Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần mở đầu docx

PHẦN MỞ ĐẦU
NHỮNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN
I. HỆ THỐNG ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG
Trong máy điện nói riêng và kỹ thuật điện nói chung người ta phải dựa vào
những đại lượng cơ bản như: độ dài, khối lượng, thời gian, độ thẩm từ, cường độ
dòng điện v.v. các đại lượng này họp lại thành các hệ đo lường. Ta có các hệ đo
lường sau:
1 Hệ MKS
µ
0
Hệ MKS
µ
0
bao gồm các đại lượng sau:
-Độ dài đo bằng cen-ti-met [cm]
-Khối lượng đo bằng gram [g]
-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]
-Độ thẩm từ lấy độ thẩm từ trong không khí µ
0
2 Hệ MKSA
Hệ MKSA bao gồm các đại lượng sau:
-Độ dài đo bằng mét [m]
-Khối lượng đo bằng kilogram [kg]
-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]
-Cường độ dòng điện đo bằng am-pe [A]
3 Hệ thống SI(The International System Unite)
Hệ SI bao gồm các đại lượng sau:
-Độ dài đo bằng mét [m]
-Khối lượng đo bằng kilogram [kg]
-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]
-Cường độ dòng điện đo bằng am-pe [A]

Trong kỹ thuật điện hệ MKSA khác hệ SI là độ cảm ứng từ. Hệ MKSA thì
độ cảm ứng từ đo bằng [Wb/m
2
] còn ở hệ SI thì đo bằng Tesla[T].
Trong thực tế tính toán việc áp dụng các hệ đo lường đều có những phức
tạp, do vậy người ta sử dụng các hệ đo lường một cách hỗn hợp. Do đó xuất hiện
các hệ số ở các công thức cho trước. Ví dụ biểu thức suất điện động (sđđ) dòng
một chiều thường gặp e=Blv.10
-8
.
Để sđđ đo bằng von [V] thì B phải đo bằng Gauss, độ dài đo bằng [cm] còn
tốc độ v đo bằng [cm/s].
Nếu muốn viết công thức trên không có hệ số 10
-8
mà B,l,v vẫn đo bằng
các đại lượng cũ thì sđđ sẽ đo ở đơn vị MKS
µ
0
(không có tên gọi). Nếu B đo bằng
[T], l đo bằng [m] v đo bằng [m/s] thì e đo bằng [V], thì biểu thức không có 10
-8
.
Ở bảng 1 cho các đại lượng của 3 hệ trên cùng tỷ số của chúng.
II. ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ.
Như ta đã biết giữa dòng điện và từ trường có mối quan hệ mật thiết với
nhau. Những định luật về điện động đã xác định mối quan hệ giữa chúng và cho
phép ta lập những công thức tính toán các đại lượng cần thiết. Muốn nghiên cứu
1
các hiện tượng của từ trường ta phải xây dựng được hình ảnh chính xác của từ
trường.

Bảng 1 Các đại lượng của hệ MKS
µ
0
, SI và MKSA
Tên gọi các đại lượng Tên gọi và ký hiệu 1 đơn vị của hệ đo lường Tỷ số các
đại lượng
của hệ
MKSA,SI
so với hệ
MKS
µ
0
MKSA SI
MKS
µ
0
Thời gian Giây[s] Giây[s] Giây[s] 1
Tần số Hers[Hz] Hers[Hz] Hers[Hz] 1
Độ dài Mét[m] Mét[m] centimét[cm] 10
2
Tốc độ dài m/s m/s cm/s 10
2
Gia tốc m/s
2
m/s
2
cm/s
2
10
2

Khối lượng Ki lô gam Ki lô gam Gam 10
3
Lực cơ học Niu tơn[N] Niu tơn[N] Đin 10
5
Công và năng lượng Jun[J] Jun[J] Erg[eg] 10
7
Công suất Woat[W] Woat[W] Eg/s 10
7
Điện tích Culông[C] Culông[C] eg/s 10
-1
Cường độ dòng điện Ampe[A] Ampe[A] 10
-1
Cường độ từ trường Am-pe/m Am-pe/m Oested(Oe) 10-
3
Từ thông Wen-be[Wb] Wen-be[Wb] Mưxoen(Mx) 10
8
Cảm ứng từ Wb/m
2
Tesla[T] 10
9
Điện dung Fara[F] Fara[F] 10
9
Điện trở
Ohm[Ω] Ohm[Ω]
10
9
Theo Faraday thì từ trường là một không gian, trong đó có phân bố các
đường sức vật lý gọi là đường sức từ trường. Đường sức từ trường(gọi tắt là đường
sức) giúp ta xác định cường độ từ trường bằng cách đo số dường sức đi qua một
tiết diện theo phương vuông góc với véc tơ của cường độ từ trường.

Trong chân không hoặc trong môi trường gần như thế, véc tơ cường độ từ
trường
→
H
và độ cảm ứng từ
→
B
trùng phương. Ở những môi trường khác
→
H
và
→
B
không trùng phương nhau, quan hệ giữa
→
H
và
→
B
là quan hệ phi tuyến.
Một đường sức từ biểu diễn bằng một đường khép kín không đầu không
cuối. Các đường sức từ không thể cắt ra làm đứt quãng và tìm kiếm các đầu của nó
trong bất kỳ một quá trình nào xảy ra trong từ trường.
Như vậy từ thông toàn phần xuyên qua một mặt kín sẽ bằng không. Về
toán học mối quan hệ trên biểu diễn như sau:
φ
s
=
∫
S

dsB
β
cos
=0
(1)
2
Ở đây Bcosβ là thành phần vuông góc của véc tơ cảm ứng từ.
Ta có thể đặc trưng trường của khoảng không gian không có dòng điện
bằng từ thế vô hướng thay đổi theo từng điểm. Gradien hoặc tốc độ thay đổi của
trường theo một hướng nhất định, bằng cường độ của từ trường theo hướng đó với
dấu ngược lại. Thế từ cho ta biểu diễn mặt phẳng từ thành những lớp cắt vuông
góc với đường sức. Bằng cách đó ta nhận được mặt phẳng đẳng thế từ U=const và
hệ thống đường sức F=const.
Thế từ được biểu diễn bằng phương trình Laplace:
0
2
2
2
2
2
2
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂

z
u
y
u
x
u
(2)
Nếu ta cắt một từ trường thành những ống từ có tiết diện sao cho mọi điểm
của tiết diện có H không đổi thì đại lượng của từ thông cơ bản ψ xuyên qua một
tiết diện bất kỳ nào đó của ống từ sẽ bằng
ψ = µHS (3)
Trong đó S-tiết diện của ống từ.
Nhận đường tích phân theo đường trục và vì ống cảm ứng từ khép kín nên
định luật từ thông toàn phần có thể biểu diễn như sau:
∑
∫∫
==
→→→→
idlHdlHdlH )cos(
(4)
Trong đó dl-là đoạn chuyển dịch cơ bản theo một đường nào đó từ điểm
A
1
→A
2
trong từ trường (hình 1);
∑i-tổng dòng điện có trong vòng tích phân;
)cos(
→→
dlH

- hệ số góc giữa
hướng chuyển dịch và hướng của đường sức từ (hình 1)
Như vậy nếu ta ký hiệu ψ là tổng từ thông thì ta có thể biểu diễn bằng công thức:
ψ=∑i
Khi tính ∑i phải chú ý tới dấu của dòng điện. Ví dụ ở hình 2 ta có 2 vòng
O
1
và O
2
. Ở vòng O
1
ta có:
ψ
1
=∑i = I
1
+I
2
=5+2=7A
Ở vòng O
2
ta có:
ψ
2
=∑i = I
1
+I
2
+I
3

+I
4
= 5+2+6-1=12A
Vì I
5
nằm ngoài vòng nên ta không tính. Thông thường đường tích phân
được chọn là đường sức nên
)cos(
→→
dlH
=1.
3
α
A
1
A
2
dl
+
+
+
.
.
I
5
I
4
=6A
I
2

=2A
I
1
=5A
I
3
=1A
O
2
O
1
Hình 1
Hình 2
Vậy định luật mạch từ phát biểu như sau:
“Tích phân theo một đường khép kín thì tích của cường độ từ trường với
đoạn dl theo phương
→
dl
có giá trị bằng tổng từ thông có ở trong vòng này”.
Ở máy điện, từ thông khép kín chủ yếu trong mạch từ. Mạch từ máy điện
gồm nhiều đoạn:stato, khe hở không khí, rô to, thân máy... cường độ từ trường các
đoạn này coi như không đổi vậy biểu thức (4) có thể viết:
=
∫
→
dlH
H
1
l
1

+H
2
l
2
+...+H
n
l
n
=∑i (5)
Phía phải của (5) còn gọi là độ sụt từ của mạch, tương ứng với độ sụt điện
áp ở mạch điện. Còn phía trái được gọi là sức từ động (stđ).
Ta thường gặp một từ trường sinh ra do dòng điện chạy qua một cuộn dây
tập trung. Nếu số vòng của cuộn dây là W, cường độ dòng điện là I thì std biểu
diễn bởi biểu thức:
F=IW (6)
Biểu thức (6) giải thích rõ vì sao đôi khi gọi stđ là am-pe vòng. Nếu trong
một mạch từ chỉ có một từ thông, ta có thể biến đổi phía trái của (5) như sau:
=
∫
→
dlH

∫∫
=
S
dl
dl
S
µ
φ

φ
=∑i =IW = F (7)
Dựa vào định luật Ohm ta có thể viết định luật mạch từ như sau:
φ =
∫
S
dl
IW
µ
=
∫
S
dl
F
µ
=
µ
R
F
(8)
Trong đó R
µ
là trở từ, còn F là stđ tác dụng theo mạch từ. Khi tiết diện
mạch từ nhỏ so với độ dài của nó thì định luật mạch từ giống như định luật Ohm
của mạch điện. Trong những mạch từ phức tạp ngoài từ thông khép kín trong mạch
từ còn có từ thông khép kín ngoài mạch từ được gọi là từ thông tản.
Như vậy giữa µ và S của mạch từ ở những đoạn khác nhau sẽ khác nhau.
Nếu ta giả thiết giá trị của l, µ, S của n phần tử thuộc mạch từ như nhau thì có thể
viết:
φ =nψ=n

∫
S
dl
IW
µ
(9)
Để đơn giản tính toán ta chia mạch từ làm thành những đoạn riêng biệt, lúc
này ta có:
∫
S
dl
µ
=
∫
11
1
S
dl
µ
+
∫
22
2
S
dl
µ
+...+
∫
nn
n

S
dl
µ
Giả thiết rằng µ
1
=µ
2
=...=µ
n
= const và S
1
=S
2
=..S
n
= cosnt ta được công thức
gần đúng cho mạch từ:
∫
S
dl
µ
=
∑
n
n
n
nS
l
1
và

∑
=
n
I
1
n
n
nS
l
W
φ
(10)
4
Đây là định luật Hopkinson. Định luật này không thể hoàn toàn tương
đương với định luật Ohm ở mạch điện vì điện trở của mạch điện không phụ thuộc
vào dòng điện còn trở từ của mạch từ thì phụ thuộc vào từ thông.
1. Định luật cảm ứng từ
Định luật cảm ứng từ phát biểu như sau (hình 3):
“Khi từ thông móc vòng với một cuộn dây nào đó thay đổi thì trong vòng
dây sẽ xuất hiện một sđđ”. Về gia trị sđđ này có thể biểu diễn theo biểu thức:
e=
dt
d
φ
(10a)
Hiện tượng xuất hiện sđđ trong vòng dây khi từ thông móc vòng với nó
thay đổi hoàn toàn độc lập với nguyên nhân biế đổi từ thông. Sự biến đổi từ thông
có thể do dòng điện biến đổi chạy trong vòng dây (tự cảm) hoặc do cuộn dây ngoại
lai (cảm ứng) hoặc bởi sự dịch chuyểnbộ phận sinh ra từ trường (do dịch chuyển
cuộn dây) hay do cả 2 nguyên nhân nêu trên.

Bây giờ ta xét chiều của sđđ cảm ứng. Theo Lens thì chiều của sđđ cảm
ứng là chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra sẽ tạo ra từ thông có chiều chống lại
sự biến đổi của từ thông đó. Điều đó có nghĩa là nếu từ thông tăng thì sđđ cảm ứng
có chiều tạo ra dòng điện sinh ra từ thông ngược chiều từ thông móc vòng, còn nếu
từ thông giảm thì chiều từ thông do sđđ cảm ứng sinh ra cùng chiều với từ thông
móc vòng.. Để xác định chiều của sđđ ta dùng mũi tên chỉ hướng. Với dòng một
chiều, chiều của mũi tên sẽ không thay đổi còn với dòng xoay chiều thì chiều mũi
tên sẽ thay đổi. Bây giờ ta xét qui luật thay đổi đó.
Khi dùng mũi tên chỉ hướng ta qui định như sau:
1.Với giá trị tức thời dương của từ thông, thì chiều đường sức từ trùng với
chiều mũi tên chỉ hướng, còn với giá trị tức thời từ thông âm thì chiều đường sức
từ ngược với chiều của mũi tên chỉ hướng.
2. Với giá trị tức thời dương của sđđ thì chiều mũi tên chỉ hướng điện áp sẽ
hướng tới điểm có điện thế cao(+) còn ngược lại sẽ hướng tới điểm có điện thế
thấp (-).
Ta có thể dùng 2 phương pháp đánh mũi tên chỉ hướng cho cùng một hiện
tượng (hình 4a,b)Theo qui ước trên đây thì hiện tượng xảy ra trong vòng dây khi từ
thông thay đổi có thể biểu diễn như sau:
5
e≠0
0≠
dt
d
φ
Hình 3 Giải thích định luật cảm ứng từ
0>
dt
d
φ
Hình 4 Hai phương pháp ký hiệu chiều của sđđ cảm ứng trong cuộn dây

a) phương pháp ngược chiều, b)phương pháp thuận chiều.
e≠0
e≠0
0<
dt
d
φ
e =-
e = +
a
a
b
b
a)
b)
e)
e)
φ
φ
e,φ e,φ
t
t
0 0
e
e
-Nếu
dt
d
φ
>0 thì sđđ cảm ứng trong cuộn dây ở hình 4a,b đều có chiều từ

cực a đến cực b. Tuy nhiên trên hình 4a ta dùng mũi tên chỉ hướng sđđ ngược, còn
trên hình 4b mũi tên chỉ hướng sđđ thuận. Như vậy nếu tính sđđ theo (10a) ở
trường hợp hình 4a ta phải đặt dấu trừ(-) trước biểu thức, còn trong trường hợp
hình 4b ta đặt dấu công (+) trước biểu thức. Cụ thể là:
-cho hình 4a e =-
dt
d
φ
(11)
-cho hình 4b e = +
dt
d
φ
(11a)
Tương tự
-Nếu
dt
d
φ
<0 thì sđđ cảm ứng trong cuộn dây ở hình 4a,b đều có chiều từ
cực b đến cực a. Trong trường hợp này trên hình 4a mũi tên chỉ hướng sđđ thuận,
còn trên hình 4b mũi tên chỉ hướng sđđ ngược. Như vậy nếu tính sđđ theo (10a) ở
trường hợp hình 4a ta phải đặt dấu trừ(-) trước biểu thức, còn trong trường hợp
hình 4b ta đặt dấu công (+) trước biểu thức. Do đó để nhận được kết quả tính sđđ
cảm ứng trong cuộn dây đúng khi đạo hàm
dt
d
φ
<0 thì phải đặt dấu trừ (-) trước
biểu thức (10a) cho trường hợp đánh mũi tên như hình 4a và phải đặt dấu (+) trước

biểu thức (10a) cho trường hợp đánh mũi tên như hình 4b. Ta nhận được một biểu
thức e = -
dt
d
φ
(cho trường hợp hình 4a) và e = +
dt
d
φ
cho trường hợp hình 4b.
Như vậy dấu (-) hoặc (+) ở biểu thức (11, 11a) có một ý nghĩa vật lý nhất
định. Khi đã xác định chiều mũi tên chỉ hướng của e và φ, dấu này cho phép xác
6