Máy điện đồng tài liệu máy điện động bộ giúp cho giáo viên, sinh viên, kỹ sư tham khảo trong quá trình nghiên cứu, dạy học, làm cơ sở cho các kỹ sư thiết kế các hệ thống điều khiển

Tài liệu máy điện động bộ giúp cho giáo viên, sinh viên, kỹ sư tham khảo trong quá trình nghiên cứu, dạy học, làm cơ sở cho các kỹ sư thiết kế các hệ thống điều khiển kỹ thuật ứng dụng trong cuộc sống, đây là thiết bị mà nghiều người hiểu chưa đúng về nó tài liệu máy điện động bộ giúp cho giáo viên, sinh viên, kỹ sư tham khảo trong quá trình nghiên cứu, dạy học, làm cơ sở cho các kỹ sư thiết kế các hệ thống điều khiển

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG

Định nghĩa

Những Máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng đúng tốc độ quay của từ trường stato n 1 gọi

là Máy điện đồng bộ

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

Công dụng

Chế độ Máy phát

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tua bin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước ( hình 9.1.2 )

Hì

nh 9.1.2

Ở các lưới điện công suất nhỏ, Máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ điêzen hoặc xăng, có thể làM việc đơn lẻ hoặc hai ba Máy làM việc song song

Chế độ động cơ

Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kiM, khai thác Mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các Máy bơM, nén khí, quạt gió v.v.

Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, Máy bù đồng bộ

CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Cấu tạo Máy điện đồng bộ gồM hai bộ phận chính là stato và rôto

Stato là phần tĩnh (còn gọi là phần ứng ), rôto là phần quay

(còn gọi là phần cảM ).

PHẦN TĨNH ( STATO)

Stato của Máy điện đồng bộ giống như stato của Máy điện không đồng bộ

Lõi thép

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục lõi thép được ép vào trong vỏ Máy

Dây quấn

Dây quấn stato làM bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép

PHẦN QUAY ( RÔTO)

Rô to Máy điện đồng bộ bao gồM lõi thép, cực từ và dây quấn kích từ Dây quấn kích từ được cấp bởi nguồn điện Một chiều để tạo ra từ trường cho Máy.

Hình 9.2.2.a Hai đầu của dây quấn kích từ nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn 1 chiều.

Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi

Rôto cực lồi

Dùng ở Máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực Rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ

Rôto cực ẩn

Thường dùng ở Máy có tốc độ cao 3000v/ph có Một đôi cực Rôto cực ẩn dây quấn kích từ được đặt ẩn trong các rãnh

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto fi o

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: E 0 =4,44fiW 1 k dq fi o Nếu rôto có p đôi cực, tần

số fi của sức điện động: fi = pn/60

Dây quấn ba pha stato có đặt lệch nhau trong không gian Một góc 120 0 điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau góc pha 120 0

Trong dây quấn stato xuất hiện Một nguồn điện ba pha đối xứng

Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn có dòng điện ba pha:

i A = I Max sinWt

i B = I Max sin(Wt – 120 0 )

i C = I Max sin(Wt – 240 0 )

Dòng điện ba pha được tạo ra giống như ở Máy điện không đồng bộ sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n 1 = 60fi/p (n = 60fi/p =n 1 ), đúng bằng tốc độ quay n của rôto

Do đó Máy điện này gọi là Máy điện đồng bộ

PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Khi Máy phát điện làM việc, từ thông của cực từ rôto fi 0 cắt dây quấn stato cảM ứng ra sức điện động E 0 chậM pha so với nó Một góc 90 0

Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải, dòng điện I tạo nên từ trường quay phần ứng (stato) Tác dụng của từ trường phần ứng (stato) lên từ trường cực từ (rôto) gọi là phản ứng phần ứng.

Tải thuần trở

Từ thông phần ứng fi ư (stato) theo hướng ngang trục,làm lệch hướng từ trường cực từ (rôto) fi 0 ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục (hình 9.4.a)

Hình 9.4.a Tải thuần cảm

Từ thông phần ứng fi ư ngược chiều fi 0 gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng (hình 9.4.b)

Hình 9.4.b Tải thuần dung

Từ thông phần ứng fi ư cùng chiều fi 0 , gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng

từ trường tổng.

Hình 9.4.c Tải bất kỳ

Phân tích từ trường phần ứng thành hai thành phần:

Thành phần ngang trục làm lệch hướng từ trường tổng

Thành phần dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (hình 9.4.d)

Hình 9.4.d Phản ứng phần ứng của Máy phát điện đồng bộ vừa phụ thuộc vào dòng điện tải I (độ lớn bé) vừa phụ thuộc vào tính chất của tải ( thuần trở, thuần cảm và thuần dung).

PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP VÀ CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Phương trình điện áp của Máy phát điện đồng bộ cực ẩn

X đb =X d =X q gọi là điện kháng đồng bộ

Phương trình cân bằng điện áp:

CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Đặc tính không tải

U 0 = E 0 = fi(I kt ) khi I tải =0, n =const ( fi=const)

Ta có: Eo= 4,44fi.W1.kdq.fio = K.fio

Đặc tính không tải là đường fi 0 =fi(I kt ), gọi là đường cong từ hóa vật liệu sắt từ

Đặc tính ngoài của Máy phát điện đồng bộ

Mối quan hệ giữa điện áp U trên cực Máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải cosP t không đổi, tần số fi và dòng điện kích từ I kt không đổi

U = fi(I) khi I kt =const, n= const (fi=const) , cosP t =const

Đặc tính ngoài của Máy phát phụ thuộc tính chất của tải

Đặc tính điều chỉnh của Máy phát điện đồng bộ

Mối quan hệ giữa dòng điện kích từ với dòng điện tải điện áp U bằng điện áp định Mức, tần số fi và tính chất tải không đổi.

I kt = fi(I) khi U =const, n= const ( fi =const), cosP t =const

ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện ba pha I a , I b , I c vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n 1 = 60fi/p

Khi cho dòng điện Một chiều vào dây quấn rôto, rôto biến thành một nam châm điện

Khi từ trường stato quay với tốc độ n 1 , lực tác dụng ấy sẽ kéo rôto quay với

tốc độ n = n 1

Phưong trình điện áp của động cơ điện đồng bộ:

Mở Máy động cơ điện đồng bộ

Muốn động cơ làm việc, phải tạo MôMen Mở Máy để quay rôto đồng bộ với từ trường quay stato Trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn, được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ không đồng bộ ( hình 9.6.2)

Hình 9.6.2

Khi Mở Máy, nhờ có dây quấn Mở Máy ở rôto động cơ sẽ làm việc như đồng cơ không đồng bộ

Trong quá trình Mở Máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép Mạch qua Mạch điện có điện trở lớn để bảo vệ dây quấn kích từ

Khi rôto đã quay đến tốc độ bằng tốc độ đồng bộ n 1 , đóng nguồn điện Một chiều vào dây quấn kích

từ, động cơ sẽ làM việc đồng bộ.

Máy bù đồng bộ

Động cơ điện đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh quá kích thích để động cơ phát ra công suất phản kháng với mục đích nâng cao hệ số công suất lưới điện.

Công suất phản kháng: Q= MU (E 0 cosq-U)/X đb Mà E 0 phụ thuộc I kt

Tăng I kt suy ra tăng E 0 suy ra Q >0 động cơ phát ra công suất phản kháng vào lưới điện, động cơ làm việc quá kích thích.

Hệ số công suất lưới điện cosP L

Tăng I kt suy ra tăng Q suy ra giảm Q L suy ra cosP L tăng và ngược lại

ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ

LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước ngày càng phát triển cao hơn trong mọi lĩnh vực, công nghiệp, giao thông và các dịch vụ trong cuộc sống hàng ngày.Xã hội không ngừng phát triển,sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cầnphát triển nhiều loại máy điện mới 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 ưu điểmnhư 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 đã 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 ,động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosυ=1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, nênhệ sốcông suất của lưới điện được nâng cao và giảm được điện áp rơi

và tổn hao công suất trên đường dây.Trong thời gian học môn máy điện em được giao nhiệm vụ thiết kế động cơ đồng bộ ba pha với các số liệu cho sẵn.Bản thiết

kế bao gồm các phần chính sau:

Phần 1

Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ.

Phần 2 Thiết kế và tính toán động cơ đồng bộ

Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng nỗlực của bản thân cùng với

sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết kế máy điện, đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Anh Tuấn,

em đã hoàn thành xong bản thiết kếcủa mình Trong quá trình thiết kế đồ án, với kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án khó có thể tránh khỏi các khiếm khuyết Em mong nhận được sự nhận xét, góp ý của các thầy cô giáo để bản thiết kế của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảmơn !

PHẦN 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

CHƯƠNG 1

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC,KẾT CẤUĐỘNG CƠ ĐIỆNĐỒNG BỘ

I Đại Cương 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

đã dược 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 ,động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosυ=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 bên cạnh đó còn giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây.Ngoài những ưu điểm chính đó động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do momen của động cơ điện đồng bộ chỉ

tỷ lệ với U trong khi momen của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với U2 Vì vậy khi điện áp của lưới điện sụt thấp khi có sự cố thì khả năng giữ tải của động cơ 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.Củng phải nói thêm rằng,hiệu suất của dộng cơ điện đồng bộ thường cao hơn hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn nên tổn

hao sắt phụ nhỏ hơn Khác với các động cơ không đồng bộ,động cơ đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng,nhờ vậy động cơ đồng bộ được dùng trong các thiết bị loại lớn.Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cữu ) cũng được dùng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển

Nhược điểm của động cơ đồng bộ so với động không đồng bộ ở chổ 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 điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi t

ần số của nguồn điện.Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng có phối hợp với tụ điện cải thiện cosυ về giá thành và tổn hao năng lượng đẫn đến kết luận là khi Pđm<200÷300 kW,nên dùng động cơ đồng bộ ở những nơi nào không cần thường xuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ.Khi Pđm> 300 kWdùng động cơ đồng bộ với cosυđm=0,9 và khi Pđm>1000 kW dùng động cơ đồng bộ với cosυđm=0,8 là có lợi hơn dùng động cơ không đồng bộ

II Phân Loại Và Kết Cấu Của Động Cơ Điện Đồng Bộ

1.Phân loại

Theo kết cấu có thể chia động cơ điện đồng bộ thành hai loại:

Động cơ đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc quay cao (số cực 2p=2) và động cơ đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2p≥4)

Động cơ điện đồng bộ thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và được dùng để kéo

cá tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ,với công suất chủ yếu từ 200kW trở lên Ngoài ra,còn có động cơ điện đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu,động cơ đồng bộ phản kháng,động cơ đồng b

ộ từ trễ,dộng cơ bước,

2.Kết cấu

Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ,ta xét riêng rẽ cấu tạo của máy cực ẩn và máy cự lồi

a.Kết cấu của động cơđiện đồng bộ cực ẩn

Roto của động cơ điện đồng bộ cực ẩn 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 kích từ.Phần không phay rãnh của roto hình thành mặt cực từ.Mặt cắt ngang trục lõi thép roto như hình dưới đây:

Hình 1.Roto cực ẩn máy điện đồng bộ

Các động cơ điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p=2,tốc độ quay của roto là 3000v/ph và để hạn chế lực li tâm,trong phạm vi

an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rot,đường kính D của roto không được vượt quá 1,1÷1,5m Để tăng công suất của máy,chỉ có thể tăng chiều dài của roto.Chiều dài tối đa của roto vào khoảng 6,5m Dây quấn kích từ đặt trong rãnh roto được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật,quấn theo chiều mỏng thànhđược cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng.Để cố định vầ ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh,miệng rãnh được nêm kín bởi các 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 đàu nối của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều.Máy kích từ này thường được nối trục với trục động cơ đồng bộ hoặc có trục chung với động cơđồng bộ.Stato của động cơ đồng bộ cục ẩn bao gồm lõi thép,trong có đặt dây quấn 3 pha và thân của động cơ, nắp của động cơ.Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0,5mm,hai mặt

có phủ sơn cách điện.Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3÷6cm lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10mm.Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy.Trong các động cơ điện đồng bộ công suất trung bìnhvà lớn,thân máycủa động cơ được chế tạo theo kết cấu khung thép,mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày.Thân máycủa động cơ phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nóhình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy của động cơđiện.Nắp máycủa động cơđiệncũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc.Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn,ổ trục không đặt ở nắpcủa động cơ mà ở giá đỡ,ổ trục đặt cố định trên bệ máycủa động cơ

b Kết cấu của động cơ đồng bộ cực lồi.

Động cơ đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp,vì vậy khác với các động cơ đồng bộ cực ẩn,đường kính roto D của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ,với tỷ lệ l/D=0,15÷0,2.Roto của máy của động cơđiện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình 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 cácđộng cơ lớn,lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1÷6mm,và được dập hoặc đúc định hình sẳn 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 roto.Giá này lồng vào trục của động cơ Cực từ đặt trên lõi thép roto được ghép bằng các lá thép dày1÷1,5mm như hình vẽ dưới đây:

Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các bulong xuyên qua mặt cực từ và vít chặt vào lõi thép roto Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây.Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng.Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào thân cực Dây quấn mở máy của động cơ được đặt trên các đầu cực.Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ,nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối với haivòng ngắn mạch.Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản

ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn Stato của động cơđồng bộ có cấu tạo tương tự như cấu tạo của động cơ đồng bộ cực ẩn.Trụcmáy của động cơ đồng bộ cực lồi đặt nằm ngang như ở các động cơ không đồng bộ ,máy bù đồng bộ,máy phát điện điêzen hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng 200v/ph)

III.Nguyên Lý Làm Việc Của Động Cơ Đồng Bộ

Giống với tất cả các loại động cơ khác, nguyênlý làm việc của động cơ đồng bộlà dựa trênđịnh luật về lực điện từ f tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện i và nằm trong từ trường co từ cảm B Chiều và độ lớn của lực f được

xác định theo tích vectơ f ´f=⃗il ⃗B Đây là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng Như vậy trong động cơ đồng bộ (hình 4), roto với các cực từ có từ trường F t

được quay với tốc độ n làm cảm ứng trong dây quấn 3 pha đặt ở stato các s.đ.đ xoay chiều có tần số f = np

60 (với p là số đôi cực của roto).Các dòng i A, i B , i C

trong các pha sẽ sinh ra từ trường quay Fư có tốc độ f = np

60 Từ hai biểu thức

đó ta có n= n1, nghĩa,là tốc độ quay n của roto đồng bộ với tốc độ n1 của từ trường quay Đó là nguyên lí làm việc cơ bản của động cơ điện đồng bộ