NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN ( THÂN NGỌC HOÀN NGUYỄN TRỌNG THẮNG) MỤC LỤC ................................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. CÁC PHẦN CHUNG ......................................................................................... 9 1.1. Hệ thống đơn bị đo lường ............................................................................................... 9 1.2. Các định luật dùng trong máy điện................................................................................ 10 1.2.1. Định luật mạch từ................................................................................................... 10 1.2.2. Định luật cảm ứng từ.............................................................................................. 14 1.2.3. Định luật lực điện từ .............................................................................................. 19 1.3. Những đại lượng đặc trưng ........................................................................................... 19 1.3.1. Cảm ứng từ và hỗ cảm ........................................................................................... 19 1.3.2. Sức điện động cảm ứng .......................................................................................... 20 1.4. Điện áp cảm ứng trong khung dây quay trong từ trường................................................ 23 1.5. Mô men của khung dây mang dòng điện ....................................................................... 24 1.6. Các loại từ trường dùng trong máy điện và cách tạo ra chúng........................................ 25 1.7. Vec tơ không gian quay ................................................................................................ 29 1.8. Quan hệ giữa tần số điện và tốc độ từ trường quay........................................................ 30 1.9. Sức từ động (Stđ) của dây quấn..................................................................................... 31 1.9.1. Stđ trên một pha do dây quấn stator tạo ra.............................................................. 31 1.9.2. Stđ do dây quấn rotor của máy điện DC tạo ra........................................................ 32 1.9.3. Stđ do dây quấn rotor của máy điện DC tạo ra........................................................ 32 1.10. Phân bố từ thông dưới cực từ ...................................................................................... 33 1.11. Phân loại máy điện...................................................................................................... 33 1.12. Cấu tạo của máy điện.................................................................................................. 35 1.13. Vật liệu dùng trong máy điện...................................................................................... 37 1.13. Tổn hao và hiệu suất máy điện .................................................................................... 39 1.14. Điều kiện làm việc của máy ........................................................................................ 41 CHƯƠNG 2. MẠCH TỪ, MẠCH ĐIỆN CỦA MÁY ĐIỆN.................................................. 43 2.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 43 2.2. Mạch từ, mạch điện của máy biến áp ............................................................................ 43 3 2.2.1. Mạch từ máy biến áp một pha ................................................................................ 43 2.2.2. Mạch điện (Cuộn dây) máy biến áp ........................................................................ 45 2.3. Mạch từ của máy điện quay .......................................................................................... 46 2.3.1. Mạch từ máy điện một chiều .................................................................................. 46 2.3.2. Mạch từ máy điện dị bộ (không đồng bộ)............................................................... 49 2.3.3. Mạch từ máy điện đồng bộ ..................................................................................... 50 2.4. Mạch điện của máy điện ............................................................................................... 52 2.4.1. Mạch điện của máy điện một chiều ........................................................................ 52 2.4.2. Cuộn dây máy điện xoay chiều............................................................................... 65 2.5. Các phần tử cơ khí của máy điện................................................................................... 80 2.5.1. Phần phụ của máy biến áp ...................................................................................... 80 2.5.2. Các phần cấu tạo phụ của máy điện một chiều........................................................ 81 2.5.3. Các phần cơ khí của máy dị bộ............................................................................... 82 2.5.4. Các phần cơ khí của máy đồng bộ .......................................................................... 83 CHƯƠNG 3. MÁY BIẾN ÁP ................................................................................................ 86 3.1. Máy biến áp một pha .................................................................................................... 86 3.1.1. Mở đầu .................................................................................................................. 86 3.1.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ...................................................................... 87 3.1.3. Chế độ không tải của máy biến áp .......................................................................... 91 3.1.4. Chế độ tải của máy biến áp................................................................................... 100 3.1.5. Xác định thông số của sơ đồ tương đương............................................................ 107 3.1.6. Điều chỉnh điện áp ở máy biến áp ........................................................................ 108 3.1.7. Tính toán biến áp một pha.................................................................................... 109 3.1.8. Xác định đầu cuộn dây biến áp............................................................................. 110 3.2. Máy biến áp ba pha..................................................................................................... 112 3.2.1. Mở đầu ................................................................................................................ 112 3.2.2. Cách nối cuộn dây của máy biến áp 3 pha ............................................................ 112 3.2.4. Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha ........................................................................ 114 3.2.5. Phạm vi sử dụng các tổ nối dây và hệ số biến áp của máy biến áp 3 pha............... 118 3.2.6. Các sóng bậc cao của dòng điện và từ thông......................................................... 119 3.2.7. Chế độ tải của máy biến áp 3 pha ......................................................................... 121 4 3.3. Máy biến áp đặc biệt................................................................................................... 127 3.3.1. Mở đầu ................................................................................................................ 127 3.3.2. Biến áp tự ngẫu.................................................................................................... 127 3.3.3. Biến áp dùng trong các bộ biến đổi ...................................................................... 129 3.3.4. Máy biến áp hàn 2 ............................................................................................. 130 3.3.5. Biến áp đo lường.................................................................................................. 131 3.4. Làm việc song song các biến áp .................................................................................. 133 3.4.1. Mở đầu ................................................................................................................ 133 3.4.2. Điều kiện để các biến áp làm việc song song và phương pháp kiểm tra các điều kiện ấy .................................................................................................................................. 134 3.5. Quá trình quá độ máy biến áp 1................................................................................ 136 CHƯƠNG 4. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.................................................................... 141 4.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 141 4.2. Nguyên lý làm việc cảu máy điện dị bộ....................................................................... 141 4.3. Các chế độ làm việc của máy điện dị bộ...................................................................... 142 4.4. Máy điện dị bộ làm việc với rô to hở........................................................................... 144 4.5. Động cơ dị bộ có rô to quay........................................................................................ 145 4.5.1. Phương trình cân bằng sđđ ................................................................................... 145 4.5.2. Sơ đồ tương đương............................................................................................... 146 4.6. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ...................................................................... 150 4.6.1. Thống kê năng lượng của động cơ........................................................................ 150 4.6.2. Mô men quay (mô men điện từ) của động cơ dị bộ............................................... 151 4.6.3. Đặc tính cơ của động cơ không đòng bộ ba pha.................................................... 152 4.6.4. Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo ........................................................ 155 4.7. Khởi động động cơ không đồng bộ ............................................................................. 157 4.7.1. Khởi động trực tiếp .............................................................................................. 157 4.7.2. Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động ............................................ 157 4.8. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ .................................................................. 165 4.8.1. Mở đầu ................................................................................................................ 165 4.8.2. Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 ................................................................ 166 4.8.3 Thay đổi số đôi cực............................................................................................... 168 5 4.8.4. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn cung cấp...................................... 170 4.8.5. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rô to............................................. 170 4.8.6. Thay đổi điện áp ở mạch rô to .............................................................................. 171 4.9. Máy điện không đồng bộ làm việc như máy phát điện................................................. 174 4.10. Động cơ dị bộ rô to dây quấn cấp điện từ 2 phía........................................................ 175 CHƯƠNG 5. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ................................................................................... 179 5.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 179 5.2. Nguyên lý hoạt động................................................................................................... 179 5.3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ........................................................... 181 5.4. Phản ứng phần ứng của máy điện cực hiện (cực lồi).................................................... 184 5.5. Phản ứng phần ứng máy phát cực ẩn........................................................................... 187 5.6. Đồ thị vector của máy phát đồng bộ 3 pha................................................................... 189 5.6.1. Đồ thi vectơ sđđ máy phát cực ẩn ....................................................................... 189 5.6.2. Đồ thị vector của máy phát đồng bộ cực hiện ....................................................... 192 5.6.3. Đồ thị vector của máy phát đồng bộ khi ngắn mạch.............................................. 196 5.7. Các đặc tính của máy phát đồng bộ ............................................................................. 196 5.7.1. Đặc tính không tải................................................................................................ 197 5.7.2. Đặc tính ngắn mạch.............................................................................................. 199 5.7.3. Đặc tính tải .......................................................................................................... 201 5.7.4. Đặc tính ngoài...................................................................................................... 202 5.7.5. Đặc tính điều chỉnh .............................................................................................. 204 5.8. Tổn hao và hiệu suất ................................................................................................... 205 5.9. Các máy phát điện làm việc song song........................................................................ 206 5.9.1. Mở đầu ................................................................................................................ 206 5.9.2. Các điều kiện của các máy phát làm việc song song ............................................. 206 5.9.3. Hoà song song các máy phát đồng bộ................................................................... 207 5.9.4. Tính chất của máy phát điện khi làm việc song song 1....................................... 213 5.9.5. Mômen điện từ của máy đồng bộ ......................................................................... 215 5.9.6. Mômen đồng bộ và dao động máy........................................................................ 219 5.10. Động cơ đồng bộ ...................................................................................................... 221 5.10.1. Tính chất động của động cơ đồng bộ .................................................................. 221 6 5.10.2. Khởi động động cơ đồng bộ ............................................................................... 223 5.11. Máy bù đồng bộ........................................................................................................ 227 5.12. Ngắn mạch ổn định máy phát đồng bộ ...................................................................... 228 5.13. Ngắn mạch không ổn định ........................................................................................ 231 CHƯƠNG 6. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU............................................................................... 239 6.1. Khái niệm................................................................................................................... 239 6.2. Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều ............................................................. 239 6.3. Biểu thức sđđ của máy điện một chiều ........................................................................ 241 6.4. Phản ứng phần ứng máy điện một chiều...................................................................... 242 6.4.1 .Khái niệm về phản ứng phần ứng ......................................................................... 242 6.4.2. Phản ứng phần ứng ngang .................................................................................... 242 6.5. Chuyển mạch dòng điện ở cổ góp ............................................................................... 246 6.5.1. Bản chất............................................................................................................... 246 6.5.2. Sđđ xuất hiện trong quá trình đảo chiều dòng điện ............................................... 248 6.6. Tia lửa điện ở chổi và cách giảm tia lửa điện ở chổi.................................................... 249 6.6.1. Nguyên nhân xuất hiện tia lửa điện ...................................................................... 249 6.6.2. Các phương pháp giảm tia lửa .............................................................................. 249 6.7. Máy phát điện một chiều............................................................................................. 251 6.7.1. Phân loại máy phát điện một chiều ....................................................................... 251 6.7.2. Phương trình cân bằng sđđ của máy phát.............................................................. 252 6.7.3. Mô men điện từ của máy phát .............................................................................. 252 6.7.4. Máy phát kích từ độc lập...................................................................................... 254 6.7.5. Máy phát kích từ song song.................................................................................. 258 6.7.6. Máy phát kích từ nối tiếp ..................................................................................... 262 6.7.7. Máy phát kích từ hỗn hợp .................................................................................... 263 6.7.8. Các máy phát điện một chiều làm việc song song................................................. 264 6.8. Động cơ một chiều...................................................................................................... 268 6.8.1. Phân loại động cơ một chiều ................................................................................ 268 6.8.2. Phương trình cân bằng sđđ của động cơ ............................................................... 268 6.8.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ............................................................... 269 6.8.4. Khởi động động cơ một chiều .............................................................................. 273 7 6.8.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ................................................................... 274 CHƯƠNG 7. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC........................................................................ 282 7.1. Động cơ dị bộ một pha................................................................................................ 282 7.1.1. Mạch từ của máy điện dị bộ một pha.................................................................... 282 7.1.2. Nguyên lý hoạt động............................................................................................ 283 7.1.3. Khởi động động cơ dị bộ một pha ........................................................................ 284 7.1.4. Động cơ dị bộ 3 pha ở chế độ 1 pha..................................................................... 285 7.2. Động cơ bước ............................................................................................................. 287 7.2.1 Mở đầu ................................................................................................................. 287 7.2.2. Cấu tạo của động cơ bước .................................................................................... 287 7.2.3 Nguyên lý hoạt động 4........................................................................................ 290 7.2.4 Mô men đồng bộ và trạng thái ổn định tĩnh của động cơ bước............................... 292 7.2.5. Ba chế độ điều khiển động cơ bước...................................................................... 296 7.3. Động cơ không chổi than dòng một chiều(BLDC) ...................................................... 297 7.3.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 297 7.3.2. Cấu tạo của động cơ BLDC.................................................................................. 299 7.3.3. Chuyển mạch dòng điện....................................................................................... 305 7.3.4. Nguyên lý hoạt động (Điều khiển chuyển động động cơ BLDC) .......................... 307 7.3.5. Phương trình sđđ và mô men 12 ........................................................................ 314 7.3.6. Đặc tính cơ của động cơ....................................................................................... 319 7.3.7. Mô hình toán của máy điện BLDC....................................................................... 320 7.3.8. Điều khiển tốc độ độcng cơ BLDC....................................................................... 321 7.4. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) .......................................................... 323 7.4.1. Mở đầu ................................................................................................................ 323 7.4.2. Cấu tạo của động cơ PMSM................................................................................. 324 7.4.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM ............................................................ 325 7.4.4. Mô hình máy PMSM............................................................................................ 325 7.4.5. Điều khiển tốc độ động cơ PMSM........................................................................ 327 7.5. Động cơ từ trở (Động cơ đóng ngắt trở kháng SRM)................................................... 331 7.5.1. Nguyên lý hoạt động............................................................................................ 332 7.5.2. Nguyên lý điều khiển ........................................................................................... 333 8 CHƯƠNG 8. MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT................................................................................... 335 8.1. Máy điện một chiều từ trường ngang........................................................................... 335 8.1.1. Mở đầu ................................................................................................................ 335 8.1.2. Máy Rosenberg .................................................................................................... 338 8.1.3. Amplidyn (Máy điện khuyeechs đại).................................................................... 339 8.1.4. Máy điện một chiều không cổ góp........................................................................ 342 8.2. Máy điện đặc biệt dòng xoay chiều ............................................................................. 343 8.2.1. Cuộn dây máy điện một chiều nằm trong từ trường biến đổi................................. 343 8.2.2. Động cơ một pha xoay chiều cổ góp..................................................................... 346 8.2.3. Động cơ đầy (Thomson)....................................................................................... 348 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 350
CÁC PHẦN CHUNG
Hệ thống đơn bị đo lường
Trong lĩnh vực máy điện và kỹ thuật điện, các đại lượng cơ bản như độ dài, khối lượng, thời gian, độ thẩm từ và cường độ dòng điện đóng vai trò quan trọng Những đại lượng này kết hợp lại để hình thành các hệ đo lường khác nhau Bảng 1 trình bày các đại lượng của ba hệ đo lường cùng với tỷ số tương ứng của chúng.
Bảng 1: Các đại lượng của hệ MKS0, SI và MKSA
Tên gọi các đại lượng
Tên gọi và ký hiệu 1 đơn vị của hệ đo lường Tỷ số các đại lượng của hệ MKSA, SI so với hệ MKS 0
Thời gian Giây[s] Giây[s] Giây[s] 1
Tần số Hers[Hz] Hers[Hz] Hers[Hz] 1 Độ dài Mét[m] Mét[m] Centimet[cm] 10 2
Khối lượng Ki lô gam Ki lô gam Gam 10 3
Lực cơ học Niu tơn[N] Niu tơn[N] Đin 10 5
Công suất Woat[W] Woat[W] eg/s 10 7 Điện tích Cu-lông[C] Cu-lông[C] eg/s 10 -1
Am-pe/m Am-pe/m Oested(Oe) 10- 3
Từ thông Wen-be[Wb] Wen-be[Wb] Maxoen(Mx) 10 8
Cảm ứng từ Wb/m 2 Tesla[T] 10 9 Điện dung Fara[F] Fara[F] 10 9 Điện trở Ohm[] Ohm[] 10 9
Trong kỹ thuật điện, hệ MKSA khác với hệ SI ở cách đo độ cảm ứng từ Cụ thể, trong hệ MKSA, độ cảm ứng từ được đo bằng đơn vị Wb/m², trong khi hệ SI sử dụng đơn vị Tesla (T).
Trong thực tế tính toán, việc áp dụng các hệ đo lường thường gặp nhiều phức tạp, dẫn đến việc sử dụng các hệ đo lường hỗn hợp Điều này tạo ra các hệ số trong các công thức Chẳng hạn, biểu thức suất điện động (sđđ) của dòng một chiều được biểu diễn là e = Blv × 10^-8 Để suất điện động được đo bằng volt [V], từ đó hệ số B cần được đo bằng Gauss, độ dài phải được đo bằng centimet [cm], và tốc độ v đo bằng centimet trên giây [cm/s].
Để viết công thức mà không có hệ số 10^-8, các đại lượng B, l, v vẫn được đo bằng các đơn vị cũ, thì sđđ sẽ được đo bằng đơn vị MKSμ₀ (không có tên gọi) Nếu B được đo bằng [T] và l được đo bằng các đơn vị tương ứng, thì sẽ có sự nhất quán trong việc sử dụng các đại lượng này.
[m], v đo bằng [m/s] thì e đo bằng [V], biểu thức không có 10 -8
Các định luật dùng trong máy điện
Mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường là rất chặt chẽ, được xác định thông qua các định luật về điện động Những định luật này không chỉ giúp hiểu rõ mối liên hệ mà còn cho phép xây dựng các công thức tính toán các đại lượng cần thiết Để nghiên cứu hiện tượng từ trường, việc tạo ra hình ảnh chính xác về từ trường là điều kiện tiên quyết.
Theo Faraday, từ trường là một không gian với các đường sức vật lý được gọi là đường sức từ trường Những đường sức này giúp xác định cường độ từ trường thông qua việc đo số lượng đường sức đi qua một tiết diện 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 trường
H và độ cảm ứng từ
B trùng phương Ở những môi trường khác
B không trùng phương nhau, quan hệ giữa H và B là quan hệ phi tuyến
Đường sức từ được biểu diễn bằng một đường khép kín, không có đầu hay cuối Các đường sức từ không thể bị cắt đứt và không thể tìm thấy đầu của chúng trong bất kỳ quá trình nào diễn 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:
(1.1) Ở đây Bcos là thành phần vuông góc của véc tơ cảm ứng từ
Trường của khoảng không gian không có dòng điện được đặc trưng bằng thế vô hướng thay đổi theo từng điểm Gradien của trường cho biết tốc độ thay đổi theo một hướng nhất định, tương ứng với cường độ của từ trường theo hướng đó nhưng với dấu ngược lại Thế từ giúp biểu diễn mặt phẳng từ thành các lớp cắt vuông góc với đường sức, từ đó tạo ra mặt phẳng đẳng thế từ U=const và hệ thống đường sức F=const.
Thế từ được biểu diễn bằng phương trình Laplace:
Khi cắt một từ trường thành những ống từ có tiết diện đồng nhất, nếu mọi điểm trên tiết diện đều có độ lớn H không đổi, thì từ thông cơ bản xuyên qua bất kỳ tiết diện nào của ống từ sẽ được tính bằng công thức tương ứng.
(1.3) Trong đó S là 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:
Trong đó dl là đoạn chuyển dịch cơ bản theo một đường nào đó từ điểm A1A2 trong từ trường (hình 1.1)
i - tổng dòng điện có trong vòng tích phân; cos( , )
H - hệ số góc giữa hướng chuyển dịch và hướng của đường sức từ (hình 1.1)
Như vậy nếu ta ký hiệu là tổng từ thông thì ta có thể biểu diễn bằng công thức: =i
Khi tính i phải chú ý tới dấu của dòng điện Ví dụ ở hình 1.2, có 2 vòng O1 và
Vì I 5 nằm ngoài vòng nên không tính Thông thường đường tích phân được chọn là đường sức nên cos( , )1
Vậy định luật mạch từ phát biểu như sau:
Tích phân theo một đường khép kín cho thấy rằng tích của cường độ từ trường với đoạn dl theo phương dl có giá trị bằng tổng từ thông trong vòng này Trong máy điện, từ thông khép kín chủ yếu tồn tại trong mạch từ, bao gồm các đoạn như stato, khe hở không khí, rô to và thân máy Cường độ từ trường ở các đoạn này được coi là không đổi, do đó, biểu thức có thể được viết lại một cách đơn giản.
Độ sụt từ của mạch, được biểu diễn ở phía phải của phương trình H dl = H 1 l 1 + H 2 l 2 + + H n l n = ∑ i (1.5), tương ứng với độ sụt điện áp trong mạch điện Trong khi đó, phía trái của phương trình này được gọi là sức từ động (stđ).
Khi dòng điện chạy qua một cuộn dây tập trung với số vòng là W và cường độ dòng điện là I, sẽ tạo ra một từ trường Từ trường này có thể được biểu diễn bằng một công thức nhất định, cho thấy mối liên hệ giữa các yếu tố này.
Công thức F=IW (1.6) giải thích lý do tại sao điện áp thường được gọi là am-pe vòng Trong một mạch từ chỉ có một từ thông, phía trái của công thức (1.5) có thể được biến đổi để phù hợp với các điều kiện cụ thể của mạch.
(1.7) Dựa vào định luật Ohm có thể viết định luật mạch từ như sau:
Trong mạch từ, R đại diện cho trở từ và F là sức điện từ tác dụng theo mạch từ Khi tiết diện mạch từ nhỏ so với độ dài của nó, định luật mạch từ tương tự như định luật Ohm trong mạch điện Ngoài từ thông khép kín trong mạch từ, các mạch từ phức tạp còn có từ thông khép kín ngoài mạch, được gọi là từ thông tản.
Giá trị của độ từ thẩm () và diện tích mặt cắt (S) của mạch từ sẽ khác nhau ở các đoạn khác nhau Nếu giả định rằng chiều dài (l), độ từ thẩm (), và diện tích mặt cắt (S) của n phần tử trong mạch từ là đồng nhất, ta có thể diễn đạt như sau:
n n (1.9) Để đơn giản tính toán ta chia mạch từ làm thành những đoạn riêng biệt, lúc này có:
Giả thiết rằng 1 = 2 = = n = const và S 1 =S 2 = S n = cosnt ta được công thức gần đúng cho mạch từ:
Định luật Hopkinson không hoàn toàn tương đương với định luật Ohm trong mạch điện, vì điện trở của mạch điện không phụ thuộc vào dòng điện, trong khi trở từ của mạch từ lại phụ thuộc vào từ thông.
1.2.2 Định luật cảm ứng từ Định luật cảm ứng từ phát biểu như sau (hình 1.3):
Khi từ thông qua một cuộn dây thay đổi, sẽ xuất hiện một suất điện động (sđđ) trong vòng dây Giá trị của sđđ này có thể được biểu diễn bằng công thức: e = dΦ/dt.
Hình 1.3: Giải thích định luật cảm ứng từ
Hiện tượng xuất hiện sức điện động (sđđ) trong vòng dây xảy ra khi từ thông qua vòng dây thay đổi, không phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra sự biến đổi này Sự biến đổi từ thông có thể do dòng điện thay đổi trong vòng dây (tự cảm), từ cuộn dây ngoại lai (cảm ứng), hoặc do sự dịch chuyển của bộ phận sinh ra từ trường, bao gồm cả việc dịch chuyển cuộn dây.
Chiều của sđđ cảm ứng theo quy luật Lens là chiều mà dòng điện sinh ra sẽ tạo ra từ thông ngược lại với sự biến đổi của từ thông ban đầu Cụ thể, nếu từ thông tăng, sđđ cảm ứng sẽ tạo ra dòng điện có chiều ngược với từ thông, và nếu từ thông giảm, chiều của từ thông do sđđ cảm ứng sinh ra sẽ cùng chiều với từ thông ban đầu Để xác định chiều của sđđ, ta sử dụng mũi tên chỉ hướng; với dòng một chiều, chiều mũi tên không thay đổi, trong khi với dòng xoay chiều, chiều mũi tên sẽ thay đổi.
Khi dùng mũi tên chỉ hướng ta qui định như sau:
Những đại lượng đặc trưng
1.3.1 Cảm ứng từ và hỗ cảm
Dòng điện i chạy qua cuộn dây, tạo ra một từ thông móc vòng thì độ tự cảm L của cuộn dây tính bằng:
Nếu là cuộn dây tập trung có số vòng dây W thì tổng từ thông móc vòng
=W, mặt khác = F mà F=IW, còn độ dẫn từ =1/R do vậy:
Khi một cuộn dây có cấu trúc nhất định và số vòng dây không thay đổi, độ tự cảm của nó sẽ giữ nguyên nếu dòng điện chạy qua cuộn dây không đổi.
Sử dụng khái niệm về độ tự cảm, biểu thức sđđ cảm ứng có thể viết: e = - dx d
L di ) Với L= const thì: e =- dt
Khi hai cuộn dây đặt cạnh nhau, dòng điện chạy qua cuộn 1 sẽ tạo ra từ thông móc vòng 12 với cuộn 2 Độ cảm ứng từ tương hỗ giữa cuộn 1 và cuộn 2 được xác định dựa trên mối quan hệ giữa dòng điện và từ thông.
Khi dòng điện được truyền qua cuộn 2, nó tạo ra từ thông 21 liên kết với cuộn 1 Độ cảm ứng từ tương hỗ giữa cuộn 2 và cuộn 1 được xác định theo công thức dt.
Người ta đã chứng minh được rằng: L 12 = L 21
Do 12 =W 2 12 mà 12 =F 1 , F 1 =I 1 W 1 do đó L 12 = W 1 W 2 12 , ở đây 12 là độ dẫn từ tương hỗ giữa cuộn 1 và cuộn 2
Khi 2 cuộn dây đặt cạnh nhau mà qua cuộn 1 chạy dòng i 1 , cuộn 2 chạy dòng i 2 thì có hiện tượng móc vòng tương hỗ giữa 2 cuộn dây, trong trường hợp đó tổng từ thông móc vòng cuộn 1 là 1 còn của cuộn 2 là 2 , giá trị của chúng như sau:
2 =L 2 i 1 L 12 i 1 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
1.3.2 Sức điện động cảm ứng
1.3.2.1 Sức điện động cảm ứng khi từ thông móc vòng cuộn dây biến đổi
Khi từ thông móc vòng với một vòng dây biến đổi thì trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) có gía trị: dt e ind d
Chiều của suất điện động (sđđ) cảm ứng phải ngược lại với chiều của từ thông ban đầu Nếu có W vòng dây, giá trị của sđđ này được tính bằng công thức: e = -W (dΦ/dt).
Trên hình1.8 biểu diễn chiều từ thông và chiều sđđ cảm ứng trong cuộn dây.
Hình.1.8: Giải thích nguyên lý xuất hiện sđđ cảm ứng trong vòng dây
1.3.2.2 Sđđ cảm ứng khi dây dẫn chuyển động trong từ trường
Hình 1.9 minh họa một dây dẫn chuyển động trong từ trường với từ thông Ф không đổi Khi thanh dẫn di chuyển với vận tốc v, điện động cảm ứng trong cuộn dây được tính theo công thức: e ind = Blv (1.27).
Trong đó: v–vận tốc dài của dây, B –mật độ từ trường, l – chiều dài của dây trong từ trường
Hình 1.9: Mô tả sự xuất hiện sđđ trong thanh dẫn khi nó chuyển động trong từ trường
Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, lực điện từ sẽ xuất hiện trên dây dẫn theo định luật lực điện từ Lực này có thể được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.
F=B.i.l Trong đó: i – dòng điện chảy trong thanh dẫn, B – mật độ từ trường Chiều của lực F xác định theo qui tắc bàn tay trái
Hình 1.10a minh họa nguyên lý xuất hiện lực cùng chiều với dòng điện, trong khi hình 1.10b thể hiện ký hiệu lực và chiều dòng điện trong dây dẫn nằm trong từ trường.
Hình1.10: Mô tả nguyên lý xuất hiện lực điện từ trong dây dẫn nằm trong từ trường
Nguyên tắc bàn tay trái chỉ ra rằng khi ngửa bàn tay, từ thông sẽ xuyên vuông góc với lòng bàn tay Trong khi các ngón trỏ chỉ hướng dòng điện, ngón cái sẽ chỉ hướng của lực điện từ.
Điện áp cảm ứng trong khung dây quay trong từ trường
Trên hình 1.11 là sơ đồ giải thích sự hình thành sđđ trong khung dây quay trong từ thường không đổi
Hình.1.11: Giải thích nguyên lý xuất hiện sđđ trong khung dây quay trong từ trường
Trong một từ trường có độ cảm ứng B không đổi, khi khung dây abcd quay, sẽ xuất hiện một suất điện động (sđđ) trên hai cực da Cụ thể, khi mặt khung dây vuông góc với từ trường, tại cạnh ab xuất hiện sđđ theo chiều từ a đến b với giá trị e_ab = Blv sin(90°), và tại cạnh cd cũng có sđđ chiều từ c đến d với giá trị e_cd = Blv sin(90°) Các cạnh bc và da không cảm ứng sđđ nào Tuy nhiên, do khung dây quay, các cạnh ab và cd sẽ hợp với chiều từ thông một góc θ, dẫn đến công thức tổng quát là e_ab = e_ind = Blv sin(θ) và e_cd = Blv sin(θ).
Vậy sđđ ở 2 điểm a, d tính như sau: e ad =e ab +e cd +lvsinθ (1.28)
Nếu khung dây quay với vận tốc góc không đổi ω, góc quay θ của khung dây sẽ tăng tuyến tính: θ = ωt
Vận tốc dài của cạnh khung dây: v = rω
Do đó: e ind = 2rωBl.sinωt trong đó, diện tích khung dây S = 2rl
Từ thông quét qua khung dây cực đại khi khung dây vuông góc với từ trường B xác định như sau: Ф max =B.S
Ta có: e ind = Ф max ω sinωt (1.30)
Nếu khung dây gồm N vòng dây thì: e ind =NФ max ω sinωt
Đối với dây quấn 3 pha, N được xác định bằng công thức kdqNph, trong đó Nph là số vòng dây nối tiếp trên mỗi pha và kdq là hệ số dây quấn, phụ thuộc vào phương pháp quấn dây.
Mô men của khung dây mang dòng điện
Trên hình 1.12 giải thích sự xuất hiện lực điện từ ở khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường
Khi khung dây abcd được đặt trong từ trường và có dòng điện chạy qua, lực tác động lên cạnh ab có chiều hướng vào trong tờ giấy, trong khi cạnh cd chịu lực hướng ra ngoài Hai cạnh bc và ad không có lực tác động Giá trị của hai lực này được tính bằng công thức F = Bilsinθ, trong đó θ là góc giữa chiều dòng điện và cảm ứng từ B.
Do 2 lực này cách nhau một khoảng bc=2r nên chúng là ngẫu lực, vậy mô men do chúng tạo ra gọi là mô men điện từ bằng: m e =(Bil sinθ).bc=2r.F (1.32)
Dòng điện trong khung dây sẽ tạo ra một từ trường B loop có độ lớn:
Hệ số G phụ thuộc vào hình dạng của khung dây, trong khi diện tích khung được tính bằng S = 2rl Do đó, mô men điện từ của cuộn dây có thể được biểu diễn thông qua công thức này.
loop s sin loop s sin e AG B B kB B m
Trong máy điện, từ trường B loop được tạo ra bởi dòng điện chạy trong vòng dây, trong khi B s là cảm ứng từ của từ trường đã cho Với A = 2r và k = AG/μ, mô men trong máy điện phụ thuộc vào sự tương tác giữa từ trường stato và rô to, cũng như các thông số cấu tạo của máy.
Hình1.12: Giải thích sự xuất hiện lực điện từ ở khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường
Các loại từ trường dùng trong máy điện và cách tạo ra chúng
Các loại từ trường sau đây thường dùng trong máy điện:
1 Từ trường không đổi (từ trường đều)
2 Từ trường biến đổi (từ trường đập mạch)
Các loại từ trường trên được định nghĩa như sau:
- Từ trường không đổi (từ trường đều) là loại từ trường có biên độ, phương và chiều không đổi
Từ trường do một nam châm vĩnh cửu hoặc một nam châm điện có dòng điện một chiều chạy qua tạo ra là một từ trường không đổi
Từ trường biến đổi, hay còn gọi là từ trường đập mạch, là loại từ trường có biên độ và chiều thay đổi trong khi phương vẫn giữ nguyên Trong một số trường hợp đặc biệt, chỉ có biên độ thay đổi mà phương và chiều không thay đổi Để tạo ra từ trường biến đổi, cần cung cấp cho cuộn dây của nam châm điện hoặc cuộn dây có lõi thép một dòng điện biến đổi.
- Có 2 loại từ trường quay: từ trường quay tròn và từ trường quay e-lip
Từ trường quay e-lip là loại từ trường có biên độ, phương và chiều đều thay đổi Nó được hình thành từ việc tổng hợp hai từ trường quay tròn với biên độ khác nhau, cùng tốc độ quay nhưng có chiều quay ngược nhau.
Từ trường quay tròn là loại từ trường có biên độ không đổi, nhưng phương và chiều của nó thay đổi liên tục Để tạo ra từ trường quay tròn, người ta có thể quay một nam châm vĩnh cửu hoặc sử dụng nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều với tốc độ không đổi Loại từ trường này thường được áp dụng trong các máy điện đồng bộ.
Từ trường quay tròn trong máy dị bộ 3 pha được hình thành khi ba dòng điện 3 pha được cấp vào ba cuộn dây được bố trí đều trên chu vi của máy điện, tạo ra một góc 120 độ Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về cách tạo ra từ trường quay trong máy điện dị bộ 3 pha.
Máy điện 3 pha bao gồm ba cuộn dây được đặt lệch nhau 2π/3 trên chu vi máy, với các cuộn dây được ký hiệu là a, b, c ở đầu và x, y, z ở cuối Số đôi cực của máy là p=1 Khi nghiên cứu dòng điện, nếu giá trị dương, dòng điện được ký hiệu là dấu ‘+’ và chạy vào trang giấy; ngược lại, dòng điện chạy ra và được ký hiệu là dấu ‘-’ Hình 1.13a thể hiện dòng điện ba pha theo thời gian, trong đó tại thời điểm ωt1 0, dòng pha a ia dương và đạt cực đại, trong khi dòng pha b và c có giá trị âm.
Theo qui tắc vặn nút chai ta xác định chiều từ thông từng thanh dẫn và chiều của từ thông tổng
Tại thời điểm ωt2 = ωt1 + 120° + 2π/3, dòng ib đạt giá trị cực đại trong khi dòng ia và ic có giá trị âm, như minh họa trong hình 1.13c Chúng ta tiếp tục xác định chiều từ trường của từng cuộn dây và từ trường tổng của máy điện.
Tại thời điểm ωt3 = ωt2 + 120° + 4π/3, dòng ic đạt giá trị cực đại, trong khi dòng ia và ib có giá trị âm, như được thể hiện trong hình 1.13d Chúng ta tiếp tục xác định chiều từ trường của từng cuộn dây và từ trường tổng của máy điện.
Hình 1.13: Cách tạo từ trường quay trong máy điện bằng dòng điện 3 pha
Tại thời điểm nghiên cứu là ωt4 = ωt3+120 0 thì ta trở về t1, dòng điện biến thiên được một chu kỳ
Từ hình vẽ ta thấy từ trường tổng hình thành trong máy điện là từ trường quay
Từ trường này có những đặc điểm sau:
Khi máy điện có số đôi cực p = 1, từ trường quay sẽ hoàn thành một vòng trong một chu kỳ dòng điện biến thiên, tức là ntt = 1/T vòng Đối với máy điện có p số đôi cực, từ trường quay sẽ quay được ntt = 1/Tp vòng trong một chu kỳ dòng điện.
Tần số biến thiên dòng điện được biểu thị bằng công thức 1/T=f, trong đó T là chu kỳ Đồng thời, tốc độ thường được đo bằng phút thay vì giây, do đó, biểu thức cho tốc độ của từ trường quay có dạng đặc trưng.
Từ trường quay có biên độ bằng: m m B
Trong đó B 1m là biên độ từ trường của một cuộn dây (hình 1.14)
Hình1.14: Biên độ từ trường quay
Hướng quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự dòng điện 3 pha trong cuộn dây Để thay đổi chiều quay của từ trường, chỉ cần đổi vị trí của 2 trong 3 pha.
Tại đây xuất hiện một vài khái niệm: a Tốc độ quay cơ cơ: Đây là tốc độ quay của bản thân rô to đo bằng [rad/s]
29 b Tốc độ quay điện điện [ rad/s] (tốc độ quay của từ trường)
Mối quan hệ giữa 2 tốc độ này như sau: điện = p. cơ
Vec tơ không gian quay
Các phương trình cơ bản của máy điện có thể được biểu diễn dưới dạng véc tơ không gian, với hệ thống 3 pha đối xứng (dòng, điện áp, từ thông) được thể hiện qua véc tơ điện áp, dòng điện hoặc từ thông.
Nếu kA, kB, kC ký hiệu là các thành phần pha trong hệ thống 3 pha thì véc tơ không gian được định nghĩa như sau:
Hệ số 2/3 trong biểu thức được sử dụng để điều chỉnh biên độ của véc tơ không gian k = km Sau khi thực hiện giá trị thành phần độc lập của véc tơ theo thời gian, chúng ta nhận được giá trị k.
3 (hình.1.15) Khi biết véc tơ không gian ta có thể tìm được thành tức thời kA, kB, kC bằng cách chiếu véc tơ không gian lên các trục 3 pha A, B, C
Trong hệ trục vuông góc không quay, ký hiệu là hệ α, β, với α là trục thực và β là trục ảo, ta có thể phân tích véc tơ k thành hai phần: phần thực và phần ảo, được biểu diễn như sau: k = kα + jkβ.
Hình 1.17: Biểu diễn véc tơ k trên hệ trục α, β
Quan hệ giữa tần số điện và tốc độ từ trường quay
Quan hệ giữa tốc độ và tần số:
Hình 1.16: Thành phần k A , k B , k C là hình chiếu của véc tơ không gian k trên các pha A, B, C Hình.1.15: Xây dựng véc tơ không gian khi biết các thành phân kA, kB, kC
31 a Tần số dao động điện: iên [H ] đ 60 f np z b.Tần số dao động cơ khí: [ ] m 60 f n Hz
Trong đó: n-tốc độ quay đo bằng v/p
Sức từ động (Stđ) của dây quấn
Từ trường được tạo ra bởi dây quấn stator trong máy điện, như thể hiện trong hình 1.18 a và b Từ thông sinh ra từ dòng điện chạy qua dây dẫn, và chiều của từ thông được xác định theo quy tắc vặn nút chai.
Mật độ từ thông B thường di chuyển theo đường ngắn nhất qua khe hở không khí, vuông góc với stator và rotor Máy điện dây quấn phân bố rải được thiết kế để tạo ra từ cảm B dạng sine, với sức từ động tương ứng cho mỗi đường sức khép kín là Ni Mỗi đường sức đi qua khe hở không khí hai lần, dẫn đến sức từ động trên khe hở không khí chỉ còn Ni/2.
Hình 1.18: Stđ do dây quấn stato tạo ra
Còn trên hình1.18b là dạng của từ thông trải theo chu vi của stato, đường không liên tục là sóng bậc một của từ thông
1.9.1 Stđ trên một pha do dây quấn stator tạo ra
Dạng sóng của suất điện động (stđ) phụ thuộc vào cách bố trí dây quấn, như thể hiện trong hình 1.19 Do chu vi stato có rãnh, nên sự phân bố độ cảm ứng từ B tạo thành hình thang.
Hình1.19: a) Cấu tạo stato; b) từ trường do cuộn dây stato tạo ra
1.9.2 Stđ do dây quấn rotor của máy điện DC tạo ra
Trên hình1.20 biểu diễn sơ đồ cấu tạo stato cực ẩn hình1.21a và dạng phân bố độ cảm ứng từ B của dòng điện ro to tạo ra a) b)
Hình1.20: a) Cấu tạo rô to cực ẩn; b) Sự phân bố cảm ứng từ B của dòng điện rô to tạo ra
Do rô to có rãnh nên phân bố từ thông có dạng sóng bậc thang
1.9.3 Stđ do dây quấn rotor của máy điện DC tạo ra
Hình 1.21 minh họa cấu tạo của máy điện một chiều, trong đó stato là phần cảm với cuộn kích từ, còn rô to là phần ứng có cuộn dây được đặt trong các rãnh như thể hiện ở hình 1.21a Sự phân bố từ thông của phần ứng theo rô to được mô tả trong hình 1.21b.
Hình.1.21: a) Cấu tạo máy điện một chiều; b) Sự phân bố theo chu vi của từ trường rô to máy một chiều
Sự phân bố từ thông của rô to máy điện một chiều có hình dạng tam giác cân, nhưng do sự hiện diện của rãnh trên rô to, hình dạng này trở thành hình thang.
Phân bố từ thông dưới cực từ
Giữa rô to và stato có một khe hở không khí, trong đó từ trở của khe hở này lớn hơn nhiều so với từ trở của stato và rô to Mật độ từ thông B thường di chuyển theo đường ngắn nhất qua khe hở không khí, vuông góc với stato và rô to Máy điện dây quấn phân bố rải được thiết kế nhằm tạo ra từ cảm hiệu quả.
B dạng sine Rotor cực từ lồi, khe hở không khí không đều, giảm dần về phía giữa cực từ, mật độ từ thông có dạng gần sine.
Phân loại máy điện
Máy điện là thiết bị điện từ có chức năng chuyển đổi năng lượng, bao gồm máy biến áp để biến điện năng thành điện năng khác, động cơ điện để chuyển đổi điện năng thành cơ năng, và máy phát điện để chuyển đổi cơ năng thành điện năng.
Loại động cơ điện và máy phát điện gọi là máy điện quay
Máy điện quay được chia ra như hình vẽ 1.22
Hình.1.22: Phân loại máy điện Với máy điện xoay chiều còn được chia ra như sơ đồ dưới đây (hình 1.23)
Hình.1.23: Phân loại máy điện dòng xoay chiều
Cấu tạo của máy điện
Các phần tử cấu trúc của máy điện có thể chia thành: a Mạch điện b Mạch từ c Các phần tử cơ khí d Phần làm mát máy
Máy móc có thể được chia thành phần quay (rô to) và phần tĩnh (stato) Ngoài hai phần cơ bản là mạch điện và mạch từ, các bộ phận cơ khí như màng che, vỏ và nắp ổ bi được sử dụng để bảo vệ người sử dụng khỏi việc tiếp xúc với các phần quay và phần mang điện Những bộ phận này cũng ngăn chặn sự xâm nhập của vật rắn và nước vào máy, đồng thời hạn chế việc tia lửa thoát ra ngoài Cách làm này được gọi là bảo vệ.
Bảo vệ chống nước đảm bảo rằng nước không thể xâm nhập vào thiết bị qua bất kỳ hình thức nào như mưa, tia nước hay độ ẩm Khi máy điện hoạt động, công suất bị tổn hao dẫn đến nhiệt độ tăng, do đó cần áp dụng phương pháp làm mát để bảo vệ cách điện và ngăn nhiệt độ máy điện vượt quá mức cho phép Các phương pháp làm mát được phân loại thành ba loại: tự làm mát, làm mát nhân tạo và làm mát tự nhiên.
Làm mát tự nhiên là phương pháp loại bỏ nhiệt từ máy mà không cần thiết bị hỗ trợ Mặc dù đây là một phương pháp đơn giản, nhưng nó không thể nâng cao công suất của máy điện, do đó ít được áp dụng trong thực tế.
Tự làm mát là phương pháp gắn quạt gió lên trục máy để tạo dòng không khí giúp tản nhiệt Mặc dù đơn giản, hiệu quả làm mát phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to, do đó không phù hợp cho động cơ có tốc độ thay đổi hoặc thường xuyên bật tắt.
Làm mát nhân tạo là quá trình tạo ra sự chuyển động của chất làm mát như không khí, nước hoặc khí hydrô thông qua hệ thống truyền động bên ngoài máy Chất làm mát có thể được lưu thông trong chu trình kín hoặc chu trình hở Hình 1.24 minh họa các phương pháp làm mát, bao gồm: a - tự làm mát, b - làm mát nhân tạo chu trình hở, và c - làm mát chu trình kín.
Hình 1.24: Các phương pháp làm mát máy điện: a)Tự làm mát, b) Làm mát nhân tạo chu trình hở,c) Làm mát chu trình kín
Chất làm mát phổ biến nhất là không khí, nhưng trong các máy có công suất lớn, có thể sử dụng hydrô do đặc tính nhẹ, giúp giảm tổn hao quạt gió và tăng khả năng trao đổi nhiệt Tuy nhiên, hydrô có nguy cơ gây nổ khi tiếp xúc với ô-xy Ngoài ra, nước cũng có thể được sử dụng để làm mát trong các hệ thống chu trình kín.
Căn cứ vào cấu tạo vỏ, máy điện được chia thành:
- Cấu tạo hở chỉ dùng nơi khô ráo, sạch sẽ
- Cấu tạo kín bình thường, thường dùng nhiều trong công nghiệp
Máy cấu tạo kín được sử dụng ở những khu vực có nhiều bụi bẩn, nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt kém hơn so với các máy thông thường Để cải thiện khả năng tản nhiệt, vỏ máy được thiết kế với các gân tản nhiệt nhằm tăng diện tích tản nhiệt So với máy thông thường, máy kín có kích thước lớn hơn, trọng lượng nặng hơn và giá thành cao hơn, do yêu cầu giảm thiểu tổn hao nhiệt trong quá trình hoạt động.
Máy điện chống nổ được thiết kế đặc biệt để hoạt động ở những khu vực có nguy cơ cháy nổ, đảm bảo không để tia lửa thoát ra ngoài Do tính năng an toàn cao, loại máy này thường nặng và có giá thành cao, nên chỉ được sử dụng ở những nơi thật sự cần thiết.
Vật liệu dùng trong máy điện
Để sản xuất máy điện, có bốn loại vật liệu chính cần thiết: vật liệu từ, vật liệu điện, vật liệu cách điện và vật liệu cho các bộ phận cơ khí Trong đó, vật liệu từ được sử dụng để tạo mạch từ và có những đặc điểm riêng biệt quan trọng.
- Phải có độ thẩm từ lớn (>1)
Tổn hao từ được chia làm 2 loại:
- Tổn hao do dòng Fucô Pf
- Tổn hao do từ trễ Ph
PFe = Pf +Pf (1.42) Người ta đã chứng minh rằng, tổn hao từ trễ được tính bằng:
Trong đó Ch- tỷ số phụ thuộc vào vật liệu
B- cảm ứng từ f- tần số biến thiên của dòng điện
Còn tổn hao dòng Fucô:
(1.44) Ở đây Cf -hệ số phụ thuộc vật liệu
Nếu các là thép được cách điện với nhau thì:
Pf =C’fB 2 , điều này chứng tỏ rằng nếu từ trường biến thiên (d/dt 0) thì mạch từ phải làm bằng các lá thép mỏng, dày 0.35-0,5mm, cách điện với nhau
Vậy tổn hao trong lõi thép máy điện có thể tính:
Tổn hao riêng của vật liệu, ký hiệu là ΔP1, được xác định là tổn hao của 1kg vật liệu khi đặt trong từ trường hình sin với độ cảm ứng từ Bmax = 1T và tần số 50Hz Công thức tính tổn hao riêng này là ΔPFe = (ChB²f + CfB²f²)GKFe (1.45).
38 Ở đây 1 k 2 thường nhận k=2; KFe-là hệ số chú ý tới tổn hao sắt từ thực tế lớn hơn là tính toán theo công thức
Gang đúc thường được sử dụng ở những khu vực có từ thông ổn định, chẳng hạn như trong thân máy điện một chiều Đối với các bộ phận cơ khí chịu lực tác động lớn, thép giàu carbon là lựa chọn phổ biến Ngoài ra, các vật liệu phi từ được áp dụng ở những vị trí không cho phép từ thông lan tỏa.
Vật liệu chính để chế tạo mạch điện bao gồm đồng, nhôm và hợp kim của chúng Đồng mềm (99% Cu) được sử dụng chủ yếu để làm cuộn dây nhờ vào khả năng dẫn điện tốt và hệ số nhiệt điện trở thấp Trong khi đó, đồng cứng (đồng pha thêm Cadimi) được chọn để làm cổ góp điện vì nó không chỉ có độ dẫn điện tốt mà còn sở hữu độ bền cơ học cao và khả năng chống vết xước hiệu quả.
Nhôm được dùng làm cuộn dây rô to máy điện dị bộ rô to lồng sóc c-Vật liệu cách điện:
Vật liệu cách điện trong máy điện có thể là chất rắn hoặc chất lỏng Chúng có những đặc điểm sau:
- Có tính cách điện tốt;
- Chịu sự thay đổi nhiệt độ tốt;
- Có sức bền cơ học cao;
- Chịu được độ ẩm và tác dụng của hóa chất
Tuổi thọ của chất cách điện chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường làm việc Khi chất cách điện hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 10 độ C so với mức cho phép, tuổi thọ của nó sẽ giảm đi một nửa Chất cách điện được phân loại thành 7 lớp dựa trên nhiệt độ làm việc của chúng (bảng 2).
Bảng 2: Các loại lớp cách điện
Ký hiệu lớp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ đặc trưng của lớp 95 105 120 130 155 180 >180
Dưới đây là một số vật liệu cách điện và tính chất của nó:
- Vật liệu thuộc lớp Y là những vật liệu làm từ cenlulô như sợi, tơ, giấy các tông, phíp những chất tổng hợp v.v
- Những vật liệu này hầu như không dùng trong máy điện do hút ẩm mạnh
- Vật liệu thuộc lớp A là những vật liệu thuộc lớp Y nhưng có tẩm sơn cách điện ví dụ: giấy các tông cách điện, sợi, vải v.v
- Cách điện lớp F là những vật liệu tạo từ mica asbest, sợi thuỷ tinh nhưng có phối hợp với chất tổng hợp và tẩm sơn
- Cách điện lớp H là những vật liệu thuộc lớp F nhưng sử dụng sơn có nhiệt độ cao hơn
- Cách điện lớp C là những vật liệu làm từ mica, thuỷ tinh, sứ cách điện, thạch anh v.v
Các chất cách điện dùng ở các phần sau dây trong máy điện:
- Cách điện giữa các vòng dây: thường dùng loại sơn phủ, nếu điện áp lớn hơn 3000V thì dùng thêm băng cách điện ở dạng vải
- Cách điện giữa các bin
- Cách điện đầu cuộn dây
- Cách điện giữa đầu cuộn dây và giữa các mô bin
- Cách điện rãnh (giữa cuộn dây đặt trong rãnh và sườn của rãnh)
- Cách điện giữa đầu cuộn dây và bộ phận giữa cuộn dây
- Cách điện giữa các phiến góp điện và giữa phiến góp với bộ phận giữ nó;
- Cách điện giữa các cực với cuộn dây;
- Cách điện giữa chỗ nối và đầu dây ra
Khi sản xuất máy điện người ta thường dùng các vật liệu sau:
Giấy, giấy các-tông, và các loại vải nhựa cách điện như đen và hồng, cùng với sợi vải cách điện, thủy tinh, mica, băng asbest, băng mica thủy tinh, và đặc biệt là sơn cách điện, đều là những vật liệu quan trọng trong lĩnh vực cách điện.
Tổn hao và hiệu suất máy điện
Máy điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng, được chia thành hai loại: máy lý tưởng, không có tổn hao, và máy thực, có tổn hao năng lượng.
Tổn hao năng lượng là khái niệm qui ước, phản ánh dạng năng lượng biến đổi không được sử dụng theo yêu cầu Tổng năng lượng đầu vào bằng tổng năng lượng đầu ra cộng với tổn hao.
Tương tự như năng lượng là công suất
P (1.49) Được gọi là hiệu suất của máy (Pv là đại lượng vào, Pr là ra đại lượng ra Pth là tổn hao)
Tổn hao máy điện gồm các tổn hao sau đây:
- Tổn hao trong cuộn dây có dòng điện chạy;
- Tổn hao lõi thép do dòng Fucô và hiện tượng từ trễ;
- Tổn hao cơ học do ma sát ở ổ bi, ma sát chổi than với cổ góp điện, ma sát các phần quay với không khí;
- Tổn hao trong chất cách điện do tác dụng của từ trường biến đổi gây nên
Sự biến đổi năng lượng trong máy điện diễn ra nhờ mô men điện từ, trong đó công suất cơ học chuyển thành công suất điện hoặc ngược lại, được gọi là công suất trong (PW) hay điện từ (Pđt) Mối liên hệ giữa công suất điện từ và mô men điện từ rất quan trọng trong quá trình này.
Tốc độ góc quay của từ trường quay được đo bằng Rad/s Khi máy điện hoạt động như máy phát, công suất nhận vào lớn hơn công suất trong Pw, bao gồm tổn hao cơ $\Delta P_{\text{cơ}}$ và tổn hao trong lõi thép $\Delta P_{\text{Fe}}$.
Pv = Pw+Pcơ+PFe Công suất phát ra của máy phát nhỏ hơn công suất trong (Pw) một đại lượng tổn hao ở cuộn dây P:
Khi máy điện làm việc như động cơ thì công suất vào lớn hơn công suất ra một đại lượng tổn hao đồng:
Công suất đưa ra trên trục động cơ nhỏ hơn công suất trong (Pw) một đại lượng tổn hao ở lõi thép (PFe) và cơ vậy:
Pr =Pw=PFe-Pcơ (1.53) Để xác định hiệu suất ta có 3 phương pháp:
1-Trực tiếp; 2- Phương pháp tổn hao chung; 3-Phương pháp tổn hao từng phần
Cụ thể của các phương pháp xem ở [1]
Điều kiện làm việc của máy
Máy điện có khả năng hoạt động lâu dài hoặc ngắn hạn, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Do đó, các thiết kế máy điện được điều chỉnh để đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau.
Trên tàu thuỷ, do điều kiện làm việc đặc biệt khác biệt so với máy điện trên đất liền, máy điện cần được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu làm việc cụ thể.
1-Máy điện làm việc trong phạm vi thay đổi nhiệt độ rộng từ -50 0 C đến +50 0 C; 2-Trong một năm số ngày làm việc có nhiệt độ cao nhiều (khoảng 170ngày/năm)
3- Độ ẩm lớn, ở nhiệt độ 40 0 C độ ẩm có thể đạt 25%, ở nhiệt độ 25 0 C độ ẩm đạt 98%;
4- Hàm lượng muối trong không khí lớn có thể đạt 5mg/m 3 do đó có thể đọng muối trên mặt sàn (có thời kỳ đạt 0,2mm/ngày);
5- Bên trong vỏ máy có nước chứa dầu, muối;
6- Các máy làm việc với độ nghiêng lớn đạt 22 0 , chu kỳ từ 7-10s, gia tốc cực đại 1m/s 2 ;
7- Độ rung cực đại có biên độ 0,5mmm tần số 35Hz;
8- Độ va đập lên vỏ tàu do sóng với gia tốc 20m/s 2 ;
9- Điện áp dao động từ 85-115% đôi khi đạt 75% giá trị định mức trong khoảng 2-3s
Các động cơ làm việc trên boong tàu ở vùng Bắc Cực phải đối mặt với nhiều điều kiện khắc nghiệt, bao gồm khả năng đóng băng, tiếp xúc với tia nước có áp suất 1 atm ở khoảng cách 1,5m do quá trình rửa boong tàu, và nhiệt độ có thể vượt quá 50°C khi chịu đốt nóng trực tiếp từ ánh nắng mặt trời Ngoài ra, chúng còn bị ảnh hưởng bởi nồng độ khí ozôn cao lên tới 40mg/m³.
Do đó yêu cầu làm việc của các máy điện trên tàu thủy như sau:
1- Máy điện làm việc với độ ẩm tương đối 75%3% ở nhiệt độ45 0 2 0 C hoặc 80%3% ở nhiệt độ 40 0 C2 0 C, nếu nhiệt độ 25 0 C thì độ ẩm là 95,53%
2- Các máy điện phải làm việc với độ nghiêng mạn tàu lâu dài 15 0 , độchúi mũi
3- Các máy điện phải làm việc với độ rung có tần số từ 5-30Hz biên độ 1mm, ở độ rung có tần số 5-8Hz với gia tóc 0,5m/s 2
4-Máy điện phải làm việc ổn định trong phạm vi thay đổi điện áp và tần số cho ở bảng 1.3
Bảng 1.3 Đại lượng Độ lệch tính bằng % Làm việc lâu dài Làm việc ngắn hạn Đại lượng Thời gian(s) Điện áp
Các máy điện trên tàu thủy được thiết kế với nhiều kiểu dáng khác nhau, bao gồm máy hở, máy có cấu tạo bảo vệ, máy chống hơi nước, máy chịu lực tác động từ bên ngoài, máy chống nước đọng, máy chống nổ và máy kín nước hoàn toàn.
MẠCH TỪ, MẠCH ĐIỆN CỦA MÁY ĐIỆN
Mở đầu
Máy điện được cấu tạo từ ba phần chính: mạch từ, mạch điện và phần tử cơ khí Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào hai phần tử cơ bản là mạch từ và mạch điện, đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi năng lượng Mạch từ dẫn từ, trong khi mạch điện dẫn điện, và sự tương tác giữa từ trường và điện trường là yếu tố chính tạo ra sự biến đổi năng lượng Vật liệu chính để chế tạo mạch từ là thép điện kỹ thuật với độ dẫn từ cao, trong khi mạch điện được làm từ đồng, nổi bật với độ dẫn điện lớn.
Mạch từ, mạch điện của máy biến áp
2.2.1 Mạch từ máy biến áp một pha
Theo cấu tạo máy biến áp có loại một pha, nhiều pha, máy nhiều pha thông dụng nhất là loại 3 pha
Lõi thép của máy biến áp, thường được gọi là mạch từ, được chế tạo từ các lá thép điện kỹ thuật mỏng, có lớp cách điện mỏng để giảm thiểu tổn hao do dòng Fucô Thép có thể được cán nóng hoặc lạnh, và các lá thép được ghép lại với nhau bằng đinh ốc Việc ghép chặt các lá thép không chỉ giúp giảm tiếng ồn trong quá trình hoạt động mà còn nâng cao hiệu suất của máy biến áp.
Sự ồn của biến áp phát sinh từ hiện tượng từ, và khoảng cách giữa các cột của lõi thép được gọi là cửa sổ Kích thước của cửa sổ phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn và số vòng dây của cuộn dây Các lá thép được cắt thành những tấm nhỏ và được ghép lại theo các phương pháp khác nhau để tạo thành lá lõi thép.
Hình 2.1: Cách ghép lá thép lõi biến áp
Ghép lá thép theo hình 2.1a có nhược điểm là nếu không sử dụng lớp cách điện giữa gông từ và cột, sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch từ, dẫn đến dòng Fucô và làm nóng cục bộ Việc thêm lớp cách điện sẽ làm tăng từ trở lại do khe khí tăng, từ đó làm tăng dòng không tải Tuy nhiên, ghép theo hình 2.1b đã khắc phục được nhược điểm này Đối với thép cán nguội, việc ghép theo hình 2.1b là tối ưu nhất, vì chiều cán của thép mang lại độ thẩm từ tốt nhất cho mạch từ của biến áp một pha.
Khung thép được hình thành từ việc ghép lõi thép bao gồm ba phần chính: cột, gông từ và cửa sổ Cửa sổ được sử dụng để đặt cuộn dây, trong khi cột là nơi quấn cuộn dây, còn gông từ kết nối các cột từ để tạo thành mạch từ khép kín Cột và gông từ có hình dạng trụ, và đối với biến áp có công suất lớn, chúng thường có dạng trụ tròn hoặc chữ thập để cuộn dây có đường kính tròn, giúp chống lại lực điện từ phát sinh khi dòng điện chạy qua.
Hình 2.2: Lá lõi thép biến áp sau khi được ghép lại: a) loại 2 cột, b) loại 3 cột, c) loại 5 cột (1-gông từ, 2-cột, 3-của sổ)
Hình 2.3: Dạng không gian của cột và gông từ loại khối nhữ nhật
Hình 2.4: Các hình cắt ngang lõi thép máy biến áp công suất suất khác nhau: a) Công suất nhỏ, b, c) công suất lớn b Mạch từ của biến áp 3 pha
Mạch từ của máy biến áp 3 pha có thể được tạo thành từ việc ghép ba biến áp một pha hoặc chế tạo riêng mạch từ biến áp 3 pha theo hình dạng 2.2b và loại nhiều pha theo hình 2.2c Khi so sánh hai loại biến áp nhiều pha có cùng công suất, ta nhận thấy rằng biến áp nhiều pha ghép từ các biến áp một pha thường có khối lượng thép lớn hơn so với biến áp nhiều pha được thiết kế riêng Do đó, khi cần sử dụng biến áp nhiều pha, thường sẽ thiết kế riêng các biến áp này Trong thực tế, loại mạch từ biến áp 3 pha chế tạo riêng là phổ biến hơn cả.
2.2.2 Mạch điện (Cuộn dây) máy biến áp
Cuộn dây của máy biến áp, thường được làm bằng đồng và hiếm khi bằng nhôm, là mạch điện quan trọng Kích thước và hình dạng của dây dẫn phụ thuộc vào công suất, với dây hình tròn cho công suất nhỏ và dây hình chữ nhật cho công suất lớn Cách điện của cuộn dây thường sử dụng các vật liệu như các-tông, prespan tẩm dầu và vải sợi.
Cuộn dây biến áp phải đạt các yêu cầu sau:
- Có hệ số sử dụng đồng cao nhất, hiệu suất lớn nhất;
- Thoát nhiệt dễ dàng, đảm bảo đúng tiêu chuẩn;
- Đảm bảo độ bền cơ học để chống các lực điện động, đặc biệt khi xảy ra ngắn mạch
Căn cứ vào cách đặt cuộn dây hạ áp và cao áp người ta chia ra làm 2 loại:
- Loại lồng vào nhau (hình 2.5a)
- Loại xếp tuần tự (hình 2.5b)
Hình 2.5: Cách đặt cuộn dây vào lõi thép a) lồng vào nhau, b) Xếp thứ tự
Thông thường cuộn thấp áp được đặt bên trong (gần lõi) vì dễ cách điện với lõi hơn là cách điện với điện áp cao.
Mạch từ của máy điện quay
2.3.1 Mạch từ máy điện một chiều
Máy điện quay bao gồm hai phần chính: phần đứng yên gọi là stato và phần quay gọi là rôto Bài viết này sẽ nghiên cứu về cấu tạo mạch từ của máy điện dòng một chiều.
Trên hình 2.6 biểu diễn cấu tạo của máy điện một chiều
Máy điện một chiều có cấu tạo gồm các thành phần chính như sau: 1) Thép, 2) Cực chính với cuộn kích từ, 3) Cực phụ với cuộn dây, 4) Hộp ổ bi, 5) Lõi thép, 6) Cuộn phần ứng, 7) Thiết bị chổi, 8) Cổ góp, và 9) Trục Các bộ phận này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy.
2.3.1.1 Mạch từ stato máy điện một chiều
Máy điện một chiều được phân thành hai phần chính: phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Điểm khác biệt so với máy điện đồng bộ là phần cảm luôn nằm ở phần tĩnh, trong khi phần ứng lại ở rô to.
Hình 2.7: Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a) Cực chính, b) Cực phụ
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Hình 2.7a mô tả cấu tạo của một cực chính, bao gồm lõi cực (2) làm từ các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, và mặt cực (4) giúp từ thông dễ dàng đi qua khe khí Cuộn dây kích từ (3) được đặt trên lõi cực, cách điện với thân cực nhờ khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây này được làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, được tẩm sơn cách điện để chống thấm nước và nâng cao khả năng dẫn nhiệt Để đảm bảo khả năng tản nhiệt tốt, cuộn dây được chia thành nhiều lớp, với các khoảng cách giữa các lớp được thiết kế để tạo ra rãnh thông thoáng.
Cực phụ nằm giữa các cực chính và thường có số lượng bằng với số cực chính Lõi thép của cực phụ thường được tạo thành từ bột thép ghép lại, trong khi ở những máy có tải thay đổi, lõi thép cực phụ được ghép bằng các lá thép Cuộn dây được đặt trên lõi thép Khe hở không khí ở cực phụ lớn hơn khe hở không khí ở cực chính.
Thân máy được chế tạo từ gang hoặc thép, với cực chính và cực phụ được gắn chắc chắn vào thân Tùy thuộc vào công suất, máy có thể có hộp ổ bi tích hợp hoặc tách rời, trong đó máy có công suất lớn thường có hộp ổ bi rời Thân máy được kết nối với chân máy để đảm bảo sự ổn định và hiệu suất hoạt động.
Rô to của máy điện một chiều chủ yếu là phần ứng, thường được thiết kế dưới dạng hình trống có răng, được tạo thành từ các lá thép điện kỹ thuật Đối với các máy có công suất lớn, người ta còn thiết kế thêm các rãnh làm mát theo bán kính, với các lá thép được ghép thành từng tệp và các tệp này cách nhau bằng một rãnh làm mát.
Cuộn dây rô to là một cuộn dây khép kín với mỗi cạnh được kết nối với các phiến góp Các phiến góp này được cách điện với nhau và với trục, tạo thành một cổ góp Được làm bằng đồng, phiến góp không chỉ có độ dẫn điện tốt mà còn có độ bền cơ học cao, chống mài mòn hiệu quả.
Hình 2.8: Cấu tạo cổ góp máy diện một chiều 1-Phiến góp, 2-Ép vỏ, 3-Cách điện, 4-Phiến cách điện, 5-Ống cổ góp, 6-Cuối phiến góp để hàn dây phần ứng
2.3.2 Mạch từ máy điện dị bộ (không đồng bộ)
Máy điện không đồng bộ bao gồm hai phần chính: rô-to (phần quay) và stato (phần tĩnh), với khe hở không khí nằm giữa chúng Bài viết sẽ đi sâu vào nghiên cứu từng phần một cách chi tiết.
Mạch từ của stato được cấu tạo từ các lá thép điện kỹ thuật dày khoảng 0,3-0,5mm, được cách điện hai mặt nhằm ngăn chặn dòng Fucô Lá thép stato có hình dạng vành khăn và được thiết kế với các rãnh ở phía trong Để giảm thiểu dao động từ thông, số lượng rãnh của stato và rô to không được phép bằng nhau.
Hình 2.10: a) Lá thép stato và rô to máy điện dị bộ: 1) Lá thép stato, 2) Rãnh,
3) Răng, 4) Lá thép rô to; b) Mặt cắt dọc máy dị bộ Ở những máy có công suất lớn, lõi thép được chia thành từng phần (section) giữa các phần là rãnh làm mát nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ Các lá thép được ghép lại với nhau thành hình trụ Mạch từ được đặt trong vỏ máy Vỏ máy được làm bằng gang đúc hay thép Để tăng diện tích tản nhiệt, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy có giá đỡ ổ bi Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế để gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc Trên đỉnh có gắn một vòng tròn để móc cáp giúp di chuyển thuận tiện Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây
2.3.2.2 Cấu tạo của rô to
Mạch từ rô to, tương tự như mạch từ stato, bao gồm các lá thép điện kỹ thuật được cách điện với nhau Rãnh của rô to có thể được thiết kế song song với trục hoặc nghiêng một góc nhất định, nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc.
Cao là các lá thép điện kỹ thuật được kết nối thành hình trụ Tại tâm lá thép mạch từ, có lỗ để xuyên trục, nơi rô to được gắn Đối với các máy có công suất lớn, rô to còn có thêm các rãnh thông gió dọc theo thân để cải thiện hiệu suất.
Máy điện không đồng bộ có cấu tạo đặc biệt với rô to dạng rãnh sâu và 2 rãnh, giúp giảm dòng khởi động cho các động cơ dị bộ khi khởi động trực tiếp.
2.3.3 Mạch từ máy điện đồng bộ
Căn cứ vào chức năng máy điện đồng bộ có thể chia thành phần cảm và phần ứng:
- Phần cảm tạo ra từ trường chính (phần kích từ),
- Phần ứng là phần thực hiện biến đổi năng lượng
Máy điện đồng bộ được chia thành hai phần chính: phần tĩnh stato và phần quay rô to Theo nguyên tắc, stato có thể đóng vai trò là phần cảm hoặc phần ứng, trong khi rô to cũng có thể là phần ứng hoặc phần cảm.
Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như hình 10.1, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ
Mạch điện của máy điện
2.4.1 Mạch điện của máy điện một chiều
Mạch điện trong máy điện là cuộn dây, bao gồm hai loại chính trong máy điện một chiều: cuộn dây kích từ và cuộn dây phần ứng Đồng là vật liệu chủ yếu được sử dụng để chế tạo mạch điện trong các máy điện Cấu tạo của cuộn dây kích từ, cuộn phụ và cuộn bù đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của máy điện.
Cuộn kích từ, cuộn phụ và cuộn bù là các cuộn dây tập trung, được đặt trên lõi cực từ Chúng thường được làm từ đồng để đảm bảo khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Các vòng dây được cách điện với nhau và quấn trên khung cách điện, thường là phíp hoặc vật liệu cách điện khác Sau khi hoàn thành việc quấn, cuộn dây phải được sơn tẩm cách điện nghiêm ngặt trước khi đưa vào cực từ.
Cuộn dây cực phụ được chế tạo từ dây đồng có tiết diện tương đương với cuộn dây phần ứng, vì dòng điện tải đi qua cuộn dây phụ được kết nối tiếp với chổi than từ cuộn bù Cuộn dây phần ứng trong máy điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn điện.
Mạch điện, hay còn gọi là cuộn dây máy điện, đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến đổi năng lượng Để đạt hiệu suất cao nhất với lượng vật liệu tối thiểu, cuộn dây cần đảm bảo độ bền về cơ, nhiệt và điện trong suốt thời gian sử dụng.
Cuộn dây máy điện một chiều khác biệt với cuộn dây máy điện xoay chiều ở chỗ nó là cuộn kín, với mỗi bin được kết nối với một phiến góp Hiện nay, cuộn dây máy điện một chiều được ứng dụng phổ biến trong các rãnh của rô to (phần ứng).
Phân loại cuộn dây máy điện một chiều cho ở hình 2.15
Hình 2.15: Phân loại cuộn dây máy điện
2.4.1.1 Những thông số cuộn dây
Phần lớn cuộn dây máy điện một chiều trong công nghiệp hiện nay là loại cuộn dây đơn, nhờ vào tính dễ thực hiện, tiết kiệm đồng và giá thành rẻ Việc sử dụng cuộn dây có số vòng lớn không được khuyến khích do điện áp giữa các vòng dây sẽ cao Các máy điện một chiều sử dụng cuộn dây nhiều vòng thường có công suất nhỏ và đường kính cổ góp hạn chế, vì cần giảm số lượng phiến góp để tăng chiều rộng của phiến góp.
Cuộn dây phần ứng là một cuộn dây khép kín được cấu tạo từ các dây dẫn cách điện, có vai trò quan trọng trong việc biến đổi năng lượng Để đạt hiệu suất cao, cuộn dây này cần đáp ứng các yêu cầu như tính điện tốt, khả năng tản nhiệt hiệu quả, độ bền cơ học cao và tiết kiệm nguyên liệu Hai thanh dẫn kết nối với nhau tạo thành vòng dây, và nhiều vòng dây được gộp lại để tăng cường hiệu suất hoạt động.
54 thành mô bin (hình 2.16) Trong một rãnh thực tế có thể có vài phần tử rãnh (hình 2.16 c,d)
Hình 2.16: Vòng dây (a), mô bin (b), rãnh 1 phần tử (c), rãnh 2 phần tử (d)
1 Mô bin (hay còn gọi là bin) Đây là phần tử cơ bản của cuộn dây, nó bao gồm 1 vòng dây hay nhiều vòng dây có các cạnh cách nhau một bước cực, 2 đầu được nối với 2 phiến góp cách nhau một bước cổ góp (hình 2.16 a,b) Từ đây ta chỉ nghiên cứu bin một vòng dây và qui ước thanh dẫn của bin nằm ở lớp trên vẽ đường liền, ở lớp dưới đường nét đứt Căn cứ vào nối đầu cuộn dây ta chia cuộn dây thành cuộn chéo và cuộn không chéo (vòng trái hay vòng phải)
2 Bước cuộn dây theo chu vi phần ứng và theo cổ góp
- Bước thứ nhất y 1 : đó là khoảng cách của cạnh tác dụng thứ nhất của bin với cạnh tác dụng thứ 2 của bin (hình 2.17), thông thường y1 =
Hình 2.17: Biểu diễn các số đo của cuộn dây a) Xếp đơn; b) Sóng đơn
Trong sơ đồ cuộn dây, y1 đại diện cho số rãnh giữa hai cạnh của mô bin Khi cuộn dây có nhiều vòng, mỗi rãnh sẽ chứa nhiều dây dẫn, được biểu diễn bằng hình chữ nhật Khái niệm rãnh cơ bản được áp dụng, trong đó một rãnh cơ bản chứa hai thanh dẫn, tương ứng với một vòng dây có hai thanh dẫn Số cặp dây dẫn trong rãnh được gọi là Umb, và Z là số rãnh thực tế, từ đó số rãnh cơ bản có thể được xác định.
Zcb = ZUmb, với mỗi phiến góp được kết nối giữa hai bin khác nhau Mỗi phiến góp tương ứng với một bin, bao gồm hai thanh dẫn Gọi S là số bin trong một cuộn dây và K là số phiến góp.
Với khái niệm như vậy thì: y1 p
2 là phép tính không chia hết, nhưng để thực hiện được cuộn dây, y1 phải là số nguyên vậy: y1 p
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các đại lượng quan trọng liên quan đến cuộn dây Đầu tiên, đại lượng rút gọn hay kéo dài của cuộn dây được ký hiệu là Tiếp theo, bước thứ hai của cuộn dây theo chu vi rô to là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của bin trước và cạnh tác dụng thứ nhất của bin sau, được đo bằng rãnh cơ bản Bước tổng hợp y được xác định là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của hai bin nằm cạnh nhau, với công thức y = y1 + y2 cho cuộn sóng và y = y1 - y2 cho cuộn xếp Cuối cùng, bước cổ góp là khoảng cách giữa hai phiến góp mà các đầu dây của hai bin cạnh nhau được nối vào, và được đo bằng các phiến góp.
Bước cổ góp sóng đơn đo bằng: yk p
Cuộn xếp đơn được ký hiệu là yk = ±1, trong đó dấu ‘+’ biểu thị cho cuộn dây không chéo nhau, và dấu ‘-’ cho cuộn dây chéo nhau Để thực hiện cuộn dây đối xứng, bước cuộn dây theo cổ góp cần phải liên quan chặt chẽ với bước cuộn dây theo chu vi rô to Điều này yêu cầu số bước yk và y phải đảm bảo bằng nhau, tức là yk = y (2.1).
Bước cực được tính như sau;
Cuộn xếp có các đại lượng đặc trưng sau: y=y1-y2
Nếu cuộn dây quay phải (y1>y2) thì y>0 còn nếu cuộn dây quay trái thì y
