Tài liệu Máy điện đặc biệt dòng điện 1 chiều doc

PHẦN V
MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT
CHƯƠNG 15
MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG MỘT CHIỀU
15.1. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ TRƯỜNG NGANG
15.1.1. Mở đầu.
Để nghiên cứu loại máy điện một chiều từ trường ngang, trước hết
ta hãy xét các hiện tượng xảy ra ở cuộn dây phần ứng máy điện một chiều. Qua
nghiên cứu người ta đưa ra 2 kết luận sau đây:
- Nếu qua cuộn dây phần ứng chạy một dòng điện thì trục của từ
trường tạo ra bởi dòng điện này sẽ trùng với trục của chổi có dòng điện chạy qua
(hình 15.1).
- Nếu cuộn dây máy điện một chiều quay trong từ trường không đổi
thì các chổi đặt trong trục của từ trường này sẽ không xuất hiện bất kỳ một điện
áp nào mặc dầu từng cuộn dây riêng biệt có cảm ứng sđđ bất kể từ trường được
tạo ra bằng cách nào, còn trên chổi vuông góc về điện với từ trường sẽ xuất hiện
một điện áp có giá trị lớn nhất.
Hướng của từ trường tạo ra do dòng điện chạy trong cuộn phần ứng phụ
thuộc vào chiều dòng điện và vào hướng quấn dây. Trong đó các hình a, b, c, d
lưu ý tới hướng quấn dây và chiều dòng điện, còn hình a
1
, b
1
, c
1
, d
1
là giản đồ
phần ứng cùng chiều dòng điện và chiều từ thông.
v

a) b) c) d)
237
+
+
+
+
+
+
+
+
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
+
•
+
•

+
•
+
•
+
•
+
•
+
•
+
•
•
•
•
•
•
•
•
•
+
•
+
•
+
•
+
•
+
•

+
•
+
•
+
•
+
+
+
+
+
+
+
+
•
•
•
•
•
•
•
•
φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ

I
I
I
I
a) b) c) d)
Cuộn dây vòng phải
Cuộn dây vòng trái
φ
φ φ φ
I
I
I I
a
1
) b
1
) c
1
) d
1
)
Hình 15.1 Hướng của từ trường trong cuộn dây máy điện một chiều phụ thuộc vào chiều
dòng điện và cách quấn dây
Chiều của điện áp cảm ứng trên các chổi phụ thuộc vào chiều từ trường,
chiều quay của rô to và chiều quấn dây.
Ví dụ: ở cuộn dây vòng phải chiều mũi tên từ thông (vẽ ở trong rô to hình
15.1) sẽ chỉ chổi “+” sau khi quay đi 90
0
điện theo hướng quay của rô to, còn
nếu cuộn là cuộn vòng trái sẽ chỉ chổi “-”. Từ đây để cho tiện ta chỉ nghiên cứu

cuộn dây vòng phải.
2. Nguyên lý hoạt động của Mê - ta - dyn
Sơ đồ máy có từ trường ngang biểu diễn ở H.15.2.
Rô to máy điện một chiều 2 cực có cuộn dây đặt trên 2 ổ bi. Về nguyên
tắc máy có thể không cần stato, tuy nhiên phải được đặt trong một vỏ bằng vật
liệu từ fe –rô nhằm tạo ra một đường dẫn từ thông có trở từ nhỏ . Giả thiết stato
là hình trụ nên khe khí đều. Stato không có cuộn dây. Trên cổ góp đặt hai hệ
chổi a
1
a
2
và b
1
b
2
,

trục của chúng vuông góc với nhau về điện (α
điện
= α
cơ
= 90
0
) .
Rôto tạm thời đứng im. Cấp cho chổi a
1
- a
2
dòng điện I
a

, dòng điện này
tạo ra từ thông φ
a
có trục trùng

với chổi a
1
- a
2
. Máy lúc này không có mô men
nào cả. Bây giờ quay mô men bằng một máy lai thì cuộn dây phần ứng sẽ cắt
các từ thông φ
a
của từ trường tạo ra bởi dòng I
a
(ở chổi a
1
- a
2
không xuất hiện
một điện áp nào do trục chổi trùng với trục từ trường) làm xuất hiện ở chổi b
1
-
b
2
, một stđ E
b
(vì B
1
b

2
vuông góc với trục từ trường) (hình 15.2). Như vậy cuộn
rôto vừa đóng vai trò cuộn kích từ, vừa đóng vai trò cuộn phần ứng.
Giả thiết mạch b
1
b
2
hở, không có dòng điện nào chạy qua 2 chổi b
1
b
2
, thì
để có dòng I
a
, điện áp U
a
rất nhỏ (U
a
= ∆U, ∆U - độ sụt áp suất trên điện trở cuộn
dây).
Nếu bây giờ nối vào b
1
b
2
một điện trở thì sẽ có dòng I
b
chạy, tạo ra φ
b
có
trục trùng với trục của chổi b

1
b
2
. Từ thông φ
b
làm

xuất hiện một sđđ E
a
trên 2
chổi a
1
- a
2
có hướng như hình 15.2

(còn φ
b
không tạo ra sđđ ở b
1
– b
2
). Sđđ E
a
chống lại nguồn điện cung cấp dòng I
a
. Để giữ được dòng I
b
nguồn cung cấp
238

U
a
I
a
a
1
a
2
b
1
B
2
φ
b
E
b
φ
a
E
a
I
b
R
t¶i
Nguån
U
a
Hình 15.2 Sơ đồ máy Mê-ta -dyn
phải tạo ra điện áp U
a

≈ E
a
, nếu bỏ qua điện trở cuộn dây (R ≠ 0) thì điện áp U
a
phải bằng:
U
a
= E
a
+ I
a
R (15.1)
Ta có: E
a
= C
1
φ
bn
, còn: E
b
= C
1
φ
a
n.
Giả sử mạch điện chưa bão hoà thì:
φ
a
= C
a

.I
a
, φ
b
= C
b
I
b
Thông thường C
a
= C
b
= C
2 ,
do đó:

E
a
= C
1
C
2
I
b
n = CI
b
n
E
b
= C

1
C
2
I
a
n = CI
a
n (15.2)
Nếu nhận R ≈ 0 thì:
U
a
≈ E
a
= CI
b
n
U
b
≈ E
b
= CI
a
n
Kết luận: Nếu điện áp U
a
= const, và n= const thì dòng I
b
= const không
phụ thuộc vào điện trở tải. Điểm đặc biệt của máy là không có mô men điện từ
vì stato không có cuộn kích từ. Máy biến đổi năng lượng một chiều thành năng

lượng điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện khác. Cơ năng đưa vào chỉ
nhằm bù đắp tổn hao quay rôto. Sự thay đổi điện trở tải nhằm thay đổi E
b
và I
a
nhưng I
b
= const (luôn đảm bảo U
a
I
a
≈ U
b
I
b
). Hiện tượng này xảy ra trong máy có
thể trình bày tổng quát như sau:
R
tải
↓ →I
b
↑→ φ↑→E
a
↑→I
a
↓→φ
a
↓→E
b
↓→I

b
↓
Ta thấy hệ thống chứa phản hồi âm.
- Khi ngắn mạch U
b
= 0 (U
a
= const, n= const) có nghĩa E
b
≈ 0, như vậy
khi chổi b
1
b
2
ngắn mạch máy nhận dòng I
a
rất nhỏ, ngược lại khi không tải I
b
= 0
thì E
a
= 0 nên qua a
1
a
2
dòng I
a
có giá trị lớn. Để điều chỉnh dòng I
b
ta phải đặt ở

stato một cuộn dây có trục trùng với chổi b
1
b
2
và cấp điện từ nguồn ngoài, điều
chỉnh dòng điện chạy qua cuộn này ta điều chỉnh được E
b
và do đó I
b
.
15.2. M¸y ROSENBERG
Trên hình 15.3 biểu diễn mô hình máy từ trường ngang ROSENBERG.
Cuộn kích từ đặt ở stato và cấp nguồn điện một chiều. Chổi a
1
- a
2
được ngắn
mạch, cuộn kích từ tạo ra φ
kt
, khi rôto quay sẽ tạo ra ở chổi a
1
- a
2
một sđđ E
a
, do
a
1
- a
2

ngắn mạch nên có dòng I
a
chạy, dòng I
a
tạo ra φ
a
và làm xuất hiện trên chổi
b
1
b
2
sđđ E
b
theo biểu thức:
E
a
= C
1
φ
kt
n
E
b
= C
1
φ
a
n (15.3)
Khi có R
tải

ở chổi b
1
b
2
, dòng I
b
tạo ra từ thông φ
b
, φ
b
và φ
kt
tác động lên
nhau tạo ra từ trường tổng φ
ktb
vậy khi có tải:
E
b
=C
1
φ
ktb
n (15.3a)
I
b
=
tai
b
RR
E

+
(15.3b)
I
a
=
R
E
a
(15.3c)
239
Trong đó: R-điện trở cuộn dây phần ứng
Ở hình 15.3b biểu diễn đặc tính E
b
= f(n) khi R
tải
và R không đổi. Từ đặc
tính ta thấy khi tốc độ n > n
x
thì E
b
hầu như không đổi. Tương tự như E
b
, đặc
tính I
b
= f(n) cũng như vậy, khi n > n
x
thì I
b
= const. Tính chất của máy

Rosenberg có thể biểu diện tổng quát như sau:
n
↓→↓→↓Φ→↓→Φ→↑→↑
bbaaktbb
IEEI

Đặc tính trên của Rosenberg được sử dụng cho hệ thống chiếu sáng tàu
hoả hoặc nạp ắc qui các phương tiện giao thông hình 15.4
.
240
Hình 15.3 Máy điện Rosenberg : a) Sơ đồ máy điện, b)Đặc tính
I
kt
b
1
b
2
a
1
a
1
i
a
n
φ
a
i
b
E
a

φ
kt
φ
b
E
b
φ
kt
U
R
t iả
E
b
,i
b
n
x
E
b
=f(n),I
kt
v Rà
t iả
=const
I
b
=f(n),I
kt
v Rà
t iả

=const
U
E
b
,I
b
E
b
I
b
n
Hình 15.4 Máy Rosenberg dùng cho chiếu sáng và nạp accqui tàu thủy
a
1
a
2
b
1
b
2
I
b
W
U
1
E
b
n
a) b)
Khi tàu dừng tốc độ n < n

x
công tắc W mở, đèn được cấp điện từ ắc qui,
khi tàu chạy n > n
x
, W đóng, ắn qui được nạp điện, và các đèn cũng được cấp
điện từ máy phát.
15.3. AMPLIDYN (MÁY ĐIỆN KHUYẾCH ĐẠI)
Sơ đồ một amplidyn biểu diễn ở hình 15.5. Nguyên lý hoạt động hoàn
toàn giống như máy Rosenberg. Đây là một máy khuyếch đại 2 bậc. Thật vậy
gọi công suất vào là công suất kích từ P
kt’
còn công suất ra là P
đ ’
ta viết:
12
..
pp
kt
q
q
d
kt
d
p
KK
P
P
P
P
P

P
K
===
Trong đó:
Pq
P
K
d
p
=
2
và
Pw
P
K
q
p
=
1
và P
d
= U
d
i
d
, P
kt
= I
kt
U

kt
Mà U
d
= R
tải
I
d
; E
d
= (R
d
+ R
tải
)I
d
= C
1
Φ
a
n = C
2
n
R
E
q
q
q
.
λ
.

Dòng I
d
tạo ra từ thông chống lại
'kt
Φ
để khử ảnh hưởng của I
d
ta dùng
thêm cuộn khử hoàn toàn thì:
ktdktq
InCnCE .
31
λφ
==
Trong đó:
qd
λλ
,
- độ dẫn từ theo trục d-d và q-q.
Kết hợp lại ta được : K
p
=
ktqtd
tdq
RRRR
RnC
22
422
)(
+

λλ
(15.4)
Bậc khuyếch đại thứ nhất gồm cuộn kích từ và mạch chổi q-q, còn bậc
thứ hai là hệ chổi q-q và ra là hệ chổi d-d. Đây thực chất là 2 máy phát mắc nối
tiếp với nhau.
Amplidyn như mô hình 15.5 chỉ dùng để giải thích nguyên lý hoạt động
vì nó có rất nhiều nhược điểm. Hệ số khuyếch đại không lớn vì mạch từ trục
ngang rất nhỏ. Phản ứng phần ứng đã làm từ trường kích từ yếu nhiều, chổi d-d
241
I
kt
d
d
q
q
i
d
n
φ
q
i
d
E
q
φ
kqd
φ
d
E
d

φ
kt
U
d
U
kt
P
v oà
P
ra
Hình 15.5 Máy khuyếch đại Am-pli-dyn
làm việc trong điều kiện chuyển mạch dòng điện xấu. Để loại trừ các nhược
điểm trên người ta dùng amplidyn như hình 15.6. Sự khác nhau cơ bản ở đây là
mạch từ có 4 mấu. Việc tách mỗi cực từ thành 2 phần đối xứng đã làm tăng độ
dẫn từ ngang φ
a
, bây giờ từ thông này khép kín như hình 15.6b. Từ thông chính
của trục dọc khép kín qua đường ở hình 15.6c.
Ta thường gặp amplidyn có nhiều cuộn dây ở stato (hình 15.7). Chúng
làm nhiệm vụ cuộn khử, cuộn kích từ và cuộn điều khiển.
15.4. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CÓ CỔ GÓP.
242
a
1
a
2
Cuộn khử
U
d
E

b
n
Cuộn khử
U
kt
Cuộn điều
khiển
Cuộn ổn
định
Hình 15.7 Sơ đồ máy điện khuyếch đại dùng trong trực tế
Hình15.6 Mô hình amplidyn a)Sơ đồ, b)Đường sức ngang,c)Đường sức dọc
U
k
t
i
d
U
d
q
q
i
q
d
I
kt
a)
d
φ
d
d

c)
d
q
q
φ
q
d
b)
Máy điện một chiều ta nghiên cứu trước đây có điện áp và dòng điện xoay
chiều, để có dòng một chiều ta phải dùng chỉnh lưu cơ khí. Dòng điện như vậy
không phải là dòng điện phẳng mà nhấp nháy gây nhiễu cho các thiết bị khác.
Để tạo dòng điện phẳng người ta tạo máy điện một chiều mà cuộn dây của nó
luôn chuyển động dưới 1 cực (hình.15.8), sđđ xuất hiện ở máy có chiều không
đổi, ta không cần dùng bộ chỉnh lưu cơ khí nữa.

Đĩa 2 gắn trên trục quay trong từ trường tạo ra bởi dòng I
kt
(cuộn dây
kích từ đặt tại stato). Chiều quay và chiều từ trường biểu diễn trên hình vẽ, chiều
sđđ sẽ hướng từ trục ra ngoài. Như vậy chổi đặt trên chu vi là chổi dương, còn
chổi đặt trên trục là chổi âm. Giá trị sđđ E = Blv.
Cần khẳng định rằng một máy điện như thế chỉ đạt được một sđđ nhỏ
ngay cả khi tốc độ lớn và độ cảm ứng từ lớn. Máy chỉ có điện áp khoảng vài vôn
nhưng lại có giá trị dòng điện rất lớn. Vì thế máy điện một chiều loại này được
dùng cho công nghiệp điện hoá là chính .
243
• •
+
+
+

+
E
E
N S
S
N
Hình 15.8 Máy diện m,ột chiều không có chổi than
1-stato,2-phần ứng,3-kích từ
n
1
2 3
I
kt
-
-
CHƯƠNG 16
MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG XOAY CHIỀU
16.1.CUỘN DÂY MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NẰM TRONG TỪ
TRƯỜNG BIẾN ĐỔI
Một cuộn dây máy điện bất kỳ quay trong từ trường biến đổi sẽ xuất
hiện 2 sđđ : sđđ quay và sđđ truyền đạt.
a. Sđđ truyền đạt
Sđđ truyền đạt xuất hiện do sự thay đổi từ thông móc vòng với cuộn dây.
Do cuộn dây đối xứng ở mọi trục nên khi rôto quay, sđđ này không thay đổi.
Nói một cách khác sđđ truyền đạt không phụ thuộc vào tốc độ quay rô to, ta có
thể nghiên cứu cuộn dây ở vị trí đứng im. Để đơn giản xét cuộn dây chỉ có một
vòng dây (hình 16.1)
Nếu trong cuộn dây stato chạy một dòng điện xoay chiều thì sẽ tạo ra
một từ trường biến thiên và sẽ móc vòng với các cuộn dây ở hình 16.1b,c,d
nhưng không móc vòng với cuộn dây ở vị trí hình16.1a, do đó trong hình 16.1a

cuộn dây không cảm ứng sđđ nào. Còn ở các vị trí 16.1b, c, d đều cảm ứng một
sđđ truyền đạt. Giá trị hiệu dụng của sđđ truyền đạt biểu diễn bằng :
E
tr
= 4,44φfcosα (16.1)
Trong đó: α - góc hợp bởi trục cuộn dây với trục từ trường biến đổi.
Bây giờ ta xét một cuộn dây có nhiều vòng dây. Trên hình 16.2 biểu diễn
chiều sđđ ở những thời điểm khác nhau. Nếu cuộn dây phân bố đều ở chu vi rôto
244
.
.
.
E
φ
α
φ
Trục từ
trường
stato
a)
b)
E
φ
c)
.
φ
d)
Hình 16.1 Cuộn dây máy điện một chiều nằm trong từ trường biến đổi
φ
φ

φ
φ
E
tr
=0
E
tr
E
tr
E
tr
Trục
cuộn
dây
ro to
α
α=0
α
+
.
+
+
•
•
E