CHƯƠNG 1 : MÁY ĐIỆN
2. 3.4 Phương pháp đấu dây
2.4. Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha
- Giới thiệu về cách tạo ra từ trường quay của động cơ: Giả sử trong rãnh lõi thép stato chỉ đặt một cuộn dây thì khi cho dịng điện xoay chiều một pha chạy qua. Thì trong động cơ chỉ sinh ra từ trường đập mạch (tức khơng có từ trường quay). Từ trường này có thể phân tích thành hai từ trường quay trong không gian với vận tốc và độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều nhau. Do
vậy mà moment quay tổng hợp ở trên roto bằng không. Kết quả động cơ không thể quay được. Lúc này, nếu dùng một lực cơ học mồi cho động cơ quay theo chiều nào thì nó sẽ quay theo chiều đó nhưng do có lực momen khởi động rất nhỏ nên động cơ quay lờ đờ và gần như không kéo được tải. Để khởi động động cơ điện xoay chiều một pha ta phải sử dụng sơ đồ đặc biệt như như dùng cuộn dây phụ khởi động hay dùng vịng chập mạch. ( Hình 1.36)
- Định nghĩa : Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi song trị số và
chiều biến thiên theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch.
2.4.2. Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha có cuộn phụ và tụ điện
a. Cấu tạo
Động cơ một pha điện dung là động cơ 1 pha có hai dây quấn dùng để tạo ra lệch pha giữa các dòng điện vào các cuộn dây. Sơ đồ đấu dây như hình vẽ sau bao gồm:
- Các cuộn dây làm việc (LV): gọi là cuộn dây chính hay cuộn dây chạy (Run) được dấu trực tiếp với nguồn điện
- Các cuộn dây khởi động (KĐ): gọi là cuộn dây phụ hay cuộn dây đề (Start) được đấu nối tiếp với tụ. Rơto là loại rơto lồng sóc
Hình 1.37 Nguyên lý động cơ 1 pha chạy tụ mở mấy bằng dây quấn phụ Từ trường quay của dòng điện xoay chiều 2 pha
4 3 2 1 A X a X A N N S S 1 4 3 2 b N S A X 1 4 2 3 b 1 2 3 4 X A a
Khi dây quấn hai pha (m=2) đặt lệch nhau trong khơng gian một góc 900điện , dịng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 900.
Từ trường hai pha là từ trường quay:
max =
2
m P max = P max (1 – 48)
Từ trường của dây quấn hai pha có biên độ bằng biên độ từ trường một pha. Qua phân tích trên ta thấy rằng khi dây quấn đối xứng và dòng điện các pha đối xứng từ trường quay trịn có biên độ khơng đổi và tốc độ khơng đổi, từ trường quay trịn sẽ cho đặc tính máy tốt, khi khơng đối xứng từ trường quay có biên độ và tốc độ quay biến đổi.
b. Nguyên lý làm việc
Động cơ này ngồi dây quấn chính, cịn códây quấn phụ. Dây quấn phụ có thể thiết kế để làm việc khi mở máy hoặc làm việc lâu dài. Trong stato dây quấn chính được đặt lệch so với dây quấn phụ, sao cho từ thông giữa hai cuộn lệch nhau một góc 900 khơng gian và dòng điện dây quấn phụ lệch pha với dịng điện trong dây quấn chính một góc 900.
Nhờ có tụ điện trong mạch cuộn dây phụ (KĐ) Dịng điện iKĐ vượt trước dịng điện iLV một góc 900 do vậy từ trường trong động cơ do hai cuộn dây chính và cuộn dây phụ sinh ra là từ trường quay nó có tác dụng tạo mơ men mở máy và động cơ tự mở máy được.
Khi động cơ mở máy song có thể cắt cuộn khởi động như vậy cuộn dây khởi động chỉ làm việc trong quá trình mở máy. loại động cơ này gọi là động cơ 1 pha có phần tử mở máy.Trong nhiều trường hợp người ta vẫn để cuộn dây khởi động ngâm điện trong suốt quá trình động cơ làm việc để cải thiện đặc tính làm việc của động cơ nâng cao hệ số công suất của máy động cơ kiểu náy gọi là động cơ một pha điện dung.
d. Cách bố trí đầu dây, nối dây và vận hành
Hình 1.38. Cách bố trí đầu dây, nối dây động cơ 1 pha chạy tụ e. Sơ đồ trải động cơ khơng đồng bộ một pha có Z= 16, 2p = 4
Hình 1.39. Sơ đồtrải động cơ khơng đồng bộ một pha có Z=16, 2p=4
2.4.3. Nguyên tắc đảo chiều quay động cơ một pha có cuộn phụ
a. Nguyên tắc đảo chiều quay
Nguyên tắc chung để đảochiều quay động cơ khơng đồng bộ một pha có dây quấn phụ là đảo chiều dòng điện chạy trong dây quấn khởi động, giữ ngun dịng điện chạy trong dây quấn chính ( cuộn làm việc) hoặc ngược lại
Hình 1-40. Sơ đồ nguyên lý đảo chiều quay động cơ một pha
b. Cách đấu dây đảo chiều quay
Cuộn khởi động Tụ điện Cuộn làm việc
động
Cuộn làm việc động
Đối với động cơ điện mọt pha có ba đàu dây chũng ta tiến hành đảo đầu dây như sơ đồ hình 1-41 sau:
Hình 1-41. Sơ đồ đấu dây đảo chiều quay động cơ 1 pha ba đầu dây
trong đó: CW – chiều quay thuận; CCW – chiều quay ngược; White – trắng;
Red – đỏ; Black –đen;
Capacitor –Tụ điện;
L, N là hai đầu dây đấu vào nguồn điện.
2.4.4. Thông số kỹ thuật động cơ một pha
Cũng như đọng cơ điện khơng địng bộ ba pha, động cơ điện không đồng bộ một pha cũng có các thơng số kỹ thuật cơ abnr sau:
- Điện áp định mức Uđm là điện áp định mức của dây quấn Stator, chính là điện áp pha của mạng điện.
- Dòng điện định mức Iđm là dòng điện định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới điện. - Tốc độ quay định mức nđm
- Hiệu suất định mức ηđm - Hệ số công suất định mức
2.4.5. Ưu, nhược điểm của động cơ điện một pha
2.4.5.1. Ưu điểm
Giá thành rẻ.
Dễ vận hành, có thể làm việc ở mơi trường dễ cháy nổ, liên tục và dài hạn.
Đấu nối trực tiếp với nguồn điện 3 pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi.
Ít chi phí vận hành, bảo trì sửa chữa.
2.4.5.2. Nhược điểm
Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rôto khi điện áp lưới giảm.
Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở khơng khí nhỏ.
Khi điện áp sụt xuống thì mơmen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mơmen tỉ lệ với bình phương điện áp.
2.5. Máy phát điện xoay chiều đồng bộ một pha
2.5.1. Cấu tạo
Cũng như các máy điện khác, máy điện đồng bộ cấu tạo gồm hai phần chính: Phần tĩnh (Stato) và phần quay (rôto)
2.5.1.1. Phần tĩnh (Stato)
Phần tĩnh thường là phần mà các dây quấn của nó cảm ứng ra những sức điện động gọi là phần ứng nó có cấu tạo giống phần tĩnh của máy điện không đồng bộ gồm lõi thép, dây quấn, vỏ máy và nắp máy
Phần tĩnh thường là phần mà các dây quấn của nó cảm ứng ra những sức điện động gọi là phần ứng nó có cấu tạo giống phần tĩnh của máy điện không đồng bộ gồm lõi thép, dây quấn, vỏ máy và nắp máy
Hình 1-42. Mặt cắt ngang trục máy
1. Lõi thép Stato; 2. Dây quấn Stato; 3. Lõi thép Roto; 4. Dây quấn roto
2.5.1.2. Phần quay (Rôto)
Phần quay thường là một nam châm điện dùng để tạo ra từ thơng chính cho máy gọi là phần cảm, nó gồm có lõi thép và dây quấn kích thích là dịng điện một chiều. Rơto máy điện đồng bộ có hai loại rơto cực ẩn và rơto cực lồi
Hình 1-43. Cấu tạo của rơto cực ẩn và cực lồi
* Rôto cực lồi: Lõi thép gồm những lá thép kỹ thuật điện (0,5 1) mm ghép cách điện với nhau có các cực từ lộ ra rõ rệt và có dây quấn xung quanh thân cực từ hai đầu của chúng được hàn với hai vành trượt qua hai chổi than tới nguồn điện một chiều.
Với loại rôto cực lồi này thường được áp dụng cho các máy điện đồng bộ có tốc độ quay dưới 1000 vòng/phút (Động cơ sơ cấp là các tuốc bin nước)
Cực từ của máy đồng bộ cực lồi Dây quấn cản 1. Lá thép cực từ hoặc dây quấn mở máy 2. Dây quấn kích thích
3. Đi cực từ
4. Nêm
5. Lõi thép stato
Hình 4-44 Cấu tạo của rôto cực ẩn và cực lồi
* Rơto cực ẩn:
Có lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngồi có phay thành các rãnh để đặt dây quấn kích thích. Có cực từ loại này khơng lộ ra rõ rệt, dây quấn kích thích đặt đều trên chu vi rôto. Với cấu tạo như vậy rơto có độ bền cơ khí cao
Những máy điện đồng bộ có tốc độ 1500 vịng /phút trở lên rôto đều chế theo kiểu cực ẩn mặc dù có phức tạp khó khăn hơn cực lồi (động cơ sơ cấp thường là tuốc bin hơi).
Một số ít máy điện đồngbộ công suất nhỏ (Sđm 100 KVA) thì Phần ứng là phần quay cịn phần cảm đứng yên.
- Nguồn cung cấp dòng một chiều cho dây quấn kích thích máy điện đồng bộ gọi là nguồn kích thích, phần lớn nguồn kích thích là một máy phát điện một chiều kích thích song song có cơng suất từ (2 3)% cơng suất của máy điện đồng bộ.
- Yêu cầu đối với hệ kích từ.
+ Khi làm việc bình thường có khả năng điều chỉnh được dịng điện kích từ It = Ut/rt để duy trì điện áp định mức.
+ Có khả năng cưỡng bức dịngkích từ tăng nhanh khi điện áp lưới giảm thấp do có ngắn mạch ở xa. Thường trong khoảng 0,5 giây phải đạt
2 tdm tdm tm U U U như hình vẽ (4-4)
+ Triệt từ kích thích khi có sự cố bằng điện trở triệt từ RT
Hình 4.4 Cưỡng bức kích thích
- Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ.
+ Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ. Máy phát điện 1 chiều kích thích thường có 2 cn dây kích thích: 1 cuộn song song LS dùng để tự kích thích và 1 cuộn độc lập Ln, Hình (4.5)
Hình 1-45 Kích từ bằng máy phát kích từ một chiều
+Kích từ bằng máy phát kích từ xoay chiều có chỉnh lưu, hình 4-6a là máy kích từ có phần cảm quay và phần ứng tĩnh và hình 4-6b là máy phát kích từ có phần cảm tĩnh và phần ứng quay
a) b)
Hình 1-46 Máy kích từ xoay chiều có chỉnh lưu
+ Hệ thống tự kích thích hổn hợp, hình 4.7, theo sơ đồ này điện áp và dịng điện kích từ sẽ tỷ lệ với UT và U1 của biến điện áp TU và biến dòng điện TI
Hình 1-47 Hệ thống tự kích thích hỗn hợp của máy điện đồng bộ
2.5.2. Nguyên lý làm việc
Hình 1-48 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ
Khi động cơ sơ cấp 1 (tuốc bin hơi) quay rôto máy phát điện 2 tới tốc độ định mức, máy kích thích 3 thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm của máy phát đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện. Từ trường phần cảm cắt thanh dẫn phần ứng, làm cảm ứng trong dây quấn sức điện động hình sin. Nếu phần cảm máy phát có p đơi cực, tốc độ quay rơto là n thì tần số sức điện động cảm ứng:
f = 60
pn
(Hz) (1 - 49)
Tương tự như máy điện không đồng bộ, trị số sức điện động cảm ứng trong mỗi pha dây quấn phần ứng:
E0 = 4,44. f. W. Kdq . 0 (1 - 50) Trong đó 0 Từ thông dưới mỗi cực từ
W Số vòng dây của mỗi pha Kdq Hệ số dây quấn của máy
Nếu máy phát điện đồng bộ là máy phát ba pha, dây quấn phần ứng có hệ thống sức điện động cảm ứng ba pha. Khi máy phát mang tải dòng điện ba pha chạy trong dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ
n = p f . 60 (1 - 51)
So sánh giữa (1) và (3) ta thấy rằng tốc độ của từ trường quay n1 bằng tốc độ quay của rơto n. Do đó máy phát điện gọi là máy phát điện đồng bộ.
* Một số vấn đề trong vận hành
Cũng như các máy phát điện quay khác, máy phát điện đồng bộ trong q trình vận hành có hai loại tổn hao. Tổn hao không đổi Pkđ và tổn hao thay đổi Ptđ.
Tổn hao không đổi (Pkđ) hầu như không phụ thuộc vào phụ tải bao gồm tổn hao sắt
từ ở lõi thép, tổn hao trên điện trở dây quấn kích thích, tổn hao cơ do ma sát ở các ổ trục, quạt gió.
Tổn hao thay đổi (Ptđ) phụ thuộc vào phụ tải gồm: tổn hao đồng trong dây quấn stato và các tổn hao phụ khác. Như vậy công suất điện của máy phát ra là
P2 = mUIcos thì cơng suất cơ đưa vào phải là P1 =P2+ ∆Pkđ + ∆Ptd và hiệu suất của máy phát: = 1 2 p P = td kd P P mUI mUI cos cos (1 - 52) Trong đó m là số pha dây quấn phần ứng.
2.5.3. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ một pha
Để xác định được đặc tính của máy điện đồng bộ chúng ta tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ trên hình 1-49 như sau:
Hình 1-49. Sơ đồ thí nghiệm đặc tính máy điện đồng bộ
Hệ đơn vị tương đối
Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.14. Mở cầu dao tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi dịng điện kích từ ta nhận được đường đặc tính khơng tải.
Đường (1) máy phát tuabin hơi, đường (2) máy phát tuabin nước. Ta thấy máy phát tuabin hơi bão hòa nhiều hơn máy tuabin nước.
b. Đặc tính ngồi
Đặc tính ngồi
Các đường đặc tính phụ thuộc vào tính chất tải. Dịng điện kích từ It ứng với U = Uđm, I = Iđm được gọi là dịng điện kích từ định mức Itđm
c. Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh: It = f(I); U = const; cosφ = const; f = const. Đặc tính điều chỉnhcho biết phảiđiều chỉnh dịng kích từ như thế nào để bù đượcđiệnáp rơi trên cuộn dây phần ứng và phản ứng phần ứng (giữ cho U không đổi) khi n và cosφ không đổi. hoặc giảm E0 bằng cách tăng hoặc giảm It (tùy tính chất của tải).
2.5.4. Thông số kỹ thuật
- Tần số đinh mức fđm - Điện áp định mức Uđm - Dòng điện định mức Iđm - Tốc độ định mức nđm - Công suất biểu kiến Sđm - Hệ số công suất
2.6. Động cơ vạn năng
2.6.1. Khái niệm chung
Động cơ vạn năng (tiếng Anh gọi là Universal Motor, Serie motor,...) là một loại động cơ điện có cơ chế hoạt động bằng nguồn điện AC hoặc DC và chúng sử dụng nam châm điện để làm stato quay nhằm tạo ra từ trường.
Động cơ điện vạn năng được vận hành với tốc độ cao và có mơ men quay lớn hơn so với các loại động cơ khác. Vì thế, chúng ta khơng nên để cho động cơ vạn năng vận hành không tải.
Ứng dụng của động cơ vạn năng phổ biến nhất đó là được sử dụng để làm motor
máy may, máy khoan điện cầm tay, các loại máy xay,... Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ vạn năng dựa trên nguyên tắc là làm giảm điện áp đưa vào bên trong động cơ bằng 1 cuộn cảm kháng, thường được quấn chung với 1 cuộn dây từ cực.
2.6.2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc
Động cơ vạn năng cịn được gọi là động cơ cổ góp điện, cấu tạo bao gồm 2 phần dưới đây:
Stato: Phần đứng yên (còn gọi là phần cảm) bên trong có gắn 1 cực từ chính và 1 cực từ phụ.
* Cực từ chính: Được lắp ghép bởi những lá thép kỹ thuật điện (tiếng Anh là ton
silic) dày khoảng 0.5mm và phần dây quấn kích từ của lồng ngồi lõi sắt. Chúng tạo nên từ trường chính cho máy và phân bố từ trường đều lên trên bề mặt phần ứng. Dây quấn
kích từđược làm từ đồng hoặc nhơm và được nối tiếp với nhau.
* Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt xen kẽ với các cực từ chính để hạn chế các tia lửa điện và cải thiện tình trạng đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép, dây quấn làm bằng đồng hoặc nhôm được bọc cách điện và mắc nối tiếp vào phần ứng.
Rotor: Phần quay hay còn được gọi là phần ứng, bao gồm có: trục chính, lõi thép,