Tài liệu Báo cáo thực hành quấn máy điện 3 pha docx

Về cấu tạo, máy điện gồm mạch từ lõi thép và mạch điện dây cuốn dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng thành điện năng máy phát điện hoặc điện năng thành cơ năng đông

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

A - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

I Giới thiệu chung về máy điện

Máy điện là thiết bi điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện

từ Về cấu tạo, máy điện gồm mạch từ ( lõi thép) và mạch điện ( dây cuốn) dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng thành điện năng ( máy phát điện ) hoặc điện năng thành cơ năng ( đông cơ điện) hoặc dùng

để biến đổi các thông số điện như điện áp, dòng điện, tần số pha…

Sự biến đổi cơ điện trong máy điện dựa trên nguyên lý về điện từ Nguyên lý này cũng đặt cơ sở cho sự làm việc của các bộ biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi các thông số điện Máy điện dùng làm máy biến đổi năng lượng là phần tử quan trong nhất của bất cứ thiết bị điện năng nào Nó được

sủ dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh

Máy điện có nhiều loại, được phân loại theo nhiều cách khác nhau phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện, theo nguyên lý làm việc… ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng

+ Máy điện tĩnh:

Máy điện tĩnh thường gặp là các loại máy biến áp Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi có tính thuận nghịch

Ví dụ: Máy biến áp có thể biến đổi điện năng có các thông số U1, I1,F1

thành điện năng có các thông số U2, I2, F2 và ngược lại

MBA

U1, I1, ƒ1 U2, I2, ƒ2

Máy điện

Máy điện một chiều

Máy điện xoay chiều

Máy điện Không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

Máy phát Không đồng bộ

Máy phát đồng bộ

+ Máy điện có phần động( quay hoặc chuyển động thẳng)

Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ,

do từ thông và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với

nhau gây ra Loại máy điện nay thường dùng để biến đổi năng lượng

Ví dụ: Biến điện năng thành cơ năng ( động cơ điện) hoặc biến cơ

năng thành điện năng( máy phát điện ) Trong qúa trình biến đổi có tính

thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc

động cơ điện

Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường dùng

II Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện

Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là có thể làm việc ở chế độ máy

phát điện hoặc động cơ điện

1 Chế độ máy phát điện

Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn 1 lực cơ học

FC, thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm NS

trong thanh dán sẽ cảm ứng một sức điện động e Nừu nối 2 cực của thanh

dẫn điện trở R của tải thì dòng điện i chạy trong thanh dẫn sẽ cung cấp điện

cho tải Nừu bỏ qua điện trở thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải U=2 Công

Khi máy quay với tốc độ không đổi, lực điện từ sẽ cân bằng với lực

cơ của động cơ sơ cấp

Cung cấp điện cho máy điện, điện áp của nguồn U của nguồn điện gây

ra dòng i trong thanh dẫn Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt

= Bi.l tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v Công

suất điện dưa vào động cơ

P = ui = ei = Bilv = Fđt.v

Như vậy, công suất điện đưa vào động cơ đã biến thành công suất cơ trên trục Pc = Fđt.v Điện năng đã biến thành cơ năng

Ta thấy, cùng một thiết bị điện từ, tuỳ theo dạng năng lượng dựa vào

mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện Đây chính là tính chất thuận nghịch của mọi loại máy điện

N

B

s

Fđt

III Sơ lược về các vật liệu để tạo máy điện

Các vật liệu dùng để chế tạo có thể chia làm 3 loại:

- Vật liệu tác dụng

- Vật liệu kết cấu

- Vật liệu cách điện

1 Vật liệu tác dụng

Đây là vật liệu dẫn từ và dẫn điện Các vật liệu này được dùng để tạo

điều kiện cần thiết sinh ra các biến đổi điện từ

a Vật liệu dẫn từ:

Để chế tạo mạch từ của máy điện, người ta thường dùng các loại thép khác nhau như thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn

Giang ít được dùng vì dẫn từ không tốt lắm

Người ta hay sử dụng các lá thép kỹ thuật điện có hàm lượng silic khác nhau nhưng không được vượt quá 4,5% Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ, tăng điện trở của thép để giảm tổn hao do dòng

điện xoáy

Người ta hay sử dụng các lá thép dày 0,50 mm dùng trong máy điện quay, ghép lại làm lõi thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Tuỳ theo cách chế tạo người ta phân lá thép kỹ thuật điện làm 2 loại: Cán nóng

và các nguội Loại cán nguội có đặc tính từ tốt hơn như độ từ thẩm cao hơn, tổn hao thép ít hơn loại cán nóng Thép lá cán nguội lại chia làm 2 loại: đẳng hướng và vô hướng Loại đẳng hướng có đặc điểm là dọc theo chiều cán thì tính năng từ tính tốt hơn hẳn so với ngang chiều cán, do đó thường được sử dụng trong máy biến áp còn loại vô hướng thì đặc tính từ đều theo mọi

hướng nên thường được dùng trong máy điện quay

Ví dụ: Thép cán nóng w21, w31A; thép cán nguội: w410, w310

Chữ w chỉ thép kỹ thuật điện

Chữ A chỉ tổn hao thấp

Chữ O chỉ thép cán nguội

Chỉ số thứ hai chỉ tổn hao rieng của các loại thép

Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50hf thường dùng lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 0.5 mm trong thành phần thép có từ 2 ÷ 5% silic ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1÷ 0,2 mm ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá

b Vật liệu dẫn điện:

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng trong máy tốt nhất là đồng vì giá thành không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau…

Để chế tạo dây quấn ta thường dùng đồng đôi khi dùng nhôm Dây đồng và dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoạc chữ nhật, có bọc cách điện khác nhau như vải, sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sơn emay Với các loại máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V thường dùng sơn emay vì lớp cách điện của dây mỏng, đặt độ bền yêu cầu Đối với các bộ phận khác nhau như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngoài đồng nhôm người ta còn dùng cả các hợp kim của đồng hoặc nhôm hoặc có chỗ dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu

2 Vật liệu kết cấu

Vật liệu kết cấu là vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết chịu tác động

cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy, các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu của máy theo các dạng cần thiết, đẩm bảo cho máy điện làm việc bình thường Người ta dùng gang, thép, các kim loại màu, hợp kim, các vật liệu bằng chất dẻo

3 Vật liệu cách điện

Để cách điện các bộ phận mang điện trong máy người ta sử dụng vật liệu cách điện Trong máy điẹn, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Độ bên vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó Nếu tính năng chất cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm

Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn gồm 4 nhóm:

- Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải, lụa…

- Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh…

- Các chất tổng hợp

- Các loại men, sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy có điện áp cao, do đó thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vãi… Chúng có độ bền cơ học tốt, rẻ tiền nhưng hút ẩm kém, dẫn nhiệt kém, cách điện kém Vì vậy, dây dẫn cách điện sợi phải được sấy, tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí( không khí, hyđrô, khí trơ) hoặc thể lỏng(dầu máy biến áp)

Vật liệu khí: Không khí là một chất cách điện tốt, tuy nhiên để cách điện tốt hơn người ta thường dùng khí trơ Hyđrô được sử dụng trong trường hựp cần cách điện và làm mát bên trong vật liệu

Vật liệu lỏng: Đây là loại vật liệu cách điện rất quan trọng trong máy điện vì nó có thể len lỏi vào các khe hở rất nhỏ và còn có thể sủ dụng để dập

hồ quang Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được dựa ra nhiều loại, cấp cách điện như sau:

Cấp cách

điện

Vật liệu

Nhiệt độ vật liệu giới hạn cho phép

Nhiệt độ TB dây quấn cho phép

A

Sợi xenlulo, bông

Hoặc tơ tẩm trong vật liệu

Vật liệu mica, amiăng, sợi

thuỷ tinh phối hợp chất kết

dính và tẩm silic hưu cơ

IV Phát nóng và làm mát máy điện

Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất Tổn hao năng lượng trong máy điện gồm tổn hao sắt từ ( do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát ( ở máy điện quay) Tất cả tổn hao năng lương đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện

Khi đó do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hoá khác, lớp cáh điện sẽ bị bão hoà nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép

8 ÷ 100 thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa ở nhiệt độ làm việc cho phép, độ tăng quá nhiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, độ tăng nhiệt độ của các phần tử không vượt quá độ tăng

nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện vào khoảng 10 ÷15 năm Khi máy làm việc quá tải, độ tăng nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt đô cho phép Vì vậy khi sử dụng máy điện cần tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một thời gian dài

Để làm mát máy điện phải có biện pháp tan nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của mặt máy ma còn phụ thuộc vào môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… Thông thường, vỏ máy điện được chế tạo có các cách tản nhiệt và máy điện có hệ thống có hệ thống quạt gió để làm mát

B - MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

I Khái niệm chung

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo

nguyên lý cảm ứng điện từcó tốc đô quay của roto n khác với tốc độ quay của từ trường n1

Máy điện không đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối với lưới điện tần số không đổi f1, dây quấn roto (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín trên điện trở Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ f2 phụ thuộc vào roto nghĩa là phụ thuộc vào tải ở chế độ động cơ điện cũng như chế độ máy phát điện

II Phân loại và kết cấu

1 Phân loại

Máy điện không đồng bộ có nhiều loại, được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo kết cấu của nó, theo kết cấu của roto, the số pha trên dây quấn stato…

+ Theo kết cấu của vỏ: máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ…

+ Theo kết cấu của roto: máy điện không đồng bộ chia lam 2 loại: loại loại roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc

+ Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia làm 3 loại: 1 pha, 2 pha,

- Lõi thép:

Lõi thép được ép trong vỏ máy làm nhiệm vụ dẫn từ Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điên được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục vì từ trường đi qua lõi thép lá, từ trường quay lên để giảm tổn hao lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổndo dòng xoáy gay nên

- Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) và được đặt trong các rãnh của lõi thép Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn sẽ được trình bầy chi tiết trong bài sau

- Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang dùng để cố định lõi thép và dây quấn cũng như cố định máy trên bệ, không dùng để làm mạch dẫn từ Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kw) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau Kiểu

vỏ hở, vỏ bảo vệ, vỏ kín hay vỏ phòng nổ… Hai đầu vỏ có nắp máy và ở đỡ trục Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy

vì bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên roto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhở thường dùng dây quấn đồng tâm 1 lớp Dây quấn ba pha của roto thường nối hình sao còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở 1 đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài

Đặc điểm của loại động cơ điện roto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện roto

để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn roto dược nối ngắn mạch

+ Loại roto kiểu lồng sóc : Kết cấu của loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato Trong mỗi rãnh của lõi thép roto dặt vào thanh dẫn bàng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt lại 2 đầu bằng 2 vành

ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành 1 cái lồng, mà người ta hay gọi

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm viêc đảm bảo Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và diều chinh tốc độ song giá thành cao và vận hành kém tin cậy hơn roto lồng sóc nên chi dược dùng khi động cơ roto lồng sóc không đáp ứng các yêu cầu về truyền động

c Khe hở :

Vì roto là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy phát điện không đồng bộ rất nhỏ (0,2 ÷ 1mm trong máy phát điện vừa và nhỏ), để hạn chế dòng điện từ hóa và như vậy mới có thê làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

III Công dụng của máy phát điện không đồng bộ :

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn kw Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho các máy cán thép vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ trong các hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay gia công nông sản công nông sản Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh … tóm lại, theo

sự phát triển của nền sản xuất, điện khí hoá và tự động hoá, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Tuy vậy, máy điện không đồng bộ cũng có những nhược điểm như hệ

số cosϕ của máy thường không cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế

Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện đồng bộ nên chỉ trong một vài trường hợp đặc biệt nào đó (như trong quá trình điện khí hoá nông thôn) cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có ý nghĩa quan trọng

IV Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ

Khi trong lõi thép stato của máy điện không đồng bộ, ta tạo một từ trường với tốc độ n1 =

do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng

ở khe hở Dòng điện trong dây quấn tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mome, tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay của roto Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau

Khi roto quay thuận với từ thông quay nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ thì dòng điện sinh ra trong dây quấn roto cùng chiều với sức điện động và tác dụng từ trường tổng trong khe hở sinh ra lực F và mome M kéo roto đã biến thành cơ năng trên trục, nghĩa là máy điện làm vệc trong chế độ động cơ Những máy chi làm việc ở chế độ này khi n < n1 vì khi đó mới có

sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn roto và như vậy trong dây quấn roto mới có dòng điện và mome kéo theo roto quay Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau

Khi roto quay thuận và nhanh lên tốc độ đồng bộ dùng một động cơ sỏ cấp nào đó quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ

n > n1, khi đó chiều của từ trường quay quét qua dây dẫn sẽ có chiều ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây dẫn roto cũng đổi chiều nên chiều của mome cũng ngược chiều quay của n1 nghĩa là ngược lại với chiều của roto nên đó là mome hãm Máy điện đã biến cơ năng tác dụng lên trục dòng điện nghĩa lad máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện

Khi roto quay ngược với chiều từ trường quay thì chiều của sức điện động, dòng điện và cả mome vẫn giống như lúc ở chế độ động cơ điện Vì mome sinh ra ngược với chiều quay của roto nên có tac dụng hãm roto đứng lại.Trong trường hợp này máy điện vừa lấy điện năng ở lưới diện vào vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp Chế độ làm viêc nay gọi là chế độ làm hãm điện từ

C – CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ DÂY QUẤN STATO

Khoảng cách từ tâm cực từ này đến tâm cực từ kế tiếp được gọi là bước cực từ Շ Bước từ Շ còn được hiểu là khoảng cách nhất định hay góc độ điện giữa pha A, pha B, pha C

Trong tính toán Շ được tính theo đơn vị rãnh và xác định bằng công thức: Շ =

So sánh bước dây quấn với bước cực từ ta có:

+ Bước đủ: y = Շ

+ Bước ngắn: y = Շ

+ Bước dài: y = Շ

3.Các thông số khác

- m : số pha của động cơ

- a : số mạch nhánh song song trong máy

- q : số rãnh tác động lên 1 cực

4.Nhóm cuộn dây

Quấn dây trong máy điện nhìn chung có thể được thực hiện với 2 loại nhóm dây

- Nhóm cuộn dây đồng tâm

- Nhóm cuộn dây đồng khuân

a Nhóm cuộn dây đồng tâm

Nhóm cuộn dây đồng tâm được hình thành bởi nhiều cuộn dây có bước cuốn dây khác nhau và được mắc nối tiếp với nhau theo cùng một chiều cuốc Các cạnh dây của mỗi cuốn chiếm các rãnh kề cận nhau để tạo thành cực từ

Để tạo thành nhóm cuộn dây đồng tâm người ta quấn liên tiếp các dây dần theo cùng một hiều quấn lên trên một bộ khuôn có kích thước khác nhau

và đặt đồng tâm trên cùng 1 trục quấn Ưu điểm của cách quấn dây này dễ lắp đặt cuộn dây vào stato nhưng có nhược điểm là các đầu cuộn dâychiếm chỗ nhiều hơn so với cách quấn khác Dạnh nhóm cuộn dây đồng tâm thường phổ biến trong các động cơ điện công suất nhỏ