bài giảng máy điện đại học bách khoa

Máy điện là môn học bắt buộc của sinh viên chuyên ngành Điện năng năm 3 hay môn tự chọn cho các chuyên ngành khác của ngành Điện – Điện tử. Mục tiêu của môn học nhằm cung cấp các kiến thức nền tảng về các thiết bị điện cơ. Sinh viên hoàn thành khóa học sẽ có khả năng giải thích và chứng minh trên cơ sở toán học các quá trình vận hành của các thiết bị điện cơ. Sinh viên cũng có thể nhận dạng được các loại máy điện có khả năng đáp ứng yêu cầu công việc, tuy nhiên, thiết kế chi tiết của các thiết bị điện cơ không thuộc nội dung môn học.Máy điện là môn học bắt buộc của sinh viên chuyên ngành Điện năng năm 3 hay môn tự chọn cho các chuyên ngành khác của ngành Điện – Điện tử. Mục tiêu của môn học nhằm cung cấp các kiến thức nền tảng về các thiết bị điện cơ. Sinh viên hoàn thành khóa học sẽ có khả năng giải thích và chứng minh trên cơ sở toán học các quá trình vận hành của các thiết bị điện cơ. Sinh viên cũng có thể nhận dạng được các loại máy điện có khả năng đáp ứng yêu cầu công việc, tuy nhiên, thiết kế chi tiết của các thiết bị điện cơ không thuộc nội dung môn học.

ĐH Bách khoa – ĐHQG Tp.HCM Khoa : Điện – Điện Tử Bộ môn : Thiết Bị Điện ðề cương Môn học ðại học MÁY ðIỆN (ELECTRICAL MACHINERY) Mã số MH : 408003 : (3.1.4) TCHP: LT: 45 BT: 15 TH: ĐA: BTL/TL: - Tổng: 60 (Ghi rõ có hình thức khác TT ngồi trường, tham quan, mơn dùng đơn vị "buổi", "tuần" thay cho số tiết – đính kèm dự trù chi tiết định mức chi phí thực hành TN đặc biệt thực tập bên để dễ dàng cho xét duyệt kinh phí sau này) - Đánh giá : Kiểm tra: 30% Kiểm tra Viết kỳ 45 – 60 phút Thang điểm 10/10 Thi cuối kỳ: 70% Thi Viết cuối kỳ - 90' - Môn tiên : - Biến đổi lượng điện MS: 408001 - Môn học trước : MS: - Môn song hành : MS: - CTĐT ngành : Điện (Tham chiếu CTĐT ngành Điện- Điện Tử trường Đại Học Illinois- Urbana Champaign ) - Trình độ : Mơn bắt buộc chuyên ngành Điện Năng, năm thứ (khối kiến thức-KT) - Ghi khác : - Số tín - Số tiết Mục tiêu môn học: Máy điện môn học bắt buộc sinh viên chuyên ngành Điện năm hay môn tự chọn cho chuyên ngành khác ngành Điện – Điện tử Mục tiêu môn học nhằm cung cấp kiến thức tảng thiết bị điện Sinh viên hồn thành khóa học có khả giải thích chứng minh sở tốn học trình vận hành thiết bị điện Sinh viên nhận dạng loại máy điện có khả đáp ứng u cầu cơng việc, nhiên, thiết kế chi tiết thiết bị điện không thuộc nội dung môn học Aims: This course is a undergraduate junior level core for power engineering and elective for other electrical engineering majors The goals are to impart an understanding of electro-mechanics from theoretical base The successful student will be able to explain how various electromechanical devices work, and justify the explanation mathematically Further, the students should be able to conceive a device that is capable of meeting performance criteria, though detailed design is not part of the course Nội dung tóm tắt mơn học: Môn học cung cấp kiến thức liên quan đến thiết bị biến đổi lượng điện (nguyên lý, cấu tạo, ứng dụng, phương pháp tính, cách xây dựng mơ hình tốn mạch tương đương) Máy biến áp lực (máy biến áp ba pha, máy biến áp tự ngẫu, máy biến áp đo lường) Máy điện quay: Máy điện không đồng (xây dựng phân tích mạch tương đương, cách xác định thơng số mạch tương đương theo thí nghiệm, phân tích đặc tính moment,…), máy điện đồng (xây dựng phân tích mạch tương đương, điện kháng đồng bộ, đặc tính vận hành, đặc tính góc PĐT, Mẫu 2008-ĐC Tr.1/5 Đề cương MH : De cuong_MayDien_Nghiem thu.doc PĐT, Mẫu 2008-ĐC tải điều kiện ổn định,…), máy điện chiều (phản ứng phần ứng, vấn đề đổi chiều giải pháp, phân tích dựa mạch điện mạch từ, đặc tính vận hành chế độ xác lập…), loại động công suất nhỏ Course outline: The course provides knowledge about basic principles of electro-mechanical conversion, theories of single- and three-phase transformers, auto-transformers, instrument transformers, principles of rotating electrical machines, induction machines (equivalent circuit, parameter determination, torque characteristic analysis, etc), synchronous machines (synchronous inductances, equivalent circuit, open and short-circuit characteristics, steady-state power angle characteristics, etc) DC machines (effects of amature MMF, commutator action, analytical fundamentals – electric circuit and magnetic circuit aspects, etc), low power motors Tài liệu học tập: (nên khoảng 3-5 đầu sách) [1] [2] [3] [4] [5] Nguyễn Chu Hùng, Tôn Thất Cảnh Hưng, Kỹ Thuật Điện 1, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2000 Nguyễn Hữu Phúc, Kỹ Thuật Điện 2, Máy Điện Quay, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2003 A E Fitzgerald, C Kingsley, and S D Umans, Electric Machinery, 6th ed., New York: McGraw-Hill, 2003 Chee Mung Ong, Electric Machinery Mathlab Simulation, Prentice Hall 1997.2 P Krause, D Wasynczuk, and S D Sudhoff, Analysis of Electric Machinery, IEEE Press, 2002 Các hiểu biết,các kỹ cần đạt sau học môn học Giải thích nguyên lý q trình biến đổi lượng điện cơ, tính tốn giải tích lực/moment trường từ, tương tác điện – từ thơng qua lực lorentz, tính tốn lượng hệ thống trường từ – hay nhiều nguồn kích thích; giải thích từ trường quay hệ thống máy điện, v.v Phân tích, tính tốn biến trạng thái thuộc mơ hình tĩnh máy điện chiều, xoay chiều Tính tốn thơng số vào hệ thống máy điện Giải thích tính tốn chế độ vận hành máy điện cách hiệu (hiệu suất cao), giúp sinh viên quan tâm nhiều đến vấn đề tiết kiệm lượng, vấn đề mang tính tồn cầu, từ góp phần làm giảm lượng khí thải CO2, bảo vệ mơi trường Giải thích thiết kế mơ hình động đơn giản (hoặc phương trình) simulink matlab, giúp sinh viên tiếp cận nhanh môn học chuyên ngành sau Có khả nhận dạng loại máy điện, tương thích tải yêu cầu công việc Bảng tương ứng chuẩn đầu môn học chuẩn đầu chương trình đào tạo Chuẩn đầu chương trình đào tạo Chuẩn đầu môn học a b c d e f g h i j k Tr.2/5 Đề cương MH : De cuong_MayDien_Nghiem thu.doc PĐT, Mẫu 2008-ĐC Learning outcomes: Ability to explain Electromechanical Energy Conversion Principles, calculate and analyze the forces and torques in magnetic field systems via the lorentz force law, energy in singly and multiply-excited magnetic field systems, magnetic fields in rotating machinery and so on Ability to analyze steady-state models of AC/DC machines, calculate the input/output parametters of AC/DC machines (b,e) Ability to explain and calculate the operating regimes to improve productivity of electrical machines in terms of energy efficiency So the students can understand about energy saving, how to reduce CO2 (j,h) Ability to explain and design simulation of basically dynamic model (or equations) by matlab/simulink tools (k) Ability to identify the kinds of electrical machine according to their loads or/and their applied fileds Course Objectives a b c d Program Outcomes e f g h i j k Hướng dẫn cách học - chi tiết cách đánh giá môn học: Sinh viên nên tham dự giảng lớp để nắm bắt vấn đề mơn học liên quan nhiều đến ứng dụng thực tế, nhiều khái niệm kỹ thuật Bài tập nhà cần nộp khoảng tuần sau đầu đề tập công bố Các cột điểm cho tập nhà, kiểm tra kỳ tổng hợp thành điểm kiểm tra (chiếm 30%), tỷ lệ phần giảng viên công bố cho sinh viên bắt đầu môn học Thi cuối kỳ (chiếm 70%) sử dụng hình thức thi viết, với thời lượng 90 phút Sinh viên cần đạt điểm tổng hợp trở lên xem đạt mơn học Learning Strategies & Assessment Scheme: Students should attend the lecture to easily understand and read the refferences because this subject is close to real application with a lot of new conceptions Homework assignments are normally due in weeks time, from the moment they are announced (posted on the web site) Homework assignment, and mid-term examination will be added together to make up the first mark (30%), and their weighting factors are to be fixed by the instructor and announced to the student right at the beginning of the course Final examination (70%) will make use of writing format, lasting 90 minutes A minimum final mark of is required to pass the course Nội dung chi tiết:: Tuần Nội dung Tài liệu Ghi Tr.3/5 Đề cương MH : De 7,8,9 4,5,6 cuong_MayDien_Nghiem thu.doc CHƯƠNG : Các nguyên lý trình biến đổi điện 1.1 Lực moment hệ mạch từ 1.2 Cân lượng 1.3 Năng lượng lực từ hệ nguồn kích từ 1.4 Tính tốn lực từ: Đồng lượng 1.5 Năng lượng lực từ hệ nhiều nguồn kích từ 1.6 Lực moment hệ mạch từ có nam châm vĩnh cửu 1.7 Phương trình động lực 1.8 Các phương pháp giải tích CHƯƠNG 2: Máy Biến áp 2.1 Giới thiệu máy biến áp 2.2 Điều kiện không tải 2.3 Ảnh hưởng dòng sơ cấp: Máy biến áp lý tưởng 2.4 Kháng trở sơ đồ mạch tương đương 2.5 Các yếu tố kỹ thuật phân tích máy biến áp 2.6 Máy biết áp từ ngẫu: Máy biến áp nhiều cuộn dây 2.7 Máy biến áp ba pha 2.8 Máy biến điện áp máy biến dòng CHƯƠNG : Các vấn đề máy điện quay 3.1 Khái niệm 3.2 Giới thiệu máy điện chiều xoay chiều 3.3 Sức từ động dây quấn rải 3.4 Từ trường máy điện 3.5 Từ trường quay máy điện xoay chiều 3.6 Sức điện động cảm ứng 3.7 Moment máy điện cực từ ẩn 3.8 Máy điện tuyến tính 3.9 Hiện tượng bão hồ mạch từ 3.10 Từ thông tản CHƯƠNG : Máy điện không đồng pha 5.1 Tổng quan máy điện khơng đồng 5.2 Dòng từ thơng máy điện khơng đồng 5.3 Các phương trình 5.4 Phân tích mạch tương đương 5.5 Phương trình tính moment cơng suất dùng mạch Thevenin 5.6 Các thí nghiệm khơng tải ngắn mạch 5.7 Mơ máy điện không đồng CHƯƠNG 5: Máy điện đồng 4.1 Tổng quan máy điện đồng 4.2 Điện kháng đồng Mạch điện tương đương 4.3 Các đặc tính khơng tải ngắn mạch 4.4 Đặc tính cơng suất – góc máy đồng trạng thái xác lập 4.5 Các đặc tính vận hành 4.6 Các điều kiện làm việc song song máy phát điện đồng 4.8 Vấn đề điều chỉnh công suất tác dụng, công suất phản kháng điều kiện máy phát làm việc với lưới điện vô lớn 4.9 Vấn đề điều chỉnh công suất tác dụng, công suất phản kháng điều kiện máy phát làm việc với máy phát khác có cơng suất tương đương 4.10 Động đồng : vấn đề mở máy; đặc tính vận hành PĐT, Mẫu 2008-ĐC [1,2] Hiểu, Vận dụng [1,2] Nắm vững Vận dụng [1-5] Vận dụng Tổng hợp [1-5] Nắm vững Vận dụng [1-5] Nắm vững Vận dụng Tr.4/5 Đề cương MH : De cuong_MayDien_Nghiem thu.doc 10,11 CHƯƠNG : Máy điện chiều 6.1 Tổng quan máy điện chiều 6.2 Sức từ động phản ứng phần ứng 6.3 Phân tích dựa mạch điện 6.4 Phân tích dựa mạch từ 6.5 Các đặc tính vận hành 6.6 Vấn đề đổi chiều dây quấn cực từ phụ 6.7 Dây quấn bù 6.8 Điều chỉnh tốc độ động chiều 6.9 Mô máy điện chiều 12,13 CHƯƠNG 7: Các loại động khác ,14 7.1 Động từ trở 7.1.1 Tổng quan 7.1.2 Cấu tạo loại động từ trở 7.1.3 Dạng sóng dòng cần thiết cho việc tạo moment quay 7.1.4 Các hệ truyền động dùng động từ trở 7.1.5 Động từ trở trường hợp mạch từ phi tuyến 7.2 Động công suất nhỏ 7.2.1 Động khơng đồng pha 7.2.2 Đặc tính mở máy vận hành động không đồng pha động đồng 7.2.3 Từ trường quay áp dụng cho động không đồng pha 7.2.4 Máy điện pha làm việc không đối xứng : phương pháp thành phần đối xứng 7.2.5 Động vạn 7.2.6 Động bước 7.2.7 Động chiều nam châm vĩnh cửu 7.2.8 Động xoay chiều nam châm vĩnh cửu PĐT, Mẫu 2008-ĐC [1-5] Nắm vững Vận dụng [1-5] Hiểu, Vận dụng Tr.5/5 Chương I: Các nguyên lý trình biến đổi điện TB CHƯƠNG 1: CÁC NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ I Các nguyên lí trình biến đổi lượng điện I.1 Lực moment hệ mạch từ ( ) r r r r F=q E+ v×B r r r F = q v ×B Nếu có từ trường: Mà q = I t Định luật Lorentz: ( ) r r r Fe = I l × B Nên r F z r I iz iy y r r r iz = ix × iy ix x r B Tích có hướng r Fe r I r I r Fe r B Slide Máy điện I.1 Chương I: Các nguyên lý trình biến đổi điện TB r Fe1 r Fe r I r I r B α r B Biết I=10A, B=0,5T, R=0,1m, l=0,3m, α=30o Tính lực điện từ Fe tác động lên dẫn rotor? Tính moment tác động lên dẫn rotor? I.2 Cân lượng Động dWfld + pconv dt dWmech = ploss− mech + + p mech dt pe = pCu + pconv Máy phát dWmech + pconv dt dWfld = pCu + + pe1 − pe dt = t e ωmech với te moment điện từ p m = ploss− mech + pconv pconv Slide Máy điện I.2 Chương I: Các nguyên lý trình biến đổi điện TB Điện = Năng lượng từ trường + Cơ + Nhiệt dWelec = dWfld + dWmech + dWtemp Nếu bỏ qua tổn hao nhiệt: ei.dt = dWfld + dWmech idλ = dWfld + d(f fld x ) dWfld = idλ − f fld dx Slide Máy điện dWfld + pc dt Welec = Wfld + Wmech e.i = với e= dλ dt Wmech = f fld x giả sử ffld=const I.3 Chương I: Các nguyên lý trình biến đổi điện TB I.3 Năng lượng lực từ hệ nguồn kích từ dx dWmech = Chuyển động thẳng: dt dt dθ dWmech p t t = = ω = c e e Chuyển động quay: dt dt pc = f fld ⇒ ⇒ dWmech dx dWmech te = dθ f fld = Với lượng từ trường tích lũy cuộn dây máy điện: dWfld = idλ − f fld dx giả sử i=const x thay đổi chậm ⇒ f fld = − ∂Wfld ∂x (λ=ψ=từ thơng móc vòng) Nếu mạch từ tuyến tính, Wfld (λ0 , x ) = λ = L( x )i , nên Wfld phụ thuộc vào λ x λ0 ,x ∫ dW (λ , x ) = ∫ dW (0, x ) + ∫ dW (λ , x ) fld fld 0, Mà λ =0 Slide Máy điện λ0 ,x 0, x f fld = 0, nên dWfld (0, x ) = fld 0, x I.4 Chương I: Các nguyên lý trình biến đổi điện λ0 ⇒ λ0 Wfld (λ0 , x ) = ∫ i(λ , x )dλ = ∫ Wfld (λ , x ) = λ L( x ) 1 λ L( x ) dλ = TB 1 λ20 L( x ) f fld (λ0 , x ) = − ∂Wfld (λ0 , x ) ∂x Có thể tính lượng tích lũy từ trường thơng qua mật độ khối lượng từ trường theo thể tích V:  B0  Wfld = ∫  ∫ HdBdV   V  Nếu mạch từ tuyến tính, B = µH : 1 B  Wfld = ∫  dV  µ  V Cho mạch từ tuyến tính Tính Wfld piston dịch chuyển đoạn x=0,01m? Biết N=1000 vòng, δ=0,002m=g+g, d=0,15m, l=0,1m, I=10A Với L = N µo Aδ δ F = NI = ΦR m = N Mạch từ tuyến tính, λ L =N λ = L( x )i NΦ L nên We = với Rm = µ δ Aδ 1 λ = L( x )i 2 L( x ) i 2 Sδ i N µ We = L( x)i = N µ = (d − x)l 2 δ δ Slide Máy điện I.5 Bài giảng Kỹ Thuật TB Mcơ Điều khiển U Điều khiển Φ Mđm Mđm Pđm Iưđm ω ωđm ωmax ω II I Φ giảm ωolt ωđm U giảm Mđm Mcơ III I c) Điều khiển điện trở phần ứng: ω= U Ru − M co kΦ (kΦ )2 Chương 6: Máy điện chiều Rư tăng ⇒ ω giảm 23 Bài giảng Kỹ Thuật TB ω ωolt VR ωđm Iu Rư VR tăng Ikt Rkt E U Ukt Φkt Iư, Mcơ Iưđm, ω d) Khởi động đông DC kích từ độc lập: Dòng điện khởi động khơng lớn khả chịu dòng chổi than (thường 3Iđm) Moment khởi động không lớn khả chịu đựng tải (thường 3Mđm) e) Điều khiển vòng kín tốc độ động DC dùng PID: ndat + _ e u PIDtốc độ n Chương 6: Máy điện chiều 24 Động n Bài giảng Kỹ Thuật ωdat + TB + PIDtốc độ _ PIDdòng điện u Động ω _ ω i V Đặc tính động DC P1 Pứng Pkt Ví dụ 1: (Ex 7.1-p371) Pđt Pđ Ps≈ (Vd 7.2, trang 344) Ví dụ 2: (Pr 7.1-p372) Chương 6: Máy điện chiều 25 P2 Pcơ Pth_cơ Bài giảng Kỹ Thuật TB Ví dụ 3: (Ex 7.2-p372) Ví dụ 4: (Pr 7.2-p373) Ví dụ 5: (Ex 7.3-p376) (Vd 7.1, trang 336) Ví dụ 6: (Ex 7.4-p377) Ví dụ 7: (Ex 7.5-p378) Ví dụ 8: (Pr 7.5-p378) Ví dụ 9: (Ex 7.6-p381) Chương 6: Máy điện chiều (Vd 7.3, trang 345) 26 Bài giảng Kỹ Thuật TB Ví dụ 10: (Pr 7.5-p382) Ví dụ 11: (Ex 7.7-p383) Ví dụ 12: (Pr 7.6-p384) Ví dụ 13: (Ex 7.9-p389) Chương 6: Máy điện chiều 27 Bài giảng Kỹ Thuật TB Ví dụ 14: (Pr 7.8-p390) Chương 6: Máy điện chiều 28 Bài giảng Kỹ Thuật Chương 6: Máy điện chiều TB 29 Bài giảng Kỹ Thuật Chương 6: Máy điện chiều TB 30 Bài giảng Kỹ Thuật Chương 6: Máy điện chiều TB 31 Bài giảng Kỹ Thuật Chương 6: Máy điện chiều TB 32 Bài giảng Kỹ Thuật Chương 6: Máy điện chiều TB 33 Bài giảng: Các máy điện chiều xoay chiều Chương 5: TCBinh ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ I Động xoay chiều pha II Động chiều nam châm vĩnh cửu Hình vẽ Chương 5: Động cơng suất nhỏ Bài giảng: Các máy điện chiều xoay chiều III Động vạn IV Động Servo DC V Động Servo AC Hình vẽ Chương 5: Động công suất nhỏ TCBinh Bài giảng: Các máy điện chiều xoay chiều VI TCBinh Động bước Hình vẽ Chương 5: Động cơng suất nhỏ Bài giảng: Các máy điện chiều xoay chiều TCBinh VII Động từ trở Stator Pole B D Rotor Pole Unaligned Position Flux Path A C C D B A Aligned Position Flux Path VIII Động chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC) IX Động xoay chiều không chổi than (Brushless AC) X Máy phát điện dùng sức gió Hình vẽ Chương 5: Động công suất nhỏ ... trường máy điện 3.5 Từ trường quay máy điện xoay chiều 3.6 Sức điện động cảm ứng 3.7 Moment máy điện cực từ ẩn 3.8 Máy điện tuyến tính 3.9 Hiện tượng bão hồ mạch từ 3.10 Từ thông tản CHƯƠNG : Máy điện. .. đương φ i1 u1 Chương 3: Máy biến áp i2 N1 N2 u2 Zt Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương Chương 3: Máy biến áp TCBinh Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương TCBinh Ví dụ: Cho máy biến áp: 2400:240V,... sơ cấp; Máy biến áp lý tưởng Chương 3: Máy biến áp Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương TCBinh Ví dụ: Cho mạch tương đương máy biến áp lý tưởng hình sau: Chương 3: Máy biến áp TCBinh Bài giảng Kỹ