bài giảng Mô tơ máy phát trên ô tô

Ví dụ: Máy phát điện, động cơ điện,… Phân loại theo dòng điện gắn với máy, chia làm 2 loại:  Máy điện một chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng trong máy là dòng 1 chiều DC 

ĐỂ CƯƠNG BÀI GIẢNG

PHẦN MÔ TƠ, MÁY PHÁT ĐIỆN (MÁY ĐIỆN)

I Khái quát chung

Mô tơ, máy phát điện (Máy điện) là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện

là nguồn hay tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ năng thành điện năng và ngược lại Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm

vụ chuyển giao, biến đổi năng lượng điện, ví dụ từ điện một chiều sang điện xoay chiều, hay điện cao thế sang hạ thế và ngược lại

Máy điện có cấu tạo cơ khí gồm lõi sắt, dây cuốn đồng, vỏ máy bằng kim loại và các thành phần khác Được sử dụng để biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, góc pha

Máy điện không đồng bộ

Phân loại máy điện

Phân loại dựa trên chuyển động tương đối của bộ phận quay, gồm 2 loại:

 Máy điện tĩnh: Là loại máy điện mà giữa các bộ phân của máy không có

chuyển động tương đối Ví dụ: Máy biến áp

 Máy điện quay: Là loại máy điện mà trong cấu tạo của nó có bộ phận

chuyển động quay Ví dụ: Máy phát điện, động cơ điện,…

Phân loại theo dòng điện gắn với máy, chia làm 2 loại:

 Máy điện một chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng trong máy là

dòng 1 chiều DC

 Máy điện xoay chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng trong máy là

dòng xoay chiều AC Trong loại này chia làm 2 loại là máy điện 3 pha và máy điện 1 pha

Phân loại theo tốc độ quay của rotor và tốc độ từ trường quay:

 Máy điện đồng bộ: Là máy điện có tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ

từ trường quay

 Máy điện không đồng bộ: Là máy điện có tốc độ quay của rotor khác tốc

độ từ trường quay Sự khác nhau giữa 2 tốc độ được biểu thị bằng hệ số trượt s: s = (n – n1) / n

Trong đó: n1 là tốc độ từ trường quay, n là tốc độ rotor quay

Tùy vào giá trị của s mà máy điện không đồng bộ làm việc ở các chế độ khác nhau

0 < s < 1: Chế độ động cơ điện s < 0: Chế độ máy phát điện s > 1: chế độ hãm

Phân loại theo công dụng làm việc của máy:

 Máy phát điện

 Động cơ điện

 Máy biến áp

II Máy điện một chiều

Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều Trong công nghiệp, đặc biệt trên ô tô động cơ một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng

Động cơ điện một chiều

1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Những phần chính của máy điên một chiều gồm stato với cực từ, roto với dây cuốn và cổ góp với chổi điện

Cấu tạo động cơ điện một chiều

1.1 Stato

Stato là còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đút, vừa là mạch từ vừa là

vỏ máy Các cực từ chính có dây cuốn kích từ Stato động cơ điện một chiều đóng vai trò đơn giản là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện

1.2 Roto

Roto của động cơ điện 1 chiều được gọi là phần ứng do cuộn dây phần ứng đặt trên rãnh roto

Roto gồm lõi thép và dây cuốn phần ứng Lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép

kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây cuốn phần ứng

Roto động cơ điện một chiều

Ở động cơ điện 1 chiều có hai loại dây cuốn là dây cuốn xếp và dây cuốn sóng Mỗi dây cuốn được tạo thanh từ nhiều cuộn mắc nối tiếp, mỗi cuộn lại được

tạo nên từ nhiều vòng Mỗi vòng gồm hai thanh dẫn nối với nhau bởi phần đầu nối

Ở dây cuốn xếp đơn số nhánh

cuốn trên có hai cực từ và có

Dây cuốn xếp

cuốn có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phi

ần tử dây cuốn đặt trong rãnh dưới hai cực

phần tử dây cuốn xếp hai lớp Mỗi phần thành một vòng khép kín

Dây cuốn xếp 4 phần tử, hai lớp

nhánh song song bằng số cực từ (hoặc ch

có hai nhanh song song, được minh họa như

phiến góp, hai khác tên

tử chỉ có một

chổi than) Dây như hình dưới

đâu roto Các đầu dây của ph

Dây cuốn xếp hai cực từ

ần tử dây cuốn kiểu sóng Các phần tử đư

ốn sóng đơn chỉ có hai mạch nhánh song song,

Dây cuốn sóng

góp bằng đồng ghép cách điện, có dạng hìnhphần tử nối với phiến góp khác nhau trên c

Cổ góp

được nối thành song, thường ở

hình trụ, gắn ở

cổ góp

Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit Các chổi tì sát chặt lên cổ góp nhờ

lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy

Chổi than

2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B trong dây cuốn phần ứng

có dòng điện Iư Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường của stato,

sẽ chịu lực Fdt tác dụng làm cho roto quay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do

đó phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Hình bên dưới mô tả nguyên lý của động cơ điện một chiều

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện

Phương trình điện áp sẽ là:

3 Từ trường và sức điện động của động cơ điện một chiều

3.1 Từ trường

+ Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện

kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ

+ Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây cuốn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng Từ trường phần ứng vuông góc với từ trường cực từ

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần

ứng Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ

Hậu quả của phản ứng phần ứng là:

+ Từ trường trong máy bị biến dạng Làm cảm ứng sức điện động, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều

+ Khi tải lớn, dòng điện

thông của máy Từ thông gi

trên người ta dùng cực từ phụ và dây

dây cuốn bù ngược với từ trường phần ứng

ừ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây cu với mạch phần ứng (hình dưới)

Cực từ phụ và dây cuốn bù

thanh dẫn của dây cuốn phần ứng cắt từ trường,

ện động là:

trung bình dưới cực từ thanh dẫn

ệu dụng của thanh dẫn

động thì đổi chiều quay hoặc

III Máy điện xoay chiều

1 Máy điện không đồng bộ

nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch thành nhiều nhánh song song Sức điện động thanh dẫn trong một nhánh

dây cuốn là N, số nhánh song song là 2a

nhánh là N/2a, sức điện động phần ứng là:

theo tốc độ quay n (vòng/phút) bằng công th

cực từ là:

ức liên hệ của suất điện động phần ứng:

phụ thuộc vào cấu tạo dây cuốn phần ứng

tỉ lệ với tốc độ qua phần ứng và từ thông

ức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quayđiều chỉnh dòng điện kích từ Muốn đổi chi

ặc đổi chiều dòng điện kích từ

ện xoay chiều

ện không đồng bộ

vòng kín Các động phần ứng

Máy điện không đồng bộ (KĐB) là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên

lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1 Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và Máy phát Máy phát điện KĐB ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt, nên chủ yếu là xét động cơ Động cơ KĐB được sử dụng nhiều trong sản xuất và trong sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẽ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì

1.1 Cấu tạo máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ gồm 2 phần chính là Stato và Roto Các bộ phận đi kèm khác gồm: nắp máy, ổ bi trục máy, hộ dầu cực, quạt gió, hộp quạt,…

1.1.1 Stato (phần tĩnh)

Stato được cấu thành bởi phần chính gồm lõi thép, dây cuốn và phần phụ gồm vỏ máy và nắp máy

Cấu tạo Stato của máy điện không đồng bộ

Lõi thép có dạng hình trụ được chế tạo ban đầu từ các lá thép kỹ thuật điện Sau

đó, các lá thép này được dập rãnh bên trong và ghép lại thành các rãnh ép bên trong vỏ máy

Dây cuốn được làm từ các dây đồng có bọc cách điện Dây cuốn được đặt bên trong các rãnh của lõi thép và cho phép dòng điện xoay chiều đi qua Dòng điện này đi qua sẽ tạo nên một từ trường quay

1.1.2 Roto (phần quay)

Roto được cấu thành từ lõi thép, dây cuốn và trục máy

Lõi thép roto gồm các lá thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên trong của lõi thép stato ghép lại Mặt ngoài lõi thép roto dập rãnh để đặt dây cuốn Giữa lõi thép có dập lỗ

để lắp trục

Trục máy phát điện không đồng bộ được làm bằng thép và có gắn lõi thép roto

Roto máy phát điện không đồng bộ ba pha

Dây cuốn của máy phát điện không đồng bộ 3 pha có 2 loại: roto lồng sóc (roto ngắn mạch) và roto dây cuốn

 Roto lồng sóc: là các thanh đồng hoặc nhôm đặt tại rãnh Các thanh này bị ngắn mạch bởi 2 vành ngắn mạch ở 2 đầu Với các động cơ nhỏ, người ta thường đúc nguyên khối thanh dẫn, cánh tản nhiệt, quạt làm mát và vành ngắn mạch của dây cuốn roto

 Roto dây cuốn: cuốn dây tương tự như dây cuốn ba pha stato và có cùng số cực từ Dây cuốn kiểu này luôn đấu với nhau thành hình sao với ba đầu ra đấu vào ba vành trượt Dây cuốn roto sẽ gắn vào trục quay của roto và được cách điện với trục

1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ 3 pha

Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây cuốn cuộn stator sẽ tạo ra từ trường quay có p đôi cực quay với tốc độ n1 Từ trường quay cắt qua các thanh dẫn của dây cuốn roto, cảm ứng các sức điện động

Vì dây cuốn Roto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong trong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy tới thanh dẫn màng điện cảm ứng kéo roto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n

Chú ý: khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường

Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều từ trường

Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây cuốn stato không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0

Ta có công thức sau:

Trong đó:

n1: là tốc độ của từ trường

n: là tốc độ roto động cơ

s: là độ trượt/hệ số trượt

n2: tốc độ từ trường tương đối với tốc độ động cơ

- Rôto quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n<n1 (0<s<1)

Theo quy tắc bàn tay phải, xác định chiều sức điện động E2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F và Moment M Ta thấy F cùng chiều quay của roto nghĩa là điện năng đưa tới stato thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục quay roto theo chiều từ trường quay n1, như vậy động cơ làm việc ở chế độ động cơ điện

Chế độ động cơ điện

- Rôto quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n>n1 (s<0)

Dùng động cơ sơ cấp quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ n>n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây cuốn roto sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây cuốn roto cũng đổi chiều nên chiều M cũng ngược chiều n1, nghĩa là ngược chiều với roto nên đó là moment hãm Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện nghĩa là động cơ làm việc ở chế độ máy phát

Chế độ máy phát

- Rôto quay ngược chiều từ trường nhưng tốc độ n>0 (s>1)

Vì một nguyên nhân nào đó mà roto của máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc này chiều của sức điện động và mô men giống như ở chế

độ động cơ Vì moment sinh ra ngược chiều quay với roto nên có tác dụng hãm roto lại Trường hợp này máy vừa lấy điện ở mạng lưới vào và vừa lấy

cơ năng từ động cơ sơ cấp chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

Chế độ hãm điện từ

1.3 Các phương pháp mở máy điện không đồng bộ 3 pha

Mômen mở máy của máy phát điện không đồng bộ 3 pha là momen tại thời điểm tốc độ n = 0

Để mở được máy thì momen mở máy động cơ phải lớn hơn momen cản của tải lúc

mở máy Đồng thời, momen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm

vi được cho phép

Dòng điện mở máy lớn bằng 5-7 lần dòng điện định mức Lưới điện công suất nhỏ

có thể làm điện áp mạng điện bị tụt xuống Điều này làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc của các thiết bị khác Vì thế, muốn mở máy điện ta phải làm giảm dòng điện mở máy

Đối với động cơ roto dây cuốn: dây cuốn roto được nối với biến trở mở máy Do

đó để giảm dòng điện, đầu tiên ta để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần về không Đối với động cơ lồng sóc có thể áp dụng các phương pháp sau:

 Mở máy trực tiếp: đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện Dùng khi công suất nguồn điện lớn hơn nhiều so với công suất động cơ

 Giảm điện áp stato khi mở máy

 Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato

 Dùng máy biến áp tự ngẫu

1.4 Ứng dụng của máy điện không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ đáp ứng được tối đa yêu cầu điều chỉnh tốc độ Dãy công suất của chúng khá rộng, trải dài từ vài W đến hàng nghìn KW Trên thị trường hiện nay hầu hết là động cơ ba pha, chỉ có một sống dòng 1 pha là có công suất động cơ nhỏ

Cũng được sử dụng làm máy phát Gần đây người ta ứng dụng nhiều làm máy phát điện sức gió công suất đến vài Mêgaoat

2.Máy điện xoay chiều đồng bộ

2.1 Định nghĩa

2 1.1 Định nghĩa

Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ có 2 dây cuốn: dây cuốn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây cuốn roto được kích thích bằng dòng điện một chiều

Động cơ đồng bộ

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 điện sinh hoạt, …

- Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất và ổn định điện áp

2.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ

Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và roto Hình bên dưới

4 : dây cuốn roto

2.2.1 Stato

Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây cuốn ba pha stato Dây cuốn stato gọi là dây cuốn phần ứng

· Roto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 v/p, có một đôi cực

Ở chế độ động cơ, khi ta cho dòng điện ba pha vào ba dây cuốn stato, dòng điện

ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1=60f/p Ta hình dung từ trường quay stato như một thanh nam châm quay Khi cho dòng điện một chiều vào dây cuốn roto, roto biến thành một nam châm điện có cực từ không thay đổi

Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ

Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường roto sẽ có lực tác dụng lên roto Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo roto quay với tốc độ bằng tốc độ từ trường (n = n1) nên được gọi là động cơ động bộ

Như vậy khác với động cơ không đồng bộ, ở động cơ đồng bộ ta có roto được cấp nguồn điện một chiều độc lập nên vẩn có lực tác động tương hỗ giữa stato vào roto khi tốc độ động cơ bằng với tốc độ từ trường

Ở chế độ máy phát, khi động cơ kéo làm quay rô to máy phát đồng bộ, máy phát điện một chiều trên trục động cơ cũng quay theo tốc độ định mức Lúc này, máy phát kích thích thành lập được điện áp và từ trường rô to quét qua dây cuốn phần ứng Stato và cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình Sin