Giáo trình Máy điện 1 (Phần 1) - Chương 1: Cơ sở lý thuyết máy điện

Chia sẻ: Vo Quang Man | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

193
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Khái niệm chung, định nghĩa và phân loại, các định luật điện từ cơ bản dùng trong máy điện, từ trƣờng, mạch từ và định luật mạch từ, tổn hao năng lƣợng trong mạch từ, sự biến đổi năng lượng trong máy điện quay, các vật liệu chế tạo máy điện,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện 1 (Phần 1) - Chương 1: Cơ sở lý thuyết máy điện

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
Lời nói đầu Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, đặc biệt là điện năng. Điện năng không xảy ra trong tự nhiên dưới dạng sử dụng được và cũng không tích trữ được lượng điện lớn. Điện năng phải phát ra liên tục để cung cấp cho những nhu cầu về điện và điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lãnh vực vì các ưu điểm sau:  Điện năng được sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn.  Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao.  Điện năng dễ dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác.  Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cùng với công nghệ thông tin đã đưa nền sản xuất xã hội sang giai đoạn kinh tế tri thức. Máy điện là thiết bị điện dùng để sản xuất, tiêu thụ và biến đổi điện năng. Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng. Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế. Giáo trình Máy điện 1 này gồm ba phần : Phần I cung cấp các kiến thức chung về máy điện và nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy biến áp. Phần II cung cấp các kiến thức chung về máy điện xoay chiều. Phần III cung cấp các kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy điện không đồng bộ. Giáo trình Máy điện 1 được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở Bộ môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng và tham khảo giáo trình của các trường bạn. Đây là giáo trình nhằm giúp cho sinh viên chuyên ngành và không chuyên ngành điện làm tài liệu tham khảo, học tập, đồng thời làm tài liệu để sinh viên thuận tiện học tập khi thầy giáo giảng bằng phương tiện giảng dạy mới. Do trình độ có hạn, giáo trình Máy điện không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc. Các ý kiến đóng góp xin gởi về các tác giả ở Bộ môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng. Các tác giả
PHẦN THỨ NHẤT MÁY BIẾN ÁP Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÁY ĐIỆN 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Từ thời thượng cổ con người đã biết đến những hiện tượng liên quan đến điện như sấm, sét. Nhà triết học Hylạp cổ đại Thales von Milet đã nhận thấy hiện tượng nhiễm điện do ma sát khi chà miếng hổ phách lên vải khô. Năm 1785 Charles Coulomb thiết lập định luật mang tên ông. Năm 1821 Faraday chế tạo ra chiếc máy điện đầu tiên. Ngày đó được xem như một mốc đánh dấu sự ra đời của nghành chế tạo máy điện. Năm 1825 nhà bác học Pháp Andre Marie Ampere phát minh ra các định luật cơ bản của điện động học Năm 1824 P.Barlow làm ra một động cơ gồm hai bánh xe bằng đồng gắn trên một trục. Chúng được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. “Bánh xe Barlow” tiếp xúc với thuỷ ngân và quay khi có dòng điện chạy qua. Năm 1831 Faraday khám phá ra định luật cảm ứng điện từ, một trong những định luật quan trọng làm nền tảng cho ngành chế tạo máy điện. Năm 1832 Pixxi chế tạo được một máy phát điện có cực từ quay và cuộn dây cố định quấn trên lõi thép Năm 1834 B.S.Yakobi đã chế tạo một động cơ làm việc theo nguyên tắc hút và đẩy giữa một nam châm điện và một nam châm vĩnh cửu. Năm 1838 các kĩ sư Nga đã lắp một bộ 4 động cơ trên một xuồng máy và chiếc xuồng này đã chở 2 hành khách chạy ngược dòng Neva. Như vậy lần đầu tiên động cơ điện được sử dụng vào thực tế. Năm 1860 A. Pacinotti và sau đó năm 1870 Z. Gramme đưa ra máy điện có lõi sắt hình xuyến. Máy điện của Gramme đã tạo ra một cuộc cách mạng về mặt thương mại của các máy điện và nó là cơ sở cho các máy điện hiện đại Năm 1873 F. Hefner và Siemen thay thế lõi sắt hình xuyến bằng lõi sắt hình trống. Từ năm 1878 các máy điện được chế tạo rãnh trên lõi sắt để đặt dây quấn.
Năm 1880 Thomas A Edison sản xuất ra chiếc máy điện đầu tiên có lõi sắt làm bằng các lá thép ghép lại. Năm 1885 các kĩ sư Hungari đưa ra chiếc máy biến áp có lõi sắt kín. Năm 1889 M.O.Dolivo-Dobrovolsky đề xuất ra động cơ điện không đồng bộ ba pha và máy biến áp ba pha. Từ năm 1890 hệ thống ba pha được dùng rộng rãi. Nó đánh dấu thời kì phát triển của hệ thống dòng điện xoay chiều. Năm 1970 người ta bắt đầu dùng các nguyên tố đất hiếm để chế tạo các nam châm vĩnh cửu mạnh và có kích thước nhỏ. Năm 1978 kĩ thuật đệm từ bắt đầu phát triển ở Nhật Mỹ và Đức và đến năm 1989 những tàu hoả thử nghiệm dùng đệm từ trường đã đạt tốc độ 400 km/h. Năm 1991 trong phòng thí nghiệm của KfA-Karlsruhe (Đức) đã xuất hiện các động cơ siêu nhỏ dùng trong y khoa và robot. Lịch sử phát triển của máy điện đã trải qua nhiều thời kì với sự đóng góp to lớn của các nhà bác học. Ngày nay chúng ta gặp những máy điện có công suất từ vài mW đến hàng trăm MW. Máy điện là thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện. Nói chung, một thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện là một thiết bị có sự liên kết giữa hệ điện và hệ cơ. Kết hợp một cách thích hợp hai hệ này cho phép chúng ta biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ hay ngược lại. Trong các máy phát năng lượng cơ đưa vào hệ cơ được biến thành năng lượng điện nhờ trường liên kết. Như vậy hệ cơ cung cấp năng lượng qua trường liên kết đến hệ điện. Trong các động cơ, năng lượng điện được đưa vào hệ điện và biến thành năng lượng cơ nhờ trường liên kết, nghĩa là hệ điện cung cấp năng lượng qua trường liên kết đến hệ cơ. Sự liên kết giữa hệ điện và hệ cơ được thực hiện nhờ từ trường hay điện trường, nghĩa là trường liên kết trong máy điện là điện trường hoặc từ trường. Nói chung cả hai trường này đều có mặt trong máy điện. Sự tích luỹ năng lượng trong các trường này liên quan đến sự biến đổi năng lượng. Năng lượng trong trường liên kết sẽ thay đổi hoặc có xu hướng thay đổi trong suốt quá trình biến đổi năng lượng. Có thể nói rằng xu hướng giải phóng năng lượng của trường liên kết và thực hiện công cơ học là nguyên nhân tồn tại mối liên kết giữa hệ điện và hệ cơ. Sự biến đổi năng lượng cơ điện phụ thuộc vào quan hệ giữa một bên là điện trường và từ trường và bên kia là lực cơ học, mô men và chuyển động. Các hiện tượng sau đây thường được dùng trong các thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện: - Lực cơ học tác dụng lên thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường, giữa các thanh dẫn có dòng điện nhờ từ trường của chúng. - Lực cơ học tác dụng lên vật liệu sắt từ và có xu hướng làm nó chuyển dời đến vị trí có từ cảm lớn nhất. - Lực cơ học tác dụng lên các bản cực được tích điện của tụ điện và lên điện môi đặt trong điện trường. - Một số tinh thể bị biến dạng khi gradient điện áp tác dụng theo một hướng xác định. Ngược lại khi chúng bị biến dạng, các điện tích xuất hiện trong chúng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện. Mặc dù sự biến dạng của tinh thể khi có điện áp đặt vào rất nhỏ song lực xuất hiện có thể rất lớn. - Một số vật liệu sắt từ bị biến dạng nhỏ khi chịu tác dụng của từ trường. Ngược lại, đặc tính từ bị ảnh hưởng khi vật liệu chịu tác dụng của ứng suất cơ học.
Hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ giảo. Cũng như hiệu ứng áp điện, lực có thể lớn khi biến dạng rất nhỏ. Như vậy có rất nhiều hiện tượng tự nhiên có thể dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Trong giáo trình này, chúng ta chủ yếu nghiên cứu các máy điện làm việc dựa trên hiện tượng thứ nhất và thứ hai vì chúng là các máy điện thông dụng trong thực tế. Còn trong chương này trình bày khái quát về máy điện, tóm tắt các định luật vật lý dùng trong máy điện, trình bày khái quát các vật liệu từ tính và các mạch từ đơn giản. Trong các chương kế tiếp, các khái niệm trong chương này được dùng để phân tích các loại máy điện.` 1.2. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.2.1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư, về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số, số pha ... Như vậy máy điện là một hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan với nhau. Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí. Các mạch điện gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng. 1.2.2. Phân loại máy điện Máy điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế ... Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau. Ở đây ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng gồm các loại như sau : máy điện tĩnh và máy điện quay. a. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,.. b. Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng) Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra. Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Quá trình biến đổi năng lượng nầy có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. Để có bức tranh về máy điện, ta có sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:
Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều Máy điện Máy điện đồng bộ không đồng bộ Máy Động Máy Động Máy Động phát cơ phát cơ điện phát cơ Máy điện điện điện không điện điện biến đồng đồng không đồng một một áp bộ bộ đồng bộ bộ chiều chiều 1.3. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật dòng điện toàn phần. Các định luật nầy đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện. 1.3.1. Định luật cảm ứng điện từ a. Trƣờng hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên. Khi từ thông  = (t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t). Sđđ đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1-1). Sđđ cảm ứng trong một vòng dây được tính theo  công thức: e d e [V] (1-1) dt Nếu cuộn dây có N vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây là: d d eN  (1-2) dt dt Hình 1-1 Chiều dương sđđ trong đó,   N [Wb] gọi là từ thông móc vòng cảm ứng phù hợp với từ thông của cuộn dây; còn t là thời gian. theo qui tắc vặn nút chai Trường hợp từ thông biến thiên hình sin  = maxsint, theo (1-2) ta có:
d   eN  N max cos t  E max sin(t  )  2E sin(t  ) (1-3) dt 2 2 Trong đó, biên độ sđđ cảm ứng E max  N max  2fN max , trị số hiệu dụng tương ứng E  E max / 2  N max / 2  4,44fN max và f(Hz) là tần số. b. Trƣờng hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trƣờng. Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây là trường hợp thường gặp nhất trong máy điện, hình 1-2), trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là: e = Blv (1-4a) trong đó : B[T]: cường độ từ cảm. l[m]: chiều dài tác dụng (effective, hoặc thanh dẫn đặt thẳng góc với đường sức từ trường) của thanh dẫn. Hình 1-2 Xác định sđđ cảm ứng V[m/s]: tốc độ dài của thanh dẫn. theo qui tắc bàn tay phải Còn chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải. Từ trường xuyên qua lòng bàn tay, chiều ngón tay cái là chiều chuyển động của thanh dẵn, chiều các ngón tay là chiều sđđ cảm ứng (hình 1-2). Nếu thanh dẫn tạo với từ trường một góc  thì: e = B.l.v.sin (1-4b) 1.3.2. Định luật lực điện từ Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường như trên hình 1-3a, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: f = Bil (1-5a) Trong đó, B[T]: cường độ từ cảm. i [A]: dòng điện chạy trong thanh dẫn. l [m]: chiều dài tác dụng thanh dẫn. f [N]: lực điện từ đo bằng Niuton. Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 1-3c). Nếu thanh dẫn tạo với từ trường một góc  (hình 1-3b) thì: f = B.i.l.sin (1-5b)   i B (a) (b) Hình 1-3 Xác định lực điện từ (c)
Nếu khoảng cách từ thanh dẫn đến trục quay là d thì mômen tác dụng lên thanh dẫn là: m = 2.f.d = 2.B.l.i.d [Nm] (1-5c) 1.3.3. Định luật dòng điện toàn phần  Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau: nếu H là véctơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, ... ik, ..., in tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:   i1 i2 i3   dl  ik H (1-6)  H ( L) dl  Với d l là độ dời vi phân trên (L), như trình bày trên hình 1-4. Dấu của ik xác định theo qui (L) tắc vặnnút chai: quay cái vặn nút chai theo chiều d l , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu Hình 1-4 Minh họa định luật dương, còn ngược lại lấy dấu âm. dòng điện toàn phần 1.4. TỪ TRƢỜNG, MẠCH TỪ VÀ ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ 1.4.1. Từ trƣờng Điện tích chuyển động sẽ tạo ra từ trường. Trong máy điện, từ trường được tạo bởi các cực từ và dây quấn. Sự phân bố từ trường trong máy phụ thuộc vào kết cấu của máy điện. Trên hình 1-5a,b,c là hình ảnh từ trường tương ứng của thanh dẫn, cuộn dây và nam châm. i (b) (a) S N (c) Hình 1-5 Từ trường 1.4.2. Mạch từ và định luật mạch từ Lõi thép của máy điện là mạch từ. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Trên hình 1-6a là mạch từ của một cuộn dây có lõi thép và hình 1-7a,b là mạch từ của máy điện quay. Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình 1-6a, ta có như sau: H.l = Ni = F (1-7) Trong đó:
H[A.t/m]: Cường độ từ trường trong mạch từ. l[m] : Chiều dài trung bình của mạch từ. N: Số vòng dây của cuộn dây quấn trên mạch từ. i[A]: gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ. F = Ni [At]: gọi là sức từ động (stđ) H.l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ.   (i) i l(L) 1 F N (E)  (R) (a) (b) Hình 1-6 Mạch từ đồng nhất có một cuộn dây N N N S S S S N N (a) (b) Hình 1-7 Mạch từ máy điện quay Đối với đường dẫn từ là lõi thép, cường độ từ cảm B[T] (mật độ từ thông) trong mạch từ: B  H   o  r H (1-8a) Đối với đường dẫn từ là không khí: B  o H (1-8b) Trong đó, o là độ từ thẩm tuyệt đối của chân không (không khí): o = 4.10-7 H/m
còn :  = r o [H/m]: độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu dẫn từ. r = /o : độ từ thẩm tương đối của vật liệu dẫn từ. Ta cũng có biểu thức toán học quan hệ giữa từ thông và cường độ từ cảm trong tiết diện ngang của mạch từ:  B (1-9) S Thay biểu thức (1-8a) và (1-9) vào (1-7), ta có : B l Hl  l      S Vậy Hl    Ni  F (1-10) Trong đó: [Wb]: từ thông trong mạch từ. S[m2] : tiết diện ngang của mạch từ. l  [At/Wb] từ trở của mạch từ. S 1.4.3. Sự tƣơng tự giữa mạch điện và mạch từ Quan hệ giữa từ thông, stđ và từ trở của mạch từ tương tự như quan hệ giữa sđđ, dòng điện và điện trở trong mạch điện: F E Φ i Rμ R Tương tự mạch điện, từ trở tương đương của n mạch từ nối nối tiếp là: R μ  R μ1  R μ 2  ..  R μn (1-11) và từ trở tương đương của n mạch từ nối song song là: 1 1 1 1    ..  (1-12) R μ R μ1 R μ 2 R μn Hình 1-6b trình bày sơ đồ mạch từ với stđ F (tương tự sđđ E), từ trở  (tương tự điện trở R) và từ thông  (tương tự dòng điện i). Lõi thép có khe hở không khí (hình 1-8) Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có hiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, trên đó quấn hai cuộn dây có số vòng N1 và N2. Cho qua hai cuộn dây là dòng điện i1, i2. Từ  hình 1-8, ta có: i1 l1,S1 H1l1 + H2.l2 = N1-i1 - N2.i2 (1-13) Trong đó: N1 l2,S2 H1,H2[At/m]: Cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2. l1, l2[m]: Chiều dài trung bình của đoạn i2 N mạch từ 1, 2. 2 Hình 1-8 Mạch từ có khe hở i1-N1,i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2. không khí và hai cuộn dây
Hình 1-8 là trường hợp mạch từ có một khe hở không khí. Khe hở hẹp nên từ thông chạy trong lõi thép đi thẳng qua khe hở. Cho rằng mật độ từ thông trong khe hở bằng trong lõi và độ từ thẩm của lõi là không đổi. Từ biểu thức (1-10) và (1-13), ta có: l1 l (  2 )  N 1i 1  N 2 i 2 (1-14) .S1  o .S 2 Vì độ từ thẩm của lõi thép gấp 2000  8000 lần trong khe hở, nên từ trở của lõi thép cho bằng không, biểu thức (1-14) viết lại là: l2 ( )   2  N1i1  N 2 i 2 (1-15)  o .S 2 Với 2 = l2/o.S2 : từ trở của đoạn mạch từ là khe hở không khí. Phương trình (1-15) có ý nghĩa là trong mạch từ có khe hở không khí, từ trở của lõi sắt có thể bỏ qua, độ chính xác không thay đổi đáng kể. Điều này được áp dụng để khảo sát máy điện quay. Tóm lại, một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp, có n cuộn dây cuốn trên mạch từ, từ (1-13) và (1-15), ta viết được : m m n n  H jl j    j   N k i k   Fk  F (1-16) j1 j1 k 1 k 1 trong đó, dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông  đã chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; m - chỉ số tên đoạn mạch từ; n - chỉ số tên cuộn dây có dòng điện. 1.4.4. Tính toán mạch từ Việc tính toán mạch từ thường gặp hai loại bài toán sau: Bài toán thuận : Cho biết từ thông , tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thông đó. Cách giải : Tiến hành gồm ba bước sau :(xét mạch từ gồm j đoạn nối tiếp, từ thông  bằng nhau ở mọi tiết diện Sj trong các đoạn mạch từ ). Bƣớc 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ : Bj = /Sj ; j là chỉ số tên các đoạn mạch từ. Suy ra cường độ từ trường Hj như sau: Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H. Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H0 = B0/o . Bƣớc 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông  từ công thức (1-16): m F   H jl j (1-17) j1 Bƣớc 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng dây N.
VÍ DỤ 1-1 Mạch từ hình VD 1-1 có kích thước : S = 4x4 cm2, l1 = 40 cm, l2 = 0,06 cm, cuộn dây N = 600vòng. Giả sử r = 6000 đối với sắt. Tìm dòng diện kích từ để có từ cảm trong lõi thép B = 1,2T , từ thông tương ứng, và từ thông móc vòng ? Bài giải Từ công thức 1-17, ta có : i l1,S1 m F   H jl j j1 N l2,S2 B1 B Ni = H1l1 + H2l2 = l1  2 l 2  o r o Cho rằng tiết diện ở khe hở không khí bằng tiết Hình VD 1-1 diện mạch từ : S1 = S2 = S = 4 x 4 =16 cm2. Nên B1 = B2 = B, vậy : B l1 i (  l2 ) N o  r 1,2 40 i 7 (  0,06).102 =1,06 A 600 4.10 6000 Từ thông tương ứng :  =B x S =1,2. 16.10-4 = 19,2.10-4 Wb Từ thông móc vòng :   N = 600 x 19,2.10-4 = 1,152.10-4 Wb vòng Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông . Loại bài toán nầy phức tạp. Do vật liệu từ có độ từ thẩm  phụ thuộc từ thông  nên từ trở  cũng phụ thuộc . Vì chưa biết  nên cũng chưa biết . Phương trình (1-16) trở thành: m  R j ()  F () (1-18). j1 Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần đúng để giải. VÍ DỤ 1-2 Một vòng thép có tiết diện tròn đường kính 3cm và chu vi 80cm, khe hở không khí 1mm cắt ngang vòng tròn đó, cuộn dây quấn trên vòng lõi gồm 600vòng. 1. Tính dòng kích từ để có từ thông 0,75mWb trong khe hở không khí. Bỏ qua biên ngoài khe và từ thông tản. 2. Tìm từ thông được tạo trong khe hở không khí nếu dòng kích từ là 2A. bỏ qua biên ngoài khe và từ thông tản. Cho đặc tính từ hoá của thép : H(A/m) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 B(T) 0,10 0,32 0,60 0,90 1,08 1,18 1,27 1,32 1,36 1,40
Bài giải 1. Tính dòng điện kích từ Từ cảm trong mạch từ  0,75.10 3 B   1,06 T S   0,03 2 / 4 Từ cảm trong khe hở Bo= BC từ cảm trong lõi thép Từ đường cong từ hoá vẽ được nhờ đặc tính từ hoá (hình VD1-2) ta tìm được cường độ từ trường: HC = 9000At/m và lC = 0,8m (bỏ qua khe hở không khí) Từ công thức (1-16), ta có : Bo F =Ni = HClC + H2l2 = H C l C  lo o 1,06 F  900  0,8  7 10 3  720  842  1563 At 4.10 Dòng điện chạy trong cuộn dây (kích từ) là: F 1563 i   2,6A N 600 2. Tính từ thông trong khe hở không khí Bo Ta đã có : Ni  H C l C lo (1) o Với Ni = 600.2 = 1200 At, phương trình (1) trở thành: BC 1200  0,8H C  7 10 3 (2) 4.10 B(T) 1-6 1-4 (1) 1-2 1-0 0.8 0.6 0.4 (2) 0.2 H(At/m) Hình VD1-2 400 800 1200 1600 2000
Phương trình trên là tuyến tính và vẽ trên đồ thị hình VD1-2 là đường (2), còn đặc tính từ hoá của lõi thép là đường (1). Hai đường biểu diễn trên đồ thị cắt nhau tại điểm: BC = 0,87T. Từ đó ta tính được từ thông trong mạch từ : B 0,78  C   0,55 mWb S   0,03 2.10 4 / 4 VÍ DỤ 1-3 Cho mạch từ như hình VD 1-3.a. Tìm điện áp đưa vào cuộn dây để tạo ra từ cảm B = 0,2T trong khe hở không khí với giả thiết từ trường trong khe hở không khí chỉ tập trung trong vùng lõi thép. Cuộn dây có 80 vòng với điện trở 0,05. Tiết diện lõi thép S = 0,04m2(các kích thước khác trên hình vẽ có đơn vị là m). a b c 0.8 1 0.3 g 0.005 h 1 0.69 e f d (a) (b) Hình VD 1-3 Bài giải Từ thông trong khe hở không khí là:  = BS = 0,20,04 = 0,008 Wb Từ cảm trong khe hở không khí là 0.2T, nên cường độ từ trường trên đoạn bg và he theo đường cong từ hóa của vật liệu là H = 34,7A/m. Như vậy stđ trên các đoạn sẽ là: Fbg = H  bg = 34,7  0,3 = 11,22 At Fhe = H  he = 34,7  0,69 = 25,81 At Cường độ từ trường trong khe hở không khí là: B 0,2 H    7  159 ,155 10 3 A/m  0 4 10 Stđ trên khe hở không khí được tính bằng: F = H = 159,155 103  0,005 = 795,77 At Như vậy tổng stđ của đoạn mạch từ bghe là: Fbghe = Fbg + F + Fhe = 11,22 + 25,81 + 795,77 = 833 AV Do stđ trên đoạn be bằng stđ trên đoạn bcde nên cường độ từ trường trên đoạn bcde sẽ là:
Fbe 833 H bcde    277 ,67 At l bcde 1  1  1 Theo đường cong từ hóa của vật liệu ta có Bbcde = 1,45 T. Như vậy từ thông trên đoạn bcde sẽ là: bcde = Bbcde  S = 1,45  0,04 = 0.058 Wb Tổng từ thông tạo bởi cuộn dây:  = bcde + be = 0,008 + 0,058 = 0,066 Wb Từ cảm trên đoạn mạch từ efab là:  0,066 Befab  efab   1,65 T S 0,04 Cường độ từ trường tương ứng là Hefab = 2944,35 AV. Stđ trên đoạn efab được xác định bằng: Fefab = Hefab  lefab = 2944.35  (1 + 0.8 + 0.8) = 7655,31 At Stđ tổng cung cấp bởi cuộn dây: F = Fefab + Fbghe = 7655,31 + 833 = 8488,31 At Do cuộn dây có N = 80 vòng nên dòng điện đưa vào cuộn dây phải là: F 8488 ,31 i   106 ,1 A N 80 Điện áp của nguồn cung cấp: U = iR = 106,1  0,05 = 5.3 V Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ efab được xác định bằng:  Befab 1,65  refab     446  o  o H efab 4 10 7  2944 Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ bghe được xác định bằng:  B bghe 0,2  rbghe     4256  o  o H bghe 4 10 7  34,7 Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ bcde được xác định bằng:  B bcde 1,45  rbcde     4156 ,1  o  o H bcde 4 10 7  277 ,67 1.5. TỔN HAO NĂNG LƢỢNG TRONG MẠCH TỪ Trong vật liệu sắt từ, khi chu trình từ hoá xảy ra sẽ xuất hiện hai loại tổn thất: tổn thất từ trễ và tổn thất dòng điện xoáy (dòng điện Foucault), gọi chung là tổn thất trong lõi thép. Tổn thất trong mạch từ rất quan trọng trong việc xác định nhiệt để đưa ra các thông số định mức và hiệu suất của máy điện. 1.5.1. Hiện tƣợng từ trễ và tổn hao năng lƣợng do từ trễ Nếu có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây quấn trên mạch từ như trình bày trên hình 1-9a, và ta thu được đường cong quan hệ giữa cường độ từ cảm B và cường độ từ trường H, như hình 1-9b, gọi là hiện tượng trễ và đường cong thu được là đường cong từ trễ.
Khi lõi thép chưa đươc từ hoá, điểm 0 trên đường cong, H = 0 và B = 0. Tăng dần dòng điện từ hoá trong cuộn dây theo chiều dương, từ trường H tăng và từ cảm B sẽ tăng theo đường 0A. Từ công thức (1-7), ta có: Ni H l Sau đó nếu giảm H (tức giảm i) thì B sẽ giảm theo đường ACA’. Tiếp tục lại tăng H tại điểm A’ thì từ cảm B cũng tăng nhưng theo đường A’C’A. Như vậy khi từ hoá vật liệu sắt từ với cường độ từ trường thay đổi cả về chiều và trị số thì từ cảm B trong vật liệu sắt từ luôn luôn biến thiên chậm trễ hơn. Vật liệu dẫn từ tốt sẽ có đường cong từ trễ hẹp. B A Bdư  i 1 C ~ N HK H 0 C’ (a) A’ Hình 1-9 Mạch từ với stđ xoay chiều (a) và đường cong từ trễ (b) (b) Các kết quả của quá trình từ trễ cần chú ý như sau: - Từ dư Bdư : Khi từ trường H = 0 thì từ cảm B trong lõi thép vẫn còn trị số Bdư gọi là cảm ứng từ dư. - Cường độ từ trường khử từ HK (lực khử từ): Muốn khử từ dư trong vật liệu sắt từ (muốn B = 0) thì phải đổi chiều cường độ từ trường H và tăng đến trị số HK. Như vậy khi H = HK thì B = 0 từ dư bị khử hoàn toàn. - Tổn hao từ trễ: Trong quá trình làm việc cường độ từ trường H và từ cảm B biến thiên liên tục, các phân tử trong vật liệu sắt từ được đinh hướng lại, sự chuyển động này sẽ tạo ra nhiệt và vật liệu sắt từ xuất hiện tổn hao năng lượng làm chúng bị nóng lên. Ta gọi đó là tổn hao từ trễ. Người ta nhận thấy rằng khi vật liệu sắt từ có từ cảm Bdư lớn, lực khử HK lớn thì tổn hao từ trễ lớn. Như vậy tổn hao từ trễ tỉ lệ với diện tích đường cong từ trễ. Tổn hao công suất do từ trễ phụ thuộc vào thể tích của mạch từ và tần số thay đổi của từ trường bên ngoài.
Do hiện tượng từ trễ nên trong lõi thép sẽ có tổn hao công suất: p t  k t  f  Bnmax (1-19) Trong đó: Pt[W/kg] = tổn hao từ trễ f[Hz] = tần số kt = hằng số Bmax = từ cảm cực đại n = hằng số Steinmetz 1.5.2. Tổn hao dòng xoáy Trong lõi thép như hình 1-10a, khi từ thông biến thiên theo thời gian thì sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng khép kín ở mặt phẳng vuông góc với đường sức từ trường, gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault hoặc Eddy). Vì lõi thép có điện trở nhỏ nên dòng điện xoáy thường khá lớn. Mặt khác, sđđ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông, nên từ thông biến đổi càng nhanh (tần số lớn) thì dòng điện xoáy càng mạnh. Dòng điện xoáy chạy trong lõi thép gây ra tổn thất công suất dưới dạng nhiệt (Ri2), gọi là tổn thất dòng điện xoáy, phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu làm lõi thép và chiều dài đường dẫn dòng điện xoáy. Điện trở suất vật liệu làm lõi thép càng cao và chiều dài đường dẫn dòng điện xoáy càng dài, tổn thất dòng điện xoáy càng giảm. Dòng điện xoáy Nguồn điện Nguồn điện xoay chiều xoay chiều (a) (b) Hình 1-10 Dòng điện xoáy (a) và cách làm giảm dòng điện xoáy (b) Khi từ thông biến thiên, trong vật dẫn từ xuất hiện dòng điện xoáy. Sđđ cảm ứng trong vật dẫn theo (1-1) tỉ lệ với tốc độ thay đổi của từ thông: d e (1-20) dt Biểu diễn theo tần số và từ cảm ta có: e  f  Bmax (1-21) Tổn hao công suất do dòng điện xoáy được xác định bằng:
p x  k e f 2 B2max (1-22) Trong đó: ke = hằng số, phụ thuộc chiều dày, điện trở suất và khối lượng của vật dẫn. Trong các thiết bị điện có dòng điện xoay chiều như các máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện xoay chiều, từ trường trong lõi thép biến thiên với tần số của dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoáy sẽ làm nóng lõi thép gây tổn hao năng lượng và giảm hiệu suất của thiết bị điện. Để hạn chế tổn hao này một mặt dùng thép kỹ thuật điện là thép hợp kim silíc có điện trở suất lớn làm giảm đáng kể trị số dòng điện xoáy, mặt khác lõi thép được ghép từ các lá thép mỏng cách điện nhau, lá thép song song với đường sức từ, dòng điện xoáy phân nhỏ trong từng lá thép mỏng nên giảm rất nhiều (hình 1-10b). Trong máy điện, chiều dày lá thép thường thay đổi từ 0,3-0,5mm, còn đối với thiết bị điện tử là 0,1-0,5mm. 1.6. SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG TRONG MÁY ĐIỆN QUAY Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường, trong nó xuất hiện sđđ xác định bởi công thức (1-4a): e = B.l.v (1-23) Do thanh dẫn nằm trong từ trường nên nó chịu tác dụng của lực: f = B.l.i (1-24) Vậy là khi có chuyển động tương đối của thanh dẫn trong từ trường, trong nó xuất hiện sđđ. Khi thanh dẫn mang dòng điện, nó chịu tác dụng của một lực điện từ. Do đó trong một máy điện thông thường có hai dây quấn, một trên phần tĩnh (stator) và một trên phần quay (rotor). Dây quấn dùng để tạo ra từ thông là dây quấn kích thích còn dây quấn có sđđ cảm ứng là dây quấn phần ứng. Cả động cơ lẫn máy phát, khi làm việc, đều có các thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường. Các thanh dẫn và từ trường chuyển động so với nhau ở một tốc độ xác định. Do vậy cả mômen và sđđ đều được tạo ra. Như vậy một máy điện chỉ có thể nói là đang làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ nếu biết hướng của dòng công suất. Về mặt kết cấu, máy phát cũng tương tự như động cơ. Chúng chỉ khác ở một vài chi tiết để có được đặc tính làm việc tốt nhất. Động cơ cũng như máy phát đều có thể dùng để biến đổi năng lượng theo cả hai hướng. Trong máy phát mômen điện từ là mômen cản. Động cơ sơ cấp phải thắng được mômen này. Công suất điện phát ra càng lớn thì công suất cơ đòi hỏi cũng càng lớn. Trong động cơ mômen điện từ là mômen quay. Mômen này phải thắng được mômen cản của tải. Công suất tải càng lớn thì công suất của động cơ cũng càng lớn. Quá trình biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch mặc dù có một phần năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt. Một động cơ có thể làm việc như một máy phát và ngược lại một máy phát cũng có thể làm việc như một động cơ. Như vậy chúng ta thấy rằng việc phân tích chi tiết sự làm việc của máy phát cơ bản giống như động cơ. Khảo sát mômen tạo bởi động cơ cũng như khảo sát mômen cản của máy phát.
1.7. CỰC TỪ, TẦN SỐ VÀ GÓC ĐỘ ĐIỆN Hình 1-11a trình bày mạch từ của máy phát điện có bốn cực từ. Bốn cực từ của lõi thép stato là cực bắc và nam bố trí xen kẽ nhau, dây quấn phần ứng được đặt trên một phần tư chu vi lõi thép rôto. Stato được chia thành độ không gian, còn được gọi là độ cơ học. Nếu cuộn dây rôto đặt ở vị trí 0 o như trình bày trên hình 1- 11a, từ thông đi ra từ cực bắc N móc vòng qua dây quấn rồi về hai cực nam S kế bên là lớn nhất. Ở vị trí 45o, như hình 1-11b, từ thông móc vòng qua cuộn dây bằng 0; còn ở vị trí 90o, từ thông móc vòng qua cuộn dây là cực đại nhưng ngược chiều so với ở vị trí 0o... 90o 90o S S 180o N rôto N 0o 180o N rôto N 0o S S 270o 270o (a) (b) max N 180o 360o 540o 720o Độ điện  2 3 4 Rad điện S Một chu kỳ của sóng từ thông Một vòng quay của rôto 0o 90o 180o 270o 360o Độ không gian (c) Hình 1-11 Máy phát bốn cực từ: (a) từ thông xuyên qua dây quấn rôto cực đại; (a) từ thông xuyên qua dây quấn rôto bằng không; (a) sự thay đổi từ thông xuyên qua dây quấn rôto khi rôto quay;
Trên hình 1-11c trình bày sự thay đổi của từ thông xuyên qua dây quấn rôto trong một vòng quay; cho rằng từ thông này về cơ bản là hình sin. Chú ý rằng máy có bốn cực từ, từ thông xuyên qua dây quấn hai chu kỳ khi rôto quay một vòng, như vậy một chu kỳ tương ứng một đôi cực từ. Máy có sáu cực từ, phải sinh ra ba chu kỳ khi rôto quay một vòng ..., Tóm lại, máy có p đôi cực từ và quay với tốc độ n thì tần số là: f f  n  p hay n  (1-25) p Trong đó: f (Hz) là tần số; p là số đôi cực từ; n (vòng/giây) tốc độ rôto. Như đã biết, máy có bốn cực từ, rôto dịch chuyển một góc 360 o tương ứng với 720o của sự tuần hoàn. Do đó để phân biệt giữa độ của đại lượng điện và độ của sự dịch chuyển trong không gian, như đã biết từ trước là dùng góc độ điện (hay góc độ thời gian) và góc độ không gian. Như đã trình bày trên hình 1-11c, quan hệ giữa góc độ điện và góc độ không gian khi máy có p đôi cực từ là : Âäü âiãûn  âäü khäng gian  p Trong giáo trình này thường dùng đơn vị đo góc của đại lượng điện bằng góc độ điện hoặc radian điện. Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ liên tiếp nhau (tương ứng với một cực từ) có số đo bằng 180o điện hay bằng  radian điện. 1.8. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện. Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp. Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ. Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau. 1.8.1. Vật liệu dẫn điện. Vật liệu dẫn điện để chế tạo 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 như đồng thau, đồng phốtpho. Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết điện chữ nhật có bọc cách điện. Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu. Đặc tính một số vật liệu dẫn điện như trên bảng 1-1 Bảng 1-1: Đặc tính của một số vật liệu dẫn điện Khối lượng Điện trở suất ở Hệ số nhiệt Hệ số dẫn nhiệt oC .mm 2 Vật liệu riêng kg điện trở o 1 W 3 15 dm m C cm.o C Đồng 8,89 0,0175 0,00393 3,83 Nhôm 2,70 0,0283 0,00400 2,10