nghiên cứu xây dựng các đặc tính làm việc của máy điện dc và ac bằng phần mềm lv sim ems

Phương trình điện áp của máy biến áp ngắn mạch: Tiến hành thí nghiệm như sau: Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp.. Khi tải I tăng, đ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN DC VÀ AC BẰNG PHẦN MỀM LV SIM - EMS

~~~~~~~o0o~~~~~~~

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY

ĐIỆN DC VÀ AC BẰNG PHẦN MỀM LV SIM – EMS

Mã Số: SV2009 – 77

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH – 06/2010

Cơ quan chủ trì đề tài: Phòng quản lý khoa học và đào tạo sau đại học

Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: Nguyễn Hữu Phước

Thời gian thực hiện: 12 tháng

1 Mục tiêu: Nghiên cứu xây dựng các đặc tính làm việc của máy điện DC và AC bằng phần mềm LV Sim – EMS

2 Nội dung chính:

 Tổng quan về LV Sim

 Nghiên cứu các dạng đặc tính của máy điện

 Mô phỏng trên LV Sim

3 Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế – xã hội, v.v…)

- Báo cáo kết quả nghiên cứu

- Sản phẩm của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Điện, Điện tử

********

A PHẦN MỞ ĐẦU i

I Lý do chọn đề tài i

II Mục tiêu nghiên cứu i

III Nội dung nghiên cứu i

IV Phương pháp nghiên cứu i

B NỘI DUNG 1

Chương 1: Tổng quan về LV Sim 1

1.1 LV Sim 1

1.2 Hệ thống đào tạo Lab - Volt 11

Chương 2: Các dạng đặc tính của máy điện 14

2.1 Máy biến áp 14

2.2 Động cơ một chiều DC 18

2.3 Động cơ đồng bộ AC 27

2.4 Động cơ không đồng bộ AC 31

Chương 3: Mô phỏng máy điện trên LV Sim 34

3.1 Máy biến áp 34

3.2 Động cơ một chiều DC 48

3.3 Động cơ đồng bộ AC 63

3.4 Động cơ không đồng bộ AC 70

C KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 76

Trong cuộc sống ngày càng hiện đại, nhu cầu con người ngày càng cao, đòi hỏi khoa học kỹ thuật phải đáp ứng đầy đủ cho con người như việc ăn mặc, đi lại, vui chơi giải trí Trong đó học tập và làm việc đòi hỏi phải có những máy móc, phần mềm tiên tiến phục vụ cho việc giảng dạy và thực hành cho học sinh sinh viên trong các trường đại học cũng như trung học phổ thông Nhưng

ở nước ta những phần mềm này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do đó các học viên vẫn chưa tiếp cận được với các công nghệ mới

Để giúp cho sinh viên hiểu được các đặc tính làm việc của các động cơ AC,

DC, hệ thống đào tạo Lab – Volt đã phát minh ra phần mềm LV Sim – EMS Đây là một trong những phần mềm tiên tiến để sinh viên có thể mô phỏng để nắm vững được các kiên thức đã học Nó là phần mềm giao tiếp trên máy tính,

mô phỏng chính xác hệ thống cơ điện Lab-Volt cũng như các hệ thống khác nó kích hoạt mạch điện được mô phỏng

II Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng các đặc tính làm việc của máy điện AC và DC bằng phần mềm LV Sim – EMS

III Nội dung nghiên cứu

1 Tổng quan về LV Sim

2 Nghiên cứu các dạng đặc tính của máy điện

3 Mô phỏng trên LV Sim

IV Phương pháp nghiên cứu Người nghiên cứu đã sử dụng phương pháp:

1 Nghiên cứu lý thuyết

 Tìm hiểu về các đặc tính làm việc của máy điện

i Phải nắm rõ các loại máy điện về: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các đường đặc tính

ii Ứng dụng của các loại máy điện

2 Phương pháp thực nghiệm

Từ những kiến thức về lý thuyết và cách sử dụng phần mềm LV Sim để đưa vào

để thực nghiệm, xem xét kết quả từ đó rút ra những thiếu sót và tìm cách sữa chữa

nó

Kiểm tra kết quả thực tế phải có sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn

Xây dựng mô hình học tập cho học sinh, sinh viên ở các trường trung cấp và trung học phổ thông

B PHẦN NỘI DUNG

Chương I: Tổng quan về LV Sim 1.1 Lv Sim

1.1.1 Giới thiệu phần mềm LVSIM - EMS

LVSIM – EMS là phần mềm chạy trên nền Window, sử dụng để mô phỏng hệ

thống máy điện của Lab – Volt (EMS)

Hình 1.1 Màn hình đặt các module thí nghiệm

Trong phần mềm này, các module sử dụng trong mô phỏng hoàn toàn giống

với các module vật lý dùng trong thí nghiệm Nhờ đó, sinh viên có thể làm các thí

nghiệm ảo để kiểm tra các kết quả thí nghiệm trước khi tiến hành các thí nghiệm

thực trên mô hình vật lý Các module trong phần mềm được đặt trên một màn hình

dạng panel ảo và có thể kết nối lại với nhau bằng dây dẫn theo một sơ đồ thí

nghiệm để tiến hành mô phỏng các kết quả, hình 1.1

Trên màn hình thí nghiệm có các thanh công cụ để lựa chọn thiết bị thí

nghiệm, thiết bị đo, và thay đổi màu dây kết nối, hình 1.2

a,

Hình 1.2 (a) Chọn thiết bị thí nghiệm

(b) Chọn các chế độ hiển thị kết quả thí nghiệm (c) Chọn màu dây kết nối

1.1.2 Các module thí nghiệm thiết bị

Để lấy các module thí nghiệm, vào cửa số Equipment trên thanh

công cụ, hình 1.3

Data Acquisition Interface (D.A.I): Bộ thu thập dữ liệu

- Power Supply: Module nguồn

- Load: Module tải

- Transformer: Module máy biến áp

- Machine: Module máy điện

- Synchronizing Module: Module đồng bộ

- Blank Module: Module trống

Hình 1.3 Cửa sổ lấy thiết bị thí nghiệm

Tại cửa sổ Equipment, cần lấy thiết bị nào thì nhấp chuột trái vào các mục

tương ứng sau đó đặt các thiết bị vừa lấy vào panel

- Data Acquisition Interface (D.A.I): Bộ thu thập giữ liệu

Hình 1.4 Bộ thu thập dữ liệu

E1, E2, E3: Đo điện áp (mắc song song với điện áp cần đo, đỏ dương và đen

- Power Supply: Module nguồn

Hình 1.5 Module nguồn

1 – 2 – 3 – N : Nguồn AC 3 pha 220/380V không thay đổi điện áp

4 – 5 – 6 – N : Nguồn AC 3 pha 0 - 220/380V thay đổi được điện áp

7 – N : Nguồn DC thay đổi được điện áp từ 0 – 220V

8 – N : Nguồn DC 220V không thay đổi được điện áp

- Load: Các module tải

Hình 1.6 Module tải

-

- Transformer: Module máy biến áp

Hình 1.7 Module máy biến áp

Module máy biến áp 1 pha : + 1 – 2 : Cuộn dây sơ cấp (U1 = 220V)

+ 3 – 4 và 5 – 6 : Các cuộn dây thứ cấp

Module máy biến áp 3 pha : + 1 – 2, 6 – 7, 11 – 12 : Cuộn dây sơ cấp

+ 3 – 5, 8 – 10, 13 – 15 : Cuộn dây thứ cấp

- Prime Mover / Dynamometer: Module động cơ sơ cấp / thiết bị đo moment

Hình 1.8 Module động cơ sơ cấp / thiết bị do moment

Output T - N: Tín hiệu moment - tốc độ đưa ra bộ D.A.I

Input 1 - 2: Nguồn DC đưa vào khi ở chế độ Prime Mover

Mode P / D: chế độ động cơ sơ cấp / chế độ thiết bị đo moment

- DC Motor / Generator: Module động cơ / máy phát DC

Hình 1.9 Module động cơ / máy phát DC

1 – 2: Cuộn dây phần ứng

Series 3 – 4: Cuộn dây kích từ nối tiếp

Shunt 5 – 6: Cuộn dây kích từ song song

Rheostat 7 – 8: Biến trở điều chỉnh dòng điện kích từ

- Synchronous Motor / Generator: Module động cơ / máy phát đồng bộ AC

-

Hình 1.10 Module động cơ / máy phát đồng bộ

1 – 4, 2 – 5, 3 – 6: Ba cuộn dây stator (tương ứng AX – BY – CZ)

DC 7 – 8: Cuộn dây kích từ

Exciter: Biến trở điều chỉnh dòng kích từ

- Squirrel – Cage Induction Motor: Module động cơ cảm ứng

Hình 1.11 Module động cơ cảm ứng

1 – 4, 2 – 5, 3 – 6: Ba cuộn dây stator (tương ứng AX – BY – CZ)

- Universal Motor: Module động cơ vạn năng

-

Hình 1.12 Module động cơ vạn năng

1 – 2: Cuộn dây phần ứng

Series 3 – 4: Cuộn dây kích từ nối tiếp

Compensating 5 – 6: Cuộn dây bù

- Capacitor – Start Motor: Module động cơ một pha khởi động bằng tụ

Hình 1.13 Module động cơ 1 pha khỡi động tụ

1 – 2: Cuộn chạy (pha chính); 3 – 4: Cuộn đề (pha phụ)

4 – 5: Tụ khởi động; 6 – 7: Công tắc ngắt tụ

- Synchronizing Module: Module hòa đòng bộ

Hình 1.14 Module hòa đồng bộ

1 – 2 – 3: Nối vào lưới điện

4 – 5 – 6: Nối vào máy phát điện cần hòa

- Blank Module: Module trống

Hình 1.15 Module hòa đồng bộ

Các module này được sử dụng để lấp vào các chỗ trống trên panel thí nghiệm

- Metering: Thiết bị đo

Hình 1.16 Màn hình thiết bị đo

- Dây nối

Hình 1.17 Dây nối

E1, E2, E3: Đồng hồ hiển thị điện áp

I1, I2, I3: Đồng hồ hiển thị dòng điện

PQS1, PQS2, PQS3: Đồng hồ hiển thị công suất

T: Đồng hồ hiển thị moment

N: Đồng hồ hiển thị tốc độ

1.2 Hệ thống đào tạo Lab – Volt

Trải qua bốn thập kỉ, Lab - Volt đã đưa ra sự đào tạo kỹ thuật căn bản và ứng

dụng tiên tiến nhất của điện và điện tử, nguồn năng lượng thủy năng, kiểm sốt cơng

nghiệp, kiểm sốt quá trình, trang bị máy mĩc , cơ điện tử và kỹ thuật viễn thơng

Ngày nay, hiệu quả của Lab-Volt đã được ứng dụng trong đào tạo và giáo dục,

đã được biết đến như nhà sản xuất Bắc Mỹ hàng đầu trong hệ thống đào tạo kỹ thuật

Chìa khĩa để đi đến thành cơng đĩ là phải đốn trước được những ứng dụng của

cơng nghệ mới và phát triển hệ thống đào tạo cho phép chuyên mơn hĩa trong cơng

nghiệp và giáo dục

Bên cạnh đĩ, Lab - Volt cịn thiết kế và tạo ra những chương trình giảng dạy,

trang thiết bị, diễn đàn quản lý, trang bị phịng thí nghiệm và những chuẩn đào tạo

phù hợp và cần thiết cho sinh viên Hệ thống đào tạo Lab-Volt được cân nhắc kĩ để

đưa ra kiến thức lý thuyết vững chắc song song với sự thay đổi khác nhau về ứng

dụng Bằng thiết kế, chất lượng đầu tiên của Lab – Volt là hệ thống đào tạo tiêu

chuẩn cơng nghiệp, module hĩa và khơng hạn chế để sinh viên cĩ thể sử dụng

chương trình ở nhiều thời điểm khác nhau Hệ thống đào tạo Lab-Volt mang đến học

thuyết kĩ thuật cho cuộc sống, dạy những cơng nghệ mới nhất kèm theo việc xử lý sự

cố, cách phán xét và các kỹ năng lập luận

Lab-Volt duy trì một khối giáo viên, các nhà thiết kế hệ thống hướng dẫn và

các kỹ sư cĩ trách nhiệm trợ giúp các giảng viên, các giám đốc đào tạo, các nhà điều

hành trong nội dung các chương trình thiết kế, chọn lựa hay phân loại thiết bị, phần

mềm và cung cấp chương trình đào tạo giáo viên chuyên nghiệp

Trong thiết kế thiết bị phòng thí nghiệm, Lab-Volt đảm bảo tính tương thích

với các yêu cầu nguồn năng lượng thế giới đang được thịnh hành ở Bắc Mỹ, Châu

Phi, Châu Á, Châu Âu,Trung Đông, Nam Mỹ và Nam Á cũng như tại các trường

trung học hay các trường cao đẳng cộng đồng ở Mỹ, trung tâm điều khiển giao thông

hàng không tại Ả Rập Sao Đi, hoặc hiệp hội kỹ thuật ở Philipin, các hệ thống đào tạo

Lab-Volt cung cấp kỹ thuật giảng dạy và các công cụ quản lý lớp học được xây dựng

trên trên cơ sở máy tính phân phối, quản lý và điều khiển quá trình đào tạo

Các hệ thống của Lab-Volt được dùng để đào tạo các kỹ thuật viên, họ làm

việc thành công trong các công ty đa quốc gia hàng đầu như là General Telephone

&Electronics, Lockheed Aviation, United States Steel, Western Electric and Motors,

IBEW và nhiều công ty khác Thêm vào đó các kỹ thuật viên được đào tạo bởi

Lab-Volt đã giữ nhiều vị trí tại các trường cao đẳng, các trường đại học, các bộ giáo dục

đào tạo và các khu quân sự hàng đầu trên thế giới

Hệ thống FACET®, Lab-Volt Simulation Systems®, Lab-Volt

Automa-tion™, and Tech-World® của Lab-Volt là một trong số hầu hết các hệ thống được

tích hợp công nghệ giáo dục rộng lớn ngày nay Các học viên trên 30.000 trường

học, các khu công nghiệp, các khu quân sự trên 50 quốc gia sử dụng hệ thống

Lab-Volt để học các kỹ năng cần thiết để gìn giữ sự phát triển công nghệ vượt bậc của

thế giới

Chương II: Các dạng đặc tính của máy điện 2.1 Máy biến áp

2.1.1 Chế độ không tải của máy biến áp:

Chế độ không tải của MBA là chế độ mà thứ cấp hở mạch (I2=0), còn sơ cấp

được cung cấp một điện áp U1

Thí nghiệm không tải là để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ trong lõi

thép PFe và các thông số của MBA ở chế độ không tải

Khi không tải (hình 2.1) dòng điện thứ cấp I2=0

Ta có phương trình là:

Hoặc:

(2.2) Trong đó:

là tổng trở không tải của MBA

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế MBA khi không tải và sơ đồ nối dây thí nghiệm khi không tải

Sơ đồ đấu dây thí nghiệm không tải (hình 2.1) Đặt điện áp U1=U1đm vào dây

quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho ta số liệu sau: Po là công suất tổn

hao không tải, I0 là dòng điện không tải, còn U1đm và U20 là điện áp sơ cấp và thứ cấp

Từ đó ta tính được:

a) Hệ số biến áp k:

b) Dòng điện không tải phần trăm:

c) Tổn hao trong lõi thép:

d) Tổng trở không tải:

+ Điện trở không tải:

Do rm >> r1 nên gần đúng lấy bằng: rm = r0 – r1

+ Tổng trở không tải:

+ Điện Kháng không tải:

Điện kháng từ hóa Xm>>X1 nên lấy gần đúng bằng: Xm=X0e) Hệ số công suất không tải:

2.1.2 Chế độ ngắn mạch máy biến áp:

Chế độ ngắn mạch MBA là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, bên sơ cấp được

đặt vào một điện áp Trong vận hành, nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn

mạch như hai dây dẫn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau

bằng tổng trở rất nhỏ Đó là tình trạng sự cố

Thí nghiệm ngắn mạch là để xác định điện áp ngắn mạch phần trăm Un% tổn

hao đồng định mức Pđm, hệ số công suất cosφn, điện trở ngắn mạch rn và điện kháng

ngắn mạch Xn của mạch điện thay thế MBA

Phương trình và mạch điện thay thế MBA khi ngắn mạch:

Khi MBA ngắn mạch U2 = 0, mạch điện thay thế MBA vẽ trên hình 2.2 Dòng điện

sơ cấp là cấp dòng điện ngắn mạch In

Phương trình điện áp của máy biến áp ngắn mạch:

Tiến hành thí nghiệm như sau:

Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều

chỉnh điện áp Ta điều chỉnh điện áp vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho dòng điện

trong các dây quấn bằng định mức Điện áp Un gọi là điện áp ngắn mạch Lúc đó các

dụng cụ đo cho ta các số liệu sau; Un là điện áp ngắn mạch; Pn là tổn hao ngắn mạch;

I1đm và I2đm là dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức

Hình 2.2: Mạch điện thay thế MBA khi ngắn mạch và sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

a) Tổn hao ngắn mạch:

Lúc thí nghiệm ngắn mạch, điện áp ngắn mạch Un nhỏ hơn từ thông Φ nhỏ, có

thể bỏ qua tổn hao sắt từ Công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch Pn chính là

tổn hao trên điện trở hai dây quấn khi MBA làm việc ở chế độ định mức

Ta có:

b) Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch:

2.1.3 Chế độ có tải máy biến áp:

Chế độ có tải MBA là chế độ mà dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định

mức, dây quấn thứ cấp nối với tải Để đáng giá mức độ tải của máy, ta so sánh nó

với tải định mức và định nghĩa hệ số tải β:

Khi β =1 : máy có tải định mức; β < 1: máy non tải; β > 1: máy quá tải

Độ biến thiên điện áp thứ cấp MBA và đặt tính ngoài

a) Độ biến thiên điện áp thứ cấp

Khi máy biến áp mang tải, sự thay tải dẫn đến điện áp thứ cấp U2 thay đổi

độ biến thiên điện áp thứ cấp máy biến áp ΔU2 là hiệu số học giữa trị số điện áp

thứ cấp lúc không tải U2đm (điều kiện U1 = U1đm ) và lúc có tải U2

ΔU = U2đm – U2

Hình 2.3: xác định ΔU máy biến áp

Độ biến điện áp thứ cấp phần trăm tính như sau:

(2.3) Nhân tử và mẫu với hệ số K, ta có:

Xác định ΔU2% bằng phương pháp giải tích

Đồ thị véctơ của máy biến áp ứng với mạch điện thay thế đơn giản Trên thục tế

góc lệch pha giữa 1đm và (- ’2) rất nhỏ, để tính ΔU2 từ A và C hạ đường thẳng

vuông góc xuống OB, cắt OB kéo dài tại P và K, có thể coi gần đúng:

U1đm = OA OP

U1đm – U’2 BP = BK + KP Tính:

(2.4a)

(2.4b) Lấy (1.13a) và (1.13b) thay vào (1.12), ta có:

(2.5)

Hình 2.4: vẽ quan hệ ΔU 2 % = f(β) cosφt = const

Từ công thức (2.5) cho thấy độ biến thiên điện áp thứ cấp ΔU2 phụ thuộc vào

hệ số tải β và hệ số công suất cosφ2 Giả thiết hệ số công suất cosφt không đổi thì

ΔU2 % = f(β) Trên hình 2.4 vẽ quan hệ ΔU2% = f(β) với các cosφ2 khác

2.2 Động cơ một chiều DC

2.2.1 Máy phát một chiều

2.2.1.1 MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Dòng điện kích từ It do nguồn một chiều ngoài máy tạo ra, không phụ thuộc dòng

điện phần ứng Iư Trên hình 2.5 là mạch điện tương đương của máy phát điện một

Lưu ý các điểm sau:

• Lúc I t = 0 vẫn có một sđđ nhỏ E dư do từ dư của

lõi thép

• Trong đoạn E dư A.sđđ E tỷ lê I t

Trong đoạn chuyển tiếp AB, sđđ E tăng chậm hơn

I t

• Trong đoạn bão hòa BC, sđđ E tăng không

đáng kể

Điểm làm việc bình thường của máy nằm trên đoạn chuyển tiếp vì nếu trên

đoạn tuyến tính sđđ E sẽ thay đổi nhiều theo dòng điện It nên điện áp ra của máy bị

dao động; còn trên đoạn bão hòa dòng điện It lớn làm tăng tổn hao

b Đặc tính ngoài : U =f(I), khi n = const và It = const

• Tác dụng phản ứng phần ứng làm từ thông Φ giảm, kéo theo sđđ Eư giảm

• Điện áp rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng

Độ biến đổi điện áp định mức của máy phát: (It= Itđm)

0

dm % dm 100 (5 15)%

dm

U U U

U



c Đặc tính điều chỉnh : It =f(I) khi U va Ω= Cte

Để giữ điện áp máy phát không đổi khi tải tăng, phải tăng dòng điện kích từ It

2.2.1.2 Máy phát điện một chiều kích từ song

a Mạch điện tương đương và các phương trình cân bằng

Iư = Its + I ; U = Eư – RưIư ; Ut = RmtIts = RI

b Điều kiện tự kích

Quay máy phát với Ω khi Itải= 0 và Its= 0 Nhờ có Φdư máy sẽ có sđđ Edư trên đầu

cực của máy Khi mạch kích từ được nối với đầu cực máy phát, sẽ có hai trường hợp

xảy ra:

1 Sđđ Edư tạo ra Its, Its tạo ra Φt cùng chiều Φdư Từ thông cực từ Φ= Φt + Φdư tăng

dần lên, sđđ E tăng theo và máy tự kích được

2 Nếu Φt ngược chiều, sẽ triệt tiêu Φdư, máy không tự kích được

Giả sử máy tự kích được và Itải = 0, lúc đó E và Its nghiệm của hệ:

E = f(Its) va E = RmtItsĐường E = f(Its) phụ thuộc Ω ; đường E = RmtIts phụ thuộc vào Rmt và tạo với

trục Its một góc α = arctgR Chúng cắt nhau tại M

Giả thiết giữ Ω = Cte, nếu Rmt tăng, đường thẳng tiếp xúc với đặc tính không tải

ứng với điện trở tới hạn Rth, lúc đó điện áp không ổn định Nếu tiếp tục tăng Rmt máy

sẽ làm việc với Edư

Tóm lại điều kiện tự kích là:

1 Phải có từ dư trong hệ thống mạch từ (máy)

2 Từ thông do sđđ Edư tạo ra cùng chiều từ dư

3 Biến trở mạch kích từ Rmt phải đủ bé (Rmt < Rth)

c Đặc tính ngoài : U = f(I), khi n = const, Rmt = const

Khi tải I tăng, điện áp U của máy phát kích từ song song giảm nhiều hơn máy

phát kích từ độc lập vì

+ Ảnh hưởng của phản ứng phần ứng

+ Điện áp rơi trên Rư như trong máy phát kích từ độc lập

+ Khi U giảm khiến Its và E giảm theo nên U giảm nhiều hơn so với kích từ

độc lập.Ta vẽ chung hai đặc tính để so sánh Ta thấy ΔUđm của máy phát kích từ song

song cũng lớn hơn máy phát kích từ độc lập: ΔUđm= (10-20) %

Điểm đặc biệt của máy phát kích từ song song là dòng điện tải chỉ tăng đến

một trị số nhất định I = Ith sau đó nếu tiếp tục tăng tải thì dòng điện I không tăng

mà giảm nhanh đến trị số Io xác định bởi từ dư trong máy, điểm P Sở dĩ như vậy

là do máy làm việc trong tình trạng không bão hòa ứng với đoạn thẳng của đặc tính

từ hóa, dòng điện Its giảm sẽ làm cho E và U giảm rất nhanh Điện áp U giảm nhanh

hơn dòng Its đưa lại kết quả là dòng tải I giảm đến Io Như vậy sự cố máy phát kích từ

song song không gây nguy hiểm như máy phát kích từ độc lập

d Đặc tính điều chỉnh

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính

điều chỉnh của máy phát kích từ song song Its = f(I), khi điện áp U và tốc độ n không

đổi

2.2.1.3 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp

a Mạch điện tương đương phương trình cân bằng

Phương trình cân bằng:

Iư = Its + I; Itn = I; Eư = Iư Rư + I Rtn + U

Ut = Rmt Its = Itn Rtn + U

Dòng Itn tạo ra Φn, nếu Φ = Φs + Φn: máy phát kích từ hỗn hợp nối thuận, còn

Φ = Φ s + Φ n : máy phát kích từ hỗn hợp nối ngược Sđđ trong biểu thức là:

Eư = CE n Φ = CE n (Φs Φn)

b Đặc tính ngoài: U = f(I), khi n = const, Rmt = const

Gọi U0 là điện áp lúc không tải và Uđm là điện áp đầy tải

Ta có: U = Eư - Rư Iư – Rtn I và Eư = kM (Φs Φn) Ω

Khi dòng tải I tăng, điện áp U thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của Φn so với Φs

tức là phụ thuộc vào số vòng dây Wn của cuộn kích từ nối tiếp Đặc tính ngoài của

máy phát kích từ hỗn hợp với:

+ Kích từ hỗn hợp nối thuận: đường (3) bù thiếu; đường (2) bù đủ; đường (1)

bù thừa

+ Kích từ hỗn hợp nối ngược: đường (4), do nối ngược nên từ thông tổng giảm

nhiều khi tải tăng nên U giảm rất nhanh

c Đặc tính điều chỉnh

Để giữ U đầu cực máy phát điện không đổi, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh của máy phát kích từ hỗn hợp

Its = f(I) , khi U và n=Cte được trình bày trên hình 2.14 Trong đó là đường 1 là khi nối thuận

bù thừa, đường 2 nối thuận bù bình thường và đường 3 nối ngược

2.2.2 Động cơ điện một chiều

2.2.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

a Mạch điện tương đương và các phương trnh cđn bằng

Mạch điện tương đương được trình bày trên hình 2.18; với các ký hiệu tương

tự như máy phát, ta có các phương trình cân bằng là:

Đặc tính tốc độ theo dòng kích từ là đường cong n = f(Ikt), khi Iư = const và

U = const.Theo biểu thức (2.7c), n tỉ lệ nghịch với từ thông Φ(Ikt) ; trong khi đó

quan hệ Φ(Ikt) có dạng đường cong từ hóa B(H) Vậy n = f(Ikt) có dạng hypebôn

như hình 2.19 Từ đặc tính này cho thấy, để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ song

song ta điều chỉnh dòng điện kích từ Ikt Đây là ưu điểm động cơ một chiều so với

động cơ xoay chiều

c Đặc tính cơ Ω = f(M)

Đó là đường cong quan hệ Ω = f(M), khi It = const và U = const Rút Iư từ công

thức (2.9) và thay vào (4.9), ta có:

Nếu điện áp U và từ thông Φ không đổi thì đặc tính cơ là đường thẳng dốc

xuống như trình bày trên hình 2.20 Moment tăng thì tốc độ giảm rất ít, như vậy đặc

tính cơ cứng Trong những máy điện thực từ thông giảm do phản ứng phần ứng, nên

M hay Iư tăng làm tốc độ giảm ít hơn so với trình bày trên hình 2.19 Như vậy, phản

ứng phần ứng có lợi trong việc điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Nếu M2= 0 và M0= 0 thì Iư= 0, động cơ quay với tốc độ không tải lý tưởng:

1

M

U k

 

 Lúc không tải động cơ cũng phải lấy I0 để bù vao P0, và quay vơi 0 < 1 môt ít:

0

u M

U R I k





Hình 2.20 Đặc tính của động cơ kích từ song song

Từ công thức (4.10), ta thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có ba phương

pháp:

1 Điều chỉnh điện áp U đặt vào mạch phần ứng U

2 Điều chỉnh từ thông Φ

3 Điều chỉnh điện trở phụ mắc nối tiếp với mạch phần ứng

2.2.2.2 Động cơ điện một chiều nối tiếp

a Mạch điện tương đương và các phương trình

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích

từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Vì dòng kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vòng dây và điện trở nhỏ Mạch điện tương đương trình bày trên hình 2.21, với Rkn là điện trở của dây quấn kích từ nối tiếp

(2.12)

(2.13)

Vậy đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp có dạng hypebôn (hình 2.22)

Khi tốc độ Ω = 0 moment khởi động Mk của động cơ kích thích nối tiếp có giá trị rất

lớn Khi tải giảm nhiều, Iư nhỏ, Φ nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh Đặc biệt lúc động

cơ không tải, dòng điện Iư = I0 rất nhỏ khiến tốc độ quá lớn, rất nguy hiểm V vậy cần

phải vận hành động cơ kích từ nối tiếp sao cho tình trạng khởi động không tải hoặc

làm việc không tải không xảy ra; và cũng cần tránh động cơ làm việc quá non tải

Khi Iư lớn, mạch từ bão hòa, từ thông Φ(Iæ) tăng chậm hơn nghĩa là Φ(Iæ)

<kΦIæ nên đặc tính ở trên hypebôn đó

2.2.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

a) Mạch điện tương đương và các phương trình

Giống máy phát kích từ hỗn hợp, trên mỗi cực từ mang hai dây quấn kích từ:

song song có điện trở Rs; nối tiếp có điện trở Rn

Từ hnh 2.23, ta viết được các phương trình làm việc là:

Biết được quan hệ Φn = f(Iæ) ta có:

Đặc tính không tải là quan hệ E0= U0 = f(it) và dòng điện kích từ It khi máy

làm việc không tải (I=0) và tốc độ quay của rotor không đổi (hình 2.26) Nó chính là

dạng đường cong từ hóa B= f(H) của vật liệu sắt từ E = U0 = f(It) I = 0, f = fđm

Hình 2.26 Đặc tính không tải E 0 = f (I t ) 2.3.2 Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi it = const; cosφ = const và f = fđm Nó

cho thấy lúc giữ kích thích không đổi, điện áp của máy thay đổi như thế nào theo tải

Khi lấy đặc tính này phải thay đổi tải I sao cho cosφ = const rồi đo U và I ứng với

các giá trị khác nhau của tải Z Dạng của đặc tính ngoài ứng với các tính chất khác

nhau của tải được trình bày trên hình 2.27 Chú ý rằng trong mỗi trường hợp phải

điều chỉnh dòng điện kích thích sao cho khi I = Iđm có U = Uđm, sau đó giữ nó không

đổi khi thay đổi tải Dòng điện it ứng với U = Uđm; I = Iđm; cosφ = cosφđm; f = fđm

được coi là dòng điện từ hóa định mức

Hình 2.27 Đặc tính ngoài máy phát đồng bộ

Từ hình 2.27 ta thấy dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải

Nếu tải có tính cảm khi I tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và

đường biểu diễn đi xuống Ngược lại nếu tải có tính dung khi I tăng, phản ứng phần

ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên

2.3.3 Đặc tính điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh của máy phát là

quan hệ giữa dòng điện kích từ It theo

dòng điện tải I khi điện áp U không đổi và

tốc độ quay rotor n, cosφ cũng thay đổi

(hình 2.28) Đặc tính này cho biết cần phải

điều chỉnh dòng điện kích từ như thế nào

để giữ điện áp U trên đầu cực máy phát

không đổi khi tăng tải Thường trong các

máy phát điện đồng bộ tự động điều chỉnh

dòng kích từ để giữ điện áp không đổi

Hình 2.28 Đặc tính điều chỉnh

Dòng điện kích thích thay đổi ứng với các tính chất tải khác nhau:

- Tải thuần trở: tăng tải thì phải tăng dòng điện kích từ It để bù điện áp rơi trên

2.3.4 Đặc tính tải

Đặc tính tải là quan hệ U = f(I) khi I = const; cosφ = const và f = fđm Với các

trị số khác nhau của I và cosφ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa

nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với Cosφ = 0 (φ = ) và I = Iđm

Để có đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z (khi đó phải có cuộn cảm có thể điều

chỉnh được) sao cho I = Iđm Đồ thị vector tương ứng với chế độ làm việc đó khi bỏ

M: mômen điện từ của động cơ điện: f1 (Ω)

Mc: mômen cản của tải: f2 (Ω)

J: mômen quán tính

Ta thấy: + tăng tốc độ thuận lợi khi d Ω/dt > 0 M > Mc

+ (M > Mc) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh

+ Máy có quán tính lớn thì thời gian khởi động tx lâu

Dòng điện khởi động Ik: khi khởi động Ω =0, s = 1 nên:

Yêu cầu khi khởi động động cơ:

 Moment Mk phải lớn để thích ứng với đặc tính tải

 Dòng Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

 Thời gian tk cần nhanh để máy có thể làm việc được ngay

 Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng

Những yêu cầu trên trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử dụng và công suất

của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thích hợp

Ưu điểm của phương pháp này:

+ thiết bị khởi động đơn giản

+ Moment khởi động Mk lớn

+ Thời gian khởi động tk nhỏ

Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác Do vậy phương pháp này dùng cho những

động cơ nhỏ và công suất của nguồn lớn hơn nhiều lần công suất động cơ

2.4.2 Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt

vào dây quấn stator

Các phương pháp sau đây nhằm mục đích giảm

dòng điện khởi động Ik Nhưng khi giảm điện áp khởi

động thì moment khởi động cũng giảm theo

a Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào

mạch stator:

Trên hình 2.30 là sơ đồ nối dây khởi động động cơ

không đồng bộ dùng cuộn kháng CK Khi khởi động:

CD2 cắt, đóng CD1 để nối dây quấn stator vào lưới điện

thông qua CK, động cơ quay ổn định, đóng CD2 để ngắn

mạch điện kháng, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

Điện áp đặt vào dây quấn stator kđ:

'

U  kU (k<1) Dòng điện khởi động:

b Khởi động dùng MBA tự ngẫu:

Trên hình 2.31 là sơ đồ nối dây khởi động động

cơ không đồng bộ dùng máy MBA tự ngẫu (MBA TN) Trước khi khởi động: cắt CD2, đóng CD3, MBA TN để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng (0.6-0.8)Udm, đóng CD1 để nối dây quấn stator vào lưới điện thông qua MBA TN, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

Khi khởi động, động cơ được cấp điện:

Với Ik: dòng khởi động trực tiếp

Dòng điện MBA TN nhận từ lưới điện:

c Khởi động bằng cách đổi nối Y

Trên hình 2.32 là sơ đồ nối dây khởi động bằng cách đổi nối sao Y sang động cơ không đồng bộ Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ lúc máy

làm việc bình thường nối khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần

ổn định chuyển về nối để làm việc

Điện áp pha khi khởi động:

kf kY

I I

I I

Moment khởi động Mk giảm đi 3 lần

Hình 2.32 Khởi động đổi nối sao tam giác

2.4.3 Khởi động bằng cách them R p vào mạch rotor dây quấn:

Phương pháp này chỉ dùng cho những động cơ rotor dây quấn vì đặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rotor Khi

điện trở rotor thay đổi thì đặc tính M= f(s) cũng thay đổi theo Khi điều chỉnh

điện trở mạch rotor thích đáng thì Mk= Mmax (đường 3) Sau khi rotor quay để

giữ một moment điện từ nhất định trong quá trình tăng tốc động cơ từ đặc tính

này sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ tăng tốc đến điểm

làm việc của đặc tính cơ tự nhiên

Hình 2.33 Khởi động động cơ rotor dây quấn

(a) Sơ đồ khởi động (b) Đặc tính khởi động

Ưu điểm của phương pháp này là Mk lớn còn dòng điện khởi động Ik nhỏ

Nhược điểm của phương pháp này là động cơ rotor dây quấn chế tạo phức tạp

hơn rotor lồng sóc nên giá thành đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng

thấp hơn

Chương III: Mơ phỏng trên phần mềm LV Sim3.1 Máy biến áp

3.1.1 Máy biến áp 1 pha

3.1.1.1 THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI

Hình 3.3 Kết nối các module theo sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Hình 3.4 Màn hình đo kết quả thí nghiệm không tải

Hình 3.5 Bảng lưu kết quả thí nghiệm không tải

3.1.1.1.3 Đồ thị đặc tính

Hình 3.6 Đặc tính biểu diễn quan hệ P 0 = f(I 0 )

3.1.1.2 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH

Hình 3.7 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp 1 pha

3.1.1.2.2 Bảng kết quả

Hình 3.8 Kết nối các module theo sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Hình 3.9 Màn hình đo kết quả thí nghiệm ngắn mạch

Hình 3.10 Màn hình đo kết quả thí nghiệm ngắn mạch

3.1.1.2.3 Đồ thị đặc tính

Hình 3.11 Đặc tính biểu diễn quan hệ Pn = f(In)

3.1.2 Máy biến áp 3 pha

3.1.2.1 Sơ đồ thí nghiệm

a

b c

x y z

Z tải A

B

C

X Y Z