Moment trong hệ mạch từ
Mạch từ là mạch kép kín dùng để dẫn từ thông Là mạch từ đơn giản , đồng nhất bằng thép kĩ thuật điện, và có một dây quấn.
HL = wi Trong đó: H - cường độ từ trường trong mạch từ do bằng A/m; l - chiều dài trung bình của mạch từ đo bằng m;
W - số vòng dây của cuộn dây;
Dòng điện i tạo ra từ thông cho mạch từ, gọi là dòng điện từ hóa.
Tích số wi được gọi là sức từ động.
Hl được gọi là từ áp rơi trong mạch từ.
Biết IA, B=0,5T, R=0,1m, l=0,3m, α0 o Tính lực điện từ Fe tác động lên mỗi thanh dẫn rotor?
Tính moment tác động lên 2 thanh dẫn rotor?
Welec Wfld Wmech ei.dt=dW fld + dW mech mà e= dψ dt và W mech = f fld X id ψ = dW fld + d(f fld X) giả sử f fld = const dW fld = id ψ - f
Cân bằng năng lượng
P e = P cu + dW dt fld + P conv
P conv = P loss−mech + dW dt mech + P mech
P m = P loss−mech + dW dt mech + P el - P e 2
P conv = t e ω mech với t e là moment điện tử. Điện năng = Năng lượng từ trường + Cơ năng + Nhiệt năng dWelec - dWmech = dWfld
Năng lượng và lực từ trong hệ một nguồn kích từ
Năng lượng là một đại lượng vật lý cần thiết để thực hiện công việc hoặc làm nóng các đối tượng Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng không thể tự nhiên sinh ra hoặc mất đi, mà chỉ có thể chuyển đổi giữa các dạng khác nhau.
Các dạng năng lượng phổ biến bao gồm động năng của vật chuyển động, năng lượng tiềm tàng từ vị trí của vật trong trường lực như lực hấp dẫn, điện hoặc từ, năng lượng đàn hồi từ việc kéo căng vật thể rắn, năng lượng hóa học được giải phóng khi nhiên liệu cháy, năng lượng bức xạ mang theo ánh sáng, và năng lượng nhiệt do nhiệt độ của vật thể Các công thức liên quan đến năng lượng cũng được đề cập, như e = dψ dt và dW, với các biểu thức cho năng lượng cơ học và năng lượng từ trường.
- Chuyển động thẳng: P c = f fld dx dt = dW mech dt ⇒ F FLD = dW mech dX
- Chuyển động quay: P c = t e dθ dt =t e ω dW mech dt ⇒ t e = dW mech dθ
- Với năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây máy điện: dW fld = idλ−f fid dX
- Giả sử i=const khi x thây đổi rất chậm.
Nếu mạch từ tuyến tính, , nên W fld chỉ phụ thuộc vào và x.
Mà kh =0 thì f fld =0 nên dW fld (0,x)=0
Có thể tính năng lượng tích lũy trong từ trường thông qua mật độ khối của năng lượng từ trường theo thể tích V:
Nếu mạch từ tuyến tính, B H :
- Cho mạch từ tuyến tính λ = L (X) i Biết N= 1000 vòng, δ =0.002m=g+g, D=0,15m,l=0,1m,IA. a) Tính W fld khi piston dịch chuyển một đoạn x? Tính lực f fld b) Với x=0,01m, tính W fld và lực f fld ? Với L=N 2 μ 0
Tính toán lực từ: Đồng năng lượng
d W fld ( λ ,x)=id λ - f fld dx W fld tính theo λ lva x
⇒ f fld ( λ 0 ,x) = −∂ W ∂ x fld (λ 0 , x) Định nghĩa “ đồng năng lượng” W fld theo i và x:
W fld ' (i,x) =i λ −¿ W fld ( λ ,x) Tương tự, moment:
Với hệ thống tuyến tính, λ= L(X )i , có thể đồng năng lượng:
Khi mạch từ tuyến tính, λ và I tỷ lệ:
W ' fld = ∫ V ( 1 2 μ B 2 )dv Chú ý, theo định nghĩa: W fld W ' fld
= λi , kể cả khi mạch không tuyến tính.
Ví dụ: Tính lực tác động lên piston f fld theo W fld vàW’ fld khi piston dịch chuyển một đoạn x=0,01m?
Biết N00 vòng,=0,002m=g+g, d=0,15m, l=0,1m, IA. f fld = - ∂W ∂ x fld f fld = - ∂W ' ∂ x fld (i ,x )
I.6 Lực và moment trong hệ các mạch từ có nam châm vĩnh cửu
Trong đó I fO là dòng điện chạy trong cuộn dây giả tưởng tạo ra từ trường vừa đủ khử từ trường NCVC.
I.7 Năng lượng và lực từ trong hệ nhiều nguồn kích từ
Ví dụ: Máy điện có 2 cuộn dây, mạch từ tuyến tính (chế độ động cơ)
Chương 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
I Giới thiệu máy điện quay AC I.1 Máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, với tốc độ của rotor n khác biệt so với tốc độ từ trường quay n Loại máy này có khả năng hoạt động trong hai chế độ: động cơ và máy phát.
Khi phân loại máy điện không đồng bộ, có thể căn cứ theo:
Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung…
Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: kiểu rotor dây quấn và kiểu rotor lồng sóc.
Theo số pha: kiểu một pha, hai pha, ba pha.
Stator (phần tĩnh) gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép stator có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, với rãnh bên trong được dập và ghép lại để hình thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào vỏ máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dây quấn stator thường sử dụng dây đồng có lớp cách điện và được đặt trong các rãnh của lõi thép Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua dây quấn, nó sẽ tạo ra một từ trường quay.
Vỏ máy bao gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.
Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện, được lấy từ lõi thép stator và ghép lại với nhau Bề mặt bên ngoài của lõi thép rotor được dập rãnh để bố trí dây quấn, trong khi phần giữa có lỗ dập để lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto.
Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và kết nối với hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối, tích hợp thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong các động cơ có công suất trên 100kW, thanh dẫn bằng đồng được lắp vào rãnh rotor và gắn chặt với vành ngắn mạch.
Rotor dây quấn được thiết kế tương tự như dây quấn ba pha của stator, với số cực từ bằng nhau Loại dây quấn này luôn được đấu theo kiểu sao (Y) và có ba đầu ra kết nối vào ba vành trượt, gắn liền với trục quay của rotor và được cách điện với trục Ba chổi than cố định tiếp xúc với vành trượt để dẫn điện vào biến trở bên ngoài, giúp khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ.
- Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng bộ
Khi dòng điện ba pha chạy qua dây quấn stato, từ trường quay xuất hiện trong khe hở không khí với tốc độ n = 60f/p, trong đó f là tần số lưới điện và p là số đội cực từ Từ trường này tác động lên dây quấn roto, tạo ra sức điện động E và dòng điện I trong dây quấn roto Dòng điện này sinh ra từ thông kết hợp với từ thông của stato, tạo thành từ thông tống trong khe hở Tương tác giữa dòng điện trong dây quấn roto và từ thông khe hở sinh ra mô men, phụ thuộc vào tốc độ quay n của roto Chế độ làm việc của máy sẽ khác nhau tùy theo các phạm vi tốc độ khác nhau.
- Các đại lượng định mức
Máy điện không đồng bộ được thiết kế với các đại lượng định mức phản ánh điều kiện kỹ thuật của máy, được quy định bởi nhà sản xuất và ghi trên nhãn máy Chủ yếu hoạt động ở chế độ động cơ, nhãn máy chỉ ghi các trị số làm việc tương ứng với tải định mức.
Điện áp dây định mức.
Kiểu đấu sao hay tam giác
Tốc độ quay định mức.
Hệ số công suất định mức.
- Công dụng của máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện.
Động cơ không đồng bộ, với kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành hợp lý, đang trở thành loại máy được ưa chuộng nhất trong các ngành kinh tế quốc dân Chúng thường được sử dụng trong công nghiệp để cung cấp động lực cho máy cán thép vừa và nhỏ, máy công cụ, cũng như trong hầm mỏ cho máy tời và quạt gió Trong nông nghiệp, động cơ này được áp dụng cho máy bơm và máy chế biến nông sản Ngoài ra, trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ cũng đang dần chiếm lĩnh thị trường với các sản phẩm như quạt gió và tủ lạnh Tóm lại, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên phong phú và đa dạng.
Máy điện không đồng bộ mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm như hệ số công suất (cosφ) thường không cao, và khả năng điều chỉnh tốc độ kém, điều này làm hạn chế ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực.
I.2Sức từ động của dây quấn rải
Với dòng điện một chiều cấp vào cuộn dây, sức từ động trên khe hở kk là: F a = ¿
Họa tần bậc 1 của sức từ động theo không gian: F a1 = ( 4 π ¿ 2 ) cos θ
Dây quấn rải, có họa tần bậc 1 của sức từ động : F a1 = ( 4 π k dq N ph 2 i a ) cos ¿ )
Dây quấn rải, nhiều cặp cực=P, có họa tần bậc 1: F a1 = ( 4 π k dq N 2 ph P i a ) cos ¿ )
Ví dụ 4.1: Cho máy điện như hình trên, stator pha a có:2 cực8 vòng/khe, mang dòng điện i a
Có tất cả 24 khe quấn dây, trong đó pha a ở vị trí 8 khe: a g,5 o , 82,5 o , 97,5 o , 112,5 o và
Để tính sức từ động theo trục của cuộn dây quấn theo khe 112,5° và -67,5°, ta cần thiết lập phương trình tương ứng Tương tự, phương trình sức từ động cho cuộn dây quấn theo khe -112,5° và 67,5° cũng cần được viết ra Đối với pha a, ta sẽ xác định vector không gian của sức từ động tổng Hệ số ghép dây quấn k dq sẽ được tính toán, và sau đó, nếu có 6 vòng dây ở 4 khe bên ngoài biên của pha a, k dq sẽ được tính lại.
Sức từ động phía rotor: F r1 = ( 4 π k r N 2 r P i r ) cos ¿ )
I.3Từ trường trong máy điện quay
Để tính biện độ dòng điện cần thiết cho máy điện có rotor 4 cực với 263 vòng/pha và hệ số dây quấn 0,935, ta cần xác định biên độ từ trường 1,6T trong khe hở 0,7mm.
Ví dụ 4.2b: Cho máy điện có rotor 2 cực, dây quấn rải, 830 vòng/pha, khe hở kk
2,2cm Từ trường được tạo ra bởi dòng điện có biện độ 47A, và từ trường đo được trong khe hở kk là 1,35T? Tính hệ số dây quấn rotor k r
I.4.Sức từ động trong máy điện xoay chiều
Nếu cấp vào cuộn dây dòng điện xoay chiều: i a =I m cos( e t), sức từ động theo không gian và thời gian : F a1 = F m cos(P θ ) cos e t)
F a1 = 1 2 F m cos (θ e +ω e t) là 2 vector quay ngược chiều nhau với tốc độ e theo thời gian.
5.2 Các phương trình cơ bản
-Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn stato:
Máy điện KĐB hoạt động với dây quấn rôto kín mạch, thường ở trạng thái ngắn mạch Khi kết nối dây quấn stato với nguồn ba pha, phương trình cân bằng sđđ khi rôto quay tương tự như khi rôto đứng yên.
Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn rôto liên quan đến từ trường khe hở do stđ F0 sinh ra, quay với tốc độ n1 Khi rôto quay với tốc độ n cùng chiều từ trường, tốc độ trượt giữa rôto và từ trường được xác định là n2 = n1 - n Từ đó, tần số sđđ và dòng điện trong dây quấn rôto được tính bằng công thức f2 = n * 60 / (2 * p) = n1 * (n - n).
Sđđ cảm ứng trong dây rôto lúc quay:
√ 2 = s E ˙ 2 Phương trình cân bằng sđđ của mạch điện rôto:
Phương trình cân bằng sđđ của mạch điện rôto:
0 = E ˙ 2 S − ˙ I 2 ( r 2 + jX 2S ) Phương trình cân bằng stđ : (vì stđ stato F 1 và rôto F 2 quay cùng ω 1 )
Phương trình đặc trưng của máy điện KĐB khi rôto quay:
Nhiều pha: i a (t) =I m cos( e t) i b (t) = I m cos( e t – 120 0 ) i c (t) = I m cos( e t+ 120 0 )
=> F( θ ,t)= 3 2 F m cos (θ e −ω e t ) hay F( θ ,t)= 3 2 F m cos ( Pθ− Pωt) Sức từ động tổng quay với vận tốc góc: ω = ω m = ω P e
Vận tốc quay của từ trường:n = 60 2 ω π e = 2 60 π 2 P πf = 60 P (vòng/phút=r/min=RPM)
Ví dụ 4.3: Tính tốc độ quay (vòng/phút) của từ trường cho máy điện 3 pha 50Hz có số cáp cực là 1, 2, 3?
I.5.Sức điện động cảm ứng trong máy điện xoay chiều
B m cos ¿ P θ r )rd θ r = P 2 B m 1r λ a = k dq N ph Φcos(Pθ ) λ a = k dq N ph Φcos(Pωt ) λ a = k dq N ph Φcos(ω e t ) e = d λ dt a = - k dq N ph ω e Φ sin (ω e t)
Ví dụ 4.4: Máy phát 3 pha, nối Y, 50Hz:
Tại Rotor quay 3000RPM với dòng kích từ rotor I f = 720Adc, chúng ta cần tính toán các thông số sau: a) Sức từ động cực đại F m; b) Cường độ từ trường B m trong khe hở không khí; c) Từ thông Φ m dưới mỗi cực từ; và d) Sức điện động cảm ứng hở mạch phía stator.
I.6.Hiện tượng bảo hòa mạch từ và từ thông tản
Hiện tượng bảo hòa mạch từ
II.Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ (KĐB) 3 pha
II.1.Cấu tạo Động cơ KĐB: Tốc độ rotor # tốc độ trường quay
Dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, không bảo trì.
Stator: ba cuộn dây nối Y hay ∆, lá thép kỹ thuật điện
Stator cực từ ẩn Stator cực từ lồi
Rotor: rãnh nghiêng (tránh dao động, khóa răng stator)
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Giới thiệu máy điện quay AC
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ của rotor n không trùng khớp với tốc độ từ trường quay n Loại máy này có khả năng hoạt động ở hai chế độ: động cơ và máy phát.
Khi phân loại máy điện không đồng bộ, có thể căn cứ theo:
Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung…
Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: kiểu rotor dây quấn và kiểu rotor lồng sóc.
Theo số pha: kiểu một pha, hai pha, ba pha.
Stator (phần tĩnh) gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép stator hình trụ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong và ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào vỏ máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dây quấn stator thường được chế tạo từ dây đồng có lớp cách điện, được đặt trong các khe của lõi thép Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua dây quấn ba pha stator, nó sẽ tạo ra một từ trường quay.
Vỏ máy bao gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.
Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện, được lấy từ lõi thép stator và ghép lại với nhau Mặt ngoài của lõi thép rotor được dập rãnh để chứa dây quấn, trong khi phần giữa có các lỗ dập để lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto.
Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và kết nối với hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong các động cơ có công suất trên 100kW, thanh dẫn bằng đồng được đặt chắc chắn vào các rãnh rotor và gắn chặt với vành ngắn mạch.
Rotor dây quấn được cấu tạo tương tự như dây quấn ba pha stator, với số cực từ tương ứng Loại dây quấn này luôn được đấu theo kiểu sao (Y) và có ba đầu ra kết nối vào ba vành trượt, gắn liền với trục quay của rotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định luôn tiếp xúc với vành trượt để dẫn điện vào một biến trở bên ngoài động cơ, phục vụ cho việc khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
- Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng bộ
Khi dòng điện ba pha chạy qua dây quấn stato, từ trường quay xuất hiện với tốc độ n = 60f/p, trong đó f là tần số lưới điện và p là số đội cực từ Từ trường này tác động lên dây quấn roto, tạo ra sức điện động E và dòng điện I trong roto Dòng điện này tạo ra từ thông kết hợp với từ thông của stato, hình thành từ thông tống trong khe hở Tương tác giữa dòng điện trong dây quấn roto và từ thông khe hở sinh ra mô men, ảnh hưởng đến tốc độ quay n của roto Chế độ làm việc của máy thay đổi theo các phạm vi tốc độ khác nhau, và bài viết sẽ phân tích tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ.
- Các đại lượng định mức
Máy điện không đồng bộ được thiết kế với các đại lượng định mức phản ánh điều kiện kỹ thuật của máy Những trị số này do nhà sản xuất quy định và được ghi rõ trên nhãn máy Chủ yếu hoạt động ở chế độ động cơ, nhãn máy chỉ thể hiện các trị số làm việc tương ứng với tải định mức.
Điện áp dây định mức.
Kiểu đấu sao hay tam giác
Tốc độ quay định mức.
Hệ số công suất định mức.
- Công dụng của máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện.
Động cơ không đồng bộ, với kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành thấp, đang trở thành loại máy phổ biến nhất trong các ngành kinh tế quốc dân Trong công nghiệp, chúng thường được sử dụng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cũng như các máy công cụ Trong lĩnh vực khai thác mỏ, động cơ này được dùng cho máy tời và quạt gió Ngành nông nghiệp cũng ứng dụng động cơ không đồng bộ cho máy bơm và máy gia công nông sản Hơn nữa, trong đời sống hàng ngày, chúng ngày càng đóng vai trò quan trọng với các thiết bị như quạt gió và động cơ tủ lạnh Tóm lại, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng mở rộng.
Máy điện không đồng bộ có một số nhược điểm đáng lưu ý, bao gồm hệ số công suất cosφ thường không cao và khả năng điều chỉnh tốc độ kém, điều này dẫn đến việc ứng dụng của nó bị hạn chế trong nhiều trường hợp.
2Sức từ động của dây quấn rải
Với dòng điện một chiều cấp vào cuộn dây, sức từ động trên khe hở kk là: F a = ¿
Họa tần bậc 1 của sức từ động theo không gian: F a1 = ( 4 π ¿ 2 ) cos θ
Dây quấn rải, có họa tần bậc 1 của sức từ động : F a1 = ( 4 π k dq N ph 2 i a ) cos ¿ )
Dây quấn rải, nhiều cặp cực=P, có họa tần bậc 1: F a1 = ( 4 π k dq N 2 ph P i a ) cos ¿ )
Ví dụ 4.1: Cho máy điện như hình trên, stator pha a có:2 cực8 vòng/khe, mang dòng điện i a
Có tất cả 24 khe quấn dây, trong đó pha a ở vị trí 8 khe: a g,5 o , 82,5 o , 97,5 o , 112,5 o và
Để tính sức từ động theo trục của cuộn dây quấn theo khe 112,5° và -67,5°, cần viết phương trình tương ứng Tương tự, phương trình tính sức từ động cho cuộn dây quấn theo khe -112,5° và 67,5° cũng cần được xác định Để tìm vector không gian của sức từ động tổng theo trục của pha a, cần viết phương trình cụ thể Hệ số ghép dây quấn k dq cũng cần được tính toán Cuối cùng, nếu 4 khe bên ngoài biên của pha a chỉ có 6 vòng dây, cần tính lại giá trị k dq cho trường hợp này.
Sức từ động phía rotor: F r1 = ( 4 π k r N 2 r P i r ) cos ¿ )
3Từ trường trong máy điện quay
Để tính biện độ dòng điện cần cung cấp cho máy điện có rotor 4 cực với 263 vòng/pha và hệ số dây quấn 0,935, trong khe hở 0,7mm nhằm tạo ra biên độ từ trường 1,6T, cần áp dụng các công thức liên quan đến từ trường và dòng điện.
Ví dụ 4.2b: Cho máy điện có rotor 2 cực, dây quấn rải, 830 vòng/pha, khe hở kk
2,2cm Từ trường được tạo ra bởi dòng điện có biện độ 47A, và từ trường đo được trong khe hở kk là 1,35T? Tính hệ số dây quấn rotor k r
I.4.Sức từ động trong máy điện xoay chiều
Nếu cấp vào cuộn dây dòng điện xoay chiều: i a =I m cos( e t), sức từ động theo không gian và thời gian : F a1 = F m cos(P θ ) cos e t)
F a1 = 1 2 F m cos (θ e +ω e t) là 2 vector quay ngược chiều nhau với tốc độ e theo thời gian.
5.2 Các phương trình cơ bản
-Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn stato:
Máy điện KĐB hoạt động với dây quấn rôto kín mạch, thường ở dạng ngắn mạch Khi kết nối dây quấn stato với nguồn ba pha, phương trình cân bằng sđđ được thiết lập cho rôto quay tương tự như khi rôto đứng yên.
Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn rôto mô tả mối quan hệ giữa tốc độ quay của rôto và từ trường Từ trường khe hở, do sđđ F0 sinh ra, quay với tốc độ n1 Khi rôto quay cùng chiều với từ trường ở tốc độ n, tốc độ trượt giữa rôto và từ trường được tính bằng n2 = n1 - n Tần số sđđ và dòng điện trong dây quấn rôto được xác định bởi công thức f2 = n * 60 / (2 * p) = n1 * (n - n).
Sđđ cảm ứng trong dây rôto lúc quay:
√ 2 = s E ˙ 2 Phương trình cân bằng sđđ của mạch điện rôto:
Phương trình cân bằng sđđ của mạch điện rôto:
0 = E ˙ 2 S − ˙ I 2 ( r 2 + jX 2S ) Phương trình cân bằng stđ : (vì stđ stato F 1 và rôto F 2 quay cùng ω 1 )
Phương trình đặc trưng của máy điện KĐB khi rôto quay:
Nhiều pha: i a (t) =I m cos( e t) i b (t) = I m cos( e t – 120 0 ) i c (t) = I m cos( e t+ 120 0 )
=> F( θ ,t)= 3 2 F m cos (θ e −ω e t ) hay F( θ ,t)= 3 2 F m cos ( Pθ− Pωt) Sức từ động tổng quay với vận tốc góc: ω = ω m = ω P e
Vận tốc quay của từ trường:n = 60 2 ω π e = 2 60 π 2 P πf = 60 P (vòng/phút=r/min=RPM)
Ví dụ 4.3: Tính tốc độ quay (vòng/phút) của từ trường cho máy điện 3 pha 50Hz có số cáp cực là 1, 2, 3?
I.5.Sức điện động cảm ứng trong máy điện xoay chiều
B m cos ¿ P θ r )rd θ r = P 2 B m 1r λ a = k dq N ph Φcos(Pθ ) λ a = k dq N ph Φcos(Pωt ) λ a = k dq N ph Φcos(ω e t ) e = d λ dt a = - k dq N ph ω e Φ sin (ω e t)
Ví dụ 4.4: Máy phát 3 pha, nối Y, 50Hz:
Tại Rotor quay 3000RPM với dòng kích từ rotor I f = 720Adc, ta cần tính toán các thông số quan trọng như: a) Sức từ động cực đại F m; b) Cường độ từ trường B m trong khe hở không khí; c) Từ thông Φ m dưới mỗi cực từ; và d) Sức điện động cảm ứng hở mạch phía stator.
I.6.Hiện tượng bảo hòa mạch từ và từ thông tản
Hiện tượng bảo hòa mạch từ
Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ (KĐB) 3 pha
II.1.Cấu tạo Động cơ KĐB: Tốc độ rotor # tốc độ trường quay
Dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, không bảo trì.
Stator: ba cuộn dây nối Y hay ∆, lá thép kỹ thuật điện
Stator cực từ ẩn Stator cực từ lồi
Rotor: rãnh nghiêng (tránh dao động, khóa răng stator)
Lồng sóc là một thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và bền bỉ, không cần bảo trì Dây quấn luôn được đấu theo kiểu Y, có vành trượt và chổi than để khởi động máy Thông thường, số cực của rotor bằng với số cực của stator, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.
Rotor dây quấn Rotor lồng sóc
Xét khi p=2, mỗi chu kỳ (360º) thì từ trường quay 1/2 vòng
Stator 3pha, 4 cực, mối pha có 2 cuộn dây.
II.3.Nguyên lý làm việc i sa =I m cos( e t) i sb (t) = I m cos( e t – 120 0 ) i sc (t) = I m cos e t-240 0 ) n s ` 2 ω π s = 2 60 π 2 P πf = 60 P f n s = 60 P f (vòng/phút) ω s = 2 P πf Định luật Bio-Savart: Định luật Faraday: i ⃗ s (t) = 2 3 [ i sa (t) e j0 0 +i sb (t)e j120 0 +i sc (t) e j240 0 ] i sb
Pha B i sa Pha A i sc Pha C
Số cực của rotor dây quấn bằng với số cực của stator.
Nối thêm biến trở cho ba cuộn dây rotor để mở máy hay điều khiển tốc độ.
Khi từ trường quay tạo ra dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn hoặc cuộn dây rotor, dòng điện này sinh ra lực từ kéo rotor quay theo quy tắc bàn tay trái Để duy trì dòng điện cảm ứng, tốc độ rotor phải nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (n < n1), dẫn đến hiện tượng không đồng bộ Độ trượt được tính bằng công thức s = 1 - (n/n_s), với s < 10%.
Tốc độ trượt n r = n s -n = s n s f r =sf (Hz) ( đây chính là tần số dòng điện bên trong rotor) Moment: T =-KI, sin δ r
I r = là dòng điện rotor δ r là góc hợp bởi sức từ động rotor và sức từ động khe hở không khí.
II.4 Dòng điện rotor δ r = -(90º + ∅ r ) với ∅ r là hệ số công suất của rotor.
II.5 Thông số động cơ KĐB Công suất cơ hữu ích trên trục P đm (W, kW, HP ≈745.7W) Điện áp dây stator U 1đm (V, kV)
Dòng điện dây stator I 1đm (A) Tần số dòng điện stator f (Hz) Tốc độ quay rotor n đm (vòng/phút)
Hệ số công suất cos θ đm
Hiệu suất η đm Cấp chịu nhiệt.
Stator với dòng từ hóa Rotor quay
I r = I rs do sức từ động không đổi khi rotor quay hay đứng yên.
Stator với dòng từ hóa Rotor quay quy về đứng yên
Stator với dòng từ hóa Rotor quy về stator İ s jX s Ů s Ė s İ r lock R r jX r Ė r İ s R s jXs s Ů s jX m İ m Ė s İ r R r jsX r s Ė r İ s R s jX s jX m Ů s İ m Ė s İ s R r
Stator với dòng từ hóa Rotor quy về stator
Stator với dòng từ hóa Rotor quy về stator
Stator với dòng từ hóa Rotor quy về stator
Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hóa
P Fe = m Fe ( ξf +ξ f 2 ¿ B 2 m İ s R s jX s Ů s jX m İ m Ė s jX ' r Ė ' r İ ' r jX m İ s R s jX s İ ' r
Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ
Mạch tương đương động cơ KĐB
Mạch tương đương dạng hình
Mạch tương đương đơn giản của động cơ K ĐB
Phân bố công suất và hiệu suất
P in P gap =P đt P m = P cơ P out
Phân bố công xuất trong ĐC KĐB 3 pha
Thí nghiệm không tải, thí nghiệm ngắn mạch
Phân bố điện kháng tản trong các loại động cơ không đồng bộ: Động Loại cơ Mô tả
Momen khởi động bình thường Dòng điện khởi động bình thường
B Momen khởi động bình thường Dòng điện khởi động thấp
Dòng điện khởi động thấp 0,3 0,
D Momen khởi động cao Độ trượt cao 0,5 0,
Tùy thuộc vào sự thay đổi của điện trở rotor
Không tải : n → n s :s=0 İ s R s jX s İ ' r →0 jX ' r Ů s İ φ İ m jX m
Mạch tương đương dạng hình
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Mạch tương đương động cơ KĐB
Mạch tương đương của động cơ KĐB
Sử dụng biến đổi Thevenin chon mạch stator
Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB Giả sử R m >X m): Ů t =Ů s j X m
MÔ PHỎNG 3D LLV SIM VÀ KẾT QUẢ
MỤC ĐÍCH & YÊU CẦU THÍ NGHIỆM
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha.
- Nắm được các phương pháp hòa đồng bộ bằng các thiết bị đơn giản.
- Khảo sát và nghiên cứu một số đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ 2.Yêu cầu :
- Xem kỹ phần phụ lục để biết được các thiết bị, cách ghép nối, các từ và thuật ngữ mới cần thiết cho bài thí nghiệm.
- Xem lại các đặc điểm chính của mạch điện 3pha Lý thuyết máy phát đồng bộ.
- Tìm hiểu cấu tạo ghi các số liệu định mức của máy phát điện đồng bộ thí nghiệm.
CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Tìm hiểu cấu tạo và ghi các số liệu định mức của động cơ hiết lập thiết bị:
• Cài các Module nguồn điện, giao diện thu thập dữ liệu và máy phát điện đồng bộ trong hệ thống EMS.
DAI LOW POWER INPUTS được nối với nguồn cung cấp chính, đặt công tắc nguồn
AC-24V ở vị trí I (ON) và cáp dẹt của máy tính được nối với DAI.
• Hiển thị ứng dụng Metering, chọn File cấu hình ACMOTOR1.cfg.
• Công tắt MODE để ở vị trí PRIME MOVER. ã
Sơ đồ nối dây cho phép đo điện trở một chiều của các cuộn dây stato được thể hiện trong hình 2-8 Để thực hiện việc đo dòng điện và điện áp một chiều, người dùng cần chuyển đổi các cửa sổ đo trên cửa sổ Metering sang chế độ tương ứng.
Dùng nguồn cung cấp điện một chiều DC điều chỉnh được từ 0-220V (đầu 7- N) Vôn kế E1, E2, E3 Ampe kế I1, I2 ,I3 đấu nối với các cuộn dây của động cơ như hình 2-8.
Bật nguồn và xoay núm điều chỉnh để tăng điện áp, ghi lại các trị số đo được trên các cửa sổ đo E và I vào bảng số liệu Sau đó, mở bảng số liệu để in hoặc ghi vào bảng 1 Từ các số liệu đo được, xác định điện trở một chiều của cuộn dây theo công thức: r 1 = E 1.
Hình 2-8 Tắt nguồn, xoay núm điều chỉnh điện áp về vị trí min, tháo gỡ các dây nối.
Đo tốc độ động cơ là bước quan trọng khi động cơ đã đạt trạng thái ổn định Để thực hiện, bật công tắc DISPAY sang chế độ SPEED để đo tốc độ n của động cơ Sau đó, xác định hệ số trượt khi không tải bằng công thức: s % = (n1 - n0) / n1 * 100%, trong đó n1 là tốc độ đồng bộ của động cơ.
Tắt nguồn, xoay núm điểu chỉnh điện áp về vị trí num, tháo gỡ các dây nối. trình tự tiến hành như sau:
+ Quay biến trở R, về vị trí mim (nhỏ nhất) Công tắt mạch kích từ để vị trí O, lấy Udư
+ Bật nguồn và điều chỉnh để tăng dần điện áp U đặt vào động cơ sơ cấp (PRIME MOVER) để đạt tốc độ n = n m của phát điện đồng bộ.
Giảm R để tăng dòng điện kích thích cho đến khi điện áp đầu cực MFĐB đạt 1.2U trong quá trình tăng dòng điện kích từ i Sau đó, đưa con trỏ chuột đến nút ghi dữ liệu, nhấp chuột để lưu kết quả đo vào máy tính Cuối cùng, mở bảng số liệu đã ghi vào bảng 1 hoặc sử dụng máy in để in bảng số liệu.
51 trình tự tiến hành như sau:
+ Quay biến trở Ra về vị trí mim (nhỏ nhất).
+ Bật nguồn và điều chỉnh để tăng dần điện áp U đặt vào động cơ sơ cấp (PRIME MOVER) để đạt tốc độ n = nam của phát điện đồng bộ.
Giảm ra để tăng dòng điện kích thích cho đến khi dòng điện của phần ứng đạt 1.2 m Trong quá trình tăng dòng điện kích thích, hãy đưa con trỏ chuột đến nút "record data" và nhấp chuột để ghi kết quả vào máy tính Sau đó, mở bảng số liệu đã ghi và lưu trữ vào bảng 1, hoặc có thể in bảng số liệu bằng máy in.
3 Thí nghiệm lấy đặc tính ngoài.
Sơ đồ nối dây thí nghiệm như hình 13:
Để tiến hành thí nghiệm, trước tiên thực hiện như thí nghiệm không tải để thiết lập điện áp máy phát, chỉ cần dòng điện kích từ để giữ điện áp U không đổi Nếu tốc độ n giảm, cần điều chỉnh để n = nam Sau đó, giảm dần tải và nhấp chuột vào nút ghi dữ liệu để lưu kết quả đo vào máy tính Cuối cùng, mở bảng số liệu đã ghi vào bảng 2 hoặc sử dụng máy in để in bảng số liệu.
+ Sau khi làm xong tải trở R, thay tải R-L, rồi tải R-C Cũng làm như trên để lấy kết quả.
3.Thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh.
Sơ đồ thí nghiệm như hình 13:
Trình tự tiến hành như sau:
Thực hiện thí nghiệm không tải để thiết lập điện áp bằng U ddm, sau đó tăng dần tải bằng cách đóng K Mỗi lần tăng tải, nếu điện áp U và tốc độ n giảm, cần điều chỉnh dòng điện kích từ i để duy trì U = Um và điều chỉnh điện áp vào Prime Mover để giữ tốc độ ở mức định mức Cuối cùng, nhấp chuột vào nút ghi dữ liệu để lưu kết quả đo vào máy tính và mở bảng số liệu đã ghi trong bảng 3.
+ Sau khi làm xong tải trở R, thay tải R-L, rồi tải R-C Cũng làm như trên để lấy kết quả.
Tải=R-l ( U dm =¿ mA;n= Vg/phút
4 Hòa đồng bộ máy phát điện đồng bộ:
Sơ đồ nối dây thí nghiệm như hình 3:
Trình tự tiến hành như sau: