MỞ ĐẦU Giới thiệu: Bài học này sẽ giới thiệu tới sinh viên các khái niệm về máy điện, phân loại máy điện, vật liệu dùng trong động cơ điện vạn năng và các tình trạng làm việc của động cơ điện vạn năng. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm và phân loại được các loại máy điện; - Trình bày được vật liệu dùng trong động cơ điện vạn năng và các tình trạng làm việc của động cơ điện vạn năng; - Có tính tư duy, sáng tạo trong quá trình học tập. Nội dung chính: 1. Khái quát về máy điện Nhìn theo quan điểm năng lượng thì các máy điện là các thiết bị dùng để truyền tải hoặc để biến đổi năng lượng điện từ.
Ví dụ: Máy biến áp là thiết bị truyền tải năng lượng dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang năng lượng dòng điện xoay ở điện áp khác. Máy biến đổi tần số là thiết bị truyền tải năng lượng dòng điện xoay chiều ở tần số này, sang năng lượng dòng điện xoay chiều ở tần số khác. Các máy phát điện và động cơ điện, tương ứng là các thiết bị điện biến đổi từ cơ năng sang điện năng, hoặc ngược lại. Quá trình truyền tải hoặc biến đổi năng lượng điện từ trong các máy điện, đều phải thông qua trường điện từ tồn tại trong máy.
Do đó bất kỳ một máy điện nào đều có hai mạch: Mạch điện và mạch từ. Các máy điện có nhiều loại và cấu tạo khác nhau, song đứng về mặt năng lượng thì có thể coi máy điện như một thiết bị điện có hai cửa: Cửa vào là cửa nhận năng lượng đưa vào máy, và cửa ra là cửa đưa năng lượng từ máy ra ngoài (hình vẽ 1). Cửa vào (U, I, hoặc M, n) Máy điện Cửa ra (M, n, hoặc U, I) Hình 1. Máy điện là thiết bị điện có hai cửa 7 Nếu là máy phát điện thì năng lượng đưa vào cửa vào là cơ năng; thể hiện qua mô mem M và tốc độ quay n truyền lên trục quay máy phát; còn năng lượng lấy ở cửa ra là điện năng ; thể hiện qua dòng điện I và điện áp U máy phát phát ra.
Nếu là động cơ thì ngược lại, năng lượng đưa vào cửa vào là điện năng (I, U), P và năng lượng lấy ở cửa ra là cơ năng (M, n). Trường hợp các máy điện truyền tải P1 P2 năng lượng, ví dụ như máy biến áp, thì năng lượng ở cửa vào và ra đều là điện năng (vào là U1, I1; ra là U2, I2). Ta có thể coi như có 1 dòng năng lượng chảy liên tục qua máy điện (hình 2). Dòng năng lượng chảy qua máy điện Dòng năng lượng chảy vào máy với công suất P1 một phần năng lượng này mất mát ở trong máy với công suất P.
Như vậy dòng năng lượng ra khỏi máy có công suất chỉ còn P2 = P1 - P. Ta có thể dùng một mạch điện để làm mô hình diễn tả và tính toán cường độ các quá trình năng lượng xảy ra trong máy điện (năng lượng đưa vào và lấy ra, tổn thất năng lượng trong máy, cường độ quá trình tích phóng năng lượng của trường điện từ trong máy). Mạch điện mô hình có cấu tạo hình học với một số nhánh và nút tùy ý, nhưng phải có 4 cực nên ta gọi là mạng 4 cực Máy điện I1 I2 đầu vào đầu ra Zpt U1 U2 Hình 3. Mạng 4 cực Hai cực của đầu vào nối với nguồn điện có điện áp U1, dòng điện vào I1, phải có công suất đưa vào mạng U1I1 bằng công suất ở cửa vào của máy điện.
Hai đầu ra còn lại nối với tổng trở phụ tải Zpt điện áp U2 và dòng điện I2 sao cho công suất đưa ra là U2.I2, bằng công suất ở cửa ra của máy điện. Mạng 4 cực tổng quát như vậy có thể đưa về giản đồ đẳng trị hình T (hình 4a) hoặc (hình 4b) gọi là giản đồ thay thế. Giản đồ thay thế mạng 4 cực 2. Phân loại máy điện Các máy điện giữ vai trò chủ yếu trong các thiết bị điện dùng ở mọi lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng.
Những máy điện thường gặp nhất là máy phát điện, máy biến áp và động cơ điện; chúng đóng vai trò chủ yếu trong các khâu: Sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện năng. Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng, máy biến áp biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang điện áp khác có cùng tần số, cần thiết cho việc truyền tải điện năng. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng, nó chiếm phần lớn phụ tải điện trong các xí nghiệp. Ngoài ra còn có các loại máy điện đặc biệt biến đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều, dùng biến đổi tần số dòng điện xoay chiều, biến đổi dòng điện một chiều từ điện áp này sang điện áp khác, biến đổi số pha của dòng điện xoay chiều… Những máy đó gọi chung là các máy điện biến đổi.
Máy điện gồm có máy điện tĩnh như máy biến áp, máy điện quay như các loại động cơ. Tùy theo năng lượng dòng điện phát ra hay tiêu thụ là năng lượng dòng điện xoay chiều hay một chiều mà chia ra máy điện xoay chiều, một chiều (máy điện một chiều có thêm vành đổi chiều – gọi là cổ góp điện). Tùy theo số pha của máy điện xoay chiều mà chia ra máy điện xoay chiều một pha hoặc nhiều pha (3 pha). Các máy điện khi làm việc sinh ra từ trường quay trong máy; nếu là máy điện một pha thì từ trường của nó phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau.
Các máy điện xoay chiều có tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường quay gọi là máy điện đồng bộ, các máy điện xoay chiều có tốc độ rotor khác tốc độ từ trường quay gọi là máy điện không đồng bộ. Ngoài ra máy điện không đồng bộ còn có loại máy điện không đồng bộ có vành đổi chiều, rotor của loại này có cấu tạo như rotor máy điện một chiều. Đặc điểm máy này có thể điều chỉnh tốc độ một cách bằng phẳng và kinh tế. Tuy vậy nó không được dùng rộng rãi so với loại máy lớn vì giá thành cao, vận hành phức tạp, thường dùng ở dạng máy nhỏ có vận tốc cao như động cơ vạn năng.
Vật liệu dùng dùng trong động cơ điện vạn năng Các loại vật liệu dùng trong động cơ điện vạn năng gồm vật liệu cấu trúc, vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện. Vật liệu cấu trúc là vật liệu dùng để cấu tạo các chi tiết để nhận hoặc truyền các tác dụng cơ học. Ví dụ như trục động cơ, ổ trục, vỏ động cơ, nắp vỏ động cơ … Các vật liệu cấu trúc dùng trong động cơ thường là gang, thép rèn, kim loại mầu và hợp chất của chúng, các chất dẻo. Vật liệu dẫn điện nhằm tạo các bộ phận dẫn điện, dẫn điện tốt nhất là đồng, vì đồng không đắt lắm và điện trở suất lại nhỏ.
Dây nhôm cũng được dùng nhiều, nhôm có điện trở suất lớn hơn đồng nhưng nhẹ. Đôi khi người ta còn dùng dây dẫn là đồng thau, tạo điều kiện cho những quá trình điện từ xảy ra trong động cơ điện vạn năng. Dây dẫn bằng đồng hoặc nhôm được bọc cách điện bằng sợi vải, sợi thủy tinh, giấy nhựa hóa học, sơn ê may. Với các động cơ điện vạn năng công suất nhỏ và trung bình; điện áp dưới 700V thường dùng dây ê may vì lớp cách điện mỏng, đạt độ bền yêu cầu với các bộ phận khác như vành đổi chiều.
Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn từ như thép kỹ thuật, sắt từ khác nhau. Ở mạch từ có từ thông biến đổi có tần số 50Hz thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5mm, trong thành phần thép có từ 2 ÷ 5 % Si (để tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy). Với tần số cao hơn dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1 ÷ 0,2mm. Tổn hao công suất trong lá thép do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy được đặc trưng bằng suất tổn hao.
Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội. Hiện nay động cơ điện vạn năng 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 có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá. Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa các phần dẫn điện và không dẫn điện; hoặc giữa các phần dẫn điện với nhau.
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 dẫn và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng của vật liệu cách điện cao thì lớp cách điện mỏng, kích thước máy giảm. Chất cách điện ở thể rắn gồm 4 nhóm: + Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải, lụa.
+ Chất vô cơ như amiăng, mi ca, sợi thủy tinh. 10 + Các chất tổng hợp. + Các loại men, sơn cách điện. Chất cách điện tốt nhất là mica, song đắt chỉ dùng trong các động cơ điện có điện áp cao.
Thông thường dùng vật liệu cách điện cũ như giấy, các tông, băng, vải v. có độ bền cơ học, mềm, dẻo, dai, rẻ nhưng nếu không được tẩm sấy thì dẫn nhiệt kém, dễ hút ẩm, độ cách điện kém. Vì vật chất cách điện trên chỉ được dùng khi đã tẩm dầu, để cải thiện những tính năng của nó. Căn cứ độ ổn định nhiệt của chất cách điện, người ta chia ra thành nhiều loại.
Trong động cơ điện vạn năng thường dùng hai loại A và loại B. Bảng phân cấp cách điện (Tham khảo) Cấp Nhiệt độ giới Nhiệt độ trung hạn cho phép bình cho phép cách Vật liệu vật liệu dây quấn điện ( 0C ) ( 0C ) A Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm 105 100 trong vật liệu hữu cơ lỏng E Vải loại màng tổng hợp 120 115 B Amiăng, sợi thủy tinh,có chất kết 130 120 dính và vật liệu gốc mica F Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi thủy 155 140 tinh,có chất kết dính và tẩm tổng hợp H Vật liệu gốc mica, Amiăng, sợi 180 165 thủy tinh phối hợp chất kết dính và tẩm silic hữu cơ 4.