Cơ sở lý thuyết máy điện

LỜI MỞ ĐẦU Năm 1785 Ch.Coulomb nghiên cứu định luật tĩnh điện Năm 1800 A.Volta dựa sở phát minh L.Galvani chế tạo pin đầu tiên.Năm 1819 C.H.Oersted nghiên cứu tác dụng cư học dòng điện Năm 1820 A.M.Ampere nghiên cứu lực điện động Năm 1826 G.S.Ohm tìm quan hệ dịng điện điện áp mạch khơng phân nhánh Mốc quan trọng phải kể đến năm 1831 M.Faraday phát minh định luật cảm ứng điện từ Định luật cảm ứng điện từ sở lý luận cho xuất loại máy điện thiết bị điện So với tượng vật lý khác cơ, nhiệt, quang… tượng điện từ phát chậm giác quan không cảm nhận trực tiếp tượng Tuy nhiên việc khám phá tượng điện từ thúc đẩy mạnh mé cách mạng khoa học chuyển sang lĩnh vực điện khí hóa tự động hóa Các phát minh sáng chế liên tục đời thúc đẩy công nghiệp phát triển vũ bão Hàng lọat máy móc, thiết bị điện sản xuất, chế tạo giúp người giải phóng lao động thủ công, chân tay, đưa sản xuất dần vào tự động hóa Đồng thời điện phục vụ đắc lực cho người sinh hoạt vật chất tinh thần Để thực việc biến đổi thành điện ngược lại, người ta sử dụng loại máy điện Máy điện hệ điện từ gồm có mạch từ mạch điện liên quan với Mạch từ gồm bọ phận dẫn từ khe hở khơng khí Các mạch điện gồm hai hay nhiều dây quấn chuyển động tương với phận mang chúng Từ nhu cầu tiêu dùng điện ngày cao nên máy điện ngày sử dụng nhiều sống, ngành kinh tế như: công nghiệp, nơng nghiệp,giao thơng vận tải…Chính chương trình học tập trường Đại học Bách Khoa Hà Nội buổi học tập lý thuyết máy điện tất sinh viên khoa điện đươc tham gia vào khóa thực tập thực hành tuần loại máy điện máy biến áp, động điện pha, rơ to lống sóc…Nhờ người sinh viên chúng em có kinh nghiệm thực tế quý báu người kỹ sư điện quấn máy biến áp, quấn dây động cơ… Có thời gian thực tập quý báu em xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Điện đặc biệt thầy giáo hướng dẫn Thầy Nguyễn Quang Hùng Thầy Nguyễn Huy Thiện Các thầy tạo điều kiện tận tình bảo giúp đỡ em q trình thực tập Có thể nói khơng có hương dẫn dạy bảo thầy chúng em có lẽ khó hồn thành tốt thực tập kỹ thuật Một lần em xin chân thành cảm ơn PHẦN MỘT BÀI 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN I Giới thiệu chung máy điện: Các máy thực biến đổi thành điện ngược lại gọi máy điện Các máy điện biến thành điện gọi máy phát điện máy điện dung để biến đổi từ điện thành gọi động cơ.Các máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa biến đổI lượng theo hai chiều Máy điện hệ điện từ gồm có mạch từ mạch điện liên quan với nhau.Mạch từ bao gồm phận dẫn từ khe hở khơng khí.Các mạch điện bao gồm hai nhiều dây quấn chuyển động tương với phận mang chúng Sự biến đổi điện máy điện dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Nguyên lý đặt sở cho làm việc biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi điện với giá trị thông số (điện áp, dòng điện) Máy biến áp thiết bị biến đổi cảm ứng đơn giản thuộc loại này, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp sang dịng điện xoay chiều có điện áp khác Các dây quấn mạch từ đứng yên trình biến đổi từ trường để sinh sức điện động cảm ứng dây quấn thực phương pháp điện Máy điện dùng làm máy biến đổi lượng phần tử quan trọng thiết bị điện Nó sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thông vân tải, hệ điều khiển tự động điều chỉnh, khống chế… Máy điện có nhiều loại, phân loại sau: * Máy điện tĩnh: thường gặp loại máy biến áp Máy điện tĩnh làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ biến thiên từ thông, dây quấn khơng có chuyển động tương Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thơng số điện Do tính chất thuận nghịchcủa quy luật cảm ứng điện từ nên trình biến đổi có tính chất thuận nghịch Ví dụ: Máy biến áp biển đổi điện có thơng số U1, I1, f1 thành điên có thơng số U2, I2, f2 ngược lạibiến đổi hệ thống điện U 2, I2, f2 thành hệ thống U1, I1, f1 * Máy điện có phần động (quay chuyển động thẳng): Tuỳ theo lưới điện phân thành máy điện xoay chiều máy điện chiều Nguyên lý làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ từ trường dòng điện quận dây có chuyển động tương đối so với gây Loại máy thường dùng để biến đổi lượng Ví dụ: biến đổi điện thành (động điện) biến đổi thành điện (máy phát điện) Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch, nghĩa máy điện làm việc chế độ máy phát động điện U1, I1, f1 Pcơ Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường dùng: Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện có phần quay Máy điện xoay chiều Máy điện không đồng Máy biến áp Động không đồng Máy phát không đồng Máy điện chiều Máy điện đồng Động đồng Máy phát đồng Động chiều Máy phát chiều II Các định luật dùng để nghiên cứu máy điện Trong nghiên cứu máy điện, ta thường sử dụng định luật sau: Định luật cảm ứng điện từ Định luật Faraday: Trong thiết bị điện từ, định luật thường viết dạng phương trình Maxwell: e  d dt Điều nói rằng, biến thiên tổng từ thơng móc vịng mạch điện tạo sức điện động tỷ lệ với đạo hàm tổng từ thơng biến thiên Cũng viết dạng : e = B.l.v v tốc độ chuyển động dẫn l nằm từ trường có từ cảm B vng góc với chiều chuyển động dẫn Định luật tồn dòng điện: Định luật diễn tả sau: Hdl  iw  F Tích phân vịng cường độ từ trường theo đường khép kín quanh số mạch điện tổng dòng điện w vòng dây mạch F giá trị sức từ động tổng tác động lên mạch từ Định luật lực điện từ Định luật Laplace: Đây định luật cho ta trị số lực tác dụng đơn vị dòng điện đặt điểm M có từ cảm Lực tích vectơ vectơ đơn vị dịng điện với vectơ từ cảm: df M idl.BM Lực tác dụng đoạn dây dẫn mang dòng điện nằm từ trường bằng: f  Bi sin dl Trong góc vectơ từ cảm với véc tơ dòng điện Nếu từ trường dây dẫn thẳng, ta có:  f  Bli sin  Năng lượng trường điện từ: Năng lượng tổng thể tích từ trường có khơng đổi bằng: H W  dV  Li 2 Trong trường hợp này, từ thơng móc vịng dịng điện từ cảm cuộn dây Nếu thiết bị điện từ có hai hay nhiều mạch điện có hỗ cảm điện từ lượng điện từ hai mạch điện hỗ cảm bằng: L i2 L i2 H W12   dV  1  2  M 12 i1i2 2 Có thể dùng phương pháp tổng quát thống dựa sở phép tính tenxơ ma trận để nghiên cứu, phân tích tất loại máy điện Tất phương trình cân điện áp loại máy điện biểu thị theo định luật Kirhôf phương trình ma trận có dạng: u Z i Trong u : vectơ điện áp cí thành phần điện áp đặt vào mạch điện tương ứng với dây quấn mạch điện; i : vectơ dịng điện có thành phần dòng điện chạy mạch điện; Z: ma trận tổng trở Mômen điện từ sinh máy điện bằng: M  k  i Trong vec tơ từ thơng móc vịng vó thành phần từ thông dây quấn sinh ra, k hệ số tỷ lệ Đơn vị tương đối: Trong nghiên cứu thiết kế tính tốn máy điện, để tiện lợi người ta thường dùng hệ đơn vị tương đối Trong hệ đơn vị tương đối đại lượng điện áp, dịng điện, cơng suất, tần số, tần độ góc, mơmen…đều biểu thị theo lượng định mức tương ứng lấy làm sở Ví dụ: I*  I I CS ;U *  U U CS ;P *  P PCS ; M*  đó: Ics = Iđm ; Ucs = z cs  z đm  M M CS ;z *  z z cs Pđm Uđm ; Pcs = Pđm; Mcs= Mđm = 9.81 đm ; U cs U đm  I cs I đm III.Tính thuận nghịch máy điện: Tính thuận nghịch máy điện: Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa làm việc chế độ mày phát điện động điện Chế độ máy phát điện: Cho động điện sơ cấp, dẫn chuyển động với vận tốc v từ trường nam châm N-S, dẫn cảm ứng sức điện động e - Nếu nối cực dẫn điện trở R tải dịng i chạy dẫn cung cấp điện cho tải - Nếu bỏ qua điện trở dẫn điện áp đặt vào tải u e Cơng suất điện máy phát cung cấp cho tải p= u.i= e.i Dòng điện i nằm từ trường , từ trường chịu tác dụng lực điện từ Fdt = B.i.l có chiều hình vẽ Khi máy quay với tốc độ không đổi, lực điện cân với lực sơ cấp động sơ cấp Fcơ = Fdt Fcơ v = Fdt.v=B.i.l.v=e.i Như công suất động sơ cấp P = Fcơ V biến đổi thành công suất điện Pđ = ei nghĩa biến đổi thành điện Chế độ động điện: Cung cấp điện cho máy điện điện áp U nguồn điện gây dòng điện i dẫn, tác dụng từ trường có lực điện từ F dt = Bil tác dụng lên dẫn làm dẫn chuyển động với tốc độ v Công suất điện đưa vào động cơ: P = u.i = e.i = B.i.l = Fdt.v Như công suất điện P = u.i đưa vào động biến thành công suất Pcơ = Fdt.v trục động điện biến thành Ta nhận thấy thiết bị điện từ tùy vào dạng lượng đưa mà máy điện làm việc chế độ máy phát điện đông điện Đây tính chất thuận nghịch loại máy điện IV Sơ lược vật liệu chế tạo máy điện: Các vật liệu dùng để chế tạo chia làm loại: - Vật liệu tác dụng - Vật liệu kết cấu - Vật liệu cách điện Vật liệu tác dụng: Đây vật liệu dẫn từ dẫn điện vật liệu thường dùng để tạo điều kiện cần thiết sinh biến đổi điện từ a Vật liệu dẫn từ: Để chế tạo mạch từ máy điện người ta thường dùng loại thép khác thép kỹ thuật điện, thép thường, thép đúc, thép rèn Gang dùng dẫn từ khơng tốt Người ta sử dụng chủ yếu thép kỹ thuật điện, có hàm lượng silic khác không vượt 4.5% Hàm lượng silic dùng để hạn chế tổn hao từ trễ tăng điện trở thép để giảm tổn hao dịng điện xốy Người ta hay sử dụng thép dày 0.35mm dùng máy biến áp 0.5mm dùng máy điện quay ghép lại làm lõi thép để giảm tổn hao dòng điện xoay chiều gây nên Tùy theo cách chế tạo người ta phân lõi thép kỹ thuật điện làm loai: cán nóng cán nguội Loại nguội có đặc tính từ tốt như: độ từ thấm cao hơn, tổn hao thép cán nóng Thép cán nguội lại chia làm loại: đẳng hướng vơ hướng Loại đẳng hướng có đặc điểm dọc theo chiều cán tính từ tính tốt hẳn so với nganh chiều cán, thường sử dụng máy biến áp Loại vơ hướng đặc tính từ theo hướng nên thường sử dụng máy điện quay Ví dụ: Thép cán nóng: Э21; Э31A Thép cán nguội: Э41O Э31O Chữ thép kỹ thuật điện Chữ A tổn hao thấp Chữ O thép cán nguội Chỉ số thứ hàm lượng silic Chỉ số thứ hai tổn hao riêng loại thép Ở đoạn mạch từ có từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép kỹ thuật điện dây 0.1- 0.2mm Ở đoạn mạch từ có từ thơng trường khơng đổi thường dùng thép đúc, thép rèn thép b Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện tốt dùng máy đồng chúng có điện trở xuất nhỏ khơng đắt Đồng dùng làm dây dẫn khơng có tạp chất 0,1%.Điện trở suất đồng 20  C  =0,0172 .mm / m Ngoài cịn dùng nhơm hợp kim khác đồng thau, đồng phospho.Nhơm có điện trở suất 20  C  =0,0282 .mm / m tức gấp gần lần đồng.Để chế tạo dây quấn ta dùng đồng, dùng nhôm Dây đồng dây nhơm chế tạo theo tiết diện trịn chữ nhật, có bọc cách điện khác như: vải sợi, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học, sơn emay Với loại máy có cơng suất nhỏ trung bình, điện áp 100V thường dùng sơn emay lớp cách điện dây mỏng, đạt độ bền yêu cầu Đối với phận khác vành đổi chiều, lồng sóc vành trượt, ngồi đồng, nhơm người ta cịn dùng hợp kim đồng nhơm có chỗ dùng thép để tăng độ bền học giảm kim loại màu Vật liệu kết cấu: Vật liệu kết cấu vật liệu dùng để chế tạo chi tiết chịu tác động học trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy, phận chi tính truyền động kết cấu máy theo dạng cần thiết đảm bảo cho máy điện làm việc bình thường Người ta dùng gang, thép, kim loại màu, hợp kim, vật liệu chất dẻo Vật liệu cách điện: Để cách điện phận mang điện máy người ta sử dụng vật liệu cách điện.Những vật liệu địi hỏi phải có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu ẩm, chịu hố chất có độ bền học định Độ bền nhiệt chất cách điện bọc dây dẫn định nhiệt độ cho phép dây định tải Nếu tính chất cách điện cao lớp cách điện mỏng kích thước máy giảm Chất cách điện chủ yếu thể rắng gồm nhóm: a Chất hữu thiên nhiên: giấy, vải, lụa b Chất vô cơ: xi măng, mica, sợi thuỷ tinh c Các chất tổng hợp d Các loại men, sơn cách điện Chất cách điện tốt mica, song tuơng đối đắt nên dùng máy có điện áp cao, thường dùng vật liệu có sợi giấy, vải, sợi Chúng có độ bền học tốt, mềm, rẻ tiền dẫn nhiệt kém, hút ẩm, cách điện Do đó, dây dẫn cách điện sợi phải sấy tẩm để cải thiện tính vật liệu cách điện Ngồi cịn có chất cách điện thể khí: khơng khí, hydro, nito; thể lỏng: dầu MBA + Vật liệu khí: khơng khí chất cách điện tốt nhiên để cách điện tốt người ta thường dùng khí trơ, hydro sử dụng trường hợp cần cách điện làm mát bên vật liệu + Vật liệu lỏng ( đầu máy biến áp) : loại vật liệu cách điện quan trọng máy điện len lỏi vào khe nhỏ sử dụng để dập hồ quang Căn vào độ bề nhiệt, vật liệu cách điện chia làm nhiều loại sau: Cấp cách điện A E B F Vật liệu Nhiệt độ giới hạn cho phép vật liệu ( C ) Sợi xeluno, tơ 105 tằm vật liệu hữu lỏng Vài loại màng tổng hợp 120 Amiang, sợi thủy tinh có 130 chất kết dính vật liệu gốc mica Amiang, vật liệu gốc 15 Nhiệt độ giới hạn cho phép dây ( C ) 100 115 120 140 H mica sợi thủy tinh có chất kết dính tẩm tổng hợp Vật liệu gốc mica, 180 amiang sợi thủy tinh phối hợp chất kết dính tẩm silic hữu 165 Ngồi cịn có cấp Y C với nhiệt độ làm việc cho phép tương ứng 90  C >180  C V Phát nóng làm mát máy điện: Trong q trình làm việc có tổn hao công suất Tổn hao lượng máy điện bao gồm: tổn hao sắt từ( tượng từ trễ dịng xốy) thép, tổn hao đồng điện trở dây quấn, tổn hao ma sát( máy điện quay) Tất tổn hao lượng biến thành nhiệt làm nóng máy điện Khi tác động nhiệt độ, chấn động tác động lí hóa khác, lớp cách điện bị lão hóa nghĩa dần tình bền điện, Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ tăng nhiệt độ cho phép 8-10 C tuổi thọ vật liệu cách điện giảm nửa Ở nhiệt độ làm việc cho phép tốc độ tăng nhiệt phần tử không vượt độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình vật liệu khoảng 10-15 năm Khi máy làm việc tải, nhiệt độ vượt nhiệt độ cho phép Vì vậy, sử dụng máy biến cần tránh để máy tải Để làm mát máy điện phải có biện pháp tản nhiệt ngịai mơi trường xung quanh Sự tản nhiệt phị thuộc vào bề mặt làm mát máy mà phụ thuộc vào đối lưu khơng khí xung quanh môi trường làm mát khác dầu máy biến áp… Thường vỏ máy điện cấu tạo có cánh tản nhiệt máy điện có hệ thống quạt gío để làm mát 10 2.Bước 2: Tính số vịng dây cuộn dây 45 50 W0= Q  10% Phụ thuộc hàm lượng Silic có thép Số vòng dây cuộn sơ cấp: W1=W0.U1 (vòng) Số vòng dây cuộn thứ cấp: W2=W0.(U2+∆U2) (vịng) Khi tính số vịng dây cuộn thứ cấp phải dự trù thêm số vòng dây để bù trừ sụt áp trở kháng Độ dự trữ cho bảng sau: S(VA) 100 200 300 500 750 1000 1200 1500 >1500 ∆U2(%) 4.5 3.9 2.5 2.5 2.5 2.5 2.0 3.Bước 3: Tính tiết diện dây đường kính dây Việc tính tốn phải dựa vào điều kiện làm việc máy biến áp: công suất, nơi đặt,…mà chọn mật độ dòng biến áp ∆i cho phù hợp để máy biến áp vận hành định mức, dây dẫn không phát nhiệt 80oC Bảng sau cho phép chọn mật độ dòng ∆i máy biến áp làm việc liên tục 24/24h S(VA) 0÷50 50÷100 100÷200 200÷250 500÷1000 ∆i(A/mm ) 3.5 2.5 Nếu máy biến áp làm việc ngắn hạn 3÷5h thơng gió tốt nơi để máy biến áp chọn ∆i=5(A/mm2) để tiết kiệm khối lượng dây đồng Thông thường ta chọn ∆i=5 A/mm2 Tiết diện dây sơ cấp chọn theo công thức: 20