Bài giảng Lý thuyết máy điện - Chương 4: Máy điện một chiều - Văn Thị Kiều Nhi

BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
II. Cấu tạo
I. Khái quát
III. Nguyên lý hoạt động
IV. Quan hệ điện từ trong máy điện DC
VI. Máy phát DC
VII. Động cơ DC
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. Khái quát
- Máy điện một chiều là thiết bị điện dùng để biến đổi cơ năng
thành điện năng một chiều hoặc ngược lại.
- Động cơ một chiều (DC motor) có moment khởi động lớn, dễ
điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh liên tục trong phạm vi rộng
- Máy phát điện một chiều (DC generator) là máy phát kích từ
cho máy phát điện đồng bộ
- Nhược điểm: cổ góp điện làm cho cấu tạo phức tạp, giá thành
đắt, làm việc kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy.
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
II. Cấu tạo
Cực từ phụ
Cực từ chính
Hình a ) Stator
Máy điện một chiều gồm 2 phần : phần cảm và phần ứng. 
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
II. Cấu tạo
- Phần cảm gồm: cực từ chính , cực từ phụ , vỏ máy (gông từ),
nắp máy, cơ cấu chổi than
+ Cực từ chính: làm bằng nam châm điện (máy có công suất lớn) và làm
bằng nam châm vĩnh cửu(máy có công suất nhỏ). Cực từ chính tạo nên từ
trường chính trong máy, cực từ gắn lên vỏ máy bằng bu lông hoặc đinh vít ,
cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
+ Cực từ phụ: đặt xen kẽ giữa các cực từ chính, mắc nối tiếp với dây quấn
phần ứng để hạn chế tia lửa điện và cải thiện đổi chiều.
+ Gông từ ( vỏ máy ): dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các cực từ, 
do vậy vỏ máy được dẫn từ. 
+ Cơ cấu chổi than : chổi than đặt trong hộp chổi than, giá chổi than. Dễ bị hao
mòn, thay thế khi bảo trì định kỳ.
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
II. Cấu tạo
- Phần cảm gồm: cực từ chính , cực từ phụ , vỏ máy (gông từ),
nắp máy, cơ cấu chổi than
Cực từ 
phụ
Cực từ 
chính
Hình a ) 
Stator
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
- Phần ứng gồm: trục, lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp.
Cổ góp điện
Chổi than
Các lá thép KTĐ
Các rãnh để đặt dây 
quấn
Hình b ) phần ứng
Trục 
Cổ góp (vành đổi chiều): cổ góp gồm các phiến góp làm bằng đồng, giữa các phiến góp 
cách điện với nhau bởi mica và cổ góp cũng được cách điện với trục rotor bằng ống phíp . 
Trong máy điện một chiều bộ phận chổi than và cổ góp dễ hư hỏng nhất
II. Cấu tạo
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
III. Nguyeân lyù hoaït ñoäng
Tải
N
S
v
B
E
E
a
b
c
d
Máy phát điện một chiều
e = B. l. v.sin ; chiều theo quy tắc bàn tay phải
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
III. Nguyeân lyù hoaït ñoäng
Máy phát điện một chiều
Khi khung quay với tốc độ không đổi, hai thanh dẫn ab, cd lần lượt nằm
dưới 2 cực từ khác tên (từ trường của hai cực nam châm không đổi), khung
quay sẽ cảm ứng nên một sức điện động xoay chiều : e = B. l. v.sin 
0
e
t
Dạng sóng đập mạch
Sđđ trên thanh dẫn
Sđđ trên hai đầu chổi than
0
e
t
nhiều khung dây đặt lệch nhau một góc trong không gian để giảm bớt sự đập mạch
ở cổ góp, chổi than và quấn tăng số vòng dây để tăng cường sức điện động
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
III. Nguyeân lyù hoaït ñoäng
E
N
S
v
B
I
I
a
b
c
d
Động cơ điện một chiều
I F
F
F = B. l. I ; chiều theo quy tắc bàn tay trái
động cơ quay
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Các đại lượng định mức
- Công suất định mức: là công suất đầu ra của máy điện khi tải định mức
+ Công suất định mức của động cơ điện DC là công suất cơ đầu trục kéo tải 
định mức (W, KW, HP) 
+ Công suất định mức của máy phát điện DC là công suất điện phát ra cấp cho 
tải định mức (W, KW, MW)
- Điện áp định mức: là điện áp ở hai đầu cực của máy điện DC khi có tải đm
- Dòng điện định mức: là dòng điện cấp vào (động cơ) hoặc dòng điện phát ra 
kéo tải định mức.
- Dòng điện kích từ: là dòng điện trên cuộn dây kích từ.
- Dòng điện phần ứng: là dòng điện đi qua phần ứng.
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
IV. Quan hệ điện từ trong máy điện DC
1. Sức điện động phần ứng Eư
Eư = CE .  . n CE = a60
pN : hệ số kết cấu
p: số đôi cực; N : tổng số thanh dẫn ; a : số đôi mạch nhánh
 : từ thông ở cuộn dây kích từ n : tốc độ của máy điện
2. Moment điện từ Mđt
Mđt = CM .  . Iư
CM = a2
pN
: hệ số kết cấu (moment)
Iư : dòng điện phần ứng
3. Công suất điện từ Pđt
 .MP đtđt 60
n2.I..
a2
pN
u

 uI.n..a60
pN
 = Eư. Iư
 Moment điện từ của máy điện một chiều được tạo nên do sự tác động
tương hỗ giữa từ trường phần cảm và từ trường dòng điện trong thanh dẫn
phần ứng. Momen này tác dụng lên phần ứng.
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
IV. Quan hệ điện từ trong máy điện DC
4. Các loại tổn hao
+ Tổn hao sắt : PFe – Xuất hiện khi có từ trường biến thiên, độ lớn của tổn
hao sắt phụ thuộc nhiều yếu tố : tình trạng mạch từ, chất lượng lõi thép, hình
dáng lõi thép.
+ Tổn hao cơ : Pcơ – Chủ yếu do lực ma sát gây nên.
 Po = PFe + Pcơ Tổn hao không tải
+ Tổn hao đồng : PCu – Do hiện tượng Junle – Lenxơ . Phát nóng trên dây
quấn kích từ, dây quấn phần ứng, điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp.
 PCu = PCu kt + PCu ư = Pkt + PCu ư 
 P = Pkt + PCu ư + Pcơ + PFe
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
1. Các loại kích từ
Ukt Tải
Iư
U
Ikt = IKích từ độc lập
Kích từ chung
Kích từ nối tiếp Kích từ song song
Kích từ hỗn hợp
Eư
TảiU
Iư
Ikt
I
Eư TảiU
Iư
Ikt
I
Eư
TảiU
Iư Iktnt
I
Ikt// Eư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
2. Sơ đồ tương đương và phương trình cân bằng sức điện động phần ứng
Cuộn dây kích từ tương đương điện trở Rkt
Tổn hao phần ứng tương đương điện trở Rư
Eư = U + Rư.Iư : Sức điện động phần ứng
Iư
U
Eư
Rư
URư = Rư.Iư : Điện áp rơi trên phần ứng
Eư và Iư cùng chiều
Ví dụ: Máy phát một chiều kích từ song song
Iư
U
Eư
Rư
Rkt
Ikt
I Eư = U + Rư.Iư
URư = Rư.Iư
Ukt = U = Rkt.Ikt
Iư = I + Ikt
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
3. Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều
Tổn hao đồng trên cuộn dây kích từ Pkt = Rkt. I2kt = Ukt.Ikt
Tổn hao đồng trên phần ứng P Cu ư = Rư. I2ư
Tổn hao sắt : PFe
Tổn hao cơ : Pcơ
Tổn hao sắt,cơ : PFe, cơ
Kích từ độc lập
P1
(cơ)
Pđt P2
(điện)
Pđm
 Pkt
 PFe, cơ PCu ư
Uo(Eư) U(Uđm)
Kích từ chung
P1
(cơ)
Pđt
P2
(điện)
Pđm
 Pkt PCu ư
Uo U(Uđm)
 PFe, cơ
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
3. Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều
P2 = U.I Pđm = Uđm .Iđm
P1 = P2 + P
 P = Pkt + PCu ư + PFe cơ
1
2
P
P
 
P2 = U.I 

I.UPP 21 


 đmđmđm1
I.UPP
Moment cơ cấp vào cho máy phát:
Moment điện từ của máy phát:
60
n2
PPM 111 
60
n2
PPM đtđtđt 

.C
En
E
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
4. Đặc tính cơ bản của máy phát điện một chiều
+ Đặc tính không tải: U0 = f (Ikt ) = Eư ; I = 0 ; n = const.
Uo Uo = f(It)
0 Ikt
Đường cong từ hóa của MP một chiều
Uo Uo = f(It)
0 Ikt
Uod
+ Đặc tính ngắn mạch: In = f ( Ikt) khi U = 0 , n = const. 
In
Ikt
Iđm 
ItnO
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. Máy phát điện một chiều
4. Đặc tính cơ bản của máy phát điện một chiều
+ Đặc tính ngoài ( đặc tính tải ) : U = f ( I ) Ikt = const ; n = const
U
 U U = f(I)
Uo
Uđm
Iđm I
Uo
Uđm
Io Iđm In
I
Kích từ chung 
Kích từ độc lập 
U
100.
U
UU%U
đm
đmo 
+ Đặc tính điều chỉnh: Ikt= f( I) khi U= const , n = const
Ikt = f(I) 
0 IIđm
Iktđm
Ikt0
Ikt
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
1. Các loại kích từ
Kích từ độc lập
Kích từ chung
Kích từ nối tiếp Kích từ song song
Kích từ hỗn hợp
U
Iư
Ikt
I
Eư U
Iư
Ikt
I
Eư
U
Iư Iktnt
I
Ikt// Eư
Ukt
Iư
U
Ikt = I
Eư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
2. Sơ đồ tương đương và phương trình cân bằng sức điện động phần ứng
Cuộn dây kích từ tương đương điện trở Rkt
Tổn hao phần ứng tương đương điện trở Rư
Eư = U - Rư.Iư : Sức điện động phần ứng
Iư
U
Eư
Rư
URư = Rư.Iư : Điện áp rơi trên phần ứng
Eư và Iư ngược chiều, Eư gọi là sức phản điện
Ví dụ: Động cơ một chiều kích từ song song
Iư
U
Eư
Rư
Rkt
Ikt
I Eư = U - Rư.Iư
URư = Rư.Iư
Ukt = U = Rkt.Ikt
I = Iư + Ikt Iư = I - Ikt
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
3. Giản đồ năng lượng của động cơ điện một chiều
Tổn hao đồng trên cuộn dây kích từ Pkt = Rkt. I2kt = Ukt.Ikt
Tổn hao đồng trên phần ứng P Cu ư = Rư. I2ư
Tổn hao sắt : PFe
Tổn hao cơ : Pcơ
Tổn hao sắt,cơ : PFe, cơ
P1
(điện)
Pđt
P2
(cơ)
Pđm
 Pkt PFe cơ PCu ư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
3. Giản đồ năng lượng của động cơ điện một chiều
P1 = U.I
P1 = P2 + P
 P = Pkt + PCu ư + PFe cơ
1
2
P
P
 
P1 = U.I
  .I.U.PP 12
Moment cơ cấp cho tải của động cơ:
Moment điện từ của động cơ điện:
60
n2
PPM 222 
60
n2
PPM đtđtđt 

.C
En
E
  .I.U.PP đmđm1đm
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
4. Mở máy động cơ điện một chiều
a. Mở máy trực tiếp
Dòng điện mở máy Imm : dòng điện cấp vào động cơ quá trình mở máy (n=0)Iư
U
Eư
Rư
Ví dụ: Động cơ một chiều kích từ song song
Iư
U
Eư
Rư
Rkt
Ikt
I
Eư = U - Rư.Iư
Imm = Iưmm + Ikt ≈ Iưmm
(n = 0) Eư = 0
U
 Iưmm đmI64 Rư
U
 Iưmm
Rư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
4. Mở máy động cơ điện một chiều
b. Mở máy gián tiếp
Giảm dòng điện mở máy bằng cách gắn điện trở phụ nối tiếp với phần ứng
Iư
U
Eư
Rư
Rp
I
t
Iđm
Imm
I’mm
t1 t2 t30
n
n’
Iư
U
Eư
Rư
Rp3 Rp2 Rp1
1234
Imm(t)
I’mm(t)
pu RR
U
 I’ưmm
ư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
5. Đảo chiều quay động cơ một chiều :
Đảo chiều dòng điện kích từ hoặc đảo chiều cực tính nguồn điện đưa vào
phần ứng.
6. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều :
+ Điều chỉnh từ thông : 
+ Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng
+ Điều chỉnh Rư
Ckt
Rkt

1n
Un 
Rư tăng, (U – IưRư ) giảm, n giảm
(chỉ có thể tăng trong phạm vi điện áp cho phép)
(chỉ có thể tăng trong khoảng từ 0 đến đm )

E
öö
C
RIU
n
Iư.Rư
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
VI. Động cơ điện một chiều
7. Thắng động cơ một chiều :
- Thắng tái sinh: tốc độ của động cơ kéo rôto lớn hơn tốc độ quay của từ
trường.
- Thắng ngược: động cơ đang quay theo chiều thuận, đổi chiều dòng kích từ
hoặc đổi hai đầu phần ứng , tốc độ rôto giảm về không trước khi
đổi chiều ngược lại. Ngay khi tốc độ rôto về 0, ngắt nguồn điện ra khỏi
mạch.
- Thắng động năng: động cơ đang quay, giữ nguồn điện cấp vào cuộn dây kích
từ, ngắt nguồn điện cấp vào phần ứng, nối tắt hai đầu phần ứng
qua điện trở. Động cơ một chiều được thắng động năng, sau đó (1-2s) ngắt
nguồn điện ra khỏi cuộn dây kích từ.