Kỹ thuật điện đại cương - Chương 3 doc

Lª B¸ Tø 2008
37
Chương 3. KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỆN

Mục tiêu:
- Mạch từ.
- Phương pháp nghiên cứu máy điện.

§3-1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

1. Định nghĩa.
Máy điện là thiết bị điện từ, có nguyên lý làm việc theo định luật cảm ứng
điện từ.
Về cơ bản máy điện chỉ có mạch từ và mạch điện, chúng có nhiệm vụ biến
đổi hoặc truyền tải năng lượng.
2. Phân loại máy điện.
Theo nguyên lý biến đổi năng lượng máy điện có 2 loại.
- Máy điện tĩnh. Loại này thường
để biến đổi các thông số của dòng điện
như máy biến áp, máy biến tần
- Máy điện có phần động. Loại này thường để biến đổi năng lượng.
- Các máy điện làm việc theo nguyên tắc cảm ứng điện từ và lực điện từ.
- Máy điện có tính chất thuận nghịch.
Sơ đồ phân loại máy điện

Máy điện
Máy điện tĩnh MĐ quay
Máy BA
M.xoay chiều
M.m
ộtchiều
Máy ĐB
Máy KĐB
Đ
C
MF
MF
ĐC
MF
ĐC

Lª B¸ Tø 2008

38

§3-2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN
ỨNG DỤNG CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Các máy điện làm việc dựa vào 2 định luật cảm ứng và lực điện từ.
1. Định luật cảm ứng điện từ.
+ Trường hợp 1: Khi có từ thông biến thiên trong 1 cuộn dây thì trong cuộn
dây xuất hiện sđđ cảm ứng: e = - WΦ’= - W
dt
d
Φ
. Chiều của dòng điện cảm
ứng được xác định theo định luật Len-Xơ.
+ Khi thanh dẫn chuyển động với vận tốc v và vuông góc với mặt phẳng được
xác định bằng
B
r
và v
r
thì: e = Blvsinα

Trong đó
α là góc giữa véc tơ B và véc tơ v. Khi α = 90
o
thì e = Blv. Chiều
của sức điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải.
2. Định luật lực điện từ.
Khi thanh dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường thì chịu tác dụng 1
lực: F = BlIsin

α, trong đó α là góc xác định bởi l và véc tơ B.
Nếu
α = 90
o
thì F = BlI.
3. Định luật mạch từ.
Lõi thép của máy điện là mạch từ.
Định luật mạch từ viết là:
∑
∫
=
=
n
1i
i
l
Ild.H
r
r

Lưu số véc tơ cường độ từ trường doc theo 1
đường cong kín bất kỳ bằng tổng đại số cường độ
dòng điện xuyên qua diện tích giới hạn bởi đường
cong đó.

a. Mạch từ đồng nhất, chỉ có 1 dây quấn(H3-1).
Định luật mạch từ viết là: WI = Hl.
- H là cường độ điện trường tính bằng A/m
- l chiều dài trung bình của mạch từ.
- W số vòng cuộn dây.

- Dòng điện I là dòng từ hoá để tạo ra từ
trường.
- Tích số WI là sức từ động F
- Hl gọi là từ áp rơi trên mạch từ.
b. Mạch từ có nhiều đoạn và nhiều cuộn
dây.
Ví dụ mạch từ trên hình 3-2.
- Định luật mạch từ là:
H
1
l
1
+ H
2
l
2
= W
1
I
1
- W
2
I
2

i
W
l
H3-1
W

1

W
2

H
1

H
2

l
2
; S
2

l
1
,S
1
i
2

i
1

H3-2

Lª B¸ Tø 2008
39

- Trong đó: H
1
, H
2
là cường độ từ trường trong đoạn 1 và đoạn 2.
- l
1
, l
2
là chiều dài trung bình đoạn 1 và 2.
- I
2
W
2
có dấu âm vì có từ thông ngược với từ thông do W
1
I
1
tạo ra.
+ Định luật mạch từ tổng quát là:
∑∑
==
=
m
1j
jj
n
1k
kk
IWlH.

Tổng đại số các từ áp trên một mạch từ bằng tổng đại số các sức từ
động của mạch từ đó.

Dòng điện i
j
nào có chiều phù hợp với Φ theo qui tắc caí đinh ốc thì lấy
dấu dương, và ngược lại lấy dấu âm.

4. Tính toán mạch từ.
Có 2 bài toán mạch từ.
a.
Bài tóan thuận. Cho biết Φ tìm dòng điện i
hoặc W để sinh ra từ thông đó.
Cách giải:
¾
Trường hợp mạch từ không phân nhánh.Từ
thông trong toàn mạch từ là như nhau nên từ
cảm trong các đoạn là:
B
1
= Φ/S
1
và B
2
= Φ/S
2
.
• Tính H.
+ Trong đoạn không khí: H

2
= B
2
/µ
o

Với
µ
o
= 4π.10
-7
H/m
+ Trong đoạn mạch vật liệu sắt từ, tìm H từ
đường cong từ hoá B = f(H) hình 3-3. Từ trị
số B
1
ta tra được H
1
.
• Tìm tổng ∑H
k
l
k
= H
1
l
1
- H
2
l

2

• Từ đó tìm được i hoặc W.
Ví dụ1: Một thanh dẫn ab có chiều dài l nằm
trong khe hở của 1 nam châm điện, lõi thép có
độ từ thẩm vô cùng lớn. Cho thanh dẫn chuyển
động vuông góc với đường cảm ứng từ xác
định trị số và chiều Sđđ cảm ứng (hình 3-4).
Bài giải:
B
2
trong khe hở không khí là: B
2
=
µ
o
Wi/l
2
. Chiều B
2
xác định theo qui tắc vặn
nút chai.
Trị số Sđđ cảm ứng là: e = B
2
lv =
µ
o
lvWi/l
2
. Dùng qui tắc bàn tay phải xác định

chiều của e.
Ví dụ 2.
B
1
H
1

H
B
O
H3-3
W
1

l
H
1

l
2
;S
2

l
1
; S
1

i
1

H3- 4

v
H
2

i
W
1

W
2
W
3

i
1
i
3

i
2

Φ
H3-5

Lª B¸ Tø 2008
40
Cho mạch từ hình 3-5 có: W

1
= 2000 vòng, W
2
= 400 vòng; W
3
= 1000 vòng.
I
1
= 0,5A ; I
1
= 1A. Đường cong từ hoá cho như hình 3-3; l = 50 cm, S = 10cm
2
.
Từ thông trong lõi thép
Φ = 1,5.10
-3
Wb. Xác định I
3
.

Bài giải.
Từ cảm trong lõi thép:
B =
Φ/S= 0,0015/0,001= 1,5T
Bảng 3-5 quan hệ B=f(H) của vật liệu sắt từ.

B(T)
0,3
0,4
0,5

0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
H(A/m)
52
58
65
76
90
110
132
165
220
300
B(T)
1,25
1,3
1,35
1,4
1,45
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
H(A/m)

380
600
900
1200
2000
3000
4500
6000
10000
14000

Từ trị số B=1,5T tra bảng 3-5 được H =3000A/m.
Áp dụng định luật mạch từ:
Hl = W
1
I
1
- W
2
I
2
+ W
3
I
3
.
I
3
= Hl - W
1

I
1
+ W
2
I
2

I
3
= ( 3000.0,5 - 2000.0,5 + 400.1):1000 = 0,9A
b. Bài toán nguợc.
Cho biết dòng điện từ hoá phải tính từ thông, loại bài toán này phức tạp hơn,
thường dùng các phương pháp dò hoặc các phương pháp khác.

§3-3. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Các vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, và vật liệu
cách điện.
1. Vật liệu dẫn điện
Dùng chế tạo các bộ phận dẫn điện như đồng, nhôm, hợp kim đồng thau, đồng
phốt pho.
Để chế tạo dây quấn thường dùng dây đồng hoặc dây nhôm. Dây đồng hoặc
nhôm được bọc cách điện gọi là dây điện từ.

Lê Bá Tứ 2008
41
Mỏy in cú cụng sut nh v in ỏp nh hn 700V thng dựng day ờmai.
Cỏc b phn c gúp, vnh trt lm bng hp kim ng.
2.
Vt liu n t.

Dựng ch to cỏc b phn dn t nh mch t.
Vt liu dn t gm: thộp lỏ k thut in, thộp lỏ, thộp ỳc, thộp rốn. Gang ớt
c dựng vỡ dn t kộm.
on mch cú t thụng bin i vi tn s 50 Hz thng dựng thộp lỏ
KT cú chiu dy 0,35
ữ 0,5 mm, trong thnh phn cú 2 ữ 5 % Si tng t tr
nhm gim dũng in xoỏy.
tn s cao hn dựng thộp lỏ KT cú chiu dy 0,1
ữ 0,2 mm.
Tn tht trong lừi thộp do dũng in Phucụ v hin tng t tr c c
trng bng sut tn hao:

m
50
f
BPP
3,1
2
50/0.1st






=

Trong đó P
1.0/50
là tổn hao trong thép KTĐ ở f= 50Hz và B = 1T; m khối lợng lõi

thép.
on mch cú t thụng khụng i, thng dựng thộp ỳc, thộp rốn, thộp lỏ.
3.
Vt liu cỏch in.
Dựng cỏch li cỏc b phn dn in v b phn khụng dn in, gia cỏc b
phn dn in vi nhau.Trong mỏy in, vt liu cỏch in phi cú cng
cỏch in cao, chu nhit tt, tn nhit nhanh, chng m v bn v c hc.
bn nhit ca cht cỏch in bc dõy d
n quyt nh nhit cho phộp ca dõy
v ti ca nú. Cỏch in tt thỡ kớch thc mỏy gim.
Cht cỏch in cú 4 nhúm:
- Cht hu c thiờn nhiờn nh giy, vi
- Cht vụ c nh aming, mica, si thu tinh
- Cỏc cht tng hp
- Cỏc loi sn, men cỏch in.
Cht cỏch in tt l mica. Cỏc vt liu giy, vi, si cú bn c tt, mm,
nhng dn nhit xu, hỳt m nhiu, cỏch in kộm. Do ú sau khi ch to dõy
qun v mỏy in cn phi tm sy tng cng kh nng cỏch in.
Cn c vo bn nhit v
t liu cỏch in c chia thnh cỏc cp sau
õy: A, E, B, F, H.
Bng cp cỏch in
Cp

Vt liu cách điện
t
o
C vl t
o
C dq

A Si xenlulụ, bụng, t tm trong vt liu hu c lng 105 100
E
Mng tng hp 120 115

Lª B¸ Tø 2008
42
B
Amiăng, sợi thuỷ tinh có chất kết dính vật liệu gốc mica 130 120
F
Amiăng, vật liệu gốc mi ca, sợi thuỷ tinh có chất kết dính
và tẩm tổng hợp
155 140
H
Vật liệu gốc mica, amiăng, sợi thuỷ tinh, phối hợp với chất
kết dính và tẩm si líc hữu cơ.
180 165
Trong đó:
- t
o
Cvl là nhiệt độ giới hạn cho phép của vật liệu.
- t
o
Cdq là nhiệt độ trung bình cho phép dây quấn
Ngoài ra còn có chất cách điện còn ở thể khí như không khí, hidrô và thể lỏng
như dầu biến áp.
4.
Vật liệu kết cấu.
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu tác động cơ học như
trục, ổ trục, vỏ và nắp máy. Trong máy điện vật liệu kết cấu thường là thép,
gang, kim loại màu, hợp kim, chất dẻo.

5. Các bước nghiên cứu máy điện
Phương pháp nghiên cứu máy điện theo các bước sau:
-
Nghiên cứu các hiện tượng vật lý xẩy ra trong máy điện
-
Dựa vào các định luật vật lý viết các phương trình cân bằng diễn tả sự làm
việc của máy điện. Đó là mô hình toán của máy điện.
-
Từ mô hình toán thiết lập mạch điện thay thế của máy điện.
-
Từ mô hình toán và mạch điện thay thế, tính toán các đặc tính và nghiên
cứu các đặc tính của máy điện để sử dụng nó.