Bài giảng Máy điện CĐ Phương Đông [Tài liệu chi tiết]

MÁY ĐIỆN CHƯƠNG I MÁY BIẾN ÁP

hoặc

I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ta dùng máy biến áp. Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rộng rãi, nên có những loại máy biến áp khác nhau: máy biến áp một pha, máy biến áp ba pha, máy biến áp hai dây quấn, ba dây quấn… nhưng chúng đều dựa trên một nguyên lý, đó là nguyên lý cảm ứng điện từ. 1. Khái niệm Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Trong các bản vẽ, máy biến áp được ký hiệu như hình vẽ:

a) Hình 9-1. Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp. Đầu ra nối

với tải gọi là thứ cấp. Các đại lượng, thông số của máy biến áp:

Sơ cấp Thứ cấp Các đại lượng và thông số

Điện áp Dòng điện Tần số Công suất Số vòng dây U1 I1 f P1 N1 U2 I2 f P2 N2

2. Các đại lượng định mức

Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và hiệu quả nhất. Ba đại lượng định mức cơ bản là: a. Điện áp định mức

- Điện áp sơ cấp định mức (U1đm): là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp, đối với máy biến áp ba pha là điện áp dây.

- Điện áp thứ cấp định mức (U2đm): là điện áp giữa các đầu ra của dây quấn thứ cấp, là điện áp dây (đối với máy biến áp ba pha), khi dây quấn thứ cấp hở mạch (không nối với tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức.

Điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây cách điện giữa các lớp, các vòng dây và lựa chọn vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn. Đơn vị của điện áp định mức là V hoặc Kv. b. Dòng điện định mức

Trang 1

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy

biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức.

Khi đặt điện áp vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải có công suất bằng công suất định mức của máy biến áp thì dòng điện đo được trên cuộn dây sơ cấp là dòng điện sơ cấp định mức (I1đm) và dòng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp là dòng điện thứ cấp định mức (I2đm). Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với

máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây.

Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dòng điện định mức để chọn tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảm bảo nhiệt độ tăng trong quá trình sử dụng không vượt quá giới hạn an toàn. c. 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 ký hiệu là Sđm, đơn vị là VA hoặc kVA.

Đối với máy biến áp một pha, công suất định mức là: Sđm = U2đm* I2đm = U1đm* I1đm

Đối với máy biến áp ba pha, công suất định mức là:

Sđm = 3 U2đm* I2đm = 3 U1đm* I1đm Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn

mạch, chế độ làm việc…

Trong quá trình sử dụng máy biến áp, nếu ta đặt dưới các đại lượng định mức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, còn nếu ta đặt trên các đại lượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp. 3. Công dụng của máy biến áp:

Đường dây

nguồn

tải

MBA tăng áp

MBA hạ áp

Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện (như khu công nghiệp, khu dân cư…) vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng. Điện áp máy phát thường là 6,3kV;10,5kV; 15,75kV; 38,5kV. Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phải giảm dòng điện chạy trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp. Mặt khác điện áp của tải thường khoảng 110 đến 500V, động cơ công suất lớn thường từ 3 đến 6kV, vì vậy ở cuối đường dây cần đặt máy biến áp hạ áp, như hình vẽ 9.2:

Hình 9-2.

II. MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 1.Cấu tạo

Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.

Trang 2

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

a. Lõi thép

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy biến áp, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận: - Trụ: là nơi để đặt dây quấn.

- Gông: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.

Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện ( dày khoảng 0,35mm đến 0,5mm, mặt ngoài có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép.

Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng có hình chữ U, E, I như hình

vẽ:

Hình 9-4. Lá thép kỹ thuật điện.



b. Dây quấn Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm), có

tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.

Hình 9-5. Mặt cắt ngang dây quấn.

Trang 3

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thông thường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đăït lồng ra bên ngoài, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điện ( hình 9-6).

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Điện áp thấp

Gông

Cao áp

Hình 9-6. Lõi thép của máy biến áp. Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường dặt lõi thép và dây quấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt, ngoài ra còn có các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy. 2. Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp U1, dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông . Do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó sức điện động.

Với cuộn sơ cấp là: e1 = - N1

d dt d dt

Với cuộn thứ cấp là: : e2 = - N2

Hình 9-7. Giả sử từ thông của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian:

 = maxsint (Wb)

Sau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 9-3 ta được:

e1 = - N1maxcost

cost = - sin(t – 900 ) e1 = N1max sin(t – 900 )

Vì Nên Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thông  một góc

900. Trị số cực đại của sức điện động: E1max = N1max

Trang 4

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

f 2

Chia E1max cho 2 và thay  = 2f, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp:

E1max = 2

E1 = max = 4,44fN1max

Tương tự,biểu thức sức điện động hiệu dụng của cuộn thứ cấp: E2 = 4,44fN2max Khi máy biến áp không nối với tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấp thực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1  U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 = U20 (U20 là điện áp thứ cấp không tải).

Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nó khi không có tải, được rút ra từ biểu thức 9-8 và 9-9, bằng tỷ số vòng dây của các cuộn dây.

Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp:

E E

U U

N N

= = k =

- Nếu N1 > N2 suy ra k > 1 , U1 > U2, máy biến áp hạ áp.



- Nếu N1 < N2 suy ra k < 1 , U1 < U2, máy biến áp tăng áp. Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể

I I

U1I1 = U2I2 Hoặc: coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U U



Ví dụ 1: Một máy biến áp có cuộn sơ cấp nối vào mạng điện 6600V, điện áp

6600 220

k = 30

cuộn thứ cấp là 220V. Tính tỷ số biến áp: Lời giải: U U Ví dụ 2: Cuộn sơ cấp của một máy biến áp được nối vào mạng điện 10kV, điện áp cuộn thứ cấp là 100V. Tính tỷ số biến áp và số vòng cuộn thứ cấp, nếu số vòng dây cuộn sơ cấp là 21000 vòng.



Lời giải:

100 Tỷ số biến áp: k =

10000 100

U U



N N



k Xác định số vòng dây theo phương trình:

Thay số vào ta có: N2 =

U U 21000 210 vòng. 100

III. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP 1. Các phương trình cơ bản của máy biến áp a . Phương trình cân bằng sức điện động

Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 9-7. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp một điện áp xoay chiều u1 thì trong đó sẽ có dòng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì sẽ có dòng điện i2 chạy qua. Những dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1N1 và i2N2. Phần lớn từ thông do i1N1 và i2N2 sinh ra được

Trang 5

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN



e 1





 1

 d 1 dt  d 2 dt 2 N 1 N  2 thứ cấp ứng với từ thông chính .

khép mạch qua lõi thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp và được gọi là từ thông chính . Từ thông chính gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sức điện động là:  d dt  d dt Trong đó: là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và và



e  1



e 

d   1 dt d   dt

d   1 dt d   dt

Còn một phần rất nhỏ từ thông do các sức từ động i1N1 và i2N2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi thép và khép mạch qua không khí hay dầu gọi là từ thông tản. Từ thông tản cùng gây nên các sức điện động tản tương ứng:





e 1

u 1



ri 11 u





)

(

Theo định luật kirchof 2, ta có phương trình cân bằng sức điện động của dây quấn sơ cấp và thứ cấp như sau:

e  1   e

ri 22

' r 2

' 2

hay

' 2

là điện trở và cảm kháng của dây quấn thứ cấp qui về sơ cấp.

hay U1 = -E1 + I1(r1 +jx1)  jx  Trong đó: r1, x1 là điện trở và cảm kháng của dây quấn sơ cấp. ' 2 , xr b. Phương trình cân bằng sức từ động

Lúc máy biến áp làm việc có tải, từ thông chính trong máy là do sức từ động tổng sơ cấp và thứ cấp (i1N1 + i2N2) tạo nên. Nếu máy làm việc không tải,dòng điện trong dây quấn sơ cấp là i0, từ thông chính trong lõi thép chỉ còn do sức từ động i0N1 sinh ra. Nếu bỏ qua điện áp rơi trong máy biến áp, ta có thể xem điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng sức điện động cảm ứng trong nó do từ thông chính gây nên U1 = E1 = 4,44.f.N1max. Nhưng điện áp U1 đặt vào thường được giữ bằng điện áp định mức và luôn không đổi dù máy biến áp làm việc có tải hay không tải, nên sức điện động E1 và do đó từ thông max trong máy biến áp có trị số không đổi. Như vậy nghĩa là sức từ động (i1N1 + i2N2) sinh ra từ thông chính lúc có tải



 I 1

phải bằng sức từ động i0N1. Do đó ta có phương trình cân bằng sức từ động: (i1N1 + i2N2) = i0N1 Phương trình cân bằng sức từ động viết dưới dạng số phức là:

  I ) ( 2 c. Mạch điện thay thế máy biến áp

Từ phương trình cân băng sức điện động và sức từ động, ta xây dựng mô hình

mạch điện, gọi là sơ đồ mạch điện thay thế máy biến áp, như hình 9-8a.

Trang 6

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

2 Xk

 2

2 R  Z

, là tổng trở tải qui về sơ cấp.

  I

Trong đó: & U

là dòng điện thứ cấp qui về sơ cấp.

& là điện áp thứ cấp qui về sơ cấp, với k là hệ số biến áp của máy. Uk là điện trở và cảm kháng thứ cấp qui về sơ cấp. 2  XRk 2 2  2 Zk t  I 2 k

  IZ 0 th    IZ 22



 U  U  I 1

 IZ  11   IZ 0 th   I 2

1  2  I 0

Rth, Xth là điện trở và điện kháng từ hoá. Zth = Rth + jXth là tổng trở từ hoá đặc trưng cho mạch từ. Thay các giá trị trên vào phương trình (9-11), (9-12) và (9-14), ta có: 

Thông thường tổng trở nhánh từ hoá rất lớn, dòng điện I0 nhỏ, do đó có thể bỏ

qua nhánh từ hoá, ta có sơ đồ thay thế đơn giản như hình 9-8b. 2. Giản đồ năng lượng của máy biến áp

Trong quá trình truyền tải năng lượng qua máy biến áp, một phần công suất tác dụng và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy. Ta xét sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong máy biến áp, được biểu thị trên hình 9-9.

Trong đó: P1 = U1I1cos1 là công suất đưa vào máy biến áp.

2 11IR 2 0IRm

2 22 IR

là tổn hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp. là tổn hao trong lõi thép.

Trang 7

PCu1 = PFe = PCu2 = là hao trên điện trở dây quấn thứ cấp. Pđt = P1 – PCu1 – PFe là công suất điện từ truyền qua phía thứ cấp.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

2 1 xI 1 2  2 xI

là công suất để tạo ra từ trường tản của dây quấn sơ cấp. là công suất để tạo ra từ trường tản của dây quấn thứ cấp.  2

P2 = Pđt – PCu2 là công suất đầu ra của máy biến áp. Q1 = U1I1sin1 là công suất phản kháng đầu vào. q1 = q2 = qm là công suất tạo ra từ trường trong lõi thép. Qđt = Q1 – q1 – qm là công suất phản kháng truyền qua phía thứ cấp. Q2 = Qđt – q2 là công suất phản kháng đầu ra. 3. Hiệu suất của máy biến áp

%100

Hiệu suất  của máy biến áp là tỷ số giữa công suất đầu ra P2 và công suất đầu

P 2 P 1

vào P1: % =

%100



Công thức tính hiệu suất:

 

S 



2 

P n

P  0  cos 2

P n P 0

% =



Trong đó: P0 , Pn tổn hao không tải, ngắn mạch của máy biến áp. Sđm là công suất định mức của máy biến áp.

I 2 dmI 2

là hệ số tải.

cos2 là hệ số công suất tải

Hiệu suất cực đại: %max

P0 là hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại. nP

Tính m =

P 0



%100



cos

P 0

 2

P 0 P n

Thay m vào phương trình (9-15b) suy ra: 2 %max =

Từ giản đồ năng lượng ta thấy P2 < P1 nên % < 100%. 4. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp

Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu ra U2 thay đổi theo tính chất điện cảm hoặc điện dung của dòng điện I2, do có điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp.







. %100

20 U





u ( 

cos%.



sin%.

)

Hiệu số số học giữa các trị số của điện áp thứ cấp lúc không tải U20 và lúc có tải U2 trong điều kiện U1đm không đổi gọi là độ thay đổi điện áp U của máy biến áp. Trong hệ đơn vị tương đối ta có:

Hay:

 2

r . n



%100

dm x .



%100.

I 1 dm U I 1 dm U

Trang 8

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN



u (



(

k 

Trong thực tế muốn giữ cho điện áp U2 không đổi khi máy biến áp làm việc với các tải khác nhau thì phải điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi lại số vòng

N N

dây, nghĩa là thay đổi tỷ số biến áp .

IV. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU

Hình 9-10

Máy biến áp tự ngẫu (hay còn gọi là máy tự biến áp) được dùng khi cần điện áp ra thay đổi hoặc tỷ số biến áp không lớn, máy biến áp tự ngẫu có công suất thấp, thường được dùng trong các phòng thí nghiệm, dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy động cơ xoay chiều ba pha. Cấu tạo và nguyên lý làm việc tương tự như máy biến áp thông thường, chỉ khác cách đấu dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Trong máy hạ áp (hình 9- 10a), cuộn thứ cấp là một phần của cuộn sơ cấp. Trong máy tăng áp ( hình 9-10b), cuộn sơ cấp là một phần của cuộn thứ cấp.

Để đơn giản, ta xét máy biến áp lý tưởng (không có tổn hao và từ tản, dòng



U U

I I

N N

không tải bằng 0). 1. Máy tự giảm áp Tỷ số máy biến áp cũng giống máy biến áp thông thường:

Xét quá trình năng lượng của máy:

Vì dòng điện không tải I0 = 0 nên trong phần chung ax có giá trị hiệu dụng là I2– I1 Giả sử tải Zt là thuần trở, công suất P phát cho tải là:

P = U2I2 = U2I1 + U2(I2 - I1) = Pđ + Pđt Với Pđ = U2I1 : công suất điện dẫn đến tải qua Aa.

Pđt = U2(I2 - I1) : công suất điện từ, biến đổi cho tải qua ax.



Pdt p

1 k

1  2 I



Pdt P

I I  I

 k

Trang 9

Tỷ lệ giữa Pđ, Pđt và công suất tổng P là:

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Ví dụ sau cho thấy máy biến áp tự ngẫu có thể phát cho tải công suất lớn hơn máy biến áp thông thường cùng kích cỡ, đó là nhờ chỉ biến đổi một phần công suất vào, phần kia được dẫn trực tiếp đến tải.

Ví dụ: Một máy biến áp phân phối 5kVA , 2300/230V được đấu lại thành máy biến áp tự ngẫu để hạ điện áp từ 2530V xuống 2300V, theo sơ đồ hình 8-10a. Cuộn 230V là đoạn Aa, cuộn 2300V là đoạn ax.

So sánh công suất định mức của máy biến áp tự ngẫu với máy biến áp a)

hai dây quấn ban đầu.

Tính công suất dây dẫn đến tải và công suất biến đổi cho tải qua ax. b)

Nhận xét gì? Lời giải: a) Khi còn là máy biến áp hai dây quấn:

I1 = 5000/2300 = 2,17 A

I2 = 5000/230 = 21,7A Khi đấu lại thành máy biến áp tự ngẫu, điều kiện là các cuộn dây phải chịu

được dòng và áp như cũ. Vậy:

- Dòng qua Aa bằng dòng định mức sơ cấp của máy biến áp tự ngẫu bằng

21,7A.

- Dòng qua ax bằng dòng qua cuộn chung của máy biến áp tự ngẫu bằng

2,17A.

- Suy ra dòng qua tải bằng dòng định mức thứ cấp của máy biến áp tự ngẫu

bằng 21,7 + 2,17 = 23,87A.

Suy ra công suất định mức của máy biến áp tự ngẫu ( tải điện trở) là: P = 2300.23,87 = 55.000W = 55kW Tức là gấp 11 lần công suất của máy biến áp hai dây quấn. b) Ta có: k = 2530/2300 = 1,1

= 50kW Pđ = P

1 k k 1 5kW   k

Pđt =

Nhận xét: công suất chủ yếu cung cấp cho tải được dẫn từ nguồn.

2. Máy tự tăng áp Tương tự, xét hình 9-10b với tải điện trở:

P = U1I1 = U1I2 + U1(I1 – I2) = Pđ + Pđt Với Pđ = U1I2 : công suất điện dẫn đến tải qua aA Pđt = U1(I1 – I2) : công suất điện từ, biến đổi cho tải qua ax

Tỷ lệ giữa Pđ, Pđt với công suất tổng P là:

Pñ = k < 1 P

Pñt = 1 – k P

Trang 10

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

V. MÁY BIẾN ÁP BA PHA Để thực hiện biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện ba pha, người ta có thể sử dụng ba máy biến áp một pha như hình 9-11a, hoặc dùng máy biến áp ba pha như hình 9-11b.

Về cấu tạo, lõi thép của máy biến áp ba pha gồm ba trụ như hình 9-11b. Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa:

Pha A ký hiệu là A – X. Pha B là B – Y. Pha C là C – Z.

Dây quấn thứ cấp các pha ký hiệu bằng các chữ in thường: a – x, b – y, c – z.

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình tam giác ta ký hiệu là /. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình sao có dây trung tính thì ta ký hiệu là Y/Y0.

Gọi số vòng dây một pha sơ cấp là N1, số vòng dây một pha thứ cấp là N2, tỷ

số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là:

U U

N N

P  1 2 P

Tỷ số điện áp dây không những phụ thuộc vào tỷ số số vòng dây mà còn phụ

thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác.

- Khi nối / ( hình 9-12a), bên sơ cấp nối tam giác nên ta có Ud1 = Up1, thứ



U U - Khi nối / ( hình 9-12b), sơ cấp có Ud1 = Up1 và thứ cấp có Ud2 = Up2 cho



cấp nối hình sao ta có Ud2 = 3 Up2 . Vậy tỷ số điện áp dây là:

nên: U U

N N

1 P

Trang 11

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN



U U

N N

P 1

- Khi nối Y/Y ( hình 9-12c), sơ cấp có Ud1 = 3 Up1 và thứ cấp có Ud2 = 3 Up2 cho nên:

- Khi nối Y/ ( hình 9-12d), sơ cấp có Ud1 = 3 Up1 và thứ cấp có Ud2 = Up2

3 U

N



3 N

2 p U

1 P

cho nên: U U Ơû trên ta mới chú ý đến tỷ số điện áp dây, trong thực tế khi có nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau, ta phải chú ý đến góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Vì thế khi ký hiệu tổ đấu dây của máy biến áp, ngoài ký hiệu đấu các dây quấn ( hình sao hoặc tam giác), còn ghi thêm chữ số kèm theo để chỉ góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp.

Hình 9-12. Sơ đồ nối dây máy biến áp ba pha.

Ví dụ như Y/Y-12: Góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12*300 = 3600 Y/-11: góc lệch pha là 11*300 = 3300

VI. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA CÁC MÁY BIẾN ÁP

Trong hệ thống điện, trong các lưới điện, các máy biến áp thường làm việc song song với nhau. 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 làm việc song song là:

Trang 12

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

1. Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của mỗi máy phải bằng nhau tương ứng

U1I = U1II U2I = U2II Nghĩa là kI = kII Trong đó kI là hệ số biến áp của máy I. kII là hệ số biến áp của máy II. Trong thực tế, cho phép hệ số biến áp k của các máy khác nhau không

quá 0,5%. 2. Các máy phải có cùng tổ nối dây

Ví dụ: không cho phép hai máy có tổ nối dây Y/ - 11 và Y/Y – 12 làm việc

song song với nhau vì điện áp thứ cấp của hai máy này không trùng pha nhau.

Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho không có dòng điện cân bằng lớn chạy quẩn

trong các máy do sự chênh lệch điện áp thứ cấp của chúng. 3. Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau

UnI% = UnII% = ... Trong đó UnI% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy I.

UnII% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy II. Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ kệ với công suất

định mức của chúng.

Nếu không đảm bảo điều kiện thứ 3, ví dụ UnI% < UnII% thì khi máy I nhận tải định mức, máy II còn non tải. Thật vậy ở trường hợp này, dòng điện máy I đạt định mức Iđm, điện áp rơi trong máy I là IIđm.ZnI, dòng điện máy II là III, điện áp rơi trên máy II là III.ZnII. vì hai máy làm việc song song, điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau, ta có: IIđm.ZnI = III.ZnII

ZnI, ZnII là tổng trở ngắn mạch của máy I và II. Vì UnI%

So sánh (9-28) với (9-29) ta có: III < IIIđm Dòng điện máy II nhỏ hơn định mức, vậy máy II đang non tải, trong khi máy I đã định mức. Nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải. Trong thực tế cho phép điện áp ngắn mạch của các máy sai khác nhau 10%.



Hệ số tải của mỗi máy khi làm việc song song i :

S S

idm



S u

idm %

i =

Trang 13

Si là công suất của máy biến áp thứ i cung cấp cho tải. Siđm là công suất định mức của máy biến áp thứ i. S là tổng công suất truyền tải của các máy. Hình 9-13 vẽ hai máy biến áp ba pha làm việc song song.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG II MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

I. KHÁI NIỆM CHUNG

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor là n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường (n1). Cũng như các máy điện quay khác, Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ cũng như ở chế độ máy phát.

Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt bằng máy phát

điện đồng bộ, nên ít được sử dụng.

Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ,

làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thường là loại ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện.

Các động cơ không đồng bộ công suất nhỏ dưới 600W thường là động cơ một pha hoặc hai pha. Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện. II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.Cấu tạo Cấu tạo của máy điện không đồng bộ (hình 10-1) gồm hai bộ phận chủ yếu là

stato và rotor. Ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy, bảng đấu dây…

a. Stator

Stator là phần tĩnh, gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài

ra còn có vỏ máy và nắp máy như hình 10-1a

Trang 14

- Lõi thép: hình trụ rỗng, 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. - Dây quấn: dây quấn stator làm bàng dây dẫn bọc cách điện (dây dẫn từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

- Vỏ máy: vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy và ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp còn có chức năng bảo vệ máy. b. Rotor

Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép rotor hình trụ đặc (hình 10-2) gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại, mặt ngoài có những rãnh để chứa dây quấn. Rotor có hai loại: rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

 Rotor lồng sóc ( hình 10-2a): có các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh và bị nối ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, rotor được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt.

Với động cơ lớn, các thanh dẫn bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và siết chặt vào vành ngắn mạch. Nhờ không có vành trượt và chổi than nên rotor rất bền chắc, ít cần bảo trì. Các thanh dẫn của rotor thường nghiêng so với trục (dạng vặn xoắn) vì hai lý do: - Làm cho moment quay không bị dao động và máy ít ồn khi làm việc.

- Tránh được vị trí ở đó răng rotor song song và đối diện với răng stato; tức là

vị trí từ trở cực tiểu và rotor sẽ “bị khoá” ở đó.

Ký hiệu máy điện rotor lồng sóc như hình 10-2b

Hình 10.2

 Rotor dây quấn (hình 10-3a): mang một bộ dây quấn một pha hoặc ba pha có cùng số cực như dây quấn stato. Rotor dây quấn ba pha thường đấu sao, ba đầu ra nối với ba vành tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rotor và được cách điện với trục.

Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vành tiếp xúc, dây quấn rotor được nối với

bộ khởi động bên ngoài. Ký hiệu máy điện rotor dây quấn như hình 10-3b.

Trang 15

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến, động cơ dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Hình 10.3

2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ a. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

- Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch. Gọi p là số đôi cực, ta có thể cấu tạo dây quấn để tạo ra từ trường 1, 2 hoặc p đôi cực.

- Dòng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong

các máy điện.

Ta xét hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên từ trường

quay: Khi cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường

quay p đôi cực, quay với tốc độ n1:

f60 p

(vòng/phút) n1 =

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn mang dòng điện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ n.

Để minh hoạ, trên hình 10-4a vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều của lực điện từ.

Khi xác định sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động của thanh dẫn ngược chiều n1, từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sức điện động như hình vẽ (dấu  chỉ chiều đi từ ngoài vào trong). Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1.

Trang 16

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không có sức điện động và dòng điện cảm ứng dẫn đến lực điện từ bằng 0.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN



 n 1 n 1

s =



)

Hình 10-4. Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2: n2 = n1 – n Hệ số trượt của tốc độ là: n 2 n 1 Khi rotor đứng yên ( n = 0), hệ số trượt s = 1 Khi rotor quay định mức s = 0,02 0,06; tốc độ động cơ là:

60 p

n = n1(1 – s) =

b. Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ

Nếu stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với tải mà nối

với một động cơ sơ cấp.

Dùng động cơ sơ cấp kéo rotor quay cùng chiều với n1( như trên) và với tốc độ quay n lớn hơn tốc độ từ trường n1. Lúc này, chiều dòng điện rôto I2 ngược lại với chế độ động cơ và lực điện từ đổi chiều. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược với chiều quay, gây ra moment hãm cân bằng với moment quay của động cơ sơ cấp, hình 10-4b, máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Hệ số trượt là:

n  1 n 1

s = < 0

Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành điện năng ở stato. Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát không đồng bộ công suất phản kháng Q, vì thế làm cho hệ số công suất cos của lưới điện thấp đi. Nếu khi máy phát làm việc riêng lẻ, ta phải dùng tụ điện nối đầu cực máy để kích từ cho máy. Đó là nhược điểm của máy phát điện không đồng bộ, vì thế trên thực tế ít dùng máy phát điện không đồng bộ. Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ ba pha 4 cực được cung cấp điện từ nguồn

Tính tốc độ từ trường? Trên nhãn động cơ có ghi vận tốc định mức là 1425 vòng /phút. Tính hệ số

Giả sử tải của động cơ giảm xuống và hệ số trượt chỉ còn s = 0,02. Tính vận

Trang 17

50Hz. 1) 2) trượt định mức? 3) tốc mới của động cơ?

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN



1500



Lời giải:

50*60 2

1500

1425

60 p n 1



05,0

(vòng/phút) 1) n1 =

 1500

 n 1

2) sđm =

3) n = n1 – n1.s = 1500 – 1500.0,02 = 1470 (vòng/phút). c. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện

từ

Trong thực tế khi người ta muốn động cơ điện ngừng quay một cách nhanh chóng và bằng phẳng khi cắt điện đưa vào động cơ điện hoặc cần giảm bớt tốc độ như ở cần trục lúc đưa hàng xuống hay trong các máy ở tàu điện. Để giải quyết vấn đề trên người ta dùng các phương pháp hãm cơ hay điện, ở đây ta khảo sát nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện từ.

Khi động cơ điện làm việc ở chế độ hãm điện từ thì ta có 1 < s < +, nghĩa là

rotor quay ngược chiều với từ trường quay.

)

1 (

Khi động cơ làm việc bình thường thì tốc độ quay n của động cơ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, nhưng khi trục động cơ được tác động bởi một lực nào đó làm cho động cơ quay nhanh hơn tốc độ quay của từ trường, có nghĩa là n > n1, lúc này:

 Im 21

 r 2

 s

< 0 Pcơ =



nên máy lấy công suất từ ngoài vào. Công suất điện từ:

 Im 21

 r 2 s

Pđt =

nên máy cũng lấy công suất điện từ lưới vào. Lúc này động cơ chuyển sang chế độ máy phát, moment điện từ sinh ra có chiều ngược với chiều quay của rotor.

Để hãm động cơ bằng phương pháp hãm điện từ, người ta sử dụng các phương

pháp hãm sau:

Phương pháp hãm đổi thứ tự pha: khi động cơ đang làm việc bình thường rotor quay cùng chiều với từ trường quay. Sau khi cắt mạch điện, muốn động cơ ngừng quay nhanh chóng, ta đóng cầu dao về phía khác để đổi thứ tự pha đặt vào stato. do quán tính của phần quay, rotor vẫn quay theo chiều cũ trong lúc từ trường quay do đổi thứ tự pha nên đã quay ngược lại nên động cơ chuyển sang chế độ hãm, moment điện từ sinh ra có chiều ngược với chiều quay của rotor và có tác dụng hãm nhanh chóng và bằng phẳng tốc dộ quay của động cơ. Khi rotor ngừng quay, phải cắt ngay mạch điện nếu không động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại.

Trang 18

Phương pháp hãm đổi thành máy phát điện: tức là đổi động cơ sang chế độ máy phát, tốc độ từ trường quay bé hơn tốc độ rotor nhưng vẫn cùng chiều. ta biết rằng khi làm việc ở chế độ động cơ điện, tốc độ rotor gần bằng tốc độ của từ trường quay cho nên khi hãm cần đổi nối làm tăng số đôi cực của dây quấn phần ứng lên, lúc đó tốc độ của rotor sẽ lớn hơn tốc độ của từ trường sau khi đổi nối, động cơ sẽ trở thành máy phát điện trả năng lượng về nguồn, đồng thời xuất hiện moment hãm động cơ lại.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Phương pháp hãm động năng: ở phương pháp này, sau khi cắt nguồn điện xoay chiều vào động cơ, thì lập tức đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn stato. dòng điện một chiều lấy từ bộ chỉnh lưu đi qua dây quấn stato tạo thành từ trường một chiều trong máy. Rotor do còn quán tính, quay trong từ trường và trong dây quấn rotor cảm ứng nên sức điện động và dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường nói trên tạo thành moment điện từ chống lại chiều quay của máy.

III. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor đứng yên:

Bình thường khi làm việc, dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ được nối ngắn mạch và máy quay với tốc độ nào đó (n  0). Nhưng có một số quan hệ mà khi rotor đứng yên (n=0) vẫn tồn tại và qua trạng thái đó có thể hiểu một cách dễ hơn nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ. Vì thế trước hết ta nghiên cứu trường hợp rotor đứng yên. Thực ra có thể coi động cơ điện lúc mở máy nằm trong trường hợp này.

kN 1

dq 1



F 1

m 1 

kN 2



F 2

2  Trong đó:

Đặt một điện áp U1 có tần số f1 vào dây quấn stato, trong dây quấn stator sẽ có dòng điện I1, tần số f1; trong dây quấn rotor có dòng điện I2, tần số cũng là f1. Dòng điện I1 và I2 sinh ra sức từ động quay F1 và F2 có trị số:



m1, m2 là số pha của dây quấn stator và rotor. p là số đôi cực. N1, N2 là số vòng dây nối tiếp trên một pha. kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn stator và rotor.

n 1

60 f p





Hai sức từ động này cũng quay với tốc độ đồng bộ và tác dụng với

 F 0

 F 2

nhau để sinh ra sức từ động tổng trong khe hở F0. Vì vậy phương trình cân bằng sức từ động có thể viết như sau:

 F 1 Hệ số biến đổi dòng điện:

dq 1



kNm 1 1 kNm 2

 I 2   I 2

 E







Do dây quấn rotor ngắn mạch nên phương trình cân bằng về sức điện

 ZI 2

động trong mạch điện rotor như sau: 0

 U

 ZI 1

 E 1

Phương trình cân bằng sức điện động trong mạch stator như sau:

là sức điện động stator và rotor. 2 là dòng điện stator và rotor.

  Trong đó: 1, EE     I 1, I 2

Trang 19

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN  1, ZZ 

là tổng trở của dây quấn stator và rotor.



 I 1

 Z

 U 1 

Ta có e1 = e2 nên dòng điện stator lúc này bằng:

.

.44,4

Khi U1 = Uđm thì I1 chính là dòng điện mở máy. Sức điện động cảm ứng trên stator và rotor:

E  1 E  2

dqkNf . . 1 1 dqkNf . . 2 Tỷ số biến đổi sức điện động:

dq 1



E 1 E

kN 1 kN 2

.

 U



2. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay

 E 1

 ZI 1

(

)

fs .



pn 2 60

Máy điện không đồng bộ khi làm việc thì dây quấn rotor nhất định phải kín mạch và thường là nhắn mạch. Nối dây quấn stator với nguồn điện, trong dây quấn stator có dòng điện I1, do đó phương trình cân bằng về sức điện động trên dây quấn stator như sau: 



Từ trường khe hở sinh ra F1 quay với tốc độ đồng bộ n1. Nếu rotor quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường thì tốc độ tương đối giữa từ trường quay với dây quấn rorto là n2 = n1 – n ; tần số của sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor sẽ là:  n 1 n 1

pn 1 60  n n 1 n 1

Trong đó là hệ số trượt của máy điện không đồng bộ. Thường khi

động cơ điện không đồng bộ ở tải định mức thì s = 0,02  0,05.

ZI 2

.Es



0 E s  2  Z r 2 .xs

Phương trình cân bằng sức điện động của mạch điện rotor là: 

2 x s  2

2 Phương trình cân bằng sức điện động của mạch điện stato là:

sE  2 là sức điện động khi rotor quay. tổng trở của rotor quay. jx là điện kháng tản của rotor khi quay.

U1 = -E1 + I1Z1

3. Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ

Dựa vào các phương trình cơ bản lúc rotor quay (10-9), (10-10) và (10-11) ta thiết lập mạch điện thay thế cho máy điện không đồng bộ khi rotor quay như hình 10-5.

đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục máy.

 r 2

 s

Trang 20

Điện trở giả

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

4. Giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ a. Máy làm việc ở chế độ động cơ ( 0 < s < 1)

mRIm 2

Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với P1 = m1U1I1cos1. Một phần 2 11 RIm 1 , còn phần lớn công suất đưa vào

nhỏ của công suất đó biến thành tổn hao đồng của dây quấn stator PCu1 = và tổn hao trong lõi sắt stator PFe = chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua rotor, như vậy:

 2

. Do đó công suất cơ của động cơ điện Pcơ bằng:

Pđt = P1 – PCu1 - PFe Vì trong rotor có dòng điện nên có tổn hao trong đồng trong rotor PCu2 =  RIm 21 Pcơ = Pđt - PCu2 Công suất đưa vào đầu trục động cơ điện P2 sẽ nhỏ hơn công suất cơ và khi

máy quay có tổn hao cơ pcơ và tổn hao phụ pf.



P 2 P 1

P2 = Pcơ – (pcơ + pf) Như vậy tổng tổn hao trong động cơ điện bằng: P = PCu1 + PFe + PCu2 + pcơ + pf Và công suất đưa vào trục động cơ là: P2 = P1 - P Hiệu suất của động cơ điện:

Giản đồ năng lượng của động cơ điện không đồng bộ như hình 10-6a.

b. Máy làm việc ở chế độ máy phát ( - > s > 0) Giản đồ năng lượng của máy phát điện không đồng bộ được vẽ trên hình 10-5b.

Khi hệ số trượt có giá trị âm thì Pcơ có trị số âm

Trang 21

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Tuy vậy công suất phản kháng Q1 = m1U1I1sin1 > 0, do đó máy vẫn nhận

công suất phản kháng từ lưới vào. Đây là đặc điểm của máy phát không đồng bộ. IV. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1. Đặc điểm mở máy của động cơ Quá trình mở máy của động cơ là quá trình kể từ lúc đóng mạch cho dòng điện vào động cơ còn đứng yên (n = 0) tới lúc động cơ làm việc với tốc độ quay ổn định nđm.

Trong quá trình mở máy, dòng điện cung cấp cho động cơ khá lớn, trong một số trường hợp nếu dòng điện mở máy quá lớn có thể dẫn tới sụt áp lớn trong mạng điện, ảnh hưởng nghiêm trọng tới nguồn cung cấp điện.

Moment mở máy của động cơ càng lớn và moment cản trên trục động cơ càng nhỏ thì điều kiện mở máy càng thuận lợi, thời gian mở máy sẽ ngắn, do đó nhiều trường hợp động cơ được mở máy trực tiếp không tải. 2. Mở máy động cơ rotor lồng sóc

Trường hợp công suất của nguồn cung cấp lớn hơn nhiều lần công suất động cơ, nếu lại có thêm điều kiện mở máy không tải thì động cơ rotor lồng sóc được phép đóng mạch cho dòng điện ba pha từ mạng điện vào stator của động cơ, có thể thực hiện bằng một cầu dao ba pha như hình 10-7. Lúc mới đóng mạch sẽ xuất hiện dòng điện mở máy lớn từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức. Dần dần tốc độ động cơ tăng lên, dòng điện sẽ giảm xuống. Khi tốc độ ổn định thì dòng điện trở lại trị số bình thường của dòng điện phụ tải.

Trường hợp công suất máy phát điện hay máy biến áp cung cấp cho động cơ không lớn lắm, dòng điện mở máy có thể vượt quá dòng điện quá tải cho phép, ta phải áp dụng những sơ đồ đặc biệt để giảm dòng điện mở máy của động cơ.

Nếu bình thường ba pha của động cơ nối theo hình tam giác để làm việc với điện áp dây của mạng điện, khi mở máy ta có thể áp dụng sơ đồ mở máy sao – tam giác như hình 10-8.

Mục đích của sơ đồ này là khi mở máy nối ba pha stator thành hình sao để đưa điện áp pha vào giảm 3 lần so với điện áp dây (trên hình 10-8 là đóng cầu dao S). Kết thúc quá trình mở máy sẽ cắt mạch hình sao, nối ba pha stator thành hình tam giác cho làm việc bình thường (trên hình 10-8, mở cầu dao S và đóng cầu dao T). Kết quả của sơ đồ mở máy sao – tam giác là giảm được dòng điện mở máy xuống ba lần. Ưu điểm của sơ đồ sao – tam giác là đơn giản và ít tốn thiết bị. Nếu điều kiện mở máy khó khăn hơn có thể áp dụng sơ đồ mở máy có biến áp tự ngẫu. Sơ đồ này, trong mạch đưa vào stator của động cơ có đặt máy biến áp tự ngẫu ba pha như hình vẽ 10-9.

Mục đích dùng máy biến áp tự ngẫu để giảm điện áp vào stator khi mở máy động cơ. Kết thúc quá trình mở máy sẽ loại biến áp tự ngẫu ra và cho mạch điện đi thẳng vào động cơ. Các bước tiến hành như sau: lúc mở máy ta đóng cầu dao 1,

Trang 22

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

cầu dao 2 và đóng cầu dao 3 ở vị trí a; kết thúc quá trình mở máy, đổi cầu dao 3 sang vị trí b và cắt cầu dao 2.

Hình 10-8: Sơ đồ mở máy của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sao – tam giác

Sơ đồ mở máy dùng biến áp tự ngẫu phức tạp nhưng có hiệu quả tốt, dòng điện mở máy nếu giảm m lần thì moment mở máy cũng giảm m lần. Nó thường được áp dụng đối với động cơ công suất lớn.

Đôi khi để giảm dòng điện mở máy còn dùng sơ đồ có mắc thêm tổng trở vào

mạch stator ( có thể thay tổng trở bằng cuộn dây điện kháng) như hình 10-10.

Trang 23

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Hình 10-10: Sơ đồ mở máy động cơ dùng điện kháng

3. Mở máy động cơ rotor dây quấn

Động cơ rotor dây quấn, khi mở máy được lắp thêm vào mỗi pha ở mạch rotor một điện trở phụ rp của biến trở mở máy. Biến trở mở máy đặt ở ngoài động cơ, ba pha dây quấn có ba diện trở nối hình sao, đưa vào rotor qua chổi than và vành trượt, như hình 10-11.

Hình 10-11: Sơ đồ mở máy động cơ rotor dây quấn Đặc tính mở máy của động cơ rorto dây quấn nhờ có biến trở phụ đạt được hiệu quả rất tốt, một mặt hạn chế được dòng điện mở máy, một mặt có thể tăng được moment mở máy của động cơ.

Thật vậy, khi mở máy động cơ rotor dây quấn, trong mạch rotor có thêm điện trở phụ rp nên hạn chế được dòng điện mạch rotor I2, do đó hạn chế được dòng điện mạch stator I1. Dòng điện mở máy đưa vào động cơ có thể hạn chế chỉ lớn gấp 2,5 lần dòng điện định mức. Đồng thời vì có điện trở phụ rp nên thành phần tác dụng của dòng điện mạch rotor tăng lên, do đó tăng được moment mở máy.

Muốn cho quá trình mở máy được tốt ta phải chọn điện trở phụ rp thích hợp

và tiến hành điều chỉnh trong quá trình mở máy.

Trang 24

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

r2 = x2

r2 = 0,5x2

r2 = 2x2

r2 = 0,2x2

r2 = 0,1x2

Xét quan hệ M = f(s) ứng với trị số rp khác nhau trong mạch rotor, được biểu diễn trên hình 10-12 (trong đó r2 bao gồm cả điện trở cuộn dây rotor và điện trở phụ rp).

Ta thấy khi r2 tăng, trị số moment lớn nhất Mmax không đổi nhưng độ trượt

smax tăng lên.

Khi chọn r2 = x2 thì Mmax ứng với s = 1, nghĩa là moment lớn nhất chính là moment mở máy Mmax = Mmm. Trên cơ sở đó sẽ xác định điện trở phụ rp để cho moment mở máy lớn nhất.

Khi tốc độ quay tăng lên, dòng I2 của động cơ giảm xuống, moment giảm dần. Muốn tăng moment lên để quá trình mở máy nhanh hơn ta phải điều chỉnh giảm rp, thông thường rp được chia làm nhiều đoạn để giảm dần trong quá trình mở máy, nhờ đó giữ được moment mở máy lớn.

Đặc tính mở máy biểu diễn bằng đồ thị M = f(s) tương ứng với biến trở mở máy rp có hai cấp điều chỉnh được nêu trên hình 10-11. Ơû đây moment của quá trình mở máy được xác định bằng đường gãy khúc a-b-c-d-e-f trên hình 10-13.

Quá trình điều chỉnh giảm biến trở mở máy được điều khiển bằng tay hoặc

dùng thiết bị tự động.

Động cơ rotor dây quấn có đặc tính mở máy tốt, được ứng dụng để kéo máy có

điều kiện mở máy nặng như cần trục, tời…

Hình 10-13

Trang 25

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG III MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I. KHÁI NIỆM CHUNG

Gần như mọi hoạt động của con người ngày nay phụ thuộc vào điện năng. Phần chủ yếu của hệ thống điện nănggồm một số nhà máy điện liên kết thành lưới điện và làm việc song song. Hầu hết điện năng được sản xuất từ các máy phát điện đồng bộ, mà nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Máy điện đồng bộ là loại máy điện có tốc độ quay không đổi, xác định theo



60 p

số đôi cực p và tần số đã cho của dòng điện xoay chiều:

Theo nguyên lý thuận nghịch, máy điện đồng bộ có thể vận hành theo chế

độ máy phát hay chế độ động cơ. Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công nghiệp, trong đó có động cơ sơ cấp là các tuabin hơi hoặc tuabin nước. Công suất của mỗi máy phát có thể đạt đến 500MW hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song. Ơû các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi động cơ diesel hoặc các tuabin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song.

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi cần truyền động công suất lớn, có thể dạt đến vài chục MW. Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió… với tốc độ không đổi. Động cơ đồnh bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, thiết bị sinh hoạt…

Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ làm việc để phát công suất phản

kháng cho lưới điện nhằm bù hệ số công suất và ổn định điện áp. II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ. 1. Cấu tạo: Máy điện đồng bộ gồm có ba bộ phận chính làstato, rôto và phần kích từ.

Trang 26

a. Stato.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Stato của máy điện đồng bộ vẽ trên hình 11-1, giống như stato của máy điện

không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn stato. Dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng.

b. Rôto. Rôto máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có hai loại: rôto

cực ẩn (hình 11-2a) và rôto cực lồi (hình 11-2b).

Rôto cực lồi dùng ở các máy có tốc độ chậm, có nhiều đôi cực. Rôto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 vòng/phút, có một đôi cực. Để có sức điện động hình sin, từ trường của cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto, ở đỉnh các cực từ có từ cảm cực đại. Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh. Đối với rôto cực

lồi, dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ.

Hai đầu dây dẫn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở đầu

trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn kích từ.

2. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ.

a. Máy phát điện đồng bộ.

Trang 27

Xét máy phát điện đồng bộ ba pha trên hình 11-3a. để đơn giản, ta giả sử máy có hai cực và mỗi pha chỉ có hai dây dẫn đấu nối tiếp, tạo thành một vòng dây đặt trong hai rãnh (dây quấn tập trung). Trên thực tế mỗi pha có nhiều cuộn dây; mỗi cuộn dây có nhiều vòng dây phân bố đều trong các rãnh dọc theo chu vi stato (dây quấn phân bố).

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Nếu rôto có 2p cực và quay n vòng/phút thì tần số sức điện động sinh ra

f 

.pn 60

trong cuộn dây ax, by, cz là:

Mặt khác nếu từ thông do rôto tạo ra có giá trị cực đại là max và phân bố hình sin dọc theo khe không khí thì sức điện động cảm ứng một pha stato có trị hiệu dụng:

Với N là số vòng dây mỗi pha. Hệ số dây quấn kdq < 1 nói nên sự giảm sức điện động tổng do việc cuộn dây bị phân bố đều trong các rãnh và bước ngắn; so với dây quấn tập trung và bước đủ (lúc đó kdq = 1).

(11-1) Ep = 4,44fkdqNmax

Vì trục các cuộn dây lệch nhau 1200 điện trong không gian, nên ta có hệ

thống sức điện động ba pha có các biểu thức như sau:

ea(t) = Ep 2 sint ebt) = Ep 2 sin(t + 1200) ect) = Ep 2 sin(t – 1200) Các sức điện động này có thể nối hình sao hoặc tam giác.

Ví dụ: một máy phát 4 cực có vận tốc rôto 1800 vòng/phút. Tính tần số do nó



1500

phát ra; muốn phát 50Hz thì vận tốc phải là bao nhiêu? Lời giải

 1800 60  2

vòng/phút

vòng/phút.

n1 =

np 60 f 60 p b. Động cơ đồng bộ. Vì dây quấn stato của động cơ đồng bộ cũng giống động cơ không đồng bộ nên khi cung cấp cho stato một hệ thống dòng điện ba pha cân bằng, ta được một từ trường quay có 2p cực và quay với vận tốc đồng bộ: f60 p

Trang 28

Nếu rôto đang đứng yên thì ở vị trí trên hình 11-4, cực nam bị cực bắc stato kéo theo và nó có khuynh hướng quay theo chiều kim đồng hồ. Tuy nhiên, do quán tính và do cực bắc stato “quét” qua nó quá nhanh; trong khi nó chưa kịp quay tới thì sau nửa chu kỳ, nó sẽ đối diện với cực nam stato và bị đẩy lui, nghĩa là có

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

khuynh hướng quay ngược chiều kim đồng hồ. Kết quả là moment mở máy trung bình bằng 0 và rôto không quay được.

Tuy nhiên nếu chúng ta có biện pháp để cho rôto quay trước với vận tốc đồng bộ thì các cực rôto sẽ bị “khoá chặt” vào các cực stato trái dấu. Lúc không tải, từ trường stato và rôto quay với vận tốc đồng bộ và trục của chúng trùng nhau ( = 0). Lúc có tải, trục rôto đi chậm sau trục từ trường stato một góc , càng lớn nếu tải càng nặng; nhưng cả hai vẫn cùng quay với vận tốc đồng bộ.

III. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ Đặc tính ngoài của máy phát điện là quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi ( cos = const), tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi. Bằng thực nghiệm , ta thấy khi tải tăng, đối với tải cảm và tải trở, điện áp giảm (tải cảm, điện áp giảm nhiều hơn); đối với tải dung, điện áp tăng. Ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc vào dòng điện và đặc tính tải.

Hình 11-5a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi Ikt và cos không đổi, ứng với các hệ số công suất khác nhau. Khi tải có tính chất cảm, phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở. Để giữ điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E0 bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Đường đặc tính ngoài ứng với điều chỉnh kích từ vẽ trên hình 11-5b.

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi

không tải được xác định như sau:

ñm

%100



%100

 UU 0 U

 UE 0 U

ñm

ñm Độ biến thiên điện áp U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục

U% = (11-2)

phần trăm vì điện kháng đồng bộ Xđb khá lớn.

Trang 29

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

11-3.2. Đặc tính điều chỉnh. Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải

Tải R - C

Uđ m

Tải R - L

Iđm

Điện cảm

Ik t

cos < 1

cos = 1

khi điện áp U không đổi và bằng định mức. Hình 11-5c vẽ đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ có bộ tự động điều chỉnh bộ kích từ giữ cho điện áp không đổi.

Hình 11-5.

Điện dung

cos < 0

IV. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau; tạo thành lưới điện. Công suất của lưới điện rất lớn so với công suất của mỗi máy riêng rẽ, do đó điện áp cũng như tần số của lưới có thể giữ không đổi khi thay đổi tải.

Để các máy làm việc song song phải đảm bảo các điều kiện sau: 1. Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau. 2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện. 3. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.

Nếu không đảm bảo các điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong

máy, phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện.

Trang 30

Để đòng máy phát điện vào lưới ta dùng thiết bị hoà đồng bộ.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Đối với máy phát điện công suất nhỏ, có thể đóng vào lưới bằng phương pháp tự đồng bộ như sau: dây quấn kích từ không đóng vào nguồn điện kích từ mà khép mạch qua điện trở phóng điện, để tránh xuất hiện điện áp cao phá hỏng dây quấn kích từ. Quay rôto đến gần tốc độ đồng bộ, sau đó đóng máy phát vào lưới và cuối cùng sẽ đóng dây quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy sẽ làm việc đồng bộ.

CHƯƠNG IV MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

I. CẤU TẠO Những phần chính của máy điện một chiều gồm stator, rotor, cổ góp và chổi

than.

Hình 12.1

1. Stator Stator còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc hoặc lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, mạch từ vừa là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 12-2a). 2. Rotor

Hình 12.2 Rotor của máy điện một chiều được gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0,5mm; phủ sơn cách điện, ghép lại. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 12-2b). Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có

Trang 31

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên.

3. Cổ góp và chổi than

Cổ góp gồm những phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rôto. Hình 11.3a vẽ mặt cắt cổ góp để thấy rõ hình dáng của phiến góp. Các đầu dây của các phần tử nối với phiến góp.

Chổi than (hay chổi điện) làm bằng than graphit (hình 12-3b). Các chổi than tỳ

chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi than gắn trên nắp máy.

Hình 12.3

II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 1. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện một chiều Hình 12-4 mô tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều, trong đó dây

quấn phần ứng chỉ có một phần tử nối với hai phiến đổi chiều.

Khi động cơ sơ cấp kéo phần ứng quay, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải. Như hình 12-3 từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới), chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên, sức điện động có chiều từ b đến a. Ơû thanh dẫn phía dưới, chiều sức điện động từ d đến c. sức điện động bằng hai lần sức điện động của thanh dẫn. Nếu nối hai chổi than A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện, điện áp của máy phát điện có cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B.

Hình 12.4

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh cd ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhở có chổi than

Trang 32

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

đứng yên, chổi than A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới, nên chiều dòng điện mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A, cực âm ở chổi B.

Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực như hình 12-4a; để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 12-4b), dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiêug phiến đổi chiều.

Ơû chế độ máy phát, dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động

phần ứng Eư. Phương trình cân bằng điện áp là:

Trong đó RưIư là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng; Rư là điện trở của dây

U = Eư - RưIư

quấn phần ứng; U là điện áp đầu cực máy; Eư là sức điện động phần ứng

2. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều

Hình 12-6 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tác dụng làm cho rotor quay. Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái.

Hình 12.6

Trang 33

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Khi đông cơ quay, các thanh dẫn chuyển động cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải. Ơû động cơ, chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là sức phản điện.

Phương trình cân bằng điện áp sẽ là: = Eư + RưIư III. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Sức điện động phần ứng a. Sức điện động thanh dẫn: khi quay rotor, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là: Etd = Btb.l.v (V) Trong đó:

Btb : cường độ từ cảm trung bình dưới cực từ ( đơn vị: T)

v: tốc độ dài của thanh dẫn (đơn vị: m/s). l: chiều dài tác dụng của thanh dẫn (đơn vị:m)

b. Sức điện động phần ứng: dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi than chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một mạch nhánh. Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số mạch nhánh song song là 2a( a là

N 2 a





lvB tb

N 2 a

số đôi nhánh), số thanh dẫn của một nhánh là , sức điện động phần ứng là:



 Dn 60

Tốc độ dài v được xác định theo tốc độ quay n (vòng/phút):

 

n 





nk E

 Dl Btb 2 p Suy ra: pN 60 a Trong đó: p: là số đôi cực



Từ thông  dưới mỗi cực từ là:

phụ thuộc vào kết cấu máy được gọi là hệ số kết cấu.

k E

pN 60 a

Hệ số

Thay giá trị Eư trong 12-7 vào 12-8 ta có: Pđt =

 uIn

Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông  dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi sức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quay, hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động, ta đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ. 2. Công suất điện từ, moment điện từ của máy điện một chiều Công suất điện từ của máy điện một chiều: Pđt = Eư.Iư pN 60 a

Trang 34

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

dtP  r

Moment điện từ là: Mđt =

  r

 2 n 60





r là tần số góc quay của rôto, được tính theo tốc độ quay n(vòng/phút) bằng biểu thức:

 u

Ik uM

pN .2  a

Suy ra biểu thức moment điện từ là: Mđt =

pN 2 a

phụ thuộc vào kết cấu của máy. Trong đó hệ số kM =

Moment điện từ Mđt tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông  . Muốn thay đổi moment điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phần ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt. muốn đổi chiều moment điện từ phải đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kíc từ.

3. Giản đồ năng lượng của máy điện một chiều

a. Máy phát điện Máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nên máy do một động cơ sơ cấp

bất kỳ kéo quay với tốc độ nhất định.

Giả thiết công suất kích từ do một máy khác cung cấp nên không tính vào công suất đưa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện. Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều như hình 12-7.

Trong đó:

ưRư = UIư là công suất đưa ra tải.

P1 = Pđt + (pcơ + pFe +pf) = Pđt + P0 là công suất cơ đưa vào máy phát điện.

ưRư là tổn hao đồng trên dây quấn phần ứng.

Pđt = EưIư là công suất điện từ. pcơ, pFe , pf là tổn hao cơ, tổn hao sắt và tổn hao phụ. P2 = Pđt – PCuư = EưIư – I2 PCuư = I2 b. Động cơ điện

Trang 35

Động cơ lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục. Giản đồ năng lượng của động cơ điện một chiều như hình 12-8.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Trong đó:

P1 = PCu + Pt + Pđt = UI = U(Iư + It) là công suất điện mà động cơ nhận được từ lưới. PCu , Pt là tổn hao trên mạch phần ứng và mạch kích từ. Pđt = P0 + P2 là công suất điện từ. P0 = Pcơ + PFe +Pf là tổn hao không tải bằng tổng của tổn hao cơ, tổn hao sắt và tổn hao phụ.

P2 = M2 là công suất ra ở đầu trục máy.

IV. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.Phân loại máy điện một chiều Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia máy điện

một chiều ra các loại sau:

- Máy điện một chiều kích từ độc lập: dòng điện kích từ của máy lấy từ

nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy (hình 12-9a).

- Máy điện một chiều kích từ song song: dây quấn kích từ nối song song

với mạch phần ứng (hình 12-9b).

- Máy điện một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ nối tiếp với mạch

phần ứng (hình 12-9c).

- Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm hai dây quấn kích từ là dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó thường dây quấn kích từ song song là chủ yếu ( hình 12-9d).

2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập

Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập vẽ trên hình 12-10a.

Trang 36

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

- - Phương trìng dòng điện: Iư = I Phương trình cân bằng điện áp:

+ Mạch phần ứng: U = Eư – Rư.I + Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt + Rđc) Trong đó:

Rư là điện trở dây quấn phần ứng. Rkt là điện trở dây quấn kích từ. Rđc là điện trở điều chỉnh.

Đường đặc tính ngoài U = f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi, vẽ trên hình 12-10b. Khi tải tăng, điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng 8 – 10% điện áp khi không tải.

Để giữ cho điện áp máy phát không đổi, phải tăng dòng điện kích từ. Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I),khi giữ điện áp và tốc độ không đổi, vẽ trên hình 12- 10c. 3. Máy phát điện kích từ song song:

Sơ đồ máy phát điện kích từ song song được vẽ trên hình 12-11a.

Phương trình dòng điện: Iư = I + Ikt Phương trình cân bằng điện áp:

- - + Mạch phần ứng: U = Eư – Rư.Iư + Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt + Rđc)

Trang 37

Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp rơi trên phần ứng và phản ứng phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U giữa hai đầu cực giảm như máy phát điện kích từ độc lập, ở máy phát điện kích từ song song còn thêm một nguyên nhân nữa là khi U giảm làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm, chính vì thế đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy phát điện kích từ độc lập và có dạng như hình 12-11b.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính

điều chỉnh Ikt = f(I), khi U và tốc độ không đổi, vẽ trên hình 12-11c.

4. Máy phát điện kích từ nối tiếp

Sơ đồ nối dây như hình 12-12a. 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. Đường đặc tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 12-12b.

5. Máy phát điện kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây như hình 12-13a.

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 dây kích từ nối tiếp tăng làm cho từ thông của máy tăng lên, sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi, là trương hợp bù đủ. Đây là ưu điểm rất lớn của máy phát điện kích từ hỗn hợp. Đường đặc tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình

Trang 38

12-13b. Khi bù dư đường đặc tính dốc lên.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

Khi nối chiều ngược, 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 U = f(I) vẽ trên hình 12-13c. Đường đặc tính ngoài dốc, nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều. V. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1. Mở máy động cơ điện một chiều Phương trình cân bằng điện áp ở mạch phần ứng là:

U = Eư + Rư.Iư

mở máy là: Iưmm = Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện Eư = kE.n. = 0 Dòng điện phần ứng lúc U . Vì Rư rất nhỏ nên Iưmm rất lớn khoảng 2030 lần Iđm dễ uR

làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện. Để giảm dòng mở máy, đạt Imm = (1,5 2)Iđm, ta dùng các biện pháp sau:

U  u R

- Dùng biến trở mở máy (như hình 12-14), lúc này: Iưmm =

Giảm điện áp đặt vào phần ứng.

2. Điều chỉnh tốc độ



Từ phương trình 12-13, rút ra: Eư = U – Rư.Iư

Thay trị số Eư = kE.n., ta có phương trình:

 IRU uu E k Từ phương trình 12-16, ta có các phương pháp sau: - Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng. - Thay đổi điện áp U. - Thay đổi từ thông. 3. Động cơ điện kích từ song song

Sơ đồ nối dây như hình 12-15a. Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmm - Đường đặc tính cơ n = f(M) như hình 12-15b, nếu thêm điện trở phụ Rp tính cơ như

ta có phương

trình đặc

thì

vào mạch phần ứng







U k

R p 2

R u kk

 E

Trang 39

- Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông được vẽ trên hình 15d.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

- Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng được vẽ trên hình

15e. - Đặc tính làm việc: đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không đổi. Đó là các đường quan hệ giữa tốc độ n, moment M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất  theo công suất cơ trên trục P2, được vẽ trên hình 12-14c.

4. Động cơ kích từ nối tiếp

Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 12-16a là sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ, hình 12-6b và hình 12-6c là sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .

- Đường đặc tính cơ n = f(M) như hình 12-16d, có dạng hình hypebol, khi moment tăng thì tốc độ động cơ giảm. Khi không tải hoặc tải nhở , dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng rất lớn có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ khí, vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp làm việc không tải hoặc tải nhỏ.

Trang 40

- Đường đặc tính làm việc được vẽ trên hình 12-16e, động cơ được phép làm việc với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn ngh, đường đặc tính trong vùng làm việc vẽ bằng đường nét liền.

BÀI GIẢNG: MÁY ĐIỆN

5. Động cơ kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 12-17a. các dây quấn kích từ có thể nối thuận

làm từ thông tăng hoặc nối ngược làm từ thông giảm.

Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp như hình 12-17b, 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 dây quấn phụ được nối thuận.

Trang 41

Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn phụ và nối ngược, có đặc tính cơ rất cứng (đường 4), nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi.