Giáo trình Máy điện I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN ------------0----------- GVC-ThS.NGUYỄN TRỌNG THẮNG GVC-ThS.NGÔ QUANG HÀ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN I TP. HCM Tháng 12 / 2005 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình MÁY ĐIỆN I là một cuốn sách trong bộ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN gồm 2 tập nhằm giúp sinh viên bậc đại học hoặc cao đẳng ngành Điện Công Nghiệp, Điện Tự Động của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM làm tài liệu học tập, hoặc có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Điện- Điện tử, Công nghệ Điện tử –Viễn thông và các ngành khác liên quan đến lĩnh vực điện –điện tử. Giáo trình máy điện trình bày những lý thuyết cơ bản về: cấu tạo; nguyên lý làm việc; các quan hệ điện từ; các đặc tính cũng như các hiện tượng vật lý xảy ra trong: Máy điện một chiều; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộ và Máy điện đồng bộ. Toàn bộ giáo trình máy điện được chia làm 2 tập: Tập I gồm 2 phần: Máy điện một chiều và Máy biến áp. Tập II gồm 3 phần: Những vấn đề lý luận chung của các máy điện xoay chiều (dạng máy điện quay); Máy điện không đồng bộ; Máy điện đồng bộ. Để giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, giáo trình trình bày nội dung một cách ngắn gọn, cơ bản. Ở mỗi chương có ví dụ minh họa, câu hỏi và bài tập để sinh viên có thể hiểu sâu hơn những vấn đề mình đã học. Các tác gỉa Truong DH SPKT TP. HCM Thu vien DH SPKT TP. HCM - Ban qu yen © T ruong D H Su ph am Ky thuat TP. HC M MỤC LỤC Trang Mở đầu 01 Phần I: Máy điện một chiều (MĐMC) Chương 1: Đại cương về máy điện một chiều 07 Chương 2: Mạch từ lúc không tải của MĐMC 13 Chương 3: Dây quấn phần ứng của MĐMC 22 Chương 4: Quan hệ điện từ trong MĐMC 40 Chương 5: Từ trường lúc có tải của MĐMC 48 Chương 6: Đổi chiều 56 Chương 7: Máy phát điện một chiều 68 Chương 8: Động cơ điện một chiều 83 Chương 9: Máy điện một chiều đặc biệt công suất nhỏ 96 Phần II: Máy biến áp (MBA) Chương 1: Khái niệm chung về MBA 107 Chương 2: Tổ nối dây và mạch từ của MBA 116 Chương 3: Quan hệ điện từ trong MBA 125 Chương 4: Chế độ làm việc ở tải xác lập đối xứng của MBA 138 Chương 5: Các loại máy biến áp đặc biệt 149 Truong DH SPKT TP. HCM Thu vien DH SPKT TP. HCM - Ban qu yen © T ruong D H Su ph am Ky thuat TP. HC M TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện I,II . NXB khoa học và kỹ thuật - 1998 . 2- Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Thế Kiệt, Công nghệ chế tạo và tính toán sửa chữa Máy điện , NXB Giáo dục, 1995 . 3- A.E. Fitzerald, Charles kingsley . Electrical Machines. Mc. Graw - Hill, 1990 . 4- Jimmie J. Cathey . Electric machines Analysis and Design Applying Matlab . Mc. Graw - Hill - 2001 . 5- E.V.Armensky, G.B.Falk, Fractional Horsepower Electrical machines, Mir Publishers, Moscow, 1985. 6- Mohamed E. El-Hawary, Principle of Electric Machines with Power Electronic Applications, Prentice-Hall, 1986. 7- M.Kostenko, L.Piotrovsky, Electrical machines, vol.1,2, Mir Publishers Moscow, 1974. 8- Stephen J. Chapman, Electric machinery and Power System fundamental, Mc Graw Hill, 2002. Truong DH SPKT TP. HCM Thu vien DH SPKT TP. HCM - Ban qu yen © T ruong D H Su ph am Ky thuat TP. HC M TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN ------------0----------- GVC-ThS.NGUYỄN TRỌNG THẮNG GVC-ThS.NGÔ QUANG HÀ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN I TP. HCM Tháng 12 / 2005 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình MÁY ĐIỆN I là một cuốn sách trong bộ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN gồm 2 tập nhằm giúp sinh viên bậc đại học hoặc cao đẳng ngành Điện Công Nghiệp, Điện Tự Động của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM làm tài liệu học tập, hoặc có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Điện- Điện tử, Công nghệ Điện tử –Viễn thông và các ngành khác liên quan đến lĩnh vực điện –điện tử. Giáo trình máy điện trình bày những lý thuyết cơ bản về: cấu tạo; nguyên lý làm việc; các quan hệ điện từ; các đặc tính cũng như các hiện tượng vật lý xảy ra trong: Máy điện một chiều; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộ và Máy điện đồng bộ. Toàn bộ giáo trình máy điện được chia làm 2 tập: - Tập I gồm 2 phần : Máy điện một chiều và Máy biến áp. - Tập II gồm 3 phần : Những vấn đề lý luận chung của các máy điện xoay chiều (dạng máy điện quay); Máy điện không đồng bộ; Máy điện đồng bộ. Để giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, giáo trình trình bày nội dung một cách ngắn gọn, cơ bản. Ở mỗi chương có ví dụ minh họa, câu hỏi và bài tập để sinh viên có thể hiểu sâu hơn những vấn đề mình đã học. Các tác giả 1MỞ ĐẦU 1. Các loại máy điện và vai trò của chúng trong nền kinh tế quốc dân Điện năng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống của nhân dân. Việc điện khí hóa, tự động hóa trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải ngày càng đòi hỏi các thiết bị điện khác nhau. Trong đó các loại máy điện chiếm một vai trò chủ yếu để biến cơ năng thành điện năng và ngược lại hoặc để biến đổi dạng điện năng này thành dạng điện năng khác (xoay chiều đến một chiều). Biến đổi cơ năng thành điện năng nhờ các máy phát điện có động cơ sơ cấp kéo như tuốc bin hơi, tuốc bin nước, động cơ đốt trong. Biến đổi điện năng thành cơ năng dùng trong truyền động điện người ta dùng các loại động cơ điện. Việc truyền tải và phân phối điện năng xoay chiều từ trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ điện, việc biến đổi điện áp được thực hiện nhờ máy biến áp. Trong sản xuất thường dùng cả dòng điện xoay chiều và một chiều nên người ta chia các loại máy điện thành hai loại máy điện xoay chiều và máy điện một chiều. Có thể được mô tả bằng một sơ đồ tổng quát sau: Ngoài ra do các yêu cầu khác nhau của ngành sản xuất, giao thông vận tải nên xuất hiện các loại máy điện đặc biệt như máy điện xoay chiều có vành góp, máy khuếch đại điện từ, các máy điện cực nhỏ ... 2. Đại cương về các máy điện: Nguyên lý làm việc của các máy điện dựa trên cơ sở của định luật cảm ứng điện từ (e = -dφ / dt). Sự biến đổi năng lượng trong máy điện được thực hiện thông qua từ trường. Để tạo được những từ trường mạnh và Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay ↓ ↓↓ Máy điện DCMáy điện AC ↓ ↓ ↓ Máy điện KĐB Máy điện ĐB ↓↓ ↓ ↓ Máy phát điện DC Động cơ điện DC Máy phát điện ĐB Động cơ điện ĐB Máy biến áp Máy phát điện KĐB Động cơ điện KĐB ↓ ↓↓↓↓↓↓ ↓↓ 2 tập trung người ta dùng vật liệu sắt từ để làm mạch từ. Ở các máy biến áp mạch từ là một lõi thép đứng yên, còn trong các máy điện quay mạch từ gồm hai lõi thép đồng trục: Một quay và một đứng yên và cách nhau một khe hở. Theo tính chất thuận nghịch của các định luật cảm ứng điện từ một máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc chế độ động cơ điện. Nhưng vì đặc tính kỹ thuật người ta chỉ tính toán thiết kế để làm việc ở một chế độ nhất định. Trong các máy điện, năng lượng được biến đổi với hiệu suất cao từ 93% đến 95%. Khi làm việc do tổn hao của dòng Fucô (Foucault) trên lõi thép và tác dụng Joule trên dây quấn nên máy nóng, ta có thể làm nguội máy bằng nhiều cách. 3. Phương pháp nghiên cứu máy điện Như đã nói ở trên sự biến đổi năng lượng trong các máy điện được thực hiện thông qua từ trường trong máy. Như vậy việc nghiên cứu các máy điện có thể xuất phát từ lý thuyết trường điện từ. Song do cấu trúc vật lý và hình học phức tạp của các bộ phận trong máy điện, việc xác định cường độ điện trường E và cường độ từ trường H ở khe hở không khí từ hệ phương trình Maxwell gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy khi nghiên cứu các máy điện người ta không dùng trực tiếp lý thuyết trường mà dùng lý thuyết mạch để nghiên cứu. 4. Các đơn vị: Trong máy điện thường sử dụng hai loại hệ đơn vị - Hệ đơn vị tuyệt đối là các đơn vị có thứ nguyên. Hiện nay thường sử dụng hai loại đơn vị tuyệt đối là CGSµ0 và SI. Quan hệ giữa các đơn vị của hệ MKSA, SI và CGSµ0 Thời gian Tần số Chiều dài Tốc độ dài Gia tốc Khối lượng Từ thông Từ cảm Điện dung Điện trở Giây Hertz Mét Mét trên giây Mét trên giây2 Kilogramme Weber Weber/mét2 (hệ MKSA) Tesla (hệ SI) Farad Ohm Tên các đại lượng Tên và kí hiệu các đơn vị của hệ MKSA và SI Tên và kí hiệu các đơn vị của hệ CGSµ0 Đơn vị MKSA bằng bao nhiêu đơn vị của hệ CGSµ0 Giây Hertz centimetre cent. trên giây cent.trên giây2 Gramme Maxwell Gauss s Hz cm cm/s cm/s2 g Mx G 1 1 102 102 102 103 108 104 s Hz m m/ s m/s2 Kg Wb Wb/m2 T F Ω 3- Trong khi nghiên cứu, tính toán, thiết kế các máy điện để tiện lợi người ta còn dùng hệ đơn vị tương đối. Trong đó: I: Dòng điện có đơn vị là A U: Điện áp có đơn vị là V P: Công suất có đơn vị W Iđm, Uđm, Pđm : Là các đại lượng định mức của dòng điện, điện áp, công suất. 5. Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện. Các vật liệu dùng trong chế tạo máy điện gồm có: - Vật liệu tác dụng: Bao gồm vật liệu dẫn điện và vật liệu dẫn từ dùng 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 giữa các bộ phận dẫn điện với nhau. - Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và các bộ phận chịu lực tác dụng cơ giới như trục, vỏ máy, khung máy, ổ bi... nó bao gồm gang, sắt thép và các kim loại màu, hợp kim của chúng. Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế tạo máy điện. a. Vật liệu dẫn từ. Người ta dùng thép lá kĩ thuật điện, thép lá thông thường là thép đúc , thép rèn để chế tạo mạch từ. Các thép lá kĩ thuật điện (tôn silic) thường được dùng có các mã hiệu: ∋11, ∋12, ∋13, ∋21, ∋22, ∋32, ∋310.. Trong đó - ∋ chỉ thép lá kĩ thuật (∋lektrotexnik) - Số thứ nhất chỉ hàm lượng silic chứa trong thép, số càng cao hàm lượng silic càng nhiều thép dẫn từ càng tốt, nhưng dòn dễ gẫy. - Số thứ hai: Chỉ chất lượng của thép về mặt tổn hao, số càng cao thì tổn hao càng ít. - Số thứ ba: Số 0 chỉ thép cán nguội (thép dẫn từ có hướng), thường sử dụng trong chế tạo máy biến áp. Ngoài ra còn các loại thép kỹ thuật điện mang mã hiệu 3404, 3405, ..., 3408 có chiều dày 0,3 mm, 0,35 mm Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, các lá tôn silic trên thường được phủ một lớp sơn cách điện mỏng sau đó mới được ghép chặt lại với nhau, từ đó sinh ra một hệ số ép chặt Kc: Là tỉ số giữa chiều dài của lõi thép thuần thép với chiều dài I* = U* = P* = I P PđmUđm U Iđm 4thực của lõi thép kể cả cách điện sau khi ghép. b. Vật liệu dẫn điện Dùng chủ yếu là đồng (Cu) và nhôm (Al) vì chúng có điện trở bé, chống ăn mòn tốt. Tùy theo yêu cầu về cách điện và độ bền cơ học người ta còn dùng hợp kim của đồng và nhôm. Có chỗ còn dùng cả thép để tăng sức bền cơ học và giảm kim loại màu như vành trượt. c. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng trong máy điện phải đạt các yêu cầu: - Cường độ cách điện cao. - Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng. - Chống ẩm tốt, bền về cơ học. Các chất cách điện dùng trong máy điện có thể ở thể hơi như không khí, thể lỏng (dầu máy biến áp) và thể rắn. Các chất cách điện ở thể rắn có thể chia làm 4 loại: - Các chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải, lụa .. - Các chất vô cơ như mi ca. amiăng, sợi thủy tinh ... - Các chất tổng hợp. - Các chất men, sơn cách điện, các chất tẩm sấy từ các vật liệu thiên nhiên và tổng hợp. Tùy theo tính chịu nhiệt, các vật liệu cách điện được chia thành các cấp sau: - Cấp Y: Nhiệt độ giới hạn cho phép 900 C, làm bằng vật liệu sợi xen lu lô hay lụa gỗ, các tông không tẩm hay không quét sơn. - Cấp A: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1050 C, làm bằng vật liệu cách điện cấp Y có tẩm sơn cách điện. - Cấp E: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1200 C, làm bằng các sợi pô ly me. - Cấp B: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1300 C, làm bằng các sản phẩm mi ca, a mi ăng, sợi thủy tinh. - Cấp F: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1550 C, làm bằng vật liệu cấp B dùng kết hợp với các chất tẩm sấy tương ứng. - Cấp H: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1800 C, làm bằng vật liệu mi ca không chất độn hoặc độn bằng vật liệu vô cơ, vải thủy tinh tẩm sơn. - Cấp C: Nhiệt độ giới hạn cho phép trên 1800 C, làm bằng vật liệu gốm mi ca, gốm thủy tinh, thạch anh dùng kết hợp với các chất vô cơ. Cấp cách điện Y A E B F H C t0 cao nhất cho phép (0 C) 90 105 120 130 155 180 >180 Độ tăng nhiệt ∆t (0 C) 50 65 80 90 115 140 >140 ø5 Độ tăng nhiệt độ Δt có thể tính: Δt = t1 - t2 Trong đó: t1: Nhiệt độ của máy. t2: Nhiệt độ môi trường. Theo TCVN: Nhiệt độ môi trường là 400c còn của máy điện ta đo bình quân. Hiện nay thường dùng các cấp cách điện A, E, B. Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thì tuổi thọ của máy giảm đi 1/2 nên không được cho máy làm việc quá tải trong thời gian dài. 6. Các định luật điện từ cơ bản dùng trong máy điện a. Định luật cảm ứng điện từ: α. Trường hợp từ thông biến thiên qua vòng dây Năm 1833 nhà vật lý học người Nga là Lenxơ đã phát hiện ra qui luật về chiều s.đ.đ cảm ứng. Định luật cảm ứng điện từ được phát biểu như sau: Khi từ thông đi qua một vòng dây biến thiên sẽ làm xuất hiện một s.đ.đ trong vòng dây, gọi là s.đ.đ cảm ứng. Sức điện động cảm ứng có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra có tác dụng chống lại Nếu cuộn dây có W vòng, sức điện động càm ứng trong cuộn dây sẽ là: Trong đó là từ thông móc vòng của cuộn dây. Φ tính bằng Wb (vêbe), e tính bằng (V). β. Trường hợp thanh dẫn chuyển động thẳng trong từ trường dt d e Φ−= dt d dt wd e Ψ−=Φ−= Φ=Ψ w Khi thanh dẫn chuyển động thẳng trong từ trường, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng s.đ.đ e có trị số là e = B.l.v e: S.đ.đ cảm ứng (V); B: Từ cảm (T); l: Chiều dài thanh dẫn trong từ trường (m). Chiều của s.đ.đ được xác định bằng qui tắc bàn tay phải: Cho đường sức từ đi vào lòng bàn tay phải. Ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của dây dẫn, thì chiều từ cổ tay tới ngón tay chỉ chiều s.đ.đ. B v E Hình1.2 Qui tắc bàn tay phải. Hình1.1 Qui ước chiều dương cho vòng dây có từ thông xuyên qua. S N Φ e sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Chiều quay của cán vặn nút chai sẽ là chiều dương của vòng dây. Sức điện động cảm ứng trong vòng dây sẽ được xác định theo công thức Mắùcxoen 6b. Định luật lực điện từ Lực điện từ có ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật, là cơ sở để chế tạo máy điện và khí cụ điện. Trường hợp đơn giản nhất là lực của từ trường tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện. Nếu một dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức của từ trường, thanh dẫn sẽ chịu tác động của lực điện từ là: F = B.i.l (N) B: Từ cảm (T); i: Dòng điện chạy trong thanh dẫn (A); l: Chiều dài thanh dẫn (m). F B I Hình1.3 Qui tắc bàn tay trái. Chiều của lực điện từ được xác định bằng qui tắc bàn tay trái: Ngửa bàn tay trái cho đường sức từ (hoặc véc tơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều lực điện từ. c. Các định luật về mạch từ. Các phần tử làm bằng vật liệu sắt từ ghép với nhau để từ thông khép kín trong mạch được gọi là mạch từ. Vì thép kỹ thuật điện có từ dẫn nhỏ hơn nhiều so với các vật liệu khác, nên từ thông tập trung chủ yếu trong mạch từ. Phần từ thông chạy ra ngoài mạch từ gọi là từ thông tản. Để tạo ra từ thông trong mạch cần có nguồn gây từ, thông thường là cuộn dây quấn trên mạch, gọi là cuộn dây từ hoá. Khi cuộn dây có dòng điện I đi qua, nó tạo ra s.t.đ F = IW, W là số vòng của cuộn dây. ∑ Ι=∑ Η∫ ∑ == == m 1j n 1i ii WLIHdl 7ø PHẦN MỘT MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luôn luôn chiếm một vị trí quan trọng, bởi nó có các ưu điểm sau: Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong công nghiệp dệt, giấy , cán thép, ... Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong công nghiệp mạ điện vv ... Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp. §1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều (máy phát điện) hoặc ngược lại để biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện) Máy gồm một khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp, khung dây và phiến góp được quay quanh trục của nó với một vận tốc không đổi trong từ trường của hai cực nam châm. Các chổi than A và B đặt cố định và luôn luôn tì sát vào phiến góp. Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điện từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động theo định luật Faraday ta có: e = B.l.v (V) B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua. (T) l: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường. (m) v: Tốc độ dài của thanh dẫn (m/s). Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của máy điện một chiều Hình 1.1. Sơ đồ khối chỉ chế độ làm việc của máy điện một chiều Tải Phiến góp Phần cảm Phần ứng Chổi than M,n ⎞↓ĐC U-...I- → 1. Máy phát điện MF U-...I-M,n ⎞↓ → 8ø Chiều của sức điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải như vậy theo hình vẽ sức điện động của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều đi từ d đến c, còn thanh ab nằm dưới cực N có chiều đi từ b đến a. Nếu mạch ngoài khép kín qua tải thì sức điện động trong