Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình Máy điện (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Cao đẳng) cung cấp những kiến thức cơ bản về máy điện. Giáo trình kết cấu gồm 5 bài và được chia thành 2 phần, phần 2 trình bày những nội dung về: động cơ không đồng bộ ba pha; máy phát điện đồng bộ; máy điện một chiều;... Mời các bạn cùng tham khảo!
BÀI 2: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Mã bài: MĐ 15.02 Giới thiệu: Trong tự nhiên ln có chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác động điện có nhiệm vụ biến đổi điện thành Nó cần thiết sản xuất giữ vai trò định cho phát triển kinh tế đặc biệt lĩnh vực điện khí hố, tự động hố cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thông vận tải ngày cao Động không đồng ba pha máy điện xoay chiều, làm việc theo ngun lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor n (tốc độ quay máy) khác với tốc độ quay từ trường Mục tiêu: - Mô tả cấu tạo, nguyên lý làm việc động khơng đồng - Tính tốn thơng số động - Vẽ sơ đồ trải dây quấn Stato - Bảo dưỡng sửa chữa hư hỏng thông thường động không đồng đảm bảo động hoạt động tốt theo tiêu chuẩn điện - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, xác, tư khoa học sáng tạo Nội dung: Khái niệm chung động không đồng ba pha 1.1 Khái niệm Động không đồng máy điện xoay chiều, làm việc theo ngun lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor (tốc độ quay máy) nhỏ với tốc độ quay từ trường 1.2 Phân loại Khi phân loại động không đồng ba pha, theo: - Theo kết cấu vỏ, chia làm loại: Kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung… vv - Theo kết cấu rotor chia làm hai loại: Kiểu rotor dây quấn kiểu rotor lồng sóc - Theo số pha: Kiểu pha, hai pha, ba pha 1.3 Các đại lượng định mức: Động không đồng ba pha có đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật máy Các trị số nhà máy thiết kế, chế tạo qui định ghi nhãn máy Động không đồng ba pha nhãn máy ghi trị số làm việc chế đô động ứng với tải định mức 58 - Công suất định mức đầu trục (công suất đầu ra) Pđm (kW, W) Hp, 1Cv = 736W (theo tiêu chuẩn Pháp); 1kW = 1,358 Cv 1Hp = 746W (theo tiêu chuẩn Anh) - Dòng điện định mức Iđm (A) - Điện áp dây định mức Uđm (V) - Kiểu đấu hay tam giác - Tốc độ quay định mức nđm - Hiệu suất định mức đm - Hệ số công suất định mức cosđm Công suất định mức mà động điện tiêu thụ P1đm P2 đm đm 3U đm I đm cos đm Pđm 3U đm I đm cos đm đm Mômen định mức đầu trục: M đm Pđm Pđm (W ) 0.975 ( KGM ) 9,81 nđm (vg / ph) 1.4 Công dụng động không đồng ba pha Động không đồng ba pha có kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động không đồng loại máy sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa nhỏ, động lực cho máy công cụ Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trong nơng nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng chiếm vị trí quan trọng: quạt gió, động tủ lạnh Tóm lại phạm vi ứng dụng máy điện không đồng ngày rộng rãi Tuy động không đồng ba pha có nhược điểm sau: cos máy thường khơng cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc độ khơng tốt nên ứng dụng có phần bị hạn chế Cấu tạo Động không đồng ba pha 2.1 Stator (phần tĩnh) Stator gồm có: Lõi thép, dây quấn vỏ máy 59 - Lõi thép stator (mạch từ) chế tạo từ thép kỹ thuật điện (thép silic) hình trịn đập rãnh phía theo hướng tâm, sau ghép cách điện với tạo thành hình trụ rỗng với rãnh đặt dây quấn Lõi thép ép vào vỏ máy - Dây quấn: Dây quấn stator đặt vào rãnh lõi thép cách điện tốt rãnh - Vỏ máy: Để cố định lõi sắt dây quấn không dùng làm mạch dẫn từ Thường làm gang hay thép hàn lại 2.2 Rotor (phần quay) Gồm có lõi thép, dây quấn - Lõi thép: Dùng thép kỹ thuật điện stator, lõi sắt ép lên trục quay, phía ngồi có xẻ rãnh để đặt dây quấn - Dây quấn: Có hai loại: Loại rotor kiểu dây quấn: Là rotor có dây quấn giống dây quấn sator Dây quấn pha rotor thường đấu hình sao, cịn ba đầu nối vối ba vành trượt đặt cố định đầu trục thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngồi Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor nối ngắn mạch Hình 15-03-1 Rotor dây quấn động không đồng Loại rotor kiểu lồng sóc: Cấu tạo loại dây quấn khác với dây quấn stator Trong rãnh stator đặt vào dẫn đồng nhôm dài khỏi lõi sắt nối tắt hai đầu hai vành ngắn mạch đồng nhôm mà người ta thường quen gọi lồng sóc 60 Hình 16-03-2: Rotor lồng sóc động điện không đồng 2.3 Các phận khác: Vỏ máy làm nhôm gang, dùng để giữ chặt lõi thép, cố định máy bệ, bảo vệ máy đỡ trục rôto Cánh quạt: Chế tạo nhôm gang dùng để làm mát phân bên động Nắp cánh quạt: Dùng để bảo vệ cho cách quạt không bị va chạm cong vênh, đặc biệt bảo vệ an toàn cho người vận hành Ngoài cịn có tác dung hướng gió dọc theo vỏ động Hộp cực: Nơi đưa đầu dây stato đấu nối nguồn điện vaò động cơ, hộp cực có nắp để che đầu nối đơng Nguyên lý làm việc máy điện không đồng 3.1.Từ trường máy điện không đồng 3.1.1 Từ trường quay dây quấn ba pha Dịng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn tạo từ trường quay máy điện a Sự tạo thành từ trường quay Trên Hình 16-03-7a, b, c vẽ mặt cắt ngang máy điện ba pha đơn giản, dây quấn ba pha đối xứng stato AX, BY, CZ đặt rãnh Trục dây quấn lệch không gian góc 120o điện Giả thiết dây quấn có dịng điện ba pha đối xúng chạy qua (Hình 03-5) iA = Imaxsinωt iB = Imaxsin(ωt – 120o) iC = Imaxsin(ωt – 240o) Để thấy rõ hình thành từ trường, vẽ từ trường ta qui ước chiều dòng điện sau: - Dòng điện pha dương có chiều từ đầu đến cuối pha, đầu ký hiệu vịng trịn có dấu nhân , cịn cuối ký hiệu vịng trịn có dấu chấm Dòng điện pha âm có chiều ký hiệu ngược lại, đầu ký hiệu cuối ký hiệu Bây ta xét từ trường thời điểm khác nhau: - Thời điểm pha ωt = 90o: Ở thời điểm này, dòng điện pha A cực đại dương (xem Hình 16-03-5a), dịng điện pha B C âm Theo quy định trên, dòng điện pha A dương, nên đầu A ký hiệu , cuối x ký hiệu ; dòng điện pha B C âm nên đầu B C ký hiệu cuối Y Z ký hiệu (xem hìnH16-03-5a) 61 Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường dòng điện sinh (Hình 16-03-4a); ta thấy từ trường tổng có cực S cực N, ta gọi từ trường đôi cực (p = 1) Trục từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A pha có dịng điện cực đại ia i ic ib ωt ωt = 90o+240o o o ωt= 90o ωt = 90 +120 Hình 15-3-3: Đồ thị hình sin dòng điện pha A A Y Z S A S Y Z Y Z B C B N C C N B X X X Btæng BB BC BC BC 60 60 Btæng 60 BA a BB b c BB Btỉng Hình 16-03-4: Sự tạo thành từ trường quay 62 - Thời điểm pha ωt = 90o + 120o: Là thời điểm sau thời điểm xét phần ba chu kỳ Ở thời điểm này, dòng điện pha B cực đại dương, dịng điện pha A C âm (Hình 16-03-4b) Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đương sức từ trường Ta thấy từ trường tổng quay góc 120o so với thời điểm trước Trục từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B pha có dịng điện cực đại - Thời điểm pha ωt = 90o + 240o: Là thời điểm chậm sau thời điểm đầu 2/3 chu kỳ; lúc dòng điện pha C cực đại dương, cịn dịng điện pha A pha B âm (Hình 16-03-4c) Ta thấy từ trường tổng thời điểm quay góc 240o so với thời điểm đầu Trục từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C, pha có dịng điện cực đại Qua phân tích trên, ta thấy từ trường tổng dòng điện ba pha từ trường quay Từ trường quay móc vịng với hai dây quấn stato rơto, từ trường máy điện, tham gia vào trình biến đổi lượng Với cách cấu tạo dây quấn trên, ta từ trường quay đôi cực Nếu thay đổi cấu tạo dây quấn, ta từ trường 2, 3, v.v… đôi cực b Đặc điểm từ trường quay Từ trường quay hệ thống dòng điện ba pha có đặc điểm quan trọng: - Tốc độ từ trường quay Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dịng điện stato f số đơi cực p Thật vậy, Hình 16-03-4 ta thấy dòng điện biến thiên chu kỳ, từ trường quay vịng, phút dịng điện biến thiên 60f chu kỳ, từ trường quay 60f vịng Vậy từ trường có đơi cực, tốc độ cử từ trường quay n1 60 f vịng Khi từ trường có hai đơi cực, dòng điện biến phút thiên chu kỳ, từ trường quay ½ vịng (từ cực N qua S đến N ½ vịng), tốc độ từ trường quay n1 60 f Một cách tổng qt, từ trường quay có p đơi cực, tốc độ từ trường quay (còn gọi tốc độ đồng bộ) là: n1 60 f (vòng / phút ) p (3-1) - Chiều quay từ trường Chiều quay từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha dòng điện Muốn đổi chiều quay từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với Thật vậy, Hình 16-03-3 ta thấy rằng, thứ tự dòng điện pha cực đại pha A, pha B, đến pha C cách chu kỳ từ trường quay từ trục dây quấn pha A đến trục dây quấn pha B đến trục dây quấn pha C cách tương ứng 63 Như thay đổi thứ tự hai pha cho nhau, ví dụ dịng điện i B cho vào dây quấn CZ, dòng điện iC cho vào dây quấn BY, từ trường quay theo chiều từ trục dây quấn AX đến trục dây quấn CZ (có dịng điện i B) đến trục dây quấn BY (có dịng điện iC), nghĩa từ trường quay theo chiều ngược lại (Hình 15-03-3c) - Biên độ từ trường quay Từ trường quay sinh từ thông Ф xuyên qua dây quấn Ví dụ ta xét từ thơng từ trường quay xuyên qua dây quấn AX Dây quấn pha lệch khơng gian với pha A góc 1200, 2400, từ thông xuyên qua dây quấn AX dây quấn ba pha là: Ф = ФA + ФBcos(-1200) + ФCcos(-2400) = A ( B C ) (3-2) Hệ thống dòng điện ba pha đối xứng nên ΦA + ΦB + ΦC = hay ΦB + ΦC = - ΦA ta có: Φ = ΦA + A = ΦA 2 (3-3) Dòng điện іA = Imaxsin t nên: Từ thơng dịng điện pha A là: ΦA = ΦAmax sin t Cuối ta có: Φ= ΦAmaxsin t Vậy từ thông từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin có biên độ 3/2 từ thông cực đại pha Φmax = Φpmax (3-4) Φpmax từ thơng cực đại pha Đối với dây quấn m pha thì: Φmax = m Φpmax (3-5) 3.1.2 Từ trường quay dây quấn hai pha Khi có dây quấn hai pha (m=2) đặc lệch khơng gian góc 90 điện, dòng điện hai dây quấn lệch pha thời gian 900, phân tích trên, từ trường hai pha từ trường quay có tính chất xét có biên độ là: 64 Φmax = m Φpmax = Φmax = Φpmax Từ trường quay dây quấn hai pha có biên độ biên độ từ trường pha 3.1.3 Từ thông tản Bộ phận từ thông móc vịng riêng rẽ với dây quấn gọi từ thơng tản Ta có từ thơng tản stato, móc vịng với dây quấn stato, từ thơng tản rơto móc vịng với dây quấn rơto Từ thơng tản đặc trưng điện kháng tản, xét máy biến áp 3.2 Nguyên lý làm việc máy điện không đồng 3.2.1 Nguyên lý làm việc động điện không đồng Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn Stato, tạo từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n1 = 60 f Từ trường quay cắt p dây dẫn dây quấn rôto, cảm ứng sức điện dộng Vì dây quấn rơto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh dòng điện dẫn rôto Lực tác dụng tương hỗ từ trường quay máy với dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay chiều quay từ trường với tốc độ n Để minh họa, Hình 15-03-5 vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động lực điện từ Fdt F ®t n F + ®t Hình 15-03-5: Từ trường quay tốc độ n1 Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta vào chiều chuyển động tương đối dẫn từ trường Nếu coi từ trường đứng yên, chiều chuyển động tương đối dẫn ngược chiều với chiều n1, từ áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định chiều sđđ hình vẽ (dấu chiều từ vào trong) Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1 Tốc độ n máy nhỏ tốc độ từ trường quay n tốc độ khơng có chuyển động tương đối, dây quấn rơto khơng có sđđ dịng điện cảm ứng, lực điện từ khơng 65 Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay tốc độ máy gọi tốc độ trượt n n2 = n – n (3-6) Hệ số trượt tốc độ là: s= n2 n n = n1 n1 (3-7) Sơ đồ khai triển dây quấn động không đồng pha 4.1.Khái niệm chung dây quấn 4.1.1 Khái niệm Dây quấn máy điện xoay chiều ba pha phận quan trọng có nhiệm vụ tạo từ trường quay cho máy tham gia vào trình biến đổi lượng từ điện thành ngược lại Do dây quấn máy điện xoay chiều ba pha phải đảm bảo yêu cầu độ bè học, độ bền nhiệt, độ bền điện Đồng thời có kết cấu đơn giản, lắp ráp sửa chữa dễ dàng, đảm bảo an toàn tiết kiệm 4.1.2 Phân loại: Có nhiều cách để phân loại dây quấn * Phân loại theo cức gồm: - Dây quấn Stato - Dây quấn Roto * Phân loại theo cấu tạo: - Dây quấn lớp - dây quấn hai lớp * Phân loại theo hình dạng bối dây - Dây quấn đồng khuôn - dây quấn đồng tâm * Phân loại theo hình hình dáng phần đầu nối: - Dây quấn hai mặt phẳng - Dây quấn ba mặt phẳng * Phân loại theo bước dây quấn: - Dây quấn bước đủ - Dây quấn bước ngắn - Dây quấn bước dài * Phân loại theo số pha 66 - Dây quấn pha - Dây quấn hai pha - Dây quấn ba pha * Phân loại theo giá trị q: - Dây quấn có q số nguyên - Dây quấn có q phân số 4.1.3 Các định nghĩa a Bối dây (hay tép dây) Bối dây hay tép dây, thực cuộn dây quấn tạo nên nhiều vòng dây quấn chiều, nối tiếp Hình vẽ ký hiệu bối dây biểu diễn hình 1-1 Trong đó: Cạnh tác dụng: Là phần dây quấn bối dây đặt rãnh stator Mỗi bối dây có cạnh tác dụng lồng vào rãnh khác Đối với dây quấn lớp: Mỗi rãnh stator chứa cạnh tác dụng bối dây khác nhau, bối dây lồng có cạnh tác dụng nằm đáy rãnh gọi cạnh tác dụng vẽ nét đứt; cạnh lại nằm phần rãnh khác gọi cạnh tác dụng vẽ nét liền - Hình 15-03-6: Hình vẽ ký hiệu cho bối dây vẽ sơ đồ dàn trải Đầu nối: Là phần dây quấn bên phần nối liền hai cạnh tác dụng bối dây - Bước bối dây y: Là khoảng cách rãnh chứa cạnh tác dụng bối dây; đơn vị y rãnh - 67 với tốc độ không đổi từ trường hai cực nam châm N – S Các chổi điện A, B đặt cố định ln tì sát vào phiến góp b Ngun lý làm việc: Giả sử, thời điểm bắt đầu cạnh ab phần cực N, cạnh cd phần cực S Khi động sơ cấp kéo phần ứng quay, dẫn dây quấn phần ứng cắt từ trường cực từ nên cảm ứng sức điện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Trên hình vẽ từ trường hướng từ cực N đến cực S (Từ xuống dưới) chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, dẫn ab phía sđđ có chiều từ b đến a Ở dẫn cd phía chiều sđđ từ d đến c Sđđ phần tử tổng sđđ dẫn Nếu nối chổi điện A B với tải, tải có dịng điện chiều từ A đến B Điện áp máy phát điện có cực dương chổi A âm chổi B Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí cạnh tác dụng phần tử dây quấn phần ứng thay đổi vị trí cho cực từ: ab cực S, dc cực N, sđ đ dẫn đổi chiều Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện A nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới, nên chiều dịng điện mạch ngồi khơng đổi ( từ A đến B) Ta có máy phát điện chiều với cực dương A cực âm B Ở chế độ máy phát dòng điện phần ứng Iư chiều với sđ đ phần ứng Eư Phương trình điện áp là: U = Eư – Iư.Rư Trong đo Iư.Rư điện rơi dây quấn phần ứng; Rư điện trở dây quấn phần ứng; U điện áp đầu cực máy phát; Eư sđ đ phần ứng - Để có sđđ lớn chổi điện đập mạch sđ đ đó, người ta dùng nhiều khung dây đặt lệch góc khơng gian làm thành dây quấn phần ứng Cũng có nhiều phiến đổi chiều cách điện với ghép lại thành cổ góp điện (Cịn gọi vành góp) 1.2 Chế độ động điện chiều: a Sơ đồ nguyên lý: b Iƣ Fđt a + d - Iƣ c Fđt B 119 Hình 15-5-6: Cấu tạo ĐCĐMC Trên sơ đồ mô tả nguyên lý cấu tạo động điện chiều (tương tự máy phát điện chiều) phần ứng có phần tử khung dây abcd, nối với phiến đổi chiều; phần cảm cặp cực từ nam châm N-S b Nguyên lý làm việc: Cho điện áp chiều vào chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Iư Các dẫn ab, cd có dịng điện nằm từ trường, chịu lực Fđt (như hình vẽ) tạo mơ men quay tác dụng làm cho rôto quay Khi phần ứng quay nửa vịng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, có phiến góp đổi chiều dịng điện, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, đảm bảo cho động có chiều quay khơng đổi Khi động quay dẫn cắt từ trường cảm ứng sđ đ Eư Chiều sđ đ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động chiều sđ đ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện Phương trình điện áp: U = Eư+Rư.Iư Phân loại trị số định mức máy điện chiều 2.1 Phân loại: Theo chế độ làm việc: - Động điện chiều - Máy phát điện chiều Theo phương pháp đấu nối cuộn dây phần cảm: - Máy điện chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ máy lấy từ nguồn khác, không liên hệ với phần ứng máy - Máy điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng - Máy điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng - Máy điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp, dây quấn kích từ song song thường chủ yếu 2.2 Các đại lượng định mức: a Công suất định mức: (Pđm) Là công suất đầu máy điện tải định mức b Điện áp định mức: (Uđm) Là điện áp hai đầu cực máy điện chiều có tải định mức c Dịng điện định mức: (Iđm) Là dòng điện cung cấp vào (Đối với động cơ) phát máy phát điện 120 d Dịng điện kích từ: (Ikt) Là dong điện cuộn dây kích từ e Dịng điện phần ứng: (Iư) Là dòng điện qua phần ứng Đặc tính máy phát điện chiều: 3.1 Đặc tính khơng tải: - Đặc tính khơng tải: U0 = f(It) I = n = const - Sơ đồ lấy đặc tính trình bày hình 5.19a, đặc tính biểu thị hình 5.19b Vì máy thường có từ thơng dư nên It = cực máy phát điện áp U’00 = OA (H.5.19b), thường U’00 = 2-3%Uđm Khi biến đổi It từ It = 0(+Imax) = OC điện áp U tăng theo đường cong đến +U0max = Cc Thường U0max = 1,1-1,25 Uđm Lúc không tải phần ứng MFĐKTĐL nối với Voltmet nên: U0 = E0 = CE.n.Φ = C’E.Φ Hình 15-5-7: Sơ đồ lấy đặc tính đặc tính khơng tải MFĐMCKTĐL - Nên quan hệ U0 = f(It) lặp lại quan hệ Φ = f(It) theo thước tỉ lệ định - Bây biến đổi It từ +Imax = OC-It = sau đổi nối ngược chiều dịng điện mạch kích thích tiếp tục đổi It từ It =0-(-Imax) = Od vẽ đường cong thứ - Lặp lại biến đổi dòng điện theo thứ tự ngược lại từ -Imax = Od-(+Imax) = OC ta vẽ đường - Đường cong tạo thành chu trình từ trễ xác định tính chất thép cự từ gơng từ Vẽ đường trung bình đường đặc tính khơng tải để tính tốn 3.2 Đặc tính ngắn mạch: In = f(It) U = 0, n = const 121 - Nối ngắn mạch chổi than qua ampe mét cho máy chạy với n = C te, đo trị số It In tương ứng ta đặc tính ngắn mạch Khi ngắn mạch: U = Eư – IưRư = → Eư = IưRư Rư