Giáo trình Kỹ thuật điện (Phần 2) - Nguyễn Trọng Thắng

84 trang ngocly 3830

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện (Phần 2) - Nguyễn Trọng Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_dien_phan_2_nguyen_trong_thang.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện (Phần 2) - Nguyễn Trọng Thắng

Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha §4.3. CÁCH GIẢI MẠCH BA PHA 4.3.1. Mạch ba pha đối xứng: Mạch điện 3 pha đối xứng cĩ dịng điện các pha cĩ trị số bằng nhau về độ lớn nhưng lệch pha nhau 1200. Khi giải mạch điện 3 pha đối xứng ta tách từng pha riêng rẽ để tính. Ta cĩ một số trường hợp thường gặp: a. Tải nối hình Y đối xứng:  Khi khơng xét đến tổng trở đường dây pha: Hình 4.5 - Điện áp đặt lên mỗi pha của tải là: U U d p 3 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - Tổng trở pha của tải: 2 2 ZRXp p p - Dịng điện pha của tải: U p U d I p 2 2 Z p 3. RXp p - Gĩc lệch pha giữa Up và Ip: X arctg p Rp - Vì tải nối Y nên Id I p  Khi cĩ xét đến tổng trở đường dây pha: Cách tính tốn cũng tương tự như trên, nhưng ta gộp tổng trở đường dây với tổng trở pha của tải U d IId p 2 2 3.()()RRXXd p d p Hình 4.6 90 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha b. Tải nối tam giác đối xứng:  Khi khơng xét đến tổng trở đường dây pha: Hình 4.7 - Điện áp đặt lên mỗi pha của tải bằng điện áp dây: U U d p - Tổng trở pha của tải: 2 2 ZRX p p p - Dịng điện pha của tải: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM U p U d I p Z 2 2 p RXp p - Gĩc lệch pha giữa Up và Ip: X arctg p R p - Vì tải nối nên IId 3. p  Khi cĩ xét đến tổng trở đường dây pha: Hình 4.8 91 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Biến đổi tương đương từ Y rồi giải tương tự - Tổng trở mỗi pha khi nối tam giác: Z R j.X p p - Biến đổi sang Y: Z RpX p ZY j. 3 3 3 - Dịng điện dây của tải: Ud Id Rp 2X p 2 3.()()Rd X d 3 3 - Dịng điện pha của tải Id I p 3 4.3.2. Cơng suất mạch ba pha đối xứng: Đối với mạch ba pha đối xứng. Do trị số dịng điện hiệu dụng, điện áp và gĩc lệch pha ở ba pha như nhau nên Cơng suất của các pha cũng bằng nhau. - Cơng suất tác dụng ba pha. P = 3.P = 3.U .I . cos = 3 U . I . cos = 3 R . I2 3 pha 1f Ban quyenP P © Truong DHd Sud pham Ky thuatp p TP. HCM + Nếu mạch ba pha đấu sao thì: Ud = 3 UP Id = IP. + Nếu mạch đấu tam giác thì: Id = 3 IP Ud = UP - Cơng suất phản kháng ba pha. 2 Q3P = 3.UP.IP.Sin = 3 Ud.Id.sin = 3 Xp. Ip - Cơng suất biểu kiến ba pha. 2 2 S3P = 3 Up.Ip = 3 Ud.Id = PQ Ví du 4.1: Cho một mạch điện 3 pha, nguồn điện nối hình sao, tải nối hình tam giác. Điện áp pha  của nguồn là Upn = 200V, tổng trở pha tải Z p = 4 + j 3 () a) Tính điện áp pha tải, Ip và Id. b) Tính cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng và cơng suất biểu kiến trên tải 3 pha. 92 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Hình 4.9 Lời Giải Vì nguồn nối hình sao nên Ud = 3 Upn = 200 3 (V) Vì tải nối tam giác nên Up = Ud = 200 3 (V) Dịng điện pha của tải: U p U d 200 3 I p = 40 3 (A) 2 2 2 2 Z p RXp p 4 3 Vì tải nối nên IId 3. p = 120 (A) Cơng suất tác dụng ba pha. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 2 2 P3 pha = 3.P1f = 3.UP.IP. cos = 3 Ud. Id. cos = 3 Rp. Ip = 3.4. (40 3) = 57600 W Cơng suất phản kháng ba pha. 2 2 Q3P = 3.UP.IP.Sin = 3 Ud.Id.sin = 3 Xp. Ip = 3.3. (40 3) = 43200 Var Cơng suất biểu kiến ba pha. 2 2 S3P = 3 Up.Ip = 3 Ud.Id = PQ = 3. 200 3 .40. 3 = 72000 VA Ví dụ 4.2: Cho mạch điện 3 pha, tải nối sao, nguồn nối tam giác. Nguồn và tải đều đối xứng. Dịng điện pha của tải là Ipt = 50A, điện áp pha của tải là Upt = 220V. a) Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch 3 pha trên, ghi rõ các đại lượng trên sơ đồ. b) Tính dịng điện pha và điện áp pha của nguồn Ipn và Upn. Lời giải: 93 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Hình 4.10 Id I pt 50 A Upn U d 3 .U pt 3 .220 380 V I d 50 I pn 28,86 A 3 3 Ví dụ 4.3: Một tải 3 pha cĩ điện trở mỗi pha Rp = 6, điện kháng pha Xp = 8, nối tam giác, đấu vào mạng điện cĩ Ud = 220V. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 4.11 a) Tính dịng điện pha Ip , dịng điện dây Id b) Tính cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng và cơng suất biếu kiến trên tải 3 pha. Lời giải: UUVp d 220 Tổng trở pha của tải: 2 2 2 2 ZRXp p p 6 8 10  Dịng điện pha của tải: U p 220 I p 22 A Z p 10 Dịng điện dây của tải: IIAd 3. p 22 3 Hệ số cơng suất của tải: Rp 6 cos 6,0 sin = 0,8 Z p 10 Cơng suất tải tiêu thụ: 94 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha PUIW 3.p . p .cos 3.220.22.0,6 8712 Q 3. Up . I p .sin 3.220.22.0,8 11616 VAR S 3. Up . I p 3.220.22 14520 VA Ví dụ 4.4: Cho mạch điện 3 pha tải nối hình sao đối xứng đấu vào mạng điện 3 pha cĩ điện áp dây là 380V, điện trở R = 20, điện kháng XL = 15. c) Tính dịng điện pha Ip và dịng điện dây Id d) Tính cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng và cơng suất biếu kiến trên tải 3 pha. A Id Ud Z N Z Z B Hình 4.12 C Lời giải: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM U d U p 220 V 3 Tổng trở pha của tải: 2 2 2 2 ZRXp p p 20 15 25  Dịng điện pha của tải: U p 220 I p 8,8 A Z p 25 Dịng điện dây của tải: IIAd p 8,8 Hệ số cơng suất của tải: Rp 20 cos 8,0 sin = 0,8 Z p 25 Cơng suất tải tiêu thụ: PUIW 3.p . p .cos 3.220.8,8.0,8 4464,4 Q 3. Up . I p .sin 3.220.8,8.0,6 3484,8 VAR S 3. Up . I p 3.220.8,8 5808 VA Ví dụ 4.5: Một mạch điện 3 pha cĩ dây trung tính 380V/220V cung cấp điện cho 90 bĩng đèn sợi đốt, số hiệu định mức của mỗi đèn Uđm = 220V, Pđm = 60W. Số bĩng đèn được phân đều cho 3 pha. a) Vẽ sơ đồ mạch điện 3 pha. 95 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha b) Tính IA , IB , IC , I0 , P khi tất cả bĩng đèn đều bật sáng. c) Tính IA , IB , IC, I0 , P khi pha A cĩ 10 đèn bật sáng, pha B cĩ 20 đèn bật sáng, pha C cắt điện. d) Tính điện áp đặt lên các đèn pha A và pha B ở câu c) trong trường hợp dây trung tính bị đứt. Lời giải: a) Mạch điện 3 pha 380V/220V là mạch 3 pha 4 sợi và cĩ dây trung tính. 380V là điện áp dây. 220V là điện áp pha. Bĩng đèn 220V mắc song song với nhau giữa dây pha và dây trung tính. Sơ đồ mắc như sau: Hình 4.13 Điện áp đặt lên các bĩng đèn là 220V cũng chính điện áp định mức của đèn, như vậy đèn sẽ làm việc tốt, đúng thơng số tiêu chuẩn. b) Vì điện áp đặt lên bĩng đèn bằng định mức cơng suất bĩng đèn tiêu thụ bằng định mức 60W. Tất cả bĩng đèn đều bật sángBan thì mạchquyen 3 ©pha Truong đối xứng, DH Su cơng pham suất Ky điện thuat các TP. pha HCM bằng nhau: PA P B P C P p 30.60 1800 W Cơng suất 3 pha: P 3.Pp 3.1800 5400 W Tải các bĩng đèn, thuần điện trở R, gĩc lệch pha = 0 => cos = 1 nên dịng điện các pha là: Pp 1800 IIIIA B C p 8,18 A Up .cos 220.1 Vì nguồn và tải đối xứng nên:  I0 I A I B I C 0 Đồ thị vectơ giữa dịng điện và điện áp: Khi pha C cắt điện => IC = 0, cịn các pha khác vẫn bình thường. 96 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha P 10.60 I A 2,73 A A U .cos 220.1 P 20.60 I B 5,45 A B U .cos 220.1 P PAC P 10.60 20.60 1800 W Đồ thị vectơ:  => III0 A B I I2 I2 2.I .I .cos 1200 => 0 A B AB 2,732 5,45 2 2.2,73.5,45.cos 120 0 4,72 A d) Khi pha C cắt điện và đồng thời khơng cĩ dây trung tính, mạch điện sẽ như sau: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Lúc này điện áp đặt lên các bĩng đèn khơng cịn bằng định mức nữa. Điện trở của mỗi bĩng đèn: 2 2 U dm 220 Rden 806,6  Pdm 60 Vì các bĩng đèn mắc song song nên điện trở pha A là RA bằng điện trở tương đương của 10 bĩng đèn mắc song song: R 806,6 R den 80,66  A 10 10 Pha B cĩ 20 đèn mắc song nên điện trở pha B là: R 806,6 R den 40,33  B 20 20 Mạch điện tương đương: U 380 => I AB 3,14 A \ RRAB 80,66 40,33 97 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Điện áp đặt lên đèn pha A là: ' UA RA .I 80 ,66.3,14 253,27 V Điện áp đặt lên đèn pha B là: ' UB RB .I 40,33.3,14 126,63 V Như vậy điện áp đặt lên các đèn ở pha A là lớn hơn so với định mức của đèn, trong khi điện áp ở pha B là nhỏ hơn so với định mức, điều này làm cho đèn ở pha A cĩ thể bị cháy trong khi đèn ở pha B thì sáng yếu. 4.3.3. Cách giải mạch ba pha khơng đối xứng: Khi tải khơng đối xứng, Z ABC Z Z , dịng điện và điện áp trên các pha khơng đối xứng. a. Tải nối hình Y, cĩ dây trung tính tổng trở Zo: - Điện áp giữa 2 nút O và O’: UYUYUY    AABBCC U OO' YYYYABCO - Trường hợp nguồn đối xứng thì:   UUA p   j120o UB U p . e 240o Hình 4.14 U U  . e j Ban quyen © TruongC pDH Su pham Ky thuat TP. HCM j120o j 240 o  YAB Y e YC e Ta cĩ: UUO' O p . YYYYABCO  - Sau khi tính được UO'O như trên, ta tính điện áp trên các pha của tải như sau:    UUU'_AAOO '    UUU'_BBOO '    UUU'_CCOO ' - Dịng điện pha:   U'A  I A UY'.AA Z A   U 'B  I B UYBB.' Z B   U'C  IC UY'.CC ZC   U'OO'  IO UY'.OOO' ZO     IIIIo A B C 0 - Nếu xét đến tổng trở dây dẫn, phương pháp tính tốn vẫn như trên, nhưng lúc  đĩ tổng trở các pha phải gồm cả tổng trở dây dẫn Zd 98 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha 1 1 1 YA YB YC ZZA d ZZB d ZZC d b. Tải nối hình Y, tổng trở dây trung tính Zo = 0: Điểm O’ trùng với O, điện áp pha của tải bằng điện áp pha tương ứng của nguồn.   U A U A IA IA ZA Z A   U B U B IB IB ZB Z B U U  C C IC IC ZC Z C c. Tải nối hình khơng đối xứng:    Nguồn điện cĩ điện áp dây U AB , U BC , UCA   U AB U AB I AB I AB Z AB Z AB   U BC U BC IBC IBC ZBC ZBC   U CA UCA ICA ICA ZCA Ban quyen Z© CATruong DH Su pham Ky thuat TP. HCM    IIIA AB CA    IIIB BC AB III   C CA BC Hình 4.15 4.3.4. Cơng suất mạch ba pha khơng đối xứng: Đối với mạch ba pha khơng đối xứng. Hệ thống điện ba pha là tập hợp ba mạch điện một pha, nên cơng suất chung của hệ thống là tổng cơng suất của các pha. Cơng suất tác dụng của mỗi pha: PA = UA.IA. cos A . PB = UB.IB. . cos B . PC = UC.IC. . cos C . Trong đĩ: UA, UB, UC là các điện áp pha. IA, IB, IC là dịng điện các pha. A, B, C là gĩc lệch pha giữa dịng điện và điện áp mỗi pha. - Cơng suất tác dụng của ba pha. P3pha = PA + PB + PC 99 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha = UA.IA. cos A +UB.IB. cos B +UC.IC. cos C - Cơng suất phản kháng ba pha. Q3 pha = QA + QB + QC = UA.IA.Sin A +UB.IB.Sin B + UC.IC.Sin C . - Cơng suất biểu kiến ba pha. 2 2 S3 pha = PQ3 pha 3 pha §4.4.CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 4 3.1.Nêu những ưu điểm của mạch điện 3 pha. 3.2.Các đặc điểm của mạch điện 3 pha đối xứng. 3.3.Định nghĩa điện áp pha, điện áp dây, dịng điện pha, dịng điện dây và quan hệ giữa chúng khi nối sao và nối tam giác. 3.4.Trình bày các bước giải mạch điện 3 pha đối xứng. 3.5.Các biểu thức của cơng suất P, Q , S trong mạch 3 pha đối xứng. 3.6.Vai trị của dây trung tính trong mạch điện 3 pha tải khơng đối xứng. §4.5.BÀI TẬP CHƯƠNG 4 Bài 4.1. Cho mạch điện 3 pha tải đối xứng như A hình vẽ (4-16). Tổng trở mỗiBan pha quyen Z 3 © Truong j 4  . Ở DHtrạng Su pham Ky thuatA TP. HCM thái Z bình thường Vơn mét chỉ 220V. Tính số chỉ các Ampe B V mét khi: - Mạch bình thường. C A1 - Mạch đứt đường dây pha C. Lời giải: a) Mạch bình thường: Hình 4-16  Z = 32 4 2 = 5 U V  IA1 = = 44 A Z  IA = 3 IA1 = 76,2 A b) Đứt pha C: U  I1 = = 22 A ZZ U  I2 = = 44 A Z  Vì gĩc lệch pha bằng nhau : IA = I1 + I2 = 66 A 100 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Bài 4.2. Máy phát điện 3 pha cung cấp điện cho hai tải đối xứng. - Tải 1 nối sao cĩ tổng trở Id I1 A pha: Z1 8 j 6  Ud - Tải 2 nối tam giác cĩ tổng trở B Z2 16 j 12 Biết Ud = 220V. Tính dịng điện Id và cơng suất P tồn mạch. C I2 Z1 Lời giải: Z2 2 2  Z1 = 8 6 = 10  2 2 Hình 4-17  Z2 = 16 12 = 20  U PU d  I1 = = 12,7 A Z1 3Z1 U PU d  Ip2 = = 11 A I2 = 3 IP2 = 11 3 A Z 2Z 2  Id = I1 + I2 = 23,7 A (Vì gĩc lệch pha bằng nhau) 2 2  P = P1 + P2 = Ban3. I1 quyen.8 + 3 I©P Truong2 .16 = 9678,96 DH Su phamW Ky thuat TP. HCM Bài 4.3. Một mạch điện 3 pha đối R XL xứng, tổng trở đường dây A _ Z R jX 4 j 2  . Tải nối tam giác L R XL XC XC _ B tổng trở pha tải Z jX j15  . Điện t c R XL C áp nguồn Ud = 220v. Tính dịng điện dây và dịng điện pha. XC Hình 4-18 Đáp số: Biến đổi tải đấu Y : 2XC 2  Zp = R (X ) = 5  L 3 U P U d  IdY = Id = = = 25,4 A ZP 3ZP I d  Ip = = 14,66 A 3 101 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Bài 4.4. Cho mạch điện 3 pha tải đối xứng như hình vẽ (4-19). Biết điện áp dây của nguồn Ud = 200 3 V. A B C - Tính: Uf ; If ; Id. Ud - Tính cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q trên tải ba pha. R V1 V Lời giải X U d L V2  UP = = 200 V 3 2 2  ZP = RX = 10Ω Hình 4-19 U P  IP = = 20 A = Id ZP 2  P = 3. IP .R = 9600 W 2  Q = 3. IP .X = 7200 Var Id I A 1 Bài 4.5. Cho mạch ba pha đối xứng cĩ điện áp Ud = 1000V. Tải 1 cĩ I1 = 50A; cos 1 = 0,8. B Tải 2 cĩ P2 = 70KW; cos 2 = 0,8. Tính dịng điện dây Id của mạch. C Tải 1 I2 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Tải 2 Hình 4-20 Bài 4.6. Một nguồn điện điện 3 pha nối sao cĩ điện áp pha Upn = 120V cung cấp điện cho tải nối sao cĩ dây trung tính. Tải cĩ điện trở pha Rp = 180. Tính Ud , Id , Ip , I0, P của mạch 3 pha. Bài 4.7. Một nguồn điện 3 pha đối xứng đấu sao cung cấp điện cho tải 3 pha đối xứng nối tam giác. Biết dịng điện pha của nguồn Ipn = 17,32A, điện trở mỗi pha của tải Rp = 38. Tính điện áp pha của nguồn và cơng suất P của nguồn cung cấp cho tải 3 pha. Bài 4.8. Một tải 3 pha đối xứng nối tam giác, biết Rp = 15, Xp = 6, đấu vào mạng điện 3 pha Up = 380V. Tính Ip , Id , P, Q của tải. Bài 4.9. Một động cơ điện 3 pha đấu sao, đấu vào mạng 3 pha Ud = 380V, biết dịng điện dây Id = 26,81A, hệ số cơng suất cos = 0,85. Tính dịng điện pha của động cơ, cơng suất điện động cơ tiêu thụ. Bài 4.10. Một động cơ khơng đồng bộ cĩ số liệu định mức sau: cơng suất cơ định mức Pđm = 14kW, hiệu suất đm = 0,88, hệ số cơng suất cos đm = 0,89, thơng số ghi trên nhãn: Y/ - 380V/220V. Người ta đấu động cơ vào mạng 220V/127V. a) Xác định cách đấu dây động cơ. b) Tính cơng suất điện động cơ tiêu thụ khi định mức. c) Tính dịng điện dây Id và dịng điện pha Ip của động cơ. 102 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha Bài 4.11. Một động cơ điện đấu hình sao, làm việc với mạng điện cĩ Ud = 380V, động cơ tiêu thụ cơng suất điện 20kW, cos = 0,885. Tính cơng suất phản kháng của động cơ tiêu thụ, dịng điện dây Id và dịng điện pha của động cơ. Bài 4.12. Một mạng điện 3 pha 4 sợi 380V/220V cung cấp điện cho 60 đèn phĩng điện cao áp cơng suất đèn P = 250W, cơng suất chấn lưu 25W, hệ số cơng suất cos = 0,85, điện áp đèn Uđm = 220V. Đèn được phân bố đều cho 3 pha. - Xác định dịng điện dây khi cả 3 pha đều làm việc bình thường. Tính dịng điện trong dây trung tính I0. - Khi đèn pha A bị cắt điện. Xác định dịng điện dây IB , IC , dịng điện I0 trong dây trung tính khi các đèn pha B và pha C làm việc bình thường. - Khi đèn pha A và đèn pha B bị cắt điện. Xác định dịng điện IC và dịng điện I0 trong dây trung tính khi đèn pha C làm việc bình thường. Bài 4.13. Một mạng điện 3 pha 4 sợi 380V/220V, các tải một pha nối giữa dây pha và dây trung tính. Tải pha A và pha B thuần trở RA = RB = 10, tải pha C là cuộn dây RC = 5, ZL = 8,666. Tính dịng điện các pha IA , IB , IC và dịng điện trong dây trung tính I0. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 103 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp CHƯƠNG 5 MÁY BIẾN ÁP §5.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 5.1.1. Định nghĩa: Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dịng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao nhưng vẫn giữ nguyên tần số. - Đầu vào của MBA nối với nguồn điện gọi là sơ cấp, các đại lượng và thơng số của sơ cấp trong ký hiệu cĩ ghi chỉ số “1”. - Đầu ra của MBA nối với tải gọi là thứ cấp, các đại lượng và thơng số của thứ cấp trong ký hiệu cĩ ghi chỉ số “2”. - Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp thì MBA là máy tăng áp, và ngược lại gọi là máy giảm áp. - Ký hiệu hoặc Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 5-1 5.1.2. Các đại lượng định mức Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định để cho máy cĩ khả năng làm việc lâu dài và hiệu quả nhất. Ba đại lượng định mức cơ bản là: a. Điện áp định mức a. Điện áp sơ cấp định mức (U1đm) : là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp, đối với máy biến áp ba pha là điện áp dây. b. Điện áp thứ cấp định mức (U2đm) : là điện áp giữa các đầu ra của dây quấn thứ cấp, là điện áp dây (đối với máy biến áp ba pha), khi dây quấn thứ cấp hở mạch (khơng nối với tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây cách điện giữa các lớp, các vịng dây và lựa chọn vật liệu cách điện để đảm bảo an tồn. Đơn vị của điện áp định mức là V hoặc kV b. Dịng điện định mức Dịng điện định mức là dịng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với cơng suất định mức và điện áp định mức. Khi điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải cĩ cơng suất bằng cơng suất định mức của máy biến áp thì dịng điện đo được trên cuộn dây sơ 104 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp cấp là dịng điện sơ cấp định mức (I1đm) và dịng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp là dịng điện thứ cấp định mức (I2đm). Đối với máy biến áp một pha, dịng điện định mức là dịng điện pha. Đối với máy biến áp ba pha, dịng điện định mức là dịng điện dây. Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dịng điện định mức để chọn tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảm bảo nhiệt độ tăng trong quá trình sử dụng khơng vượt quá giới hạn an tồn. c. Cơng suất định mức Cơng suất định mức của máy biến áp là cơng suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức. Cơng suất định mức ký hiệu là Sđm, đơn vị là VA hoặc kVA. Đối với máy biến áp một pha, cơng suất định mức là: Sđm = U2đm* I2đm = U1đm* I1đm (5-1) Đối với máy biến áp ba pha, cơng suất định mức là: Sđm = 3 U2đm* I2đm = 3 U1đm* I1đm (5-2) Ngồi ra trên nhãn máy cịn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc của máy biến áp đĩ. Trong quá trình sử dụng,Ban quyennếu ta đặt© Truong máy biến DH ápSu hoạtpham động Ky thuatỏ mức TP. dưới HCM các đại lượng định mức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, cịn nếu ta đặt trên các đại lượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp. 5.1.3. Vai trị của máy biến áp: Máy biến áp cĩ vai trị rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng. - Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao trên đường dây, người ta nâng cao điện áp truyền tải trên dây, vì vậy ở đầu đường dây truyền tải cần đặt MBA tăng áp. - Điện áp tải thường nhỏ, vì vậy ở cuối đường dây phải đặt MBA hạ áp. - Ngồi ra MBA cịn được sử dụng trong các lị nung, hàn điện, làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử, đo lường. Hộ Máy Đường tiêu thụ phát điện dây tải  Máy biến áp Máy biến áp tăng áp giảm áp Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản Hình 5-2 105 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Một số hình dạng của MBA: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM §5.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 5.2.1. Cấu tạo Máy biến áp cĩ hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. 106 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Hình 5-3. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một pha a. Lõi thép Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng chính của máy biến áp, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận: - Trụ: là nơi để đặt dây quấn. - Gơng: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Trụ và gơng tạo thành mạch từ khép kín. Để giảm dịng điện xốy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày khoảng 0,35mm đến 0,5mm, mặt ngồi cĩ sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép. Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng cĩ hình chữ U, E, I như hình vẽ: Hình 5-4. Hình dạng lá thép kỹ thuật điện 107 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp b. Dây quấn máy biến áp. Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhơm), cĩ tiết diện trịn hoặc hình chữ nhật, bên ngồi dây dẫn cĩ bọc cách điện. a  b Hình 5-5. Mặt cắt ngang dây quấn máy biến áp Dây quấn gồm nhiều vịng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vịng dây, giữa các dây quấn cĩ cách điện với nhau và dây quấn cĩ cách điện với lõi thép. Máy biến áp thường cĩ hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thơng thường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đăt lồng ra bên ngồi, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điện Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp cơng suất lớn, vỏ thùng dầu cĩ cánh tản nhiệt, ngồi ra cịn cĩ các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngồi, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy. 5.2.2. Nguyên lý làm việc:Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dịng điện xoay chiều với điện áp U1, dịng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thơng . Do mạch từ khép kín nên từ thơng này mĩc vịng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đĩ sức điện động. d Với cuộn sơ cấp là: e1 = - N1 (5-3) dt d Với cuộn thứ cấp là: : e2 = - N2 (5-4) dt Hình 5-6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp Giả sử từ thơng của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian:  = maxsint (Wb) (5-5) 108 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Sau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 5-3 ta được: e1 = - N1maxcost Vì cost = - sin(t – 900 ) 0 Nên e1 = N1max sin(t – 90 ) (5-6) 0 Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thơng  một gĩc 90 . Trị số cực đại của sức điện động E1max: E1max = N1max (5-7) Chia E1max cho 2 và thay  = 2f, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp: E1max 2f E1 = = N1max = 4,44fN1max (5-8) 2 2 Thực hiện thay thế, tính tốn tương tự đối với phương trình 5-4 ta được biểu thức sức điện động hiệu dụng của cuộn thứ cấp như sau: E2 = 4,44fN2max (5-9) Khi máy biến áp khơng nối với tải, dịng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấp thực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1 U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 = U20 (U20 là điện áp thứ cấp khơng tải). Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nĩ khi khơng cĩ tải, được rút ra từ biểu thức 5-8 và 5-9, bằng tỷ số vịng dây của các cuộn dây. Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp: E U N k = 1 = 1 = 1 E U N Ban2 quyen20 © Truong2 DH Su pham Ky thuat TP. HCM - Nếu N1 > N2 suy ra k > 1 , U1 > U2, máy biến áp hạ áp. - Nếu N1 < N2 suy ra k < 1 , U1 < U2, máy biến áp tăng áp. Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, cĩ thể coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U1I1 = U2I2 U I Hoặc: 1 2 k U 2 I1 §5.3. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP 5.3.1. Quá trình điện từ trong máy biến áp: Hình 5.7 109 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 5-8. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp một điện áp xoay chiều u1 thì trong đĩ sẽ cĩ dịng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp cĩ tải thì sẽ cĩ dịng điện i2 chạy qua. Những dịng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1N1 và i2N2. Phần lớn từ thơng do i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi thép mĩc vịng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp và được gọi là từ thơng chính . Từ thơng chính gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sức điện động chính là: d d 1 e1 N 1 dt dt (5-10) dd  e N 2 2 2 dt dt Trong đĩ: 1 N 1  và 2 N 2  là từ thơng mĩc vịng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với từ thơng chính . Cịn một phần rất nhỏ từ thơng do các sức từ động i1N1 và i2N2 sinh ra bị tản ra ngồi lõi thép và khép mạch qua khơng khí hay dầu gọi là từ thơng tản. Từ thơng tản cùng gây nên các sức điện động tản tương ứng: d d e N 1  1 1 1 dt dt (5-11) dd  e N 2  2  2 2 dt dt Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 5.3.2. Phương trình cân bằng điện áp cuộn sơ cấp: Xét mạch điện sơ cấp gồm : u1 , e1 , điện trở dây quấn R1 , L1 i1 R1 L1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vịng mạch: - Viết dưới dạng trị số tức thời: di1 R1 i 1 L 1 u1 e 1 e dt ~ u1 1 ~ di u R i L 1 e 1 1 1 1 dt 1 - Viết dưới dạng phức: Hình 5-8       U1 R 1 I 1 j X 1 I 1 E 1 Z 1 I 1 E 1 (5-12) Với: Z1 R 1 j..L 1 R 1 j.X 1 X1 .L 1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp 5.3.3. Phương trình cân bằng điện áp cuộn thứ cấp: R L Xét mạch điện thứ cấp gồm : e2 , điện trở dây quấn R2 , L2 i2 2 2 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vịng mạch: - Viết dưới dạng trị số tức thời: di2 u2 Z R i L u e ~ e2 t 2 2 2 dt 2 2 di2 u2 e 2 R 2 i 2 L 2 dt Hình 5-9 110 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp - Viết dưới dạng phức:        U2 ERI 2 2 2 jXI 2 2 EZI 2 2 2 ZItải 2 (5-13) Với: Z2 R 2 j..L 2 R 2 j.X 2 X 2 .L 2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp 5.3.4. Phương trình cân bằng sức từ động: - Vì điện trở cuộn dây sơ cấp nhỏ nên sụt áp R1.I1 nhỏ hơn nhiều E1 nên cĩ thể xem gần đúng U1 E 1 . - Vì U1 = const nên E1 = const max = const Ở chế độ khơng tải  0 i 0.W 1 , trong đĩ i0 là dịng khơng tải của sơ cấp. Ở chế độ cĩ tải  i1.W 1 i 2.W 2 max = const nên sức từ động lúc khơng tải bằng sức từ động lúc cĩ tải i0.W 1 i 1.W 1 i 2.W 2 Chia 2 vế cho W1 W2 i2 i0 i 1 i 2 .' i1 i1 i 2 W1 k Hoặc i1 i 0 i' 2 i2 i' là dịng điện i2 đã qui đổi về phía sơ cấp 2 k - Phương trình sức từ động viết dưới dạng phức: III  ' (5-14) Ban quyen © Truong DH Su pham1 0Ky thuat 2 TP. HCM Phương trình sức từ động cho ta thấy rõ quan hệ giữa dịng điện sơ cấp và thứ cấp. Hệ 3 phương trình điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp và sức từ động ta cĩ mơ hình tốn học của MBA. §5.4. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP Từ Mơ hình tốn    UZIE1 1. 1 1 (5 12)    UEZI2 2 2. 2 (5 13)    (5 14) III1 0 ' 2 Ta xây dựng Mơ hình mạch là mạch điện thay thế phản ánh đầy đủ quá trình năng lượng trong MBA, giúp thuận lợi cho việc tính tốn, thí nghiệm và nghiên cứu MBA. 5.4.1. Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp: Nhân (5-13) với k, ta được: I kU  kE  kZI  kE  kZ2 2 (5-15) 2 2 2 2 2 2 k    Đặt: E'.2 k E 2 E 1 (5-16)   U'.2 kU 2 (5-17) 2 2 2 Z '2 k .Z2 R'2 k .R2 X'2 k .X 2 (5-18) Phương trình (5-15) trở thành: 111 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp    UEZI''.'2 1 2 2 (5-19)   Mặt khác: UZI2 t . 2 nhân (5-13) vế với k, ta được I kU  k Z I  k2 Z 2 2t 2 t k   UZI2 '.'t 2 2 2 2 Trong đĩ: Z 't k .Z t R't k .R t X't k .X t (5-20) I I' 2 (5-21) 2 k - Phương trình (5-19) là phương trình điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp. - (5-16), (5-17), (5-18), (5-19), (5-20) và (5-21) là các cơng thức qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp. 5.4.2. Mạch điện thay thế máy biến áp: Xét MBA trường hợp khơng tải, ta thấy ngồi một lượng tổn hao do sụt áp trên dây quấn sơ cấp, trong MBA cịn tổn hao một lượng năng lượng để từ hĩa lõi thép. Khi khơng tải: phương trình điện áp sơ cấp    UZIE1 1. 1 1  Trong đĩ: ZI1. 1 là sụt áp trên dây quấn sơ cấp  E1 chính là sụt áp trên tổng trở từ hĩa Zth . Đặc trưng cho quá trình từ hĩa lõi thép là từ thơng chính  do I0 sinh ra, nên: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM    E1 Zth. I 0 ( R th j . X th ). I 0  Rth : là điện trở từ hĩa đặc trưng cho tổn hao sắt từ 2  Tổn hao sắt từ: PRIst th . 0 Mơ hình tốn của MBA bây giờ trở thành:    UZIZI1 1 1 th 0 (5 22)    UZIZI'.'.'2 th 0 2 2 (5 23)    (5 24) III1 0 ' 2 Hệ (5-22), (5-23), (5-24) chính là hệ của 2 phương trình Kirchhoff 2 và 1 phương trình Kirchhoff 1 viết cho mạch cĩ dạng hình 5-6 (a) X’ R1 X1 R’2 2 R1 X1 R’2 X’2 . . I I’ 1 2 Rth . . . Z’ U’ ~U1 t 2 ~U1 Z’t X . th I 0 Hình 5-10 a) b) 112 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp - Nhánh cĩ Zth = Rth + jXth gọi là nhánh từ hĩa. - Thơng thường, Zth rất lớn nên I0 rất nhỏ. Nếu bỏ qua nhánh từ hĩa, ta cĩ sơ đồ thay thế gần đúng của MBA như hình 5-6 (b). R R R' Trong đĩ: n 1 2 X n X1 X' 2 §5.5. XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ MÁY BIẾN ÁP 5.5.1. Thí nghiệm khơng tải: - Để xác định tỷ số k của MBA, tổn hao sắt từ và các thơng số của máy ở chế độ khơng tải. - Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-11 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 5.11 - Ta cĩ các số liệu sau: Watt kế chỉ cơng suất khơng tải: P0 Pst Ampe kế chỉ dịng khơng tải: I0 Các Vơn kế V1 và V2 chỉ các giá trị U10 và U20 . Từ các số liệu trên ta tính được: a. Tỷ số MBA k: W E U k 1 1 1 W2 E2 U 20 b. Dịng điện khơng tải phần trăm: I0% I0 I0 %.%% 100 3  10 Iđm c. Điện trở khơng tải: R0 P0 R0 2 RR1 th I 0 Vì Rth R1 nên lấy gần đúng R0 Rth 113 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp d. Tổng trở khơng tải: Z0 U1đm Z0 Gần đúng: Z0 Zth I0 e. Điện kháng khơng tải: X0 2 2 XZR0 0 0 Gần đúng: X 0 X th f. Hệ số cơng suất khơng tải: Cos 0 P0 Cos 0 0,, 1  0 3 UI1đm . 0 5.5.2. Thí nghiệm ngắn mạch: - Để xác định tổn hao trên dây quấn (tổn hao đồng) và xác định các thơng số của sơ cấp và thứ cấp. - Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-12 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 5.12 - Điều chỉnh điện áp thí nghiệm Un đặt lên sơ cấp MBA bằng 1 bộ điều chỉnh điện áp. - A1, A2 chỉ dịng điện ngắn mạch sơ cấp và thứ cấp I1n và I2n. - Vơn kế chỉ điện áp ngắn mạch sơ cấp Un. P P - Watt kế chỉ cơng suất ngắn mạch n cu - Lúc ngắn mạch: U2 = 0, do đĩ Un là điện áp ngắn mạch rơi trên điện trở dây quấn. Vì Un << nên  <<, cĩ thể bỏ qua tổn hao sắt từ. a. Điện trở ngắn mạch: Rn P n (5-25) Rn 2 I 1đm b. Tổng trở ngắn mạch: Zn Un Zn (5-26) I1đm c. Điện kháng ngắn mạch: Xn 2 2 XZRn n n (5-27) Để tính các thơng số của dây quấn MBA, ta dùng các cơng thức gần đúng sau: R X RR ' n XX ' n 1 2 2 1 2 2 Nếu biết tỷ số k, ta tính được thơng số dây quấn thứ cấp khi chưa qui đổi: 114 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp R' X' R 2 X 2 2 k2 2 k2 d. Điện áp ngắn mạch tác dụng %: UnR% Rn.I1 đm UnR % .100 Un %. Cos n (5-28) U1đm e. Điện áp ngắn mạch phản kháng %: UnX% X n.I1 đm UnX % .100 Un %. Sin n (5-29) U1đm 5.5.3. Hiệu suất máy biến áp:  Khi MBA làm việc, cĩ các tổn hao sau: - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp, gọi là tổn hao đồng. Tổn hao đồng phụ thuộc vào dịng tải. 2 PIRIRIRRcu 1. 1 2 . 2 1 .(1 ' 2 ) 2 2 2 Pcu I1 R n k t I1đm Rn I2 I1 Trong đĩ: Kt gọi là hệ số tải kt I2đmI1 đm Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 2 Pcu k t. P n - Tổn hao sắt từ do dịng điện xốy và từ trễ gây ra. Tổn hao sắt từ chỉ phụ thuộc vào từ thơng chính, nghĩa là phụ thuộc vào điện áp. Pst P0  Hiệu suất của MBA: P P  1 1 (5-30) P2 PPP2 st cu o P2 là cơng suất tác dụng ở đầu ra (tải tiêu thụ). P2 S 2 .cos tải k t.S đm.cos tải I2 S2 k t I 2đmS đm k t.S đm.cos tải Vậy:  2 (5-31) kt .S đm .cos tải P0 k t .P n - Nếu cos tải const, hiệu suất cực đại khi Pcu P st 2 P0 - Hiệu suất cực đại khi: kt .P n P0 k t (5-33) Pn - Đối với MBA cơng suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi 115 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp kt = 0,5  0,7 và hiệu suất thay đổi khơng đáng kể trong phạm vi 0,4< kt <1,2 §5.6. MÁY BIẾN ÁP BA PHA 5.6.1. Cấu tạo Để thực hiện biến đổi điện áp trong hệ thống dịng điện ba pha, người ta cĩ thể sử dụng ba máy biến áp một pha như hình 5-13a, hoặc dùng máy biến áp ba pha như hình 5-13b. A B C X Y Z x y z A B C X Y Z a b c a b c a) b) Hình 5-13. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp ba pha Về cấu tạo, lõi thép của máy biến áp ba pha gồm ba trụ như hình 5-13b. Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Pha A ký hiệu là A – X. Pha B là B – Y. Pha C là C – Z. Dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng các chữ in thường: pha a là a – x, pha b là b – y, pha c là c – z. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp cĩ thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình tam giác ta ký hiệu là /. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình sao cĩ dây trung tính thì ta ký hiệu là Y/Y0. Gọi số vịng dây một pha sơ cấp là N1, số vịng dây một pha thứ cấp là N2, tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là: U N P1 2 (5-33) U P2 N1 Tỷ số điện áp dây khơng những phụ thuộc vào tỷ số số vịng dây mà cịn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác. Khi nối / ( hình 5-14a), bên sơ cấp nối tam giác nên ta cĩ Ud1 = Up1, thứ cấp nối hình sao ta cĩ Ud2 = 3 Up2 . Vậy tỷ số điện áp dây là: U U p2 N d1 1 (5-34) U d 2 U P1 3.N2 3 Khi nối / ( hình 5-12b), sơ cấp cĩ Ud1 = Up1 và thứ cấp cĩ Ud2 = Up2 cho nên: 116 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp U U p2 N d1 1 (5-35) U d 2 U P1 N 2 Khi nối Y/Y ( hình 5-12c), sơ cấp cĩ Ud1 = 3 Up1 và thứ cấp cĩ Ud2 = 3 Up2 cho nên: U U 3 N d1 p2 1 (5-36) U d 2 U P1 3 N 2 Khi nối Y/ ( hình 5-12d), sơ cấp cĩ Ud1 = 3 Up1 và thứ cấp cĩ Ud2 = Up2 cho nên: U U 3 3N d1 p2 1 (5-37) U d 2 U P1 N 2 Ơ trên ta mới chú ý đến tỷ số điện áp dây, trong thực tế khi cĩ nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau, ta phải chú ý đến gĩc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Vì thế khi ký hiệu tổ đấu dây của máy biến áp, ngồi ký hiệu đấu các dây quấn ( hình sao hoặc tam giác), cịn ghi thêm chữ số kèm theo để chỉ gĩc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp. B C A B C A A B C A B C Y Z X Y Z X a) X Y Z X b) Y Z Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM a b c a c) b c a b c a d) b c x y z x y z x y z x y z a) b) c) d) Hình 5-14. Các sơ đồ nối dây máy biến áp ba pha. 5.6.2. Tổ nối dây máy biến áp ba pha: Khi vận hành nhiều MBA 3 pha song song với nhau, ngồi ký hiệu cách đấu dây ta cịn phải chú ý đến gĩc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp. Vì vậy nên sau ký hiệu đấu dây người ta cịn ghi thêm một chỉ số chỉ gĩc lệch pha. Ví dụ: o Y/Y – 12 nghĩa là: sơ cấp đấu Y, thứ cấp đấu Y, gĩc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là = 12 x 30o = 360o . o Y/ - 11 nghĩa là: sơ cấp đấu Y, thứ cấp đấu , gĩc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là = 11 x 30o = 330o . 117 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Hình 5-15 §5.7. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG Trong hệ thống điện, trong các lưới điện, các máy biến áp thường làm việc song song với nhau. Nhờ làm việc song song, cơng suất lưới điện lớn rất nhiều so với cơng suất mỗi máy, đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an tồn cung cấp điện, khi một máy hỏng hĩc hoặc phải sửa chữa. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Điều kiện để cho các máy làm việc song song là: a. Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của mỗi máy phải bằng nhau tương ứng U1I = U1II U2I = U2II Nghĩa là kI = kII Trong đĩ kI là hệ số biến áp của máy I. kII là hệ số biến áp của máy II. Trong thực tế, cho phép hệ số biến áp k của các máy khác nhau khơng quá 0,5%. b. Các máy phải cĩ cùng tổ nối dây Ví dụ: khơng cho phép hai máy cĩ tổ nối dây Y/ - 11 và Y/Y – 12 làm việc song song với nhau vì điện áp thứ cấp của hai máy này khơng trùng pha nhau. Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho khơng cĩ dịng điện cân bằng lớn chạy quẩn trong các máy do sự chênh lệch điện áp thứ cấp của chúng. c. Điện áp ngắn mạch của các máy phải 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. 118 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ kệ với cơng suất định mức của chúng. Nếu khơng đảm bảo điều kiện thứ 3, ví dụ UnI% < UnII% thì khi máy I nhận tải định mức, máy II cịn non tải. Thật vậy ở trường hợp này, dịng điện máy I đạt định mức Iđm, điện áp rơi trong máy I là IIđm.ZnI, dịng điện máy II là III, điện áp rơi trên máy II là III.ZnII. vì hai máy làm việc song song, điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau, ta cĩ: IIđm.ZnI = III.ZnII (5-38) ZnI, ZnII là tổng trở ngắn mạch của máy I và II. vì UnI% < UnII% do đĩ: IIđm.ZnI < IIIđm.ZnII (5-39) So sánh (5-38) với (5-39) ta cĩ: III < IIIđm Dịng điện máy II nhỏ hơn định mức,vậy máy II đang non tải,trong khi máy I đã định mức. nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải. Trong thực tế cho phép điện áp ngắn mạch của các máy sai khác nhau 10%. Hệ số tải của mỗi máy khi làm việc song song i : S S  = i (5-40) i S Sidm idm uni %. uni % Si là cơng suất của máy biến áp thứ i Tải cung cấp cho tải. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Siđm là cơng suất định mức của máy biến A áp thứ i. B S là tổng cơng suất truyền tải của các C máy. Hình 5-16 giới thiệu sơ đồ hai máy biến Máy 1 Máy 2 áp ba pha làm việc song song. Nguồn Máy phát Hình 5-16. Sơ dồ hai máy biến áp làm việc song song 119 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp §5.8. CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 5 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp 2. Mơ hình tốn học của máy biến áp 3. Qui đổi và sơ đồ thay thế máy biến áp 4. Thí nghiệm khơng tải và thí nghiệm ngắn mạch 5. Cách xác định các thơng số máy biến áp bằng số liệu thí nghiệm 6. Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp §5.9. BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Bài 5.1: Máy biến áp 1 pha cĩ Sđm =700kvA, U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, P0 = 502W, Pn = 1200W. - Tính dịng điện định mức trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp. - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đĩ biết cos = 0,8. Lời giải: Sđm = U1đm . I1đm = U2đm . I2đm Sđm 700  I1đm = = 20 A U1đm 35 Sđm 700  I2đm = = 1750 A U,2đm 0 4 P0 502   = kt = = 0,647 Pn 1200 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM k S cosφ   = t đm = 0,997 2 kt S đm cosφ P0 k t P n Bài 5.2: Máy biến áp 1 pha cĩ U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, I2đm = 150A, P0 = 0,5KW, I0% = 10%, Pn = 1,2KW. Tính: cơng suất biểu kiến định mức, cơng suất biểu kiến khơng tải và cơng suất biểu kiến khi hiệu suất cực đại. Lời giải: Sđm = U1đm . I1đm = U2đm . I2đm = 0,4 . 150 = 60 KVA Sđm 60  I1đm = = 1, 714 A U1đm 35 I0 % 10  I0 = I, 1714 = 0,171 A 100 1đm 100  S0 = U1đm . I0 = 35 . 0,171 = 5,985 KVA Khi hiệu suất cực đại P0 0, 5   = kt = = 0,645 Pn 12, I 2 S2I 1  kt = I 2đmS đmI1 đm S2 = kt . Sđm = 0,645 . 60 = 38,7 KVA 120 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Bài 5.3: Máy biến áp 1 pha cĩ R1 = 200, R2 = 2, điện kháng XL1 = 1570, XL2 = 15,7; W1 10 , sơ cấp máy biến áp nối với máy phát sin cĩ điện trở trong Rtr = 1600, sức điện động W2 E = 120V, thứ cấp nối với tải cĩ Rtải = 18. 1. Xác định cơng suất tải tiêu thụ. X ' ' 2. Xác định điện áp đặt lên tải. L1 X ' R1 R 2 L2 I Lời giải: 2 Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp ' 2 2  R = k . R2 = 10 . 2 = 200  R 2 tr R' ' 2 2 t  XL2 = k . XL2 = 10 . 15,7 = 1570  ' 2 2  R t = k . Rt = 10 . 18 = 1800  E ' E I 2 ' ' 2 ' 2 (Rtr R1 R 2 Rt ) (XLL1 X 2 ) 120 = = 0,0243 A ()()1600 200 200 18002 1570 1570 2 '  I2 = K . I 2 = 10 . 0,0243 = 0,243 A 2 2  Pt = I2 . Rt = 0,243 . 18 = 1,063 W  U2 = I2 . Rt = 0,243 . Ban18 = quyen4,374 ©(V) Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Bài 5.4: Máy biến áp 3 pha cĩ Sđm =450kva, U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, P0 =5020W, I0% = 5%, Un% = 8%, Pn = 12KW. Tính:dịng điện trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi hiệu suất cực đại. Lời giải: Khi hiệu suất cực đại P0 5, 02   = kt = = 0,647 Pn 12 Sđm 450  I1đm = = 7,423 A 3U.1đm 3 35 Sđm 450  I2đm = = 649,52 A 3U.,2đm 3 0 4 I 2 S2I 1  kt = I 2đmS đmI1 đm I1 = kt . I1đm = 0,647 . 7,423 = 4,8A I2 = kt . I2đm = 0,647 . 649,52 = 420 A Bài 5.5: Máy biến áp 1 pha Sđm = 150KVA; U1đm = 2400V; U2đm = 240V; R1 = 0,2 ; X1 = 0,45 ; R2 = 2 m; X2 = 4,5 m a.Tính Rn; Xn; I1đm; I2đm b.Tính Pn; P0 biết rằng khi cos = 0,85; hệ số K = 1; hiệu suất  = 0,98 121 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp Lời giải: U1đm 2400  kba = = 10 U 2đm 240 ' 2 2  R 2 = K . R2 = 10 . 2 = 200 m = 0,2  '  Rn = R1 + R 2 = 0,2 + 0,2 = 0,4  ' 2 2  X 2 = K . X2 = 10 . 4,5 = 450 m = 0,45  '  Xn = X1 + X 2 = 0,45 + 0,45 = 0,9  3 Sđm 150. 10  I1đm = = 62,5 A U 1đm 2400 3 Sđm 150. 10  I2đm = = 625A U 2đm 240 2 2  Pn = Rn . I1đm = 0,4 . 62,5 = 1562,5 W Sđm cosφ  P0 = – Sđm. cos – Pn = 1039,5 W ≈ 1,04 Kw η Bài 5.6: Máy biến áp 1 pha cĩ R1 = 200, R2 = 2, điện cảm tản L1 = 50mH, L2 = 0,5mH; W 1 10 , sơ cấp máy biến áp nối với máy phát sin cĩ f = 5000Hz, điện trở trong Rtr = 1600, W2 sức điện động E = 100V, thứBan cấp quyennối với © tảiTruong cĩ R tảiDH = 16Su pham. Ky thuat TP. HCM a) Xác định cơng suất tải tiêu thụ. b) Xác định điện áp đặt lên tải. Đáp số: Ptải = 0,7W; U2 = 3,348 V Bài 5.7: Một máy biến áp 1 pha cĩ: Sđm = 150KVA, U1đm = 2400V, U2đm = 240V. Điện trở R1 = 0,2, R2 = 2m. Khi máy làm việc với tải R, L, hệ số tải Kt = 0,8 và hệ số cos t = 0.80 thì hiệu suất của máy  = 0,98. Tính: Tổn hao ngắn mạch Pn và tổn hao khơng tải P0 của máy. Bài 5.8: Máy biến áp 3 pha cĩ U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, I2đm = 150A, P0 = 0,5KW, I0% = 10%, Pn = 1,2KW. Tính: cơng suất biểu kiến định mức, cơng suất biểu kiến khơng tải và cơng suất biểu kiến khi hiệu suất cực đại. Bài 5.9: Một máy biến áp 3 pha cĩ : Sđm = 7000KVA; U1đm = 35KV; U2đm = 10KV; P0 = 20KW; Pn = 53.5Kw. - Tính dịng điện định mức ở bên cuộn sơ cấp và thứ cấp - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đĩ biết cos = 0,9. Sđm 7000 Đáp số: I1đm = = 115,47 A 3U.1đm 3 35 Sđm 7000 I2đm = = 404,14 A 3U.2đm 3 10 P0 20  = kt = = 0,611 P,n 53 5 122 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 5. Máy biến áp kt S đm cosφ max = = 0,99 2 kt S đm cosφ P0 k t P n Bài 5.10: Một máy biến áp 3 pha cĩ : Sđm = 175KVA; U1đm = 35KV; U2đm = 400V; P0 = 500W; Pn = 1000W. - Tính dịng điện định mức ở bên cuộn sơ cấp và thứ cấp - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đĩ biết cos = 0,8 - Tính hiệu suất khi hệ số tải kt = 0,5 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 123 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ CHƯƠNG 6 MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ §6.1. KHÁI NIỆM CHUNG Máy điện khơng đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, cĩ tốc độ quay của rotor là n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường (n1). Cũng như các máy điện quay khác, Máy điện khơng đồng bộ cĩ tính thuận nghịch, nghĩa là cĩ thể làm việc ở chế độ động cơ cũng như ở chế độ máy phát. Máy phát điện khơng đồng bộ cĩ đặc tính làm việc khơng tốt bằng máy phát điện đồng bộ , nên ít được sử dụng. Động cơ điện khơng đồng bộ cĩ cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Động cơ điện khơng đồng bộ cĩ cơng suất lớn trên 600W thường là loại ba pha cĩ ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong khơng gian một gĩc 1200 điện. Các động cơ khơng đồng bộ cơng suất nhỏ dưới 600W thường là động cơ một pha hoặc hai pha. Động cơ hai pha cĩ hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn đặt lệch nhau trong khơng gian một gĩc 900 điện. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM §6.2. CẤU TẠO Cấu tạo của máy điện khơng đồng bộ (hình 6-1) gồm hai bộ phận chính là stator và rotor; ngồi ra cịn cĩ vỏ máy, nắp máy, bảng đấu dây. stator dây quấn rotor Hình 6-1 124 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ a) Phần tĩnh (Stator): Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator. Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện cĩ dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép chặt vào trong vỏ máy. Dây quấn stator làm bằng dây dẫn cĩ bọc cách điện. Kết cấu Stator khơng cĩ dây quấn Lá thép Stator Hình 6-2 b) Phần quay (Rotor): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện cĩ dập rãnh ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa cĩ lỗ để lắp trục. Dây quấn rotor: cĩ 2 kiểu rotor dây quấn và rotor ngắn mạch (cịn gọi là rotor lồng sĩc). 125 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Rotor lồng sĩc Lá thép của rotor dây quấn Hình 6-3 c) Các bộ phận phụ: Vỏ máy thường được đúc bằng nhơm hoặc bằng gang. Chổi than và vành trượt để nối dây quấn rotor với điện trở bên ngồi (đối với máy loại rotor dây quấn). Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Cấu tạo Rotor dây quấn Hình dạng bên ngồi của động cơ KĐB Hình 6-4 dây quấn vành tiếp xúc a) b) Hình 6-5. Rotor dây quấn và ký hiệu máy điện rotor dây quấn 126 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ §6.3. TỪ TRƯỜNG QUAY 6.3.1. Sự tạo thành từ trường quay:  Từ trường đập mạch của dây quấn 1 pha: Từ trường của dây quấn 1 pha cĩ phương khơng đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian gọi là từ trường đập mạch. Xét 1 máy điện cĩ cấu tạo đơn giản, stator chỉ cĩ 1 cuộn dây gồm 1 vịng dây đặt như hình vẽ. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 6-6: Sự hình thành từ trường đập mạch trong dây quấn 1 pha Cho dịng điện sin đi qua cuộn dây. Trong ½ chu kỳ đầu, dịng điện dương, véctơ từ trường B hướng theo trục Ox, độ lớn tăng dần từ 0 đến Bm rồi từ Bm trở về 0. Nửa chu kỳ sau, dịng điện đổi chiều, véctơ B hướng theo chiều ngược lại và độ lớn cũng thay đổi tương tự ½ chu kỳ đầu. Véctơ B cĩ hướng khơng đổi như vậy gọi là từ trường đập mạch (khơng phải từ trường quay).  Từ trường quay của dây quấn 3 pha: Dịng điện xoay chiều 3 pha cĩ ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong các máy điện. Xét một máy KĐB đơn giản gồm cĩ 3 cuộn dây stator AX, BY, CZ đặt trong 6 rãnh. Trục của các dây quấn lệch nhau trong khơng gian 1 gĩc 120o điện. 127 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Hình 6.7 Giả thiết trong dây quấn 3 pha cĩ dịng điện 3 pha đối xứng chạy qua. iA I max.sin t o iB I max .sin(  t 120 ) i I .sin(  t 240o ) C max Thời điểm t 90o , I max , I & I  0 B  I ABCA Thời điểm t 90o 120o , I max , I & I  0 B  I BACB Bano quyeno © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Thời điểm t 90 240 , ICBAC max , I & I  0 B  I Như vậy ta thấy, từ trường tổng của 3 pha đã lần lượt quay 120o, 240o. Từ trường quay này gọi là từ trường quay 1 đơi cực, nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn stator ta cĩ từ trường quay 2, 3, 4 p đơi cực. Hình 6-8 6.3.2. Tính chất của từ trường quay: 128 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ  Tốc độ của từ trường quay: Tốc độ của từ trường quay phụ thuộc vào tần số f và số đơi cực p. Khi từ trường cĩ 1 đơi cực, tốc độ của từ trường quay n1 = f vịng/giây Khi từ trường cĩ 2 đơi cực thì n1= f/2 vịng/giây Tổng quát, khi cĩ p đơi cực thì tốc độ của từ trường quay f n vịng/giây 1 p 60f Hoặc n vịng/phút 1 p  Chiều quay của từ trường quay: Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dịng điện. Muốn thay đổi chiều quay của từ trường, ta đảo thứ tự 2 trong 3 pha với nhau.  Biên độ của từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thơng  xuyên qua mỗi dây quấn. Từ thơng này biến thiên hình sin và cĩ biên độ bằng 3/2 từ thơng cực đại của mỗi pha. 3   max2 p max Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM m Tổng quát, đối với dây quấn m pha:   max2 p max §6.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 6.4.1. Động cơ điện khơng đồng bộ: Khi cho dịng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay p đơi cực, quay 60f với tốc độ n . Từ trường quay này cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor cảm ứng thành 1 p các sức điện động. Vì rotor nối ngắn mạch nên sức điện động này sinh ra dịng điện trong các thanh dẫn của rotor, lực điện từ tác dụng tương hỗ giữa từ trường và thanh dẫn cĩ dịng điện sẽ kéo rotor quay theo chiều quay của từ trường quay với tốc độ n. Để minh hoạ, trên hình 6-9a vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dịng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều của lực điện từ. Khi xác định sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động của thanh dẫn ngược chiều n1, từ đĩ áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sức điện động như hình vẽ ( dấu  chỉ chiều đi từ ngồi vào trong ). Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. Tốc độ n của máy luơn nhỏ hơn tốc độ n1 vì nếu n = n1 thì khơng cĩ sự chuyển động tương đối giữa các thanh dẫn rotor và từ trường quay, trong dây quấn rotor sẽ khơng cĩ dịng điện cảm ứng, lực điện từ sẽ bằng 0. 129 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Hình 6-9. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ khơng đồng bộ Độ chênh lệch tốc độ giữa từ trường quay và rotor gọi là tốc độ trượt: n2 n2 n 1 n Hệ số trượt của tốc độ là: n n n s 2 1 n1 n1 Khi rotor đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1. Khi rotor quay tốc độ định mức s = 0,02  0,06. Tốc độ động cơ là: Ban quyen © Truong60.f DH Su pham Ky thuat TP. HCM n n()1 s ()1 s vịng/phút 1 p 6.4.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện khơng đồng bộ Nếu stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor khơng nối với tải mà nối với một động cơ sơ cấp. Dùng động cơ sơ cấp kéo rotor quay cùng chiều với n1( như trên) và với tốc độ quay n lớn hơn tốc độ từ trường n1. Lúc này, chiều dịng điện rơto I2 ngược lại với chế độ động cơ và lực điện từ đổi chiều. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược với chiều quay, gây ra moment hãm cân bằng với moment quay của động cơ sơ cấp, hình 6-4b, máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Hệ số trượt là: n n s = 1 < 0 n1 Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành điện năng ở stato. Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát khơng đồng bộ cơng suất phản kháng Q, vì thế làm cho hệ số cơng suất cos của lưới điện thấp đi. Nếu khi máy phát làm việc riêng lẻ, ta phải dùng tụ điện nối đầu cực máy để kích từ cho máy. Đĩ là nhược điểm của máy phát điện khơng đồng bộ, vì thế trên thực tế ít dùng máy phát điện khơng đồng bộ. 6.4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ khơng đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện từ Trong thực tế khi người ta muốn động cơ điện ngừng quay một cách nhanh chĩng và bằng phẳng khi cắt điện đưa vào động cơ điện hoặc cần giảm bớt tốc độ như ở cần trục lúc đưa hàng xuống hay trong các máy ở tàu điện. Để giải quyết vấn đề trên người ta dùng các phương pháp 130 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ hãm cơ hay điện, ở đây ta khảo sát nguyên lý làm việc của động cơ điện khơng đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện từ. Khi động cơ điện làm việc ở chế độ hãm điện từ thì ta cĩ 1 n1, lúc này: 2 1 s Pcơ = m I ( )r < 0 1 2 s 2 nên máy lấy cơng suất từ ngồi vào. Cơng suất điện từ: 2 r2 Pđt = m I 0 1 2 s nên máy cũng lấy cơng suất điện từ lưới vào. Lúc này động cơ chuyển sang chế độ máy phát, moment điện từ sinh ra cĩ chiều ngược với chiều quay của rotor. Để hãm động cơ bằng phương pháp hãm điện từ, người ta sử dụng các phương pháp hãm sau: o Phương pháp hãm đổi thứ tự pha: khi động cơ đang làm việc bình thường rotor quay cùng chiều với từ trường quay. Sau khi cắt mạch điện, muốn động cơ ngừng quay nhanh chĩng, ta đĩng cầu dao về phía khác để đổi thứ tự pha đặt vào stator. Do quán tính của phần quay, rotor vẫn quay theo chiều cũ trong lúc từ trường quay do đổi thứ tự pha nênBan đã quyen quay ©ngược Truong lại DH nên Su động pham cơ Kychuyển thuat sang TP. chếHCM độ hãm, moment điện từ sinh ra cĩ chiều ngược với chiều quay của rotor và cĩ tác dụng hãm nhanh chĩng và bằng phẳng tốc độ quay của động cơ. Khi rotor ngừng quay, phải cắt ngay mạch điện nếu khơng động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại. o Phương pháp hãm đổi thành máy phát điện: tức là đổi động cơ sang chế độ máy phát, tốc độ từ trường quay bé hơn tốc độ rotor nhưng vẫn cùng chiều. Ta biết rằng khi làm việc ở chế độ động cơ điện, tốc độ rotor gần bằng tốc độ của từ trường quay cho nên khi hãm cần đổi nối làm tăng số đơi cực của dây quấn phần ứng lên, lúc đĩ tốc độ của rotor sẽ lớn hơn tốc độ của từ trường sau khi đổi nối, động cơ sẽ trở thành máy phát điện trả năng lượng về nguồn, đồng thời xuất hiện moment hãm động cơ lại. o Phương pháp hãm động năng: ở phương pháp này, sau khi cắt nguồn điện xoay chiều vào động cơ, thì lập tức đĩng nguồn điện một chiều vào dây quấn stato. dịng điện một chiều lấy từ bộ chỉnh lưu đi qua dây quấn stato tạo thành từ trường một chiều trong máy. Rotor do cịn quán tính, quay trong từ trường và trong dây quấn rotor cảm ứng nên sức điện động và dịng điện cảm ứng tác dụng với từ trường nĩi trên tạo thành moment điện từ chống lại chiều quay của máy. 6.4.4. Các tình trạng làm việc 6.4.4.1. Tình trạng ngắn mạch Là tình trạng dây quấn stato bị hư cách điện làm chạm số vịng dây quấn, lúc này giá trị dịng điện chạy trong động cơ rất lớn sẽ làm cháy động cơ. 131 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Hoặc khi động cơ đang hoạt động bình thường, vì lý do gì đĩ mà rơto bị giữ chặt khơng quay được cũng gây nên tình trạng ngắn mạch cho động cơ. 6.4.4.2. Tình trạng khơng tải Là tình trạng khơng cĩ gắn phụ tải (phụ tải cơ) vào trục động cơ. Lúc này tồn bộ cơng suất phát ra ở đầu trục động cơ khơng được tiêu thụ bởi phụ tải sẽ chuyển hĩa thành nhiệt năng làm nĩng lõi thép, lâu ngày sẽ làm già cách điện dẫn đến chạm vịng dây quấn, do đĩ sẽ gây cháy động cơ. 6.4.4.3. Tình trạng mất điện 1 pha Khi động cơ 3 pha đang làm việc bình thường với phụ tải phù hợp, lúc này từ trường quay bên trong stato là quay đều. Vì một lý do nào đĩ mà mất điện 1 pha, lúc này từ trường bên trong stato sẽ bị lệch về một phía làm bĩ chặt khơng cho rơto quay, dịng điện chạy trong các cuộn dây stato sẽ rất lớn, gây nĩng và cháy động cơ. 6.4.4.4. Tình trạng cĩ tải Là tình trạng cĩ gắn phụ tải (cơ) vào đầu trục động cơ. Nếu cơng suất phụ tải > cơng suất động cơ tình trạng là quá tải, lúc này dịng điện chạy trong các cuộn dây stato sẽ rất lớn, gây nĩng và cháy động cơ. Cịn khi cơng suất phụ tải cơng suất động cơ tình trạng là đủ tải, đây là tình trạng làm việc tốt nhất của động cơ. 6.4.4.5. Các nguyên nhân gây cháy động cơ Cĩ 5 nguyên nhân cơ bản: - Quá tải. - Ngắn mạch. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - Mất pha. - Điện áp đưa vào động cơ quá lớn so với điện áp định mức của động cơ. Điện áp đưa vào động cơ quá nhỏ so với điện áp định mức của động cơ. §6.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TỪ 6.5.1. Phương trình cân bằng điện áp stator: Dây quấn stator của động cơ KĐB tương tự như dây quấn MBA, nên ta cĩ phương trình cân bằng điện áp stator là:    UZIE1 1. 1 1 Trong đĩ: . Z1 R 1 j.X 1 là tổng trở dây quấn stator R1 là điện trở dây quấn stator X1 2. .f .L 1 là điện kháng tản dây quấn stator f là tần số của dịng điện stator L1 là điện cảm tản stator  . E1 là sức điện động pha stator do từ thơng của từ trường quay sinh ra, cĩ trị số là: E1 4, 44.f .W 1.kdq 1.max kdq1 là hệ số dây quấn của 1 pha stator. kdq1 1 nĩi lên sự suy giảm sức điện động của dây quấn do kết cấu của dây quấn rải trên các rãnh so với dây quấn tập trung như của MBA. max là biên độ cực đại của từ thơng của từ trường quay. 132 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ 6.5.2. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn rotor: Các sức điện động cảm ứng trên mạch rotor của động cơ KĐB phụ thuộc vào tần số dịng điện rotor f2, mà tần số này lại phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor đối với từ trường quay. Ta chọn 2 trường hợp cụ thể để xét là: Khi rotor đứng yên: f2 = f p.n s.p.n Khi rotor quay với tốc độ n: f 2 1 f.s 2 60 60 Sức điện động pha trong dây quấn rotor lúc quay tốc độ n là: E2s 4, 44.f 2.W 2.k dq 2.max 4, 44.s.f .W 2.k dq 2 .  max kdq 2 là hệ số dây quấn của dây quấn rotor Sức điện động pha trong dây quấn rotor lúc đứng yên là: E2 4, 44.f .W 2.kdq 2 .max Như vậy E2s s.E 2 Cũng tương tự như vậy: X2s 2. .f 2.L 2 s. 2. .f.L 2 s.X 2 L2 là điện cảm tản pha của rotor. X2 2 fL 2 là điện kháng tản pha của rotor khi đứng yên. Lập tỷ số sức điện Banđộng quyen pha giữa © Truong stator DHvà rotor: Su pham Ky thuat TP. HCM E1 W1.kdq 1 ke gọi là hệ số qui đổi sđđ rotor E2 W2. kdq 2 Vì dây quấn rotor ngắn mạch nên phương trình vân bằng điện áp dây quấn rotor lúc quay tốc độ n là:   I2(.) R 2 j X 2s E 2 s   Hay E2s I 2(.) R 2 j X 2 s 0 Trong phương trình trên, dịng điện rotor cĩ tần số f2 = s.f Trị số hiệu dụng của I2 là: s.E2 I2 2 2 R2 (.) s X 2 6.5.3. Phương trình cân bằng sức từ động: Khi động cơ làm việc, từ trường quay trong máy do cả 2 dịng điện stator và rotor sinh ra. Dịng điện stator sinh ra từ trường quay stator tốc độ n1 đối với stator. Dịng điện rotor sinh ra từ trường quay rotor tốc độ n2 đối với rotor. 60.f s. 60.f n 2 2 s. n 2 p p 1 133 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Vì rotor quay với tốc độ n đối với stator nên từ trường rotor sẽ quay đối với stator tốc độ là: n2 n s.n 1 n s.n 1 n 1(1 s) n 1 Như vậy từ trường quay rotor và từ trường quay stator khơng chuyển động tương đối với nhau. Nếu điện áp pha U1 của stator khơng đổi thì từ thơng max cĩ trị số hầu như khơng đổi với chế độ khơng tải cũng như chế độ cĩ tải, ta cĩ:  Khi cĩ tải, sức từ động dây quấn stator: m1 ,W 1 .kdq 1 .I 1  Sức từ động dây quấn rotor: m2 W 2 kdq 2 I 2 m1 và m2 là số pha của dây quấn stator và rotor  Khi khơng tải, sức từ động dây quấn stator: m1 .W 1 .kdq 1 .I 0 Phương trình cân bằng sức từ động:    m1 W 1 kdq 1 I 0 = m1 W 1 kdq 1 I 1 m 2 W 2 k dq 2 I 2 Dấu (-) trước I2 vì chiều của I2 khơng phù hợp với chiều từ thơng max theo qui tắc vặn nút chai. Chia 2 vế phương trình trên cho m1.W 1.k dq 1 ta cĩ: Ban quyen © Truongm DH.W Su.k pham Ky thuat TP. HCM 2 2dq 2   I1 .II2 0 m1 W 1 kdq 1 m .W .k  1 1dq 1 I2  Đặt : ki I '2 m2 W 2 kdq 2 k i  . I'2 gọi là dịng điện rotor qui đổi. m1.W 1.kdq 1 . ki gọi là hệ số qui đổi dịng điện rotor. m2 W 2 kdq 2    Phương trình sức từ động được viết lại: III1 0 ' 2 §6.6. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 6.6.1. Qui đổi các đại lượng rotor về stator: Từ phương trình E I  (.) R j X 0 2s 2 2 2 s   s . E2 I 2 ( R 2 j . s . X 2 ) 0 R Chia 2 vế cho s: EI  (2 j . X ) 0, đây chính là phương trình cân bằng điện áp 2 2 s 2 rotor lúc đứng yên. Và cĩ thể gọi là phương trình điện áp rotor qui đổi về tần số stator. 134 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ R Nhân tiếp 2 vế cho ke : k . E I  (2 .k j . X . k ) 0 e2 2 s e2 e I R k . E 2 ( 2 .k . k j . X . k . k ) 0 e 2 k s e i2 e i i R' EI '  ' ( 2 j.') X 0 2 2 s 2 Trong đĩ:   . E'.2 ke E 2   I2 . I'2 ki . R'2 R 2 .ke.k i , X'2 X 2 .ke.k i . kz k e.k i gọi là hệ số tổng trở qui đổi 6.6.2. Mạch điện thay thế động cơ KĐB:   Giống như máy biến áp: E1 E' 2 là điện áp rơi trên tổng trở từ hĩa    E1 E'(.) 2 I 0 Rth j X th Ta cĩ mơ hình tốnBan của quyen động cơ© Truong KĐB: DH Su pham Ky thuat TP. HCM    U1 I 1(.)(.) R 1 j X 1 I 0 Rth j X th   R2 0 I0(.)'(.') Rth j X th I 2 j X 2 s    III1 0 ' 2 R ' R ' 2 2 R1 X1 s X’2 R1 X1 s X’2 . . I1 I’2 I1= I’2 Rth R0 . . ~U1 ~U1 Xth X . . 0 I0 I0 (a) (b) Hình 6-10 Hệ phương trình trên là các phương trình Kirchhoff viết cho mạch điện sau: Với R0 = R1 + Rth , X0 = X1 + Xth sơ đồ (a) cĩ thể xem gần đúng tương đương với sơ đồ (b). Sơ đồ (b) được sử dụng nhiều khi tính tốn động cơ điện KĐB. 135 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Nếu làm phép biến đổi: R' R' (1 s) 2 R' 2 s 2 s Sơ đồ thay thế của động cơ KĐB cĩ thể vẽ như sơ đồ hình (c), trong đĩ: . Rn R1 R' 2 . X n X1 X' 2 (1 s) . R' đặc trưng cho cơng suất cơ của động cơ. 2 s Rn Xn . . I1 I’2 R . 0 ~U1 (1 s ) R ' 2 s . X0 I0 Hình 6-11 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM §6.7. GIẢN ĐỒ NĂNG LUỢNG CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với P1 = m1U1I1cos 1. Một phần nhỏ của 2 cơng suất đĩ biến thành tổn hao đồng của dây quấn stator PCu1 = m1 I 1 R1 và tổn hao 2 trong lõi sắt stator Pst = m1 I 0 Rm , cịn phần lớn cơng suất đưa vào chuyển thành cơng suất điện từ Pđt truyền qua rotor. Đồ thị quá trình năng lượng được vẽ trên hình, trong đĩ số pha stator m1 = 3 Pđđ1 Pđst Pđđ2 Pđcf P 1 Pđt P2 Pcơ Sator Rotor Hình 6-12 P1: Cơng suất điện động cơ tiêu thụ của lưới điện 136 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ P1 = m1U1I1cos 1 U1, I1: là điện áp pha và dịng điện pha Cơng suất điện từ Pđt = P1 – Pđ1 - Pst ' 2' R2 2 R2 Pđt = 3I 3I 2 s 2 s 2 2 Pđ1 = m1 I 1 R1 . Cơng suất cơ hữu ích P2 sẽ nhỏ hơn cơng suất cơ trên trục động cơ và khi máy quay cĩ tổn hao cơ Pcơ và tổn hao phụ Pf. P2 = Pcơ – Pcf Vì trong rotor cĩ dịng điện nên cĩ tổn hao trong đồng trong rotor 2 Pđ2 = m1 I 2 R2 . Do đĩ cơng suất cơ trên trục động cơ Pcơ bằng: Pcơ = Pđt - Pđ2 Như vậy tổng tổn hao trong động cơ điện bằng:  P = Pst + Pđ1 + Pđ2 + cf Và cơng suất cơ hữu ích là: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM P2 = P1 -  P Hiệu suất của động cơ điện: P P  2 2 P1 PP2  §6.8. MOMENT QUAY ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Ở chế độ động cơ, moment điện từ của động cơ đĩng vai trị là moment quay: Pđt MM đt 1 2 R'2 PIđt 3.'.2 s   là tần số gĩc của từ trường quay,  1 1 p U1 I'2 R'2 2 2 (R1 )(') XX1 2 s 137 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ 3.U2 . R ' . p M 1 2 R'2 2 2 s.( R1 )(') XX1 2 s  Các đặc điểm của Moment quay: Moment quay tỷ lệ với bình phương điện áp nên khi điện áp thay đổi thì moment sẽ thay đổi rất nhiều. M Moment cĩ trị số cực đại ứng với giá trị sth làm cho đạo hàm 0 s Sau khi tính đạo hàm ta được: R'2 R'2 sth RXX1 1 ' 2 XX1 ' 2 2 2 3 PU1 3 PU1 Mmax 2 2 2.(') RRXX 2. .(RXX1 1 ' 2 ) 1 1 1 2 Hệ số trượt tới hạn tỉ lệ thuận với điện trở rotor ( R'2 ), cịn Mmax khơng phụ thuộc vào điện trở rotor. Khi cho Rp vào mạch rotor, đặc tính M = f(s) thay đổi như hình vẽ, tính chất này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ KĐB rotor dây quấn. Gần đúng, quan hệ giữa M, Mmax và sth. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 2.M M max s s th sth s Thay s = 1 ta cĩ moment mở máy của động cơ KĐB: 2 3 'PUR1 2 Mmở 2 2 (')(')RRXX1 2 1 2  Đối với động cơ KĐB rotor lồng sĩc, thường cho các tỉ số sau: M M mở 11,,  1 7 max 1,, 6  2 5 Mđm M đm 138 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ §6.9. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Động cơ KĐB 3 pha muốn mở máy được thì moment mở máy phải lớn hơn moment cản (MC)của tải lúc mở máy, đồng thời moment động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép. Khi mở máy, dịng điện mở máy lớn bằng 5  7 lần dịng định mức, đối với lưới điện cơng suất nhỏ thì sẽ làm ảnh hưởng điến điện áp lưới. Vì thế ta phải cĩ biện pháp hạn chế dịng mở máy. Mạng 6.9.1. Mở máy động cơ KĐB rotor lồng sĩc: điện a) Mở máy trực tiếp: Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đĩng điện trực tiếp động cơ vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dịng điện mở máy lớn, ảnh hưởng đến điện áp lưới nhiều. Nếu quán tính của động cơ lớn thì thời gian Cầu dao mở máy sẽ rất lâu làm chảy cầu chì bảo vệ. Vì thế phương pháp này dùng được khi cơng suất của nguồn lớn hơn cơng suất động cơ nhiều. Cầu chì b) Giảm điện áp stator khi mở máy: Khi ta mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ để làm giảm dịng mở máy thì cũng làm moment mở máy của động cơ giảm đi rất nhiều, vì thế nĩ chỉ được sử dụng trong những trường hợp khơng yêu cầu moment mở máy lớn. Động cơ Cĩ các biện pháp làm giảm điện áp khi mở máy sau: lồng sĩc  Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch Stator: Điện áp mạng đặt vào động cơ thơng qua điện kháng . Sau khi mở máy, tốc Hình 6.13 độ động cơ đã ổn định thì ta Banngắn quyen mạch điện© Truong kháng DH để Su pham Ky thuat TP. HCM động cơ làm việc với điện áp định mức. Nhờ cĩ điện Mạng áp rơi trên điện kháng, điện áp đặt trực tiếp trên stator điện động cơ giảm k lần, dịng khởi động sẽ giảm k lần song moment khởi động giảm k2 lần. Cầu dao chính 1 Điện Cầu dao kháng chính 2  Dùng máy biến áp tự ngẫu: Điện áp mạng đặt vào sơ cấp của máy tự biến áp (hình 6-17), điện áp thứ cấp của MBA đưa vào động cơ. Thay đổi vị trí con chạy để điện áp đưa vào động cơ Hình 6.14 lúc khởi động nhỏ, sau đĩ tăng dần lên đến bằng định mức. Gọi k là tỷ số MBA, U1 là điện áp pha của lưới điện, Zn là tổng trở của động cơ lúc mở máy. Điện áp pha đặt vào động cơ khi mở máy là: U U 1 đc k 139 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Dịng điện chạy vào động cơ lúc cĩ MBA: U U đc 1 Mạng Iđc znk. z n điện Dịng điện lưới cung cấp cho động cơ khi cĩ MBA (dịng điện sơ cấp của máy tự biến áp) Iđc U1 I1 2 k k. zn Cầu dao Khi mở máy trực tiếp chính 1 U1 I1 zn So sánh ta thấy, lúc cĩ máy tự biến áp, dịng điện của lưới giảm đi k2 3 lần, đây là một ưu điểm so với phương pháp dùng điện kháng. Vì thế phương pháp dùng máy biến áp tự ngẫu thường được dùng nhiều với những động cơ cĩ cơng suất lớn. Biến áp c) Đổi nối sao – tam giác tự ngẫu Phương pháp này chỉ dùng được khi bình thường động cơ vận hành được với lưới điện bằng cách đấu tam giác. Khi khởi động, ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm đi 3 a a a lần. Sau khi khởi động xong, ta nối lại thành hình tam giác như đúng 2 qui định của máy. b b b Khởi động bằng phương phápBan này quyen dịng © Truongđiện dây DH của Su lướipham giảm Ky thuat đi 3 TP. HCM lần, moment khởi động cũng giảm đi 3 lần. Mạng điện Động cơ Cầu dao chính Hình 6.15 A C B Z Y X Hình 6.16 Cầu dao Cầu dao nối nối sao tam giác 140 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ 6.9.2. Mở máy động cơ KĐB rotor dây quấn: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 6.17 Khi mở máy, dây quấn rotor sẽ được nối với biến trở mở máy. Đầu tiên để biến trở lớn nhất sau đĩ giảm dần về 0. Đường đặc tính moment ứng với các giá trị Rm vẽ trên hình 6-18. Muốn moment mở máy cực đại, hệ số trượt tới hạn phải bằng 1. R'2 R'm sth 1 XX1 ' 2 Từ đĩ xác định được điện trở Rm cần thiết. Khi cĩ Rm dịng điện mở máy là: U1 Im 2 2 ('')(')RRRXX1 2 m 1 2 Như vậy, nhờ cĩ Rm mà dịng điện mở máy giảm xuống cịn moment mở máy tăng, đĩ chình là ưu điểm lớn nhất của động cơ KĐB rotor dây quấn. §6.10. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Từ biểu thức tốc độ của động cơ KĐB: 60.f n ()1 s p Ta thấy, với động cơ KĐB rotor lồng sĩc cĩ thể điều chỉnh tốc độ bằng những cách sau: . Thay đổi tần số dịng điện stator. 141 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ . Đổi nối dây quấn stator để thay đổi số đơi cực p. . Thay đổi điện áp đặt vào stator để thay đổi hệ số trượt s. . Đối với động cơ KĐB rotor dây quấn thì thường điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở rotor. 6.10.1. Thay đổi tần số: Thay đổi tần số dịng điện stator bằng bộ biến tần Từ thơng max tỷ lệ thuận với U và f. Khi thay đổi tần số người ta muốn giữ cho max khơng đổi. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp để giữ cho tỷ số giữa điện áp và tần số khơng đổi. 6.10.2. Thay đổi số đơi cực: Số đơi cực của động cơ phụ thuộc vào kết cấu của dây quấn stator. Động cơ KĐB cĩ cấu tạo dây quấn để thay đổi cực từ gọi là động cơ nhiều cấp tốc độ. Phương pháp này chỉ sử dụng cho loại rotor lồng sĩc. 6.10.3. Thay đổi điện áp: Giả sử điện áp đặt vào mạch stator của động cơ cĩ thể điều chỉnh được, vì moment quay của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp moment sẽ thay đổi dẫn tới tốc độ thay đổi. Trên đồ thị, nếu điều chỉnh điện áp lần lượt thấp dần, ta sẽ cĩ các đặc tính tương ứng 1, 2, 3. Các đặc tính này cĩ moment giảm rất thấp, ứng với moment phụ tải khơng đổi, độ trượt s sẽ tăng từ s1 tới s2, s3 làm tốc độ quay giảm xuống. Tuy nhiên, cách điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cĩ nhiều nhược điểm: moment động cơ giảm nhiều làm giảmBan khả quyen năng ©quá Truong tải của DH động Su pham cơ, làm Ky chothuat đặc TP. tính HCM của động cơ mềm đi, tốc độ quay khơng ổn định. 6.10.4. Thay đổi điện trở phụ nối vào rotor: Đối với động cơ rotor dây quấn cĩ thể sử dụng điện trở mạch rotor để điều chỉnh tốc độ (sơ đồ như hình 6-18). Thật vậy, ta thấy từ biểu thức: 3 I2 r s 2 2 M.1 Hình 6.18 Nếu moment phụ tải khơng đổi thì moment quay của động cơ cũng khơng đổi, vì thế khi r2 tăng thì độ trượt s cũng tăng là cho tốc độ quay giảm. Cách điều chỉnh này thường được sử dụng với các cơ cấu trục cần điều chỉnh tốc độ ngắn hạn. 142 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ §6.11. CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 6 1. Cấu tạo của máy điện khơng đồng bộ ba pha, phân biệt vai trị và cơng dụng của roto lồng sĩc và roto dây quấn. 2. Từ trường trong máy điện khơng đồng bộ. Nguyên lý làm việc của máy điện khơng đồng bộ. 3. Mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ 4. Sơ đồ thay thế của động cơ khơng đồng bộ. So sánh với sơ đồ thay thế của máy biến áp 5. Mở máy và điều chỉnh tốc độ của động cơ khơng đồng bộ §6.12. BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Bài 6.1: Một động cơ khơng đồng bộ rơto dây quấn cĩ: Uđm=380V; 2p = 6; s = 0,03; f = 60Hz. Dây quấn stato và rơto nối sao cĩ: số vịng dây W1= 112 vịng; W2= 22 vịng. Hệ số dây quấn Kdq1= 0,955; Kdq2= 0,903. Nếu điện áp dây trên điện trở và điện kháng dây quấn stato = 3,5%U1. Tính: a) Tốc độ quay động cơ . b) sức điện động dây quấn rơto lúc đứng yên và lúc quay với hệ số trượt trên. 60f Đáp số: nđc = n1 (1 – s) = (1 – s) = 1164 vòng/phút p E20 = 4,44.f.W2.Kdq2.m = 39,43 V E2s = s. E20 = 1,183 V Bài 6.2: Một động cơ khơng đồng bộ 3 pha f = 60Hz, tần số dịng điện rơto f2 = 3Hz, p = 2, cơng suất điện từ Pđt = 120KW, tổn hao đồng ở stato Pđ1 = 3KW, tổn hao cơ và phụ Pcơf = 2KW, tổn hao sắt từ Pst = 1,7KW. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Tính: - Hệ số trượt s, tốc độ động cơ n. - Cơng suất điện động cơ tiêu thụ P1. - Hiệu suất động cơ. f s = 2 = 0,05 f 60f n = n1(1 – s) = (1 – s) = 1710vg/ph p P1 = 124,7 Kw Hiệu suất động cơ 114 2 η = = 0,898 127, 4 Bài 6.3: Một động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sĩc cĩ: Pđm = 7,5KW; Y/ - 380V/220V; f = 50Hz, số đơi cực từ p = 2, cos đm = 0,885; đm = 0,883, tốc độ định mức nđm = 1460 vịng/phút, M mm 1, 45 động cơ làm việc ở mạng điện U = 220V, mơmen cản lúc mở máy bằng 0,5Mđm. Các M đm phương pháp mở máy sau đây, phương pháp nào cĩ thể mở máy được với tải trên: a, Đổi nối Y - . b, Dùng biến áp tự ngẫu với hệ số biến áp Kba = 1,6. Đáp số: Mđm = 49,06 Nm Mmm = 71,14 N.m a) Đổi nối Y – Δ : 143 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ M mở MmmY- = = 23,71 Nm 3 MmmY- = 23,71 Nm MC = 24,53 Nm: mở máy được động cơ . Bài 6.4: Một động cơ điện khơng đồng bộ 3 pha Rotor lồng sĩc cĩ: Pđm = 14KW, p = 2, nđm = 1450 vịng/phút; hiệu suất đm =0.885; cos đm = 0.88; f = 50Hz. Dây quấn Stator và Rotor nối: Y/ - 380/220 V. Điện áp dây của mạng là 380V. Tính: - Dịng điện định mức của động cơ. - Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng động cơ tiêu thụ. Pđm Đáp số: Iđm = 27,31 A ; P1 = = 15,82 Kw đm 0 Q1 = P1 tgφ = P1 tg28,36 = 8,54 Kvar 60f n1 = = 1500 vịng/phút ; sđm = 0,03 ; f2s = sđm . f = 1,67 Hz. p Bài 6.5: Một động cơ điện khơng đồng bộ ba pha Rotor lồng sĩc cĩ: Pđm = 15 KW, p = 2, nđm = 1460 M I vịng/phút, f = 50 Hz. Hiệu suất  = 0.88, cos = 0.80; mm 3,1 , mm 5,5 . Dây quấn Stator nối M đm I đm / - 380/220 V. Điện áp dây của mạng là 220 V. Tính: Dịng điện và momenBan mởquyen máy © Truongkhi mở máyDH Subằng pham phương Ky thuatpháp nốiTP. cuộn HCM kháng vào Stator để điện áp giảm đi 30%. Động cơ cĩ thể mở máy được khơng khi momen cản Mc = 0.5Mđm. Đáp số: Iđm = 55,92 A ; Imở = 307,55 A ; Mđm = 98,12 Nm Mmở = 128 Nm ; ImởCK = 215,28 A ; MmởCK = 48,08 Nm MC = 49,06 Nm ; MmởCK < MC : Động cơ khơng mở máy được. Bài 6.6: Một động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơ to lồng sĩc cĩ: Pđm=15kw; nđm=1470v/p; đm=86%; Imm M mm M max cos đm=0,85;Y/ -380/220V; tỉ số dịng điện mở máy 5 ; 5,1 ; 4,2 ; Uđm I đm M đm M đm =380V; n1 =1500v/p. a) Tính cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q tiêu thụ của động cơ khi làm việc ở định mức. b) Tính dịng điện định mức của động cơ Iđm, mơ men định mức Mđm, hệ số trượt định mức sđm. c) Tính dịng điện mở máy Imm, mơ men mở máy Mmm, mơ men cực đại Mmax. Đáp số: P1 = 17441,86 W ; Q1 = P1 tgφ = 10809,5 Var ; Imm = 31,18 A Mmm = 97,45 Nm ; sđm = 0,02; Imm = 5 Iđm = 155,9 A Mmm = 1,5 Mđm = 146,17 Nm; Mmax = 2,4 Mđm = 233,88 Nm. Bài 6.7: Một động cơ điện khơng đồng bộ ba pha rơ to dây quấn số đơi cực p =3 , điện trở rơto R2 = 0,01. Khi rơto đứng yên E20 =212V. khi rơto quay với tốc độ n= 970 v/ph thì dịng điện rơto I2 = 240 A. Tính điện kháng rơto lúc quay X2s và lúc rơto đứng yên X20. 144 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ n1 n Đáp số: n1 = 1000 vịng/phút; s = = 0,03 n1 2 sE 2 2 X2s = sX2 = R 2 = 0,02454 I 2 Khi rotor đứng yên thì s = 1 X2s = X2 = 0,02452 Ω X 2s 0,02454 Khi rotor quay X2 = = = 0,818  s 0, 03 Bài 6.8: Một động cơ điện khơng đồng bộ ba pha Rotor lồng sĩc cĩ : Pđm = 14KW, p = 3 , Sđm = 0.026, f = 60Hz. Hiệu suất  = 0.885, cos = 0, 88. Dây quấn Stator nối Y/ - 380/220V. Điện áp dây của mạng là 220V. Tính: a) Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng Động cơ tiêu thụ ở chế độ định mức b) Dịng điện và Moment quay định mức . c) Tần số dịng điện trong dây quấn Rotor lúc đứng yên và lúc quay định mức. Bài 6.9: Một động cơ điện khơng đồng bộ ba pha dây quấn Stator nối Y/ - 380/220V , p = 3 , s = 0.026, f = 60Hz. Mạng điện cĩ điện áp dây Ud = 220V. Hiệu suất  = 0.85, cos = 0.8 , dịng điện trong dây quấn Stator I1 = 12,1 A. Tính : - Cơng suất hữu ích P trên trục động cơ Ban2 quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - Tốc độ và moment quay động cơ. Bài 6.10: Một động cơ điện khơng đồng bộ ba pha Pđm = 45kW, f = 50Hz; dây quấn Stator nối Imm M mm Y/ - 380/220V; 6 ; 7,2 ; cos đm = 0.86, Hiệu suất  = 0.91; nđm = 1460vịng/phút. I đm M đm Động cơ làm việc với lưới điện Ud = 380V. a) Tính Iđm, Mđm, Imở, Mmở b) Để mở máy với tảicĩ moment cản ban đầu MC = 0,45Mđm, người ta dùng biến áp tự ngẫu để ImởBA = 100A. Xác định hệ số biến áp k, động cơ cĩ thể mở máy được trong trường hợp này hay khơng. c) Cũng với tải trên, nếu dùng điện kháng mở máy với ImởĐK = 200A. Xác định điện áp đặt lên động cơ lúc mở máy và động cơ cĩ thể mở máy được khơng. Đáp số: a) Iđm = 87,36A; Mđm = 294,3Nm Imở = 524,16A; Mmở = 794,6 Nm b) k = 2,29; MmơBA = 151,52Nm = 0,515Mđm MmởBA MC : động cơ mở máy được c) Umở = 0,381Uđm = 145V MmởĐK = 115,34Nm = 0,392Mđm MmởĐK < MC: động cơ khơng mở máy được Bài 6.11: Một động cơ khơng đồng bộ 3 pha đấu sao nối vào lưới Ud = 380V. Biết Rn = 0,122; Xn = 0,4; f = 50Hz. a) Tính dịng điện mở máy Imở. b) Dùng điện kháng mở máy ImơĐK = 300A. Tính điện cảm L của cuộn điện kháng mở máy. Đáp số: Imở = 526A; L = 1,029 mH 145 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 6. Máy điện khơng đồng bộ Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 146 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ CHƯƠNG 7 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Những máy điện xoay chiều cĩ tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ cĩ 2 dây quấn: dây quấn stator nối với lưới điện cĩ tần số f khơng đổi, dây quấn rotor được kích thích bằng dịng điện một chiều. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ cĩ tốc độ quay rotor luơn khơng đổi khi tải thay đổi. §7.1. CẤU TẠO 7.1.1. Phần tĩnh (Stator): Stator của máy đồng bộ giống như stator của máy KĐB gồm 2 bộ phận chính là lõi thép stator và dây quấn 3 pha. Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 7-1 7.1.2. Phần quay (Rotor): Máy điện đồng bộ gồm cĩ các cực từ và dây quấn kích từ (dây quấn phần cảm) dùng để tạo ra từ trường cho máy. Đối với máy cơng suất nhỏ thì rotor là nam châm vĩnh cửu. Hình 7-2. Tồn bộ cấu tạo máy đồng bộ cực lồi 146 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ Cĩ hai loại rotor: rotor cực ẩn và rotor cực lồi. Rotor cực lồi dùng cho các máy tốc độ thấp, cĩ nhiều đơi cực, dây quấn kích từ được quấn xung quanh thân từ cực. Rotor cực ẩn thường dùng cho máy tốc độ cao 3000 v/ph, cĩ một đội cực, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh. Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với 2 vịng trượt ở đầu trục, thơng qua 2 chổi than để nối với nguồn kích từ. 7.1.3. Các bộ phận phụ: Vỏ máy, nắp máy và cánh quạt làm mát. Phần kích từ: nhiệm vụ của phần kích từ là tạo ra dịng điện một chiều cung cấp cho dây quấn phần cảm để tạo ra từ thơng. Các máy phát điện xoay chiều cơng suất lớn thường cĩ phần kích từ là một máy phát điện một chiều gọi là máy kích từ đặt trên cùng trục với máy phát xoay chiều. §7.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 7.2.1. Máy phát điện đồng bộ: Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Hình 7-3 Phần cảm khi cĩ dịng điện một chiều kích thích tạo thành một nam châm 2 cực (N và S) quay với tộc độ n vịng/phút. Khi phần cảm quay, từ thơng của nĩ quét qua các cuộn dây phần ứng, gây ra sự biến đổi từ thơng trong cuộn dây theo chu kỳ. Do sự biến đổi từ thơng này, trong các cuộn dây phần o ứng sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng eA, eB, eC. Vì các cuộn dây đặt lệch nhau 120 nên các sức điện động lệch pha nhau 120o tức 1/3 chu kỳ, ta được một hệ thống sức điện động 3 pha. Trị số hiệu dụng của các sức điện động: E 4, 44.f .W.max.k Trong đĩ: 147 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ p.n f là tần số của sức điện động. 60 W là số vịng dây của một cuộn dây một pha  max là từ thơng cực đại dưới một cực của phần cảm. k là hệ số quấn dây. Nếu 3 cuộn dây của phần ứng nối hình Y, nối phụ tải vào A-B-C sẽ cĩ dịng điện 3 pha chạy trong các cuộn dây rồi chạy ra phụ tải. Đây là hệ thống điện xoay chiều 3 pha của phần ứng. Tần số của dịng điện cũng bằng tần số của sức điện động và lệch pha nhau 1/3 chu kỳ. Từ trường do dịng điện 3 pha của phần ứng sinh ra 60.f là một từ trường quay với tốc độ n bằng tốc độ quay 0 p của phần cảm nên máy phát điện này gọi là máy phát điện đồng bộ . Hình 7-4 Sơ đồ mạch điện của máy phát điện đồng bộ 7.2.2. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ: Tác dụng của từ thơng phần ứng đối với từ thơng phần cảm gọi là phản ứng phần ứng. Khi máy phát điện làm việc, từ thơng của cực từ 0 cắt dây quấn stator cảm ứng ra sức Ban quyen © Truong oDH Su pham Ky thuat TP. HCM điện động E0 chậm pha so với từ thơng 0 gĩc 90 . Nếu stator nối với tải thì trong mạch stator cĩ dịng điện I cung cấp cho tải. Gĩc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của tải quyết định. Ta xét 3 trường hợp đặc trưng:  Trường hợp tải thuần trở: (Hình a) Gĩc lệch pha  = 0, E0 và I cùng pha. Dịng điện I sinh ra từ thơng phần ứng cùng pha với dịng điện, theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục.  Trường hợp tải thuần cảm: (Hình b) 0 Gĩc lệch pha  = 90 . Dịng điện I sinh ra từ thơng phần ứng ngược chiều với từ thơng 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ cĩ tác dụng làm giảm từ trường tổng.  Trường hợp tải thuần dung: (Hình c) 0 Gĩc lệch pha  = - 90 . Dịng điện I sinh ra từ thơng phần ứng cùng chiều với từ thơng 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ cĩ tác dụng làm tăng từ trường tổng.  Trường hợp tải bất kỳ: (Hình d) Ta phân tích dịng điện làm 2 thành phần: Thành phần dọc trục Id I.sin  Thành phần ngang trục Iq I.cos  Dịng điện I sinh ra từ trường vừa cĩ tính ngang trục và vừa cĩ tính dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (tính điện cảm hoặc tính điện dung). 148 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ E0 E0 I   = 900 0 0 I N S N  S a)  = 00 b)  = 900 E0 E0 I I q  0 0 I I N S N d S  c)  = - 900 d)  bất kỳ Hình 7-5 Phản ứng phần ứng của rotor máy điện đồng bộ Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM §7.3. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 7.3.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi Khi máy phát điện làm việc từ thơng cực từ 0 sinh ra sức điện động E0 ở dây quấn stator. Khi máy cĩ tải sẽ cĩ dịng điện I và điện áp U trên tải. Ở máy cực lồi vì khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục. Từ trường chính phần ứng ngang trục tạo nên sđđ ngang trục:   Eưq jI q X ưq  Trong đĩ Xưq : điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục E0  jId X d Từ trường chính phần ứng dọc trục tạo nên sđđ dọc trục E jI  X ưđ đ ưđ  jIq X q Trong đĩ Xưđ : điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục Từ thơng tản của dây quấn stator đặc trưng bởi điện kháng tản Xt khơng U phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục:      Et jIX t jI d X t jI q X t Iq I Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng ta cĩ phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:       Id U E0 jIX d ưd jIX d t jIX q ưq jIX q t  149 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ    E0 jI d (X ưd X t)) jI q (X ưq X t     U E0 jI d X d jI q X q Trong đĩ: Xưđ + Xt = Xd là điện kháng đồng bộ dọc trục Xưq + Xt = Xq là điện kháng đồng bộ ngang trục  A E0 7.3.2. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn B Đối với máy phát cực ẩn là trường hợp đặc biệt của cực lồi, trong đĩ Xd = Xq gọi là điện kháng đồng bộ Xđb. Phương trình điện  áp của máy phát đồng bộ cực ẩn: I    U E0 jIX đb  §7.4. CƠNG SUẤT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 7.4.1. Cơng suất tác dụng:Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Cơng suất tác dụng mà máy phát đồng bộ cung cấp cho tải là: P m.U.I.cos Trong đĩ: m là số pha U, I là điện áp và dịng điện pha. là gĩc lệch pha giữa U và I. 7.4.2. Cơng suất phản kháng: Cơng suất phản kháng của máy phát đồng bộ là: Q m.U.I.sin mUE cos mU2 Q 0 XdbX db Trong đĩ: E0 là sức điện động pha của máy phát đồng bộ  là gĩc lệch pha giữa U và E0 do tính chất của tải quyết định Xđb là điện kháng phản ứng phần ứng đồng bộ X db X d X q Xd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục đồng bộ Xq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục đồng bộ Như vậy, khi giữ U, f và P khơng đổi thì Nếu E0cos U thì Q > 0 150 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ Nếu E0cos = U thì Q = 0 Khi Q > 0, nghĩa là máy khơng phát cơng suất phản kháng mà nhận cơng suất phản kháng từ lưới để tạo từ trường quay, máy thiếu kích từ. Khi Q < 0 máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích từ. Muốn thay đổi cơng suất phản kháng ta phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dịng kích từ. Muốn tăng cơng suất phản kháng phát ra phải tăng dịng kích từ. 7.4.3. Đặc tính của máy phát điện đồng bộ :  Đặc tính ngồi: Đặc tính ngồi của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực của máy phát và dịng tải I khi tính chất của tải khơng đổi (cos t = const), tần số và dịng điện kích từ của máy phát khơng đổi. Điện áp của máy phát phụ thuộc vào dịng điện và đặc tính của tải. Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi khơng tải xác định như sau: U U E U U%%% 0đm 100 0 đm 100 U đm U đm Độ biến thiên điện áp U% của máy phát đồng bộ cĩ thể đạt đến vài chục phân trăm vì Xđb khá lớn. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM  Đặc tính điều chỉnh: Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dịng điện kích từ và dịng điện tải khi điện áp U khơng đổi bằng định mức. Phần lớn các máy điện đồng bộ cĩ bộ tự động điều chỉnh dịng kích từ giữ cho điện áp khơng đổi. §7.5. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ: Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau tạo thành lưới điện. Để các máy làm việc song song cần bảo đảm các điều kiện sau: Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện. Nếu khơng đảm bảo các điều kiện trên, sẽ cĩ dịng điện lớn chạy quẩn trong máy, phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện. Để đĩng máy phát điện vào lưới, ta dùng thiết bị hịa đồng bộ. 151 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ §7.6. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 7.6.1. Nguyên lý làm việc: Khi ta cho dịng điện 3 pha vào 3 dây quấn stator, tương tự như động cơ điện khơng đồng bộ, dịng điện 3 pha ở stator sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p. Khi cho dịng điện một chiều vào dây quấn rotor, thì rotor sẽ biến thành một nam châm điện. Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stator và từ trường rotor sẽ cĩ lực tác dụng lên rotor và kéo rotor quay với tốc độ n = n1. 7.6.2. Điều chỉnh hệ số cơng suất của động cơ điện đồng bộ : Khi động cơ đồng bộ thiếu kích từ thì dịng điện I sẽ chậm sau điện áp U, động cơ đồng bộ tiêu thụ cơng suất phản kháng từ lưới điện. Khi sử dụng người ta khơng để động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ này. Trong cơng nghiệp, người ta cho động cơ làm việc ở chế độ quá kích từ, dịng điện I vượt trước điện áp U, động cơ vừa tạo ra cơ năng đồng thời phát ra cơng suất phản kháng cho lưới điện nhằn nâng cao hệ cơng suất của lưới. Đĩ là ưu điểm rất lớn của động cơ đồng bộ. Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 7.6.3. Mở máy động cơ điện đồng bộ: Khi cho dịng điện vào dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay kéo rotor quay. Nếu sau khi đĩng mạch stator mà cấp ngay dịng một chiều cho rotor thì do rotor cĩ quán tính lớn hơn từ trường quay rất nhiều nên vẫn đứng yên, từ trường rotor khơng thể bắt kịp từ trường quay stator. Vì thế việc mở máy động cơ đồng bộ phải cĩ trang bị mở máy riêng. Để tạo moment mở máy, trên các mặt cực từ rotor, người ta đặt các thanh dẫn được nối ngắn mạch như rotor lồng sĩc ở động cơ khơng đồng bộ. Khi mở máy nhờ cĩ dây quấn mở máy này động cơ sẽ làm việc như động cơ KĐB khi mở máy. Trong quá trình mở máy, dây quấn kích từ sẽ cảm ứng một điện rất lớn cĩ thể phá hỏng dây quấn, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua một điện trở phĩng điện cĩ trị số bằng từ 6 đến 10 lần điện trở dây quấn kích từ. Khi rotor quay đến tốc độ gần tốc độ đồng bộ, đĩng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ để động cơ làm việc đồng bộ. 152 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ §7.7. CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 7 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 2. Mơ hình tốn học của máy phát điện đồng bộ 3. Cơng suất điện từ của máy phát điện đồng bộ 4. Nguyên lý làm việc, cách mở máy và điều chỉnh cos của động cơ đồng bộ §7.8. BÀI TẬP CHƯƠNG7 Bài 7.1. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn đấu sao; Sđm = 10000kVA; Uđm = 6,3kV; f = 50Hz, cos đm = 0,8; số đơi cực p = 2; điện trở dây quấn stato R = 0,04; điện kháng đồng bộ Xđb = 1; tổn hao kích từ Pkt = 2%Pđm, tổn hao cơ, sắt từ và phụ Pcstf = 2,4%Pđm. a) Tính tốc độ quay rotor, dịng điện định mức b) Tính cơng suất tác dụng và phản kháng máy phát ra c) Tính cơng suất động cơ sơ cấp kéo máy phát và hiệu suất máy phát. Lời giải a) Tốc độ quay rotor 60p 60.50 n n = 1500vg/ph 1 p 2 Dịng điện định mức Sđm 10.000 Iđm = 916,5A 3U đm 3.6,3 b) Cơng suất tác dụng máy phát ra Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Pđm = Sđm.cos đm = 10000.0,8 = 8000kW Cơng suất phản kháng máy phát ra Qđm = Sđm.sin đm = 10000. 0,6 = 6000kVar Tổn hao kích từ Pkt = 0,02Pđm = 0,02. 8000 = 160kW Tổng tổn hao cơ sắt từ phụ Pcstf = 0,024Pđm = 0,024. 8000 = 192kW Tổn hao trên điện trở dây quấn phần ứng 2 Pđ = 3. 916,5 . 0,04 = 100,8kW c) Cơng suất động cơ sơ cấp P1 = Pđm + Pkt + Pcstf + Pđ = P1 = 8000 + 160 + 192 + 100,8 = 8452,8 kW Hiệu suất động cơ P 8000  = đm = 0,946 P1 8452,8 Bài 7.2: Một máy phát điện đồng bộ 3 pha cực ẩn; p =1; Xđb = 3,2; U = 10,5KV phát ra cơng suất tác dụng P =35000KW; cos = 0,7. Tính dịng điện I, sức điện động E0 và cơng suất phản kháng Q máy phát ra. Lời giải: P  I = = 2749,4 A 3U cosφ 153 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ     E0 U jIX đb = 10500 + j 8798,1 (V) 2 2  E0 = 10500 8798,1 = 13698 (V)  cos = 0,7 → = 45,570  Q = 3 U I sinφ = 35707 Kvar Bài 7.3: Hai máy phát điện đồng bộ 3 pha làm việc song song cung cấp cho một tải cĩ điện áp Uđm = 3KV. Chế độ làm việc của hai máy như sau: Máy 1: I1 = 400A, cos 1 = 0.8 Máy 2: I2 = 800A, cos 2 0.6 Hãy: xác định hệ số cos của tải. Lời giải:  cos 1 = 0,8 sin 1 = 0,6  cos 2 = 0,6 sin 2 = 0,8  P1 = 3 Uđm I1 cos 1 = 1662,77 Kw  P2 = 3 Uđm I2 cos 2 = 2494,15 Kw  Q1 = 3 Uđm I1 sin 1 = 1247,08 Kvar  Q2 = 3 Uđm I2 sin 2 = 3325,54 Kvar  Pt = P1 + P2 = 4156,92 Kw  Qt = Q1 + Q2 = 4572,61 Kvar Pt  cos t = = 0,67 2Ban 2quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM PQt t Bài 7.4: Một động cơ đồng bộ p =3; Pđm =285kW; Uđm =3kv; cos đm=0,8 (vượt trước); f = 50Hz; =0,94. tính tốc độ quay, mơmen định mức, dịng điện định mức, cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng động cơ điện tiêu thụ. Lời giải: 60f  nđm = = 1000 Vịng/phút p Pđm  Iđm = = 72,94 A 3Uđmcosφ đmη đm Pđm  Mđm = 9,55 = 2721,5 Nm nđm Pđm  P1 = = 303,19 Kw đm 0  Q1 = – P1 tg ( Với cos = 0,8 = 36,87 (Vượt trước) ) 0 = – P1 tg36,87 = – 227,4 Kvar Bài 7.5: Một động cơ điện đồng bộ ba pha đấu sao, số đơi cực từ p=3; Iđm =140 A; Pđm=990 kW; M max Uđm= 6 kV; cos đm=0,8 (vượt trước); f = 50Hz; 2, 2. Tính mơmen định mức; mơmen cực Mđm đại; cơng suất tác dụng P1 và cơng suất phản kháng Q1 của động cơ điện tiêu thụ. 154 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 7. Máy điện đồng bộ Lời giải: 60f  nđm = = 1000 Vịng/phút p Pđm  Mđm = 9,55 = 9454,5 Nm nđm  Mmax = 2,2 Mđm = 20799,9 Nm  P1 = 3 Uđm I1 cos 1 = 1163,9 Kw  Q1 = – P1 tgφ = – 872,925 Kvar Bài 7.6: Hai máy phát điện đồng bộ làm việc song song cung cấp điện cho hai tải cĩ : Tải 1: St1 = 5000KVA, cos = 0,8. Tải 2: St2 = 3000KVA, cos = 0,9. Máy phát thứ 1 phát ra một cơng suất: P1 = 4000Kw, cos 1 = 0.8. Tính : Cơng suất phát ra của máy phát thứ 2. Đáp số: Pt = 7000kW; Qt = 3000kVar; P2 = 3000kW; Q2 = 500kVar P1 P2 cos 1 = = 0,848; cos 2 = = 0,986 2 2 2 2 PQ1 1 PQ2 2 Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 155 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 8. Máy điện một chiều CHƯƠNG 8 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU §8.1. CẤU TẠO Máy điện một chiều cĩ cấu tạo gần giống với máy điện xoay chiều rotor dây quấn, bao gồm: stator, rotor, cổ gĩp và chổi than. cổ gĩp stator rotor Hình 8-1. Các thành phần của máy điện một chiều 8.1.1. Phần tĩnh (Stator): Stator, cịn gọi là phần cảm, gồn cĩ lõi thép làm bằng thép đúc là mạch từ và dây quấn. Trên stator cĩ các cực từ chính và phụ, thường cĩ kết cấu dạng cực lồi. Các cực từ được quấn dây quấn kích từ.Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 8.1.2. Phần quay (Rotor): Rotor, được gọi là phần ứng gồm cĩ lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép phần ứng hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, cĩ rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng cĩ nhiều vịng dây, hai đầu nối với 2 phiến gĩp, 2 cạnh tác dụng của phần tử đặt trong 2 rãnh dưới 2 cực khác tên. a) b) Hình 8-2. Cấu trúc stator và rotor trong máy điện một chiều 156 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 8. Máy điện một chiều 8.1.3. Cỗ gĩp và chổi điện: Cỗ gĩp gồm các phiến gĩp bằng đồng được ghép cách điện với nhau, cĩ dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor. Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphít, các chổi tỳ chặt lên cỗ gĩp nhờ lị xo, giá đỡ chổi than được gắn trên vỏ máy. a) b) Hình 8-3. Cổ gĩp và chổi than §8.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 8.2.1. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện một chiều Hình 8-4 mơ tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều, trong đĩ dây quấn phần ứng chỉ cĩ một phần tử nối với hai phiếnBan quyenđổi chiều. © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM Khi động cơ sơ cấp kéo phần ứng quay, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải. Như hình 8-4 từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới), chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên, sức điện động cĩ chiều từ b đến a. Ở thanh dẫn phía dưới, chiều sức điện động từ d đến c. sức điện động bằng hai lần sức điện động của thanh dẫn. Nếu nối hai chổi than A và B với tải, trên tải sẽ cĩ dịng điện, điện áp của máy phát điện cĩ cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B. chiều dịng điện a d b chiều R quay c Hình 8-4. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều 157 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Truong DH SPKT TP. HCM Chương 8. Máy điện một chiều Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh cd ở cực N, sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ cĩ chổi than đứng yên, chổi than A vẫn nối với phiến gĩp phía trên, chổi B nối với phiến gĩp phía dưới, nên chiều dịng điện mạch ngồi khơng đổi. Ta cĩ máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A, cực âm ở chổi B. Nếu máy chỉ cĩ một phần tử, điện áp đầu cực như hình 8-5a; để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 8-5b), dây quấn phải cĩ nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều. Ở chế độ máy phát, dịng điện phần ứng Iư cùng chiều với sức điện động phần ứng Eư. Phương trình cân bằng điện áp là: U = Eư - RưIư (8-1) Trong đĩ RưIư là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng; Rư là điện trở của dây quấn phần ứng; U là điện áp đầu cực máy; Eư là sức điện động phần ứng e e 0 t 0 t a) b) Hình 8-5.Ban Điệnquyen áp © đầuTruong cực DHmáy Su phát pham điện Ky một thuat chiều TP. HCM 8.2.2. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều Hình 8-6 mơ tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng cĩ dịng điện. Các thanh dẫn ab, cd cĩ dịng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tác dụng làm cho rotor quay. Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái. chiều dịng điện a d b chiều E quay c Hình 8-6. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 158 Thu vien DH SPKT TP. HCM -