Thiết kế phương án xây dựng bài thí nghiệm thực hành máy điện một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
******

HOÀNG THỊ SAO

THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG
BÀI THÍ NGHIỆM - THỰC HÀNH
"MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU"

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2010


Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý
cùng các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Đặc biệt là các thầy cô trong tổ Vật
lý – Kỹ thuật, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi hoàn thành khóa học tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc của mình tới thầy
giáo Vũ Mạnh Quang, người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành
được khóa học này.
Nhân dịp này cho tôi được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn
bè đã luôn ở bên tôi động viên tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá
trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.

Hà nội, tháng 05 năm 2010.
Người thực hiện

Hoàng Thị Sao

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

1


Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Hoàng Thị sao
Sinh viên lớp K23D – Khoa Vật lý – Ngành sư phạm kĩ thuật, Trường
Đại học Sư Phạm Hà Nội 2.
Tôi xin cam đoan những nội dung mà tôi đã trình bày trong Khóa luận
này là kết quả quá trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn tận tình
của thầy giáo Vũ Mạnh Quang. Những nội dung này chưa từng được công bố
trong khóa luận nào khác.

Hà Nội, tháng 05 năm 2010
Người thực hiện

Hoàng Thị Sao

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 2
MỤC LỤC .................................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 5
1.

Lý do chọn đề tài .................................................................................. 5

2.

Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 5

3.

Mục đích nghiện cứu............................................................................. 5

4.

Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 5

5.

Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 6

6.

Bố cục khóa luận................................................................................... 6

NỘI DUNG ................................................................................................... 7
I.

Đại cương máy điện một chiều.............................................................. 8

1.1. Cấu tạo máy điện một chiều .................................................................. 8
1.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................. 12
1.3. Các trị số định mức ............................................................................. 13
II.

Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều .......................................... 14

2.1. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn............................................... 14
2.2. Mômen điện từ và công suất. .............................................................. 16
2.3. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng ........................... 18
2.4. Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều ............................... 22
III.

Máy phát điện một chiều ..................................................................... 24

3.1. Đại cương về máy phát điện một chiều ............................................... 24
3.2. Các đặc tính của máy phát điện một chiều .......................................... 25
IV.

Động cơ điện một chiều ...................................................................... 31

4.1. Đại cương ........................................................................................... 31

4.2. Mở máy động cơ điện một chiều ......................................................... 32
Chương II: CÁC THIẾT BỊ CẦN DÙNG CHO BÀI THÍ NGHIỆM
THỰC HÀNH ................................................................................... 34

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

3


Khóa luận tốt nghiệp

2.1. Các thiết bị cần dùng........................................................................... 34
2.2. Mô tả một số thiết bị ........................................................................... 36
CHƯƠNG III. THỨ TỰ THÍ NGHIỆM – THỰC HÀNH BÀI “MÁY
ĐIỆN MỘT CHIỀU” ........................................................................ 41
3.1. Tìm hiểu sơ lược về máy điện một chiều............................................. 41
3.2. Xác định đầu dây ................................................................................ 41
3.3. Đối với động cơ điện........................................................................... 41
3.3

Kiểm tra lại và báo cáo với giáo viên hướng dẫn................................. 42

3.4. Đối với máy phát điện ......................................................................... 42
CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BÀN THÍ NGHIỆM VÀ
BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM – THỰC
HÀNH. ............................................................................................... 43
4.1. Các yêu cầu chung .............................................................................. 44
4.2. Tính toán kích thước bàn thí nghiệm trong phòng thí nghiệm – thực
hành .................................................................................................... 44
4.3. Bố trí thiết bị trên bàn thí nghiệm – thực hành bài: “Máy điện một

chiều”.................................................................................................. 46
4.4. Nhận xét chung...................................................................................... 47
CHƯƠNG V. CÁC PHƯƠNG ÁN CẤP ĐIỆN CHO BÀI THÍ NGHIỆM
– THỰC HÀNH................................................................................. 48
5.1. Cấp điện từ mạng điện vào bài thí nghiệm .......................................... 48
5.2. Cấp điện từ mạng điện vào bàn thí nghiệm ......................................... 49
5.3. Nhận xét, đánh giá .............................................................................. 52
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 53

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

4


Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong chương trình kỹ thuật điện có bài thí nghiệm – thực hành về máy
điện một chiều. Hiện nay, các thiết bị cần thiết sử dụng cho bài thí nghiệm –
thực hành gần như tương đối đầy đủ. Tuy nhiên, ở trường Đại học Sư phạm
Hà Nội 2, tài liệu viết về bài thí nghiệm – thực hành chưa có. Khi lên phòng
thực hành, sinh viên gặp nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện bài thực
hành, phải cần sự giúp đỡ rất nhiều của các giáo viên hướng dẫn thực hành.
Do đó, một tài liệu đầy đủ và hoàn chỉnh về bài thí nghiệm – thực hành
Máy điện một chiều cho chương trình kỹ thuật điện của Sư phạm lý và sư
phạm kỹ thuật ở Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 là rất cần thiết. Chính vì
lý do đó mà tôi đã lựa chọn đề tài :
“Thiết kế phương án xây dựng bài thí nghiệm – thực hành Máy điện

một chiều”
2. Phạm vi nghiên cứu
Kiến thức đã học trong chương trình lỹ thuật điện về Máy điện một
chiều.
Các giáo trình tài liệu có liên quan.
3. Mục đích nghiên cứu
Giúp người học nắm bắt được kiến thức chung về Máy điện một chiều.
Giúp người học sử dụng dễ dàng các thiết bị trong bài thí nghiệm thực
hành Máy điện một chiều và tự mình thực hiện các bước làm trong bài thực
hành.
4. Đối tượng nghiên cứu
Bài thí nghiệm thực hành Máy điện một chiều.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

5


Khóa luận tốt nghiệp

5. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.
6. Bố cục khóa luận
Ngoài phần mở đầu, kết luận chung, danh Mục tài liệu tham khảo, khóa
luận gồm 5 chương nội dung:
a. Chương 1: Sơ lược lý thuyết.
b. Chương 2: Các thiết bị cần dùng cho bài thí nghiệm – thực
hành.
c. Chương 3: Thứ tự thí nghiệm – thực hành bài “Máy điện một
chiều”.

d. Chương 4: Tính toán kích thước bàn thí nghiệm và bố trí các
thiết bị trên bàn thí nghiệm – thực hành.
e. Chương 5: các phương án Cấp điện cho bài thí nghiệm – thực
hành.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

6


Khóa luận tốt nghiệp

NỘI DUNG
Căn cư để xây dựng bài thực hành

Theo chương trình thí nghiệm kỹ thuật điện của sư phạm kỹ thuật ở
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2:
Bài 7: Máy điện một chiều
VII.1. Thực hành xây dựng đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều.
VII.2. Thực hành xây dựng đặc tính điều chỉnh của máy phát điện một
chiều.
VIII.3. Thực hành mở máy, điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Mục đích của bài thí nghiệm-thực hành
Nghiên cứu tính thuận nghịch
- Đưa nguồn điện một chiều vào máy thì máy điện là động cơ điện 1
chiều (biến điện năng thành cơ năng )
- Ngược lại khi kéo máyđiện quay thì máy điện trở thành máy phát điện
( biến cơ năng thành điện năng )

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

7


Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT
I. Đại cương máy điện một chiều
1.1. Cấu tạo máy điện một chiều
Máy điện một chiều gồm 2 phần chính:
1.1.1. Phần tĩnh hay stato

Hình 1-1: Mặt cắt ngang và dọc của máy phát điện một chiều
Đây là phần đứng yên của máy gồm các bộ phận sau:
a) Cực từ chính:
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngoài cõi sắt cực từ.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

8


Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1-2 Cực từ chính
Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon
dày 0,5-1mm ép lại và tán chặt trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối.
Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông .
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn

dây bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cực
từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau.
b) Cực từ phụ:
Đặt giữa các cực từ chính dùng để cải thiện đổi chiều lõi thép của cực
từ phụ thường làm bằng thép khối, trên than có đặt dây quấn và cấu tạo giống
như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ những bu lông .
c) Gông từ:
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Trong
máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn lại và hàn, trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc..
d) Các bộ phận khác:
- Nắp máy: Bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng
dây cuốn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và
vừa lắp máy có tác dụng làm ổ bi ở trường hợp này lắp máy thường làm bằng
gang.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

9


Khóa luận tốt nghiệp

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Chổi than
đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tỳ chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó.
Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ.
Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại.
1.1.2. Phần quay (Roto)
Gồm các bộ phận sau:

a) Lõi sắt phận ứng.
Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện, thép hợp
kim silix dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở 2 mặt ép chặt lại để giảm hao tổn
do dòng điện xoáy gây lên. Trên lá thép có rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây
quấn vào.
Trong máy cỡ trung bình trở lên người ta đập cỗ thông gió để khi ép lại
thành lõi sắt có thể tạo những lỗ thông gió dọc trục

Hình 1.3 Lá thép phần ứng
Trong Máy điện hơi lớn lõi sắt được chia thành từng tập nhỏ. Giữa các
tập có khe thông gió ngang trục.
Khi làm việc gió thổi qua khe làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong máy điện nhỏ lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trực.
Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto. Dùng roto tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng roto.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

10


Khóa luận tốt nghiệp

b) Dây quấn phần ứng.
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng 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 tròn. Trong máy điện vừa và lớn
thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với
rãnh của lõi thép.
Ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải day chặt dây quấn để

tránh khi quay bị văng ra do sức li tâm.

Hình 1-4 mặt cắt rãnh phần ứng
c) Cổ góp (vành góp và vành đổi chiều).
Dùng đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều 6

Hình 1-5 Phiến đổi chiều và cổ góp
Cơ góp gồm nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng
một lớp mica dày 0,4-1,2mm hợp thành một hình tròn. Hai đầu trụ tròn dùng

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

11


Khóa luận tốt nghiệp

2 vành ốp hình chữ V ép chặt lại. giũa vành ốp và trụ tròn có cách điện bằng
mica (hình1-5b)
Đuôi vành góp có cao hơn lên 1 ít để hàn các đầu dây của các phần tử
dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d) Các bộ phận khác.
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Thường chế tạo theo
kiểu bảo vệ, ở hai đầu máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, máy
quanh cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi
sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cơ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.2.Nguyên lý làm việc
Sơ đồ làm việc

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

Gồm khung dây abcd đầu nối với 2 phiến góp. Khung dây và phiến góp
được quay quanh trục của nó với một tốc độ không đổi trong từ trường của 2
cực nam châm N-S. Các chổi điện A,B đặt cố định và luôn luôn tì sát vào góp.
Khi cho khung quay theo định luận cảm ứng điện từ, trong thanh dẫn sẽ
cảm ứng nên sức điện động và trị số tức thời của nó được xác định là :

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

12


Khóa luận tốt nghiệp

e = B.l.v.
B: là từ cảm ở nơi dây dẫn quét qua.
l: là chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường
v: là vận tốc quét của thanh dẫn.
Chiều của sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, sức điện
động của thanh dẫn ab nằm dưới cực N có chiều đi từ b đến a thanh dẫn cd
nằm dười cực S chiều đi từ c đến d.
Nếu mạnh ngoài khép kín qua tải thì sức điện động trong khung dây sẽ
tạo ra ở mạch ngoài một dòng điện chạy từ chổi than A đến chổi than B.
Khi khung quay nếu từ cảm thẳng góc với hướng quay của thanh dẫn
phân bố hình sin theo công thức trên sức điện động cũng là xoay chiều hình
sin do chổi than A luôn tiếp xúc với thanh dẫn nằm dưới cực N, chổi B tiếp
xúc với thanh dẫn nắm dưới cực S, nên dòng điện mạch ngoài chỉ chạy theo
chiều từ A- B (cực dương đến cực âm) nhờ vào hệ thống vành góp chổi than.

Để có sức điện động lớn giữa các chổi điện và giảm bớt sự đập mạnh
của sức điện động, người ta dùng nhiều khung dây đặt lệch nhau một góc
không gian thành dây quấn phần ứng.
Do đó, sẽ có nhiều phiến góp cách điện với nhau và ghép lại thành một
cổ góp điện (vành góp).
Nếu ngược lại ta cho dòng điện một chiều vào chổi than A và ra B thì
do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn
nằm dưới cực S nên dưới tác dụng của từ trường nên các thanh dẫn sẽ sinh ra
mômen có chiều không đổi làm cho nó máy quay.
1.3.Các trị số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong
những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

13


Khóa luận tốt nghiệp

Chế tạo đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và
gọi là đại lượng định mức. Trên nhãn máy có ghi những đại lượng sau:
Công suất định mức Pđm (kw hay w)
Điện áp định mức Uđm (V).
Dòng điện định mức Iđm (A).
Tốc độ định mức nđm (vòng/phút).
II. Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều
2.1. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn.
Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích từ thì trong khe hở 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 một sức điện động.
Sức điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới một cực từ. tốc độ của
máy số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn.
Vì dây quấn gồm có 2a mạch nhánh ghép song song nên sức điện động
của dây quấn bằng sức điện động cảm ứng trên một mạch nhánh nghĩa là bằng
tổng số điện động của các thanh dẫn nối tiếp trong mạch nhánh đó.
Sức điện động trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác
dụng là chuyển động trong từ trường với vận tốc V bằng:
Etb= Btb.l.v (1).
Btb là từ cảm trung bình trong khe hở.
Do tốc độ quay v =

Dn
60

=2  p

n

và Btb=
60
l

Trong đó:
D: Đường kính ngoài phàn ứng.
 : bước cực

P: số đôi cực
N: tốc độ quay phần ứng

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

14


Khóa luận tốt nghiệp

 δ : từ thông khe hở dưới mỗi cực từ

Thay vào (1) ta có:
etb = 2p  δ

n
60

N: Là tổng số thanh dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song sẽ
có

N
thanh dẫn nối tiếp nhau và sức điện động của máy.
2a

Bằng:
Eư =

N
pN
e tb =
  n = Ce   n (V)
2a

60a

Trong đó  δ : tính bằng wb.
n: tính bằng vòng/phút.
Chiều của Eư phị thuộc vào chiều

 ,

n và được xác định theo quy tắc

bàn tay phải

Hình 1-6 Xác định sức điện động phần ứng và momen điện từ trong
máy phát điện một chiều
Sự phân tích trên dựa theo giả thiết dây quấn bước đủ. Số điện động
trên các thanh dẫn của phần tử dều cộng số học với nhau.nếu bước ngắn thì số
điện động của thanh dẫn 1 phần tử sẽ cộng vecto nên số điện động phần ứng
cúng nhỏ đi một ít.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

15


Khóa luận tốt nghiệp

Nhưng vì trong máy điện một chiều không cho phép bước ngắn lớn nên
ảnh hưởng ít thường là không xét đến khi tính sức điện động.
2.2. Mômen điện từ và công suất.
Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng có điện chạy qua tác

dụng của từ trường lên dây dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ lên
trục máy.
Giả thiết ở một chế đọ làm việc nào đó của máy điện một chiều từ
trường và dòng điện phàn ứng ở dưới một cực (Hình 1-6). Theo quy tắc bàn
tay trái moomen điện từ do lực từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ trái
sang phải.
Lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn đó là
f = Btb.l.iư
Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn bàng N, dòng điện trong mạch
nhánh iư =

Iu
thì mômen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng bằng:
2a

M= Btb.

Iu
D
.l.N.
2a
2

Trong đó:
B tb - từ cảm trung bình trong khe hở
Iư - dòng điện phần ứng
a - số đôi mạch nhánh
l - chiều dài tác dụng của thanh dẫn
D - đường kính ngoài phần ứng
Do D =

M=

2 p



, Btb =


nên ta có:
l

pN
  Iư = CM   Iư (Nm)
2a

(*)

Trong đó:

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

16


Khóa luận tốt nghiệp

  - Từ thông dưới mỗi cực tính bằng Wb,

Cm =

pN
- hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy điện, còn gọi là hằng
2a

số mômen
Nếu tính bằng KG.m thì công thức (*) phải chia cho 9,81.
M=

1 pN
 δ Iư (KG-m)
9,81 2a

Trong máy phát điện khi quay máy theo 1 chiều nhất định trong từ
trường thì trong dây dẫn sẽ sinh ra số điện động mà chiều được xác định theo
quy tắc bàn tay phải.
Khi có tải thì dòng điện sẽ cùng chiều với số điện động nên mômen
điện từ sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của máy. Vì vậy, ở máy phát
điện mômen điện từ là 1 mômen hãm (Hình 1-6).
Trong động cơ điện, khi cho dòng điện vào phần ứng tác dụng của từ
trường. trong dây quấn sẽ sinh ra
mômen điện từ kéo máy trùng với chiều quay của mômen

Hình 1-7 Xác định momen điện từ trong động cơ điện một chiều
Ở động cơ điện mômen từ là mômen quay, công suất ứng với mômen
điện từ lấy vào (đối với máy phát) hay đưa ra (đối với động cơ) gọi là công
suất điện từ và bằng .
Pđt = M.  (3)
M: mô men điện từ

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

17


Khóa luận tốt nghiệp

 =

2n
- tốc độ góc phần ứng.
60

Thay vào công thức (3) ta có:
Pđt = M  =

pN
2n
pN
=
n   .I ư = EưIư (W)
  .Iư.
2a
60
60

Từ công thức này ta thấy được quan hệ giữa công suất điện từ với mô
men điện từ và sự trao đổi năng lượng trong máy điện.
Trong máy phát điện công suất điện từ đã chuyển công suất cơ M 
thành công suất điện Eư.Iư.

Trong động cơ điện công suất điện từ đã chuyển công suất điện Eư.Iư
thành công suất cơ M .
2.3. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng
2.3.1. Tổn hao trong máy điện một chiều
Trong máy điện một chiều chỉ có 1 phần công suất nhỏ biến thành tổn
hao trong máy dưới hình thức nhiệt tỏa ra ngoài không khí.
Hao tổn trong máy tùy theo tính chất được chia làm 4 loại:
a, Tổn hao cơ p cơ: bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với
vành góp, tổn hao thông gió… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ
quay của máy và làm cho ổ bi, vành góp nóng lên.
b, Tổn hao sắt pFe: do từ trễ và dòng điện xoáy trong lôi thép gây lên.
Tổn hao này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày của tấm thép, trọng lượng lõi
thép. Từ cảm B và tần số f. khi lõi thép đã định hình thì tổn hao thép tỉ lệ với
f 1,2  1,6 và B2
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không
tải Po = Pcơ + PFe.
Tổn hao cơ và tổn hao sắt sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại
khi không tải nên gọi là mô men không tải Mo.
Quan hệ giữa Mo và Po là

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

18


Khóa luận tốt nghiệp

M0 =

Po



c, Tổn hao đồng Pcu: gồm tổn hao đồng trong mạch phần ứng Pcu.ư và
tổn hao đồng trong mạch kích thích Pcu.t.
Pcu.ư gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng I2ư rư và tổn hao đồng
trong dây quấn cực từ phụ I2 ư2rf tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp
Ptx. Thường với chổi than graphit điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của 2 chổi
than quãng. 2  Utx= 2V nên Ptx=2Iư
Thông thường gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết
dưới dạng :
Pư=I2 ưRư
Tổng tổn hao đồng trên phần ứng có
Rư = rư + rt + rtx
rư: điện trở dây quấn cực từ phần ứng.
rt: điện trở dây quấn phụ
rtx: điện trở tiếp xúc chổi than.
Pcu.t gồm tổn hao đồng của dây quấn kích thích và tồn hao đồng của
điện trở điều chỉnh trong mạch kích thích.
Pcu.t = Ut .It
Ut: điện áp đặt trên trên mạch kích thích.
It: dòng điện kích thích.
d, Tổn hao phụ Pt
Trong đồng và thép đều sinh ra tổn hao phụ.
Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề
mặt phần ứng. các buloong ốc vít trên phần ứng làm từ trường phân bố không
đều trong lõi sắt ảnh hưởng của răng rãnh làm từ trường đập mạch sinh ra.
Tổn hao phụ trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện
trong phần tử thay đổi, dòng điện phân bổ không đều trên bề mặt chổi than
làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không đều trong rãnh làm cho

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

19


Khóa luận tốt nghiệp

trong dây dẫn sinh ra một dòng điện xoáy. Tạo nên tổn hao trong dây nối cân
bằng. trong máy điện một chiều Pt tương đối khó tính, thường lấy 1% công
suất định mức.
2.3.2. Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương
trình cân bắng
a, Máy phát điện.
Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do 1 động cơ sơ
cấp bất kỳ kéo quay với 1 tốc độ nhất định.
Giả thiết công suất kích từ do một máy khác cung cấp nên không tính
vào công suất đưa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện công suất cơ đưa vào
P1 tiêu hao đi 1 phần để bù vào tổn hao cơ Pcơ và tổn hao sắt PFe, còn đại bộ
phận biến đỏi thành công suất điện từ Pđt tao có.
P1 = Pđt + (Pcơ + PFe) = Pđt + Po (**)
Pđt = Eư . Iư
Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn thì có tồn hao đồng, nên công suất
điện đưa ra P2 là
P2 =Pđt - pcu=EưIư – I2ư.Rư = UIư
Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều

U = Eư – Iư.Rư (*)
(*) là phương trình cân bằng về số điện động của máy phát điện 1 chiều.
Có thể viết công suất cơ đưa vào, công suất không tải, công suất điện từ

theo dang momen nhân với tốc độ góc. Như vậy công thức (**) được viết
M1  = M 0  + M 

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

20


Khóa luận tốt nghiệp

Chia cả hai vế cho  ta được
Trong đó:
M1- Mômen cơ đưa vào,
M- Mômen điện từ
M0 – Mômen không tải
(2)được gọi là phương trình cân bằng về mô men của máy phát điện
một chiều.
b, Động cơ điện.
Động cơ điện lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục.
Công suất điện mà động cơ điện nhận được từ lưới vào là.
P1 = U.I = U(Iư + It) (3)
I = Iư + It là dòng điện từ lưới điện vào (Iư là dòng điện vào phần ứng)
It :là dòng điện kích thích
U: là điệ áp ở đầu cực máy.
P1 một phần cung cấp cho mạch kích thích U.It còn phần lớn đi vào
phần ứng U.Iư tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trong mạch phần ứng, còn
đại bộ phận là công suất điện từ. ta có:
P1 = Pcu.ư + Pcu.t + Pđt (4)
Công suất điện từ sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao
một ít để bù vào tổn hao cơ Pcơ và tổn hao sắt PFe. Phần còn lại là công suất

đưa ra ở đầu trục.
P2 = M2.
Pđt = Pcơ + PFe + P2 = Po + P2
Giản đồ năng lượng động cơ điện một chiều

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

21


Khóa luận tốt nghiệp

Từ (3), (4) suy ra công suất điện trong mạch phần ứng
Suy ra U = Eư + Iư.Rư đây là phương trình cân bằng của động cơ điện
một chiều
Từ (5) suy ra M  = M0  + M2 
Suy ra M = Mo + M2 (6)
M2: mô men đưa ra đầu trục máy
Mo: mô men không tải
(6) là pt cân bằng về mô men của động cơ điện một chiều.
2.4.Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều
Máy điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện, cũng có thể dùng
làm động cơ điện. qua sự nghiên cứu ở các mục trên ta thấy trong máy phát
điện, chiều của mô men điện từ và tốc độ quay ngược nhau còn dòng điện và
số điện động cùng chiều. trong động cơ điện thì mômen và tốc độ quay cùng
chiều, còn dòng điện và số điện động ngược chiều nhau. Vì vậy, khi có điều
kiện khách quan khác nhau thì máy sẽ có tính chất làm việc khác nhau.
Giả sử máy dang làm việc ở trạng thái máy phát ta có dòng điện đưa ra
Iư =

Eu  U
Ru

nghĩa là Eư > U.

Không qua dòng máy sinh ra mô men điện từ hãm, nếu ta giảm  hoặc
tốc độ n để giảm Eư xuống một cách thích đáng thì Eư sẽ nhỏ hơn u và dòng
điện Iư sẽ đổi chiều, Eư và Iư ngược chiều nhau. Do chiều của từ thông không

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

22


Khóa luận tốt nghiệp

đổi nên mô men điện từ (M = Cm.  Iư) sẽ đổi dấu nghĩa M và n đã thành cùng
chiều và mô men điện từ đó đã từ mô men hãm thành mô men quay. Máy đã
chuyển từ máy phát điện sang động cơ điện. táh động cơ sơ cấp rat a sẽ được
một động cơ điện một chiều thông thường.

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

23


Khóa luận tốt nghiệp

III. Máy phát điện một chiều
3.1. Đại cương về 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 vẫn thay thế được dòng điện một chiều mặc dù dòng điện xoay chiều
trong công nghệ đã rất phổ biến. tùy theo cách kích thích cực từ chính, máy
phát điện một chiều được phân ra như sau:
3.1.1. Máy phát điện một chiều kích thích độc lập
Gồm 2 loại: máy phát điện kích thích bằng nam châm vính cửu và máy
phát điện kich thích điện từ.
Máy phát điện kích thích bằng nam châm vính cửu chỉ được chế tạo với
công suất nhỏ.
Máy phát điện kích thích điện từ: lấy dòng điện từ ắc quy, lười điện
một chiều hoặc máy phát điện một ciều phụ và được dùng nhiều trong các
trường hợp cần điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn, điện áp
thấp (4-24)v hoặc điện áp cao trên 600

Hình 1-7: Sơ đồ nguyên lý của máy điện một chiều kích thích độc lập
a, kích thích song song. b, kích thích nối tiếp . c, kích thích hỗn hợp
d, các mũi tên nét đứt biểu thị chiều dòng diện ở chế độ động cơ điện

Hoàng Thị Sao – K32D - SPKT

24