LUẬN văn sư PHẠM vật lý máy PHÁT điện một CHIỀU KÍCH từ SONG SONG

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



MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
SONG SONG
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Lê Văn Nhạn

Họ tên: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
MSSV: 1087048
Lớp: Sƣ phạm Vật lý- Tin học K34

Cần Thơ, 2012


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và

những ý kiến đồng góp của rất nhiều người.
Trước tiên, xin được cảm ơn quý Thầy, Cô trong bộ môn Vật lý đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt kiến thức lẫn phương pháp cho tôi trong suốt bốn năm học qua. Đây là niềm tin
và là cơ sở vững chắc nhất để tôi hoàn thành đề tài.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Ths. Lê Văn Nhạn – Giáo
viên hướng dẫn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện đề tài này.
Xin được gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Vĩnh Trường, Trưởng phòng thí nghiệm Kỹ
thuật điện, Khoa Công nghệ trường Đại học Cần Thơ, thầy đã tạo điều kiện thuận lợi và đã
nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm thí nghiệm.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu Thành, thầy đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm Cơ - Nhiệt, Bộ môn vật lý, Khoa sư phạm,
trường Đại học Cần Thơ.
Xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Khoa Sư phạm, Bộ môn vật lý đã tạo điều
kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp của mình.
Xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên cô vấn học tập thầy Nguyễn Bá Thành và những
người bạn của tôi – sinh viên lớp Sư phạm Vật lý – Tin học K34, cùng tất cả những người
đã giúp đỡ, quan tâm cổ vũ, động viên khích lệ tinh thần để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài
này.
Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Kính mong được sự chỉ bảo và đóng góp chân thành của quý Thầy, Cô
cùng các bạn để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Chung Hoàng Oanh

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh

Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song
MỤC LỤC

Lời cảm ơn
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 thuyết của đề tài .............................................................................................................. 1

2.

CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................ 1

3.

CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH ............................................................................................................... 1

PHẦN NỘI DUNG .................................................................................................................................. 3
CHƢƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG 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 CẢM ỨNG 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. ................................ 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
1.3. ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ .............................................................................................................. 9
1.5. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN .................................................................................... 11
1.5.1. Vật liệu dẫn điện................................................................................................................... 11
1.5.2. Vật liệu dẫn từ ...................................................................................................................... 11
1.5.3. Vật liệu cách điện ................................................................................................................. 12
1.5.4. Vật liệu kết cấu..................................................................................................................... 13
1.6. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN ................................................................................ 13
1.7. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................................ 14

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
i


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

CHƢƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ............................................................................................... 15
2.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ............................................................................... 16
2.1.1. Stator.................................................................................................................................... 16
2.1.2. Rotor: ................................................................................................................................... 19
2.2 CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐỊNH MỨC .................................................................................................. 21

2.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ....................................................... 21
2.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều .................................................................. 22
2.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều.......................................................................... 23
2.4. PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ..................................................................................... 24
2.5 QUAN HỆ LỰC TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ............................................................ 25
2.5.1. Sức điện động phần ứng...................................................................................................... 25
2.5.2. Công suất điện từ, momen điện từ của máy điện một chiều ................................................... 26
2.6. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG .................................................................................. 27
2.6.1. Các tổn hao trong máy điện một chiều .................................................................................. 27
2.6.2. Quy trình năng lƣợng và các phƣơng trình cân bằng năng lƣợng .......................................... 28
2.7. TÍNH CHẤT THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .............................................. 30
2.8. TỪ TRƢỜNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................................................................ 30
2.8.1 Từ trƣờng cực từ.................................................................................................................... 30
2.8.2. Từ trƣờng phần ứng .............................................................................................................. 31
2.9 . PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ....................................................... 32
2.10. ĐỔI CHIỀU DÕNG ĐIỆN, TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ VÀNH GÓP ....................................... 34
2.10.1 Đổi chiều dòng điện. ............................................................................................................ 34
2.10.2 Các biện pháp cải thiện đổi chiều. ........................................................................................ 35
CHƢƠNG 3: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG ............................................. 43
3.1 .PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ..................................................................................... 43
3.1.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập ............................................................................... 44
3.1.2. Máy phát điện một chiều kích từ song song. .......................................................................... 44
3.1.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp .............................................................................. 44
3.1.4. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp ............................................................................. 44

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
ii

Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

3.2. CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU ....................................................... 45
3.2.1. Đặc tuyến không tải .............................................................................................................. 45
3.2.2. Đặc tuyến ngoài.................................................................................................................... 45
3.2.3. Đặc tuyến điều chỉnh ............................................................................................................ 45
3.3. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG ...................................................... 46
3.3.1. Đặc tuyến không tải ............................................................................................................ 46
3.3.2. Đặc tuyến ngoài.................................................................................................................... 47
3.3.3. Đặc tuyến điều chỉnh ............................................................................................................ 48
CHƢƠNG 4: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ SONG SONG........................................................................................................................ 50
4.1. THÍ NGHIỆM VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG (PHÒNG THÍ
NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN – BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN) .......................................................... 50
4.1.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................................................. 50
4.1.2. Mô tả dụng cụ thí nghiệm ..................................................................................................... 50
4.1.3. Phƣơng án và các bƣớc tiến hành thí nghiệm......................................................................... 52
4.2. NHẬN XÉT CHUNG ................................................................................................................. 59
4.2.1. So sánh ƣu điểm và nhƣợc điểm của máy phát điện một chiều kích từ song song................... 59
4.2.2. So sánh lý thuyết và thực nghiệm.......................................................................................... 59
PHẦN KẾT LUẬN................................................................................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................... 61

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
iii

Luận văn tốt nghiệp

Máy phát 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 nhƣ vũ bão của khoa học và kỹ thuật, con ngƣời đã làm
đƣợc rất nhiều điều mà trƣớc đây những điều đó chỉ nằm trong trí tƣởng tƣợng. Thật vậy,
nếu nhƣ ngày xƣa ngƣời ta phải mất hàng tháng, hàng năm 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 quá
nhiều thời gian để thực hiện đƣợc điều đó bằng các loại phƣơng tiện giao thông hiện đại
nhƣ: ô tô, máy bay, tàu thủy, xe điện ngầm…Những loại máy móc thiết bị trên ngày càng
đƣợc ứng dụng rộng rãi, phổ biến và gắn liền với cuộc sống của chúng ta. Hơn 90% năng
lƣợng điện đƣợc sử dụng trong đời sống là năng lƣợng 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 nhƣ: kích từ máy phát điện,
các động cơ một chiều, bảo vệ rơle tự động, điều khiển từ xa, đảm bảo cho các phụ tải hoạt
động bình thƣờng. Nếu dựa vào phƣơng 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 lƣu, ắcquy. Chính
vì những ứng dụng quan trọng mà năng lƣợng 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: “ Máy phát điện
một chiều kích từ song song “
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện với mong muốn trình bày những kiến thức cơ bản về cấu tạo
nguyên lý hoạt động, các đặc tuyến và những ứng dụng của máy phát điện một chiều kích

từ song song.
1.3. Các giả thuyết của đề tài
Nội dung của đề tài là tìm hiểu máy phát điện một chiều kích từ song song, nhƣng tìm
hiểu điều đó trƣớc tiên phải nghiên cứu về máy điện và máy điện một chiều.
2. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
 Thu thập tài liệu ở thƣ viện trƣờng, thƣ viện khoa, nhà sách.
 Tham khảo ý kiến của thầy hƣớng dẫn, thầy cô trong bộ môn.
 Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, sát với nội dung đề tài.
3. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH
 Nhận đề tài.
 Sƣu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến của thầy hƣớng dẫn.
 Tiến hành nghiên cứu chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài.
 Lập đề cƣơng cụ thể.
 Trao đổi nội dung với giáo viên hƣớng dẫn.

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

 Tập hợp ý kiến của giáo viên hƣớng 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: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

PHẦN NỘI DUNG

CHƢƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
1.1.1. Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ , nguyên lý làm việc dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
Về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép), mạch điện (dây quấn). Ứng dụng dùng để biến đổi các
dạng năng lƣợng nhƣ cơ năng thành điện năng và ngƣợc lại. Ngoài ra dùng để biến đổi điện
áp, dòng điện, tần số, số pha …
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại (theo công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện, nguyên lý
làm việc …). Nhƣng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý biến đổi năng lƣợng
thì máy điện đƣợc chia làm các loại sau:


Máy điện tĩnh



Máy điện có phần động

1.1.2.1. Máy điện tĩnh
Đặc trƣng cho máy điện tĩnh đó là máy biến áp. Máy điện tĩnh nhìn chung dùng để
biến đổi thông số điện năng, do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, sự
biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tƣơng đối với nhau.
Ví dụ: Máy biến áp biến đổi các thông số U1, I1, f thành U2, I2, f hoặc ngƣợc lại.

U1; I1; f

Máy biến áp

U2; I2; f

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

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

1.1.2.2. Máy điện có phần động
Thƣờng gọi là máy điện quay. Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện

từ, lực điện từ, do từ trƣờng và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tƣơng đối với
nhau gây ra. Thƣờng gặp trong thực tế là động cơ hoặc máy phát.

Pđiện

P cơ

Máy điện

Hình 1.2: Sơ đồ biến đổi thuận nghịch của máy điện

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

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

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

1.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY
ĐIỆN
1.2.1. Định luật cảm ứng điện từ
1.2.1.1. Trƣờng 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 dương suất điện động cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui tắc vặn nút
chai
Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây đƣợc tính theo công thức Măcxoen:
e= 

d
dt

(1.1)

Nếu cuộn dây có N vòng, suất điện động cảm ứng là:
e= N

d
d

dt
dt

(1.2)

Trong đó,   N (Wb) 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).
1.2.1.2. Trƣờng hợp thanh dẫn chuyển động thẳng góc trong từ trƣờng
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đƣờng sức từ trƣờng (đó là trƣờng hợp
thƣờng gặp nhất trong máy phát điện), trong thanh dẫn cảm ứng suất điện động có trị số là :
e = Blv
GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

(1.3)
SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

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)
Còn chiều suất điện động cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chiều của suất điện động
1.2.2. Định luật lực điện từ
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đƣờng sức từ trƣờng, thanh dẫn sẽ
chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:
Fđt = B.l.i

(1.4)

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)
Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ
1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN.
Máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa 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 động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ , thanh dẫn sẽ chuyển
động với vận tốc v trong từ trƣờng của nam châm N – S , trong thanh dẫn sẽ cảm ứng suất
điện động cảm ứng e. Nếu hai đầu thanh dẫn đƣợc nối với tải (R), sẽ có dòng điện i chạy
qua thanh dẫn và tải. Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn và 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 trƣờng của nam châm N – S lại chịu tác dụng của lực điện từ
(Fđt):
Fđt = Bli

(1.6)

Và có chiều nhƣ hình vẽ:

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 7

Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong từ trường của nam châm N - S
Khi lực điện từ cân bằng 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:
Fcơ v = F đt v = B.l.i.v = e.i

(1.7)

Điều này có nghĩa là công suất của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơv đã đƣợc biến đổi thành công
suất điện Pđiện = e.i , tức là cơ năng đã đƣợc biến thành điện năng ở máy phát điện.
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 trƣờng
của nam châm N – S.
Trong thanh dẫn sẽ có dòng điện i chạy qua theo định luật lực điện từ, thanh dẫn sẽ chịu tác
dụng của lực điện từ:
Fđt = Bli
Và chuyển động với vận tốc v có chiều nhƣ hình vẽ:

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong thanh dẫn
Công suất điện đƣa vào động cơ là:
Pđ = ui = ei = Blvi = F đtv

(1.8)

Nghĩa là, công suất điện Pđ = u.i đƣa vào động cơ đã đƣợc biến thành công suất cơ
Pcơ = Fđtv trên trục động cơ, tức điện năng đã biến thành cơ năng trong động cơ điện.
1.3. 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 nhƣ sau:

Hình 1.9.1 . Minh
họa định luật dòng
điện toàn phần

Hình1.9.2 . Mạch
từ đồng nhất có
một cuộn dây

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song



Nếu H là vectơ cƣờng độ từ trƣờng do một tập hợp dòng điện i1, i2, … ik, …, in. tạo ra và nếu L
là một đƣờng cong kín bao quanh chúng thì:
 

 H dl   i

(1.9)

k

( L)


Với d l là độ dời vi phân trên (L) .Dấu của ik xác định theo qui tắc vặn nút chai: quay cái


vặn nút chai theo chiều d l , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì
dòng điện ik mang dấu dƣơng, còn ngƣợc lại lấy dấu âm.
Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây nhƣ hình
1.9.1 ta có nhƣ sau:
H.l=Ni=F

Với:

(1.10)

B
1 l
  R 
Hl= l 
 S
H l = R  =Ni=F

Vậy
Trong đó:

H (A/m): Cƣờng độ từ trƣờng trong mạch từ
B=µH (T): Tự 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 tƣơng 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 sức từ động (stđ)
H. l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ.
Rµ=

1 l
(A/Wb) từ trở của mạch từ.
S

S (m2): tiết diện ngang của mạch từ
GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

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. l 1 – H2. l 2=N1i1 – N2.i2

(1.11)

Trong đó:
H1, H2 (A/m): cƣờng độ từ trƣờng tƣơng ứng trong đoạn mạch từ 1, 2.
l 1, l 2 (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 đƣợc 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  đã chọn theo qui tắc vặn
nút chai sẽ mang dấu dƣơng, còn ngƣợc lại sẽ mang dấu âm; j: chỉ số tên đoạn mạch từ; k:
chỉ số tên cuộn dây có dòng điện.
1.5. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
Vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách
điện, vật liệu kết cấu. Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động
cơ học nhƣ 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. Còn vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các
chi tiết chịu các tác động cơ học.
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 nhƣ đồng thau, đồng
photpho. Dây đồng hoặc dây nhôm đƣợc chế tạo theo tiết diện tròn và trung bình, điện áp
dƣới 1000V thƣờng dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền
yêu cầu.
1.5.2. Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ nhƣ thép kỹ thuật điện, gang, thép
đúc, thép rèn,…
GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thƣờng dùng thép lá kỹ thuật
điện dày 0,35  1mm, trong thành phần thép có từ 2  5% silic để tăng điện trở của thép,
giảm dòng điện xoáy. Thép kỹ thuật điện đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp cán nóng hoặc
cán nguội. Hiện nay thƣờng 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
đƣờng 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 thƣờng dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá thép.

Hình 1.10 Đường cong từ hóa của một số vật liệu
1.5.3. Vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cƣờng độ cách điện cao , chịu nhiệt tốt, tản

nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Cách điện bọc dây dẫn chịu đƣợc nhiệt độ cao thì
nhiệt độ cho phép của dây càng lớn và dây dẫn chịu đƣợc dòng tải lớn.
Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm:
a) Chất hữu cơ thiên nhiên nhƣ giấy, lụa.
b) Chất vô cơ nhƣ amiăng, mica, sợi thủy tinh.
c) Các chất tổng hợp.
d) Các loại men và sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica nhƣng đắt. Giấy, vải, sợi…. rẻ nhƣng dẫn nhiệt và cách
điện kém, dễ bị ẩm. Vì vậy chúng phải đƣợc tẩm sấy để cách điện tốt hơn.
Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện đƣợc chia ra các cấp nhƣ sau:

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

- Cấp Y: Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp,
không đƣợc tẩm sấy bằng sơn cách điện.
- Cấp A: Nhiệt độ cho phép là 1500C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân
tạo đƣợc qua 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 đƣợc nhiệt độ tƣơng ứng.
- Cấp B: Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh
hoặc amiăng đƣợc liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu đƣợc nhiệt độ
tƣơng ứng.

- Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống nhƣ B nhƣng đƣợc tẩm sấy và kết dính
bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu đƣợc nhiệt độ tƣơng ứng.
- Cấp H: Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống nhƣ B nhƣng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất
kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu đƣợc nhiệt độ tƣơng
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 đƣợc nhiệt độ tƣơng
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 nửa.
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 nhƣ trục, ổ
trục, vỏ máy, nắp máy. Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thƣờng là gang, thép lá, thép
rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo.
1.6. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong quá trình biến đổi năng lƣợng luôn có sự tổn hao. Tổn hao trong máy điện
gồm tổn hao sắt từ (do hiện tƣợng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây
quấn và tổn hao do ma sát ( ở máy điện quay). Tất cả các tổn hao năng lƣợng đều biến
thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên.

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 13

Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trƣờng xung quanh. Sự tản nhiệt
không những phụ thuộc vào sự đối lƣu không khí xung quanh hoặc của môi trƣờng làm mát
khác nhƣ dầu máy biến áp… Thƣờng vỏ máy điện đƣợc chế tạo có các cánh tản nhiệt và
máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát.
Kích thƣớc của máy, phƣơng pháp làm mát phải đƣợc tính toán và lựa chọn để cho độ tăng
nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vƣợt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo
cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm.
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không đƣợc vƣợt
quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vƣợt quá nhiệt độ
cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài.
1.7. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu máy điện gồm các bƣớc sau:
 Mô tả các hiện tƣợng vật lí xảy ra trong máy điện.
 Dựa vào các định luật vật lí, viết phƣơng trình toán học mô 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 sơ đồ 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 các yêu cầu cụ thể.

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

CHƢƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều đƣợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một
chiều vẫn tồn tại và đóng vai trò quan trọng đặc biệt là động cơ một chiều. Động cơ một
chiều thƣờng đƣợc 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, ta thấy các máy điện khuyếch đại, các động cơ chấp hành cũng
là máy điện một chiều. Ngoài ra, 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 lƣợng 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 là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền
và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trƣờng dễ nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều, cần có
nguồn điện một chiều kèm theo (máy phát điện một chiều hay bộ chỉnh lƣu).

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

2.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều có cấu tạo gần giốn g với máy điện xoay chiều rotor dây quấn,

bao gồm: stator, rotor, cổ góp và chổi than.

Nắp máy

Vỏ
máy

stator
Cổ góp
Chổi quét

Trục

Phần ứng

Bợ trục

stator

cổ góp

rotor

nắp máy

Hình 2.1. Các thành phần của máy điện một chiều
2.1.1. Stator
Còn gọi là phần cảm, gồm có cực từ chính, cực từ phụ, gông từ nắp máy và cơ cấu
chổi điện.

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

a. Cực từ chính:
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trƣờng, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép
cácbon dày 0,5mm hay 1mm đƣợc ép chặt và tán lại. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép
khối. Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy bằng bulông. Dây quấn kích từ đƣợc làm bằng
đồng bọc cách điện, đƣợc quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc cách điện kỹ
thành một khối và tẩm sơn cách điện trƣớc khi lồng vào thân lõi thép cực từ. Các cuộn dây
ở các cực từ chính đƣợc nối nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì hình
thành các cực từ trái dấu xen kẽ.

4

2

1
3

Hình 2.2. Cực từ chính trong máy điện một chiều: a) Bốn cực; b) Sáu cực
1. Cuộn dây kích từ; 2. Vỏ máy ( gông từ); 3. Lõi thép; 4. Bulông
b.Cực từ phụ:

Cực từ phụ gồm có lõi thép và dây quấn. Lõi thép thƣờng làm bằng thép khối còn dây
quấn cực từ phụ có cấu tạo giống nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc đặt xen kẽ

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

với cực từ chính và đƣợc dùng để cải thiện đổi chiều. Dây quấn cực từ phụ đƣợc nối nối
tiếp với dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.

Hình 2.3. Cực từ phụ
1) Lõi; 2) Cuộn dây

c. Vỏ máy (Gông từ):
Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện công
suất lớn gông từ làm bằng thép đúc, còn máy điện công suất vừa và nhỏ thƣờng dùng thép
tấm cuốn lại và hàn.
d. Cơ cấu chổi than:
Gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo. Hộp chổi
than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đƣợc
để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì cố định lại bằng
vít. Chổi than làm bằng than hay gra-phít, đôi khi ta trộn thêm bột đồng để làm tăng độ dẫn
điện. Chổi than có nhiệm vụ đƣa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hay ngƣợc lại.

Hình 2.4. Cơ cấu chổi than
1) Hộp chổi than, 2) Chổi
than, 3) Lò so ép, 4) Dây
cáp dẫn điện

e. Nắp máy:

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

Nắp máy để bảo vệ dây quấn và đảm bảo an toàn cho con ngƣời. Đối với các máy
điện công suất vừa và nhỏ, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi và thƣờng làm bằng
gang.
2.1.2. Rotor:
Còn gọi phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần ứng và cổ góp.

lõi thép
Dây quấn phần ứng
Cổ góp
Bợ trục
Trục máy
`

Hình 2.5 Cấu tạo của rotor
a.

Lõi thép rotor:

Hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện, ghép lại để
giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra. Các lá thép đƣợc 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 đƣợc chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các
đoạn ấy ta để một khe hở để thông gió ngang trục.

Hình 2.6. Lá thép phần ứng
1) Trục máy, 2) Lỗ thông gió
dọc trục, 3) Rãnh, 4) Răng

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

Máy phát điện một chiều kích từ song song

b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, có tiết diện hình tròn (đối với máy có
công suất bé) hay hình chữ nhật (đối với máy công suất lớn) đƣợc đặt trong các rãnh của
lõi thép theo một sơ đồ cụ thể và đƣợc cách điện với rãnh. Để tránh dây quấn bị văng ra khi

rotor quay (lực ly tâm), ở miệng rãnh có dùng nêm bằng tre hay bakelit.
c. Cổ góp:
Cổ góp gồm có các phiến góp bằng đồng có đuôi én đƣợc ghép lại thành hình trụ tròn,
giữa các phiến góp đƣợc cách điện với nhau bằng các tấm mica dày 0,4 đến 1,2mm. Hai
đầu vành én có 2 vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và phiến góp cũng đƣợc
cách điện bằng các tấm mica. Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây của
phần tử nối với phiến góp. Thông qua chổi điện và cổ góp, dòng điện xoay chiều trong dây
quấn rotor đƣợc đổi thành dòng điện một chiều đƣa ra mạch ngoài, do đó cổ góp còn gọi là
vành đổi chiều.

(a)

(b)

(c)

Hình 2.7. Phiến đổi chiều (a), (b) và cổ góp (c)
1. Phiến góp; 2,3. ốp hình chữ V; 4. cách điện bằng mi ca;
5. rãnh nối dây; 6. vành đệm cách điện; 7.bulông xiết.

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

SVTH: Nguyễn Chung Hoàng Oanh
Trang 20