Giáo trình máy điện 2 bộ môn máy công nghiệp

Giáo trình máy điện 2 bộ môn máy công nghiệp

tr−êng ®¹i häc B¸CH KHOA khoa ®iÖn bé m«n: §IÖN C¤NG NGHIÖP m¸y ®iÖn ii m¸y ®iÖn ®ång bé m¸y ®iÖn mét chiÒu m¸y ®iÖn xoay chiÒu cã vμnh gãp Phần thứ t Máy điện đồng bộ Chơng 1. Đại cơng về máy điện đồng bộ - Hầu hết các nguồn điện xoay chiều công nghiệp v dân dụng đều đợc sãn xuất từ máy phát điện đồng bộ. - Động cơ đồng bộ đợc dùng trong các tải lớn v có thể phát ra công suất phản kháng - Máy bù đồng bộ để nâng cao hệ số công suất 1.1 Phân loại v kết cấu m.đ.đ.b 1. Phân loại Theo kết cấu cực từ: Máy cực ẩn (2p = 2); Máy cực lồi (2p 4) Dựa theo chức năng: Máy phát (Tuabin nớc; tuabin hơi; diêzen); Động cơ ( P 200 KW); máy bù đồng bộ 2. Kết cấu. Hình 1-1 mô tả máy phát đồng bộ cực lồi công suất vừa v hình 1-2 l máy phát tuabin hơi (máy cực ẩn). Kết cấu của stato của máy điện đồng bộ hon ton giống nh stato của m.đ.k.đ.b, nên ở đây chỉ giới thiệu phần kết cấu của rôto. Hình 1-1. Máy phát điện đồng bộ cực lồi Hình 1-2 Máy phát đồng bộ cực ẩn: 1. bệ máy; 2. lỏi thép stato; 3. Vỏ máy; 4. Giá đở stato; 5. ống dẫn chống cháy; 6. Dây quấn stato; 7. Vnh ép stato; 8. Lá chắn ngoi; 9. Lá chắn trong; 10. Lá chắn thông gió; 11. Che lá chắn; 12. Cán chổi; 13. Tay giữ chổi; 14. Chổi; 15. ổ trục; 16. Miếng lót; 17. ống phun dầu; 18. Giá đở ống phun; 19. Tấm mỏng; 20. Rôto; 21. Cực; 22. Máy kích thích Máy điện 2 1 a) Kết cấu máy đồng bộ cực ẩn Rô to máy đồng bộ cực ẩn đợc lm bằng thép hợp kim, gia công thnh hình trụ v phay rãnh để bố trí dây quấn kích thích. Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực của máy. Mặt cắt ngang của lỏi thep rôto nh hình 1-3. Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để hạn chế lực ly tâm D 1,1 - 1,15 m, để tăng công suất ta tăng chiều di rôto l đến 6,5m. Dây quấn kích thích thờng l dây đồng trần tiết diện hình chử nhật, quấn theo chiều dẹt thnh từng bối, giữa các vòng dây có một lớp cách điện bằng mica mỏng. Các bối dây đợc ép chặt trong các rãnh rôto sau đó miệng rãnh đợc kín bằng thanh thép không từ tính. Hai đâud ra của dây quấn kích thích đợc nối với 2 vnh trợc gắn trên trục. Máy phát kích thích thờng đợc nối cùn trục với rôto. Hình 1-3 M ặ t cắt n g an g lỏi thé p b) Kết cấu máy cực lồi. Máy cực lồi thờng quay với tốc độ thấp nên đờng kính rôto có thể lớn tới 15m, trong khi chiều di lại bé. Thờng l/D = 0,15 - 0,2. Với các máy nhỏ v vừa rôto đợc lm bằng thép đúc, gia công thnh khối lăng trụ trên có các cực từ, hình 1-4. Hình 1-4. Cực từ của máy đồng bộ cực lồi 1. Lá thép cực từ; 2. Dây quấn kích thích; 3. Đuôi cực từ; 4. Nêm; 5. Lỏi thép rôto Hình 1-5. Dây quấn cản hoặc dây quấn mở máy Với các máy công suất lớn rôto đợc ghép từ các lá thép dy từ 1-6 mm, dập định hình v ghép trên giá đở rôto. Cực từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dy từ 1-1,5 mm. Dây quấn kích thích đợc quấn định hình v lồng vo thân cực từ, hình 1.4 Trên bề mặt cực từ có một bộ dây quấn ngắn mạch, nh dây quấn lồng sóc của m.đ.k.đ.b. Với máy phát điệnđây l dây quấn còn với động cơ l dây quấn mở máy, nh hình 1.5 Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản. 1.2 Hệ thống kích từ. 1. Yêu cầu đối với hệ kích từ. - Khi lm việc bình thờng có khả năng điều chỉnh đợc dòng điện kích từ I t = U t /r t để duy trì điện áp định mức. - Có khả năng cỡng bức dòng kích từ tăng nhanh khi điện áp lới giảm thấp do có ngắn mạch ở xa. Thờng trong khoảng 0,5 giây phải đạt 2 )5,0( tdm tdmtm U UU , nh hình 1-6. - Triệt từ kích thích khi có sự cố bằng điện trở triệt từ R T Hình 1-6. Cởng bức kích thích Máy điện 2 2 2. Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ. a) Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ. Máy phát điện 1 chiều kích thích thờng có 2 cuôn dây kích thích: 1 cuộn song song L s dùng để tự kích thích v 1 cuộn độc lập L n , hình 1.7. b) Kích từ bằng máy phát kích từ xoay chiều có chỉnh lu, hình 1.8a l máy kích từ có phần cảm quay v phần ứng tĩnh v hình 1-8b l máy phát kích từ có phần cảm tĩnh v phần ứng quay c) Hệ thống tự kích thích hổn hợp, hình 1-9, theo sơ đồ ny điện áp v dòng điện kích từ sẽ tỷ lệ với U T v U I của biến điện áp TU v biến dòng điện TI. Hình 1-7 Kích từ bằng máy phát kích từ một chiều Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh Hình 1-8 Má y kích từ xoa y chiều có chỉnh lu Hình 1-9 Hệ thống tự kích thích hổn hợp của máy điện đồng bộ Máy điện 2 3 1.3 Nguyên lý lm việc cơ bản của máy điện đồng bộ Khi ta đa dòng điện kích thích một chiều i t vo dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện i t sẽ tạo nên một từ thông t . Nếu ta quay rôto lên đến tốc độ n (vg/ph), thì từ trờng kích thích t sẽ quét qua dây quấn phần ứng v cảm ứng nên trong dây quấn đó S.Đ.Đ v dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f 1 = p.n/60. Trong đó p l số đôi cực của máy. Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác () nh hình 1.10. Khi máy lm việc dòng điện phần ứng I chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trờng quay (đã biết ở phần 2 MĐ). Từ trờng ny quay với tốc độ đồng bộ n 1 = 60.f 1 /p. Hình 1-10 Nguyên lý LVCB Nh vậy ở máy điện đồng bộ ta thấy: n = n 1 chính vì vậy m ta gọi nó l máy điện đồng bộ. 1.4 Các trị số định mức. Kiểu máy; số pha; tần số (Hz); công suất định mức (kW hay KVA); điện áp dây (v); Sơ đồ dấu dây stato; Các dòng điện stato v rôto; Hệ số công suất; Tốc độ quay (vg/ph); Cấp cách điện. Máy điện 2 4 Chơng 2. Từ trờng trong máy điện đồng bộ 2.1 Đại cơng. Từ trờng trong m.đ.đ.b bao gồm: Từ trờng cực từ F t do dòng điện kích thích i t v từ trờng phần ứng F dòng điện phần ứng I tạo nên. Khi không tải (I = 0), trong máy chỉ có từ trờng F t . Nếu roto quay F t quét qua dây quấn stato v cảm ứng nên trong đó S.đ.đ không tải E 0 Khi có tải (I 0) , trong máy ngoi F t còn có F . Với máy 3 pha F l từ trờng quay, từ trờng ny bao gồm từ trờng cơ bản v từ trờng bậc cao. Trong đó từ trờng cơ bản l quan trọng nhất. Tác dụng của từ trờng phần ứng F lên từ trờng cực từ F t gọi l phản ứng phần ứng. Khi mạch từ không bảo ho ta xét riêng F t v F rồi xếp chồng để đợc F . Trong chơng ny ta cũng xác định các điện kháng do các từ trờng trên sinh ra. 2.2 Từ trờng của dây quấn kích thích (F t ). 1. Máy cực lồi. Sức từ động của một cực từ: p2 iw F tt t = 2-1 Từ thông do F t sinh ra khi p = 2 nh hình 2.1. Trong đó: t l từ thông chính, nó đi qua khe hở không khí v móc vòng với dây quấn Stato; t l từ thông tản của cực từ. Sự phân bố của từ trờng v từ cảm trong khe hở nh hình 2.1 v 2.2. Hình 2.1 Sự phân bố của từ trờng kích thích Hình 2.2 Phân bố của từ cảm trong khe hở Máy điện 2 5 Trên hình 2.2 sự khác nhau giữa từ cảm cơ bản v từ cảm kích từ B B t đợc biểu thị qua hệ số dạng sóng. tm B tm1 B t k = (2-2) Trong đó: B B tm1 l biên độ của sóng từ cảm cơ bản; B tm B l trị số cực đại của từ cảm k t m / ; = b c / . Thờng m / = 1-2,5; = 0,67-0,75 v k t = 0.95-1,15 Từ 2.2 ta có: t .k 2p t .i t w . d .kk 0 t .k . d .kk t F 0 tm .B t k tm1 B === (2-3) k l hệ số khe hở ; k d l hệ số bão ho dọc trục cực từ. Từ thông ứng với sóng cơ bản t k p t .i t w . . d .kk .l . 2 0 .l. tm1 B 2 t1 == (2-4) Từ thông móc vòng td = w.k dq . t1 .cos t v sức điện động hổ cảm trong dây quấn stato tsin 0m Etsin t1 dq .w.k dt td d 0 e === Khi rô to quay với tốc độ góc = 2. .f thì từ thông móc vòng với dây quấn phần ứng sẽ l: td = W.k dq . t1 .cos t Sức điện động hổ cảm trong dây quấn sẽ l: t sinEt sin.W.k dt d e 0mt1dq tud 0 === Trong đó: tudtudt tt d 0 dq0m .ix.i.M.i p .kW . kk .l .W.kE === 2-5 Vậy hệ số hổ cảm của dq kích thích v dq phần ứng l p .kW . kk .l M tt d 0 ud = 2-6 v điện kháng hổ cảm x d = .M d 2-7 Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích. L t = L t + L t 2-8 Với: L t l hệ số tự cảm do từ trờng tản gây ra (tra ti liệu TK); L t l hệ số tự cảm do từ trờng khe hở t gây ra. Nếu gọi k l tỷ số giữa diện tích giới hạn bởi đờng 1 v đờng 2 hình 2.2 thì. t = k . t1 .k.k p W . kk .l i .W L t 2 t d 0 t tt t == 2-9 Máy điện 2 6 2. Máy cực ẩn. Hình 2.3 biểu diễn sự phân bố của từ cảm cực từ v sóng cơ bản. Lấy trục cực từ lm gốc ta tính đợc. tm 2 2 )(1 tm 2 ).(1 0 tm 2 2 ttm1 B 2 2 sin 4 ).cos.d 2 (B . 2 . 4 dcosB 4 dcosB 2 B =+== Vậy với máy cực ẩn: 2 2 sin . 4 B B k tm tm1 t == 2-10 Thờng = 0,6 - 0,85, nên k t = 1,065 - 0,965. Hệ số hình dáng t k . 3 2 1 . 2 k = 2-11 Hệ số hổ cảm v tự cảm của máy cực ẩn cũng đợc xác định theo biểu thức 2.6 v 2.9. 2.3 Từ trờng phần ứng. Khi máy điện đồng bộ lm việc từ trờng do dòng điện I chạy trong dây quấn Stato sinh ra gọi l từ trờng phần ứng F . Tác dụng của F lên F t gọi l phản ứng phần ứng. Tuỳ thuộc vo tính chất của tải v dạng cực từ m phản ứng phần ứng có các dạng khác nhau. Hình 2.3 Sự phân bố của từ cảm cực từ 1. Phản ứng phần ứng ngang trục v dọc trục Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha đợc tợng trng bằng một vòng dây, thời điểm xét I & A = I m ; I & B = I & C = - I m /2 a/ Khi tải thuần trở. Khi tải đối xứng v thuần trở, I & v E & trùng pha nhau ( = 0). Tại thời điểm xét i A = I m nên F I & A E & A còn s.t.đ sinh ra e A F & A = E & Am sẽ vợt pha trớc E & t A một góc /2. Nh vậy trong trờng hợp ny u F & , phản ứng phần ứng l ngang trục. Đồ thị véc tơ thời gian F & I & , E & v không gian , nh hình 2.4 u F & t F & Hình 2. 4 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở Máy điện 2 7 b/ Khi tải thuần cảm. E & A vợt pha trớc I & A một góc / 2 v vợt pha trớc t F & E & A một góc /2, nên v trùng phơng nhng ngợc chiều, phản ứng phần ứng l dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian u F & t F & I & , E & v không gian , nh hình 2.5 u F & t F & Hình 2.5 Phản ứng phần ứng khi tải thuần cảm c/ Khi tải thuần dung. E & A chậm pha so với I & A một góc / 2 v vợt pha trớc t F & E & A một góc /2, nên v trùng phơng, chiều với nhau nên, phản ứng phần ứng l dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian u F & t F & I & , E & v không gian , nh hình 2.6 u F & t F & d/ Khi tải hổn hợp. E & A lệch so với I & A một góc , ta phân thnh 2 thnh phần: u F & F d = F .sin - dọc trục F q = F .cos - ngang trục Vậy khi 0 < < /2, phản ứng phần ứng l ngang trục v khử từ Vậy khi - /2 < < 0, phản ứng phần ứng l ngang trục v trợ từ Hình 2.6 Phản ứng phần ứng khi tải thuần dung Hình 2.7 Phản ứng phần ứng khi tải có tính 2. Từ cảm do từ trờng phần ứng v các điện kháng tơng ứng. a/ Máy đồng bộ cực ẩn. Với máy đồng bộ cực ẩn đều, nếu mạch từ không bảo ho thì từ trở l hằng số, nh vậy nếu F l sin thì BB cũng sin. .I p W.k 2m. kk .F kk B dq 0 u 0 um == 2-12 v .I p W.k 2m. kk .l.2. .l B 2 dq 2 0 umu == 2-13 Sức điện động phần ứng do từ thông cảm ứng nên có trị số: udqudqu f.W.k2 W.k 2 E == v p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x 2 dq 2 0 u u u == 2-14 Thờng x = 1,1 - 2,3 Máy điện 2 8 b/ Máy đồng bộ cực lồi. Máy đồng bộ cực lồi dọc trục v ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ l sin nhng từ cảm sẽ không sin. Sự không sin của B B còn phụ thuộc vo tính chất của tải. Để thuận lợi ta phân F ứng với một tải bất kỳ thnh hai thnh phần dọc trục v ngang trục nh hình 2.8 Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ v từ cảm dọc trục v ngang trục Ta có: d dqdq uud I p W.k 2m. I.sin p W.k 2m. .sin FF === 2-15 q dqdq uuq I p W.k 2m. I.cos p W.k 2m. .cos FF === 2-16 v từ cảm tơng ứng. ud d 0 udm F kk B = v uq q 0 uqm F . .kk B = 2-17 Thực tế B B d v B q B phân bố không sin, phân tích thnh sóng cơ bản v sóng bậc cao. Với các sóng cơ bản ta có hệ số dạng sóng: udm udm ud B B k 1 = v uqm uqm uq B B k 1 = 2-18 Các hệ số k d v k q phụ thuộc vo , m / , / đợc tính sẵn trong ti liệu thiết kế Các điện kháng tơng ứng xác định nh máy cực ẩn: ud 2 dq 2 d 0 d ud ud k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2-19 uq 2 dq 2 q 0 q uq uq k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2-20 Thờng: x d = 0,5 - 1,5; x q = 0,3 - 0,9 Máy điện 2 9 [...]... về phần ứng) Xác định x2 v r2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vo dây quấn stato quay rôto ngợc chiều từ trờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2 của một pha từ đó tính đợc: Z2 = U2 ; I2 r2 = Máy điện 2 P2 ; 2 I2 2 x 2 = z 2 r 22 21 3 Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nhng lệch pha nhau về không gian một góc 120 0 sinh ra trong khe hở... nối dây cân bằng 5 Sự đập mạch của điện áp ra Hình 1.9 Sự đập mạch của sức U1 = U 2 cos /2) ; U tb = Máy điện 2 U1 + U 2 1 = (1 + cos /2) 2 2 1.5 32 U = U 2 U tb = U tb U1 = 1 U 2 (1 cos /2) 2 1.6 Sự đập mạch đ/a ra đợc biểu thị trên hình 1.9 v đợc xác định: U 0,5.U 2 (1 cos /2) = = tg 2 /2 U tb 0,5.U 2 (1 + cos /2) = p.360 0 180 0 180 0 = = S S/2p G/2p 1.7 Khi G/2p = 8 thì độ đập mạch < 1% 6.3 Dây... có: Q= 1 mU 2 1 1 mU 2 1 mUE ( + ) ( )cos2 cos + 2 xq xd 2 xq xd xd Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ nh hình 3.11 Khi -' < < +' máy phát công suất phản kháng vo lới, ngoi phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng Hình 3-10 Từ trờng khe hở a) máy phát, b) động cơ Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi Máy điện 2 15 Chơng 4 Máy phát điện đồng bộ lm việc với... thiết kế Máy điện 2 10 Chơng 3 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại cơng Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện từ của máy điện đồng bộ 3 .2 Phơng trình điện áp v đồ thị véc tơ Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha Đối với máy phát điện: & & & U = E I(ru + jx u ) 3-1 Đối với động cơ v máy bù đồng bộ: & & &... chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vi chục oát - Với máy đồng bộ cực ẩn vì xd = xq nên P = m UE sin x db 3.11 Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh hình 3.9 Động cơ Máy phát Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng a) máy cực lồi; Máy điện 2 14 Động cơ b) máy cực ẩn Máy phát 2 Đặc tính góc công suất phản kháng Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ đợc tính: Q = mUIsin... đó tính đợc: Z2 = U2 ; I2 r2 = Máy điện 2 P2 ; 2 I2 2 x 2 = z 2 r 22 26 3 Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nhng lệch pha nhau về không gian một góc 120 0 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời gian nhng lệch pha về không gian 120 0 Khi phân tích các s.t.đ thnh các sóng điều ho thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 l tồn... x2 = x d = xq q x + x d q 5-6 5-8 5-9 5-10 2 Thờng x < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0, 12 - 0 ,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 v không có dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6 Điện trở thứ tự ngợc r2 = r + rr /2 (Với rr l điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng) Xác định x2 v r2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vo dây quấn stato quay rôto ngợc chiều từ trờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2... (5 -22 )t ta đợc: Hình 5-7 Ngắn mạch hai pha máy phát đ.b & & & & & & I 0 = 0; U 0 = 0; I 1 + I 2 = 0 Từ (5-19) suy ra U b U c = 0 thế vo phơng trình (5 -2) & & ta có: U 1 = U 2 , thay vo (5-3) đợc: & & E 0 = ( Z1 + Z 2 ) I 1 hay l & & I1 = I 2 = & E Z1 + Z 2 Cuối cùng ta đợc I&n 2 = I&b = I&c = a 2 I&1 + aI &2 = (a 2 a) I&1 = j 3I&1 = & j 3E 0 Z1 + Z 2 (5 -22 ) Bỏ qua r ta có đồ thị véc tơ dòng điện. .. 1 Z 1 ; 0 = U 2 + I 2 Z 2 ; 0 = U 0 + I 0 Z 0 5-3 Từ các phơng trình 5-1; 5 -2 v 5-3 ta suy ra & & & & & U a = ( E0 I1 Z1 ) I 2 Z 2 I 0 Z 0 & & & & & U b = a 2 ( E0 I1 Z1 ) a I 2 Z 2 I 0 Z 0 & & & & & U c = a ( E0 I1 Z1 ) a 2 I 2 Z 2 I 0 Z 0 5-4 Các phơng trình 5-1; 5 -2 v 5-3 l cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng Nó gồm 9 phơng trình có chứa 12 ẩn số, (E0, Z1; Z2; Z0 đã biết),... có dây quấn cản x2 = x2 = x + x q d 2 x = x u + d 5-7 1 Khi không có dây quấn cản 1 5-5 x q = x u + xu q = x q 1 1 + xu d x t , thờng x d x nên x2 = x d = xq q x + x d q 5-6 5-8 5-9 5-10 2 Thờng x < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0, 12 - 0 ,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 v không có dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6 Điện trở thứ tự ngợc r2 = r + rr /2 (Với rr l điện trở rôto đã . thứ t Máy điện đồng bộ Chơng 1. Đại cơng về máy điện đồng bộ - Hầu hết các nguồn điện xoay chiều công nghiệp v dân dụng đều đợc sãn xuất từ máy phát điện đồng bộ. - Động cơ đồng bộ đợc dùng. bằng điện trở triệt từ R T Hình 1-6. Cởng bức kích thích Máy điện 2 2 2. Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ. a) Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ. Máy. Máy điện 2 10 Chơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại cơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện