LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện nghiên cứu ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trng sản xuất và đời sống. Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vì những ưu điểm cơ bản sau đây: Điện năng được sản xuất tập trung với các nguồn công suất lớn. Điện năng có thể được truyền tải đi xa với hiệu suất cao. Dễ dàng phát biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. Nhờ điện năng có thể tự động hóa mọi quá trình sản xuất nâng cao năng suất lao động. So với các dạng năng lượng khác như : cơ, nhiệt, thủy, khí,...điện năng được phát triển chậm hơn vì con người không cảm nhận trực tiếp được các hiện tượng điện từ. Tuy nhiên, với sự phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỷ nguyên điện khí hóa và tự động hóa. Kỹ thuật điện là môn học khá rộng lớn, trong giới hạn tài liệu này sẽ giới thiệu một cách cơ bản nhất nhằm cung cấp cho sinh viên không chuyên Khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh các phương pháp phân tích một mạch điện đơn giản. Phân tích mạch, tức là tính toán các đại lượng điện khi đã biết cấu trúc mạch với các thông số của nó và nguồn kích thích. Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN được soạn thảo theo để cương đã được tập thể giáo viên có bề dày kinh nghiệm thực hiện. Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN được chia làm 5 chương: Chương 1: Các khái niệm chung về mạch điện. Chương 2: Mạch điện xoay chiều hình sin. Chương 3: Các phương pháp phân tích mạch điện. Chương 4: Mạch điện ba pha. Chương 5 : Máy điện Tác giả viết giáo trình này với sự cố gắng sưu tầm nhiều nguồn tài liệu tin cậy, với sự đóng góp tận tình của các giảng viên trong bộ môn, cùng với kinh nghiệm giảng dạy môn học này trong nhiều năm. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp, các em sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến giáo trình này. Xin chân thành cảm ơn
LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối sử dụng điện trng sản xuất đời sống Ngày điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực ưu điểm sau đây: Điện sản xuất tập trung với nguồn cơng suất lớn Điện truyền tải xa với hiệu suất cao Dễ dàng phát biến đổi điện thành dạng lượng khác Nhờ điện tự động hóa trình sản xuất nâng cao suất lao động So với dạng lượng khác : cơ, nhiệt, thủy, khí,…điện phát triển chậm người khơng cảm nhận trực tiếp tượng điện từ Tuy nhiên, với phát sử dụng điện thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến vũ bão sang kỷ ngun điện khí hóa tự động hóa Kỹ thuật điện môn học rộng lớn, giới hạn tài liệu giới thiệu cách nhằm cung cấp cho sinh viên không chuyên Khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh phương pháp phân tích mạch điện đơn giản Phân tích mạch, tức tính tốn đại lượng điện biết cấu trúc mạch với thông số nguồn kích thích Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN soạn thảo theo để cương tập thể giáo viên có bề dày kinh nghiệm thực Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN chia làm chương: Chương 1: Các khái niệm chung mạch điện Chương 2: Mạch điện xoay chiều hình sin Chương 3: Các phương pháp phân tích mạch điện Chương 4: Mạch điện ba pha Chương : Máy điện Tác giả viết giáo trình với cố gắng sưu tầm nhiều nguồn tài liệu tin cậy, với đóng góp tận tình giảng viên môn, với kinh nghiệm giảng dạy môn học nhiều năm Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp, em sinh viên bạn đọc quan tâm đến giáo trình Xin chân thành cảm ơn! 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Các khái niệm 4 1.2 Cấu trúc mạch điện hai định luật KIRCHHOFF 8 CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 10 2.1.Các đại lượng đặc trưng dòng sin 10 2.2 Biểu diễn dòng điện sin vector 13 2.3 Phương pháp biên độ phức 14 2.4 : Biểu diễn đại lượng sin dạng phức 18 2.5 Dòng điện hình sin nhánh trở 22 2.6 Dòng điện hình sin nhánh cảm 23 2.7 Dòng điện hình sin nhánh dung 25 2.8 Dòng điện hình sin nhánh R, L, C nối tiếp 27 Dịng điện hình sin nhánh R, L, C song song 30 2.10 Cơng suất dịng điện sin 32 2.11 Hệ số công suất phương pháp nâng cao hệ số công suất 35 BÀI TẬP CHƯƠNG 37 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 40 3.1 Ứng dụng biểu diễn vector phức để giải mạch điện 40 3.2 Phương pháp dòng điện nhánh 43 3.3 Phương pháp dòng điện vòng 45 3.4 Phương pháp điện áp nút 47 3.5 Phương pháp xếp chồng 49 3.6 Phương pháp biến đổi tương đương 51 BÀI TẬP CHƯƠNG 54 CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN BA PHA 60 4.1 Khái niệm chung 60 4.3 Công suất mạch điện ba pha 66 4.4 Đo công suất mạch ba pha 67 4.5 Các cách giải mạch điện ba pha 69 BÀI TẬP CHƯƠNG 79 2 CHƯƠNG MÁY ĐIỆN .82 5.1 Khái niệm chung máy điện 82 Máy biến áp 90 5.3 Máy điện không đồng 93 Máy điện đồng (Alternator) 99 5.5 Máy điện chiều 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 3 Chương CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Các khái niệm mạch điện 1.1.1.1 Điện tích Điện tích hạt mang điện, lượng điện tích mà phần tử vật chất mang ký hiệu q, đơn vị cu-lơng [C] 1.1.1.2 Dịng điện Dịng điệnlà dịng chuyển dời có hướng điện tích, ký hiệu i, đơn vị ampe [A] Giá trị dòng điện tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua dây dẫn: i = dqdt (1-1) Chiều dòng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường 1.1.1.3 Điện áp Điện áp hai đầu phần tử công để dịch chuyển đơn vị điện tích (1C) qua phần tử Điện áp ký hiệu u, đơn vị Vôn [V] Chiều điện áp chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp 1.1.1.4 Năng lượng Là đại lượng để tạo công chuyển dịch lượng điện tích dq qua phần tử có điện áp u, ta phải cung cấp cho phần tử lượng : dw = u dq = u.idt (1- 2) Ngược lại lượng điện tích dq chuyển dịch qua phần tử có điện áp u phát lượng có độ lớn dw = u.idt Đơn vị lượng Jun [J] 1.1.1.5 Công suất Công suất tốc độ nhận phát lượng: p = dwdt = ui (1- 3) Cơng suất có đơn vị J/s hay Watt (W) Trong mạch điện, phần tử nhận lượng phát lượng Khi chọn chiều điện áp dòng điện trùng nhau, p = u.i > phần tử nhận lượng, ngược lại 1.1.2 Định luật Ôm Định luật Ôm phát biểu điện áp hai đầu điện trở tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua điện trở Hệ số tỷ lệ khơng đổi giá trị điện kháng điện trở, ký hiệu R uR = R.i 1.1.3 Các phần tử mạch điện 1.1.3.1 Điện trở 4 (1- 4) Điện trở ký hiệu R, đơn vị Ôm [Ω] Định luật Ơm cho điện trở: Hình 1.1 Điện trở uR = R i (1- 5) Điện dẫn: g= R (1- 6) Đơn vị điện dẫn g Simen [S] Công suất tiêu thụ điện trở: P = uR.i = Ri2 (1- 7) Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t là: t t 0 W p dt R i dt (1- 8) Khi i = const W = Ri2t Điện trở phần tử tiêu thụ lượng điện biến điện thành nhiệt năng, quang năng, … 1.1.3.2 Điện cảm Hình 1.2 Điện cảm Dòng điện i chạy qua cuộn dây sinh từ thơng móc vịng qua cuộn dây, từ thơng biến thiên sinh sức điện động cảm ứng eL dây định nghĩa L d dt Điện cảm cuộn , đơn vị Henry [H], cuộn dây gọi cuộn i cảm Quan hệ dòng điện điện áp cuộn cảm: u L e L di d L L dt dt (1- 9) Năng lượng tích luỹ cuộn cảm là: 5 t t di w L (t ) uL i L dt L L i L dt dt t w L ( t ) L i L di L Li 2L ( t ) t w L (t) = Li 2L (t) [J] t Hay (1 - 10) Cuộn cảm phần tử tích lũy lượng từ trường 1.1.3.3 Điện dung Hình 1.3 Điện dung Khi đặt điện áp uC lên tụ điện, có điện tích q tích lũy cực tụ điện Điện dung tụ điện định nghĩa là: C= q uC (1- 11) Đơn vị điện dung Fara [F] Quan hệ dòng điện điện áp tụ điện: iC = du dq Cdu C = =C C dt dt dt Quan hệ u(t) theo i(t) u C (t) = q(t ) C (1- 12) t i C dt + u C (t ) (1- 13) t u C (t ) = điện áp tụ điện C thời điểm t0 Nếu q(t0) = C ta có: t u C (t) = idt C t0 Năng lượng tích luỹ tụ điện: w C (t)= Cu (t) [J] Tụ điện phần tử tích lũy lượng điện trường 6 (1- 14) 1.1.4 Các nguồn điện 1.1.4.1 Nguồn áp Hình 1.4 Nguồn áp Nguồn áp phần đặc trưng cho khả tạo trì điện áp hai cực nguồn mà không phụ thuộc vào dòng điện qua nguồn Ký hiệu nguồn áp minh họa hình 1.4 biểu diễn sức điện động e(t) Chiều e(t) từ điểm có điện thấp đến nơi có điện cao Chiều điện áp hai đầu cực nguồn ngược với chiều sức điện động Điện áp cực u(t) sức điện động u(t) = - e(t) (1-15) 1.1.4.2 Nguồn dòng Nguồn dòng phần tử đặc trưng cho khả tạo nên trì dịng điện để cung cấp cho nhánh mà khơng phụ thuộc vào điện áp nhánh Ký hiệu nguồn dịng minh họa hình 1.5 Hình 1.5 Nguồn dịng Các nguồn mà đề cập đến phần tử lý tưởng, có nghĩa chúng mơ hình tốn học gần với thực tế phần tử tồn điều kiện định 7 1.2 Cấu trúc mạch điện hai định luật KIRCHHOFF 1.2.1 Cấu trúc chung mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị nối với dây dẫn tạo thành vịng kín dịng điện chạy qua Các thiết bị mạch điện bao gồm nguồn, dây dẫn tải Mạch điện hình 1.6 có nguồn máy phát điện MF, dây dẫn, tải động điện ĐC, đèn Đ dây dẫn A Về cấu trúc mạch điện có : nhánh, nút vịng Nhánh: phận mạch điêïn gồm phần tử nối tiếp có dịng điện chạy qua Đ MF a Nút: chỗ gặp từ ba nhánh trở lên Vịng: lối khép kín qua nhánh c B Hình 1.6 Mạch điện, nguồn, phụ tải, dây dẫn 1.2.2 Định luật Kirchhoff 1.2.2.1 Định luật Kirchhoff Định luật Kirchhoff phát biểu cho nút: “Tổng đại số dòng điện nút khơng” Σi k =0 (1-16) Trong đó, quy ước dòng điện tới nút mang dấu dương dịng điện rời khỏi nút mang dấu âm ngược lại Ví dụ: Tại nút K hình 1.7, định luật Kirchhoff viết: i1 K i3 i2 Hình 1.7 Dịng điện nút i1 - i2 - i3 = i1 = i2 + i3 (1-18) Định luật Kirchhoff có nghĩa tổng dòng điện tới nút tổng dịng điện rời khỏi nút Trong nút khơng có tượng tích luỹ điện tích, 8 b ĐC có trị số dịng điện tới nút có nhiêu trị số dịng điện rời khỏi nút 1.2.2.2 Định luật Kirchhoff Định luật Kirchhoff phát biểu cho mạch vịng kín: “Đi theo vịng kín với chiều tuỳ ý, tổng đại số điện áp rơi phần tử không” u k (1-19) Định luật Kirchhoff phát biểu sau: “Đi theo vịng kín theo chiều tuỳ ý, tổng đại số điện áp rơi phần tử R, L, C tổng đại số sức điện động có vịng kín đó, dịng điện sức điện động có chiều trùng với chiều vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm” Σu = Σe (1-20) Ví dụ: Đối với vịng kín mạch điện hình 1.8, định luật Kirchhoff viết: t i3 di R i3 + i dt - L 2 + R i1 = e - e1 C3 dt Hai định luật Kirchoff sở để nghiên cứu, tính tốn mạch điện C3 i2 e2 R3 L2 i1 e1 R1 Hình 1.8 Định luật Kirchhoff 9 CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 2.1.Các đại lượng đặc trưng dịng sin 2.1.1.Các đại lượng đặc trưng cho dịng điện hình sin Dòng điện sin dòng điện xoay chiều biến đổi theo quy luật hàm sin thời gian Trị số dòng điện, điện áp thời điểm t gọi trị số tức thời biểu diễn là: i(t) = Imax sin (ωt+ψi ) (2 - 1) u(t) = Umax sin (ωt+ψu ) (2 - 2) Trong đó: i(t), u(t) - trị số tức thời dòng điện, điện áp Imax, Umax - trị số cực đại (biên độ) dòng điện, điện áp Để phân biệt, trị số tức thời viết chữ thường: i, u, e, p Trị số cực đại viết chữ in hoa: Imax, Umax, Emax hay Im, Um, Em (ωt+ψi ),(ωt+ψu ) góc pha (gọi tắt pha) dịng điện, điện áp Pha xác định trị số chiều dòng điện, điện áp thời điểm t - pha ban đầu dòng điện, điện áp Pha đầu pha thời điểm t = 0, pha đầu phụ thuộc vào việc chọn toạ độ thời gian, pha u i đầu khơng, âm dương Trên hình u 2.1 trường hợp ψu > ψi < ψi ,ψu i ω tần số góc dịng điện sin, đơn vị ω rad /s t Chu kỳ T dòng điện sin khoảng thời gian ngắn để dòng điện lặp lại trị số chiều biến thiên, nghĩa thời gian T góc pha biến thiên lượng ωT = 2π u > Số chu kỳ dòng điện giây gọi tần số f Hình 2.1 Điện áp dịng điện hình sin f= ω = T 2π i < T (2 - 3) Đơn vị tần số héc (Hz) Giữa tần số f tần số góc ω có quan hệ: ω 2πf 10 (2 - 4) đ không đồng ro otor kiểu dây d quấn vàà roto kiểu lồng sóc Stator máy điện có chhung dạng d cấu tạạo; Rotor củ máy điệện không đồng kiểểu rotor c tạo kháác dây quấn kiểu roto lồnng sóc có cấu c động không đồ ồng Các thành phần 5.3.2.11 Phần tĩnhh (stator) gồồm phận: - Lõi thhép stator Cấu tạo từ thép kĩ thuuật điện có ó độ dày [0,3 –0,5] mm m dạng hìn nh vành d điện từ, théép ghép cách khănn phiá bên xẻ rããnh để đặt cuộn dây điện với để đ tránh dòòng fuco, v đặtt vỏ thép t ggang đúc xem x hình 5.10 Hình 5.10 Cấu ttạo lõi thép stator máy điện k không đồng g - Dây quấn q ba phha stator Dây quấn q pha dây đồnng có phủ lớ ớp emay cáách điện, cchịu nhiệt n độ ược quấn thành t bin b đặt tron ng rãnh theo quy lluật định đ tạo cao, dây dẫn đư p đối xứnng sử dụụng hết chu u vi cuả mặt cắt rrãnh Các bin b dây thành mạch pha c cách điệện lớp bià pheesfan, tơ sợ ợi, mica… phầnn lõi thép stator phải có l pha 1220 độ, cuộn n pha có Statorr pha thơnng thường có cuộn dây quấn lệch cáchh nối riêng để tạo thànnh cặp cực (p), số ố cặp cực hình h thành tùy thuộc yêu y cầu tốc t độ rotoor số rãnnh củủa stator pha stator thường đư ưa đầu cuộn dây pha p để có cách c nối dâây hình “saao” hay nối dây hình “tam giácc” Ở số động đặc biệt t ph có c cuuộn dây, số đầu dây đưa ngoồi hoặặc 12 đầu dây d để tổ chức c đổi nốối tạo nhiều u cấp tốc Đ thời t thực tế độnng có thểể có nhiều stator trênn vỏ, độ Đồng statoor tương ứnng có mộột rotor, nhhưng gắn đồng đ trục với v 95 5 - Vỏ máy Vỏ máy thường làm nhôm, gang thép đúc, có chân máy để đặt bệ, vỏ lõi thép stator thường đặt có khe khí rộng để thơng gió hình [1-15], đầu có nắp để đỡ trục quay, cánh quạt thơng gió có kiểu: thơng gió kín (phiátrong máy) thơng gío hở (phiá bên ngồi máy) Vỏ máy hở để thơng gió làm kín (mơi trường tầu thuỷ), vỏ máy có hộp nối dây điện với nguồn điện bên 5.3.2.2 - Phần quay (rotor) gồm phận - Lõi thép rotor Lõi thép thép kĩ thuật điện dập hình vành khăn, ghép cách điện phiá vành xẻ rãnh để đặt bin dây, thép phần bên sau dập lõi thép stator, hình 5.11 Hình 5.11 Rotor dây quấn Phiá bên lõi thép trục xuyên qua, trục rotor động chế tạo thép mác cao, đầu có ổ đỡ trượt ổ bi, phía ngồi trục gắn cánh quạt làm mát Với loại động rotor dây quấn cách quấn dây tương tự dây quấn stator, số cặp cực hình thành dây quấn rotor với số cặp cực stator, rotor cuộn dây ln nối “hình sao” đưa đầu dây bên ngồi qua ba vành trượt (xem hình 5.11) Vơi loại động rotor lồng sóc dây ro tor nhôm, đồng đặt rãnh đầu hàn kín với thơng qua vành khuyên, tạo hình dáng lồng sóc Giữa stator rotor có khe khí hẹp từ [3 –15] mm Khe hở lớn lực từ hố lớn hệ số cơng suất cos cuả động giảm 5.3.3 Các đại lượng định mức động - Công suất định mức – công xuất trục động [kw] Điện áp định mức –Uđm [V] (trên động không đồng thường ghi là/ 220 V/380 V – xxA/yyA có nghia là: Khi động nối hình tam giác làm việc điện áp 220V dòng định mức xxA, cịn nối hình làm việc với điện áp 380V dòng định mức yyA 96 - Dòng điện định mức –Iđm [A]; - Hệ số công suất cos đm - Tốc độ quay định mức -nđm [vòng /phút] - Tần số nguồn định mức -fđm [hec], - Nhiệt độ cho phép làm việc [độ C độ F] - Cấp cách điện (A, B, C, G, F, H) - Hệ số lặp lại%; - Năm sảm xuất; xưởng sản xuất… 5.3.4 Nguyên lý hoạt động động không đồng Khi cấp dịng điện I1vào cuộn dây pha lịng cuộn dây pha có từ trường quay trịn với tốc độ no = 60.f/p , từ trường quét qua dẫn rotor (lồng sóc), hay cạnh bin dây rãnh rotor làm suất chúng sức điện động cảm ứng với tần số f Khi kín mạch có dịng điện rotor I2, dịng điện tác động với từ trường stator làm sinh từ lực Momen quay Mđt, rotor quay theo chiều giảm tốc độ quét từ trường quay qua dẫn, tần số dòng điện rotor f2 Giả sử tốc độ rotor tăng tốc độ từ trường quay, lúc khơng có qt từ trường stator lên dẫn rotor => sức điện động dẫn “0” =>I2 = 0, => mơmen Mđt = Nhưng ổ đỡ có mơ men ma sát Mms nên tốc độ rotor giảm xuống, Khi tốc độ rotor giảm xuống tiếp tục lại có qt từ trường quay qua dẫn rotor, => lại xuất momen điện từ Mđt làm rotor quay theo =>… Cứ tốc độ quay rotor đạt không tốc độ từ trường quay, Dịng điện rotor có tần số f2 = s.f [hz] Tốc độ rotor xác định sau: n = no (1–s)[vg/ph] = o(1-s) [rad/s] no= 60.f/p [vòng/phút] ; o = 2f/p [rad/s] (5-17) (5-18) s -là hệ số trượt rotor so với từ trường quay s = - tốc độ rotor tốc độ từ trường no s = - tốc độ rotor không (bắt đầu khởi động động bị dừng điện) Dễ dàng nhận thấy động bắt đầu khởi động (s =1) dịng điện rotor có giá trị lớn nhất, động hoạt động bình thường (s nhỏ) dòng điện rotor giảm xuống Đặc điểm từ trường quay Từ trường quay có độ lớn khơng đổi giá trị 2/3 giá trị từ trường cực đại của1 pha Tốc độ no gọi tốc độ đồng hay tốc độ không tải rotor động không đồng Khi đổi nối hai ba pha chiều từ trường quay quay theo chiều ngược lại 5.3.5 Cách nối cuộn dây máy điện không đồng 97 Cuộn dây stator máy điện khơng đồng ba pha thơng thường có đầu dây pha, cuộn dây pha có đầu vàcuối xác định, khơng lẫn lộn, đầu dây thường ký hiệu ABC, RST, cuối cuộn dây thường ký hiệu XYZ UVW Khi dấu cần phải xác định lại cho trước nối đầu dây cuộn dây pha Có hai cách nối cuộn dây ba pha: nối hình sao; nối hình tam giác a- Sơ đồ nối dây hình () - Các đầu cuối cuộn dây XYZ, UVW nối với nhau, đầu cấp điện từ nguồn vào - Điện áp pha làm việc động nối hình tồn điện áp dây Ud//3 Chẳng hạn, điện áp dây mạng 380V/50Hz, 440V/60Hz cấp vào đầu dây ABC, điện áp pha là: Uf =Ud /3 (5-19) - Giá trị điện áp pha Uf trường hợp 220V/50Hz 240V/60Hz A B C X Y Z X a Y Z b Z X Y c Hình 5.12 - sơ đồ nối cuộn dây trụ đấu dây b -Sơ đồ nối dây hình tam giác () - Các đầu, cuối cuộn dây AX,BY,CZ, nối với thành tam giác có đỉnh ABC hình [5.12c] - Điện áp cuộn dây pha điện áp dây lưới điện Uf = Ud 98 Máy điện đồng (Alternator) Máy phát điện đồng loại máy phát điện xử dụng phổ biến nay, loại máy điện có đặc điểm tốc độ quay rotor tốc độ quay từ trường, chúng phù hợp sử dụng làm máy phát điện cung cấp nguồn lượng điện lọai máy phát điện khác chiếm tỷ lệ không đáng kể Máy phát cố có dải cơng suất 20 đến 200kW, điện áp tần số với máy phát chính, lai động diesel thường tự động khởi động nguồn bị cố Các động đồng thường sử dụng tầu thuỷ, phần khơng xét tới 5.4.1 Cấu tạo cơng nghiệp máy phát điện đồng Hình 5.13 - Cấu tạo máy điện đồng a Loại cực (a) b Loại cực ẩn (b) 5.4.1.1- Stator a- Mạch từ : lõi thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,3-0,5 mm dập hình vành khăn xẻ rãnh trong, thép kỹ thuật điện ghép điện để giảm dòng Fuco b- Vỏ máy: thường thép đúc gang, máy phát điện công suất nhỏ hai phía có nắp máy, máy phát điện công suất lớn nắp thường không chịu lực ổ đỡ, mà phía gắn cứng với động sơ cấp, phía bên đặt ổ đỡ gắn với vỏ satxi c -Các cuộn dây : cuộn dây ba pha (hoặc pha) lấy điện gọi cuộn dây phần ứng Chế tạo từ dây đồng hợp kim có độ dẫn điện cao, chịu nhiệt độ, bên tráng lớp emay, men cách điện, tơ sợi tổng hợp, sợi thuỷ tinh, mục đích làm cách điện dây cuộn dây, dây quấn rãnh theo quy luật định, số đầu dây cuộn pha 3, 9… tùy theo hãng chế tạo Các đầu dây đặt hộp kín nước, có trụ nối để nối với mạch ngòai Giữa lõi cực từ cuộn dây điện từ lót lớp điện giấy cách điện, mica cách điện, đặc điểm lớp bià hay mica dai, dẻo, chịu độ ẩ điều kiện mơi trường, có tuổi thọ cao thơng thường phần cách điện phải chịu nhiệt độ làm việc từ 135-180 độ C Phần lấy điện gọi phần ứng, gồm có cuộn dây, cuộn dây điện từ đặt lệch 120 độ điện; người ta quấn cuộn 99 dây thhành phaa đối xứng số cặp cực tuỳ thuộc vào tốc độộ động llai để có tần n số phù hợp, Tồn T phhần ứng đư ược đặt tronng vỏ máy theo thiết kế có khe hở thóang thống để giảải nhiệt dễ dàng d c cấu tạo gồm g mạch từ cuộnn dây kích từ: t 4.1.2 Rotoor: Là phầnn kích từ có a Mạch từ a : làm bằngg thép đúc Có dạng g kết cấu kiểu k cực lồii kiểu cự ực ẩn, phần mỏm m cực tiiếp giáp vớ ới khe khí Stato S thườn ng chế tạo từ thhép kỹ thuậật điện ghép lại để giảm m dòng Fuco làm m việc Số cực c từ sốố chẵn, với tốc độ ộ s cực càngg nhiều thìì tần số ngu uồn điện cààng cao, haay ngước lạại quay cố định rotor, số c tốc độ động g với tầần số nguồnn điện cần tạo cố địnhh (50,60Hzz) số cực sơ cấp cànng phải caoo b Cuộn dâây : Cuộn dây b d điện từ chế tạo kim k lọai đồồng hợp kim có độộ dẫn điện cao c cấp c dòng điiện chiều gọi dịng d kích ttừ, cuộ ộn dây kích từ t nốii theo quy luật để hìnnh thành cáác cực nam m châm xenn kẽ nhau, có c thể nối sonng song hooặc nối tiếpp cuộn dây cực từ Trrên phần mỏm m cực củủa rotor cóó thể có cácc dẫnn kim loại lluồn theo dọc d cực từ hàn h hai phíía theo kiểuu lồng sóc lồng ổn định (cchống dao động đ máy tảải thay đổi)) c Các chi tiết máyy phát đồngg bộ: Vành trượt t - hai đầu dây quuấn kích từ luồn troong trục vàà nối với hai ối với nguồồn kích từ bbên ngịai,((cần vành trượtt đầu trụcc, thông quua hai chổii điện để nố lưu ý rằngg máy phát p điện không k chổi thankhông g có chi tiếết này-xem m máy phát điện khơng chổổi than) p điện tààu thủy thư ường làm mát bằằng khơng khí nhờ hệệ Máy phát g hai đầuu trục máyy kết cấu u thơng gióó thânn máy Quạạt thống quạạt làm mát gắn gió bố b trí phía khơng có vành v trượt – chổi than - Khe khhí rotoor, stator thhường từ –15mm tuuỳ theo cônng suất Cuộn dây ccực từ Mỏm cựcc từ Lồng ổn định ượt Vành trư H Hình 5.14 Rotor R máy m đồng b công suấ ất 2000KVA A 4.2 Nguyêên lý hoạt động máy phát điện đồngg 4.2.1- Nguuyên lý hình thành điệện áp 100 Khi cuộn dây kích từ cấp dịng điện chiều DC rotor trở thành nam châm điện hình thành cực từ N-S xen kẽ c, Độ lớn c tỷ lệ với giá trị dịng điện kích thích (c =Kkt.Ikt Nếu rotor quay động sơ cấp từ trương naỳ từ trường quay so với Stator có tốc độ n, Từ trường quét qua mặt phẳng cuộn dây pha suất cuộn dây pha sức điện động có giá trị tức thời tính theo công thức: e c k f w k q sin t [V] (5-20) k- hệ số cấu tạo có liên quan tới kích thước dây quấn kq – hệ số quấn dây máy phát w- Là số vòng dây cuộn dây máy phát - Là tốc độ góc rơtor =2f [rad/s] f- Là tần số s.đ.đ hình thành Nếu viết dạng hiệu dụng : E =4,44c.f.w.k.kq =Ke .n [V (5-21) Tần số s.đ.đ sinh phụ thuộc vào tốc độ quay động sơ cấp f p.n , tốc độ động sơ cấp thay đổi tần số nguồn điện thay đổi, tốc độ 60 động ổn định tần số ổn định –do loại máy phát gọi máy đồng n 60 f p Tần số (được đo Hertz) sức điện động số chu kỳ sóng giây, phụ thuộc vào tốc độ quay số cực Tốc độ (vòng/phút) Số cặp cực 60 Hz 50 Hz 3600 3000 1800 1500 1200 1000 900 750 Vì trục cuộn dây pha đặt lệch 1200trong không gian, nên hệ thống sức điện động pha viết lại sau: ea(t) = Ep sint eb(t) = Ep sin(t – 1200) (5-22) ec(t) = Ep sin(t – 2400) 101 Các sức điện động ghép nối Y (hình 5.12b) (hình 5.12c), Thơng thường thực tế máy phát điện tàu thủy nối Y 5.4.2.2 Kích từ máy phát Các máy phát điện xoay chiều có thành phần tạo sức điện động (theo cơng thức 5-22.) là: - Phải có tốc độ, tốc độ máy lai đạt tới no Phải có từ trường kích từ Từ trường phải cung cấp từ nguồn dòng điện chiều vào cuộn kích từ Để cấp điện cho cuộn dây kích từ, thơng thường có hai cách: Dùng nguồn điện chiều độc lập bên ngoài, loại thường áp dụng cho máy phát công suất lớn bờ Cấp điện từ máy phát điện kích từ phụ quay đồng trục với máy điện phát chính, trực tiếp cấp điện từ điện áp máy phát qua tự kích hình thành điện áp khơng tải tự động kích từ cho máy phát điện kích từ Loại phổ biến áp dụng cho máy phát điện sử dụng tầu thuỷ máy phát điện có cơng suất nhỏ Dù có máy kích từ phụ hay trực tiếp máy phát điện tầu thuỷ phải có khả “Tự kích”- tức làmáy phát phải tự tạo nguồn điện để kích thích đưa điện áp máy phát lên giá trị điện áp làm việc Uo có đủ tốc độ mà không cần nguồn điện khác đưa vào cuộn kích từ Vấn đề tự kích tự động kích từ đề cập kỹ phần ‘Tự động ổn áp máy phát điện “ Điện áp từ máy phát đưa quay lại chỉnh lưu thành dịng chiều để cấp cho cuộn kích từ máy phát, Máy phát chạy tự sản sinh s đ đ cực mà không cần nguồn phụ từ bên ngồi thơng qua tượng tự kích; Biến áp kích từ (biến áp phức hợp có cuộn dây sơ cấp (dòng áp, cuộn dây thứ cấp) 102 5.5 Máy điện chiều Máy điện chiều phát minh ứng dụng sớm, có ứng dụng tầu thuỷ thời gian dài cho dù có cấu tạo phức tạp, bảo quản, sử dụng, sửa chữa khó khăn, trọng lượng kích thước lớn 5.5.1 Cấu tạo máy điện chiều Máy điện chiều có cấu tạo biểu diễn thơng qua thành phần hình vẽ 5.15 5.5.1.1 Stator cực từ máy điện chiều gồm có - Vỏ máy điện chế tạo thép đúc, - Các cực từ chế tạo thép đúc, phần mỏm cực phần chế tạo từ thép kỹ thuật điện để giảm dòng Fuco, máy chiều có cực từ cực từ phụ - Cực từ dùng để tạo từ trường kích từ, gồm cuộn dây kích từ song song cuộn dây nối tiếp - Cực từ phụ dùng để xử lý tượng máy điện chiều tượng đảo chiều hạn Các cực từ cực từ phụ đặt xen kẽ nhau, từ cực từ tới cực từ tiếp sau tạo thành cặp cực N-S, chúng cách 180 độ điện - Số lượng cực phụ ln số chẵn, chẳng hạn 2/4/8/16/32… Một số máy điện công suất nhỏ khơng có cực phụ Hình 5.15 thành phần máy điện không đồng Stator chế tạo từ thép đúc Cuộn kích từ Rotor trục cánh quạt thơng gió Cổ góp điện Nắp máy thép đúc với ổ đỡ Giá đỡ hộp chứa chổi than 103 Cực từ thép đúc Hình 5.16 Mạch từ máy điện chiều Cuộn dây kích từ chế tạo từ dây đồng tiết diện trịn hay hình chữ nhật, dây dẫn quấn thành cuộn lồng vào cực từ, cuộn dây kích từ phải đấu phù hợp để tạo thành cực từ theo thứ tự liên tiếp N-S-N-S…, đồng thời đảm bảo cách điện với vỏ máy Có hai cách nối cuộn kích từ với nguồn điện: nốisong song (kích từ song song), nối tiếp (kích từ nối tiếp) với mạch rơ tor Trên cực từ có: cuộn dây kích từ song song (máy kích từ song song), kích từ nối tiếp (máy kích từ nối tiếp), hai cuộn kích từ (máy kích từ hỗn hợp) Trên cuộn dây cực phụ cuộn dây dòng điện nối tiếp với mạch phần ứng 5.5.1.2- Rotor (còn gọi phần ứng) Mạch từ rotor máy điện chiều gồm thép kỹ thuật điện dập hình vành khăn ghép cách điện với để hạn chế dịng phucơ, bên xun qua tâm trục động mặt bên xẻ rãnh đặt cuộn dây điện từ, cuộn dây đặt theo quy luật, đưa nhiều đầu nối với “lam”của cổ góp điện, cổ góp điện thường chế tạo dạng hình trụ, lam cách điện với cách điện với trục động cơ, - Cánh quạt làm mát gắn với phía trục rotor - Trục động quay hai ổ đỡ vòng bi xem hình 5.15 - Puli nối trục máy điện với máy cơng tác - Khe khí rotor stator chế tạo từ 5- l0mm 5.5.1.3 Giá chổi than phần phụ khác - Ở nắp máy có gắn vành giá chổi than để nối với mạch điện bên ngoài, giá chổi than gồm hộp chưá chổi than gắn cách điện với vành đế [xem hình 5.15] - Các hộp than đặt đối xứng theo chu vi cổ góp, chổi than có dấu ‘dương‘ ‘âm’xen kẽ cách 180 độ điện chổi dấu dương, âm nối chung với dây điện Vị trí đặt chổi than vùng trung tính vật lý động - Chổi than làm graphít có độ cứng tuỳ theo tốc độ động cơ, số lượng hộp chổi than kích thước chổi than cực phụ thuộc mật độ dòng điện 104 chạy qua, chổi than ép mặt cổ góp lị xo, điều chỉnh lực căng để khắc phục tia lửa điện Cực từ NS nam châm điện Rotor Dây quấn Cổ góp điện Trục Hình 5.17 Mơ hình khối mạch từ khí máy điện chiều 5.5.2 Nguyên lý hoạt động máy điện chiều 5.5.2.1 Máy phát điện chiều a Nguyên tắc tạo sức điện động máy phát điện chiều Để đơn giản xét nguyên lý hoạt động máy điện chiều thơng qua thí nghiệm trình bày hình vẽ 5.18a + Ikt Ukt _ + Iư Hình 5.18a Ngun lý cấu tạo máy điện chiều 5.18b Nguyên lý làm việc máy điện chiều 105 Giả sử có G m khung dây d quay trrong từ trườ ờng kt với tốc độ qu uay khơng thaay đổi thìì hai cạnh c khung dây thay đổi đ vị trí liêên tục giữaa hai mặt cự ực từ, v ự qut cạnh c dây quua từ trườnng nên theo o quy tắc bààn tay phảii dễ dàng xác x định đượcc chiều củaa s.đ.đ cảm ứng Eo D hai cạnhh khung dâyy gắnn với hai vàành trượt nên Do n quaay cạnh khu ung dây nằm d cực N có vành trrượt gắn vớ ới cạnh tiếp xúc chhổi than sẽẽ có dấu “dương” cịn c chổi thhan bên kiaasẽ “âm”” Từ ta thấy khhung dây qquay mộ ột chổi than chổi than ln l có dấuu dương, m chổi than ln có dấu âm dạạng s.đ.đ trrên h 5.18b hai chổi thhan hình b Vị trí củaa chổi than:: Thheo hình 5.18b vị trí chổi thhan phải đư ược đặt ởvvị trí mà q q trình làm việc, v sức điện đ động t vòng dây “Zero” “ (S.đđ.đ E = 0) Trrong kỹ thuuật, cuộn dây d roto mááy điện mộ ột chiều đư ược nối theoo hình 5.18 8b nên theo lý l luận trênn S.đ.đ E suuất troong vịn ng dây kínn mạch giữaa hai lam cổ c góp máy m điện làm m việc phảải “zeero” Hình 5.19 Vị trrí chổi than n máy y điện chiều ượt tiếp xúúc với lam cổ góp p, Trrên hình 19 ta nhậnn thấy chổi than lần lư lam kế nhhau baoo gồm vòng v dây, vòng g dây cóó s.đ.đ kkhi chổi th han nằm hai lam liêên tiếp có c dịng điệện chạy quaa gây nêên tia lửa đđiện, g v dây đ khơng khơng k có h tượng tia lửa s.đ.đ vịng Đ kiện đểể máy chiều tự kíích Điều à: * Máy phátt phải có từ dư * Chiều quaay (hoặc cáách nối kíchh từ) phải phù p hợp thheo chiều ttăng s.đ.đ t mạchh kích từ nhhỏ tổng g trở tới hạn h Rkt< Rth * Tổng trở 5.2.2 Độnng điện chiều C loại độnng chiều Các c a Động m chiều kích từ độcc lập 106 Cuộn kích từ f1f2lấy điện qua nguồn độc lập Ukt, phần ứng lấy điện từ nguồn U Hình 5.21 Sơ đồ máy điện chiều kích từ nối tiếp b- Động kích từ song song Cuộn kích từ f1f2có dịng điện Ikt lấy điện áp song song với nguồn điện U I ö U ikt _ f1 Hình 5.22 Sơ đồ máy điện chiều kích từ song song c - Động kích từ nối tiếp Cuộn kích từ nối tiếp n1n2 cĩ dịng điện Ikt = It (dịng điện kích từ l dịng điện phụ tải qua phần ứng động cơ) I Ư n1 kt n2 Hình 5.23.Động chiều kích từ nối tiếp d- Động kích từ hỗn hợp Cuộn kích từ nối tiếp n1n2 có dịng điện Ikt = I (dịng điện kích từ l dịng điện qua phần ứng) Cuộn kích từ f1f2 có dịng điện ikt lấy điện p song song với nguồn điện f1 kt = kt// ktnt kt// f2 Hình 1-13- Sơ đồ động chiều kích từ hỗn hợp I n1 _ ktnt 107 5.5.3 Ứng dụng máy điện chiều 5.53.1 Sử dụng làm máy phát điện Các máy phát điện chiều ngày sử dụng trạm phát tương đốí ít, trạm phát chuyên dụng trạm điện chân vịt, trạm điện cho cần trục, hệ thống máy phát –động cơ, máy xúc, tầu điện… cịn dùng nhiều; Chẳng hạn hệ thống tời hàng ASEA Thuỵ điển, sử dụng máy phát chiều ba mạch, điều khiển điện áp cho mạch riêng rẽ; Cần trục có sức nâng 300 hãng Califonia Product dùng cảng Sài gòn, tời, máy xúc, máy ủi máy phát hàn vv… 5.5.3.2 Sử dụng làm động điện Mặc dù động xoay chiều ngày chiếm ưu thế, động chiều giữ vị trí đặc biệt kỹ thuật đời sống ưu điểm đặc biệt ổn định chịu tải lớn khởi độngvà khả điều chỉnh tốc độ, điều khiển đơn giản, xác; Chẳng hạn công nghiệp nhiều máy nâng, cần trục công suất lớn cảng, tầu thủy, máy thi công … động điện cho chiều chiếm ưu thế; ngòai để khởi động động xăng, diesel cỡ nhỏ, ôto, môtô không lọai tiện lợi động chiều kích từ nối tiếp; kỹ thuật điện tử, robot, động chiều lựa chọn tốt cho điều khiển liên tục 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh - Kỹ thuật điện - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004 [2] Nguyễn Kim Đính - Kỹ thuật điện - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1998 [3] PGS TS Thân Ngọc Hoàn - Bài tập sở Kỹ thuật điện - Nhà xuất xây dựng, Hà Nội 2002 [4] PGS TS Trần Hoài An - Kỹ thuật điện tàu thủy - Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.HCM 109