48 ø Chương 5 TỪ TRƯỜNG LÚC CÓ TẢI CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU § 5.1. Đại cương Khi máy làm việc không tải, trong máy chỉ tồn tại sức từ động của các cực từ chính và sinh ra từ thông Φ o . Lúc có tải, sức từ động phần ứng sinh ra do dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng tác dụng với sức từ động của cực từ chính tạo nên sức từ động tổng trong khe hở không khí. Tác dụng của sức từ động phần ứng với sức từ động cực từ chính gọi là phản ứng phần ứng. Khi có tải ngoài từ trường phần ứng còn có từ trường cực từ phụ và dây quấn bù. Khi phân tích các hiện tượng đó người ta thường dùng phương pháp xếp chồng các từ thông. Nội dung của nó là: Thành lập riêng rẽ sự phân bố từ trường cực từ chính, từ trường phần ứng, từ trường cực từ phụ và từ trường dây quấn bù sau đó kết hợp chúng lại, ta được từ trường tổng trong khe hở không khí khi có tải. § 5.2. Từ trường cực từ chính Khi không tải từ thông chính được sinh ra bởi dòng điện trong dây quấn kích từ. Hình vẽ của từ trường do máy 2 cực được biểu thò trên hình 5-1. Từ trường có tính chất đối xứng với trục của cực từ chính. Khi phần ứng của máy phát điện quay ngược chiều kim đồng hồ với vận tốc n thì trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra s.đ.đ có chiều như hình vẽ. Ở các thanh dẫn phía trên s.đ.đ có chiều đi ra và ở các thanh Trung tính hình học Hình 5.1 Từ trường cực từnchính § 5.3. Từ trường phần ứng 1. Chiều của từ trường phần ứng Giả sử máy không được kích thích và không quay (I t = 0, n = 0). Ta đặt các chổi than trên đường trung tính hình học và đưa dòng điện vào phần ứng sao cho chiều dòng điện trong các thanh dẫn cùng chiều với s.đ.đ ở hình 5-1. Từ trường do các dòng điện đó sinh ra phân bố đối xứng với các điểm nằm trên đường TTHH (h5-2). Rõ ràng là nửa bên phải Hình 5.2 Từ trường của phần ứng dẫn phía dưới s.đ.đ có chiều đi vào. Đường thẳng góc với trục cực từ và đi qua điểm có từ cảm bằng 0 được gọi là đường trung tính hình học (TTHH). S ư N ư 49 ø của phần ứng là cực bắc (N ư ), còn nửa bên trái của phần ứng là cực nam (S ư ). Như vậy trục từ trường phần ứng trùng với trục chổi than hay trùng với đường trung tính hình học. 2. Sự phân bố của từ trường trên bề mặt phần ứng Để phân tích đònh lượng của từ trường phần ứng cần phải xác đònh s.t.đ của phần ứng. Với mục đích đó ta đưa phần ứng có răng, rãnh thật về phần ứng nhẵn mặt có lớp thanh dẫn phân bố đều, nhưng có khe hở tính toán δ’ để giống như máy thực. Gọi N là tổng số thanh dẫn của phần ứng, i ư = 2a I ư là dòng điện trong thanh dẫn (I ư là dòng điện phần ứng) thì số ampe thanh dẫn trên đơn vò chiều dài của chu vi phần ứng được gọi là phụ tải đường A : A/m Theo đònh luật toàn dòng điện nếu lấy mạch vòng đối xứng với điểm giữa của 2 chổi than thì một điểm cách gốc một khoảng x, S.t.đ phần ứng sẽ là: F ưx = A.2x (A/đôi cực). Mặt khác ta có: (bỏ qua s.t.đ trên các đoạn sắt từ). S.t.đ ở khe hở không khí: Hình 5. 3 Các đường cong từ cảm của phần ứng: a. Trong máy không có cực từ phụ khi các chổi than ở đường trung tính hình học. b. cũng như vậy khi chổi than di chuyển khỏi đường trung tính. c. Trong máy có cực từ phụ không được kích thích khi các chổi than đặt ở đường trung tính hình học. Tại x = 0 ta có . Tại ta có . Sự phân bố s.t.đ phần ứng được biểu diễn như đường 1 - 1- 1 của hình 5-3. Từ cảm phần ứng dưới mặt cực từ bằng: B ưx = µ o .H ưx = µ o . δ2 ưx F = µ o . ' δ A .x (1) F ư B ưx F ư ư ư D iN A π = . δ==== ∑ ∫ →→ 2Hx2AidlHF ưx n k kưx AxHF 2 1 ưxưx =δ= / 0F 2 1 ưx = 2 AF 2 1 ưx τ = 2 x τ = 50 ø Từ công thức (1) ta thấy từ cảm phần ứng dưới mặt cực giống như đường cong s.t.đ nhưng ở giữa hai cực từ, từ cảm giảm đi rất nhiều do chiều dài đường từ trong không khí tăng lên, cho nên đường cong từ cảm có dạng hình yên ngựa (đường 2 hình 5-3). . Sự phân bố của từ thông tổng do từ trường cực từ chính và từ trường phần ứng hợp lại như hình 5-5, cũng có thể dùng hình khai triển của nó như hình 5-6 để phân tích sự thay đổi của từ thông khi có phản ứng phần ứng. Đường cong 1 thể hiện sự phân bố của từ trường cực từ chính. Đường yên ngựa 2: Chỉ sự phân bố của từ trường phần ứng Khi mạch từ không bão hòa µ = C te thì theo nguyên Hình 5.5 Sự phân bố từ trường tổng của máy khi các chổi than đặt trên đường trung tính hình học ïlý xếp chồng đường 3 là sự phân bố của từ trường tổng. Do đó từ thông tổng Φ bằng từ thông chính Φ o . Khi mạch từ bão hòa dùng nguyên lý xếp chồng không chính xác nữa (vì Φ không tăng tỉ lệ với s.t.đ) nên đường 4 là đường phân bố từ trường tổng khi kể đến sự bão hoà của mạch từ. 3. Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều. a. Khi chổi than đặt trên đường trung tính hình học. Nếu chổi than không ở trên đường trung tính hình học mà lệch đi một góc tương đương với một khoảng cách b trên chu vi phần ứng (hình 5.4) thì dưới mỗi bước cực trong phạm vi 2b dòng điện sinh ra s.t.đ dọc trục F ưd và trong phạm vi (τ – 2b) dòng điện sinh ra sức từ động ngang trục F ưq do đó ta có: F ưd = 2A.b F ưq = A(τ – 2b) Hình 5.4 Sức từ động ngang trục và dọc trục của phần ứng khi xê dòch chổi than khỏi đường trung tính hình học. F ưd F ưq b b T r u n g t í n h v a ä t l y ù S N 51 ø Kết luận: - Khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học thì phản ứng phần ứng ngang trục (F ư = F ưq ) làm méo từ trường trong khe hở. Nếu mạch từ không bão hoà thì từ trường tổng không đổi vì tác dụng trợ từ và khử từ như nhau. Nếu mạch từ bão hoà thì từ thông dưới mỗi cực giảm đi một ít, nghóa là phản ứng phần ứng ngang trục cũng có một ít tác dụng khử từ. - Từ cảm ở đường trung tính hình học khác 0, do đó đường mà trên đó bề mặt phần ứng có từ cảm bằng 0 gọi là đường trung tính vật lý (đường đi qua điểm a và b trên hình 5-6). b. Khi xê dòch chổi than lệch khỏi đường trung tính hình học. Lúc đó S.t.đ phần ứng có thể chia làm 2 thành phần: - Thành phần ngang trục F ưq làm méo từ trường của cực từ chính và khử một ít từ nếu mạch từ bão hòa. - Thành phần dọc trục F ưd trực tiếp ảnh hưởng đến từ trường của cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tùy theo chiều xê dòch của chổi than. Nếu xê dòch chổi than theo chiều quay của máy phát (hay ngược chiều quay của động cơ) thì phản ứng dọc trục F ưd có tính chất khử từ và ngược lại nếu quay chổi than ngược chiều quay của máy phát và thuận chiều động cơ thì F ưd có tính chất trợ từ. Hình 5.6 Các đường phân bố từ trường của máy khi chổi than ở các vò trí khác nhau. Đường 1: Từ trường cực từ chính Đường 2: Từ trường phần ứng. Đường 3: Từ trường tổng khi mạch từ không bão hoà. Đường 4: Từ trường tổng khi mạch từ bão hoà. § 5.4. Từ trường cực từ phụ Cực từ phụ được đặt giữa hai cực từ chính và nằm trên đường trung tính hình học. Các chổi than cũng được đặt cố đònh trên đường TTHH ở bất kỳ khi không tải hay có tải. Tác dụng của cực từ phụ là sinh ra một s.t.đ triệt tiêu s.t.đ Mỏm ra Mỏm vào Trung tính hình học Trung tính Vật lý 52 ø phần ứng ngang trục F ưq 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 trùng với cực tính của cực từ chính mà phần ứng sẽ chạy vào nếu máy làm việc ở chế độ máy phát. Để triệt tiêu F ưq với bất kỳ tải nào thì từ trường của cực từ phụ phải tỉ lệ với I ư nên dây quấn của cực từ phụ phải được nối nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch từ của nó không bò bão hòa. Xét 3 ảnh hưởng của cực từ phụ đến cực từ chính hình 5-8: a. Khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học:Cực từ phụ không ảnh hưởng đến từ trường cực từ chính vì trong phạm vi 1 bước cực tác dụng khử từ và trợ từ của các cực từ phụ bằng nhau nên bù cho nhau. b. Nếu xê dòch chổi than khỏi đường trung tính hình học, ví dụ theo chiều quay của phần ứng ở chế độ máy phát (hay ngược chiều quay đối với Hình 5.8 Ảnh hưởng của từ trường cực từ phụ đến từ trường chính. động cơ) thì trong phạm vi một bước cực τ tác dụng khử từ của cực từ phụ lớn hơn tác dụng trợ từ của nó, làm cho máy bò khử từ. c. Nếu xê dòch chổi than ngược chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ) thì cực từ phụ có tác dụng trợ từ. Tóm lại: Ảnh hưởng của từ trường cực từ phụ đối với từ trường cực từ chính như phản ứng phần ứng dọc trục F ưd . Sự phân bố của từ trường tổng khi có cực từ phụ không có dây quấn bù: Sự phân bố từ trường tổng khi có cả từ trường cực từ phụ như ở hình 5.9, trong đó đường 1, 2, 3 ở hình 5.9a là đường phân bố của s.t.đ của cực từ chính, cực từ phụ và s.t.đ phần ứng; Hình 5.9b là đường phân bố s.t.t tổng; Hình 5.9c là đường phân bố từ cảm tổng trong khe hở không khí. Hình 5.9 S.t.đ và đường cong từ trường tổng của máy một chiều có cực từ phụ. Hình 5.7 Cách bố trí và đấu dây của cực từ phụ trong máy điện một chiều a) b) c) Đ F 53 ø § 5.5. Từ trường của dây quấn bù Mục đích của dây quấn bù là làm giảm đến mức độ cao nhất sự biến dạng của từ trường chính do phản ứng phần ứng. Muốn vậy dây quấn bù được đặt vào trong các rãnh ở các mặt cực chính và quấn theo sơ đồ hình 5-10. để có thể bù được ở bất cứ một phụ tải nào thì phải nối dây quấn bù nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho s.t.đ của hai dây quấn ngược chiều nhau. Khi có tải để không có sự biến dạng của từ trường chính trên phạm vi bề mặt cực từ thì phải bù hoàn toàn s.t.đ phần ứng trong phạm vi dưới mặt cực từ b’ = τα δ . . Muốn thế phải thực hiện dây quấn bù sao cho đoạn kL = tS = ½ F b phải bằng với đoạn ml = rs = ½ δ α .F ưq , nghóa là sao cho : F b = δ α .F ưq = τα δ . .A = b’.A Hình chữ nhật adch biểu thò cho S.t.đ của các cực phụ khi máy không có dây quấn bù. Khi có dây quấn bù thì F’ f = F f – F b , nghóa là nhỏ hơn nhiều trong các máy không có dây quấn bù, F’ f biểu thò bằng hình acfh. Lúc đó phần biểu thò bằng hình chữ nhật bcfg của s.t.đ để bù vào phần còn lại của hiệu số F ưq – F b trong không gian giữa các cực, còn hình chữ nhật abgh xác đònh s.t.đ đổi chiều F đc cần thiết để thành lập từ thông đổi chiều Φ đc tạo nên s.đ.đ đổi chiều trong các thanh dẫn ở vùng đổi chiều. Hình 5.10 Các đường S.t.đ và từ trường tổng của máy một chiều có cực từ phụ và dây quấn bù. 54 ø § 5.6 Thí dụ Một máy phát điện một chiều có p = 2, số phần tử S = 95. Số vòng của mỗi phần tử w s = 3. Đường kính ngoài phần ứng D ư = 17cm, dòng điện đònh mức I đm = 36A, chổi than mằm trên đường trung tính hình học. 1. Nếu dây quấn phần ứng là dây quấn sóng đơn, tính phụ tải đường A và s.t.đ ngang trục lúc tải đầy. 2. Nếu dây quấn phần ứng là xếp đơn, tính phụ tải đường A và s.t.đ ngang trục lúc tải đầy. 3. Nếu chổi than dòch khỏi đường trung tính hình học 16 0 (góc độ điện), dòng điện phần ứng vẫn là 36A, tính s.t.đ ngang trục và dọc trục của hai loại dây quấn sóng đơn và xếp đơn. giải 1. Tổng số thanh dẫn : N = 2w s S = 2 x 3 x 95 = 570. Với dây quấn sóng đơn, lúc tải đầy dòng điện trong mỗi mạch nhánh bằng : i ư = I đm / 2a = 36 / 2x1 = 18A. (Trong dây quấn sóng đơn a = 1 ). Phụ tải đường khi tải đầy với dây quấn sóng đơn : A = Ni ư /π D ư = 570X18 / π x17 = 191 A/cm. Bước cực τ = πD ư / 2p = π x 17/4 = 13,35cm. s.t.đ ngang trục : F ưq = A.τ = 191x 13,35 = 2560 A/ đôi cực. 2. dòng điện trong mỗi mạch nhánh của dây quấn xếp đơn : i ư = I đm / 2a = 36 / 2x2 = 9 A ( Trong dây quấn xếp đơn a = p = 2). Phụ tải đường khi tải đầy với dây quấn xếp đơn : A = Ni ư / πD ư = 570x9 / π x17 = 95,5 A/cm. s.t.đ ngang trục : F ưq = Aτ = 95,5x13,35 = 1280 A/đôi cực. 3. Chiều dài trên chu vi phần ứng ứng với 16 0 góc độ điện bằng : b = 16 0 /180 0 x πD ư / 2p = 16/ 180 x πx17/ 2x2 = 1,19cm. Nếu dòng điện phần ứng vẫn bằng 36A thì ta có : Đối với dây quấn sóng đơn : F ưd = Ax2b = 191x2x1,19 = 456 A/đôi cực. F ưq = A(τ - 2b) = 191(13,35 - 2x1,19) = 2104 A/đôi cực. Đối với dây quấn xếp đơn : F ưd = Ax2b = 95,5x2x1,19 = 228 A/đôi cực. F ưq = A(τ - 2b) = 95,5(13,35 - 2x1,19) = 1052 A/đôi cực. 55 ø Câu hỏi 1. Tính chất của từ trường phần ứng? 2. Khi nào thì phản ứng phần ứng ngang trục có tính chất khử từ? tại sao? 3. Nếu chổi than không ở trên đường trung tính hình học và dòng điện kích từ lúc có tải không đổi, hỏi khi máy phát quay thuận và quay ngược thì điện áp ở đầu cực máy phát có bằng nhau không? có thể dùng phương pháp này để tìm đường trung tính vật lý không? Bài tập 1. Một động cơ điện kích từ song song có các số liệu sau: P đm = 550kw, U đm = 600v, I đm = 1000A, p = 3, n đm = 500vg/ph. Dòng điện kích từ I t = 19 A, phụ tải đường A = 270 A/cm. Đường kính ngoài phần ứng D ư = 92 cm. Dây quấn xếp phức tạp với m = 2. Điện áp rơi trên phần ứng I ư R ư = 40 v. a) Tính s.t.đ phần ứng khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học (TTHH). b) Tính từ thông Φ của máy. c) Tính F ưd ,F ưq khi xê dòch chổi điện 10 0 (góc độ điện) khỏi đường TTHH. (s.đ.đ của động cơ điện một chiều có thể tính theo công thức :E ư = U - I ư R ư và ở động cơ điện một chiều kích thích song song I đm = I ưđm + I t ). Đáp số: a. F ư = 13000 A b. Φ = 0.14 Wb c. F ưd = 1441.8 A; F ưq = 11564,2 A 2. Một máy phát điện một chiều có các số liệu sau: P đm = 24 Kw, U đm = 230 V, I đm = 104,5A, I t = 1,5 A, n = 1300vg/ph, 2p = 4. Dây quấn sóng đơn, tổng số thanh dẫn N = 556, số vòng dây của mỗi phần tử W s = 2; D ư = 294 mm, I ư R ư =19,4 V. Trong đó I ư = I đm + I t . Tính: a. E ư , Φ, A b. F ư khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học. c. F ưq và F ưd khi xê dòch chổi điện đi một góc 10 0 góc độ điện. Đáp số: a. E ư = 249.4 A; Φ = 0.01Wb; A = 319 A/cm b. F ư = 7362,2 A c. F ưd = 818,53 A; F ưq = 6523,16 A 3. Một máy phát điện một chiều có các số liệu sau:P đm = 13,3kw, U đm = 230v, I ưđm = 58A, 2p = 4, tổng số thanh dẫn N = 834, D ư = 24,5 cm, dây quấn xếp đơn. Tính s.t.đ phần ứng khi chổi than trên đường trung tính hình học và khi xê dòch đi một phiến góp cho biết G = 139. Đáp số: F ư = 3019 A F ưd = 172,7 A; F ưq = 2841,7 A . của máy. c) Tính F ưd ,F ưq khi xê dòch ch i i n 10 0 (góc độ i n) kh i đường TTHH. (s.đ.đ của động cơ i n một chiều có thể tính theo công thức :E ư = U - I ư R ư và ở động cơ i n một chiều. đ i chiều Φ đc tạo nên s.đ.đ đ i chiều trong các thanh dẫn ở vùng đ i chiều. Hình 5. 10 Các đường S.t.đ và từ trường tổng của máy một chiều có cực từ phụ và dây quấn bù. 54 ø § 5. 6 Thí dụ Một máy. 48 ø Chương 5 TỪ TRƯỜNG LÚC CÓ T I CỦA MÁY I N MỘT CHIỀU § 5. 1. Đ i cương Khi máy làm việc không t i, trong máy chỉ tồn t i sức từ động của các cực từ chính và sinh ra từ thông