Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần mở đầu docx

Nhận đường tích phân theo đường trục và vì ống cảm ứng từ khép kín nên định luật từ thông toàn phần có thể biểu diễn như sau: ∑ ∫ ∫H→dl = H→dlcosH→dl→ = i 4 Trong đó dl-là đoạn chuyển dị

PHẦN MỞ ĐẦU

NHỮNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN

I HỆ THỐNG ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG

Trong máy điện nói riêng và kỹ thuật điện nói chung người ta phải dựa vào những đại lượng cơ bản như: độ dài, khối lượng, thời gian, độ thẩm từ, cường độ dòng điện v.v các đại lượng này họp lại thành các hệ đo lường Ta có các hệ đo lường sau:

1 Hệ MKSµ0

Hệ MKSµ0 bao gồm các đại lượng sau:

-Độ dài đo bằng cen-ti-met [cm]

-Khối lượng đo bằng gram [g]

-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]

-Độ thẩm từ lấy độ thẩm từ trong không khí µ0

2 Hệ MKSA

Hệ MKSA bao gồm các đại lượng sau:

-Độ dài đo bằng mét [m]

-Khối lượng đo bằng kilogram [kg]

-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]

-Cường độ dòng điện đo bằng am-pe [A]

3 Hệ thống SI(The International System Unite)

Hệ SI bao gồm các đại lượng sau:

-Độ dài đo bằng mét [m]

-Khối lượng đo bằng kilogram [kg]

-Thời gian đo bằng giây [gy] hoặc [s]

-Cường độ dòng điện đo bằng am-pe [A]

Trong kỹ thuật điện hệ MKSA khác hệ SI là độ cảm ứng từ Hệ MKSA thì

độ cảm ứng từ đo bằng [Wb/m2] còn ở hệ SI thì đo bằng Tesla[T]

Trong thực tế tính toán việc áp dụng các hệ đo lường đều có những phức tạp, do vậy người ta sử dụng các hệ đo lường một cách hỗn hợp Do đó xuất hiện các hệ số ở các công thức cho trước Ví dụ biểu thức suất điện động (sđđ) dòng một chiều thường gặp e=Blv.10-8

Để sđđ đo bằng von [V] thì B phải đo bằng Gauss, độ dài đo bằng [cm] còn tốc độ v đo bằng [cm/s]

các đại lượng cũ thì sđđ sẽ đo ở đơn vị MKSµ0 (không có tên gọi) Nếu B đo bằng

[T], l đo bằng [m] v đo bằng [m/s] thì e đo bằng [V], thì biểu thức không có 10-8

Ở bảng 1 cho các đại lượng của 3 hệ trên cùng tỷ số của chúng

II ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ.

Như ta đã biết giữa dòng điện và từ trường có mối quan hệ mật thiết với nhau Những định luật về điện động đã xác định mối quan hệ giữa chúng và cho phép ta lập những công thức tính toán các đại lượng cần thiết Muốn nghiên cứu

1

các hiện tượng của từ trường ta phải xây dựng được hình ảnh chính xác của từ trường

đại lượng của hệ MKSA,SI

so với hệ

MKSµ 0

Theo Faraday thì từ trường là một không gian, trong đó có phân bố các đường sức vật lý gọi là đường sức từ trường Đường sức từ trường(gọi tắt là đường sức) giúp ta xác định cường độ từ trường bằng cách đo số dường sức đi qua một tiết diện theo phương vuông góc với véc tơ của cường độ từ trường

Trong chân không hoặc trong môi trường gần như thế, véc tơ cường độ từ

H và

→

B là quan hệ phi tuyến

Một đường sức từ biểu diễn bằng một đường khép kín không đầu không cuối Các đường sức từ không thể cắt ra làm đứt quãng và tìm kiếm các đầu của nó trong bất kỳ một quá trình nào xảy ra trong từ trường

Như vậy từ thông toàn phần xuyên qua một mặt kín sẽ bằng không Về toán học mối quan hệ trên biểu diễn như sau:

φs= ∫

S

ds

Bcos β =0 (1)

Ở đây Bcosβ là thành phần vuông góc của véc tơ cảm ứng từ.

Ta có thể đặc trưng trường của khoảng không gian không có dòng điện bằng từ thế vô hướng thay đổi theo từng điểm Gradien hoặc tốc độ thay đổi của trường theo một hướng nhất định, bằng cường độ của từ trường theo hướng đó với dấu ngược lại Thế từ cho ta biểu diễn mặt phẳng từ thành những lớp cắt vuông góc với đường sức Bằng cách đó ta nhận được mặt phẳng đẳng thế từ U=const và

hệ thống đường sức F=const

Thế từ được biểu diễn bằng phương trình Laplace:

0

2 2 2 2 2

2

=

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

z

u y

u x

u

(2) Nếu ta cắt một từ trường thành những ống từ có tiết diện sao cho mọi điểm

tiết diện bất kỳ nào đó của ống từ sẽ bằng

Trong đó S-tiết diện của ống từ

Nhận đường tích phân theo đường trục và vì ống cảm ứng từ khép kín nên định luật từ thông toàn phần có thể biểu diễn như sau:

∑

∫

∫H→dl = H→dlcos(H→dl→) = i (4)

Trong đó dl-là đoạn chuyển dịch cơ bản theo một đường nào đó từ điểm

A1→A2 trong từ trường (hình 1);

∑i-tổng dòng điện có trong vòng tích phân; cos(H→dl→)- hệ số góc giữa hướng chuyển dịch và hướng của đường sức từ (hình 1)

Như vậy nếu ta ký hiệu ψ là tổng từ thông thì ta có thể biểu diễn bằng công thức:

ψ=∑i

Khi tính ∑i phải chú ý tới dấu của dòng điện Ví dụ ở hình 2 ta có 2 vòng

O1 và O2 Ở vòng O1 ta có:

ψ1 =∑i = I1+I2=5+2=7A

Ở vòng O2 ta có:

ψ2 =∑i = I1+I2+I3+I4 = 5+2+6-1=12A

được chọn là đường sức nên cos(H→dl→)=1

3

α

A1

A

2

dl

+ + +

.

I5 I

4 =6A

I2 =2A

I1=5A

I3=1A

O2

O

1

Hình 1

Hình 2

Vậy định luật mạch từ phát biểu như sau:

“Tích phân theo một đường khép kín thì tích của cường độ từ trường với đoạn dl theo phương →

dl có giá trị bằng tổng từ thông có ở trong vòng này”.

Ở máy điện, từ thông khép kín chủ yếu trong mạch từ Mạch từ máy điện gồm nhiều đoạn:stato, khe hở không khí, rô to, thân máy cường độ từ trường các đoạn này coi như không đổi vậy biểu thức (4) có thể viết:

=

Phía phải của (5) còn gọi là độ sụt từ của mạch, tương ứng với độ sụt điện

áp ở mạch điện Còn phía trái được gọi là sức từ động (stđ)

Ta thường gặp một từ trường sinh ra do dòng điện chạy qua một cuộn dây tập trung Nếu số vòng của cuộn dây là W, cường độ dòng điện là I thì std biểu diễn bởi biểu thức:

Biểu thức (6) giải thích rõ vì sao đôi khi gọi stđ là am-pe vòng Nếu trong một mạch từ chỉ có một từ thông, ta có thể biến đổi phía trái của (5) như sau:

=

∫H→dl ∫ = ∫

S

dl dl

Dựa vào định luật Ohm ta có thể viết định luật mạch từ như sau:

φ = ∫dlS

IW

µ =∫dlS

F

µ =Rµ

F

(8)

Trong đó Rµ là trở từ, còn F là stđ tác dụng theo mạch từ Khi tiết diện mạch từ nhỏ so với độ dài của nó thì định luật mạch từ giống như định luật Ohm của mạch điện Trong những mạch từ phức tạp ngoài từ thông khép kín trong mạch

từ còn có từ thông khép kín ngoài mạch từ được gọi là từ thông tản

Nếu ta giả thiết giá trị của l, µ, S của n phần tử thuộc mạch từ như nhau thì có thể viết:

φ =nψ=n∫dlS

IW

Để đơn giản tính toán ta chia mạch từ làm thành những đoạn riêng biệt, lúc này ta có:

∫µdl S =∫ 111

S

dl

µ +∫ 222

S

dl

S

dl

µ

Giả thiết rằng µ1=µ2= =µn = const và S1=S2= Sn = cosnt ta được công thức gần đúng cho mạch từ:

∫µdl S =∑n

n

n nS

l

1 và = ∑n

I

1 n

n

nS l

W

φ

(10)

Đây là định luật Hopkinson Định luật này không thể hoàn toàn tương đương với định luật Ohm ở mạch điện vì điện trở của mạch điện không phụ thuộc vào dòng điện còn trở từ của mạch từ thì phụ thuộc vào từ thông

1 Định luật cảm ứng từ

Định luật cảm ứng từ phát biểu như sau (hình 3):

“Khi từ thông móc vòng với một cuộn dây nào đó thay đổi thì trong vòng dây sẽ xuất hiện một sđđ” Về gia trị sđđ này có thể biểu diễn theo biểu thức:

Hiện tượng xuất hiện sđđ trong vòng dây khi từ thông móc vòng với nó thay đổi hoàn toàn độc lập với nguyên nhân biế đổi từ thông Sự biến đổi từ thông

có thể do dòng điện biến đổi chạy trong vòng dây (tự cảm) hoặc do cuộn dây ngoại lai (cảm ứng) hoặc bởi sự dịch chuyểnbộ phận sinh ra từ trường (do dịch chuyển cuộn dây) hay do cả 2 nguyên nhân nêu trên

Bây giờ ta xét chiều của sđđ cảm ứng Theo Lens thì chiều của sđđ cảm ứng là chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra sẽ tạo ra từ thông có chiều chống lại

sự biến đổi của từ thông đó Điều đó có nghĩa là nếu từ thông tăng thì sđđ cảm ứng

có chiều tạo ra dòng điện sinh ra từ thông ngược chiều từ thông móc vòng, còn nếu

từ thông giảm thì chiều từ thông do sđđ cảm ứng sinh ra cùng chiều với từ thông móc vòng Để xác định chiều của sđđ ta dùng mũi tên chỉ hướng Với dòng một chiều, chiều của mũi tên sẽ không thay đổi còn với dòng xoay chiều thì chiều mũi tên sẽ thay đổi Bây giờ ta xét qui luật thay đổi đó

Khi dùng mũi tên chỉ hướng ta qui định như sau:

1.Với giá trị tức thời dương của từ thông, thì chiều đường sức từ trùng với chiều mũi tên chỉ hướng, còn với giá trị tức thời từ thông âm thì chiều đường sức

từ ngược với chiều của mũi tên chỉ hướng

2 Với giá trị tức thời dương của sđđ thì chiều mũi tên chỉ hướng điện áp sẽ hướng tới điểm có điện thế cao(+) còn ngược lại sẽ hướng tới điểm có điện thế thấp (-)

Ta có thể dùng 2 phương pháp đánh mũi tên chỉ hướng cho cùng một hiện tượng (hình 4a,b)Theo qui ước trên đây thì hiện tượng xảy ra trong vòng dây khi từ thông thay đổi có thể biểu diễn như sau:

5

e ≠ 0

0

≠

dt

dφ

Hình 3 Giải thích định luật cảm ứng từ

0

>

dt

dφ

Hình 4 Hai phương pháp ký hiệu chiều của sđđ cảm ứng trong cuộn dây

a) phương pháp ngược chiều, b)phương pháp thuận chiều.

0

<

dt

dφ

φ

-Nếu d dtφ>0 thì sđđ cảm ứng trong cuộn dây ở hình 4a,b đều có chiều từ cực a đến cực b Tuy nhiên trên hình 4a ta dùng mũi tên chỉ hướng sđđ ngược, còn trên hình 4b mũi tên chỉ hướng sđđ thuận Như vậy nếu tính sđđ theo (10a) ở trường hợp hình 4a ta phải đặt dấu trừ(-) trước biểu thức, còn trong trường hợp hình 4b ta đặt dấu công (+) trước biểu thức Cụ thể là:

-cho hình 4a e =-d dtφ (11)

-cho hình 4b e = +d dtφ (11a)

Tương tự

-Nếu d dtφ<0 thì sđđ cảm ứng trong cuộn dây ở hình 4a,b đều có chiều từ cực b đến cực a Trong trường hợp này trên hình 4a mũi tên chỉ hướng sđđ thuận, còn trên hình 4b mũi tên chỉ hướng sđđ ngược Như vậy nếu tính sđđ theo (10a) ở trường hợp hình 4a ta phải đặt dấu trừ(-) trước biểu thức, còn trong trường hợp hình 4b ta đặt dấu công (+) trước biểu thức Do đó để nhận được kết quả tính sđđ cảm ứng trong cuộn dây đúng khi đạo hàm d dtφ<0 thì phải đặt dấu trừ (-) trước

biểu thức (10a) cho trường hợp đánh mũi tên như hình 4a và phải đặt dấu (+) trước

biểu thức (10a) cho trường hợp đánh mũi tên như hình 4b Ta nhận được một biểu thức e =

-dt

dφ(cho trường hợp hình 4a) và e = +

dt

dφcho trường hợp hình 4b.

Như vậy dấu (-) hoặc (+) ở biểu thức (11, 11a) có một ý nghĩa vật lý nhất

định một cách nhất quán chiều của điện áp cảm ứng trong cuộn dây tại thời điểm bất kỳ khi từ thông móc vòng với cuộn dây thay đổi Phương pháp nhận chiều véc

tơ như hình 11 là nhận chiều mũi tên theo qui tắc vặn nút chai Giáo trình này nhận chiều véc tơ theo cơ sở này

Nếu từ thông móc vòng với W vòng dây thay đổi thì sđđ cảm ứng trong cuộn dây biểu diễn bằng biểu thức:

e =-W d dtφ (12)

Thực ra các vòng dây của cuộn dây nằm cạnh nhau trong một không gian nhất định, nên những vòng dây khác nhau móc vòng với số lượng từ thông khác nhau nên biểu thức (12) không hoàn toàn đúng (hình 5)



Do đó ta hãy xác định từ thông móc vòng tổng: đó là tổng các từ thông móc vòng với tất cả các cuộn dây

ψ =∑

=

w x

1 x

x

W

Để giải thích khái niệm trên ta dùng hình 5

Từ hình 5 ta thấy:

Cuộn 1 và 5 gồm 4 đường sức từ (φ1), cuộn 3,4 và 5 móc vòng với 6 đường sức (φ2) còn cuộn 4 móc vòng với 8 đường sức (φ3)

Như vậy tổng từ thông móc vòng bằng:

ψ= 2φ1+2φ2+φ3 = 2.4+3.6+1.8= 34

Ta thấy rằng ở cuộn dây phân tán tổng từ thông móc vòng luôn nhỏ hơn, cùng lắm là bằng tích số vòng dây với số đường sức đang tồn tại (trong trường hợp

với tất cả các cuộn dây do đó: ψ=Wφ (hình 6)

Với khái niệm tổng từ thông móc vòng thì định luật cảm ứng từ còn có thể viết:

e =-d dtψ (14)

Hoặc

e =-Wd dtφ (14a)

7

1 2 3 4 5 6

φ1

e

=-ψ=34

Hình 5 Cuộn dây phức tạp

φ1

e

1 2 3 4 5 6

Hình 6 Cuộn dây tập trung e

Sừ biến đổi từ thông móc vòng có thể theo thời gian cũng có thể thay đổi theo vị trí giữa cuộn dây và từ trường nên từ thông móc vòng có thể biểu diễn một cách tổng quát:

Sự thay đổi vị trí cũng là thay dổi theo thời gian x=x(t) Lúc này biểu thức

(14) có thể biểu diễn:

e = - ψx x t = −d dxψ dx dt

∂

∂

∂

∂ .

Trên hình 7 biểu diễn các trường hợp này

Sự thay đổi từ thông móc vòng với cuộn dây (hình 7a) do có sự chuyển động của thanh dẫn với độ dài l nằm trong từ trường có độ cảm ứng từ B=const nên có thể biểu diễn bằng:

(Sở dĩ có như vậy vì φ=BS và ldx=∆S)

Vậy:d dxψ=Bl còn dx dt = v tốc độ dài, do đó:

Người ta gọi sđđ này là sđđ quay, ta gặp trong máy điện một chiều, chiều của sđđ quay xác định theo qui tắc bàn tay phải

a)

v=0 B=var

b) dx

l e

v

v

v=var,B=const

v=var B=var

Hình 7 Hiện tượng cảm ứng từ a)mô hình, b)sđđ biến áp, c) sđđ- quay c) sức điện

động biến áp và sđđ quay

Trên hình 7d biểu diễn sự thay đổi cảm ứng từ trong trường hợp tổng quát nhất, khi cả độ cảm ứng từ và tốc độ đều biến đổi

Sđđ cảm ứng trong trường hợp này biểu diễn bằng:

2 Độ cảm ứng từ và cảm ứng tương hỗ

Dòng điện i chạy qua cuộn dây, tạo ra một từ thông móc vòng ψ thì độ tự cảm L của cuộn dây tính bằng:

L =ψi

(20) Nếu là cuộn dây tập trung có số vòng dây W thì tổng từ thông móc vòng ψ =Wφ, mặt khác φ=λµF mà F=IW, còn độ dẫn từ λµ =1/Rµ do vậy:

Từ (21) ta thấy: khi một cuộn dây có một dạng cấu tạo nhất định, có số vòng dây không đổi, sẽ có độ tự cảm không đổi, nếu dòng điện chạy qua không đổi

Sử dụng khái niệm về độ tự cảm, biểu thức sđđ cảm ứng có thể viết:

e = -d dxψ =-( i dL dt

dt

di

L + ) Với L= const thì:

e

=-dt

di

Khi có 2 cuộn dây đặt cạnh nhau, cho dòng điện chạy trong cuộn 1 thì sẽ

có từ thông móc vòng ψ12 với cuộn 2 Độ cảm ứng từ tương hỗ giữa cuộn 1 đối với cuộn 2 xác định như sau:

L12=

dt

dψ12

Ngược lại, khi cho dòng điện chạy qua cuộn 2 thì có từ thông ψ21 móc vòng với cuộn 1 Độ cảm ứng từ tương hỗ giữa cuộn 2 với cuộn 1 xác định như sau:

L21=

dt

dψ21

Người ta đã chứng minh được rằng: L12 = L21

Do ψ12 =W2φ12 mà φ12=F1λµ, , F1=I1W1 do đó L12= W1W2λµ 12, ở đây λµ 12 là

độdẫn từ tương hỗ giữa cuộn 1 và cuộn 2

dòng i2 thì có hiện tượng móc vòng tương hỗ giữa 2 cuộn dây, trong trường hợp đó tổng từ thông móc vòng cuộn 1 là ψ1 còn của cuộn 2 là ψ2 , giá trị của chúng như sau:

ψ1 =L1i1±L21i2

ψ2 =L2i1±L12i1

9

Ở đây dấu ‘+’ dùng cho trường hợp từ trường ngoài móc vòng cùng chiều với từ trường chính, còn dấu ’-‘ là khi chiều 2 từ trường này ngược nhau

3 Định luật lực điện từ.

Định luật lực điện từ xác định độ lớn và chiều của lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường và thanh dẫn có dòng điện chạy qua nằm trong từ trường

Giả sử có một thanh dẫn thẳng mang dòng điện I đặt trong từ trường đều có

độ cảm ứng từ B thì thanh dẫn sẽ chịu một lực tác dụng :

Trong đó l-là chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường, α-góc tạo bởi chiều của từ trường và dòng điện Nếu thanh dẫn đặt vuông góc với từ trường thì:

Chiều của lực F xác định theo qui tắc bàn tay trái

III CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN

Các phần tử cấu trúc của máy điện có thể chia thành:

Người ta cũng còn có thể chia ra phần quay (rô to) và phần tĩnh (stato) Ngoài 2 phần cơ bản là mạch điện và mạch từ, người ta còn dùng các phần cơ khí phụ như: màng che, vỏ, nắp ổ bi để đảm bảo cho người sử dụng không chạm vào các phần quay hoặc các phần mang điện trong khi làm việc và ngăn cản không cho các vật rắn, nước lọt vào trong máy hoặc để các tia lửa lọt ra ngoài Cách làm trên gọi là bảo vệ

Bảo vệ chống nước có nghĩa là không cho nước lọt vào bên trong dưới mọi hình thức như mưa, tia nước, độ ẩm hoặc do một lý do bất kỳ nào Khi máy điện làm việc có tổn hao công suất nên nhiệt độ của máy tăng lên, để bảo vệ cách điện, không cho nhiệt độ máy điện lên quá cao ta phải sử dụng phương pháp làm mát Tuỳ thuộc vào phương pháp dẫn nhiệt người ta chia ra : tự làm mát, làm mát nhân tạo và làm mát tự nhiên

Làm mát tự nhiên là phương pháp không dùng thiết bị phụ nào để đưa nhiệt ra khỏi máy Đây là phương pháp thô sơ không nâng được công suất máy điện, nên hầu như không được sử dụng

Tự làm mát là phương pháp gắn lên trục máy một quạt gió để tạo ra một dòng không khí đưa nhiệt ra ngoài Phương pháp này đơn giản nhưng cường độ làm mát phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to nên nếu dùng cho động cơ có tốc độ thay đổi hoặc đóng ngắt nhiều lần không có lợi

Làm mát nhân tạo là phương pháp tạo ra sự chuyển động của chất làm mát(không khí, nước hoặc khí hydrô ) bằng truyền động nằm ngoài phạm vi máy Chất làm mát có thể chuyển động trong một chu trình kín hay hở Trên hình 8 biểu diễn các phương pháp làm mát:a-tự làm mátd, b-làm mát nhân tạo chu trình hở, c-làm mát chu trình kín