3) Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ
1.8.6 Máy phát cảm ứng tần số cao
Trong sản xuất, một số thiết bị dùng trong các ngành công nghiệp luyện kim, vô tuyến điện, hàn,.. .cần nguồn điện xoay chiều tần số cao (1 pha hoặc 3 pha), tần số có thể lên tới 400 3000 Hz.
Hình 1. 53 Sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến momen của ĐCĐB kiểu từ trễ
M 0 1 s θtt n N S a) b) n
Vật liệu từ cứng (vi-ca-lôi)
Nhƣ đã biết, tăng số đôi cực p, tốc độ quay n trong các máy phát điện đồng bộ bị hạn chế do cấu tạo máy hoặc sức bền của vật liệu không cho phép. Trong trƣờng hợp này phải dùng máy phát cảm ứng tần số cao gây ra bởi sóng điều hòa răng của từ trƣờng đập mạch.
Hình 1. 54 Cấu tạo máy phát cảm ứng tần số cao
Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ cảm ứng nhƣ hình 1.54, trong các rãnh lớn của stato có đặt dây quấn kích từ và trong các rãnh nhỏ đặt dây quấn xoay chiều. roto có dạng bánh răng và không có dây quấn.
Từ trƣờng phân bố dọc khe hở không khí nhƣ hình 1.55.
Khi roto quay, từ trƣờng này đập mạch và đƣợc phân tích thành tổng của 2 thành phần:
Thành phần Bo có trị số không đổi và không chuyển động trong stato do đó không sinh ra sức điện động cảm ứng trong stato.
Thành phần thứ hai phân bố hình sin có biên độ (Bmax – Bmin)/2
chuyển động cùng roto nên sẽ cảm ứng trong dây quấn xoay chiều sức điện động có tần số f2 = Z2.n với Z2 là
số răng của roto. Nhận thấy rằng với tốc độ không đổi, tăng số răng của
roto thì tần số f2 tăng.
1.8.7 Động cơ bước
Động cơ bƣớc thƣờng là động cơ đồng bộ, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dƣới dạng xung điện áp thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết. Hình ảnh thực tế của một số động cơ bƣớc đƣợc trình bày nhƣ hình 1.56.
Động cơ bƣớc làm việc đƣợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, để đƣa tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây theo một thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tƣơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nhƣ chiều quay và tốc độ quay của roto
Hình 1. 55 Từ trƣờng khe hở máy phát tần số cao B0 Bmin Bmax Roto stato
phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Chuyển mạch điện tử có thể cấp điện áp cho điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn riêng lẻ hoặc theo từng nhóm cuộn dây. Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ cũng nhƣ vị trí của roto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phƣơng pháp cấp điện cho các cuộn dây.
Stato có nhiều pha, roto cực lồi có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc thép khối.
Hình 1. 56 Hình ảnh một số loại động cơ bƣớc
Nguyên lý làm việc:
Xét động cơ bƣớc m pha nhƣ trên hình 1.57:
- Nếu các cuộn dây của động cơ trên hình 1.57 đƣợc cung cấp cho từng cuộn riêng lẻ theo trình từ 1, 2, 3…m, bởi xung một cực, thì roto của động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây.
- Để tăng cƣờng sức từ động tổng của stato để tăng từ thông và momen đồng bộ, ngƣời ta thƣờng cung cấp đồng thời cho hai hoặc ba cuộn dây. Lúc đó roto của động cơ bƣớc sẽ có vị trí cân bằng trùng với véctơ sức từ động tổng F.
- Nếu cung cấp đồng thời hai cuộn dây (hình 1.57b), hay ba cuộn dây (hình 1.57c) roto có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch hai vị trí liên tiếp là 2π/m.
- Nếu cung cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây thì số vị trí cân bằng sẽ là 2m.
Hình 1.57 Sơ đồ nguyên lý động cơ bƣớc
Góc quay có thể thay đổi đƣợc bằng cách tăng giảm số cực hoặc ghép vài đôi stato và roto lệch nhau một góc nhất định trên trục.
Với các cấu tạo khác nhau, động cơ bƣớc có thể cho góc quay từ 1800 đến 10
hoặc nhỏ hơn. Giới hạn tần số cấp xung đảm bảo cho động cơ có thể mở máy và dừng mà không mất bƣớc vào khoảng 100 10000Hz.
Động cơ bƣớc đƣợc dùng trong các mạch tự động và điều chỉnh, các thiết bị khả trình.
Câu hỏi và bài tập Câu hỏi
Câu 1.1 Vì sao lõi thép roto của máy điện đồng bộ có thể đƣợc chế tạo từ thép khối, thép rèn hoặc bằng các lá thép dày mà không cần phải dùng đến tôn silic nhƣ ở lõi thép
stato?
Câu 1.2 So sánh cấu tạo giữa máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cựclồi?
Câu 1.3Vẽ cách nối dây của các cực từ trong máy điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi?
Câu 1.4 Phản ứng phần ứng phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Câu 1.5 Vì sao phải quy đổi s.t.đ phần ứng về s.t.đ của cực từ? Ý nghĩa của việc quy đổi đó?
Câu 1.6 Cho máy phát điện ba pha p = 1; q =1. Vẽ vị trí tƣơng đối giữa các cực từ và dây quấn ba pha khi iB = Im, với giả thiết tải đối xứng có tính cảm = 600 và roto
quay theo chiều kim đồng hồ?
Câu 1.7 Ý nghĩa của tỷ số ngắn mạch K. Trị số của nó ảnh hƣởng thế nào đến cấu tạo và tính năng của máy điện đồng bộ?
Câu 1.8Ý nghĩa của tam giác điện kháng trong máy điện đồng bộ?
Câu 1.9 Ý nghĩa của tỷ số ngắn mạch K? Trị số của nó ảnh hƣởng thế nào đến cấu tạo và tính năng của máy điện đồng bộ?
Câu 1.10 Ý nghĩa của tam giác điện kháng máy điện đồng bộ?
Câu 1.11 Xây dựng đặc tính tải ứng với I = const nhƣng cos khác nhau?
Câu 1.12 Nêu điều kiện để hòa đồng bộ máy phát điện vào lƣới? Phân tích hậu quả xảy ra đối với máy phát điện khi hòa đồng bộ mà không thỏa mãn điều kiện ghép
song song?
Câu 1.13 Vì sao khi ghép song song máy phát điện vào lƣới điện bằng phƣơng pháp tự đồng bộ, dây quấn kích thích phải đƣợc nối tắt qua điện trở triệt từ?
Câu 1.14 Làm thế nào để điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy điện đồng bộ?
Câu 1.15 So sánh động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ? Phạm vi ứng dụng của hai loại động cơ này?
Câu 1.16 Vì sao máy bù đồng bộ có khả năng duy trì điện áp quy định của lƣới điện ở khu vực tập trung hộ dùng điện?
Câu 1.17 So sánh ƣu, khuyết điểm của động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ từ trễ và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu?
Câu 1.18 Dòng điện xung đƣa vào động cơ bƣớc có thể thay là dòng điện xoay chiều đƣợc không? Để giảm bƣớc quay thì ngƣời ta thực hiện những biện pháp nào?
Bài tập
Bài 1.1 Một máy phát điện đồng bộ có điện áp đầu ra không tải là 3000V, tần số
50Hz.
a) Tốc độ của từ trƣờng trong máy?
b) Điện áp đầu ra của máy phát nhƣ thế nào khi từ thông và tốc độ tăng 10%?
c) Điện áp đầu ra của máy phát nhƣ thế nào khi từ thông giảm 5% , tốc độ tăng 10%?
Bài 1.2 Điện áp hở mạch của máy phát đồng bộ ba pha là 4600V đấu Y tần số 60Hz khi dòng điện kích từ 8A.
a) Hãy tính điện áp hở mạch của máy phát ở tần số 50Hz khi dòng kích từ là 6A, giả thiết mạch từ chƣa bão hòa?
b) Nếu máy đƣợc dùng để phát điện ở tần số 50Hz, tìm điện áp dây khi dòng kích từ là 8A?
Bài 1.3 Một máy phát đồng bộ ba pha đang làm việc với lƣới có điện áp 13,80kV, điện kháng đồng bộ của máy là 5Ω/pha. Máy đang phát công suất 12MW và 6MVAr cho lƣới. Hãy tính:
a) Góc tải θ?
b) Góc pha υ?
c) Sức điệnđộng E0?
Bài 1.4 Một máy phát đồng bộ cực ẩn ba pha có Sđm= 1000kVA; 4600V; 60Hz đấu Y. Điện áp lúc không tải 8350V khi dòng kích từ định mức. Cho máy làm việc với công suất biểu kiến, điện áp định mức và hệ số công suất cosυ = 0,75 (tải R-L). Bỏ qua điện trở phần ứng. Hãy tính:
a) Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy?
b) Điện kháng đồng bộ và góc tải θ?
c) Tính dòng điện phần ứng (stato) khi dòng kích từ không đổi và máy phát công suất cực đại?
d) Tính Sđm và Uđmmới của máy khi phần ứng đƣợc nối lại thành Δ?
Bài 1.5 Một máy phát điện đồng bộ ba pha Sđm = 35kVA; Uđm =400/230 V đấu Y/Δ, tần số 50 Hz có xđb = 5,46Ω/pha. Máy làm việc trong hệ thống với cosυđm = 0,8 (tải cảm), dòng điện kích từ Itđm= 25A. Giả thiết Rƣ = 0. Hãy tính:
a) Sức điện động E0 và góc lệch pha giữa dòng điện và sức điện động ψ?
b) Dòng điện kích từ để có cosυ = 0,9 và P = const?
c) Hệ số công suất cosυ và công suất phản kháng khi dòng kích từ lên tới 30A?
Bài 1.6 Hai máy phát điện đồng bộ nối Y hoàn toàn giống nhau và có xđb = 4,5Ω/pha làm việc song song. Tải chung ở điện áp 13,2kV là 26000 kW, hệ số công suất là 0,866 đƣợc phân đều cho hai máy. Nếu thay đổi kích từ để phân phối lại công suất phản kháng sao cho hệ số công suất của một máy bằng 1 thì lúc đó hệ số công suất
cosυ2 của máy kia là bao nhiêu? Tính E và θ của mỗi máy trong trƣờng hợp đó?
Bài 1.7 Tổng công suất tác dụng của một nhà máy P1 = 527 kW; cosυ1 = 0,7. Để kéo thêm một tải động lực có công suất P2 = 150 kW nhà máy dùng động cơ điện đồng bộ. Hỏi công suất Sđbcủa động cơ đồng bộ đó là bao nhiêu kVA để kéo đƣợc tải động lực
trên và nâng hệ số công suất cosυ của nhà máy lên 0,9? Biết hiệu suất của động cơ đồng bộ là η = 0,87.
CHƢƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1 Đại cƣơng về máy điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều là loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy đƣợc dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhƣ cán thép, hẩm mỏ, giao thông vận tải...
Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện cho các động cơ điện một chiều, làm nguồn điện một chiều cho cuộn kích từ của máy điện đồng bộ. Ngoài ra trong công nghiệp hóa học nhƣ tinh luyện đồng, nhôm, mạ điện... cũng cần nguồn điện một chiều điện áp thấp. Máy điện một chiều cũng có những nhƣợc điểm của nó nhƣ so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp... nhƣng do những ƣu điểm của nó nên máy điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
Công suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000kW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V. Hƣớng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo những máy công suất lớn hơn.
2.1.1 Cấu tạo và phân loại máy điện một chiều
Kết cấu chủ yếu của máy điện một chiều nhƣ trên hình và có thể chia thành hai phần chính là phần tĩnh và phần quay.
Hình 2. 1 Sơ đồ cấu tạo MĐMC
1- Cực từ chính 2- Dây quấn cực từ chính, 3- Mỏm cực từ chính, 4-Cực từ phụ, 5- Vành góp, 6-Gông
1) Cấu tạo
a) Phần tĩnh hay phần cảm
Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: + Cực từ chính:
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulong. Dây quấn kích từ đƣợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trƣớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này đƣợc nối tiếp với nhau (hình 2.1).
+ Cực từ phụ:
Cực từ phụ đƣợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thƣờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phục có đặt dây quấn mà cấu tạo nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc gắn vào vỏ nhờ những bulong. Các cuộn dây của cực từ phụ đƣợc nối tiếp nhau và nối tiếp với dây quấn phần ứng của máy điện một chiều.
+ Gông từ:
Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thƣờng dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thƣờng dùng thép đúc. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
+ Các bộ phận khác
Các bộ phận khác gồm có:
- Nắp máy: Để bảo đảm máy khỏi bị những vật bên ngoài rơi vào làm hƣ hỏng dây quấn hay an toàn cho ngƣời khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trƣờng hợp này nắp máy thƣờng đƣợc làm
bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: Để đƣa dòng điện từ phần quay ra ngoài hoặc ngƣợc lại. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại.
(1) (2)
b) Phần quay hay phần ứng
Phần quay bao gồm các bộ phận sau:
+ Lõi sắt phần ứng
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ.
Thƣờng dùng những tấm thép kỹ thuật
điện (thép hợp kim silic) dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại
để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh
để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Hình 2. 2 Lá thép phần ứng
1- Rãnh, 2-Răng, 3- Lỗ thông gió dọc trục
Trong những máy cỡ trung trở lên, ngƣời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo đƣợc những lỗ thông gió dọc trục (hình 2.2).
Trong những máy điện cỡ lớn thì lõi sắt thƣờng chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm mát dây quấn và lõi sắt.
Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng đƣợc ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lƣợng rôto.
+ Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Dây quấn
phần ứng thƣờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dƣới vài kW) thƣờng dùng dây tròn. Trong máy điện vừa và lớn, thƣờng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn đƣợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra ngoài do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để