Đang tải... (xem toàn văn)
ñieän aùp trong moät phaïm vi taûi nhaát ñònh.. Khi noái thuaän, ñieän aùp ñaàu cöïc ñöôïc giöõ haàu nhö khoâng ñoåi. Buø thöøa, ñieän aùp taêng khi taûi taêng. Khi noái ngöôïc, doøng ta[r]
(1)1
CƠ SỞ ĐIỆN TỪ
TRONG LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN
1.1 Khái quát chung
Máy điện định nghĩa thiết bị chuyển hoá lượng điện thành dạng lượng khác, ngược lại Máy điện định nghĩa thiết bị chuyển đổi lượng điện cấp điện áp sang cấp điện áp khác
Từ định nghĩa, dựa công dụng đặc điểm làm việc, phân loại máy điện sau :
Máy điện tĩnh : Máy biến áp (máy biến áp ba pha, máy biến áp pha)
Máy điện Quay :
o Máy điện chiều (máy điện DC) : Máy phát động
o Máy điện xoay chiều (máy điện AC) :
Máy điện đồng không đồng : Máy phát động
- Máy phát : Biến đổi dạng lượng khác thành điện - Động : Biến đổi lượng điện thành
- Máy biến áp : Biến đổi nguồn điện từ cấp điện áp sang cấp điện áp khác Được sử dụng thông dụng truyền tải phân phối điện
(2)1.2 Các định luật điện từ:
Trong phần phân tích tượng điện từ liên quan làm sở phân tích máy điện chương sau
I.2.1 Lực Lorentz
Lực điện từ tác động lên điện tích chuyển động trường điện từ
Xét điện tích Q chuyển động trường từ có mật độ từ thông B
r
với vận tốc
vr hình vẽ (Hình 1.1) Dưới tác động
của từ trường, điện tích Q chịu tác động lực từ Fm
r
định nghĩa:
B x v Q Fm r r r
= (1-1)
Lưu ý : vrxBr tích có hướng hai vectơ vectơ
Lực Fm
r
có phương vng góc với mặt phẳng chứa vr B
r
có độ lớn:
θ sin vB Q
Fm = (1-2)
θ : góc nhỏ hai vectơ vr B
r
Chiều Fm
r
xác định theo chiều tiến định ốc thuận cho đinh ốc quay từ
vr đến B
r
theo chiều góc nhỏ (hoặc dùng quy tắc bàn tay phải Hình 1.2)
Nếu mơi trường xét, có điện trườngE
r
ngồi lực từ Fm
r
điện tích Q cịn chịu tác động lực điện trường
E Q Fe r r = (1-3)
Và lực Lorentz định nghĩa :
(E vxB)
Q F F
Fdt e m
r r r r r r + = +
= (1-4)
Như hat mang điện tích, dịch chuyển trường điện từ có lực tác động lên điện tích đó, lực gọi lực Lorentz I.2.2 Lực từ tác động lên phần tử mang dòng điện
Xét dây dẫn l mang dòng điện I đặt từ trường ngồi có mật độ từ thơng B
r
như hình vẽ (Hình 1.3) Trên l xét đoạn vi phân Vr
Q + Br
m F r θ E r e F r dt F r Hình 1.1 Lực Lorentz B x v θ B
vr an
O
Hình 1.2
Quy tắc bàn tay phải
(3)dl, mang điện tích dQ dQ dịch chuyển đoạn dl khoảng thời gian dt với vận tốc v, dl = v.dt
Lực từ tác động lên phần tử dòng dQ:
( )vxB dQ F d r r r =
Với dQ xem điện tích dịch chuyển trường điện từ
ta có : dQ=I.dt
B x l d I F d B dtx v I F d B x v dt I F d r r r r r r r r r = ⇔ = ⇔ = ⇒
Trong : drl véctơ chiều dài vi phân dọc theo l, có chiều theo chiều dịng điện Nếu dây dẫn thẳng, từ trường B
r
dọc theo dây dẫn lực tác động lên dây dẫn tính :
B x l I F r r r = (1-4) l r
vectơ chiều dài l, có hướng chiều dòng điện I Độ lớn lực từ :
θ sin Bl I F =
θ : góc nhỏ hình thành l r
với B
r
I.2.3 Moment – Moment từ cuộn dây I.2.3.a Moment
Moment lực F
r
tại điểm O hình vẽ (Hình 1.4) định nghĩa :
F x r T r r r = (1-5) Điểm P đặt lực F
r
nằm mặt phẳng xy, lực F
r
nằm mặt phẳng xy moment T
r
F
r
gây điểm O trùng với trục z Như vậy, trục T
r
trục mà cánh tay đòn r quay quanh bị tác động lực F
r
Gọi α góc hình thành rr F
r
Ta thấy moment lực F
r tạo I l d r l B r F d r Hình 1.3
Lực từ tác động lên dây dẫn
Hình 1.4 Moment x z y
α F
r P
rr T
(4)ra để quay cánh tay đòn r quanh điểm O lớn F thẳng góc
với rr O F
r
song song với rr
I.2.3.b Moment từ cuộn dây
Xét cuộn dây phẳng hình chữ nhật, có vịng dây nằm mặt phẳng xy cho tâm cuộn dây trùng với gốc O (Hình 1.5) Cuộn dây đặt từ trường có mật độ từ thơng B
r
Lực từ tác động lên cạnh
khung dây : (Các cạnh song song với B
r
khơng có lực tác dụng)
( ) ( )
( )y ( x) z
p z x y t a BIl a B x a Il F a BIl a B x a Il F r r r r r r r r − = = = − =
Lực Ft
r
có điểm đặt lực trung điểm cạnh trái, cánh tay đòn t ax
d
rr r
− =
Lực Fp
r
có điểm đặt lực trung điểm cạnh phải, cánh tay đòn
x
p a
d
rr r
=
Moment tổng lực gốc O :
( z) x ( z)
x t
p a x BIla
d a BIl x a d T T
T r r r r
r r r − + − = + = 2
(BIld)ay BISay
T r r
r
=
= (1-6)
S : diện tích cuộn dây
Cơng thức (1-6) cuộn dây có hình dạng Tổng quát : Một cuộn dây phẳng có N vòng, mang dòng điện I, đặt từ trường B
r
moment từ nó định nghĩa (Hình 1.6):
n
a S I N
mr = r (1-7)
Là vectơ thẳng góc với diện tích S vịng dây, chiều theo quy tắc đinh ốc thuận quy tắc bàn tay phải
Với moment từ, từ trường có
Hình 1.6
Moment từ
N vòng dây I n a S I N mr= r
B x m T r r r = B r x y z p F r t F r l d
I I
Hình 1.5
Moment
Br
(5)một moment tác động lên cuộn dây suy từ công thức (1-6)
B x m T
r r r
= (1-8)
Khung dây có khuynh hướng quay đến moment từ có hướng với mật độ từ thông B
r
Từ thông xuyên qua khung dây lớn nhất, moment tác động lên khung dây không
Điều cho thấy, ta đặt khung dây mang dòng điện I từ trường, khung dây có xu hướng chuyển động cho từ thông xuyên qua khung dây cực đại Đây nguyên lý để hình thành trình chuyển động động điện
I.3 Độ tự cảm cuộn dây
Xét cuộn dây có N vịng, mang dịng điện I có chiều hình vẽ (Hình1.7 ) Φ từ thơng dịng điện chạy vịng dây cuộn dây gây Từ thơng móc vịng cuộn dây định :
φ φ φ φ = = = = ψ ψ ψ
ψ N. (Wb – vòng) (1-9)
Độ tự cảm cuộn dây định nghĩa :
) H ( I
. N I
L==== ψψψψ==== ΦΦΦΦ (1-10)
I.4 Định luật Faraday
Từ định nghĩa lực Lorentz, Khi điện tích chuyển động với vận tốc v vùng có từ trường B lực từ tác động lên điện tích (xem
lại I.2.1):
m m QvxB QxE
F
r r r r
=
=
Ta định nghĩa cường độ trường điện chuyển động :
B x v Q F Em
r r r r
=
= (1-11)
Như vậy, dẫn mang nhiều điện tích tự chuyển động từ trường B
r
, điện trường Em
r
làm cho điện tích dịch chuyển, tạo hiệu điện hai đầu dẫn Độ lớn điện
Hình 1.7
I Φ
(6)thế tùy thuộc vào hướng Em hay nói cách khác tùy thuộc
vào vị trí tương đối dẫn đặt từ trường B
r
Điện đầu a đầu b dẫn :
( )vxB dl l d E v a b a b m ab r r r r r ∫ ∫ = = (1-12)
Biểu thức 1-11; 1-12 hai biểu thức quan trọng nguyên lý làm việc máy phát điện Và chất định luật Faraday Định luật Faraday cho dẫn chuyển động
Nếu dẫn thẳng chuyển động với vận tốc vr vng góc với từ
trường B
r
, đồng thời dây dẫn vng góc với hai dây dẫn có chiều dài l dây dẫn có điện áp :
v l B
V = (1-13)
Định luật Faraday :
Khi từ thông biến thiên Φ=Φ( )t theo thời gian xuyên qua khung
dây khung dây xuất điện áp cảm ứng v(t) :
dt d
V =− Φ (1-14)
Định luật trường hợp từ thông Φ xuyên qua cuộn dây dịng điện i chạy cuộn dây sinh dt di L dt d
V =− ψ =− (1-15)
Điện áp V cuộn dây gọi điện áp tự cảm ứng cuộn dây Dấu ( - ) biểu thức 1-14; 1-15 liên
quan đến cực tính điện áp cảm ứng Điện áp cảm ứng sinh từ thông cảm ứng biến thiên theo t có cực tính cho dịng điện mà sinh khung dây sinh từ thông chống lại biến thiên từ thông sinh
trong trường hợp dây dẫn chuyển động với vận tốc vr từ trường không
đổi theo thời gian, cực tính điện áp cảm ứng
trong dây dẫn xác định theo quy tắc : nối dây dẫn kín mạch Hình 1.8
Điện áp cảm ứng
a b ic + _ ic R B r Φư Hình 1.9
Điện áp cảm ứng
(7)thì dịng điện cảm ứng tạo có chiều cho lực từ tác động lên dây dẫn chống lại chuyển động dây.(Hình 1.9)
I.5 Mạch từ toán mạch từ Mạch từ
Xét cuộn dây dài, lõi khơng khí (Hình1.10) C đường sức từ trường Áp dụng định luật lưu số Ampere, ta có :
I . N l d . H C = = = =
∫∫∫∫ r r
vì từ trường chủ yếu tập trung bên lõi cuộn dây, ta có :
L I . N H I . N l. H = = = = ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ = = = =
L chiều dài lõi Trong lõi dây khơng khí mật độ từ thông: H 10 4 H B 7 0 0 − −− − π π π π = = = = µ µ µ µ = = = =
Từ thông xuyên qua lõi : S
B0
0 ==== Φ Φ Φ Φ
Với S tiết diện lõi vng góc với vectơ cảm ứng từ B Xét mạch từ có lõi sét từ (Hình 1.11)
Gọi µr độ từ thẩm tương đối vật
liệu, mật độ từ thông vật liệu :
0 0
r H .B
B====µµµµµµµµ ====µµµµ
Vì độ từ thẩm tương đối vật liệu sắt từ tương đối lớn so với khơng khí, với cường độ từ trường H mật độ từ thông B từ thông Ф
qua vật liệu dẫn từ lớn nhiều so với qua khơng khí Theo Hình 1.11 mặt dù dây quấn khơng chạy dọc theo lõi thép, từ thông chạy theo lõi thép Điều xãy khơng khí, cần quan tâm đến vấn đề mạch từ
Hình 1.12a,b sau đường cong từ hoá (quan hệ B –H) vật liệu sắt từ, đường cong từ hoá cho phép xác định độ từ thẩm vật liệu Hình 1.12:
Hình 1.10
(8)Đường cong B – H
(9)Một mẫu vật liệu sắt từ thử cách tác động lên từ trường H tăng dần đo mật độ từ thơng B tương ứng Từ xác định đường cong từ hoá hay đường cong B – H hình1.12 số loại vật liệu sắt từ
Từ đường cong từ hoá, ứng với giá trị H, ta suy giá trị B tương ứng, từ tính độ từ thẩm tương đối vật liệu
H B
0 r
µ µ µ µ = = = = µ µ µ µ
Chú ý : Hầu hết vật liệu dẫn từ cho phép mật độ từ thông qua B ≤ 1,8 T thường B =1,2 T ÷ 1,4T
Bằng phương pháp này, xây dựng đặc tuyến biểu diễn mối quan hệ µr với H cho vật liệu sắt từ thép Silic hình 9.6 Tính chất
phi tuyến mối quan hệ địi hỏi phải phân tích mạch từ phương pháp đồ thị
Phân tích mạch từ ?
Định luật mạch từ
Xét lõi thép từ có chiều dài trung bình L, tiết diện thẳng S, cuộn dây kích từ có n vịng, mang dịng điện kích từ I Cuộn dây kích từ mang dịng điện I tạo mạch từ cường độ từ trường H Áp dụng lưa số Ampere ta có :
F I . N l.
H ==== ====
Gọi F=N.I=H.L sức từ động Trong lõi thép có mật độ từ thông B từ thông Ф chạy xuyên mạch từ
Cách đo B ? ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ………
Hình 1.13
I
n vòng
B H
S
F Rm
?
E R
(10)S . L I . N S L I . N . S . H . S . B µ µ µ µ = == = µ µ µ µ = = = = µ µ µ µ = == = = = = = φ φ φ φ
Gọi R L .S
m ==== µµµµ từ trở mạch từ Và ta có
F=N.I=H.L=Rm.Φ
Như ta sơ đồ mạch từ tương đương hình 1.13 Có tương tự mạch điện mạch từ ( xem hình 1.13) Bảng so sánh tương tự mạch điện mạch từ :
Mạch điện Mạch từ
Đại lượng Chú thích Đại lượng Chú thích
E
Jr ====σσσσr
µ µµ µ ρ ρρ ρ − −− − = == = σ σ σ
σ . [S/m]:điện dẫn suất vật liệu, tỷ lệ thuận với độ linh động âm điện tử tự mật độ âm điện tử vật liệu
H Br ====µµµµr
0 r.µµµµ µ µµ µ = = = = µ µ µ
µ [H/m] : Độ từ thẩm vật liệu, hay gọi từ dẫn suất vật liệu
S . l S l R σ σ σ σ = = = = ρ ρρ ρ = = = =
R: Điện trở.[Ω] ρ : Điện trở suất σ : Điện dẫn suất
S . l Rm µ µµ µ = = = =
Rm: Từ trở mạch
từ
E Sức điện động F Sức từ động I Cường độ dòng điện Ф Từ thông
E=R.I Định luật Ohm mạch
điện F=Rm.Ф
Định luật Ohm mạch từ
Khác mạch điện mạch từ : Điện dẫn suất σ khơng phụ thuộc vào dịng điện I, độ thẩm từ µ (µr) phụ
thuộc vào B Do phải biết µr tính Rm, µr
chỉ biết sau tính B H Vì vậy, các phương pháp tính tốn mạch từ khác với cách tính mạch điện Khác ?
(11)Mạch từ nối tiếp.(Hình 1.14)
Xét mạch từ hình 1.14, mạch từ gồm phần tử nối tiếp gọi li; Si; µi chiều dài, tiết diện, độ từ thẩm
phần tử Áp dụng định luật Ampere ta có : H1l1+H2l2+H3l3=N1I1-N2I2=F1-F2
Giả sử khơng có lượng từ thơng tản ngồi khơng khí, từ thông xuyên qua tiết diện lõi từ (tương tự dòng điện chạy phần tử nối tiếp mạch điện) Như ta có :
(Rm1+Rm2+Rm3)Ф = F1-F2
trong :
i i
i
mi S
l R
µ µµ µ = = =
= từ trở phần i Từ ta có
mạch tương đương hình 1.14 Các giá trị Fi =Hi L-i=RmiФ gọi từ áp phần tử từ thứ i Công thức
(Rm1+Rm2+Rm3)Ф = F1-F2 tương tự định luật Kirchhoff
trong mạch điện
Mạch từ có khe hở khơng khí.(Hình 1.15) Hình 1.14
+
_
L
2H
2
+
_
R
2I
2
(12)Khe hở khơng khí thiết kế nhỏ tốt, từ áp qua khe hở khơng khí lớn nhiều so với từ áp lõi thép
S tiết diên lõi thép, từ thơng qua khe hở khơng khí có xu hướng phình to Nên tiết diện khe hở khơng khí S0
lớn so với S
Nếu điều kiện l0<1/10min{a;b} tiết diện S0 tính:
S0=(a+l0)x(b+l0)
Mạch từ song song.(Hình 1.16)
Xét mạch từ song song hình vẽ, sơ đồ tương đương Xem mạch từ mạch điện ta có :
Định luật Kirchhoff từ áp : F=H1L1+H2L2=H1L1+H3L3
Định luật Kirchhoff dịng từ thơng : Ф1=Ф2+Ф3
Nếu mạch từ cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau, ta phải dùng đến đường cong B – H tương ứng với loại vật liệu Nếu nhánh có chứa khe hở khơng khí, từ áp qua nhánh tính từ trở nối tiếp vào nhánh
I
n vòng F=N.I
l1 l3
l2
?
?
?
?
F
+
_
+
_
+ _
? ?
H1L1
H
3L
3
H
2L
2
Hình 1.16
(13)Trang 50
Chương MÁY BIẾN ÁP (Transformer) 2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Máy biến áp đời nước ta từ sớm, máy biến áp chủ yếu sử dụng điện lực để nâng cao điện áp mạng điện truyền tải điện xa Khi đến hộ tiêu thụ, máy biến áp làm giảm điện áp xuống mức phù hợp với phụ tải cần sử dụng
Khuynh hướng phát triển máy biến áp dùng loại vật liệu có từ tính tốt, tổn hao sắt từ thấp để nâng cao công suất truyền tải
Hình : Trạm biến áp
(14)Trang 51
của máy biến áp giảm nhỏ kích thước Đồng thời dùng vật liệu dẫn điện dây nhôm thay cho dây đồng để giảm khối lượng máy biến áp 2.2 ĐỊNH NGHĨA
Máy biến áp thiết bị điện từ tĩnh làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi điện áp mạng điện xoay chiều từ cấp điện áp sang cấp điện áp khác giữ nguyên tần số
Máy biến áp thiết bị làm việc dạng mạch hai cửa, phía nối với nguồn gọi sơ cấp, đại lượng liên quan đến sơ cấp ký hiệu kèm số 1, phía nối với tải gọi thứ cấp, đại lượng liên quan đến thứ cấp ký hiệu kèm số Ví dụ điện áp sơ cấp ký hiệu U1, Điện áp
thứ cấp ký hiệu U2
U1 > U2 : Máy biến áp giảm áp
U1 < U2 : Máy biến áp tăng áp
2.3 CẤU TẠO
Máy biến áp bao gồm ba phần chính:
Lõi thép máy biến áp (Transformer Core) Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding) Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding)
Ngồi cịn có phần khác vỏ máy, cách điện, sứ đỡ, thiết bị làm mát, thùng giãn dầu,
• Lõi thép: tạo thành thép mỏng ghép lại, hình dáng có hai loại: loại trụ (core type) loại bọc (shell type)
o Loại trụ: tạo thép hình chữ U chữ I Một lượng lớn từ trường sinh cuộn dây sơ cấp không cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy biến áp có từ thơng rị lớn Để cho từ thơng rị nhất, cuộn dây chia với nửa cuộn đặt trụ lõi thép
Loại máy biến áp sử dụng rộng rãi, thường sử dụng điện áp cao nơi mà cách điện cuộn dây trở nên vấn đề cần quan tâm
(15)Trang 52
o Loại bọc: tạo thép hình chữ E chữ I Lõi thép loại bao bọc cuộn dây quấn, hình thành mạch từ có hiệu suất cao, sử dụng rộng rãi
Phần lõi thép có quấn dây gọi trụ từ, phần lõi thép nối trụ từ thành mạch kín gọi gơng từ
• Dây quấn sơ cấp (Primary Winding) • Dây quấn thứ cấp (Second Winding)
Dây quấn máy biến áp chế tạo dây đồng nhơm, có tiết diện hình trịn hình chữ nhật Đối với dây quấn có dịng điện lớn, sử dụng sợi dây dẫn mắc song song để giảm tổn thất dịng điện xốy dây dẫn Bên ngồi dây quấn bọc cách điện
Hình : Máy biến áp pha loại trụ
Hình : Hình dạng máy biến áp pha loại trụ
Hình : Hình dạng máy biến áp pha loại bọc
(16)Trang 53
Dây quấn tạo thành bánh dây (gồm nhiều lớp) đặt vào trụ lõi thép Giữa lớp dây quấn, dây quấn dây quấn lõi thép phải cách điện tốt với Phần dây quấn nối với nguồn điện gọi dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải gọi dây quấn thứ cấp
2.4 NGUYEÂN LÝ LÀM VIỆC:
Ngun lý làm việc máy biến áp dựa vào tượng cảm ứng điện từ
Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp có dịng i1,
dịng i1 tạo từ thơng xoay chiều Φ, từ thơng chạy mạch từ móc
vịng qua cuộn sơ cấp thứ cấp cảm ứng sức điện động e1, e2
Nếu máy biến áp khơng tải (thứ cấp hở mạch) điện áp thứ cấp sức điện động e2
U2o = e2
Nếu thứ cấp nối với tải Zt, dây quấn thứ cấp có dịng i2
Hình : Lắp ráp máy biến áp
U1
N2
E1
N1
E2 U2
I1 I2
Hình : Nguyên lý làm việc máy biến áp
(17)Trang 54
Giả sử điện áp đặt vào hàm sin từ thơng sinh hàm sin:
Φ=Φmsinωt
Theo định luật cảm ứng điện từ ta cósức điện động hai dây quấn là:
e1 = - N1dΦdt
dt d N e2 =− 2 Φ
thay vaøo: )
2 t sin( N t cos N dt ) t sin ( d N
e1 m m m
π − ω Φ ω = ω Φ ω − = ω Φ − =
Sức điện động chậm pha so với từ thơng Φ góc π m 2 m m 1 m 1 m m m fN 44 , E fN 44 , N f E ) t sin( E e N N E Φ = • Φ = Φ π = • π − ω = → Φ π = Φ ω =
• Tỉ số biến áp:
2 N N E E
K= =
Bỏ qua điện áp rơi dây quấn sơ cấp thứ cấp E1 ≈U1; E2
≈U2 hiệu suất máy biến áp cao nên xem công suất máy biến
áp nhận vào phía sơ cấp công suất đưa thứ cấp U1I1 = U2I2
2 1 2 N N I I U U
K= = =
2.5 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC:
• Điện áp dây định mức sơ cấp: U1 đm (V, KV)
• Điện áp dây thứ cấp định mức: U2 đm (V, KV) điện áp dây bên
thứ cấp máy biến áp không tải điện áp đặt vào sơ cấp định mức
• Cơng suất định mức (dung lượng định mức) công suất biểu kiến phía thứ cấp máy biến áp : Sđm (VA, KVA), đặc trưng cho khả
(18)Trang 55
o Máy biến áp pha: Sđm = S2 =U2 đm I2 đm o Máy biến áp pha: Sđm = S2 = 3U2 đm I2 dm
Nếu bỏ qua tổn hao máy biến áp, xem máy biến áp lý tưởng ( Hiệu suất η=1) Sđm = S2=S1
• Dòng điện dây sơ cấp định mức: I1 đm (A) tương ứng với công suất
và điện áp dây định mức bên sơ cấp o pha
ñm ñm ñm
1 U
S
I =
o pha
ñm ñm ñm
1 3U
S
I = (dòng điện dây điện áp dây)
• Dịng điện dây thứ cấp định mức: I2đm (A) tương ứng với công suất
và điện áp thứ cấp định mức
ñm ñm ñm
2 U
S
I =
ñm ñm ñm
U S I
2
3 =
• Tần số định mức: fđm(Hz) tần số nguồn điện đặt vào sơ cấp
• Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un%
• Tổ nối dây máy biến áp: cho biết kiểu nối dây sơ cấp thứ cấp, đồng thời cho biết góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp sức điện động dây thứ cấp
Vd: Υ ∆−11(330°)
• cosϕ2: hệ số công suất tải
• Hiệu suất η% -
2.6 MÁY BIẾN ÁP PHA:
Máy biến áp ba pha đóng vai trị quan trọng việc truyền tải phân phối điện Kết cấu lõi thép máy biến áp ba pha có loại, dựa vào liên quan hay không liên quan hai mạch từ mà phân thành mạch từ riêng mạch từ chung
2.6.1 Máy biến áp pha mạch từ riêng:
(19)Trang 56
Từ thông mạch từ ba pha độc lập máy biến áp pha Các máy biến áp pha nối lại với để hình thành máy biến áp ba pha
2.6.2 Máy biến áp pha mạch từ chung
Nếu ghép từ máy biến áp pha lại với nhau, ta nhận thấy : Nếu điện áp ba pha đối xứng, nghĩa UR+US+UT = từ thơng
mạch từ ba máy biến áp pha ghép lại tương tự: ΦR+ΦS+ΦT =
0 Như trụ từ ghép chung ba mạch từ không tác dụng
Loại máy biến áp mạch từ chung có kết cấu gọn, sử dụng khối lượng mạch từ so với máy biến áp mạch từ riêng công suất, việc lắp đặt, sửa chữa phải tiến hành toàn máy
2.7 CÁC KIỂU KẾT NỐI BA PHA
Dây quấn máy biến áp thực đấu nối theo dạng hình (ký hiệu “Y”) theo hình tam giác (ký hiệu “∆” hay “D”)
A B C
c b
a
C
X Y Z
a b c
x y z
(20)Trang 57
Đấu Y ba đầu cuối nối lại với nhau, đấu ∆ đầu đầu cuộn đấu vào đầu cuối cuộn dây
Có bốn kiểu đấu dây:
o Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu tam giác (∆/∆), sử dụng cho điện áp trung bình cơng nghiệp
Một thuận lợi kiểu đấu máy biến áp bị hư hai máy biến áp cịn lại vận hành theo kiểu đấu tam giác hở Kiểu đấu tam giác hở bảo
đảm mối quan hệ pha Chú ý công suất máy biến áp lúc giảm xuống khoảng 58% cơng suất cịn đủ ba máy biến áp
Ví dụ: Cơng suất máy biến áp pha 25kVA, tổng công suất ba máy 75kVA Nếu máy tháo vận hành theo
kiểu đấu tam giác hở cơng suất cịn lại là75kV58% = 43.5kV o Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu (∆/Y), sử dụng phổ biến
công nghiệp thương mại
Hình : Nối ∆/∆
A B C
a b c
(21)Trang 58
o Sơ cấp đấu sao, thứ cấp đấu tam giác (Y/∆), sử dụng cho giảm áp
o Sơ cấp đấu sao, thứ cấp đấu (Y/Y), sử dụng vấn đề điều hồ cân
Hình :Nối ∆/Y
(22)Trang 59
Trong máy biến áp truyền tải điện năng, phía cao áp thường đấu Y phía hạ áp thường đấu ∆ vì:
Khi dấu Y: điện áp pha nhỏ điện áp dây lần, (U Ud) p
3
= ,
do vấn đề cách điện máy giảm, chi phí giảm Cá cuộn dây điện áp cao máy biến áp hoạt động 100 000 V thường đấu Y
Khi dấu ∆1 dòng Ip < Id lần (Up Ud)
= , đường kính dây
dẫn giảm nhỏ, thuận tiện cho việc chế tạo Ơûcác máy biến áp phân phối thường phía hạ áp đấu Y0 để cung cấp cho phụ tải hỗn
hợp: vừa cần điện áp dây, vừa cần điện áp pha 2.8 TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP BA PHA
Tổ nối dây máy biến áp biểu thị góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp sức điện động dây thứ cấp, phụ thuộc vào yếu tố: Chiều quấn dây, cách ký hiệu đầu dây kiểu đấu dây sơ cấp thứ cấp
• Chiều quấn dây
Với máy biến áp pha, việc chọn đầu đầu hay đầu cuối không quan trọng, nhiên với máy biến áp ba pha, việt đánh dấu đầu đầu đầu cuối phải thực xác để cho chiều quấn dây ba pha phải chiều Nếu có pha khơng chiều điện áp dây lấy ba pha tính chất đối xứng
• Ký hiệu đầu dây Cuộn dây sơ cấp:
Đầu đầu :A, B, C Đầu cuối : X, Y, Z Trung tính : O N Cuộn dây thứ cấp :
Đầu đầu : a, b, c Đầu cuối : x, y, z Trung tính : o n
Chiều quấn dây cực tính cuộn dây
B
Y
b) C
Z
c) A
X
a)
A
B C
B
UCA
UAB
UBC
(23)Trang 60
Xác định tổ nối dây:
Kiểu đấu dây→ vẽ đồ thị vectơ sức điện động dây quấn sơ cấp sức điện động dây quấn thứ cấp
Xác định vectơ điện áp dây sơ cấp thứ cấp
sức điện động dây sơ cấp biểu thị kim dài đồng hồ đặt vị trí số 12
Căn vào góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp sức điện động dây thứ cấp để biểu thị sức điện động dây thứ cấp kim ngắn đồng hồ vị trí tương ứng với góc độ theo chiều thứ tự pha Việc sản xuất nhiều máy biến áp có tổ đấu dây khác bất tiện đưa vào sử dụng, thực tế thường sản xuất máy biến áp loại Y/Y0 – 12; Y/Yn – 0; Y/∆ - 11; Y0/∆ - 11
Ví dụ1: xác định tổ đấu dây máy biến áp sau:
A B C
X Y Z
a b c
x y z
C
c B
A X Z Y EAB
EBC
ECA
b
a x z
y Eab
Ebc
Eca
Eab
EAB
3600
Y/y_12
A B C
X Y Z
(24)Trang 61
Ví dụ 2:
2.9 TỈ SỐ BIẾN ÁP:
Tỉ số máy biến áp pha tỉ số điện áp dây sơ cấp điện áp dây thứ cấp
2 d
1 d U U K =
Do tỉ số biến áp phụ thuộc vào tỉ số vòng dây sơ cấp, thứ cấp, tổ đấu dây
Ví dụ: xét tỉ số biến áp trường hợp sau: Tổ nối dây: Y ∆
2
p p
d d
N N U
U U
U
K= = =
Tổ nối daây: Y/ Y0
2 p
1 p
d d
N N U
U U
U
K= = =
Như vậy: máy biến áp pha tỉ số biến áp phụ thuộc vào tỉ số vòng dây )
N N (
2
1 máy biến áp pha phụ thuộc vào tổ nối
daây
2.10 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP
(25)Trang 62
2.10.1 Các Phương Trình Cơ Bản Của Máy Biến Aùp b) Phương trình cân sức điện động
Ta biết, sức điện động sinh dây quấn sơ cấp thứ cấp : dt d dt d N
e1 1
ψ − = Φ − = dt d dt d N
e2 =− 2 Φ =− ψ2
Ψ1,Ψ2 : từ thơng móc vịng qua cuộn dây sơ cấp thứ cấp tương
ứng từ thơng Φ
Ngồi từ thơng chạy mạch từ, cịn có lượng từ thơng sinh tản mơi trường bên ngồi, khép mạch môi trường Từ thông tản cuộn dây sinh móc vịng qua cuộn dây sinh cuộn dây sức điện động cảm ứng gọi sức điện động tản:
dt d dt
d N
e 1 1 σ1 σ1
σ ψ − = Φ − = dt d dt d N
e 2 2 σ2 σ2
σ ψ − = Φ − =
Từ thông tản chủ yếu môi trường khơng từ tính (dầu, giấy, đồng, khơng khí ) từ thơng tản Ψσ1, Ψσ2 tỷ lệ với dòng điện
tương ứng sinh chúng qua hệ số điện cảm tản Lσ1, Lσ2 :
2 2 1 i L i L σ σ σ σ ψ ψ = = dt di L e dt di L e 2 1 σ σ σ σ − = − =
Theo định luật Kirchoff 2, ta có phương trình cân sức điện động cuộn dây quấn sơ cấp :
1 1
1 e e ir
u + + σ =
Trong r1 điện trở dây quấn sơ cấp
(26)Trang 63 2 2
2 e u ir
e + σ = +
Trong r2 điện trở dây quấn thứ cấp
Nếu điện áp, sức điện động, dòng điện đại lượng xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian, phương trình cân sức điện động viết dạng số phức sau:
2 2 2 1 1 r I E E U r I E E U • • • • • • • • − + = + − − = σ σ
Từ biểu thức :
dt di L e dt di L e 2 1 σ σ σ σ − = − =
Thay a2øng điện : i1=I1msinωt i2=I2msinωtø ta có:
) sin( ) sin( cos ) sin( ) sin( cos 2 2 2 1 1 1 π ω π ω ω ω π ω π ω ω ω σ σ σ σ σ σ − = − = − = − = − = − = t x I t E t L I e t x I t E t L I e m m m m
Nhận thấy sức điện động tản sinh chậm pha so với dịng điện sinh góc 900, trị hiệu dụng phức viết :
2 2 1 x I j E x I j E • • • • − = − = σ σ
x1=ωLσ1 ; x2=ωLσ2 điện kháng tản dây quấn sơ cấp dây
quấn thứ cấp Thay vào phương trình cân ta :
• • • • • • • • • • • • • • − = − − = + − = + + − = 2 2 2 2 1 1 1 1 Z I E r I x I j E U Z I E r I x I j E U
Trong Z1; Z2 gọi tổng trở dây quấn sơ cấp thứ cấp
I1Z1; I2Z2 gọi điện áp rơi cuộn dây
b) Phương trình cân sức từ động
∗ Khi máy biến áp không tải không tải: i2 = ( hở mạch thứ cấp)
Dòng điện dây quấn sơ cấp i0, từ thơng máy lúc
này sức từ động i0N1 sinh
(27)Trang 64
∗ Khi máy biến áp làm việc có tải: i2≠ 0.Từ thơng máy
do sức từ động hai cuộn dây sinh (i1N1+i2N2)
Nếu bỏ qua điện áp rơi máy biến áp, ta có: U1 ≈ E1 = 4,44 f.N1Φ
Điện áp U1 nối với lưới điện, xem khơng thay
đổi Do sức điện động E từ thông Φ xem không đổi Như sức từ động sinh từ thông Φ máy biến áp lúc có tải khơng tải phải (ở chế độ có tải khơng tải Φ khác vài phần trăm)
I0N1 = i1N1+ i2N2
Viết dạng số phức :
1 2
1N I N I N
I
• •
•
= +
1 2
N N I I I
• • •
− =
• • •
− = 0 2'
1 I I
I
Trong :
K I N N I I
• •
•
=
=
1 2 '
Từ phương trình cân ta thấy, lúc máy biến áp có tải, dịng điện sơ cấp gồm hai thành phần Thành phần dòng I0 tạo nên từ thơng
chính lõi thép Thành phần (- I’
2) có tác dụng bù lại tác dụng
khử từ dịng điện thứ cấp Khi tải tăng, dịng điện thứ cấp I2 tăng
lên, thành phần bù (- I’
2) tăng lên Để giữ cho từ thông
máy không thay đổi dịng điện cấp I1 tăng lên Như dây
quấn sơ cấp lúc phải nhận thêm lượng từ nguồn để truyền sang cho bên thứ cấp
Dịng điện từ hóa máy biến áp.(I0)
Trong máy biến áp dòng điện từ hóa (dịng khơng tải ) bao gồm hai thành phần, thành phần tác dụng thành phần phản kháng Để rõ xét mạch từ máy biến áp pha
α
I2'
- I2'
I0
I1
Iotd
(28)Trang 65
nhö sau:
Điện áp đặt vào hàm sin theo thời gian u = Umsinωt, bỏ qua
tổn hao dây quấn :
dt d N e
u=− = φ ⇒ từ thông φ biến thiên theo thời gian chậm pha
u góc
2 π
Nếu bỏ qua tổn hao sắt từ dịng điện i0 dịng điện phản kháng
dùng để từ hoá lõi thép
Tuy nhiên quan hệ B(H) mạch từ không tuyến tính, có đoạn từ hố lõi thép, có tượng tổn hao từ trể từ quan hệ φ(t) φ(i0) xác định i0 kết i0(t) bị lệch pha
so với φ(t) góc α đó, góc α lớn hay bé tuỳ thuộc vào mức độ từ hố lõi thép ( quan hệ B(H)) nhiều hay
Như dòng điện I0 gồm hai thành phần : Iox dùng để từ hoá lõi thép
và tạo nên từ thơng chiều với từ thơng I0r gây nên tổn hao
sắt từ lõi thép vng góc với thành phần từ thơng 2.10.2 Mơ Hình Tốn MBA
Quan hệ điện áp sơ cấp thứ cấp quan hệ điện từ Do để thuận tiện q trình phân tích MBA, tính tốn tốn có liên quan đến MBA hệ thống điện, nguời ta thay MBA mơ hình tốn hay mạch điện tương đương
Việc quy đổi hay thay phải không làm thay đổi trình vật lý xãy MBA công suất truyền tải, tổn hao MBA Và để tạo nên mạch điện mạch sơ cấp thứ cấp phải liên kết với nhau, thơng số mạch thứ cấp phải quy đổi tương đương sơ cấp
Sức điện động điện áp ( '
E ; U2')
2 2
1 E k.E
N N E E
k = = ⇒ =
Goïi '
E sức điện động thứ cấp quy đổi sơ cấp,
2 '
2 E k.E
E = =
Tương tự ta có : '
2 k.U
U =
Dòng điện ( '
I )
Việc quy đổi dịng điện phải đảm bảo cơng suất truyền qua MBA trước sau quy đổi phải
k I I E E I E E I I E I
E 2
1 2 ' 2 ' ' ' 2
2 = ⇒ = = =
(29)Trang 66
Điện trở, điện kháng, tổng trở ( ' ' ' 2,X ,Z
R ) 2 2 ' 2 ' ' 2 ' 2
2 R k R
I I R R I R
I = ⇒ = =
Tương tự : 2 '
2 k X
X =
2 '
2 k Z
Z =
Như sau quy đổi, ta có hệ phương trình mơ tả tốn học MBA sau :
− = − = + − = ' ' 2 ' ' 1 1 I I I Z I E U Z I E U & & &
2.11 Sơ Đồ Tương Đương Của MBA Từ − = − = + − = ' ' 2 ' ' 1 1 I I I Z I E U Z I E U & & &
Ta có mạch điện tương đương thoả mản hệ phương trình sau :
I0 xem thành phần tạo nên từ thông lõi thép
Zm=Rm+jXm tổng trở từ hố mạch từ MBA,
Thơng thường Zm>>Z1 Z2 nên để đơn giản q trình tính
tốn mà khơng gây sai lệch nhiều kết ta có sơ đồ tương gần :
Với '
2
1 r
r
Rn= +
'
1 x
x
Xn = +
n n n R jX
Z = + : Tổng trở ngắn mạch MBA
r1 x1
I1
r2' x2'
'
t
Z
-U2'
U1
xm
rm
I0 ' I& − E& −
Rn Xn
'
t
Z
-U2'
U1
'
1 I
(30)Trang 67
2.12 Xác Định Các Tham Số MBA Thí nghiệm không tải:
Trong thí nghiệm ta có: I0 , P0 , U1 đm , U20
• Tổng trở máy biến áp lúc không tải:
0
0 I
U
Z = ñm
• Điện trở khơng tải
0
0 I
P
r = , P0 : tổn hao thép PFe
• Điện kháng không tải 2
0 Z r
x = −
Z0 = Z1 + Zm
m r r
r0 = +
m x x
x0 = 1 +
vì m m m x x r r Z Z << << << 1 Neân m m m x x r r Z Z = = =
• Tỉ số biến áp:
20 đm U U E E
k= =
• Hệ số công suất không tải
0 đm
0
0 U I.
P cosϕ =
V1
A W
U1ñm V2 U20
I0 P0 A a
X x +
r1
rm
xm
I1 = Io
x1
U1ñm
Zm
Z1
(31)Trang 68
Không cho máy biến áp làm việc khơng tải non tải lúc hệ số cơng suất thấp
Thí nghiệm ngắn mạch:
Máy biến áp tự ngẫu
Ngắn mạch thực tế máy biến áp chế độ cố cuộn thứ cấp bị nối tắt nhiều nguyên nhân: dây quấn thứ cấp bị chập xuống đất, hỏng cách điện, … phía sơ cấp nối với U1đm
∗ Đặc điểm ngắn mạch:
− Dịng ngắn mạch máy gấp 10 - 25 lần I1đm nên thường gây
cháy dây quấn
− Điện áp U2 ≈ 0, phụ tải điện áp
Để bảo vệ máy biến áp có ngắn mạch thường dùng hệ thống rơle bảo vệ tự động mạch sơ cấp có ngắn mạch
Thí nghiệm:
Dùng máy biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp Un đặt vào dây quấn
sơ cấp máy biến áp • Điện áp ngắn mạch Un
• Dòng điện ngắn mạch In = I1đm
• Cơng suất Pn đo tổn hao đồng dây quấn sơ cấp
và dây quấn thứ cấp dòng tải định mức (tổn hao sắt từ không đáng kể)
• Tổng trở ngắn mạch
đm n I
U Z
1 =
• Điện trở ngắn mạch,
V
A W
U1ñm
In Pn A a
X x +
(32)Trang 69 2 ñm n n n n I P I P
r = = ,
• Điện kháng ngắn mạch
2
n n
n Z r
x = −
hay
trong đó:
rn = r1 + r'2 : điện trở ngắn mạch
xn = x1 + x'2 : điện kháng ngắn mạch
2 r 'r
r n
2
1 ≈ ≈ ; 2
x ' x
x n
2
1 ≈ ≈
•
, đm n
n
n U I
P cos
1 =
ϕ
• Điện áp ngắn mạch phần trăm Un% = 100
U U
đm
n ì = (5ữ10)% U
1ủm
Điện áp ngắn mạch có hai thành phần:
o 100 100
1 1 U r I U U % U ñm n ñm ñm nr
nr = =
(điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm)
o 100 100
1 1 U x I U U % U ñm n ñm ñm nx
nx = =
(điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm) ĐỘ BIẾN THIÊN ĐIỆN ÁP THỨ CẤP THEO TẢI
• Độ biến thiên điện áp thứ cấp
ñm
2 U U
U = −
∆
• Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm
r1 x1 r1 x1
In =I1ñm rn xn
In = I1ñm
Un Un
(33)Trang 70 100 U U U % U ñm 2 ñm 2 × − = ∆ Hay ) sin % U cos % U ( %
U2 =β nr × ϕ2 + nx × ϕ2 ∆
Trong
β hệ số tải
đm 1 I I = β ; ñm 2 I I = β
cosϕ2: hệ số công suất tải
TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP
• Khi máy biến áp làm việc có tổn hao sau:
Tổn hao tải I2R cuộn dây máy biến áp tổn hao không tải
tổn hao lõi thép
Tổn hao tải phụ thuộc vào dòng điện tải
∆Ptải = I21r +1 I22r2=I12r1+k2I12r2 =I12(r1+r2')=I12rn =β2I12đmrn ∆Ptải = β2Pn
Tổn hao không tải hay tổn hao lõi thép phụ thuộc vào ảnh hưởng dòng điện trễ dòng điện xoáy lõi thép máy biến áp Tổn hao lõi thép máy biến áp khơng đổi cho tất tải tần số điện áp đặt vào máy biến áp định mức
• Hiệu suất máy biến áp:
Hiệu suất máy biến áp tỷ số cơng suất hữu ích ngõ cơng suất ngõ vào Bởi cơng suất ngõ vào máy biến áp công suất hữu ích ngõ cộng với tổn hao nên ta có phương trình hiệu suất sau:
% 100 P P % × =
η = 100%
P P P toånhao 2 × ∆ + n 2 ñm ñm P P cos S cos S % β + + ϕ β ϕ β = η ×100%
(34)Bộ Môn Thiết Bị Điện
5
Máy Điện DC
V.1 Khái quát V.2 Cấu tạo
V.3 Nguyên lý làm việc
V.4 Từ trường lúc máy điện DC có tải V.5 Quan hệ điện từ máy điện DC V.6 Máy phát DC
V.7 Động DC
V.8 Sơ đồ dây quấn máy điện DC
(35)Bộ Môn Thiết Bị Điện V.1 Khái quát
Máy điện chiều thiết bị điện dùng để biến đổi thành điện chiều (máy phát điện chiều) biến đổi điện chiều thành (động điện chiều) Máy phát điện chiều có cơng suất tính theo đơn vị Watt, KiloWatts (W, KW) Động điện chiều có cơng suất tính theo đơn vị KW ( hệ đơn vị SI) HorsePower HP ( hệ USCS)
Ngày nay, máy điện chiều sử dụng rộng rãi Động chiều (DC motor) có moment khởi động lớn, dễ điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh liên tục phạm vi rộng Động chiều sử dụng nhiều giao thông vận tải với điều kiện làm việc nặng nhọc, thiết bị nâng, hạ; động chấp hành hệ thống điều chỉnh tự động với công suất nhỏ (vài watt) Máy phát điện chiều (DC generator) máy phát kích từ cho máy phát điện đồng bộ; dùng kỹ thuật hàn, mạ điện chất lượng cao, dùng điện hóa, điện ôtô
Nhược điểm chủ yếu máy điện chiều có cổ góp điện làm cho cấu tạo phức tạp, giá thành đắt, làm việc tin cậy, nguy hiểm môi trường dễ cháy nổ Hơn nữa, sử dụng động DC phải có nguồn DC kèm V.2 Cấu tạo
Máy điện chiều gồm phần : phần tónh phần quay V.2.1 Phần tónh ( stator ) hay phần cảm :
Phần tĩnh phần đứng yên gồm: vỏ máy (gơng từ), (phần cảm) bên có gắn cực từ cực từ phụ:
+ Cực từ chính: vĩ thép ghép thép kỹ thuật điện (tơn silic) dày 0.5÷1 mm dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Cực từ tạo nên từ trường máy Mặt cực giữ dây quấn phân bố từ trường bề mặt phần cứng Cực từ gắn lên vỏ máy bu lơng đinh vít Dây quấn kích từ dạy đồng, cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với
+ Cực từ phụ: cực từ phụ đặt xen kẽ cực từ để hạn chế tia lửa điện cải thiện đổi chiều
(36)Bộ Môn Thiết Bị Điện
+ Gông từ ( vỏ máy ): dùng để gắn cực từ, làm mạch từ nối liền cực từ Do vỏ máy dẫn từ, điểm khác biệt với vỏ máy máy điện xoay chiều
+ Trong loại máy điện công suất lớn, gông từ thường làm thép đúc, máy điện công suất nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, có máy nhỏ dùng gang làm vỏ máy
+ Các phận khác: nắp máy cấu chổi than ( gồm: chổi than đặt hộp chổi than, giá chổi than )
V.2.2 Phần quay (Rotor) hay phần ứng:
Phần ứng gồm trục, lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp + Lõi sắt phần ứng:
+ Lõi thép gồm thép kỹ thuật điện ghép lại, hình trụ, bề mặt lõi thép (dọc theo đường sinh) người ta dập rãnh để đặt dây quấn gọi dây quấn phần ứng
Cổ góp điện
Chổi than
Các thép KTĐ
Các rãnh để đặt dây quấn
Hình b ) Rotor
Cực từ phụ
Cực từ
Hình a ) Stator
(37)Bộ Môn Thiết Bị Điện
+ Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng tròn dẹp, đầu dây phần tử dây quấn (bối dây) gộp lại cổ góp
+ Cổ góp (vành đổi chiều): cổ góp gồm phiến góp làm đồng, phiến góp cách điện với mica cổ góp cách điện với trục rotor ống phíp Nhiệm vụ cổ góp điện chỉnh lưu sức điện động xoay chiều thành sức điện động chiều chổi than, chổi than tiếp xúc (tì lên) cổ góp để lấy điện đưa nguồn điện chiều vào dây quấn phần ứng
+ Caùc phận khác:
Cánh quạt: làm nguội máy Trục máy:
V.3 Ngun lý làm việc
V.3.1 Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều
I R
+ A
B -
a
N
S
b
c d
ϑ
r
Br
e, i n
Phần cảm
(38)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều:
Phần ứng khung dây a b c d ( quấn lõi thép phần ứng) có hai đầu dây nối với hai phiến đổi chiều (phiến góp), chổi than A, B cố định ln tì lên cổ góp đưa điện đến phụ tải
Dùng động sơ cấp ( tua bin đốt trong,…) quay phần ứng máy phát Khi khung quay với tốc độ không đổi, hai dẫn ab, cd nằm cực từ khác tên (từ trường hai cực nam châm không đổi), khung quay cảm ứng nên sức điện động xoay chiều :
e = B l v.sinα
B : từ cảm –Mật độ từ thông
L : chiều dài cạnh tác dụng dẫn ab+cd v : tốc độ dài dẫn
α : góc nhỏ vận tốc v từ cảm B
Chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải, ab chiều từ b → a, cd chiều từ d → c sức điện động khung dây sức điện động xoay chiều nhờ có phiến góp chổi than A( + ); B (- ) (sau quay 1800
cũng khơng đổi cực tính )
Dạng sóng hai đầu chổi than:
Trên thực tế người ta chế tạo phần ứng gồm nhiều khung dây đặt lệch góc α khơng gian để giảm bớt đập mạch cổ góp, chổi than quấn tăng số vòng dây để tăng cường sức điện động
0 e
t Dạng sóng đập mạch
0 e
t
(39)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.3.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều
Đặt nguồn DC vào dây quấn kích từ phần cảm – phần cảm tạo nên từ trường, dòng điện dây quấn phần ứng tác dụng tương hỗ lên tạo thành moment tác dụng lên rotor Moment có chiều khơng đổi làm máy quay (dịng điện vào dẫn nằm cực N dẫn nằm cực S), chiều lực xác định qui tắc bàn tay trái (hay dịng điện có chiều không đổi dẫn nằm cực từ, tạo nên moment có chiều khơng đổi làm rotor quay theo chiều định mà thôi)
V.4 Từ trường lúc cĩ tải máy điện chiều V.4.1 Đại cương:
Khi không tải từ thông Φ máy dây quấn kích từ gây nên
Khi có tải từ thơng Φ máy khơng dây quấn kích từ gây nên mà cịn có từ thơng phần ứng (Φư) cuộn dây phần ứng gây nên Để triệt tiêu
tia lửa điện cịn có từ thơng cực từ phụ Φf từ thông dây quấn bù Φb Tất
các từ thơng tác dụng với để tạo thành từ thông khe hở làm thay đổi từ trường lúc không tải máy
V.4.2 Từ trường dây quấn phần ứng:
a) Sự phân bố từ trường bề mặt phần ứng : Gọi N : Tổng số dẫn phần ứng
2a : Số mạch nhánh song song iư : Dòng điện dẫn
Iư : Dịng điện phần ứng
a I
i ö
ö =
Tải đường A =
] m [ ö
ö D
i N
π [ ]m
A
Dư : đường kính ngồi phần ứng
Ta có: Fư = A τ τ: bước cực ( m)
=> ↑iö → A↑ → Iö ↑ → Fö ↑
(40)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Khi máy điện chiều chạy không tải, máy có từ trường cực từ sinh gọi từ trường hay từ trường phần cảm Lúc đường trung tính vật lý mm' trùng với đường trung tính hình học nn'
+ Đường trung tính hình học: đường thẳng thẳng góc với trục cực từ N-S + Đường trung tính vật lý: đường xuyên qua phần ứng điểm có từ
trường (B = 0)
Khi máy mang tải, dòng điện dây quấn phần ứng sinh từ trường phần ứng
Do tác dụng từ trường phần ứng, đường sức mặt cực từ phân bố không đều, không đối xứng qua trục cực từ Ở nửa mặc cực từ, từ trường phần ứng có tác dụng trợ từ làm cho từ trường tăng, nửa mặt từ từ trường phần ứng có tác dụng khử từ làm cho từ trường giảm
Khi mạch từ máy chưa bão hồ tác dụng trợ từ khử từ nhau, nên từ trường tổng khơng đổi Khi mạch từ bão hịa tác dụng trợ từ Khử từ, nên từ trường tổng máy giảm, sđđ cảm ứng dẫn giảm Đồng thời phản ứng phần ứng làm cho từ trường điểm đường trung tính hình học khác 0, hay nói cách khác phản ứng phần ứng làm cho đường trung tính vật lý lệch khỏi trung tính hình học góc β theo chiều quay máy phát ( động ngược lại) Nếu chổi điện đặt đường trung tính hình học từ trường chỗ tiếp xúc chổi điện cổ góp khác 0, sức điện động cảm ứng phần tử dây quấn phần ứng bị chổi điện làm ngắn mạch, nguyên nhân làm phát sinh tia lửa chỗ tiếp xúc Để khắc phục điều phải xê dịch chổi điện lệch khỏi trung tính hình học góc β
Từ trường máy điện chiều
(41)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.4.2 Từ trường cực từ phụ:
Trong hầu hết máy điện chiều (trừ máy cơng suất nhỏ 0,5kW) có đặt cực từ phụ để trừ bỏ ảnh hưởng phản ứng phần ứng làm xê dịch đường trung tính vật lý khỏi đường trung tính hình học
Để trừ bỏ từ trường đường trung tính hình học, cực từ phụ đặt xen kẽ với cực từ cực tính cực từ phụ cực tính với cực từ đứng sau theo chiều quay rotor máy phát, đứng trước theo chiều quay rotor động Đồng thời, để triệt tiêu từ trường đường trung tính hình học từ trường cực từ phụ phải tỉ lệ thuận với dòng điện tải nên dây quấn cực từ phụ nối tiếp với dây quấn phần ứng
V.4.3 Từ trường dây quấn bù:
Do phân bố từ trường phần ứng bề mặt cực từ không đồng làm xuất sức điện động phiến góp có trị số khác nhau, gây nên tia lửa điện chổi than máy làm việc Để khắc phục tình trạng máy có cơng suất lớn, người ta chế tạo dây quấn bù
(42)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.5 Quan hệ điện từ máy điện DC
V.5.1 Sức điện động cảm ứng dây quấn phần ứng:
Theo định luật Faraday: etd = Btd l v ( v )
Trong đó: etd : sức điện động dẫn
Btb : từ cảm trung bình khe hở
l Btb
τ
φ =
Φ : từ thơng trung bình cực từ ( Wb ) τ : Bước cực từ
L : Chiều dài dẫn ( p)
n
v
60 τ
= vận tốc dài
2p : số cực phần cảm
n : tốc độ quay rotor (vòng/giây )
n p
etd
60
Φ = ⇒
Gọi: N : tổng số dẫn
2a : số mạch nhánh song song
a N
2 : Số dẫn nhánh song song
Eư : sức điện động mạch nhánh song song
n a pN
Eö
60 Φ
=
⇒ ; Đặt: CE =
a pN
60 : hệ số kết cấu
= CE ΦΦΦ n Φ
Sức điện động phần ứng tỉ lệ với từ thông cực từ tốc độ quay phần ứng Nghĩa muốn thay đổi Eư phải tác động lên Φ n
- Iö
Eö
-
+
+
It n G
(43)Bộ Mơn Thiết Bị Điện V.5.2 Moment điện từ :
Lực điện từ tác dụng lên dẫn mang dòng điện : f = Btb iư l
Btb : từ cảm trung bình khe hở
iư : dòng điện qua dẫn
a I
i ö
ö =
l : chiều dài tác dụng dẫn Iư : dòng điện phần ứng
Moment điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng: Mđt = f r N = Btb N
2
ö ö .l.D a I
r : bán kính phần ứng
2 D
r = ( Dư: đường kính phần ứng)
Btb =
l
τ
Φ
π τ
p
Dö =
=> ư
đt a I
pN p
.l a I N l
M = Φ = Φ
π π
τ
τ 2
2
Đặt CM =
a pN
π
2 : heä số kết cấu
Mđt = CM ΦΦΦ IΦ ö
+ Moment điện từ máy điện chiều tạo nên tác động
tương hỗ từ trường phần cảm từ trường dòng điện dẫn phần ứng Momen tác dụng lên phần ứng
+ Ở chế độ máy phát, Mđt ngược chiều với moment quay động sơ
cấp tác dụng lên rotor, nên có tác dụng moment cản
+ Ở chế độ động cơ, Mđt đóng vai trị moment quay, chiều quay máy
cùng chiều quay moment Công suất điện từ chuyển công suất điện Eư Iư thành công suất Mđt ω
V.5.3 Công suất điện từ: Định nghĩa : Pđt = Mđt ω
ω: vân tốc góc rotor
+
- tải I
Iư
(44)Bộ Môn Thiết Bị Điện
60
2 nπ
ω = n: tốc độ quay
Thay Mñt = pNa
π
2 Φ Iư
Pđt =
a pN
π
2 Φ Iö a pN n
60 60
=
π Φ n I
ö = Eö Iư
Pđt = Iư
V.5.4 Q trình lượng phương trình cân bằng: a. Các loại tổn hao
Tổn hao sắt : ∆PFe – Xuất có từ trường biến thiên, độ lớn
của tổn hao sắt phụ thuộc nhiều yếu tố : tình trạng mạch từ, chất lượng lõi thép, hình dáng lõi thép
Tổn hao : ∆Pcơ – Chủ yếu lực ma sát gây nên
Tổn hao không tải : ∆∆∆∆P0 = ∆∆∆P∆ Fe+∆∆∆P∆ cô
Tổn hao đồng : ∆PCu – Do tượng Junle – Lenxơ Phát nóng
dây quấn kích từ, dây quấn phần ứng, điện trở tiếp xúc chổi than với cổ góp
b. Giản đồ lượng phương trình cân
Máy phát điện: P1 : công suất đầu
vào
Pt : tổn hao kích từ
Cuộn dây kích từ thường dùng nguồn cung
cấp riêng, hầu hết không xem xét đến giản đồ lượng máy
Pcơ + FFe: tổn hao + tổn hao sắt từ
Pđt : công suất điện từ chuyển qua phần ứng
PCu,ư : tổn hao đồng dây quấn phần ứng P1
Pdt
P2
Pt
PCu,ư
Pcơ + PFe
Giản đồ lượng máy phát chiều
(45)Bộ Môn Thiết Bị Điện
P2 : công suất điện đầu
Hiệu suất:
1 <
= PP
η
Từ giản đồ: P2 = Pđt – PCu,ư
chia vế Iư: UIư = EöIö - Iö2.Rö
U = Eö – Iö.Rö hay Eö =U + Iö.Rö
Đây phương trình cân điện áp máy phát điện chiều Eư: đóng vai trị nguồn điện, chiều Iư
M1: moment đầu vào
Mđt: moment điện từ
M0: momen không tải ∆P0 = ∆Pcơ + ∆PFe
Sơ đồ mạch tương đương
M1 = Mđt + M0
là phương trình cân moment máy phát điện chiều
Đối với động điện P1: công suất điện đầu vào
P2: công suất đầu
P1 = Pđt + Pt + PCu.ư
U( Iư + It ) = Eö.Iö + UIt + Iö2Rö
Thành phần tổn hao kích từ số trường hợp cụ thể xem xét
U = + IưRư
Đây phương trình cân điện áp động điện chiều Eư đóng vai trò sức phản điện, ngược chiều Iư
M2: moment đầu
Mđt: moment điện từ
M0: moment không tải
Ta có sơ đồ mạch tương đương
P1
Pdt
P2
Pt PCu,ư
Pcơ + PFe
Giản đồ lượng ĐC chiều
taûi Iö
Iö
+
-Eö
Rö
+
(46)Bộ Môn Thiết Bị Điện
M2 = Mñt – M0
phương trình cân momen động điện chiều V.5.5 Tính thuận nghịch máy điện chiều:
Máy điện chiều dùng làm máy phát điện, dùng làm động điện
Chế độ máy phát : Eư, Iư chiều
Mđt ngược chiều quay n → Mhãm
Chế độ động : Eư, Iư ngược chiều
Mđt chiều n
Giả sử máy phát: = − >0 ư
ö R
U E
I nghóa > U
Nếu giảm từ thông ( Φ ) tốc độ( n ) đểgiảm Eư kết Eư < U → Iư
< → (đổi chiều), Eư Iư ngược chiều Do chiều Φ không đổi → Mđt đổi
dấu nghĩa Mđt chiều n ( Mđt chuyển từ hãm thành quay) Máy chuyển từ
chế độ máy phát sang chế độ động
Iö
Iö
+
-Eö
Rö
+
-U
N
S +
•
, Iư
n Mđt
N
S + •
, Iư n, Mđt
•
+
Máy phát Động
(47)Bộ Môn Thiết Bị Điện V.5.6 Ví dụ :
Ví dụ 1:
Một máy phát điện chiềulúc quay không tải tốc độ n = 1000 vịng / phút sức điện động phát E0 = 222 V Hỏi lúc không tải muốn phát
sức điện động định mức E0.đm = 220 V tốc độ n0.đm phải
giữ dịng kích từ khơng đổi ?
Giải
Giữ dịng điện kích từ không đổi nghĩa từ thông không đổi Ta có :
0đm 0.đm
E E 0.đm
0
n n n
C n C E
E
= φ
φ =
Do E0.đm = 220V ta :
n0.đm = n 990vòng/phút
222 220 1000 E
E đm
0 = =
Ví dụ 2:
Một động điện chiều kích thích song song công suất định mức Pđm
= 5,5 kW, Uñm = 110 V, Iñm = 58 A ( tổng dòng điện đưa vào bao gồm dòng điện
phần ứng Iư kích từ It ), nđm = 1470 vòng/phút Điện trở phần ứng Rư = 0,15 Ω,
điện trở mạch kích từ rt = 137Ω, điện áp giáng chổi than 2∆Utx =2V Hỏi
sức điện động phần ứng, dòng điện phần ứng momen điện từ ? V.6 Máy phát điện chiều.( D.C Generator)
Phân loại: theo cấu tạo máy phát điện chiều có loại
+ Máy phát điện chiều kích từ độc lập ( Separated Generator )
+ Máy phát điện chiều kích từ song song: ( Shunt Generator) cuộn
dây kích từ đấu song song với phần ứng
+ Ukt
It
-F taûi U
I = Iư
+
-Rđc
G tải U
I = Iö
It
+
(48)-Bộ Mơn Thiết Bị Điện
+ Kích từ nối tiếp: (Series Generator) cuộn dây kích từ nối nối tiếp phần ứng
+ Kích từ hỗn hợp: (Compound Generator)
Các đại lượng đặc trưng máy làm việc : đại lượng: U, Iư , It , n
tốc độ n giữ không đổi ( n = const)
V.6.1 Đặc tính không tải: U0 = f (It ) = ; I = ; n = const
Là đặc tính biểu thị mối quan hệ điện áp khơng tải dịng kích từ dịng tải tốc độ không đổi
It (A) Ito
Uo (V) Uo
(bỏ qua từ dư)
+
G taûi U
I =It = Iư
-G tải U
Rđc
+
-Iö
Its I I = Iö -It
Uo
Uo = f(It)
0 It
It
Rdc
+ Ukt
-G V
+
-n
Đường cong từ hóa Máy Điện chiều
(49)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
• Khi khơng bỏ qua từ dư:
Đầu tiên quay rotor máy phát tới tốc độ định mức, cực từ có từ dư nên dịng điện kích từ It dây
quấn phần ứng cảm ứng sức điện động, điện áp cực máy phát lúc (2 ÷3)% Uđm sau tăng dần dịng kích
từ (↑It →↓Rđc), điện áp cực máy phát
tăng dần theo đường đặc tính khơng tải Lúc đầu tăng It , U0 tăng cách tỉ lệ,
sau tăng chậm dần mạch từ bắt đầu
bão hòa, đến giai đoạn mạch từ bão hịa dù tăng It , U0 khơng tăng Đường
đặc tính khơng tải có dạng đường cong từ hóa mạch từ V.6.2 Đặc tính ngắn mạch: In = f ( It ) U = , n = const
It (A) Itn
In (A) Iđm
U = – Iư Rö
O = Eö – Iö Rö → Eö = Iö Rö Uo
It
0 - It
Máy kích thích độc lập có nhánh
In
It
Iñm
Itn
O It
Rdc
+
-Ukt
G
+
-n In
Urất bé
A
V Uo
It
Uo = f(It)
(50)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.6.3 Đặc tính máy phát điện chiều kích từ độc lập:
a) Đặc tính ngồi ( đặc tính tải ) : U = f ( I ) It = const ; n = const
It (A) Iđm
U (V) m Uo
Đặc tính ngồi đặc tính phụ thuộc điện áp cực máy phát với dòng tải It = số , n = số
Để dựng đặc tính này, người ta quay rotor máy phát đến tốc độ định mức, tăng dòng tải đến Iđm ứng với Uđm Tiếp giảm phụ tải từ từ I =
ghi số liệu cần thiết Trong q trình giữ Ikt khơng đổi n không đổi
Ta thấy, I tăng, điện áp rơi dây quấn phần ứng tăng ( IưRư ), mặt
khác tác dụng khử từ phản ứng phần ứng nên sức điện động E giảm Kết điện áp U máy phát điện giảm xuống
Độ biến đổi điện áp định mức hiệu số điện áp lúc không tải ( I = ) lúc tải định mức ( I =Iđm ) với điều kiện dịng điện kích từ dịng điện kích từ
định mức
∆m% = 100
U U U
ñm ñm
o − ( mang tải U↓ (5 ÷ 15)% U
đm so
với lúc khơng tải ) Đối với máy phát chiều kích độc lập ∆ Uđm = ( ÷ 15 )%
U
∆U U = f(I)
Uo
Uñm
Iñm I
It
Rdc
+ Ukt
-G
+
-n In
U
A
taûi I V
(51)Bộ Môn Thiết Bị Điện
b) Đặc tính điều chỉnh: It = f( I) U= const , n = const
I (A) Iñm
It (A) Itñm Ito
Quan hệ dịng kích từ dịng tải điện áp đầu cực máy phát điện áp định mức tốc độ quay rotor không đổi gọi đặc tính điều chỉnh
Đường đặc tính cho thấy: để giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi phụ tải tăng cần phải tăng dịng kích từ để tăng sức điện động cảm ứng bù vào suy giảm điện áp rơi dây quấn phần ứng ( Iư, Rư ) tác dụng
của phản ứng phần ứng Nghĩa I ↑→ U ↓ muốn U = const →↑ It
Từ lúc không tải đến lúc tải định mức, thường phải tăng dịng kích từ lên (15÷25)% It0
Máy phát điện chiều kích từ độc lập dùng nhiều trường hợp cần phạm vi điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát rộng
V.6.4 Máy phát điện chiều tự kích thích: bao gồm kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp:
a) Điều kiện để tự kích từ:
Máy phải có từ dư (Φdư), máy sử dụng lần đầu từ dư
phải dùng nguồn ngồi (acquy, …) để kích từ lại
Mạch kích từ phải nối chiều, dịng kích từ phải tạo từ trường chiều với từ dư, ngược chiều khử từ dư máy phát không thành lập điện áp
Điện trở mạch kích từ khơng q lớn để gia tăng dịng kích mức độ xảy q trình tự kích
b) Quá trình thành lập điện áp:
It = f(I)
0 Iñm I
It.ñm
(52)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Máy phát kích từ song song : quay rotor máy phát tới tốc độ định mức, cực từ có từ dư nên dây quấn phần ứng cảm ứng sức điện động nhỏ gọi Edư = (2÷3)% Uđm ; Eư dư tạo dòng điện nhỏ chạy dây quấn kích
từ Dịng điện sinh từ trường, dây quấn kích từ dây quấn phần ứng nối từ trường chiều với từ dư, từ trường tổng máy tăng lên làm cho sức điện động cản ứng tăng Khi sức điện động tăng, dòng điện sinh chạy dây quấn kích từ lại tăng từ trường máy lại tăng, kết sức điện động cảm ứng đầu cực máy phát lại tăng lên Quá trình tiếp diễn, sức điện động đầu cực máy phát tăng theo đường đặc tính khơng tải có dạng đường cong từ hóa mạch từ
Máy phát chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ nối tiếp với tải (It = Iư = I) nên ngồi điều kiện tự kích nói trên, để thành lập
điện áp, mạch ngồi máy phát chiều kích từ nối tiếp phải khép mạch qua điện trở
Máy phát chiều kích từ hỗn hợp: mở máy cuộn kích từ nối tiếp chưa có tác dụng dịng điện I = It = Q trình thành lập điện áp xảy
máy phát kích từ song song Khi máy mang tải, dịng tải chạy qua dây quấn kích từ tạo nên từ trường phụ, tùy theo cách đấu cuộn kích từ nối tiếp mà từ trường phụ có tác dụng trợ từ khử từ ảnh hưởng đến đặc tính làm việc máy V.6.5 Đặc tính máy phát chiều kích thích song song:
a) Đặc tính ngồi: U = f(I) Rt = const ; n = const
I (A) Iñm
U (V) Uñm Uo
It G
+
-nñm
U A
taûi I
A
V
(53)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
Khi dịng điện tảøi tăng, điện áp giảm nhiều so với kích từ độc lập ngài ảnh hưởng phản ứng phần ứng điện áp rơi dây quấn phần ứng, sức điện động cịn giảm điện áp đầu cực máy phát giảm dịng kích từ giảm theo Ngoài ra, tiếp tục tăng tải dịng điện tải khơng tăng mà giảm nhanh đến trị số I0 thường nhỏ Iđm, It giảm, máy
sẽ làm việc tình trạng khơng bão hịa tương ứng với đoạn dốc đường đặc tính khơng tải nên It giảm lượng nho,û điện áp giảm nhiều Chính
vì cố ngắn mạch đầu cực máy phát kích từ song song khơng gây nguy hiểm máy phát kích từ độc lập
b) Đặc tính điều chỉnh: It = f(I) U = const , n = const
I (A) Iñm
It (A) Itñm Ito
Giống đặc tính điều chỉnh máy phát kích từ khơng độc lập Ở máy phát kích thích song song tăng tải, điện áp sụt nhiều nên mức độ tăng dịng điện kích thích phải nhiều hơn, đặc tính điều chỉnh dốc
N
S + -
UDC
Uo
Uñm
Io Iđm In
I K thích song song
K thích độc lập U
G
UDC
-+
ö dö
o R
E I =
Itñm I
t = f(I)
Iñm
I It
Ito
(54)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
II.6.6 Đặc tính máy phát chiều kích thích nối tiếp:
Đặc tính ngồi:
U = f ( I ) n = const
I (A) Iđm
U (V) Edư m
Dây quấn kích thích nối tiếp với dây quấn phần ứng, số vịng dây dây quấn kích thích kích từ nối tiếp nhiều so với số vịng dây dây quấn kích thích kích từ song song ngược chiều lại tiết diện dây lớn cách tương ứng
Máy kích thích có tải
Vì It = Iư = I nên n = const hai đại lượng biến đổi U I,
đó máy phát điện có đặc tính U = f( I )
Đường đặc tính cho thấy: tải tăng It = I nên điện áp
đầu cực máy phát tăng tỉ lệ, mạch từ bão hòa dù tăng dòng điện ï tải (tức ↑It ) điện áp khơng tăng mà lại giảm điện áp rơi dây quấn
phần ứng tăng phản ứng phần ứng tăng
Iñm
Uñm
U
U = f(I)
Edö
N
S + -
UDC
G
UDC
-+
G
+
-A
taûi I V
I
Đặc tính ngồi máy phát kích thích nối tiếp
(55)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Từ đường đặc tính cho thấy điện áp phụ thuộc nhiều dịng tải máy phát kích từ nối tiếp sử dụng
II.6.7 Đặc tính máy phát chiều kích thích hỗn hợp:
Máy phát kích từ hỗn hợp có đồng thời hai dây quấn: song song nối tiếp Tùy theo cách nối, sức điện động hai dây quấn kích thích chiều ngược chiều
Khi nối thuận hai dây quấn kích thích, dây quấn song song đóng vai trị cịn dây quấn nối tiếp đóng vai trò bù lại tác dụng phản ứng phần ứng điện áp rơi Rư , nhờ mà máy có khả điều chỉnh tự động
điện áp phạm vi tải định
a) Đặc tính ngồi: U = f (I) It = const , n = const
+ -
UDC
UDC
-G
+
Short shunt
G
+
-A
taûi I V
G
+
-A
taûi I V
(56)Bộ Môn Thiết Bị Điện
− Từ thông cuộn dây nối tiếp sinh với từ thông cần bù gọi bù đủ − Φnt > Φcần bù gọi bù dư
Khi nối thuận, điện áp đầu cực giữ không đổi Bù thừa, điện áp tăng tải tăng
Khi nối ngược, dòng tải tăng, từ trường phụ thuộc làm giảm từ trường kích từ nên điện áp đầu cực máy phát giảm nhanh Do đó, máy phát kích từ hỗn hợp sử dụng trường hợp máy phải làm việc điều kiện bị ngắn mạch thường xuyên máy hàn hồ quang
b) Đặc tính điều chỉnh: It = f( I )
Nối ngược
I (A)
U (V)
Bù đủ Iđm
Bù dư Iđm
Nối ngược Iđm
Bù đủ Uo ≈ const
Bù dư Uo > Uo
Nối ngược Uo < Uo
Nối thuận Φnt
Φss
Φnt
U
Uo
(1) Bù dư (1) Bù đủ (1) Nối ngược
I
Bù dư Nối thuận (bù bình thường)
Nối ngược It
I
(57)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.6.8 Máy phát điện chiều làm việc song song:
Điều kiện làm việc song song:
Giả sử G1 làm việc với có điện áp U Muốn ghép G2 vào làm
vieäc song song G1thì phải thỏa:
+ Cực tính G2 cực tính G1 (nối cực vào góp)
+ E2 thực tế phải U (sức điện động G2 phải điện áp U
thanh goùp)
Quay G2 với nđm, chưa kích thích G2 giả sử Edư2 = vôn kế V2
chỉ giá trị U Sau tăng dần It2 (dịng kích từ G2 ), cực tính
G2 cực tính G1 vơn kế V2 trị số giảm dần vôn kế V2
chỉ giá trị Lúc Eư2 = U → đóng K2, đưa G2 làm việc song song G1 Iư2 =
2
ö ö
R U
E − = 0, thuận lợi không gây tia lửa điện, G
2 chưa tham gia cấp
điện cho phụ tải (I1 = I ; I2 = 0) Muốn cho G2 nhận tải phải tăng E2 > U (↑It2),
dịng điện tổng I bên ngồi không đổi nên muốn giữ U mạng điện không đổi với việc ↑ E2 phải đồng thời giảm E1 (↓It1) ( → 1' ; → 2')
• V1
G1
+
-K1
G2
+
-K2
A A
V2
(58)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Muốn cắt máy F1 ↑It2, ↓It1 cho I1 = 0, I2 = Itải → ngắt K1
V.7 Động điện chiều.( D.C Motor) II.7.1 Đại cương:
Phân loại: phân loại theo cách kích từ Động chiều kích thích độc lập Động chiều kích thích nối tiếp Động chiều kích thích song song Động chiều kích thích hỗn hợp
V.7.2.Mở máy động điện chiều: n = →→→ n→ đm
Yeâu cầu:
- Dịng điện mở máy phải hạn chế đến mức thấp - Moment mở máy phải đủ lớn
- Thời gian mở máy ngắn
- Thiết bị phương pháp mở máy phải đơn giản làm việc chắn
Itaûi
I2 I1'
I1 = Itaûi I1
I2
1" 1'
2 2' 2"
U
-
G tải
+ I
It
Iư
M
+
- I
It
Iö
U
(59)Bộ Mơn Thiết Bị Điện a) Mở máy trực tiếp:
Phương trình cân sđđ động chiều: U = Eư + Iư Rư
⇒ Iö = mm
ö
ö I
R E U
≈ −
Khi mở máy n = , Eư = →
ö
mm R
U
I = lớn (ở
những động công suất lớn Rư bé)→ xuất
các vòng lửa chổi than làm hỏng cổ góp Trường hợp mở máy trực tiếp dùng cho loại máy có cơng suất bé ( thường động cơng suất bé khoảng vài trăm watt có Rư tương đối lớn),
mở máy Iư ≤ (4÷ 6) Iđm
b) Mở máy biến trở:
Do dòng điện mở máy lớn, để tránh nguy hiểm cho động cơ, người ta dùng biến trở mở máy
Khi bắt đầu mở máy, tay gạt đặt vị trí số 1, tồn điện trở phụ nối tiếp với dây quấn phần ứng, đồng thời chạy biến trở mạch kích từ vị trí a (Rđc = 0) nên dây quấn kích từ nối trực tiếp với điện áp nguồn, từ
trường kích từ đạt giá trị cực đại (Φ = Φmax) Tại thời điểm t1, dòng đạt giá trị
Imm1 giới hạn Khi n tăng, sđđ Eư↑, xuất tăng lên
E→Imm↓, khiến n tăng chậm Khi Imm giảm đến trị số (1,1÷ 1,3) Iđm ta gạt
đến vị trí Ở vị trí này, cấp điện trở bị loại bỏ nên Imm ↑đến giới hạn
nó ( Imm1) kéo theo moment, n Eư tăng Sau Imm, M lại giảm theo qui luật
trên Lần lượt chuyển tay gạt đến vị trí 3, 4, Tại vị trí toàn điện trở mở máy loại khỏi phần ứng tốc độ động đạt tốc độ ổn định
Imm2 phải tạo moment động lực dương M
Rñc
a b
2
5 U
- + M
CD
(60)Bộ Môn Thiết Bị Điện
0 ) M M ( dt d J
Mđl = ω = Đ − C > MĐ: moment động
MC:moment caûn
c) Hạ điện áp đặt vào phần ứng:
Mạch kích từ phải đặt điện áp U =Uđm nguồn khác
Nguồn cung cấp cho phần ứng điều chỉnh Momen mở máy phải đủ lớn
V.7.3.Đảo chiều quay động chiều :
Muốn đảo chiều quay động điện chiều, đảo chiều dịng điện kích từ đảo chiều cực tính nguồn đđđiện đưa vào phần ứng
V.7.4.Điều khiển tốc độ động điện chiều:
ö ö
E n I R
C
U= φ +
φ − =
E ö ö C
R I U
n
Do : để điều khiển tốc độ động điện chiều ta có phương pháp:
Điều khieån Φ
M
U +
-A
B
C
+
-Ukt
ñm ö mm
U U với
R U I
< =
1
n = f(t)
n ổn định I = f(t) I
0 t1 t2 t3 t4 t5 t
Imm1
Imm2
(61)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Điều khiển điện áp đặt vào phần ứng Điều khiển Rư
Điều khiển từ thơng
Dịng kích từ hay từ thơng động kích từ song song động kích từ hổn hợp thay đổi cách mắc biến trở nối tiếp với cuộn dây kích từ song song Tăng điện trở mạch kích từ làm giảm từ thơng tăng tốc độ Ngược lại, giảm điện trở mạch kích từ làm tăng tốc độ
Điều khiển điện trở mạch phần ứng
Điện trở mạch phần ứng động thay đổi cách mắc nối tiếp biến trở vào phần ứng Khi điện trở nối tiếp tăng, điện áp qua phần ứng động giảm tốc độ động giảm Ngược lại, tốc độ động tăng điện trở nối tiếp giảm Phương pháp điều khiển tốc độ thường sử dụng cho động kích từ nối tiếp
Điều khiển điện áp
Tốc độ động điều khiển cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng
a) Động kích từ song song:
Đặc tính tốc độ tự nhiên: (mạch phần ứng khơng có điện trở phụ)
2
φ
φ E M
ö
E C C
M R C
U
n = −
U = const , It = const
k M R n
n = − ö
0
k: số
Do Rư nhỏ nên tải thay đổi từ → định mức tốc độ giảm ít→ đặc tính
cơ cứng→ động DC kích thích song song dùng trường hợp tốc độ không đổi tải thay đổi (máy cắt kim loại,quạt…)
∆n n
n0
nñ m
0
n = f(M)
Mñm
(62)Bộ Mơn Thiết Bị Điện Điều chỉnh tốc độ :
• Phương pháp thay đổi Φ ( tốc độ lớn tốc độ định mức )
Thay đổi Rđc để thay đổi dịng kích thích dẫn đến thay đổi từ thơng Φ Đây
là phương pháp điều chỉnh kinh tế Ikt nhỏ, ( – 5)%Iđm nên tổn
hao Rđc nhỏ Tốc độ quay động điều chỉnh
phẳng phạm vi rộng
Khi Rđc↑→ Ikt ↓→ Φ↓ → Eö = Cö Φ n↓→
ö ö
ö R
E U
I = − ↑→ M↑ > Mcaûn→
n↑→ Eư↑→ Iư↓ Quá trình tiếp diễn đến lúc động làm việc ổn định.( Mđt =
CM.Φ.Iö)
Chú ý: Iư ↑ xuất tia lửa điện vành đổi chiều nên không
được điều chỉnh n phạm vi lớn Bình thường, động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φmax) nên điều chỉnh theo chiều
hướng giảm Φ, tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức giới hạn điều chỉnh tôc độ bị hạn chế điều kiện khí đổi chiều máy
• Phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng ( thấp tốc độ định mức ) :
Mắc điện trở nối tiếp với mạch phần ứng Dòng điện qua phần ứng bị giảm
Mc
Mc = const
n0
n03
n02
n01
M Φ2 < Φ1
Φ1 < Φñm
Φñm -
M U
+ I
It
Iư
Rđc
M
Rđc
Rf I
Iö
U
(63)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ quay vùng tốc độ quay định mức kèm theo tổn hao lượng điện trở phụ, làm giảm hiệu suất động Vì phương pháp áp dụng động điện có cơng suất nhỏ
• Phương pháp thay đổi điện áp:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay dước tốc độ định mức khơng thể nâng cao điện áp điện áp định mức động
Khi U↓ , n0↓ độ dốc phụ thuộc Rư
b) Động kích từ nối tiếp: Đặc tính :
I Kφ =
φ (do It = Iö = I)
M
M
M C
K M K
C I C
M φ
φ = φ → φ = φ =
φ
φ C K
R M K
U C n
E ö M
− =
Moment mở máy lớn nên sử dụng trường hợp cần mở máy có moment lớn
Đặc tính cho thấy tốc độ quay giảm nhanh M↑
Khi không tải ( I = , M = 0) tốc độ động lớn → không để ĐC nối tiếp làm việc không tải Thông thường cho phép động làm việc tối thiểu P2 =
(0,2÷0,25)Pđm
→ →→
→ động kích từ nối tiếp ưu việt nơi cần điều kiện mở máy nặng nề cấn tốc độ thay đổi vùng rộng
n n01
n02
n03
M = const
Uñm
U1 < Uñm
U2 < U1
M
M
n
0,25
(64)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Điều chỉnh tốc độ thay đổi từ thông Φ: Thay đổi Φ phương pháp sau:
- Mắc song song dây quấn kích thích điện trở - Mắc shunt dây quấn phần ứng điện trở - Thay đổi điện áp
• Mắc shunt dây quấn kích thích: Φ↓→n↑, điều chỉnh Φ<Φđmvà tốc độ
thay đổi vùng vùng định mức
• Mắc điện trở song song phần ứng :
Điện trở ∑ tồn mạch bé đi, dịng I = It từ thơng Φ tăng lên, tốc độ
quay giảm xuoáng
Điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức
Rt bé nên Rshunt.ư đặt toàn điện áp mạng nên
tổn hao lớn hiệu suất động giảm nhiều→ sử dụng
• Thay đổi điện áp: điều chỉnh tốc độ nđm khơng cho phép tăng
điện áp định mức lại giữ hiệu suất cao không gây thêm tổn hao điều chỉnh
c) Động chiều kích từ hỗn hợp:
Động kích từ hỗn hợp kết hợp đặc tính vận hành động kích từ nối tiếp đặc tính vận hành động kích từ song song Nó có tốc độ khơng tải xác định vận hành cách an tồn khơng tải Khi tải thên vào, lượng từ thông tăng làm cho tốc độ giảm nhiều so với động kích từ song song Do đó, điều chỉnh tốc độ động kích từ hỗn hợp động kích từ song song
M Rshunt
Ckt
U +
-M
Ckt
U +
-Rshunt.ö
(65)Bộ Môn Thiết Bị Điện
Momen động kích từ hỗn hợp lớn momen động kích từ song song từ thơng kích từ nối tiếp
Động kích từ hỗn hợp thường sử dụng nơi cần tốc độ tương đối ổn định với tải không tải nặng đặt vào như: máy ép, máy cắt, máy chuyển động qua lại thường kéo động kích từ hỗn hợp
V.8 Sơ đồ dây quấn máy điện DC
V.8.1 Định nghĩa đại lượng: Phân loại:
− Dây quấn xếp: dây quấn xếp đơn dây quấn xếp phức tạp − Dây quấn sóng: sóng đơn
sóng phức tạp − Dây quấn hỗn hợp
Phần tử: ( bối dây)
Phần tử có vịng dây có nhiều vịng dây Rãnh thực – rãnh nguyên tố:
• Rãnh thực: rãnh nằm kề
• Rãnh nguyên tố: rãnh chứa cạnh tác dụng
u = u =
Phiến góp
Cạnh tác dụng Phần đầu nối
Raêng
Rãnh thực
Cạnh tác dụng
Znt: rãnh nguyên tố
(66)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
rãnh nguyên tố rãnh nguyên tố (có cạnh tác dụng) Gọi S số phần tử
S = Znt = G ( Znt = u.Z )
G: số phiến góp
Các bước dây :
y1 : bước dây thứ nhất: khoảng cách cạnh tác dụng phần tử
y2 : bước dây thứ hai: khoảng cách cạnh cuối phần tử
thứ cạnh đầu phần tử thứ hai
y : bước tổng hợp: khoảng cách cạnh đầu phần tử
yG : bước cổ góp: khoảng cách cạnh tác dụng phần tử
tính số phiếu góp
y1, y2, y: tính số rãnh ngun tố
yG: tính số phiếu góp
y = yG ( kiểu dây quấn)
V.8.2 Dây quấn xếp đơn: a) Tính tốn :
• Tính bước dây:
nguyên số
p Z
y nt
= ±
= ε
2
Znt: số rãnh nguyên tố ( nhìn vào số phiến góp → Znt)
y = yG = (quấn phải → thường dùng) yG = -1 (quấn trái ) Dây quấn xếp đơn
y1
y2
y
yG
Daây quấn sóng y1 y2
y
yG
(67)Bộ Môn Thiết Bị Điện y2 = y1 – y
• Sơ đồ nối phần tử: qui tắc xác định số thứ tự rãnh: 0, âm , dương > Znt
Cạnh nằm gọi lớp Cạnh nằm gọi lớp
Trong trình lập sơ đồ, số thứ tự rãnh tìm 0, số âm hay dương có giá trị tuyệt đối > Znt ta qui đổi giá trị thực rãnh theo qui tắc:
+ Nếu số thứ tự hay âm :
Số thứ tự rãnh tương đương = số thứ tự có + Znt
+ Nếu số thứ tự dương > Znt :
Số thứ tự rãnh tương đương = số thứ tự có – Znt
• Vẽ đoạn thẳnng song song đặc trưng cho số rãnh nguyên tố
• Căn vào sơ đồ nối phần tử→ xây dựng sơ đồ khai triển dây quấn
• Đặt cực từ sơ đồ dây quấn vẽ vị trí chổi than ( cực từ có nhiêu chổi than)
• Đồ thị hình tia đa giác sức điện động
• Từ ta tìm kết luận dây ( dây có hồn thành đúng, số mạch nhánh song song, số phiến góp, chổi than)
b) Ví dụ:
Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơn dây quấn máy điện chiều có : Znt = S = G = 16 2p =
Giải
• Các bước dây:
4 16
1 = p = =
Z
y nt
y = yG =
y2 = y1 – y = +y1
(1+y1)
-y2 +y1
(68)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
• Sơ đồ nối phần tử :
Số đôi mạch nhánh:
Số đôi mạch nhánh ghép song song dây quấn phần ứng số cực từ 2a = 2p = số đường chổi
hay số đôi mạch nhánh số đôi cực từ: a = p Đa giác sức điện động:
Gọi: αđ: góc điện rãnh nguyên tố kề
nt
ñ Z
p °
= 360
α
p: số đơi cực Theo thí dụ trên:
° = °
= 45
16 360
α
7 - 15 - 14
5 - 13
4 - 12
3 - 11
2 - 10 - - 16
+
10
1
2
3
4
6
8
15
16 10
11
12 13 14
13 14
-
Đa giác sđđ dây quấn xếp đơn đa giác sđđ trùng
1 10 11 12
16 13 14 15
5’ 6’ 7’ 8’ 9’ 10’ 11’ 12’ 13’ 14’ 15’ 16’
1’ 2’ 3’ 4’ Lớp
Lớp +y1 -y2
(69)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.8.3 Dây quấn xếp phức tạp : • Tính bước dây :
m : bậc dây quấn
+ Thường m =2 , cơng suất thật lớn m >
+ Dây quấn xếp đôi : m =
+ Dây quấn xeáp ba : m =
y = yG = m ; m = 2, 3…
y1 = Zpnt ±ε =số nguyên
2
y2 = y1 - y
+ Phần tử I nối với phần tử thứ III
+ dây quấn xếp xen kẽ nối song song
• Sơ đồ nối phần tử:
Sơ đồ khai triển
3
1 y1
y2
y
yG
1 +y1
(1+y1)’
-y2 +y1
(1+y1 - y2)
( )’ ( )’ ( ) Lớp
(70)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
Ví dụ: vẽ sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơi có Znt = S = G = 24 ; 2p =
Giải Sơ đồ nối phần tử:
− Ta có mạch điện làm việc song song thông qua chổi than − Chiều rộng chổi than = m phiến góp ( để lấy điện đồng thời hai
dây quấn được)
− Vị trí chổi than tâm cực từ, đặt cực từ tâm bước cực
1 11 13 15 17 19 21 23
7’ 9’ 11’ 13’ 15’ 17’ 19’ 21’ 23’ 1’ 3’ 5’
1 11 13 15 17 19 21 23
7’ 9’ 11’ 13’ 15’ 17’ 19’ 21’ 23’ 1’ 3’ 5’ Lớp
Lớp
Lớp
Lớp
1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 23 24
A1 + B1 - A2 + B2 -
+ -
τ τ τ τ
(71)Bộ Mơn Thiết Bị Điện
• Số mạch nhánh song song:
2a = 2mp m: số bậc phức tạp • Đa giác sức điện động:
o nt
điện
Z
p
30 24
360 360
= =
=
α
V.8.4 Dây quấn sóng đơn: • Tính bước dây :
= ±
= ε
2p Z
y nt
1 số nguyên
y =
p G
yG
1 ± =
y2 = y – y1
• Sơ đồ nối phần tử:
Ví dụ:
Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn sóng đơn có: Znt = S = G = 15 2p =
Giaûi
+
4 15
1= ±ε = − =
p Z
y nt (chọn bước ngắn)
y =
2 15
= − = ± =
p G
yG
y2 = y – y1 =
+ Sơ đồ nối phần tử :
• Số mạch nhánh song song: 2a =
“ – “: sóng trái (đỡ tốn đồng) thường dùng “ + “: sóng phải
1 15 14 13 12 11
4’ 11’ 3’ 10’ 2’ 9’ 1’ 8’ 15’ 7’ 14’ 6’ Lớp
Lớp
10
13’ 5’ 12’
+y1
(1+y1)’
+y2 +y1
(1+y1 + y2)
( )’ ( )’ ( ) Lớp
Lớp
(72)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.8.5 Dây quấn sóng phức tạp: • Tính bước dây :
p m G y
y = G = ±
nguyên số
p Z
y nt
= ±
= ε
2
y2 = y – y1
• Sơ đồ nối phần tử:
Ví dụ:
Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn sóng đơi, quấn trái phần ứng: Znt = S = G = 18 2p =
Giaûi
4 18
8
1 = ± = − =
= − = =
ε
p Z y
p G y y
nt G
y2 = y – y1 =
Sơ đồ nối phần tử :
+ Số lẻ:
+ Số chẵn:
• Số mạch nhaùnh song song: 2a= 2m
1 +y1
(1+y1)’
+y2 +y1
(1+y1 + y2)
( )’ ( )’ ( ) Lớp
Lớp
1
1 17 15 13 11
5’ 13’ 3’ 11’ 1’ 9’ 17’ 7’ 15’ 10 18 16 14 12
6’ 14’ 4’ 12’ 2’ 10’ 18’ 8’ 16’ Lớp
Lớp
Lớp Lớp
(73)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.8.6 Dây quấn hỗn hợp:
Điều kiện dây quấn hỗn hợp: y1x= y1s
y2x= y2s
2ax= 2as
2mxp= 2ms
mxp = ms
Nếu xếp đơn : mx = ms ∈ p
Khi p = xếp đơn - sóng đơn p = xếp đơn - sóng đôi p = xếp đơn - song ba
Ví dụ: vẽ sơ đồ khai triển dây quấn hổn hợp có: Znt = S = G = 24 2p =
Giải Xếp đơn sóng
+
6 24
1 = p =
Z
y nt
x
1 =
= Gx
x y
y
3
2x =y x −yx = y
+ soùng ba: y1s = = y1x
7
3 24
= − = − = =
p G y
ys Gs
y2s = ys – y1s = = y2x → Sơ đồ nối phần tử y1x = y1s
y2s
y2x
yGs
(74)Bộ Môn Thiết Bị Điện
V.8.7 Dây cân điện thế:
Trong tất loại dây quấn, trừ dây quấn hỗn hợp, a≠ phải đặt dây cân điện để làm cho điều kiện đổi chiều tốt
Có hai loại dây cân điện Dây cân điện loại dùng để triệt tiêu không đối xứng hệ thống mạch từ máy điện thường dùng dây quấn xếp; loại hai dùng để triệt tiêu không đối xứng phân bố điện áp cổ góp
Dây cân điện nối liền điểm dây quấn lý thuyết đẳng Các điểm đẳng xác định nhờ đa giác sức điện động dây quấn
Số dây cân điện đặt cáng nhiều tốt, để giảm giá thành chế tạo, thường khơng đặt tồn số dây cân điện Trong máy điện cực công suất lớn, thường đặt đến dây cân điện Trong máy điện công suất vừa lớn (Pđm> 100kw), số dây cân điện 20-30%
tổng số phần tử dây quấn phần ứng Chỉ máy lớn quan trọng động điện dùng cán thép máy phát điện kích từ máy phát điện tua bin hơi… dùng toàn dây cân điện
Tiết diện dây cân điện ly bng ẳ n ẵ tit din dõy qun phn ứng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt