Giáo trình Máy điện 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Giáo trình được biên soạn dành cho các bạn sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện và điện tự động của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định, với các nội dung chính được trình bày như sau: Khái quát chung về máy điện, máy biến áp, lý luận chung của máy điện xoay chiều, máy điện không đồng bộ.

Bộ lao động thương binh xà hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định Giáo trình Máy điện Nam định - 2009 Ths.Phạm thị hoa Ths.là văn trưởng Giáo trình Máy điện Nam định - 2009 Mục lục Mở đầu Chương 0: Khái quát chung máy điện Khái niệm máy điện 2 Phân loại máy ®iÖn Vật liệu dùng máy điện Các chế độ làm việc đại lượng định mức máy điện 5 Phương pháp nghiên cứu máy điện Chương 1: Máy biến áp 1.1 Đại cương máy biến áp 1.1.1 Vai trò máy biến áp 1.1.2 KÕt cÊu cña m¸y biÕn ¸p .9 1.1.3 Nguyên lý làm việc máy biÕn ¸p 12 1.1.4 Định nghĩa máy biến áp 14 1.1.5 Các đại lượng ®Þnh møc 14 1.1.6 Phân loại máy biến áp .15 1.2 Tæ nối dây mạch từ máy biến áp 16 1.2.1 Tæ nèi dây máy biến áp 16 1.2.2 Mạch từ máy biến ¸p 21 1.3 Quan hệ điện từ máy biến áp 27 1.3.1 Các phương trình máy biến áp 27 1.3.2 Mạch điện thay thÕ m¸y biÕn ¸p 29 1.3.3 Đồ thị véc tơ máy biến ¸p 31 1.3.4 Xác định tham số máy biến áp 33 1.4 M¸y biÕn áp làm việc với tải đối xứng .41 1.4.1 Giản đồ lượng hiệu suất máy biến áp 41 1.4.2 Độ thay đổi điện áp máy biến áp cách điều chỉnh 43 1.4.3 Máy biến áp làm việc song song .49 1.5 M¸y biÕn ¸p làm việc với tải không đối xứng 56 1.5.1 Kh¸i qu¸t chung 56 1.5.2 Mạch điện thay tổng trở MBA thành phần đối xứng 57 1.5.2 Tải không đối xứng máy biến áp 59 1.5.3 Ngắn mạch không đối xøng cđa m¸y biÕn ¸p 62 1.6 Các loại máy biến áp đặc biệt 62 1.6.1 Máy biến áp ba dây quấn 62 1.6.2 M¸y biÕn ¸p tù ngÉu 65 1.6.3 Máy biến áp đo lường 66 1.6.4 Máy biến áp hàn hồ quang 68 Ch­¬ng 2: Lý luËn chung máy điện quay xoay chiều 69 2.1 Dây quấn máy điện quay xoay chiều .69 2.1.1 Đại c­¬ng 69 2.1.2 D©y quÊn ba pha cã q số nguyên 72 2.1.3 Dây quấn ba pha có q ph©n sè .76 2.1.4 Dây quấn máy điện xoay chiều pha 77 2.1.5 Dây quấn ngắn m¹ch kiĨu lång sãc 80 2.1.6 Xác định cực tính đầu dây máy điện xoay chiều .80 2.2 Sức điện động dây quấn máy điện xoay chiều .81 2.2.1 Kh¸i qu¸t chung 81 2.2.2 Sức điện động cảm ứng dây quấn 82 2.2.3 C¶i thiƯn dạng sóng sức điện động 86 2.3 Sức từ động dây quấn máy điện xoay chiều 87 2.3.1 Kh¸i qu¸t chung .87 2.3.2 Sức từ động dây quÊn mét pha 90 2.3.3 Sức từ động dây quấn pha (m pha) 93 2.3.4 Sức từ động dây quấn pha 95 2.4 Ph¸t nãng làm mát máy điện 95 2.4.1 Kh¸i qu¸t chung 95 2.4.2 Sự phát nóng nguội lạnh máy ®iƯn .98 2.4.2 VÊn ®Ị làm lạnh máy điện 100 Chương 3: Máy điện không đồng bé 102 3.1 Đại cương máy điện không đồng 102 3.1.1 Phân loại vµ kÕt cÊu .102 3.1.2 Nguyên lý làm việc máy ®iƯn kh«ng ®ång bé 104 3.1.3 Các đại lượng định mức 106 3.2 Quan hƯ ®iƯn tõ máy điện không đồng 107 3.2.1 Kh¸i qu¸t chung 107 3.2.2 Máy điện không đồng làm việc rôto đứng yên 107 3.2.3 Máy điện không đồng làm viÖc rotor quay 111 3.2.4 Các chế độ làm việc, giản đồ lượng đồ thị véc tơ máy điện không đồng 115 3.2.5 Biểu thức mômen điện từ máy điện không đồng 119 3.3 Các đường đặc tính động điện không đồng 126 3.3.1 Đặc tính tốc ®é n = f(P2) 126 3.3.2 Đặc tính moment M = f (P2) 126 3.3.3 Tổn hao đặc tính hiệu suất ®éng c¬ η = f (P2) .127 3.3.4 Đặc tính hệ số công suất cos = f (P2) 127 3.3.4 Năng lực tải 127 3.4 Đồ thị vòng tròn máy điện không đồng 129 3.4.1 Đại cương 129 3.4.2 Cách xây dựng đồ thị vòng tròn 129 3.4.2 Xác định đặc tính làm việc máy điện KĐB đồ thị vòng tròn 132 3.5 Động điện không đồng ứng dụng hiệu ứng mặt 134 3.5.1 Đại cương 134 3.5.2 Động điện rôto rÃnh sâu .134 3.5.3 Động điện rôto hai lồng sóc .136 3.6 Mở máy điều chỉnh tốc độ động điện không đồng 138 3.6.1 Mở máy động điện không ®ång bé 138 3.6.2 Điều chỉnh tốc độ động điện không đồng (KĐB) 141 3.7 Các chế độ hÃm động điện không đồng .150 3.7.1 Phương pháp hÃm ngược 151 3.7.2 Phương pháp h·m t¸i sinh .151 3.7.3 Phương pháp hÃm động 152 3.8 Động ®iƯn kh«ng ®ång bé mét pha 152 3.8.1 Đại cương máy điện không đồng pha 152 3.8.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện pha 152 3.8.3 Phương pháp mở máy loại động điện pha 154 3.8.4 Sử dụng động điện pha vào lưới điện pha .157 3.9 Máy điện không đồng đặc biệt 159 3.9.1 Máy dịch pha 159 3.9.2 Máy điều chỉnh cảm øng 160 3.9.3 Máy biến đổi tần số 162 3.9.4 M¸y điện không đồng làm việc hệ thống tự đồng (xenxin) 163 3.9.5 Động thừa hành không ®ång bé 165 3.9.6 Máy phát tốc độ .166 3.9.7 M¸y biÕn ¸p xoay 168 Tài liệu tham khảo 171 Më đầu Máy điện thiết bị điện sử dụng nhiều tất lĩnh vực kinh tế, việc tìm hiểu, nghiên cứu để có kiến thức việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện vấn đề nhiều người, nhiều ngành quan tâm Giáo trình "Máy điện 1" biên soạn theo chương trình môn học Máy điện đà Hội đồng khoa học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định phê duyệt Nội dung giáo trình gồm vấn đề sau: Chương Khái quát chung máy điện Chương Máy biến áp Chương Lý luận chung máy điện quay xoay chiều Chương Máy điện không đồng Giáo trình tài liệu học tập cho đối tượng sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện điện tự động trường tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành liên quan kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu máy điện Khi biên soạn giáo trình, đà cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan phù hợp với đối tượng sử dụng cố gắng gắn nội dung lý thuyết với vấn đề thực tế thường gặp sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao Sau phần có tập Mặc dù đà cố gắng chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiÕn ®ãng gãp cđa ng­êi sư dơng Mäi ý kiÕn đóng góp xin gửi môn Cơ sở kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Các tác giả Chương 0: Khái quát chung máy điện Khái niệm máy điện Theo quan điểm lượng: Máy điện thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào tượng cảm ứng điện từ, dùng để truyền tải biến đổi lượng điện từ (biến đổi điện thành năng, biến đổi thành điện biến đổi thông số điện dòng điện, điện áp, tần số ) Quá trình truyền tải biến đổi lượng điện từ máy điện phải thông qua trường điện từ tồn máy Do máy điện có hai mạch mạch điện mạch từ Các máy điện có nhiều loại cấu tạo có khác song đứng mặt lượng coi máy điện thiết bị điện có hai cửa cửa vào nhận lượng đưa vào cửa đưa lượng từ máy (Hình 0-1) P Cửa vào (u, i) (M, n) Máy điện Cửa P1 (M, n) (u, i) Máy điện P2 Hình 0.2: Dòng lượng chảy qua máy điện Hình 0.1: Thiết bị điện có hai cửa Nếu máy phát điện lượng đưa vào cửa vào thể qua mômen M tốc độ quay n truyền lên trục quay máy phát lượng lấy cửa điện thể qua dòng điện i điện áp u Nếu động ngược lại, lượng đưa vào điện (u, i) lượng lấy (M, n) Trường hợp máy truyền tải lượng, ví dụ máy biến áp lượng cửa vào cửa điện (vào u1, i1; u2, i2) Ta cã thÓ coi nh­ cã mét dòng lượng chảy liên tục qua máy điện (Hình 0-2), dòng lượng chảy vào máy với công suất P1, phần lượng bị mát máy với công suất P lượng chảy khỏi máy với công suất lại P2 = P1 - P Phân loại máy điện Các máy điện giữ vai trò chủ yếu thiết bị điện, dùng lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng Máy điện phân loại theo nhiều cách khác như: theo công suất, theo cấu tạo, theo dòng điện (một chiều, xoay chiều), theo nguyên lý làm việc, theo kiểu bảo vệ, theo chức năng, ta phân loại dựa theo nguyên lý biến đổi lượng sau: a Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh thường gặp máy biến áp, làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ biến thiên từ thông cuộn dây chuyển động tương Loại máy thường dùng để biến đổi thông số điện b Máy điện quay (động) Nguyên lý làm việc máy điện quay dựa vào tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ từ trường dòng điện cuộn dây có chuyển động tương gây Loại máy thường dùng để biến đổi dạng lượng, ví dụ biến đổi điện thành (động điện), biến đổi thành điện (máy phát điện) Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp Hình 0-3 Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy điện xoay chiều MĐ không đồng Máy biến áp Động điện KĐB Máy phát điện KĐB Máy điện chiều MĐ đồng Động đồng Máy phát điện ĐB Động chiều Máy phát chiều Hình 0.3: Sơ đồ phân loại máy điện Vật liệu dùng máy ®iƯn C¸c vËt liƯu dïng m¸y ®iƯn gåm: vËt liƯu cÊu tróc, vËt liƯu t¸c dơng, vËt liƯu c¸ch ®iƯn a VËt liƯu cÊu tróc VËt liƯu cÊu tróc vật liệu dùng chế tạo chi tiết để nhận truyền tác động học Ví dụ: trục máy, ổ máy, vỏ máy, nắp máy Vật liệu cấu trúc thường dùng máy điện gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu hợp chất chúng, chất dẻo b Vật liệu tác dụng Vật liệu tác dụng vật liệu dùng chế tạo phận dẫn điện dẫn từ, tạo điều kiện cần thiết cho trình điện từ xảy máy điện * Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ thường dùng máy điện vật liệu sắt từ khác thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép phần mạch từ dẫn từ thông biến thiên với tần số 50 Hz (như lõi thép máy biến áp, stato, rôto máy điện không đồng bộ) vật liệu sắt từ làm thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm, có pha thêm đến % Ni để tăng điện trở đường dòng điện xoáy tần số lớn thép kỹ thuật điện dày 0,1 mm đến 0,2 mm để giảm tổn thất dòng điện xoáy mạch từ Những thép kỹ thuật điện chế tạo phương pháp cán nóng cán nguội Hiện đa số máy biến áp máy điện quay công suất lớn dùng thép cán nguội có độ từ thẩm cao, tổn thất sắt từ nhỏ loại thép cán nóng phần mạch từ dẫn từ thông không đổi (rôto máy điện đồng bộ, cực từ máy điện chiều) vật liệu sắt từ thép đúc, thép rèn thép * Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện thường dùng tốt máy điện đồng không đắt mà điện trở suất lại nhỏ Nhôm dùng nhiều, nhôm có điện trở suất lớn đồng lại nhẹ Đôi dùng dây dẫn hợp kim đồng thau (hỗn hợp đồng, thiếc, kẽm), đồng ®á pha phètpho c VËt liƯu c¸ch ®iƯn VËt liƯu cách điện dùng để cách điện phần dẫn điện không dẫn điện phần dẫn điện với Vật liệu cách điện vật liệu quan trọng máy điện, định phần lớn làm việc ổn định máy Yêu cầu vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm bền học Độ bền vững nhiệt chất cách điện bọc dây dẫn định nhiệt độ cho phép dây dẫn định tải Nếu tính vật liệu cách điện cao lớp cách điện mỏng kích thước máy giảm Chất cách điện chủ yếu thể rắn, gồm bốn nhóm: chất hữu thiên nhiên giấy, vải lụa; chất vô amiăng, mica, sợi thuỷ tinh; chất tổng hợp; loại men, sơn cách điện Chất cách điện tốt mica, song tương đối đắt nên dùng máy điện có điện áp cao (từ 3000 V trở lên) Thông thường dùng vật liệu giấy, vải, sợi chúng có độ bền tốt, mềm, rẻ tiền dẫn nhiệt kém, hút ẩm, cách điện chúng phải sấy tẩm để cải thiện tính Nối tụ điện vào dây quấn phụ ta đư ợ c kết tốt Có thểchọn trịsố tụ điện cho s = dòng điện dây quấn phụ lệch pha so vớ i dòng dây quấn 900 dòng điện cá c dây quấn có trịsố cho từ trư ờng chóng sinh b»ng Nh­ vËy më m¸ y động cho từ trư ờng quay tròn Đ ộng mở má y động hai pha không đối xứng Khi rôto đạ t đến tần số quay định cuộn phụ đư ợ c ngắt khỏi nguồn động chuyển sang chếđộ pha vớ i cuộn dây đư ợ c nối vớ i điện p nguồn Cuộn phụ đư ợ c đóng cắt tự động, trư ờng hợ p không ngắt đư ợ c cuộn khởi động khỏi nguồn động bịquá nhiệt dẫn đến chá y Cũng loạ i động điện trở mở má y cuén chÝnh chiÕm 2/3 sè r· nh trªn stato cho, cn phơ chØchiÕm 1/3 sè r· nh trªn stato d Động điện pha kiểu điện dung: (b) (a) Hình 3.47: Đ ộng pha kiểu điện dung Như ợ c điểm chung cá c loạ i động chúng có cá c chỉsố nă ng lư ợ ng tư ơng đối thấp, vìchếđộ làm việc chỉcó dây quấn đư ợ c nối vớ i nguồn nên tạ o từ trư ờng đập mạ ch từ trư ờng quay Trong trư ờng hợ p cần chỉsố nă ng lư ợ ng cao đặ c tính mở má y tèt ng­ êi ta th­ êng sư dơng ®éng vớ i tụ điện khởi động tụ điện làm việc Ta có thểđểnguyên dây quấn mở má y có tụ điện nối vào lư i điện động đà làm việc Nhờ động điện đư ợ c coi động điện hai pha (hình 3.47a) Loạ i có đặ c tính làm việc tốt, nă ng lực tải lớ n, hệsố công suất má y đư ợ c cải thiện Như ng trịsố điện dung có lợ i cho mở má y lạ i thư ờng lớ n đối vớ i chếđộ làm việc, vìthếtrong số trư ờng hợ p mở má y kết thúc phải cắt t trịsố tụ điện công tắc ly tâm (Hình 3.47b) 3.8.4 Sử dụng động ®iƯn pha vµo l­íi ®iƯn pha Cã nhiỊu trư ờng hợ p ngư ời ta sử dụng động ba pha lư i điện pha Lúc chỉcần đặ t điện p pha vào hai dây quấn pha nối tiếp, dây quấn pha lạ i nối thêm tụ điện làm thành dây quấn phụ đểmở má y tă ng cư ờng mômen lúc mở má y 157 Điện áp nguồn điện áp pha động N L1 U1 V1 C2 U2 V2 W2 W1 M a) H×nh 3.48 Đ ộng ba pha làm việc lư i điện pha - Sơ đồ hình 3.48a có: + Đ iện p nguồn điện p pha động U = Uf + Đ iện dung làm việc tụ điện C lv = 4800 If àF U + Đ iện p làm việc tụ: UC = U - Sơ đồ hình 3.48b có: + Đ iện p nguồn điện p pha động U = Uf If àF U Cá ch đấu dây theo sơ đồ hình 3.48b có u điểm sơ đồ hình 3.48a mômen mở má y lớ n hơn, lợ i dụng công suất , điện dung tụ nhỏ hơn, ng điện p tụ lớ n + Đ iện dung làm việc tụ điện C lv = 1600 Khi điện áp nguồn điện pha điện áp dây động pha Có thểđấu dây theo sơ đồ sau a) Hình 3.49: Đ ộng điện ba pha làm viƯc ë l­ í i ®iƯn mét pha 158 - Sơ đồ hình 3.49a: If àF U Uc U If µF U U c ≈ 1,15U C lv = 2800 U = Ud -Sơ đồ hình 3.49b: C lv = 2740 U = Ud 3.9 Máy điện không đồng đặc biệt 3.9.1 Máy dịch pha Má y dịch pha loạ i má y điện có thểtạ o nên sức điện động E2 phía thứ cÊp ví i mét gãc lƯch pha t ý ví i điện p sơ cấp U1 Vềkết cấu giống má y điện không đồng rôto dây quấn ng rôto bịgiữ chặ t hệthống vít vô tận làm cho rôto không thểquay tự đư ợ c mà chỉcó thể quay góc định theo điều khiển từ Má y thư ờng loạ i pha (Hình 3.50) Dây quấn stato nối vớ i nguồn điện làm thành phần sơ cấp má y sinh từ trư ờng quay Dây quấn rôto làm thành phần dây quấn thứ cấp, thông qua vành trư ợ t nối vớ i tải U  U  −E E1 stato β E2  E roto  = U E 2 (a) (b) Hình 3.50: Má y dịch pha a sơ đồ nguyên lý; b đồ thịvéc tơ U2 Má y dịch pha làm việc theo nguyên lý má y điện không đồng lúc rôto đứng yên Khi dây quấn stato nối vớ i nguồn điện có dòng điện chạ y sinh tõ tr­ êng quay khe hë Tõ tr­ ờng sinh dây quấn rôto stato sức điện động E1 E2 mà trịsố tỷ lệvớ i số vòng dây tá c dụng cá c dây quấn, góc pha phụ thuộc vào 159 vịtrítư ơng đối chúng Vìba pha đối xứng nên ta có thểlấy pha đểnghiên cứu Giả sử góc pha A dây quấn stato pha a dây quấn rôto Sau quay pha A góc (Hình 3.50a) theo chiỊu cđa tõ tr­ êng quay φ th× E2 sÏ chậm sau E1 góc Că n vào mạ ch điện thay thế(tư ơng tự má y điện không đồng bộ) bỏ qua điện p rơi tổng trở, ta có: U ≈ − E1 E U ≈ − E = e− j β k 12 (3.76) Trong đó: k12 tỷ số biến đổi điện p Đ thịvéc tơ má y dịch pha hình 3.50b Că n vào phân tích ta nhận thấy điện p mạ ch thứ cấp má y dịch pha vềtrịsố không đổi mà chỉthay đổi vềgóc pha Má y dịch pha đư ợ c dù ng cá c thiết bịthínghiệm 3.9.2 Máy điều chỉnh cảm ứng Má y điều chỉnh cảm ứng loạ i má y biến p dựa nguyên lý làm việc má y điện không đồng ba pha rôto dây quấn vớ i rôto đứng yên Kết cấu má y điều chỉnh cảm ứng giống má y dịch pha, chỉkhá c dây quấn stato rôto liên hệvềtừ có liên hệvềđiện má y biến p tự ngẫu hai dây quấn Má y điều chỉnh cảm ứng có hai loạ i: loạ i đơn loạ i kép Máy điều chỉnh cảm ứng đơn Sơ đồ nguyên lý má y hình 3.51a.Theo cá ch đấu dây quấn, lấy pha nghiªn cøu ta cã:   =U  +E  ≈U  − U e− j α = U  (1 − e− j α ) U 2 1 k 12 k 12 (3.77) Đ thịvéc tơ tư ơng ứng đư ợ c trình bày hình 3.51b Như vớ i gãc α bÊt kú, nÕu chØxÐt vỊtrÞsè, ta cã: U = U1 1+ Khi α = th× − cosα k 12 k 12 U = U (1 − ) k 12 160 (3.78) Vµ α = 1800 cã U max = U (1 + ) k 12 Cần ý điều chỉnh trịsố U2, góc pha β cđa nã ®èi ví i U1 cịng thay đổi Công suất chuyển đổi má y điều chỉnh cảm ứng giống má y biến p tự ngẫu Má y điều chỉnh cảm ứng chổi than, nên công suất má y có thểlớ n, làm việc chắn, điều chỉnh đư ợ c điện p phẳng có thểđiều chỉnh lúc có tải Như ợ c điểm chủ yếu loạ i má y U U có góc lệch pha má y làm việc, rôto có mômen điện từ lớ n kéo vềvịtríhai dây quấn stato rôto trù ng trục nên phải có phận hà m giữ không cho rôto quay Đ ểkhắc phục hai ợ c điểm loạ i má y ta dù ng má y điểu chỉnh cảm ứng kép W2 E2 U1 U2  U  E U2max W1 E1 U2min E (a) (b) Hình 3.51: Má y điều nh cảm ứng đơn a sơ đồ nguyên lý; b đồ thịvéc tơ Máy điều chỉnh cảm ứng kép Má y gồm hai má y điều chỉnh cảm ứng đơn ghép lạ i rôto hai má y đư ợ c nối chặ t vớ i vềcơ khí Dây quấn đư ợ c nối theo sơ đồ nguyên lý hình 3.52a Theo hình vẽ ta thấy má y thứ tự pha ngư ợ c vớ i má y nên hai má y từ trư ờng quay ngư ợ c chiều nhau, góc pha E2 ví i E1 hai m¸ y bao giê ngư ợ c bất kểrôto quay theo chiều Theo đồ thịvéctơ hình 3.52b, ta có điện p đầu : =U +E ′ + E ′′ ≈ U  [1 − (e− j α + e− j α )] U 2 k 12 161 (3.79) U2 W1 W1 E2' ′ E E2'' stato U2 stato W2 W2 U1 '' E E1' ′′ E roto roto U1 (a) (b) Hình 3.52: Má y điều nh cảm ứng kép a sơ đồ nguyên lý; b đồ thịvéc tơ U = U (1 − ) k 12 Vµ α = 1800 cã U max = U (1 + ) k 12 Khi α = th× (3.80) Gãc pha U2 lu«n lu«n trï ng ví i U1, mômen điện từ sinh hai đầu má y điều chỉnh cảm ứng đơn ngư ợ c chiều nên trục má y không chịu mômen 3.9.3 Máy biến đổi tần số Má y điện không đồng rôto dây quấn có thểdù ng làm má y biến đổi tần số từ tần số f sang tần số f Nghiên cứu trư ờng hợ p f > f 1.Dây quấn stato đư ợ c nối vào lư i điện tần số f Rôto đư ợ c động sơ cấp Đ kéo quay vớ i tốc độ ngư ợ c chiều vớ i từ trư ờng quay, tần số suất điện động cảm ứng dây quấn rôto bằng: f1 f2 = s f1 Trong : P1 Pcơ n +n S= >1 n1 § BT n 60 f1 n1 = p P2 f2 n1 tốc độ đồng bộ; p số đôi cực má y Hình 3.53: Sơ đồ má y biến đổi tần số má y biến đổi tần số, dây quấn rôto nhận nă ng lư ợ ng từ hai phía Một phần từ 162 stato chun qua nhê tõ tr­ êng quay vµ mét phần từ động sơ cấp Đ đư ợ c truyền qua theo trục rôto Công suất dây quấn rôto là: P2 = m1sE2I 2cos Trong đó: m2 E2 số pha sức điện động rôtô đứng yên Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là: Pđt = m2E2I 2cos Khi s > P2 > Pđt nên má y lấy công suất từ trục động sơ cấp Đ vào công suất là: Pcơ = P2 - P®t = m2 ( s - 1) E2I Má y biến đổi tần số thư ờng dù ng đểcung cấp dòng điện tần số f từ 100 đến 200 Hz dù ng công nghiệp Ngày nay, vớ i phá t triển điện tử công suất ứng dụng đà chếtạ o cá c biến đổi trực tiếp tần số lư i điện đư a điều chỉnh tốc độ động cơ, dải tần chỉnh tần số phạ m vi rộng lập đư ợ c, độ xá c cao đà đư a vào công nghiệp thay thếcho má y biến đổi tần số, khắc phục đư ợ c hạ n chếcủa má y biến đổi tần số 3.9.4 Máy điện không đồng làm việc hệ thống tự đồng (xenxin) Má y điện không đồng làm việc hệthống tự đồng gồm nhiều má y đặ t cá ch (có thểxa) chỉnối vớ i điện Khi má y (gọi má y phá t) quay bất kìmột góc thìnhững má y kh¸ c (m¸ y thu) cịng quay mét gãc nh­ vËy HƯthèng nµy th­ êng dï ng kü thuật khống chếvà đo lư ờng Những má y điện thuộc loạ i ba pha pha Hệthống tự đồng đư ợ c p dụng rộng rà i ngành tự động hoá điều khiĨn HƯ tù ®ång bé ba pha (xenxin pha) Hệtự động ba pha đơn giản gần hai má y không đồng rôto dây quấn Dây quấn stato chúng đư ợ c nối vớ i lư i điện dây quấn rôto đư ợ c nèi ví i theo ®óng thø tù pha (hình 3.54) Như vậy, hai má y vịtrícủa rôto đối vớ i stato giống thìtrong mạ ch rôto sức điện động E2 chúng ngư ợ c dòng điện mạ ch rôto I mạ ch không 163 j I ( x2 F + x2T ) E 2T U 2T I2 ∆E j I ( x2 F + x2T ) E 2F U 2F Hình 3.54: Sơ đồ nguyên lý xenxin 3pha Hình 3.55: Đ thịvéc tơ xenxin pha quay rôto má y phá t góc Gọi F má y phá t tín hiệu T má y thu tín hiệu thìkhi có tín hiệu tá c động vào má y F làm quay rôto góc (Hình 3.54) thìgiữa cá c sức điện động vµ E  sÏ cã gãc lƯch θ vµ mạ nh rôto xuất dòng điện  E I : 2F 2T  +E  E 2T  I = 2F z2 F + z2 T Trong z2F z2T tổng trở rôto má y phá t má y thu Qua đồ thịvéc tơ hình 3.55 ta thấy thành phần tá c dụng dòng I cù ng chiỊu ví i ®ã lùc ®iƯn tõ f t' mômen má y thu M T sinh làm quay rô to má y thu góc Hệthống hai má y làm việc cân góc lệch pha má y phá t thu Vìvậy giữ rôto má y phá t F góc thìrôto má y thu T quay góc Sự liên lạ c thếnhiều ngư ời ta gọi liên lạ c kiĨu tróc ®iƯn HƯ tù ®ång bé mét pha (xenxin pha) Xenxin pha má y điện cảm cảm ứng nhỏ, có cuộn dây pha kích thích cuộn dây đồng hoá ba pha Sơ đồ xenxin pha tiếp xúc vớ i cuộn kích thích stato cuộn đồng hoá ba pha roto Trong cá c sơ đồ tự ®éng, th­ êng sư dơng hai hƯthèng trun gãc HƯthèng chỉthịđư ợ c sử dụng nơi mà trục nhËn gãc quay (xenxin thu) cã t¶i nhá Trong hƯ thống chỉthị, xenxin thu tự tạ o góc quay tư ơng ứng vớ i góc mà xenxin phá t đặ t Hệthống liên lạ c đư ờng biến p đư ợ c sử dụng nơi mà trục nhận góc quay(xenxin thu) có mômen cản lớ n, trư ờng hợ p xenxin thu không tự tạ o góc quay xenxin phá t đặ t, mà nhờ động chấp hành 164 hệtự đồng pha, stato má y phá t má y thu chỉcó pha nối vớ i lư i điện chung ng rôto hai má y dấy quấn ba pha ®Êu ví i ®óng theo thø tù pha (H×nh 3.56) Khi cho dòng điện pha vào dây quấn stato thìtrong khe hở sinh từ trư ờng đập mạ ch Ta có thểphân từ trư ờng làm hai tõ tr­ êng quay ng­ ỵ c chiỊu ФA vµ ФB vµ ta coi nh­ cã hai hƯthèng đồng ba pha hợ p lạ i Như có thểdù ng nguyên lý làm việc hệba pha tìm mômen phần mômen tổng U1 F T θ θ E aT E aF E cF E cT E bT E bF Hình 3.56 Sơ đồ nguyên lý xenxin pha Quay rôto má y phá t F theo chiỊu cđa ФAF mét gãc θ nh­ hình 3.56 Đ ối vớ i phân lư ợ ng từ trư ờng quay ngư ợ c AF AT mômen M AF M AT có khuynh hư ng kéo roto vềcù ng vịtrí Đ ối vớ i phân lư ợ ng từ trư ờng quay ngư ợ c BF BT vậy, vìvậy mômen hai phân lư ợ ng từ trư ờng sinh má y cù ng chiều nên trịsố tuyệt đối chúng tổng hai mômen phân lư ợ ng nên làm trục quay Như quay rôto má y phá t góc thìrôto má y thu quay góc Thư ờng ngư ời ta đặ t dây quấn sơ cấp pha rôto dây quấn thứ cấp ba pha lắp stato, giảm đư ợ c vành trư ợ t Đ ểcó đặ c tính mômen tốt, dây quấn pha thư ờng lắp cực cực từ lồi Ngày ngư ời ta đà chếtạ o xenxin pha không vành trư ợ t 3.9.5 Động thừa hành không đồng Đ ộng thừa hành không đồng đư ợ c dù ng rộng rà i hệthống tự động khống chế Đ ây loạ i động điện không đồng hai pha công suất 0,1ữ300 W Stato ghép thép kỹ thuật điện, có hai cuộn dây đặ t lệch 900, cuộn WK làm nhiệm vụ kích thích, cuộn WĐ K làm nhiệm vụ điều khiển 165 Rôto gồm nhiều loạ i theo yêu cầu cụ thểcó thểlà rôto lồng sóc thư ờng hoặ c rôto rỗng làm vật liệu không dẫn từ hoặ c rôto rỗng làm vật liệu dẫn từ có dá t đồng thau bềmặ t Đ ểtạ o nên từ trư ờng quay má y, việc đặ t hai dây quấn không gian cần có lệch pha vềthời gian hai dòng điện cuộn dây WK WĐ K Yêu cầu đư ợ c thực nhờ đặ t tụ điện nối tiếp quận kích thích WK Dây quấn kích thích WK đư ợ c đặ t thư ờng trực dư i điện p UK , dây quấn điều khiển WĐ K chờ nhận tín hiệu điều khiển từ đư a vào Khi có tín hiệu, nghĩa có điện p UĐ K đặ t lên cuộn WĐ K , má y có từ trư ờng quay hai dòng điện lệch pha hai cuộn dây quấn WK WĐ K sinh làm cho rôto Hình 3.57: Sơ đồ nguyên lý động quay thừa hành không đồng Đ ộng thừa hành không đồng cá c loạ i động thừa hành c thư ờng đòi hỏi yêu cầu sau: - Không có n tính, nghĩa phải quay hoặ c dừng tức khắc có hoặ c tín hiệu điều khiển mà không nhờ cấu hà m - Mômen mở má y lớ n - Đặ c tính tuyến tính - Phạ m vi ®iỊu chØnh tèc ®é réng - C«ng st ®iỊu khiĨn nhỏ Yêu cầu không quay theo đà yêu cầu động thừa hành Đ ểthực đư ợ c điều này, ngư ời ta có thểthiết kếđộng có khả nă ng tự hà m vềphư ơng tiện điện từ hoặ c chếtạ o động thừa hành có mômen n tính phần quay nhỏ, loạ i động thừa hành không đồng rôto rỗng Rôto loạ i động rỗng hình cốc thư ờng làm nhôm hoặ c đuyara Dòng điện rôto dòng điện xoay chiều cảm ứng mặ t cốc nhôm hoặ c duyara Đ ộng thừa hành có mômen n tính nhỏ, ng khe hở không khílớ n ( = 0,3 đến 0,4 mm) nên dòng điện từ hóa lớ n, cos thấp, hiƯu st thÊp, träng l­ ỵ ng lí n 3.9.6 Máy phát tốc độ Má y phá t tốc độ không đồng cá c loạ i má y phá t tốc độ c làm nhiệm vụ biến đổi cá c tín hiệu (thư ờng tốc độ quay trục) sang cá c tín hiệu điện (thư ờng điện p) đểđo tốc độ quay động hoặ c biến bổi cá c tín hiệu (gia tốc, ổn định) cá c cấu tự động 166 Hình 3.58: Nguyên lý làm việc má y phá t tốc KĐ B Má y phá t tốc không đồng có cấu tạ o gần giống động chấp hành không đồng rôto rỗng không dẫn từ Trên stato đặ t hai cuộn dây lệch pha không gian góc 900 điện Trên hình 3.58a, WK cuộn dây kích thích đư ợ c nối vớ i điện p nguồn, WF cuộn dây phá t, đư a điện p cđa m¸ y ph¸ t tèc Kh¸ c vớ i rôto động chấp hành, đểđảm bảo ®iƯn trë lí n vµ Ýt thay ®ỉi theo nhiƯt độ, rôto má y phá t tốc không đồng đư ợ c chế tạ o từ hợ p kim constantan, mâgnin Đ ểgiảm ảnh hư ởng khe hở không khíkhông không đối xứng rôto lên đặ c tính ra, má y phá t tốc không đồng không chếtạ o vớ i cực từ, thư ờng có hai đôi cực 2p=4 * Nguyên lý làm việc má t phá t tốc lý tư ởng sau: Khi rôto đứng yên (n=0 ): cho cho dòng điện kích thích xoay chiều pha tần số f vào dây quấn WK , má y xuất từ trư ờng đập mạ ch K vớ i tần sè f cã ph­ êng trï ng ví i trục dây quấn WK Trong hình trụ rôto rỗng đứng yên xuất s.đ.đvà dòng điện xoay chiỊu ví i tÇn sè f gièng nh­ m¸ y biÕn ¸ p ChiỊu cđa tõ tr­ êng đập mạ ch I dòng điện sinh đư ợ c vẽ hình 3.58.Khi rôto đứng yên, trục cuộn dây vuông góc vớ i trục dây WK , nghĩa vuông góc vớ i phư ơng K I nên cuộn WF không xuất sức điện động Khi rôto quay (n c 0): rôto cảm ứng thêm søc ®iƯn ®éng quay eq tõ tr­ êng ФK quét qua rôto sức điện động eq tỉlệvớ i tốc độ rôto sinh dòng điện I q mà chiều đư ợ c xá c định hình 3.58b Vì K I đập mạ ch vớ i tần số f nên sức điện động eq dòng điện I q biến đổi vớ i tần số f 167 Dòng điện I q tạ o từ trư ờng q đập mạ ch qua cuộn dây WK cảm ứng s.đ.đ xoay chiều eF có tần số f ®é lí n tû lƯví i tèc ®é quay n Như đầu dây quấn WF nhận đư ợ c điện p UF tần số f tû lƯví i tèc ®é n Quan hƯUF = f(n) đư ợ c thểhiện hình 3.59 Hình 3.59: Quan hệUF = f(n) Trên thực tế, má y phá t tốc có tải phản ứng dòng điện rôto gây nên biến ng từ trư ờng thay đổi cá c thông số má y Hiện tư ợ ng gây nên sai số vềtrịsố mà làm tính chất tuyến tính UF = f(n) tốc độ cao Vìvậy má y phá t tốc độ không đồng đạ i thư ờng dù ng đểđo tốc độ phạ m vi 8000 ữ 10000 vg/ph vớ i UF = ữ 10 V 3.9.7 Máy biến ¸p xoay M¸ y biÕn ¸ p xoay lµ mét thiết bịđiện làm việc theo nguyên lý vềcảm ứng điện tõ M¸ y biÕn ¸ p xoay cã thĨcho điện p thay đổi theo góc xoay rôto Má y biến p xoay có cấu trúc đa ng, ng phổbiến má y biến p xoay hai cực, chếtạ o tư ơng tự động không đồng rôto dây quấn công suất nhỏ Trên stato rôto có đặ t dây quấn hai pha đối xứng lệch không gian 90 điện Đ iện p đầu má y biến p xoay có thểtỉlệvớ i sin, cos hoặ c vớ i thân góc rôto Nhờ cá c điều kiện định biên độ sức điện động cảm øng cn thø cÊp cịng biÕn ®ỉi theo quy luật tư ơng tự Có thểphân loạ i má y biÕn ¸ p xoay nh­ sau: + M¸ y biÕn ¸ p xoay sin-cos, ua= Umsinα, ub = Umsinα + M¸ y biÕn ¸ p xoay tuyÕn tÝnh, u = k.α ví i k = const M¸ y biÕn ¸ p xoay có thểthực đư ợ c cá c hàm số c nhau, đặ c tính phụ thuộc vào sơ đồ nối dây Má y biến p xoay đư ợ c sử dụng cá c hệthống tự động thực cá c phép tính hình học lư ợ ng giá c nhằm biến đổi hệtoạ độ, phân tích dựng véc tơ Trong hệ tự động động chúng sử dụng đểđo giá trịsai lệch vịtrínhất định Trong cá c má y tính, cá c sơ đồ hệthống quay trạ m rađa M¸y biÕn ¸p xoay sin - cos M¸ y biến p xoay sin-cos có cấu tạ o giống động không đồng hai pha rôto dây quấn công suất nhỏ Cấu tạ o gồm hai phần stato rôto * Stato gồm lõi sắt dây quấn 168 + Lõi sắt stato hình trụ cá c thép kỹ thuật điện ghép lạ i vớ i nhauvà xẻ rà nh bên trong, dù ng đểdẫn từ + Dây quấn stato (dây quấn sơ cấp làm đồng có bọc cá ch điện, gồm có hai cuộn dây đư ợ c quấn rải, đặ t lệch không gian góc 900 điện Hai cuộn dây có cá c thông số giống nhau(số vòng dây, điện ng, điện trở) Dây quấn dù ng đểtạ o từ trư ờng * Rôto gồm lõi sắt dây quấn + Lõi sắt giống lõi sắt stato đư ợ c ghép từ cá c thép kĩthuật điện có cá ch điện tốt đư ợ c xẻ rà nh mặ t Lõi sắt dù ng đểdẫn từ + Dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) làm đồng có bọc cá ch điện, gồm có hai cuộn dây đư ợ c quấn rải, đặ t lệch không gian góc 900 điện Hai cuộn dây có cá c thông số giống nhau(số vòng dây, điện ng, điện trở) Dây quấn dù ng đểtạ o từ trư êng α W1 U’2 Wn U W’ W’’ 2 U2 Hình 3.60: Sơ đồ nguyên lý má y biến p xoay sin - cos Khi đặ t vào dây quấn kích thích sơ cấp W1 stato điện p xoay chiều u1 = 2U sint thìkhi xoay rôto góc ta nhận đư ợ c đầu dây quấn thứ cấp W2' W2'' nằm rôto điện p xoay chiÒu u2 b»ng: u'2 = 2k 1U sinα sinωt = 2U '2 sinωt u'2' = 2k 1U cosα sinωt = 2U '2' sinωt Trong ®ã: k1 = k dq2 W2 k dq1.W1 ; U '2 = k 1U sin α ; U 2'' = k1U cos  Nh­ vËy ta thÊy trÞsè hiƯu dụng điện p U '2 tỉlệvớ i sinα, U '2' tØlƯví i cosα Khi m¸ y biÕn p xoay có tải, dòng điện i '2 i '2' cá c dây quấn W2' W2'' tạ o nên từ trư ờng 2' 2'' , có thểchia cá c từ thông thành hai phần dọc trục ngang trục từ trư ờng dây quấn s¬ cÊp 1 Tõ tr­ êng ngang trơc φ'2 cosα vµ 2'' sin  lµm cho tõ tr­ êng tổng bịméo đi, nên quan hệhình sin sức điện động vớ i góc bịphá hủy Đ ểtriệt tiêu thành phần này, stato ta đặ t dây quấn ngắn mạ ch Wn vuông góc 169 vớ i dây quấn W1 Dòng điện dây quấn ngắn mạ ch sinh từ trư ờng bù thành phần từ trư ờng ngang trục, có thểgiảm sai số đến mức tối thiểu Máy biến áp xoay tuyÕn tÝnh Khi gãc xoay α kho¶ng < < 650, điện p đầu cuối hai dây quấn nối tiếp W2' Wn tỷ lệthuận vớ i góc xoay , dây quấn W2'' rôto nèi kÝn m¹ ch ví i tỉng trë Zf dï ng đểbù từ trư ờng ngang trục Hình 3.61: Má y biÕn ¸ p xoay tuyÕn tÝnh M¸ y biÕn p xoay ngày có sai số điện p không 5% Trong trư ờng hợ p đặ c biệt, có thểlàm cho sai số béhơn (0,05 ữ 0,07)% Công suất má y biến p xoay thông thư ờng khoảng vài VA vớ i U = 115 V f = 50HZ đến (400 đến 2500) Hz Câu hỏi Nguyên lý làm việc má y điều chỉnh pha má y điều chỉnh cảm ứng Hai loạ i má y giống c điểm nào? Có thểlấy động điện KĐ B rôto dây quấn làm má y điều chỉnh pha má y điều chỉnh cảm ứng đư ợ c không? Nguyên lý làm việc má y biến đổi tần số Nguyên lý làm việc hệtự đồng bộ(xenxin) Giả sử má y phá t tín hiệu có số đôi cực p, má y thu có số đôi cực 2p, rôto má y phá t quay góc thìrôto má y thu quay góc Xenxin pha xenxin ba pha có u điểm gì? Nguyên lý làm việc động thừa hành xoay chiều má y biến p p xoay 170 Tài liệu tham khảo [1] Vũ Gia Hanh, Trần Khá nh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Vă n Sá u Má y điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật 1998 [2] Trần Khá nh Hà Má y điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật 1998 [3] Phạ m Vă n Bình, Lê Vă n Doanh Thiết kếmá y biến p Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2001 [4 Trần Khá nh Hà Thiết kếmá y điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật 1997 [5] Nguyễn Hồng Quang, Nguyễn Phúc Hải Má y điện cá c thiết bịtự động Nhà xuất giá o dục 2001 [6] Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn ThếKiệt Công nghệchếtạ o tính toá n sửa chữa má y điện (3 tập) Nhà Xuất Giá o dục 1998 171 ... u1; e1; et1; i1.r1 Theo định luật Kiếckhôp ta cã: i1r1 - u1 = et1 + e1 u1 = i1r1 - et1 - e1 u1 = - e1 + Lt1 di + i1r1 (1. 17a) dt bên thứ cấp có đại lượng: u2; e2; et2; i2.r2 Theo định luật Kiếckhôp... Y/ -1 1 Y0/ -1 1 Ví dụ 1. 2 Xác định tổ nối dây máy biến áp ba pha có sơ đồ nối dây Hình 1. 14a,b 19 * E AB * E ab Hình 1. 14a: Tổ nối dây Y/Y -1 2 (0) * EA B * Ea b H×nh 1. 14b: Tỉ nèi dây Y/ -1 1 Ví dụ 1. 3... = const) Vì cần có: i1.W1 + i2.W2 = i0.W1 i1.W1 = i0.W1 - i2.W2 i1 = i0 W1 - - i2 W2 W1 W1 hay i1 = i - i2 k ( với k tỷ số biến áp) i2 = i2 → i1 = i0 - i′2 (1. 19a) k NÕu i1, i0, i′2 cã d¹ng sin