Bài giảng Kỹ thuật điện (Phần 2) - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng

hân bố phụ tải tỉ lệ với dung lượng máy (hệ số tải bằng nhau). Chứng minh ngược lại: Lưu ý: 2 máy có công suất khác nhau vẫn vận hành song song ñược. % % nI nII tII tI Idm IIdm nI nII Idm IIdm II I nIIIInII u u K K I I Z Z I I I IZIZI =⇔      =      ⇔= 1 % %1 ==×=×=             ⇒= nI nII Idm IIdm nI nII Idm IIdm II I IIdm II Idm I tII tI u u I I Z Z I I I I I I I I K K Trang 54 MÁY BIẾN ÁP § 6.12. Máy biến áp ñặc biệt Vì sao gọi là ñặc biệt ? + Nó có chế ñộ quấn dây ñặc biệt, liên hệ cả về từ và ñiện + Nó có chế ñộ làm việc rất ñặc biệt (ngắn mạch, hở mạch). 1. Máy tự biến áp: - Mô tả và những ñiểm ñặc biệt: MBA tự ngẫu. Nó chỉ có một cuộn dây nhưng có 2 ñầu ra, cuộn ñiện áp thấp là 1 phần của ñiện áp cao. Liên hệ cả về ñiện và từ (khác MBA thường liên hệ từ). - Phạm vi ứng dụng: + Công suất nhỏ 1 pha: phòng thí nghiệm và thiết bị cần ñiện áp biến ñổi liên tục + ba pha:Mở máy ñộng cơ 3 pha. + MBA liên lạc các HTð - Ưu ñiểm: + Truyền nhiều công suất hơn khi cùng kích thước (vì ngoài truyền bằng từ còn truyền bằng ñiện) + Hiệu suất cao hơn, sụt áp ít hơn (do chỉ có tổn hao trên 1 dây quấn) - Nhược ñiểm: + ðộ an toàn thấp: nếu 220kV rò ñiện sang cuộn 110 kV thì nguy hiểm (vì chung cuộn dây)
sách viết sai. + Phạm vi ứng dụng khá hẹp. 2. Máy biến ñiện áp ño lường - Mục ñích: Biến ñiện áp rất cao thành ñiện áp thấp (tiêu chuẩn 100V). - Chế ñộ làm việc (ñiểm ñặc biệt): Các dụng cụ ño và thiết bị bảo vệ loại này có tổng trở rất lớn nên xem như chế ñộ làm việc không tải (hở mạch). - Phạm vi ứng dụng: dùng cho ño lường (có ñộ chính xác cao 0,1-0,5) và cung cấp tín hiệu cho mạch bảo vệ rơle (có ñộ chính xác vừa phải 1-3). Ví dụ Vonmet, Wmet, bảo vệ quá áp, - Một số lưu ý: + Không ñược phép ngắn mạch. + Nếu ñiện áp quá cao, không thể chế tạo ñược do kích thước lớn
chiết áp bằng tụ ñiện. 3. Máy biến dòng ño lường - Mục ñích: Biến dòng ñiện lớn thành dòng ñiện nhỏ (tiêu chuẩn 1A hoặc 5A). - Chế ñộ làm việc (ñiểm ñặc biệt): Các dụng cụ ño và thiết bị bảo vệ loại này có tổng trở rất nhỏ nên xem như chế ñộ làm việc ngắn mạch. - Phạm vi ứng dụng: dùng cho ño lường (có ñộ chính xác cao 0,1-0,5) và cung cấp tín hiệu CHƯƠNG : 06 Tiết thứ: 27 Trang 55 cho mạch bảo vệ rơle (có ñộ chính xác vừa phải 1-3). Ví dụ Ampemet, Wmet, bảo vệ quá dòng, - Một số lưu ý: + Không ñược phép hở mạch. + Số vòng dây sơ cấp ít hơn rất nhiều thứ cấp. 4. Máy biến áp hàn hồ quang ñiện: - Mô tả cấu tạo và nguyên lý làm việc trên sơ ñồ hình vẽ: Dí que hàn vào tấm kim loại
dòng chạy qua lớn
nóng chỗ tiếp xúc
nhắc que hàn ra khoảng nhỏ làm ion hóa chất khí do ñiện trường cao
hồ quang tỏa nhiệt lớn làm nóng chảy. Việc làm nóng chỗ tiếp xúc ñể mồi ion hóa. - Chế ñộ làm việc (ñiểm ñặc biệt): ngắn mạch ngắn hạn (khoảng 60-70V). Do chế ñộ ngắn mạch với dòng ñiện khá lớn nên người ta chế tạo có ñiện kháng tản lớn (lõi thép dẫn từ kém) và thêm cuộn kháng ngoài ñể khống chế dòng ñiện ở 2-3 lần ñịnh mức (nếu 10-20 lần thì nguy hiểm). Lưu ý: biến dòng có chế ñộ ngắn mạch nhưng dòng nhỏ nên không cần kháng tản lớn. - Phạm vi ứng dụng: hàn kim loại. (còn có máy biến áp hàn nóng chảy bằng dòng ñiện (hàn ñiểm)). ðiều chỉnh dòng hàn bằng cách ñiều chỉnh khe hở không khí lõi thép ngoài. * Nghiên cứu thêm: làm thế nào ñể chọn ñược dòng ñiện hàn hợp lý (kinh nghiệm của người thợ hàn). Trang 56 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.1. Khái niệm chung Máy ñiện KðB = máy ñiện quay + biến ñổi các dạng năng lượng khác thành ñiện năng và ngược lại (tính thuận nghịch) Nguyên lý: cảm ứng ñiện từ, tốc ñộ quay rô to khác tốc ñộ từ trường quay. ðộng cơ dùng phổ biến vì hiệu suất cao, ñơn giả, giá rẻ, không cần bảo trì (các loại khác còn phải thay chổi than,). Chủ yếu là 3 pha. Máy phát ít dùng do ñặc tính làm việc không tốt
Các phần sau chỉ nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ Các thông số ñịnh mức: Công suất cơ, ñiện áp stato, dòng ñiện stato, tốc ñộ quay rôto (v/p), cosϕ, hiệu suất, tần số. § 7.2. Cấu tạo ñộng cơ không ñồng bộ Trình bày mô hình ñộng cơ KðB 1 pha cho SV xem: Bộ phận chính: roto và stato Vẽ tượng trưng mặt cắt máy ñiện: thể hiện cả rôto và stato, có dây quấn trên các rãnh. 7.2.1 Stato (phần tĩnh- gốc từ Tiếng Anh): Vẽ lên bảng 2 hình minh họa gồm: Hình khối có rãnh và hình mặt cắt lá thép mỏng stato. Bố trí dây dẫn vào rãnh (1 dây và 1 bối dây) - Lõi thép: + Nhiệm vụ: dẫn từ trường (tương tự máy biến áp) + Hình trụ rỗng, gồm các lá thép KT ñiện mỏng dập rãnh bên trong, ghép cách ñiện với nhau + Rãnh ñể quấn dây, nằm dọc theo trục stato. Số lượng rãnh khá nhiều và phân bố ñều dọc chu vi lõi thép. - Dây quấn: + Nhiệm vụ: dẫn ñiện và tạo ra từ trường + Dây bằng ñồng hoặc nhôm, bọc cách ñiện, ñặt trong rãnh stato + Dây quấn rải trên các rãnh, không quấn tập trung trong 1 rãnh. - Bộ phận cơ: nắp, vỏ máy, ñể bảo vệ, che ñậy, 7.2.2 Roto (phần quay - gốc từ Tiếng Anh): Vẽ lên bảng 2 hình minh họa gồm: Hình khối có rãnh và hình mặt cắt lá thép mỏng stato. Tương tự có 2 phần: lõi thép dẫn từ và dây quấn dẫn ñiện - Lõi thép: + Nhiệm vụ: dẫn từ trường (tương tự máy biến áp) + Hình trụ ñặc, gồm các lá thép KT ñiện mỏng dập rãnh bên ngoài, ghép cách ñiện với nhau CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 28 Trang 57 + Rãnh ñể quấn dây, nằm dọc theo trục stato. Số lượng rãnh khá nhiều và phân bố ñều dọc chu vi lõi thép. - Dây quấn: Có 2 kiểu: rôto ngắn mạch (rôto lồng sóc) và roto dây quấn
mô tả chi tiết từng kiểu (lồng sóc có 2 loại); ghi ký hiệu phân biệt 2 kiểu trên sơ ñồ ñiện. Loại roto lồng sóc dùng phổ biến hơn (nêu lý do). - Bộ phận cơ: Ổ bi, gối ñỡ, trục máy, § 7.3. Từ trường của máy ñiện không ñồng bộ 7.3.1 Từ trường ñập mạch của dây quấn một pha - Khái niệm: là loại từ trường có phương không ñổi nhưng chiều và trị số biến ñối theo t. - Từ trường này do dây quấn 1 pha tạo ra. Tùy vào cách bố trí dây dẫn ñể tạo ra từ trường ñập mạch p ñôi cực.(số cặp cực N-S)
Nêu ví dụ p=1 và p=2 - Xét trường hợp p=1 (2 nhánh song song trong 4 rãnh ): + Có dòng ñiện chạy qua 2 nhánh // i(t)=Imaxsinωt + Quy ước ký hiệu chiều dòng ñiện ñi vào và ra trang giấy + Xác ñịnh chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai + Mô tả hiện tượng ñập mạch (ñộ lớn và chiều thay ñổi theo chiều dòng, phương không ñổi) Nhận thấy có 2 cực từ (p=1) - Vẽ minh họa và giải thích sơ bộ trường hợp p=2 (2 bối dây ñặt trong 4 rãnh ñược nối tiếp với nhau). Dòng ñiện chạy xuyên suốt các thanh dẫn Trang 58 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.3. Từ trường của máy ñiện không ñồng bộ 7.3.2 Từ trường quay của dây quấn 3 pha a) Sự tạo thành từ trường quay; - Xét máy ñiện 3 pha ñơn giản 6 rãnh ñều trên chu vi stato, ñặt 6 dây dẫn ñộc lập AX-BY- CZ lệnh nhau 1200 (lệch nhau về mặt không gian). - Cho 3 dòng ñiện chạy qua 3 dây quấn lệch nhau về thời gian là 1200 (lưu ý 1200 này khác với 1200 không gian) iA=Imaxsin(ωt)----------------> cuộn AX Từ ñây ta vẽ ñược ñồ thị thời gian của 3 dòng iB=Imaxsin(ωt-1200)----------> cuộn BY ñiện trên 1 hệ trục tọa ñộ. Quy ước nếu i>0 thì iC=Imaxsin(ωt+120)-----------> cuộn CZ chiều dòng ñiện ñi từ ñầu ñến cuối cuộn dây - Thời ñiểm ωt=900: iA>0 dương còn iB, iC âm và bằng nhau. Do ñó ta vẽ ñược chiều dòng CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 29 Imax Imax 2 Trang 59 ñiện trong các thanh dẫn như hình vẽ. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác ñịnh ñược chiều của BA, BB, BC và Btổng. Ta nhận thấy Btổng có chiều nằm ngang từ trái sang phải. - Thời ñiểm ωt=900+1200: iB>0 dương còn iA, iC âm và bằng nhau. Do ñó ta vẽ ñược chiều dòng ñiện trong các thanh dẫn như hình vẽ. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác ñịnh ñược chiều của BA, BB, BC và Btổng. Ta nhận thấy Btổng ñã quay ñi 1200 theo kim ñồng hồ so với thời ñiểm trước. - Thời ñiểm ωt=900+2400: iC>0 dương còn iA, iB âm và bằng nhau. Do ñó ta vẽ ñược chiều dòng ñiện trong các thanh dẫn như hình vẽ. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác ñịnh ñược chiều của BA, BB, BC và Btổng. Ta nhận thấy Btổng ñã quay ñi 1200 theo kim ñồng hồ so với thời ñiểm trước. Như vậy dòng ñiện 3 pha nói trên ñã tạo ra từ trường quay có p=1. Tùy cách ñấu dây có thể có nhiều ñôi cực hơn (p>1). Ở ñây ta cần lưu ý rằng nếu 3 cuộn dây ñặt lệch nhau 1200 không gian nhưng dòng ñiện vào 3 pha trùng pha nhau thì cũng không tạo từ trường quay và ngược lại. Mặt khác cách mô tả ở trên chỉ chọn 3 vị trí ñặc biệt, thực tế từ trường quay biến ñổi vị trí liên tục chứ không phải nhảy cóc. b) ðặc ñiểm từ trường quay: - Từ trường quay móc vòng với stato và roto, là từ trường chính - Tốc ñộ quay n1=60f/p: ðể giải thích cần dựa vào hình vẽ phần từ trường ñập mạch: với p=2 thì khi dòng ñiện ñổi chiều thì cực N ñổi cho S (tương ñương cực từ quay ¼ vòng) nên khi dòng ñiện qua f×1 chu kỳ thì từ trường quay f×1/2 vòng hay f×1/p vòng. - Chiều quay: phụ thuộc thứ tự pha. Khi ñảo chiều chỉ cần ñảo 2 pha cho nhau. Chứng minh bằng cách chuyển dòng ñiện pha B vào cuộn CZ - Biên ñộ từ thông xuyên qua 1 pha : Φmax=3/2ΦPmax . Ta chứng minh ñiều này như sau: Tại thời ñiểm ωt = 900, iA=Imax và iB=iC=Imax/2 nên BA=Bpmax và BB=BC=Bmax/2. Mặt khác → BB và → CB hợp với phương ngang góc 60 0 nên 2/maxPCB BBB =+ →→ Do ñó Btổng =3/2Bpmax hay Φtổng=3/2Φpmax. 7.3.3 Từ thông tản: - Là bộ phận từ thông chỉ móc vòng riêng rẽ với dây quấn satato và roto. - ðược ñặc trưng bằng ñiện kháng tản giống như máy biến áp. - Không tham gia vào quá trình biến ñổi năng lượng. - ðiện kháng tản có giá trị khá lớn vì từ thông tản khép mạch qua khe hở không khí. § 7.4. Nguyên lý làm việc của máy ñiện không ñồng bộ - Stato: Cung cấp ñiện áp 3 pha tần số f1 cho dây quấn
có dòng ñiện
tạo ra từ trường quay với tốc ñộ n1=60f1/p Φtản Trang 60 - Roto: Dây quấn cảm ứng sññ E2 (do từ trường quay cắt ngang các thanh dẫn rôto)
tạo ra dòng ñiện I2 (do thanh dẫn roto nối ngắn mạch). - Kết quả: Tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn có dòng ñiện I2 làm roto quay theo chiều từ trường quay với tốc ñộ n<n1. * Minh họa nguyên lý trên bằng hình vẽ và các ñịnh luật cơ bản của máy ñiện: - Xét máy ñiện 3 pha p=1 và roto có 1 khung dây. - Vectơ B quay theo chiều kim ñồng hồ với tốc ñộ n1 tương ñương thanh dẫn roto chuyển ñộng ngược chiều kim ñồng hồ so với từ trường
trong thanh dẫn roto cảm ứng E2 =Blv có chiều theo quy tắc bàn tay phải - E2 sinh ra I2 nên lực Fñt = Bi2l (tác dụng lên thanh dẫn roto) có chiều theo quy tắc bàn tay trái. Áp dụng quy tắc này ta nhận thấy chiều lực tác dụng cùng chiều từ trường quay. - Lực Fñt làm roto quay với tốc ñộ n<n1 vì nếu n=n1 thì không có E2 do ñó không có Fñt nên ñộng cơ không quay. - Một số khái niệm mới: + Tốc ñộ trượt: n2 = (n1 – n) + Hệ số trượt : s=n2/n1 = (n1-n)/n1=(ω1-ω)/ω1 = (0,02-0,06) + Tốc ñộ quay roto: n=n1(1-s)=60f1/p(1-s) (vòng/phút) Trang 61 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.5. Phương trình cân bằng của ñộng cơ không ñồng bộ 7.5.1 Phương trình cân bằng ñiện áp ở dây quấn stato: Lý luận tương tự sơ cấp MBA ta có: 1111 ZIEU ••• +−= Z1=R1+jX1 là tổng trở dây quấn stato R1 là ñiện trở, X1 là ñiện kháng tản E1 là sññ 1 pha stato do từ trường quay tạo ra có trị số hiệu dụng = 4,44f1w1kdq1Φm Φm: biên ñộ từ thông của từ trường quay (tổng 3 pha) kdq1<1: hệ số suy giảm sññ do quấn rải trên nhiều rãnh (MBA quấn tập trung) 7.5.2 Phương trình cân bằng ñiện áp ở dây quấn roto: - Dây quấn roto xem như dây quấn thứ cấp MBA, nên ta có cũng phương trình: 2222 ZIEU s ••• −−= và ta xét từng thành phần trong phương trình này. + 2 • U = 0 vì roto nối ngắn mạch + sE 2 • là sññ trong roto tạo do từ trường quay tạo ra. Do roto quay nên ñể xác ñịnh ñược biểu thức của E2s cần xác ñịnh biểu thức của từ trường quay tương ñối với roto. Giả thiết Φ=Φmsinωt là từ trường quay so với stato. Do n2=n1-n
ω2=ω1-ω là tốc ñộ trượt, khi ñó Φ=Φmsinω2t chính là từ trường quay tương ñối so với roto (biên ñộ xuyên qua stato và roto không ñổi) và chính nó là nguyên nhân gây ra E2 nên theo phần MBA ta có E2s = 4,44f2w2kdqΦm Trong ñó: ω2=2pif2 (lưu ý biểu thức E2s có f2 mà không phải f1) f2=n2p/60 =(n1-n)/n1.n1.p/60=sf1 do s khá nhỏ nên f2 khoảng 1-3Hz Kdq < 1 kể ñến sự giảm sññ do quấn rải trên các rãnh và rút ngắn bước dây (khác với dây quấn của máy biến áp quấn tập trung) Khi s=1 thì E2s  E2, ta dễ dàng chứng minh E2s = sE2 + Z2 = R2+jX2s như MBA là tổng trở dây quấn rôtô. * R2 là ñiện trở dây quấn * X2s =ω2L2 = 2pif2L2 = 2pisf1L2 =sX2 (s lần ñ/kháng tản dây quấn roto lúc ñứng yên). Từ ñó phương trình cân bằng là 2220 ZIEs •• −−= (ta tính qua E2 và X2 là do f1 xác ñịnh dễ dàng hơn f2). ðịnh nghĩa hệ số quy ñổi sññ roto về stato ae =E1/E2 (ứng với lúc ñứng yên) 7.5.3 Phương trình cân bằng dòng ñiện: Tương tự MBA, ta có constEU =≈ •• 11 nên Φm = const do ñó Φ=Φmsinωt không phụ thuộc vào i1 và i2. ðiều này có nghĩa sức từ ñộng khi không tải bằng sức từ ñộng khi có tải: m1w1kdq1i0 = m1w1kdq1i1 - m2w2kdq2i2 2 Dấu trừ trong phương trình này là do i2 sinh ra từ thông ngược chiều với từ thông chính Φ CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 30 Trang 62 Phức hóa và rút gọn có: 20 2 0 222 111 2 01 ' •• • • • •• +=+=+= II a II kwm kwm III i dq dq Trong ñó ai là hệ số quy ñổi dòng ñiện roto về stato. § 7.6. Mạch ñiện thay thế ñộng cơ không ñồng bộ Phương trình cân bằng ñiện áp stato và roto phản ánh ñầy ñủ quá trình năng lượng và quá trình vật lý xảy ra trong ñộng cơ ñiện. Từ 3 phương trình cân bằng ta lập sơ ñồ thay thế như hình vẽ dưới ñây. Lưu ý nhánh Rm ñặc trưng tổn hao sắt từ (từ trễ, dòng xoáy,) và Xm ñặc trưng cho từ thông chính gọi là ñiện kháng từ hóa. ðiện áp E1 chính là ñiện áp rơi trên nhánh từ hóa này. Ta thấy có 2 mạch ñiện nên ñể thuận lợi cho tính toán cần biến ñổi sao cho chúng ghép chung thành 1 mạch ñiện duy nhất. Do 2 mạch ñiện khác tần số, khác ñiện áp và dòng ñiện nên ñể ghép chung ta phải quy ñổi cả tần số và sññ rôto về stato (ở máy biến áp ta chỉ quy ñổi ñiện áp) sao cho dòng ñiện I’2 chạy xuyên suốt từ stato sang roto. Trình tự các bước như sau: + Quy ñổi tần số ta chia phương trình roto cho s ñể còn E2 + Quy ñổi ñiện áp: ta nhân tiếp phương trình roto với ae (ñể sññ roto và stato bằng nhau) + Quy ñổi dòng ñiện: ta nhân tiếp phương trình roto với ai Như vậy từ phương trình cân bằng ñiện áp roto (ñã quy ñổi), phương trình cân bằng ñiện áp stato va phương trình cân bằng dòng ñiện ta lập ñược sơ ñồ thay thế chính xác như hình vẽ dưới ñây. Trong ñó: + Phụ tải ñặc trưng bằng R’cơ.=R’2(1-s)/s + Các ñại lượng có dấu ‘ ký hiệu ñã quy ñổi sang stato.     − ++−=    − ++−= ⇒    − ++−= ⇒    − ++−−=+−−= • • • •• •••• 2222222 2 1 22222 222222 2 22 ' )1( ''' )1( )1( )1()(0 R s sjXRIRaa s sXajaRaa a IE Ra s sXjaRaI a a Ea R s sjXRIEjX s R IE ieieie i iii i e e Khe hở không khí I’2 Stato Roto Trang 63 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.7. Các dạng khác của mạch ñiện thay thế ñộng cơ không ñồng bộ Trong một số bài toán ñịnh tính không cần ñộ chính xác cao (ví dụ khảo sát các ñặc tính) thì sơ ñồ chính xác có thể phức tạp quá trình tính toán trong khi không cần ñộ chính xác cao. Vì lý do ñó ta nên chuyển nhánh từ hóa về phía trước (sơ ñồ hình Γ) giống như MBA. Tuy nhiên do ñiện kháng X1 khá lớn (và I0 cũng lớn do có khe hở không khí) nên việc chuyển không ñược tuỳ tiện mà phải tính ñến sự ảnh hưởng của nó. Muốn vậy nhánh từ hoá phải ñược cộng thêm Z1 trước khi chuyển vị trí: R0 = Rm + jRm ; Rn = R1 + R’2 X0 = Xm + j Xm ; Xn = X1 + X’2 § 7.8. Quá trình năng lượng trong ñộng cơ không ñồng bộ Ta chỉ có giản ñồ P vì Q còn có bộ phận không do nguồn cung cấp. Xây dựng giản ñồ dựa trên sơ ñồ thay thế chính xác. Gọi là Pñt là vì nó là công suất chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp qua ñường ñiện từ. ðịnh nghĩa hiệu suất η = P2/P1 có ý nghĩa quan trọng (quan tâm hơn máy biến áp) CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 31 P1=m1U1I1cosϕ1 Pñt= m1I’22R’2/s = P1-PCu1-PFe PCu1= m1R1I21 PFe= m1RmI20R P2=Pcơ-Pquay PCu2= m1R’2I’22 Pquay(quạt, ma sát,..) Pcơ= Pñt-PCu2 = m1I’22R’2(1-s)/s Trang 64 § 7.9. Mômen quay của ñộng cơ không ñồng bộ a) Nhắc lại kiến thức momen quay roto: Lực làm quay roto ñược quy ñổi về chu vi roto là F cách tâm roto là R. Lực này tạo mômen là M=F.R =F.v/Ω =F/Ω.dS/dt = dA/dt.Ω = Pcơ/Ω Trong ñó: R: bán kính roto F: Lực cơ làm roto quay do 1 ñôi cự từ gây ra Ω: Tốc ñộ quay roto trong không gian (rad/phút) dS: ñộ dời vi phân của roto theo chiều dài dA: Công vi phân của lực F b) Tính toán momen quay Sử dụng sơ ñồ thay thế gần ñúng hình 7.7a ta có: Pcơ = m1I’22R’2(1-s)/s Ω = (1-s)Ω1 = (1-s)2pin1 = (1-s)2pi.60f1/p =(1-s)60ω1/p (rad/phút) = (1-s)ω1/p (rad/s) ( ) ( ) s s XX s RR RU mP XX s R R UI co )1( . ' ' ' ' ' ' 2 21 2 2 1 2 2 1 1 2 21 2 2 1 1 2 − ++      + =⇒ ++      + = Vậy: ( ) ( )         ++      + ×= − − ++      + = 2 21 2 2 1 2 2 1 1 1 12 21 2 2 1 2 2 1 1 ' ' ' )1(. )1( . ' ' ' XX s RRs RUpm s p s s XX s RR RU mM ωω Nhận xét: + M tỉ lệ thuận U12, tỉ lệ nghịch Z2 và là hàm của s + Vẽ ñồ thị hàm số M = f(s) gồm hai nửa: ñộng cơ (phía trên), máy phát (phía dưới) c) Một số ñiểm ñặc biệt trên ñồ thị mômen quay: - Mômen quay cực ñại: lấy ñạo hàm của M theo s cho triệt tiêu ta có 21 2 2 21 2 1 2 21 2 1 1 1 2 21 2 11 2 1 1 1 max ' ' )'( ' '2)'(2 XX R XXR R s XX Upm XXRR UpmM th + ±≈ ++ ±= + ×±≈ +++± ×±= ωω Nhận xét: + Do Mmax không phụ thuộc R’2 trong khi sth lại phj thuộc nên nếu R’2 thay ñổi thì Mmax dịch sang phải mà không ñổi giá trị
vẽ họ ñặc tính + Mmax phụ thuộc rất lớn vào ñiện áp. + Mmax ñộng cơ lớn hơn áy phát 1 ít vì R1 khá nhỏ. - Mômen khởi ñộng: là vị trí của mômen khi s=1 ( ) ( )221221 2 2 1 1 1 '' ' XXRR RUpmM K +++ ×= ω Nhận xét: + MK phụ thuộc rất lớn vào ñiện áp. + ðể MK = Mmax thì R’2 = X1+X’2 nên khi khởi ñộng cần nối ñiện trở phụ ñể MK=Mmax. - ðặc tính cơ: Trang 65 + Là quan hệ n=f(M) lập ra bằng cách thay s=(n1-n)/n1 + Vì sao gọi là ñặc tính cơ ? Ý nghĩa của nó ?: ðể phân tích quá trình làm việc ứng với các loại tải khác nhau (nhằm mục ñích ghép nối hài hòa giữa ñộng cơ với hệ cơ khí_ nên gọi là ñặc tính cơ). + ðộ cứng ñặc tính cơ : biểu thị mức ñộ thay ñổi tốc ñộ tốc ñộ khi mômen thay ñổi. Nếu tốc ñộ thay ñổi ít thì ñặc tính cơ càng cứng. + ðiểm nào thì làm việc ổn ñịnh ? vì sao ? Tải có MC1 và MC2 có ñiểm làm việc ổn ñịnh, MC3 không ổn ñịnh, tuy nhiên ñiểm 2 không dùng vì ñộ dự trữ ổn ñịnh kém. Thường làm việc ñoạn 0a. Trang 66 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.10. Khởi ñộng ñộng cơ không ñồng bộ Khởi ñộng là chế ñộ làm việc ngắn hạn của ñộng cơ ñiện. - Sử dụng sơ ñồ thay thế gần ñúng với s = 1 và Ω = 0 ta có: ( ) ( ) dmK IXXRR U I )74( '' 2 21 2 21 1 ÷≈ +++ = - Hai yêu cầu khi mở máy (mục tiêu cuối cùng vẫn là giảm dòng ñiện IK): + MK phải lớn hơn mômen cản ban ñầu của tải (mức ñộ lớn của MK phụ thuộc yêu cầu thời gian mở máy tK). Nếu yêu cầu này không thỏa mãn thì không xem xét việc khởi ñộng nữa. + Khởi ñộng là chế ñộ làm việc nặng nề nhất, IK lớn sẽ ảnh hưởng phụ tải khác
cần giảm nhỏ IK. Yêu cầu này xét sau yêu cầu thứ 1. 7.10.1. Khởi ñộng ñộng cơ roto dây quấn - Dây quấn roto nối với biến trở mở máy. Ban ñấu biến trở lớn nhất sau cắt dần ra khỏi roto. - ðiểm làm việc ñược xác lập sau một loạt các ñặc tính. - Từ công thức tính MK và IK ta thấy khi có ñiện trở ở rôto làm IK giảm, MK tăng
ðây là ưu ñiểm rôto dây quấn. - Việc tính toán giá trị, số lượng ñiện trở một cách tối ưu ñược ñề cập trong giáo trình chuyên ngành. - Vì sao không dùng ñiện kháng mở máy mà dùng ñiện trở làm tiêu phí năng lượng ? Khi dùng ñiện kháng thì giảm ñược IK nhưng Mmax cũng giảm, dùng ñiện trở thì IK giảm trong khi Mmax= const. 7.10.2. Khởi ñộng ñộng cơ rôto lồng sóc: a) ðóng trực tiếp vào lưới ñiện: - Dòng mở máy lớn làm ñiện áp lưới ñiện tụt xuống thấp: - Áp dụng cho ñộng cơ công suất nhỏ (khoảng <15kW) và công suất nguồn lớn. Nếu công suất máy phát nhỏ thì không khởi ñộng ñược. - Giải thích với ñộng cơ roto dây quấn thường có công suất lớn nên không ñóng trục tiếp vào lưới. Hơn nữa phương pháp khởi ñộng của roto dây quấn như trên là tối ưu. b) Giảm ñiện áp mạch stato: Giảm ñược dòng ñiện, tuy nhiên mômen mở máy giảm mạnh
áp dụng cho trường hợp không yêu cầu mở máy lớn (bơm nước, quạt,) - Dùng ñiện kháng nối tiếp mạch stato: + Mô tả phương pháp CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 32 Trang 67 + Nếu yêu cầu giảm dòng ñi k lần thì MK cũng giảm k2 lần. + Không dùng ñiện trở vì cả IK và MK ñều giảm nhưng nếu ñảm bảo yêu cầu MK bằng nhau trong cả 2 trường hợp thì Mmax ứng với R sẽ giảm (do ñặc tính cơ mềm hơn). - Dùng máy biến áp tự ngẫu nối tiếp mạch stato: + Mô tả phương pháp + Gọi k là hệ số biến áp (k>1) ñồng thời là yêu cầu hệ số giảm dòng, U1 là ñiện áp lưới, Uñc là ñiện áp thứ cấp MBA, I1 là dòng ñiện sơ cấp, Iñc là dòng ñiện thứ cấp, Zn là tổng trở ñọng cơ lúc mở máy: Gọi mômen khởi ñộng trực tiếp là MK, dòng khởi ñộng trực tiếp IK I1 = Iñc/k ; U1 = kUñc ; Iñc = Uñc/Zn
I1 = Uñc/(kZn) = U1/(k2Zn) = IK/k2 và M’K = MK/k2 + Nếu yêu cầu giảm dòng ñi k2 lần thì MK cũng giảm k2 lần (tốt hơn dùng ñiện kháng) - ðổi nối Y-∆ (ñộng cơ bình thường nối ∆): + Mô tả phương pháp: Khởi ñộng nối Y, tốc ñộ quay ổn ñịnh chuyển sang nối ∆. + ðiện áp pha và dòng ñiện pha giảm √3 lần so với khi khởi ñộng trực tiếp. Tuy nhiên mômen khởi ñộng giảm 3 lần. Áp dụng khi không yêu cầu mômen mở máy lớn. - Khởi ñộng bằng Thyristor (van ñiện tử công suất): + Mô tả phương pháp: Các biện pháp trên ñiều chỉnh thô, giật cấp. Thyristor ñiều chỉnh trơn bằng cách mở/ñóng van ñiện tử. Biện pháp này dùng phổ biến trong công nghiệp. + Ưu ñiểm: ðiều chỉnh trơn, ñiều chỉnh luôn cả tốc ñộ. Trang 68 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.11. ðiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ 7.11.1 Cơ sở ñiều chỉnh: ðiều chỉnh tốc ñộ là vấn ñề quan trọng trong truyền ñộng ñiện ñể phù hợp với máy sản xuất. Ta có: n=60f1/p(1-s), nên sẽ có các phương pháp ñiều chỉnh sau: + Thay ñổi tần số lưới ñiện f1 + Thay ñổi p bằng cách thay ñổi dây quấn stato Phía stato + Thay ñổi s bằng cách thay ñổi U1. * Phía roto không ñiều chỉnh ñược nếu dùng lồng sóc, nếu dùng dây quấn người ta dùng ñiện trở ñể thay ñổi s. * ðiều chỉnh tốc ñộ liên quan ñến chuyên ngành hẹp là Truyền ñộng ñiện. 7.11.2 Phương pháp thay ñổi số ñôi cực từ p: - Cơ sở phương pháp: Ví dụ p=1
p=2 thì Mmax tăng 2 lần, tốc ñộ từ trường quay giảm 2 lần.. - Nhận xét về ñặc tính cơ: ñộ cứng không ñổi. - Ưu / nhược ñiểm: Phạm vi ñiều chỉnh hẹp, ñiều chỉnh nhảy cấp, chỉ dùng ñược với loại ñộng cơ nhiều cấp tốc ñộ (cho phép thay ñổi dây quấn); chỉ dùng cho loại roto lồng sóc ? 7.11.3 Phương pháp thay ñổi tần số : - Cơ sở phương pháp: U1 ≈ E1 = 4,44f1w1kdqΦmax hay U1/f1 = 4,44w1kdqΦmax nên khi ñiều chỉnh tần số phải ñảm bảo Φmax không ñổi thì cần có U1/f1 không ñổi. - Nhận xét về ñặc tính cơ: f1 càng giảm thì tốc ñộ giảm, ñộ cứng gần như không ñổi. - Ưu ñiểm: Phạm vi ñiều chỉnh rộng, ñiều chỉnh trơn, ñiều chỉnh ñược nhóm ñộng cơ. 7.11.4 Phương pháp thay ñổi ñiện áp nguồn : - Cơ sở phương pháp: Do ñồ thị n = f(M) tiến sát trục n khi U1 giảm nên tốc ñộ ñộng cơ cũng giảm theo. - Nhận xét về ñặc tính cơ: Mmax giảm. - Ưu ñiểm: Phạm vi ñiều chỉnh hẹp, ñiều chỉnh trơn. Tốc ñộ trượt càng lớn (lúc mở máy) thì hiệu quả ñiều chỉnh càng kém). 7.11.2 Phương pháp thay ñổi ñiện trở roto dây quấn : - Cơ sở phương pháp: .Tương tự khi mở máy R càng lớn thì sth càng tăng, Mmax chuyển dịch về phía trục M nên tốc dộ giảm theo. - Nhận xét về ñặc tính cơ: sth tăng. - Ưu / nhược ñiểm: Khác với mở máy, R làm việc lâu dài gây tổn thất năng lượng (dạng nhiệt) nên cần thiết bị phụ ñể làm mát (quạt, cánh tản nhiệt) dẫn ñến kích thước to hơn. ðiều chỉnh trơn, phạm vi rộng. CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 33 (có thể tham khảo) Trang 69 § 7.12. Các ñặc tính của ñộng cơ không ñồng bộ Các tham số của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ cho trong catologue ñược cho ứng với chế ñộ phụ tải cơ trên trục ñịnh mức (P2ñm). Tuy nhiên thực tế thường làm việc với tải không ñịnh mức nên không thể suy ra các tham số chế ñộ từ các tham số ñịnh mức ñã cho do tính chất phi tuyến của hệ ñiện cơ. Do ñó người ta xây dựng các ñường ñặc tính dạng ñồ thị phụ thuộc với dải công suất cơ ñầu ra P2 khác nhau, từ các ñồ thị ñó dễ dàng xác ñịnh các tham số làm việc ứng với mọi công suất tải. Các ñường ñặc tính quan trọng gồm: - ðặc tính tốc ñộ: n = f(P2) - ðặc tính hiệu suất η = f(P2) - ðặc tính hệ số công suất cosϕ = f(P2) - Và nhiều ñặc tính khác U1, P1, (Xem thêm giáo trình) Trang 70 MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ § 7.13. ðộng cơ không ñồng bộ một pha 1. Cấu tạo: + Stato gồm mạch từ và dây quấn, như ñộng cơ 3 pha nhưng chỉ ñặt dây quấn 1 pha (có thể nhiều cực từ). + Roto lồng sóc. 2. Nguyên lý làm việc: + Từ trường ñập mạch stato: có phương không ñổi nhưng ñộ lớn thay ñổi (do dòng ñiện xoay chiều 1 pha sinh ra). + Từ thông roto: Sññ cảm ứng sinh ra trong dây quấn roto dòng ñiện sao cho từ thông do nó sinh ra chống lại từ thông stato (ñịnh luật Lenx). Do ñó dòng ñiện roto xác ñịnh theo theo quy tắc vặn nút chai của từ thông roto. + Từ thông tổng: là tổng từ thông stato và roto, có chiều từ thông stato ( →B ). + Lực ñiện từ tác dụng lên roto: xác ñịnh theo quy tắc bàn tay trái của cặp vectơ (từ thông tổng, dòng ñiện roto). Ta thấy Mômen quay = 0 nên không tự quay ñược. + Phân tích hiện tượng quay: ðể ñộng.cơ 1 pha làm việc ta phải quay theo 1 chiều nào ñó thì nó sẽ quay luôn theo chiều ñó. Chứng minh: Phân tích từ trường ñập mạch 21 →→→ += BBB quay ngược nhau với tốc ñộ n1=60f1/p và biên ñộ bằng 1/2 Bm. * Từ trường quay thuận (B1): quay theo chiều ñộng cơ lúc làm việc, do ñó sthuận=(n1-n)/n1=s
mômen quay thuận M1=f(sthuận) =f(s). * Từ trường quay ngược (B2): quay ngược chiều ñộng cơ lúc làm việc, do ñó snghịch=(n1+n)/n1=1+n/n1=1+(1-s)n1/n1=2-s
mômen quay ngược M2= f(snghịch)=f(2-s) Từ ñồ thị ta có M1 + M2 = 0 khi khởi ñộng (s=1). Nếu quay theo chiều nào ñó thì M ≠ 0 và ñộng cơ quay luôn theo chiều ñó. ðây là lý do phải có biện pháp khởi ñộng cho ñộng cơ 1 pha. CHƯƠNG : 07 Tiết thứ: 34 Từ thông tổng n Trang 71 3. Các biện pháp khởi ñộng ñộng cơ không ñồng bộ 1 pha: a) Nguyên tắc khởi ñộng: + Tạo sự lệch pha về không gian của các từ thông (thường bằng 900). + Tạo sự lệch pha về thời gian giữa các dòng ñiện tạo ra từ trường. Do Φ~I nên Φ do 2 dòng ñiện tạo ra cũng lệch pha gây ra mômen khởi ñộng ban ñầu. b) ðộng cơ khởi ñộng bằng dây quấn phụ: Ngoài cuộn dây làm việc ta phải ñặt thêm một cuộn dây phụ ñể khởi ñộng. Hai cuộn dây này ñặt lệch nhau 900 ñể tạo ra sự lệch pha trong không gian. Số vòng dây wC=wp. Hai cuộn dây không ñược lệch nhau một góc 900 vì nếu góc tù thì từ thông tổng giảm ñi, nếu góc nhọn thì vẫn có thời ñiểm nào ñó một từ thông ñổi chiều thì góc hợp giữa 2 từ thông lại là góc tù. Một số cách tạo ra sự lệch pha về thời gian: + Nối tiếp ñiện trở vào cuộn phụ (tạo mạch RLP chậm pha so với mạch LC ) + Dây quấn của cuộn phụ nhỏ hơn cuộn chính (Rp tăng lên, ñiều này tương ñương với trường hợp trên). Cách này có góc lệch pha bé (<300). + Nối tiếp tụ ñiện với cuộn phụ. Cách này có góc lệch pha lớn hơn cách dùng ñiện trở. c) ðộng cơ khởi ñộng bằng vòng ngắn mạch cực từ: - Cấu tạo: Cực từ chia 2 phần, phần có vòng ngắAn mạch ôm 1/3 cực từ. 2 vòng ngắn mạch lắp chéo nhau (cực từ phía trên nằm bên phải, phía dưới lại nằm bên trái) - Cách tạo sự lệch pha không gian: + I1 tạo ra φ’+φ” (chạy qua phần không có vòng ngắn mạch và có vòng ngắn mạch). φ’ không chạy qua vòng ngắn mạch ñược là do từ trở lớn (sinh ra từ thông chống lại)
từ hình vẽ ta thấy hai từ thông này có sự lệch pha về không gian, tuy nhiên góc lệch này khá bé. Rp Trang 72 - Cách tạo ra sự lệch pha về thời gian: + φ’ và φ” cùng pha I1 + φ” sinh ra trong vòng ngắn mạch En chậm sau 900. En sinh dòng In chậm sau ϕn=arctg(Xk/RK). In sinh φn. Vậy φΣ=φ”+φn qua vòng ngắn mạch. φΣ và φ’ lệch nhau về thời gian. Sự lệch nhau về không gian và thời gian của từ thông qua vòng ngắn mạch và từ thông không qua vòng ngắn mạch tạo nên từ trường quay. Trang 73 CHƯƠNG 8: MÁY ðIỆN ðỒNG BỘ § 8.1. ðịnh nghĩa và công dụng của máy ñiện ñồng bộ - Máy ñiện xoay chiều có cốc ñộ roto n = tốc ñộ từ trường quay n1. - Máy phát ñiện ñồng bộ: biến ñổi năng lượng sơ cấp (tuoc bin hơi, khí, thủy ñiện, diezen,) thành ñiện năng. Máy phát sử dụng phổ biến. - ðộng cơ ñiện ñồng bộ: Biến năng lượng ñiện thành cơ năng. ðộng cơ ít ñược dùng, chủ yếu dùng cho truyền ñộng công suất lớn (luyệnkim, mỏ,). § 8.2. Cấu tạo của máy ñiện ñồng bộ Vẽ tượng trưng mặt cắt máy ñiện: thể hiện cả rôto và stato, có dây quấn trên các rãnh. 8.2.1 Stato (phần tĩnh): Vẽ lên bảng 2 hình minh họa gồm: Hình khối có rãnh và hình mặt cắt lá thép mỏng stato. Bố trí dây dẫn vào rãnh (1 dây và 1 bối dây). Tương tự bài mạch ñiện 3 pha. - Lõi thép: + Nhiệm vụ: dẫn từ trường (tương tự máy biến áp) + Hình trụ rỗng, gồm các lá thép KT ñiện mỏng dập rãnh bên trong, ghép cách ñiện với nhau + Rãnh ñể quấn dây, nằm dọc theo trục stato. Số lượng rãnh khá nhiều và phân bố ñều dọc chu vi lõi thép. - Dây quấn: + Nhiệm vụ: dẫn ñiện và tạo ra từ trường + Dây bằng ñồng hoặc nhôm, bọc cách ñiện, ñặt trong rãnh stato + Dây quấn rải trên các rãnh, không quấn tập trung trong 1 rãnh. - Bộ phận cơ: nắp, vỏ máy, ñể bảo vệ, che ñậy, 8.2.2 Roto (phần quay): Vẽ lên bảng 2 hình minh họa gồm: Hình khối có rãnh và hình mặt cắt lá thép mỏng stato. Tương tự có 2 phần: lõi thép dẫn từ và dây quấn dẫn ñiện - Lõi thép: + Nhiệm vụ: tạo từ trường nhờ dây quấn kích thích + Bằng thép kỹ thuật ñiện, dập rãnh bên ngoài + Rãnh ñể quấn dây kích thích. - Dây quấn: ñể kích thích, dẫn dòng ñiện 1 chiều từ nguồn bên ngoài. Có 2 kiểu: rôto cực lồi và cực ẩn
Trình bày chi tiết. - Bộ phận cơ: Ổ bi, gối ñỡ, trục máy, CHƯƠNG : 08 Tiết thứ: 35 Trang 74 § 8.3. Nguyên lý làm việc của máy phát ñiện ñồng bộ Nguyên lý chính là việc mô tả hiện tượng ñiện từ xảy ra (xem phần các phương pháp nghiên cứu máy ñiện). Ta chỉ xét máy phát, ñộng cơ xét riêng. - Roto: + Dòng ñiện một chiều vào dây quấn kích từ tạo từ trường roto Φ0. + ðộng cơ sơ cấp quay roto với tốc ñộ n - Stato: + Roto quay với tốc ñộ n
Φ0 cắt qua dây quấn stato
cảm ứng sññ xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng E0=4,44fw1kdqΦ0. Trong ñó f=pn/60 là tần số sññ và p là số ñôi cực roto. + Dây quấn 3 pha ñặt lệch 1200 ñiện thì 3 sññ ñối xứng. + Nếu có phụ tải sẽ có dòng ñiện ba pha
từ trường quay với tốc ñộ n1=60f/p = n nên gọi là máy ñiện ñồng bộ. Trang 75 MÁY ðIỆN ðỒNG BỘ § 8.4. Phản ứng phần ứng của máy phát ñiện ñồng bộ a) Mô tả hiện tượng: + Khi máy phát làm việc Φ0 cắt dây quấn stato
cảm ứng sññ E0 chậm pha so với Φ0 900 (do E0= -dΦ/dt) + Nếu máy có tải sẽ có dòng ñiện stato
có từ trường stato (từ trường quay).. + Từ trường quay stato và Φ0 ñồng bộ
biểu diễn ñược trên 1 hệ toạ ñộ
tác dụng lên từ trường cực từ gọi là Phản ứng phần ứng. + Tùy tính chất tải
góc lệch pha giữa I và E0 khác nhau
phản ứng phần ứng khác nhau. b) Các loại phản ứng phần ứng: (Lưu ý Φ do I tạo ra luôn cùng pha nhau): - Tải thuần trở Góc (E0, I)=0
(Φư,Φ0)=900
Phản ứng phần ứng ngang trục. Tác dụng: Làm méo từ trường cực từ. - Tải thuần cảm: Góc (E0, I)= 900 I chậm sau
(Φư, Φ0)=1800
Phản ứng phần ứng dọc trục khử từ. Tác dụng: Làm giảm từ trường cực từ. - Tải thuần dung: Góc (E0, I)= 900 I vượt trước
(Φư, Φ0)=00
Phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ. Tác dụng: Làm tăng từ trường cực từ. - Tải hỗn hợp: CHƯƠNG : 08 Tiết thứ: 36 Trang 76 Góc (E0, I)= α (I vượt trước hay chậm sau tùy vào tính chất tải dung hay tải cảm)
Φư phân thành 2 thành phần: ngang trục và dọc trục (khử từ hay trợ từ)
gọi là phản ứng ngang trục khử từ hay phản ứng ngang trục trợ từ. Tác dụng: Thành phần ngang trục làm méo cực từ, thành phần dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy vào tính chất tải. § 8.5. Phương trình cân bằng ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ 8.5.1. Phương trình cân bằng ñiện áp máy phát cực lồi: - Các ñặc ñiểm: + Không mô tả hiện tượng vì ñã có trong mục phản ứng phần ứng. + Máy phát cực lồi có ñặc ñiểm: khe hở dọc và ngang trục khác nhau nên từ trường phản ứng ngang trục và dọc trục khác nhau Φư = Φưd + Φưq. + Bỏ qua ñiện trở trên dây quấn vì rất nhỏ. + Ta không viết phương trình cân bằng ñiện áp rôto ñể ñưa ra mạch ñiện thay thế vì nó là dòng 1 chiều, từ thông không ñổi nên không thể ghép chung với mạch xoay chiều ở stato ñược. - Các thành phần từ thông ảnh hưởng ñến ñện áp máy phát: + Từ trường roto tạo ra sññ E0. + Từ trường phản ứng phần ứng Φưd tạo ra Ed = -jIdXưd và Φưq tạo ra Eq = -jIqXưq với Xưd và Xưq là các ñiện kháng phản ứng phần ứng dọc trục và ngang trục. + Từ thông tản chỉ móc vòng với dây quấn stato tạo ra Et = -jIXt = - jIdXt - jIqXt Vậy: tquqqtdudd XIjXIjXIjXIjEU •••••• −−−−= 0 Hoặc qqdd XIjXIjEU •••• −−= 0 Với: Xd = Xưd + Xt là ñiện kháng ñồng bộ dọc trục Xq = Xưq + Xt là ñiện kháng ñồng bộ ngang trục - Vẽ ñồ thị vec tơ: - ðịnh nghĩa tham số mới: góc công suất θ là góc giữa E0 và U. 8.5.2. Phương trình cân bằng ñiện áp máy phát cực ẩn: Do khe hở ngang và dọc trục bằng nhau nên Xñb = Xd = Xq dbd XIjEU ••• −= 0
ðồ thị vectơ như hình trên Trang 77 MÁY ðIỆN ðỒNG BỘ § 8.6. Công suất ñiện từ của máy phát ñiện ñồng bộ 1. Công suất tác dụng: Công suất Pñt là công suất truyền qua khe hở (truyền từ roto sang stato). Tuy nhiên ta bỏ qua tổn hao công suất tác dụng trên dây quấn thì Pñt ≈ P (tác dụng cấp cho tải) P = 3UIcosϕ = 3UIcos(ψ-θ) = 3UIcosψcosθ+3UIsinψsinθ = 3UIqcosθ+3UIdsinθ Mặt khác: d d q q X UE I X UI θθ cos , sin 0 − ==
Pñt ≈ θθ 2sin)11(23sin3 2 0 dqd XX U X E U −+ Nhận xét: - Thành phần ñầu có E0 do dòng kích từ tạo ra chính là công suất chủ yếu của máy phát - Thành phần thứ 2 không phụ thuộc kích từ - Nếu máy phát cực ẩn Xd = Xq = Xñb thì thành phần thứ 2 triệt tiêu - ðồ thị P = f(θ) gọi là ñặc tính góc công suất. Máy phát chỉ làm việc ổn ñịnh khi θ=0-pi/2. ðể lý giải vì sao ổn ñịnh cần phải ñược trang bị kiến thức môn “Ổn ñịnh hệ thống ñiện”. 2. Công suất phản kháng: Bỏ qua tổn hao công suất phản kháng trên các ñiện kháng dây quấn ta có Qñt = Q = 3UIsinϕ = 3UIsin(ψ-θ) = 3UIsinψcosθ+3UIcosψsinθ )11( 2 32cos)11( 2 3cos3 22 0 dqdqd XX U XX U X E UQ +−−+= θθ Nhận xét: - Nếu máy phát cực ẩn Xd = Xq =Xñb thì dbdb X U X E UQ 2 0 3cos3 −= θ 3. ðiều chỉnh công suất máy phát: a) ðiều chỉnh công suất tác dụng: Công suất tác dụng do ñộng cơ sơ cấp truyền sang máy phát ñiện, do ñó chỉ còn cách tăng công suất của ñộng cơ sơ cấp (tăng ga ñiezen, tăng luồn hơi,) gọi là ñiều tần. b) ðiều chỉnh công suất phản kháng: CHƯƠNG : 08 Tiết thứ: 37 Trang 78 - Công suất phản kháng không phải do ñộng cơ sơ cấp tạo ra - Từ dbdb X U X E UQ 2 0 3cos3 −= θ ta thấy các tham số U, E0 và Xñb(tức tần số) có thể ảnh hưởng ñến Q. Tuy nhiên với lưới ñiện thì U và f ñược giữ không ñổi nên chỉ còn cách thay ñổi E0 tức là thay ñổi dòng ñiện kích từ. Nếu E0 tăng mà cosθ giảm thì Q không tăng bao nhiêu, do ñó trong quá trình ñiều chỉnh kích từ phải ñảm bảo P=const ñể E0sinθ =const tức sinθ giảm, cosθ tăng do ñó khi tăng hay giảm E0 thì cosθ tăng hoặc giảm theo làm cho Q tăng/giảm tương ứng. § 8.7. Các ñặc tính của của máy phát ñiện ñồng bộ 1. ðặc tính không tải E=f(Ikt) khi {nroto =const, I=0} có dạng của ñường cong từ hóa. 2. ðặc tính ngoài U=f(I) khi {nroto =const, cosϕt=const, Ikt=const}. 3. ðặc tính ñiều chỉnh Ikt=f(I) khi {U=const, nroto =const, cosϕt=const}. Trang 79 MÁY ðIỆN ðỒNG BỘ § 8.8. Máy phát ñiện ñồng bộ làm việc song song 1. Hòa máy phát ñiện ñồng bộ với lưới ñiện: - Nguồn ñiện trên hệ thống ñiện là tập hợp rất nhiều máy phát ñiện làm việc song song, chúng ñược kết nối với nhau bằng mạng ñiện. Xét dưới góc ñộ hệ thống thì mỗi máy phát ñơn lẻ có công suất nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống nên tần số và ñiện áp hệ thống không ñổi. - Việc ñưa một máy phát nào ñó nối vào hệ thống ñiện gọi là hòa ñồng bộ. ðiều kiện hòa (ñồng pha - ñồng áp - ñồng tần): + ðiện áp máy phát bằng ñiện áp của lưới ñiện và trùng pha nhau. + Tần số máy phát bằng tần số lưới ñiện. + Thứ tự pha máy phát giống thứ tự pha lưới ñiện. Các ñiều kiện trên nhằm loại bỏ dòng ñiện lớn chạy quẩn trong 2 máy gây nguy hiểm. Ta chỉ tác ñộng ñiều chỉnh ñối với máy phát phù hợp với lưới ñiện mà không thể ñiều chỉnh thông số của lưởi ñiện ñược. Nếu thay ñổi kích từ không làm thay ñổi U mà chỉ thay ñổi công suất phản kháng phát ra. 2. Hòa hai máy phát ñiện ñồng bộ với nhau: - ðối với trường hợp hai máy phát làm việc song song thì ñiều kiện hòa vẫn là ñồng pha - ñồng áp - ñồng tần. Tuy nhiên ở ñây ta có thể ñiều chỉnh cả 2 máy phát ñồng thời sao cho chúng thỏa mãn ñiều kiện trên. - Sau khi hòa ñồng bộ thành công, trong quá trình vận hành ta luôn phải ñiều chỉnh công suất ñộng cơ sơ cấp và dòng ñiện kích từ ñể P, Q của phụ tải san ñều trên hai máy phát, tránh trường hợp 1 máy phát gánh tải quá nặng trong khi máy phát còn lại chịu tải nhẹ.. § 8.9. ðộng cơ ñiện ñồng bộ 1. Khái niệm: - Cấu tạo giống máy phát ñồng bộ - Máy phát ñồng bộ có thể làm việc như ñộng cơ ñồng bộ (tính thuận nghịch) hoặc máy bù ñồng bộ (quá kích thích) - ưu ñiểm: cosϕ cao và thay ñổi ñwocj nhờ ñiều chỉnh dòng ñiện kích từ - Nhược ñiểm: ít ñược sử dụng vì ñắt, khó mở máy, chi phí bảo dưỡng lớn, giá thành ñắt. 2. Nguyên lý làm việc của ñộng cơ ñồng bộ: - Stato: Dòng ñiện 3 pha vào stato
từ trường quay với tốc ñộ n1=60f/p - Roto: Dòng ñiện một chiều vào dây quấn kích từ. + Nếu roto ñang ñứng yên thì không thể quay ñược (do n1 quá nhanh trong khi roto có quán tính lớn nên lực kéo roto quay ñảo chiều liên tục). + Nếu roto ñã quay trước với tốc ñộ n1 thì tiếp tục quay với tốc ñộ n1
cần có biện pháp mở máy. + Khi không tải thì trục từ trường roto trùng với trục từ trường stato, khi mang tải trục từ trường roto chậm sau trục từ trường roto một ít do quán tính. 3. Mạch ñiện thay thế và phương trình cân bằng: Ta có phương trình cân bằng: CHƯƠNG : 08 Tiết thứ: 38 Trang 80 •••••• +≈++= IjXEIjXIREU dbdbu 00
Sơ ñồ thay thế 1 pha. 4. ðiều chỉnh cosϕ của ñộng cơ ñồng bộ: Ở phần trên ta biết rằng nếu quá kích thích ñộng cơ ñồng bộ sẽ phát ra công suất phản kháng, ngược lại sẽ tiêu thụ công suất phản kháng. Người ta không cho ñộng cơ ñồng bộ làm việc thiếu kích thích (I chậm sau U) vì như vậy thì nó sẽ tiêu thụ công suất phản kháng của hệ thống ñiện, làm tổn thất công suất tăng, ñiện áp sụt giảm, hệ số công suất lưới ñiện thấp. Thông thường người ta cho ñộng cơ ñồng bộ làm việc quá kích thích (I vượt trước U) thì ñộng cơ vẫn tạo ra cơ năng ñồng thời phát ra công suất phản kháng. ðây là ưu ñiểm mà không có loại ñộng cơ nào có ñược. 5. Mở máy ñộng cơ ñồng bộ: - Là biện pháp quay roto ñến tốc ñộ gần ñồng bộ trước khi nó làm việc ñồng bộ với từ trường quay của stato. Các biện pháp gồm: + Dùng ñộng cơ 1 chiều: quay roto ñến gần tốc ñộ ñồng bộ thì ñóng ñiện cho ñộng cơ ñồng bộ và cắt ñộng cơ 1 chiều ra. + Phương pháp mở máy kiểu ñộng cơ không ñồng bộ: áp dụng cho ñộng cơ lớn. Trên mặt cực từ roto ñặt dây quấn kiểu lồng sóc như ñộng cơ không ñồng bộ. Khi roto ñã ñạt gần tốc ñộ ñồng bộ thì cho Ikt ñể làm việc ñồng bộ. Phương pháp này có thể làm hỏng dây quấn kích từ do cảm ứng sññ lớn, ñể tránh hiện tượng này cần xả năng lượng qua ñiện trở. Trang 81 CHƯƠNG 9: MÁY ðIỆN MỘT CHIỀU § 9.1. Cấu tạo máy ñiện một chiều 1. Stato (phần tĩnh): - Lõi thép: + Nhiệm vụ: dẫn từ trường. + Chế tạo từ thép ñúc hình khối ñặc (khác máy ñiện xoay chiều là thép lá). - Dây quấn: + Nhiệm vụ: dẫn ñiện và tạo ra từ trường + Dây quấn rải trên các cực từ sao cho các cực từ liên tiếp luân phiên nhau. - Bộ phận cơ: nắp, vỏ máy, ñể bảo vệ, che ñậy, 2. Roto (phần quay): - Lõi thép: + Nhiệm vụ: tạo từ trường nhờ dây quấn kích thích + Bằng thép lá kỹ thuật ñiện, dập rãnh bên ngoài (vì dòng ñiện roto ñập mạch nên cũng gây hiệu ứng dòng Fucô). + Rãnh ñể quấn dây. - Dây quấn: gồm nhiều phần tử nối tiếp quấn trong rãnh tạo thành vòng kín gọi là bối dây. Hai ñầu mỗi bối dây nối với 2 phiến góp Hai cạnh của mỗi phần tử ñặt trong hai rãnh sao cho chúng nằm dưới các cực từ khác tên.. - Cổ góp: Gồm nhiều phiến ñồng ghép thành khối trụ, cách ñiện với nhau và cách ñiện với trục máy. - Bộ phận cơ: Ổ bi, gối ñỡ, trục máy, § 9.2. Nguyên lý làm việc của máy ñiện một chiều CHƯƠNG : 09 Tiết thứ: 39 Trang 82 1. Máy phát ñiện một chiều: - Cấu tạo: + Khung dây abcd có 2 ñầu nối với 2 phiến góp, ñặt trong từ trường B + Hai chổi than A, B tỳ lên 2 phiến góp và trượt ñược trên phiến góp + Một mạch ñiện kín có phụ tải là bóng ñèn ð nối với 2 chổi than - Mô tả hiện tượng: + Dùng ñộng cơ sơ cấp quay khung dây abcd ngược chiều kim ñồng hồ với tốc ñộ dài là v, các thanh dẫn cắt cảm ứng từ B nên khung dây có sññ là e = Blv + Tại thời ñiểm cạnh ab nằm dưới cực từ N, thanh cd cực S, theo quy tắc bàn tay phải chiều sññ từ b-->a, d-->c và dòng ñiện chạy từ chổi A ñến B + Tiếp tục quay nửa vòng nữa thì cd nằm dưới cực N và ab dưới cực S, sññ trong các cạnh ab, cd ñổi chiều. Tuy nhiên do chổi than ñứng yên, phiến góp ñổi vị trí nên dòng ñiện mạch ngoài vẫn chạy từ chổi A ñến B. - ðặc ñiểm: + ðịnh luật áp dụng: ñịnh luật cảm ứng ñiện từ. + ðiện áp ra ñập mạch nên có dòng ñiện Fuco, do ñó lõi thép phải dùng thép lá + ðể tránh ñập mạch ta phải dùng nhiều phần tử. 2. ðộng cơ ñiện một chiều: - Cấu tạo: Trang 83 + Khung dây abcd có 2 ñầu nối với 2 phiến góp, ñặt trong từ trường B + Hai chổi than A, B tỳ lên 2 phiến góp và trượt ñược trên phiến góp + Cấp nguồn ñiện một chiều U vào 2 chổi than. - Mô tả hiện tượng: + Theo ñịnh luật lực ñiện từ, các thanh dẫn của khung dây chịu lực ñiện từ F=Bil. + Tại thời ñiểm cạnh ab nằm dưới cực từ N, thanh cd cực S, theo quy tắc bàn tay trái xác ñịnh ñược chiều Fñt. + Tiếp tục quay nửa vòng nữa thì cd nằm dưới cực N và ab dưới cực S. Tuy nhiên do chổi than ñứng yên, phiến góp ñổi vị trí nên dòng ñiện chạy vào khung abcd ñổi chiều, do ñó Fñt không ñổi chiều làm ñộng cơ quay liên tục. - ðặc ñiểm: + ðịnh luật áp dụng: ñịnh luật lực ñiện từ. + Dòng ñiện trong dây quấn roto là dòng ñiện xoay chiều nên có dòng ñiện Fuco trong lõi thép roto, do ñó lõi thép phải dùng thép lá. Trang 84 CHƯƠNG 9: MÁY ðIỆN MỘT CHIỀU § 9.3. Các trị số ñịnh mức của máy ñiện một chiều Nhà chế tạo cho các trị số ñịnh mức trong lý lịch máy hoặc nhãn máy gồm: - Công suất ñịnh mức Pñm (kW) (ñộng cơ: công suất trên ñầu trục cơ, máy phát: công suất ñưa ra phụ tải). - ðiện áp ñịnh mức Uñm (V) - Dòng ñiện ñịnh mức Iñm (A) - Tốc ñộ ñịnh mức nñm (vòng/phút). - Các thông số khác: dòng ñiện kích từ, phương pháp kích thích,... § 9.4. Sức ñiện ñộng phần ứng và mômen ñiện từ của máy ñiện một chiều 1. Sức ñiện ñộng phần ứng (roto): - Tại sao chỉ nghiên cứu Sññ phần ứng mà không nghiên cứu Sññ phần cảm ? Vì chỉ có roto chuyển ñộng, stato ñứng yên nên không xét. Từ trường cực từ do stato tạo ra mới là từ trường chính, từ trường roto bị triệt tiêu bởi từ trường chính. - Ở ñây chỉ nghiên cứu sơ bộ, không triển khai công thức chi tiết. Khi máy ñiện một chiều làm việc, trong khe hở giữa roto và stato có từ thông. Khi roto quay thì các thanh dẫn cắt từ trường phần cảm nên trong mỗi thanh dẫn xuất hiện sññ cảm ứng. Etb = Btb.l.v Trong ñó: Btb là từ cảm trung bình trong khe hở L là chiều dài thanh dẫn V là vận tốc dài của thanh dẫn. Mỗi bối dây gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau tạo thành mạch vòng kín, có 2 ñầu nối với 2 phiến góp. Ở máy ñiện 1 chiều thường có nhiều bối dây, do ñó cũng có nhiều cặp phiến góp. Các phiến góp cùng cực tính ñược nối chung với nhau nên tạo thành các nhánh song song. Gọi N là số thanh dẫn, a là số ñôi mạch nhánh song song thì số thanh dẫn của một mạch nhánh song song là N/2a. Vậy Sññ phần ứng là: Eư = N/2a.etb = N/2a.Btblv Nhìn vào công thức ta thấy muốn thay ñổi Eư cần thay ñổi tốc ñộ quay hoặc dòng kích từ. CHƯƠNG : 09 Tiết thứ: 40 Trang 85 2. Mômen ñiện từ và công suất ñiện từ của máy ñiện một chiều a) Mômen ñiện từ: Máy ñiện một chiều làm việc thì có từ trường trong khe hở. Thanh dẫn roto có dòng ñiện chạy qua ñặt trong từ trường chịu lực ñiện từ tác dụng. Mỗi thanh dẫn chịu lực tác dụng là: f = Btb.l.iư Mômen ñiện từ tác dụng lên 1 thanh dẫn là: M = f.D/2 Mômen tác dụng lên toàn bộ N thanh dẫn là M = f.D/2.N Mặt khác iư = Iư/2a nên M = Btb.l.Iư/2a.D/2.N Nhận xét: - Từ công thức mômen ñiện từ ta thấy ñể thay ñổi mômen ñiện từ chỉ có cách thay ñổi dòng ñiện phần ứng (Iư) hoặc Btb (dòng ñiện kích từ) - Trong máy phát ñiện M là momen hãm nên ngược chiều quay máy phát - Trong ñộng cơ M là mômen quay nên cùng chiều quay ñộng cơ. b) Công suất ñiện từ: Pñt = Mω - Trong máy phát Pñt là công suất chuyển cơ năng thành ñiện năng. - Trong ñộng cơ thì ngược lại. Trang 86 CHƯƠNG 9: MÁY ðIỆN MỘT CHIỀU § 9.5. Phản ứng phần ứng của máy ñiện một chiều - Tại sao chỉ nghiên cứu phản ứng phần ứng mà không có phản ứng của phần cảm ? Theo hình b ở trên ta thấy từ trường stato không chuyển ñộng, từ trường roto cũng không chuyển ñộng do thanh dẫn khi ñi qua chổi than thì dòng ñiện lại ñổi chiều và giữ nguyên hướng dòng ñiện ở hai nửa rôto không ñổi. Tổng hợp từ trường khe hở không ñổi. Mặt khác chỉ có thanh dẫn roto chuyển ñộng cắt từ trường nên sinh ra sññ phần ứng => có phản ứng của phần ứng. - Hình vẽ trên vẽ từ trường không ñi qua lõi rôto vì lõi rôto có yêu cầu cao về ñộ cứng nên chế tạo bằng vật liệu dẫn từ kém. 1. Trường hợp máy phát ñiện: - Từ trường stato: Khi làm việc không tải, từ trường trong máy chỉ do từ trường kích từ tạo ra như hình a (từ trường cực từ). Từ trường này ñối xứng, tại ñiểm trung tính hình học thanh dẫn không cắt từ trường nên sññ cảm ứng = 0. - Từ trường phần ứng: Khi có tải, dòng Iư sinh từ trường phần ứng như hình b, có hường vuông góc với từ trường cực từ. - Từ trường tổng hợp: Gồm từ trường cực từ và từ trường phần ứng như hình c. Ta thấy có 1 mỏm cực từ trường ñược tăng cường và mỏm cực ñối diện từ trường yếu ñi. Ta thấy ñường trung tính hình học bị xoay theo chiều quay rôto. 2. Trường hợp ñộng cơ ñiện: ðộng cơ ñiện chỉ làm việc khi có dòng ñiện kích từ, dòng ñiện phần ứng. Phân tích hoàn toàn tương tự ta cũng có hình vẽ các ñường phân bố từ trường như trên nhưng chiều quay rôto thì ngược lại. § 9.6. Phân loại máy ñiện một chiều - Phân loại theo chức năng: Máy phát ñiện, ñộng cơ ñiện một chiều. - Phân loại theo phương pháp kích thích: + Kích từ ñộc lập: Mạch phần ứng và mạch kích thích ñộc lập nhau. + Kích từ song song: Mạch phần ứng và mạch kích thích nối song song. + Kích từ nối tiếp: Mạch phần ứng và mạch kích thích nối tiếp với nhau. + Kích từ hỗn hợp: Mạch kích thích chia làm 2 phần: một phần kích thích nối tiếp, một phần kích thích song song. CHƯƠNG : 09 Tiết thứ: 41 Trang 87 CHƯƠNG 9: MÁY ðIỆN MỘT CHIỀU § 9.7. Máy phát ñiện một chiều 1. Kích từ ñộc lập: a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Các phương trình sẽ không có thành phần ñiện kháng tham gia. Dòng ñiện: Iư = Itải ðiện áp: Ut = (Rt + Rñc) It Eư = U + RưIư b) Các ñặc tính (xem sách) - ðặc tính không tải - ðặc tính ngoài - ðặc tính ñiều chỉnh 2. Kích từ song song: a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Dòng ñiện: Iư = It + Itải ðiện áp: Ut = (Rt + Rñc) It U = Eư - RưIư b) ðiều kiện tự kích: Do không có nguồn kích từ ñộc lập nên yêu cầu máy phát phải tự kích thích ñược. Muốn vậy cực từ phải làm bằng vật liệu có từ tính gọi là từ dư. Khi máy phát ñiện quay, từ dư sinh ra sññ và tạo dòng ñiện vào mạch từ. Dòng ñiện này lại làm tăng từ trường cho cực từ và cứ tiếp tục như vậy ñiện áp sẽ tăng dần lên ñịnh mức. c) Các ñặc tính (xem sách) - ðặc tính ngoài - ðặc tính ñiều chỉnh 3. Kích từ hỗn hợp a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Dòng ñiện: Iư = It + Itải Itn = Itải ðiện áp: Ut = (Rt + Rñc) It Eư = RưIư + IRtn + U Ut = (Rt + Rñc)It = ItnRtn + U b) ðặc tính ngoài (xem sách) 4. Giản ñồ năng lượng máy phát ñiện một chiều (xem sách). CHƯƠNG : 09 Tiết thứ: 42 Trang 88 CHƯƠNG 9: MÁY ðIỆN MỘT CHIỀU § 9.8. ðộng cơ ñiện một chiều 1. Kích từ song song: a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Dòng ñiện: I = Iư + It Ikt = U/(Rñc + Rt) ðiện áp: Eư = U - RưIư b) ðặc tính cơ (xem sách): c) Công suất ñộng cơ: 2. Kích từ nối tiếp: a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Dòng ñiện: I = In = Iư ðiện áp: Eư = U - (Rn + Rư)Iư b) ðặc tính cơ (xem sách): 3. Kích từ hỗn hợp: a) Mạch ñiện thay thế và các phương trình cân bằng Dòng ñiện: I = Iư + Ikt In = Iư ðiện áp: Eư = U - RnIn -RưIư Ukt = U = RktIkt b) ðặc tính cơ (xem sách): 4. Khởi ñộng ñộng cơ ñiện một chiều (xem sách) 5. ðiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều (xem sách) CHƯƠNG : 09 Tiết thứ: 43