Bài giảng Máy điện một chiều

CHƯƠNG V: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NHẤN VÀO ĐÂY ĐỂ TRỞ VỀ TRANG ĐẦU NHẤN VÀO PHẦN VĂN BẢN CÓ LINK ĐỂ XEM HÌNH MUỐN XEM PHIM XIN TRỞ VỀ TRANG CHỦ Bài 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU I. GIỚI THIỆU Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại đặc biệt là động cơ một chiều. Động cơ một chiều thường được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động, ta thấy các máy điện khuyếch  đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong các thiết bị điện ôtô, tàu thủy, máy bay… Các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao Thiếu sót chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều, cần có nguồn điện một chiều kèm theo (máy phát điện một chiều hay bộ chỉnh lưu). II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều gồm stator với cực từ, rotor với dây quấn và cổ góp với chổi điện. 1. Stator Còn gọi là phần cảm, gồm có cực từ chính, cực từ phụ, gông từ nắp máy và cơ cấu chổi điện. a. Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5mm hay 1mm được ép chặt và tán lại. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bulông. Dây quấn kích từ được làm bằng đồng bọc cách điện, được quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi lồng vào thân lõi thép cực từ. Các cuộn dây ở các cực từ chính được nối nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì hình thành các cực từ trái dấu xen kẽ. b. Cực từ phụ: Cực từ phụ gồm có lõi thép và dây quấn. Lõi thép thường làm bằng thép khối còn dây quấn cực từ phụ có cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được đặt xen kẽ với cực từ chính và được dùng để cải thiện đổi chiều. Dây quấn cực từ phụ được nối nối tiếp với dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông. c. Gông từ: Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện công suất lớn gông từ làm bằng thép đúc, còn máy điện công suất vừa và nhỏ thường dùng thép tấm cuốn lại và hàn. d. Cơ cấu chổi than: Gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và tỳ chặt lên cổ nhờ lò xo. 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. Sau khi điều chỉnh xong thì cố định lại bằng vít. Chổi than làm bằng than hay gra-phít, đôi khi ta trộn thêm bột đồng để làm tăng độ dẫn điện. Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hay ngược lại. e. Nắp máy: Nắp máy để bảo vệ dây quấn và đảm bảo an toàn cho con người. Đối với các máy điện công suất vừa và nhỏ, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi và thường làm bằng gang. 2. Rotor: Còn gọi phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần ứng và cổ góp. a. Lõi thép rotor:  Hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện, ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra. Các lá thép được rập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Trong những máy cỡ trung bình trở lên đôi khi còn có lỗ để tạo sự thông gió dọc trục còn ở máy lớn hơn thì lõi sắt được chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các đoạn ấy ta để một khe hở để thông gió ngang trục. b. Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, có tiết diện hình tròn (đối với máy có công suất bé) hay hình chữ nhật (đối với máy công suất lớn) được đặt trong các rãnh của lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và được cách điện với rãnh. Để tránh dây quấn bị văng ra khi rotor quay (lực ly tâm), ở miệng rãnh có dùng nêm bằng tre hay bakelit. c. Cổ góp: Cổ góp gồm có các phiến góp bằng đồng có đuôi én được ghép lại thành hình trụ tròn, giữa các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mica dày 0,4 đến 1,2mm. Hai đầu vành én có 2 vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và phiến góp cũng được cách điện bằng các tấm mica. Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây của phần tử nối với phiến góp. Thông qua chổi điện và cổ góp, dòng điện xoay chiều trong dây quấn rotor được đổi thành dòng điện một chiều đưa ra mạch ngoài, do đó cổ góp còn gọi là vành đổi chiều. III. CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC Các thông số định mức của máy điện một chiều thường do nhà chế tạo quy định và được ghi trên biển tên (name plate). Gồm có: Công suất định mức Pđm, điện áp định mức Uđm, dòng điện định mức Iđm IV. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện, động cơ điện dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ. XIN MỜI XEM PHIM 1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều Nhấn vào hình để xem phim Máy phát điện AC và DC Hình dưới mô tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều trong đó dây quấn phần ứng chỉ có 1 phần tử nối với 2 phiến đổi chiều. Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải và giá trị tức thời được tính theo biểu thức: e=B.l.v ·        B: từ cảm ứng nơi thanh dẫn quét qua ·        v: vận tốc quét của thanh dẫn; l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn Theo hình từ trường hướng từ cực N đến S, chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên sức điện động có chiều đi từ b đến a. Ở thanh dẫn phía dưới chiều sức điện động đi từ d đến c. Sức điện động của phần tử bằng 2 lần sức điện động của thanh dẫn. Nếu nối 2 chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện, điện áp của máy phát điện có cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B. Nếu máy chỉ có 1 phần tử, điện áp đầu cực như hình. Để điện áp lớn và ít đập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều. Ở chế độ máy phát điện, dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư. Phương trình cân bằng điện áp là  U= Eư-RưIư ·        RưIư là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng; Rư là điện trở của dây quấn phần ứng ·        U là điện áp đầu cực máy phát điện; Eư  là  sức điện động phần ứng 2. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều  Nhấn vào hình dưới để xem phim Hình dưới mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Dưới tác dụng của nam châm lên các thanh dẫn ab, cd có dòng điện, sẽ sinh ra lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn: F=Btbl.i ·        Btb: cảm ứng từ trung bình trong khe hở ·        i: dòng điện chạy trong thanh dẫn; l: chiều dài thanh dẫn Khi phần ứng quay được ½ vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau. Do có phiến góp, đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Chiều sức điện động sẽ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ, chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện. Phương trình cân bằng điện áp là: U=Eư+IưRư Nhấn vào hình dưới để xem phim Chiều quay của phần ứng động cơ DC  Bài 2: DÂY QUẤN PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU I. CẤU TẠO CỦA DÂY QUẤN PHẦN ỨNG 1.     Tổng quan. Dây quấn phần ứng là bộ phận quan trọng nhất của máy điện vì nó tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng và ngược lại. Ngoài ra dây quấn phần ứng còn chiếm một tỷ lệ khá cao trong cơ cấu giá thành của máy phát điện một chiều. Các yêu cầu đặt ra cho dây quấn phần ứng là: ·        Sinh ra một sức điện động cần thiết, có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua để sinh ra một mô men cần thiết mà không bị nóng quá nhiệt độ quy định, đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt. ·        Kết cấu đơn giản, tiết kiệm vật liệu, làm việc chắc chắn an toàn Dây quấn phần ứng chia làm dây quấn xếp đơn và xếp phức tạp và  dây quấn sóng đơn và sóng phức tạp. Một số máy điện một chiều có công suất lớn còn dùng loại dây quấn hỗn hợp, kết hợp giữa dây quấn sóng và xếp. 2.      Cấu tạo của dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử dây quấn nối với nhau theo một quy luật nhất định. Phần tử là một bối dây gồm một hay nhiều vòng dây mà 2 đầu của nó nối vào 2 phiến góp. Các phần tử nối với nhau thông qua các phiến góp đó và làm thành mạch vòng kín. Mỗi phần tử có 2 cạnh tác dụng, đó là phần đặt vào rãnh của lõi sắt. Phần nối 2 cạnh tác dụng nằm ngoài lõi sắt gọi là phần đầu nối. Để dễ chế tạo, một cạnh tác dụng của phần tử đặt ở lớp dưới của một rãnh còn cạnh tác dụng kia đặt ở lớp trên của một rãnh khác. Các phần tử khác cũng xếp thứ tự như vậy vào các rãnh kề bên cho đến khi đầy các rãnh. Nếu trong một rãnh phần ứng (gọi là rãnh thực) chỉ đặt 2 cạnh tác dụng (một cạnh nằm ở lớp trên và một cạnh nằm ở lớp dưới rãnh) thì ta gọi rãnh đó là rãnh nguyên tố. Nếu trong một rãnh thực đó có đặt 2u cạnh tác dụng (u=1,2,3,4…n) thì ta có thể chia rãnh thực đó thành u rãnh nguyên tố. Vì vậy quan hệ giữa số rãnh thực Z của phần ứng với số rãnh nguyên tố là: Znt=uZ Giữa số phần tử của dây quấn S, số rãnh nguyên tố Znt và số phiến góp G cũng có mối quan hệ nhất định. Vì mỗi phần tử có 2 đầu nối và 2 phiến góp, đồng thời ở mỗi phiến góp lại nối 2 đầu của 2 phần tử lại với nhau, nên số phần tử S bằng số phiến góp G. Tức là S=G Vì mỗi rãnh nguyên tố đặt 2 cạnh tác dụng mà mỗi phần tử cũng có 2 cạnh tác dụng nên Znt=S=G  Rãnh thực có 1,2,3 rãnh nguyên tố Tuỳ theo kích thước của các phần tử mà ta chia dây quấn thành dây quấn có phần tử đồng đều và dây quấn theo cấp. ·        Dây quấn có phần tử đồng đều là dây quấn mà kích thước các phần tử hoàn toàn giống nhau. ·        Dây quấn theo cấp là dây quấn mà khi cạnh tác dụng thứ nhất của các phần tử cùng nằm trong một rãnh thực thì cạnh tác dụng thứ 2 của chúng lại nằm trong rãnh thực khác nhau. Vì vậy kích thước của các phần tử không bằng nhau.  Dây quấn có phần tử đồng đều a và theo cấp (b,c) 3.      Các bước dây quấn.  Các bước dây quấn xếp và sóng Quy luật nối các phần tử dây quấn có thể được xác định theo bước dây quấn sau: ·        Bước dây quấn thứ nhất y1: đó là khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng của một phần tử đo bằng số rãnh nguyên tố. ·        Bước dây quấn thứ hai y2: đó là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ 2 của phần tử thứ nhất với cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp ngay sau đó và đo bằng số rãnh nguyên tố. ·        Bước dây quấn tổng hợp y: Đó là khoảng cách giữa 2 cạnh tương ứng của 2 phần tử liên tiếp nhau đo bằng rãnh nguyên tố. ·        Bước trên vành góp yG: đó là khoảng cách giữa 2 phiến góp có 2 cạnh tác dụng của cùng một phần tử nối vào đó và đo bằng số phiến góp. Gọi khoảng cách giữa 2 cực từ tính theo chu vi phần ứng là bước cực , ta có:  II. DÂY QUẤN XẾP ĐƠN Do đặc điểm về bước dây quấn của kiểu dây này là các phần tử nối nối tiếp nhau đều xếp lên nhau nên ta gọi là kiểu dây quấn xếp. 1. Bước dây quấn. a. Bước dây quấn thứ nhất y1: Bước dây quấn thứ nhất phải được chọn sao cho sức điện động cảm ứng trong phần tử lớn nhất. Muốn vậy thì 2 cạnh tác dụng phải cách nhau một bước cực, vì lúc này trị số tức thời của sức điện động của 2 cạnh tác dụng bằng nhau về trị số và ngược chiều nhau và do trong một phần tử đuôi của 2 cạnh tác dụng nối với nhau nên sức điện động tổng của phần tử bằng tổng số học sức điện động của 2 cạnh tác dụng. Nếu biểu thị sức điện động của mỗi cạnh tác dụng bằng 1 véc tơ thì 2 sức điện động của 2 cạnh này cùng phương và véc tơ sức điện động tổng của phần tử bằng 2 lần véc tơ sức điện động của một cạnh tác dụng. Vì số rãnh nguyên tố dưới mỗi bước cực bằng  nên tốt nhất là . Nếu  không phải là số nguyên thì phải chọn y1 bằng một số nguyên gần bằng , ta có: ·        = Số nguyên Khi: ·         ta có dây quấn bước đủ ·         ta có dây quấn bước dài ·         ta có dây quấn bước ngắn Dây quấn thường được thực hiện theo bước ngắn vì đỡ tốn đồng hơn. Nhưng cả bước dài và ngắn thì sức điện động tổng đều nhỏ hơn bước đủ do 2 sức điện động của 2 cạnh tác dụng không cùng phương. Sức điện động của phần tử: bước đủ, ngắn, dài b. Bước dây quấn thứ nhất y và bước vành góp yG: Đặc điểm của dây quấn xếp đơn là 2 đầu dây của một phần tử nối liền vào 2 phiến góp kề nhau nên yG=1. Vậy ta có y=yG=1. c. Bước dây quấn thứ hai y2: Ta có y2=y1-y 2. Giản đồ khai triển của dây quấn Ta dùng giản đồ khai triển để phân tích cách đấu dây của các phần tử. Đó là hình vẽ khai triển của dây quấn khi cắt bề mặt phần ứng theo chiều trục rồi trải ra thành mặt phẳng. Ta xét ví dụ sau: dây quấn xếp đơn có Znt=S=G=16, 2p=4. a. Các bước dây quấn: =4; y=yG=1; y2=y1-y=3 b. Thứ tự nối các phần tử: ·        Ta đánh số rãnh từ 1 đến 16. ·        Phần tử thứ nhất có cạnh tác dụng thứ nhất (coi như đặt nằm trong rãnh) đặt vào rãnh nguyên tố thứ nhất thì cạnh tác dụng thứ 2 của nó phải nằm ở phía dưới của rãnh nguyên tố thứ 5.(y1=5-1=4). Hai đầu của phần tử này nối vào phiến đổi chiều 1 và 2. ·        Cạnh thứ nhất của phần tử thứ 2 phải đặt ở rãnh nguyến tố thứ 2 và nằm ở lớp trên (vì y2=5-2=3) và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi khép kín mạch. ·        Xem sơ đồ sau: c. Giản đồ khai triển: Ta quy ước các cạnh của phần tử ở lớp trên vẽ bằng nét liền còn lớp dưới vẽ bằng nét đứt. Vị trí của các cực từ phải đối xứng nghĩa là khoảng cách giữa chúng phải đều nhau, chiều rộng cực từ vào khoảng 0,7 bước cực. Theo cực tính của cực từ và chiều quay của phần ứng mà chiều sức điện động cảm ứng như hình. Vị trí của chổi than trên phiến đổi chiều cũng phải đối xứng, nghĩa là khoảng cách giữa các chổi than phải bằng nhau. Chiều rộng của chổi than có thể lấy bằng một phiến đổi chiều. Vị trí tương đối giữa chổi than và cực từ phải có một mối quan hệ nhất định. Chổi than phải đặt ở chỗ để sức điện động lấy ra ở 2 đầu chổi than là lớn nhất và dòng điện trong phần tử khi bị chổi than nối ngắn mạch là nhỏ nhất. Dòng điện trong phần tử khi bị chổi than nối ngắn mạch là nhỏ nhất khi 2 cạnh của phần tử nằm ở vị trí trùng với đường trung tính hình học của phần ứng. Như vậy thì vị trí của chổi than đặt trên vành góp phải trùng với trục của cực từ. Để thuận lợi, có khi trong một số hình vẽ ta quy ước vị trí của các chổi than ở đứng trên đường trung tính hình học của phần ứng. Theo hình, khi chổi than ở trên vành góp đặt đúng giữa trục cực từ thì sức điện động của các phần tử giữa 2 chổi than đều cộng với nhau nên sức điện động giữa 2 chổi than là lớn nhất. Khi chổi than dịch đến vị trí khác thì sức điện động sẽ giảm đi.  3. Số đôi mạch nhánh. Ta giả sử ở thời điểm nào đó, dây quấn quay đến vị trí như trong giản đồ khai triển trên. Ta thấy sức điện động của các phần tử giữa 2 chổi than cùng chiều và chổi than A1A2 có cùng cực tính (cực +). Cực tính của các chổi than B1B2 là giống nhau (cực -). Vì vậy ta thường nối A1 với A2 và B1 với B2. Từ ngoài nhìn vào ta có thể biểu thị sơ đồ dây quấn như hình. Từ hình ta thấy dây quấn là một mạch điện gồm 4 mạch nhánh ghép song song hợp lại. Khi phần ứng quay, vị trí của phần tử thay đổi nhưng nhìn từ bên ngoài vào vẫn là 4 mạch nhánh song song. Nếu máy điện có số đôi cực là 2p thì số đôi mạch nhánh cũng là 2p. Vì vậy đặc điểm của dây quấn xếp đơn là số mạch nhánh ghép song song của dây quấn phần ứng bằng số cực từ: 2a=2p Trong ví dụ trên yG=1 nên dây quấn được xếp theo thứ tự từ trái sang phải, ta gọi là dây quấn phải. nếu yG=-1 thì đầu cuối của phần tử nằm bên trái của đầu phần tử ta có dây quấn trái, cách này tốn đồng hơn ít được sử dụng. Sơ đồ ký hiệu dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp trái 4. Dùng đa giác sức điện động nghiên cứu dây quấn phần ứng Giả thiết từ cảm dưới cực từ phân bố hình sin, như vậy thì sức điện động cảm ứng trong mỗi phần tử cũng biến đổi hình sin và ta có thể dùng một véc tơ quay để biểu thị, trị số tức thời của sức điện động phần tử là hình chiếu của véc tơ trên trục tung. Như vậy ta có thể biểu thị sức điện động của tất cả các phần tử bằng hình sao sức điện động. Vì cứ qua mỗi đôi cực thì sức điện động biến đổi 1 chu kỳ 3600 điện và số rãnh nguyên tố dưới mỗi đôi cực là  nên nếu coi các phần tử dây quấn phân bố đều trên bề mặt phần ứng thì góc độ điện giữa 2 rãnh nguyên tố là: Theo ví dụ trên ta có p=2; Znt=S=16 nên  . Với chiều quay phần ứng cho trước như hình thì các phần tử 1, 2, 3,…lần lược quét qua cực từ nên sức điện động của phần tử 2 (tức véc tơ 2) chậm sau sức điện động của phần tử 1 (tức vectơ 1) một góc . Theo qui ước đó mà vẽ, ta có hình tia sức điện động như hình. Từ hình vẽ ta thấy, từ rãnh 1 đến rãnh 8 phân bố dưới đôi cực thứ nhất (chiếm 3600 góc độ điện) nên ta vẽ được một hình sao sức điện động gồm các véc tơ từ 1-8, góc lệch pha giữa các véc tơ là 450. Từ rãnh 9 đến rãnh 16 phân bố dưới đôi cực thứ hai và ta vẽ được hình sao sức điện động thứ hai trùng với hình sao sức điện động thứ nhất. Sở dĩ như vậy vì chúng có vị trí tương đối giống nhau ở dưới cực từ. Vì tất cả các phần tử của dây quấn phần ứng được nối tiếp nhau sao cho cuối phần tử trước nối với đầu phần tử sau, nên sức điện động sinh ra trong nó được cộng hình học với nhau. Để thực hiện được điều đó ta làm như sau: từ cuối của véc tơ 1 ta vẽ liên tiếp các véc tơ 2, 3, 4,…Kết quả ta được đa giác sức điện động. Theo thí dụ trên ta thấy dây quấn ý có hai đa giác sức điện động trùng nhau. Hình tia sức điện động của dây quấn xếp đơn và đa giác sức điện động của nó Dùng đa giác sức điện động có thể thấy rõ các vấn đề sau: 1.      Nếu đa giác sức điện động khép kín thì chứng tỏ tổng sức điện động trong mạch vòng phần ứng bằng không và trong điều kiện làm việc bình thường không có dòng điện cân bằng. 2.      Hình chiếu của đa giác sức điện động lên trục tung là trị số cực đại của các véc tơ sức điện động của một số phần tử nối với nhau trong mạch vóng phần ứng, nên muốn cho sức điện động lấy ra ở hai đầu chổi than cực đại thì chổi than phải đặt ở các phần tử ứng với các véc tơ ở đỉnh và đáy của đa giác. Khi rotor quay thì đa giác cũng quay, hình chiếu của đa giác lên trục tung có thay đổi chút ít theo chu kỳ. Điều đó nói lên điện áp phần ứng lấy ra ở chổi than có đập mạch. 3.      Các véc tơ sức điện động của đa giác cũng có thể biểu thị cho cách nối tiếp các phần tử. Do đó từ đa giác sức điện động có thể thấy số đôi mạch nhánh a (cứ mỗi một đa giác tương ứng với một đôi mạch nhánh). 4.      Những điểm trùng nhau trên đa giác là những điểm đẳng thế của dây quấn, có thể nối dây cân bằng điện thế được, như điểm 1-9, 2-10 v.v… III. DÂY QUẤN SÓNG ĐƠN 1. Bước dây quấn Đặc điểm của dây quấn sóng là hai đầu của phần tử nối với hai phiến góp cách rất xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau cũng cách xa nhau nên nhìn cách đấu gần giống như làn sóng Cách xác định bước dây quấn y1 giống như dây quấn xếp đơn, chỉ khác ở yG. Khi chọn yG, trước hết yêu cầu sức điện động sinh ra trong hai phần tử nối tiếp nhau cùng chiều, như vậy sức điện động mới có thể cộng số học với nhau được. Muốn thế thì hai phần tử đó phải nằm dưới các cực từ cùng cực tính, có vị trí tương đối gần giống nhau trong từ trường, nghĩa là cách nhau một khoảng bằng hai bước cực. Mặt khác các phần tử nối tiếp nhau sau khi quấn vòng quanh bề mặt phần ứng phải trở về bên cạnh phần tử đầu tiên để lại tiếp tục nối với các phần tử khác quấn vòng thứ hai. Như vậy, nếu máy có p đôi cực thì muốn cho các phần tử nối tiếp nhau đi một vòng bề mặt phần ứng, phải có p phần tử. Hai phiến đổi chiều nối với hai đầu của phần tử cách xa nhau yG phiến, do đó muốn cho khi quấn xong vòng thứ nhất đầu cuối của phần tử phải kề với đầu đầu của phần tử đầu tiên thì số phiến đổi chiều mà các phần tử vượt qua phải bằng:  và ta có: Từ các công thức về bước dây quấn trên ta thấy, mặc dù 2 phần từ nối tiếp nhau ở dưới các cực từ cùng cực tính nhưng vị trí tương đối trong từ trường không hoàn toàn như nhau, vì khoảng cách rãnh giữa hai phần tử đó là: 2. Giản đồ khai triển của dây quấn Ví dụ có dây quấn sóng đơn với 2p = 4, G = S = Znt = 15. a. Bước dây quấn ·        , chọn dây quấn bước ngắn. ·        , chọn dây quấn trái ·        ; b. Thứ tự nối các phần tử c. Giản đồ khai triển dây quấn Cách vẽ vị trí cực từ và chổi than trong giản đồ triển khai giống như ở dây quấn xếp. Theo thứ tự nối các phần tử ta thấy, phần tử 1 nối với phần tử 8 rồi với phần tử 15, cách nhau 7 phần tử. Nhìn trên giản đồ khai triển ta thấy, các cạnh tương ứng của các phần tử ấy đều nằm dưới các cực từ cùng cực tính, ví dụ cạnh thứ nhất của các phần tử 1,8,15 đều nằm dưới cực S. Nhưng sau khi nối đến phần tử thứ 5 trở đi thì tất cả các phần tử sẽ nằm ở dưới cực N cho đến khi nối thành mạch kín. Như vậy dù máy có bao nhiêu đôi cực thì quy luật nối dây quấn này vẫn là: trước hết nối nối tiếp tất cả các phần tử ở dưới các cực từ có cùng cực tính lại sau đó nối các phần tử ở dưới các cực từ có cực tính khác cho đến khi hết. d. Số đôi mạch nhánh. Có thể dùng đa giác sức điện động để xác định nhanh chóng số đôi mạch nhánh của dây quấn sóng đơn. Theo hình tia sức điện động, góc độ điện giữa 2 phần tử kề nhau là: . Khi vẽ hình tia sức điện động ta không thấy véc tơ sức điện động nào trùng nhau, do đó ta chỉ có 1 đa giác sức điện động và do đó chỉ có một đôi mạch nhánh. Ta có a=1. Hình tia và đa giác sức điện động của dây quấn phần ứng sóng đơn Về lý luận ta thấy chỉ cần 2 chổi than cũng đủ (vì chỉ có một đôi mạch nhánh) nhưng ta vẫn thường đặt số chổi than bằng số cực từ nhằm phân bố dòng điện trên nhiều chổi than hơn, làm giảm kích thước chổi than và chiều dài của vành góp. Điều quan trọng là phải đảm bảo tính đối xứng của cả 2 mạch nhánh. Theo hình trên ta thấy có 5 phần tử bị ngắn mạch và khép kín qua chổi than (2,5,6,9,13) nên trong mỗi mạch nhánh chỉ còn lại 5 phần tử, nghĩa là chúng đối xứng nhau. Bài 3: SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG TRONG DÂY QUẤN PHẦN ỨNG, MÔ MEN ĐIỆN TỪ VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ I. SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG TRONG DÂY QUẤN PHẦN ỨNG Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở không khí sẽ sinh ra từ thông. Khi phần ứng quay với một tốc độ nhất định nào đó thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một sức điện động. Sức điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc độ quay của máy, số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn. Sức điện động trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động với tốc độ v trong từ trường bằng: etb = Btblv. ·        Trong đó Btb là cảm ứng từ trung bình trong khe hở. Do tốc độ quay: v = và . Trong đó: D là đường kính ngoài phần ứng. Thay vào ta có: Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song sẽ có N/2a thanh dẫn nối tiếp nhau, trong đó 2a là số mạch nhánh ghép song song, và như vậy sức điện động của máy bằng:= ·        Với  là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy và dây quấn. Chiều của Eư phụ thuộc vào chiều Фvà n và được xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình dưới.  Sự phân tích trên dựa trên giả thiết dây quấn bước đủ, sức điện động trên các thanh dẫn của phần tử đều cộng số học với nhau. Nếu là bước ngắn thì sức điện động của các thanh dẫn của một phần tử sẽ cộng véc tơ nên sức điện động của cả phần tử sẽ nhỏ hơn so với phần tử bước đủ và như vậy sức điện động phần ứng cũng nhỏ hơn một ít. Nhưng vì trong máy điện một chiều không cho phép bước ngắn nhiều nên ảnh hưởng này có thể bỏ qua. II. MÔ MEN ĐIỆN TỪ VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng có dòng điện chạy qua. Tác dụng của từ trường lên dây dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mô-men điện từ trên trục máy. Giả sử ở một chế độ làm việc nào đó của máy điện một chiều, từ trường và dòng điện phần ứng ở dưới một cực từ như hình. Theo quy tắc bàn tay trái, mô-men điện từ do lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn có chiều từ phải sang trái. Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn bằng: F=Btbliư Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn là N, dòng điện trong mạch nhánh là thì mô-men điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng là: Trong đó: ·        Btb: từ cảm trung bình trong khe hở không khí; Iư: dòng điện phần ứng ·        l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn; D: đường kính ngoài của phần ứng Do và  nên ta có biểu thức: Mđt= = CMIư(Nm) Trong đó: là từ thông dưới mỗi cực từ Wb; CM =  là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. Nếu mô-men tính bằng kGm thì ta có biếu thức sau: Mđt=(kGm) Trong máy phát điện, khi có tải thì dòng điện sinh ra sẽ cùng chiều với sức điện động nên mô-men điện từ sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của máy nên mô-men điện từ là mô-men 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 mô-men điện từ kéo máy quay, vì vậy chiều quay của máy sẽ cùng chiều với chiều quay của mô-men. Nhận xét: ·        Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông. Muốn thay đổi mômen điện từ ta phải thay đổi dòng điện phần ứng hay thay đổi dòng kích từ. Muốn đổi chiều mômen điện từ ta phải đổi chiều dòng điện phần ứng hay dòng kích từ. Công suất ứng với mô-men điện từ lấy vào (máy phát) hay đưa ra (động cơ) gọi là công suất điện từ của máy điện một chiều và bằng: Pđt=M Với: ·        Mômen điện từ là: Mđt=  ·        wr là tần số góc quay của rotor được tính theo tốc độ quay n: wr = Thay các giá trị trên vào ta có: Pđt= Từ công thức trên ta thấy quan hệ giữa công suất điện từ với mô-men điện từ và sự trao đổi năng lượng trong máy điện một chiều. Trong máy phát điện, công suất điện từ đã chuyển công suất cơ M thành công suất điện từ EưIư. Còn trong động cơ điện, công suất điện từ đã chuyển công suất điện EưIư thành công suất cơ M. BÀI 4: PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU I. TỪ TRƯỜNG CỦA CỰC TỪ 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. Các cực từ có cực tính khác nhau được bố trí xen kẽ nhau dọc theo chu vi phía trong than vỏ máy, từ thông đi từ cực bắc N qua khe hở và phần ứng rổi trở về cực nam S nằm bên cạnh. Sự phân bố đường sức từ của một máy bốn cực như hình. Đại bộ phận từ thông đi qua khe hở vào phần ứng, chỉ có một bộ phận rất nhỏ không đi qua phần ứng mà đi thẳng vào các cực từ bên cạnh hay gông từ, nắp máy… làm thành mạch kín. Sự phân bố của từ trường chính và từ trường tản và sự phân bố từ cảm trong khe hở Từ thông cực từ gồm 2 phần sau: ·        Phần từ thông đi vào phần ứng gọi là từ thông chính hay từ thông khe hở . Từ thông này cảm ứng nên sức điện động trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây quấn phần ứng để sinh ra mô-men. Đây là phần chính của từ thông cực từ. ·        Phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông tản , nó không cảm ứng nên sức điện động và không sinh ra mô-men trong phần ứng mà chỉ làm cho độ bão hòa từ trong cực từ và gông từ tăng lên. Từ thông này nhiều hay ít còn phụ thuộc vào độ bão hoà và kết cấu của cực từ. Tóm lại ta có biểu thức sau: =+== Trong đó = gọi là hệ số tản từ của cực từ chính, thường=1,15-1,28. Từ trường cực từ phân bố đối xứng. Do khe hở giữa phần ứng và cực từ không đều nhau, ở giữa cực từ khe hở nhỏ, ở hai đầu mặt cực từ khe hở lớn nhất, thường  cho nên từ cảm ở các điểm thẳng góc với bề mặt phần ứng cũng khác nhau. Giả thiết bề mặt phần ứng phẳng thì sự phân bố từ cảm dưới một cực từ như hình. Hình dáng của nó phụ thuộc vào bề rộng của mặt cực từ và chiều dài của khe hở. Ở giữa cực từ từ cảm lớn nhất, ở 2 mép cực từ thì nhỏ đi rất nhiều và ở đường trung tính hình học mn, cường độ từ cảm B=0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động. Để dễ tính toán , ta đơn giản hóa đường cong phân bố từ cảm theo phương pháp đẳng trị nghĩa là đường cong phân bố từ cảm thực tế bằng hình chữ nhật có chiều cao là và đáy là sao cho diện tích hình chữ nhật bằng với diện tích đường cong thực. Đáy b/ gọi là cung tính toán của cực từ, là bước cực, đó là khoảng cách giữa 2 cực tính trên chu vi phần ứng (D là đường kính phần ứng, p là số đôi cực);  gọi là hệ số tính toán của cung cực từ. Trong máy điện một chiều có cực từ phụ thì thường =0,62-0,72. II. TỪ TRƯỜNG PHẦN ỨNG Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng. Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ. 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. Ở một mỏm cực, từ trường được tăng cường (tại đó từ trường phần ứng trùng chiều với từ trường cực từ) trong khi đó ở mỏm cực kia, từ trường bị yếu đi (tại đó từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ). Hậu quả của phản ứng phần ứng là: ·        Từ trường trong máy bị biến dạng: Điểm có từ cảm B=0 dịch chuyển từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m’n’. Góc lệch b thường nhỏ và lệch theo chiều quay rotor khi là máy phát điện và ngược chiều quay rotor khi là động cơ. Ở vị trí trung tính hình học, từ cảm B¹0 thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sức điện động gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều. ·        Khi tải lớn dòng điện phần ứng lớn: Từ trường phần ứng lớn phần mỏm cực từ trường được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B tại đó được tăng lên rất ít, trong khi đó mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều, kết quả là từ thông f của máy bị giảm đi nhiều. Từ thông giảm kéo theo sức điện động phần ứng giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát điện U giảm xuống. Ở chế độ động cơ từ thông giảm làm cho mômen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi. Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù. Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng. Để khắc phục việc từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng. 1. Chiều của từ trường phần ứng: Muốn tạo nên từ trường phần ứng riêng, ta cho qua chổi than vào phần ứng một dòng điện một chiều sao cho chiều dòng điện trong các thanh dẫn giống như lúc máy làm việc bình thường. a. Trường hợp chổi than đặt trên đường trung tính hình học: Khi phần ứng có điện thì bản thân phần ứng là một nam châm điện. Cần lưu ý là dù máy quay hay không thì sự phân bố của dòng điện trong dây quấn vẫn không đổi nghĩa là dòng điện ở 2 phía của các chổi than luôn luôn khác dấu nhau. Vì vậy từ trường phần ứng sinh ra đứng yên và trục sức từ động của nó luôn luôn trùng với trục chổi than nghĩa là trùng với đường trung tính hình học. Ở đây ta nói trục sức từ động tổng của cả dây quấn sinh ra cho nên kết luận này đúng với mọi kiểu dây quấn. b. Trường hợp chổi than không nằm trên đường trung tính hình học: Khi ta quay chổi than ra khỏi đường trung tính hình học một góc tương đương với khoảng cách b trên phần ứng như hình, thì do sự phân bố của dòng điện ứng với vị trí chổi than là không đổi nên trục sức từ động cũng quay đi một góc và luôn trùng với trục chổi than. Ta có thể phân tích sức từ động phần ứng Fư thành 2 thành phần sau: ·        Thành phần thẳng góc với sức từ động cực từ gọi là sức từ động ngang trục Fưq. ·        Thành phần cùng trục với sức từ động cực từ gọi là sức từ động dọc trục Fưd. Theo hình ta có thể coi sức từ động ngang trục do dòng điện trong cung AB và CD sinh ra, còn sức từ động dọc trục do dòng điện trong cung AD và CB sinh ra. 2. Sự phân bố của từ trường trên bề mặt phần ứng.   Khi chổi than ở trên đường trung tính hình học, theo hình vẽ ta thấy, đường sức từ đi ra ở dưới ½ cực từ và đi vào ở dưới ½ cực từ, do đó tác dụng của nó trong khe hở ở dưới 2 nửa cực từ có chiều ngược nhau. Như vậy khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học, tác động của sức từ động phần ứng ở tâm cực từ bằng 0. Vì vậy ta thường lấy điểm giữa 2 chổi than làm gốc để xét sự phân bố của sức từ động trên bề mặt phần ứng. Giả thiết 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 số thanh dẫn dây quấn, là dòng điện trong thanh dẫn (trong đó Iư là dòng điện phần ứng, còn a là số đôi mạch nhánh) thì số ampe thanh dẫn trên đơn vị chiều dài của chu vi phần ứng bằng:(A/cm); với D là đường kính ngoài của phần ứng, cm. Trị số A bằng sức từ động trên một đơn vị chiều dài (cm) của chu vi phần ứng được gọi là phụ tải đường của phần ứng. Đây là một tham số quan trọng khi thiết kế máy điện. Theo định luật toàn dòng điện, nếu lấy mạch vòng đối xứng với điểm giữa của 2 chổi than thì ở một điểm cách gốc một khoảng là x, sức từ động phần ứng sẽ bằng:Fưx=A.2x (A/đôi cực). Như vậy sức từ động phần ứng lớn nhất ở chổi điện, tức là khi x=, lúc đó sức từ động phần ứng sẽ bằng: ·        (A/đôi cực). Trong đó là bước cực tính bằng cm. Vì A và iư đều tỉ lệ với Iư nên Fư cũng tỷ lệ với Iư, nghĩa là dòng điện tải càng lớn thì sức từ động phần ứng càng lớn. Sự phân bố sức từ động phần ứng như hình. Nếu bỏ qua từ trở của thép thì từ trở của mạch từ phần ứng chỉ còn là 2 khe hở không khí nên từ cả phần ứng ở dưới bề mặt cực từ là: Trong đó Hưx là cường độ từ trường phần ứng ở điểm cách đoạn gốc 1 đoạn là x. Từ công thức ta thấy đường từ cảm dưới mặt cực từ có dạng như đường cong sức từ động nhưng ở phần giữa 2 cực từ, từ cảm giảm đi rất nhiều do chiều dài đường từ trong không khí tăng lên, nên đường cong từ cảm có dạng yên ngựa. Nếu chổi than không ở trên đường trung tính hình học mà lệch đi một góc tương đương với khoảng cách b trên chu vi phần ứng thì dưới mỗi bước cực từ, trong phạm vi (2b), dòng điện sinh ra sức từ động dọc trục Fưd và trong phạm vi sinh ra sức từ động ngang trục Fưq. Do đó ta có:(A/đôi cực) và (A/đôi cực) Tóm lại từ trường phần ứng phụ thuộc vào vị trí chổi điện và mức độ tải. Những yếu tố này quyết định tính chất tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ chính. III. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện 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. Khi xét tác dụng của phần ứng ta chú ý rằng nếu máy điện có chiều dòng điện và cực tính của cực từ như trong hình thì chiều quay của máy phát điện và động cơ sẽ ngược nhau và được ký hiệu bằng các mũi tên trong hình. Sau đây ta xét 2 trường hợp: 1. Chổi than đặt trên đường trung tính hình học  Phản ứng phần ứng khi 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 ở hình. Cũng có thể dùng hình khai triển của nó để phân tích sự thay đổi của từ thông khe hở khi có phản ứng phần ứng. Trong hình trên đường 1 chỉ sự phân bố của từ trường chính, đường 2 là sự phân bố của từ trường phần ứng. Khi mạch từ không bảo hoà thì theo nguyên lý xếp chồng, sự phân bố của từ trường tổng như đường 3, nhận được bằng cách cộng từ trường của cực từ (đường 1) với từ trường của phần ứng (đường 2). Nhưng khi mạch từ bão hòa thì không dùng nguyên lý xếp chồng không hoàn toàn đúng vì lúc mạch bão hòa từ thông không tăng tỉ lệ với sức từ động nữa, nên sự phân bố từ trường tổng như đường 4. Từ những phân tích trên, ta có thể rút ra những kết luận sau đây: ·        Khi chổi than ở trên đường trung tính hình học chỉ có phản ứng  phần ứng ngang trục mà tác dụng của nó làm méo từ trường khe hở. Đối với máy phát điện thì ở mỏm ra cực từ (mỏm cực mà phần ứng đi ra) máy được trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì bị khử từ. Đối với động cơ điện tác dụng sẽ ngược lại, vì chiều quay ngược với chiều quay của máy phát điện. ·        Nếu mạch từ khôngbão 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 một cực giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục 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 điện, hay ngược chiều quay của động cơ điện (đường mm trên hình) Tóm lại: Khi chổi than đặt trên đường trung tính hình học thì chỉ có phản ứng phần ứng ngang trục F làm méo dạng từ trường khe hở, do đó làm 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. 2. Xê dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học: Trong máy phát 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 phần: ngang trục Fưq và dọc trục Fưq. Tác dụng của phản ứng phần ứng ngang trục như đã nói ở trên là làm méo dạng từ trường của cực từ chính và khử từ một ít nếu mạch từ bảo hòa. Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh hưởng đến từ trường cực tù 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, ngược lại nếu xê dịch chổi than ngược chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất trợ từ. Trong máy phát điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho phép quay chổi than theo chiều quay phần ứng nếu là máy phát, hay ngược chiều quay phần ứng nếu là động cơ. Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hưởng đến trị số của từ trường tổng chứ không làm nó biến dạng. BÀI 5: ĐỔI CHIỀU DÒNG ĐIỆN, TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ VÀNH GÓP I. ĐỔI CHIỀU DÒNG ĐIỆN 1. Khái niệm chung Khi chuyển động trong từ trường của một cực từ, mỗi phần tử của dây quấn phần ứng thuộc vào một nhánh song song và dòng điện iư 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 –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 là sự đổi chiều. Để có khái niệm cụ thể, hình dưới 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 phiến góp 1, dòng điện trong phần tử b giả sử có chiều +iư. Khi chổi than hoàn toàn tách khỏi phiến góp 1 thì dòng điện trong phần tử b có chiều ngược lại (-iư). Ở các vị trí trung gian, chổi than tiếp xúc với cả hai phiến đổi chiều 1 và 2 khiến cho phần tử bị nối tắt và dòng điện trong nó biến đổi theo những qui luật nhất định, phụ thuộc vào quá trình quá độ điện từ xảy ra trong và xung quanh phần tử đổi chiều. Quá trình đổi chiều của dòng điện trong mỗi phần tử tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Khoảng thời gian để hoàn thành việc đổi chiều gọi là chu kỳ đổi chiều, kí hiệu là Tđc. Đó là thời gian cần thiết để vành góp quay đi một góc tương ứng với chiều rộng của chổi điện, nghĩa là: ; Trong đó: vG là tốc độ dài của vành góp; bc: chiều rộng của chổi than; Quá trình đổi chiều Khi máy điện làm việc, các phần tử liên tiếp đổi chiều và trong thực tế Tđc=0,001s nên quá trình đổi chiều diễn ra tuần hoàn với tần số 1000-3000Hz. Chất lượng 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 của tia lửa điện trên bề mặt vành góp và dưới chổi than. II. QUÁ TRÌNH ĐỔI CHIỀU 1. Phương trình dòng điện:                                                Để thấy rõ qui 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 của dây quấn xếp đơn trên hình. Biểu thức của dòng điện trong bối dây đổi chiều có thể suy ra từ các định luật Kirhhoff viết cho bối dây đó. Theo định luật của Kirhhoff 2 viết cho mạch vòng của bối đổi chiều ta có: Với: ·        i - dòng điện chạy trong phần tử đổi chiều (phần tử b trên hình 4-1); ·        i1, i2 – dòng điện chạy trên các dây nối v ới các phiến đổi chiều 1 và 2 ·        rtx1, rtx2 – các điện trở tiếp xúc giữa chổi than với các phiến đổi chiều 1 và 2 ·        rpt – là điện trở của phần tử; rd- là điện trở của dây nối ·        ∑e: là tổng các sức điện động cảm ứng sinh ra trong phần tử đổi chiều, bao gồm : o       Sức điện động tự cảm eL gây ra do sự biến đổi của dòng điện i trong phần tử đổi chiều o       Sức điện động hỗ cảm eM sinh ra do ảnh hưởng của sự đổi chiều đồng thời của các phần tử khác nằm trong cùng một rãnh o       Sức điện động đổi chiều eđc sinh ra khi phần tử đổi chiều chuyển động trong từ trường tổng hợp trong vùng trung tính. Từ trường này do cực từ phụ và phản ứng phần ứng tạo thành. o       Các sức điện động eLvà eM có tác dụng như nhau đối với các quá trình đổi chiều và tổng của chúng được gọi là sức điện động phản kháng: epk=eL+eM. Để quá trình đổi chiều tiến hành được thuận lợi, sức điện động đổi chiều eđc phải luôn luôn ngược chiều với epk nói trên. Tùy theo quan hệ giữa sức điện động, tính chất của quá trình đó sẽ được trình bày ở phần sau. Theo định luật của Kirhhoff thứ nhất, có thể viết phương trình dòng điện lần lượt tại các các điểm nút a và b như sau : ·        iư+ i - i1= 0 ·        iư - i - i2 = 0    Trên thực tế rtx1, rtx2 không những phụ thuộc vào i1,i2 và thời gian mà còn phụ thuộc vào sự đốt nóng của chổi than và phiến đổi chiều và cả hiện tượng điện phân dưới mặt chổi nữa. Hơn nữa tổng các sức điện động ∑e cũng khó xác định được chính xác nên dưới đây ta chỉ xét vấn đề ở mức độ gần đúng. Với giả thiết rpt=rd=0, giải hệ các phương trình trên ta được: Số hạng thứ nhất của biểu thức này là thành phần cơ bản của dòng điện đổi chiều icb, số hạng thứ hai là thành phần phụ iph Với giả thiết rpt = rd = 0 thì rõ ràng (rtx1, rtx2) là tổng số điện trở của phần tử đổi chiều khi bị chổi than nối ngắn mạch. Vì vậy dòng điện phụ iph chính là dòng điện ngắn mạch trong phần tử gây nên bởi tổng các sức điện động ∑e  Giả thiết rằng các điện trở rtx1, rtx2 tỉ lệ nghịch với các bề mặt tiếp xúc Stx1 và Stx2 giữa chổi than với các phiến đổi chiều 1 và 2. Nếu cho rằng quá trình đổi chiều bắt đầu khi t=0 và kết thúc khi t=Tđc với điều kiện bc =bG  thì:  và ·        S là bề mặt tiếp xúc toàn phần giữa chổi than và phiến góp. Gọi điện trở tiếp xúc toàn phần ứng với mặt tiếp xúc toàn phần là rtx’ ta có:  và Thay các trị số rtx1, rtx2 vừa tìm được vào, ta có quan hệ giữa dòng điện i trong phần tử đổi chiều vào thời gian t như sau: . Trong đó: 2. Các sức điện động trong bối đổi chiều: Các sức điện động sinh ra trong bối đổi chiều bao gồm: a. Sức điện động tự cảm eL Sức điện động tự cảm  sinh ra do sự biến đổi của dòng điện trong phần tử đổi chiều và có dạng:; Trong đó L là hệ số tự cảm của phần tử. Vì qua quá trình đổi chiều dòng điện biến thiên từ + iư đến –iư nên 0 và làm cho sự thay đổi của dòng điện trong phần tử chậm dần. Giá trị trung bình của sức điện động tự cảm trong chu kỳ đổi chiều là: eL= b. Sức điện động hỗ cảm eM Cùng một lúc với sự đổi chiều dòng điện trong phần tử đang xét, sự đổi chiều cũng xảy ra ở một số phần tử khác. Ở dây quấn xếp đơn hai lớp bước đủ, sự đổi chiều xảy ra đồng thời trong các cạnh tác dụng cùng nằm trong một rãnh. Hơn nữa, thường bc>bG và các chổi than nối ngắn mạch và phần tử liên tiếp nhau có cạnh nằm trong một rãnh, nên các phần tử cùng tham gia đổi chiều đó có sự liên hệ hỗ cảm rất mạnh. Vì vậy, trong phần tử tham gia đổi chiều đang  xét, ngoài sức điện động tự cảm còn có sức điện động hỗ cảm: Trong đó : ·        M – hệ số hỗ cảm giữa phần tử đang xét với phần tử thứ n ·        in – dòng điện trong bối thứ n. Sức điện động hỗ cảm eM cũng có tác dụng đối với quá trình đổi chiều giống như sức điện động tự cảm eL. Chỉ số trung bình của sức điện động hỗ cảm bằng: Vì eL và eM có tính chất giống nhau (đều làm chậm quá trình đổi chiều) nên tổng của chúng gọi là sức điện động phản kháng. Sức điện động phản kháng trung bình bằng: epktb=eLtb+eMtb c. 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 cảm đổi chiều) thì sức điện động đổi chiều do từ cảm này sinh ra bằng: edc=2BdcWsldcvư Trong đó: ·        Iđc là chiều dài của thanh dẫn cắt đường sức của từ trường đổi chiều. ·        Ws là số vòng dây của bối đổi chiều; vư là tốc độ dài của phần ứng. Chiều dài của sức điện động đổi chiều phụ thuộc vào chiều của từ trường đổi chiều và chiều quay của phần ứng và được xác định theo quy tắc bàn tay phải.Vì vậy mà eđc có thể cùng chiều hay ngược chiều với epk. 3. Các loại đổi chiều Từ phương trình của dòng điện trong quá trình đổi chiều ta thấy: tùy theo quan hệ giữa các sức điện động phản kháng epk =eL+eM và sức điện động đổi chiều edc mà tính chất đổi chiều sẽ khác nhau. a. Đổi chiều đường thẳng: Giả sử sức điện động đổi chiều cảm ứng trong phần tử đổi chiều do tác dụng của các từ trường tổng hợp tại vùng trung tính triệt tiêu được hoàn toàn sức điện động phản kháng epk nghĩa là ∑e =0, thì dòng điện phụ trong phần tử đổi chiều bằng không và ta có: . Đường biểu diễn của dòng điện i theo thời gian t là một đường thẳng và đổi chiều mang tên là đường thẳng đổi chiều. Khi đổi chiều đường thẳng, mật độ dòng điện ở bề mặt tiếp xúc phía đi ra và vào của chổi than bằng: và . Từ hình trên ta thấy:  và Vì , do đó trong suốt quá trình đổi chiều J1=J2=const và quá trình đổi chiều thuận lợi, không có tia lửa. b. Đổi chiều đường cong: Trên thực tế các sức điện động phản kháng epk và eđc trong phần tử đổi chiều không hoàn toàn triệt tiêu nhau, nghĩa là ∑e 0 và trong bối đổi chiều sẽ xuất hiện dòng điện phụ . Dòng điện iph và dòng điện cơ bản icb làm cho quan hệ i=f(t) không còn là đường thẳng nữa và ta có đường cong đổi chiều. Giả sử điện trở tiếp xúc toàn phần rtx=const, từ biểu thức ta thấy  trong quá trình đổi chiều (từ t=0 đến t=Tđc) điện trở rn thay đổi theo đường cong 1 trên hình. Nếu epk>eđc nghĩa là ∑e>0 và coi ∑e=const thì dòng điện phụ biến thiên theo đường cong 2 và dòng điện đổi chiều i=icb+iph thay đổi theo dạng đường cong như hình. Trường hợp này đổi chiều mang tính trì hoãn, nghĩa là dòng điện đổi chiều i thay đổi chậm hẳn so với khi đổi chiều đường thẳng do tác dụng của sức điện động phản kháng epk chống lại sự thay đổi của dòng điện i. Từ hình ta thấy . Như vậy trong trường hợp đổi chiều trì hoãn, tia lửa thường xuất hiện ở đầu chổi than khi phần tử ra khỏi chổi than bị nối ngắn mạch: ·        Do hiện tượng điện hóa và nhiệt ở bế mặt tiếp xúc giữa chổi than và phiến đổi chiều, nên lúc quá trình đổi chiều kết thúc, điện trở tiếp xúc rtx1 không phải tiến tới vô cùng lớn mà có một trị số nhất định, kết quả là lúc t=Tđc thì dòng điện phụ iph0 và trong từ trường của phần tử đổi chiều tích lũy một năng lượng đáng kể . Khi phần tử đổi chiều ra khỏi tình trạng chổi than bị nối ngắn mạch, sự xuất hiện tia lửa chính là hậu quả của việc giải phóng năng lượng điện từ đó một cách đột ngột. Nếu epk0 và có dạng như đường cong 3 trên hình. Đường biểu diễn dòng điện đổi chiều i tương ứng được trình bày trên hình và sự đổi chiều mang tính chất vượt trước. Khi đổi chiều vượt trước  nên có hiện tượng phóng tia lửa ở đầu vào của chổi than giống như khi đóng cầu dao khép mạch điện. Trên thực tế hiện tượng phóng tia lửa điện này rất yếu. Ở giai đoạn cuối của qúa trình đổi chiều vượt trước, i1 và J1 rất nhỏ nên phần tử đổi chiều ra khỏi tình trạng chổi than bị nối ngắn mạch một cách nhẹ nhàng và thuận lợi. Đổi chiều có tính chất trì hoãn và vượt trước III. CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỔI CHIỀU 1.      Nguyên nhân phát sinh tia lửa Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Nguyên nhân gây ra tia lửa trên cổ góp gồm: a. Nguyên nhân cơ khí: Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ, đúng quy cách, rung động của chổi than cố định không tốt hoặc lực lò xo tỳ yếu. b. Nguyên nhân điện từ: Khi rotor quay liên tiếp có phần tử chuyển 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: ·        Sức điện động tự cảm do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều ·        Sức điện động hỗ cảm do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều  khác lân cận. ·        Sức điện động do từ trường phần ứng gây ra Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều, các sức điện động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động. 2. Các biện pháp cải thiện đổi chiều 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 và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù hay triệt tiêu tổng 3 sức điện động ở trên. Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý. a. Đặt cực từ phụ Biện pháp cơ bản để cải thiện đổi chiều trong các 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 Ft phải có chiều ngược với sức từ động ngang trục Fưq của phần ứng và phải có độ lớn sau cho vừa trung hòa được ảnh hưởng của Fưq, vừa tạo ra được từ trường phụ để sinh ra sức điện động đổi chiều eđc triệt tiêu được sức điện động phản kháng epk. Để đạt được mục đích trên, người ta bố trí các cực từ phụ như sau: cực từ phụ ở máy phát điện phải có cùng cực tính với cực từ chính mà các cạnh của phần tử  dây quấn phần ứng tại cực từ phụ sắp quay tới. Ở động cơ điện cực tính sẽ ngược lại. Vì sức điện động phản kháng epkIư và sức điện động đổi chiều eđcBđc nên để cực từ phụ phát huy tác dụng thì điều kiện cơ bản là BđcIư. Muốn vậy dây quấn cực từ phụ phải được nối nối tiếp với dây quấn phần ứng và dòng điện tải Iư chỉ được thay đổi trong phạm vi khiến cho mạch từ của cực từ phụ không bão hòa. Trên thực tế không thể đạt được điều kiện BđcIư ở nhiều tải khác nhau, 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 thường chế tạo dây quấn 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 phát sinh tia lửa), khi quá tải – đổi chiều đường thẳng và khi quá tải nặng – đổi chiều hơi trì hoãn. Thường khe hở dưới cực từ phụ bằng 1,5 ÷2 lần khe hở dưới cực từ chính, bề rộng của cực từ phụ vào khoảng 0,4 ÷0,8 bề rộng của khu vực đổi chiều. Cực từ phụ chỉ đặt ở những máy có P > 0,3 kW. Số cực từ phụ thường bằng số cực từ chính, tuy nhiên trong các máy P< 2 ÷2,5 kW có thể chỉ đặt một nửa số cực từ phụ là đủ. Ở máy có cực từ phụ thì chổi than được đặt  cố định ttrên đường trung tính hình học. b. Xê dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học : Ở những máy điện nhỏ, để thay thế cho tác dụng của cực từ phụ, ta có lợi dụng từ trường tổng của máy để tạo ra từ trường đổi chiều bằng cách xê dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học (hình 4-7). Từ hình bên ta thấy, 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 bối dây sẽ đi tới như ở trường hợp cực từ phụ thì phải xê dịch chổi than thuận theo chiều quay của máy một góc: β=α + trong đó: ·        α – góc giữa các đường trung tính hình học và vật lý ·         – góc có trị số ứng với điều kiện từ trường tổng bằng từ trường đổi chiều Đối với động cơ điện phải xê dịch chổi than ngược chiều quay của máy. Vì sức điện động phản kháng epk Iư nên khi tải thay đổi, muốn eđc thay đổi theo thì phải xê dịch lại chổi than để thay đổi góc , điều mà trong thực tế không thể thực hiện được. Do đó phương pháp xê dịch chổi than chỉ cải thiện được đổi chiều ở một tải nhất định. c. Dùng 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 từ chính. Kết quả là từ trường cực từ chính hầu như không bị biến dạng. Dây quấn bù được đặt trên mặt cực từ chính và được mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho sức từ động của hai dây quấn đó ngược chiều  nhau để có thể bù được phản ứng phần ứng ở bất kỳ tải nào. Dây quấn bù chỉ có thể bù được từ trường phần ứng trong phạm vi dưới bề mặt cực từ chính. Tuy nhiên khi có dây quấn bù thì sức từ động của cực từ phụ được giảm nhỏ, mạch từ của nó ít bão hòa hơn và hiệu quả cải thiện đổi chiều sẽ tăng lên. d. Những biện pháp khác: Để giảm nhỏ dòng điện phụ iph và do đó cải thiện đổi chiều, từ biểu thức 4 -10a ta thấy còn có khả năng tăng điện trở tiếp xúc hoặc khi thiết kế khống chế sao cho sức điện động phản kháng epk < 7 ÷10V. Nhưng những biện pháp đó khiến cho cấu tạo của máy phức tạp và công nghệ chế tạo khó khăn cho nên không được thông dụng và ta cũng không đề cập đến. BÀI 5: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền kinh tế quốc dân, nhiều ngành sản xuất như luyện kim, hóa chất, giao thông vận tải… đòi hỏi phải dùng nguồn điện một chiều và ngày nay ta vẫn không thể thay thế được dòng điện một chiều dù việc dùng dòng điện xoay chiều trong công nghiệp đã rất phổ biến. I. CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ máy phát điện một chiều gồm: ·        Máy phát điện một chiều kích từ độc lập: Loại này bao gồm máy phát điện kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát điện kích thích điện từ. Loại đầu chỉ được chế tạo với công suất nhỏ. Loại thứ 2 có dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy. ·        Máy phát điện một chiều tự kích thích có dòng điện kích thích lấy từ bản thân máy phát điện. Tùy theo cách nối dây kích thích ta chia loại này thành 3 loại sau: o       Máy phát điện một chiều kích từ song song: dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng. o       Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng. o       Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường là chính.  Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều II. QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG 1. Các tổn hao trong máy phát điện một chiều Máy phát điện nhận công suất cơ biến thành công suất điện phát ra lưới điện. Các tổn hao năng lượng bao gồm: ·        Tổn hao không tải: khi máy điện không tải đã tồn tại. Ta có p0= pcơ+ pFe o       Tổn hao cơ pcơ: bao gồm tổn hao bi, ma sát chổi than với vành góp, tổn hao quạt thông gió.. các tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ máy và làm cho ổ bi, vành góp nóng lên. o       Tổn hao sắt pFe: tổn hao sắt do dòng điện xoáy và từ trễ gây nên. Tổn hao này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày của tấm thép, trọng lượng của lõi thép, từ cảm và tần số f. o       Tổn hao cơ pcơ và tổn hao sắt pFe sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải nên gọi là mômen không tải M0. Ta có quan hệ: ·        Tổn hao đồng: bao gồm tổn hao đồng trên mạch phần ứng pCuư và mạch kích từ pCut o       Tổn hao đồng trên mạch phần ứng pCuư bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng I2ưrư, tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ I2ưrf, tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp ptx. Thường với chổi than graphit, điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của chổi than nên ptx=2Iư. Hiện nay ta thường gộp tất cả các tổn hao này thành tổn hao đồng trên phần ứng và ta có: pCuư =I2 ưRư (với Rư=rư+rf+rtx) o       Tổn hao đồng trên mạch kích từ pCut bao gồm tổn hao trên dây quấn kích từ và tổn hao đồng trên điện trở của mạch điều chỉnh kích thích. Ta có pCut= Ut It . ·        Tổn hao phụ pf bao gồm tổn hao phụ trong đồng và tổn hao phụ trong thép, thường pf=1% Pđm: o       Tổn hao phụ trong đồng do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử đổi chiều, 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 sinh ra dòng điện xoáy trong dây dẫn, tổn hao trong dây nối cân bằng… o       Tổn hao phụ trong thép là 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 trong lõi thép, ảnh hưởng của răng và rãnh làm từ trường đập mạch sinh ra… 2. Quá trình năng lượng và phương trình cân bằng: Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp kéo với tốc độ nhất định. Giả sử công suất phần kích thích do một máy khác cung cấp nên ta không tính vào công suất đưa từ động cơ sơ cấp. Công suất cơ đưa vào máy phát điện, một phần tổn hao không tải p0 (gồm tổn hao sắt và tổn hao cơ), còn lại biến đổi thành công suất điện từ: Pđt=P1- p0 = Eư Iư Khi có dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng, một phần công suất điện từ bù vào tổn hao đồng nên công suất điện đưa ra P2:  P2=Pđt-pCu =Eư Iư-I2 ư Rư=UIư Cuối cùng ta có phương trình cân bằng sức điện động của máy phát điện một chiều là: U=Eư-Iư Rư Chia 2 vế cho ta có phương trình cân bằng mômen của máy phát điện một chiều: M1=M0+M Với M1 là mômen đưa vào đầu trục của máy phát điện; còn M0 là mômen không tải; M là mômen điện từ. Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều. BÀI 6: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH THÍCH ĐỘC LẬP I. GIỚI THIỆU Máy phát điện một chiều có 4 đại lượng đặc trưng là U,Iư,It,n. Trừ tốc độ động cơ do động cơ sơ cấp kéo nên không đổi, 3 đại lượng còn lại biến thiên và quan hệ chặt chẽ với nhau và tạo nên các đặc tính của máy phát điện một chiều: ·        Đặc tính không tải U0=E=f(It) khi I=0; n=const. ·        Đặc tính ngắn mạch In=f(It) khi U=0; n=const. ·        Đặc tính ngoài U=f(I) khi Iư=const; n=const. ·        Đặc tính tải U=f(It) khi Iư=const; n=const. ·        Đặc tính điều chỉnh It=f(Iư) khi U=const; n=const. Trong các đường đặc tính tải trên, đặc tính không tải là trường hợp đặc biệt của đặc tính tải khi I=0 và đặc tính ngắn mạch là trường hợp đặc biệt của đặc tính điều chỉnh khi U=0. Tất cả các đặc tính trên đều có thể dùng thực nghiệm trực tiếp để thiết lập. II. CÁC ĐẶC TÍNH 1. Đặc tính không tải U0=E=f(It) khi I=0; n=const. Khi làm thí nghiệm, mở cầu dao (I=0), cho máy phát điện quay với tốc độ không đổi, đo các trị số It và U0 tương ứng ta sẽ có đặc tính không tải. 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 từ trễ đối xứng ABA/B/A giữa hai giá trị giới hạn của dòng điện kích thích ứng với điện áp Sơ đồ thực nghiệm và đặc tính không tải. Đoạn OB trên hình là sức điện động ứng với từ dư trong mạch từ máy phát điện. Sức điện động này rất nhỏ, khoảng 2-3% Uđm nên có thể bỏ qua, vì vậy coi đặc tính không tải của máy phát điện một chiều là đường trung bình đi qua góc tọa độ. Đó cũng chính là đường cong từ hóa của máy phát điện 2. Đặc tính ngắn mạch In=f(It) khi U=0; n=const. Ta nối ngắn mạch phần ứng qua ampe mét, cho máy phát điện quay với tốc độ không đổi là định mức, đo các trị số It và I tương ứng ta sẽ có đặc tính ngắn mạch. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện kích thích độc lập I 2 It 1 Mdm Khi ngắn mạch U=0 nên Eư=IưRư. Do điện trở Rư của dây quấn phần ứng rất bé và mặt khác phải giữ cho dòng điện I không vượt quá (1,25-1,5)Iđm nên Eư rất nhỏ và dòng điện It tương ứng sẽ rất bé. Do dòng điện It bé nên mạch từ của máy điện không bão hòa, tức là  do đó và đặc tính ngắn mạch là một đường thẳng. Nếu máy đã được khử từ dư thì đường thẳng đi qua góc tọa độ (đường 1). Nếu máy chưa được khử từ dư thì ta sẽ có đặc tính 2 và để có đường đặc tính ngắn mạch tiêu chuẩn ta chỉ cần vẽ đường thẳng song song với đường 2 qua góc tọa độ. 3. Đặc tính ngoài U=f(I) khi Iư=const; n=const.  Khi dòng điện tải I tăng, điện áp rơi trên dây quấn phần ứng tăng, mặt khác do phản ứng phần ứng cũng tăng theo I nên sức điện động E giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát điện U giảm xuống. Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích độc lập như hình. Hiệu số điện áp giữa U0 và Uđm với điều kiện dòng điện kích từ không đổi được gọi là độ biến đổi điện áp định mức: Đối với máy phát điện kích thích độc lập thường U=5-15% 4. Đặc tính tải U=f(It) khi Iư=const; n=const. Khi có tải điện áp trên đầu cực của máy phát điện nhỏ hơn sức điện động do dó điện áp rơi trên dây quấn phần ứng RưIư. Vì vậy đường đặc tính tải (đường 1) biểu thị trên hình 5-8 nằm dưới đặc tính không tải. Nếu từ điểm a ứng với U=Uđm trên đặc tính tải ta vẽ thẳng đứng lên phía trên một đoạn ab bằng điện áp rơi RưIư trên dây quấn phần ứng và kẻ đoạn nằm ngang cắt đường đặc tính không tải tại c. Nối a với c ta được tam giác abc gọi là tam giác đặc tính. Từ hình ta thấy, ứng với dòng điện kích thích It1, khi không tải điện áp là U0=de, còn khi mang tải điện áp giảm đến Uđm=ae. Như vậy đoạn thẳng điện áp biểu thị độ biến đổi điện áp định mức Uđm. Nguyên nhân của sự sụt áp là do điện áp rơi trong dây quấn phần ứng RưIư và do phản ứng của phần ứng khử từ. Đồ thị trên hình, đường 3 biểu thị đặc tính E=f(It) khi máy mang tải. Sức điện động này bé hơn điện áp U0 khi không tải là do ảnh hưởng của phản ứng phần ứng khử từ. 5. Đặc tính điều chỉnh It=f(Iư) khi U=const; n=const. Đặc tính này cho ta biết cần điều chỉnh dòng điện kích thích như thế nào để giữ cho điện áp đầu ra máy phát điện không đổi khi tải thay đổi. Ta thấy khi tải tăng thì ta cần phải tăng It để bù vào điện áp rơi trên phần ứng và ảnh hưởng của phản ứng phần ứng để giữ cho U=const. Từ không tải (với U=Uđm) tăng tới tải định mức thường ta phải tăng dòng điện kích từ lên 15-25%. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện kích thích độc lập It Iư I0 BÀI 6: ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH THÍCH SONG SONG, NỐI TIẾP VÀ HỖN HỢP I. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH THÍCH SONG SONG Để thiết lập điện áp cần thực hiện một quá trình tự kích từ. Lúc đầu máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra bằng khoảng 2-3% từ thông định mức. Khi quay phần ứng trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư sinh ra. Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất) sinh ra dòng điện kích từ làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho đến khi đạt điện áp ổn định. Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ trường dư. Nếu không còn từ dư ta phải mồi để tạo từ dư, nếu chiều 2 từ trường ngược nhau ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hay đổi chiều quay phần ứng. Sau đây ta nghiên cứu quá trình tạo ra điện áp của máy phát điện kích thích song song: Ta viết phương trình điện áp cho mạch vòng kín bao gồm dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng. Bỏ qua phản ứng phần ứng rất nhỏ sinh ra bởi dòng điện it khi chạy qua dây quấn phần ứng và giả thiết rằng hệ số tự cảm của dây quấn kích thích Lt = Cte, hơn nữa có thể bỏ qua Rư vì nó rất nhỏ so với rt, ta có:. Với điều kiện ban đầu t=0, it =0 Sức điện động cảm ứng E sinh ra trong dây quấn phần ứng phụ thuộc vào dòng điện kích từ it và tốc độ quay n của máy. Để đơn giản, ta giả thiết rằng quá trình tự kích thích được tiến hành khi máy được quay với tốc độ định mức và không đổi: n=nđm=Cte. Với giả thiết n=Cte, ta có E =f (It) và đó chính là đặc tính không tải của máy phát điện (đường 1 trên hình) Phương trình trên có thể viết lại như sau: Nếu coi rt = Cte thì quan hệ rt it  là đường thẳng hợp với trục ngang một góc α xác định bởi: Hiệu số đường cong số 1 và đường thẳng 2 chính là  đặc trưng cho quá trình tự kích thích của máy phát điện. Nếu đường cong số 1 cao hơn đường thẳng số 2 tức là , nghĩa là dòng điện it tăng và máy phát điện được tự kích thích. Điện áp của máy phát điện tăng lên cho đến khi it=It (điểm M giao điểm của đường 1 và 2), quá trình tự kích thích kết thức khi  và điện áp ở đầu cực máy phát điện bằng: rtIt=E=U0. Ta cần chú ý rằng nếu rt tăng thì đường thẳng U=rtIt có độ dốc lớn hơn (đường 3), điện áp được thành lập sẽ nhỏ hơn. Trị số rt ứng với đường thẳng 4 trùng với phần đoạn thẳng của đặc tính không tải gọi là điện trở tới hạn Rt(th). Khi đó điện áp vào đầu cực máy phát điện sẽ không ổn định. Nếu rt>Rt(th) ta có đường thẳng 5 và điện áp đầu cực máy phát điện bằng sức điện động Edư, máy không thể tự kích. Từ những phân tích trên ta thấy muốn máy tự kích thích và tạo ta điện áp thì: ·        Máy phải có từ dư. ·        Chiều quay của máy phát phải theo chiều  nhất định để dòng điện it có chiều sao cho từ thông do nó sinh ra cùng chiều với từ thông dư, nếu ngược chiều nó sẽ khử mất từ dư. ·          Điện trở mạch kích thích phải không được quá lớn vì nếu rt quá lớn thì it xác lập sẽ rất nhỏ, điện áp xác lập bằng điện áp dư của máy Edư. 1. Đặc tính không tải U0=E=f(It) khi I=0; n=const. Khi không tải trong máy phát điện một chiều kích thích song song vẫn có dòng điện Iư=It, dòng điện này không vượt quá 1-3%Iđm nên không gây ra ảnh hưởng đáng kể đến điện áp. Vì vậy đặc tính không tải của máy điện loại này về cơ bản giống như máy phát điện một chiều kích thích độc lập. Tuy nhiên vì máy phát điện một chiều kích thích song song chỉ tự kích được theo một chiều nhất định nên đặc tính tải của nó chỉ thành lập được theo một chiều. 2. Đặc tính ngoài U=f(I) khi Iư=const; n=const.  Đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích thích song song như hình (đường 2). Để tiện so sánh ta cũng vẽ chung đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích thích độc lập (đường 1). Khi dòng điện tải I tăng, điện áp của máy phát điện kích thích song song giảm nhiều hơn máy phát điện một chiều kích thích độc lập vì ngoài ảnh hưởng của phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên dây quấn phần ứng, trong máy phát điện một chiều kích thích song song sức điện động E còn giảm theo dòng điện kích từ It. Vì vậy độ thay đổi điện áp của máy phát điện một chiều kích thích song song lớn hơn máy phát điện một chiều kích thích độc lập. Thường đối với máy phát điện kích thích song song U=10-12%Uđm Điểm đặc biệt của máy phát điện một chiều kích thích song song là dòng điện tải chỉ tăng đến một mức nhất định I=Ith, sau đó nếu tiếp tục giảm điện trở Rpt ở mạch ngoài thì dòng điện I không tăng mà giản nhanh đến trị số I0 xác định bởi từ dư của máy.  (ứng với điểm P trên hình). Sở dĩ như vậy là do máy làm việc trong tình trạng không bão hòa ứng với đoạn thẳng của đường cong từ hóa, dòng điện It giảm làm cho E,U giảm rất nhanh. Điện áp U giảm nhanh hơn Rpt làm cho dòng điện tải giảm đế giá trị I0. Như vậy sự cố ngắn mạch ở đầu cực máy phát điện kích thích song song không gây nguy hiểm như trường hợp máy phát điện kích thích độc lập. 1.      Đặc tính tải U=f(It) khi Iư=const; n=const. Cũng giống như máy phát điện một chiều kích thích độc lập, đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích thích song song nằm phía dưới về bên phải của đường đặc tính không tải. Phần đường thẳng của đặc tính tải ứng với miền làm việc không ổn định của máy và không thể xây dựng được ở những giá trị điện áp thấp. Sơ đồ thí nghiệm và đặc tính không tải 4. Đặc tính điều chỉnh It=f(Iư) khi U=const; n=const. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện kích thích song song giống như ở máy phát điện một chiều kích thích độc lập. Tuy nhiên đối với máy phát điện một chiều kích thích song song, khi tải tăng thì điện áp bị sụt nhiều hơn nên ta cần phải tăng It nhiều hơn, do đó đặc tính điều chỉnh sẽ dốc hơn. 5. Đặc tính ngắn mạch In=f(It) khi U=0; n=const. Đối với máy phát điện một chiều kích thích song song khi U=0 thì It=0 nên ta không xây dựng được đường đặc tính ngắn mạch. II. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH THÍCH NỐI TIẾP Trong máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp, dây quấn kích thích được mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng nên dòng điện kích từ chính là dòng điện tải do đó khi tải thay đổi điện áp thay đổi rất nhiều vì vậy trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Số vòng dây của dây quấn kích tứ ít hơn nhiều so với dây quấn kích từ của máy phát điện một chiều kích thích song song nhưng tiết diện dây lại lớn hơn một cách tương ứng. Máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp thuộc loại tự kích cho nên cần phải có từ dư và máy phải quay theo chiều quy định, mặt khác máy chỉ được kích từ khi mạch ngoài khép kín qua một điện trở tải. Vì It=Iư=I nên khi n=const thì chỉ còn 2 đại lượng biến đổi là U và I, do đó máy phát điện này chỉ có một đặc tính ngoài là U=f(I), còn các đặc tính khác chỉ xây dựng được theo sơ đồ kích thích độc lập. Sơ đồ thí nghiệm và đặc tính ngoài Khi có tải trong dây quấn kích thích, có dòng điện It=Iư=I và điện áp của máy phát điện tăng lên. Tuy nhiên điện áp chỉ tăng tới một trị số tới hạn Uth xác định bởi sự bão hòa của mạch từ. Khi dòng điện tải lớn hơn giá trị tới hạn Ith thì điện áp của máy phát điện lại giảm. Sở dĩ như vậy là do mạch từ bão hòa, từ thông của máy phát điện không tăng nữa, trong khi đó phản ứng phần ứng và điện áp rơi trong mạch phần ứng vẫn tiếp tục tăng theo sự tăng dòng điện. Đường đặc tính ngoài U=f(I) vẽ trên hình. III. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH THÍCH HỖN HỢP Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp có đồng thời 2 dây quấn kích thích song song và nối tiếp cho nên trong nó tập hợp các tính chất của cả hai loại máy này. 1.      Đường đặc tính ngoài U=f(I) khi n=const Khi nối thuận, sức từ động của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với sức từ động  của dây quấn kích từ song song, nó có tác dụng bù phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên điện trở phần ứng do đó điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm rất lớn của máy phát điện kích từ hỗn hợp. Trường hợp bù thừa, điện áp sẽ tăng khi tải tăng (đường 1). Điều này có ý nghĩa đặc biệt khi khi cần bù hao hụt điện áp trên đường dây tải điện để giữ cho điện áp ở hộ tiêu thụ không đổi. Khi nối ngược chiều hai dây quấn kích thích, khi tải tăng điện áp giảm  nhanh hơn so với máy phát điện kích thích song song (đường 3,4) do tác dụng khử từ của dây quấn kích thích nối tiếp có sức từ động ngược chiều với sức từ động của dây quấn kích từ song song. Đường đặc tính ngoài dốc nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều. 2.      Đường đặc tính điều chỉnh  It=f(I) khi U=const; n=const Đường đặc tính điều chỉnh của máy phát điện kích từ hỗn hợp như hình ; trong đó đường cong 1 là đặc tính điều chỉnh khi nối thuận hai dây quấn kích thích và bù bình thường, đường 2- bù thừa và đường 3- nối ngược. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh BÀI 7: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU LÀM VIỆC SONG SONG I. CÁC ĐIỀU KIỆN Để cho các máy phát điện làm việc có lợi nhất khi phụ tải thay đổi mà vẫn đảm bảo an toàn cung cấp điện, người ta thường nối chúng lại với nhau theo 2 cách: ·        Ghép nối tiếp cực dương của máy sau nối với cực âm của máy trước. ·        Ghép song song: các cực cùng dấu. Ghép nối tiếp có nhược điểm là khi một máy bị hỏng cắt ra, các máy khác cũng bị ngừng cả, do đó trong thực tế ta thường ghép song song. Điều kiện để ghép các máy phát điện một chiều song song là: ·        Các cực cùng tên dấu với nhau: Điều kiện thứ nhất phải đảm bảo chặt chẽ vì nếu không sau khi đóng cầu dao ghép song song, 2 máy phát điện I và II sẽ nối tiếp nhau tạo thành mạch vòng kín không qua điện trở tải, gây nên tình trạng ngắn mạch của cả 2 máy. ·        Trị số các sức điện động phải bằng nhau: nếu điều kiện này không thỏa thì sau khi ghép vào máy II hoặc nhận tải đột ngột (nếu E>U) làm cho điện áp của lưới điện thay đổi hay làm việc theo chế độ động cơ (nếu E<U) ·        Nếu những máy làm việc song song thuộc loại máy phát điện kích thích hỗn hợp thì phải nối dây cân bằng giữa các điểm m và n: nếu không có dây cân bằng thi sau khi ghép song song, nếu ví dụ vì lý do nào đó tốc độ của máy II tăng lên thì sức điện động E2 sẽ làm cho dòng điện I2 tăng. Vì các dây quấn kích thích song song và nối tiếp của máy phát điện kích thích hỗn hợp thường được nối thuận nên khi I2 tăng thì E2 cũng tăng và cứ như vậy làm cho máy II giành hết tải của máy I và bị quá tải trong khi máy I giảm tải dần và chuyển sang chế độ động cơ. Nếu có dây cân bằng thì dòng điện phần ứng của máy II tăng sẽ được phân phối cho dây quấn kích thích nối tiếp của cả 2 máy làm cho sức điện động của cả 2 máy tăng lên và không xảy ra hiện tượng trên. Máy phát điện một chiều làm việc song song: kích thích song song và  hỗn hợp II. PHÂN PHỐI VÀ CHUYỂN TẢI GIỮA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN Sau khi ghép máy phát điện II làm việc song song với máy phát điện I (trên sơ đồ) do E2=U nên máy phát điện 2 vẫn chưa mang tải I2=0 và toàn bộ tải vẫn do máy I đảm nhận I1=I. Lúc đó đường đặc tính ngoài của 2 máy phát điện được biểu thị bằng đường 1 và 2 trên hình. Muốn cho máy II mang tải ta tăng E2>U và như vậy đặc tính ngoài của máy II sẽ tịnh tiến lên phía trên (đường nét đứt). Vì dòng điện tải tổng không đổi cho nênmuốn giữ điện áp U của lưới điện không đổi thì đồng thời với việc tăng E2 phải tiến hành giảm E1 sao cho đặc tính của máy I giảm xuống ở vị trí thích hợp (đường nét đứt) để cho U=const ta phải có I1+I2=I. Việc thay đổi E1 và E2 có thể thực hiện bằng cách thay đổi các dòng điện kích từ ItI và ItII của mỗi máy hay bằng cách thay đổi tốc độ của các động cơ sơ cấp kéo các máy phát điện. Thực tế ta dùng phương pháp thay đổi dòng kích thích để thay đổi tải giữa 2 máy. Muốn chuyển hoàn toàn tải từ máy phát điện I sang máy phát điện II ta chỉ việc tiếp tục tăng E2 và giảm E1 đồng thời cho đến khi E1=U. Lúc đó máy II đảm nhiệm hết tải (I2=I) và ta có thể tách máy I ra khỏi lưới. Cần chú y nếu giảm ItI quá nhiều sẽ làm cho E1<U và máy I sẽ chuyển sang chế độ động cơ tiêu thụ công suất điện lớn từ máy phát điện II. Nếu động cơ sơ cấp là động cơ nhiệt hay động cơ thủy lực thì không cho phép làm việc ở chế độ đó vì sẽ gây hư hỏng động cơ sơ cấp. Việc điều chỉnh dòng điện kích thích của 2 máy phải tiến hành từ từ tránh làm dòng điện I1 và I2 thay đổi nhanh. Khi làm việc song song trong điều kiện không tải, sức điện động E bằng nhau và kích thích không đổi thì lúc có tải, máy phát điện nào có đặc tính ngoài cứng hơn (độ dốc nhỏ hơn) sẽ nhận tải nhiều hơn và ngược lại. Tình trạng làm việc như vậy không tốt nên để lợi dụng tốt công suất của máy cần phải đảm bảo các đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều làm việc song song biểu thị trong hệ đơn vị tương đối hoàn toàn trùng nhau. Lúc này tải sẽ tự động phân bố đều giữa các máy. BÀI 8: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I. TÍNH CHẤT THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện và động cơ. Động cơ điện một chiều thường được dùng trong công nghiệp, giao thông… và những nơi cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ…). Máy điện một chiều có tính thuận nghịch: ·        Đối với máy phát điện một chiều, chiều của mômen điện từ và chiều của tốc độ quay ngược chiều nhau, còn dòng điện và sức điện động thì cùng chiều. ·        Đối với máy động cơ điện một chiều, chiều của mômen điện từ và chiều của tốc độ quay cùng chiều nhau, còn dòng điện và sức điện động thì ngược chiều nhau nên Eư còn gọi là sức phản điện. Như vậy chỉ cần có một điều kiện khác nhau là chế độ làm việc sẽ khác nhau. Giả sử máy điện một chiều đang làm ciệc ở chế độ máy phát điện nối vào lưới có U=const, dòng điện phần ứng đưa ra là , nghĩa là Eư>U. Máy điện sinh ra mômen điện từ có chiều ngược với chiều quay và đóng vai trò là mômen hãm. Bây giờ nếu ta giảm từ thông hay giảm tốc độ xuống một cách thích đáng thì Eư<U và dòng điện Iư sẽ đổi chiều, vậy Eư và Iư sẽ ngược chiều nhau. Do chiều của từ thông không đổi nên mômen điện từ đổi chiều (vì M=CMIư), nghĩa là mômen điện từ đã cùng chiều với tốc độ và từ mômen hãm chuyển thành mômen quay. Máy đã chuyển từ chế độ máy phát điện sang chế độ động cơ và bây giờ nếu ta tách động cơ sơ cấp ra ta sẽ có một động cơ một chiều bình thường. Dựa vào phương pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện một chiều giống như đã xét đối với máy phát một chiều. II. QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG 1. Quá trình năng lượng Động cơ nhận công suất điện từ lưới điện vào là: P1=UI=U(Iư+It). Với: ·        U là điện áp đầu cực máy phát điện; I là dòng điện lấy từ lưới điện vào. ·        Iư là dòng điện đi vào phần ứng; It là dòng điện đi kích thích  Công suất điện này phải cung cấp cho: ·          Phần lớn đi vào phần ứng UIư ·        Một phần vào mạch kích thích UIt ·        Tổn hao trên dây quấn phần ứng pCuư và dây quấn kích từ pCut Phần còn lại là công suất điện từ: Pđt=P1- ( i2t rt +I2 ư Rư) = Eư Iư ·        Khi động cơ quay, một phần công suất điện từ bù vào tổn hao không tải p0 (gồm tổn hao sắt và tổn hao cơ). Phần còn lại là công suất có ích trên trục động cơ: P2=Pđt-p0 =Pđt-(pcơ +pfe) 2. Phương trình cân bằng: Từ phương trình Pđt=P1- ( i2t rt +I2 ư Rư) = Eư Iư =U(Iư+It)-( i2t rt +I2 ư Rư) Vì U=rtit do đó phương trình cân bằng sức điện động của động cơ một chiều là: U=Eư+Iư Rư P2=Pđt-p0 ta có Pđt = P2+p0 ta có: M=M0+M2 Với M2 là mômen đưa ra đầu trục máy; còn M0 là mômen không tải. Giản đồ năng lượng của động cơ một chiều. III. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Các yêu cầu đặt ra cho việc mở máy động cơ điện một chiều là: ·        Mômen mở máy Mmm phải lớn nhất để có thể hoàn thành quá trình mở máy trong thời gian ngắn nhất. ·        Dòng điện mở máy Imm phải nhỏ nhất để khỏi cháy dây quấn hay ảnh hưởng xấu đến đổi chiều. ·        Cần chú ý rằng để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ lúc mở máy lớn nhất. Do đó ta thường chỉnh biến trở điều chỉnh dòng kích thích ở vị trí nhỏ nhất để sau khi đóng động cơ vào nguồn thì động cơ được kích thích tối đa và như vậy mômen ứng với mỗi trị số Iư luôn lớn nhất. Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều bao gồm (Để giảm dòng điện mở máy đạt Imm=(1,5-2) Iđm ): 1. Mở máy trực tiếp Ta đóng thẳng động cơ vào lưới điện. Phương pháp này có ưu khuyết điểm sau: ·        Ưu điểm: đơn giản, thao tác dễ dàng, không tốn kém. ·        Khuyết điểm: dòng điện mở máy lớn. o       Do khi mở máy tốc độ n=0, sức phản điện Eư=kEn=0 nên dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iư=. Vì điện trở Rư rất nhỏ (Rư=0,02-0,1), nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20-30)Iđm làm hỏng cổ góp và chổi than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện  mở máy Imm lớn, làm ảnh hưởng đến lưới điện. Do đó phương pháp mở máy này chỉ áp dụng cho các động cơ điện một chiều có công suất vài kW. 2. Dùng biến trở mở máy Sơ đồ mở máy bằng điện trở và các mối quan hệ Ta mắc thêm biến trở mở máy Rmm vào mạch phần ứng. Dòng điện mở máy phần ứng lúc có biến trở mở máy là: Iưmm= ( trong đó i chỉ thứ tự bậc điện trở) Lúc đầu ta để biến trở Rmm ở vị trí có giá trị lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc độ tăng lên, sức điện động Eư tăng và ta giảm điện trở mở máy dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức. Ưu điểm của phương pháp này là giảm được dòng điện mở máy còn khuyết điểm là phải tổn hao năng lượng trên điện trở mở máy. 3.      Giảm điện áp đặt vào phần ứng Trong trường hợp này, điện áp đặt vào động cơ lúc mở máy nhỏ hơn điện áp định mức nên giới hạn được dòng điện mở máy. Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh điện áp ví dụ trong hệ thống máy phát – động cơ hay nguồn một chiều chỉnh lưu. Phương pháp này thường sử dụng cho việc khởi động các động cơ một chiều có công suất lớn. Ngoài việc mở máy nó còn kết hợp để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp. IV. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Ta có: Eư=U-RưIư. Thay trị số Eư=CEn, ta có phương trình tốc độ là: n=; vì M=CMIư nên ta có: Do đó muốn điều chỉnh tốc độ: ·        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 trên điện trở điều chỉnh lớn, phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ. ·        Thay đổi điện áp U: dùng nguồn một chiều điều chỉnh điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này rất phổ biến. ·        Thay đổi từ thông: thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp. Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ một chiều. Sau đây ta sẽ xét từng loại động cơ một chiều: 1. Điều chỉnh tốc độ động cơ kích thích độc lập hay song song: Sơ đồ nối dây như hình trong đó đã vẽ chiều dòng điện vào động cơ I, dòng điện phần ứng Iư và dòng điện kích từ ikt. Với những điều kiện U=const và It =const, khi M hay Iư thay đổi, từ thông của động cơ hầu như không đổi vì ảnh hưởng làm giảm của phản ứng phần ứng ngang trục rất nhỏ, nên biểu thức trên có thể viết dưới dạng: ·        Trong đó  là tốc độ của động cơ khi M=0 gọi là tốc độ không tải lý tưởng. ·        Còn  biểu thị độ cứng của đặc tính cơ, k càng lớn đặc tính cơ càng cứng. Đường đặc tính cơ ứng với U=Uđm và =trên mạch phần ứng không có điện trở phụ gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Do Rư rất nhỏ nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít (khoảng 2-8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ kích thích song song rất cứng. Với đặc tính cơ như vậy động cơ một chiều kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi (quạt, máy cắt gọt kim loại…). Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở, để điều chỉnh tốc độ ta dùng Rđc để thay đổi Ikt do đó thay đổi từ thông . Phương pháp này sử dụng rất rộng rãi song cần chú ý khi giảm từ thông, có thể dòng điện phần ứng tăng quá trị số cho phép vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm quá nhiều. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích song song a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng Khi gắn thêm điện trở vào mạch phần ứng thì biểu thức có dạng: Ta thấy rằng nếu Rf càng lớn thì đặc tính cơ có độ cứng càng thấp và do đó đặc tính càng mềm, nghĩa là tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Hình trình bày các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf trong đo đường ứng với Rf =0 gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Giao điểm của đặc tính cơ tự nhiên trên với đường mômen cản của tải Mc=f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi các giá trị của Rf. b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ một chiều kích thich độc lập hay động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Ta dùng một nguồn điện áp độc lập để cung cấp điện áp điều chỉnh cho động cơ, theo sơ đồ nguyên lý của tổ máy phát điện –động cơ như hình. Khi thay đổi điện áp U ta có một họ đặc tính cơ có cùng độ dốc, đường 1 ứng với Uđm, đường 2,3 ứng với U2Uđm. Vì thường không cho phép U>Uđm, cho nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức, còn việc điều chỉnh trên tốc độ định mức rất ít được áp dụng. Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ này là khi thay đổi tốc độ thì mômen không đổi vì cả và Iư đều không đổi. Sở dĩ Iư không đổi là vì khi giảm tốc độ n ta cũng làm cho E giảm theo nên  = const. Phương pháp này không gây tổn hao thêm trong động cơ điện nhưng nó đòi hỏi phải có nguồn điện riêng có điện áp điều chỉnh được. Hiện nay các tổ máy phát điện –động cơ thường dùng trong các máy cắt kim loại và máy cán thép lớn để điều chỉnh tốc độ động cơ với hiệu suất cao, phạm vi điều chỉnh rộng 1:10 hay hơn nữa. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích song song với những điện trở phụ khác nhau (Rf>Rf1>Rf2>Rf3)  c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: Nếu ta thay đổi điện trở Rđc ở mạch kích thích thì ứng với mỗi trị số khác nhau của điện trở mạch kích thích ta có một giá trị của It, do đó có một giá trị của  và một đặc tính cơ tương ứng. Trên hình vẽ các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của từ thông. Các đường đó có n0>n0đm và có độ dốc khác nhau, chúng gặp nhau trên trục hoành tại điểm ứng với n=0 và dòng điện . Chú ý rằng bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với dòng điện kích từ định mức nên chỉ có thể điều chỉnh dòng điện kích từ theo hướng giảm, nghĩa là điều chỉnh tốc độ trên vùng tốc độ định mức. Ở hình đường thấp nhất ứng với  . Giao điểm của đường đặc tính mômen cản Mc với các đường đặc tính cơ cho biết tốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông. Do hạn chế bởi các điều kiện về cơ khí và điều kiện đổi chiều của máy nên các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này trong giới hạn 1:2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ liên tục và kinh tế. Trong quá trình điều chỉnh hiệu suất không đổi vì phần điều khiển nằm trên mạch kích từ có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích độc lập ở những điện áp khác nhau Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích độc lập ở những It  khác nhau 2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Đối với động cơ một chiều kích thích nối tiếp thì dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng I=Iư=It.Vì vậy ta có thể biểu thị: Trong klà hệ số tỷ lệ và không đổi trong vùng I0,8 Iđm thì k hơi giảm xuống do ảnh hưởng của bão hòa mạch từ. Như vậy biểu thức mômen có thể viết: Vậy ta có: ; nếu bỏ qua Rư thì ta có:  hay Như vậy khi mạch từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích nối tiếp có dạng của hypecbôn bậc 2 như hình (đường 1). Ở loại động cơ này, tốc độ n giảm rất nhanh khi tải tăng đặc biệt là khi mất tải (I=0,M=0) tốc độ có trị số rất lớn. Cũng chính vì lý do đó mà không cho phép động cơ này làm việc ở chế độ mất tải (chẳng hạn như đứt dây truyền…) Thông thường cho phép động cơ loại này làm việc với tải tối thiểu P2=(0,2-0,5)Pđm. Trên thực tế do ảnh hưởng của việc bão hòa mạch từ khi tải tăng nên tốc độ động cơ giảm ít hơn (đường nét đứt). Động cơ loại này thích hợp ở những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề và cần điều chỉnh tốc độ động cơ trong một phạm vi rộng như ở các đầu máy kéo tải. a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: Ta thay đổi từ thông của động cơ loại này bằng 3 cách: ·        Rẽ mạch dây quấn kích thích bằng một điện trở (mắc sun): o       Ở hình nếu dòng điện kích thích lúc chưa rẽ mạch là It=I thì sau khi rẽ mạch, dòng điện sẽ giảm xuống còn It=kI trong đó <1 với Rst là điện trở rẽ mạch (sun). ·        Thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích. o       Trước lúc điều chỉnh ta có sức từ động Ft=Itwt sau khi điều chỉnh ta có:  với o       Hai phương pháp điều chỉnh đầu chỉ chỉnh được và tốc độ sẽ thay đổi trong vùng trên định mức, đường đặc tính cơ sẽ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. ·        Rẽ mạch dây quấn phần ứng. o       Lúc này điện trở tổng toàn mạch sẽ giảm xuống, dòng điện It=I sẽ tăng lên, từ thông tăng và do đó tốc độ quay của động cơ giảm xuống. Phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới vùng định mức và đường đặc tính cơ nằm dưới đường đặc tính cơ tự nhiên. Vì điện trở cuộn kích thích rất bé nên hầu như toàn bộ điện áp mạng được đặt vào Rsư, do đó tổn hao rất lớn và hiệu suất của máy giảm đi nhiều. Ngoài ra việc tăng từ thông còn bị hạn chế bởi sự bão hòa của mạch từ nên phương pháp ít thông dụng. b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng Khi ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì chỉ điều chỉnh tốc độ ở vùng dưới tốc độ định mức và do tổn hao trên điện trở phụ lớn nên làm giảm hiệu suất của động cơ nên phương pháp này không thông dụng. c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Vì điện áp đặt vào động cơ U<Uđm nên phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ động cơ ở vùng dưới tốc độ định mức. Phương pháp này có hiệu suất cao vì không gây tổn hao thêm khi điều chỉnh cho nên nó được áp dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi nối từ song song sang nối tiếp 2 động cơ. Khi làm việc song song, các động cơ sẽ làm việc với U=Uđm còn khi chuyển sang đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào động cơ là U= . 3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông hay nối ngược làm giảm từ thông. Đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp là khi nối thuận sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song và nối tiếp. Ở các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn chính, còn dây quấn kích từ song song là dây quấn phụ và được nối thuận. Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc tính cơ rất cứng nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi, thật vậy khi mômen quay tăng dòng điện phần ứng tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm đi một ít nhưng vì dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược làm giảm từ thông trong máy sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ. Ngược lại khi nối thuận, sẽ làm cho đặc tính cơ mềm hơn, mômen mở máy lớn hơn thích hợp với máy ép, máy bơm… Việc điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích thích hỗn hợp thực hiện giống như ở trường hợp kích thích song song mặc dù về nguyên tắc có thể áp dụng các phương pháp như của động cơ một chiều kích thích nối tiếp. Động cơ loại này được dùng ở những nơi cần điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong vùng rộng như trong máy ép, máy bào.. Hiện nay động cơ một chiều kich thích hỗn hợp được dùng trong giao thông vận tải vì nó có ưu điểm hơn so với động cơ kích thích nối tiếp ở chỗ dễ hãm bằng chế độ phát điện trả năng lượng về lưới điện. So sánh đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích hỗn hợp với các loại động cơ một chiều khác. V. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU  Đặc tính làm việc của động cơ một chiều bao gồm các quan hệ n, M=f(Iư) khi U=Uđm=const Từ các biểu thức ta thấy về cơ bản đặc tính tốc độ n=f(Iư) có dạng giống đặc tính cơ n=f(M). Các đặc tính tốc độ các loại động cơ biểu thị theo đơn vị tương đối được trình bày ở hình. ·        Đường 1 là ứng với động cơ kích thích song song ·        Đường 2,3 là ứng với động cơ kích thích hỗn hợp ·        Đường 4 là ứng với động cơ kích thích nối tiếp Đặc tính mômen M=f(Iư) là quan hệ M=CM Iư. Ở động cơ kích thích song song=const nên M phụ thuộc vào Iư theo quan hệ bậc nhất (đường I). Ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp thì nên đặc tính mômen có dạng parabôn vì. Còn ở động cơ kích thích hỗn hợp, khi Iư tăng thì  cũng tăng nhưng với tốc độ chậm hơn sự tăng của động cơ kích thich nối tiếp nên đặc tính mômen có tính trung gian giữa đường I,IV (đường II,III). Đặc tính hiệu suất f(Iư) khi U=Uđm=const của các loại động cơ một chiều nói chung có dạng như hình. Hiệu suất cực đại của động cơ một chiều thường được tính với dòng điện tải I=0,75Iđm và lúc đó tổn hao không đổi trong động cơ (tổn hao cơ và sắt) bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào điện trở của các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện Iư. Hiệu suất của động cơ một chiều khoảng (0,75-0,85) đối với động cơ có công suất nhỏ và (0,75-0,94) đối với động cơ có công suất trung bình và lớn. Đặc tính hiệu suất của các động cơ điện một chiều BÀI 9: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT I. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ TRƯỜNG NGANG Máy điện một chiều từ trường ngang là máy điện một chiều có vành góp, dùng từ trường tạo bởi phản ứng phần ứng để cảm ứng nên dòng điện đầu ra. Như vậy trong dây quấn phần ứng đồng thời có 2 dòng điện: dòng điện tạo ra từ trường ngang và dòng điện được sinh ra bởi từ trường ngang đó. Cấu tạo của máy điện từ trường ngang gồm: ·        Phần cảm nằm ở stator gồm các cực từ và gông từ. ·        Phần ứng nằm ở rotor và có vành góp. Cặp chổi điện 1-1 được nằm trên đường trung tính hình học và được nối với nhau, cặp chổi 2-2 lệch khỏi cặp 1-1 một góc 900 và nối với dây của máy. Trên phần ứng những ký hiệu ở vòng ngoài chỉ chiều dòng điện I1 trong dây quấn phần ứng và những kí hiệu ở vòng chỉ chiều dòng điện I2 cũng trong dây quấn đó. Như vậy 2 nửa bước cực dòng điện trong dây quấn phần ứng bằng tổng số 2 dòng điện I1 và I2 còn ở 2 nửa bước cực kia thì bằng hiệu số của chúng. 1. Máy khuyếch đại điện từ Máy khuyếch đại điện từ là máy điện quay dùng để khuyếch đại những tín hiệu điện thu được từ các phần tử trong mạch đo lường (Nhiệt độ, áp suất…) để đưa vào các mạch điều khiển. Mạch khuyếch đại điện từ với từ trường ngang là bộ khuyếch đại công suất có hệ số khuyếch đại là: ·        ku là hệ số khuyếch đại điện áp; ki là hệ số khuyếch đại dòng điện Hiện nay máy khuyếch đại có thể có k=10.000-100.000 a. Cấu tạo Cấu tạo của máy khuyếch đại từ trường ngang như hình. Trên stator ngoài dây quấn điều khiển đặt theo chiều dọc trục còn có các dây quấn bù, dây quấn trợ từ và dây quấn cực từ phụ. Các dây quấn này được đặt trong các rãnh của lõi thép stator như hình, trong đó: 1 là dây quấn điều khiển, 2: là dây quấn trợ từ; 3: là dây quấn cực từ phụ. b. Nguyên lý làm việc: Khi máy quay n=nđm=const, đồng thời trong dây quấn điều khiển có dòng điều khiển iđk, dưới tác dụng của do dòng điện iđk sinh ra, trong mạch ngang (1-1), xuất hiện sức điện động E1. Vì các chổi than 1-1 đã nối với nhau nên trong mạch 1-1 có dòng điện I1, dòng điện này sinh ra từ thông phần ứng. Dưới tác dụng của từ thông , trong mạch dọc (mạch 2-2) xuất hiện sức điện động E2. Nếu các chổi than 2-2 khép kín mạch qua tải bên ngoài thì sẽ có dòng điện I2 và điện áp đặt lên phụ tải là E2. Sức từ động F2 do I2 sinh ra có tác dụng khử từ đối với từ thông điều khiển  vì vậy ta cần dùng cuộn bù để bù lại phản ứng phần ứng khử từ đó, nhờ đó công suất của tín hiệu đầu vào (công suất điều khiển) sẽ nhỏ và kkđ sẽ tăng lên. Điện trở Rs dùng để hiệu chỉnh tác dụng bù của cuộn bù, tránh bù thừa quá nhiều dẫn đến hiện tượng tự kích. Cuộn trợ từ cho phép giảm dòng điện I1 do đó cải thiện được điều kiện đổi chiều cho cặp chổi than 1-1 mà không cần đặt cực từ phụ theo hướng ngang. Việc cải thiện đổi chiều cho cặp cực từ 2-2 là nhờ 2 cực từ phụ đặt theo hướng dọc. Để tránh dao động, ta còn gắn thêm cuộn ổn định vào đầu ra của máy qua tự điện C. Máy điện loại này có công suất đến 20kW, khi có cực từ phụ để cải thiện đổi chiều của cặp chổi than 1-1 thì công suất đạt tới 100kW. II. MÁY PHÁT ĐIỆN HÀN Để nâng cao chất lượng mối hàn thì nhiệt lượng ở mối hàn và dòng điện sinh ra nhiệt lượng phải ổn định. Để đáp ứng được yêu cầu đó máy phát điện phải có đặc tính ngoài U=f(I2) có độ dốc cao. Muốn có đặc tính như vậy, người ta chế tạo loại máy phát điện đặc biệt có cấu tạo và nguyên lý làm việc như sau: ·        Lõi sắt của mỗi cực từ phân ra làm 2 phần, một phần có tiết diện rộng và phần kia có tiết diện hẹp. Phần có tiết diện hẹp bão hòa mạch còn phần có tiết diện rộng bão hòa ít. ·        Máy có 2 dây quấn kích thích, một dây quấn kích thích đặt trên lõi thép tiết diện rộng còn một đặt trên lõi thép tiết diện hẹp. ·        Phần ứng của lõi thép coi như được chia làm 4 phần. Dòng điện trong dây quấn phần ứng ở các cung ab, cd tạo nên phản ứng phần ứng khử từ còn đối với các cực từ rộng vì vậy cực từ rộng càng ít bão hòa. Dòng điện trong dây quấn phần ứng ở các cung ac, bd tạo nên phản ứng phần ứng trợ từ còn đối với các cực từ hẹp vì vậy cực từ hẹp càng bão hòa mạnh.  ·        Khi Iư tăng, từ thông của các cực từ rộng giảm nhiều, thậm chí có thể đổi chiều còn từ thông của các cực từ hẹp hầu như không đổi, kết quả là từ thông tổng của các cực từ NN-SS giảm nhanh làm cho điện áp đầu cực UAB hạ thấp rất nhiều và đặc tính rất dốc. Lưu ý là điện áp UBC giữa chổi chính B và chổi phụ C cung cấp cho các dây quấn kích thích vẫn không đổi khi Iư tăng vì từ hto6ng của các cực từ hẹp không thay đổi. ứng với các trị số Rt, It ta có các đặc tính ngoài khác nhau. Các máy phát điện hàn kiểu này thường có điện áp định mức là Uđm=50V (U0=80V); Iđm=500A. III. MÁY PHÁT ĐO TỐC ĐỘ Máy phát điện một chiều dùng để đo tốc độ là máy phát dùng để biến chuyển động quay thành tí hiệu điện áp. Loại máy điện này phải có U=f(n) là đường thẳng và có độ chính xác khoảng 0,2-0,5%. Máy phát điện loại này có công suất từ 10-50W. Đối với máy phát điện công suất nhỏ thì khi tốc độ n=1000v/p thì điện áp U=3-5V, còn ở máy điện công suất lớn thì U=50-100V. Đa số các máy phát điện loại này đều có cấu tạo như máy phát điện một chiều bình thường, kích thích độc lập hay kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Đôi khi người ta chế tạo rotor theo kiểu phần ứng rỗng nhằm làm giảm quán tính của phần quay và sự đập mạch của từ thông và điện áp do sự tồn tại của răng trên mặt phần ứng. IV. ĐỘNG CƠ THỪA HÀNH Động cơ thừa hành dùng để biến đổi từ tín hiệu điện áp nhận được thành di chuyển cơ học của trục tác dụng lên bộ phận điều khiển hay điều hành chính khác. Loại động cơ này tác động nhanh, chính xác và ngoài ra hàm tốc độ và mômen quay của nó với điện áp là đường thẳng. muốn động cơ thừa hành tác động nhanh, người ta chế tạo phần ứng có quán tính nhỏ dưới dạng rotor rỗng (công suất từ 50-100W) hay dẹt hình đĩa có mạch in (công suất từ 100-200W). Động cơ thừa hành có cấu tạo giống như động cơ một chiều kích thich độc lập. Động cơ thừa hành có thể được điều khiển trên cả phần ứng và cực từ. Khi điều khiển phần ứng, điện áp kích thích được đặt thường trực trên dây quấn kích thích và như vậy động cơ ở trạng thái chuẩn bị thừa hành. Nếu có tín hiệu điều khiển Uđk đặt lên dây quấn phần ứng lập tức đối với hoạt động. Với phương pháp điều khiển này thì các quan hệ n=f(Uđk) và M=f(Uđk) là những đường thẳng. Khi điều khiển cực từ, dây quấn phần ứng được đặt thường trực với điện áp Uư, còn dây quấn kích thích nhận điện áp điều khiển Uđk. Như vậy công suất điều khiển sẽ nhỏ nhưng quan hệ n=f(Uđk) không còn là đường thẳng nữa nên cách này không thông dụng. Động cơ thừa hành thường có công suất từ 50-100W. Hiện nay người ta đã sản xuất những động cơ thừa hành điều khiển từ phần ứng với cực từ bằng nam châm vĩnh cửu có công suất từ 50-100W nhưng chưa phổ biến vì giá thành nam châm vĩnh cửu rất mắc. V. ĐỘNG CƠ VẠN NĂNG Trong công nghiệp cũng như các thiết bị sinh hoạt, người ta sử dụng rộng rãi loại động cơ có vành góp dùng được với các dòng điện một chiều và xoay chiều nên gọi là động cơ vạn năng. Động cơ vạn năng thường có hai cực từ với dây quấn kích từ nối tiếp, dòng kích từ là dòng phần ứng nên từ thông và dòng điện phần ứng sẽ biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều mômen quay động cơ không đổi. Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm việc nặng nề nên nhiều nước sử dụng động cơ này trên đường sắt với lưới điện xoay chiều 50Hz.