1.1. Định nghĩa ..........................................................................................
4. Động cơ và máy bù đồng bộ
Khi máy điện đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ nó tiêu thụ cơng suất của lưới điện, biến thành công suất cơ làm quay máy công tác. Lúc đó góc < 0, mơmen điện từ trở thành mơmen quay.
Đặc tính của động cơ n = f(M) là một đường nằm ngang. Vì tốc độ n = n1 = hằng số khơng phụ thuộc mômen, điện áp mà chỉ phụ thuộc tần số vì tần số của mạng thực tế hầu như khơng đổi. Vì thế động cơ được dùng để truyền động các máy công tác cần tốc độ ổn định.
Động cơ đồng bộ chạy khơng tải cịn được ứng dụng để cải thiện cos của mạng vì khi đó nó phát ra cơng suất phản kháng cho mạng lúc mạng biến thiên và tiêu thụ công suất phản kháng lúc mạng thừa.
Để mở máy động cơ đồng bộ, người ta thường sử dụng phương pháp mở máy không đồng bộ. Để thực hiện cách mở máy này người ta làm thêm bộ dây quấn lồng sóc ở rơto. Trình tự mở máy tiến hành như sau (hình 4-8)
- Cắt điện cuộn dây kích từ nối nối với một điện trở diệt từ để hạn chế dòng điện cảm ứng lúc mở máy.
- Đóng điện vào stato của động cơ. Lúc đó trong máy xuất hiện từ trường quay stato, qt qua thanh dẫn lồng sóc của rơto làm xuất hiện dịng điện cảm ứng và mơmen quay như một động cơ không đồng bộ.
- Khi động cơ đạt tốc độ gần đồng bộ, ta đóng dịng điện kích từ vào rơto, máy sẽ tự động vào đồng bộ.
Khi máy đã vào đồng bộ, tốc độ tương đối giữa rơto và từ trường bằng khơng, trong lồng sóc khơng cịn dịng điện cảm ứng, mơmen khơng đồng bộ cũng hết, khơng ảnh hưởng gì đặc tính động cơ.
103
Hình 4-8 Sơ đồ mở máy động cơ đồng bộ
Để hạn chế dịng điện mở máy, có thể mắc stato qua cuộn kháng như mở máy động cơ không đồng bộ
4.2. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là động cơ đồng bộ làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng, không kéo phụ tải cơ.
Khi cần điều chỉnh cos và điều chỉnh điện áp ta đặt ở đó một máy bù đồng bộ. Máy chỉ tiêu thụ một lượng nhỏ công suất tác dụng để thăng M0 để rôto quay ở chế đọ đồng bộ. Bằng cách điều chỉnh Ikt ta cho máy phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì điện áp ở nơi đó ổn định.
Cách mở máy bù giống như động cơ đồng bộ.
Máy bù đồng bộ so với tụ điện bù có ưu điểm là phạm vi rộng và liên tục. Nhược điểm là giá thành cao, vận hành phức tạp, tốn năng lượng.
NỘI DUNG THỰC HÀNH 1.Chuẩn bị dụng cụ thiết bị TT Thiết bị, dụng cụ SL Ghi chú 1 -Bàn thực hành máy phát điện đồng bộ. 01 bàn 2 -Đồng hồ vạn năng 01 chiếc 3 Dây nối, Jắc cắm… 01 bộ 2. Nội dung: B1. Phân tích bản vẽ B2. Nhận vật tư
104 B4. Lắp đặt động cơ đồng bộ
B5. Kiểm tra động cơ đồng bộ sau khi lắp đặt B6. Lắp đặt mạch động lực theo sơ đồ
B7. Kiểm tra bộ điều khiển và tải B8. Vận hành thử bộ điều khiển và tải
Bài tập:
1, Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ . 2, Nêu phương pháp mở máy động cơ đồng bộ .
3, Trên máy phát điện (MPĐ) đồng bộ 3 pha có các số liệu sau: 10kVA; nđm= 1500 vòng/phút; Y-220V; = 0,87 ; cosđm= 0,8; f = 50Hz; lõi thép stato có 24 rãnh. a. Giải thích nhãn mác trên ? Dùng MPĐ trên cung cấp cho phụ tải 3 pha. Tải mỗi pha là đèn sợi đốt loại 100W-220V. Muốn đèn các pha sáng ở chế độ định mức thì phải đấu các đèn như thế nào? Tính số đèn tối đa đấu trong mỗi pha.
b. Nếu khi máy phát làm việc mà điện áp phát ra trên các pha của máy không đảm bảo điện áp định mức thì phải sử lý như thế nào? Hãy giải thích.
105
BÀI 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
MÃ BÀI: MĐĐCN17-5
Mục tiêu:
- Mơ tả được cấu tạo, trình bày được nguyên lý làm việc của máy điện một
chiều
- Trình bày được cơng suất điện từ và sức điện động cảm ứng trong máy điện - Giải thích được nguyên nhân gây ra tia lửa và biện pháp khắc phục
- Mô tả được các loại máy phát một chiều theo phương pháp kích từ. Trình bày được đặc tính làm việc của chúng
- Trình bày được các phương pháp đảo chiều quay, điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ một chiều.
- Bảo dưỡng, sửa chữa được những hư hỏng thông thường đảm bảo kỹ thuật và an toàn
- Đấu lắp vận hành được máy phát điện, động cơ điện một chiều
Nôi dung:
1. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIÊN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều là máy điện làm việc với dịng điện một chiều. Nó có thể dùng làm máy phát điện hoặc động cơ điện.
Động cơ điện một chiều có những ưu điểm rất quan trọng mà máy điện khác khơng có . Đó là tốc độ có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng và mơmen mở máy lớn. Vì thế nó được sử dụng rất rộng rãi làm động cơ kéo trong giao thông vận tải, trong các trang bị điện cần điều chỉnh tốc độ trơn và rộng (các máy gạt kim loại, máy công nghiệp chuyên dùng, trang bị tự động)
Máy phát điện một chiều dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm nguồn cung cấp cho các thùng điện phân, nguồn nạp ăcquy, hàn điện chất lượng cao, nguồn cung cấp cho động cơ điện một chiều...
Cả máy pháy điện và động cơ điện cịn được sử dụng trên ơtơ, máy kéo, tàu thuỷ, máy bay tạo thành hệ thống điện một chiều trên tổ máy đó.
Khuyết điểm chủ yếu của máy điện một chiều có liên quan đến bộ phận cổ góp và chổi than. ở đây dễ phát sinh tia lửa làm giảm tính tin cậy khi làm việc của máy. Cũng do có bộ phận này cấu tạo và quản lý vận hành máy trở nên phức tạp. Ngoài ra các động cơ điện một chiều địi hỏi phải có nguồn cung cấp riêng (máy phát điện một chiều hoặc bộ nắn điện) chứ không thể đấu thẳng vào mạng điện xoay chiều.
Hiện nay máy điện một chiều đã được sản xuất với nhiều cỡ công suất và điện áp khác nhau. Từ loại tí hon (vài watt) đến loại khổng lồ tới 6 MW.
2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU2.1. Cấu tạo 2.1. Cấu tạo
Máy điện một chiều có ba bộ phận cấu tạo chính đó là phần cảm, phần ứng và bộ phận cổ góp – chổi than.
106
a. Phần cảm: là bộ phận tạo từ trường, đặt ở stato thông thường phần cảm là nam châm điện gồm có cực từ và dây quấn kích từ. ở các máy nhỏ cực từ làm bằng thép từ mềm, còn ở các máy lớn từ trường làm băng thép lá ghép lại. Phần đầu cực làm loe ra để từ cảm phân bổ dọc khe khơng khí cso dạng hình thang. Đối với các máy cơng suất nhỏ phần cảm là một nam châm vĩnh cửu
b. Phần ứng: là lõi thép đặt ở rơto, trên mặt có phay rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Lõi thép rôto cũng làm bằng thép lá ghép lại tương tự như máy điện xoay chiều. Mỗi bối dây của dây quấn phần ứng được nối tới hai lá góp của cổ góp điện. Phần ứng làm nhiệm vụ tạo ra sức điện động cảm ứng ở chế độ máy phát hoặc dẫn dòng điện một chiều ở chế độ động cơ.
c. Cổ góp –chổi than: thực hiện chức năng nắn điện tức là biến sức điện động xoay
chiều trong các bối dây thành sức điện động một chiều lấy ra ở chổi than (ở máy phát điện) hoặc ngược lại, đổi dịng điện một chiều ở mạch ngồi thành dịng điện xoay chiều trong các bối dây (ở động cơ điện). Cổ góp gồm các lá góp làm bằng đồng ghép lại với nhau giữa chúng là mica cách điện. Cổ góp được lắp ở một đầu rơto, chổi than là những thỏi than kỹ thuật điện lắp ở giá chổi than và áp sát vào cổ góp nhờ lực ép của lò xo. Chổi than dẫn điện từ phần ứng ra ngoài hay ngược lại.
2.2. Nguyên lý làm việc
Cũng như các máy điện khác, máy điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ
a. Chế độ máy phát điện:
Muốn cho máy làm việc ở chế độ máy phát điện, ta đấu cuộn kích từ vào nguồn kích từ để tạo ra từ trường trong máy rồi dùng động cơ sơ cấp (như máy nổi, máy điezen, hoặc động cơ xoay chiều ...) quay rơto với vận tốc n. Lúc đó các bối dây phần ứng sẽ quét qua từ trường phần cảm sinh ra sức điện động cảm ứng, chiều sức điện động xác định bằng quy tắc bàn tay phải và do đó nó sẽ đổi chiều mỗi khi bối dây quay hết một cực từ. Như vậy sức điện động trong bối dây là sức điện động xoay chiều.
Nhờ cách đấu các nhóm bối dây với cổ góp và chia các bối thành hai nhóm tạo thành hai mạch rẽ, một nhóm nằm dưới cực bắc N và nhóm kia nằm dưới cực nam S. Hai nhánh này nối song song với nhau và cho sức điện động chung ở chổi than (+) và (-).
Khi rôto quay các bối dây lần lượt đổi chỗ chuyển từ cực này qua trung tính sang cực kia. Sức điện động trong các bối đổi chiều, nhưng
Hình 5-1 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện 1 chiều
107
sức điện động của mỗi nhánh vẫn có chiều khơng đổi, do đó sức điện động lấy ra trên chổi than là sức điện động một chiều.
Nếu ta đấu chổi than với một tải (hình 5-1) sẽ có dịng điện qua mạch.
Dịng điện qua các bối dây cùng chiều với sức điện động. Các dòng điện này tác dụng với từ trường phần cảm tạo ra lực từ F, chiều xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Ta thấy lực F sinh ra mơmen gọi là mơmen điện từ có tác dụng chống lại chiều quay của rơto. Muốn rơto tiếp tục quay thì mơmen sơ cấp M1của động cơ sơ cấp phải thắng được mômen cản không tải M0 và mômen điện từ M
M1 = M0 + M
Như vậy công suất cơ máy nhận được từ động cơ sơ cấp là: P = M1
đã biến thành công suất điện từ: Pđt = M = Iư Eư
ở đây là tốc độ rôto, Eư và Iư là sức điện động và dòng điện phần ứng
Gọi điện trở phần ứng là rư , điện áp trên cực máy là U ta có phương trình cân bằng sức điện động
Eư = U + Iư Eư hay U = Eư – Iư rư
Từ biểu thức trên ta thấy khi làm việc ở chế độ máy phát sức điện động luôn luôn lớn hơn điện áp trên cực máy, trừ khi không tải Iư = 0 thì U0 = E0
b. Chế độ động cơ điện:
Khi làm việc ở chế độ động cơ, rơto nối với máy cơng tác có mơmen cản hữu ích M2 cịn dây quấn phần ứng nối vào mạng điện một chiều (hình 5-2). Cuộn kích từ đấu vào nguồn kích từ.
Dịng điện qua dây quấn phần ứng sẽ tạo ra mômen điện từ. Mômen này sẽ làm quay rơto. Muốn giữ chiều quay như cũ thì mơmen điện từ phải cùng chiều quay (tức ngược chiều với chế độ máy phát) do đó dịng điện đi vào bối dây cũng phải ngược lại so với chế độ máy phát. Muốn rôto quay đều với tốc độ thf mômen điện từ phải thắng được mômen cản không tải M9 và mơmen cản hữu ích M2 M = M0 + M2
Khi rôto quay dây quấn phần ứng quét qua từ trường phần cảm sính ra sức điện động phần ứng Eư.
Công suất điện từ động cơ nhận từ mạng:
Pđt = M = Eư Iư
biến thành công suất cơ kéo máy công tác:
P2 = M2
Hình 5-2 Sơ đồ nguyên lý làm việc động cơ một chiều
108
gọi điện trở phần ứng là rư thì phương trình cân bằng sức điện động là: U = Eư + Iư rư hay Eư = U – Iư rư
Từ biểu thức trên ta thấy ở chế độ động cơ điện áp luôn luôn lớn hơn sức điện động phần ứng.
3. SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Sức điện động của dây quấn phần ứng bằng sức điện động ở mỗi mạch nhánh. Khi rôto quay, mỗi dây dẫn quét qua từ thông sinh ra sức điện động dây dẫn Edd, vì sức điện động trong các bối ở mỗi mạch nhánh là cùng chiều, nên sức điện động của mỗi nhánh bằng tổng các sức điện động của dây dẫn mỗi nhánh.
Giả sử từ thông dưới một cực là , chiều dài rơto là l, chiều dài bước cực là thì từ cảm trung bình ở khe khơng khí trên mặt rơto là:
. l s Btb
ở đây s là khe hở khơng khí ứng với một cực. Biết: p 2 D
với D là đường kính rơto, từ đó: l D p 2 Btb
Sức điện động trung bình ở mỗi dây dẫn: Eđd = Btb. l. v
ở đây v là tốc độ dây dẫn. Gọi tốc độ rơto là n (vịng / phút) ta có: n 60 p 2 60 n D l . l D p 2 Edd
Gọi N là số dây dẫn của toàn bộ dây quấn N = 2Wb. Z với Wb là số vòng mỗi bối, Z là số bối (bằng số rãnh) thì số dây dẫn ứng với mỗi mạch nhánh là N/2a. Với 2a là số mạch nhánh. Từ đó sức điện động mỗi nhánh, cùng đồng thời là sức điện động dây quấn phần ứng: n . a 60 N p n . 60 p 2 . a 2 N E . a 2 N EV dd Đặt a 60 N p
CE gọi hằng số sức điện động ta có: Eư = CE n
Nghĩa là sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ rôto và từ thông mỗi cực phần cảm.
Ví dụ: Dây quấn xếp đơn 2p = 6; Z = G = 24; Wb = 10 vịng, từ thơng dưới
mỗi cực = 0,0375, tốc độ rôto n = 750 vịng/phút. Tìm sức điện động phần ứng.
Giải:
Vì dây quấn xếp đơn nên 2a = 2p. Số dây dẫn phần ứng: N = 2 Wb. Z = 2. 10. 24 = 480
109 V 225 750 . 0375 , 0 . 3 . 60 480 . 3 n a 60 N p EU
4. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VÀ MÔ MEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Như đã xét, khi dây quấn phần ứng có dịng điện nó tương tác với từ thơng phần cảm sinh ra mômen điện từ
Gọi dòng điện phần ứng là Iư , dòng điện ở mỗi mạch nhánh cũng là dòng điện qua dây dẫn sẽ là:
a I Idd 2 -
Lực điện từ trung bình tác dụng lên các dây dẫn: - - I a D P a I l l D p I l B Fdd tb dd 2 . 2 . .
Mômen điện từ của mỗi dây dẫn đối với trục quay: - - I a P D I a D P D F Mdd dd 2 2 2
Mômen điện từ của máy bằng tổng mômen của các dây: - I a N p M N M dd 2 . đặt a 2 N p CM
gọi là hằng số mơmen điện từ ta có M = CM. Iư
Cơng suất điện từ bằng tích của mơmen điện từ với tốc độ rôto: Pđt = M.