khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
Nhận xét của giảng viên hướng dẫn
LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU........................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI...................................................................................... 1
1.1. Hoàn cảnh thực tế ........................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 1
1.3. Các giả thiết đề tài .......................................................................................... 1
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC TIỆN ĐỀ TÀI.................. 1
3. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH ................................................................................. 1

PHẦN NỘI DUNG ...................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỆN....................................................... 3
1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN ........................................... 3
1.1.1. Định nghĩa ........................................................................................................... 3
1.1.2. Phân loại .............................................................................................................. 3

1.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ........ 5
1.2.1. Định luật cảm ứng điện từ ................................................................................... 5
1.2.2. Định luật lực điện từ............................................................................................ 6

1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN.
TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN ...................................................... 7
1.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện ............................................................... 7

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện ..................................................................8

1.4. ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ ............................................................................ 9
1.5. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN .................................................. 10
1.5.1. Vật liệu dẫn điện ............................................................................................... 11
1.5.2. Vật liệu dẫn từ ................................................................................................... 11
1.5.3. Vật liệu cách điện .............................................................................................. 11
1.5.4. Vật liệu kết cấu..................................................................................................12

1.6. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN .............................................. 12
1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN .......................................... 13
CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .......................................................... 14
2.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ............................................. 14
2.1.1. Stator (phần cảm) .............................................................................................. 15
2.1.2. Rotor (phần ứng) ............................................................................................... 15

2.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC................................................................ 20
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
i


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

2.3. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP
KÍCH TỪ ......................................................................................................... 20
2.3.1. Máy điện một chiều kích từ riêng ..................................................................... 20

2.3.2. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp .................................................................21
2.3.3. Máy điện một chiều kích từ song song ............................................................. 21
2.3.4. Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp ................................................................ 21

2.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ................ 22
2.4.1. Suất điện động trong một vòng dây quay trong từ trường ................................ 22
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều .................................................. 23

2.5. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ........... 26
2.6. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NHIỀU CỰC ................................................... 27
2.7. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ....................................... 27
2.8. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG ............................................................. 30
2.9. MOMEN ĐIỆN TỪ VÀ SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG MÁY
ĐIỆN MỘT CHIỀU .......................................................................................... 32
2.9.1. Momen điện từ ..................................................................................................32
2.9.2. Sự biến đổi năng lượng trong máy điện một chiều ........................................... 34

2.10. HIỆN TƯỢNG ĐỔI CHIỀU .................................................................... 34
2.10.1. Nguyên nhân cơ học ........................................................................................ 34
2.10.2. Nguyên nhân điện từ ....................................................................................... 35

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG .... 39
3.1. PHÂN LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................................ 39
3.1.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập .......................................................... 39
3.1.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song ..................................................... 40
3.1.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp ......................................................... 40
3.1.4. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp ........................................................ 40

3.2. CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU..................... 41
3.2.1. Đặc tuyến không tải .......................................................................................... 41

3.2.2. Đặc tuyến ngoài.................................................................................................41
3.2.3. Đặc tuyến điều chỉnh ......................................................................................... 41

3.3. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG [6]................. 41
3.3.1. Đặc tuyến không tải .......................................................................................... 42
3.3.2. Đặc tuyến ngoài................................................................................................ 43
3.3.3. Đặc tuyến điều chỉnh ......................................................................................... 44

CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG ..................................... 46
4.1. THÍ NGHIỆM VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG
SONG (PHÒNG THÍ NGHIỆM CƠ NHIỆT - BỘ MÔN VẬT LÝ) ................. 46
4.1.1. Mục đích thí nghiệm ......................................................................................... 46
4.1.2. Mô tả dụng cụ thí nghiệm ................................................................................. 46
4.1.3. Phương án và các bước tiến hành thí nghiệm ................................................... 48
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
ii


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

4.2. THÍ NGHIỆM VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG
SONG (PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN - BỘ MÔN KỸ THUẬT
ĐIỆN) ............................................................................................................... 52
4.2.1. Mục đích thí nghiệm ......................................................................................... 52
4.2.2. Mô tả dụng cụ thí nghiệm ................................................................................. 52

4.2.3. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................................ 52

4.3. NHẬN XÉT CHUNG ................................................................................ 56
4.3.1. So sánh ưu điểm và nhược điểm của hai máy phát điện một chiều kích từ song
song ............................................................................................................................. 56
4.3.2. So sánh lý thuyết và thực nghiệm ..................................................................... 57

PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 59

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
iii


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.1. Hoàn cảnh thực tế
Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật, con người đã làm
được rất nhiều điều mà trước đây những điều đó chỉ nằm trong trí tưởng tượng. Thật vậy,
nếu như ngày xưa người ta phải mất hàng tháng, để di chuyển từ vùng này sang vùng
khác, để di chuyển từ Quốc gia này sang Quốc gia khác, thì ngày nay không mất nhiều
thời gian để thực hiện điều đó nhờ các loại phương tiện giao thông hiện đại như: ô tô,
máy bay, tàu thủy, xe điện ngầm… Những loại máy móc thiết bị trên ngày càng được
ứng dụng rộng rãi, phổ biến và gắn liền với cuộc sống của chúng ta. Hơn 90% năng

lượng điện được sử dụng trong đời sống sinh hoạt hàng ngày là năng lượng điện xoay
chiều, tuy nhiên trong một số lĩnh vực vẫn sử dụng điện một chiều. Trong nhà máy điện
và trạm biến áp nguồn điện một chiều đóng vai trò rất quan trọng. Nó đảm bảo cung cấp
dòng điện một chiều cho các phụ tải quan trọng và yêu cầu có độ tin cậy về điện rất cao
như: Kích từ máy phát điện các động cơ một chiều, bảo về rơle tự động, điều khiển từ xa,
đảm bảo cho các phụ tải hoạt động bình thường. Nếu dựa vào phương pháp cấp điện một
chiều cho các trạm và nhà máy thì ta phải kể đến các nguồn điện: máy phát điện một
chiều, máy chỉnh lưu, ắc quy. Chính vì những ứng dụng quan trọng mà năng lượng điện
một chiều vẫn đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống và kỹ thuật. Đây cũng chính là
lí do tôi chọn đề tài: “Khảo sát đặc tuyến máy phát điện một chiều kích từ song
song”.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài được thực hiện với mong muốn trình bày những kiến thức cơ bản về cấu tạo
nguyên lý hoạt động, các đặc tuyến và các ứng dụng của máy điện một chiều kích từ song
song.
1.3. Các giả thiết đề tài
Nội dung của đề tài là tìm hiểu máy phát điện một chiều kích từ song song, nhưng tìm
hiểu điều đó trước tiên phải nghiên cứu tổng quan về máy điện và máy điện một chiều.

2. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC TIỆN ĐỀ TÀI
 Thu thập tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, nhà sách.
 Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn.
 Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, sát với nội dung đề tài.
 Máy phát điện một chiều kích từ song song (phòng thí nghiệm cơ nhiệt - bộ môn
vật lý) và máy phát điện một chiều kích từ song song (phòng thí nghiệm kỹ thuật
điện - bộ môn kỹ thuật điện).

3. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
 Nhận đề tài.
 Sưu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
1


Luận văn tốt nghiệp











Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Tiến hành nghiên cứu chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài.
Lập đề cương cụ thể.
Trao đổi nội dung với giáo viên hướng dẫn.
Tập hợp ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tài liệu tham khảo, viết đề tài, đánh máy,
nộp bản thảo, chỉnh sửa.
Nộp đề tài cho giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến, chỉnh sửa.
Viết báo cáo, tóm tắt đề tài, tập báo cáo thử.
Nộp đề tài cho hội đồng bảo vệ.
Bảo vệ đề tài.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
2


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỆN
1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
1.1.1. Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và tương tác
giữa từ trường và dòng điện, dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành
điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại, biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ
điện). Ngoài ra còn dùng để biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha…[1]
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại máy điện (theo công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện,
nguyên lý làm việc…). Nhưng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý biến đổi
năng lượng thì máy điện được chia thành các loại sau:
 Máy điện tĩnh
 Máy điện có phần động [1]
a. Máy điện tĩnh
Đặc trưng cho máy điện tĩnh đó là máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa trên
hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự
chuyển động tương đối với nhau.
Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do tính chất thuận
nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi của máy điện cũng có tính

chất thuận nghịch. Ví dụ, máy biến áp biến đổi hệ thống điện có thông số U1. I1, f thành
hệ thống điện có thông số U2, I2, f, hoặc ngược lại. [1]

B A

U1, I1, f

U2, I2, f

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp và ký
hiệu của nó trên sơ đồ điện [1]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
3


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

b. Máy điện có phần động
Thường gọi là máy điện quay hoặc chuyển động thẳng. Nguyên lý làm việc dựa
trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây
có chuyển động tương đối với nhau gây ra. Thường gặp trong thực tế là động cơ điện
hoặc máy phát điện.

U, f
ω

Máy điện

Pđiện

Pcơ

Hình 1.2: Sơ đồ quá trình biến đổi thuận nghịch của máy điện [1]
Máy điện

Máy điện tĩnh

Máy điện có phần quay

Máy điện xoay chiều

Máy điện không
đồng bộ

Máy
biến
áp

Động
cơ
không
đồng
bộ

Máy

phát
không
đồng
bộ

Máy điện một chiều
chiềuchiều

Máy điện
đồng bộ

Động
cơ
đồng
bộ

Máy
phát
đồng
bộ

Động
cơ một
chiều

Máy
phát
một
chiều

Hình 1.3: Sơ đồ phân loại các máy điện thường gặp [1]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
4


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

1.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
Nguyên lý làm việc của hầu hết các máy điện đều dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng
điện từ và lực điện từ. Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật dòng điện toàn
phần.
1.2.1. Định luật cảm ứng điện từ
a. Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây
Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng
sức điện động e(t). Suất điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ
thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1.4).

Hình 1.4: Chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui
tắc vặn nút chai [8]
Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây được viết theo công thức Măcxoen
như sau:
Φ

với cuộn dây có N vòng, suất điện động cảm ứng là:
Φ



(1.1)

(1.2)

Trong đó:  = NΦ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. Đơn vị của từ thông là
Webe (Wb), đơn vị của suất điện động là Vôn (V) [8]
b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường
Khi thanh dẫn chuyển động vuông góc với các đường sức từ trường (đó là trường
hợp thường gặp trong máy phát điện) trong thanh dẫn cảm ứng suất điện động e, có trị số
là:
(1.3)
e = Blv
Trong đó: B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)
l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)
v: vận tốc dài của thanh dẫn (m/s) [8]
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
5


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Chiều của suất điện động cảm ứng xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chiều của suất điện động [8]

1.2.2. Định luật lực điện từ
Khi một thanh dẫn có dòng điện chạy qua đặt thẳng góc với các đường sức từ trường
(hình 1.6), thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực điện từ có trị số:
(1.4)
Fđt = B.l.i
Trong đó: B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)
l: chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn đo bằng mét (m)
i: dòng điện chạy trong thanh dẫn đo bằng Ampe (A)
Fđt: lực điện từ đo bằng Newton (N) [8]
Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình 1.6: Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ [8]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
6


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN. TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN
Máy điện có tính thuận nghịch, tức là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc
động cơ điện.
1.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện
Dùng một động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ, thanh dẫn sẽ
chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm N - S (hình 1.7), trong thanh dẫn

sẽ cảm ứng suất điện động cảm ứng e. Nếu hai đầu thanh dẫn được nói với tải (R), sẽ có
dòng điện i chạy qua thanh dẫn và tải. Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn và dây nối, điện
áp đặt vào tải là:
u=e
Công suất máy phát cung cấp cho tải là:
p = ui = ei
(1.5)
Dòng điện i nằm trong từ trường của nam châm N - S lại chịu tác dụng của lực điện
(Fđt):
(1.6)
Fđt = Bli
Và có chiều như hình vẽ:

Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong từ trường của
nam châm N - S [3]
Khi lực điện cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp, tức Fcơ = Fđt , máy sẽ quay
đều.
Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có:
Fcơv = Fđtv = B.l.i.v = ei
(1.7)
Điều này có nghĩa là công suất của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơv đã được biến đổi thành
công suất điện Pđiện = e.i, tức là cơ năng đã được biến đổi thành điện năng ở máy phát
điện. [3]
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
7


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện
Nếu đặt một điện áp U từ nguồn điện bên ngoài vào một thanh dẫn trong từ trường
của nam châm N - S (hình 1.8)
Trong thanh dẫn sẽ có dòng điện i chạy qua theo định luật điện từ, thanh dẫn sẽ chịu
tác dụng của lực điện từ:
Fđt = Bli
Và chuyển động với vận tốc v có chiều như hình vẽ:

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong thanh dẫn [3]
Công suất điện đưa vào động cơ là:
(1.8)
Pđ = ui = ei = Bliv = F đtv
Nghĩa là, công suất điện Pđ = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ
Pcơ = Fđtv trên trục động cơ, tức điện năng đã biến thành cơ năng trong động cơ điện. [3]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
8


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

1.4. ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ
Trong các máy điện, lõi thép là mạch từ của máy. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn

từ thông. Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ. Nội
dung của định luật dòng điện toàn phần như sau:

Hình 1.9.1 . Minh
họa định luật dòng
điện toàn phần [8]

Hình1.9.2 . Mạch
từ đồng nhất có
một cuộn dây [8]

Hình1.9.3. Mạch từ
có khe hở không
khí và hai cuộn dây
[8]

Nếu là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, … ik, …, in. tạo ra và nếu
L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:
(1.9)
Với

là độ dời vi phân trên (L) . Dấu của ik xác định theo quy tắc vặn nút chai: quay cái

vặn nút chai theo chiều , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì
dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm.
Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây như hình
1.9.2 ta có như sau:
H.l=Ni=F
(1.10)
Với:

Vậy

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
9


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Trong đó:
H (A/m): Cường độ từ trường trong mạch từ
B=µH (T): Từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ.
µ=µr. µo (H/m): Độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ.
µo=4.10-7 (H/m): độ từ thẩm của không khí.
µr= µ/ µo: độ từ thẩm tương đối của mạch từ.
l(m): chiều dài trung bình của mạch từ.
N: số vòng dây của cuộn dây
i (A): gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ.
F= Ni (A): gọi là suất từ động (stđ)
H.l: gọi là từ áp rơi trong mạch từ.
(A/Wb) từ trở của mạch từ.
S (m2): tiết diện ngang của mạch từ
Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dài l1 và
l2 tiết diện S1 và S2, hình 1.9.3, ta có:
H1. l1 – H2. l2=N1i1 – N2.i2
(1.11)
Trong đó:

H1, H2 (A/m): cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2.
l1, l2 (m): chiều dài trung bình của đoạn mạch 1, 2.
N1.i1 , N2. i2 (A): suất từ động của cuộn dây 1, 2.
Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ được viết:
m

m

H l  R
j 1

j j

j 1

j

m

m

k 1

k 1

   N k i k   Fk  F

(1.12)

Trong đó, dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ đã chọn theo quy tắc

vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm, j: chỉ số tên đoạn mạch
từ, k: chỉ số tên cuộn dây có dòng điện. [8]

1.5. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
Vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu kết cấu, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện.
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ
trục, thân máy, nắp. Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện
và từ. Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và
giữa các phần dẫn điện với nhau.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
10


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

1.5.1. Vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và
có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng
photpho. Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ
nhật có bọc cách điện, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách
điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu. [8]
1.5.2. Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang,
thép đúc, thép rèn,…
Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ

thuật điện dày 0,35  1mm, trong thành phần thép có từ 2  5% silic để tăng từ trở của
thép, giảm dòng điện xoáy. Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng
hoặc cán nguội. Hiện nay thường dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì thép
cán nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng. Trên hình 1.10
trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu dẫn từ khác nhau. Cùng một dòng điện
kích từ, ta thấy thép kĩ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là
gang.
Ở các phần dẫn từ có từ thông thay đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá
thép. [8]

Hình 1.10 Đường cong từ hóa của một số vật liệu [8]
1.5.3. Vật liệu cách điện
Làm nhiệm vụ cách ly bộ phận dẫn điện và bộ phận không dẫn điện hoặc cách ly
các bộ phận dẫn điện với nhau.
Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt,
tản nhiệt tốt. Chống ẩm và bền về cơ học.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
11


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

 Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn gồm 4 nhóm:
 Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa.
 Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh.

 Các chất tổng hợp như PVC, PE.
 Các loại men, sơn cách điện
Cấp cách điện
Y
A
E
B
F
H
C
0
0
0
0
0
0
Nhiệt độ làm việc
90 C 105 C 120 C 130 C 155 C 180 C >1800C
Cấp Y: Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp,
không được tẩm sấy bằng sơn cách điện.
Cấp A: Nhiệt độ cho phép là 1050C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc
nhân tạo được quan tẩm sấy bằng sơn cách điện
Cấp E: Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ
có thể chịu được nhiệt độ tương ứng
Cấp B: Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh
hoặc amiăng được liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ
tương ứng
Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như B nhưng được tẩm sấy và kết dính
bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng.
Cấp H: Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống như B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc

chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ
tương ứng
Cấp C: Nhiệt độ cho phép là >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và
các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết. Các chất vô cơ có phụ gia
liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng.
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp)
Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý
hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực
nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi thọ của
vật liệu cách điện giảm đi một nữa [8]
1.5.4. Vật liệu kết cấu
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như
trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường là gang, thép
lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo. [3]

1.6. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt
từ (do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây
quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành
nhiệt năng làm nóng máy điện.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
12


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Sự tản nhiệt
không chỉ phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy điện mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu
của không khí xung quanh hoặc của chất làm mát như dầu máy biến áp... Thường vỏ máy
điện được chế tạo có các rãnh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió làm mát.
Kích thước của máy, phương pháp làm mát, phải được tính toán và lựa chọn để cho độ
tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy, không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm
bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài và hiệu quả khoảng 20 năm.
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá
độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì
thế không cho phép quá tải lâu dài được.

1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:
Nghiên cứu các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện.
Dựa vào các định luật vật lý, viết hệ phương trình toán học diễn tả sự làm việc của máy
điện. Đó là mô hình toán của máy điện.
Từ mô hình toán, thiết lập mô hình mạch, đó là mạch điện (sơ cấp) thay thế của máy
điện.
Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai
thác, sử dụng theo yêu cầu cụ thể. [8]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
13


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

CHƯƠNG 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 và đóng vai trò rất quan trọng đặc biệt là động cơ điện một chiều. Động
cơ điện một chiều thường được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc
yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi rộng.
Trong các thiết bị tự động, chúng ta thấy máy khuếch đại, các động cơ chấp hành đều là
máy điện một chiều. Ngoài ra, trong đời sống các máy điện một chiều còn thấy trong các
thiết bị điện ôtô, tàu thủy, máy bay... Các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng
trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao. Máy phát điện một chiều
còn dùng làm máy kích từ cho máy phát điện đồng bộ công suất lớn.
Thiếu sót chủ yếu của máy điện một chiều đó chính 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 điện
một chiều, cần có nguồn điện một chiều kèm theo (máy phát điện một chiều hay bộ chỉnh
lưu).

2.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều có cấu tạo gần giống với máy điện xoay chiều rotor dây quấn, bao
gồm: stato, rotor, cổ góp và chổi than.

Hình 2.1: Các thành phần của máy điện một chiều [9, 7]
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
14


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

2.1.1. Stator (phần cảm)

Vỏ máy

Hình 2.2: Vỏ máy [11]
Stator là phần tĩnh của máy bao gồm:
 Vỏ máy: Thường làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa là vỏ máy, mặt trong có
gắn các cực từ chính và cực từ phụ.
 Cực từ chính: Là nguồn sinh ra từ thông, dòng kích từ chạy qua cuộn dây từ hóa
quấn quanh cực từ chính. Đầu cực từ có độ cong thích hợp để từ trường phân bố hình sin
 Cực từ phụ: Đặt xen kẽ giữa các cực từ chính. Dây quấn cực từ phụ được mắc nối
tiếp dây quấn rotor, giúp cho máy điện làm việc giảm tia lửa điện xảy ra giữa chổi điện
và vành đổi chiều. [5]

Hình 2.3: Sơ đồ mặt cắt ngang trục [7]
2.1.2. Rotor (phần ứng)
Rotor của máy điện một chiều được gọi là phần ứng bao gồm lõi thép, dây quấn phần
ứng, cổ góp và chổi than (hình 2.4)

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
15


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Hình 2.4: Cấu tạo của rotor [10]
a. Lõi thép
Hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0.5 mm phủ sơn cách điện, lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây ra. Các lá thép được rập có lỗ thông gió và rãnh để đặt
dây quấn phần ứng. Trong những máy cỡ trung bình trở lên đôi khi còn có lỗ để tạo sự
thông gió dọc trục còn ở máy lớn hơn thì lõi sắt được chia thành những đoạn nhỏ, giữa
các đoạn ấy ta để một khe hở để thông gió ngang trục. [3]

Hình 2.5: Lá thép phần ứng [7]
b. Dây quấn
Dây quấn rotor gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có cách
điện với nhau và với lõi thép. Dây quấn rotor được đặt trong các rãnh của lõi thép, các
dây quấn này nối tiếp nhau rãi đều trên chu vi phần ứng và được nối với các phiến góp
của vành đổi chiều hay còn gọi là phiến góp đổi chiều của cổ góp.
Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, mỗi phần tử có nhiều vòng dây, hai đầu
nối với hai phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên. Vì trong mỗi rãnh có hai lớp nên nếu cạnh tác dụng này của phần tử đặt
ở lớp trên của một rãnh, thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới của một rãnh khác.
Dây quấn phần ứng tạo thành các mạch nhánh gồm nhiều cạnh tác dụng của các phần tử
ghép lại. [3]
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
16


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Dây quấn phần ứng có nhiều kiểu:
 Dây quấn xếp (có xếp đơn và xếp phức tạp)
 Dây quấn sóng (có sóng đơn và sóng phức)
 Dây quấn hỗn hợp (kết hợp giữa dây quấn xếp đơn giản và sóng phức tạp) [3]

Hình 2.6: Sơ đồ biểu diễn bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp
mỗi phần tử có vòng [7]

HÌnh 2.7: Sơ đồ biểu diễn các phần tử được nối thành vòng kín
tạo thành mạch nhánh song song [7]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
17


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Hình 2.8: Sơ đồ biểu diễn hình dạng phần tử dây quấn sóng [7]

Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn cách nối hai phần tử dây quấn xếp [7]
c. Cổ góp và chổi than

Hình 2.10: Sơ đồ biểu diễn cổ góp và chổi than [7]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
18


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Cổ góp (vành đổi chiều): được lắp trên trục ở phía trước lõi thép phần ứng. Cổ góp
gồm các phiến góp bằng đồng ghép cách điện lại với nhau thành một hình trụ.

Hình 2.11: Hình ảnh mặt cắt cổ góp [7]

Hình 2.12: Sơ đồ phiến góp [7]

Chổi điện (chổi than): làm bằng than graphit. Hai chổi than thu điện luôn luôn tì
sát trên diện tích của vành đổi chiều nhờ lò xo. Hai chổi được giữ cố định ở vị trí xuyên
tâm qua vành đổi chiều. [3]

Hình 2.13: Chổi than [7]
d. Các bộ phận khác
Các bộ phận khác gồm có:
Cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo
kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy. Khi máy
quay, 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 quay làm bằng thép cacbon tốt. Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành góp,
cánh quạt.

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
19


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

2.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG 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. Chế độ đó được đặc trưng bởi những đại lượng ghi trên nhãn
máy và gọi là những đại lượng định mức. Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng
sau:
Công suất định mức Pđm (W hay kW)
Điện áp định mức Uđm (V)
Dòng điện định mức Iđm (A)
Tốc độ định mức nđm (vòng/phút)
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều
kiện sử dụng v.v...
Cần chú ý là công suất định mức ở đây là chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy
phát điện, đó là công suất điện đưa ra ở đầu máy. Đối với động cơ điện thì đó là công
suất cơ đưa ra ở đầu trục. [11]

2.3. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP
KÍCH TỪ
2.3.1. Máy điện một chiều kích từ riêng
Dây quấn phần cảm nối với một nguồn điện riêng. Do đó,từ trường chính của máy
không phụ thuộc phụ tải, trong mạch phần cảm có biến trở để điều chỉnh dòng điện kích

từ. [6]

Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo máy điện một chiều kích từ riêng [6]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
20


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

2.3.2. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp
Mạch phần cảm nối tiếp mạch phần ứng, tất cả dòng điện phần ứng chạy qua dây
quấn phần cảm nên dây quấn phần cảm lớn, điện trở nhỏ. Từ trường của máy phụ thuộc
nhiều vào phụ tải. [6]

Hình 2.15: Sơ đồ cấu tạo máy điện một chiều kích từ nối tiếp [6]
2.3.3. Máy điện một chiều kích từ song song
Mạch phần cảm nối song song với mạch phần ứng. Dòng điện kích từ 1 - 5% dòng
điện định mức của phần ứng. Điện trở dây quấn phần cảm

tương đối lớn. [6]

Điện áp U hầu như không đổi nên từ trường chính xem như không đổi và không phụ
thuộc vào phụ tải.[6]

Hình 2.16 : Sơ đồ cấu tạo máy điện một chiều kích từ song song [6]

2.3.4. Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp
Trên mỗi lõi cực từ phần cảm có quấn hai cuộn dây. Một cuộn nối song song và một
cuộn nối nối tiếp sao cho từ trường của chúng cùng chiều. Một trong hai cuộn sẽ là cuộn
kích từ chính, có từ trường lớn hơn cuộn kia. Tùy theo cuộn chính là kích từ nối tiếp hay
song song, máy sẽ thiên về tính chất của cuộn kích từ chính. [6]

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
21


Luận văn tốt nghiệp

Khảo sát đặc tuyến máy điện một chiều kích từ song song

Hình 2.17 : Sơ đồ cấu tạo máy điện một chiều kích từ hỗn hợp [6]

2.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.4.1. Suất điện động trong một vòng dây quay trong từ trường

S

N

Hình 2.18: Sơ đồ biểu diễn một vòng dây quay trong từ trường [6]
Khi vòng dây quay đều trong từ trường đều, ta có giá trị của từ thông:
(2.1)
Trong đó:
: là vectơ cảm ứng của từ trường đều.

: là vectơ diện tích S, có độ lớn là S, có phương và chiều là phương chiều của pháp
tuyến vòng dây.

e

O

t

Hình 2.19: Sơ đồ biểu diễn suất điện động của một vòng dây
quay trong từ trường [6]
GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

SVTH: Phạm Hửu Lý
22