Từ trường trong máy điện một chiều

Máy điện một chiều sẽ không hoạt động nếu không có từ trường. Vậy từ trường bên trong máy điện một chiều được sinh ra và hoạt động như thế nào? Mời các bạn theo dõi bài viết sau đây.

1. Sự hình thành từ trường trong máy điện một chiều

Máy điện một chiều có hai trạng thái hoạt động là không tải và có tải. Ở mọi trạng thái, từ trường trong nó hình thành khác nhau.

  • Khi máy điện một chiều làm việc không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ phần cảm (stator) gây ra gọi là từ trường cực từ.
  • Khi máy điện một chiều có tải, từ trường không chỉ do dòng điện đi qua cuộn dây kích từ gây ra mà còn do dòng điện phần ứng (rotor) gây ra. Lúc này trong máy có sự tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ, đây được gọi là phản ứng phần ứng. Từ trường trong máy lúc đó là tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng.

2. Từ trường của máy điện một chiều khi không tải

  • Từ thông đi từ cực N qua khe hở và phần ứng, rồi trở về 2 cực S nằm kề bên. Do máy hoàn toàn đối xứng, nên từ thông do mỗi cực tạo nên bị chia đôi với đường trục cực thành hai phần tạo thành hai mạch vòng từ giống nhau, đặt đối xứng cả về hai phía đối với đường trục cực đã cho.
  • Số mạch vòng bằng số cực của máy, phần từ thông đi vào phần ứng gọi là từ thông chính hay từ thông khe hở Φ0. Từ thông này cảm ứng nên tạo sức điện động trong dây quấn rotor khi phần ứng quay hoặc tác dụng với dòng điện trong dây quấn rotor để sinh ra momen.

Hình 1. Mạch từ của máy điện một chiều khi không tải

  • Một phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông tản Φσ. Nó không cảm ứng nên sức điện động trong phần ứng nhưng nó vẫn tồn tại làm cho độ bão hòa trong cực từ và gông từ tăng.

Nếu Φc là toàn bộ từ thông do cực từ gây nên thì:

Φc = Φ0 + Φσ = Φ0 (1 + Φσ0) = σt . Φ0

σ là hệ số tản từ của cực từ chính, σt = 1,15 – 1,28.

  • Đường cong từ khép kín là sự nối tiếp của các đoạn đường sức từ, các đoạn này đi qua các phần mạch từ có độ từ thẩm khác nhau, trong máy điện một chiều gồm 5 đoạn: khe hở không khí, răng phần ứng, phần ứng, cực từ và gông từ.

3. Từ trường lúc có tải của máy điện một chiều

  • Lúc có tải, sức từ động phần ứng sinh ra do dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng tác dụng với sức từ động của cực từ chính tạo nên sức từ động tổng trong khe hở không khí.
  • Tác dụng của sức từ động phần ứng với sức từ động cực từ chính gọi là phản ứng phần ứng. Khi có tải, ngoài từ trường phần ứng còn có từ trường cực từ phụ và dây quấn bù.
  • Khi phân tích các hiện tượng đó người ta thường dùng phương pháp xếp chồng các từ thông. Nội dung của nó là: thành lập riêng rẽ sự phân bố từ trường cực từ chính, từ trường phần ứng, từ trường cực từ phụ và từ trường dây quấn bù. Kết hợp chúng lại, ta được từ trường tổng trong khe hở không khí.

3.1. Từ trường cực từ chính

– Khi máy điện 1 chiều chạy không tải, trong máy chỉ có từ trường của các cực từ chính sinh ra gọi là từ trường chính hay từ trường phần cảm. Lúc này đường trung tính vật lý mm’ trùng với đường trung tính hình học nn’.

  • Đường trung tính hình học: là đường thẳng thẳng góc với trục cực từ N-S.
  • Đường trung tính vật lý: là đường xuyên qua phần ứng tại 2 điểm có từ trường bằng 0 (B = 0) .

Hình 2. a. Từ trường cực từ chính ; b. Từ trường phần ứng; c. Từ trường khi xảy ra phản ứng phần ứng

3.2. Từ trường phần ứng

– Giả sử máy không được kích thích và không quay. Ta đặt các chổi than trên đường trung tính hình học và đưa dòng điện vào phần ứng sao cho chiều dòng điện trong các thanh dẫn cùng chiều với sức điện động hình 2(a).

– Từ trường do các dòng điện đó sinh ra phân bố đối xứng với các điểm nằm trên đường trung tính hình học hình 2(b). Rõ ràng là nữa bên phải của phần ứng là cực bắc (N), còn nửa bên trái của phần ứng là cực nam (S). Như vậy trục từ trường phần ứng trùng với trục chổi than hay trùng với đường trung tính hình học.

3.2. Từ trường cực từ phụ

– Khi chổi than nằm trên đường trung tính hình học: cực từ phụ không ảnh hưởng đến từ trường cực từ chính vì trong phạm vi 1 bước cực tác dụng khử từ và trợ từ của các cực từ phụ bằng nhau nên bù cho nhau.

– Nếu xê dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học: ví dụ theo chiều quay của phần ứng ở chế độ máy phát (hay ngược chiều quay đối với động cơ) thì trong phạm vi một bước cực τ tác dụng khử từ của cực từ phụ lớn hơn tác dụng trợ từ, làm cho máy bị khử từ.

– Nếu xê dịch chổi than ngược chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ): thì cực từ phụ có tác dụng trợ từ.

3.3. Từ trường của dây quấn bù:

– Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng.

4. Phản ứng phần ứng, hậu quả và cách khắc phục

Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của các từ trường cực từ và từ trường phần ứng. Ảnh hưởng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ, được gọi là phản ứng phần ứng.

Hậu quả:

  • Khi có tải, do tác dụng của từ trường phần ứng, các đường sức trên bề mặt cực từ phân bố không đều, không còn đối xứng qua trục cực từ. Ở một nữa mặt cực từ, từ trường phần ứng có tác dụng trợ từ làm cho từ trường tăng, nửa mặt kia thì từ trường phần ứng có tác dụng khử từ làm cho từ trường giảm đi.
  • Khi tải lớn, dòng điện Iư lớn, từ trường phần ứng lớn và một nữa mặt cực từ được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B ở đó tăng lên được rất ít. Trong khi đó, một nữa mặt cực kia từ trường giảm đi nhiều. Kết quả là từ thông của máy bị giảm xuống.
  • Từ thông giảm làm cho điện áp máy phát một chiều giảm. Động cơ quay chậm, tốc độ thay đổi.
  • Khi mạch từ của máy chưa bão hòa thì tác dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ trường tổng không đổi. Khi mạch từ bão hòa thì tác dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường tổng trong máy giảm, do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn sẽ giảm. Đồng thời phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại 2 điểm trên đường trung tính hình học khác 0, làm cho đường trung tính vật lý lệch khỏi trung tính hình học một góc β theo chiều quay máy phát hình 2(c).
  • Nếu chổi điện vẫn đặt trên đường trung tính hình học thì do từ trường tại chỗ tiếp xúc giữa chổi điện và cổ góp khác 0, sức điện động cảm ứng trong phần tử dây quấn phần ứng sẽ bị chổi điện làm ngắn mạch, đây là một nguyên nhân làm phát sinh tia lửa ở chỗ tiếp xúc.

Cách khắc phục: Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù.

Hình 3. Vị trí đặt cực từ phụ và dây quấn bù

Dùng cực từ phụ:

  • Trong hầu hết các máy điện một chiều đều có đặt các cực từ phụ để trừ bỏ ảnh hưởng của phản ứng phần ứng làm xê dịch đường trung tính vật lý khỏi đường trung tính hình học.
  • Để trừ bỏ từ trường tại đường trung tính hình học, cực từ phụ được đặt xen kẽ với cực từ chính và cực tính của cực từ phụ cùng với cực tính cực từ chính đứng sau nó theo chiều quay của rotor đối với máy phát, hoặc đứng trước nó theo chiều quay rotor với động cơ. Đồng thời, để triệt tiêu từ trường trên đường trung tính hình học thì từ trường cực từ phụ phải tỉ lệ thuận với dòng điện tải nên dây quấn cực từ phụ được nối tiếp với dây quấn phần ứng.

Dùng dây quấn bù:

  • Do phân bố của từ trường trên phần ứng dưới bề mặt cực từ không đồng đều làm xuất hiện sức điện động trên phiến cổ góp có trị số khác nhau, do đó gây nên tia lửa điện trên chổi than khi máy làm việc. Để khắc phục tình trạng này trong các nhà máy có công suất lớn, người ta chế tạo dây quấn bù.
  • Dây quấn bù được đặt trong các rãnh trên bề mặt cực từ và được nối tiếp với dây quấn phần ứng. Chiều dòng điện trong dây quấn bù phải có chiều sao cho triệt tiêu suất điện động của phần ứng trên bề mặt cực từ.

Để hiểu thêm về phản ứng phần ứng của máy điện một chiều, ta cùng tham khảo video sau đây.