Bài: Máy điện một chiều

Bài : máy điện một chiều Trình bày mục đích yêu cầu Mở đầu Ngày nay máy điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi song máy điện một chiều vẫn tồn tại đặc biệt là động cơ điện một chiều. Trong công nghiệp động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moomen mở máy lớn hoặc yêu cầu tốc độ bằng phẳng. Trong các hệ thống tự động, động cơ điện một chiều thường thấy trong các máy điện khuếch đại, trong động cơ chấp hành. Ngoài ra máy điện một chiều còn thấy trong thiết bị ô tô, tàu thủy máy bay, các máy phát điện 1 c điện áp thấp dung trong các thiết bị điện hóa thiết bị hàn điện có chất lượng cao. Nhược điểm chủ yếu: có cổ góp làm cấu tạo phức tạp đắt tiền và kém tin cậy. nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi sử dụng đc điện 1 c cần có nguồn điện một chiều kèm theo Nội dung bài giảng cung cấp cho các đồng chí hiểu biết về máy điện một chiều, cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện một chiều. Đề nghị sau khi học xong nội dung này, các đồng chí nắm chắc kiến thức để vận dụng vào bài học tiếp theo. Cấu tạo máy phát điện một chiều: Các thành phần chính của máy điện một chiều bao gồm: Phần cảm Stato: là nam châm đứng yên Phần ứng roto: là cuộn dây quấn quanh lõi sắt hình trụ quay trong từ trường của phần cảm. 3. Cổ góp và chổi điện: Đây là sơ đồ mặt cắt ngang trục. Stato gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Bên trong vỏ máy là các cực từ chính và các cực từ phụ xen kẽ nhau. Cực từ chính làm bằng các lá thép kỹ thuật dày: 0.5 ÷1mm được ghép lại với nhau để tạo nên từ trường chính trong máy. Cực từ chính gồm lõi cực và mặt cực, xung quanh lõi cực quấn cuộn dây kích từ, mặt cực có tác dụng giữ chặt cuộn dây làm cho từ trường phân bố hình sin xung quanh phần ứng. Lá thép kỹ thuật điện đã được tôi giải thích trong bài học trước: đó là thép chuyên dụng có tính năng từ tính cao có trễ từ thấp và từ thẩm cao có tác dụng làm giảm dòng điện fuco chạy quẩn trong lõi thép. Làm nóng lõi thép.( Dòng điện Foucalt, hay dòng điện Phucô hoặc dòng điện xoáy, là hiện tượng dòng điện sinh ra khi ta đặt một vật dẫn điện vào trong một từ trườngbiến đổi theo thời gian hay vật dẫn chuyển động cắt ngang từ trường Dòng điện Foucault luôn chống lại nguyên nhân gây ra nó, theo định luật Lenz. Nó tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược nhằm chống lại sự biến thiên của từ thông đã tạo ra nó; hoặc tương tác với từ trường tạo ra nó gây ra lực cơ học luôn chống lại chuyển động của vật dẫn. Trong các máy biến thế và động cơ điện, lõi sắt của chúng nằm trong từ trường biến đổi. Trong lõi có các dòng điện Foucault xuất hiện. Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng Foucault bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng, một phần năng lượng bị hao phí và làm giảm hiệu suất máy. Để giảm tác hại này, người ta phải giảm dòng Foucault xuống. Muốn vậy, người ta tăng điện trở của các lõi. Người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép lại với nhau sao cho các lát cắt song song với chiều của từ trường. Dòng điện Foucault do đó chỉ chạy trong từng lá mỏng. Vì từng lá đơn lẻ có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn, nên cường độ dòng điện Foucault trong các lá đó bị giảm đi nhiều so với cường độ dòng Foucault trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, năng lượng điện bị hao phí cũng giảm đi. Đó là lý do tại sao các máy biến thế truyền thống thường dùng các lõi tôn silic (sắt silic) được cán mỏng bởi chúng có điện trở suất sẽ làm giảm thiểu tổn hao do dòng Foucault; hoặc các lõi biến thế hiện nay sử dụng các vật liệu từ mềm đặc biệt là hợp kim tinh thể nano có điện trở suất cao. Trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, người ta bắt buộc phải sử dụng lõi dẫn từ là các vật liệu gốm ferit có điện trở suất cao làm tổn hao Foucault được giảm thiểu.) Cực từ phụ làm bằng các lá thép kỹ thuật ghép lại, nó có tác dụng triệt tiêu tia lửa điện sinh ra giữa các chổi than và cổ góp. Dây quấn quanh cực từ phụ nối tiếp với dây quấn phần ứng. 2. Phần ứng Roto (phần quay): Roto máy điện một chiều bao gồm: lõi thép dây quấn phần ứng, cổ góp và chổi than. Lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện 0.5mm có phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập rãnh và lỗ thông gió để đặt dây quấn phần ứng. Hình 2 Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên. Hình vẽ bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử chỉ có một vòng các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín. (hình 3) Ở đây dây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số cực từ. Mỗi phần tử dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên. Cổ góp gồm các phiến đồng được gọi là phiến đổi chiều, chúng được ghép cách điện với nhau có dạng hình trụ tròn, gắn ở đầu trục roto, phía dưới lõi thép phần ứng. Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit. Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá đỡ chổi điện gắn trên nắp máy. Chổi than thường được dùng để lấy điện từ cuộn dây phần ứng ra để cung cấp cho phụ tải bên ngoài. II– NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Phần cảm của máy phát điện gồm hai cực từ cố định N và S Phần ứng gồm một cuộn dây quấn quanh lõi sắt hình trụ. Hai đầu cuộn dây phần ứng lần lượt nối vào hai lá đồng cách điện (hai vành đổi chiều) có tác dụng đổi chiều dòng điện. Các lá đồng được tiếp xúc với chổi than A, B để lấy điện cung cấp cho phụ tải Rt. Cuộn dây quấn quanh lõi sắt hình trụ và vành đổi chiều tạo thành phần quay gọi là roto. Dùng động cơ sơ cấp làm roto quay thì các thanh dẫn dây dẫn phần ứng sẽ chuyển động cắt đường sức từ trường của cực từ sinh ra sức điện động cảm ứng trong cuộn dây. Giả sử cuộn dây quay theo chiều ngược kim đồng hồ, theo quy tắc bàn tay phải ta xác định được chiều dòng điện trong khung dây chạy từ trong chổi than A ra ngoài qua tải vào chổi than B. Khi cuộn dây quay được nửa vòng thì phần dây dẫn vẫn đang ở phạm vi cực N sẽ chuyển sang phạm vi cực S, sức điện động trong cuộn dây cũng đổi chiều. Nhờ có vành đổi chiều gắn liền với hai đầu dây cùng quay với roto nên chổi điện A luôn nối thông với dây dẫn phía cực N, chổi điện B luôn nối thông với dây dẫn phía cực S. Do vậy dòng điện luôn đi ra từ A qua tải vào B (A luôn là cực dương, B luôn là cực âm). Như vậy vành đổi chiều đã biến đổi sức điện động xoay chiều trong cuộn dây thành sức điện động một chiều giữa hai chổi điện. Dòng điện trong máy phát điện một chiều là dòng điện nhấp nháy. Muốn dòng điện đỡ nhấp nháy, người ta thay khung dây bằng cuộn dây gồm nhiều vòng dây và nhiều cuộn đặt lệch pha nhau. Khi đó vành đổi chiều phải gồm nhiều thỏi kim loại cách điện với nhau. Số thỏi kim loại của vành đổi chiều bằng số cuộn dây roto. Ở mỗi thỏi kim loại của vành đổi chiều, người ta gắn điểm cuối của mỗi cuộn dây và điểm đầu của cuộn tiếp theo. Dòng điện của mỗi cuộn dây triệt tiêu khi nó đi qua mặt phẳng trung hòa. Dòng điện tổng đi qua tải đã được vành đổi chiều chỉnh lưu thì không triệt tiêu mà biến thiên gần như không đổi cả chiều lẫn cường độ. Phương trình điện áp máy phát điện một chiều: ở chế độ máy phát: dòng điện phần ứng cùng chiều với sức điện động phần ứng: U = Eư - RưIư (1.1) Trong đó: Rư : Điện trở dây quấn phần ứng RưIư : Điện áp rơi trong dây quấn phần ứng U : Điện áp đầu cực máy Eư : Sức điện động phần ứng b) Công suất điện từ và mômen điện từ. Công suất điện từ: Pđt = Eư Iư = (Np/60a).n. Φ . Iư = kE.n. Φ .Iư (1.5) Mômen điện từ: Mđt = Pđt /w r Trong đó: w r là tần số góc quay của rôto: w r = 2 Πn/60 Mđt = kM Iư Φ (1.6) => Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng và từ thông. Muốn thay đổi Mômen điện từ, phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay đổi từ thông trong máy bằng cách thay đổi dòng kích từ. c) Phản ứng phần ứng của máy điện một chiều. Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ. Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học mn có cường độ từ cảm B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động. Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng (rôto) sinh ra từ trường phần ứng. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng. Hậu quả của phản ứng phần ứng: Từ trường trong máy bị biến dạng Khi tải tăng thì điện áp hai đầu máy phát III – PHÂN LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia máy điện một chiều thành: 1. Máy điện một chiều kích từ độc lập 2. Máy điện một chiều tự kích: a) Máy điện một chiều kích từ song song b) Máy điện một chiều kích từ nối tiếp c) Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp Sơ đồ nguyên lý: Máy điện một chiều có mạch điện kích thích ở phần cảm được lấy từ nguồn điện một chiều riêng không liên quan gì về điện ở mạch phần ứng thì máy phát điện một chiều được gọi là máy Phương trình dòng điện là: Iư = I (1.2) Phương trình cân bằng điện áp: Mạch phần ứng: U = Eư - RưIư (1.3) Mạch kích từ : Ukt = Ikt.( Rkt + Rđc) (1.4) Khi dòng điện I tải tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân sau: Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm. Điện áp rơi Rư.Iư tăng. Để giữ cho điện áp máy phát không đổi phải tăng dòng kích từ làm cho từ thông dưới mỗi cực từ thay đổi làm thay đổi sức điện động phần ứng. Ưu điểm: về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong các hệ thống máy phát - động cơ, truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, máy bay v.v... Nhược điểm: Cần có nguồn kích từ riêng 3. Máy phát điện tự kích: Mạch điện kích thích ở phần cảm được nối với mạch điện phần ứng thì máy phát điện được gọi là máy phát điện một chiều tự kích thích. Tùy theo cách nối mạch điện phần cảm và phần ứng mà người ta chia máy phát điện một chiều tự kích làm ba loại: Máy phát điện một chiều kích từ song song Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp a) Máy phát điện một chiều kích từ song song: Sơ đồ nguyên lý: Mạch điện kích thích ở phần cảm nối song song với mạch phần ứng. Lúc đầu chưa có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra. Khi roto quay, trong dây quấn roto xuất hiện Eư do từ thông dư sinh ra. Sức điện động này khép mạch qua cuộn dây kích từ sinh ra dòng kích từ làm tăng từ trường cho máy. Quá trình này tiếp tục cho đến khi điện áp đạt giá trị ổn định. Phương trình cân bằng điện áp: Mạch phần ứng : U = Eư – RưIư (1.5) Mạch kích từ : U = Ikt.(Rkt + Rđc) (1.6) Phương trình dòng điện: Iư = I + Ikt (1.7) Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U giảm như máy phát điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm. b) Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp: Sơ đồ nguyên lý: Mạch điện kích thích ở phần cảm nối nối tiếp với mạch phần ứng. Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp máy phát và từ thông thay đổi rất nhiều Trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. c) Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp: Trên các lõi từ chính quấn hai cuộn dây kích thích, một cuộn nối tiếp với mạch phần ứng , một cuộn nối song song với mạch phần ứng. Khi nối thuận tức là từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song, khi tải tăng từ thông cuộn nối tiếp tăng làm từ thông trong máy tăng => sức điện động trong máy tăng => điện áp ra máy phát điện gần như không đổi. Ngược lại, khi nối ngược, tải tăng thì điện áp giảm rất nhiều => dùng làm máy hàn điện một chiều. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục Quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp. Tia lửa điện lớn gây nên vành lửa xung quanh cổ góp. Sự phát sinh tia lửa điện trên cổ góp do các nguyên nhân sau: Nguyên nhân cơ khí: Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt; cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng qui cách. Nguyên nhân điện từ: Khi roto quay, trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau: Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều. Sức điện động hỗ cảm em, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận. Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra. Biện pháp khắc phục: Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù ( triệt tiêu) tổng 3 sức điện động eL, em,eq Từ trường cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng. IV – ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ 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. Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eư trong dây quấn rôto. Ở chế độ động cơ, sđđ Eư ngược chiều với dòng điện phần ứng Iư. Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: U = Eư + RưIư (1.) 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. Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eư trong dây quấn rôto. Ở chế độ động cơ, sđđ Eư ngược chiều với dòng điện phần ứng Iư. Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: U = Eư + RưIư (1.) Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp. b) Điều chỉnh tốc độ động cơ Eư = U - RưIư ó kE n.Ф = U - RưIư => (1.) Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Vì dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ. Thay đổi điện áp U: Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều. Thay đổi từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp phương pháp thay đổi từ thông với thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng, đây là ưu điểm rất lớn của động cơ điện một chiều. 4. Phân loại động cơ điện Dựa vào phương pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện một chiều giống đối với máy phát một chiều. Động cơ điện kích từ song song Để mở máy dùng biến trở mở máy Rmở, để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc. Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắt kim loại, máy công cụ. Động cơ kích từ nối tiếp Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp NỘI DUNG CẦN NHỚ Cấu tạo máy điện một chiều Nguyên lý làm việc máy phát điện một chiều Phân loại máy điện một chiều Động cơ điện một chiều