MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mục tiêu: - Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện - Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy điện - Giải thích được các quy trình phát nóng và làm mát của máy - Phát huy tính tích cực, chủ động trong công việc Nội dung: Trong tự nhiên luôn có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Điện năng cũng là một dạng năng lượng rất cần thiết trong sản xuất và giữ vai trò quyết định cho sự phát triển kinh tế trong lĩnh vực điện khí hoá, tự động hoá trong công nghiệp… Trong đó máy điện được sử dụng rộng rãi biến cơ năng thành điện năng và ngược lại. Trong bài đầu tiên này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về khái niệm chung cũng như các định luật điện từ dùng trong máy điện Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Phân biệt về sự khác nhau của các loại máy điện hiện đang hoạt động theo cấu tạo, theo nguyên lý hoạt động, theo loại dòng điện … - Giải thích quá trình phát nóng và làm mát của máy điện theo nguyên tắc hoạt động và định luật về điện. - Phát biểu được các định luật điện từ dùng trong máy điện.
Định nghĩa và phân loại máy điện 1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây cuốn), dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha v.v… Máy điện là máy thường gặp nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải, sản xuất và đời sống. Máy điện có nhiều loại, và có nhiều cách phân loại khác nhau, ví dụ phân lọai theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, một chiều), theo nguyên lý làm việc v.v… Trong giáo trình này ta phân loại dựa vào nguyên lý biến đổi năng luợng như sau: 1. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có 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 có tính thuận nghịch, 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 biến đổi hệ thống điện U2, f thành hệ thống điện có thông số U1, f (Hình 1-1) U1,f BA U2,f ~ ~ Hình 18-01-1 1. Máy điện có phần động (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 điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát điện).
Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch (hình MĐ-18-02) nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoắc động cơ điện. 11 Hình 18-01-2 Trên Hình 18-01-3 vẽ sơ đồ phân loại các loại máy cơ điện cơ bản thường gặp. Hình 18-01-3 Sơ đồ phân loại các máy điện 12 2. Các định luật điện từ dùng trong máy điện 2.
Hiện tượng cảm ứng điện từ 2. Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây Khi từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động. Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều quay của từ thông theo quy tắc vặn nút chai (Hình 18-01-4), sức điện động cảm ứng trong một vòng dây, được viết theo công thức Masxscxoen như sau: d e=- (1-1) dt 2 Hình 18-01-4 Dấu trên Hình 18-01-4 chỉ chiều đi từ độc giả vào trong giấy. Nếu cuộn dây có w vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây sẽ là: wd d e=- =- (1-2) dt dt Trong đó = w gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây.
Trong các công thức (1- 1), (1-2) từ thông đó bằng Wb (Webe), sức điện động đo bằng V. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường. Thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đó là trường hợp thương gặp trong máy phát điện) trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e, có trị số là: e = Blv (1-3) Trong đó: 13 B: Cường độ từ cảm đo bằng T (Tesla). l: Chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ trường) đo bằng m v: Tốc độ thanh dẫn đo bằng m/s.
Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (Hình 18-01-5). Hình 18-01-5 Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện đều dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ. Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật dòng điện toàn phần. Các định luật này đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây chỉ nêu lại những điểm cần thiết, áp dụng cho nghiên cứu máy điện 2.
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường (đó là trường hợp thường gặp trong động cơ điện), thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng, có trị số là: F = Bil (1-4) Trong đó: B - Cường độ từ cảm đo bằng T i- Dòng điện đo bằng A l- Chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng m F- Lực điện từ đo bằng N (Niutơn) 14 Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái (Hình 18-01-6). Sơ lược về vật liệu chế tạo máy điện 3. Vật liệu dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện.
Bộ phận dẫn điện dùng trong 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 nhau như đồng thau, đồng phốt pho. Để chế tạo dây quấn ta thường dùng đồng và thứ yếu hơn là nhôm. Dây đồng và dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc chữ nhật, có bọc cách điện khác nhau như sợi vải, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học, sơn êmay.
Với các máy điện công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V thường dùng êmay vì lớp cách điện của dây mỏng, đạt độ bền yêu cầu. Đối với các bộ phận khác nhau như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngoài đồng, nhôm, người ta còn dùng các hợp kim của đồng hoặc nhôm, hoặc có chỗ còn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu. Vật liệu dẫn từ. Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu sắt từ để làm mạch từ: thép lá thường, thép đúc, thép rèn.
Gang ít khi được dùng, vì dẫn từ không tốt lắm. 15 Ở ngoài mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50H z thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 - 0,5mm, trong thành phần thép có từ 2-5% Si (để tăng điện trở của thép, giảm vòng điện xoáy). Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1 - 0,2mm. Tổn hao công suất trong thép lá do hiện trường từ trễ và dòng điện xoáy được đặc trưng bởi suất tổn hao.
Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo theo phương pháp cán nóng và cán nguội. Hiện nay với máy biến áp và máy điện công suất lớn thường dùng thép cán nguội vì có độ từ thẩm cao hơn và công suất tổn hao nhỏ hơn loại cán nóng. Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá. Vật liệu cách điện.
Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau. Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn, quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng chất cách điện cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm.
Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa. b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. c) Các chất tổng hợp. d) Các loại men, sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện có điện áp cao. Thông thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi v. Chúng có độ bền cơ tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém. Do đó dây dẫn cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện.
16 Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại: vật liệu cách điện cấp A gồm bông, tơ, giấy và các chất hữu cơ tương tự được tẩm dầu và cách điện dây dẫn bằng sợi êmay. Nhiệt độ cho phép của chúng khoảng 90o - 105oC. Vật liệu cách điện cấp B gồm các sản phẩm của mica, amiăng, sợi thủy tinh, nhiệt độ cho phép từ 105o - 140oC. Vật liệu cách điện cấp E là trung gian giữa cấp A và B.
Vật liệu cách điện cấp E và cấp H là vật liệu cách điện chịu nhiệt cao. Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, khinh khí) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp). 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, lắp 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. Phát nóng và làm mát máy điện Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện.
Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh.