Bài giảng Máy điện cơ sở - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Bài giảng Máy điện cơ sở trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về máy điện (gồm máy biến áp và các loại máy điện quay). Sau khi học xong học phần này, sinh viên có thể nhận diện được từng loại máy điện trong thực tế, nắm được các thông số kỹ thuật cơ bản của từng loại máy và các mối quan hệ giữa các thông số đó; hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy điện, phân tích các quá trình vật lý, các đặc tính tĩnh và động của máy điện ở các chế độ làm việc khác nhau.

BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN CƠ SỞ EE3140 MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG Mô tả học phần Cung cấp kiến thức máy điện (gồm máy biến áp loại máy điện quay):  Nhận diện loại máy điện thực tế, nắm thông số kỹ thuật loại máy mối quan hệ thơng số  Hiểu rõ cấu tạo nguyên lý làm việc loại máy điện  Phân tích trình vật lý, đặc tính tĩnh động máy điện chế độ làm việc khác GIỚI THIỆU CHUNG Thông tin chung môn học Nhiệm vụ sinh viên:  Dự lớp đầy đủ theo quy định  Hoàn thành tập giao Đánh giá kết quả:  Điểm trình: trọng số 0.30 - Bài tập làm đầy đủ - Làm thí nghiệm đầy đủ, có báo cáo bảo vệ - Kiểm tra kỳ  Thi cuối kỳ (trắc nghiệm tự luận): trọng số 0.7 GIỚI THIỆU CHUNG Thông tin chung môn học Tài liệu tham khảo: Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện tập & 2, nhà xuất KHKT Stephen J.Chapman, Electric machinery fundamentals, Mc Graw Hill A E Fitzgerald, Electric machinery, Mc Graw Hill Ion Boldea, The induction machines design handbook, Mc Graw Hill D.P Kothari, Electric machines, Mc Graw Hill Turan Gonen, Electrical machines with Matlab, CRC press MỞ ĐẦU NỘI DUNG 0.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN 0.2 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 0.3 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN 0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN MỞ ĐẦU 0.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN  Máy điện gì?  Máy biến áp gì?  Động điện gì?  Máy phát điện gì?  Máy điện tĩnh gì?  Máy điện quay gì?  Tại máy điện lại trở nên rộng rãi phổ biến vậy?  Về lượng  Động điện so với động đốt  Về sản xuất lượng điện MỞ ĐẦU 0.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN Máy điện Máy điện quay Máy điện tĩnh Máy biến áp Cuộn kháng điện Máy điện xoay chiều Máy điện chiều Máy điện không đồng Máy điện đồng MỞ ĐẦU 0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN ● Định luật cảm ứng điện từ +/ Trường hợp từ thơng Φ biến thiên xun qua vịng dây Khi từ thơng Φ xun qua vịng dây biến thiên vòng dây cảm ứng sức điện động e Chiều e xác định theo quy tắc vặn nút chai Sđđ cảm ứng vịng dây tính theo công thức Maxwell: e  w  d d  dt dt e w Khi mô tả MBA MỞ ĐẦU 0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN ● Định luật cảm ứng điện từ +/ Trường hợp dẫn chuyển động từ trường Khi dẫn chuyển động với vận tốc v vng góc với đường sức từ trường, dẫn cảm ứng sđđ có trị số là: e = B.l.v Trong đó: B : từ cảm [T] v : vận tốc [m/s] l : chiều dài dẫn [m] b B i N a A + D et Rt c i d et B Khi mô tả máy điện quay l S MỞ ĐẦU 0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN ● Định luật lực điện từ: Thanh dẫn mang dịng điện đặt vng góc với đường sức từ trường chịu lực điện từ tác dụng có trị số là: F = Bil Trong đó: B : từ cảm [T] i : dòng điện chạy dẫn [A] l : chiều dài dẫn [m] F : lực điện từ [N] Chiều lực điện từ F xác định theo qui tắc bàn tay trái Fđt A Y n1 Z n< n1 Khi mơ tả máy điện quay  C v1 B X 10 MỞ ĐẦU 0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN ● Định luật tồn dịng điện: Tích phân cường độ từ trường theo đường khép kín quanh số mạch điện tổng dòng điện w vòng dây mạch  H.dl   i  i.w  F l (L) i w 11 CHƯƠNG O: MỞ ĐẦU 0.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ● Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện thường dùng đồng nhơm chúng có điện trở suất nhỏ, giá phải Đồng có điện trở suất nhỏ ρCU < ρAl , chịu gia cơng khí đắt nặng nhôm 12 MỞ ĐẦU 0.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ● Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo mạch từ máy điện Có nhiều loại vật liệu dẫn từ khác nhau: thép kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn…nhưng chủ yếu thép kỹ thuật điện dày 0,27÷0,5 mm có + Độ từ thẩm lớn + Tổn hao công suất nhỏ pha thêm Silic (2 - 4.5%) Để  tổn hao dịng điện xốy từ trễ sơn cách điện Theo cách chế tạo thép kỹ thuật điện gồm loại: + Cán nóng + Cán nguội Thép cán nguội có độ từ thẩm cao suất tổn hao nhỏ thép cán nóng 13 MỞ ĐẦU 0.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ● Vật liệu kết cấu Dùng để chế tạo phận chi tiết truyền động kết cấu máy như: trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy Người ta thường dùng gang, thép, kim loại màu, hợp kim vật liệu chất dẻo 14 MỞ ĐẦU 0.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ● Vật liệu cách điện Để cách điện phần mang điện với với phần không mang điện máy Vật liệu cách điện máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt tốt, chống ẩm bền học + Thể rắn: amiăng, mica, sợi thủy tinh + Thể lỏng: dầu biến áp + Thể khí: khơng khí 15 MỞ ĐẦU 0.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN ● Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện chia làm cấp theo nhiệt độ cho phép chúng: 16 MỞ ĐẦU HỆ THỐNG ĐƠN VỊ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG THƯỜNG DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Để thuận lợi trình nghiên cứu, thiết kế, tính tốn máy điện người ta dùng hệ đơn vị tương đối I*  I I đm ; U*  U P z ; P*  ; z*  ; U đm Pđm z đm 17 MỞ ĐẦU 0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Việc nghiên cứu máy điện gồm bước sau: Nghiên cứu tượng vật lý xảy máy điện Lập mơ hình tốn, hệ phương trình tốn học mơ tả làm việc máy điện Từ mơ hình tốn thiết lập mơ hình mạch, sơ đồ thay máy điện Từ mơ hình tốn mơ hình mạch, tính tốn đặc tính nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo yêu cầu cụ thể U%    E  I Z U 1 1  '      U  E  I Z  2 2 I  I  (I ) 1 I1 x cos2 = 0,8 r -I'2 r' x' 2 > cos2 = U1 r x m U'2 Z't  m 2 < cos2 = 0,8 18 BÀI GIẢNG Máy điện sở EE3140 1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP NỘI DUNG • VAI TRỊ VÀ CƠNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP • ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP • NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP • CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP • PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP • CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ (2) - Cấu tạo máy điện khơng đồng bộ: Stator Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn - Lõi thép stator có dạng hình trụ phần dẫn từ, từ trường qua lõi thép từ trường quay nên để giảm tổn hao  Lõi thép ghép thép kỹ thuật điện, dập rãnh bên ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (3) - Cấu tạo máy điện không đồng bộ: Stator - Dây quấn stator thường làm dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha stato tạo nên từ trường quay CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (4) - Cấu tạo máy điện không đồng bộ: Rotor Rotor phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy - Cũng lõi thép stator, lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ghép lại để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (5) - Cấu tạo máy điện không đồng bộ: Rotor - Dây quấn rotor máy điện khơng đồng có hai kiểu: rotor ngắn mạch ( rotor lồng sóc ) rotor dây quấn  Rotor lồng sóc gồm đồng nhôm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (6) - Cấu tạo máy điện không đồng bộ: Rotor  Rotor dây quấn quấn giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu luôn đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt để dẫn điện ngồi, thơng qua chổi than để đưa thêm điện trở phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính mở máy điều chỉnh tốc độ CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (7) - Phân loại máy điện không đồng bộ: Phân theo kiểu dây quấn rotor ta có: + Máy điện khơng đồng rotor lồng sóc + Máy điện khơng đồng rotor dây quấn Phân theo kết cấu vỏ máy: + Kiểu kín + Kiểu bảo vệ + kiểu hở Phân theo điện áp dây quấn stator: + Một pha + Ba pha + Vạn 10 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NỘI DUNG 1.1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 11 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (1) Đặt điện áp xoay chiều vào ba pha dây quấn stator  IA, IB, IC   FA, FB, FC  Fñt Các stđ lệch góc 1200 khơng gian thời gian  Fquay = FA + FB + FC A n1 Y Z n< n1 Từ trường Fquay  từ thông 1 1 xuyên qua dây quấn rotor  cảm ứng sđđ E2  I2  2 từ thông 2 hợp với từ thông 1 tạo thành từ thơng tổng khe hở khơng khí  C v1 B X Lực tác dụng tương hỗ từ thông tổng máy với dẫn roto mang dòng điện tạo thành momen quay, Mquay > Mcản  kéo rotor quay chiều quay từ trường với tốc độ n 12 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ (2) Máy điện khơng đồng có n  n1 Vì tốc độ khơng có chuyển động tương đối , dây quấn rotor không cảm ứng suất điện động Hệ số trượt máy điện không đồng s n1  n n1 n1 Tốc độ quay tương đối từ trường quay dây quấn stator với tốc độ rotor: n2R = n1 – n  Tần số suất điện động dây quấn rotor là: f2  n n2R n R p  s.f1 60 13 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (3) Dòng điện dây quấn rotor  sinh 2, 2 quay với tốc độ n2R so với rotor Gọi n2 tốc độ quay tương đối 2 so với stator ta có: n  n 2R 60.f1  n  n1 - n  n  n1  p  Từ trường quay dây quấn stator từ trường quay dây quấn rotor quay đồng với tạo từ trường quay tổng  máy, Nhờ lượng truyền từ stator sang rotor ngược lại qua trường trung gian từ trường 14 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (4)  Trường hợp < n < n1 ( < s n1 ( s n1 Chiều từ trường quay quét qua dây quấn Y rotor ngược lại, e2 i2 đổi chiều thành điện cung cấp cho lưới điện MĐKĐB làm việc chế độ MFĐ n1 Z v1 n>n1 Lực Fđt đổi chiều ngược với lực làm quay rotor Fcơ Máy biến tác dụng lên trục A  C B Fñt X 16 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (6)  Trường hợp n < ( s > ) Quay rotor ngược chiều quay với từ trường quay Lúc chiều sđđ, dòng điện, momen giống chế độ động Mđt ngược chiều Mquay  có tác dụng hãm  rotor bị giảm tốc độ Máy điện làm việc chế độ hãm điện từ ĐCĐ MFĐ Hãm điện từ s < s n1 n