Cấu Tạo Cơ Bản Và Hoạt Động Của Máy Phát Điện Một Chiều

Máy Phát Điện Một Chiều

Máy phát điện một chiều là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng cơ học thành dòng điện một chiều. Quá trình chuyển đổi này được thực hiện thông qua nguyên lý của lực điện động cảm ứng. Bài viết sau đây sẽ giới thiệu về cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều.

Cấu Tạo Máy DC:

Lưu ý quan trọng: Trong lý thuyết, máy phát điện một chiều có thể được sử dụng làm động cơ DC mà không cần thay đổi kết cấu, và ngược lại cũng đúng. Vì vậy, cả máy phát điện một chiều và động cơ DC đều có thể được gọi chung là máy DC. Cấu tạo cơ bản này có tính ứng dụng cho cả máy phát điện DC lẫn động cơ DC. Vì thế, chúng ta nên gọi đây là cấu trúc của máy điện một chiều, thay vì chỉ gọi là cấu tạo của máy phát điện một chiều.

Hình ảnh trên đây miêu tả chi tiết cấu tạo của một máy điện một chiều 4 cực đơn giản. Máy DC bao gồm hai phần chính: stator và rotor. Dưới đây là mô tả các bộ phận cơ bản của máy DC:

1. Yoke (Ách): Là khung bên ngoài của máy, thường được làm từ gang hoặc thép. Ách không chỉ cung cấp độ bền cơ học cho máy mà còn giữ vai trò dẫn từ thông, được tạo ra bởi cuộn dây kích từ.
2. Poles and pole shoes (Cột và guốc cột): Cột được gắn vào ách bằng bu lông hoặc hàn. Chúng đỡ cuộn dây và guốc cột, giúp giữ chúng cố định. Guốc cột có hai chức năng chính là hỗ trợ cuộn dây kích từ và phân tán từ thông trong khe hở không khí một cách đồng đều.
3. Field winding (Cuộn dây từ trường): Thường làm từ đồng, cuộn dây từ trường được quấn quanh mỗi cực và mắc nối tiếp. Khi được cấp điện, cuộn dây này tạo ra các cực Bắc và Nam xen kẽ.
4. Lõi phần ứng (Rotor): Là phần quay của máy, có dạng hình trụ với các rãnh chứa cuộn dây phần ứng. Phần ứng được làm từ các đĩa thép mỏng để giảm tổn thất do dòng điện xoáy. Có thể trang bị thêm ống dẫn khí để làm mát qua dòng khí hướng trục. Lõi phần ứng được cố định trên trục.
5. Armature winding (Cuộn dây phần ứng): Thường là cuộn dây đồng, được đặt trong các khe của lõi phần ứng. Các dây dẫn này được cách điện với nhau và với lõi phần ứng. Cuộn dây có thể được quấn theo phương pháp cuộn dây hoặc cuộn sóng, với các thiết kế như cuộn dây hai lớp hoặc cuộn sóng.
6. Commutator and brushes (Cổ góp và chổi than): Là phần giúp kết nối cuộn dây phần ứng với bên ngoài. Cổ góp, được cấu tạo từ các đoạn đồng cách điện với nhau, giúp thu dòng điện từ dây phần ứng trong máy phát điện hoặc cung cấp dòng điện trong động cơ DC. Chổi than, thường làm từ carbon hoặc than chì, trượt trên cổ góp để duy trì tiếp xúc và thu hoặc cung cấp dòng điện khi cổ góp quay.

Nguyên Lý Làm Việc Của Máy Phát Điện Một Chiều:

Theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday, mỗi khi một dây dẫn nằm trong một từ trường biến đổi hoặc chuyển động qua một từ trường, một lực điện động (emf) sẽ được sinh ra trong dây dẫn đó. Độ lớn của emf cảm ứng có thể được xác định qua phương trình emf của máy phát điện một chiều. Nếu dây dẫn này hình thành một mạch kín, dòng điện cảm ứng sẽ được tạo ra và chạy trong mạch đó. Trong máy phát điện một chiều, cuộn dây tạo ra trường từ và các dây dẫn phần ứng được quay trong trường này, từ đó lực điện động cảm ứng được sinh ra trong dây dẫn phần ứng. Chiều của dòng điện cảm ứng này được xác định bằng quy tắc bàn tay phải của Fleming.

Cần một cổ góp vòng chia:

Quy tắc bàn tay phải của Fleming giúp xác định chiều của dòng điện cảm ứng, dựa trên hướng của từ trường và hướng chuyển động của dây dẫn. Xét ví dụ một phần ứng quay theo chiều kim đồng hồ và một dây dẫn ở bên trái đang chuyển động hướng lên trên. Khi phần ứng quay nửa vòng, hướng chuyển động của dây dẫn sẽ đảo ngược, tức là chuyển từ lên xuống. Điều này dẫn đến việc chiều của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn cũng sẽ thay đổi theo mỗi nửa vòng quay của phần ứng.

Tuy nhiên, trong máy phát điện một chiều, nhờ có cổ góp vòng chia, sự đảo chiều của dòng điện trong các dây dẫn phần ứng sẽ được chuyển hóa thành dòng điện một chiều tại các cực. Cổ góp là một bộ phận cơ khí gồm nhiều thanh đồng được cách điện với nhau và mỗi thanh được nối với một cuộn dây phần ứng. Khi dòng điện đảo chiều xảy ra do sự đảo hướng chuyển động của dây dẫn, các chổi than trượt trên cổ góp sẽ duy trì sự liên tục của chiều dòng điện, từ đó tạo ra dòng điện một chiều ổn định tại đầu ra. Nhờ thiết kế này, dù phần ứng trong máy phát điện liên tục đảo chiều, dòng điện thu được vẫn là một chiều.

Các Loại Máy Phát Điện DC:

Máy phát điện một chiều được phân thành hai loại chính dựa trên cách cấp điện cho cuộn dây kích từ:

1. Kích thích độc lập: Trong loại này, cuộn dây kích từ được cung cấp năng lượng từ một nguồn điện một chiều độc lập bên ngoài. Điều này đảm bảo rằng cuộn dây kích từ có thể được điều khiển một cách chính xác và độc lập so với máy phát.
2. Tự kích thích: Trong hệ thống này, cuộn dây kích từ lấy điện năng từ chính máy phát điện mà nó là một phần. Sự tạo ra điện từ trường (emf) ban đầu xảy ra nhờ từ tính dư tồn tại trong các cực của máy. Emf này kích hoạt một phần dòng điện chảy qua cuộn dây kích từ, từ đó tăng cường từ trường và cuối cùng làm tăng emf được tạo ra. Máy phát điện một chiều tự kích thích có thể được chia thành ba loại:

• Dây quấn nối tiếp (Series wound): Cuộn dây kích từ được nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Điều này có nghĩa là toàn bộ dòng điện sản xuất bởi máy phát đi qua cuộn dây kích từ, tạo ra một từ trường mạnh mẽ phụ thuộc vào tải của máy phát.
• Dây quấn song song (Shunt wound): Cuộn dây kích từ được mắc song song với cuộn dây phần ứng. Điều này cho phép một phần của tổng dòng điện được sản xuất bởi máy phát chảy qua cuộn dây kích từ, làm cho từ trường ổn định hơn dù tải có thay đổi.
• Dây quấn hỗn hợp (Compound wound): Là sự kết hợp giữa cuộn dây nối tiếp và cuộn dây song song. Phương thức này kết hợp lợi ích của cả hai loại trên, bao gồm sự ổn định của dòng điện song song và sự tăng cường của dòng điện nối tiếp, giúp máy phát hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện tải khác nhau.