Bài tập lớn máy điện đặc biệt

Khái niêm chungMáy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảmứng điện từ, có tốc độ của rôto n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1.. Dây quấn Stato Dâ

BÀI TẬP LỚNMÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT

MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

BỘ MÔN ĐIỆN KHÍ HÓA

BÀI TẬP LỚN

MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT

MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Danh mục bảng

Lời mở đầu……… …… …

1 Phần 1 GIỚI THIỆU PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ………2

1.1 Khái niệm chung ……… ………2

1.2.Cấu tạo và phân loại máy điện không đồng bộ………2

1.2.1 Stato………

2 1.2.2 Rotor ………

2 1.2.3 Phân loại máy điện không đồng bộ………5

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ………

13 1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ……… ………

13 1.3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ……… …14

1.3.3 Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n1>n>0hay 0<s<1…14 1.3.4 Trường hợp rotor quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ +∞>n>n1 hay ∞ <s<0……… ……… … ……… …

15 1.3.5 Trường hợp rotor quay ngược chiều từ trường quay(∞ <n<0hay+∞>s>1……16

1.3.6 Phương trình cân bằng điện và từ của máy điện không đồng bộ 3 pha…… …16

1.3.7 Các đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ……… ……23

1.3.8 Ảnh hưởng của các điều kiện không định mức……… ………

24 Phần 2 ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.… ………26

2.1 Tua-bin gió với máy phát điện không đồng bộ……….…26

2.2 Các hoạt động phát điện của máy phát điện không đồng bộ kết nối với ac hay dc hoạt động thụ động mạng lưới điện……

………26

2.3 Kết luận……… ………27

……… ………30

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 2Hình 1.2 Kết cấu stato máy điện không đồng bộ 3Hình 1.3 Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ 4Hình 1.4 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn 4Hình 1.5 Stator của máy điện không đồng bộ 3 pha 5

Hình 1.9 Động cơ điện không đồng bộ 2 pha 7

Hình 1.11.Động cơ có vành mạch ngắn 9

Hình 1.12 Sơ đồ nối dây động cơ 10

Hình 2.13 Đồ thị hệ số trượt 10

Hình 1.14 Sơ đồ đảo chiều động cơ bằng cách đảo 2 đầu cuộn phụ 11

Hình 1.15 Sơ đồ dây quấn động cơ không đồng bộ 2 pha và 1 pha 12

Hình 1.16a Các cách nối khi điện áp nguồn bằng 13

Hình 1.16b Cách nối khi điện áp nguồn lớn hơn 13

Hình 1.18 Chế độ động cơ điện của máy điện không đồng bộ 15

Hình 1.19 Chế độ máy phát điện của máy điện không đồng bộ 15

Hình 1.20 Chế độ hãm điện từ của máy điện không đồng bộ 16

Hình 1.21 Sơ đồ sức điện động của 1 thanh dẫn 16

Hình 1.22 Đồ thị vectơ của các sức điện động 17

Hình 1.23 Đồ thị Sức điện động của nhóm bối dây 18

Hình 1.24 Sơ đồ cân bằng mạch áp rotor 21

Hình 1.25 Đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ 23

DANH MỤC VIẾT TẮT

Viết tắt : Nghĩa

Danh mục Trang

Bảng 1.1 Trị số tương ứng của các hệ số Trượt 10

Lời nói đầu

Máy điện không đòng bộ là máy điện có tốc độ quay của rotor khác với tốc độquay của từ trường quay Máy điện đồng bộ có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặcchế động cơ.Máy phát điện đồng bộ có đặc tính kỹ thật không tốt bằng máy phàt điệnđồng bộ nên ít được dùng Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo không phức tạp, vậnhành đơn giản, làm việc tin cậy nên được sử dụng rộng rãi

Các lượng định mức của máy điện không đồng bộ: cũng như các máy điện khác,máy điện không đồng bộ có các trị số định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật củamáy Các trị số này do nhà sản xuất qui định và được ghi trên nhãn máy Vì máy điệnkhông đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị sốđịnh mức của động cơ điện khi máy mang tải định mức Trong quá trình làm đề tài mônhọc không tránh khỏi thiếu xót, mong thầy giáo và các bạn nhận xét để đề tài môn họcnày được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo đã tận tình giúp đỡ tạođiều kiện cho chúng em để hoàn thành tốt đề tài này và cho em học hỏi nhiều vẫn đề vềmáy biến áp trong thời gian làm đề tài Xin chân thành cảm ơn!

Phần 1 GIỚI THIỆU VỀ PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái niêm chung

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảmứng điện từ, có tốc độ của rôto n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1 Máyđiện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát

1.2 Cấu tạo và phân loại máy phát điện không dồng bộ

1.2.1 Stato (sơ cấp hay phần ứng)

Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy

và nắp máy (hình 1.1) Còn hình 1.3c là ký hiệu động cơ trên sơ đồ điều khiển

Hình 1.1.Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ

1.lõi thép ;2.stato; 3.nắp máy ;4.ổ bi;5.trục máy ;6.hộp dầu cục ;

7.lõi thép rôto;8.thân máy ;9.quạt gió làm mát ;10 hộp quạt.

1.2.1.1 Lõi Thép

Lõi thép stato có dạng hinh trụ (hình 1.2b), là bằng các lá thép kỹ thuật điện,được dập rãnh bên trong (hình 1.2a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theohướng trục Lõi thép được ép vào trong vỏ máy

1.2.1.2 Dây quấn Stato

Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trongcác rãnh của lõi thép (hình 1.2a) Trên hình 1.2b vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ba phađặt trong 12 rãnh của một máy điện, dây quấn pha A đặt trong các rãnh 1,4,7,10; pha

B đặt trong các rãnh 3,6,9,12; pha C đặt trong các rãnh 5,8,11,2

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo lên từtrường quay.

Hình 1.2 Kết cấu stato máy điện không đồng bộ a) Lá thép stato; b) Lõi Thép stato; c) dây quấn stato

1.2.1.3 Vỏ máy

Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang

1.2.2 Rotor (thứ cấp hay phần quay)

Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

1.Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bêntrong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh (hình 1.2a) để đặt dây quấn, ởgiữa có dập lỗ để lắp trục

2.Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạchcòn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

1.3 Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ

a) Dây quấn rotor lồng sóc b) Lõi thép rotor c) Ký hiệu động cơ

• Rotor lồng sóc (hình 1.3a) 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 cỡ nhỏ, dây quấnrotor được đúc bằng nhôm nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, trên 100kWthanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắnmạch

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo từtrường quay

• Rôto dây quấn (hình 1.4) cũng dây quấn giống như dây quấn ba pha stato và cócùng số cực từ như dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có bađầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rôto và cách điện vào một biếntrở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điểu chỉnh tốc độ

Hình 1.4 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn

1.2.3 Phân loại máy điện không đồng bô

1.2.3.1 Đông cơ điện không đồng bô 3 pha

Các máy điện quay có cấu tạo gồm 2 phần: phần tĩnh (stato) và phần quay(Roto)

1.2.3.1.1 Stator của máy điện không đồng bô 3 pha

Stato gồm các bộ phận sau: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

• Lõi thép stator có dạng hình vành khăn, được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện

có dạng như hình 1.5 Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn

• Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được bọccách điện Dây quấn được đạt trong các rãnh của lõi thép stator Tập hợp các vòngdây nối tiếp nhau cùng nằm trong 2 rãnh dưới 2 cực từ khác tên kề nhau gọi là 1phần tử dây quấn hay bối dây Một pha dây quấn là 1 cuộn dây gồm 1 số phần tử dâynối với nhau Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây giống nhau , có vị trí lệch nhau góckhông gian 120 độ điện (120/độ), trong đó p là số đôi cực từ của động cơ)

Hình 1.5 Stator của máy điện không đồng bộ 3 pha

• Vỏ máy: Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá nắp các bộ phận khác củamáy Vỏ máy có thể làm bằng thép đúc, hoặc nhôm Vỏ gồm thân và nắp Thân vỏ đểchứa lõi thép Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp còng treo, bảng đấu

dây và đế máy, 2 nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá chứa

2 ổ trục của rotor

1.2.3.1.2 Cấu tạo rotor của máy điện không đồng bô 3 pha

Hình 1.6 Lõi thép

Rotor gồm có các bộ phận: Lõi thép, trục và dây quấn

• Lõi thép được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có hình dạng như hình 1.6

• Mặt ngoài có các rãnh đẻ đặt dây quấn rotor; Ở giữa có lỗ để lắp trục rotor

• Trục rotor làm bằng thép

• Dây quấn: Có 2 kiểu rotor lồng sóc và kiểu rotor quấn dây

+ Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): Trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt 1 thanhdẫn bằng đồng hoặc nhôm, đầu các thanh dẫn nối vào 2 vành bằng đồng hoặc thanhcái lồng như hình 1.7

Hình 1.7 Rotor lồng sóc

+ Rotor quấn dây: Trong các rãnh của lõi thép rotor đặt dây quấn 3 pha giống nhưdây quấn stator Dây quấn này thường nối sao, 3 đầu dây ra của dây quấn nối đượccách điện với trục rotor Tỳ nên 3 vành trượt là 3 chổi than gắn cố định trên giá 3chổi than nối với 3 biến trở dùng để mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ (hình1.8)

Hình 1.8 Rôto quấn dây

Động cơ rotor lòng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến Động cơ rotorquấn dây có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng cấu tạo phức tạp, dê

có sự cố, nên chỉ được dùng trong những ứng dụng mà rotor lồng sóc không đápứng được

1.2.3.2 Đông cơ điện không đồng bô 2 pha

Hình 1.9 Động cơ điện không đồng bộ 2 pha

• Động cơ điện không đồng bộ 2 pha stator có 2 quận dây: R,S đặt lệch nhau góckhông gian góc 90º điện Rotor thường là loại lồng sóc

• Dòng điện đặt vào 2 cuộn dây có cùng tần số nhưng lệnh nhau góc 90º

Sức từ động do cuộn dây R,S tạo ra tại điểm cách trục cuộn dây R góc thứ αlà:

FR∞ =F sin cospRm ω ∞ =(F / 2).[sin( tRm ω + ∞ +p ) sin( t p )]ω − ∞

FR∞ =F sinRm ωt.cosp∞ =(F / 2).[sin(Rm ωt p+ ∞ +) sin( t p )]ω − ∞

F F sin( tS∞= Sm ω π− / 2).cos(p∞ −π / 2) (F / 2).[sin( t p= Sm ω + ∞ −π) sin(+ ωt p− ∞)]

Nếu FRm =FSm =Fm, sức từ tổng sẽ là:

Rm Sm m

F∞ =F +F =F sin(ωt p− ∞)

Đây là sức từ động quay với tốc độ:

n1=ω/p.π(vòng/giây)=60f/p(vòng phút).

Với từ trường quay này , động cơ không đồng bộ 2 pha sẽ hoạt động tương tự như

đã khảo sát với động cơ không đồn bộ 3 pha

• Trường hợp tổng quát Hai cuộn dây stator đặt lệch nhau góc θ và dòng điện

trong 2 cuộn dây lệch nhau góc β, thì từ trường quay tròn là:

• Động cơ điện không đồng bộ 2 pha làm việc với nguồn 1 pha

• Trong loại động cơ này, để tạo sự lệch pha giữa dòng điện trong 2 cuộn dây, cóthể thực hiện theo 2 sơ đồ nối dây như hình 1.10

Trong sơ đồ, phần tử Z có thể là điện trở, điện cảm hoặc điện dung Thực tế điệndung thường được sử dụng vì nó có thể tạo được góc lệch pha giữa 2 dòng điện đạtđến 900 ngoài ra nó còn làm tăng hệ số công suất của động cơ Sơ đồ thường đượcsửdụng là sơ đồ hình 1.10a

Hình 1.10a Hình 1.10b

Ghi chú: khi dùng Z là điện trở người ta không dùng điện trở dạng tập trung màdùng sử dụng điện trở của bản thân dây quấn Một trong các cách làm là nối tiếp vàocuộn S hai đoạn dây quấn cùng đặt trong các rãnh của cuộn S và quấn ngược chiều nhau

để khử từ lẫn nhau do đó chúng chỉ có tác dụng như một điện trở

• Động cơ có vành ngắn mạch

Hình 1.11.Động cơ có vành mạch ngắn

Loại động cơ này lõi thép thường có dạng cực từ lồi (hình 1.11), trên mỗicực từ có xẻ rãnh và đặt vào đó một vành ngắn mạch bằng đồng Vành ngắn mạch

ôm lấy một nửa cực từ Khi nối nguồn điện xoay chiều vào cuộn dây stator động cơ,

từ trường do cuộn dây này sinh ra (Bc) có một phần xuyên qua vành ngắn mạch.Từtrường trong vành ngắn mạch là xếp chồng từ trườngcủa cuộn dây và từ trường củadòng điện cảm ứng trong vành Sức điện động cảm ứng trong vành chậm sau từtrường này góc 900 Vì trở kháng của vành có thể coi là thuần trở nên dòng điệncảm ứng trong vành cùng pha với sức điện động.Từ trường Bp do dòng điện nàysinh ra sẽ chậm sau B Như vậy trong động cơ có hai từ trường Bc và Bp lệch pha

về thời gian và lệch phương trong không gian, do đó sẽ tạo ra từ trường quay đểđộng cơ hoạt động

Động cơ loại này thường chế tạo với công suất nhỏ, vài chục watt trở lại

1.2.3.3 Đông cơ điện không đồng bô 1 pha

Về cấu tạo, động cơ không đồng bộ 1 pha cũng có 2 cuộn dây stator đặtlệch nhau góc không gian 900 điện Một cuộn gọi là cuộn làm việc (cuộn chạy R);Một cuộn gọi là cuộn khởi động (S) Điểm khác biệt so với động cơ 2 pha là khiđộng cơ làm việc chỉ có cuộn R được nối vào nguồn (Hay nói cách khác động cơ chỉlàm việc với một cuộn R), cuộn S chỉ được nối vào nguồn cùng với cuộn R trongthời gian khởi động động cơ, sau đó được ngắt điện và không còn tác dụng Sơ đồnối dây động cơ như hình 1.12, trong đó K là một công tắc (thường là công tắc tựđộng) K kín khi tốc độ động cơ nhỏ hơn 0,75 tốc độ định mức của nó và hở khi tốc

độ động cơ lớn hơn mức đó

Hình 1.12 Sơ đồ nối dây động cơ

Có thể giải thích hoạt động của động cơ không đồng bộ 1 pha như sau: Sức

từ động của cuộn dây 1 pha (cuộn R) có dạng:

Fα =F sin t cospω α =(F / 2).[sin( t p ) sin( t p )]ω + α + ω − α

Như vậy sức từ động của 1 cuộn dây là tổng của 2 sức từ động có biên độbằng một nửa biên độ sức từ động của cuộn dây, quay cùng tốc độ (/p) nhưng theo

2 chiều ngược nhau:

m

(F / 2).sin( t p )ω − ∞ quay cùng chiêu góc gọi là sức từ đông quay thuận.(F / 2).sin(m ω + ∞t p ) quay theo chiêu ngược lại gọi là sức từ đông quay ngược Gọi n làtốc độ rotor; st là hệ số trượt đối với từ trường quay thuận; sn là hệ số trượt đối với

từ trường quay ngược, ta có:

Hình 1.13 Đồ thị hệ số trượt

Bảng 1.1 Trị số tương ứng của các hệ số Trượt

Mô men quay M của động cơ tổng đại số mô men quay của từ trường quaythuận Mt (có giá trị dương) và từ trường quay ngược Mn (có giá trị âm) và đượcbiểu diên trên hình 1.13 Theo đó: khi n=0, thì s=1, M=0, do đó động cơ một cuộn

dây không thể tự khởi động được Nhưng nếu tác động để s≠1, ví dụ dùng ngoại

lực để quay động cơ theo chiều thuận, khi đó s=st<1, sn>, mô men M của động cơ

sẽ khác 0 và cùng chiều với Mt, do đó sẽ kéo động cơ quay thuận chiều đến điểmlàm việc A; Nếu ngoại lực làm động cơ quay theo chiều ngược thì mô men động

cơ sẽ cùng chiểu Mn và động cơ sẽ tới làm việc tại điểm B

Cuộn dây khởi động S được dùng để tạo mô men khởi động ban đầu chođộng cơ

1.2.3.4 Đảo chiều quay đông cơ không đồng bô 2 pha và 1 pha

Hình 1.14 Sơ đồ đảo chiều động cơ bằng cách đảo 2 đầu cuộn phụ

Đảo chiều quay động cơ không đồng bộ 2 pha và 1 pha bằng cách đảo 2 đầucủa 1 trong 2 cuộn dây (cuộn chính hoặc cuộn phụ) giữa cố định cuộn dây kia Hình1.14 chỉ cách đảo chiều động cơ bằng cách đảo 2 đầu cuộn phụ (giữa cố định cuộnchính)

1.2.3.5 Vẽ sơ đồ dây quấn đông cơ không đồng bô 2 pha và 1 pha

Trong động cơ không đồng bộ 2 pha (động cơ tụ ngậm), 1 pha (động cơ tụđề) có 2 cuộn dây: cuộn làm việc (cuộn pha chính, cuộn chạy R) và cuộn khởiđộng (cuộn pha phụ, cuộn đề S) Số rãnh của mỗi pha dưới một cực từ nói chungkhông bằng nhau Gọi số rãnh của pha chính dưới 1 cực từ là q R, của pha phụ là

qS qR và qS có thể có các quan hệ sau:

Động cơ 2 pha: qR =qS hoặc qR =2qS

Động cơ 1 pha: qR =2qS hoặc qR =3qS

Điều kiện để có qR =qS làτ =Z/2p chia hết cho 2

Z p

và căn cứ vào loại động cơ (2 pha, 1 pha) và tính chất của α để xác định qR, qS

Bước 2: Vẽ bối dây, nhóm bối dây, cuộn dây của 1 pha tương tự như đối với động cơ 3 pha

Xác định rãnh đầu pha: Rãnh đầu pha của pha vẽ sau được xác định theo theorãnh đầu pha của pha vẽ trước theo cách sau: Xác định trục của nhóm bối dây đầu củapha vẽ trước, cách đó khoảng KRS là trục của nhóm bối dây đầu của pha chưa vẽ Từ

đó xác định rãnh đầu pha của pha chưa vẽ

• Ví dụ: vẽ sơ đồ dây quấn stator động cơ không đồng bộ 2 pha có Z=16, 2p=4, dây quấn 1 lớp phân tán (động cơ quạt bàn)

Hình 1.15 Sơ đồ dây quấn động cơ không đồng bộ 2 pha và 1 pha

1.2.3.6 Sử dụng đông cơ điện không đồng bô 3 pha với nguồn 1 pha