Phạm Khánh Tùng tungpk@hnue.edu.vn www://hnue.edu.vn/directory/tungpk GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Máy điện – lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng từ điện thành ngược lại Máy điện phần tử quan trọng thiết bị, hệ thống sử dụng biến đổi điện Máy điện sử dụng rộng rãi dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, hệ điều khiển tự động điều chỉnh, khống chế GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Định nghĩa Máy điện thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện tư, cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi dạng lượng thành điện (máy phát điện) ngược lại điện thành (động điện), dùng để biến đổi thông số điện điện áp, dòng điện, tần số, số pha GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1.2 Phân loại máy điện Máy điện có nhiều loại có nhiều cách phân loại khác Ở ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi lượng: Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện từ, biến đổi từ thông cuộn dây chuyển động tương Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác, GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng): Máy điện quay làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ từ trường dòng điện cuộn dây gây Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng lượng thành điện (máy phát điện) ngược lại điện thành (động điện) Quá trình biến đổi lượng có tính thuận nghịch nghĩa máy điện làm việc chế độ máy phát điện động điện GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 2.1 Định luật cảm ứng điện từ Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên vòng dây cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t) Sđđ có chiều cho dòng điện sinh tạo từ thông chống lại biến thiên từ thông sinh sđđ Sđđ cảm ứng tính theo công thức Mắcxoen : d e dt d d e  N  dt dt Ψ = N.Φ [Wb] gọi từ thông móc vòng cuộn dây GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Trường hợp dẫn chuyển động từ trường Khi dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây trường hợp thường gặp máy điện), dẫn cảm ứng sđđ có trị số: e  B.l.v B – cường độ từ cảm [T] l – chiều dài tác dụng dẫn [m] v – tốc độ dài dẫn [m/s] Chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 2.2 Định luật lực điện tư Khi dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, dẫn chịu lực điện từ tác dụng có trị số F  B.l.i B : cường độ từ cảm, [T] i : dòng điện chạy dẫn, [A] l : chiều dài dẫn, [m] f : lực điện từ đo Niuton, [N] Chiều lực điện từ f xác định theo qui tắc bàn tay trái GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 2.3 Định luật mạch từ , tính toán mạch từ Định luật mạch từ định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ với nội dung sau: Nếu H vectơ cường độ từ trường tập hợp dòng điện i 1, i2, ik, , in tạo L đường cong kín bao quanh chúng:  H.dl   i k ( L) Với dl độ dời vi phân (L) Dấu i k xác định theo qui tắc vặn nút chai: Quay vặn nút chai theo chiều dl , chiều tiến vặn nút chai trùng với chiều dòng điện i k dòng điện mang dấu dương, ngược lại lấy dấu âm GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dài l1 l2 tiết diện S1 S2, ta có: H1l1  H2l2  N1i1  N2i H1,H2 [At/m] – Cường độ từ trường tương ứng đoạn mạch từ 1, l1, l2 [m] – Chiều dài trung bình đoạn mạch từ 1, i1.N1, i2.N2 [At]: Stđ cuộn dây 1, GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ viết: m m n n j1 j1 k 1 k 1  H jl j   R j   Nkik   Fk  F đó: dòng điện ik có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ chọn theo qui tắc vặn nút chai mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm; j - số tên đoạn mạch từ; k - số tên cuộn dây có dòng điện GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Tính toán mạch từ: Bài toán thuận: Cho biết từ thông Φ, tìm stđ F = Ni để tạo từ thông Bước 1: Tính từ cảm đoạn mạch từ  Bj  Sj Suy cường độ từ trường Hj sau: Nếu đoạn mạch từ vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H Nếu đoạn mạch từ khe hở không khí H0 = B0/µo m Bước 2: Suy stđ tổng để tạo từ thông Φ: F   H jl j j1 Bước 3: Tùy theo toán mà ta tìm dòng điện i số vòng dây N GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông Φ Bài toán phức tạp Do vật liệu từ có độ từ thẩm µ phụ thuộc từ thông Φ nên từ trở Rµ phụ thuộc Φ Vì chưa biết Φ nên chưa biết R Phương trình stđ trở thành: m  R j ()  F() j1 Đây phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần để giải GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng vật liệu cách điện + Vật liệu cấu trúc vật liệu để chế tạo chi tiết chịu tác động học trục, ổ trục, thân máy, nắp + Vật liệu tác dụng vật liệu dùng để chế tạo phận dẫn điện từ + Vật liệu cách điện dùng để cách điện phần dẫn điện với không dẫn điện phần dẫn điện với GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 3.1 Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt đồng chúng không đắt có điện trở suất nhỏ Ngoài dùng nhôm hợp kim khác đồng thau, đồng phốtpho Dây đồng dây nhôm chế tạo theo tiết điện tròn tiết điện chữ nhật có bọc cách điện Với máy có công suất nhỏ trung bình, điện áp 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay lớp cách điện mỏng đạt độ bền yêu cầu GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 3.2 Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ máy điện vật liệu sắt từ thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn Ở phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 1mm, thành phần thép có từ ÷ 5% silíc để tăng điện trở thép, giảm dòng điện xoáy Thép kỹ thuật điện chế tạo phương pháp cán nóng cán nguội Hiện thường dùng thép cán nguội để chế tạo máy điện thép cán nguội có độ từ thẩm cao suất tổn hao nhỏ thép cán nóng GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Hình bên đường cong từ hoá số vật liệu dẫn từ khác Cùng dòng điện kích từ, ta thấy thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau thép đúc cuối gang Ở phần dẫn từ có từ thông không đổi thường dùng thép đúc, thép rèn, thép GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 3.3 Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm bền học Cách điện bọc dây dẫn chịu nhiệt độ cao nhiệt độ cho phép dây dẫn lớn dây dẫn chịu dòng tải lớn Chất cách điện máy điện phần lớn thể rắn gồm có nhóm: a) Chất hữu thiên nhiên giấy, lụa b) Chất vô amiăng, mica, sợi thủy tinh c) Các chất tổng hợp d) Các loại men sơn cách điện Chất cách điện tốt mica đắt Giấy, vải, sợi rẻ dẫn nhiệt cách điện kém, dễ bị ẩm Vì chúng phải tẩm sấy để cách điện tốt GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Căn độ bền nhiệt, vật liệu cách điện chia cấp sau: - Cấp Y : Nhiệt độ cho phép 90oC, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không tẩm sấy sơn cách điện - Cấp A : Nhiệt độ cho phép 105oC, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên nhân tạo qua tẩm sấy sơn cách điện - Cấp E : Nhiệt độ cho phép 120oC, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu chịu nhiệt độ tương ứng - Cấp B : Nhiệt độ cho phép 130oC, bao gồm vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh amiăng liện kết sơn nhựa gốc hữu chịu nhiệt độ tương ứng - Cấp F : Nhiệt độ cho phép 155oC, giống loại B tẩm sấy kết dính sơn nhựa tổng hợp chịu nhiệt độ tương ứng GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN - Cấp H : Nhiệt độ cho phép 180oC, giống cấp B dùng sơn tẩm sấy chất kết dính gốc silic hữu chất tổng hợp có khả chịu nhiệt độ tương ứng - Cấp C : Nhiệt độ cho phép >180oC, bao gồm vật liệu gốc mica, thủy tinh hợp chất chúng dùng trực tiếp chất liên kết Các chất vô có phụ gia liên kết hữu chất tổng hợp có khả chịu nhiệt độ tương ứng Ngoài có chất cách điện thể khí (không khí) thể lỏng (dầu biến áp) Khi máy điện làm việc, tác động nhiệt độ, chấn động tác động lý hóa khác cách điện bị lão hóa nghĩa dần tính bền điện Thực nghiệm cho biết, nhiệt độ tăng nhiệt độ làm việc cho phép 8-10oC tuổi tho vật liệu cách điện giảm nửa GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN Trong trình biến đổi lượng có tổn hao bao gồm: tổn hao sắt từ (do tượng từ trễ dòng xoáy) thép, tổn hao đồng dây quấn tổn hao ma sát (ở máy điện quay) Tất tổn hao biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt môi trường xung quanh Sự tản nhiệt phụ thuộc vào bề mặt làm mát máy mà phụ thuộc vào đối lưu không khí xung quanh môi trường làm mát khác dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện chế tạo có cánh tản nhiệt máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Kích thước máy, phương pháp làm mát phải tính toán lựa chọn độ tăng nhiệt vật liệu cách điện máy không vượt độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ máy khoảng 20 năm Khi máy điện làm việc chế độ định mức, độ tăng thiệt phần tử không vượt độ tăng nhiệt cho phép Khi máy tải độ tăng nhiệt máy vượt nhiệt độ cho phép, không cho phép máy làm việc tải lâu dài GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Việc nghiên cứu máy điện gồm bước sau: Mô tả tượng vật lý xảy máy điện Dựa vào định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả làm việc máy điện Đó mô hình toán máy điện Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, sơ đồ thay máy điện Từ mô hình toán mô hình mạch, tính toán đặc tính nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo yêu cầu cụ thể GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ... thành điện (máy phát điện) ngược lại điện thành (động điện) , dùng để biến đổi thông số điện điện áp, dòng điện, tần số, số pha GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1.2 Phân loại máy điện Máy điện có... nghĩa máy điện làm việc chế độ máy phát điện động điện GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 2.1 Định luật cảm ứng điện từ... CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Máy điện – lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng từ điện thành ngược lại Máy điện phần tử quan trọng thiết bị, hệ thống sử dụng biến đổi điện Máy điện sử