Giáo trình máy điện (nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số 77/QĐ-CĐTB-ĐT ngày 19 tháng 01 năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng Nông lâm Trung Năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Bản quyền thuộc Khoa Điện –điện tử trường Cao đẳng CĐ- XD- & NLTB Mọi chi tiết xin liên hệ khoa Điện- điện tử ĐT: Email: khoad.dientu@gmail.com Bài Khái niệm chung máy điện       Giới thiệu: Trong tự nhiên ln có chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác Điện dạng lượng Nó cần thiết sản xuất giữ vai trò định cho phát triển kinh tế đặc lĩnh vực điện khí hố, tự động hố cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thơng vận tải ngày địi hỏi thiết bị khác Trong máy điện sử dụng phổ biến để biến năng, điện 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 tua bin hơi, tua 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 dùng điện …việc biến đổi thực nhờ máy biến áp Mục tiêu thực hiện: Học xong học này, học viên có lực: - Phát biểu khác loại máy điện hoạt động theo cấu tạo, theo nguyên tắc hoạt động, theo loại dịng điện - Giải thích q trình phát nóng làm mát máy điện hoạt động, theo nguyên tắc định luật điện Nội dung chính: Các định luật điện từ dùng máy điện Định nghĩa phân loại máy điện Nguyên lý máy phát điện động điện Sơ lượt vật liệu chế tạo máy điện Phát nóng làm mát máy điện Các hình thức học tập: Học lớp Khái niệm máy điện  Học viên tự đọc tài liệu liên quan đến giảng,  Học viên trả lời câu hỏi làm tập Hoạt động 1: nghe thuyết trình lớp, có thảo luận Khái niệm chung máy điện I Các định luật điện từ dùng máy điện Định luật lực điện từ Khi dẫn có dịng điện chuyển động từ trường dẫn chị tác dụng lực điện từ có trị số: Fdt = BlI +Trong đó: B cường độ tự cảm đo T(tesla) I chiều dịng điện chạy dẫn tính A v vận tốc chuyển động dẫn m/s α góc hợp (I ,B) Fđt=BI l sin α Chiều sức lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái Giáo trình máy điện -1- Khoa Điện- điện tử 2.Định luật cảm ứng điện từ: + Mọi biến thiên từ thơng móc vịng qua vịng dây, ống dây hay mạch điện tạo sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông e  w d dt +Trong : W số vịng dây dẫn d tốc độ biến thiên từ thông theo thời gian dt Dấu trừ (-) biểu thị sức điện động luôn ngược chiều với từ thông sinh sức điện động cảm ứng 3.Sức điện động dây dẫn chuyển động cắt ngang từ trường -Trường hợp dẫn chuyển động từ trường dẫn sinh sức điện động cảm ứng : e = Blv sinα +Trong đó: B cường độ tự cảm đo T(tesla) l chiều dài dẫn từ trường đo m v vận tốc chuyển động dẫn m/s α góc hợp (v ,B) máy điện α góc quay biến thiên α=ωt Chiều sức điện động cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải Định luật sức từ động Trong mạch điện cuộn dây có lõi thép sức từ động mạch tích số số vòng dây dòng điện chạy qua dây dẫn: Ftđ=W I Trong đó: W số vịng dây I dòng điện chạy qua dây dẫn Chiều sức từ động xác định theo qui tắc vặn nút chai Năng lượng tích lũy cuộn dây tỉ lệ với hệ số tự cảm dòng điện chay qua cuộn dây: Ett= LI2 mạch: Trong : L hệ số tự cảm I dòng điện chạy cuộn dây Nếu mạch điện có hai hay nhiều cuộn dây hỗ cảm lượng từ trường Ett= L1I12 + L2I22 +M12 I1I2 Trong M12 hệ số hỗ cảm II.Định nghĩa phân loại Giáo trình máy điện -2- Khoa Điện- điện tử Định nghĩa -Máy điện thiết bị điện- từ , nguyên lí làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ - Các phận máy điện gồm mạch từ (lõi thép) mạch điện(dây quấn) thành điện năng(máy phát điện) ngược lại biến đổi điện thành ( động điện) dùng để biến đổi thông số điện như: biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha… Ngồi cịn số phận khác vỏ máy, tản nhiệt, giá đỡ…v.v… Máy điện thường sử dụng nhiều nghành kinh tế công nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ sinh hoạt gia đình… Phân loại máy điện - Máy điện có nhiều loại phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo công suất; theo cấu tạo; theo chức năng; theo nguyên lý làm việc …Tuy nhin dựa theo nguyên lý biến đổi lượng ta có loại máy điện sau: a Máy điện tĩnh: Là loại máy điện khơng có phận thực cơng chuyển động học thường gặp máy biến áp Máy điện tĩnh làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ biến thiên từ thông cuộn dây khơng có chuyển động tương Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện Do tính chất thuận nghịch quy luật cảm ứng điện từ, trình biến đổi lượng điện có tính chất thuận nghịch Ví dụ: máy biến áp biến đổi điện có thơng số : U1,I1,f thành hệ thống điện U2 ,I2 ,f ~ ~ U1,I1,f U2,I2,f Máy điện quay: Là loại máy điện có phận chuyển động quay gọi phần quay (Rơ tor), phần cịn lại phần tĩnh (Stator) Giữa phần tĩnh phần quay có khoảng cách nhỏ gọi khe hở khơng khí Ngun lý làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện từ Máy điện quay thường dùng để biến đổi điện thành năng( động điện) ngược lại biến đổi thành điện năng(máy phát điện) Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch tức máy điện làm việc chế độ máy phát điện động điện U,f My pht ~ Pđiện Giáo trình máy điện Động Pcơ -3- Khoa Điện- điện tử -Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp Máy diện Máy biến áp Máy diện có phần quay Máy diện xoay chiều Máy diện Không đồng Máy biến áp Động không đồng Máy phát không đồng Máy diện chiều Máy diện đồng Động đồng Máy phát đồng Động đồng Máy phát đồng III.Nguyên lý máy phát điện động điện Nguyên lý máy phát điện động điện Nguyên lý làm việc máy điện dựa sở định luật cảm ứng điện từ Sự biến đổi lượng máy điện thực thông qua từ trường Để tạo từ trường mạch 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: 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 động điện: a Chế độ máy phát điện Cho động sơ cấp tác dụng vào dẫn lực học Fcơ dẫn chuyển động với tốc độ v từ trường nam châm N- Strong dẫn cảm ứng sức điện động e: ω N a + A b o’ c d B S Đ - Hình 1.2 Nguyên lý máy phát Giáo trình máy điện -4- Khoa Điện- điện tử Nếu nối vào dẫn điện trở R tải có dịng điện I chạy dẫn cung cấp điện cho tải Nếu bỏ qua điện trở dẫn , điện áp đặt vào tải u = e Công suất điện máy phát cung cấp cho tải là: Pđ = ui = ei Dòng điện I nằm dẫn đặt từ trường chịu tác dụng lực điện từ: Fđt=BI l sin α Khi máy quay với tốc độ không đổi lực điện từ cân với lực động sơ cấp: Fcơ = Fđt Nhân vế với v ta có : Fcơ.v =Fđt.v= Bilv = ei Như công suất động sơ cấp Pcơ = Fcơ.v biến đổi thành công suất điện Pđ= ei nghĩa biến thành điện b Chế độ động điện Cung cấp điện cho máy phát phát điện , điện áp u nguồn gay dòng điện I dẫn Dưới tác dụng từ trường có lực điện từ Fđt = Bil tác dụng lean dẫn làm dẫn chuyển động với tốc độ v coa chiều hình vẽ: b Iư Fđt a c + d - ω Iư Fđt B Hình 1.3 Nguyên tắc cấu tạo làm việc động điện Như công suất điện Pđ= ui đưa vào động biến thành công suất Pcơ = Fđt.v trục động điện biến thành c.Tính thuận nghịch máy điện: Ta nhận thấy thiết bị điện từ tùy theo lượng đưa vào máy điện làm việc chế độ động máy phát điện -Nếu lượng đưa vào máy lượng đầu điện ta có máy điện làm việc chế độ máy phát -Nếu lượng đưa vào máy điện lượng đầu ta có máy điện làm việc chế độ động Như máy điện quay có hoạt động chế độ máy phát thểcũng làm việc chế độ động cơ.Đo tính thuân nghịch máy điện 1.4.Sơ lược vật liệu chê tạo máy điện Vật liệu dùng máy điện chia làm ba loại : vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện vật liệu kết cấu 1.4.1.Vật liệu tác dụng Giáo trình máy điện -5- Khoa Điện- điện tử Đây vật liệu dẫn từ vật liệu dẫn điện,các vật liệu dùng để tạo điều kiện cần thiết sinh biến đổi điện từ a.Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo mạch từ máy điện.Người ta thường dùng thép kỹ thuật điện có hàm lương si líc khơng vượt q 4,5% Hàm lượng Si líc để hạn chế tổn hao tuwf trễ dịng điện xốy.Đối MBA thường dùng thép dày 0,35mm ,máy điện quay dùng thép dày 0,5mm, thép phủ sơn cách điện ghép lại với để hạn chế tổ hao dòng điện xốy Thép kỹ thuật điện có hai loại thép cán nóng thép cán nguội Thép cán nguội có từ tính tốt thường sử dụng b.Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo phận dẫn điện.Vật liệu dẫn điện thường dùng máy điện đồng địng có điện trở suất nhỏ ρ=0,0172 Ωmm2/m.Ngồi nhôm được sử dụng rộng rãi máy điện ,tuy nhiên điện trở suất nhôm lớn gấp hai lần điện trở suất đồng ρ=0,0282 Ωmm2/m 1.4.2.Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng để cách ly phận dẫn điện phận không dẫ điện, phận dẫn điện với nhau.Những vật liệu địi hỏi phải có độ cách điện cao,chịu nhiệt tốt,tản nhiệt tốt,chống ẩm bền học.Độ bền vững cách điện bọc dây dẫn định nhiệt độ cho phép dây dẫn Nếu tính chất cách điện cao lớp cách điện mỏng kích thước máy điện giảm.Chất cách điện chủ yếu nhóm: -Chất hữu tự nhiên giấy,vải lụa -Chất vô ami ăng,mica, sợi thủy tinh -Chất tổng hợp -Các loại men,sơn điện Chất cách điện tốt mica,nhưng mica lại đắt nên dùng máy điện có điện áp cao.Thơng thường dùng vật liệu có sợi giấy ,vải, loại có độ bền cao dẫn nhiệt ,hút ẩm cách điện kém.Do cách điện sợi phải ddueoecj tẩm sấy để cải thiện tính vật liệu cách điện 1.4.3.Vật liệu kết cấu Đây vật liệu để chế tạo chi tiết chịu tác động học trục,ổ trục, vỏ máy,nắp máy.Vât liệu kết cấu thường gang,thép lá,thép rèn,kim loại màu hợp kim chúng,các chất dẻo Các cấp cách điện máy điện Cấp Nhiệt độ giới hạn Nhiệt độ cho phép cách cho phép vật liệu trung bình dây Vật liệu điện (0C) quấn(0C) A Sợi xen lu lô, tơ 105 100 tẩm vật liệu hữu lỏng E Vài loại màng tổng hợp 120 115 B Ami ăng, sợi thủy tinh có chất 130 120 kết dính vật liệu gốc mica F Ami ăng,vật liệu gốc mica, sợi 155 140 thủy tinh có chất kết dính Giáo trình máy điện -6- Khoa Điện- điện tử tổng hợp H Vật liệu gốc mica, sợi thủy 180 165 tinh phối hợp chất kết dính tẩm silic hữu 1.5 Phát nóng làm mát MĐ: 1.5.1 Đại cương: Các tổn thất trình biến đổi lượng MĐ biến thành nhiệt làm nóng phận cấu tạo MĐ Tổn hao nhiều tải nặng máy nóng Nhiệt độ MĐ phụ thuộc vào chế độ làm việc: liên tục, ngắn hạn ngắn hạn lặp lại Vì kích thước chế độ làm việc định nên sử dụng không vượt giá trị định mức máy Nếu máy tản nhiệt mơi trường tốt cơng suất tăng, khả mang tải nhiều Các máy điện thường làm việc nhiều chế độ khác đa dạng a Làm việc với tồn cơng suất thời gian dài b Làm việc ngắn hạn c Làm việc theo chu kì d Làm việc với tải thay đổi Do chế độ làm việc khác nên phát nóng MĐ khác Vì MĐ phải thiết kế theo chế độ cụ thể cho phận phát nóng phù hợp với vật liệu Một số dạng sau đây:  Chế độ làm việc định mức liên tục: Ở chế độ này, nhiệt độ tăng máy phát đạt tới giá trị xác lập (với điều kiện tăng nhiệt độ môi trường không đổi)  Chế độ làm việc định mức ngắn hạn: Thời gian làm việc máy không đủ dài để phận máy đạt tới giá trị xác lập sau thời gian máy nghỉ đủ dài để nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ môi trường xung quanh  Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: Thời gian máy làm việc nghỉ chu kì khơng đủ dài để nhiệt độ phận máy đạt đến giá trị xác lập Chế độ đặc trưng tỉ số thời gian làm việc thời gian chu kì làm việc nghỉ Các tỉ số chế tạo với 15%, 25%, 40%, 60% Chú ý: máy điện chế tạo để dùng chế độ làm việc định mức liên tục 1.5.2 Sự phát nóng nguội lạnh máy điện: Các máy điện có cấu trúc phức tạp gồm nhiều phận hình dạng khác làm lạnh vật liệu có độ dẫn nhiệt không giống Khi máy làm việc, nhiệt độ lõi thép, dây quấn không có trao đổi nhiệt phận Hơn nhiệt độ chất làm lạnh khu vực máy không giống a Các kiểu cấu tạo máy điện: Kiểu cấu tạo máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy mơi trường bên ngồi Cấp bảo vệ kí hiệu chữ IP kèm theo hai số, chữ số thứ  chữ thứ hai P: +  gồm cấp đánh số từ đến mức độ bảo vệ chống tiếp xúc người vật rơi + P gồm cấp, đánh số từ dến mức độ bảo vệ chống nước vào máy + Số IP rằng, máy khơng bảo vệ Chia kiểu cấu tạo sau: Giáo trình máy điện -7- Khoa Điện- điện tử Với R = Rư + Rf Rf biến thiên n  U R  C te tg  biến đổi bậc k CE   Vậy Rf thay đổi ta có họ đặc tính thay đổi qua điểm no độ dốc tăng dần (mềm dần) Rf tăng d) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp U đặt vào phần ứng (đm ): R Khi thay đổi điện áp (U< Uñm ), n0 thay đổi tỉ lệ thuận với U, cịn tg   const Ta có họ đặc tính song song thấp dần U giảm dần k Hình 5.48 Đặc tính động điện chiều kích thích song song điện áp khác B Động điện chiều kích từ nối tiếp (ĐCĐMCKTNT): a) Phương trình đặc tính cơ: Trong ĐCĐMCKTNT Iư = It = I Mc biến thiên Iư biến thiên, It biến thiên (từ trường động cơ,  biến thiên) Theo đặc tính mạch từ quan hệ  = f(It ) tuyến tính mạch từ chưa bão hịa Trong động điện kích thích nối tiếp Mc   2  .Mcđm mạch từ chúng làm việc loạt chế độ khác từ chưa bão hòa, bão hòa bão hòa sâu Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa:   It ,   k It , k   C te vùng I < 0,8Iđm Dựa vào phương trình đặc tính tốc độ động điện chiều nói chung phương trình đặc tính tốc độ ĐCĐKTNT có dạng: U R  Iư C E k  I ö C E k  I ö U R ; B thì: A C E k  C E k  n Đặt n A B Iö (6) Muốn có phương trình đặc tính Giáo trình máy điện - 235 III Khoa Điện- điện tử Hình 5.49 Đặc tính động điện Hình 5.50 Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích thích nối tiếp: a) mắc sun cho dây quấn kích thích; b) thay đổi số vịng dây dây quấn kích thích; c) mắc sun cho phần ứng; d) thêm điện trở vào mạch phần ứng cần thay : Từ ta có: Iư  M  CM Iö  M M  CM CM k  Iö M CM Thế Iư vào (1) đặt Ta có phương trình đặc tính cơ: n C A = CM = C = C te M B (7) Từ (6) (7) ta thấy đặc tính tốc độ đặc tính ĐCĐMCKTNT có dạng hyperbol với điều kiện mạch từ chưa bão hòa Trong thực tế ĐCĐMCKTNT chế tạo làm việc với mạch từ bão hòa Mc > Mcđm Nghĩa Mc  Mc đm đặc tính đặc tính tốc độ tuân theo qui luật hyperbol Còn Mc > Mcđm Mc tăng  khơng đổi có đoạn đặc tính gần đường thẳng AB: hyperbol BC: đường thẳng b) Điều chỉnh tốc độ:  Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng: Nếu dịng điện kích thích lúc đầu Iư1 = It1 sau nối theo hình 5.50a, b: It2 = k.Iư1 với k hệ số hiệu chỉnh: Rst k (hình 5.50a) Rt  Rst W/ t K  (hình 5.50b) Wt Trong đó: w't số dây quấn kích thích sau nối theo b Như   k.k  Iư1 nên      đm , n tăng (đặc tính 2) Trường hợp c: mắc tổng trở giảm, I = It tăng, n giảm ứng với đường đặc tính  Thêm Rf vào mạch phần ứng: Lúc mạch từ bão hòa coi Đ = Cte giống động điện kích từ song song Giáo trình máy điện - 236 - Khoa Điện- điện tử Lúc mạch từ không bão hịa từ thơng tỉ lệ với Iư Đối với hệ thống có qn tính đủ lớn, ta viết chừng phương trình s.đ.đ thời gian Dt sau đặt thêm Rf dạng: n U  RIö CE C / E  CE U  C / E.n.I/ ö  I/ ö (RĐ  Rf ) C / E.n.I/  CE.k  I/ n Từ ta có dịng điện phần ứng sau đặt Rf là: I/ ö  U C / E.n  (RĐ  Rf ) Hình 5.51 Đặc tính động điện chiều kích thích nối tiếp trường Dịng điện phần ứng trước đặt biến trở: Iö  hợp điều chỉnh tốc độ khác U C / E.n  RĐ Ta lập tỉ số: I/  Iư  Khi đặt điện trở vào làm dòng điện phần ứng giảm, mơment giảm Mc = Cte Mđl = MĐ – Mc< làm tốc độ quay giảm, sức điện động giảm, dòng điện phần ứng tăng đến trị số ban đầu làm việc ổn định n2