Bài giảng Máy điện - Giới thiệu chung về máy điện - Phạm Khánh Tùng

Phạm Khánh Tùng 
tungpk@hnue.edu.vn 
www://hnue.edu.vn/directory/tungpk 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Máy điện – lĩnh vực nghiên cứu những ứng dụng của các hiện 
tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ 
năng và ngược lại. 
Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị, hệ thống 
sử dụng và biến đổi điện năng. 
Máy điện được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, 
công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều 
chỉnh, khống chế. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 
1.1. Định nghĩa 
Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng 
cảm ứng điện tư, về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện 
(dây quấn), dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng 
thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng 
thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thông số 
điện năng như điện áp, dòng điện, tần số, số pha ... 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
1.2. Phân loại máy điện. 
Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau. Ở đây 
ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng: 
Máy điện tĩnh 
Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự 
biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động 
tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các 
thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành 
điện áp xoay chiều có giá trị khác,.. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng): 
Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực 
điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra. 
Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng 
thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng 
thành cơ năng (động cơ điện). 
Quá trình biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch nghĩa là máy 
điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 
2.1. Định luật cảm ứng điện từ 
Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên. 
Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng 
dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t). Sđđ đó có chiều sao 
cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến 
thiên của từ thông sinh ra sđđ. 
Sđđ cảm ứng được tính theo công thức Mắcxoen : 
dt
d
e

dt
d
dt
d
Ne


Ψ = N.Φ [Wb] gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường. 
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây là 
trường hợp thường gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm 
ứng sđđ có trị số: 
v.l.Be 
B – cường độ từ cảm [T]. 
l – chiều dài tác dụng của thanh dẫn [m]. 
v – tốc độ dài thanh dẫn [m/s] 
Chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
2.2. Định luật lực điện tư 
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ 
trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số 
i.l.BF 
B : cường độ từ cảm, [T]. 
i : dòng điện chạy trong thanh dẫn, [A]. 
l : chiều dài thanh dẫn, [m]. 
f : lực điện từ đo bằng Niuton, [N] 
Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc bàn tay trái 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
2.3. Định luật mạch từ , tính toán mạch từ 
Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch 
từ với nội dung như sau: 
Nếu H là vectơ cường độ từ trường 
do tập hợp dòng điện i1, i2, ... ik, ..., in 
tạo ra và L là một đường cong kín 
bao quanh chúng: 
 k
)L(
idl.H
Với dl là độ dời vi phân trên (L). Dấu của ik xác định theo qui tắc 
vặn nút chai: Quay cái vặn nút chai theo chiều dl , chiều tiến của 
vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện mang dấu 
dương, còn ngược lại lấy dấu âm. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Định luật dòng điện toàn phần áp 
dụng vào mạch từ đồng nhất có một 
cuộn dây như hình bên, ta có như 
sau: 
Fi.Nl.H 
 


 R
S
11
l
B
l.H
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
H [At/m] – cường độ từ trường trong mạch từ. 
B = µH [T] – từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ. 
 µ = µr µo [H/m] – độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ. 
 µo = 4π.10
-7[H/m] – độ từ thẩm của không khí. 
 µr =µ /µo – độ từ thẩm tương đối của mạch từ. 
L [m] – chiều dài trung bình của mạch từ. 
N – số vòng dây của cuộn dây. 
I [A] – dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ. 
F = N.i [At/m] – sức từ động (stđ) 
H.l – từ áp rơi trong mạch từ. 
S [m2] – tiết diện ngang của mạch từ. 
 – từ trở của mạch từ 
Fi.NRl.H  
S
11
R

 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Áp dụng định luật dòng điện toàn phần 
vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều 
dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, ta có: 
22112211 iNiNlHlH 
H1,H2 [At/m] – Cường độ từ trường tương 
ứng trong đoạn mạch từ 1, 2. 
l1, l2 [m] – Chiều dài trung bình của đoạn mạch từ 1, 2. 
i1.N1, i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật 
mạch từ được viết: 
FFiNRlH
n
1k
k
n
1k
kk
m
1j
j
m
1j
jj  

trong đó: dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ đã 
chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại 
sẽ mang dấu âm; 
 j - chỉ số tên đoạn mạch từ; 
 k - chỉ số tên cuộn dây có dòng điện. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Tính toán mạch từ: 
Bài toán thuận: Cho biết từ thông Φ, tìm stđ F = Ni để tạo ra từ 
thông đó. 
Bước 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ 
j
j
S
B

Suy ra cường độ từ trường Hj như sau: 
Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa 
B = f(H) để tìm H. 
Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H0 = B0/µo . 
Bước 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông Φ: 
m
1j
jjlHF
Bước 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng 
dây N 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông Φ. Bài toán này phức 
tạp. Do vật liệu từ có độ từ thẩm µ phụ thuộc từ thông Φ nên từ 
trở Rµ cũng phụ thuộc Φ. Vì chưa biết Φ nên cũng chưa biết R. 
Phương trình stđ trở thành: 
Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần 
đúng để giải. 
)(F)(R
m
1j
j  

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
3. VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 
Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng 
và vật liệu cách điện. 
+ Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác 
động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp. 
+ Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận 
dẫn điện và từ. 
+ Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với 
không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng 
không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và 
các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốtpho. 
Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết 
điện chữ nhật có bọc cách điện. 
Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 
1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó 
mỏng và đạt độ bền yêu cầu 
3.1. Vật liệu dẫn điện 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật 
điện, gang, thép đúc, thép rèn ... 
Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường 
dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 1mm, trong thành phần thép 
có từ 2 ÷ 5% silíc để tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy. 
Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc 
cán nguội. 
Hiện nay thường dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì 
thép cán nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép 
cán nóng 
3.2. Vật liệu dẫn từ 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Hình bên là các đường cong 
từ hoá của một số 
vật liệu dẫn từ khác nhau. 
Cùng một dòng điện kích từ, 
ta thấy thép kỹ thuật điện có 
từ cảm lớn nhất, sau đó là 
thép đúc và cuối cùng là 
gang 
Ở các phần dẫn từ có từ thông không đổi thường dùng thép đúc, 
thép rèn, hoặc thép lá 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
3.3. Vật liệu cách điện 
Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, 
chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Cách điện 
bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây 
dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn. 
Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 
nhóm: 
a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa 
b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. 
c) Các chất tổng hợp. 
d) Các loại men và sơn cách điện. 
Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt. Giấy, vải, sợi... rẻ 
nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm. Vì vậy chúng phải 
được tẩm sấy để cách điện tốt hơn. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau: 
- Cấp Y : Nhiệt độ cho phép là 90oC, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi 
tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện. 
- Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 105oC, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự 
nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện. 
- Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 120oC, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp 
gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng. 
- Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 130oC, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi 
thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có 
thể chịu được nhiệt độ tương ứng. 
- Cấp F : Nhiệt độ cho phép là 155oC, giống như loại B nhưng được tẩm 
sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ 
tương ứng. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
- Cấp H : Nhiệt độ cho phép là 180oC, giống như cấp B nhưng dùng 
sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng 
hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng. 
- Cấp C : Nhiệt độ cho phép là >180oC, bao gồm các vật liệu gốc 
mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có 
chất liên kết. Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các 
chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng. 
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu 
biến áp). 
Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác 
động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính 
bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt 
độ làm việc cho phép 8-10oC thì tuổi tho của vật liệu cách điện giảm đi 
một nửa. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
4. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 
Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao bao gồm: 
tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn 
hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). 
Tất cả các tổn hao đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên. 
Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường 
xung quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm 
mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung 
quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp... 
Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy 
điện có hệ thống quạt gió để làm mát. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và 
lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy 
không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách 
điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm. 
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng thiệt của các 
phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải độ 
tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho 
phép máy làm việc quá tải lâu dài. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN 
Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 
1. Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện. 
2. Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả 
sự làm việc của máy điện. Đó là mô hình toán của máy điện. 
3. Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế 
của máy điện. 
4. Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và 
nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể. 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN