GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN NGHỀ ĐTCN

BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mục tiêu bài: - Phát biểu định luật điện từ máy điện - Phân tích nguyên lý hoạt động máy phát động điện - Giải thích q trình phát nóng làm mát máy - Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận công việc 1.1 Khái niệm Trong trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, việc biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác q trình khơng thể thiếu Một trình quan trọng là: Quá trình biến đổi điện thành dùng thiết bị động điện Ngược lại, trình biến đổi thành điện dùng thiết bị máy phát điện 1.2 Phân loại - Sơ đồ hoá họ máy điện Hình Sơ đồ họ máy điện - Các cách phân loại * Phân loại theo trạng thái làm việc: + Máy điện tĩnh gồm có MBA loại + Máy điện quay gồm có ĐCĐ MFĐ * Phân theo nhiệm vụ đặc điểm nguồn lượng làm việc có: + Máy điện tĩnh gồm có: MBA tự ngẫu MBA hàn MBA chỉnh lưu MBA cách ly MBA đo lường + Máy điện quay gồm có: Động điện: Động điện chiều Động điên xoay chiều Máy phát điện: MFĐ xoay chiều MFĐ chiều Nguyên lý máy phát điện động điện a Nguyên lý máy phát điện Động sơ cấp có Mq → quay MFĐ → Sinh nguồn điện Dùng động sơ cấp kéo rơto máy phát có dây quấn phần cảm quấn rôto cấp điện chiều qua hệ thống chổi than vành trượt để kích từ cho máy làm việc Khi rôto quay với tốc độ đều, từ trường rôto sinh quét lên dẫn dây quấn phần ứng, theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, dây quấn sinh sức điện động cảm ứng cấp nguồn điện cho tải làm việc b Nguyên lý động điện Nguồn điện → cấp cho ĐCĐ quay Mq →Mq Kéo Máy sản xuất Cấp nguồn điện cho dây quấn động dây quấn có dịng điện sinh từ trường chạy lõi thép phần tĩnh lõi thép phần quay, hai từ trường tương tác với tạo mômen quay làm quay rôto kéo máy sản xuất làm việc SỰ PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 3.1 Sự phát nóng máy điện Các tổn hao máy trình biến đổi lượng thể dạng nhiệt làm nóng phận chi tiết máy Nếu tổn hao nhiều máy nóng khả mang tải máy Ngoài nhiệt độ máy tăng chế độ làm việc máy liên tục hay ngắn hạn lặp lại Vì loại máy điện có khả chịu nhiệt độ làm việc định, vượt nhiệt độ mà khơng có khả làm mát tốt cơng suất máy giảm, nhiệt độ tăng máy bị cháy hỏng Ta tóm tắt sơ đồ hố sau: to↑→Pm↓→máy tải→I↑→to↑ máy tải & n↓→I↑↑→to↑↑→Pm↓↓ n→0 Kết máy cháy hỏng nhanh chóng 3.2 Sự làm mát máy điện Là công việc thiếu máy điện làm việc Trong thực tế để ổn định nhiệt độ làm việc máy điện người ta thường sử dụng phương pháp làm mát cho máy điện sau: Theo phương pháp làm lạnh, máy điện chia thành: - Máy điện làm mát theo phương pháp toả nhiệt tự nhiên qua bề mặt vỏ máy môi trường xung quanh, loại khơng có phận thổi gió làm mát, sự toả nhiệt phụ thuộc vào bề mặt làm mát mà cịn phụ thuộc sự đối lưu khơng khí xung quanh môi trường làm mát khác dầu máy biến áp, nước làm mát qua đường dẫn máy - Máy điện làm mát Ở loại máy sự tuần hồn gió bên máy thực nhờ quạt gió đặt đầu trục Đối với máy cơng suất nhỏ, chiều dài nhỏ 200 ÷ 300 mm, gió thổi dọc trục theo khe hở stato rơto theo rãnh thơng gió dọc trục lõi thép stato rôto Khi công suất máy lớn hơn, chiều dài máy tăng nhiệt độ dọc chiều dài máy không đều, phải tạo thêm rãnh thơng gió ngang trục - Máy điện tự làm mát mặt Trong trường hợp máy thường có cấu tạo kiểu kín, đầu trục bên ngồi máy có đặt quạt gió nắp hướng gió thổi mát dọc mặt ngồi thân máy Để tăng diện tích bề mặt làm mát, vỏ máy thường đúc nhiều cánh tản nhiệt, thông thường máy đặt quạt gió để tăng nhanh tốc độ trao đổi nhiệt lõi vỏ - Máy điện làm lạnh độc lập Đối với máy điện lớn quạt làm mát thường đặt riêng ngồi để hút gió đưa nhiệt lượng máy ngồi Để tránh hút bụi vào máy dùng hệ thống làm lạnh riêng - Máy điện làm lạnh trực tiếp Thường ứng dụng máy công suất lớn hệ thống làm lạnh kín khí hyđrô không đủ hiệu lực nên phải chế tạo dây quấn dẫn rỗng có nước dầu cách điện chảy qua để làm lạnh trực tiếp cho máy Như nhiệt lượng dây quấn truyền qua chất cách điện mà nước dầu trực tiếp đem ngồi, tăng mật độ dòng điện dẫn lên 3-4 lần giảm kích thước máy, tiêt kiệm vật liệu chế tạo CÂU HỎI ƠN TẬP 1.Viết cơng thức điện từ , giải thích đại lượng ứng dụng nghiên cứu chế tạo máy điện? Định nghĩa phân loại máy điện? Để có sức điện động cảm ứng dây quấn máy điện cần điều kiện gì? Giải thích ngun lý máy phát điện, nguyên lý động điện tính thuận nghịch máy điện? Các vật liệu để chế tạo máy điện gì, đặc điểm phạm vi ứng dụng chúng? Tại mạch từ máy điện thường làm từ thép kỹ thuật điện? Lá thép kỹ thuật điện có đặc điểm gì? Giải thích q trình phát nóng, làm mát máy điện, phương pháp làm mát máy điện? Thanh dẫn rôto máy điện chuyển N động với tốc độ v có chiều hình vẽ Dịng x v I điện dẫn có chiều từ bạn đọc vào trang giấy Xác định chiều lực điện từ F đt chế độ làm việc máy điện? Một dẫn ab có chiều dài l = 1m nằm từ trường B = 0,5T Dấu (x) ký hiệu chiều từ trường hướng từ bạn đọc vào trang giấy Thanh dẫn chuyển động theo hướng vng góc S a x x xB x x x x x x x x x x v x x x x x b x x x x x x với từ trường với tốc độ v = m/s Xác định chiều trị số sức điện động e cảm ứng dẫn? BÀI MÁY BIẾN ÁP(MBA) Mục tiêu: - Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc máy biến áp pha ba pha - Xác định cực tính đấu dây vận hành máy biến áp pha, ba pha kỹ thuật - Đấu máy biến áp vận hành song song máy biến áp - Tính tốn thơng số máy biến áp trạng thái: khơng tải, có tải, ngắn mạch - Quấn lại máy biến áp pha cỡ nhỏ - Chọn lựa máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng Bảo dưỡng sửa chữa máy biến áp theo yêu cầu - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, xác, tư khoa học sáng tạo KHÁI NIỆM CHUNG Máy biến áp thiết bị điện từ tĩnh, làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác với tần số khơng thay đổi Q trình sản xuất điện năng, việc truyền tải lượng điện lớn từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ với khoảng cách hàng chục, hàng trăm kilômét, thiết phải dùng máy biến áp để biến đổi truyền tải điện xoay chiều tránh tổn hao Hình 1.1 Mơ hình truyền tải điện Nhiệm vụ máy biến áp tăng điện áp truyền tải điện xa nhằm mục đích để giảm nhỏ dòng điện đồng nghĩa với việc giảm nhỏ tiết diện đường dây dẫn cơng suất tần số không thay đổi Cho đến cần sử dụng điện người ta lại dùng máy biến áp khác giảm điện áp xuống thấp thường 0,4 kV để sử dụng phân phối cho phụ tải Phân loại máy biến áp Theo công dụng máy biến áp chia loại sau: - Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải phân phối công suất điện hệ thống điện lực - Máy biến áp chuyên dùng sử dụng lò luyện kim, thiết bị chỉnh lưu, hàn điện, cách ly an toàn - Máy biến áp tự ngẫu dùng làm máy ổn áp, thiết bị mở máy động điện xoay chiều - Máy biến áp đo lường dùng để giảm điện áp, dòng điện từ trị số lớn xuống trị số nhỏ để đo với đồng hồ đo thơng thường hay lấy tín hiệu cho bảo vệ rơ le - Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 2.1 CẤU TẠO Gồm phận chính: Lõi thép, Dây quấn, Vỏ máy a Lõi thép (mạch từ) Được làm nhiều thép kỹ thuật điện có độ dầy từ 0,35- 0,5 [mm] bề mặt có tráng sơn cách điện ghép chặt lại thành bộ.( hình 2.2) Mạch từ gồm phần: - Trụ từ nơi đặt dây quấn - Gông từ phần nối liền trụ từ với Lõi thép mba thường chế tạo theo kiểu sau: + Lõi thép kiểu lõi (mạch từ kiễu lõi) + Lõi thép kiểu vỏ (mạch từ kiểu vỏ) + Loại trung gian, loại thường dùng cho MBA pha công suất lớn Hình 1.2 Cấu tạo lõi máy biến áp Để tạo nên lõi thép người ta phải ghép nhiều thép kỹ thuật điện với nhau, thép có độ dày 0,35 – 0,5 mm bề mặt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao dịng điện xốy gây lên, để ghép thành lõi thép thép phải ghép phần gông phần trụ xen kẽ ghép nối Các thép lõi thép thường chế tạo theo số kiểu thông dụng sau: EE, LL, EI, II, UU Các thép phải đan ghép lại với cho khe hở thép lõi thép khơng trùng nhau, sau tồn thép phải ép chặt lại xà ép, gông ép bu lông đai ốc b Dây quấn Dây quấn làm dây điện từ đồng (Cu) nhơm (Al) có thiết diện trịn chữ nhật Dây quấn phận quan trọng để dẫn điện MBA, làm nhiệm vụ thu lượng vào truyền lượng ra, để thực nhiệm vụ biến đổi điện áp truyền tải điện MBA có hai cuộn dây: Cuộn Sơ cấp ký hiệu: W 1, cuộn thứ cấp ký hiệu: W2 * Đối với MBA hạ áp: - Dây quấn sơ cấp W1 đấu vào lưới điện U1 cao hơn, để lấy lượng điện vào - Dây quấn thứ cấp W2 đấu tải có U2 thấp hơn, lấy lượng chuyển tiếp tuỳ theo yêu cầu làm việc * Đối với MBA tăng áp: - Sơ cấp đấu với điện áp vào nhỏ thường từ MFĐ nơi sản xuất điện - Thứ cấp có điện áp lớn để truyền tải điện xa đến nơi tiêu thụ điện Hình 1.3 Các kiểu quấn dây máy biến áp * Đối với MBA pha cơng suất lớn thường có kiểu quấn dây:(hình 2.3) - Dây quấn kiểu đồng tâm dây quấn có dây quấn sơ thứ cấp quấn trụ từ tâm hai dây quấn lót cách điện - Dây quấn kiểu xen kẽ loại dây quấn trụ từ có dây quấn sơ cấp thứ cấp đặt xen kẽ cách điện với Khi quấn dây lớp dây quấn dây quấn sơ, thứ cấp cách điện với tất dây quấn cách điện hoàn toàn với lõi thép Trong chế tạo dây quấn, để có nhiều cấp điện áp làm việc, cuộn dây sơ thứ cấp thường có nhiều đầu dây ra, đầu dây thường đấu qua chuyển mạch c Vỏ máy Vỏ máy làm sắt có ống tản nhiệt, bên có chứa dầu làm mát (dầu biến thế) có khả cách điện dẫn nhiệt tốt Trên mặt vỏ có nắp, nắp có sứ cao, hạ áp, van tồn, thước thăm dầu, bình giãn dầu v.v Đáy vỏ có lỗ xả dầu, tồn lõi thép dây quấn MBA chế tạo hoàn thiện lắp đặt chắn vỏ có chứa dầu biến Một số loại vỏ MBA có cánh tản nhiệt làm mát quạt gió 2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC - Công suất định mức (dung lượng) S đm [VA, kVA] (cịn gọi cơng suất tồn phần, công suất biểu kiến) đưa dây quấn thứ cấp máy biến áp - Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm [V, kV] Nếu dây quấn sơ cấp có đầu phân nhánh người ta ghi điện áp định mức đầu phân nhánh - Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm [V, kV] điện áp thứ cấp không tải điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp định mức - Dòng điện dây sơ cấp định mức I1 đm [A, kA] ứng với công suất điện áp định mức - Dòng điện dây thứ cấp định mức I 2đm [A, kA] ứng với công suất điện áp định mức Với MBA pha: I 1dm = S dm S I dm = dm U 1dm U dm Với MBA pha: I 1dm = S dm 3U 1dm I dm = S dm 3U dm - Tần số MBA fđm (Hz) - Hiệu suất η (%) - Tổ nối dây MBA 2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Để đơn giản ta xét nguyên lí làm việc MBA pha:( hình 2.4) Gồm cuộn dây sơ cấp thứ cấp với số vòng dây w w2 quấn trụ từ lõi thép thông số tổn hao khơng đáng kể Ngun lí chung Hình 1.4 Sơ đồ khối mô tả nguyên lý làm việc máy biến áp Khi đấu u1 ~ vào w1 xuất io1 ~ tạo sức từ động F1= I1.w1 > sinh từ thông φ1 ~ xuyên qua cuộn w1, w2 chạy lõi thép, làm sinh suất điện động cảm ứng, w1 có: E1 = − w1 E2 = − w2 ∆φ ∆t ∆φ ∆t w2 có (dựa định luật cảm ứng điện từ) Trong đó: w1 số vịng dây cuộn dây sơ cấp w2 số vòng dây cuộn dây thứ cấp ∆φ ∆t từ thông biến thiên qua thời gian Nguyên lý làm việc MBA không tải Khi cầu dao CD mở > i2= 0, bỏ qua tổn thất ta thấy w có > Suất điện động E2, w1 có - -> Suất điện động E1 cảm ứng ≈ i1 dịng khơng tải chạy w1 có r1 nhỏ nên E1 U1 ∆φ U E1 ∆t = w1 = = U E2 − w ∆φ w2 ∆t − w1 Từ ta có: Trong đó: E1= 4,44.f.w1.φ E2= 4,44.f.w2.φ 10 Hình 4.17 Máy phát điện chiều làm việc song song (a) Máy phát kích thích song song (b) Máy phát kích thích hỗn hợp 5.3 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6.1 Đặc tính động điện chiều Khảo sát dộng điện chiều kích từ song song, từ sơ đồ mạch điện (Hình 5.11 a) ta có phương trình cân điện áp: U = E + Iư.R Trong đó: U điện áp nguồn điện đặt vào phần ứng E sức phản điện động Iư dòng điện phần ứng R = Rư+Rcf+Rcb+Rct Với: Rư : điện trở dây quấn phần ứng Rcf : cực từ phụ Rcb : cực bù Rct : điện trở tiếp xúc chổi than vành góp +_ I U n0 n nđm R Iư n E It Rkt Ckt (a) Mđm (b) Hình 4.18 (a) Sơ đồ nguyên lý mạch (b) Đường đặc tính động điện chiều Ta biết: E = CEΦn, 93 M Trong đó: Và: Trong đó: pN 60a CE= số sức điện động Φ từ thông mạch kích từ n tốc độ quay rơto Φ M = CM I pN 2πa CM = số mơ men I dịng điện phần ứng Thay vào phương trình rút phương trình đặc tính cơ: U RM −+− CE Φ CE CM Φ n= = n0 + ∆n Trong đó: n0 tốc độ không tải lý tưởng ∆n độ sụt tốc độ so với tốc độ không tải,  Ta thấy đặc tính đường thẳng (Hình 5.11 b) 6.2 Mở máy động điện chiều Để mở máy động điện chiều tốt, cần yêu cầu sau đây: + Mmm phải đạt trị số cao để tốc độ động nhanh chóng đạt tốc độ định mức thời gian ngắn + Imm cần hạn chế trị số cho phép, thường 1,1I đm< Imm< 2,5Iđm để tránh gây hại cho dây quấn ảnh hưởng tới trình đổi chiều Thực tế người ta thường áp dụng cách mở máy đây: 6.2.1 Mở máy trực tiếp Chỉ việc đóng thẳng động vào nguồn điện thơng qua khí cụ đơn giản cầu dao, lúc đầu rơto chưa quay (n = 0, E = 0) nên dòng điện mở máy dây quấn rôto lớn 94 I = U −E U = Ru Ru T Trong thực tế Rư*= 0,02÷0,1 nên với * Uđm = Imm = (50100)Iđm nênHình 4.19 Sơ đồ mở máy động điện chiều kích từ song song biến trở áp dụng công suất động công suất từ vài chục đến vài trăm Oát 6.2.2 Mở máy qua biến trở Để tránh nguy hiểm cho động cơ, thường mở máy động qua biến trở mở máy, biến trở gồm số điện trở mắc nối tiếp nối tiếp với mạch phần ứng (xem hình 5.12) U −E Ru + Rmmi Khi mở máy ta có: Iư = , i số ứng với thứ tự bậc điện trở mở máy Rmm tính cho dịng điện mở máy I mm= (1,4 ÷ 1,7)Iđm động công suất lớn (2 ÷ 2,5)Iđm với động cơng suất nhỏ Trước lúcmở máy T để vị trí 0, chạy biến trở mạch kích thích để vị trí b để r đc= Khi mở máy đưa tay gạt T vi trí 1, nhờ cung đồng M mà dây quấn kích thích đặt tồn điện áp kích từ, lúc Φ = Φ max I.Mn t Hình 4.20 Quan hệ I, M, n theo thời gian mở máy động 95 Phần ứng động cấp điện áp qua điện trở (R R4) Nếu lúc mà M > MC rơto bắt đầu quay, s.đ.đ E xuất tăng theo, mà dịng điện rơto giảm Khi Iư giảm đến trị số (1,1-1,3)Iđm tiếp tục gạt tay gạt T vị trí số tiếp tục vị trí q trình lặp lại tốc độ động đạt định mức lúc loại hết điện trở Qua lần thay đổi vị trí tay gạt lần loại bớt cấp điện trở mở máy Quá trình thay đổi biểu diễn qua đồ thị đặc tính động hình 5.13 Trên đồ thị ta thấy I,M tăng với hắng số thời gian Tư = 0, cịn q trình giảm xảy chậm chạp phụ thuộc sự tăng của E sự tăng n, nghĩa phụ thuộc vào số thời gian Tcơ lớn khối quay 6.2.3 Mở máy điện áp thấp (Umm< Uđm) Phương pháp cần có nguồn điện độc lập điều chỉnh để cung cấp cho rơto, cịn mạch kích từ lại cấp riêng để điện áp không thay đổi lấy từ nguồn khác 6.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Căn vào phương trình đặc tính động điện chiều kích từ song U RM −+− CE Φ CE CM Φ song n = , suy phương pháp điều chỉnh tốc độ sau: 6.3.1 Phương pháp điều chỉnh từ thông Điều chỉnh tăng điện trở RKT mạch cuộn dây kích từ để giảm dịng điện kích từ giảm từ thơng kích từ Φ, n0, ∆n, β thay đổi Với MC= Mđm điều chỉnh từ thơng theo trình tự Φ2 n3 nđm n2 không áp dụng phạm vi hẹp MC=Mdm M D Hình 4.22 Đặc tính động điện chiều kích từ song song với điện trở phụ khác n n03 nđm n01 n02 U3 U®m U1 U2 MC= M®m M Hình 4.23 Đặc tính động điện chiều kích từ song song điện áp phần ứng khác DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.1 Khái niệm chung Dây quấn phần ứng máy điện chiều dây quấn nằm phần quay Roto gồm nhiều phần tử dây quấn nối với theo quy luật định Phần tử thường bối dây gồm hay nhiều vịng dây mà đầu nối vào phiến góp, phần tử nối với thơng qua phiến góp làm thành mạch vịng kín, phần từ có cạnh tác dụng rãnh lõi thép cách bước quấn 7.2 Các thông số dây quấn phần ứng máy điện chiều 98 - Bước phiến góp: yG Là khoảng cách hai phiến góp nối hai đầu dây phần tử khoảng cách hai đầu hai phần tử liên tiếp tính số phiến góp - Bước quấn y1: Là khoảng cách cạnh tác dụng thứ với cạnh tác dụng thứ phần tử dây quấn tính số rãnh nguyên tố y1 = Trong đó: ε 2nt +ε 2p số thiết kế cho y1 chẵn ε =0 ε >0 ε