Chương II-MÁY ĐIỆN doc

a/ Cấu tạo: Gồm các bộ phận sau: * Lõi thép: - Dùng để dẫn từ trường trong máy và dập từ trường - Được ghép bởi nhiều lá thép điện kỹ thuật, lõi gồm 2 phần: Phần trụ để quấn dây, phần gô

Chương II.MÁY ĐIỆN

I Khái niệm chung:

1 Khái niệm:

- Máy điện là thiết bị điện từ nguyên tắc làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ

- Theo quan điểm năng lượng:

Máy điện là thiết bị điện dùng để truyền tải hay biến đổi năng lượng điện tử

2 Phân loại:

* Theo sự chuyển động tương đối:

- Máy điện tĩnh: Các bộ phận không chuyển động tương đối với nhau

Ví dụ: máy biến áp

- Máy điện có chuyển động tương đối (quay hay tịnh tiến): Động cơ điện, máy phát điện…

* Theo dòng điện:

Máy điện xoay chiều và một chiều

* Theo số pha: Máy xoay chiều 1 pha và 3 pha

* Theo tốc độ rô to và từ trường:

Máy điện đồng bộ và không đông bộ

3 Các vật liệu chế tạo máy điện:

Vật liệu dẫn từ là vật liệu bằng sắt pha them 2 ÷ 5% si Nó được làm thành các lá mỏng: Gọi là thép lá điện kỹ thuật hay tôn si líc.

Mạch từ tần số thấp thường…… dày 0,35 ÷ 0,5mm, tần số cao: 0,1 ÷ 0,2mm

Ngoài ra còn có thép đúc, thép rèn

c Vật liệu cách điện:

Dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hay giữa các

bộ phận dẫn điện với nhau

Vật liệu cách điện yêu cầu phải cách điện tốt, chịu nhiệt, chống ẩm, bền.Các chất cách điện chủ yếu:

Giấy, vải lụa, amiăng, Mica, sợi thủy tinh, men sứ, sọi cách điện

d Vật liệu kết cấu:

Là vật liệu để chế tạo các chi tiết khác trong máy điện: Trục, ổ bi, vỏ, nắp máy

Các vật liệu thường dùng là:

Gang, thép, chất dẻo, hợp kim nhôm, kim loại mầu

II Máy biến áp

1 Khái niệm chung:

a Khái niệm:

- Máy biến áp là một máy điện tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi điện áp dòng điện nhưng vẫn giữ nguyên tần số

- Trong máy biến áp:

+ Đầu vào nối với nguồn là mạch sơ cấp, các đại lượng được ghi chỉ số

1.ϕ

W1: số vòng sơ cấp; U1: điện áp sơ cấp; I1: dòng sơ cấp

+ Đầu nối với tải là mạng thứ cấp, các đại lượng được ghi chỉ số 2

W2: số vòng thứ cấp; U2: điện áp thứ cấp; I2: dòng thứ cấp

- Nếu máy biến áp:

U2 > U1: Là máy tăng áp

Người ta quy ước: - Máy 1 pha là điện áp pha.

- Máy 3 pha là điện áp dây

* Dòng điện:

Là dòng điện quy định khi máy làm việc với công suất và điện áp định mức

- Máy 1 pha là điện áp pha

- Máy 3 pha là điện áp dây

* Công suất định mức:

Là công suất biểu kiến, đơn vị là VA, KVA Ngoài ra trên biểu máy Biến áp còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, Cosφ, điện áp ngắn mạch…

c Công dung máy biến áp:

- Dùng để truyền tải điện đi xa và phân phối điện năng

- Dùng các thiết bi lò nung, hàn điện, làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần nhiều điện áp, trong đo lường,…

2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp.

a/ Cấu tạo: Gồm các bộ phận sau:

* Lõi thép:

- Dùng để dẫn từ trường trong máy và dập từ trường

- Được ghép bởi nhiều lá thép điện kỹ thuật, lõi gồm 2 phần:

Phần trụ để quấn dây, phần gông để khép kín mạch từ

- Hình dạng cơ bản của lõi thép là:

b Sơ đồ và nguyên lý của Máy biến áp:

Sau đây ta xét sơ đồ và nguyên lý

làm việc của máy biến áp 1 pha

Máy biến áp 1 pha Trong đó

qua 2 cuộn dây Do đó theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây W2 sinh

ra một mức điện động cảm ứng và trong W1 sinh ra sức điện động tự cảm

- Theo định luật cảm ứng trong cuộn:

W1 sinh ra:

dt

d W

2

2 = −Dòng điện hình Sin do đó φ cũng là hình Sin:

t Sin

Max ω φ

φ =

Do đó:

) 2 ( 2

44 , 4 ) (

1 1

1

π ω φ

W

) 2 ( 2

44 , 4 ) (

2 2

2

π ω φ

W U

U E

1 2 1

K được gọi là hệ số biến thế

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy có thể coi gần đúng:

1 1 2

Điện áp tỉ lệ thuận với số vòng dây

3 Các chế độ xảy ra trong máy biến áp:

a Sơ đồ thay thế máy biến áp:

- Trong máy biến áp sơ cấp và thứ cấp không liên hệ trực tiếp với nhau

về điện Năng lượng chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp và thông qua từ trường

Để thuận tiện người ta có thể thay thế mạng sơ cấp và thứ cấp riêngthành một mạch điện chung Sao cho việc nối này vẫn đảm bảo qúa trình nănglượng trong máy Mạch như vậy gọi là sơ đồ thay thế máy biến áp

- Người ta đã đưa ra sơ đồ thay thế máy biến áp nư sau:

X t' = 2

2

' 2

2 = Dòng điện quy đổi về sơ cấp.

b Các chế độ xảy ra trong máy biến áp:

+ Dòng không tải:

2 1

2 1

1 1

) (

) ( H1 H1

o

o

X X R

R

U Z

U I

+

+ +

o

X R

n n

u

X R

U I

I

I I

I K

1

1 2

a Máy tự biến áp (biến áp tự ngẫu)

- Là máy biến áp cuộn sơ cấp và thứ cấp dùng chung 1 cuộn

- Máy biến áp tự ngẫu có thể 1 pha hay 3 pha;

Máy 1 pha có công suất nhỏ được dùng trong các phòng thí nghiệm, làmnguồn điều chỉnh điện áp liên tục

Máy 3 pha để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ xoay chiều 3 pha

- Sơ đồ máy biến áp tự ngẫu 1 pha gồm có 1 dây quấn làm dây sơ cấpnối số vòng W1, 1 bộ phận của nó với số vòng W2 là thứ cấp

Ta có:

2

1 2

1

W

W U

W

W U

- Là loại máy biến áp đặc biệt để hàn bằng phương pháp hồ quang

- Máy biến áp hàn sơ đồ như hình dưới:

Cuộn sơ cấp nối với nguồn, thứ cấp nối với một cuộn điện kháng và quehàn, đầu còn lại nối với vật hàn.

- Để thay đổi dòng điện hàn có thể thay đổi số vòng cuộn sơ cấp (thủcông) hay thay đổi khu hở δ

c Máy biến áp 3 pha:

- Dùng để biến đổi điện áp mạch

+ Dây quốn: Gồm 3 cuộn sơ cấp

và cuộn thứ cấp giống hệt nhau

∆/Y:

3 3

1 2

U U

III Máy điện quay không đồng bộ:

1 Khái niệm và cấu tạo chung:

Mặt trong Stato được xẻ các rãnh dọc trục Lõi thép được ép vào vỏmáy.

Dây quốn là dây điện từ được quấn vào các rãnh Stato Dây quấn 3 pha

sẽ có 3 cuộn dây lệch nhau trong không gian 120o Số vòng, kích thước, phụthuộc vào một loại máy điện cụ thể

- Dây quốn: Gồm 2 loại:

+ Rôto lồng sóc: Trong các rãnh được dập các thanh đồng và thanhnhôm, 2 đầu được nối với 2 vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm (hình a)

+ Rôto dây quấn: Trong rãnh lõi thép đặt dây quấn 3 pha, dây quấn Rotothường nối hình sao, 3 đầu ra được nối với 3 vòng đồng đặt cố định trên trục vàđược cách điện với trục

3 vòng được 3 chổi than tì vào để truyền điện từ ngoài vào

2 Từ trường máy điện không đồng bộ:

a Từ trường đập mạch:

- Từ trường có phương không đổi,song trị số và chiều thay đổi liên tụctheo thời gian gọi là từ trường đậpmạch Nó do dây quấn 1 pha tạo ra.

- Giả sử lõi thép Stato có 4rãnh quấn 2 cuộn dây như hình trên.Theo nguyên tắc tìm từ trường theoquy tắc vặn nút chai ta xác địnhđược từ trường φ là đập mạch.

b Từ trường quay 3 pha:

b 1 : Sự tạo thành từ trường quay:

- Để xét tạo thành từ trường quay ta cho dòng 3 pha chạy qua 3 cuộn dâytrên Stato là:

t Sin I

) 120 ( o Max

B I Sin t

i = ω − (Hình a)

) 240 ( o Max

C I Sin t

- Để tiện theo dõi ta quy ước:

+ Dòng điện dương đi từ đầu pha đến cuối pha

+ Đi vào kí hiệu (+), di ra kí hiệu (•)

- Ta xét từ trường có các thời điểm khác nhau:

+ Tại ωt 90= o các dòng điện đi như hình b Xác định từ trường đi theoquy tắc vặn nút chai ta có từ trường 3 pha và từ trường nằm ngang đi sang trái

+ Tại ωt = 90o + 120o ta tìm được từ trường tổng hướng lên trên sang phải.+ Tại ωt = 90o + 240otừ trường hướng xuống dưới sang phải

Qua sự phân tích trên ta thấy từ trường tổng là từ trường quay.

b 2 : Đặc điểm từ trường quay:

v p

f

- Chiều từ trường quay:

Chiều quay từ trường quay phụ thuộc vào thứ tự các pha của dòng điện.Muốn đổi chiều quay ta thay đổi thứ tự 2 pha với nhau

- Biên độ từ trường quay:

Từ trường tổng xuyên qua mỗi cuộn dây là bao nhiêu?

Ví dụ: Xét 1 pha từ trường qua cuộn dây pha A là:

) 240 ( )

2

1

C B

từ trường cực đại 1 pha

3 Nguyên lý làm việc máy điện không đồng bộ:

a Động cơ:

- khi ta cho dòng điện 3

pha vào dây cuốn Stato nó sẽ tạo ra từ

trường quay từ trường cắt các thanh

dẫn trên Rôto nó sẽ cảm ứng ra sức

điện động và tạo ra dòng điện trong

các thanh dẫn Dòng điện tương tác

nối từ trường quay sẽ tạo ra lực điện

từ kéo Rôto quay.(Chiều lực điện từ

như hình bên theo quy tắc bàn tay trái)

- Tốc độ u của Rôto phải nhỏ hơn tốc độ u1 của từ trường quay vì nếu nóbằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối làm cho dây quấn Rôtokhông có sức điện động → không có dòng cảm ứng →làm không có lực điệntừ

- Độ chênh lệch giữa u1 và u gọi là tốc độ trượt u2

n2 = n1 – n

Hệ số trượt là:

1

1 1

2

n

n n n

n

Khi Rôto đứng yên (n = 0) →S = 1

Khi Rôto quay định mức S = 0,02 ÷ 0,06

Tốc độ động cơ là:

phút vòng S p

f S

n

b Máy phát đồng bộ:

- Nếu ta nối Stato với lưới điện nhưng trục Rôto được nối với 1 động cơ

sơ cấp Động cơ sơ cấp kéo Rôto quay cùng chiều với u1 với tốc độ u lớn hơn

u1 Lúc này chiều dòng điện Rôto I2 ngược lại với chế độ động cơ và lực điện

từ đổi chiều; chúng tác dụng lên Rôto ngược với chiều quay gây ra mô menhãm cân bằng với mô men quay động cơ sơ cấp

- Khi động cơ kéo Rôto quay từ trường của nó sẽ quét lên dây quấnStato cảm ứng ra sức điện động như vậy cơ năng được biến thành điện năng.

- Để tạo ra từ trường quay lưới điện phải cung cấp cho máy phát 1 côngsuất phản kháng vì thế làm cho hệ số Cosϕ của lưới điện giảm đi Khi máylàm việc riêng lẻ ta phải dùng tụ điện nối với điện cực máy để kích từ cho máy.Đây là nhược điểm của máy phát đồng bộ, vì thế ít khi máy phát đồng bộ được

- Sơ đồ thay thế như hình sau:

2 =

K Ki

Ke = Là hệ số quy đổi tổng trở

Trong đó: - Ke: Là hệ số quy đổi sức điện động.

- Ki: Là hệ số quy đổi dòng điện

b Chế độ không tải:

- Là chế độ động cơ làm việc không kéo phụ tải bên ngoài

* Đặc điểm: Dòng điện nhỏ, an toàn.

Nhưng η thấp, Cosϕ thấp gây lãng phí điện năng Do đó không nên chạykhông tải hay non tải

c Chế độ ngắn mạch:

- Là chế độ động cơ làm việc dòng điện tăng lên đột ngột quá dòng địnhmức, gây nóng động cơ dẫn đến cháy

Nguyên nhân gây ra là do:

Điện trở cách điện động cơ giảm (ẩm, va chạm hỏng cách điện, gây ngắn,mạch giữa pha nối vỏ, giữa các vòng dây, hay giữa 2 pha )

Hay do khi đóng điện Rôto bị bó kẹt không quay

- Cho nên khi cho đông cơ làm việc phải tiến hành kiểm tra độ cáchđiện, kiểm tra nơi bó kẹt, chạm chập

d Chế độ điện áp không đối xứng:

- Nếu điện áp đặt vào động cơ không đối xứng, trong động cơ ngoài từtrường thuận, nó còn tạo ra từ trường ngược Từ trường này tạo ra mô menquay ngược làm giảm mo men quay làm động cơ nóng lên, dòng điện tăng gây

2 ' 2 1 2 ' 2 1

1

) (

) (R R X X

U

I m

+ + +

- Khuyết điểm là Im lớn, làm sụt điện áp, thời gian mở máy lâu

Do vậy phương pháp này được sử dụng khi công suất nguồn lớn hơn rấtnhiều công suất động cơ

b Giảm điện áp đặt vào Stato.

- Khi mở máy ta giảm điện áp

đặt vào Stato để giảm dòng mở máy

Khuyết điểm của phương pháp này là

mô men mở máy giảm nhiều, do đó

chỉ sử dụng đối với trường hợp không

yêu cầu mô men mở máy lớn

- Các biện pháp giảm điện áp:

+ Dùng cuộn điện kháng nối

tiếp vào mạch Stato Khi mở máy

đóng cầu giao D1 Khi động cơ đã

quay ổn định ngắt D1, đóng D2

+ Dùng máy tự biến áp:

Điện áp mạng đặt vào sơ cấp máy biến áp tự ngẫu Điện áp thứ cấp đưavào động cơ Khi mở máy cho vị trí con chạy ở điện áp thấp Khi động cơ đã

ổn định chuyển về vị trí điện áp cao

c Phương pháp đổi nối sao thành ∆.

- Phương pháp này dùng khi những động cơ làm việc bình thường nốihình ∆

Khi mở máy nối hình Y (D sang phải) Khi đó điện áp đặt vào mỗi phagiảm 3 lần Sau khi động cơ chạy ổn định chuyển D sang trái lúc đó động cơnối ∆ như quy định

Khi mở máy động cơ dây quấn, Rôto được nối với biến trở Đầu trên đểbiến trở lớn nhất sau khi chạy ổn định giảm xuống 0

6 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ.

Tốc độ động cơ không đồng bộ là:

) 1 (

60 ) 1 (

p

f S

n

n= − = − (vòng/ phút)Dựa vào biểu thức trên ta có thể điều chỉnh tốc độ quay như sau:

a Điều chỉnh bằng thay đổi tần số:

Để thay đổi f ta dùng bộ biến tần Việc này được làm khi động cơ nốiqua một bộ biến tần

Động cơ thay đổi tốc độ theo phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc

độ một cách liên tục trong một phạm vi rộng nhưng giá thành quá lớn Chỉthích hợp khi máy biến tần làm việc với một loạt các động cơ cùng lúc

b Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đơn cực p:

Khi thay đổi số đơn cực P thì tốc độ thay đổi Phương pháp này tốc độthay đổi không liên tục mà phân thành từng cấp rất hạn chế

Muốn thay đổi P ta có thể thay đổi cách đấu dây, hay thay đổi các quấndây đặc biệt

c Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp Stato.

Phương pháp này chỉ được thực hiện việc giảm điện áp Khi giảm điện

áp hệ số trượt sẽ thay đổi, dẫn đến tốc độ quay thay đổi

Phương pháp này có nhược điểm là giảm khả năng quá tải của động cơ,dải điều chỉnh tốc độ hẹp

d Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch Rôto.

Khi điện trở mạch Rôto tăng (đối với Rôto dây quấn) dòng điện trongmạch Rôto giảm, mô men điện từ giảm do đó tốc độ động cơ giảm

Để thay đổi điện trở Rôto người ta mắc biến trở 3 pha vào mạch Rôto

7 Động cơ không đồng bộ 1 pha.

a Cấu tạo:

Gồm 2 phần Stato và Rôto

- Stato: Gồm vỏ máy, lõi thép rỗng hình trụ, dây quấn trên rãnh Stato.Đối với động cơ vòng ngắn mạch lõi thép Stato không có rãnh mà cócực từ

Ngoài dây chính còn có dây phụ để khởi động

- Rôto: Thường là Rôto lồng sóc

b, Nguyên lý làm việc:

- Đặt điện áp một pha vào dây cuốn Stato→sinh từ trường động mạch(Ha) Từ trường này phân thành 2 từ trường quay φA, φB có điện động bằngnhau, quay cùng tốc độ nhưng ngược chiều

Từ trường tạo cho các thanh dẫn sức điện động cảm ứng và dòng cảmứng, dòng cảm ứng tương tác với từ trường tạo thành mô men quay kéo Rôtoquay

Điện năng biến thành cơ năng

- φA, φB tạo ra mô men quay MA, và MB ngược chiều nhau (HC) Khi S =1(n= 0) Thì mô men quay = 0 vì MA = MB Do đó động cơ không tự mở máyđược

c Động cơ 1 pha chạy tụ:

- Trên Stato quấn thêm một

cuộn phụ (khởi động) đặt lệch cuộn

- Khi mở máy, từtrường cuộn dây sẽ qua vòngngắn mạch, do đó trong vòngngắn mạch có dòng cảm ứng,dòng này sinh ra một từtrường Do đó từ trường tổng

sẽ là từ trường quay tạo mômen ban đầu kéo Rôto quay

Loại này đơnn giản, nhưng có khuyết điểm là mô men mở máy yếu, tổnhao lớn, hiệu suất thấp Do đó chỉ làm đối với các loại động cơ công suất nhỏ

IV Máy điện đồng bộ:

1 Khái niệm và công dụng:

a Khái niệm:

Máy điện xoay chiều có tốc độ quay của Rôto u bằng tôc s độ quay từtrường u1 gọi là máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ cũng có tính thuận nghịch.

b Công dụng:

- Máy phát đồng bộ là nguồn điện chính của các quốc gia trong đó động

cơ sơ cấp là tuốc bin khí, nước

Công suất mỗi máy có thể đạt 600MVA

- Động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động công suất lớn, có thểđạt vài chục MW Thường được dùng truyền động máy bơm, nén khí, quạtgióv v với tốc độ không đổi trong các nghành luyện kim, khai thác mỏ, thiết

+ Rôto cực ẩn (Ha) loại này dây được quấn trên các rãnh Cực từ không

lộ rõ, loại này có độ bền cơ khí cao nên dùng cho tốc độ cao (>1500 v/ p′)

+ Rôto cực lồi (Hb): Loại này cực từ được lộ rõ Dây quấn xung quanhcực từ thường được dùng cho loại tốc độ thấp.

+ Để đưa dòng kích thích vào dây quấn Rôto người ta gắn lên trục Rôto

2 vòng đồng, mỗi vòng được hàn với 1 đầu dây, 2 vòng đồng được 2 chổi than

cố định trên giá áp vào để đưa điện 1 chiều vào

3 Nguyên lý làm việc:

a Máy phát đồng bộ:

- Biến cơ năng thành điện năng:

Cho dòng kích thích vào Rôto nó sẽ tạo ra từ trường Dùng động cơ kéomáy phát khi đó từ trường Rôto quét lên dây quấn Stato sẽ cảm ứng thành cácsức điện động cảm ứng hình Sin

- Giải thích đồng bộ:

Nếu Rôto có P điện cực từ, khi Rôto quay 1 vòng, sức điện động Stato sẽ

biến thiên P chu kỳ Do đó tần số f là:

60

.n

P

Dây quấn 3 pha nối với tải sẽ có dòng 3 pha, Dòng 3 pha tạo từ trường

quay n1 = 60p f thay (1) vào ta có: n1 = u tức là tốc độ từ trường quay bằng tốc

độ Rôto

b Động cơ đồng bộ: