Máy điện là những thiết bị điện được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm. Tập bài giảng Máy điện 2 được biên soạn theo chương trình môn học Máy điện 2, nội dung gồm các vấn đề sau: Máy điện đồng bộ; Máy điện một chiều; Máy điện xoay chiều có vành góp.
MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 Đại cƣơng máy điện đồng 1.1.1 Phân loại kết cấu máy điện đồng 1) Phân loại 2) Kết cấu 1.1.2 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng 1.1.3 Các đại lƣợng định mức 1.2 Từ trƣờng máy điện đồng 1.2.1 Khái quát chung từ trƣờng máy điện đồng 1.2.2 Từ trƣờng dây quấn kích từ 1) Máy cực lồi 2) Máy cực ẩn 10 1.2.3 Từ trƣờng dây quấn phần ứng 11 1) Khi tải trở 11 2) Khi tải cảm 12 3) Khi tải dung 12 4) Khi tải có tính hỗn hợp 13 1.2.4 Quy đổi sức từ động máy điện đồng 13 1.3 Quan hệ điện từ máy điện đồng 15 1.3.1 Phƣơng trình cân điện áp đồ thị véctơ máy điện đồng 15 1) Chế độ máy phát điện 16 2) Chế độ động điện 20 1.3.2 Cân lƣợng máy điện đồng 20 1.3.3 Các đặc tính góc máy điện đồng 21 1) Đặc tính góc cơng suất tác dụng 21 2) Đặc tính góc cơng suất phản kháng 24 1.4 Máy phát điện đồng làm việc với tải đối xứng 25 1.4.1 Khái quát chung 25 i 1.4.2 Các đặc tính máy phát điện đồng 25 1) Đặc tính khơng tải 25 2) Đặc tính ngắn mạch 26 3) Đặc tính ngồi 28 4) Đặc tính điều chỉnh 29 5) Đặc tính tải 29 1.5 Máy điện đồng làm việc với tải không đối xứng 31 1.5.1 Khái quát chung 31 1.5.2 Các tham số máy điện đông việc với tải không đối xứng 33 1) Tổng thứ tự thuận z1 = r1 + jx1 33 2) Tổng trở thứ tự ngƣợc z2 = r2 + jx2 33 3) Tổng trở thứ tự không z0 = r0 + jx0 35 1.5.3 Ảnh hƣởng tải không đối xứng máy điện đồng 35 1) Điện áp tải không đối xứng máy phát điện đồng 36 2) Tổn hao tăng roto nóng 36 3) Hiện tƣợng máy rung 36 1.5.4 Ngắn mạch không đối xứng máy phát điện đồng 36 1) Ngắn mạch pha 36 2) Ngắn mạch hai pha 38 1.6 Máy phát điện đồng làm việc song song 39 1.6.1 Ghép máy phát điện đồng làm việc song song 39 1) Các phƣơng pháp hịa đồng xác 40 2) Phƣơng pháp tự đồng 43 1.6.2 Điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát điện đồng 44 1) Điều chỉnh công suất tác dụng 44 2) Điều chỉnh công suất phản kháng 46 1.7 Động máy bù đồng 49 1.7.1 Động điện đồng 49 1) Ƣu, nhƣợc điểm phạm vi ứng dụng động đồng 49 ii 2) Các phƣơng pháp mở máy cho động điện đồng 50 3) Các đặc tính làm việc động điện đồng 52 1.8 Máy điện đồng đặc biệt 55 1.8.1 Máy phát điện đồng pha 55 1.8.2 Máy biến đổi phần ứng 56 1.8.3 Động điện đồng phản kháng 57 1.8.4 Động điện đồng kiểu nam châm vĩnh cửu 58 1.8.5 Động điện đồng kiểu từ trễ 58 1.8.6 Máy phát cảm ứng tần số cao 59 1.8.7 Động bƣớc 60 CHƢƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 65 2.1 Đại cƣơng máy điện chiều 65 2.1.1 Cấu tạo phân loại máy điện chiều 65 1) Cấu tạo 66 2) Phân loại 68 2.1.2 Nguyên lý làm việc máy điện chiều 69 1) Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều 69 2) Nguyên lý làm việc động điện chiều 70 2.1.3 Các đại lƣợng định mức máy điện chiều 70 2.2 Từ trƣờng máy điện chiều 71 2.2.1 Khái quát chung 71 2.2.2 Từ trƣờng máy điện chiều lúc có tải 72 1) Phản ứng phần ứng máy điện chiều 72 2) Từ trƣờng cực từ phụ 75 3)Từ trƣờng dây quấn bù 77 2.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều 78 2.3.1 Khái quát chung 78 2.3.2 Dây quấn xếp 80 1) Dây quấn xếp đơn 80 iii 2) Dây quấn xếp phức tạp 83 2.3.3 Dây quấn sóng 85 1) Dây quấn sóng đơn 86 2) Dây quấn sóng phức tạp 87 2.3.4 Dây quấn hỗn hợp 89 2.4 Quan hệ điện từ máy điện chiều 91 2.4.1 S.đ.đ phần ứng, momen công suất điện từ 91 1) S.đ.đ phần ứng dây quấn máy điện chiều 91 2) Momen điện từ công suất điện từ 92 2.4.2 Quá trình lƣợng phƣơng trình cân lƣợng 94 1) Tổn hao máy điện chiều 94 2) Quá trình lƣợng máy điện chiều phƣơng trình cân 96 2.4.3 Tính chất thuận nghịch máy điện chiều 98 2.5 Đổi chiều máy điện chiều 99 2.5.1 Khái quát chung 99 2.5.2 Quá trình đổi chiều 102 1) Đổi chiều đƣờng thẳng 103 2) Đổi chiều đƣờng cong 104 2.5.3 Nguyên nhân sinh tia lửa phƣơng pháp cải thiện đổi chiều 107 1) Nguyên nhân sinh tia lửa 107 2) Các phƣơng pháp cải thiện đổi chiều 108 2.6 Máy phát điện chiều 110 2.6.1 Khái quát chung 110 2.6.2 Các đặc tính máy phát điện chiều 111 1) Đặc tính không tải 111 2) Đặc tính ngắn mạch 112 3) Đặc tính ngồi 113 4) Đặc tính điều chỉnh 119 5) Đặc tính tải 121 iv 2.6.3 Máy phát điện chiều làm việc song song 121 1) Điều kiện làm việc song song máy phát điện chiều 122 2) Phân phối chuyển tải máy phát điện chiều 123 2.7 Động điện chiều 125 2.7.1 Khái quát chung 125 2.7.2 Mở máy động điện chiều 126 1) Mở máy trực tiếp 126 2) Mở máy nhờ biến trở 127 3) Mở máy điện áp thấp (Uk < Uđm) 128 2.7.3 Đặc tính điều chỉnh tốc độ động điện chiều 128 1) Phƣơng trình đặc tính 128 2) Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều 130 2.7.4 Đặc tính làm việc động điện chiều 137 2.8 Máy điện chiều đặc biệt 140 2.8.1 Máy điện chiều từ trƣờng ngang 140 2.8.2 Máy phát hàn điện 141 2.8.3 Động chấp hành chiều 142 2.8.4 Máy phát tốc chiều 143 2.8.5 Động chiều không tiếp xúc 143 CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ VÀNH GÓP 150 3.1 Khái quát chung 150 3.2 Động điện ba pha có vành góp 150 3.2.1 Động điện ba pha kích từ song song 151 1) Sơ lƣợc kết cấu 151 2) Nguyên lý làm việc 152 3) Điều chỉnh tốc độ quay cos 152 3.2.2 Động điện ba pha kích từ nối tiếp 154 1) Sơ đồ nguyên lý 154 2) Nguyên lý làm việc 154 v 3.2.3 Động điện bù pha máy bù pha 155 1) Động điện bù pha 155 2) Máy bù pha 156 3.3 Động điện pha có vành góp 159 3.3.1 Sức điện động máy điện pha có vành góp 159 1) Sức điện động biến áp Eba 160 2) Sức điện động quay Eq 161 3.3.2 Động điện nối tiếp pha 162 1) Cấu tạo 162 Nguyên lý làm việc 162 3) Momen động 163 4) Đồ thị véctơ 163 5) Ứng dụng 164 3.3.3 Động điện đẩy 165 1) Động điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh 165 2) Động điện đẩy có dây quấn phần tĩnh (Động Thompson) 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO 168 vi MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Hình ảnh máy phát điện đồng cực ẩn Hình Hình ảnh máy phát điện đồng cực lồi Hình Stato máy điện đồng Hình Rôto MĐĐB cực ẩn Hình Cơ cấu chổi than vành trƣợt dây quấn kích từ Hình Rơto MĐĐB cực lồi Hình Sơ đồ nguyên lý MPĐB ba pha cực Hình Từ trƣờng phần cực từ MĐĐB cực lồi Hình Phân bố từ trƣờng khe hở MĐĐB cực lồi Hình 10 Phân bố từ trƣờng khe hở MĐĐB cực ẩn 11 Hình 11 Phản ứng phần ứng tải trở 12 Hình 12 Phản ứng phần ứng tải cảm 12 Hình 13 Phản ứng phần ứng tải dung 13 Hình 14 Phản ứng phần ứng tải hỗn hợp 13 Hình 15 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực ẩn 16 Hình 16 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực lồi 17 Hình 17 Đồ thị véctơ s.đ.đ biến đổi MPĐB cực lồi 18 Hình 18 Đồ thị Pochie máy phát điện đồng 19 Hình 19 Đồ thị véctơ s.t.đ.đ độ thay đổi điện áp MĐĐB cực lồi bão hịa 19 Hình 20 Đồ thị véctơ ĐCĐB 20 Hình 21 Giản đồ lƣợng công suất tác dụng 21 Hình 22 Đặc tính góc cơng suất tác dụng 22 Hình 23 Mạch điện tƣơng đƣơng đồ thị véctơ vd1.1 23 Hình 24 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi 24 Hình 25 Sơ đồ thí nghiệm lấy đặc tính máy phát điện đồng 25 Hình 26 Đặc tính không tải 26 Hình 27 Mạch điện thay (a) đồ thị véctơ (b) ngắn mạch 26 Hình 28 Đặc tính ngắn mạch 27 vii Hình 29 Đồ thị xác định tỷ số ngắn mạch K 27 Hình 30 Đặc tính ngồi MPĐB 28 Hình 31 Đặc tính điều chỉnh MPĐB 29 Hình 33 Xây dựng đặc tính tải từ đặc tính khơng tải tam giác điện kháng 30 Hình 32 Đồ thị véctơ s.đ.đ tải cảm 30 Hình 37 Sơ đồ ngắn mạch pha MPĐB 37 Hình 38 Mạch điện thay ngắn mạch pha MPĐB 37 Hình 39 Sơ đồ ngắn mạch hai pha MPĐB 38 Hình 40 Mạch điện thay ngắn mạch hai pha MPĐB 39 Hình 42 Đồ thị véctơ điện áp 42 Hình 41 Sơ đồ hịa đồng máy phát điện 41 Hình 43 Sự biến đổi U*; I*; it* máy phát 100000 kW tự hòa đồng vào lƣới điện 43 Hình 44 Cơng suất tác dụng cơng suất chỉnh máy phát điện cực ẩn 45 Hình 45 Giản đồ véctơ điều chỉnh cơng suất phản kháng 47 Hình 46 Họ đặc tính hình V máy điện đồng 48 Hình 47 Sơ đồ mạch kích từ ĐCĐB lúc mở máy 50 Hình 48 Đặc tính làm việc ĐCĐB 53 Hình 49 Máy biến đổi phần ứng 57 Hình 50 Mặt cắt roto ĐCĐB phản kháng 58 Hình 51 Cấu tạo ĐCĐB nam châm vĩnh cửu 58 Hình 52 Mặt cắt ĐCĐB kiểu từ trễ 59 Hình 53 Sơ đồ nguyên lý đặc tuyến momen ĐCĐB kiểu từ trễ 59 Hình 54 Cấu tạo máy phát cảm ứng tần số cao 60 Hình 55 Từ trƣờng khe hở máy phát tần số cao 60 Hình 56 Hình ảnh số loại động bƣớc 61 Hình 1.57 Sơ đồ nguyên lý động bƣớc 62 Hình Sơ đồ cấu tạo MĐMC 65 Hình 2 Lá thép phần ứng 67 Hình Phần ứng mặt cắt rãnh 68 viii Hình Ký hiệu MĐMC 69 Hình Sơ đồ ngun lý MPMC dạng sóng dịng điện sức điện động 69 Hình Sơ đồ nguyên lý ĐCMC 70 Hình Nhãn máy ĐCMC 71 Hình Từ trƣờng Máy điện chiều 72 Hình Phản ứng phần ứng chổi than trung tính hình học 73 Hình 10 Phản ứng phần ứng xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học 75 Hình 11 Sơ đồ nối dây cực từ phụ 76 Hình 12 S.t.đ đƣờng cong từ trƣờng tổng MĐMC có cực từ phụ 76 Hình 13 Sơ đồ nối dây dây quấn bù 77 Hình 14 Các đƣờng s.t.đ từ trƣờng tổng MĐMC có cực từ phụ dây quấn bù 77 Hình 15 Hình dáng bối dây 78 Hình 17 Các tham số sơ đồ trải dây quấn phần ứng 79 Hình 16 Rãnh nguyên tố rãnh thực 79 Hình 18 Hình (a) đa giác s.đ.đ (b) dây quấn xếp đơn 81 Hình 19 Sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơn, bƣớc đủ (quấn tiến) 82 Hình 20 Cách đấu dây MĐMC 83 Hình 21 Hình (a) đa giác (b) s.đ.đ dây quấn xếp phức tạp 84 Hình 22 Giản đồ khai triển dây quấn xếp phức tạp có Z = S = G = 24; 2p = 4; yG =2 85 Hình 23 Hình (a) đa giác s.đ.đ (b) dây quấn sóng đơn 86 Hình 24 Giản đồ khai triển dây quấn sóng đơn Z = S = G = 15; 2p = 87 Hình 26 Giản đồ khai triển dây quấn sóng phức tạp m = 2; Z = S = G = 18; 2p = 88 Hình 25 Hình (a) đa giác s.đ.đ (b) dây quấn sóng phức tạp 88 Hình 27 Bƣớc cực phần tử dây quấn hỗn hợp 89 Hình 28 Xác định Eƣ Mđt MPMC 92 Hình 29 Xác định Mđt ĐCMC 94 Hình 30 Giản đồ lƣợng máy phát điện chiều 96 Hình 31 Giản đồ lƣợng động điện chiều 97 Hình 32 Quá trình đổi chiều máy điện chiều 100 ix Hình 33 Diện tích tiếp xúc chổi than với phiến góp 103 Hình 34 Đổi chiều đƣờng thẳng 104 Hình 35 Dòng điện if đổi chiều 105 Hình 36 Đổi chiều có tính chất trì hỗn 106 Hình 37 Đổi chiều có tính chất vƣợt trƣớc 106 Hình 38 Sơ đồ chống nhiễu vô tuyến điện 107 Hình 39 Xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học 109 Hình 40 Sơ đồ nguyên lý MPMC kích từ độc lập 110 Hình 41 Sơ đồ nguyên lý MPMC tự kích từ 111 Hình 42 Đặc tính khơng tải MPMC 112 Hình 43 Đặc tính ngắn mạch MPMC 112 Hình 44 Dựng tam giác đặc tính 113 Hình 45 Đặc tính ngồi MPMC kích từ độc lập 114 Hình 46 Dựng đặc tính ngồi MPMC kích từ độc lập 114 Hình 47 Điện áp MPMC kích từ song song với rt khác 115 Hình 48 Đặc tính ngồi MPMC 117 Hình 49 Xây dựng đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích từ nối tiếp 118 Hình 50 Đặc tính ngồi máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp 119 Hình 51 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ độc lập 119 Hình 52 Dựng điều chỉnh MPMC kích từ độc lập từ đặc tính khơng tải tam giác đặc tính 120 Hình 54 Đặc tính tải MPMC 121 Hình 53 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ hỗn hợp 121 Hình 55 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song 122 Hình 56 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song 123 Hình 57 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC 125 Hình 58 Sơ đồ mở máy ĐCMC kích từ song song biến trở 127 Hình 60 Đặc tính xét chế độ làm việc 129 Hình 62 Đặc tính ĐCMC thay đổi từ thông 131 Hình 64 Họ đặc tính thay đổi điện áp phần ứng U4> U1 >U2 >U3 132 x 500kW) Động điện ba pha kích từ song song đƣợc dùng nhiều ngành công nghiệp dệt, giấy, in, đƣờng 3.2.2 Động điện ba pha kích từ nối tiếp 1) Sơ đồ nguyên lý Phần tĩnh giống động điện không đồng thông thƣờng, nhƣng dây quấn ba pha (1) có ba đầu nối với lƣới điện xoay chiều, ba đầu nối với ba chổi than a, b, c tì lên vành góp rơto A B C Φ F1 b F a) α c n m b) F2 Hình ĐC ba pha kích thích nối tiếp a-Sơ đồ nguyên lý, b-Đồ thị véc tơ Phần quay giống phần ứng máy điện chiều có dây quấn phần ứng nối với vành góp Để đơn giản ta dùng sơ đồ dây quấn hình Y đẳng trị (2) để thay cho dây quấn phần ứng nối với hình (hình 3.4) 2) Nguyên lý làm việc Dòng điện 𝐼1 sinh ra s.t.đ 𝐹1 , dòng điện 𝐼2 sinh ra s.t.đ 𝐹2 𝐹1 với 𝐹2 lệch góc không gian S.t.đ tổng 𝐹 = 𝐹1 + 𝐹2 sinh từ thơng Φ𝑚 tác dụng với dịng điện 𝐼2 rôto tạo nên momen quay làm động điện quay Trƣờng hợp góc lệch = hay = 1800, tức véctơ không gian s.t.đ 𝐹1 𝐹2 trùng pha nhau, nghĩa lực tiếp tuyến tạo nên momen quay khơng, M = động điện đứng yên (hình 3.4b) Chiều quay động điện phụ thuộc vào chiều xê dịch chổi than Theo quy luật chung trục dây quấn phần quay có khuynh hƣớng trùng với trục dây quấn phần tĩnh từ thơng xun qua dây quấn phần quay lớn Do dịch chổi than ngƣợc chiều quay từ thông rơto quay chiều với từ thơng, dịch chổi than chiều quay với từ thơng rôto quay ngƣợc lại với 154 chiều quay từ thơng Đó phƣơng pháp đƣợc dùng để thay đổi chiều quay động điện Nhƣng rơto quay ngƣợc với từ trƣờng tổn hao thép tăng tƣơng ứng với tần số f2 = f1(n1 + n) s.đ.đ biến áp phần tử bị chổi than ngắn mạch tăng theo tần số làm khó khăn cho q trình đổi chiều dịng điện Chính thực tế động 0 M α = 160 ;150 ;140 điện ba pha kích từ nối tiếp đƣợc vận hành với chiều quay chiều với chiều quay từ trƣờng 3,0 2,5 Đặc tính động điện tƣơng tự nhƣ đặc tính động 1,5 điện chiều kích từ nối tiếp Với 1,0 góc khác nhau, ta đƣợc họ đặc tính nhƣ 0,5 hình 3.5 Ở đƣờng nét đứt giới hạn phạm vi ổn định (1) khơng ổn định (2) họ đƣờng đặc tính Thƣờng động điện làm việc phạm vi góc = 130 160 1350 2,0 (1) (2) 1300 1200 1000 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,2 0,4 0,6 0,8 Hình Họ đặc tính động điện ba pha kích thích nối tiếp Động điện ba pha kích từ nối tiếp đƣợc dùng nhiều truyền động máy bơm, quạt gió ly tâm, máy nén, thiết bị trục hàng, máy in chế tạo đƣợc với cơng suất hàng trăm kW 3.2.3 Động điện bù pha máy bù pha Để nâng cao hệ số cosυ lƣới điện, dùng động khơng đồng có cosυ đƣợc bù hay dùng máy bù cosυ riêng cho động Vấn đề đƣa sức điện động phụ E f vào mạch thứ cấp động cách thích hợp để cải thiện cosυ Để giải vấn đề đó, ngƣời ta lợi dụng tính chất phần ứng máy điện chiều nhƣ động ba pha kích thích song song kích thích nối tiếp Nếu máy nhỏ phần ứng máy điện chiều đƣợc đặt vào máy làm thành máy gọi động bù pha; máy lớn phần ứng máy chiều làm thành máy riêng gọi máy bù pha 1) Động điện bù pha Động điện bù pha có sơ đồ nguyên lý đƣợc trình bày nhƣ hình 3.6 Phần tĩnh có dây quấn ba pha nhƣ động không đồng thông thƣờng, ba đầu nối với ba chổi than a, b, c tỳ lên vành góp đồng thời thay đổi vị trí đƣợc; ba đầu lại nối với ba biến trở BT dùng để mở máy động điện Phần quay có hai dây: dây ba pha nối Y ba đầu nối với ba vành trƣợt để đƣa điện vào; dây phần ứng máy điện chiều nối với vành góp giống 155 máy điện chiều Dây quấn phần quay làm nhiệm vụ dây quấn sơ cấp, dây quấn phần tĩnh làm nhiệm vụ dây quấn thứ cấp Đặt điện áp U1 có tần số f1 vào dây quấn 1, từ trƣờng quay sinh quay với tốc độ n1 60 f1 phần quay Do tác dụng phản lực, phần quay quay ngƣợc lại p với tốc độ n tƣơng tự nhƣ động ba pha kích thích song song nghiên cứu Sức điện động cảm ứng dây quấn E dây quấn E f , hai có tần số f2 = sf1 Nếu xê dịch chổi than ngƣợc chiều quay từ từ góc α E f vƣợt trƣớc E 2s góc pha tƣơng ứng Kết nhờ có thành phần E f sin vng góc với E 2s làm cho hệ số cosυ đƣợc nâng cao BT α b n Φ[n ] c O a U1,f1 A1B1C1 Hình Sơ đồ nguyên lý ĐC bù pha Lƣu ý thành phần E f cos trùng pha với E 2s có tác dụng làm thay đổi tốc độ động Thực tế, thƣờng động bù pha làm việc với góc 900 lúc tác dụng bù tốt 2) Máy bù pha Rôto phần ứng máy điện chiều điện đƣợc đƣa vào vành góp thơng qua ba chổi than đặt cách 1200 Stato thép ghép lại để làm mạch dẫn từ mà khơng có dây quấn (hình 3.7) 156 stato b a c Hình Máy bù pha có kích từ phần quay Cấu tạo máy bù pha đơn giản động điện bù pha Ngày ngƣời ta chế tạo máy bù pha với rơto rãnh kín cho từ thơng khép kín ln rãnh mà khơng cần làm mạch từ stato Máy bù pha B làm việc đƣợc nối mạch với dây quấn rôto động không đồng Đ1 làm thành tổ liên hợp Thƣờng máy bù pha đƣợc quay động không đồng Đ2 (hình 3.8a), song có khơng cần Đ2 mà dùng động Đ để quay Khi máy bù pha đứng n, dịng điện I2 có tần số f2 = sf1 dây quấn rôto động Đ1 vào máy bù pha tạo nên từ trƣờng quay Φb quay với tốc độ n1b 60 f so p với ba chổi than (trong pb số đôi cực máy bù) sinh s.đ.đ: Ef = 4,44f2Wb.kdqb chậm sau từ thơng Φb dịng điện I2 góc 900 (hình 3.8b) Nếu rơto máy bù đƣợc quay theo chiều Φb với tốc độ nb < n1b từ thơng Φb tiếp tục quay với tốc độ n1b so với chổi than, nhƣng s.đ.đ máy bù là: Ef = 4,44(f2 – fb)Wb.kdqb fb pb nb tần số tƣơng ứng với tốc độ quay 60 nb máy bù Ta thấy s.đ.đ Ef giảm nhỏ trƣớc nhƣng chậm sau dịng điện I2 góc 90 Nếu đƣa tốc độ quay máy bù đến nb = n1b fb = f2 Ef = Khi từ thông quay theo chiều nhƣng tốc độ nb > n1b s.đ.đ Ef đổi ngƣợc dấu vƣợt trƣớc I2 góc 900 (hình 3.8b) Thơng thƣờng động khơng đồng làm việc với hệ số trƣợt s nhỏ nên góc ψ2 E2 I2 bé, với tốc độ nb > n1b s.đ.đ Ef đủ lớn có tác dụng sinh dịng điện I2 vƣợt trƣớc s.đ.đ E2s 157 E f (nb n1b ) U1, f1 900 I Đ1 900 Đ2 B b f2 = sf1 b) E f (nb n1b ) a) Hình ĐCKĐB có máy bù pha s.đ.đ Ef Đồ thị véctơ ứng với trƣờng hợp đƣợc biểu thị hình 3.9 Ở OA = E 2s véctơ s.đ.đ mạch thứ cấp động khơng đồng AB = E f véctơ s.đ.đ phụ máy bù sinh ra, OB = E 2s + E f = ΣE s.đ.đ tổng mạch thứ cấp lúc cho s.đ.đ phụ vào Lúc ψ góc lệch ΣE I2 Do I2 vƣợt trƣớc E 2s nên I1 gần U 1, nghĩa góc υ U I1 nhỏ cosυ đƣợc nâng cao Chú ý thực s.đ.đ E f đƣợc xem hai thành phần: thành phần E fsinα có tác dụng cải thiện hệ số cosυ nối cấp cịn thành phần E fcosα có tác dụng làm giảm tốc độ quay động điện trƣờng hợp jI1 x1 U1 I1 r1 E1 υ I1 I '2 I0 n ψ2 E 2s E B C E f sin jI x2 E f cos α b I Ef A Hình Đồ thị véctơ ĐCKĐB có máy bù pha nb > n1b 158 Hình 3.10 thể đặc tính cosυ = f(P2*) động làm việc có máy bù (đƣờng 1) khơng có máy bù (đƣờng 2) Từ đƣờng cong (1) ta thấy rằng, tải vào khoảng 30% tải định mức động điện có máy bù, hệ số công suất cosυ đƣợc cải thiện nhiều 60% trở cosυ = Nhƣng tải nhỏ hay không tải cosυ thấp, nhƣợc điểm máy bù Để khắc phục nhƣợc điểm đó, nghĩa bù đƣợc cos𝜑 lúc dòng I2 nhỏ tránh tƣợng bù lúc I2 gần định mức máy bù thƣờng đƣợc chế tạo với mạch từ bão hòa cao 1,0 0,8 cosυ 0,6 0,4 sB s 0,2 s% P2* 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Hình 10 Đặc tính cosυ s = f(P2*) ĐCKĐB có khơng có máy bù Trong trƣờng hợp đó, dịng điện nhỏ, thép máy bù chƣa bão hòa, s.đ.đ tăng nhanh thỏa mãn đƣợc yêu cầu thứ nhất; ngƣợc lại dòng điện lớn, thép bão hòa mạnh, s.đ.đ tăng chậm so với dòng điện thỏa mãn đƣợc yêu cầu thứ hai Ngoài tƣợng bão hịa máy bù có tác dụng cải thiện điều kiện đổi chiều, bão hịa mạnh làm cho đƣờng cong từ thông ngang làm giảm từ tản khu vực đổi chiều 3.3 Động điện pha có vành góp Động điện xoay chiều pha có vành góp nói chung có kết cấu tƣơng tự nhƣ máy điện chiều thơng thƣờng, có khác điện áp đặt vào điện áp xoay chiều pha Động điện loại đƣợc dùng nhiều kéo tải điện, số máy móc dùng sinh hoạt vài ngành chuyên môn đặc biệt 3.3.1 Sức điện động máy điện pha có vành góp Khi đƣa điện áp xoay chiều pha vào phần ứng máy điện xoay chiều có vành góp nói chung chúng có hai loại s.đ.đ cảm ứng: + S.đ.đ kiểu nhƣ máy biến áp gọi s.đ.đ biến áp Eba, liên hệ dây quấn kích từ dây quấn phần ứng qua từ trƣờng xoay chiều tƣơng tự nhƣ liên hệ dây quấn sơ cấp thứ cấp máy biến áp 159 + S.đ.đ phần ứng quay gây nên gọi s.đ.đ quay E q, phần ứng quay dẫn cắt đƣờng sức từ trƣờng gây nên s.đ.đ cảm ứng giống nhƣ máy điện chiều thông thƣờng 1) Sức điện động biến áp Eba Đặt điện áp xoay chiều pha U vào dây quấn kích từ K phần tĩnh từ thơng dòng điện xoay chiều tạo đập mạch với tần số f lƣới điện Khi n = từ thông biến thiên xuyên qua dây quấn phần ứng cảm ứng bên dây dẫn dẫn dây quấn phần ứng sức điện động Eba nhƣ máy biến áp Ở dây quấn kích từ dây quấn sơ cấp dây quấn phần ứng dây quấn thứ cấp Chiều sức điện động dẫn dây quấn phần ứng hai phía với trục dây quấn kích từ K trái dấu U~ U= Φ Φ A A B π/2 Eba m max Eba= a) E ba B b) c) Hình 11 S.đ.đ Eba từ trƣờng đập mạch sinh dây quấn phần ứng n = Nếu chổi than đặt đƣờng trung tính hình học, nhánh dây quấn có số phần tử với s.đ.đ ngƣợc dấu nên s.đ.đ biến áp hai đầu chổi than không Eba= (hình 3.11a) Nếu chổi than đặt trục dây quấn kích từ (tức cực từ) s.đ.đ biến áp lấy có trị số cực đại Eba= Ebamax (hình 3.11b) Tần số s.đ.đ biến áp chổi than tần số f từ trƣờng đập mạch, nghĩa dịng điện kích từ tƣơng ứng Cũng tƣơng tự nhƣ máy biến áp, trị hiệu dụng suất điện động biến áp là: Ebamax = 4,44f.w.kdq. max , Trong đó: w số vịng dây mạch nhánh dây quấn phần ứng; kdq hệ số dây quấn Về góc pha, sức điện động biến áp Eba chậm sau Φ góc 900 (hình 3.11c) 160 Khi chổi than lệch với đƣờng trung tính hình học góc (hình 3.12) thì: Eba()= Ebamaxsin() U Φ ~ A α Eba(α) B Hình 12 S.đ.đ Eba chổi than lệch khỏi trung tính hình học 2) Sức điện động quay Eq Nếu max= const, phần ứng quay với tốc độ n, dẫn dây quấn phần ứng quét qua từ trƣờng kích từ cảm ứng đƣợc sức điện động xoay chiều với tần số fq = pn/60, nhƣng sức điện động lấy chổi than sức điện động chiều nhƣ máy điện chiều: 𝐸𝑞 = U~ 𝑝𝑁 𝑛Φ𝑚𝑎𝑥 60𝑎 Φ Eq (+n) n m (-n) Eq Eq a) b) Hình 13 S.đ.đ quay Eq sinh từ trƣờng đập mạch Khi chổi than nằm trung tính hình học Eq= Eqmax chổi than nằm trục dây quấn kích thích Eq= Khi chổi than lệch với đƣờng trung tính góc thì: Eq = Eqcos 161 Nếu từ thông đập mạch với tần số f phần ứng quay với tốc độ n phần tử dây quấn tồn loại sức điện động: - Sức điện động quay với tần số: fq= pn/60 - Sức điện động biến áp có tần số: fba= f Khi chổi than đặt đƣờng trung tính hình học Eba = 0, cịn Eq max n = const Chiều E q phụ thuộc vào chiều n nhƣ hình vẽ Khi chổi than lệch đƣờng trung tính góc ỏ tồn loại Eba Eq có tần số f 𝐸= 𝐸𝑏𝑎 𝑠𝑖𝑛2 𝛼 + 𝐸𝑞2 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Tóm lại dƣới tác dụng điện áp xoay chiều pha đầu chổi than phần ứng ta đƣợc s.đ.đ tổng gồm hai loại Eba Eq Sức điện động tổng biến thiên với tần số f nguồn kích thích, cịn tốc độ quay vị trí chổi than có tác dụng làm thay đổi trị số chiều s.đ.đ khơng ảnh hƣởng đến tần số 3.3.2 Động điện nối tiếp pha 1) Cấu tạo Cấu tạo động điện nối tiếp pha không khác nhiều so với máy điện chiều kích từ nối tiếp thơng thƣờng Đáng ý cực từ đƣợc ghép thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao dịng xốy tổn hao từ trễ hình dáng làm cực lồi (đối với máy nhỏ) hay cực ẩn (đối với máy lớn) U Trên cực từ có dây quấn kích từ K, dây quấn bù B có cực từ phụ với dây quấn F để cải thiện đổi chiều nhƣ máy điện chiều thông dụng Sơ đồ nối dây động điện pha kích từ nối tiếp nhƣ hình 3.14 F Φ K B Hình 14 Sơ đồ nguyên lý động điện nối tiếp pha Nguyên lý làm việc Khi đặt điện áp xoay chiều pha vào động cơ, từ thơng Φ cuộn kích thích nối tiếp tác dụng lên dịng điện I chạy phần ứng tạo nên momen quay làm động quay Vì phần ứng mắc nối tiếp với cuộn kích thích nên Φ I dấu (bỏ qua góc lệch pha tổn hao sắt), momen ln dƣơng động quay theo chiều 162 3) Momen động Giả sử xem dịng điện mạch nhánh iƣ từ thơng kích từ Φ biến đổi hình sin theo thời gian, trị số tức thời: iƣ = Iƣmsinωt; Φ = Φmsin(ωt-γ) Trong đó: γ góc lệch pha iƣ Φ tổn hao sắt từ tham số phần tử bị ngắn mạch định Do trị số tức thời momen giống nhƣ máy điện chiều: Mt pN iu pN I um m sin t.sin(t ) (3-1) Và momen trung bình: M M M t dt pN I um m sin t.sin(t )dt pN pN I um m cos I um m cos 2 (3-2) Trong đó: Iƣ trị số hiệu dụng dòng điện mạch nhánh song song dây quấn phần ứng động điện; Mt Φm biên độ từ thơng kích từ i M Φm ƣ Góc γ thƣờng nhỏ nên momen động sinh lớn Đƣờng cong t 2π Φ dịng điện, từ thơng momen theo thời γ gian động nhƣ hình 3.15 Hình 15 Đồ thị dịng điện, từ thơng, momen động điện nối tiếp pha 4) Đồ thị véctơ Giả thiết động quay với tốc độ n chổi than đƣợc đặt trung tính hình học Khi đặt điện áp U vào động ta có dịng điện I chạy máy Từ thông Φm f sinh chậm sau góc γ Sức điện động E sinh từ thơng ngƣợc pha với Φm máy làm việc chế độ động điện, nghĩa E q ngƣợc chiều với I Sức điện động biến áp trƣờng hợp chổi than đặt trung tính hình học Trong động điện cịn có: sức điện động tƣơng ứng với tồn từ thơng 163 kích từ chậm sau I góc 900 j Ix , với xK điện kháng tồn phần dây K quấn kích từ; sức điện động tƣơng ứng với từ thông tản dây quấn phần ứng, dây quấn bù dây quấn cực từ phụ chậm sau I góc 900 I x , Σx tổng điện kháng dây quấn trên; điện áp rơi I r , Σr tổng điện trở động điện kể điện trở tiếp xúc chổi than Vì vậy, phƣơng trình cân sức điện động động điện đƣợc viết nhƣ sau: U Eq j I x I r U E q j I xK jI x I r Đồ thị véctơ tƣơng ứng vẽ hình 3.16, đây: υ góc lệch pha điện áp U dịng điện I Thơng thƣờng động làm việc với hệ số cosυ = 0,7 0,95 tốc độ lớn hệ số cosυ cao I U jI x Eq jIxK I r I jI( xK x ) r jI x Eq Hình 16 Đồ thị véctơ động điện nối tiếp pha 5) Ứng dụng Động điện pha có vành góp đƣợc ứng dụng chủ yếu việc điện khí hóa đƣờng sắt dịng điện pha Loại động thƣờng đƣợc chế tạo với công suất lớn đặt đầu máy xe điện làm việc tuyến đƣờng sắt điện khí hóa số nƣớc nhƣ Pháp, Đức, Mỹ, Nga, v.v… Các động công suất nhỏ 0,5 kW đƣợc dùng rộng rãi công nghiệp đời sống với yêu cầu tốc độ 164 cao (3.000 30.000 vg/ph) phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng nhƣ máy mài, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu, v.v… Ngày nay, ngƣời ta chế tạo loại động điện kích thích nối tiếp vạn dùng điện xoay chiều chiều Khi dùng điện chiều, khơng có điện áp rơi điện kháng nên với trị số điện áp tốc độ quay động lớn Do đó, đặc tính động không thay đổi ngƣời ta làm đầu điện áp xoay chiều chiều khác (hình 3.17) Trong đầu điện áp xoay chiều ứng với số vòng dây nhỏ đầu điện áp chiều Tụ điện C dùng để giảm nhiễu vô tuyến điện KT C iƣ = ~ C KT Hình 17 Sơ đồ nguyên lý ĐC vạn 3.3.3 Động điện đẩy 1) Động điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh Cấu tạo động đƣợc trình bày nhƣ hình 3.18 Dây quấn kích từ K dây quấn bù B nối tiếp đặt dƣới điện áp xoay chiều U ~ chổi than đặt đƣờng trung tính hình học U~ U~ K ΦK ΦB a) ΦB B Ebamax b) B I2 U~ Eba = ΦB B c) Hình 18 ĐC điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh 165 Ngun lý làm việc: Từ thơng cuộn kích từ ΦK gây sức điện động quay hai đầu chổi than phần ứng quay, phần ứng đứng yên, nhờ từ thông đập mạch Φ B dây quấn bù nên hai đầu chổi than cảm ứng dòng điện I2 Dòng điện I2 tác dụng với từ thông ΦK tạo nên momen quay làm động quay Nhƣ vậy, ta thấy có “đẩy” từ trƣờng phần ứng với từ trƣờng cực từ tạo nên momen quay Do loại động đƣợc gọi động điện đẩy Trƣờng hợp chổi than đặt trùng với trục dây quấn kích từ sức điện động biến áp Eba = 0, dịng điện I2 = momen quay khơng (hình 3.18c.) Biểu thức momen nói chung có dạng: M Cm I 2 K cos( I , K ) Thông thƣờng góc I K gần khơng nên M Cm I 2 K Cm số momen 2) Động điện đẩy có dây quấn phần tĩnh (Động Thompson) Cấu tạo loại động tƣơng tự nhƣ động điện đẩy mục 1, phần tĩnh có dây quấn W chổi than di chuyển đƣợc phần ứng với trục chổi than, làm thành góc α với trục dây quấn phần tĩnh (hình 3.19) Trƣờng hợp này, xem nhƣ động có hai cuộn dây: cuộn W1 = Wsinα đóng vai trị cuộn kích thích WK cuộn W2 = Wcosα đóng vai trò dây quấn bù WB nhƣ trƣờng hợp động điện đẩy có hai dây quấn phần tĩnh nhƣ xét mục Động làm việc tƣơng tự động Chiều quay động tùy thuộc vào chiều chuyển dịch chổi than trục cuộn dây W U W b U b W1 W2 α α a a b) a) Hình 19 ĐC điện đẩy có cuộn dây phần tĩnh 166 U Chú ý lúc α = 900 (hình 3.20a) a đó, dịng điện phần ứng momen động sinh khơng Lúc động điện đƣợc coi nhƣ không tải b α=900 a) máy biến áp hở mạch thứ cấp Vị trí chổi than ứng với góc α = 900 gọi vị trí U U tổng sức điện động nhánh dây quấn phần ứng khơng Do a b α=00 b) Hình 20 Động điện đẩy a- vị trí chổi than không tải b- ngắn mạch Một vị trí đặc biệt khác chổi than lúc α = 00 (hình 3.20b) lúc sức điện động hai đầu chổi than có trị số lớn Trong phần ứng sinh dòng điện I2 tạo thành sức điện động ngƣợc với sức điện động dây quấn kích từ Do đó, momen sinh không Động đƣợc xem nhƣ máy biến áp làm việc tình trạng ngắn mạch, vị trí chổi than tƣơng ứng lúc gọi vị trí ngắn mạch Ở góc α xác định đặc tính đặc tính làm việc gần giống nhƣ động kích thích nối tiếp Việc điều chỉnh tốc độ mở máy loại động tƣơng đối thuận lợi nhờ việc xê dịch chổi than Động Thompson thƣờng đƣợc chế tạo với công suất vào khoảng vài chục kW đƣợc dùng nhiều lĩnh vực kéo tải điện Câu hỏi Câu 3.1 Tại đƣa s.đ.đ phụ vào mạch thứ cấp động không đồng lại điều chỉnh đƣợc tốc độ quay cos? Làm để đƣa đƣợc s.đ.đ phụ vào? Câu 3.2 Trình bày nguyên lý làm việc cách vận hành loại động ba pha kích thích song song, động ba pha kích thích nối tiếp? Câu 3.3 Khi đƣa điện áp xoay chiều pha vào động xoay chiều pha có vành góp xuất s.đ.đ loại nào, tính chất chúng sao? Câu 3.4 Trình bày nguyên lý làm việc cách vận hành loại động nối tiếp pha động điện đẩy? 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Gia Hanh- Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu, Máy điện 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 Vũ Gia Hanh- Trần Khánh Hà-Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu, Máy điện 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 Nguyễn Thế Kiệt, Tính tốn sửa chữa dây quấn máy điện, Nhà xuất Giáo dục, 1995 Nguyễn Hồng Thanh, Máy điện điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001 Nguyễn Đức Sỹ, Công nghệ chế tạo thiết bị điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2009 Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 168