CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mục tiêu của chương: Sau khi học chương này, học sinh có khả năng: Kiến thức: - Trình bày được nội dung các định luật điện từ dùng trong máy điện - Định nghĩa được máy điện - Giải thích được sơ đồ phân loại máy điện Kỹ năng: - Vận dụng được các dịnh luật điện từ vào phân tích nguyên lý hoạt động của máy điện Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Có tinh thần học tập, rèn luyện nâng cao kiến thức/kỹ năng, tự tìm tòi nghiên cứu tài liệu một cách sáng tạo và tích cực. Các định luật điện từ dùng trong máy điện 1. Định luật lực điện từ: Thanh dẫn có chiều dài l mang dòng điện I được đặt vuông góc với đường sức của từ trường B, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ F có giá trị được xác định theo biểu thức sau: F = B.l Trong đó: F: lực điện từ, đơn vị (N). B: cảm ứng từ, đơn vị (T).
F I: dòng điện trong thanh dẫn, đơn vị (A). l: chiều dài thanh dẫn, đơn vị (m).1: Quy tắc bàn tay trái. Chiều của thanh dẫn được xác định theo quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho đường sức từ xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện, chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực điện từ F”. Hiện tượng cảm ứng điện từ (định luật Faraday) S a.
Thí nghiệm: hình vẽ 1.2 N Có một ống dây được nối hai đầu với một điện kế nhạy G và một thanh nam châm được đặt ở ngoài ống dây. Ban đầu kim điện kế chỉ số 0, chứng tỏ trong mạch G không có dòng điện. Đưa thanh nam châm lại gần ống dây thấy kim điện kế lệch đi một góc, chứng tỏ trong mạch có dòng điện.2: Thí nghiệm hiện thanh nam châm đứng yên kim điện kế lại chỉ sô 0. Rút tượng cảm ứng điện từ thanh nam châm ra kim điện kế lại lệch đi một góc ngược (G: là điện kế nhạy) với góc ban đầu, chứng tỏ trong mạch có dòng điện.
Kết luận: Dòng điện trong mạch chỉ xuất hiện khi thanh nam châm chuyển động. Dòng điện trên gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tượng trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Định luật Faraday: Khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Sức điện động cảm ứng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông biến thiên.
Trường hợp thanh dẫn chuyển động cắt từ trường (quy tắc bàn tay phải – hình 1.3): Thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v vuông góc với đường sức của từ trường có cảm ứng từ B, trong thanh dẫn xuất hiện một sức điện động cảm ứng e được xác định bởi công thức: e = B.1) Trong đó: e: sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn, đơn vị (V).3: Quy tắc B: cảm ứng từ, đơn vị (T). bàn tay phải I: dòng điện trong thanh dẫn, đơn vị (A). S l: chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường, đơn vị (m). N Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải sao cho đường sức từ xuyên qua lòng bàn tay, chiều ngón tay cái choãi ra theo chiều Φ e 2 Hình 1.4: Sức điện động trong vòng dây có từ thông biến thiên chuyển động của thanh dẫn, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của sức điện động cảm ứng ”.
Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây (định luật Len xơ). Khi đưa một nam châm di chuyển qua vòng dây kín thì xuất hiện từ thông qua vòng dây. Từ thông này biến thiên sẽ làm xuất hiện trong vòng dây một sức điện động cảm ứng, xác định bởi công thức: d e= (1.2) dt Nếu cuộn dây có N vòng thì s.đ cảm ứng trong cuộn sẽ là: d d e= N =- (1.3) dt dt Trong đó: e: sức điện động cảm ứng, đơn vị (V). : là từ thông móc vòng của cuộn dây, đơn vị (Webe).
Dấu “-” chỉ chiều sức điện động cảm ứng tuân theo định luật Len xơ: “Sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ thông mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó”. Nếu ta đưa nam châm lại gần và ra xa vòng dây càng nhanh thì từ thông Φ biến thiên càng mạnh, từ thông biến thiên càng mạnh thì sức điện động cảm ứng càng lớn. Vậy sức điện động cảm ứng tỉ lên thuận với từ thông Φ. Tự cảm và hỗ cảm a.
Tự cảm Cho dòng điện I vào cuộn dây sẽ tạo ra từ trường xuyên qua cuộn dây, tạo ra từ thông Φ móc vòng tự cảm. Khi dòng điện I thay đổi thì từ thông Φ cũng cũng thay đổi. Chúng có quan hệ với nhau bởi công thức: Φ= L.4) I L được gọi là hệ số tự cảm, đơn vị H: đặc trưng cho khả năng gây ra từ trường của mỗi cuộn dây. L phụ thuộc vào bản chất cuộn dây như số vòng dây, kích thước dây và phụ thuộc vào môi trường đặt cuộn dây có lõi thép hay không có lõi thép.
3 Khi dòng điện I biến thiên dẫn đến từ thông Φ biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng (theo định luật cảm ứng điện từ) gọi là sức điện động tự cảm e L, được xác định theo biểu thức: I eL= - = -L (1.5) t t L : hệ số tự cảm, đơn vị (H). ΔI: độ biến thiên dòng điện, đơn vị (A). Δt: thời gian xảy ra biến thiên, đơn vị (s). Vậy sức điện động tự cảm là sức điện động cảm ứng trong dây dẫn do chính dòng điện trong dây dẫn biến thiên sinh ra.
Hỗ cảm Có hai cuộn dây đặt gần nhau, cho dòng điện I vào cuộn thứ nhất để tạo từ thông móc vòng tự cảm qua chính nó và một phần móc vòng sang cuộn thứ hai. Đó chính là từ thông móc vòng hỗ cảm từ cuộn 1 sang cuộn 2, ký hiệu Φ1-2(ngược lại ta cũng có Φ2-1). Khi dòng điện đặt vào cuộn dây thứ nhất thay đổi thì từ thông cũng thay đổi theo công thức: Φ12 Φ1-2= M.6) I1 M được gọi là hệ số hỗ cảm, đơn vị H: đặc trưng cho khả năng gây ra từ trường giữa hai cuộn dây. M phụ thuộc vào bản chất hai cuộn dây như kích thước số vòng, phụ thuộc vào môi trường đặt hai cuộn dây có hoặc không có lõ thép và phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai cuộn dây.
Khi dòng điện I1 biến thiên dẫn đến từ thông Φ1-2 cũng biến thiên làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong cuộn dây thứ 2 (theo định luật cảm ứng điện từ) gọi là sức điện động hỗ cảm do cuộn thứ nhất gây ra cho cuộn thứ hai, ký hiệu eM1-2, được xác định theo công thức: 12 eM1-2= - =- = -M 1 (1.7) t t t Ngược lại nếu ta đặt dòng điện vào cuộn dây thứ hai thì xuất hiện sức điện động hỗ 2 cảm eM2-1=-M t Trong đó: 4 M: hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây, đơn vị (H). ΔI1, ΔI2: độ biến thiên dòng điện trong cuộn 1, đơn vị (A). Δt: thời gian xảy ra biến thiên, đơn vị (s). Vậy sức điện động hỗ cảm là sức điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây do sự biến thiên dòng điện ở cuộn dây khác có quan hệ hỗ cảm với nó.
Định nghĩa và phân loại máy điện 1. Định nghĩa: Máy điện là một hệ điện từ gồm mạch từ và cuộn dây liên quan đến nhau, làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy điện dùng để biến đổi các dạng năng lượng như biến cơ năng thành điện năng (máy phát điện), hoặc ngược lại biến điện thành cơ năng (động cơ điện), hoặc biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số… 1. Phân loại máy điện Máy điện có nhiều loại và nhiều cách phân loại khác nhau: theo trạng thái làm việc, theo chức năng, theo dòng điện.
Ở đây ta phân loại máy điện dựa theo trạng thái làm việc: Máy điện tĩnh: máy biến áp Máy điện quay gồm máy điện một chiều, máy điện xoay chiều, Trong máy điện xoay chiều lại chia thành máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ, trong mỗi loại lại được chia thành động cơ điện, máy phát điện… Có thể mô tả cách phân loại máy điện theo sơ đồ sau: Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều biến áp Máy điện Máy điện đồng bộ không đồng bộ Máy Động Máy Động Máy Động phát cơ phát cơ phát cơ điện điện điện điện điện điện đồng đồng không không một một bộ bộ đồng bộ đồng bộ chiều chiều 5 Hình 1.5: Phân loại máy điện 1. Sơ lược về vật liệu chế tạo máy điện Vật liệu chế tạo máy điện gồm: Vật liệu dẫn điện để chế tạo dây quấn. Vật liệu dẫn từ để chế tạo lõi thép. Vật liệu cách điện để cách điện giữa phần mang điện với phần không mang điện hoặc giữa các phần mang điện với nhau.
Vật liệu cấu trúc để chế tạo các chi tiết như trục ổ trục thân và nắp máy… Ta chỉ xét sơ lược về vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu cách điện. Vật liệu dẫn điện: Vật liệu để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng. Vì nó có điện trở nhỏ và khả năng chống ăn mòn tốt. Đôi khi người ta còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho… Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật và được sơn cách điện.
Vật liệu dẫn từ: Vật liệu dẫn từ để chế tạo mạch từ thường là thép kỹ thuật, thép lá, thép đúc, thép rèn. Trong thành phần của thép thường có 2-5% Silic. Hàm lượng Silic càng nhiều thì thép dẫn từ tốt nhưng giòn dễ gãy. Hàm lượng Silic càng ít thì thép dẻo dai dễ chế tạo nhưng chất lượng mạch từ thấp.
Vì vậy tùy theo mục đích sử dụng mà người ta chế tạo lõi thép sao cho phù hợp. Ngoài ra, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy các lá thép còn được sẻ mỏng và được sơn cách điện sau đó mới ghép với nhau. Vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện dùng trong máy điện phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Cường độ cách điện cao. - Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng.
- Chống ẩm tốt, bề về cơ học.