giáo trình máy điện

GIAO TRINH MAY DIEN

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1. Định nghĩa và phân loại: 1.1. Định nghĩa: Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Về cấu tạo gồm mạch từ (lỏi thép) và mạch điện (cuộn dây), dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng ( máy phát điện ) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện ), hoặc dùng biến đổi các thông số của mạch điện như biến đổi điện áp, dòng điện , tần số, số pha…. Máy điện là loại máy phổ biến trong công nghiệp và trong đời sống . 1.2. Phân loại: Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại ví dụ như phân loại theo công xuất, theo cấu tạo, theo chức năng dòng điện ( xoay chiều, một chiều ), theo nguyên lý làm việc và phân loại theo nguyên lý biến đổi điện năng. a. Máy điện tĩnh: Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau. b. Máy điện quay: Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra. 1 Hình 1-2 U 1 ,f ω ̴ U 2 ,f BA U 1 ,f ̴ ̴ Hình 1-1 Loại máy điện này dùng để biến đổi năng lượng, ví dụ biến đổi điện năng sang cơ năng ( động cơ điện ) hoặc biến đổi cơ năng sang điện năng ( máy phát điện ) quá trình biến đổi có tính thuận nghịch, nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. 2. Các định luật cơ bản trong máy điện. Nguyên lý làm việc của tất cả các loại máy điện dựa vào cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và luật điện từ. 2.1. Định luật cảm ứng điện từ. a. Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua vòng dây: Khi từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn. Trong vòng dây sẽ cảm ứng một sức điện động. Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông theo quy tắc vặn nút chai, thì sức điện động cảm ứng: e = dt d φ − Dấu (+): chỉ chiều Φ đi từ người đọc vào trang giấy . 2 Hình 1-3. Sơ đồ phân loại máy điện MÁY ĐIỆN Máy điện tĩnh Máy biến áp Máy điện quay Máy điện xoay chiều Máy một chiều Máy phát 1 chiều Động cơ một chiều Máy điện đồng bộ Máy điện không đồng bộ Động cơ không đồng bộ Máy phát không đồng bộ Động cơ điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ e Ф Hình 1-4 - Nếu cuộn dây có W vòng : e=-w. dt d dt d ψφ −= Trong đó: Ψ = WΦ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường. Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động có trị số là: e=BlV.  B cường độ từ cảm đo bằng Tesla (T)  L chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (m)  V vận tốc thanh dẫn đo bằng m/s Chiều sức điện động cảm ứng xác định bằng quy tắc bàn tay phải. 2. Định luật lực điện từ: Khi thanh dẫn chuyển động mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức của từ trường ( trường hợp động cơ điện ). Thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: F = B.l.I (N) .  B cường độ từ cảm đo bằng Tesla(T)  I cường độ dòng điện (A)  L chiều dài tác dụng thanh dẫn đo bằng m - Chiều lực từ xác định bằng quy tắc bàn tay trái. 3. Định luật mạch từ tính toán mạch từ. a. Định luật mạch từ: Lỏi thép máy điện là mạch từ. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Định luật dòng điện toàn phần ∫ ∑ = idlH. → H.l = w.i  H: cường độ từ trường trong mạch từ đo bằng A/m  L: chiều dài trung bình của mạch từ (m  W: số vòng dây của cuộn dây  I: tạo ra từ thông trong mạch từ gọi là dòng điện từ hóa.  w.i: gọi là sức từ động. 3 Hình 1-5 Hình 1-6 Hình 1-7 l \ l i w  H.l: gọi là từ áp rơi. - Đối với mạch từ gồm nhiều cuộn dây và nhiều đoạn khác nhau H 1 .l 1 +H 2 .l 2 = W 1 i 1 -W 2 I 2  H 1 ,H 2 : tương ứng là cường độ từ trường trong đoạn 1,2  L 1 , L 2 : chiều dài trung bình đoạn 1,2  W 1 .i 1 , W 2 .i 2 : sức từ động dây quấn 1,2  Dấu – trước w 2 .i 2 vì chiều i 2 không phù hợp với chiều từ thông đã chọn theo quy tắc vặn nút chai ∑∑ == = n l ll n k kK iWlH 11 . Trong đó dòng điện i l có chiều phù hợp với chiều Φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, không phù hợp mang dấu âm. 3. Vật liệu chế tạo máy điện: Vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu. 3.1. Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện là đồng và nhôm. Dây đồng và dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc chữ nhật, có bọc cách điện khác nhau như sợi vải, sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sợi emay. 3.2. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ dùng các vật liệu sắt từ để làm mạch từ: Thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Thép lá kỹ thuật điện dày 0,35- 0,5mm, trong thành phần thép có 2-5% si( để tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy ) Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội. Thép cán nguội có độ từ thẩm cao hơn thép cán nóng, dẫn từ tốt hơn. 3.3. Vật liệu cách điện Làm nhiệm vụ cách ly bộ phận dẫn điện và bộ phận không dẫn điện hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau. Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt tản nhiệt tốt. Chống ẩm và bền về cơ học. 4 Hình 1-8 l 2 , S 2 i 2 W 2 l 1 , S 1 i W 1 Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn gồm 4 nhóm:  Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa.  Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh.  Các chất tổng hợp như PVC, PE.  Các loại men sơn cách điện Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc 90 0 C 105 0 C 120 0 C 130 0 C 155 0 C 180 0 C >180 0 C 3.4.Vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Vật liệu kết cấu thường là gan, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng. 4.Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện – tính thuận nghịch của máy điện 4.1.Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều Máy điện gồm khung dây abcd đầu nối với 2 phiến góp. Khung dây và phiến góp quay quanh trục với tốc độ không đổi trong từ trường của nam châm N – S. Các chổi than A và B đặt cố định và tuỳ sát vào phiến góp Khi khung dây quay, theo định luật cảm ứng điện từ trong khung dây xuất hiện sức điện động cảm ứng e = B.l.v (v) Trong đó: B: từ cảm nơi dây quấn quét qua (T) l: chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường (m) v: vận tốc quét của thanh dẫn (m/s) Chiều của sức điện động xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Sức điện động của thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N có chiều đi từ b đến a, còn của thanh dẫn cd nằm dưới cực 5 Hình 1-9 từ nam (S) có chiều đi từ d→c. Nếu mạch ngoài khép kín sđđ trong khung có chiều đi từ chổi than A đến chổi than B. Khi khung dây quay, nếu từ cảm thẳng góc với hướng quay của thanh dẫn phân bố hình sin→sđđ cũng có dạng xoay chiều hình sin do chổi than A luôn tiếp xúc với thanh dẫn nằm dưới cực (N), chổi than B tiếp xúc thanh dẫn nằm dưới cực (S)→dòng điện mạch ngoài chạy từ A→B. Nói cách khác sđđ và dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng điện sức điện động 1 chiều, nhờ hệ thống vành góp và chổi than. Để có sức điện động lớn → ghép nhiều khung dây đặt lệch nhau một góc trong không gian→gọi là dây quấn phần ứng, vì thế có nhiều phiến đổi chiều ghép cách điện với nhau→ cổ góp điện ( còn gọi là vành góp ). Ngược lại khi đưa dòng điện một chiều vào chổi than Avà ra ở chổi than B→ dưới tác dụng của từ trường lên thanh dẫn tạo ra momen quay có chiều không đổi→đó là nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. 4.2. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ Trong hình vẽ trên nếu thay hai vành đổi chiều thành hai vành trượt. Hai chổi than A và B luôn tì sát, khi khung dây abcd quay với tốc độ n, trên hai vành trượt và mạch ngoài khép kín → sức điện động và dòng điện xoay chiều có tần số f = p.n/60. Trong đó: n tốc độ quay vòng/ phút P số đôi cực của máy →đó là nguyên lý llàm việc của máy điện đồng bộ 1 pha. 6 Hình 1-10 Hình a. Đấu hình sao Hình b. Đấu hình tam giác Thường trong máy điện đồng bộ, cực từ đặt trong roto còn dây quấn phần ứng (khung dây)→đặt trong phần tĩnh (stato) gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian 120 0 đấu hình sao(Υ) hoặc hình tam giác(Δ). Quay với tốc độ n, dây quấn phần ứng nối với một tải ngoài ba pha đối xứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một sức điện động và dòng điện 3 pha lệch nhau một góc 120 0 về thời gian và do đó sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ n 1 = p f60 , nghĩa là tốc độ quay của roto chính vì vậy mà ta gọi là máy điện đồng bộ ba pha. 5. Nguyên lý phát nóng và làm mát máy điện . Trong quá trình làm việc có tổn hao công xuất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện. Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy điện mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc của môi làm mát như dầu máy biến áp v v Thường vỏ máy điện được chế tạo co rãnh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió làm mát. 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 khoảng 20 năm. Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép quá tải lâu dài. Câu hỏi: 1. Định nghĩa máy điện. Công dụng của máy điện. 2. Tính thuận nghịch của máy điện là gì. 3. Trình bày các định luật dùng trong máy điện. Công dụng của từng định luật vào từng loại máy điện. 4. Nêu các loại vật liệu dùng trong máy điện, đặc điểm từng loại. 7 5. Tại sao phải làm mát động cơ điện. TÀI LIỆU THAM KHẢO: - Giáo Trình Máy Điện Tác giả Vũ Gia Hanh (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT) - Giáo Trình Kỹ Thuật Điện Tác giả Lê Văn Đào (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT) - Giáo Trình Máy Điện Tác giả Nguyễn Hồng Thanh (NXB-GIÁO DỤC) CHƯƠNG 2 8 MÁY BIẾN ÁP 1. Khái niệm chung 1.1. Định nghĩa Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không đổi. Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp có hai dây quấn. Dây quấn nối với nguồn điện để thu năng lượng gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưa năng lượng gọi là dây quấn thứ cấp. Các thông số của dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng chữ in hoa và có thêm chỉ số 1, tương tự dây quấn thứ cấp ký hiệu và có thêm chỉ số 2 ( ví dụ dòng điện sơ cấp I 1 , điện áp thứ cấp U 2 ). 1.2. Các đại lượng định mức Các đai lượng định mức do nhà chế tạo quy định và thường ghi trên máy. • Dung lượng hay công suất định mức S đm là công suất toàn phần (hay công suất biểu kiến) đưa ra ở dây quấn thứ cấp của mba [KVA], [VA]. • Điện áp dây sơ cấp định mức U 1đm là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng [KV] hay [V]. • Dòng điện dây định mức sơ cấp I 1đm ứng với công suất định mức [A, KA]. • Số vòng dây sơ cấp định mức W 1 . • Điện áp dây thứ cấp định mức U 2đm là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi mba không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, đơn vị là KV hoặc V. • Dòng điện dây định mức thứ cấp I 2đm ứng với công suất định mức, đơn vị là A, KA. • Đối với mba 1 pha: I 1đm = đm đm U S 1 , I 2đm = đm đm U S 2 , • Đối với mba 3 pha: 9 I 1đm = đm đm U S 1 3 , I 2đm = đm đm U S 2 3 • Tần số định mức f đm tính bằng Hz (f = 50 Hz). • Ngoài ra trên nhãn máy của mba còn ghi các số liệu như: số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch U n %, chế độ làm việc và phương pháp làm lạnh. 1.3.Các loại mba chính Theo công dụng mba gồm những loại chính sau đây: • M.b.a điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực. • Mba chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị cỉnh lưu mba hàn điện. • Mba tự ngẫu biến đổi điện áp trong phạm vi không lớn lắmdùng để mở máy các động cơ điện xoay chiểu. • Mba đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo. • Mba thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao. 2.Cấu tạo 2.1.Lõi thép: 10 Sứ cao áp Sứ hạ áp Cánh tản nhiệt Nắp thùng Thùng Bình giản dầu Ống an toàn Đế Hình 2-1. Hình dạng chung của máy biến áp [...]... r1 = r2’ Tính điện trở không quy đổi của dây quấn thứ cấp TÀI LIỆU THAM KHẢO: - Giáo Trình Máy Điện Tác giả Vũ Gia Hanh (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT) - Giáo Trình Kỹ Thuật Điện Tác giả Lê Văn Đào (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT) - Giáo Trình Máy Điện Tác giả Nguyễn Hồng Thanh (NXB-GIÁO DỤC) 34 CHƯƠNG 3 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1 Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều,... theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rô to n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n 1 Cũng như các máy điện khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện cũng như chế độ máy phát điện Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ nên ít được dùng Động cơ điện không đồng bộ có... liệu cách điện Từ thông chỉ móc vòng riêng rẽ ở mỗi dây quấn Từ thông tản móc vòng sơ cấp, ký hiệu ϕt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây ra, ϕt 2 do dòng điện thứ cấp i2 gây ra Từ thông tản đặc trưng bằng điện cảm tản ϕt1 • Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L1 = i 1 ϕt 2 • Điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2 = i 2 4.1 Phương trình cân bằng điện sơ cấp Xét mạch điện sơ cấp gồm điện áp U1, sức điện động e1, điện trở... nI% . hoặc chữ nhật, có bọc cách điện khác nhau như sợi vải, sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sợi emay. 3.2. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ dùng các vật liệu. tải lúc chưa quy đổi). 5.4.Các phương trình quy đổi Thay các đại lượng quy đổi vào các phương trinh cân bằng sức điện động và sức từ động ở trên ta được hệ thống các phương trình đó viết dưới