Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện CHUONG 1: SO DIEN TU TRONG LY THUYET MAY DIEN. Khai quat chung. May điện được định nghĩa là thiết bị chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, hoặc ngược lại. Máy điện cũng được định nghĩa là thiết bị chuyên đôi năng lượng điện ở cấp điện áp này sang cập điện áp khác.
Từ định nghĩa, dựa trên công dụng và đặc điểm làm việc, phân loại máy điện như sau : %% Máy điện tĩnh : Máy biến áp (máy biến áp ba pha, máy biến áp một pha) “+ May điện Quay : o_ Máy điện một chiều (máy điện DC) : Máy phát và động cơ. o_ Máy điện xoay chiều (máy điện AC) : - Máy điện đông bộ và không đông bộ : Máy phát và động co. - Máy phát : Biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng. - Động cơ : Biến đổi năng lượng điện thành cơ năng.
- Máy biến áp : Biến đổi nguồn điện từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác. Được sử dụng thông dụng trong truyên tải và phân phôi điện năng. Cho dù các loại máy điện có khác nhau về cấu trúc, tính năng. , nhưng nguyên lý chung cho tât cả các máy điện là dựa trên nguyên lý điện từ.
Do vậy trước khi đi vào phân tích máy điện ta cũng nên phân tích qua các hiện tượng điện từ liên quan. Các định luật điện từ: Trong phần này chúng ta phân tích các hiện tượng điện từ liên quan làm cơ sở phân tích máy điện trong các chương sau. Lực điện từ tác động lên một điện tích chuyển động trong trường điện từ.1 Lực Lorentz = E _ >5 F: dt Xét mét dién tich Q chuyén dong trong trường từ có mật độ từ thông Z với vận tốc 7 như hình vẽ (Hình 1. Dưới tác động của từ trường, điện tích Q chịu tác động một lực từ F„ được định nghĩa: Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 2 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện F,, = Q.¥xB fích có hướng của hai vectơ là một veci0.
Lực F„ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa ï và Ö và có độ lớn: F,, =|Q|v.2 0: là góc nhỏ giữa hai vectơ 7 và B. Quy tắc bàn tay phải vxB Chiều của #„ được xác định theo chiều tiến của định ốc thuận khi cho đỉnh ốc quay từ ÿ đến Ö theo chiều góc nhỏ. (hoặc dùng quy tắc bàn tay phải như Hình 1.2) Nếu trong môi trường đang xét, có điện trường £ thì ngoài lực từ #„ điện tích Q còn chịu tác động của lực điện trường.=QE (1-3) Va luc Lorentz được định nghĩa : F, = F.+F, =Q(E+ixB) (1-4) dt Như vậy khi một hat mang điện tích, dịch chuyên trong trường điện từ thì sẽ có lực tác động lên điện tích đó, lực đó gọi là lực Lorentz. Lực từ tác đông lên phần tử mang dòng điện.
Xét một dây dẫn l mang dòng điện I đặt trong từ trường ngoài có mật độ từ thông Bnhư hình vẽ (Hình 1. Trên l xét một đoạn vi phân dl, mang điện tích dQ. dQ dịch chuyên trong đoạn dl trong khoảng thời gian dt với vận toc v, dl = v. Lực từ tác động lên phần tử dòng dQ: Hình 1.3 Lực từ tác động lên dây dẫn 4F =do(sxB) -_ Với dQ được xem như một điện tích dịch chuyên trong trường điện từ.
ta có : dQ= lá: => dF = 1.¥xB © dF =1¥dtxB © dF =1.d1xB Trong đó : I 1a vécto chiéu dai vi phan doc theo l, có chiêu theo chiêu của dòng điện. - Nếu dây dẫn thẳng, và từ trường Z là đều đọc theo dây dẫn thì lực tác động lên dây dân được tính : E=IIxB (1-4) ï vectơ chiều dài I, có hướng là chiều dòng điện I. Độ lớn lực từ : Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 3 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện F.sm 9 0: góc nhỏ hình thành bởi / voi B. Moment — Moment từ của một cuộn dây.
Moment của một lực # tại một điểm O như hình vẽ (Hình 1.4) được định nghĩa : =FxF (1-5) Hinh 1.4 Điểm P đặt lực F nằm trong mặt phẳng xy, lực # cùng nằm trong mặt phẳng xy thì moment 7 do # gây ra tại điểm O trùng với trục Zz. Moment Như vậy, trục 7 là trục mà cánh tay đòn r sẽ quay quanh khi bị tác động bởi lực #. Gọi œ là góc hình thành bởi 7 và #. Ta thấy moment do lực # tạo ra để quay cánh tay đòn r quanh điểm O sẽ lớn nhất nếu # thẳng góc với 7 và bằng O nếu # song song với 7.
Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 4 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện 1. Moment từ của một cuộn dây. Xét cuộn dây phẳng hình chữ nhật, có một vòng dây nằm trong mặt phẳng xy sao cho tâm cuộn dây trùng với gốc O. Cuộn dây đặt trong từ trường có mật độ từ thông B.
Lực từ tác động lên các cạnh của khung dây lần lượt : (Các cạnh song song với 8 không có lực tác dụng) F =(—G, )x(Ba,) = Bla, F, = (a, )x(Ba,)=-BIld, Hinh 1.c6 diém dat lye 1a trung diém cạnh x trái, cánh tay đòn 7 = (yi Luc F,cé diém dat luc 1a trung điểm cạnh phai, canh tay don 7, = (S) Moment tong của các lực trên đối với gốc O là : T=Ï,+Ï =[_$a, Mama.) P T =(Blld )a, = BISA, (1-6) S : diện tích của cuộn dây. Công thức (1-6) vẫn đúng đối với cuộn đây có hình dạng bất kỳ. Tổng quát : Một cuộn dây phẳng có N vòng, mang dòng điện I, đặt trong từ trường Ö thì moment từ của nó được định nghĩa (Hình 1.4, (1-7) Moment tir Là một vectơ thẳng góc với diện tích S m=N.a, của vòng dây, chiêu theo quy tắc đính ôc thuận c hoặc quy tắc bàn tay phải. Ph - mxB Với moment từ, và từ trường sẽ cómột (EF W ỳ.
> moment tác động lên cuộn dây suy ra từ công I B thức (1-6). vong day 1 =ñxB (1-8) Khung dây có khuynh hướng quay đến khi nào moment từ có cùng hướng với mật độ từ thông Ö. Từ thông xuyên qua khung dây là lớn nhất, moment tác động lên khung dây băng không. Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 4 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện Điêu này cho thây, khi ta đặt một khung dây mang dòng điện I trong từ trường, thì khung dây này có xu hướng chuyển động sao cho từ thông xuyên qua khung dây là cực đại.
Đây là một trong các nguyên lý đề hình thành quá trình chuyên động của động cơ điện. Độ tự cảm của một cuộn dây. Xét cuộn dây có N vòng, mang đòng điện I có chiều như hình vẽ (Hình1. ® là từ thông do dòng điện chạy trong một vòng dây của cuộn dây gây ra.
Từ thông móc vòng của cả cuộn dây được định bởi : w=No (Wb-vòng) (1-9) Hình 1.7 Độ tự cảm một cuộn dây Độ tự cảm của cuộn dây được định nghĩa : _V¥_N® - L=T= I (H) (1-10) 1. Dinh luat Faraday. Từ định nghĩa luc Lorentz, Khi một điện tích chuyên động với vận toc v trong vùng có từ trường B thì lực từ tác động lên điện tích (xem lại [.9xB = QxE, Ta định nghĩa cường độ trường điện do chuyên động là : - RF - E,, =—~ =VxB (1-11) Như vậy, khi một thanh dẫn mang nhiều điện tích tự do chuyển động trong từ trường Z, điện trường #„ sẽ làm cho các điện tích dịch chuyển, và tạo ra một hiệu điện thé hai đầu thanh dẫn. Độ lớn điện thế này tùy thuộc vào hướng của È„ hay nói cách khác là tùy thuộc vảo vị trí tương đối của thanh dẫn đặt trong từ trường ö.
Điện thế của đầu a đối với đầu b trên thanh dẫn là : Vay = J Eyal = [(lxB)af (1-12) b b Biểu thức 1-11; 1-12 1a hai biểu thức quan trọng trong nguyên lý làm việc của các máy phát điện. Và là bản chât của định luật Earaday. Định luật Faraday cho thanh dan chuyên động. Nếu thanh dẫn thắng chuyển động với vận tốc ÿ vuông góc với từ trường Z, đồng thời dây dẫn cũng vuông góc với cả hai và dây dẫn có chiêu dài I thì trên dây dẫn có điện áp : V=Bly (1-13) Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 5 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện Định luật Faraday : Khi từ thông biến thiên ®œ = ®(?) theo thời gian xuyên qua một khung dây thì trên khung dây sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng v(t) : d® _ˆ" 1-14 Ht (1-14) Định luật này vẫn đúng trong trường hợp từ thông ® xuyên qua cuộn dây do chính dòng điện 1 chạy trong cuộn dây đó sinh ra.
_ dự _ _„ di dt dt (1-15) Điện áp V trong cuộn dây gọi là điện áp tự cảm ứng của cuộn dây. Dấu ( - ) trong biểu thức 1-14; 1-15 liên quan đến cực tính của điện áp cảm ứng. Điện áp cảm ứng sinh ra bởi một từ thông cảm ứng biến thiên theo t có cực tính sao cho dòng điện mà nó sinh ra trong khung dây sẽ sinh ra một từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Trong trường hợp dây dẫn chuyên động với vận tốc # trong một từ trường đều không đổi theo thời gian, cực tính điện áp cảm ứng trong dây dẫn được xác định theo quy tắc : nêu nối dây dẫn kín mạch thì dòng điện cảm ứng tạo ra sẽ có chiều sao cho lực từ tác động lên dây dẫn chống lại sự chuyển động của dây.
Mạch từ và bài toán mạch từ.8 Điện áp cảm ứng Dvyyv Px Hinh 1.9 Điện áp cảm ứng Mạch từ. Xét cuộn dây dài, lõi không khí (Hình1.10) và C là đường sức của từ trường. Áp dụng định luật lưu số Ampere, ta có : ƒRal=Na Cc Vì từ trường chủ yếu tập trung bên trong lõi cuộn dây, do vậy ta có : H1=NI =H=Ằ1 L L là chiều đài của lõi. Trong lõi dây là không khí đo đó mật độ từ thông: B, =p,H =4n107H Từ thông xuyên qua lõi là : ®, =B,S Với S là tiết diện của lõi vuông góc với vectơ cảm ứng từ B.
Giáo trình Lý thuyết máy điện Trang 6 Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Điện Xét mạch từ có lõi sét từ (Hình 1.11) Gọi ụ; là độ từ thâm tương đối của vật liệu, mật Hình 1.