TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN GVC-ThS.NGUYEÃN TRỌNG THẮNG GVC-ThS.NGÔ QUANG HÀ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN I TP HCM Thaùng 12 / 2005 Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình MÁY ĐIỆ N I sá ch GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN gồm tập nhằm giú p sinh viên bậ c đại họ c hoặ c cao đẳng ngành Điện Công Nghiệp , Điện Tự Độn g củ a trườn g Đạ i Học Sư Phạm Kỹ Thuậ t TP.HCM làm tài liệu họ c tập, hoặ c dùng làm tà i liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Điện- Điện tử, Công nghệ Điện tử –Viễn thô ng ngành khác liê n quan đến lónh vự c điện –điện tử Giáo trình máy điệ n trình bày nhữ ng lý thuyết về: cấu tạo; nguyên lý làm việ c; quan hệ điện từ ; đặ c tính tượng vật lý xảy trong: Máy điện mộ t chiều; Má y biến áp; Máy điện khô ng đồ ng Máy điện đồng Toàn giáo trình má y điện đượ c chia làm tập: Tập I gồm phần : Má y điện mộ t chiều Má y biến áp Tập II gồm phần : Những vấn đề lý luậ n chung cá c má y điện xoay chiều (dạng máy điện quay); Máy điện không đồ ng ; Máy điện đồng M HC P T t trình bày nội dung Để giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, giáohtrình t ua yhọ K cá ch ngắn gọn , Ở chương có ví dụh aminh a , câ u hỏ i bà i tập để p m u S H họ c sinh viên hiểu sâu vấn đề ng D o u r ©T y en u q Ban Các tác gỉa Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn MỤC LỤC Mở đầu Phần I: Má y điệ n chiề u (MĐMC) Chương 1: Đại cương máy điện chiều Chương 2: Mạch từ lúc không tải củ a MĐMC Chương 3: Dây quấn phần ứng củ a MĐMC Chương 4: Quan hệ điện từ MĐMC Chương 5: Từ trườn g lúc có tải củ a MĐMC Chương 6: Đổ i chiều Chương 7: Máy phá t điện chiề u Chương 8: Độn g điện mộ t chiều Chương 9: Máy điện chiề u đặc biệt côn g suấ t nhỏ Trang 01 07 13 22 40 48 56 68 83 96 M HC P T Phần II: Má y biến p (MBA) uat y th K Chương 1: Khá i niệm chung MBA 107 am u ph S H Chương 2: Tổ nố i dây mạch từ củ a MBA 116 D uon g r T Chương 3: Quan hệ điện từ trongnMBA 125 © ye utả q n Chương 4: Chế độ làm việ c i xá c lập đố i xứ ng MBA 138 a B Chương 5: Cá c loạ i máy biến áp đặc biệt 149 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Vă n Sáu, Máy điện I,II NXB khoa họ c kỹ thuậ t - 1998 2- Nguyễ n Trọng Thắng, Nguyễn Thế Kiệ t, Công nghệ chế tạo tính toán sử a chữ a Máy điện , NXB Giá o dụ c, 1995 3- A.E Fitzerald, Charles kingsley Electrical Machines Mc Graw - Hill, 1990 4- Jimmie J Cathey Electric machines Analysis and Design Applying Matlab Mc Graw - Hill - 2001 HCM T P machines, Mir 5- E.V.Armensky, G.B.Falk, Fractional Horsepower Electrical uat h Ky t m a h Su p Machines with Power Electronic H Electric 6- Mohamed E El-Hawary, Principle of D uon g ©T r Applications, Prentice-Hall, e1986 n quy Ban Electrical machines, vol.1,2, Mir Publishers Moscow, 7- M.Kostenko, L.Piotrovsky, 1974 Publishers, Moscow, 1985 8- Stephen J Chapman, Electric machinery and Power System fundamental, Mc Graw Hill, 2002 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn TRƯỜ NG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸTHUẬ T TP HCM KHOA ĐIỆ N BỘMÔ N: CƠ SỞKỸTHUẬ T ĐIỆ N GVC-ThS.NGUYỄ N TRỌNG THẮ NG GVC-ThS.NGÔQUANG HÀ GIÁ O TRÌNH MÁ Y ĐIỆ NI TP HCM Tháng 12 / 2005 LỜ I NÓ I ĐẦ U Giáo trình MÁ Y ĐIỆ N I làmột sách bộGIÁ O TRÌNH MÁ Y ĐIỆ N gồm tập nhằm giúp sinh viên bậc đại học cao đẳng ngành Điện Công Nghiệp, Điện Tự Động trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM làm tài liệu học tập, cóthểdùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệĐiện- Điện tử, Công nghệĐiện tử–Viễn thông vàcác ngành khác liên quan đến lónh vực điện –điện tử Giáo trình máy điện trình bày lýthuyết về: cấu tạo; nguyên lý làm việc; quan hệđiện từ; đặc tính tượng vật lý xảy trong: Máy điện chiều; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộvà Máy điện đồng Toàn bộgiáo trình máy điện chia làm tập: Tập I gồm phần : Máy điện chiều vàMáy biến áp Tập II gồm phần : Những vấn đềlýluận chung máy điện xoay chiều (dạng máy điện quay); Máy điện không đồng bộ; Máy điện đồng Đểgiúp sinh viên dễdàng tiếp thu kiến thức môn học, giáo trình trình bày nội dung cách ngắn gọn, Ởmỗi chương cóví dụ minh họa , câu hỏi vàbài tập đểsinh viên cóthểhiểu sâu vấn đềmình đãhọc Các tác giả MỞ ĐẦU Các loại máy điện vai trò chúng kinh tế quốc dân Điện ngày sử dụng rộng rãi sản xuất đời sống nhân dân Việc điện khí hóa, tự động hóa công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải ngày đòi hỏi thiết bị điện khác Trong loại máy điện chiếm vai trò chủ yếu để biến thành điện ngược lại để biến đổi dạng điện thành dạng điện khác (xoay chiều đến chiều) Biến đổi thành điện nhờ máy phát điện có động sơ cấp kéo tuốc bin hơi, tuốc bin nước, động đốt Biến đổi điện thành dùng truyền động điện người ta dùng loại động điện Việc truyền tải phân phối điện xoay chiều từ trạm phát điện đến hộ tiêu thụ điện, việc biến đổi điện áp thực nhờ máy biến áp Trong sản xuất thường dùng dòng điện xoay chiều chiều nên người ta chia loại máy điện thành hai loại máy điện xoay chiều máy điện chiều Có thể mô tả sơ đồ tổng quát sau: Máy điện ↓ ↓ Máy điện tónh ↓ Máy điện quay ↓ ↓ Máy điện AC ↓ Máy điện KĐB ↓ Máy biến áp ↓ Động điện KĐB ↓ ↓ Máy phát điện KĐB ↓ ↓ Máy điện DC ↓ ↓ Máy điện ĐB ↓ Động điện ĐB ↓ ↓ Máy phát điện ĐB ↓ Động điện DC ↓ Máy phát điện DC Ngoài yêu cầu khác ngành sản xuất, giao thông vận tải nên xuất loại máy điện đặc biệt máy điện xoay chiều có vành góp, máy khuếch đại điện từ, máy điện cực nhỏ Đại cương máy điện: Nguyên lý làm việc máy điện dựa sở định luật cảm ứng điện từ (e = -dφ / dt) Sự biến đổi lượng máy điện thực thông qua từ trường Để tạo từ trường mạnh tập trung người ta dùng vật liệu sắt từ để làm mạch từ Ở máy biến áp mạch từ lõi thép đứng yên, máy điện quay mạch từ gồm hai lõi thép đồng trục: Một quay đứng yên cách khe hở Theo tính chất thuận nghịch định luật cảm ứng điện từ máy điện làm việc chế độ máy phát điện chế độ động điện Nhưng đặc tính kỹ thuật người ta tính toán thiết kế để làm việc chế độ định Trong máy điện, lượng biến đổi với hiệu suất cao từ 93% đến 95% Khi làm việc tổn hao dòng Fucô (Foucault) lõi thép tác dụng Joule dây quấn nên máy nóng, ta làm nguội máy nhiều cách Phương pháp nghiên cứu máy điện Như nói biến đổi lượng máy điện thực thông qua từ trường máy Như việc nghiên cứu máy điện xuất phát từ lý thuyết trường điện từ Song cấu trúc vật lý hình học phức tạp phận máy điện, việc xác định cường độ điện trường E cường độ từ trường H khe hở không khí từ hệ phương trình Maxwell gặp nhiều khó khăn Vì nghiên cứu máy điện người ta không dùng trực tiếp lý thuyết trường mà dùng lý thuyết mạch để nghiên cứu Các đơn vị: Trong máy điện thường sử dụng hai loại hệ đơn vị - Hệ đơn vị tuyệt đối đơn vị có thứ nguyên Hiện thường sử dụng hai loại đơn vị tuyệt đối CGSµ0 SI Quan hệ đơn vị hệ MKSA, SI CGSµ0 Tên đại Tên kí hiệu Tên kí hiệu lượng đơn vị đơn vị hệ MKSA SI hệ CGSµ0 Đơn vị MKSA đơn vị hệ CGSµ0 Thời gian Giây s Giây s Tần số Hertz Hz Hertz Hz Chiều dài Mét m centimetre cm 102 Tốc độ dài Mét giây m/ s cent giây cm/s Gia tốc Mét giây2 m/s2 cent.trên giây2 cm/s2 102 Khối lượng Kilogramme Kg Gramme g 103 Từ thông Weber Wb Maxwell Mx 108 Từ cảm Weber/mét2 Wb/m2 Gauss G 104 (hệ MKSA) Tesla (hệ SI) T Điện dung Farad Điện trở Ohm F Ω 102 - Trong nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy điện để tiện lợi người ta dùng hệ đơn vị tương đối I* = Trong đó: I U* = Iđm U U đm P* = P P đm I: Dòng điện có đơn vị A U: Điện áp có đơn vị V P: Công suất có đơn vị W Iđm, m, Pđm : Là đại lượng định mức dòng điện, điện áp, công suất Sơ lược vật liệu chế tạo máy điện Các vật liệu dùng chế tạo máy điện gồm có: - Vật liệu tác dụng: Bao gồm vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ dùng chủ yếu để chế tạo dây quấn lõi thép - Vật liệu cách điện dùng để cách điện phận dẫn điện không dẫn điện phận dẫn điện với - Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo chi tiết máy phận chịu lực tác dụng giới trục, vỏ máy, khung máy, ổ bi bao gồm gang, sắt thép kim loại màu, hợp kim chúng Ta xét sơ lược đặc tính vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng chế tạo máy điện a Vật liệu dẫn từ Người ta dùng thép kó thuật điện, thép thông thường thép đúc , thép rèn để chế tạo mạch từ Các thép kó thuật điện (tôn silic) thường dùng có mã hiệu: ∋11, ∋12, ∋13, ∋21, ∋22, ∋32, ∋310 Trong - ∋ thép kó thuật (∋lektrotexnik) - Số thứ hàm lượng silic chứa thép, số cao hàm lượng silic nhiều thép dẫn từ tốt, dòn dễ gẫy - Số thứ hai: Chỉ chất lượng thép mặt tổn hao, số cao tổn hao - Số thứ ba: Số thép cán nguội (thép dẫn từ có hướng), thường sử dụng chế tạo máy biến áp Ngoài loại thép kỹ thuật điện mang mã hiệu 3404, 3405, , 3408 có chiều dày 0,3 mm, 0,35 mm Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, tôn silic thường phủ lớp sơn cách điện mỏng sau ghép chặt lại với nhau, từ sinh hệ số ép chặt Kc: Là tỉ số chiều dài lõi thép thép với chiều dài thực lõi thép kể cách điện sau ghép b Vật liệu dẫn điện Dùng chủ yếu đồng (Cu) nhôm (Al) chúng có điện trở bé, chống ăn mòn tốt Tùy theo yêu cầu cách điện độ bền học người ta dùng hợp kim đồng nhôm Có chỗ dùng thép để tăng sức bền học giảm kim loại màu vành trượt c Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng máy điện phải đạt yêu cầu: - Cường độ cách điện cao - Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng - Chống ẩm tốt, bền học Các chất cách điện dùng máy điện thể không khí, thể lỏng (dầu máy biến áp) thể rắn Các chất cách điện thể rắn chia làm loại: - Các chất hữu thiên nhiên giấy, vải, lụa - Các chất vô mi ca amiăng, sợi thủy tinh - Các chất tổng hợp - Các chất men, sơn cách điện, chất tẩm sấy từ vật liệu thiên nhiên tổng hợp Tùy theo tính chịu nhiệt, vật liệu cách điện chia thành cấp sau: - Cấp Y: Nhiệt độ giới hạn cho phép 900 C, làm vật liệu sợi xen lu lô hay lụa gỗ, tông không tẩm hay không quét sơn - Cấp A: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1050 C, làm vật liệu cách điện cấp Y có tẩm sơn cách điện - Cấp E: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1200 C, làm sợi pô ly me - Cấp B: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1300 C, làm sản phẩm mi ca, a mi ăng, sợi thủy tinh - Cấp F: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1550 C, làm vật liệu cấp B dùng kết hợp với chất tẩm sấy tương ứng - Cấp H: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1800 C, làm vật liệu mi ca không chất độn độn vật liệu vô cơ, vải thủy tinh tẩm sơn - Cấp C: Nhiệt độ giới hạn cho phép 1800 C, làm vật liệu gốm mi ca, gốm thủy tinh, thạch anh dùng kết hợp với chất vô Cấp cách ñieän Y A E B F H C t0 cao cho phép (0 C) 90 105 120 130 155 180 >180 50 65 80 90 115 140 >140 Độ tăng nhiệt Δt (0 C) cho P máy phát điện giảm, P < Pcơ, kết rotor quay nhanh thêm, góc θ tăng máy phát điện đồng với lưới điện Từ điều nói ta thấy rằng, điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn định phải có điều kiện sau: dP >0 dθ Trong (3-8) dP gọi công suất chỉnh đặc trưng cho khả giữ cho máy dθ làm việc đồng lưới điện kí hiệu Pcơ Từ biểu thức (2-8), (2-9) suy công suất chỉnh máy cực lồi: Pcb = mE0U 1 cos θ + mU ( − ) cos 2θ xd xq xd Và máy cực ẩn: Pcb = (3-9) mE U cos θ x ñb Đường biểu diễn công suất chỉnh hình (3-14) Ta thấy không tải (θ = 0) , khả chỉnh tức khả ΔP công suất đưa vào máy công suất tác dụng đưa lưới điện ứng với thay đổi Δθ làm cho máy phát trì làm việc đồng với lưới điện lớn nhất, θ = θ m khả chỉnh Trên thực tế vận hành để đề phòng trường hợp U E0 giảm nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa lưới điện giảm theo trì đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức Pđm ứng với θ < 30 Như khả tải máy phát điện đồng xác định tỉ số: km = Pm Pđm gọi hệ số lực tải Đối với máy cực aån k m = sin θ ñm Theo quy định cần đảm bảo km > 1,7 muốn máy phải có tỉ số ngắn mạch K lớn, nghóa xd phải nhỏ (hoặc khe hở lớn) Cần ý điều chỉnh công suất tác dụng P, θ thay đổi nên công suất phản kháng thay đổi theo b) Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song Giả sử có hai máy phát điện công suất làm việc song song Ở trường hợp này, điều kiện tải lưới điện không đổi, tăng công suất tác dụng máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng máy tần số lưới điện thay đổi có cân khiến cho hộ dùng điện phải làm việc điều kiện tần số khác định mức Vì vậy, để giữ cho f = const tăng công suất tác dụng máy phải giảm công suất tác dụng máy Chính cách mà thay đổi phân phối công suất tác dụng hai máy 126 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng Hình 3.15 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng Ta xét việc điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng làm việc lưới điện có công suất vô lớn (U, f = const) công suất tác dụng máy giữ không đổi Giả sử máy có cực ẩn để đơn giản, bỏ qua tổn hao dây quấn phần ứng (rư = 0) Trong trường hợp đó, đồ thị vector s.đ.đ có dạng hình (3-15) Vì P = mUI cos ϕ ≡ OA không đổi, với điều kiện U = const nên thay đổi Q, mút vector I nằm đường thẳng 1, thẳng góc vớiU Với trị số I có trị số cos ϕ vẽ đồ thị vector s.đ.đ tương ứng xác định độ lớn độ lớn vector E0, từ suy dòng điện kích thích It cần thiết để sinh E0, cần ý P = mUE sin θ ≈ P1 = const , U, xđb không x đb đổi nên P ≡ E sin θ = OB = const mút vector E nằm đường thẳng thẳng góc với OB Kết phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q phải thay đổi dòng điện kích thích It máy phát điện Với trị số P = const., thay đổi Q vẽ đồ thị vector s.đ.đ ta xác định quan hệ I = f(It) gọi đặc tính hình V máy phát điện đồng Thay đổi trị số P với phương pháp thành lập họ đặc tính hình V tương ứng với cos ϕ = Khu vực bên phải đường Am ứng với tải có tính cảm ϕ > chế độ làm việc kích thích máy phát điện, khu vực bên trái đường ứng với tải có tính dung (ϕ < ) chế độ làm việc thiếu kích thích máy Đường Bn ứng với giới hạn làm việc ổn định lưới máy phát điện làm việc chế độ thiếu kích thích Hình 3.16 Họ đặc tính hình V máy phát điện đồng Ở ta xét máy phát điện cực ẩn, tất phân tích áp dụng cho máy phát điện cực lồi Trong trường hợp công suất lưới điện nhỏ (thí dụ có hai máy phát điện công suất làm việc song song), tăng dòng điện kích thích It máy mà giữ dòng điện kích thích máy thứ hai không đổi, công suất phản kháng máy tăng, tổng công suất 127 phản kháng tăng làm thay đổi điện áp U lưới điện, ảnh hưởng đến trạng thái làm việc bình thường hộ dùng điện Như để trì trạng thái làm việc bình thường lưới điện với U = const, tăng dòng điện kích thích máy phải giảm tương ứng dòng điện kích thích máy thứ hai Bằng phương pháp thực phân phối lại công suất phản kháng Q hai máy phát điện Động điện đồng a Các phương pháp mở máy động điện đồng Mở máy theo phương pháp không đồng Các động điện đồng phần lớn mở máy theo phương pháp không đồng Thông thường động điện đồng cực lồi có đặt dây quấn mở máy Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt rãnh mặt cực, đầu nối với hai vành ngắn mạch Hình 3.17 Sơ đồ mạch kích từ động Trong số động cơ, đồng lúc mở máy với dây quấn kích thích mặt cực thép nguyên khối nối tắt qua điện trở RT(a) nối thẳng vào nối với hai đầu máy kích thích (b) hai vòng ngắn mạch hai Phần ứng động đồng đầu rotor thay Phần ứng máy kích thích cho dây quấn ngắn mạch dùng Dây quấn kích từ động đồng việc mở máy Ở lưới Dây quấn kích từ máy kích thích điện lớn cho phép mở máy trực tiếp với điện áp lưới động đồng công suất vài trăm có tới hàng nghìn kilowatt Đối với động động đồng cực ẩn, việc mở máy theo phương pháp không đồng có khó khăn hơn, dòng điện cảm ứng lớp mỏng mặt rotor nguyên khối gây nóng cục đáng kể Trong trường hợp đó, để mở máy dễ dàng, cần hạ điện áp máy biến áp tự ngẫu cuộn kháng Quá trình mở máy động đồng phương pháp không đồng chia thành hai giai đoạn Lúc đầu việc mở máy thực với it = 0, dây quấn kích thích nối tắt qua điện trở RT hình 3-17a Sau đóng cầu dao nối dây quấn stator với nguồn điện, tác dụng moment không đồng rotor quay tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng n1 từ trường quay Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích thích với điện trở RT có trị số 10 ÷ 12 lần điện trở rt thân dây quấn kích từ cần thiết, để 128 dây quấn hở mạch có điện áp cao, làm hỏng cách điện dây quấn, lúc bắt đầu mở máy từ trường quay stator quét với tốc độ đồng Cũng cần ý rằng, đem nối ngắn mạch dây quấn kích thích tạo thành mạch pha có điện trở nhỏ rotor sinh moment cản lớn khiến cho tốc độ quay rotor vượt tốc độ nửa tốc độ đồng Hiện tượng giải thích sau Dòng điện có tần số f2 = sf1 dây quấn kích thích bị nối ngắn mạch sinh từ trường đập mạch Từ trường phân tích thành hai từ trường quay thuận quay ngược với chiều quay rotor tương đối so với rotor n1 – n, n1 tốc độ từ trường quay stator n tốc độ rotor Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tónh: nth = n + (n1 – n) = n1 nghóa quay đồng với từ trường quay stator Tác dụng với từ trường quay stator tạo nên moment không đồng hỗ trợ với moment không đồng dây quấn mở máy sinh có dạng đường hình 3-18 Từ trường quay ngược có tốc so với dây quấn phần tónh: nng = n – (n1 – n) = 2n – n1 = 2n (1-s) – n1 = n1 (1-2s) sinh dây quấn phần tónh dòng điện tần số: f = f1(1-2s) Như 0,5 < s < , nghóa tốc độ quay rotor n < n1/2 từ trường quay ngược quay so với dây quấn phần tónh theo chiều ngược so với chiều quay rotor Tác dụng với dòng điện phần tónh tần số f’ sinh moment phụ dấu hỗ trợ với moment không đồng từ trường quay thuận tác dụng với dây quấn mở máy (đường hình 3-18) Khi s = 0,5 (n < n1/2), từ trường quay Hình 3.18 Đường cong mômen ngược đứng yên so với dây quấn phần tónh, động đồng mở máy moment phụ không Và < s < không đồng với dây quấn 0,5 (n < n1/2), từ trường quay ngược kích từ bị nối ngắn mạch quay chiều với chiều quay rotor Tác dụng với dòng điện phần tónh tần số f’ lúc sinh moment phụ trái dấu với moment không đồng từ trường quay thuận, có tác dụng moment hãm Kết dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đường biểu diễn moment động trình mở máy tổng đường có tác dụng đường hình 3-18 Rõ ràng moment cản Mc trục động đủ lớn 129 rotor làm việc điểm A ứng với tốc độ n ≈ n / đạt đến tốc độ gần tốc độ đồng Khi rotor quay đến tốc độ n ≈ n , tiến hành giai đoạn thứ hai trình mở máy: đem nối dây quấn với điện áp chiều máy kích thích Lúc moment không đồng tỉ lệ với hệ số trượt s moment gia tốc tỉ lệ với ds/dt có moment đồng phụ thuộc vào góc θ tác dụng Do rotor chưa quay đồng nên góc θ thay đổi Khi < θ < 180 moment đồng cộng tác dụng với moment không đồng làm tăng thêm tốc độ quay rotor rotor lôi vào tốc độ đồng sau trình dao động Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rotor đưa vào tốc độ đồng cách thuận lợi, hệ số trượt cuối giai đoạn thứ lúc chưa có dòng điện cần phù hợp với điều kiện sau: s < 0,04 k m Pđm i tñb GD n 2ñm i tñm (3-10) đó: km lực tải chế độ đồng với dòng điện kích từ định mức itđm; Pđm công suất định mức, kW; itđb dòng điện kích từ đồng hoá; GD2 moment động lượng động máy công tác nối trục nó, kG.m2 Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn trình bày trên, phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở RT sau nối máy kích từ, nối thẳng dây quấn với máy kích từ suốt trình mở máy theo sơ đồ hình 3-17b thường gặp gần Như vậy, dây quấn phần ứng máy kích từ có dòng điện xoay chiều điều không gây tác hại Khi rotor đạt đến tốc độ quay n = (0,6 ÷ 0,7)n đm , máy kích thích bắt đầu cung cấp dòng điện kích từ cho động điện đồng bộ, nhờ mà lúc đến gần tốc độ đồng Hình 3.19 Quan hệ U, I, it, n = f(t) động kéo vào tốc độ đồng mở máy động đồng 1500kW theo Cần ý trình mở máy sơ đồ hình 3-17b theo sơ đồ hình 3-17b thực điều kiện khó khăn động điện đồng kích thích sớm, tạo nên dòng ngắn mạch: 130 In = (1 − s)E (3-11) rö2 + (1 − s) x 2d đó: E0 s.đ.đ cảm ứng dòng điện kích từ it; xd điện kháng đồng dọc trục s = Do động phải tải thêm công suất: Pn = mI 2n rư kết trục động điện có thêm moment cản: Mc = pPn ω (3-12) khiến cho trình kéo động vào tốc độ đồng gặp khó khăn hơn, phương pháp mở máy động đồng theo sơ đồ hình 3-17b áp dụng tốt moment cản trục động điện M c = (0,4 ÷ 0,5)M đm Chỉ dây quấn mở máy thiết kế hoàn hảo cho phép mở máy với Mc = Mđm Do cách mở máy đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy động điện không đồng nên ngày ứng dụng rộng rãi Hình 3-19 trình bày biến đổi dòng điện phần ứng I, dòng điện kích từ it tốc độ quay n trình mở máy lúc không tải động đồng (Pđm = 1500kW; m = 6kV; nđm = 1000vg/ph) trực tiếp với điện áp định mức theo sơ đồ hình 3-17b Các phương pháp mở máy khác Mở máy theo phương pháp hoà đồng Các điều kiện hoà đồng động đồng hoàn toàn giống máy phát điện đồng Trường hợp động đồng quay máy nối trục với (thí dụ động đồng bộ- máy phát điện chiều, máy phát điện chiều lúc mở máy làm việc động điện để quay động đồng đến tốc độ đồng bộ) Trong số trường hợp mở máy động điện đồng nguồn có tần số thay đổi Muốn động đồng phải lấy điện từ máy phát điện riêng có tần số điều chỉnh từ không đến tần số định mức trình mở máy Như động quay đồng với máy phát từ lúc tốc độ thấp Cần ý trường hợp này, dòng điện kích thích động máy phát điện phải nguồn điện chiều riêng cung cấp b Điều chỉnh công suất phản kháng động điện đồng Động điện đồng có đặc điểm thay đổi cos ϕ máy cách thay đổi dòng kích từ Ta dùng đồ thị đơn giản để chứng minh điều Dựa vào phương trình cân điện áp động cơ: Nếu bỏ qua rư : U& = − E& + I&(rư + jxđb ) U& = − E& + jI&x 131 ñb Khi động kéo tải không đổi công suất tác dụng P đưa vào động không đổi: P = mUI cos ϕ = m U Ix ñb cos ϕ = const xđb Với U = const P = const (tải không đổi) Nếu It thay đổi -E0 thay đổi dẫn đến ϕ thay đổi, cos ϕ thay đổi Tương ứng ta có đặc tính hình V sau: Hình 3.20 Điều chỉnh công suất phản kháng máy động điện đồng Hình 3.21 Họ đặc tính hình V động điện đồng c Các đặc tính làm việc động điện đồng Các đặc tính động điện đồng làm việc với dòng điện kích từ it = const lưới điện có U, f = const bao gồm quan hệ P1 ; I ; η; cos ϕ = f (P2 ) có dạng trình bày hình 3-22 Cũng giống máy phát điện đồng bộ, động điện đồng thường làm việc với góc θ = 20 ÷ 30 Đặc điểm động đồng làm việc với cos ϕ cao không tiêu thụ công suất phản kháng Q lưới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hoá it Điều thấy dựa vào đặc Hình 3.22 Đặc tính làm việc động điện đồng Pđm = 500 kW, 600V, 50Hz, 600vòng/phút, cos ϕ = 0,8 (quá kích thích) 132 tính hình V tức quan hệ I = f(it) động điện đồng Cách thành lập đặc tính động đồng hoàn toàn giống máy phát điện đồng Ta thấy kích thích thiếu, động tiêu thụ công suất điện cảm lưới điện (ϕ > 0) ngược lại kích thích, động phát công suất điện cảm vào lưới điện ϕ < , nghóa tiêu thụ công suất điện dung Vì lợi dụng chế độ làm việc kích thích động điện đồng để nâng cao hệ số công suất cos ϕ lưới điện Thí dụ: Hai máy phát điện giống làm việc song song có điện trở phần ứng rư = 2,18 Ω , điện kháng đồng xđb = 62 Ω cung cấp điện cho tải 1830 kW với cos ϕ = 0,83 (chậm sau) Điện áp đầu cực tải 13800V Điều chỉnh kích từ hai máy cho máy có dòng điện phản kháng 40A Tính: a) Dòng điện máy phát điện b) S.đ.đ E0 máy góc pha s.đ.đ Giải: Dòng điện tải có trị số: I= P 3U cos ϕ = 1380x10 3x13800.0,83 = 92,3(A) chaäm sau điện áp ϕ = arccos 0,83 = 330 biểu thị dạng số phức sau: I = 92,3∠ − 330 = 76,8 − j51,4(A) Vì công suất tác dụng phân phối cho hai máy nên dòng điện tác dụng 76,8 = 38,4(A) , dòng điện phản kháng máy A 40A, đó: I&A = 38,4 –j40 I&B = I& − I&A = 38,4 – j11,4(A) máy Ứùng dụng biểu thức (3-4) ta có: E& A = U& + I& A (rư + jxđb) = = E OA ∠θ A = 13800 Cũng vaäy: + (38,4 − j40)(2,18 + j62) = 10720∠12,22 (V) E& B = U& + I&B (rö + jxñb) = E B ∠θ B = 9030∠15,10 (V) Góc lệch pha hai s.đ.đ đó: Câu hỏi: θ A − θ B = 15,10 − 12,22 = 2,88 1) Phân tích hậu xảy máy phát điện hoà đồng mà không thoả mãn điều kiện ghép song song với lưới điện 2) Vì ghép song song máy phát điện vào lưới điện phương pháp tự đồng bộ, dây quấn kích thích phải nối tắt qua điện trở triệt từ? 133 3) Làm để điều chỉnh công suất tác dụng P công suất phản kháng Q máy phát điện đồng Việc điều chỉnh P Q làm việc lưới điện công suất lớn làm việc lưới điện công suất nhỏ (thí dụ có hai máy phát điện công suất tương tự làm việc song song) khác nào? Bài tập 3.1 Cho hai máy phát điện đồng làm việc song song, cung cấp điện cho hai tải: Tải 1: St1 = 5000kVA; cos ϕ1 = 0,8 Taûi 2: St2 = 3000kVA; cos ϕ = Máy thứ phát P1 = 4000kW; Q1 = 2500kVAr Tính công suất máy phát thứ hai hệ số công suất máy phát ÑS: P2 = 3000kW; Q2 = 500kVAr Cos ϕ1 = 0,848; Cos ϕ = 0,986 3.2 Cho hai maùy phát điện đồng nối Y hoàn toàn giống có xđb = 4,5 Ω làm việc song song Tải chung, điện áp 13,2 kV 26000 kW, hệ số công suất 0,866 phân cho hai máy Nếu thay đổi kích từ để phân phối lại công suất phản kháng cho hệ số công suất máy cos ϕ1 = lúc hệ số công suất cos ϕ máy bao nhiêu? Tính E0 θ máy trường hợp ĐS: cos ϕ = - 490 E1 = 8039,1V; θ1 = 190 E2 = 10880,83 V; θ = 140 134 CHƯƠNG IV: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐẶC BIỆT § 4.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN PHẢN KHÁNG (RELUCTANCE MOTOR) Là loại máy điện đồng dây quấn kích từ, nguyên lý làm việc dựa vào khác từ trở dọc trục xd ngang trục xq Vì ta biết Công suất điện từ máy điện đồng gồm hai phần : Pđt = Pe + Pu Trong đó: Pe : Công suất điện từ Pu: Công suất điện từ phụ Khi nguồn kích từ Pe = 0, lúc lợi dụng công suất điện từ phụ Pu để tạo môment mU Pu = ⎛ 1 ⎞⎟ ⎜ − Sin 2θ ⎟ ⎜x ⎝ q xd ⎠ Để thực xd ≠ xq rôto máy chế tạo hình 4.1 với cấu tạo hình 4.1a, rôto ghép thép tròn có chỗ khuyết để tăng khe hở cá cực tăng từ trở mạch từ hướng ngang trục, rôto có đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc để mở máy Ở hình 4.1 b – c, rôto chế tạo cách đổ nhôm vào tập thép, nhôm có tác dụng dây quấn mở máy Do dây quấn kích từ nên động phải lấy dòng điện từ mạng điện có cosϕ thấp ( cấu tạo rôto nên dòng điện từ hoá lớn để tạo nên từ thông cần thiết qua mạch từ có từ trở lớn ) Trọng lượng động phản kháng thường gấp 2, lần trọng lượng động không đồng công suất Thường động phản kháng chế tạo với công suất 50 ÷ 100 W Hình 4.1 135 § 4.2 ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) Động bước loại động dùng để biến đổi lệnh cho dạng xung điện thành dịch chuyển dứt khoát góc hay đường thẳng – bước bước mà không cần cảm biến phản hồi Động làm việc phải có kèm theo đổi chiều điện tử dùng để chuyển đổi cuộn dây điều khiển động bước với thứ tự tần số tùy theo lệnh cho Góc quay tổng hợp rotor động bước tương ứng xác với số lần chuyển đổi cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc tần số chuyển đổi Như trường hợp tổng quát xem động bước với điều khiển đổi chiều điện tử hệ thống điều chỉnh tần số động đồng với khả định vị trí góc xoay rotor, tức cách thay đổi tần số không Động bước sử dụng nhiều hệ thống điều khiển tự động, thí dụ máy công cụ điều khiển theo chương trình, thiết bị kỹ thuật máy tính,… Trong hệ thống trên, động bước sử dụng để thực truyền động theo chương trình điều khiển cấu thừa hành nhiệm vụ động chấp hành, phần tử phụ biến đổi mã xung thành tín hiệu điều chế cho hệ thống Với nhiệm vụ chức nói trên, động bước đòi hỏi yêu cầu riêng kỹ thuật, yêu cầu chung : - Có bước chuyển dịch bé - Moment đồng hoá đủ lớn đảm bảo sai số góc nhỏ thực bước di chuyển - Không tích lũy sai số tăng số bước - Tác động nhanh - Làm việc bảo đảm có cuộn dây điều khiển - Động điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản Tùy theo cấu tạo động, bước có loại : - Chỉ thị hay động lực - Thuận nghịch hay không thuận nghịch - Có stator hay nhiều stator - Có hay nhiều cuộn dây điều khiển (quấn tập trung quấn rải) - Rotor phản kháng (không có dây quấn) rotor tác dụng (có dây quấn kích thích nam châm vónh cửu) - Rotor hình đóa hay rotor mạch in 136 - Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp… Động bước nam châm vónh cửu (Permanent magnet stepper motor) Cấu trúc tiêu biểu động bước nam châm vónh cửu trình bày hình Đây động pha, pha quấn cực stator Stator thiết kế phải có cực Rotor nam châm vónh cửu có trục thẳng hàng với cực stator 1-1’ Nó giữ vị trí này, đặt dòng điện I1 vào pha cực stator từ hoá cực nam, cực stator 1’ từ hoá cực bắc Chú ý chiều dây quấn để tạo dạng từ hoá Đặt dòng điện I4 vào pha 4, cực từ hoá 4-4’ hình thành (I1 cắt ra) Khi lực từ hoá tác động tương hỗ với từ trường rotor sinh moment đồng xoay rotor góc 450, theo chiều kim đồng hồ, để cực bắc rotor đến cực stator Lần lượt đưa dòng điện I3, I2 (mỗi pha lần) vào pha 3, pha Khi rotor xoay theo chiều kim đồng hồ bước 450 Để rotor xoay tiếp đưa I1, I4, I3, I2 vào pha 1, 4, 3, chiều dòng điện đổi lại Như nguồn điều khiển loại đổi cực Sau lần xoay 1800, dòng điện điều khiển đổi chiều Như trình tự điều khiển cho động tiến theo chiều kim đồng hồ 1-4-3-2 Để cho động tiến ngược chiều kim đồng hồ trình tự điều khiển phải đảo ngược lại 1-2-3-4 137 Hình 4-2 : Cấu trúc động bước nam châm vónh cửu Động bước từ trở biến đổi, tầng (single stack variable – reluctance stepper motor) Cấu tạo động trình bày hình 4-2 Rotor stator chế tạo vật liệu.từ Động có pha, pha quấn cực hay stator Ví dụ pha quấn cực 1, 4, 7, 10 stator Stator có 12 rotor có 16 Cực ngược cực tính quấn theo chiều ngược lại để tạo cân từ thông vào khỏi rotor Giả sử dòng điện I1 đặt vào pha rotor đối đỉnh với 1, 4, 7, 10 stator Từ thông vào rotor từ stator 4, 10, khỏi rotor qua 1, 7, từ thông khép kín qua khung stator, thấy đỉnh stator cực bắc đỉnh đối đỉnh với stator cực nam (cảm ứng) Sự phân cực phải tồn phép từ thông lớn qua khe hở hai đối đỉnh Tương tự cho pha lại Để rotor tiến bước theo chiều kim đồng hồ pha quấn stator 2, 5, 8, 11 đặt dòng điện I3 vào dòng điện I1 cắt Bây đường sức chọn đường có từ dẫn lớn hay từ trở bé nên xuất moment phản kháng kéo rotor gần stator 2, 5, 8, 11 vào vị trí đố đỉnh Đó rotor a, d, b, c, đối đỉnh với tương ừng 2, 5, 8, 11 stator Kết rotor vị trí cân Nếu dòng điện I2 đưa vào pha 2, I3 bị cắt rotor bước thêm bước theo chiều kim đồng hồ Như trình tự 1-3-2-1 cho rotor động tiến theo chiều kim đồng hồ Muốn rotor quay ngược lại trình tự kích thích 1-2-3-1 Nguồn kích thích loại đơn cực Góc bước rotor θs xác định sau : ZR : Số Rotor 138 ZS : Số Stator m : Số pha tR = 360 : Bước Rotor (độ) ZR tS = 360 : Bước Stator (độ) ZS θS = tR 360 = Góc bước (độ/bước) = m m.Z R 360 = ZR.m (bước/vòng) θS RS = Tốc độ : n = θ f 60f 60f = S (vòng/phút) = RS Z R m Thì động hình 2, ta có : tR = 360 360 = = 22.50 ZR 16 tS = 360 360 = = 300 ZS 12 θS = 360 360 = 7.50 = m.Z R 3.16 RS = ZR.m = 16.3 = 48 bước/vòng Có thể giải thích nguyên lý làm việc động bước đơn giản sau: a) b) c) Hình 4.3 Nguyên lý làm việc động bước Động bước loại động quay gián đoạn góc độ xác định tác dụng mạch điện xung đặt vào dây quấn stator Nó dùng 139 mạch tự động điều chỉnh, thiết bị đồng hồ, tính toán, máy cắt gọt làm việc theo chương trình Hình 4.3 trình bày cấu tạo loại động bước đơn giản Stator rotor có số đôi cực khác Khi đóng điện áp vào dây quấn 1-1, rotor vị trí hình 4.3 a, tiếp tục đóng điện vào dây quấn 2-2 rotor quay góc 150 ( b ) Ngắt dòng điện qua dây quấn 1-1 rotor quay tiếp thêm 150 ( hình 4.3 c ), v.v… Có thể thay đổi góc quay cách thay đổi số đôi cực ghép đôi stator rotor lệch góc định trục Với cấu tạo khác nhau, động bước cho góc quay từ 10 ÷ 1800 Tần số xung giới hạn để động mở máy đứng mà không bước vào khoảng 10 ÷ 10000 Hz 140