Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 5: Khái quát về máy điện - Phạm Khánh Tùng

KỸ THUẬT ĐIỆN 
KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
CHƯƠNG V 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
I. Định nghĩa và phân loại 
1. Định nghĩa 
Máy điện: 
- Thiết bị điện, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ 
- Biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng thành 
điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại, biến đổi điện 
năng thành cơ năng (động cơ điện) 
- Biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng 
điện, số pha v.v 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
2. Phân loại 
a) Máy điện tĩnh: 
Sự làm việc của máy dựa trên hiện tượng cảm ứng điện 
từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có 
sự chuyển động tương đối với nhau 
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 cũng có 
tính chất thuận nghịch 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Ví dụ, máy biến áp biến đổi hệ thống điện có thông số 
U1, f thành hệ thống điện có thông số U2, f hoặc 
ngược lại 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
- Thường gọi là máy điện quay hoặc chuyển động thẳng. 
- Nguyên lý làm việc dựa vào 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. 
- Loại máy điện này thường dùng để biến đổi dạng năng 
lượng, ví dụ biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát 
điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ 
điện). 
- Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch. 
b) Máy điện có phần động 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Máy điện 
Máy điện có phần quay Máy điện tĩnh 
Máy điện một chiều Máy điện xoay chiều 
Máy điện 
Đồng bộ 
Máy điện 
không đồng bộ 
Máy biến 
áp, biến 
dòng 
Động cơ 
không 
đồng bộ 
Máy phát 
không 
đồng bộ 
Động cơ 
điện 
đồng bộ 
Máy phát 
điện 
đồng bộ 
Động cơ 
điện 
Một chiều 
Máy phát 
điện 
một chiều 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
II. Các định luật điện từ cơ bản dùng trong máy điện 
2.1. Định luật cảm ứng điện từ 
a. Trường hợp từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây 
 
e 
Từ thông  biến thiên xuyên qua một 
vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm 
ứng một sức điện động. 
Nếu chọn chiều sức điện động cảm 
ứng phù hợp với chiều của từ thông 
theo quy tắc vặn nút chai, thì sức điện 
động cảm ứng trong một vòng dây 
(theo công thức Mắcxoen): 
dt
d
e

CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Nếu cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng: 
dt
d
dt
d
we


  w Từ thông móc vòng 
Đơn vị của từ thông là Webe (Wb), của sức điện động là vôn (V) 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
b) Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường 
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc 
với các đường sức của từ trường, trong 
thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e: 
v.l.Be 
B – cường độ từ cảm, đơnvị T (Tesla) 
l – chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh 
dẫn nằm trong từ trường), đơn vị (m) 
v – tốc độ thanh dẫn đơn vị (m/s) 
Chiều của sức điện động cảm ứng được 
xác định theo quy tắc bàn tay phải 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
2.2. Định luật lực điện từ 
Khi một thanh dẫn có dòng điện chạy qua đặt 
thẳng góc với các đường sức từ trường, thanh 
dẫn sẽ chịu tác dụng của lực điện từ có trị số: 
i.l.BF 
B - cường độ từ cảm đo bằng T 
l - chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (m) 
i - dòng điện đo bằng A 
F - lực điện từ đo bằng N (Niutơn). 
Chiều lực điện từ được xác định theo 
quy tắc bàn tay trái 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
III. Nguyên lý máy phát và động cơ điện - Tính thuận 
nghịch của máy điện 
3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện 
- Dùng một động cơ sơ cấp tác dụng 
vào thanh dẫn một lực Fcơ, thanh dẫn 
sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ 
trường của nam châm N-S, 
- Trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức 
điện động e (qui tắ tay phải). 
- Nếu 2 đầu thanh dẫn được nối với tải 
(R), sẽ có dòng điện i chạy qua thanh 
dẫn và tải. 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
- Bỏ qua điện trở của thanh dẫn và dây nối, điện áp đặt vào tải 
 u = e. 
- Công suất máy phát cung cấp cho tải: 
 p = ui = ei. 
- Dòng điện i nằm trong từ trường của nam chân N-S lại chịu 
tác dụng của lực điện từ Fđt (qui tắc tay trái) 
- Khi lực điện từ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp, tức 
Fcơ= Fđt, máy sẽ quay đều. 
i.ev.i.l.BvFvF đtco 
Công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơv đã được biến 
đổi thành công suất điện Pđiện = ei, tức cơ năng đã được biến 
thành điện năng ở máy phát điện 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 
- Đặt một điện áp u từ nguồn điện bên 
ngoài vào một thanh dẫn đặt 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 Fđt=Bli 
và chuyển động với vận tốc v có chiều 
như hình bên 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
- Bỏ qua điện trở của thanh dẫn và dây nối, điện áp đặt vào 
thanh dẫn 
 u = e. 
- Công suất điện đưa vào động cơ 
vFi.v.l.Bi.ei.uP đt 
công suất điện Pđiện = 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 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
3.3. Tính thuận nghịch của máy điện 
- Qua nguyên lý của máy phát và động cơ điện nhận thấy, 
cùng một thiết bị điện từ (thanh dẫn đặt trong từ trường 
nam châm N-S), tuỳ theo năng lượng đưa vào (cơ năng 
hay điện năng) mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy 
phát điện hay động cơ điện. 
 Khi đưa công suất cơ vào máy → Máy phát điện 
 Khi đưa công suất điện vào máy → Động cơ điện 
- Đây chính là tính thuận nghịch của máy điện. 
- Mọi loại máy điện đều có tính thuận nghịch 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
IV. Định luật mạch từ 
w 
l 
i 
- Trong các máy điện, lõi thép là mạch 
từ của máy. 
- Mạch từ được dùng để dẫn từ thông, 
và là mạch khép kín. 
- Xét một mạch từ đơn giản: đó là 
mạch từ đồng nhất bằng thép kỹ thuật 
điện có một dây quấn với W vòng 
Theo định luật dòng điện toàn phần trong mạch từ 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
w 
l 
i 
i.wl.H 
Theo định luật dòng điện toàn phần trong mạch từ 
H - cường độ từ trường trong mạch từ đo 
bằng A/m, 
l - chiều dài trung bình của mạch từ đo 
bằng m 
W - số vòng dây của cuộn dây, 
I - là dòng từ hoá (tạo ra từ thông cho 
mạch từ) đo bằng A 
wi - sức từ động. 
Hl - từ áp rơi trong mạch từ 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Trường hợp mạch từ gồm nhiều 
cuộn dây và nhiều đoạn khác 
nhau (tiết diện hoặc vật liệu khác 
nhau), thì định luật mạch từ: 
w1 
i1 
i2 
w2 
 
S1,l1
S2,l2
22112211 iwi.wlHlH 
H1, H2: cường độ từ trường đoạn 1 và 2 
l1, l2 : chiều dài trung bình đoạn 1 và 2 
i1W1 : sức từ động dây quấn W1 vòng 
i2W2 : sức từ động dây quấn W2 vòng 
s1 : tiết diện đoạn 1 tính bằng m
2 
s2 : tiết diện đoạn 2 tính bằng m
2 
Dấu trừ trước w2i2 vì dòng i2 không phù hợp với từ thông  đã 
chọn theo quy tắc vặn nút chai 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Với mạch từ có n đoạn và m cuộn dây, định 
luật mạch từ 
Tổng quát: 

m
1j
jj
n
1k
kk iwlH
Trong đó: - dòng điện ij nào có chiều phù hợp với chiều từ 
thông đã chọn theo quy tắc vặn nút chai sẽ lấy dấu dương, 
ngược lại sẽ lấy dấu âm, 
 - k là chỉ số đoạn mạch thứ k 
 - j là chỉ số cuộn dây thứ j 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
4.2. Tính toán mạch từ 
a) Bài toán thuận: thôn g số biết trước là từ thông, thông số 
cần tính là dòng điện từ hoá (hoặc số vòng dây) sinh ra từ 
thông ấy 
B(T) 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 
H(A/m) 58 65 76 90 110 132 165 
B(T) 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 
H(A/m) 220 300 600 900 1200 3000 
Ví dụ: Mạch từ có vật liệu có cho ở bảng sau: 
Cho biết từ cảm trong khe hở B2 = 1,3T và cuộn dây có 
W = 1000 vòng. 
Tính dòng điện trong cuộn dây. 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Bài giải: 
Áp dụng định luật mạch từ: 
i.wlHlH 2211 
Cường độ từ trường trong khe hở 
không khí (đoạn l2) 
m/A1034507
104
3,1B
H
7
0
2
2 
Cường độ từ trường trong đoạn thép từ B1=1,3 T, tra bảng ta có 
H1=600 A/m 
l1=400mm 
I 
W 
l2=1mm 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Thay các giá trị vào phương trình mạch từ: 
i.100010.1.103450710.400.600
i.wlHlH
33
2211
A275,1i 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Thuật giải của bài toán thuận: 
- Tính cường độ từ trường H 
+ Với đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, ta phải tra đường cong 
từ hoá B=f(H) hoặc tra bảng ứng với các loại thép. 
- Khi biết từ cảm B (hoặc biết từ thông  thì B =  / S) 
+ Với đoạn mạch khe hở không khí: 
0
B
H

- Tính từ áp tổng của mạch 
nn2211
n
1k
kk lH...lHlHlH 
- Tính dòng điện hoặc số vòng dây: 
w
lH
i
n
1k
kk
i
lH
w
n
1k
kk
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
a) Bài toán thuận: 
Thông số biết trước: số vòng dây, dòng điện 
Thông số cần tính: từ thông (từ cảm) 
Loại bài toán này phức tạp hơn nhiều so với bài toán thuận. 
Để giải bài toán này, người ta thường dùng phương pháp dò 
hoặc các phương pháp đồ thị, phương pháp số giải mạch phi 
tuyến. 
Do vậy, trong giáo trình này, ta chỉ hạn chế ở bài toán thuận 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
VI. Bài tập 
Mạch từ của một nam châm điện 
gồm 2 đoạn: 
Đoạn 1 bằng thép có độ dài l1. 
Đoạn 2 là khe hở không khí có độ 
dài l2. 
Cuộn dây có w vòng và có dòng i đi 
qua như hình.Giả thiết hệ số từ 
thẩm của thép vô cùng lớn. 
Tính từ cảm B2 trong khe hở 
Bài số 5.1. 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Bài giải: 
Vì từ thẩm của thép vô cùng lớn nên 
từ áp của đoạn mạch 1 rất nhỏ, từ áp 
của mạch chỉ tập trung tại khe hở 
không khí. 
w.ilH 22 
w.il
B
2
0
2 

2
02
l
w.i
B  
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
 Một thanh dẫn có chiều dài l 
nằm trong khe hở của một nam 
châm điện như hình bên. Thanh 
dẫn chuyển động thẳng góc với 
từ trường với tốc độ v. Cuộn dây 
có w vòng và có dòng I đi qua. 
Coi lõi thép của nam châm có độ 
từ thẩm vô cùng lớn. 
Bài số 5.2 
a) Xác định trị số và chiều của sức điện động cảm ứng e. 
b) Xác định trị số và chiều của lực điện từ tác dụng lên 
thanh dẫn (khi thanh dẫn vẫn đứng yên và có dòng điện i) 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Vì từ thẩm của thép vô cùng lớn nên 
từ áp của đoạn mạch 1 rất nhỏ, từ áp 
của mạch chỉ tập trung tại khe hở 
không khí. 
w.ilH 22 w.il
B
2
0
2 

2
02
l
w.i
B  
Bài giải: 
Trị số của sđđ cảm ứng trên thanh dẫn 
v.l
l
w.i
v.l.Be
2
02  
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Căn cứ vào chiều của dòng điện trong 
cuộn dây, chiều của từ thông trong khe 
hở không khí hường từ trên xuống. 
Theo qui tắc bàn tay phải ta tìm được 
chiều của sđ đ cảm ứng trong thanh 
dẫn 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Theo qui tắc bàn tay trái ta tìm được 
chiều của lực điện từ tác động lên 
thanh dẫn 
Trị số của lực điện từ 
i.l
l
w.i
i.l.BF
2
02đt  
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Bài số 5.3 
Một mạch từ như hình bên 
W1 
l,  
i3 W2 
W3 
i2 
i1 
W1 = 200 vòng, i1 = 0,5 A 
W2= 400 vòng, i2 = 1 A 
W3= 1000 vòng, 
Chiều dài mạch: l = 50 cm 
Tiết diện: S = 10 cm2 
Đường cong từ hoá của vật liệu từ B=f(H) cho như bảng ở ví dụ bài 
toán thuận. Biết từ thông trong lõi thép =1,5. 10-3Wb. 
Xác định dòng điện i3. 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
Lõi thép có tiết diện không đổi, nên từ 
cảm trong lõi thep không đổi theo 
chiều dài. 
Bài giải: 
W1 
l,  
i3 W2 
W3 
i2 
i1 
)T(5,1
10.10
10.5,1
S
B
4
3

Tra bảng B=f(H) tìm được H=1200 A/m 
Từ áp của mạch từ 
60010.50.1200l.H 2 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN 
W1 
l,  
i3 W2 
W3 
i2 
i1 
Theo chiều dòng điện trong các cuộn 
dây và qui tắc vặn nút chai, stđ của 
mạch từ: 
332211 wiwiwi 
Vậy ta có phương trình 
332211 wiwiwil.H 
3
2211
3
w
wiwil.H
i
)A(9,0
1000
400.1200.5,0600
i3 
CHƯƠNG V : KHÁI QUÁT VỀ MÁY ĐIỆN