Giáo trình Vận hành máy điện 90H (Nghề: Vận hành thủy điện - Trình độ: Trung cấp)

biến áp, máy phát điện, động cơ điện; - Phán đoán và xử lý được các hiện tượng không bình thường xảy ra trong khi vận hành các máy điện. 3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm. - Vận dụng được các kiến thức đã học vào công việc thực tế. - Bảo đảm an toàn, tiết kiệm nguyên vật liệu khi bảo dưỡng và sửa chữa. III. Nội dung môn học: TT Tên các bài trong mô đun Thời gian (giờ) Tổng số Lý thuyết Thực hành Kiểm Tra 1 Bài 1: Nhận biết các máy điện. 4 2 2 2 Bài 2: Vận hành máy biến áp. 24 8 16 1. Cấu tạo và công dụng của máy biến áp 4 2 2 2. Các đại lượng định mức 2 1 1 3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp 2 1 1 4. Các chế độ làm việc của máy biến áp 2 1 1 - 4 - 5. Máy biến áp 3 pha 2 1 1 6. Đấu các máy biến áp làm việc song song 4 1 3 7. Đấu nối, vận hành máy biến áp 8 1 6 1 3 Bài 3: Vận hành máy điện không đồng bộ. 24 5 18 1 1. Khái niệm và phân loại 2 1 1 2. Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 10 2 7 1 3. Động cơ không đồng bộ xoay chiều một pha 12 2 10 4 Bài 4: vận hành máy điện đồng bộ. 20 9 11 1. Định nghĩa và công dụng 1 1 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ: 3 2 1 3. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song: 8 2 6 4. Động cơ và máy bù đồng bộ: 8 4 4 5 Bài 5: vận hành máy điện một chiều. 18 8 10 1. Đại cương về máy điện một chiều 2 2 2. Cấu tạo động cơ điện một chiều 2 2 3. Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều. 4 2 2 4. Đấu nối, vận hành máy điện một chiều. 10 2 6 Tổng cộng: 90 32 57 1 BÀI 1: NHẬN BIẾT CÁC MÁY ĐIỆN - 5 - 1.Định nghĩa và phân loại máy điện. 1.1. Định nghĩa. Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lí làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Các bộ phận chính của máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn) dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc dùng để biến đổi các thông số điện như: biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha. Ngoài ra còn một số bộ phận khác như vỏ máy, tản nhiệt, giá đỡv.v Máy điện thường được sử dụng nhiều trong các nghành kinh tế công nghiệp, giao thông vận tải, trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. 1.2. Phân loại máy điện. Máy điện có nhiều loại được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo công suất; theo cấu tạo; theo chức năng; theo nguyên lý làm việc Tuy nhiên nếu dựa theo nguyên lý biến đổi năng lượng ta có các loại máy điện sau: *Máy điện tĩnh: Là loại máy điện không có bộ phận thực hiện công bằng chuyển động cơ học thường gặp là máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi năng lượng điện có tính chất thuận nghịch. Ví dụ: máy biến áp biến đổi điện năng có thông số : U1,I1,f thành hệ thống điện U2 ,I2 ,f * Máy điện quay: Là loại máy điện luôn có bộ phận chuyển động quay gọi là phần quay (Rô tor), phần còn lại là phần tĩnh (Stator). Giữa phần tĩnh và phần quay có một khoảng cách nhỏ gọi là khe hở không khí. Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy điện quay thường dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng( động cơ điện) hoặc ngược lại biến đổi cơ năng thành điện năng(máy phát điện). Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch tức máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. ~ ~ U1,I1,f U2,I2,f - 6 - -Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp 2. Các định luật điện từ dùng trong máy điện. 2.1. Lực từ . Khi thanh dẫn có dòng điện chuyển động trong từ trường thì trong thanh dẫn sẽ chi tác dụng một lực điện từ có trị số: Fdt = BlI +Trong đó: B là cường độ tự cảm đo bằng T(tesla) I là chiều dòng điện chạy trong thanh dẫn tính bằng A v vận tốc chuyển động thanh dẫn m/s α góc hợp bởi Fđt=BI l sin α Chiều sức lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái. 2.2. Hiện tượng cảm ứng điện từ: (I ,B) ~ Pđiện U,f Pcơ My pht Động cơ Máy diện Máy biến áp Máy diện có phần quay Máy diện xoay chiều Máy diện một chiều Máy diện Không đồng bộ Máy diện đồng bộ Máy biến áp Máy phát không đồng bộ Động cơ đồng bộ Máy phát đồng bộ Động cơ đồng bộ Máy phát đồng bộ Động cơ không đồng bộ - 7 - 1.2.1 Thí nghiệm và hiện tượng : * Thí nghiệm: - Một ống dây (có nhiều vòng dây) - Một thanh nam châm. - Một điện kế nhạy. * Tiến hành thí nghiệm : Nối hai đầu của ống dây với điện kế , sau đó H×nh 20-2 S N S N a, b, Cho thanh nam châm di chuyển vào trong lòng ống dây, trong quá trình nam châm di chuyển kim điện kế bị lệch đi chứng tỏ có s.đ.đ và dòng điện trong ống dây .Khi thanh nam châm đứng yên kim điện kế lại chỉ 0. Rút thanh nam châm ra khỏi ống dâykim điện kế lại lệch đi nhưng về phía ngược lại (Hình 20-2). đổi cực nam châm rồi lại làm thí nghiệm tương tự thì kim điện kế lại lệch nhưng với ngược với phía lệch của cực nam châm cũ. 1.2.2. Kết luận : - Hiện tượng trên là hiện tượng cảm ứng điện từ s.đ.đ và dòng điện sinh ra trong trường hợp đó được gọi là s.đ.đ và dòng điện cảm ứng . Bằng nhiều thí nghiệm khác có thể kết luận như sau: - Dòng điện cảm ứng (s.đ.đ cảm ứng) chỉ xuất hiện trong thời gian nam châm chuyển động tương đối với ống dây,nghĩa là khi từ thông qua ống dây biến thiên (biến đổi). - Dù nam châm chuyển dịch hay ống dây chuyển dịch thì cũng đều xuất hiện s.đ.đ cảm ứng. - Khi ống dây đặt trong từ trường của một dòng điện biến đổi thì ống dây cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng (s.đ.đ cảm ứng). 1.2.3 Định luật cảm ứng điện từ- Giải thích: * Định luật : Khi từ thông qua cuộn dây biến thiên thì trongcuộn dây xuất hiện một s.đ.đ cảm ứng .S.đ.đ cảm ứng chỉ xuất hiện khi từ thông biến thiên. - 8 - * Giải thích: Xét 1 dây dẫn thẳng chuyển động trong từ trường đều B với tốc độ không đổi v theo phương vuông góc với đường sức từ (hình 21-2). Trong các dây dẫn và các i on dương. Khi dây dẫn chuyển động các điện tử tự do và các ion dương cũng chuyển động theo. H × n h 2 1 - 2 F 0 F 0 v l E Sự chuyển động của các điện tích là sự chuyển động của các điện tích dương tạo thành dòng điện cùng chiều với phương chuyển động còn các điện tử sẽ tạo thành dòng điện có chiều ngược lại, kết quả là các điện tích dương tương đương với một dòng điện có chiều của v. Dòng điện này nằm trong từ trường B nên mỗi điện tích sẽ chịu tác động mộtlực F có chiều xác định bằng quy tắc bàn tay trái nên chuyển dịch về phía phải của dây dẫn . Các điện tử sẽ chịu tác dụng của Fo và dịch chuyển về đầu trái của dây dẫn .Lực tác dụng lên điện tử và các ion dương trong dây dẫn làm dây dẫn tích điện trái dấu ở hai đầu tạo nên s.đ.đ cảm ứng. 2.3 Sức điện động cảm ứng khi dây dẫn chuyển động cắt từ trường. 1.3.1 Sức điện động cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động cắt từ trường: a. Dây dẫn chuyển động vuông góc với véc tơ B: * Trường hợp dây dẫn chuyển động vuông góc với véc tơ B: Khi dây dẫn chuyển động càng nhanh, thì dòng điện tương ứng với các điện tích trong dây dẫn càng lớn , lực Fo càng lớn,do đó điện tích di chuyển về hai đầu càng nhanh và nhiều, nên s.đ.đ càng lớn . Nếu cường độ từ cảm B càng lớn thì lực Fo càng lớn, hoặc dây dẫn nằm trong từ trường (đoạn l) càng lớn thì càng nhiều điện tích tác dụng lực , nên s.đ.đ càng lớn. Vậy khi dây dẫn thẳng chuyển động trong từ trường đều với vận tốc (v) vuông góc với đường sức từ của từ trường. S.đ.đ. cảm ứng trong dây dẫn tỷ lệ với cường độ từ cảm, tốc độ chuyển động và chiều dài tác dụng của dây dẫn. E = B . v . l - 9 - Trong đó : E : sức điện động cảm ứng(V) B : Cảm ứng từ (T) v : Vận tốc chuyển động của dây dẫn (m/s) l : chiều dài tác dụng của dây dẫn (m). b.Trường hợp dây dẫn chuyển động không vuông góc với dây dẫn thì : E = B . v. l . sin c. Quy tắc bàn tay phải: Để tìm chiều s.đ.đ cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động vuông góc với véc tơ cảm ứng từ B dùng quy tắc bàn tay phải: Quy tắc : Để cho đường sức từ (hay véc tơ cảm ứng từ B) xuyên vào lòng bàn tay phải, ngón tay cái choãi ra theo chiều chuyển động của dây dẫn thì chiều từ cổ tay tới 4 ngón tay sẽ là chiều sức điện động cảm ứng. 1.3.2 S.đ.đ cảm ứng trong vòng dây: * Công thức tính s.đ.đ cảm ứng: Giả sử có vòng dây từ thông qua diện tích vòng dây là ( (hình vẽ 22-2).Quy ước chiều d?ơng cho vòng dây như sau: vặn cho mở nút chai theo chiều đường sức, thì chiều quay của cán mở nút chai sẽ là chiều dương của vòng. Nếu s.đ.đ của vòng cùng chiều đã S N C h i Ò u d u ¬ n g  chọn sẽ có giá trị dương, ngược lại sẽ có giá trị âm. - Lần lựơt đưa một thanh nam châm lại gần và dịch ra xa vòng để làm thay đổi từ thông qua vòng dây sẽ làm xuất hiện s.đ.đ cảm ứng trong vòng dây. Nếu từ thông biến thiên càng nhanh, thì trị số s.đ.đ càng lớn. Như vậy s.đ.đ cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông. - Nếu trong thời gian (t từ thông qua vòng biến thiên một lượng là (t thì trị số của s.đ.đ sẽ là :Ġ; ở đây e tính ra vôn(v); Ġ là số gia từ thông qua vòng (Wb); (t là số gia thời gian (s). * .Định luật Len xơ: “Khi từ thông xuyên qua một vòng dây biến thiên sẽ làm xuất hiện một sức điện động gọi là sức điện động cảm ứng trong vòng dây, sức điện động này có chiều sao cho dòng - 10 - điện do nó sinh ra tạo thành từ thông có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó" * Khi từ thông biến thiên tăng tức là Ġ khi đó sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cùng chiều và tạo thành từ thông (chống lại sự tăng của từ thông ). * Khi từ thông biến thiên giảm nghĩa là Ġ khi đó sức điện động cảm ứng e dương, tức là cùng chiều dương ,dòng điện do nó sinh ra cùng chiều, tạo ra ( cùng chiều với (. Nghĩa là ( có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông (.Đúng như định luật về chiều sức điện động cảm ứng đã nêu. *Trị số sức điện động cảm ứng: e = ĭ trong dó: Dấu (-) thể hiện định luật Len - xơ về chiều sức điện động cảm ứng. t  tốc độ biến thiên của từ thông theo thời gian t. S N e , i S N e , i H × n h 2 3 - 2 C h i Ò u s . ® .® t ¨ n g ( a ) v µ g i ¶ m ( b )   '  '   1.3.3 S.đ.đ cảm ứng trong cuộn dây : Xét một cuộn dây đứng yên có W vòng cho một thanh nam châm chuyển động dọc theo trục cuộn dây từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên làm xuất hiện s.đ.đ cảm ứng. S N H×nh 24 -2 Sđđ trong các vòng dây nối tiếp nhau nên sđđ tổng của cuộn dây : e=e1+e2++ew=-( t .... tt w21         ) - 11 - Đặt tổng đại số các từ thông qua từng vòng dây của cuộn dây đ?ợc gọi là từ thông móc vòng ký hiệu là Ġ  = 1+  2++  w Từ đó s.đ.đ trong cuộn dây: t e     Nếu từ thông như nhau thì : Ġ1=Ġ2==Ġw  =W.  Với một cuộn dây cụ thể thì W=cont =>Ġ 2.4. Tự cảm và hỗ cảm Trong mạch điện cuộn dây có lõi thép sức từ động trong mạch bằng tích số giữa số vòng dây và dòng điện chạy qua dây dẫn: Ftđ=W I Trong đó: W là số vòng dây. I là dòng điện chạy qua dây dẫn. Chiều sức từ động xác định theo qui tắc vặn nút chai. Năng lượng tích lũy trong cuộn dây tỉ lệ với hệ số tự cảm và dòng điện chạy qua cuộn dây: Ett= 2 1 LI2 Trong đó : L là hệ số tự cảm. I là dòng điện chạy trong cuộn dây. Nếu mạch điện có hai hay nhiều cuộn dây hỗ cảm thì năng lượng từ trường trong mạch: Ett= 2 1 L1I12 + 2 1 L2I22 +M12 I1I2 Trong đó M12 hệ số hỗ cảm. 3. Phát nóng và làm mát MĐ: 3.1 Phát nóng: - 12 - Các tổn thất trong quá trình biến đổi năng lượng của MĐ biến thành nhiệt năng làm nóng các bộ phận cấu tạo MĐ. Tổn hao nhiều và khi tải nặng thì máy càng nóng. Nhiệt độ của MĐ phụ thuộc vào chế độ làm việc: liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. Vì kích thước và chế độ làm việc nhất định nên khi sử dụng không vượt quá giá trị định mức trên máy. Nếu máy được tản nhiệt ra môi trường tốt thì công suất tăng, khả năng mang tải nhiều hơn. Các máy điện thường làm việc ở nhiều chế độ khác nhau và rất đa dạng. - Làm việc với toàn bộ công suất trong thời gian dài. - Làm việc ngắn hạn. - Làm việc theo chu kì. - Làm việc với tải thay đổi. Do chế độ làm việc khác nhau nên sự phát nóng của MĐ cũng khác nhau. Vì vậy MĐ phải thiết kế theo từng chế độ cụ thể sao cho các bộ phận của phát nóng phù hợp với vật liệu. Chú ý: máy điện được chế tạo để dùng ở chế độ làm việc định mức liên tục. 3.2. Làm mát của máy điện: Các máy điện đều có cấu trúc phức tạp gồm nhiều bộ phận hình dạng khác nhau và làm lạnh bằng các vật liệu có độ dẫn nhiệt không giống nhau. Khi máy làm việc, nhiệt độ của lõi thép, dây quấn không bằng nhau do có sự trao đổi nhiệt giữa các bộ phận. Hơn nữa nhiệt độ của chất làm lạnh ở mỗi khu vực trong máy cũng không giống nhau. - Máy điện làm lạnh tự nhiên: không có bộ phận thổi gió làm lạnh, nên công suất giới hạn trong khoảng (vài chục  vài trăm) W nên có cách tản nhiệt để tăng thêm bề mặt tản nhiệt. - Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài: máy thuộc kiểu kín. Ở đầu trục bên ngoài máy có gắn quạt gió và nắp quạt gió để hướng thổi dọc mặt ngoài của thân máyĐể tăng diện tích của bề mặt máy lạnh thân máy được đúc có cánh tản nhiệt, có đặt quạt gió để tăng tốc độ gió trong máy, do đó tăng thêm sự trao đổi nhiệt giữa vỏ và lõi. - Máy điện làm lạnh trực tiếp: Khi công suất của máy điện lớn, khoảng 300  500 ngàn kW thì hệ làm lạnh kín bằng khí hyđrô vẫn không đủ hiệu lực. Đối với các máy điện đó, dây quấn được chế tạo bằng các thanh dẫn rỗng trong có nước hoặc dầu chạy qua để được làm lạnh trực tiếp. Như vậy nhiệt lượng của dây quấn không phải truyền qua chất cách điện mà được nước hoặc dầu trực tiếp đem ra ngoài do đó có thể tăng mật độ dòng điện trong thanh dẫn lên 3 đến 4 lần và giảm kích thước máy, tiết kiệm vật liệu chế tạo. BÀI 2. VẬN HÀNH MÁY BIẾN ÁP 1. Cấu tạo máy biến áp: - 13 - Cấu tạo máy biến áp gồm lõi thép dây quấn và vỏ máy. 1.1 Lõi thép: Lõi thép: dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. theo hình dáng lõi thép người ta chia ra: .Mba kiểu lõi hay kiểu hay kiểu trụ (Hình 2.3): Dây quấn bao quanh lõi thép. Loại này sử dụng rất thông dụng cho mba 1 pha và 3 pha có dung lượng nhỏ và trung bình.  Mba kiểu bọc (Hình 2.4): Mạch từ được phân mạch nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn. Loại này dung trong lò luyện kim, các máy biến áp 1 pha công suất nhỏ dùng trong kĩ tuật vô tuyến điện, truyền thanh. Ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng mba này lớn và cực lớn (80 đến 100 MVA trên 1 pha), điện áp thật cao (từ 220 đến 400 KV) để giảm chiều cao của trụ thép và tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ của mba kiểu trị được phân nhánh sang hai bên nên mba hình dáng vừa kiểu bọc vừa kiểu trụ gọi là mba kiểu trụ bọc. (H2.5b) Trình bày kiểu mba trụ bọc 3 pha, trường hợp này có dây quấn ba pha nhưng có 5 trụ nên gọi là mba 3 pha 5 trụ.Lõi thép mba gồm: 2 phần (Hình 2.3) Phần trụ: kí hiệu chữ T. Phần gông: kí hiệu chữ G. Trụ là phần lõi thép có quấn dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín có dây quấn. Do dây quấn thường quấn thành hình tròn nên thiết diện ngang của trụ thép có dạng hình gần tròn. (Hình 2.6). Gông từ vì không quấn dây nên để dơn giản trong việc chế tạo tiết dịên ngang của gông có thể làm: hình vuông, hình chữ nhật, hình T. (Hình 2.7). Hình 2.3 Mba kiểu lõi: a. một pha; b. ba pha. Hình 2.4 mba kiểu bọc - 14 - Hiện nay các mba điện lực, người ta dùng thiết diện gông từ hình bậc thang. Vì lí do an toàn, toàn bộ lõi thép được nối đất cùng với vỏ máy. 1. 2. Dây quấn: Dây quấn là bộ phận dẫn điện của mba làm nhiệm vụ: thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Chúng thường làm bằng Cu (đồng) hoặc Al (nhôm). Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp. 1.3. Vỏ máy: -Thùng mba: Làm bằng thép, hình bầu dục. Khi mba làm việc, một phần năng lượng, bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làm nhiệt độ của chúng tăng lên. Do đó giữa mba và môi trường xung quanh có sự chênh lệch nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ vượt quá mức qui định làm giảm tuổi thọ hoạc có thể gây ra sự cố cho mba. - Nắp thùng: Dùng để đậy thùng và trên đó có đặt các chi tiết máy quan trọng như: các sứ ra của dây quấn, bình giãn dầu... 2. Các đại lượng định mức của máy biến áp: 2.1 Công suất định mức Sđm: Là công suất toàn phần (hay công suất biểu kiến hay dung lượng) đưa ra ở dây quấn thứ cấp máy biến áp, tính bằng VA hoặc KVA. Công thức tổng quát như sau Sđm = m. Ufđm.I fđm với m là số pha của máy biến áp hoặc 2.2 Điện áp định mức ở các cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp: - Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm là điện áp dây quấn sơ cấp tính bằng V hay kV. - Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây sơ cấp là định mức, tính bằng V hay kV. 2.3 Dòng điện định mức ở các cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp: - 15 - Dòng diện dây định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng ampe (A) hay kilôampe (KA). -Đối với mba 1 pha: 1 1 dm dm dm SI U  ; 2 2 dm dm dm SI U  - Đối với mba 3 pha: 1 13 dm dm dm SI U  ; 2 23 dm dm dm SI U  2.4 Tần số định mức: fđm tính bằng Hz. Các loại máy biến áp có tần số công nghiệp là 50 Hz. Ngoài ra trên nhãn máy biến áp còn ghi các số liệu khác như: số pha (m); tổ nối dây quấn; điện áp ngắn mạch Un%; chế độ làm việc; cấp cách điện; phương pháp làm nguội. 3. Nguyên lí làm việc của máy biến áp. Máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Xét 1 MBA đơn giản gồm 1 lõi thép khép kín và 2 cuộn dây có số vòng dây khác nhau quấn trên cùng lõi thép đó. Đặt vào cuộn dây sơ cấp điện áp xoay chiều U1 trong cuộn dây W1 có dòng đi dòng điện i1 chạy qua, dòng i1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng qua cuộn sơ cấp và tứ cấp, gọi là từ thông chính. Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thông sinh ra sức điện động cảm ứng trong cuộn sơ cấp và thứ cấp. Hai sức điện động này luôn biến đổi theo quy luật hình sin và có trị số hiệu dụng: E1 = 4,44fW1Фm E2 = 4,44fW2Фm Khi thứ cấp nối tải sức điện động cảm ứng trong W2 sinh ra dòng điện i2. Như vậy giữa sơ cấp và thứ cấp hoàn toàn không có liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính đã truyền năng lượng từ sơ cấp sang thứ cấp. Đó là nguyên lý cơ bản của MBA. Tỉ số của MBA: Là tỉ số giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp. K = U1/ U2 ≈ E1 /E2 = W1 /W2 K <1 ; U1 <U2 Máy biến áp tăng áp U1 U2 I1 I2 Ф W1 W2 Nguyên lý làm việc - 16 - K >1 ; U1 >U2 Máy biến áp giảm áp (hạ áp) 4. Các chế độ làm việc của máy biến áp: 4.1 Chế độ không tải: Sơ đồ thí nghiệm như hình 2.32. Hình 2-32. Sơ đồ thí nghiệm không tải của máy biến áp một pha. Đặt điện áp hình sin vào điện áp sơ cấp với U1 = U1đm, hở mạch dây quấn thứ cấp. Nhờ vônmét, ampemét, óatmét sẽ đo được điện áp sơ cấp U1, thứ cấp U20, dòng điện I0 và công suất P0 lúc không tải. Từ các số liệu thí nghiệm ta xác định được tổng trở, điện trở và điện kháng máy biến áp lúc không tải: 2 0 2 00 2 0 0 0 0 1 0 rzx I Pr I Uz    ( 2-10 ) Ngoài ra còn xác định được tỉ số biến đổi của máy biến áp: 20 1 2 1 U U w wk  ( 2-11 ) Và hệ số công suất lúc không tải: 01 0 0cos IU P  ( 2-12) Lúc máy biến áp không tải, tức , 2 . I = 0, mạch điện thay thế của máy biến áp có dạng như ( hình 2- 47). - 17 - Hình 2-33. Mạch điện thay thế của máy biến áp lúc không tải. Như vậy các tham số không tải z0, r0 và x0 chính là: m m m xxx rrr ZZz    10 10 10 ( 2-13 ) Trong các máy biến áp điện lực thường r1 và x1 nhỏ hơn rất nhiều so với rm và xm nên có thể xem tổng trở, điện trở và điện kháng không tải bằng các tham số từ hóa tương ứng mmm xxrrzz  000 ;; ( 2-14 ) Cũng vì lý do đó, công suất lúc không tải P0, thực tế có thể xem là tổn hao sắt pFe do từ trễ và dòng điện xóay trong lõi thép gây nên: P0 =  pFe Vì điện áp sơ cấp đặt vào không thay đổi, nên , B không thay đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tức tổn hao không tải không thay đổi. Khi không tải ta có hệ các phương trình:   . 0 . 1 , 2 . 20 . 11 . 0 . 1 1 . 0 . 1 . 1 II EU jxrIE ZIEU     ( 2-15 ) Do đó đồ thị vectơ tương ứng có dạng như vẽ ở hình (2-34). - 18 - Hình 2-34. Đồ thị vectơ của máy biến áp không tải. Từ đồ thị vectơ ta thấy, góc giữa . 1U và . 0I là 00 90 , nghĩa là hệ số công suất lúc không tải rất thấp, thường 1,0cos 0  . Điều này có ý nghĩa thực tế lớn là không nên để máy biến áp vận hành không tải hoặc non tải, vì lúc đó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới điện. 4.2 Chế độ ngắn mạch: Sơ đồ thí nghiệm như ở hình ( 2- 35 ), trong đó dây quấn thứ cấp bị nối ngắn mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp phải được hạ thấp sao cho dòng điện trong đó bằng dòng điện định mức. Hình 2-35. Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp một pha. Cũng như thí nghiệm không tải, từ các số liệu thí nghiệm ngắn mạch Un, In và Pn đo được, ta xác định các tham số ngắn mạch của máy biến áp: 22 2 nnn n n n n n n rzx I P r I U z    ( 2-16 ) Vì lúc ngắn mạch, điện áp đặt vào rất nhỏ, nên từ thông chính lúc ngắn mạch rất nhỏ, nghĩa là dòng điện từ hóa trong trường hợp này cũng rất nhỏ. Do đó, mạch điện thay thế của máy biến áp có thể xem như hở mạch từ hóa và còn lại một mạch nối tiếp của hai - 19 - tổng trở sơ cấp và thứ cấp (hình 2-36a), hay đơn giản ta thay bằng một tổng trở đẳng trị (hình 2-36b) gọi là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp. , 21 , 21 , 21 xxx rrr ZZZ n n n    ( 2-17 ) Hình 2- 36. Mạch điện thay thế của máy biến áp lúc ngắn mạch. Vì lý do dòng điện i0 rất nhỏ nên ta xem rằng công suất lúc ngắn mạch là công suất dùng để bù vào tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp: nnn nCuCun rIrrI rIrIppP 2 1 , 21 2 1 , 2 , 2 21 2 121 )(   ( 2-18 ) Từ mạch điện thay thế lúc ngắn mạch ( hình 2-50b ) ta thấy rõ, điện áp đặt vào lúc ngắn mạch hoàn toàn cân bằng với điện áp rơi trong máy biến áp, hay nói cách khác, điện áp ngắn mạch gồm hai thành phần: - Thành phần tác dụng: Unr = I1rn là điện áp rơi trên điện trở. - Thành phần phản kháng: Unx = I1xn là điện áp rơi trên điện kháng. Đồ thị vectơ của máy biến áp ngắn mạch với In = Iđm vẽ trên hình (2-37). - 20 - a) b) Hình 2 - 37. a) Đồ thị vectơ của máy biến áp ngắn mạch. b) Tam giác điện áp ngắn mạch Tam giác OAB gọi là tam giác điện áp ngắn mạch, cạnh huyền biểu thị điện áp ngắn mạch toàn phần Un, các cạnh góc vuông chính là điện áp rơi trên điện trở và điện kháng: nnnx nnnr UU UU   sin cos   (2-19) Như vậy điện áp ngắn mạch có thể xem như đại lượng đặc trưng cho điện trở và điện kháng tản của dây quấn máy biến áp. Trong các máy biến áp điện lực, điện áp ngắn mạch được ghi trên nhãn máy và thường được biểu diễn bằng tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức: 100.100.% . ñm nñm ñm n n U zI U Uu  (2-20) Và các thành phần điện áp ngắn mạch là: 100.100.% . ñm nñm ñm nr nr U rI U U u  (2-21) 100..100.% ñm nñm ñm nx nx U xI U U u  (2-22) Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng cũng có thể tính như sau:    kVAS WP S rI I I U rIu ñm n ñm nñm ñm ñm ñm nñm nr 10 100. . 100.. . % 2  ( 2-23 ) - 21 - Chú ý: Ngắn mạch ở trên là do ta tiến hành thí nghiệm với điện áp đặt vào rất nhỏ để cho In = Iđm, thường gọi là ngắn mạch thí nghiệm. Trường hợp máy biến áp đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức, nếu thứ cấp xảy ra ngắn mạch thì ta gọi là ngắn mạch vận hành hay ngắn mạch sự cố. Lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của máy biến áp, nên dòng điện ngắn mạch sự cố sẽ rất lớn: 100. %n ñm n ñm n u I z U I  ( 2-24 ) Ví dụ: Cho một máy biến áp ba pha có các số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; U1/U2 = 35000/66000 V; I1/I2 = 92,5/49 A; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%Iđm; Un = 7,5%; Pn = 57 kW; f = 50 Hz; Y/∆-11. Hãy xác định: a. Các tham số lúc không tải z0, r0 và x0. b. Các tham số ngắn mạch zn, rn, xn và các thành phần của điện áp ngắn mạch. Giải a. Các tham số lúc không tải: Điện áp pha sơ cấp: Dòng điện pha không tải: I0f = 0,045I = 0,045. 92,5 = 4,16A. Các tham số không tải: Ω Ω 5,48443564850rzx 356 16,4.3 18500 I3 Pr Ω6,4857 16,4 20200 I U z 222 0 2 00 2 f0 0 0 f0 f1 0    b. Các tham số ngắn mạch: Điện áp pha ngắn mạch tính từ phía sơ cấp: U1n = U1f . un = 20200 . 0,075 = 1520V. Các tham số ngắn mạch: VUU f 202083 35000 3 1 1  - 22 - Ω Ω Ω 249,1622,24,16rzx 8,1 5,92.3 57000 I3 Pr 4,16 5,92 1520 I Uz 222 n 2 nn 22 f1 n n f1 n1 n    Các thành phần của điện áp ngắn mạch: 45,7100 20208 3,16.5,92100 U xI %u 01,1100 20208 22,2.5,92100 U rI %u f1 nf1 nx f1 nf1 nr   4.3 Chế độ có tải của máy biến áp. 5. Máy biến áp 3 pha: Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện ba pha, ta có thể dùng 3 máy biến áp một pha ghép lai với nhau hoặc dùng máy biến áp ba pha. Cấu tạo máy biến áp ba pha người ta chia ra: máy biến áp có hệ thống mạch từ riêng và máy biến áp có hệ thống mạch từ chung. Hệ thống mạch từ riêng là hệ thống mạch từ trong đó từ thông của ba pha độc lập với nhau như ở trường hợp máy biến áp ba pha ghép từ 3 máy biến áp một pha gọi tắt là tổ máy biến áp ba pha (hình a). A a B b C c X Y Z Hình a. Tổ máy biến áp ba pha. Hệ thống mạch từ chung là hệ thống mạch từ trong đó từ thông ba pha có liên quan với nhau như ở máy biến áp ba pha kiểu trụ – để phân biệt với loại trên ta gọi là máy biến áp ba pha ba trụ (hình b ). - 23 - Hình b. Máy biến áp ba pha ba trụ. Trên thực tế hiện nay, máy biến áp ba pha ba trụ được dùng phổ biến với các cỡ dung lượng nhỏ và trung bình vì loại này hình dáng gọn, nhỏ, ít tốn nhiên liệu và rẻ hơn. Còn loại tổ máy biến áp ba pha chỉ dùng cho các máy biến áp cỡ lớn (dung lượng từ 3 x 600 kVA trở lên), vì vậy có thể vận chuyển từng pha máy biến áp một cách dễ dàng và thuận lợi. * Đối với máy biến áp 3 pha: - Tỉ số điện áp pha: pk = 2 1 2 1 w w pU pU  Với 1w số vòng dây pha sơ cấp, 2w số vòng dây pha thứ cấp. - Tỉ số điện áp dây không những chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp mà còn phụ thuộc cách nốI hình sao hay tam giác: + Khi nối /Y: dk = 2.3 1 2.3 1 2 1 w w pU pU dU dU  + Khi nối /: dk = 2. 1 2 1 2 1 w w pU pU dU dU  + Khi nối Y/Y: dk = 2 1 2.3 1.3 2 1 w w pU pU dU dU  + Khi nối Y/: dk = 2 1.3 2.3 1 2 1 w w pU pU dU dU  - 24 - 7. Các máy biến áp đặc biệt 7.1. Máy biến áp đo lường Máy biến áp đo lường gồm hai loại: Máy biến điện áp và máy biến dòng điện dùng để biến đổi điện áp cao hoặc dòng điện lớn thành những lượng nhỏ đo bằng dụng cụ đo tiêu chuẩn (1 ÷ 100 V hoặc 1 ÷ 5 A) hoặc dùng trong mạch bảo vệ. Máy biến điện áp được chế tạo với công suất 25 ÷ 1000 VA và máy biến dòng điện với công suất 5 ÷ 100 VA. Máy biến điện áp có dây quấn sơ cấp nối song song với lưới điện và dây quấn thứ cấp nối với vônmét, hoặc với cuộn dây song song của oátmét, hoặc cuộn dây rơle bảo vệ (hình 5). Tổng trở Z của những dụng cụ này rất lớn nên máy biến điện áp làm việc ở trạng thái gần như không tải, điện áp rơi trong máy nhỏ, do đó sai số về trị số điện áp bằng: 1 12 2 1 % U UU u     100 và sai số góc u giữa 1U và 2U đều nhỏ. Tùy theo mức độ sai số, máy biến điện áp có các cấp chính xác 0,5 ; 1 ; 3, nghĩa là %u tương ứng bằng  0,5%;  1%;  3% và u tương ứng bằng  20’;  40’ (đối với cấp ba không có qui định tiêu chuẩn về u ). Khi sử dụng máy biến điện áp chú ý không được nối tắt mạch thứ cấp vì vậy sẽ tương đương với mạch sơ cấp nghĩa là gây sự cố ngắn mạch ở lưới điện. Máy biến dòng điện có dây quấn sơ cấp gồm ít vòng dây và nối nối tiếp với mạch cần đo dòng điện, còn dây quấn thứ cấp gồm nhiều vòng được nối với ampemét hoặc với các cuộn dây nối tiếp với oatmét hay rơle bảo vệ. Tổng trở Z của những dụng cụ này rất nhỏ và trạng thái làm việc của máy biến dòng điện là trạng thái ngắn mạch, lõi thép không bão hoà ( = 0,8 1 Wb) và 0I  0 do đó các trị số đo lường về trị số bằng: Hình 5. Sơ đồ nối dây và đồ thị véc tơ máy biến 1U 1U / 2U  / 2U u - 25 - 100 1 12 2 1 % I II i     và sai số về góc I cũng sẽ nhỏ đi. Tuỳ theo mức độ sai số, máy biến áp dòng điện có các cấp chính xác 0,2; 0,5; 1; 3; 10, nghĩa là i% tương ứng bằng  0,2%;  0,5%;  10% và I tương ứng bằng  20’,  40’;  80’, (đối với máy hai cấp 3 và 10 không có qui định gì tiêu chuẩn I).Khi sử dụng chú ý không được để dây quấn thứ cấp hở mạch vì như vậy dòng điện từ hoá rất lớn ( 0I = 1I ), lõi thép bão hoà nghiêm trọng ( = 1,4  1, 8 Wb) sẽ nóng lên làm cháy dây quấn. Khi bão hoà, từ thông ban đầu sẽ sinh ra sđđ nhọn đầu, do đó ở đầu dây quấn thứ cấp có thể xuất hiện điện áp cao hàng nghìn vôn, không an toàn cho người sử dụng. 7.2. Máy biến áp hàn: Máy biến áp hàn được chia thành nhiều loại có cấu tạo và đặc tính khác nhau tuỳ theo phương pháp hàn (hồ quang, hàn điện). Ta chỉ xét mba hàn hồ quang (Hình / 2  1 1 i / 2  Hình 6. Sơ đồ nối dây và đồ thị vectơ của máy biến dòng Hình 7. Sơ đồ máy biến áp chỉnh lưu - 26 - Các máy biến áp hàn hố quang được chế tạo sao cho có đặc tính ngoài U2 = f(I2) rất dốc để hạn chế đựơc dòng điện ngắn mạch và đảm bảo hồ quang được ổn định. Muốn điều chỉnh dòng điện hàn cần phải có thêm một cuộn cảm phụ có điện kháng thay đổi được bằng cách thay đổi khe hở  của lõi thép của cuộn cảm. Mba hàn hồ quang thường có điện áp không tải bằng 60  75 V và điện áp ở tải định mức bằng 30 V. Công suất của mba hàn vào khoảng 20 kVA và nếu dùng cho hàn tự động thì có thể lên tới hàng 100 kVA. 7.3. Máy biến áp chỉnh lưu: Mba chỉnh lưu có đặc điểm là tải của các pha không đồng thời mà luân phiên nhau theo sự làm vịêc của các dương cự của các bộ chỉnh lưu thuỷ ngân bán dẫn đặt ở thứ cấp của mba. Như vậy mba luôn luôn làm việc trong tình trạng không đối xứng, do đó phải chọn sơ đồ nốI dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hoá bình thường của các trụ thép và giảm nhỏ được sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu.Muốn vậy phải tăng số pha của dây quấn thứ cấp (chọn số pha bằng 6) và ở phía thứ cấp có đặt thêm cuộn cảm cân bằng K giữa các điểm trung tính của các pha thuận (a’b’c’) và 3 pha ngược (a”b”c”). Tác dụng của cuộn cảm K là làm cân bằng điện áp trong mạch của 2 pha có góc lệch 60 làm việc song song. Ví dụ như của a’ và c”. Khi dây quấn thứ cấp làm việc song song vói nhau, bộ chỉnh lưu 6 pha làm việc tương tự như bộ chỉnh lưu 3 pha và mỗi dương cực làm việc không phải trong thời gian một phần sáu mà trong 1 phần ba chu kì. 8. Đấu nối, vận hành máy biến áp. *Câu hỏi ôn tập Bài 3: Vận hành máy điện không đồng bộ 1.Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ. Hình 8. Máy biến áp hồ quang làm việc có cuộn kháng - 27 - Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ trường 1n . Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện tần số f = const, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số 2f phụ thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là làm việc ở 2 chế độ động cơ và máy phát. 2. Động cơ không đồng bộ ba pha 2.1 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha *.Stato ( phần tĩnh) - Lõi thép: Là phần dẫn từ, được làm từ các lá thép KTĐ dày 0.5mm ép lại và cách điện với nhau (để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên). Các lá thép hình trụ được dập rãnh bên trong. Lõi thép được ép bên trong vỏ máy. - Dây quấn: Được đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép. - Vỏ máy: Có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn và cố định máy trên bệ, không dùng để dẫn từ. Thường vỏ máy làm bằng gang, 2 đầu vỏ máy có nắp máy, ổ đỡ trục, vỏ máy và nắp máy còn có tác dụng bảo vệ máy. * Rô to (Phần quay). - Lõi sắt: Gồm các lá thép KTĐ được dập rãnh mặt ngoài ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục ở giữa có lỗ để lắp trục. - Dây quấn: có 2 kiểu: + Rô to ngắn mạch (Rô to lồng sóc) + Rô to dây quấn Rô to lồng sóc: trên mỗi rãnh của rô to đặt thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối ngắn mạch ở 2 đầu bằng 2 vòng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành lồng sóc người ta thường quen gọi là lồng sóc hình 3.3. Hình 3.3 Rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ. - 28 - 2.2. Nuyên lý làm việc cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ là n1 = 60f p . Từ trường quay cắt các thành dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rơm nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n. Để minh hoạ, trên hình 2-9a vẽ từ trường quay tốc độ n1 chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fdt Hình 2- 9 Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyền động tương đối của thanh dẫn với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều n1, từ đó áp dụng bàn tay phải, xác định chiều sđđ như hình vẽ (dấu (×) chỉ chiều đi từ ngoài vào trang giấy). - 29 - Chiều điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không có sđđ và dòng điện cảm ứng , lực điện từ bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2 n2 = n1 - n Hệ số trượt của tốc.độ là : s = n2 n1 = n1- n n1 (2.27) Khi rôto đứng yên (n=0), hệ số trượt s= l; khi rôto quay định mức s = 0 02 + 0,06. Tốc độ động cơ là: n = n1 (l - s) = 60f p (l - s) vg/ph (2.28) 2. Động cơ không đồng bộ xoay chiều 1 pha. 2.1 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ một pha. Gồm 2 phần chính: Rôto và Stato. a.Phần tĩnh (Stato): -Vỏ: được làm bằng kim loại - Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau và có sẻ rãnh để đặt dây quấn. - Dây quấn: Là dây đồng có lớp cách điện bằng ê may, được quấn thành từng cuộn đặt vào rãnh Stato và được cách điện với lõi thép. b. Phần quay (Roto): - Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ và có sẻ rãnh ở mặt ngoài để đặt dây quấn. - Dây quấn: + Đối với rô to lồng sóc, dây quấn là những thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được khép mạch bằng 2 vòng ngắn mạch. - 30 - + Rô to dây quấn: Dây quấn là các dây bằng đồng được tráng lớp ê may cách điện, được đặt trong rãnh rô to, các đầu dây đưa ra vành góp (cổ góp, vành đổi chiều). - Trục: Được chế tạo bằng thép tốt và được gắn liền với rô to. 2.2.Từ trường đập mạch của động cơ không đồng bộ một pha Dây quấn stato không tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điện, chiều và trị số từ trường thay đổi, nhưng phương của từ trường cố định trong không gian. Từ trường này gọi là từ trường đập mạch. Vì không phải là từ trường quay, nên khi ta cho điện vào dây quấn stato, động cơ không tự quay được . Để cho động cơ làm việc được, trước hết ta phải quay rôto của động cơ điện theo chiều nào đó, rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy và động cơ làm việc. Để giải thích rõ hiện tượng xảy ra trong động cơ điện một pha, ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau cùng tấn số quay n1 và biên độ bằng một nửa biên độ từ trường đập mạch. Hình 2-29 Hình 2-30 Trong đó từ trường quay có chiều quay trùng với chiều quay rôto, được gọi là từ trường quay thuận, còn từ trường quay cố chiều quay ngược chiều quay rôto gọi là từ trường quay ngược. Trên hình 2-30, là từ trường đập mạch. còn và quay với tốc độ n1 và bao giờ ta cũng có : - 31 - B = BI + BII (2.53) Gọi n là tốc độ rôto, hệ số trượt đối với từ trường quay thuận là: (2.54) Hệ số trượt sII ứng với từ trường quay ngược: (2.55) Do đó ta có bảng sau về quan hệ giữa các hệ số trượt s = sI 0 1 2 s II 2 1 0 Trên hình 2-31 vẽ mômen quay Ml do từ trường thuận sinh ra có trị số dương và MII do từ trường ngược gây ra có trị số âm. Mômen quay của động cơ là tổng đại số mômen MI và MII: M = MI – MII (2.56) Từ đường đặc tính mômen, chúng ta thấy rằng, lúc mở máy, s= s1= sII= 1 , MI= MII và mômen mở máy Mmở = 0, động cơ điện không tự mở máy được . Nhưng nếu ta tác động làm cho động cơ quay, hệ số trượt s < 1 , lúc đó động cơ có mômen M, sẽ tiếp tục quay. Vì thế ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa là phải tạo cho động cơ một pha mômen mở máy. . 2.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ không đồng bộ một pha Động cơ một pha chỉ có dây quấn 1 pha và không tạo ra từ trường quay nên khi đưa dòng điện vào dây quấn stato động cơ không tự quay được và từ trường do dây quấn stato sinh ra là từ trường đập mạch (chỉ thay đổi chiều và trị số theo thời gian, không thay đổi về phương). Từ trường này có thể phân tích thành 2 từ trường quay ngược chiều nhau ФA và ФB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch.. - 32 - ФA = ФB = Ф/2 Hai từ trường này cùng tác dụng lên rô to 2 mô men: Mt = Mng M∑ = Mt + (- Mng) = 0 M∑ = 0 nên rô to không thể quay được, nếu ta tác động vào roto làm cho động cơ quay lúc đó động cơ có mô men quay (M∑ ≠ 0). Vì vậy ta phải có biện pháp mở máy nghĩa là phải tạo cho động cơ 1 pha mô men mở máy. Câu hỏi ôn tập 1.Cấu tạo của máy điện KĐB ba pha, một pha, phân biệt công dụng của rô to lồng sóc và rô to dây quấn. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha ? BÀI 4: VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4.1. Định nghĩa và công dụng của máy điện đồng bộ ba pha. 4.1.1. Định nghĩa: Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ quay của từ trường 1n gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto được kích thích bằng dũng điện 1 chiều. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. 4.1.2 Công dụng của máy điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tuốc bin nước, tuốc bin khí, tuốc bin hơi nước...v.v. Công suất của các máy phát có thể đạt đến 600 MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song. Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ diezen hoặc các tuabin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song. Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW. Trong công nghiệp luyện kim, khai thỏc mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió v.v... với tốc độ không đổi. Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trỡnh, thiết bị điện sinh hoạt v.v.... Máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho luới điện để bù hệ số công suất và ổn định điện áp. 4.2. Cấu tạo máy điện đồng bộ ba pha. Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và rôto. Trên hình 3-1 vẽ - 33 - mặt cắt ngang trục máy trong đó 1 : lá thép stato ; 2 : dây quấn stato ; 3 : lá thép rôto ; 4 : dây quấn rôto. Hình 3-1. Mặt cắt ngang trục máy Hình 3-2. a) Rôto cực ẩn b) Rôto cực lồi 4.2.1. Stato Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn ba pha stato. Dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng. 4.2.2. Rôto Rôto máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy đối với máy nhỏ rôto là nam châm vĩnh cửu. Có hai loại : rôto cực ẩn và rôto cực lồi. Hình 3-2a vẽ rôto cực ẩn, hình 3- 2b vẽ rôto cực lồi. Rôto cực lồi dùng ở các máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. Rôto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 vg/ph, có một đôi cực. Hình 3-3 - 34 - Để có sđđ sin, từ trường của cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto, ở đỉnh các cực từ có từ cảm cực đại. Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh. Đối với rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ. Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở hai đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ (hình 3-3). 4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha. Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto 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 là : E0 = 4,44fw1kdq0 (3.1) Trong đó : Eo, wl, kdq, Ф0 là sđđ pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ rôto. Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến thiên p chu kì. Do đó tần số f của sđđ các pha lệch nhau góc pha 1200. F = pn , n đo bằng vg/s (3.2a) hoặc f = , n đo bằng vòng /phút (3.2b) Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện , cho nên sđđ các pha lệch nhau góc pha 1200. Khi dây quấn stato nối với tải trong các dây quấn sẽ có dòng điện ba pha giống như ở máy điện không đồng bộ, dòng diện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60 f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto. Do đó loại máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ. 4.4. Hòa đồng bộ máy phát điện Nếu không đảm bảo các điều kiện trên sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong máy phá hỏng *Điều kiện để các máy phát điện làm việc song song với nhau. - Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau. - Tần số của máy phát bằng tần số của lưới điện - Thứ tự pha của máy phát giống thứ tự pha của lưới điện - 35 - máy và gây rối loạn hệ thống điện. * Phương pháp hòa đồng bộ đơn giản sử dụng bóng đèn: - Dùng 3 đèn sợi đốt mắc vào hình vẽ: Đóng cầu dao (CD1) để máy phát (MF1) phát điện lên lưới điện. - Muốn hòa máy phát (MF2) vào lưới điện thì phải đảm bảo 3 điều kiện: + UF = UL và trùng pha nhau + FF = FL + Thứ tự pha của máy phát bằng thứ tự pha của lưới điện. - Quá trình hòa xảy ra 4 trường hợp như sau : + Trường hợp 1 : 3 bóng điện không sáng, điện áp đặt vào đèn bằng 0, ta đóng cầu dao (CD2) vào mạng. +Trường hợp 2 : 3 bóng đều sáng , điều kiện 1 không đảm bảo tức là thay đổi điện áp đặt lên các đèn. +Trường hợp 3 : 1 đèn tối và 2 đèn sáng, thứ tự pha của lưới điện và máy phát khác nhau, ta tráo đổi đầu dây nối 2 trong 3 pha của Máy phát với cầu dao CD2. +Trường hợp 4 : Cả 3 đèn đều sáng nhấp nháy, FF ≠ FL , điện áp đặt lên đèn sẽ thay đổi giống nhau. Phải điều chỉnh tần số của Máy phát 2 và chờ cho các đèn tối hẳn thì đóng cầu dao CD2 để hòa đồng bộ. MF2MF1 CD1 CD2 C B A Ð1 Ð2 Ð3 Câu hỏi ôn tập 1. Nêu định nghĩa và công dụng của máy điện đồng bộ ba pha? 2. Trình bày cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha. - 36 - 3. Trình bày nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 3 pha. BÀI 5: VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Đại cương về máy điện một chiều Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luôn luôn chiếm một vị trí quan trọng, bởi nó có các ưu điểm sau: Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong công nghiệp dệt, giấy, cán thép,... Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong công nghiệp mạ điện v.v... Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp. 1.1.Cấu tạo của máy điện một chiều. Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn và cố góp với chổi điện. Trên hình 4-1 vẽ mặt cắt ngang trục. Hình 5-1. Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều Hình 5-2. Lá thép lõi rô to *.Stato Stato còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 4-l). * Rôto Rô to của máy điện một chiều được gọi là phần ứng. gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5 mui, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép dược dập có lỗ thông gió - 37 - và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 4- 2)Mỗi phần tử của dây quấn, phần ứng có nhiều vòng dây, hai dấu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn dặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên. Hình 4- 3a, b vẽ bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử chỉ có một vòng các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín. Ở đây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số cực từ. Ngoài dây quấn xếp, ở máy điện một chiều còn kiểu dây quấn sống. Hình 4-4 vẽ hai phần tử dây quấn kiểu sóng. Các phần tử được nối thành mạch vòng kín. Ở dây quấn sóng đờn chỉ có hai mạch nhánh song song, thường thấy ở máy có công suất nhỏ. - 38 - * Cổ góp và chổi điện Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gần ở đầu trục rôto. Hình 4-5a vẽ mặt cắt cổ góp để thấy rõ hình dáng của phiến góp. Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp. Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit hình 4-5b. Các chổi tỳ cắt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chơi điện gắn trên bắp máy. a) b) Hình 5.5. a) Cổ góp b) Chổi điện 2. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều. Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cất từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Như hình 4.6, từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới), chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên, sđđ có chiều từ b đến a. Ở thanh dẫn phía dưới, chiều sđđ từ d đến c. Sđđ của phần tử bằng hai lần sđđ của thanh dẫn. Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ cố dòng điện chiều từ A đến B. Điện áp của máy phát điện có cực dương Ở chổi A và âm Ở chổi B. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh dẫn ở cực S, thanh dc ở cực N, sđđ trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện - 39 - A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới, nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A, cực âm ở chổi B. 3.Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều Hình 4-8 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện tư. Các thanh dẫn ab, có có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôto quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. hình 4-8a. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 4-8b). Hình 5.8. Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư. Chiều sđđ xác định theo qui tắc bàn tay phải. Ở động cơ một chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư , nên En còn được gọi là sức phản điện. Phương trình điện áp sẽ là: U = Eư - RưIư (4.2) 4. Đấu nối và vận hành máy điện một chiều. Câu hỏi và bài tập : 1. Hãy định nghĩa máy điện một chiều? 2. Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều? 3. Nêu cấu tạo của máy điện một chiều? - 40 - Tài liệu tham khảo 1.Công nghệ chế tạo Máy điện và Máy biến áp, Nguyễn Đức Sĩ, NXB Giáo dục, Hà Nội 1995. 2.Máy điện 1, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001. 3.Máy điện 2, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001. 4.Hướng dẫn sử dụng và sửa chữa Máy biến áp, Động cơ điện, Máy phát điện công suất nhỏ, Châu Ngọc Thạch, NXB Giáo dục, Hà Nội 1994. 5.Kỹ thuật điện, Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 1999. 6. Các sách báo và tạp chí về điện. XÁC NHẬN KHOA - 41 - Bài giảng mô đun Vận hành máy điện đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học.Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học/môđun. Đồng ý đưa vào làm bài giảng cho môn học/ mô đun Vận hành máy điện thay thế cho giáo trình. NGƯỜI BIÊN SOẠN LÃNH ĐẠO KHOA Nguyễn Thị Dịu