zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Bài giảng Máy điện: Chương 3 - TS. Nguyễn Quang Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Báo xấu

128
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Máy điện: Chương 3 trình bày các vấn đề cơ bản của máy điện quay như khái niệm, giới thiệu về máy điện xoay chiều, sức từ động của dây quấn rải, điện áp cảm ứng, mômen trong máy cực ẩn, mômen theo quan điểm mạch ghép, mômen theo quan điểm từ trường và một số nội dung khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Máy điện: Chương 3 - TS. Nguyễn Quang Nam

Bài giảng Chương 3: Các vấn đề cơ bản của máy điện quay TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 1 1 Khái niệm Điện áp cảm ứng trong các máy điện quay thông qua sự thay đổi của từ thông móc vòng theo thời gian. Sự biến thiên của từ thông móc vòng có thể được thực hiện bằng cách quay dây quấn cắt ngang từ trường, hoặc quay từ trường quét qua dây quấn, hoặc thiết kế mạch từ để từ trở thay đổi khi rôto chuyển động. Sự thay đổi từ thông móc vòng một cách đều đặn dẫn đến điện áp biến thiên theo thời gian được sinh ra. Phần 1 2
Khái niệm (tt) Bộ dây quấn có điện áp cảm ứng thường được gọi là dây quấn phần ứng. Nói chung, thuật ngữ này được dùng để chỉ dây quấn tải dòng điện AC trong máy điện quay. Trong máy điện AC như máy đồng bộ và không đồng bộ, dây quấn phần ứng thường nằm trên stato, nên cũng được gọi là dây quấn stato. Trong máy điện DC, dây quấn phần ứng nằm trên rôto, là phần chuyển động trong máy. Phần 1 3 Khái niệm (tt) Máy điện đồng bộ và một chiều thường có thêm dây quấn thứ hai mang dòng điện DC, được dùng để tạo ra từ thông chính trong máy. Dây quấn này thường được gọi là dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ nằm trên stato của máy một chiều và trên rôto của máy đồng bộ. Do đó, máy đồng bộ cần một hệ thống tiếp điểm quay (vành trượt + chổi). Từ thông cũng có thể được tạo ra bởi NCVC. Phần 1 4
Khái niệm (tt) Trong hầu hết máy điện quay, stato và rôto được chế tạo từ thép kỹ thuật điện, và dây quấn được đặt trong rãnh. Từ thông biến thiên theo thời gian trong phần ứng có xu hướng làm cảm ứng các dòng điện xoáy trong thép. Các dòng điện cảm ứng có thể gây ra tổn hao lớn và làm giảm mạnh hiệu năng của máy. Để khắc phục, phần ứng được chế tạo từ các lá thép mỏng cách điện với nhau. Phần 1 5 Khái niệm (tt) Trong một số máy, như máy điện từ trở và động cơ bước, không có dây quấn trên rôto. Sự vận hành của các máy này phụ thuộc vào sự không đồng đều của từ trở khe hở khi rôto quay, kết hợp với sự thay đổi theo thời gian của dòng điện stato. Trong các máy này, cả stato lẫn rôto đều có từ thông biến thiên theo thời gian, do đó đều cần được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện. Phần 1 6
Giới thiệu về máy điện xoay chiều Máy điện AC truyền thống thuộc một trong hai loại: đồng bộ và không đồng bộ. Trong máy không đồng bộ, dòng điện rôto được cảm ứng bởi sự kết hợp của sự biến thiên theo thời gian của dòng điện stato và chuyển động tương đối của rôto so với stato. Xét máy đồng bộ cơ sở như trong slide tiếp theo, là một máy đồng bộ cực lồi, 2 cực. Phần 1 7 Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Kích Phần ứng nằm trên stato, kích từ từ nằm trên rôto. Dòng điện kích từ đi vào máy Phần ứng thông qua các chổi than và vành trượt. Cuộn dây phần ứng gồm N vòng, với các cạnh a và –a được đặt gối xứng qua tâm. Rôto quay ở tốc độ không đổi nhờ một nguồn cơ học. Phần 1 8
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Giả thiết từ thông trong khe hở phân bố hình sin trong không gian (trong thực tế, hình dạng mặt cực có thể được thiết kế để tạo ra điều kiện như vậy). Điện áp cảm ứng sẽ có dạng hình sin theo thời gian, dưới những điều kiện đã giả thiết. Cuộn dây hoàn tất 1 chu kỳ sau mỗi vòng quay của máy 2 cực đang xét. Nghĩa là tần số của nó (tính bằng Hz) bằng với tốc độ của rôto (tính bằng vòng/giây). Phần 1 9 Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Như vậy tần số điện của điện áp phát ra được đồng bộ với tốc độ cơ học, và là lý do của tên gọi máy “đồng bộ”. Rất nhiều máy đồng bộ có nhiều hơn 2 cực. Với các máy này, các cuộn dây được nối sao cho các cực luân phiên thay đổi. Mỗi cuộn dây nằm dưới 1 đôi cực từ. Như vậy, tần số (tính bằng Hz) sẽ gấp p lần tốc độ quay (tính bằng vòng/giây). Với máy có nhiều đôi cực, có thể tập trung vào một đôi cực, vì các hiện tượng được lặp lại ở mỗi đôi cực. Phần 1 10
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Khi đó, sẽ thuận tiện hơn khi diễn tả các góc theo đơn vị độ điện hay radian điện. Như vậy, trong máy có p đôi cực, 360 độ điện hay 2π radian điện tương ứng với 1 đôi cực, do đó θ e = pθ m (3.1) Và tần số của máy có tốc độ n (vòng/phút – rpm) là n f =p (3.2) 60 Phần 1 11 Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Rôto vừa xét có cấu trúc cực lồi, với dây quấn tập trung. Rôto còn có thể được chế tạo với cấu trúc cực ẩn, và dây quấn phân bố. Cấu trúc cực lồi thích hợp với các máy phát thủy điện, nhiều cực, tốc độ thấp. Cấu trúc cực ẩn thích hợp với các máy phát tuabin (khí hoặc hơi), có ít cực và tốc độ cao. Hầu hết hệ thống điện là hệ thống 3 pha, nên các máy phát đồng bộ cũng là các máy phát 3 pha. Phần 1 12
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Các cuộn dây phần ứng có thể được nối Y hoặc ∆. Khi máy phát đồng bộ cung cấp điện cho tải, dòng điện phần ứng tạo ra một sóng từ thông trong khe hở không khí, quay ở tốc độ đồng bộ. Từ thông này tương tác với từ thông kích từ tạo ra mômen có xu hướng kéo 2 từ thông này thẳng hàng với nhau, và ngược chiều quay. Động cơ sơ cấp cần tạo ra mômen để duy trì chuyển động quay của máy phát. Phần 1 13 Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Động cơ đồng bộ sẽ có cơ chế hoạt động tương tự, nhưng từ thông phần ứng là do hệ dòng điện 3 pha trong dây quấn phần ứng tạo ra, quay ở tốc độ đồng bộ. Khi động cơ đồng bộ mang tải, mômen tải sẽ làm cho góc lệch giữa từ thông phần ứng và từ thông kích từ tăng lên, do đó làm tăng mômen điện từ sinh ra, và đưa động cơ trở về trạng thái cân bằng. Tốc độ của động cơ luôn tỷ lệ với tần số nguồn. Phần 1 14
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Máy không đồng bộ (KĐB) cũng có dây quấn stato giống như máy đồng bộ. Tuy nhiên, dòng điện trong dây quấn rôto của máy KĐB là dòng điện AC, được cảm ứng do sự chênh lệch tốc độ của rôto và từ trường quay. Máy KĐB có thể được xem là một máy biến áp tổng quát với công suất điện được chuyển đổi thành công suất cơ cùng với sự thay đổi tần số. Máy KĐB trước đây rất ít khi được dùng làm máy phát. Phần 1 15 Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt) Dây quấn rôto được ngắn mạch, giúp cho dòng điện cảm ứng sinh ra khi có hiện ứng biến áp từ dây quấn stato. Trong động cơ KĐB rôto lồng sóc, dây quấn rôto được tạo thành từ các thanh dẫn nhôm đúc dọc theo rãnh rôto, với các thanh dẫn bị ngắn mạch ở hai đầu rôto. Cấu trúc rôto lồng sóc là khá rẻ tiền và rất tin cậy, khiến cho nó được sử dụng rộng rãi. Rôto của động cơ KĐB luôn luôn quay chậm hơn từ trường quay của máy. Phần 1 16
Giới thiệu về máy điện một chiều Dây quấn phần ứng của máy phát DC nằm trên rôto, được nối Chổi Chiều than với mạch ngoài bằng các chổi quay Cổ góp than. Dây quấn kích từ nằm trên stato và được cung cấp dòng điện DC. Hình trên cho thấy cấu trúc đơn giản hóa của máy phát DC 2 cực. Phần 1 17 Giới thiệu về máy điện một chiều (tt) Phân bố từ thông trong khe hở thường có dạng bằng đầu, chứ không phải hình sin, trong không gian. Khi quay cuộn dây, điện áp cảm ứng có dạng sóng theo thời gian giống như phân bố từ cảm trong không gian. Vì điện áp cảm ứng là dạng xoay chiều, một bộ cổ góp được dùng để chỉnh lưu điện áp các cuộn dây, tạo ra điện áp DC tại ngõ ra. Cổ góp là một tập các phiến đồng được cách điện với nhau, và gắn thành 1 mặt trụ trên trục máy. Phần 1 18
Giới thiệu về máy điện một chiều (tt) Dây quấn kích từ tạo ra một từ trường cố định so với stato, dây quấn phần ứng cũng tạo ra một từ trường cố định trong không gian, phụ thuộc vào thiết kế của máy và vị trí của các chổi, thường là vuông góc với từ trường kích từ. Giống như trong các máy điện đã được khảo sát, mômen trong máy được tạo ra do sự tương tác giữa hai từ trường. Trong máy phát, mômen ngược chiều quay, còn trong động cơ, mômen thuận chiều quay. Phần 1 19 Sức từ động của dây quấn rải Hầu hết phần ứng có dây Cuộn dây quấn rải, được phân tán trong N vòng các rãnh dọc khe hở. Các cuộn Trục từ stato dây được nối sao cho từ trường tạo thành có cùng số cực như dây quấn kích từ. Xét một dây quấn gồm 1 cuộn dây N vòng, với các cạnh cách nhau 180 độ điện, như hình trên. Phần 1 20
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Bỏ qua từ trở của lõi thép, có thể thấy cường độ từ trường ở một vị trí θa dưới 1 cực sẽ có cùng độ lớn với cường độ từ trường ở vị trí θa + π dưới cực kia, do tính đối xứng của mạch từ. Sức từ động trên bất kỳ đường sức từ nào cũng là Ni. Cơ bản Rôto Stato Phần 1 21 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Sức từ động (stđ) phải được phân bố đều như có thể thấy ở slide vừa rồi. Từ áp rơi trên mỗi khe hở phải bằng Ni/2. Hình vẽ trên thể hiện dạng khai triển của dây quấn, sức từ động có phân bố dạng bước nhảy có độ lớn Ni/2. Giả thiết miệng rãnh hẹp, sức từ động sẽ đột ngột thay đổi 1 lượng Ni khi chuyển từ phía bên này sang phía bên kia của cuộn dây. Phần 1 22
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Phân tích Fourier cho thấy sức từ động của 1 cuộn dây bước đủ như trên bao gồm thành phần cơ bản lẫn các họa tần bậc cao. Trong máy AC, các cuộn dây được phân bố sao cho các họa tần bậc cao được cực tiểu hóa, và sức từ động khe hở chủ yếu là thành phần cơ bản trong không gian. Giả thiết rằng những biện pháp trên đã được thực hiện, chúng ta có thể tập trung vào thành phần cơ bản. Phần 1 23 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Dạng sóng ở slide 21 của dây quấn tập trung 2 cực, bước đủ có thể được phân tích thành chuỗi Fourier, với thành phần cơ bản là 4  Ni  Fag1 =   cos(θ a ) (3.3) π 2  với θa được tính từ trục từ của cuộn stato. Sức từ động đạt giá trị cực đại dọc theo trục của nó 4  Ni  Fag1m =   (3.4) π 2 Phần 1 24
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Bây giờ xét dây quấn rải, gồm nhiều cuộn dây phân bố trên vài rãnh (hình 4.20a, sách Fitzgerald). Xét sức từ động khe hở của pha a, với các cuộn dây được bố trí thành 2 lớp, mỗi cuộn dây bước đủ có Nc vòng. Sơ đồ khai triển của dây quấn (hình 4.20b, sách Fitzgerald) cho thấy dạng sóng sức từ động trong không gian, gồm một số bước nhảy với độ cao 2Ncia, với ia là dòng điện trong cuộn dây. Phần 1 25 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Có thể thấy dây quấn rải tạo ra dạng sóng gần với hình sin hơn so với dây quấn tập trung. Biên độ của thành phần cơ bản sóng sức từ động không gian của dây quấn rải nhỏ hơn tổng các thành phần cơ bản của từng cuộn dây thành phần, vì trục từ của từng cuộn dây không thẳng hàng với trục từ tổng hợp. Thành phần cơ bản của sóng sức từ động trong trường hợp này sẽ là: Phần 1 26
Sức từ động của dây quấn rải (tt) 4  k dq N ph  Fag1 =  π 2 p ia cos( pθ a )  (3.5)  với p là số đôi cực từ, Nph là số vòng dây nối tiếp mỗi pha, và hệ số dây quấn kdq (< 1) xét đến sự phân bố của các cuộn dây. Tích số kdqNph là số vòng dây nối tiếp hiệu dụng mỗi pha đối với thành phần cơ bản của sức từ động. Trị đỉnh của dạng sóng này là: Phần 1 27 Sức từ động của dây quấn rải (tt) 4  k dq N ph  Fag1 =  2 p ia  (3.6) π  Phương trình (3.5) mô tả thành phần cơ bản trong không gian của sóng sức từ động tạo bởi dòng điện pha a của 1 dây quấn rải. Nếu dòng điện pha a (ia) biến thiên hình sin theo thời gian, kết quả sẽ là một sóng stđ biến thiên cả theo góc lệch so với trục và theo thời gian. Dây quấn rôto cũng được phân bố với cùng mục đích. Phần 1 28
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Trong các máy DC, bộ đổi chiều Trục từ phần ứng đặt ra các ràng buộc đối với dây Trục từ quấn, do đó sóng sức từ động của kích từ phần ứng xấp xỉ dạng sóng tam giác (hình 4.22, sách Fitzgerald). Trục từ phần ứng thẳng đứng và vuông góc với trục từ kích từ. Khi phần ứng quay, các cuộn dây nối với chổi than được thay đổi sao cho từ trường phần ứng vẫn thẳng đứng. Phần 1 29 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Trên hình 4.23a (sách Fitzgerald) là sơ đồ khai triển của dây quấn, với sóng sức từ động như hình 4.23b. Giả thiết miệng rãnh hẹp, sóng stđ bao gồm 1 số bước, với chiều cao mỗi bước là 2Ncic, với Nc là số vòng mỗi cuộn, và ic là dòng điện trong cuộn dây, giả thiết dây quấn 2 lớp bước đủ. Sóng stđ đạt cực đại tại trục từ, nằm giữa các cực từ. Phần 1 30
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Dạng sóng này có thể được xấp xỉ bởi 1 sóng tam giác (hình 4.23c), điều này càng đúng trong các máy thực tế, có số lượng rãnh phần ứng trên mỗi cực là lớn. Sóng răng cưa có thể được coi là được tạo ra bởi 1 lớp dòng điện nằm sát bề mặt phần ứng. Thành phần cơ bản của sóng răng cưa có giá trị bằng 8/π2 lần chiều cao (trị đỉnh) của sóng tam giác. Phần 1 31 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Mặc dù sóng stđ khe hở chỉ phụ thuộc vào sự bố trí của dây quấn và sự đối xứng của mạch từ, từ cảm trong khe hở phụ thuộc vào cả stđ lẫn điều kiện biên của mạch từ. Máy DC thường có mạch từ với nhiều hơn 2 cực. Dây quấn kích từ tạo ra các cực từ xen kẽ, và dây quấn phần ứng cũng được chế tạo cho phù hợp. Giả thiết dây quấn và mạch từ đối xứng, mỗi đôi cực từ đều giống các đôi cực từ còn lại. Phần 1 32
Sức từ động của dây quấn rải (tt) Các điều kiện từ có thể được xác định thông qua việc khảo sát một đôi cực từ bất kỳ (360 độ điện). Trị đỉnh của sóng stđ tam giác có thể được biểu diễn bởi  Ca  Fagm =   2m ⋅ 2 p ia  (3.7)   với Ca là tổng số thanh dẫn phần ứng, m là số mạch nhánh song song, và ia là dòng điện phần ứng. Như vậy ia/m là dòng điện đi trong thanh dẫn. Phần 1 33 Sức từ động của dây quấn rải (tt) Dạng rút gọn hơn của (3.7) N  Fagm =  a ia  2p  (3.8)   với Na = Ca/(2m) là số vòng dây nối tiếp của phần ứng. Thành phần cơ bản của sóng không gian sẽ có trị đỉnh là 8  Na  Fag1m =  ia (3.9) 2  π  2p  Phần 1 34
Từ trường trong máy điện quay Sự vận hành của máy điện được xác định bởi các từ trường do các dòng điện trong các dây quấn tạo ra. Sự liên hệ giữa từ trường và dòng điện được xem xét dưới đây. Trong các máy có khe hở đều (hình 4.25a, sách Fitzgerald), có thể dễ dàng xác định cường độ từ trường, với giả thiết chúng chỉ hướng kính và có độ lớn không đổi dọc theo khe hở. Dạng sóng của Hag1 do đó theo sát dạng sóng của Fag1. Phần 1 35 Từ trường trong máy điện quay (tt) Các công thức tính cường độ từ trường chỉ khác các công thức tính sức từ động ở 1 hệ số bổ sung, là chiều dài khe hở không khí g. Chẳng hạn, Hag1 tính từ Fag1 Fag1 4  Ni  H ag1 = =   cos(θ a ) (3.10) g π  2g    Với dây quấn rải, cường độ từ trường cũng dễ dàng tính được từ sức từ động. Phần 1 36
Từ trường trong máy điện quay (tt) Với các máy có cấu trúc cực lồi, khe hở không khí là cực kỳ không đều, dẫn đến phân bố từ trường khe hở phức tạp hơn nhiều so với máy có khe hở đều. Việc phân tích chi tiết phân bố từ trường sẽ đòi hỏi lời giải đầy đủ của bài toán trường. Tuy nhiên, một số giả thiết đơn giản hóa và kỹ thuật phân tích có thể giúp rút ra lời giải đủ chính xác. Phần 1 37 Từ trường quay trong máy điện AC Để hiểu được lý thuyết và sự vận hành của máy AC nhiều pha, cần nghiên cứu bản chất của sóng stđ do một dây quấn nhiều pha tạo ra. Việc phân tích chỉ tập trung vào máy 2 cực hoặc 1 đôi cực của dây quấn nhiều cực. Xét sức từ động của một pha dây quấn. Phân bố không gian của thành phần stđ cơ bản đã được xác định từ (3.5) cho dây quấn rải. Phần 1 38
Từ trường quay trong máy điện AC (tt) Khi kích thích dây quấn bằng dòng điện biến thiên hình sin theo thời gian ở tần số ωe, ia = I m cos(ωet ) (3.11) Phân bố sức từ động cho bởi Fag1 = Fm cos( pθ a ) cos(ωet ) = Fm cos(θ e ) cos(ωet ) (3.12) Như vậy phân bố sức từ động có một giá trị cực đại. Sóng stđ cố định trong không gian với biên độ biến thiên hình sin theo thời gian ở tần số ωe. Phần 1 39 Từ trường quay trong máy điện AC (tt) Sóng stđ trên có thể được phân tích thành 2 thành phần có biên độ bằng nhau, 1 thành phần quay cùng chiều quay, và 1 thành phần quay ngược chiều quay, với cùng biên độ bằng 0,5 lần biên độ của Fag1. Đây là một bước quan trọng trong việc tìm hiểu các máy điện AC. Trong các máy điện AC nhiều pha, các sóng stđ ngược chiều quay bị khử lẫn nhau, còn các sóng stđ cùng chiều quay tăng cường tác dụng. Phần 1 40

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2397 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.