giáo trình máy điện

Khởi động bằng cách thêm R p vào mạch rôto dây quấn: Phương pháp nầy chỉ dùng cho những động cơ rôto dây quấn vì đặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rôto.

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 15

KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

14.1 KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Phương trình cân bằng mômen trong quá trình khởi động:

dt

dJM

trong đó:

M : Mômen điện từ của động cơ điện: f1(Ω)

MC : Mômen cản của tải: f2(Ω)

J : Mômen quán tính

Ta thấy: + Tăng tốc độ thuận lợi khi dΩ/dt > 0 → M > MC

+ (M - MC) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh

+ Máy có quán tính lớn thì thời gian khởi động tk lâu

Dòng điện khởi động Ik : khi khởi động Ω = 0 , s = 1 nên :

2 2 1 1

2 2 1 1

1

)xCx()rCr

UI

' '

k

+++

=

Thường thì : Ik = (4÷7)Iđm ứng với Uđm

Mômen khởi động Mk :

2 2 1 1

2 2 1 1

2

2 1

1

1

)xCx()rCr

rUm

M

' '

'

k

+++

×Ω

=

Yêu cầu khi khởi động động cơ :

• Mômen Mk phải lớn để thích ứng với đặc tính tải

• Dòng Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

• Thời gian tk cần nhanh để máy có thể làm việc được ngay

• Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng

Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử dụng và công suất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thích hợp

14.1.1 Khởi động trực tiếp

Trên hình 14.1 là sơ đồ nối dây khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ Đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới, động cơ quay

Ưu điểm của phương pháp này:

+ Thiết bị khởi động đơn giản

+ Mômen khởi động Mk lớn,

ĐC CD

Hình 16-1 Khởi động trực tiếp

U1 + Thời gian khởi động tk nhỏ

Khuyết điểm của phương pháp này là dòng

điện khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các

phụ tải khác Do vậy phương pháp nầy dùng

cho những động cơ công suất nhỏ và công suất

của nguồn lớn hơn nhiều lần công suất động

cơ

14.1.2 Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stato

Các phương pháp sau đây nhằm mục đích giảm dòng điện khởi động Ik Nhưng

khi giảm điện áp khởi động thì mômen khởi động cũng giảm theo

1 Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stato:

Trên hình 14.2 là sơ đồ nối dây khởi

động động cơ không đồng bô dùng cuộn

kháng CKü Khi khởi động : CD2 cắt,

đóng CD1 để nối dây quấn stato vào lưới

điện thông qua CK, động cơ quay ổn

định, đóng CD2 để ngắn mạch điện

kháng, nối trực tiếp dây quấn stato vào

Hình 14 2 Khởi động dùng điện

Điện áp đặt vào dây quấn stato kđ:

U’k= kU1 (k < 1) Đòng điện khởi động:

I’k= kIk

Với Ik: dòng khởi động trực tiếp với U1

Mômen khởi động:

Mk= k2Mk

2 Khởi động dùng mba tự ngẫu:

Trên hình 14.3 là sơ đồ nối dây khởi động động cơ không đồng bộ dùng máy biến áp tự ngẫu (MBA TN) Trước khi khởi động : cắt CD2, đóng CD3, MBA TN để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng (0.6÷0,8)Uđm, đóng CD1 để nối dây

3quấn stato vào lưới điện thông qua MBA TN, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đoúng CD2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới

Khi khởi động, động cơ được cấp điện:

Uk= kT U1 (k < 1) Lúc đó dòng điện khởi động:

I’k= kT Ik với Ik: dòng khởi động trực tiếp

Dòng điện MBATN nhận từ lưới điện:

I1 = kTI’k = k2

TIk Mômen khởi động:

M’k= k2T Mk

U1

3 Khởi động bằng cách đổi nối Y→ Δ:

Trên hình 14.4 là sơ đồ nối dây khởi động bằng cách đổi nối sao Y sang Δ

động cơ không đồng bộ Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ lúc máy làm việc

bình thường nối Δ, khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối Δ để làm việc

Điện áp pha khi khởi động:

I

Mômen khởi động Mk giảm đi 3 lần

14.1.3 Khởi động bằng cách thêm R p vào mạch rôto dây quấn:

Phương pháp nầy chỉ dùng cho những động cơ rôto dây quấn vì đặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rôto Khi điện trở rôto thay

Hình 14.3 Khởi động dùng MBA TN

đổi thì đặc tính M = f(s) cũng thay đổi theo Khi điều chỉnh điện trở mạch rôto thích đáng thì Mk = Mmax (đường 3) Sau khi rôto quay để giữ một mômen điện từ nhất định trong quá trình khởi động ta cắt dần điện trở nối thêm vào mạch rôto làm cho quá trình tăng tốc động cơ từ đặc tính nầy sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ tăng tốc đến điểm làm việc của đặc tính cơ tự nhiên

Hình 14 5 Khởi động động cơ rôto dây quấn

a) Sơ đồkhởi động; b) Đặc tính khởi động

r2+ rp2+rp1

r2+ rp2

r2 M

s

1 0

Nhược điểm của phương pháp nầy là động cơ rôto dây quấn chế tạo phức tạp

hơn rôto lồng sóc nên giá thành đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng thấp hơn

14.2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một chiều Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triễn nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp khó khăn mấy với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và năng lượng tiêu thụ

Ta thấy các phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện :

p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện

14.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Ta đã biết, hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp Theo (14.40) và (14.43), nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với Vậy họ đặc tính thay đổi như hình (14.7) làm cho tốc độ thay đổi theo Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi

2 1

U

Hình 14.6 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn điện

a) Sơ đồ mạch động lực; b) Đặc tính cơ với các U khác nhau

ĐC

14.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M Trong công thức về mômen cực đại, khi bỏ qua điện trở r1 thì mômen cực đại có thể viết thành :

2 1

2 1

f

UC

Mmax = ; Trong đó C là một hệ số

Hình 14.7 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện

a) Sơ đồ khối; b) Đặc tính cơ U1/f không đổi

Rectifier

(ac- dc)

Invertor (dc - ac) IM

V control f control3φ

Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi, ta có :

M M

Mmax max'

'

=

hay

2 1

2 1

2 1

2 1 ' '

max max

''

fU

fUM

MM

Do đó ta có:

M

Mf

fU

Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ nghịch với tần số, ta có :

=

Tóm lại, khi thay đổi tần số f1, ta phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ Trường hợp U1/f = Cte và tần số giảm có đặc tính cơ như hình 14.7b, cách điều chỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần MC = Cte khi vận tốc thay đổi

14.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rôto

Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạch rôto của động cơ rôto dây quấn như hình 14.15a

Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trở khởi động Họ đặc tính cơ của ĐK rôto dây quấn khi dùng biến trở điều chỉnh tốc độ trên hình 14.15b Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch BĐX :

T

1tt

1f

2 1

=+

+

1 2 1

1 1

T

tRtt

tRR

Phương pháp nầy gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cở trung bình

r2+ rp2+rp1

r2+ rp1

r2 M

s

1 0

14.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn

Năng lượng trượt tần số f2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng một chiều (hình 15.9), sau đó qua bộ nghịch lưu được biến đổi thành năng lượng xoay chiều tần số f trả về nguồn

Quan hệ giữa hệ số trượt s và góc mở α của thyristor :

• Điện áp ra của chỉnh lưu cầu ba pha : UC =1,35sKDU

• Điện áp ra của nghịch cầu : UN =1,35KBUcosα

Với

1 1

2 2

dq

dq D

kW

kW

K = ; sKDU: điện áp ra của rôto; KB : tỉ số biến áp

D B

Hình 14.9 Điều chỉnh tốc độ ĐC bằng cách trả năng lượng về nguồn

a Sơ đồ mạch hở; b Sơ đồ mạch kín

CL

Id 3φ

−(b)

1

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 15

ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI

15.1 ĐẠI CƯƠNG

Ta mong muốn động cơ không đồng bộ (ĐK) có :

- Khi khởi động thì mômen khởi động MK lớn và dòng khởi động IK nhỏ

- Lúc làm việc bình thường thì hiệu suất của động cơ η cao

Với các yêu cầu trên thì động cơ không đồng rôto dây quấn và rôto lồng sóc,

loại nào đáp ứng được ?

• ĐK rôto dây quấn : Thực hiện được các yêu cầu trên dễ dàng

• ĐK rôto lồng sóc : phải nhận xét thêm

Nhận xét ưu khuyết điểm của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh

- Dòng khởi động IK lớn

- Mômen khởi động MK nhỏ

Nếu dùng vật liệu để chế tạo R2 lớn thì MK lớn và η giảm

Để khắc phục :

• Chế tạo động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu và

• Chế tạo động cơ không đồng bộ rôto 2 lồng sóc

15.2 ĐỘNG CƠ RÔTO RÃNH SÂU

Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ thông

tản trong rãnh rôto gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài khi khởi động làm điện

trở rôto R2 tăng lên để cải thiện đặc tính khởi động

15.2.1 Cấu tạo rãnh rôto

Hình 15.2 Đặc tính cơ khi khởi động

1 2 3

Thường chiều cao của rãnh rôto (hình 15.1) h = 40÷60 mm và tỉ số h/b =10 ÷

12 lần thì điện trở rôto tăng 3÷4 lần khi khởi động Với R2(1) là điện trở khi s = sđm,

dòng điện phân bố đều (đường 1); R2(2) là điện trở khi s = 1, dòng tập trung trên

miệng rãnh (đường 2) Còn đường 3 là đường biểu diễn đặc tính cơ thực tế của

động cơ rôto rãnh sâu khi hệ số trược s thay đổi từ 1÷ sđm, khi đó điện trở R2(2)

giảm đần về R2(1)

15.2.2 Nguyên lý làm việc

tản tại thời điểm nầy tập trung ở đáy rãnh (hình 15.1), càng lên trên miệng rãnh từ

thông càng ít đi do đó điện kháng tản ở đáy rãnh lớn, và phía miệng rãnh nhỏ vì

vậy dòng điện tập trung lên phía trên miệng rãnh Kết quả của việc tập trung dòng

điện lên phía trên miệng rãnh được coi như tiết diện của dây dẫn bị nhỏ đi điện trở

rôto tăng lên làm MK tăng lên

điện dần dần phân bố đều lại và R2 được coi như nhỏ lại và khi máy làm việc bình

thường f2 = (2 ÷ 3) Hz , hiệu ứng mặt ngoài lúc nầy hầu như không có, đặc tính làm

việc giống như động cơ bình thường

3

15.2.3 Mạch điện thay thế

+ Điện trở của rôto :

Điện trở và điện kháng của rôto khi xét hiệu ứng mặt ngoài :

' ' '

v r

k

r2 = 2 + 2

' ' '

v r

k

trong đó :

r : ký hiệu nhỏ chỉ rãnh rôto

v : ký hiệu nhỏ chỉ vành ngắn mạch

r

k : hệ số tăng điện trở do hiệu ứng mặt ngoài

x

k : hệ số giảm điện kháng tản do hiệu ứng mặt ngoài

Hệ số kr và kx phụ thuộc chiều cao qui đổi ξ :

Cu

hρ

ρ

=ξ

trong đó : + s : hệ số trượt.;

+ hr : chiều cao rãnh

+ ρ, ρCu : điện trở suất vật liệu làm thanh dẫn và đồng

+Mạch điện thay thế : (hình 15.3)

xm

' '

v r

1

+

−

Hình 15.3 Mạch điện thay thế động cơ rôto rãnh sâu

Bội số dòng và bội số mômen ở điện áp định mức :

65,4I

Hiệu suất của động cơ rãnh sâu không khác rãnh thường là bao, chỉ có cosϕ hơi

thấp vì điện kháng tản rôto rãnh sâu lớn hơn loại rãnh thường Cũng vì lý do đó nên

Mmax cũng nhỏ hơn Phạm vi công suất loại động cơ này vào khoảng 50÷200kW

15.3 ĐỘNG CƠ RÔTO HAI LỒNG SÓC

15.3.1 Cấu tạo rãnh rôto

Rãnh rôto chế tạo gồm hai lồng sóc :

điện trở suất ρ lớn, để có điện trở khởi động R2kđ lớn

liệu có điện trở suất ρ nhỏ, để có điện trở làm việc R2lv nhỏ

Hình 15.4 Động cơ không đồng bộ rôto hai lồng sóc

a) Sự phân bố từ thông tản; b) Phân bố mật độ dòng khi khởi động

J x

0

s =1

15.3.2 Nguyên lý làm việc

Khi mở máy thì f2 = f1, do hiệu ứng mặt ngoài nên dòng điện tập trung ở lồng

sóc ngoài, mà R2 ngoài lại lớn nữa nên Mm lớn Khi làm việc bình thường, tấn số f2

nhỏ mà R2 trong cũng nhỏ nữa nên dòng điện lớn và mômen chủ yếu do lồng sóc

nầy tạo ra

15.3.3 Mạch điện thay thế (hình 15.5)

xm

x’ 2kv

2I& I&'2lvr’2kđ/s r’2lv/s

Hình 15.5 Mạch điện thay thế động cơ không đồng bộ rôto hai lồng sóc

5

Dòng điện : I&'2 =I&'2 đ +I&'2lv

Điện kháng tản:

x’2kđ do từ thông tản Φtkđ ứng với dòng &I'2 đ

x’ 2lv do từ thông tản Φtlv ứng với dòng I&'2lv

x’2kv do từ thông tản Φtkv ứng với dòng &I'2 vBội số dòng điện và mômen ở động cơ rôto hai lồng sóc nằm trong khoảng:

M

đm max

Điện kháng tản rôto lớn

nên cosϕ thấp So với loại

rôto rãnh sâu thì động cơ

điện loại này dùng nhiều

kim loại màu hơn, nhưng có

thể thiết kế đặc tính mở

máy linh hoạt hơn Phạm vi

công suất loại động cơ này

vào khoảng 30÷1250kW

1.00.80.60.4

0.2

0

2.01.81.61.41.2

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

1

32

Hình 15.6 Đặc tính M= f(s) của động cơ không đồng bộ rôto lồng

s

đm

M M

Hình 15.6 trình bày đặc

tính M = f(s) của các loại

động cơ điện thường

(đường 1), động cơ điện

rãnh sâu (đường 2) và động

cơ điện rôto lồng sóc kép

(đường 3)

[ \

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 16

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 16.1 PHẠM VI ÁP DỤNG, CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

16.1.1 Phạm ví ap dụng

Động cơ điện không đồng bộ một pha được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp như máy giặt, tủ lạnh, máy lau nhà, máy bơm nước, quạt, các dụng cụ cầm tay, Nói chung là các động cơ công suất nhỏ Cụm từ “động cơ công suất nhỏ” chỉ các động cơ có công suất nhỏ hơn 750W Phần lớn động cơ một pha thuộc loại nầy, mặt dù chúng còn được chế tạo với công suất đến 7,5kW và ở hai cấp diện áp 110V và 220V

16.1.2 Cấu tạo

+ Stato : giống động cơ ba pha, nhưng đặt trên đó dây quấn một pha

+ Rôto : rôto lồng sóc giống động cơ ba pha

16.1.3 Nguyên lý làm việc

p

1

ω

Từ thông rôto

Từ thông stato

1

ω

Ω(a)

Hình 16.1 Động cơ không đồng bộ một pha một dây quấn

a) Từ trường đập mạch phân thành hai từ trường quay thuận và quay ngược

b) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rôto

Ta phân stđ đập mạch này thành hai stđ quay :

• Stđ quay thuận : j t

me

11 ω

−

&

Hai stđ quay này có :

p

kWF

F

m m

12 11

ω

=

Ω cùng chiều quay rôto

+ Sóng quay ngược : Ω2 =−Ω1 ngược chiều quay rôto

So với rôto có hệ số trượt :

+ Thuận : s =s

Ω

Ω

−Ω

=

1

1 1

)(

)(

−

1

1 2

+ Ngược : F& 02m=F&12m+F& 22m sinh ra từ cảm ( t )

me

2

α + ω

−

Từ cảm tổng :

sM

meB

1

α + ω

nầy cho ta đặc tuyến M=f(s) :

M = M1 + M2 = f(s)

Từ đặc tính ta thấy rằng lúc mở máy (n = 0, s = 1), M1 = M2 và ngược chiều nhau nên M = 0, vì vậy động cơ không thể tự quay được Nếu ta quay động cơ theo một chiều nào đo,ï s ≠ 1 tức M ≠ 0 động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều đó Vì vậy để động cơ một pha làm việc được, ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa là tìm cách tạo ra cho động cơ một mômen lúc rôto đứng yên (M = Mk khi s =1)

16.2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN & SƠ ĐỒ THAY THẾ

Hình 16.2 Sơ đồ động cơ một pha tạo nên bằng cách tách ra một trong hai pha

Xét động cơ không đồng bộ một pha như chế độ không đối xứng của động cơ hai pha m =2, có hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 900 điện, trong đó pha A tách

ra nên dòng IA= 0 và pha B còn lại có , máy nối vào lưới điện có điện áp Ta có :

I&A =I&A1+I&A2 (16.2a)

I&B =I&B1+&IB2 (16.2b) Với I&A1;I&B1 và I&A2;I&B2 là dòng thứ tự thuận và ngược, còn :

21

IB & &B &A &B

& = + = vì I&A =0 Điện áp của một pha :

12 11 2 1

U& = &B = &B + &B = & + &

Biểu diễn điện áp thứ tự thuận và ngược theo dòng I và Z tương ứng :

U&B11 =U&1111=I&1111Z1111 =I&11Z1111/22 (16.3a)

2

12 1 12 12 12

Trong đó : là dòng điện thứ tự thuận và ngược Còn Z11; Z12 là tổng trở thứ tự thuận và ngược

'r'

−

16.2.2 Mạch điện thay thế

Từ các phương trình cân bằng ta vẽ mạch điện thay thế động cơ không đồng bộ như hình 16.4a Đây là mạch điện thay thế chính xác của động cơ một pha

r5,

0 2'

−2

r2'

)s2(2

r1 = điện trở của dây quấn stator

x1 = điện kháng tản của dây quấn stator

xm = điện kháng từ hóa

r’2 = điện trở của dây quấn rotor qui về dây quấn stator

x’2 = điện kháng tản của dây quấn rotor qui về dây quấn stator

U1 = điện áp của nguồn

Giả thiết rằng rotor quay với tốc độ nào đó trong từ trường quay thuận, ứng hệ số trượt s Lúc này dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor có tần số sf, f tần số lưới điện nối vào dây quấn stator Cho rằng tổn hao sắt không đáng kể hoặc gộp vào tổn hao quay Như vậy giống máy điện không đồng bộ ba pha, tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui về dây quấn stator là 0,5r’2/s + j0,5x’2.(hình 16.4b) Cũng tương tự như vậy đối với từ trường quay ngược, ta có tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui về dây quấn stator là 0,5r’2/(2-s) + j0,5x’2.(hình 16.4b) Mạch điện tương đương trình bày trên hình 16.4c, có tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT như sau :

)XX(5,0js/R5,0

)s/R5,0X5,0j(X5,0jjXR

Z

' 2 m

' 2

' 2

' 2 m

T T

T

++

+

=+

)XX(5,0j)s2/(

R5,0

)]

s2/(

R5,0X5,0j[X5,0jjXR

Z

' 2 m

' 2

' 2

' 2 m

N N

N

++

−

−+

=+

Công suất điện từ (khe hở không khí) của từ trường thứ tự thuận và ngược :

2 1 T

2 1 N

PM

Ω

1

đtN N

PM

Ω

Moment tổng là :

)RR(

IMM

1

2 1 N

6 (16.14) )

s1)(

RR(I

PCơ = 12 T − N −

)s1)(

PP(

Tổn hao đồng trong dây quấn rotor :

VÍ DỤ 16.1

Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz và 4 cực từ có tham số và tổn thất như sau :

R1 = 10Ω; X1 = X’2 = 12,5Ω; R’2 = 11,5Ω; Xm = 250Ω;

Tổn hao sắt ở 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W;

Với hệ số trượt là 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất ra trên trục, tốc độ và hiệu suất khi động cơ làm việc như động cơ một pha ở điện áp và tần số định mức với dây quấn khởi động cắt ra

Giải

Từ các thông số đã cho, ta tính được tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZTcủa động cơ một pha như sau :

)XX(5,0js/R5,0

)s/R5,0X5,0j(X5,0jjXR

Z

' 2 m

' 2

' 2

' 2 m

T T

T

++

+

=+

=

j65,5759)

5,12250(5,0j05,0/5,115,0

)05,0/5,115,05,125,0j(2505,0jjXR

++

×

×+

×

×

=+

=

)XX(5,0j)s2/(

R5,0

)]

s2/(

R5,0X5,0j[X5,0jjXR

Z

' 2 m

' 2

' 2

' 2 m

N N

N

++

−

−+

=+

=

j01,667,2)

5,12250(5,0j)05,02/(

5,115,0

)]

05,02/(

5,115,05,125,0j[2505,0jjXR

++

−

×

−

×+

×

×

=+

=

Tổng trở vào tương đương :

Ztđ = Z1 + ZT + ZN = 10 + 12,5j +59 + 57,65j +2,67 + 6,01j

= 71,67 + 76,16j = 104,6 ∠46,74o Ω

Dòng điện vào stato :

A74,462

,274,466,104

0230Z

Công suất cơ : PCơ =I12(RT −RN)(1−s) = 2,22.(59-2,67).(1-0,05) = 259 W

Công suất trên đầu trục : P2 = PCơ -pFe- pq = 259 -35- 10 = 214 W

Công suất động cơ tiêu thụ từ lưới điện :

P = U.Icosϕ = 230.2,2 cos 46,74o = 346,77 W Hiệu suât của động cơ : 0,617 61,7%

22.347

214P

P

1

=η

16.3 MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA

16.3.1 Động cơ không đồng bộ dùng cuộn dây phụ

Loại động cơ này được dùng khá phổ biến như máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ cầm tay, quạt , bơm ly tâm

Các phần chính của loại động cơ nầy cho trên hình 16.5a, gồm dây quấn chính (dây quấn làm việc), dây quấn phụ (dây quấn mở máy ) Hai cuộn dây nầy đặt lệch nhau một góc 90o điện trong không gian Và rôto lồng sóc

(c)

Cuộn chính

Cuộn chính Và cuộn phụ

CD

KI

U&

Hình 16.5 Động cơ dùng dây quấn phụ a) Sơ đồ kết cấu

b) Đồ thị vectơ lúc mở máy c) Đặc tính M = f(s)

Để có được mômen mở máy, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn cở nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch nầy thường nhỏ hơn 300 Dòng trong dây quấn chính và trong dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo ra momen mở máy Đồ thị vectơ lúc mở máy được trình bày trên hình 16.5b

Khi tốc độ đạt được 70÷75 % tốc độ đồng bộ, cuộng dây phụ được cắt ra nhờ công tắt ly tâm K và động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính Đặc tính momen được trình bày trên hình 16.4c

16.3.2 Động cơ dùng tụ điện (hình 16.6)

Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắt nối tiệp với một tụ điện được gọi là động cơ tụ điện Loại động cơ nầy có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây chính một góc 900 điện trong không gian, để tạo góc lệch về thời gian ta mắt nối tiếp với cuộn dây phụ một tụ điện Nếu tụ điện mắt nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp thì góc lệch pha giữa IC và Ip là gần 900 (hình 16.6b) Tùy theo yêu cầu về momen mở máy và momen lúc làm việc, ta có các loại động cơ tụ điện như sau:

1 Động cơ dùng tụ điện mở máy (hình 16.6a) Khi mở máy tốc độ động cơ đạt đến 75÷85% tốc độ động bộ, công tắt K mở ra và động cơ sẽ đạt đến tốc độ ổn định

2 Động cơ dùng tụ điện thường trực (hình 16.6b) Cuộn dây phụ và tụ điện mở máy được mắt luôn khi động cơ làm việc bình thường Loại nầy có công suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt

WC

Wp

KCD

Hình 16.6 Động cơ một pha dùng tụ điện

a) Tụ điện mở máy b) Tụ điện thường trực c) Đồ thị vectơ

Ngoài ra, để cải thiện đặc tính làm việc và momen mở máy ta dùng động cơ hai tụ điện Một tụ điện mở máy khá lớn (khoảng 10 ÷15 lần tụ điện thường trực) được ghép song song với tụ điện thường trực Khi mở máy tốc độ động cơ đạt đến 75÷85% tốc độ động bộ, tụ điện mở máy được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường

16.3.3 Động cơ dùng vòng ngắn mạch (hình 16.7)

Hình 16.7a cho thấy cấu tạo loại động cơ nầy Trên stato ta đặt dây quấn một pha và cực từ được chia làm hai phần, phần có vòng ngắn mạch K ôm 1/3 cực từ và rôto lồng sóc Dòng điện chạy trong dây quấn stato tạo nên từ thông qua phần cực từ không vòng ngắn mạch và từ thông qua phần cực từ có vòng ngắn mạch Từ thông cảm ứng trong vòng ngắn mạch sđđ , chậm pha so với một góc

900 (hình 16.7b) Vòng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện chậm pha so với một góc ϕn < 900 Dòng điện tạo ra từ thông và ta có từ thông tổng qua phần cực từ có vòng ngắn mạch :

=

φ&∑ &'' &

Hình 16.7 Động cơ KĐ một pha có vòng ngắn mạch ở cực từ

a) Cấu tạo; b) Đồ thị vectơ; c) Đặc tính mômen

20 - 30W, đôi khi cũng có chế tạo công suất đến 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa

] [

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

¶ ·

MÁY ĐIỆN 1

Năm 2005

Lời nói đầu

Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế

Điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lãnh vực vì các ưu điểm sau:

• Điện năng được sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn

• Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao

• Điện năng dễ dàng biến đổi thành các các dạng năng lượng khác

• Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động

Điện năng tuy được phát hiện chậm hơn các năng lượng khác, nhưng với việc phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỹ nguyên điện khí hoá và tự động hoá Vào cuối thế kỷ 19, ngành kỹ thuật điện tử ra đời và giữa thế kỷ 20 chế tạo được linh kiện điện tử công suất có điều khiển, từ dó điện tử công suất phát triễn đã thúc đẩy và làm thay đổi tận gốc rễ lãnh vực kỹ thuật điện Kỹ thuật điện và kỹ thuật điện tử hoà nhập phát triễn, cùng với công nghệ thông tin đã đưa nền sản xuất xã hội sang giai đoạn kinh tế tri thức Máy điện cũng không đứng ngoài sự phát triễn đấy

Giáo trình Máy điện I này gồm ba phần :

Phần I cung cấp các kiến thức về máy biến áp

Phần II cung cấp các kiến thức chung về máy điện xoay chiều

Phần III cung cấp các kiến thức nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy điện không đồng bộ

Giáo trình Máy điện I được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng và tham khảo giáo trình của các trường bạn Đây là giáo trình đưa lên mạng nhằm giúp cho sinh viên chuyên ngành điện làm tài liệu tham khảo và học tập

Do trình độ có hạn, giáo trình Máy điện I không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc Các ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 0

0.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

0.1.1 Định nghĩa

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư,ì về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số, số pha

0.1.2 Phân loại máy điện

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau Ở đây ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng như sau :

1 Máy điện tĩnh :

Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,

2 Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng):

Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện) Quá trình biến đổi năng lượng nầy có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động

cơ điện

Sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:

Máy điện quay

Động

cơ điện một chiều

Máy phát điện không đồng bộ

Động

cơ điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ

Động

cơ điện đồng bộ

Máy điện tĩnh

Máy điện

0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ Các định luật nầy đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện

0.2.1 Định luật cảm ứng điện từ

1 Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên

Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t) Sđđ đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo

ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 0.1)

Sđđ cảm ứng trong một vòng dây được tính theo

dN

e=− Φ =− Ψ

(0.2)

trong đó, [Wb] gọi là từ thông móc vòng

của cuộn dây

Φ

=

Ψ N

Φ e

Hình 0.1 Chiều dương sđđ cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui tắc vặn nút chai

2 Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với

đường sức từ trường (đây là trường hợp thường

gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm

ứng sđđ có trị số là:

Hình 0.2 Xác định sđđ cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải

trong đó : B: cường độ từ cảm [T]

l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn

[m]

v: tốc độ dài thanh dẫn [m/s]

Còn chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui

tắc bàn tay phải (hình 0.2)

0.2.2 Định luật lực điện từ

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:

Hình 0.3 Xác định lực điện từ

theo qui tắc bàn tay trái

i

f = Bil (0.4) Trong đó, B : cường độ từ cảm, [T]

i : dòng điện chạy trong thanh dẫn, [A]

l : chiều dài thanh dẫn, [m]

f : lực điện từ đo bằng Niuton, [N]

Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc

bàn tay trái (hình 0.3)

0.2.3 Định luật mạch từ Tính toán mạch từ

1 Định luật mạch từ:

Lõi thép của máy điện là mạch từ Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau:

Hình 0.4 Minh họa định

luật dòng điện toàn phần

Hình 0.6 Mạch từ có khe hở

không khí và hai cuộn dây

Nếu H r là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i

1, i2, ik, ,

in tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

) L (

k

ild

Hr rVới drl

là độ dời vi phân trên (L) (hình 0.4) Dấu của ik xác định theo qui tắc vặn nút chai: Quay cái vặn nút chai theo chiều drl

, chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm

Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình 0.5, ta có như sau:

H.l = Ni = F

μ

=μ

S

l1l

BHl

Trong đó:

H[At/m]: Cường độ từ trường trong mạch từ

B=μH [T] : Từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ

μ = μr μo [H/m]: Độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ

μo = 4π.10-7[H/m] : độ từ thẩm của không khí

μr =μ /μo : Độ từ thẩm tương đối của mạch từ

L[m] : Chiều dài trung bình của mạch từ

N: Số vòng dây của cuộn dây

I[A]: gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ

F = Ni [At/m]: gọi là sức từ động (stđ)

H.l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ

S[m2] : tiết diện ngang của mạch từ

S

l1R

μ

=

μ [At/Wb] từ trở của mạch từ

Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có hiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, hình 0.6, ta có:

H1.l1 - H2.l2 = N1.i1 - N2.i2 Trong đó:

H1,H2[At/m]: Cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2

l1, l2[m] : Chiều dài trung bình của đoạn mạch từ 1, 2ì

i1.N1,i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2

Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ

được viết:

(0.6) F

Fi

NR

lH

n

1 k k n

1 k

k k m

1 j j m

1 j j

2 Tính toán mạch từ:

Việc tính toán mạch từ thường gặp hai loại bài toán sau :

Bài toán thuận : Cho biết từ thông Φ, tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thông đó

Cách giải : Tiến hành gồm ba bước sau :(xét mạch từ gồm j đoạn nối tiếp, từ thông Φ bằng nhau ở mọi tiết diện Sj trong các đoạn mạch từ )

Bước 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ : Bj = Φ/Sj ; j là chỉ số tên đoạn mạch từ

Suy ra cường độ từ trường Hj như sau:

Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H0 = B0/μo

Bước 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông Φ từ công thức (0.6):

jlHF

Bước 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng dây W

Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông Φ

Loại bài toán nầy phức tạp Do vật liệu từ có độ từ thẩm μ phụ thuộc từ thông

Φ nên từ trở Rμ cũng phụ thuộc Φ Vì chưa biết Φ nên cũng chưa biết R Phương trình (0.6) trở thành:

(Φ) (0.8) F

)(R

m

1 j

∑

Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần đúng để giải

0.3 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau

0.3.1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng

thau, đồng phốtpho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết điện chữ nhật có bọc cách điện Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu

nguội có độ từ thẩm cao hơn và

suất tổn hao nhỏ hơn thép cán

nóng Trên hình 0.7 trình bày

đường cong từ hoá của một số

vật liệu dẫn từ khác nhau Cùng

một dòng điện kích từ, ta thấy

thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn

nhất, sau đó là thép đúc và cuối

cùng là gang

0.40.81.21.62.0

500 1000 1500 2000 2500 3000

B

HGang

Thép đúcThép KTĐ

Hình 0.7 Đường cong từ hóa của một số vật liệu từ

Ở các phần dẫn từ có từ

thông không đổi thường dùng

thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá

0.3.3 Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn

Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm:

a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa

b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh

c) Các chất tổng hợp

d) Các loại men và sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt Giấy, vải, sợi rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn

8Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:

- Cấp Y : Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 1050C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp F : Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như loại B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp H : Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống như cấp B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp C : Nhiệt độ cho phép là >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết Các chất vô

cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp) Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi tho của vật liệu cách điện giảm đi một nửa

0.4 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt

cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng thiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài

0.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

1 Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện

2 Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện Đó là mô hình toán của máy điện

3 Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện

4 Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể

] R R ^

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 10

SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

10.1 NHẬN XÉT BAN ĐẦU

Khi từ thông của phần cảm xuyên qua dây quấn phần ứng biến thên thì trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra sức điện động (sđđ) Trong máy điện quay có hai cách để tạo ra sự biến thiên của từ thông xuyên qua dây quấn phần ứng Cách thứ nhất là cho dây quấn phần ứng chuyển động tương đối trong từ trương phần cảm Cách thứ hai là cho xuyên qua dây quấn phần ứng đứng yên, một từ trương phần cảm đập mạch hoặc một từ trường không đổi nhưng từ dẫn mạch từ hay đổi

Để máy làm việc được tốt, yêu cầu từ trường phân bố dọc khe hở của máy hình

sin để sđđ cảm ứng trong dây quấn có dạng hình sin

Thực tế: không thể có, vì cấu tạo

máy, từ trường của cực từ và của dây

quấn đều khác sin Ta phân tích chúng

thành sóng cơ bản (bậc 1) và sóng bậc

cao ν (bậc 3,5, )

Hình 10.1 Sự phân bố từ cảm của từ trường cực từ của máy điện đồng bộ cực lồi dọc bề mặt stato

Ta phân từ cảm B thành các sóng

hình sin B1, B3, B5, B7, Với từ trường

B1 có bước cực τ còn Bν có bước cực

τν=τ/ ν

Khi rôto chuyển động, từ trường B1,

B3, B5, B7, cảm ứng trong dây quấn

sđđ e1, e3, e5, e7, Do tần số f khác nhau

nên sđđ tổng trong dây quấn sẽ có dạng

không sin

10.2 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG DÂY QUẤN

Xét sđđ cảm ứng trong dây quấn do B1, B3, B5, B7, tìm sđđ tổng

10.2.1 Sđđ của dây quấn do từ trường sóng cơ bản

1 Sđđ của một thanh dẫn:

Thanh dẫn có chiều dài l chuyển đổng

với vận tốc v trong từ trường cơ bản phân

bố hình sin dọc khe hở :

Hình 10.2 Chuyển động tương đối của thanh dẩn trong từ trường hình sin

x

πτ

=B sinx

Trong thanh dẫn cảm ứng sđđ:

xsinvlBvlB

=Φ

2 Sđđ của một vòng dây Sđđ của một bối dây (phần tử):

Sđđ của một vòng dây gồm hai thanh dẫn đặt trong hai rãnh cách nhau một khoảng y là hiệu số hình học các sđđ lệch nhau một góc (y/τ)π của hai thanh dẫn đó Từ hình 10.3, ta có:

πβ

=

πτ

β y < 1, nên kn được gọi là hệ số bước ngắn

Nếu trong hai rãnh nói trên có đặt một bối dây (phần tử) gồm Npt vòng dây thì sđđ của bối dây đó bằng:

Φπ

3

α α

α/2

E q A

E&

'' td

E&

'' td

3 Sđđ của một nhóm bối dây :

Giả thiết ta có q bối dây mắc nối tiếp và được đặt rải trong các rãnh liên tiếp nhau Góc lệch pha trong từ trường giữa hai rãnh cạnh nhau:

Giả thiết ta có q bối dây mắc nối tiếp và được đặt rải trong các rãnh liên tiếp nhau Góc lệch pha trong từ trường giữa hai rãnh cạnh nhau:

Z

pp

/Z

trong đo ï: Z/p số rãnh dưới một đôi cực từ

Các vectơ Ept lệch pha nhau một góc α

Góc γ = qα vùng pha

Sđđ tổng của một nhóm bối dây Eq là tổng hình học của q vectơ như hình 10.5:

2

2 1

2

2

222

2

α α

sinAK

qsinOAAB

E

q pt q

q

1 2

2

r pt

q

pt

sinq

sinqE

sinsđđ

các họcsốTổng

sđđcác hình họcTổng

4 Sđđ của dây quấn một pha:

Dây quấn một pha gồm một hoặc nhiều nhánh đồng nhất ghép song song do đó sđđ của một pha là sđđ của một nhánh song song

Mỗi nhánh gồm n nhóm bối dây có vị trí giống nhau trong từ trường của các

cực từ nên sđđ của chúng cộng số học với nhau:

Ef =π 2kdqnqWptfΦ=π 2kdqWfΦ (10.13) trong đó: W = nqWpt vòng dây của một nhánh song song hay của một pha

10.2.2 Sđđ của dây quấn do từ trường sóng bậc cao

Nhận xét: Biểu thức sđđ từ trường sóng bậc cao giống từ trường bậc một Ở đây ta chú ý rằng bước cực của từ trường bậc ν nhỏ ν lần từ trường sóng cơ bản (hình 10.1) vì vậy góc điện 2π của từ trường sóng cơ bản ứng với góc 2νπ đối với từ trường bậc ν, như vậy:

2

α

α ν

=

sinq

sink

sink

Tần số của sóng bậc ν :

fν = νf Sđđ cảm ứng của sóng bậc ν :

ν ν ν

=

Φν 2Bmνl ν 2 Bmνl

Từ những phân tích trên ta thấy rằng, khi từ trường cực từ phân bố không hình sin, sđđ cảm ứng trong dây quấn một pha là tổng của một dãy các sđđ điều hòa có tần số khác nhau Trị hiệu dụng sđđ đó có trị số:

E

EEE

10.3 CẢI THIỆN DẠNG SÓNG SĐĐ

Nguyên nhân làm cho sđđ cảm ứng không sin là từ cảm B không sin Sau đây là các biện pháp để làm cho sđđ cảm ứng có dạng sin

10.3.1 Tạo độ cong mặt cực để B sin

Với δ là khe hở nhỏ nhất giữa mặt cực δ tăng dần về 2 phía mõm cực từ, để

B hình sin thì δx cách giữa mặt cực bằng:

xcos

x

τ π

δ

≈

Nếu gọi b là bề rộng mặt cực thì b =(0,65-0,76)τ và δmax = (1,5-2,5)δ

10.3.2 Rút ngắn bước dây quấn

Khi y = τ thì tất cả các sđđ bậc cao đều tồn tại vì: = νβπ2 =±1

kn Khi y < τ thì sđđ bậc cao tùy ý sẽ bị triệt tiêu, như:

•

5

4

=τ

=

β y vậy rút ngắn dây quấn τ

51

00

25

10.3.3 Thực hiện dây quấn rải

Khi q = 1 thì krν = ± 1 nghĩa là các sđđ bậc cao không giảm

Khi q > 1 thì các sđđ bậc cao đều giảm nhỏ

Xem bảng, ta thấy rằng có một số bậc cao không bị giảm yếu đi mà có krν =

kr1 bậc của sđđ đó có thể biểu thị như sau:

trong đó: k = 1, 2, 3, ; m: số pha;

q: số rãnh của một pha dưới một cực từ

Các sóng điều hòa νZ gọi là sóng điều hòa răng

Sở dĩ có krν = kr1 là do góc lệch ανZ giữa các sđđ của các bối dây đặt trong các rãnh liên tiếp do từ trường bậc νZ hoàn toàn bằng góc lệch α ứng với từ trường sóng cơ bản:

α

±π

=

π

±π

=

Z

pk

p

ZkZ

p Z

Kết luận : Quấn rải không triệt tiêu được sóng điều hòa răng, tuy nhiên q tăng

νZ tăng theo và Bmν Z nhỏ đi, kết quả là sóng điều hòa răng cũng nhỏ đi tương ứng và dạng sóng sđđ cũng cải thiện được một phần

Có thể giảm sóng điều hòa răng nhiều bằng cách dùng dây quấn có q là phân số

10.3.4 Thực hiện rãnh chéo

bc = 2

Z

ν

τ = 2τ/νZ = 2τ.p/(Z±p) Thực tế thường chọn:

bc = 2.τ.p / Z = πD / Z (10.22) Tất cả các sóng điều hòa đều bị giảm đi rất nhiều

]R R^