Bài giảng máy điện đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT NGƯỜI SOẠN : LÊ HỒNG SƠN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG / 2010 Chương : Máy Biến p Đặc Biệt § 1.1 Máy biến áp tự ngẫu § 1.2 Máy biến áp ba dây quấn § 1.3 Máy biến điện áp § 1.4 Máy biến dòng điện § 1.5 Máy biến áp hàn § 1.6 Máy biến áp biến đổi số pha (MBA SCOTT) § 1.7 Máy biến áp chỉnh lưu § 1.8 Máy biến áp dùng các lò nung , lò đúc § 1.9 Máy biến áp dịch pha Chương : Máy Điện Một Chiều Đặc Biệt § 2.1.Máy điện khuyếch đại từ trường ngang § 2.2.Máy phát đo tốc độ § 2.3.Máy phát hàn điện § 2.4.Động chấp hành chiều (DC servo motor) § 2.5.Động điện chiều không chổi than (Brushless dc motor) Chương : Máy Điện Không Đồng Bộ Đặc Biệt § 3.1.Máy phát điện không đồng § 3.2.Máy dòch pha § 3.3.Máy điều chỉnh cảm ứng § 3.4.Máy biến áp xoay § 3.5.Selsyl § 3.6.Máy phát tốc độ không đồng bo.ä § 3.7.Động chấp hành không đồng Chương : Máy Điện Đồng Bộ Đặc Biệt § 4.1.Máy biến đổi phần ứng § 4.2.Máy phát cảm ứng tần số cao § 4.3 Động điện phản kháng § 4.4 Động bước Chương : Động Cơ Điện Xoay Chiều Có Vành Góp § 5.1 Động ba pha có vành góp § 5.2 Động điện pha có vành góp Chương : MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 1.1 Máy biến áp tự ngẫu : Cấu tạo : Máy biến áp tự ngẫu là máy biến áp mà phần thứ cấp và phần sơ cấp chung một cuộn dây Bên phía cuộn dây thứ cấp ngoài dòng điện cảm ứng, còn có dòng điện chạy trực tiếp từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể có đường kính khác Ưu điểm :  Kích thước nhỏ gọn  Giá thành thấp Nhược điểm :  Mức độ an toàn kém dạng cách ly  Ít được sử dụng cấp nguồn cho các linh kiện điện tử Ứng dụng :  Dùng các ổn áp Hình 1.1 ứng dụng máy biến áp tự ngẫu một ổn áp  Các máy biến áp cần điều chỉnh, thay đổi điện áp Hình 1.2 Ứng dụng máy biến áp tự ngẫu bộ variac 1.2 Máy biến áp ba dây quấn : Cấu tạo : Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy biến áp dây quấn Loại máy biến áp này có cuộn dây thứ cấp riêng biệt nhau, điện áp khác và công suất cũng khác nhau, vì vậy đường kính dây của cuộn dây này cũng khác Nguyên lý hoạt động : Cũng giống các loại máy biến áp thông thường Khi tính toán thiết kế loại máy này thì công suất của loại máy này được tính bằng tổng công suất của hai cuộn thứ cấp : S = U21 I21 + U22 I22 (VA) Ứng dụng : Trong một số máy cần sử dụng những cấp điện áp khác Nhưng ứng với mỗi cấp điện áp đó sẽ cung cấp cho những phụ tải có công suất khác Vì vậy, bên phía thứ cấp phải quấn bằng nhiều cuộn có đường kính dây khác cho phù hợp với từng loại tải 1.3 Máy biến điện áp : (TU, PT) Cấu tạo : Máy biến điện áp là một máy biến áp cách ly với cuộn sơ cấp có số vòng nhiều và cuộn thứ cấp có sớ vòng ít Hình 1.4 Đặc điểm cấu tạo máy biến điện áp Mợt vài dạng TU thường gặp: Hình 1.5 các dạng TU thường gặp Nguyên lý làm việc : Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp cũng dựa hiện tượng cảm ứng điện từ, cuộn sơ cấp được mắc với nguồn điện cần đo hoặc cần lấy mẫu, còn cuộn thứ cấp được nối với đồng hồ đo Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của PT Ứng dụng :  Trong đo lường  Sử dụng việc đo đếm điện tiêu thụ tại các trạm biến thế Hình 1.7 Ứng dụng TU đo lường  Trong điều khiển Hình 1.8 Ứng dụng PT các board mạch điều khiển  Trong một số bộ điều khiển điện áp, điều khiển động cơ, các bộ AVR cần lấy điện áp mẫu về để so sánh từ đó điều khiển điện áp theo mong muốn Điện áp lấy mẫu về để đưa vào bộ AD hoặc bộ vi xử lý nên không thể đưa trực tiếp về mà phải qua bộ biến đổi điện áp Hình 1.9 Ứng dụng PT các bộ đo đếm, lấy mẫu 1.4 Máy biến dòng điện : (TI, CT) Cấu tạo : Máy biến dòng cũng một máy biến áp cách ly thông thường, cuộn dây sơ cấp thường được quấn rất ít vòng, thường chỉ có một vòng dây Dây quấn sơ cấp có tiết diện rất lớn máy phải làm việc ở điều kiện gần ngắn mạch Đường kính dây sơ cấp phụ thuộc vào cấp công suất của máy biến dòng Dây quấn thứ cấp của máy biến dòng thường có tiết diện nhỏ và có rất nhiều vòng Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng Mợt vài dạng TI thường gặp : Hình 1.11 Một vài dạng TI thường gặp Nguyên lý làm việc : Nguyên lý làm việc của máy biến dòng cũng dựa hiện tượng cảm ứng điện từ, cuộn sơ cấp được mắc với dòng điện cần đo hoặc cần lấy mẫu, còn cuộn thứ cấp được nối với đồng hồ đo Một điều cần lưu ý sử dụng biến dòng là tránh để hở thứ cấp của biến dòng vì điện áp thứ cấp của biến dòng lúc để hở thường rất lớn có thể làm hư lớp cách điện của máy Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của TI Ứng dụng :  Trong đo lường  Sử dụng việc đo đếm điện tiêu thụ tại các trạm biến thế Hình 1.12 Ứng dụng TI đo đếm công suất  Trong điều khiển Hình 1.13 Cách mắc TI Trong các tủ điện điều khiển bù công suất phản kháng, cần lấy tin hiệu dòng điện đưa về bộ điều khiển  Trong một số bộ biến tần, bộ driver servo, các bộ điều khiển khác, bộ biến dòng đóng vai trò một cảm biến dòng điện Dòng điện lấy mẫu về để đưa vào bộ A/D hoặc bộ vi xử lý nên không thể đưa trực tiếp về mà phải qua bộ biến đổi điện dòng điện M ñt   mU2 xd  xq r 2.wñb s2   xd xq       c2  d2 sin2     r x  x  u dq s d q   Mômen quay động chế độ đồng tỉ lệ thuận với hiệu độ từ dẫn theo trục d q, tương ứng với xd  xq Điều có nghóa phần lõm cực rotor làm sâu rộng Tuy nhiên thực tế không Tiết diện chỗ lõm cực tăng không làm tăng mômen đồng mà đồng thời làm giảm mômen không đồng khởi động (n 0) vào đồng  n nđb giá trò trung bình khe hở không khí tăng Đó nguyên nhân làm cho dòng từ hóa tăng, luồng từ thông giảm, dòng điện tiêu thụ tăng cos giảm   Giá trò mômen quay khởi động M a (ở chế độ đồng bộ) xác đònh sau: M a M a1 M a2 Trong đó: M a1: Mômen không đồng tạo từ trường quay thuận M a2 : Mômen không đồng tạo từ trường quay nghòch có tác dụng mômen cản điện từ trục Giống động với nam châm vónh cửu, không đối xứng điện kháng cuộn khởi động dạng lồng sóc làm cho từ trường quay có dạng elip, gây mômen cản M a2 Để giảm mômen cản M a2 dẫn cuộn ngắn mạch chọn tương tự động với nam châm vónh cửu Ưu, nhược điểm động phản kháng  Ưu điểm: Động phản kháng có kết cấu đơn giản hơn, độ tin cậy cao rẻ so với động đồng có cuộn kích thích rotor, sử dụng không cần nguồn điện chiều để nuôi cuộn kích từ  Nhược điểm: Nhược điểm chủ yếu động phản kháng mômen khởi động không cao, hệ số công suất cos thấp, thường không vượt 0,5 4.4 Đợng bước : (STEPPER MOTOR)  Động bước là loại động đồng bộ đặc biệt, nó quay từng bước cố định với góc bước có thể từ 0,9 – 900  Động bước được sử dụng các ứng dụng điều khiển, bộ điều khiển có thể biết được chính xác vị trí của rotor mà không cần đến các sensor Điều này được thực hiện bằng cách đếm số bước để biết được vị trí  Góc bước của động phụ thuộc vào số của stator và rotor o Góc bước      o o o Ưu điểm : NS  Nr 360 Động bước thường hoạt động ở chế độ vòng hở Thường hoạt đồng với tốc độ thấp Có loại động bước : Động bước PM (loại rotor là nam châm vĩnh cữu) Động bước VR (loại rotor làm bằng thép) Động bước Hibrid (Loại rotor kết hợp vừa thép và nam châm vĩnh cữu)  Cấu tạo đơn giản, chắc chắn  Giá thành thấp  Có thể điều khiển vị trí, góc quay  Tổn hao công suất thấp, hiệu suất cao Nhược điểm :  Moment có độ nhấp nhô, không ổn định  Công suất nhỏ  Chỉ hoạt động với tốc độ thấp  Dể xãy hiện tượng trượt nặng tải hoặc tần số xung cao làm giảm độ chính xác của động Cấu tạo : Stator : được làm bằng thép, gông từ có các cực từ được bố trí đối diện nhau, dây quấn stator được quấn các cực từ Hình 4.8 cấu tạo động bước Rotor : Có loại Rotor làm bằng nam châm vĩnh cữu, rotor cũng có nhiều cực từ Rotor làm bằng thép, rotor có nhiều Rotor hỗn hợp, kết hợp ưu điểm của loại Hình 4.9 các dạng rotor động bước So sánh ưu nhược điểm : PM motor - Moment lớn - Hoạt động được ở tốc độ cao - Khó chế tạo được nhiều nam châm rất dòn, góc bước lớn VR motor - Moment nhỏ - Hoạt động với tốc độ thấp - Có thể chế tạo nhiều rotor nên có góc bước nhỏ Để kết hợp ưu điểm của loại motor trên, người ta chế tạo loại hibrid, rotor vừa là nam châm vĩnh cữu ở bên vừa là thép bên ngoài Nhận dạng một số loại động bước : Loại pha có đầu dây Hình 4.10 Loại động pha bốn đầu dây Loại pha có đầu dây - Loại pha có đầu dây và đầu dây Hình 4.11 Loại pha có đầu dây Loại pha có đầu dây - Loại pha có 10 đầu dây Hình 4.12 Loại có đầu và 10 đầu dây Nguyên lý làm việc : Nguyên lý làm việc chung dựa nguyên tắc nam châm có cùng cực tín thì đẩy và trái cực tính thì hút Cụ thể phải tìm hiểu các nguyên tắc điều khiển Điều khiển đủ bước : Kích từ đơn : Tại mỗi thời điểm chỉ cấp điện cho cuộn dây Hình 4.13 Qui luật kích từ đơn Bước Cuộn dây A- C+ B- D+ A+ C- B+ D- Qui luật điều khiển kích từ đơn Hình 4.14 Giản đồ xung kích Kích từ kép : Tại mỗi thời điểm cấp điện cho cuộn dây cùng lúc Hình 4.15 Qui luật kích từ kép Bước Cuộn dây A- C+ B- D+ A+ C- B- D+ A+ C- B+ D- A- C+ B+ D- Qui luật điều khiển kích từ kép Hình 4.16 Giản đồ xung kích So sánh giữa kích từ đơn và kích từ kép : Kích từ đơn Kích từ kép Tốc độ thấp Moment nhỏ Điều khiển đơn giản Ít tổn hao lượng Tốc độ cao Moment lớn Điều khiển phức tạp Tổn hao lượng Điều khiển nữa bước : Kết hợp hai phương pháp kích từ đơn và kích từ kép ta được phương pháp kích từ hổn hợp hay còn gọi là phương pháp điều khiển nữa bước Hình 4.17 Qui luật điều khiển nũa bước Bước Cuộn dây A- C+ A+ C- A+ C- A+ C- A- C+ A- C+ B- D+ B- D+ B- D+ B+ D- B+ D- B+ D- Qui luật điều khiển kích từ kép Hình 4.18 Giản đồ xung kích Điều khiển vi bước : Góc bước được chia nhỏ phụ thuộc vào điện áp cấp vào các cuộn dây Hình 4.19 Điều khiển vi bước Góc bước này phụ thuộc vào bộ chuyển đổi D/A Góc bước hình vẽ được tính sau : 90 / 0.1  0.9 10 Ngoài ta còn có thể thay đổi dòng điện qua các cuộn để có được các góc bước mong muốn Điều khiển động bước pha : Hình 4.20 cầu công suất điều khiển động pha Cầu công suất 10 Transistor đóng ngắt điện cho các cuộn dây stator Hình 4.21 Qui luật kích xung cho các cuộn dây stator Ứng dụng : Hình 4.22 Một số loại driver motor của hãng Vexta Hình 4.23 Sử dụng các máy khắc CNC Hình 4.24 Sử dụng thống định vị Hình 4.25 Trong điều khiển góc quay Chương : ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ VÀNH GÓP 5.1 Động ba pha có vành góp Các loại động xoay chiều ba pha thông thường điều chỉnh tốc độ phạm vi rộng, phẳng kinh tế; dùng động điện xoay chiều ba pha có vành góp giải nhược điểm trên, đồng thời vận hành với hệ số công suất Cos đạt đến Tất nhiên để đạt ưu điểm đó, động điện xoay chiều ba pha có vành góp phải có cấu tạo phức tạp, đắt tiền, vận hành khó khăn không đảm bảo loại động điện xoay chiều ba pha thông thường Hình 3.8 Động điện xoay chiều ba pha có vành góp Hình 3.9 Cấu tạo động điện xoay chiều ba pha có vành góp Động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích song song Cấu tạo: Rotor gồm hai dây quấn: dây quấn R loại dây quấn ba pha thông thường, nối qua ba vành trượt, tới mạng điện xoay chiều ba pha có điện áp U1 tần số f1 Dây quấn phụ P loại dây quấn phần ứng máy điện chiều, đặt rãnh với dây quấn R nối đến vành góp Hình 3.10 Sự khác rotor dây quấn rotor lồng sóc Nguyên lý hoạt động: Nếu ta cho dòng điện chạy vào dây quấn R, từ trường quay sinh cảm ứng pha dây quấn stator (cuộn S) sức điện động dòng điện Tác dụng tương hỗ từ trường quay dòng điện cảm ứng tạo nên mômen kéo rotor quay ngược chiều từ trường quay Từ trường quay cảm ứng phần tử dây quấn P sức điện động Nhưng vò trí cập chổi than chập nhau, sức điện động ảnh hưởng đến mạch điện cuộn S, động làm việc động không đồng ba pha thông thường lắp ngược (rotor mạch sơ cấp, stator mạch thứ cấp) Để điều chỉnh tốc độ động cách phẳng ta đem dòch cặp chổi than hai phía đối xứng với trục cuộn dây stator (cuộn S) Ưu nhược điểm ứng dụng: Ưu điểm: Loại động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích song song điều chỉnh tốc độ phạm vi tương đối rộng Nhược điểm: Phải đưa điện qua hệ thống vành trượt chổi than để vào phần quay, làm hạn chế điện áp làm việc động (thường 500V) Do điều kiện đổi chiều dòng điện xoay chiều tần số 50 Hz mà loại động chế tạo công suất không lớn Ứng dụng: Động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích song song thường dùng ngành công nghiệp dệt, giấy, in… Động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích nối tiếp Cấu tạo: Hình 3.11 Cấu tạo động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích nối tiếp Động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích nối tiếp có hai dây quấn: dây quấn S stator giống dây quấn xoay chiều ba pha đặt stator động không đồng Còn dây quấn R rotor, quấn theo kiểu cảm ứng máy điện chiều Có vành đặt rotor Nguyên lý hoạt động: Chiều quay rotor phụ thuộc vào vò trí chổi than dòch ngược chiều hay chiều từ trường quay  max so với trục dây quấn S Nhưng thông thường người ta dòch chổi than theo chiều ngược chiều quay  max, rotor quay theo chiều  max, giảm tổn hao thép cải thiện điều kiện đổi chiều Khi giữ cho mômen cản trục động không thay đổi, hệ số trượt s hàm số phụ thuộc góc lệch hai trục cuộn dây, thay đổi vò trí chổi than ta điều chỉnh tốc độ quay động phạm vi từ 20 30% tốc độ đồng thấp 50% tốc độ đồng Còn trường hợp phụ tải thay đổi, tốc độ động thay đổi Ưu nhược điểm ứng dụng: Ưu điểm: Việc điều chỉnh tốc độ dể dàng, tốc độ có mômen tương ứng trục Nhược điểm: Do hạn chế điều kiện đổi chiều nên điện áp chổi than không vượt 3040V , động thường phải có máy biến áp đặt vào dây quấn rotor Ứng dụng: Động điện xoay chiều ba pha có vành góp kích thích nối tiếp dùng để truyền động mà tốc độ cần phải có mômen tương ứng trục bơm, quạt gió, máy nén, thiết bò trục hàng, máy in… 5.2 Động điện pha có vành góp Trong loại động không đồng vành góp có công suất nhỏ động không đồng pha có kích thích nối tiếp sử dụng rộng rãi Cấu tạo: Các động có cấu tạo giống động chiều kích thích nối tiếp Sự khác chúng lõi thép phần ứng lõi thép phần cảm động không đồng pha có kích thích nối tiếp được ghép từ thép kỹ thuật điện nhằm giảm tổn hao dòng điện xoáy biến thiên theo thời gian luồng từ thông Nguyên lý hoạt động: Động hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ Mômen quay động giống động chiều, tạo tương tác dòng điện I cuộn day phần ứng luồng từ thông cực từ  : M C M I  Nếu dòng điện I cuộn dây phần ứng luồng từ thông cực từ  trùng pha theo thời gian mômen quay tạo thành không đổi chiều I  đổi dấu đồng thời với Khi góc lệch pha theo thời gian I   0 , khoảng thời gian đònh, mômen quay M đổi dấu I I m sint   m sin(t  ) Ta coù: M CM I m sint. m sin(t  ) 1 M  C M  mI m cos  C M  mI m cos(2t  ) 2 M M const M var Mômen động không đồng pha có kích thích nối tiếp có hai thành phần:  Thành phần không đổi M const  Thành phần thay đổi M var, biến thiên theo thời gian với tần số gấp hai lần tần số lưới Đặc tính động không đồng pha có kích thích nối tiếp giống đặc tính động chiều kích thích nối tiếp, có dạng hyperbola Điều chỉnh tốc độ động không đồng pha có kích thích nối tiếp cách dùng biến áp thay đổi điện áp đặt vào động Điều chỉnh phương pháp có lợi tổn hao, đường đặc tính không thay đổi hình dáng mà hạ thấp điện áp giảm nâng cao điện áp tăng Ưu nhược điểm ứng dụng: Ưu điểm:  Khả nhận tần số quay với tần số công nghiệp 50 Hz  Khả điều chỉnh vận tốc quay dãy rộng cách đơn giản, liên tục kinh tế Nhược điểm:  Gây tia lửa điện chổi than  Gây tiếng vận hành  Gây nhiễu vô tuyến Ứng dụng: Động không đồng pha có kích thích nối tiếp ứng dụng chủ yếu việc điện khí hóa đường sắt dòng điện xoay chiều pha ...Chương : Máy Biến p Đặc Biệt § 1.1 Máy biến áp tự ngẫu § 1.2 Máy biến áp ba dây quấn § 1.3 Máy biến điện áp § 1.4 Máy biến dòng điện § 1.5 Máy biến áp hàn § 1.6 Máy biến áp biến đổi... Chương : Máy Điện Một Chiều Đặc Biệt § 2.1 .Máy điện khuyếch đại từ trường ngang § 2.2 .Máy phát đo tốc độ § 2.3 .Máy phát hàn điện § 2.4.Động chấp hành chiều (DC servo motor) § 2.5.Động điện chiều... dc motor) Chương : Máy Điện Không Đồng Bộ Đặc Biệt § 3.1 .Máy phát điện không đồng § 3.2 .Máy dòch pha § 3.3 .Máy điều chỉnh cảm ứng § 3.4 .Máy biến áp xoay § 3.5.Selsyl § 3.6 .Máy phát tốc độ không