Nghiên cứu các phương pháp bảo vệ các động cơ điện

Công nghệ chế tạo mạch từ phần cảm: Phần cảm trong máy điện một chiều là các cực từ được bố trí ở phần tĩnh; trong máy điện đồng bộ phần cảm cũng là các cực từ và tùy theo điện áp, công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐINH HẢI LĨNH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CÁC

ĐỘNG CƠ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: THIẾT BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS.PHẠM VĂN CHỚI

HÀ NỘI - 2010

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined.8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 9

1.1 Đại cương về động cơ điện 9

1.1.1 Định nghĩa 9

1.1.2 Kết cấu chung của động cơ điện 10

1.1.3 Công nghệ chế tạo 11

1.1.3.1 Công nghệ chế tạo mạch từ 11

1.1.3.2 Công nghệ chế tạo dây quấn 15

1.2 Phân loại động cơ điện 18

1.2.2 Động cơ đồng bộ 20

1.2.3 Động cơ một chiều 23

1.2.4 Một số động cơ đặc biệt khác 24

1.3 Vai trò của động cơ điện trong cuộc sống và vấn đề bảo vệ động cơ điện 25

1 4 Mục đích và nhiệm vụ đề tài 26

1.5 Tóm tắt chương 1 27

CHƯƠNG 2: CÁC DẠNG SỰ CỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 28

VÀ CÁC NGUYÊN LÝ ĐO LƯỜNG, PHÁT HIỆN SỰ CỐ 28

2.1 Các nguồn nhiệt trong động cơ điện (Các dạng tổn hao năng lượng) .28

2.1.1 Tổn hao đồng trong dây quấn động cơ điện 29

2.1.2 Tổn hao sắt từ 31

2.1.3 Tổn hao cơ 32

2.1.4 Tổn hao phụ 32

2.2 Các dạng sự cố của động cơ điện và nguyên nhân sự cố 33

2.2.2 Các dạng sự cố bên ngoài động cơ và nguyên nhân sự cốError! Bookmark not defined

2.3 Các nguyên lý đo lường và phát hiện sự cố 41

2.3.1 Phát hiện sự cố theo tín hiệu dòng 45

2.3.2 Phát hiện sự cố theo tín hiệu áp 48

2.3.3 Hướng công suất 48

2.3.4 Các thành phần đối xứng của dòng và áp. 49

2.3.5 Tổng trở 50

2.3.6 Tần số 50

2.3.7 Các nguyên lý khác để phát hiện sự cố và chế độ làm việc không bình thường 50

2.4 Tóm tắt chương 2: 51

CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 52

3.1 Cầu chì 52

3.1.1 Khái niệm chung về cầu chì 52

3.1.2 Các loại cầu chì 53

3.1.3 Chọn cầu chì 54

3.2 Rơle nhiệt … 55

3.3 Máy cắt hạ áp ( Áptômát) Error! Bookmark not defined 3.3.1 Khái niệm chung Error! Bookmark not defined 3.3.2 Các loại áptômát Error! Bookmark not defined 3.3.3 Lựa chọn áptômát: Error! Bookmark not defined 3.4 Rơle dòng cực đại kiểu điện từ Error! Bookmark not defined 3.5 Rơle đa chức năng đơn giản: Error! Bookmark not defined 3.5.1 Rơle dòng điện cực đại (quá dòng) (DIGITAL OVER LOAD RELAY )Error! Bookmark n 3.5.2 Rơle điện áp Error! Bookmark not defined 3.6 Rơle kỹ thuật số Error! Bookmark not defined 3.6.1 Khái quát về rơle số Error! Bookmark not defined 3.6.2.Giới thiệu một số rơ le kỹ thuật số bảo vệ động cơ ba pha. 76

3.7 Các loại bảo vệ khác 77

3.8 Tóm tắt chương 3 79

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN BA PHA 81

RÔTO LỒNG SÓC 200KW 81

1 Giới thiệu phương pháp hiện đại mô phỏng sự cố động cơ điện 81

2 Đặc tính kỹ thuật và các sự cố thường gặp của động cơ, sơ đồ bảo vệ 83

2.1 Đặc tính kỹ thuật của động cơ 84

2.2 Các sự cố thường gặp và sơ đồ bảo vệ động cơ 84

2.2.1 Sơ đồ bảo vệ cho động cơ: 84

2.2.2 Các sự cố thường gặp của động cơ 86

3 Tính toán bảo vệ cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc 200kW 87

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BI: Máy biến dòng điện

MCCB: Áptômát định hình

EVR: Rơle điện áp điện tử

EOCR: Rơle dòng điện cực đại điện tử

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Công thức tính dòng ngắn mạch ban đầu

đối với các dạng ngắn mạch khác nhau

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mặt cắt của máy điện một pha rôto hình trụ, có khe hở không khí đều 4

Hình 1.4 Quan hệ của độ từ thẩm µ vật liệu sắt từ với nhiệt độ 7

Hình 1.5 Cấu tạo stato của động cơ không đồng bộ 12

Hình 1.6 Cấu tạo rôto của động cơ không đồng bộ 13

Hình 2.1 Giản đồ năng lượng của động cơ điện 21

Hình 2.2 Chạm chập các vòng dây trong mạch stato động cơ 27

Hình 2.3 Ngắn mạch hai pha dây quấn stato khi dây quấn đấu Y 28

Hình 2.4 Ngắn mạch hai pha dây quấn stato khi dây quấn đấu ∆ 29

Hình 2.5 Chạm đất trong cuộn dây stato động cơ điện 30

Hình 2.6 Chạm đất một điểm và hai điểm trong cuộn dây rôto động cơ đồng bộ 31

Hình 2.7 Hành vi của véctơ tổng trở Z khi xảy ra sự cố mất đồng bộ 36

Hình 3.6 Rơle nhiệt của khởi động từ bảo vệ quá tải cho động cơ điện 48

Hình 3.7 Cấu tạo của rơle nhiệt 49 Hình 3.8 Sơ đồ điện của rơle nhiệt 50 Hình 3 9 Đặc tính bảo vệ của rơle nhiệt 50

Hình 3.10 Các bộ phận của áptômát vạn năng 52

Hình 3.11 Đặc tính bảo vệ của áptômát vạn năng 52

Hình 3.13 Đặc tính bảo vệ của áptômát định hình 53

Hình 3.14 Nguyên lý của áptômát chống giật 54

Hình 3.15 Nguyên lý cấu tạo rơle dòng điện cực đại kiểu diện từ 55

Hình 3.16 Rơle quá dòng điện tử 57 Hình 3.17 Sơ đồ nối dây của rơle quá dòng điện tử 58

Hình 3.19 Sơ đồ nối dây của rơle điện áp 59

Hình 3.20 Sơ đồ khối của rơle số 60 Hình 3.21:Mặt trước của rơ le MiCOM P225 65

Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc của rơle MiCOM P225 66

Hình 3.23 Sơ đồ kết nối giữa rơle và các phần tử của mạch động lực 67

Hình 3.24 Hình dạng mặt trước của rơle SEL-710 67

Hình3.25: Sơ đồ đấu mạch dòng của rơle SEL-710 69

Hình 4.1 Sơ đồ khối mô phỏng sự cố động cơ điện 71

Hình 4.2 Mô hình mạch mô phỏng sự cố ngắn mạch

của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

71

Hình 4.3 Mô hình thiết bị bảo vệ động cơ khi xảy ra ngắn mạch 72

Hình 4.4 Mô hình tạo sự cố ngắn mạch động cơ 72

Hình 4.5: Sơ đồ khối các thiết bị bảo vệ động cơ điện 74

Hình 4.6: Độ tăng nhiệt độ của động cơ theo thời gian làm việc 78

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ điện là thiết bị điện được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực; từ các thiết bị sinh hoạt trong gia đình như quạt điện, máy giặt, máy hút bụi, máy nghe nhạc, đến các nhà máy điện hiện đại của các ngành công nghiệp trong hầm mỏ, trên các công trường xây dựng, giao thông vận tải, quốc phòng và nông nghiệp,…

Động cơ điện có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiêp, nông nghiệp, đời sống sinh hoạt Vậy cần phải bảo vệ các thiết bị điện đó như thế nào? đặc biệt là bảo vệ các động cơ điện Việc bảo vệ các thiết bị điện cần được quan tâm đến nhiều Vì khi sử dụng các thiết bị điện mà không có bảo vệ để chống các sự cố

về điện thì những thiệt hại kinh tế do những sự cố đó gây ra là rất lớn và còn có thể nguy hiểm đến tính mạng người sử dụng Vậy cần phải có các phương pháp bảo vệ các động cơ điện thích hợp để có hiệu quả nhất, đem lại lợi ích kinh tế cao nhất

Với nhận thức trên, tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu các phương pháp bảo vệ

các động cơ điện

Vấn đề nghiên cứu : các phương pháp bảo vệ các động cơ điện, mặc dù đây

là vấn đề kinh điển nhưng vẫn còn nhiều khía cạnh cần quan tâm vì hàng năm số lượng động cơ bị hỏng hóc vẫn là một con số đáng kể

Mục đích nghiên cứu: Tổng kết, đánh giá các dạng sự cố của động cơ điện

và nguyên nhân hỏng hóc; Phân tích, so sánh các thiết bị bảo vệ và đưa ra các phương thức bảo vệ tối ưu về kinh tế kỹ thuật cho một số loại động cơ điện thông dụng

Nội dung chính của bản luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện

Chương 2: Các dạng sự cố của động cơ điện và các nguyên lý đo lường, phát hiện sự cố

Chương 3: Các thiết bị bảo vệ động cơ điện

Chương 4: Tính toán bảo vệ cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có công suất 200kW

Cuối cùng là những kết luận và đề xuất

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và quá trình thực hiện luận văn tôi luôn nhận được sự dạy bảo giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị Điện- Điện tử, Khoa Điện Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Văn Chới vì những định hướng và hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù có nhiều cố gắng tìm tòi, nghiên cứu, song do kiến thức còn hạn chế, nên luận văn của tôi còn nhiều thiết sót, tôi rất mong được sự chỉ bảo của các Thầy

cô giáo

Xin chân trọng cảm ơn!

Hà Nội ngày 20 tháng 10 năm 2010

Học viên:

Đinh Hải Lĩnh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những nội dung được trình bày trong luận văn này

là do sự tìm tòi, nghiên cứu của chính bản thân Các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ luận văn nào của tác giả khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội dung cam đoan trên

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Tác giả:

Đinh Hải Lĩnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1.1 Đại cương về động cơ điện

1.1.1 Định nghĩa

Năng lượng không tự xuất hiện, cũng không tự biến mất, mà chỉ được biến đổi từ dạng này sang dạng khác Máy điện là thiết bị điện dùng để biến đổi độ lớn của dòng điện và điện áp (máy biến áp) hoặc biến đổi năng lượng điện cơ (máy điện quay) Nói cách khác máy điện là thiết bị điện có khả năng biến đổi hoặc truyền tải

năng lượng điện từ [5]

Máy điện quay được dùng nhiều trong công nghiệp và đời sống Máy điện quay là một thiết bị biến đổi điện cơ: Máy điện quay làm việc ở chế độ biến đổi cơ năng thành điện năng gọi là máy phát, máy điện quay làm việc ở chế độ biến đổi điện năng thành cơ năng gọi là động cơ

Nguyên lý biến đổi điện - cơ là nguyên lý khoa học đối với máy điện, bao gồm

ba định luật cơ bản: [1]

- Không tồn tại biến đổi năng lượng điện – cơ có hiệu suất 100%

- Máy điện cơ tính chất thuận nghịch: Một máy điện quay có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc cũng có thể làm việc ở chế độ động cơ Ví dụ khi cấp điện năng từ lưới để gia tốc cho một máy điện quay, điện năng được biến đổi thành cơ năng ( máy làm việc ở chế độ động cơ), nhưng khi hãm năng lượng

cơ lại được biến đổi thành điện năng cung cấp cho lưới (máy lại làm việc ở chế độ máy phát) Chế độ làm việc của máy điện quay phụ thuộc vào loại mômen phụ tải đặt trên trục máy

- Từ trường tham gia biến đổi năng lượng điện - cơ không chuyển động tương đối với nhau

Trên cơ sơ đó thì máy điện quay, đặc biệt là động cơ điện được ứng dụng rất rộng rãi; chủng loại, kích cỡ đa dạng nên được sử dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống; trong công nghiệp, trong nông nghiệp, trong đời sống sinh hoạt, trong điều

1.1.2 Kết cấu chung của động cơ điện

Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ mà về mặt cấu tạo thì các loại động cơ điện đều có hai phần chính: phần tĩnh (hay Stato) và phần quay (hay Rôto)

Phần tĩnh bao gồm có phần dẫn từ là lõi thép stato, trên lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn; phần dẫn điện là dây quấn stato, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Phần quay cũng gồm lõi thép rôto, dây quấn rôto, ngoài ra có trục rôto, các ổ

bi

Giữa stato và rôto luôn tồn tại khe hở không khí, khe hở không khí này phải đảm bảo là đều Khe hở này không được quá lớn và cũng không được quá nhỏ Việc tính toán lựa chọn khe hở không khí là bao nhiêu phụ thuộc vào người thiết kế Nếu khe hở không khí không đều, động cơ sẽ quay giật cục, rung, ồn, dễ gây ra sự cố

bên trong động cơ [5]

Động cơ một pha hay ba pha cũng đều có kết cấu giống nhau Hình 1.1 vẽ

mặt cắt ngang máy điện một pha một đôi cực, khe hở không khí đều [1]

Hình 1.1 Mặt cắt của máy điện một pha rôto hình trụ, có khe hở không khí

đều

Trên hình vẽ ký hiệu θ là góc lệch giữa trục cực từ rôto và trục cực từ stato Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép

1.1.3 Công nghệ chế tạo

Động cơ điện được chế tạo rời từng chi tiết sau đó mới lắp ráp lại với nhau

để hoàn thành một máy Người ta chế tạo phần mạch từ: bao gồm có mạch từ stato

và mạch từ rôto; chế tạo dây quấn: dây quấn stato, dây quấn rôto; rồi tẩm sấy dây quấn; chế tạo gối đỡ trục (nắp máy) rồi kiểm tra và thử nghiệm máy điện Ngoài ra với những động cơ có cổ góp thì còn có khâu chế tạo cổ góp sau đó là gia công cơ khí các chi tiết như gia công thân máy [8]

1.1.3.1 Công nghệ chế tạo mạch từ

a) Đặc điểm của vật liệu từ

Sắt và một số kim loại khác như coban, niken, tungsten và hợp kim của chúng có khả năng dẫn từ đặc biệt gọi là vật liệu sắt từ Vật liệu dẫn từ dễ bị từ hoá,

có hệ số từ thẩm µ cao Mỗi nguyên tử của vật liệu sắt từ đều có từ trường định hướng hình thành trong mạng tinh thể của chúng các miền từ hoá tự nhiên, từ trường mỗi miền định hướng trong không gian ba chiều Khi không có tác dụng của

từ trường ngoài, các véctơ biểu diễn từ trường của các miền từ hoá sắp xếp hỗn loạn, tổng hợp từ trường các miền từ hoá tự nhiên trong vật liệu từ cân bằng nhau, nói cách khác từ trường tổng của các miền từ hoá tự nhiên bằng không Khi có tác dụng của từ trường ngoài, miền từ hoá tự nhiên được định hướng theo từ trường ngoài có tác dụng làm từ trường mạnh lên, từ trường ngoài càng lớn thì số miền có

từ trường định hướng theo từ trường ngoài càng nhiều Như vậy khi đặt vật liệu sắt

từ trong từ trường, bản thân vật liệu trở thành nguồn từ trường Khi hầu hết các miền đã có từ trường xoay hướng trùng hướng từ trường ngoài, nếu tiếp tục tăng từ trường ngoài, sẽ không tăng được từ trường do định hướng từ trường của các miền,

ta nói vật liệu bị bão hoà [1]

Sau khi đã được từ hoá, giảm dần tác dụng của từ trường ngoài, các véctơ có

xu hướng trở lại tình trạng sắp xếp hỗn loạn, nhưng do ma sát, có một số miền giữ lại định hướng theo từ trường ngoài, gọi là hiện tượng từ trễ [10]

Sự từ hoá và khử từ của lõi thép được biểu diễn bằng vòng từ trễ: Đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây Giả sử tại thời điểm t = 0 dòng điện i = 0, cường độ từ

(điểm a trên đường cong từ hoá) Dòng điện bắt đầu giảm, cường độ từ cảm B giảm theo, nhưng không trùng với đường Oa mà theo đường ab, khi dòng điện i = 0, cường độ từ cảm không trở về 0 mà bằng Br , Br gọi là từ trễ (từ dư) Muốn giảm cường độ từ cảm B tới 0 cần kích từ theo chiều ngược lại Tăng kích từ theo chiều ngược lại, lõi thép bị từ hoá theo chiều ngược lại theo đường cd, tại điểm d tương ứng với i = -Im Giảm dòng điện dần tới 0, cường độ từ cảm không trở về 0 mà có giá trị Br (từ trễ), dòng điện tiếp tục tăng theo chiều ngược lại, cường độ từ cảm B giảm tới 0 Quá trình tiếp diễn lặp lại theo từng chu kỳ, hình thành chu trình từ trễ, tạo ra mắt từ trễ như hình 1.2 Do dòng điện kích từ tỷ lệ với cường độ từ trường H, đường cong từ hoá thường được biểu diễn theo quan hệ B(H), giá trị Hc trên đường cong được gọi là lực khử từ [1]

b

f H8-H 8

từ khi từ trường ngoài tăng (tăng từ trường kích từ) B = f(H)

Trên đường cong từ hóa có ba vùng: vùng tuyến tính, vùng phi tuyến và vùng bão hòa Với các máy điện thường làm việc ở vùng tuyến tính (hình 1.3), điểm gập G (ETG, IµG) là một điểm đặc trưng của đường cong từ hóa, từ đó nếu muốn tăng sức từ động lên 10% thì phải tăng dòng từ hóa lên 50% Ở vùng bão hoà

Hình 1.3 Đường cong từ hoá

Độ từ thẩm µ là tỷ số của đại lượng cảm ứng từ B và cường độ từ cảm của từ trường H ở điểm xác định trên đường cong từ hóa cơ bản (hình 1.5) trong hệ SI hằng số 7

0 = 4π 10−

Hệ số từ thẩm động µ là đại lượng đặc trưng cho vật liệu sắt từ trong từ trường xoay chiều, nó là tỷ số giữa biên độ cảm ứng từ với biên độ cường độ từ trường:

Vì vậy trong quá trình làm việc của các động cơ điện, nhiệt độ luôn thấp hơn điểm Quyri nên không ảnh hưởng tới độ từ thẩm của mạch từ

T

Hình 1.4 Quan hệ của độ từ thẩm µ vật liệu sắt từ với nhiệt độ

Vật liệu sắt từ có từ trễ lớn được gọi là sắt từ cứng Sắt từ cứng (nam châm vĩnh cửu, alnico) là hợp kim sắt, coban và kim loại hiếm như samarium, hợp kim đồng – niken, thép crom…[1]

Vật liệu sắt từ có từ trễ nhỏ được gọi là sắt từ mềm Sắt từ mềm là hợp kim sắt, niken, coban và một số loại đất hiếm Sắt từ mềm được dùng làm mạch từ của máy điện Vật liệu dẫn từ dùng trong máy điện thường là vật liệu từ mềm Vật liệu

từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ

Thép lá kỹ thuật điện là vật liệu từ mềm được dùng rộng rãi nhất Việc đưa silic vào thành phần của thép này làm tăng điện trở suất, do đó tổn hao do dòng điện xoáy giảm xuống.[1]

b) Công nghệ chế tạo mạch từ của động cơ điện

Mạch từ của động cơ điện bao gồm có mạch từ phần ứng (stato) và mạch từ phần cảm (rôto)

Lõi thép stato của động cơ động cơ điện thường làm bằng thép lá kỹ thuật

điện ghép lại với nhau [8]

Công nghệ chế tạo lõi sắt phần ứng của động cơ điện gồm các bước

+ Chọn kích thước tấm tôn và thiết kế quy trình cắt dập

+ Dập các lá tôn theo bản vẽ thiết kế

+ Cán, tẩy bavia và sơn, tẩm cách điện các lá tôn

+ Ghép các lá tôn thành lõi sắt theo kích thước thiết kế

Các lá tôn được sơn cách điện để tăng điện trở đối với dòng điện Fucô trong lõi sắt Lớp sơn này phải có khả năng chịu nhiệt tương đối cao

Công nghệ chế tạo mạch từ phần cảm: Phần cảm trong máy điện một chiều là các cực từ được bố trí ở phần tĩnh; trong máy điện đồng bộ phần cảm cũng là các cực từ và tùy theo điện áp, công suất của máy có thể bố trí trên rôto hoặc trên stato Trong máy điện không đồng bộ phần cảm là rôto và lõi sắt của nó được chế tạo như lõi sắt phần ứng, chỉ có điều không cần cách điện giữa các lá vì tần số từ thông trong nó rất thấp f2 = s.f1 = 2 ÷3Hz

Mạch từ phần cảm của máy điện một chiều và máy đồng bộ dẫn từ thông một chiều cho nên thực ra không cần phải dùng tôn kỹ thuật điện và cũng không nhất thiết phải ghép bằng các lá thép mỏng Tuy nhiên vì lý do công nghệ mạch từ của chúng được ghép từ các lá tôn thường (CT3) và không cần cách điện giữa chúng Trong một số máy điện một chiều lớn, do ở phần mỏm cực từ có từ thông của phần ứng (là từ thông xoay chiều) khép mạch qua, nên phần cực từ thường được ghép bằng tôn silic.[9]

1.1.3.2 Công nghệ chế tạo dây quấn

Dây quấn của động cơ điện gồm có dây quấn stato và dây quấn rôto Dây quấn stato chủ yếu làm bằng đồng nguyên chất và được quấn theo các kiểu khác nhau ứng với mỗi loại động cơ Dây quấn rôto làm bằng đồng hoặc nhôm

Dây quấn của động cơ phải đảm bảo các yêu cầu sau: [8]

- Cảm ứng được một sức điện động cho trước,

- Cho phép một dòng điện nhất định đi qua mà không nóng quá nhiệt độ cho trước của cấp cách điện

- Chịu được những lực điện động cho trước (khi mở máy hoặc mang tải đột ngột, ngắn mạch đột nhiên…)

- Có độ tin cậy cao trong vận hành và có tuổi thọ theo thiết kế

Dây quấn là tổ hợp các cuộn dây (bối dây, phần tử) hoặc thanh dẫn điện nối với nhau theo một quy luật nhất định và được cách điện với lõi sắt Dây quấn được đặt

trong các rãnh của lõi sắt Có nhiều dạng rãnh khác nhau, nhung nói chung đều

thuộc 3 loại chính: [5]

+ Rãnh kín: là loại rãnh không có miệng rãnh hoặc miệng rãnh rất nhỏ (không đưa dây qua miệng rãnh) Loại rãnh này dùng cho rôto ngắn mạch hoặc dây quấn kiểu thanh Các thanh dẫn được đưa vào rãnh từ hai đầu

+ Rãnh nửa kín: có miệng rãnh đủ rộng để có thể cho dây dẫn tròn có đường kính nhỏ hơn 2,1mm qua miệng rãnh Loại rãnh này thường dùng cho các máy điện

có công suất dưới 100kW, điện áp đến 660V hoặc phần ứng máy một chiều công suất dưới 15kW

+ Rãnh nửa hở dành cho dây quấn phần tử cứng, trong mỗi lớp đặt thành hai dãy Loại rãnh này dùng cho các máy điện công suất 100 ÷ 400kW, điện áp đến 660V

+ Rãnh hở: được dùng cho các động cơ điện một chiều công suất lớn (> 200kW), rôto của máy không đồng bộ công suất từ 15÷ 100kW, dây quấn stato máy điện xoay chiều công suất lớn hơn 400kW

Dây quấn có nhiều loại: dây quấn một lớp, hai lớp; một pha, ba pha; dây quấn xếp, dây quấn sóng, dây quấn phần ứng, dây quấn kích từ…Nhưng về mặt công nghệ được chia làm các loại: dây quấn phần tử mềm, dây quấn phần tử cứng, dây quấn kiểu thanh dẫn, dây quấn lồng sóc, dây quấn cực từ

Dây quấn trong động cơ điện có các loại cách điện: cách điện giữa vòng dây với nhau, cách điện giữa các bối dây, cách điện giữa các pha, cách điện giữa dây quấn với lõi thép Vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng quyết định tuổi thọ làm việc của động cơ điện

Theo cấp chịu nhiệt thì vật liệu cách điện có các cấp sau: [10]

- Cấp Y (900C) bao gồm các vật liệu xenlulô như bông, sợi, tơ lụa, sợi tổng hợp không được tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp A (1050C) bao gồm các loại vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo

đã qua tẩm sấy sơn cách điện

- Cấp E (1200C) gồm các loại màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp B (1300C) gồm các vật liệu gốc mica, sợi thuỷ tinh hoặc amiăng được liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu nhiệt tương ứng

- Cấp F (1550C) giống như cấp B nhưng được nhúng tẩm hoặc kết dính bằng sơn, nhựa tổng hợp có khả năng chịu nhiệt tương ứng

- Cấp H (1800C) giống như cấp B nhưng dùng sơn tẩm hoặc chất kết dính gốc silíc hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu nhiệt tương ứng

- Cấp C (cao hơn 1800C) gồm các chất gốc mica, thuỷ tinh, thạch anh (SiO2)

và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết

Các nhiệt độ tương ứng với các cập chịu nhiệt nói trên là nhiệt độ giới hạn cho phép đối với máy điện làm việc liên tục ở chế độ định mức (kể cả đốt nóng cục bộ) Cấp cách điện trong động cơ điện thường là cấp B và cấp F Khi động cơ điện làm việc bình thường thì nhiệt độ cho phép làm việc lâu dài của động cơ khoảng

1150C đến 1300C, (với cách điện cấp F) Với nhiệt độ làm việc như vậy thì độ từ thẩm µ của phần lõi thép của động cơ vẫn nằm trong vùng tuyến tính, đảm bảo cách điện của động cơ không bị già hóa

Kết cấu cách điện của ở phần trong rãnh của động cơ khác với cách điện ở phần đầu nối Cách điện vòng dây thường là cách điện của chính sợi dây dùng làm dây quấn Đối với máy điện có điện áp cao người ta bọc thêm lên sợi dây một lớp cách điện tăng cường

Các biện pháp thực hiện cách điện trong máy điện gồm có các biện pháp sau:[8]

- Cách điện dây quấn phần tử mềm: Dây quấn phần tử mềm được cấu tạo bằng dây dẫn tròn Cách điện giữa dây quấn với lõi sắt là cách điện rãnh được đặt trong rãnh trước khi đặt các bối dây vào Sau khi đặt dây người ta gấp mép cách điện ở miệng rãnh rồi dùng nêm đóng để nén chặt dây trong rãnh

- Cách điện dây quấn phần tử cứng: Các bối dây phần tử cứng được đặt trong rãnh hở hoặc nửa hở Đối với rãnh nửa hở, các bối dây phải chia làm hai

đặt thêm cách điện rãnh Đối với dây quấn đặt trong rãnh hở thì không đặt thêm cách điện rãnh nữa Các bối dây trong trường hợp này được bọc bằng nhiều lớp cách điện, tẩm sấy rồi đặt vào các rãnh đóng nêm là xong Việc cách điện các bối dây phần tử cứng thường áp dụng phương pháp quấn băng cách điện bằng các vật liệu khác nhau Lớp trong cùng là lớp băng quấn thưa, mục đích để giữ các vòng dây Lớp giữa là lớp cách điện chủ yếu Lớp ngoài cùng vừa cách điện vừa là lớp bảo vệ được quấn chồng 1/2 hoặc 2/3 Lớp giữa thường được quấn bằng cách điện băng rộng

- Cách điện đầu dây ra và các chỗ nối dây: Đầu dây ra và các chỗ nối dây cần phải bọc cách điện thật tốt vì đó là những chỗ cộm hoặc vượt đè từ pha này qua pha khác Điện áp giữa các dây ra chính là điện áp dây của máy Đầu ra của mỗi bối dây được bọc tăng cường tối thiểu 3÷ 6 lớp băng cách điện (chất liệu băng tuỳ theo cấp cách điện) hoặc đút trong ống ghen cách điện Đoạn dây nối từ hộp đầu dây vào dây quấn thường dùng dây nhiều sợi vỏ bằng nhựa chịu nhiệt hoặc sợi thuỷ tinh Đối với động cơ lớn, đầu ra thường phải dùng cáp cao su bọc sợi thuỷ tinh

1.2 Phân loại động cơ điện

Theo nguyên lý làm việc có các loại động cơ: động cơ điện không đồng bộ, động cơ đồng bộ, động cơ điện một chiều

1.2.1 Động cơ không đồng bộ

Động cơ đồng bộ là động cơ điện xoay chiều có tốc độ quay của rôto khác với tốc độ quay của từ trường

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản; như đã nói ở trên kết cấu của loại

động cơ này bao gồm có phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto) [5]

¾ Phần tĩnh hay stato: gồm lõi thép stato, dây quấn và vỏ máy

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm

tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ép lại Khi

kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Hình 1.5 Cấu tạo stato của động cơ không đồng bộ Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi

sắt

Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ

Vỏ máy thường làm bằng gang đúc, nhôm đúc, thép tấm Loại vỏ nhôm đúc thường dùng cho các động cơ công suất bé, với gang đúc thường dùng cho các động cơ có công suất trung bình và thép tấm thì dùng cho các động cơ công suất lớn

¾ Phần quay hay rôto: Rôto có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu

lồng sóc [5]

• Loại rôto kiểu dây quấn

Lõi sắt thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato và được ép trực tiếp lên trục máy Phía ngoài lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay s.đ.đ phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rô to được nối ngắn mạch

• Loại rôto kiểu lồng sóc:

Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra

nhôm làm thành một cái lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

Hình 1.6 Cấu tạo rôto của động cơ không đồng bộ a) dây quấn rôto lồng sóc; b) Lõi thép rôto

™ Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ: dựa trên nguyên lý cảm ứng

điện từ

Khi cho dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn stato từ trường quay với tốc độ n1

= 60f1/p (f1 là tần số lưới điện, p là số đôi cực, n1 là tốc độ từ trường quay bậc một

Từ trường quay này cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng lên dây quấn rôto sức điện động e2 Do rôto kín mạch nên trong dây quấn rôto có dòng điện i2 chạy qua Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng

điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n [1]

S

B C

• Động cơ đồng bộ cực ẩn

Rôto của máy điện đồng bộ làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích tư Phần không phay rãnh của rôto hình thành mặt cực từ

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p =

2, tốc độ quay của rôto là 3000 vg/ph và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính D của rôto không được quá 1,1 ÷ 1,15m Để tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto

Chiều dài tối đa của rôto vào khoảng 6,5m [9]

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính, Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt

Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt

ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

Máy kích từ này thường được nối trục với trục của áy đồng bộ hoặc có trục chung với máy đồng bộ

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp máy Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silíc dầy 0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng khoảng 10mm Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy Thân máy phải thiết kế và chế tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện Nắp máy cũng được chế tạo từ từ thép tấm hoặc từ gang đúc Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ, ổ trục đặt cố định trên bệ máy

• Động cơ đồng bộ cực lồi

Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy đồng

bộ cực ẩn, đường kính rôto D của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ

Rôto của máy điện đồng bộ cực lồi công suât nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe) trên mặt có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 ÷ 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

và lõi thép này thường không lồng trực tiếp vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rôto Giá này lồng vào trục máy Cực từ đặt trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dày 1 ÷ 1,5mm Cực từ được cố định trên lõi thép nhờ các bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào thân cực từ

Dây quấn mở máy của động cơ đồng bộ được đặt trên các đầu cực Các dây quấn này giồng như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không bộ, nghĩa là làm

mạch Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn

Stato của máy điện đồng bộ cực lồi có câu tạo tương tự như của máy đồng bộ cực ẩn Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng

bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện [5]

1.2.3 Động cơ một chiều

Động cơ một chiều là động cơ điện làm việc bằng nguồn điện một chiều Loại động cơ này cũng được sử dụng trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là trong điều khiển vì nó có ưu điểm là dễ điều chỉnh tốc độ, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng [5] Động cơ một chiều có nguồn cấp là điện một chiều Tuỳ theo phương pháp kích từ

ta có động cơ một chiều kích từ độc lập, động cơ một chiều kích từ song song, động

cơ một chiều kích từ nối tiếp, động cơ một chiều kích từ hỗn hợp (hình 1.7)

Ở động cơ một chiều kích từ độc lập (hình 1.7a), dòng điện kích từ lấy từ một nguồn điện độc lập với nguồn nuôi phần ứng, nên khi thay đổi dòng điện phần ứng trị số dòng kích từ không thay đổi

Ở động cơ kích từ song song (hình 1.7b), dây quấn kích từ được nối song song với phần ứng trì trị số dòng kích từ cũng thay đổi theo

Ở động cơ kích từ nối tiếp (hình 1.7c), dây quấn kích từ được đấu nối tiếp với mạch phần ứng Còn động cơ kích từ hỗn hợp tồn tại hai loại dây quấn kích tư: nối tiếp và song song (hình 1.7d)

1.2.4 Một số động cơ đặc biệt khác

Các loại động cơ đặc biệt khác như: Động cơ xoay chiều có vành góp, động

cơ bước,…

Động cơ xoay chiều có vành góp là loại động cơ không đồng bộ có đưa thêm

sức điện động phụ và mạch thứ cấp nhằm mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ, nâng cao hệ số công suất Sức điện động phụ có cùng tần số với sức điện động của rôto Phần quay của động cơ gồm có lõi thép, dây quấn và vành góp giống như phần ứng

của máy điện một chiều thông thường [5]

Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ đặt biệt, nó được dùng biến đổi

các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện áp rời rạc thành các chuyển động góc quay của rotor và có khả năng giữ cố định rotor ở các vị trí cần thiết

Động cơ bước làm việc được là nhờ vào các mạch điều khiển cấp tín hiệu điền khiển dưới dạng các xung điện áp cho cuộn dây stator Khi các cuộn dây trên stator được cấp các xung điện áp (theo một nguyên tắc nhất định) nó sẽ làm cho rotor của động cơ dịch chuyển Tổng số góc quay của rotor phụ thuộc vào số xung của mạch điều khiển cấp cho các cuộn dây của stator, chiều quay của rotor phụ thuộc vào thứ

tự cấp xung cho các cuộn dây (vì vậy rotor của động cơ có thể quay theo chiều thuận hay ngược chiều kim đồng hồ), còn tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào tần

số của xung điều khiển Số bước di chuyển của rotor trong một vòng quay phụ thuộc vào cấu tạo của rotor, số pha của các cuộn dây trên stator, phương pháp cấp xung điều khiển (xung đơn cực hay xung lưỡng cực), chế độ điều khiển (toàn bước hay nửa bước) Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây trên stator thay đổi liên

tục thì rotor sẽ quay liên tục (thực chất vẫn là các chuyển động rời rạc) [12]

1.3 Vai trò của động cơ điện trong cuộc sống và vấn đề bảo vệ động cơ điện

Động cơ điện có vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người, nó được

sử dụng trong mọi lĩnh vực: điều khiển, truyền động, công nghiệp, nông nghiệp,và

cả đời sống sinh hoạt của con người

Động cơ điện xoay chiều cũng như động cơ điện một chiều, được dùng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp Do tính phổ cập và vai trò quan trọng của động cơ điện, trong quá trình vận hành động cơ điện vấn đề giám sát bảo vệ chúng chống các sự cố và hiện tượng bất thường khác có ý nghĩa rất đặc biệt

Từ khi các thiết bị điện ra đời và ngày càng được ứng dụng rộng rãi, vấn đề bảo vệ các động cơ điện đã được quan tâm thích đáng Bảo vệ động cơ điện là khi động cơ điện có sự cố thì thiết bị bảo vệ sẽ tự động ngắt động cơ ra khỏi lưới điện

và hệ thống làm việc

Có rất nhiều thiết bị bảo vệ với các nguyên lý làm việc khác nhau như nhiệt,

từ, dòng điện cực đại, so lệch dòng điện, công suất ngược, và cấu trúc của các thiết

bị cũng rất đa dạng: tương tự, điện tử hóa, số hóa

Các thiết bị bảo vệ động cơ điện phải đảm bảo được các yêu cầu chính sau:

tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh, nhạy và tính kinh tế [6]

- Tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị làm việc đúng, chắc chắn

- Chọn lọc: là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị

sự cố ra khỏi hệ thống

- Tác động nhanh: là bảo vệ phát hiện và cách ly phần tử bị sự cố càng nhanh

càng tốt Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thỏa mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền

- Độ nhạy: Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơle hoặc

hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, tức tỷ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó

Sự sai khác giữa đại lượng vật lý đặt vào rơle và ngưỡng khởi động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố

- Tính kinh tế: Các thiết bị bảo vệ được thiết kế và lắp đặt không phải để làm

việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường Nhiệm vụ chủ yếu của chúng là phải luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố sự

cố có thể xảy ra bất kỳ lúc nào và có những tác động chuẩn xác Vì vậy thông thường giá cả thiết bị bảo vệ không phải là yếu tố quyết định trong lựa chọn chủng loại hoặc nhà cung cấp Ở đây bốn yêu cầu nên trên đóng vai trò quyết định

Các thiết bị bảo vệ động cơ rất đa dạng và phương thức bảo vệ các động cơ điện ngày càng phong phú: bảo vệ chính, bảo vệ dự phòng, nhiều cấp bảo vệ,bảo vệ thụ động, bảo vệ tích cực.`

Các thiết bị bảo vệ theo dõi tình trạng làm việc của các máy công tác ngày càng hiện đại như trong hệ thống SCADA, mục đích là để nâng cao độ tin cậy, giảm tổn thất cho hệ thống thiết bị Vì vậy việc nắm vững các nguyên nhân các nguyên nhân hỏng hóc để đưa ra các phương pháp bảo vệ hữu hiệu và tin cậy các động cơ điện luôn được giới chuyên môn quan tâm thích đáng

1 4 Mục đích và nhiệm vụ đề tài

- Mục đích:

+ Tìm hiểu phân tích, tổng kết các dạng sự cố của các loại động cơ điện + Phân tích, lựa chọn các phương pháp và các thiết bị bảo vệ thích hợp nhất đối với từng loại động cơ điện

+ Tính toàn bảo vệ cho động cơ điện ba pha rôto lồng sóc 200kW

- Ý nghĩa lý thuyết của đề tài:

Tìm hiểu, tổng hợp đặc điểm các dạng sự cố của động cơ điện; lựa chọn phương pháp bảo vệ tối ưu nhất cho mỗi loại động cơ điện nhằm nâng cao độ tin cậy bảo vệ động cơ điện

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Nâng cao độ tin cậy bảo vệ, giảm thiểu tối đa những thiệt hại về mọi mặt do các

sự cố của động cơ điện gây ra, đi đến hiệu quả kinh tế cao nhất

1.5 Tóm tắt chương 1

Trong chương này giới thiệu tổng quan về đồng cơ điện: cấu tạo, công nghệ chế tạo mạch từ của động cơ điện, sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào nhiệt độ; công nghệ chế tạo dây quấn, các cấp cách điện của động cơ: A, B, F, H, C Dây quấn trong động cơ điện có các loại cách điện: cách điện giữa vòng dây với nhau, cách điện giữa các bối dây, cách điện giữa các pha, cách điện giữa dây quấn với lõi thép Vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng quyết định tuổi thọ làm việc của động cơ điện Các nhiệt độ tương ứng với các cập chịu nhiệt nói trên là nhiệt độ giới hạn cho phép đối với máy điện làm việc liên tục ở chế độ định mức (kể cả đốt nóng cục bộ) Cách điện trong động cơ điện thường là cấp B và cấp F Khi động cơ điện làm việc bình thường thì nhiệt độ cho phép làm việc lâu dài của động cơ khoảng 1150C đến

1300C, (với cách điện cấp F) Với nhiệt độ làm việc như vậy thì độ từ thẩm µ của phần lõi thép của động cơ vẫn nằm trong vùng tuyến tính, đảm bảo cách điện của động cơ không bị già hóa Động cơ làm việc ở nhiệt độ cao thường xuyên làm già hóa cách điện, cách điện bị chọc thủng dẫn đến động cơ dễ bị cháy hỏng

CHƯƠNG 2: CÁC DẠNG SỰ CỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

VÀ CÁC NGUYÊN LÝ ĐO LƯỜNG, PHÁT HIỆN SỰ CỐ

2.1 Các nguồn nhiệt trong động cơ điện (Các dạng tổn hao năng lượng)

Năng lượng điện biến đổi sang năng lượng cơ (động cơ điện) có thể được

Quá trình biến đổi năng lượng của động cơ điện được biểu diễn bằng giản đồ năng lượng sau:

Hình 2.1 Giản đồ năng lượng của động cơ điện

Trong đó: P1 là công suất điện mà động cơ tiêu thụ;

pCu1; pCu2 là tổn hao đồng trên dây quấn stato và rôto;

Tổn hao sắt từ Tổn hao dưới dạng nhiệt

Pđt là công suất điện từ;

Pcơ là công suất cơ,

P2 là công suất động cơ đưa ra trên trục

Hiệu suất của động cơ được tính theo công thức:

1 1

2 1

P

p P

∑ 1 2 ) (2.1) Trong các tổn hao thì tổn hao đồng thay đổi theo bình phương dòng điện trong dây quấn và cũng tỷ lệ với điện trở của dây quấn Còn các tổn hao khác không đổi theo tải

Các tổn hao trên làm giảm hiệu suất của thiết bị, tăng nhiệt độ phát nóng trong động cơ điện dẫn điến hỏng hóc, xảy ra các sự cố ảnh hưởng xấu đến cả hệ thống [5]

2.1.1 Tổn hao đồng trong dây quấn động cơ điện

Tổn hao đồng là công suất mất đi trên dây quấn của động cơ, bao gồm tổn hao trên dây quấn stato pCu1 và tổn hao trên dây quấn rôto pCu2 [9]

Với động cơ không đồng bộ pCu1 = m1.I12r1; ,

2 2 , 2 1

2 m I r

p Cu = (2.2) Với động cơ đồng bộ gồm có tổn hao trên stato và tổn hao trên rôto (tổn hao kích từ) Tổn hao đồng trên dây quấn stato ở động cơ đồng bộ cũng được tính giống như

ở động cơ không đồng bộ Còn tổn hao kích từ là tổn hao trên dây quấn kích thích (rôto) và của các chổi than Dây quấn kích từ của động cơ động bộ là dây quấn một chiều nên tổn hao đồng được tính giống với động cơ một chiều

Với động cơ một chiều: có tổn hao đồng trong phần ứng và tổn hao trên dây quấn kích từ Tổn hao đồng trong phần ứng bao gồm hai phần: tổn hao đồng trong mạch phần ứng pư = Iư2rư; tổn hao đồng trong dây quấn cực từ phụ Iư2rf, tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp ptx Tổn hao đồng trong mạch kích thích được tính bằng: pkt = Ikt.rkt

Như vậy tổn hao đồng trên dây quấn của động cơ phụ thuộc vào dòng điện chảy trong dây quấn và điện trở của dây quấn Tổn hao này tỷ lệ với bình phương

Dòng điện trong dây quấn stato hay rôto là đại lượng biến đổi Khi động cơ làm việc bình thường thì dòng trong dây quấn ở chế độ định mức; khi động cơ có sự

cố thì dòng đó sẽ tăng vọt dẫn đến tổn hao đồng trên dây quấn cũng tăng và hiệu suất của động cơ sẽ giảm nhanh chóng [16]

Điện trở của dây quấn cũng là đại lượng biến đổi, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước dây dẫn, điện trở suất của vật liệu, tần số của dòng điện; nhiệt

độ của dây quấn, nhiệt độ môi trường [3]

Với dòng điện một chiều thì điện trở của dây dẫn được tính theo công thức:

S

l

R=ρ. (2.3)

Trong đó:ρ- điện trở suất của vật liệu

l- chiều dài của dây quấn

S – tiết diện của dây quấn

Điện trở của dây dẫn còn phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức:

R= R0 [1+ α (T- T0)] (2.4)

α là hệ số phụ thuộc vào môi trường

T 0 là nhiệt độ môi trường

R 0 là điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ môi trường T 0

Điện trở của dây quấn còn bị ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài,

và hiệu ứng gần; các hiệu ứng này đều làm thay đổi sự phân bố của dòng điện, nên điện trở của dây dẫn sẽ thay đổi, theo hướng tăng lên

Khi dòng điện xoay chiều đi qua dây quấn sẽ gây ra hiệu ứng mặt ngoài làm điện trở dây dẫn tăng lên:

R~ =K m R− (2.5)

Trong đó R- là điện trở một chiều; R~ là điện trở xoay chiều nằm đơn độc;

Km là hệ số tính đến hiệu ứng mặt ngoài Km phụ thuộc vào kích thước dây dẫn, điện trở suất của vật liệu và tần số của dòng điện

Khi hai dây dẫn đặt gần nhau có dòng điện đi qua, từ trường của dây dẫn này

tác dụng với dòng điện của dây dẫn kia làm thay đổi sự phân bố của dòng điện trong

dây dẫn, nên điện trở của chúng thay đổi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng gần và

được đặc trưng bằng hệ số gần nhau của hai dây dẫn: [3]

Trong đó: R2~ là điện trở của dây dẫn khi nó đặt gần dây dẫn khác

R1~ là điện trở của dây dẫn khi đặt đơn độc

Kg phụ thuộc vào tần số dòng điện, kích thước thanh dẫn, khoảng cách

giữa các thanh dẫn và điện trở một chiều của nó khi hai dòng điện ngược chiều

nhau Hai thanh dẫn tiết diện chữ nhật đặt gần nhau, hệ số Kg có thể bé hơn 1, tức

làm giảm tổn hao năng lượng

2.1.2 Tổn hao sắt từ

Tổn hao chính trong thép vì từ trễ và dòng điện xoáy xuất hiện đồng thời

Nguyên nhân là do hiện tượng từ hóa xoay chiều xảy ra trong thép khi từ trường

biến đổi Tổn hao chính trong thép phụ thuộc vào loại thép và được đặc trưng bởi

suất tổn hao thép pFe (W/kg) [9]

Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên thì trong chúng

sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra và được tính theo công thức:

Như vậy tổn hao sắt từ phụ thuộc vào từ cảm, tần số (sóng hài bậc cao), điện trở

xoáy của vật liệu; chất lượng tôn silíc, trình độ chế tạo công nghệ lõi thép

Xác định suất tổn hao sắt từ p0 cho một đơn vị khối lượng vật liệu ở tần số f và

từ cảm Bm cho trước Như vậy tổn hao ở (2.16) sẽ được tính toán đơn giản hơn: [3]

P Fe = p0.G (2.8)

Để giảm tổn hao trong các chi tiết sắt từ dạng khối, người ta thường sử dụng

các biện pháp sau:

- Cách điện giữa các lá thép của mạch từ để làm tăng điện trở xoáy

- Giảm bề dầy của lá thép, mạch từ của máy điện thường sử dụng các lá thép

kỹ thuật điện dày từ 3 -5mm

- Chọn mật độ từ cảm thích hợp

2.1.3 Tổn hao cơ

Tổn hao cơ của động cơ điện chủ yếu là do ma sát ở ổ đỡ (bi, gối đỡ) Tổn

hao này làm nóng gối đỡ và trục Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ cho phép dẫn đến

giảm cơ tính của cụm đỡ, làm tăng giãn nở nhiệt và có thể làm động cơ bị sự cố Vì

vậy đối với các động cơ lớn, vần đề theo dõi, kiểm tra nhiệt độ các gối đỡ là rất cần

thiết trong quá trình vận hành của động cơ Tổn hao này cũng sẽ thay đổi theo tải,

khi tải tăng thì tổn hao cơ cũng tăng

Với động cơ đồng bộ: tổn hao cơ bao gồm tổn hao công suất cần thiết để làm

mát các bộ phận của máy; tổn hao công suất do ma sát, ở ổ trục và bề mặt rôto và

stato khi rôto quay

Với động cơ một chiều tổn hao này gồm tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát chổi

than với vành góp, tổn hao do thông gió Tổn hao này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ

quay của máy và làm cho ổ bi, vành góp nóng lên [5]

2.1.4 Tổn hao phụ

Tổn hao phụ bao gồm tổn hao phụ ở đồng và sắt Tổn hao phụ trong đồng

gồm có tổn hao do hiệu ứng mặt ngoài gây nên và sóng bậc cao của từ thông sinh ra

Tổn hao phụ trong sắt cũng do sóng bậc cao của từ thông gây nên Trong máy điện không đồng bộ, tổn hao sinh ra trên bề mặt rôto do ảnh hưởng của miệng rãnh stato và tổn hao đập mạch trên răng rôto tương đối lớn Tính tổn hao phụ rất phức tạp nên thường lấy bằng 0,5% công suất đưa vào

Với động cơ đồng bộ: tổn hao phụ gồm có tổn hao do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của dây quấn stato và các bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòng điện phần ứng sinh ra; tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép rôto máy cực ẩn do stato có rãnh và như vậy từ từ cảm khe hở có sóng điều hòa răng; tổn hao ở răng stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thông chính

và do các sóng điều hòa bậc cao với tần số khác f1 [9]

Với động cơ một chiều: gồm có tổn hao trong đồng và thép; tổn hao trong thép có thể do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần ứng, các bulông ốc vít trên phần ứng làm làm từ trường phân bố không đều trong lõi sắt, ảnh hưởng của răng rãnh làm từ trường đập mạch sinh ra Tổn hao trong đồng có thể do quá trình đổi chiều làm dòng điện trong phần tử thay đổi, dòng điện phân bố không đều trên

bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây dẫn sinh ra dòng điện xoáy Trong máy điện một chiều pf tương

đối khó tính, thường lấy bằng 1% công suất định mức [5]

2.2 Các dạng sự cố của động cơ điện và nguyên nhân sự cố

Các sự cố bên trong, bên ngoài động cơ điện cũng như chế độ vận hành không đúng đều có thể gây nguy hại cho động cơ điện

Những sự cố bên trong bao gồm: ngắn mạch giữa các cuộn dây, chạm chập giữa các vòng dây và cuộn dây bị chạm đất Những sự cố bên ngoài gồm các dạng ngắn mạch trong lưới điện làm tụt điện áp của nguồn cung cấp, chế độ vận hành không đối xứng, đứt dây hoặc hở mạch một pha… Chế độ vận hành không đúng có thể xảy ra do điện áp đặt vào động cơ bị tụt thấp, quá tải khi khởi động và trong quá trình làm việc, phụ tải không đối xứng do hệ thống điện áp nguồn mất cân bằng, ngắn mạch giữa các pha và ngắn mạch trạm đất trên đường dây cấp điện cho

2.2.1 Các dạng sự cố bên trong động cơ và nguyên nhân sự cố

a) Những sự cố ở stato của động cơ

Đối với cuộn dây stato của động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, động cơ một chiều thường xảy ra các sự cố: ngắn mạch giữa các cuộn dây (các pha), chạm chập giữa các vòng dây và cuộn dây bị chạm đất

- Chạm chập giữa các vòng dây:

Nguyên nhân làm cho các vòng dây chập nhau là cách điện bên trong động cơ điện bị hỏng do sử dụng lâu ngày không được bảo dưỡng hay do tác động cơ giới từ bên ngoài hoặc sét đánh Với những máy có công suất vừa và nhỏ, trong cùng một rãnh người ta có thể đặt nhiều thanh dẫn thuộc các vòng dây khác nhau; hỏng hóc cách điện giữa các vòng dây trong cùng một rãnh gây ra chạm chập các vòng dây Với những động cơ công suất lớn, trong mỗi rãnh thường chỉ đặt một thanh dẫn, vì vậy khả năng các vòng dây bị chập nhau chỉ xảy ra khi cách điện bị hỏng ở hai rãnh khác nhau hoặc các vòng dây ở phần ngoài thân stato bị chập nhau (ở vành nối giữa các thanh dẫn với nhau) Dòng điện trong các vòng dây bị chập có thể đạt trị số rất lớn làm hỏng cuộn dây

Trong dây quấn động cơ điện thường có hai nhánh song song trong một cuộn dây kép, khi có một số vòng dây chập nhau, sức điện động cảm ứng trong hai nhánh

sẽ khác nhau tạo nên dòng điện cân bằng chạy quẩn trong các mạch vòng sự cố, đốt

nóng cuộn dây và có thể gây hư hỏng nghiêm trọng (hình 2.2).[6]

A B

- Ngắn mạch giữa các pha dây quấn:

Tương tự với trường hợp chập các vòng dây, ngắn mạch giữa các pha dây quấn trong động cơ điện cũng là do hỏng hóc cách điện giữa các pha dây quấn với nhau

Về lý thuyết ngắn mạch nhiều pha cũng có thể xảy ra trong cuộn dây stato, tuy nhiên thống kê thực tế cho thấy rất ít xảy ra trường hợp này Tính toán dòng điện sự

cố cho trường hợp các vòng dây chập nhau hoặc ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stato rất phức tạp

Việc tính toán dòng điện sự cố bên trong cuộn dây stato của động cơ điện khi xảy ra chạm chập giữa các pha rất phức tạp nên người ta có thể đánh giá một cách định tính quan hệ giữa dòng điện sự cố: [6]

Dòng điện sự cố Iα phụ thuộc vào vị trí điểm chạm chập với α là số vòng dây

(%) tính từ trung điểm của cuộn dây đến điểm sự cố

Và trong đó: Eα – sức điện động cảm ứng trong phần cuộn dây bị chập;

) (

.

P P

qđ

p

X R

R

E I

αα

α

α

+ +

= (2.10) Nếu bỏ qua thành phần điện trở tác dụng R ta có:

P

p

X

E I

.

α

α = (2.11)

Từ (2.10) và (2.11) ta có thể nêu một số nhận xét sau:

- Khi chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stato của động cơ điện, dòng điện sự cố có thể lớn hơn dòng điện khi ngắn mạch trên đầu cực, vì điện kháng Xαcủa mạch vòng ngắn mạch giảm nhanh hơn sức điện động Eα

- Nếu xét đến ảnh hưởng của điện trở tác dụng R (trong đó điện trở quá độ đóng vai trò quyết định) thì khi chạm chập gần điểm trung tính có thể có trị số rất

bé

- Ở các dạng ngắn mạch không đối xứng, tính chất phụ thuộc của dòng điện sự

cố vào vị trí điểm ngắn mạch α cũng tương tự đối với ngắn mạch ba pha

Trường hợp dây quấn của động cơ nối sao, điểm ngắn mạch gần điểm trung tính thì dòng ngắn mạch nhỏ, động cơ vẫn có thể tiếp tục làm việc ( hình 2.3a)

A B

C

A B

Hình 2.4 Ngắn mạch hai pha dây quấn stato khi dây quấn đấu ∆

- Dây quấn stato bị chạm đất: Khi cách điện chính là cách điện giữa dây quấn stato

và vỏ máy bị hư hỏng gây ra chạm đất ở dây quấn stato Cách điện bị yếu, hỏng

trong quá trình chế tạo máy hoặc do cách điện bị kém lại bị ẩm do lâu ngày không

0

.

∑ +

=

C qđ

p Đ

X r

U

α (2.12)

Trong đó: α – số phần trăm cuộn dây tính từ trung điểm đến vị trí chạm đất;

UP – điện áp pha của động cơ điện

rqđ – điện trở quá độ tại chỗ sự cố

XCoΣ – dung kháng 3 pha đẳng trị của tất cả các phần tử trong mạng điện áp động cơ

Khi có sự cố, điện trở quá độ tại chỗ sự cố thường rất nhỏ, nếu bỏ qua điện trở quá độ tại chỗ sự cố (rqđ = 0), dòng chạm đất bằng:

P

I α =3αω 0 ∑ (2.13) Khi chạm đất xảy ra gần đầu cực của động cơ (α = 1) dòng chạm đất đạt trị

số lớn nhất:

P

I (α= 1 ) max =3ω 0∑ (2.14) Nếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn Petersen, theo quy định của một số nước cuộn Petersen cần phải đặt khi:

IĐmax ≥ 30A đối với mạng có Udd = 6kV

IĐmax ≥ 20A đối với mạng có Udd = 10kV

Kinh nghiệm cho thấy rằng, dòng điện IĐ ≥ 5A có khả năng duy trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thép tại chỗ sự cố, vì vậy bảo vệ cần phải tác động nhanh

Dòng điện chạm đất IĐ phụ thuộc vào vị trí α của điểm chạm đất, nên nếu điểm chạm đất xảy ra gần phía trung tính (α → 0) bảo vệ sẽ không đủ độ nhạy Bảo

30

≥

α , nghĩa là chỉ bảo vệ được khoảng 70% cuộn dây stato kể từ đầu cực động

cơ vào.Trong trường hợp này thiết bị bảo vệ không tác động nhưng cần có thiết bị cảnh báo

bộ

Hệ thống kích từ của động cơ điện đồng bộ có nguồn cấp là nguồn một chiều, không có điểm nối đất nên khi có một điểm chạm đất (chạm thân rôto) (hình 2.6a) động cơ điện vẫn có thể tiếp tục làm việc