EEEB344: Nguyên lý Máy điện - Chương 1: Khái niệm cơ bản và Từ trường

• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Giới thiệu về nguyên lý máy móc
• Loại tài liệu: Bài giảng

Tóm tắt

I. Tổng quan về Electric Machinery Fundamentals 4th Edition

Electric Machinery Fundamentals ấn bản thứ tư của Stephen J. Chapman là giáo trình hàng đầu về nguyên lý máy điện. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc về cách máy điện chuyển đổi năng lượng. Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Động cơ điện thực hiện quá trình ngược lại. Hầu hết các máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý trường điện từ. Máy biến áp cũng thuộc phạm vi nghiên cứu. Thiết bị này thay đổi mức điện áp xoay chiều. Tất cả đều vận hành trên cùng nguyên tắc cơ bản. Điện năng là nguồn năng lượng sạch và hiệu quả. Việc truyền tải điện năng đi xa rất dễ dàng. Điện năng không yêu cầu thông gió liên tục. Không có chất ô nhiễm từ quá trình đốt cháy. Cuốn sách trình bày các khái niệm từ cơ bản đến nâng cao. Nội dung bao gồm cả máy điện một chiều và xoay chiều. Đây là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật điện.

1.1. Cấu trúc nội dung cuốn sách

Electric Machinery Fundamentals được tổ chức theo từng chương rõ ràng. Chương một giới thiệu các nguyên lý cơ bản của máy điện. Nội dung bao gồm chuyển động quay và định luật Newton. Chương trình bày về trường từ và mạch từ. Vật liệu sắt từ được phân tích chi tiết. Định luật Faraday về điện áp cảm ứng được giải thích. Các chương tiếp theo đi sâu vào máy DC và máy AC. Máy biến áp được nghiên cứu cùng với máy điện. Cách trình bày từ đơn giản đến phức tạp giúp người học tiếp cận dễ dàng.

1.2. Vai trò của Stephen J. Chapman

Stephen J. Chapman là tác giả có uy tín trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Ông đã biên soạn nhiều giáo trình được sử dụng rộng rãi. Phương pháp giảng dạy của Chapman nhấn mạnh vào thực hành. Các ví dụ trong sách được lấy từ ứng dụng thực tế. Bài tập cuối chương giúp củng cố kiến thức lý thuyết. Ấn bản thứ tư cập nhật những tiến bộ mới nhất. Nội dung được trình bày logic và dễ hiểu. Chapman đã tạo nên một chuẩn mực cho việc giảng dạy nguyên lý máy điện tại các trường đại học.

II. Phân tích nguyên lý cơ bản của máy điện

Máy điện hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý vật lý cơ bản. Chuyển động quay là yếu tố cốt lõi của hầu hết máy điện. Góc quay được đo bằng radian hoặc độ. Vận tốc góc biểu thị tốc độ thay đổi vị trí góc. Gia tốc góc mô tả tốc độ thay đổi vận tốc. Mô men xoắn là lực gây ra chuyển động quay. Công và công suất liên quan mật thiết đến chuyển động quay. Định luật Newton cho chuyển động quay điều khiển hoạt động máy điện. Trường từ đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Mạch từ dẫn flux từ qua vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ có đặc tính từ hóa phi tuyến. Đường cong B-H thể hiện mối quan hệ giữa mật độ flux và cường độ từ trường. Hiện tượng bão hòa từ giới hạn hiệu suất máy điện. Hiểu biết sâu về các nguyên lý này là nền tảng thiết yếu.

2.1. Chuyển động quay và các đại lượng liên quan

Chuyển động quay là dạng chuyển động chính trong máy điện. Shaft quay quanh trục cố định tạo ra cơ năng. Vị trí góc theta đo từ điểm tham chiếu bất kỳ. Vận tốc góc omega bằng đạo hàm của vị trí góc theo thời gian. Đơn vị đo là radian trên giây. Gia tốc alpha là tốc độ thay đổi vận tốc góc. Mô men xoắn tau là lực tiếp tuyến nhân với bán kính. Công suất cơ bằng mô men xoắn nhân vận tốc góc. Các đại lượng này liên hệ chặt chẽ với nhau qua định luật Newton.

2.2. Trường từ và mạch từ trong máy điện

Trường từ là yếu tố trung tâm của mọi máy điện. Dòng điện tạo ra trường từ xung quanh dây dẫn. Mạch từ dẫn flux từ qua các thành phần máy. Định luật Ampere xác định mối quan hệ giữa dòng và từ trường. Reluctance là đại lượng tương đương điện trở trong mạch điện. Vật liệu sắt từ giảm reluctance đáng kể. Flux từ tỷ lệ thuận với suất từ động và nghịch với reluctance. Thiết kế mạch từ tối ưu là yếu tố quyết định hiệu suất máy điện. Phân bố trường từ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính vận hành.

III. Phương pháp áp dụng nguyên lý máy điện

Áp dụng nguyên lý máy điện đòi hỏi hiểu biết về nhiều hiện tượng vật lý. Định luật Faraday quy định điện áp cảm ứng trong dây dẫn. Điện áp tỷ lệ với tốc độ thay đổi flux từ. Lực cảm ứng tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Lực này tỷ lệ với dòng điện, chiều dài dây dẫn và mật độ từ thông. Khi dây dẫn di chuyển trong từ trường, suất điện động cảm ứng xuất hiện. Máy DC tuyến tính mô phỏng nguyên lý hoạt động cơ bản. Máy hoạt động ở trạng thái ổn định khi các lực cân bằng. Ở chế độ động cơ, điện năng chuyển thành cơ năng. Ở chế độ máy phát, quá trình ngược lại diễn ra. Công suất chuyển đổi bằng tích của điện áp cảm ứng và dòng điện. Máy AC sử dụng từ trường quay để tạo mô men. Tần số điện liên hệ trực tiếp với tốc độ quay từ trường. Ba pha tạo ra từ trường quay đều và liên tục.

3.1. Định luật Faraday và điện áp cảm ứng

Định luật Faraday là nguyên lý nền tảng của máy điện. Điện áp cảm ứng xuất hiện khi flux từ qua mạch biến thiên. Công thức eind bằng trừ tốc độ thay đổi flux theo thời gian. Điện áp cảm ứng tỷ lệ với số vòng dây quấn. Trong dây dẫn di chuyển, eind bằng B nhân l nhân v. B là mật độ từ thông, l là chiều dài, v là vận tốc. Hiện tượng này cho phép chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên lý này. Hiểu rõ Faraday là điều kiện tiên quyết để thiết kế máy điện hiệu quả.

3.2. Máy DC tuyến tính và ứng dụng

Máy DC tuyến tính là mô hình đơn giản hóa của máy điện thực. Thiết bị gồm thanh dẫn di chuyển trên rail trong từ trường. Dòng điện qua thanh dẫn tạo lực cảm ứng. Lực này có thể đẩy thanh dẫn chuyển động. Khi thanh dẫn chuyển động, suất điện động cảm ứng xuất hiện. Ở chế độ động cơ, điện áp nguồn lớn hơn điện áp cảm ứng. Ở chế độ máy phát, điện áp cảm ứng lớn hơn điện áp nguồn. Mô hình này minh họa rõ ràng nguyên lý chuyển đổi năng lượng. Kiến thức này áp dụng được cho máy điện quay thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế máy điện

Electric Machinery Fundamentals cung cấp kiến thức toàn diện về máy điện. Cuốn sách bao quát từ nguyên lý cơ bản đến ứng dụng phức tạp. Máy điện đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống hiện đại. Động cơ điện vận hành trong mọi ngành công nghiệp. Máy phát điện cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện. Máy biến áp đảm bảo truyền tải điện năng hiệu quả. Công nghệ máy điện không ngừng phát triển. Hiệu suất ngày càng được cải thiện. Kích thước ngày càng nhỏ gọn. Điều khiển máy điện ngày càng thông minh hơn. Kiến thức từ giáo trình này là nền tảng cho mọi kỹ sư điện. Nắm vững nguyên lý cơ bản giúp giải quyết vấn đề phức tạp. Ứng dụng thực tế đòi hỏi kết hợp lý thuyết với kinh nghiệm. Đầu tư vào học tập nguyên lý máy điện mang lại giá trị lâu dài cho sự nghiệp kỹ thuật.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp hiện đại

Máy điện ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Động cơ điện kéo động băng chuyền và máy móc. Máy CNC sử dụng động cơ servo chính xác cao. Hệ thống HVAC dùng quạt và máy nén điện. Ngành sản xuất phụ thuộc hoàn toàn vào động cơ điện. Máy phát điện dự phòng đảm bảo hoạt động liên tục. Hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng máy phát đặc biệt. Xe điện là xu hướng tương lai của giao thông. Kiến thức từ giáo trình Chapman áp dụng trực tiếp vào các ứng dụng này.

4.2. Hướng phát triển công nghệ máy điện

Công nghệ máy điện đang tiến bộ nhanh chóng. Vật liệu nam châm vĩnh cửu mạnh hơn giúp tăng hiệu suất. Mô tơ không chổi than chiếm ưu thế trong nhiều ứng dụng. Điều khiển vector cho phép vận hành chính xác cao. Tích hợp biến tần tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Máy điện siêu dẫn hứa hẹn hiệu suất vượt trội. Thiết kế tối ưu bằng phần mềm mô phỏng. Xu hướng miniaturization giúp giảm kích thước đáng kể. Nghiên cứu nguyên lý cơ bản từ Chapman vẫn là nền tảng cho mọi đổi mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 CHAPTER 1 – Introduction to Machinery Principles Summary: 1. Basic concept of electrical machines fundamentals: o Rotational component measurements § Angular Velocity, Acceleration § Torque, Work, Power § Newton’s Law of Rotation o Magnetic Field study § Production of a Magnetic Field § Magnetic Circuits 2. Magnetic Behaviour of Ferromagnetic Materials 3. How magnetic field can affect its surroundings: • Faraday’s Law – Induced Voltage from a Time-Changing Magnetic Field. • Production of Induced Force on a Wire. • Induced Voltage on a Conductor moving in a Magnetic Field 4. Linear DC Machines 1 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 Introduction 1. Electric Machines à mechanical energy to electric energy or vice versa Mechanical energy à Electric energy : GENERATOR Electric energy à mechanical energy : MOTOR 2. Almost all practical motors and generators convert energy from one form to another through the action of a magnetic field. Only machines using magnetic fields to perform such conversions will be considered in this course. When we talk about machines, another related device is the transformer. A transformer is a device that converts ac electric energy at one voltage level to ac electric energy at another voltage level. Transformers are usually studied together with generators and motors because they operate on the same principle, the difference is just in the action of a magnetic field to accomplish the change in voltage level. Why are electric motors and generators so common? - electric power is a clean and efficient energy source that is very easy to transmit over long distances and easy to control. - Does not require constant ventilation and fuel (compare to internal-combustion engine), free from pollutant associated with combustion 1. Basic concept of electrical machines fundamentals 1.1 Rotational Motion, Newton’s Law and Power Relationship Almost all electric machines rotate about an axis, called the shaft of the machines. It is important to have a basic understanding of rotational motion. Angular position, θ - is the angle at which it is oriented, measured from some arbitrary reference point. Its measurement units are in radians (rad) or in degrees. It is similar to the linear concept of distance along a line. Conventional notation: +ve value for anticlockwise rotation -ve value for clockwise rotation Angular Velocity, ω - Defined as the velocity at which the measured point is moving. Similar to the concept of standard velocity where: dr v= dt where: r – distance traverse by the body t – time taken to travel the distance r For a rotating body, angular velocity is formulated as: dθ ω= (rad/s) dt where: θ - Angular position/ angular distance traversed by the rotating body t – time taken for the rotating body to traverse the specified distance, ϑ. 2 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 Angular acceleration, α - is defined as the rate of change in angular velocity with respect to time. Its formulation is as shown: dω α= (rad/s2) dt Torque, τ 1. In linear motion, a force applied to an object causes its velocity to change. In the absence of a net force on the object, its velocity is constant. The greater the force applied to the object, the more rapidly its velocity changes. Similarly in the concept of rotation, when an object is rotating, its angular velocity is constant unless a torque is present on it. Greater the torque, more rapid the angular velocity changes. Torque is known as a rotational force applied to a rotating body giving angular acceleration, a. Definition of Torque: (Nm) ‘Product of force applied to the object and the smallest distance between the line of action of the force and the object’s axis of rotation’ ∴τ = Force × perpendicular distance = F × r sin θ Direction of rotation rsin(180 − θ) = rsinθ θ F Work, W – is defined as the application of Force through a distance. Therefore, work may be defined as: W = ∫ Fdr Assuming that the direction of F is collinear (in the same direction) with the direction of motion and constant in magnitude, hence, W = Fr Applying the same concept for rotating bodies, W = ∫ τ dθ Assuming that τ is constant, W = τθ (Joules) 3 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 Power, P – is defined as rate of doing work. Hence, dW P= (watts) dt Applying this for rotating bodies, d P= (τθ ) dt dθ =τ dt = τω This equation can describe the mechanical power on the shaft of a motor or generator. Newton’s Law of Rotation Newton’s law for objects moving in a straight line gives a relationship between the force applied to the object and the acceleration experience by the object as the result of force applied to it. In general, F = ma where: F – Force applied m – mass of object a – resultant acceleration of object Applying these concept for rotating bodies, τ = J α (Nm) where: τ - Torque J – moment of inertia α - angular acceleration 1.2 The Magnetic Field Magnetic fields are the fundamental mechanism by which energy is converted from one form to another in motors, generators and transformers. First, we are going to look at the basic principle – A current-carrying wire produces a magnetic field in the area around it. Production of a Magnetic Field 1. Ampere’s Law – the basic law governing the production of a magnetic field by a current: ∫ H dl = I net where H is the magnetic field intensity produced by the current Inet and dl is a differential element of length along the path of integration. H is measured in Ampere-turns per meter. 4 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 2. Consider a current currying conductor is wrapped around a ferromagnetic core; φ I CSA N turns mean path length, lc 3. Applying Ampere’s law, the total amount of magnetic field induced will be proportional to the amount of current flowing through the conductor wound with N turns around the ferromagnetic material as shown. Since the core is made of ferromagnetic material, it is assume that a majority of the magnetic field will be confined to the core. The path of integration in Ampere’s law is the mean path length of the core, lc. The current passing within the path of integration Inet is then Ni, since the coil of wires cuts the path of integration N times while carrying the current i. Hence Ampere’s Law becomes, Hlc = Ni Ni ∴H = lc 5. In this sense, H (Ampere turns per metre) is known as the effort required to induce a magnetic field. The strength of the magnetic field flux produced in the core also depends on the material of the core. Thus, B = µH B = magnetic flux density (webers per square meter, Tesla (T)) µ= magnetic permeability of material (Henrys per meter) H = magnetic field intensity (ampere-turns per meter) 6. The constant µ may be further expanded to include relative permeability which can be defined as below: µ µr = µo where: µo – permeability of free space (a. Hence the permeability value is a combination of the relative permeability and the permeability of free space. The value of relative permeability is dependent upon the type of material used. The higher the amount permeability, the higher the amount of flux induced in the core. Relative permeability is a convenient way to compare the magnetizability of materials. Also, because the permeability of iron is so much higher than that of air, the majority of the flux in an iron core remains inside the core instead of travelling through the surrounding air, which has lower permeability. The small leakage flux that does leave the iron core is important in determining the flux linkages between coils and the self-inductances of coils in transformers and motors. 5 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 9. In a core such as in the figure, µNi B = µH = lc Now, to measure the total flux flowing in the ferromagnetic core, consideration has to be made in terms of its cross sectional area (CSA). Therefore, φ = ∫ BdA A Where: A – cross sectional area throughout the core Assuming that the flux density in the ferromagnetic core is constant throughout hence constant A, the equation simplifies to be: φ = BA Taking into account past derivation of B, µ NiA φ= lc 2. Magnetics Circuits The flow of magnetic flux induced in the ferromagnetic core can be made analogous to an electrical circuit hence the name magnetic circuit. The analogy is as follows: A φ + + V R F=Ni Reluctance, R - - (mmf) Electric Circuit Analogy Magnetic Circuit Analogy 1. Referring to the magnetic circuit analogy, F is denoted as magnetomotive force (mmf) which is similar to Electromotive force in an electrical circuit (emf). Therefore, we can safely say that F is the prime mover or force which pushes magnetic flux around a ferromagnetic core at a value of Ni (refer to ampere’s law). Hence F is measured in ampere turns. Hence the magnetic circuit equivalent equation is as shown: F = φ R (similar to V=IR) 2. The polarity of the mmf will determine the direction of flux. To easily determine the direction of flux, the ‘right hand curl’ rule is utilised: a) The direction of the curled fingers determines the current flow. b) The resulting thumb direction will show the magnetic flux flow. 6 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 3. The element of R in the magnetic circuit analogy is similar in concept to the electrical resistance. It is basically the measure of material resistance to the flow of magnetic flux. Reluctance in this analogy obeys the rule of electrical resistance (Series and Parallel Rules). Reluctance is measured in Ampere-turns per weber. Series Reluctance, Req = R1 + R2 + R3 + …. The inverse of electrical resistance is conductance which is a measure of conductivity of a material. Hence the inverse of reluctance is known as permeance, P where it represents the degree at which the material permits the flow of magnetic flux. 1 P= R F ∴ since φ = R ∴φ = FP Also, µ NiA φ= lc µA = Ni lc µA =F lc µA lc ∴P = ,R= lc µA 5. By using the magnetic circuit approach, it simplifies calculations related to the magnetic field in a ferromagnetic material, however, this approach has inaccuracy embedded into it due to assumptions made in creating this approach (within 5% of the real answer). Possible reason of inaccuracy is due to: a) The magnetic circuit assumes that all flux are confined within the core, but in reality a small fraction of the flux escapes from the core into the surrounding low-permeability air, and this flux is called leakage flux. b) The reluctance calculation assumes a certain mean path length and cross sectional area (csa) of the core. This is alright if the core is just one block of ferromagnetic material with no corners, for practical ferromagnetic cores which have corners due to its design, this assumption is not accurate. 7 EEEB344 Electromechanical Devices Chapter 1 c) In ferromagnetic materials, the permeability varies with the amount of flux already in the material. The material permeability is not constant hence there is an existence of non-linearity of permeability. d) For ferromagnetic core which has air gaps, there are fringing effects that should be taken into account as shown: N S Example 1.1 A ferromagnetic core is shown. Three sides of this core are of uniform width, while the fourth side is somewhat thinner. The depth of the core (into the page) is 10cm, and the other dimensions are shown in the figure. There is a 200 turn coil wrapped around the left side of the core. Assuming relative permeability µr of 2500, how much flux will be produced by a 1A input current?