LUẬN văn sư PHẠM vật lý máy điện một CHIỀU và ỨNG DỤNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ

Đề tài:

MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VÀ ỨNG DỤNG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ



Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS. Dương Quốc Chánh Tín
Giáo viên phản biện:

Ths. Phạm Văn Tuấn
Thầy Phạm Phú Cường

Nguyễn Ngọc Trân
Lớp: Sp Lý – Tin K34
MSSV: 1080302

Cần Thơ, tháng 4 – 2012


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa Sư
Phạm – Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy trong suốt quá trình
học tập.
Tôi xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Dương
Quốc Chánh Tín đã giúp đỡ rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn.
Đồng thời, tôi cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Sư
phạm Vật lý – Tin học K34 đã giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian thực
hiện đề tài.
Do điều kiện còn hạn chế thời gian cũng như kiến thức có hạn, mặc
dù có cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm có thể
có. Kính mong quý thầy cô và các bạn có thể đóng góp ý kiến để tôi có thể
rút ra kinh nghiệm cho những nghiên cứu sau này.
Xin kính chúc sức khỏe quý thầy cô và các bạn!

Chân thành cám ơn!

Trang ii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

MỤC LỤC
PHẦN MỘT ................................................................................................................................... 1

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. Giả thiết của đề tài......................................................................................................... 1
2. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU .......................................... 1
3. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH .................................................................................................... 1
PHẦN HAI ..................................................................................................................................... 3
NỘI DUNG ..................................................................................................................................... 3
CHƢƠNG I .................................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ............................................................................ 3
1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................................ 3
1.1.1.
Định luật cảm ứng điện từ ........................................................................................ 3
1.1.1.1. Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên ................. 3
1.1.1.2. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường ............. 3
1.1.2.
Định luật lực điện từ.................................................................................................. 4
1.2. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................................. 4
1.2.1.
Mục đích và phạm vi sử dụng của máy điện một chiều ......................................... 4
1.2.2.
Những tƣ liệu lịch sử về máy một chiều .................................................................. 6
1.2.3.
Cấu tạo của máy điện một chiều .............................................................................. 7
1.2.3.1. Phần cảm (phần tĩnh hay stato) ............................................................................. 8
1.2.3.2. Phần ứng (phần quay hay rôto) ............................................................................. 9
1.2.3.3. Vành đổi chiều (cổ góp hay vành góp) ................................................................ 10
1.2.4.
Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều ............................. 11

1.2.4.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều ............................................... 11
1.2.4.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ................................................. 12
1.2.5.
Các trị số định mức ................................................................................................. 12
1.3. TỪ TRƢỜNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .................................................... 13
1.3.1.
Đại cƣơng ................................................................................................................. 13
1.3.2.
Từ trƣờng lúc có tải ................................................................................................. 13
1.3.2.1. Phản ứng trong máy điện một chiều ................................................................... 13
1.3.3.
Từ trƣờng cực từ phụ .............................................................................................. 15
1.3.4.
Từ trƣờng của dây quấn bù .................................................................................... 15
1.4. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ......................................... 16
1.4.1.
Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện một chiều ............................. 16
1.4.2.
Mômen điện từ và công suất ................................................................................... 17
1.4.3.
Quá trình năng lƣợng và các phƣơng trình cân bằng .......................................... 19
1.4.3.1. Tổn hao trong máy điện một chiều ...................................................................... 19
1.4.3.2. Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương trình cân bằng
20
1.4.4.
Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều .............................................. 22
1.5. ĐỔI CHIỀU ..................................................................................................................... 22
1.5.1.
Đại cƣơng ................................................................................................................. 22
1.5.2.

Quá trình đổi chiều.................................................................................................. 24
1.5.3.
Nguyên nhân sinh ra tia lửa và phƣơng pháp cải thiện đổi chiều ...................... 26
1.5.3.1. Nguyên nhân sinh ra tia lửa ................................................................................ 26
1.5.3.2. Các phương pháp cải thiện đổi chiều .................................................................. 27

Trang iii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

CHƢƠNG II................................................................................................................................. 30
CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ..................................................................................... 30
2.1. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU .................................................................................. 30
2.1.1.
Đại cƣơng ................................................................................................................. 30
2.1.2.
Các đặc tính của máy phát điện một chiều ........................................................... 30
2.1.2.1. Máy phát kích thích độc lập hay kích thích độc lập – nối tiếp ........................... 33
2.1.2.2. Máy phát kích thích song song hay kích thích song song – nối tiếp .................. 37
2.1.3.
Máy phát điện một chiều làm việc song song ........................................................ 41
2.1.3.1. Điều kiện làm việc song song của máy phát điện một chiều .............................. 41
2.1.3.2. Phân phối và chuyển tải giữa các máy phát điện ............................................... 42
2.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .................................................................................... 43
2.2.1.
Đại cƣơng ................................................................................................................. 43
2.2.2.

Mở máy động cơ điện một chiều ............................................................................ 44
2.2.2.1. Mở máy trực tiếp................................................................................................... 45
2.2.2.2. Mở máy nhờ biến trở ............................................................................................ 45
2.2.2.3. Mở máy bằng điện áp thấp (Uk < Uđm) ................................................................ 46
2.2.3.
Các đặc tính của động cơ điện một chiều .............................................................. 46
2.2.3.1 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ........................... 47
A. Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập ...................................... 48
B. Động cơ điện một chiều kích thích song song nối tiếp ............................................... 50
C. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp ............................................................... 52
2.2.3.2 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều ................................................... 53
2.3. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT.......................................................................... 54
2.3.1.
Máy một chiều nam châm vĩnh cửu ....................................................................... 54
2.3.2.
Máy phát có bù kích dọc ......................................................................................... 56
2.3.3.
Máy phát có hệ thống cực từ kép ........................................................................... 56
2.3.4.
Máy phát kích thích ngang ..................................................................................... 57
2.3.5.
Máy điện khuếch đại ............................................................................................... 58
2.3.5.1. Máy phát kích thích độc lập như một máy khuếch đại....................................... 58
2.3.5.2. Máy điện khuếch đại hai phần ứng ..................................................................... 59
2.3.5.3. Máy điện khuếch đại một phần ứng kích thích ngang ....................................... 59
2.3.6.
Động cơ phần ứng không rãnh và động cơ phần ứng mạch in ........................... 60
2.3.7.
Máy một cực ............................................................................................................. 62
2.3.8.

Máy từ thủy động một chiều .................................................................................. 63
2.4. MÁY BIẾN ĐỔI KIỂU MÁY ĐIỆN ............................................................................. 64
2.4.1.
Máy biến đổi hai phần ứng ..................................................................................... 64
2.4.2.
Máy biến đổi một chiều một phần ứng .................................................................. 65
2.4.3.
Máy biến đổi xoay chiều thành một chiều một phần ứng .................................... 67
2.5. MÁY MỘT CHIỀU VỚI BỘ ĐỔI CHIỀU BÁN DẪN ................................................ 69
2.5.1.
Các dạng khác nhau của máy một chiều với bộ đổi chiều bán dẫn .................... 69
2.5.2.
Động cơ nhỏ một chiều dùng tranzitơ ................................................................... 72
2.5.3.
Động cơ một chiều dùng tiristơ với dây quấn nhiều phần tử khép kín và có đổi
chiều do sức điện động quay ................................................................................................... 73
CHƢƠNG III ............................................................................................................................... 77
ỨNG DỤNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ......................................................................... 77
3.1. HỒ QUANG ĐIỆN .......................................................................................................... 77
3.1.1.
Hồ quang điện .......................................................................................................... 77
3.1.2.
Bản chất của hồ quang ............................................................................................ 77
3.1.3.
Ứng dụng và phân loại hồ quang ........................................................................... 78
3.1.4.
Các loại lò hồ quang điện sử dụng trong luyện kim ............................................. 78
3.1.4.1. Lò điện hồ quang trực tiếp ................................................................................... 79
3.1.4.2. Lò điện hồ quang gián tiếp .................................................................................. 79
Trang iv

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

3.1.4.3. Lò điện hồ quang điện trở .................................................................................... 79
3.2. ĐIỆN PHÂN ..................................................................................................................... 79
3.2.1.
Điện phân ................................................................................................................. 79
3.2.2.
Sự điện phân các chất điện li .................................................................................. 80
3.2.2.1 Điện phân chất điện li nóng chảy ........................................................................ 80
3.2.2.2 Điện phân dung dịch chất điện li trong nước ..................................................... 80
3.2.3.
Ứng dụng của điện phân ......................................................................................... 80
3.3. MÁY KÍCH TỪ CHO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ........................................................... 81
3.4. MÁY CẮT KIM LOẠI ................................................................................................... 82
3.4.1.
Điều chỉnh tốc độ trong các máy cắt kim loại ....................................................... 82
3.4.2.
Sự phù hợp giữa đặc tính của hệ thống và đặc tính của phụ tải ......................... 82
3.5. MÁY CÁN THÉP ............................................................................................................ 83
PHẦN BA ..................................................................................................................................... 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................................... 84
1. KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 84
2. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................... 84
3. NHỮNG ĐỊNH HƢỚNG TƢƠNG LAI ............................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 86

Trang v


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

PHẦN MỘT
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.1. Hoàn cảnh thực tế
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học – kỹ thuật, con người đã
chế tạo rất nhiều thiết bị hiện đại để phục vụ cho cuộc sống. Trong số đó, các loại máy
điện xoay chiều đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực sản xuất và không ngừng
được cải tiến. Tuy nhiên, trong một số ngành công nghiệp vẫn cần phải sử dụng máy điện
một chiều (máy phát và động cơ) như: điện phân, đúc điện, thang máy… bởi vì nó có
những đặc tính ưu việt mà các loại máy điện xoay chiều không có được. Vậy nó có những
đặc điểm gì và ứng dụng như thế nào? Đây là điều rất thú vị, thu hút sự tìm hiểu của
nhiều người. Đó là lý do chọn đề tài “MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG”.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và nắm bắt được những kiến thức cơ bản về máy điện một chiều như cấu
tạo, nguyên tắc hoạt động, các đặc tuyến… Đồng thời, tìm hiểu một số loại máy điện một
chiều được sử dụng và ứng dụng của chúng trong thực tế.
1.3. Giả thiết của đề tài
Nội dung đề tài là tìm hiểu máy phát điện một chiều, trước hết ta cần nghiên cứu
về máy điện. Nắm kiến thức cơ bản về định luật vật lý, nguyên lý hoạt động chung… để
có thể hiểu được cách chế tạo và ứng dụng của máy điện một chiều.

2. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc tài liệu, tổng hợp và phân tích tài liệu.
- Minh họa bằng hình vẽ.
 Phương tiện nghiên cứu
- Sách, báo tham khảo.
- Các trang Web cung cấp thông tin.

3. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH
- Nhận đề tài và xác định nội dung giới hạn của đề tài.
- Nghiên cứu những tài liệu có liên quan.
- Tiến hành tổng hợp tài liệu, trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
- Hoàn thành luận văn.
Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

- Báo cáo luận văn.

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

PHẦN HAI
NỘI DUNG
CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên lý làm việc của máy điện thường dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng
điện từ và định luật lực điện từ.
1.1.1. Định luật cảm ứng điện từ
1.1.1.1. Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên
Hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện năm 1831, sau đó năm 1833
Lentz phát hiện ra quy tắc về chiều. Nội dung định luật như sau: Khi từ thông xuyên qua
vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng ra sức điện động, sức điện động ấy có
chiều sao cho dòng điện nó sinh ra có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ thông.
Nếu chọn chiều dương của sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông
 theo quy tắc vặn nút chai thì sức điện động cảm ứng trong một vòng dây được viết

theo công thức Macxoen như sau:
e

d
dt

Nếu cuộn dây có N vòng dây, sức điện động cảm ứng của cuộn dây sẽ là:
e  N

d
d

dt
dt

Trong đó:   N  gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây.
Từ thông đo bằng vebe (Wb), sức điện động cảm ứng đo bằng vôn (V).

1.1.1.2. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường
Khi một thanh dẫn chuyển động cắt đường sức từ trường, trong thanh dẫn sẽ cảm
ứng sức điện động e có trị số là:
e  B l v sin 

Trong đó: B là cường độ từ cảm đo bằng Tesla (T);
l là chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ
trường) đo bằng mét (m);
v là vận tốc của thanh dẫn đo bằng m/s;
 là góc giữa chiều vận tốc với chiều từ trường.
Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Khi chiều chuyển động vuông góc với chiều từ trường (thường gặp trong máy
điện,  = 90o) thì sức điện động cảm ứng là: e = Blv.
Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải được
phát biểu như sau: Cho đường sức từ trường đi vào lòng bàn tay phải, chiều chuyển động
của thanh dẫn theo chiều ngón tay cái choãi ra, thì chiều 4 ngón tay còn lại là chiều của
sức điện động cảm ứng.
Khi thanh dẫn chuyển động song song với phương từ trường, trong thanh dẫn sẽ
không có sức điện động cảm ứng.
1.1.2. Định luật lực điện từ
Khi thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, thanh dẫn sẽ chịu lực điện từ
tác dụng có trị số là: Fđt  BIl sin  .
Trong đó: B là cường độ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T);
I là dòng điện đo bằng Ampe (A);

l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng mét (m);
 là góc giữa chiều dòng điện và chiều từ trường;

Fđt là lực điện từ đo bằng Niutơn (N).
Khi thanh dẫn đặt vuông góc với từ trường (thường gặp trong máy điện,  = 90o)
lực điện từ là: Fđt = BIl.
Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái như sau: Cho chiều đường sức
từ trường xuyên vào lòng bàn tay trái, chiều dòng điện trùng với chiều 4 ngón tay, thì
chiều ngón tay cái choãi ra là chiều lực điện từ Fđt.

1.2. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.2.1. Mục đích và phạm vi sử dụng của máy điện một chiều
Bất kỳ máy một chiều nào cũng có bộ đổi chiều dùng để biến đổi dòng điện xoay
chiều thành một chiều. Bởi vì trong dây quấn phần ứng của bất kỳ một máy một chiều
nào cũng đều có dòng xoay chiều (chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra sự biến đổi liên tục
năng lượng cơ – điện trong máy).
Phổ biến nhất là người ta sử dụng bộ đổi chiều cơ khí, được làm dưới dạng vành
góp với một hệ thống chổi điện. Các máy điện có bộ đổi chiều như vậy có tên là máy điện
dạng vành góp.
Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Ngày nay, người ta sử dụng rộng rãi các bộ đổi chiều kiểu van có điều khiển và
van không điều khiển. Dùng chủ yếu trong các thiết bị bán dẫn (điốt, tiristo, tranzisto…).
Thuật ngữ thông dụng, người ta gọi máy một chiều là máy điện kiểu bộ đổi chiều
vành góp.

Máy điện một chiều có thể được dùng làm động cơ hay máy phát:
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: có năng lực điều chỉnh tốc độ quay rất tốt, bảo đảm
hiệu suất cao trong toàn dãy điều chỉnh và có thể có những đặc tính cơ đáp ứng được
những yêu cầu đặc biệt.
Tuy động cơ một chiều đắt gấp 2 – 3 lần so với động cơ không đồng bộ ngắn
mạch, chúng vẫn được sử dụng trong mọi trường hợp khi mà những phẩm chất đặc biệt
của chúng có ý nghĩa quyết định.
Động cơ một chiều được dùng rộng rãi trong kéo tải điện ở các phương tiện đòi
hỏi đặc tính cơ mềm và phạm vi điều chỉnh tốc độ quay rộng như: đầu tàu điện bánh sắt
nội thành và ngoại ô, các động cơ làm việc trong các đầu máy, tàu điện ngầm, xe điện
bánh hơi…
Ngoài ra, trong truyền động cho các thiết bị nâng chuyển khác nhau như cần trục
mà ở đấy cũng đòi hỏi những đặc tính như vậy, thường người ta dùng động cơ điện một
chiều.
Các máy cán (cán phôi tấm, cán thô…) được dẫn động nhờ các động cơ một chiều
lớn (~ 12.000KW). Nhiều động cơ một chiều khác được sử dụng để truyền động điện có
điều chỉnh trong ngành luyện kim. Các động cơ một chiều lớn quay các chân vịt trên các
tàu thủy điện điezen. Các động cơ một chiều công nghiệp thông dụng đã được chế tạo
thành dãy được dùng trong truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay. Các ô tô, máy
kéo, máy bay và các thiết bị bay khác có hệ thống cung cấp điện một chiều. Các thiết bị
bổ trợ đều được dẫn động bằng các động cơ một chiều. Các động cơ một chiều công suất
nhỏ (từ vài W đến vài chục W) được sử dụng trong nhiều thiết bị tự động khác nhau.
Dòng điện một chiều cấp cho động cơ thường được lấy từ máy phát một chiều hay
qua các thiết bị chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều.
MÁY PHÁT MỘT CHIỀU: là nguồn cung cấp cho các thiết bị công nghiệp dùng
dòng một chiều điện áp thấp (các thiết bị như điện phân và mạ điện…).
Nhiều trường hợp việc cấp điện cho các dây quấn kích thích của các máy phát
đồng bộ cũng được thực hiện bằng các máy phát một chiều (máy kích thích). Người ta
Trang 5

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

cũng dùng phổ biến các máy phát một chiều chuyên dụng có đặc tính đặc biệt (máy hàn,
máy phát để thắp sáng trong tàu hỏa, máy một chiều khuếch đại…).
1.2.2. Những tƣ liệu lịch sử về máy một chiều
Sự phát triển của các máy phát và động cơ một chiều đã trải qua nhiều giai đoạn
khác nhau.
Nguyên lý tạo thành động cơ đã được Faraday đưa ra năm 1821. Ông trình bày
một dụng cụ vật lý trong đó xuất hiện hiện tượng quay của một dây dẫn mang dòng điện
một chiều quanh một nam châm. Dụng cụ này thực chất là hình mẫu của máy một cực.
Những năm sau đó đã xuất hiện một loạt những dụng cụ để chứng minh sự biến đổi điện
năng thành cơ năng.
Ví dụ: Năm 1833, mô hình đầu tiên của động cơ với kiểu cực tính xen kẽ có bộ đổi
chiều dòng điện đã được nhà bác học Anh U.Risin mô tả. Từ trường kích thích là một
nam châm hình móng ngựa, giữa các cực được bố trí một nam châm điện lấy điện từ
nguồn một chiều qua bộ đổi chiều. Do tác dụng của nam châm vĩnh cửu và nam châm
điện mà chiều dòng điện trong dây quấn của nó biến thiên một cách tuần hoàn theo chu
kỳ đã sinh ra một mômen quay có chiều không đổi.
Năm 1834, động cơ một chiều kích thích bằng nam châm điện được sử dụng trong
thực tế để truyền động cho máy móc khác nhau do viện sĩ Petecbua BC Lacobi chế tạo.
Năm 1838, BC. Lacobi đã chế tạo được một động cơ điện lớn hơn, hoàn hảo hơn.
Năm 1860, động cơ điện có cấu tạo kiểu phần ứng dạng cực ẩn với dây quấn rời
có mômen quay không đổi được nhà bác học người Ý Antonio chế tạo.
Nhìn chung ở tất cả các giai đoạn, sự phát triển của máy phát đều chậm hơn so với
động cơ. Ý định về một máy phát một chiều một cực được thực hiện dưới dạng một đĩa
quay trong từ trường do Faraday đề xuất năm 1831. Mô hình đầu tiên về máy phát một
chiều kiểu cực từ luân phiên trong đó sử dụng thiết bị đổi chiều để chỉnh lưu đã được anh

em Picxi chế tạo năm 1832.
Năm 1842, máy phát kiểu từ điện có kết cấu tương tự dùng trong thực tế đã được
B.C Lacobi áp dụng lần đầu tiên. Đến năm 1851, Zinsteden đề nghị thay thế nam châm
vĩnh cửu bằng nam châm điện được kích thích bằng dòng điện lấy từ một máy phát kiểu
từ điện khác.
Năm 1854, C.Khiocto – nhà phát minh người Đam Mạch – đã nhận được bằng
phát minh về một máy tự kích (thực tế là máy có bù kích thích).
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Năm 1856, nhà vật lý Hunggari A.lêđlic đưa ý kiến về khả năng tự kích của máy
phát chỉ do từ dư. Đến năm 1861, ông chế tạo được máy phát một chiều tự kích.
Năm 1866, V.Simenx đã áp dụng nguyên lý tự kích đối với các máy phát kích
thích nối tiếp mà sau đó những máy phát này đã được sử dụng rộng rãi để cấp điện thấp
sáng.
Máy phát một chiều được sử dụng mang tính công nghiệp nhờ Z.Gramm là loại
máy phát tự kích có phần ứng hình vành và dây quấn hình xuyến nhiều phần tử được nối
lên các phiến góp như kết cấu hiện nay. Những năm 1970, nguyên lý thuận nghịch đã
được mọi người biết đến nên máy Gramm đã được sử dụng ở cả chế độ máy phát và cả ở
chế độ động cơ. Từ lúc đó, cả hai hướng phát triển của máy một chiều – máy phát và
động cơ – đã được thống nhất lại.
Những năm 70 – 80, máy phát một chiều tiếp tục có những cải tiến quan trọng.
Năm 1973, các nhà kỹ thuật điện người Đức F.Gefner – Altenec và V.Limenx đã thay
phần ứng hình vành bằng phần ứng hình trống mà cả 2 cạnh của mỗi một phần tử dây
quấn đều tham gia tạo thành suất điện động. Từ năm 1878, mạch từ của phần ứng hình
trống đã làm có răng và đã làm giảm khe hở phi từ tính theo hướng kính.

Năm 1879, V.Sinmenx sử dụng máy phát kích thích nối tiếp để cung cấp cho xe
lửa chạy điện đầu tiên giới thiệu ở triển lãm Beclin.
Năm 1880, nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ T.A.Edixon đã đề nghị ghép mạch
từ của phần ứng bằng các lá thép có cách điện đã đưa tới việc giảm đáng kể tổn hao do
dòng xoáy và do phản ứng phần ứng. Những năm 1884 – 1885, người ta đề nghị làm dây
quấn bù và các cực từ phụ để giảm phản ứng phần ứng và cải thiện đổi chiều. Từ đó, máy
một chiều đã có kết cấu hoàn chỉnh.
1.2.3. Cấu tạo của máy điện một chiều
Máy điện một chiều là máy điện mà dây quấn phần ứng nối với lưới điện một
chiều nhờ bộ biến tần cơ khí.
Thực chất máy điện không đổi giống máy điện đồng bộ, điểm khác biệt căn bản là
có vành đổi chiều, vành đổi chiều được gắn trên trục máy quay với rotor.

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Hình 1.1 – Mặt cắt ngang và dọc của máy điện một chiều

Máy điện một chiều có thể phân thành 3 phần chính: phần cảm, phần ứng và vành
đổi chiều.
1.2.3.1. Phần cảm (phần tĩnh hay stato)
Gồm vỏ máy và các cực từ:
a. Cực từ chính
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích
từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.
Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay

thép cacbon dày 0.5 – 1mm ép lại và tán chặt. Trong
mạng 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 đều được bọc cách điện kỹ

Hình 1.2 – Cực từ chính

thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ
đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
Số lượng các cực từ chính phụ thuộc vào tốc độ quay. Thông thường có 4 hoặc 6
cực từ, trong máy điện nhỏ có 2 còn trong các máy thật lớn có đến vài chục.
b. Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều, có
nhiệm vụ làm tắt tia lửa điện trên vành đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm
bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn
cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

c. Gông từ
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 và hàn lại, có khi dùng gang làm vỏ
máy. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc.
d. Các bộ phận khác

- Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện vừa và nhỏ nắp máy còn có
tác dụng làm giá đỡ ổ bi, thường làm bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: Chổi than dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ
cấu chổi than gồm có chổi than nằm trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ
góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có
thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ.
1.2.3.2. Phần ứng (phần quay hay rôto)
Phần quay gồm có những bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng
những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày
0.5mm phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để
giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có
dập hình dạng rãnh để sao khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những máy cỡ trung trở lên người ta còn

Hình 1.3 – Lá thép phần ứng

dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể
tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Những máy điện hơi nước lớn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ, giữa
các đoạn có một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua
các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Đối với máy điện
lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto (dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện
và giảm nhẹ trọng lượng rôto).

Trang 9

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

b. Dây quấn phần ứng
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, máy vừa và lớn dây có hình chữ nhật.
Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh
Hình 1.4 – Mặt cắt rãnh phần ứng

của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do sức ly

tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đay chặt dây quấn nên thường làm
bằng gỗ, tre, bakêlic… (Hình 1.4).
c. Các bộ phận khác
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy, cánh quạt được 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 máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
1.2.3.3. Vành đổi chiều (cổ góp hay vành góp)
Vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng
điện xoay chiều thành dòng một chiều. Cổ góp
gồm nhiều phím đồng có đuôi nhạn (Hình 1.5, a)
cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 – 1.2
mm hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn
dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa

vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica

Hình 1.5 – Phiến đổi chiều và cổ góp

(Hình 1.5, b). Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử
dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
Hai chổi than thu điện luôn luôn tỳ 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.

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

1.2.4. Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều
1.2.4.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
Ta nối mỗi cạnh vòng dây với một phím đồng gắn trên trục vòng dây và quay theo
vòng dây. Hai phím đồng tạo thành một vành đổi chiều có nhiệm vụ đổi dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho mạch ngoài.

1)

2)

Hình 1.6 – Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Khi vòng dây ở vị trí (Hình 1.6, 1) sức điện động có chiều từ b  a và từ d  c
(quy tắc bàn tay phải), nối mạch ngoài với hai chổi thu điện, sức điện động tạo nên dòng

điện chạy ra ở phím e qua phụ tải và đi vào phím f.
Khi quay vòng dây 90o ở vị trí mặt phẳng trung tính,  cực đại, sức điện động
bằng 0 nên i = 0, chổi tiếp xúc cả hai phím.
Vòng dây quay tiếp 90o đến vị trí (Hình 1.6, 2) sức điện động có chiều từ a  b,
c  d, chổi trên tiếp xúc với phím f và chổi dưới tiếp xúc với phím e, dòng điện chạy ở
mạch ngoài có chiều như cũ.
Tóm lại, tác dụng của vành đổi chiều là đổi các mối nối cuộn dây với mạch ngoài
vào thời điểm dòng điện đổi chiều trong cuộn dây. Do đó, dòng điện mạch ngoài luôn
theo một chiều nhưng chưa phải là dòng điện không đổi.
Thực ra, trong phần ứng máy phát điện gồm nhiều bộ vòng dây nối tiếp nhau (mỗi
bộ gồm nhiều vòng dây), các bộ vòng dây đặt lệch nhau trong không gian một góc  . Sức
điện động trong các phần tử lệch nhau góc  .
Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư – Rư.Iư.
Trong đó: Rư là điện trở dây quấn phần ứng;
U là điện áp hai đầu cực máy;
Eư là sức điện động phần ứng.

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

1.2.4.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp 1 và 2,
trong dây quấn phần ứng có dòng điện (Hình 1.7).

Hình 1.7 – Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto
quay, chiều lực từ xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1 và 2 đổi
chỗ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi
cho nên động cơ có chiều quay không đổi.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng
Eư trong dây quấn rôto.
Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: U = Eư + Rư.Iư.
1.2.5. 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. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên
nhãn máy và gọi là những lượng định mức.
Trên nhãn máy thường 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).

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

1.3. TỪ TRƢỜNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.3.1. Đại cƣơng
Từ trường trong máy điện một chiều chủ yếu là do cực từ và dòng điện phần ứng
IƯ sinh ra.
Khi máy làm việc không tải, trong dây quấn phần ứng không có dòng điện (Iư = 0)

từ trường trong máy chỉ do các cực từ kích thích bằng dòng kích từ It hoặc trong các máy
nhỏ có thể là các nam châm vĩnh cửu sinh ra. Từ trường khi đó còn được gọi là từ trường
lúc không tải. Khi rôto quay từ trường này sẽ sinh ra sức điện động Eư lúc không tải trong
dây quấn phần ứng. Nếu máy làm việc có tải, ngoài từ trường cực từ còn có từ trường
phần ứng do dòng điện Iư. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là
phản ứng phần ứng làm hình thành từ trường tổng ở khe hở lúc có tải.
Phản ứng phần ứng làm thay đổi sự phân bố từ trường khe hở lúc không tải có ảnh
hưởng xấu đến quá trình đổi chiều trong các phần tử dây quấn phần ứng bị chổi điện nối
ngắn mạch, gây ra tia lửa nơi tiếp xúc của chổi điện với vành góp. Để cải thiện đổi chiều
và sự phân bố từ trường dọc khe hở lúc có tải trong các máy có công suất trung bình và
lớn, thường phải đặt thêm các cực từ phụ và đôi khi cả dây quấn bù. Trong những trường
hợp đó từ trường trong máy lúc có tải là tổng hợp của từ trường cực từ, từ trường phần
ứng, từ trường cực phụ và từ trường của dây quấn bù.
1.3.2. Từ trƣờng lúc có tải
1.3.2.1. Phản ứng trong máy điện một chiều
a. Chổi điện đặt trên đường trung tính hình học
Ta có được những kết luận về tác dụng của phản ứng phần ứng:
- Khi chổi than ở trên đường trung tính hình học chỉ có phản ứng ngang trục mà
tác dụng của nó là làm méo từ trường khe hở. Đối với máy phát thì ở mỏm ra cực từ
(mỏm cực từ mà phần ứng đi ra) máy được trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì khử từ. Đối
với động cơ thì chiều quay ngược với máy phát nên kết luận ngược lại.
- Nếu mạch từ không bão hòa thì từ trường tổng không đổi vì tác dụng trợ từ và
khử từ như nhau. Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên
từ thông tổng dưới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là phản ứng phần ứng ngang trục cũng
có một ít tác dụng khử từ.

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

- Từ cảm ở đường trung tính hình học không
bằng 0, do đó đường mà ở trên bề mặt phần ứng từ
cảm bằng 0 – gọi là đường trung tính vật lý – đã lệch
khỏi đường trung tính hình học một góc thuận theo
chiều quay của máy phát hay ngược chiều quay của
động cơ.
Tóm lại: Khi chổi than đặt trên đường trung
tính hình học thì chỉ có phản ứng ngang trục Fưq làm
méo từ trường khe hở và do đó xuất hiện đường
trung tính vật lý. Nếu mạch từ không bão hòa thì từ
thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bão hòa thì từ
thông tổng giảm đi một ít.
b. Xê dịch chổi than khỏi đường trung
tính hình học
Trong máy điện một chiều, thường chổi than

Hình 1.8 – Phản ứng phần ứng khi
chổi than (ở trên đường trung tính
hình học)

đặt ở trên đường trung tính hình học nhưng do lắp ghép không tốt, hoặc khi máy không
có cực từ phụ, muốn cải thiện đổi chiều, có thể xê dịch chổi than đi một góc khỏi đường
trung tính hình học. Khi xê dịch chổi than như vậy thì sức từ động phần ứng có thể chia
làm hai thành phần: ngang trục Fưq và dọc trục Fưq.
Tác dụng của phản ứng phần ứng ngang trục là làm méo từ trường của cực từ
chính và khử từ một ít nếu mạch từ bão hòa. Phản ứng phần ứng dọc trục trực tiếp ảnh
hưởng đến từ trường cực từ chính và có tính chất trợ từ hay khử từ tùy theo chiều xê dịch

của chổi than.
Nếu xê dịch chổi than theo chiều quay của máy phát (hay ngược chiều quay của
động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ và ngược lại nếu quay chổi
than ngược chiều quay của máy phát (hay thuận chiều quay của động cơ) thì có phản ứng
phần ứng dọc trục trợ từ. Trong máy điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho
phép quay chổi than theo chiều quay của phần ứng nếu là máy phát, hay ngược chiều
quay của phần ứng nếu là động cơ.
Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hưởng đến trị số của từ thông tổng mà không
làm cho nó biến dạng.

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

1.3.3. Từ trƣờng cực từ phụ
Hiện nay, trong hầu hết các máy điện một chiều (trừ những máy công suất nhỏ
hơn 0,5kW) đều có đặc cực từ phụ. Cực từ phụ đặt giữa hai cực từ chính trên đường trung
tính hình học.
Khi có tải, do phản ứng phần ứng nên đường trung tính hình học từ trường khác 0
và từ trường đó lại cùng chiều với từ trường dưới cực từ đứng trước đường trung tính
hình học theo chiều quay của máy phát (Hình 1.8). Để cải thiện đổi chiều, thường yêu
cầu ở khu vực đổi chiều (tức khu vực có chổi than mà chổi than thường đặt ở đường
trung tính hình học) có từ trường ngược chiều với từ trường phần ứng ở khu vực đổi
chiều, vì vậy phải đặt cực từ phụ. Tác dụng của cực từ phụ là sinh ra một sức từ động triệt
tiêu từ trường phần ứng ngang trục đồng thời tạo ra một từ trường ngược chiều với từ
trường phần ứng ở khu vực đổi chiều, vì vậy cực tính của cực từ phụ phải cùng cực tính
của cực từ chính mà phần ứng sẽ chạy vào nếu máy ở chế độ máy phát (còn đối với động

cơ điện thì ngược lại).
Để triệt tiêu từ trường phần ứng ngang trục, từ trường cực từ phụ phải tỷ lệ thuận
với dòng điện tải nên dây quấn cực từ phụ được nối tiếp với dây quấn phần ứng và mạch
từ không bão hòa.
Khi chổi điện đặt trên đường trung tính hình học, các cực từ phụ không ảnh hưởng
đến từ trường cực từ chính vì trong phạm vi một bước cực, tác dụng khử từ và trợ từ của
các cực từ phụ bằng nhau nên bù cho nhau.
Nếu xê dịch chổi điện khỏi đường trung tính hình học, theo chiều quay của phần
ứng ở chế độ máy phát (hay ngược chiều quay đối với động cơ) thì trong phạm vi một
bước cực, tác dụng khử từ của cực từ phụ lớn hơn tác dụng trợ từ của nó, do đó trong
trường hợp này, các cực từ phụ làm cho máy bị khử từ. Nếu quay ngược chiều quay phần
ứng ở chế độ máy phát thì tác dụng ngược lại. Như vậy ảnh hưởng của các cực từ phụ đối
với từ trường cực từ chính như phản ứng dọc trục của phần ứng.
1.3.4. Từ trƣờng của dây quấn bù
Ảnh hưởng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường khe hở, do đó điện áp phân
bố trên các phiến đổi chiều không đều, vì vậy đổi chiều của máy có khó khăn. Do đó
trong những máy một chiều công suất lớn hay điều kiện làm việc nặng nhọc (như tải thay
đổi đột ngột) đều có đặt dây quấn bù. Tác dụng của dây quấn bù là sinh ra từ trường triệt
tiêu phản ứng phần ứng làm cho từ trường khe hở căn bản không bị méo nữa.
Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Dây quấn bù được đặt lên trên mặt cực của cực từ chính. Để có thể bù được ở bất
cứ tải nào, dây quấn bù được nối tiếp với dây quấn phần ứng sao cho sức từ động của hai
dây quấn đó ngược chiều nhau. Về cơ bản là bù được trên phạm vi mặt cực, chỉ có giữa
hai cực do không đặt được dây quấn bù nên sức từ động Fb có dạng hình thang do đó ở

giữa hai cực không bù được mà còn lại một phần. Nhưng ở máy có dây quấn bù bao giờ
cũng có đặt cực từ phụ nên dưới tác dụng của cực từ phụ và dây quấn bù, ta thấy sự phân
bố từ trường tổng của máy gần giống như từ trường lúc không tải mà không phụ thuộc
vào tải của máy. Điều đó đảm bảo cho máy đổi chiều tốt.

1.4. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.4.1. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện một chiều
Khi cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích 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 sẽ cảm ứng
một sức điện động. Sức điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc độ của
máy, số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn.
Vì dây quấn gồm có 2 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 sức 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 l, chuyển
động trong từ trường với tốc độ v bằng:
etb  Btb .l.v

(1.1)

Trong đó: Btb là từ cảm trung bình trong khe hở.
Do tốc độ quay v 

D.n
60

 2p


n

và Btb  
l
60

Trong đó: D là đường kính ngoài phần ứng;
 là bước cực;

p là số đôi cực;
n là tốc độ quay phần ứng;
 là từ thông khe hở dưới mỗi cực từ.

Thay vào hệ thức trên (1.1), ta có:
etb  2 p 

n
60

Trang 16

(1.2)


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Gọi N là tổng số dây dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song sẽ có

N
2a

thanh dẫn nối tiếp nhau và như vậy SĐĐ của máy bằng:
Eu 

N
p.N
etb 
 n  Ce n
2a
60 a

(1.3)

Trong đó:  tính bằng Wb;
N tính bằng vòng/phút;
Ce 

N. p
là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy và dây quấn.
60 a

Chiều của Eư phụ thuộc vào chiều  và n được xác định theo quy tắc bàn tay
phải.
Sự phân tích trên giả thiết dây quấn bước đủ, SĐĐ trên các thanh dẫn của phần tử
đều cộng số học với nhau. Nếu là bước ngắn thì SĐĐ của các thanh dẫn của một phần tử
sẽ cộng vectơ nên SĐĐ của cả phần tử sẽ nhỏ hơn so với phần tử bước đủ và như vậy
SĐĐ phần ứng cũng nhỏ đi một ít. Nhưng vì trong máy điện một chiều không cho phép
bước ngắn lớn nên ảnh hưởng ít.
1.4.2. Mômen điện từ và công suất
Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng

sẽ có dòng điện chạy qua. Tác dụng của từ trường lên dây
dẫn có dòng điện sẽ sinh ra mômen điện từ trên trục máy.
Giả thiết ở một chế độ làm việc nào đó của máy
điện một chiều, từ trường và dòng điện phần ứng ở dưới
một cực (Hình 1.9), thì theo quy tắc bàn tay trái mômen
lực từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều
từ phải sang trái.

Hình 1.9 – Mômen điện từ
trong động cơ điện một
chiều

Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn bằng:

f  Btb l.iu

(1.4)

Nếu tổng số thanh dẫn của dây quấn bằng N, dòng điện trong mạch nhánh iu 

Iu
2

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

M  Btb

Iu
D
lN

2
2

Trang 17

(1.5)


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Trong đó: Btb là từ cảm trung bình trong khe hở;
Iư là dòng điện phần ứng;
 là số đôi mạch nhánh;

l là chiều dài tác dụng của thanh dẫn;
D là đường kính ngoài phần ứng.
Do D 

2 p



, Btb 


nên ta có:
l

M

p.N
 I u  CM  I u
2 

(1.6)

[M] = N.m
Trong đó:  là từ thông dưới mỗi cực, tính bằng Wb;
CM 

p.N
là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy điện.
2 

Nếu tính bằng kg.m thì (1.6) phải chia cho 9,81.

M

1 p.N
.
 I u
9,81 2 

(1.7)

[M] = kg.m
Trong máy phát điện, khi quay máy theo một chiều nhất định trong từ trường thì
trong dây dẫn sẽ sinh ra SĐĐ mà chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Khi có

tải thì dòng điện sinh ra sẽ cùng chiều với SĐĐ nên mômen điện từ sinh ra sẽ ngược
chiều với chiều quay của máy. Vì vậy ở máy phát điện, mômen điện từ là một mômen
hãm.
Trong động cơ điện, khi cho dòng điện vào phần ứng thì dưới tác dụng của từ
trường, trong dây quấn sẽ sinh ra mômen điện từ kéo máy quay, vì vậy chiều quay của
máy trùng với chiều quay của mômen.
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 

Trong đó:

M là mômen điện từ;


2 n
là tốc độ góc phần ứng.
60

Thay vào (1.8) ta có:

Trang 18

(1.8)


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín
Pđt  M  

p.N
2 n p.N
 I u

n  I u
2 
60 60

 Eu I u

(1.9)

[Pđm] = W
Tóm lại, trong máy phát điện công suất điện từ đã chuyển công suất cơ M thành
công suất điện E u I u . Ngược lại, trong động cơ điện công suất điện từ đã chuyển công
suất điện E u I u thành công suất cơ M .
1.4.3. Quá trình năng lƣợng và các phƣơng trình cân bằng
1.4.3.1. Tổn hao trong máy điện một chiều
Trong máy điện một chiều, đại bộ phận công suất cơ biến thành công suất điện
(máy phát) hay công suất điện biến thành công suất cơ (động cơ). Chỉ có một bộ phận rất
ít biến thành tổn hao trong máy dưới hình thức nhiệt tỏa ra ngoài không khí. Tổn hao
trong máy tùy theo tính chất được phân làm bốn loại:
- Tổn hao pcơ: bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn
hao do thông gió… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho
ổ bi, vành góp nóng lên.
- Tổn hao sắt pFe: do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên. Tổn hao này
phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài của tấm thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm và tần số f.
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:
Po = pcơ + pFe

(1.10)

Tổn hao cơ và sắt sinh ra mômen hãm và mômen này tồn tại khi không tải nên gọi
là mômen không tải Mo. Quan hệ giữa Mo và Po là:
Mo 

Po



(1.11)

Trong đó:  là tốc độ góc của rôto.
- Tổn hao đồng pCu: tổn hao đồng bao gồm 2 phần: tổn hao đồng trong mạch phần
ứng pCu.ư và tổn hao đồng trong mạch kích thích pCu.t.
Tổn hao đồng trong phần ứng bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng
Iư2rư, tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ Iư2rf , tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và
vành góp ptx.

Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Hiện nay thường gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết dưới dạng
pư = Iư2Rư trong đó Rư = rư + rf + rtx bao gồm điện trở dây quấn phần ứng rư, điện trở dây
quấn phụ rf và điện trở tiếp xúc chổi than rtx, mặc dù rtx thực tế không phải là không đổi.

Tổn hao đồng trong mạch kích thích bao gồm tổn hao đồng của dây quấn kích
thích và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích thích. Vì vậy pCu.t = Ut It,
trong đó Ut là điện áp đặt trên mạch kích thích và It là dòng điện kích thích.
- Tổn hao phụ pf. Trong đồng và thép đều sinh ra hao tổn phụ.
Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần
cứng, các bu lông 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 trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử thay
đổi, dòng điện phân bố không đều trên bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ
trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy, tổn
hao trong dây nối cân bằng sinh ra. Trong máy điện một chiều pf thường lấy bằng 1%
công suất định mức.
1.4.3.2. Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương trình cân
bằng
a. Máy phát điện
Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp bất
kỳ kéo quay với một 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 một
phần để bù vào tổn hao cơ pcơ và tổn hao sắt pFe, còn đại bộ phận biến đổi thành công
suất điện từ Pđt. Ta có:
P1 = Pđt + (pcơ + pFe) = Pđt + pcơ
Pđt = Eư.Iư I

(1.12)
(1.13)

Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn thì có tổn hao đồng, nên công suất điện đưa
ra P2 bằng:
P2 = Pđt – pcu = Eư.Iư – Iư2.Rư = UIư

Chia 2 vế cho Iư ta được: U = Eư – Iư.Rư

(1.14)
(1.15)

Phương trình trên gọi là phương trình cân bằng sức điện động của máy phát điện
một chiều.
Trang 20