›
›

Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 2)

pdf 68 trang hapham 70
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_ky_thuat_dien_1_phan_2.pdf

Nội dung text: Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 2)

  1. PHẦN II. MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 6. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 6.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 6.1.1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy điện dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện (máy biến áp, máy biến dòng), tần số (máy biến tần). 6.1.2. Phân loại Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau, ví dụ phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng điện, theo nguyên lý làm việc v.v Trong chương này phân loại dựa theo nguyên lý biến đổi năng lượng như sau: a. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh là máy điện làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau b. Máy điện có phần quay Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau 6.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Nguyên lý làm việc của máy điện thường dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và định luật lực điện từ. Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật mạch từ. 6.2.1. Định luật cảm ứng điện từ a. Trường hợp từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây Khi từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng ecư tính theo công thức: ecư = - dφ/dt Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc vặn nút chai Cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây: e = - W.dφ /dt b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường 44
  2. I: cường độ dòng điện L: chiều dài thanh dẫn F: lực điện từ Chiều lực điện từ F xác định bằng quy tắc bàn tay trái 6.2.3. Định luật mạch từ Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông (trong máy điện mạch từ là lõi thép) Nếu H là cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1,i2, ,in tạo ra và nếu C là đường cong kín trong không gian: Công thức tổng quát đối với mạch từ có n đoạn và m cuộn dây quấn trên mạch từ: trong đó dòng điện ij có chiều phù hợp với chiều φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, không phù hợp sẽ mang dấu âm Hk: cường độ từ trường trong đoạn mạch từ thứ k lk: chiều dài trung bình của đoạn mạch từ thứ k Wj: số vòng dây của cuộn dây thứ j Wj ij :được gọi là sức từ động của cuộn dây thứ j Hk lk: từ áp rơi của đoạn mạch từ thứ k Cho đoạn mạch từ (hình 6.2.3): Áp dụng định luật mạch từ: H1. L1 + H2 .L2 = W1. i1 – W2.i2 6.3. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu. 6.3.1. Vật liệu dẫn điện Dây quấn máy điện thường bằng đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Khi có yêu cầu đặc biệt, người ta dùng các hợp kim đồng, nhôm hoặc dùng thép 6.3.2. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu sắt từ để làm mạch từ: thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0.35 – 0.5 mm, trong thành phần thép có từ 2 –5 % Si . Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn. 6.3.3. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau trong máy điện. Chất cách điện của máy điện gồm 4 nhóm: 1. Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vi lụa 2. Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh 3. Các chất tổng hợp 45
  3. 4. Các loại men, sơn cách điện 6.3.4. Vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo. 6.4. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN Các loại tổn hao trong máy điện: - Tổn hao hao sắt từ trong lõi thép (do hiện tượng từ trể và dòng điện xoáy) - Tổn hao đồng trong điện trở dây quấn - Tổn hao do ma sát Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện. Để làm mát, máy điện phải có các biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và có hệ thống quạt gió để mát máy hoặc hệ thống lưu chất làm mát máy điện như dầu trong máy biến áp .v.v. 6.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 1. Nghiên cứu các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện 2. Dựa vào các định luật vật lý, viết hệ phương trình toán học diễn 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 mạch điện 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 yêu cầu cụ thể. 46
  4. CHƯƠNG 7. MÁY BIẾN ÁP 7.1. KHÁI NIỆM CHUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Để biến đổi điện áp (dòng điện) của dòng xoay chiều từ giá trị cao đến giá trị thấp hoặc ngược lại ta dùng máy biến áp. 7.1.1. Định nghĩa và các lượng định mức a. Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện xoay chiều (U1, I1,f) thành (U2, I2,f) Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp . b. Các lượng định mức - Điện áp định mức Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm là điện áp đã quy định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức . Với máy biến áp ba pha điện áp định mức là điện áp dây - Dòng điện định mức Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. Dòng điện sơ cấp định mức kí hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu I2đm - Công suất định mức Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức. Công suất định mức kí hiệu là Sđm, đơn vị là KVA. 7.1.2. Công dụng của máy biến áp Công dụng của máy biến áp là truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống điện Muốn giảm tổn hao ∆P = I2.R trên đường dây truyền tải có hai phương án: Phương án 1: Giảm điện trở R của đường dây (R = ρ.l/S) Muốn giảm R ta tăng tiết diện dây dẫn S, tức là tăng khối lượng dây dẫn, các trụ đỡ cho đường dây, chi phí xây dựng đường dây tải điện rất lớn ( phương án này không kinh tế) Phương án 2: Giảm dòng điện I chạy trên đường dây truyền tải. Muốn giảm I ta phải tăng điện áp, ta cần dùng máy tăng áp vì đối với máy biến áp U1I1 = U2.I2 ( phương án này kinh tế và hiệu quả hơn) Máy biến áp còn được dùng rộng rãi : Trong kỹ thuật hàn, thiết bị lò nung, trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong lĩnh vực đo lường. trong các thiết bị tự động, làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử , trong thiết bị sinh hoạt gia đình v.v. 47
  5. 7.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 7.2.1 Cấu tạo máy biến áp Gồm hai bộ phận chính: lõi thép và dây quấn a. Lõi thép máy biến áp Dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện, hai mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép. b. Dây quấn máy biến áp Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Máy biến áp có công suất nhỏ thì làm mát bằng không khí Máy có công suất lớn thì làm mát bằng dầu, vỏ thùng có cánh tản nhiệt 7.2.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơ cấp I1 (hình 7.2.2) Dòng điện I1 sinh ra từ thông Φ biến thiên chạy trong lõi thép. Từ thông này móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính. Theo định luật cảm ứng điện từ: e1 = - W1 dΦ/dt e2 = - W2 dΦ/dt W1, W2 là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Hình 7.2.2 Khi máy biến áp có tải, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp I2 cung cấp điện cho tải. Từ thông Φ biến thiên hình sin Φ = Φmax sinωt Ta có: e1 = - W1 dΦ/dt = 4,44 f W1Φmax sin(ωt- π/2) e2 = - W2 dΦ/dt = 4,44 f W2Φmax sin(ωt- π/2) 48
  6. trong đó E1=4,44 f W1Φmax, E2 =4,44 f W2Φmax k = E1/ E2= W1/ W2 , k được gọi là hệ số biến áp. Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có: U1/ U2 ≈ E1/ E2 = W1/ W2 = k Bỏ qua mọi tổn hao trong máy biến áp, ta có: U2 I2≈ U1 I1 ⇒ U1/U2 ≈ I2/I1 =W1/W2 = k 7.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP Theo quy tắc vặn nút chai, chiều φ phù hợp với chiều i1, e1 và i1 cùng chiều . Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2 không phù hợp với chiều φ theo quy tắc vặn nút chai. Trong máy biến áp còn có từ thông tản φt1 , φt2 ( hình 7.3.a) Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản . Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L1 : L1 = φt1 /i1 Điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2 : L2= φt2 /i2 φ φt1 φ t2 I2 I1 e1 u1 u2 Zt e2 Hình 7.3.a 7.3.1. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn sơ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.b : trong đó X1 = L1 ω 49
  7. i1 R1 L1 u1 e Hình 7.3.b 7.3.2. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn thứ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.c : R2 L2 i2 e2 Zt u2 Hình 7.3.c Trong đó X2 = L2.ω 7.3.3. Phương trình cân bằng từ Điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1≈ E1 = 4.44 fW1φmax không đổi, cho nên từ thông chính φmax sẽ không đổi. Phương trình cân bằng từ dưới dạng số phức: 7.4. SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP Từ các phương trình cân bằng điện từ ta xây dựng mô hình mạch điện cho máy biến áp. Sơ đồ thay thế là sơ đồ điện phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp, ta có hệ phương trình: 50
  8.  Trong đó: Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ thay thế cho máy biến áp (hình 7.4.a) X1 R1 R'2 X'2 1 I1 Rth I’2 I0 U’2 Z’t U1 Xth E1 = E’2 2 Hình 7.4.a 7.5. CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Là chế độ mà phía thứ cấp hở mạch và phía sơ cấp được đặt vào điện áp. 7.5.1. Đặc điểm chế độ không tải của máy biến áp a. Dòng điện không tải I0 Ta có : I0 = U1/ z0  Tổng trở z0 rất lớn vì thế I0 rất nhỏ: I0 =(3% -10% )I1đm b. Công suất không tải P0 2 2 P0 = R0 I 0=Rth I th = Pst 51
  9. c. Hệ số công suất cosϕ0 7.5.2. Thí nghiệm không tải của máy biến áp Xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ Pst, Xth, Rth, cosϕ0, I0 Sơ đồ thí nghiệm Vôn kế V1 chỉ U1đm; vôn kế V2 chỉ U2đm Ampe kế A chỉ dòng điện không tải I0 Oát mét W chỉ công suất không tải P0 a. Hệ số biến áp k : k = W1/W2 =U1đm/U2đm b. Dòng điện không tải phần trăm : I0 % = I0/I1đm .100% = (3% ÷ 01%) I1đm 2 c. Điện trở không tải: R0=P0/I 0 ≈Rth d. Tổng trở không tải: z0 = U1đm /I0 Điện kháng không tải:  Xth≈Xo e. Hệ số công suất không tải: cosϕ0 = P0/(U1đmI0 ) = 0.1 ÷0.3 7.6. CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP Là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại và phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp. Đây là tình trạng sự cố. 7.6.1. Đặc điểm chế độ ngắn mạch của máy biến áp Phương trình và sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch. Sơ đồ thay thế Tổng trở z’2 rất nhỏ so với zth , nên có thể bỏ nhánh từ hoá . Dòng điện ngắn mạch In: In = U1đm/zn Rn: điện trở ngắn mạch máy biến áp Xn: điện kháng ngắn mạch máy biến áp. zn : tổng trở ngắn mạch máy biến áp Zn rất nhỏ cho nên In rất lớn: In = U1đm/zn ≈ (10 ÷ 25) I1đm ( tình trạng sự cố) 7.6.2. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp 52
  10. Xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và các thông số R1, X1, R2, X2 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp . Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho dòng điện trong các dây quấn đạt giá trị định mức. Un % = Un /U1đm 100% = (3÷10 %) U1đm Công suất đo trong thí nghiệm ngắn mạch Pn là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn. a. Tổng trở ngắn mạch: zn = Un /I1đm 2 b. Điện trở ngắn mạch: Rn= Pn/I 1đm c. Điện kháng ngắn mạch  d. Thông số dây quấn R1 =R’2 = Rn /2 X1 =X’2 =Xn/2 Biết hệ số biến áp, tính được thông số thứ cấp chưa quy đổi. 2 2 R2=R’2/k ; X2=X’2/k 7.7. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải. Hệ số tải : kt = I2/I2đm= I1/I1đm kt=1 tải định mức, kt 1 quá tải. a. Độ biến thiên điện áp thứ cấp. ∆U2% = (U2đm-U2)/ U2đm .100% b. Đặc tính ngoài của máy biến áp Quan hệ U2 = f(I2), khi U1 =U1đm và cosϕt = const. Điện áp thứ cấp U2 là: U2 = U2đm -∆U2 = U2đm (1 - ∆U2%/100) c. Tổn hao và hiệu suất máy biến áp - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng 2 2 2 ∆Pđ =∆Pđ1+∆Pđ2 = I1 R1 +I 2R2 = kt Pn trong đó Pn là công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch . - Tổn hao sắt từ ∆Pst trong lõi thép do dòng điện xoáy và từ trể gây ra Tổn hao sắt từ bằng công suất đo khi thí nghiệm không tải. ∆Pst = P0 Hiệu suất máy biến áp η: 2 η=P2/P1 = P2/(P2 + ∆Pst +∆Pđ) = ktSđm cosϕt /( ktSđm cosϕt +P0 +kt Pn) P2= S2 cos ϕt = ktSđm cosϕt 2 Nếu cosϕt không đổi, hiệu suất cực đại khi η∂/∂kt = 0 ⇒ kt Pn =P0 Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại: Đối với máy biến áp công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải kt= 0.5 ÷0.7 53
  11. 7.8. MÁY BIẾN ÁP BA PHA Để biến đổi điện áp của hệ thống điện ba pha, ta dùng máy biến áp ba pha. Về cấu tạo lõi thép của máy biến áp ba pha gồm 3 trụ và trên mỗi trụ quấn dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mỗi pha Dây quấn sơ cấp: pha A thường kí hiệu là AX, pha B là BY, pha C là CZ. Dây quấn thứ cấp: pha a thường kí hiệu là ax, pha b là by, pha c là cz. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, ví dụ như có 4 trường hợp cơ bản, bao gồm 12 tổ nối dây ( hình 7.8.1) Up1 Up2 Ud2 Ud1 Υ/∆ Υ/Υ ∆/∆ ∆/Υ Hình 7.8.1 Tỷ số điện áp dây trong 4 trường hợp cơ bản: Nối Y/Y:  Υ/∆: ∆/Υ:  54
  12. ∆/∆: Tổ nối dây của máy biến áp cho ta biết cách mắc của cuộn sơ cấp, thứ cấp và góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Ví dụ: Tổ nối dây kí hiệu Υ/Υ- 21; phía sơ cấp và thứ cấp nối sao, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12x300 =3600 7.9. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP Nhờ làm việc song song, công suất lưới điện lớn rất nhiều so với công suất mỗi máy, đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an toàn cung cấp điện, khi một máy hỏng hóc hoặc phải sửa chữa. Điều kiện để cho các máy biến áp làm việc song song : 1. Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các máy phải bằng nhau tương ứng 2. Các máy phải có cùng tổ nối dây 3. Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau. UnI% = UnII% = UnN% Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ lệ với công suất định mức của chúng. 7.10. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 7.10.1. Máy biến áp tự ngẫu Biến áp tự ngẫu còn được gọi là máy tự biến áp Máy biến áp tự ngẫu một pha thường có công suất nhỏ, được dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị để làm nguồn có khả năng điều chỉnh được điện áp đầu ra theo yêu cầu. Máy biến áp tự ngẫu một pha gồm có dây quấn thấp áp (số vòng dây W2 ) là một phần của dây quấn cao áp (số vòng dây W1) ( hình 7.10.1 ) Ta có: U1/U2=W1/W2 hay là U2 = U1.W1/W2 I1 I2 55 a ∼U1 W1
  13. Hình 7.10.1 Ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt a, sẽ thay đổi được điện áp U2. Máy tự biến áp có tiết diện lõi thép bé hơn máy biến áp thông thường nhưng vẫn đảm bảo đủ công suất Máy tự biến áp trong đó cuộn thấp áp là một phần cuộn cao áp cho nên tiết kiệm được dây dẫn, và giảm được tổn hao. Máy tự biến áp có nhược điểm là mức độ an toàn điện không cao 7.10.2. Máy biến áp đo lường a. Máy biến điện áp Dùng biến đổi điện áp xoay chiều rất cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Số vòng dây cuộn thứ cấp phải ít hơn số vòng dây cuộn sơ cấp. Tiết diện dây quấn sơ cấp nhỏ hơn tiết diện dây quấn thứ cấp. Trong khi làm việc, không được để cho máy biến điện áp ngắn mạch ở thứ cấp. U1 A X a U x 2 V Hình 7.10.2.a b. Máy biến dòng điện Dùng biến đổi dòng điện xoay chiều lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường và một số mục đích khác. Vì dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp nhiều hơn số vòng dây sơ cấp. Tiết diện dây quấn thứ cấp nhỏ hơn tiềt diện dây sơ cấp 56
  14. Đối với máy biến dòng không được để hở mạch ở thứ cấp. A X I1 a x I2 A Hình 7.10.2.b CHƯƠNG 8. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.1. KHÁI NIỆM CHUNG 57
  15. Máy điện không đồng bộ là loại máy điện có phần quay, làm việc với điện xoay chiều, theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto khác với tốc độ quay của từ trường. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt nên ít được dùng. Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, gíá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Động cơ điện không đồng bộ gồm các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. 8.2. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Gồm hai phần chính: 1. Phần tĩnh ( Stator: Stato, xtato) 2. Phần quay ( Rotor: Rôto)  Hình 8.2 8.2.1. Phần tĩnh ( STATO) Phần tĩnh gồm các bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có vỏ máy và nắp máy (hình 8.2.1.a)  Hình 8.2.1.a a. Lõi thép Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy (hình 8.2.1.b) 58
  16.  Hình 8.2.1.b b. Dây quấn ba pha Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn ba pha stato sẽ tạo ra từ trường quay. Dây quấn ba pha có thể nối sao hoặc tam giác c. Vỏ máy Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép, cố định máy trên bệ, bảo vệ máy và đỡ trục rôto (hình 8.2.1.c ) 8.2.2. Phần quay ( RÔTO) Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. a. Lõi thép Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục b. Dây quấn Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ thường có hai kiểu: rôto lồng sóc (rôto ngắn mạch) và rôto dây quấn. Rôto lồng sóc trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các thanh đồng (hoặc nhôm), các thanh đồng thường đặt nghiêng so với trục, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng (nhôm), tạo thành lồng sóc (hình 8.2.2.b) 59
  17. Hình 8.2.2.b Rôto dây quấn gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép do các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trục Trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quân ba pha. Dây quấn rôto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt), được nối với ba biến trở bên ngoài để điều chỉnh tốc độ và mở máy Động cơ không đồng bộ có hai loại: Động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn 8.3. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.3.1. Từ trường đập mạch của dây quấn một pha Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian, gọi là từ trường đập mạch. Cho dòng điện hình sin một pha chạy vào cuộn dây AX ( hình 8.3.1.a ) Dây quấn AX được đặt trong 4 rãnh trên stato 1,2,3,4. X N 2 1 2 3 4 3 1 4 S X A A Hình 8.3.1.a Căn cứ vào chiều dòng điện ta vẽ được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai, dây quấn tạo ra tử trường đập mạch có hai cực ( p=1; p là số đôi cực), từ trường này có phương không đổi, nhưng có chiều và độ lớn biến thiên hình sin theo thời gian. Tương tự ta đặt dây quấn AX trên 4 rãnh tạo ra từ trường 4 cực đập mạch ( p=2). 8.3.2. Từ trường quay của dây quấn ba pha a. Sự tạo thành từ trường quay Ta xét máy điện ba pha đơn giản gồm 6 rãnh trong đó đặt ba dây quấn đối xứng AX, BY, CZ trên stato Ba dây quấn được đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện. Trong các dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua có đồ thị iA = Imax sinωt 0 iB = Imax sin(ωt-120 ) 60
  18. 0 iC = Imax sin(ωt-240 ) iA chạy vào cuộn dây AX, iB chạy vào cuộn BY, iC chạy vào cuộn CZ Nếu iA >0 thì dòng đi vào A ra X, nếu iA<0 thì dòng đi vào X ra A Xét từ trường tổng do dòng ba pha gây ra tại 3 thời điểm:  Thời điểm pha ωt= 900 Dòng điện pha A cực đại và dương, các dòng điện pha B và C âm và có độ lớn bằng nhau. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường BA, BB, BC, Btổng  Thời điểm pha ωt= 900+1200 Dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường BA, BB, BC, Btổng . 0 Véc tơ từ trường tổng Btổng đã quay đi một góc là 120 so với thời điểm trước theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.  Thời điểm pha ωt= 900+2400 Dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm. 0 Véc tơ từ trường tổng Btổng đã quay đi một góc là 240 so với thời điểm ban đầu theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Vậy dòng điện ba pha tạo ra từ trường quay b. Đặc điểm của từ trường quay  - Tốc độ từ trường quay Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực p. Tốc độ từ trường quay là n1 =60f/p ( vòng /phút)  - Chiều quay của từ trường Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện đạt cực đại Muốn đổi chiều quay của từ trường ta giữ nguyên một pha và thay đổi thứ tự hai pha còn lại với nhau . Ví dụ : Dòng điện iB cho vào dây quấn CZ, dòng điện iC cho vào dây quấn BY, từ trường sẽ quay theo chiều ngược lại tức là cùng chiều kim đồng hồ.  - Biên độ của từ trường quay Từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên độ bằng 3/2 từ thông cực đại của một pha φmax = 3/2 φpmax c. Từ trường quay của dây quấn hai pha Khi có dây quấn hai pha đặt lệch nhau trong không gian 1 góc 900 điện, dòng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 900 , cũng phân tích như trên, từ trường hai pha là từ trường quay và có biên độ : φmax = φpmax d. Từ thông tản Bộ phận từ thông chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn gọi là từ thông tản 8.4. NGUYÊN LÝ LÀM CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha: Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p. 61
  19. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1 N n Fđt n F đt S Hình 8.4 Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhau thì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, cho nên lực điện từ bằng không. Hệ số trượt của tốc độ : s = (n1-n)/n1 Tốc độ của động cơ : n= 60f/p. (1-s) (vòng/phút) 8.5. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.5.1. Phương trình cân bằng điện dây quấn stato Dây quấn stato của động cơ điện tương tự như dây quấn sơ cấp của máy biến áp, phương trình cân bằng điện áp:  8.5.2. Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto Dây quấn rôto được coi như dây quấn thứ cấp máy biến áp, dây quấn rôto chuyển động đối với từ trường quay tốc độ trượt: n1- n Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số : f2= p (n1- n )/60=sf Sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay: E2s=4,44.f2W2 kdq2φmax =sE2 Điện kháng tản dây quấn rôto lúc quay: X2s = 2πf2.L2 =s. 2πf.L2 = s.X2 ke: Hệ số quy đổi sức điện động rôto ke = E1/E2= W1.kdq1/ W2 kdq2 62
  20. Phương trình điện áp dây quấn rôto lúc quay : 8.5.3. Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ  ki = (m1W1kdq1)/(m2W2kdq2) là hệ số quy đổi dòng điện rôto I0: dòng điện stato lúc không tải; I1, I2 là dòng điện stato và rôto khi động cơ kéo tải, m1, m2 là số pha của dây quấn stato và rôto 8.6. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ta có hệ phương trình :  Sơ đồ thay thế cho động cơ không đồng bộ ( hình 8.6) R1 X1 R2’/s X’2 I1 I’2 I0 Rth U1 Xth Hình 8.6 8.7. MÔ MEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Mômen điện từ Mđt đóng vai trò mômen quay: M = Mđt = Pđt/ω1= Pđt.p/ω ω1: tần số góc của từ trường quay ; ω: tần số góc dòng điện stato; p là số đôi cực từ 2 Công suất điện từ: Pđt= 3I’2 R’2/s Dựa vào sơ đồ thay thế ở mục 8.6 ta tính được:  Ta có : Đồ thị mômen theo hệ số trượt M = f(s) ( hình 8.7.a) Thay s = (n1-n)/n1 vào biều thức ta có mối quan hệ n=f(M) 63
  21. Quan hệ n=f(M), gọi là đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (hình 8.7.b) n M Mc n1 Mmax Mq O s O Mmm M a) b) Hình 8.7 Động cơ sẽ làm việc ở điểm Mq =Mc ( hình 8.7.b ) Đặc điểm của mômen quay: 2 a. Mômen tỉ lệ với bình phương điện áp M∼U1 , nếu U1 thay đổi, mômen động cơ thay đổi rất nhiều. b. Mômen có trị số cực đại Mmax ứng với giá trị tới hạn sth  c. Mômen mở máy Mmm  8.8. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Khi mở máy động cơ phải thỏa mãn ba yêu cầu: 1. Mômen mở máy động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy 2. Mômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép 3. Dòng mở máy phải nhỏ để điện áp lưới điện không bị sụt áp và ảnh hưởng đến các thiết bị khác 8.8.1. Mở máy động cơ rôto dây quấn Khi mở máy dây quấn rôto được nối với biến trở mở máy. Đầu tiên để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần đến không. Đường đặc tính cơ ứng với các giá trị Rmở Khi có điện trở mở máy Rmở , dòng điện pha lúc mở máy : 64
  22. Khi Rmở tăng thì Mmm tăng Nhờ có Rmở dòng điện mở máy giảm xuống và mômen mở máy tăng Đó là ưu điểm của động cơ rôto dây quấn. 8.8.2. Mở máy động cơ lồng sóc a. Mở máy trực tiếp Phương pháp đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều. Phương pháp này dùng được khi công suất mạng điện (hoặc nguồn điện) lớn hơn công suất động cơ rất nhiều. b. Giảm điện áp cung cấp cho stato Khi mở máy ta giảm điện áp vào động cơ, cũng làm giảm được dòng điện mở máy. Khuyết điểm của phương pháp này mômen mở máy giảm rất nhiều, vì thế chỉ sử dụng được đối với trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. Các biện pháp giảm điện áp như sau: - Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato Lúc mở máy, cầu dao K2 mở, cầu dao K1 đóng. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng K2 và ngắt K1. Nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần, dòng điện sẽ giảm đi k lần, song mômen giảm đi k2 lần (vì M∼U2) - Dùng máy tự biến áp Gọi k là hệ số biến áp ; U1 là điện áp pha lưới điện ; zn là tổng trở động cơ lúc mở máy. Dòng điện I1 lưới điện cung cấp cho động cơ lúc có máy tự biến áp : 2 I1=Iđc/k =Uđc/kzn = U1/k zn Khi mở máy trực tiếp, dòng điện I1 =U1/zn Dòng điện của lưới điện giảm đi k2 lần. Điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, nên mômen sẽ giảm k2 lần. - Phương pháp đổi nối sao – tam giác Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối hình tam giác. Khi mở máy ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm . Sau khi mở máy ta đổi nối lại thành hình tam giác như đúng quy định của máy. Dòng điện dây khi nối hình tam giác:  Dòng điện dây khi nối hình sao: Dòng điện dây mạng điện giảm đi 3 lần. vả mômen giảm đi 3 lần. 65
  23. Qua các phương pháp, chúng ta đều thấy mômen máy giảm xuống nhiều. Để khắc phục điều này, người ta đã chế tạo loại động cơ lồng sóc kép và loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tốt. 8.8.3. Động cơ điện lồng sóc có đặc tính mở máy tốt a. Động cơ điện lồng sóc rãnh sâu Loại động cơ này, rãnh rôto hẹp và sâu (chiều sâu bằng 10-12 lần chiều rộng rãnh). Khi có dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, từ thông tản rôto phân bố. Từ thông tản móc vòng với đọan dưới thanh dẫn nhiều hơn đoạn trên. Do lúc mở máy, điện kháng tản phía dưới lớn, dòng điện tập trung phía trên thanh dẫn gần miệng rãnh làm sự phân bố dòng điện tập trung nhiều ở phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện của thanh coi như bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên sẽ làm tăng mômen mở máy. Khi mở máy xong, tần số dòng điện rôto nhỏ, tác dụng trên bị yếu đi, điện trở rôto giảm xuống như bình thường. b. Động cơ điện lồng sóc kép Rôto của động cơ có hai lồng sóc, các thanh dẫn của lồng sóc ngoài (còn gọi là lồng sóc mở máy) có tiết diện nhỏ và điện trở lớn Lồng sóc trong có tiết diện lớn hơn điện trở nhỏ. Như ở trên khi mở máy dòng điện tập trung ở lồng sóc ngoài có điện trở lớn, mômen mở máy lớn. Khi làm việc bình thường, dòng điện lại phân bố đều ở cả hai lồng sóc, điện trở lồng sóc ngoài nhỏ xuống. Động cơ điện rãnh sâu và lồng sóc kép có đặc tính mở máy tốt, nhưng vì từ thông tản lớn, nên hệ số công suất cosϕ thấp hơn động cơ lồng sóc thông thường. 8.9. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ : n = 60f/p. (1-s) (vòng/phút) 8.9.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số (f) Thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng bộ biến tần. Khi thay đổi tần số người ta mong muốn giữ cho từ thông φmax không đổi, cho nên phải giữ cho tỷ số điện áp và tần số không đổi. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép điều chình tốc độ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng và cho cà nhóm động cơ, song giá thành tương đối đắt. 8.9.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực (p) Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. Muốn thay đổi P ta phải thay đổi cách đấu dây hoặc có cách cấu tạo dây quấn đặc biệt 8.9.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp đường đặc tính M=f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi. 66
  24. Nhược điểm của phương pháp này là giảm khả năng quá tải của động cơ, phạm vi điều chỉnh hẹp, tăng tổn hao và chỉ sử dụng cho các động cơ công suất nhỏ 8.9.4. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở rôto của động cơ rôto dây quấn Khi tăng điện trở, dòng điện rôto giảm dẫn đến lực từ giảm cho nên tốc độ quay của động cơ giảm. Phương pháp này đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng 8.10. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Đặc tính của động cơ không đồng bộ là các quan hệ giữa tốc độ quay rôto n, hệ số cosϕ, hiệu suất η, mômen quay M, và dòng điện stato I1 với công suất cơ hữu ích trên trục P2 . 8.10.1. Đặc tuyến dòng điện stato I1 = f(P2)  Với U1 không đổi , I0 gần như không đổi. Khi P2 tăng , I’2 tăng nên I1 tăng theo. 8.10.2. Đặc tuyến tốc độ rôto n = f(P2) Khi tải tăng, công suất P2 trên trục động cơ tăng, mômen cản tăng lên, từ đường đặc tính mômen ta thấy hệ số trượt s tăng lên, và tốc độ động cơ giàm xuống. 8.10.3. Đặc tuyến mômen quay M = f(P2) Khi P2 tăng, nếu s không đổi thì đặc tuyến sẽ là đường thẳng. Ở đây s hơi tăng lên nên M tăng nhanh hơn P2 8.10.4. Đặc tuyến hiệu suất η = f(P2) Hiệu suất của động cơ : η = P2/(P2+∆P) Nếu P2 tăng , Pđ1 và Pđ2 tăng theo, hiệu suất tăng theo, hiệu suất tăng lên đến ηđm = 0.75 –0.9, sau đó giảm xuống. 8.10.5. Hệ số công suất cosϕ = f(P2) Trong đó P1 là công suất tác dụng (điện) động cơ tiêu thụ để biến đổi sang công suất cơ P2. Q1 là công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ để tạo ra từ trường cho máy. Khi tải tăng, công suất P1 tăng và cosϕ được tăng lên đạt đến giá trị định mức cosϕ= 0,8 - 0,9. Khi quá tải dòng điện vượt định mức, từ thông tản tăng, Q1 tăng; do đó cosϕ lại giảm xuống. Các đường đặc tuyến được thể hiện trên hình vẽ 8.10 67
  25. n, M, I n η cosϕ I1 cosϕ0 M I0 O P2 Hình 8.10 8.11. ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA a. Từ trường dòng điện hình sin một pha Dòng điện xoay chiều một pha không tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điện, chiều và trị số từ trường thay đổi, nhưng phương của từ trường không đổi. Từ trường này gọi là từ trường đập mạch. Phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau cùng tần số quay n1 và biên độ bằng một nửa biên độ từ trường đập mạch. Trong đó từ trường quay có chiều quay trùng với chiều quay rôto, gọi là từ trường quay thuận B+, còn từ trường có chiều quay ngược chiều quay rôto gọi là từ trường quay ngược B-  Mômen quay M1 do từ trường thuận sinh ra có giá trị số dương và M2 do từ trường ngược gây ra có trị số âm. Mômen quay M của động cơ là M=M1-M2 Từ đường đặc tính mômen, lúc mở máy M1= M2 ⇒ M=0 động cơ điện không tự mở máy được. Nhưng nếu tác động làm cho động cơ quay, động cơ có mômen M và sẽ tiếp tục quay. Phải có biện pháp mở máy, tạo cho động cơ một mômen mở máy. b. Động cơ một pha Về cấu tạo stato chỉ có dây quấn một pha, rôto thường là lồng sóc. Ở loại động cơ này, ngoài dây quấn chính, còn có dây quấn phụ. Dây quấn phụ có thể thiết kế để làm việc chỉ lúc mở máy (gọi là động cơ 1 pha không ngậm tụ), hoặc làm việc thường trực (động cơ 1 pha ngậm tụ). 68
  26. Dây quấn phụ đặt trong các rãnh stato, sao cho sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 900 trong không gian. Dòng điện ở dây quấn phụ và dây quấn chính sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen mở máy. Để dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900, phải nối tiếp với dây quấn phụ một tụ điện C. CHƯƠNG 9. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG 9.9.1. Định nghĩa Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng đúng tốc độ quay của từ trường stato n1 gọi là máy điện đồng bộ Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. 9.1.2. Công dụng a. Chế độ máy phát Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tua bin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. ( hình 9.1.2 ) 69
  27.  Hình 9.1.2 Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ điêzen hoặc xăng, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song b. Chế độ động cơ Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió .v.v. Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, máy bù đồng bộ 9.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và rôto . Stato là phần tĩnh (còn gọi là phần ứng ), rôto là phần quay (còn gọi là phần cảm ). 9.2.1. Phần tĩnh ( STATO) Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ a. Lõi thép Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. lõi thép được ép vào trong vỏ máy b. Dây quấn Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép 9.2.2. Phần quay ( RÔTO) Rô to máy điện đồng bộ bao gồm lõi thép, cực từ và dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ được cấp bởi nguồn điện một chiều để tạo ra từ trường cho máy. (hình 9.2.2.a) Hình 9.2.2.a 70
  28. Hai đầu của dây quấn kích từ nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn 1 chiều. Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi a. Rôto cực lồi Dùng ở máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. Rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ b. Rôto cực ẩn Thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000v/ph có một đôi cực. Rôto cực ẩn dây quấn kích từ được đặt ẩn trong các rãnh. 9.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto φo Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng: E0=4,44fW1kdqφo . Nếu rôto có p đôi cực, tần số f của sức điện động: f = pn/60 Dây quấn ba pha stato có đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau góc pha 1200 Trong dây quấn stato xuất hiện một nguồn điện ba pha đối xứng Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn có dòng điện ba pha: iA = Imax sinωt 0 iB = Imaxsin(ωt – 120 ) 0 iC = Imaxsin(ωt – 240 ) Dòng điện ba pha được tạo ra giống như ở máy điện không đồng bộ sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/p (n = 60f/p =n1), đúng bằng tốc độ quay n của rôto. Do đó máy điện này gọi là máy điện đồng bộ . 9.4. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ rôto φ0 cắt dây quấn stato cảm ứng 0 ra sức điện động E0 chậm pha so với nó một góc 90 . Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải, dòng điện I tạo nên từ trường quay phần ứng (stato). Tác dụng của từ trường phần ứng (stato) lên từ trường cực từ (rôto) gọi là phản ứng phần ứng. Tải thuần trở Từ thông phần ứng φư (stato) theo hướng ngang trục, làm lệch hướng từ trường cực từ (rôto) φ0 ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục (hình 9.4.a) E0 I φư 71 S φo N
  29. Hình 9.4.a Tải thuần cảm Từ thông phần ứng φư ngược chiều φ0 gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng (hình 9.4.b) E0 I N φo φư S N Hình 9.4.b Tải thuần dung Từ thông phần ứng φư cùng chiều φ0, gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng từ trường tổng. E0 I φo S φư N Hình 9.4.c N Tải bất kỳ Phân tích từ trường phần ứng thành hai thành phần: Thành phần ngang trục làm lệch hướng từ trường tổng Thành phần dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (hình 9.4.d) E0 φư φưn 72 I
  30. Hình 9.4.d Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ vừa phụ thuộc vào dòng điện tải I (độ lớn bé) vừa phụ thuộc vào tính chất của tải ( thuần trở, thuần cảm và thuần dung). 9.5. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP VÀ CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.5.1. Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn Xđb =Xd=Xq gọi là điện kháng đồng bộ. Phương trình cân bằng điện áp:  9.5.2. Các đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ a. Đặc tính không tải U0 = E0 = f(Ikt) khi Itải =0, n =const ( f=const) Ta có: Eo= 4,44f.W1.kdq.φo = K.φo Đặc tính không tải là đường φ0 =f(Ikt), gọi là đường cong từ hóa vật liệu sắt từ b. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ Mối quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải cosϕt không đổi, tần số f và dòng điện kích từ Ikt không đổi U = f(I) khi Ikt =const, n= const (f=const) , cosϕt =const Đặc tính ngoài của máy phát phụ thuộc tính chất của tải c. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ Mối quan hệ giữa dòng điện kích từ với dòng điện tải điện áp U bằng điện áp định mức, tần số f và tính chất tải không đổi. Ikt = f(I) khi U =const, n= const ( f =const), cosϕt =const 9.6. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.6.1. Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện ba pha Ia, Ib, Ic vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto biến thành một nam châm điện 73
  31. Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo rôto quay với tốc độ n = n1 Phưong trình điện áp của động cơ điện đồng bộ: 9.6.2. Mở máy động cơ điện đồng bộ Muốn động cơ làm việc, phải tạo mômen mở máy để quay rôto đồng bộ với từ trường quay stato. Trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn, được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ không đồng bộ ( hình 9.6.2)  Hình 9.6.2 Khi mở máy, nhờ có dây quấn mở máy ở rôto động cơ sẽ làm việc như đồng cơ không đồng bộ . Trong quá trình mở máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua mạch điện có điện trở lớn để bảo vệ dây quấn kích từ Khi rôto đã quay đến tốc độ bằng tốc độ đồng bộ n1, đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ. 9.6.3. Máy bù đồng bộ Động cơ điện đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh quá kích thích để động cơ phát ra công suất phản kháng với mục đích nâng cao hệ số công suất lưới điện. Công suất phản kháng: Q= mU (E0cosθ-U)/Xđb mà E0 phụ thuộc Ikt Tăng Ikt ⇒ tăng E0 ⇒ Q >0 động cơ phát ra công suất phản kháng vào lưới điện, động cơ làm việc quá kích thích. Hệ số công suất lưới điện cosϕL Tăng Ikt ⇒ tăng Q ⇒ giảm QL⇒ cosϕL tăng và ngược lại 74
  32. CHƯƠNG 10. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 10.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều bao gồm stato với cực từ, rôto và cổ góp với chổi than 10.1.1. PHẦN TĨNH (STATO ) Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Gắn với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ 10.1.2. PHẦN QUAY (RÔTO) Rôto của máy điện một chiều gọi là phần ứng bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và chổi than (hình 10.1.2.a)  Hình 10.1.2.a a. Lõi thép và dây quấn Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. Các lá thép kỹ thuật điện có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp. Các phiến góp đặt trên cổ góp b. Cổ góp và chổi than 75
  33. Cổ góp gổm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ , được gắn ở đầu trục rôto. Các đầu dây của phần tử dây quấn rôto nối với phiến góp. Chổi than làm bằng than graphit, các chổi than được tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo 10.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10.2.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Ta xét máy phát điện một chiều có dây quấn phần ứng gồm hai thanh dẫn ab và cd chỉ nối với hai phiến góp 1 và 2 ( hình 10.2.1) Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Trên thanh dẫn ab sức điện động có chiều từ a đến b. Trên thanh dẫn cd chiều sức điện động từ c đến d . Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của hai thanh dẫn phần tử và hai phiến góp thay đổi cho nhau. Sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều nhưng chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ chỉnh lưu dòng điện I ra tải có chiều không đổi. Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư –Rư Iư Rư là điện trở dây quấn phần ứng; U là điện áp hai đầu cực máy ; Eư là sức điện động phần ứng. 10.2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp 1 và 2, trong dây quấn phần ứng có dòng điện (hình 10.2.2 ) Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Hình 10.2.2 Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1 và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eưtrong dây quấn rôto Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: 76
  34. U = Eư + Rư Iư 10.3. SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG, CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VÀ MÔMEN ĐIỆN TỪ a. Sức điện động phần ứng Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động : e =Btbl.v Sức điện động phần ứng Eư bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Số thanh dẫn trong một nhánh: N/2a Sức điện động phần ứng Eư: Eư = N/2a *e = N/2a * Btbl.v (1) Tốc độ dài: v= πDn/60 (2) Mặt khác từ thông mỗi cực từ φ = Btb πDl/2p (3) Từ (1) (2) (3) ta có Eư= pN/60a *nφ = kEnφ Kết luận: Eư = kEnφ b. Công suất điện từ và mômen điện từ Công suất điện từ: Pđt = Eư Iư (5) Từ (4) và (5) ta có : Pđt = pN/60a *nφ Iư Mômen điện từ: Mđt = Pđt /ωr (6) ωr là tần số góc quay của rôto: ωr =2πn/60 (7) Từ (6) và (7) ta có: Mđt = pN/2πa Iư φ = kM Iư φ Kết luận : Mđt =kM Iư φ 10.4. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ . Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học AB Ở đường trung tính hình học có cường độ từ cảm B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động . Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng (rôto) sinh ra từ trường phần ứng .Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng . Hậu quả của phản ứng phần ứng a. Từ trường trong máy bị biến dạng Đường trung tính hình học AB đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý A1B1 với góc lệch thường nhỏ và lệch theo chiều quay của rôto khi là máy phát điện, và ngược chiều quay của rôto khi là động cơ điện. 77
  35. b. Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, từ thông φ của máy bị giảm xuống, kéo theo sức điện động phần ứng Eư giảm, điện áp máy phát U giảm . Ở chế độ động cơ, từ thông giảm làm cho mômen quay giảm, và tốc độ động cơ thay đổi Để khắc phục hậu quả trên, người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù . Từ trường cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng nhằm triệt tiêu từ trường phần ứng . 10.5. NGUYÊN NHÂN TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, và làm nhiễu đến các thiết bị điện tử khác. Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau: 1. Nguyên nhân cơ khí Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp . 2. Nguyên nhân điện từ Khi rôto quay liên tiếp có phần tử chuyển đổi từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác. trong phần tử đổi chiều ấy sẽ xuất hiện các sức điện động sau: a. Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều . b. Sức điện động hỗ cảm em, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận . c. Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra 3. Biện pháp khắc phục Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù ( triệt tiêu) tổng 3 sức điện động eL, em,eq . 10.6. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia máy điện một chiều ra các loại : a. Máy điện một chiều kích từ độc lập. b. Máy điện một chiều kích từ song song c. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp d. Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp 10.6.1. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập Phưong trình cân bằng điện áp Mạch phần ứng: U = Eư –RưIư 78
  36. Mạch kích từ : Ukt = Ikt ( Rkt + Rđc) Khi dòng điện I tải tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân: 1. Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông φ giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm. 2. Điện áp rơi Rư.Iư tăng. Đường đặc tính ngoài U=f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) , khi giữ điện áp và tốc độ không đổi Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong các hệ thống máy phát - động cơ, truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, máy bay v.v 10.6.2. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ SONG SONG Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ dư Phương trình cân bằng điện áp Mạch phần ứng : U = Eư –RưIư Mạch kích từ : U=Ikt (Rkt +Rđc) Phương trình dòng điện: Iư =I+Ikt Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U giảm như máy phát điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm. Đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập Đường đặc tính điều chỉnh của máy phát điện Ikt=f(I) khi U,n không đổi 10.6.3. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều, trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Khi I tải tăng, dòng điện Iư tăng, từ thông φ và Eư tăng, do đó U tăng, Khi I = (2-2,5)Iđm, máy bão hoà, thì I tăng U sẽ giảm. 10.6.4. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song. Khi tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông máy tăng lên, sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm của máy phát điện kích từ hỗn hợp. Đường đặc tính ngoài U= f(I) Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dây quấn kích từ song song Khi tải tăng, điện áp giảm rất nhiều. Đường đặc tính ngoài dốc, nên được sử dụng làm máy hàn một chiều. 10.7. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 79
  37. Dựa vào phương pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện một chiều giống đối với máy phát một chiều. Sức điện động của động cơ điện một chiều Eư: Eư= pN/60a *nφ = kEnφ Mômen điện từ Mđt của động cơ: Mđt = pN/2πa Iư φ = kM Iư φ 10.7.1. MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU a. Mở máy động cơ điện một chiều Phương trình cân bằng điện áp: U=Eư + RưIư ⇒Iư= (U- Eư)/ Rư Khi mở máy, tốc độ n=0 ⇒Eư = kE nφ =0 ⇒ Iư= U/ Rư Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư=(20÷30) Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện. Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp : - Dùng biến trở mở máy Rmở Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy: Iưmở =U/( Rư+Rmở) Lúc đầu để biến trở Rmở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy giảm dần đến không (hình 10.7.1 ) - Giảm điện áp đặt vào phần ứng Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp U A Rđc Rm I ư Hình 10.7.1 b. Điều chỉnh tốc độ 80
  38. Eư = U - RưIư = kE n.φ⇒ n = (U - RưIư)/ kE φ Điều chỉnh tốc độ bẳng các phương pháp: - Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ. - Thay đổi điện áp U Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều. - Thay đổi từ thông Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp phương pháp thay đổi từ thông với thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng. 10.7.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Để mở máy dùng biến trở mở máy Rmở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc . a. Đường đặc tính cơ n = f(M) n = (U - RưIư)/ kEφ (1) Mặt khác: Mđt = kM Iư φ (2) Từ (1) và (2) ta có: 2 n= U/ kEφ - RưM/ (kM kEφ ) Thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có: 2 n= U/ kEφ - (Rư +Rp )M/ (kM kEφ ) Đường 1 đặc tính cơ tự nhiên (Rp =0), đường 2 đặc tính cơ ứng với Rp ≠ 0. (hình 10.7.2) b. Đặc tính làm việc Các đường quan hệ giữa tốc độ n, mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất η theo công suất cơ trên trục P2 Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắt kim loại, máy công cụ . 10.7.3. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Để điều chỉnh tốc độ ta có thể điều chỉnh từ thông, mắc biến trở điều chinh song song với dây quấn kích từ nối tiếp. a. Đường đặc tính cơ n = f(M) Khi máy không bão hoà, dòng điện phần ứng Iư và từ thông φ tỷ lệ với nhau: Iư = kI φ (1) 2 Ta có: M=kM Iư φ = kM kI φ (2)  n = (U - RưIư)/ kEφ (3) Từ (1), (2) và (3) ta có: 81
  39. Phương trình đặc tính cơ có dạng hypecbôn Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. b. Đường đặc tính làm việc 10.7.4. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường hai dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông, hoặc nối ngược làm giảm từ thông Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận ( đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính, còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận . Dây quấn kích từ song song đảm bảo tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ, và nối ngược, có đặc tính cơ rất cứng là đường 4, nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi . 82
  40. PHẦN III. THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN CHƯƠNG 11. THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN 11.1. THÍ NGHIỆM 1: MẠCH ĐIỆN HÌNH SIN MỘT PHA 11.1.1. MỤC ĐÍCH VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM a. Mục đích thí nghiệm Hiểu được sự phân bố dòng điện, điện áp và sự thay đổi góc pha do tính chất của tải trong mạch điện phân nhánh và không phân nhánh. b. Dụng cụ thí nghiệm Bảng 1 Stt Tên thiết bị Ký hiệu Quy cách Số lượng 1 Nguồn xoay chiều 1 pha 220V~ 220V 2 Biến áp tự ngẫu BAT In 220V/ Out 1 250V/6,6A 3 Ampe kế điện từ A1, A2, A3, A4 0 ÷1 A 4 4 Vôn mét điện từ V1, V2 ,V3, V4 0 ÷ 250VAC 4 5 Đèn đốt tim R1 75W ÷110VAC 2 6 Đèn đốt tim R2 75W ÷110VAC 4 7 Cuộn cảm L 1 8 Tụ điện C1, C2, C3 2µF, 1µF, 0.5µF 3 9 Công tắc K 5A/250VAC 2 10 Công tơ 1 pha KWh 1~ 10A 1 11.1.2. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a. Mạch R – L – C nối tiếp Trình tự thao tác Mắc mạch điện mạch R – L – C nối tiếp 83
  41. Vặn núm điều chỉnh của BAT về vị trí 0 ( Ngược chiều kim đồng hồ ). - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT. - Điều chỉnh điện áp ra của BAT là Unguồn = 60V ( V4 = 60V ). - Thay đổi giá trị của điện dung (đấu nối tiếp hoặc song song các tụ) hoặc thay đổi giá trị điện cảm (chỉnh khe hở mạch từ của cuộn cảm hoặc đấu nối tiếp các cuộn cảm) sao cho mạch mang tính cảm ( UL > UC ). - Lấy số liệu ghi vào bảng 2. - Điều chỉnh tụ C hoặc cuộn cảm L để mạch mang tính dung ( UC > UL ). - Lấy các số liệu ghi vào bảng 2. Bảng 2 Tính chất Kết quả đo Ghi chú mạch Unguồn It UR UL UC tính cảm tính dung Dựa vào kết quả đo được vẽ giản đồ véctơ khi mạch mang tính cảm, mạch mang tính dung. Sinh viên phải vẽ giản đồ véctơ khi mạch mang tính cảm Sinh viên phải vẽ giản đồ véctơ khi mạch mang tính dung b. Mạch R – L – C mắc song song Trình tự thao tác Mắc mạch điện mạch R – L – C mắc song song Vặn núm điều chỉnh của BAT về vị trí 0 ( Ngược chiều kim đồng hồ ). - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, chỉnh núm vặn của BAT theo chiều kim đồng hồ để có điện áp ra là 60V (V4 = 60V). - Đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT - Thay đổi tụ C và cuộn L sao cho mạch mang tính cảm ( IL > IC ). - Lấy số liệu ghi vào bảng 3 - Thay đổi tụ C và cuộn cảm L sao cho mạch mang tính dung ( IC > IL). - Lấy số liệu ghi vào bảng 3 Bảng 3 Tính chất Kết quả đo It IR IL IC mạch Tính cảm Tính dung Dựa vào số liệu đo được vẽ giản đồ véctơ khi mạch mang tính cảm, mạch mang tính dung. Sinh viên phải vẽ giản đồ véc tơ khi mạch mang tính cảm và giản đồ véc tơ khi mạch mang tính dung 84
  42. 11.2. THÍ NGHIỆM 2 : MẠCH ĐIỆN HÌNH SIN BA PHA 11.2.1. MỤC ĐÍCH VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM a. Mục đích thí nghiệm 1. Làm quen với mạch điện 3 pha thực tế, biết cách nối phụ tải theo kiểu sao và tam giác. 2. Khảo sát mối quan hệ dòng điện và điện áp pha và dây trong mạch 3 pha đối xứng. 3. Khảo sát vai trò của dây trung tính trong mạch 3 pha không đối xứng. 4. Vẽ được đồ thị véctơ dòng điện và điện áp của mạch điện ba pha b. Dụng cụ thí nghiệm Bảng 4 Stt Tên thiết bị Ký hiệu Quy cách Số lượng 1 Áp tô mát 3 pha CB 220V/ 30A 1 2 Công tơ 3 pha KWH 3~ 220V/10A 1 3 Ampe mét A0 0 ÷ 1 A 1 4 Ampe mét A1, A2, A3 0 ÷ 3 A 3 5 Vôn mét V 0 ÷ 260 V 1 6 Phụ tải (bóng đèn dây tóc) ZA, ZB, ZC 220V/75W 15 11.2.2. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a. Mạch điện hình sin 3 pha phụ tải đối xứng nối tam giác - Mắc sơ đồ mạch điện phụ tải đối xứng nối tam giác - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, đóng cầu dao CD. - Lấy số liệu ghi vào bảng 5. - Dựa vào số liệu ở bảng 5 vẽ đồ thị véctơ Bảng 5 Kết quả đo UAB UBC UCA IAB IBC ICA IA b. Mạch điện hình sin 3 pha phụ tải đối xứng nối sao - Mắc sơ đồ mạch điện phụ tải đối xứng nối sao - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, đóng cầu dao CD. - Lấy các số liệu ghi vào bảng 6. - Dựa vào bảng 6 vẽ đồ thị véctơ. Bảng 6 Kết quả đo UAB UBC UCA UAX UBY UCZ IA IB IC Sinh viên vẽ đồ thị véctơ dòng áp trường hợp nối tam giác và trường hợp nối sao 3. Khảo sát vai trò của dây trung tính Dây trung tính có tác dụng làm cân bằng điện áp 3 pha khi phụ tải ở các pha không đối xứng 85
  43. a . Mạch 3 pha không có dây trung tính phụ tải không đối xứng nối sao. - Sơ đồ mạch điện 3 pha không có dây trung tính phụ tải không đối xứng nối sao. Bằng hai công tắc K1, K2, điều chỉnh Za ≠ Zb ≠ Zc (số bóng đèn 3 pha khác nhau). - Đọc số liệu ghi vào bảng 7. - Dựa vào số liệu trong bảng 7 vẽ đồ thị véctơ Bảng 7 Trường hợp Kết quả đo UAB UBC UCA UAX UBY UCZ UOO’ IA IB IC IOO’ Không có dây trung tính Có dây trung tính Sinh viên phải nhận xét: b. Mạch 3 pha có dây trung tính phụ tải không đối xứng nối hình sao Sơ đồ mạch điện trong đó O là điểm trung tính của nguồn, O’ là điểm trung tính của tải. - Ampe mét A0 chỉ giá trị IO’O - Đóng cầu dao CD - Đọc số liệu, ghi vào bảng 7. - Dựa vào số liệu trong bảng 7, vẽ đồ thị véctơ. Sinh viên phải vẽ đồ thị véctơ trường hợp không dây trung tính và trường hợp có dây trung tính 11.3. THÍ NGHIỆM 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 11.3.1. MỤC ĐÍCH VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM a. Mục đích thí nghiệm 1. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý máy biến áp (MBA) 2. Xác định thông số của MBA 3. Dựng đường đặc tính ngoài qua đó đánh giá chất lượng của máy biến áp b. Dụng cụ thí nghiệm Stt Tên thiết bị Ký hiệu Quy cách Số lượng 1 Máy biến áp cách ly 1 pha BA 110/220V/1KW 1 2 Máy biến áp tự ngẫu 1pha BAT 220V/250V/6.6A 1 3 Công tơ 1 pha KWH 220V/10A 1 4 Vôn mét V1, V10 0 ÷ 250 V 1 5 Vôn mét V2, V20 0 ÷ 250 V 1 6 Ampe mét A10 0 ÷ 1 A 1 7 Ampe mét A1 0 ÷ 9 A 1 8 Ampe mét A2 0 ÷ 5 A 1 9 Phụ tải (bóng đèn dây tóc) RPT 220V/75W 15 11.3.2. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a. Thí nghiệm không tải Mắc mạch điện cho máy biến áp ở chế độ không tải - Điều chỉnh núm vặn BAT về vị trí 0 ( ngược chiều kim đồng hồ). 86
  44. - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT. - Chỉnh núm vặn BAT theo chiều kim đồng hồ để có điện áp ra là 110V (V10 = 110V ). - Theo dõi đĩa của công tơ quay 1 vòng hết bao nhiêu giây. Từ hằng số của công tơ bằng 400 vòng/1000wh ta tính được công suất tiêu thụ của MBA khi không tải. Po = 1000 . 3600 /( 600 . số giây ứng với 1 vòng ) - Dựa vào kết quả đo được tính các thông số MBA  Kết quả đo và tính ghi vào bảng 8. Bảng 8 U10 U20 I10 P0 K R0 X0 cosϕ0 I10 bằng khoảng (2% ÷ 10% )I1đm b. Thí nghiệm ngắn mạch Mắc sơ đồ mạch điện máy biến áp ở chế độ ngắn mạch - Xoay núm vặn của biến áp tự ngẫu về 0 ( ngược chiều kim đồng hồ). - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT, xoay núm vặn của BAT theo chiều kim đồng hồ để tăng điện áp ngõ ra sao cho dòng điện trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp đạt giá trị định mức: I1đm = I1ng = 8A ( gía trị này đọc trên đồng hồ A1) I2đm = I2ng = 5A ( gía trị này đọc trên đồng hồ A2) Đo các số liệu rồi ghi vào bảng 9. Dựa vào kết quả đo, tính các thông số ngắn mạch rồi ghi vào bảng 9. Công th ức tính các thông số ngắn mạch. Áp dụng công thức trên để tính Png Bảng 9 Kết quả đo Kết quả tính U1ng U2ng I1ng I2ng Png U1ng% Zng Rng Xng cosϕng c. Thí nghiệm có tải - Mắc sơ đồ mạch điện máy biến áp ở chế độ ngắn mạch - Xoay núm vặn BAT về vị trí 0. 87
  45. - Sau khi giáo viên kiểm tra xong, đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT - Vặn núm vặn của BAT theo chiều kim đồng hồ khi V2 = 220V - Giữ nguyên núm vặn của BAT - Thay đổi RPT bằng cách thay đổi số lượng bóng đèn (đóng công tắc K) - Các số liệu đo được ghi vào bảng 10. - Dựa vào kết quả đo được tính các thông số còn lại rồi ghi vào bảng 10. - Công thức tính các thông số có tải : P2 = U2 I2 cosϕ P1 = U1 I1 cosϕ η = P2/P1.100% Bảng 10 Kết quả đo Kết quả tính RPT U1 U2 I1 I2 P1 P2 η% 0 3 bóng 5 bóng 8 bóng 11 bóng 15 bóng Theo kết quả ở bảng 10, sinh viên phải dựng đặc tính ngoài của MBA, từ đó đưa ra nhận xét về chất lượng của MBA. Nhận xét của sinh viên: Sinh viên phải vẽ đường đặc tính ngoài 11.4. THÍ NGHIỆM 4: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 11.4.1. MỤC ĐÍCH VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM a. Mục đích thí nghiệm 1. Tìm hiểu cấu tạo của động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc ba pha. 2. Kiểm tra sơ bộ chất lượng một động cơ, xác định các đầu dây ra để biết cách đấu một động cơ 3 pha 3 . Tập đấu dây, khởi động và đổi chiều quay động cơ ở hai cách đấu sao và đấu tam giác b. Dụng cụ thí nghiệm Bảng 11 Stt Tên thiết bị Kí hiệu Quy cách Số lượng 1 Nguồn 220V xoay chiều 220V~ 1 2 Động cơ không đồng bộ 3 pha ĐC3 220V/380V/ 0,18KW 1 3 Vôn mét V1 0÷450 V 1 4 Vôn mét V 0÷15 V 1 88
  46. 5 Megaohm MΩ 1 6 Đồng hồ vạn năng VOM 1 7 Cầu dao đảo K2 30 A 1 8 Ampe mét A1 1 9 Watt mét KW 1 10 Biến áp tự ngẫu BAT 220V/250V/6.6A 1 11.4.2. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a. Tìm hiểu cấu tạo động cơ Mở nắp động cơ xem cấu tạo dây quấn của stato và rôto lồng sóc b. Kiểm tra cơ khí Dùng tay quay trục động cơ xem có bị kẹt trục, ổ bi có bị rơ, mòn hay không ? c. Kiểm tra dây quấn Dùng 1 đầu Megaohm nối lần lượt vào từng đầu dây stato (A, B, C) của động cơ, đầu còn lại của Megaohm cho tiếp xúc với vỏ máy (hình 11.4.2.a) Nếu điện trở cách điện của dây quấn stato với vỏ động cơ Rcđ ≥0,5 MΩ thì đạt yêu cầu. Nếu Rcđ = 0 Ω, dây quấn stato chạm vỏ phải sửa chữa. A B C MΩ Z X Y Hình 11.4.2.a d . Đo điện trở ba cuộn dây stato Dùng đồng hồ DVM ( đồng hồ số) để ở giai đo điện trở để đo điện trở ba cuộn dây AX, BY, CZ. Ghi các giá trị điện trở của ba cuộn dây stato: RAX = RBY = RCZ = Nếu RAX = RBY = RCZ thì tốt Nếu RAX ≠ RBY ≠RCZ thì dây quấn stato bị chạm, có sự cố, phải sửa chữa. Chú ý : Hai đầu dây của một cuộn có một giá trị điện trở nào đó ( khoảng vài ôm tới vài chục ôm). còn hai đầu dây khác cuộn có điện trở bằng ∞. Ví dụ AY, BX, CX có điện trở bằng ∞ e. Xác định các đầu đầu A, B, C và các đầu cuối X, Y, Z của ba cuộn dây stato Khi đặt vào 2 cuộn dây stato của động cơ một điện áp Uđm mà rô to đứng yên thì tương đương với hiện tượng ngắn mạch động cơ, dòng điện trong dây quấn rất lớn sẽ làm cháy động cơ, do đó phải hạn chế điện áp đặt vào động cơ sao cho dòng điện I qua động cơ là Iđm ( trong thí nghiệm này thì Iđm = 0,4A). - Sau khi giáo viên kiểm tra mạch điện, xoay núm vặn của BAT về 0 89
  47. ( vặn ngược chiều kim đồng hồ). - Đóng cầu dao CD cung cấp điện cho BAT. - Chỉnh núm vặn BAT theo chiều kim đồng hồ sao cho dòng điện qua ampe kế A1 là 0,4A. - Nếu kim lệch phải và vôn kế chỉ vài vôn thì các đầu dây trên sơ đồ là đúng (X nối B: cuối cuộn này nối đầu cuộn kia ) - Nếu vôn kế chỉ 0V thì các đầu dây trên sơ đồ là X nối Y, cuối cuộn này nối cuối cuộn kia như hình 11.4.2.c 2 3 A1 A I đm X 220V~ V B 0 Y CD BAT Hình 11.4.2.c - Khi đã xác định AX, BY đổi vị trí cuộn BY và cuộn CZ để xác định C,Z như hình 11.4.2.d 2 3 A1 A Iđm X 220V~ V Z 0 C CD BAT Hình 11.4.2.d f. Cho động cơ chạy thử Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 11.4.2.e ( động cơ đấu sao) Ghi các giá trị : IA = IB = IC = Nếu IA = IB = IC và động cơ quay không có tiếng ù là tốt. Chỉ cho phép IA , IB , IC lệch nhau 15% Dòng điện không tải I0 tính theo phần trăm Iđm của động cơ 3 pha tra theo bảng 12 Bảng 12 Pđm (KW) I0 nđb(vòng/ph) 3000 1500 1000 750 0,1 - 0,5 55(%) 70(%) 80 (%) 90(%) 90
  48. 0,51 –1 40 55 60 65 1,1 – 5 35 50 55 60 5,1 – 10 25 45 50 55 10,1 – 25 20 40 45 40 25,1 - 50 18 35 40 45 g. Khởi động trực tiếp và đảo chiều quay động cơ 1. Khởi động trực tiếp - Mắc sơ đồ mạch điện đảo chiều quay động cơ Yêu cầu giáo viên kiểm tra mạch điện. Chú ý: Cầu dao đảo K2 có 2 vị trí: Y và ∆ Ikđ và I0 bằng ampe kế A2 nhưng tại các thời điểm khác nhau. - Đóng K2 sang vị trí Y, đóng cầu dao CD, lấy số liệu ghi vào bảng 13 - Ngắt cầu dao CD để động cơ ngừng quay (n = 0) - Đóng K2 sang vị trí ∆, đóng cầu dao CD, lấy số liệu ghi vào bảng 13 Chú ý : Dòng điện khởi động (Ikđ) và công suất khởi động (Pkđ) là dòng điện và công suất ngay tại thời điểm vừa đóng cầu dao, cần quan sát ngay. Còn I0 và P0 là các giá trị khi động cơ đạt tốc độ định mức và không tải. Bảng 13 Chế độ khởi động sao sang tam Ikđ I0 Pkđ P0 giác Nối hình sao Nối hình tam giác 2. Đảo chiều động cơ Đổi vị trí 2 pha A, B, giữ nguyên pha C Phần nhận xét của sinh viên: h . Khởi động sao – tam giác ( Y/∆ ) Khởi động Y/∆ để giảm dòng khởi động của động cơ - Giữ nguyên sơ đồ mạch điện - Đóng K2 sang vị trí Y. - Đóng CD cung cấp điện cho động cơ. - Ghi số liệu vào hàng 1 bảng 14 - Động cơ đang quay chuyển K2 sang vị trí ∆ - Ghi số liệu vào hàng 2 bảng 14 Bảng 14 Chế độ khởi động Ikđ I0 Pkđ P0 Nối sao Nối tam giác 91
  49. 11.5. THÍ NGHIỆM 5: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 11.5.1. MỤC ĐÍCH VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM a. Mục đích thí nghiệm 1. Tìm hiểu cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha . 2. Kiểm tra sơ bộ chất lượng một động cơ, xác định các đầu dây ra để biết cách đấu một động cơ 1 pha 3. Tập đấu dây, khởi động và đổi chiều quay động cơ b. Dụng cụ thí nghiệm Bảng 11 Stt Tên thiết bị Kí hiệu Quy cách Số lượng 1 Nguồn 220V xoay chiều 220V~ 1 2 Động cơ không đồng bộ 1 pha ĐC 1~ 220V/110V/ 0,75KW 1 3 Vôn mét V1 0÷ 450 V 1 4 Vôn mét V 0÷ 15 V 1 5 Megaohm MΩ 1 6 Đồng hồ vạn năng VOM 1 7 Ampe mét 1 11.5.2. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a. Tìm hiểu cấu tạo động cơ Mở nắp động cơ xem cấu tạo dây quấn của stato và rôto lồng sóc b. Kiểm tra cơ khí Dùng tay quay trục động cơ xem có bị kẹt trục, ổ bi có bị rơ, mòn hay không ? c. Kiểm tra sự cách điện cùa dây quấn stato với vỏ động cơ. Dùng 1 đầu Megaohm nối lần lượt vào từng đầu dây stato ( A1, A2, B1, B2) cùa động cơ, đầu còn lại của Megaohm cho tiếp xúc với vỏ máy . Nếu điện trở cách điện của dây quấn stato với vỏ động cơ Rcđ ≥ 0,5 MΩ thì đạt yêu cầu. Nếu Rcđ = 0Ω, dây quấn stato chạm vỏ phải sửa chữa. d. Đo điện trở cuộn chạy ( pha chính) và cuộn đề ( pha phụ) Mắc mạch điện như hình 11.5.2.b A1 B1 MΩ A B 2 2 92
  50. Hình 11.5.2.b Bật công tắc của DVM ( đồng hồ số) tới vị trí Ω Đo điện trở hai cuộn dây A1A2 và B1B2, hình 11.5.2.b đang đo điện trở của B1B2 Ghi giá trị của chúng vào bảng 1 và kết luận cuộn nào là cuộn chạy, cuộn nào là cuộn đề Bảng 1 Giá trị điện trở Kết luận Cuộn A1A2 Cuộn B1B2 Chú ý: Điện trở cuộn đề lớn hơn điện trở cuộn chạy. Đo điện áp nguồn, điện áp của tụ điện, điện áp của cuộn chạy và cuộn đề. Ghi các giá trị đo vào bảng 2 Bảng 2 Điện áp Giá trị Ghi chú Tụ điện C Cuộn đề Cuộn chạy Điện áp nguồn e. Đảo chiều động cơ 1 pha. Muốn đảo chiều động cơ 1 pha ta đảo đầu cuộn chạy hoặc đảo đầu cuộn đề Quan sát chiều quay của động cơ Động cơ có đảo chiều quay không? Có Không 93