Hòa đồng bộ máy phát điện ba pha

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái niệm Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN BA PHA

HÀ NỘI Tháng 08 năm 2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG I ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Cấu tạo 4

a Phần tĩnh (Stato ) 4

b.Phần Quay ( hay Roto) 6

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ 7

a Rotor quaycùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n 1 ( 0 < s < 1) 8

b Rotor quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n > n 1 (s < 0) 9

CHƯƠNG II MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA 10

3.1 Cấu tạo 10

3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 3 pha 12

3.3 Máy phát điện cụ thể ở phòng thí nghiệm 13

3.3.1 Máy phát điện 14

3.32 Động cơ kích từ 14

3.3.4 Động cơ lai 14

3.4 Biến tần 15

3.5 Dụng cụ đo khác 15

IV TÌM HIỀU VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN 16

4.1 Aptomat 16

4.1.1 Cấu tạo 17

4.1.2 Nguyên lý hoạt động 17

4.1.3 Cách lựa chọn áptômát : 18

4.2 CÔNG TẮC TƠ 19

4.4 RƠ LE NHIỆT 20

4.4.1 Công dụng và phân loại 20

4.4.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 21

4.5 Timer T48N 22

CHƯƠNG V THỰC HÀNH TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM 23

5.1 Mở máy trực tiếp động cơ roto lồng sóc 23

5.2 Đảo chiều quay động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 24

5.3 Khởi động động cơ không đồng bộ bằng phương pháp đổi nối 𝜸 − ∆ 25

CHƯƠNG VI THỰC HÀNH HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA Ở PHÒNG

THÍ NGHIỆM 26

6.1 Hòa đồng bộ chính xác: 26

6.2 Hòa tự đồng bộ: 26

6.3 Thực hành hòa đồng bộ máy phát điện ba pha ở phòng thí nghiệm 27

6.4 Hòa bằng phương pháp quay đèn 29

6.5 Hòa bằng đồng hồ hòa 31

CHƯƠNG I ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái niệm

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, và gần như không cần bảo trì Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000hp Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là một pha

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

1.2 Cấu tạo

Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ không đồng bộ ba pha

gồm có các bộ phận chính sau :

+ phần tĩnh hay còn gọi là stato

+ phần quay hay còn gọi là roto

dùng những tấm thép hình rẻ quạt (hình 1.2) ghép lại thành khối tròn

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ

6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt Mặt trong cùa lá thép có

sẽ rảnh để dặt dây quấn

Hình 1.2 tấm thép hình rẻ quạt

Dây Quấn :

Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy + Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:

- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện

nhất định chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt

- Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn

- Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau :

+ Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp

+ Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp

 Trong một số máy cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và song song

Vỏ Máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Thường võ máy làm bằng gang Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm hàn lại làm vỏ máy, tùy theo cách làm nguội, máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau

b Phần Quay ( hay Roto)

Phần quay gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn roto:

Lõi Thép:

Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá roto của máy Phía ngoài của

lá thép có sẽ rãnh để đặt dây quấn

Dây Quấn roto:

Phân loại làm hai loại chính roto kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc:

- Loại roto kiểu dây quấn: roto kiểu dây quấn ( hình 1.3) cũng giống

như dây quấn ba pha stato và có cùng số cực từ dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao (Y) và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Hình 1.3 : rotor kiểu dây quấn

- Rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn,

vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và gắn chặt vành ngắn mạch

Khe hở:

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao

Trục:

Trục máy điện mang roto quay trong lòng stato Vì vậy nó cũng là 1 chi tiết quan trọng Trục của máy điện tùy theo kích thước có thể được chế tạo từ thép Carbon từ 5-45

Trên trục của roto có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí suất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60 f1/p (f1 là tần số lưới điện, p là số cặp cực, tốc độ từ trường quay) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành

từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto Trong những phạm vi tồc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong

ba phạm vi tốc độ

Hệ số trượt s của máy:

s = n1-nn1

Như vậy khi n = n1 thì s = 0, còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1, s < 0 và roto quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1

a Rotor quaycùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n 1 ( 0 < s < 1)

Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và của rotor n như hình 1.5a Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F và moment M Ta thấy F cùng chiều quay của roto, nghĩa là điện năng đưa tới stato, thông qua từ truờng đã biến đổi thành cơ năng trên trục quay roto theo chiều từ trường quay n1, như vậy đông cơ làm việc ở chế độ động cơ điện

b Rotor quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n > n 1 (s < 0)

Dùng động cơ sơ cấp quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ

đồng bộ n > n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiều của M cũng ngược chiều n1, nghĩa là ngược chiều với roto, nên đó là moment hãm (hình 1.5b) Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là động cơ làm việc ở chế độ máy phát

c Rotor quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trường

quay hình 1.5c, lúc này chiều của sức điện động và moment giống như ở chế

độ động cơ Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy

cơ năng từ động cơ sơ cấp Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

CHƯƠNG III MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA

Máy điện đồng bộ ba pha là một loại máy điện xoay chiều, có tốc độ từ trường quay Stato n1 bằng tốc độ quay của roto n Dây quấn Stato là dây quấn

ba pha, đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 về điện, roto thực chất

là một nam châm điện kích từ bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của roto n luôn không đổi Hoàn toàn có thể thay đổi vị trí của dây quấn ba pha và nam châm điện cho nhau mà không ảnh hưởng tới nguyên lý làm việc cơ bản của máy

b Phần quay (roto-phần cảm)

Rotor của máy điện đồng bộ là nam châm điện gồm có lõi thép và dây quấn kích thích Dòng điện đưa vào dây quấn kích thích là dòng điện 1 chiều Rotor của máy điện đồng bộ có 2 kiểu là rotor cực lồi và rotor cực ẩn

- Rotor cực ẩn

Rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn Phần không phay rãnh của rotor hình thành mặt cực từ

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi cách thanh nêm bằng thép không từ tính Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ

đi luồn trong trục và nối với 2 vành trượt đặt ở đầu trục thông qua 2 chổi điện

để nối với dòng kích từ một chiều

- Rotor cực lồi

Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe) trên mặt có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 – 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rotor Giá này lồng vào trục máy Cực từ đặt trên lõi thép rotor được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1,5 mm

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là lớp cách điện bằng mica hoặc amiang Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực

Dây quấn cản được đặt trên các đầu cực Các dây quấn này được làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn

3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 3 pha

Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện đồng bộ 3 pha

1 Động cơ sơ cấp(tua bin hơi), 2 Dây quấn stato, 3 Roto, 4 Dây quấn Roto,

5 Vành góp, 6 Chổi than, 7 Máy phát một chiều

Động cơ sơ cấp 1 quay roto máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức, máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích từ 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, roto 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện Do roto quay, từ trường roto quét qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng ra sđđ xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

𝐸0 = 𝜋√2𝑓 𝑁 𝑘𝑑𝑞∅0Trong đó:

𝐸0là sức điện động pha

N là số vòng dây của 1 pha

𝑛 = 60𝑓

𝑝 (𝑣𝑔/𝑝ℎ) Khi qua dây quấn stato nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha chạy qua Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng có tốc độ là :

Máy phát điện ở phòng thí nghiệm

Động cơ lai là động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

Các thông số kĩ thuật của động cơ lai

f = 50 Hz Idm/Imm = 8,53/4,93

n = 1435 vòng/phút

/Y = 220/380

3.4 Biến tần

Biến tần là biến tần SV015iC5-1

• iC5 là dòng biến tần nhỏ gọn, đa năng và thân thiện với người sử dụng

• Công nghệ điều khiển vector từ thông PWM

• Loại 1 pha 220V (-15% ~ +10%) có công suất: 0,4 ~ 2,2 kW

• Mômen 150% tại 0,5Hz

• Tần số đầu ra 0,01 ~ 400Hz

• Tần số băm xung 1 ~ 15kHz

• 8 cấp điều chỉnh tốc độ

•Tích hợp sẵn bộ PID bên trong

• Đa chức năng, thao tác ổn định

• Cấp bảo vệ IP20

• Tích hợp giao diện truyền thông RS485/MODBUS-RTU

• Rơle đặt các chức năng tùy chọn: 1NO & 1NC AC250V 1A, DC30V 1A

• Bù mômen tự động/bằng tay

• Tín hiệu ra Analog: 0-10VDC, 4-20mA ( tần số, dòng, điện áp, điện áp DC)

• Tích hợp hãm, xả

• Tự động restart sau khi mất điện tức thời

• Upload và download thông số từ bộ phím

• Bảo vệ và cảnh báo: Quá điện áp, thấp áp, quá dòng, tiếp địa, bảo vệ pha đầu vào ra, quá nhiệt biến tần động cơ, lỗi truyền thông, ….cảnh báo quá tải

• Lưu lịch sử 5 lỗi xảy ra gần nhất

• Phù hợp với các chuẩn: CE, UL, CUL

3.5 Dụng cụ đo khác

Ngoài ra ta còn có các dụng cụ đo khác như:

Ampe kế (0-5 A): có tác dụng đo dòng điện chạy trong mạch, được

mắc nối tiếp vào mạch

Vôn kế (0-500 V): có tác dụng đo điện áp giữa 2 điểm trong mạch,

được mắc song song vào mạch

Tần số kế (0-65 Hz): dùng để đo tần số của mạch

Đông hồ phát hiện góc pha

CHƯƠNG IV TÌM HIỀU VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN 4.1 Aptomat

Áptômát còn có tên gọi khác là CB(Circuit Breaker), cầu dao tự động Áptômát là loại khí cụ dùng để tự động ngắt mạch điện, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp, …

Áptômát có ba yêu cầu sau :

- Chế độ làm việc ở định mức của Áptômát phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua áptômát lâu bao nhiêu cũng đựơc Mặt khác, Mạch dòng của ápôtmát phải chịu đựơc dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

- Áptômát phải ngắt được dòng điện ngắn mạch lớn, có thể đến vài chục kilôampe Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, áptômát phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức

- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự ngắn mạch do dòng điện ngắn mạch gây ra, áptômát phải có thời gian cắt bé Muốn vậy thường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong áptômát Để thực hiện yêu cầu thao tác bảo vệ có tính chọn lọc, áptômát cần phải có khả năng điều chỉnh dòng điện tác động và thời gian tác động

Bật áptômát ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5

và phần ứng 4 không hút

Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện

5 lớn hơn lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của áptômát được mở ra, mạch điện mạch điện bị ngắt

Bậc áptômát ở trạng thái ON, với điện áp nam châm điện 11 và phần ứng nam châm điện 11 và phần ứng 10 hút lại với nhau

Khi sụt áp định mức, nam châm điện 11 sẽ nhả phần ứng 10, lò xo 9 kéo móc 8 bật lên, móc 7 thả tự do, thả lỏng, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả

mợ các tiếp điểm của áptômát được mở ra, mạch điện bị ngắt