Giáo trình máy điện 2 (nghề điện công nghiệp) trường cđ cộng đồng lào cai

1 TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIÁO TRÌNH NỘI BỘ TÊN MÔN HỌC/MÔ ĐUN MÁY ĐIỆN 2 SỐ GIỜ 60 H NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Tác giả Nguyễn Thị Thanh Tú Lào Cai, tháng 01 năm 2017 2 LỜI NÓI ĐẦU Giá[.]

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ TÊN MÔN HỌC/MÔ ĐUN: MÁY ĐIỆN 2

SỐ GIỜ: 60 H NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Tú

Lào Cai, tháng 01 năm 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình Máy điện 2 được biên soạn trên cơ sở chương trình khung của nghề điện Công Nghiệp, đối tượng đào tạo hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề

Chương trình khung đào tào nghề Điện Công Nghiệp năm 2017 được TCĐ Lào Cai xây

dựng, ban hành và sử dụng Giáo trình Máy điện 2 là giáo trình chuyên môn nghề quan

trọng trong chương trình đào tạo hệ Cao đẳng nghề và trung cấp nghề Vì vậy tập bài

giảng đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng

thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả

Nội dung của giáo trình Máy điện được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu bổ xung nhiều kiến

thức, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu, nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng

đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước

Giáo trình này dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các giáo viên và học sinh hệ cao

đẳng nghề và trung cấp nghề điện Công Nghiệp Đồng thời cũng là tài liệu tham khảo

cho các giaó viên và học sinh ngành điện giảng dạy và học tập các hệ đào tạo ngắn hạn và

dài hạn khác ở trong trường

Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc không tránh khỏi

những khiếm khuyết hy vọng nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của độc giả

Đây là tài liệu thử nghiệm sẽ được hiệu chỉnh để trở thành giáo trình chính thức trong hệ

thống đào tạo của trường Trung cấp nghề Lào Cai

MỤC LỤC

Trang

Bài 1: Máy điện đồng bộ

1 Định nghĩa và công dụng

2 Cấu tạo của máy điện đồng bộ

3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

4 Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ

5 Các đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ

6 Sự làm việc song song của máy phát điện đồng bộ

7 Động cơ và máy bù đồng bộ

8 Sửa chữa, quấn lại bộ dây máy phát đồng bộ

Bài 2: Máy điện một chiều

1 Đại cương về máy điện một chiều

2 Cấu tạo của máy điện một chiều

3 Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều

5 Công suất điện từ và mô men điện từ của máy điện một chiều

6 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục

7 Máy phát điện một chiều

8 Động cơ điện một chiều

9 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều

10 Sửa chữa, quấn lại dây quấn máy điện một chiều

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

Máy điện có mặt hầu hết các ngành sản xuất dùng điện, trong sinh hoạt, sản xuất

Vì vậy đối với người thợ cũng như cán bộ quản lý kỹ thuật cần có kiến thức cơ bản về kết

cấu nguyên lý làm việc của máy điện cụ thể là máy điện đồng bộ và máy điện một chiều

đó cũng là nội dung tài liệu này cung cấp Từ đó đưa ra phương pháp vận hành sửa chữa

hợp lý

Hơn nữa sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, máy điện nói chung ngày càng cải tiến hiện đại, phức tạp hơn và đa dạng hơn…Do đó khi biên soạn giáo trình

này chúng tôi cân nhắc đến đặc điểm của ngành nghề, thời gian đào tạo Môn học máy

điện không chỉ trang bị cho học viên những kiến thức về kết cấu nguyên lý làm việc và kỹ

năng vận hành sửa chữa, mà còn trang bị cho học viện kỹ năng tính toán phân tích các

thông số của mạch điện, để tìm ra phương án sửa chữa vận hành hợp lý nhất

Môn học máy điện cần sử dụng kiến thức các môn học cơ bản như mạch điện, vật liệu điện, an toàn điện, nó được bố trí học trước các môn học chuyên ngành làm kiến thức

cơ sở tiếp thu các môn học khác

Tài liệu tham khảo

1 Công nghệ chế tạo Máy điện và Máy biến áp, Nguyễn Đức Sĩ, NXB Giáo dục, Hà Nội

1995

2 Máy điện 1, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001

3 Máy điện 2, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001

4 Hướng dẫn sử dụng và sửa chữa Máy biến áp, Động cơ điện, Máy phát điện công suất

nhỏ, Châu Ngọc Thạch, NXB Giáo dục, Hà Nội 1994

5 Tính toán cung cấp và lựa chọn thiết bị, khí cụ điện, Nguyễn Xuân Phú - Nguyễn Công

Hiền, NXB Giáo dục, Hà Nội 1998

6 Kỹ thuật điện, Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

1999

7 Các sách báo và tạp chí về điện

Bài 1: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I Mục tiêu, yêu cầu chuẩn đầu ra

Học xong bài này học sinh đạt được:

- Nhận biết được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ Ứng dụng của phản ứng phần ứng, các đường đặc tính làm việc trong sửa chữa, vận hành máy Mục đích

của các máy phát đồng bộ làm việc song song, điều kiện làm việc song song và các

phương pháp hoà đồng bộ của các máy phát đồng bộ

- Thực hiện thí nghiệm không tải, có tải máy phát điện đồng bộ một pha, 3 pha;

hoà đồng bộ 2 máy phát điện đồng bộ bằng phương pháp đèn tắt, đèn quay trên mô hình

hoà đồng bộ Sửa chữa, quấn lại được bộ dây máy phát điện đồng bộ

- Rèn luyện tác phong công nghiệp Tự học, tự nghiên cứu mở rộng và nâng cao kiến thức, kỹ năng về máy điện đồng bộ

II Nội dung

A Kiến thức lý thuyết liên quan

1 Định nghĩa và công dụng:

1.1 Định nghĩa:

Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ 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 1 chiều

Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi

1.2 Công dụng của máy điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tua bin nước, tua bin khí, tua bin hơi nước Công suất của các máy

phát có thể đạt đến 600 MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song Ở các

lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ diezen hoặc

các tua bin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW Trong công nghiệp luyện kim, khai thác 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 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

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 Cấu tạo máy điện đồng bộ

Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và rôto Trên hình 1-1 vẽ mặt cắt ngang trục máy trong đó 1 : lá thép stato ; 2 : dây quấn stato ; 3 : lá thép rôto ; 4 :

dây quấn rôto

Hình 1-1 Mặt cắt ngang trục máy Hình 3-2 a) Rôto cực ẩn

b) Rôto cực lồi

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 quấn ba pha stato Dây quấn stato gọi là dây quấn

phần ứng

2.2 Rôto

Rôto máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho

máy, đối với máy công suất nhỏ rôto là nam

châm vĩnh cửu

Có hai loại : rôto cực ẩn và rôto cực lồi

Hình 1-2a vẽ rôto cực ẩn, hình 1- 2b vẽ rôto cực

lồi

Rôto cực lồi dùng ở các máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực

Rôto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 vg/ph, có một đôi cực

Để có sđđ sin, từ trường của cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto, ở đỉnh các cực từ có từ cảm cực đại

Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh Đối với rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ

Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ (hình 1-3)

3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

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:

E0 = 4,44fw1kdq0 (1.1) Trong đó: Eo, wl, kdq, Ф0 là sđđ 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 kì Do đó tần số f của sđđ các pha lệch nhau góc pha 1200

F = pn , n đo bằng vg/s (1.2a) hoặc f = , n đo bằng vòng /phút (1.2b) Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện , cho nên sđđ 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 diện ba pha trong ba dây quấn sẽ

tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60 f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto Do đó loại

máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ

4 Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ

Khi máy điện làm việc, từ thông của cực từ rôto Ф0 cắt dây quấn stato cảm ứng ra sđđ Eo chậm pha so với từ thông Ф0 góc 900 (hình 1-4a) Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo

nên dòng điện I cung cấp cho tải Dòng điện I trong dây quấn stato tạo nên từ trường quay

phần ứng Từ trường phần ứng quay đồng bộ với từ trường của cực từ Ф0 Góc lệch pha

giữa Eo và I do tính chất của tải quyết định Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ

trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng

Trường hợp tải thuần trở (hình 1-4a) góc lệch pha ψ = 0, E0 và I cùng

pha Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng cùng pha với dòng diện Từ trường phần ứng

theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ, ta gọi là phản ứng phần ứng ngang

trục

Hình 3-4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ

Trường hợp tải thuần cảm (hình 1-4b) góc lệch pha ψ = 900 dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng Ф ngược chiều với Ф0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác

dụng làm giảm từ trường tổng

Trường hợp tải thuần dung ψ = -900 (hình 1-4c) dòng điện sinh ra từ trường phần ứng Ф cùng chiều với Ф0 , ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm

tăng từ trường tổng

Trường hợp tải bất kỳ (hình 1-4d) ta phân tích dòng điện I thành hai thành phần:

thành phần dọc trục Id = Isinψ và thành phần ngang trục Iq = Icosψ, dòng điện I sinh ra từ

trường phần ứng vừa có tính chất ngang trục, vừa có tính chất dọc trục khử từ hoặc trợ từ

tuỳ theo tính chất của tải (tính chất điện cảm hoặc tính chất điện dung)

5 Các đường đặc tính

5.1 Đặc tính ngoài (đặc tính có tải) của máy phát điện đồng bộ:

Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (Cosφt = Const), tần số và dòng điện kích từ máy phát

không đổi Từ phương trình điện áp:

q X q j d X d j E

U   0      

Ta vẽ đồ thị véctơ ứng với loại tải khác nhau Ta thấy khi tải tăng, đối với tải cảm và trở

điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với tải dung điện áp tăng Bằng đồ thị,

ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc vào dòng điện và đặc tính của tải

Hình 1.8a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi ;kt  const ( E0  const ) và cos tkhông

đổi ứng với các tải khác nhau Khi tất cả có tính chất cảm phản ứng phần ứng dọc trục

khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở Để giữ điện áp U

bằng định mức, phải thay đổi E0bằng cách điều chỉnh kích từ sao cho   ñm cóvẽ

trên hình 4.8b

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với không tải xác

định như sau:

% 100 0

% 100 0

%

ñm U ñm U E ñm

U ñm U U



Độ biến htiên điện áp  U % của máy có thể đạt đến vài chục phần trăm và điện kháng đồng bộ Xñbkhá lớn

5.2 Đặc tính điều chỉnh

Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi

điên áp U không đổi bằng định mức Hình 4.8c vẽ đường đặc tính điều chỉnh của máy

phát đồng bộ với các hệ số công suất khác nhau

Phần lớn các máy phát điện đồng bộ có bộ tự động điều chỉnh dòng kích từ giữ cho điện áp không đổi

6 Sự làm việc song song của máy phát điện đồng bộ

Khi ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong hệ thống điện lực với một máy phát điện đồng bộ khác, để tránh dòng điện xung và các Mđt có trị số rất lớn

có thể gây ra sự cố hỏng máy và các thiết bị khác trong hệ thống thì phải đảm bảo các

điều kiện sau:

- Điện áp của máy phát phải trùng pha với điện áp của lưới (cực tính của máy phát cần ghép song song phải giống cực tính của lưới):

UF = UL

Hình 4.8 Các dạng đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ

ñm U

0 U

ñm



0 U

ñm



kt



1 cos   1

cos  

0 cos  

- Tần số các hệ thống ghép vào nhau phải bằng nhau (quay cùng tốc độ n): fF = fL

- Đối với máy phát điện ba pha cần thêm điều kiện thứ 3: Cùng thứ tự pha

Khi ghép song song việc điều chỉnh điện áp UF của máy phát điện được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy Tần số fF của máy được điều chỉnh

bằng cách thay đổi momen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo máy phát Sự trùng

pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện kiểm tra bằng đèn, vôn mét chỉ

không hoặc dụng cụ đo đồng bộ Thứ tự pha của máy phát điện đồng bộ thường chỉ được

kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hoà đồng bộ với lưới điện lần đầu

Việc ghép song song các máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện trên gọi là hoà đồng bộ chính xác máy phát điện Trong một số trường hợp có thể dùng

phương pháp hoà đồng bộ không chính xác nghĩa là không phải so sánh tần số, trị số góc

pha và các điện áp của máy phát điện cần được ghép song song và của lưới điện, phương

pháp này gọi là phương pháp tự đồng bộ

7 Động cơ và máy bù đồng bộ

7.1 Động cơ điện đồng bộ

7.1.1 Khái quát về động cơ điện đồng bộ

Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản,

làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ Tuy nhiên các động cơ điện đồng

bộ do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đó được sử dụng rộng rãi

hơn và có thể so sánh được với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện

Về ưu điểm, trước hết phải nói là động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản

kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm

được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đuờng dây Ngoài ưu điểm chính đó, động cơ

điện đồng bộ cũng ít chịu ảnh huởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen

của động cơ điện đồng bộ chỉ tỉ lệ với U trong khi mô men của động cơ không đồng bộ tỉ

lệ với U2 Vì vậy khi điện áp của lưới sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ

điện đồng bộ lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ có

thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện Cũng phải nói

thêm rằng, hiệu suất động cơ điện đồng bộ thường cao hơn hiẹu suất của động cơ không

đồng bộ vỡ động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn

Nhược điểm của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến

cho giá thành cao Hơn nữa việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc