Giáo trình máy điện - Khí cụ điện

mômen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện. Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiển tra bằng đèn, vônmét có chỉ số không hoặc dụng cụ đo [r]

KHOA ĐIỆN

BỘ MƠN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN -0 -

GVC-ThS.NGUYỄN TRỌNG THẮNG GV-ThS.TRẦN PHI LONG

GIÁO TRÌNH

MÁY ĐIỆN-KHÍ CỤ ĐIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình MÁY ĐIỆN-KHÍ CỤ ĐIỆN nhằm giúp sinh viên bậc đại học cao đẳng ngành Công nghệ Điện- Điện tử, Công nghệ Điện tử –Viễn thông trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM làm tài liệu học tập dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Điện Công Nghiệp, Điện Tự Động ngành khác liên quan đến lĩnh vực điện-điện tử

Giáo trình Máy điện- Khí cụ điện trình bày lý thuyết về: cấu tạo; nguyên lý làm việc; quan hệ điện từ; đặc tính tượng vật lý xảy trong: Máy điện chiều; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộ, Máy điện đồng khí cụ điện thơng dụng

Để giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, giáo trình trình bày nội dung cách ngắn gọn, Ở chương có ví dụ minh họa, câu hỏi tập để sinh viên hiểu sâu vấn đề học

Các tác gỉa

Trang

PHẦN 1: MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG I: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .2

§ 1.1 Đại cương máy điện chiều

§ 1.2 Các quan hệ điện từ máy điện chiều

§ 1.3 Máy phát điện chiều 15

§ 1.4 Mở máy điều chỉnh tốc độ động điện chiều 32

CHƯƠNG II: MÁY BIẾN ÁP 43

§ 2.1 Đại cương máy biến áp 43

§ 2.2 Tổ nối dây mạch từ máy biến áp 54

§ 2.3 Các quan hệ điện từ máy biến áp 67

§ 2.4 Máy biến áp làm việc tải xác lập đối xứng 85

CHƯƠNG III: CÁC VẤN ĐỀ LÝ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 98

§ 3.1 Sức điện động dây quấn máy điện xoay chiều 98

§ 3.2 Dây quấn máy điện xoay chiều 106

§ 3.3 Sức từ động dây quấn máy điện xoay chiều 115

CHƯƠNG IV: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 126

§ 4.1 Đại cương máy điện khơng đồng 126

§ 4.2 Quan hệ điện từ máy điện khơng đồng 130

§ 4.3 Mở máy điều chỉnh tốc độ động không đồng 158

CHƯƠNG V: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 172

§ 5.1 Đại cương máy điện đồng 172

§ 5.2 Quan hệ điện từ máy điện đồng 178

§ 5.3 Máy phát điện đồng 189

§ 5.4 Mở máy điều chỉnh cơng suất phản kháng động đồng 204

PHẦN 2: KHÍ CỤ ĐIỆN 208

CHƯƠNG I: MẠCH TỪ VÀ SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ 209

§ 1.1 Khái niệm chung 209

§ 1.2 Từ dẫn khe hở khơng khí 213

§ 1.3 Nam châm điện từ chiều 215

§ 1.4 Nam châm điện từ xoay chiều 218

§ 1.5 Nam châm vĩnh cửu 222

§ 1.6 Lực điện động 226

CHƯƠNG II: CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN THƠNG DỤNG 233

§ 2.1 Contactor 233

§ 2.2 Cầu chì bảo vệ 237

§ 2.3 Aptomat 241

§ 2.4 Thiết bị chống dòng điện rò 248

§ 2.5 Relay dịng điện 251

§ 2.6 Relay điện áp 252

§ 2.7 Relay trung gian 253

§ 2.8 Relay thời gian 254

§ 2.9 Relay tốc độ 255

PHẦN : MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

§ 1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong sản xuất đại, máy điện chiều coi loại máy quan trọng Nó dùng làm động điện, máy phát điện

Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, dùng nhiều ngành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ

Máy phát điện chiều dùng làm nguồn điện cho động điện chiều, làm nguồn điện chiều kích thích từ máy điện đồng bộ, dùng công nghiệp mạ điện

Nhược điểm máy điện chiều : Giá thành đắt, sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp

I CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU:

Kết cấu máy điện chiều phân thành phần : phần tĩnh phần quay 1.Phần tĩnh (stato):

Đây phần đứng yên máy gồm phận sau: a.Cực từ chính:

Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong máy điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối nối tiếp với

Hình 1-1 Cực từ

b Cực từ phụ:

Được đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ nhờ bulông

c Gông từ:

Dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện vừa nhỏ thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc

d Các phận khác:

- Nắp máy : Bảo vệ máy khỏi bị vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện vừa nhỏ, nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi

- Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chối than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định chặt lại

2 Phần quay ( rôto ):

Gồm phận sau :

a Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ

Thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng mặt ép chặt lại để giảm hao tổn dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào

Trong máy cỡ trung trở nên, người ta dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục

Trong máy lớn lõi sắt chia thành đoạn nhỏ Giữa đoạn có để khe hở gọi khe thơng gió ngang trục Khi máy làm việc, gió thổi qua khe làm nguội dây quấn lõi sắt

Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong máy điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rôto

b Dây quấn phần ứng:

Là phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép

Để tránh quay bị văng sức ly tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt phải đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakêlit

Hình 1-7 Mặt cắt rãnh phần ứng c Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều

Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành trụ tròn Hai đầu trụ trịn dùng vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng

Hình 1- Cổ góp d Các phận khác :

- Cánh quạt : Để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy : Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép cacbon tốt

2 Các trị số định mức:

Chế độ làm việc định mức máy điện chế độ làm việc điều kiện mà xưởng chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức

- Công suất định mức Pđm ( KW hay W)

- Điện áp định mức Uđm (V)

- Dòng điện định mức Iđm (A)

- Tốc độ định mức nđm ( vg/ph)

- Hiệu suất định mức đm

CÂU HỎI

Tại lõi sắt phần ứng phải làm thép kỹ thuật điện ? Tại vỏ máy chiều không dùng gang vật liệu rẻ tiền dễ đúc ?

Ý nghĩa trị số công suất định mức ghi nhãn máy ? Công suất định mức ghi động điện công suất đầu trục hay công suất điện đưa vào động điện ?

Các phận máy điện chiều cơng dụng phận ?

§ 1.2 CÁC QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Sức điện động cảm ứng dây quấn máy điện chiều:

Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích khe hở sinh từ thông Khi phần ứng quay với tốc độ định dây quấn cảm ứng sức điện động Sức điện động phụ thuộc vào từ thơng cực từ, tốc độ máy, số dẫn dây quấn kiểu dây quấn

Vì dây quấn có 2a mạch nhánh ghép song song nên sức điện động dây quấn sức điện động cảm ứng mạch nhánh, nghĩa tống s.đ.đ dẫn nối tiếp mạch nhánh

Sức điện động trung bình cảm ứng dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động từ trường với tốc độ v :

etb = Btb.l.v ( 1-1)

Tốc độ quay : v =

60 60

n

p n D

 



Btb = l







Trong :

Btb : từ cảm trung bình khe hở

D : đường kính ngồi phần ứng  : bước cực

p : số đôi cực

n : tốc độ quay phần ứng



 : từ thông khe hở cực Thế vào biểu thức (1-1) ta có :

etb = 2p

60

n

( 1-2)

Gọi N tổng số dẫn dây quấn mạch nhánh song song có N/2a dẫn nối tiếp s.đ.đ máy :

Eö = n C n

a N p e a N

e tb    

60

2 ( V) ( 1-3)

Trong :



 ( Wb) n ( vg/ph) Ce =

a N p

60

: hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy dây quấn

Chiều Eư phụ thuộc vào chiều và n xác định theo quy tắc bàn tay phải ( hình 1- )

Hình 1-9 Xác định s.đ.đ phần ứng mômen điện từ máy phát điện chiều

Sự phân tích dựa giả thiết dây quấn bước đủ, s.đ.đ dẫn phần tử cộng số học với Nếu bước ngắn s.đ.đ dẫn phần tử cộng véctơ nên s.đ.đ phần tử nhỏ so với phần tử bước đủ s.đ.đ phần ứng nhỏ Nhưng máy điện chiều khơng cho phép bước ngắn lớn nên ảnh hưởng ( thường khơng xét đến tính s.đ.đ )

II Mômen điện tử công suất:

Khi máy điện làm việc, dây quấn phần ứng có dòng điện chạy qua Tác dụng từ trường lên dây dẫn có dịng điện sinh mơmen điện từ trục máy

Giả thiết chế độ làm việc máy điện chiều, từ trường dòng điện phần ứng cực hình :

Theo quy tắc bàn tay trái mômen điện từ lực điện từ tác dụng lên dẫn có chiều từ phải sang trái

Lực diện từ tác dụng lên dẫn :

Nếu tổng số dẫn dây quấn N, dòng điện mạch nhánh

a I iö ö

2

= mơmen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng :

2

D N l a I B

M = tb ư ( 1-5)

Trong :

Btb : từ cảm trung bình khe hở

Iư : dòng diện phần ứng

a: số đôi mạch nhánh

l: chiều dài tác dụng dẫn D : đường kính ngồi phần ứng

Ta có : D =

 

p

2

, Btb = l







=> M = 

a pN

2 Iö = CMIö ( N.m) (1-6)

=> M = 

a pN

2 81 ,

1

Iö ( kG.m) ( 1-7)

Trong :



 : từ thơng cực tính Wb

a N p CM



 : hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện

Trong máy phát điện, quay máy theo chiều định từ trường dây dẫn sinh s.đ.đ mà chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Khi có tải dịng điện sinh chiều với s.đ.đ nên mômen điện từ sinh ngược chiều với chiều quay máy Vì máy phát điện, mơmen điện từ mơmen hãm ( hình 1-10)

Trong động điện, cho dòng điện vào phần ứng tác dụng từ trường, dây quấn sinh mômen điện từ kéo máy quay, chiều quay máy trùng với chiều quay mơmen ( hình 1-10)

Cơng suất ứng với mômen điện từ lấy vào ( máy phát ) hay đưa ( động ) gọi công suất điện từ :

Pđt = M ( 1-8 )

Trong :

M : momen điện từ =

60 2 n

: tốc độ góc phần ứng

Thay vào công thức ( 1-5 ) ta :

Pñt = M = a N p





 Iö   n a pN n

60 60

Như vậy, máy phát điện công suất điện từ chuyển công suất M thành công suất điện EưIư Ngược lại, động điện công suất điện từ chuyển công suất điện Eư Iư thành công

suất M

III Quá trình lượng phương trình cân bằng: Tổn hao máy điện chiều:

a Tổn hao  pcơ : Gồm tổn hao bi, tổn hao ma sát chổi than với vành góp, tổn hao thơng gió,

tổn hao phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay máy làm cho ổ bi, vành góp nóng lên

b.Tổn hao sắt pFe : Do từ trễ dịng điện xốy lõi thép gây nên Tổn hao phụ thuộc

vào vật liệu, chiều dày thép, trọng lượng lõi thép, từ cảm tần số f Khi lõi thép định hình tổ hao thép tỉ lệ với f(1,21,6) B2

Hai loại tổn hao không tải tồn nên gọi tổn hao không tải :

P0 = pcô + pFe ( 1-10)

Tổn hao sắt sinh mômen hãm mômen tồn không tải nên gọi mômen không tải M0

M0 =

 P

( 1-11)

với  tốc độ góc rơto

c Tổn hao đồng pcu : Tổn hao đồng mạch phần ứng pCu.ư tổn hao đồng mạch

kích thích pCu.t

Tổn hao đồng mạch phần ứng bao gồm tổn hao đồng dây quấn phần ứng Iư2rư ; tổn

hao đồng dây quấn cực từ phụ Iư2rf ; tổn hao tiếp xúc chổi than vành góp ptx Thường

với chổi than graphit điện áp giáng chỗ tiếp xúc hai chổi than 2Utx = V nên ptx = Iư

Hiện thường gộp tất tổn hao đồng phần ứng lại viết dạng pư = Iư 2Rư

với Rư = rư + rf + rtx bao gồm điện trở dây quấn phần ứng rư , điện trở dây quấn phụ rf , điện trở tiếp

xúc chổi than rtx

Tổn hao đồng mạch kích thích gồm tổn hao đồng dây quấn kích thích tổn hao đồng điện trở điều chỉnh mạch kích thích Vì pCu.t = UtIt , với Ut điện áp đặt mạch

kích thích; It dịng điện kích thích d Tổn hao phụ pf :

Tổn hao phụ thép từ trường phân bố không bề mặt phần ứng, bulơng ốc vít phần ứng làm từ trường phân bố không lõi sắt, ảnh hưởng răng, rãnh làm từ trường đập mạch sinh

Tổn hao đồng q trình đổi chiều làm dịng điện phần tử thay đổi, dịng điện phân bố khơng bề mặt chổi than làm tổn hao tiếp xúc lớn, từ trường phân bố không rãnh làm cho dây dẫn sinh dịng điện xốy, tổn hao dây nối cân sinh Trong máy điện chiều pf tương đối khó tính, thường lấy 1% cơng suất định mức

2 Q trình lượng máy điện chiều phương trình cân bằng: a Máy phát điện:

Máy phát điện biến thành điện nên máy động sơ cấp kéo quay với tốc độ định

Giả thiết công suất kích từ máy khác cung cấp nên khơng tính vào cơng suất đưa từ động sơ cấp vào máy phát điện Công suất đưa vào P1, tiêu hao phần để bù vào tổn hao

cơ pcơ tổ hao sắt pFe, đại phận biến đổi thành công suất điện từ Pđt

Ta có :

P1 = Pđt +(pcơ + pFe ) = Pđt + Po (1-12) Pđt = Iư (1-13)

Khi có dịng điện chạy dây dẫn có tổn hao đồng nên cơng suất điện đưa P2 :

P2 = Pđt – pcu = EưIư - Iư 2Rư = UIư ( 1-14)

Giản đồ lượng :

Hình 1-11 Giản đồ lượng máy phát điện chiều Chia vế phương trình với Iư ta :

U = Eư - IưRư ( 1-15)

Đây phương trình cân s.đ.đ máy phát điện chiều

Có thể viết công suất đưa vào, công suất không tải công suất điện từ theo dạng mômen nhân với tốc độ góc cơng thức ( 1- 12) viết thành :

M1 = M0  + M

Chia vế cho  ta :

M1 = M0 + M ( 1-16)

Đây phương trình cân mơmen máy phát điện chiều Trong :

M1 mômen đưa vào

M mômen điện từ M0 mômen không tải

b Động điện:

Động điện lấy công suất điện vào truyền công suất đầu trục Công suất điện mà động nhận từ lưới vào :

P1 = UI = U(Iư + It ) ( 1-17)

Trong :

I = Iư + It dòng điện từ lưới điện vào ( Iư dòng điện vào phần ứng, It dịng điện kích

thích )

U điện áp đầu cực máy

Công suất P1, phần cung cấp cho mạch kích thích UIt cịn phần lớn vào phần ứng UIư ,

tiêu hao dây quấn đồng mạch phần ứng pCu.ư , đại phận công suất điện từ

Pđt

P1 = pCu.ư + pCu.t + Pđt ( 1-18)

Công suất điện từ sau chuyển thành cơng suất cịn tiêu hao để bù vào tổn hao pcơ tổn hao sắt pFe ( gọi chung tổn hao khơng tải Po ) Phần cịn lại cơng suất đưa

đầu trục P2 = M2 

Pđt = pcơ + pFe + P2 = P0 + P2 ( 1- 19)

Giản đồ lượng hình :

Từ công thức ( 1-17 ) ( 1-18 ) ta có cơng suất điện mạch phần ứng : UIư = Pđt + pCu.ư = EưIư + Iư2Rư (1-20)

Chia vế cho Iư ta :

U = Eư + IưRư ( 1-21)

Đây phương trình cân s.đ.đ động điện chiều Từ cơng thức (1-19) ta viết :

M = M0  + M2  ( 1-22)

Chia vế cho  ta :

M = M0 + M2 ( 1-23)

Đây phương trình cân mômen động điện chiều Với :

M2 mômen đưa đầu trục máy

M0 mơmen khơng tải

IV TÍNH CHẤT THUẬN NGHỊCH TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU:

Máy điện chiều dùng làm máy phát điện, dùng làm động điện Trong máy phát điện, chiều mômen điện từ tốc độ quay ngược nhau, dòng điện s.đ.đ chiều Trong động điện mơmen tốc độ quay chiều cịn dịng điện s.đ.đ ngược chiều Vì cần có điều kiện khách quan khác máy có tính chất làm việc khác

Giả sử máy làm việc trạng thái máy phát :

ö ö ö

R U E

I   nghĩa Eư > U Máy sinh điện từ hãm

Nếu ta giảm từ thông  tốc độ n để giảm Eư xuống cách thích đáng Eư nhỏ

U dịng điện I đổi chiều, E I ngược chiều Do chiều từ thông  không đổi nên

mômen điện từ ( M = CMIư ) đổi dấu, nghĩa M n chiều mơmen điện từ từ

mơmen hãm thành mômen quay Máy chuyển từ máy phát điện sang động điện Đây tính chất thuận nghịch máy điện Tách động sơ cấp ta động điện chiều thông thường

VÍ DỤ

Ví dụ 1: Một máy phát điện chiều lúc quay không tải tốc độ n = 1000 vg/ph s.đ.đ phát E0 = 222 V Hỏi lúc không tải muốn phát s.đ.đ định mức

E0.đm = 220 V tốc độ no.đm giữ dịng điện kích từ khơng đổi ?

Giải

Giữ dịng điện kích từ khơng đổi nghĩa từ thông  không đổi Theo công thức ( 1-3) ta có :

đm o đm o e

e

ñm o

o

n n n

C n C E

E

= =

 

Khi Eo.ñm = 220 V :

no.đm = n

o ñm o E E .

= 1000 990

222 220

 vg/ph

Ví dụ : Một động điện chiều kích thích song song, công suất định mức Pđm = 5,5 kW,

Uđm = 110 V, Iđm = 58 A ( tổng dòng điện đưa vào bao gồm dòng điện phần ứng Iư kích từ It,

nđm = 1470 vg/ph Điện trở phần ứng Rư = 0,15  , điện trở mạch kích từ rt = 137 , điện áp giáng

trên chổi than 2Utx = V Hỏi s.đ.đ phần ứng, dòng điện phần ứng mơmen điện từ ? Giải

Dịng điện kích từ :

It =

t

r U

= 0,8

137 110

 A

Dòng điện phần ứng :

Iư = Iđm – It = 58 – 0,8 = 57,2 A

Sức điện động phần ứng :

Eư = U – IưRư - 2Utx = 110 – ( 57,2 0,15 ) – = 99,4 V Mômen điện từ :

M = 36,9

60 1470

2 , 57 , 99 60

2  



 

 n

I E I

Eö ö ö ö

N.m

Nếu tính kG.m :

M = 3,76

81 ,

9 , 36

 kG.m

CÂU HỎI

Sức điện động máy điện chiều phụ thuộc vào yếu tố ?

Phân tích giản đồ lượng máy phát động điện chiều , từ đưa quan hệ cơng suất, mơmen, dịng điện s.đ.đ ?

BÀI TẬP

Một động điện chiều kích thích song song có số liệu sau : Uđm = 220 V, Rư = 0,4  ,

Iđm = 52 A , rt = 110  tốc độ không tải no = 1100 vg/ph Hãy tìm :

- Sức điện động phần ứng lúc tải định mức - Tốc độ lúc tải định mức

- Công suất điện từ mômen điện từ lúc tải định mức Khi phân tích bỏ qua dịng điện khơng tải

Đáp số : Eư.đm = 200 V

nđm = 1000 vg/ph

Pđt = 10 kW , Mđt = 95,5 N.m

Một động điện chiều kích thích song song có số liệu sau :

Pđm = 96 kW, Uđm = 440 V, Iđm = A, It = A, nđm = 500 vg/ph, Rư = 0,078  Tính :

-Mơmen định mức đầu trục M2

-Mơmen điện từ dịng điện định mức -Tốc độ quay lúc không tải ký tưởng ( I = 0)

Đáp số : M2 = 1833,5 N.m

Mđt = 2007,7 N.m

no = 523 vg/ph

3 Một máy phát điện kích thích ngồi có Uđm = 220 V , nđm = 1000vg/ph Biết tốc độ

n = 750 vg/ph s.đ.đ lúc khơng tải Eo = 176 V Hỏi s.đ.đ dòng điện phần ứng lúc tải định mức

của máy bao nhiêu, biết điện trở phần ứng Rư = 0,4 

Đáp số : Eư.đm = 234,6 V

Iư.đm = 36,5 A

§ 1.3 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

I ĐẠI CƯƠNG:

Trong kinh tế quốc dân, nhiều ngành sàn xuất luyện kim, hố chất, giao thơng vận tải đòi hỏi phải dùng nguồn điện chiều, ngày khơng thể thay dịng điện chiều việc dùng dòng điện xoay chiều công nghiệp phổ biến Thông thường để có nguồn điện chiều dùng máy phát điện chiều quay động sơ cấp động điện xoay chiều, động đốt trong, tuabin

Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện chiều

a Máy phát điện chiều kích thích độc lập b.Máy phát điện chiều kích thích song song c Máy phát điện chiều kích thích nối tiếp d Máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp

Tùy theo cách kích thích cực từ chính, máy phát điện chiều phân loại sau : Máy phát điện chiều kích thích độc lập : Bao gồm máy phát kích thích nam châm vĩnh cửu máy phát kích thích điện từ Loại đầu chế tạo với công suất nhỏ Loại thứ hai có dây quấn kích thích lấy dịng điện từ ắcquy, lưới điện chiều máy phát điện chiều phụ dùng nhiều trường hợp cần điều chỉnh điện áp phạm vi rộng, công suất lớn, điện áp thấp (424)V điện áp cao 600 V

2.Máy phát điện chiều tự kích thích : Có dịng điện kích thích lấy từ thân máy phát điện Tuỳ theo cách nối dây quấn kích thích, ta có :

Máy phát điện chiều kích thích song song Máy phát điện chiều kích thích nối tiếp Máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp

Trong trường hợp, cơng suất kích thích chiếm (0,3  5) % công suất định mức máy

Theo hình (1-13) ta thấy máy phát kích thích song song kích thích hỗn hợp I= Iư – It

cịn máy phát kích thích nối tiếp I = Iư = It

II CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU

Máy phát điện chiều có đại lượng đặc trưng U, Iư , It n Trừ tốc độ n động

sơ cấp giữ khơng đổi, ba đại lượng cịn lại : U, Iư , It đại lượng biến thiên có liên hệ chặt

chẽ với Với đại lượng thành lập mối quan hệ : U = f(Iư) It = Cte ; U =

f(It) Iư = Cte Iư = f(It) U = Cte

Dựa vào đó, nghiên cứu máy phát điện chiều ta có đặc tính sau : 1) Đặc tính khơng tải Uo = Eo = f(It) I= 0, n= Cte

2) Đặc tính ngắn mạch In = f(It) U= , n= Cte

3) Đặc tính ngồi U = f(I) It = Cte , n= Cte

4) Đặc tính tải U = f(It) Iư = Cte , n= Cte

5) Đặc tính điều chỉnh It = f(I) U = Cte , n= Cte

Trong năm đặc tính đặc tính khơng tải trường hợp đặc biệt đặc tính tải Iư =

đặc tính ngắn mạch trường hợp đặc biệt đặc tính điều chỉnh U=0 Tất đặc tính thành lập thí nghiệm trực tiếp máy phát điện Tuy nhiên số trường hợp, để đơn giản cần làm thí nghiệm khơng tải ngắn mạch, sau dựa vào tam giác đặc tính để suy đặc tính cịn lại

Dưới ta nghiên cứu chung đặc tính khơng tải, đặc tính ngắn mạch cách thành lập tam giác đặc tính loại máy phát điện Vì chúng khơng có khác Cịn đặc tính làm việc bao gồm đặc tính ngồi đặc tính điều chỉnh nghiên cứu riêng biệt loại máy

Đặc tính khơng tải Uo = Eo = f(It) I = 0, n = Cte

Làm thí nghiệm cho máy phát điện làm việc tốc độ n không đổi , cầu dao để hở mạch khơng nối với tải bên ngồi ( I = ), đo trị số It U tương ứng ta có đặc tính khơng tải

Cần ý rằng, máy phát điện kích thích độc lập, đổi chiều dịng điện kích thích nên ta có thểvẽ tồn chu trình trễ đối xứng ABA’B’A hai trị số giới hạn dịng điện kích thích Itm ứng với điện áp cỡ  ( 1,15 1,25)Uđm

Hình 1-14 Đặc tính khơng tải máy phát điện chiều

Đối với máy phát điện tự kích thích, cực tính đấu máy ( chổi than ) cố định thực – It nên ta vẽ chu trình phụ ABA + Itm

Đoạn OB hình (1-14) s.đ.đ ứng với từ dư mạch từ máy S.đ.đ nhỏ, thường 23% Uđm nên ta bỏ qua, đặc tính khơng tải máy phát điện chiều

là đường trung bình qua gốc toạ độ AOA’ biểu thị đường đứt nét Đó đường cong từ hố máy phát điện suy tính tốn mạch từ máy lúc khơng tải

Đặc tính ngắn mạch In = f(It) U= , n= Cte

Hình 1-15 Đặc tính ngắn mạch máy phát điện chiều

Trước hết cần ý để có đặc tính ngắn mạch tất loại máy phát điện chiều phải kích thích độc lập Nếu đem nối ngắn mạch chổi than cho máy phát điện làm việc tốc độ không đổi đo trị số It I tương ứng ta đặc tính ngắn mạch Khi ngắn mạch :

U = Eư - IưRư = => Eư = IưRư

Do Rư nhỏ, mặt khác phải giữ cho dòng điện I khỏi lớn trị số (1,25 1,5)Iđm nên Eư nhỏ

và dịng điện kích thích It tương ứng nhỏ Vì It nhỏ nên mạch từ máy khơng bão hồ

( = Cte ) , Eư  It I  It đặc tính ngắn mạch đường thẳng Nếu máy khử

từ dư đường thẳng qua gốc toạ độ ( đường hình 1-15 ) Nếu máy chưa khử từ dư ta có đường Để có đặc tính ngắn mạch tiêu chuẩn ta vẽ đường thẳng song song với đường qua gốc tọa độ

Tam giác đặc tính

Nếu thành lập tam giác đặc tính hệ tọa độ chung có trục hồnh It , ta vẽ đặc tính khơng

tải ( đường ) đặc tính ngắn mạch (đường 2) hình (1-16)

Hình 1-16 Xây dựng tam giác đặc tính trường hợp phản ứng phần ứng khử từ

Iư

It

2

Giả sử ngắn mạch phần ứng có dịng điện Iđm tương ứng với dịng điện kích

thích It = OC Dịng điện kích thích dành phần OD để sinh s.đ.đ khắc phục điện áp rơi

điện trở phần ứng IđmRư = AD = BC ; phần lại DC = AB dùng để khắc phục phản ứng phần ứng

lúc ngắn mạch Tam giác ABC gọi tam giác đặc tính có cạnh BC tỉ lệ với dòng điện phần ứng I cạnh AB điều kiện mạch từ khơng bão hồ tỉ lệ với phản ứng phần ứng ( nghĩa tỉ lệ với dòng điện I )

Độ lớn cạnh AB phụ thuộc vào loại máy lớn máy điện chiều khơng có dây quấn bù cực từ phụ Ở máy có dây quấn bù cực từ phụ phản ứng phần ứng bị triệt tiêu ( cạnh AB 0 ) Ở máy điện chiều kích thích hỗn hợp, dây quấn nối tiếp có tác dụng trợ từ s.t.đ lớn AB , nghĩa phần s.t.đ triệt tiêu ảnh hưởng phản ứng cịn s.t.đ để trợ từ cạnh AB nằm phía bên phải BC ( hình 1-17 )

Hình 1-17 Xây dựng tam giác đặc tính trường hợp phản ứng phần ứng trợ từ Đặc tính làm việc máy phát điện chiều kích thích độc lập

a Đặc tính ngồi U = f(I) It = Cte , n= Cte

Khi I tăng, điện áp rơi dây quấn phần ứng tăng Mặt khác, phản ứng phần ứng tăng theo I nên s.đ.đ E giảm Kết điện áp U đầu máy phát điện giảm xuống

Dạng đặc tính ngồi máy phát điện kích thích độc lập trình bày hình (1-18)

Hình 1-18 Đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích thích độc lập

Hiệu số điện áp lúc không tải lúc tải định mức với điều kiện dịng điện kích từ dịng điện kích từ định mức quy định độ biến đổi điện áp định mức :

100 %

ñm ñm o

ñm

U U U

U =



Ở máy phát điện chiều kích thích độc lập Uđm = 5÷ 15%

Như nói trên, đặc tính ngồi có thí nghiệm trực tiếp phương pháp gián tiếp dựa vào đặc tính khơng tải tam giác đặc tính trình bày hình (1-19) Hãy cho đặc tính khơng tải máy đoạn OP = It = Cte, đoạn PP’ ứng với It cho biểu thị điện áp

U = Eư lúc không tải Eo ( I = ) xác định điểm xuất phát D đặc tính ngồi Đặt tam giác ABC

có cạnh AB, BC theo tỉ lệ ứng với I= Iđm cho điểm A nằm đặc tính khơng tải cạnh BC

trên đường thẳng đứng PP’ đoạn PC điện áp I = Iđm tương ứng ta có điểm D’ vẽ góc

phần tư thứ hai

Để chứng minh ta thấy rằng, U = PC Eư = U + IđmRư = PC+ CB = BP = AQ Lúc không

tải để có Eư = AQ cần có dịng điện kích thích từ It (o) = OQ ; có tải định mức phải tăng dịng điện

kích thích lên lượng It = QP = AB để bù lại khử từ phản ứng phần ứng Toàn dịng điện

kích thích lúc :

It = It (o) + It = OQ + QP = OP cho trước

Nếu I =

2

Iđm tam giác đặc tính có cạnh nửa cạnh tam giác ABC Cũng

làm ta xác định điểm D’’ Tiếp tục theo trình tự trên, ta xác định số điểm khác ứng với trị số khác dòng điện I Nối điểm D, D’, D’’ lại ta đặc tính ngồi U = f(I) It = Cte , n = Cte Trên thực tế ảnh hưởng bão hoà, I tăng U giảm,

cạnh AB tam giác đặc tính khơng cịn tỉ lệ với I nên đường đặc tính ngồi thu thí nghiệm trực tiếp lệch theo đường đứt nét hình (1-19)

Hình 1-19 Xây dựng đặc tính ngồi máy phát điện kích thích độc lập từ đặc tính khơng tải tam giác đặc tính

Điểm ứng với U = đặc tính ngồi cho ta trị số dịng điện ngắn mạch kích thích hồn tồn đầy đủ Vì Rư bé, dịng điện ngắn mạch In = (5 ÷ 15)Iđm nguy hiểm gây vịng lửa

trên vành góp ứng lực điện động lớn phải trang bị máy cắt tự động cực nhanh tách máy phát điện khỏi lưới xảy ngắn mạch Chú ý biện pháp không bảo vệ xảy ngắn mạch bên máy

b Đặc tính điều chỉnh It = f(I) U = Cte , n= Cte

Đặc tính điều chỉnh cho ta biết cần điều chỉnh dịng điện kích thích để giữ cho điện áp đầu máy phát không đổi thay đổi tải Đường biểu diễn đặc tính điều chỉnh hình (1-20) cho thấy tải tăng cần phải tăng dòng điện kích thích cho bù điện áp rơi Iư ảnh

hưởng phản ứng phần ứng Từ không tải ( U= Uđm ) tăng đến tải định mức (I = Iđm ) thường phải tăng dịng điện kích thích lên 15 ÷ 25%

Phương pháp dựng đặc tính điều chỉnh đặc tính khơng tải tam giác đặc tính trình bày hình 1-21

Hình 1-21.Xây dựng đặc tính điều chỉnh máy phát điện kích thích độc lập từ đặc tính khơng tải tam giác đặc tính

Với trị số xác định Uo = Uđm = MP , I = ta điểm M ứng với dịng điện kích thích

It = OM Nếu đặt tam giác đặc tính ABC ứng với tải định mức Iđm cho đỉnh A nằm đặc tính

không tải đỉnh C nằm đường thẳng FC ( ứng với U = Uđm = Cte ) hạ đường thẳng BN

đoạn ON cho ta trị số dịng điện kích thích tải định mức Việc chứng minh tiến hành tương tự trường hợp dựng đặc tính ngồi mục a Để tìm điểm khác ta kẻ đoạn thẳng A’C’, A’’C’’ , song song với cạnh AC, nằm đặc tính khơng tải đường thẳng CF sau hạ đường thẳng đứng cắt trục hoành N’ , N’’ Các đoạn ON’, ON’’, biểu thị dòng điện kích thích ứng với trị số dịng điện i xác định tỉ số đoạn A’C’, A’’C’’, với cạnh huyền AC

Do ành hưởng bão hồ, đường đặc tính điều chỉnh thu thí nghiệm trực tiếp có dạng theo đường đứt nét hình (1-21)

2 Đặc tính máy phát điện chiều kích thích song song

Máy phát điện chiều kích thích song song có dây quấn kích thích nối song song với dây quấn phần ứng để tự sinh dịng điện kích thích cần thiết mà khơng cần nguồn điện bên

Ta biết, máy ngừng hoạt động, lõi thép cực từ, gông từ cịn lại từ dư Nếu để hở mạch kích thích ( It =0 ) quay máy phát điện đến tốc độ định mức, có từ thơng dư dây

quấn phần ứng cảm ứng suất điện động E cực máy tạo điện áp U = (2 ÷ 3)%Uđm Nếu nối kín mạch kích thích có dòng điện It =

t r U

với rt điện trở

của mạch kích thích Kết sinh s.đ.đ Itwt Nếu suất điện động sinh từ thơng có chiều

trùng với từ thơng dư máy đuợc tăng kích từ, điện áp đầu cực tăng tiếp tục máy tiếp tục tự kích thích Nếu từ thông sinh ngược chiều với từ dư máy bị khử từ, khơng thể tự kích tạo điện áp

Để thấy rõ trình tạo điện áp máy phát điện kích thích song song ta viết phương trình điện áp cho mạch vịng kín bao gồm dây quấn kích thích dây quấn phần ứng Bỏ qua phản ứng phần ứng nhỏ sinh dòng điện It chạy qua dây quấn phần ứng giả sử hệ số

tự cảm dây quấn kích thích It = Cte , bỏ qua Rư nhỏ so với rt , ta có :

E

dt di L i

r t

t t

t   ( 1-24) với điều kiện ban đầu t = , it =

Theo biểu thức trên, s.đ.đ cảm ứng sinh dây quấn phần ứng phụ thuộc vào dịng điện kích thích it tốc độ quay n máy Nếu giả thiết n = Cte E = f(It) , đặc tính khơng

tải máy phát điện

Phương trình vi phân (1-24) giải máy tính tính phương pháp gần muốn tính phương pháp gần phải biểu thị đặc tính không tải cho biết máy biểu thức giải tích có dạng :

n t n t

o a i a i

a

E   1 

1 (1-25) với ao 0 , s.đ.đ Edư từ thơng dư sinh

Giải hệ phương trình (1-24), (1-25) ta biến đổi dòng điện it từ it = đến trị số xác

lập it = It Khi dòng điện đạt đến trị số xác lập It 0

dt dit

điện áp tạo đấu máy :

rtIt = E = Uo (1-26)

Từ phương trình (1-24), (1-25) ta thấy điều kiện để có nghiệm (hay điều kiện để máy tự kích tạo điện áp) :

- Khi it = trị số ao 0 nghĩa máy phải có từ dư khơng phương trình (1-24) khơng có lời giải khác it = 0, nói khác máy khơng thể tự kích thích

- Chiều quay máy phát phải theo chiều định để sinh dịng điện it > i’t <

sẽ làm cho E = 0, phương trình (1-24) khơng có lời giải máy khơng thể tự kích - Nếu rt q lớn, dịng điện It xác lập nhỏ, điện áp xác lập Edư máy

Điện áp Uo thành lập đầu máy theo biểu thức (1-26) tìm hình (1-22)

và giao điểm M ứng với trị số it = It đặc tính khơng tải đường thẳng biểu thị

quan hệ U= itrt

Hình 1-22 Điện áp xác lập máy phát kích thích song song ứng với trị số khác rt

Từ hình (1-22) ta thấy it < It đạo hàm :

t t t

t E ri

dt di

L  >

Và dòng điện it tăng, kết máy tự kích thích đến điện áp ứng với giao điểm M

đó 0

dt di

L t

t dịng điện kích thích có trị số xác lập It

Nếu rt tăng đường U = itrt có độ dốc lớn ( đường 2), điện áp thành lập nhỏ Trị số

rt ứng với đường trùng với đoạn thẳng đặc tính khơng tải gọi điện trở tới hạn rt(th),

điện áp đầu máy phát không ổn định Nếu rt > rt(th) ta có đường thẳng điện áp đầu máy

s.đ.đ Edư , hay máy khơng thể tự kích

Do tính chất bão hồ mạch từ , cách tăng rt ta điều chỉnh điện áp xác lập

đầu máy đến trị số nhỏ Umin = (0,650,75)Uđm Trong trường hợp cần điều chỉnh phạm vi

rộng ứng với Uđm:Umin = 5:1 ( 10:1) cần phải uốn cong đoạn đầu đặc tính khơng tải

(hình 1-23) Muốn vậy, phải làm cho mạch từ sớm bão hoà cách xẻ rãnh cực từ

Hình 1-23 Uốn cong phần thẳng đặc tính khơng tải máy phát điện chiều

a Đặc tính ngồi U = f(I) rt = Cte , n= Cte

Hình 1-24 Đặc tính ngồi máy phát điện chiều

kích thích song song (2) kích thích độc lập (1)

Khi tăng tải, điện áp máy phát điện kích thích song song giảm nhiều điện áp máy phát điện kích thích độc lập ngồi ảnh hưởng phản ứng phần ứng điện áp rơi Rư

trong máy phát điện kích thích độc lập, máy phát điện kích thích song song với s.đ.đ E cịn giảm theo dịng điện kích từ It Vì mà độ thay đổi điện áp kích thích song song lớn hơn,

thường Uñm 1012%

Điểm đặc biệt máy phát kích thích song song dịng điện tải tăng đến trị số định I = Ith, sau tiếp tục giảm rt tải mạch ngồi I khơng tăng mà giảm nhanh đến trị

số Io xác định từ dư máy điện ứng với điểm P

Sở dĩ máy làm việc tình trạng khơng bão hồ ứng với đoạn thẳng đường cong từ hố, dịng It giảm làm cho E, U giảm nhanh Điện áp U giảm nhanh It làm cho dòng

điện tải I giảm đến trị số Io Như vậy, cố ngắn mạch đầu máy phát kích thích song song không

gây nguy hiểm trường hợp máy phát kích thích độc lập

Cách thành lập đặc tính ngồi từ đặc tính khơng tải tam giác đặc tính tiến hành máy phát kích thích độc lập Điều khác máy phát kích thích độc lập It = const, cịn It

phụ thuộc vào U đường U = rtIt đường OP qua gốc tọa độ (hình 1-25)

Hình 1-25 Xây dựng đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích thích song song đặc tính khơng tải tam giác đặc tính

Tam giác đặc tính ABC tịnh tiến vùng giới hạn đặc tính khơng tải đường OP, máy phát kích thích độc lập, vùng giới hạn đặc tính khơng tải đường thẳng đứng PP’ ( hình 1-19)

b Đặc tính điều chỉnh It = f(I) U = Cte , n= Cte

Đặc tính điều chỉnh máy phát kích thích song song giống máy phát kích thích độc lập Bởi vì, thân máy phát việc điều chỉnh dịng điện kích thích để giữ điện áp khơng đổi tải thay đổi khơng phụ thuộc vào việc dịng điện kích thích lấy từ đâu - từ nguồn khác bên hay từ đầu cực máy Điều cần ý máy phát kích thích song song tăng tải, điện áp sụt nhìều nên mức độ tăng dịng điện kích thích phải nhiều hơn, đặc tính điều chỉnh dốc

3 Đặc tính máy phát điện chiều kích thích nối tiếp:

Trong máy phát kích thích nối tiếp, dây quấn kích thích mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng Cũng mà số vịng dây dây quấn kích thích nhiều so với số vịng dây dây quấn kích thích máy phát kích thích song song, tiết diện dây lớn cách tương ứng

Máy phát kích thích nối tiếp thuộc loại tự kích thích, cần phải có từ dư phải quay theo chiều quy định để từ thông ban đầu trùng với từ dư, mạch phải khép kín qua điện

biến đổi U I Do máy phát điện có đặc tính ngồi U = f(I) , cịn đặc tính khác thành lập theo sơ đồ kích thích độc lập

Đặc tính ngồi (đường cong 2) phương pháp suy từ tam giác đặc tính trình bày hình 1-26

Hình 1-26 Đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích thích nối tiếp

Trên hình, đường cong đặc tính khơng tải, đường quan hệ IRư = f(I)

Tịnh tiến tam giác đặc tính ABC ứng với Iđm đến vị trí A’B’C’ cho A’ nằm đặc tính khơng

tải C’ nằm đặc tính ngồi Thay đổi cạnh tam giác đặc tính ứng với trị số dòng điện I tiến hành tương tự ta tồn đường đặc tính ngồi

Từ đặc tính ngồi ta thấy điện áp máy phát kích thích nối tiếp thay đổi nhiều theo tải nên thực tế loại máy sử dụng

4 Đặc tính máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp

Máy phát điện kích thích hỗn hợp có đồng thời hai dây quấn kích thích song song nối tiếp tập hợp tính chất loại máy Tuỳ theo cách nối, s.đ.đ hai dây quấn kích thích chiều ngược chiều

Trường hợp sau gặp áp dụng với mục đích đặc biệt (như máy phát để hàn) Khi nối thuận hai dây quấn hai dây quấn kích thích, dây quấn song song đóng vai trị cịn dây quấn nối tiếp đóng vai trị 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) n= Cte

Hình 1-27 Đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp

Hình 1-27 trình bày đặc tính ngồi máy phát kích thích hỗn hợp Khi nối thuận, điện áp đầu cực giữ không đổi (đường 2) Trường hợp bù thừa điện áp tăng tải tăng (đường ) Điều có ý nghĩa đặc biệt cần bù hao hụt điện áp đường dây tải điện để giữ cho điện áp hộ tiêu thụ điện không đổi

Nếu nối ngược dây quấn kích thích, tải tăng, điện áp giảm nhanh máy phát kích thích song song (đường 4)

Phương pháp dựng đặc tính ngồi từ đặc tính khơng tải tam giác đặc tính giống trường hợp máy phát kích thích song song

Hình 1-28 Xây dựng đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp đặc tính khơng tải tam giác đặc tính

Trên hình (1-28), đường cong biểu thị đặc tính khơng tải, đường – quan hệ U = Itrt

đường - điện áp rơi điện trở phần ứng IưRư Tam giác đặc tính hình ứng với trường hợp

bù thừa (xem hình 1-17) Cho A1B1C1 tam giác đặc tính ứng với

2

đm I

I  Tịnh tiến A1B1C1 theo

đường thằng cho đỉnh C1 chiếm vị trí C’1 đường thẳng đỉnh A1 chiếm vị trí A’1

đường đoạn C’G1 = D1E1 điện áp ứng với dòng điện tải

2

ñm I

Nếu ABC tam giác đặc tính ứng với I = Iđm tương tự ta có C’G = DE điện áp ứng với tải định mức Nếu đỉnh C’ trùng

với M – giao điểm đường cong đường thẳng Uđm = Uo Khi cần bù điện áp rơi

đường dây tải điện để giữ cho hộ dùng điện nhận điện áp định mức phải tăng cường dây quấn kích thích nối tiếp cho điện áp đầu cực máy phát đoạn D’E ứng với đặc tính ngồi có dạng theo đường nét đứt

b Đặc tính điều chỉnh It = f(I) U = Cte , n= Cte

Đặc tính điều chỉnh máy phát kích thích hỗn hợp trình bày hình 1-29, trongh đường cong đặc tính điều chỉnh nối thuận hai dây quấn kích thích bù bình thường, đường cong – bù thừa đuờng cong – nối ngược

Hình 1-29 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp

III MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU LÀM VIỆC SONG SONG

Những máy phát điện ghép làm việc đường dây phân phối điện đòi hỏi thực tế nhằm bảo đảm an toàn cung cấp điện sử dụng kinh tế máy phát Với hệ thống máy phát vậy, ví dụ tải giảm, máy phát ngừng hoạt động để máy phát cịn lại làm việc với cơng suất định mức, hiệu suất cao Đó làm việc song song máy phát

Dưới ta xét điều kiện cần thiết để ghép máy phát làm việc song song phân phối chuyển công suất máy phát

1 Điều kiện làm việc song song máy phát điện chiều

Giả sử có hai máy phát điện chiều I II, máy I làm việc với tải I Muốn ghép máy phát II vào làm việc song song với máy phát I cần phải giữ điều kiện sau :

- Điều kiện cực tính, nghĩa phải nối cực dương máy II vào cực dương góp cực âm vào cực âm góp

- S.đ.đ máy phát II phải điện áp U góp

- Nếu máy làm việc song song thuộc loại máy phát kích thích hỗn hợp cần có điều kiện thứ : nối dây cân điểm m n hình (1-30)

Hình 1-30 Máy phát điện chiều làm vịêc song song :

a) máy phát kích thích song song; b) máy phát kích thích hỗn hợp

Điều kiện thứ cần phải đảm bảo thật chặt chẽ, khơng, sau đóng cầu dao ghép sonh song hai máy phát I II bị nối nối tiếp thành mạch kín khơng qau điện trở tải, gây nên tình trạng ngắn mạch cà máy Nếu điều kiện thứ khơng thoả mãn sau ghép vào, máy II phải nhận tải đột ngột (nếu E > U) làm cho điện áp lưới điện thay đổi làm việc theo chế độ động (nếu E < U) Sự cần thiết điều kiện thứ giải thích sau : khơng có dây cân sau ghép song song lí tốc độ máy , ví dụ máy I tăng s.đ.đ E1 tăng I1 tăng Vì dây quấn kích thích song

song nối tiếp máy phát kích thích hỗn hợp thường nối thuận nên I1 tăng, E1

tăng tiếp tục khiến cho máy I giành lấy hết tải bị tải, đồng thời buộc máy II giảm dần tải chuyển từ chế độ máy phát sang chế độ động Nếu có dây cân tránh tượng trên, dịng điện phần ứng máy I tăng phân phối cho dây quấn kích thích nối tiếp máy khiến cho s.đ.đ máy tăng

2 Phân phối chuyển tải máy phát điện:

Sau ghép máy phát điện II làm việc song song với máy phát điện I , E2 = U nên máy II

chưa tham gia phát điện toàn tải máy I đảm nhiệm (I1 = I , I2 = 0) Lúc đặc tính

ngồi máy phát điện trình bày đường hình (1-31)

Hình 1-31 Phân phối tải máy phát điện

Muốn máy II nhận tải phải tăng E2 > U đặc tính ngồi tịnh tiến lên

(đường nét đứt 2’ ) Vì dịng điện tải tổng I bên ngồi khơng đổi nên muốn giữ cho điện áp U mạng điện không đổi với việc tăng E2 phải đồng thời giảm thích đáng E1 cho đặc tính

ngồi máy I tịnh tiến xuống đến vị trí thích đáng (đường đứt nét 1’ ), cho điện áp U = Cte ta có I1 + I2 = I Việc thay đổi E1 E2 thực cách thay đổi dịng điện kích

thích từ It1 It2 máy cách thay đổi tốc độ quay động sơ cấp kéo

máy phát Trong thực tế vận hành, người ta thường dùng phương pháp thay đổi dịng điện kích thích để phân phối lại tải máy phát Tuy nhiên phương pháp khiến cho công suất động thay đổi lúc điều chỉnh chúng tác động làm thay đổi lượng nhiên liệu đưa vào động sơ cấp

Như muốn chuyển tải hoàn toàn từ máy phát I sang máy phát II việc tiếp tục tăng E2 giảm E1 đồng thời E1 = U lúc máy phát II hồn tồn đảm nhiệm tải (I2 = I)

có thể tách máy I khỏi lưới điện Chú ý giảm It1 nhiều E1 < U máy I làm

việc chế độ động điện tiêu thụ công suất điện lấy từ máy phát II Nếu động sơ cấp động nhiệt động thuỷ lực khơng cho phép làm việc chế độ đó, gây hư hỏng động sơ cấp Việc điều chỉnh dịng điện kích thích It1 It2 phải tiến hành chậm liên tục

thay đổi nhỏ dịng điện làm cho dịng điện I1 I2 thay đổi rât nhiều

Từ hình (1-31) ta thấy làm việc song song điều kiện lúc khơng tải s.đ.đ E kích thích từ khơng đổi, lúc có tải máy phát điện có đặc tính ngồi cứng (độ dốc nhỏ) nhận nhiều tải (trường hợp máy I) Ngược lại, máy phát điện có đặc tính ngồi mềm (độ dốc lớn) nhận tải (trường hợp máy II) Tình trạng làm việc khơng lợi, để lợi dụng tốt công suất máy cần phải đảm bảo cho đặc tính ngồi máy phát điện chiều làm việc song song biểu thị hệ đơn vị tương đối hồn tồn trùng Trong trường hợp tải luôn tự động phân phối máy phát theo tỉ lệ công suất

VÍ DỤ

Ví dụ : cho máy phát điện chiều kích thích song song 25 kW, 1800 vg/ph, Rư = 0,09 , điện áp giáng chổi than Utx = V, phản ứng phần ứng lúc tải đầy (Iư = Iđm, bỏ

qua It ) tương đương với dòng điện It = 0,05 A Đường cong từ hoá ứng với tốc độ định mức sau

It (A) 1,5

Uo(V) 134 180 209 237 256 268 279

Tính :

a.Điện trở mạch kích từ rt

b.Điện áp khơng tải (điện trở mạch kích từ giữ khơng đổi) Giải

a Khi tải đầy :

Iđm = Iư =

230 2500

= 108,7 A

Eư = U + IưRư = 230 + 108,7 0,09 +2 = 241,8 V

Từ đường cong từ hoá suy : It = 3,25 A

Tuy nhiên để khắc phục phản ứng phần ứng, tên thực tế ta phải có : I’t = 3,25 + 0,05 = 3,3 A

Vậy : rt = 69,6

3 , 230

'  

t

I U



b Điện áp lúc không tải Uo giao điểm đường thẳng Uo = rtIt = 69,6 It đặc tính khơng tải

Bằng phương pháp vẽ ta suy giao điểm ứng với It = 3,56 A Uo = 247,6 V

Ví dụ : cho máy phát điện kích thích độc lập có số liệu lúc tải đầy U = 220 V, It = 2,5

A = Cte , Iư = 10 A, n = 1000 vg/ph số vịng dây dây quấn kích thích wt = 850

Đường cong từ hoá 750 vg/ph có trị số :

It (A) 1,0 1,6 2,5 2,6 3,6 4,4

Uo(V) 78 120 150 176 180 193,5 206 225

Tính :

a Điện áp khơng tải n = 1000 vg/ph

b Số ampe-vòng khử từ phản ứng phần ứng tải đầy c Điện áp đầu cực tải 25%

Giải a Vì s.đ.đ tỉ lệ với tốc độ nên :

750 1000

) 750 (

) 1000 (



E E

E(1000) = 176 235

750 1000

 V

b Sức điện động máy phát tải đầy tốc độ 1000 vg/ph : Eư = U + IưRư = 220 + 10 0,4 = 224 V

Ở tốc độ 750 vg/ph :

E(750) = 168

1000 224

750  V

Từ đường cóng từ hố ta tìm địng điện kìch từ tương ứng It = 2,35 A

Vậy số ampe-vòng khử từ :

850.(2,5 - 2,35) = 127,5 A.vg c Khi tải 25 % phản ứng phần ứng tăng 25% tương ứng :

It = (2,5 – 2,35).1,25 = 0,1875 A

Dịng điện kích thích có hiệu :

It = 2,5 - 0,1875 = 2,315 A

Từ đường cong từ hoá suy E(750) = 165 V

Do :

E(1000) = 220

750 165

1000  V

Điện áp đầu cực :

U = E – IưRư = 220 – (10.1,25).0,4 = 215 V

CÂU HỎI :

1 Khi lấy đặc tính khơng tải, q trình tăng điện áp, có nên giảm dịng đệin kích từ tăng tiếp tục không ? Tại sao?

2 Với điện trở nhỏ điện trở tới hạn rt(th) n < nđm qúa trình tự kích thích

máy phát điện kích thích song song, điện áp đầu cực máy Trong trường hợp máy tự kích ?

3 Giải thích đặc tính suy từ tam giác đặc tính khác đặc tính có từ thí nghiệm trực tiếp có dạng đường nét đứt hình vẽ ?

4 Tìm nguyên nhân khiến máy phát điện kích thích song song khơng tự kích tạo điện áp ?

5 Nếu máy phát đệin kích thích song song khơng tự kích thích từ dư giải để tạo điện áp

6 Khi tải chung khơng đổi tăng kích thích máy phát điện I mà khơng giảm kích thích máy phát điện II làm việc song song với máy phát điện I tải phân phối lại máy ? Điện áp lưới lúc ?

BÀI TẬP

1 Cho máy phát điện chiều có Pđm = 215 kW, Uđm = 115 V n = 450 vg/ph Điện trở

dây quấn phần ứng cực từ phụ 0,002  , 2Utx 2 V Các số liệu đặc tính khơng tải đặc tính ngằn mạch sau :

It (A) 10 15 20 25 30 35

Uo(V) 49 87 108 119,3 125,2 129,5 135

It (A)

Inm(A) Iđm

a Vẽ tam giác ngắn mạch

b Dùng kích thích ngồi cho máy đầy tải U = Uđm , I = Iđm , n = nđm Nếu bỏ tải đi, tính U% ?

c Dùng kích thích ngồi khiến cho không tải U = Uđm giữ It = Cte I = Iđm, U% bao

nhiêu ?

Đáp số : b 10 % c 18,2 % Hai máy phát điện kích thích song song có số liệu sau :

Máy Pđm (kW) Uo (V) N (vg/ph) Uđm

I 20 1000 230 210

II 15 1200 240 210

Giả sử quan hệ U = f(I) đường thẳng Tính :

a Cơng suất máy tải tổng 20kW điện áp lúc ? b Tải tổng lớn với điều kiện không máy bị tải ?

Đáp số : a P1 = P2 = 10 kW ; U = 220 V

b P35 kW

3 Cho hai máy phát điện chiều làm việc song song với tải tổng P = 100 kW Sức điện động chúng E1 = 250 V, E2 = 248 V, dịng kích từ It1 = It2 = 21 A Điện trở dây quấn phần ứng Rư =

Rư = 0,05  Hãy xác định điện áp chung công suất máy

Đáp số :U= 237,42 P1 = 45,25 kW

P2 = 54,75 kW

§ 1.4 MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Mở máy động điện chiều

Để mở máy động điện chiều tốt, phải thực yêu cầu sau:

+ Mơmen mở máy (hay khởi động) Mk phải có trị số cao có để hồn thành trình

mở máy, nghĩa đạt tốc độ quy định thời gian ngắn

+ Dòng mở máy (hay khởi động ) Ik phải hạn chế đến mức nhỏ để tránh cho dây

quấn khỏi bị cháy ảnh hưởng đến đổi chiều

Trong khuôn khổ yêu cầu trên, người ta áp dụng phương pháp mở máy sau : a Mở máy trực tiếp (U= Uđm)

b Mở máy nhờ biến trở

c Mở máy điện áp thấp (U < Uđm)

Trong tất trường hợp, mở máy phải đảm bảo có max nghĩa trước đóng động vào nguồn điện, biến trở điều chỉnh dịng điện kích thích phải vị trí ứng với trị số nhỏ để sau đóng cầu dao động kích thích tới mức tối đa theo biểu thức (1-6) mômen ứng với trị số dịng điện Iư ln ln lớn Hơn phải đảm bảo không để xảy

ra đứt mạch kích thích trường hợp 0, M = 0, động khơng quay được, Eư = theo biểu thức (1-21) dòng điện Iư lớn làm cháy vành góp dây quấn

Khi mở máy, chiều quay động điện chiều phụ thuộc vào chiều mômen Để thay đổi chiều mơmen dùng phương pháp : đổi chiều dòng điện phần ứng đổi chiều từ thơng, cụ thể dịng điện kích thích Việc thực cách trao đổi cách nối đầu dây quấn phần ứng đầu dây quấn kích thích trước lúc mở máy Vấn đề đổi chiều quay động điện lúc quay nguyên tắc thực phương pháp

Tuy nhiên, thực tế dùng phương pháp đổi chiều dịng điện phần ứng Iư dây

quấn kích thích có nhiều vịng dây hệ số tự cảm Lt lớn việc thay đổi chiều dịng điện

kích thích dẫn đến xuất s.đ.đ tự cảm cao, gây điện áp đánh thủng cách điện dây quấn kích thích

Sau ta xét phương pháp mở máy động điện chiều : Mở máy trực tiếp:

Phương pháp thực cách đóng thẳng động điện vào nguồn Như lúc rơto chưa quay s.đ.đ Eư = dịng điện qua phần ứng :

Iư =

ö ö

ö R

U R

E U

 

Vì thực tế Rư* = 0,02 0,1 nên với điện áp định mức U* = dòng điện Iư lớn

bằng (5  10) Iđm phương pháp mở máy trực tiếp áp dụng cho động điện có

cơng suất vài trăm ốt Ở cỡ máy Rư tương đối lớn mở máy Iư  (4  6) Iđm Trong

những trường hợp đặc biệt cho phép mở máy trực tiếp động có cơng suất vài kW

2 Mở máy nhờ biến trở:

Để tránh nguy hiểm cho động dịng điện mở máy q lớn, người ta dùng biến trở mở

Hình 1-32 Sơ đồ mở máy động điện chiều kích thích song song biến trở

Như q trình mở máy ta có :

ki ö

i ö

R R

E U I

 

 với “i” số ứng với thứ tự bậc điện trở

Biến trở mở máy tính cho dòng điện mở máy Ik = (1,4  1,7)Iđm động

lớn Ik = (2  2,5)Iđm động nhỏ Trước lúc mở máy tiếp điểm T nằm vị trí O

con chạy biến trở mạch kích thích vị trí b ( rđc = 0) Khi bắt đầu mở máy, gạt T vị trí

Nhờ cung đồng M, dây quấn kích thích đặt tồn điện áp từ thơng có trị số cực đại max

 

 Nếu mômen động điện sinh lớn mômen cản (M > Mc ) rôto bắt đầu quay

s.đ.đ tăng tỉ lệ với tốc độ quay n Do xuất tăng lên E, dòng điện phần ứng Iư

giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm (hình 1-33)

Hình 1-33 Các quan hệ I, M n thời gian mở máy động

Khi Iư giảm đến trị số (1,1  1,3)Iđm ta gạt T đến vị trí Vì bậc điện trở bị loại trừ, Iư lập

tức tăng đến giới hạn kéo theo M, n, E tăng Sau I, M lại giảm theo quy luật Lần lượt chuyển T đến vị trí 3, 4, Q trình lặp lại máy đạt đến tốc độ n = nđm

thì Rk loại trừ hồn tồn động làm việc với toàn điện áp

Sự biến thiên M, I, n trình mở máy trình bày hình (1-33) cho thấy loại bậc điện trở, I M tăng với số thời gian Tư 0 hệ số tự cảm phần ứng bé

Trái lại giảm dần I M xảy chậm chạp phụ thuộc vào tăng s.đ.đ E hay tốc độ n, nghĩa phụ thuộc vào số thời gian Tcơ lớn khối quay

Số bậc điện trở mở máy điện trở bậc thiết kế cho dòng điện mở máy cực đại cực tiểu bậc để đảm bảo cho trình mở máy tốt

3 Mở máy điện áp thấp (Uk < Uđm)

Phương pháp đòi hỏi phải dùng nguồn điện độc lập điều chỉnh điện áp để cung cấp cho phần ứng động cơ, mạch kích thích phải đặt điện áp U = Uđm nguồn khác

Đây phương pháp thường dùng việc mở máy động điện công suất lớn để ngồi cịn kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp

II Điều chỉnh tốc độ động điện chiều

Từ biểu thức E = Cen => n =

  

 e

ö ö

e C

R I U C

E

(1-27)

mà M = CM Iư nên ta có :

n = 2

 

 M e

ö

e C C

M R C

U

(1-28)

Từ biểu thức (1-28) ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động điện chiều thực cách thay đổi , Rư U

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi  áp dụng tương đối phổ biến, thay đổi tốc độ liên tục kinh tế Trong trình điều chỉnh hiệu suất  = Cte điều chỉnh dựa việc tác dụng lên mạch kích thích có cơng suất nhỏ so với cơng suất động Chú ý bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa ( = max ) nên

có thể điểu chỉnh theo chiều hướng giảm , tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế điều kiện khí đổi chiều máy

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng Rư

chỉ 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 điện Vì phương pháp áp dụng động điện có cơng suất nhỏ thực tế thường dùng động điện cần trục

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp cho phép điều chỉnh tốc độ quay tốc độ định mức khơng thể nâng cao điện áp điện áp định mức động điện Phương pháp không gây thêm tổn hao động điện địi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh

Sau ta xét đặc tính cách điều chỉnh tốc độ loại động điện: Động điện kích thích song song kích thích độc lập:

Với điều kiện U = Cte , It = Cte M (hoặc Iư) thay đổi, từ thông  động điện

hầu khơng đổi, thực ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông phản ứng ngang trục phần ứng nhỏ biểu thức (1-28) viết dạng :

k M R n

n ö

o



 (1-29)

Và đặc tính động điện kích thích song song đường thẳng hình (1- 34) Đường đặc tính ứng với trường hợp mạch phần ứng khơng có điện trở phụ gọi đặc tính tự nhiên

Hình 1- 34 Đặc tính (và đặc tính tốc độ) tự nhiên động điện chiều kích thích song song

Do Rư nhỏ nên tải thay đổi từ thông đến định mức, tốc độ giảm (khoảng  3% tốc

độ định mức ) đặc tính tự nhiên động điện kích thích song song cứng Với đặc tính vậy, động điện kích thích song song dùng trường hợp tốc độ không đổi tải thay đổi (máy cắt kim loại )

a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông :

Nếu tăng điện trở rđc mạch kích thích từ (hình 1-32) ứng với trị số khác điện

3 kích thích ta có đặc tính tương ứng hình (1-35)

Hình 1-35 Đặc tính (và đặc tính tốc độ) động điện chiều kích thích song song với dịng điện kích thích khác

Các đường có no lớn nođm có độ nghiêng khác , giao trục hoành

điển ứng với dòng điện lớn I =

ö R U

theo điều kiện n = biểu thức (1-29) (1-27)

Đường thấp hình ứng với từ thơng đm Giao điểm đường mơmen cản tải Mc = f(n) với đường cho biết tốc độ xác lập ứng với trị số khác từ thông

Do điều kiện đổi chiều, động thông dụng điều chỉnh tốc độ quay phương pháp giới hạn : Cũng sản xuất động giới hạn điều chỉnh : chí đến : phải dùng phương pháp khống chế đặc biệt Do cấu tạo cơng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành máy tăng lên

b Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng:

Nếu nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng biểu thức (1-29) trở thành :

 

k M R R n

n o  ö  f (1-30)

Hình (1- 36) trình bày đặc tính ứng với trị số khác Rf, ứng với Rf =

đặc tính tự nhiên

Hình 1-36 Đặc tính (và đặc tính tốc độ) động điện chiều kích thích song song điện trở phụ khác

Nếu Rf lớn đặc tính có độ dốc cao mềm hơn, nghĩa tốc độ

thay đổi nhiều tải thay đổi Cũng trên, giao điểm đường với đường Mo = f(n)

cho biết trị số tốc độ xác lập điều chỉnh tốc độ thay đổi điện trở phụ Rf

c Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp:

Phương pháp áp dụng động điện chiều kích thích độc lập động điện kích thích song song làm việc chế độ kích thích độc lập Việc cung cấp điện áp điều chỉnh cho động từ nguồn độc lập thực kĩ thuật cách ghép thành tổ máy phát - động có sơ đồ nguyên lý trình bày hình 1-37

Hình 1-37 Sơ đồ tổ máy phát - động dùng điều chỉnh tốc độ

Khi thay đổi U ta có họ đặc tính có độ dốc (hình 1-38) : đường ứng với U đm,

đường 2, ứng với U đm > U2 > U3 đường ứng với U4 > U đm

Hình 1-38 Đặc tính (và đặc tính tốc độ) động điện chiều kích thích độc lập điện áp phần ứng khác

Nói chung khơng cho phép vượt điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức không áp dụng thực phạm vi hẹp Đặc điểm phương pháp lúc điều chỉnh tốc độ, mơmen khơng đổi  I không đổi Sở dĩ I khơng đổi

là giảm U, tốc độ n giảm làm E giảm, nên :

te

ö

ö C

R E U

I   

Ngày nay, tổ máy phát- động thường dùng máy cắt kim loại máy cán thép lớn để đưa tốc độ động với hiệu suất cao giới hạn rộng 1:10

2 Động điện chiều kích thích nối tiếp:

Ở động điện chiều kích thích nối tiếp, dịng điện kích thích dịng điện phần ứng It = I = I Vì phạm vi rộng biểu thị :

 = kI (1-31)

Trong k hệ số tỉ lệ, số vùng I < 0,8 I đm , I > (0,8  0,9)I đm giảm

xuống ảnh hưởng bão hoà mạch từ Biểu thức mơmen có dạng :



k C I C

M M ö M

2

  

 (1-32) Kết hợp với biểu thức (1-28) ta có :



k C

R M k C

U C n

e ö

e M

 

(1-33)

Nếu bỏ qua R :

M U

n  hay 2

2 n C

M  (1-34)

Như mạch từ chưa bão hồ đặc tính động điện chiều kích thích nối tiếp có dạng đường hypecbơn bậc hai hình 1-39 (đường )

Hình 1-39 Đặc tính động điện chiều kích thích nối tiếp trường hợp điều chỉnh tốc độ khác

Ta thấy rằmg động điện chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm nhanh M tăng tải (I = 0, M = 0) có trị số lớn Do khơng cho loại động điện làm việc điều kiện xảy tải dùng đai truyền, xảy đứt trượt đai truyền tốc độ quay tăng lên cao Thông thường cho phép động làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2  0,25)P đm

Trên thực tế ảnh hưởng bão hoà tải tăng, tốc độ động giảm theo đường nét đứt (hình 1-39)

Với đặc tính mềm vậy, động đệin kích thích nối tiếp ưu việt nơi cần điều kiện mở máy nặng nề cần tốc độ thay đổi vùng rộng đầu máy kéo tải (xe điện, đầu máy điện )

a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông

Từ thông động kích thích nối tiếp thay đổi biện pháp sau : mắc sun dây quấn kích thích điện trở, thay đổi số vịng dây dây quấn kích thích, mắc sun dây quấn phần ứng, theo sơ đồ hình (1-40)

Hình 1- 40 Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích thích nội tiếp

Hai biện pháp đầu dẫn đến kết Nếu dịng điện kích thích lúc đầu It = I

dịng điện kích thích sau áp dụng biện pháp giảm xuống It = kI, k hệ số

giảm :



st t

st R R

R k



 < mắc sun dây quấn kích thích Rst điện trở sun



t t w w k

'

 < thay đổi số vịng dây dây quấn kích thích

Như cơng thức (1-33) hệ số k thay k.k Rõ ràng với phương pháp điều chỉnh ñm tốc độ thay đổi vùng

trên định mức đường đặc tính nằm phía đặc tính tự nhiên (đường hình 1-39) Nếu dùng biện pháp thứ ba, mắc sun phần ứng, điện trở tổng tồn mạch bé đi, dòng điện I = It  tăng lên tốc độ quay giảm xuống Như phương pháp điều chỉnh

tốc độ vùng định mức đường đặc tính tương ứng nằm phía đặc tính tự nhiên (đường hình 1-39) Vì Rt bé nên Rs.ư đặt toàn điện áp mạng điện

cho nên tổn hao lớn hiệu suất động giảm nhiều Mặt khác hiệu điều chỉnh tốc độ cách tăng từ thơng  cịn bị hạn chế bão hồ mạch từ nên phương pháp sử dụng

b Điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở vào mạch phần ứng:

Sơ đồ hình 1-40 điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức kèm theo tổn hao điện trở phụ làm giảm hiệu suất động nên ứng dụng Đặc tính ứng với trường hợp trình bày hình 1-39 ( đuờng )

c Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức khơng cho phép tăng điện áp định mức lại giữ hiệu suất cao không gây thêm tổn hao điều chỉnh Phương pháp áp dụng rộng rãi giao thông vận tải thực cách đổi nối song song thành nối tiếp hai động Như làm việc song song, động làm việc điện áp U =

2

U đm Đặc tính động điện trường hợp có dạng đường

hình (1-39)

3 Động điện chiều kích thích hỗn hợp:

Động điện chiều kích thích hỗn hợp chế tạo cho tác dụng dây quấn kích thích song song nối tiếp bù ngược Trên thực tế , người ta sử dụng loại động điện kích thích hỗn hợp bù động điện kích thích hỗn hợp ngược không đảm bảo điều kiện làm việc ổn định Động điện kích thích hỗn hợp bù có đặc tính mang tính chất trung

gian hai loại động kích thích song song kích thích nối tiếp Khi tải tăng từ thơng  tăng, đặc tính động điện kích thích hỗn hợp bù mềm so với đặc tính động điện kích thích song song Tuy nhiên mức độ tăng của khơng mạnh động điện kích thích nối tiếp, đặc tính động điện kích thích hỗn hợp bù cứng so với đặc tính động điện kích thích nối tiếp

Để tiện so sánh, đặc tính loại động điện nói trình bày hình (1-41)

Hình 1-41 Đặc tính động điện chiều kích thích hỗn hợp so sánh với loại động điện chiều khác

Đường : kích thích hỗn hợp bù Đường : kích thích hỗn hợp ngược Đường : kích thích song song Đường : kích thích nối tiếp

Tốc độ động điện chiều kích thích hỗn hợp điều chỉnh trường hợp động kích thích song song, nguyên tắc áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động điện kích thích nối tiếp

Động điện chiều kích thích hỗn hợp dùng nơi cần điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quay mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải vùng rộng máy ép, máy bào, máy nâng tài Thời gian gần đây, động kích thích hỗn hợp cịn dùng giao thơng vận tải có ưu điểm so với động kích thích nối tiếp chỗ dễ hãm chế độ phát điện trả lượng lưới điện

VÍ DỤ :

Cho máy phát điện kích thích song song có P đm =27 kW, U đm = 115 V,

n đm = 1150 vg/ph, It = A, hiệu suất ñm = 86 % Điện trở mạch phần ứng Rư = 0,02 ,

2Utx= V

a Nếu đem dùng động điện (bỏ qua tác dụng phản ứng phần ứng ) với Uđm = 110 V,

Pđm = 25kW,  = 0,86, tính tốc độ n ?

b Sự biến đổi tốc độ tải đầy đến không tải

Giải a Khi làm việc máy phát điện :

EF = U + Iư(F)Rư + 2Utx

với : Iư(F) = t ñm ñm I U

P

 = 240

115 27000



 A

=> EF = 115 + 240.0,02 + = 121,8 V

Khi làm việc động điện :

EĐ = U - Iư(Đ)Rư - 2Utx với : Iư(Đ) = t

ñm ñm I U P



 = 115 259,3

110 110 86 , 25000   A

=> EĐ = 110 – 259,3.0,02 – = 102,3 V

Vì : , 121 , 102     F F e Ñ Ñ e F Ñ n C n C E E Và giả thiết :

5 ,     tF tĐ F Đ I I

Ta có : 1030 , , 121 , 102 1150   Ñ

n vg/ph

b Khi động làm việc không tải : I ưĐ  nên EoĐ = U = 110 V = CeĐnoĐ ta viết :

3 , 102 110   Ñ OÑ Ñ OÑ n n E E

=> 1105

3 , 102 110 1030 , 102 110    Ñ OÑ n

n vg/ph

CÂU HỎI :

Điều kiện làm việc ổn định động điện So sánh loại động điện phương diện ?

2.Phân loại động điện chiều ?

So sánh đặc tính động điện chiều ?

Hiện tượg xảy mở máy động kích thích song song trường hợp mạch kích thích bị đứt Cũng trường hợp điện trở điều chỉnh mặt kích thích rđc lớn ?

Nếu chổi điện đặt khơng vị trí mà bị xê dịch ngược chiều quay roto tốc độ động điện ?

BÀI TẬP

1.Cho động điện kích thích song song với số liệu sau : Pđm =95 kW, U đm = 220 V,

Iđm = 470 A, Itđm = 4,25 A, Rư = 0,025 , nđm = 500 vg/ph

Hãy tính :

a Hiệu suất động

b Tổn hao đồng máy, tổn hao khơng tải dịng điện khơng tải c Mơmen động

d Trị số dòng điện tải để hiệu suất cực đại

e Điện trở điều chỉnh Rf cần thiết để động quay với n = nđm, Iư = Iưđm từ thông giảm 40%

f Điện trở Rf để có n = nđm, Iư = 0,85 Iđm từ thông giảm 25%

Đáp số : a 91,8 % b P = 5,42 kW

Po = 2,04 kW, Io = 13,5 A

c M = 1814 N.m d I’ = 349 A e Rf = 0,18 

f R’f = 0,136 

Cho động điện kích thích song song Pđm =17 kW, U đm = 220 V, nđm = 1150 vg/ph , Rư =

0,1 , Mđt = 12 kG.m Hãy tính :

a Cơng suất điện từ Pđt dòng Iư

b Điện trờ điều chỉnh Rđc mắc mạch phần ứng để động quay với tốc độ 500 vg/pt

mômen tải không đổi (bỏ qua phản ứng phần ứng)

Đáp số : a Pđt = 14,15 kW , Iư = 66,3 A

b Rđc = 1,82 

CHƯƠNG II: MÁY BIẾN ÁP

§ 2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Đểdẫn điện từ trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 2-1) Nếu khoảng cách nơi sản xuất điện hộ tiêu thụ, vấn đề lớn đặt cần giải việc truyền tải điện xa cho kinh tế

Hình 2-1 Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản

Như biết, công suất truyền tải đường dây, điện áp tăng cao dịng điện chạy đường dây giảm xuống, làm tiết diện dây nhỏ đi, trọng lượng chi phí dây dẫn giảm xuống Vì muốn truyền tải cơng suất lớn xa, tổn hao cao, thường 35, 110, 220 500 kV Trên thực tế, máy phát điện có khả phát điện áp cao vậy, thường từ đến 21 kV, phải có thiết bị để tăng điện áp đầu đường dây lên Mặt khác hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4 đến kV, tới phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng điện áp đầu máy phát điện, tức đầu đường dây dẫn điện giảm điện áp tới hộ tiêu thụ, tức cuối đường dây dẫn điện gọi máy biến áp Thực hệ thống điện lực, muốn truyền tải phân phối công suất từ nhà máy điện đến tận hộ tiêu thụ cách hợp lí, thường phải qua ba pha, bốn lần tăng giảm điện áp Do tổng cơng suất máy biến áp hệ thống điện lực thường gấp ba, bốn lần công suất trạm phát điện Những máy biến áp dùng hệ thống điện lực gọi máy biến áp điện lực hay máy biến áp cơng suất Từ ta thấy rõ, máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải phân phối lượng khơng chuyển hóa lượng

Ngồi máy biến áp điện lực cịn có nhiều loại máy biến áp dòng ngành chuyên mơn như: máy biến áp chun dùng cho lị điện luyện kim; máy biến áp hàn điện; máy biến áp dùng cho thiết bị chỉnh lưu; máy biến áp dùng cho đo lường; thí nghiệm…

Khuynh hướng phát triển máy biến áp điện lực thiết kế chế tạo máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu để giảm trọng lượng kích thước máy Về vật liệu dùng loại thép cán lạnh khơng có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại thấp, nâng cao hiệu suất máy biến áp Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm đồng, vừa giảm trọng lượng máy phát triển

Ở nước ta, ngành chế tạo máy biến áp đời từ ngày hịa bình lập lại Đến sản suất khối lượng lớn máy biến áp, với nhiều chủng loại khác phục vụ cho nhiều ngành sản xuất nước xuất Hiện ta sản xuất máy biến áp dung lượng 63000 kVA với điện áp 110kV

I Định nghĩa máy biến áp:

Máy biến áp thiết bị điện từ đứng yên, làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác, với tần số không thay đổi

Máy biến áp có hai dây quấn gọi máy biến áp hai dây quấn Dây quấn nối với dòng điện để thu lượng vào gọi dây quấn sơ cấp Dây quấn nối với tải để đưa lượng gọi dây quấn thứ cấp Dịng điện, điện áp, cơng suất dây quấn có kèm theo tên gọi sơ cấp thứ cấp tương ứng, ví dụ dịng điện sơ cấp I1, điện áp thứ cấp U2, … dây quấn có điện áp cao gọi dây quấn

cao áp ( viết tắt HA) Nếu điện áp thứ cấp bé điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp điện áp thứ cấp lớn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp

Ở máy biến áp ba dây quấn, ngồi hai dây quấn sơ cấp thứ cấp cịn có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình ( viết tắt l TA ) Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều pha gọi máy biến áp pha; máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi máy biến áp ba pha Máy biến áp ngâm dầu gọi máy biến áp dầu; máy biến áp không ngâm dầu gọi máy biến áp khô

II Cấu tạo máy biến áp:

Máy biến áp có phận sau đây: Lõi thép, dây quấn vỏ máy Lõi thép:

Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn Theo hình dạng lõi thép, người ta chia ra:

- Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ ( hình 2-2 ): Dây quấn bao quanh trụ thép Loại thông dụng cho máy biến áp pha ba pha có dung lượng nhỏ trung bình

Hình 2-2 Máy biến áp kiểu lõi

a) Một pha, b) Ba pha

- Máy biến áp kiểu bọc ( hình 2-3 ): Mạch từ phân nhánh hai bên bọc lấy phần dây quấn Loại thường dùng vài ngành chuyên môn đặc biệt máy biến áp dùng lò điện luyện kim hay máy biến áp pha công suất nhỏ dùng kĩ thuật vô tuyến điện, truyền thanh…

Ởcác máy biến áp đại, dung lượng lớn cực lớn ( 80 – 100 MVA pha), điện áp thật cao ( 220 – 400 kV ), để giảm chiều cao trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển đường, mạch từ máy biến áp kiểu trụ phân nhánh sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu tru, vừa kiểu bọc gọi máy biến áp kiểu trụ – bọc Hình ( – ) trình bày kiểu máy biến áp trụ – bọc ba pha ( trường hợp có dây quấn ba pha, có năm trụ thép nên gọi máy biến áp ba pha năm trụ )

Hình 2-4 Máy biến áp kiểu trụ bọc

a) Một pha, b) Ba pha

Lõi thép máy biến áp gồm có hai phần: phần trụ kí hiệu chữ T phần gơng kí hiệu chữ G ( hình 2-2 ) Trụ phần lõi thép có quấn dây quấn; gơng phần lõi thép nối trụ lại với thành mạch từ kín khơng có dây quấn Đối với máy biến áp kiểu bọc (hình 2-3 ) kiểu trụ bọc ( hình 2- ), hai trụ thép phía ngồi thuộc gơng Để giảm tổn hao dịng điện xóay gây nên, lõi thép ghép từ thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm có phủ sơn cách điện bề mặt Trụ gơng ghép với phương pháp ghép nối ghép xen kẽ Ghép nối trụ gơng ghép riêng, sau dùng xà ép bulơng vít chặt lại hình (2-5)

Ghép xen kẽ tồn lõi thép phải ghép đồng thời lớp thép xếp xen kẽ với theo trình tự a, b hình (2-6)

Hình 2-6 Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp ba pha

Sau ghép lõi thép vít chặt xà ép bulông Phương pháp sau phức tạp song giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên bền phương diện học Vì hầu hết máy biến áp dùng kiểu ghép

Do dây quấn thường quấn thành hình trịn, nên tiết diện ngang trụ thép thường làm thành hình bậc thang gần trịn ( hình 2-7 )

Hình 2-7 Tiết diện trụ thép

Gơng từ khơng quấn dây, đề thuận tiện cho việc chế tạo, tiết diện ngang gơng làm đơn giản: Hình vng, hình chữ thập hình chữ T ( hình 2-8 ) Tuy nhiên, hầu hết máy biến áp điện lực, người ta hay dùng tiết diện gông hình bậc thang có số bậc gần số bậc cúa tiết diện trụ

Hình 2-8 Các dạng tiết diện gông từ lõi thép

Vì lý an tồn, tồn lõi thép nối đất với vỏ máy vỏ máy phải nối đất

Đối với tôn silic cán nguội dị hướng, để từ thông theo chiều cán chiều có từ dẫn lớn, thép ghép từ tơn có cắt chéo góc định, thí dụ hình (2-9)

Hình 2-9 Ghép xen kẽ tôn cán nguội máy biến áp ba pha

- Cách ghép lõi thép tơn hình (2-6) (2-9) sử dụng chiều dày tôn khỏang từ 0,20 đến 0,35 mm Khi chiều dày tôn nhỏ 0,20 mm người ta dùng công nghệ mạch từ quấn tơn vơ định hình dày 0,10 mm Việc quấn dải tơn có bề rộng khác với độ dày thích đáng cho phép thực mạch từ có tiết diện ngang, có nhiều bậc nội tiếp vịng trịn Khi cơng suất nhỏ trung bình số bậc từ đến 9; công suất lớn số bậc từ 10 đến 13

2 Dây quấn:

Dây quấn phận dẫn điện máy biến áp, làm nhiệm vụ thu lượng vào truyền lượng Kim loại làm dây quấn thường đồng, nhôm không phổ biến Theo cách xếp dây quấn CA HA, người ta chia hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm dây quấn xen kẽ

a Dây quấn đồng tâm:

Ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang vòng tròn đồng tâm Dây quấn HA thường quấn phía gần trụ thép, cịn dây quấn CA qn phía ngồi bọc lấy dây quấn HA ( hình 2-2 ) Với cách quấn giảm bớt điều kiện cách điện dây quấn CA ( kích thước rãnh dầu cách điện, vật liệu cách điện dây quấn CA ), dây quấn CA trụ có cách điện thân dây quấn HA

a) b)

Hình 2-10 Dây quấn hình trụ

a) Dây tròn nhiều lớp, b) Dây bẹt hai lớp

Những kiểu dây quấn đồng tâm bao gồm:

Dây quấn hình trụ: Nếu tiết diện dây nhỏ dùng dây trịn, quấn thành nhiều lớp ( hình 2-10b ); tiết diện dây lớn dùng dây bẹt thường quấn thành hai lớp

( hình 2-10a ) Dây quấn hình trụ dây trịn thường làm dây quấn CA, điện áp tới 35 kV; dây quấn hình trụ dây bẹt chủ yếu làm dây quấn HA với điện áp từ kV trở xuống Nói chung dây quấn hình trụ thường dùng cho máy biến áp dung lượng 630 kVA trở xuống

Dây quấn hình xoắn: Gồm nhiều dây bẹt chập lại quấn theo đường xoắn ốc, vịng dây có rãnh hở ( hình 2-11 ) Kiểu thường dùng cho dây quấn HA máy biến áp dung lượng trung bình lớn

Hình 2-11 Dây quấn hình xoắn

Dây quấn xóay ốc liên tục: Làm dây bẹt khác với dây quấn hình xoắn chỗ dây quấn quấn thành bánh dây phẳng cách rãnh hở ( hình 2-12 ) Bằng cách hoán vị đặc biệt quấn, bánh dây nối tiếp cách liên tục mà khơng cần mối hàn chúng, mà gọi dây quấn xóay ốc liên tục Dây quấn chủ yếu dùng cuộn CA, điện áp 25 kV trở lên dung lượng lớn

Hình 2-12 Dây quấn xoáy ốc liên tục

b Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây CA HA xen kẽ dọc theo trụ thép ( hình 2-13) Cần ý rằng, để cách điện dễ dàng, bánh dây sát gông thường thuộc dây quấn HA Kiểu dây quấn hay dùng máy biến áp kiểu bọc Vì chế tạo cách điện khó khăn, vững học nên máy biến áp kiểu trụ không dùng kiểu dây quấn xen kẽ

Hình 2-13 Dây quấn xen kẽ

1 Dây quấn hạ áp ; Dây quấn cao áp

3 Vỏ máy:

Vỏ máy gồm hai phận: thùng nắp thùng

a Thùng máy biến áp: Thùng máy làm thép, thường hình bầu dục Lúc máy biến áp làm việc, phần lượng bị tiêu hao thóat dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn phận khác, làm cho nhiệt độ chúng tăng lên Do máy biến áp mơi trường xung quanh có hiệu số nhiệt độ gọi nhiệt độ chênh Nếu nhiệt độ chênh vượt mức qui định làm giảm tuổi thọ cách điện gây cố máy biến áp

Đểbảo đảm cho máy biến áp vận hành với tải liên tục thời gian qui định ( thường 15 đến 20 năm ) không bị cố, phải tăng cường làm lạnh cách ngâm máy biến áp thùng dầu Nhờ đối lưu dầu, nhiệt truyền từ phận bên máy biến áp sang dầu, từ dầu qua vách thùng môi trường xung quanh Lớp dầu sát vách thùng nguội dần chuyển động xuống phía

dưới lại tiếp tục làm nguội cách tuần hoàn phận bên máy biến áp Mặt khác, dầu máy biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện

Tùy theo dung lượng máy biến áp mà hình dáng kết cấu thùng dầu có khác Loại thùng dầu đơn giản loại thùng dầu phẳng thường dùng cho máy biến áp có dung lượng từ 30 kVA trở xuống Đối với máy biến áp cỡ trung bình lớn người ta hay dùng loại thùng dầu có ống ( hình 2-14 )

Hình 2-14 Thùng dầu kiểu ống

Ở máy biến áp có dung lượng đến 10000 kVA, người ta dùng tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cường làm lạnh ( hình 2-15 ) Ơ máy biến áp dùng trạm thủy điện, dầu bơm qua hệ thống ống nước để tăng cường làm lạnh

Hình 2-15 Bộ tản nhiệt có quạt gió

b Nắp thùng: Nắp thùng dùng để đậy thùng đặt chi tiết máy quan trọng như: - Các sứ dây quấn HA CA: Làm nhiệm vụ cách điện dẫn với vỏ máy Tùy theo điện áp máy biến áp mà người ta dùng sứ cách điện thường có dầu Hình (2-16) vẽ sứ 35 kV có chứa dầu Điện áp cao kích thước trọng lượng sứ lớn

Hình 2-16 Sứ cách điện có dầu

Bình giãn dầu: Là thùng hình trụ thép đặt nắp nối với thùng ống dẫn dầu ( hình 2-17 )

Hình 2-17 Bình giãn dầu (1) ống bảo hiểm (2)

Để bảo đảm thùng dầu luôn đầy, phải trì dầu mức định Dầu thùng máy biến áp thơng qua bình giãn dầu giãn nở tự Ống mức dầu bên cạnh bình giãn dầu dùng để theo dõi mức dầu bên

Ống bảo hiểm: làm thép, thường hình trụ nghiêng, đầu nối với thùng, đầu bịt đĩa thủy tinh Nếu lý đó, áp suất thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh vỡ, dầu theo ngồi để máy biến áp khơng bị hư hỏng

Ngồi nắp cịn đặt phận truyền động đổi nối đầu điều chỉnh điện áp dây quấn CA

Hình 2-18 Máy biến áp dầu ba pha

1 thép dẫn từ; má sắt ép gông; dây quấn điện áp thấp (HA); dây quấn điện áp cao (CA); ống dẫn dây CA; ống dẫn dây HA; cầu dao đổi nối đầu phân nhánh để điều chỉnh điện áp dây quấn CA; phận truyền động cầu dao đổi nối; sứ của CA; 10 sứ HA; 11 thùng dầu kiểu ống; 12 ống nhập dầu; 13 quai để nâng ruột máy ra; 14 mặt bích để nối với bơm chân khơng; 15 ống có màng bảo hiểm; 16 rơle hơi; 17 bình giãn dầu; 18 giá đỡ góc đáy thùng dầu; 19 bulơng dọc để bắt chặt má sắt ép gông; 20 bánh xe lăn; 21 ống xả dầu

III Nguyên lý làm việc máy biến áp: Ta xét nguyên lý làm việc máy biến áp vẽ hình 2-19 Đây máy biến áp

pha hai dây quấn Dây quấn có w1 vịng dây dây quấn có w2 vòng dây quấn lõi thép

3 Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1, có dịng điện i1 Trong lõi thép

sinh từ thơng móc vịng với hai dây quấn 2, cảm ứng sức điện động e1 e2 Dây

quấn có sức điện động sinh dịng điện i2 đưa tải với điện áp u2 Như lượng

dòng điện xoay chiều truyền từ dây quấn sang dây quấn

Hình 2-19 Nguyên lý làm việc máy biến áp

Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào hàm số sin, từ thơng sinh hàm số hình sin:

msint ( 2-1)

Do theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng dây quấn là:

) sin( cos sin 1 1               

 w t E t

dt t d w dt d w

e m m ( 2-2a)

) sin( cos sin 2 2               

 w t E t

dt t d w dt d w

e m m ( 2-2b)

Trong đó:

E  wm  fwm  fwm

1

1

1 4,44

2 2   ( 2-3a)

m m m

fw fw

w

E2  2  2 4,44 2

2 2   ( 2-3b)

là giá trị hiệu dụng sức điện động dây quấn

Các biểu thức ( 2-2a, b ) cho thấy sức điện động cảm ứng dây quấn chậm pha với từ thơng sinh góc

2



Dựa vào biểu thức ( 2-3a, b ), người ta định nghĩa tỷ số biến đổi máy biến áp sau:

2 w w E E

k   ( 2- 4)

Nếu không kể điện áp rơi dây quấn coi U1  E1;U2  E2, k xem tỷ số điện áp dây quấn 2:

2 U U E E

k  ( 2-5)

IV Các lượng định mức:

Các lượng định mức máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật máy Các lượng nhà máy chế tạo qui định thường ghi nhãn máy biến áp

Dung lượng hay công suất định mức ( Sđm): Là cơng suất tịan phần ( hay biểu kiến ) đưa

ra dây quấn thứ cấp máy biến áp, tính kilơvơn – ampe ( kVA ) hay vôn – ampe ( VA ) Điện áp dây sơ cấp định mức ( U1đm ): Là điện áp dây quấn sơ cấp tính kilơvơn (

kV ) hay vôn ( V ) Nếu dây quấn sơ cấp có đầu phân nhánh người ta ghi điện áp định mức đầu phân nhánh

3 Điện áp dây thứ cấp định mức ( U2đm ): Là điện áp dây dây quấn38

thứ cấp máy biến áp không tải điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp định mức, tính kV hay V

4 Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm thứ cấp I2đm : Là dòng điện dây dây

quấn sơ cấp thứ cấp ứng với cơng suất điện áp định mức, tính ampe (A) hay kilơampe ( kA ) Có thể tính dòng điện sau:

Đối với máy biến áp pha:

ñm ñm ñm

U S I

1

1  ( 2- )

đm đm đm

U S I

2

2  ( 2-7 ) Đối với máy biến áp ba pha:

đm đm đm

U S I

1

3

 ( 2-8 )

đm đm đm

U S I

2

3

 ( 2- )

5 Tần số định mức ( fđm ) tính Hz Thường máy biến áp điện lực có tần số cơng

nghiệp 50 Hz

Ngồi nhãn máy biến áp ghi số liệu khác như: số pha m; sơ đồ tổ nối dây quấn; điện áp ngắn mạch un%; chế độ làm việc ( dài hạn hay ngắn hạn ); phương pháp làm lạnh

Sau nên hiểu rằng, khái niệm định mức cịn bao gồm nhữnhg tình trạng làm việc định mức máy biến áp, mà không ghi nhãn máy như: hiệu suất định mức, độ chênh nhiệt định mức, nhiệt độ định mức môi trường xung quanh

V Các loại máy biến áp chính:

Theo cơng dụng , máy biến áp gồm loại sau đây:

1 Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải phân phối công suất hệ thống điện lực

2 Máy biến áp chuyên dùng dùng cho lò luyện kim, cho thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện, …

3 Máy biến áp tự ngẫu biến đổi điện áp phạm vi không lớn, dùng để mở máy động điện xoay chiều

4 Máy biến áp đo lường dùng để giảm điện áp dòng điện lớn đưa vào đồng hồ đo Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

Máy biến áp có nhiều, song thực chất tượng xảy chúng giống Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau chủ yếu xét đến máy biến áp điện lực hai dây quấn pha ba pha

CÂU HỎI :

1 Máy biến áp ? Vai trị máy biến áp hệ thống điện lực ? Kết cấu máy biến áp ? Tác dụng phận máy biến áp ?

2 Trên máy biến áp thường ghi lượng định mức nào? Ý nghĩa lượng định mức Ví dụ: Sđm biểu thị cơng suất gì, phía ? U2đm điện áp ứng với tình trạng máy biến áp

Hãy tính dịng điện định mức máy biến áp ba pha biết số liệu sau đây: Sđm = 100 kVA, U1đm/U2đm = 6000/230 V

Đáp số: I1đm = 9,62 A, I2đm = 251 A

§ 2.2 TỔ NỐI DÂY VÀ MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Đểmáy biến áp ba pha làm việc được, dây quấn pha sơ cấp thứ cấp phải nối với theo qui luật định Ngoài ra, phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp hình thành tổ nối dây khác

Hơn thiết kế, việc định dùng tổ nối dây quấn phải thích ứng với kiểu kết cấu mạch từ để tránh tượng không tốt như: Sức điện động pha không sin, tổn hao phụ tăng, …

Trong chương ta xét loại tổ nối dây mạch từ, đồng thời xét tượng xảy từ hóa lõi thép nêu lên cách tính tốn mạch từ máy biến áp

I Tổ nối dây máy biến áp:

Trước nghiên cứu tổ nối dây máy biến áp, ta xét kí hiệu đầu dây cách đấu dây quấn pha với

Hình 2-20 Cách qui ước đầu đầu đầu cuối dây quấn ba pha

1 Cách ký hiệu đầu dây:

Các đầu tận máy biến áp, đầu gọi đầu đầu, đầu gọi đầu cuối Đối với dây quấn pha tùy ý chọn đầu đầu đầu cuối Đối với dây quấn ba pha, đầu đầu đầu cuối phải chọn cách thống nhất: Giả sử dây quấn pha A chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ ( hình 2-20a ) dây quấn pha B, C lại phải chọn ( hình 2-20b c ) Điều cần thiết, pha dây quấn ký hiệu ngược điện áp dây lấy tính đối xứng ( hình 2-21 )

Hình 2-21 Điện áp dây không đối xứng lúc ký hiệu ngược hay đấu ngược pha

Để đơn giản thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu đầu tận lên sơ đồ ký hiệu dây quấn máy biến áp với quy ước sau đây:

Các đầu tận

Dây quấn cao áp CA

Dây quấn hạ áp

HA Sơ đồ ký hiệu dây quấn

Đầu đầu Đầu cuối Đầu trung tính

A, B, C X, Y, Z O hay N

a, b, c x, y, z o hay n

Đối với máy biến áp ba dây quấn, hai dây quấn sơ cấp thứ cấp cịn có dây quấn điện áp trung bình Dây quấn ký hiệu sau: đầu đầu chữ Am, Bm, Cm; đầu cuối

các chữ Xm, Ym, Zm đầu trung tính chữ Om

2 Các kiểu đấu dây quấn:

Dây quấn máy biến áp đấu hình ( ký hiệu đấu Y ) hay hình tam giác ( ký hiệu đấu  hay chữ D ) Đấu ba đầu X,Y, Z nối lại với nhau, ba đầu A, B, C để tự ( hình 2-22 )

Hình 2-22 Đấu hình dây quấn máy biến áp ba pha

Nếu đấu có dây trung tính ký hiệu dấu Y0 hay Yn Đấu tam giác đầu đầu pha

này nối với đầu cuối pha theo thứ tự XA – YB – ZC – X (hình 2-23 )

Hình 2-23 Đấu hình tam giác dây quấn máy biến áp ba pha

Cách đấu dây quấn CA HA máy biến áp thường ký hiệu sau: ví dụ máy biến áp đấu Y/∆ ( hay Y/ D ) có nghĩa dây quấn CA đấu dây quấn HA đấu tam giác Ở máy biến áp truyền tải công suất, thường dây quấn CA đấu Y, dây quấn HA đấu , đấu phía cao áp, điện áp pha nhỏ lần so với điện áp dây, giảm bớt chi phí điều kiện cách điện; phía hạ áp dịng điện pha nhỏ lần so với dòng điện dây

Do làm dây dẫn nhỏ hơn, thuận tiện cho việc chế tạo Cách đấu tam giác dùng nhiều không cần điện áp pha Dây quấn đấu Y0 thông dụng máy biến áp cung cấp cho tải

hỗn hợp vừa dùng điện áp dây ( chạy động không đồng ), vừa dùng điện áp pha ( chiếu sáng ) Ngoài hai kiểu đấu dây chủ yếu trên, dây quấn máy biến áp đấu theo kiểu zic – zăc ( ký hiệu chữ Z ) Lúc pha dây quấn gồm hai nửa cuộn dây hai trụ khác nối nối tiếp mắc ngược ( hình 2-24 ) Kiểu đấu dây dùng tốn nhiều đồng gặp máy biến áp dùng thiết bị chỉnh lưu máy biến áp đo lường để hiệu chỉnh sai số góc lệch pha

Hình 2-24 Kiểu đấu zic - zăc Tổ nối dây máy biến áp:

Tổ nối dây máy biến áp hình thành phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp so với kiểu đấu dây thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp dây thứ cấp máy biến áp Góc lệch pha phụ thuộc vào yếu tố sau đây:

- Chiều quấn dây

- Các ký hiệu đầu dây

- Kiểu đấu dây quấn sơ cấp thứ cấp

Thật ta xét máy biến áp pha có hai dây quấn sơ cấp AX thứ cấp ax sau Nếu có hai dây quấn quấn chiều trụ thép, ký hiệu đầu dây ( ví dụ A, a phía trên; X, x phía ( hình 2-25a ) sức điện động cảm ứng chúng có từ thơng biến thiên qua hoàn toàn trùng pha nhau: từ đầu đầu đến đầu cuối từ đầu cuối đến đầu đầu, chẳng hạn từ đầu cuối đến đầu đầu dây quấn ( hình 2-25b ) Khi đổi chiều quấn dây hai dây quấn, ví dụ dây quấn thứ cấp ax ( hình 2-25c ), đổi ký hiệu đầu dây, ví dụ dây quấn thứ cấp ax ( hình 2-25e ) sức điện động chúng hoàn toàn trái ngược ( hình 2-25d g ) Trường hợp thứ nhất, góc lệch pha sức điện động – kể từ vectơ sức điện động sơ cấp đến vectơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ 3600 ( hay 00 ); hai trường hợp sau 1800

Hình 2-25 Tổ nối dây máy biến áp pha

Ơ máy biến áp ba pha cịn cách đấu dây quấn hình Y hay với thứ tự khác mà góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp thứ cấp 300, 600, …, 3600

Trong thực tế, để thuận tiện, người ta không dùng "độ” để góc pha mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị gọi tên tổ nối dây máy biến áp Cách biểu thị sau: Kim dài kim đồng hồ sức điện động dây sơ cấp đặt cố định số 12, kim ngắn sức điện động thứ cấp đặt tương ứng với số 1, 2, …, 12 tùy theo góc lệch pha chúng 30, 60, …, 3600 ( hình 2-26 ) Với cách biểu thị này, máy biến áp pha ví dụ trên, trường hợp thứ thuộc tổ nối dây I/I-12 hay I/I-0, góc lệch pha hai sức điện động 3600 ( hay 00 ), hai trường hợp sau thuộc tổ nối dây I/I- góc lệch pha 1800 ( ký hiệu I dùng cho máy biến áp pha )

Hình 2-26 Phương pháp ký hiệu tổ nối dây kim đồng hồ

Đối với máy biến áp ba pha có 12 tổ nối dây Ví dụ máy biến áp ba pha có hai dây quấn nối hình Y, chiều quấn dây ký hiệu đầu dây ( hình 2-27a) hình sức điện động pha hai dây quấn hoàn toàn trùng với góc lệch pha hai điện áp dây 00 hay 3600 ( hình 2-27b )

Hình 2-27 Tổ nối dây Y/Y-12

Ta nói máy biến áp thuộc tổ nối dây 12 ký hiệu Y/Y-12 hay Y/Y-0 Nếu đổi chiều quấn dây hay đổi ký hiệu đầu dây dây quấn thứ cấp ta có tổ nối dây Y/Y-6 Hốn vị thứ tự pha thứ cấp,

ta có tổ nối dây chẵn 2, 4, 8, 10 Cũng với máy biến áp trên, dây quấn đấu theo sơ đồ Y/∆ hình (2-28) góc lệch pha điện áp sơ cấp thứ cấp 3300 – máy biến áp thuộc tổ nối dây Y/∆-11 hay Y/D-5 Thay đổi chiều quấn dây hay đổi ký hiệu đầu dây dây quấn thứ cấp ta có tổ nối dây Y/∆-5hay Y/D-5 Hốn vị pha thứ cấp ta có tổ nối dây lẻ 1, 3, 7,

Hình 2-28 Tổ nối dây Y/∆-11

Sản suất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác bất tiện chế tạo sử dụng, thực tế nước ta giới sản xuất máy điện lực thuộc tổ nối dây sau: Máy biến áp pha có tổ I/I-12; máy biến áp ba pha có tổ Y/Y0-12 ( hay Y/Yn-0 ), Y/∆-11

Y0/∆-11 ( hay Y/D-11 Yn/D-11 ) Phạm vi ứng dụng chúng ghi bảng sau :

Tổ nối dây Điện áp Dung lượng

máy biến áp (kVA)

CA (kV) HA (V)

Y/Yo – 12

Y/ - 11 Y/ - 11 Yo/ - 11

 35

 35

 110

 6,3

230 400 525 > 525

 3150

 3300

 630

 2500

 2500

 6300

 4000

 10000

II Mạch từ máy biến áp: Các dạng mạch từ:

Đối với máy biến áp pha có hai loại kết cấu mạch từ: mạch từ kiểu lõi mạch từ kiểu bọc Đối với máy biến áp ba pha, dựa vào không liên quan hay có liên quan mạch từ pha người ta chia ra: máy biến áp có hệ thống mạch từ riêng máy biến áp có hệ thống mạch từ chung

Hệ thống mạch từ riêng hệ thống mạch từ từ thông ba pha độc lập với trường hợp máy biến áp ba pha ghép từ máy biến áp pha gọi tắt tổ máy biến áp ba pha ( hình 2-29 )

Hệ thống mạch từ chung hệ thống mạch từ từ thơng ba pha có liên quan với

máy biến áp ba pha kiểu trụ – để phân biệt với loại ta gọi máy biến áp ba pha ba trụ (hình 2-30 )

Hình 2-30 Máy biến áp ba pha ba trụ

Trên thực tế nay, máy biến áp ba pha ba trụ dùng phổ biến với cỡ dung lượng nhỏ trung bình loại hình dáng gọn, nhỏ, tốn nhiên liệu rẻ Cịn loại tổ máy biến áp ba pha dùng cho máy biến áp cỡ lớn (dung lượng từ x 600 kVA trở lên), vận chuyển pha máy biến áp cách dễ dàng thuận lợi

2 Những tượng xuất từ hóa lõi thép máy biến áp:

Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, mạch từ bão hòa làm xuất tượng mà số trường hợp tượng ảnh hưởng đến tình trạng làm việc máy biến áp Chúng ta xét ảnh hưởng đáng kể máy biến áp làm việc khơng tải, nghĩa đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin, cịn dây quấn thứ cấp hở mạch

a Máy biến áp pha: Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sinh dòng điện khơng tải i0 chạy nó, dịng điện i0 sinh từ thông  chạy lõi thép

Nếu điện áp đặt vào biến thiên theo thời gian: t

U

u  msin ( 2-10 )

Bỏ qua điện áp rơi điện trở dây quấn, thì:

dt d w e

u    ( 2-11 )

nghĩa từ thông sinh biến thiên hình sin theo thời gian:

   

 

 

 

2

sin t 

m ( 2-12 )

Trước tiên, không kể đến tổn hao lõi thép dịng điện khơng tải i0 túy dòng

điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép io = iox Do quan hệ  f i0 quan hệ từ

hóa B = f( H ) Theo sở lý thuyết mạch ta biết, tượng bão hịa lõi thép,  hình sin, i0 khơng hình sin mà có dạng nhọn đầu trùng pha với , nghĩa dòng điện i0 ngồi

thành phần sóng i01, cịn có thành phần sóng bậc cao: bậc i03, bậc i05, …,

thành phần i03 lớn đáng kể cả, thành phần khác nhỏ, bỏ qua Ta

xem thành phần bậc ba có tác dụng làm cho dịng điện từ hóa có dạng nhọn đầu Cũng từ lý luận ta thấy, mạch từ bão hịa i0 nhọn đầu, nghĩa thành phần i03 lớn

Khi có kể đến tổn hao lõi thép quan hệ  t và i0 quan hệ trễ B( H ) Từ quan hệ  t và i0 ta vẽ đường biểu diễn quan hệ i0(t) hình (2-31)

Hình 2-31 Ảnh hưởng từ trễ đến đường cong dòng điện

Đường cong i0(t) cho thấy  hình sin i0 có dạng nhọn đầu vượt pha với 

một góc  Góc  lớn hay bé tùy theo mức độ chễ B H nhiều hay ít, nghĩa tổn hao từ trễ lõi thép nhiều hay Vì  gọi góc tổn hao từ trễ Hình (2-32) biểu diễn vectơ dòng điện

O

I từ thơng m

 có kể đến tổn hao lõi thép Cần ý, dịng điện i0

là không sin nên đồ thị vectơ vẽ gần với thành phần bậc i0, phải thay i0

bằng dịng điện hình sin đẳng trị có trị số hiệu dụng trị số hiệu dụng dòng điện i0 thực

Ta thấy lúc dịng điện khơng tải i0 gồm hai thành phần: Thành phần phản kháng Iox dịng điện

từ hóa lõi thép, tạo nên từ thông chiều với từ thông; thành phần tác dụng Ior, vng góc với

thành phần trên, dòng điện gây nên tổn hao sắt từ lõi thép:

2 ox or

O I I

I   ( 2-13 )

Trên thực tế Ior < 10%Io, nghĩa góc thường bé, nên dịng điện Ior thực khơng ảnh

hưởng đến dịng điện từ hóa ta coi Iox Io

Hình 2-32 Dịng điện từ hóa với thành phần

b Máy biến áp ba pha: Khi khơng tải xét pha riêng lẻ dịng điện bậc ba pha trùng pha thời gian, nghĩa thời điểm chiều dòng điện ba pha hướng từ đầu đến cuối dây quấn hướng ngược lại Song chúng có tồn hay khơng dạng sóng phụ thuộc vào kết cấu mạch từ cách đấu dây quấn

. 3 sin ) 240 ( 3 sin , 3 sin ) 120 ( 3 sin , 3 sin 3 3 3 3 t I t I i t I t I i t I i m o o m o C o m o o m o B o m o A o            

( 2-14 )

Trường hợp máy biến áp nối Y/Y: Vì dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần dòng điện bậc ba khơng tồn tại, dịng điện từ hóa io có dạng hình sin từ thơng sinh có dạng

Hình 2-33 Đường biểu diễn từ thơng a) s.đ.đ b) tổ mba ba pha nối Y/Y

Như xem từ thơng tổng  gồm sóng 1 sóng điều hịa bậc cao 3,

5

 , … Vì thành phần điều hòa bậc cao nhỏ bỏ qua đồ thị hình 2-33a ta vẽ từ thơng 1 3 Đối với tổ máy biến áp ba pha, mạch từ ba pha riêng rẽ, từ thông 3 ba pha chiều thời điểm dễ dàng khép kín lõi thép từ thơng 1 ( hình 2-34a )

Hình 2-34 Từ thơng điều hịa bậc ba

a) Trong tổmáy biến áp ba pha; b) Trong máy biến áp ba pha năm trụ

Do từ trở lõi thép bé, nên 3 có trị số lớn, đạt tới ( 15  20)%1 Kết dây quấn sơ cấp thứ cấp, ngòai sức điện động e1 từ thông 1 tạo chậm

sau 1 góc 900, cịn có sức điện động bậc ba e3 lớn (có thể đạt đến trị số

E3 = ( 45 – 60 )%E1 ) từ thông 3 tạo chậm sau 3 góc 90

0

Do sức điện động tổng pha e = e1 + e3 có dạng nhọn đầu hình (2-33b), nghĩa biên độ sức điện động pha tăng

lên rõ rệt Sự tăng vọt sức điện động hoàn tồn khơng lợi nhiều trường hợp nguy hiểm, trọc thủng cách điện dây quấn, làm hư hỏng thiết bị đo lường trung tính nối đất dòng điện bậc ba gây ảnh hưởng đến đường dây thơng tin Bởi lý đó, thực tế người ta không dùng kiểu đấu Y/Y cho tổ máy biến áp ba pha Cũng cần nói thêm rằng, dù sức điện động pha có trị số hình dáng biến đổi nhiều sức điện động dây ln ln hình sin, dây quấn nối Y sức điện động dây khơng có thành phần bậc

Những tượng xuất máy biến áp ba pha năm trụ ( hình 2-34b ) tương tự vậy, kết luận áp dụng cho lọai biến áp

Đối với máy biến áp ba pha ba trụ, thuộc hệ thống mạch từ chung nên tượng khác Từ thông 3 chiều ba trụ thép thời điểm, nên chúng khép mạch từ trụ qua trụ khác mà bị đẩy ngồi khép mạch từ gơng đến gơng qua khơng khí dầu mơi trường có từ trở lớn ( hình 2-35 )

Hình 2-35 Từ thơng điều hồ bậc ba máy biến áp ba pha ba trụ

Vì 3 khơng lớn xem từ thơng mạch từ hình sin, nghĩa sức điện động pha thực tế hình sin Song cần ý từ thơng bậc đập mạch với tần số 3f qua vách thùng, bulông ghép… gây nên tổn hao phụ làm hiệu suất máy biến áp giảm xuống Do phương pháp đấu Y/Y máy biến áp ba pha ba trụ áp dụng cho máy biến áp với dung lượng hạn chế từ 6300 kVA trở xuống

Trường hợp máy biến áp pha nối∆/Y ( hình 2-36 ): Dây quấn sơ cấp nối, nên dịng điện io3

sẽ khép kín tam giác đó, dịng điện từ hóa có thành phần bậc có dạng nhọn đầu Cũng tương tự máy biến áp pha xét trên, từ thông tổng sức điện động dây quấn sơ cấp thứ cấp có dạng hình sin Do khơng có tượng bất lợi trường hợp

Hình 2-36 Dịng điện điều hòa bậc dây quấn nối ∆/Y không tải Trường hợp máy biến áp ba pha nối Y/∆ ( hình 2-37 ):

Hình 2-37 Dịng điện điều hòa bậc dây quấn nối Y/∆ không tải

Do dây quấn sơ cấp nới Y nên dịng điện từ hóa khơng có thành phần bậc 3, ta lại có kết luận trường hợp a, từ thơng có dạng vạt đầu, nghĩa thành phần từ thông bậc 3Y

 Từ thông 3Y

 cảm ứng dây quấn thứ cấp sức điện động bậc 23

E chậm sau Y

3

 góc 900 ( hình 2-38 ) Đến lượt 23

E gây dòng điện bậc mạch vòng thứ cấp nối tam giác 23

I Vì điện kháng dây quấn lớn nên xem 23

I chậm so với 23

E góc gần 900

( hình 2-38 ), rõ ràng 23

I sinh từ thông cấp 3

( coi gần trùng pha với 23

I ) gần ngược pha với 3Y

 Do từ thông tổng bậc lõi thép   3

,

Y gần bị triệt tiêu Ảnh hưởng từ thông bậc mạch từ không đáng kể, sức điện động qua gần hình sin

Tóm lại máy biến áp làm việc không tải, cách đấu dây quấn ∆/Y hay Y/∆ đềtránh tác hại từ thơng sức điện động điều hịa bậc

Hình - 38 Tác dụng dịng điện 23

I dây quấn đấu Y/∆

3 Tính tốn mạch từ:

Mục đích tính tốn mạch từ máy biến áp xác định dịng điện cần thiết để từ hóa lõi thép tổn hao mạch từ Điều cần thiết tính tốn thiết kế máy biến áp

Dịng điện từ hóa hay dịng điện khơng tải Io gồm có hai thành phần: Thành phần tác dụng Ior

thành phần phản kháng Iox

a Thành phần dòng điện tác dụng Ior : Như biết, dòng điện tác dụng phụ thuộc vào tổn hao

sắt từ lõi thép Tổn hao tính gần theo biểu thức:

  

3 ,

2 50

50     

 B G B G f

pFe  t t g g ( 2-15 )

Trong đó:

50

 suất tổn hao thép cường độ từ cảm Tesla (T) tần số 50 Hz

Bt Bg cường độ từ cảm trụ gông từ ( T )

Gt Gg trọng lượng trụ gơng tính theo kích thước hình học lõi thép ( Kg)

Do thành phần tác dụng dịng điện từ hóa:

1 mU

p

I Fe

or



 ( 2-16 )

Trong m số pha máy biến áp

b Thành phần dòng điện phản kháng Iox: Dịng điện phản kháng tính theo hai

phương pháp

- Phương pháp thứ nhất: Dựa quan điểm định luật tồn dịng điện, tính tốn mạch từ máy biến áp:





F Hl

w Iox

2 ( 2-17 )

Đối với máy biến áp pha ( hình 2-39b ), sức từ động có giá trị: 

o t K g g t t

B n l H l H

F 2 2  ( 2-18 )

Trong đó:

+ Ht Hg cường độ từ trường trụ gông, xác định theo đường cong từ hóa tương

ứng với cường độ từ cảm Bt Bg ( A/cm)

+ Lt lg chiều dài trung bình đọan mạch từ tương ứng với trụ gông ( cm)

+  chiều dài khe khơng khí trụ gông ( cm ) + nk số khe khơng khí, máy biến áp pha nk =

Hình 2-39 Mạch từ máy biến áp

a) Ba pha; b) Một pha

Đối với máy biến áp ba pha ba trụ, mạch khơng đối xứng ( hình 2-39a ) nên sức từ động phải tính theo trị số trung bình:

Nếu ghép thép xen kẽ hai pha thuộc hai trụ ngồi có : 

0

2 t

K g g t

t

B n l H l H

F   ( 2-19 )

Trong nk = số khe hở trụ gơng; cịn pha thuộc trụ có:

0 

t K t t

B n l H

F   ( 2-20 )

Nhưng nk = 1; sức từ động trung bình:

0

3

2

 t K g g t

t

B n l H l

H F F

F       ( 2-21 )

Trong đó:

3

 

K

n gọi số khe hở tính tốn trụ gơng

Biểu thức ( 2-21 ) dùng để tính cho trường hợp lõi thép ghép nối ( hình 2-39b )

2

 

K

n

Từ ta tính thành phần phản kháng dịng điện từ hóa: w

F Iox

2

 ( 2-22 )

- Phương pháp thứ hai: Dựa vào việc tính tốn lượng từ trường hay cơng suất từ hóa (cịn gọi công suất phản kháng) mạch từ

Ta biết lượng từ trường cực đại đơn vị thể tích ( hay gọi mật độ lượng ) trường biến thiên hình sin theo thời gian là:

2

max BH

W   ( 2-23 )

Công suất phản kháng cho đơn vị thể tích: BH f W

Q max  ( 2-24 )

Do cơng suất phản kháng lõi thép tích V hay trọng lượng G là: G

q G BH f G Q V Q

Q       t

  

( 2-25 )

Trong đó:

 rọng lượng riêng thép;

   



0

.BH f B

f

qt   công suất phản kháng đơn vị trọng lượng thép, gọi tắt suất từ hóa

Đối với khe khơng khí cơng suất phản kháng tính theo biểu thức: S

q n S qn

Q  K  K  ( 2-26 )

Trong đó:

S diện tích khe khơng khí;

nk số khe hở thực toàn lõi thép;

Q công suất phản kháng đơn vị thể tích khe hở; 

 q

q  công suất phản kháng đơn vị diện tích khe hở

Căn vào cường độ từ cảm B loại thép cho xác định qt qδ theo

đường cong qt = f( B ) qδ = f( B ) hình (2- 40)

Vì cơng suất phản kháng dùng để từ hóa máy biến áp là:

ox I mU

Q0  1 ( 2-27 )

Do dịng điện phản kháng:

1

1

mU

S nq G q G q mU

Q

Iox tt t tg g



 



 ( 2-28 )

Trong đó:

g t t t q

q ., . suất từ hóa trụ gông; Gt Gg trọng lượng trụ gơng

Cuối dịng điện từ hóa tồn phần:

2 Ior Iox

I   ( 2-29 )

Dòng điện I máy biến áp điện lực thường nhỏ, lúc điện áp định mức trị số phần trăm so với dịng điện định mức:

% 100

0

đm

I I

i  ( 2-30 )

Thường vào khoảng  10, trị số sau dùng cho máy biến áp dung lượng bé

Hình 2-40 Quan hệ qt = f( B ) qδ = f( B )

CÂU HỎI :

1 Tổ nối dây máy biến áp ? Sự cần thiết phải xác định tổ nối dây ?

2 Vẽ sơ đồ dây quấn ứng với tổ nối dây Y/Y-2, 8, 10 sơ đồ dây quấn ứng với tổ nối dây Y/∆-1, 3, 7,

3 Dòng điện từ hóa máy biến áp lớn hay bé, ? Nó phụ thuộc vào yếu tố nào?

4 Các kết cấu mạch từ khác cách đấu dây quấn khác ảnh hưởng dịng điện điện áp lúc khơng tải máy biến áp ba pha ?

5 Nguyên tắc tính tốn mạch từ máy biến áp ?

BÀI TẬP:

Hãy xác định tổ nối dây máy biến áp hình sau :

Đáp số: ∆/Y-11, ∆/∆-10 ∆/∆-4, Y/Y-4

§ 2.3 CÁC QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP

Trong nghiên cứu làm việc máy biến áp lúc tải đối xứng vấn đề có liên quan xét pha máy biến áp ba pha hay máy biến áp pha

I Các phương trình máy biến áp:

Để thấy rõ trình lượng máy biến áp, ta xét quan hệ điện từ trường hợp

1 Phương trình cân sức điện động:

Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều u1 có dịng điện i1 chạy qua

Nếu phía thứ cấp có tải dây quấn thứ cấp có dịng điện i2 chạy qua Những dòng điện i1

và i2 tạo nên sức từ động sơ cấp i1w1 i2w2 Phần lớn từ thông i1w1 i2w2 sinh khép

mạch qua lõi thép móc vịng với dây quấn sơ cấp thứ cấp gọi từ thơng  Từ thơng gây nên dây quấn sơ cấp thứ cấp sức điện động biết:

dt d dt d w e

dt d dt d w e

2

2

1

1

     

     

( 2-31 )

Trong 1 w1&2 w2 từ thơng móc vịng với dây quấn sơ cấp thứ cấp ứng với từ thơng 

Hình 2-41 Máy biến áp pha làm việc có tải

Cịn phần nhỏ từ thông sức từ động i1w1 i2w2 sinh bị tản lõi thép

khép mạch qua khơng khí hay dầu gọi từ thông tản sơ cấp 1 từ thông tản thứ cấp 2 Từ thơng tản 1 dịng điện i1 sinh móc vịng với dây quấn sơ cấp; từ thơng tản 2

dịng điện i2 sinh móc vịng với dây quấn thứ cấp

Các từ thông tản gây nên sức điện động tản tương ứng:

dt d dt

d w

e 1

1

1

 





   

 ( 2-32a )

dt d dt

d w

e 2

2

2

 





   

 ( 2-32b )

Vì từ thơng tản chủ yếu qua mơi trường khơng từ tính, đĩ từ thẩm  Cte ( dầu, khơng khí, đồng, … ) xem 1và 2 tỉ lệ với dòng điện tương ứng sinh chúng qua hệ số điện cảm tản L1 L2 số:

2 2

1 1

i L

i L

 

 

 

 

( 2-33 )

Do sức điện động tản sơ cấp thứ cấp viết:

dt di L

e

1

1 

  ( 2-34a )

dt di L

e

2

2 

  ( 2-34b )

Theo định luật Kirhơf 2, ta có phương trình cân sức điện động dây quấn sơ cấp:

1 1

1 e e i r

u     ( 2-35 )

r1 điện trở dây quấn sơ cấp Phương trình ( 2-35 ) viết dạng:

r i e e

u1  1 1 1 ( 2-36 )

Đối với dây quấn thứ cấp ta có :

2 2

21 e u i r

e     ( 2-37 )

u2 e2e2 i2r2 ( 2-38 )

r2 điện trở dây quấn thứ cấp

Để thấy rõ liên hệ từ dây quấn sơ cấp thứ cấp, ta biểu thị phương trình cân sức điện động dạng khác Như trình bày trên,1 và2

từ thơng móc vịng với dây quấn tương ứng, khép mạch qua lõi thép tác dụng đồng thời dòng điện i1 i2 sinh ra, nên ta viết:

1L11i1L12i ( 2-39a )

i L i L211 22  

 ( 2-39b )

Trong đó:

L11, L12 tự cảm dây quấn sơ cấp thứ cấp từ thông khép mạch lõi thép; L12, L21 hỗ cảm dây quấn sơ cấp thứ cấp qua lõi thép

Ta thấy L12 = L21 = M Vì liên hệ từ nói thực qua lõi thép mơi trường sắt từ có: FeCte nên rõ ràng hệ số L11, L22 M số mà phụ thuộc vào độ bão hịa lõi thép

Từ cơng thức thay vào ta được:

1 1

1 i r

dt di M dt di L

u    ( 2-40 )

( dầu, khơng khí, đồng, … ) xem 1và 1 tỉ lệ với dòng điện tương ứng sinh chúng qua hệ số điện cảm tản L1 L2 số:

1 1 L i  

 ( 2- 41a )

2 2 L i  

 ( 2- 41b )

Do sức điện động tản sơ cấp thứ cấp viết:

dt di L

e

1

1 

  ( 2- 42 a)

dt di L

e

2

2 

  ( 2- 42b )

Theo định luật Kirhơf 2, ta có phương trình cân sức điện động dây quấn sơ cấp:

1 1

1 e e i r

u     ( 2- 43 )

trong r1 điện trở dây quấn sơ cấp

Phương trình ( 2- 43) viết dạng:

1 1

1 e e i r

u     ( 2-44 )

Đối với dây quấn thứ cấp ta có : 2 2

21 e u i r

e     ( 2-45a )

2 2

2 e e i r

u     ( 2-45b )

trong r2 điện trở dây quấn thứ cấp

Để thấy rõ liên hệ từ dây quấn sơ cấp thứ cấp, ta biểu thị phương trình cân sức điện động dạng khác Như trình bày trên, 1 2 từ thơng móc vịng với dây quấn tương ứng, khép mạch qua lõi thép tác dụng đồng thời dòng điện i1 i2 sinh ra, nên ta viết:

1 L11i1L12i ( 2-46a )

i L i L21 1 22  

 ( 2-46b)

Trong đó:

L11, L12 tự cảm dây quấn sơ cấp thứ cấp từ thông khép mạch lõi thép;

L12, L21 hỗ cảm dây quấn sơ cấp thứ cấp qua lõi thép

Ta thấy L12 = L21 = M liên hệ từ nói thực qua lõi thép

và mơi trường sắt từ có: FeCte nên rõ ràng hệ số L11, L22 M

số mà phụ thuộc vào độ bão hòa lõi thép Từ công thức thay vào ta được:

1

1

1 i r

dt di M dt di L

u    ( 2-47a )

2 2

2

2 i r

dt di M dt di L

u    ( 2-47b )

Trong đó:

1 11

1 L L

L   điện cảm toàn phần dây quấn sơ cấp; L2 L22 L2 điện cảm toàn phần dây quấn thứ cấp

Nếu điện áp, sức điện động, dòng điện lượng xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian phương trình cân sức điện động biểu diễn dạng phức số sau:

Với dây quấn sơ cấp:

r I E E

U1  1 1 1



 ( 2-48 )

Với dây quấn thứ cấp:

2

2 E E I r

U   



 ( 2-49 )

Khi dòng điện biến thiên hình sin theo thời gian trị số tức thời sức điện động tản sơ cấp viết:                     sin 2 sin cos sin 1 1 1 1            t E t x I t L I dt t dI L

e m m

( 2-50 )

nghĩa sức điện động e1 biến thiên hình sin theo thời gian chậm pha so với dịng điện i1

sinh góc 900, trị số hiệu dụng biểu diễn dạng phức số sau:

1

1 jI x

E  ( 2-51 )

trong x1 L1 gọi điện kháng tản dây quấn sơ cấp

Tương tự vậy, ta có sức điện động tản dây quấn thứ cấp:

2

2 jI x

E  ( 2-52 )

trong x2 L2 gọi điện kháng tản dây quấn thứ cấp Thay trị số



E



E vào phương trình trên, cuối ta có phương trình cân sức điện động cho mạch sơ cấp thứ cấp viết dạng phức số:

  1 1 1 Z I E jx r I E r I x I j E U           

  2 2 2 Z I E jx r I E r I x I j E U        

( 2-53b )

Trong phươnh trình Z1 = r1 + jx1 va Z2 = r2 + jx2 tổng trở dây quấn sơ cấp thứ

cấp Các thành phần I1Z1 I2Z2 gọi điện áp rơi dây quấn sơ cấp thứ cấp

2 Phương trình cân sức từ động:

Như ta thấy, lúc máy biến áp làm việc có tải, từ thơng máy sức từ động tổng sơ cấp thứ cấp ( i1w1 + i2w2 ) tạo nên Bây hở mạch thứ cấp, nghĩa máy biến áp

làm việc tình trạng khơng tải dịng điện dây quấn sơ cấp i0, từ thơng lõi

thép sức từ động i0w1 sinh Nếu bỏ qua điện áp rơi máy biến áp, ta xem

điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng từ thơng gây nên:

m fw E

U1  1 4,44 1 ( 2-54 )

Nhưng điện áp U1 đặt vào thường giữ điện áp định mức luôn không đổi dù

máy biến áp làm việc có tải hay khơng tải, nên sức điện động E1 từ thơng m máy biến áp ln ln có trị số không đổi

Như vậy, nghĩa sức từ động ( i1w1 + i2w2 ) sinh từ thơng m lúc có tải phải sức từ động i0w1 lúc không tải để bảo đảm sinh từ thơng m Do ta có phương trình sức từ động:

i11 = i22 = i01 ( 2-55 )

Khi dịng điện hàm số hình sin theo thời gian, ta viết phương trình cân sức từ động dạng phức số sau:

I.1w1 I.2w2 I.0w ( 2-50 )

Chia hai vế phương trình cho w1 ta có:

I w w I w

I  

          2 I w w I I             ,

1 I I

I ( 2-56 )

Trong đó: , w w I

I   ( 2-57 )

Từ biểu thức ta thấy, lúc máy biến áp có tải, dịng điện dây quấn sơ cấp I1 gồm hai

thành phần: Một thành phần

I dùng để tạo nên từ thơng lõi thép thành phần ( )

,

I

 dùng để bù lại tác dụng dịng điện thứ cấp tải tăng lên, tức dòng điện thứ cấp

I tăng lên thành phần ( )

,

I

 tăng lên, nghĩa dòng điện sơ cấp

I tăng lên để giữ cho dòng điện

I Bảo đảm sinh từ thông máy không đổi Chính dây quấn sơ cấp nhận thêmnăng lượng tứ lưới để truyền sang dây quấn thứ cấp, cung cấp cho tải

II Mạch điện thay máy biến áp:

Như trình bày trên, máy biến áp truyền tải công suất dựa vào hỗ cảm dây quấn sơ cấp thứ cấp thông qua lõi thép mạch từ có te

Fe C

 Việc nghiên cứu chế độ làm việc máy biến áp dựa vào tính tốn phối hợp mạch điện mạch từ ứng với mức bão hòa khác lõi thép gặp nhiều khó khăn Vì để đơn giản tính tốn thân máy biến áp toàn lưới điện, ngồi máy biến áp cịn có máy phát điện, đường dây hộ dùng điện, người ta thay mạch điện mạch từ máy biến áp mạch điện tương đương gồm điện trở điện kháng đặc trưng cho máy biến áp gọi mạch điện thay máy biến áp

Để nối trực tiếp mạch sơ cấp thứ cấp với thành mạch điện, dây quấn sơ cấp thứ cấp phải có điện áp Trên thực tế, điện áp dây quấn lại khác ( U1≠ U2 ), phải quy đổi hai dây quấn dây quấn chúng có

cấp điện áp Muốn vây hai dây quấn phải có số vịng dây Thường người ta quy đổi dây quấn thứ cấp dây quấn sơ cấp, nghĩa coi dây quấn thứ cấp có số vịng dây với số vịng dây dây quấn sơ cấp (w2 = w1) Như nói trên, việc quy đổi cốt để thuận tiện cho

việc tính tốn khơng làm thay đổi trình vật lý lượng xảy máy biến áp công suất truyền tải, tổn hao, lượng tích lũy từ trường máy biến áp

Dưới trước suy mạch điện thay máy biến áp, ta qui đổi dây quấn thứ cấp dây quấn sơ cấp

1 Qui đổi máy biến áp:

Trước hết tất lượng qui đổi từ thứ cấp sơ cấp gọi lượng qui đổi ký hiệu thêm dấu phẩy (  ) đầu sức điện động thứ cấp qui đổi E2, dòng điện

thứ cấp qui đổi I2, …

a Sức điện động điện áp thứ cấp qui đổi E2 U2 : Do qui đổi dây quấn thứ cấp dây

quấn sơ cấp w2 = w1 nên sức điện động thứ cấp qui đổi lúc sức điện động sơ cấp:

1 , E

E 

Ta biết:

2

w w E E



2

1 E

w w

E 

 ( 2-58 )

Do đó:

2 2 ,

2 E kE

w w

E  

 ( 2-59 )

Trong k = w1/ w2 gọi hệ số qui đổi thứ cấp sơ cấp

Tương tự, điện áp thứ cấp qui đổi:

2 ,

2 kU

U 

Như máy biến áp có tỷ số biến đổi k, việc qui đổi dây quấn thứ cấp sơ cấp tương

b Dòng điện thứ cấp qui đổi I2 : Việc qui đổi phải bảo đảm cho công suất thứ cấp

máy biến áp trước sau qui đổi không thay đổi, nghĩa là:

E2I2 = E2 I2 ( 2-60 )

Do dịng điện thứ cấp qui đổi:

2 , 2 , I k I E E

I   ( 2-61 )

Điều có nghĩa để bảo đảm cho công suất mạch thứ cấp khơng đổi, E2 tăng

lên k lần, I2 phải giảm xuống k lần hay ngược lại

c Điện trở, điện kháng tổng trở thứ cấp qui đổi: Khi qui đổi, cơng suất khơng thay đổi nên tổn hao đồng dây quấn thứ cấp trước sau qui đổi phải nhau:

r I r I , 2 2  Do điện trở thứ cấp qui đổi:

2 2 , 2 ,

2 r k r

I I r           

 ( 2-62 )

Về mặt vật lý, điều có nghĩa qui đổi, dịng điện I2 giảm k lần, để giữ cho tổn

hao dây quấn khơng đổi, tổn hao đồng tỷ lệ với bình phương dịng điện, điện trở phải tăng lên k2 lần

Tương tự điện kháng thứ cấp qui đổi:

x 2 = k2x2

Tổng trở thứ cấp qui đổi:

Z 2 = r 2 + jx 2 = k2( r2 + jx2 ) = k2Z2 ( 2-63 )

                   , , , , , 1 1 I I I Z I E U Z I E U

( 2-64 )

Đối với tải có mạch thứ cấp ta có:

Z t = k2Zt ( 2-65 )

Trong Zt = rt + jxt tổng trở tải lúc chưa qui đổi

d.Các phương trình qui đổi : thay lượng qui đổi vào phương trình cân sức điện động sức từ động trên, ta hệ thống phương trình viết dạng qui đổi sau:

Sau việc nghiên cứu máy biến áp chủ yếu dựa vào phương trình qui đổi

2 Mạch điện thay máy biến áp:

Dựa vào phương trình sức điện động sức từ động dạng qui đổi, ta suy mạch điện tương ứng gọi mạch điện thay máy biến áp trình bày hình (2-42)

Hình 2–42 Mạch điện thay hình T máy biếnáp

Rõ ràng phương trình Kirhơf viết cho điện áp sức điện động mạch vòng Phương trình Kirhơf viết cho dịng điện nút M mạch điện hồn tồn phù hợp với phương trình cân sức điện động thành lập

Trong mạch điện thay nói trên, tổng trở Zm suy sau: từ thơng 

xem dịng điện sinh ra, nên từ thơng móc vịng 2 1 biểu thức viết dạng:

1

 = kMio

( 2-66 )

2  = Mio

Do đó:

dt di M e

dt di kM e

0

0

 

 

( 2-67 )

Giả sử io biến thiên hình sin theo thời gian, ta viết:

m x I j

I kM j E E

,

2

1

 

 

 

( 2-68 )

Trong xm = kM biểu thị cho hỗ cảm mạch sơ cấp thứ cấp ứng với từ thơng 

Tổn hao sắt từ lõi thép biểu thị tổn hao điện trở từ hóa rm đặt nối

tiếp với điện kháng từ hóa xm có trị số:

2 I

p

r Fe

m



 ( 2-69 )

Do cuối ta có:

rm jxm I Zm I

E

E 0

,

1     ( 2-70 )

Như ta thay máy biến áp thực gồm mạch điện sơ cấp, thứ cấp riêng biệt mạch từ mạch điện thống Từ máy biến áp xem mạng bốn cực hình T có ba nhánh: hai nhánh sơ cấp thứ cấp có tổng trở Z1 = r1 + jx1 Z 2 = r 2 + jx 2 biểu thị điện

trở điện kháng tương ứng dây quấn Các dòng điện chạy chúng

I ( )

,

I



nhánh thứ ba cịn gọi nhánh từ hóa có tổng trở Zm = rm + jxm với dịng điện từ hóa

I , biểu thị tượng lõi thép liên hệ dây quấn sơ cấp thứ cấp

3 Mạch điện thay đơn giản:

Máy biến áp thay mạch điện đơn giản hình (2-43) với tổng đẳng trị mạch sơ cấp thứ cấp tổng trở ngắn mạch máy biến áp

Zn = rn + jxn

rn = r1 + r 2 ( 2-71 )

xn = x1 + x 2

Sở dĩ có tên tổng trở đẳng trị tổng trở ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ( nghĩa U2 = ) mà xác định từ thí nghiệm ngắn mạch

Hình 2-43 Mạch điện thay đơn giản máy biến áp III Đồ thị vectơ máy biến áp:

Để thấy rõ quan hệ trị số góc lệch pha đại lượng vật lý máy biến áp từ thơng, sức điện động, dịng điện, … đồng thời để thấy rõ biến thiên đại lượng vật lý chế độ làm việc khác nhau, ta vẽ đồ thị vectơ máy biến áp

Hình 2- 44a đồ thị vectơ máy biến áp trường hợp tải có tính chất điện cảm Đồ thị vectơ vẽ dựa vào phương trình cân sức điện động sức từ động

Hình 2-44 Đồ thị vectơ máy biến áp

a) lúc tải có tính chất điện cảm; b) lúc tải có tính chất điện dung

Đặt vectơ từ thông

m

 theo chiều dương trục hoành, dịng điện khơng tải

I sinh

m  vượt

trước góc  Các sức điện động

E

, E

E 

m

 sinh chậm sau góc 900 Vì tải

có tính chất điện cảm, dịng điện

,

I chậm sau sức điện động

,

E góc 2 định điện kháng điện trở tải dây quấn thứ cấp:

, , , , r r x x arctg t t   

 ( 2-71 )

Ta có :

1 , , , , ,

1 ( )

Z I E U Z I E U I I I        

( 2-72 )

Đồ thị vectơ máy biến áp lúc tải có tính chất điện dung vẽ hình 2- 44b Cách vẽ khơng có đặc biệt so với trường hợp Kết

,

I vượt trước

,

U góc 2

,

U >

,

E Chú ý dễ thấy, tỉ lệ xích điện áp rơi ta vẽ lớn thực tế nhiều

Tương ứng với mạch điện thay đơn giản ta có đồ thị vectơ đơn giản hình 2-45,



I Để dễ thấy quan hệ điện áp sơ cấp, thứ cấp điện áp rơi máy biến áp, ta vẽ vectơ -

,

U -

,

I , tức

,

U

,

I quay 1800 Lúc điện áp:

n n n x I j r I U Z I U U , ,       

( 2-73 )

Hình 2-45 Đồ thị vectơ máy biến áp ứng với giản đồ thay đơn giản lúc tải có tính chất điện cảm IV Cách xác định tham số máy biến áp:

1 Phương pháp xác định tham số thí nghiệm: a Thí nghiệm khơng tải:

Sơ đồ thí nghiệm hình - 46

Hình 2-46 Sơ đồ thí nghiệm khơng tải máy biến áp pha

Đặt điện áp hình sin vào điện áp sơ cấp với U1 = U1đm, hở mạch dây quấn thứ cấp Nhờ

vônmét, ampemét, óatmét đo điện áp sơ cấp U1, thứ cấp U20, dịng điện I0 cơng suất P0 lúc

khơng tải

Từ số liệu thí nghiệm ta xác định tổng trở, điện trở điện kháng máy biến áp lúc không tải:

2 0

2 0

0

r z x

I P r

I U z

  



( 2-74 )

Ngồi cịn xác định tỉ số biến đổi máy biến áp:

20

U U w w

k   ( 2-75 )

Và hệ số công suất lúc không tải:

0

0

cos

I U

P



 ( 2-76 )

Lúc máy biến áp không tải, tức

,

I = 0, mạch điện thay máy biến áp có dạng ( hình 2- 47)

Hình 2-47 Mạch điện thay máy biến áp lúc không tải Như tham số không tải z0, r0 x0 là:

m m

m

x x x

r r r

Z Z z

 

 

 

1

1

1

( 2-77 )

Trong máy biến áp điện lực thường r1 x1 nhỏ nhiều so với rm xm nên

xem tổng trở, điện trở điện kháng không tải tham số từ hóa tương ứng m

m

m r r x x z

z0  ; 0  ; 0  ( 2-78 )

Cũng lý đó, cơng suất lúc khơng tải P0, thực tế xem tổn hao sắt pFe từ trễ

dịng điện xóay lõi thép gây nên: P0 = pFe

Vì điện áp sơ cấp đặt vào không thay đổi, nên, B không thay đổi, nghĩa tổn hao sắt, tức tổn hao không tải không thay đổi

Khi không tải ta có hệ phương trình:

 

1

, 20

1

0

1

1

0

1

1

I I

E U

jx r I E

Z I E U

 

 

 

  

( 2-79 )

Do đồ thị vectơ tương ứng có dạng vẽ hình (2-48)

Hình 2-48 Đồ thị vectơ máy biến áp khơng tải Từ đồ thị vectơ ta thấy, góc

U

I 0 900, nghĩa hệ số công suất lúc không tải thấp, thường cos0 0,1 Điều có ý nghĩa thực tế lớn khơng nên để máy biến áp vận hành không tải non tải, lúc làm xấu hệ số cơng suất lưới điện

b Thí nghiệm ngắn mạch:

Sơ đồ thí nghiệm hình ( 2- 49 ), dây quấn thứ cấp bị nối ngắn mạch điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp phải hạ thấp cho dòng điện dịng điện định mức

Hình 2-49 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp pha

Cũng thí nghiệm khơng tải, từ số liệu thí nghiệm ngắn mạch Un, In Pn đo được, ta

xác định tham số ngắn mạch máy biến áp:

2 2 n n n n n n n n n r z x I P r I U z    

( 2-80 )

Vì lúc ngắn mạch, điện áp đặt vào nhỏ, nên từ thơng lúc ngắn mạch nhỏ, nghĩa dòng điện từ hóa trường hợp nhỏ Do đó, mạch điện thay máy biến áp có

thể xem hở mạch từ hóa cịn lại mạch nối tiếp hai tổng trở sơ cấp thứ cấp (hình 2-50a), hay đơn giản ta thay tổng trở đẳng trị ( hình 2-50b ) gọi tổng trở ngắn

mạch máy biến áp

, , , x x x r r r Z Z Z n n n      

( 2-81 )

Hình 2-50 Mạch điện thay máy biến áp lúc ngắn mạch

Vì lý dịng điện i0 nhỏ nên ta xem công suất lúc ngắn mạch công suất dùng để

bù vào tổn hao đồng dây quấn sơ cấp thứ cấp máy biến áp:

n n n n Cu Cu n r I r r I r I r I p p P , 2 , , 2 2 ) (         

( 2-82 )

Từ mạch điện thay lúc ngắn mạch ( hình 2-50b ) ta thấy rõ, điện áp đặt vào lúc ngắn mạch hoàn toàn cân với điện áp rơi máy biến áp, hay nói cách khác, điện áp ngắn mạch gồm hai thành phần:

- Thành phần tác dụng:

Unr = I1rn điện áp rơi điện trở

- Thành phần phản kháng:

Unx = I1xn điện áp rơi điện kháng

Đồ thị vectơ máy biến áp ngắn mạch với In = Iđm vẽ hình (2-51)

Hình - 51 a) Đồ thị vectơ máy biến áp ngắn mạch

b) Tam giác điện áp ngắn mạch

Tam giác OAB gọi tam giác điện áp ngắn mạch, cạnh huyền biểu thị điện áp ngắn mạch toàn phần Un, cạnh góc vng điện áp rơi điện trở điện kháng:

n n nx n n nr U U U U   sin cos  

( 2-83 )

Như điện áp ngắn mạch xem đại lượng đặc trưng cho điện trở điện kháng tản dây quấn máy biến áp Trong máy biến áp điện lực, điện áp ngắn mạch ghi nhãn máy thường biểu diễn tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức:

100 100 % ñm n ñm ñm n n U z I U U

u   ( 2-84 )

Và thành phần điện áp ngắn mạch là:

100 100 % ñm n ñm ñm nr nr U r I U U

u   ( 2-85 )

% 100 100

ñm n ñm ñm nx nx U x I U U

u   ( 2-86 )

Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng tính sau:

 

kVA  S W P S r I I I U r I u ñm n ñm n ñm ñm ñm ñm n ñm nr 10 100 100 %  

 ( 2-87 )

Chú ý: Ngắn mạch ta tiến hành thí nghiệm với điện áp đặt vào nhỏ In = Iđm, thường gọi ngắn mạch thí nghiệm Trường hợp máy biến áp làm việc với điện áp sơ

cấp định mức, thứ cấp xảy ngắn mạch ta gọi ngắn mạch vận hành hay ngắn mạch cố Lúc toàn điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch nhỏ máy biến áp, nên dòng điện ngắn mạch cố lớn:

100 % n ñm n ñm n u I z U

I   ( 2-88 )

2 Xác định tham số tính tốn: a Điện trở ngắn mạch:

Các điện trở dây quấn sơ cấp thứ cấp tính đựơc biết số liệu dây quấn: Tiết diện dây dẫn S1 S2, số vòng dây w1 w2 , chiều dài trung bình vịng dây ltb1

ltb2

1 1 75 S l w k r tb r 

  ( 2-89a )

2 2 75 S l w k r tb r 

  ( 2-89b )

Trong đó:

kr = ( 1,03  1,05 ) hệ số kể đến tổn hao gây nên từ trường tản

47

75

 điện trở suất đồng 750C

Do điện trở ngắn mạch:

2 2 1 r w w r

rn 

      

 ( 2-90 )

b Điện kháng ngắn mạch: Việc xác định x1 x2 liên quan đến việc xác định phân bố từ

trường tản dây quấn Nhưng để xác định cách xác phân bố từ trường phức tạp, x1 x2 tính tốn gần với giả thiết đơn giản (ví dụ trường

hợp dây quấn hình trụ) Điện kháng ngắn mạch tính:

) ( 2 12 1 , , a a a l k D w f i f x x x R tb n             

( 2-91 )

Trong đó:

Dtb đường kính trung bình hai ống dây

kR = 0,93 0,98 hệ số qui đổi từ trường tản lý tưởng từ trường tản thực tế Các trị số a1, a2, a12 hình vẽ

Hình 2-52 Đường biểu diễn cường độ từ trường

VÍ DỤ:

Cho máy biến áp ba pha có số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; U1/U2 = 35000/6600 V;

I1/I2 = 92,5/490 A; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%; un = 7,5%; Pn = 57 kW; f = 50 Hz; Y/∆-11

Hãy xác định:

a Các tham số lúc không tải z0, r0 x0

b Các tham số ngắn mạch zn, rn, xn thành phần điện áp ngắn mạch

Giải a Các tham số lúc không tải:

Điện áp sơ cấp:

) ( 20200

35000

1

1 V

U

U f   

Dịng điện pha khơng tải:

I0f = 0,045I = 0,045 92,5 = 4,16 (A)

Các tham số không tải:

) ( 4700 356

4850 ) ( 356 16

,

18500

) ( 4850 16

, 20200

2

2 0

2

0

0

 

 

 

 

 

 



r z x

I P r

V I

U z

f f f

b Các tham số ngắn mạch:

Điện áp pha ngắn mạch tính từ phía sơ cấp:

U1n = U1f un = 20200 0,075 = 1520(V)

Các tham số ngắn mạch:

) ( , 16 , , 16 ) ( , , 92 57000 ) ( , 16 , 92 1520 2 2 2 1               n n n f n n f n n r z x I P r I U z

Các thành phần điện áp ngắn mạch:

45 , 100 20200 , 16 , 92 100 % 825 , 100 20200 , , 92 100 % 1 1           f n f nx f n f nr U x I u U r I u CÂU HỎI:

1 Tại tăng dòng điện thứ cấp dịng điện sơ cấp lại tăng lên ? Lúc từ thơng máy biến áp có thay đổi không ?

2 Làm để xác định tham số từ hóa máy biến áp ? Thực chất dịng điện khơng tải, tổn hao khơng tải ? Tại dung lượng máy biến áp nhỏ dịng điện khơng tải lại lớn ? Khi không tải, tăng điện áp đặt vào máy biến áp cơng suất máy biến áp thay đổi ?

3 Làm để xác định tổng trở mạch sơ cấp thứ cấp máy biến áp ? Tổn hao ngắn mạch tổn hao ? Khi thí nghiệm ngắn mạch phải hạ điện áp xuống, thường ? Nếu đặt toàn điện áp định mức vào lúc ngắn mạch ? Trị số điện áp ngắn mạch có ý nghĩa ?

4 Tổng trở Zn có liên quan đến dòng điện ngắn mạch In máy biến áp ? Muốn giảm bớt

dòng điện ngắn mạch In máy biến áp phải thiết kế kích thước dây quấn thế ?

5 Vẽ đồ thị vectơ ứng với tải có tính chất điện dung ?

BÀI TẬP:

1 Một máy biến áp pha có dung lượng kVA có hai dây quấn sơ cấp hai dây quấn thứ cấp giống Điện áp định mức dây quấn sơ cấp 11000 V dây quấn thứ cấp 110 V Thay đổi cách nối dây quấn với có tỉ số biến đổi điện áp khác Với cách nối tính dịng điện định mức sơ cấp thứ cấp

Đáp số :

a Dây quấn sơ cấp thứ cấp nối nối tiếp: I1 = 0,227 A ; I2 = 22,7 A

b Dây quấn sơ cấp nối nối tiếp, dây quấn thứ cấp nối song song:

I1 = 0,227 A ; I2 = 45,45 A

c Dây quấn sơ cấp nối song song, dây quấn thứ cấp nối nối tiếp:

I1 = 0,454A ; I2 = 22,7 A

d Dây quấn sơ cấp thứ cấp nối song song: I1 = 0,454A ; I2 = 45,45 A

2 Cho máy biến áp có dung lượng Sđm = 20000 kVA, U1 = 126,8 kV, U2 = 11 Kv, f = 50 Hz,

diện tích tiết diện lõi thép S = 3595 cm2, mật độ từ thơng B = 1,35 T tính số vịng dây dây quấn sơ cấp thứ cấp

Đáp số : w1 = 1177 vòng, w2 = 102 vòng

3 Một máy biến áp ba pha Y / Y – 12 có số liệu sau đây:

Sđm = 180 kVA; U1 / U2 = 6000/400 V; dịng điện khơng tải i0% = 6,4; tổn hao không tải P0 =

1000 W; điện áp ngắn mạch un% = 5,5; tổn hao ngắn mạch Pn = 4000 W Giả sử r1 = r2,, x1 = ,

x Hãy vẽ mạch điện thay máy biến áp tính thành phần điện áp ngắn mạch

Đáp số :

rm = 272 , xm = 3117

r1 = r2, = 2,25

x1 = x,2 =

unr% = 2,23

unx% =

4 Cho máy biến áp pha có số liệu sau:

Sđm = 6637 kVA, U1 / U2 = 35/10 kV, Pn =53500 W, un% =

a Tính zn, rn

b Giả sử r1 = r2,, tính điện trở khơng qui đổi dây quấn thứ cấp

Đáp số:

a zn = 14,8 ; rn = 1,5

b r2 = 0,061

§ 2.4 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG

Trong điều kiện làm việc bình thường lưới điện, ta phân phối tải cho ba pha, lúc máy biến áp làm với điện áp đối xứng dòng điện pha Ta xét cân lượng máy biến áp, đặc tính máy biến áp làm việc riêng lẻ làm việc song song với điều kiện điện áp sơ cấp U1 = Cte, tần số f = Cte Vì tải đối xứng, ta xét riêng

đối với pha

I Giản đồ lượng máy biến áp:

Trong trình truyền tải lượng qua máy biến áp, môt phần công suất tác dụng công suất phản kháng bị tiêu hao máy Ta xét cân công suất tác dụng công suất phản kháng máy biến áp Sự cân suy từ mạch điện thay máy biến áp

Gọi P1 = U1I1cosφ1 công suất đưa vào pha máy biến áp Một phần công suất

bị tiêu hao điện trở dây quấn sơ cấp pcu1 = r1I21 lõi thép pFe rmIo2 Phần cịn lại cơng suất điện từ truyền qua phía thứ cấp Ta có:

2 , ,

1 p p E I cos P

Pđt  cu  Fe  ( 2-92 )

Công suất đầu P2 máy biến áp nhỏ công suất điện từ lượng tổn hao điện

trở dây quấn thứ cấp pcu2 = r2I22

2 2

2 P p U I cos

P  đt  cu  ( 2-93 )

Cũng tương tự vậy, ta có cơng suất phản kháng đầu vào:

Q1 = U1I1sinφ1 ( 2-94 )

Công suất trừ công suất để tạo từ trường tản dây quấn sơ cấp q1 = x1I21 từ trường

trong lõi thép qm = xmI20, phần cịn lại đưa sang phía thứ cấp:

2 , ,

1 q q E I sin Q

Qđt    m  ( 2-95 )

Công suất phản kháng đầu bằng:

2 2

2 Q q U I sin

Q  đt   ( 2-96 )

Trong q2 = x2I22 công suất để tạo từ trường tản dây quấn thứ cấp

Khi tải có tính chất điện cảm ( φ2 > ) Q2 > lúc Q1 > cơng suất phản kháng truyền

từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp

Khi tải có tính chất điện dung (φ2 < ) Q2 < 0, trường hợp công suất phản kháng

truyền theo chiều ngược lại từ phía thứ cấp sang sơ cấp Q1 < 0, tồn cơng suất phản

kháng từ phía thứ cấp sơ cấp dùng để từ hóa máy biến áp Q1 >

Sự cân công suất tác dụng công suất phản kháng biểu thị hình (2-53)

Hình 2-53 Giản đồ lượng máy biến áp II Độ thay đổi điện áp máy biến áp cách điều chỉnh điện áp:

Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu U2 thay đổi theo trị số tính chất điện cảm điện

dung dịng điện tải I2, có điện áp rơi dây quấ sơ cấp thứ cấp Hiệu số số học

các trị số điện áp thứ cấp lúc khơng tải U20 lúc có tải U2 điều kiện U1đm không đổi gọi

là độ thay đổi điện áp ∆U máy biến áp Trong hệ đơn vị tương đối ta có:

'2*

1 ,

, 20

, , 20 20

2 20

* U

U U U

U U U U

U U U

đm đm

   

   

 ( 2-97 )

Ta vào đồ thị vectơ máy biến áp để xác định ∆U phương pháp hình học, cạnh tam giác điện kháng nhỏ so với U1,

,

U nên phương pháp khơng xác Thơng thường người ta dùng phương pháp giải tích sau đây:

Giả sử máy biến áp làm việc tải hệ số tải

đm

I I 2



 hệ số công suất

cosφ2 cho biết đồ thị vectơ tương ứng hình (2-54)

Hình 2-54 Xác định ∆U máy biến áp

Khi cạnh tam giác điện kháng ABC có giá trị:  * ' , , , nr ñm ñm n đm đm n u I U I r I U r I

BC   

( 2-98 ) * ' , , ,  nx ñm ñm n đm đm n u I U I x I U x I

AB   

Hạ đường thẳng góc xuống U 2 gọi AP = n, CP = m ta có:

m n m

n

U      

2 1 2 , *

2 ( 2-99 )

Do đó: 2 , *

2 m n

U

U    

 ( 2-100 )

Vì theo hình (2-54):

 *cos2 *sin2

 unr unx

aP Ca

m    

 *cos2 *sin2

 unx unr

bP Ab

n   

     sin cos sin cos 2 * * 2 * * *     

 nx nr

nx nr u u u u

U    

 ( 2-101 )

Số hạng sau biểu thức thường nhỏ, bỏ qua ta có:

 * 2 * 2

*  unr cos unx sin

U  

 ( 2-102 )

Muốn biểu thức ∆U theo phần trăm U1đm ta việc nhân hai vế biểu thức với 100

vì: 100 % 100 % 100 % * * * nx nx nr nr u u u u u u     

( 2-103 )

Nên biểu thức trở thành:

 %cos %sin 2

%  unr  unx 

U  

 ( 2-104 )

Trong biểu thức unr*, unx* xác định cấu tạo máy nên ∆U* phụ thuộc vào hệ số tải

và tính chất tải Hình 2-55 cho biết quan hệ ∆U = f( β ) cosφ2 = Cte ∆U = f( cocφ2 )

β = Cte

Hình 2-55

a Quan hệ ∆U = f() cos2 = Cte

b Quan hệ ∆U = f(cos 2) = Cte

Trong thực tế muốn giữ cho điện áp U2 không đổi máy biến áp làm việc với tải khác

thì phải điều chỉnh điện áp cách thay đổi lại số vòng dây, nghĩa thay đổi tỉ số biến áp k = w1 /w Muốn cuối dây quấn CA người ta đưa số đầu dây ứng với

vịng dây khác ( hình 2-56 )

Hình 2-56 Các kiểu điều chỉnh điện áp

Nếu đầu phân nhánh cuối dây quấn việc cách điện dễ dàng, cịn dây quấn trường tản lực điện từ tác dụng lên dây quấn đối xứng Cũng cần nói thêm đầu phân nhánh bố trí dây quấn CA dây quấn CA dòng điện nhỏ so với dòng điện dây quấn HA, thiết bị đổi nối gọn nhỏ

Việc thay đổi số vịng dây thực máy ngừng làm việc, nghĩa khơng có điện nên thường gọi điều chỉnh khơng kích thích Trường hợp thường ứng dụng với máy biến áp hạ áp điện áp sơ cấp thay đổi cấn điều chỉnh điện áp thứ cấp theo đồ thị tải hàng năm

Nếu công suất nhỏ loại máy biến áp thường có ba đầu phân nhánh pha để điều chỉnh điện áp phạm vi 5%Uđm công suất lớn pha có năm đầu phân nhánh để điều chỉnh điện áp phạm vi 2,5%Uđm và5%Uđm Vì việc đổi nối thực máy ngừng làm việc nên thiết bị đổi nối tương đối đơn giản rẻ tiền Thiết bị đổi nối đặt thùng dầu tay quay đặt nắp thùng

Trong hệ thống điện lực công suất lớn, nhiều cần phải điều chỉnh điện áp máy biến áp làm việc để phân phối lại công suất tác dụng phản kháng phân đoạn hệ thống Các máy biến áp có tên gọi máy biến áp điều chỉnh tải Điện áp thường điều chỉnh 1% phạm vi 10%Uđm i Ở trường hợp thiết bị đổi nối phức tạp phải có cuộn kháng K để hạn chế dòng điện ngắn mạch phận dây quấn bị nối ngắn mạch thao tác đổi nối

III Hiệu suất máy biến áp:

Hiệu suất η máy biến áp tỉ số công suất đầu P2 công suất đầu vào P1:

% 100

1 



P P

 ( 2-105 )

Trị số η nhỏ theo giản đồ lượng hình (2 -53) ta thấy, q trình truyền tải cơng suất qua máy biến áp có tổn hao đồng pCu điện trở dây quấn sơ cấp thứ

cấp, tổn hao sắt từ pFe lõi thép dịng điện xốy từ trễ Ngồi phải kể đến tổn

hao dòng điện xốy vách thùng dầu bulơng lắp ghép, tổn hao tỉ lệ với bình phương dịng điện nên thuộc vào loại tổn hao đồng pCu

Nên hiệu suất viết :

100

100

%

2

1 

   

  

   

         

  



 

Fe Cu

Fe Cu

p p

P

p p

P P

 ( 2-106 )

Khi thiết kế máy biến áp ta tính tổn hao kể xác định hiệu suất η tính tốn

Lúc vận hành hiệu suất η máy biến áp làm việc tải có I2 cosφ2 cho biết, tính gián tiếp

được cách xác định tổn hao ứng với tải theo tổn hao khơng tải P0, tổn hao ngắn

mạch Pn ghi máy Các tổn hao P0 Pn xác định thí nghiệm khơng tải ngắn

mạch trình bày

Ở tải ứng với I2, cosφ2 ta có cơng suất đầu ra:

P2 = U2I2cos2

Đặt

đm

I I 2



 hệ số tải U2 U20,Sđm U20I2đm U2I2đm đó: 

 cos

2 Sđm

P  ( 2-107 )

Tổn hao sắt từ lõi thép pFe xem gần không phụ thuộc vào tải tổn hao

khơng tải P0 ( pFe = P0 ) thực tế điều kiện U1 = Cte tải thay đổi, từ thông lõi

thép thay đổi

Tổn hao đồng dây quấn phụ thuộc vào dòng điện tải I2 pCu = rnI22 Tổn hao

biểu thị theo tổn hao ngắn mạch Pn = rnI22đm sau:

n đm đm n n Cu P I I I r I r p 2 2 2

2  

      

 ( 2-108 )

Như cơng thức hiệu suất viết sau:

100 cos % 2 2              n đm n P P S P P    

 ( 2-109 )

Thường tổn hao nhỏ so với công suất truyền tải nên η máy biến áp cao Đối với máy biến áp dung lượng lớn, hiệu suất đạt tới 90%

Từ biểu thức cosφ2 = Cte η phụ thuộc vào có trị số cực đại hệ số tải

ứng với điều kiện:

0    d d Sau tính tốn ta :

n n P P P P 0/    

( 2-110 )

Như hiệu suất máy biến áp cực đại tải định ứng với tổn hao không đổi tổn hao biến đổi tổn hao sắt tổn hao đồng

Thông thường máy biến áp không làm việc thường xuyên định mức mà hệ số tải , ,  

 nên người ta thiết kế để hiệu suất ηmax giới hạn β

Muốn cấu tạo máy biến áp phải đảm bảo cho :

5 , 25 ,

0   n

P P

Cũng cần nêu rằng, để đánh giá hiệu suất máy biến áp tải thay đổi, người ta xét hiệu suất máy biến áp năm Đó tỉ số điện đầu máy biến áp tính theo kilơốt với điện đầu vào máy biến áp thời gian

VÍ DỤ:

Cho máy biến áp ba pha có số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; U1/U2 = 35000/6600 V;

I1/I2 = 92,5/490 A; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%; un = 7,5%; Pn = 57 kW; f = 50 Hz; Y/∆-11 Hãy tính:

a Độ thay đổi điện áp ∆u tải định mức với cosφ2 = 0,8

b Hiệu suất tải định mức c Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại

Giải a Độ thay đổi điện áp ∆u:

Trong ví dụ trước ta tính được:

unr = 0,825%

Nên xét tải có tính chất điện cảm ta có:

 

0,825.0,8 7,45.0,6 5,13

sin % cos

%

% 2 2

 



 

u  unr  unx 

Khi xét tải có tính chất điện dung: sinφ2 = - 0,6

b Hiệu suất máy biến áp tải định mức :

34 , 98 100 57 , 18 , 5600 57 , 18 100 cos % 2 2                     n đm n P P S P P     

c Hiệu suất cực đại máy biến áp:

57 , 57 , 18

0  



n P P 

IV Máy biến áp làm việc song song :

Trong trạm biến áp, để đảm bảo điều kiện kinh tế kĩ thuật tổn hao vận hành tối thiểu, liên tục truyền tải công suất xảy cố hay phải sửa chữa máy biến áp, người ta thường cho hai nhiều máy biến áp làm việc song song hình 2-57

Máy biến áp làm việc song song tốt điện áp thứ cấp chúng trị số trùng góc pha tải phân phối theo tỉ lệ công suất máy giống ( hay hệ số tải ) Muốn phải có điều kiện tổ nối dây, hệ số biến đổi điện áp k điện áp ngắn mạch un

Hình 2-57 Sơ đồ ghép song song máy biến áp pha

 

0,825.0,8 7,45.0,6 3,81

sin % cos

%

% 2 2

     

u  unr  unx 

Ta xét ảnh hưởng riêng rẽ điều kiện kể làm việc song song máy biến áp

1 Điều kiện tổ nối dây:

Nếu máy biến áp làm việc song song có tổ nối dây điện áp thứ cấp chúng trùng pha Trái lại tổ nối dây chúng khác điện áp thứ cấp có góc lệch pha góc lệch tổ nối dây định Ví dụ máy biến áp I có tổ nối dây Y/∆ -11 cịn máy biến áp II nối Y/Y -12 điện áp thứ cấp hai máy biến áp lệch 300 hình (2-58)

Hình 2-58 Sơ đồ điện áp dòng điện

các máy biến áp có tổ nối dây khác làm việc song song

Trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp hai máy biến áp suất sức điện động:

∆E = 2Esin150 = 0,518E2 ( 2-111 )

Kết không tải dây quấn sơ cấp thứ cấp máy biến áp có dịng điện:

nII nI cb

z z

E I

 

 ( 2-112 )

Giả sử znI = znII = 0,05 thì:

18 , 05 , 05 ,

518 ,

  

cb I

Trị số dòng điện gấp năm lần dòng điện định mức làm hỏng máy biến áp Vì qui định máy biến áp làm việc song song bắt buộc phải có tổ nối dây

Cần ý có trường hợp đổi lại ký hiệu đấu lại đầu dây máy biến áp, ta biến máy biến áp vốn khơng tổ nối dây trở thành có tổ nối dây giống làm việc song song

2 Điều kiện tỉ số biến đổi nhau:

Nếu tỉ số biến đổi làm việc song song điện áp thứ cấp lúc không tải máy biến áp ( E2I = E2II ), mạch nối liền dây quấn thứ cấp máy biến áp

Giả sử tỉ số biến đổi k khác E2I ≠ E2II khơng tải dây quấn thứ cấp

các máy biến áp có dịng điện cân Icb sinh điện áp ∆E = E2I = E2II Dòng điện

chạy dây quấn máy biến áp theo chiều ngược nhau, thí dụ máy biến áp I từ x đến a máy II từ a đến x, chậm pha sau ∆E góc 900 dây quấ x >> r Điện áp rơi dây quấn máy biến áp dòng điện cân sinh bù trừ với điện áp E2I, E2II kết

mạch thứ cấp có điện áp thống U2 hình (2-59a)

Hình 2-59 Đồ thị vectơ phân phối tải máy biến áp làm việc song song

a) khơng tải; b) có k khác

Khi có tải dịng điện cân Icb cộng vào dòng điện tải It làm cho hệ số tải lẽ

trở thành khác nhau, ảnh hưởng xấu tới việc lợi dụng cơng suất máy ( hình 2-59b ) Vì qui định ∆k máy biến áp làm việc song song không lớn 0,5% trị số trung bình chúng

3 Điều kiện trị số điện áp ngắn mạch nhau:

Trị số điện áp ngắn mạch un có liên quan trực tiếp đến phân phối tải máy biến áp

làm việc song song Ta xét làm việc song song máy biến áp có điện áp ngắn mạch unI,

unII, unIII Nếu bỏ qua dòng điện từ hóa mạch điện thay chúng có dạng hình (2-60)

và đồ thị vectơ tương ứng hình (2-61)

Hình 2-60 Mạch điện thay máy biến áp làm việc song song

Hình 2- 61 Đồ thị véctơ máy biến áp làm việc song song Tổng trở tương đương mạch điện:

      III i ni nIII nII

nI Z Z Z

Z Z 1 1 1

( 2-113 )

Và điện áp rơi mạch điện bằng: , I Z U U

U   

 ( 2-114 )

Trong đó: I I

I   dòng điện tổng máy biến áp, dịng điện tải máy biến áp:

   ni nI nI I Z Z I Z I Z I ,

( 2-115a )

   ni nII nII II Z Z I Z I Z I ,

( 2-115b )

   ni nIII nIII III Z Z I Z I Z I ,

( 2-115c )

,2 UUUIZ



Trên thực tế góc φn tam giác điện kháng khác không nhiều nI nII nIII nên dịng điện tải xem trùng pha, lúc tính tốn thay số phức mơđun chúng

Ta có: đm đm n n I U u z  Nên có:   ni đmi đmI nI I u I I u I I ,

( 2-116 )

Nhân hai vế đẳng thức với

đmI đm đm đmI đm I U U S U 1      ni đmi nI đmI I u S u S S S1

 ( 2-117a )

Trong S = U1đmI tổng cơng suất truyền tải máy biến áp Cũng

máy biến áp II, III ta có:

   ni đmi nII đmII II u S u S S S

 ( 2-117b )

   ni đmi nIII đmIII III u S u S S S

 ( 2-117c )

Từ ta có :

nIII nII nI u u u : : :

: 2 3

1   

 ( 2-118 )

nghĩa un máy nhau, tải phân phối theo tỉ lệ công suất

Ngược lại un khác máy biến áp có un nhỏ có lớn ( tải nặng ) cịn máy có

un lớn có nhỏ ( tải nhẹ ) Khi máy biến áp có un nhỏ làm việc định mức ( β = ) máy

biến áp có un lớn hụt tải ( β < ), kết không sử dụng hết công suất thiết kế máy biến

áp

Thông thường máy biến áp có dung lượng nhỏ có un nhỏ, dung lượng lớn un lớn Như

dung lượng máy biến áp khác q nhiều làm việc song song khơng lợi Cho nên theo qui định un máy biến áp làm việc song song không khác quá10%

và tỉ lệ dung lượng máy vào khoảng 3:1

VÍ DỤ:

Cho ba máy biến áp có tổ nối dây quấn tỉ số biến đổi với số liệu: SđmI = 180 kVA,

SđmII = 240 Kva, SđmIII = 320 kVA, unI% = 5,4, unII% = 6, unIII% = 6,6 xác định tải máy

biến áp tải chung máy biến áp tổng công suất định mức chúng: S = 180 + 240 + 320 = 740 kVA tính xem tải tổng tối đa để không máy biến áp bị tải ?

Giải Ta có: , 121 , 320 , 240 , 180 %      ni đmi u S Do đó: kVA SI

I 1,125 1,125.180 202,5

8 , 121 , 740       kVA SII

II 1,01 1,01.240 243

8 , 121 740       kVA SIII

III 0,92 0,92.320 294,5

8 , 121 , 740      

Ta thấy máy biến áp I có un nhỏ bị tải nhiều máy biến áp III có un lớn bị hụt

tải Tải tổng tối đa để không máy biến áp bị tải ứng với βI = Lúc ta có:

1 , 121 ,  S

Hay :

S = 657,72 kVA

Vậy phần công suất đặt máy biến áp không lợi dụng bằng: 740 – 658 = 82 kVA

CÂU HỎI:

1 Xét mặt kết cấu dây quấn, muốn giảm ∆U máy biến áp phải làm ?

2 Sự liên quan thí nghiêm khơng tải ngắn mạch máy biến áp đến việc xác định ∆u η ?

3 Nếu xét thật chặt chẽ tổn hao lõi thép pFe có tải khác với tổn hao khơng tải P0

thế ? Tính chất tải ứng vớipFe > P0 pFe < P0

4 Cho hai máy biến áp nối Y/Y-12 Y/Y-6 có tỉ số biến đổi k điện áp ngắn mạch un

Muốn cho chúng làm việc song song với phải làm ? Cũng với điều kiện hai máy biến áp có tổ nối dây Y/∆-11 Y/∆-3 ?

BÀI TẬP:

1 Cho ba máy biến áp làm việc song song với số liệu:

Máy Sđm (Kva) U1đm (kV) U2đm (kV) uni% Tổ nối dây

I 1000 35 6,3 6,25 Y/∆-11 II 1800 35 6,3 6,6 Y/∆-11 III 2400 35 6,3 Y/∆-11 Tính:

a Tải máy biến áp tải chung 4500 Kva

b Tải lớn cung cấp cho hộ dùng điện với điều kiện không máy biến áp bị tải

c Giả sử máy I phép tải 20%, tải chung máy ? Đáp Số:

a S1 = 928 kVA, S2 = 1582 kVA, S3 = 1990 kVA

b 4847 kVA c 5817 kVA

2 Tính dịng điện cân hai máy biến áp có số liệu sau làm việc song song:

Các số liệu Máy I Máy II

Sđm kVA 320 420

U1 kV 65% 65%

U2 V 230 220

Un % 4

Unr % 1,8 1,7

Tổ nối dây Y/∆-11 Y/∆-11

Đáp số: Icb = 298 A

3 Cho máy biến áp ba pha với số liệu sau:

Sđm = 20 kVA, U1/U2 = 6/0,4 Kv, Pn = 0,6 Kw, un% = 5,5 nối Y/Y Tính:

a Un(V), Unr(V), Unx(V)

b zn, rn, xn, cosưn

c.∆u% lúc hệ số tải 0,25; 0,5; 0,75; hệ số công suất cosφ2 = 0,8 (điện cảm)

d Biết P0 = 0,18 kW, tính hiệu suất máy tải nói

Đáp Số:

a Un = 190 V, U nr = 104 V, U nx = 159 V

b zn = 99 , xn = 83 , rn = 54,3

c.∆u = 1,29%; 2,58%; 3,87%;5,16% d η% = 94,84%; 96,04%; 95,86%; 95,35

4 Cho máy biế áp ba pha có S đm = 100 kVA,U1/U2 = 10/0,4 KV Đấu Y/Y0-0, un% = 5,5 Pn =

12500 W Tính: a unr, unx

b ∆U máy biến áp làm việc 3/4 tải định mức với cosφ2 = 0,8

Đáp Số:

a unr = 1,25%; unx = 5,356%

b.∆U = 3,16%

CHƯƠNG III: CÁC VẤN ĐỀ LÝ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

§ 3.1 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU I Đặc tính sức điện động xoay chiều:

Sức điện động xoay chiều có ba đặc tính bản: Độ lớn, tần số, dạng đường cong

Thường người ta mong muốn có sức điện động máy điện dùng thiết bị điện khác có dạng hình sin Đặc biệt máy phát điện sóng điều hịa bậc cao khơng có tác hại máy phát điện mà phụ tải làm tăng tổn thất làm xuất điện áp đoạn khác đường dây Trong nghiên cứu sức điện động dây quấn biện pháp làm giảm triệt tiêu sức điện động bậc cao đưa dạng sóng hình sin

II Sức điện động cảm ứng dây quấn:

1 Sức điện động cảm ứng dây quấn từ trường bản: a Sức điện động dẫn:

Đặt dẫn a stato cực từ rôto song song với trục máy điện (hình 3-1) Khởi động máy cho quay với tốc độ n = Cte trị số tức thời sức điện động cảm ứng dẫn là:

v l B etd  x

Hình 3-1 Cấu tạo Trong đó:

Bx: từ cảm nơi dẫn quét qua

f pn Dn

v

60

60 

 

 

 : vận tốc dài dẫn

l: chiều dài dẫn nằm từ trường

t B

f l t B

v l

etd msin msin 

 

 

 

Do  Btbl. từ thông tương ứng với bước cực

Ta có: etb f sin.t

f f

Etd    

 2,22

2



(3-1)

b Sức điện động vòng dây bối dây:

Nếu vòng dây có hai dẫn dặt cách khoảng y gọi sức điện động dẫn E1, dẫn E2 sức điện động hiệu dụng vòng dây

bước đủ là:

f E

E E

Ev  hd1  hd2 2 hd 4,44

Hình 3-2 Sức điện động vòng dây

Trong trường hợp bước ngắn: 

  y bước tương đối dây quấn

2 sin 44 , sin

2E  f 

Ev  hd  



Đặt

2 sin 



n

k hệ số bước ngắn dây quấn thì:

n

v f k

E 4,44

 (3-2) Nếu bối dây có ws vịng sức điện động bối dây là:

n s

s w f k

E 4,44  (3-3) c Sức điện động nhóm bối dây:

Ta có:

2 



mp Z

q bối dây

Góc độ điện hai rãnh kề là:

Z p p Z

0

360



 



p

Z số rãnh bước cực

Hình 3-3 Nhóm bối dây q =

Giả sử số rãnh mặt cực

2 



p Z

Q  300 thời điểm xét bối dây nằm đường trung tính hình học trị số tức thời sức điện động cảm ứng bối dây 1, 2, 3, là:

0 smsin0 s E

E 

0

2 smsin smsin30

s E E

E   

0

3 smsin2 smsin60

s E E

E   

0

4 smsin3 smsin90

s E E

E   

Ta biểu diễn



q lệch góc  hình (3- 4) Mỗi vectơ biểu diễn trị số biên độ hay trị số hiệu dụng Es bối dây với tỉ lệ tương ứng ( hình 3- 4a) Những

vectơ gần lệch góc  300 Tổng hình học bốn vectơ làm thành đa giác ABCDE ( hình 3- 4b ) vectơ đóng kín AE biểu diễn trị số hiệu dụng tổng sức điện động Eq

Hình 3- Sức điện động vịng dây Để tính Eq ta vẽ vịng trịn ngoại tiếp đa giác ABCDE có bán kính R

r s q qE k

E 

 (3-4)

Trong đó: sin sin sin 2 sin     q q qR q R qE E k s q

r    hệ số quấn rải dây quấn

Ta có: sin 2 sin   s s E R R

E   

r n s r s s s

q qE k w q f k k

q qE E

E 4,44

2 sin sin sin 2 sin

2    

      (3-5)

Đặt kdq knkr hệ số dây quấn dq s

q w q f k

E 4,44 

 (3-6) d Sức điện động dây quấn pha:

Một pha có n nhóm bối dây có vị trí giống từ trường cực từ nên sức điện động chúng cộng số học với nhau:

dq dq

s

f nqw f k w f k

E 4,44   4,44  (3-7) Trong đó:

s

w q n

w số vòng dây nối tiếp pha Hoặc am N Z w r  Với:

Z số rãnh

a số nhánh song song m số pha

Nr số dẫn rãnh

mp Z q

2

 số rãnh pha bước cực

a p

n số nhóm bối dây pha

2 Sức điện động dây quấn từ trường bậc cao:

Giả thiết đường cong cường độ từ cảm đối xứng với trục hoành trục cực Trong trường hợp này, đường cong cường độ từ cảm bao gồm sóng điều hịa bậc hay sóng điều hịa số sóng điều hịa bậc cao  3, 5, 7, nghĩa  2k1 Trong sóng điều hịa bậc có biên độ Bm1 bước cực  tương ứng với số đơi cực p Những sóng điều hịa bậc cao có

biên độ Bm3, Bm5, …, Bm bước cực  ,  , …,  

tương ứng với số đôi cực 3p,5p, …,

p

 Tần số f .f1

Từ từ thông tương ứng là:

1

1

2

.l Btb lBm

     3

3

3

3 lBtb lBm       …………         m tb lB

B

l

 

 

Các sức điện động:

1 1 1

1

2

2 f lB f lB f

Etd       tb   m

1 3 3

3

2

2 f l B f lB f

Etd m  m

         ………

2 f lB f

Etd       m Sức điện động hiệu dụng tổng dẫn:

2 1 2 2 2 2       B B B B td m m m m td td td td td td td td td td k k f k k E B B B B E E E E E E E E E E                                                     

Những hệ số:

1

3

3 , ,

m m B m m B B B k B B

k     tỉ số biên độ từ cảm sóng bậc cao biên độ từ cảm sóng

Mặt khác từ thông tổng cực từ biểu diễn tổng đại số sau:

) 1 ( ) ( ) ( 1 1 3      B B B m m m m m m k k k B B B B B B                                  

Từ ta có:     B B B B td k k k k f E 1 2       

 (3-8)

Biểu thức tổng quát sức điện động: Đối với sóng điều hòa bậc 1:

1 1 1 1

1 2.w.k k f 2 .l.w.k B f

E  n r    dq m (3-9)

Đối với sóng điều hịa bậc  :

       

 wk k f lwk B f

E1  n r  2 dq m (3-10) III Cải thiện dạng sóng sức điện động:

Nguyên nhân khiến cho dạng sóng sức điện động khơng sin phân bố từ trường khác hình sin Thơng thường B phân bố hình thang, muốn sức điện động hình sin cực từ phải gọt vạt hai đầu theo hình dạng kích thước thích hợp Thường người ta chế tạo mặt cực theo quy luật:

       x x     cos

 khe hở nhỏ mặt cực

Tuy nhiên biện pháp chưa cho kết mong muốn cần làm giảm triệt tiêu sức điện động bậc cao cách sau:

1 Rút ngắn bước dây quấn:

Khi quấn bước đủ y ta biết kn 1, nghĩa tất sóng hài bậc cao tồn Để cho sức điện động bậc cao bị triệt tiêu người ta phải chọn β để kn 0

Mà

2 sin

 

n

k chọn

  11

2 ) sin( ) 1

sin(    



    

kn

Khi  5kn5 0E5 0 tương ứng với





Khi  7kn7 0E7 0 tương ứng với





Nghĩa ta rút ngắn bước dây quấn 



E5 E7 = rõ ràng biện pháp không đồng thời triệt tiêu tất sức điện động bậc cao nên người ta chọn bước dây quấn cho giảm sức điện động bậc cao mạnh bậc trường hợp thường rút ngắn bớt 

6

Lúc  (0,80,86) tùy theo máy Quấn rải:

Khi q = kn 1 tức tất sóng bậc cao tồn

Khi q > q tăng kr giảm, xong kr lập lại trị số ban đầu sau số sóng bậc cao theo chu kỳ tương ứng Một số sóng bậc cao có kr kr1 gọi sóng điều hịa Tóm lại phương pháp cải thiện dạng sóng phần

3 Rãnh chéo:

Tác dụng để khử sóng điều hịa Từ hình vẽ ta thấy sức điện động từ cảm Bm.z

cảm ứng dẫn có chiều ngược bị triệt tiêu Bước rãnh chéo cần phải chọn:

z z c

b

 



2 .  

Trong thực tế thường chọn

z p

bc 2  sóng điều hịa giảm nhỏ nhiều

Hình 3-5 Trường hợp rãnh chéo bước .z

CÂU HỎI:

1 Vì yêu cầu sức điện động máy diện xoay chiều phải có dạng hình sin Làm để đảm bảo yêu cầu ?

2 Hãy xác định biểu thức sức điện động dây quấy pha từ trường khơng hình sin ? Các biện pháp để cải thiện sóng sức điện động hiệu lực biện pháp

4 Khi dùng rãnh chéo trị số sức điện động từ trường dây quấn thay đổi ?

BÀI TẬP:

1 Một máy phát điện có p = 2, đường kính stato D = 0,7 m từ cảm trung bình Btb1 = 0,6

T; chiều dài tính tốn stato l = 1,3m Cho biết Btb3 = 0,325Btb1; Btb5 = 0,15Btb1 Hãy tính sức điện

động E1, E3, E5 sức điện động tổng Etd thang dẫn, f = 50 Hz

Đáp số:

E1 = 47,6 V; E2 = 15,5 V; E3 = 7,1 V

E = 50,6V

2 Tính hệ số dây quấn kdq dây quấn hai lớp có q = 2, p = 2, z = 24, β = 5/6 Biết bối

dây có ws = vịng sức điện động dẫn Etd = 5V Hãy tính sức điện động dây quấn

đó

Đáp số: Ef = 93,3 V

3 Cho máy phát điện ba pha 6000 kW; 6300 V; 3000 vg/ph; f = 50 Hz; cosφ = 0,8; đường kính stato D = 0,7 m; l = 1,35 m; Btb = 0,4890 T; z = 36; dây quấn hai lớp; y = 13; số vòng dây

nối tiếp pha W = 24 Hãy tính sức điện động pha máy Đáp số: Ef = 4617 V

§ 3.2 DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU I Đại cương

Dây quấn máy điện xoay chiều có nhiệm vụ cảm ứng sức điện động định đồng thời tham gia vào việc tạo nên từ trường cần thiết cho biến đổi lượng điện máy

Kết cấu dây quấn phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật sau: - Tiết kiệm dây quấn

- Bền cơ, nhiệt, điện

- Chế tạo đơn giản, lắp ráp, sửa chữa dễ dàng Phân loại dây quấn:

- Theo số pha: m = 1, 2, - Theo số bối dây q - Theo lớp: lớp, lớp

Thường số rãnh pha cực q số nguyên số trường hợp cần thiết q phân số Dây quấn máy điện xoay chiều đặt rãnh thành lớp hai lớp tương ứng dây quấn lớp hai lớp

II Dây quấn có q số nguyên: Dây quấn lớp:

Thường dùng cho động điện có cơng suất < kW Trong rãnh đặt cạnh tác dụng nên số phân tử S = Z/2

Ví dụ: Dây quấn lớp pha có Z = 24, 2p = Để lập sơ đồ nối dây ta tiến hành sau: - Xác định góc độ điện hai rãnh liên tiếp:

0 0

30 24

360 360

 



Z p



Nên cạnh tác dụng từ đến 12 đôi cực làm thành hình sức điện động có 12 tia hình 1-1a Do vị trí cạnh 13 đến 24 đơi cực thứ hồn tồn giống vị trí cạnh đến 12 đôi cực thứ nên sức điện động chúng biểu thị hình sức điện động trùng với hình sức điện động thứ

Hình 3-6 Hình sức điện động 12 tia

Số rãnh pha cực:

2

24

2  



mp Z q

Số phần tử dây quấn:

12 24

2  

 Z

S

Số phần tử dây quấn pha:

4 12

  

m S Sf

Số nhóm bối dây pha:

2 12

  

mq Z n

So sánh với số đôi cực 2p ta suy dây quấn phải đấu cực ảo Pha A cách pha B 1200 điện tương đương với:

ranh

4 30 120 120

0 0

 

 Bước dây quấn y  6

Giản đồ khai triển dây quấn

Hình 3-7 Sơ đồ dây quấn ba pha lớp đồng khuôn z = 24, 2p = 4, q = 2 Dây quấn hai lớp:

Là loại dây quấn mà rãnh đặt hai cạnh tác dụng, nên số bối dây số rãnh mạch từ S = Z So với dây quấn lớp dây quấn hai lớp có ưu điểm sau:

- Loại thực bước bgắn làm giảm sức điện động bậc cao, cải thiện dạng sóng sức điện động , đặc tính làm việc máy tốt

- Đầu nối bối dây chắn, gọn, chốn chỗ, tránh phần đầu nối chạm vào nắp máy

Tuy nhiên việc lồng dây sửa chữa gặp nhiều khó khăn dây quấn mộpt lớp Có hai kiểu dây quấn: Quấn xếp quấn sóng đa số dùng dây quấn xếp Dây quấn sóng dùng với rơto dây quấn động điện không đồng

a Dây quấn xếp:

Ví dụ: Vẽ sơ đồ trải dây quấn xếp ba pha, lớp với Z = 24, 2p = Vẽ hình tia sức điện động:

0 0

30 24

360 360

 



Z p



Hình 3-7 Hình tia sức điện động Số rãnh pha bước cực:

2

24

2  



mp Z q

Số phần tử dây quấn: S = Z = 24 Số phần tử pha:

8 24

  

m S Spha

Số nhóm bối dây pha:

4

24

 



q m

S n

n =  đấu cực thật

Bước dây quấn: quấn bước ngắn

5 5

    



  

 y

y

Hình 3-8 Dây quấn xếp hai lớp với Z = 24, 2p = 4, q = 2, y = 5, β = 5/6

Cách Vẽ:

Đầu tiên ta phân bố cuộn dây theo vùng pha với q = cho vùng Nếu rãnh thuộc vùng pha A vùng pha B phải đặt rãnh 5, pha B cần phải dịch chuyển so với pha A 1200 tức rãnh ( + = 5, + = ) Pha C dịch chuyển tương pha B chiếm rãnh ( + = 9, + = 10 ) Còn khoảng rãnh từ 13 … 24 phân bố xen kẽ pha A, B, C với quy luật ( pha A: 13,14; pha B: 17,18; pha C: 21, 22 ) Như nửa vùng pha lớp phân bố vùng pha khác phân bố theo pha A, B, C ký hiệu tương ứng X, Y, Z Lúc vùng X thuộc pha A dịch chuyển so với vùng A t = tức rãnh ( + = 7, + = 8, 13 + = 19, 14 + = 20 ) Tương tự vùng Y thuộc pha B rãnh ( + = 11, + = 12, 17 + = 23, 18 + = 24 ) Còn vùng Z thuộc pha C rãnh ( - = 3, 10 - = 4, 21 - = 15, 22 – = 16 ) Sự khác vùng pha A, B, C X, Y, Z sức điện động cạnh tương ứng

b Dây quấn sóng:

Đối với máy điện xoay chiều dùng bước tổng hợp là:

mq p

p Z

y 6 2 (3-11)

Ở máy điện chiều

p pq p

Z

y 16 khơng thích hợp lọai dây quấn yêu cầu số bối dây pha số rãnh chia

Như sóng cuộn dây sau vịng liên tục cực khác không tạo nên xê dịch từ trường sóng trở dẫn ban đầu người ta dịch phía trước hay phía sau, sau lại bắt đầu vòng với bước y

Còn:

1

1

2

y y y

p Z y

  

Chú ý:

Cũng dây quấn xếp, dây quấn sóng bước ngắn làm cho đặc tính điện máy tốt Ví dụ: Dây quấn sóng ba pha, lớp có Z = 24, 2p =

- Bước tổng hợp:

12 24

  

p Z y

- Bước dây quấn thứ nhất:

6 24

1   

p Z y

Xong ta quấn bước ngắn y = với β = 5/6 - Bước dây y2 = 12 - =

- Số rãnh pha cực:

2

24

2  



mp Z q

- Số phần tử S = Z = 24

Hình 3-9 Dây quấn sóng hai lớp với Z = 24, 2p = 4, q = 2, y = 5, β = 5/6 III Dây quấn có q phân số:

Phân bố q đặt dạng:

d c b

q  (3-12) Trong b, c, d số nguyên ( c < d c/d phân số thật khơng rút gọn ) Ta viết:

d d

b c b c d d

c bd d c b

q    (  )  ( 1)  (3-13) Tức  ( Kxi ) bối dây pha chia thành d nhóm bối dây có ( d – c) nhóm cần có b bối dây, cịn c nhóm có ( b + ) bối dây

Ví dụ: Dây quấn ba pha với q phân số, Z = 15, 2p =

4 1 12 15

2   



mp Z q

Tức b = 1, c = 1, d = q = bd + c = + = số rãnh đương lượng pha bước cực

Bước cực :

) 3 ( ) 1 (

   

mq

 bước

Chúng ta lấy bước rãnh theo y = Khi đó:

8 , 4 3

3

    



 y

Trong trường hợp ta có d = nhóm bối dây phân bố cực, phải có d – c = – = nhóm có b = bối dây phải có c = nhóm có b + = + = bối dây Các nhóm lớn nhóm nhỏ cần phân bố đối xứng

0

48 15

360 360

 



Z p



Hình 3-10 Dây quấn xếp ( a ) dây quấn sóng ( b ) ba pha hai lớp với Z = 15, 2p = 4, q = + 1/4

IV Dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc:

Dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc tạo thành dẫn đồng đặt rãnh, hai đầu hàn với hai đầu ngắn mạch đồng Các dẫn vịng ngắn mạch nói đúc nhơm

Sức điện động dẫn lệch pha góc

z p

2

  biểu thị thành hình sức điện động có z/t vectơ, t ước số chung lớn z p Ở trường hợp dây quấn lồng sóc vectơ sức điện động ứng với pha số pha

t Z

m có t hình sức điện động trùng pha có t dẫn ghép song song Trên thực tế, lúc tính để đơn giản thường xem dẫn ứng với pha m = z, số vòng dây pha w = 1/2 hệ số bước ngắn, hệ số quấn rải tất sóng điều hịa knv krv 1

Sơ đồ mạch điện dây quấn lồng sóc hình 3-11a Trong đó:

Rt điện trở dẫn

Rv điện trở đoạn hai dẫn vòng ngắn mạch

Để xem dây quấn m pha đấu hình bị nối ngắn mạch, ta thay mạch điện thực nói mạch điện tương đương ( hình 3-11b ) dựa sở tổn hao điện trở hai mạch điện phải

Hình 3-11 Sơ đồ mạch điện thực ( a ) tương đương ( b )

Do dòng dòng điện đoạn vòng ngắn mạch lệch pha góc  hình (3-12) nên:

z p l l

z p l l

l

t v

v v

t



 

sin

sin 2 sin



 

Vì tổn hao điện trở mạch điện thực mạch điện thay cuộn dây phải nhau:

r Zl r Zl r

Zlt2 t 2 v2 v  t2

z p r r

r v

t 

2

sin

 

 điện trở pha dây quấn

Hình 3-12 Quan hệ dòng điện dẫn dòng điện vòng ngắn mạch

V Cách thực dây quấn máy điện xoay chiều:

Dây quấn máy điện xoay chiều đặt rãnh stato rôto Các rãnh có miệng rãnh nửa kín, nửa hở hở hình 3-13

Hình 3-13 Rãnh nửa kín ( a ), rãnh nửa hở ( b ) rãnh hở máy điện xoay chiều (c)

Rãnh nửa kín thường dùng cho dây quấn stato máy công suất tới 100 Kw điện áp đến 650V Cách điện rãnh thường dày khoảng (0,350,65)mm gồm phần tử nhiều vòng dây tiết diện trịn với đường kính (2,22,5)mm Khi lồng dây phải cho hai vòng dây qua miệng rãnh

Rãnh nửa hở thường dùng cho máy có cơng suất lớn từ (300400)kW tốc độ 1500 vg/ph Ở trường hợp bối dây chia làm hai nửa bối theo chiều rộng rãnh, nửa bối gồm nhiều vịng dây tiết diện chữ nhật quấn theo khn định hình Các nửa bối dây bọc vải lồng dây cho nửa bối qua miệng rãnh Rãnh hở thường dùng với máy có cơng suất lớn, điện áp cao Trong trường hợp dây quấn chế tạo từ dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật bối cách điện trước đặt vào rãnh

Sau lồng dây vào rãnh, miệng rãnh nêm kín nêm vật liệu cách điện tre, gỗ xử lí gêtinắc, textơlit, … tác dụng bối dây ép chặt rãnh

Nếu dây quấn dặt rôto phần đầu nối đai chặt dây thép để tránh bị tung lực li tâm rôto quay Ở máy điện công suất lớn, để tránh lực điện từ mạnh lúc xảy ngắn mạch làm hỏng phần đầu nối dây quấn stato, phận buộc chặt vào vịng thép có bulơng bắt vào thân máy hình (3-14)

Hình 3-14 Cố định phần đầu nối dây quấn rôto

CÂU HỎI:

1 Nguyên tắc dây dây quấn ba pha lớp hai lớp với q số nguyên ?

2 Nguyên tắc dây dây quấn ba pha hai lớp với q phân số ? Ý nghĩa dây quấn việc cải thiện dạng sóng sức điện động dây quấn stato ? Phạm vi ứng dụng ?

3 Vì dây quấn pha đặt 2/3 số rãnh cực ?

BÀI TẬP:

1 Dây quấn ba pha máy điện xoay chiều có số liệu sau: z = 24, 2p = 2, q = Vẽ giản đồ khai triển khi:

a Dây quấn đồng tâm ba mặt b Dây quấn đồng khuôn đơn giản

2 Dây quấn ba pha máy điện xoay chiều có z = 36, 2p = 4, q = vẽ sơ đồ khai triển dây quấn đồng tâm một, hai, ba mặt phẳng

3 Vẽ giản đồ khai triển dây quấn xếp ba pha hai lớp với số liệu sau: z = 36, 2p = 4, β = 7/9

4 Vẽ giản đồ khai triển dây quấn sóng ba pha hai lớp với số liệu sau: z = 36, 2p = Vẽ giản đồ khai triển dây quấn xếp ba pha hai lớp với số liệu sau: z = 15, 2p =

§ 3.3 SỨC TỪ ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

I Sức từ động dây quấn pha:

Để nghiên cứu sức từ động dây quấn pha, trước hết ta xét sức từ động phần tử sau đến sức từ động dây quấn lớp gồm có q phần tử cuối sức từ động dây quấn pha hai lớp bước ngắn

1 Sức từ động phần tử:

Giả sử ta có phần tử gồm ws vòng dây bước đủ (y) đặt stato máy điện

trên hình 3-15a Khi phần tử có dịng điện i 2sin.t đường sức từ trường phần tử có dòng điện i sinh phân bố đường nét chấm

Theo định luật tồn dịng điện, dọc theo đường sức từ khép kín ta viết:

Hdli.ws (3-14) H cường độ từ trường dọc theo đường sức từ

Hình 3-15 Đường sức từ dịng điện I phần tử bước đủ sinh ( a ) đường biểu thị sức từ động dọc khe hở máy ( b )

Từ trở thép nhỏ (Fe ) nên HFe = sức từ động iws xem cần thiết để

sinh từ thông qua hai lần khe khơng khí :

s

w i

H.2  (3-15) Như sức từ động ứng với khe khơng khí bằng:

s s iw

F

2

 (3-16)

và đường biểu diễn sức từ động khe hở bước cực biểu thị hình chữ nhật abcd có độ cao

2 ws i

bước cực hình chữ nhật dega với quy ước khoảng có đường sức từ hướng lên Fs biểu thị tung độ dương

Vì i 2Isin.t nên sức từ động Fs phân bố dọc khe hở theo dạng hình chữ nhật có độ cao r

thay đổi trị số dấu theo dòng điện xoay chiều i

Sức từ động phân bố hình chữ nhật khơng gian biến đổi hình sin theo thời gian phân tích theo dãy Fourier thành sóng điều hịa 1, 3, ,7, … với góc tọa độ chọn hình (3-15b) ta có:



  

 

 s1cos s3 cos 3 s cos s cos

s F F F F

F Trong :

2 sin

4

cos 2

2

  

   

 

 s s

s F d F

F   



(3-17)

t F

Fs  sm cossin

 (3-18)

 

  



s s

s sm

w I w

I w

I

F 2 0,9

2 sin 2

  



 (3-19)

Ta thấy sức từ động phần tử có dịng điện xoay chiều tổng hợp  sóng đập mạch phân bố hình sin khơng gian biến đổi hình sin theo thời gian

2 Sức từ động dây quấn lớp bước đủ:

Ta xét sức từ động dây quấn lớp có q = phần tử, phần tử có ws vịng dây hình (3-16) Sức từ động dây quấn tổng ba sức từ động ba phần tử phân bố hình chữ nhật lệch góc khơng gian

Z p

2

  Nếu đem phân tích ba sóng chữ nhật theo cấp số Fourier tổng ba sóng chữ nhật tổng tất sóng điều hịa chúng

Hình 3-16 Sức từ động dây quấn lớp bước đủ có q =

Dưới ta cộng sóng điều hịa bậc sức từ động ba phần tử, cuối lấy tổng sức từ động hợp thành ứng với tất bậc  để có sức từ động tổng dây quấn

Với  1 ta có ba sóng sức từ động hình sin

, , ,

3 , ,

1 lệch khơng gian góc  biểu thị ba vectơ lệch góc khơng gian  hình (3-17) Tổng ba sóng sức từ động hình sin sóng hình sin ( đường ) sóng sức từ động nhóm ba phần tử Biên độ có trị số độ dài vecto tỏng vectơ 1, hình 3-17 Đối với sức từ động tổng nhóm phần tử ta có sức từ động nhóm q phần tử:

1

1 r sm

q qk F

F  (3-20)

Với sóng bậc  góc lệch sóng sức từ động bậc   vectơ sức từ động tổng  bậc  có biên độ:

 

 r sm

q qk F

F  (3-21) Như sức từ động dây quấn lớp bước đủ biểu thị sau:

t k

qF

Fq  sm r cos.sin (3-22)

Hình 3-17 Cộng sức từ động ba phần tử Sức từ động dây quấn pha hai lớp bước ngắn:

Sức từ động dây quấn hai lớp bước ngắn xem tổng sức từ động hai dây quấn lớp bước đủ đặt lớp đặt lớp lệch góc điện  hình 3-18

Hình 3-18 Sức từ động dây quấn pha hai lớp bước ngắn

Đối với sóng ( 1) góc lệch  (1) 

  y nên có:

1 1

1

2 ) cos(

2 q q n

f F F k

F     (3-23) Tương tự sóng bậc  :

  





 q n

q

f F F k

F

2 ) cos(

2  

 (3-24)

Kết sức từ động dây quấn pha hai lớp bước ngắn biểu thị dạng:

t k

k qF

Ff 2 sm n r cos.sin (3-25)

Thay trị số Fsm ý dây quấn hai lớp số vịng dây pha w2pq.ws

nên ta viết:

t F

Ff  f cos.sin (3-26) Trong đó:

I p wk I

p wk

Ff dq dq

 



 

9 ,

2

 

 (3-27)

Do sức từ động dây quấn pha tổng hoợp dãy sóng đập mạch, nghĩa phân bố hình sin khơng gian biến đổi hình sin theo thời gian với tần số dịng điện chảy dây quấn

Hình 3-19 Cộng s.t.đ hai lớp dây quấn pha hình 3-18

II Sức từ động dây quấn m pha:

Ta xét tổng quát sức từ động dây quấn m pha rồt từ suy sức từ động dây quấn ba pha ( m = ) sức từ động dây quấn hai pha ( m = )

Giả sử cho dây quấn m pha đặt lệch khơng gian góc điện

m



( hình 3-20) có

dịng điện m pha đối xứng lệch thời gian góc 2

t i1  2sin

) sin( m t

i    

……          m m t

im 2sin  ( 1)2

Hình 3-20 Dây quấn m pha

Như biết sức từ động pha sức từ động đập mạch biểu thị sau: 



 sin cos

1 F t

F  f

) ( cos ) sin( m m t F

F  f       

………                  m m m m t F

F2 f sin  ( 1)2 cos  ( 1)2

Để có sức từ động dây quấn m pha ta lấy tổng m sức từ động đập mạch Muốn cho phân tích dễ dàng, ta phân tích sức từ động bậc  pha thành hai sức từ động quay thuận ngược Như sức từ động dây quấn m pha tổng tất sức từ động quay thuận sức từ động quay ngược

Ta có: ) sin( ) sin( cos sin

1      

 

    

F t F t F t

F f f f

                        m t F m t F m m t F F f f f                ) ( ) ( sin 2 ) ( ) ( sin ) cos( ) sin( …………                                        m m t F m m t F m m m m t F F f f f m                 ) )( ( ) ( sin 2 ) )( ( ) ( sin 2 ) ( cos ) ( ( sin

Trong  1, 3, 5, chia thành ba 38 nhóm sau:

    

 

  

1

1

mk mk mk

  

Trước hết ta xét tổng sức điện động quay thuận, tức tổng số hạng thứ vế phải biểu thức Các sức từ động quay thuận viết sau:

) sin(

1  



  t

F

F t f

   

 

   

m t

F

Ft f sin ( ) ( 1)2

2

…………

   

 

    

m m

t F

Fmt f sin ( ) ( 1)( 1)2

Tổng chúng tổng sóng quay hình sin lệch góc

m



 1)2

(   có trị số xác định sau:

- Với nhóm  mk:

m k m mk

m

   

 1)2 ( 1)2 2

(     

Ta thấy với trị số m, k sức từ động sónh hình sin quay với tốc độ, vectơ tương ứng với sóng hình sin lệch góc

m



làm thành hình đối xứng ( hình 3-21a) tổng chúng khơng

Hình 3-21 Cộng sức từ động quay thuận bậc  pha

- Với nhóm  2mk1 ta có:

k

m 



 1)2

(  

Các sức từ động tương ứng với trị số k sức từ động quay thuận trùng pha ( hình 3- 21b ) tổng chúng bằng:

) sin(

2   

mF t

Ft f

- Với nhóm   2mk1 :

m k m   

 1)2 4

(   

Các sức từ động tương ứng với mỗitrị số k sức từ động quay với tốc độ lệch

m



( hình 3- 21c ) tổng chúng khơng

Tương tự xét tổng sức từ động quay ngược tức tổng số hạng thứ hai vế phải biểu thức ta thấy tổng sức từ động có  mk  2mk1 khơng Riêng nhóm sức từ động ứng với  2mk1 trùng pha nên tổng chúng là:

) sin(

2   

mF t

Fng f (3-28)

Như sức từ động dây quấn m pha, ta viết gộp lại cho tổng sóng quay thuận quay ngược sau:

sin( )

2

)

( F t

m

Fm  f (3-29) Trong đó: I p wk m F m dq f    0,45

2  (3-30)

Tốc độ quay sức từ động quay bậc 





w

w 





n n 

Điều chứng minh cách lấy đạo hàm theo t biểu thức t const sức từ động bậc  ln có giá trị khơng đổi quay

Đối với dây quấn ba pha ta thay m = lúc sức từ động dây quấn ba pha sau: ) sin( )

( F t

F  f (3-31) Trong đó:

I p wk

Ff dq



  1,35

2

 (3-32)

Ta kết luận sức từ động dây quấn ba pha tổng sức từ động bậc , 13 , , 1

6  

 k

 quay thuận sức từ động bậc  6k15, 11, 17, quay ngược

biên độ sức từ động quay bậc  3/2 lần biên độ sức từ động pha bậc  tốc độ quay sức từ động bậc





n

n 

Đối với dây quấn hai pha đặt lệch khơng gian góc điện

2

 có dịng điện hai pha lệch thời gian góc

2

 thay m = vào ta được:

) sin(

)

( F t

F  f (3-33) Trong đó:

I p wk

Ff dq





 0,9 (3-34)

Nghĩa sức từ động dây quấn hai pha tổng sức từ động  4k 1 quay thuận sức từ động bậc  4k1 quay ngược biên độ sức từ động quay bậc  biên độ sức từ động pha bậc  , tốc độ quay sức từ động bậc 





n

n 

Chú thích:

Khi dòng điện m pha dây quấn m pha khơng đối xứng ta phân tích dịng khơng đối xứng thàng dịng điện m pha thứ tự thuận I1, dòng điện m pha thứ tự ngược I2 dòng điện m

pha thứ tự không I0 theo phương pháp thành phần đối xứng

Thành phần dòng điện đối xứng thứ tự thuận I11, I21, …, Im1 sinh sức từ động dây quấn

m pha :

) sin( ) (

1 F  t

m

F m  f (3-35) Trong đó:

1 0,45

2 p I

wk m F m dq f  

  (3-36)

Thành phần dòng điện đối xứng thứ tự ngược I12, I22, …, Im2 sinh sức từ động dây quấn

m pha :

) sin( 2 ) (

2 F  t

m

F m  f (3-37) Trong đó:

2 0,45

2 p I

wk m F m dq f  

  (3-38)

Thành phần dòng điện thứ tự không:

t I

i i

i

i01  02  03   0m  0sin (3-39)

Sinh dây quấn m pha sức từ động đập mạch pha thời gian lệch không gian m  :  

 sin cos

0

01 F t

F  f

) ( cos sin 02 m t F

F  f     

………      

F t m

F0m 0f sin cos  ( 1)2

Với  mk sức từ động đập mạch dịng thứ tự khơng m pha lệch 2k không gian cộng số học với

 



 sin cos

0 )

(

0 F t

F

mk f

m 



 (3-40) Trong đó:

0

0 0,9 I

p wk m

F f dq





  (3-41)

Với  2mk 1 sức từ động đập mạch dịng thứ tự khơng m pha hình thành hệ vectơ lệch góc khơng gian

m



có tổng khơng

Qua phân tích ta thấy sức từ động dây quấn m pha có dịng điện m pha đối xứng chạy qua bao gồm sức từ động quay sức từ động đập mạch Trong máy điện xoay chiều sức từ động đập mạch chủ yếu sinh từ trường tản dây quấn, sức từ động quay tham gia trực tiếp vào trình biến đổi lượng điện ta thấy sức từ động quay tròn thuận ngược bậc, có biên độ khác I1 I2 tổng hợp lại cho sức từ động elip

Đối với dây quấn ba pha ( m = ) ứng với  1, 7, 13, sức từ động elipquay thuận,

, 11 ,



 sức từ động quay ngược

Hình 3-22 trình bày sức từ động elip ứng với  1và  5 dây quấn ba pha

Hình 3-22 Sức từ động elip dây quấn ba pha tải không đối xứng a bậc  1 và b bậc  5

Phân tích sức từ động dây quấn m pha phương pháp đồ thị :

Ở ta nghiên cứu sức từ động dây quấn m pha phương pháp giải tích đến kết luận dòng điện ba pha ( hai pha ) chạy dây quấn ba pha ( hai pha ) tạo từ trường quay Ở ta dùng phương pháp đồ thị để chứng minh điều

Để đơn giản trước hết ta xét sức từ động sinh dòng điện ba pha iA, iB, iC chảy dây

quấn ba pha A-X, B-Y, C-Z, có q = 1, p = hình (3-23) thời điểm khác

Hình 3-23 Sức từ động dây quấn ba pha có q = 1, 2p = thời điểm t = t =

3

T

Giả sử thời điểm t = dòng điện pha A cực đại: m A I

i 

Còn:

2 m C

B

I i

i  

và giả sử dòng điện pha A có chiều từ X đến A cịn pha B C có chiều từ B đến Y C đến Z ký hiệu hình (3-23)

Các sức từ động FA, FB, FC có trị số tỷ lệ với dịng điện chảy pha phân bố dọc hai cực trình bày đường biểu diễn 1, 2, hình (3-23a) Cộng tung độ ba đường biểu diễn điểm ta sức từ động tổng dây quấn ba pha đường Ta thấy trị số cực đại sức từ động tổng trùng với trục pha A pha có dịng điện cực đại thời điểm t =

Ở thời điểm

T

t  thì:

m B I

i 

Còn:

2 m C

A

I i

i  

Lập lại cách vẽ ta có đường biểu diễn sức từ động pha sức từ động tổng hình (3-23b).Ta thấy dịng điện biến đổi phần ba chu kỳ T/3 sức điện động tổng dây quấn ba pha xê dịch không gian khoảng cách

3

2 có trị số cực đại sức từ

động tổng trùng với trục pha B pha có dịng điện cực đại thời điểm

T

t

Từ kết phân tích ta kết luận sau:

- Sức từ động dây quấn ba pha sức từ động quay Khi dòng điện biến đổi chu kỳ T sức từ động quay khơng gian Nếu máy có p đơi cực sức từ động  quay 1/p vòng Vậy tốc độ quay sức từ động là:

) / ( 60

ph vg p

f n

- Trục sức từ động ln trùng với trục pha có dịng điện cực đại:

Để có phương pháp tổng quát vẽ đường phân bố sức từ động tổng dây quấn q1, ta nhận xét trị số sức từ động tăng tỷ lệ với phụ tải đường A dọc chu vi hở Do dây quấn đặt tập trung rãnh nên sức từ động không thay đổi khoảng rãnh mà thay đổi vị trí rãnh tỷ lệ với tổng đại số dịng điện rãnh Trục ngang đường biểu diễn vẽ vị trí cho hình thành với đường biểu diễn sức từ động diện tích trục ngang nhau, thể từ thông cực N cực S phải trị số

CÂU HỎI :

1 Phân biệt s.t.đ dập mạch s.t.đ quay Sức từ động máy biến áp khác cac s.t.đ ?

2 Phân tích s.t.đ dây quấn pha quấn rải bước ngắn Biểu thức tính chất s.t.đ ? Phân tích s.t.đ dây quấn ba pha quấn rải bước ngắn Biểu thức tính chất s.t.đ ? Tác dụng bước ngắn quấn rải s.t.đ ?

5 Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn ba pha Giả sử pha bị đứt s.t.đ dây quấn thuộc loại s.t.đ ?

BÀI TẬP

1 Cho máy phát điện ba pha tốc độ quay n = 75 vg/ph, dây quấn lớp, dòng điện qua phần tử I = 230A (trị số hiệu dụng), số rãnh phần tĩnh Z = 480, rãnh có dẫn, tần số f = 50Hz Tính :

a Biên độ sóng điều hồ s.t.đ bậc 1, 3, phần tử i = Iđm

b Biên độ s.t.đ bậc 1, 3, dây quấn pha

Đáp số : a Fs1,3,5 = 1656; 552; 331,2 A/cực

b Fq1,3,5 = 3196; 780; 171 A/cực

2 Vẽ đường biểu diễn s.t.đ dây quấn ba pha lớp với Z = 24; 2p = , thời điểm ứng với iA = Im

3 Vẽ đường biểu diễn s.t.đ dây quấn ba pha hai lớp quấn xếp với Z = 15; 2p = , thời điểm ứng với iA = Im

CHƯƠNG IV : MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ

§ 4.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ I Phân loại kết cấu:

Phân loại:

Theo kết cấu vỏ, máy điện khơng đồng chia thành kiểu sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phịng nổ, …

Theo kết cấu roto, máy điện không đồng chia làm hai lọai: Loại roto kiểu dây quấn loại roto kiểu lồng sóc

Theo số pha dây quấn stato chia thành loại: Một pha, hai pha, ba pha

2 Kết cấu: Giống máy điện quay khác, máy điện không đồng gồm phận sau

a Phần tĩnh hay stato: stato có vỏ, lõi sắt dây quấn - Vỏ máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm gang Đối với máy có cơng suất tương đối lớn ( 1000 kW ) thường dùng thép hàn lại làm thành vỏ Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ khác

- Lõi sắt:

Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi sắt làm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại Khi đường kính ngồi lõi sắt nhỏ 990 mm dùng trịn ép lại Khi đường kính ngồi lớn trị số phải dùng hình rẽ quạt ( hình 4-1) ghép lại thành khối trịn

Hình 4-1 Lá thép kỹ thuật điện hình rẻ quạt

dùng để ghép lõi sắt stato máy điện không đồng cỡ vừa lớn

Mỗi thép kỹ thuật điện có phủ sơn cách điện bề mặt để giảm hao tổn dịng điện xốy gây nên Nếu lõi sắt ngắn ghép thành khối Nếu lõi sắt dài thường ghép thành thếp ngắn, thếp dài từ đến cm, đặt cách cm để thơng gió cho tốt Mặt thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

-Dây quấn:

Dây quấn stato đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt b Phần quay hay roto:

Phần có hai phận lõi sắt dây quấn - Lõi sắt:

Nói chung người ta dùng thép kỹ thuật điện stato Lõi sắt ép trực tiếp lên trục máy lên giá rơto máy Phía ngồi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

-Rôto dây quấn rôto:

Rơto có hai loại chính: rơto kiểu dây quấn rơto kiểu lồng sóc

Loại rơto kiểu dây quấn: Rơto có dây quấn giống dây quấn stato Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp bớt dây đầu nối, kết cấu dây quấn rôto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha rơto thường đấu hình sao, cịn ba đầu nối vào ba vành trượt thường làm đồng đặt cố định đầu trục thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngồi Đặc điểm loại động điện rôto kiểu dây quấn thơng qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ cải thiện hệ số công suất máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rơto nối ngắn mạch

Loại rơto kiểu lồng sóc: kết cấu loại dây quấn khác với dây quấn stato Trong rãnh lõi sắt rôto đặt vào dẫn đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt nối tắt lại hai đầu hai vành ngắn mạch đồng hay nhôm làm thành lồng mà người ta quen gọi lồng sóc ( hình 4-2 )

Hình 4-2 Dây quấn rơto kiểu lồng sóc làm đồng

Dây quấn lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính mở máy, máy cơng suất tương đối lớn, rãnh rơto làm thành dạng rãnh sâu làm thành hai rãnh lồng sóc hay cịn gọi lồng sóc kép ( hình 4-3 ) Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường làm chéo góc so với tâm trục

Hình -3 Những kiểu rãnh đặc biệt rơto lồng sóc c Khe hở:

Vì rơto khối tròn nên khe hở Khe hở máy điện không đồng nhỏ ( từ 0,2 đến mm máy điện cỡ nhỏ vừa ), để hạn chế dịng điện từ hóa lấy từ lưới vào làm cho hệ số công suất máy cao

Hình - Động điện rơto lồng sóc II Các lượng định mức :

Cũng tất máy điện khác, máy điện không đồng có trị số định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật máy Các trị số nhà máy thiết kế, chế tạo quy định ghi nhãn máy Vì máy điện khơng đồng chủ yếu làm việc chế độ động điện nên nhãn máy ghi trị số định mức động điện máy tải định mức Các trị số thường bao gồm:

- Cơng suất định mức đầu trục Pđm ( kW hay W )

- Dòng điện dây định mức Iđm ( A )

- Điện áp dây định mức Uđm ( V )

- Cách đấu dây ( Y hay ∆ )

- Tốc độ quay định mức nđm ( vg/ph )

- Hiệu suất định mức ηđm ( % )

- Hệ số công suất định mức cosφđm

- Các đại lượng khác

Từ trị số định mức ghi nhãn máy tìm trị số quan trọng khác: Công suất định mức mà động điện tiêu thụ:

đm đm

đm đm

đm

đm U I

P

P 

 cos

1  

Mô men quay định mức đầu trục:

đm đm đm

đm

n P P

M 0,975

81 ,

1

 



Trong

60 2 ndm

  tốc độ quay tính rađ/s III Công dụng máy điện không đồng bộ:

Máy điện không đồng loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động Do kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động không đồng loại máy dùng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilơoat Trong cơng nghiệp thường dùng máy điện không đồng làm nguồn động lực cho

máy cán thép loại vừa nhỏ, động lực cho máy công cụ nhà máy công nghiệp nhẹ, … hầm mỏ dùng làm quạt gió Trong nơng nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng chiếm vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động tủ lạnh, … Tóm lại, theo phát triển sản xuất điện khí hóa, tự động hóa sinh họat ngày, phạm vi ứng dụng máy điện không đồng ngày rộng rãi

Tuy vậy, máy điện không đồng có nhược điểm sau: cosφ máy thường khơng cao đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng máy điện không đồng có phần bị hạn chế

Máy điện khơng đồng dùng làm máy phát điện đặc tính khơng tốt so với máy phát điện đồng bộ, nên vài trường hợp ( q trình điện khí hóa nơng thơn ) cần nguồn điện phụ hay tạm thời có ý nghĩa quan trọng

CÂU HỎI:

1 Một động điện không đồng rôto dây quấn, dây quấn stato ngắn mạch Cho điện xoay chiều ba pha tần số f1 vào dây quấn rôto, từ trường quay so với rôto quay với tốc độ n1 theo chiều

kim đồng hồ Hỏi lúc rơto quay theo chiều ? Tính tốn hệ số trượt s ? Khi s = tốc độ ?

2 Tại máy điện không đồng loại máy điện dùng rộng rãi ?

3 Máy điện không đồng thường chia thành loại ? Đặcđiểm loại ?

§ 4.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

I Đại cương:

Nói chung stato máy điện khơng đồng có dây quấn m1 pha ( thường m1 = 3), rơto

có dây quấn m2 pha ( m2 = động rơto dây quấn, cịn động rơto lồng sóc m2

> dây quấn nhiều pha) Như máy có hai mạch điện khơng nối với chúng có liên hệ cảm ứng từ Khi máy làm việc bình thường, dây quấn stato có từ thơng tản tương ứng có điện kháng tản, dây quấn rơto hai dây quấn có hỗ cảm

Vì ta coi máy điện không đồng máy biến áp mà dây quấn stato dây quấn sơ cấp, dây quấn rôto dây quấn thứ cấp liên kết hai mạch điện sơ cấp thứ cấp thông qua từ trường quay ( máy biến áp từ trường xoay chiều ) Do dùng cách phân tích kiểu máy biến áp để nghiên cứu nguyên lý làm việc máy điện khơng đồng như: Thiết lập phương trình bản, mạch điện thay thế, đồ thị vectơ, … phần sử dụng kết đạt phân tích máy biến áp

Cần ý phân tích nguyên lý máy điện không đồng bộ, ta xét đến tác dụng sóng mà khơng xét đến tác dụng sóng bậc cao tác dụng chúng thứ yếu II Máy điện không đồng làm việc rơto đứng n:

Bình thường làm việc, dây quấn rôto máy điện không đồng nối ngắn mạch máy quay với tốc độ đó(n0) Nhưng có số quan hệ mà rơto đứng yên ( n = ) tồn qua trạng thái hiểu cách dễ nguyên lý làm việc máy điện không đồng Vì trước hết ta nghiên cứu trường hợp rơto đứng n Thực coi động điện lúc mở máy nằm trường hợp

Đặt điện áp U1 có tần số f1 vào dây quấn stato, dây quấn stato có dịng điện I1, tần số

f1; dây quấn rơto có dịng điện I2, tần số f1 Dòng điện I1 I2 sinh sức từ động quay

F1 F2 có trị số :

1 1 1 I p k w m

F   dq 

 2 2 2 I p k w m

F   dq 



Trong đó:

m1, m2 số pha dây quấn stato rôto;

p số đôi cực;

w2, w1, kdq1, kdq2 số vòng dây nối tiếp pha hệ số dây quấn stato, rôto

Hai sức từ động quay với tốc độ đồng n1= 60f1/p tác dụng với để sinh sức

từ động tổng khe hở Fo Vì phương trình cân sức từ động viết:

              , F F F F F F O (4-2)

Giống cách phân tích máy biến áp, coi dịng điện stato

I gồm hai thành phần: thành phần

I tạo nên sức từ động 1 0

I p k w m

F   dq 

 thành phần

         ,

I tạo nên sức từ động

, 1 , 2 ) ( I p k w m

F   dq 



 bù lại sức từ động

F dòng điện thứ

cấp

I

Như ta có:

           ,

1 I I

I Hay ,

1 I I

I   (4-3)

So sánh sức từ động

2

F dòng điện

2

I rôto thành phần

,

I dòng điện stato sinh ra, ta có: , 1 2

2 2

I p k w m I p k w

m dq dq

      

Từ tìm tỷ số biến đổi dòng điện: 2 1 , dq dq i k w m k w m I I

k   (4-4)

Dịng điện quy đổi rơto sang stato bằng:

i k I I , 

Từ thơng  sức từ động Fo sinh khe hở quét qua hai dây quấn stato rôto cảm

ứng sức điện động mà trị số bằng:

    2 2 1 1 44 , 44 , dq dq k w f E k w f E (4-5)

Khi rôto đứng yên, f1 = f2 nên tỷ số biến đổi điện áp máy điện không đồng bằng:

2 1 dq dq e k w k w E E

k   (4-6)

Quy đổi E2 sang bên sơ cấp ta được:

2

,

2 E k E

E   e

Do từ thông tản stato 1 nên dây quấn stato cảm ứng nên sức điện động tản

1

1 jI x

E  , x1 điện kháng tản dây quấn stato Nếu xét điện áp rơi điện trở

r1 dây quấn stato 1

1r

I phương trình cân sức điện động mạch điện stato bằng:

 

1 1

1 E E I r E I r jx E I Z

U      

      

  (4-7)

Trong Z1 = r1 + jx1 tổng trở dây quấn stato

Trên dây quấn rôto Do dây quấn rơto ngắn mạch nên phương trình cân sức điện động mạch điện rôto sau:

  2

0  E I r  jx  E I Z (4-8)

Trong đó:

R2 điện trở rơto bao gồm điện trở phụ mắc vào có;

X2 điện kháng tản dây quấn rôto;

Z2 = r2 + jx2 tổng trở dây quấn rôto

Cũng giống máy biến áp ta viết:

E Io Zm Iorm jxm

1 (4-9) Trong đó:

o

I dịng điện từ hóa sinh sức từ động

o F rm điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt

xm điện kháng từ hóa biểu thị hỗ cảm stato rôto

Muốn qui đổi điện trở điện kháng rôto sang bên stato phải áp dụng nguyên tắc tổn hao khơng đổi góc pha E2 I2 khơng đổi Khi qui đổi r2 ta có:

, , 2 2

2I r m I r

m 

Từ ta được:

2 2 2 1 1 2 , 2 ,

2 r k k r k.r

k w m k w m m m r I I m m

r e i

dq dq                       

 (4-10)

Trong k = keki hệ số qui đổi tổng trở

Khi qui đổi x2, ta có :

, , 2 2 r x r x

tg  

Và được: 2 2 , ,

2 x kx

r r

x   (4-11)

Khi viết phương trình ta coi trục dây quấn stato rơto pha trùng pha ( hình 4-5a )

a) b)

Hình -5 Sơ đồ máy điện khơng đồng có trục

dây quấn stato rôto pha trùng (a) lệch pha góc  (b)

Trong trường hợp chung, giả sử dây quấn rơto lệch với dây quấn stato góc khơng gian theo chiều từ trường quay ( hình 4-5b ), từ trường quay quét qua dây quấn ta có:



j

e e E k

E 



2

1



j

e e Z E k Z E

I 

 

2

1

2

1

Ta thấy dây quấn rơto dịch phía trước dây quấn stato góc khơng gian sức điện động dịng điện chậm sau góc pha thời gian so với hai dây quấn pha có trục trùng Trong trường hợp đó, biên độ sức từ động quay F2 dịng điện rơto I2 sinh

đạt tới vị trí trùng với trục pha dây quấn rơto ( ví dụ pha a ) chậm khoảng thời gian ứng với thời gian cần thiết để F2 quay góc

Vì ( hình 4-5b) trục pha a rơto có vị trí vượt trước trục pha A stato góc, nên sức từ động F2 có vị trí tương đốiso với sức từ động F1 hồn tịan giống hai trục dây quấn

stato rôto trùng xét trường hợp hình 4-5a Kết sức từ động tổng Fo từ thông tổng tương ứng không đổi, trị số sức điện động, điện áp, dịng điện khơng thay đổi

Từ phân tích ta rút kết luận thời điểm định, trục sức từ động rơto so với vị trí dây quấn stato khơng vị trí dây quấn rơto mà thay đổi Do phương trình cân sức từ động viết Khi trục dây quấn rơto lệch với trục dây quấn stato pha có sức điện động dịng điện lệch góc pha Nhưng cần giải dòng điện sức điện động stato, rôto tác dụng lên stato thông qua sức từ động nó, β = hay β # ta coi stato thay đổi, dùng trường hợp β = để lập quan hệ stato rơto Như tránh phức tạp xét thêm góc Tóm lại phương trình đặc trưng cho tình trạng làm việc ngắn mạch máy điện không đồng quy đổi sang stato bao gồm:

, , , , , m Z I E I I I E E Z I E Z I E U           

Khi rôto đứng yên mà dây quấn rôto ngắn mạch, muốn giới hạn dòng điện

I

I

trong dây quấn stato rôto đến trị số định mức chúng máy biến áp lúc ngắn mạch cần phải giảm thấp điện áp đặt vào Điện áp ( gọi điện áp ngắn mạch ) vào khoảng

đm

U

% 20

15 Cũng mà sức điện động

E máy nhỏ nhiều, từ thơng máy ít, nghĩa sức từ động máy từ hóa

F nhỏ so với

F

F , ta bỏ qua

F Lúc ta có:

F.1F.2 F.0 0

Hay: ,

1I 

I (4-13)

n Z U Z Z U I ,    

Trong đó: Zn Z Z r1r2, j(x1x2,)rn  jxn , Khi

1 Uđm

U 

I dòng điện mở máy Đồ thị vectơ mạch điện thay hình 4-6 4-7

Hình 4-6 Đồ thị vectơ máy điện khơng đồng rôto đứng yên

(4-12)

Hình 4-7 Mạch điện thay máy điện không đồng ngắn mạch III Máy điện không đồng làm việc rôto quay:

Khi rơto quay trị số tần số sức điện động dịng điện rơto thay đổi, điều ảnh hưởng lớn đến làm việc máy điện, khơng làm thay đổi nhũng qui luật quan hệ điện từ rôto đứng yên Điều cần ý nghiên cứu sau

1 Các phương trình bản:

Máy điện khơng đồng làm việc dây quấn rơto định phải kín mạch thường ngắn mạch Nối dây quấn stato với nguồn điện ba pha dây quấn có dịng điệ I1,

phương trình cân sức điện động dây quấn stato cũ:

1 1

1

1 E I r jx

U   

  

(4-14)

Từ trường khe hở sinh F1 quay vớ tốc độ đồng n1 Nếu rôto quay với tốc độ n theo chiều

quay từ trường quay tốc độ tương đối từ trường quay với dây quấn rôto n2 = n1 – n

Tần số sức điện động dòng điện dây quấn là:

1

1

2

60

60 s f

p n n

n n p n

f      (4-15)

Trong

1

n n n

s  hệ số trượt máy điện không đồng Thường động điện không đồng tải định mức s0,020.05

Trị số sức điện động dây quấn rơto lúc bằng:

2

2

2 4,44f w k sE

E s  dq  (4-16)

Vì điện kháng x L 2fL nên với dịng điện I2 có tần số f2 trị số điện kháng rơto

bằng:

2 2

2

2 f L sf L sx

x s      (4-17)

Do phương trình cân sức điện động mạch điện rôto là:

) (

0E2sI2 r2 jx2s

 

(4-18)

Hay sau quy đổi:

) (

0 ,

2 , , ,

2s I r jx s

E  

 

 

(4-19)

Trong phương trình trên, sức điện động dịng điện có tần số f2, cịn bên sơ cấp sức điện

động dịng điện có tần số f1, cần phải quy đổi tần số sang bên sơ cấp việc lập hệ thống

phương trình có ý nghĩa Muốn cho tần số phía thứ cấp f1 từ trường quay phải quét

dây quấn rôto với tốc độ quét dây quấn stato, nghĩa dây quấn rôto phải đứng yên dây quấn stato ( n = ) Khi rôto đứng yên so với rôto quay tốc độ từ trường quét dây quấn rôto

tăng theo tỉ lệ s n n

 sức điện động dây quấn rơto tăng theo tỉ lệ Vì trừ trường dịng điện I2 khơng đổi nên dịng điện rôto

,

I không đổi Kết phương trình mạch điện rơto lúc rơto quay sau quy đổi sang tần số f1 có dạng:

) (

) (

0 2, ,2 2,

, , , , , r s s jx r I jx s r I

E      

 (4-20)

Đó ý nghĩa vật lý việc quy đổi phương trình có tần số f2 sang phương trình có tần số f1

Khi rơto quay máy sinh cơng suất So sánh phương trình mạch điện rôto quay đứng yên ta thấy chúng khác điện trở giả tưởng r2,

s s



Vậy công suất công suất tiêu thụ điện trở giả tưởng có giá trị 2,

, 2 1 r s s I

m 

Công suất phụ thuộc vào hệ số trượt s tốc độ n Khi tốc độ không, điện trở giả tưởng không dẫn đến cơng suất khơng cịn

Tóm lại tồn phương trình lúc rơto quay:

1 1

1

1 E I r jx

U   

  

) (

0 ,2

, , , jx s r I

E  

 , E E  ,

1 I I

I  

m Z I E  

2 Mạch điện thay máy điện không đồng bộ:

Dựa vào phương trình trên, tương tự máy biến áp ta thiết lập mạch điện thay hình T cho máy điện khơng đồng rơto quay hình 4-8 Nhưng ý cho điện trở giả tưởng máy điện không đồng đặc trưng cho thể công suất trục máy Điện trở giả tưởng biến đổi, biểu thị cho thay đổi tải trục máy

Dùng mạch điện thay tính dịng điện stato, rơto, mơmen, … tham số khác thuộc đặc tính làm việc

Như ta chuyển việc tính tốn hệ thống điện máy điện khơng đồng thành việc tính tốn mạch điện đơn giản Vì mạch điện thay sử dụng rộng rãi

Hình 4-8 Mạch điện thay hình T máy điện khơng đồng

Thường để thuận lợi cho tính tốn, ngưịi ta biến đổi mạch điện thay hình T thành mạch điện thay hình  đơn giản

Cách biến đổi : ta coi dịng điện mạch giản đồ biến đổi hiệu số hình học dịng điện mạch dịng điện khơng tải lý tưởng lúc s = giản đồ thay hình T

Từ hình 4-8 ta có :

       

 ' 1

2 ' ' ' ' 1

z z z z z z U

z z z z z z z U I m s m s m s m s m s

oo (4-22)

Và dòng điện mạch từ hoá s = :

' 1 1 1

1 m m

m m m oo z U z U z z z U z z U I                     (4-23) với m z z1 1

 zm' 1zm z1 zm

 : hệ số hiệu chỉnh ( hệ số sửa chữa biến đồi) Dịng điện mạch giản đồ biến đổi :

                  m m s m s m s oo z z z z z z z z z z U I I I ' ' ' 1 ''

(4-24)

  

1 ' 1 ' ' 1 1                           m s m m s m s m m z z z z z z U z z z z z z z z z U                      ' ' 2 1 1 ' 2 1 1 jx s r jx r U z z U

s  

 

Các quan hệ vừa nhận tương ứng với giản đồ thay hình  (dựa vào biểu thức Ioo

– I’’2 , ta vẽ giản đồ thay )

                    m s m s m s s

s z z z z z z

Do đó, tỷ số dịng điện mạch hình T  :

1 ''

2 '

2 1 

  

m z

z I

I

coi rm << xm :

m m

m r

r j x

x z

z1 1 1

1 1 

  

  

   



Vì m r

r1

bé nên bị qua phần ảo 1

=>

m m

x x

 



    

 1

1 1 thực tế : 1 = 1,04  1,08

Hình 4-9 Mạch điện thay hình  máy điện khơng đồng

Hình 4-10 Mạch điện thay hình  đơn giản hố máy điện không đồng

IV Các chế độ làm việc, giản đồ lượng đồ thị véctơ máy điện khơng đồng bộ: Máy điện khơng đồng làm việc ba chế độ động cơ, máy phát trạng thái hãm Tùy theo hệ số trượt s mà dùng mạch điện thay để nghiên cứu đặc tính làm việc máy ba chế độ

1 Máy làm việc chế độ động điện ( < s < ):

Động điện lấy điện từ lưới điện vào với P1 = m1U1I1cosφ1 Một phần nhỏ cơng suất

đó biến thành tổn hao đồng dây quấn stato pCu1 = m1I21 tổn hao lõi sắt stato

pFe = m1I2orm, cịn lại phần lớn cơng suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua

rôto Như vậy:

s r I m p p

P

Pđt Cu Fe

, ,

2 1

1  

Vì rơto có dịng điện nên có tổn hao đồng rôto  2, ,

2

2 m I r

pCu  , cơng suất động điện :

, ,

2 2

1

r s

s I

m p

P

Pcô đt Cu 

      

 

 (4-27)

Công suất đưa đầu trục động điện P2 nhỏ công suất máy quay có tổn hao

cơ pcơ tổn hao phụ pf :

) (

2 Pcô pcô pf

P     (4-28)

Như tổng tổn hao động điện là:

p pCu1 pFe pCu2 pcô pf (4-29)

Và công suất đưa đầu trục:





P p

P2 1 (4-30)

Hiệu suất động điện:

1

2

1

P p P

P 

  

 (4-31)

Giản đồ lượng động điện khơng đồng hình 4-11a

Hình 4-11 Giản đồ lượng động điện không đồng

a) chế độ động điện; b) chế độ máy phát điện; c) trạng thái hãm

Cũng giống máy biến áp, đồ thị vectơ động điện khơng đồng vẽ theo phương trình (4-21) hình 4-12a

Hình 4-12 Đồ thị vectơ động điện không đồng

a) chế độ động cơ; b) chế độ máy phát; c) trạng thái hãm

Theo mạch điện thay hình T hình 4-8, thấy rõ phân phối cơng suất phản kháng máy điện không đồng Động điện không đồng lấy từ lưới vào công suất phản kháng bằng:

Q1 = m1U1I1sinφ1 (4-32)

Một phần nhỏ công suất phản kháng sử dụng để sinh từ trường tản mạch điện sơ cấp q1 thứ cấp q2:

1 1

1 mI x

q 

, ,

2 1

2 m I x

q 

Phần lớn công suất phản kháng lại dùng để sinh từ trường khe hở: m

m m E I mI x

Q  1 1 0  1 02 (4-34)

Do ta có:

1 1

1 Q q q mU I sin

Q  m   (4-35)

Giản đồ công suất phản kháng động điện khơng đồng thể hình 4-13

Hình 4-13 Giản đồ cơng suất phản kháng động điện không đồng

Do máy điện không đồng khe hở lớn máy biến áp, nên dòng điện từ hóa I0

trong máy điện khơng đồng lớn dịng điện từ hóa máy biến áp Do Qm I0 tương đối

lớn hệ số công suất cosφ máy biến áp Thường động điện không đồng bộ,

95 , ,

cosđm   Khi không tải cosφ thấp, thường cos0 0,10,15 Máy làm việc chế độ máy phát (s0):

Khi hệ số trượt s có giá trị âm cơng suất 2, , 2 1 r s s I m

Pcô 

     

 có giá trị âm, nghĩa máy

lấy cơng suất vào Ngồi ta có:

0

/ 2,

, , ,

2   

r sx s r x tg

nên góc pha 2 sức điện động

E dòng điện

I nằm khoảng 900 <2 <1800 Từ đồ thị vectơ máy phát điện khơng đồng ( hình 4-12b ) ta thấy φ1 > 900, cơng suất điện

P1 = m1U1I1cosφ1 < nên máy phát công suất điện vào lưới

Tuy công suất phản kháng Q1 = m1U1I1sinφ1 >0, máy nhận cơng suất phản kháng

từ lưới vào trường hợp động điện, đặc điểm máy phát không đồng Giản đồ lượng máy phát khơng đồng hình 4-11b

3 Máy làm việc chế độ hãm (1s):

Khi s >1 cơng suất 2,

, 2 1 r s s I m

Pcô 

     

 < 0, nên máy lấy cơng suất từ ngồi vào Cơng

suất điện từ

, , 2   s r I m

Pñt nên máy lấy công suất điện từ lưới vào

Tất công suất điện lấy vào biến thành tổn hao đồng mạch rôto:

 

, , 2 , 2 2 , , 2 1 Cu cơ

đt m I r p

s s I m s r I m P

P  

                

Vì tất luợng lấy vào tiêu thụ máy nên theo quan điểm phát nhiệt U1 = Uđm cho phép máy làm việc khoảng thời gian tương đối ngắn

Trong trường hợp máy làm việc chế độ hãm, đồ thị vectơ giống trường hợp làm việc chế độ động Giản đồ lượng đồ thị vectơ máy hãm trình bày hình 4-11c 4-12c V Biểu thức mômen điện từ máy điện không đồng bộ:

Vì máy điện khơng đồng thường dùng làm động điện, nên phân tích lấy động điện làm ví dụ suất phát từ trình vật lý trao đổi lượng tìm cơng thức mơmen để tìm quan hệ lượng trao đổi với mômen điện từ

Cũng giống máy điện khác, động điện không đồng lúc làm việc phải khắc phục mômen tải bao gồm mômen không tải M0 mômen cản tải M2 Vì phương trìng cân

mơmen lúc làm việc ổn định là:

M = M0 + M2 (4-36)

Trong M mơmen điện từ động điện:

 f cô p p

M0   

 2 P M  Trong đó: 60 2n

  tốc độ góc rơto n tốc độ quay rôto

 

cô f

cô p P P

p

M     

 (4-37)

Mặt khác mômen điện từ từ trường quay  dịng điện rơto I2 tác dụng lẫn mà sinh

và từ trường quay với tốc độ đồng n1, quan hệ cơng suất điện từ mômen điện từ

như sau:

1 

ñt P

M  (4-38)

Trong đó: 60 1 n 

  tốc độ góc đồng từ trường quay Từ ta có:

  đt đt

dt

cơ P s P

n n P

P    1

1

 

(4-39)

Và tổn hao đồng rơto bằng:

đt cơ ñt

Cu P P sP

p   

 2 (4-40)

Vì Pđt m2E2I2cos2 nên có:

  2 cos2

2 1-sE I

m



cô

P (4-41)

Lại có:

E2  2.f1w2kdq2

60

1

pn

f  tần số lưới

 

60

1 s  n1

   tốc độ góc rôto 2 2 cos 

 m pw k I

P

M cô dq

 



 (4-42)

Từ quan hệ ta thấy rõ vấn đề trao đổi lượng từ điện sang ( hay ngược lại ) máy điện không đồng Cách chuyển hóa lượng mặt điện phụ thuộc vào góc lệch pha sức điện động dịng điện, mặt phụ thuộc vào mômen điện từ tốc độ quay máy

Thường lợi dụng mạch điện thay để tính mơmen điện từ theo hệ số trượt s Theo mạch điện thay hình  máy điện khơng đồng ta có:

   ,2 1 , 1 ,, ,

/s x x

r r U I I        

   ,2

2 1 , 1 , 2 1 , , 2

/s x x

r r s r U m s r I m Pñt       

Từ ta quan hệ mômen điện từ với hệ số trượt s:

   

 , 2

2 1 , 1 , 2 1

1 f r r /s x x

s r p U m P M ñt        

 (4-43)

Trong đó: p f1 2  

Từ ta rút nhận xét chung mômen điện từ máy điện không đồng sau: - Với tần số tham số cho trước, mômen điện từ tỉ lệ với bình phương điện áp

- Mơmen tỉ lệ nghịch với điện kháng x1 1x2, tần số cho trước

Dịng điện mơmen máy điện khơng đồng hai tham số quan trọng để tính máy Trong cơng thức trên, dịng điện mơmen hàm s, vẽ đặc tính I = f ( s ) M = f ( s ) hình 4-14

Hình 4-14 Đường biểu diễn mơmen điện từ dịng điện theo hệ số trượt

Trên hình vẽ thấy trị số mômen máy điện không đồng chế độ động điện ( < s <1 ), chế độ máy phát điện ( s < ) trạng thái hãm ( s > )

Muốn tìm mơmen cực đại ta lấy đạo hàm dM/ds = hệ số trượt sm ứng với mômen cực

đại Mmax:

 ,2 1 , x x r r sm     

 (4-44)

             , 1 1 1 1 max 2 x x r r pU m f M  

 (4-45)

Trong công thức dấu “+ “ dùng cho động điện, dấu “ – “ dùng cho máy phát Thường r12

không vượt 5%(x1 1x2,)2 nên bỏ qua Như ta có:

   ,  1 1 1 max 2 x x r r pU m f M          

 (4-46)

Ta rút nhận xét mômen cực đại:

- Với tần số tham số cho trước, Mmax tỉ lệ với U12

- Mmax không phụ thuộc vào điện trở rôto

- Điện trở rơto r2, lớn sm lớn

- Với tần số cho trước, Mmax tỷ lệ nghịch với điện kháng x11x2,

Dịng điện mở máy mơmen mở máy tìm đem s = vào cơng thức Mmax

Ta có mômen mở máy hay mômen khởi động bằng:

   

 , 2

2 1 , 1 , 2 1 x x r r r pU m f MK       

 (4-47)

Ta có nhận xét mômen mở máy sau:

- Với tần số tham số cho trước, MK tỷ lệ với U12

- Muốn cho mở máy MK = Mmax phải tăng điện trở r2, lên

1 , 1 ,     x x r sm  

Như điện trở rơto lúc bằng:

, 1 ,

1r x  x

  

- Với tần số cho trước MK tỷ lệ nghịch với điện kháng (x1 1x,2)

Các đường biểu diễn 1, 2, 3, hình 4-15 đặc tính M = f( s ) điện trở rơto tăng dần

Hình 4-15 Đặc tính M = f( s ) với điện trở rôto khác

Trong thực tế thường tham số máy điện không đồng dùng cơng thức thực dụng ( biểu thức Klơx ) để tính mơmen

                     , 1 , 1 , 1 1 , max ) ( x x s r r s x x r r r M M     (4-48)

Mặt khác ta có:

  m s r x x r , 2 , 1      m m m m s r r s s s s s r r M M , 1 , 1 max 2            

 (4-49)

Trong máy điện không đồng thường r1 r2, mà sm (0,10.2) nên sm r r , 1

 nhỏ so với số hạng đứng trước nên ta viết lại là:

s s s s M M m m    max

biểu thức Klôx (KLOSS)

Thường lý lịch máy cho biết tỷ số

đm m

M M

k  max hệ số trượt s

đm ứng với công suất định

mức Lợi dụng trị số tính sm Thế vào biểu thức Klơx tính mơmen theo

s Tỷ số km gọi lực tải động điện khơng đồng bộ, phản ánh khả tải mà

động điện chịu

Do mơmen đầu trục M2 động điện không đồng nhỏ mômen điện từ bằng:

M2 = M – M0

Do M0 nhỏ so với mômen đầu trục M2 nên đặc tính động điện M2 = f( n) coi

bằng M = f( n ), đường đặc tính động điện khơng đồng có dạng đường đặc tính M = f( s ) vẽ hình 4-14

Cuối ta phân tích qua ổn định động điện không đồng lúc làm việc Giả sử động điện làm việc với với mơmen tải Mc Theo phương trình cân mơmen động

cơ điện làm việc hai điểm a b ( hình 4-14 )

- Xét trường hợp máy làm việc điểm a: Vì lý Mc tăng lên lúc

Mc > M nên tốc độ máy chậm lại Ta thấy lúc M tăng lên cân với Mc động điện

sẽ làm việc ổn định cân

- Khi máy làm việc điểm b tình hình khơng thế, lúc Mc tăng lên

Mc > M nên tốc độ chậm lại Nhưng lúc M lại giảm đi, Mc lớn M nên

cân mômen tốc độ tiếp tục giảm đến khơng Ta nói máy làm việc điểm b khơng ổn định Từ ta thấy động điện không đồng làm việc ổn định đoạn OC đường biểu diễn M = f( s ), nghĩa điều kiện:

dn dM dn

dM hay ds dM ds

dM c c

 

VI Mômen phụ máy điện khơng đồng bộ:

Khi phân tích mơmen đặc tính M = f( s ) trên, xét đến tác dụng từ trường sóng Nhưng sức từ động từ cảm máy điện khơng phải hồn tồn phân bố theo hình sin, nghĩa sức từ động dây quấn stato rơto ngồi sóng cịn có sóng bậc cao bao gồm sóng điều hịa Những từ trường bậc cao quay với tốc độ khác sinh mơmen Những mơmen gọi mơmen phụ máy điện

Cũng giống mơmen sóng từ trường sinh ra, mômen phụ hàm tốc độ quay máy điện Mặc dầu mômen phụ yếu so với mômen sóng từ trường sinh trường hợp định tốc độ thấp sinh mơmen hãm tương đối lớn, làm cho mômen máy điện giảm xuống rõ rệt ảnh hưởng đến làm việc máy điện, trình mở máy động điện không đồng

1 Các loại mômen phụ:

a Mômen phụ không đồng bộ:

Như ta biết dù tốc độ rôto nào, sức từ động sóng stato rơto quay không gian với tốc độ đồng n1, sinh mơmen điện từ có đặc tính M = f( s ) Khái

niệm thích ứng cho sóng điều hịa

Các sóng điều hịa sức từ động có tốc độ quay khác cảm ứng rôto sức từ động quay có tốc độ số đơi cực sinh mơmen Tốc độ quay từ trường sóng bậc  là:

1

1

n n



 

Trong sóng bậc cao sóng bậc quan trọng biên độ tương đối lớn mômen phụ sinh ảnh hưởng nhiều đến mơmen máy điện

sóng bậc quay thuận với tốc độ đồng 7 1

n

n  tốc độ máy nằm khoảng

1

7

0n n với từ trường sóng bậc máy chế độ động điện.,

n

n máy chế độ máy phát điện

Sóng bậc quay nghịch với tốc độ đồng 5 1

n

n  tốc độ đồng khu vực s > máy điện Vì từ trường sóng bậc quay nghịch nên tốc độ rôto khoảng

1

5

n n

n  

 mômen sinh âm 1

5

n

n mơmen có giá trị dương

Trong hình (4-16) đường đường M = f( s ) từ trường sóng bậc sinh ra, đường từ trường sóng bậc sinh ra, đường mômen tổng xét đế ảnh hưởng mơmen phụ sóng bậc Ta thấy rõ quãng tốc độ

7

tốc độ đồng có mơmen cực tiểu Mmin động

điện dừng tốc độ tương ứng với điểm a hình (4-16)

Hình 4-16 Đặc tính M = f( s ) có sóng điều hịa bậc 5, từ trường

Ngồi sóng bậc bậc sóng bậc cao khác có sóng điều hịa có ảnh hưởng rõ ràng

b Mơmen phụ đồng bộ:

Mômen phụ đồng sinh sóng điều hịa bậc cao từ trường stato tác dụng với sóng điều hịa bậc cao có số đơi cực từ trường rơto Tác dụng giống máy điện đồng bộ, hai sóng điều hịa số đơi cực có tốc độ khơng gian sinh mômen

Mômen phụ đồng chủ yếu sức từ động sóng điều hịa stato rơto sinh ra, phối hợp rãnh stato rơto có quan hệ nhiều đến việc sinh mơmen Kết phân tích chứng minh Khi Z1 = Z2 Z1 Z2 2p có mơmen phụ đồng Hình 4-17 vẽ

đường M = f( s ) với kiểu phối hợp rãnh

Hình 4-17 Đặc tính M = f( s ) với 2p =

a) Z1 = 24, Z2 = 28; b) Z1 = 24, Z2 = 20

c Mômen sinh chấn động tạp âm từ trường sóng điều hòa gây nên:

Động điện làm việc thường kêu rung Những tạp âm chấn động ngồi ngun nhân khí ra, nhiều trường hợp lực từ kéo lệch khe hở sinh Khi trục stato rôto trùng lực kéo lớn Nếu chu vi khe hở khơng có chỗ đối xứng giống sinh lực từ kéo lệch mơt chiều theo hướng kính Khi rơto quay, lực từ

lệch quay làm máy rung tần số rung trùng với tần số rung tự nhiên sinh cộng hưởng nghiêm trọng Kết phân tích cho thấy Z1 Z2 12p rung

2 Phương pháp trừ khử mômen phụ:

Nguyên nhân sinh mômen phụ sức từ động sóng điều hịa Vì muốn trừ khử mơmen phụ phải làm yếu sức từ động sóng điều hịa

Muốn làm yếu sóng bậc hay bậc dùng dây quấn bước ngắn Muốn làm yếu sóng điều hịa chọn phối hợp rãnh thích đáng Một phương pháp có hiệu dùng rãnh chéo rôto, thường chéo bước

Tác dụng rãnh chéo làm cho sức từ động rãnh phân phối quãng chéo mà không tập chung điểm nên làm yếu sóng điều hòa đường phân bố sức từ động khe hở tổng Rãnh chéo thường dùng động điện rơto lồng sóc cơng suất nhỏ

Hình 4-18 rõ tác dụng rãnh chéo việc trừ khử mơmen phụ Trong hình đường đường M = f( s ) ứng với rãnh không chéo, đường ứng với rãnh chéo

Hình 4-18 Đặc tính mơmen

động điện khơng đồng có rãnh chéo rơto VII Các đường đặc tính củamáy điện điện không đồng bộ:

Đặc tính tốc độ n = f( P2 ):

Ta có:

 s n n 1 1

ñt Cu P p s  

Khi không tải tổn hao đồng rôto pCu2 nhỏ so với công suất điện từ nên hệ số trượt

0



s , động điện quay gần tốc độ đồng nn1 Khi tải tăng lên tổ hao pCu2 tăng lên

nên tốc độ giảm xuống Thường tải định mức hệ số trượt vào khoảng 1,55% đặc tính n = f( P2 ) đường dốc xuống (hình 4-19)

2 Đặc tính mơmen M = f( P2 ):

Theo đường M = f( s ) mơmen thay đổi nhiều theo hệ số trượt s, phạm vi < s < sm đường M = f( s ) gần giống đường thẳng mà sm lại tương đối nhỏ đặc tính

mơmen M = f( P2) gần giống đường thẳng Trong phạm vi làm việc bình thường tốc độ thay

đổi nên mơmen khơng tải M0 không đổi quan hệ mômen đưa M2 = M – M0 với

công suất P2 đưa gần giống đường thẳng

3 Tổn hao hiệu suất η = f( P2 ):

Tổn hao máy điện không đồng bao gồm tổn hao đồng stato rôto, tổn hao sắt stato, tổn hao tổn hao phụ Tổn hao sắt rôto nhỏ tần số thấp nên bỏ qua

Tổn hao phụ bao gồm tổn hao phụ đồng sắt Tổn hao phụ đồng bao gồm có tổn hao hiệu ứng mặt ngồi gây nên sóng bậc cao từ thơng sinh dịng điện rơto Thường dùng dây quấn stato có bước ngắn, rãnh chéo rơto, chọn phối hợp rãnh thích hợp

1 1,25Z

Z  để giảm bớt tổn hao phụ

Tổn hao phụ sắt sóng bậc cao từ thông gây nên Trong máy điện không đồng bộ, tổn hao sinh bề mặt rôto ảnh hưởng miệng rãnh stato tổn hao đập mạch rôto tương đối lớn Hai loại tổn hao stato có miệng rãnh rơto nhỏ nên bỏ qua

Tính tổn hao phụ phức tạp nên thường lấy 0,5% công suất đưa vào

Trong tổn hao tổn hao đồng thay đổi theo bình phương dịng điện, cịn tổn hao khác không đổi theo tải

Hiệu suất máy bằng:

% 100

2

  

P P

P



Đường biểu diễn η = f( P2 ) hình (4-19) Thường thiết kế :

đm

P2 max (0,50,75) 

Hình 4-19 Đặc tính làm việc máy không đồng

4 Hệ số cơng suất cosφ = f( P2 ):

Vì máy điện khơng đồng phải lấy cơng suất kích từ từ lưới vào nên cosφ luôn nhỏ chậm sau Lúc khơng tải dịng điện I2 tăng lên nên cosφcũng tăng lên đạt trị số lớn

tải xấp xỉ định mức Năng lực tải

đm m

M M k  max :

Khi máy điện làm việc bình thường M Mđm Nhưng thời gian ngắn máy chịu tải lớn ( tải ) mà không xảy hư hỏng Trong động điện khơng đồng lực tải km (1,61,8) máy nhỏ, máy vừa lớn km 1,82,5

Trong máy điện khơng đồng dịng điện mở máy, mômen mở máy, mômen cực đại, hiệu suất hệ số cơng suất tiêu chuẩn hóa

VIII Các đường đặc tính máy điện khơng đồng điều kiện không định mức Điện áp không định mức:

Đây trường hợp thường gặp thực tế thường U < Uđm lấy điện cuối đường dây tải

điện

Giả thiết điện áp đặt vào động điện không đồng thấp điện áp định mức Như ta biết

2

U

M  nên mômen giảm bình phương lần so với điện áp Nếu bỏ qua điện áp rơi dây quấn stato U1  E1 , U1 giảm E1  giảm theo với mức độ Nếu

mơmen tải khơng đổi M CmI2cos2 nên I2 phải tăng lên tỷ lệ nghịch với biến thiên

của  làm máy nóng lên

Khi điện áp giảm, hệ số cơng suất có xu hướng tăng lên, điều đặc biệt rõ rệt tải nhỏ dịng điện từ hóa động giảm xuống

Về mặt tổn hao điện áp giảm có ảnh hưởng sau: Tổn hao thép giảm gần tỉ lệ với bình phương điện áp, tổn hao đồng rôto tăng tỉ lệ với bình phương dịng điện, tổn hao đồng stato phụ thuộc vào quan hệ dịng điện từ hóa I0 I2, I0 giảm cịn I2 tăng lên

Rút cục tải nhỏ ( 40% ) tổn hao có giảm đi, nên hiệu suất động điện tăng lên so với lúc máy điện áp định mức, tải lớn hiệu suất bắt đầu giảm nhanh

Qua ta thấy máy làm việc tải nhẹ ( < 50%Pđm ) nên giảm điện áp máy xuống ( đấu

∆ chuyển qua Y ) để có tính cosφ hiệu suất tốt ( hình 4-20 )

Hình 4-20 Các đặc tính làm việc động điện không đồng đổi nối dây quấn từ ∆ sang Y

2 Tần số không định mức:

Nói chung tần số lưới giữ tiêu chuẩn Nhưng trạm phát điện nhỏ, tải thay đổi tốc độ quay động kéo thay đổi làm tần số lưới điện thay đổi Theo điều kiện kỹ thuật tần số f thay đổi khoảng 5%fđm coi định mức

Nếu không kể đến điện áp rơi dây quấn stato coi U E f Khi U khơng đổi

f

1



 f fđm Tần số giảm xuống làm cho tốc độ giảm xuống  

  

 



 s

p f

n 60 1 nên

điều kiện làm nguội giảm phải giảm cơng suất máy xuống Mặt khác M giữ khơng đổi nên f giảm làm  tăng dẫn đến I2 giảm 2,

, 2 m I r p

sPñt  Cu  nên hệ số trượt s giảm xuống Ngồi mơmen cực đại động điện biến thiên tỷ lệ nghịch với bình phương tần số

3 Điện áp đặt vào không đối xứng:

Có thể phân tích hệ thống điện áp sơ cấp thành hệ thống thứ tự thuận, nghịch không Khi dây quấn nối ∆ hay Y điểm trung tính khơng nối đất thường gặp động điện khơng đồng hệ thống điện áp thứ tự không không ảnh hưởng đến làm việc động ta không ý tới

Hệ thống điện áp thứ tự nghịch tạo nên từ trường quay ngược nên hệ số trượt rôto từ trường nghịch – s > mômen từ trường nghịch sinh có tác dụng hãm Vì hệ thống thứ tự nghịch làm giảm mơmen quay có ích gây nên tổn hao phụ, phải hạn chế cơng suất động điện

VÍ DỤ Ví dụ 1:

Một động điện không đồng rôto dây quấn để rôto hở mạch cho điện áp định mức vào stato điện áp vành trượt 250 V Khi động làm việc với tải định mức tốc độ n = 1420 vg/ph Tính:

a Tốc độ đồng

b Tốc độ từ trường quay dòng điện rôto sinh so với tốc độ rôto c Tần số dịng điện rơto

d Sức điện động rôto tải định mức

Giải

a Vì hệ số trượt động bé, s (36)% nên tốc độ đồng từ trường quay n1 = 1500 vg/ph, tức máy có hai đôi cực ( tần số 50 Hz )

b Tốc độ từ trường rôto so với rôto:

n2 = n1 – n = 1500 – 1420 = 80 vg/ph

n2 quay chiều với rôto

c Tần số dịng điện rơto:

Hz pn

f 2,66

60 80 60

2

2   

Hay f2 sf1 0,053.502,66Hz

Trong đó: 0,053 1500 1420 1500 1      n n n s

d Sức điện động rôto quay tốc độ định mức:

4 , 13 250 053 ,

2 sE  

E s V

Ví dụ 2:

Một động khơng đồng có số liệu sau: dây quấn stato rôto nối Y, số rãnh stato Z1 = 72, số rãnh rôto Z2 = 12, số dẫn rãnh stato Sr1 = rôto Sr2 = 2, dây quấn bước

đủ có bước cực

Khi thí nghiệm ngắn mạch, điện áp đặt vào stato Un = 110 V, dòng điện In = 61 A cosφn =

0,336 Tính:

a Điện trở điện kháng ngắn mạch rn, xn

b Điện trở điện kháng dây quấn rôto r2, x2 Biết r1 = 0,159Ω, x1 = 0,46Ω

c Công suất động điện tiêu thụ công suất tiêu hao dây quấn ngắn mạch Giải

a Tacó:

 



 1,044

61 110 n n n I U z    

rn zncosn 1,044.0,336 0,351

  



xn znsinn 1,044.0,94 0,98 b Ta có:

 

 



 1 0,351 0,159 0,192

,

2 r r

r n     

 1 0,98 0,46 0,52

,

2 x x

x n

Để tìm r2, x2 ta cần tìm hệ số quy đổi ke, k1:

Ta có: 108 72 2m Z S 1 r1

1   

w 40 120 2m Z S 2 r2

2   

w

Hệ số dây quấn stato: kdq1 kn1kr1 bước đủ nên kn1 1 cịn:

963 , 180 sin 180 sin sin sin sin sin 1 1 1

1    

m q q m q q kr    

Trong : 3 72 1

1   

pm Z q 1 1 m q Z p      963 ,

1  

kdq kr

Hệ số dây quấn rôto: kdq2 kn2kr2 kr2

955 , 180 sin 180 sin sin sin 2 2

2   

m q q m kr  

Trong :

5 120 2

2   

pm Z q 955 ,

2  

kdq kr

Vì m1 = m2 nên:

71 , 955 , 40 963 , 108 2 1     dq dq e i k w k w k k    71 , 71 , 192 , , 2 i ek k r r 0,0207 0708 , 71 , 71 , 52 , ,

2   

i ek

k x x

c Công suất động tiêu thụ:

W I

U

Pn  n n cosn  3.110.61.0,3363920 Hoặc tính theo công suất tổn hao rn:

W r

I

Pn 3 n2 n 3.612.0,3513920

Tổn hao sắt trường hợp ngắn mạch bỏ qua, cơng suất động điện tiêu thụ bù đắp vào tổn hao đồng hai dây quấn stato rơto

Ví dụ 3:

Một động điện không đồng ba pha rôto lồng sóc có số liệu sau: Pđm = 11,9 kW,

Ufđm = 220 V, Ifđm = 25 A, f = 50 Hz, 2p = 6, pCu1 = 745 W, pCu2 = 480 W, pFe = 235 W,

pcơ = 180 W, pf = 60 W Tính công suất điện từ, mômen điện từ tốc độ quay động

Giải a Công suất điện từ động cơ:

W p

p p

P

Pñt  2  cô  f  Cu2 119001806048012620

b Mômen điện từ:

m N n

P P

M ñt ñt 120 .

60 1000 12620 60 1        Trong đó: / 1000 50 60 60

1 vg ph

p f

n   

c Tốc độ quay động cơ:

 s   vg ph

n

n 1 1 100010,038 962 / Với: 0,038

12620 480

2  

  ñt Cu P p s

Ví dụ 4:

Một động điện không đồng ba pha rôto lồng sóc có số liệu sau: Pđm = 11,9 kW,

Ufđm = 220 V, Ifđm = 25 A, f 50Hz, 2p = 6, pCu1 = 745 W , pCu2 = 480 W, nđm = 960 vg/ph,

A I 20,25

,

2  , xn = x1 + x2 = 2,18 Ω Tính cơng suất điện từ, mômen điện từ, tốc độ quay động

cơ Tính mơmen điện từ động

Giải Ta có:    

 0,398

25 745 2 1 mI p r Cu    

 0,39

25 , 20 480 , 2 , I m p r Cu

Tốc độ đồng bộ:

ph vg p

f

n 1000 /

3 50 60 60

1   

Hệ số trượt :

ph vg n

n n

s 0,04 /

1000 960 1000

1

1    



Mômen điện từ:

      m N x x s r r f s r pU m

Mñt 120

18 , 04 , 39 , 398 , 50 04 , 39 , 220 2 2 , 1 , 1 , 2 1                                          

Coi  =

CÂU HỎI:

1 Phân tích điểm giống khác nguyên lý làm việc máy điện không đồng máy biến áp

2 Một động điện không đồng rơto dây quấn, trước có số vịng dây pha dây quấn rôto nối nối tiếp phân đôi thành hai mạch song song Hỏi có ảnh hưởng đến điện áp dịng điện vành trượt rơto khơng ? Có ảnh hưởng đến tham số rơto quy đổi

,

r x,2 ? Nếu hệ số trượt s trước sau đổi cơng suất đưa vào đưa có thay đổi khơng ?

3 Nếu dây quấn stato động không đồng đặt vào điện áp thứ tự thuận có tần số f1 để sinh từ trường thuận, dây quấn rôto đặt vào điện áp thứ tự nghịch có tần số f2 để sinh từ trường nghịch, hỏi lúc rôto quay theo chiều ? Tốc độ ? Khi tải thay đổi tốc độ có thay đổi khơng ?

4 Tại dịng điện khơng tải phần trăm máy điện không đồng i0% lớn dịng điện

khơng tải phần trăm máy biến áp, dòng điện ngắn mạch phần trăm In% lại nhỏ ?

Dịng điện khơng tải lớn ảnh hưởng đến tính máy ?

5 Tìm liên hệ công suất giản đố lượng máy điện không đồng với công suất, tổn hao mạch điện thay

6 Nếu điện áp nguồn giảm 5% ảnh hưởng đến Mmax, Mk ? Nếu mômen tải

không đổi ảnh hưởng đến n, I1,, cosφ ?

7 Một động điện không đồng thiết kế với tần số f 60Hz đem dùng tần số 50 Hz giữ điện áp khơng đổi điện kháng tản, cosφ, Mmax, Mk tổn hao không tải thay đổ

nào ? Có ảnh hưởng đến cơng suất máy không ?

8 Mômen phụ động không đồng mơmen ? Ý nghĩa ảnh hưởng loại mơmen ?

9 Vẽ giải thích đường đặc tính việc động điện không đồng ?

10 Cho kết luận động làm việc điều kiện không định mức điện áp không đối xứng ?

BÀI TẬP:

1 Một máy điện không đồng ba pha cực, 50 Hz Khi đặt điện áp định mức lên stato dây quấn rơto hở mạch sức điện động cảm ứng pha dây quấn rôto 110 V Giả thiết tốc độ làm việc lúc định mức n = 980 vg/ph, rôto quay chiều với từ trường quay Hỏi:

a Máy làm việc chế độ ?

b Lúc sức điện động E2s ?

c Nếu giữ chặt rôto lại đo r2 = 0,1 Ω; x2 = 0,5 Ω hỏi chế độ làm việc định mức I2

bao nhiêu ?

Đáp số:

a Chế độ động b E2s = 2,2 V

c I2 = 21,89 A

2 Một động điện không đồng ba pha đấu Y, 380 V, 50 Hz, nđm = 1440 vg/ph Tham số

sau: r1 = 0,2 Ω, r2, 0,25, x1 = Ω, 0,95 ,

2

x , xm = 40 Ω, bỏ qua rm Tính số đơi cực , tốc độ

đồng bộ, hệ số trượt định mức, tần số dịng điện rơto lúc tải định mức Vẽ mạch điện thay hình T vào tính giá trị số dịng điện I1, I0

,

I

Đáp số:

P = 2, nđm = 1500 vg/ph, sđm = 0,04, f2 2Hz

I1 = 33 A, I0 = A, I 31,92A

,

2 

3 Một động điện không đồng ba pha cực, điện áp định mức 380 V đấu Y, tần số 50 Hz, công suất định mức 28 Kw, tốc độ định mức 980 vg/ph, lúc tải định mức cosφ = 0,88 Tổn hao đồng sắt stato 2,2 Kw, tổn hao 1,1 kW Tính hệ số trượt, tổn hao đồng rơto, hiệu suất, dịng điện stato tần số dịng điện rơto tải định mức

Đáp số:

s = 0,02; pCu2 = 594 W;

η = 87,8%; I1 = 55 A; f2 1Hz

4 Một động điện không đồng tiêu thụ lượng điện 60 kw, tổng tổn hao stato kw, hệ số trượt s = 0,03 Tính cơng suất tổn hao đồng rôto

Đáp số:

Pcơ = 57,23 kw

pCu2 = 1,77 kw

5 Cho động khơng đồng rơto dây quấn có Pđm = 155 kW, p = 2, U = 380 V, đấu Y,

pCu2 = 2210 W, Pcơ = 2640 W, pf = 310 W, r2, 0,012

a Lúc tải định mức tính: Pđt, sđm%, nđm, Mđm

b Giả sử mômen tải không đổi, cho vào dây quấn phần quay điện trở quy đổi rf, 0,1

thì hệ số trượt , tốc độ quay tổn hao đồng rôto ? c Biết r1 r2,, x1  x,2 0,06 Tính Mmax, sm

d Tính điện trở phụ cần thiết phải cho vào rơto để có mơmen mở máy cực đại

Đáp số:

a Pđt = 160,16 kw; sđm = 1,38%;

nđm = 1479 vg/ph;Mđm = 1000,7 N.m

b s, 12,88%; n, 1307vg/ ph; pCu2 = 20,63kW

c Mmax = 3503 N m; sm = 0,1

d rf = 0,180 Ω

6 Một động điện không đồng ba pha rôto lồng sóc có: Pđm = 20kw, U1 = 380 V, đấu Y,

η = 88%, cosφ = 0,84; nđm = 970 vg/ph

Biết rằng: Ik/Iđm = 4,5; Mk/Mđm = 1,2; Mmax/Mđm = 1,8

Tính:

a Iđm, Ik, sđm

b Mđm, Mk, Mmax tổng tổn hao động làm việc định mức

Đáp số:

a Iđm = 41,1 A; Ik = 185 A; sđm = 0,03

b Mđm = 197 N.m; Mk = 236,2 N.m;

Mmax = 354, N.m

7) Cho động không đồng ba pha bốn cực Pđm = 10kw, Uđm = 380/220 V, Y/∆, có tham số

r1 = 0,355Ω; r2, 0,38; rm = 1,92 Ω; x1 = 1,1Ω; 1,2 ,

2

x ; xm = 30 Ω Hãy xác định:

a Tốc độ động tiêu thụ từ lưới điện kw với cosφ = 0,75 ( động đấu Y ) b Công suất mômen trục động ( cho pcơ + pf = 233 W )

c Tốc độ động cho thêm điện trở phụ rf = 1,5 Ω vào mạch rôto

Đáp số:

a n = 1455 vg/ph

b P2 = 7,03 kW; M = 4,66 kG.m

c n = 1277 vg/ph

§4.3 MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I Q trình mở máy động điện khơng đồng bộ:

Trong trình mở máy động điện, mơmen mở máy đặc tính chủ yếu đặc tính mở máy động điện muốn cho máy quay mơmen mở máy động điện phải lớn mômen tải tĩnh mômen ma sát tĩnh Trong trình tăng tốc, phương trình cân động mômen sau:

dt d J M M

M C j



 

 (4-50)

Trong :

M, MC Mj mômen điện từ động điện, mơmen cản mơmen qn tính

g GD J

4

2

 số quán tính g = 9,81 m/s2 gia tốc trọng trường G D trọng lượng đường kính quay

 tốc độ góc rơto

Khi biết đặc tính động điện M = f1( n ) tải MC = f2( n ) tìm quan

hệ tốc độ thời gian n = f( t ) trình mở máy Cũng từ ta thấy muốn đảm bảo tăng tốc thuận lợi trình mở máy phải giữ 

dt d

nghĩa M > MC Với qn tính

nhau M – MC lớn tốc độ tăng nhanh, ngược lại máy có qn tính lớn thời

gian mở máy lâu Đối với trường hợp có yêu cầu mở máy nhiều lần thời gian mở máy ảnh hưởng nhiều đến suất lao động

Khi bắt đầu mở máy rơto đứng n, hệ số trượt s = nên trị số dòng điện mở máy tính theo mạch điện thay thế:

   ,2

2 1 , 1

1

x x

r r

U Ik



  



 (4-51)

Ở điện áp định mức thường Imm (47)Iđm Dịng điện q lớn khơng làm cho thân máy bị nóng mà cịn làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều, lưới điện công suất nhỏ

II Các phương pháp mở máy:

Theo yêu cầu sản xuất, động điện không đồng lúc làm việc thường phải mở máy ngừng nhiều lần Tùy theo tính chất tải tình hình lưới điện mà yêu cầu mở máy động điện khác Có u cầu mơmen mở máy lớn, có cần hạn chế dịng điện mở máy có cần hai Những yêu cầu địi hỏi động điện phải có tính mở máy thích ứng Nói chung mở máy động điện cần xét đến yêu cầu sau:

1 Phải có mơmen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải Dòng điện mở máy nhỏ tốt

3 Phương pháp mở máy thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắn Tổn hao cơng suất q trình mở máy thấp tốt

Những yêu cầu thường mâu thuẫn với đòi hỏi dòng điện mở máy nhỏ thường làm cho mơmen mở máy giảm theo cần thiết bị đắt tiền Vì phải vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp

1 Mở máy trực tiếp động điện rơto lồng sóc:

Đây phương pháp mở máy đơn giản nhất, việc đóng trực tiếp động điện vào lưới điện ( hình 4-21 )

Hình 4-21 Mở máy trực tiếp động điện không đồng

Nhưng lúc mở máy trực tiếp, dòng điện mở máy tương đối lớn Nếu quán tính tải lớn, thời gian mở máy q dài làm cho máy nóng ảnh hưởng đến điện áp lưới điện Nhưng nguồn điện tương đối lớn nên dùng phương pháp mở máy nhanh, đơn giản

2 Hạ điện áp mở máy:

Mục đích phương pháp giảm dịng điện mở máy đồng thời mômen mở máy giảm xuống, tải yêu cầu có mơmen mở máy lớn phương pháp khơng dùng Tuy thiết bị yêu cầu mơmen mở máy nhỏ phương pháp thích hợp

a Nối điện kháng nối tiếp vào mạch stato:

Khi mở máy mạch điện stato đặt nối tiếp điện kháng Sau mở máy xong cách đóng cầu dao D2 điện kháng bị nối ngắn mạch Điều chỉnh trị số điện khánh có

thể có dịng điện mở máy cần thiết có điện áo giáng điện kháng nên điện áp mở máy đầu cực động điện Uk nhỏ điện áp lưới UL (hình 4-22)

Hình 4-22 Hạ điện áp mở máy điện kháng

Gọi dịng điện mở máy mơmen mở máy trực tiếp Ik Mk Sau thêm điện kháng vào,

dòng điện mở máy lại Ik kIk

,

, k < cho hạ điện áp mở máy, tham số máy điện giữ khơng đổi dịng điện mở máy nhỏ đi, điện áp đầu cực động điện Uk kUk

,

Vì mơmen mở máy tỉ lệ với bình phương điện áp nên lúc mơmen mở máy Mk k2Mk

,



Ưu điểm phương pháp thiết bị đơn giản, nhược điểm giảm dịng điện mở máy mơmen mở máy giảm xuống bình phương lần

b Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy:

Sơ đồ lúc mở máy hình 4-23, T biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động điện Sau mở máy xong cắt T ( cách đóng cầu dao D2

mở cầu dao D3 )

Hình 4-23 Hạ điện áp mở máy biến áp tự ngẫu Gọi tỷ số biến đổi điện áp biến áp tự ngẫu kT ( kT < ) Uk kTUl

,

Do dịng điện mở máy mômen mở máy động điện là: Ik kTIk

,

Mk kT2Mk

,

 Gọi dòng điện lấy từ lưới vào Il dịng điện bằng:Il kT2Ik

c Mở máy phương pháp Y - ∆:

Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với máy làm việc bình thường đấu tam giác, mở máy ta đổi thành Y Như điện áp đưa vào hai đầu pha cịn có Ul /

Sau máy chạy rồi, đổi lại thành cách đấu tam giác Sơ đồ cách đấu dây hình 4-24

Hình 4-24 Mở máy Y - 

Khi mở máy đóng cầu dao D1 cịn cầu dao D2 đóng phía máy đấu Y

l kf U

U

3



Ikf Ik

3

, 

Mk Mk

3

, 

Do đấu Y để mở máy dịng điện pha dịng điện dây mà mở máy trực tiếp máy đấu ∆ ( Ukf = U1 Ik  3Ikf ) mở máy đấu Y dịng điện

k kf

kf I I

I I

3

1

,

1    Trên thực tế trường hợp tương tự dùng biến áp tự ngẫu để mở

máy mà tỉ số biến đổi điện áp

3



T

k

Trong phương pháp hạ điện áp mở máy nói trên, phương pháp mở máy Y - ∆ tương đối đơn giản nên dùng rộng rãi động điện làm việc đấu tam giác

3 Mở máy cách thêm điện trở phụ vào rơto:

Phương pháp thích dùng với động điện rơto dây quấn đặc điểm loại động điện thêm điện trở vào cuộn dây rôto Như ta biết điện trở rơto thay đổi đặc tính M = f( s ) thay đổi Khi điều chỉnh điện trở mạch điện rơto thích đáng trạng thái mở máy lý tưởng ( đường hình 4-25 )

Hình 4-25 Đặc tính mômen thêm điện trở vào rôto để mở máy

Sau máy quay để trì mơmen điện từ định q trình mở máy, ta cắt dần điện trở thêm vào rôto làm cho trình tăng tốc động điện thay đổi từ đường M = f( s ) sang đường M = f( s ) Như hình (4-25) đổi từ đường sang đường 3, đường sau cắt tồn điện trở theo đường tăng tốc đến điểm làm việc

Dùng động điện rơto dây quấn đạt mơmen mở máy lớn, đồng thời có dịng điện mở máy nỏ nên nơi mở máy khó khăn dùng động điện loại Nhược điểm động điện rôto dây quấn rôto dây quấn chế tạo phức tạp rơto lồng sóc nên đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn, hiệu suất máy thấp

III Điều chỉnh tốc độ động điện không đồng bộ:

Mặc dầu việc điều chỉnh tốc độ động điện khơng đồng có số khó khăn định, trường hợp dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp thỏa mãn yêu cầu

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ chủ yếu thực hiện:

1 Trên stato: Thay đổi điện áp đưa vào stato, thay đổi số đôi cực dây quấn stato hay thay đổi tần số nguồn điện

2 Trên rôto: Thay đổi điện trở rôto nối nối tiếp mạch điện rôto hay nhiều máy phụ gọi nối cấp

1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đơi cực:

Nói chung động điện không đồng điều kiện làm việc bình thường có hẽ số trượt nhỏ, tốc độ động điện gần tốc độ đồng n1 60f1/ p Từ ta thấy tần số khơng đổi tốc độ đồng động điện tỷ lệ nghịch với số đơi cực, thay số đơi cực dây quấn stato thay đổi tốc độ

Dây quấn stato nối thành số đơi cực khác tốc độ có nhiêu cấp, thay đổi tốc độ thay đổi cấp Thường có hai cấp tốc độ gọi động điện hai tốc độ Cũng có loại ba, bốn tốc độ Có nhiều cách thay đổi số đôi cực dây quấn stato :

- Đổi cách nối để có số đơi cực khác Dùng động điện hai tốc độ theo tỷ lệ : - Trên rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đơi cực khác nhau, thường để đạt hai tốc độ theo tỷ lệ : hay :

- Trên rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đơi cực khác nhau, dây quấn lại đổi cách nối để có số đơi cực khác Dùng động điện ba, bốn tốc độ

Do stato lồng sóc thích ứng với số đơi cực dây quấn stato, nên thích hợp cho động điện thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ cách đổi số đơi cực hình 4-26

Hình 4-26 Sơ đồ nguyên lý thay đổi số đôi cực

Tùy theo cách đấu Y hay ∆ cách đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp mà người ta chế tạo động điện hai tốc độ thành lọai mômen không đổi loại cơng suất khơng đổi ( hình 4-27 hình 4-28 )

Hình 4-27 Sơ đồ đấu dây quấn đổi tốc độ theo tỷ lệ : với mơmen khơng đổi

Hình 4-28 Sơ đồ đấu dây quấn đổi tốc độ theo tỷ lệ : với công suất không đổi

Gọi công suất động điện hai tốc độ với số đội cực P1, với số đôi cực gấp đôi P2 từ cách

đấu Y/YY hình 4-27 ta có:

1 ,

1

2 3U Ifcos

P 

1

,

1 3U 2Ifcos

P 

Giả sử η cosφ khơng đổi :

2 

P P

(4-52)

Vì tốc độ máy có cơng suất P1 gấp đơi tốc độ máy có cơng suất P2 ( n1 = 2n2 ) quan

hệ P = ωM nên ta có:

2

2

2 1

1   

M M M

M P

P  

2

1 M

M 

 nghĩa máy chế tạo theo lọai mômen không đổi

Ở hình 4-28 với cách đấu ∆/YY cơng suất máy là:

1 ,

1

2 3U 3Ifcos

P 

1 ,

1

1 3U 2Ifcos

P 

1,15

2

2

1   



P P

(4-53)

Động điện hai tốc độ đấu theo kiểu thuộc lọai công suất không đổi

2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số: Tốc độ động điện không đồng bộ:

) ( 60 ) ( 1 s p f s n

n   

Khi hệ số trượt thay đổi n tỷ lệ thuận với f1

Phương pháp thay đổi tần số điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh phẳng, động điện quay với tốc độ nào.muốn phải sử dụng nguồn điện đặc biệt, có nhiều động điện dùng thay đổi tốc độ theo quy luật chung cách điều chỉnh có ý nghĩa thực tế dùng nguồn điện biến tần chung

Khi ta bỏ qua điện trở r1 cơng thức tính mơmen cực đại thì:

2 max f U C

M  ( 4-54)

trong C hệ số Giả sử

,

U

,

M điện áp mômen lúc tần số

,

f , vào điều kiện lực tải khơng đổi ta có:

M M M M max , , max  , 2 , max , max , f U f U M M M M    M M f f U U , , 1 , 

 (4-55)

Trong thực tế ứng dụng thường yêu cầu mômen không đổi:

1 , 1 , f f U U  

Hay const f

U



1

Khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ đảm bảo công suất Pcơ không đổi, nghĩa M tỷ lệ nghịch với tần số f1 nên có:

, 1 ,

1

f f M M



1 , 1

,

f f U

U



 (4-56)

Nếu u cầu mơmen tỷ lệ với bình phương tốc độ, nghĩa M tỷ lệ với f2 ta có:

2

1 , 1 ,

           

f f U U

(4-57)

Tóm lại thay đổ tần số điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều chỉnh điện áp đưa vào động điện

Để thay đổi tần số nguồn xoay chiều đặt vào động cơ, ngày người ta dùng biến tần trực tiếp biến tần qua trung gian điện mơt chiều dùng nghịch lưu dịng nghịch lưu áp

Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp dùng cho động không đồng ba pha trình bày hình (4-29) Ưu điểm biến tần trực tiếp điện áp gần hình sin, hiệu suất cao khả hãm tái sinh động điện.Tuy nhiên có nhược điểm sử dụng nhiều tiristo khiến mạch điều khiển phức tạp đắt, tần số hạn chế khỏang tử đến f/3 nên thích hợp với truyền động tốc độ thấp, công suất lớn cịn sử dụng

Hình 4-29 Điều chỉnh tốc độ biến tần trực tiếp

Bộ biến tần qua trung gian điện chiều trình bày hình (4-30), sử dụng nghịch lưu dòng cho phép điều chỉnh tần số từ đến f dùng cho động có cơng suất từ vài kilốoat đến hàng ngàn kW

Hình 4-30 Điều chỉnh tốc độ dùng biến tần qua nghịch lưu dòng

Bộ biến tần nghịch lưu áp trình bày hình 4-31, cho phép điều chỉnh tần số từ đến f, cho động có cơng suất 100 Kw

Hình 4-31 Điều chỉnh tốc độ động không đồng dùng biến tần nghịch lưu áp Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp:

Khi tay đổi điện áp lưới, ví dụ giảm xuống x lần ( x < ) điện áp định mức ( U1 = xUđm )

mơmen giảm xuống cịn x2 lần: M = x2Mđm Nếu mơmen tải khơng đổi tốc độ giảm xuống, hệ

số trượt tăng từ sa đến sb sc hình (4-32)

Theo cơng thức mơmen M CmI2' điện áp lưới U1 = xUđm E từ thông 

x lần trị số ban đầu I2' tăng lên 1/x lần hệ số trượt:

1 , ,

2 2

 M

r I m P

p s

ñt Cu 

 

Nên hệ số trượt s 1/x2 lần hệ số trượt cũ tốc độ động điện điện áp U1 = xUđm là:

1(1 2)

x s n

n  (4-58)

Theo hình (4-32) ta thấy hệ số trượt tối đa điều chỉnh s = sđm Giả thiết

Mmax/Mđm = 2, hệ số trượt định mức sđm = 0,04 theo biểu thức Klơx tính

sđm = 0,15 nghĩa phạm vi điều chỉnh tối đa 15%

Khi mômen tải mômen định mức điện áp thấp U1 = 0,707Uđm Nếu mômen tải

nhỏ tải định mức điện áp cịn giảm

Hình 4-32 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp stato

Có thể dùng phương pháp đổi nối Y- ∆ dùng điện kháng nối nối tiếp với dây quấn stato để hạ điện áp

Cũng thay đổi điện áp ba cặp tiristo đấu song song ngược theo sơ đồ hình 4-33 ứng với góc mở α khác tiristo, điện áp trung bình đặt vào động giảm nhỏ khác Phương pháp điều chỉnh tốc độ điều khiển điện áp xoay chiều dùng thích hợp mơmen tải giảm theo tốc độ Nó cho phép mở máy động dễ dàng cách điều khiển góc mở α lớn để hạn chế dịng điện mở máy

Hình 4-33 Điều chỉnh tốc độ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ vào mạch rôto:

Phương pháp dùng động điện rơto dây quấn Thông qua vành trượt ta nối biến trở ba pha điều chỉnh vào dây quấn rơto Hình (4-34) rõ thêm điện trở phụ vào đường đặc tính M = f( s ) nghiêng phía trái Với mơmen tải định, điện trở phụ lớn hệ số trượt điểm làm việc lớn nghĩa tốc độ giảm xuống Vì mơmen tỷ lệ với cơng suất điện từ nên ta có:

, 2

s r r s

r  f

Do Pđt thân không đổi, I2 không đổi nên phận công suất trước biến

thành tổn hao đồng m2I22rf Vì lúc cơng suất đưa vào khơng đổi nên hiệu suất giảm Đó khuyết điểm phương pháp điều chỉnh Mặt khác tốc độ điều chỉnh nhiều hay cịn tùy theo tải lớn hay nhỏ, khơng tải khơng thể dùng phương pháp để điều chỉnh tốc độ

Hình 4-34 Điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ vào rôto Điều chỉnh tốc độ nối cấp:

Dùng phương pháp đem lượng tiêu hao điện trở phụ phương pháp truyền cho động điện nối cấp để đổi thành Như lợi dụng triệt để lượng lấy từ lưới điện

Nối nối cấp có nhiều kiểu, giới thiệu kiểu nối cấp với máy điện khơng đồng

Khi nối cấp rơto hai động điện không đồng nối với điện lẫn hình 4-35

Hình 4-35 Động điện khơng đồng nối cấp

Động điện A làm việc bình thường với lưới điện cịn dây quấn stato động B nối với biến trở ba pha đối xứng điện áp đưa vào động B điện áp tần số thấp rôto động điện A thông qua vành trượt chuyển sang động điện B Gọi số cực máy A B pA

và pB , tần số lưới f1, tần số dịng điện rơto má A f2, tốc độ đồng máy n1A

n1B , tốc độ rôto chung hai máy nc ta có:

A c A

A

A p

n n f p

f n

60

60 1

2 1

  

 (4-60)

Tốc đồng máy B bằng:

B c B B B A c A B

B

n n n s p p n n p

f n

1 1

2

1 ( )

60 

  



 (4-61)

Ta nhận thấy máy B làm việc giống động điện không đồng thường mà tần số nguồn đưa vào rôto f2, máy A làm việc động điện không đồng thường mà

rôto nối thêm mạch điện đẳng trị động điện B Cuối hai máy nối chặt với khí nên quay với tốc độ nc Hiểu dễ thấy, khơng tải hệ số trượt

máy B sB = nên n1B = nc Lúc nc tốc độ đồng hệ thống nối cấp gọi n1c có

quan hệ: B A c A B c c p p n n n n

n1   1 ( 1  1 )

B A B A A A c p p f p p p n n    

 1 1 60 (4-62)

Như n1c xem tốc độ hệ thống nối cấp hệ số trượt động điện B

không

Các động A, B làm việc riêng lẻ nên ta ba tốc độ tương ứng với ba số đôi cực pA,

pB pA + pB

Công suất điện từ máy A PđtA chia làm hai phần: phần biến thành công suất đầu

trục PcơA, phần thành công suất điện truyền cho máy B Ps Bỏ qua tổ hao máy tì cơng suất

phân phối hai máy sau: A c dtA coA n n P P  A c A dtA s coB n n n P P P 1    B A c A c coB coA p p n n n P P    (4-63)

Vì cơng suất kích từ dùng để gây nên từ trường quay hai máy nên dịng điện khơng tải lớn so với động bình thường Tổng trở ngằn mạch Zn lớn dịng điện ngắn

mạch nhỏ Điều làm cho cosφ Mmax giảm xuống

6 Điều chỉnh tốc độ nối cấp trả lượng trượt nguồn:

Dùng biến tần qua khâu trung gian chiều nối cấp với động khơng đồng rơto dây quấn hình 4-36 lượng trượt tần số f2 = fs lẽ bị tiêu hao điện trở phụ

chỉnh lưu thành lượng điện chiều, sau qua nghịch lưu biến đổi thành lượng điện xoay chiều tần số f trả nguồn Việc điều chỉnh tốc độ động thực cách thay đổi góc mở tiristo nghịch lưu

Hình 4-36 Điều chỉnh tốc độ trả lượng nguồn

Quan hệ tốc độ hệ số trượt s động với góc mở α xác định sau:

gọi

1

2

dq dq D

k w

k w

k  tỷ lệ số vịng dây có kể đến hệ số dây quấn rơto stato điện áp rôto động skĐU điện áp đầu chỉnh lưu cầu ba pha là:

U sk

Uc 1,35 D (4-64)

Gọi kB tỷ số biến áp máy biến áp BA điện áp trung bình nghịch lưu cầu có biểu

thức:

 cos 35

,

1 k U

UN  B (4-65)

Các điện áp phải ngược dấu 1,35skDU 1,35kBUcos hay là: 

cos D B

k k

s (4-66)

Khi làm việc chế độ nghịch lưu 900 < α < 1800 s dương, tốc độ động nhỏ tốc độ đồng

CÂU HỎI:

1 Tại thêm điện trở phụ vào mạch rơto cải thiện đặc tính mở máy động điện khơng đồng rôto dây quấn ? Nếu thêm điện kháng vào đặc tính mở máy có bị ảnh hưởng khơng ?

2 Có hai động điện khơng đồng rơto lồng sóc cơng suất đấu liền trục kéo tải mở máy đấu hai dây quấn stato hai máy nối tiếp với nhau, mở máy xong đấu song song bình thường, cách mở máy có ảnh hưởng đến mơmen dịng điện mở máy Tóm tắt phương pháp mở máy động không đồng so sánh ưu nhược điểm phương pháp ?

4 Trong động điện rôto dây quấn, nối điện kháng vào mạch điện rơto điều chỉnh tốc độ khơng, lúc đặc tính thay đổi ? Mk, Mmax, sm, sđm, hiệu suất, cosφ thay đổi

như ?

5 Tóm tắt phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng bộ, so sánh ưu khuyết điểm phạm vi ứng dụng phương pháp

BÀI TẬP:

1 Một động điện không đồng ba pha 50 Hz, cực, Pđm = 100 kW, n = 980 vg/ph Giả thiết tổn

hao máy 1% công suất định mức đưa mômen tải giữ không đổi mạch rôto nối thêm điện trở phụ để tốc độ giảm xuống 750 vg/ph

Hãy tính cơng suất tiêu hao điện trở phụ công suất đưa động điện giảm tốc độ

Đáp số:

 pCu, 2 23,7kW

kW P,2 76,3

2 Cho động điện rôto dây quấn p = 2; f = 50 Hz; r2 = 0,02 Ω; n = 1485 vg/ph Nếu mômen tải

không đổi, muốn có n = 1050 vg/ph phải thêm điện trở phụ vào rôto ? Nếu thay đổi điện áp đặt vào dây quấn stato để có tốc độ nói ( khơng có điện trở phụ vào rơto ) phải đặt vào stato điện áp ?

Đáp số:

Rf = 0,58 Ω

ñm U U' 0,182



CHƯƠNG V: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

§ 5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng sử dung rộng rãi cơng nghiệp Phạm vi sử dụng biến đổi thành điện năng, nghĩa làm máy phát điện Điện ba pha chủ yếu dùng kinh tế quốc dân đời sống sản xuất từ máy phát điện quay tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước

Máy điện đồng dùng làm động cơ, dặc biệt thiết bị lớn, với động khơng đồng bộ, chúng có khả phát công suất phản kháng

Thông thường máy đồng tính tốn cho chúng phát công suất phản kháng gần công suất tác dụng Trong số trường hợp, việc đặt máy đồng gần trung tâm công nghiệp lớn để phát công suất phản kháng đủ bù hệ số công suất cos cho lưới điện hợp lý Những máy gọi máy bù đồng

Các động đồng công suất nhỏ ( đặc biệt động kích từ nam châm vĩnh cữu) dùng rộng rãi trang bị tự động điều khiển

I PHÂN LOẠI VÀ KẾT CẤU CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ PHÂN LOẠI

Theo kết cấu chia máy điện đồng thành hai loại: Máy đồng cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao ( số cực 2p=2) máy đồng cực lồi thích hợp tốc độ quay thấp ( 2p  4) Theo chức năng, chia máy điện đồng thành loại chủ yếu sau :

a Máy phát điện đồng bộ: Máy phát điện đồng thường kéo tubin turbin nước gọi máy phát turbin máy phát turbin nước Máy phát turbin có tốc độ quay cao, chế tạo theo kiểu cực ẩn có trục máy đặt nằm ngang Máy phát điện turbin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi nói chung trục quay dược đặt thẳng đứng Trong trường hợp máy phát có cơng suất nhỏ cần di động thường dùng điêzen làm động sơ cấp gọi máy phát điện điêzen Máy phát điện điêzen thường có cấu tạo cực lồi b Động điện đồng : Động điện đồng thường chế tạo theo kiểu cực lồi sử dụng để kéo tải khơng địi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200kW trở lên

c Máy bù đồng : Máy bù đồng chủ yếu để cải thiện hệ thống cơng suất cos lưới điện

Ngồi loại máy cịn có máy điện đồng đặc biệt máy biến đổi phần ứng, máy đồng tần số cao,… máy đồng công suất nhỏ dùng tự động, động đồng nam châm vĩnh cửu, động đồng phản kháng, động đồng từ trễ, động bước,… KẾT CẤU

Để thấy rõ đặc điểm kết cấu máy điện đồng bộ, ta xét riêng rẽ kết cấu máy cực ẩn máy cực lồi

a Kết cấu máy đồng cực ẩn : Rôto máy đồng cực ẩn làm thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối hình trụ, sau gia cơng phai rãnh để đặc dây quấn kích từ Phần khơng phay rãnh rơto hình thành mặt cực từ Mặt cắt ngang trục lõi thép rơto hình 5-1

Hình 5-1 Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto

Các máy điện đồng đại cực ẩn thường chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay rôto 3000 vg/ph để hạn chế lực ly tâm, phạm vi an toàn thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính D rơto khơng vược q 1,1  1,15m Để tăng cơng suất máy, tăng chiều dài l rôto Chiều dài tối đa rơto vào khoảng 6,5 m

Dây quấn kích từ đặt rãnh rôto chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành bối dây đồng tâm Các vòng dây bối dây cách điện với lớp mica mỏng Để cố định va ép chặt dây quấn kích từ rãnh, miệng rãnh nêm kín nêm thép khơng từ tính Phần đầu nối ( nằm ngồi rãnh) dây quấn kích từ đai chặt ống trụ thép khơng từ tính (hình 5-2)

Hình 5-2 Cố định phần đầu nối dây quấn kích từ

Hai đầu dây quấn kích từ luồn trục nối với hai vành trượt đặt đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dịng kích từ chiều

Máy kích từ thường nối trục với trục máy đồng có máy chung trục với máy đồng

Stato máy đồng cực ẩn bao gồm lõi thép, có đặt dây quấn ba pha thân máy, nắp máy Lõi thép stato ép tôn silic dầy 0.5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc theo chiều dài lõi thép stato cách khoảng  cm lại có rãnh thơng gió ngang trục, rộng 10 mm Lõi thép stato đặt cố định thân máy

Trong máy đồng cơng suất trung bình lớn, thân máy chế tạo theo cấu khung thép, mặt bọc thép dát dầy Thân máy thiết kế chế tạo để cho hình thành hệ thống đường thơng gió làm lạnh máy điện Nắp máy chế tạo từ thép từ gang đúc Ở máy công suất trung bình lớn, ổ trục khơng đặt nắp mà giá đỡ, ổ trục đặt cố định bệ máy

b Kết cấu máy đồng cực lồi : máy đồng cực lồi thường có tốc độ quay thấp, khác với máy đồng cực ẩn, đường kính rơto D đạt tới 15 m chiều dài l lại nhỏ, với tỉ lệ l/D = 0,15  0,2

Rôto máy điện động cực lồi cơng suất nhỏ trung bình có lõi thép chế tạo thép đúc gia công thành khối lăng trụ khối lăng trụ ( bánh xe) mặt có đặt cực từ Ở máy lớn, lõi thép hình thành thép dày khoảng (1  6) mm, dập đúc định hình sẵn để ghép thành khối lăng trụ lõi thép thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt giá đỡ rôto Giá lồng vào trục máy Cực từ đặt lõi thép rôto ghép thép dày (1  1,5) mm

Hình 5-3 Cực từ máy đồng cực lồi

1 thép cực từ; dây quấn kích thích; hình; nêm; lõi thép rơto

Việc cố định cực từ lõi thép thực nhờ hình T bulơng xun qua mặt cực vít chặt vào lõi thép rơto

Dây quấn khích từ chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành cuộn dây Cách điện lớp vòng dây lớp mica amiăng Các cuộn dây sau gia công lồng vào thân cực

Dây quấn cản ( trường hợp máy phát đồng bộ) dây quấn mở máy ( trường hợp động đồng bộ) đặt đầu cực Các dây quấn giống dây quấn kiểu lồng sóc máy điện khơng đồng bộ, nghĩa làm đồng đặt vào rãnh đầu cực nối hai đầu hai vịng ngắn mạch (hình 5-4)

Hình 5-4 Dây quấn cản (dây quấn mở máy) máy điện đồng

Dây quấn mở máy khác dây quấn cản chỗ điện trở dẫn lớn Stato máy đồng cực lồi có cấu tạo tượng tự máy đồng cực ẩn

Trục máy đồng cực lồi đặt nằm ngang động đồng bộ, máy bù đồng

( khoảng 200 vg/ph) Ở trường hợp máy phát tubin nước, turbin nước công suất lớn, tốc độ chậm, trục máy đặt thẳng đứng Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đỡ quan trọng Nếu ổ trục đỡ đặt đầu trục máy thuộc kiểu treo, cịn đặt đầu trục máy thuộc kiểu dù

Ở máy phát turbin nước kiểu treo, xà đỡ tựa vào thân máy , tương đối dài phải khoẻ chịu tồn trọng lượng rơto máy phát, rơto turbin nước xung lực vào turbin Như vậy, kích thước xà đỡ lớn, tốn nhiều sắt thép, đồng thời thân máy cao lớn tăng thêm chi phí xây dựng buồng đặt máy Ở máy phát turbin nước kiểu dù, ổ trục đỡ tựa xà Xà đỡ cố định gian máy, ngắn số máy, ổ trục đỡ đặt nắp tubin nước Trong hai trường hợp giảm vật liệu chế tạo ( tới vài trăm máy lớn) khiến cho thân máy buồng đặt máy thấp

Trên trục với máy phát turbin thường có đặt thêm máy phụ- máy kích thích, đểcung cấp dịng điện chiều cho cực từ máy đồng máy phát điều chỉnh, để làm nguồn cung cấp điện cho điều chỉnh tự động turbin

II Hệ kích từ máy đồng

Hệ kích từ máy đồng phải đảm bảo: Điều chỉnh dịng kích từ It =

t t

r U

để trì điện áp máy phát U điều kiện làm việc bình thường (bằng cách điều chỉnh điện áp kích thích Ut)

Cưỡng kích thích để giữ đồng máy phát với lưới điện áp lưới hạ thấp xảy Muốn hệ kích thích từ phải có khả tăng nhanh gấp đơi dịng kích từ khoảng 0,5 giây

tdm tdm tm

U U U (0,5)

2 hình 5-5

Triệt từ trường kích thích, nghĩa giảm nhanh dịng It đến khơng (khi cố ngắn mạch nội

dây quấn stator) mà điện áp điện trở triệt từ RT không vượt lần Utđm để bảo vệ cách điện

của dây quấn kích từ

Hình 5-5 Cưỡng kích thích máy đồng

Có loại hệ kích từ máy đồng sau :

a Hệ kích từ dùng máy kích từ chiều (hình 5-6), máy kích từ KT có dây quấn kích thích song song Ls dây quấn kích thích độc lập Ln đưa vào dây quấn kích từ có điện trở rt

thơng qua vành trượt chổi điện

Hình 5-6 Hệ kích từ dùng máy kích từ chiều KT

b Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều KT kết hợp với chỉnh lưu CL (hình 5-7)

Hình 5-7 Hệ kích từ máy phát xoay chiều - chỉnh lưu

Trên hình vẽ có hai phương án: a) máy kích từ xoay chiều có phần cảm quay, phần ứng tĩnh

b) máy kích từ xoay chiều có phần cảm tĩnh phần ứng quay Ở phần tĩnh phần quay trình bày tách biệt đường phân ranh giới thẳng đứng

Muốn dòng điện qua đường phân ranh giới cần phải có vành trượt chổi điện Rõ ràng phương án b) khơng địi hỏi có vành trượt chổi điện Ưu điểm quan trọng máy đồng công suất lớn cần dịng kích từ mạnh (khoảng 3000 A cho máy phát đồng 600 MW)

Tuy nhiên giải pháp kéo theo khó khăn chế tạo phần ứng quay (so với chế tạo phần cảm quay), diôt chỉnh lưu phải chịu lực ly tâm lớn phải đặt cho rôto đảm bảo cân động Máy kích từ xoay chiều nối trục với máy phát đồng Dòng

điện phần ứng máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dịng kích từ It Dùng tiristo chỉnh lưu làm tăng

nhanh đáp ứng điều khiển, phương án b) khó khăn gặp phải vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào tiristo quay

c Hệ tự kích thích : hình (5-8) trình bày sơ đồ tự kích thích hỗn hợp nối tiếp Trong trường hợp điện áp dịng kích từ tỷ lệ với tổng vectơ điện áp UT UI máy biến điện áp

TU máy biến dòng TI

Hình 5-8 Hệ tự kích thích hỗn hợp máy đồng III CÁC TRỊ SỐ CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Cơng suất có ý nghĩa cơng suất đầu máy tính tốn theo điều kiện phát nóng làm việc lâu dài mà khơng bị hư hỏng gọi công suất định mức máy

Các đại lượng có liên quan biểu thị cho chế độ làm việc gọi đại lượng định mức ghi nhãn máy

Nói chung nhãn máy điện đồng có ghi số liệu sau đây: 1.kiểu máy, 2.số pha, 3.tần số(Hz), 4.công suất định mức (KW hay KVA), 5.điện áp dây (V), 6.sơ đồ nối pha phần tĩnh, 7.các dòng điện stato rôto (A), 8.hệ số công suất, 9.tốc độ quay (vg/ph), 10.cấp cách điện dây quấn stato rôto

Ngồi nhãn máy cịn ghi tên nhà máy chế tạo, năm chế tạo

CÂU HỎI

1 Vì lõi thép rơto máy điện đồng chế tạo khối thép rèn lé thép dày mà không cần phải dùng đến tôn silic lõi thép stator ?

2 Thử vẽ cách nối cuộn dây cực từ máy điện đồng cực ẩn cực lồi ?

§ 5.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I ĐẠI CƯƠNG

Sau phân tích từ trường máy điện đồng lúc không tải lúc có tải, chương ta phân tích quan hệ điện từ làm sở cho việc nghiên cứu đặc tính máy phát động điện đồng Các quan hệ điện từ nêu lên bao gồm phương trình điện áp đồ thị vectơ tương ứng, giản đồ cân lượng, công suất điện từ máy điện đồng Do tính chất thuận nghịch máy điện nên ta xét quan hệ điện từ nói trường hợp máy làm việc máy phát điện động điện, xét trường hợp đặc biệt máy làm việc máy bù đồng

Vì cấu tạo máy điện đồng cực ẩn cực lồi tương ứng máy có đặc điểm khác vấn đề ta cần xét riêng biệt loại máy

II PHƯƠNG TRÌNH ĐIỆN ÁP VÀ ĐỒ THỊ VECTƠ CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chế độ làm việc máy điện đồng tốc độ quay n = const thể rõ ràng thông qua quan hệ đại lượng E, U, I, It, cos, số quan hệ suy từ

phương trình cân điện áp máy Ở tải đối xứng ta xét riêng rẽ pha phương trình cân điện áp tổng quát pha có dạng sau đây:

Đối với máy phát điện đồng bộ:

)

( ư ơư

ư I r jx E

U   

  

(5-1) Đối với động điện đồng (hoặc máy bù đồng bộ):

)

( ư ơư

ư I r jx E

U   

  

(5-2) Trong phương trình (5-1) (5-2):



U điện áp hai đầu cực máy

rư xơư điện trở điện kháng tản từ dây quấn phần ứng



ö

E sức điện động cảm ứng dây quấn từ trường khe hở Từ trường khe hở lúc có tải từ trường cực từ



t

F từ trường phản ứng



ö

F sinh Khi mạch từ máy khơng bão hồ xem từ trường



t F ,



ö

F độc lập sinh dây quấn s.đ.đ



o

E Eö



,và ứng dụng nguyên lý xếp chồng ta có:

  

 Eo Eö

E (5-3)

Khi mạch từ máy bão hồ ngun lý xếp chồng nói khơng áp dụng Trong trường hợp phải xác định từ trường tổng Fo +



ư

F từ thơng tổng khe hở, sau suy s.đ.đ 



E Trường hợp máy phát điện

Vì tượng bão hồ mạch từ có ảnh hưởng nhiều việc thành lập s.đ.đ điện áp đầu máy nên đay xét chương trình cân điện áp đồ thị vactơ hai trường hợp máy điện khơng bão hồ máy điện bão hoà

a Trường hợp mạch từ khơng bão hồ : Giả thử máy phát điện đồng làm việc với tải đối xứng có tính cảm <  < 90o

Trong trường hợp máy cực ẩn, đem kết hợp (5-1) (5-3) ta có phương trình cân điện áp sau:

U EoEö I(rö  jxơư) 

  

(5-4)

Ta có : Eư j Ixư

=> U Eo j I xư xơư I rö

 

 

  

 ( ) (5-5)

Eoj Ixđb Irư (5-6)

trong xđb = xư + xư điện kháng đồng

Đối với máy phát điện đồng cực ẩn : xđb* = 0,7  1,6

Đồ thị vectơ tương ứng với (5-5) trình bày hình 5-9

Hình 5-9 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng cực ẩn

ở tải có tính cảm a) tải có tính dung b)

Trên hình vẽ vectơ *

 ( *

F ), vượt trước *

E góc /2 vectơ

* ư(

*

F ư) vượt trước

*

Eư = -j

*

I xư góc /2 Tổng hình học *  +

* ư =

*

 sinh

*

E vượt trước vectơ

*

E góc /2 Trong trường hợp máy điện cực lồi ta phân s.t.đ phần ứng

*

F thành hai thành phần dọc

trục

*

F ưd ngang trục

*

F q

Từ thông

* ưd ,

*

ưq tương ứng với s.t.đ

*

F ưd ,

*

F q sinh dây quấn phần ứng

s.đ.đ

*

Eưd = -j

*

I dxưd

*

E ưq = -j

*

I q xưd

Phương trình cân s.t.đ có dạng:

*

U=

*

E +

*

Eưd +

*

E ưq -

*

I ( rư + jxư) (5-7)

= *

E - j

*

I d xưd - j

*

I q xưq - j

*

I xư -

*

I rư (5-8)

Đồ thị vectơ s.đ.đ tương ứng với (5-8) trình bày hình 5-10 mang tên đồ thị Blondel

Hình 5-10 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện cực lồi

ở tải có tính cảm a) tải có tính dung b)

Vectơ -j

*

I xư biểu thức (5-8) từ thông tản sinh không phụ thuộc vào từ dẫn khe

hở theo hướng dọc trục ngang trục Tuy nhiên phân tích thành thành phần theo hai hướng ta có:

-j

*

I xư = - j(

*

I xưcos +

*

I xưsin)

= - j

*

I qxư - j

*

I dxư

Lúc biểu thức (5-8) trở thành:

*

U =

*

E - j

*

I d (xưd + xư) - j

*

I q (xưq + xư ) -

*

I rư

= *

E - j

*

I d xd - j

*

I q xq -

*

I rư (5-9)

Trong : xd = xưd + xư điện kháng đồng dọc trục

xq = xưq + xư điện kháng đồng ngang trục

Thường xd* = 0,7  1,2; xq* =0,46  0,76

Đồ thị s.đ.đ tương ứng với biểu thức (5-9) trình bày hình (5-11)

Hình 5-11 Đồ thị s.đ.đ biến đồi máy phát điện cực lồi

Chú ý hình (5-11), đường thẳng góc I qua điểm M đoạn MN = I q xq/cos

=I xq Vì trường hợp biết U, I, , rư, xq, xd, cần xác định

*

E0 ta vẽ vectơ

* *

,

U I rư, sau vẽ MN = I xq N nằm phương

của

*

E0 Hạ đoạn thẳng thẳng góc MP với phương

*

E0 MP =I qxq vẽ PQ =

*

I d xd

OQ s.đ.đ

*

E0

Ở trên, đồ thị vectơ thành lập ứng với tải có tính cảm Nếu tải có tính dung >  >- /2 đồ thị vectơ có dạng hình 5-9b 5-10b, tính chất trợ từ phản ứng nên E > E0

b Đồ thị vectơ điện áp máy điện đồng xét đến bão hoà

Các đồ thị hình 5-9 va 5-10 suy ứng với trường hợp mạch từ khơng bão hồ, nhiên ứng dụng trường hợp mạch từ bão hoà chế độ tải lúc

Vì hệ số bão hồ kd kq khó tính xác, nên thực tế đồ thị vectơ

điện áp máy điện đồng trường hợp mạch từ bão hoà thành lập dựa vào đồ thị s.đ.đ s.t.đ kết hợp với đường cong khơng tải ( tức đường cong từ hố) máy

Đối với máy phát đồng cực ẩn, đồ thị vectơ điện áp thành lập dựa theo sở nói gọi đồ thị sức từ điện động ( viết tắt s.t.đ.đ.) có tên đồ thị Pơchiê Giả sử

*

U,

*

I , cos, rư,

xư đặc tính khơng tải cho trước Để thành lập đồ thị s.t.đ.đ., trục tung đường cong

không tảivẽ vectơ

*

U vectơ

*

I chậm sau

*

U góc  Cộng vectơ

*

U với vectơ

*

I rư j

*

I xư

được

*

E Từ đường cong không tải ứng với

*

E xác định s.t.đ

*

F  dịng điện từ

hố tương ứng Cộng hình học

*

F 

*

F ưkư với ý

*

F ưkư làm thành với

*

F góc 900 + ( + ) biết hình (5- 12) ta tìm

*

F Từ đường cong không tải ứng với trị số

của

*

F ta xác định trị số

*

E0 lúc không tải

Đồ thị Pôchiê cho phép xác định U = E0- Uđm dịng điện từ hố it ( F0) ứng với tải định

mức tải bất kì, cần thiết cho lúc thiết kế vận hành Tuy s.t.đ phản ứng

không phân thành Fưd F ưq đồ thị Pôchiê ứng dụng cho máy điện

cực lồi Sai số lúc thuộc E0 vào khoảng  10 %

Hình 5-12 Đồ thị Pơchiê máy phát điện đồng

Đối với máy phát đồng cực lồi, việc thành lập đồ thị vectơ có xét đến trạng thái bão hồ mạch từ cách xác gặp nhiều khó khăn, lúc từ thơng dọc trục d ngang trục q

có liên quan với thường trạng thái bão hồ theo hai phương khác Như xưd

không phụ thuộc vào d mà phụ thuộc vào q tương tự xưq phụ thuộc theo

d q Để đơn giản ta cho từ thông dọc trục ngang trục ảnh hưởng đến trạng thái

bão hồ hướng trục thơi, giả thử mức độ bão hoà hướng ngang trục kq biết

Như sau vẽ vectơ

*

U ,

*

I rư, j

*

I xư có

*

E ( hình 5-13a) theo hướng

*

I xư ta

vẽ đoạn :

CD = I xưq =



cos

öq E

( 5-10)

x ưq =

q öq I E

và xác định phương

*

E0 Nếu kq chưa cho trước lấy gần 1,1  1,15

Nếu không tính xưq CD xác định trị số AB đường cong không tải ứng

với s.t.đ ngang trục phần ứng qui đổi s.t.đ cực từ : Fưq = kưqFư = OA xem

Eưq tỷ lệ Fưq ( hình 5-13b)

Hình 5-13 Xác định đồ thị vectơ s.t.đ.đ độ thay đổi điện áp máy đồng cực lồi bão hồ

Vì điểm D nằm phương

*

E0 nên đoạn CF thẳng góc với phương

*

E0 Iqxưq

Sức từ động của cực từ theo hướng dọc trục gồm hai phần : phần để sinh s.đ.đ Ed = OF = MP có trị số OM ( hình 5-13b) phần để khắc phục phản ứng dọc trục

MN = OM + MN s.đ.đ E0 = NQ lúc khơng tải máy Từ hình 5-13b ta thấy

Eưd = NQ- RN Lấy đoạn OG = E0 phương

*

E0 hình 5-13a GF = Eưd đồ thị véctơ

của máy thành lập xong

2 Trường hợp động điện

Khi chuyển sang làm việc động điện đồng bộ, máy phát suất âm đưa vào mạng điện hay nói khác tiêu thụ công suất lấy từ mạng để biến thành Như biết, động đồng thường có cấu tạo cực lồi nên gọi điện áp lưới điện U, từ phương trình ( 5-2) máy cực lồi ta có:

*

U=

*

E +

*

I ( rư +jxư)

=

*

E0+

*

Eưd +

*

Eưq +

*

I ( rư + jxư)

=

*

E0 + j

*

I dxd + j

*

I qxq +

*

I rư (5-11)

Đồ thị véctơ tương ứng với phương trình (5-11) trình bày hình 5-14

Từ đồ thị ta thấy công suất động tiêu thụ từ lưới mạng điện P = mUIcos <

Hình 5-14 Đồ thị vectơ động điện đồng

khi thiếu kích thích a) kích thích b)

III Cân lượng máy điện đồng

Giả thử máy đồng có cấu tạo thơng thường, nghĩa cực từ rơto máy kích thích đặt trục

Ở trường hợp máy phát điện đồng cơng suất điện từ Pđt chuyển từ rơto sang stato

công suất P1 đưa vào trừ tổn hao pcơ, tổn hao kích từ pt tổn hao phụ pf từ

trường bậc cao sắt rôto stato:

Pđt = P1 – ( pcơ + pt + pf)

Công suất điện P2 đầu công suất điện từ trừ tổn hao đồng pCu dây quấn

phần ứng tổn hao sắt từ pFe:

P2 = Pđt – pCu pFe

Hình 5-15 Giản đồ lượng

máy phát điện đồng a) động điện đồng b)

Đối với động điện trình biến đổi lượng tiến hành ngược lại Sơ đồ lượng máy phát điện động điện đồng trình bày hình (5-15) Ta thấy trường hợp động điện, công suất điện từ Pđt truyền qua từ trường stato sang rơto, ngồi tổn hao kích từ pt lấy từ

cong suất điện mạng khác với trường hợp máy phát điện, lấy từ công suất trục

IV Các đặc tính góc máy điện đồng

Giả thử tốc độ quay n máy điện áp U nạng điện khơng đổi, ta xét đặc tính góc cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng máy điện đồng

1 Đặc tính góc cơng suất tác dụng

Đặc tính cơng suất tác dụng máy điện đồng quan hệ P = f() E0 = const, U = const,

trong  góc tải vectơ s.đ.đ



o

E điện áp

*

U Việc nghiên cứu đặc tính cho phép giải thích nhiều nhiều tính chất quan trọng máy

Trong nghiên cứu đặc tính góc đó, để đơn giản ta bỏ qua rư trị số nhỏ so với

các điện kháng đồng ( x đb, xd, xq )

Như biết, công suất máy đồng đầu cực máy bằng: P = mUIcos

Đối với máy đồng cực lồi theo đồ thị vectơ hình (5-11) với r = 0, ta có:

os

; d

d

E Uc

I

x



 

q q

x U

I  sin (5-12)  =  - 

Do đó:

P = mUIcos = mUIcos(  - ) = mU(Icoscos + Isinsin) = mU(Iqcos+ Id sin)

=

2

q

mU

x sincos +

0

d

mE U

x sin -

2

d

mU

x sincos

Hay : P =

d

mUE

x sin +

2

2

mU

( 1

q d

x x )sin2 (5-13)

= Pe + Pu

Trong hệ đơn vị tương đối ta có:

0* * *

*

d

E U P

x

 sin +

2 *

* *

1

(

2 q d

U

x  x )sin2 (5-14)

Trị số P nhỏ nhiều so với Pe Đểthấy rõ điều ta ví dụ máy phát điện cực lồi có

* d

x = 1,1; xq* = 0,75 Khi máy làm việc với tải định mức (U*=1; I* = 1; cos = 0,8) qua đồ thị

vectơ s.đ.đ suy E0* = 1,87;  đm = 22o27' Thay trị số vào (5-14) được:

P đm* =

1 ,

1 87 ,

sin22o27' + )

1 ,

1 75 ,

1 (

 sin2.22o27' = 0,65+ 0,15 = 0,8

Ta thấy Pu* = 0,15 chiếm 19% công suất máy

Ở biểu thức toán học công suất tác dụng P = f() điều kiện E0 (hoặc it) không đổi

và điện áp U máy điện đầu cực máy không đổi Cần ý bỏ qua tổn hao đồng dây quấn phần tĩnh tổn hao sắt từ nên cơng suất điện từ máy

Từ biểu thức ta thấy cơng suất tác dụng máy cực lồi gồm hai thành phần: thành phần Pe ti

lệ với sin phụ thuộc vào E0 (hoặc it) thành phần Pu tỷ lệ với sin 2 không phụ thuộc vào E0

(hoặc it)

Như máy động cực lồi, bị khơng có kích thích it = ( E0 = 0) công

suất P = Pu

Điều giải thích sau: it =0 máy có từ trường phần ứng Do

cấu tạo cực lồi rôto, từ trở dọc trục nhỏ từ trở ngang trục nên đường sức từ trường quay phần ứng ln có xu hướng theo dọc trục Khi có xê dịch giũa trục từ trường phần ứng trục cực, đường sức bị uốn, tạo momen cơng suất điện Do công suất P

nhỏ nên kiểu máy có rơto cực lồi khơng có dây quấn kích thích dùng chủ yếu làm động điện có cơng suất vài chục ốt mang tên động điện phản kháng

Đối với đồng cực ẩn, xd = xq nên từ biểu thức (5-13) có:

P =

d

UE m

x sin (5-15)

với  góc vectơ

*

E

*

U

Đường biểu diễn đặc tính góc cơng suất tác dụng P = f() máy điện đồng cực lồi trình bày hình 5-16,  >  >0 ứng với trường hợp làm việc máy điện, >  > -/2 ứng với trường hợp làm việc động điện

Hình 5-16 Đặc tính góc cơng suất tác dụng

2 Đặc tính góc cơng suất phản kháng

Công suất phản kháng máy điện đồng :

) sin(

sin  

mUI mUI

Q

= mU(I sincos I cossin)

= mU(Id cos Iqsin)

Sau thay trị số Id , Iq theo (5-12) ta :

( 1 )

2

cos ) 1 ( cos

2

q d d

q d

o

x x mU x

x mU x

mUE

Q        (5-16)

Vì  có trị số dương âm trị số Q theo (5-16) khơng đổi nên đặc tính góc cơng suất phản kháng máy phát điện động điện giống có dạng hình 5-17

Hình 5-17 Đặc tính góc cơng suất phản kháng máy điện đồng cực lồi

Khi '  ' máy phát công suất phản kháng vào lưới điện Ngoài phạm vi , máy tiêu thụ công suất phản kháng lấy từ lưới điện

VÍ DỤ :

Một máy phát điện tuabin nước có tham số xd* = 0,843; xq* = 0,554 Giả sử máy làm việc

tải định mức với Uđm, Iđm , cosñm = 0,8 Hãy tính s.đ.đ Eo, góc tải đm độ thay đổi điện áp U

Giải Dựa vào đồ thị s.đ.đ hình (5-11) : lấy vectơ



U làm gốc biểu thị hệ đơn vị tương đối ta có :

0 1 



ñm U

= + j(0,8 – j0,6).0,554 = 1,332 + j0,443

18 332

,

443 ,

0 o

ñm arctg 



Góc véctơ



o E



U có trị số :

4 55 18

36o o o

ñm

ñm    

 

 

Từ đồ thị s.đ.đ hình (5-11), trị số



* o

E xác định sau : * * *

* cos d d

o U I x

E  





với Id* I*sin 1.sin55o40,823

=>



* o

E = 1cos18o5 + 0,823.0,844 = 1,643 Độ thay đổi điện áp :

100 %

ñm ñm o ñm

U U E

U  

 = 64,3 %

CÂU HỎI

1 Vì máy điện đồng cực lồi phải chia s.đ.đ Fư thành thành phần Fưd Fưq

2 Vẽ sơ đồ không gian biểu thị vị trí cực từ so với dây quấn ba pha tương ứng với hình 5-9a 5-10a Giả sử máy có 2p = 2; q =

3 Nêu rõ khác đồ thị s.đ.đ đồ thị s.t.đ máy phát điện đồng ?

BÀI TẬP

Cho máy phát điện động cực lồi 8750 kVA , 11 kV , nối Y có xd = 17  , xq = ,

rư = , làm việc tải định mức với cosñm = 0,8 Hãy tính : a Trị số xd , xq hệ đơn vị tương đối

b Sức điện động Eo góc  ứng với tải định mức

c Công suất điện từ máy lúc

Đáp số : a xd* = 1,23

xq* = 0,464

b Eo* = 1,97 ; Eo = 12,51 kV

 = 20o5

c P*đt = 0,8 ; Pđt = 7000 kW

2 Cho máy phát điện pha cực lồi Ufđm = 220 V, Iđm = 10 A, rư = 0,4 , cosñm= 0,8 ;

= 60o; Eo 400 V Tính xd ; xq

Đáp số : xd = 22,56 ; xq = 17,95 

3 Cho máy phát điện đồng pha Pđm = 500 kW, Uđm = 525 kV, nối Y, cosñm= 0,8, xưd* = 0,84;

xưq* = 0,45; xơ* = 0,16; Efa = 404;  = 42o , rư = Hãy tính :

a Điện áp U cos máy làm việc tải nửa định mức b Công suất điện từ tương ứng

Đáp số : a U = 303 V; cos = 0,87 b Pđt = 250 kW

§ 5.3 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ I CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Sơ đồ nối dây máy phát điện đồng cần thiết để làm thí nghiệm lấy đặc tính máy phát điện động trình bày hình 5-18 Tải máy điện tổng trở Z biến đổi (ví dụ tải điện trở ba pha ghép song song với tải cảm ba pha) Dịng điện kích thích it máy phát

điện lấy từ nguồn điện bên điều chỉnh nhờ biến trở rt

Hình 5-18 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính máy phát điện đồng Đặc tính khơng tải

Đặc tính khơng tải quan hệ Eo = Uo = f(it) I = f = fđm

Dạng đặc tính khơng tải máy phát điện đồng cực ẩn cực lồi khác không nhiều biểu thị theo đơn vị tương đối E* = Eo/Uđm it* = it/ itđmo hình 5-19, itđmo

dịng điện khơng tải U = Uđm Ta ý mạch từ máy phát điện turbin bão hòa

mạch từ máy phát điện turbin nước Khi Eo = Uđm = E* = 1, máy phát điện turbin

2 ,



 

 k

k d ; máy phát điện turbin nước kd 1,06

Hình 5-19 Đặc tính khơng tải

máy phát turbin (1) máy phát turbin nước (2)

2 Đặc tính ngắn mạch tỷ số ngắn mạch K

a Đặc tính ngắn mạch quan hệ In = f(it) U = 0; f = fđm (khi dây quấn phần ứng nối tắt

ngay đầu máy)

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (rư = 0) mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn

mạch cảm  90o, Iq I cos 0 Id I sin I đồ thị véctơ máy phát điện lúc hình 5-20a

Theo biều thức (5-9), ta có :

d o jI x E  

Và mạch điện thay máy có dạng hình 5-20b

Hình 5-20 Đồ thị véctơ mạch điện thay máy phát đồng lúc ngắn mạch

Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng khử từ, mạch từ máy khơng bão hồ, từ thơng khe hở cần thiết để sinh E Eo  jIxöd  jIxư nhỏ Do quan hệ I = f(it) đường thẳng

như hình 5-21

Hình 5-21 Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng

b Tỷ số ngắn mạch K theo định nghĩa tỷ số dòng điện ngắn mạch Ino ứng với dịng điện kích

thích sinh s.đ.đ Eo = Uđm khơng tải với dịng điện định mức Iđm, nghĩa :

ñm no I I K 

Hình 5-22 Xác định tỷ số ngắn mạch K

Theo định nghĩa từ hình 5-22, ta có :

d đm no

x U

I 

Trong xd trị số bão hoà điện kháng đồng dọc trục ứng với Eo = Uđm

Từ hai biểu thức ta có :

*

1

d ñm d

ñm x I x

U

K  

Trong xd* > K < dịng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm, kết luận

rằng dòng điện ngắn mạch xác lập máy phát điện đồng không lớn Sở dĩ tác dụng khử từ mạnh phản ứng phần ứng

Từ hình 5-22, dựa vàocác tam giác OAA’ OBB’ biểu thị tỷ số ngắn mạch K theo dịng điện kích thích sau :

tn to ñm

no i i I I

K  

Trong :

ito dịng điện kích thích khơng tải lúc Uo = Uđm

itn dịng điện kích thích lúc ngắn mạch I = Iđm

Tỷ số ngắn mạch K tham số quan trọng máy điện đồng Máy với K lớn có ưu điểm cho chế độ thay đổi điện áp U nhỏ theo biểu thức (5-13) sinh công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định tải dao động Nhưng muốn K lớn nghĩa xd* nhỏ, phải tăng khe hở 

như đòi hỏi phải tăng cường dây quấn kích thích từ tương ứng phải tăng kích thước máy Kết phải dùng nhiều vật liệu giá thành máy cao Thông thường máy phát turbin nước K = 0,8  1,8; máy phát turbin K = 0,5  1,0

3 Đặc tính ngồi độ thay đổi điện áp Uđm máy phát đồng

a Đặc tính ngồi quan hệ U = f(I) it = Const.; cos = Const f = fđm Nó cho thấy lúc

kích thích khơng đổi, điện áp máy thay đổi theo tải Khi lấy đặc tính phải thay đổi tải I hình 5-18 cho cos = Const đo U I ứng với trị số khác tải Z Dạng đặc tính ngồi ứng với tính chất khác tải trình bày hình 5-23

Hình 5-23 Đặc tính ngồi máy phát điện đồng

Chú ý trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích cho I = Iđm có

U = Uđm sau giữ khơng đổi thay đổi tải Dòng điện it ứng với U = Uđm ; I = Iđm;

ñm 

 cos

cos  ; f = fđm gọi dịng điện từ hố định mức

Từ hình 5-23 ta thấy dạng đặc tính ngồi phụ thuộc vào tính chất tải Nếu tải có tính cảm I tăng, phản ứng khử từ phần ứng tăng, điện áp giảm đường biểu diễn xuống Ngược lại tải có tính dung I tăng, phản ứng phần ứng trợ từ, điện áp tăng đường biểu diễn lên

b Độ thay đổi điện áp định mức Uđm máy phát điện đồng theo định nghĩa thay đổi

điện áp tải thay đổi từ định mức với cos cosđm đến khơng tải, điều kiện khơng thay đổi dịng điện kích thích Trị số Uđm thường biểu thị theo phần trăm điện áp định mức,

nghĩa :

100 %

ñm ñm o ñm

U U E

U  



Máy phát điện turbin có xd lớn nên có U lớn so với máy phát điện turbin nước

Thơng thường U%(2535)% Đặc tính điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh quan hệ it = f(I) U = Const.; cos = Const.; f = fđm Nó cho biết chiều

hướng điều chỉnh dịng điện it máy phát đồng để giữ cho điện áp U đầu máy không đồi Khi

làm thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh theo sơ đồ hình 5-18, phài thay đổi Z đồng thời thay đổi it

để có U = Const.; cos = Const

Dạng đặc tính trị số cos khác hình 5-24

Hình 5-24 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng

Ta thấy với tải cảm I tăng, tác dụng khử từ phản ứng phần ứng tăng làm cho U bị giảm Để giữ cho U khơng đổi phải tăng dịng điện từ hoá it ; ngược lại tải dung I tăng, muốn

giữ U không đổi phải giảm it Thơng thường cosđm= 0,8 (thuần cảm), nên từ khơng tải (U = Uđm ;

I = 0) đến tải định mức (U = Uđm ; I = Iđm) phải tăng dịng điện từ hố it khoảng 1,7 2,2 lần

5 Đặc tính tải

Đặc tính tải quan hệ U = f(it) I = Const., cos = Const.; f = fđm Với trị số khác

của I cos có đặc tính tải khác nhau, có ý nghĩa đặc tính tải cảm

ứng với 

  

 

 

2

cos   I = Iđm

Để có đặc tính phải điều chỉnh rt Z (khi phải có cuộn cảm điều chỉnh được)

cho I = Iđm Dạng đặc tính tải cảm đường hình 5-25

Hình 5-25 Xác định đặc tính tải cảm từ đặc tính khơng tải tam giác điện kháng

Đồ thị véctơ tương ứng với chếđộ làm việc bỏ qua trị số nhỏ rư hình 5-26

Hình 5-26 Đồ thị véctơ s.đ.đ máy điện đồng tải cảm

Đặc tính tải cảm suy từ đặc tính khơng tải tam giác điện kháng Cách thành lập tam giác điện kháng sau :

Từ đặc tính ngắn mạch (đường hình 5-25) để có trị số In = Iđm, dịng điện kích thích itn

s.t.đ Ftn cần thiết Ftn  itn = OC Khi máy điện làm việc chế độ ngắn mạch, s.t.đ cực từ

Ftn = OC gồm hai phần : phần để khắc phục phản ứng khử từ phần ứng BC = kưdFưd sinh

Eưd; phần lại OB = OC – BC sinh s.đ.đ tản từ E ư Iđm x ö AB

 



 Điểm A nằm

đoạn thẳng đặc tính khơng tải (đường 1) lúc mạch từ khơng bão hồ Tam giác ABC hình thành gọi tam giác điện kháng Các cạnh BC AB tam giác tỉ lệ với dòng điện tải định mức Iđm

Dưới trình bày cách thành lập đặc tính tải cảm từ đặc tính khơng tải tam giác điện kháng

Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC) cho điểm A tựa đặc tính khơng tải đỉnh C vẽ thành đặc tính tải cảm (đường 3) Nếu cạnh tam giác

điện kháng vẽ tỉ lệ với dòng điện tải I = Iđm, đặc tính tải cảm U = f(it) ứng với

I = Iđm

Để chứng minh ta ý rằng, hai trường hợp : ngắn mạch với I = Iđm tải cảm với

I = Iđm, s.đ.đ Eö phản ứng khử từ Föd khơng thay đổi Do cạnh AB = Eư BC = kưdFưd tam giác điện kháng không đổi Như với s.t.đ tuỳ ý cực từ Fo = OP lúc không

tải, điện áp đầu cực máy Uo = Eo = PM, tải cảm với I = Iđm, điện áp đầu cực máy

U = PC’ Sở dĩ lúc tải cảm trên, s.t.đ có hiệu lực OP – PQ = OQ

(trong PQ = B’C’ = BC phàn ứng khử từ phần ứng) s.đ.đ E = QA’ Kết U = E Eö = QA’ = AB’ = QA’ – AB = QB’ = PC’

Trên thực tế ảnh hưởng bão hồ, đặc tính tải cảm có thí nghiệm tải trực tiếp khác có dạng đường nét đứt Nguyên nhân sai khác chỗ, dịng điện kích từ tăng, cực từ máy bão hoà từ thơng tản dây quấn kích từ lớn s.t.đ cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ phần ứng phải lớn hơn, nghĩa cạnh BC tam giác điện kháng phải dài

II MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG ĐẠI CƯƠNG

Trong nhà máy điện thường đặt nhiều máy phát điện đồng bộ, nói chung nhà máy điện làm việc hệ thống điện lực Như hệ thơng điện lực có nhiều máy phát điện đồng làm việc song Việc nối máy phát điện làm việc chung hệ thống điện lực cần thiết giảm bớt vốn đầu tư đặt máy phát điện dự trữ đề phòng sửa chữa cố để đảm bảo an toàn cung cấp điện sử dụng hợp lý nguồn lượng cho trạm thuỷ điện làm việc với công suất lớn mùa mưa lũ để giảm bớt cơng suất trạm nhiệt điện, tiết kiệm nhiên liệu thời gian Tóm lại nâng cao tiêu kinh tế kĩ thuật thiết kế vận hành

2 GHÉP MỘT MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG

Khi ghép máy phát điện đồng làm việc song song hệ thống điện lực với máy phát điện đồng khác, để tránh dòng điện xung mơmen điện từ có trị số lớn sinh cố làm hỏng máy thiết bị điện khác, gây rối loạn hệ thống điện lực trị số tức thời điện áp máy phát điện hệ thống điện lực phải Muốn phải đảm bảo điều kiện sau :

1 Điện áp máy phát UF phải điện áp lưới điện UL

2 Tần số máy phát fF phải tần số lưới điện fL

3 Thứ tự pha máy phát phải giống thứ tự pha lưới điện Điện áp máy lưới phải trùng pha

Nếu không đảm bảo điều kiện nói ghép song song máy phát điện xảy cố nghiêm trọng, ví dụ đóng cầu dao mà điện áp máy phát lưới lệch pha

nhau 180o tương đương với nối ngắn mạch máy phát điện với điện áp UF – UL = 2UF, dòng

điện xung đóng cầu dao có thểlớn gấp hai lần dịng điện ngắn mạch thơng thường, lực mơmen điện từ lớn gấp bốn lần, phá hỏng dây quấn, kết cấu thép, lõi thép, trục máy phát điện

Khi ghép song song, việc điều chỉnh điện áp UF máy phát điện đồng thực

cách thay đổi dòng điện kích thích máy, tần số fF máy điều chỉnh cách thay đổi

mômen tốc độ quay động sơ cấp kéo máy phát điện Sự trùng pha điện áp máy phát điện lưới điện kiển tra đèn, vơnmét có số khơng dụng cụ đo đồng Thứ tự pha máy phát điện thường chì kiểm tra lần sau lắp ráp máy hoà đồng vào lưới điện lần đầu

Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo điều kiện gọi hồ đồng xác máy phát điện Trong số trường hợp ó thể dùng phương pháp hồ đồng bpộ khơng xác, nghĩa khơng phải so sánh tần số, trị số góc pha điện áp máy phát điện cần ghép song song lưới điện Phương pháp gọi phương pháp tự đồng Dưới xét phương pháp hồ đồng xác tự đồng

a Các phương pháp hoà đồng xác

 Hồ đồng bộ đồng kiểu sáng đèn

Phương pháp này dùng cho máy phát điện đồng công suất nhỏ thực với

kiểu nối tối theo sơ đồ hình 5-27a với kiểu ánh sáng đèn quay theo sơ đồ hình 5-27b

Hình 5-27 Sơ đồ hồ đồng máy phát điện

kiểu nối tối a) kiểu ánh sáng đèn quay b)

Trong sơ đồ trên: F1 máy phát điện làm việc; F2 máy phát điện cần ghép song song

với F2 Bộ đồng kiểu ánh sáng hình thành đèn 1, 2,

Khi hoà đồng theo kiểu nối tối (hình 5-27a) : đèn 1, 2, đồng nối đầu tương ứng cầu dao D2 Trong q trình hồ đồng thường phải điều chỉnh đồng thời

điện áp UF tần số fF máy phát điện F2 Điện áp UF máy phát điện kiển tra theo điều

kiện UF = UL ( với UL điện áp lưới điện điện áp máy phát điện F1 làm

việc) vônmét V có cầu dao đổi nối Tần số thứ tự pha kiển tra đồng với đèn 1, 2, Khi tần số fF  fL điện áp đặt vào đèn 1, 2, có tần số fF – fL Nếu thứ tự pha

của máy phát điện lưới điện giống đèn tối sáng với tần số fF – fL

Sở dĩ điện áp U đặt lên đèn hiệu số điện áp pha tương ứng hai hình điện áp máy phát điện F2 lưới điện, quay với tần số góc F = 2fF

và L = 2fL hình 5-28a

Hình 5-28 Đồ thị vectơ điện áp

khi nối tối a) nối theo ánh sáng quay b)

Khi fF  fL điện áp đặt vào đèn thay đổi giống phạm vi

F U

U

0  đèn sáng tối với hiệu tần số fF – fL Tiếp tục điều chỉnh

tần số fF máy phát F2 cho chu kì tối sáng  giây ( lúc fF  fL ) chờ cho lúc

các đèn tắt hẳn ứng với lúc điện áp máy phát điện F2 lưới điện trùng pha

đóng cầu dao D2 việc ghép song song máy phát điện vàop lưới điện hoàn thành

Khi hoà đồng theo kiểu ánh sáng quay (hình 5-27b) đèn ví dụ đèn 2, phải nối với đầu không tương ứng cầu dao D2 Trong trình ghép song song thứ

tự pha giống fF  fL đèn 1, 2, sáng tối tạo thành ánh sáng quay Vì

điện áp đặt vào đèn khơng thay đổi phạm vi F

U

U

0  hình 5-28b Khi fF > fL ánh sáng quay theo chiều định fF < fL

ánh sáng quay theo chiều ngược lại Tốc độ quay nhanh hay chậm phụ thuộc vào khác fF fL Điều chỉnh cho fF = fL tốc độ ánh sáng quay thật chậm , đợi đèn không nối

chéo (đèn tắt hẳn) đèn nối chéo (đèn 3) sáng ứng với lúc điện áp máy phát điện lưới điện trùng pha thí đóng cầu dao D2

 Hoà đồng bộ đồng kiểu điện từ

Trong nhà máy điện có đặt máy phát điện công suất lớn, để kiểm tra điều kiện ghép song song máy phát điện vào lưới điện người ta dùng cột đồng tức đồng kiểu điện từ Cột đồng gổm dụng cụ đo sau : vơnmét có hai kim, kim điện áp UF máy phát điện,

một kim điện áp UL lưới điện, tần số kế có hai dãy phiến rung để đồng thời tần số fF

của máy tần số fL lưới dụng cụ đo làm việc theo ngun lí từ trường quay có kim quay

với tần số fF – fL Tốc độ quay kim phụ thuộc vào trị số fF – fL chiều quay kim thuận hay