ĐỀ CƯƠNG MÁY điện CHƯƠNG 4 đại học hàng hải

Tuấ n
Chương 4: Máy điện một chiều.
Câu 1: Nêu các khái niệm về máy điện một chiều. Nêu các thông số đặc trưng của máy điện
một chiều
1. khái niệm :
Định nghĩa: Máy điện một chiều sử dụng nguồn năng lượng điện một chiều, nguyên lý
làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện
một chiều thành cơ năng và ngược lại.
2. Ứng dụng, ưu nhược điểm của máy điện một chiều.
- Sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp , dùng để cấp nguồn điện một chiều cho
động cơ điện một chiều, cho mạch kích từ, cho một số lĩnh vực công nghiệp như: điện
phân, mạ điện, luyện kim…
- Ưu điểm cho phép điều chỉnh tốc độ tốt, được dùng trong các hệ truyền động điện có
yêu cầu ổn định tốc độ cao như cán thép, giao thông, hầm mỏ…,
- Nhược điểm do cấu trúc có chổi than và cổ góp cho nên kích thước, trọng lượng của
máy lớn, tốn nhiều kim loại mầu hơn. Mặt khác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa máy
cũng phức tạp hơn.
3. Các thông số đặc trưng
- Công suất định mức: Pđm là công suất phát ra của máy phát hoặc đưa ra trên trục động cơ;
- Điện áp định mức: Uđm là điện áp định mức của mạch điện phần ứng hoặc kích từ;
- Dòng điện định mức: Iđm là dòng điện định mức của mạch điện phần ứng hoặc kích từ;
- Hiệu suất định mức: ηđm là hiệu suất mà máy đạt được khi công tác ở các giá trị định mức;
- Tốc độ định mức nđm ; Cấp cách điện F; Cấp bảo vệ IP 23(....);....
- Nước sản xuất, năm sản xuất, kích thước, trọng lượng
Câu 2: Trình bày cấu tạo của máy điện một chiều.
1.
1.
2.
3.
4.
5.

6.
7.
8.
9.

Sơ đồ
Vỏ máy
Lõi thép cực từ chính
Lõi thép cực từ phụ
Cuộn dây kích từ nối tiếp
Cuộn dây kích từ song song(độc lập)
Cuộn dây cực từ phụ
Lõi thép phần ứng(roto)
Dây quấn cuộn dây phần ứng
Trục máy

1


Tuấ n
2. Phân tích phần tĩnh (vỏ, các loại cực từ, các loại dây quấn, các bộ phận còn lại khác).
Phần tĩnh luôn là phần cảm và là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường
kích từ trong máy.
Vỏ máy (1): Là mạch từ, dùng để dẫn từ và gá lắp các cực từ, ngoài ra vỏ máy còn làm
nhiệm vụ bảo vệ máy. Vỏ được làm bằng thép đúc.
- Cực từ chính (2) thực tế gồm 2 phần : thân cực,và mặt cực: Thân cực làm bằng thép đúc,
mặt cực làm bằng thép lá KTĐ. Cực từ chính là nơi quấn dây kích từ và để tạo ra từ trường
phần cảm gọi là từ trường kích từ. Trên cực từ chính người ta quấn dây kích từ Wkt.
- Cực từ phụ (3): Làm bằng thép đúc, mặt cực có khe khí với rôto rộng hơn so với cực từ
chính. Trên cực từ phụ, được quấn dây kích từ phụ Wp để tạo ra từ trường phụ.

- Dây quấn: Là mạch điện, dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọc cách điện,
hoặc dây êmay. Dây quấn gồm các loại sau:
 Dây quấn kích từ nối tiếp (4): Wnt có nội trở rất bé ,vì số vòng dây ít và tiết diện
lớn, Wnt đấu nối tiếp với phần ứng qua chổi than và cổ góp điện
 Dây quấn kích từ song song (độc lập) (5): Wss: có nội trở lớn, vì số vòng dây lớn
và tiết diện dây nhỏ, Wss đấu song song hay độc lập với phần ứng (rôto).
- Ngoài ra, trên phần tĩnh còn có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto.Hai đầu trục có hai vòng
bi, trên thân máy có trụ đấu dây, đế máy, giá chổi than, chổi than, biển máy, móc vận
chuyển.
3. Phân tích phần quay (Trục máy, lõi thép, dây quấn, các bộ phận còn lại khác).
-

Phần quay luôn là phần ứng và là phần cảm ứng ra các sức điện động xoay chiều; bao gồm:
Lõi thép (7) là mạch từ của rôto, được cấu tạo từ các lá thép KTĐ có độ dày (0,350,5) mm
ghép cách điện lại với nhau tạo thành hình trụ tròn rỗng, mặt ngoài của rôto được xẻ rãnh
đều đặn để đặt dây.
- Dây quấn (8) là mạch điện rôto, dây quấn là dây đồng bọc cách điện hay dây êmay. Kiểu
quấn là rải đều trên chu vi mặt ngoài của rôto (cấu tạo dây quấn sinh viên tự tìm và nghiên
cứu).
- Trục rôto (9) được làm bằng thép hợp kim có độ bền cơ khí rất cao. Trục dùng để đỡ rôto
và quay tự do bởi hai đầu có hai vòng bi.
- Ngoài ra phần quay còn có cổ góp, cánh quạt làm mát.
4. Phân tích Cổ góp và chổi than: Cổ góp và chổi than là bộ phận để biến đổi dòng điện rô
to có thể coi như bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí.
- Cổ góp: còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng
đồng được cách điện với nhau.
- Chổi than: là thiết bị đưa dòng điện vào hoặc ra khỏi rôto, nó có cấu tạo bằng than
granit vừa có độ bền cơ, vừa chống mài mòn vừa có độ dẫn điện cao.
-

2


Tuấ n
Câu 3: Phân loại máy điện một chiều theo phương pháp kích từ.
1. Máy điện một chiều kích từ độc lập.

- Điện áp phần ứng U sinh ra dòng điện Iư;

_

+

- Điện áp kích từ Ukt (độc lập với phần ứng) tạo ra dòng
điện Ikt; dòng điện Ikt tạo ra sức từ động Fkt, sức từ động
U
Fkt tạo ra từ trường Φkt. Nếu Ukt = const, thì Ikt = kt =
Rkt
const, do đó Φkt = const.

U

IIkt

+

W®l
Ukt

2. Máy điện một chiều kích từ song song.

- Cuộn kích từ song song Wss được mắc song
song với phần ứng và được cấp cùng điện áp
với phần ứng là U

U

+

- Dòng điện kích từ phụ thuộc váo điện áp đặt
U
vào phần ứng: Ikt =
R kt

_

I-

Wss

Ikt

3. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp.
- Cuộn kích từ nối tiếp Wnt được mắc nối tiếp với
phần ứng(rôto) thông qua chổi than và cổ góp.
- Trong máy có một dòng điện: Iư = Ikt = Itải.
- Khi không tải Itải = 0 thì Ikt = 0; nên Φkt = Φdư.

_

+

U
IIT

Wnt
Ikt

4. Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp.
- Có hai cuộn kích từ là cuộn kích từ song song Wss và cuộn
kích từ nối tiếp Wnt;

U
+

_
c

1

- Hai cuộn kích từ có thể đấu thuận hay đấu ngược để từ
trường tổng bằng tổng hoặc hiệu của từ trường do cuộn Wss và
 

W nt sinh ra, tức là:   ss   nt .

nt

Wnt
c
2

F1
ss

Wss

F2

3


Tuấ n

Câu 4: Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều.
-

Sơ đồ


B
N

A+

BS

-

Nguyên lý làm việc:
 Khi đặt điện áp một chiều Ukt vào cuộn dây kích từ đặt trên stato của máy phát điện
một chiều, thì Ukt sinh ra dòng kích từ Ikt, dòng Ikt sinh sức từ động kích từ Fkt và sẽ

sinh ra trong phần cảm từ trường Φkt. Đồng thời quay phần ứng(rôto) bằng một động
cơ cấp bên ngoài đạt đến một vòng quay định mức nào đó. Lúc đó từ trường Φkt sẽ
quét lên các thanh dẫn (dây quấn) rôto, theo định luật cảm ứng điện từ, trên dây quấn
rôto xuất hiện sức điện động E2 xoay chiều (có chiều xác định bằng quy tắc bàn tay
phải). Thông qua chổi than và cổ góp, sức điện động xoay chiều E2 này sẽ được biến
đổi thành điện áp một chiều ở mạch ngoài.
 Nếu dây quấn phần ứng gồm một khung dây(mô bin) quay hết một vòng thì chiều
dòng điện chạy trong khung dây biến thiên một lần, nhưng ở mạch ngoài lại luôn luôn
có có cực âm ở chổi B và cực dương ở chổi A. Hay nói cách khác mặc dù sức điện
động trong phần ứng là xoay chiều nhưng điện áp mạch ngoài là một chiều và mô tả
dạng quan hệ sức điện động trong dây quấn phần ứng và điện áp mạch ngoài theo
thời gian như hình sau:

4


Tuấ n
e

+Em
1800
2700

t

3800

0

-Em

U

+Em
1800

t

0

U

U

t

0

-

 Để máy phát phát ra điện áp U một chiều(=) có dạng bằng phẳng hơn thì phần ứng
gồm nhiều khung dây nối tiếp nhau và tạo thnahf các nhánh song song mà trong đó
các mô bin mắc nối tiếp nhau.
Kết luận: Chổi than và cổ góp trong chế độ máy phát là bộ phận chỉnh lưu cơ khí, có
nhiệm vụ biến đổi sức điện động xoay chiều trong dây phần ứng(rôto) thành điện áp một
chiều ở mạch ngoài.

Câu 5: Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
-

Sơ đồ.

N

F

I

A+
F

BS

-

Nguyên lý làm việc
 Khi đặt điện áp một chiều vào cuộn dây kích từ của phần cảm (stato) thì trong phần cảm

xuất hiện từ trường kt . Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng (rôto) thì trong
dây quấn phần ứng xuất hiện dòng điện Iư. Do đó thanh dẫn (dây quấn) phần ứng có

5


Tuấ n
dòng điện đi qua lại nằm trong từ trường nên nó chịu một lực điện từ tác động F = BLI,
chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái; lực F sẽ tạo ra mômen quay và
làm quay rô to như hình trên.
 Trên hình vẽ xét cho một khung dây và dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của
lực F và từ đó suy ra chiều của mô men quay M và tốc độ n(), nhưng nhờ có chổi than và
cổ góp mà chiều lực tác dụng không đổi chiều.

Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng điện chạy trong phần ứng là xoay chiều, do
đó tại mọi thời điểm, chiều của lực và chiều của mômen là không đổi. Chổi than và cổ góp đóng vai
trò là bộ nghịch lưu cơ khí.

-

Câu 6: Thiết lập các đặc tính cơ bản của máy phát điện một chiều kích từ độc lập.
1. Đặc tính không tải.
- Khái niệm:E0 = f(Ikt); khi n = const; I = 0
- Phân tích:
Mạch kích từ được nối tiếp với R để thay đổi Ikt. Nếu

mạch từ chưa bão hoà thì kt = CIkt. Do đó: E = ke 
n = A.kt hay E = B.Ikt
 Dạng đặc tính không tải là đường cong từ hoá lõi
thép thường lấy theo đường trung bình. Nếu không
bỏ qua từ trường dư d thì do d = (23)% đm nên
sức điện động dư Ed = (23) % Uđm (Ikto là giá trị Ikt
mà khi không tải E0 = Uđm).
- Đường đặc tính:

Eo
U®m
Ed
Ikto

Ikt

Chú ý: Khi tốc độ thay đổi(n = var), thì E = ke..n = B.Ikt.n
cũng bị thay đổi, nếu n giảm thì đặc tính không tải nhanh bị

bão hoà.

Đặc tính tải.
Khái niệm: U=f(Ikt), khi n=const; I=const
Phân tích:
Ta có U=E= A.với A là 1 hệ số không
đổi
 Khi không tải ta có đặc tính U= E0= f(Ikt)
 Khi có tải, do có phản ứng phần ứng nên từ trường 
giảm nên E< E0 nên E= f(Ikt)< E0= f(Ikt). Mặt khác do
có điện áp rơi trên
nên điện áp đầu ra U=f(Ikt)< E=
f(Ikt)
- Đường đặc tính:
2.


6


Tuấ n

3. Đặc tính ngắn mạch
- Khái niệm:
= f( ), khi n=const; U=0
- Phân tích:
 Ở đây ta chỉ xét ngắn mạch thí nghiệm là khi
=0
Sao cho
=

, vì dòng nhỏ,
nên mạch chưa bão hòa từ, nên đặc tính có dạng
đường thẳng.
 Khi ngắn mạch U=E=0  E=



=

 Dạng đặc tính là
-

=A.

với A là 1 hệ số

không đổi
Đường đặc tính:

7


Tuấ n
4. Đặc tính ngoài.
- Khái niệm: U = f(I); khi n= const; Ikt = const
- Phân tích:
 Xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp:
U = E - Rư I hay U = ke  n - Rư I

Khi tải nhỏ I < Iđm thì phản ứng phần ứng là

không đáng kể, nên  = const. Do đó phương
trình: U = ke n  - Rư I là có dạng đường thẳng
là y = a - bx.

Khi tải lớn, I > Iđm do tác dụng của phản ứng
phần ứng nên từ trường  giảm, do đó quan hệ
U= f(I) là dạng phi tuyến. Khi U = 0  I = Ing
E
=
rất lớn, do đó máy phát kích từ độc lập
Rphải có thiết bị bảo vệ ngắn mạch.

Độ thay đổi điện áp định mức:

U dm 
-

U 0  U dm
U  U dm
; U dm%  0
.100  (6  15)%
U0
U0

Đường đặc tính :

5. Đặc tính điều chỉnh.
- Khái niệm: Ikt = f(I); khi n =const; U = const.
- Phân tích:
+ Từ phương trình cân bằng điện áp: U = E - RưI

Ta có: E = U + RưI = ken  = ke .n.C.Ikt
 Ikt =

R
U
 u .I
k e nC k e nC
- Đườn đặc tính:

8


Tuấ n

Câu 7: Phân tích quá trình thành lập điện áp của máy phát một chiều kích từ song song. Nêu
các điều kiện tự kích của máy phát.
1. Sơ đồ:

.

2. Phân tích quá trình điện từ trong khi tự kích.
- Khi quay rôto với tốc độ n = nđm. Do trong phần cảm tồn tại từ thông
dư (d = (2  3)%.đm ) nên trên 2 đầu cực của máy phát xuất hiện suất
điện động dư Ed = (2  3)%.Eđm và sđđ dư Ed sinh ra dòng Ikt và tạo ra
s.t.đ Fkt = IktWkt ; Fkt sẽ tạo ra kt nếu kt cùng chiều với d điều đó
làm tăng E và U. Quá trình cứ diễn ra như vậy cho đến khi E0 = Uđm
thì kết thúc quá trình tự kích.
di
- Giả sử n = const  Thì ikt Rkt + ikt Rư + Lkt kt  E ;
dt

dikt
E
Coi Lkt = const và Rư = 0ikt Rkt+ Lkt
dt
di
hay Lkt kt  E - iktRkt
dt
di
Nếu kt > 0 thì ikt tăng lên quá trình cứ như vậy cho đến khi ikt =Ikt0
dt
di
 kt  0 kết thúc quá trình tự kích.
dt

9


Tuấ n
3.

Đặc tính của quá trình tự kích.

Quá trình tự kích và sự phụ thuộc vào điện trở
mạch kích từ Rmkt

-

Quá trình tự kích phụ thuộc vào điện trở mạch
kích từ Rmkt

4. Các điều kiện tự kích.
Phần cảm của máy phải tồn tại từ dư: d = (23)%.đm
Chiều của d phải cùng chiều với kt
Điện trở mạch kích từ: Rkt < Rtới hạn
Máy phát được động cơ sơ cấp quay đến tốc độ định mức.

10


Tuấ n

Câu 8: Phân tích đặc tính ngoài của máy phát một chiều kích từ hỗn hợp khi công tác với
cuộn kích từ song song và cuộn kích từ nối tiếp được đấu thuận và đấu ngược.
1. Sơ đồ

2. Phân tích từ trường tổng khi cuộn kích từ song song và cuộn kích từ nối tiếp được đấu
thuận và đấu ngược.
- Khi cuộn kích từ song song và cuộn kích từ nối tiếp được đấu thuận thì từ thông trong máy là:
kt = ktss + kt nt ;
Với: ktss = const; ktnt = K. Iư
E = ke kt n = A.kt ; U = ke kt n - Rư Iư
Khi dòng điện tải tăng (Iư) thì từ thông kích từ tổng tăng(kt ) làm cho sđđ phần ứng tăng và sụt
áp trên điện trở phần ứng cũng tăng nhưng tổng hợp lại điện áp máy phát có thể xảy ra ba
trường hợp sau:
+ Nếu bù thừa thì điện áp máy phát tăng.
+ Nếu bù đủ thì điện áp máy phát ổn định.

11

Tuấ n

+ Nếu bù thiếu thì điện áp máy phát giảm.
- Khi cuộn kích từ song song và cuộn kích từ nối tiếp được đấu ngược thì từ thông trong máy là:
kt = ktss - kt nt ;
Với: ktss = const; ktnt = K. Iư
E = ke kt n = A.kt ; U = ke kt n - Rư Iư
Khi dòng điện tải tăng (Iư) thì từ thông kích từ tổng giảm(kt ) làm cho sđđ phần ứng
giảm và sụt áp trên điện trở phần ứng cũng tăng và tổng hợp lại điện áp máy phát có thể
giảm rất nhanh ngay cả khi: Iư = Iđm thì điện áp máy phát bằng không.
3. Đường đặc tính

12


Tuấ n
Câu 9: Thiết lập phương trình và vẽ đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ song song
(độc lập).
Sơ đồ .

Sơ đồ nguyên lý động cơ
kích từ độc lập

Sơ đồ nguyên lý động cơ
kích từ song song

Phân tích.
Ta có PT cân bằng điện áp: U=E +
PT cân bằng momen: M=
Từ 1 



Từ 2  I =

..I=

. .n +

.I

(1)

+

(2)

(*)



(



.I =

(**)

Thay (**) vào (*) 





=



Trong đó:
: tốc độ không tải lý tưởng)



=

=-



: độ cứng của đặc tính của đặc tính cơ

Phương trình trên được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập

13


Tuấ n

Đường đặc tính :

𝑛

𝑛𝑑𝑚

𝑀𝑑𝑚

𝑀𝑛𝑔

Câu 10: Thiết lập phương trình và vẽ đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

14


Tuấ n
1. Sơ đồ .

2. Phân tích.
Ta có PT cân bằng điện áp: U=E +
PT cân bằng momen: M=
Từ 1 



Từ 2  I =



.I =
..I=

. .n +

(

(**)

(C là hệ số) thay vào (*) và (1)

= C.I

(***)

M=
√

(2)

( *)



Ta được

√

(1)

+

Nếu mạch từ chưa bão hòa từ thì  = C.

 I=

.I

..I =

.C.I2

thay vào (***) ta được:

√
√

=

√

(A,B là hệ số)

15


Tuấ n

Phương trình trên được gọi là PT đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp
3. Đường đặc tính:

16