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

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 những ứng dụng của máy phát điện một chiều kích

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

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

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 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 1

PHẦN NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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 LƯỢNG 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 LƯỢNG 27

2.6.1 Các tổn hao trong máy điện một chiều 27

2.6.2 Quy trình năng lượng và các phương trình cân bằng năng lượng 28

2.7 TÍNH CHẤT THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 30

2.8 TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 30

2.8.1 Từ trường cực từ 30

2.8.2 Từ trường 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

CHƯƠNG 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

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

CHƯƠNG 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 Phương án và các bước tiến hành thí nghiệm 52

4.2 NHẬN XÉT CHUNG 59

4.2.1 So sánh ưu điểm và nhược 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

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: “ 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 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, nhưng tìm hiểu điều đó trước tiên phải nghiên cứu về máy điện và máy điện một chiều

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 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

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

 Nhận đề tài

 Sưu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn

 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 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 tượng 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 lượng như cơ năng thành điện năng và ngược 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 …) Nhưng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng thì máy điện được chia làm các loại sau:

Ví dụ: Máy biến áp biến đổi các thông số U1, I1, f thành U2, I2, f hoặc ngược lại

1.1.2.2 Máy điện có phần động

Thường gọi là máy điện quay Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

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

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

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

P điện

Máy điện

Máy điện không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

bộ

Máy phát không đồng

bộ

Động

cơ đồng

bộ

Động

cơ một chiều

Máy phát một chiều

Máy phát đồng

bộ

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 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)

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

d

N   

 (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 Trường hợp thanh dẫn chuyển động thẳng góc trong từ trường

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

e = Blv (1.3)

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

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

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 trường của nam châm N – S , trong thanh dẫn sẽ cảm ứng suất điện động cảm ứng e Nếu hai đầu thanh dẫn được 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:

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:

F cơ 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 được biến đổi thành công suất điện Pđiện = e.i , tức là cơ năng đã được 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 trường 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:

F đt = Bli

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

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

Công suất điện đƣa vào động cơ là:

P đ = ui = ei = Blvi = F đt v (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:

Nếu H



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:

( )

k L

Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây như hình 1.9.1 ta có như sau:

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

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:

H 1. l1 – H 2 l2 =N 1 i 1 – N 2 i 2 (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:

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 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 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 như đồng thau, đồng photpho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn và trung bình, điện áp dưới 1000V thường 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 như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn,…

Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường 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 được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội Hiện nay thường 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 đường 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 thường 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 cường độ cách điện cao , chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây càng lớn và dây dẫn chịu được 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 như giấy, lụa

b) Chất vô cơ như 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 nhưng đắt Giấy, vải, sợi… rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn

Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:

- Cấp Y: Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được 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 được 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 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 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 như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường 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 lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng 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 lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để 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, 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 được vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

 Mô tả các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện

 Dựa vào các định luật vật lí, viết phương 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

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 quan trọng đặc biệt là động cơ một chiều Động cơ 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, 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 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 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 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 giốn g với máy điện xoay chiều rotor dây quấn, bao gồm: stator, rotor, cổ góp và chổi than

Phần ứng

stator

Vỏ máy

a Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi thép cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép cácbon dày 0,5mm hay 1mm được ép chặt và tán lại Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được làm bằng đồng bọc cách điện, được quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi lồng vào thân lõi thép cực từ Các cuộn dây

ở các cực từ chính được nối nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì hình

thành các cực từ trái dấu xen kẽ

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

4

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

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 thường 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 được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được

để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ 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 đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hay ngược lại

e Nắp máy:

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

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

Nắp máy để bảo vệ dây quấn và đảm bảo an toàn cho con người Đối với các máy điện công suất vừa và nhỏ, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi và thường làm bằng gang

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

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

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

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 cácbon tốt Trên trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành góp, cánh quạt

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 lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:

 Công suất định mức Pđm (W hay kW)

cơ đưa ra ở đầu trục

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát điện, động cơ điện dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ

Hình 2.8 Sơ đồ khối chỉ chế độ làm việc của máy điện một chiều

2.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải và giá trị tức thời được tính theo biểu thức:

e=B.l.v (2.1)

· B: cảm ứng từ nơi thanh dẫn quét qua

· v: vận tốc quét của thanh dẫn; l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn

Hình 2.9 Mô tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều trong đó dây quấn phần

ứng chỉ có 1 phần tử nối với 2 phiến đổi chiều

Theo hình 2.9 từ trường hướng từ cực N đến S, chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng

hồ, ở thanh dẫn phía trên sức điện động có chiều đi từ b đến a Ở thanh dẫn phía dưới chiều sức điện động đi từ d đến c Sức điện động của phần tử bằng 2 lần sức điện động của thanh dẫn Nếu nối 2 chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện, điện áp của máy phát điện

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B Để điện áp lớn và ít chập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều

Ở chế độ máy phát điện, dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư Phương trình cân bằng điện áp là:

U= E ư -R ư I ư (2.2)

RưIư : là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng; Rư là điện trở của dây quấn phần ứng

U: là điện áp đầu cực máy phát điện; Eư là sức điện động phần ứng

2.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều

Hình 2.10 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Dưới tác dụng của nam châm lên các thanh dẫn ab, cd có dòng điện, sẽ sinh ra lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay

Hình 2.10 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Khi cho điện áp một chiều U

vào 2 chổi điện a và b, trong dây quấn phần ứng có dòng điện

Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn:

F=B tb l.i (2.3)

 Btb: cảm ứng từ trung bình trong khe hở

 i: dòng điện chạy trong thanh dẫn; l: chiều dài thanh dẫn

Khi phần ứng quay được ½ vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau Do có phiến góp, đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động

Eư Chiều sức điện động sẽ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ, chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện

Phương trình cân bằng điện áp là: U=E ư +I ư R ư (2.4)

Hình 2.11 Chiều quay của phần ứng động cơ DC

2.4 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Ta đã phân máy điện một chiều thành máy phát điện một chiều và động cơ điện một chiều Song tùy theo cách kích thích của cực từ chính, mà còn phân loại máy điện một chiều thành các loại như sau:

 Máy điện một chiều kích từ độc lập: Mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích từ Nếu máy có công suất nhỏ thì cực từ chính thường dùng nam châm vỉnh cửu, còn máy có công suất lớn cần có nguồn kích từ riêng để có điều chỉnh điện áp hoặc tốc độ trong pham vi rộng

 Máy điện một chiều kích từ song song: Mạch kích từ nối song song với mạch phần ứng

 Máy điện một chiều kích từ nối tiếp: Mạch kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng



 Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp: Mạch vừa kích từ nối tiếp vừa kích từ song song

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý máy điện một chiều: a) Kích từ độc lập, b) Kích từ song song,

c)Kích từ nối tiếp, d) Kích từ hỗn hợp

2.5 QUAN HỆ LỰC TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.5.1 Sức điện động phần ứng

Sức điện động thanh dẫn: khi quay rotor, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt

từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện độn g là:

 phụ thuộc vào kết cấu máy được gọi là hệ số kết cấu

Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông  dưới mỗi cực từ Muốn thay đổi sức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quay, hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ Muốn đổi chiều sức điện động, ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ

2.5.2 Công suất điện từ, momen điện từ của máy điện một chiều

Công suất điện từ của máy điện một chiều:

M đt

r dt

moment điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt, muốn đổi chiều momen điện từ phải đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc dòng kích từ

2.6 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

2.6.1 Các tổn hao trong máy điện một chiều

Trong máy điện một chiều, đại bộ phận công suất cơ biến thành công suất điện (máy phát) hay công suất điện biến thành công suất cơ (động cơ) Chỉ có một bộ phận rất ít biến thành tổn hao trong máy dưới hình thức tỏa nhiệt ra ngoài không khí Tổn hao trong máy tùy theo tính chất được phân làm các loại sau:

a) Tổn hao p cơ : Bao gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao

do thông gió… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy và làm cho ổ bi, vành góp nóng lên

b) Tổn hao sắt p Fe : Do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây ra Tổn hao này phụ

thuộc vào vật liệu, chiều dài của tấm thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm và tần số f Khi lõi thép đã định hình thì tổn hao thép tỷ lệ với f và B2

Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải:

c) Tổn hao đồng p Cu : Tổn hao đồng bao gồm hai phần: tổn hao đồng trong mạch phần

ứng pCu.ư và tổn hao đồng trong mạch kích từ pCu.t

Tổn hao đồng trong phần ứng bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng Iư2rư, tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ Iư2rf, tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp rtx Thường với chổi than graphit điện áp giáng trên chỗ tiếp xúc của hao chổi than khống chế 2Utx = 2V nên ptx = 2Iư

Trong tính toán, thường gộp tất cả các tổn hao đồng trên phần ứng lại và viết dưới dạng

pư= Iư2Rư trong đó Rư = rư + rf + rtx bao gồm điện trở dây quấn ứng rư, điện trở dây quấn phụ rf và điện trở tiếp xúc chổi than ptx, mặt dù rtx thực tế không phải là không đổi

Tổn hao đồng trong mạch kích từ bao gồm tổn hao đồng của dây quấn kích từ và tổn hao đồng của điện trở điều chỉnh trong mạch kích từ Vì vậy pCu.t = UtIt, trong đó Ut là điện áp đặt trên mạch kích từ và It là dòng điện kích từ

d) Tổn hao phụ p f :

Tổn hao phụ trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần ứng, các bulông ốc vít trên phần ứng làm từ trường phân bố không đều trong lõi sắt, ảnh hưởng của răng, rãnh làm từ trường đập mạch sinh ra

Tổn hao trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử thay đổi, dòng điện phân bố không đều trên bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy, tổn hao trong

dây nối cân bằng sinh ra Trong máy điện một chiều pf tương đối khó tính Thường lấy bằng 1% công suất định mức

2.6.2 Quy trình năng lượng và các phương trình cân bằng năng lượng

Hình 2.13: Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều

Chia hai vế của phương trình (2.17) với Iư ta được: