Sách tham khảo Kỹ thuật điện: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Những khái niệm cơ bản về mạch điện; dòng điện hình sin; các phương pháp phân tích mạch điện; mạch điện ba pha; khái niệm chung về máy điện; máy biến áp;... Mời các bạn cùng tham khảo!
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ SÁCH THAM KHẢO KỸ THUẬT ĐIỆN Phân loại: Mã số: Chủ biên: ThS Phạm Hồng Thanh Bình Dương, 5/2015 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện ngành kỹ thuật ứng dụng tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu Năng lượng điện ngày trở nên cần thiết đóng vai trị vơ quan trọng đời sống sản xuất người Ngày điện sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất ưu điểm sau đây: Điện sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn Điện truyền tải xa với hiệu suất cao Điện dễ dàng chuyển đổi thành dạng lượng khác Sử dụng điện giúp tự động hóa nâng cao suất lao động trình sản xuất Sách tham khảo Kỹ thuật điện biên soạn dành cho sinh viên ngành kỹ thuật cơng nghiệp khơng chun Điện theo chương trình đào tạo trường Đại học Thủ Dầu Một tất bạn đọc quan tâm Tài liệu biên soạn sở người học học Vật lý phổ thông, phần điện học phần Vật lý đại cương nên không sâu vào phương diện lý luận mà chủ yếu đề cập phương pháp tính tốn ứng dụng kỹ thuật tượng điện từ Nội dung tài liệu gồm ba phần chính: PHẦN I: MẠCH ĐIỆN Gồm chương cung cấp kiến thức mạch điện (thông số, mơ hình, định luật bản), phương pháp tính tốn mạch điện pha ba pha chế độ xác lập PHẦN II: MÁY ĐIỆN Gồm chương trình bày ngun lý, cấu tạo, tính kỹ thuật ứng dụng loại máy điện thường gặp PHẦN III: THIẾT BỊ VÀ MẠNG ĐIỆN Gồm chương cung cấp kiến thức số thiết bị đóng – cắt bảo vệ mạng hạ áp, tính tốn mạng điện hạ áp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Thủ Dầu Một quan tâm tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành tài liệu ThS Phạm Hồng Thanh MỤC LỤC PHẦN I MẠCH ĐIỆN CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.1.1 Mạch điện .1 1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện 1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1 Dòng điện .2 1.2.2 Điện áp 1.2.3 Chiều dương dòng điện điện áp 1.2.4 Công suất 1.3 MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THƠNG SỐ 1.3.1 Nguồn điện áp nguồn dòng điện .4 1.3.2 Điện trở R .5 1.3.3 Điện cảm L .5 1.3.4 Hỗ cảm M .6 1.3.5 Điện dung C 1.3.6 Mơ hình mạch điện 1.4 PHÂN LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.4.1 Phân loại theo loại dòng điện 1.4.2 Phân loại theo tính chất thơng số R, L, C mạch điện 1.4.3 Phụ thuộc vào trình lượng mạch, người ta phân chế độ xác lập chế độ độ 1.4.4 Phân loại theo toán mạch điện 1.5 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF 1.5.1 Định luật Kirchhoff .9 1.5.2 Định luật Kirchhoff .9 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 11 BÀI TẬP CHƯƠNG 11 CHƯƠNG DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN .14 i 2.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN 14 2.2 TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN 15 2.3 BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VECTOR 15 2.4 DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN TRỞ .16 2.5 DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN CẢM 17 2.6 DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN DUNG 17 2.7 DÒNG ĐIỆN SIN TRONG NHÁNH R-L-C NỐI TIẾP .18 2.8 CƠNG SUẤT CỦA DỊNG ĐIỆN SIN 19 2.8.1 Công suất tác dụng P 19 2.8.2 Công suất phản kháng Q 20 2.8.3 Công suất biểu kiến S 20 2.8.4 Hệ số công suất nâng cao hệ số công suất 21 2.9 BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC 22 2.9.1 Định nghĩa biểu diễn hình học 23 2.9.2 Các phép tính số phức 23 2.9.3 Biểu diễn số phức dạng lượng giác, dạng mũ, dạng cực .23 2.9.4 Biểu diễn hàm sin số phức 24 2.9.5 Biểu diễn điện áp dòng điện sin số phức 24 2.9.6 Biểu diễn tổng trở số phức 24 2.9.7 Biểu diễn định luật Kirchhoff dạng phức 25 2.9.8 Biểu diễn tính tốn cơng suất dạng phức .25 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 26 BÀI TẬP CHƯƠNG 26 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 32 3.1 ỨNG DỤNG BIỂU DIỄN VECTOR GIẢI MẠCH ĐIỆN 32 3.1.1 Cộng, trừ hai hàm sin đồ thị vector .32 3.2 ỨNG DỤNG SỐ PHỨC GIẢI MẠCH ĐIỆN 35 3.3 PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 36 3.3.1 Mắc nối tiếp 36 3.3.2 Mắc song song .36 3.3.3 Biến đổi sao- tam giác 37 3.3.4 Phương pháp dòng điện nhánh .39 ii 3.3.5 Phương pháp dòng điện vòng 41 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 42 BÀI TẬP CHƯƠNG 43 CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN BA PHA 50 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 50 4.2 CÁCH NỐI HÌNH SAO (Y) 51 4.2.1 Cách nối .51 4.2.2 Các quan hệ đại lượng dây pha cách nối hình đối xứng 51 4.3 CÁCH NỐI HÌNH TAM GIÁC 52 4.3.1 Cách nối .52 4.3.2 Các quan hệ đại lượng dây đại lượng pha .52 4.4 CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA 53 4.4.1 Công suất tác dụng .53 4.4.2 Công suất phản kháng 54 4.4.3 Công suất biểu kiến 54 4.5 GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG 54 4.5.1 Nguồn nối đối xứng .54 4.5.2 Nguồn nối tam giác đối xứng .55 4.5.3 Giải mạch điện ba pha tải hình đối xứng .55 4.5.4 Giải mạch ba pha tải hình tam giác đối xứng 56 4.6 CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI TRONG MẠCH ĐIỆN BA PHA .58 4.6.1 Cách nối nguồn điện 58 4.6.2 Cách nối động điện 58 4.6.3 Cách nối tải pha 59 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 60 BÀI TẬP CHƯƠNG 60 iii PHẦN II MÁY ĐIỆN CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN .69 5.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 69 5.1.1 Định nghĩa 69 5.1.2 Phân loại .69 5.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN TRONG MÁY ĐIỆN 70 5.2.1 Định luật cảm ứng điện từ 70 5.2.2 Định luật điện từ 72 5.3 NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN .72 5.3.1 Chế độ máy phát điện 72 5.3.2 Chế độ động điện 73 5.4 ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ TÍNH TỐN MẠCH TỪ 73 5.4.1 Định luật mạch từ 73 5.4.2 Tính tốn mạch từ 75 5.5 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 76 5.5.1 Vật liệu dẫn điện 76 5.5.2 Vật liệu dẫn từ 77 5.5.3 Vật liệu cách điện 77 5.6 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 78 5.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN 78 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 79 BÀI TẬP CHƯƠNG 79 CHƯƠNG MÁY BIẾN ÁP .84 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 84 6.1.1 Định nghĩa 84 6.1.2 Các đại lượng định mức .84 6.1.3 Công dụng máy biến áp 85 6.2 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 85 6.2.1 Lõi thép máy biến áp 86 6.2.2 Dây quấn máy biến áp 86 6.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP .87 iv 6.4 MƠ HÌNH TỐN CỦA MÁY BIẾN ÁP 89 6.4.1 Quá trình điện từ máy biến áp 89 6.4.2 Phương trình điện áp sơ cấp 90 6.4.3 Phương trình điện áp thứ cấp .90 6.4.4 Phương trình sức từ động .91 6.5 MẠCH ĐIỆN THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP 91 6.5.1 Quy đổi đại lượng thứ cấp sơ cấp .92 6.5.2 Thiết lập mạch điện thay máy biến áp .92 6.6 CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 94 6.6.1 Phương trình mạch điện thay máy biến áp không tải 94 6.6.2 Các đặc điểm chế độ không tải 94 6.6.3 Thí nghiệm khơng tải máy biến áp .95 6.7 CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP 96 6.7.1 Phương trình mạch điện thay máy biến áp ngắn mạch .96 6.7.2 Các đặc điểm chế độ ngắn mạch .97 6.7.3 Thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp 97 6.8 CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP .99 6.8.1 Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải Đường đặc tính ngồi 99 6.8.2 Tổn hao hiệu suất máy biến áp 102 6.9 MÁY BIẾN ÁP BA PHA 103 6.10 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG 106 6.10.1 Điện áp định mức sơ cấp thứ cấp máy biến áp phải tương ứng 106 6.10.2 Các máy phải có tổ nối dây 106 6.10.3 Điện áp ngắn mạch máy phải 107 6.11 CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 107 6.11.1 Máy tự biến áp 107 6.11.2 Máy biến áp đo lường 108 6.11.3 Máy biến áp hàn hồ quang 109 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG .111 BÀI TẬP CHƯƠNG 111 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 116 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG 116 v 7.2 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 116 7.2.1 Stator 117 7.2.2 Rotor 118 7.3 TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 119 7.3.1 Từ trường đập mạch dây quấn pha 119 7.3.2 Từ trường quay dây quấn ba pha 120 7.3.3 Từ trường quay dây quấn hai pha 124 7.3.4 Từ thông tản 124 7.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 125 7.4.1 Nguyên lý làm việc động điện không đồng 125 7.4.2 Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng 126 7.5 MƠ HÌNH TỐN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 126 7.5.1 Phương trình điện áp dây quấn stator 126 7.5.2 Phương trình dây quấn rotor 127 7.5.3 Phương trình sức từ động động không đồng 128 7.6 SƠ ĐỒ THAY THẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 129 7.7 BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 131 7.8 MOMENT QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 132 7.9 MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 135 7.9.1 Mở máy động rotor dây quấn 135 7.9.2 Mở máy động rotor lồng sóc 136 7.9.3 Động điện lồng sóc có đặc tính mở máy tốt 139 7.10 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 141 7.10.1 Điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số 141 7.10.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực 142 7.10.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp cung cấp cho stator 142 7.10.4 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch rotor động rotor dây quấn 142 7.11 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ 143 7.11.1 Tốc độ quay n = f(P2) 143 7.11.2 Hiệu suất η = f(P2) 144 vi 7.11.3 Hệ số công suất cosφ = f (P2) 144 7.12 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 144 7.12.1 Động không đồng pha dùng dây quấn phụ 146 7.12.2 Động dùng tụ điện 147 7.12.3 Động dùng vòng ngắn mạch 147 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG .150 BÀI TẬP CHƯƠNG 150 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 158 8.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG 158 8.1.1 Định nghĩa 158 8.1.2 Công dụng 158 8.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 158 8.2.1 Stator 159 8.2.2 Rotor 159 8.2.3 Dây quấn kích từ 159 8.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 160 8.4 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 161 8.5 MƠ HÌNH TỐN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 163 8.5.1 Phương trình điện áp máy phát điện đồng cực lồi 163 8.5.2 Phương trình điện áp máy phát điện đồng cực ẩn 164 8.6 CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CỰC LỒI 164 8.6.1 Công suất tác dụng 164 8.6.2 Công suất phản kháng 165 8.6.3 Điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng 166 8.7 ĐẶC TÍNH NGỒI VÀ ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHỈNH 166 8.7.1 Đặc tính ngồi máy phát điện đồng 166 8.7.2 Đặc tuyến điều chỉnh 167 8.8 SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 167 8.9 ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ 168 8.9.1 Khái niệm chung 168 8.9.2 Cấu tạo 168 8.9.3 Nguyên lý làm việc 168 vii 8.9.4 Mở máy động điện đồng 169 8.10 CÁC MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CÓ CẤU TẠO ĐẶC BIỆT 170 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG .171 BÀI TẬP CHƯƠNG 171 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 175 9.1 CẤU TẠO MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 175 9.1.1 Stator 175 9.1.2 Rotor 175 9.1.3 Dây quấn 176 9.1.4 Cổ góp chổi điện 177 9.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 177 9.2.1 Nguyên lý làm việc phương trình điện áp máy phát điện chiều 177 9.2.2 Nguyên lý làm việc phương trình điện áp động điện chiều179 9.3 TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 179 9.3.1 Từ trường sức điện động máy điện chiều 179 9.3.2 Sức điện động phần ứng 181 9.4 CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MOMENT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 182 9.5 TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 182 9.5.1 Nguyên nhân khí 182 9.5.2 Nguyên nhân điện từ 182 9.6 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 184 9.6.1 Máy phát điện chiều kích từ độc lập 184 9.6.2 Máy phát điện kích từ song song 185 9.6.3 Máy phát điện kích từ nối tiếp 187 9.6.4 Máy phát điện kích từ hỗn hợp 187 9.7 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 188 9.7.1 Mở máy động điện chiều 188 9.7.2 Điều chỉnh tốc độ 189 9.7.3 Động điện kích từ song song 190 9.7.4 Động kích từ nối tiếp 192 9.7.5 Động kích từ hỗn hợp 193 viii Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn so với biến trở mở máy Họ đặc tính động khơng đồng rotor dây quấn có biến trở điều chỉnh tốc độ thể Hình 7.17 Ta thấy tăng điện trở, tốc độ quay động giảm Nếu moment cản khơng đổi, dịng rotor khơng đổi, tăng điện trở để giảm tốc độ, tăng tổn hao cơng suất biến trở, phương pháp không kinh tế Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn khoảng điều chỉnh tương đối rộng, sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay động cơng suất cỡ trung bình 7.11 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Ở chế độ làm việc định mức, động không đồng có đại lượng định mức sau: cơng suất hữu ích định mức Pđm, điện áp dây định mức Uđm, dòng điện dây định mức Iđm, tốc độ quay định mức nđm, hệ số công suất định mức cosφđm hiệu suất định mức ηđm Song đại lượng định mức chưa cho biết đầy đủ tất đặc tính tải khác định mức Vì cần biết đặc tính làm việc động khơng đồng bộ, quan hệ tốc độ quay rotor n, hệ số cosφ, hiệu suất η, moment quay M, dịng điện stator I1 với cơng suất hữu ích trục P2 điện áp U tần số f stator không đổi Trên Hình 7.27 vẽ đặc tính làm việc, hiệu suất η, cosφ tiêu kinh tế, hiệu suất cao tổn hao cơng suất máy nhỏ, cosφ cao giảm tổn hao điện đường dây mạng điện, đặc tính khác tiêu kỹ thuật /1 η, cosφ1 0,98 P1/Pđm, I1/Iđm /1 1,5 η s% P1 cosφ1 M1/Mđm M I1 1,0 0,5 s 0,5 P2/Pđm 0 Hình 7.27 7.11.1.Tốc độ quay n = f(P2) Tốc độ động có quan hệ với hệ số trượt s theo biểu thức: 143 n= n1 (1 − s)= 60f (1-s) vịng/phút p (7.50) Khi tải tăng, cơng suất P2 trục động tăng, moment cản tăng lên, từ đường đặc tính moment ta thấy hệ số trượt s tăng lên, tốc độ động giảm xuống 7.11.2.Hiệu suất η = f(P2) Hiệu suất động tính sau: η = P2 P2 = P1 P2 + ΔP (7.51) P2 cơng suất hữu ích trục động Động không đồng thường thiết kế cho hiệu suất cực đại k t = P2 Pđm ≈ 0,7 Trong khoảng kt = 0,5 ÷ hiệu suất khơng đổi Hiệu suất động cơng nghiệp vào khoảng 0,75 ÷ 0,95 7.11.3.Hệ số công suất cosφ = f (P2) Hệ số công suất động điện không đồng tỷ số công suất tác dụng P1 với cơng suất tồn phần S cosφ = P1 = S P1 P12 + Q21 (7.52) Trong P1 cơng suất tác dụng (điện) động điện tiêu thụ để biến đổi sang công suất P2 Q1 công suất phản kháng mà động tiêu thụ để tạo từ trường cho máy Khi máy quay không tải (khơng kéo tải), cơng suất P1 nhỏ cosφ0 thấp, có giá trị 0,2 ÷ 0,3 Khi tải tăng, công suất P1 tăng cosφ tăng đạt đến giá trị định mức cosφ = 0,8 ÷ 0,9; tải dịng điện vượt định mức, từ thơng tản tăng, Q1 tăng, cosφ lại giảm xuống Từ đặc tính cosφ ta thấy khơng nên cho máy làm việc q tải non tải Ngồi cơng suất P2 tăng, moment M dòng điện I1 tăng (Hình 7.27) 7.12 ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA Về cấu tạo, stator động pha có dây quấn pha, rotor thường lồng sóc (Hình 7.28) Dây quấn stator nối với lưới điện xoay chiều pha Dòng điện xoay chiều chạy vào dây quấn stator không tạo từ trường quay Do biến thiên dòng điện, chiều trị số từ trường thay đổi, phương từ trường cố định không gian Từ trường gọi từ trường đập mạch Vì khơng phải từ trường quay, nên ta cho điện áp vào dây quấn stator, động không tự quay Để cho động làm việc được, trước hết ta phải quay rotor động điện theo chiều đó, rotor tiếp tục quay theo chiều động làm việc 144 ⃗B⃗ ⃗B⃗2 ⃗B⃗1 𝑛1 Hình 7.28 𝑛1 Hình 7.29 Để giải thích tượng xảy động điện pha, ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau, tần số n1, biên độ nửa biên độ từ trường đập mạch n1 = 60f p Bmax = Mmax = (7.53) Bmax (7.54) ⃗⃗1 có chiều quay trùng với chiều quay rotor, gọi Trong từ trường quay B ⃗⃗2 có chiều quay ngược chiều quay rotor gọi từ trường quay thuận, từ trường quay B ⃗⃗1 B ⃗⃗2 quay từ trường quay ngược Trên Hình 7.29, ⃗⃗⃗⃗⃗ B từ trường đập mạch, B với tốc độ n1 ta có: ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗1 + B ⃗⃗2 B=B Gọi n tốc độ rotor, hệ số trượt từ trường quay thuận là: n1 − n s1 = =s n1 (7.55) (7.56) Hệ số trượt s2 ứng với từ trường quay ngược là: s2 = n1 + n n1 + (1 − s1 )n1 = = − s1 = − s n1 n1 (7.57) Trên Hình 7.30 vẽ moment quay M1 từ trường thuận sinh có trị số dương M2 từ trường ngược gây có trị số âm Moment quay động tổng đại số moment M1 M2: M = M1 − M2 (7.58) Từ đường đặc tính moment, thấy rằng, lúc mở máy, s = s1 = s2 = 1, M1 = M2 moment mở máy Mmở = 0, động điện không tự mở máy Nhưng ta tác động làm cho động quay, hệ trượt s < 1, lúc động có moment M, tiếp tục quay Vì ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa phải tạo cho động 145 pha moment mở máy Ta thường dùng phương pháp dây quấn phụ, vòng ngắn mạch cực từ Hình 7.30 7.12.1.Động khơng đồng pha dùng dây quấn phụ Loại động dùng phổ biến máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ cầm tay, quạt, bơm ly tâm,… a b c Hình 7.31 Các phần loại động thể Hình 7.31 a, gồm: dây quấn Nc (dây quấn làm việc), dây quấn phụ (dây quấn mở máy Nk), hai cuộn dây đặt lệch góc 900 điện khơng gian, rotor lồng sóc Để có moment mở máy, người ta tạo góc lệch pha dịng điện qua cuộn Ic cuộn phụ Ip cách mắc thêm điện trở nối tiếp với cuộn phụ dùng dây quấn cỡ nhỏ cho cuộn phụ, góc lệch thường nhỏ 300 Dịng dây quấn dây quấn phụ sinh từ trường quay để tạo moment mở máy Đồ thị vector mở máy vẽ Hình 7.31 b 146 Khi tốc độ đạt 70 ÷ 75% tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ cắt nhờ công tắc ly tâm K động tiếp tục làm việc với cuộn dây Đặc tính moment vẽ Hình 7.31 c 7.12.2.Động dùng tụ điện Các động khơng đồng pha có cuộn dây phụ mắc nối tiếp với tụ điện gọi động tụ điện Loại động có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây góc 900 điện khơng gian Để tạo góc lệch thời gian người ta mắc nối tiếp với cuộn dây phụ tụ điện Nếu tụ điện mắc nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp góc lệch pha Ic Ip gần 900 Tùy theo yêu cầu moment mở máy moment lúc làm việc ta có loại động tụ điện sau: Động dùng tụ điện mở máy: Khi mở máy tốc độ động đạt đến 75 ÷ 85% tốc độ đồng bộ, cơng tắc K mở động đạt đến tốc độ ổn định (Hình 7.32) Động dùng tụ điện thường trực: Cuộn dây phụ tụ điện mở máy mắc ln động làm việc bình thường Loại thường có cơng suất nhỏ 500W có đặc tính tốt (Hình 7.33) Hình 7.32 Hình 7.33 Ngồi ra, để cải thiện đặc tính làm việc moment mở máy, người ta dùng động có hai tụ điện: tụ điện mở máy lớn (khoảng 10 ÷ 15 lần tụ điện thường trực) ghép song song với tụ điện thường trực Khi mở máy tốc độ động đạt đến 75 ÷ 85% tốc độ đồng bộ, tụ điện mở máy cắt khỏi cuộn phụ, tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ làm việc bình thường 7.12.3.Động dùng vòng ngắn mạch Cấu tạo động loại dùng vịng ngắn mạch thể Hình 7.34 Người ta chẻ cực từ ra, cho vào vòng đồng ngắn mạch Vòng ngắn mạch coi dây quấn phụ, có dịng điện cảm ứng, sơ đồ nguyên lý 147 Hình 7.35 Tổng hợp hai từ trường dây quấn phụ sinh từ trường quay để tạo moment mở máy Các loại động chế tạo với cơng suất nhỏ từ 0,5 ÷ 30W dùng cho cấu truyền động tự động, thường gặp quạt bàn nhỏ Hình 7.34 Hình 7.35 Động điện pha có nhược điểm cosφ thấp, hiệu suất thấp tổn hao rotor lớn, moment nhỏ nên làm việc ổn định, khả tải Động điện pha có ưu điểm cấu tạo đơn giản, sử dụng lưới điện pha nên sử dụng nhiều hệ tự động dân dụng (quạt điện, máy giặt, máy bơm cơng suất nhỏ,…) Bảng tóm tắt chương Đại lượng Tốc độ từ trường quay n1 Biểu thức/ Đặc tính n1 = Tốc độ rotor n 60f p (vòng/phút) n = n1 (1 – s ) Hệ số trượt s = 0,02 ÷ 0,06 s= Tần số dịng điện rotor f2 n1 − n n1 f2 = sf Phương trình điện áp stator U̇1 = İ1 (R + jX ) − Ė1 Phương trình dịng điện rotor I2 = sE2 R22 + (sX )2 Phương trình sức từ động İ1 = İ0 + I'̇2 148 Đại lượng Sơ đồ thay gần Biểu thức/ Đặc tính Rn = R1 + R’2 Quy đổi dịng điện rotor Xn = X1 + X’2 I2 ki I'2 = Quy đổi sức điện động rotor E'2 = k e E2 Quy đổi điện trở rotor R'2 = k e k i R Quy đổi điện kháng rotor X'2 = k e k i X P2 Dòng điện dây stator I1 I1 = Công suất tác dụng động tiêu thụ P1 P1 = √3U1 I1 cosφ Công suất phản kháng động tiêu thụ Q1 Q = √3U1 I1 sinφ Công suất điện từ Pđt η√3U1 cosφ Pđt = 3I'22 Hệ số công suất động cosφ (từ 0,8 ÷ 0,9) cosφ = Hiệu suất động η (từ 0,75 ÷ 0,95) R'2 R2 = m2 I22 s s P1 = S η= P1 P12 + Q21 P2 P1 Dòng điện mở máy Imở = (5÷7)Iđm Các biện pháp mở máy Trực tiếp (động rotor lồng sóc, P nhỏ) Giảm điện áp stator U1: - Dùng điện kháng - Dùng biến áp (từ ngẫu) - Dùng đổi nối Y – Δ Nối Rmở (động rotor dây quấn) 149 Đại lượng Biểu thức/ Đặc tính Các biện pháp điều chỉnh tốc độ Thay đổi tần số f Thay đổi số đôi cực p Thay đổi điện áp U1 Nối Rđc vào động rotor dây quấn Biện pháp mở máy động Dùng vòng ngắn mạch cực từ pha Dùng dây quấn phụ có tụ điện mở máy CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG Cấu tạo máy điện không đồng ba pha, pha, phân biệt vai trị cơng dụng rotor lồng sóc rotor dây quấn Từ trường máy điện không đồng Nguyên lý làm việc máy điện không đồng Mô hình tốn học động khơng đồng Sơ đồ thay động không đồng So sánh với sơ đồ thay máy biến áp Moment quay đường đặc tính động không đồng Mở máy điều chỉnh tốc độ động không đồng BÀI TẬP CHƯƠNG Bài tập 7.1: Cho động điện khơng đồng ba pha rotor dây quấn, số vịng dây pha stator N1 = 96, rotor N2 = 80 Hệ số dây quấn stator kdq1 = 0,945, rotor kdq2 = 0,96 Tần số dòng điện stator f = 50Hz, từ thông cực từ max = 0,02Wb, n1 = 1000 vịng/phút a Tính sức điện động pha cảm ứng dây quấn stator rotor lúc quay với tốc độ 950 vịng/phút lúc rotor bị ghìm đứng yên b Cho điện trở dây quấn rotor R2 = 0,06 điện kháng dây quấn rotor X2 = 0,1 Tính dịng điện rotor hai trường hợp Giải a Lúc rotor đứng yên, sức điện động cảm ứng: E1 = 4,44fN1kdq1max = 4,44.50.96.0,945.0,02 = 403 V E2 = 4,44fN2kdq2max = 4,44.50.80.0,96.0,02 = 341 V Lúc rotor quay với tốc độ n = 950 vòng/phút, hệ số trượt: 150 1000 − 950 = 0,05 1000 s= Sức điện động cảm ứng stator: E1 = 403 V Sức điện động rotor lúc rotor quay: E2s = sE2 = 0,05.341 = 17 V b Dịng điện rotor lúc khơng quay E2 I2 = R22 + = X 22 341 0,062 + 0,12 = 2942 A Dòng điện rotor lúc quay với s = 0,05 E2 I2 = R22 + = X 22 17 0,062 + 0,12 = 282 A So sánh I2 ta thấy lúc rotor bị ghìm khơng quay dịng điện rotor tăng lên nhiều Bài tập 7.2: Một động khơng đồng pha rotor lồng sóc có Pđm = 14KW; tốc độ định mức nđm= 1450 vòng/phút; hiệu suất định mức ƞđm = 0,885; hệ số công suất định mức cosφđm = 0,88; Y/Δ – 380/220V; tỷ số dòng điện mở máy Imở / Iđm = 5,5; moment mở máy Mmở / Mđm =1,3; moment cực đại Mmax / Mđm = Điện áp mạng điện U =380V Tính: Cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng động tiêu thụ chế độ định mức Dòng điện, hệ số trượt moment định mức Dòng điện mở máy, moment mở máy, moment cực đại Giải a Công suất tác dụng động tiêu thụ P1 = Pđm 14 = = 15,82 KW η 0,885 Công suất phản kháng động tiêu thụ Q = P1 tgφ = 15,82.0,54 = 8,54 KVAR b Dòng điện định mức I1đm = Pđm η√3Uđm cosφđm = 14 0,885.√3.380.0,88 = 27,31 A Hệ số trượt định mức s= n1 − n 1500 − 1450 = = 0,0333 n1 1500 151 Moment định mức Mđm = 9550 Pđm 14 = 9550 = 92,2 Nm nđm 1450 c Moment mở máy Mmở = 1,3.Mđm = 1,3.92,2 = 119,8 Nm Moment cực đại Mmax = Mđm = 92,2 = 184,4 Nm Dòng điện mở máy Imở = 5,5 Iđm = 5,5 27,31 = 150,2 A Bài tập 7.3: Động điện có thơng số 7.2, làm việc với lưới điện có điện áp Ud = 220V Tính: Cơng suất tác dụng công suất phản kháng động tiêu thụ chế độ định mức Dòng điện, hệ số trượt moment định mức Dòng điện mở máy, moment mở máy, moment cực đại Sử dụng phương pháp mở máy phương pháp đổi Y/Δ Tính: - Dịng điện, moment mở máy - Động mở máy không moment cản mở máy Mc = 0,5Mđm Giải Mạng điện Ud = 220V, động đấu hình tam giác Các kết tính tốn P1, Q1, dịng điện pha I1p, Mđm, Mmở, Mmax khơng đổi giống tính 7.2 Vì đấu hình tam giác, nên dòng điện định mức (dòng điện dây) là: I1đm = √3I1p = √3.27,31 = 47,3 A Ta tính theo cơng thức I1đm = Pđm η.√3.Uđm cosφ = 14 0,885.√3.220.0,88 = 47,3 A Dòng điện mở máy mở máy trực tiếp Imở = 5,5 Iđm = 5,5 47,3 = 260,15 A b Khi mở máy đấu sao, sau chuyển tam giác Dòng điện mở máy trường hợp Imở = 260,15 = 86,7 A Moment mở máy 152 Mmở = 119,8 = 39,9 Nm Moment cản mở máy Mc = 0,5Mđm = 0,5 92,2 = 46,1 Nm Moment mở máy nhỏ moment cản, khơng thể mở máy dùng phương pháp đổi nối – tam giác trường hợp Bài tập 7.4: Động khơng đồng pha có thơng số sau: Pđm=7,5kW; 220/380V - ∆/Y; f = 50Hz; p = 2; cosφđm = 0,88; ηđm= 0,88 Tổn hao sắt từ ∆Pst = 220W; tổn hao phụ ∆Pcf = 124,5W; điện trở dây quấn stator R1 = 0,69Ω Biết động mắc vào lưới điện có Uđm = 380V Tính: a Dịng điện định mức I1đm b Công suất tác dụng P1, công suất phản kháng Q1 c Tốc độ quay n, moment điện từ Mđt Giải a Dòng điện định mức I1đm = Pđm ηđm √3.Uđm cosφđm = 7,5 0,88.√3.380.0,88 = 14,7 A b Công suất tác dụng P1 động tiêu thụ P1 = Pđm 7,5 = = 8,5227 KW η 0,88 Công suất phản kháng Q1 động tiêu thụ Q = P1 tg𝜑đ𝑚 = 8,5227.0,539 = 4,595 KVAR c Tổn hao đồng dây quấn stator ΔPđ1 = R I1đm = 0,69 14,72 = 447,3 W Công suất điện từ Pđt = P1 – ΔPst – ΔPđ1 = 8522,7 – 220 – 447,3 = 7855,4 W Tổn hao đồng rotor ΔPđ2 = Pđt – ΔPcf – P2 = 7855,4 – 124,5 – 7500 = 230,9 W Hệ số trượt định mức s= ΔPđ2 230,9 = = 0,029 Pđt 7855,4 Tốc độ vòng từ trường quay 153 60f 60.50 = =1500 vịng/phút p n1 = Tốc độ góc từ trường quay ω1 = ω 2π.f 2π.50 = = = 50π rad/s p p Tốc độ động n n = n1 (1 – s) = 1500 (1 – 0,029) = 1456 vòng/phút Moment điện từ Mđt = Pđt 7855,4 = = 50 Nm ω1 50π Bài tập 7.5: Một động điện không đồng ba pha dây quấn stator nối hình tam giác, điện áp lưới 220V; 50 Hz Thông số động cơ: p = 2; I1 = 21A; cosφ1 = 0,82; η = 0,837; s = 0,053 Tính tốc độ động cơ, cơng suất điện động tiêu thụ P1, tổng tổn hao, công suất hữu ích P2, moment quay động Giải Tốc độ góc động ω = ω1 (1 − s) = 2π.f 2π.50 (1 − s) = (1 − 0,053) = 148,68 rad/s p Tốc độ động n= 60f 60.50 (1 − s) = (1 − 0,053) = 1420 vịng/phút p Cơng suất điện động tiêu thụ P1 = √3U1 I1 cosφ = √3.220.21.0,82 = 6561 W Cơng suất hữu ích P2 = P1.η = 6561 0,837 = 5491 W Tổng tổn hao công suất ΔP = P1 – P2 = 6561 – 5491 = 1070 W Moment quay động M2 = P2 5491 = = 36,9 Nm ω 148.68 Bài tập 7.6: Một động không đồng pha rotor lồng sóc có thơng số: Pđm = 14 KW; tốc độ định mức nđm = 1450 vòng/phút; hiệu suất định mức ηđm = 0,885; hệ số công suất định mức cosφđm = 0,88; Y/Δ – 380/220V; tỷ số dòng điện mở máy 154 Imở / Iđm = 5,5; moment mở máy Mmở / Mđm =1,3; moment cực đại Mmax / Mđm = Điện áp mạng điện U =380 V Tính toán phương pháp mở máy sau: a Dùng biến áp tự ngẫu để giảm dòng điện mở máy 2,25 lần hệ số biến áp bao nhiêu? Tính moment cản tối đa để động mở máy trường hợp b Dùng cuộn cảm nối vào phía stator để điện áp vào dây quấn giảm 10% Tính dịng điện mở máy moment mở máy Xác định moment cản Mc lúc mở máy để động mở máy trường hợp Giải a Gọi kba hệ số máy biến áp từ ngẫu k ba =U1 /U2 Để dòng điện mở máy giảm 2,25 lần hệ số biến áp k ba = 2,25 = 1,5 Dòng điện mở máy dùng máy biến áp từ ngẫu Im.ba = Im 150,2 = 2,25 = 66,75 A k ba Trong đó: Im dịng điện mở máy trực tiếp Imở = 5,5 Iđm = 5,5 27,31 = 150,2 A Iđm dòng điện định mức I1đm = Pđm η√3Uđm cosφđm = 14 0,885.√3.380.0,88 = 27,31 A Moment mở máy dùng máy biến áp từ ngẫu Mm ba = Mmở 119,8 = = 53,24 Nm 2,25 k ba Trong đó: Mmở moment mở máy trực tiếp Mmở = 1,3.Mđm = 1,3.92,2 = 119,8 Nm Mđm moment định mức Mđm = 9550 Pđm 14 = 9550 = 92,2 Nm nđm 1450 Để động mở máy kba = 1,5 moment cản mở máy Mc < 53,24 Nm b Khi dùng cuộn điện cảm, điện áp đặt vào dây quấn động 0,9Uđm dịng điện mở máy là: Im ck = 0,9.Imở = 0,9.150,2 = 153,18 A 155 Moment mở máy Mm.ck = (0,9)2Mmở = (0,9)2 119,8 = 97,03 Nm Để động mở máy được, trường hợp moment cản lúc mở máy phải thỏa điều kiện Mc < 97,03 Nm Bài tập 7.7: Một động không đồng ba pha rotor dây quấn R2 = 0,0278 ; tốc độ định mức nđm = 970 vòng/phút; hiệu suất định mức ηđm = 0,885 Tính điện trở phụ mắc vào mạch rotor để tốc độ động 700 vòng/phút Cho biết moment cản tải không phụ thuộc tốc độ Giải Moment cản không đổi, dẫn đến moment điện từ khơng đổi, R2 s R'2 s khơng đổi, không đổi Hệ số trượt định mức sđm = 1000 − 970 = 0,03 1000 Hệ số trượt n = 700 vòng/phút s = 1000 − 700 = 0,3 1000 Vậy R2 + Rp 0,0287 + R p R2 0,0287 = = = sđm s 0,03 0,3 Giải phương trình ta Rp = 0,25 Vì R'2 s khơng đổi nên I1, P1 khơng đổi Vì moment khơng đổi nên cơng suất đầu P2 = 2M2 tỷ lệ thuận với tốc độ Từ hai nhận xét ta có: η n 700 = = = 0,722 ηđm nđm 970 Tốc độ giảm, hiệu suất giảm Ứng với n = 700 vòng/phút, hiệu suất động η = 0,722 0,885 = 0,639 Bài tập 7.8: Một động không đồng ba pha f = 60Hz; tần số dòng điện rotor f2 = 3Hz; số cực từ Công suất điện từ Pđt = 120KW; tổn hao đồng stator ∆Pđt = 3KW; tổn hao cơ, sắt từ phụ ∆Pcơf = 2KW; tổn hao sắt từ ∆Pst = 1,7KW a Tính hệ số trượt s, tốc độ động n b Tính cơng suất điện động tiêu thụ P1 c Tính hiệu suất động (Đáp số: s = 0,05; n = 1710 vòng/phút; P1 = 124,7KW; η = 0,898) 156 Bài tập 7.9: Một động không đồng ba pha rotor dây quấn có E2 = 157V; p = 4; f = 50Hz; nđm = 728 vịng/phút; R2 = 0,105 Ω; X2 = 0,525 Ω Tính moment điện từ động (Đáp số: Mđt = 257,34 Nm) Bài tập 7.10: (Đọc thêm) Đọc thông tin động có nhãn Hình BT 7.10 sau: b a c d Hình BT 7.10 157 ... nhánh 1: Z1 = R 21 + X12 = 10 2 + 10 2 = 10 √2 Ω Góc lệch pha điện áp dịng điện nhánh 1: X1 10 ? ?1 = arctg = arctg = 45° R1 10 33 Trị số dòng điện hiệu dụng nhánh 1: 200 U I1 = = √2 = 10 A Z1 10 √2... tgφ = 1, 111 cos? ?1 = 0,92 suy tg? ?1 = 0,426 Bộ tụ có điện dung C: C= P 3336 ( ) (1, 111 - 0,426) =15 0,363 10 -6 F tg