(TIỂU LUẬN) đề tài mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm LLV SIM để mô PHỎNG 3d máy điện 1 PHA AC

Năng lượng và lực từ trong hệ nhiều nguồn kích từ 10 Chương 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.... Các nguyên lí của quá trình biến đổi năng lượng điện cơ I.1.Lực và moment trong hệ các mạch từ -

KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA ĐIỆN − ĐIỆN TỬ −

VIỄN THÔNG

-

 -ĐỀ CƯƠNG BÁO CÁO Học Phần: Đồ Án 1

Đề tài: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM LLV SIM ĐỂ MÔ PHỎNG 3D

MÁY ĐIỆN 1 PHA AC

Giảng viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Khấn

Sinh viên thực hiện : Huỳnh Thanh Sử

Cần thơ, ngày 24 tháng 01 năm 2022

Tôi xin cam đoan đồ án trên là công trình nghiên cứu của riêng bản thân mìnhdưới sự hướng dẫn của Ths Nguyễn Văn Khấn Những nhận định được nêu ra trong

đồ án cũng là kết quả từ sự nghiên cứu trực tiếp, nghiêm túc, độc lập của bản thân tácgiả dựa và các cơ sở tìm kiếm, hiểu biết và nghiên cứu tài liệu khoa học hay bản dịchkhác đã được công bố Đồ án vẫn sẽ giúp đảm bảo được tính khách quan, trung thực

và khoa học

Cần Thơ, ngày 24 tháng 01 năm 2022

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: 1

CÁC NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ 1

I Các nguyên lí của quá trình biến đổi năng lượng điện cơ 1

I.1 Lực và moment trong hệ các mạch từ 1 I.2 Moment trong hệ mạch từ 2 I.3 Cân bằng năng lượng 4 I.4 Năng lượng và lực từ trong hệ một nguồn kích từ 5 I.5 Tính toán lực từ: Đồng năng lượng 8 I.6 Lực và moment trong hệ các mạch từ có nam châm vĩnh cửu 9 I.7 Năng lượng và lực từ trong hệ nhiều nguồn kích từ 10 Chương 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 11

I Giới thiệu máy điện quay AC 11

I.1 Máy điện không đồng bộ 11 I.2Sức từ động của dây quấn rải 15 I.3Từ trường trong máy điện quay 17 I.4.Sức từ động trong máy điện xoay chiều 18 I.5.Sức điện động cảm ứng trong máy điện xoay chiều 21 I.6.Hiện tượng bảo hòa mạch từ và từ thông tản 22 II.Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ (KĐB) 3 pha 23

II.1.Cấu tạo 23 II.2.Từ trường quay 28 II.3.Nguyên lý làm việc 33 II.4 Dòng điện rotor 38

II.5 Thông số động cơ KĐB

III.Mạch tương đương 39

I Phân bố công suất và hiệu suất 42

V Thí nghiệm không tải, thí nghiệm ngắn mạch 43

V.1 Thí nghiệm ngắn mạch 43 V.2 Thí nghiện không tải 44 VI Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 45

PHẦN II MÔ PHỎNG 3D LLV SIM VÀ KẾT QUẢ 47

I MỤC ĐÍCH & YÊU CẦU THÍ NGHIỆM: 47

1 Mục đích thí nghiệm: 47

2 Yêu cầu: 47

II CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 47

III NỘI DUNG THÍ NGHIỆM: 47

1 Tìm hiểu cấu tạo và ghi các số liệu định mức của động cơ 47

2 Đo điện trở một chiều của các cuộn dây stato 48

3 Đổi chiều quay và đo tốc độ của động cơ, xác định hệ số trượt: 49

4 Thí nghiệm không tải: 50

5 Thí nghiệm ngắn mạch: 51

7 Thí nghiệm điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp U 1 : 52

CHƯƠNG 1:

CÁC NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ

I. Các nguyên lí của quá trình biến đổi năng lượng điện cơ

I.1.Lực và moment trong hệ các mạch từ

- Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường ( đó là trườnghợp thường gặp trong động cơ điện, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng, có trị sốlà:

Trong đó : B - từ cảm do bằng T;

I - dòng điện do bằng A ;

L - chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng m;

F dt - lực điện từ đo bằng N (Niuton)

- Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

I.2 Moment trong hệ mạch từ

Mạch từ là mạch kép kín dùng để dẫn từ thông Là mạch từ đơn giản , đồng nhất bằng thép kĩ thuật điện, và có một dây quấn

HL = wi

Trong đó: H - cường độ từ trường trong mạch từ do bằng A/m; l

- chiều dài trung bình của mạch từ đo bằng m;

W - số vòng dây của cuộn dây;

Dòng điện i tạo ra từ thông cho mạch từ, gọi là dòng điện từ hóa.Tích số wi được gọi là sức từ động

Hl được gọi là từ áp rơi trong mạch từ

Biết I=10A, B=0,5T, R=0,1m, l=0,3m, α=30o.

Tính lực điện từ Fe tác động lên mỗi thanh dẫn rotor?

Tính moment tác động lên 2 thanh dẫn rotor?

fld W

mechei.dt=dWfld + dWmech mà e= dψ dt và Wmech = ffldX

idψ= dWfld + d(ffldX) giả sử ffld = const

dWfld = idψ - f

I.3 Cân bằng năng lượng

- Động cơ

P e = P cu + dW dt fld + P conv

P conv = P loss−mech +

dW mech

Điện năng = Năng lượng từ trường + Cơ năng + Nhiệt năng

fld

I.4 Năng lượng và lực từ trong hệ một nguồn kích từ

- Năng lượng là đại lượng vật lý mà phải được chuyển đến một đối tượng để thực hiệnmột công trên, hoặc để làm nóng, các đối tượng Năng lượng là một đại lượng được bảo toàn; định luật bảo toàn năng lượng cho biết năng lượng có thể được chuyển đổi thành các dạng khác nhau, nhưng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi

- Các dạng năng lượng phổ biến bao gồm động năng của vật chuyển động, năng lượngtiềm tàng được lưu trữ bởi vị trí của vật trong trường lực (lực hấp

dẫn, điện hoặc từ), năng lượng đàn hồi được lưu trữ bằng cách kéo căng vật thể rắn,năng lượng hóa học được giải phóng khi nhiên liệu bị đốt cháy, năng lượng bức xạ mang theo ánh sáng và năng lượng nhiệt do nhiệt độ của một vật thể

e=dψ dt

⇒F FLD=

dW mech

W fld( 0, x0)= 2 L( x0 ) 20

 Có thể tính năng lượng tích lũy trong từ trường thông qua mật độ khối của năng lượng từ trường theo thể tích V:

- Cho mạch từ tuyến tính λ=L (X ) i

Biết N= 1000 vòng, δ=0.002m=g+g, D=0,15m,l=0,1m,I=10A

a) Tính W fld khi piston dịch chuyển một đoạn x? Tính lực f fld

I.5 Tính toán lực từ: Đồng năng lượng

dW fld(λ,x)=idλ- f flddx W fld tính theo λ lva x

Định nghĩa “ đồng năng lượng” W fld theo i và x:

W ' fld(i,x) =iλ − ¿ W fld(λ ,x)Tương tự, moment:

Với hệ thống tuyến tính, λ=L( X ) i, có thể đồng năng lượng:

Trong đó I fO là dòng điện chạy trong cuộn dây giả tưởng tạo ra từ trường vừa đủ khử

từ trường NCVC

I.7 Năng lượng và lực từ trong hệ nhiều nguồn kích từ

Ví dụ: Máy điện có 2 cuộn dây, mạch từ tuyến tính (chế độ động cơ)

Chương 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

BỘ I Giới thiệu máy điện quay AC I.1 Máy điện không

đồng bộ

Máy điện không đồng bộ 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 n Máy điện không đồng bộ

có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát

Khi phân loại máy điện không đồng bộ, có thể căn cứ theo:

Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung…

Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: kiểu rotor dây quấn và kiểu rotor lồng sóc

Theo số pha: kiểu một pha, hai pha, ba pha.

Dây quấn stator

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các ranh củalõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từtrường quay

Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto

Dây quấn rotor

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch còn gọi là rotorlồng sóc và rotor dây quấn

Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi

hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồmthanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suấttrên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vànhngắn mạch

Rotor dây quấn: cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây

quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt,gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vànhtrượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặcđiều chỉnh tốc độ

- Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng bộ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuấthiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p (f là tần số lưới điện; p là số đội cực từ củamáy; n là tốc độ từ trường quay bậc một) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha

tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, làm cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện độngE, Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I, chạy qua Từ thông dodòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tống ở khe hở.Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mô men Tácdụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto Trong những phạm vi tốc độkhác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tácdụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ

- Các đại lượng định mức

Máy điện không đồng bộ có các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuậtcủa máy Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãnmáy Máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máychỉ ghi các trị số làm việc của chế đô động cơ ứng với tải định mức

- Công dụng của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện

Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơkhông đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốcdân Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lựccho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ… Trong hầm mỏdùng làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy giacông nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dầndần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh…Tóm lại phạm vi ứngdụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Tuy vậy máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: cosφ của máy thườngkhông cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của nó có phần bịhạn chế.

I.2Sức từ động của dây quấn rải

Dây quấn rải, có họa tần bậc 1 của sức từ động : Fa1 = (4

π k dq N

2ph i a )cos¿)Dây quấn rải, nhiều cặp cực=P, có họa tần bậc 1: Fa1 = ( 4

từ trường 1,6T trong khe hở kk?

Ví dụ 4.2b: Cho máy điện có rotor 2 cực, dây quấn rải, 830 vòng/pha, khe hở kk

2,2cm Từ trường được tạo ra bởi dòng điện có biện độ 47A, và từ trường đo được trong khe hở kk là 1,35T? Tính hệ số dây quấn rotor kr

I.4.Sức từ động trong máy điện xoay chiều

Fa1 = (4

π k dq N2ph

P i a )cos¿)

Nếu cấp vào cuộn dây dòng điện xoay chiều: ia=Imcos( et), sức từ động theo

không gian và thời gian : F a 1=F mcos(Pθ) cos et)

5.2 Các phương trình cơ bản.

-Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn stato:

- Máy điện KĐB làm việc thì dây quấn rôto phải kín mạch (thường ngắnmạch) Khi nối dây quấn stato với nguồn ba pha, ta có phương trình cân bằng sđđ khirôto quay giống như khi đứng yên:

U˙1=−E˙1+I˙1 Z˙1

Phương trình cân bằng sđđ ở dây quấn rôto: Từ trường khe hở do stđ F0 sinh raquay với tốc độ n1 Nếu rôto quay với tốc độ n cùng chiều từ trường thì giữarôto và từ trường có tốc độ trượt n2 = n1 - n, vậy tần số sđđ và dòng điện trongdây quấn rôto:

Ví dụ 4.3: Tính tốc độ quay (vòng/phút) của từ trường cho máy điện 3 pha 50Hz

có số cáp cực là 1, 2, 3?

Phân tích hình học:

I.5.Sức điện động cảm ứng trong máy điện xoay chiều

b)Cường độ từ trường Bm trong khe hở kk?

c) Từ thông Φ m dưới mỗi cực từ?

d)Sức điện động cảm ứng hở mạch phía stator?

I.6.Hiện tượng bảo hòa mạch từ và từ thông tản

Hiện tượng bảo hòa mạch từ

Từ thông tản

II.Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ (KĐB) 3 pha

II.1.Cấu tạo

Dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, không bảo trì

>2HP (1500W) hay 3HP (2250W) : 3 pha

Stator: ba cuộn dây nối Y hay ∆, lá thép kỹ thuật điện.

B

C

Stator cực từ ẩn Stator cực từ lồi

Rotor: rãnh nghiêng (tránh dao động, khóa răng stator)

Lồng sóc (đơn giản, dễ chế tạo, bền, không bảo trì, )

Dây quấn(luôn đấu Y, có vành trượt, chổi than để mở máy Thông thường số cực của rotor bằng với số cực stator)

B rotating

Force

I r

Rotor bar

Rotor dây quấn Rotor lồng sóc

Xét khi p=2, mỗi chu kỳ (360º) thì từ trường quay 1/2 vòng

B

A

C

II.3.Nguyên lý làm việc

33

i sa

i sc

C

Số cực của rotor dây quấn bằng với số cực của stator.

Dây quấn rotor nối Y

Nối thêm biến trở cho ba cuộn dây rotor để mở máy hay điều khiển tốc độ.

Khi từ trường quay sinh dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn (cuộn dây)rotor.Dòng điện trong từ trường sinh ra lực từ kéo rotor quay theo quy tắc bàn taytrái.Tốc độ rotor n<n1 để còn tồn tại dòng điện cảm ứng: Không đồng bộ.

II.4 Dòng điện rotor.

δ r= -(90º + ∅r) với ∅r là hệ số công suất của rotor.

II.5 Thông số động cơ KĐB

Công suất cơ hữu ích trên trục P đm (W, kW, HP ≈745.7W)Điện áp dây stator U 1 đm (V, kV)

Dòng điện dây stator I 1 đm (A)

I r= I rs do sức từ động không đổi khi rotor quay hay đứng yên

İ s R s jX s

R r

jX ' r

İ ' r S İ

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hóa

P Fe= m Fe(ξff +ξf f 2 ¿ B2m

Mạch tương đương đơn giản của động cơ K ĐB I.

Phân bố công suất và hiệu suất

Phân bố công xuất trong ĐC KĐB 3 pha

P in P gap =P đt P m = P cơ P out

Ngắn mạch: n =0 : s=1, Pcơ =0

Phân bố điện kháng tản trong các loại động cơ không đồng bộ:

B Momenthường khởi động bình 0,4 0,

Theo tiêu chuẩn IEEE 112

V.2 Thí nghiện không tải

Không tải: n → ns :s→0, Pthcơ ≠ 0

VI Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

R t jX t

İ t

jX ' r

Ů t

' r

PHẦN II MÔ PHỎNG 3D LLV SIM VÀ KẾT QUẢ

I MỤC ĐÍCH & YÊU CẦU THÍ NGHIỆM:

1 Mục đích thí nghiệm:

2.Yêu cầu :

ngữ mới

cần thiết cho bài thí nghiệm

nghiệm

II CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:

NỘI DUNG THÍ NGHIỆM:

Tìm hiểu cấu tạo và ghi các số liệu định mức của động cơ.

Hiển thị ứng dụng Metering, chọn File cấu hình ACMOTOR1.cfg

• Công tắt MODE để ở vị trí PRIME MOVER

·

Công tắt DISPLAY để ở vị trí SPEET

Đo điện trở một chiều của các cuộn dây stato.

Sơ đồ nối dây để do điện trở một chiều của các cuộn dây stato như hình 2-8 Trên cửa sổ Metering chuyển các cửa sổ đo dòng điện và điện áp sang chế

độ do dòng diện và điện áp một chiều

Dùng nguồn cung cấp điện một chiều DC điều chỉnh được từ 0-220V (đầu N) Vôn kế E1, E2, E3 Ampe kế I1, I2 ,I3 đấu nối với các cuộn dây của động cơnhư hình 2-8

7-Bật nguồn, xoay núm điều chỉnh tăng điệp áp ghi lại các trị số đo được trêncác cửa sổ đo E và I vào bảng số liệu, sau đó mở bảng số liệu để in hoặc ghi vàobảng 1 Từ các số liệu đo được xác định điện trở một chiều của cuộn dây theo côngthức sau:

r1 = E1

I1

+ I1

1 + E1

I2 2 E2

I3 3 E3

Hình 2-8

Tắt nguồn, xoay núm điều chỉnh điện áp về vị trí min, tháo gỡ các dây nối

Đo tốc độ: Khi động cơ đã quay ổn định ta bật DISPAY swich sang chế độSPEED để đo tốc độ n của động cơ, sau đó các định hệ số trượt khi không tải theocông thức:

s %= n1−n0

100%, trong đó n 1 là tốc độ đồng bộ của động cơ.

n1

Tắt nguồn, xoay núm điểu chỉnh điện áp về vị trí num, tháo gỡ các dây nối

1 Thí nghiệm không tải:

Sơ đồ nối dây thí nghiệm như hình 11:

trình tự tiến hành như sau:

trình tự tiến hành như sau:

(PRIME MOVER)

để đạt tốc độ n = nam của phát điện đồng bộ

3 Thí nghiệm lấy đặc tính ngoài

Sơ đồ nối dây thí nghiệm như hình 13:

Trình tự tiến hành như sau :

bằng Nam

đó mở bảng số liệu đo được ghi vào bảng 2 (hoặc dùng máy in để in bảng số liệu).

kết quả

3.Thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh.

Sơ đồ thí nghiệm như hình 13:

Trình tự tiến hành như sau:

+ Làm giống như thí nghiệm không tải để thành lập điện áp, nhưng chỉ bằng

giảm thì phải

điều chỉnh dòng điện kích từ i để giữ U = Um và điều chỉnh điện áp đưa vào

Prime Mover để giữ

tốc độ bằng định mức Sau đó đưa con trỏ chuột đến nút record data, nhắp chuột

để ghi kết quả đo

được vào máy tính Mở bảng số liệu đo được ghi vào bảng 3

kết quả

4 Hòa đồng bộ máy phát điện đồng bộ:

Sơ đồ nối dây thí nghiệm như hình 3:

Trình tự tiến hành như sau:

phát U, chỉ

bằng điện áp lưới UL.(E1=E3)