CHƯƠNG 3 : CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
3. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐIỆN NĂNG THÀNH CƠ NĂNG
3.1. Nguyên tắc
Quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng được thực hiện thông qua từ trường hoặc điện trường trong các thiết bị biến đổi.
Hình 3.6 Dùng động cơ đổi năng lượng 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 được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt (như là động cơ bơm nước . . .), sử dụng trong cơng, nơng nghiệp.
Hình 3.7 Ứng dụng biến đổi điện năng thành cơ năng 4. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
Hiện tượng 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
35
Hình 3.8 Hiện tượng tự cảm
Nếu mạch điện kín thì sức điện động này sẽ tạo ra dòng 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 trưng cho khả năng tự luyện từ của cuộn dây được 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, ngược lại thì gọi là cuộn dây phi tuyến.
Năng lượng từ trường Xét mạch điện đơn giản:
R L
+ -
Hình 3.9 Mơ hình mạch điện đơn giản Phương 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 lượng nguồn cung cấp trong thời gian t, đặt bằng dW. i2.R.dt - Năng lượng tổn hao trên điện trở R.
L.i.di - Năng lượng tích lũy trong cuộn dây khi dòng điện biến thiên = i.d.
Tổng vi phân dWM = L.i.dt của năng lượng tích lũy trong từ trường cuộn dây có hệ số từ cảm L khi dịng điện tăng từ 0 đến I được xác định:
I I L idt L W I M . 2 1 . 2 1 . 2 0 = = = . (*)
Vậy năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây có điện cảm L tỉ lệ với độ lớn giá trị điện cảm và với bình phương 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 phương 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 tượng tạo ra sức điện động tự cảm trong mạch do sự biến thiên của từ thơng móc vịng do chính mạch đó gây ra được gọi là hiện tượng tự cảm.
R L
+
- D
Hình 3.10 Mơ tả Hiện tượng tạo ra sức điện động tự cảm
Hiện tượng tự cảm khi đóng cắt mạch điện một chiều:
Xét mạch điện đơn giản: Trước khi đóng D thì I = 0, khơng có hiện tượng 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 .
Phương trình trên có dạng vi phân cấp 1 nên nghiệm của nó có dạng: ). 1 .( t/ e 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 đường cong được 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 như 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 được quấn trên đó, như 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 vòng dây tương 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 được gọi là tỉ số biến áp)
Nếu K > 1 thì MBA giảm áp. Nếu K < 1 thì MBA tăng áp.
5. HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM
39 Tỷ số 1 12 12 I M = hoặc 2 21 21 I M
= đặc trưng cho quan hệ hỗ cảm giữa hai cuộn dây W1 và W2 được 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 tượng 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 lượng từ thơng hỗ cảm 12 móc vịng qua cuộn W2. Tương tự như thế thì cuộn dây W2 khi có dịng điện I2 chạy qua cũng hình thành hai loại từ thơng như trên. Được biểu thị bằng hình vẽ
- - - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - + + + + + + Ψ11 Φ21 Ψ21 Hình 3.13 Hiện tượng hỗ cảm
Tổng từ thơng hỗ cảm móc vịng từ cuộn W1 sang cuộn W2 là: 12 = 12
.W1 tỉ lệ với I1.
Tương tự như vậy, tổng từ thơng hỗ cảm móc vịng từ cuộn W2 sang cuộn W1 là 21 = 21 .W2 tỉ lệ với I2.
6. DỊNG 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 dịng điện xốy. Dịng điện xốy do nhà bác học Phucơ người Pháp tìm ra nên gọi là dịng điện phucơ.
Hình 3.14 Hiện tượng dịng điện Phu cơ (xốy)
S N N S
40
6.2. Ý nghĩa
Dịng điện phucơ sẽ chạy quẩn trong bản thân kim loại gây tổn hao dưới 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 lò
điện cảm ứng, hoặc cũng có thể ứng dụng “tơi” kim loại trong lò 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 lượng, khi đó cần phải có biện pháp để làm giảm tác dụng của dòng 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 như ferít, pecmalơi…
6.3. Hiệu ứng mặt ngồi
Hình 3.16 Hiện tượng hiệu ứng bề mặt
Hiệu ứng bề mặt là xu hướng của dòng điện xoay chiều phân bổ nó trong dây dẫn với mật độ dòng 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 được 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 như trong các đoạn mạch sử dụng sóng radio và vi sóng.
Biểu diễn dưới dạng toán học, mật độ dòng điện J trong dây dẫn giảm theo cơ số mũ theo độ sâu δ như sau:
J = e − δ / d
Trong đó: d là hằng số được gọi là hằng số độ sâu bề mặt. Nó được định nghĩa như là độ sâu dưới bề mặt của dây dẫn, mà từ đó mật độ dịng điện chỉ bằng 1/e (khoảng 0,37) lần mật độ dịng điện ở bề mặt. Nó có thể tính như sau:
Trong đó:
ρ = suất điện trở của dây dẫn;
ω = tần số góc của dịng điện = 2π × tần số; μ = độ thẩm từ tuyệt đối của dây dẫn
Điện trở của một tấm phẳng (dày hơn nhiều so với d) đối với dòng 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 trịn, điện trở xấp xỉ:
− = D L d ) d D ( L d R Trong đó:
L = độ dài của dây dẫn;
D = đường kính của dây dẫn; Phép tính xấp xỉ cuối cùng trên đây là tương đối chính xác khi D >> d.
CÂU HỎI ƠN TẬP
1. Hiện tượng 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
CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 1 PHAMã chương: MH 09-04 Mã chương: 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 dịng điện xoay chiều hình sin được dùng rất rộng rãi vì nó có nhiều ưu 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 trường hợp cần thiết, ta có thể dễ dàng biến đổi dịng điện xoay chiều thành một chiều nhờ các thiết bị chỉnh lưu.
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm dịng điện xoay chiều hình sin và các thơng số đặc trưng cho đại lượng hình sin.
- Phân tích được các giá trị hiệu dụng của dịng hình sin. - Biểu diễn được các đại lượng hình sin bằng đồ thị véc tơ.
- Trình bày được các mạch điện xoay chiều hình sin thuần trở, thuần cảm, thuần dung.
- Giải được mạch điện xoay chiều R- L –C mắc nối tiếp.
- Tính được cơng suất trong mạch điện xoay chiều hình sin một pha.
- Rèn luyện khả năng tư 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 DỊNG HÌNH SIN
1.1. Định nghĩa
Dịng điện xoay chiều: Là dịng điện có chiều và độ lớn biến thiên theo thời gian, thông thường chúng biến đổi theo quy luật tuần hồn.
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 được hiểu là dịng điện xoay chiều hình sin.
Tín hiệu điều hịa:
➢ Tín hiệu tuần hoàn:
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 hịa dạng sin gọi là tín hiệu điều hịa, trong ngành điện cịn gọi là tín hiệu xoay chiều. Tín hiệu xoay chiều có phương trình tốn như 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, người ta đưa tín hiệu vào ngõ vào của dao động ký thơng qua các que đo (probe). Điều chỉnh các nút Time/div và volt/div ta nhận được tín hiệu giới hạn bên trong dao động ký và cũng đọc được 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 được 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 được quấn trên lõi thép (rotor) chuyển động cắt qua từ trường của phần cảm, thường 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 .
Cường 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.sint.
Nếu khung dây có nhiều vịng dây thì: e = 2BlvW.sint = EmSint
Với: Em là biên độ sức điện động.
Thơng thường tốc độ quay được tính ra n (v/p), nên nếu máy phát có một đơi cực thì khi rotor quay được một vòng ( = 2), lúc đó sức điện động thực hiện được một chu kỳ. Nếu máy phát có p đơi cực thì khi rotor quay hết một vòng sẽ thực hiện được p chu kỳ của sức điện động. Nếu rotor quay được n vịng thì sđđ thực hiện được 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
Phương trình suất điện động: e = EmSint.
2. CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO ĐẠI LƯỢNG 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 lượng i, u, e của dịng điện có giá trị khác nhau, gọi là giá trị tức thời.
2.2. Giá trị cực đại