Upload
nguyennhi
View
219
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
1
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
Mục lục
Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy điện
Chƣơng 1: Máy điện một chiều
1.1 Cấu tạo máy điện một chiều
1.2 Bộ dây quấn phần ứng của máy điện một chiều
1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều.
1.4 Từ trường và sức điện động trong máy điện một chiều.
1.5 Máy phát điện một chiều.
1.6 Động cơ điện một chiều.
1.7 Kiểm tra
Chƣơng 2: Máy biến áp.
2.1 Khái niệm chung về máy biến áp.
2.2 Cấu tạo của máy biến áp một pha
2.3 Nguyên lý làm việc của MBA một pha
2.4 Các trạng thái làm việc của MBA một pha
2.5 Máy biến áp ba pha.
2.6 Điều kiện làm việc song song của MBA 3 pha.
2.7 Các loại máy biến áp đặc biệt
Chƣơng 3. Máy điện không đồng bộ
3.1 Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ
3.2 Từ trường của máy điện không đồng bộ
3.3 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ.
3.4 Sơ đồ thay thế và các phương trình của máy điện không đồng bộ.
3.5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ.
3.6 Mô men quay và phương trình đặc tính cơ của ĐCĐ không đồng bộ.
3.7 Mở máy và đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ ba pha.
3.8 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha
2
3.9 Hãm động cơ KĐB
Bài tập
3.10 Động cơ không đồng bộ 1 pha.
3.11 Dây quấn động cơ điện không đồng bộ
Kiểm tra
Chƣơng 4. Máy điện đồng bộ
4.1 Khái niệm, cấu tạo máy điện đồng bộ
4.2 Máy phát điện đồng bộ.
4.3 Động cơ điện đồng bộ
Tài liệu tham khảo:
1. Giáo trình máy điện: Nhà xb Giáo dục; Vụ Trung Học chuyên nghiệp – Dạy nghề.
Tác giả : Đặng Văn Đào – Trần Khán Hà – Nguyễn Hồng Thanh.
2. Kỹ thuật điện : (Tài liệu dùng cho các trƣờng Trung Học Chuyên nghiệp và Dạy
nghề). Tác giả : Nguyễn Ngọc Lân – Nguyễn Văn Trọng – Nguyễn Thị Quỳnh Hoa.
Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
I. Những khái niệm về máy điện
1. Khái niệm:
- Máy điện là thiết điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào các định luật điện từ.
- Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn). Dùng để biến
đổi cơ năng thành điện năng như máy phát điện, biến đổi điện năng thành cơ năng như động
cơ điện và đồng thời dùng để biến đổi dòng điện và điện áp ...
2. Phân loại máy điện:
Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau: như phân loại theo
công suất, theo dòng điện, theo chức năng ....
Sơ đồ phân loại các máy điện cơ bản thường gặp:
Máy điện
Máy điện tỉnh Máy điện có phần quay
Máy điện
xoay chiều
Máy điện
một chiều
Máy điện không
đồng bộ
Máy điện
đồng bộ
3
II. Vật liệu dùng trong máy điện.
1. Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phần dẫn điện, vật liệu dẫn điện dùng trong máy
điện là đồng, nhôm và các hợp kim khác.
2. Vật liệu dẫn từ: Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, thường dùng các vật liệu sắt từ,
thép kỹ thuật điện...
3. Vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc cách ly
giữa các bộ phận dẫn điện với nhau, vật liệu chủ yếu là giấy, vải lụa, mica, sợi thuỷ tinh, sơn
cách điện ...vv.
4
Chƣơng I: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1. Đại cƣơng về máy điện 1 chiều:
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một
chiều vẫn tồn tại, đặ
.+c biệt là động cơ điện một chiều.
Là loại máy điện sử dụng với lưới điện một chiều và có thể vận hành theo chế độ máy
phát hoặc chế độ động cơ.
Máy phát điện một chiều cung cấp nguồn điện một chiều cho động cơ và máy phát điện
đồng bộ, cho công nghệ mạ, nạp ắc quy.
Động cơ điện môt chiều có momen khởi động lớn, có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi
rộng và bằng phẳng nên được dùng nhiều trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về
điều chỉnh tốc độ như máy mài, máy xúc, xe điện…
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền
và kém tin cậy, nguy hiểm trong mọi môi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ điện một
chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một
chiều).
1.1.2. Cấu tạo máy điện một chiều.
Gồm có 2 bộ phận chính là phần tĩnh và phần quay.
1.Phần tĩnh (Stato)
Phần tĩnh còn gọi là phần cảm gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy và cơ cấu
chổi điện.
a) Cực từ chính
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi thép cực từ và dây quấn cực từ chính.
Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm hoặc 1mm được ép lại và tán chặt ở
máy có công suất nhỏ thì được làm thép khối. Dây quấn cực từ chính làm bằng đồng có bọc
cách điện, được quấn định hình thành từng bối, sau đó được quấn băng và tẩm vécni cách
5
điện. Bối dây được lồng vào thân lõi thép cực từ và gắn chặt cực từ vào gông nhờ các
bulông.
b) Cực từ phụ:
Cực từ phụ gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép thường bằng thép khối, dây quấn tương
tự dây quấn cực từ chính và được mắc nối tiếp với dây quấn rôto. Cực phụ đặt xen kẽ cực từ
chính có tác dụng triệt tiêu tia lửa điện xuất hiện giữa chổi và cổ góp.
c) Gông từ:
Gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy công suất nhỏ làm bằng thép tấm cuốn lại và
hàn hoặc bằng gang. Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
d) Cơ cấu chổi điện:
Chổi điện làm bằng than hoặc graphít đôi khi được trộn bột đồng để tăng độ dẫn điện,
chổi điện được đặt trong một hộp nhờ 1 lò xo ép chổi tì sát vào cổ góp. Hộp chổi gắn chặt
vào giá đỡ có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại.
2. Phần quay (rôto)
Phần quay (rôto) là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn, cổ góp và trục rôto.
a) Lõi thép rôto: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, bề mặt có sơn cách
điện dập theo hình dạng rãnh rồi ghép lại thành rôto. Rãnh là nơi đặt dây quấn giữa có lỗ để
thông gió dọc trục.
b) Dây quấn rôto: Bằng dây đồng, có bọc cách điện, tiết diện tròn hay chữ nhật được bố
trí trong rãnh của lõi thép theo sơ đồ cụ thể, các mối dây được nối lên các phiến góp của cổ
góp ở đầu trục.
c) Cổ góp: Gồm các phiến góp bằng đồng có đuôi én được ghép hợp lại thành hình trụ
tròn, giữa các phiến góp được cách điện với nhau bằng lớp mica mỏng (0,2-1,2)mm và cách
điện với trục, phần cuối của phiến góp có rãnh để hàn các bối dây vào. Thông qua cổ góp và
chổi than dòng điện xoay chiều trong dây quấn rôto được đổi thành dòng 1 chiều đưa ra
mạch ngoài do đó cổ góp còn gọi là vành đổi chiều.
1.2. BỘ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.2.1. Khái niệm: Dây quấn phần ứng là loại dây quấn rải, đó là hệ thống dây dẫn khép kín
đặt trong các rãnh của lõi phần ứng và được nối với các lá góp theo 1 quy tắc xác định hợp
thành bộ dây phần ứng.
1.2.2. Dây quấn phần ứng:
- Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử được nối lại với nhau theo một quy luật nhất định.
+ Phần tử: Là phần dây quấn nằm giữa hai phiến góp kế tiếp nhau theo sơ đồ nối dây (một phần tử hay gọi là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây).
+ Cạnh tác dụng của phần tử là phần bối dây nằm trong rãnh rôto.
+ Hai đầu dây của phần tử được nối với hai phiến góp và nối với hai đầu dây của hai phần tử khác.
Thông thương thì trong mỗi rãnh rôto ta đặt hai lớp dây quấn (hai bối dây), giữa hai lớp
dây quấn có sự cách điện. Một phần tử có 1 cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh này thì
cạnh tác dụng còn lại đặt ở lớp dưới của rãnh khác. Nếu một rãnh có hai cạnh tác dụng thì
gọi là rãnh nguyên tố.
+ Rãnh nguyên tố:
Trong một rãnh có hai cạnh tác dụng được gọi là rãnh nguyên tố, để phân biệt với một
rãnh có nhiều cạnh tác dụng ta kí hiệu rãnh nguyên tố là Znt. Nếu một rãnh có 2u cạnh tác
dụng thì bằng u rãnh nguyên tố.
Gọi S là số phần tử. (và một phần tử có hai cạnh tác dụng)
Gọi Z là số rãnh thực của Rôto.
Mối quan hệ giữa S,Z và Znt là Znt=u.Z=S
6
Mặc khác mỗi phiến góp được nối với hai đầu dây của hai phần tử khác nhau, nên số
phiến góp bằng số phần tử.
Gọi G là số phiến góp ta có G=S
Vậy ta có Znt=Z=S=G. (Bao nhiêu rãnh có bấy nhiêu phiến góp)
1.2.3. Các phƣơng pháp quấn dây:
Tuỳ theo cách nối phần tử với phiến góp mà ta có kiểu nối dây quấn xếp và dây quấn
sóng.
a. Quấn dây kiểu xếp:
Dây quấn kiểu xếp có hai loại là quấn xếp phải và quấn xếp trái.
Ở dây quấn xếp phải hai đầu phần tử được nối hai phiến góp gần nhau và hai phần tử nối
tiếp ở gần nhau. Phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên phải của nó.
Ở dây quấn xếp trái là phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên trái của nó.
(Để nối dây không bị chồng chéo nhau người ta thường dùng dây quấn xếp phải)
b. Dây quấn kiểu sóng: là dây quấn có hai đầu phần tử được nối với hai phiến góp cách
xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau ở xa nhau (giống như làn sóng)
1.2.4. Các đại lƣợng đặc trƣng
a. Bƣớc cực: Ký hiệu: (tô)
Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ kế tiếp nhau được tính bằng số rãnh nguyên tố.
p
Znt
2
Với: Znt số rãnh nguyên tố
2p là số cực từ của máy.
b. Bƣớc dây quấn thứ nhất: Ký hiệu: y1
Bước dây quấn là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử, được tính bằng số
rãnh nguyên tố và cũng là khoảng cách của một bước cực.
p
Zy nt
21
1 2
1 3 4
1
Quấn xếp phải
3
1
2
1 1
Quấn xếp trái
1 2
1 3 4
1
Quấn xếp phải
phiến góp
1 2
1
3 4
1
phần tử 1 phần tử 2
y2
yG
y
y1
1
Dây quấn sóng
y
y2
y1
y
y2
y1
7
c. Bƣớc dây quấn thứ hai y2: là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử
thứ nhất và cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp sau nó theo sơ đồ dây quấn.
Bước dây quấn y2 phụ thuộc vào kiểu dây quấn. y2 = y1 - y
d. Bƣớc dây quấn tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tương ứng của hai phần tử
liên tiếp nhau. y = y1 – y2
e. Bƣớc trên cổ góp: Kí hiệu yG
Bước trên cổ góp là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai cạnh tác dụng của một
phần tử. yG có thể có giá trị âm, dương, lớp hay nhỏ phụ thuộc vào kiểu dây quấn.
+ Với dây quấn xếp ta có yG = m, m là số tự nhiên. ( Dấu + là quấn xếp phải. Dấu - là
quấn xếp trái.
+ Với dây quấn sóng ta có yG = ,p
mG m là số tự nhiên.(- dấu + là quấn phải- dấu - là quấn
trái).
1.2.5. DÂY QUẤN KIỂU XẾP
a. Dây quấn xếp đơn:
+ Tính toán bước dây quấn:
Cho máy điện một chiều có các thông số sau: Số rãnh Z = Znt = S = G = 16 rãnh, số cực
từ 2p=4 cực, bước cổ góp yG = +1. Tính toán và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng (kiểu
xếp) của máy điện một chiều.
- Bước dây quấn thứ nhất:
y1= 44
16
2 p
Z nt
- Bước cổ góp yG=1 (dây quấn xếp phải)
+ Biểu đồ nối dây:
- Biểu điễn biểu đồ nối dây có hai dòng, dòng trên chỉ cạnh tác dụng ở lớp trên và dòng
dưới chỉ cạnh tác dụng ở lớp dưới.
- Cách vẽ biểu đồ nối dây: Bắt đầu từ phần tử thứ nhất, phần tử này có cạnh tác dụng thứ
nhất đặt ở lớp trên của rãnh, cạnh tác dụng thứ hai đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+4=5.
- Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và 2 (vì yG=1 dây quấn xếp phải).
- Tình tự nối các phần tử trong rãnh như hình vẽ:
Lớp
trên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1
Lớp
dưới
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
+ Sơ đồ khai triển dây quấn:
- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 16 rãnh và qui ước ở lớp trên vẽ bằng đường liền
nét và cạnh tác dụng ở lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét.
- Cách vẽ sơ đồ khai triển dây quấn: đặt lần lược 16 phần tử vào 16 rãnh, bắt đầu từ phần
tử thứ nhất, cạnh thứ nhất của phần tử nối với phiến góp đổi chiều thứ nhất đặt vào rãnh 1
8
(đường liền nét) ở lớp trên và cạnh thứ hai của phần tử thứ nhất được đặt lớp dưới của rãnh
thứ 5 (đường đứt nét) và nối với phiến góp 2.
Tiếp tục nối tương tự với phần tử thứ hai, thứ ba….. cho đến phần tử thứ 16 rồi trở về
phiến đổi chiều số 1. Ta được một mạch vòng khép kín được đặt đúng dưới các cực từ.
b. Dây quấn xếp phức:
- Điểm khác nhau giữa dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức là bước dây quấn yG=m,
với dây quấn phức m=2,3…, thông thường yG=2.
- Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn.
+ Tính toán các đại lượng đặc trưng:
Cho máy điện có các thông số sau Znt=24, 2p=4, yG=2. tính và vẽ biểu đồ nối dây, sơ đồ
khai triển dây quấn.
- Bước dây quấn y1= 64
24
2 p
Z nt
- Bước cổ góp yG=2
+ Biểu đồ nối dây:
- Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử.
- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1,
vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+6=7.
- Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 3. vì yG=2.
- Do yG=2 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử
1+yG=1+2=3
Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ
bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín.
Tiếp tục với phần tử chẳng, ta được biểu đồ nối dây tương tự.
Gồm các phần tử số lẽ.
Lớp
trên 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1
Lớp
dưới
7
9
11
13
15
17
19
21
23
1
3
5
Gồm các phần tử chẳn:
Lớp
trên 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2
Lớp
dưới
8
10
12
14
16
18
20
22
24
2
4
6
+ Sơ đồ khai triển dây quấn:
Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn với qui luật như dây quấn xếp đơn.
Dựa vào biểu đồ nối dây ta có phần tử 1 nối 3 và tiếp tục 5….đến khép kín mạch gồm
phần tử số lé và tiếp phần tử 2 nối với 4 tương tự đến hết phần tử chẳng.
Do yG=2 nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp.
Từ dó ta vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ bên.
9
1.2.6. DÂY QUẤN KIỂU SÓNG
a. Dây quấn sóng đơn:
+ Tính toán bước dây quấn:
Đặc điểm của dây quấn sóng là hai đầu của một phần tử nối với hai phiến góp cách xa
nhau và hai phần tử nối tiếp nhau theo sơ đồ dây quấn nằm cách xa nhau.
- Bước dây quấn: y1=p
Z nt
2
- Bước cổ góp yG=p
mG
* Cho máy điện có thông số gồm Znt=15, 2p=4, m=-1 dây quấn sóng đơn, quấn trái.
+ Tính các bước dây quấn:
y1= 34
3
4
15
2 p
Z nt
chọn dây quấn bước ngắn =-3/4.
yG= 72
115
p
mG y2=y1-y=7-3=4
+ Biểu đồ nối dây:
- Sau khi có các số liệu tính toán về bước dây quấn y1, y2, yG… ta lập biểu đồ nối dây.
- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của
rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cơn lại sẽ đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+3=4.
- Đầu dây của phần tử này được nối với phiến góp 1 và phiến góp 1+yG=1+7=8.
- Do yG=7 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là 1+yG=1+7=8.
Tiếp tục thực hiện với phần tử tiếp theo theo qui luật ta vẽ được biểu đồ nối dây. Lớp
trên 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1
Lớp
dưới
4
11
3
10
2
9
1
8
15
7
14
6
13
5
12
+ Sơ đồ khai triển dây quấn (sơ đồ trải)
- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 15 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền
nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét.
- Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 15 phần tử vào 15 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối
phần tử 1 với phần tử 8, tiếp đến là phần tử 15…vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển
dây quấn như hình vẽ.H
- Dây quấn đơn nên bề rộng chổi than lấy bằng một phiến góp
10
b. Dây quấn sóng phức:
- Điểm khác nhau giữa dây quấn sóng đơn và dây quấn sóng phức là bước dây quấn
yG=m, với dây quấn phức m=2,3,4…, thông thường yG=2.
- Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn.
+ Tính toán bước dây quấn
Cho máy điện có số liệu gồm Z=Znt=18, 2p=4, m=2. Tính bước dây quấn, vẽ sơ đồ nối
dây và khai triển dây quấn.
- Các bước dây quấn:
y1= 44
2
4
18
2 p
Z nt
chọn dây quấn bước ngắn =2/4.
yG= 82
218
p
mG
+ Biểu đồ nối dây:
Có các số liệu tính toán về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử.
- Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này có cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1,
vậy cạnh tác dụng còn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+4=5.
- Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến góp 1 và 9. vì yG=8.
- Do yG=8 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử
1+yG=1+8=9 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử còn lại ta được biểu đồ nối dây như
hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vòng kín.
Tiếp tục với phần tử chẳn, ta được biểu đồ nối dây tương tự.
+ Biểu đồ nối dây
+ Phần từ số lẻ:
Lớp
trên 1 9 17 7 15 5 13 3 11 1
Lớp
dưới
5
13
3
11
1
9
17
7
15
+ Phần tử số chẳn:
Lớp
trên 2 10 18 8 16 6 14 4 12 1
Lớp
dưới
6
14
4
12
2
10
18
8
16
+ Sơ đồ khai triển dây quấn:
- Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 18 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền
nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét.
11
- Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 18 phần tử vào 18 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối
phần tử 1 với phần tử 9, tiếp đến là phần tử 17, phần tử 7…vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ
khai triển dây quấn như hình vẽ.H
- Dây quấn sóng phức nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến góp
1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU.
1.3.1. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp máy phát điện một chiều.
a. Nguyên lý làm việc:
1- Cực từ stato (nam châm vĩnh cửu)
2- Dây quấn phần ứng
3- Chổi than
4- Cổ góp
5- Mạch ngoài (tải)
Khi động cơ sơ cấp quay với tốc độ góc là 1 có chiều như hình vẽ, dẫn đến các dây dẫn
rôto cắt từ trường stato (từ trường cực từ), cảm ứng các sức điện động trong thanh
dẫn.(chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải) từ trường hướng từ cực N đến
S.
Trong thanh dẫn ab có sức điện động E1
Trong thanh dẫn cd có sức điện động E2
Sức điện động trong dây dẫn rôto là E=E1+E2
Xét tại thời điểm t: Lúc này dây dẫn quay một góc 1800, thanh ab ở cực S, thanh dc ở
cực N.
Khi thanh dẫn phần ứng quay nửa vòng, vị trí của thanh dẫn trong từ trường thanh dẫn:
ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong phần tử đổi chiều, nhờ có chổi điện đứng
yên tỳ vào phiến góp nên chổi than A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi than B vẫn nối
với phiến góp phía dưới, chiều dòng điện mạch ngoài không thay đổi.
1
2
3
4
5
12
Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B (nối 2 đầu
với tải (bóng đèn) ta có nguồn một chiều)
b. Phương trình điện áp đầu cực máy phát:
U = UAB = Eư - Iư.Rư
Trong đó: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng.
Rư là điện trở dây dẫn phần ứng.
Iư là dòng điện phần ứng.
Eư là sức điện động phần ứng.
Đơn vị:U, Eư (V); Iư (A); Rư ( )
1.3.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều.
a. Nguyên lý làm việc:
Khi đặt điện áp một chiều vào hai đầu chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng xuất
hiện dòng điện một chiều Iư, dưới tác dụng của từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng
làm cho rôto quay, chiều lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư, ở động cơ
một chiều sức điện động phần ứng ngược chiều với dòng điện phần ứng nên sức điện động
phần ứng con được gọi là sức phản điện.
b. Phương trình điện áp
U = UAB = Eư + Iư.Rư
Trong đó: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng.
Rư là điện trở dây dẫn phần ứng.
Iư là dòng điện phần ứng.
Eư là sức điện động phần ứng.
Đơn vị:U, Eư (V), Iư (A), Rư ( )
1.4. TỪ TRƢỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.4.1. Từ trƣờng của máy điện một chiều:
- Khi máy phát điện 1 chiều chạy không tải, trong máy chỉ có từ trường do cực từ chính
sinh ra gọi ra từ trường chính hay từ trường phần cảm.
- Khi máy mang tải, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng sinh ra từ trường phần
ứng.
- Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng.
Tác dụng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường tổng hợp của máy, ở mõm cực ra
của cực từ được trợ từ còn ở mõm cực vào bị khử từ. Nếu mạch từ không bão hoà thì tác
dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ thông tổng không đổi. Nếu mạch từ bão hoà thì tác
dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường tổng giảm do đó sức điện động cảm ứng trong thanh
dẫn giảm. Đồng thời, phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại 2 điểm trên đường trung tính
hình học khác 0.
Đây là nguyên nhân làm xuất hiện tia lửa điện trên cổ góp.
Để tránh hiện tượng trên phải xoay đường trung tính hình học đến 1 vị trí mới lệch so
với trung tính hình học 1 góc đó là đường trung tính vật lý O’O
’’
Hình vẽ
1.4.2. Sức điện động phần ứng.
a. Sức điện động thanh dẫn:
Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn
cảm ứng sức điện động là:
e = Btb.l.v
Trong đó: Btb từ cảm trung bình dưới cực từ.
v là tốc độ của thanh dẫn
l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn.
b. Sức điện động phần ứng Eư:
13
Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi
than chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phản ứng bằng tổng các
sức điện động thanh dẫn trong một nhánh.
Gọi N là số thanh dẫn của dây quấn, a là số đôi nhánh.
Số thanh dẫn một nhánh là N/2a (với a là số nhánh song song)
Sức điện động phần ứng là Eư vlBa
Ne
a
Ntb ...
2.
2
Tốc độ dài v xác định theo độ quay n (vòng/phút) bằng công thức: v = 60
Dn
Thay v = 60
Dn vào Eư = e
a
N
2= lvB
a
Ntb
2 và chú ý rằng từ thông dưới mỗi cực từ là =
p
Dl
2
Cuối cùng ta có: Eư = na
pN
60 hoặc Eư = ken .
Trong đó p là số đôi cực. Hệ số ke = a
pN
60 phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng.
Sức điện phản ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Muốn
thay đổi trị số sức điện động, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông,
bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi chiều
quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.
1.5. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.5.1. Phân loại máy phát điện một chiều.
Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, để phân loại máy điện một chiều như
sau:
- Máy điện một chiều kích từ tự kích trong đó gồm:
+ Máy điện một chiều kích từ độc lập
+ Máy điện một chiều kích từ nối tiếp
+ Máy điện một chiều kích từ song song
+ Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp.
1.5.2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
a. Sơ đồ nối dây cơ bản:
- Rtải là điện trở tải
- Rkt là điện trở kích từ.
- Rdc là điện trở điều chỉnh dòng điện kích từ.
- Ukt là điện áp đưa vào mạch kích từ.
- U là điện áp tải lấy ra từ máy phát
- Ikt là dòng điện kích từ.
- Iư là dòng điện phần ứng.
b. Phương trình
Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt+Rdc) (1)
Mạch phần ứng It=Iư (2)
U = Eư- Iư.Rư (3)
* Khi dòng điện tải tăng It thì dòng điện phần ứng tăng Iư (ptrình1) kéo theo điện áp giảm U
xuống (ptrình 2) do hai yếu tố:
Rdc
Ec
ư
I Rkt
Rtải
14
- Do tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm kéo theo sức điện động
Eư giảm (Eư=ke.n. )
- Điện áp rơi trong mạch phần ứng tăng.
* Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau:
- Khi dòng điện tải tăng thì điện áp giảm, để giữ cho điện áp máy phát không đổi ta phải
tăng dòng điện kích từ bằng cách điều chỉnh biến trở.
* Ưu nhược điểm:
- Ưu điểm: Dể điều chỉnh điện áp (được sử dụng trong các hệ thống máy phát và động
cơ để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại ...)
- Nhược điểm: Phải cần nguồn kích từ.
1.5.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp.
a.Sơ đồ nối dây cơ bản:
b. Phương trình:
U = Eư - Iư(Rư+Rkt+Rdc) (1)
Iư =Ikt =It (2)
* Khi dòng điện tải tăng điện áp thay đổi rất nhiều, nên trong thực tế ít được sử dụng.
* Quá trình xác lập đặc tính ngoài như sau:
- Khi tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, từ thông tăng dẫn đến sức điện động phần ứng
tăng lên rất nhiều do đó điện áp đầu cực máy phát tăng nhiều.
- Khi dòng điện tải It=(2-2,5)Iđm thì mạch từ của máy bị bão hòa, lúc này dòng điện tải
tăng thì điện áp giảm.
Đường đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ độc lập:
(Từ đường đặc tính nhận xét: Khi dòng điện tải tăng bằng 2Iđm máy phát lúc đó nếu Itải tiếp
tục tăng thì điện áp đầu cực máy phát giảm.)
1.5.4. Máy phát điện một chiều kích từ song song.
a. Sơ đồ nối dây cơ bản:
b. Phương trình:
U = Eư - IưRư (1)
U=f(It) U
It
Ec
ư
Rdc I Rkt
Rtải
U=f(It) U
It
Rdc
Ec
ư
I Rkt
Rtải
15
Iư =Ikt + It (2)
U = Ikt(Rkt+Rdc) (3)
Ban đầu máy không có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra
(nếu từ dư không có phải kích nguồn một chiều tạo ra từ dư hoạt dùng ngồn một chiều
khởi động máy phát sau đó tách ra)
* Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông
dư tạo ra, sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ sinh ra dòng điện kích từ, làm
tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định.
* Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng (ptrình2) làm cho điện áp đầu cực
máy phát giảm (ptrình1), dòng điện kích từ giảm (ptrình3). Do đó đường đặc tính ngoài dốc
so với máy điện kích từ độc lập.
1.5.5. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp.
a. Sơ đồ nối dây cơ bản:
- Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn dây phần cảm
1. Khi nối thuận: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông
của dây quấn kích từ song song.(phần cuộn kích từ song song nối trực tiếp với chổi than)
Khi tải tăng, dẫn đến từ thông trong mạch nối tiếp tăng, làm cho từ thông của máy tăng,
dẫn đến sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy phát được giữ hầu như không
đổi.
(Ưu điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giữ cho điện áp không thay đổi khi dòng tải thay
đổi ứng dụng máy phát)
2. Khi nối ngược: chiều từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thông
của dây quấn kích từ song song.
(Nhược điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giảm điện áp tải ứng dụng máy hàn điện một
chiều)
1.6. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.6.1. Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa vào phương pháp kích từ, phân loại động cơ điện một chiều như đối với máy phát
điện một chiều.
a. Động cơ kích từ độc lập.
b. Động cơ kích từ nối tiếp.
Ecư
Rdc
Rkt
I
Rdc
Ecư
I Rkt
U=f(It) U
It
Rdc
Ec
ư
I Rkt
Rtải
Rkt
16
c. Động cơ kích từ song song.
1.6.2. Mômen và phƣơng trình đặc tính cơ.
a. Mômen trong động cơ điện một chiều
+ Mômen quay: kí hiệu: M
- Khi đặc điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, trong dây quấn xuất hiện dòng điện
phần ứng, dưới tác dụng của từ trường stato trong dây quấn phần ứng xuất hiện lực điện từ
tác dụng dẫn đến xuất hiện mômen điện từ làm cho rôto quay. (Đối với động cơ mômen
điện từ được gọi là mômen quay)
M=kM.Iư. (N.m)
+ Mômen cản.
- Khi động cơ mang tải xuất hiện lực cản, tác dụng vào trục động cơ, lực cản này cản trở
sự chuyển động của rôto do đó trên trục động cơ sẽ xuất hiện mômen cản.
- Mômen cản có chiều ngược với chiều chuyển động của rôto.
- Khi động cơ quay ổn định với một phụ tải xác định lúc đó ta có mômen tải cân bằng
với mômen động cơ.
1.6.2. Phương trình đặc tính cơ.
a. Phƣơng trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập hoặc kích từ song song.
- Khi điện áp đặc vào mạch kích từ và mạch phần ứng có công suất lớn thì phương trình
đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song giống nhau.
+ Phương trình điện áp: U=Eư + IưRư (1)
Eư=U - IưRư (2)
Mặc khác ta có: Eư=ke.n. (3)
Thay phương trình (3) vào pt (3) ta có:
ke.n. =U - IưRư .
.
e
uu
k
RIUn
hay .
.
. e
uu
e k
RI
k
Un (4)
Ta lại có mômen điện từ:
M=ke.Iư. Iư.Mk
M thay Iư vào pt (4) ta có:
Mkk
R
k
Un
Me
u
e
.... 2
(5)
Nếu trong mạch phần ứng có điện trở phụ Rp ta có phương trình tốc độ là:
Mkk
RR
k
Un
Me
pu
e
...
)(
. 2 (6)
Trong đó điện trở phụ là Rplà điện trở đặc vào mạch phần ứng để điều chỉnh dòng điện
phần ứng nhỏ hơn dòng điện giới han Iư<Igiới hạn.
Ecư
I
Rdc
Rkt
17
Phương trình (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
hoặc kích từ song song.
Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ và mômen quay của động cơ khi điện
áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ không đổi.
Với U, là hằng số, Rư, Rp không đổi
n = A + B.M (n=f(M)) với A,B là hằng số.
- Lúc động cơ làm việc ở chế độ không tải (lý tưởng) tốc độ của động cơ là .0 ek
Un
(xem đang làm việc không tải ổn định)
- Giả sử ta cho động cơ mang tải vào lúc này trên truc động cơ xuất hiện mômen cản Mc
động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A đến điểm B trên đồ thi lúc này tốc độ của động cơ
sẽ giảm dần xuống là n1<n0 và đồng thời mômen động cơ sẽ tăng dần cho đến khi cần bằng
mômen cản Mc, khi đó động cơ làm việc ổn định từ điểm B trên đường đặc tính cơ với tải
bằng mômen cản và tốc độ n1.
* Nhận xét:
- Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song thì phương trình đặc
tính cơ cứng, tốc độ hầu như không đổi khi công suất tải thay đổi (thay đổi nhỏ)
- Ứng dụng : thường được dùng trong cơ cấu truyền động máy cắt kim loại, các máy
công cụ gia công chi tiết có tải thay đổi lớn....
- Khi có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, thường dùng động cơ kích từ nối tiếp.
b. Phƣơng trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Phương trình dòng điện: Ikt=Iư (1)
Khi mạch từ bảo hoà dòng điện phần ứng và từ thông tỉ lệ với nhau:
Iư=kI. (2) với kIlà hệ số tỷ lệ.
Phương trình tốc độ là: .
.
e
u
k
IRUn (3) trong đó: R =Rkt+Rp+Rư
Mặc khác ta có phương trình mômen: M=kM. .Iư (4)
Thay Iư=kI. vào phương trình (4) ta có: M=kM.kI2=k
2.
2 (5) đặt k
2=kM.kI lấy căn hai vế
phương trình (5) ta có từ thông: k
M (6)
Thay phương trình (6) và (2) vào pt (3) ta có phương trình tốc độ:
Mk
MkRUk
k
Mk
k
MkRU
k
IRUn
e
I
e
I
e
u
.
...
.
..
.
.
n
M
A
B C
no
n1
0 Mc=MD
đường đặc tính
cơ
Đồ thị đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song
song
Ecư
Rdc
Rkt
I
18
e
I
ek
kR
Mk
Ukn
.
.
. (7) đặc
ek
ka ;
e
I
k
kb
ta có phương trình tốc độ là RbM
Uan .
.
Giả sử điện áp U và điện trở là hằng số, xây dựng đồ thị đặc tính tốc độ và mômen
n=f(M)
Dựa vào phương trình tốc độ ta xây dựng đường đặc tính cơ là đường có dạng hypebol,
đường đặc tính cơ mềm, khi mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm nhiều.
Khi động cơ không tải hoặc tải nhỏ, mômen cản nhỏ dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên rất
nhiều dẫn đến dể gây hỏng động cơ về mặc cơ khí (ma sát ở ổ bi lớn làm gãy trục....) Vì thế
không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp mở máy và làm việc ở chế độ không tải.
1.6.3. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
a. Dòng điện mở máy
- Phương trình điện áp: U=Eư+IưRư (1) Iư=u
u
R
EU
- Mặc khác ta có : Eư=ke.n.
- Khi mở máy ban đầu tốc độ n=0 nên Eư=ke.n. =0,
- Dòng điện phần ứng lúc này là Iư=uR
U, vì điện trở phần ứng nhỏ Rư, nên dòng điện
phần ứng lúc mở máy rất lớn từ (20-30)Iđm, dễ làm hỏng cổ góp và chổi than, đốt nóng dây
quấn rôto và cách điện bị già hóa.
- Để giảm dòng điện mở máy đạt từ Imm = (1,5-2)Iđm, dùng các phương pháp sau:
+ Dùng biến trở mở máy Rmm:
Bằng cách mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng lúc này dòng điện mở máy
Iưmm
mmu RR
U
Lúc đầu để biến trở mở máy Rmm lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc độ tăng lên, dẫn
đến sức điện động tăng, dẫn đến dòng điện phần ứng mở máy giảm đần và ta giảm điện trở
Rmm giảm dần về 0, lúc này động cơ làm việc đúng dòng điện định mức.
+ Giảm điện áp đặt vào mạch phần ứng:
Phương pháp này sử dụng khi có nguồn một chiều có thể điều chỉnh điện áp
(chú ý: để mômen mở máy lớn, thì lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất (M=ke.Iư. ) vì
thế phải điều chỉnh dòng kích từ lớn nhất
b. Mômen mở máy:
Mmm=kM. .Iưmm
Nếu dòng điện lúc mở máy Imm rất lớn dẫn đến mômen mở máy Mmm cũng rất lớn, dể tạo
ra các xung lực lớn làm chô hệ truyền động động cơ giật, rung lớn... dể vỡ bánh răng, bánh
đà.. làm hỏng động cơ và nguy hiểm cho người vận hành.
1.6.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Từ phương trình điện áp : U=Eư+IưRư Eư=U-IưRư
Mà Eư=ke.n. ke.n. =U-IưRư n.
.
e
uu
k
RIU(1)
n
M 0
19
Từ phương trình (1) ta nhân thấy để thay đổi tốc độ động cơ ta có một số phương pháp
sau:
- Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U, dùng nguồn điện phải điều chỉnh
được điện áp cung cấp cho động cơ.
- Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông, tức là thay đổi dòng điện kích từ.
- Để thay đổi tốc độ bằng cách mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng.
a. Điều chỉnh tốc độ động điện một chiều kích từ độc lập và song song bằng cách thay đổi
điện áp.
Theo trên ta có đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích
từ song song có dạng đường thẳng.
- Khi thay đổi điện áp ta được các đường đặc tính song song
- Khi điều chỉnh mômen không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng không đổi do sức
điện động và điện áp giảm.
* Quá trình giảm tốc:
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ với điện áp đặc vào
mạch phần ứng là U1 lúc này động cơ quay đều với tốc độ nA. Ta giảm điện áp xuống U2
nhỏ hơn điện áp U1 động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đường đặc tính cơ U2, lúc
này mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản MD<Mc dẫn đến tốc độ giảm dần theo đường đặc
tính U2 tới điểm D, tại điểm D mômen động cơ bằng mômen cản động cơ quay ổn định với
tốc độ nD<nA đó là quá trình giảm tốc của động cơ.
* Quá trình tăng tốc: Ngược lại.....
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng
Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng tốc độ giảm. Vì rằng dòng điện phần ứng lớn, nên
tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công
suất nhỏ.
1.5.5. Hãm động cơ điện một chiều
Hãm động cơ là tạo mômen điện từ ngược chiều chuyển động của động cơ. Động cơ
điện một chiều được hãm bằng các phương pháp hãm là hãm tái sinh, hãm ngược và hãm
động năng.
a. Hãm tái sinh (trả năng lượng về lưới)
Hãm tái sinh xảy ra trong động cơ kích từ song song khi máy làm việc ở chế độ động cơ
với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Trong trường hợp này sức điện động Eư>U và dòng điện phần ứng đổi dấu nên mômen
điện từ cũng đổi dấu thành mômen hãm. Máy lúc này làm việc trong chế độ máy phát điện
vào lưới (trả lại lưới)
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp không thể chuyển sang chế độ hãm tái sinh.
Muốn hãm tái sinh ta phải chuyển sang chế độ kích từ song song.
b. Hãm ngƣợc. Trạng thái này thực hiện bằng hai cách.
n
M
A
B Uđm
no
n1
0 Mc=MD
đường đặc tính cơ
Đồ thị đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích
từ độc lập hoặc kích từ song song
U1<Uđm
U2<U1
n
M
B A
no1
nA
0 Mc=MD
đường đặc tính cơ
Quá trình tăng tốc độ hay giảm
U1<Uđm
U2<U1
MB
D
20
- Máy được truyền động làm quay động cơ theo chiều ngược mômen điện từ.
- Đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi chiều dòng điện phần ứng của động cơ.
c. Hãm động năng.
- Khi hãm động năng động cơ kích từ song song ta cắt phần ứng ra khỏi lưới và nối
mạch qua một điện trở hãm.
- Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp được thực hiện bằng cách chuyển động cơ
sang kích từ độc lập. Nếu động cơ kích từ nối tiếp thì khi tốc độ nhỏ, dẫn đến mômen hãm
yếu, khi tốc độ lớn mômen hãm mạnh
BÀI TẬP MẪU
Bài 1:
Một máy phát điện kích từ song song, công suất định mức Pđm = 25kW, điện áp định mức
Uđm = 115V, có các thông số sau: Điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 12,5 ; điện trở
dây quấn phần ứng Rư = 0,0238 , số đôi nhánh a=2, số đôi cực từ p = 2, số thanh dẫn N =
300, tốc độ quay n = 1300vg/ph.
a) Xác định sức điện động Eư, từ thông .
b) Giả sử dòng điện kích từ không đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng, hãy xác định điện áp
đầu cực máy khi dòng điện giảm xuống I = 80,8A.
Bài giải:
a) Dòng điện định mức
Iđm = dm
dm
U
P =
115
25000 = 217,4A
Dòng điện kích từ
Ikt = kt
dm
R
U =
5,12
115 = 9,2A
Dòng điện phần ưng
Iư = Iđm + Ikt = 217,4+ 9,2 = 226,6A
Sức điện động của máy
Eư = U + Iư.Rư = 115 + 226,6. 0,0238 = 120,4V
Từ thông
= 1300.300.2
4,120.2.6060
pNn
aEw = 1,852.10-2Wb
Dòng điện phần ứng
Iư = I + Ikt = 80,8 + 9,2 = 90A
Điện áp đầu cực máy phát.
U = Eư – IưRư = 120,4 – 90.0,0238 = 118,3V.
Bài 2:
Một máy phát điện một chiều kích từ song song, điện áp định mức Uđm = 115V, cung cấp
dòng điện tải It = 98,3A cho tải. Điện trở phần ứng Rư = 0,0735 , điện trở dây quấn kích
từ song song Rkt = 19 . Tổn hao cơ, sắt từ và phụ bằng 4% công suất điện.
a) Xác định sức điện đông Eư và hiệu suất của máy ở chế độ tải trên
b) Tính dòng điện ngắn mạch khi ngắn mạch hai dầu cực máy phát. Cho biết từ thông
dư bằng 3% từ thông của máy ở chế độ tải trên, và tốc độ máy không đổi.
Bài giải:
a) Dòng điện kích từ
Ikt = AR
U
kt
05,619
115
Dòng điện phần ứng
21
Iư = I1 + Ikt = 98,3 + 6,05 = 104,35A
Sức điện động phần ứng
Eư = U + IưRư = 115 + 104,35.0,735 = 122,7V
Tổn hao trong dây quấn kích từ song song.
Pkt = I2
ktRkt = 6,052.19 = 695W
Tổn hao trong dây quấn phần ứng
Pư = I2
ưRư = 104,352. 0,0735 = 800W.
Tổn hao cơ, sắt từ và phụ
Pcstf = 4%P = 0,04.115.98,3 = 452W
Hiệu suất của máy
= PP
P =
4528006953,98.115
3,98.115= 0,853
b) Khi ngắn mạch đầu cực, dòng điện ngắn mạch chạy trong dây quấn phần ứng
Iưn = AR
E
w
un 50035,0
7,3
Trong đó Eưn = ken dư = 0,03ken = 0,03Eư = 0,03.122,7 = 3,7V
Ở máy phát kích từ song song, dòng điện ngắn mạch nhỏ hơn dòng điện định mức.
Bài 3:
Một động cơ điện một chiều công suất định mức Pđm = 1,5kW, điện áp định mức Uđm =
220V, hiệu suất = 0,82; tốc độ n= 1500vg/ph. Tính momen định mức, tổng tổn hao trong
máy, dòng điện định mức.
Bài giải
Momen định mức
Mđm = 9550n
Pdm = 95501500
5,1= 9,55Nm
Công suất cung cấp cho động cơ
P1 = 3,182982,0
10.5,1 3dmP
W
Dòng điện định mức
Iđm = AU
P31,8
220
3,18291
Tổng tổn hao trong máy
P = P - Pđm = 1829,3 – 1500 = 329,3W
BÀI TẬP HỌC SINH TỰ GIẢI
Bài 1:
Một động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp điện áp định mức Uđm = 220V, dòng điện định
mức Iđm = 502A, hiệu suất định mức = 0,905, điện trở dây quấn kích từ song song Rkt =
50 , tổn hao cơ, sắt từ và phụ là 4136W
Tính công suất động cơ tiêu thụ, công suất định mức động cơ, tổng tổn hao trên các điện trở
phần ứng, điện trở kích từ nối tiếp và dây quấn cực từ phụ.
Đáp số: P1 = 110,44kW; Pđm = 100kW; Pư.nt.f = 5336W
Bài 2:
Động cơ điện một chiều kích từ song song công suất định mức Pđm = 10kW, điện áp định
mức Uđm = 220V, hiệu suất định mức = 0,905, tốc độ định mức n = 2250vg/ph, dòng điện
kích từ định mức Ikt = 2,26A, điện trở phần ứng Rư = 0,178
Tính dòng điện mở máy trực tiếp. Tính điện trở mở máy Rmm để giảm dòng điện mở
máy xuống bằng 2 lần dòng điện định mức.
22
Đáp số: Imm = 1238A; Rmm = 1,95
BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 1: Động cơ điện một chiều kích từ song song Uđm = 220V; Iđm = 94A; Ikt = 0,65A;
Rƣ = 0,15 ; nđm = 1100vòng/phút.
1) Tính Iưđm. Đáp án nào dưới đây đúng:
a) Iưđm = 94A
b) Iưđm = 94,65A
c) Iưđm = 93,35A
2) Xác định tốc độ động cơ khi U = 180V, cho biết Iư, Ikt và tình trạng mạch từ
không đổi.
Tìm đáp số đúng:
a) 910,6 vòng /phút.
b) 886,4 vòng /phút.
c) 1000 vòng /phút.
3) Khi mở máy động cơ điện một chiều kích từ song song, người ta nối thêm Rmở
vào mạch phần ứng nhằm mục đích sau:
a) Hạn chế dòng mở máy.
b) Tăng momen mở máy.
c) Vừa hạn chế dòng điện mở máy vừa tăng momen mở máy.
d) Để giảm thời gian mở máy.
Câu trả lời nào đúng trong các câu trên?
Câu 2: Máy điện một chiều kích từ độc lập Uđm = 230V, Iđm =100A, Rƣ = 0,1 . Tìm sức
điện động phần ứng Eƣ khi làm việc ở chế độ máy phát và chế độ động cơ.
Chọn phương án đúng:
a) 220V; 240V
b) 241V; 220V
c) 250V;215V
Câu 3: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập I = 100A, U = 240V, Rƣ = 0,1 quay với
tốc độ 1000v/phút. Tìm momen điện từ. Chọn phƣơng án đúng: a) M = 218Nm.
b) M = 350Nm
c) M = 175Nm
Đáp án
Câu 1:
1) c.
2) b.
3) 3a
Câu 2:
b
Câu 3:
a
23
CHƢƠNG II: MÁY BIẾN ÁP 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
2.1.1. Khái niệm chung
Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc
ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ngưòi ta dùng MBA. Ngày nay do việc sử dụng
điện năng phát triển rất rộng rãi nên có những loại MBA khác nhau: MBA 1pha, 2 pha,
3pha,..nhưng chúng dựa trên 1 nguyên lý, đó là nguyên lý cảm ứng điện từ.
2.1.2. Định nghĩa:
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, nguyên lý làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện
từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành hệ thống dòng
điện xoay chiều điện áp khác nhưng có tần số không đổi.
+ Hệ thống đầu vào của MBA (trước lúc biến đổi): U1; I1; f
+ Hệ thống đầu ra của MBA (trước lúc biến đổi): U2; I2; f
+ Đầu vào của MBA nối với nguồn điện được gọi là cuộn sơ cấp (các đại lượng, thông
số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: W1,U1,I1,..)
+ Đầu ra nối với tải gọi là cuộn thứ cấp (các đại lượng và thông số thứ cấp trong ký hiệu
ghi số 2: W2, U2, I2,...)
2.1.3. Phân loại máy biến áp.
Có nhiều cách phân loại máy biến áp:
- Theo loại dòng điện ta chia ra máy biến áp là MBA một pha, ba pha hay nhiều pha.
- Máy biến áp có ít nhất là hai cuộn dây:
+ Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp.
+ Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp.
+ Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp.
+ Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp.
24
- Máy biến áp có điện áp sơ cấp lớn hơn điện áp thứ cấp gọi là máy biến áp giảm áp.
- Máy biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp.
- Máy biến áp có ba cuộn dây (1 cuộn sơ, 2 cuộn thứ)
- Máy biến áp tự ngẫu. (ngoài liên hệ về từ còn liên hệ về điện)
- Máy biến áp đặc biệt như máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp điều
khiển.
2.1.4. Vai trò của máy biến áp.
Để dẫn điện từ Trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây truyền tải.
Hình 2-1: Sơ đồ truyền tải điện năng
- Để truyền tải điện năng đi xa phải dùng các đường dây tải điện có điện áp cao để giảm
tổn thất điện năng trên đường dây. (Điện áp mà các máy phát phát ra bị hạn chế bởi điều
kiện cách điện của máy và thường là 1-21kV). Để tăng điện áp lên cao ta phải dùng máy
biến áp.
- Tại hộ tiêu thụ điện do không thể trực tiếp sử dụng điện áp cao, vì lý do an toàn phải hạ
thấp điện áp xuống 6kv cho các động cơ công nghiệp hoặc 0,4kV, 220V cho các thiết bị
điện dân dụng.
- Để làm được hai điều trên cần phải dùng máy biến áp.
Máy biến áp được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật, máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải
và phân phối năng lượng.
2.1.5. Các đại lƣợng định mức của máy biến áp.
Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện làm việc của máy và do nhà
chế tạo ghi trên biển máy.
- Điện áp định mức: Điện áp sơ cấp định mức ký hiệu là U1đm, là điện áp quy định cho
dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức ký hiệu là U2đm, là điện áp quy định cho dây
quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định
mức. Người ta quy ước, với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy
biến áp 3pha là điện áp dây. Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là V hoặc KV.
- Dòng điện định mức: Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn
của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp
một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến áp 3 pha, dòng điện định
mức là dòng điện dây. Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A. Dòng điện sơ cấp định
mức ký hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm.
- Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định
mức. Công suất định mức ký hiệu là Sđm. Đơn vị là VA, KVA. Đối với máy biến áp một pha
công suất định mức là:
Sđm = U2đm.I2đm = U1đm.I1đm
Đối với máy biến áp ba pha công suất định mức là:
Sđm = 3 U2đm.I2đm = 3 U1đm.I1đm
Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn
mạch, chế độ làm việc,..
2.1.6. Các loại máy biến áp chính.
* Có rất nhiều loại máy biến áp cụ thể như sau:
Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện.
Máy biến áp chuyên dùng sử dụng ở các lò luyện kim, chỉnh lưu, máy biến áp hàn...
Đường dây
truyền tải
MBA tăng áp Hộ tiêu thụ
MBA hạ áp Máy phát điện
25
Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng
bộ có công suất lớn.
Máy biến áp đo lường để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu
chuẩn.
Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao.
2. 2. CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
Máy biến áp một pha có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
2.2.1. Lõi thép máy biến áp: (Mạch từ)
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật
liệu dẫn từ tốt. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện
dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau tạo lõi thép. Lõi thép
gồm hai bộ phận chính là trụ và gông
+ Trụ là nơi để đặt dây quấn.
+ Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
+ Giữa các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.
- Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ
U và chữ E).
+ Máy biến áp kiểu trụ là phần dây quấn bao quanh trụ thép
(loại mba kiểu trụ thưòng dùng trong mba một pha và b3 pha công suất nhỏ và trung
bình)
+ Máy biến áp kiểu bọc là phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao lấy dây quấn.
(thường là mba nhỏ và đặc biệt)
Hình a Hình b
Mạch từ Máy Biến Áp kiểu lõi
a) 1pha; b) 3 pha.
2.2.2. Dây quấn máy biến áp - Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dây mềm, có độ bền cơ
học cao, khó đứt, dẫn điện tốt, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc
cách điện.
- Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các
dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép
Máy biến áp thường có các loại dây quấn sau:
+ Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp.
+ Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp.
+ Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp.
+ Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp.
(Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép, dây
quấn cao áp đặt lồng ra ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách
cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm được kích thước máy biến áp.
26
Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các phụ kiện khác như võ máy, vật liệu cách
điện...vv.
Vỏ máy thường làm bằng kim loại để bảo vệ, cố định máy và làm giá lắp đồng hồ đo, bộ
phận chuyển mạch...
Vật liệu cách điện của máy biến áp làm nhiệm vụ cách điện giữa các vòng dây với nhau,
giữa dây quấn và lõi thép, giữa phần dẫn điện và phần không dẫn điện.
(tuổi thọ máy biến áp phụ thuộc nhiều vào vật liệu cách điện. nếu cách điện không tốt sẽ
gây sự cố cho máy biến áp, nhưng nếu cách điện quá mức sẽ tăng kích thước và tăng giá
thành) Vật liệu cách điện trong máy biến áp công suất nhỏ gồm: giấy cách điện, vải thuỷ
tinh, sơn cách điện. Với máy lớn dùng dầu cách điện....
3.3: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
3.3.1: Nguyên lý làm việc
Xét sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như hình vẽ:
(1) Cuộn sơ cấp (w1vòng).
(2) Cuộn thứ cấp (w2 vòng).
(3) Lõi thép.
(4) Phụ tải
* Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ:
- Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp u1 sẽ có dòng điện sơ
cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1.
- Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép do mạch từ khép kín nên từ
thông này móc vòng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.
- Theo định luật cảm ứng điện từ thì sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây
quấn sơ cấp và thứ cấp suất điện động là:
e1= -w1dt
d(1)
e2= -w2dt
d(2)
- Dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở zt. Dưới tác động của suất điện động e2 cảm
ứng tỉ lệ với số vòng dây w2 sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Lúc đó từ thông
do cả hai dòng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra.
1
2
3
4
27
Như vậy điện áp xoay chiều đã được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.
- Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin nên từ thông cũng biến thiên
theo hình sin: = maxsin t; =2 f.
Thì suất điện động trong các dây quấn sơ cấp (1) và dây quấn thứ cấp(2)là:
e1 = -w1dt
td sinmax = - w1 maxcos t
=2 fw1 maxsin( t- /2) =
= 4,44fw1 max 2 sin( t- /2) = 2 E1sin( t- /2) (3)
e2 = -w2dt
td sinmax = - w2 maxcos t = 2 fw2 maxsin( t- /2) =
= 4,44fw2 max 2 sin( t- /2) = 2 E2sin( t- /2) (4)
Trong đó:
E1 = 2 fw1 max=4.44fw1 max
E2 = 2 fw2 max=4.44fw2 max (là giá trị hiệu dụng của các suất điện động
dây quấn (1) và (2)).
Nhận xét: Từ (3) và (4) ta thấy sức điện động thứ cấp cùng tần số với sơ cấp nhưng trị số
hiệu dụng khác nhau. Tỉ lệ với số vòng dây.
3.3.2. Tỉ số máy biến áp
* Nếu chia E1 cho E2 ta có:
k = 2
1
E
E=
2
1
w
w
2
1
u
u
(nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi U1 E1; U2 E2)
k gọi là hệ số biến đổi của máy biến áp, nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp
đúng bằng tỉ lệ số vòng dây sơ cấp và thứ cấp.
Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các lượng sơ
cấpvà thứ cấp như sau:
U2I2 ≈ U1I1
hoặc 2
1
U
U≈
1
2
I
I
Trường hợp: k>1 tức U1> U2 hay w1> w2 máy biến áp giảm áp
k<1 tức U1< U2 hay w1< w2 máy biến áp tăng áp
Như vậy dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp không liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ
có sự liên hệ về từ mà năng lượng được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.
4.4. CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
4.1.1. Trạng thái không tải.
Trạng thái không tải là trạng thái mà phía thứ cấp hở mạch còn phía sơ cấp đặt vào điện
áp định mức.
a. Sơ đồ thay thế của máy biến áp không tải
Với R1, Rth là điện trở cuộn dây và mạch từ.
X1, Xth là điện kháng cuộn dây và mạch từ.
U1 là điện áp sơ cấp Rth
Xth
U1
Sơ đồ thay thế của MBA không tải
Xn Rn In
28
I0 là dòng điện không tải.
Khi không tải ta có dòng điện thứ cấp bằng không I2=0
b. Các đặc điểm của trạng thái không tải.
- Dòng điện không tải: 2
1
2
1
1
0
10
)()( thth XXRR
U
Z
UI
Tổng trở không tải Z0 thường rất lớn, nên dòng điện không I0 rất nhỏ thường từ (2%-
10%) dòng điện định mức, nên tổn thất trên dây quấn khi không tải rất nhỏ có thể bỏ qua.
- Công suất không tải:
Ở trạng thái không tải công suất đưa ra phía thứ cấp bằng không (vì I2=0), song máy vẫn
tiêu thụ công suất P0. Công suất không tải gồm công suất tổn hao sắt từ Pst trong lõi thép
và công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp PR1. vì dòng điện không tải I0 rất nhỏ có
thể bỏ qua tức là PR1 0.
Vậy công suất không tải chính là công suất tổn hao trên lõi thép P0= Pst.
(tổn thất sắt từ được tính dựa vào đặc tính của thép.....
- Hệ số công suất không tải
Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với công suất tác dụng không tải P0. hệ số
công suất cos lúc không tải rất thấp.
* Từ các đặc điểm trên, khi sử dụng không nên để máy biến áp làm việc ở trạng thái
không tải hoặc non tải.
c. Thí nghiệm không tải của máy biến áp.
Để xác định các thông số như hệ số biến áp k, tổn thất sắt từ và các thông số của máy
biến áp ở trạng thái không tải ta tiến hành thí nghiệm không tải như sơ đồ trên.
Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên, đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp,
thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho biết các số liệu sau:
+ Oát kế chỉ công suất không tải P0= Pst.
+ Ampe kế chỉ dòng điện không tải I0.
+ Vôn kế cho giá trị U1, U20 điện áp sơ cấp và điện áp không tải thứ cấp.
Từ các số liệu trên ta tính được:
+ Hệ số biến áp 20
1
U
Uk
2
1
W
W.
+ Dòng điện không tải phần trăm I0%= %1001
0 xI
I
dm
+ Điện trở không tải 2
0
0
0I
PR .
+ Tổng trở không tải 0
1
0I
UZ dm
+ Điện kháng không tải 2
0
2
00 RZX
Sơ đồ thí nghiệm máy biến áp không tải
V
*
I0
P0
*
U1 U02
A
W
V
29
+ Hệ số công suất không tải cos 0
01
0
.IU
P
dm
=(0,1-0,3)
4.1.2. Trạng thái ngắn mạch của máy biến áp
Trạng thái ngắn mạch là trạng thái khi đặt điện áp vào sơ cấp mà phía thứ cấp được nối
tắt lại (đây là trường hợp sự cố. trong vận hành do nhiều nguyên nhân làm MBA bị ngắn
mạch như hai đầu dây dẫn điện phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau
qua một tổng trở rất nhỏ).
a. Sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch
Với Rn, là điện trở ngắn mạch.
Xn, là điện kháng ngắn mạch.
Zn là tổng trở ngắn mạch
In là dòng điện ngắn mạch.
Dòng điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch In.
b. Đặc điểm của trạng thái ngắn mạch.
Khi đặt điện áp định mức vào sơ cấp, phía thứ cấp được nối tắt ta có dòng điện ngắn
mạch là n
dm
nZ
UI 1 .
Vì tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn từ In=(10-25)Iđm, dòng
điện lớn làm hỏng cách điện gấy hỏng máy biến áp và ảnh hưởng đến các đồ dùng điện.
(Khi phát hiện sự cố hay ngắn mạch cần phải loại máy biến áp ra khỏi lưới điện... Khi sử
dụng máy biến áp cần tránh trạng thái ngắn mạch...)
c. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp
Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và xác định các thông số sơ cấp và thứ cấp ta
tiến hành thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp.
Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên.
- Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp (máy biến áp tự ngẫu), Dây
quấn thứ cấp nối ngắn mạch. Qua bộ điều chỉnh điện áp ta điều chỉnh điện áp đặt vào dây
quấn sơ cấp bằng điện áp Un sao cho dòng điện trong dây quấn bằng dòng điện định mức
(tức I2=I2dm).
Un gọi là điện áp ngắn mạch, được tính theo phần trăm của điện áp sơ cấp định mức:
UN%= %10%3%100.1dm
n
U
U.
- Lúc ngắn mạch điện áp thứ cấp U2=0, do đó điện áp ngắn mạch là điện áp rơi trên tổng
trở dây quấn hay điện áp đọc được trên vônmet chính là tổn thất điện áp khi máy biến áp
mang tải định mức.
- Công suất đo được trên oátmét W chính là tổn thất đồng trên dây quấn sơ cấp và thứ
cấp khi máy biến áp mang tải định mức (Pn).
Do điện áp đặt vào sơ cấp nhỏ nên tổn hao sắt từ nhỏ có thể bỏ qua và Pn= Pđ1+ Pđ2.
Tù thí nghiệm ta tính được các thông số dây quấn trong sơ đồ thay thế.
U1
Sơ đồ thay thế của MBA ngắn mạch
Xn Rn In
Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp
biến áp
V
*
In
Pn
*
Un
A
W
A
điều chỉnh điện
áp
30
- Tổng trở ngắn mạch: dm
n
nI
UZ
1
- Điện trở ngắn mạch: 2
1dm
n
nI
UR
- Điện kháng ngắn mạch: 22
nnn RZX
Để tính thông số dây quấn của máy biến áp, thường dùng các công thức gần đúng sau:
R1 R'2
2
nR, X1 X
'2
2
nX với R
'2, X
'2 là điện trở và điện kháng thứ cấp qui đổi sang sơ cấp.
Biết hệ số biến áp k, tính được thông số thứ cấp chưa qui đổi R2
2
'
2R , X2
2
'
2X
4.1.3. Trạng thái có tải của máy biến áp
Trạng thái có tải là trạng thái trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện áp định mức,
dây quấn thứ cấp nối với tải.
Để đánh giá mức độ mang tải của máy biến áp, ta có hệ số tải của máy biến áp là:
kt=dmdm I
I
I
I
1
1
2
2 trong đó: I1 là dòng điện sơ cấp
I1dm là dòng điện sơ cấp định mức
kt là hệ số tải.
Khi kt=1 máy biến áp mang tải định mức.
Khi kt<1 máy biến áp non tải.
Khi kt>1 máy biến áp quá tải.
- Tổn hao điện áp:
Điện áp thứ cấp khi có tải là U2, điện áp thứ cấp khi không tải là U20.
Lượng tổn thất điện áp là U=U20-U2 hay(=U2dm-U2)
Tổn thất điện áp tính theo phần trăm %.
U%= %100.20
220
U
UU hay U%= %100.
2
22
dm
dm
U
UU
- Tổn hao công suất: Khi máy biến áp làm việc có các tổn hao sau:
+ Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng Pđ. Tổn hao
đồng phụ thuộc vào dòng điện tải Pđ=I12.R1+I2
2.R2 (với R1,R2 là điện trở dây quấn sơ cấp
và thứ cấp) hay Pđ=kt2. Pn
+ Tổn hao sắt Pst trong lõi thép, do dòng điện xoáy và từ trể gây ra. Tổn hao sắt từ
không phụ thuộc vào dòng điện tải mà phụ thuộc vào từ thông chính nghĩa là phụ thuộc vào
điện áp Pst=P0 (Tổn hao sắt bằng tổn hao không tải)
+ Hiệu suất máy biến áp là
dst PPP
P
P
P
2
2
1
2 (với P2 là công suất tác dụng ở đầu ra)
4.5. MÁY BIẾN ÁP BA PHA
4.5.1. Cấu tạo.
Cấu tạo gồm các bộ phận chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy
- Lõi thép máy biến áp ba pha gồm ba trụ
- Dây quấn:
Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa
Pha A kí hiệu là AX, kí hiệu đầu đầu là A,B,C
Pha B kí hiệu là BX, kí hiệu đầu cuối là X,Y,Z
Pha C kí hiệu là CX
Dây quấn thứ cấp kí hiệu bằng chũ thường.
Pha a kí hiệu là ax, kí hiệu đầu đầu là a,b,c Lõi thép máy biến áp ba pha
31
Pha b kí hiệu là bx, kí hiệu đầu cuối là x,y,z.
Pha c kí hiệu là cx
Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối sao hoặc nối tam giác
- Khi nối sao điện áp sẽ giảm đi 3 lần, giảm chi phí về cách điện.
- Khi nối tam giác dòng điện sẽ giảm đi 3 lần, giảm tiết diện dây.
- Với máy biến áp tăng áp thường được nối sao-tam giác / .
- Với máy biến áp giảm áp thường được nối sao-tam giác / .
-Thùng dầu máy biến áp với các máy biến áp dầu, thùng dầu của máy biến áp làm cho
quá trình toả nhiệt được thuận lợi, với các máy lớn các thùng dầu có cánh tản nhiệt.
-Trên nắp thùng dầu máy biến áp có gắn sứ cao áp và hạ áp, bình dầu phụ, ống bảo
hiểm, rơle hơi, bộ điều chỉnh điện áp...
4.5.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha tương tự như nguyên lý làm việc của máy
biến áp một pha.
Gọi w1 là số vòng dây pha một pha sơ cấp
Gọi w2 là số vòng dây một pha thứ cấp
Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là 2
1
2
1
w
w
U
Uk
p
p
Tỷ số máy biến áp ba pha không chỉ phụ thuộc vào số vòng dây mà còn phụ thuộc vào
cách đấu nối ba pha là nối sao hay tam giác .
Ví dụ: Khi nối / ta có: 2
1
2
1
2
1
3
3
w
w
U
U
U
Uk
p
p
d
d
Khi nối / ta có: 2
1
2
1
2
1 33
w
w
U
U
U
Uk
p
p
d
d
Khi nối / ta có: 2
1
2
1
2
1
3
1
3 w
w
U
U
U
Uk
p
p
d
d
* Chú ý: Khi sử dụng máy biến áp ba pha thì đại lượng điện áo, dòng điện ghi trên nhãn
máy là điện áp dây, dòng điện dây, công suất định mức, tổn hao không tải... là các đại lượng
viết cho ba pha.
4.5.3. Tổ nối dây của máy biến áp ba pha.
Khái niệm chung
Để các MBA ba pha có thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với
nhau theo một quy luật nhất định. Ngoài ra, việc phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu
dây quấn thứ cấp cũng được hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa khi thiết kế
MBA, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiểu kết cấu của mạch từ để
tránh những hiện tượng không tốt như Sđđ không sin, tổn hao phụ tăng,..
c
x
a b
y z
w1 w2
Y Z
C
X
A B
32
- Để nghiên cứu tổ nối dây MBA, trước hết ta xét đến ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây
quấn pha với nhau.
a. Cách ký hiệu các đầu dây.
- Một cuộn dây của máy biến áp có hai đầu tận cùng: Đầu đầu; đầu cuối.
Đối với dây quấn MBA một pha: do phía cao áp và hạ áp chỉ có một cuộn dây nên
đầu đầu hoặc đầu cuối tuỳ ý chọn.
Đối với dây quấn MBA ba pha: do phía cao áp có ba cuộn dây của ba pha nên ta phải
chọn đầu đầu và đầu cuối 1 cách thống nhất theo một chiều nhất định, nếu không điện áp ra
của ba pha sẽ không đối xứng.
Ví dụ: Pha A ta chọn đầu đầu là đầu A và đầu cuối là X sao cho đi từ A đến X theo chiều
kim đồng hồ thì dây quấn các pha B, C còn lại cũng phải được chọn như vậy.
Đánh dấu đầu dây MBA
Đánh dấu các đầu dây tận cùng của máy biến áp như sau:
Các đầu tận cùng Dây quấn cao áp Dây quấn hạ áp
Đầu đầu A, B, C a, b, c
Đầu cuối X, Y, Z x, y, z
b. Các kiểu đấu dây quấn.
Trong máy biến áp ba pha các cuộn dây có thể nối hình sao hay nối hình tam giác.
- Nối hình sao ( ) là đem ba đầu cuối X, Y, Z nối chung lại và ba đầu đầu A, B, C còn lại
để tự do.
- Nối hình tam giác ( ) thì cuối của pha này đước nối với đầu của pha kia
Cách đấu dây quấn cao áp và hạ áp ở trong MBA thường được ký hiệu như sau: Ví dụ
MBA đấu / có nghĩa là dây quấn cao áp đấu và dây quấn hạ áp đấu
33
c. Tổ nối dây của máy biến áp
- Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so
với kiểu đấu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và dây thứ cấp
và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Chiều quấn dây
+ Cách ký hiệu các đầu dây ra
+ Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp.
* Xét MBA một pha có hai dây quấn: sơ cấp: AX; thứ cấp: ax. Các trường hợp xảy ra như
sau:
+ Hai dây quấn cùng chiều và ký hiệu tương ứng (hình a)
+ Hai dây quấn ngược chiều (hình b)
+ Đổi chiều ký hiệu một trong hai dây quấn (hình c)
Tổ nối dây của MBA 1 pha: kể từ vectơ sđđ sơ cấp đến véctơ sđđ thứ cấp theo chiều kim
đồng hồ.
+ Trường hợp a: lệch pha 3600
+ Trường hợp b: lệch pha 1800
* Tổ nối dây của MBA 3 pha: Ở máy biến áp 3 pha, do nối và với những thứ tự khác
nhau mà góc lệch pha giữa s.đ.đ sơ cấp và s.đ.đ thứ cấp lệch pha nhau là 300, 60
0,
900.....360
0.
- Trong thực tế dùng kim đồng hồ để biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách biểu thị
như sau:
+Kim dài cố định ở con số 12, chỉ s.đ.đ sơ cấp.
+Kim ngắn chỉ 1,2,3,..12 ứng với 300, 60
0, 90
0.....360
0 chỉ s.đ.đ thứ cấp.
Trường hợp máy biến áp một pha:
+ Trường hợp a: I/I-12.
+ Trường hợp b, c: I/I-6.
34
Trường hợp máy biến áp ba pha có 12 tổ nối dây:
+ Máy biến áp ba pha nối Y/Y:
Ví dụ một MBA ba pha có dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối hình sao, cùng chiều quấn dây
và cùng ký hiệu các đầu dây thì véctơ s.đ.đ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng pha nhau
và góc lệch pha giữa hai điện áp này là 3600 hay O
0 ta nói MBA thuộc tổ nối dây 12 và ký
hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. Để nguyên dây quân sơ cấp, dịch dây quấn thứ a→b, b→c,
c→a, ta có tổ nối dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ nối dây Y/Y-8. Nếu ta đổi chiều
dây quấn ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2. Ta có tổ nối dây chẵn
+ Máy biến áp ba pha nối Y/Δ:
Ví dụ cũng MBA ba pha có dây quấn sơ cấp nối sao và dây quấn thứ cấp nối tam giác,
cùng chiều dây quấn và cùng ký hiệu các đầu dây thì véctơ s.đ.đ pha giữa hai dây quấn hoàn
toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 3300. Ta nói MBA thuộc tổ
nối dây 11 và ký hiệu Y/Δ-11. Để nguyên dây quân sơ cấp, dịch dây quấn thứ a→b, b→c,
c→a, ta có tổ nối dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ nối dây Y/Δ-7. Nếu ta đổi chiều
dây quấn ta có tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1. Ta có tổ nối dây lẽ.
Tổ nối dây Y/Δ-11
Sản xuất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác nhau rất bất tiện khi chế tạo và sử dụng,
vì thế trên thực tế ở nước ta cũng như trên thế giới chỉ sản xuất các máy biến áp điện lực
thuộc các tổ nối dây sau: Máy biến áp một pha có tổ I/I-12; máy biến áp ba pha có các tổ
Y/Y-12 và Y/Δ-11. Phạm vi ứng dụng của chúng được ghi trong bảng dưới đây:
Tổ nối dây Điện áp Dung lượng của
MBA (kVA) CA(kV) HA(V)
Y/Y-12 ≤ 35 230 ≤630
EAB
Eab
3600
EAB
Eab
A
B
C X
Z
Y
ay
cx bz
35
Y/Δ-11
Y/Δ-11
≤ 35
≥110
400
525
≥315
≤2500
≤2500
≥4000
4. 6 : ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP BA PHA
4.6.1. Lý do nối máy biến áp làm việc song song.
- Công suất lưới điện lớn hơn nhiều công suất của mỗi máy, (nếu máy biến áp với dung
lượng quá lớn thì việc chế tạo, vận chuyển gặp nhiều khó khăn).
- Tăng thêm độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải khi xảy ra sự cố hỏng hóc, hoặc
bảo dưỡng máy biến áp.
- Vận hành các máy biến áp một cách kinh tê nhất.
4.6.2. Điều kiện máy biến áp làm việc song song.
- Muốn cho các máy biến áp làm việc song song tốt nhất cần bảo đảm các điều kiện sau:
+ Cùng tổ nối dây.
+ Cùng tỉ số máy biến áp.
+ Cùng điện áp ngắn mạch.
- Ta đi vào xét ảnh hưởng riêng rẽ của từng điều kiện kể trên với sự làm việc song song
của các máy biến áp.
a. Điều kiện cùng tổ nối dây.
- Các máy biến áp làm việc song song phải cùng tổ nối dây nhằm đảm bảo điện áp thứ cấp sẽ cùng pha nhau.
- Nếu khác tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau, sự lệch pha này phụ thuộc tổ nối dây.
Ví dụ: Nối hai máy biến áp làm việc song song: Máy I có tổ nối dây Y/ -11 và máy II tổ nối
dây Y/Y-12. Thì điện áp thứ cấp của hai máy biến áp sẽ lệch pha nhau 300.
Trong mạch nối liền các dây quấn thú cấp sẽ xuất hiện một dòng điện Icb chạy quẩn
trong máy biến áp làm phá hỏng máy biến áp.
* Chú ý: Để đảm bảo điều kiện này có thể đổi ký hiệu của hai hoặc đấu lại các đầu dây của
máy biến áp thì ta có thể biến các máy biến áp không cùng tổ nối dây trở thành có tổ nối dây
giống nhau và có thể làm việc song song được.
b. Cùng tỉ số máy biến áp.
kI = kII
+ kI: Hệ số máy biến áp I.
+ Hệ số máy biến áp II.
- Có nghĩa là:
U2I = U2II
Trong đó:
+ U1I, U1II: Điện áp sơ cấp định mức tương ứng của các máy I, máy II
+ U2I, U2II: Điện áp thứ cấp định mức tương ứng của các máy I, máy II
- Trong thực tế cho phép hệ số máy biến áp khác nhau không quá 0,5%
c. Điện áp ngắn mạch các máy biến áp bằng nhau.
UnI% = UnII%
U2I U2II
36
Trong đó:
+ UnI% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy I.
+ UnII% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy II
- Cần đảm bảo điều kiện này để tải phân bố trên các máy tỉ lệ với công suất của chúng.
- Nếu điều kiên 3 không được bảo đảm ví dụ: UnI% < UnII% thì máy I nhận tải định mức
máy II còn non tải.
Thật vậy:
+ Dòng điện máy I đạt định mức IIđm thì điện áp rơi trên máy I là I1đmznI;
+ Dòng điện trong máy II là III thì điện áp rơi trong máy II là: IIIznII.
Vì hai máy làm việc song song nên điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau. Ta có:
I1đmznI = IIIznII.(1)
Mặt khác: UnI% < UnII%. Do đó:
I1đmznI < IIIđmznII (2)
(1), (2) Suy ra: IIIznII< IIIđmznII hay III< IIIđm.
Dòng trong máy II nhỏ hơn định mức vậy máy II còn non tải trong khi máy I đã định mức.
- Nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải.
* Chú ý:
- Un% xác định từ thí nghiệm ngắn mạch MBA và thường được cho kèm theo
- Un của các MBA không được khác nhau quá 10% và tỷ lệ dung lượng máy vào khoảng
3:1
4. 7. CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT
4.7.1. Máy biến áp tự ngẫu.
- Trong trường hợp điện áp của các lưới điện khác nhau không nhiều, tức là tỉ số biến
đổi điện áp nhỏ để được kinh tế hơn về chế tạo người ta thường dùng các máy biến áp tự
ngẫu.
a. Cấu tạo:
Cấu tạo giống máy biến áp thong thườn gồm mạch từ và dây quấn.
Là loại máy biến áp trong đó cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng chung một cuộn dây. Hình bên.
- Cuộn sơ cấp AX có số vòng W1.
- Cuộn thứ cấp aX có số vòng W2.
- Cuộn sơ cấp và thứ cấp lien hệ trực tiếp về điện. Ngoài ra, cũng như các máy biến áp khác liên hệ trực tiếp nhau về từ.
- Cuộn sơ cấp nối song song với nguồn, cuộn thứ cấp nối tiếp với tải.
- Tỉ số máy biến áp tự ngẫu.
-K <2,5 dùng để nối các lưới điện khác nhau không nhiều.
b.Công dụng của máy biến áp tự ngẫu
+ Dùng để liên lạc giữa các hệ thống điện có điện áp khác nhau không nhiều.
A
U1˜ W1
W2 U1˜ Zt
a
X
37
+ Dùng để mở máy các động cơ KĐB công suất lớn.
+ Dùng làm nguồn các thiết bị điện sinh hoạt.
+ Dùng ở các phòng thí nghiệm để có thể thay đổi điện áp liên tục.
c.Ưu nhược điểm.
- Ưu điểm:
+ Giá thành rẻ hơn máy biến áp hai dây quấn cùng công suất.
+ Tổn hao lúc vận hành MBA tự ngẫu nhỏ.
+ Un của máy biến áp tự ngẫu nhỏ.
+ Sụt áp trong MBA TN nhỏ.
- Nhược điểm:
+ Un nhỏ In lớn.
+ Khi vận hành trong lưới điện trung tính không an toàn.
+ Yêu cầu cách điện cao.
4.7.2. Máy biến áp đo lƣờng.
a. Máy biến điện áp.
- Dùng để biến đổi điện áp cao điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển (1÷100V)
- Máy biến điện áp thường có công suất 25 1000VA.
Cấu tạo:
Máy biến điện áp có cấu tạo gồm 1 mạch từ bằng thép lá kỹ thuật điện trên mạch từ có
quấn dây.
- Dây quấn sơ cấp W1 gồm nhiều vòng dây có tiết diện dây nhỏ được mắc song song với
nguồn điện áp cần đo.
- Dây quấn thứ cấp W2 gồm ít vòng hơn được nối với các dụng cụ đo như vônkế, tần số
kế hoặc các cuộn dây rơle.
Tỉ số biến áp của máy: k = 2
1
2
1
W
W
U
U
- Các máy biến điện áp thường chế tạo công suất từ (25 ÷ 1000)VA, điện áp thứ cấp phù
hợp với dụng cụ đo tiêu chuẩn (1 ÷ 100)V.
Nguyên lý làm việc
Máy biến áp đo lường nguyên lý giống các máy biến áp thông thường nhưng chỉ khác là
người ta quy ước chế tạo điện áp ra thứ cấp là 100V.
- Các dụng cụ đo như (V), (Hz), cuộn áp của một số đồng hồ khác mắc vào cuộn thứ cấp
của máy biến điện áp, mà tổng trở các dụng cụ này rất lớn nên máy biến điện áp chế tạo ở
trạng thái làm việc không tải. Vì vậy, trong quá trình sử dụng không được nối ngắn mạch
thứ cấp nó sẽ làm cho dòng điện sơ cấp rất lớn gây nên sự cố ngắn mạch.
38
b. Máy biến dòng điện.
- Máy biến dòng để biến đổi dòng điện có giá trị lớn xuống dòng nhỏ để đo lường bằng
các dụng cụ đo thông dụng hoặc dùng cho cuộn dây của rơle dòng (như các đồng hồ ampe
kế (A); đồng hồ Oátkế (W); đồng hồ công tơ (KWh) hoặc một số rơle dòng dùng để bảo vệ).
Cấu tạo:
- Gồm mạch từ bằng thép kỹ thuật điện cách điện lại với nhau thành hình xuyến hoặc
hình chữ nhật có hai cuộn dây.
+ Dây sơ cấp: Có ít vòng dây, đường kính dây lớn, cuộn sơ cấp được mắc nối tiếp với
mạch cần đo dòng.
+ Cuộn thứ cấp: Gồm nhiều vòng dây, đường kính dây bé hơn, để thuận tiện người ta
thường chế tạo cuộn thứ cấp có dòng điện là 5A. Cuộn thứ cấp được nối tiếp với các dụng
cụ đo như Ampe kế, cuộn dòng của oátkế, hay công tơ,…
Ký hiệu:
Nguyên lý
Máy biến dòng làm việc theo nguyên tắc biến áp và chế độ làm việc bình thường của
máy biến dòng là ngắn mạch thứ cấp hoặc tải thứ cấp có điện trở rất nhỏ ≈ 0.
- Tỉ số biến áp k = 2
1
2
1
W
W
I
I
- Vì tổng trở của các dụng cụ đo như Ampe (A), cuộn dòng của (W), KWh…rất bé nên
máy biến dòng được chế tạo để làm việc ở trạng thái như ngắn mạch. Do đó khi sử dụng
không được để thứ cấp hở mạch vì khi đó I2 = 0, dòng điện từ hoá sẽ rất lớn, mạch từ bão
hoà nghiêm trọng làm nóng máy, sẽ làm cháy dây quấn. Mà cuộn thứ cấp rất nhiều vòng nên
xuất hiện những xung điện áp lớn, gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Như vậy, khi sử dụng máy biến dòng tuyệt đối không được để thứ cấp hở mạch.
- Các máy biến dòng thường chế tạo với công suất từ (5 ÷100)VA.
- Hệ số biến dòng ghi trên nhãn là trị số dòng điện sơ cấp định mức trên trị số dòng điện
thứ cấp định mức.
Ví dụ: 5
100;
5
200;
5
300,…
4.7.3. MAÏY BIÃÚN AÏP HAÌN HÄÖ QUANG
- Máy biến áp hàn dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang. Máy được chế tạo có điện
kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngoài K để hạn chế dòng điện hàn.
Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng K rồi
nối tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn.
- Máy biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch. Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp
hàn thường 60-70V.
39
+ Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc.
+ Khi nhấc que hàn cách tấm kim loại một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm
ion hoá chất khí, sinh hồ quang và toả nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn. Để điều
chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây của dây quấn thứ máy biến áp hàn hoặc
thay đổi điện kháng ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép K.
Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp.
2. Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch.
3. Cách xác định thông số máy biến áp bằng số liệu thí nghiệm.
MỘT SỐ BÀI TẬP MẪU
Bài 1:
Máy biến áp một pha mạch từ lõi thép. Cuộn cao áp có Wca = 296 vòng, điện áp định mức
cuộn cao áp Uca = 220V, điện áp định mức cuộn hạ áp Uha = 110V. Tính số vòng dây cuộn
hạ áp.
Bài giải
Số vòng dây cuộn hạ áp
Wha = Wca
ca
ha
U
U = 296.
220
110 = 148 vòng.
Bài 2:
Thông số của Máy biến áp một pha: Sđm= 25kVA; U1đm = 380V; U2đm = 127V, điện áp ngắn
mạch phần trăm un %= 4%
a) Tính dòng điện định mức.
b) Tính dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức và 70% định mức vào cuộn cao
áp, cuộn hạ áp ngắn mạch.
c) Tính dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức vào cuộn hạ pá, cuộn cao áp
ngắn mạch.
Bài giải
a) Dòng điện định mức trong hai dây quấn:
I1đm = dm
dm
U
S
1
= 380
10.25 3
=65,79A
I2đm = dm
dm
U
S
2
= 127
10.25 3
=196,85A
b) Khi đặt điện áp định mức 380V vào cuộn cao áp, cuộn hạ áp ngắn mạch.
Gọi U1n là điện áp ngắn mạch khi thí nghiệm với dòng điện định mức
Dòng điện ngắn mạch ở cuộn sơ cấp khi đặt điện áp định mức vào cuộn sơ cấp là :
I1n = I1đm
n
dm
U
U
1
1 =
dm
n
dm
U
U
I
1
1
1 = n
dm
U
I1 (trong đó Un = dm
n
U
U
1
1 )
Dòng điện ngắn mạch trong cuộn thứ cấp
40
I2n = nIw
w1
2
1 = 2
1
w
w
n
dm
U
I1 = n
dm
U
I 2
Tổng quát ta có:
In = n
dm
U
I (1)
Thay số vào ta có:
Khi đặt điện áp định mức:
I1n = n
dm
U
I1 = 04,0
79,65=1644,75A
I2n = n
dm
U
I 2 = 04,0
85,196=4927A
Khi đặt điện áp 70% định mức
I1n = 1644,75100
70=1151,32A
I2n = 4927100
70=3448,9A
c) Khi đặt điện áp định mức 127V vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch.
Áp dụng công thức (1) ta được kết quả như trên nghĩa là dòng điện ngắn mạch trong mỗi
dây quấn vẫn không đổi dù ngắn mạch ở phía nào.
Từ công thức (1): In = n
dm
U
Icho thấy rằng, máy biến áp có un nhỏ, dòng điện ngắn mạch lớn,
với un = 0,04 dòng điện ngắn mạch lớn hơn dòng điện định mức là 25lần.
Bài 3: Máy biến áp một pha Sđm= 2500VA; U1đm = 220V; U2đm = 127V. Thí nghiệm không
tải: U10 = 220V; I10 = 1,4A; P10 = 30W. Thí nghiệm ngắn mạch: I1n = I1đm = 11,35A; U1n =
8,8V; P1n = 80W.
a) Tính các thông số sơ đồ thay thế.
b) Khi tải R, L có cos t = 0,8. Xác định hiệu suất và điện áp thứ cấp khi hệ số tải k1 =1 ; 0,5
Bài giải
a) + Điện trở nhánh từ hóa
Rth = 2
102
10
4,1
30
I
P = 15,3
+ Tổng trở nhánh từ hóa:
Zth = 4,1
220
10
10
I
U = 157
+ Điện kháng nhánh từ hóa
Xth = 22223,15157thth RZ = 156,25
+ Điện trở ngắn mạch
Rn = R1 + R’2 =
n
n
I
P
12
1 = 2)35,11(
80 = 0,621
+ Tổng trở ngắn mạch
Zn = n
n
I
U
1
1 = 35,11
8,8= 0,775
+ Điện kháng ngắn mạch
41
Xn = 2222621,0775,0nn RZ = 0,46
+ Coi R1 R’2 , X1 X
’2
R1 = R’2 =
2
nR= 0,31
X1 = X’2 =
2
nX= 0,23
Hệ số biến áp k = dm
dm
U
U
w
w
2
1
2
1 = 127
2201,73
Thông số dây quấn thứ cấp chưa quy đổi
R2 = 2
2'
k
R=
273,1
31,0= 0,1
X2 = 2
2'
k
X=
273,1
23,0= 0,077
b) Hiệu suất máy biến áp khi định mức
= ntdm
tdm
PPS
S
0cos
cos =
80308,0.2500
8,0.2500 = 0,948
+ Khi hệ số tải kt = 0,5
= ntdmt
tdmt
PkPSk
Sk2
0cos
cos =
80.5,0308,0.2500.5,0
8,0.2500.5,02
= 0,952
Un% = %4%100220
8,8
Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm
U2% = kt(UnR%cos t + UnX%sin t)
Trong đó
UnR% = UnR%cos n = 4%.0,8 = 3,2%
UnX% = UnX%sin n = 4%.0,6 = 2,4%
cos n = 8,035,11.8,8
80
11
1
nn
n
IU
P
sin n = n
2cos1 =0,6
Thay số
+Khi kt = 1; cos n = 0,8 ; sin n = 0,6
U2% = 1(3,2%.0,8 + 2,4%.0,6) = 4%
U2 = 4%U2dm = V1,5127.100
4
U2 = U2dm - U2 = 127 – 5,1 = 121,9V
+Khi kt = 0,5; cos n = 0,8 ; sin n = 0,6
U2% = 0,5(3,2%.0,8 + 2,4%.0,6) = 2%
U2 = 2%U2dm = V55,2127.100
2
U2 = U2dm - U2 = 127 – 2,55 = 124,45V
BÀI TẬP HỌC SINH TỰ LÀM
Bài 1:
Máy biến áp một pha Sđm=150KVA; U1đm = 2400V; U2đm = 240V. R1= 0,2 ; X1 = 0,45 ;
R2= 2m ; X2 = 4,5m ;
42
a) Tính Rn, Xn, I1dm, I2dm
b) Tính Pn, Po biết rằng khi cos t = 0,8, hệ số tải Kt = 1, hiệu suất = 0,982.
Bài 2:
Một máy biến áp ba pha 11000/415V
Biết điện áp mỗi vòng dây 4V
Tính số vòng sơ cấp và thứ cấp trong các trường hợp:
a) Nối Y/Y
b) Nối /Y
Bài 3:
Máy biến áp ba pha Sdm = 160kVA; U1dm = 15kV; U2dm = 400V; P0 = 460W; Pn = 2350W;
Y/Y – 12. Cho biết Coi R1 R’2 , X1 X
’2
a) Tính I1dm, Rn, R1, R2, X1, X2
b) Tính hiệu suất khi kt = 1, cos t = 0,8.
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
Câu 1: Máy biến áp một pha 150kVA; U2đm = 2410V, R1 = 0,2 ; R2 = 2m ; X1 =
0,45 ; X2 = 4,5m ; 10W
W
2
1 .
1) Tính điện áp sơ cấp U1 khi U2 = 230V; I2 = I2đm; cos 1 = 0,8 (có tính cảm). đáp số
nào sau đây đúng?
a) U1 = 2300V;
b) U1 = 2350V;
c) U1 = 2600V.
2) Giữ điện áp sơ cấp U1 không đổi, giảm số vòng dây sơ cấp W1, số vòng dây W2 và tải
không đổi. Câu phát biểu nào dưới đây sai?
A. I1 tăng
B. U2 tăng.
C. I2 tăng.
D. P1 giảm.
Câu 2: Một máy biến áp ba pha 50kVA, /Y0 – 11; 10/0,38kV.
1) Câu giải thích nào dưới đây sai?
a) Sđm = 50kVA;
b) U1đm = 10kV; U2đm = 0,38kV
c) Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao có trung tính;
d) Tỷ số vòng dây 2
1
W
W = 26,32;
e) Góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 3300.
2) Khi máy biến áp làm việc với tải định mức và cos t = 1, hiệu suất của máy % =
97,46%. Khi máy làm việc với hệ số tải kt = 0,5 và cos t = 1, hiệu suất của máy %
= 97,27%. Tính Pn và Po cua máy biến áp. Tìm đáp án sai:
a) Po = 500W
b) Pn = 500W
c) Pn = 800W
3) Hiệu suất của máy biến áp phụ thuộc vào hệ số tải và cos t. Câu phát biểu nào dưới
đây sai?
a) Hiệu suất cực đại khi tổn hao sắt từ bằng tổn hao đồng.
b) Hiệu suất cực đại khi hệ số tải bằng nP
P0
c) Khi làm việc với cos t cao, hiệu suất của máy sẽ cao hơn khi cos t thấp.
43
d) Hiệu suất của máy chỉ phụ thuộc vào thông số dây quấn, không phụ thuộc vào vật
liệu chế tạo lõi thép.
Câu 3: Máy biến áp một pha Sđm = 100kVA, 7200/240 V có số liệu thí nghiệm không tải
và ngắn mạch nhƣ sau:
U0 = 7200V, I0 = 0,65A, Po = 425W
Un = 250V, In = 13,89A, Pn = 1420W
Tìm thông số của sơ đồ thay thế và hiệu suất của máy biến áp? Khi cos t = 1, hệ số
tải kt = 1. Chọn phương án đúng :
a) R0 = 7,36 . Xn = 16,43 , = 0,98
b) R0 = 5,20 . Xn = 10,35 , = 0,96
c) R0 = 8,25 . Xn = 25,50 , = 0,95
Đáp án
Câu 1:
1) b
2) d
Câu 2 :
1) d
2) b
3) d
Câu 3 : a.
44
CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
I. Khái niêm chung:
- Máy điện KĐB (không đồng bộ) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ
trường n1.
- MĐKĐB làm việc ở hai chế độ: Chế độ máy phát và chế độ động cơ KĐB.
+ Máy phát KĐB có đặc tính làm việc không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ,nên
ít được dùng.
+ Động cơ KĐB so với các loại động cơ khác có cấu tạo và cận hành không phức tạp,
giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Dưới đây
ta chỉ xét động cơ KĐB. Động cơ KĐB có các loại: động cơ 1 pha, 2 pha, 3 pha.
+Các động cơ KĐB có công suất lớn trên 600W thường là loại 3 pha có 3 dây quấn làm
việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian 1 góc 1200. Các động cơ có công suất
nhỏ dưới 600W thường là loại động cơ 2 pha hoặc 1pha. Động cơ 2 pha có 2 dây quấn làm
việc, trục của 2 dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện. Động cơ điện
1pha chỉ có 1 dây quấn làm việc.
* Các số liệu định mức của Động cơ KĐB là:
- Công suất cơ có ích trên trục: Pđm
- Điện áp dây Stato: U1đm
- Dòng điện dây Stato: I1đm
- Tần số dòng điện stato: f
- Tốc độ quay rôto: nđm
- Hệ số công suất: cos đm
- Hiệu suất: đm
II. Kết cấu:
Cấu tạo của Máy điện KĐB Rôto lồng sóc gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rôto,
ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy, trục máy. Trục máy làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ
bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.
45
Rôto
Stato
Hình 1
1. Stato: (Phần tĩnh)
Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có vỏ và nắp
máy.
a. Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để
giảm tổn hao, lõi thép stato hình trụ, làm bằng những lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh
bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục, mỗi lá thép kỹ thuật điện
đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Lõi thép
được ép vào trong vỏ máy.
b. Dây quấn:
Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh
của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ
trường quay.
2. Rôto (phần quay)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
a. Lõi thép:
Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện như ở stato được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo
thành các rãnh theo hướng trục ở giữa có lỗ để lắp trục.
b. Dây quấn: Dây quấn Rôto của MĐKĐB có hai kiểu: rôto ngắn mạch(còn gọi là rôto lồng
sóc) và rôto dây quấn.
*Loại rôto lồng sóc: có công duất trên 100KW, trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các
thanh đồng hay thanh nhôm được nối ngắn mạch ở hai đầu
Hình 2: Rôto lồng sóc
+ Với động cơ nhỏ, dây quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch,
cánh tản nhiệt, và cách quạt làm mát
46
Hình 3:
+ Động cơ điện có rôto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc được ký hiệu như sau:
* Loại rôto dây quấn: Trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rôto
thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto và được
cách điện với trục. Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với
3 vòng tiếp xúc, đồng thời nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.
Loại động cơ này gọi là động cơ KĐB rôto dây quấn.
* Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ rôto
dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém
tin cậy hoen động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được
các yêu cầu về truyền động.
III: Nguyên lý làm việc của Máy điện KĐB:
1: Nguyên lý làm việc của động cơ điện KĐB:(Động cơ KĐB 3pha rôto lồng sóc)
Động cơ KĐB Rôto lồng sóc là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rôto chậm
hơn so với tốc độ quay của từ trường Stato. Stato được quấn các cuộn dây lệch nhau về
không gian (thường 3 cuộn dây lệch nhau 1200)
Khi ta cho dòng điện ba pha trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ
trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p ( f1 là tần số của lưới điện, p là số đôi cực từ của máy, n1
là tốc độ từ trường quay). Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto,cảm ứng
trong dây quấn rôto các sức điện động E2. Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện
động cảm ứng này sẽ sinh ra dòng I2 trong các thanh dẫn rôto. Trong miền từ trường do
stato tạo ra, thanh dẫn mang dòng I2 sẽ chịu tác dụng lực điện từ Fđt. Tương tác giữa từ
trường của rôto và stato gây ra Momen kéo Rôto chuyển động theo từ trường quay của Stato
Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở và của rôto n như hình trên. Theo
quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định
được lực Fđt và mômen M. Ta thấy 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 n1, Chuyển động quay của Rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng
để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Như vậy máy việc ở chế
độ động cơ điện.
N
.
+ n1
Fđt
N
47
Hình 4: Quá trình tạo Mômen của Động cơ điện không đồng bộ.
2. Nguyên lý làm việc của Máy phát điện KĐB:
Nếu bây giờ Stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rôto không nối với tải mà nối với
1động cơ sơ cấp. Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto quay cùng chiều với n1 (với n>n1). Lúc này
dòng điện I2 ngược lại với chế độ động cơ và Fđt đổi chiều. Fđt tác dụng lên rôto ngược với
chiều quay gây ra momen hãm cân bằng với Mq độn cơ sơ cấp. MĐiện làm việc ở chế độ
máy phát.
-Hệ số trượt là:
S = 01
1
n
nn
Nếu từ trường quay cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rôto được biến thành điện năng ở Stato.
Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát KĐB 1 công suất phản
kháng Q (vì thế làm chp hệ số cos của lưới điện thấp đi, khi máy làm việc riêng lẻ, ta phải
dùng tụ điện nối ở đầu cực máy để kích từ cho máy.
Đó là nhược điểm của Máy phát KĐB vì thế ít khi dùng Máy phát KĐB.
3. Công dụng của động cơ điện không đồng bộ 3 pha:
Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ KĐB
là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ
vàig chục đến hanhg nghìn KW
- Trong công nghiệp: làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực
cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ,..
- Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.
- Trong đời sống hằng ngày: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh,…
Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hằng
ngày, phạm vi ứng dụng của động cơ điện KĐB ngày càng rộng rãi.
IV. TỪ TRƢỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.
1. Từ trƣờng của dây quấn một pha.
Xét dây quấn một pha được đặt trong bốn rãnh của stato. Dòng điện chạy trong dây quấn là
dòng điện một pha i=Imaxsin t, từ trường của dây quấn ,một pha là từ trường có phương
không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian.
Gọi p là số đôi cực, ta có thể tạo dây quấn để tạo ra từ trường một, hai hoặc có p đôi cực.
Ví dụ P=1. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato.
1 2 3 4
A 1
2
3
4
X
S
N
.
+
n1
Fđt
Fđt
N
S
48
Ví dụ P=2. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato.
Xét một máy điện xoay chiều có i=Imax sin t. với =2 f=2 /T (T là chu kỳ dòng điện)
Xét trong 1/2 chu kỳ của dòng điện từ (0-T/2). (hình vẽ)
Hai phần tử dây quấn (1-2) và (3-4) có dòng điện xoay chiều i=Imax sin t chạy qua sơ đồ
nối dây các phần tử (hình a)
Giả sử ban đầu trong nữa chu kỳ của dòng điện (0-T/2) ta có dòng điện chạy trong dây dẫn
dương.
* Quy ước dòng điện chạy trong dây dẫn dương là , ngược lại chạy trong dây dẫn âm là -
căn cứ chiều dòng điện ta xác định được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai (như hình
vẽ)
Xét trong chu kỳ còn lại (T/2-T) ta thấy dòng điện trong khoảng này âm.
Từ trường của dây quấn một pha của
A X
1 2 3 4
1
A X
2 3 4
1
A X
2 3 4
0 T/4
Imax
T 3T/4
T/2
-Imax
t
i
49
động cơ là từ trường có phương không
đổi theo thời gian, nhưng trị số và chiều
thay đổi theo thời gian nên gọi là từ trường đập mạch, từ trường này không thể làm quay
động cơ nên loại động cơ 1 pha ta phải mắc thêm tụ điện C để chuyển từ trường đập mạch
thành từ trường quay (từ trường quay là từ trường có phương thay đổi theo thời gian)
2. Từ trƣờng của dây quấn ba pha.
a. Sự tạo thành từ trường quay.
- Giả sử xét động cơ điện không đồng bộ ba pha, ba dây quấn là AX, BY và CZ. với A,B,C
là ba đầu đầu của ba cuộn dây pha, X,Y,Z là ba đầu cuối của ba cuộn dây pha. Ba cuộn dây
đặt cách đều nhau 1200, cho dòng điện ba pha có tần số f=50Hz.
iA=Imax sin t.
iB=Imax sin( t-1200).
iC=Imax sin( t-2400).
t=900
t=900+120
0
t=900+240
0.
* Quy ước: Chiều dòng điện đi từ đầu đầu đến đầu cuối của cuộn dây là dương + và ngược
lại là âm -, (là dòng điện đi ra tức là từ đầu cuối đến đầu đầu).
Xét trong một chu kỳ:
- Tại thời điểm a ( t=900), dòng điện trong cuộn dây AX là cực đại và dương, dòng
điện trong cuộn BY, CZ là âm, bằng nhau và bằng nữa trị số dòng điện cuộn AX. Vì
vậy dòng điện trong cuộn AX đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây BY và
CZ dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu.
Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh
ra, từ trường tổng có một cực S và một cực N được gọi là từ trường một đôi cực (p=1), trục
của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại.
- Tương tụ tại thời điểm b và c ta có:
i
iA
0
t=900
t
t=900+120
iB iC
t=900+20
C
X
Z Y
B
A
C
X
Z Y
B
A
C
X
Z Y
B
A
50
- Tại thời điểm c ( t=900+120
0) là thời điểm sau thời gian đã xét ở trên là một phần ba chu
kỳ T/3. ở thời điểm này dòng điện pha B là cực đại và dương, dòng điện và pha A và C là
âm. Vì vậy dòng điện trong cuộn BY đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và
CZ dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường
sức từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một góc là 1200 so với
thời điểm trước, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện
cực đại.
- Tại thời điểm d ( t=900+240
0) là thời điểm chậm sau thời gian đầu là một phần ba
chu kỳ T/3. Lúc này dòng điện pha C là cực đại và dương, dòng điện và pha A và B là âm.
Vì vậy dòng điện trong cuộn CZ đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và BY
dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức
từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một góc là 2400 so với thời
điểm đầu, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C là pha có dòng điện cực
đại.
Theo chiều dòng điện ở các thời điểm ta sẽ có chiều từ trường, qua sự phân tích ở các thời
điểm ta nhận thấy từ trường tổng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay
móc vòng với cả hai dây quấn stato và rôto, hay nói một cách khác la trong một chu kỳ từ
trường quay được một vòng nên từ trường dây quấn ba pha gọi là từ trường quay, nhờ từ
trường quay mà trục của động cơ có thể quay tròn khi đưa dòng điện ba pha vao dây quấn
stato. Với cách cấu tạo dây quấn như trên ta có từ trường quay một đôi cực p=1.
Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn hay là cách quấn dây ta có số đôi cực là p=2,3,4...vv.
b. Đặc điểm của từ trường quay.
- Tốc độ từ trường quay: Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số
đôi cực p.
Khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được một vòng, trong một giây dòng
điện stato biến thiên f chu kỳ, do đó trong một phút dòng điện stato biến thiên 60f chu kỳ và
từ trường quay được 60f vòng.
+ Khi từ trường có một đôi cực p=1 thì tốc độ từ trường quay là n1=60f vòng/phút.
+ Khi từ trường có hai đôi cực p=2, dòng điện biến thiên một chu kỳ và từ trường quay
được 1/2 vòng (từ cực N qua cực S đến N là 1/2 vòng), do đó tốc độ từ trường quay là
n1=60f/2 vòng/phút.
Trường hợp tổng quát ta có: Khi từ trường quay có p đôi cực, tốc độ từ trường quay là
n1=60f/p vòng/phút.
- Chiều quay của từ trường: Chiều quay của từ trường phu thuộc vào thứ tự pha của dòng
điện.Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau (tức là đảo chiều
quay của động cơ).
Ví dụ: Khi đấu cấp nguồn ba pha A,B,C vào dây quấn stato của động cơ KĐB ba pha nếu
động cơ quay ngược, để đảo chiều quay ta giữ nguyên pha A và đổi hai pha B và C cho
nhau.
- Biên độ từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thông xuyên qua mỗi dây quấn.
max=m/2 pmax Với m là số pha.
pmax là từ thông cực đại của một pha.
3. Từ trƣờng của dây quấn hai pha.
Xét động cơ không đồng bộ hai pha, hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc
900 điện, dòng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 90
0.
iA=Imax sin t=Imax sin(2 /T)t.
iB=Imax sin(2 t/T- /2).
iA
iB
51
Xét trong một chu kỳ (0-T).
ở thời điểm t=0.
ở thời điểm t=T/4 từ trường stato đã quay được một góc 900 so với thời điểm ban đầu.
ở thời điểm t=T/2 từ trường stato đã quay được một góc 1800 so với thời điểm ban đầu.
Trong một chu kỳ (0-T) từ trường stato quay được một vòng.
* Nhận xét: Khi dòng điện trong dây quấn stato biến thiên đến một chu kỳ, thì từ trường
quay được một vòng, do đó từ trường của dây quấn hai pha cũng là từ trường quay với tốc
độ từ trường là n1=60f/p
trong đó: p là số đôi cực.
f là tần số dòng điện
n1 là tốc độ từ trường quay (vòng/phút hoặc rad/s)
0
T/4
t
3T/4 T/2 T
X
Y
B
A
t=0
X
Y
B
A
t=T/4
X
Y
B
A
t=T/2
X
Y
B
A
t=3T/4
X
Y
B
A
t=T
52
5. CÁC THÔNG SỐ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
1. Hệ số trƣợt: kí hiệu s
Ta có : n2=n1-n với n2 là tốc độ trượt.
Hệ số trượt là tỉ số giữa tốc độ trượt và tốc độ từ trường quay.
1
2
n
ns (tốc độ trượt/tốc độ từ trường)
2. Sức điện động trong dây quấn stato.
Sức điện động pha stato do từ thông của từ trường sinh ra có trị số là
E1=4,44.f.kdq.w1. max.
trong đó: f là tần số lưới điện. (50Hz)
kdq là hệ số dây quấn stato.
W1 số vòng dây quấn stato
max. biên độ từ thông của từ trường quay.
E1 sức điện động pha stato.
3. Sức điện động trong dây quấn rôto.
Kí hiệu : E2s
Ta có từ trường stato quay với tốc độ n1 và tần số f so với stato, do vậy từ trường stato sẽ
quay so với dây quấn rôto với tốc độ trượt bằng n2=n1-n.
Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số f2 là f260
. 2np.
trong đó: n2 là tốc độ quay của từ trường stato so với dây quấn rôto.
f2 là tần số dòng điện trong dây quấn rôto.
Mặc khác ta có: n2=s.n1 f260
..
60
. 12 nspnp.
Mà p
fn
.601 f2=s.f1
Vậy tần số dòng điện rôto lúc quay bằng tần số dòng điện stato (tần số lưới điện) nhân với
hệ số trước.
Ta có sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay là E2s=4,44.f2.w2.kdq2. max.
hay E2s=4,44.s.f.w2.kdq2. max.(1)
trong đó: E2s là sức điện động của dây quấn rôto lúc quay.
2.22 ss Ee
w2 là số vòng dây của rôto.
kdq2 là hệ số dây quấn rôto.
- Khi rôto đứng yên ta có s=1, tần số f2=f, tần số dòng điện rôto bằng tần số dòng điện stato.
- Sức điện động dây quấn rôto lúc không quay là E2=4,44.f.w2.kdq2. max.(2)
So sánh hai biểu thức (1) và (2) ta thấy : (lúc quay và lúc không quay)
E2s=s.E2.
Sức điện động pha của rôto lúc quay E2s bằng sức điện động của rôto lúc đứng yên
nhân với hệ số trượt s.
Lập tỉ số sức điện động pha giữa stato và rôto ta có: 22
11
2
1
.W
.W
dq
dq
ek
k
E
Ek
Với ke gọi là hệ số qui đổi sức điện động rôto.
4. Điện kháng rôto:
Vì rôto gồm các thanh dẫn nên khi rôto quay sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng trong dây
quấn rôto dẫn đến xuất hiện thành phần điện kháng và trở kháng trong dây quấn rôto.
Kí hiệu: X2s là điện kháng của dây quấn rôto lúc quay.
X2s= 2.L2 (1) với 2 là tần số góc của dây quấn rôto (rad/s).
53
L2 là điện cảm của dây quấn rôto (H)
2=2 .f2 X2s=2 .f2.L2=2 .s.f.L2=s.X2
Với X2=2 .f.L2 là điện kháng dây quấn rôto lúc đứng yên.
Vậy X2s=s.X2
Điện kháng rôto lúc quay bằng điện kháng rôto lúc đứng yên nhân với hệ số trượt s.
Điện kháng của dây quấn rôto là đại lượng đặc trưng tiêu thụ công suất phản kháng của máy
điện không đồng bộ.
5. Dòng điện cảm ứng trong dây quấn rôto.
Kí hiệu I2 là giá trị hiệu dụng của dòng điện trong dây quấn rôto.
Khi trong dây quấn rôto xuất hiện sức điện động E2s, dẫn đến xuất hiện dòng điện trong dây
quấn rôto.
i2= )..2sin(2 22 tfI (chọn chiều E2s và I2 như hình vẽ)
Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch rôto
Z
EI s2
2 (1) với Z là tổng trở đoạn mạch.
Ta có tam giác tổng trở:
22
2 RXZ s thay vào phương trình (1) ta có:
22
2
22
2
).(
.
RXs
Es
Z
EI s
Dòng điện xoay chiều cảm ứng trong dây quấn rôto i2=I2 ).2sin(2 2 tf
Dòng điện trong dây quấn rôto là dòng điện xoay chiều có tần số f2.
6. BIỂU ĐỒ NĂNG LƢỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ.
1. Biểu đồ năng lượng.
Xét động cơ điện không đồng bộ. Giả sử động cơ nhận điện năng của lưới điện để tạo ra từ
trường quay stato, nhờ từ trường quay mà điện năng đã được biến thành cơ năng làm quay
rôto động cơ.
Biểu đồ quá trình năng lượng trong động cơ không đồng bộ như sau:
trong đó: P1 là công suất điện động cơ nhận từ lưới điện.
Pđt là công suất điện từ
Pcơ là công suất điện từ được tính.
R
X
Z
I E2s
R
L
Pđ1
Pcơ
Pđt khe
hở
không
khí rôto P2
P1
Pst1 Pđ2 Pcp
54
P2 là công suất hữu ích trên trục động cơ, là công suất mà động cơ nhận
được P2=Pcơ- Pcp
Phương trình năng lượng là:
P1- P=P2
trong đó: P là các thành phần tổn hao công suất.
P= Pđ1+ Pst1+ Pđ2+ Pcp
Với + Pst1 là tổn hao công suất do dòng điện xoáy và trừ trễ trong
mạch từ stato.
+ Pđ1 là công suất tổn hao đồng trong dây quấn stato Pđ1=3I12.R1.
+ Pđ2 là công suất tổn hao đồng trên điện trở dây quấn rôto
Pđ1=3I2/2.R
/2=m2.R2.I2
2. với m2 là hệ số tỷ lệ.
+ Pcp là công suất tổn hao cơ do ma sát ổ trục, quạt gió và các yếu tố
phụ...
2. Hiệu suất của động cơ không đồng bộ:
nt PkPP
P
PP
P
P
P
.2
02
2
2
2
1
2
trong đó: P0= Pst+ Pcp gọi là tổn hao không tải gồm tổn hao sắt từ và tổn hao
không tải.
Pn là tổn hao điện trên điện trở dây quấn rôto và stato lúc động cơ làm
việc ở chế độ tải định mức.
Kt là hệ số tải của động cơ dm
tI
Ik 1 ; với I1 là dòng điện stato ứng với
phụ tải làm việc, I1dm là dòng điện stato ứng với phụ tải định mức.
(Hiệu suất của động cơ thường khoảng =0,75-0,95).
7. MÔMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Mômen điện từ của động cơ đóng vai trò là mômen quay:
1
dt
dtq
PMM . (1)
trong đó: Pđt là công suất điện từ. Pđt
s
RI
/
22/
2 .3 với I2/ là dòng điện rôto qui đổi về
stato, R2/ là điện trở rôto qui đổi về stato.
ik
II 2/
2 với ki là hệ số qui đổi dòng điện.
1 là tần số góc của từ trường quay. p
1 với ( 1=2 f1),
là tần số góc của dòng điện stato, p là số đôi cực từ.
Pđt
s
RI
/
22/
2 ..3 (2)trong đó: ik
II 2/
2 , ki là hệ số qui đổi dòng điện
R2/=ke.ki.R2, với ke là hệ số qui đổi sức điện động.
Bỏ qua tổn hao sắt từ, dòng điện I2/ được tính như sau:
2/
21
2/
21
1/
2
)()( XXs
RR
UI (3)
trong đó: U1 là điện áp pha stato
R1,X1 là điện trở và điện kháng dây quấn stato.
R1/,X1
/ là điện trở và điện kháng rôto qui đổi về stato X2
/=ke.ki.X2,
55
R2,X2 là điện trở và điện kháng của dây quấn rôto.
Thay phương trình (2) và (3) vào phương trình (1) ta có:
2/
21
2/
21
/
2
2
1
/
22/
2
..
...3..3
XXs
RRs
RUp
p
s
RI
M
2/
21
2/
21
/
2
2
1
..
...3
XXs
RRs
RUpM
2/
21
2/
211
/
2
2
1
..2
...3
XXs
RRsf
RUpM
Phương trình mômen biểu diễn quan hệ giữa mômen với hệ số trược hay giữa mômen với
tốc độ được gọi là đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ.
- Với tần số và các tham số cho trước mômen điện từ của máy điện không đồng bộ tỉ lệ với
bình phương điện áp đặt vào stato.
Phương trình mômen theo tốc độ M=f(n) gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ không
đồng bộ, với hệ số trượt 1
1
n
nns .
Ban đầu khi bắt đầu cấpnguồn tốc độ
động cơ bằng không (tại A) ta có
hệ số trượt s=1, lúc này mômen của
động cơ bằng mômen mở máy Mmm,
nhỏ hơn mômen cản Mc, động cơ tăng
tốc độ trên đường đặc tính cơ, trong
quá trình tăng tốc này mômen của động
cơ tăng dần và hệ số trượt của động cơ
giảm dần. Tại điểm B ta có mômen của
động cơ bằng mômen cản, lúc này động
cơ làm việc ổn định với mômen điện từ bằng mômen cản và hệ số trượt gọi là hệ số trượt
làm việc slv. 1
1
n
nns B
lv .
- ở đồ thị M=f(s) mômen đạt cực đại tại điểm C, mômen có trị số cực đại Mmax ứng với hệ
số trượt tới hạn khi đạo hàm 0ds
dM.
Đạo hàm 0ds
dM và biến đổi ta có:
/
211
/
2
XXR
Rsth
Và trị số mômen cực đại Mmax/
211
2
1
..2
..3
XXR
Up
Khi mở máy ban đầu ứng với trường hợp hệ số trượt s=1 ta có mômen mở máy mà
Mmở 2/
21
2/
21
/
2
2
1
.
...3
XXRR
RUp
Với động cơ rôto lồng sóc mômen mở máy Mmở=(1,1-1,7)Mđm, Mmax/Mđm=1,6-2,5.
M
Mmở
B
s
A
Slv Sth 1
Mmax C
Mc
0
Đồ thị đặc tính cơ động cơ KĐB
56
8. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
I. Yêu cầu mở máy và các phương pháp mở máy.
1. Yêu cầu mở máy:
- Mômen mở máy phải lớn Mmm (lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy)
- Dòng điện mở máy phải nhỏ Imm.
- Thiết bị mở máy đơn giảm và thời gian mở máy nhanh.
2. Các phương pháp mở máy:
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng động cơ và công suất (của lưới và động cơ) ta chọn một trong các
phương pháp mở máy sau:
a. Mở máy trực tiếp:
b. Mở máy gián tiếp:
- Mở máy bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato.
- Mở máy dùng điện trở phụ ở động cơ rôto dây quấn.
II. Mở máy động cơ rôto lồng sóc.
1. Mở máy trực tiếp:
Mở máy trực tiếp là phương pháp mở máy đơn giản, chỉ việc đóng điện trực tiếp động cơ
điện vào lưới điện.
- Ưu điểm: Thiết bị mở máy đơn giản.
- Nhược điểm: Dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp rất nhiều, nếu quán trính của máy
lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu có thể làm chảy cầu chỉ bảo vệ. với Imm=(4 7)Iđm (làm ảnh
hưởng đến các phụ tải khác ví dụ chiếu sáng dùng chung..)
- Phạm vi áp dụng: công suất động cơ điện nhỏ hơn rất nhiều so với công suất lưới điện.
(phương pháp này sử dụng cho các máy có công suất vừa và nhỏ)
2. Mở máy gián tiếp bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato.
- Khi mở máy ta giảm điện áp đặt vào động cơ, lúc này dòng điện mở máy giảm Ipmm, khi
dòng điện Ipmm giảm dẫn đến cách điện của động cơ được đảm bảo.
- Khuyết điểm của phương pháp này là làm cho mômen động cơ khi mở máy giảm đi rất
nhiều, do đó phương pháp mở máy bằng cách giảm điện áp chỉ sử dụng với trường hợp
không yêu cầu mômen mở máy lớn. (ví dụ tuỳ trường hợp mang tải truyền động nhu bánh
xích, puly dây đai...)
a. Mở máy dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato.
Sơ đồ mở máy dùng điện kháng
CD
động cơ điện KĐB ba pha
K là điện kháng.
CD: cầu dao
CD1
K CD
động cơ điện
KĐB ba pha
Hình 1 và 2
biến áp tự ngẫn
động cơ điện KĐB ba pha
CD
57
Trước khi mở máy ta đóng cầu dao CD1, cầu dao CD mở, Khi động cơ đã quay ổn định ta
đóng cầu dao CD để ngắn mạch điện kháng K, mở CD1 và kết thúc quá trình mở máy. Lúc
mở máy nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần,
dòng điện sẽ giảm đi k lần và mômen sẽ giảm đi k2 lần vì mômen tỉ lệ với bình phương điện
áp.
- Ưu điểm: Dòng điện mở máy giảm.
- Nhược điểm: Mômen mở máy giảm.
b. Mở máy dùng biến áp tự ngẫu.
Sơ đồ máy biến áp tự ngẫu phía cao áp được nối với lưới điện, phía hạ áp được nối với động
cơ.
Điện áp lưới được đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp và phía thứ cấp nối với động cơ,
thay đổi vị trí con chạy để lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đó tăng dần lên
bằng định mức.
Gọi U1 là điện áp pha lưới điện, Umm là điện pha động cơ lúc mở máy, k là hộ số biến áp
máy biến áp tự ngẫu, Zn là tổng trở động cơ lúc mở máy. )()( /
21
/
21 XXRRZn .
- Điện áp pha đặt vào động cơ lúc mở máy là k
UU pmm
1 .
- Dòng điện pha vào động cơ lúc mở máy là ))( /
21
/
21 XXRR
U
Z
UI
pmm
n
pmm
pmm
))(. /
21
/
21
1
XXRRk
UI pmm
từ biểu thức dòng điện ta thấy dòng điện pha mở máy của động cơ giảm đi k lần.
Mômen mở máy 2/
21
2/
21
/
2
2
.
...3
XXRR
RUpM mm
mm
2/
21
2/
21
2
/
2
2
1
..
...3
XXRRk
RUpM mm
mômen mở máy giảm đi k2 lần.
Mặc khác ta có dòng điện cấp cho động cơ khi có máy biến áp là k
II
pmm
1 với I1 là dòng
sơ cấp (phía cao áp của máy biến áp)
Mà n
pmm
pmmZ
UI với
k
UU pmm
1 n
pmm
pmmZk
UI
.
n
pmm
Zk
U
k
II
.2
11 (1)
Khi mở máy trực tiếp nZ
UI 1
1 (2)
So sánh biểu thức (1) và (2) ta thấy khi mở máy dùng biến áp dòng điện giảm đi k2 so với
khi mở máy trực tiếp, là một ưu điểm so với phương pháp mở máy dùng cuộn kháng dòng
điện chỉ giảm đi k lần.
- Phạm vi ứng dụng: dùng cho các động cơ có công suất lớn.
c. Mở máy bằng cách đổi nối dây quấn stato từ nối sao sang nối tam giác.
Sơ đồ:
động cơ
A
B
C
X
Y
Z
nguồn
ba pha
CD1
58
Phương pháp này chỉ sử dụng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn
stato nối hình tam giác.
Khi mở máy cầu dao CD ở vị trí (1), đóng CD1.
Sau khi động cơ hoạt động đảo cầu dao CD từ (1) nối sao sang (2) nối tam giác.
Khi nối sao ta có điện áp Udây= phaU3 Upha
3
dayU
Khi nối tam giác ta có điện áp Udây= phaU tức là Upha=Udây
Khi mở máy dây quấn stato nối hình sao lúc này ta có điện áp đặt vào mỗi pha của động cơ
giảm đi 3 lần so với khi nối tam giác.
Dòng điện pha khi mở máy dc
pmm
pmmZ
UI .
Khi nối sao Y: ta có dc
pmm
pmmYZ
UI
.3.
Khi nối tam giác : ta có dc
pmm
pmmZ
UI .
So sánh hai biểu thức dòng điện khi nối sao và tam giác ta nhận xét: Khi mở máy stato của
động cơ nối hình sao thì dòng điện mở máy giảm đi 3 lần so với khi mở máy stato nối
hình tam giác. Khi mở máy mômen mở máy giảm đi 2)3( lần tức giảm đi 3 lần vì mômen tỉ
lệ với bình phương điện áp.
* Qua các trường hợp mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ở trên ta thấy mômen
mở máy giảm xuống rất nhiều, để khắc phục điều này người ta chế tạo rôto lồng sóc kép
hoặc loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tôt.
III. Mở máy động cơ rôto dây quấn
Chỉ sử dụng với loại rôto dây quấn, bằng cách mắc biến trở mở máy vào dây quấn rôto.
Khi mở máy để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần biến trở về giá trị nhỏ nhất là Zêrô.
Để mở máy động cơ, mômen động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy.
Do dòng điện mở máy rất lớn.
2/
21
2/
21
1
)()( XXRR
UI pmm , Imm=(5 7)Iđm.
Dòng điện pha stato lúc mở máy rất lớn nên cần
phải hạnchế thời gian mỏ máy, đồng thời đưa điện
trở phụ và dây quấn rôto.
Khi mở máy 11
1
n
nnsmm (vì n=0)
CD
stato
rôto
biến trở
59
Mômen lúc mở máy: 2/
21
2/
21
/
2
2
1 ...3
XXRR
RUpM mm
Để mômen mở máy đạt cực đại thì smm=sth=1 mà 1/
21
2
XX
RRs
p
th Rp=(X1+X2
/)-R2
Với Rp là điện trở phụ của biến trở điều chỉnh còn gọi là biến trở mở máy.
Để đảo chiều quay động cơ không đồng bộ ba pha ta đổi hai trong ba dây pha cho nhau, tức
là đổi chiều của từ trường quay.
9.ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1 PHA
Động cơ không đồng bộ 1pha được dùng trong các thiết bị điện sinh hoạt và công
nghiệp, công suất bé từ vài Oát đến hơn 1KW sử dụng nguồn 1 pha xoay chiều 110V hoặc
220V.
Về cấu tạo, stato động cơ một pha chỉ có dây quấn một pha, rôto thường là lồng sóc. Dây
quấn stato không tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điên, chiều và trị số từ
trường thay đổi, nhưng phương của từ trường cố định trong không gian. Từ trường này gọi
là từ trường đập mạch. Vì không phải là từ trường quay, nên khi cho dòng điện vào dây
quấn stato, động cơ không tự quay được. Để động cơ làm việc được, trước hết ta phải quay
rôto của động cơ điện theo một chiều nào đó, rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy và động cơ
làm việc.
Để giải thích rõ hiện tượng xảy ra trong động cơ điện một pha, ta xét bối dây: Cho dòng
điện xoay chiều hình sin qua cuộn dây. Hình A. Xét từ trường trong một chu kỳ (chiều của
từ trường xác định theo quy tắc vặn nút chai). Từ đồ thị, ta thấy 1/2 chu kỳ dòng điện
dương, cảm ứng từ B tăng từ 0 đến Bm rồi lại về 0, tiếp T/2 chu kỳ sau dòng điện đổi chiều
và B hướng theo chiều ngược lại và độ lớn cũng thay đổi tương tự.
Hình A
Như vậy, từ trường có tính chất thay đổi về độ lớn và hướng theo một trục cố định trong
không gian như vậy gọi là từ trường đập mạch. Từ trường của dòng điện 1 pha là từ trường
đập mạch.
Phân tích từ trường đập mạch thành 2 từ trường quay ngược chiều nhau cùng tốc độ.
Hình B
t
i
O
Bm
Bm
t
i
O
BT BN
BN BT
60
Biểu diễn bằng 2 vectơ có độ lớn không đổi = Bm/2, 1 vectơ quay thuận BT và một vectơ
quay ngược BN. Xét trong một thời điểm của môt chu kỳ, ta luôn có véctơ tổng B = B T +
B N thay đổi hướng trên một trục đúng theo quy luật biến đổi của từ trường đập mạch.
Tác dụng của từ trường đập mạch lên bộ dây quấn rôto là tổng hợp của 2 từ trường quay
ngược chiều nhau. Hai từ trường này sẽ tạo ra 2 momen quay Mth và Mng tác dụng ngược
chiều nhau và trị số momen bằng nhau nên chúng triệt tiêu nhau làm cho rôto không quay
được. Như vậy động cơ 1 pha không tự khởi động được. Nếu quay rôto theo 1 chiều nào đó
thì sẽ xuất hiện momen quay theo chiều đó tác động làm cho rôto tiếp tục quay. Vì thế ta
phải có biện pháp mở máy, nghĩa là tạo cho động cơ một pha mômen mở máy. Ta thường
dùng các biện pháp dây quấn phụ, vòng ngắn mạch ở cực từ.
1. Dùng dây quấn phụ mở máy.
Ở loại động cơ này, ngoài dây quấn chính, còn có dây quấn phụ. Dây quấn phụ có thể
thiết kế để chỉ làm việc khi mở máy, hoặc làm việc lâu dài. Dây quấn phụ đặt trong một số
rãnh stato, sao cho sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 900 không gian, và
dòng điện trong dây quấn phuj lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900.
Dòng điện ở dây quấn chính và dây quấn phụ tạo ram omen mở máy.
Để dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc
900, ta thường nối tiếp với dây quấn phụ điện dung C. Hình C. Loại động cơ tụ điện có đặc
tính mở máy tốt.
Mở máy bằng dây quấn phụ
2. Động cơ điện một pha có vòng ngắn mạch ở cực từ.
Về cấu tạo động cơ này. Người ta chẻ cực từ ra, cho vào đó vòng đồng ngắn mạch. Vòng
ngắn mạch được coi như dây quấn phụ, trong đó có dòng điện cảm ứng. Tổng hợp hai từ
trường của dây quấn chính và phụ sẽ sinh ra từ trường quay để tạo ra momen mở máy.
Các loại động cơ này chế tạo với công suất nhỏ từ 0,5 – 30W dùng vào các cơ cấu truyền
động tự động, và thường gặp nhất ở quạt bàn nhỏ.
Động cơ điện một pha vòng ngắn mạch có các nhược điểm là cos thấp vì tổn hao ở rôto
lớn, mômen nhỏ nên làm việc kém ổn định, khả năng quá tải kém. Tuy nhiên nó có ưu điêmt
là có cấu tạo gọn, sử dụng lưới điện một pha, nên được sử dụng nhiều trong các hệ tự động
và dân dụng (quạt điện, máy giặt, máy bơm nước công suất nhỏ,..)
10. DÂY QUẤN
I: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG:
- Một cách tổng quát, dây quấn Máy Điện có thể chia làm 2 loại: dây quấn phần cảm
(còn gọi là dây quấn kích từ) và dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần cảm có nhiệm vụ sinh ra từ trường khe hở lúc không tải có cực tính xen
kẽ, được quấn tập trung thành các cuộn dây đặt vào thân cực từ.
Dây quấn phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng được một sức điện động nhất định khi có
chuyển động tương đối với từ trường khe hở.
Nói chung dây quấn máy điện phải dảm bảo được những yêu cầu sau:
K C
61
+ Tạo ra ở khe hở một từ trường phân bố hình sin (đối với dây quấn phần cảm) và đảm
bảo được một sức điện động và một dòng điện tương ứng với công suất điện từ của máy
(đối với dây quấn phần ứng).
+ Bền về mặt cơ, điện, nhiệt.
+ Tiết kiệm được kim loại màu, nhất là đầu nối của dây quấn.
+ Chế tạo, lắp ráp, sửa chữa và đảm dưỡng được dễ dàng.
- Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều có thể chế tạo với số pha m = 1, 2 ,3 trong đó
chủ yếu là dây quấn 3 pha, sau đó là dây quấn một pha. Dây quấn lồng sóc của máy điện
không đồng bộ rôto lồng sóc được xem như dây quấn có số pha bằng m2 = Z2/p trong đó Z2
là số rãnh rôto.
II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Cực từ:
Được hình thành bởi 1 cuộn dây và được đấu dây sao cho khi có dòng điện đi qua sẽ tạo
được các từ cực N, S xen kẽ kế tiếp trong cùng một pha. Số cực từ N, S luônluôn là số chẵn.
Cực từ được xác định bởi công thức: = p
Z s
2(rãnh)
Trong đó: Zs: tổng số rãnh trên Stato
2p: số từ cực trong mỗi pha.
2. Cuộn dây:
Có thể là 1 hoặc nhiều vòng, khi cuộn dây được bố trí trên Stato thì đoạn nằm trong rãnh
gọi là cạnh dây, còn phần ở ngoài rãnh là đầu cuộn dây.
Bước cuộn dây là khoảng cách giữa 2 cạnh dây của cuộn dây đang được bố trí trên stato.
Ký hiệu là Y.
So sánh bước cuộn dây với bước từ cực ta có:
- Bước đủ: Y =
- Bước ngắn: Y <
- Bước dài: Y >
3. Nhóm cuộn dây:
Quấn dây trong máy điện xoay chiều nhìn chung có thể thực hiện với hai loại nhóm
cuộn dây:
- Nhóm cuộn dây đồng tâm
- Nhóm cuộn dây đồng khuôn
a) Nhóm cuộn dây đồng tâm:
Nhóm cuộn dây đồng tâm được hình thành bởi nhiều cuộn dây có bước cuộn dây khác
nhau và được mắc nối tiếp với nhau theo cùng một chiều quấn. Các cạnh dây của mối cuộn
chiếm các rãnh kế cận nhau để tạo thành từ cực.
b) Nhóm cuộn dây đồng khuôn:
Nhóm cuộn dây này có bước của các cuộn dây đều bằng nhau. Các cuộn dây trong
nhóm này cũng được nối tiếp với nhau cùng chiều và được bố trí trên Stato ở các rãnh kế
cận để tạo thành từ cực.
4. Góc điện:
Góc điện là đại lượng tính theo thời gian, có đơn vị là độ điện, có thể dùng công thức
quy đổi để xác định khoảng cách lệch pha tính theo số rãnh như sau:
= p
Z s
O
.360
.0
( rãnh)
o: góc lệch pha tính theo độ điện
: khoảng cách lệch pha tính theo số rãnh
Zs: tổng số rãnh trên Stato
p: số cặp từ cực.
62
III. PHÂN LOẠI DÂY QUẤN
1. Dây quấn một lớp:
Dây quấn một lớp thường được dùng trong các động cơ điện công suất nhỏ.
Ví dụ: Cho stato của động cơ KĐB ba pha, dây quấn một lớp với số pha m = 3,
Z=24rãnh, số cực từ 2p = 4. Tính các đại lượng đặc trưng, vẽ sơ đồ sức điện động và sơ đồ
khai triển dây quấn ba pha.
Đối với dây quấn máy điện xoay chiều sức điện động của ba pha phải bằng nhau về độ
lớn và lệch pha nhau 1200 về thời gian
Để có thể thành lập sơ đồ nối dây, trước hết ta vẽ hình sao sức điện động của dây quấn
đó. Vì góc lệch pha giữa hai rãnh liên tiếp = ooo x
Z
p30
24
3602360.nên sức điện động của
các cạnh tác dụng từ 1 đến 12 dưới đôi cực từ thứ nhất làm thành một hình sao sức điện
động có 12 tia như trên hình A. Do vị trí của các cạnh 13-24 dưới đôi cực từ thứ hai cũng
hoàn toàn giống vị trí của các cạnh 1-12 nên sức điện động của chúng cũng có thể được biểu
thị bằng một hình sao sức điện động trùng với hình sao sức điện động thứ nhất.
Vì số cạnh của một pha dưới một cực q= 243
24
2 xmp
Z với một vùng pha
=q =2x30o=60
0, hơn nữa hai cạnh của bối dây cách nhau y = =mq=2x3=6 rãnh nên pha
A gồm hai bối dây tạo thành bởi các cạnh tác dụng (1-7), (2-8) dưới đôi cực từ thứ nhất và
hai bối dây (13-19), (11-20) dưới đôi cực từ thứ hai. Do các pha lệch nhau 1200 góc độ điện
nên pha B gồm các bối dây (5-11), (6-12), (17-23), (18-24) và pha C gồm các bối dây (9-
150, (10-16), (21-3),(24-4). Hình sao sức điện động của các bối dây được trình bày trên hình
B. Cộng tất cả các vectơ sức điện động của các bối dây của cùng một pha ta sẽ được các sức
điện động EA, EB, EC.
Hình B trình bày kiểu dây quấn với các bối dây có kích thước hoàn toàn giống nhau, ta có
kiểu dây quấn đồng khuôn. Vì mỗi pha có hai nhóm bối dây có vị trí dưới hai đôi cực hoàn
toàn giống nhau nên nối cuối của nhóm bối dây này với đầu của nhóm bối dây sau thì có thể
tạo thành một nhánh của dây quấn.
63
MỘT SỐ BÀI TẬP MẪU
Bài 1:
Động cơ không đồng bộ ba pha, rôto dây quấn, số đôi cực p=2, hệ số quy đổi sức điện
động và dòng điện ke = ki =2. Điện trở và điện kháng pha rôto lúc đứng yên R2 = 0,2 ; X2
= 3,6 . Y/ - 380/220V, f= 50Hz.
Động cơ đóng vào lưới điện Ud = 380V, xác định cách đấu dây động cơ. Cho rằng sức
điện động pha stato gần bằng điện áp đặt vào, tổn hao đồng trong dây quấn rôto, tổn hao sắt
từ Pst = 145W, tổn hao ma sát và phụ Pmsf = 145W, hệ số trượt s= 0,05.
Tính dòng điện rôto, công suất cơ hữu ích P2, hiệu suất của động cơ điện
Bài giải:
Với lưới điện Ud = 380V động cơ đấu sao.
E1p = 3
380
3
dU = 220V.
Sức điện động pha lúc rôto đứng yên.
E2p = 2
2201
e
p
k
E = 110V
Dòng điện pha rôto lúc quay.
I2 = AsXR
sE43,20
)6,3.05,0(2,0
110.05,0
)( 222
222
2
Dòng điện pha Stato
I1 = Ak
I
i
21,102
43,202
Công suất điện từ:
Pđt = W500805,0
)43,20(2,0.33 22
2
2
s
IR
Tổn hao đồng ở Stato và Rôto:
Pđ1= Pđ2 = 3R2I2
2 = 3.0,2.(20,43)2 = 250,4W
Công suất cơ:
Pcơ = Pđt - Pđ2 = 5008 – 250,4 = 4757,6W
Công suất cơ hữu ích trên trục:
P2 = Pcơ - Pmsf = 4757,6 – 145 = 4612,6 W
Công suất điện cung cấp cho động cơ:
P1 = P2 + Pmsf + Pđ2 + Pđ1+ Pst
= 4612,6 +145+250,4+250,4+145 = 5403,4W
Hiệu suất động cơ điện:
= 85,05403,4
4612,6
1
2
P
P
Bài 2:
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha dây quấn Stato nối hình tam giác, điện áp lưới
220V; 50Hz. Số liệu động cơ: p = 2; I1 = 21A; cos 1 = 0,82; = 0,837; s= 0,053.
Tính tốc độ động cơ, công suất điện động cơ tiêu thụ P1, tổng các tổn hao, công suất cơ
hữu ích P2 momen quay động cơ.
Bài giải
Tốc độ góc của động cơ
64
= 1(1-s) = )1(.2
sp
f
= 68,148)053,01(2
50.2radus
Tốc độ đông cơ:
n = 1420)053,01(2
50.60)1(
/60s
p
phfvg/phút
Công suất điện động cơ tiêu thụ:
P1 = 113 IU cos 1 = 656182,0.21.220.3 W
Công suất hữu ích:
P2 = 1P1 = 0,837.6561 = 5491W
Tổng tổn hao công suất:
P = P1 – P2 = 6561- 5491 = 1070W
Momen quay động cơ:
M2 = 2P =
68,148
5491 = 36,9Nm
Bài 3: Một động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc: Pđm = 14kW, tốc độ định mức nđm
= 1450vg/ph, hiệu suất định mức đm = 0,885, hệ số công suất định mức cos đm = 0,8; Y/ -
380/220V; tỷ số dòng điện mở máy Imở/Iđm = 5,5; momen mở máy Mmở/Mđm = 1,3; Momen
cực đại Mmax/Mđm = 2. Điện áp mạch điện U = 380V.
Tính:
b) Công suất tác dụng và công suất phản kháng động cơ tiêu thụ ở chế độ định mức.
c) Dòng điện, hệ số trượt và momen định mức.
d) Dòng điện mở máy, momen mở máy, momen cực đại.
Bài giải:
a) Công suất tác dụng của động cơ tiêu thụ:
P1 = dmP=
885,0
14= 15,82kW
Công suất phản kháng động cơ điện tiêu thụ:
Q1 = P1tg = 15,82.0,54 = 8,54kVar
b) Dòng điện định mức:
I1đm = dmdm
dm
U
P
cos3 1
= 88,0.380.3.885,0
10.14 3
= 27,31A
Hệ số trượt định mức:
s = n
nn1 = 1500
14501500 = 0,0333
Momen định mức:
Mđm = dm
dmP =
60.2 /dm
dm
nf
P= 9550
dm
dm
n
P= 9550
1450
14= 92,2Nm.
Momen mở máy
Mmở = 1,3Mđm = 119,8Nm
Momen cực đại
Mmax = 2Mđm = 184,4Nm
Dòng điện mở máy
Imở = 5,5I1đm = 150,2A
Bài 4: Động cơ điện không đồng bộ có thông số Pđm = 14kW, tốc độ định mức nđm =
1450vg/ph, hiệu suất định mức đm = 0,885, hệ số công suất định mức cos đm = 0,8; Y/ -
65
380/220V; tỷ số dòng điện mở máy Imở/Iđm = 5,5; momen mở máy Mmở/Mđm = 1,3; Momen
cực đại Mmax/Mđm = 2. Điện áp mạch điện U = 220V. Tính:
Công suất tác dụng P, phản kháng Q1, dòng điện định mức, dòng mở máy, momen định
mức, momen mở máy, momen cực đại.
Dòng điện, momen mở máy bằng phương pháp đổi nối Y/ . Động cơ có thể mở máy
được không khi momen cản mở máy Mc = 0,5Mđm
Bài giải:
a) Mạng điện U = 220V, động cơ đấu tam giác. Các kết quả tính P1, Q1, dòng điện pha
I1f, Mđm, Mmở, Mmax vẫn không đổi, giống đã tính ở bài 3.
Vì đấu tam giác, nên dòng điện định mức (dòng điện dây) sẽ là:
I1đm = 3 I1p = 3 . 27,31 = 47,3A
Ta có thể tính theo công thức:
I1đm = dmdm
dm
U
P
cos3 1
= 88,0.220.3.885,0
10.14 3
= 47,3A
b) Khi mở máy, đấu sao, sau đó chuyển về tam giác
Dòng điện mở máy trong trường hợp này
Imở = 3
15,260 = 86,7A
Momen mở máy:
Mmở = 3
8,119 = 39,9Nm
Momen cản khi mở máy :Mc = 0,5Mđm = 0,5.92,2 = 46,1Nm
Momen mở máy nhỏ hơn momen cản vì thế không thể mở máy được khi dùng phương
pháp đổi nối Y - .
BÀI TẬP HỌC SINH TỰ LÀM
Bài 1:
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha Pđm = 45kW, f=50Hz, Y/ -380/220V; Imở/Iđm=6,
Mmở/Mđm=2,7; cos đm = 0,86, đm = 0,91; nđm = 1460 vòng/ph. Động cơ làm việc với lưới
điện Ud = 380V.
a) Tính Iđm, Mđm, Imở, Mmở.
b) Để mở máy với tải có momen cản ban đầu Mc = 0,45 Mđm, người ta dùng máy biến
áp tự ngẫu để Imởba = 100A. Xác định hệ số biến áp k, và động cơ có thể mở máy
được không.
Đáp số:
a) Iđm = 87,36A; Mđm = 294,3Nm
Imở = 87,36A; Mmở = 294,3Nm
c) k = 2,29; Mmởba = 151,52Nm = 0,515Mđm
Mmởba > Mc, động cơ mở máy được
d) Umở = 0,381Uđm = 145V
MmởĐK = 115,34Nm = 0,392Mđm
Mmởba < Mc, động cơ không mở máy được
Bài 2: Một động cơ không đồng bộ ba pha đấu sao nối vào lưới Ud = 380V. Biết
Rn=0,122 ; Xn = 0,4 ; f = 50Hz.
a) Tính dòng điện mở máy Imở
b) Dùng điện kháng mở máy ImởĐK = 300A. Tính điện cảm L của cuộn điện kháng mở
máy.
Đáp số: Imở = 526A. L = 1,029mH
66
Bài 3: Một động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn
E2 = 157V; p = 4; f = 50Hz; nđm = 728vg/ph; R2 = 0,105 ; X2 = 0,525
Tính mômen điện từ của động cơ
Đáp số: Mđt = 257,34Nm.
CHƢƠNG 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
BÀI 1: KHÁI NIỆM, CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
I: KHÁI NIỆM
1. Định nghĩa:
Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rôto n bằng tốc độ quay của từ trường n1
gọi là máy điện đồng bộ. Xác định theo biểu thức :
n = p
f60 f : tần số
p : số đôi cực
Máy điện đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn Stato nối với lưới điện có tần số f không
đổi, dây quấn rôto được kích thích bằng dòng điện một chiều.
Máy điện đồng bộ có thể vận hành theo chế độ máy phát hay chế độ động cơ
2. Công dụng
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ
cấp là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước.
Ở các lưới công suất nhỏ, MFĐB được kéo bởi các động cơ điezen hoặc các tuabin khí.
ĐCĐB được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW.
Trong công nghiệp luyện kim, khai thác dầu mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được sử
dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió,..với tốc độ không đổi. Động cơ đồng
bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị
lập chương trình, thiết bị điện sinh hoạt,….
Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện
để bù cồng suất và ổn định điện áp.
II : CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Gồm 3 phần chính : phần cảm ; phần ứng ; phần kích từ.
1) Phần cảm
Là phần tạo ra từ thông chính và có 2 dạng cực lồi và cực ẩn.
+ Cực lồi : Chế tạo bằng thép kỹ thuật điện, trên cực có quấn dây kích từ (dùng cho
máy có tốc độ thấp nhiều cực, máy thuỷ điện, máy Điezen)
Vì nhiều cực nên đường kính rôto lớn, chiều dài ngắn.
+ Cực ẩn : Là lõi thép hình trụ, có phay rãnh đặt dây quấn kích từ để tăng độ bền chịu
lực ly tâm. Cực ẩn thường dùng trong máy điện đồng bộ có tốc độ cao như máy phát chạy
bằng tuabin hơi.
2)Phần ứng : Có nhiệm vụ tạo ra sức điện động cảm ứng.
- Gồm các lá thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại với nhau, bên trong có phay rãnh đê đặt
dây quấn, lõi thép có nhiệm vụ dẫn từ.
- Dây quấn : Bằng đồng hay bằng nhôm có lớp êmay cách điện (dây điện từ) đặt trong
các rãnh của lõi thép dây quấn có nhiệm vụ tạo ra sức điện động cảm ứng. Dây quấn 3 pha
có 6 đầu ra hộp cực và có thể đấu hình sao hay tam giác.
3) Phần kích từ : Có nhiệm vụ tạo ra dòng điện 1 chiều cung cấp cho dây quấn phần
cảm để tạo ra từ thông.
- Đối với những máy phát xoay chiều công suất lớn phần kích từ là một máy phát điện 1
chiều gọi là (máy kích từ) lắp cùng trục với máy điện đồng bộ. Dòng điện kích từ lấy từ máy
kích từ qua 2 chổi than tiếp xúc với vòng trượt đặt trên trục và nối vào dây quấn phần cảm.
67
- Đối với máy công suất nhỏ thì lấy dòng điện xoay chiều của phần ứng, qua bộ nắn để
cấp dòng điện 1 chiều cho phần cảm gọi là máy tự kích từ (với điều kiện có từ dư). Ngoài ra
còn có vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang đúc dùng để giữ chặt lõi thép và bảo vệ máy
gần sát vỏ ngoài có rãnh thông gió.
Máy điện đồng bộ có 2 loại : Loại phần ứng quay và loại phần cảm quay.
- Loại phần ứng quay : Cực từ cố định tại vỏ ngoài của máy, trên thực tế ít sử dụng
thường dùng cho máy có dung lượng 500V (trong rãnh của máy phát điện xoay chiều
phần ứng quay có thể đặt 2 loại dây quấn loại điện 1 chiều đấu ra cổ góp và loại điện xoay
chiều đấu ra vành góp. Đối với loại 3 pha thì mỗi pha đưa ra một vành góp.
- Loại phần cảm quay : Phần ứng cố định tại vỏ máy còn phần cảm nối với trục của
động cơ sơ cấp, dùng cho máy dung lượng lớn, điện áp phát ra cao, phần ứng đặt cố định
nên chắc chắn, dòng điện lấy ra ngoài không phải qua chổi than và vành góp nên an toàn.
Với máy phát điện lớn điện áp có thể đạt đến 6,6KV, cao nhất có thể tới 35KV.
Dòng điện một chiều đưa vào phần cảm để tạo ra từ trường thông qua chổi than và vòng
góp cổ điện áp này thấp (dưới 250V) dòng cần thiết lại nhỏ, nên vòng góp và chổi than làm
việc an toàn so với điện áp cao và dòng điện lớn.
*****
BÀI 2: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
I : Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 3 pha :
Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường
rôto khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato
và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là :
Eo = 4,44fw1kdq o
Trong đó: E0, w1, kdq, o là sđ đ pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực
từ rôto.
Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến thiên p chu
kỳ. Do đó tần số f của sđđ các pha lệch nhau góc pha 1200.
f = pn, n đo bằng vg/s.
hoặc f = 60
pn, n đo bằng vòng/phút.
Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200, cho nên sđ đ
các pha lệch nhau góc pha 1200. Khi dây quấn Stato nối với tải, trong các dây quấn sẽ có
dòng điện ba pha giống như ở máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn
sé tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/n, đúng bằng tốc độ n của rôto. Do đó loại
máy điện được gọi là máy điện đồng bộ.
II: SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm viêc song song với nhau: tạo
thành lưới điện. Công suất của lưới điện rất lớn so với công suất mỗi máy riêng lẽ, do đó
điện áp cũng như tần số của lưới có thể giữ không đổi, khi thay đổi tải.
Để các máy làm việc song song, phải đảm bảo các điều kiện sau:
1. Điện áp của máy phát bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau.
2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện.
3. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.
Nếu không đảm bảo các điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong máy, phá
hỏng máy và gây loạn hệ thống điện.
Để đóng máy phát điện và lưới điện ta dùng thiết bị hòa đồng bộ.
68
BÀI 3: ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ
- Khi ta cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn Stato, dòng điện ba pha ở Stato sẽ sinh ra
từ trường quay với tốc độ n = 60f/p. Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto
biến thành một nam châm điện.
- Tác động tương hỗ giữa từ trường Stato và từ trường Roto sẽ có lực tác dụng lên rôto.
Khi từ trường Stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo rôto quay với tốc độ n = n1.
Nếu trục của rôto nối với một máy nào đó, thì động cơ điện sẽ kéo máy quay với tốc độ n
không đổi.
2. Mở máy động cơ điện đồng bộ
Khi cho dòng điện vào dây quấn Stato sẽ tạo nên từ trường quay, kéo rôto quay. Rôto có
quán tính lớn nên vẫn đứng yên,do đó lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay Stato và
từ trường cực từ thay đổi chiều, rôto không thể quay được. Muốn động cơ làm việc phải tạo
nên momen mở máy để quay rôto đồng bộ với từ trường quay stato, giữ cho lực tác dụng
tương hỗ giữa hai từ trường không đổi chiều.
Để tạo nên momen mở máy, trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn được
nối ngắn mạch như rôto lồng sóc ở động cơ KĐB.
Khi mở máy nhờ có dây quấn mở máy, trên các cực từ rôto, động cơ sẽ làm việc như
động cơ không bộ. Người ta chế tạo các động cơ có hệ số mở máy Mmở/Mđm từ 0,8 – 1,0.
Trong quá trình mở máy, ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể gây phá
hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua điện trở phóng điện
có trị số bằng 6-10lần điện trở dòng quấn kích từ.
Phải hạn chế dòng mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào Stato, thường người ta dùng
điện kháng hay máy tự biến áp nối vào mạch stato.
Nhược điểm của động cơ điện đồng bộ là mở máy và cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt
so với động cơ KĐB.
BÀI TẬP MẪU:
Bài 1: Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn đấu sao: Sđm = 10000kVA; Uđm = 6,3kV;
f=50Hz; cos đm = 0,8; số đôi cực p=2; điện trở dây quấn stato R = 0,04 ; điện kháng đồng
bộ Xđb = 1 ; tổn hao kích từ Pkt = 2%Pđm ; tổn hao cơ, sắt từ và phụ Pcstf = 2,4%Pđm.
a) Tính tốc độ quay rôto dòng điện định mức.
b) Tính công suất tác dụng và phản kháng máy phát ra; công suất động cơ sơ cấp kéo
máy phát và hiệu suất máy phát khi máy làm việc ở chế độ định mức.
Bài giải
a) Tốc độ quay rôto: n = n1 = p
f60=
2
50.60=1500vg/ph
Dòng điện định mức: Iđm = dm
dm
U
S
.3=
3,6.3
10000= 916,5A
Công suất tác dụng máy phát ra: Pđm = Sđm.cos đm = 10000.0,8 = 8000kW
Công suất phản kháng máy phát ra: Q đm = Sđm.sin đm = 10000.0,6 = 6000kVar
Tổn hao kích từ: Pkt = 0,02Pđm = 0,02.8000 = 160kW
Tổn hao cơ, sắt từ và phụ: Psctf = 0,02Pđm = 0,024.8000 = 192kW
Tổn hao trên điện trở dây quấn phần ứng: Pđ = 3.916,52.0,04 = 100,8kW
Công suất động cơ sơ cấp:
P1 = Pđm + Pkt + Pcstf + Pđ = 8000+160+192+100,8 = 8452,8kW
= 1P
Pdm = 8,8452
8000 = 0,946.
69