CHƯƠNG 28 - MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐẶC BIỆT pdf

176 Ch"ơng 28 Máy điện đồng bộ đặc biệt 28-1. Máy phát điện đồng bộ một pha Về cấu tạo, máy phát điện đồng bộ một pha khác với máy phát điện đồng bộ ba pha ở chỗ trên phần ứng của nó chỉ có đặt dây quấn một pha. Dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn đó sẽ sinh ra từ trRờng đập mạch với tần số của dòng điện. Từ trRờng đập mạch này có thể xem nhR tổng hợp của hai từ trRờng quay thuận và ngRợc. Từ trRờng quay thuận có tốc độ quay đồng bộ với từ trRờng của cực từ và quan hệ điện từ giữa hai từ trRờng đó hoàn toàn giống nhR ở máy điện đồng bộ ba pha. Từ trRờng quay ngRợc có tốc độ 2n đb so với từ trRờng của cực từ (hoặc so với rôto) và sẽ cảm ứng trong các dây quấn đặt ở rôto các dòng điện có tần số 2f. Các dòng điện này sẽ sinh ra từ trRờng làm yếu từ trRờng quay ngRợc sinh ra chúng. Nếu trên rôto có đặt dây quấn cản, thì từ trRờng quay ngRợc sẽ rất nhỏ vì bị giảm nhiều. Trong trRờng hợp chỉ có dây quấn kích thích thì từ trRờng quay ngRợc chỉ bị giảm ở hRớng dọc trục và vẫn mạnh ở hRớng ngang trục. Sự có mặt của từ trRờng ngRợc trong máy phát điện đồng bộ một pha làm cho tổn hao ở rôto tăng thêm, đồng thời cũng sinh ra dòng điện tần số 3f trong dây quấn phần ứng. Vì vậy trong máy điện đồng bộ một pha luôn luôn có đặt dây quấn cản để giảm nhỏ từ trRờng ngRợc. Đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ một pha tRơng tự nhR của máy điện đồng bộ ba pha. Tuy nhiên điện áp rơi trong máy điện đồng bộ một pha lớn hơn ở máy ba pha vì điện kháng tản từ x R của nó lớn hơn do ảnh hRởng của từ trRờng ngRợc. 28-2. Máy biến đổi một phần ứng Máy biến đổi một phần ứng là một loại máy điện quay dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều hoặc ngRợc lại - dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Sự biến đổi đó đRợc thực hiện trên cơ sở cấu tạo của máy điện một chiều. Vì s.đ.đ. cảm ứng trong dây quấn phần ứng của máy điện một chiều là s.đ.đ. xoay chiều và có thể biểu thị bằng hình đa giác s.đ.đ. nên ở m điểm cách đều nhau trên dây quấn đó, s.đ.đ. sẽ lệch pha nhau góc 2/m. Nối m điểm đó với m vành trRợt đặt trên trục phía không có vành góp thì từ các chổi điện tiếp xúc với các vành trRợt đó ta sẽ đRợc s.đ.đ. m pha. Nếu máy đRợc dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều thì đối với nguồn xoay chiều, máy làm việc nhR một động cơ điện đồng bộ và đối với lRới điện một chiều máy làm việc nhR máy phát điện một chiều. TrRớc kia máy biến đổi một phần ứng nhR vậy thRờng dùng để cung cấp dòng điện một chiều cho xe điện và các tuyến đRờng sắt dùng đầu máy điện. Nếu máy dùng để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều thì đối với lRới điện một chiều máy làm việc nhR một động cơ điện một chiều và đối với lRới điện xoay chiều máy làm việc nhR máy phát điện đồng bộ. 177 0 + U m~ U = 2 /m Hình 28-1. Các điện áp của dây quấn phần ứng của máy biến đổi một phần ứng Cũng cần chú ý rằng nếu dùng một động cơ sơ cấp kéo máy biến đổi một phần ứng, dùng dòng điện một chiều do máy phát ra để cung cấp cho dây quấn kích thích và từ vành trRợt lấy ra điện áp xoay chiều thì ta đRợc máy phát điện đồng bộ tự kích thích biến đổi cơ năng lấy từ động cơ sơ cấp thành điện năng xoay chiều. Vì điện áp xoay chiều U ~ và một chiều U = đều đRợc thực hiện trên cùng một dây quấn nên giữa chúng có một tỷ lệ nhất định. Để xác định tỷ lệ đó có thể dựa vào đồ thị trên hình 28-1 (với m = 6), và ta có: m U U m sin 2 2 ~ = hay là: m U U sin 2 ~ = Thí dụ với m = 3 thì U ~ = 0,612U = . Từ phân tích trên ta thấy rằng, ở máy biến đổi một phần ứng, nếu điện áp xoay chiều U ~ là tiêu chuẩn thì điện áp một chiều U = là không tiêu chuẩn và ngRợc lại. Vì máy biến đổi một phần ứng đồng thời làm việc ở hai chế độ máy phát điện và động cơ điện, nên dòng điện trong dây quấn phần ứng là hiệu số của dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, do đó tổn hao trong dây quấn phần ứng nhỏ hơn tổn hao trong phần ứng của máy điện xoay chiều. Nếu số pha m lớn thì tổn hao đó càng nhỏ. Máy biến đổi một phần ứng có thể mở máy theo phRơng pháp mở máy không đồng bộ của động cơ điện đồng bộ nếu có đặt dây quấn mở máy ở các mặt cực. Ngoài ra cũng có thể mở máy nhR mở máy động cơ điện một chiều, sau đó hoà đồng bộ với lRới điện xoay chiều. 28-3. Động cơ điện phản kháng Động cơ điện phản kháng thuộc loại máy điện đồng bộ không có dây quấn kích thích và nguyên lý làm việc của nó dựa vào sự khác nhau giữa từ trở dọc trục x d và ngang trục x q . Công suất và mômen điện từ của nó đã đRợc phân tích ở mục 22.4.1. Để thực hiện đRợc x d x q , rôto của máy đRợc chế tạo nhR trình bày trên hình 28-2. Với cấu tạo nhR trên hình 28-2a, rôto đRợc ghép bằng những lá thép tròn có những chỗ khuyết để tăng khe hở giữa các cực từ và do đó tăng từ trở của mạch từ hRớng ngang trục. Để mở máy, trên rôto có đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. ở trRờng hợp của các hình 28-2b và c, rôto đRợc chế tạo bằng cách đổ nhôm vào các tập thép. ở đây nhôm có tác dụng của dây quấn mở máy. Do không có dây quấn kích từ, động cơ phản kháng phải lấy dòng điện từ lRới điện và có hệ số công suất cos thấp. Trọng lRợng của động cơ điện phản kháng thRờng gấp 178 2p = 4 a) 2p = 2 b ) 2p = 4 c ) Hình 28 - 2 . Cấu tạo của động cơ điện phản kháng 0 s 1 M Hình 28-3. Đặc tính mômen của động cơ điện đồng bộ từ trễ 2-3 lần trọng lRợng của động cơ điện không đồng bộ cùng công suất. Thông thRờng các động cơ điện phản kháng đRợc chế tạo với công suất 50 ữ 100 W. 28-4. Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ Động cơ điện từ trễ khác với động cơ điện nam châm vĩnh cửu ở chỗ rôto của nó không đRợc từ hoá sẵn mà chỉ đRợc từ hoá khi làm việc dRới tác dụng của từ trRờng quay của stato. Vật liệu chế tạo rôto là hợp kim từ cứng có chu trình từ trễ rộng. Kết quả của sự từ hoá đó làm từ trRờng của rôto sẽ lệch sau từ trRờng của stato một góc từ trễ tt có độ lớn phụ thuộc vào mômen tác dụng trên trục máy. ở trRờng hợp động cơ điện, từ trRờng quay của stato vRợt trRớc từ trRờng rôto và góc tt là âm. NgRợc lại, ở trRờng hợp máy phát điện, từ trRờng của stato chậm sau từ trRờng rôto và góc tt là dRơng. Mômen điện từ sinh ra do hiện tRợng từ trễ có dạng nhR trên hình 28-3, nghĩa là không phụ thuộc vào tốc độ. Máy điện đồng bộ kiểu từ trễ đRợc dùng chủ yếu làm động cơ điện. So với động cơ điện phản kháng thì động cơ điện từ trễ có Ru điểm hơn vì không cần đến dây quấn mở máy, kích thRớc nhỏ v hệ số công suất cos cao hơn. Công suất của động cơ điện từ trễ có thể đến 300 ữ 400 W. 28-5. Động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu ở các động cơ này, cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dR rất cao (0,5ữ1,5 T). Các cực từ này có cấu tạo của cực lồi và đRợc đặt ở rôto. Khoảng giữa các cực đRợc đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ. Nếu máy dùng làm động cơ điện thì cần phải đặt thêm dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì trên hợp kim nam châm rất khó gia công rãnh nên thRờng phải chế tạo lồng sóc nhR của động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu. Với kết cấu nhR vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thRờng chế tạo đến công suất 30 ữ 40 W. Trong trRờng hợp dùng nhR máy 179 Hình 28-4. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ cảm ứng B 0 B max B min stato Hình 28-5. Từ trYờng ở khe hở của máy phát đồng bộ kiểu cảm ứng. Rôto phát, do không cần có dây quấn mở máy, công suất có thể lên tới 5 ữ 10 kW và đôi khi đến 100 kW. 28-6. Máy điện đồng bộ cảm ứng (máy phát cảm ứng tần số cao) Trong sản xuất, một số thiết bị dùng trong luyện kim, vô tuyến điện, hàn, cần dòng điện xoay chiều một hoặc ba pha tần số cao (400 ữ 3000Hz). Biện pháp tăng số đôi cực p hoặc tốc độ quay n trong các máy phát đồng bộ để thực hiện tần số cao nói trên bị hạn chế, do cấu tạo máy hoặc sức bền vật liệu không cho phép. Trong trRờng hợp này phải dùng máy phát cảm ứng có tần số cao gây ra bởi sóng điều hoà răng của từ trRờng đập mạnh. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ cảm ứng nhR hình 28-4. Trong các rãnh lớn ở stato có đặt dây quấn kích từ và trong các rãnh nhỏ đặt dây quấn xoay chiều. Rôto có dạng bánh xe răng và không có dây quấn. Sự phân bố từ trRờng dọc khe hở nhR trên hình 28-5. Khi rôto quay, từ trRờng đó đập mạch và đRợc xem nhR tổng của hai thành phần. Thành phần thứ nhất B 0 có trị số không thay đổi và không chuyển động so với stato, do đó không sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato, thành phần thứ hai phân bố hình sin có biên độ 2 minmax BB và chuyển động cùng với rôto sẽ cảm ứng trong dây quấn xoay chiều sứcđiện động có tần số f = Z 2 n, trong đó Z 2 là số răng của rôto. 28-7. Động cơ bSớc Động cơ bRớc là loại động cơ quay gián đoạn từng góc độ xác định dRới tác dụng của mạch điện xung đặt vào dây quấn stato của nó. Các động cơ bRớc đRợc dùng trong các mạch tự động và điều chỉnh, ví dụ trong máy cắt gọt làm việc theo chRơng trình. Hình 28-6 trình bày cấu tạo của động cơ bRớc đơn, đơn giản nhất có ba đôi cực ở stato và hai đôi cực ở rôto. Khi dây quấn ở đôi cực 1-1 có dòng điện thì rôto có vị trí nhR ở hình 28-6a. Tiếp theo, khi dây quấn ở đôi cực 1-1, 2-2 có dòng điện thì rôto quay 180 1 N 15 0 30 0 3 2 3 2 2 2 3 3 3 3 2 2 1 1 1 1 1 N N S S S a) b) c) Hình 28 - 6 . Nguyên lý làm việc của động cơ bYớc đi một góc 15 0 nhR trên hình 28-6b. Ngắt dòng điện trong dây quấn của đôi cực 1-1 thì rôto quay tiếp thêm 15 0 , v.v Góc quay có thể thay đổi đRợc bằng cách tăng giảm số cực hoặc ghép vài đôi stato và rôto lệch nhau một góc nhất định trên cùng một trục. Với cấu tạo khác nhau, động cơ bRớc có thể cho các góc quay từ 180 0 đến 1 0 hoặc nhỏ hơn. Tần số xung giới hạn khiến cho động cơ có thể mở máy và đứng mà không mất bRớc vào khoảng 100 ữ 10000 Hz. Câu hỏi 1. Có thể đem một máy phát điện ba pha không có dây trung tính dùng làm máy phát điện một pha đRợc không? Khi dùng nhR vậy công suất của máy giảm đi bao nhiêu? 2. So sánh Ru khuyết điểm của ba loại động cơ đồng bộ phản kháng, nam châm vĩnh cửu và từ trễ. 3. Để động cơ bRớc có thể làm việc đRợc, dòng điện xung đRa vào các dây quấn của stato phải là dòng điện một chiều hay xoay chiều? 181 Tài liệu tham khảo 1. Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2001. 2. Trần khánh hà Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 1997. 3. CHâu ngọc thạch HRớng dẫn sửa chữa máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện công suất nhỏ -Nhà xuất bản Giáo dục - 1994. 4. Nguyễn Đức Sỹ Sửa chữa máy điện và máy biến áp - Nhà xuất bản Giáo dục - 2001. 5. Vũ Gia Hanh Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2003. 6. Nguyễn Hồng Thanh Nguyễn Phúc Hải Máy điện trong thiết bị tự động - Nhà xuất bản Giáo dục - 1999. 182 Phụ lục Phn th ba Lý luận chung về máy điện xoay chiều ChRơng 13 Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều 13-1. Dây quấn có q là số nguyên 3 13-2. Dây quấn có q là phân số và dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc 8 13-3. Sức điện động của dây quấn máy điện xoay chiều 10 13-4. Cải thiện dạng sóng sức điện động 14 ChRơng 14 Sức từ động của dây quấn máy điện xoay chiều 14-1. Đại cRơng 17 14-2. Sức từ động của dây quấn một pha 19 14-3. Sức từ động của dây quấn ba pha 22 14-4. Sức từ động của dây quấn hai pha 24 14-5. Phân tích sức từ động của dây quấn bằng phRơng pháp đồ thị 25 14-6. Điện kháng của dây quấn máy điện xoay chiều 27 Phn th t Máy điện không đồng bộ (KĐB) ChRơng 15 Đại c"ơng về máy điện không đồng bộ 15-1. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ 34 15-2. Phân loại và kết cấu của máy điện không đồng bộ 36 15-3. Các đại lRợng định mức của máy điện không đồng bộ 39 15-4. Công dụng của máy điện không đồng bộ 40 ChRơng 16 Quan hệ điện từ trong máy điện kđb 16-1. Đại cRơng 42 16-2. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên 42 16-3. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay 46 16-4. Các chế độ làm việc và giản đồ năng lRợng của máy điện không đồng bộ 51 16-5. Biểu thức mômen điện từ của máy điện không đồng bộ 53 16-6. Mômen phụ của máy điện không đồng bộ 57 16-7. Các đặc tính của máy điện không đồng bộ 60 16-8. Các đặc tính của máy điện không đồng bộ trong điều kiện không định mức 61 183 ChRơng 17 Đồ thị vòng tròn của máy điện không đồng bộ 17-1. Đại cRơng 67 17-2. Cách xây dựng đồ thị vòng tròn 67 17-3. Xác định đặc tính làm việc của máy điện không đồng bộ bằng đồ thị vòng tròn 68 17-4. Xây dựng đồ thị vòng tròn bằng số liệu thí nghiệm không tải và ngắn mạch, cách vẽ thực tế. 72 17-5. Đồ thị vòng tròn chính xác 75 ChRơng 18 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện kĐB 18-1. Quá trình mở máy động cơ điện không đồng bộ 77 18-2. Các phRơng pháp mở máy 78 18-3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 81 ChRơng 19 Các chế độ làm việc và các dạng khác của máy điện không đồng bộ 19-1. Các chế độ làm việc đặc biệt của máy điện không đồng bộ 89 19-2. Các dạng khác của máy điện không đồng bộ 92 19-3. Máy điện không đồng bộ một pha 100 19-4. Máy điện không đồng bộứng dụng hiệu ứng mặt ngoài ở dây quấn rôto lồng sóc 106 Phn th nm Máy điện đồng bộ ChRơng 20 Đại c"ơng về máy điện đồng bộ 20-1. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 110 20-2. Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ 112 20-3. Các đại lRợng định mức của máy điện đồng bộ 116 ChRơng 21 Từ tr"ờng trong máy điện đồng bộ 21-1. Đại cRơng 117 21-2. Từ trRờng của dây quấn kích thích (của cực từ) 117 21-3. Từ trRờng của phần ứng 120 21-4. Quy đổi các sức từ động trong máy điện đồng bộ 124 ChRơng 22 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 22-1. Đại cRơng 126 22-2. PhRơng trình điện áp và đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ 126 22-3. Cân bằng năng lRợng trong máy điện đồng bộ 131 22-4. Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 133 184 ChRơng 23 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 23-1. Đại cRơng 137 23-2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 137 23-3. Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ 141 ChRơng 24 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng 24-1. Đại cRơng 144 24-2. Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không đối xứng 145 24-3. ảnh hRởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ 147 24-4. Ngắn mạch không đối xứng 148 ChRơng 25 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 25-1. Đại cRơng 151 25-2. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 151 25-3. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng bộ 154 ChRơng 26 Động cơ và máy bù đồng bộ 26-1. Động cơ điện đồng bộ 160 26-2. Máy bù đồng bộ 164 ChRơng 27 Quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ 27-1. Đại cRơng 167 27-2. Ngắn mạch đột nhiên ba pha của máy phát điện đồng bộ 168 ChRơng 28 Máy điện đồng bộ đặc biệt 28-1. Máy phát điện đồng bộ một pha 176 28-2. Máy biến đổi một phần ứng 176 28-3. Động cơ điện phản kháng 177 28-4. Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ 178 28-5. Động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu 178 28-6. Máy điện đồng bộ cảm ứng (máy phát cảm ứng tần số cao) 179 28-7. Động cơ bRớc 179 Tài liệu tham khảo 181 . 2 7-2 . Ngắn mạch đột nhiên ba pha của máy phát điện đồng bộ 168 ChRơng 28 Máy điện đồng bộ đặc biệt 2 8- 1. Máy phát điện đồng bộ một pha 176 2 8- 2. Máy biến đổi một phần ứng 176 2 8- 3. . 176 Ch"ơng 28 Máy điện đồng bộ đặc biệt 2 8- 1. Máy phát điện đồng bộ một pha Về cấu tạo, máy phát điện đồng bộ một pha khác với máy phát điện đồng bộ ba pha ở chỗ trên phần. 1 6-5 . Biểu thức mômen điện từ của máy điện không đồng bộ 53 1 6-6 . Mômen phụ của máy điện không đồng bộ 57 1 6-7 . Các đặc tính của máy điện không đồng bộ 60 1 6-8 . Các đặc tính của máy