›
›

Đề cương ôn tập Máy điện - Thiết bị điện

doc 68 trang ngocly 2720
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề cương ôn tập Máy điện - Thiết bị điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docde_cuong_on_tap_may_dien_thiet_bi_dien.doc

Nội dung text: Đề cương ôn tập Máy điện - Thiết bị điện

  1. Mục lục Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy điện Chương 1: Máy điện một chiều 1.1 Cấu tạo máy điện một chiều 1.2 Bộ dây quấn phần ứng của máy điện một chiều 1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều. 1.4 Từ trường và sức điện động trong máy điện một chiều. 1.5 Máy phát điện một chiều. 1.6 Động cơ điện một chiều. 1.7 Kiểm tra Chương 2: Máy biến áp. 2.1 Khái niệm chung về máy biến áp. 2.2 Cấu tạo của máy biến áp một pha 2.3 Nguyên lý làm việc của MBA một pha 2.4 Các trạng thái làm việc của MBA một pha 2.5 Máy biến áp ba pha. 2.6 Điều kiện làm việc song song của MBA 3 pha. 2.7 Các loại máy biến áp đặc biệt Chương 3. Máy điện khơng đồng bộ 3.1 Khái niệm chung về máy điện khơng đồng bộ 3.2 Từ trường của máy điện khơng đồng bộ 3.3 Nguyên lý làm việc của máy điện khơng đồng bộ. 3.4 Sơ đồ thay thế và các phương trình của máy điện khơng đồng bộ. 3.5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện khơng đồng bộ. 3.6 Mơ men quay và phương trình đặc tính cơ của ĐCĐ khơng đồng bộ. 3.7 Mở máy và đảo chiều quay của động cơ khơng đồng bộ ba pha. 3.8 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha 3.9 Hãm động cơ KĐB Bài tập 3.10 Động cơ khơng đồng bộ 1 pha. 3.11 Dây quấn động cơ điện khơng đồng bộ Kiểm tra Chương 4. Máy điện đồng bộ 4.1 Khái niệm, cấu tạo máy điện đồng bộ 4.2 Máy phát điện đồng bộ. 4.3 Động cơ điện đồng bộ Tài liệu tham khảo: 1. Giáo trình máy điện: Nhà xb Giáo dục; Vụ Trung Học chuyên nghiệp – Dạy nghề. Tác giả : Đặng Văn Đào – Trần Khán Hà – Nguyễn Hồng Thanh. 2. Kỹ thuật điện : (Tài liệu dùng cho các trường Trung Học Chuyên nghiệp và Dạy nghề). Tác giả : Nguyễn Ngọc Lân – Nguyễn Văn Trọng – Nguyễn Thị Quỳnh Hoa. 1
  2. Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN I. Những khái niệm về máy điện 1. Khái niệm: - Máy điện là thiết điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào các định luật điện từ. - Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn). Dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng như máy phát điện, biến đổi điện năng thành cơ năng như động cơ điện và đồng thời dùng để biến đổi dịng điện và điện áp 2. Phân loại máy điện: Máy điện cĩ nhiều loại và cĩ nhiều cách phân loại khác nhau: như phân loại theo cơng suất, theo dịng điện, theo chức năng Sơ đồ phân loại các máy điện cơ bản thường gặp: Máy điện Máy điện tỉnh Máy điện cĩ phần quay Máy điện Máy điện xoay chiều một chiều Máy điện khơng Máy điện đồng bộ đồng bộ Máy Động Máy Máy Động Máy Động biến cơ phát phát cơ phát cơ áp điện điện điện điện điện điện khơng khơng đồng đồng một một đồng đồng bộ bộ chiều chiều bộ bộ II. Vật liệu dùng trong máy điện. 1. Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phần dẫn điện, vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện là đồng, nhơm và các hợp kim khác. 2. Vật liệu dẫn từ: Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, thường dùng các vật liệu sắt từ, thép kỹ thuật điện 2
  3. 3. Vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và khơng dẫn điện hoặc cách ly giữa các bộ phận dẫn điện với nhau, vật liệu chủ yếu là giấy, vải lụa, mica, sợi thuỷ tinh, sơn cách điện vv. 3
  4. Chương I: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1. Đại cương về máy điện 1 chiều: Ngày nay, mặc dù dịng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặ .+c biệt là động cơ điện một chiều. Là loại máy điện sử dụng với lưới điện một chiều và cĩ thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ. Máy phát điện một chiều cung cấp nguồn điện một chiều cho động cơ và máy phát điện đồng bộ, cho cơng nghệ mạ, nạp ắc quy. Động cơ điện mơt chiều cĩ momen khởi động lớn, cĩ thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng và bằng phẳng nên được dùng nhiều trong các máy cơng nghiệp cĩ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như máy mài, máy xúc, xe điện Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ gĩp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong mọi mơi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ điện một chiều, cần phải cĩ nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều). 1.1.2. Cấu tạo máy điện một chiều. Gồm cĩ 2 bộ phận chính là phần tĩnh và phần quay. 1.Phần tĩnh (Stato) Phần tĩnh cịn gọi là phần cảm gồm cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ, nắp máy và cơ cấu chổi điện. a) Cực từ chính Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi thép cực từ và dây quấn cực từ chính. Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm hoặc 1mm được ép lại và tán chặt ở máy cĩ cơng suất nhỏ thì được làm thép khối. Dây quấn cực từ chính làm bằng đồng cĩ bọc cách điện, được quấn định hình thành từng bối, sau đĩ được quấn băng và tẩm vécni cách điện. Bối dây được lồng vào thân lõi thép cực từ và gắn chặt cực từ vào gơng nhờ các bulơng. b) Cực từ phụ: Cực từ phụ gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép thường bằng thép khối, dây quấn tương tự dây quấn cực từ chính và được mắc nối tiếp với dây quấn rơto. Cực phụ đặt xen kẽ cực từ chính cĩ tác dụng triệt tiêu tia lửa điện xuất hiện giữa chổi và cổ gĩp. c) Gơng từ: Gơng từ làm bằng thép đúc, trong các máy cơng suất nhỏ làm bằng thép tấm cuốn lại và hàn hoặc bằng gang. Gơng từ làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d) Cơ cấu chổi điện: Chổi điện làm bằng than hoặc graphít đơi khi được trộn bột đồng để tăng độ dẫn điện, chổi điện được đặt trong một hộp nhờ 1 lị xo ép chổi tì sát vào cổ gĩp. Hộp chổi gắn chặt vào giá đỡ cĩ nhiệm vụ đưa dịng điện từ phần ứng ra ngồi hoặc ngược lại. 2. Phần quay (rơto) Phần quay (rơto) là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn, cổ gĩp và trục rơto. a) Lõi thép rơto: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, bề mặt cĩ sơn cách điện dập theo hình dạng rãnh rồi ghép lại thành rơto. Rãnh là nơi đặt dây quấn giữa cĩ lỗ để thơng giĩ dọc trục. b) Dây quấn rơto: Bằng dây đồng, cĩ bọc cách điện, tiết diện trịn hay chữ nhật được bố trí trong rãnh của lõi thép theo sơ đồ cụ thể, các mối dây được nối lên các phiến gĩp của cổ gĩp ở đầu trục. c) Cổ gĩp: Gồm các phiến gĩp bằng đồng cĩ đuơi én được ghép hợp lại thành hình trụ trịn, giữa các phiến gĩp được cách điện với nhau bằng lớp mica mỏng (0,2-1,2)mm và cách 4
  5. điện với trục, phần cuối của phiến gĩp cĩ rãnh để hàn các bối dây vào. Thơng qua cổ gĩp và chổi than dịng điện xoay chiều trong dây quấn rơto được đổi thành dịng 1 chiều đưa ra mạch ngồi do đĩ cổ gĩp cịn gọi là vành đổi chiều. 1.2. BỘ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1. Khái niệm: Dây quấn phần ứng là loại dây quấn rải, đĩ là hệ thống dây dẫn khép kín đặt trong các rãnh của lõi phần ứng và được nối với các lá gĩp theo 1 quy tắc xác định hợp thành bộ dây phần ứng. 1.2.2. Dây quấn phần ứng: - Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử được nối lại với nhau theo một quy luật nhất định. + Phần tử: Là phần dây quấn nằm giữa hai phiến gĩp kế tiếp nhau theo sơ đồ nối dây (một phần tử hay gọi là một bối dây gồm một hoặc nhiều vịng dây). + Cạnh tác dụng của phần tử là phần bối dây nằm trong rãnh rơto. + Hai đầu dây của phần tử được nối với hai phiến gĩp và nối với hai đầu dây của hai phần tử khác. Thơng thương thì trong mỗi rãnh rơto ta đặt hai lớp dây quấn (hai bối dây), giữa hai lớp dây quấn cĩ sự cách điện. Một phần tử cĩ 1 cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh này thì cạnh tác dụng cịn lại đặt ở lớp dưới của rãnh khác. Nếu một rãnh cĩ hai cạnh tác dụng thì gọi là rãnh nguyên tố. + Rãnh nguyên tố: Trong một rãnh cĩ hai cạnh tác dụng được gọi là rãnh nguyên tố, để phân biệt với một rãnh cĩ nhiều cạnh tác dụng ta kí hiệu rãnh nguyên tố là Z nt. Nếu một rãnh cĩ 2u cạnh tác dụng thì bằng u rãnh nguyên tố. Gọi S là số phần tử. (và một phần tử cĩ hai cạnh tác dụng) Gọi Z là số rãnh thực của Rơto. Mối quan hệ giữa S,Z và Znt là Znt=u.Z=S Mặc khác mỗi phiến gĩp được nối với hai đầu dây của hai phần tử khác nhau, nên số phiến gĩp bằng số phần tử. Gọi G là số phiến gĩp ta cĩ G=S Vậy ta cĩ Znt=Z=S=G. (Bao nhiêu rãnh cĩ bấy nhiêu phiến gĩp) 1.2.3. Các phương pháp quấn dây: Tuỳ theo cách nối phần tử với phiến gĩp mà ta cĩ kiểu nối dây quấn xếp và dây quấn sĩng. a. Quấn dây kiểu xếp: Dây quấn kiểu xếp cĩ hai loại là quấn xếp phải và quấn xếp trái. Ở dây quấn xếp phải hai đầu phần tử được nối hai phiến gĩp gần nhau và hai phần tử nối tiếp ở gần nhau. Phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên phải của nĩ. phần tử 1 phần tử 2 1 2 3 4 3 2 1 1 1 1 1 1 2 3 4 Quấn xếp phải Quấn xếp trái phiến1 gĩp1 5
  6. Ở dây quấn xếp trái là phần tử thứ hai nối tiếp sau phần tử thứ nhất ở bên trái của nĩ. (Để nối dây khơng bị chồng chéo nhau người ta thường dùng dây quấn xếp phải) b. Dây quấn kiểu sĩng: là dây quấn cĩ hai đầu phần tử được nối với hai phiến gĩp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau ở xa nhau (giống như làn sĩng) y1 y2 y 1 Dây quấn sĩng yG 1.2.4. Các đại lượng đặc trưng a. Bước cực: Ký hiệu:  (tơ) Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ kế tiếp nhau được tính bằng số rãnh nguyên tố. Z  nt 2 p Với: Znt số rãnh nguyên tố 2p là số cực từ của máy. b. Bước dây quấn thứ nhất: Ký hiệu: y1 Bước dây quấn là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phần tử, được tính bằng số rãnh nguyên tố và cũng là khoảng cách của một bước cực. Z nt y1 2 p y1 y1 y2 y2 y y 1 1 2 3 4 y 1 1 G yG c. Bước dây quấn thứ hai y 2: là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử thứ nhất và cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp sau nĩ theo sơ đồ dây quấn. Bước dây quấn y2 phụ thuộc vào kiểu dây quấn. y2 = y1 - y d. Bước dây quấn tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tương ứng của hai phần tử liên tiếp nhau. y = y1 – y2 e. Bước trên cổ gĩp: Kí hiệu yG Bước trên cổ gĩp là khoảng cách giữa hai phiến gĩp nối với hai cạnh tác dụng của một phần tử. yG cĩ thể cĩ giá trị âm, dương, lớp hay nhỏ phụ thuộc vào kiểu dây quấn. + Với dây quấn xếp ta cĩ y G = m, m là số tự nhiên. ( Dấu + là quấn xếp phải. Dấu - là quấn xếp trái. G  m + Với dây quấn sĩng ta cĩ yG = , m là số tự nhiên.(- dấu + là quấn phải- dấu - là quấn p trái). 6
  7. 1.2.5. DÂY QUẤN KIỂU XẾP a. Dây quấn xếp đơn: + Tính tốn bước dây quấn: Cho máy điện một chiều cĩ các thơng số sau: Số rãnh Z = Z nt = S = G = 16 rãnh, số cực từ 2p=4 cực, bước cổ gĩp yG = +1. Tính tốn và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn phần ứng (kiểu xếp) của máy điện một chiều. - Bước dây quấn thứ nhất: Z nt 16 y1=  4 2 p 4 - Bước cổ gĩp yG=1 (dây quấn xếp phải) + Biểu đồ nối dây: - Biểu điễn biểu đồ nối dây cĩ hai dịng, dịng trên chỉ cạnh tác dụng ở lớp trên và dịng dưới chỉ cạnh tác dụng ở lớp dưới. - Cách vẽ biểu đồ nối dây: Bắt đầu từ phần tử thứ nhất, phần tử này cĩ cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh, cạnh tác dụng thứ hai đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+4=5. - Đầu dây của phần tử này được nối với phiến gĩp 1 và 2 (vì yG=1 dây quấn xếp phải). - Tình tự nối các phần tử trong rãnh như hình vẽ: Lớp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 trên Lớp dưới 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 + Sơ đồ khai triển dây quấn: - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 16 rãnh và qui ước ở lớp trên vẽ bằng đường liền nét và cạnh tác dụng ở lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. - Cách vẽ sơ đồ khai triển dây quấn: đặt lần lược 16 phần tử vào 16 rãnh, bắt đầu từ phần tử thứ nhất, cạnh thứ nhất của phần tử nối với phiến gĩp đổi chiều thứ nhất đặt vào rãnh 1 (đường liền nét) ở lớp trên và cạnh thứ hai của phần tử thứ nhất được đặt lớp dưới của rãnh thứ 5 (đường đứt nét) và nối với phiến gĩp 2. Tiếp tục nối tương tự với phần tử thứ hai, thứ ba cho đến phần tử thứ 16 rồi trở về phiến đổi chiều số 1. Ta được một mạch vịng khép kín được đặt đúng dưới các cực từ. b. Dây quấn xếp phức: - Điểm khác nhau giữa dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức là bước dây quấn y G=m, với dây quấn phức m=2,3 , thơng thường yG=2. - Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn. + Tính tốn các đại lượng đặc trưng: Cho máy điện cĩ các thơng số sau Znt=24, 2p=4, yG=2. tính và vẽ biểu đồ nối dây, sơ đồ khai triển dây quấn. Z nt 24 - Bước dây quấn y1=  6 2 p 4 - Bước cổ gĩp yG=2 7
  8. + Biểu đồ nối dây: - Cĩ các số liệu tính tốn về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này cĩ cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cịn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+6=7. - Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến gĩp 1 và 3. vì yG=2. - Do yG=2 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+2=3 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử cịn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vịng kín. Tiếp tục với phần tử chẳng, ta được biểu đồ nối dây tương tự. Gồm các phần tử số lẽ. Lớp 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 trên Lớp dưới 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 Gồm các phần tử chẳn: Lớp 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 trên Lớp dưới 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 + Sơ đồ khai triển dây quấn: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn với qui luật như dây quấn xếp đơn. Dựa vào biểu đồ nối dây ta cĩ phần tử 1 nối 3 và tiếp tục 5 .đến khép kín mạch gồm phần tử số lé và tiếp phần tử 2 nối với 4 tương tự đến hết phần tử chẳng. Do yG=2 nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến gĩp. Từ dĩ ta vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ bên. 1.2.6. DÂY QUẤN KIỂU SĨNG a. Dây quấn sĩng đơn: + Tính tốn bước dây quấn: Đặc điểm của dây quấn sĩng là hai đầu của một phần tử nối với hai phiến gĩp cách xa nhau và hai phần tử nối tiếp nhau theo sơ đồ dây quấn nằm cách xa nhau. Z nt - Bước dây quấn: y1=  2 p G m - Bước cổ gĩp yG= p * Cho máy điện cĩ thơng số gồm Znt=15, 2p=4, m=-1 dây quấn sĩng đơn, quấn trái. + Tính các bước dây quấn: 8
  9. Z nt 15 3 y1=  3 2 p 4 4 chọn dây quấn bước ngắn =-3/4. G m 15 1 yG= 7 y2=y1-y=7-3=4 p 2 + Biểu đồ nối dây: - Sau khi cĩ các số liệu tính tốn về bước dây quấn y1, y2, yG ta lập biểu đồ nối dây. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này cĩ cạnh tác dụng thứ nhất đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cơn lại sẽ đặt ở lớp dưới của rãnh 1+y1=1+3=4. - Đầu dây của phần tử này được nối với phiến gĩp 1 và phiến gĩp 1+yG=1+7=8. - Do yG=7 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là 1+yG=1+7=8. Tiếp tục thực hiện với phần tử tiếp theo theo qui luật ta vẽ được biểu đồ nối dây. Lớp 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 trên Lớp dưới 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 + Sơ đồ khai triển dây quấn (sơ đồ trải) - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 15 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. - Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 15 phần tử vào 15 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối phần tử 1 với phần tử 8, tiếp đến là phần tử 15 vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H - Dây quấn đơn nên bề rộng chổi than lấy bằng một phiến gĩp b. Dây quấn sĩng phức: - Điểm khác nhau giữa dây quấn sĩng đơn và dây quấn sĩng phức là bước dây quấn yG=m, với dây quấn phức m=2,3,4 , thơng thường yG=2. - Các bước dây quấn khác tính tương tự như dây quấn đơn. + Tính tốn bước dây quấn Cho máy điện cĩ số liệu gồm Z=Z nt=18, 2p=4, m=2. Tính bước dây quấn, vẽ sơ đồ nối dây và khai triển dây quấn. - Các bước dây quấn: Z nt 18 2 y1=  4 2 p 4 4 chọn dây quấn bước ngắn =2/4. G m 18 2 yG= 8 p 2 + Biểu đồ nối dây: Cĩ các số liệu tính tốn về bước dây quấn ta lập biểu đồ thứ tự nối dây các phần tử. 9
  10. - Bắt đầu từ phần tử thứ nhất 1, phần tử này cĩ cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh 1, vậy cạnh tác dụng cịn lại phải đặt ở lớp dưới của rãnh là 1+y1=1+4=5. - Hai đầu dây của phần tử này được nối vào phiến gĩp 1 và 9. vì yG=8. - Do yG=8 nên phần tử nối tiếp với phần tử 1 theo sơ đồ dây quấn là phần tử 1+yG=1+8=9 Tiếp tục theo qui luật này cho các phần tử cịn lại ta được biểu đồ nối dây như hình vẽ bên, gồm các phần tử số lẽ và chúng nối với nhau tạo thành vịng kín. Tiếp tục với phần tử chẳn, ta được biểu đồ nối dây tương tự. + Biểu đồ nối dây + Phần từ số lẻ: Lớp 1 9 17 7 15 5 13 3 11 1 trên Lớp dưới 5 13 3 11 1 9 17 7 15 + Phần tử số chẳn: Lớp 2 10 18 8 16 6 14 4 12 1 trên Lớp dưới 6 14 4 12 2 10 18 8 16 + Sơ đồ khai triển dây quấn: - Để vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ta vẽ 18 rãnh và qui ước lớp trên vẽ bằng đường liền nét, lớp dưới vẽ bằng đường đứt nét. - Cách vẽ sơ đồ: Ta đặt lần lược 18 phần tử vào 18 rãnh, theo biểu đồ nối dây ta nối phần tử 1 với phần tử 9, tiếp đến là phần tử 17, phần tử 7 vv tiếp tục như thế ta được sơ đồ khai triển dây quấn như hình vẽ.H - Dây quấn sĩng phức nên bề rộng chổi than lấy bằng hai phiến gĩp 1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.3.1. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp máy phát điện một chiều. a. Nguyên lý làm việc: 1- Cực từ stato (nam châm vĩnh cửu) 2- Dây quấn phần ứng 3- Chổi than 4- Cổ gĩp 5- Mạch ngồi (tải) 10
  11. 1 2 3 4 5 Khi động cơ sơ cấp quay với tốc độ gĩc là 1 cĩ chiều như hình vẽ, dẫn đến các dây dẫn rơto cắt từ trường stato (từ trường cực từ), cảm ứng các sức điện động trong thanh dẫn.(chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải) từ trường hướng từ cực N đến S. Trong thanh dẫn ab cĩ sức điện động E1 Trong thanh dẫn cd cĩ sức điện động E2 Sức điện động trong dây dẫn rơto là E=E1+E2 Xét tại thời điểm t: Lúc này dây dẫn quay một gĩc 180 0, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N. Khi thanh dẫn phần ứng quay nửa vịng, vị trí của thanh dẫn trong từ trường thanh dẫn: ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sức điện động trong phần tử đổi chiều, nhờ cĩ chổi điện đứng yên tỳ vào phiến gĩp nên chổi than A vẫn nối với phiến gĩp phía trên, chổi than B vẫn nối với phiến gĩp phía dưới, chiều dịng điện mạch ngồi khơng thay đổi. Ta cĩ máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B (nối 2 đầu với tải (bĩng đèn) ta cĩ nguồn một chiều) b. Phương trình điện áp đầu cực máy phát: U = UAB = Eư - Iư.Rư Trong đĩ: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng. Rư là điện trở dây dẫn phần ứng. Iư là dịng điện phần ứng. Eư là sức điện động phần ứng. Đơn vị:U, Eư (V); Iư (A); Rư () 1.3.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều. a. Nguyên lý làm việc: Khi đặt điện áp một chiều vào hai đầu chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng xuất hiện dịng điện một chiều I ư, dưới tác dụng của từ trường sẽ chịu lực điện từ F đt tác dụng làm cho rơto quay, chiều lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động E ư, ở động cơ một chiều sức điện động phần ứng ngược chiều với dịng điện phần ứng nên sức điện động phần ứng con được gọi là sức phản điện. b. Phương trình điện áp U = UAB = Eư + Iư.Rư Trong đĩ: Iư.Rư là điện áp rơi trên dây dẫn phần ứng. Rư là điện trở dây dẫn phần ứng. Iư là dịng điện phần ứng. Eư là sức điện động phần ứng. Đơn vị:U, Eư (V), Iư (A), Rư () 1.4. TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.4.1. Từ trường của máy điện một chiều: 11
  12. - Khi máy phát điện 1 chiều chạy khơng tải, trong máy chỉ cĩ từ trường do cực từ chính sinh ra gọi ra từ trường chính hay từ trường phần cảm. - Khi máy mang tải, dịng điện chạy trong dây quấn phần ứng sinh ra từ trường phần ứng. - Tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng. Tác dụng của phản ứng phần ứng làm méo từ trường tổng hợp của máy, ở mõm cực ra của cực từ được trợ từ cịn ở mõm cực vào bị khử từ. Nếu mạch từ khơng bão hồ thì tác dụng trợ từ và khử từ bằng nhau, nên từ thơng tổng khơng đổi. Nếu mạch từ bão hồ thì tác dụng trợ từ ít hơn khử từ, nên từ trường tổng giảm do đĩ sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn giảm. Đồng thời, phản ứng phần ứng làm cho từ trường tại 2 điểm trên đường trung tính hình học khác 0. Đây là nguyên nhân làm xuất hiện tia lửa điện trên cổ gĩp. Để tránh hiện tượng trên phải xoay đường trung tính hình học đến 1 vị trí mới lệch so với trung tính hình học 1 gĩc  đĩ là đường trung tính vật lý O’O’’ Hình vẽ 1.4.2. Sức điện động phần ứng. a. Sức điện động thanh dẫn: Khi quay rơto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là: e = Btb.l.v Trong đĩ: Btb từ cảm trung bình dưới cực từ. v là tốc độ của thanh dẫn l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn. b. Sức điện động phần ứng Eư: Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vịng kín. Các chổi than chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phản ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Gọi N là số thanh dẫn của dây quấn, a là số đơi nhánh. Số thanh dẫn một nhánh là N/2a (với a là số nhánh song song) N N Sức điện động phần ứng là Eư .e .B .l.v 2a 2a tb Dn Tốc độ dài v xác định theo độ quay n (vịng/phút) bằng cơng thức: v = 60 Dn N N Thay v = vào Eư = e = B lv và chú ý rằng từ thơng dưới mỗi cực từ là  = 60 2a 2a tb Dl 2 p pN Cuối cùng ta cĩ: Eư = n hoặc Eư = ken. 60a pN Trong đĩ p là số đơi cực. Hệ số ke = phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng. 60a 12
  13. Sức điện phản ứng tỷ lệ với tốc độ quay phần ứng và từ thơng dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động, ta cĩ thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thơng, bằng cách điều chỉnh dịng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì hoặc đổi chiều quay hoặc đổi chiều dịng điện kích từ. 1.5. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.5.1. Phân loại máy phát điện một chiều. Dựa vào phương pháp cung cấp dịng điện kích từ, để phân loại máy điện một chiều như sau: - Máy điện một chiều kích từ tự kích trong đĩ gồm: + Máy điện một chiều kích từ độc lập + Máy điện một chiều kích từ nối tiếp + Máy điện một chiều kích từ song song + Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp. 1.5.2. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập a. Sơ đồ nối dây cơ bản: I Rkt Rdc - Rtải là điện trở tải - Rkt là điện trở kích từ. - Rdc là điện trở điều chỉnh dịng điện kích từ. Ec - Ukt là điện áp đưa vào mạch kích từ. ư - U là điện áp tải lấy ra từ máy phát - Ikt là dịng điện kích từ. - Iư là dịng điện phần ứng. b. Phương trình Rtải Mạch kích từ: Ukt = Ikt(Rkt+Rdc) (1) Mạch phần ứngI t=Iư (2) U = Eư- Iư.Rư (3) * Khi dịng điện tải tăng It thì dịng điện phần ứng tăng Iư (ptrình1) kéo theo điện áp giảm U xuống (ptrình 2) do hai yếu tố: - Do tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thơng  giảm kéo theo sức điện động Eư giảm (Eư=ke.n.) - Điện áp rơi trong mạch phần ứng tăng. * Quá trình xác lập đặc tính ngồi như sau: - Khi dịng điện tải tăng thì điện áp giảm, để giữ cho điện áp máy phát khơng đổi ta phải tăng dịng điện kích từ bằng cách điều chỉnh biến trở. U U=f(It) It * Ưu nhược điểm: - Ưu điểm: Dể điều chỉnh điện áp (được sử dụng trong các hệ thống máy phát và động cơ để truyền động cho máy cán, máy cắt kim loại ) - Nhược điểm: Phải cần nguồn kích từ. 1.5.3. Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp. a.Sơ đồ nối dây cơ bản: I Rkt Rdc Ec ư 13 Rtải
  14. b. Phương trình: U = Eư - Iư(Rư+Rkt+Rdc) (1) Iư =Ikt =It (2) * Khi dịng điện tải tăng điện áp thay đổi rất nhiều, nên trong thực tế ít được sử dụng. * Quá trình xác lập đặc tính ngồi như sau: - Khi tải tăng, dịng điện phần ứng tăng, từ thơng tăng dẫn đến sức điện động phần ứng tăng lên rất nhiều do đĩ điện áp đầu cực máy phát tăng nhiều. - Khi dịng điện tải I t=(2-2,5)Iđm thì mạch từ của máy bị bão hịa, lúc này dịng điện tải tăng thì điện áp giảm. Đường đặc tính ngồi của máy phát điện một chiều kích từ độc lập: U U=f(It) It (Từ đường đặc tính nhận xét: Khi dịng điện tải tăng bằng 2I đm máy phát lúc đĩ nếu Itải tiếp tục tăng thì điện áp đầu cực máy phát giảm.) 1.5.4. Máy phát điện một chiều kích từ song song. a. Sơ đồ nối dây cơ bản: I Rkt Rdc Ec ư b. Phương trình: U = Eư - IưRư (1) Rtải Iư =Ikt + It (2) U = Ikt(Rkt+Rdc) (3) Ban đầu máy khơng cĩ dịng kích từ, từ thơng trong máy do từ dư của cực từ tạo ra (nếu từ dư khơng cĩ phải kích nguồn một chiều tạo ra từ dư hoạt dùng ngồn một chiều khởi động máy phát sau đĩ tách ra) * Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ cĩ sức điện động cảm ứng do từ thơng dư tạo ra, sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ sinh ra dịng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định. * Khi dịng điện tải tăng, dịng điện phần ứng tăng (ptrình2) làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm (ptrình1), dịng điện kích từ giảm (ptrình3). Do đĩ đường đặc tính ngồi dốc so với máy điện kích từ độc lập. U U=f(It) It 1.5.5. Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp. a. Sơ đồ nối dây cơ bản: I Rkt Rdc Rkt Ec 14 ư Rtải
  15. - Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn dây phần cảm 1. Khi nối thuận: chiều từ thơng của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thơng của dây quấn kích từ song song.(phần cuộn kích từ song song nối trực tiếp với chổi than) Khi tải tăng, dẫn đến từ thơng trong mạch nối tiếp tăng, làm cho từ thơng của máy tăng, dẫn đến sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy phát được giữ hầu như khơng đổi. (Ưu điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giữ cho điện áp khơng thay đổi khi dịng tải thay đổi ứng dụng máy phát) 2. Khi nối ngược: chiều từ thơng của dây quấn kích từ nối tiếp ngược chiều với từ thơng của dây quấn kích từ song song. (Nhược điểm: máy phát kích từ hỗn hợp giảm điện áp tải ứng dụng máy hàn điện một chiều) 1.6. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.6.1. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ, phân loại động cơ điện một chiều như đối với máy phát điện một chiều. a. Động cơ kích từ độc lập. I Rdc Rkt Ecư b. Động cơ kích từ nối tiếp. Ecư Rkt I Rdc c. Động cơ kích từ song song. Ecư I Rkt Rdc 1.6.2. Mơmen và phương trình đặc tính cơ. a. Mơmen trong động cơ điện một chiều + Mơmen quay: kí hiệu: M - Khi đặc điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, trong dây quấn xuất hiện dịng điện phần ứng, dưới tác dụng của từ trường stato trong dây quấn phần ứng xuất hiện lực điện từ tác dụng dẫn đến xuất hiện mơmen điện từ làm cho rơto quay. (Đối với động cơ mơmen điện từ được gọi là mơmen quay) 15
  16. M=kM.Iư. (N.m) + Mơmen cản. - Khi động cơ mang tải xuất hiện lực cản, tác dụng vào trục động cơ, lực cản này cản trở sự chuyển động của rơto do đĩ trên trục động cơ sẽ xuất hiện mơmen cản. - Mơmen cản cĩ chiều ngược với chiều chuyển động của rơto. - Khi động cơ quay ổn định với một phụ tải xác định lúc đĩ ta cĩ mơmen tải cân bằng với mơmen động cơ. 1.6.2. Phương trình đặc tính cơ. a. Phương trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập hoặc kích từ song song. - Khi điện áp đặc vào mạch kích từ và mạch phần ứng cĩ cơng suất lớn thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song giống nhau. + Phương trình điện áp: U=Eư + IưRư (1) Eư=U - IưRư (2) Mặc khác ta cĩ: Eư=ke.n. (3) Thay phương trình (3) vào pt (3) ta cĩ: U I u .Ru ke.n.=U - IưRư n ke . U I .R hay n u u (4) ke . ke . Ta lại cĩ mơmen điện từ: M M=ke.Iư. I ư thay Iư vào pt (4) ta cĩ: k M . U Ru n 2 .M (5) ke . ke .k M . Nếu trong mạch phần ứng cĩ điện trở phụ Rp ta cĩ phương trình tốc độ là: U (Ru R p ) n 2 .M (6) ke . ke .k M . Trong đĩ điện trở phụ là R plà điện trở đặc vào mạch phần ứng để điều chỉnh dịng điện phần ứng nhỏ hơn dịng điện giới han Iư<Igiới hạn. Phương trình (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song. Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ và mơmen quay của động cơ khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ khơng đổi. Với U,  là hằng số, Rư, Rp khơng đổi n = A + B.M (n=f(M)) với A,B là hằng số. n đường đặc tính no A cơ B n1 C M 0 Mc=MD Đồ thị đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song - Lúc động cơ làm việc ở chếsong độ khơng tải (lý tưởng) tốc độ của động cơ là n U 0 ke . (xem đang làm việc khơng tải ổn định) 16
  17. - Giả sử ta cho động cơ mang tải vào lúc này trên truc động cơ xuất hiện mơmen cản M c động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A đến điểm B trên đồ thi lúc này tốc độ của động cơ sẽ giảm dần xuống là n 1<n0 và đồng thời mơmen động cơ sẽ tăng dần cho đến khi cần bằng mơmen cản Mc, khi đĩ động cơ làm việc ổn định từ điểm B trên đường đặc tính cơ với tải bằng mơmen cản và tốc độ n1. * Nhận xét: - Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song thì phương trình đặc tính cơ cứng, tốc độ hầu như khơng đổi khi cơng suất tải thay đổi (thay đổi nhỏ) - Ứng dụng : thường được dùng trong cơ cấu truyền động máy cắt kim loại, các máy cơng cụ gia cơng chi tiết cĩ tải thay đổi lớn - Khi cĩ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, thường dùng động cơ kích từ nối tiếp. b. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Ecư Rkt I Rdc Phương trình dịng điện:I kt=Iư (1) Khi mạch từ bảo hồ dịng điện phần ứng và từ thơng tỉ lệ với nhau: Iư=kI. (2) với kIlà hệ số tỷ lệ. U R .I u Phương trình tốc độ là: n (3) trong đĩ: R=Rkt+Rp+Rư ke . Mặc khác ta cĩ phương trình mơmen: M=kM..Iư (4) 2 2 2 2 Thay Iư=kI. vào phương trình (4) ta cĩ: M=kM.kI =k . (5) đặt k =kM.kI lấy căn hai vế M phương trình (5) ta cĩ từ thơng:  (6) k Thay phương trình (6) và (2) vào pt (3) ta cĩ phương trình tốc độ: M U R .k . U R .I  I k.U R .k . M n  u k  I k . M k . M e k . e e k k.U R .k k k n  I (7) đặc a ; b I ke . M ke ke ke a.U ta cĩ phương trình tốc độ là n b.R M Giả sử điện áp U và điện trở là hằng số, xây dựng đồ thị đặc tính tốc độ và mơmen n=f(M) n M 0 Dựa vào phương trình tốc độ ta xây dựng đường đặc tính cơ là đường cĩ dạng hypebol, đường đặc tính cơ mềm, khi mơmen tăng thì tốc độ động cơ giảm nhiều. Khi động cơ khơng tải hoặc tải nhỏ, mơmen cản nhỏ dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên rất nhiều dẫn đến dể gây hỏng động cơ về mặc cơ khí (ma sát ở ổ bi lớn làm gãy trục ) Vì thế khơng cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp mở máy và làm việc ở chế độ khơng tải. 1.6.3. MỞ máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. a. Dịng điện mở máy 17
  18. U E u - Phương trình điện áp: U=Eư+IưRư (1) I ư= R u - Mặc khác ta cĩ : Eư=ke.n. - Khi mở máy ban đầu tốc độ n=0 nên Eư=ke.n.=0, U - Dịng điện phần ứng lúc này là I ư= , vì điện trở phần ứng nhỏ R ư, nên dịng điện R u phần ứng lúc mở máy rất lớn từ (20-30)I đm, dễ làm hỏng cổ gĩp và chổi than, đốt nĩng dây quấn rơto và cách điện bị già hĩa. - Để giảm dịng điện mở máy đạt từ Imm = (1,5-2)Iđm, dùng các phương pháp sau: + Dùng biến trở mở máy Rmm: Bằng cách mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng lúc này dịng điện mở máy Iưmm U Ru Rmm Lúc đầu để biến trở mở máy R mm lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc độ tăng lên, dẫn đến sức điện động tăng, dẫn đến dịng điện phần ứng mở máy giảm đần và ta giảm điện trở Rmm giảm dần về 0, lúc này động cơ làm việc đúng dịng điện định mức. + Giảm điện áp đặt vào mạch phần ứng: Phương pháp này sử dụng khi cĩ nguồn một chiều cĩ thể điều chỉnh điện áp (chú ý: để mơmen mở máy lớn, thì lúc mở máy phải cĩ từ thơng lớn nhất (M=k e.Iư.) vì thế phải điều chỉnh dịng kích từ lớn nhất b. Mơmen mở máy: Mmm=kM..Iưmm Nếu dịng điện lúc mở máy Imm rất lớn dẫn đến mơmen mở máy Mmm cũng rất lớn, dể tạo ra các xung lực lớn làm chơ hệ truyền động động cơ giật, rung lớn dể vỡ bánh răng, bánh đà làm hỏng động cơ và nguy hiểm cho người vận hành. 1.6.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Từ phương trình điện áp : U=Eư+IưRư Eư=U-IưRư U I u .Ru Mà Eư=ke.n. k e.n.=U-IưRư n (1) ke . Từ phương trình (1) ta nhân thấy để thay đổi tốc độ động cơ ta cĩ một số phương pháp sau: - Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U, dùng nguồn điện phải điều chỉnh được điện áp cung cấp cho động cơ. - Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng, tức là thay đổi dịng điện kích từ. - Để thay đổi tốc độ bằng cách mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng. a. Điều chỉnh tốc độ động điện một chiều kích từ độc lập và song song bằng cách thay đổi điện áp. Theo trên ta cĩ đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song cĩ dạng đường thẳng. - Khi thay đổi điện áp ta được các đường đặc tính song song - Khi điều chỉnh mơmen khơng đổi vì từ thơng và dịng điện phần ứng khơng đổi do sức điệnn động và điện áp giảm. n đường đặc tính cơ đường đặc tính cơ no A no1 B Uđm B A n n U1<Uđm 1 U <U A 1 đm D U2<U1 U2<U1 M M 0 Mc=MD 0 MB Mc=MD 18 Đồ thị đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích Quá trình tăng tốc độ hay giảm từ độc lập hoặc kích từ song song
  19. * Quá trình giảm tốc: Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ với điện áp đặc vào mạch phần ứng là U 1 lúc này động cơ quay đều với tốc độ n A. Ta giảm điện áp xuống U 2 nhỏ hơn điện áp U1 động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đường đặc tính cơ U 2, lúc này mơmen động cơ nhỏ hơn mơmen cản M D U và dịng điện phần ứng đổi dấu nên mơmen điện từ cũng đổi dấu thành mơmen hãm. Máy lúc này làm việc trong chế độ máy phát điện vào lưới (trả lại lưới) - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khơng thể chuyển sang chế độ hãm tái sinh. Muốn hãm tái sinh ta phải chuyển sang chế độ kích từ song song. b. Hãm ngược. Trạng thái này thực hiện bằng hai cách. - Máy được truyền động làm quay động cơ theo chiều ngược mơmen điện từ. - Đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi chiều dịng điện phần ứng của động cơ. c. Hãm động năng. - Khi hãm động năng động cơ kích từ song song ta cắt phần ứng ra khỏi lưới và nối mạch qua một điện trở hãm. - Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp được thực hiện bằng cách chuyển động cơ sang kích từ độc lập. Nếu động cơ kích từ nối tiếp thì khi tốc độ nhỏ, dẫn đến mơmen hãm yếu, khi tốc độ lớn mơmen hãm mạnh BÀI TẬP MẪU Bài 1: Một máy phát điện kích từ song song, cơng suất định mức P đm = 25kW, điện áp định mức Uđm = 115V, cĩ các thơng số sau: Điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 12,5; điện trở dây quấn phần ứng Rư = 0,0238, số đơi nhánh a=2, số đơi cực từ p = 2, số thanh dẫn N = 300, tốc độ quay n = 1300vg/ph. a) Xác định sức điện động Eư, từ thơng . b) Giả sử dịng điện kích từ khơng đổi, bỏ qua phản ứng phần ứng, hãy xác định điện áp đầu cực máy khi dịng điện giảm xuống I = 80,8A. Bài giải: 19
  20. a) Dịng điện định mức Pdm 25000 Iđm = = = 217,4A U dm 115 Dịng điện kích từ U dm 115 Ikt = = = 9,2A Rkt 12,5 Dịng điện phần ưng Iư = Iđm + Ikt = 217,4+ 9,2 = 226,6A Sức điện động của máy Eư = U + Iư.Rư = 115 + 226,6. 0,0238 = 120,4V Từ thơng  60aE 60.2.120,4  = w = 1,852.10-2Wb pNn 2.300.1300 Dịng điện phần ứng Iư = I + Ikt = 80,8 + 9,2 = 90A Điện áp đầu cực máy phát. U = Eư – IưRư = 120,4 – 90.0,0238 = 118,3V. Bài 2: Một máy phát điện một chiều kích từ song song, điện áp định mức U đm = 115V, cung cấp dịng điện tải I t = 98,3A cho tải. Điện trở phần ứng Rư = 0,0735, điện trở dây quấn kích từ song song Rkt = 19. Tổn hao cơ, sắt từ và phụ bằng 4% cơng suất điện. a) Xác định sức điện đơng Eư và hiệu suất  của máy ở chế độ tải trên b) Tính dịng điện ngắn mạch khi ngắn mạch hai dầu cực máy phát. Cho biết từ thơng dư bằng 3% từ thơng của máy ở chế độ tải trên, và tốc độ máy khơng đổi. Bài giải: a) Dịng điện kích từ U 115 Ikt = 6,05A Rkt 19 Dịng điện phần ứng Iư = I1 + Ikt = 98,3 + 6,05 = 104,35A Sức điện động phần ứng Eư = U + IưRư = 115 + 104,35.0,735 = 122,7V Tổn hao trong dây quấn kích từ song song. 2 2 Pkt = I ktRkt = 6,05 .19 = 695W Tổn hao trong dây quấn phần ứng 2 2 Pư = I ưRư = 104,35 . 0,0735 = 800W. Tổn hao cơ, sắt từ và phụ Pcstf = 4%P = 0,04.115.98,3 = 452W Hiệu suất của máy P 115.98,3  = = = 0,853 P P 115.98,3 695 800 452 b) Khi ngắn mạch đầu cực, dịng điện ngắn mạch chạy trong dây quấn phần ứng Eun 3,7 Iưn = 50A Rw 0,035 Trong đĩ Eưn = kendư = 0,03ken = 0,03Eư = 0,03.122,7 = 3,7V Ở máy phát kích từ song song, dịng điện ngắn mạch nhỏ hơn dịng điện định mức. Bài 3: 20
  21. Một động cơ điện một chiều cơng suất định mức P đm = 1,5kW, điện áp định mức U đm = 220V, hiệu suất  = 0,82; tốc độ n= 1500vg/ph. Tính momen định mức, tổng tổn hao trong máy, dịng điện định mức. Bài giải Momen định mức Pdm 1,5 Mđm = 9550 = 9550 = 9,55Nm n 1500 Cơng suất cung cấp cho động cơ 3 Pdm 1,5.10 P1 = 1829,3 W  0,82 Dịng điện định mức P1 1829,3 Iđm = 8,31A U 220 Tổng tổn hao trong máy P = P - Pđm = 1829,3 – 1500 = 329,3W BÀI TẬP HỌC SINH TỰ GIẢI Bài 1: Một động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp điện áp định mức U đm = 220V, dịng điện định mức Iđm = 502A, hiệu suất định mức  = 0,905, điện trở dây quấn kích từ song song R kt = 50, tổn hao cơ, sắt từ và phụ là 4136W Tính cơng suất động cơ tiêu thụ, cơng suất định mức động cơ, tổng tổn hao trên các điện trở phần ứng, điện trở kích từ nối tiếp và dây quấn cực từ phụ. Đáp số: P1 = 110,44kW; Pđm = 100kW; Pư.nt.f = 5336W Bài 2: Động cơ điện một chiều kích từ song song cơng suất định mức P đm = 10kW, điện áp định mức Uđm = 220V, hiệu suất định mức  = 0,905, tốc độ định mức n = 2250vg/ph, dịng điện kích từ định mức Ikt = 2,26A, điện trở phần ứng Rư = 0,178 Tính dịng điện mở máy trực tiếp. Tính điện trở mở máy R mm để giảm dịng điện mở máy xuống bằng 2 lần dịng điện định mức. Đáp số: Imm = 1238A; Rmm = 1,95 BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM Câu 1: Động cơ điện một chiều kích từ song song U đm = 220V; Iđm = 94A; Ikt = 0,65A; Rư = 0,15; nđm = 1100vịng/phút. 1) Tính Iưđm. Đáp án nào dưới đây đúng: a) Iưđm = 94A b) Iưđm = 94,65A c) Iưđm = 93,35A 2) Xác định tốc độ động cơ khi U = 180V, cho biết Iư, I kt và tình trạng mạch từ khơng đổi. Tìm đáp số đúng: a) 910,6 vịng /phút. b) 886,4 vịng /phút. c) 1000 vịng /phút. 3) Khi mở máy động cơ điện một chiều kích từ song song, người ta nối thêm R mở vào mạch phần ứng nhằm mục đích sau: a) Hạn chế dịng mở máy. 21
  22. b) Tăng momen mở máy. c) Vừa hạn chế dịng điện mở máy vừa tăng momen mở máy. d) Để giảm thời gian mở máy. Câu trả lời nào đúng trong các câu trên? Câu 2: Máy điện một chiều kích từ độc lập Uđm = 230V, Iđm =100A, Rư = 0,1. Tìm sức điện động phần ứng Eư khi làm việc ở chế độ máy phát và chế độ động cơ. Chọn phương án đúng: a) 220V; 240V b) 241V; 220V c) 250V;215V Câu 3: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập I = 100A, U = 240V, Rư = 0,1 quay với tốc độ 1000v/phút. Tìm momen điện từ. Chọn phương án đúng: a) M = 218Nm. b) M = 350Nm c) M = 175Nm Đáp án Câu 1: 1) c. 2) b. 3) 3a Câu 2: b Câu 3: a 22
  23. CHƯƠNG II: MÁY BIẾN ÁP 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 2.1.1. Khái niệm chung Để biến đổi điện áp của dịng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ngưịi ta dùng MBA. Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi nên cĩ những loại MBA khác nhau: MBA 1pha, 2 pha, 3pha, nhưng chúng dựa trên 1 nguyên lý, đĩ là nguyên lý cảm ứng điện từ. 2.1.2. Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, nguyên lý làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dịng điện xoay chiều từ điện áp này thành hệ thống dịng điện xoay chiều điện áp khác nhưng cĩ tần số khơng đổi. + Hệ thống đầu vào của MBA (trước lúc biến đổi): U1; I1; f + Hệ thống đầu ra của MBA (trước lúc biến đổi): U2; I2; f + Đầu vào của MBA nối với nguồn điện được gọi là cuộn sơ cấp (các đại lượng, thơng số sơ cấp trong kí hiệu cĩ ghi chỉ số 1: W1,U1,I1, ) + Đầu ra nối với tải gọi là cuộn thứ cấp (các đại lượng và thơng số thứ cấp trong ký hiệu ghi số 2: W2, U2, I2, ) 2.1.3. Phân loại máy biến áp. Cĩ nhiều cách phân loại máy biến áp: - Theo loại dịng điện ta chia ra máy biến áp là MBA một pha, ba pha hay nhiều pha. - Máy biến áp cĩ ít nhất là hai cuộn dây: + Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. + Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp. + Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp. + Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp. - Máy biến áp cĩ điện áp sơ cấp lớn hơn điện áp thứ cấp gọi là máy biến áp giảm áp. - Máy biến áp cĩ điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp. - Máy biến áp cĩ ba cuộn dây (1 cuộn sơ, 2 cuộn thứ) - Máy biến áp tự ngẫu. (ngồi liên hệ về từ cịn liên hệ về điện) - Máy biến áp đặc biệt như máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp điều khiển. 2.1.4. Vai trị của máy biến áp. Để dẫn điện từ Trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần cĩ đường dây truyền tải. Máy phát điện Đường dây MBA tăng áp MBA hạ áp truyền tải Hộ tiêu thụ  Hình 2-1: Sơ đồ truyền tải điện năng - Để truyền tải điện năng đi xa phải dùng các đường dây tải điện cĩ điện áp cao để giảm tổn thất điện năng trên đường dây. (Điện áp mà các máy phát phát ra bị hạn chế bởi điều kiện cách điện của máy và thường là 1-21kV). Để tăng điện áp lên cao ta phải dùng máy biến áp. 23
  24. - Tại hộ tiêu thụ điện do khơng thể trực tiếp sử dụng điện áp cao, vì lý do an tồn phải hạ thấp điện áp xuống 6kv cho các động cơ cơng nghiệp hoặc 0,4kV, 220V cho các thiết bị điện dân dụng. - Để làm được hai điều trên cần phải dùng máy biến áp. Máy biến áp được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật, máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối năng lượng. 2.1.5. Các đại lượng định mức của máy biến áp. Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện làm việc của máy và do nhà chế tạo ghi trên biển máy. - Điện áp định mức: Điện áp sơ cấp định mức ký hiệu là U 1đm, là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức ký hiệu là U 2đm, là điện áp quy định cho dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Người ta quy ước, với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy biến áp 3pha là điện áp dây. Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là V hoặc KV. - Dịng điện định mức: Dịng điện định mức là dịng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với cơng suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp một pha, dịng điện định mức là dịng điện pha. Đối với máy biến áp 3 pha, dịng điện định mức là dịng điện dây. Đơn vị dịng điện ghi trên máy thường là A. Dịng điện sơ cấp định mức ký hiệu I1đm, dịng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm. - Cơng suất định mức: Cơng suất định mức của máy biến áp là cơng suất biểu kiến định mức. Cơng suất định mức ký hiệu là Sđm. Đơn vị là VA, KVA. Đối với máy biến áp một pha cơng suất định mức là: Sđm = U2đm.I2đm = U1đm.I1đm Đối với máy biến áp ba pha cơng suất định mức là: Sđm = 3 U2đm.I2đm = 3 U1đm.I1đm Ngồi ra trên biển máy cịn ghi tần số định mức f đm, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc, 2.1.6. Các loại máy biến áp chính. * Cĩ rất nhiều loại máy biến áp cụ thể như sau: Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối cơng suất trong hệ thống điện. Máy biến áp chuyên dùng sử dụng ở các lị luyện kim, chỉnh lưu, máy biến áp hàn Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ khơng đồng bộ cĩ cơng suất lớn. Máy biến áp đo lường để giảm điện áp và dịng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn. Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao. 2. 2. CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA Máy biến áp một pha cĩ hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. 2.2.1. Lõi thép máy biến áp: (Mạch từ) Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt. Để giảm dịng điện xốy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt cĩ sơn cách điện) ghép lại với nhau tạo lõi thép. Lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gơng + Trụ là nơi để đặt dây quấn. + Gơng là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. + Giữa các trụ và gơng tạo thành mạch từ khép kín. - Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ U và chữ E). 24
  25. + Máy biến áp kiểu trụ là phần dây quấn bao quanh trụ thép (loại mba kiểu trụ thưịng dùng trong mba một pha và b3 pha cơng suất nhỏ và trung bình) + Máy biến áp kiểu bọc là phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao lấy dây quấn. (thường là mba nhỏ và đặc biệt) Hình a Hình b Mạch từ Máy Biến Áp kiểu lõi a) 1pha; b) 3 pha. 2.2.2. Dây quấn máy biến áp - Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dây mềm, cĩ độ bền cơ học cao, khĩ đứt, dẫn điện tốt, cĩ tiết diện trịn hoặc chữ nhật, bên ngồi dây dẫn cĩ bọc cách điện. - Dây quấn gồm nhiều vịng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vịng dây, giữa các dây quấn cĩ cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép Máy biến áp thường cĩ các loại dây quấn sau: + Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. + Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp. + Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp. + Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp. (Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngồi. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm được kích thước máy biến áp. Ngồi hai bộ phận chính trên cịn cĩ các phụ kiện khác như võ máy, vật liệu cách điện vv. Vỏ máy thường làm bằng kim loại để bảo vệ, cố định máy và làm giá lắp đồng hồ đo, bộ phận chuyển mạch Vật liệu cách điện của máy biến áp làm nhiệm vụ cách điện giữa các vịng dây với nhau, giữa dây quấn và lõi thép, giữa phần dẫn điện và phần khơng dẫn điện. (tuổi thọ máy biến áp phụ thuộc nhiều vào vật liệu cách điện. nếu cách điện khơng tốt sẽ gây sự cố cho máy biến áp, nhưng nếu cách điện quá mức sẽ tăng kích thước và tăng giá thành) Vật liệu cách điện trong máy biến áp cơng suất nhỏ gồm: giấy cách điện, vải thuỷ tinh, sơn cách điện. Với máy lớn dùng dầu cách điện 3.3: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3.1: Nguyên lý làm việc Xét sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như hình vẽ: (1) Cuộn sơ cấp (w1vịng). (2) Cuộn thứ cấp (w2 vịng). (3) Lõi thép. 25
  26. (4) Phụ tải 4 2 1 3 * Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: - Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp u 1 sẽ cĩ dịng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1. - Dịng điện i1 sinh ra từ thơng biến thiên trong lõi thép do mạch từ khép kín nên từ thơng này mĩc vịng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. - Theo định luật cảm ứng điện từ thì sự biến thiên của từ thơng làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp suất điện động là: d e1= -w1 (1) dt d e2= -w2 (2) dt - Dây quấn thứ cấp nối với tải cĩ tổng trở z t. Dưới tác động của suất điện động e 2 cảm ứng tỉ lệ với số vịng dây w2 sẽ sinh ra dịng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Lúc đĩ từ thơng do cả hai dịng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra. Như vậy điện áp xoay chiều đã được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. - Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin nên từ thơng cũng biến thiên theo hình sin:  = maxsint; =2 f. Thì suất điện động trong các dây quấn sơ cấp (1) và dây quấn thứ cấp(2)là: d max sint e1 = -w1 = - w1maxcost dt =2 fw1maxsin(t- /2) = = 4,44fw1max 2 sin(t- /2) = 2 E1sin(t- /2) (3) d max sint e2 = -w2 = - w2maxcost = 2 fw2maxsin(t- /2) = dt = 4,44fw2max 2 sin(t- /2) = 2 E2sin(t- /2) (4) Trong đĩ: E1 = fw2 1max=4.44fw1max E2 = fw2 2max=4.44fw2max (là giá trị hiệu dụng của các suất điện động dây quấn (1) và (2)). 26
  27. Nhận xét: Từ (3) và (4) ta thấy sức điện động thứ cấp cùng tần số với sơ cấp nhưng trị số hiệu dụng khác nhau. Tỉ lệ với số vịng dây. 3.3.2. Tỉ số máy biến áp * Nếu chia E1 cho E2 ta cĩ: E w u k = 1 = 1 1 E2 w2 u2 (nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì cĩ thể coi U1 E1; U2 E2) k gọi là hệ số biến đổi của máy biến áp, nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp đúng bằng tỉ lệ số vịng dây sơ cấp và thứ cấp. Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, cĩ thể coi gần đúng, quan hệ giữa các lượng sơ cấpvà thứ cấp như sau: U2I2 ≈ U1I1 U I hoặc ≈ 1 2 U 2 I1 Trường hợp: k>1 tức U1> U2 hay w1> w2 máy biến áp giảm áp k<1 tức U1< U2 hay w1< w2 máy biến áp tăng áp Như vậy dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp khơng liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ cĩ sự liên hệ về từ mà năng lượng được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. 4.4. CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 4.1.1. Trạng thái khơng tải. Trạng thái khơng tải là trạng thái mà phía thứ cấp hở mạch cịn phía sơ cấp đặt vào điện áp định mức. a. Sơ đồ thay thế của máy biến áp khơng tải In Rn Xn Với R1, Rth là điện trở cuộn dây và mạch từ. X1, Xth là điện kháng cuộn dây và mạch từ. U1 Rth U1 là điện áp sơ cấp I0 là dịng điện khơng tải. Xth Khi khơng tải ta cĩ dịng điện thứ cấp bằng khơng I2=0 b. Các đặc điểm của trạng thái khơng tải. Sơ đồ thay thế của MBA khơng tải U1 U1 - Dịng điện khơng tải: I 0 Z 2 2 0 (R1 Rth ) (X 1 X th ) Tổng trở khơng tải Z 0 thường rất lớn, nên dịng điện khơng I 0 rất nhỏ thường từ (2%- 10%) dịng điện định mức, nên tổn thất trên dây quấn khi khơng tải rất nhỏ cĩ thể bỏ qua. - Cơng suất khơng tải: Ở trạng thái khơng tải cơng suất đưa ra phía thứ cấp bằng khơng (vì I2=0), song máy vẫn tiêu thụ cơng suất P 0. Cơng suất khơng tải gồm cơng suất tổn hao sắt từ P st trong lõi thép và cơng suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp PR1. vì dịng điện khơng tải I0 rất nhỏ cĩ thể bỏ qua tức là PR1 0. Vậy cơng suất khơng tải chính là cơng suất tổn hao trên lõi thép P0= Pst. (tổn thất sắt từ được tính dựa vào đặc tính của thép - Hệ số cơng suất khơng tải Cơng suất phản kháng khơng tải Q0 rất lớn so với cơng suất tác dụng khơng tải P 0. hệ số cơng suất cos lúc khơng tải rất thấp. 27
  28. * Từ các đặc điểm trên, khi sử dụng khơng nên để máy biến áp làm việc ở trạng thái khơng tải hoặc non tải. c. Thí nghiệm khơng tải của máy biến áp. I A 0 U1 V V U02 P W 0 * * Sơ đồ thí nghiệm máy biến áp khơng tải Để xác định các thơng số như hệ số biến áp k, tổn thất sắt từ và các thơng số của máy biến áp ở trạng thái khơng tải ta tiến hành thí nghiệm khơng tải như sơ đồ trên. Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên, đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho biết các số liệu sau: + Oát kế chỉ cơng suất khơng tải P0= Pst. + Ampe kế chỉ dịng điện khơng tải I0. + Vơn kế cho giá trị U1, U20 điện áp sơ cấp và điện áp khơng tải thứ cấp. Từ các số liệu trên ta tính được: U W + Hệ số biến áp k. 1 1 U 20 W2 I 0 + Dịng điện khơng tải phần trăm I0%= x100% I1dm P0 + Điện trở khơng tải R0 2 . I 0 U1dm + Tổng trở khơng tải Z 0 I 0 2 2 + Điện kháng khơng tải X 0 Z 0 R0 P0 + Hệ số cơng suất khơng tải cos 0 =(0,1-0,3) U1dm .I 0 4.1.2. Trạng thái ngắn mạch của máy biến áp Trạng thái ngắn mạch là trạng thái khi đặt điện áp vào sơ cấp mà phía thứ cấp được nối tắt lại (đây là trường hợp sự cố. trong vận hành do nhiều nguyên nhân làm MBA bị ngắn mạch như hai đầu dây dẫn điện phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau qua một tổng trở rất nhỏ). a. Sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch Với Rn, là điện trở ngắn mạch. In Rn Xn Xn, là điện kháng ngắn mạch. Zn là tổng trở ngắn mạch U1 In là dịng điện ngắn mạch. Dịng điện sơ cấp là dịng điện ngắn mạch In. Sơ đồ thay thế của MBA ngắn mạch b. Đặc điểm của trạng thái ngắn mạch. Khi đặt điện áp định mức vào sơ cấp, phía thứ cấp được nối tắt ta cĩ dịng điện ngắn U1dm mạch là I n . Z n Vì tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dịng điện ngắn mạch rất lớn từ I n=(10-25)Iđm, dịng điện lớn làm hỏng cách điện gấy hỏng máy biến áp và ảnh hưởng đến các đồ dùng điện. 28
  29. (Khi phát hiện sự cố hay ngắn mạch cần phải loại máy biến áp ra khỏi lưới điện Khi sử dụng máy biến áp cần tránh trạng thái ngắn mạch ) c. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp In biến áp điều chỉnh A điện áp Un V A P W n * * Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và xác định các thơng số sơ cấp và thứ cấp ta tiến hành thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp. Cách tiến hành: Đấu nối thiết bị như sơ đồ trên. - Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp (máy biến áp tự ngẫu), Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch. Qua bộ điều chỉnh điện áp ta điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng điện áp U n sao cho dịng điện trong dây quấn bằng dịng điện định mức (tức I2=I2dm). Un gọi là điện áp ngắn mạch, được tính theo phần trăm của điện áp sơ cấp định mức: U n UN%=.100% 3% 10% . U1dm - Lúc ngắn mạch điện áp thứ cấp U2=0, do đĩ điện áp ngắn mạch là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn hay điện áp đọc được trên vơnmet chính là tổn thất điện áp khi máy biến áp mang tải định mức. - Cơng suất đo được trên ốtmét W chính là tổn thất đồng trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi máy biến áp mang tải định mức (Pn). Do điện áp đặt vào sơ cấp nhỏ nên tổn hao sắt từ nhỏ cĩ thể bỏ qua và Pn= Pđ1+ Pđ2. Tù thí nghiệm ta tính được các thơng số dây quấn trong sơ đồ thay thế. U n - Tổng trở ngắn mạch: Z n I1dm U n - Điện trở ngắn mạch: Rn 2 I1dm 2 2 - Điện kháng ngắn mạch: X n Z n Rn Để tính thơng số dây quấn của máy biến áp, thường dùng các cơng thức gần đúng sau: ' Rn ' X n ' ' R1 R 2 , X1 X 2 với R 2, X 2 là điện trở và điện kháng thứ cấp qui đổi sang sơ cấp. 2 2 ' ' R2 X 2 Biết hệ số biến áp k, tính được thơng số thứ cấp chưa qui đổi R2 , X2 2 2 4.1.3. Trạng thái cĩ tải của máy biến áp Trạng thái cĩ tải là trạng thái trong đĩ dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải. Để đánh giá mức độ mang tải của máy biến áp, ta cĩ hệ số tải của máy biến áp là: I 2 I1 kt= trong đĩ: I1 là dịng điện sơ cấp I 2dm I1dm I1dm là dịng điện sơ cấp định mức kt là hệ số tải. 29
  30. Khi kt=1 máy biến áp mang tải định mức. Khi kt 1 máy biến áp quá tải. - Tổn hao điện áp: Điện áp thứ cấp khi cĩ tải là U2, điện áp thứ cấp khi khơng tải là U20. Lượng tổn thất điện áp là U=U20-U2 hay(=U2dm-U2) Tổn thất điện áp tính theo phần trăm %. U U U U U%=20 2 .100% hay U%= 2dm 2 .100% U 20 U 2dm - Tổn hao cơng suất: Khi máy biến áp làm việc cĩ các tổn hao sau: + Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng P đ. Tổn hao 2 2 đồng phụ thuộc vào dịng điện tải P đ=I1 .R1+I2 .R2 (với R1,R2 là điện trở dây quấn sơ cấp 2 và thứ cấp) hay Pđ=kt . Pn + Tổn hao sắt P st trong lõi thép, do dịng điện xốy và từ trể gây ra. Tổn hao sắt từ khơng phụ thuộc vào dịng điện tải mà phụ thuộc vào từ thơng chính nghĩa là phụ thuộc vào điện áp Pst=P0 (Tổn hao sắt bằng tổn hao khơng tải) + Hiệu suất máy biến áp là P2 P2  (với P2 là cơng suất tác dụng ở đầu ra) P1 P2 Pst Pd 4.5. MÁY BIẾN ÁP BA PHA 4.5.1. Cấu tạo. Cấu tạo gồm các bộ phận chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy - Lõi thép máy biến áp ba pha gồm ba trụ - Dây quấn: Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa Pha A kí hiệu là AX, kí hiệu đầu đầu là A,B,C Pha B kí hiệu là BX, kí hiệu đầu cuối là X,Y,Z Pha C kí hiệu là CX Dây quấn thứ cấp kí hiệu bằng chũ thường. Lõi thép máy biến áp ba pha Pha a kí hiệu là ax, kí hiệu đầu đầu là a,b,c Pha b kí hiệu là bx, kí hiệu đầu cuối là x,y,z. Pha c kí hiệu là cx Dây quấn sơ cấp và thứ cấp cĩ thể nối sao hoặc nối tam giác A B C x y z w2 w1 Z X Y a b c - Khi nối sao  điện áp sẽ giảm đi 3 lần, giảm chi phí về cách điện. - Khi nối tam giác dịng điện sẽ giảm đi 3 lần, giảm tiết diện dây. - Với máy biến áp tăng áp thường được nối sao-tam giác / . - Với máy biến áp giảm áp thường được nối sao-tam giác /. 30
  31. -Thùng dầu máy biến áp với các máy biến áp dầu, thùng dầu của máy biến áp làm cho quá trình toả nhiệt được thuận lợi, với các máy lớn các thùng dầu cĩ cánh tản nhiệt. -Trên nắp thùng dầu máy biến áp cĩ gắn sứ cao áp và hạ áp, bình dầu phụ, ống bảo hiểm, rơle hơi, bộ điều chỉnh điện áp 4.5.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha tương tự như nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha. Gọi w1 là số vịng dây pha một pha sơ cấp Gọi w2 là số vịng dây một pha thứ cấp U w Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là k p1 1 U p2 w2 Tỷ số máy biến áp ba pha khơng chỉ phụ thuộc vào số vịng dây mà cịn phụ thuộc vào cách đấu nối ba pha là nối sao  hay tam giác . U 3U w Ví dụ: Khi nối / ta cĩ: k d1 p1 1 U d 2 3U p2 w2 U 3U w Khi nối / ta cĩ: k d1 p1 3 1 U d 2 U p2 w2 U U 1 w Khi nối / ta cĩ: k d1 p1 1 U d 2 3U p2 3 w2 * Chú ý: Khi sử dụng máy biến áp ba pha thì đại lượng điện áo, dịng điện ghi trên nhãn máy là điện áp dây, dịng điện dây, cơng suất định mức, tổn hao khơng tải là các đại lượng viết cho ba pha. 4.5.3. Tổ nối dây của máy biến áp ba pha. Khái niệm chung Để các MBA ba pha cĩ thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với nhau theo một quy luật nhất định. Ngồi ra, việc phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu dây quấn thứ cấp cũng được hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa khi thiết kế MBA, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiểu kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng khơng tốt như Sđđ khơng sin, tổn hao phụ tăng, - Để nghiên cứu tổ nối dây MBA, trước hết ta xét đến ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây quấn pha với nhau. a. Cách ký hiệu các đầu dây. - Một cuộn dây của máy biến áp cĩ hai đầu tận cùng: Đầu đầu; đầu cuối. Đối với dây quấn MBA một pha: do phía cao áp và hạ áp chỉ cĩ một cuộn dây nên đầu đầu hoặc đầu cuối tuỳ ý chọn. Đối với dây quấn MBA ba pha: do phía cao áp cĩ ba cuộn dây của ba pha nên ta phải chọn đầu đầu và đầu cuối 1 cách thống nhất theo một chiều nhất định, nếu khơng điện áp ra của ba pha sẽ khơng đối xứng. Ví dụ: Pha A ta chọn đầu đầu là đầu A và đầu cuối là X sao cho đi từ A đến X theo chiều kim đồng hồ thì dây quấn các pha B, C cịn lại cũng phải được chọn như vậy. 31
  32. Đánh dấu đầu dây MBA Đánh dấu các đầu dây tận cùng của máy biến áp như sau: Các đầu tận cùng Dây quấn cao áp Dây quấn hạ áp Đầu đầu A, B, C a, b, c Đầu cuối X, Y, Z x, y, z b. Các kiểu đấu dây quấn. Trong máy biến áp ba pha các cuộn dây cĩ thể nối hình sao hay nối hình tam giác. - Nối hình sao () là đem ba đầu cuối X, Y, Z nối chung lại và ba đầu đầu A, B, C cịn lại để tự do. - Nối hình tam giác ( ) thì cuối của pha này đước nối với đầu của pha kia Cách đấu dây quấn cao áp và hạ áp ở trong MBA thường được ký hiệu như sau: Ví dụ MBA đấu / cĩ nghĩa là dây quấn cao áp đấu  và dây quấn hạ áp đấu c. Tổ nối dây của máy biến áp - Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp. Nĩ biểu thị gĩc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và dây thứ cấp và gĩc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Chiều quấn dây + Cách ký hiệu các đầu dây ra + Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp. * Xét MBA một pha cĩ hai dây quấn: sơ cấp: AX; thứ cấp: ax. Các trường hợp xảy ra như sau: + Hai dây quấn cùng chiều và ký hiệu tương ứng (hình a) + Hai dây quấn ngược chiều (hình b) 32
  33. + Đổi chiều ký hiệu một trong hai dây quấn (hình c) Tổ nối dây của MBA 1 pha: kể từ vectơ sđđ sơ cấp đến véctơ sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ. + Trường hợp a: lệch pha 3600 + Trường hợp b: lệch pha 1800 * Tổ nối dây của MBA 3 pha: Ở máy biến áp 3 pha, do nối  và với những thứ tự khác nhau mà gĩc lệch pha giữa s.đ.đ sơ cấp và s.đ.đ thứ cấp lệch pha nhau là 300, 600, 900 3600. - Trong thực tế dùng kim đồng hồ để biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách biểu thị như sau: +Kim dài cố định ở con số 12, chỉ s.đ.đ sơ cấp. 0 0 0 0 +Kim ngắn chỉ 1,2,3, 12 ứng với 30 , 60 , 90 360 chỉ s.đ.đ thứ cấp. Trường hợp máy biến áp một pha: + Trường hợp a: I/I-12. + Trường hợp b, c: I/I-6. Trường hợp máy biến áp ba pha cĩ 12 tổ nối dây: + Máy biến áp ba pha nối Y/Y: Ví dụ một MBA ba pha cĩ dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây thì véctơ s.đ.đ pha giữa hai dây quấn hồn tồn trùng pha nhau và gĩc lệch pha giữa hai điện áp này là 360 0 hay O0 ta nĩi MBA thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. Để nguyên dây quân sơ cấp, dịch dây quấn thứ a→b, b→c, c→a, ta cĩ tổ nối dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta cĩ tổ nối dây Y/Y-8. Nếu ta đổi chiều dây quấn ta cĩ tổ đấu dây Y/Y-6,10,2. Ta cĩ tổ nối dây chẵn 33
  34. + Máy biến áp ba pha nối Y/Δ: Ví dụ cũng MBA ba pha cĩ dây quấn sơ cấp nối sao và dây quấn thứ cấp nối tam giác, cùng chiều dây quấn và cùng ký hiệu các đầu dây thì véctơ s.đ.đ pha giữa hai dây quấn hồn tồn trùng nhau và gĩc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 330 0. Ta nĩi MBA thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu Y/Δ-11. Để nguyên dây quân sơ cấp, dịch dây quấn thứ a→b, b→c, c→a, ta cĩ tổ nối dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta cĩ tổ nối dây Y/Δ-7. Nếu ta đổi chiều dây quấn ta cĩ tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1. Ta cĩ tổ nối dây lẽ. EAB B Eab E Z AB Y C X A 0 bz cx 360 Eab ay Tổ nối dây Y/Δ-11 Sản xuất nhiều máy biến áp cĩ tổ nối dây khác nhau rất bất tiện khi chế tạo và sử dụng, vì thế trên thực tế ở nước ta cũng như trên thế giới chỉ sản xuất các máy biến áp điện lực thuộc các tổ nối dây sau: Máy biến áp một pha cĩ tổ I/I-12; máy biến áp ba pha cĩ các tổ Y/Y-12 và Y/Δ-11. Phạm vi ứng dụng của chúng được ghi trong bảng dưới đây: Điện áp Dung lượng của Tổ nối dây CA(kV) HA(V) MBA (kVA) Y/Y-12 ≤ 35 230 ≤630 Y/Δ-11 ≤ 35 400 ≤2500 525 ≤2500 Y/Δ-11 ≥110 ≥315 ≥4000 4. 6 : ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP BA PHA 4.6.1. Lý do nối máy biến áp làm việc song song. - Cơng suất lưới điện lớn hơn nhiều cơng suất của mỗi máy, (nếu máy biến áp với dung lượng quá lớn thì việc chế tạo, vận chuyển gặp nhiều khĩ khăn). 34
  35. - Tăng thêm độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải khi xảy ra sự cố hỏng hĩc, hoặc bảo dưỡng máy biến áp. - Vận hành các máy biến áp một cách kinh tê nhất. 4.6.2. Điều kiện máy biến áp làm việc song song. - Muốn cho các máy biến áp làm việc song song tốt nhất cần bảo đảm các điều kiện sau: + Cùng tổ nối dây. + Cùng tỉ số máy biến áp. + Cùng điện áp ngắn mạch. - Ta đi vào xét ảnh hưởng riêng rẽ của từng điều kiện kể trên với sự làm việc song song của các máy biến áp. a. Điều kiện cùng tổ nối dây. - Các máy biến áp làm việc song song phải cùng tổ nối dây nhằm đảm bảo điện áp thứ cấp sẽ cùng pha nhau. - Nếu khác tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau, sự lệch pha này phụ thuộc tổ nối dây. Ví dụ: Nối hai máy biến áp làm việc song song: Máy I cĩ tổ nối dây Y/ -11 và máy II tổ nối dây Y/Y-12. Thì điện áp thứ cấp của hai máy biến áp sẽ lệch pha nhau 300. U U2I 2II Trong mạch nối liền các dây quấn thú cấp sẽ xuất hiện một dịng điện Icb chạy quẩn trong máy biến áp làm phá hỏng máy biến áp. * Chú ý: Để đảm bảo điều kiện này cĩ thể đổi ký hiệu của hai hoặc đấu lại các đầu dây của máy biến áp thì ta cĩ thể biến các máy biến áp khơng cùng tổ nối dây trở thành cĩ tổ nối dây giống nhau và cĩ thể làm việc song song được. b. Cùng tỉ số máy biến áp. kI = kII + kI: Hệ số máy biến áp I. + Hệ số máy biến áp II. - Cĩ nghĩa là: U2I = U2II Trong đĩ: + U1I, U1II: Điện áp sơ cấp định mức tương ứng của các máy I, máy II + U2I, U2II: Điện áp thứ cấp định mức tương ứng của các máy I, máy II - Trong thực tế cho phép hệ số máy biến áp khác nhau khơng quá 0,5% c. Điện áp ngắn mạch các máy biến áp bằng nhau. UnI% = UnII% Trong đĩ: + UnI% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy I. + UnII% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy II - Cần đảm bảo điều kiện này để tải phân bố trên các máy tỉ lệ với cơng suất của chúng. - Nếu điều kiên 3 khơng được bảo đảm ví dụ: U nI% < UnII% thì máy I nhận tải định mức máy II cịn non tải. Thật vậy: + Dịng điện máy I đạt định mức IIđm thì điện áp rơi trên máy I là I1đmznI; 35
  36. + Dịng điện trong máy II là III thì điện áp rơi trong máy II là: IIIznII. Vì hai máy làm việc song song nên điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau. Ta cĩ: I1đmznI = IIIznII.(1) Mặt khác: UnI% < UnII%. Do đĩ: I1đmznI < IIIđmznII (2) (1), (2) Suy ra: IIIznII< IIIđmznII hay III< IIIđm. Dịng trong máy II nhỏ hơn định mức vậy máy II cịn non tải trong khi máy I đã định mức. - Nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải. * Chú ý: - Un% xác định từ thí nghiệm ngắn mạch MBA và thường được cho kèm theo - Un của các MBA khơng được khác nhau quá 10% và tỷ lệ dung lượng máy vào khoảng 3:1 4. 7. CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 4.7.1. Máy biến áp tự ngẫu. - Trong trường hợp điện áp của các lưới điện khác nhau khơng nhiều, tức là tỉ số biến đổi điện áp nhỏ để được kinh tế hơn về chế tạo người ta thường dùng các máy biến áp tự ngẫu. a. Cấu tạo: Cấu tạo giống máy biến áp thong thườn gồm mạch từ và dây quấn. Là loại máy biến áp trong đĩ cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng chung một cuộn dây. Hình bên. A U1˜ W1 a W2 U1˜ Zt X - Cuộn sơ cấp AX cĩ số vịng W1. - Cuộn thứ cấp aX cĩ số vịng W2. - Cuộn sơ cấp và thứ cấp lien hệ trực tiếp về điện. Ngồi ra, cũng như các máy biến áp khác liên hệ trực tiếp nhau về từ. - Cuộn sơ cấp nối song song với nguồn, cuộn thứ cấp nối tiếp với tải. - Tỉ số máy biến áp tự ngẫu. -K <2,5 dùng để nối các lưới điện khác nhau khơng nhiều. b.Cơng dụng của máy biến áp tự ngẫu + Dùng để liên lạc giữa các hệ thống điện cĩ điện áp khác nhau khơng nhiều. + Dùng để mở máy các động cơ KĐB cơng suất lớn. + Dùng làm nguồn các thiết bị điện sinh hoạt. + Dùng ở các phịng thí nghiệm để cĩ thể thay đổi điện áp liên tục. c.Ưu nhược điểm. - Ưu điểm: + Giá thành rẻ hơn máy biến áp hai dây quấn cùng cơng suất. + Tổn hao lúc vận hành MBA tự ngẫu nhỏ. + Un của máy biến áp tự ngẫu nhỏ. 36
  37. + Sụt áp trong MBA TN nhỏ. - Nhược điểm: + Un nhỏ In lớn. + Khi vận hành trong lưới điện trung tính khơng an tồn. + Yêu cầu cách điện cao. 4.7.2. Máy biến áp đo lường. a. Máy biến điện áp. - Dùng để biến đổi điện áp cao điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển (1÷100V) - Máy biến điện áp thường cĩ cơng suất 251000VA. Cấu tạo: Máy biến điện áp cĩ cấu tạo gồm 1 mạch từ bằng thép lá kỹ thuật điện trên mạch từ cĩ quấn dây. - Dây quấn sơ cấp W1 gồm nhiều vịng dây cĩ tiết diện dây nhỏ được mắc song song với nguồn điện áp cần đo. - Dây quấn thứ cấp W 2 gồm ít vịng hơn được nối với các dụng cụ đo như vơnkế, tần số kế hoặc các cuộn dây rơle. U W Tỉ số biến áp của máy: k = 1 1 U 2 W2 - Các máy biến điện áp thường chế tạo cơng suất từ (25 ÷ 1000)VA, điện áp thứ cấp phù hợp với dụng cụ đo tiêu chuẩn (1 ÷ 100)V. Nguyên lý làm việc Máy biến áp đo lường nguyên lý giống các máy biến áp thơng thường nhưng chỉ khác là người ta quy ước chế tạo điện áp ra thứ cấp là 100V. - Các dụng cụ đo như (V), (Hz), cuộn áp của một số đồng hồ khác mắc vào cuộn thứ cấp của máy biến điện áp, mà tổng trở các dụng cụ này rất lớn nên máy biến điện áp chế tạo ở trạng thái làm việc khơng tải. Vì vậy, trong quá trình sử dụng khơng được nối ngắn mạch thứ cấp nĩ sẽ làm cho dịng điện sơ cấp rất lớn gây nên sự cố ngắn mạch. b. Máy biến dịng điện. - Máy biến dịng để biến đổi dịng điện cĩ giá trị lớn xuống dịng nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo thơng dụng hoặc dùng cho cuộn dây của rơle dịng (như các đồng hồ ampe kế (A); đồng hồ Oátkế (W); đồng hồ cơng tơ (KWh) hoặc một số rơle dịng dùng để bảo vệ). Cấu tạo: - Gồm mạch từ bằng thép kỹ thuật điện cách điện lại với nhau thành hình xuyến hoặc hình chữ nhật cĩ hai cuộn dây. 37
  38. + Dây sơ cấp: Cĩ ít vịng dây, đường kính dây lớn, cuộn sơ cấp được mắc nối tiếp với mạch cần đo dịng. + Cuộn thứ cấp: Gồm nhiều vịng dây, đường kính dây bé hơn, để thuận tiện người ta thường chế tạo cuộn thứ cấp cĩ dịng điện là 5A. Cuộn thứ cấp được nối tiếp với các dụng cụ đo như Ampe kế, cuộn dịng của ốtkế, hay cơng tơ, Ký hiệu: Nguyên lý Máy biến dịng làm việc theo nguyên tắc biến áp và chế độ làm việc bình thường của máy biến dịng là ngắn mạch thứ cấp hoặc tải thứ cấp cĩ điện trở rất nhỏ ≈ 0. I W - Tỉ số biến áp k = 1 1 I 2 W2 - Vì tổng trở của các dụng cụ đo như Ampe (A), cuộn dịng của (W), KWh rất bé nên máy biến dịng được chế tạo để làm việc ở trạng thái như ngắn mạch. Do đĩ khi sử dụng khơng được để thứ cấp hở mạch vì khi đĩ I 2 = 0, dịng điện từ hố sẽ rất lớn, mạch từ bão hồ nghiêm trọng làm nĩng máy, sẽ làm cháy dây quấn. Mà cuộn thứ cấp rất nhiều vịng nên xuất hiện những xung điện áp lớn, gây nguy hiểm cho người sử dụng. Như vậy, khi sử dụng máy biến dịng tuyệt đối khơng được để thứ cấp hở mạch. - Các máy biến dịng thường chế tạo với cơng suất từ (5 ÷100)VA. - Hệ số biến dịng ghi trên nhãn là trị số dịng điện sơ cấp định mức trên trị số dịng điện thứ cấp định mức. 100 200 300 Ví dụ: ; ; , 5 5 5 4.7.3. MẠY BIÃÚN ẠP HAÌN HÄƯ QUANG - Máy biến áp hàn dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang. Máy được chế tạo cĩ điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngồi K để hạn chế dịng điện hàn. Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng K rồi nối tới que hàn, cịn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn. - Máy biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch. Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp hàn thường 60-70V. + Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ cĩ dịng điện lớn chạy qua làm nĩng chỗ tiếp xúc. + Khi nhấc que hàn cách tấm kim loại một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hố chất khí, sinh hồ quang và toả nhiệt lượng lớn làm nĩng chảy chỗ hàn. Để điều chỉnh dịng điện hàn, cĩ thể thay đổi số vịng dây của dây quấn thứ máy biến áp hàn hoặc thay đổi điện kháng ngồi bằng cách thay đổi khe hở khơng khí của lõi thép K. 38
  39. Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang. CÂU HỎI ƠN TẬP 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp. 2. Thí nghiệm khơng tải và thí nghiệm ngắn mạch. 3. Cách xác định thơng số máy biến áp bằng số liệu thí nghiệm. MỘT SỐ BÀI TẬP MẪU Bài 1: Máy biến áp một pha mạch từ lõi thép. Cuộn cao áp cĩ W ca = 296 vịng, điện áp định mức cuộn cao áp Uca = 220V, điện áp định mức cuộn hạ áp U ha = 110V. Tính số vịng dây cuộn hạ áp. Bài giải Số vịng dây cuộn hạ áp U ha 110 Wha = Wca = 296. = 148 vịng. 220 U ca Bài 2: Thơng số của Máy biến áp một pha: Sđm= 25kVA; U1đm = 380V; U2đm = 127V, điện áp ngắn mạch phần trăm un %= 4% a) Tính dịng điện định mức. b) Tính dịng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức và 70% định mức vào cuộn cao áp, cuộn hạ áp ngắn mạch. c) Tính dịng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức vào cuộn hạ pá, cuộn cao áp ngắn mạch. Bài giải a) Dịng điện định mức trong hai dây quấn: 3 S dm 25.10 I1đm = = =65,79A U1dm 380 3 S dm 25.10 I2đm = = =196,85A U 2dm 127 b) Khi đặt điện áp định mức 380V vào cuộn cao áp, cuộn hạ áp ngắn mạch. Gọi U1n là điện áp ngắn mạch khi thí nghiệm với dịng điện định mức Dịng điện ngắn mạch ở cuộn sơ cấp khi đặt điện áp định mức vào cuộn sơ cấp là : I I U U1dm 1dm 1dm 1n I1n = I1đm = = (trong đĩ Un = ) U U U U1n 1n n 1dm U1dm Dịng điện ngắn mạch trong cuộn thứ cấp w1 w1 I1dm I 2dm I2n = I1n = = w2 w2 U n U n Tổng quát ta cĩ: 39
  40. I dm In = (1) U n Thay số vào ta cĩ: Khi đặt điện áp định mức: I1dm 65,79 I1n = = =1644,75A U n 0,04 I 2dm 196,85 I2n = = =4927A U n 0,04 Khi đặt điện áp 70% định mức 70 I1n = 1644,75 =1151,32A 100 70 I2n = 4927 =3448,9A 100 c) Khi đặt điện áp định mức 127V vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch. Áp dụng cơng thức (1) ta được kết quả như trên nghĩa là dịng điện ngắn mạch trong mỗi dây quấn vẫn khơng đổi dù ngắn mạch ở phía nào. I dm Từ cơng thức (1): In = cho thấy rằng, máy biến áp cĩ un nhỏ, dịng điện ngắn mạch lớn, U n với un = 0,04 dịng điện ngắn mạch lớn hơn dịng điện định mức là 25lần. Bài 3: Máy biến áp một pha Sđm= 2500VA; U1đm = 220V; U2đm = 127V. Thí nghiệm khơng tải: U10 = 220V; I10 = 1,4A; P10 = 30W. Thí nghiệm ngắn mạch: I 1n = I1đm = 11,35A; U1n = 8,8V; P1n = 80W. a) Tính các thơng số sơ đồ thay thế. b) Khi tải R, L cĩ cos t = 0,8. Xác định hiệu suất và điện áp thứ cấp khi hệ số tải k1 =1 ; 0,5 Bài giải a) + Điện trở nhánh từ hĩa P10 30 Rth = 2 2 = 15,3  I 10 1,4 + Tổng trở nhánh từ hĩa: U10 220 Zth = = 157  I10 1,4 + Điện kháng nhánh từ hĩa 2 2 2 2 Xth = Z th R th 157 15,3 = 156,25  + Điện trở ngắn mạch ’ P1n 80 Rn = R1 + R 2 = 2 = 2 = 0,621 I 1n (11,35) + Tổng trở ngắn mạch U 8,8 Zn = 1n = = 0,775 I1n 11,35 + Điện kháng ngắn mạch 2 2 2 2 Xn = Z n R n 0,775 0,621 = 0,46  ’ ’ + Coi R1  R 2 , X1  X 2 40
  41. ’ Rn R1 = R 2 = = 0,31 2 ’ X n X1 = X 2 = = 0,23 2 w U 220 Hệ số biến áp k = 1 1dm = 1,73 w2 U 2dm 127 Thơng số dây quấn thứ cấp chưa quy đổi ' R 2 0,31 R2 = = = 0,1 k 2 1,732 ' X 2 0,23 X2 = = = 0,077 k 2 1,732 b) Hiệu suất máy biến áp khi định mức S cos 2500.0,8  = dm t = = 0,948 S dm cos t P0 Pn 2500.0,8 30 80 + Khi hệ số tải kt = 0,5 kt S dm cos t 0,5.2500.0,8  = 2 = 2 = 0,952 kt S dm cos t P0 k Pn 0,5.2500.0,8 30 0,5 .80 8,8 Un% = 100% 4% 220 Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm U2% = kt(UnR%cos t + UnX%sin t) Trong đĩ UnR% = UnR%cos n = 4%.0,8 = 3,2% UnX% = UnX%sin n = 4%.0,6 = 2,4% P1n 80 cos n = 0,8 U1n I1n 8,8.11,35 2 sin n = 1 cos n =0,6 Thay số +Khi kt = 1; cos n = 0,8 ; sin n = 0,6 U2% = 1(3,2%.0,8 + 2,4%.0,6) = 4% 4 U2 = 4%U2dm = .127 5,1V 100 U2 = U2dm - U2 = 127 – 5,1 = 121,9V +Khi kt = 0,5; cos n = 0,8 ; sin n = 0,6 U2% = 0,5(3,2%.0,8 + 2,4%.0,6) = 2% 2 U2 = 2%U2dm = .127 2,55V 100 U2 = U2dm - U2 = 127 – 2,55 = 124,45V BÀI TẬP HỌC SINH TỰ LÀM Bài 1: Máy biến áp một pha S đm=150KVA; U1đm = 2400V; U2đm = 240V. R1= 0,2; X1 = 0,45; R2= 2m; X2 = 4,5m; a) Tính Rn, Xn, I1dm, I2dm b) Tính Pn, Po biết rằng khi cos t = 0,8, hệ số tải Kt = 1, hiệu suất  = 0,982. Bài 2: 41
  42. Một máy biến áp ba pha 11000/415V Biết điện áp mỗi vịng dây 4V Tính số vịng sơ cấp và thứ cấp trong các trường hợp: a) Nối Y/Y b) Nối /Y Bài 3: Máy biến áp ba pha Sdm = 160kVA; U1dm = 15kV; U2dm = 400V; P0 = 460W; Pn = 2350W; ’ ’ Y/Y – 12. Cho biết Coi R1  R 2 , X1  X 2 a) Tính I1dm, Rn, R1, R2, X1, X2 b) Tính hiệu suất  khi kt = 1, cos t = 0,8. CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Câu 1: Máy biến áp một pha 150kVA; U2đm = 2410V, R1 = 0,2; R2 = 2m; X1 = W1 0,45; X2 = 4,5m; . 10 W2 1) Tính điện áp sơ cấp U1 khi U2 = 230V; I2 = I2đm; cos 1 = 0,8 (cĩ tính cảm). đáp số nào sau đây đúng? a) U1 = 2300V; b) U1 = 2350V; c) U1 = 2600V. 2) Giữ điện áp sơ cấp U1 khơng đổi, giảm số vịng dây sơ cấp W1, số vịng dây W2 và tải khơng đổi. Câu phát biểu nào dưới đây sai? A. I1 tăng B. U2 tăng. C. I2 tăng. D. P1 giảm. Câu 2: Một máy biến áp ba pha 50kVA, /Y0 – 11; 10/0,38kV. 1) Câu giải thích nào dưới đây sai? a) Sđm = 50kVA; b) U1đm = 10kV; U2đm = 0,38kV c) Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao cĩ trung tính; W d) Tỷ số vịng dây 1 = 26,32; W2 e) Gĩc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 3300. 2) Khi máy biến áp làm việc với tải định mức và cos t = 1, hiệu suất của máy % = 97,46%. Khi máy làm việc với hệ số tải k t = 0,5 và cos t = 1, hiệu suất của máy % = 97,27%. Tính Pn và Po cua máy biến áp. Tìm đáp án sai: a) Po = 500W b) Pn = 500W c) Pn = 800W 3) Hiệu suất của máy biến áp phụ thuộc vào hệ số tải và cos t. Câu phát biểu nào dưới đây sai? a) Hiệu suất cực đại khi tổn hao sắt từ bằng tổn hao đồng. P b) Hiệu suất cực đại khi hệ số tải bằng 0 Pn c) Khi làm việc với cos t cao, hiệu suất của máy sẽ cao hơn khi cos t thấp. d) Hiệu suất của máy chỉ phụ thuộc vào thơng số dây quấn, khơng phụ thuộc vào vật liệu chế tạo lõi thép. Câu 3: Máy biến áp một pha Sđm = 100kVA, 7200/240 V cĩ số liệu thí nghiệm khơng tải và ngắn mạch như sau: 42
  43. U0 = 7200V, I0 = 0,65A, Po = 425W Un = 250V, In = 13,89A, Pn = 1420W Tìm thơng số của sơ đồ thay thế và hiệu suất của máy biến áp? Khi cos t = 1, hệ số tải kt = 1. Chọn phương án đúng : a) R0 = 7,36. Xn = 16,43,  = 0,98 b) R0 = 5,20. Xn = 10,35,  = 0,96 c) R0 = 8,25. Xn = 25,50,  = 0,95 Đáp án Câu 1: 1) b 2) d Câu 2 : 1) d 2) b 3) d Câu 3 : a. 43
  44. CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ I. Khái niêm chung: - Máy điện KĐB (khơng đồng bộ) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, cĩ tốc độ quay của rơto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1. - MĐKĐB làm việc ở hai chế độ: Chế độ máy phát và chế độ động cơ KĐB. + Máy phát KĐB cĩ đặc tính làm việc khơng tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ,nên ít được dùng. + Động cơ KĐB so với các loại động cơ khác cĩ cấu tạo và cận hành khơng phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Dưới đây ta chỉ xét động cơ KĐB. Động cơ KĐB cĩ các loại: động cơ 1 pha, 2 pha, 3 pha. +Các động cơ KĐB cĩ cơng suất lớn trên 600W thường là loại 3 pha cĩ 3 dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong khơng gian 1 gĩc 120 0. Các động cơ cĩ cơng suất nhỏ dưới 600W thường là loại động cơ 2 pha hoặc 1pha. Động cơ 2 pha cĩ 2 dây quấn làm việc, trục của 2 dây quấn đặt lệch nhau trong khơng gian một gĩc 90 0 điện. Động cơ điện 1pha chỉ cĩ 1 dây quấn làm việc. * Các số liệu định mức của Động cơ KĐB là: - Cơng suất cơ cĩ ích trên trục: Pđm - Điện áp dây Stato: U1đm - Dịng điện dây Stato: I1đm - Tần số dịng điện stato: f - Tốc độ quay rơto: nđm - Hệ số cơng suất: cos đm - Hiệu suất: đm II. Kết cấu: Cấu tạo của Máy điện KĐB Rơto lồng sĩc gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rơto, ngồi ra cịn cĩ vỏ máy và nắp máy, trục máy. Trục máy làm bằng thép, trên đĩ gắn rơto, ổ bi và phía cuối trục cĩ gắn một quạt giĩ để làm mát máy dọc trục. Stato Rơto Hình 1 44
  45. 1. Stato: (Phần tĩnh) Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cĩ vỏ và nắp máy. a. Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép stato hình trụ, làm bằng những lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều cĩ phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dịng điện xốy gây nên. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. b. Dây quấn: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng cĩ bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dịng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay. 2. Rơto (phần quay) Rơto gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. a. Lõi thép: Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện như ở stato được dập rãnh mặt ngồi ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục ở giữa cĩ lỗ để lắp trục. b. Dây quấn: Dây quấn Rơto của MĐKĐB cĩ hai kiểu: rơto ngắn mạch(cịn gọi là rơto lồng sĩc) và rơto dây quấn. *Loại rơto lồng sĩc: cĩ cơng duất trên 100KW, trong các rãnh của lõi thép rơto đặt các thanh đồng hay thanh nhơm được nối ngắn mạch ở hai đầu Hình 2: Rơto lồng sĩc + Với động cơ nhỏ, dây quấn rơto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt, và cách quạt làm mát Hình 3: + Động cơ điện cĩ rơto lồng sĩc gọi là động cơ KĐB lồng sĩc được ký hiệu như sau: 45
  46. * Loại rơto dây quấn: Trong rãnh lõi thép rơto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rơto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vịng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rơto và được cách điện với trục. Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vịng tiếp xúc, dây quấn rơto được nối với 3 vịng tiếp xúc, đồng thời nối với 3 biến trở bên ngồi, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. Loại động cơ này gọi là động cơ KĐB rơto dây quấn. * Động cơ lồng sĩc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ rơto dây quấn cĩ ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hoen động cơ lồng sĩc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sĩc khơng đáp ứng được các yêu cầu về truyền động. III: Nguyên lý làm việc của Máy điện KĐB: 1: Nguyên lý làm việc của động cơ điện KĐB:(Động cơ KĐB 3pha rơto lồng sĩc) Động cơ KĐB Rơto lồng sĩc là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rơto chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stato. Stato được quấn các cuộn dây lệch nhau về khơng gian (thường 3 cuộn dây lệch nhau 1200) Khi ta cho dịng điện ba pha trong dây quấn stato thì trong khe hở khơng khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p ( f1 là tần số của lưới điện, p là số đơi cực từ của máy, n 1 là tốc độ từ trường quay). Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rơto,cảm ứng trong dây quấn rơto các sức điện động E 2. Vì dây quấn rơto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng này sẽ sinh ra dịng I 2 trong các thanh dẫn rơto. Trong miền từ trường do stato tạo ra, thanh dẫn mang dịng I 2 sẽ chịu tác dụng lực điện từ F đt. Tương tác giữa từ trường của rơto và stato gây ra Momen kéo Rơto chuyển động theo từ trường quay của Stato Giả thiết về chiều quay n 1 của từ trường khe hở  và của rơto n như hình trên. Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E 2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực Fđt và mơmen M. Ta thấy Fđt cùng chiều quay của rơto, nghĩa là điện năng đưa tới stato, thơng qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rơto theo chiều từ trường quay n1, Chuyển động quay của Rơto được trục máy truyền ra ngồi và được sử dụng để vận hành các máy cơng cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Như vậy máy việc ở chế độ động cơ điện. N N n 1 + Fđt . Fđt S S Hình 4: Quá trình tạo Mơmen của Động cơ điện khơng đồng bộ. 2. Nguyên lý làm việc của Máy phát điện KĐB: 46
  47. Nếu bây giờ Stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rơto khơng nối với tải mà nối với 1động cơ sơ cấp. Dùng động cơ sơ cấp kéo rơto quay cùng chiều với n 1 (với n>n1). Lúc này dịng điện I2 ngược lại với chế độ động cơ và Fđt đổi chiều. Fđt tác dụng lên rơto ngược với chiều quay gây ra momen hãm cân bằng với Mq độn cơ sơ cấp. MĐiện làm việc ở chế độ máy phát. N N n1 Fđt + . Fđt -Hệ số trượt là: S n n S = 1 0 n1 Nếu từ trường quay cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rơto được biến thành điện năng ở Stato. Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát KĐB 1 cơng suất phản kháng Q (vì thế làm chp hệ số cos của lưới điện thấp đi, khi máy làm việc riêng lẻ, ta phải dùng tụ điện nối ở đầu cực máy để kích từ cho máy. Đĩ là nhược điểm của Máy phát KĐB vì thế ít khi dùng Máy phát KĐB. 3. Cơng dụng của động cơ điện khơng đồng bộ 3 pha: Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ KĐB là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với cơng suất từ vàig chục đến hanhg nghìn KW - Trong cơng nghiệp: làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy cơng cụ ở các nhà máy cơng nghiệp nhẹ, - Trong nơng nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia cơng nơng sản phẩm. - Trong đời sống hằng ngày: quạt giĩ, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, Tĩm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hố, tự động hố và sinh hoạt hằng ngày, phạm vi ứng dụng của động cơ điện KĐB ngày càng rộng rãi. IV. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ. 1. Từ trường của dây quấn một pha. Xét dây quấn một pha được đặt trong bốn rãnh của stato. Dịng điện chạy trong dây quấn là dịng điện một pha i=I maxsin t, từ trường của dây quấn ,một pha là từ trường cĩ phương khơng đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian. Gọi p là số đơi cực, ta cĩ thể tạo dây quấn để tạo ra từ trường một, hai hoặc cĩ p đơi cực. Ví dụ P=1. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato. X 2 1 2 3 4 1 3 A 4 A X Ví dụ P=2. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato. 47
  48. 1 2 3 4 A X Xét một máy điện xoay chiều cĩ i=Imax sint. với =2 f=2 /T (T là chu kỳ dịng điện) i Imax 3T/4 T 0 T/4 T/2 t -Imax Xét trong 1/2 chu kỳ của dịng điện từ (0-T/2). (hình vẽ) Hai phần tử dây quấn (1-2) và (3-4) cĩ dịng điện xoay chiều i=Imax sint chạy qua sơ đồ nối dây các phần tử (hình a) Giả sử ban đầu trong nữa chu kỳ của dịng điện (0-T/2) ta cĩ dịng điện chạy trong dây dẫn dương. * Quy ước dịng điện chạy trong dây dẫn dương là , ngược lại chạy trong dây dẫn âm là - căn cứ chiều dịng điện ta xác định được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai (như hình vẽ) 1 2 3 4 A X Xét trong chu kỳ cịn lại (T/2-T) ta thấy dịng điện trong khoảng này âm. 1 2 3 4 Từ trường của dây quấn một pha của A X động cơ là từ trường cĩ phương khơng đổi theo thời gian, nhưng trị số và chiều thay đổi theo thời gian nên gọi là từ trường đập mạch, từ trường này khơng thể làm quay động cơ nên loại động cơ 1 pha ta phải mắc thêm tụ điện C để chuyển từ trường đập mạch thành từ trường quay (từ trường quay là từ trường cĩ phương thay đổi theo thời gian) 2. Từ trường của dây quấn ba pha. a. Sự tạo thành từ trường quay. 48
  49. - Giả sử xét động cơ điện khơng đồng bộ ba pha, ba dây quấn là AX, BY và CZ. với A,B,C là ba đầu đầu của ba cuộn dây pha, X,Y,Z là ba đầu cuối của ba cuộn dây pha. Ba cuộn dây đặt cách đều nhau 1200, cho dịng điện ba pha cĩ tần số f=50Hz. iA=Imax sint. 0 iB=Imax sin(t-120 ). 0 iC=Imax sin(t-240 ). i iA iB iC 0 t t=900 t=900+120 t=900+20 t=900 t=900+1200 t=900+2400. * Quy ước: Chiều dịng điện đi từ đầu đầu đến đầu cuối của cuộn dây là dương + và ngược lại là âm -, (là dịng điện đi ra tức là từ đầu cuối đến đầu đầu). Xét trong một chu kỳ: - Tại thời điểm a (t=90 0), dịng điện trong cuộn dây AX là cực đại và dương, dịng điện trong cuộn BY, CZ là âm, bằng nhau và bằng nữa trị số dịng điện cuộn AX. Vì vậy dịng điện trong cuộn AX đi từ đầu đầu đến đầu cuối, cịn trong cuộn dây BY và CZ dịng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. A A A Z Z Z Y Y Y C C C B B B X X X Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dịng điện sinh ra, từ trường tổng cĩ một cực S và một cực N được gọi là từ trường một đơi cực (p=1), trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha cĩ dịng điện cực đại. - Tương tụ tại thời điểm b và c ta cĩ: - Tại thời điểm c (t=90 0+1200) là thời điểm sau thời gian đã xét ở trên là một phần ba chu kỳ T/3. ở thời điểm này dịng điện pha B là cực đại và dương, dịng điện và pha A và C là âm. Vì vậy dịng điện trong cuộn BY đi từ đầu đầu đến đầu cuối, cịn trong cuộn dây AX và CZ dịng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dịng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một gĩc là 120 0 so với thời điểm trước, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha cĩ dịng điện cực đại. 49
  50. - Tại thời điểm d (t=90 0+2400) là thời điểm chậm sau thời gian đầu là một phần ba chu kỳ T/3. Lúc này dịng điện pha C là cực đại và dương, dịng điện và pha A và B là âm. Vì vậy dịng điện trong cuộn CZ đi từ đầu đầu đến đầu cuối, cịn trong cuộn dây AX và BY dịng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dịng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một gĩc là 240 0 so với thời điểm đầu, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C là pha cĩ dịng điện cực đại. Theo chiều dịng điện ở các thời điểm ta sẽ cĩ chiều từ trường, qua sự phân tích ở các thời điểm ta nhận thấy từ trường tổng của dịng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay mĩc vịng với cả hai dây quấn stato và rơto, hay nĩi một cách khác la trong một chu kỳ từ trường quay được một vịng nên từ trường dây quấn ba pha gọi là từ trường quay, nhờ từ trường quay mà trục của động cơ cĩ thể quay trịn khi đưa dịng điện ba pha vao dây quấn stato. Với cách cấu tạo dây quấn như trên ta cĩ từ trường quay một đơi cực p=1. Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn hay là cách quấn dây ta cĩ số đơi cực là p=2,3,4 vv. b. Đặc điểm của từ trường quay. - Tốc độ từ trường quay: Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dịng điện stato f và số đơi cực p. Khi dịng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được một vịng, trong một giây dịng điện stato biến thiên f chu kỳ, do đĩ trong một phút dịng điện stato biến thiên 60f chu kỳ và từ trường quay được 60f vịng. + Khi từ trường cĩ một đơi cực p=1 thì tốc độ từ trường quay là n1=60f vịng/phút. + Khi từ trường cĩ hai đơi cực p=2, dịng điện biến thiên một chu kỳ và từ trường quay được 1/2 vịng (từ cực N qua cực S đến N là 1/2 vịng), do đĩ tốc độ từ trường quay là n1=60f/2 vịng/phút. Trường hợp tổng quát ta cĩ: Khi từ trường quay cĩ p đơi cực, tốc độ từ trường quay là n1=60f/p vịng/phút. - Chiều quay của từ trường: Chiều quay của từ trường phu thuộc vào thứ tự pha của dịng điện.Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau (tức là đảo chiều quay của động cơ). Ví dụ: Khi đấu cấp nguồn ba pha A,B,C vào dây quấn stato của động cơ KĐB ba pha nếu động cơ quay ngược, để đảo chiều quay ta giữ nguyên pha A và đổi hai pha B và C cho nhau. - Biên độ từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thơng  xuyên qua mỗi dây quấn. max=m/2pmax Với m là số pha. pmax là từ thơng cực đại của một pha. 3. Từ trường của dây quấn hai pha. Xét động cơ khơng đồng bộ hai pha, hai dây quấn đặt lệch nhau trong khơng gian một gĩc 900 điện, dịng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 900. iA=Imax sint=Imax sin(2 /T)t. iB=Imax sin(2 t/T- /2). iB iA 0 t T/2 3T/4 T T/4 50
  51. B B B B A X A X A X A X Y Y Y Y t=0 t=T/4 t=T/2 t=3T/4 B A X t=T Xét trong một chu kỳ (0-T). Y ở thời điểm t=0. ở thời điểm t=T/4 từ trường stato đã quay được một gĩc 900 so với thời điểm ban đầu. ở thời điểm t=T/2 từ trường stato đã quay được một gĩc 1800 so với thời điểm ban đầu. Trong một chu kỳ (0-T) từ trường stato quay được một vịng. * Nhận xét: Khi dịng điện trong dây quấn stato biến thiên đến một chu kỳ, thì từ trường quay được một vịng, do đĩ từ trường của dây quấn hai pha cũng là từ trường quay với tốc độ từ trường là n1=60f/p trong đĩ: p là số đơi cực. f là tần số dịng điện n1 là tốc độ từ trường quay (vịng/phút hoặc rad/s) 51
  52. 5. CÁC THƠNG SỐ TRONG MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ 1. Hệ số trượt: kí hiệu s Ta cĩ : n2=n1-n với n2 là tốc độ trượt. Hệ số trượt là tỉ số giữa tốc độ trượt và tốc độ từ trường quay. n s 2 (tốc độ trượt/tốc độ từ trường) n1 2. Sức điện động trong dây quấn stato. Sức điện động pha stato do từ thơng của từ trường sinh ra cĩ trị số là E1=4,44.f.kdq.w1.max. trong đĩ: f là tần số lưới điện. (50Hz) kdq là hệ số dây quấn stato. W1 số vịng dây quấn stato max. biên độ từ thơng của từ trường quay. E1 sức điện động pha stato. 3. Sức điện động trong dây quấn rơto. Kí hiệu : E2s Ta cĩ từ trường stato quay với tốc độ n 1 và tần số f so với stato, do vậy từ trường stato sẽ quay so với dây quấn rơto với tốc độ trượt bằng n2=n1-n. p.n2 Sức điện động và dịng điện trong dây quấn rơto cĩ tần số f2 là f2 . 60 trong đĩ: n2 là tốc độ quay của từ trường stato so với dây quấn rơto. f2 là tần số dịng điện trong dây quấn rơto. p.n2 p.s.n1 Mặc khác ta cĩ: n2=s.n1 f2 . 60 60 60. f Mà n f 2=s.f1 1 p Vậy tần số dịng điện rơto lúc quay bằng tần số dịng điện stato (tần số lưới điện) nhân với hệ số trước. Ta cĩ sức điện động pha dây quấn rơto lúc quay là E2s=4,44.f2.w2.kdq2.max. hay E2s=4,44.s.f.w2.kdq2.max.(1) trong đĩ:E 2s là sức điện động của dây quấn rơto lúc quay. e2s E2s . 2 w2 là số vịng dây của rơto. kdq2 là hệ số dây quấn rơto. - Khi rơto đứng yên ta cĩ s=1, tần số f2=f, tần số dịng điện rơto bằng tần số dịng điện stato. - Sức điện động dây quấn rơto lúc khơng quay là E2=4,44.f.w2.kdq2.max.(2) So sánh hai biểu thức (1) và (2) ta thấy : (lúc quay và lúc khơng quay) E2s=s.E2. Sức điện động pha của rơto lúc quay E 2s bằng sức điện động của rơto lúc đứng yên nhân với hệ số trượt s. E1 W1.kdq1 Lập tỉ số sức điện động pha giữa stato và rơto ta cĩ: ke E2 W2 .kdq2 Với ke gọi là hệ số qui đổi sức điện động rơto. 4. Điện kháng rơto: Vì rơto gồm các thanh dẫn nên khi rơto quay sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng trong dây quấn rơto dẫn đến xuất hiện thành phần điện kháng và trở kháng trong dây quấn rơto. Kí hiệu: X2s là điện kháng của dây quấn rơto lúc quay. X2s=2.L2 (1) với 2 là tần số gĩc của dây quấn rơto (rad/s). 52
  53. L2 là điện cảm của dây quấn rơto (H) 2=2 .f2 X2s=2 .f2.L2=2 .s.f.L2=s.X2 Với X2=2 .f.L2 là điện kháng dây quấn rơto lúc đứng yên. Vậy X2s=s.X2 Điện kháng rơto lúc quay bằng điện kháng rơto lúc đứng yên nhân với hệ số trượt s. Điện kháng của dây quấn rơto là đại lượng đặc trưng tiêu thụ cơng suất phản kháng của máy điện khơng đồng bộ. 5. Dịng điện cảm ứng trong dây quấn rơto. Kí hiệu I2 là giá trị hiệu dụng của dịng điện trong dây quấn rơto. Khi trong dây quấn rơto xuất hiện sức điện động E 2s, dẫn đến xuất hiện dịng điện trong dây quấn rơto. R L E2s I i2=I 2 2 sin(2 . f 2 .t ) (chọn chiều E2s và I2 như hình vẽ) Áp dụng định luật ơm cho đoạn mạch rơto E I 2s (1) với Z là tổng trở đoạn mạch. 2 Z Ta cĩ tam giác tổng trở: 2 2 Z Z X 2s R thay vào phương trình (1) ta cĩ: X E2s s.E2 I 2 R Z 2 2 (s.X 2 ) R Dịng điện xoay chiều cảm ứng trong dây quấn rơto i =I 2 2 2 sin(2 f 2 .t ) Dịng điện trong dây quấn rơto là dịng điện xoay chiều cĩ tần số f2. 6. BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ. 1. Biểu đồ năng lượng. Xét động cơ điện khơng đồng bộ. Giả sử động cơ nhận điện năng của lưới điện để tạo ra từ trường quay stato, nhờ từ trường quay mà điện năng đã được biến thành cơ năng làm quay rơto động cơ. Biểu đồ quá trình năng lượng trong động cơ khơng đồng bộ như sau: P đ1 Pst1 Pđ2 Pcp P1 Pđt khe Pcơ hở khơng rơto P2 khí trong đĩ: P1 là cơng suất điện động cơ nhận từ lưới điện. Pđt là cơng suất điện từ Pcơ là cơng suất điện từ được tính. 53
  54. P2 là cơng suất hữu ích trên trục động cơ, là cơng suất mà động cơ nhận được P2=Pcơ- Pcp Phương trình năng lượng là: P1- P=P2 trong đĩ: P là các thành phần tổn hao cơng suất. P= Pđ1+ Pst1+ Pđ2+ Pcp Với + P st1 là tổn hao cơng suất do dịng điện xốy và trừ trễ trong mạch từ stato. 2 + Pđ1 là cơng suất tổn hao đồng trong dây quấn stato Pđ1=3I1 .R1. + P đ2 là cơng suất tổn hao đồng trên điện trở dây quấn rơto /2 / 2 Pđ1=3I2 .R 2=m2.R2.I2 . với m2 là hệ số tỷ lệ. + Pcp là cơng suất tổn hao cơ do ma sát ổ trục, quạt giĩ và các yếu tố phụ 2. Hiệu suất của động cơ khơng đồng bộ: P2 P2 P2  2 P1 P2 P P2 P0 kt .Pn trong đĩ: P0= Pst+ Pcp gọi là tổn hao khơng tải gồm tổn hao sắt từ và tổn hao khơng tải. Pn là tổn hao điện trên điện trở dây quấn rơto và stato lúc động cơ làm việc ở chế độ tải định mức. I1 Kt là hệ số tải của động cơ kt ; với I 1 là dịng điện stato ứng với I dm phụ tải làm việc, I1dm là dịng điện stato ứng với phụ tải định mức. (Hiệu suất của động cơ thường khoảng =0,75-0,95). 7. MƠMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA Mơmen điện từ của động cơ đĩng vai trị là mơmen quay: Pdt M q M dt . (1) 1 / / 2 R2 / trong đĩ: P đt là cơng suất điện từ. P đt 3I . với I 2 là dịng điện rơto qui đổi về 2 s / / I 2 stato, R2 là điện trở rơto qui đổi về stato. I 2 với ki là hệ số qui đổi dịng điện. ki  1 là tần số gĩc của từ trường quay.  với (1=2 f1), 1 p  là tần số gĩc của dịng điện stato, p là số đơi cực từ. / R / I 2 P / 2 2 (2)trong đĩ: I , k là hệ số qui đổi dịng điện đt 3.I 2 . 2 i s ki / R2 =ke.ki.R2, với ke là hệ số qui đổi sức điện động. / Bỏ qua tổn hao sắt từ, dịng điện I2 được tính như sau: / U1 I 2 (3) R / (R 2 ) 2 (X X / ) 2 1 s 1 2 trong đĩ: U1 là điện áp pha stato R1,X1 là điện trở và điện kháng dây quấn stato. / / / R1 ,X1 là điện trở và điện kháng rơto qui đổi về stato X2 =ke.ki.X2, 54
  55. R2,X2 là điện trở và điện kháng của dây quấn rơto. Thay phương trình (2) và (3) vào phương trình (1) ta cĩ: R / 3.I / 2 . 2 2 3.p.U 2 .R / M s 1 2  / 2 R2 / 2 p s.. R1 X 1 X 2 s 3.p.U 2 .R / M 1 2 / 2 R 2 s.. R 2 X X / 1 s 1 2 3.p.U 2 .R / M 1 2 / 2 R 2 2 . f s. R 2 X X / 1 1 s 1 2 Phương trình mơmen biểu diễn quan hệ giữa mơmen với hệ số trược hay giữa mơmen với tốc độ được gọi là đặc tính cơ của máy điện khơng đồng bộ. - Với tần số và các tham số cho trước mơmen điện từ của máy điện khơng đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp đặt vào stato. Phương trình mơmen theo tốc độ M=f(n) gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ khơng n n đồng bộ, với hệ số trượt s 1 . n1 M Ban đầu khi bắt đầu cấpnguồn tốc độ Đồ thị đặc tính cơ động cơ KĐB động cơ bằng khơng (tại A) ta cĩ hệ số trượt s=1, lúc này mơmen của Mmax động cơ bằng mơmen mở máy Mmm, C nhỏ hơn mơmen cản Mc, động cơ tăng B Mc tốc độ trên đường đặc tính cơ, trong A quá trình tăng tốc này mơmen của động Mmở cơ tăng dần và hệ số trượt của động cơ giảm dần. Tại điểm B ta cĩ mơmen của 0 S Slv 1 s động cơ bằng mơmen cản, lúc này động th cơ làm việc ổn định với mơmen điện từ bằng mơmen cản và hệ số trượt gọi là hệ số trượt n1 nB làm việc slv. slv . n1 - ở đồ thị M=f(s) mơmen đạt cực đại tại điểm C, mơmen cĩ trị số cực đại M max ứng với hệ dM số trượt tới hạn khi đạo hàm 0 . ds / dM R2 Đạo hàm 0 và biến đổi ta cĩ: sth / ds R1 X 1 X 2 2 3.p.U1 Và trị số mơmen cực đại Mmax / 2.. R1 X 1 X 2 Khi mở máy ban đầu ứng với trường hợp hệ số trượt s=1 ta cĩ mơmen mở máy mà 2 / 3.p.U1 .R2 Mmở / 2 / 2 . R1 R2 X 1 X 2  Với động cơ rơto lồng sĩc mơmen mở máy Mmở=(1,1-1,7)Mđm, Mmax/Mđm=1,6-2,5. 55
  56. 8. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. Yêu cầu mở máy và các phương pháp mở máy. 1. Yêu cầu mở máy: - Mơmen mở máy phải lớn Mmm (lớn hơn mơmen cản của tải lúc mở máy) - Dịng điện mở máy phải nhỏ Imm. - Thiết bị mở máy đơn giảm và thời gian mở máy nhanh. 2. Các phương pháp mở máy: Tuỳ theo yêu cầu sử dụng động cơ và cơng suất (của lưới và động cơ) ta chọn một trong các phương pháp mở máy sau: a. Mở máy trực tiếp: b. Mở máy gián tiếp: - Mở máy bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato. - Mở máy dùng điện trở phụ ở động cơ rơto dây quấn. II. Mở máy động cơ rơto lồng sĩc. 1. Mở máy trực tiếp: Mở máy trực tiếp là phương pháp mở máy đơn giản, chỉ việc đĩng điện trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. CD động cơ điện KĐB ba pha - Ưu điểm: Thiết bị mở máy đơn giản. - Nhược điểm: Dịng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp rất nhiều, nếu quán trính của máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu cĩ thể làm chảy cầu chỉ bảo vệ. với I mm=(47)Iđm (làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác ví dụ chiếu sáng dùng chung ) - Phạm vi áp dụng: cơng suất động cơ điện nhỏ hơn rất nhiều so với cơng suất lưới điện. (phương pháp này sử dụng cho các máy cĩ cơng suất vừa và nhỏ) 2. Mở máy gián tiếp bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato. - Khi mở máy ta giảm điện áp đặt vào động cơ, lúc này dịng điện mở máy giảm I pmm, khi dịng điện Ipmm giảm dẫn đến cách điện của động cơ được đảm bảo. - Khuyết điểm của phương pháp này là làm cho mơmen động cơ khi mở máy giảm đi rất nhiều, do đĩ phương pháp mở máy bằng cách giảm điện áp chỉ sử dụng với trường hợp khơng yêu cầu mơmen mở máy lớn. (ví dụ tuỳ trường hợp mang tải truyền động nhu bánh xích, puly dây đai ) a. Mở máy dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato. Sơ đồ mở máy dùng điện kháng CD CD1 K là điện kháng. biến áp tự ngẫn CD: cầu dao CD K động cơ điện KĐB ba pha động cơ điện KĐB ba pha Hình 1 và 2 56
  57. Trước khi mở máy ta đĩng cầu dao CD 1, cầu dao CD mở, Khi động cơ đã quay ổn định ta đĩng cầu dao CD để ngắn mạch điện kháng K, mở CD 1 và kết thúc quá trình mở máy. Lúc mở máy nhờ cĩ điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần, dịng điện sẽ giảm đi k lần và mơmen sẽ giảm đi k 2 lần vì mơmen tỉ lệ với bình phương điện áp. - Ưu điểm: Dịng điện mở máy giảm. - Nhược điểm: Mơmen mở máy giảm. b. Mở máy dùng biến áp tự ngẫu. Sơ đồ máy biến áp tự ngẫu phía cao áp được nối với lưới điện, phía hạ áp được nối với động cơ. Điện áp lưới được đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp và phía thứ cấp nối với động cơ, thay đổi vị trí con chạy để lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đĩ tăng dần lên bằng định mức. Gọi U1 là điện áp pha lưới điện, U mm là điện pha động cơ lúc mở máy, k là hộ số biến áp / / máy biến áp tự ngẫu, Zn là tổng trở động cơ lúc mở máy. Z n (R1 R2 ) (X 1 X 2 ) . U - Điện áp pha đặt vào động cơ lúc mở máy là U 1 . pmm k U pmm U pmm - Dịng điện pha vào động cơ lúc mở máy là I pmm Z / / n (R1 R2 ) X 1 X 2 ) U1 I pmm / / k. (R1 R2 ) X 1 X 2 ) từ biểu thức dịng điện ta thấy dịng điện pha mở máy của động cơ giảm đi k lần. 2 / 3.p.U mm .R2 Mơmen mở máy M mm / 2 / 2 . R1 R2 X 1 X 2  2 / 3.p.U1 .R2 M mm 2 / 2 / 2 k .. R1 R2 X 1 X 2  mơmen mở máy giảm đi k2 lần. I pmm Mặc khác ta cĩ dịng điện cấp cho động cơ khi cĩ máy biến áp là I với I 1 là dịng 1 k sơ cấp (phía cao áp của máy biến áp) U pmm U1 U pmm I pmm U1 Mà I pmm với U p m m I pmm (1) I1 2 Z n k k.Z n k k .Z n U1 Khi mở máy trực tiếp I1 (2) Z n So sánh biểu thức (1) và (2) ta thấy khi mở máy dùng biến áp dịng điện giảm đi k 2 so với khi mở máy trực tiếp, là một ưu điểm so với phương pháp mở máy dùng cuộn kháng dịng điện chỉ giảm đi k lần. - Phạm vi ứng dụng: dùng cho các động cơ cĩ cơng suất lớn. c. Mở máy bằng cách đổi nối dây quấn stato từ nối sao sang nối tam giác. Sơ đồ: 57