Vật lý - Chương 1: Các nguyên lý của quá trình biến đổi năng lượng điện cơ

Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.1 CHƢƠNG 1: CÁC NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG ĐIỆN CƠ I. Các nguyên lí của quá trình biến đổi năng lƣợng điện cơ I.1. Lực và moment trong hệ các mạch từ Định luật Lorentz:  BvEqF   Nếu chỉ có từ trường: Bv.qF   Mà tIq . Nên  BlIFe   Tích có hướng B  I  eF  I  eF  B  I  F  iy y x ix iz z yxz iii   0 Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.2 Biết I=10A, B=0,5T, R=0,1m, l=0,3m, α=30o. Tính lực điện từ Fe tác động lên mỗi thanh dẫn rotor? Tính moment tác động lên 2 thanh dẫn rotor? I.2. Cân bằng năng lƣợng Động cơ conv fld Cue p dt dW pp  mech mech mechlossconv p dt dW pp   Máy phát conv mech mechlossm p dt dW pp   2e1e fld Cuconv pp dt dW pp  mecheconv .tp  với te là moment điện từ. B  I  eF  B  I  1eF  α Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.3 Điện năng = Năng lượng từ trường + Cơ năng + Nhiệt năng tempmechfldelec dWdWdWdW  Nếu bỏ qua tổn hao nhiệt: mechfldelec dWdWdW  mech fld p dt dW i.e  mechfld dWdWdt.ei  với dt d e   và xfW fldmech   xfddWid fldfld  giả sử ffld=const. dxfiddW fldfld   Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.4 I.3. Năng lƣợng và lực từ trong hệ một nguồn kích từ Chuyển động thẳng: dt dW dt dx fp mechfldc   dx dW f mechfld  Chuyển động quay: dt dW t dt d tp mecheec     d dW t meche  Với năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây máy điện: dxfiddW fldfld   giả sử i=const khi x thay đổi rất chậm.  x W f fldfld    (==từ thông móc vòng) Nếu mạch từ tuyến tính, i)x(L , nên Wfld chỉ phụ thuộc vào  và x.        0fld x, x,0 fld x,0 0,0 fld x, 0,0 00fld x,Wdx,0Wdx,Wdx,W 00 0 000     dxfiddW fldfld   Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.5 Mà khi 0 thì 0ffld  nên   0x,0dWfld     2 0 00 00 000fld )x(L 1 2 1 d )x(L d)x,(ix,W 00         2fld )x(L 1 2 1 x,W   x )x,(W )x,(f 0fld0fld       Có thể tính năng lượng tích lũy trong từ trường thông qua mật độ khối của năng lượng từ trường theo thể tích V:           V B 0 fld dVHdBW 0 Nếu mạch từ tuyến tính, HB  :         V 2fld dV B 2 1 W  Cho mạch từ tuyến tính i)x(L . Biết N=1000 vòng, =0,002m=g+g, d=0,15m, l=0,1m, I=10A. a) Tính Wfld khi piston dịch chuyển một đoạn x? Tính lực ffld? b) Với x=0,01m, tính Wfld và lực ffld? Với    A NL o 2   2 fld )x(L 1 2 1 x,W   vì L N N L NRNIF m    với    A R m  Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.6 Mạch từ tuyến tính, i)x(L nên 22 e i)x(L 2 1 )x(L 1 2 1 W   lxd NiS N i ixLWe )( 22 )( 2 1 222 2 2       I.4. Tính toán lực từ: Đồng năng lƣợng   dxfidx,dW fldfld   Wfld tính theo  và x.    dx x W d W x,dW fldfldfld              fld W i và x W f fldfld    hay x )x,(W )x,(f 0fld0fld      Định nghĩa “đồng năng lƣợng” W’fld theo i và x:   )x,(Wix,iW fld ' fld        dx x )x,i(W di i )x,i(W )x,(dWidx,idW ' fld ' fld fld ' fld        Trong đó:   diidid   mà dxfid)x,(dW fldfld      dx x )x,i(W di i )x,i(W dxfdix,idW ' fld ' fld fld ' fld         i )x,i(W 'fld    và x )x,i(W f ' fld fld    Tương tự, moment:      ),i(W t ' fld e Với hệ thống tuyến tính, i)x(L , có thể tính đồng năng lƣợng: Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.7 2 00 i 0 0 i 0 000 ' fld i)x(L 2 1 idi)x(Ldi)x,i()x,i(W 00    2' fld i)x(L 2 1 W  x )x,i(W )x,i(f 0 ' fld 0fld    Khi mạch từ tuyến tính,  và i tỷ lệ:           V H 0 ' fld dVBdHW 0 Nếu mạch từ tuyến tính, HB  :         V 2' fld dVH 2 1 W  Chú ý, theo định nghĩa: iWW ' fldfld  , kể cả khi mạch từ không tuyến tính. Mạch từ không tuyến tính (bảo hòa). Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.8 Ví dụ: Tính lực tác động lên piston ffld theo Wfld và W’fld khi piston dịch chuyển một đoạn x=0,01m? Biết N=1000 vòng, =0,002m=g+g, d=0,15m, l=0,1m, I=10A. Tính cho trường 2 hợp: mạch từ còn tuyến tính i)x(L và đã bảo hòa i)x(L .   2fld )x(L 1 2 1 x,W   x )x,(W )x,(f 0fld0fld      2' fld i)x(L 2 1 W  x )x,i(W )x,i(f 0 ' fld 0fld    Với    A NL o 2 Ví dụ: Tính lực tác động lên nắp mạch từ biết N = 100 vòng? I.1. Lực và moment trong hệ các mạch từ có nam châm vĩnh cửu )x,(W)x,(Wi)x,i(W fldfld ' fld   Với  0 I fff ' fld 0f di)x,i()x,0i(W  Trong đó If0 là dòng điện chạy trong cuộn dây giả tưởng tạo ra từ trường vừa đủ khử từ trường NCVC. I.2. Năng lƣợng và lực từ trong hệ nhiều nguồn kích từ Ví dụ: Máy điện có 2 cuộn dây, mạch từ tuyến tính (chế độ động cơ): Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.9 Cách 1: Tính cho 2 cuộn dây: c e Culecein p dt dW ppp  out m m_lossc p dt dW pp        dt td tiR)t(etiR)t(u sssssss   rsrsss iLiL        dt td tiR)t(etiR)t(u rsrrrrr   rrsrsr iLiL  rrssin iuiup  2 rr 2 ssCu iRiRp  us ur  stator rotor is ir Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.10  srsr2sssses iiLiL 2 1 i 2 1 W    2rrsrsrrrer iLiiL 2 1 i 2 1 W   ' esrsr 2 rr 2 ssrrsse WiiLiL 2 1 iL 2 1 i 2 1 i 2 1 W   s s2 ssss i dt d iRiu   rsrsss iLiL  r r2 rrrr i dt d iRiu   rrsrsr iLiL  c e Cur r s s Currssin p dt dW pi dt d i dt d piuiup    r r s s c e i dt d i dt d p dt dW   Trong khi: rrsse i 2 1 i 2 1 W      dt di 2 1 i dt d 2 1 dt di 2 1 i dt d 2 1 dt Wd r rr rs ss se       dt di 2 1 i dt d 2 1 dt di 2 1 i dt d 2 1 p rrr rs ss s c               dt di iLiL 2 1 i dt iLiLd 2 1 dt di iLiL 2 1 i dt iLiLd 2 1 p rrrsrsr rrsrss rsrsss rsrss c               rrrsrsrrrsrs srsrsssrsrssc diiLiL`iiLiLd diiLiLiiLiLddtp2    dt di iL dt di iL dt di iLi dt dL dt di iLii dt dL dt di iL dt di iL dt di iLii dt dL dt di iLi dt dL p2 r rr r srs r rr 2 r rs rrsrs rs s rsr s ss r ssrrs srs ss 2 s s c    2 r r rs rs rs sr2 s s c i dt dL ii dt dL ii dt dL i dt dL p2   2 r r rs rs2 s s c i dt dL 2 1 ii dt dL i dt dL 2 1 p   rs rs2 r r2 s s c ii dt d d dL i dt d d dL 2 1 i dt d d dL 2 1 p        dt d   Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.11         rs rs2 r r2 s s c ii d dL i d dL 2 1 i d dL 2 1 p  rs rs2 r r2 s sc e ii d dL i d dL 2 1 i d dL 2 1p t   banco e trotu e lfundamenta e cetanreluc ers rs2 r r2 s s e TTTTii d dL i d dL 2 1 i d dL 2 1 t               Động cơ rotor cực từ ẩn: 0i d dL 2 1 i d dL 2 1 T 2r r2 s scetanreluc e   rs rslfundamenta e ii d dL T   Có thể viết: i dt Ld i 2 1 p T c  i d Ld i 2 1 t T e   với:        r s i i i        rrs srs LL LL L Ví dụ: Thử tính te theo đồng năng luợng:    ),,(' xiiW t rsee Cách 2: Tính cho 2 cuộn dây dƣới dạng ma trận (tổng quát): c e Culecein p dt dW ppp  out m m_lossc p dt dW pp        dt td tiR)t(etiR)t(u sssssss   rsrsss iLiL        dt td tiR)t(etiR)t(u rsrrrrr   rrsrsr iLiL  Với:        r s u u u        r s i i i        r s R0 0R R        rrs srs LL LL L iL r s           Chương I: Các nguyên lý của quá trình biến đổi điện cơ TB Slide Máy điện I.12 dt d iRu s   iRiiRiRp T2 rr 2 ssCu  uiiuiup T rrssin  dt d ip dt d iiRi dt d iRip T Cu T s T s T in         mà c e Cuin p dt dW pp  nên dt d ip dt dW T c e   srsr2sssses iiLiL 2 1 i 2 1 W    2rrsrsrrrer iLiiL 2 1 i 2 1 W    TT srsr 2 rr 2 ssrrsse i 2 1 iLi 2 1 iiLiL 2 1 iL 2 1 i 2 1 i 2 1 W   dt d i 2 1 dt id 2 1 dt dW T T e   vậy:     dt id 2 1 dt d i dt d i 2 1 dt id 2 1 dt d ip T TT T T c              iL dt id 2 1 dt id Lii dt Ld iiL dt id 2 1 dt iLd ip T TT T T c  vì: iL dt id 2 1 dt id Li T T   i dt Ld i 2 1 p T c   i d Ld i 2 1p t Tc e  