Giáo trình Máy điện (Nghề: Điện tử công nghiệp - CĐ/TC): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

Giáo trình Máy điện cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về máy điện; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộ; Máy điện đồng bộ; Máy điện một chiều. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình!

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: MÁY ĐIỆN

NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/ TRUNG CẤP

(Ban hành kèm theo Quyết định Số 257 /QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng 7 năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Quyển sách giáo trình “MÁY ĐIỆN” là quyển sách thuộc môn học chuyên môn các ngành thuộc khối kỹ thuật nói chung và đặc biệt là ngành Công nhân

kỹ thuật Điện – Điện tử nối riêng Giáo trình “MÁY ĐIỆN” rất quan trọng đối với giáo viên cũng như học sinh sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử là môn học cơ sở để học tập các môn học chuyên ngành như Trang bị điện, Truyền động điện và vận dụng vào các mô đun chuyên ngành như Lập trình PLC một cách hiệu quả Quyển tài liệu được biên soạn theo cấu trúc từng chương, từng phần từ đơn giản đến phức tạp giúp học sinh sinh viên có được những kiến thức kỹ năng của môn học làm nền tản cho nhiều môn học chuyên môn khác Quyển tài liệu được trích lọc từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo kết hợp sự chắt lọc nội dung phù hợp từ thực tế giảng dạy nhằm đơn giản nội dung cho phù hợp với năng lực thực tiễn của học sinh sinh viên

Quyển tài liệu này được biên soạn cho chương trình đào tạo lý thuyết 45 tiết gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Khái niệm chung về máy điện

Chương 2: Máy biến áp

Chương 3: Máy điện không đồng bộ

Chương 4: Máy điện đồng bộ

Chương 5: Máy điện một chiều

Cuối lời xin chân thành cám ơn những tác giả của nhiều tài liệu Máy điện, cám ơn sự cộng tác của quý bạn bè, đồng nghiệp Xin chân thành cám ơn đến ban tổ chức biên soạn giáo trình và những đóng góp quý báu của các doanh nghiệp và các chuyên gia để quyển tài liệu được hoàn thiện và xuất bản

Đồng Tháp, ngày tháng năm 2017

Tham gia biên soạn

Chủ biên:

MỤC LỤC



Trang

Lời giới thiệu

Chương 1: Khái niệm chung về máy điện

1 Định nghĩa và phân lọai

2 Tính thuận nghịch của máy điện

3 Các định luật cơ bản trong máy điện

4 Các lọai máy biến áp chính

5 Cấu tạo máy biến áp

6 Tổ nối dây máy biến áp

Chương 3: Máy điện không đồng bộ

1 Đại cương về máy điện không đồng bộ

2 Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ

3 Các đặc tính của máy điện không đồng bộ

4 Mở máy và điều chỉnh tốc độ

5 Máy điện không đồng bộ một pha

6 Sơ đồ trãi động cơ không đồng bộ ba pha

7 Sơ đồ trãi động cơ không đồng bộ một pha

Chương 4: Máy điện đồng bộ

2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc

3 Động cơ điện đồng bộ

4 Mở máy động cơ đồng bộ

Chương 5: Máy điện một chiều

1 Đại cương về máy điện một chiều

2 Mở máy động cơ điện một chiều

Tài liệu tham khảo

- Ý nghĩa và vai trò của môn học:

Máy điện rất đa dạng về chủng loại: máy điện tỉnh, máy điện quay; máy điện 1 chiều, máy điện xoay chiều; máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ Chính vì vậy máy điện có vai trò rất quan trọng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong lỉnh vực công nghiệp Môn học máy điện là sự tổng hợp tinh hoa của các loại máy điện nhằm đem đến cho người học một sự hiểu biết tối thiểu trong việc sử dụng cũng như trong khắc phục sửa chữa một số hỏng hóc của máy điện Việc sử dụng thành thạo máy điện sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho kỹ thuật điều khiển lập trình ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và trong cuộc sống

Mục tiêu của môn học:

- Về kiến thức:

+ Hiểu được về cấu tạo cũng như nguyên lý làm việc của máy điện đồng

bộ, không đồng bộ, máy điện một chiều, máy biến áp

Nội dung của môn học:

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra (Thường xuyên, định kỳ

1 Chương 1: Khái niệm chung về

máy điện

1 Định nghĩa và phân lọai

2 Tính thuận nghịch của máy

điện

3 Các định luật cơ bản trong

máy điện

4 Các đơn vị

5 Sơ lược về các vật liệu chế

tạo máy điện

4 Các lọai máy biến áp chính

5 Cấu tạo máy biến áp

6 Tổ nối dây máy biến áp

1 Định nghĩa và công dụng

2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc

3 Động cơ điện đồng bộ

4 Mở máy động cơ đồng bộ

5 Chương 5: Máy điện một chiều

1 Đại cương về máy điện một

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

Mã chương: MH 12-01

Giới thiệu:

Máy điện là một thiết bị vô cùng quan trọng trong đời sống sinh hoạt và trong công nghiệp Sự hiểu biết và sửa chữa máy điện là một mảng công việc lớn đối với công nhân và kỹ sư ngành Điện vì vậy việc đào tạo kiến thức về máy điện cho học sinh sinh viên ngành Điện – Điện tử là một trách nhiệm lớn

Mục tiêu:

Học xong chương này sinh viên phân loại được các máy điện, hiểu được các được luật cảm ứng điện từ, cũng như hiểu được sự phát nóng và làm mát của máy điện

Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các nghành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải… và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

b Máy điện có phần động (quay hoặc chyển động thẳng)

Loại máy điện này thường để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại điện năng thành cơ năng (động

cơ điện) Nó làm việc dựa trên 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

Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp:

2 Tính thuận nghịch của máy điện:

Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động máy phát điện

2.1 Chế độ máy phát:

Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học

Fcơ thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ từ trường của nam châm N –

S , trong thanh dẫn sẽ xuất hiện sức điện động e Nếu nối vào 2 cực của thanh dẫn 1 điện trở R của tải thì dòng điện I chạy trng thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải Nếu bỏ qua điện trở thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải u= e Công suất điện máy phát cho tải

Pđ =ui =ei

Dòng điện I nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ Fđt = Bil Khi máy quay với tốc độ không đổi thì lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fđt = Fcơ

Nhân 2 vế với v ta được: vFđt = vFcơ = Bilv =ei

Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơ .v đã được biến đổi thành công suất điện Pđ =ei nghĩa là cơ năng biến thành điện năng

2.2 Chế độ động cơ điện:

Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện

Cung cấp cho máy phát điện điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện I trong thanh dẫn Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt=Bil tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình

vẽ

Công suất điện đưa vào động cơ:

P = ui = ei = Blvi = Fđt v (1.1) Như vậy công suất điện P = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fđt v trên trục động cơ Điện năng đã được biến đổi thành cơ năng

3 Các định uật cơ bản trong máy điện:

3.1 Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday):

a Trường hợp từ thông  biến thiên xuyên qua dòng dây(định luật Lenxơ):

Hình 1-3: Sức điện động trong vòng dây có từ thông biến thiên

Giả sử ta có vòng dây, từ thông đi qua diện tích vòng dây là  Qui ước chiều dương cho vòng dây như sau: Vặn cái vặn nút chai theo chiều tiến của từ

thông thì chiều xoay của cái vặn nút chai sẽ là chiều dương của vòng Khi từ thông  biến thiên xuyên qua dòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức

điện động Nếu chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với chiều đã chọn, sẽ có giá trị dương và ngược lại sẽ có giá trị âm Cho một thanh nam châm lại gần và dịch xa vòng dây để làm thay đổi từ thông qua vòng sẽ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong vòng dây Nếu từ thông biến thiên càng nhanh thì s.đ.đ càng lớn Như vậy s.đ.đ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông Nếu trong thời gian dt, từ thông qua vòng biến thiên một lượng là d thì trị số sức điện động cảm ứng trong một vòng dây đựơc viết theo công thức Maxwell như sau:

e = - d/dt (1.2) Nếu cuộn dây có w vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây sẽ là:

e =

dt

d dt

b Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường:

Hình 1-4: Cảm ứng điện thanh dẫn cắt từ trường Một thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v vuông góc với đường sức của từ trường (thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sđđ e ở trong một từ trường đứng yên có từ cảm B

e = B.v.l (v và B hợp với nhau 1 góc 90) (1.4) Trong đó:

B: là cảm ứng từ tính bằng T (tesla)

l: chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường, đo bằng mét (m) v: vận tốc thanh dẫn đo bằng m/s

Chiều của s.đ.đ cảm ứng được xác định theo qui tắc bàn tay phải: Cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay phải, chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của thanh dẫn thì chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều sức điện động

Hình 1-5: Qui tắc bàn tay trái Định luật lực điện từ (định luật Laplace):

Khi thanh dẫn với chiều dài l mang dòng điện i đặt thẳng góc với từ cảm

B (đường sức từ trường, trường hợp rất thường gặp ở động cơ điện) Nó sẽ chịu một lực điện từ F:

Chiều và độ lớn của lực f được xác định là tích vectơ:

Có trị số: F = i.l.B (i B)=90 (1-5) Trong đó:

B: từ cảm có đơn vị (T) l: chiều dài tác dụng thanh dẫn đơn vị (m)

i: dòng điện đo bằng ampe (A)

F: lực điện từ đo bằng Niuton (N)

Chiều của lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái: Để cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay trái, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều dòng điện thì chiếu ngón tay cái chãi ra chỉ chiều lực điện từ

3.2 Định luật ôm từ:

Định luật ôm từ: Định luật ôm từ suy ra từ định lý ampere: Nếu H là cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện I1, I2, I3,…In tạo ra và C là một đường kín bao quanh chúng thì

 

C

K

i dl H.

Xét một mạch từ có w vòng dây và cho dòng điện I chạy qua ta được cường độ từ trường H trong mạch từ, tiếp xúc với đường sức từ trung bình (C)

có chiều dài l lúc đó trở thành: H.l = w.i = F Viết tổng quát ta có:

Trong đó F là sức từ động để tạo ra từ thông 

Tính tóan mạch từ:

a Bài tóan thuận biết  tìm F: Cho một mạch từ gồm m phần tử nối tiếp

phần tử i có chiều dài li , tiết diện Si Tính sức từ động F để tạo ra từ thông 

chạy trong mạch từ đó

Giải: Trong mạch từ nối tiếp, từ thông xuyên qua mọi tiết diện đều bằng nhau Cách tính như sau:

Bước 1: Tính từ cảm B

Suy ra từ trường Hi như sau:

 Nếu phần từ là khe hở không khí thì μ 4 10 7 H/m

0



 Nếu đọan mạch từ là vật liệu sắt từ thì dựa vào đường cong

từ hóa B= f(H) biết B suy ra H

Bước 2 : Tính sức từ động tổng tạo ra từ thông 

Bước 3: Mặt khác F = i.w, tùy theo bài tóan cho số vòng dây hoặc dòng điện kích từ ta tính được dòng điện hoặc số vòng dây cần có

4 Các đơn vị:

Sử dụng 2 loại đơn vị: Hệ tuyệt đối là các đơn vị có thứ nguyên

Hiện nay sử dụng 2 loại đơn vị tuyệt đối là CGS0 và SI: Quan hệ giữa các đơn vị của hệ MKSA, SI và CGS0

H

n

i i

1

i i

i n

1 i

i L H

F 





kg

Wb Wb/m2

F



cm/s cm/s2

I: là dòng điện đơn vị (A)

U: điện áp đơn vị (V)

P: công suất đơn vị (W)

Iđm, Uđm, Pđm: là các đại lượng định mức của dòng điện, điện áp, công suất

5 Sơ ược về các vật iệu chế t o máy điện: gồm có:

+ Vật liệu tác dụng: gồm vật liệu dẫn điện và dẫn từ chủ yếu để chế tạo dây quấn và lõi thép

+ Vật liệu cách điện dùng để cách điện các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau

+ Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và bộ phận chịu lực tác dụng cơ giới Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế tạo máy điện

+ Số thứ ba số 0 chỉ cho thép cán nguội (thép dẫn có hướng) thường sử dụng chế tạo máy biến áp

Ngoài ra các lõI thép kĩ thuật điện còn mang mã hiệu 3404, 3405…3408

Dùng trong máy điện phải đạt yêu cầu:

+ Cường độ cách điện cao

+ Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng

+ Chống ẩm ướt, độ bền cơ học cao

Các chất cách điện dùng trong máy phát điện có thể ở thể hơi và thể rắn, thể lỏng

Các chất cách điện ở thể rắn chia làm 4 loại:

+ Các chất hữu cơ thiên nhiên như: vải, lụa

+ Các chất vô cơ như: mica, amiăng, sợi thủy tinh…

Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thì tuổI thọ của máy sẽ giảm đi 1/2

nên không được phép làm việc trên nhiệt độ cho phép trong thời gian dài

6 Phát nóng và àm mát MĐ:

6.1 Đại cương:

Các tổn thất trong quá trình biến đổi năng lượng của MĐ biến thành nhiệt năng làm nóng các bộ phận cấu tạo MĐ Tổn hao nhiều và khi tải nặng thì máy càng nóng Nhiệt độ của MĐ phụ thuộc vào chế độ làm việc: liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại Vì kích thước và chế độ làm việc nhất định nên khi sử dụng không vượt quá giá trị định mức trên máy Nếu máy được tản nhiệt ra môi trường tốt thì công suất tăng, khả năng mang tải nhiều hơn

Các máy điện thường làm việc ở nhiều chế độ khác nhau và rất đa dạng

a Làm việc với toàn bộ công suất trong thời gian dài

b Làm việc ngắn hạn

c Làm việc theo chu kì

d Làm việc với tải thay đổi

Do chế độ làm việc khác nhau nên sự phát nóng của MĐ cũng khác nhau

Vì vậy MĐ phải thiết kế theo từng chế độ cụ thể sao cho các bộ phận của phát nóng phù hợp với vật liệu

 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại:

Thời gian máy làm việc và nghỉ trong một chu kì không đủ dài để nhiệt độ các bộ phận của máy đạt đến giá trị xác lập Chế độ này đặc trưng bằng tỉ số giữa thời gian làm việc và thời gian của một chu kì làm việc và nghỉ Các tỉ số được chế tạo với 15%, 25%, 40%, 60%

Chú ý: máy điện được chế tạo để dùng ở chế độ làm việc định mức liên

tục

6.2 Sự phát nóng và nguội lạnh của máy điện:

Các máy điện đều có cấu trúc phức tạp gồm nhiều bộ phận hình dạng khác nhau và làm lạnh bằng các vật liệu có độ dẫn nhiệt không giống nhau Khi máy làm việc, nhiệt độ của lõi thép, dây quấn không bằng nhau do có sự trao đổi

nhiệt giữa các bộ phận Hơn nữa nhiệt độ của chất làm lạnh ở mỗi khu vực trong máy cũng không giống nhau

a Các kiểu cấu tạo của máy điện:

Kiểu cấu tạo của máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường

bên ngoài Cấp bảo vệ được kí hiệu bằng chữ IP kèm theo hai chỉ số, chữ

+ Số 0 ở IP rằng, máy không bảo vệ gì cả Chia kiểu cấu tạo như sau:

Hình 1-6: Hệ thống gió dọc trục của máy điện 1 chiều

Hình 1-7: Hệ thống gió ngang trục của máy điện 1 chiều

- Kiểu hở: Không có bộ phận che chở để tránh các vật từ ngoài chạm vào phần quay hoặc các bộ phận dẫn điện của nó Loại này đặt trong các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm, không tránh được ẩm ướt (IP00)

- Kiểu bảo vệ: Có các tấm chắn có thể tránh được các vật và nước rơi vào máy Loại này đặt trong nhà (cấp bảo vệ từ P11 đến P33)

- Kiểu kín: Có vỏ bọc cách biệt trong phần máy với môi trường bên ngoài

Nó dùng ở nơi ẩm ướt, kể cả ngoài trời Tùy theo mức độ kín, cầp bảo vệ có từ

P44 trở lên

b Các phương pháp làm lạnh máy điện:

- Máy điện làm lạnh tự nhiên: không có bộ phận thổi gió làm lạnh, nên

công suất giới hạn trong khoảng (vài chục  vài trăm) W nên có cách tản nhiệt

để tăng thêm bề mặt tản nhiệt

- Máy điện làm lạnh trong: có quạt gió đặt đầu trục thổi vào trong máy

Đối với máy công suất nhỏ, chiều dài nhỏ hơn 200  250 mm, gió chỉ thổi dọc trục theo khe hở giữa stato và Rôto và theo các rãnh thông gió dọc trục ở lõi

thép Stato và Rôto (Hình 1-6)

Khi công suất máy lớn, chiều dài của máy tăng thì nhiệt độ dọc chiều dài của máy sẽ không đều Vì vậy phải tạo rãnh thông gió ngang trục Lõi thép chia thành từng đoạn dài khoảng 4 cm và khe hở giữa các đoạn khoảng 1 cm Gió sẽ

đi vào hai đầu rồI theo các rãnh ngang trục và thoát ra ở giữa thân máy để rồi lai

trở về hai đầu (Hình 1-7)

Hình 1-8: Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài

- Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài: máy thuộc kiểu kín Ở đầu trục bên

ngoài máy có gắn quạt gió và nắp quạt gió để hướng thổi dọc mặt ngoài của thân

máy (Hình 1-8)