Nghiên cứu, xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy bằng sức gió

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐƠN GIẢN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ

Họ, tên sinh viên chịu trách nhiệm chính: Nguyễn Mạnh Hùng
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử
Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ

Quảng Bình, năm 2016

Khóa học: 55


TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐƠN GIẢN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật - Ứng dụng

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:
1. Nguyễn Mạnh Hùng - Lớp: Đại học Kỹ thuật Điện - Điện Tử K55
2. Từ Ngọc Thịnh
- Lớp: Cao đẳng CNKT Điện - Điện Tử K55

3. Phan Văn Thiết
- Lớp: Cao đẳng CNKT Điện - Điện Tử K55
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngọc Dũng

Quảng Bình, năm 2016


MỤC LỤC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN .............. 4
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN............................................................................... 7
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI....................................... 7
A. MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 8
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 8
2. Lịch sử vấn đề nghiên cứu ...................................................................... 8
3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 8
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 9
5. Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu ..................................... 9
6. Quá trình nghiên cứu .............................................................................. 9
B. NỘI DUNG ..................................................................................................... 10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG
MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ .............................................................. 10
1. Tình hình năng lượng gió trên thế giới ................................................ 10
2. Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam .................................................. 11
3. Tìm hiểu về máy phát điện gió ............................................................... 12
CHƯƠNG II: TÌM HIỀU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................ 15
1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 15
2. Cấu tạo .................................................................................................... 15
3. Nguyên lý làm việc ................................................................................. 18
1. Biến áp nguồn ........................................................................................ 19

2. Điện trở ................................................................................................... 20
3. Tụ điện .................................................................................................... 21
4. Cuộn dây ................................................................................................. 22
5. Diode ....................................................................................................... 22
6. Tranzitor ................................................................................................. 23
7. Mosfet...................................................................................................... 24
8. IC TL494 ................................................................................................. 25
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT
ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ ............ 26
1. Thiết kế hệ thống máy phát điện gió sử dụng động cơ một chiều công
suất nhỏ................................................................................................... 26
2. Thiết kế, lắp đặt mô hình thực nghiệm ................................................. 29
C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 31

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Danh mục

Trang

Hình 1.1. Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008

10

Hình 1.2. Sự phát triển của công suất điện gió trên thế giới theo khu vực

10

Hình 1.3. Các trạm năng lượng gió đặt tại Việt Nam

11

Hình 1.4. Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

12

Hình 1.5. Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

12

Hình 2.1. Cấu tạo stato máy điện một chiều

14

Hình 2.2. Cấu tạo rôto máy điện một chiều

16

Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

17

Hình 3.1. Biến áp nguồn

18

Hình 3.2. Cấu trúc đơn giản của một điện trở

19

Hình 3.3. Hình ảnh thực tế của một số loại điện trở

19

Hình 3.4. Cấu tạo của tụ điện

20

Hình 3.5. Hình ảnh thực tế của một số loại tụ điện

20

Hình 3.6. Hình ảnh thực tế của một số loại cuộn cảm

21

Hình 3.7. Cấu tạo và ký hiệu điốt

22

Hình 3.8. Cấu tạo và ký hiệu tranzitor

22

Hình 3.9. Cấu tạo và ký hiệu mosfet

23

Hình 3.50. Cấu tạo bên trong IC TL494

24

Hình 4.6. Sơ đồ khối hệ thống phát điện công suất nhỏ

25

Hình 4.7. Hình mô phỏng cánh quạt gió

25

Hình 4.3. Hình ảnh thực tế động cơ xe đạp điện loại 24V

26

Hình 4.4. Sơ đồ mạch chuyển đổi 12V(DC)-220V(AC) sử dụng IC TL494

27

Hình 4.5. Sơ đồ mạch chuyển đổi 12V(DC)-220V(AC) sử dụng IC 4047

27

Hình 4.6. Một số cơ cấu truyền động

28

3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN
Năm học: 2015-2016
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy
bằng sức gió
- Sinh viên thực hiện:
1) Nguyễn Mạnh Hùng
Lớp

: Đại học Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa

: Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ

:3

2) Từ Ngọc Thịnh
Lớp

: Cao đẳng CN Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa

: Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ

:3

3) Phan Văn Thiết
Lớp

: Cao đẳng CN Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa

: Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ

:3

- Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngọc Dũng
2. Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu về hệ thống máy phát điện gió.
- Đưa ra được phương án thiết kế một máy phát điện chạy bằng sức gió
đơn giản có thể áp dụng được trong thực tế.
3. Kết quả nghiên cứu
- Xây dựng được mô hình một hệ thống máy phát điện sức gió đơn giản
trên lý thuyết.

4

- Đề xuất các linh kiện đơn giản dễ kiếm cho mô hình máy phát điện
đơn giản trong thực tế.
- Lắp đặt thực nghiệm và chạy thử hệ thống máy phát công suất nhỏ.
4. Tính mới và sáng tạo
Từ những kiến thức lý thuyết tổng hợp được, đề tài đề xuất một hệ
thống máy phát điện giá dễ lắp đặt, giá thành rẻ có thể áp dụng thực tế.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc
phòng và khả năng áp dụng của đề tài
Đề tài có khả năng ứng dụng cho các hộ gia đình góp phần tiết kiệm
được điện năng sử dụng từ lưới.
Ngày

tháng 04 năm 2016

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

Nguyễn Mạnh Hùng

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn về những đóng góp khoa học của đề tài:
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Ngày 14 tháng 04 năm 2016
Trưởng khoa

Giảng viên hướng dẫn

5


Nguyễn Ngọc Dũng

6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN
Ảnh 4x6

Họ và tên: Nguyễn Mạnh Hùng
Sinh ngày: 02/05/1994
Nơi sinh: Châu Hóa - Tuyên Hóa - Quảng Bình
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử
Lớp: ĐH Kỹ thuật Điện - Điện tử

Khóa: 55

Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ
Địa chỉ liên hệ: Lớp Đại học Kỹ thuật Điện - Điện tử K55
Điện thoại: 0968940873

Email:

II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
* Năm thứ 1:
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử

Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ

Kết quả xếp loại học tập: 2.67 - Khá
Sơ lược thành tích: Giấy khen của Đoàn Trường Đại học Quảng Bình năm
học 2014-2015.
* Năm thứ 2:
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử

Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ

Kết quả xếp loại học tập: 3.12 - Khá
Sơ lược thành tích:
-

Giải thưởng sao tháng giêng cấp trường năm 2015.
Giấy chứng nhận nghiên cứu khoa học cấp khoa năm học 2014-2015.
Giải nhì cuộc thi sinh viên sáng tạo năm học 2014-2015.
Giấy chứng nhận nghiên cứu khoa học cấp trường năm học 2014-2015.
Ngày 14 tháng 4 năm 2016
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
Xác nhận của khoa
thực hiện đề tài

Nguyễn Mạnh Hùng
7

A. MỞ ĐẦU

1.

Lý do chọn đề tài

Ngày nay với nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng gia tăng,
nguồn năng lượng truyền thống (thủy điện, nhiệt điện…) ngày càng trở nên
cạn kiệt. Chính vì vậy việc nghiên cứu xem xét khai thác nguồn năng lượng
tái tạo có ý nghĩa rất quan trọng về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và
môi trường. Việt Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng về phát
triển năng lượng gió, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng gió đã và
đang được các cấp các ngành quan tâm đầu tư.
Bên cạnh đó, giá thành điện trong nước ngày một tăng, việc sử dụng
năng lượng điện của các hộ gia đình cũng ít nhiều ảnh hưởng đến kinh tế gia
đình. Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện các máy phát điện gió mini nhưng
giá thành khá cao. Việc nghiên cứu chế tạo một hệ thống cấp điện sử dụng
sức gió đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành rẻ cũng là phương án cần được quan
tâm và phát triển.
2.

Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, cùng với chính sách bảo vệ môi trường và
phát triển bền vững, ứng dụng năng lượng gió đã và đang được chú trọng
phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới. Việt Nam cũng đã và đang triển
khai các dự án năng lượng gió để hòa lưới điện, gần đây nhất là dự án năng
lượng gió ở Quảng Trị với công suất 30MW. Ở phương diện hẹp hơn, thị

trường máy phát điện gió mini nhập khẩu trọn bộ với công suất vài KW cũng
nở rộ cùng với nhu cầu ngày càng nhiều của các hộ gia đình. Chính vì vậy
vấn đề ứng dụng năng lượng gió một cách tối ưu, hiệu quả đang được rất
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
3.

Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực năng lượng sạch và tái tạo cũng như
khắc sâu một số kiến thức về máy điện và linh kiện điện tử.
- Trên cơ sở tính cấp thiết của đề tài, nhóm sinh viên muốn đưa ra một
phương án thiết kế một máy phát điện chạy bằng sức gió đơn giản có thể áp
dụng được trong thực tế.
8


- Nâng cao kỹ năng vận dụng thực tế của sinh viên từ kiến thức lý
thuyết đồng thời kích thích đam mê, yêu thích ngành nghề mình theo học.
4.

Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về máy điện một chiều.
- Nghiên cứu lý thuyết về bộ biến đổi sử dụng linh kiện điện tử.

- Thiết kế xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy bằng sức gió
và mạch chuyển đổi DC/AC.
5.

Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: năng lượng gió, máy điện một chiều, mạch
chuyển đổi DC/AC.
- Phạm vi nghiên cứu: xây dựng mô hình thực nghiệm máy phát điện
gió có thể phát điện với công suất rất nhỏ và thiết kế lắp đặt mạch chuyển đổi
12V DC – 220V AC.
- Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết kết hợp thử nghiệm
trên mô hình thực tế.
6.

Quá trình nghiên cứu

- Tháng 9/2015 – 11/2015: Tìm hiểu thu thập tài liệu về thống máy phát
điện gió, máy điện và linh kiện điện tử.
- Tháng 12/2015: Nghiên cứu thiết kế mô hình máy phát điện chạy
bằng sức gió có thể ứng dụng trong thực tế.
- Tháng 01/2016 – 02/2016: Xây dựng, lắp đặt mô hình thực nghiệm
máy phát điện công suất nhỏ.
- Tháng 03/2016: Viết báo cáo.
- Tháng 04/2016: Hoàn thiện và báo cáo đề tài trước Hội đồng nghiệm
thu đề tài Sinh viên cấp Trường tại Trường ĐHQB.

9


B. NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG
MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.

Tình hình năng lượng gió trên thế giới

Hiện nay nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần, đồng thời vấn đề
gây ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm
trọng. Vấn đề năng lượng sạch đang được quan tâm nhiều và là một sự lựa
chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai. Nguồn năng lượng sạch
đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng
địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều… Tất cả những loại
năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại
và cải thiện môi trường. Các hệ thống năng lượng này được xem như là một
sự lựa chọn thay thế cho các hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia ở những
vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt
kinh tế, trong đó năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng dễ khai thác
với công nghệ đơn giản và chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp.
Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái
đất khoảng 173,1 tỷ KW còn năng lượng từ gió ước tính khoảng 3.500 tỷ
KW. Trên toàn bộ bề mặt hành tinh của chúng ta, năng lượng có thể khai thác
được từ gió lớn hơn năng lượng toàn bộ các dòng sông trên trái đất từ 10 đến
20 lần.
Năng lượng gió đã được khai thác và ứng dụng từ rất lâu dùng để chạy
bơm nước, thuyền buồm, các cối xay gió đã xuất hiện từ thế kỷ 12. Từ đó đến
nay việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng năng lượng gió ngày
càng phát triển với tốc độ ngày càng nhanh cả về số lượng lẫn chất lượng.
Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và
năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc
tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng
lượng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước.

10

Hình 1.1 trình bày công suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong
khoảng thời gian từ 1996 đến 2008. Tổng lượng công suất sản xuất trên thế
giới vào năm 2009 là 159,2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức
tăng trưởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu
đang gặp nhiều khó khăn.

Hình 1.1. Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008

Hình 1.2. Sự phát triển của công suất điện gió trên thế giới theo khu vực

2.

Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vự nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một
thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. Trong chương trình đánh giá
năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới có đã có một khảo sát chi tiết về
năng lượng gió khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam. Theo tính toán
của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng
gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào, Campuchia.
Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm
11


năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích
này ở Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Campuchia là 0,2%.
Tổng điện năng điện gió của Việt Nam là 513.600 MW tức là bằng hơn
200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng dự báo ngành điện
vào năm 2020. Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục

vụ cho phát triển kinh tế ở những vùng khó khăn thì Việt Nam có đến 41%
diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này
với nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan có 9%
diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Đây quả thật là ưu đãi
dành cho Việt Nam mà chúng ta chưa nghĩ đến cách tận dụng.
Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20
GW. Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ
được phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam. Tuy nhiên
những tuabin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức độ thành
công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu.

Hình 1.3. Các trạm năng lượng gió đặt tại Việt Nam

3.

Tìm hiểu về máy phát điện gió

3.1.

Tìm hiểu chung

Tua bin gió là thiết bị chuyển động năng trong gió thành năng lượng cơ
học. Nếu năng lượng này được sử dụng trực tiếp thì nó được gọi là cối xay
gió, còn nếu năng lượng này được chuyển đổi thành điện năng thì nó được gọi
là máy phát điện dùng sức gió (WEC).
Dựa theo cấu tạo, người ta thường phân loại WEC ra thành 2 loại:
- WEC trục đứng: là loại máy phát có trục quay chính của roto chạy
12

theo chiều dọc. Do cấu tạo của nó nên các thiết bị có thể đặt đưới mặt đất
không cần có tháp để đỡ máy phát, bộ phận bánh răng,…; không cần cơ cấu
phụ để hướng hệ thống theo chiều gió. Tuy nhiên tốc độ quay chậm do nhiễu
loạn gió ở gần mặt đất và khó đóng tua bin vào tháp đỡ.
- WEC trục ngang: là loại máy có trục quay tua bin hướng theo phương
ngang.

Hình 1.4. Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

3.2.

Cấu tạo

Hình 1.5. Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

Một WEC điển hình có cấu tạo như sau:
- Hệ thống cánh quạt, công nghệ mới cánh quạt có thể điều chỉnh góc
quay bằng hệ thống điều khiển.
13


- Trục quay chính được gắn thẳng vào roto.
- Bộ phận bánh răng (chuyển đổi cơ học) dùng để tăng tốc cho trục
quay phụ.
- Trục quay phụ này gắn vào rotor máy phát điện (thường là máy điện
nam châm vĩnh cửu) tạo ra dòng điện.
- Vỏ bọc để bao bọc kết cấu của máy, phần đuôi có gắn 1 bộ cảm biến
để đo tốc độ gió và đuôi để điều chỉnh hướng cho WEC (đối với máy trục
ngang). Vỏ bọc này kết nối với tháp đỡ thông qua hệ thống vòng trục bi giúp
máy tự do điều chỉnh hướng.

- Bộ phận phanh giảm tốc thường kết hợp với bộ phận cảm biến và hệ
thống điều khiển (thường ít sử dụng trong máy nhỏ) dùng để giảm tốc rotor.
- Bộ phận máy phát điện
3.3.

Máy phát điện

Tiêu chuẩn để phân biệt máy phát điện dùng sức gió DC hay AC là đầu
ra output của nó.
3.3.1. Máy phát điện DC
Máy phát điện một chiều chỉ được sử dụng đối với những máy phát
điện công suất nhỏ. Dòng điện sinh ra ban đầu của tuabin gió có biên độ và
tần số không ổn định nên không thể trực tiếp sử dụng ngay mà cần phải
chuyển đổi nó. Dòng điện thô này được đưa vào sạc pin DC thông qua 1 hệ
thống điều khiển charge cotroller. Khi pin đầy hệ thống điều khiển này sẽ đưa
dòng điện dư thừa để dùng cho các tiện ích đơn giản khác như làm sáng đèn,
truyền vào dump load để sưởi ấm phòng hoặc đun nước. Tuỳ vào mục đích sử
dụng pin DC này có thể chuyển thành AC sử dụng được thông qua bộ chuyển
đổi DC-AC.
Lưu ý đối với cách lắp đặt này cần có thêm 1 diod bán dẫn để ngăn
không cho máy phát hoạt động ngược lại ở chế độ động cơ (pin sạc quay
ngược lại cấp điện cho cánh quạt quay).
3.3.2. Máy phát điện AC
Dòng điện sinh ra ban đầu của tuabin gió tuy là dòng AC nhưng có biên
độ và tần số không ổn định nên cũng không thể trực tiếp sử dụng ngay mà cần
phải chuyển đổi nó. Dòng điện thô khi ra khỏi tua bin gió sẽ được đưa vào
14


máy biến tần biến nó thành dòng thích hợp để cấp cho hệ thống. Cũng có thể

đưa dòng điện ra từ máy phát qua cầu chỉnh lưu để chuyển thành dòng DC để
nạp cho pin DC. Từ đó có thể chuyển đổi thành dòng AC tùy theo mục đíc sử
dụng.
CHƯƠNG II: TÌM HIỀU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.

Giới thiệu chung

Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết bị
điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ
năng thành điện năng một chiều (máy phát điện) hoặc ngược lại để biến đổi
điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện).
Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luôn luôn chiếm
một vị trí quan trọng, bởi nó có các ưu điểm sau:
Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng
phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong công nghiệp dệt, giấy, cán thép, ...
Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ
điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong
công nghiệp mạ điện vv ...
Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và
bảo quản cổ góp phức tạp.
2.

Cấu tạo

2.1.

Cấu tạo của máy điện một chiều

2.1.1. Phần tĩnh (Stator)

Hình 2.1. Cấu tạo stato máy điện một chiều

15


Gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường chính trong máy gồm lõi
sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.
+ Lõi cực từ: có thể làm bằng thép khối vì dẫn từ 1 chiều. Tuy
nhiên để giảm kích thước, ngày nay nó được làm bằng thép kỹ thuật điện
(KTĐ) cán lạnh không đẳng hướng.
+ Dây quấn cực từ chính: được làm bằng dây dẫn tròn có bọc
cách điện hoặc dây dẫn tiết diện chữ nhật quấn định hình rồi lồng vào thân
cực từ. Các dây quấn kích thích đặt trên các cực từ chính thường được nối nối
tiếp với nhau.
- Cực từ phụ: Được đặt xen kẽ giữa các cực từ chính dùng để cải thiện
đổi chiều, triệt tia lửa trên chổi than. Lõi thép của cực từ phụ cũng có thể làm
bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn, có cấu tạo giống như
dây quấn của cực từ chính và được nối nối tiếp với dây quấn phần ứng qua
các chổi than. Để mạch từ của cực từ phụ không bị bão hòa thì khe hở của nó
với rotor lớn hơn khe hở của cực từ chính với rotor.
- Gông từ (vỏ máy): Làm nhiệm vụ kết cấu đồng thời dùng làm mạch từ
nối liền các cực từ. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm để uốn
và hàn lại. Máy có công suất lớn dùng thép đúc có từ (0,2 - 2)% chất than.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm
hư hỏng dây quấn. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy có tác dụng làm giá
đỡ ổ bi.

+ Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngoài hoặc
ngược lại.
2.1.2. Phần quay (Rotor)

16


Hình 2.2. Cấu tạo rôto máy điện một chiều

- Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép lá kỹ thuật
điện dày 0,5 mm có sơn cách điện cách điện hai mặt rồi ép chặt lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên các lá thép có dập các rãnh để đặt
dây quấn. Rãnh có thể hình thang, hình quả lê hoặc hình chữ nhật... Trong các
máy lớn lõi thép thường chia thành từng thếp và cách nhau một khoảng hở để
làm nguội máy, các khe hở đó gọi là rãnh thông gió ngang trục. Ngoài ra
người ta còn dập các rãnh thông gió dọc trục.
- Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện
chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và
lớn có thể dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn
thận với rãnh và lõi thép. Để tránh cho khi quay bị văng ra ngoài do lực ly
tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt và phải đai chặt các phần đầu nối
dây quấn. Nêm có thể dùng tre gỗ hoặc ba kê lít.
- Cổ góp: Là bộ phận để đổi chiều dòng điện. Cổ góp bao gồm các
phiến góp được làm bằng đồng mỏng cách điện với nhau bằng những tấm mi
ca có chiều dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ
tròn dùng hai vành ép hình chữ V ép chặt lại, giữa vành ép và cổ góp có cách
điện bằng mi ca hình V. Đuôi cổ góp cao hơn một ít để hàn các đầu dây của
các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng
- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy.
+ Trục máy: trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt
và ổ bi. Trục máy thường được làm bằng thép cacbon tốt.
17


3.

Nguyên lý làm việc

3.1.

Máy phát điện

Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Máy gồm một khung dây hai đầu nối với hai phiến góp. Khung dây và
phiến góp được quay quanh trục của nó với một vận tốc không đổi trong từ
trường của hai cực nam châm. Các chổi than đặt cố định và luôn tì sát vào
phiến góp. Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điện từ, trong thanh
dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động:
e = B.l.v
Với B là từ cảm nơi thanh dẫn quét qua, l là chiều dài thanh dẫn nằm
trong từ trường, v là tốc độ dài thanh dẫn.
Chiều của sức điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải như
vậy theo hình vẽ sức điện động của thanh dẫn nằm dưới cực S luôn có chiều
đi từ sau ra trước, còn thanh dẫn nằm dưới cực N luôn có chiều đi từ trước ra
sau. Nếu mạch ngoài khép kín qua tải thì sức điện động trong khung dây sẽ
sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện chạy từ a (+) đến b (-).
Như vậy mặc dầu chiều của s.đ.đ và dòng điện trong thanh dẫn thay đổi

nhưng chiều của chúng ở mạch ngoài là không đổi. Nói cách khác sức điện
động xoay chiều cảm ứng trong thanh dẫn và dòng điện tương ứng đã được
chỉnh lưu thành sức điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp
và chổi than.
3.2. Động cơ điện
Nếu ta cho dòng điện 1 chiều chạy vào chổi a (+) và chạy ra ở chổi b (-)
thì dòng điện trong thanh dẫn dưới cực N luôn hướng từ trước ra sau, và dòng
điện trong thanh dẫn dưới cực S luôn hướng từ sau ra trước vì vậy lực
(mômen) điện từ do chúng sinh ra sẽ có chiều không đổi nên nó làm cho
khung dây quay với một chiều không đổi.
18


CHƯƠNG III: TÌM HIỂU VỀ MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG
TRONG MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/AC

1.

Biến áp nguồn

Hình 3.1. Biến áp nguồn

Máy biến áp là thiết bị điện từ làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ
dùng biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp cao
xuống điện áp thấp hoặc ngược lại nhưng không làm thay đổi tần số của nó.
Cấu tạo gồm hai phần chính:
- Lõi thép: Lõi thép BA dùng để dẫn từ thông chính trong máy, được
chế tạo từ các vật liệu có độ dẫn từ cao thường là lá thép kỹ thuật điện (tôn
silic). Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi thép người ta dùng các lá
thép có chiều dày từ 0,35-0,5mm có phủ cách điện ghép lại với nhau.

- Dây quấn BA thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm)
thường có tiết diện tròn, bên ngoài có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều
vòng quấn quanh trụ từ, giữa các vòng dây, giữa các dây quấn được cách điện
với nhau và cách điện với lõi thép. Dây quấn nối với điện áp nguồn (đầu vào)
được gọi là dây quấn sơ cấp; dây quấn được nối với tải (đầu ra) được gọi là
dây quấn thứ cấp.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện
từ. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp một nguồn điện xoay chiều thì dòng trong
cuộn dây sơ cấp sẽ tạo ra một từ thông trong lõi thep. Từ thông này móc vòng
qua các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp sinh ra các sức điện động
cảm ứng tương ứng. Nếu thứ cấp được nối với tải thì trong mạch tải sẽ có
dòng điện chạy qua.

19


2.

Điện trở

Cấu trúc của điện trở có nhiều dạng khác nhau. Một cách tổng quát ta
có cấu trúc tiêu biểu của một điện trở như mô tả trong hình 3.2

Hình 3.2. Cấu trúc đơn giản của một điện trở

Thông thường người ta phân điện trở thành 2 loại: điện trở có trị số cố
định và điện trở có trị số thay đổi được (biến trở).
Điện trở không đổi làm bằng màng kim loại, bột than và bằng sợi kim
loại:
- Loại làm bằng màng kim loại và bột than có cấu tạo giống nhau gồm

ống gốm, ngoài ống có một lớp màng kim loại hoặc bột than, lớp ngoài là
men hoặc sơn bảo vệ điện trở.
- Loại làm bằng sợi kim loại gồm sợi kim loại (thường làm bằng
constantan hoặc Ni-crôm) quấn trên một lõi gốm, ngoài là lớp men chống bẩn
và ôxy hóa.
Biến trở gồm lớp màng dẫn điện phủ lên bản chất dẻo hình móng ngựa;
con trượt quay quanh trục; các đầu cực.
Ứng dụng của điện trở rất đa dạng: để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp,
dùng để phân cực, phân áp, ...

Hình 3.3. Hình ảnh thực tế của một số loại điện trở

20


3.

Tụ điện

Cấu tạo của tụ điện bao gồm 2 bản cực (kim loại), giữa 2 bản cực là
một lớp điện môi bằng dầu, giấy hóa học, mica …

Hình 3.4. Cấu tạo của tụ điện

Thông thường người ta phân tụ điện làm 2 loại là: tụ điện có trị số điện
dung cố định và tụ điện có trị số điện dung thay đổi được.
Tùy theo chất điện môi mà có các loại tụ khác nhau, các loại tụ thường
dùng là tụ giấy, tụ hóa, tụ xoay.
- Tụ giấy: có kích thước nhỏ, thường dùng để phân đường tín hiệu,
ngăn nối tầng lọc trong các mạch khác nhau. Điện môi của tụ giấy làm bằng

nhiều loại giấy mỏng cách điện, không thấm nước.
- Tụ hóa: lớp điện môi là một lớp ôxit phủ trên kim loại là một bản cực
của tụ điện (cực dương), bản cực thứ 2 (cực âm) làm chất điện phân nối tiếp
giáp với lớp ôxit. Tụ hóa thường dùng trong các mạch nắn điện, dùng để nắn
và ghép các mạch tần số thấp cũng như trong các bộ khuếch đại bằng bán dẫn.
- Tụ xoay (tụ điện có điện dung biến đổi) có điện môi là không khí hay
bằng chất điện môi cứng. Điện dung của tụ điện có thể biến đổi nhờ núm điều
chỉnh.

Hình 3.5. Hình ảnh thực tế của một số loại tụ điện

21


4.

Cuộn dây

Cuộn cảm thường dùng để ghép tầng khuếch đại, dùng trong các mạch
lọc, mạch dao động … Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia ra một số
loại sau:
- Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi: Cuộn dây lõi
không khí có nhiều ứng dụng, thường gặp nhất là các cuộn cộng hưởng làm
việc ở tần số cao và siêu cao.
- Cuộn dây lõi sắt bụi: thường được dùng ở tần số cao và trung tần.
Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt là tổn thất do dòng điện xoáy
ngược, và độ từ thẩm thấp hơn nhiều so với loại lõi sắt.
- Cuộn dây lõi Ferit: Cuộn dây lõi Ferit là các cuộn dây làm việc ở tần
số cao và trung tần. Lõi trong cuộn dây có thể được chế tạo để điều chỉnh đi
vào hoặc đi ra khỏi cuộn dây. Như vậy điện cảm của cuộn dây sẽ thay đổi.

- Cuộn dây lõi sắt từ: Lõi của cuộn dây thường là sắt - silic và sắt silic
hạt định hướng, hoặc sắt- niken tuỳ theo mục đích ứng dụng. Đây là các cuộn
dây làm việc ở tần số thấp. Dây quấn là dây đồng đã được tráng men cách
điện, quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lớp và được tẩm chống ẩm
sau khi quấn.

Hình 3.6. Hình ảnh thực tế của một số loại cuộn cảm

5.

Diode

Điốt thực chất là một tiếp giáp P-N. Điện cực nối với khối P được gọi
là Anốt (ký hiệu là A), điện cực nối với khối N gọi là Katốt (ký hiệu là K),
22


toàn bộ cấu trúc trên được bọc trong một lớp vỏ bằng kim loại hay bằng nhựa.

Hình 3.7. Cấu tạo và ký hiệu điốt

Khi điốt phân cực thuận, tức là cực dương của nguồn một chiều nối với
anốt, cực âm của nguồn nối với catốt thì điôt sẽ thông và dẫn điện qua phụ tải.
Khi điốt phân cực ngược thì điốt sẽ khóa không cho dòng điện chạy qua.
Thực tế, trong trường hợp này vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua điốt gọi là
dòng điện ngược hay dòng điện rò.
Dựa vào tính chất dẫn điện theo một chiều của điốt để tạo nên các mạch
tách dòng, mạch chỉnh lưu, mạch hạn chế...
6.

Tranzitor

Hình 3.8. Cấu tạo và ký hiệu tranzitor

Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn
điện cùng loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo
cách sắp xếp các khối bán dẫn mà ta có Tranzitor thuận PNP (hình a) và
Tranzitor ngược NPN (hình b). Tranzito dẫn điện bằng cả điện tử và lỗ trống
nên còn gọi là tranzito lưỡng cực.
- Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là
nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E.
- Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thước rất mỏng cỡ m và
23


nồng độ tạp chất ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B.
- Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ),
điện cực nối với nó gọi là cực góp C.
Tranzitor thường được dùng trong các mạch điều khiển, mạch dao
động, mạch khuếch đại...
7.

Mosfet
Có hai loại:
- Kênh N (hoặc P) đặt sẵn.
- Kênh P (hoặc N) cảm ứng.

Hình 3.9. Cấu tạo và ký hiệu mosfet

Xét loại kênh dẫn n.

Trên một khối bán dẫn loại P, người ta tạo ra hai vùng bán dẫn loại N
có nồng độ tạp chất cao. Hai vùng này được nối thông với nhau bằng một
kênh dẫn loại N có thể là kênh đặt sẵn hay kênh cảm ứng.
Trên hai khối bán dẫn N lấy ra hai điện cực là cực nguồn S và cực
máng D. Phía đối diện với kênh dẫn sau khi phủ một lớp cách điện SiO2 lấy ra
điện cực thứ ba gọi là cực cửa G.
Nếu trong quá trình chế tạo, cực S đã được nối với phiến đế thì
MOSFET có ba cực: S, D, G. Trường hợp phiến đế chưa được nối với S mà
được dẫn ra ngoài như là cực thứ tư, cực này gọi là cực đế.

24