›
›

Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 1: Máy điện một chiều đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng

pdf 37 trang ngocly 2190
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 1: Máy điện một chiều đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_may_dien_dac_biet_chuong_1_may_dien_mot_chieu_dac.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 1: Máy điện một chiều đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN ­­­­­­­­­­­­0­­­­­­­­­­­ GVC­ThS.NGUYỄN TRỌNG THẮNG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT TP. HCM Tháng 5 / 2006
  2. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CHƯƠNG 1 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT 1. Đại Cương Máy điên một chiều chủ yếu được chế tạo thành động cơ hay máy phát điện, nhưng trong nhiều ngành kỹ thuật chuyên môn đặc biệt máy điện một chiều được chế tạo dưới nhiều dạng đặc biệt khác, nó được dùng trong kỹ thuật hàn, điện phân, kỹ thuật luyện kim. Trong các thiết bị cơ cấu tự động điều khiển xa, giao thông vận tải, trong thông tin liên lạc v.v Tuỳ theo những lãnh vực kỹ thuật khác nhau mà thường có máy điện một chiều có những yêu cầu khác nhau. Thí dụ các máy sử dụng trong ngành tự động yêu cầu độ tin cậy cao, quán tính bé, công suất nhỏ. Trong kỹ thuật hàn, luyện kim thường yêu cầu dòng điện lớn v.v Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sơ lược một vài loại máy điện một chiều đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn bao gồm máy điên một chiều từ trường ngang, máy phát hàn điện và một số máy nhỏ dùng trong kỹ thuật đo lường và tự động. 2. Máy Điện Một Chiều Từ Trường Ngang Máy điện một chiều từ trường ngang là máy điện một chiều có vành góp, dùng từ trường phản ứng phần ứng để cảm ứng dòng điện đưa ra tải. Như vậy trong dây quấn phần ứng gồm có hai dòng điện : dòng điện thứ nhất tạo ra từ trường ngang và dòng điện thứ hai đưa ra dùng được tạo nên bởi từ trường ngang đó. Cặp chổi than 1­1 đặt trên đường TTHH và được nối với nhau, cặp chổi than 2­ 2 đặt lệch 90 0 so với cặp chổi than 1­1 và nối với đầu dây ra của máy. Hình 1.1 . Cấu tạo máy điện một chiều từ trường ngang. T r a n g | 1
  3. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Nguyên lý hoạt động: Giả sử, động cơ sơ cấp quay với tốc độ định mức n = n ñm và cuộn dây kích thích được cấp điện áp Ukt . Khi đó, trong cuộn dây này xuất hiện từ thông Ft, từ thông này cảm ứng nên sức điện động E 1 ở hai đầu chổi than 1­1 của dây quấn phần ứng . Vì 1­1 ngắn mạch nên gây ra dòng I1 khá lớn chảy trong dây quấn rôto, gây nên từ thông F 1 , dưới tác dụng của F 1 sẽ gây nên sđđ E2 khá lớn, E 2 tạo nên điện áp U 2 và cung cấp ra ngoài một dòng điện I2 nào đó. 2.1. Máy khuếch đại điện từ ( MĐKĐ ) : Để khống chế một đối tượng nào đó, tín hiệu có thể dẫn trực tiếp đến đối tượng điều khiển không cần qua hệ thống khuếch đại. Cũng có thể tín hiệu được qua bộ phận trung gian khuếch đại lên đưa đến đối tượng điều khiển. Máy khuếch đại điện từ hay máy khuếch đại (MKĐ) là một trong các thiết bị trung gian nhận tín hiệu đưa đến đối tượng điều khiển nó có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện áp hay dòng điện nhỏ để khống chế một công suất lớn. Máy điện một chiều kích thích độc lập cũng có thể xem như là một mô hình của MĐKĐ, trong đó tín hiệu đầu vào là công suất kích thích Pt và tín hiệu đã được khuếch đại là công suất đưa ra P đm ở đầu máy phát, nhưng vì P t = (1÷2)% P đm , nên hệ số khuếch đại rất nhỏ ( kKĐ = 50 ÷ 100 ) nên máy phát điện kích thích độc lập không được dùng như MĐKĐ. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý máy điện một chiều kích từ độc lập. Máy điện khuếch đại có k KĐ rất lớn, vì có hai bậc khuếch đại : Pra U r .I r kKĐ= = = k v .k i (1.1) PvaØo U v.I r Trong đó : U r k v = : hệ số KĐ điện áp. U v I r k i = : hệ số KĐ dòng điện. Iv Hiện nay có thể chế tạo MĐKĐ có k KĐ = 10.000 ÷ 100.000. Chất lượng của MĐKĐ còn được đánh giá bởi khả năng tác động nhanh của nó, xác định bằng hằng số thời gian điện từ T của máy (T = L/R), thông thường T = (0,05 ÷ 0,3) sec. Để xét cả hai yếu tố trên người ta thường dùng hệ số chất lượng : T r a n g | 2
  4. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng k KÑ k cl = (1.2) T Sơ đồ của MĐKĐ được trình bày trên Hình 1.3. Nguyên lý làm việc được xét tương tự như máy đã xét ở Hình 1.1. Ở đây s.t.đ F2 do I2 tạo ra hoàn toàn bị s.t.đ của cuộn bù B trung hoà nhờ đó công suất của tín hiệu đầu vào sẽ bé dẫn đến k KĐ tăng. Biến trở Rs có công dụng hiệu chỉnh tác dụng của cuộn bù B. Cuộn trợ từ T cho phép hạ thấp dòng điện I1 do đó cải thiện được vấn đề đổi chiều cho chổi than 1­1. Để cải thiện đổi chiều cho cặp chổi than 2­2 người ta đặt dây quấn phụ DP theo hướng dọc ở Hình 1.4. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của MĐKĐ. Để đặt các dây quấn nói trên, lá thép của Stator có dạng như hình sau : Hình 1.4. Lõi thép Stator của MĐKĐ. 1. Dây quấn điều khiển, 2. Dây quấn bù, 3. Dây quấn cực từ phụ, 4. Dây quấn trợ từ, 5. Dây quấn khử từ trễ trên mạch từ stator. Nguyên lý làm việc của MĐKĐ Tín hiệu được đặt vào dây quấn kích thích gọi là cuộn điều khiển. T r a n g | 3
  5. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Như vậy công suất ở mạch vào: P đk = U đk . Iđ k Dóng điện Iđk sinh ra từ thông dọc trục Þđk, Þđk gây nên sđđ E1 ở 2 đầu chổi than 1­1. Vì 1­1 ngắn mạch nên gây ra dòng I1 khá lớn chảy trong chổi than. Dòng I1 gây nên từ thông Þ 1 , dưới tác dụng của Þ 1 sẽ gây nên sđđ E2 khá lớn, E2 tạo nên điện áp U 2 và cung cấp ra ngoài một dòng điện I2 nào đó. P đk = U đk . Iđ k ® P 1 = U 1 . I1 ® P 2 = U 2 . I2 Như vậy ta đã khống chế được công suất từ P đk ® P 2 khá lớn. Hệ số khuếch đại công suất : P 2 P2 P1 kp = = . = k2.k1 (1.3) P ñk P1 Pñk k p có thể lên đến trị số 8000 ÷ 10000. MĐKĐ có thể dùng để duy trì điện áp, dòng điện hay duy trì tốc độ quay của một động cơ nào đó nhanh và nhạy. Thí dụ để duy trì điện áp của máy phát điện một chiều không đổi người ta dùng MĐKĐ để cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát một chiều. Lấy tín hiệu bằng cách lấy điện áp trên điện trở ra của máy phát một chiều đưa về cuộn điều khiển hai của MĐKĐ. Sức từ động của cuộn một và hai cộng nhau. Ta đã biết, khi tải tăng thì điện áp của máy phát điện một chiều sẽ giảm do e (phản ứng phần ứng) và điện áp rơi trên phần ứng. Để khắc phục tình trạng này người ta dùng sơ đồ sau để duy trì điện áp U F của máy phát điện một chiều không đổi khi I tăng. Hình 1.5. Sơ đồ mạch ứng dụng MĐKĐ ổn định điện áp máy phát điện. Khi I tăng ® DU tăng ® I t2 tăng ® få = (f 1 + f 2 ) tăng ® U MĐKĐ tăng ® ItF tăng ® U F tăng đến U ban đầu. T r a n g | 4
  6. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 1.6 trình bày một ứng dụng của MĐKĐ dùng duy trì điện áp và tốc độ ĐC không đổi. Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch ứng dụng MĐKĐ. Mạch có chức năng như sau : Giữ : UĐ = const., I ≤ Iđm, nđm = const. 3. Máy Phát Điện Hàn Muốn cho mối hàn có chất lượng cao, nhiệt lượng ở mối hàn và dòng điện sinh ra nhiệt lượng đó phải ổn định. Để đáp ứng được yêu cầu đó máy phát điện cần phải có đặc tính ngoài U = f ( I ) có độ dốc cao. Hình 1.7. Đặc tính ngoài của máy phát điện hàn một chiều. Máy phát điện hàn phải thoả mãn các yêu cầu sau : Duy trì được chế độ ngắn mạch khi người thợ hàn làm việc nối ngắn mạch các cực hàn ( ví dụ khi nhóm cháy hồ quang ). Phải đảm bảo trị số dòng điện không đổi khi điện trở hồ quang thay đổi ( chiều dài hồ quang thay đổi ). T r a n g | 5
  7. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Để thực hiện được điều đó, đặc tuyến ngoài của máy phát điện phải thật dốc. Muốn có đặc tuyến trên, người ta chế tạo loại máy phát đặc biệt có sơ đồ cấu tạo như Hình 1.8. Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của máy phát hàn điện. Máy gồm một đôi cực kép, trong đó N1S1 thường có mạch từ không bão hoà, còn N 2 S 2 thì rất bão hoà. Phần ứng của máy phát có thể xem như được chia làm 4 phần. Các phân Ac và Bb tạo nên phản ứng phần ứng khử từ đối với cặp cực từ N1S1, còn các phần Ab và Bc tạo nên phản ứng phần ứng trợ từ đối với các cực N 2 S 2 . Như vậy khi I ư tăng từ thông các cực N 2 S 2 hầu như không đổi do lõi thép của nó bị bão hoà. Kết quả là từ thông tổng N1N2 – S1S2 giảm nhanh làm cho điện áp đầu cực UAB bị hạ thấp rất nhiều. Chú ý rằng điện áp U AB vẫn giữ không đổi khi Iư tăng vì từ thông của các cực N 2 S 2 không đổi. Ứng với các trị số khác nhau của Rđc ta có các đặc tính ngoài khác nhau như trên Hình 1.7. 4 . Máy Điện Một Chiều Không Tiếp Xúc Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các nhà sản xuất máy điện đã chế tạo ra các loại máy điện một chiều không sử dụng vành góp và chổi than hay còn gọi là máy điện một chiều không tiếp xúc. Đặc điểm của loại máy điện này là làm việc tin cậy, không tạo tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ cao hơn so với các loại động cơ một chiều thông thường. Trong phần này sẽ trình bày loại động cơ này. 4.1. Cấu tạo. Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau : 1. Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m – pha trên stato và rôto kích thích bằng nam chăm vĩnh cửu. T r a n g | 6
  8. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 2. Cảm biến vị trí rôto, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều. 3. Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stato theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôto. Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều không tiếp xúc . 4.2. Nguyên lý hoạt động. Hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều không chổi than, có một cuộn dây trên mạch stato. Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều không chổi than. 1. Stato của động cơ. 2. Dây quấn trên stato. 3. Rôto loại nam chăm vĩnh cửu, có hai cực. 4. Đĩa sắt từ, có dạng hình tròn khuyết và được đặt trên trục rôto. 5. Bộ phận đổi chiều không chổi than được cấu tạo bằng các linh kiện điện tử thực hiện đổi chiều dòng điện của các cuộn cảm trên stato động cơ theo tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí. D 1 , D 2 là các bộ cảm biến vị trí dạng từ trở thay đổi. Dùng xác định vị trí rôto (trục từ trường rôto) thông qua đĩa sắt từ. Hoạt động T r a n g | 7
  9. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Ở vị trí như hình vẽ, cảm biến vị trí D 1 nằm trong vùng khuyết của đĩa nên tạo ra sự thay đổi từ trở trên mạch từ ở hai cuộn dây ra của cảm biến vị trí. Sự thay đổi này tạo ra tín hiệu điều khiển bộ đổi chiều. Bộ đổi chiều sẽ đổi chiều điện áp đặt lên dây quấn stato (đổi chiều từ trường stato). Cực tính điện áp trên dây quấn stato có chiều như hình vẽ. Khi vùng khuyết của đĩa trùng với cảm biến vị trí D 2 , nó sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bộ đổi chiều, bộ đổi chiều sẽ đảo cực tính điện áp đặt lên dây quấn stato. Chiều điện áp ngược chiều với hình vẽ. Quá trình đổi chiều điện áp trên dây quấn stato phải đồng thời với với sự thay đổi chiều cực từ rôto. Điều này đảm bảo chiều quay của mômen không đổi trong một vòng quay. Hình 1.11 trình bày quá trình kết hợp đổi chiều của từ trường stato và từ trường rôto. Hình 1.11. Quá trình đổi chiều từ trường stato và rôto. Khi có dòng điện qua dây quấn stato, dưới sự tác động của từ trường rôto sẽ tạo ra mômen quay. M = k Fs Fr Sinq (1.4) với : k : hệ số máy không đổi. F s, F r : từ thông cực từ stato và rôto. q : góc hợp bởi trục cực từ rôto và trục từ trường stato. Khi mạch từ chưa bão hoà biểu thức trên có thể biểu diễn dưới dạng sau : M = km Is Sinq (1.5) với : km : hệ số phụ thuộc từ trường rôto và cấu tạo stato. Is : dòng điện qua dây quấn stato. Từ biểu thức (1.5) ta nhận thấy : ­ Mômen quay có sự dao động theo góc quay q. ­ Ứng với vị trí góc q làm cho mômen quay của động cơ nhỏ hơn mômen tĩnh trên trục động cơ thì động cơ không thể quay. T r a n g | 8
  10. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách tăng số cuộn dây quấn trên stator. Khi ấy biểu thức (1.5) có thể viết lại như sau : (q c 2 ) M = km Is cos(q ­ qc / 2) (1.6) (sin q c 2 ) trong đó : q c là góc giữa trục 2 cuộn dây kế tiếp nhau. Khi số cuộn dây càng lớn ® qc càng bé ® M = const. Nhưng khi số pha của cuộn stator tăng dẫn đến số phần tử cảm biến tăng và mạch đảo chiều trở nên phức tạp. Nên trong thực tế số pha của dây quấn thường không vượt quá bốn. Ngoài ra cách đấu các cuộn dây trên mạch stato cũng làm thay đổi độ lớn và độ dao động của mômen. Hình 1.12 trình bày một số cách đấu thường thấy. a. đấu tam giác. b. đấu sao. c. đấu song song với nguồn. d. đấu nối tiếp với nguồn. Hình 1.12. Sơ đồ kết nối giữa các pha động cơ không chổi than. Trong các cách đấu trên thì đấu tam giác sẽ cho hiệu suất cao nhất, độ dao động của mômen là bé nhất. Cách đấu song song có bộ đổi chiều đơn giản nhất. T r a n g | 9
  11. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Để hiểu rõ hơn vấn đề đảo chiều khi số cuộn dây tăng. Ta phân tích nguyên lý hoạt động của động cơ có ba pha và các pha được đấu song song với nguồn. Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý đơn giản của động một chiều không chổi than với stato có ba cuộn dây được nối song song với nguồn. Cuộn dây phần ứng đặt trên các rãnh của stato gồm có ba pha A, B, C, lệch nhau trong không gian một góc 120 0 và được nối song song với nguồn. Phần tử tín hiệu có dạng hình tròn khuyết và được làm bằng vật liệu sắt từ . Phần tử này được đặt trên trục của động cơ. Bộ phận đổi chiều gồm ba transistor T1, T2, T3, mắc nối tiếp với các pha A, B, C của động cơ. Các transistor này làm việc ở chế độ ngắt dẫn và được điều khiển từ bộ ĐK. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến A, B, C và đưa ra tín hiệu ĐK bộ đổi chiều. Nguyên lý hoạt động của động cơ theo Hình 1.13 như sau: Giả sử ban đầu vị trí phần tử cảm biến tín hiệu của cảm biến vị trí nằm ở vị trí 1 Hình 1.13. Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tạo tín hiệu điều khiển mở transitor T1 . Cuộn dây A trên stato tác động tạo ra s.t.đ F A . Nhờ sự tương tác giữa sức từ động F A với từ thông của từ trường rôtor bằng nam châm vĩnh cửu làm cho rôtor quay theo chiều kim đồng hồ. Do phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôtor của động cơ nên khi rôtor quay thì phần tử này cũng quay theo. Khi góc quay của rôto lớn hơn 30 0 so với vị trí ban đầu một ít (vị trí 2 Hình 1.13). Ở vị trí này hai phần tử cảm biến A, B cùng tác động tạo tín hiệu điều khiển mở 0 transistor T1 , T2 . Khi có thêm sức từ động F B thì sức từ động tổng sẽ lệch đi khoảng 60 T r a n g | 10
  12. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng so với vị trí ban đầu và tác động với từ trường của rôtor nam châm vĩnh cửu làm cho rôtor động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. Khi góc quay của rôtor lớn hơn 90 0 so với vị trí ban đầu một ít (vị trí 3 trên Hình 1.13). Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến B tác động tạo tín hiệu điều khiển mở transistor T2, nên chỉ tồn tại stđ FB đây cũng chính là sức từ động của dây quấn stato lúc này. Do đó, rôto của động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ như ban đầu. Quá trình trên cứ tiếp tục, tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí được đưa vào các transistor của bộ phận đổi chiều và làm cho chúng dẫn hoặc ngưng dẫn đúng lúc. 4.3. Mạch điều khiển động cơ không chổi than Hình 1.14 trình bày sơ đồ điều khiển động cơ không chổi than, có ba pha, kết nối sao và có đảo chiều quay. Hình 1.14. Sơ đồ mạch điểu khiển động cơ không chổi than. Nguyên lý hoạt động của mạch : ­ Khi quay theo chiều kim đồng hồ : D = 0 T r a n g | 11
  13. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí được trình bày ở Hình 1.15. Hình 1.15. Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay theo chiều kim đồng hồ. Giả sử ban đầu vị trí vùng khuyết của phần tử cảm biến tín hiệu nằm ở vị trí như Hình 1.14. Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tương ứng với trạng thái logic DCBA = 0001. Bộ mã hoá vị trí sẽ tạo tín hiệu ứng với mã 1 điều khiển mở transitor T1, T6 thông qua 2 cổng or 1 và 6, khi ấy cuộn dây A và C có điện tạo ra stđ FAC . Nhờ sự tương tác giữa sức từ động FAC với từ thông của từ trường rôtor bằng nam châm vĩnh cửu làm cho rôtor quay theo chiều kim đồng hồ. Do phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôto của động cơ nên khi rôto quay thì phần tử này cũng quay theo. Khi góc quay của rôto lớn hơn 30 0 so với vị trí ban đầu một ít . Ở vị trí này hai phần tử cảm biến A, B cùng tác động tương ứng với trạng thái logic DCBA = 0011. Bộ mã hoá vị trí sẽ tạo tín hiệu ứng với mã 3 điều khiển mở transistor T6, T3 thông qua 2 cổng or 3 và 6, khi ấy cuộn dây B và C có điện tạo ra stđ FBC làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. Khi góc quay của rôtor lớn hơn 90 0 , 150 0 , 210 0 ,270 0 , 330 0 so với vị trí ban đầu một ít tương ứng với mã thập phân 2, 6, 4, 5 thì lần lượt các cặp transitor T 3 ­T2 , T2 ­T5 , T5 ­T4 , T4 ­T1 dẫn làm cho các cuộn dây B­A, A­C, C­B, B­A có điện, tạo ra stđ F BA , F CA , F CB , F AB làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. T r a n g | 12
  14. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng ­ Khi quay ngược chiều kim đồng hồ : D = 1 Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí được trình bày ở Hình 1.16. Hình 1.16. Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay ngược chiều kim đồng hồ. 5. Động Cơ Chấp Hành Một Chiều Là một máy biến tín hiệu điện áp thành tốc độ quay hoặc góc chuyển dịch để đưa vào đối tượng điều khiển. Động cơ chấp hành có các yêu cầu sau : ­ Làm việc ổn định. ­ Độ tin cậy cao, đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh phải tuyến tính. ­ Quán tính nhỏ (rôto phải nhẹ), tác động nhanh và đồng thời mất tín hiệu phải ngừng quay ngay. ­ Công suất điều khiển bé. ­ Động cơ chấp hành một chiều có thể có hai phương pháp điều khiển. 5.1. Điều khiển phần ứng Điện áp tín hiệu được đặt vào phần ứng, còn điện áp kích thích có thể lấy từ nguồn bên ngoài vào hoặc cũng có thể thay phần kích thích bằng một nam châm vĩnh cửu. T r a n g | 13
  15. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý động cơ chấp hành một chiều khi điều khiển trên phần ứng. Theo phương pháp điều khiển này thì M = f (Uđk) là những đường thẳng (vì M = CM fd Iư với fd = const ® M = k Iư mà từ Iư và Uđk quan hệ với nhau là bậc nhất ; U Iö .R ö còn n = - với fd = const ® quan hệ n = f ( U, Iư ) là bậc nhất ) Ce.fd Ce .f d Phương pháp điều khiển này thường được dùng. 5.2. Điều khiển trên cực từ Dây quấn phần ứng được đặt vào một điện áp U = const. Điện áp điều khiển Uđk được đặt vào dây quấn kích thích. Như vậy công suất điều khiển sẽ nhỏ nhưng quan hệ n = f (Uđk) không còn là đường thẳng nữa. (vì n = U - Iö .R ö Khi U đk thay đổi ® f d thay đổi ) Ce .f d Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý động cơ chấp hành một chiều khi điều khiển trên cực từ. Để động cơ chấp hành tác động nhanh người ta chế tạo phần ứng có quán tính nhỏ dưới dạng rôto rỗng hoặc rôto dẹt hình đĩa có mạch in. Loại đầu thường chế tạo với công suất 10 ÷ 15 W. Loại sau : 100 ÷ 200 W. T r a n g | 14
  16. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng a) Loại động cơ rôto rỗng : Hình 1.19. Cấu tạo rôto rỗng 1 . Cực từ, 2 . Lá thép làm mạch dẫn từ. 3 . Dây quấn kích thích, 4 . Phần ứng Phần ứng có dạng hình rỗng, thường làm bằng vải ép hoặc các vật liệu cách điện trên đó có dán các dây quấn phần ứng. Để lấy điện ra hay đưa vào phần ứng cũng dùng chổi than tỳ lên vành góp. Loại này có khe hở lớn nên hệ thống kích thích phải lớn, máy to hơn, nhưng tác động nhanh vì quán tính bé. b) Loại động cơ có rôto hình đĩa. Hình 1.20. Cấu tạo của động cơ rôto hình đĩa. 1. Nam châm vĩnh cửu ; 2, 3. Giá đỡ ; 4. Mặt cực từ (có dạng khối tròn) ; 5. Đĩa rotor ; 6. Chổi than. T r a n g | 15
  17. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 1.21. Cấu tạo đĩa phần ứng. 1. Đĩa (được chế tạo từ vật liệu không dẫn từ). 2. Dây dẫn (được in lên mặt đĩa) . 3. Lỗ kết nối dây. Cực từ được bố trí theo chu vi của máy và nằm về một phía. Phía bên kia là gông từ và thường các cực từ làm bằng nam châm vĩnh cửu. Đĩa phần ứng (Hình 1.21) làm bằng vật liệu nam châm cách điện không dẫn từ (bakelit) ở hai mặt bên có in các phần tử dây quấn. Nhờ kỹ thuật mạch in và dây dẫn nên có thể tự động hoá quá trình làm dây dẫn trên mặt đĩa và vấn đề làm nguội được nâng cao. Vì thế mật độ dòng điện có thể lên đến 30 ÷ 40 A/mm 2 . Điện có thể lấy hoặc đưa vào trực tiếp trên các dây dẫn mà không cần cổ góp. Phần ứng không có răng rãnh nên điện cảm rất nhỏ vì thế đổi chiều tốt hơn, phản ứng phần ứng bé, tổn hao phụ do từ trường đập mạch nhỏ. Máy chạy êm, h cao ( 60 ÷ 65 ) %. Vì đĩa quay ở giữa rãnh cực từ và gông nên khe hở lớn, do đó kích thước máy tương đối lớn. Về mặt cơ học nếu chổi than lớn quá có thể dễ làm hư hỏng các phần tử dây quấn. c) Ứng dụng của động cơ chấp hành một chiều: Hình 1.22 miêu tả một hệ thống tạo tia lửa điện trong gia công kim loại có sử dụng động cơ chấp hành một chiều. Hình 1.22. Hệ thống tạo tia lửa điện để gia công kim loại. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: T r a n g | 16
  18. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Khi không có tia lửa điện thì điện trở của khe hở phóng điện là rất lớn dòng điện sẽ đi từ cực dương qua điện trở R 2 , qua động cơ, qua điện trở R1 rồi về cực âm. Chiều của dòng điện như trên làm cho SM quay theo hướng mà phần tử nén RU nén điện cực về phía phần tử A làm giảm độ lớn của khe hở phóng điện. Khi độ rộng của khe hở phóng điện đủ bé các tụ PG sẽ xã điện lúc này điện áp đạt đến điện áp đánh thủng, sự đánh thủng (phóng điện) xảy ra. Khi có sự phóng điện như trên thì điện trở của khe hở phóng điện giảm đột ngột dòng điện qua SM đổi chiều làm cho động cơ SM cũng đảo chiều quay, kéo theo điện cực A làm nó chuyển động hướng ra xa B. Điện trở của khe hở phóng điện lại phục hồi, chu kỳ cứ như thế lặp lại. 6. Máy Phát Tốc Đo Tốc Độ Cũng là một máy phát điện mộ chiều có nhiệm vụ biến đổi tốc độ n sang điện áp U ( @ n ). Để có quan hệ U = f (n) là bậc nhất thì fd phải = const, do đó máy thường có cực từ làm bằng nam châm vĩnh cửu. Yêu cầu đối với máy phát đo tốc độ : Đặc tính U = f (n) phải là tuyến tính vì thế thường thiết kế với mạch từ chưa bão hoà. Độ đập mạch của điện áp nhỏ nên số phần tử phải nhiều. Quán tính máy phát nhỏ, Dpcơ, Dpphụ nhỏ. Kết cấu của nó có thể làm theo loại rôto rỗng hay hình đĩa để gọn nhẹ tác động nhanh. Để đo điện áp chính xác độ dốc của đặc tính ra phải càng dốc. Đối với các máy nhỏ cỡ 1000 v/ph thì có thể cho Ura từ 5 ÷ 10 volt hoặc đối với các loại khác có thể từ 50 ÷ 100 volt. Thường có thể chế tạo công suất từ 10 ÷ 50 watt. Loại này thường có thể dùng để chuyển tín hiệu tốc độ thành điện áp trong một số mạch tự động điều khiển. Hình 1.23 trình bày sơ đồ máy phát tốc một chiều kích thích độc lập. Hình 1.23. Sơ đồ máy phát tốc một chiều kích thích độc lập. Điện áp ra của máy phát tốc một chiều có thể được tính từ biểu thức sau : C .F .n - DU U = E ch (1.7) F r 1 + F R t T r a n g | 17
  19. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Trong đó: rF là điện trở cuộn ứng. DU ch là điện áp rơi trên chổi than. Nếu từ thông F , điện trở phần ứng rF và điện trở tải R t không đổi thì quan hệ U F = f (n ) là tuyến tính với hệ số khuếch đại (độ dốc) K được xác định như sau: Khi CE, F , Rt càng lớn và rF càng nhỏ thì độ dốc của điện áp ra càng lớn. Trong trường hợp máy hoạt động ở chế độ không tải ( R t = ¥ ) thì độ dốc của điện áp ra là lớn nhất. Đặc tính ra của máy phát tốc một chiều được trình bày như Hình 1.24. Hình 1.24. Đặc tính ra của máy phát tốc một chiều. Do có điện áp rơi trên chổi than nên đặc tính ra của máy phát tốc một chiều xuất hiện vùng không nhạy D . Sự tồn tại vùng không nhạy D là nhược điểm lớn nhất của máy phát tốc một chiều. Để giảm vùng không nhạy này ta cần giảm điện áp ( DU ch ) tiếp xúc giữa chổi than và vành góp. Vì thế, chổi than thông thường được chế tạo từ hỗn hợp đồng_than hoặc bạc_than. Ngoài ra ảnh hưởng của nhiệt độ và phản ứng phần ứng cũng làm thay đổi độ tuyến tính của đặc tuyến ra trên máy phát tốc. Ứng dụng của máy phát tốc một chiều: Hình 1.25 trình bày ứng dụng của máy phát tốc một chiều trong hệ thống kiểm tra tốc độ cuộn dây volfram. Hình 1. 25. Máy phát tốc một chiều trong dây chuyền sản xuất volfram. T r a n g | 18
  20. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Dây vonfam được sử dụng rất nhiều trong thực tế như : dùng làm dây nung cho lò sưởi, cho bếp điện, tiêm của đèn dây tóc Trong thực tế để sản xuất ra dây vonfam (thường có dạng xoắn lò xo) dạng xoắn người ta phải dùng đến một máy cuốn dây. Dây vonfam trước khi thành phẩm phải đi qua một lò nung sử dụng khí hydro trước khi được cuộn thành dạng xoắn. Tại lò này dây sẽ được nung nóng đến một nhiệt độ thích hợp theo nhà sản xuất mong muốn (bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ khi có dòng điện chạy qua nó). Để có được dây vonfam có chất lượng tốt (tuổi thọ cao, chịu được nhiệt độ cao ) thì dây phải qua lò nung với một tốc độ thích hợp. Tốc độ này do bộ phận quấn tạo nên, bộ phận này do động cơ một chiều M 2 kéo. Tốc độ của M 2 thay đổi khi điện áp trên hai đầu cực của nó thay đổi (điện áp thay đổi bởi biến áp tự động). Để có thể theo dõi được tốc độ quấn dây người ta sử dụng một máy phát tốc một chiều M1 gắn đồng trục với động cơ M2 . Khi M 2 quay kéo theo rotor của máy phát tốc quay tạo ra trên hai đầu cực máy phát tốc một điện áp U tỉ lệ với tốc độ rotor. Điện áp đó được đo bởi volt kế V, nhờ vậy người vận hành dây chuyền có thể kiểm tra được tốc độ quấn và có những điều chỉnh thích hợp nếu cần. T r a n g | 19
  21. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CÂU HỎI ÔN TẬP. 1. Trình bày cấu tạo của ĐC một chiều không chổi than (ĐC MCKCT)? 2. Trình bày những điểm giống nhau và khác nhau của bộ đổi chiều bằng cơ và bằng bộ đổi chiều bằng điện tử ? 3. Trình bày các cách kết nối các pha trong ĐC MCKCT, nêu ưu điểm và khuyết điểm của từng cách kết nối ? 4. Anh hưởng của điện cảm dây quấn stator đối với dòng điện, mômen và bộ đảo chiều điện tử như thế nào ? 5. Nguyên nhân nào tạo ra sự dao động mômen của ĐC MCKCT ? Nêu ra cách để làm giảm sự dao động này ? 6. Có thể làm cho mômen của ĐC MCKCT không đổi giống với ĐC 1 chiều thông thường hay không ? Vì sao ? 7. Cho ĐC MCKCT có điện áp làm việc 24 VDC, dòng điện 1,5 A, hằng số ­3 mômen Km = 24,15.10 Nm/A. Tính mômen của ĐC ? ­3 8. Cho ĐC MCKCT có điện áp làm việc 24 VDC, hằng số sđđ KE = 29,7.10 volt/(vòng/phút). Tính tốc độ không tải của ĐC ? 9. Cho ĐC MCKCT có điện áp làm việc 24 VDC, I = 12,5 A, M = 120 Nm, n = 2900 vòng/phút. Tính : a) Công suất vào. b) Công suất ra. c) Hiệu suất %. 10. Cho ĐC MCKCT có các thông số sau : ML = 1, 0 Nm.(moment tải) ­2 M ms = 7,1 10 Nm. (mômen ma sát) ­3 2 JĐ = 1,7 10 Kg.m . (mômen quán tính ĐC) ­4 2 JL = 4.10 Kg.m . (mômen quán tính tải) a) Xác định gia tốc của ĐC khi thời gian tăng tốc (khởi động) từ 0 ÷ 500 rad/s là 0.250 s và thời gian giảm tốc (dừng) từ 500 ÷ 0 rad/s là 0.250 s. b) Xác định mômen khi tăng tốc (khởi động). c) Xác định mômen làm việc ( mômen quay) . d) Xác định mômen khi giảm tốc (dừng). T r a n g | 20
  22. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CHƯƠNG 2 MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 1. Máy Biến Áp Ba Dây Quấn Trong hệ thống điện lực những máy biến áp có một dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp gọi là máy biến áp ba dây quấn để cung cấp điện cho các lưới điện có những điện áp khác nhau, ứng với các tỉ số biến đổi: w 1 U 1 k 12 = » (2.1) w 2 U 2 w 1 U 1 k 13 = » (2.2) w 3 U 3 Máy biến áp ba dây quấn có ưu điểm nâng cao được tính kinh tế và kỹ thuật của trạm biến áp, vì số máy biến áp của các trạm sẽ ít hơn và tổn hao vận hành cũng nhỏ hơn. Người ta chế tạo máy biến áp ba dây quấn theo kiểu tổ máy biến áp ba pha hoặc máy biến áp ba pha ba trụ, ở mỗi pha đặt ba dây quấn. Các tổ nối dây tiêu chuẩn như sau: Y 0 /Y 0 /D ­ 12­11 ; Y 0 /D/D ­ 11­11. Hình 2.1. Máy biến áp ba dây quấn. Theo quy định, công suất của ba dây quấn được chế tạo theo những tỉ lệ sau đây: 1) 100%, 100%, 100%. 2) 100%, 100%, 67%. 3) 100%, 67%, 100%. 4) 100%, 67%, 67%. Công suất của máy biến áp ba dây quấn lấy theo công suất của dây quấn sơ cấp (có công suất lớn nhất). T r a n g | 21
  23. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 1.1. Phương trình cơ bản, mạch điện thay thế và đồ thị vectơ của máy biến áp ba dây dây quấn. Tương tự như máy biến áp hai dây quấn dòng I0 rất nhỏ I0 = (2,5 ÷ 3,5).Iđm, nên sau khi đã tính đổi các dây quấn 2,3 về dây quấn 1 ta có phương trình cơ bản và đồ thị vectơ dòng điện sau: Hình 2.2. . . . . I 1 + I 2 + I 3 = I 0 @ 0 . . . . U 1 - I 1 .z 1 = - ( U ' 2 + I ' 2 .z ' 2 ) . . = - ( U ' 3 + I ' 3 .z ' 3 ) (2.3) Trong đó, z 1 = r1 + j.x 1 ; z’2 = r’2 + j.x’2 ; z’ 3 = r’3 + j.x’3 Mạch điện thay thế của máy biến áp ba dây quấn • - I'3 • • I1 - I' 2 • - U '3 • • I0 • U1 - U' 2 Hình 2.3. Mạch điện thay thế của máy biến áp ba dây quấn T r a n g | 22
  24. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Đồ thị vectơ ứng với các phương trình cơ bản trên: Hình 2.4. Đồ thị vectơ của máy biến áp ba dây quấn. 1.2. Xác định các tham số của máy biến áp ba dây quấn Được xác định từ ba thí nghiệm ngắn mạch giữa các cuộn dây 1 và 2 ; 1 và 3 ; 2 và 3. Tương tự như thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn Hình 2.5. Thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp ba dây quấn T r a n g | 23
  25. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Ta có: z n12 = (r1 + r’2 ) + j(x 1 + x’2 ) = rn1 2 + jx n12 zn13 = (r1 + r’3) + j(x1 + x’3) = rn13 + jxn13 z n23 = (r’2 + r’3 ) + j(x’2 + x’3 ) = rn2 3 + jx 23 Từ đó ta biết được: r n 12 + r n 13 - r n 23 r 1 = (2.4) 2 r n 12 + r n 23 - r n 13 r ' 2 = (2.5) 2 r n 13 + r n 23 - r n 12 r ' 3 = (2.6) 2 Tương tự ta có thể tính được x 1 , x’2 và x’3 sau: x n 12 + x n 13 x n 23 x 1 = (2.7) 2 x n 12 + x n 23 x n 13 x ' 2 = (2.8) 2 x n 13 + x n 23 x n 12 x ' 3 = (2.9) 2 Các thí nghiệm ngắn mạch cũng cho phép xác định được các điện áp ngắn mạch u n12 , u n13 và u n23 tương ứng với các tổng trở ngắn mạch z n12 , z n13 và z n23 . 1.3. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp ba dây quấn. Các điện áp đầu ra U 2 , U 3 thay đổi theo trị số và tính chất của tải I 2 , I3 , cosư 1 , cosư2. Chú ý rằng nếu tải của một dây quấn thứ cấp thay đổi thì sẽ ảnh hưởng đến điện • áp của dây quấn thứ cấp kia, do đó điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp I1 .z1 Độ thay đổi điện áp ở các tải I’2 , I’3 với hệ số công suất cosư 2 , cosư 3 như hình vẽ (7­3) là: DU 12* = (U 1đm – U’2 ) / U 1đm = unr12*cosư2 + unx12*.sinư2 + unr3*.cosư3 + unx3*.sinư3 (2.10) Trong đó: u nr12* = rn1 2 .I’2 / U 1đm ; u nx12* = x n12. I’2 / U 1đm unr3* = r1.I’3/ U1đm ; unx 3* = x1.I’3/ U1đm Tương tự ta có biểu thức của ∆U13* cũng có dạng như sau: DU13* = (U1đm – U’3) / U1đm = u nr13* .cosư 3 + u nx13* .sinư 2 + u nr2* .cosư 2 + u nx2* .sinư 2 (2.11) Trong đó: unr13* = rn13.I’3 / U1đm ; un13* = xn13.I’3 / U1đm u nr(2)* = r1 .I’2 / U 1đm ; u nx2* = x 1 .I’2 / U 1đm Hiệu suất của máy biến áp ba dây quấn: T r a n g | 24
  26. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng P + D P + D P + D P h% = [1 - 0 Cu1 Cu 2 Cu 3 ]. 100 P0 + P2 + P3 + D PCu 1 + D PCu 2 + D PCu 3 I 2 .r + I 2 .r + I 2 .r + I 2 .r h% = (1 - 0 m 1 1 2 2 3 3 ). 100 b 2 . S 2 ñm . cos j 2 + b 3 . S3 ñm . cos j 3 + å P P + b 2 .P + b 2 .P h% = [1 - 0 12 n12 13 n13 ]. 100 2 2 (2.12) b12 .S ñm 2 . cos j 2 + b 13 .S ñm 3 . cos j 3 + P0 + b12 .P n 12 + b 13 .P n 13 2 2 Trong đó: å P = P0 + b 12 .P n 1 2 + b 13 .P n 1 3 là tổng tổn hao máy biến áp. 2. Máy Biến Áp Tự Ngẫu Máy biến áp tự ngẫu dùng có lợi trong trường hợp hiệu của điện áp thứ cấp U2 và sơ cấp U 1 . Kinh tế hơn về mặt chế tạo và tổn hao ít hơn so với máy biến áp thường. Máy biến áp tự ngẫu khác máy biến áp một dây quấn ở chỗ cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cấp chỉ dùng 1 dây quấn, hay nói khác đi dây quấn thứ cấp là một bộ phận của dây quấn sơ cấp. Dây quấn sơ cấp được nối song song với lưới, còn dây quấn thứ cấp nối trực tiếp với lưới. Máy biến áp tự ngẫu ngoài việc liên hệ qua hỗ cảm các dây quấn sơ và thứ cấp còn liên hệ trực tiếp với nhau về điện. Các kiểu nối dây của máy biến áp tự ngẫu: (a) Nối thuận T r a n g | 25
  27. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng (b). Nối ngược Hình 2.6. Sơ đồ của máy biến áp tự ngẫu một pha * So sánh dung lượng thiết kế S tk (dung lượng truyền qua từ trường) với dung lượng truyền tải Stk của máy biến áp tự ngẫu. S tk = E1 . I1 = E 2 . I 2 U1 ≈ E1 = I2 = k U 2 E 2 I1 Thực tế lúc vận hành, Stt của máy biến áp tự ngẫu bằng: Stt = U CA . ICA = U HA . U HA Tỉ số` biến đổi điện áp của lưới điện: U CA I HA = = k ' U HA I CA Như vậy đối với hình 1­5a ta có: St k E 2 . I 2 ( U CA ­ U HA ). I CA 1 = = = 1 ­ St t U CA . I CA U CA . I CA k ' Và đối với hình 1­5b ta có: St k E 2 . I 2 ( UC A ­ U HA ). I HA = = = k '­ 1 St t U CA . IC A U CA . IC A T r a n g | 26
  28. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Bảng 1­1 cho biết các trị số của S tk ứng với các trị số k’ khác nhau của hai kiểu St t nối dây: U CA St k k ' ( = ) St t U HA Sơ đồ nối thuận Sơ đồ nối ngược 1 0 0 1,25 0,20 0,25 1,5 0,30 0,5 1,75 0,43 0,75 2 0,5 1 2,5 0,6 1,5 3 0,67 2 5 0,8 4 Từ đó ta thấy: ­ Kiểu nối thuận ưu việt hơn vì cùng trị số k’ thì St k nhỏ hơn, do đó St t được dùng nhiều trên thực tế. ­ k’ gần bằng 1 thì càng có lợi, thường máy biến áp tự ngẫu có k’ ≤ 2,5. ­ Khi làm việc tổn hao trong máy biến áp tự ngẫu nhỏ vì: å P å P 1 = (1 - ).S S tt St k k ' 1 Nghĩa là giảm còn (1 ­ ) so với tổn hao tính theo Stk hay là tổn hao của máy k ' biến áp hai dây quấn có cùng dung lượng. 1 Tương tự điện áp ngắn mạch của máy biến áp tự ngẫu giảm còn (1 ­ ) so với Un k ' của máy biến áp hai dây quấn. Vì Un nhỏ nên DU của máy biến áp tự ngẫu cũng nhỏ, và dòng điện ngắn mạch sẽ tăng tương ứng. Ngoài việc truyền tải điện năng, máy biến áp tự ngẫu còn dùng để mở máy động cơ điện không đồng bộ, dùng trong phòng thí nghiệm để thay đổi điện áp liên tục. T r a n g | 27
  29. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Quan hệ máy biến áp tự ngẫu với máy biến áp thường Xét sơ đồ mạch điện như sau: Hình 2.7. Sơ đồ máy biến áp tự ngẫu tăng và giảm áp. Chế độ không tải của máy biến áp tự ngẫu (I2 = 0) không khác máy biến áp thường vì điện áp U AX đặt vào máy biến áp tự ngẫu được phân bố đều giữa các vòng dây của dây quấn sơ cấp sẽ là: U AX U AX U AX U 1 U 2 = U ax = w ax = = = w AX w AX k a k a w ax Trong đó, ka là hệ số biến đổi của máy biến áp tự ngẫu Trong trường hợp tăng áp: U 2 = U AX = k a .U 1 Khi ngắn mạch, dòng điện sơ cấp là I1 còn dòng trong dây dẫn ngắn mạch hai cực a­x là I 2 . Giả sử hai dây quấn A­X và a­x không liên hệ về điện với nhau. Nếu bỏ qua I ta có: I1 .w AX + I2 .w ax = 0 1 Hay I1 + .I2 = 0 k a Trong máy biến áp tự ngẫu không những đi qua A­a mà đi qua cả bộ phận chung a­x, nên Ia x là tổng hình học của I1 và I2 . 1 Do đó: Iax = I1 + I2 = ­ I1( k a - 1 ) = I2 (1 - ) k a Từ đó ta thấy Ia x đi qua bộ phận chung a­x ngược chiều với I1 và cùng chiều với I2 . So sánh các thông số ngắn mạch của máy biến áp thường và tự ngẫu thì tổn hao 2 2 đồng của hai máy thường: I1 .r1 + I’2 .r’2 Ơ máy biến áp tự ngẫu, dòng điện I1 chỉ đi qua bộ phận A­a có điện trở là: w Aa w AX - w ax 1 rA a = r1 . = r1 . = r1 .(1 - ) w AX w AX k a T r a n g | 28
  30. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 2 2 1 Do đó: ∆P Cu (Aa) = I1 .rA a = I1 .r1 . (1 - ) (2.13) k a 1 Phần a­x đóng vai trò dòng thứ cấp có dòng điện Ia x đi qua trị số bằng: (1 - ) k a của dòng điện I2 của máy biến áp thường. Giả sử mật độ dòng điện như nhau thì có thể thay đổi tiết diện của phần a­x với cùng tỉ lệ trên. 2 2 1 2 1 Khi đó: ∆PCu(ax) = I ax.rax =I2 . (1 - ) .r2. k 1 a 1 - k a ( vì điện trở của bộ phận a­x tỉ lệ nghịch với dòng điện ) 2 1 Suy ra ∆P Cu (ax) = I2 .r2 . (1 - ) (2.14) k a Từ (2.13) và (2.14) ta thấy rằng máy biến áp tự ngẫu có thể xem là máy biến áp 1 thường có điện trở sơ cấp và thứ cấp nhỏ đi (1 - ) lần, nghĩa là: k a 1 rna = rn. (1 - ) k a Tương ứng ta có: 1 Pna = Pn. (1 - ) k a Trọng lượng của dây quấn máy biến áp tự ngẫu cũng giảm đi theo tỉ lệ đó 1 GMa = GM. (1 - ) k a (vì phần A­a của máy biến áp tự ngẫu có cùng tiết diện như máy biến áp thường 1 nhưng chiều dài nhỏ hơn (1 - ) lần, và bộ phận a­x có cùng chiều dài như máy biến áp k a 1 thường nhưng tiết diện nhỏ hơn (1 - ) lần. k a 1 Tương tự x na = x n. (1 - ) k a 1 Do đó una = un. (1 - ) k a Như vậy, so với máy biến áp thường các cạnh tam giác ngắn mạch nhỏ hơn 1 (1 - ) lần và dòng điện ngắn mạch sẽ lớn lên tương ứng công suất đưa vào máy biến k a áp tự ngẫu : P 1 = U 1 .I1 truyền cho dây quấn thứ cấp gồm hai phần: một phần dưới dạng công suất điện từ P12 tương ứng với phần dây quấn A­a, một phần dưới dạng công suất điện P đ tương ứng với phần dây quấn dây quấn a­X do đó: 1 P12 = UAa.I1 =(U1 ­ U2).I1 = P1. (1 - ) (2.15) k a 1 P đ = P 1 – P 12 = P 1 . (2.16) k a T r a n g | 29
  31. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Để có được sự làm việc của máy biến áp tự ngẫu lúc có tải ta xếp chồng hai chế độ không tải và ngắn mạch. Vì vậy đồ thị phụ tải của máy biến áp có dạng biến áp thường nhưng tương ứng với điện áp ngắn mạch U na và DP Cua nhỏ thì ∆U của máy biến áp tự ngẫu nhỏ hơn, còn ça > ç thường, từ biểu thức xna và rna ta thấy rằng: Khi ka = 1 tổn hao DPCua và trọng lượng GMa = 0. nhưng trong trường hợp này a ≡ A suy ra điện năng chuyển sang thứ cấp không qua biến đổi. Khi k a lớn sự phân biệt giữa biến áp tự ngẫu và biến áp thường không còn nữa, khi k a =2 máy biến áp tự ngẫu trở thành ít thuận lợi. Vì ở các hộ tiêu thụ do máy biến áp tự ngẫu cung cấp phải bảo vệ quá điện áp, do chỗ dây quấn CA và HA nối điện với nhau. Vì vậy thường k a = 1,25 ÷ 2. Biến áp tự ngẫu được dùng để mở máy động cơ không đồng bộ và đồng bộ cũng như các đường dây truyền tải và các lưới điện phân phối. Sau đây là hình vẽ sơ đồ thuận và ngược của máy biến áp tự ngẫu ba pha có các cách đấu để mở máy động cơ không đồng bộ ba pha. Hình 2.8. Sơ đồ nối thuận và ngược máy biến áp tự ngẫu ba pha. Theo GOST 3211­46 máy biến áp tự ngẫu phải có ba cấp điện áp thứ cấp cụ thể trong sơ đồ thuận là : 0,55 ; 0,64 ; 073U 1 còn trong sơ đồ ngược là: 0,27 ; 0,36 ; 0,45U1 Cấp điện áp trung bình 0,64 và 0,36 và được lấy làm điện áp định mức phụ tải trong hai phút với dòng điện tương ứng với công suất ghi trên bảng máy được xem là chế độ tải định mức của máy biến áp dùng cho mở máy . Độ phát nóng của dòng điện xác định theo phương pháp điện trở ≤ 135 0 C. 3. Máy Biến Áp Đo Lường Gồm hai loại: Máy biến điện áp và máy biến dòng điện để biến đổi điện áp cao, dòng điện lớn thành những lượng nhỏ để đo được bằng dụng cụ đo tiêu chuẩn (1V ÷100V hoặc 1A ÷ 5A ) hoặc dùng trong mạch bảo vệ. Máy biến điện áp được chế tạo với công suất từ 25VA ÷ 1000VA và máy biến dòng từ 5V ÷ 100VA. T r a n g | 30
  32. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Máy biến điện áp có dây quấn sơ cấp nối với lưới điện và dây quấn thứ cấp nối với Volt mét hay với cuộn dây song song của Watt mét hoặc với cuộn dây của rơ le bảo vệ. Tổng trơ Z của loại máy này rất lớn nên máy biến áp làm việc ở trạng thái gần như không tải, điện áp rơi trong máy rất nhỏ, do đó sai số về trị số ∆U% và về góc δu giữa U 1 và U 2 đều nhỏ. w1 U 2 . ­ U1 ∆U% = w 2 . 100 (2.17) U1 Hình 2.9. Sơ đồ kết nối và đồ thị vectơ của MBA. Chú ý khi sử dụng máy biến điện áp không được nối tắt mạch thứ cấp, vì như thế sẽ tương đương với nối tắt mạch sơ cấp và dẫn đến gây ra sự cố ngắn mạch ở lưới điện. Máy biến dòng điện có dây quấn sơ cấp và nối nối tiếp với mạch cần đo dòng điện, dây quấn thứ cấp gồm nhiều vòng dây được nối với Ampe mét hoặc các cuộn dây nối tiếp của Watt mét hay rơ le bảo vệ. Tổng trở Z của những dụng cụ này rất nhỏ và trạng thái làm việc của máy biến dòng là trạng thái ngắn mạch, lõi thép không bão hoà ( F = 0,8 ÷ 1 wb) và I0 ≈ 0, do đó các sai số đo lường về trị số w2 I 2 . ­ I1 ∆i% = w1 . 100 (2.18) I1 và sai số về góc δi cũng nhỏ. Hình 2.10. Sơ đồ kết nối và đồ thị vectơ của my biến dịng. Chú ý khi sử dụng máy biến dòng không được để dây quấn thứ cấp hở mạch vì như vậy I0 = I1 rất lớn, lõi thép bão hoà nghiêm trọng (F = 1,4 ÷ 1,8 wb) sẽ nóng T r a n g | 31
  33. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng và làm cháy dấy quấn. Hơn nữa khi bão hoà sẽ làm cho sức điện động tăng vọt đến điện áp ở đầu thứ cấp lên rất cao không an toàn cho người sử dụng. Hình 2.11. Để đảm bảo an toàn dây quấn thứ cấp được nối đất một đầu. Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý. 4. Máy Biến Áp Chuyển Đổi Ba Pha Sang Hai Pha (MBA SCOTT). Hiện nay, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp ngày càng có nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại ra đời. Dây chuyền sản xuất càng hiện đại thì tính chuyên môn hoá càng cao đòi hỏi các thiết bị sử dụng trong dây chuyền cũng mang tính chuyên môn hoá cao. Do đó, để áp ứng các yêu cầu trên thì ngày càng có nhiều thiết bị đặc biệt chế tạo. Các thiết bị này được chế tạo chỉ để đáp ứng một vài yêu cầu đặc biệt nào đó. Máy biến áp chuyển đổi số pha là một trong các thiết bị đặc biệt đó. Máy biến áp chuyển đổi số pha từ ba pha thành hai pha hay còn gọi máy biến áp Scott là loại máy biến áp đặc biệt chuyên dùng để tạo điện áp hai pha cấp nguồn cho các động cơ hai pha. Như ta biết các động cơ điện hai pha có thể đấu nối trở để dùng điện một pha. Tuy nhiên, việc này làm cho momen mở máy của động cơ thấp không đáp ứng được yêu cầu của một số dây chuyền sản xuất. Để khắc phục hiện tượng trên chúng ta phải dùng máy biến áp chuyển đổi số pha từ ba pha sang hai pha để cung cấp nguồn điện hai pha cho động cơ hai pha. Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp biến đổi ba pha thành hai pha. T r a n g | 32
  34. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 2.13. Sơ đồ máy biến áp biến đổi số pha Ta có : w2 w2 U b = U BC . = U 1 . w1 w1 2 . w 2 3 2 . w 2 w2 Ua = UAO. = .U1. = U1. 3 . w1 2 3 . w1 w1 Ta có giản đồ vectơ sau: T r a n g | 33
  35. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 2.14. Sơ đồ kết nối mba Scott. Hình 2.15. Đồ thị vectơ của mba Scott. 5. Máy Biến Áp Hàn Các máy biến áp hàn được chia thành nhiều loại có cấu tạo và đặc tính khác nhau tuỳ theo phương pháp hàn ( hồ quang , hàn điện ). Ơ đây ta chỉ xét đến loại máy biến áp hàn hồ quang (hình 2­15). Các máy biến áp hàn hồ quang được chế tạo sao cho có đặc tính ngoài U2 = f (I2) rất dốc để hạn chế được dòng điện ngắn mạch và bảo đảm cho hồ quang được ổn định. Muốn điều chỉnh dòng điện hàn cần phải có thêm một cuộn cảm phụ có điện kháng thay đổi được bằng cách thay đổi khe hở d của lõi thép của cuộn cảm. T r a n g | 34
  36. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Máy biến áp hàn hồ quang thường có điện áp không tải bằng 60 ÷75V và điện áp ở tải định mức bằng 20kVA và nếu dùng cho hàn tự động thì có thể tới hàng 100kVA. Hình 2.15. Máy biến áp hàn hồ quang làm việc có cuộn kháng 6. Máy Biến Áp Chỉnh Lưu Máy biến áp chỉnh lưu có đặc điểm là tải của các pha không đồng thời mà luân phiên nhau theo sự làm việc của các dương cực của các bộ chỉnh lưu thuỷ ngân hoặc bán dẫn đặt ở mạch thứ cấp của máy biến áp như trên hình 2.16. Như vậy máy biến áp luôn luôn làm việc trong tình trạng không đối xứng, do đó phải chọn sơ đồ nối dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hoá bình thường của các trụ lõi thép và giảm nhỏ được sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Muốn như vậy phải tăng số pha của dây quấn thứ cấp (thường chọn số pha bằng 6) và ở phía thứ cấp có đặt thêm cuộn cảm can bằng K giữa các điểm trung tính của ba pha thuận (a’b’c’) và ba pha ngược (a’’b’’c’’). Tác dụng của cuộn cảm K là làm can bằng điện áp trong mạch của hai pha có góc lệch 60 0 làm việc song song, ví dụ như của a’và c’’ trên hình 2.16. Khi hai dây quấn thứ cấp làm việc song song với nhau, bộ chỉnh lưu sáu pha làm việc tương tự như bộ chỉnh lưu ba pha và mỗi dương cực làm việc không phải trong thời gian một phần sáu mà trong một phần ba chu kỳ. Hình 2.16. Sơ đồ máy biến áp chỉnh lưu T r a n g | 35
  37. Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CÂU HỎI ÔN TẬP. 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc điểm của máy biến áp ba dây quấn. 2. Vì sao trong máy biến áp ba dây quấn từ thông, sđđ và điện áp pha luôn luôn là hình sin ? 3. Nguyên lý làm việc và đặc điểm của máy biến áp tự ngẫu. So sánh máy biến áp tự ngẫu với máy biến áp hai dây quấn. 4. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của máy biến áp đo lường. Những điểm cần chú ý khi sử dụng chúng. 5. Bài tập 1: Cho 1 máy biến áp ba pha ba dây quấn Y0/Y0/D­12­11 : 10000/6667/10000 KVA;121/38,5/11 KV; u n12 % = 15; u n13 % = 10,5 ; u n23 % = 6 ; u nr12 % = 1 ; u nr13 % = 0,65 ; u nr23 % = 0,8. a. Tính các tham số r1, r’2, r’3 ; x1, x’2, x’3 và vẽ giản đồ thay thế máy biến áp này. b. Phía điện áp cao được nối với nguồn. Dây quấn điện áp trung bình có tải bằng 3000 KVA ; cosj 2 = 0,8 và dây quấn điện áp thấp có tải bằng 6000 KVA, cosj 3 = 0,8. Tính Du 12 % và Du 13 %. 6. Bài tập 2 : Cho một máy biến áp 3 pha Sđm = 3200 KVA , 35/6 KV , 52,5/307,5 A,Y/Y­12, un% = 1,04, pFe = 9,53 KW , pcu = 32,5 KW. Bây giờ đem nối lại thành máy biến áp tự ngẫu 41/35 KV. Hãy ; a. Trình bày cách nối dây của máy biến áp tự ngẫu. b.Tính công suất truyền tải của máy biến áp tự ngẫu, công suất của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. c. Hiệu suất của máy biến áp tự ngẫu ở tải định mức với cosj = 0,8. d. Dòng điện ngắn mạch của máy biến áp tự ngẫu. T r a n g | 36