LUẬN văn sư PHẠM vật lý cảm ỨNG điện từvà ỨNG DỤNG

Hình 2.9 – Cấu tạo máy phát điện 1 chiều Khi động cơ sơ cấp quay với tốc độ góc là ω1 có chiều như hình vẽ, dẫn đến các dây dẫn rôto cắt từ trường stato từ trường cực từ, cảm ứng các sức

ƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

ThS Dương Quốc Chánh Tín Trần Trung Hiếu

MSSV: 1080273 Lớp: SP Vật lý – Tin học K34

Cần Thơ, 2012

Người xưa có câu “uống nước nhớ nguồn, ăn quả nhớ kẻ trồng cây”, lời dạy này mãi ghi sâu trong lòng em Những tri thức mà bốn năm qua em nhận được, đúc kết được là nhờ vào lòng nhiệt thành, tận tình chỉ dạy của quý thầy cô Công lao ấy

có thể ví như biển cả, không có gì đền đáp được Em xin chân thành cảm ơn công

ơn của quý thầy cô Kiến thức mà quý thầy cô cho em là nền tảng vững chắc giúp

em thực hiện đề tài này, cũng như hành trang vô cùng quý báu vào đời

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín, thầy luôn gần gũi, thân thiện và tận tình chỉ bảo em hoàn thành đề tài này Thầy đã giúp em định hướng được mục tiêu của đề tài, chỉ dạy cho em biết phương pháp nghiên cứu khoa học và cách thức trình bày bài luận Ngoài ra, thầy đã dành nhiều thời gian sửa chữa từng câu từng chữ trong bài viết, giải đáp kịp thời các vướng mắc trong quá trình em thực hiện đề tài sao cho bài luận của em hoàn thành kịp tiến độ và hoàn thiện nhất Em không những học được ở thầy tri thức khoa học mà còn học được nhiều đức tính tốt đẹp của thầy

Em xin chân thành cảm ơn những tác giả của các tài liệu, đã cung cấp cho

em nguồn thông tin chính xác, hỗ trợ em thực hiện tốt đề tài và giúp em mở mang được nhiều tri thức khoa học mới

Em cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn em: Hồ Quốc Khánh, Huỳnh Hoàng Ba,… đã cổ vũ, động viên và góp ý cho em trong quá trình thực hiện đề tài này

Do còn thiếu kĩ năng, kinh nghiệm về nghiên cứu khoa học nên không thể tránh được các sai sót dù đã cố gắng nhiều Vì vậy, em rất mong quý thầy cô và các độc giả quan tâm đóng góp ý kiến

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã luôn đồng hành trong suốt những năm vừa qua Em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến tất cả mọi người

Xin chân thành cảm ơn!

Lời cảm ơn

Nhận xét của giáo viên

Mục lục

Trang Phần I MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

2 Đối tượng nghiên cứu

3 Phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Mục đích nghiên cứu

6 Mục tiêu nghiên cứu

7 Tài liệu tham khảo

Phần II NỘI DUNG

Phần 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1.1.1 Thí nghiệm Faraday 3

1.1.2 Định luật Lenz 3

1.1.3 Suất điện động cảm ứng 4

1.1.4 Dòng điện Foucault 5

1.1.5 Hiệu ứng bề mặt 6

Phần 2 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Chương 1 Khái niệm chung về máy điện 6

Chương 2 Máy điện 1 chiều 8

Chương 3 Máy biến áp 28

Chương 4 Máy điện không đồng bộ 48

Chương 5 Máy điện đồng bộ 70

Chương 6 Một số ứng dụng khác 73

Phần III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

2 Kiến nghị

3 Những dự định trong tương lai

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I – LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, Điện được xem là “máu” của nền công nghiệp hiện đại Bên cạnh việc sản xuất điện năng thì vấn đề truyền tải điện năng cũng hết sức quan trọng Vấn đề khó khăn trong việc truyền tải điện năng là sự tổn hao khi truyền tải từ nơi sản xuất (nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân, ) đến nơi tiêu thụ Kế đến là vấn đề tăng giảm điện áp trên đường dây tải điện và từ dây tải điện xuống các nơi tiêu thụ điện sao cho phù hợp để đưa vào các thiết bị tiêu thụ điện Để giải quyết được vấn đề này, cần có một loại thiết bị làm thay đổi điện

áp à hoạt động dựa trên hiện tượng Cảm ứng điện từ, đó là Máy biến áp

Và để nền công nghiệp phát triển thì máy móc được tiên tiến hóa hoạt động nhờ tiêu thụ điện năng Ví dụ: Máy phát điện, động cơ điện, Những loại máy này

có hiệu suất lớn hơn các loại máy cơ – nhiệt (khoảng từ 90 – 98%) Các loại thiết

bị này được gọi chung là các Máy cảm ứng vì đều hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ

Nhằm giúp nhiều người hiểu rõ hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ và những

ứng dụng quan trọng của nó, đề tài được chọn là: “Cảm ứng điện từ và ứng dụng”

II – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

− Hiện tượng cảm ứng điện từ

− Những ứng dụng trong thực tế của hiện tượng cảm ứng điện từ

III – PHẠM VI NGHIÊN CỨU

− Lý thuyết về hiện tượng cảm ứng điện từ

− Những ứng dụng quan trọng của hiện tượng ảm ứng điện từ: máy biến áp, máy phát điện, động cơ điện, bếp điện từ, lò vi sóng, và một số ứng dụng khác

IV – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

+ Tham khảo các sách, giáo trình về Điện học, Máy cảm ứng

+ Tham khảo thông tin từ Internet: các trang Website Vật lý – Kỹ thuật có

uy tín

V – MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

− Cơ sở lý thuyết về hiện tượng cảm ứng điện từ:

− Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ trong thực tế:

PHẦN II: HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG II.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1.1.1 Thí nghiệm Faradary

Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm

ứng Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

1

2

Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:

• Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó

• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi

• Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông

• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của

từ thông gửi qua mạch

1.1.2 Định luật Lenz

Ðồng thời với Michael Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm

ứng, gọi là định luật Lenz Nội dung định luật như sau: Dòng điện cảm ứng phải

có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh

ra nó

Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh

ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài

G

1 2 S N

Hình 1.1 – Thí nghiệm Faraday về hiện tượng Cảm ứng điện từ

Như vậy, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm Do đó, để dịch chuyển thanh nam châm, ta phải tốn công Chính công mà ta tốn được biến thành điện năng của dòng điện cảm ứng

Định luật cảm ứng Faraday (còn gọi là định luật Faraday-Lenz) cho biết mối

liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó

Định luật cảm ứng Faraday đã được nhóm lại cùng với các định luật khác của điện từ học thành các phương trình Maxwell, tổng hợp mọi kết quả của điện từ học

ξc

=-dt

dΦ

(1.2)

Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ phát biểu như sau: “Suất

điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch”

Suất điện động cảm ứng là dương nếu nó có khả năng sinh ra dòng điện cùng chiều dương của mạch, còn dòng điện cảm ứng là dương nếu nó trùng với chiều dương của mạch Với quy ước đó thì dấu (-) trong công thức (1.2) nói lên rằng: sự tăng của từ thông (dΦ > 0) gây ra một suất điện động tác dụng theo chiều âm của mạch (gây ra dòng điện ngược chiều dương của mạch), còn sự giảm của từ thông (dΦ < 0) gây ra một suất điện động tác dụng theo chiều dương của mạch Nhờ đó, công thức (1.2) cho biết đồng thời cả độ lớn lẫn chiều tác dụng của suất điện động cảm ứng

Công thức (1.2) được viết trong hệ SI, trong đó hệ số tỷ lệ bằng đơn vị Trong

hệ SI, đơn vị từ thông là Wb (vêbe), đơn vị thời gian là s (giây), đơn vị của suất điện động cảm ứng là V (vôn) ⇒1Wb = 1V.1s

Như vậy: Vêbe là từ thông gây ra trong một vòng dây dẫn bao quanh nó một

suất điện động cảm ứng 1V khi từ thông đó giảm đều xuống 0 trong 1s

1.1.4 Dòng điện Foucault

Dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại (hoặc khối vật dẫn nói chung) khi các khối này chuyển động trong một từ trường, hoặc chúng đặt

trong một từ trường biến thiên theo thời gian Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Foucault

Vì khối vật dẫn thường có điện trở R nhỏ, nên cường độ các dòng điện Foucault IFC trong vật dẫn thường khá lớn (

R

ξ

FC = ) Mặt khác, vì suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông nên nếu vật dẫn được đặt trong từ trường biến thiên càng nhanh (do dòng điện có tần số cao), hoặc nếu vật dẫn chuyển động nhanh trong từ trường, thì cường độ các dòng Foucault càng mạnh

Dòng điện Foucault có nhiều ứng dụng thực tiễn:

- Tác dụng hãm của vật dẫn chuyển động trong từ trường của dòng điện Foucault được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dụng cụ đo điện - từ như các máy đếm điện năng, các tốc kí, các bộ phận hãm dao động trong các máy đo, trong các

bộ phanh điện từ của những ô tô hạng nặng

- Dòng điện Foucault cũng gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Joule Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng, đặc biệt là các lò điện cảm ứng để nấu chảy kim loại và sản xuất hợp kim trong chân không (nhờ đó hợp kim tránh được tác dụng Oxy hóa của không khí)

1.1.5 Hiệu ứng bề mặt

Khi có dòng điện cao tần chạy qua một dây dẫn thì do hiện tượng cảm ứng, dòng điện ấy hầu như không chạy trong lòng vật dẫn mà chỉ chạy ở lớp ngoài của

nó Hiệu ứng đó gọi là hiệu ứng bề mặt

Tần số dòng điện càng cao (tức là dòng điện biến đổi càng nhanh), tác dụng của các dòng điện tự cảm trong dây càng mạnh, phần dòng điện chạy trong ruột của dây càng giảm Khi tần số của dòng điện khá cao, phần dòng điện chạy trong ruột dây dẫn hầu như bị triệt tiêu: dòng điện cao tần chỉ chạy ở lớp bề mặt rất mỏng của vật dẫn Thực vậy lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: với tần số 1000Hz, dòng điện chỉ chạy ở lớp bề mặt dày 2mm của dây dẫn; còn với tần số 100.000Hz, dòng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 0,2mm Vì lý do đó, khi dùng dòng điện cao tần, người ta làm các dây dẫn rỗng để tiết kiệm kim loại

Một ứng dụng quan trọng của hiệu ứng bề mặt là dùng nó để tôi kim loại ở lớp

bề mặt các chi tiết máy (để đạt yêu cầu kỹ thuật là bề mặt phải thật cứng, song bên trong của nó cũng phải có một độ dẻo thích hợp), muốn vậy cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy cho đến khi bề mặt của chi tiết được nung đỏ (do hiệu ứng

bề mặt) thì đem nhúng vào nước

II.2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

• KHÁI NIỆM MÁY ĐIỆN:

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện

từ và tương tác giữa từ trường và dòng điện Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ

• PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau: như phân loại theo công suất, theo dòng điện, theo chức năng

Sơ đồ phân loại các máy điện cơ bản thường gặp:

Hình 2.1 – Phân loại máy điện

Máy

Máy điện xoay chiều

Máy điện một chiều

Máy điện không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

Máy phát điện không đồng

Máy phát điện đồng

bộ

Động

cơ điện đồng

bộ

Máy phát điện một chiều

Động

cơ điện một chiều

• VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN:

1.1 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Đại cương về máy điện 1 chiều:

Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặ

.+c biệt là động cơ điện một chiều

Là loại máy điện sử dụng với lưới điện một chiều và có thể vận hành theo chế

độ máy phát hoặc chế độ động cơ

Máy phát điện một chiều cung cấp nguồn điện một chiều cho động cơ và máy phát điện đồng bộ, cho công nghệ mạ, nạp ắc quy

Động cơ điện môt chiều có momen khởi động lớn, có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng nên được dùng nhiều trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như máy mài, máy xúc, xe điện… Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong mọi môi trường dễ nổ Khi sử dụng động cơ điện một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều)

1.1.2 Cấu tạo máy điện một chiều

Gồm có 2 bộ phận chính là phần tĩnh và phần động

1.Phần tĩnh (Stato)

Phần tĩnh còn gọi là phần cảm gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy

và cơ cấu chổi điện

a) Cực từ chính

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi thép cực từ và dây quấn cực

từ chính Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm hoặc 1mm được

ép lại và tán chặt ở máy có công suất nhỏ thì được làm thép khối Dây quấn cực từ chính làm bằng đồng có bọc cách điện, được quấn định hình thành từng bối, sau

đó được quấn băng và tẩm vécni cách điện Bối dây được lồng vào thân lõi thép cực từ và gắn chặt cực từ vào gông nhờ các bulông

b) Cực từ phụ:

Cực từ phụ gồm lõi thép và dây quấn Lõi thép thường bằng thép khối, dây quấn tương tự dây quấn cực từ chính và được mắc nối tiếp với dây quấn rôto Cực phụ đặt xen kẽ cực từ chính có tác dụng triệt tiêu tia lửa điện xuất hiện giữa chổi

và cổ góp

c) Gông từ:

Gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy công suất nhỏ làm bằng thép tấm cuốn lại và hàn hoặc bằng gang Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

d) Cơ cấu chổi điện:

Chổi điện làm bằng than hoặc graphít đôi khi được trộn bột đồng để tăng độ dẫn điện, chổi điện được đặt trong một hộp nhờ 1 lò xo ép chổi tì sát vào cổ góp Hộp chổi gắn chặt vào giá đỡ có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại

2 Phần động (rôto)

Phần quay (rôto) là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn, cổ góp và trục rôto

a) Lõi thép rôto: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, bề mặt có

sơn cách điện dập theo hình dạng rãnh rồi ghép lại thành rôto Rãnh là nơi đặt dây quấn giữa có lỗ để thông gió dọc trục

b) Dây quấn rôto: Bằng dây đồng, có bọc cách điện, tiết diện tròn hay chữ

nhật được bố trí trong rãnh của lõi thép theo sơ đồ cụ thể, các mối dây được nối lên các phiến góp của cổ góp ở đầu trục

c) Cổ góp: Gồm các phiến góp bằng đồng có đuôi én được ghép hợp lại thành

hình trụ tròn, giữa các phiến góp được cách điện với nhau bằng lớp mica mỏng (0,2-1,2)mm và cách điện với trục, phần cuối của phiến góp có rãnh để hàn các bối dây vào Thông qua cổ góp và chổi than dòng điện xoay chiều trong dây quấn rôto được đổi thành dòng 1 chiều đưa ra mạch ngoài do đó cổ góp còn gọi là vành đổi chiều

1.2 BỘ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.2.1 Khái niệm:

Dây quấn phần ứng là loại dây quấn rải, đó là hệ thống dây dẫn khép kín đặt

trong các rãnh của lõi phần ứng và được nối với các lá góp theo 1 quy tắc xác định

+ Cạnh tác dụng của phần tử là phần bối dây nằm trong rãnh rôto

+ Hai đầu dây của phần tử được nối với hai phiến góp và nối với hai đầu dây của hai phần tử khác

Thông thương thì trong mỗi rãnh rôto ta đặt hai lớp dây quấn (hai bối dây), giữa hai lớp dây quấn có sự cách điện Một phần tử có 1 cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh này thì cạnh tác dụng còn lại đặt ở lớp dưới của rãnh khác Nếu một rãnh có hai cạnh tác dụng thì gọi là rãnh nguyên tố

+ Rãnh nguyên tố:

Trong một rãnh có hai cạnh tác dụng được gọi là rãnh nguyên tố, để phân biệt với một rãnh có nhiều cạnh tác dụng ta kí hiệu rãnh nguyên tố là Znt Nếu một rãnh có 2u cạnh tác dụng thì bằng u rãnh nguyên tố

Gọi S là số phần tử (và một phần tử có hai cạnh tác dụng)

Gọi Z là số rãnh thực của Rôto

Mối quan hệ giữa S,Z và Znt là Znt=u.Z=S

Mặc khác mỗi phiến góp được nối với hai đầu dây của hai phần tử khác nhau, nên số phiến góp bằng số phần tử

Gọi G là số phiến góp ta có G=S

Vậy ta có Znt=Z=S=G (Bao nhiêu rãnh có bấy nhiêu phiến góp)

1.2.3 Các phương pháp quấn dây:

Tuỳ theo cách nối phần tử với phiến góp mà ta có kiểu nối dây quấn xếp và dây quấn sóng

a Quấn dây kiểu xếp:

Dây quấn kiểu xếp có hai loại là quấn xếp phải và quấn xếp trái

Ở dây quấn xếp phải hai đầu phần tử được nối hai phiến góp gần nhau và hai phần tử nối tiếp ở gần nhau Phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên phải của nó

Hình 2.2 – Quấn dây kiểu xếp

Ở dây quấn xếp trái là phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên trái của nó

(Để nối dây không bị chồng chéo nhau người ta thường dùng dây quấn xếp phải)

b Dây quấn kiểu sóng: là dây quấn có hai đầu phần tử được nối với hai phiến

góp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau ở xa nhau (giống như làn sóng)

Hình 2.3 – Quấn dây kiểu sóng

1.2.4 Các đại lượng đặc trưng

a Bước cực: Ký hiệu: τ (tô)

Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ kế tiếp nhau được tính bằng số rãnh nguyên tố

b Bước dây quấn thứ nhất: Ký hiệu: y1

Bước dây quấn là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử, được tính bằng số rãnh nguyên tố và cũng là khoảng cách của một bước cực

c Bước dây quấn thứ hai y 2: là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử thứ nhất và cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp sau nó theo sơ đồ dây quấn Bước dây quấn y2 phụ thuộc vào kiểu dây quấn y2 = y1 - y

d Bước dây quấn tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tương ứng của

hai phần tử liên tiếp nhau y = y1 – y2

e Bước trên cổ góp: Kí hiệu yG

Bước trên cổ góp là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai cạnh tác dụng của một phần tử yG có thể có giá trị âm, dương, lớp hay nhỏ phụ thuộc vào kiểu dây quấn

+ Với dây quấn xếp ta có yG = ± m, m là số tự nhiên ( Dấu + là quấn xếp phải Dấu - là quấn xếp trái

+ Với dây quấn sóng ta có yG = ,

1.2.5 Dây quấn kiểu xếp

a Dây quấn xếp đơn:

+ Tính toán bước dây quấn:

Cho máy điện một chiều có các thông số sau: Số rãnh Z = Znt = S = G = 16 rãnh, số cực từ 2p=4 cực, bước cổ góp yG = +1 Tính toán và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng (kiểu xếp) của máy điện một chiều

- Bước dây quấn thứ nhất:

- Bước cổ góp yG=1 (dây quấn xếp phải)

+ Biểu đồ nối dây:

- Biểu điễn biểu đồ nối dây có hai dòng, dòng trên chỉ cạnh tác dụng ở lớp trên

và dòng dưới chỉ cạnh tác dụng ở lớp dưới

- Cách vẽ biểu đồ nối dây: Bắt đầu từ phần tử thứ nhất, phần tử này có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh, cạnh tác dụng thứ hai đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+4=5

- Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và 2 (vì yG=1 dây quấn xếp phải)

- Tình tự nối các phần tử trong rãnh như hình vẽ:

Lớp

trên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 Lớp

dưới

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4

+ Sơ đồ khai triển dây quấn:

- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 16 rãnh và qui ước ở lớp trên vẽ bằng đường liền nét và cạnh tác dụng ở lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét

- Cách vẽ sơ đồ khai triển dây quấn: đặt lần lược 16 phần tử vào 16 rãnh, bắt đầu từ phần tử thứ nhất, cạnh thứ nhất của phần tử nối với phiến góp đổi chiều thứ nhất đặt vào rãnh 1 (đường liền nét) ở lớp trên và cạnh thứ hai của phần tử thứ nhất được đặt lớp dưới của rãnh thứ 5 (đường đứt nét) và nối với phiến góp 2 Tiếp tục nối tương tự với phần tử thứ hai, thứ ba… cho đến phần tử thứ 16 rồi trở về phiến đổi chiều số 1 Ta được một mạch vòng khép kín được đặt đúng dưới các cực từ

Hình 2.5 – Sơ đồ quấn dây

b Dây quấn xếp phức:

- Điểm khác nhau giữa dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức là bước dây quấn yG=m, với dây quấn phức m=2,3…, thông thường yG=2

- Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn

+ Tính toán các đại lượng đặc trưng:

Cho máy điện có các thông số sau Znt=24, 2p=4, yG=2 tính và vẽ biểu đồ nối dây, sơ đồ khai triển dây quấn

- Bước dây quấn y1= 6

+ Biểu đồ nối dây:

- Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử

- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+6=7

- Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 3 vì yG=2

- Do yG=2 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+2=3

Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín Tiếp tục với phần tử chẳng, ta được biểu đồ nối dây tương tự

+ Sơ đồ khai triển dây quấn:

Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn với qui luật như dây quấn xếp đơn

Dựa vào biểu đồ nối dây ta có phần tử 1 nối 3 và tiếp tục 5….đến khép kín mạch gồm phần tử số lé và tiếp phần tử 2 nối với 4 tương tự đến hết phần tử chẳng

Do yG=2 nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp

Từ dó ta vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ bên

Hình 2.6 – Sơ đồ quấn dây

1.2.6 Dây quấn kiểu sóng

a Dây quấn sóng đơn:

+ Tính toán bước dây quấn:

Đặc điểm của dây quấn sóng là hai đầu của một phần tử nối với hai phiến góp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau theo sơ đồ dây quấn nằm cách xa nhau

- Bước dây quấn: y1= ±ε

+ Tính các bước dây quấn:

4

34

+ Biểu đồ nối dây:

- Sau khi có các số liệu tính toán về bước dây quấn y1, y2, yG… ta lập biểu đồ nối dây

- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cơn lại sẽ đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+3=4

- Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và phiến góp 1+yG=1+7=8

- Do yG=7 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là 1+yG=1+7=8

Tiếp tục thực hiện với phần tử tiếp theo theo qui luật ta vẽ được biểu đồ nối dây

Lớp

trên 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 Lớp

dưới

4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12

+ Sơ đồ khai triển dây quấn (sơ đồ trải)

- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 15 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét

- Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 15 phần tử vào 15 rãnh, theo biểu đồ nối dây

ta nối phần tử 1 với phần tử 8, tiếp đến là phần tử 15…vv tiếp tục như thế ta được

sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H

- Dây quấn đơn nên bề rộng chổi than lấy bằng một phiến góp

Hình 2.7 – Sơ đồ quấn dây

b Dây quấn sóng phức:

- Điểm khác nhau giữa dây quấn sóng đơn và dây quấn sóng phức là bước dây

quấn yG=m, với dây quấn phức m=2,3,4…, thông thường yG=2

- Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn

+ Tính toán bước dây quấn

Cho máy điện có số liệu gồm Z=Znt=18, 2p=4, m=2 Tính bước dây quấn, vẽ

sơ đồ nối dây và khai triển dây quấn

- Các bước dây quấn:

4

24

+ Biểu đồ nối dây:

Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử

- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+4=5

- Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 9 vì yG=8

- Do yG=8 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+8=9 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín

Tiếp tục với phần tử chẳn, ta được biểu đồ nối dây tương tự

+ Biểu đồ nối dây

+ Phần từ số lẻ:

Lớp trên 1 9 17 7 15 5 13 3 11 1 Lớp

dưới

5 13 3 11 1 9 17 7 15 + Phần tử số chẳn:

Lớp trên 2 10 18 8 16 6 14 4 12 1 Lớp

dưới

6 14 4 12 2 10 18 8 16

+ Sơ đồ khai triển dây quấn:

- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 18 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét

- Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 18 phần tử vào 18 rãnh, theo biểu đồ nối dây

ta nối phần tử 1 với phần tử 9, tiếp đến là phần tử 17, phần tử 7…vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H

- Dây quấn sóng phức nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp

Hình 2.9 – Cấu tạo máy phát điện 1 chiều

Khi động cơ sơ cấp quay với tốc độ góc là ω1 có chiều như hình vẽ, dẫn đến các dây dẫn rôto cắt từ trường stato (từ trường cực từ), cảm ứng các sức điện động trong thanh dẫn.(chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải) từ trường hướng từ cực N đến S

Trong thanh dẫn ab có sức điện động E1

Trong thanh dẫn cd có sức điện động E2

Sức điện động trong dây dẫn rôto là E=E1+E2

Xét tại thời điểm t: Lúc này dây dẫn quay một góc 1800, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N

Khi thanh dẫn phần ứng quay nửa vòng, vị trí của thanh dẫn trong từ trường thanh dẫn: ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong phần tử đổi chiều, nhờ có chổi điện đứng yên tỳ vào phiến góp nên chổi than A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi than B vẫn nối với phiến góp phía dưới, chiều dòng điện mạch ngoài không thay đổi

Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B (nối 2 đầu với tải (bóng đèn) ta có nguồn một chiều)

b Phương trình điện áp đầu cực máy phát:

Đơn vị:U, Eư (V); Iư (A); Rư (Ω)

1.3.2 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều

Đơn vị:U, Eư (V), Iư (A), Rư (Ω)

1.4 TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.4.1 Từ trường của máy điện một chiều:

- Khi máy phát điện 1 chiều chạy không tải, trong máy chỉ có từ trường do cực

từ chính sinh ra gọi ra từ trường chính hay từ trường phần cảm

- Khi máy mang tải, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng sinh ra từ trường phần ứng

- Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng

Tác dụng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường tổng hợp của máy, ở mõm cực ra của cực từ được trợ từ còn ở mõm cực vào bị khử từ Nếu mạch từ không bão hoà thì tác dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ thông tổng không đổi Nếu mạch từ bão hoà thì tác dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường tổng giảm do đó sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn giảm Đồng thời, phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại 2 điểm trên đường trung tính hình học khác 0 Đây là nguyên nhân làm xuất hiện tia lửa điện trên cổ góp

Để tránh hiện tượng trên phải xoay đường trung tính hình học đến 1 vị trí mới lệch so với trung tính hình học 1 góc β đó là đường trung tính vật lý O’O’’

Gọi N là số thanh dẫn của dây quấn, a là số đôi nhánh

Số thanh dẫn một nhánh là N/2a (với a là số nhánh song song)

Sức điện động phần ứng là Eư B l v

a

N e a

N

tb 2

Sức điện phản ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực

từ Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông, bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ

1.5 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.5.1 Phân loại máy phát điện một chiều

Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, để phân loại máy điện một chiều như sau:

- Máy điện một chiều kích từ tự kích trong đó gồm:

+ Máy điện một chiều kích từ độc lập

+ Máy điện một chiều kích từ nối tiếp

+ Máy điện một chiều kích từ song song

+ Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.5.2 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập

a Sơ đồ nối dây cơ bản:

- Rtải là điện trở tải

- Rkt là điện trở kích từ

- Rdc là điện trở điều chỉnh dòng điện kích từ

- Ukt là điện áp đưa vào mạch kích từ

- U là điện áp tải lấy ra từ máy phát

- Ikt là dòng điện kích từ

- Iư là dòng điện phần ứng

Hình 2.10 – Sơ đồ nối dây

b Phương trình

Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt+Rdc) (1)

Mạch phần ứng It=Iư (2)

U = Eư- Iư.Rư (3)

* Khi dòng điện tải tăng It thì dòng điện phần ứng tăng Iư (ptrình1) kéo theo điện

áp giảm U xuống (ptrình 2) do hai yếu tố:

- Do tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông φ giảm kéo theo sức điện động Eư giảm (Eư=ke.n.φ)

- Điện áp rơi trong mạch phần ứng tăng

* Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau:

- Khi dòng điện tải tăng thì điện áp giảm, để giữ cho điện áp máy phát không đổi ta phải tăng dòng điện kích từ bằng cách điều chỉnh biến trở

* Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm: Dể điều chỉnh điện áp (được sử dụng trong các hệ thống máy phát

và động cơ để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại )

- Nhược điểm: Phải cần nguồn kích từ

1.5.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp

a.Sơ đồ nối dây cơ bản:

Hình 2.11 – Sơ đồ nối dây

* Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau:

- Khi tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, từ thông tăng dẫn đến sức điện động phần ứng tăng lên rất nhiều do đó điện áp đầu cực máy phát tăng nhiều

- Khi dòng điện tải It=(2-2,5)Iđm thì mạch từ của máy bị bão hòa, lúc này dòng điện tải tăng thì điện áp giảm

Đường đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ độc lập:

(Từ đường đặc tính nhận xét: Khi dòng điện tải tăng bằng 2Iđm máy phát lúc đó nếu Itải tiếp tục tăng thì điện áp đầu cực máy phát giảm.)

1.5.4 Máy phát điện một chiều kích từ song song

a Sơ đồ nối dây cơ bản:

Hình 2.12 – Sơ đồ nối dây

b Phương trình:

U = Eư - IưRư (1)

Iư =Ikt + It (2)

U = Ikt(Rkt+Rdc) (3) Ban đầu máy không có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra

(nếu từ dư không có phải kích nguồn một chiều tạo ra từ dư hoạt dùng ngồn một chiều khởi động máy phát sau đó tách ra)

* Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng

do từ thông dư tạo ra, sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy Quá trình tiếp tục cho đến khi điện

áp ổn định

* Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng (ptrình2) làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm (ptrình1), dòng điện kích từ giảm (ptrình3) Do đó đường đặc tính ngoài dốc so với máy điện kích từ độc lập

1.5.5 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp

a Sơ đồ nối dây cơ bản:

Hình 2.13 – Sơ đồ nối dây

- Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn dây phần cảm

1 Khi nối thuận: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với

từ thông của dây quấn kích từ song song.(phần cuộn kích từ song song nối trực tiếp với chổi than)

Khi tải tăng, dẫn đến từ thông trong mạch nối tiếp tăng, làm cho từ thông của máy tăng, dẫn đến sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy phát được giữ hầu như không đổi

(Ưu điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giữ cho điện áp không thay đổi khi dòng tải thay đổi→ ứng dụng máy phát)

2 Khi nối ngược: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song

(Nhược điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giảm điện áp tải→ ứng dụng máy hàn điện một chiều)

1.6 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.6.1 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào phương pháp kích từ, phân loại động cơ điện một chiều như đối với máy phát điện một chiều

a Động cơ kích từ độc lập

b Động cơ kích từ nối tiếp

c Động cơ kích từ song song

1.6.2 Mômen và phương trình đặc tính cơ

a Mômen trong động cơ điện một chiều

+ Mômen quay: kí hiệu: M

- Khi đặc điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, trong dây quấn xuất hiện dòng điện phần ứng, dưới tác dụng của từ trường stato trong dây quấn phần ứng xuất hiện lực điện từ tác dụng dẫn đến xuất hiện mômen điện từ làm cho rôto quay (Đối với động cơ mômen điện từ được gọi là mômen quay)

M=kM.Iư.φ (N.m)

+ Mômen cản

- Khi động cơ mang tải xuất hiện lực cản, tác dụng vào trục động cơ, lực cản này cản trở sự chuyển động của rôto do đó trên trục động cơ sẽ xuất hiện mômen cản

- Mômen cản có chiều ngược với chiều chuyển động của rôto

- Khi động cơ quay ổn định với một phụ tải xác định lúc đó ta có mômen tải cân bằng với mômen động cơ

a Phương trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập hoặc kích từ song song

- Khi điện áp đặc vào mạch kích từ và mạch phần ứng có công suất lớn thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song giống nhau

+ Phương trình điện áp: U=Eư + IưRư (1)

⇒ Eư=U - IưRư (2) Mặc khác ta có: Eư=ke.n.φ (3)

Thay phương trình (3) vào pt (3) ta có:

ke.n.φ=U - IưRư ⇒

Φ

−

=

e

u u

k

R I U n

hay

Φ

−Φ

e k

R I k

M

k

M thay Iư vào pt (4) ta có:

M k

k

R k

U

n

M e u e

Φ

−Φ

Nếu trong mạch phần ứng có điện trở phụ Rp ta có phương trình tốc độ là:

M k

k

R R k

U

n

M e

p u e

)(

Φ

+

−Φ

Trong đó điện trở phụ là Rplà điện trở đặc vào mạch phần ứng để điều chỉnh dòng điện phần ứng nhỏ hơn dòng điện giới han Iư<Igiới hạn

Phương trình (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập hoặc kích từ song song

Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ và mômen quay của động cơ khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ không đổi

Với U, φ là hằng số, Rư, Rp không đổi

n (xem đang làm việc không tải ổn định)

- Giả sử ta cho động cơ mang tải vào lúc này trên truc động cơ xuất hiện

mômen cản Mc động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A đến điểm B trên đồ thi lúc này tốc độ của động cơ sẽ giảm dần xuống là n1<n0 và đồng thời mômen động

cơ sẽ tăng dần cho đến khi cần bằng mômen cản Mc, khi đó động cơ làm việc ổn định từ điểm B trên đường đặc tính cơ với tải bằng mômen cản và tốc độ n1

* Nhận xét:

- Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song thì phương

trình đặc tính cơ cứng, tốc độ hầu như không đổi khi công suất tải thay đổi (thay

n (3) trong đó: RΣ=Rkt+Rp+RưMặc khác ta có phương trình mômen: M=kM.φ.Iư (4)

Thay Iư=kI.φ vào phương trình (4) ta có: M=kM.kIφ2=k2.φ2 (5) đặt k2=kM.kI lấy căn hai vế phương trình (5) ta có từ thông:

M k R U k

k

M k

k

M k R U k

I R U

n

e I

k R M k

U k

hypebol, đường đặc tính cơ mềm, khi mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm nhiều Khi động cơ không tải hoặc tải nhỏ, mômen cản nhỏ dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên rất nhiều dẫn đến dể gây hỏng động cơ về mặc cơ khí (ma sát ở ổ bi lớn làm gãy trục ) Vì thế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp mở máy và làm việc ở chế độ không tải

1.6.3 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

- Để giảm dòng điện mở máy đạt từ Imm = (1,5-2)Iđm, dùng các phương pháp sau:

+ Giảm điện áp đặt vào mạch phần ứng:

Phương pháp này sử dụng khi có nguồn một chiều có thể điều chỉnh điện áp

(chú ý: để mômen mở máy lớn, thì lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất

vỡ bánh răng, bánh đà…, làm hỏng động cơ và nguy hiểm cho người vận hành

1.6.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Từ phương trình điện áp : U=Eư+IưRư⇒Eư=U-IưRư

Mà Eư=ke.n.φ ⇒ ke.n.φ=U-IưRư ⇒ n

φ

e

u u

k

R I

- Để thay đổi tốc độ bằng cách mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng

a Điều chỉnh tốc độ động điện một chiều kích từ độc lập và song song bằng cách thay đổi điện áp

Theo trên ta có đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song có dạng đường thẳng

- Khi thay đổi điện áp ta được các đường đặc tính song song

- Khi điều chỉnh mômen không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng không đổi do sức điện động và điện áp giảm

Hình 2.14 – Đường đăc tính cơ

* Quá trình giảm tốc:

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ với điện áp đặc vào mạch phần ứng là U1 lúc này động cơ quay đều với tốc độ nA Ta giảm điện áp xuống U2 nhỏ hơn điện áp U1 động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đường đặc tính cơ U2, lúc này mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản MD<Mcdẫn đến tốc độ giảm dần theo đường đặc tính U2 tới điểm D, tại điểm D mômen động cơ bằng mômen cản động cơ quay ổn định với tốc độ nD<nA đó là quá trình giảm tốc của động cơ

* Quá trình tăng tốc: Ngược lại, tại điểm D mômen động cơ bằng mômen cản động cơ quay ổn định với tốc độ nA<nD đó là quá trình tăng tốc của động cơ

b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng tốc độ giảm Vì rằng dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn Phương pháp này chỉ

Đồ thị đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích

từ độc lập hoặc kích từ song song

sử dụng ở động cơ công suất nhỏ

1.5.5 Hãm động cơ điện một chiều

Hãm động cơ là tạo mômen điện từ ngược chiều chuyển động của động cơ Động cơ điện một chiều được hãm bằng các phương pháp hãm là hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

a Hãm tái sinh (trả năng lượng về lưới)

Hãm tái sinh xảy ra trong động cơ kích từ song song khi máy làm việc ở chế

độ động cơ với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng

Trong trường hợp này sức điện động Eư>U và dòng điện phần ứng đổi dấu nên mômen điện từ cũng đổi dấu thành mômen hãm Máy lúc này làm việc trong chế

độ máy phát điện vào lưới (trả lại lưới)

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp không thể chuyển sang chế độ hãm tái sinh Muốn hãm tái sinh ta phải chuyển sang chế độ kích từ song song

b Hãm ngược Trạng thái này thực hiện bằng hai cách

- Máy được truyền động làm quay động cơ theo chiều ngược mômen điện từ

- Đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi chiều dòng điện phần ứng của động cơ

c Hãm động năng

- Khi hãm động năng động cơ kích từ song song ta cắt phần ứng ra khỏi lưới

và nối mạch qua một điện trở hãm

- Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp được thực hiện bằng cách chuyển động cơ sang kích từ độc lập Nếu động cơ kích từ nối tiếp thì khi tốc độ nhỏ, dẫn đến mômen hãm yếu, khi tốc độ lớn mômen hãm mạnh

CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

2.1.1 Khái niệm chung

Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, người ta dùng MBA Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi nên có những loại MBA khác nhau: MBA 1 pha, 2 pha, 3 pha, nhưng chúng dựa trên 1 nguyên lý, đó là nguyên

lý cảm ứng điện từ

2.1.2 Định nghĩa:

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, nguyên lý làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác nhưng có tần số không đổi + Hệ thống đầu vào của MBA (trước lúc biến đổi): U1; I1; f

+ Hệ thống đầu ra của MBA (trước lúc biến đổi): U2; I2; f

+ Đầu vào của MBA nối với nguồn điện được gọi là cuộn sơ cấp (các đại lượng, thông số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: W1,U1,I1, )

+ Đầu ra nối với tải gọi là cuộn thứ cấp (các đại lượng và thông số thứ cấp trong ký hiệu ghi số 2: W2, U2, I2, )

2.1.3 Phân loại máy biến áp

Có nhiều cách phân loại máy biến áp:

- Theo loại dòng điện ta chia ra máy biến áp là MBA một pha, ba pha hay nhiều pha

- Máy biến áp có ít nhất là hai cuộn dây:

+ Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp

+ Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp

+ Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp

+ Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp

- Máy biến áp có điện áp sơ cấp lớn hơn điện áp thứ cấp gọi là máy biến áp giảm áp

- Máy biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp

- Máy biến áp có ba cuộn dây (1 cuộn sơ, 2 cuộn thứ)

- Máy biến áp tự ngẫu (ngoài liên hệ về từ còn liên hệ về điện)

- Máy biến áp đặc biệt như máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến

áp điều khiển

2.1.4 Vai trò của máy biến áp

Để dẫn điện từ Trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây truyền tải

Hình 2-1: Sơ đồ truyền tải điện năng

- Để truyền tải điện năng đi xa phải dùng các đường dây tải điện có điện áp

cao để giảm tổn thất điện năng trên đường dây (Điện áp mà các máy phát phát ra

bị hạn chế bởi điều kiện cách điện của máy và thường là 1-21kV) Để tăng điện áp

lên cao ta phải dùng máy biến áp

- Tại hộ tiêu thụ điện do không thể trực tiếp sử dụng điện áp cao, vì lý do an toàn phải hạ thấp điện áp xuống 6kv cho các động cơ công nghiệp hoặc 0,4kV, 220V cho các thiết bị điện dân dụng

- Để làm được hai điều trên cần phải dùng máy biến áp

Máy biến áp được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật, máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối năng lượng

2.1.5 Các đại lượng định mức của máy biến áp

Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện làm việc của máy

và do nhà chế tạo ghi trên biển máy

- Điện áp định mức: Điện áp sơ cấp định mức ký hiệu là U1đm, là điện áp quy

định cho dây quấn sơ cấp Điện áp thứ cấp định mức ký hiệu là U2đm, là điện áp quy định cho dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức Người ta quy ước, với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy biến áp 3pha là điện áp dây Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là V hoặc KV

- Dòng điện định mức: Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi

dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha Đối với máy biến

áp 3 pha, dòng điện định mức là dòng điện dây Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A Dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức

ký hiệu I2đm

- Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu

kiến định mức Công suất định mức ký hiệu là Sđm Đơn vị là VA, KVA Đối với máy biến áp một pha công suất định mức là:

∼

MBA tăng áp

Hộ tiêu thụ MBA hạ áp

Máy phát điện

2.1.6 Các loại máy biến áp chính

* Có rất nhiều loại máy biến áp cụ thể như sau:

Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện Máy biến áp chuyên dùng sử dụng ở các lò luyện kim, chỉnh lưu, máy biến áp hàn

Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ có công suất lớn

Máy biến áp đo lường để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ

đo tiêu chuẩn

Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

2 2 CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

Máy biến áp một pha có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

2.2.1 Lõi thép máy biến áp: (Mạch từ)

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau tạo lõi thép Lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gông

+ Trụ là nơi để đặt dây quấn

+ Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

+ Giữa các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

- Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ U và chữ E)

+ Máy biến áp kiểu trụ là phần dây quấn bao quanh trụ thép

(loại mba kiểu trụ thưòng dùng trong mba một pha và b3 pha công suất nhỏ và

trung bình)

+ Máy biến áp kiểu bọc là phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao lấy dây

quấn (thường là mba nhỏ và đặc biệt)

Hình a – 1 pha Hình b – 3 pha

Hình 2.15 – Cấu tạo mạch từ

2.2.2 Dây quấn máy biến áp

- Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dây mềm, có

độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện

- Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép Máy biến áp thường có các loại dây quấn sau:

+ Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp

+ Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp

+ Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp

+ Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp

(Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm được kích thước máy biến áp

Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các phụ kiện khác như võ máy, vật liệu cách điện vv

Vỏ máy thường làm bằng kim loại để bảo vệ, cố định máy và làm giá lắp đồng

hồ đo, bộ phận chuyển mạch

Vật liệu cách điện của máy biến áp làm nhiệm vụ cách điện giữa các vòng dây với nhau, giữa dây quấn và lõi thép, giữa phần dẫn điện và phần không dẫn điện

(tuổi thọ máy biến áp phụ thuộc nhiều vào vật liệu cách điện nếu cách điện

không tốt sẽ gây sự cố cho máy biến áp, nhưng nếu cách điện quá mức sẽ tăng kích thước và tăng giá thành) Vật liệu cách điện trong máy biến áp công suất nhỏ

gồm: giấy cách điện, vải thuỷ tinh, sơn cách điện Với máy lớn dùng dầu cách điện

3.3: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

Hình 2.16 – Sơ đồ nguyên lý làm việc

* Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ:

- Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp u1 sẽ có dòng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1

- Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp

- Theo định luật cảm ứng điện từ thì sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp suất điện động là:

- Dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở zt Dưới tác động của suất điện động

e2 cảm ứng tỉ lệ với số vòng dây w2 sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp

u2 Lúc đó từ thông do cả hai dòng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra

Như vậy điện áp xoay chiều đã được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp

- Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin nên từ thông cũng biến thiên theo hình sin: Φ = Φmaxsinωt; ω=2πf

Thì suất điện động trong các dây quấn sơ cấp (1) và dây quấn thứ cấp(2)là:

e2 = -w2

dt

t

dΦmaxsinω = - ωw2Φmaxcosωt = 2πfw2Φmaxsin(ωt-π/2) =

= 4,44fw2Φmax 2sin(ωt-π/2) = 2E2sin(ωt-π/2) (4) Trong đó:

(nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi U1≈E1; U2≈E2)

k gọi là hệ số biến đổi của máy biến áp, nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp đúng bằng tỉ lệ số vòng dây sơ cấp và thứ cấp

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các lượng sơ cấpvà thứ cấp như sau:

Trường hợp: k>1 tức U1> U2 hay w1> w2⇒máy biến áp giảm áp

k<1 tức U1< U2 hay w1< w2⇒máy biến áp tăng áp Như vậy dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp không liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có sự liên hệ về từ mà năng lượng được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp

4.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

4.1.1 Trạng thái không tải

Trạng thái không tải là trạng thái mà phía thứ cấp hở mạch còn phía sơ cấp đặt vào điện áp định mức

a Sơ đồ thay thế của máy biến áp không tải

Hình 2.17 - Sơ đồ thí nghiệm máy biến áp không tải

Với R1, Rth là điện trở cuộn dây và mạch từ

X1, Xth là điện kháng cuộn dây và mạch từ

U1 là điện áp sơ cấp

I0 là dòng điện không tải

Khi không tải ta có dòng điện thứ cấp bằng không I2=0

b Các đặc điểm của trạng thái không tải

- Dòng điện không tải:

2 1

2 1

1 0

1 0

)(

)(R R th X X th

U Z

U I

+++

=

=

Tổng trở không tải Z0 thường rất lớn, nên dòng điện không I0 rất nhỏ thường

từ (2%-10%) dòng điện định mức, nên tổn thất trên dây quấn khi không tải rất nhỏ

có thể bỏ qua

- Công suất không tải:

Ở trạng thái không tải công suất đưa ra phía thứ cấp bằng không (vì I2=0), song máy vẫn tiêu thụ công suất P0 Công suất không tải gồm công suất tổn hao sắt từ ∆Pst trong lõi thép và công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp ∆PR1

vì dòng điện không tải I0 rất nhỏ có thể bỏ qua tức là ∆PR1≈0

Vậy công suất không tải chính là công suất tổn hao trên lõi thép ∆P0=∆Pst

(tổn thất sắt từ được tính dựa vào đặc tính của thép )

- Hệ số công suất không tải

Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với công suất tác dụng không tải

P0 hệ số công suất cosϕ lúc không tải rất thấp

* Từ các đặc điểm trên, khi sử dụng không nên để máy biến áp làm việc ở trạng thái không tải hoặc non tải

c Thí nghiệm không tải của máy biến áp

Để xác định các thông số như hệ số biến áp k, tổn thất sắt từ và các thông số của máy biến áp ở trạng thái không tải ta tiến hành thí nghiệm không tải như sơ đồ trên

Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên, đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho biết các số liệu sau:

+ Oát kế chỉ công suất không tải ∆P0=∆Pst

+ Ampe kế chỉ dòng điện không tải I0

+ Vôn kế cho giá trị U1, U20 điện áp sơ cấp và điện áp không tải thứ cấp

Từ các số liệu trên ta tính được:

+ Hệ số công suất không tải cosϕ0

0 1

4.1.2 Trạng thái ngắn mạch của máy biến áp

Trạng thái ngắn mạch là trạng thái khi đặt điện áp vào sơ cấp mà phía thứ cấp được nối tắt lại (đây là trường hợp sự cố trong vận hành do nhiều nguyên nhân làm MBA bị ngắn mạch như hai đầu dây dẫn điện phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau qua một tổng trở rất nhỏ)

a Sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch

Với Rn, là điện trở ngắn mạch

Xn, là điện kháng ngắn mạch

Zn là tổng trở ngắn mạch

In là dòng điện ngắn mạch

Dòng điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch In

b Đặc điểm của trạng thái ngắn mạch

Khi đặt điện áp định mức vào sơ cấp, phía thứ cấp được nối tắt ta có dòng điện ngắn mạch là

n

dm n

Z

U

Vì tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn từ In25)Iđm, dòng điện lớn làm hỏng cách điện gấy hỏng máy biến áp và ảnh hưởng đến các đồ dùng điện

=(10-(Khi phát hiện sự cố hay ngắn mạch cần phải loại máy biến áp ra khỏi lưới điện

Khi sử dụng máy biến áp cần tránh trạng thái ngắn mạch )

c Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp

Hình 2.18 - Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp

Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và xác định các thông số sơ cấp và thứ cấp ta tiến hành thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp

Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên

- Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp (máy biến áp tự ngẫu), Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch Qua bộ điều chỉnh điện áp ta điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng điện áp Un sao cho dòng điện trong dây quấn bằng dòng điện định mức (tức I2=I2dm)

Un gọi là điện áp ngắn mạch, được tính theo phần trăm của điện áp sơ cấp định mức: UN%= 100% 3% 10%

- Công suất đo được trên oátmét W chính là tổn thất đồng trên dây quấn sơ cấp

và thứ cấp khi máy biến áp mang tải định mức (Pn)

Do điện áp đặt vào sơ cấp nhỏ nên tổn hao sắt từ nhỏ có thể bỏ qua và

I

U Z

4.1.3 Trạng thái có tải của máy biến áp

Trạng thái có tải là trạng thái trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải

Để đánh giá mức độ mang tải của máy biến áp, ta có hệ số tải của máy biến áp là:

áp

dm

dm I

I I

I

1 1 2

2

= trong đó: I1 là dòng điện sơ cấp

I1dm là dòng điện sơ cấp định mức

kt là hệ số tải

Khi kt=1 máy biến áp mang tải định mức

Khi kt<1 máy biến áp non tải

Khi kt>1 máy biến áp quá tải

- Tổn hao điện áp:

Điện áp thứ cấp khi có tải là U2, điện áp thứ cấp khi không tải là U20.

Lượng tổn thất điện áp là ∆U=U20-U2 hay(=U2dm-U2)

Tổn thất điện áp tính theo phần trăm %

20

2 20

- Tổn hao công suất: Khi máy biến áp làm việc có các tổn hao sau:

+ Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng ∆Pđ Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng điện tải ∆Pđ=I12.R1+I22.R2 (với R1,R2 là điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp) hay ∆Pđ=kt2.∆Pn

+ Tổn hao sắt ∆Pst trong lõi thép, do dòng điện xoáy và từ trể gây ra Tổn hao sắt từ không phụ thuộc vào dòng điện tải mà phụ thuộc vào từ thông chính nghĩa

là phụ thuộc vào điện áp ∆Pst=P0 (Tổn hao sắt bằng tổn hao không tải)

+ Hiệu suất máy biến áp là

d

st P P P

P P

P

∆+

∆+

=

=

2 2 1

2

η (với P2 là công suất tác dụng ở đầu ra)

4.5 MÁY BIẾN ÁP BA PHA

4.5.1 Cấu tạo

Cấu tạo gồm các bộ phận chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy

- Lõi thép máy biến áp ba pha gồm ba trụ

- Dây quấn:

Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa

Pha A kí hiệu là AX, kí hiệu đầu đầu là A,B,C

Pha B kí hiệu là BX, kí hiệu đầu cuối là X,Y,Z

Pha C kí hiệu là CX

Dây quấn thứ cấp kí hiệu bằng chũ thường

Pha a kí hiệu là ax, kí hiệu đầu đầu là a,b,c

Pha b kí hiệu là bx, kí hiệu đầu cuối là x,y,z

Pha c kí hiệu là cx

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối sao hoặc nối tam giác

- Khi nối sao Υ điện áp sẽ giảm đi 3 lần, giảm chi phí về cách điện

- Khi nối tam giác ∆ dòng điện sẽ giảm đi 3 lần, giảm tiết diện dây

- Với máy biến áp tăng áp thường được nối sao-tam giác Υ/∆

Lõi thép máy biến áp ba pha