Phạm Khánh Tùng tungpk@hnue.edu.vn www://hnue.edu.vn/directory/tungpk GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Máy điện – lĩnh vực nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng và ngược lại. Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị, hệ thống sử dụng và biến đổi điện năng. Máy điện 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. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 1. Đ NH NGHƾA VĨ PHÂN LO I 1.1. Đ nh nghƿa 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 các 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 ... GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 1.2. Phân lo i máy đi n. Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau. ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng: đây 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 thư ng 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,.. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 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 trư ng 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 có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 2. CÁC Đ NH LU T ĐI N T CƠ B N DÙNG TRONG MÁY ĐI N 2.1. Đ nh lu t c m ng đi n t Trư ng hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên. Khi từ thông Φ = Φ(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 sđđ. Sđđ cảm ứng được tính theo công thức Mắcxoen : d e dt d d e  N  dt dt Ψ = N.Φ [Wb] gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Trư ng hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trư ng. Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đư ng sức từ trư ng (đây là trư ng hợp thư ng gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số: e  B.l.v B – cư ng độ từ cảm [T]. l – chiều dài tác dụng của thanh dẫn [m]. v – tốc độ dài thanh dẫn [m/s] Chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 2.2. Đ nh lu t lực đi n t Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đư ng sức từ trư ng, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số F  B.l.i B : cư ng độ từ cảm, [T]. i : dòng điện chạy trong thanh dẫn, [A]. l : chiều dài thanh dẫn, [m]. f : lực điện từ đo bằng Niuton, [N] Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc bàn tay trái GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 2.3. Đ nh lu t m ch t , tính toán m ch t Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ với nội dung như sau: Nếu H là vectơ cư ng độ từ trư ng do tập hợp dòng điện i 1, i2, ... ik, ..., in tạo ra và L là một đư ng cong kín bao quanh chúng:  H.dl   i k ( L) Với dl là độ d i vi phân trên (L). Dấu của i k xác định theo qui tắc vặn nút chai: Quay cái vặn nút chai theo chiều dl , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện i k thì dòng điện mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình bên, ta có như sau: H.l  N.i  F B 11 H.l  l    R   S GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N H.l  R   N.i  F H [At/m] – cư ng độ từ trư ng trong mạch từ. B = µH [T] – từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ. µ = µr µo [H/m] – độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ. µo = 4π.10-7[H/m] – độ từ thẩm của không khí. µr =µ /µo – độ từ thẩm tương đối của mạch từ. L [m] – chiều dài trung bình của mạch từ. N – số vòng dây của cuộn dây. I [A] – dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ. F = N.i [At/m] – sức từ động (stđ) H.l – từ áp rơi trong mạch từ. S [m2] – tiết diện ngang của mạch từ. 11 R  S – từ tr của mạch từ GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, ta có: H1l1  H2l2  N1i1  N2i 2 H1,H2 [At/m] – Cư ng độ từ trư ng tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2. l1, l2 [m] – Chiều dài trung bình của đoạn mạch từ 1, 2. i1.N1, i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ được viết:  H jl j   R j   Nkik   Fk  F m m n n j1 j1 k 1 k 1 trong đó: dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ đã chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; j - chỉ số tên đoạn mạch từ; k - chỉ số tên cuộn dây có dòng điện. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Tính toán mạch từ: Bài toán thuận: Cho biết từ thông Φ, tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thông đó. B c 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ  Bj  Sj Suy ra cư ng độ từ trư ng Hj như sau: Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đư ng cong từ hóa B = f(H) để tìm H. Nếu đoạn mạch từ là khe h không khí thì H0 = B0/µo . F   H jl j m B c 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông Φ: j1 B c 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng dây N GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông Φ. Bài toán này phức tạp. Do vật liệu từ có độ từ thẩm µ phụ thuộc từ thông Φ nên từ tr Rµ cũng phụ thuộc Φ. Vì chưa biết Φ nên cũng chưa biết R. Phương trình stđ tr thành:  R j ()  F() m j1 Đây là phương trình phi tuyến, thư ng dùng phương pháp gần đúng để giải. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 3. V T LI U CHẾ T O MÁY ĐI N 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. + Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 3.1. V t li u d n đi n Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện tr 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 thư ng dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 3.2. V t li u d n t Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn ... các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thư ng dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 1mm, trong thành phần thép có từ 2 ÷ 5% silíc để tăng điện tr của thép, giảm dòng điện xoáy. Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội. Hiện nay thư ng dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì thép cán nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Hình bên là các đư ng cong từ hoá của một số vật liệu dẫn từ khác nhau. Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang các phần dẫn từ có từ thông không đổi thư ng dùng thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 3.3. V t li u cách đi n Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cư ng độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn. Chất cách điện của máy điện phần lớn thể rắn và gồm có 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. c) Các chất tổng hợp. d) Các loại men và sơn cách điện. Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt. Giấy, vải, sợi... rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm. Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau: - Cấp Y : Nhiệt độ cho phép là 90oC, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện. - Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 105oC, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện. - Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 120oC, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng. - Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 130oC, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng. - Cấp F : Nhiệt độ cho phép là 155oC, giống như loại B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N - Cấp H : Nhiệt độ cho phép là 180oC, giống như cấp B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng. - Cấp C : Nhiệt độ cho phép là >180oC, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết. Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng. Ngoài ra còn có chất cách điện biến áp). thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-10oC thì tuổi tho của vật liệu cách điện giảm đi một nửa. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 4. PHÁT NịNG VĨ LĨM MÁT MÁY ĐI N Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao bao gồm: tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát ( máy điện quay). Tất cả các tổn hao đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên. Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trư ng xung quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trư ng làm mát khác như dầu máy biến áp... Thư ng vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm. Khi máy điện làm việc chế độ định mức, độ tăng thiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N 5. PH ƠNG PHÁP NGHIÊN C U MÁY ĐI N Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 1. Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện. 2. Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện. Đó là mô hình toán của máy điện. 3. Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện. 4. Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể. GI I THI U CHUNG VỀ MÁY ĐI N