Giáo trình máy điện

Khi dòng điện I biến thiên dẫn đến từ thông Φ biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng theo định luật cảm ứng điện từ gọi là sức điện động tự cảm eL, được xác đị

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1

1.1 Các định luật điện từ dùng trong máy điện 1

1.1.1 Định luật lực điện từ: 1

1.1.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ (định luật Faraday) 1

1.1.3 Trường hợp thanh dẫn chuyển động cắt từ trường (quy tắc bàn tay phải) 2

1.1.4 Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây (định luật Len xơ) 2

1.1.5 Tự cảm và hỗ cảm 3

1.2 Định nghĩa và phân loại máy điện 4

1.2.1 Định nghĩa: 4

1.2.2 Phân loại máy điện 5

1.3 Sơ lược về vật liệu chế tạo máy điện 5

1.3.1 Vật liệu dẫn điện: 5

1.3.2 Vật liệu dẫn từ: 6

1.3.3 Vật liệu cách điện: 6

1.4 Phát nóng và làm mát máy điện 7

1.4.1 Phát nóng: 7

1.4.2 Làm mát máy điện: 7

CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP (MBA) 8

2.1 Khái niệm chung 8

2.1.1 Vai trò: 8

2.1.2 Phân loại: 8

2.1.3 Định nghĩa: 9

2.2 Cấu tạo của MBA 9

2.2.1 Lõi thép: 10

2.2.2 Dây quấn: 10

2.3 Các đại lượng định mức của MBA: 11

2.3.1 Điện áp định mức 11

2.3.2 Dòng điện định mức 11

2.3.3 Công suất định mức 11

2.3.4 Tần số định mức f (Hz) 11

2.4 Nguyên lý làm việc của MBA 12

2.5 Các chế độ làm việc của MBA 13

2.5.1 Chế độ không tải: 13

2.5.2 Chế độ có tải 14

2.5.3 Chế độ ngắn mạch: 14

2.6 Máy biến áp 3 pha 16

2.6.1 Cấu tạo: 17

2.6.2 Các kiểu nối dây quấn: 18

2.7 MBA làm việc song song 21

2.7.1 Điều kiện cùng tổ nối dây: 22

2.7.2 Điều kiện cùng tỉ số biến điện áp: 22

2.7.3 Điều kiện điện áp ngắn mạch bằng nhau: 22

2.8 Các MBA đặc biệt 22

2.8.1 MBA tự ngẫu: 22

2.8.2 MBA đo lường: 23

2.8.3 Máy biến áp hàn: 25

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (MĐKĐB) 27

3.1 Khái niệm chung về MĐKĐB 27

3.2 Cấu tạo của MĐKĐB ba pha (hình 3.1) 27

3.2.1 Phần tĩnh (Stator) 28

3.2.2 Phần quay (Rotor) 28

3.3 Từ trường của MĐKĐB 29

3.3.1 Từ trường đập mạch của dây quấn một pha 29

3.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ 32

3.4.1 Nguyên lý chung 32

3.4.2 Trường hợp làm việc của máy điện không đồng bộ 32

3.5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ không đồng bộ 33

3.5.1 Biểu đồ năng lượng (hình 3.10) 33

3.5.2 Hiệu suất của động cơ: (η%) 35

3.6 Mô men quay của động cơ không đồng bộ ba pha 35

3.7 Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha 36

3.7.1 Mở máy trực tiếp 36

3.7.2 Mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stator 37

3.8 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 39

3.8.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số 39

3.8.2 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực 40

3.8.3 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp stator 40

3.8.4 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rotor dây quấn 41

3.9 Động cơ không đồng bộ một pha 42

3.9.1 Động cơ không đồng bộ một pha 42

3.9.2 Sử dụng động cơ điện ba pha vào lưới điện một pha 44

3.10 Sơ đồ dây quấn động cơ không đồng bộ 45

CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 59

4.1 Định nghĩa và công dụng 59

4.1.1 Định nghĩa: 59

4.1.2 Công dụng: 59

4.2 Cấu tạo của máy điện đồng bộ 59

4.2.1 Stator 59

4.2.2 Rotor: 60

4.2.3 Phần kích từ: 60

4.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 61

4.4 Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ 61

4.5 Sự làm việc song song của máy phát điện đồng bộ 62

4.5.1 Khái niệm 62

4.5.2 Điều kiện đấu song song các máy phát điện đồng bộ vào lưới (hoà đồng bộ các máy phát) 62

4.5.3 Các phương pháp hoà đồng bộ chính xác 63

4.6 Động cơ và máy bù đồng bộ 65

4.6.1 Động cơ đồng bộ 65

4.6.2.Máy bù đồng bộ 65

CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 67

5.1 Đại cương về máy điện một chiều 67

5.2 Cấu tạo của máy điện một chiều 67

5.2.1 Stator (phần cảm) 67

5.2.2 Rotor (phần ứng) 68

5.2.3 Vành đổi chiều: 69

5.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều 70

5.4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều 72

5.5 Công suất điện từ và mô men điện từ của máy điện một chiều 72

5.5.1 Mô men điện từ 72

5.5.2 Công suất điện từ (Pđt) 73

5.6 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục 74

5.6.1 Tia lửa điện trên vành đổi chiều (cổ góp) 74

5.6.2 Biện pháp khắc phục 74

5.7 Các chế độ làm việc 74

5.7.1 Chế độ máy phát 75

5.7.2 Chế độ động cơ 77

5.8 Máy điện đặc biệt 80

5.8.1 Động cơ bước 80

5.8.2 Điều khiển động cơ bước 84

5.8.3 Động cơ Servo 86

Bài thực hành 1 95

Bài thực hành 2 97

Bài thực hành 3 99

Bài thực hành 4 101

Bài thực hành 5 103

Bài thực hành 6 105

Bài thực hành 7 107

Bài thực hành 8 112

Bài thực hành 9 113

Bài thực hành 10 114

Bài thực hành 11 117

Bài thực hành 12 118

Bài thực hành 13 119

Bài thực hành 14 120

Bài thực hành 15 122

Bài thực hành 16 123

Bài thực hành 17 124

Bài thực hành 18 124

Bài thực hành 19 125

Bài thực hành 20 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

LỜI NÓI ĐẦU

Máy điện là một môn học rất cần thiết và quan trọng cho học sinh học ngành điện Nó trang bị những lý thuyết cơ bản về: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện và ứng dụng chung trong thực tế…, tài liệu giảng dạy máy điện là môn học nhằm giúp học sinh hiểu những vấn đề đó Đây là tài liệu quan trong cho học sinh ngành điện và đồng thời cũng là tài liệu tham khảo cho học sinh một số ngành khác có liên quan… Để giúp học sinh hiểu và dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, tài liệu biên soạn nội dung một cách cơ bản, ngắn gọn, sau mỗi phần đều có ví dụ, sau mỗi chương đều có câu hỏi ôn tập và bài tập để giúp học sinh có thể

tự kiểm tra lại những vấn đề mình đã học

Với thời gian môn học là 60 tiết, nên tài liệu không thể trình bày tất cả các vấn

đề, mà ở đây chỉ trình bày những vấn đề rất cơ bản nhưng lại rất quan trọng cho các học sinh Giáo trinh gồm 5 chương :

Chương 1: Khái niệm chung về máy điện

Chương 2: Máy biến áp

Chương 3: Máy điện không đồng bộ

Chương 4: Máy điện đồng bộ

Chương 5: Máy điện một chiều

Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng, song cũng khó tránh khỏi những thiếu sót, mong bạn đọc góp ý để giáo trình được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Điện­Điện tử trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức

Tác giả

1

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

Mục tiêu của chương: Sau khi học chương này, học sinh có khả năng:

 Phát biểu về sự khác nhau của các loại máy điện hiện đang hoạt động theo cấu tạo, theo nguyên tắc hoạt động, theo loại dòng điện

 Giải thích quá trình phát nóng và làm mát của máy điện hiện đang hoạt động, theo nguyên tắc định luật về điện

1.1 Các định luật điện từ dùng trong máy điện

1.1.1 Định luật lực điện từ:

Thanh dẫn có chiều dài l mang dòng điện I được đặt vuông góc với đường sức của từ trường B, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ F có giá trị được xác định theo biểu thức sau:

F = B.I.l

Trong đó:

F: lực điện từ, đơn vị (N)

B: cảm ứng từ, đơn vị (T)

I: dòng điện trong thanh dẫn, đơn vị (A)

l: chiều dài thanh dẫn, đơn vị (m)

Chiều của thanh dẫn được xác định theo

quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho

đường sức từ xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ

tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện, chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực điện

từ F”

1.1.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ (định luật

Faraday)

a Thí nghiệm: hình vẽ 1.2

Có một ống dây được nối hai đầu với

một điện kế nhạy G và một thanh nam châm

được đặt ở ngoài ống dây

Ban đầu kim điện kế chỉ số 0, chứng tỏ

trong mạch không có dòng điện

Đưa thanh nam châm lại gần ống dây

F

Hình 1.1 – Quy tắc bàn tay trái

N S

G

Hình 1.2 – Thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ (G: là điện kế nhạy)

thấy kim điện kế lệch đi một góc, chứng tỏ trong mạch có dòng điện Để thanh nam châm đứng yên kim điện kế lại chỉ sô 0 Rút thanh nam châm ra kim điện kế lại lệch đi một góc ngược với góc ban đầu, chứng tỏ trong mạch có dòng điện

b Kết luận:

Dòng điện trong mạch chỉ xuất hiện khi thanh nam châm chuyển động Dòng

điện trên gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tượng trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện

từ

c Định luật Faraday:

Khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện một sức điện động cảm ứng Sức điện động cảm ứng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông biến thiên

1.1.3 Trường hợp thanh dẫn chuyển động cắt từ trường (quy tắc bàn tay phải – hình 1.3):

Thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v

vuông góc với đường sức của từ trường có cảm ứng từ B,

trong thanh dẫn xuất hiện một sức điện động cảm ứng e được

xác định bởi công thức:

e = B.v.l Trong đó:

e: sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn, đơn vị (V)

B: cảm ứng từ, đơn vị (T)

I: dòng điện trong thanh dẫn, đơn vị (A)

l: chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường, đơn vị (m)

Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải sao cho đường sức từ xuyên qua lòng bàn tay, chiều ngón tay cái choãi ra theo chiều chuyển động của thanh dẫn, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của sức điện động cảm ứng ”

1.1.4 Trường hợp từ thông biến thiên xuyên

qua vòng dây (định luật Len xơ)

Khi đưa một nam châm di chuyển

qua vòng dây kín thì xuất hiện từ thông qua

vòng dây Từ thông này biến thiên sẽ làm

xuất hiện trong vòng dây một sức điện động

cảm ứng, xác định bởi công thức:

Hình 1.3: Quy tắc bàn tay phải

Hình 1.3 – Sức điện động trong vòng dây có từ thông biến thiên

N

S

e Φ

3

e =

dt d

Nếu cuộn dây có N vòng thì s.đ.đ cảm ứng trong cuộn sẽ là:

Trong đó:

e: sức điện động cảm ứng, đơn vị (V)

=N.: là từ thông móc vòng của cuộn dây, đơn vị (Webe)

Dấu “­” chỉ chiều sức điện động cảm ứng tuân theo định luật Len xơ: “Sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ thông mà nó sinh ra chống lại

sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó”

Nếu ta đưa nam châm lại gần và ra xa vòng dây càng nhanh thì từ thông Φ biến thiên càng mạnh, từ thông biến thiên càng mạnh thì sức điện động cảm ứng càng lớn Vậy sức điện động cảm ứng tỉ lên thuận với từ thông Φ

1.1.5 Tự cảm và hỗ cảm

a Tự cảm

Cho dòng điện I vào cuộn dây sẽ tạo ra từ trường xuyên qua cuộn dây, tạo ra từ thông Φ móc vòng tự cảm Khi dòng điện I thay đổi thì từ thông Φ cũng cũng thay đổi Chúng có quan hệ với nhau bởi công thức:

và phụ thuộc vào môi trường đặt cuộn dây có lõi thép hay không có lõi thép

Khi dòng điện I biến thiên dẫn đến từ thông Φ biến thiên làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng (theo định luật cảm ứng điện từ) gọi là sức điện động tự cảm eL, được xác định theo biểu thức:

ΔI: độ biến thiên dòng điện, đơn vị (A)

Δt: thời gian xảy ra biến thiên, đơn vị (s)

Vậy sức điện động tự cảm là sức điện động cảm ứng trong dây dẫn do chính dòng điện trong dây dẫn biến thiên sinh ra

b Hỗ cảm

Có hai cuộn dây đặt gần nhau, cho dòng điện I vào cuộn thứ nhất để tạo từ thông móc vòng tự cảm qua chính nó và một phần móc vòng sang cuộn thứ hai Đó chính là từ thông móc vòng hỗ cảm từ cuộn 1 sang cuộn 2, ký hiệu Φ1­2(ngược lại ta cũng có Φ2­1)

Khi dòng điện đặt vào cuộn dây thứ nhất thay đổi thì từ thông cũng thay đổi theo công thức:

Φ1­2= M.I1 M =

1

2 1

Khi dòng điện I1 biến thiên dẫn đến từ thông Φ1­2 cũng biến thiên làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong cuộn dây thứ 2 (theo định luật cảm ứng điện từ) gọi là sức điện động hỗ cảm do cuộn thứ nhất gây ra cho cuộn thứ hai, ký hiệu eM1­2, được xác định theo công thức:

M: hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây, đơn vị (H)

ΔI1, ΔI2: độ biến thiên dòng điện trong cuộn 1, đơn vị (A)

Δt: thời gian xảy ra biến thiên, đơn vị (s)

Vậy sức điện động hỗ cảm là sức điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây

do sự biến thiên dòng điện ở cuộn dây khác có quan hệ hỗ cảm với nó

1.2 Định nghĩa và phân loại máy điện

1.2.1 Định nghĩa:

Máy điện là một hệ điện từ gồm mạch từ và cuộn dây liên quan đến nhau, làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Máy điện dùng để biến đổi các dạng năng lượng như biến cơ năng thành điện năng (máy phát điện), hoặc ngược lại biến điện thành cơ năng (động cơ điện), hoặc biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số…

5

1.2.2 Phân loại máy điện

Máy điện có nhiều loại và nhiều cách phân loại khác nhau: theo trạng thái làm việc, theo chức năng, theo dòng điện Ở đây ta phân loại máy điện dựa theo trạng thái làm việc:

Máy điện tĩnh: máy biến áp

Máy điện quay gồm máy điện một chiều, máy điện xoay chiều, Trong máy điện xoay chiều lại chia thành máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ, trong mỗi loại lại được chia thành động cơ điện, máy phát điện… Có thể mô tả cách phân loại máy điện theo sơ đồ sau:

1.3 Sơ lược về vật liệu chế tạo máy điện

Vật liệu chế tạo máy điện gồm: Vật liệu dẫn điện để chế tạo dây quấn Vật liệu dẫn từ để chế tạo lõi thép Vật liệu cách điện để cách điện giữa phần mang điện với phần không mang điện hoặc giữa các phần mang điện với nhau Vật liệu cấu trúc để chế tạo các chi tiết như trục ổ trục thân và nắp máy… Ta chỉ xét sơ lược về vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu cách điện

1.3.1 Vật liệu dẫn điện:

Vật liệu để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng Vì nó có điện trở nhỏ và khả năng chống ăn mòn tốt Đôi khi người ta còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho… Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật và được sơn cách điện

1.3.2 Vật liệu dẫn từ:

Vật liệu dẫn từ để chế tạo mạch từ thường là thép kỹ thuật, thép lá, thép đúc, thép rèn Trong thành phần của thép thường có 2­5% Silic Hàm lượng Silic càng nhiều thì thép dẫn từ tốt nhưng giòn dễ gãy Hàm lượng Silic càng ít thì thép dẻo dai dễ chế tạo nhưng chất lượng mạch từ thấp Vì vậy tùy theo mục đích sử dụng mà người ta chế tạo lõi thép sao cho phù hợp

Ngoài ra, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy các lá thép còn được sẻ mỏng và được sơn cách điện sau đó mới ghép với nhau

1.3.3 Vật liệu cách điện:

Vật liệu cách điện dùng trong máy điện phải đảm bảo các yêu cầu sau:

­ Cường độ cách điện cao

­ Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng

­ Chống ẩm tốt, bề về cơ học

Các chất cách điện dùng trong máy điện có thể ở thể rắn, thể lỏng, thể khí… Các chất cách điện ở thể rắn được chia làm 4 loại:

­ Các chất hữu cơ thiên nhiên như: Giấy, vải lụa…

­ Các chất vô cơ như: sợi thủy tinh, mica…

­ Các chất tổng hợp

­ Các chất tẩm sấy, sơn cách điện…

Theo tính chịu nhiệt vật liệu cách điện được chia thành các cấp sau: Y, A, E, B,

F, H, C Nhiệt độ cho phép của chúng được cho trong bảng sau:

Cấp cách

điện

Nhiệt độ cho phép tocp (OC)

Độ tăng nhiệt

t= t1­t2

Vật liệu cách điện chủ yếu

điện…

chất kết dính…

Trong đó:

t1: nhiệt độ của máy

t2: nhiệt độ môi trường (theo TCVN nhiệt độ môi trường là 40oC)

7

Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thi tuổi thọ của máy điện giảm đi 1/2, nên

không được cho máy làm việc trên nhiệt độ cho phép trong thời gian dài

1.4 Phát nóng và làm mát máy điện

1.4.1 Phát nóng:

Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm: tổn hao sắt từ trong lõi thép, tổn hao trong dây quấn và tổn hao do ma sát ở máy điện quay Tất cả các tổn hao này đều biến thành nhiệt làm cho máy nóng lên Vì vậy ta phải tìm cách làm mát máy điện

1.4.2 Làm mát máy điện:

Để làm mát máy điện phải có phương pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh

Sự làm mát này còn phụ thuộc vào kết cấu của máy, phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc môi trường làm mát…

­ Làm mát độc lập: các máy có công suất lớn quạt thường được đặt riêng ở ngoài

để hút gió đưa nhiệt từ trong máy ra ngoài

­ Làm mát trực tiếp: dây dẫn được chế tạo bằng các thanh dẫn rỗng trong có nước hoặc dầu chạy qua để làm mát trực tiếp Phương pháp này thường áp dụng cho những máy có công suất lớn khoảng 300 đến 500 MW

Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Nêu định nghĩa và cách phân loại máy điện?

Câu 2: Nêu nguyên nhân phát nóng máy điện và các phương pháp làm mát máy điện? Câu 3: Trình bày các vật liệu dùng để chế tạo máy điện?

CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP (MBA)

Mục tiêu của chương: Sau khi học chương này, học sinh có khả năng:

 Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha và ba pha

 Xác định cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha, ba pha đúng kỹ thuật

 Đấu máy biến áp vận hành song song các máy biến áp

 Tính toán các thông số kỹ thuật và lựa chọn máy biến áp phù hợp với mục đích

Sơ đồ cung cấp điện đơn giản được minh họa như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ cung cấp điện

2.1.2 Phân loại:

Theo công dụng MBA có thể chia thành các loại chính như sau:

­ MBA điện lực: Dùng để truyền tải và phân phối điện năng trong điện lực

­ MBA chuyên dùng: Dùng trong các lò luyện kim, trong các thiết bị chỉnh lưu…

­ MBA tự ngẫu: Để biến đổi điện áp trong một pham vi không lớn lắm, dùng để

mở máy các động cơ điện xoay chiều…

­ MBA đo lường: Để giảm điện áp lớn khi đưa váo các thiết bị đo

­ MBA thí nghiệm: Dùng để thí nghiệm các điện áp cao

9

MBA co nhiều loại song thực tế các hiện tượng xảy ra đều giống nhau Để thuận tiện ta chỉ xét MBA điện lực hai dây quấn một pha và ba pha

2.1.3 Định nghĩa:

MBA là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng

để biến đổi điện áp xoay chiều từ giá trị này sang giá trị khác nhưng không làm thay đổi tần số của nguồn điện

Phía nối với nguồn được gọi là sơ cấp, ký hiệu có liên quan mang chỉ số 1 (U1, I1, E1…)

Phía nối với tải được gọi là thứ cấp, ký hiệu có liên quan mang chỉ số 2 (U2, I2, E2…)

2.2 Cấu tạo của MBA

Cấu tạo của MBA gồm hai bộ phận chính là: Lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn

có vỏ máy, các sứ cách điện, đèn báo…

Dưới đây là cấu tạo của một MBA 3 pha 110kV:

Hình 2.2: Cấu tạo máy biến áp

2.2.1 Lõi thép:

Lõi thép dùng để dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây Lõi thép được chế tạo bằng các lá thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0.35 ÷ 1mm, mặt ngoài lá thép được sơn cách điện và ghép lại với nhau thành khối Lõi thép có hai phần trụ và gông, trụ là phần

để đặt dây quấn, gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch kín

Theo hình dạng lõi thép người ta chia ra:

­ MBA kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh lõi thép

­ MBA kiểu bọc: Mạch từ phân nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn

2.2.2 Dây quấn:

Dây quấn MBA có nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Thường được làm bằng đồng (Cu) hoặc nhôm (Al), có tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn được bọc một lớp cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ thép Giữa các vòng dây, giữa các lớp dây, giữa dây quấn và lõi thép đều được cách điện MBA thường có hai hoặc nhiều cuộn dây

Trong MBA thường có các kiểu quấn dây sau:

­ Dây quấn xen kẽ

­ Dây quấn đồng tâm

Hình 2.3 – Mạch từ của MBA kiểu lõi: a) một pha; b) ba pha

Hình 2.4 – Các kiểu quấn dây trong máy biến áp

11

2.3 Các đại lượng định mức của MBA:

Các đại lượng định mức của MBA do nhà sản xuất quy định và được ghi trên nhãn của máy, bao gồm các thông số:

2.3.1 Điện áp định mức

­ Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp

­ Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V, kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp định mức (U1=Uđm)

đm

US

­ Đối với MBA 3 pha: I1đm=

đm 1

đm

U3

S ; I2đm=

đm 2

đm

U3S

Các loại MBA ở nước ta có tần số 50Hz

Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như: số pha, tổ nối dây, điện

áp ngắn mạch, chế độ làm việc, cấp cách điện, phương pháp làm mát

Ví dụ: Tính các dòng điện định mức của một MBA ba pha khi biết các số liệu sau:

Sđm= 100 kVA, U1đm/U2đm= 6000/230 V

Từ công thức: Sđm= 3 UđmIđm ta có:

I1đm=

đm 1

đm

U3

S

=6 3

100

= 9,62 A

I2đm=

đm 2

đm

U3

S

=

23 , 0 3 100

= 251 A

2.4 Nguyên lý làm việc của MBA

Xét nguyên lý làm việc của MBA 1 pha gồm 1 lõi thép và 2 cuộn dây (hình 2.5)

Đặt vào hai đầu cuộn dây sơ cấp điện áp u1, sẽ có dòng i1 chạy trong cuộn sơ cấp, dòng i1 sẽ tạo ra trong lõi thép từ thông móc vòng với cả hai cuộn dây và cảm ứng trong hai cuộn dây đó s.đ.đ e1 và e2 Nếu thứ cấp được nối với tải thì sẽ sinh ra dòng i2

Giả sử điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp có dạng hình sin thì từ thông mà nó sinh

NE

E

2 1 2

1

I

IN

NE

EU

U





Nếu: + K >1U1 > U2 ta có MBA hạ áp

Hình 2.5 – Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn

N

NU

U



­ Tỉ số điện áp dây Kd phụ thuộc vào cách nối Y hoặc 

+ Khi nối Y/Y:

Kd=

2 1 2

1 2

1

N

NU

3

U3U

U



+ Khi nối /:

Kd=

2 1 2 1 2

1

N

NU

UU

U



+ Khi nối Y/:

Kd=

2 1 2

1 2

1

N

N3U

U3U

U



+ Khi nối /Y:

Kd=

2 1 2

1 2

1

N3

NU

3

UU

Sơ đồ thí nghiệm xác định các tham số lúc không tải (hình 2.6)

Hình 2.6 – Sơ đồ thí nghiệm không tải MBA

Các thiết bị đo: oátkế đo công suất không tải, ampe kế đo dòng điện lúc không tải, các vôn kế đo giá trị U1, U2 Từ các đồng hồ đo ta xác định được các thông số sau:

+ Điện trở lúc không tải: r0= 2

0

0

IP

+ Điện kháng lúc không tải: x0= Z 20 r02

Ngoài ra ta còn xác định được:

+ Tỉ số điện áp K=

2 1 20

1

N

NU

U

+ Hệ số công suất lúc không tải cos =0

0 1

0

IU

P, hệ số này có giá trị rất thấp khoảng từ 0,1÷0,3

­ Tổn hao công suất lúc không tải ∆P = I Z0 20

Từ những đặc điểm trên ta thấy khi sử dụng không nên để MBA làm việc trong tình trạng không tải hoặc non tải

2.5.2 Chế độ có tải

Khi MBA làm việc có tải (tải định mức hoặc tải nằm trong giới hạn cho phép) là trường hợp MBA làm việc tốt nhất, an toàn và lâu dài nhất Chế độ có tải được thực hiện khi cuộn dây sơ cấp được nối với nguồn điện, thứ cấp được nối với tải định mức hoặc tải nhỏ hơn định mức trong giới hạn cho phép; vì khi đó các thông số điện áp, dòng điện, công suất đều nằm trong giới hạn an toàn

Để đánh giá mức độ tải người ta đưa ra hệ số tải:

Kt =

đm 1 1 đm 2

2

I

II

I

Nếu Kt =1 tải định mức; Kt <1 non tải; Kt >1 quá tải

2.5.3 Chế độ ngắn mạch:

Chế độ ngắn mạch MBA là chế độ mà dây quấn sơ cấp được đặt vào một điện áp U1 còn dây quấn thứ cấp bị nối tắt Trong thực tế vận hành, nhiều nguyên nhân làm MBA bị ngắn mạch như hai dây quấn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau bằng tổng trở nhỏ Đây là tình trạng ngắn mạch sự cố và rất nguy hiểm đối với MBA Vì lúc này dòng điện chạy trong dây quấn sơ cấp chính là dòng điện ngắn mạch, có trị số lớn hơn rất nhiều so với dòng định mức, làm dây quấn phát nóng quá

IP

+ Điện kháng lúc ngắn mạch: xn= Z 2n rn2

Lúc ngắn mạch điện áp đặt vào rất nhỏ dẫn đến dòng cũng rất nhỏ, nên ta xem công suất lúc ngắn mạch Pn là công suất dùng để bù vào tổn hao trong hai cuộn dây

Pn=PCu1+ PCu2 Điện áp ngắn mạch gồm 2 thành phần:

+ Thành phần tác dụng là điện áp rơi trên điện trở: Unr= In.rn

+ Thành phần phản kháng là điện áp rơi trên điện kháng: Unx= In.xn

Như vậy điện áp ngắn mạch có thể xem như đại lượng đặc trưng cho điện trở và điện kháng tản trên dây quấn MBA Trong MBA điện lực điện áp ngắn mạch được ghi trên nhãn máy và được biểu diễn bằng tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức:

đm

n

đm (có giá trị khoảng từ 3÷10%) Các thành phần điện áp ngắn mạch:

đm

n đm

Hình 2.7 – Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch MBA

n đm

Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng cũng có thể tính như sau:

I

I.U

r.I

đm đm đm

n đm

100.S

r.I

đm n 2 đm

=

)kVA(S10

)W(P

đm n

Chú ý: Ngắn mạch ở trên là do ta tiến hành thí nghiệm với điện áp đặt vào rất

nhỏ để cho In= Iđm thường gọi là ngắn mạch thí nghiệm Trường hợp MBA đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức, nếu thứ cấp xảy ra ngắn mạch (hai dây chạm nhau, chạm đất…) thì ta gọi là ngắn mạch sự cố Dòng điện ngắn mạch sự cố sẽ rất lớn, được tính theo công thức:

%U

I

n đm

Ví dụ: Một MBA có Un% = 10 thì In sự cố là:

In = 100

%U

I

n

đm

= 10010

17

2.6.1 Cấu tạo:

a Mạch từ: Dựa vào sự liên quan hoặc không liên quan của các mạch từ giữa các pha người ta chia ra MBA có hệ thống mạch từ riêng và MBA có hệ thống mạch từ chung

­ MBA có hệ thống mạch từ riêng: là hệ thống mạch từ mà trong đó từ thông của

3 pha độc lập với nhau Trường hợp biến áp 3 pha được ghép từ 3 biến áp 1 pha hay còn gọi tắt là tổ biến áp 3 pha (hình 2.9)

­ MBA có hệ thống mạch từ chung: là hệ thống mạch từ mà trong đó từ thông của 3 pha có liên quan với nhau Trường hợp biến áp 3 pha kiểu trụ, gọi tắt là biến áp 3 pha 3 trụ (hình 2.10)

Thực tế MBA 3 pha 3 trụ được dùng phổ biến với những loại có dung lượng nhỏ

và trung bình, vì nó có hình dáng nhỏ gọn Tổ MBA 3 pha chỉ dùng cho những máy có dung lượng lớn từ 3600 kVA trở lên, vì có thể vận chuyển từng pha dễ dàng và thuận lợi

b Dây quấn:

Trên mỗi trụ của lõi thép được quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp Với MBA 3 pha các đầu đầu và đầu cuối phải chọn một cách thống nhất, nếu không điện áp ra của ba pha sẽ mất đối xứng Giả sử dây quấn pha A chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng

hồ thì các dây quấn pha B, C cũng phải chọn như vậy (hình 2.11)

Để thuận tiện người ta quy ước đầu đầu và đầu cuối của MBA 3 pha như sau:

Hình 2.9 – Tổ máy biến áp 3 pha Hình 2.10 – Máy biến áp 3 pha 3

Hình 2.11 – Đánh dấu đầu dây MBA

2.6.2 Các kiểu nối dây quấn:

Dây quấn MBA có thể nối theo các kiểu chính là đấu Y, đấu Yo, đấu 

­ Đấu Y: Chụm 3 đầu X, Y, Z còn 3 đầu A, B, C để tự do (hình 2.12a)

­ Đấu Yo: là đấu Y có dây trung tính (hình 2.12b)

­ Đấu : đầu pha này nối với cuối pha kia tạo thành mạch kín theo thứ tự AX­BY­CZ­A (hình 2.13a) hoặc AX­CZ­BY­A (hình 2.13b)

2.6.3 Tổ nối dây của MBA ba pha

Được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp với kiểu đấu dây thứ cấp

Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ cấp và dây thứ cấp của MBA Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:

­ Chiều quấn dây sơ cấp và thứ cấp

­ Cách ký hiệu các đầu dây

­ Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp

Muốn xác định và gọi tên một tổ đấu dây ta phải chấp nhận các giả thiết sau:

19

­ Các dây quấn cùng chiều trên trụ thép

­ Chiều sức điện động trong dây quấn chạy từ đầu cuối đến đầu đầu

Xét máy biến áp có hai dây quấn sơ cấp AX, thứ cấp ax Hai cuộn dây này được quấn trên cùng một trụ thép, có các trường hợp xảy ra như sau:

­ Hai dây quấn cùng chiều (hình a)

­ Hai dây quấn ngược chiều (hình b)

­ Đổi chiều ký hiệu một trong hai dây quấn (hình c)

Kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ:

+ Trường hợp a : lệch pha 3600

+ Trường hợp b, c : lệch pha 1800

- Ở mba ba pha, do nối Y và  với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha

giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây thứ cấp là 300, 600, 900, , 3600

Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2.6)

Để biểu thị và gọi tên tổ nối dây mba, cách biểu thị như sau:

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp

+ Kim ngắn chỉ 1,2, , 12 ứng 300,600, ,3600 chỉ sđđ thứ cấp

Một số kiểu nối dây thông dụng của mba ba pha :

+ Mba ba pha nối Y/Y:

Ví dụ một mba ba pha có dây quấn sơ và dây quấn thứ nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2.7) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 3600 hay 00 Ta nói mba thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y­12 hay Y/Y­0 Để nguyên dây quấn sơ, dịch

ký hiệu dây quấn thứ a  b, b  c, c  a ta có tổ đấu dây Y/Y­4, dịch tiếp một lần nữa

ta có tổ đấu dây Y/Y­8 Nếu đổi chiều dây quấn thứ cấp ta có tổ đấu dây Y/Y­6,10,2 Như vậy mba khi nối Y/Y, ta có tổ nối dây là số chẵn

Hình 2.14 – Sự lệch pha của MBA một pha

+ Mba ba pha nối Y/Δ :

Ví dụ cũng mba ba pha có dây quấn sơ nối hình sao và dây quấn thứ nối hình tam giác, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2.14) thì vector sđđ 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 là Y/Δ­11 Để nguyên dây quấn

sơ, dịch kí hiệu dây quấn thứ a→ b, b→ c, c→ a thì ta có tổ đấu dây Y/Δ­3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Δ­7 Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Δ­5,9,1 Như vậy mba khi nối Y/Δ, ta có tổ nối dây là số lẻ

Sản xuất nhiều máy biến áp có các tổ nối dây khác nhau rất bất lợi cho việc chế tạo và

sử dụng Vì thề trên thực tế ở nước ta chỉ sản xuất các máy biến áp điện lực thuộc các tổ nối dây sau: Máy biến áp ba pha có các tổ Y/Y0­12, Y/­11, Y0/­11 Phạm vi ứng dụng của chúng được ghi trong bảng dưới đây:

Hình 2.15 – Tìm tổ nối dây

Hình 2.16 – Tìm tổ nối dây của MBA nối Y/Δ

21

(kVA) Cao áp (kV) Hạ áp (V)

2.7 MBA làm việc song song

MBA làm việc song song là dây quấn sơ cấp của các MBA được nối chung vào một lưới điện và dây quấn thứ cấp cùng cung cấp cho một phụ tải

Ở các trạm biến áp người ta thường đặt 2 hoặc nhiều MBA làm việc song song với nhau (hình 2.17) nhằm đảm bảo:

­ Dự trù về cung cấp năng lượng cho nơi tiêu thụ trong trường hợp sự cố và sự cần thiết phải sửa chữa MBA

­ Giảm tổn thất năng lượng trong thời kỳ tải nhỏ bằng cách cắt một số MBA làm việc song song

Các MBA làm việc song song trong điều kiện có lợi nhất nếu thỏa mãn 3 điều kiện sau:

a

x

x a

A B C

a b c

I

II

a b c b)

Hình 2.17 – Các máy biến áp làm việc song song

a Máy biến áp 1 pha

b, Máy biến áp 3 pha

2.7.1 Điều kiện cùng tổ nối dây:

Các MBA làm việc song song có cùng tổ nối dây thì điện áp thứ cấp sẽ trung pha nhau Nếu khác tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau Nếu không thảo mãn điều kiện này sẽ dẫn đến làm hỏng MBA trong quá trình làm việc Vì vậy đây là điều kiện bắt buộc nếu muốn cho các MBA làm việc song song

2.7.2 Điều kiện cùng tỉ số biến điện áp:

KI = KII =…=Kn

Nếu tỉ số biến điện áp K của hai máy bằng nhau mà hai điều kiện còn lại thỏa mãn thì khi MBA làm việc song song điện áp thứ cấp lúc không tải sẽ bằng nhau, trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp của MBA sẽ không có dòng điện chạy qua

Giả sử KI ≠ KII thì điện áp không tải phía thứ cấp sẽ khác nhau làm trong mạch nối liền cuộn thứ cấp của MBA sẽ có dòng điện cân bằng chạy qua được sinh ra bởi sự chênh lệch điện áp phía thứ cấp Khi MBA làm việc có tải thì dòng điện cân bằng sẽ cộng với dòng có tải làm cho điều kiện làm việc của máy sẽ xấu đi, nghĩa là dòng trong máy không tỉ lệ với công suất của chúng ảnh hưởng tới sự lợi dụng công suất

Chú ý: Cho phép K ≤ 0,5% so với trị số trung bình của nó

2.7.3 Điều kiện điện áp ngắn mạch bằng nhau:

Các MBA làm việc song song có điện áp ngắn mạch Un bằng nhau thì tải sẽ phân

bố tỉ lệ với công suất của máy Nếu Un khác nhau, MBA nào có Un lớn thì công suất tải nhỏ còn MBA nào có Un nhỏ thì công suất tải lớn Khi MBA có Un nhỏ làm việc ở định mức thì MBA có Un lớn sẽ hụt tải Kết quả là không tận dụng được hết công suất thiết

kế của mỗi máy

Chú ý: Cho phép các MBA làm việc song song có điện áp ngắn mạch Un khác nhau 10% và tỉ số công suất lớn nhất và nhỏ nhất không vượt quá 3:1

­ Nếu cuộn dây có điện áp cao dùng làm sơ cấp thì ta có MBA hạ áp

23

­ Nếu cuộn dây có điện áp thấp dùng làm sơ cấp thì ta có MBA tăng áp

Nguyên lý hoạt động của MBA tự ngẫu tương tự như MBA 2 dây quấn và tỉ số biến áp tự ngẫu:

K=

1 2 2 1 2 1 2

1

I

I N

N E

E U

≤ 3 và người ta còn chế tạo cả MBA tự ngẫu 3 pha

2.8.2 MBA đo lường:

MBA đo lường gồm 2 loại là: Máy biến điện áp và máy biến dòng điện

a Máy biến điện áp (hình 2.18a): biến điện áp cao thành điện áp nhỏ 1÷ 100V để đưa vào các dụng cụ đo Công suất máy biến điện áp 25 ÷ 1000VA

Hình 2.18 – Máy biến áp tự ngẫu 3pha

Máy biến điện áp có dây quấn sơ cấp nối với lưới điện và dây quấn thứ cấp nối với Vôn mét hoặc cuộn dây của Oatmét hoặc cuộn dây của Rơle bảo vệ (hình 2.18b) Các dụng cụ này có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp xem như làm việc ở chế độ không tải, do đó sai số rất nhỏ

Vậy giá trị điện áp cần đo được xác định bằng cách nhân điện áp đọc trên dụng

cụ đo với hệ số biến áp Ku

Chú ý: Khi sử dụng máy biến điện áp không được nối tắt mạch thứ cấp, vì như

vậy sẽ gây ra sự cố ngắn mạch ở lưới điện

b Máy biến dòng điện: biến dòng điện cao thành dòng điện thấp 1÷ 5A để đưa vào các dụng cụ đo Công suất máy biến dòng điện 5 ÷ 100VA

Máy biến dòng điện có dây quấn sơ cấp gồm ít vòng dây được mắc nối tiếp với

mạch cần đo Dây quấn thứ cấp gồm nhiều vòng dây được nối với ampemét hoặc với cuộn dây của Oatmét hoặc cuộn dây của Rơle bảo vệ Các dụng cụ này có tổng trở Z rất

bé nên máy biến dòng điện làm việc ở trạng thái ngắn mạch

Gọi Ki là tỉ số biến áp:

Hình 2.19 – Máy biến điện áp

Hình 2.20 – Máy biến dòng điện

Chú ý: Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, khi máy biến dòng nối vào

mạng điện cao áp thì một đầu cuộn thứ cấp và vỏ phải tiếp đất, khi có dòng điện trong cuộn sơ cấp thì mạch cuộn thứ cấp không được để hở mạch

2.8.3 Máy biến áp hàn:

Máy biến áp hàn được chia thành nhiều loại có cấu tạo và đặc tính khác nhau tùy theo phương pháp hàn Ở đây ta chỉ xét MBA hàn hồ quang (hình 2.21)

Cuộn dây sơ cấp

được nối với nguồn điện,

cuộn dây thứ cấp một đầu

nối với cuộn điện kháng

K rồi nối tới que hàn, đầu

còn lại nối với tấm kim

loại cần hàn

Máy biến áp hàn

làm việc ở chế độ ngắn mạch Khi hàn ta phải chấm que hàn vào vật hàn để làm ngắn mạch cuộn thứ cấp Lúc này dòng điện tăng cao làm nóng chỗ tiếp xúc, sau đó lại nhấc que hàn ra, do cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí sinh hồ quang tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn

Máy biến áp hàn có đặc điểm là dòng điện thứ cấp phải lớn (để đủ nhiệt lượng hàn), điện áp thứ cấp phải nhỏ (để an toàn cho người sử dụng) Vì vậy cuộn dây thứ cấp thường có ít vòng dây nhưng tiết diện lại lớn Công suất hàn của máy vào khoảng 20kVA và nếu cho hàn tự động thì có thể lên tới 100kVA

Để điều chỉnh dòng điện hàn có thể điều chỉnh số vòng dây của cuộn thứ cấp bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép K

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp?

Câu 2: Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch đối với máy biến áp?

Câu 3: Cách xác định thông số máy biến áp bằng số liệu thí nghiệm?

Câu 4: Tại sao khi thí nghiệm ngắn mạch phải hạ điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp? Giải thích cách làm đó?

Hình 2.21 – Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang

Câu 5: Cấu tạo nguyên lý làm việc của máy biến dòng, máy biến áp đo lường? Câu 6: Tổ nối dây của máy biến áp ba pha: ý nghĩa, cách giải thích, biểu diễn? Câu 7: Phân tích ý nghĩa và điều kiện ghép máy biến áp làm việc song song?

27

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (MĐKĐB)

Mục tiêu của chương: Sau khi học chương này, học sinh có khả năng:

 Phát biểu nguyên lý cấu tạo, các phương pháp mở máy, đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ

 Tính toán các đại lượng cơ bản của động cơ không đồng bộ theo tiêu chuẩn kỹ thuật

 Vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn stato của động cơ :

­ Dây quấn 1 lớp, 2 lớp và 2 tốc độ của động cơ 3 pha

­ Dây quấn 1 lớp, 2 lớp và dây quấn sin của động cơ 1 pha

3.1 Khái niệm chung về MĐKĐB

MĐKĐB là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ rotor n2 khác tốc độ của từ trường quay là n1 Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ là: động cơ và máy phát Tuy nhiên máy phát điện không đồng bộ

ít dùng vì đặc tính làm việc không tốt nên ta chỉ xét động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt, vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì Hiện nay khoa học kỹ thuật phát triển nên động

cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ, vì vậy nên ĐCKĐB càng được sử dụng rộng rãi hơn Công suất của nó từ vài oát đến vài nghìn kilooat, hầu hết là ĐCKĐB ba pha, một số động cơ công suất nhỏ là một pha

3.2 Cấu tạo của MĐKĐB ba pha (hình 3.1)

Hình 3.1 – Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ

1 lõi thép stator; 2 Dây quấn stator; 3 Nắp máy; 4 Ổ bi; 5 Trục máy;

6 Hộp đấu dây; 7 Lõi thép rotor; 8 Vỏ máy; 9 Quáy làm mát; 10 Hộp quạt

Cấu tạo của MĐKĐB ba pha gồm 2 phần chính là phần tĩnh và phần quay Ngoài

ra còn có vỏ máy, nắp máy, trục máy Trục làm bằng thép trên có gắn rotor, ổ bi…

3.2.1 Phần tĩnh (Stator)

Gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

a Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Vỏ máy thường được đúc bằng gang hoặc thép tấm hàn lại, đôi khi được làm bằng nhôm

b Lõi thép: có nhiệm vụ dẫn từ, được làm từ những lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh để đặt dây quấn

c Dây quấn: thường được làm bằng đồng có bọc cách điện Dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với rãnh

3.2.2 Phần quay (Rotor)

Gồm lõi thép và dây quấn

a Lõi thép: giống lõi thép của Stator, được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện, mặt ngoài có dập rãnh để đặt dây quấn, bên trong có khoan lỗ để đặt trục

b Dây quấn: gồm hai loại

Dây quấn của Rotor gồm hai loại: rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) và rotor

(b)

Hình 3.2 – Kết cấu stator máy điện không đồng bộ

a) Lá thép stator; b) Lõi thép stator

Hình 3.3 – Cấu tạo rotor lồng sóc của động cơ không đồng bộ

3.3 Từ trường của MĐKĐB

3.3.1 Từ trường đập mạch của dây quấn một pha

Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số

và chiều biến thiên theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch

Gọi p là số đôi cực, ta có thể thay đổi cách nối dây quấn để tạo ra từ trường một, hai hoặc p đôi cực

Để đơn giản ta xét dây quấn một pha đặt trong bốn rãnh của stato Dòng điện trong dây quấn là dòng điện xoay chiều một pha i= imax sin ωt ( hình 3.5)

Hình 3.4 – Cấu tạo máy điện không đồng bộ rotor dây quấn

Trên hình vẽ, chiều dòng điện trong thanh 1 đi đến 1’ được ký hiệu  ở rãnh 1 trong thanh 2 đi từ 2’ đến 2 được ký hiệu  ở rãnh 2 Cũng ký hiệu tương tự như vậy đối với các thanh dẫn còn lại, căn cứ vào chiều dòng điện vẽ được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai Đối với sơ đồ nối tiếp dây quấn có hai đôi cực p = 2, với sơ đồ nối song song dây quấn có một đôi cực p =1

3.3.2 Sự hình thành từ trường quay trong dây quấn máy điện KĐB 3 pha

Nếu ta cho dòng điện xoay chiều 3 pha có các pha lệch nhau 1200 về thời gian đi vào dây quấn 3 pha, các pha của dây quấn lệch nhau 1200 trong không gian thì trong lõi thép của máy điện sẽ sinh ra từ trường quay (hình 3.6)

Giả thiết trong ba pha dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua:

IA= Imaxsinωt IB= Imaxsin(ωt – 1200)

31

Dòng điện đi vào dây quấn ký hiệu: 

Dòng điện đi từ dây quấn ra ký hiệu: 

Sau đây ta xét từ trường do dòng điện ba pha sinh ra ở các thời điểm khác nhau: + Xét tại vị trí t1 : ωt=900 có : iA > 0; iB < 0, iC < 0

Pha A có: I đi vào từ A , ra X 

Pha B có: I đi vào Y từ , ra B 

Pha C có I đi vào từ Z  ra C 

+ Xét tại vị trí t2: ωt=900 + 1200 có ib > 0 , iA < 0 , iC < 0

Pha A có: I đi vào từ X , ra A 

Pha B có: I đi vào từ B , ra Y 

Pha C có: I đi vào từ Z , ra C 

+ Xét tại vị trí t3: ωt=900 + 2400 có ic > 0 , iA < 0 , iB < 0

Pha A có: I đi vào từ X , ra A 

Pha B có: I đi vào từ Y , ra B 

Pha C có: I đi vào từ C , ra Z 

Hình 3.6 – Sự hình thành từ trường quay

3.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ

n1  1

Trong đó: f1 là tần số của lưới điện (lưới điện Việt Nam có f=50Hz)

p là số đôi cực của máy

Thì từ trường này quét qua dây quấn nằm trên lõi thép rôto và cảm ứng trong đó một suất điện động và dòng điện I2, và dòng điện này cũng sinh ra từ trường Φ2 hợp với từ trường quay do stato sinh ra tạo thành từ trường tổng nằm giữa khe hở lõi thép rotor và stator, tác dụng lên từng thanh dẫn có dòng điện ở dây quấn rotor , sinh ra mô men; và tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay của rotor n2  Phản ánh chế

độ làm việc của máy điện

Do n1 ≠ n2, ta dùng khái niệm về hệ số trượt s: 100

n

nn

%s

1

2

1

cho máy điện không đồng bộ

3.4.2 Trường hợp làm việc của máy điện không đồng bộ

a Trường hợp Roto quay thuận với từ trường

quay, nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ 0< n2

< n1 ( hình 3.7)

Đây là trường hợp máy điện làm vịêc ở chế

độ động cơ điện

Do n < n1 nên từ trường quay quét qua

thanh dẫn rôto theo chiều quay của từ trường, làm

cho Roto xuất hiện suất điện động cảm ứng được

xác định theo quy tắc bàn tay phải, I2 tác dụng với

từ trường quay và từ trường tổng F0 tạo ra 1 lực điện từ (Fđt được xác định theo quy tắc bàn tay trái), tạo ra mô men quay làm cho Roto quay

Như vậy Roto đã biến thành cơ năng trên trục Roto  Máy điện không đồng bộ biến thành động cơ điện không đồng bộ

Động cơ điện không dồng bộ chỉ làm việc khi tốc độ rotor nhỏ hơn tốc độ từ trưòng quay Lúc đó mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn rotor

và như vậy trong dây quấn rotor mới sinh ra được dòng điện cảm ứng và mô men kéo rotor quay

Hình 3.7 - Chế độ động cơ điện của máy điện KĐB

33

Đây là chế độ làm việc có nhiều ưu điểm nhất và được chế tạo nhiều động cơ điện không đồng bộ trong thực tế để kéo các máy sản xuất

b Trường hợp Roto quay thuận và quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ (n2 > n1)

Dùng 1 động cơ sơ cấp kéo Roto quay

n2 > n1 (hình 3.8)

Từ trường tác dụng dây quấn Roto tạo ra

I2 có chiều ngược với chiều quay tác dụng hãm

từ trường quay của từ trường Nếu lấy thêm p

có thắng lực hãm kéo Roto quay, như vậy máy

đã biến cơ năng thành điện năng Vì vậy máy

đã làm việc ở chế độ máy phát điện không

đồng bộ

Do kết cấu, đặc điểm và nguyên lý làm

việc nên trong thực tế người ta không chế tạo

và sử dụng máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện Vì máy phát điện loại này hiệu suất làm vịêc thấp, tổn hao nhiều

c Trường hợp rotor quay ngược với chiều từ

trường quay n2 < 0 (hình 3.9)

Vì một nguyên nhân nào đó rotor quay

ngược với chiều của từ trường quay thì lúc đó

chiều của sức điện động, dòng điện và mômen

vẫn giống như ở chế độ động cơ điện Vì mômen

sinh ra ngược với chiều quay của rotor, nên có

tác dụng hãm rotor dừng lại Trường hợp này

máy vừa lấy điện năng ở lưới vào, vừa lấy cơ

năng ở phía rotor Chế độ làm việc như vậy gọi

là chế độ hãm

3.5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ không đồng bộ

3.5.1 Biểu đồ năng lượng (hình 3.10)

PCu1 = m1.I R 0

Và tổn hao qua lõi thép stator:

PFe= m1.I r1 20Còn lại phần lớn công suất trở thành công suất điện từ Pđt và chuyển qua rotor:

1 Cu Fe 1

Vì có I2 chạy trong dây quấn rotor nên tổn hao trên dây quấn rotor:

2 2 2 1 2

Ta có biểu đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ như hình vẽ 3.10

Hình 3.10 – Biểu đồ năng lượng của động cơ KĐB