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

Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường Khi thanh dẫn chuyển động vuông góc với các đường sức từ trường đó là trường hợp thường gặp trong máy phát điện trong thanh dẫn cảm ứng

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.1 Hoàn cảnh thực tế 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Các giả thiết đề tài 1

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC TIỆN ĐỀ TÀI 1

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 1

PHẦN NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỆN 3

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Phân loại 3

1.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 5

1.2.1 Định luật cảm ứng điện từ 5

1.2.2 Định luật lực điện từ 6

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN 7

1.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện 7

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 8

1.4 ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ 9

1.5 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 10

1.5.1 Vật liệu dẫn điện 11

1.5.2 Vật liệu dẫn từ 11

1.5.3 Vật liệu cách điện 11

1.5.4 Vật liệu kết cấu 12

1.6 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 12

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN 13

CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 14

2.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 14

2.1.1 Stator (phần cảm) 15

2.1.2 Rotor (phần ứng) 15

2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC 20

2.3 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP

KÍCH TỪ 20

2.3.1 Máy điện một chiều kích từ riêng 20

2.3.2 Máy điện một chiều kích từ nối tiếp 21

2.3.3 Máy điện một chiều kích từ song song 21

2.3.4 Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp 21

2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 22

2.4.1 Suất điện động trong một vòng dây quay trong từ trường 22

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều 23

2.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 26

2.6 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NHIỀU CỰC 27

2.7 TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 27

2.8 SUẤT ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG 30

2.9 MOMEN ĐIỆN TỪ VÀ SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 32

2.9.1 Momen điện từ 32

2.9.2 Sự biến đổi năng lượng trong máy điện một chiều 34

2.10 HIỆN TƯỢNG ĐỔI CHIỀU 34

2.10.1 Nguyên nhân cơ học 34

2.10.2 Nguyên nhân điện từ 35

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 39

3.1 PHÂN LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 39

3.1.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 39

3.1.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song 40

3.1.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 40

3.1.4 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 40

3.2 CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 41

3.2.1 Đặc tuyến không tải 41

3.2.2 Đặc tuyến ngoài 41

3.2.3 Đặc tuyến điều chỉnh 41

3.3 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG [6] 41

3.3.1 Đặc tuyến không tải 42

3.3.2 Đặc tuyến ngoài 43

3.3.3 Đặc tuyến điều chỉnh 44

CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 46

4.1 THÍ NGHIỆM VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG (PHÒNG THÍ NGHIỆM CƠ NHIỆT - BỘ MÔN VẬT LÝ) 46

4.1.1 Mục đích thí nghiệm 46

4.1.2 Mô tả dụng cụ thí nghiệm 46

4.2 THÍ NGHIỆM VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG (PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN - BỘ MÔN KỸ THUẬT

ĐIỆN) 52

4.2.1 Mục đích thí nghiệm 52

4.2.2 Mô tả dụng cụ thí nghiệm 52

4.2.3 Tiến hành thí nghiệm 52

4.3 NHẬN XÉT CHUNG 56

4.3.1 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hai máy phát điện một chiều kích từ song song 56

4.3.2 So sánh lý thuyết và thực nghiệm 57

PHẦN KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

và trạm biến áp nguồn điện một chiều đóng vai trò rất quan trọng Nó đảm bảo cung cấp dòng điện một chiều cho các phụ tải quan trọng và yêu cầu có độ tin cậy về điện rất cao như: Kích từ máy phát điện các động cơ một chiều, bảo về rơle tự động, điều khiển từ xa, đảm bảo cho các phụ tải hoạt động bình thường Nếu dựa vào phương pháp cấp điện một chiều cho các trạm và nhà máy thì ta phải kể đến các nguồn điện: máy phát điện một chiều, máy chỉnh lưu, ắc quy Chính vì những ứng dụng quan trọng mà năng lượng điện một chiều vẫn đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống và kỹ thuật Đây cũng chính là

lí do tôi chọn đề tài: “Khảo sát đặc tuyến máy phát điện một chiều kích từ song

song”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với mong muốn trình bày những kiến thức cơ bản về cấu tạo nguyên lý hoạt động, các đặc tuyến và các ứng dụng của máy điện một chiều kích từ song song

1.3 Các giả thiết đề tài

Nội dung của đề tài là tìm hiểu máy phát điện một chiều kích từ song song, nhưng tìm hiểu điều đó trước tiên phải nghiên cứu tổng quan về máy điện và máy điện một chiều

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC TIỆN ĐỀ TÀI

 Thu thập tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, nhà sách

 Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn

 Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, sát với nội dung đề tài

 Máy phát điện một chiều kích từ song song (phòng thí nghiệm cơ nhiệt - bộ môn vật lý) và máy phát điện một chiều kích từ song song (phòng thí nghiệm kỹ thuật điện - bộ môn kỹ thuật điện)

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

 Nhận đề tài

 Tiến hành nghiên cứu chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài

 Lập đề cương cụ thể

 Trao đổi nội dung với giáo viên hướng dẫn

 Tập hợp ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tài liệu tham khảo, viết đề tài, đánh máy, nộp bản thảo, chỉnh sửa

 Nộp đề tài cho giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến, chỉnh sửa

 Viết báo cáo, tóm tắt đề tài, tập báo cáo thử

 Nộp đề tài cho hội đồng bảo vệ

 Bảo vệ đề tài

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỆN

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN

1.1.1 Định nghĩa

Máy điện là thiết bị điện từ, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và tương tác giữa từ trường và dòng điện, dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại, biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) Ngoài ra còn dùng để biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha…[1]

1.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại máy điện (theo công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện, nguyên lý làm việc…) Nhưng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng thì máy điện được chia thành các loại sau:

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi của máy điện cũng có tính chất thuận nghịch Ví dụ, máy biến áp biến đổi hệ thống điện có thông số U1 I1, f thành

hệ thống điện có thông số U2, I2, f, hoặc ngược lại.[1]

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp và ký

hiệu của nó trên sơ đồ điện [1]

U2, I2, f

B A

U1, I1, f

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

bộ

Máy phát không đồng

bộ

Động

cơ đồng

bộ

Động

cơ một chiều

Máy phát một chiều

Máy phát đồng

bộ

Máy điện

Máy điện tĩnh Máy điện có phần quay

Máy điện xoay chiều

Máy điện không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

Máy điện một chiều chiềuchiều

1.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

Nguyên lý làm việc của hầu hết các máy điện đều dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật dòng điện toàn phần

1.2.1 Định luật cảm ứng điện từ

a Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây

Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động e(t) Suất điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1.4)

Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây được viết theo công thức Măcxoen như sau:

b Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Khi thanh dẫn chuyển động vuông góc với các đường sức từ trường (đó là trường hợp thường gặp trong máy phát điện) trong thanh dẫn cảm ứng suất điện động e, có trị số là:

e = Blv

Trong đó: B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)

l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)

Hình 1.4: Chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui

tắc vặn nút chai [8]

(1.1)

(1.3) (1.2)

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

Trong đó: B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)

l: chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn đo bằng mét (m)

i: dòng điện chạy trong thanh dẫn đo bằng Ampe (A)

Fđt: lực điện từ đo bằng Newton (N) [8]

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

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

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

(1.4)

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN

Máy điện có tính thuận nghịch, tức là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện

1.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện

Dùng một động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ, thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm N - S (hình 1.7), trong thanh dẫn

sẽ cảm ứng suất điện động cảm ứng e Nếu hai đầu thanh dẫn được nói với tải (R), sẽ có dòng điện i chạy qua thanh dẫn và tải Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn và dây nối, điện

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Nếu đặt một điện áp U từ nguồn điện bên ngoài vào một thanh dẫn trong từ trường của nam châm N - S (hình 1.8)

Trong thanh dẫn sẽ có dòng điện i chạy qua theo định luật điện từ, thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực điện từ:

F đt = Bli

Và chuyển động với vận tốc v có chiều như hình vẽ:

Công suất điện đưa vào động cơ là:

P đ = ui = ei = Bliv = F đt v

Nghĩa là, công suất điện Pđ = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ

Pcơ = Fđtv trên trục động cơ, tức điện năng đã biến thành cơ năng trong động cơ điện [3]

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong thanh dẫn [3]

(1.8)

1.4 ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ

Trong các máy điện, lõi thép là mạch từ của máy Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn

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

Nếu là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, … ik, …, in tạo ra và nếu

L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

Với là độ dời vi phân trên (L) Dấu của ik xác định theo quy tắc vặn nút chai: quay cái vặn nút chai theo chiều , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm

Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây như hình 1.9.2 ta có như sau:

Hình1.9.2 Mạch

từ đồng nhất có một cuộn dây [8]

(1.9)

(1.10)

µr= µ/ µo: độ từ thẩm tương đối của mạch từ

l(m): chiều dài trung bình của mạch từ

N: số vòng dây của cuộn dây

i (A): gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ

F= Ni (A): gọi là suất từ động (stđ)

H.l: gọi là từ áp rơi trong mạch từ

(A/Wb) từ trở của mạch từ

S (m2): tiết diện ngang của mạch từ

Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dài l1 và

l2 tiết diện S1 và S2, hình 1.9.3, ta có:

H1. l1 – H2 l2=N1i1 – N2.i2 (1.11) Trong đó:

H1, H2 (A/m): cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2

l1, l2 (m): chiều dài trung bình của đoạn mạch 1, 2

N1.i1 , N2 i2 (A): suất từ động của cuộn dây 1, 2

Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ được viết:

từ, k: chỉ số tên cuộn dây có dòng điện [8]

1.5 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu kết cấu, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện

và từ Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau

1.5.1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và

có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng photpho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật có bọc cách điện, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu [8]

Ở các phần dẫn từ có từ thông thay đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá thép [8]

 Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn gồm 4 nhóm:

 Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa

 Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh

Cấp E: Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ

có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

Cấp B: Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

Cấp H: Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống như B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

Cấp C: Nhiệt độ cho phép là >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp) Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nữa [8]

Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt

từ (do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không chỉ phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy điện mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc của chất làm mát như dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện được chế tạo có các rãnh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát, phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy, không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài và hiệu quả khoảng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá

độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép quá tải lâu dài được

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

Nghiên cứu các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện

Dựa vào các định luật vật lý, viết hệ phương trình toán học diễn tả sự làm việc của máy điện Đó là mô hình toán của máy điện

Từ mô hình toán, thiết lập mô hình mạch, đó là mạch điện (sơ cấp) thay thế của máy điện

Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác, sử dụng theo yêu cầu cụ thể [8]

CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại và đóng vai trò rất quan trọng đặc biệt là động cơ điện một chiều Động

cơ điện một chiều thường được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi rộng

Trong các thiết bị tự động, chúng ta thấy máy khuếch đại, các động cơ chấp hành đều là máy điện một chiều Ngoài ra, trong đời sống các máy điện một chiều còn thấy trong các thiết bị điện ôtô, tàu thủy, máy bay Các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao Máy phát điện một chiều còn dùng làm máy kích từ cho máy phát điện đồng bộ công suất lớn

Thiếu sót chủ yếu của máy điện một chiều đó chính là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ nổ Khi sử dụng động cơ điện một chiều, cần có nguồn điện một chiều kèm theo (máy phát điện một chiều hay bộ chỉnh lưu)

2.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Máy điện một chiều có cấu tạo gần giống với máy điện xoay chiều rotor dây quấn, bao gồm: stato, rotor, cổ góp và chổi than

Hình 2.1: Các thành phần của máy điện một chiều [9, 7]

2.1.1 Stator (phần cảm)

Stator là phần tĩnh của máy bao gồm:

 Vỏ máy: Thường làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa là vỏ máy, mặt trong có gắn các cực từ chính và cực từ phụ

 Cực từ chính: Là nguồn sinh ra từ thông, dòng kích từ chạy qua cuộn dây từ hóa quấn quanh cực từ chính Đầu cực từ có độ cong thích hợp để từ trường phân bố hình sin

 Cực từ phụ: Đặt xen kẽ giữa các cực từ chính Dây quấn cực từ phụ được mắc nối tiếp dây quấn rotor, giúp cho máy điện làm việc giảm tia lửa điện xảy ra giữa chổi điện

a Lõi thép

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

b Dây quấn

Dây quấn rotor gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có cách điện với nhau và với lõi thép Dây quấn rotor được đặt trong các rãnh của lõi thép, các dây quấn này nối tiếp nhau rãi đều trên chu vi phần ứng và được nối với các phiến góp của vành đổi chiều hay còn gọi là phiến góp đổi chiều của cổ góp

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, mỗi phần tử có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên Vì trong mỗi rãnh có hai lớp nên nếu cạnh tác dụng này của phần tử đặt

ở lớp trên của một rãnh, thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới của một rãnh khác Dây quấn phần ứng tạo thành các mạch nhánh gồm nhiều cạnh tác dụng của các phần tử ghép lại [3]

Hình 2.4: Cấu tạo của rotor [10]

Hình 2.5: Lá thép phần ứng [7]

Dây quấn phần ứng có nhiều kiểu:

 Dây quấn xếp (có xếp đơn và xếp phức tạp)

 Dây quấn sóng (có sóng đơn và sóng phức)

 Dây quấn hỗn hợp (kết hợp giữa dây quấn xếp đơn giản và sóng phức tạp) [3]

Hình 2.6: Sơ đồ biểu diễn bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp

mỗi phần tử có vòng [7]

HÌnh 2.7: Sơ đồ biểu diễn các phần tử được nối thành vòng kín

tạo thành mạch nhánh song song [7]

c Cổ góp và chổi than

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

Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn cách nối hai phần tử dây quấn xếp [7]

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

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

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

d Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có:

Cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

Trục quay làm bằng thép cacbon tốt Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành góp, cánh quạt

Hình 2.11: Hình ảnh mặt cắt cổ góp [7] Hình 2.12: Sơ đồ phiến góp [7]

Hình 2.13: Chổi than [7]

2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC

Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó được đặc trưng bởi những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:

Công suất định mức Pđm (W hay kW)

2.3 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KÍCH TỪ

2.3.1 Máy điện một chiều kích từ riêng

Dây quấn phần cảm nối với một nguồn điện riêng Do đó,từ trường chính của máy không phụ thuộc phụ tải, trong mạch phần cảm có biến trở để điều chỉnh dòng điện kích

từ [6]

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

2.3.2 Máy điện một chiều kích từ nối tiếp

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

2.3.3 Máy điện một chiều kích từ song song

Mạch phần cảm nối song song với mạch phần ứng Dòng điện kích từ 1 - 5% dòng điện định mức của phần ứng Điện trở dây quấn phần cảm tương đối lớn [6] Điện áp U hầu như không đổi nên từ trường chính xem như không đổi và không phụ thuộc vào phụ tải.[6]

2.3.4 Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp

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

Hình 2.15: Sơ đồ cấu tạo máy điện một chiều kích từ nối tiếp [6]

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

2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.4.1 Suất điện động trong một vòng dây quay trong từ trường

Khi vòng dây quay đều trong từ trường đều, ta có giá trị của từ thông:

Trong đó:

: là vectơ cảm ứng của từ trường đều

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

Hình 2.18: Sơ đồ biểu diễn một vòng dây quay trong từ trường [6]

Hình 2.19: Sơ đồ biểu diễn suất điện động của một vòng dây

quay trong từ trường [6]

(2.1)

Suất điện động cảm ứng trong vòng dây:

Vậy: Suất điện động cảm ứng trong vòng dây quay đều với vận tốc trong từ trường đều là một suất điện động hình sin (hình 2.19) Nếu nối mỗi cạnh vòng dây với một vành trượt gắn trên trục máy quay với vòng dây rồi nhờ hai chổi than thu điện nối với mạch ngoài ta có dòng điện xoay chiều trong mạch [6]

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều

Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều dựa vào sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong khung dây quay đều trong từ trường, khi đó suất điện động suất hiện trong khung dây là hình sin

Bây giờ ta nối mỗi cạnh vòng dây với một phiến đồng gắn trên trục vòng dây và quay theo vòng dây Hai phiến 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

khi vòng dây ở vị trí như hình vẽ:

Suất điện động có chiều từ b a và từ d c (quy tắc bàn tay phải), nối mạch ngoài với hai chổi than thu điện, suất điện động tạo nên dòng điện chạy ra ở phiến e qua

tụ tải và đi vào phiến f

Khi quay vòng dây 900 ở vị trí mặt phẳng trung tính, Φ cực đại, suất điện động bằng

0, dẫn đến i = 0 chổi than thu điện tiếp xúc cả hai phiến [6]

Hình 2.20: Sơ đồ biểu diễn khung dây quay quanh trục của nó trong từ trường [6]

(2.2)

Vòng dây quay tiếp 900 đến vị trí như hình vẽ:

Suất điện động có chiều từ a b và từ c d, chổi trên tiếp xác với phiến f và chổi dưới tiếp xúc với phiến 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

Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp 2 đầu cực như hình vẽ:

Để cho điện áp lớn hơn, ít nhấp nháy hơn và dòng điện ở mạch ngoài là không đổi, trong phần ứng của máy phải 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 α Suất điện động trong các phần tử lệch nhau góc α

Hình 2.21: Sơ đồ biểu diễn khung dây quay quanh trục của nó

trong từ trường khi vòng dây quay 1800 [6]

e

t

C Hình 2.22: Sơ đồ biểu diễn điện áp máy phát điện một chiều,

dây quấn phần ứng chỉ có một vòng dây [11]

Suất điện động trên hai cực của máy về trị số sẽ bằng tổng các suất điện động của các

bộ vòng dây trong mỗi nhánh của dây quấn phần ứng Do số bộ vòng dây trong mỗi nhánh khá nhiều nên suất điện động trên hai cực của máy là tổng các suất điện động trong mỗi nhánh và hầu như không đổi

Trong máy phát điện dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với suất điện động phần ứng

Eư Điện áp trên hai cực của máy phát U là:

U = E ư - I ư R ư

Trong đó: Iư: dòngđiện trong dây quấn phần ứng

Rư: điện trở dây quấn phần ứng

2.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than thu điện A và B sẽ có dòng điện I đi vào

từ phiến góp đổi chiều A qua thanh dẫn ab và cd và đi ra phiến góp đổi chiều B Các thanh dẫn ab và cd có dòng điện I chạy qua, lại nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ Fđt làm cho rotor quay Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái như hình vẽ:

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau

Lúc này thanh dẫn cd tiếp xúc với phiến góp đổi chiều A, dòng điện I chạy trong cd đổi chiều, cũng vậy thanh dẫn ab tiếp xúc với phiến góp đổi chiều B dòng điện I chạy qua

nó cũng đổi chiều Như vậy, khi thanh dẫn chuyển từ vùng cực này sang vùng cực khác tên nhờ có phiến góp đổi chiều mà dòng điện chạy trong các thanh dẫn cũng đổi chiều, do vậy giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi làm cho rotor của động cơ có chiều quay không đổi

Hình 2.25: Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ [2]

Hình 2.26: Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ khi phần ứng quay nửa vòng [2]

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt các đường sức của từ trường của phần cảm ở stator làm xuất hiện suất điện động cảm ứng Eư Chiều của suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Theo hình vẽ ta thấy rằng suất điện động Eư có chiều ngược với chiều của dòng điện I (hay dòng điện ứng Iư) và chiều của điện áp U, nên Eư được gọi là suất phản điện Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều là: [2]

U = E ư + I ư R ư

2.6 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NHIỀU CỰC

Một máy điện không đổi có 2p cực từ sẽ có công suất Eư.Iư lớn gấp p lần đối với một máy

có 2 cực Vì vậy, những máy có điện áp thấp (220) có công suất lớn, thường có rất nhiều cực

Nhận xét: Một máy điện không đổi có 2p cực từ sẽ có 2p chổi than thu điện và 2p nhánh

Nếu I là dòng điện cung cấp cho mạch ngoài thì dòng điện trong mỗi nhánh là

[6]

2.7 TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường phần cảm như hình vẽ:

Hình 2.27: Sơ đồ biểu diễn chiều quay của rotor [2]

(2.4)

Từ trường phần cảm phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học mn, cảm ứng từ

B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng suất điện động

Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường phần ứng như hình vẽ:

Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường phần cảm Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng Từ trường trong máy

là từ trường tổng hợp của từ trường phần cảm và từ trường phần ứng như hình vẽ:

Hình 2.28: Sơ đồ biểu diễn sự phân bố từ trường phần cảm [11]

Hình 2.29: Sơ đồ biểu diễn sự phân bố từ trường phần ứng [11]