Giáo trình Máy điện - Phần 2 - Nguyễn Ngọc Trung & Phạm Hữu Tấn

i điện A vẫn nối phiến gĩp phía trên, chổ than B nối phiên gĩp phía dưới, nên chiều dịng điện ở mạch ngồi khơng đổi. Ta cĩ máy phát điện một chiều với cực dương chổi than A, cực âm chổi than B. Để điện áp lớn và ít đập mạch, dây quấn phải cĩ nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều. Ở chế độ máy phát điện dịng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư. Phương trình cân bằng điện áp trên hai cực của máy phát sẽ là: U = Eư - Iư.Rư 1.3.2. Động cơ điện Khi cho điện áp U vào chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng cĩ dịng điện. Các thanh dẫn ab, cd cĩ dịng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tác dụng làm cho roto quay. Chiều lực từ xác định theo quy rắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chổ cho nhau, do cĩ phiến gĩp, đổi chiều dịng điện, giữ cho lực tác dụng khơng đổi, đảm bảo động cơ cĩ chiều khơng đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở chế độ động cơ i nh 1.6: Nguyên lý làm việc của động cơ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 131 - điện chiều sức điện động Eư ngược chiều với dịng điện Iư, nên Eư cịn gọi là sức phản điện. Phương trình cân bằng điện áp sẽ là: U = Eư + RưIư 1.4. CÁC TRỊ SỐ ĐỊNH MỨC Chế độ làm viêïc 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 đại 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 (vòng/phút). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điêøu kiện sử dụng, Câu hỏi: 1. Cấu tạo 2. Nguyên lý làm việc 3. Các đại lượng định mức Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 132 - Chương 2: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1. MƠMEN VÀ CƠNG SUẤT ĐIỆN TỪ 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 moment điện từ trên trục máy. Giả thuyết ở một chế độ làm việc nào đó của máy điện một chiều, từ trường và dòng điện phần ứng ở dưới cực từ như hình vẽ, thì theo qui tắc bàn tay trái moment điện từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh đẫn có chiều từ phải sang trái. Lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn bằng: f= Btb.liư Nếu tổng thanh dẫn của dây bằng N, dòng điện trong mạch nhánh iư = Iư /2a thì moment điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng bằng: 22 D lN a I BM ư tb  Trong đó: Btb: từ cảm trung bình trong khe hở. Iư: dòng điện phần ứng a: số đôi mạch nhánh. l: chiều dài tavs dụng của thanh dẫn D: đường kính ngoài phần ứng Do    p D 2 , l B bt     nên ta có: ưMư ICI a pN M     2 Trong đó:  : từ thông dưới mỗi cực tính bằng wb. a pn C M   2 : hệ số phụ thuộc vào kết cáu của máy điện. Trong máy phát điện, khi quay máy theo một chiều nhất địnhtrong từ trường thì trong dây dẫn sẽ sinh ra sức điện động mà chiều xác định theo qui tắc bàn tay phải. Khi có tải thì dòng điện sinh ra cùng chiều với sức điện động nên moment điện từ sinh ra sẽ ngược chiều quay với chiều quay của máy. Vì vậy ở máy phát điện moment điện từ là một moment hãm. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 133 - Trong động cơ điện khi có dòng điện vào phần ứng thì dưới tác dụng của từ trường, trong day quấn sẽ sinh ra moment điện từ kéo máy quay, vì vậy chiều quay của máy trùng với chiều quay của moment Công suất đối với moment điện từ đưa vào hay đưa ra gọi là công suất điện từ: Pđt = Mω Trong đó: M: moment điện từ 60 2 n  : tốc độ góc phần ứng. Thay vào ta được: ưưđt In a pNn I a pN MP       6060 2 2 Trong công thức này ta thấy quan hệ giữa công suất điện từ và moment điện từ và sự trao đổi năng lượng trong máy điện. Trong máy phát điện công suất đã chuyển công suất cơ Mω thành công suất điện Eư.Iư. ngược lại trong cơ điện công suất điện từ đã chuyển công suất điện Eư.Iư thành công suất cơ Mω. 2.2. QUÁ TRÌNH NĂNG LƢỢNG VÀ CÁC PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG 2.2.1. Tổn hao trong máy điện một chiều Trong máy điện một chiều đại bộ phận công suất cơ thành công suất điện, hay công suất điện thành công suất 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 thành bốn loại sau. Tổn hao Pcơ: Bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao chổi than và vành góp, tổn hao thông gió tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho ổ bi, vành góp bị nóng lên. Tổn hao sắt PFe: Do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên. Tổn hao này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài tấm thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm và tần số f. khi lõi thép đã định hình thì tổn hao thép tỷ lệ với f 1, 2÷1, 6 và B 2 Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải: P0 = P cơ + PFe Tổn hao cơ và sắt sinh ra moment hãm và moment này tồn tại khi không tải nên gọi là moment không tải M0. quan hệ giữa M0 và P0 M0= P0/ω Trong đó: ω là tốc độ góc của rotor Tổn hao đồng Pcu: tổn hao đồng bao gồm tổn hao đồng trong mạch phần ứng Pcu.ư và tổn hao đồng trong mạch kích từ Pcu.t Tổn hao phụ Pt : trong đồng và thép đều sinh ra tổn hao phụ. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 134 - Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần ứng các bulông ốc vít trên phần ứng làm từ trường phân bố không đều trên 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 ứng thay đổi, dòng điện phan bố không đều trên bề mặt chổi than làm tổn hao tiết xúc lớn, từ trường phân bố không đều trên các rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy, tổn hao trong dây nối cân bằng sinh ra. 2.2.2. Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều Máy phát điện: Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp kéo quay với một tốc độ nhất định. Công suất đưa vào P1, tiêu hao đi một phần để bù vào tổn hao cơ Pcơ và tổn hao sắt PFe, còn đại bộ phận biến thành công suất điện từ Pđt. Ta có: P1 = Pđt + ( Pcơ + PFe ) = Pđt + P0 Pđt = Eư.Iư Khi có dòng điện chạy trong dây dãn thì có tổn hao đồng, nên công suất điện đưa ra bằng: P2 = Pđt – Pcu = Eư.Iư – Iư2.Rư = U.Iư. Chia hai vế cho Iư ta được: U = Eư – I=.Rư Đó là phương trình cân bằng sức điện động của máy phát điện một chiều. Động cơ diện một chiều: Động cơ điện lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục. Công suất mà động cơ nhận được từ lưới vào: P1 = U.I = U(Iư + It). Trong đó : I = Iư + It – dòng điện từ lưới điện vào (Iư là dòng điện phần ứng, It là dòng điện kích từ) U – điện áp ở đầu cực máy. Công suất P1 một phần cung cấp cho mạch kích từ còn phàn lớn đi vào phần ứng tiêu hao một ít trong dây quấn đồng trong mạch phần ứng còn đại bộ phận là công suất điện từ Pđt P1 = Pcu.ư + Pcu.t + Pđt Công suất điện từ chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù vào tổn hao cơ Pcơ và tổn hao sắt PFe. Cuối cùng còn lại công suất đưa ra đầu trục: Pddt = Pcơ + PFe + P2 = Po + P2. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 135 - 2.3. TÍNH CHẤT THUẬN NGHỊCH TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện một chiều, cũng có thể dùng làm động cơ. Qua sự nghiên cứu ở các mục trên ta thấy trong máy phát điện, chiều của moment điện từ và tốc độ quay ngược nhau, còn dòng điện và sức điện động cùng chiều; trong động cơ điện thì moment 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 chế độ máy phát. Ta có dòng điện đưa ra ư ư ư R UE I   nghĩa là Eư > U máy sinh ra moment điện từ hãm. Nếu ta giảm từ thông hoặc tốc độ n để giảm Iư xuống một cách thích đáng thì Iư sẽ nhỏ hơn U và dòng điện Iư sẽ đổi chiều, Iư và Eư sẽ ngược chiều nhau. Do chiều của từ thông không đổi nên moment điện từ sẽ đổi dấu nghĩa là m và n sẽ cùng chiều và moment điện từ đó đã từ moment hãm thành moment quay. Máy đã chuyển từ máy phát sang động cơ điện. Tách động cơ sơ cấp ra, ta được một động cơ thông thường. Câu hỏi: 1. Mơmen điện từ 2. Cơng suất điện từ 3. Phương trình cân bằng năng lượng 4. Tính thuận nghịch Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 136 - Chương 3: TỪ TRƢỜNG LƯC CĨ TẢI 3.1. ĐẠI CƢƠNG Khi máy làm việc không tải, trong máy chỉ có dòng điện trong dây quấn kích từ sinh ra từ trường. Từ trường đó gọi là từ trường không tải. Khi có tải, trong dây quấn phần ứng có dòng điện tải chạy qua. Dòng điện này còn chạy qua dây quấn cực từ phụ và trong những máy lớn còn qua cả dây quấn bù. Dòng điện chạy qua các dây quấn đó sẽ sinh ra từ trường cho nên khi có tải, trong máy, ngoài từ trường cực từ chính ra còn có từ trường phàn ứng, từ trường cực từ phụ và từ trường dây quấn bù. Tất cả từ trường đó tác dụng với nhau để thành từ trường khe hở làm thay đỏi từ trường lúc không tải của máy. 3.2. TỪ TRƢỜNG PHẦN ỨNG Chiều của từ trường phần ứng: muốn tạo nên một từ trường phần ứng riêng, ta cho qua chổi than vào phần ứng một dòng điện một chiều sao cho dòng điện trong các thanh dẫn giống như lúc máy làm việc bình thường. Khi trong phần ứng có dòng điện thì bản thân phần ứng là một nam châm điện. Ta cần chú ý là dù máy quay hay không thì sự phân bố của dòng điện trong dây vẫn không đổi, nghĩa là dòng điện ở hai bên chổi than khác dấu nhau. Vì vậy từ trường phản ứng sinh ra đứng yên mà trục sức từ động của nó luôn luôn trùng với trục chổi than. Ở đây nói đến trục sức từ động là chỉ trục sức từ động tổng của cả dây quấn sinh ra mà không riêng gì phần tử dây quấn nào, cho nên dù dây quấn kiểu gì thì kết luận trên vẫn đúng . Sự phân bố của từ trường trên bề mặt phần ứng: Theo hình ta thấy dưới mỗi cực từ, đường sức từ đi ra ở dưới 1/2 cực từ và đi vào ở dưới ½ cực từ, do đó tác dụng của nó trong khe hở ơ dưới hai nửa cực từ có chiều ngược nhau. Theo định luật toàn dòng điện, ở điểm giữa mạch nhánh dây quấn giữa hai chổi than, nghĩa là ở tâm cực từ khi chổi than ở trên đường trung tính hình học tác i nh 3.1: Phản ứng phần ứng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 137 - dụng của sức từ động phần ứng bằng 0. Vì vậy thường lấy điểm giữa hai chổi than làm gốc để xét sự phân bố của sức từ động phần ứng trên bề mặt phần ứng. Giả sử bề mặt phần ứng nhẵn, khe hở đều dưới mặt cực từ và dây quấn phần ứng phân bố đều trên mặt phần ứng. Gọi N là tổng thanh dẫn của dây quấn, a I i ư ue 2  là dòng điện trong thanh dẫn (trong đó Iư là dòng điện phần ứng, a là số đôi mạch nhánh) thì số ampere thanh dẫn trên đơn vị chiều dài của chu vi phần ứng bằng: D Ni A ư   A/cm. Trong đó: D- dường kính ngoài phần ứng tính bằng cm. Trị số A gọi là phụ tải đường của phần ứng, đó là một tham số quan trọng trong khi thiết kế máy. 3.3. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi máy điện làm có tải, dòng điện trong phần ứng sinh ra từ trường phần ứng. Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. 3.3.1. Chổi than đặt trên đường trung tính hình học Sự phân bố của từ thông tổng do từ trường cực từ chính và từ trường phần ứng hợp lại như hình 1a. Cũng có thể dùng hình khai triển của nó hình 1b để phân tích từ thông khe hở khi có phản ứng phần ứng. Trong hình 1b đường 1 chỉ phân bố từ trường chính, đường 2 chỉ đường phân bố từ trường phần ứng. Khi mạch từ không bảo hòa thì theo nguyên lý xếp chồng, sự phân bố từ trường tổng như đường 3 nghĩa là cộng hai từ trường cực từ và từ trường phần ứng lại. Nhưng khi mạch từ bảo hòa thì dùng nguyên lý xếp chồng không hoàn toàn đúng vì lúc mạch từ bảo hòa thì từ thông không tăng tỉ lệ theo suất từ động nữa nên thực tế sự phân bố từ trường tổng như đường 1. i nh 3.2: Trung tính hình học và trung tính vật lý Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 138 - Từ những phân tích trên ta được những kết luận về tác dụng của phần ứng như sau : Khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học chỉ có phần ứng ngang trục mà tác dụng của nó là làm méo từ trường khe hở. Đối với máy phát thì ở mõm ra cực từ (mõm cực từ mà phần ứng đi ra) máy được trợ từ, ở mõm vào của cực từ thì khử từ. Đối với động cơ thì chiều quay ngược của máy phát nên ta kết luận ngược lại. Nếu mạch từ không bảo hòa thì từ trường tổng không đổi vì tác dụng trợ từ và khử từ là như nhau. Nếu mạch từ bảo hòa 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 không 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 Fưq làm méo từ trường khe hở và do đó xuất hiện đường trung tính vật lý. Nếu mạch từ không bảo hòa thì từ thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bảo hòa thì từ thông tổng giảm đi một ít. 3.3.2. 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 thành hai phần ngang trục Fưq và dọc trục Fưt. Tác dụng của phần ứng ngang trục như đã nói ở trên là làm méo từ trường cực từ chính và khử từ một ít nếu mạch từ bảo hòa. Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh hưởng đến cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tùy theo xê dịch của chổi than. Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay của náy phát (ngược i nh 3.3: Phân bố từ trường Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 139 - 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 và ngược chiều quay của phần ứng nếu là động cơ. Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hưởng vị trí số của từ thông tổng mà không làm cho nó biến dạng. Khi chổi than đặt trên đường trung tính hình học, các cực từ phụ không ảnh hưởng đến 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 than khỏi đường trung tính hình học ví dụ theo chiều quay phần ứng ở chế độ máy phát thì trong phạm vi một bước cực tác dụng khử từ của cực từ phụ lớn hơn tác dụng 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. 3.4. TỪ TRƢỜNG CỰC TỪ PHỤ Hiện nay hầu hết các máy điện một chiều (trừ những máy có công suất 0.4KW) đều có đặt 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 trên đường trung tíng hình học từ trường khác 0 và từ trường đó lại cùng chiếu với từ trường dưới cực từ đứng trước đường trung tính hình học theo chiều quay của máy phát. Để cải thiện đổi chiều, thường yêu cầu ở khu vực đổi chiều (tức khu vực có 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 điện 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 từ tính của cực từ phụ phải cùng cực tính với cực từ chính mà phần ứng sẽ chạy vào nên máy ở chế độ máy phát (còn đối với động cơ thì ngược lại). Để triệt tiêu từ trường phần ứng ngang trục, từ trường cực từ phụ phải tỉ lệ thuận với dòng điện tải nên dây quấn cực từ phụ phải được mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch từ không bảo hòa. 3.5. TỪ TRƢỜNG CỦA DÂY QUẤN BÙ Như đã biết, ảnh hưởng của phần ứng làm cho méo từ trường khe hở, do đó điện áp phân bố trên các phiến đổi chiều không đều vì vậy đổi chiều của các máy có khó khăn. Vì vậy 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 làm cho từ trường khe hở căn bản không bị méo nữa. 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. Trên hình khai triển hình 6 các đường 1, 2 biểu thị sự phân bố các sức từ động, phần ứng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 140 - ngang trục Fưq và của dây quấ bù Fb. Ta thấy 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 dó đó ở giữa hai cực từ không bù được mà còn lại một phần (trong hình gạch chéo). 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, từ trường tổng của máy như hình 6b. Ta thấy sự phân bố của từ trường đó gần giống như từ trường lúc không tải mà không phụ thuộc vào tải của máy. Điều đó đảm bào cho máy đổi chiều tốt. 3.6. ĐỔI CHIỀU DÕNG ĐIỆN 3.6.1. Đại cương Khi chuyển động trong từ trường của một cực, mỗi phần tử dây quấn thuộc vào một nhánh song song và dòng điện Iư, trong nó có chiều nhất định. Lúc các cạnh của các 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 (- iư). Quá trình đổi chiều của dòng điện khi phần tử di động trong vùng trung tính và bị chổi than nối ngắn mạch được gọi làsự đổi chiều. G dc V bc T  Trong đó: bc: Chiều rộng của chổi góp. VG: Tốc độ dài của vành góp. Hình 3.4: Quá trình đổi chiều dịng điện Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 141 - G D b G G  Nếu chúng ta ký hiệu: DG: Đường kính của vành góp. : Bước góp G: Số phiến góp G C G b b B  Và biết rằng tốc độ của vành góp là: VG = DG.n = bG.Gn (3-1) n: Tốc độ quay của vàng góp. n.G BT Gdc 1  ; Tđc: Chu kỳ đổi chiều dây quấn xếp (3-2) G GC dc V b)m(b T 1  Thay bc = BG ; m = a/ p và trị số của DG sẽ thu được: n.G ) p a (B T G dc 1  (3-3) 3.6.2. 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 nêu ra biện pháp cải thiện đổi chiều, ta hãy nghiên cứu qui luật đổi chiều xảy ra ở phần tử dây quấn xếp đơn trên hình 34-1b. 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: irpt + i1(rđ + rtx.1) – i2(rđ + rtx.2) =  C (3-4) Trong đó: i: dòng điện ngắn mạch chạy trong phần tử đổi chiều i1, U2: các dòng điện chạy qua dây nối các phiến đổi chiều 1 và 2. rpt : điện trở của phần tử. rđ: điện trở của dây nối. rtx1, 2: điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến đổi chiều tương ứng.  C: tổng các sức điện động Sức điện động tự cảm eL gây ra do sự biến đổi của dòng điện I trong phần tử đổi chiều. Sức điện động hổ cảm eM do ảnh hưởng của sự đổi chiều đồng thời của các phần tử khác nằm trong cùng một rãnh. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 142 - Sức điện động đổi chiều eđc, sinh ra phần tử đổi chiều chuyển động trong từ trường hỗn hợp tại vùng trung tính. Từ trường này như đã trình bày ở chương 3A do cực cực từ phụ và phản ứng phần cứng tạo thành. Các sức điện động eL và eM có tác dụng đối với quá trình đổi chiều như nhau và tổng của chúng được gọi là sức điện động phản kháng eL + eM = epa. Đổi chiều đường thẳng: C = 0 thì dòng điện phụ trong phần tử đổi chiều bằng không và từ ta có: u dc i) T t (i 2 1 Khi đổi chiều đường thẳng, mật độ dòng điện ở bề mặt tiếp xúc phía đi ra và phía đi vào bằng: t i . S T S i i tT i . S T S i i dc tx dc dc tx 2 2 2 2 1 1 1    (3-5) Trên hình ta thấy: 2 2 1 1   tg t i ;tg tT i dc Vì ở trường hợp đổi chiều, đường thẳng 1 = 2 cho nên trong suốt quá trình đổi chiều i1 = i2 = C te và quá trình đổi chiều tiến hành được thuận lợi. Đổi chiều đường cong: C  0 cho nên trong phần tử đổi chiều sẽ xuất hiện dòng điện phụ it xác định theo số hạng thứ hai của biểu thức. Dòng điện phụ it sẽ cộng với dòng điện có bản icb khiến cho quan hệ i = f(t) không còn là đường thẳng nữa và ta có đổi chiều đường cong. Dịng điện phụ is khi đổi chiều vượt trước (C>0) và đổi chiều trì hoãn (C<0). Xác định các sức điện động trong phần tử đổi chiều: Để đảm bảo điều kiện đổi chiều bình thường của máy, khi thiết kế cần phải xác định các sức điện động sinh ra trong phần tử đổi chiều để giới hạn chúng trong một phạm vi nhất định. Dưới đây ta sẽ lần lượt tính các sức điện động đó. Sức điện động tự cảm eL: Sức điện động tự cảm eL có dạng: dt di Le L  Trong đó: L: hệ số tự cảm của phần tử. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 143 - dc thL dctb T Liu e T iu dt di 2 2         Vì quá trình đổi chiều, dòng điện I biến đổi từ +iư đến –iư nên giá trị trung bình của đạo hàm trong chu kỳ đổi chiều Tđc. do đó: Từ thông  sinh ra sức điện động tự cảm eL trong phần tử đổi chiều bao gồm từ thông tản qua rãnh th, từ thông tản đính năng. Sức điện động hổ cản:   n i n S n MM dt din Mee 1 Trong đó: Mn: hệ số hỗ cảm giữa phần tử đang xét và phần tử thứ n. in: dòng điện trong phần tử thứ n. Sức điện động: hỗ cảm eM cũng các tác dụng giống như sức điện động tự cảm eL. Trị số trung bình của nó bằng:  n dc u Mth M. T i. e 2 (3-6) Tương tự như đối với suất điện động tự cảm biểu thức cuối cùng của sức từ động hỗ cảm có dạng:    M a uSS Mth ) p a ( V.Alw e 1 2 (3-7) Trong đó: M: suất dẫn từ do hỗ cảm trên đơn vị dài của cạnh tác dụng của phần tử. Sức từ động phản kháng:    )( ) p a ( V.Wl eee ML G uadt th.Mth.Lpkth 2 (3-8) Để tính epkth phải xác định L và M. Cách xác định các suất dẫn từ đó sẽ được trình bày chung trong phần tham số dây quấn của máy điện xoay chiều. Sức điện động đổi chiều: eđc. Gọi Bđc là từ cảm tổng hợp của từ trường cực từ phụ và từ trường của phần ứng tại vùng trung tính (còn gọi là từ cản đổi chiều) thì biểu thức sức từ động đổi chiều có dạng: eđc = 2Bđc.WS.lđc.Vư (3-9) Trong đó: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 144 - lđc: chiều dài của thanh dẫn cắt đường sức của từ trường đổi chiều. Đổi chiều khi bc > bG: Xét quá trình đổi chiều của dây quấn xếp bước đủ, có các phần tử bằng nhau với số rãnh nguyên tố u = 4 và bc = 2, 4bG Dưới đây ta sẽ xác định sức điện động phản kháng epk và chiều rộng vùng đổi chiều trong trường hợp đó. Sức điện động phản kháng: Để đơn giản, ta giả thiết hệ số tự cảm và hệ số hỗ cảm của những phần tử cùng nằm trong một rãnh bằng nhau và có quá trình đổi chiều đường thẳng. Dòng điện đổi chiều của các phần tử được trình bày trên hình 34.9a, trong đó thời điểm bắt đầu đổi chiều của các phần tử cách nhau một khoảng thời gian. n.G t dc 1  Chiều rộng của vùng đổi chiều: Để đảm bảo đổi chiều được tốt, chiều rộng vùng đổi chiều phải ở trong một giới hạn nhất định. Muốn xác định chiều rộng vùng đổi chiều, ta xuất phát từ thời gian cần thiết để đổi chiều dòng điện trong u phần tử nằm trong một rãnh. Khi dây quấn có bước đủ, ta có: T = Tđc + (u – 1).tđc (3-10) Dây quấn có bước ngắn hoặc bước dài thêm  thì: T = Tđc + (u – 1 + ).tđc Thay Tđc theo (34-26) và tđc theo (34-27) và (34-29) ta có:                          p a u GnGn n Gn p a T G G 11 1 (3-11) Vì bđc = Tđc và biết rằng Vư = Du’.n nên kết hợp (34-3) ta được: G D . b a ub 'u Gdc               (3-12) Nếu biểu thị G D 'u  dưới dạng G 'u G G 'uCT D D .b D D . G D   ta có: G 'u GCdc D D b p a ubb              (3-13) 3.7. CÁC PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN ĐỔI CHIỀU Để tạo điều kiện tốt cho sự đổi chiều, trước hết cần phải giữ đúng những điều qui định về trạng thái của rãnh góp và cơ cấu giữ chổi than cho bảo đảm loại trừ được những nguyên nhân sanh ra tia lửa, ta có những biện pháp sau: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 145 - 3.7.1. Cực từ phụ Biện pháp cơ bản để cải thiện đổi chiều trong những trường hợp máy điện một chiều hiện đại là tạo ra từ trường ngoài, còn gọi là từ trường đổi chiều lại vùng trung tính bằng cách đặt những cực từ phụ giữa những cực từ chính 3.7.2. Xác định chổi than khỏi vùng trung tính hình học 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. Từ hình có thể thấy rằng ở trường hợp máy phát điện muốn từ trường ở khu vực đổi chiều có cực tính của cực từ chính và sau khi đổi chiều các cạnh phần tử sẽ đi qua như ở trường hợp cực từ phụ thì phải xê dịch chổi than thuận chiều quay của máy một góc  =  + y. Trong đó: : góc giữa các đường trung tính hình học và vật lý. y: góc có trị số ứng với điều kiện từ trường tổng bằng từ trường đổi. 3.7.3. Dây quấn bù Vì từ trường phần ứng phụ thuộc theo dòng điện tải Iư nên để có thể bù được từ trường đó ở tải bất kỳ, dây quấn bù phải được nối tiếp với dây quấn phần ứng. Khi có dây quấn bù, sức điện động của các cực phụ sẽ được giảm nhỏ, mạch từ của cực phụ ít bảo hoà hơn và hiệu quả cải thiện đổi chiều của cực từ phụ sẽ tăng lên. 3.7.4. Những biện pháp khác Những biện pháp này khiến cho cấu tạo máy phức tạp và công nghệ chế tạo khó khăn cho nên không được thông dụng và ta cũng không đề cập đến. 3.8. TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GĨP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Khi máy điện làm việc, qua trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ gĩp điện. Tia lửa lớn cĩ thể gây nên vành lửa xung quanh cổ gĩp điện, phá hỏng chổi than và cổ gĩp điện, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến mơi trường và gây nhiểu đến thiết bị điện tử. Sự phát sinh này do các nguyên nhân sau: 3.8.1. Nguyên nhân cơ khí Do sự tiếp xúc giữa cổ gĩp và chổi than khơng tốt, do cổ gĩp khơng trịn, khơng nhẫn chổi than khơng đúng quy cách, rung động chổi than do cố định khơng tốt hoặc lực lị xo khơng đủ để tỳ sát chổi than vào cổ gĩp. 3.8.2. Nguyên nhân điện từ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 146 - Khi roto quay liên tiếp cĩ phần tử chuyển từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác. Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều. Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau: a. Sức điện động tự cảm eLdo sự biến thiên dịng điện trong các phần tử đổi chiều. b. Sức điện động hổ cảm em do sự biến thiên dịng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cân. c. Sức điện động eqdo từ trường phần ứng gây ra. Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều các sức điện động trên sinh ra dịng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích luỹ năng lượng và pháng ra dới dạng tia lửa khi vành gĩp chuyển động. => Để khắc phục tia lửa, ngồi việc loại trừ nguyên nhân cơ khí, người ta 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. Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối với máy cơng xuất nhỏ người ta chuyển chổi than về trung tính vật lý m,n,. Câu hỏi: 1. Từ trường phần ứng 2. Từ trường cực từ phụ 3. Phản ứng phần ứng 4. Tia lửa điện 5. Biện pháp khắc phục Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 147 - Chương 4: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1. ĐẠI CƢƠNG Trong nền kinh tế quốc dân, nhiều ngành sản xuất như: luyện kim, hoá chất, giao thông vận tải đòi hỏi phải dùng điện một chiều và ngày nay vẫn không thể thay thế được dòng điện một chiều, mặc dù việc dùng điện xoay chiều trong công nghiệp 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. Dựa vào phương pháp cung cấp dịng kích từ, người ta chia máy điện một chiều ra làm các loại: a. Máy điện một chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác khơng liên hệ với phần ứng của máy. b. Máy điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng. c. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng. d. Máy điện một chiều kích từ hổn hợp: gồm hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ nối tiếp và dây quấn kích từ song song, trong đĩ dây quấn kích từ song song là chủ yếu. 4.2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.2.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập  Dịng điện phần ứng bằng dịng điện tải (Iư=I)  Phương trình cân bằng điện áp trên mạch phần ứng: U = Eư - Rư.I - - + + - + - + - + Hình a Hình b Hình c Hình d Hình 4.1: Các kiểu kích từ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 148 -  Trên mạch kích từ: Ukt=Ikt(Rkt+Rđc) Trong đĩ: Rưlà điện trở dây quấn phần ứng Rktlà điện trở dây quấn kích từ Rđcđiện trở điều chỉnh Khi dịng điện tải tăng, dịng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân:  do tác động của phản ứng phần ứng→Φ↓→Eư↓.  Điện áp rơi trên mạch phần ứng Iư.Rư tăng.  Để giữ cho điện áp máy phát khơng đổi tăng dịng điện kích từ. Máy phát kích từ độc lập cĩ ưu điểm về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong hệ thống máy phát – động cơ để truyền động máy cán, máy cắt gọt kim loại. Cĩ nhược điểm là cần nguồn kích từ riêng. 4.2.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song Để tạo thành điện áp cần thực hiện một quá trình tự kt. Lúc đầu máy khơng cĩ dịng kích từ, từ thơng trong máy là do từ dư của cực từ tạo ra (2-3)%Φđm. Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng cĩ sức điện động cảm ứng do từ dư sinh ra, sức điện động này qua dây quấn kích từ →Ikt tăng lên, quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định. Để máy phát ra điện áp, cần thiết phải cĩ từ dư, I Rtải CKT Rkt Ikt - + Iư - + A 0 I U,Eư Ikt i nh 4.2: Máy phát điện một chiều kích từ độc lập Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 149 - nếu khơng cĩ từ dư ta phải mồi từ nếu chiều hai tư trường ngược nhau, ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đoỏi chiều dây quấn phần ứng.  Mạch phần ứng: U=Eư - Rư.Iư.  Mạch kích từ: U=Ikt.(Rkt+Rđc).  Phương trình dịng điện: Iư=I+Ikt - Khi tải tăng → Iư tăng → Ugiảm →Ikt↓ → Φ↓→Eư↓. 4.2.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp Dịng điện kích từ là dịng điện tải, do đĩ khi tải thay đổi điện áp thay đổi rất nhiều, trong thực tế khơng sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Đặc tính ngồi U=f(I), khi tải tăng Iư↑ →Φ↑→ Eư↑ →U↑. khi I=(2-2,5)Iđm máy bảo hồ I↑→U↓. 4.2.4. Máy phát điện KT hổn hợp Khi nối thuận, từ thơng cuộn nối tiếp cùng chiều cuộn //. Khi tải tăng Φnt↑→Φtổng↑→Eư↑→U khơng đổi→ ưu điểm của máy phát kích từ hổn hợp. - + A U=f(I) U I Rtải CKT Rkt - + Iư A I U I Ikt i nh 4.3: Máy phát điện một chiều kích từ song song i nh 4.4: Máy phát điện một chiều kích từ song song Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 150 - Khi nối ngược Φntvà Φ// ngược nhau, khi tải tăng U giảm nhiều U=f(I) dốc → dùng làm máy hàn điện một chiều. Câu hỏi: 1. Các đường đặc tính 2. Các dạng phát phát một chiều 3. Máy phát điện một chiều làm việc song song - + A I U I U i nh 4.5: Máy phát điện một chiều kích từ hổn hợp Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 151 - Chương 5: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.1. ĐẠI CƢƠNG Nói chung máy điện một chiều có thể làm việc theo chế dộ máy phát khi E>U và theo chế độ động cơ khi E < U. việc chuyển từ chế độ máy phát sang chế độ động cơ xảy ra hoàn toàn tự động không cần thay đổi gì ở mạch nối, cụ thể khi giảm dòng điện kích từ khién cho E của mát phát hạ đến mức E < U, dòng điện trong phần ứng tự động đổi chiều, năng lượng sẽ chuyển theo chiều ngược lại và máy phát trở thành động cơ. Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung những thiết bị nào cần điều chỉnh tốc độ quay trong phạm vi rộng Cũng như máy phát động cơ điện một chiều được phân loại theo cách kích thích từ, thành các động cơ kích thích từ độc lập, kích thích từ song song, kích thích từ nối tiếp, kích thích từ hỗn hợp. Sơ đồ nối dây của chúng cũng tương tự như máy phát. Cần chú ý ở động cơ kích từ độc lập Iư = I, ở động cơ kích từ song song và hỗn hợp Iư + It = I; ở đôïng cơ kích từ nối tiếp Iư = It = I. 5.2. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.2.1. Mở máy trực tiếp Phương pháp này được thực hiện bằng cách đóng thẳng động cơ điện vào nguồn. Như vậy lúc động cơ chưa quay thì Eư = 0 và dòng điện phần ứng Iư =U/Rư. Vì trong thực tế Rư rất nhỏ cho nên dòng điện mở máy rất lớn Imm = (20 – 30 )Iđm cho nên phương pháp mở máy trực tiếp chỉ áp dụng được cho các động cơ điện có công suất nhỏ vài trăm watl. 5.2.2. Mở máy bằng biến trở Để tránh nguy hiểm cho đôïng cơ vì dòng điện mở máy quá lớn, người ta dùng một biến trở mở máy Rmm mắc nối tiếp vào mạch phần ứng. Như vậy dòng điện phần ứng lúc có điện trở mở máy : mmư ư RR U I   5.2.3. Mở máy bằng điện áp thấp Phương pháp này đòi hỏi phải dùng nguồn điện độc lập có thể điều chỉnh được điện áp để cung cấp cho phần ứng của động cơ, trong kho đó mạch kích từ phải được đặt dưới điện áp U =Uđm của nguồn khác. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 152 - Đây là phương pháp thường dùng hơn cả trong việc mở máy các động cơ điện có công suâùt lớn, ngoài ra còn kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. 5.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.3.1. Khái niệm chung Động cơ một chiều (còn gọi là động cơ DC) thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động cần thay đổi tốc độ, khởi động, hãm và đảo chiều. Một số ứng dụng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền (trong công nghiệp giấy) Vì mỗi động cơ đều có đặc tính làm việc khác nhau nên đểû thích ứng với từng môi trường và điều kiện làm việc khác nhau thì ta phải có cách điều chỉnh tốc độ cho thích hợp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. *) Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ: Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống : - Hướng điều chỉnh tốc độ: Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh): Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin. Trong đó: nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học. nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn nmin làm đơn vị. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh. - Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ: Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:  = ni/ni+1 Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 153 - Trong đó: ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ). Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó.  tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.   1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp. - Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ Hệ thống có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất. - Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. 5.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Phương trình đặc tính tốc độ: U (1)U E E RU n I K K     Với: a pN K E 60  Và : Rư = Rcb + Rcư + Rctp Từ (1) ta thấy có 3 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều đó là : -Điều chỉnh tốc độ bằøng thay đổi điện áp đặt vào phần ứng ( Uư ) -Điều chỉnh tốc độ bằøng thay đổi từ thông () -Điều chỉnh tốc độ bằøng thay đổi điện trở phụ của mạch phần ứng ( Rư ) a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điện áp có thể được điều khiển bằng cách sử dụng: Máy phát DC (Hệ Máy phát - Động cơ) - Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC DC) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 154 - - Bộ Chopper (Bộ biến đổi xung áp) (DC DC) Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: M KK RR K U n ME fu E 2     Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm. Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi theo. Như vậy ta thấy họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên: Hình 4.1 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản nđm. Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại. Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D = . Nhưng trong thực tế động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi cho phép : Umin = Uđm/10, nghĩa là phạm vi điều chỉnh: D = nđm/nmin = 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < Umin thì do phản ứng phần ứng sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn nđm. Ưu điểm : Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng. U1 U2 U3 TN ( Uđm ) n0 nđm n1 n2 n3 M n MC Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 i nh 5.1: Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 155 - Nhược điểm : Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao. b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông \ Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ Eư = KEn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức. Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi điện áp Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ IKT sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = U/KE. Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KMIn nên khi  giảm sẽ làm cho Mn giảm theo. Khi  giảm thì đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:  -  +  +   - CKT RKT Iư U Đ UKT 1 2 đm 0 MC M2 M1 Mn . nđm n1 n2 n M đm > 1 > 2 nđm < n1 < n2 i nh 5.2: Thay đổi từ thông i nh 5.3: Đặc tính cơ khi thay đổi từ thông Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 156 - Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất : nmax = 3nđm tức phạm vi điều chỉnh: D = nmax/nđm = 3/1. Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn nđm. Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế, thiết bị đơn giản. c) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau: Câu hỏi: 1. Các phương pháp mỏ máy động cơ điện một chiều 2. Đăc tính của động cơ điện một chiều  - CKT RKT Iư E  - +  +    Rf U UKT i nh 5.4: Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện I NXB KH&KT - 1998 2. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện II NXB KH&KT - 1998 3. Trần Duy Phụng Kỹ thuật quấn dây máy biến áp, động cơ vạn năng, động cơ 1 pha – 3 pha NXB Đà Nẵng – 2006 4. Vũ Gia Hanh Giáo Trình Máy Điện NXB - KHOA HỌC KỸ THUẬT 5. Nguyễn Hồng Thanh Giáo Trình Máy Điện NXB-GIÁO DỤC