Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mã chương: MH 12-01 Giới thiệu: Máy điện là một thiết bị vô cùng quan trọng trong đời sống sinh hoạt và trong công nghiệp. Sự hiểu biết và sửa chữa máy điện là một mảng công việc lớn đối với công nhân và kỹ sư ngành Điện vì vậy việc đào tạo kiến thức về máy điện cho học sinh sinh viên ngành Điện – Điện tử là một trách nhiệm lớn. Mục tiêu: Học xong chương này sinh viên phân loại được các máy điện, hiểu được các được luật cảm ứng điện từ, cũng như hiểu được sự phát nóng và làm mát của máy điện. Nội dung chính: 1 Định nghĩa và ph n o i máy điện: 1.1 Định nghĩa: Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
Về cấu tạo, máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc biến đổi ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc để biến đổi thông số điện như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha,… Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các nghành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải… và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình.2 Phân loại: Máy điện có nhiều loại, nhưng ở đây ta chỉ phân loại dựa trên nguyên lý biến đổi điện năng như sau: a. Máy điện tĩnh: Máy điện tĩnh thường gặp là máy biến áp. Nó dùng để biến đổi thông số điện năng. Ví dụ máy biến áp biến đổi điện năng có thông số U1, I1, f thành điện năng có thông số U2, I2, f.
Máy điện có phần động (quay hoặc chyển động thẳng). Loại máy điện này thường để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Nó làm việc dựa trên 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.
8 Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp: 2. Tính thuận nghịch của máy điện: Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động máy phát điện 2.1 Chế độ máy phát: Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ từ trường của nam châm N – S , trong thanh dẫn sẽ xuất hiện sức điện động e. Nếu nối vào 2 cực của thanh dẫn 1 điện trở R của tải thì dòng điện I chạy trng thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải. Nếu bỏ qua điện trở thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải u= e.
Công suất điện máy phát cho tải Pđ =ui =ei. Dòng điện I nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F đt = Bil. Khi máy quay với tốc độ không đổi thì lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fđt = Fcơ Nhân 2 vế với v ta được: vFđt = vFcơ = Bilv =ei. 9 Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơ .v đã được biến đổi thành công suất điện Pđ =ei nghĩa là cơ năng biến thành điện năng.2 Chế độ động cơ điện: Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện Cung cấp cho máy phát điện điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện I trong thanh dẫn.
Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt=Bil tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình vẽ. Công suất điện đưa vào động cơ: P = ui = ei = Blvi = Fđt v (1.1) Như vậy công suất điện P = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fđt v trên trục động cơ. Điện năng đã được biến đổi thành cơ năng. Các định uật cơ bản trong máy điện: 3.1 Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday): a.
Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua dòng dây(định luật Lenxơ): Hình 1-3: Sức điện động trong vòng dây có từ thông biến thiên Giả sử ta có vòng dây, từ thông đi qua diện tích vòng dây là . Qui ước chiều dương cho vòng dây như sau: Vặn cái vặn nút chai theo chiều tiến của từ 10 thông thì chiều xoay của cái vặn nút chai sẽ là chiều dương của vòng. Khi từ thông biến thiên xuyên qua dòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động. Nếu chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với chiều đã chọn, sẽ có giá trị dương và ngược lại sẽ có giá trị âm.
Cho một thanh nam châm lại gần và dịch xa vòng dây để làm thay đổi từ thông qua vòng sẽ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong vòng dây. Nếu từ thông biến thiên càng nhanh thì s.đ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông. Nếu trong thời gian dt, từ thông qua vòng biến thiên một lượng là d thì trị số sức điện động cảm ứng trong một vòng dây đựơc viết theo công thức Maxwell như sau: e = - d/dt (1.2) Nếu cuộn dây có w vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây sẽ là: e = w.3) dt dt Trong đó: =w. là từ thông móc vòng của cuộn dây. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường: Hình 1-4: Cảm ứng điện thanh dẫn cắt từ trường Một thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v vuông góc với đường sức của từ trường (thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sđđ e ở trong một từ trường đứng yên có từ cảm B.4) Trong đó: B: là cảm ứng từ tính bằng T (tesla).
l: chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường, đo bằng mét (m). v: vận tốc thanh dẫn đo bằng m/s.đ cảm ứng được xác định theo qui tắc bàn tay phải: Cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay phải, chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của thanh dẫn thì chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều sức điện động. Hình 1-5: Qui tắc bàn tay trái Định luật lực điện từ (định luật Laplace): Khi thanh dẫn với chiều dài l mang dòng điện i đặt thẳng góc với từ cảm B (đường sức từ trường, trường hợp rất thường gặp ở động cơ điện). Nó sẽ chịu một lực điện từ F: Chiều và độ lớn của lực f được xác định là tích vectơ: Có trị số: F = i.
i: dòng điện đo bằng ampe (A). F: lực điện từ đo bằng Niuton (N). Chiều của lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái: Để cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay trái, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều dòng điện thì chiếu ngón tay cái chãi ra chỉ chiều lực điện từ.2 Định luật ôm từ: Định luật ôm từ: Định luật ôm từ suy ra từ định lý ampere: Nếu H là cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện I1, I2, I3,…In tạo ra và C là một đường kín bao quanh chúng thì H.dl i C K 12 Xét một mạch từ có w vòng dây và cho dòng điện I chạy qua ta được cường độ từ trường H trong mạch từ, tiếp xúc với đường sức từ trung bình (C) có chiều dài l lúc đó trở thành: H. Viết tổng quát ta có: n H .i F i 1 Trong đó F là sức từ động để tạo ra từ thông .
Tính tóan mạch từ: a. Bài tóan thuận biết tìm F: Cho một mạch từ gồm m phần tử nối tiếp. phần tử i có chiều dài li , tiết diện Si. Tính sức từ động F để tạo ra từ thông chạy trong mạch từ đó.
Giải: Trong mạch từ nối tiếp, từ thông xuyên qua mọi tiết diện đều bằng nhau. Cách tính như sau: Bước 1: Tính từ cảm B Bi Si Suy ra từ trường Hi như sau: Nếu phần từ là khe hở không khí thì μ0 4 .10 7 H/m và B H n 0 F HiLi i1 Nếu đọan mạch từ là vật liệu sắt từ thì dựa vào đường cong từ hóa B= f(H) biết B suy ra H. Bước 2 : Tính sức từ động tổng tạo ra từ thông Bước 3: Mặt khác F = i.w, tùy theo bài tóan cho số vòng dây hoặc dòng điện kích từ ta tính được dòng điện hoặc số vòng dây cần có. Các đơn vị: Sử dụng 2 loại đơn vị: Hệ tuyệt đối là các đơn vị có thứ nguyên.
Hiện nay sử dụng 2 loại đơn vị tuyệt đối là CGS 0 và SI: Quan hệ giữa các đơn vị của hệ MKSA, SI và CGS 0 Tên các Kí hiệu đơn vị Kí hiệu đơn vị Đơn vị MKSA đại lượng hệ MKSA và SI hệ CGS 0 chuyển sang hệ CGS 0 Thời gian s s 1 Tần Số Hz Hz 1 Chiều dài m cm 102 13 Tốc độ dài m/s cm/s 102 Gia tốc m/s2 cm/s2 102 Khối lượng kg g 103 Từ thông Wb Mx 108 Từ cảm Wb/m2 G 104 Điện dung F Điện trở - Trong nghiên cứu tính toán, thiết kế các máy điện người ta dùng hệ tương đối. I = I / Iñm U= U / Uñm P = P / Pñm (1.6) Trong đó: I: là dòng điện đơn vị (A) U: điện áp đơn vị (V) P: công suất đơn vị (W) Iđm, Uđm, Pđm: là các đại lượng định mức của dòng điện, điện áp, công suất. Sơ ược về các vật iệu chế t o máy điện: gồm có: + Vật liệu tác dụng: gồm vật liệu dẫn điện và dẫn từ chủ yếu để chế tạo dây quấn và lõi thép. + Vật liệu cách điện dùng để cách điện các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau.
+ Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và bộ phận chịu lực tác dụng cơ giới. Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế tạo máy điện. Vật liệu dẫn từ: Người ta dùng những lá thép kĩ thuật, thép lá thông thường là thép đúc, thép rèn để chế tạo mạch từ. Các lá thép kĩ thuật điện (tôn silic) thường có mã hiệu: 11, 12, 13, 22, 32, 310 Trong đó: + chỉ lá thép kĩ thuật.
+ Số thứ nhất chỉ hàm lượng tôn silic chứa trong thép, số càng cao hàm lượng silic càng nhiều thép dẫn từ tốt nhưng giòn dễ gãy. + Số thứ hai chỉ chất lượng thép về mặt tổn hao, số càng cao tổn hao càng ít.