5. Phương pháp nghiên cứu máy điện
2.4.2. Vấn đề làm lạnh các máy điện
Làm mát máy điện là tìm ra biện pháp để đưa nhiệt lượng của máy ra ngoài môi trường để nhiệt độ của máy không tăng quá trị số cho phép.
1. Các kiểu cấu tạo của máy điện
Kiểu cấu tạo máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy với môi trường bên ngoài.
Cấp bảo vệ của máy được ký hiệu là IPxx, trong đó:
- Chữ x thứ nhất gồm có 7 cấp được đánh số từ 0 đến 6 chỉ mức độ bảo vệ chống sự tiếp xúc của người và vật rơi vào máy.
- Chữ x thứ hai gồm 9 cấp được đánh số từ 0 đến 8 chỉ mức độ bảo vệ chống nước vào máy.
- Số 0 ở cả hai chữ số chỉ rằng máy không được bảo vệ gì cả. Người ta thường chia kiểu cấu tạo máy điện như sau:
a. Kiểu hở
Các máy kiểu này thường không có bộ phận che chắn để tránh các vật từ ngoài chạm vào phần quay hoặc các bộ phận dẫn điện của nó. Loại này thường được đặt trong các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm và không tránh được ẩm ướt. Kí hiệu máy kiểu hở là IP00.
b. Kiểu bảo vệ
Khác kiểu hở ở chỗ có các tấm chắn có thể tránh được các vật và nước rơi vào máy và chủ yếu cũng được đặt trong nhà. Cấp bảo vệ từ IP00 đến IP33.
c. Kiểu kín
Máy điện kín có vỏ bao bọc cách biệt phần trong máy với môi trường bên ngoài và thường được dùng ở những nơi ẩm ướt kể cả ngoài trời. Tuỳ theo mức độ kín, cấp
0 1T 2T 3T 4T θ0 θ∞ θ ∆θ∞ t 0 1T 2T 3T 4T θ0 θ1 θ t (a) (b) Hình 2.28:
bảo vệ từ IP44 trở lên.
2. Các phương pháp làm mát máy điện
Theo phương pháp làm mát, máy điện được chia thành các loại như sau:
a. Máy điện làm mát tự nhiên
Máy điện loại này không có bộ phận thổi gió làm mát, do đó công suất chỉ hạn chế trong khoảng vài chục oát hoặc vài trăm oát nên có cánh tản nhiệt để tăng thêm bề mặt tản nhiệt.
b. Máy điện làm mát trong
Với máy điện loại này sự tuần hoàn của gió bên trong máy được thực hiện nhờ quạt gió đặt ở đầu trục.
Đối với máy công suất nhỏ, với chiều dài bé hơn 200 mm đến 250 mm, gió chỉ thổi dọc trục theo khe hở giữa stato và rôto.
Đối với máy công suất lớn, chiều dài của máy tăng thì nhiệt độ gió dọc chiều dài của máy sẽ không đều, vì vậy phải tạo thêm các rãnh thông gió ngang trục. Trong trường hợp này lõi thép được chia thành từng đoạn dài khoảng 4 cm và khe hở giữa các đoạn khảng 1 cm. Gió sẽ đi vào hai đầu rồi theo các rãnh ngang trục và thoát ra ở giữa thân máy để rồi lại trở về hai đầu.
c. Máy điện tự làm mát mặt ngoài
Máy thuộc kiểu kín, ở đầu trục bên ngoài có đặt quạt gió và nắp quạt gió để hướng gió thổi dọc mặt ngoài của thân máy.
Để tăng diện tích bề mặt làm mát, thân máy có đúc cánh tản nhiệt. Thông thường trong máy cũng có đặt quạt gió để tăng tốc độ gió trong máy, do đó tăng thêm sự trao đổi nhiệt giữa lõi và vỏ.
d. Máy điện tự làm mát độc lập
ở các máy điện lớn, quạt thường được đặt riêng ở ngoài để hút gió đưa nhiệt lượng trong máy ra ngoài. Để tránh hút bụi vào máy có thể dùng hệ thống làm lạnh lớn. Trong trường hợp đó, không khí hoặc khí làm lạnh sau khi ở máy ra được đưa qua bộ làm lạnh rồi lại được đưa vào máy theo một chu trình kín.
e. Máy điện tự làm mát trực tiếp
Khi công suất của máy điện lớn khoảng 300 đến 500 nghìn KW thì hệ thống làm mát bằng khí hydrô vẫn không đủ hiệu lực. Đối với các máy điện đó, dây quấn được chế tạo bằng các thanh dẫn rỗng trong có nước hoặc dầu chảy qua để làm mát trực tiếp. Như vậy nhiệt lượng của dây quấn không phải truyền qua chất cách điện mà được nước hoặc dầu trực tiếp đem ra ngoài, do đó có thể tăng mật độ dòng điện trong thanh dẫn lên 3 đến 4 lần và giảm kích thước máy, tiết kiệm vật liệu chế tạo.
Chương 3:
máy điện không đồng bộ 3.1. Đ ạ i cư ơng về má y điện không đồng bộ
3.1.1. Phân loại và kết cấu
Máy điện không đồng bộ (còn có tên gọi khác là máy điện dị bộ hay máy điện cảm ứng) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay roto n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy n1.
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối với lưới điện tần số f = const và dây quấn rôto (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là máy có thể làm việc ở hai chế độ động cơ và máy phát.
Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không được tốt so với máy phát điện đồng bộ nên ít được dùng.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy, ít phải chăm sóc bảo dưỡng nên được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Gần đây do kỹ thuật điện tử phát triển nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ, vì vậy động cơ không đồng bộ càng được sử dụng rộng rãi hơn.
Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha; hai pha và một pha. Động cơ điện không đồng bộ có công suất trên 600 W là loại ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc
120 điện. Các động cơ có công suất dưới 600 W thường là động cơ hai pha hoặc một pha. Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn lệch nhau trong không gian một góc
90 điện. Động cơ điện một pha chỉ có một dây quấn làm việc.
1. Phân loại máy điện không đồng bộ
Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở; kiểu bảo vệ; kiểu kín; kiểu chống nổ; kiểu chống rung;...vv.
Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: rôto dây quấn và rôto lồng sóc. Theo số pha dây quấn stato có thể chia thành các loại: một pha; hai và ba pha.
2. Kết cấu máy điện không đồng bộ
Kết cấu của máy điện không đồng bộ được trình bày trên Hình 3.1, gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.
Phần tĩnh máy điện không đồng bộ gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
* Vỏ máy để cố định lõi thép và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ. Thường làm bằng gang hay thép tấm hàn lại.
Hình 3.1: Cấu tạo của máy điện không đồng bộ 1. lõi thép; 2. dây quấn stato; 3. nắp máy; 4. ổ bi; 5.trục máy;
6. hộp đấu dây; 7. lõi thép rôto; 8. thân máy; 9. quạt gió làm mát; 10. hộp quạt
* Lõi thép là phần dẫn từ, có dạng hình trụ (Hình 3.2b) làm bằng lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm hay 0,5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi thép Dn < 990 mm thì dùng những tấm tròn ép lại (Hình 3.2a). Khi Dn> 990 mm thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mặt trong của thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Hình 3.2: Cấu tạo của máy điện không đồng bộ a. lá thép rôto; b. lá thép stat;: c. lõi thép stato
*Dây quấn stato là phần dẫn điện, thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện và được đặt vào các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
Phần quay gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy.
* Lõi thép rôto làm từ thép kỹ thuật điện như stator, lõi thép được ép lên trục quay, phía ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn (Hình 3.2c).
* Dây quấn rôto có hai kiểu:
- Kiểu lồng sóc: trong mỗi rãnh của stator đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm (Hình 3. 4).
Hình 3.4: Cấu tạo rôto máy điện KĐB
a. dây quấn rôto lồng sóc; b. lõi thép rôto; c. ký hiệu động cơ trên sơ đồ
*Khe hở: khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 mm đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa). Khe hở càng nhỏ càng tốt để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới điện vào.
3.1.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn ba pha đặt trong lõi thép stato thì trong khe hở xuất hiện một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f/p (với f là tần số lưới điện đưa vào, p là số đới cực của máy). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi thép rôto và cảm ứng trong đó sức điện động e2. Do rôto kín mạch nên trong dây quấn rôto có dòng điện i2 chạy qua điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở Φδ. Dòng điện trong dây quấn của rôto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mômen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rôto.
Hình 3.3: Rôto dây quấn của máy điện không đồng bộ - Kiểu dây quấn: dây quấn giống như dây
quấn của stato. Dây quấn ba pha của roto thường được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối với ba vành trượt đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch (Hình 3. 3).
Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ của mỗi máy người ta dùng hệ số trượt s. Theo định nghĩa hệ số trượt bằng: 1 1 n n n s= − (3.1)
Như vậy: Khi n = n1thì s = 0. Khi n = 0 thì s = 1. Khi n > n1thì s < 0 .
Khi n < 0 rôto quay ngược chiều từ trường quay thì s > 1
a. Trường hợp rôto quay cùng chiều với từ trường quay nhưng n < n1(0 < s < 1)
Giả sử chiều quay n1 của Φδ và chiều quay n của rôto như hình vẽ (hình 3.5a). Theo quy tắc bàn tay phải xác định được chiều e2, i2. Theo qui tắc bàn tay trái xác định được lực Fđt và mômen M. Ta thấy lực điện từ Fđt cùng chiều quay của rôto, nghĩa là điện năng đưa tới stato thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rôto theo chiều từ trường quay, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện.
b. Trường hợp rôto quay cùng chiều với từ trường quay nhưng n > n1(s < 0)
Dùng một động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1 (Hình 3.5b). Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rôto ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto cũng đổi chiều nên chiều của M ngược với chiều quay của rôto nên đó là momen hãm. Như vậy máy biến cơ năng tác dụng nên trục rôto do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng. Máy làm việc ở chế độ máy phát.
c. Trường hợp rôto quay ngược chiều từ trường quay n < 0 ( s < 1)
Vì nguyên nhân nào đó mà rôto quay ngựơc chiều với từ trường quay (Hình 3. 5c), lúc này chiều của sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto giống như ở chế độ động cơ. Vì mômen sinh ra ngược chiều với n nên có tác dụng hãm rôto lại. Trong
n1 N S Fđt Fđt B n (c) n1 N S Fđt Fđt B n (a) n1 N S Fđt Fđt B n (b)
Hình 3.5: Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ a. Động cơ; b. máy phát; c. Hãm
trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ là việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.
Vì máy làm việc ở các tốc độ n khác n1của từ trường quay nên ta gọi là máy điện không đồng bộ.
3.1.3. Các đại lượng định mức
Máy điện không đồng bộ có các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy.
Máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy chỉ ghi các trị số làm việc của chế độ động cơ ứng với tải định mức.
- Công suất định mức ở đầu trục (công suất đầu ra) Pđm (kW, W hoặc Hp, 1Cv). 1 Hp = 736 W (theo tiêu chuẩn Pháp); 1 kW = 1,358 Cv; 1Hp = 746 W (theo tiêu chuẩn Anh).
- Dòng điện dây định mức I đm(A). - Điện áp dây định mức Uđm(V). - Kiểu đấu dây tato: sao hay tam giác. -Tốc độ quay định mức nđm.
- Hiệu suất định mứcηđm.
- Hệ số công suất định mức cosϕđm.
Công suất định mức mà động cơ điện tiêu thụ:
dm dm dm dm dm dm 1 P 3U I cos P = ϕ η = (3.2) Mômen định mức ở đầu trục: ) s / rad ( 60 n 2 ) Nm ( P M dm dm dm dm dm π = ω ω = (3.3)
Ví dụ: Hình 3.7 là nhãn máy của một động cơ điện ba pha rotor dây quấn. Các số liệu biểu thị:
∆/ Y 220 / 380 V: động cơ có thể hoạt động với điện áp nguồn 220 V khi động cơ đấu∆và 380 V khi động cơ đấu Y.
Isol - KL.B: cấp cách điện của động cơ.
42 / 24 A: dòng điện định mức tương ứng với mỗi cách đấu ∆/ Y. 11 Kw: công suất định mức của động cơ.
1455 1/min: tốc độ quay định mức của động cơ. 50 Hz: tần số định mức của nguồn.
25 A: dòng điện định mức của rôto, là dòng điện chạy trong rôto khi nối ngắn mạch K, L, M và tải của động cơ định mức.
IP 44: loại và kiểu bảo vệ được ghi bằng kí hiệu ngắn, số thứ nhất chỉ cấp bảo vệ chống vật lạ bên ngoài (cấp 4 bảo vệ chống vật lạ bên ngoài φ> 1mm), số thứ hai chỉ cấp bảo vệ chống nước (cấp 4 chống tia nước từ mọi hướng).
3.2. Quan hệ điện từ trong má y điện không đồng bộ3.2.1. Khái quát chung 3.2.1. Khái quát chung
Trên stato của máy điện không đồng bộ có đặt dây quấn m1pha còn trên rôto có đặt dây quấn m2 pha. Như vậy trong máy điện không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng có liên hệ với nhau về từ.
Ta có thể coi máy điện không đồng bộ như một máy biến áp mà dây quấn stato là dây quấn sơ cấp, dây quấn rôto là dây quấn thứ cấp, sự liên hệ giữa sơ cấp và thứ cấp thông qua từ trường quay (còn ở máy biến áp là từ trường xoay chiều). Do đó có thể dùng cách phân tích kiểu máy biến áp để thiết lập các phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị vectơ...cho máy điện không đồng bộ.
Ta chỉ xét đến tác dụng của sóng cơ bản không xét đến tác dụng của sóng bậc cao vì ảnh hưởng của chúng là thứ yếu.
3.2.2. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên
1. Phương trình cân bằng từ
Đặt một điện áp U1có tần số f1vào dây quấn stato, trong dây quấn stato sẽ có dòng điện I1có tần số f1và trong dây quấn rôto sẽ có dòng điện I2tần số f2.
Dòng i1, i2sinh ra các sức từ động quay F1, F2 có trị số là: 2 2 2 dq 2 2 1 1 1 dq 1 1 I . p W . k . 2 m F I . p W . k . 2 m