở một tải nhất định

c Dây quấn bù

Đối với các máy điện có công suất lớn hơn 150kW và làm việc trong điều kiện tải

thay đổi đột ngột, để ngăn ngừa hiện tượng vòng lửa và hỗ trợ thêm cho cực từ phụ, người ta dùng dây quấn bù Tác dụng của dây quấn bù là triệt tiêu từ trường của phần ứng trong phạm vi dưới mặt cực chính Kết quả là từ trường của cực chính hầu như không bị

biến dạng Vì từ trường phần ứng phụ thuộc theo dòng điện tải I ư nên để có thể bù được

từ trường đó ở tải bất kỳ, dây quấn bù phải được nối nối tiếp với dây quấn phần ứng Khi

có dây quấn bù, sức điện động của cực phụ sẽ được giảm nhỏ, mạch từ của cực phụ ít bão hòa hơn và hiệu quả cải thiện đổi chiều của cực từ phụ sẽ tăng lên

d Những biện pháp khác

Để giảm nhỏ dòng điện phụ i t và do đó cải thiện đổi chiều ta có thể tăng điện trở

tiếp xúc hoặc khi thiết kế khống chế sao cho sức điện động phản kháng e pk < 710V

Nhưng những biện pháp đó khiến cho cấu tạo máy phức tạp và công nghệ chế tạo khó khăn cho nên không được thông dụng

đã rất phổ biến Thông thường để có nguồn điện một chiều có thể dùng các máy phát điện một chiều quay bằng các động cơ sơ cấp như động cơ điện xoay chiều, động cơ đốt trong, tuabin…

Tùy theo các kích thích cực từ chính, máy phát điện một chiều được phân loại như sau:

Máy điện một chiều kích thích độc lập: bao gồm máy phát kích thích bằng nam

châm vĩnh cửu và máy phát kích thích điện từ Loại đầu chỉ được chế tạo với công suất nhỏ Loại thứ hai có dây quấn kích thích lấy dòng điện từ ắcquy, lưới điện một chiều hoặc máy phát điện một chiều phụ và được dùng nhiều trong các trường hợp cần điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn, điện áp thấp (4  24V) hoặc điện áp cao

trên 600V

Máy phát điện một chiều tự kích thích: có dòng điện kích thích lấy từ bản thân

máy phát điện Tùy theo cách nối các dây quấn kích thích, ta có:

Máy phát điện một chiều kích thích song song;

Máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp;

Máy phát điện một chiều kích thích hỗn hợp

Trong mọi trường hợp, công suất kích thích chiếm 0,3  5% công suất định mức

của máy

2.1.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều

Máy phát điện một chiều có bốn đại lượng đặc trưng là U, I ư , I t và n Trừ tốc độ n được động cơ sơ cấp giữ không đổi, ba đại lượng còn lại U, I ư , I t là những đại lượng biến thiên có liên hệ chặt chẽ với nhau Với ba đại lượng đó có thể thành lập ba mối quan hệ

cơ bản: U = f(I ư ) khi I t = C te ; U = f(I t ) khi I ư = C te và I ư = f(I t ) khi U = C te Dựa vào đó, khi nghiên cứu máy phát điện một chiều ta có các đặc tính sau đây:

Hình 2.1 – Đặc tính không tải của máy phát điện một chiều

- Đặc tính không tải U o = E o = f(I t ) khi I = 0, n = Cte;

- Đặc tính ngắn mạch I n = f(I t ) khi U = 0, n = Cte;

- Đặc tính ngoài U = f(I) khi I t = Cte, n = Cte;

- Đặc tính tải U = f(It) khi Iư = Cte, n = Cte;

- Đặc tính điều chỉnh I t = f(I ư ) khi U = Cte, n = Cte Trong năm đặc tính trên, đặc tính không tải là trường hợp đặc biệt của đặc tính tải

khi I ư = 0 và đặc tính ngắn mạch là trường hợp đặc biệt của đặc tính điều chỉnh khi U = 0

Tất cả năm đặc tính đó đều có thể thành lập được bằng thí nghiệm trực tiếp trên máy phát điện Tuy nhiên trong một số trường hợp, để đơn giản chỉ cần làm hai thí nghiệm không tải và ngắn mạch, sau đó dựa vào tam giác đặc tính để suy ra ba đặc tính còn lại Dưới đây sẽ trình bày các đặc tính không tải, đặc tính ngắn mạch và cách thành lập tam giác đặc tính của các loại máy phát điện, vì về cơ bản chúng không có gì khác nhau Còn các đặc tính làm việc bao gồm đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh sẽ được nghiên cứu riêng biệt đối với từng loại máy

Đặc tính không tải U o = E o = f(I t ) khi I = 0, n = C te

Cho máy phát điện làm việc ở tốc độ n không đổi, cầu dao để hở mạch không nối với tải bên ngoài (I = 0), đo các trị số I t và U tương ứng ta sẽ có đặc tính không tải

Cần chú ý, đối với máy phát điện kích thích độc lập, do có thể đổi chiều dòng điện kích thích nên ta có thể vẽ được toàn bộ chu trình trễ đối xứng ABA’B’A giữa hai trị số giới hạn của dòng điện kích thích I tm ứng với điện áp cỡ (1,151,25)U dm

Đối với máy phát điện tự kích thích, do cực tính ở đầu máy (chổi than) là cố định

và không thể thực hiện được –I t nên ta chỉ có thể vẽ

được chu trình phụ ABA giữa +I tm và 0

Đoạn OB (Hình 2.1) là sức điện động ứng với

từ dư trong mạch từ của máy Sức điện động này rất

nhỏ, thường bằng 2  3 % U dm nên có thể bỏ qua, vì

vậy đặc tính không tải của máy phát điện một chiều

là đường trung bình đi qua gốc tọa độ AOA’ biểu thị

bằng đường đứt nét Đó cũng chính là đường cong từ

hóa của máy phát điện suy ra được khi tính toán

mạch từ của máy lúc không tải

Đặc tính ngắn mạch I = f(I t ) khi U = 0, n = C te

Để có đặc tính ngắn mạch tất cả các loại máy

phát điện một chiều đều phải được kích thích độc lập

Nếu đem nối ngắn mạch các chổi than và cho máy

phát điện làm việc ở tốc độ không đổi rồi đo các trị số

I t và I tương ứng ta được các đặc tính ngắn mạch

Theo biểu thức U = E ư – I ư R ư khi ngắn mạch

E ư =I ư R ư Do R ư rất nhỏ, mặt khác phải giữ cho dòng

điện I không lớn quá trị số (1,251,5)I dm nên E ư rất

nhỏ và dòng điện kích thích I t tương ứng cũng sẽ rất

nhỏ Vì I t nhỏ nên mạch từ của máy không bão hòa(C te), E ư  I t do đó I  I t và đặc tính ngắn mạch là một đường thẳng Nếu máy đã được khử từ dư thì đường thẳng này đi qua gốc tọa độ (đường 1 – Hình 2.2) Nếu máy chưa được khử từ ta sẽ có đường 2, và để

có đặc tính ngắn mạch tiêu chuẩn ta chỉ việc vẽ đường thẳng song song với đường 2 qua gốc tọa độ

Tam giác đặc tính

Để thành lập tam giác đặc tính trên hệ tọa

độ chung có trục hoành I t, ta vẽ các đặc tính

không tải (đường 1) và đặc tính ngắn mạch

(đường 2) (Hình 2.3) Giả sử khi ngắn mạch

trong phần ứng có dòng điện I đm tương ứng với

dòng điện kích thích I t = OC Dòng điện kích

thích dành một phần OD để sinh ra sức điện động

khắc phục điện áp rơi trên điện trở phần ứng

I đm R ư = AD = BC; phần còn lại DC = AB dùng

để khắc phục phần ứng lúc ngắn mạch Tam giác ABC

gọi là tam giác đặc tính có cạch BC tỷ lệ với dòng

điện phần ứng I, và cạnh AB trong điều kiện mạch từ

không bão hòa tỷ lệ với phản ứng phần ứng, nghĩa là

cùng tỷ lệ với dòng điện I

Độ lớn của cạnh AB phụ thuộc vào loại máy và

lớn nhất ở máy điện một chiều không có dây quấn bù

Hình 2.3 – Dựng tam giác đặc tính trong trường hợp phản ứng phần khử

từ

Hình 2.4 – Dựng tam giác đặc tính trong trường hợp phản ứng

phần ứng trợ từ Hình 2.2 – Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện một chiều

và cực từ phụ Ở máy có dây quấn bù và cực từ phụ, phản ứng phần ứng hầu như bị triệt tiêu, cạnhAB0 Ở máy điện một chiều kích thích hỗn hợp, dây quấn nối tiếp có tác

dụng trợ từ và nếu sức điện động của nó lớn hơn AB, nghĩa là ngoài phần sức điện động triệt tiêu ảnh hưởng của phản ứng còn sức điện động để trợ từ, thì cạnh AB sẽ nằm về phía bên phải của BC (Hình 2.4)

2.1.2.1 Máy phát kích thích độc lập hay kích thích độc lập – nối tiếp

Dòng điện kích thích và điện áp của loại máy phát này có thể thay

đổi trong một phạm vi rộng nhờ biến trở điều chỉnh (Hình 2.5) Do đó

chúng được dùng trong những trường hợp mà khi đó yêu cầu điện áp điều

chỉnh bằng phẳng từ 0 đến U đm

a Đặc tính ngoài của máy phát U = f(I) khi R to = R t + R đc =

const hay I t = const được xây dựng bằng phương pháp đồ thị (Hình 2.6)

nhờ đặc tính không tải và tam giác đặc tính

Đặc tính không tải được biểu diễn dưới

dạng quan hệ với dòng điện kích thích Cạnh bc

của tam giác đặc tính cũng được tính dưới dạng

dòng điện kích thích

t ud

F bc



sức từ động của phần ứng Để vẽ được đặc tính,

tự cho một loạt các dòng điện phần ứng I = I ư

Với mỗi một dòng điện đã chọn, người ta đặc

tam giác sao cho đỉnh b của nó nằm trên đặc tính

không tải, còn đỉnh c trên đường I t = const Khi đó khoảng cách từ điểm a đến trục hoành

sẽ bằng điện áp U Cách vẽ trên (Hình 2.6) được tiến hành cho trường hợp có ảnh hưởng

khử từ của sức từ động dòng điện phần ứng, khi đó Fưd < 0 và điểm b được đặt bên trái điểm c Ở máy phát kích thích độc lập – nối tiếp mắc kiểu hỗn hợp thuận, trong trường hợp khi mà sức từ động của dây quấn nối tiếp F n lớn hơn | F qd | và F ưd = F n – F qd > 0,

cách vẽ cũng tiến hành tương tự, nhưng điểm b được đặc bên phải điểm c

Để biểu diễn giải tích đặc tính ngoài, trước tiên cần xấp xỉ đặc tính không tải trên đoạn cần thiết bằng một parabol:

E to E to

E I b I c a

E 2  

(2.1)

Hình 2.5

Hình 2.6 – Cách xây dựng đặc tính ngoài của máy phát kích thích độc lập

Sau đó biểu diễn dòng kích thích tổng dưới dạng hàm của dòng I ư:

u u t t

ud t

to I F I c I

I    

Trong đó:

udm t

ud u

I

F c



 và dựa vào xấp xỉ (2.1) viết phương trình đặc tính ngoài:

U u U u

U I b I c a

U 2  

(2.2) Trong đó:

E t E t E t U

u E E u u U

u E U

c I b I a E c

R b a I c b

c a a

;

Bởi vì a U cũng như a E luôn luôn âm, nên đặc tính ngoài của máy phát xét có dạng

parabol với đỉnh hướng lên trên Khi I ư = 0, điện áp

U = c U = E t Đặc trưng của sự biến đổi điện áp với

sự tăng trưởng của tải (dòng điện I ư) phụ thuộc vào

dấu của hệ số b U Khi b U = 0, đạo hàm

U u U I

u

b b

I a dI

dU

U u

Và điện áp đổ xuống theo đường cong 1

(Hình 2.7), b U = 0 được thấy ở máy phát kích thích

hỗn hợp, khi đó

E E t

u u

b a I

R c





2

Khi b U < 0, với tải tăng lên, điện áp sụt xuống nhiều hơn so với khi b U = 0 (đường

cong 2); những b U như thế có ở máy phát kích thích hỗn hợp thuận hay kích thích độc lập, khi đó

E E t

u u

b a I

R c





2 Cuối cùng, khi b U > 0 với tải tăng lên, điện áp bắt đầu tăng

lên đạt tới trị số Umax khi

U

U u

a

b I

2

max   và sau đó bắt đầu giảm xuống (đường cong 3);

những bU như thế có ở máy phát kích thích hỗn hợp thuận, khi đó

E E t

u u

b a I

R c

trước Khi thay U = 0 vào (2.1) ta tìm được dòng điện phần ứng khi mà đặc tính ngoài cắt

với trục hoành:

U

U U U U

U u

a

c a b b

I

2

4

2 )

0 (

b Cách xây dựng đặc tính điều chỉnh I t = f(I ư ) với U = const (Hình 2.8) Ở

đây cũng tự cho một số dòng điện phần ứng I = I ư và với

mỗi một trị số dòng điện đã chọn đặt tam giác đặc tính

làm sao cho các điểm aa 1 nằm trên đường U = const, còn

các điểm bb 1 ở trên đặc tính không tải Khi đó khoảng

cách từ điểm a đến trục tung bằng dòng điện kích thích

cần thiết Hình 2.8 ứng với trường hợp khi F ưd < 0 Ở

trường hợp F ưd > 0, điểm b được đặt ở bên phải điểm c

Để biểu diễn giải tích đặc tính điều chỉnh khi

U=const, ta cũng có thể dùng phép xấp xỉ (2.1) Trước

hết, cho dòng điện Iư, ta xác định được sức điện động

E=U + R ư I ư; sau đó dựa vào (2.1) ta tìm dòng điện kích

thích tổng I to ứng với sức điện động đó:

E

E E G G

to

a

E c a b b

I

2

)(

u u E

E E E

a

I R U c a b b

2

)(

4

2

(2.4)

Quan hệ I t = f(I ư ) thu được là biểu thức giải tích của đặc tính điều chỉnh Hình

dáng của đặc tính phụ thuộc vào biểu hiện của sức từ

động phần ứng và điện áp rơi trong mạch phần ứng

Khi I ư = 0, tất cả các đặc tính đi qua điểm

)(

4

2

U c a b b

I t x  E E E E trên trục tung

Từ điểm đó, đặc tính hợp với trục hoành một

góc:

u o I

u

t

c c dI

;

Hình 2.8 – Cách xây dựng đặc tính điều chỉnh của máy phát kích thích độc lập

Hình 2.9 – Đặc tính điều chỉnh của máy phát độc lập – nối tiếp