Điều khiển tốc độ động cơ DC dùng cầu chỉnh lưu một pha điều khiển bán phần

......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. TP. HCM : Ngày Tháng Năm 2008 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ TP. HCM : Ngày Tháng Năm 2008 LỜI CẢM ƠN Qua bốn năm học tại trường ,em được sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của quí thày cô Đến nay khóa học đã kết thúc và chúng em cũng đã hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp . Đó chính là nhờ vào sự giúp đỡ của quí Thầy Cô , đặc biệt là thầy PHAN QUỐC DŨNG đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành chương trình Đồ Án Tốt Nghiệp này sau mười lăm tuần . Không những thế , các quí thầy cô còn chỉ bảo và truyền đạt những kiến thức cũng như kinh nghiệm quí báu của mình cho chúng em . Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên Đồ Án không thể tránh nhiều thiếu sót, mong quí Thầy Cô , và các bạn góp ý để Đồ Án của em được hoàn chỉnh tốt hơn . Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỷ Thuật Công Nghệ TP. HCM , và toàn thể quí Thầy , Cô giảng dạy khoa Điện -Điện Tử . MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chương 1 – TỔNG QUAN Giới thiệu các linh kiện bán dẫn Máy điện một chiều Bộ chỉnh lưu cầu một pha diều khiển bán phần Chương 2 – HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 Hệ thống truyền động điện và các phần tử - định nghĩa 2.2 Các phương pháp diều khiển tốc độ động cơ một chiều 2.3 Khởi động cơ một chiều 2.4 Các trạng thái hãm động cơ một chiều Chương 3 – HỆ THỐNG BỘ CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ 3.2 Điện áp ngỏ ra bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng liên tục 3.3 Động cơ kích từ độc lập hoạt động với bộ chỉnh lưu 3.4 Động cơ kích từ nối tiếp hoạt động với bộ chỉnh lưu Chương 4 – PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PSIM 6.0 4.1 Giới thiệu 4.2 Đo đạc và thực nghiệm Chương 5 – TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Giới thiệu các linh kiện bán dẫn Bán dẫn là chất mà trong nhiệt độ bình thường nó có độ dẫn điện giữa chất dẫn điện và chất cách điện. hiện nay bán dẫn thường dùng là silic, silic tinh khiết có cấu trúc tinh thể rất bền vững. Ở nhiệt độ thấp , nó không có các điện tích tự do.Vì thế silic hoạt động như chất cách điện. Hỗn hợp silic với các nguyên tố khác có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn điện của silic. Một của hỗn hợp silic chứa thừa điện tích tự do và các điện tích này trở thành hạt dẫn điện, hỗn hợp này tạo thành chất bán dẫn loại N. Một số hỗn hợp của silic thiếu điện tử: chúng có lỗ hổng. Các lỗ hổng tạo thành thành phần dẫn điện chủ yếu. Hỗn hợp loại này tạo thành bán dẫn loại P với độ dẫn điện loại P. Lớp tiếp xúc PN: là vùng trong bán dẫn mà vùng dẫn điện loại P được chuyển thành loại N. Đặc tính V-A: biểu diễn quan hệ giữa dòng điện đi qua hai cực của linh kiện và điện áp đặt giữa các cực đó. Các giá trị điện áp và dòng điện này được hiểu là giá trị điện áp và dòng một chiều không đổi. Phân loại linh kiện bán dẫn theo khả năng điều khiển Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng ) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất bé ( gần bằng không). Độ lớn dòng điện đi qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện lúc linh kiện đóng và độ sụt áp trên linh kiện nhỏ không đáng kể ( tối đa khoảng vài volt). Trạng thái linh kiện không dẫn điện ( ngắt dòng điện) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở rất lớn. Dòng điện đi qua linh kiện có độ lớn không đáng kể; độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài. Do đó, linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện, dòng điện qua nó bằng không. Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, từ trạng thái không dẫn điện ( ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển ( ngõ vào) của linh kiện. ta gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất thường nhỏ hơn so với công suất của nguồn và tải. Trong trường hợp linh kiện không chứa cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thuộc loại không điều khiển ( diode, diac). Nếu thông qua cổng điều khiển, tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không thể tác động làm ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt ( thyristor, triac). Ngược lại, các linh kiện có thể thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngược lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển, được gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt ( self commutated device) như transistor ( BJT, MOSFET, IGBT ) , GTO ( gate-turn-off thyristor ) , IGCT,MCT,MTO. Tín hiệu điều khiển lên mạch cổng điều khiển chỉ có tác dụng khi trạng thái điện áp đặt vào hai cực chính ở ngõ ra của linh kiện có chiều phân cực và độ lớn phù hợp. Dựa vào chức năng đóng và ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này, các linh kiện bán dẫn được chia làm ba nhóm chính: Nhóm 1: gồm các linh kiện không điều khiển như diode, diac Nhóm 2: gồm các linh kiện điều khiển kích đóng được như thyristor,triac Nhóm 3: gồm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như transistor ( BJT,MOSFET,IGBT ) , GTO. Ngoài ra , dạng mạch phức hợp gồm thyristor và bộ chuyển mạch có khả năng đóng dòng điện cũng như ngắt dòng điện qua nó nhờ tác dụng của tín hiệu điều khiển lên các cổng điều khiển . Các linh kiện bán dẫn bao gồm: Diode,BJT,IGBT, SCR,GTO,MOFET, DIAC, TRIAC. Trong đồ án này ta sẽ xét các loại bán dẫn công suất lớn như SCR, GTO, TRIAC.( Đặc biệt là thyristor(SCR) dùng để thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần ) 1.1.1 Diode công suất H 1.1 Mô tả và chức năng: Diode được cấu tạo thành bởi mối nối PN. Lớp p thiếu điện tử và chứa phần tử mang điện dạng lổ hỏng. Tương tự , lớp n thừa điện tử. Các lớp pn trong cấu trúc diode đạt được bằng cách thêm tạp chất vào trong phiến sillic. Để tạo quá trình dẫn điện đi qua mối nối p_n, các hạt mang điện được tạo thành và tham gia quá trình dẫn điện, một điện áp được áp dụng sao cho lớp p mắc vào cực dương và lớp n mắc vào cực âm Lực điện trường làm cho lỗ hỏng từ lớp p di chuyển vượt qua mối nối p_n để vào lớp n và các điện tử di chuyển từ lớp n vào lớp p. Trường hợp phân cực ngược lại , các lỗ hỏng và điện tử bị kéo ra xa khỏi mối nối và tạo thành sức điện động bên trong của mối nối. Sức điện động này có tác dụng không cho dòng điện tích đi qua diode _diode bị ngắt. Chiều thuận và chiều nghịch : nếu như diode ở trạng thái dẫn thì nó chịu tác dụng của điện áp thuận uF và cho dòng điện thuận iF đi qua. Đặc tính V_A Đặc tính V_A của diode vẽ ở H 1.1 gồm hai nhánh. Nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện . Các thông số quan trọng của nó là điện áp u(TO) turn on và điện trở rF(differential forward reristance ) được xác định tại một thời điểm tỉnh nào đó của đặc tính rF = (1.1) Nhánh nghịch : tương ứng với trạng thái nghịch, diode không dẫn điện . Các thông số quan trọng của nó là điện trở rR (differential reverse reristance) xác định tai một điểm nào đó của đặc tính V_A, rR = (1.2) Và điện áp đánh thủng ở chiều nghịch u(Br) (breaking). Sau khi điện áp vượt quá giá trị u(Br) thì giá trị uR giảm đi rất nhiều lần. Giá trị dòng sau đó sẽ phụ thuộc chủ yếu vào điện áp và điện trở mạch có chứa diode trong đó. Nếu như dòng tăng quá lớn diode sẽ bị hỏng. Các tính chất động Trong các hiện tượng quá độ của diode , quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái nghịch có ý nghĩa quan trọng . Hiện tượng này được gọi là ngắt diode hoặc quá trình chuyển mạch của diode. Khi dòng thuận đi qua diode tắt nhanh (chẳng hạn 10A/us),quá trình ngắt sẽ không diễn ra theo đặc tính V_A.Quá trình ngắt dòng nhanh có thể theo dõi trên H1.2. Sau khi đóng khóa S, nhánh chứa diode thông đến điện áp chuyển mạch U : U tác động tắt nhanh dòng qua diode .Sau khi dòng điện thuận iF giảm về 0, dòng điện qua diode tắt ngay và tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu. Sau một thời gian ngắn, khả năng dẫn điện theo chiều nghịch bị mất và dòng điện giảm đột ngột đến giá trị của dòng điện nghịch (nhỏ không đáng kể ) _ diode có khả năng chịu áp nghịch ,điện trở nghịch rR được khôi phục. Trên H1.2 thời gian trr (reverse recovering ) là thời gian phục hồi tính nghịch .Dòng irr đi qua diode trong thời gian trr là dòng chuyển mạch hoặc dòng hồi phục H1.2 Thời gian phục hồi tính nghịch càng lớn nếu như giá trị điện tích chuyển mạch Qr càng lớn . Điện tích Qr của diode được định nghĩa như sau: Qr = (1.3) Độ lớn Qr phụ thuộc vào cấu trúc của phiến bán dẫn Si và công nghệ sản xuất nó.Ngoài ra còn phải kể đến các yếu tố khác như độ lớn của dòng điện thuận qua diode , tốc độ giảm dòng điện và nhiệt độ lớp PN. Dòng điện phục hồi khi giảm quá nhanh từ giá trị cực đại irrM sẽ gây ra phản điện áp trên kháng L nối tiếp với diode . Điện áp này kết hợp với áp chuyển mạch sẽ gây ra quá áp khi chuyển mạch . Độ lớn của quá áp uRM có thể được hạn chế bằng bộ lọc RC. Mạch RC tác dụng sau khi phục hồi điện trở nghịch của diode làm cho quá trình tắt dòng qua cảm kháng L diễn ra chậm hơn. Điện trở R tác dụng như thành phần tắt dần trong mạch L.C.U. Một hệ quả quan trọng là công suất tổn hao khi ngắt diode . Giá trị công suất tức thời này được tích bằng tích của dòng và áp của diode. Trong thời gian điện áp nghịch tăng lên , dòng chuyển mạch đi qua diode lớn .Giá trị công suất tổn hao tức thời vì thế sẽ lớn. Khả năng chịu tải: Điện áp định mức : được xác định bởi điện thế nghịch cực đại URRM. Đó là điện áp nghịch lớn nhất có thể lặp lại tuần hoàn trên diode. Khi thiết kế mạch bảo vệ chống lại quá áp nghịch ngẫu nhiên, ta định mức theo điện thế nghịch không thể lặp lại uRSM. Khi diode làm việc , ta không cho phép xuất hiện áp lớn hơn uRSM. Dòng điện định mức : khi diode hoạt động phát sinh hao .Tổn hao chủ yếu do dòng thuận gây ra. Tổn hao do dòng nghịch gây ra không đáng kể và công suất tổn hao do quá trình ngắt sẽ có độ lớn đáng kể khi tần số đóng ngắt lớn hơn khoảng 400Hz. Công suất tổn hao tổng không được phép làm nóng mạch diode lên quá nhiệt độ cực đại VjM , nếu không lớp PN sẽ bị phá hỏng. Vì thế diode được làm mát và khả năng chịu dòng của nó bị giới hạn bởi trị trung bình cực đại của dòng thuận iF(AV)M . Đối với từng loại diode và điều kiện làm mát ,các nhà sản xuất thường đưa ra các đặc tính IFAVM =f (Tamb ) ( Tamb là nhiệt độ môi trường ). Đối với những đặc tính khác nhau này , thông số được chọn là hình dạng của dòng qua diode . Giá trị IFAV ứng với nhiệt độ T amb và điều kiện làm mát cho trước và ứng với dạng nữa sớng sin của dòng (50Hz) được gọi là dòng đặc trưng của diode . Khả năng chịu dòng của diode hiện nay khoảng vài ngàn ampere. Khả năng chịu quá dòng : được cho ở dạng đồ thị quá dòng IFSM = f(t) ,ứng với một giá trị dòng vượt quá mức bình thường , đồ thị cho biết khoảng thời gian mà diode có khả năng chịu được mà không bị hỏng . Giá trị quá dòng cho phép được gọi là dòng thuận cực đại không thể lặp lại được IFSM . Ứng với nhiệt độ ban đầu cho trước của bản bán dẫn và trị của áp nghịch , giá trị IFSM cho biết độ lớn của dòng thuận chịu được trong thời gian xác định. Một thông số khác ảnh hưởng lên khả năng quá dòng là năng lượng tiêu hao , xác định bằng tích phân theo thời gian của hàm IF bình phương. Lượng năng lượng này tỷ lệ với năng lượng mà bản bán dẫn có khả năng hấp thụ dưới dạng nhiệt trong thời gian qui định ( khoảng 10 ms) mà không bị hỏng. Từ đặc tính IFSM(t) và , ta có thể thiết kế mạch bảo vệ quá dòng cho diode . Ghép nối tiếp và song song các diode được thực hiện khi khả năng chịu áp và dòng của các diode không đáp ứng được nhu cầu đặt ra .Khi ghép nối tiếp ta cần bảo đảm tính phân bố điện thế đều trên các diode . Các diode đặt biệt 1 . Schottky diode : độ sụp áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3 V) .Do đó , nó được sử dụng cho các mạch điện áp thấp .Điện áp ngược chịu được khoảng 50 – 100V 2. Diode phục hồi nhanh : được áp dụng trong các mạch tần số cao . Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm ampere ,thời gian phục hồi trr khoảng vài s. 3. Diode tần số công nghiệp : các diode tần số công nghiệp được chế tạo đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện . Hệ quả , tời gian trr tăng lên. Khả năng chịu áp của chúng khoảng vài kilovolt và dòng điện vài kiloampere 1.1.2 SCR (Thyristor) b) a) ký hiệu SCR c) H1.4 Thyristor (SCR) Cấu tạo và đặc điểm hoạt động của SCR Dùng cho mạch công suất lớn. Gồm 4 lớp p,n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K), Gate (G). Mạch điều khiển được nối giữa cực G và K. Mạch công suất được nối giữa A và K. Linh kiện được điều khiển bằng dòng. Xung dòng IG kích đóng SCR. Không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn if bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì if < ih =0 Định mức SCR: áp vài KV, dòng vài KA Các tính chất và ba trạng thái cơ bản của SCR - Trạng thái khóa áp nghịch (SCR ngắt) Nếu transistor bị ngắt , thì anode có thể chịu được điện áp âm so với cathode . Trạng thái khóa áp thuận (SCR ngắt) Ngược lại với trạng thái ngược, nếu transistor bị ngắt , thì anode có thể chịu được điện áp dương do với cathode Trạng thái đóng (ON) dẫn thuận Quá trình đóng ngắt của SCR - Hiện tượng đóng SCR: tức chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện có thể thực hiện nếu thỏa mãn cả hai điều kiện sau: 1.Thyristor ở trạng thái khóa. 2. Có xung dòng điện kích iG > 0 đủ lớn. - Hiện tượng ngắt SCR: quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không dẫn điện ( tức trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa ). Quá trình này gồm hai giai đoạn: 1. Giai đoạn làm dòng bị triệt tiêu: thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa Anode và Cathode. 2. Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần có thời gian – thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng thái khóa. Đặc tuyến Volt-Ampere Đó là mối quan hệ giữa IAK và áp VAK phụ thuộc tham số điều khiển là xung dòng IG. Đặc tính V-A phản ảnh b đặc tính làm việc của SCR. Các thông số: VBO-áp thông dòng: khi điện áp VAK đủ dương để đóng SCR mà không cần tín hiệu điều khiển ( BO-Break Over). Khi thay đổi giá trị dòng kích thì áp thông dòng thay đổi theo IG2 > IG1 > IG0 = 0 VB02 < VB01 < VBO IL – dòng chốt : khi dòng thuận qua SCR , IF lớn hơn giá trị dòng chốt IL mới có thể tắt xung điều khiển. ( L – latching) IH – dòng duy rì : trong quá trình dòng thuận qua SCR, IF thấp hơn dòng duy trì IH thì SCR có thể chuyển sang trạng thái ngắt ( H – holding) VBR – áp đánh thủng SCR kiểu thác. Các tính chất động: dvBL/dt: SCR xử lý như 1 tụ điện, nếu dvBL/dt quá lớn dẫn đến SCR dẫn ngoài ý muốn. Vì thế người ta giới hạn tốc độ thay đổi điện áp khóa trong khoảng 10 – 100V/µs. diF/dt: nếu diF/dt lớn quá sẽ làm tiết diện SCR bị quá tải ở chỗ nối với cổng làm hỏng SCR. Vì thế người ta giới hạn độ tăng của dòng thuận trong khoảng 10 – 100A/µs. tq: sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J3 quá trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần phải có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa áp thuận tức là khôi phục điện trở nghịch của lớp J2. Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq. Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về không cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG. Mạch bảo vệ Để giảm độ dốc diF/dt có thể dùng cảm kháng mắc nối tiếp với SCR. Việc quá áp có thể được hạn chế bằng mạch dùng RC hoặc mạch D,R,C để giới hạn độ dốc của dvBI/dt H1.5 Mạch kích SCR H1.6 Mạch kích SCR Xung đóng được đặt vào cổng base của Q2 làm Q2 chuyển sang trạng thái đóng. R5 và R6 có giá trị cao và có chức năng cải thiện đặc tính làm việc bằng cách tạo đường dẫn giữa base và emitter. Q2 đóng, cung cấp dòng điều khiển đã được khuyếch đại cho Q1 làm Q1 đóng. Giá trị dòng này phụ thuộc vào R3 và áp nguồn VCC. Q1 đóng cấp điện áp cho cuộn sơ cấp của biến áp xung ( có giá trị bằng Vcc). Độ rộng xung áp tương đương độ rộng tín hiệu điều khiển ngõ vào A. Cuộn thứ cấp cấp xung cho cổng G của SCR. Điện trở R1 và R2 hạn chế áp và dòng cực cổng. Diode D1 ngăn ngừa điện áp ngược đặt lên cực cổng từ biến áp xung. R6 còn có chức năng tạo đường dẫn giữa cổng G và K giúp hoạt động cổng G ổn định hơn ít chịu ảnh hưởng của điện áp trôi. 1.2 Máy điện một chiều 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 điện một chiều. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động , người ta thấy các máy điện khuếch đại , các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều . Ngoài ra các máy điện một chiều còn thấy trong các hiết bị điện ôtô , tàu thủy ,máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp thấp dung 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 phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều ). 1.2.1 Cấu tạo máy điện một chiều: Những phần chính của máy điện một chiều gồm xtato với cực từ , rôto với dây quấn và cổ góp với chổi điện. Hình1.7 : Máy điện một Stato : Stato : còn gọi là phần cảm ,gồm lõi thép bằng thép đúc , là mạch từ vừa là vỏ máy. Các cực chính có dây quấn kích từ. Hình1.8 :Cấu tạo bên trong của máy điện một chiều Rôto: Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng . Lõi thép hình tụ , làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các thép được dập lỗ có thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng . Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây , hai đầu nối với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong rãnh dưới của hai cực khác tên. Cổ góp và chổi điện : Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình tụ, gắn ở đầu trục rôto . Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp. Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit . Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện được gắn trên nắp máy. 1.2.2 Nguyên lý làm việc a) Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp máy phát điện một chiều Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng , các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ ,cảm ứng các sức điện động . Chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải . Từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới ) , chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ , ở thanh dẫn phía trên , sức điện động có chiều từ b đến a . Ở thanh dẫn phía dưới có chiều từ d đến c . Sức điện động của phần tử bằng hai lần suất điện động thanh dẫn . Nếu nối hai chổi điện A và B với tải , trên tải sẽ có dòng điện , điện áp của máy phát điện có chiều dương ở chổi A âm ở chổi B. Khi phần ứng quay được nữa vòng , vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh cd ở cực N , sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên chổi điện A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B 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, cực âm ở chổi B. Ở chế độ máy phát dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư . Phương trình cân bằng điện áp là: U = Eư – RưIư ( 1.4) Trong đó RưIư là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng ; Rư là điện trở của dây quấn phần ứng ; U là điện áp đầu cực máy. Eư là sức điện động phần ứng . c) Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều : Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A và B , trong dây quấn phần ứng có dòng điện . Các thanh dẫn ab , cd có dòng điện nằm trong từ trường , sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay . Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nữa vòng , vị trí các thanh dẫn ab ,cd đổi chỗ 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 xác định theo nguyên tác bàn tay phải . Ở đông 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 sẽ là: U = Eư +RưIư (1.5 ) 1.2.3 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều .Từ trường của máy điện một chiều Từ trường của máy điện một chiều Khi máy điện một chiều không tải , từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ . Từ trường cực từ phân bố đối xứng , ở đường trung tính hình học mn , cường độ từ cảm B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động. Khi máy điện có tải , dòng điện Iư trong phản ứng phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng .Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng , từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng .Ở một mỏm cực từ trường được tăng cường (ở đó từ trường phần ứng trùng chiều với từ trường cực từ) ,trong khi đó ở mỏm cực kia ,từ trường bị yếu đi (ở đó từ trường phản 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 thường nhỏ và lệch theo chiều quay rôto khi là máy phát điện , và ngược chiều quay rôto khi là động cơ điện. Ở vị trí trung tính hình học , từ cảm B ≠ 0 , 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 ở dó tăng lên được rất nhiều , trong khi đó , mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều , kết quả là từ thông của máy bị giảm xuống . Từ thông kéo theo sức điện động phần ứng E2 giảm , làm cho điện áp đầu cực máy phát U giảm . 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 dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng . Để kịp hời khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nói tiếp với mạch phần ứng . Sức điện động phần ứng Sức điện động thanh dẫn . Khi quay rôto các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường , mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là : e = Btblv (1.6 ) trong đó : Btb cường độ từ cảm trung bình dưới cực từ v tốc độ dài của thanh dẫn l chiều dài hiệu dụng thanh dẫn Sức điện động phần ứng Eư . Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín . Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song . Sức điện động phần ứng bằng tổng sức điện động thanh dẫn trong một nhánh . Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N , số nhánh song song là 2a (a là số đôi nhánh ), số thanh dẫn một nhánh là N/2a , sức điện động phần ứng là : Eư = e = Btblv (1.7 ) Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n (v/ph) bằng công thức : v = ( 1.8) thay (2) vào (1) và chú ý rằng , từ thông dưới mỗi cực từ là : = Btb (1.9 ) Cuối cùng ta có : Eư = n (1.10 ) Hoặc : Eư = kEn (1.11 ) Trong đó p : số đôi cực Hệ số kE = phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng . Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay p._.