Giáo trình Kỹ thuật điện - điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chương 3
Máy điện
Mục tiêu
- Sinh viên nắm được các cơ cấu chấp hành cuả hệ thống điều khiển của MPS
- Cách thức kết nối dây khí, thuỷ
- Chủ động, sáng tạo và an tồn trong q trình học tập.
3.1. Định nghĩa và phân loại máy điện
3.1.1. Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng
cảm ứng điện từ, cấu tạo chính gồm có lõi thép và mạch từ, mạch điện, dùng
để biến đổi năng lượng như cơ năng, điện năng, hoặc ngược lại.
3.1.2. Phân loại máy điện
Máy điện có nhiều loại được phân loại theo nhiều cách khác nhau:
phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện, theo
nguyên lý làm việc… ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng.
Máy điện tĩnh. Như máy biến áp thường dung để biến đổi điện năng.
Máy điện động. Như máy phát điện, động cơ điện

Hình 3.1. Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng

45


3.2. Máy biến áp
3.2.1. Khái niệm chung về máy biến áp
a.Định nghĩa
Máy biến áp là một máy điện từ tĩnh dùng để biến đổi dòng điện xoay
chiều từ trị số điện áp này sang trị số điện áp khác có cùng tần số.
b. Các đại lượng định mức
Các đại lượng định mức của máy biến áp do xưởng chế tạo máy biến
áp quy định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất. Ba đại

lượng định mức cơ bản là:
*Điện áp định mức
Điện áp sơ cấp định mức: U 1đm (V, kV) là điện áp quy định cho dây
quấn sơ cấp
Điện áp thứ cấp định mức: U 2đm(V, kV) là điện áp giữa các cực của
dây quấn thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn
sơ cấp là định mức.
Với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha.
Với máy biến áp 3 pha là điện áp dây.
* Dòng điện định mức
Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của
máy biến áp ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Với máy
biến áp một pha dòng điện định mức là dòng điện pha, với máy biến áp 3
pha dòng điện định mức là dòng điện dây. Đơn vị thường ghi trên máy là
Ampe(A).
Dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu là I 1đm
Dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu là I 2đm
*Công suất định mức
Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định
mức, ký hiệu S đm
( VA, kVA).
- Đối với máy biến áp 1 pha công suất định mức là:
Sđm= U2đm. I2đm= U1đm.I1đm
- Đối với máy biến áp 3 pha công suất định mức là :
46


Sđm= 3 .U2đm.I2đm= 3 U1đm.I1đm
Ngồi ra trên nhãn máy cịn ghi tần số định mức f đm, số pha , sơ đồ nối
dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc v.v.

c. Công dụng
- Máy biến áp điện lực được dùng để truyền tải và phân phối năng
lượng điện trong hệ thống điện lực. Tại nơi phát điện, do các máy phát điện
chỉ phát ra dòng điện xoay chiều với điện áp từ 6 - 22 kV, khi truyền tải
năng lượng điện đi xa với công suất lớn, để giảm tổn hao công suất do phát
nhiệt trên đường dây và giảm tiết diện dây dẫn, người ta dùng máy biến áp
điện lực nâng điện áp lên cao. Đến nơi phân phối và tiêu thụ lại dùng máy
biến áp hạ điện áp đến mức quy định của phụ tải. Trên đường dây truyền tải
điện năng đi xa phải có ít nhất là 4 cấp điện áp.

Hình 3.2: Hình vẽ mơ tả hệ thống truyền tải điện năng

- Máy biến áp hàn để lấy dòng điện gây hồ quang hàn kim loại.
- Máy biến áp lò dùng trong lò điện (lợi dụng dịng điện xốy) để nấu
chảy kim loại, đúc kim loại và tôi kim loại.
- Máy biến áp đo lường gồm máy biến điện áp đo lường để đo điện áp
cao bằng dụng cụ đo thơng dụng và máy biến dịng để mở rộng giới hạn đo
cho dụng cụ đo dòng điện.
- Máy biến nguồn thường là máy biến áp một pha hai dây quấn hoặc
nhiều dây quấn công suất nhỏ dùng trong máy thu thanh, thu hình, nguồn
nạp ác qui, nguồn chiếu sáng cục bộ cho các máy công cụ, nguồn cho đèn
soi, đèn ngủ và các dụng cụ trong sinh hoạt gia đình.
47


- Máy biến áp tự ngẫu dùng để biến đổi điện áp trong một phạm vi
không lớn lắm để mở máy động cơ xoay chiều và làm máy biến áp điều
chỉnh để tăng giảm điện áp theo yêu cầu, hoặc để giữ điện áp ra ít biến động
khi điện áp nguồn biến động lớn.
3.2.2. Các định luật cảm ứng điện từ

a. Định luật Jun – Lenxơ
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các địên tích, khi chuyển
động các điện tích va chạm với nhau truyền điện năng cho các phân tử của
vật dẫn làm các phân tử bị nóng lên, vật dẫn sẽ bị đốt nóng, đó là tác dụng
của dòng điện.
Nếu gọi điện trở của vật dẫn là R
Ta có: Dịng điện I =

U
R

Cơng suất: P = U.I
Công thực hiện: A = P.J = I 2.R.J ( J)
Nếu chuyển công thành nhiệt: Q = 0,24.I 2.R.J(cal)
1J = 0,24(cal)
* Phát biểu định luật: Nhiệt lượng tỏa ra của đường điện trong một dây
dẫn tỷ lệ với bình phương của dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời
gian duy trì dịng điện đó.
b.Định luật cảm ứng điện từ
3.2.3. Suất điện động cảm ứng
a. Hiện tượng:
Giả sử có một cuộn dây, một điện kế và một nam châm mắc như hình 3.3.

Hình 3.3: Hình vẽ mơ tả thí nghiệm

48


Khi ta dịch chuyển nam châm lên, xuống trong lòng ống dây thì nhận
thấy kim điện kế lệch khỏi vị trí ban đầu, trong mạch xuất hiện dịng điện cảm ứng

Nếu khơng dịch chuyển nam châm thì kim đứng n, trong mạch
khơng có dịng điện.
b. Kết luận:
Trong mơi trường, trường hợp khi từ thơng qua mạch kín biến thiên sẽ
làm xuất hiện suất điện động cảm ứng
3.2.4. Độ lớn của suất điện động cảm ứng
e=


.W


(5.7)

Trong đó: Δ  là độ biến thiên từ thơn
Δτ là thời gian
W là số vịng dây
Với dây dẫn thẳng:
e=-



. = B.ℓ.v.
. = B. ℓ.v



(5.8)

Trong đó: B là cảm ứng từ

v là vận tốc di chuyển
Δτ là thời gian
3.2.5. Phát biểu định luật
Khi từ thông xuyên qua một vòng dây biến thiên sẽ làm xuất hiện sức
điện động cảm ứng trong vòng dây. Sức điện động này có chiều sao cho
dịng điện đi qua nó sinh ra tạo thành từ thơng (Φ) có tác dụng chống lại sự
biến thiên của từ thơng đã sinh ra nó.
3.2.6. Nguyên lý máy phát điện
Khi dây dẫn chuyển động vuông góc với đường sức từ với vận tốc (v)
thì trong dây dẫn xuất hiện một sức điện động cảm
E = B.v.ℓ
Nếu mạch ngồi nối kín qua điện trở (R) thì trong mạch có dịng điện
cảm ứng, dịng này qua dây dẫn làm xuất hiện một lực điện từ: F = B.I.ℓ
(chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái). Từ hình vẽ ta thấy lực F cản
trở sự chuyển động của dây dẫn.

49


Hình 3.3: Hình vẽ mơ tả ngun lý máy phát điện

Như vậy, để dây dẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc v, ta phải tác
dụng vào dây dẫn một lực bằng trị số lực F nhờ một động cơ sơ cấp, công
suất động cơ do động cơ sơ cấp cung cấp cho động cơ sơ cấp là:
Pcơ = F.v = B.I.ℓ.v = E.I = P

điện

Kết quả là dây dẫn chuyển động trong từ trường đã có tác dụng biên
cơng suất cơ năng của động cơ thành công suất điện năng của động cơ cung

cấp cho phụ tải ( đó chính là nguyên tắc của máy phát điện).
3.2.7. Định luật lực điện từ
a. Lực điện từ
Khi có dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường, dây dẫn sẽ chịu một
lực của từ trường tác dụng gọi là lực điện từ.
- Điều kiện: dây dẫn phải cắt từ trường( vuông góc, xiên góc)
- Độ lớn: F = B.I.ℓ
F= B.I.ℓ.sinα
Trong đó: F là lực điện từ ( N)
B là cường độ từ cảm (T)
 là góc giữa mặt phẳng trung tính 00' và mặt phẳng khung dây(độ)
ℓ là chiều dài tác dụng của dây dẫn (m)
- Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái
b. Công của lực điện từ
Dưới tác dụng của lực điện từ dây dẫn có dịng điện, trong dây dẫn sinh
ra một cơng.
50


Công của lực điện từ là đại lượng đo bằng tích số giữa lực với đoạn
đường mà dây dẫn đã dịch chuyển.
A= F.a ( a là khoảng cách)
c. Lực tác dụng giữa dây dẫn
Khi hai dây dẫn có dịng điện đặt gần nhau sẽ xuất hiện các lực điện từ
tác dụng lên nhau.
Chúng hút nhau nếu hai dòng điện cùng chiều, đẩy nhau khi hai dòng
điện ngược chiều.
d. Nguyên lý động cơ điện
Giả sử có dây dẫn đặt trong từ trường (B), nối dây dẫn với nguồn điện
thì trong dây dẫn có dịng điện(I) , dây dẫn sẽ chịu một lực tác dụng.

Khi đó: F = B.I.ℓ
- Chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái
- Dưới tác dụng của lực đẩy F dây dẫn chuyển động với vận tốc(v) theo
phương của lực (F).
Khi dây dẫn chuyển động cắt từ trường trong dây dẫn xuất hiện suất
điện động của chúng:
E = B.ℓ.v
Chiều E được xác định theo quy tắc bàn tay phải (vì ngược chiều với I
được gọi là suất phản điện).
Áp dụng định luật kiếcshốp ta có:
U = E + I.
→

U.I = E.I + I2.r
P = F.v + ΔP

→

Pđ = Pcơ + ΔP

Vậy: Đặt vào một công suất điện ta được một công suất cơ (biến điện
năng thành cơ năng), đó là nguyên lý của động cơ điện.
3.3. Máy điện đồng bộ
3.3.1. Cấu tạo của máy điện đồng bộ
Căn cứ vào chức năng máy điện đồng bộ có thể chia thành phần cảm và
phần ứng:
- Phần cảm tạo ra từ trường chính (phần kích từ),
-Phần ứng là phần thực hiện biến đổi năng lượng.
51

Căn cứ vào cấu tạo máy điện đồng bộ có thể chia thành phần tĩnh: stato
và phần quay: rôto. Về nguyên tắc stato có thể là phần cảm, cũng có thể là
phần ứng và rơ to cũng có thể là phần ứng hoặc phần cảm.
Tuy nhiên nếu phần ứng ở rơ to thì phải lấy dịng điện xoay chiều ra
qua vành trượt nên gặp khó khăn trong việc giải quyết tia lửa điện. Vì vậy
phần ứng đặt ở rơto chỉ có ở những máy cơng xuất nhỏ hoặc một pha. Các
máy cịn lại rơto làm nhiệm vụ phần cảm..
Cấu tạo phần tĩnh(stato)
Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như hình vẽ, cuộn dây
kích từ được quấn quanh cực từ.

Hình 3.4: Lõi thép phần cản ở stator

Nếu stato là phần ứng thì cấu tạo lá thép giống như lá thép stato của
máy điện dị bộ. Ngoài mạch từ là vỏ bằng gang. Cấu tạo của máy dị bộ lúc
này giống như máy điện dị bộ, tuy nhiên vỏ khơng có các gân tản nhiệt.
Nếu rơto là phần cảm thì chia làm hai loại:
Rơto cực ẩn: Lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngồi phay
thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ. Cực từ rôto của máy cực ẩn không lộ
ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3chu vi rơ to . Với cấu tạo như trên
rơ to cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó
các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500v/ph trở lên đều được chế tạo với
rôto cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rơto cực lồi (hiện).

52


Hình 3.5. Cấu tạo rotor

Rơto cực hiện: Lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép lại với
nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt. Phía ngồi cực từ là mỏm cực, có tác dụng
làm cho cường độ từ cảm phân bố dọc theo stato rất gần với hình sin.
Dây quấn kích từ quấn trên các cực từ hình thành cuộn dây kích từ, hai
đầu cuộn dây kích từ nối với hai vành trượt qua hai chổi than tới nguồn điện
một chiều bên ngồi. Những máy đồng bộ có tốc độ nhỏ hơn 1000 v/ph rôto
thường là loại cực lồi(cực hiện).Hiện nay, người ta thường dùng máy phát
đồng bộ khơng chổi than.
Hệ thống gồm: Cuộn dây stator chính ba pha, cuộn dây kích từ chính,
cầu chỉnh lưu ba pha, cuộn dây stator của máy kích từ, cuộn dây kích từ cho
máy kích từ.
R
ơ to
S
tato

Hình 3.6. cấu tạo stator

Vỏ các máy đồng bộ có gắn bảng định mức chứa các thơng số sau:
- Điện áp định mức [V, KV]
- Dịng định mức [A, KA]
- Tần số định mức [Hz]
- Hệ số cơng suất định mức cosđm.
- Dịng kích từ định mức.
- Điện áp kích từ định mức.
53


- Cơng st định mức [VA, KVA]
- Vịng quay định mức[V/p]

3.3.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Như hình vẽ biểu diễn sơ đồ máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực. Cuộn
dây phần ứng đặt ở stato cịn cuộn dây kích từ đặt ở rơto. Cuộn dây kích từ
được nối với nguồn kích từ (dịng 1 chiều) qua hệ thống chổi than.
Để nhận được điện áp 3 pha trên chu vi stato ta đặt ba cuộn dây cách
nhau 120 o và được nối sao(có thể nối tam giác). Dòng điện 1 chiều tạo ra từ
trường không đổi. Bây giờ ta gắn vào trục rôto một động cơ lai và quay với
tốc độ n. Ta được một từ trường quay trịn có từ thơng chính  khép kín
qua rơto, cực từ và lõi thép stato

Hình 3.7: nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ

Khi phần cảm được kích từ sẽ tạo nên từ trường cực từ. Động cơ sơ cấp
kéo phần cảm quay với tốc độ n. Khi đó từ trường cực từ quét qua các thanh
dẫn phần ứng ở stator làm cảm ứng trong đó sức điện động có dạng:
E0 = 4,44. W. Kdq f.  m
Trong đó:

f 

(4.1).

np
60 f
n
60
p

Khi máy phát được nối với tải sẽ sinh ra dòng điện trong dây quấn
phần ứng tạo nên từ trường quay có tốc độ : n0 

 n = n0 

60 f
p

60 f
p

Như vậy khi máy phát điện làm việc luôn tồn tại 2 từ trường khác
nhau; Đó là từ trường cực từ do nguồn kích từ tạo nên và từ trường quay do
54


dòng điện xoay chiều 3 pha tạo nên, Tác dụng tương hổ giữa 2 từ trường này
sẽ tạo quyết
3.3.3. Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ
Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ trình bày trên đây là
nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ. Khi máy điện đồng bộ có
tải, trong máy phát có hai từ trường (từ trường kích từ và từ trường phần
ứng) nằm ở trạng thái nghỉ với nhau nên chúng sẽ tác động tương hỗ với
nhau.
Sự tác động từ trường phần ứng lên từ trường kích từ (từ trường chính)
gọi là phản ứng phần ứng.
Phản ứng phần ứng có thể làm yếu, làm tăng hoặc làm biến dạng từ
trường chính. Ta hãy xét cho từng loại tải.
a. Phản ứng phần ứng máy đồng bộ với tải khác nhau.
*Khi tải thuần trở:
Khi vị trí rơto như ở hình a, trong các dây dẫn của pha A dòng điện đạt
giá trị cực đại i = I m , sđđ cũng đạt giá trị cực đại e = E m , vì tải thuần trở
dịng điện và điện áp trùng pha nhau (hình b). Hướng sđđ và hướng dịng

điện trong các pha A,B,C có thể sác định theo qui tắc bàn tay phải cịn chiều
từ thơng do các dịng điện sinh ra xác định bằng qui tắc vặn nút chai. Từ
hình c ta thấy rằng chiều từ thơng dịng tải có huớng ngang với từ thơng
chính và mang tên là phản ứng ngang.
Giá trị cực đại của từ trường chính nằm ở dưới các cực trên trục d - d',
còn stđ phản ứng phần ứng F aq có giá trị cực đại trên trục q - q'. Điều này
làm cho sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí dưới các cực từ không đối
xứng: một bên cực 2 từ thông cùng chiều nên cộng nhau cịn bên kia 2 từ
thơng ngược chiều nên trừ đi nhau. Kết quả từ trường chính bị biến dạng:
phía nửa cực được tăng cường ngược với chiều quay (hình c)

Hình 3.8. Phản ứng ngang máy điện đồng bộ

55


*Tải thuần cảm kháng (    )
2

Sđđ cảm ứng trong các cuộn dây nhanh pha so với dòng điện một góc

.
2

Dịng điện trong pha A đạt được giá trị cực đại khi giá trị Sđđ có giá trị

zero, cịn rơto chiếm vị trí như hình a.

Hình 3.9 Phản ứng dọc từ máy từ

Hướng của dòng trong các pha A, B, C cùng hướng từ thơng do nó sinh
ra xác định giống như phần trước. Từ hình vẽ, chúng ta thấy rằng chiều của
từ trường phần ứng hướng dọc theo trục cực. Sự phân bố từ thông như vậy
gọi là phản ứng dọc trục. Khi tải thuần cảm thì chiều từ thơng phản ứng
ngược chiều từ trường chính nên từ trường chính bị yếu đi, máy bị khử từ.
*Tải thuần dung (     ).
2

Dòng điện tải vượt pha so với sđđ một góc


2

hình vẽ.

Theo ngun tắc xác định chiều từ trường phần ứng ta thấy trục của từ
trường phần ứng trùng với trục cực nhưng 2 từ trường này cùng chiều nên từ
trường chính được trợ từ.
* Tải hỗn hợp


(0     )
2

Như chúng ta thấy từ các trường hợp trước, nếu dòng tải I trùng pha
với sđđ Eo (  0) thì ta có phản ứng ngang, cịn nếu
trục.Khi tải là tổng trở

0


2




2

ta có phản ứng dọc

thì phản ứng của ta vừa mang tính chất phản

ứng ngang, vừa mang tính chất phản ứng dọc khử từ. Kết quả của phản ứng
loại này vừa bị biến dạng từ trường vừa bị khử từ. Tương tự cho trường hợp
khi




   0 thì
2

phản ứng phần ứng vừa mang tính chất phản ứng ngang, vừa
56


mang tính chất phản ứng dọc trục trợ từ, do đó phản ứng vừa gây biến dạng
từ trường vừa trợ từ..
Từ trường phản ứng phần ứng tổng F a có thể được phân tích thành 2
thành phần: Phản ứng dọc F ad và phản ứng ngang F aq như sau:

Fad = Fasin  và Faq = Fa cos 

(4.4)

Biên độ sóng cơ bản của stđ tổng cho máy 3 pha có dịng pha I có giá
trị như sau:
Fdm = 3 2 . IWk cd (4.5)


p

3.3.4. Phản ứng phần ứng của máy cực hiện (cực lồi)
Để tìm sđđ của máy phát cần phải tìm stđ tổng của máy. Song ở máy
phát cực hiện do khe khí khơng đều nên việc tìm stđ tổng gặp rất nhiều khó
khăn. Vì khe khí khơng đều nên dạng của từ thơng chính khơng phải là hình
sin và phụ thuộc vào dịng tải. Do vậy khi phân tích máy cực hiện người ta
dùng phương pháp 2 phản ứng: là phản ứng ngang F aq và phản ứng dọc F ad.
Như thế trong máy có 3 từ trường: F o- từ trường kích từ, F ad và Faq- từ
trường phản ứng phần ứng.
Giả thiết rằng từ trường tạo ra Fad và Faq hoàn toàn độc lập với Fo.
a

d

)

F

q

)

F

ad

d

b

’aq

adm

B
’ad

B

’F

aq

’ad

B

d

F

B
aqm

B
’aq

B

’ aqm

’adm


N





’




max
+

d
b



N

+

max

S



+
+

+
+


d

Hình 3.10. Đường cong phản ứng phần ứng ’
’

q

d

Nếu ta giả thiết rằng khe khí đều nhau theo chu vi stato thì F ad và Faq

có giá trị cực đại trùng với trục của mình và tạo ra sóng khơng gian hình sin
(đường B' ad và B' aq trên hình vẽ.

57


Song ở máy cực hiện khe khí khơng đều nhau nên dạng sđđ hình sin

Fad và

Faq lại tạo ra các đường cong cảm ứng từ khơng hình sin. Phân tích

đường cong khơng hình sin ra chuỗi Fourie, và giả thiết rằng sđđ trong cuộn
dây có dạng thực tế là hình sin, các sóng của từ trường bậc cao khơng có ảnh
hưởng lắm, do đó đường khơng sin của độ cảm ứng có thể được thay thế
bằng sóng bậc 1(hình sin), (đường B'aq và B' ad ). Do khe khí khơng đều nên
biên độ đường cong B' adm và B’aqm nhỏ hơn Badm bà Baqm. Ta có:
B' aqm
B' adm
 1 được gọi là là hệ số hình dạng của phản ứng phần
 1 và
Baqm
Badm

ứng ngang và dọc.
Đường cong phân bố cảm ứng từ chính cũng khơng phải hình sin. Nếu
chúng ta giả thiết rằng khe khí đều và nhỏ thì đường cong cảm ứng từ B B có
dạng sóng chữ nhật. Phân tích sang chuỗi và và chỉ chú ý tới sóng bậc 1
(B’1m), đem tính tỷ số giữa biên độ sóng bậc 1 với giá trị biên độ thực tế của
từ trường : k f 

B1m
Bm

(4.6)

Hệ số k f gọi là hệ số hình dạng của từ trường kích từ.

Hình 3.11. Xác định hệ số hình dạng từ trườg kích từ

Trường hợp tổng quát giá trị cực đại của cảm ứng từ phản ứng phần

ứng dọc bằng: Badm  0 Fad
K 
Và biên độ cực đại của từ trường kích từ theo trục này bằng:

BBm 

0
FBd
K 

Trong đó:  o là độ thẩm từ khơng khí.
K và  là hệ số chú ý tới độ dẫn từ của khơng khí và chiều rộng của khe khí.
58


Để tìm giá trị stđ của cuộn kích từ F Bd tương ứng với phản ứng phần
ứng dọc trục F ad ta mang so sánh giá trị cảm ứng cực đại của từ trường phản
ứng và từ trường kích từ có chú ý tới hệ số hình dạng của từ trường ta được:

0

Fad k d  0 FBd k f
K 
K 
Từ đây ta có: F Bd =

kd
Fad = k adFad
kf

Trong đó:

kaq 

kd
k f Hệ số chuyển đổi stđ phản ứng theo trục dọc và mang tên hệ

số phản ứng phần ứng trục dọc.

kq
F

Faq  k aq .Faq
Bq
Tương tự ta có:
kf
Trong đó:

k aq 

kq
k f là hệ số phản ứng phần ngang.

Các hệ số này phụ thuộc vào

b m 
,
,
   các đại lượng b,,  ,  m biểu diễn ở

hình vẽ.

Để xác định các hệ số k ad và k aq cho máy cực hiện dùng bảng hoặc
đường cong riêng. Khi cần tính mời độ giả tham khảo
Để xác định các hệ số k ad và kaq chúng ta cịn có thể xác định stđ tương
đương của kích từ theo trục dọc F Bd và trục ngang F Bq như sau :

FBd  Fad .k ad 
FBq  Faq .k aq 

3 2 W.k cd
.k ad .I d

p

3 2 W.kcd
.k aq .I q


p

Sử dụng mối quan hệ: FB  Wkt .I kt ta có thể tìm được dịng kích từ
tương đương trục dọc và trục ngang:
59


I ktd  Fad .

k ad
Wkt

; I ktd  Faq .

k aq
Wkt

Sđđ cảm ứng trong cuộn phần ứng sẽ bằng:

E ad  X ad .I d
E aq  X aq .I q
Trong đó X ad và X aq trở kháng phản ứng dọc và ngang trục.
3.4. Máy điện một chiều
3.4.1.Đại cương về máy điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luôn luôn chiếm
một vị trí quan trọng, bởi nó có các ưu điểm sau:
Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng
phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong công nghiệp dệt, giấy, cán thép.
Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ
điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong

công nghiệp mạ điện.
Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và
bảo quản cổ góp phức tạp.
3.4.2. Cấu tạo của máy điện một chiều
Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân làm hai thành phần chính
là phần tĩnh và phần quay.
a.Phần tĩnh hay stator:
Đây là phần đứng yên của máy nó gồm các bộ phận chính sau:
*Cực từ chính:

Hình 3.12 cấu tạo máy phát điện một chiều

60


Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngồi lõi sắt cực từ.Lõi sắt cực từ 1làm bằng thép lá kỹ thuật điện hay
thép các bon dày 0,5 đến 1mm ghép lại bằng đinh tán. Lõi mặt cực từ 2 được
kéo dài ra (lõm vào) để tăng thêm đường đi của từ trường.Vành cung của
cực từ thường bằng 2/3  (: Bước cực, là khoảng cách giữa hai cực từ liên
tiếp nhau). Trên lõi cực có cuộn dây kích từ 3, trong đó có dịng một chiều
chạy qua, các dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng mỗi cuộn đều
được cách điện kỹ thành một khối, được đặt trên các cực từ và mắc nối nối
tiếp với nhau. Cuộn dây được quấn vào khung dây 4, thường làm bằng nhựa
hoá học hay giấy bakêlit cách điện. Các cực từ được gắn chặt vào thân máy 5 nhờ
những bu lông 6.
*Cực từ phụ:
Được đặt giữa cực từ chính dùng để cải thiện đổi chiều, triệt tia lửa
trên chổi than. Lõi thép của cực từ phụ cũng có thể làm bằng thép khối, trên
thân cực từ phụ có đặt dây quấn, có cấu tạo giống như dây quấn của cực từ

chính. Để mạch từ của cực từ phụ không bị bão hịa thì khe hở của nó với
rotor lớn hơn khe hở của cực từ chính với rotor.
*Vỏ máy (Gơng từ):
Làm nhiệm vụ kết cấu đồng thời dùng làm mạch từ nối liền các cực từ.
Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm để uốn và hàn lại. Máy có
cơng suất lớn dùng thép đúc có từ (0,2 - 2)% chất than.
* Các bộ phận khác:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư
hỏng dây quấn. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ
ổ bi.
- Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngồi hoặc ngược lại.

Hình 5.3. Cơ cấu chổi than
1) Hộp chổi than
2) Chổi than
3) Lò so ép
4) Dây cáp dẫn điện

b. Phần quay hay rotor
* Lõi sắt phần ứng:
61


Để dẫn từ thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,5 mm có sơn cách
điện cách điện hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xóay gây
nên. Trên các lá thép có dập các rãnh để đặt dây quấn. Rãnh có thể hình
thang, hình quả lê hoặc hình chữ nhật...
Trong các máy lớn lõi thép thường chia thành từng thếp và cách nhau
một khoảng hở để làm nguội máy, các khe hở đó gọi là rãnh thơng gió ngang
trục.

Ngồi ra người ta cịn dập các rãnh thơng gió dọc trục.

Hình 3.13. Lõi thép phần ứng

* Dây quấn phần ứng:
Là phần sinh ra sức điện động và có dịng điện chạy qua. Dây quấn
phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ
thường dùng dây có tiết diện trịn, trong máy điện vừa và lớn có thể dùng
dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh và
lõi thép. Để tránh cho khi quay bị văng ra ngồi do sức ly tâm, ở miệng rãnh
có dùng nêm để đè chặt và phải đai chặt các phần đầu nối dây quấn. Nêm có
thể dùng tre gỗ.

Hình 3.14 mặt cắt phần ứng và cổ góp

*Cổ góp:
Dây quấn phần ứng được nối ra cổ góp. Cổ góp thường được làm bởi
nhiều phiến đồng mỏng được cách điện với nhau bằng những tấm mi ca có
chiều dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ trịn. Hai đầu trụ tròn
62


dùng hai vành ép hình chữ V ép chặt lại, giữa vành ép và cổ góp có cách
điện bằng mica hình V. Đi cổ góp cao hơn một ít để hàn các đầu dây của
các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

Hình 3.15 Hình dọc quay

* Chổi than: Máy có bao nhiêu cực có bấy nhiêu chổi than. Các chổi
than dương được nối chung với nhau để có một cực dương duy nhất. Tương

tự đối với các chổi than âm cũng vậy.
* Các bộ phận khác:
- Cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy, trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường được làm bằng thép các bon tốt.
3.4.3. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều
Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết
bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ
năng thành điện năng một chiều (máy phát điện) hoặc ngược lại để biến đổi
điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện).

Hình 3.16 . nguyên lý làm việc

a. Máy phát điện:
Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều
63


Máy gồm một khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp, khung
dây và phiến góp được quay quanh trục của nó với một vận tốc khơng đổi
trong từ trường của hai cực nam châm. Các chổi than A và B đặt cố định và
ln ln tì sát vào phiến góp. Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng
điện từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động theo định luật
Faraday ta có:
e = B.l.v (V)
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua. (T)
l: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường. (m)
V: Tốc độ dài của thanh dẫn (m/s).
Chiều của sức điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải như
vậy theo hình vẽ sức điện động của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều đi

từ d đến c, cịn thanh ab nằm dưới cực N có chiều đi từ b đến a. Nếu mạch
ngồi khép kín qua tải thì sức điện động trong khung dây sẽ sinh ra ở mạch
ngồi một dịng điện chạy từ A đến B. Nếu từ cảm B phân bố hình sin thì e
biến đổi hình sin dạng sóng sức điện động cảm ứng trong khung dây. Nhưng
do chổi than A luôn luôn tiếp xúc với thanh dẫn nằm dưới cực N, chổi than
B luôn luôn tiếp xúc với thanh dẫn nằm dưới cực S nên dịng điện mạch
ngồi chỉ chạy theo chiều từ A đến B. Nói cách khác sức điện động xoay
chiều cảm ứng trong thanh dẫn và dòng điện tương ứng đã được chỉnh lưu
thành sức điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi
than, dạng sóng sức điện động một chiều ở hai chổi than .
b. Động cơ điện
Nếu ta cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và ra ở B thì do
dịng điện chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn nằm
dưới cực S, nên dưới tác dụng của từ trường sẽ sinh ra một mơ men có chiều
khơng đổi làm cho quay máy. Chiều của lực điện từ được xác định theo qui
tắc bàn tay trái. Đó là nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.

64


Các dạng sóng s.đ.đ
B,e

e,i

e,i

x

0

180 



t



360

t

T

Trong đó:
B: Từ cảm
E: Sức điện động cảm ứng
I: Dòng điện
F: Lực điện từ

Qui tắc bàn tay phải và qui tắc bàn tay trái:

Hình 3.17. Từ cảm hay s.đ.đ hình sin trong khung dây trước chỉnh lưu

3.4.4.Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều
Cho một dịng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở
sinh ra 1 từ thơng . Khi phần ứng quay với 1 tốc độ nhất định nào đó thì
trong dây quấn sẽ cảm ứng 1 sức điện động. Sức điện động đó là sức điện
động của một mạch nhánh song song và bằng tổng sức điện động cảm ứng

của các thanh dẫn nối tiếp trong 1 mạch nhánh đó.
Sức điện động cảm ứng của 1 thanh dẫn: ex  Bxl .v
Trong đó: Bx Từ cảm nơi thanh dẫn x quyét qua.
l: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn.
v: Tốc độ dài của thanh dẫn.

65




1

N
2p

3

Btb

Bmax

2

Hình 3.18. Xác định s.đ.đ phần ứng

Nếu số thanh dẫn của 1 mạch nhánh là
Eö  e1  ...  e N / 2 a 

N

thì
2a

N / 2a

N / 2a

x 1

x 1

 ex  Bl  ...  .l  .v 

Nếu số thanh dẫn đủ lớn thì

N / 2a

 B
x 1

x

 B .l
x



.v

bằng trị số trung bình B tb nhân với

tổng số thanh dẫn trong 1 mạch nhánh:
N / 2a

 B
x 1

v

x



Dö
60

N
N
N
Btbl .v 
Etb
.Btb nên Eö 
2a
2a
2a

n  2p

Dö n
2 p 60



2 p. .n
60

Với v: tốc độ dài của phần ứng.
 : từ thông dưới mỗi cực từ trong khe hở khơng khí:   = B. l..
Từ đó: 
Trong đó:

N
2 p. .n pN
Btb .l .

 .n
2a
60
60a

p: Số đơi cực từ kích thích

N Tổng số thanh dẫn của phần ứng
n: Tốc độ quay của phần ứng (vòng/phút)
a: Số đôi mạch nhánh song song
Đặt: CE 

pn
: Hệ số kết cấu của máy điện.
60a

Ta có Eư = CE .n

66


3.4.5. Công suất và mônmen điện từ của máy điện một chiều
Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng sẽ có dịng điện chạy
qua. Tác dụng của từ trường lên dây dẫn có dịng điện sẽ sinh ra mô men
điện từ trên trục máy. Theo địmh luật Faraday, lực điện từ tác dụng nên
thanh dẫn mang dòng điện là: F = B  iưl
Trong đó:
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quyét qua
iư: Dòng điện trong thanh dẫn
l: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn
Với iu 

Iu
2a

Iư: Dòng điện phần ứng; N: Tổng số thanh dẫn của phần ứng
Dư: Đường kính ngồi của phần ứng
Thì mơ men điện từ của máy điện một chiều là:
M dt  Bu

B 

D
Mñt  f.N ö
2

;

Iu
D
Iu N u
2a
2


; Dö  2p.

 .l

Thay vào cơng thức tính mơ men điện từ ta được:
M dt 

pN
 s .I u (Nm)
2 a

Trong đó:   tính bằng weber (wb), I ư tính bằng Ampe (A)
Nếu chia hai vế của biểu thức trên cho 9,81 thì M đt tính bằng Nm
Đặt: C E 

pn
hệ số kết cấu máy
60a

Ta có: Mđt = CM  .Iư (5.11)

Cơng suất điện từ của máy điện một chiều: P đt = Mđt.


2.n
60

Với n tính bằng vịng /phút.
67

với


2 n

pN

 s .I u .
Thay vào biểu thức tính P đt ta có Pdt 
, Pđt = Eư Iư
2 a
60
(5.12)

Trong đó:

Eư tính bằng volt (V)

Iư tính bằng Ampe (A)
Máy điện 1 chiều có thể làm việc ở hai chế độ:
– Đối với máy phát điện: M đt ngược với chiều quay của máy nên khi

máy cung cấp cho tải càng lớn thì cơng suất cơ cung cấp cho máy phải càng
tăng vì Mđt ln có chiều ngược với chiều quay của phần ứng.


S

Chiều của , Iư
n
Mđt

Hình 3.18. Xác định Eư và Mđt trong máy phát điện một chiều.

Chiều của Eư, Iư phụ thuộc vào chiều của   và n, được xác định bằng
qui tắc bàn tay phải. Chiều của M đt xác định bằng qui tắc bàn tay trái.
- Đối với động cơ điện khi cho dòng điện vào phần ứng thì dưới tác
dụng của từ trường, trong dây quấn sẽ sinh ra 1 M đt kéo máy quay, vì vậy
chiều quay của máy cùng chiều M đt.


S

Chiều của Iư
Mđt
n

Chiều của

Hình 3.19. Xác định Eư và Mđt trong động cơ điện một chiều.

68

Chương 4
Kỹ thuật điện tử
Mục tiêu
- Trình bày được đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của chất bán dẫn
- Hiểu và vận dụng được các mạch điện tử cơ bản
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, có tinh thần trách nhiệm trong cơng việc
4.1. Đại cương về chất bán dẫn
Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn
như Diode, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay.
Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện
và chất cách điện, về phương diện hố học thì bán dẫn là những chất có 4
điện tử ở lớp ngồi cùng của nguyên tử. đó là các chất Germanium ( Ge) và
Silicium (Si)
Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại
bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn
loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor.
Si và Ge đều có hố trị 4, tức là lớp ngồi cùng có 4 điện tử, ở thể tinh
khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như
hình dưới.

Hình 4.1: Chất bán dẫn tinh khiết

4.1.1. Chất bán dẫn loại P
Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hố trị 3 như Indium
(In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử

69