GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN

MÁY ĐIỆN Chương 1: Khái niệm chung máy điện CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN §1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN Định nghĩa Máy điện thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào tƣợng cảm ứng điện từ Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi dạng lƣợng nhƣ thành điện (máy phát điện) ngƣợc lại biến đổi điện thành (động điện), dùng để biến đổi thông số điện khác nhƣ biến đổi điện áp, dòng điện, tần số… Phân loại Máy điện có nhiều cách phân loại khác a) Phân loại theo công suất - Công suất cực nhỏ: P đm  vài trăm W - Công suất nhỏ: P đm  vài chục kW - Công suất trung bình: P đm  vài trăm kW - Công suất lớn: P đm  vài MW b) Phân loại theo chức  Máy phát điện Biến đổi dạng lƣợng khác (thƣờng năng) thành điện - Thủy  điện năng: Thủy điện (Trị An, Đa Nhim…) - Nhiệt  điện năng: Nhiệt điện (Thủ Đức, Phú Mỹ…) - Trạm phát điện: Sử dụng dầu Diezen, công suất khoảng vài ngàn kW - Máy phát điện cho hộ gia đình - Ngoài có máy phát điện sử dụng nguồn lƣợng khác nhƣ gió, thủy triều, địa nhiệt…  Động điện: Biến đổi điện thành  Máy biến đổi: Biến đổi điện thành chức khác - Máy biến áp - Máy biến dòng - Máy biến đổi tần số - Máy phát tốc c) Phân loại theo dòng điện - Máy điện chiều - Máy điện xoay chiều d) Phân loại theo cấu tạo Kiểu cấu tạo phụ thuộc vào phƣơng pháp bảo vệ máy với môi trƣờng ngoài, Ký hiệu: IPXX , X thứ =0-6, X thứ hai = 0-9 - Kiểu hở (IP00): Không có vỏ bọc máy, thƣờng để nơi kín bảo vệ cẩn thận - Kiểu kín (IP44 ): Có vỏ bọc bao toàn máy, có hai loại kín nƣớc kín khí Kín nƣớc: Có thể làm việc ngâm chìm nƣớc Kín khí: Cách ly với môi trƣờng ngoài, không cho khí ẩm vào làm giảm cách cách điện, dễ cháy nổ - Kiểu bảo vệ phần (IP11IP33): Có vỏ bọc, có chừa lổ thông gió e) Phân loại theo nguyên lý biến đổi lƣợng bao gồm: Chương 1: Khái niệm chung máy điện  Máy điện tĩnh: Máy điện tĩnh thƣờng gặp máy biến áp Máy điện tĩnh làm việc dựa tƣợng cảm ứng điện từ biến thiên từ thông cuộn dây chuyển động tƣơng Máy điện tĩnh thƣờng dùng để biến đổi thông số điện Do tính thuận nghịch qui luật cảm ứng điện từ, qúa trình biến đổi có tính thuận nghịch Ví dụ máy biến áp biến đổi hệ thống có U1, I1 , f  U2 , I2, f ngƣợc lại Máy biến áp ba pha 110kV-25MVA Máy biến áp pha 22kV-10kVA Hình 1.1 Máy biến áp pha pha  Máy điện quay: Nguyên lý làm việc dựa vào tƣợng cảm ứng điện từ, lực điện từ, từ trƣờng dòng điện cuộn dây có chuyển động tƣơng gây Loại máy điện dùng để biến đổi dạng lƣợng, ví dụ biến đổ i điện thành (động điện) biến đổi thành điện (máy phát điện) Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy điện xoay chiều Máy điện không đồng Máy biến áp Động điện không đồng Máy điện chiều Máy điện đồng Động điện đồng Máy phát điện không đồng Máy phát điện đồng Động điện chiều Máy phát điện chiều Chương 1: Khái niệm chung máy điện Máy điện đồng 2MW Máy điện chiều 3kW Máy điện không đồng 15kW Hình 1.2 Các loại máy điện quay §2 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Nguyên lý làm việc tất máy điện dựa sở hai định luật cảm ứng điện từ lực điện từ Trong tính toán mạch từ ngƣời ta sử dụng định luật dòng điện toàn phần Ở ta nêu lại điều dùng cho nghiên cứu máy điện Định luật cảm ứng điện từ a) Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây   e Hình 1.2 Từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây Khi từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, vòng dây cảm ứng sức điện động Nếu chọn chiều từ thông nhƣ hình vẽ chiều sức đ iện động cảm ứng đƣợc xác định theo qui tắc vặn nút chai sức điện động cảm ứng vòng dây đƣợc xác định theo công thức Mácxoen là: Chương 1: Khái niệm chung máy điện e dΦ dt (1.1) wdΦ dψ  dt dt (1.2) Nếu cuộn dây có w vòng sức điện động cảm ứng cuộn dây là: e đó:  = w. từ thông móc vòng cuộn dây đơn vị sức điện động Vôn (V), từ thông đo Webe (Wb) b) Trường hợp dẫn chuyển động từ trường Hình 1.3 Thanh dẫn chuyển động từ trường Khi dẫn chiều dài l chuyển động với vận tốc v thẳng góc với từ trƣờng B, dẫn cảm ứng nên sức điện động:    e  l.v.B (1.3) Có độ lớn: e = B.l.v Có chiều cho (v, B, e) tạo thành tam diện thuận đó: B(T) từ cảm từ trƣờng l(m) chiều dài dẫn từ trƣờng v(m/s) tốc độ dẫn Chiều sức điện động đƣợc xác định theo qui tắc bàn tay phải nhƣ hình vẽ đƣợc phát biểu nhƣ sau: Cho đường sức từ trường vào lòng bàn tay phải, chiều chuyển động dẫn chiều ngón tay xòe ra, chiều bốn ngón tay lại chiều sức điện động cảm ứng Khi dẫn chuyển động song song với phƣơng từ trƣờng, dẫn sức điện động cảm ứng Định luật lực điện từ Chương 1: Khái niệm chung máy điện Hình 1.4 Định luật lực điện từ Khi dẫn chiều dài l mang dòng điện i vuông góc với từ trƣờng B, chịu tác dụng lực điện từ:   (1.4) F  l.i B Có độ lớn: F = B.i.l Có chiều cho (I, B, F) tạo thành tam diện thuận đó: B(T) từ cảm từ trƣờng i(A) dòng điện chạy dẫn l(m) chiều dài dẫn từ trƣờng Fđt (N) lực điện từ Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái nhƣ hình vẽ đƣợc phát biểu nhƣ sau: Cho chiều đường sức từ trường xuyên vào lòng bàn tay trái, chiều dòng điện trùng với chiều ngón tay, chiều ngón tay xòe chiều lực điện từ Định luật Ôm từ Hình 1.5 Định luật ôm từ Định luật Ampe: Nếu H từ trƣờng tập hợp dòng điện i 1, i2 , …, in tạo C đƣờng kín không gian thì:   n H  dl   ik C (1.5) k 1 với dl độ dời vi phân (C) Dấu i k xác định theo qui tắc vặn nút chai: Nếu vặn nút chai theo chiều dl mà nút chai tiến theo chiều i k ik mang dấu dƣơng ngƣợc lại Nếu ik không xuyên qua C không tính vào Chương 1: Khái niệm chung máy điện Nếu quấn N vòng dây lên mạch từ cho dòng điện i chạy qua, ta đƣợc từ trƣờng H, tiếp xúc với đƣờng sức trung bình (C) chiều dài l thì: Hl = Ni B l  Ni  1 1    Ni  S hay hay đó: hay H.l = . = N.i = F B từ cảm mạch từ (T)  độ từ thẩm tuyệt đối mạch từ (H/m) S tiết diện thẳng mạch từ (m2) F sức từ động tạo từ thông (A.vòng)  từ trở mạch từ (A.vòng/Wb) i dòng điện từ hoá tạo từ thông (A) từ (2.6) suy ra:  F  định luật Ôm từ (1.6) (1.7) Tổng quát, mạch từ gồm m phần tử ghép nối tiếp, phần tử j có chiều dài l j, tiết diện Sj, độ từ thẩm j , từ trở R j quấn n cuộn dây Cuộn k mang dòng i k có Nk vòng thì: m m n n j 1 j 1 k 1 k 1  H j l j    j    N k ik   Fk  F (1.8) Ví dụ ta đƣợc: H1 l1 + H2l2 = (1+2 )=N1i1 – N2i2 = F1 – F2 Bài toán mạch từ a) Bài toán thuận: biết  tìm F Cho mạch từ gồm m phần tử ghép nối tiếp, phần tử j có chiều dài lj, tiết diện Sj Muốn tạo từ thông  chạy qua mạch Tính sức từ động F cần có để tạo từ thông  Cách giải: Trong mạch từ nối tiếp, từ thông  xuyên qua tiết diện Bƣớc 1: Tính từ cảm B j = /Sj phần tử j Suy Hj nhƣ sau: - Nếu phần tử vật liệu sắt từ, tra đƣờng cong từ hoá B = f(H) bảng số liệu vật liệu sắt từ - Nếu phần tử khe hở không khí H0 = B0 /0 m Bƣớc 2: Suy s.t.đ tổng F từ (1.8) F   H j l j j 1 Bƣớc 3: Nếu toán cho số vòng dây tìm dòng điện cuuộn kích từ ngƣợc lại b) Bài toán ngược: biết F tìm  Phƣơng trình (1.8) trở thành: m  R j ()   F() j 1 Đây phƣơng trình phi tuyến giải phƣơng pháp dò Chương 1: Khái niệm chung máy điện §3 NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa làm việc chế độ máy phát điện động điện Chế độ máy phát điện Hình 1.6 Nguyên lý máy phát điện Thanh dẫn có chiều dài l chuyển động với vận tốc v từ trƣờng N-S bị tác dụng lực Fcơ động sơ cấp, dẫn cảm ứng sức điện động e = B.v.l Nếu nối kín mạch qua điện trở tải R có dòng điện chạy mạch Dòng điện i từ trƣờng chịu tác dụng lực điện từ F đt = B.i.l đƣợc xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi máy quay với tốc độ không đổi ta có: Fcơ = Fđt  Fcơ v = F đt v = B.i.l.v = e.i hay P = P đ Vậy công suất động sơ cấp chuyển thành công suất điện = P đ = e.i nghĩa biến thành điện Chế độ động điện Hình 1.6 Nguyên lý động điện Cung cấp điện áp U cho máy điện có dòng điện chạy dẫn Dƣới tác dụng từ trƣờng có lực điện từ Fđt = i.B.l tác dụng lên dẫn làm dẫn chuyển động với vận tốc v nhƣ hình vẽ Công suất điện đƣa vào động là: P đ = u.i = e.i = B.l.v.i = Fđt v = P Nhƣ công suất điện P đ =u.i đƣa vào động đƣợc biến thành công suất P = Fđt v trục động Vậy điện biến thành Chương 1: Khái niệm chung máy điện Kết luận: Với máy điện tùy theo lƣợng đƣa vào mà máy điện làm việc chế động động hay máy phát, máy điện có tính thuận nghịch §4 VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu c ách điện vật liệu kết cấu Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện đƣợc dùng để chế tạo phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện thƣờng đồng nhôm, tiết diện tròn chữ nhật, có bọc loại cách điện khác nhƣ sợi vải, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học, sơn cách điện Đối với phận dẫn điện khác nhƣ vành trƣợt, lồng sóc ngƣời ta dùng hợp kim đồng , nhôm, thép để tăng độ bền học giảm kim loại màu Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo phận mạch từ, ngƣời ta dùng vật liệu sắt từ để làm mạch từ nhƣ: thép kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn Gang đƣợc dùng, dẫn từ không tốt Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz 60Hz ngƣời ta thƣờng dùng thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm có pha thêm 2-5%Si để giảm tổn hao từ trể dòng điện xoáy Ở tần số cao hơn, dùng thép kỹ thuật điện dày 0,1mm-0,2mm Tổn hao công suất thép tƣợng từ trể dòng điện xoáy đặt trƣng suất tổn hao Thép đƣợc chế tạo cán nóng cán nguội Hiện máy biến áp máy điện quay công suất lớn thƣờng dùng thép cán nguội có độ từ thẩm cao tổn hao công suất nhỏ loại cán nóng Ở đoạn mạch từ có từ thông không đổi (không bị tổn hao từ trể dòng điện xoáy) thƣờng dùng thép đúc, thép rèn Để chế tạo vỏ máy điện thƣờng dùng gang dễ đúc Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng để cách ly phần dẫn điện không dẫn điện, phần dẫn điện với Yêu cầu chúng l khả cách điện cao, chịu nhiệt tốt, không bị ẩm có độ bền Cách điện bọc dây dẫn chịu nhiệt độ cao nhiệt độ cho phép dây lớn dây mang đƣợc dòng điện lớn Phần lớn cách điện máy điện thể rắn, gồm có: Chất hữu thiên nhiên: giấy, vải Chất vô cơ: aminant, mica, sợi thủy tinh Chất tổng hợp Các loại men, sơn cách điện Mica cách điện tốt nhƣng đẵt Giấy, vải rẻ nhƣng dẫn nhiệt kém, dễ bị ẩm, cách điện Vì chúng phải đƣợc tẩm sấy để cách điện tốt Căn vào nhiệt độ cho phép , ngƣời ta chia vật liệu cách điện cấp nhƣ sau: Cấp A; =105 0, gồm vải, tơ, giấy, chất hữu tƣơng tự, đƣợc tẩm bọc sơn êmay nhúng vào dầu Cấp B ; =130 0, gồm mica, sợi thủy tinh Chương 1: Khái niệm chung máy điện Cấp H; =180 , gồm silicon, sợi thủy tinh, amiant phối hợp với chất kết dính thích hợp Ngoài có chất cách điện thể khí (không khí, hydrô) thể lỏng (dầu máy biến áp) Vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo chi tiết chịu lực học nhƣ trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy thƣờng gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu, chất dẻo §5 PHÁT NÓNG VÀ LÀM LẠNH MÁY ĐIỆN Tổn hao Các tổn hao qúa trình biến đổi lƣợng máy điện thể dƣới dạng nhiệt làm nóng phận cấu tạo máy Khi tải tăng tổn hao nhiều máy nóng Ngoài nhiệt độ máy điện phụ thuộc vào chế độ làm việc máy làm việc liên tục, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại Với máy điện định tải máy không đƣợc vƣợt giá trị qui định phụ thuộc vào nhiệt độ cho phép máy Vậy máy điện đƣợc giải nhiệt tốt nhiệt độ máy hạ thấp, cho phép tăng thêm tải nghĩa tăng thêm công suất Trong phần ta nghiên cứu phát nóng nguội lạnh máy điện, sau xét đến phƣơng pháp làm lạnh máy điện Trƣớc vào vấn đề ta xem xét dạng truyền nhiệt máy điện chế độ làm việc Sự truyền nhiệt máy điện Có đƣờng truyền nhiệt từ máy điện ngoài: Truyền dẫn, xạ đối lƣu a) Truyền nhiệt dẫn nhiệt Nhiệt lƣợng truyền dẫn qua hai diện tích S song song có nhiệt độ khác 1 2 là: λ S Q  dn (θ1  θ ) (4.1) δ đó:  khoảng cách hai mặt song song λ dn hệ số dẫn nhiệt - Đối với đồng λ dn = 385 W/m0C - Đối với thép λ dn = 20  45 W/m0C - Đối với cách điện cấp A λ dn = 0,10  0,13 W/m0C b) Truyền nhiệt xạ Nhiệt lƣợng vật thể tr uyền xạ bằng: Q  α bxS(θ T4  θ T4 ) (4.2) đó: S(m ) diện tích xung quanh vật thể θ T , θ T lần lƣợt nhiệt độ tuyệt đối mặt vật thể môi trƣờng xung quanh bx = 5.65.10 -8 (W/m2 0C4 ) hệ số xạ Viết lại (4.2) ta đƣợc: Q  α bxS(θ T  θ T )  α bxS[(273  θ1 )  (273  θ )]  α bxSΔ (4.3) 1 2 Chương 5: Máy điện chiều - Một số khái niệm khác + Rảnh nguyên tố (Znt ): Là rảnh chứa hai cạnh tác dụng + Rảnh thực (Z): Là rảnh chứa 2u cạnh tác dụng + Gọi s số bối dây, G số phiếm góp ta được: Z nt  S  G  u.Z - Phân loại: + Dây quấn xếp: xếp đơn xếp phức + Dây quấn sóng: Sóng đơn sóng phức + Dây quấn hỗn hợp Các thông số đặt trƣng dây quấn phần ứng - Bước dây quấn y: Là khoảng cách hai cạnh phần tử tính số rảnh nguyên tố y Z nt  2p  Z - Bước phần ứng y ö : Là khoảng cách hai tác dụng đầu (hoặc cuối) hai phần tử liên tiếp tính số rảnh nguyên tố - Bước vành góp y G : Là khoảng cách hai phiến góp nối với hai đầu dây phần tử, khoảng cách hai đầu phần tử lên tiếp tính số phiến góp Dây quấn xếp - Dây quấn xếp có bước vành góp y G  m (m=1, 2, 3) Dấu (+) quấn phải, dấu(-) quấn trái a Dây quấn xếp đơn (m=1) Z nt  16 , p  , yG  1 Ví dụ: Z nt 16     dây quấn bước đủ 2p yö  yG  1  dây quấn xếp đơn quấn phải Ta có: y  - Trình tự nối phần tử: - Sơ đồ kí hiệu dây quấn: - Số đôi mạch nhánh song song số đôi cực từ a =p b) Dây quấn xếp phức tạp (m  2) Ví dụ: Z nt  12 , 2p  , y G  y Z nt 12   3 2p 83 Chương 5: Máy điện chiều yö  yG  2 Số đôi mạch nhánh song song dây quấn phức tạp m lần số đôi mạch nhánh dây quấn xếp đơn a  mp Dây quấn sóng Bước phần ứng yö  Z nt  m p a Dây quấn sóng đơn (m =1): Ví dụ: Z nt  Z  S  G  15 , p  , m  Z nt 15    3 2p 4 G  m 15  y ö  yG   7 p  bươc ngắn Ta có: y   quấn trái Trình tự nối dây quấn Hình đa giác sức điện động - Số đôi mạch nhánh song song a =1 b Dây quấn sóng phức tạp (m  2) Ví dụ: Z nt  Z  S  G  18 , p  , m  Các bước dây quấn: Z nt 18    4 2p 4 G  m 18  y ö  yG   8 p  bước ngắn y   quấn trái p.360 2.360   40 Z 18 Trình tự nối phần tử: Giản đồ triển khai dây quấn - Dây quấn sóng phức tạp xem gồm m dây quấn sóng đơn hợp lại, số đôi mạch nhánh song song m số đôi mạch nhánh dây quấn sóng đơn a=m 4 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG E - Sức điện động trung bình cảm ứng dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động từ trường với tốc độ v bằng: etb  Btb l.v (4.1) đó: v vận tốc dẫn 84 Chương 5: Máy điện chiều v  .r  2f D Dn n   2p 60 60 B tb từ cảm trung bình cực từ Btb     S .l đó: D đường kính phần ứng  bước cực p số đôi cực n(vg/ph) tốc độ quay phần ứng   [Wb] từ thông khe hở cực từ ta ta được: etb  p.  n 60 (4.2) Gọi N tổng số dẫn dây quấn mạch nhánh song song có N / 2a dẫn nối tiếp sức điện động máy là: Eö  N p.N etb    n  K e   n 2a 60a (4.3) p.N hệ số  kết cấu máy dây quấn 60.a Chiều E ö phụ thuộc vào chiều   n, xác định theo qui tắt bàn tay phải với K e  5 MÔMEN ĐIỆN TỪ VÀ CÔNG SUẤT Khi máy làm việc dây quấn phần ứng có dòng điện chạy qua Tác dụng từ trường lên dẫn có dòng điện sinh lực điện từ Mômen điện từ lực điện từ tác dụng lên dẫn xác định theo qui tắc bàn tay trái Lực điện từ tác dụng lên dẫn bằng: f  Btb l.iö I Tổng số dẫn N, dòng điện mạch nhánh iu  u momen điện từ tác 2a dụng lên dây quấn phần ứng là: I D D M  f N  Btb u l.N (5.1) 2a B tb = từ cảm trung bình khe hở đó: I ö = dòng điện phần ứng a = số đôi mạch nhánh song song l= chiều dài dẫn D = đường kính phần ứng  p Btb   D , .l   I p p.N M   u l.N   I u ta được:  l 2a 2 2 a M  K M  I u [ N m}  K M  I u [kg.m] (5.2) 9.81 với K M  p.N hệ số  kết cấu máy dây quấn 2a 85 Chương 5: Máy điện chiều Ơ máy phát điện Mn nên mômen điện từ M mômen hãm Ở động điện Mn nên mômen điện từ mômen quay - Công suất điện từ là: p.N 2 n p.N Pdt  M    I u  n. I u 2 a 60 60a hay Pdt  Eu I u [W ] (5.3) Quan hệ Pñt với M trao đổi lượng máy Đối với MFđ Pñt công suất M thành công suất điện từ Eö I ö Ngược lại động điện công suất điện từ chuyển công suất điện Eö I ö thành công suất M 6 QUÁ TRÌNH NĂNG LƢỢNG VÀ CÁC PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG Tổn hao máy điện chiều a) Tổn hao P Cơ: Chủ yếu ma sát ổ bi, chổi than với vành góp, thông gió, phụ thuộc vào tốc độ rôto làm cho ổ bi, vành góp nóng lên b) Tổn hao sắt P Fe: Do từ trể dòng điện xoáy lõi thép tỉ lệ với f 1,21,6 B Tổn hao không tải: P0  PCo  PFe (6.1) P Mômen không tải: M  (6.2)  c) Tổn hao đồng P Cu: (6.3) PCu  PCu.ö  PCu.t  Rö I ö2  U t I t Rö  rö  r f  rtx với d) Tổn hao phụ Pf : Tổn hao phụ bao gồm Tổn hao phụ thép từ trường phân bố không bề mặt phần ứng, bulông ốc vít, rãnh làm sinh từ trường đập mạch Tổn hao phụ đồng qúa trình đổi chiều dòng điện phân bố không chổi than làm tăng Ptx từ trường phân bố không làm sinh dòng điện xoáy tổn hao dây nối cần Thường lấy Pf  1%Pñm Quá trình lƣợng phƣơng trình cân a) Máy phát điện: - Máy phát nhận công suất P1 , tiêu hao phần PCô PFe lại biến thành Pñt Pñt  P1  P0 (6.4) - Khi có dòng điện dây dẫn có tổn hao đồng, công suất điện đưa P2 bằng: P2  Pñt  PCu  Eö I ö  Rö I ö2  U.I ö (6.5) Chia hai vế cho I ö ta phương trình cân sức điện động là: U  Eö  Rö I ö từ (1)  (6.6) M1  M   M M1  M  M : phương trình cân mômen b) Động điện: Ta có phương trình cân bằng: 86 Chương 5: Máy điện chiều Pñt  P1  PCu.ö  PCu.t P2  Pñt  P0 (6.7) (6.8) UI ö  Pñt  PCu.ö  Eö I ö  Rö I ö2 : phương trình cân bằn sức điện động (6.9) U  Eö  Rö I ö M  M   M  M  M  M : phương trình mômen động điện chiều (6.10) 7 PHƢƠNG PHÁP KÍCH TỪ Kích từ độc lập - Dùng nam châm vĩnh cữu: Công suất nhỏ - Dùng nguồn điện kích từ riêng: Ac quy, nguồn điện DC chỉnh lưu, máy phát điện chiều phụ (công suất lớn) - It  Ut thay đổi   thay đổi  E thay đổi Rñc  Rt Phƣơng pháp tự kích a) Kích từ song song - Máy phát: I  I ö  I t - Động cơ: I  I ö  I t - I kt  U thay đổi  U, R ñc Rt  Rñc b) Kích từ nối tiếp Ta có: I t  I ö  I Chỉ dùng cho động chế độ máy phát yêu cầu U=const I thay đổi Mà I thay đổi  I t thay đổi   thay đổi  E thay đổi  U không ổn định - Tổn hao kích từ lớn c) Kích từ hỗn hợp Gồm có: + Hỗn hợp cộng  tnt   t // + Hỗn hợp trừ  tnt   t // 8 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Phân loại Dựa vào phương pháp kích từ: + Máy phát điện chiều kích từ độc lập + Máy phát điện chiều kích từ song song + Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp + Máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp Các đặc tính máy phát điện chiều a) Đặc tính không tải: U  E0  f (I t ) I  0, n  const b) Đặc tính ngoài: 87 Chương 5: Máy điện chiều U  f (I ) I t  const , n  const  Kích từ độc lập: Ta có: U  Eö  I Rö Khi I tăng điện áp rơi dây quấn phần ứng I.R ö tăng, phản ứng phần ứng tăng nên E ö  giảm  U  - Độ biến đổi điện áp định mức là: U ñm %  U  U ñm 100%   15% U ñm  Kích từ song song: Khi I  U  nhiều việc I.R ö  , E  U   I kt  U  Rt  Rñc     E  nhiều U ñm %  10  12%  Kích từ nối tiếp: Vì I t  I ö  I nên I  I t      E ö   U  Eö  I Rö   Kích từ hỗn hợp: + Khi nối thuận hai cuộn kích từ U không đổi + Khi bù thừa E ö  nhanh  U tăng tải tăng + Khi bù thiếu  E ö  nhanh  U  giảm nhanh kích từ song song c) Đặc tính điều chỉnh I t  f (I ö ) U  const , n  const  Kích từ độc lập Ta có: U  Eö  I Rö Khi I tăng, muốn U không đổi ta phải tăng dòng điện kích từ I t     E ö  để bù lại I.R ö  phản ứng phần ứng  Kích từ song song Khi I tăng U giảm nhiều, để U=const phải tăng I t nhiều kích từ độc lập  Kích từ hỗn hợp + Khi nối thuận U giảm nên I t tăng + Khi nối bù thừa U tăng lên nên I t giảm + Khi nối bù thiếu U giảm nhiều nên I t tăng nhanh d) Đặc tính ngắn mạch I  f (I t ) U  0, n  const Dùng với máy kích từ độc lập Khi ngắn mạch: U =0  E ö  I ö R ö , R ö nhỏ  E ö nhỏ để I  1,25  1,5I ñm  I t  mạch từ không bảo hòa, E ö  I t , I  I t đặc tuyến có dạng đường thẳng Máy phát điện chiều làm việc song song Điều kiện máy phát điện chiều làm việc song song: + Cùng cực tính + Sức điện động E máy phải U góp + Đối với máy kích từ hỗn hợp phải nối dây cân 88 Chương 5: Máy điện chiều Giải thích: - Nếu không thỏa điều kiện gây nên ngắn mạch máy - Nếu E >U máy nhận tải đột ngột làm điện áp lưới thay đổi E < U máy làm việc chế độ động - Nếu dây cân giả sử nI  EI  II   EI  nhanh  Máy I nhận hết tải  tải máy II chuyển thành động Nếu có dây cân làm cho sức điện động máy tăng 9 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Phân loại Dựa vào phương pháp kích từ: + Động điện kích từ độc lập: I  I ö + Động điện kích từ song song I  I ö  I t + Động điện kích từ nối tiếp I  I ö  I t + Động điện kích từ hỗn hợp I  I ö  I t Mở máy động điện chiều  Các yêu cầu mở máy: - Mômen mở máy M k có giá trị lớn để hoàn thành trình mở máy - Dòng điện mở máy I k hạn chế đến mức nhỏ để dây quấn khỏi bị cháy ảnh hưởng xấu đến đổi chiều  Các phương pháp mở máy: a) Mở máy trực tiếp: Theo phương pháp cần mở máy ta việc đóng thẳng động vào lưới ta có: U  Eu  I u Ru  I u  U  Eu Ru (9.1) U  (5  10) I dm làm hỏng cổ góp Ru chổi than Nên dùng mở máy cho động công suất nhỏ khoảng vài trăm 100W Vì mở máy n =  Eu  Ke n.   I umm  với động R u tương đối lớn b) Mở máy biến trở: - Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy : U I umm  (9.2) Ru  Rm - Lúc mở máy biến trở Rm lớn nhất, trình mở máy n   E ö   I ö   M   tốc độ tăng chậm dần, ta tiếp tục giảm R m sau M, Iu lại giảm, ta giảm dần Rm đến không, máy làm việc định mức c) Giảm điện áp vào phần ứng Sử dụng có nguồn điện chiều chỉnh điện áp (hệ thống máy phát – động cơ) nguồn chiều chỉnh lưu Khi mạch kích từ đặt điện áp Ut = Udm nguồn khác  phương pháp dùng cho động công suất lớn kết hợp với việc thay đổi n nhờ thay đổi Ut 89 Chương 5: Máy điện chiều Đặc tính n = f (M) điều chỉnh tốc độ động điện chiều ta có: E  K e n.  n  U  Rö I ö E  K e  K e  R I U  ö ö K e  K e  Rö M U M  K M .I ö  n   K e  K M K e  n (9.3) - Giả sử đặc tính tải MC = f(n) điều kiện làm việc ổn định động dM dMC dM dMC , ngược lại điều kiện không ổn định   dn dn dn dn a) Động điện kích từ song song hay kích từ độc lập - Với điều kiện U= const, It = const M (hoặc Iư) thay đổi    const R M (9.4) n  n0  ö K Rư nhỏ, M =0  Mđm n thay đổi  dùng trường hợp n không đổi tải thay đổi (máy cắt kim loại,…) i) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông  Nếu tăng điện trở Rđc mạch kích từ It     n đặc tính nâng lên ii) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ R f mạch phần ứng Ta được: n  n0  ( Rö  R f ).M K - Rf lớn  đặc tính dốc mềm iii) Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp nđm Khi U  n , U  n U không vượt Uđm nên n > điều chỉnh phạm vi hẹp b) Động điện chiều kích từ nối tiếp Vì I t  I ö  I    K  I : chưa bão hòa M  K M .I ö  K M n K M U Ke K M Nếu bỏ qua Rư thì: n   2   K K M KM Rö K e K  C M  M vào (9.3) ta được: (9.5) C' n2 : hypebol  Đặc tính mềm - Chú ý không cho máy làm việc chế độ không tải M=0  n lớn  hư hỏng học 90 Chương 5: Máy điện chiều i) Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông  Hai sơ đồ a, b I t  K I đó: Rst Wt' K  K   lúc ta được: Rt  Rst Wt n K M U K e K K  M  Rö C : hypebol  K e K K  M (9.6) Do điều chỉnh  <  đm  tốc độ thay đổi vùng định mức (đường 2) - Sơ đồ c) mắc shunt phần ứng làm cho tổng trở toàn mạch giảm  I =It    n có dạng đường cong (n < nđm) ii) Điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ R f mạch phần ứng Khi thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ta được: n K M U Ke K M  ( R f  Rö ) K e K  (9.7) Khi Rf   n (n < nđm), tăng tổn hao điện trở phụ Rf  hiệu suất giảm  đặc tính hình 4, iii) Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp Vì điều chỉnh U < Uđm  n < nđm (đường 6) c) Động điện chiều kích từ hỗn hợp Đặc tính mang tính trung gian động kích từ song song kích từ nối tiếp Áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động kích từ song song hay nối tiếp Đặc tính làm việc động điện chiều a) Đặc tính tốc độ n  f (I ö ) U = U đm = const ta có: n  R I U  ö ö K  K e  M  K M .I ö nên đặc tính tốc độ giống đặc tính b) Đặc tính mômen M  f (I ö ) U  U ñm  const ta có: M  K M .I ö  Kích từ // :   const  M  I ö  M  f (I ö ) đường thẳng  Kích từ nối tiếp:   I ö  M  I ö2  M  f (I ö ) parabol  Kích từ hỗn hợp: Iư     chậm kích từ nối tiếp  đặc tính mômen trung gian kích từ // kích từ nối tiếp c) Đặc tính hiệu suất   f (I ö ) U  U ñm  const 91 Chương 5: Máy điện chiều   max P0  PCu Iư = 0,75Iđm Thường   75  85% : công suất nhỏ   85  95% : công suất lớn 92 Ví dụ 1: Một máy phát điện DC kích từ song song, công suất định mức P đm = 25kW, điện áp định mức U đm = 115V, có thông số sau: điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 12,5Ω; điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,0238Ω; số đôi nhánh a = 2; số đôi cực từ p = 2; số dẫn N = 300; tốc độ quay n = 1300v/p a) Xác định sức điện động Eư , từ thông Φ b) Giả sử dòng điện kích từ không đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng Hãy xác định điện áp đầu cực máy dòng điện giảm xuống I = 80,8A Ví dụ 2: Một máy phát điện chiều kích từ song song, điện áp định mức Uđm = 115V; cung cấp dòng điện It = 98,3A cho tải Điện trở phần ứng Rư = 0,0735Ω, điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 19Ω Tổn hao cơ, sắt từ phụ 4% công suất điện a) Xác định sức điện động Eư hiệu suất η máy chế độ tải b) Tính dòng điện ngắn mạch ngắn mạch hai đầu cực máy phát Cho biết từ thông dư 3% từ thông máy chế độ tải tốc độ máy không đổi Ví dụ 3: Một máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp, công suất định mức P đm = 20 kW, điện áp định mức 230 V Điện trở mạch kích từ song song Rktss = 71,87 Ω, điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,098 Ω, điện trở dây quấn kích từ nối tiếp Rktnt = 0,04 Ω, tổn hao cơ, sắt, từ, phụ 4% công suất định mức Xác định sức điện động Eư Ví dụ 4: Một động điện chiều công suất định mức P đm = 1,5 kW, điện áp định mức U đm = 220 V; hiệu suất η = 0,82; tốc độ n = 1500v/p Tính momen định mức, tổng tổn hao máy, dòng điện định mức Ví dụ 5: Một động điện chiều kích từ hỗn hợp, điện áp định mức Uđm = 220 V; dòng điện định mức Iđm = 502 A, hiệu suất định mức η = 0,905; điện trở dây quấn kích từ song song Rktss = 50 Ω; tổn hao cơ, sắt từ phụ 4136 W Tính công suất điện động tiêu thụ, công suất định mức động cơ, tổng tổn hao điện trở phần ứng, điện trở kích từ nối tiếp dây quấn cực từ phụ Ví dụ 6: Một động điện chiều kích từ hỗn hợp, điện áp định mức Uđm = 220 V; dòng điện định mức Iđm = 94 A, điện trở dây quấn kích từ song song Rktss = 338 Ω; điện trở dây quấn phần ứng kích từ nối tiếp Rư + Rnt = 0,17 Ω, số đôi nhánh a = 1, số đôi cực từ p = 2, số dẫn N = 372, tốc độ n = 1100 v/p Tính sức điện động Eư, từ thông Φ, công suất điện từ, momen điện từ Ví dụ 7: Một động điện chiều kích từ nối tiếp, điện áp định mức Uđm = 110 V; dòng điện định mức Iđm = 26,6 A, điện trở phần ứng dây quấn kích từ nối tiếp Rư + Rnt = 0,282 Ω Tính dòng điện mở máy trực tiếp Tính điện trở mở máy để dòng điện mở máy lần dòng điện định mức Ví dụ 8: Một động điện chiều kích từ song song, công suất định mức P đm = 10 kW, điện áp định mức U đm = 220 V; hiệu suất η = 0,86, tốc độ định mức n = 2250 v/p, dòng điện kích từ định mức Ikt = 2,26A, điện trở phần ứng Rư = 0,178 Ω Tính dòng điện mở máy trực tiếp Để giảm dòng điện mở máy xuống lần dòng điện định mức, tính điện trở mở máy Rmm Ví dụ 9: Một động điện chiều kích từ song song, công suất định mức P đm = 12 kW, điện áp định mức U đm = 220 V; tốc độ định mức n đm = 685 v/p, dòng điện định mức Iđm = 64 A, dòng điện kích từ định mức Iktđm = 2A, điện trở phần ứng Rư = 0,281 Ω Động kéo tải có momen cản không đổi Để giảm tốc độ động người ta dùng hai phương pháp sau: a) Thêm điện trở phụ Rp = 0,7 Ω vào mạch phần ứng Tính tốc độ hiệu suất động tình trạng b) Giảm điện áp đặt vào động Tính tốc độ hiệu suất lúc U = 176,6 V Có nhận xét hiệu suất phương pháp sử dụng Giả thiết bỏ qua tổn hao cơ, phụ hai trường hợp giữ từ thông không thay đổi Ví dụ 10: Một máy phát điện chiều kích từ song song, công suất định mức P đm = 7,5 kW, điện áp định mức U đm = 230 V; tốc độ quay định mức n đm = 1450 v/p, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,54 Ω, điện trở mạch kích từ song song Rktss = 191,7 Ω, điện áp rơi chổi than V Máy phát sử dụng chế độ động U = 220 V, quay với tốc độ n = 1162 v/p hiệu suất η = 0,825 Xác định công suất điện động tiêu thụ, công suất hữu ích trục Bài Một động chiều kích từ song song có điện trở mạch ứng Rư = 0,5, điện trở mạch kích từ Rkt = 125, tiêu thụ dòng tổng I = 21A từ nguồn 125V Tổn hao không tải P = 200W Động quay 1800v/p Tính: a Công suất điện từ b Công suất c Moment d Do tải tăng lên tốc độ n = 1650 v/p Tính công suất điện từ moment điện từ (dòng kích từ không đổi) Bài Cho động DC kích từ song song có thông số định mức: công suất Pđm = 27 kW, điện áp Uđm = 220V, hiệu suất đm = 90%, điện trở dây quấn kích từ Rkt = 100, Điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,06, tốc độ nđm = 900v/p, số đôi mạch nhánh song song a = Ở chế độ định mức xác định: a Dòng điện tiêu thụ Iđm, dòng điện phần ứng Iưđm b Sức điện động phần ứng Eưđm, moment điện từ Mđt c Tiết diện dây quấn phần ứng biết mật độ dòng dây quấn J = 2,5A/mm2 Bài Một động DC kích từ song song làm việc chế độ định mức: 14,5 kW, 220V, 500 v/p, hiệu suất 85%, có điện trở mạch phần ứng Rư = 0,3 mạch kích từ (Rkt + Rđc) = 96 Hãy xác định thông số: Dòng điện động tiêu thụ sức điện động phần ứng? Moment điện từ? Nếu tăng điện trở Rđc để từ thông cực từ giảm bớt 10% động quay tải với tốc độ n bao nhiêu? Bài Động điện DC kích từ song song làm việc định mức có: Pđm = 35kW, Uđm = 240V, n đm = 3000v/p, dây quấn phần ứng có Rư = 0,057, dây quấn kích từ có Rkt = 104 Bỏ qua tổn hao không tải ảnh hưởng phản ứng phần ứng, xác định: Moment M đưa đ ầu trục Sức điện động cảm ứng Eưđm dòng phần ứng Iưđm Dòng điện tiêu thụ I đm Hiệu suất đm% Nếu thay tải cánh quạt gió có đặc tính M = 10-3.n2 (n tính v/p) tốc độ quay n động [...]... về máy điện §7 CÁC BƢỚC NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Gồm 4 bước: 1 Khảo sát hiện tƣợng vật lý xảy ra trong máy điện 2 Từ các định luật vật lý, viết hệ phƣơng trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện (mô hình toán học) 3 Từ mô hình toán học, vẽ sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của máy điện 4 Từ sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng, khảo sát đặc tí nh làm việc của máy điện 14 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 1 Các bộ phận cơ bản của máy. .. chung về máy điện b) Máy điện làm lạnh trong: Sự tuần hoàn gió bên trong máy đƣợc thực hiện nhờ quạt gió đặt đầu trục c) Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài: Đầu trục bên ngoài có đặt quạt gió và nắp quạt gió để hƣớng gió thổi dọc mặt ngoài thân máy d) Máy điện làm lạnh độc lập: Với các máy điện lớn, quạt gió để riêng ở ngoài thổi khí hoặc khí đã làm lạnh vào trong và hút gió từ trong ra ngoài e) Máy điện làm... là máy biến áp tăng áp Nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn sơ cấp là máy biến áp giảm áp 2 Phân loại Theo công dụng máy biến áp có thể gồm các loại sau đây: - Máy biến áp điện lực: Dùng để truyền tải và phân phối điện - Máy biến áp chuyên dùng: Dùng cho các lò luyện kim, máy biến áp hàn, các thiết bị chỉnh lưu,… - Máy biến áp tự ngẫu: Có thể thay đổi điện áp nên dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều - Máy. .. Chương 2: Máy biến áp Chú ý với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, còn máy biến áp ba pha điện áp là điện áp dây  Dòng điện định mức(A): Là dòng điện qui định cho mỗi cuộn dây máy biến áp ứng với công suất định mức và điện áp định mức Với máy biến áp một pha: Với máy biến áp ba pha: I1ñm  I1ñm  Sñm , U 1ñm Sñm 3U1ñm Sñm U 2ñm Sñm  3U 2ñm I 2ñm  , I 2ñm Ngoài ra trên máy biến áp... làm việc nhiệt độ của máy sẽ giảm đến nhiệt độ môi trƣờng xung quanh Phƣơng trình cân bằng nhiệt giống (4.7) nhƣng Q = 0: GCdθ  Sλλ(  θ 0 )dt  0 t (4.14) 1 t  θ  θ 0 (1  e T )  θ1e T Là phƣơng trình nguội lạnh của máy 0 0 1T 2T 3T 4T t Hình 1.8 Quá trình nguội lạnh trong máy điện 5 Vấn đề làm lạnh các máy điện Theo phƣơng pháp làm lạnh, máy điện chia thành: a) Máy điện làm lạnh tự nhiên:... phối điện Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng Các nhà máy điện lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng Thông thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng vài chục kV, để truyền tải được công suất lớn và giảm tổn hao công suất trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến... máy điện là gì? Chức năng của từng bộ phận đó? 2 Giải thích ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ trong máy điện? 3 Giải thích nguyên lý thuận nghịch của máy điện? 4 Định luật mạch từ và tính toán mạch từ? 5 Các vật liệu dùng trong máy điện? 6 Mạch từ (hình 1) của nam châm điện gồm 2 đọan: đoạn 1 bằng thép dài l 1, đoạn 2 là khe hở không khí dài l 2, cuộn dây có W vòng và dòng điện. .. làm việc và nhiệt độ tăng cho phép của máy điện Các máy điện thƣờng có thể làm việc theo nhiều chế độ khác nhau Có máy điện làm việc với toàn bộ công suất trong khoảng thời gian dài nhƣ máy phát điện, hoặc làm việc ngắn hạn nhƣ động cơ điện cần trục, hoặc làm việc theo chu kỳ và có thể làm việc với tải thay đổi Với các chế độ khác nhau tình trạng phát nóng của máy điện khác nhau Để kinh tế ta phải thiết... ngắn mạch máy biến áp Rn  R1  R2 là điện trở ngắn mạch máy biến áp X n  X1  X 2 là điện kháng ngắn mạch máy biến áp Dòng điện ngắn mạch sự cố là dòng điện ngắn mạch khi điện áp đặt vào sơ cấp In  bằng điện áp định mức: U1ñm Zn (2.30) Vì Z n rất nhỏ  I n  (10  25)I ñm  nguy hiểm máy biến áp 2 Thí nghiệm ngắn mạch Mục đích để xác định các thông số của các cuộn dây và tổn hao trên các điện trở... máy điện a) Phƣơng trình phát nóng của máy điện Giả sử nhiệt độ ban đầu của máy bằng với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh là 0 Nếu máy làm việc với tải không đổi và nhiệt lƣợng phát ra trong một đơn vị thời gian là Q thì nhiệt lƣợng phát ra trong thời gian dt là Qdt Một phần nhiệt lƣợng đó sẽ làm tăng nhiệt độ của máy và một phần tản ra môi trƣờng xung quanh Ta đƣợc phƣơng trình cân bằng nhiệt của máy