NGUYÊN TẮC BIẾN ĐIỆN NĂNG THÀNH CƠ NĂNG

CHƢƠNG 3 : CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

3. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐIỆN NĂNG THÀNH CƠ NĂNG

3.1. Nguyên tắc

Quá trình biến đổi năng lƣợng điện năng thành cơ năng đƣợc thực hiện thông qua từ trƣờng hoặc điện trƣờng trong các thiết bị biến đổi.

Hình 3.6 Dùng động cơ đổi năng lƣợng điện năng thành cơ năng

Các thiết bị biến đổi này hoạt động trên cùng một nguyên tắc, cho dù kết cấu của chúng có thể rất khác nhau, tùy vào nhiệm vụ hoạt động của chúng để làm gì.

3.2. Thực tế

Động cơ điện là dạng biến điện năng thành cơ năng đƣợc sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt (nhƣ là động cơ bơm nƣớc . . .), sử dụng trong công, nông nghiệp.

Hình 3.7 Ứng dụng biến đổi điện năng thành cơ năng 4. HIỆN TƢỢNG TỰ CẢM

Hiện tƣợng tự cảm: khi dòng điện qua cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra từ thơng biến thiên L móc vịng qua cuộn dây sẽ làm xuất hiện sức điện động tự cảm eL đƣợc xác định theo định luật Maxwell:

35

Hình 3.8 Hiện tƣợng tự cảm

Nếu mạch điện kín thì sức điện động này sẽ tạo ra dịng điện tự cảm qua mạch có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra nó (Lenx).

4.1. Hệ số tự cảm

Hệ số tự cảm: Khi cuộn dây có dịng điện sẽ có từ thơng L móc vịng qua nó. Dịng điện qua cuộn dây càng lớn thì L càng tăng. Tỉ số

I

L L

 đặc trƣng cho khả năng tự luyện từ của cuộn dây đƣợc gọi là hệ số tự cảm hay điện cảm của cuộn dây.

Nếu cuộn dây có L khơng phụ thuộc L và I thì gọi là cuộn dây tuyến tính, ngƣợc lại thì gọi là cuộn dây phi tuyến.

Năng lƣợng từ trƣờng Xét mạch điện đơn giản:

R L

+ -

Hình 3.9 Mơ hình mạch điện đơn giản Phƣơng trình cân bằng điện áp:

U + eL = i.R hay U = i.R + Nhân hai vế với i.dt ta có:

t i L dt di L dt i L d dt d e L L            ( .) dt di L I L

36

U.i.dt = i2.R.dt + hay U.i.dt = i2.R.dt + L.i.di

U.i.dt - Năng lƣợng nguồn cung cấp trong thời gian t, đặt bằng dW. i2.R.dt - Năng lƣợng tổn hao trên điện trở R.

L.i.di - Năng lƣợng tích lũy trong cuộn dây khi dòng điện biến thiên = i.d.

Tổng vi phân dWM = L.i.dt của năng lƣợng tích lũy trong từ trƣờng cuộn dây có hệ số từ cảm L khi dòng điện tăng từ 0 đến I đƣợc xác định:

I I L idt L W I M . 2 1 . 2 1 . 2 0     . (*)

Vậy năng lƣợng từ trƣờng tích lũy trong cuộn dây có điện cảm L tỉ lệ với độ lớn giá trị điện cảm và với bình phƣơng dịng điện biến thiên qua cuộn cảm đó.

Đối với cuộn dây hình xuyến ta có:

 = .W = B.S.W. ; H = I.W/l  I = H.l/W Và thay vào phƣơng trình (*) trên ta có:

Hl S B W l H W S B I WM . . 2 1 . . . . 2 1 . 2 1    ;

gọi V = S.l là thể tích lõi xuyến thì:

 W BSV B V t M . . 2 1 . . 2 1 2    . 4.2. Sức điên động tự cảm

Hiện tƣợng tạo ra sức điện động tự cảm trong mạch do sự biến thiên của từ thơng móc vịng do chính mạch đó gây ra đƣợc gọi là hiện tƣợng tự cảm.

R L

+

- D

Hình 3.10 Mơ tả Hiện tƣợng tạo ra sức điện động tự cảm

Hiện tƣợng tự cảm khi đóng cắt mạch điện một chiều:

Xét mạch điện đơn giản: Trƣớc khi đóng D thì I = 0, khơng có hiện tƣợng gì xảy ra. dt dt di i L. .

37

Sau khi đóng D: Nếu khơng có điện cảm L thì dịng điện trong mạch lập tức đạt giá trị

R U I 

Nếu mạch có điện cảm L thì do trong mạch có tồn tại dịng điện biến thiên nên xuất hiện sức điện động tự cảm.

t i L dt di L dt i L d dt d e L L            ( .) .

Áp dụng định luật kiết hốp 2, ta có: U + eL = i.R hay:  i.R0

dt di L

U .

Phƣơng trình trên có dạng vi phân cấp 1 nên nghiệm của nó có dạng:

). 1 .( e t/ I i   e = 2,71 là hệ số lôgarit tự nhiên

 = L/R là hằng số thời gian của mạch.

Quan hệ i = f(t) là một đƣờng cong đƣợc biểu diễn:

O 0,63I I t i τ Hình 3.11 Đồ thị quan hệ i = f(t) + Khi t = 0 thì e-t/ = 1  I = 0 + Khi t = T thì i = I.( 1 - e-1 ) = 0,63I + Khi t = vơ cùng thì e-t/  0  i  I

Tức là dòng điện ổn định giá trị ổn định sau thời gian vơ cùng lớn. Trong thực tế thì khi t = 5 thì i = I ( 1 - e- 5

) = 0,99I. Thì lúc này có thể xem nhƣ dòng điện đã đạt giá trị ổn định.

4.3. Ứng dụng

38

Định nghĩa: MBA là thiết bị điện tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tác dụng biến đổi hệ thống dịng điện có điện áp này thành điện áp kia có cùng tần số.

Cấu tạo: gồm lõi thép dẫn từ và hai cuộn dây W1 và W2 cách điện với nhau đƣợc quấn trên đó, nhƣ hình vẽ:

Hình 3.12 cấu tạo máy biến áp

Nguyên lý hoạt động: xét một MBA đơn giản gồm hai bộ dây quấn trên lõi thép hình trụ, có số vịng dây tƣơng ứng là W1 và W2.

Khi cho điện áp thay đổi U1 vào cuộn W1 thì sẽ tạo ra từ thơng biến thiên trong lõi thép móc vịng qua cả hai cuộn dây làm cảm ứng trong chúng các suất điện động cảm ứng có giá trị: ; . 1 1 t W e      (V). 2 2. ; t W e      (V).

Nếu cuộn W2 để hở mạch thì U2 = e2 và nếu bỏ qua tổn thất trong MBA thì ta có U1 = e1. Và lúc đó ta ln có: k W W U U e e    2 1 2 1 2

1 (với k đƣợc gọi là tỉ số biến áp) Nếu K > 1 thì MBA giảm áp.

Nếu K < 1 thì MBA tăng áp.

5. HIỆN TƢỢNG HỖ CẢM

39 Tỷ số 1 12 12 I M   hoặc 2 21 21 I M 

 đặc trƣng cho quan hệ hỗ cảm giữa hai cuộn dây W1 và W2 đƣợc gọi là hệ số hỗ cảm của chúng. Theo nguyên lý hỗ cảm

ta có: M I I M M       2 21 1 12 21

12 ; M gọi là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây.

5.2. Sức điện động hỗ cảm

Hiện tƣợng hỗ cảm:

Xét hai cuộn dây W1 và W2 đặt gần nhau: Khi có dịng điện I1 chạy qua W1 thì sẽ sinh ra các thành phần từ thơng tự cảm 11 móc vịng qua chính nó và một lƣợng từ thông hỗ cảm 12 móc vịng qua cuộn W2. Tƣơng tự nhƣ thế thì cuộn dây W2 khi có dịng điện I2 chạy qua cũng hình thành hai loại từ thơng nhƣ trên. Đƣợc biểu thị bằng hình vẽ - - - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - + + + + + + Ψ11 Φ21 Ψ21 Hình 3.13 Hiện tƣợng hỗ cảm

Tổng từ thơng hỗ cảm móc vịng từ cuộn W1 sang cuộn W2 là: 12 = 12 .W1 tỉ lệ với I1.

Tƣơng tự nhƣ vậy, tổng từ thơng hỗ cảm móc vịng từ cuộn W2 sang cuộn W1 là 21 = 21 .W2 tỉ lệ với I2.

6. DÕNG ĐIỆN PHU CƠ (XỐY)

6.1. Hiện tượng

Khi từ thông qua một khối kim loại biến thiên sẽ sinh ra các suất điện động cảm ứng trong khối kim loại đó tạo ra dịng điện cảm ứng khép mạch trong lòng vật dẫn gọi là dòng điện xốy. Dịng điện xốy do nhà bác học Phucơ ngƣời Pháp tìm ra nên gọi là dịng điện phucơ.

Hình 3.14 Hiện tƣợng dịng điện Phu cơ (xốy)

S N N S

40

6.2. Ý nghĩa

Dịng điện phucơ sẽ chạy qu n trong bản thân kim loại gây tổn hao dƣới dạng nhiệt.

Hình 3.15 Ứng dụng dịng điện Phu cơ trong sản xuất

Ưu điểm: có thể lợi dụng dịng điện phucơ để nấu chảy kim loại trong lị

điện cảm ứng, hoặc cũng có thể ứng dụng “tơi” kim loại trong lị nung cao tần, tạo ra các momen hãm trong các dụng cụ đo

Nhược điểm: sinh ra tổn hao trong mạch từ các khí cụ điện, máy điện, làm

phát nóng thiết bị và gây tổn hao năng lƣợng, khi đó cần phải có biện pháp để làm giảm tác dụng của dịng điện phucơ bằng cách ghép mạch từ của các khí cụ điện, máy điện từ các lá thép mỏng có sơn lớp cách điện, cũng có thể giảm nhỏ tác dụng này bằng cách thay thế các vật liệu từ có từ trở lớn nhƣ ferít, pecmalơi…

6.3. Hiệu ứng mặt ngồi

Hình 3.16 Hiện tƣợng hiệu ứng bề mặt

Hiệu ứng bề mặt là xu hƣớng của dòng điện xoay chiều phân bổ nó trong dây dẫn với mật độ dịng điện gần bề mặt dây dẫn lớn hơn so với ở gần lõi của nó. Nó sinh ra điện trở đủ lớn của dây dẫn với sự tăng lên của tần số dòng điện. Hiệu ứng này lần đầu tiên đƣợc giải thích bởi Lord Kelvin năm 1887. Nikola Tesla và Joseph Stefan cũng phát hiện ra hiệu ứng bề mặt này. Hiệu ứng

41

này có tầm quan trọng thực tế trong thiết kế sự truyền tải và phân phối điện năng, cũng nhƣ trong các đoạn mạch sử dụng sóng radio và vi sóng.

Biểu diễn dƣới dạng tốn học, mật độ dịng điện J trong dây dẫn giảm theo cơ số mũ theo độ sâu δ nhƣ sau:

J = e − δ / d

Trong đó: d là hằng số đƣợc gọi là hằng số độ sâu bề mặt. Nó đƣợc định nghĩa nhƣ là độ sâu dƣới bề mặt của dây dẫn, mà từ đó mật độ dòng điện chỉ bằng 1/e (khoảng 0,37) lần mật độ dịng điện ở bề mặt. Nó có thể tính nhƣ sau:

Trong đó:

ρ = suất điện trở của dây dẫn;

ω = tần số góc của dịng điện = 2π × tần số; μ = độ th m từ tuyệt đối của dây dẫn

Điện trở của một tấm phẳng (dày hơn nhiều so với d) đối với dịng điện xoay chiều là chính xác bằng điện trở của tấm với độ dày d đối với dòng điện một chiều. Đối với các dây dẫn dài, mỏng thì điện trở là xấp xỉ bằng điện trở của một ống dây dẫn rỗng với độ dày của vách là d khi chuyển tải dịng một chiều. Ví dụ, đối với dây dẫn tròn, điện trở xấp xỉ:

               D L d ) d D ( L d R     Trong đó:

L = độ dài của dây dẫn;

D = đƣờng kính của dây dẫn; Phép tính xấp xỉ cuối cùng trên đây là tƣơng đối chính xác khi D >> d.

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Hiện tƣợng cảm ứng điện từ và nguyên tắc biến cơ năng thành điện năng

2. Hệ số tự cảm và sức điện động tự cảm

42

CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 1 PHA Mã chƣơng: MH 09-04 Mã chƣơng: MH 09-04

Giới thiệu:

Dòng điện sin 1 pha là dòng điện xoay chiều biến đổi theo quy luật hàm sin biến thiên theo thời gian. Trong kỹ thuật và đời sống dòng điện xoay chiều hình sin đƣợc dùng rất rộng rãi vì nó có nhiều ƣu điểm so với dòng điện một chiều. Dòng diện xoay chiều dễ dàng chuyển tải đi xa, dễ dàng thay đổi cấp điện áp nhờ máy biến áp. Máy phát điện và động cơ điện xoay chiều làm việc tin cậy, vận hành đơn giản, chỉ số kinh tế - kỹ thuật cao. Ngoài ra trong trƣờng hợp cần thiết, ta có thể dễ dàng biến đổi dịng điện xoay chiều thành một chiều nhờ các thiết bị chỉnh lƣu.

Mục tiêu:

- Trình bày đƣợc khái niệm dịng điện xoay chiều hình sin và các thơng số đặc trƣng cho đại lƣợng hình sin.

- Phân tích đƣợc các giá trị hiệu dụng của dịng hình sin. - Biểu diễn đƣợc các đại lƣợng hình sin bằng đồ thị véc tơ.

- Trình bày đƣợc các mạch điện xoay chiều hình sin thuần trở, thuần cảm, thuần dung.

- Giải đƣợc mạch điện xoay chiều R- L –C mắc nối tiếp.

- Tính đƣợc cơng suất trong mạch điện xoay chiều hình sin một pha.

- Rèn luyện khả năng tƣ duy logic, các ứng dụng trong thực tế, vận dụng hiểu biết tiếp thu các kiến thức chuyên ngành.

Nội dung chính:

1. KHÁI NIỆM VỀ DÕNG HÌNH SIN

1.1. Định nghĩa

Dịng điện xoay chiều: Là dịng điện có chiều và độ lớn biến thiên theo thời gian, thông thƣờng chúng biến đổi theo quy luật tuần hoàn.

Dịng điện xoay chiều hình sin là dịng điện có chiều và độ lớn biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian.

43

Hình 4.1: dịng điện xoay chiều hình sin 1 pha

Chú ý: Nếu khơng giải thích gì thêm thì khi nói đến dịng điện xoay chiều thì đƣợc hiểu là dịng điện xoay chiều hình sin.

Tín hiệu điều hịa:  Tín hiệu tuần hồn:

f(t) = f(t + nT), n = ± 1, ±2, ... T = const = penial

0  2

t T f(t)

Hình 4.2: Tín hiệu tuần hồn dạng sin.

 Tín hiệu tuần hồn chia làm hai loại: Tín hiệu tuần hồn dạng sin và Tín hiệu tuần hồn dạng khơng sin

 Tín hiệu điều hòa dạng sin gọi là tín hiệu điều hịa, trong ngành điện cịn gọi là tín hiệu xoay chiều. Tín hiệu xoay chiều có phƣơng trình tốn nhƣ sau: Fm t T f(t) -Fm φ ω

44

f(t) = Fm.cos(ωt + φ) = Fm.cos(2πf.t + φ)

Với: ω = 2πf là tần số góc (đơn vị là rad/s)

T

f  1 là tần số (đơn vị là Hz) φ là pha ban đầu

Fm: biên độ của tín hiệu AC, cịn gọi là giá trị đỉnh (Vpeak)

Để quan sát tín hiệu xoay chiều ta dùng dao động ký để quan sát, ngƣời ta đƣa tín hiệu vào ngõ vào của dao động ký thông qua các que đo (probe). Điều chỉnh các nút Time/div và volt/div ta nhận đƣợc tín hiệu giới hạn bên trong dao động ký và cũng đọc đƣợc biên độ, tần số của nó.

1.2. Nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin

Sức điện động xoay chiều hình sin đƣợc tạo ra do máy phát điện xoay chiều một pha hoặc ba pha.

Nguyên tắc cấu tạo của máy phát xoay chiều một pha:

Hình 4.4 Nguyên tắc cấu tạo của máy phát xoay chiều

Hệ thống cực từ, phần cảm đặt đứng yên (Stator)

Hệ thống dây quấn, phần ứng đƣợc quấn trên lõi thép (rotor) chuyển động cắt qua từ trƣờng của phần cảm, thƣờng là nam châm.

45

Hình 4.5 Nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều

Giả sử tại thời điểm t, khung dây ở vị trí lệch so với OO‟ một góc . Cƣờng độ từ cảm có giá trị:

B = Bm.sin

Khi rotor quay với vận tốc  (rad/s),  = t thì sức điện động cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là:

e = 2Blv.sin; một vịng dây có hai thanh dẫn. = 2Blv.sint.

Nếu khung dây có nhiều vịng dây thì: e = 2BlvW.sint = EmSint

Với: Em là biên độ sức điện động.

Thơng thƣờng tốc độ quay đƣợc tính ra n (v/p), nên nếu máy phát có một đơi cực thì khi rotor quay đƣợc một vịng ( = 2), lúc đó sức điện động thực hiện đƣợc một chu kỳ. Nếu máy phát có p đơi cực thì khi rotor quay hết một vòng sẽ thực hiện đƣợc p chu kỳ của sức điện động. Nếu rotor quay đƣợc n vịng thì sđđ thực hiện đƣợc p.n chu kỳ và tần số của suất điện động là f:

60 .n

p f  . ; (Hz).

Biểu diễn suất điện động hình sin bằng đồ thị:

N

S O

 =t

46

Hình 4.6 Đồ thị suất điện động hình sin

Phƣơng trình suất điện động: e = EmSint.

2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG CHO ĐẠI LƢỢNG HÌNH SIN

2.1. Giá trị tức thời

Trị tức thời: tại mỗi thời điểm khác nhau thì trên giản đồ hình sin các đại lƣợng i, u, e của dịng điện có giá trị khác nhau, gọi là giá trị tức thời.