Giáo trình mô đun Máy điện

205 trang ngocly 2430

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình mô đun Máy điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mo_dun_may_dien.doc

Nội dung text: Giáo trình mô đun Máy điện

0 BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mơ đun: MÁY ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề / R / / R X 1 X2 2 I1 1 I2 Im Xm / U1P U2 ZTải Rm Hình 2.7. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MBA 1 PHA Năm 2013
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin cĩ thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Máy điện là một trong những mơđun cơ sở được biên soạn dựa trên chương trình khung và chương trình dạy nghề do Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội và Tổng cục Dạy nghề ban hành dành cho hệ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề Điện tử cơng nghiệp. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều cĩ ví dụ và bài tập áp dụng để làm sáng tỏ lý thuyết. Khi biên soạn, nhĩm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm giảng dậy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện cĩ để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung của mơ đun gồm cĩ 5 bài: Bài 1: Khái niệm chung về máy điện Bài 2: Máy biến áp Bài 3: Máy điện khơng đồng bộ Bài 4: Máy điện đồng bộ Bài 5: Máy điện một chiều Giáo trình cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ khí và cán bộ vận hành sửa chữ máy điện. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và cơng nghệ phát triển cĩ thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiến thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tơi cĩ đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học củng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường cĩ thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng khơng tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đĩng gĩp ý kiến của các thầy, cơ giáo, bạn đọc để nhĩm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hồn thiện hơn. Các ý kiến đĩng gĩp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai Đồng Nai, ngày 15 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS Lê Văn Hiền 2. Ths. Lại Minh Học
3 MỤC LỤC Tuyên bố bản quyền 1 Lời giới thiệu 2 Mục lục 3 Mơdun Máy điện 6 Bài 1: Khái niệm chung về máy điện 9 1.1. Định nghĩa và phân loại 9 1.1.1 Định nghĩa 9 1.1.2 Phân loại. 9 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện 10 1.2.1 Đối với máy điện tĩnh 10 1.2.2 Đối với máy điện quay 11 1.3. Phát nĩng và làm mát của máy điện 12 1.3.1 Phát nĩng của máy điện 12 1.3.2 Làm mát của máy điện 13 Bài 2: Máy biến áp 15 2.1. Cấu tạo và cơng dụng của máy biến áp 15 2.1.1 Cấu tạo của máy biến áp 15 2.1.2 Phân loại máy biến áp 17 2.1.3 Cơng dụng của máy bíên áp 17 2.2. Các đại lượng định mức 18 2.2.1 Điện áp định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp 18 2.2.2 Dịng điện định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp 18 2.2.3 Cơng suất định mức của máy biến áp (P,Q,S) 19 2.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp 19 2.4. Các chế độ làm việc của máy biến áp 21 2.4.1 Chế độ khơng tải 22 2.4.2 Chế độ cĩ tải 23 2.4.3 Chế độ ngắn mạch 24 2.5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp 28 2.5.1 Tổn hao năng lượng của máy bến áp 28 2.5.2 Hiệu suất của máy biến áp 28 2.6. Máy biến áp ba pha 30 2.6.1 Khái niệm về máy biến áp ba pha 30 2.6.2 Tổ nối dây của máy biến áp 31 2.7. Đấu song song các máy biến áp 35 2.7.1 Khái niệm về chế độ làm việc của máy biến áp đấu song song 35
4 2.7.2 Điều kiện đấu sĩng song máy biến áp 36 2.7.3 Sơ đồ đấu song song máy biến áp 36 2.8. Các máy biến áp đặc biệt 36 2.9. Bảo dưỡng và sửa chữa các máy biến áp 38 Bài 3: Máy điện khơng đồng bộ 47 3.1. Khái niệm chung về máy điện khơng đồng bộ 47 3.2. Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ ba pha 48 3.3. Từ trường của máy điện khơng đồng bộ 50 3.4. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện khơng đồng bộ. 53 3.5. Mơ hình tốn của động cơ khơng đồng bộ 55 3.6. Sơ đồ thay thế động cơ điện khơng đồng bộ 58 3.7. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ khơng đồng bộ 60 3.8. Momen quay của động cơ khơng đồng bộ ba pha 62 3.9. Mở máy động cơ khơng đồng bộ ba pha. 63 3.10. Điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ 67 3.11. Động cơ khơng đồng bộ một pha 71 3.12. Sử dụng động cơ điện ba pha vào lưới điện một pha 75 3.13. Dây quấn động cơ khơng đồng bộ ba pha 76 3.14. Dây quấn động cơ khơng đồng bộ một pha 86 3.15. Bảo dưỡng và sửa chữa động cơ điện xoay chiều 96 Bài 4: Máy điện đồng bộ 135 4.1. Định nghĩa và cơng dụng 135 4.2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ 136 4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 138 4.4. Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ 139 4.5. Các đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ 145 4.6. Sự làm việc song song của máy phát điện đồng bộ 158 4.7. Động cơ và máy bù đồng bộ 165 Bài 5: Máy điện một chiều 173 5.1. Đại cương về máy điện một chiều 173 5.2. Cấu tạo của máy điện một chiều 174 5.3. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều 177 5.4. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều 178 5.5. Cơng suất và mơnmen điện từ của máy điện một chiều 180 5.6. Tia lử điện trên cổ gĩp và biện pháp khắc phục 184
5 5.7. Máy phát điện một chiều 184 5.8. Động cơ điện một chiều 185 5.9. Dây quấn phần ứng máy điện một chiều 188 5.10. Bảo dưỡng và sửa chữa máy điện một chiều 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO 204
6 MƠ ĐUN MÁY ĐIỆN Mã mơ đun: MĐ 09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơ đun: + Vị trí của mơ đun: Là mơ đun cơ sở được bố trí dạy ở học kỳ 2 của năm thứ nhất, bố trí dạy sau mơn kỹ thuật điện, vẽ kỹ thuật, vật liệu điện. + Tính chất của mơ đun: Là mơ đun kỹ thuật cơ sở + Vai trị của mơn học: Trang bị kiến thức cơ bản về điện trường, cảm ứng điện từ, máy điện; là cơ sở để học và nghiên cứu các mơn học chuyên mơn khác. Mục tiêu của Mơ đun: + Về kiến thức: - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý của các loại máy điện thơng dụng như: máy biến áp, động cơ, máy phát điện. + Về kỹ năng: - Vận hành được các loại máy điện thơng dụng - Kiểm tra, bảo dưỡng được các hư hỏng ở phần điện và phần cơ của các loại máy điện. + Về thái độ: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, cẩn thận, chính xác và an tồn vệ sinh cơng nghiệp Nội dung của mơ đun: Số Thời gian Tên bài TT Tsố LT BT KT MĐ09-01 Bài 1: Khái niệm chung về máy 4 2 2 điện 1.1. Định nghĩa và phân loại0.5 0.5 Thời gian:0,5 giờ 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện 1 1 Thời gian: 2 giờ 1.3. Phát nĩng và làm mát của máy 0,5 0,5 điện Thời gian:1,5 giờ Bài tập 2 2 MĐ09-02 Bài 2: Máy biến áp 30 5 24 1 1. Cấu tạo và cơng dụng của máy 1 1 0 biến áp Thời gian: 1 giờ 2. Các đại lượng định mức0.5 0.5 Thời gian: 2 giờ 3. Nguyên lý làm việc của máy biến 0.5 0.5 0 áp
7 4. Các chế độ làm việc của máy biến 1.5 0.5 1 áp 5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất 1 0.5 0.5 của máy biến áp 6. Máy biến áp ba pha 2 1 1 7. Đấu song song các máy biến áp 0.5 0.5 8. Các máy biến áp đặc biệt 0.5 0.5 9. Bảo dưỡng và sửa chữa các máy 22.5 21.5 1 biến áp MĐ09-03 Bài 3: Máy điện khơng đồng bộ 20 5 14 1 1. Khái niệm chung về máy điện 0.5 0.5 0 khơng đồng bộ 2. Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ ba 1 1 0 pha 3. Từ trường của máy điện khơng 0.5 0.5 0 đồng bộ 4. Nguyên lý làm việc cơ bản của 1 1 0 máy điện khơng đồng bộ. 5. Mơ hình tốn của động cơ khơng 0.5 0.5 đồng bộ Thời gian:1 giờ 6. Sơ đồ thay thế động cơ điện khơng 0.5 0.5 đồng bộ 7. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất 1.5 0.5 1 của động cơ khơng đồng bộ 8. Momen quay của động cơ khơng 0.5 0.5 0 đồng bộ ba pha 9. Mở máy động cơ khơng đồng bộ 1 0 1 ba pha. 10. Điều chỉnh tốc độ động cơ khơng 1 0 1 đồng bộ Thời gian:1 giờ 11. Động cơ khơng đồng bộ một pha 1 0 1 12. Sử dụng động cơ điện ba pha vào 1 0 1 lưới điện một pha 13. Dây quấn động cơ khơng đồng 0.5 0 0.5 bộ ba pha Thời gian:0,5 giờ 14. Dây quấn động cơ khơng đồng 0.5 0 0.5 bộ một pha Thời gian:0,5 giờ 15. Bảo dưỡng và sửa chữa động cơ 9 0 8 1
8 điện xoay chiều MĐ09-04 Bài 4: Máy điện đồng bộ 16 8 7 1 1. Định nghĩa và cơng dụng 0.5 0.5 0 Thời gian: 0,5h 2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ 2.5 2.5 0 Thời gian: 2,5h 3. Nguyên lý làm việc của máy phát 1.5 0.5 1 điện đồng bộ 4. Phản ứng phần ứng trong máy 2.5 1 1.5 phát điện đồng bộ 5. Các đường đặc tính của máy phát 2 1 1 điện đồng bộ 6. Sự làm việc song song của máy 3 1 2 phát điện đồng bộ 7. Động cơ và máy bù đồng bộ 3 1.5 1.5 Thời gian:3h Kiểm tra 1 0 0 1 MĐ09-5 Bài 5: Máy điện một chiều 20 10 9 1 1. Đại cương về máy điện một chiều 1 1 0 2. Cấu tạo của máy điện một chiều 2 2 0 3. Nguyên lý làm việc của máy điện 3 2.5 0.5 một chiều 4. Từ trường và sức điện động của máy 1 1 0 điện một chiều 5. Cơng suất và mơnmen điện từ của 1 0.5 0.5 máy điện một chiều 6. Tia lử điện trên cổ gĩp và biện 1 1 0 pháp khắc phục 7. Máy phát điện một chiều 2 1 1 8. Động cơ điện một chiều 2 1 1 9. Dây quấn phần ứng máy điện một 1 0 1 chiều 10. Bảo dưỡng và sửa chữa máy điện 6 0 5 1 một chiều
9 BÀI 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mã bài: MĐ09-01 Giới thiệu: Trong cơng nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày chúng ta tiếp xúc và làm việc với nhiều loại máy điện như máy bơm, máy quạt, máy khoan để hiểu biết, vận hành và sửa chữa, cải tiến nĩ ta sẽ nghiên cứu về máy điện, bài này sẽ trình bày các khái niệm chung, ính chất chung và phân loại máy điện. Mục tiêu: - Trình bày được sự khác nhau giữa các loại máy điện hiện đang hoạt động theo cấu tạo, theo nguyên tắc hoạt động, theo loại dịng điện - Giải thích được quá trình phát nĩng và làm mát của máy điện hiện đang hoạt động, theo nguyên tắc về điện. - Tích cực và sáng tạo trong học tập. Nội dung chính: 1.1. Định nghĩa và phân loại Mục tiêu: - Biết được khái niệm về máy điện - Phân biệt được một số loại máy điện - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 1.1.1 Định nghĩa Mày điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, cấu tạo chính gồm cĩ lõi thép và mạch từ, mạch điện, dùng để biến đổi năng lượng như cơ năng, điện năng, hoặc ngược lại. 1.1.2 Phân loại. Máy điện cĩ nhiều loại được phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại theo cơng suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dịng điện, theo nguyên lý làm việc ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng. a. Máy điện tĩnh. Như máy biến áp thường dung để biến đổi điện năng. b. Máy điện động. Như máy phát điện, động cơ điện
10 Hình 1.1: Sơ đồ phân loại máy điện thơng dụng thơng thường 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện Mục tiêu: - Mơ tả được tính chất thuận nghịch của máy điện - Phân biệt được tính chất thuận nghịch của máy điện - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 1.2.1 Đối với máy điện tĩnh Máy điện tĩnh thường gặp là các loại máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiện từ thơng giữa các cuộn dây khơng cĩ sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thơng số điện năng. Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi cĩ tính chất thuận nghịch. Ví dụ: máy biến áp cĩ thể biến đổi điện năng cĩ các thơng số U1, I1, F1 thành điện năng cĩ các thơng số U2, I2, F2 và ngược lại. Hình 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện tĩnh
11 1.2.2 Đối với máy điện quay Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dịng điện của các cuộn dây cĩ chuyển động tương đối với nhau gây ra. Loại máy điện này thường dùng để biến đổi năng lượng. Ví dụ: Biến điện năng thành cơ năng( động cơ điện)hoặc biến cơ năng thành cơ điện năng( máy phát điện).Trong quá trình biến đổi cĩ tính thuận nghịch nghĩa là máy điện cĩ thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ điện. Chế độ máy phát. Xét một thanh dẫn đặt trong từ trường như hình vẽ. Cho thanh dẫn chuyển động cắt qua từ trường thì trong thanh dẫn sẽ cảm ứng ra một sức điện động e=B.l.v.sinα (1.1) Nếu nối hai đầu thanh dẫn với tải R thì trong mạch sẽ cĩ dịng điện I Nếu bỏ qua điện trở dây dẫn thì u=e và ta cĩ cơng suất điện cung cấp cho tải là. P=u.i = e.i (1.2) Hình 1.3: Chế độ máy phát Do cĩ dịng I nên thanh dẫn chịu tác dụng bởi một lực điện từ. Fđt=B.i.l.sinα (1.3) khi tốc độ thanh dẫn khơng đổi thì Pđt=Pcơ Ta cĩ: v.Pđt=v. Pcơ= B.i.l.v =e.i Vậy: Pcơ=Fc ơ.v đã đ ược biến đổi thành cơng suất điện. Chế độ động cơ Cung cấp điện cho máy điện, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dịng i trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ cĩ lực điện từ Fđt = Bil tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v. Cơng suất điện đưa vào động cơ P = UI = EI = B.I.l.V = Fđt.V (1.4)
12 Hình 1.3: Chế độ động cơ Như vậy, cơng suất điện đưa vào động cơ đã biến thành cơng suất cơ trên trục Pc = Fđt .v. Điện năng đã biến thành cơ năng. Ta thấy, cùng một thiết bị điện từ, tuỳ theo dạng năng lượng đưa vào mà máy điện cĩ thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. Đây chính là tính chất thuận nghịch của mọi loại máy điện. 1.3. Phát nĩng và làm mát của máy điện Mục tiêu: - Phân tích được nguyên nhân làm phát nĩng máy điện - Phân biệt được một số nguyên nhân làm phát nĩng máy điện - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 1.3.1 Phát nĩng của máy điện Trong quá trình làm việc cĩ tổn hao cơng suất. Tổn hao năng lượng trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dịng xốy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nĩng máy điện. Khi đĩ do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hố khác, lớp cách điện sẽ bị lão hố, nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép 8÷100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa. ở nhiệt độ làm việc cho phép, độ tăng nhiệt của các phần tử khơng vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện vào khoảng 10÷15 năm. Khi máy làm việc quá tải, độ tăng nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép. Vì vậy, khi sử dụng máy điện cần tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một thời gian dài.
13 1.3.2 Làm mát của máy điện Để làm mát máy điện phải cĩ biện pháp tản nhiệt ra ngồi mơi trường xung quanh. Sự tản nhiệt khơng những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của mặt máy mà cịn phụ thuộc vào sự đối lưu của khơng khí xung quanh hoặc của mơi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thơng thường, vỏ máy điện được chế tạo cĩ các cánh tản nhiệt và máy điện cĩ hệ thống quạt giĩ để làm mát. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ BÀI 1: 1. Nội dung: + Về kiến thức: - Khái niệm về máy điện. - Phân loại máy điện - Tính chất thuận nghịch của máy điện - Nguyên nhân làm phát nĩng máy điện + Về kỹ năng: - Giải bài tập cơ bản về tính chất thuận nghịch của máy điện + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 2. Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ năng tính tốn các bài tập - Thái độ: Đánh giá phong cách học tập BÀI TẬP
14 Bài tập 1.1: Một thanh dẫn dài 0.32m cĩ điện trở 0.25 đặt vuơng gĩc với từ trường đều cĩ từ cảm B = 1.3T. Xác định điện áp rơi trên thanh dẫn khi lực tác dụng lên nĩ là 120N. Tính lại điện áp này nếu thanh dẫn nghiêng một gĩc α = 250. Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: Fđt=B.i.l.sinα, Pđt=Pcơ, e=B.v.l.sinα ĐS: 72.11V, 79.57V Bài tập 1.2. Xác định vận tốc của một thanh dẫn dài l = 0.54m biết rằng khi nĩ chuyển động trong từ trường B = 0,86 T thì sđđ cảm ứng trong nĩ là e = 30,6V Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: e=B.v.l.sinα ĐS: 65,89m/s Bài tập 1.3. Một thanh dẫn dài l = 1.2 m chuyển động cắt vuơng gĩc các đường sức từ của một từ trường đều B = 0.18T với vận tốc 5.2m/s. Tính sđđ cảm ứng trong thanh dẫn. Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: e=B.v.l.sinα ĐS: 1,12v BÀI 2
15 MÁY BIẾN ÁP Mã bài: MĐ09-02 Giới thiệu. Điện năng được sản xuất tại các nhà máy điện, trong thực tế các nhà máy tiêu thụ và hộ tiêu thụ điện lại ở các vùng miền khác nhau khơng thuận tiện gần nhà máy điện, hơn nữa nếu truyền tải điện trực tiếp từ máy phát điện tới người dân sẽ gây tổn thất lớn và thậm trí sụp đổ điện áp để thuận tiện trong việc phát và tải điện đi xa phù hợp với nhu cầu sử dụng và vận hành các thiết bị điện, bài này sẽ nghiên cứu để hiểu rõ về thiết bị điện trung gian đĩ, máy biến áp, ngồi ra bài này cũng mở rộng để thấy rõ hơn về các máy biến điện khác như máy biến dịng, máy biến áp đặc biệt Mục tiêu: - Xác định được cực tính của các cuộn dây máy biến áp theo định luật về điện. - Đo xác định chính xác các thơng số của máy biến áp ở các trạng thái: khơng tải, cĩ tải, ngắn mạch theo tiêu chuẩn về điện. - Bảo dưỡng và sửa chữa được máy biến áp theo nội dung bài đã học. - Chọn lựa máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng, theo tiêu chuẩn về điện. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong học tập Nội dung chính: 2.1. Cấu tạo và cơng dụng của máy biến áp Mục tiêu: - Mơ tả được cấu tạo của máy biến áp - Phân biệt được một số loại máy biến áp - Biết được cơng dụng của nĩ - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.1.1. Cấu tạo Máy biến áp bao gồm ba phần chính: Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core) Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding) Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding) Lõi thép: Được tạo thành bởi các lá thép mỏng ghép lại, về hình dáng cĩ hai loại: loại trụ (core type) và loại bọc (shell type)
16 o Loại trụ: được tạo bởi các lá thép hình chữ U và chữ I. Một lượng lớn từ trường sinh ra bởi cuộn dây sơ cấp khơng cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy biến áp cĩ một từ thơng rị lớn. Để cho từ thơng rị ít nhất, các cuộn dây được chia ra với một nửa của mỗi cuộn đặt trên một trụ của lõi thép. o Loại bọc: được tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I. Lõi thép loại này bao bọc các cuộn dây quấn, hình thành một mạch từ cĩ hiệu suất rất cao, được sử dụng rộng rãi. Phần lõi thép cĩ quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch kín gọi là gơng từ. Dây quấn máy biến áp: Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhơm, cĩ tiết diện hình trịn hoặc hình chữ nhật. Đối với dây quấn cĩ dịng điện lớn, sử dụng các sợi dây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dịng điện xốy trong dây dẫn. Bên ngồi day quấn được bọc cách điện. Dây quấn sơ cấp (Primary Winding) Dây quấn thứ cấp (Second Winding) Hình 2.3. Hình dạng máy biến áp một pha loại trụ
17 Hình 2.4. Hình dạng máy biến áp một pha loại bọc Dây quấn được tạo thành các bánh dây ( gồm nhiều lớp ) đặt vào trong trụ của lõi thép. Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải cách điện tốt với nhau. Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp. Các phần phụ khác Ngồi 2 bộ phận chính kể trên, để MBA vận hành an tồn, hiệu quả, cĩ độ tin cậy cao MBA cịn phải cĩ các phần phụ khác như: Võ hộp, thùng dầu, đầu vào, đầu ra, bộ phận điều chỉnh, khí cụ điện đo lường, bảo vệ 2.1.2 Phân loại máy biến áp Theo cơng dụng máy biến áp cĩ thể gồm các loại sau đây: - Máy biến áp điện lực: Dùng để truyền tải và phân phối điện. - Máy biến áp chuyên dùng: Dùng cho các lị luyện kim, máy biến áp hàn, các thiết bị chỉnh lưu, - Máy biến áp tự ngẫu: Cĩ thể thay đổi điện áp nên dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều. - Máy biến áp đo lường: Dùng để giảm các điện áp và dịng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo. - Máy biến áp thí nghiệm: Dùng trong các phịng thí nghiệm điện - điện tử. Cĩ rất nhiều dạng máy biến áp nhưng tất cả nguyên lý đều giống nhau. Trong bài giảng chúng ta chỉ tập trung xem xét máy biến áp một hoặc ba pha. Cịn các máy biến áp khác ta chỉ nghiên cứu sơ qua trong phần cuối chương, các bạn tự tham khảo thêm. 2.1.3 Cơng dụng của máy bíên áp Hình 2.5. Hệ thống truyền tải và phân phối điện
18 Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng. Thơng thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng vài chục kV, để truyền tải được cơng suất lớn và giảm tổn hao cơng suất trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến áp tăng áp và vì phụ tải chỉ cĩ điện áp từ 0,4- 6kV nên cuối đường dây đặt máy biến áp giảm áp. 2.2. Các đại lượng định mức Mục tiêu: - Biết được một số đại lượng định mức của máy biến áp - Phân biệt được một số loại đại lượng định mức của máy biến áp - Biết được cơng dụng của nĩ - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp 2.2.1 Điện áp định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Điện áp sơ cấp định mức U 1đm (V, kV): Là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức U 2đm (V, kV): Là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp khơng tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức. Chú ý với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, cịn máy biến áp ba pha điện áp là điện áp dây. 2.2.2 Dịng điện định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Dịng điện định mức(A): Là dịng điện qui định cho mỗi cuộn dây máy biến áp ứng với cơng suất định mức và điện áp định mức Với máy biến áp một pha: S S I dm ; I dm ; 1dm U 2dm U 1dm 2dm Với máy biến áp ba pha: Sdm Sdm I1dm ; I 2dm ; 3U1dm 3U 2dm (2.1) Hiệu suất MBA: S U .I  = 2 = 2 2 = (75 - >90)% (2.2) S1 U 1 .I1
19 Nếu  = 1 S 1 = S2 U2đm. I2đm = U1đm. I1đm Ngồi ra trên máy biến áp cịn ghi các thơng số khác như: Tần số định mức fđm, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch U n%, chế độ làm việc, phương pháp làm mát, 2.2.3 Cơng suất định mức của máy biến áp (S) Cơng suất định mức S đm (VA, kVA): Là cơng suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp. 2.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp Mục tiêu: - Mơ tả được nguyên lý làm việc của máy biến áp - Thành lập được cơng thức tính tỉ số biến áp - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Hình 2.6. sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha I 1: Dịng điện sơ cấp. I 2: Dịng điện thứ cấp. U 1: Điện áp sơ cấp. U 2: Điện áp thứ cấp. W 1=N1: Số vịng dây cuộn sơ cấp.  W2=N2: Số vịng dây cuộn thứ cấp. : Từ thơng cực đại sinh ra trong mạch từ.
20 Như hình vẽ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha cĩ hai dây quấn W1,W2. Khi ta nối dây quấn sơ cấp w 1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp u 1 sé cĩ dịng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp w 1. dịng điện i1 sinh ra từ thơng biến thiên chạy trong lõi thép, từ thơng này mĩc vịng đồng thời với với cả 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, và được gọi là từ thơng chính. Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thơng làm cảm ứng d vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng là: e2 w2 (2.3) dt d Cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động cảm ứng là: e1 w1 (2.4) dt Trong đĩ w1 vá w2 là số vịng dây của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp. Khi máy biến áp khơng tải dây quấn thứ cấp hở mạch, dịng điện i 2 = 0, từ thơng chính chỉ do cuộn dây w1 sinh ra cĩ trị số đúng bằng dịng từ hĩa. Khi máy biến áp cĩ tải, dây quấn thứ cấp nối với tải Zt dưới tác dụng của sức điện động cảm ứng e2, dịng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải, khi đĩ từ thơng chính trong lõi thép do đồng thời cả hai cuộn dây sinh ra. Điện áp U1 biến thiên dạng sin nên từ thơng chính cũng biến thiên cos. d(mcost) e1 W1. .W1.m sint Em1 sint (2.5) dt d( cost) e W . m .W . sint E sint (2.6) 2 2 dt 2 m m2 Trong đĩ: E1=4,44fW1Фm (2.7) E2=4,44fW2Фm (2.8) E1, E2 là trị số sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp Sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp cĩ cùng tần số, nhưng trị hiệu dụng khác nhau E1 W1 Nếu chia E1 cho E2 ta c ĩ: K (2.9) E W 2 2 K được gọi là hệ số biến áp. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thơng tản ngồi khơng khí cĩ thể coi gần đúng U1=E1,U2=E2 ta cĩ: U E W K 1 1 1 (2.10) U E W 2 2 2 Đối với máy tăng áp: U2>U1;W2>W1 Đối với máy tăng áp: U2<U1;W2<W1 Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, sĩ thể coi gần đúng các quan hệ các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U2I2=U1I1
21 Ví dụ 2.1: Cuộn dây của máy biền áp nối vào mạng điện 10000v, điện áp ở đầu cực thứ cấp là 100v, tính tỷ số biến áp, số vịng của cuộn thứ cấp, nếu số vịng cuộn sơ cấp là 21000. Giải. U 10000 K 1 100 U 2 100 W1 W1 21000 K W2 210 vịng W2 K 100 2.4. Các chế độ làm việc của máy biến áp Mục tiêu: - Mơ tả được 3 chế độ làm việc của máy biến áp - Phân biệt được các chế độ làm việc của máy biến áp - Biết được cơng dụng của nĩ - Tính tốn được các thơng số của từng chế độ - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Sơ đồ thay thế máy biến áp một pha R / R / X 1 / X2 2 I1 1 I2 Im Xm / U1P U2 ZTải Rm Hình 2.7. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MBA 1 PHA X 1; R1: Điện kháng và điện trở của cuộn sơ cấp. / / X 2 ; R2 : Điện kháng và điện trở của cuộn thứ cấp đã qui đổi về sơ cấp. X m; Rm: Điện kháng và điện trở của mạch từ. I 1: Dịng điện trong mạch sơ cấp. I m: Dịng điện trong mạch từ. / I 2 : Dịng điện thứ cấp qui đổi. U 1: Điện áp đưa vào mạch sơ cấp. / U 2 : Điện áp thứ cấp qui đổi.  Qui ước: Sơ đồ tương đương cuả MBA là 1 mạng 2 cửa với U 1 U2, nên sẽ gặp khĩ khăn trong vấn đề tính tốn các thơng số của máy. Để đơn giản hĩa vấn đề trên, khi thành lập sơ đồ thay thế, người ta cĩ những qui ước sau:
22  Xem như điện áp ra và điện áp vào của máy là bằng nhau: / / U2 = U1 và I2 = I1 , ta cĩ: I 2 U1 = U2. KBA và I1 = ; (2.11) K BA / Suy ra: U2 = U2. KBA và / I 2 Quy đổi I2 = (2.12) K BA / 2  Từ đĩ ta cĩ các hệ quả: Z2 = Z2. KBA . Hay là: / 2 R2 = R2. KBA và Quy đổi / 2 X2 = X2. KBA (2.13) Với: R2; X2 lần lượt là điện trở và điện kháng thật của cuộn thứ cấp.  Theo lý thuyết mạch điện ta cũng cĩ các biểu thức: 2 2 Z1 = R1 X 1 R 2 X 2 Quy đổi Zm = m m (2.14) / / 2 / 2 Z2 = R2 X 2 2.4.1 Chế độ khơng tải Là trạng thái mà điện áp đưa vào sơ cấp là điện mức và phía thứ cấp hở mạch. Cĩ thể khái quát trạng thái như sau: U1 = U1đm; I2 = 0 Do khơng nối với tải (hở mạch phía thứ cấp) nên cuộn thứ cấp khơng tham gia trong mạch. Mặt khác, tổng trở mach từ rất lớn hơn tổng trở cuộn dây sơ cấp nên cĩ thể xem như cuộn sơ cấp cũng khơng tồn tại, ta cĩ các sơ đồ tương đương  Dịng điện khơng tải (dịng điện từ hĩa): U 1dm I0 = Im = = (3 –10)%. I1đm. (2.15) Z m 2  Tổn hao khơng tải (tổn hao từ hĩa): P0 = I0 . Rm = U1đm. I0. Cos 0. R0 Rm (với: Cos 0 = ). Z 0 Z m
23 Cơng suất phản kháng khơng tải Q 0 rất lớn so với cơng suất tác dụng khơng tải P0. Hệ số cơng suất lúc khơng tải thấp. R0 P0 Cosφ0 = 0,1 0.3 (2.16) 2 2 2 2 R 0 X P 0 Q 0 0 Từ những đặc điểm trên khi sử dụng khơng nên để máy ở tình trạng khơng tải hoặc non tải. Hình 2.8. Sơ đồ MBA khơng tải  Kết luận: Khi MBA khơng tải vẫn tiêu thụ một lượng cơng suất tác dụng để từ hĩa mạch từ và tồn tại dịng điện khơng tải trong cuộn sơ cấp. Tổn hao khơng tải thường gọi là tổn hao sắt từ: 2 1,3 P0 = P0 = PFe ; ΔP st = p1,0/50B (f/50) G (2.17) Trong đĩ : P1,0/50 là cơng suất tổn hao trong lá thép khi tần số 50Hz và từ cảm 1 T. Đối với lá thép kỹ thuật điện 3413 dày 1,35 mm, P1,0/50 = 0,6 W/kg. B từ cảm trong thép (T) G khối lượng trong thép (kg) 2.4.2 Chế độ cĩ tải R / R / X 1 I / X2 2 I1 1 2 Im Xm / Z U1P U2 Tải Rm Hình 2.9. Sơ đồ thay thế của MBA 1 pha
24 Khi MBA mang tải điện áp trên tải sẽ sụt một lượng U so với lúc khơng tải, lượng sụt áp này phụ thuộc vào độ lớn và tính chất của tải. Đặc tính ngồi của MBA được biểu diễn như đồ thị Sin U Tải cảmkháng 2 Sin >0 U2đm U U2 Cos = Const 2 >0 Cos 2 I2đm  > 1 U tăng; U2 giảm. Tính chất phụ tải được thể hiện qua gĩc lệch pha 2 .  Khi tải cĩ tính cảm kháng: Sin > 0 U > 0 U2 U2đm.
25 2.4.3 Chế độ ngắn mạch Khái niệm về hiện tượng: MBA đang vận hành với các thơng số định mức mà phía thứ cấp bị ngắn mạch thì gọi là ngắn mạch sự cố hay ngắn mạch vận hành. Trường hợp này sẽ gây nguy hiểm cho máy bởi dịng điện ngắn mạch sinh ra cực lớn. Thơng thường, người ta sử dụng các thiết bị tự động (CB, FCO, máy cắt) để cắt MBA ra khỏi mạch khi gặp sự cố nĩi trên. Ngồi ngắn mạch sự cố, khi chế tạo và vận hành MBA; Người ta tiến hành ngắn mmạch thí nghiệm để kiểm nghiệm và xác định các thơng số của máy. I2 = INM = I1đm I2 = INM I1đm U1 = UNM U1 = U1đm b. Ngắn mạch thí nghiệm a. Ngắn mạch sự cố Hình 2.12. Trạng thái ngắn mạch MBA Thí nghiệm ngắn mạch: Là trạng thái mà phía thứ cấp được nối ngắn mạch và điện áp đưa vào sơ cấp được giới hạn sao cho dịng điện ngắn mạch sinh ra bằng dịng điện sơ cấp định mức. Trạng thái được khái quát: U2 = 0; U1 = Un = (3 – 10)%U1đm; I2 = IN = I1đm (2.21) Khi tiến hành thí nghiệm ngắn mach, do điện áp nguồn rất thấp nên dịng điện khơng tải I 0 khơng đáng kể cĩ thể bỏ qua (hở mạch từ hĩa), nên sơ đồ thay thế cĩ dạng như hình vẽ: R / / R X1 1 IN = I1đm X2 R2 XN I1đm N UnX UnR Un Un a b Hình 2.13. Sơ đồ thay thế của MBA ngắn / Mạch Đặt:R n = R1 + R2 ;Xn = X1 + X2 (2.22) 2 2 U n  Tổng trở ngắn mạch:Z n = Rn X n = .(2.23) I1dm  Tổn hao ngắn mạch:
26 2 Rn P n = I1đm . Rn = Un. I1đm. Cos n. (với: Cos 0 = ). (2.24) Z n / /  Nếu R1 = R2 ; X1 = X2 thì: / Rn R 1 = R2 = (2.25) 2 / X n X 1 = X2 = (2.26) 2  Sụt áp trên các phần tử: U nR = I1đm. Rn. (2.27) U nR I1dm UnR% = . 100 = Rn.100. (2.28) U 1dm U1dm U nX = I1đm. Xn. (2.29) U nX I1dm UnX% = . 100 = Xn.100. (2.30) U 1dm U1dm Kết luận: Tổn hao ngắn mạch trong MBA chủ yếu là do 2 bộ dây quấn gây nên. Tổn hao này cịn gọi là tổn hao đồng: Pn = PCu = PCu1 + PCu2 (2.31) U 1 10.000 Ví dụ 2.2 : Một MBA 1 pha cĩ S BA = 100KVA; KBA = = ; I0 = U 2 400 0,05Iđm. Các tổn hao P0 = 800W; Pn = 2400W; Điện áp ngắn mạch thí nghiệm / / Un% = 4. Giã sử R1 = R2 ; X1 = X2 ; R0 = Rm; X0 = Xm. Hãy tính. a. Các tham số lúc khơng tải của máy. b. Hệ số cơng suất lúc khơng tải. c. Các tham số ngắn mạch của máy. d. Vẽ sơ đồ thay thế của máy. Giải: 3 S dm 100.10 Dịng điện sơ cấp định mức: I1đm = = 3 = 10A. U 1dm 10.10 Dịng điện khơng tải: I0 = 0,05Iđm = 0,05. 10 = 0,5A. Các tham số khơng tải: Từ biểu thức P0 = I0đm. Rm. P0 800  Điện trở mạch từ: Rm = 2 = 2 = 3200. I 0 0,6 U 1dm 10000 Tổng trở mạch từ được tính: Zm = = = 20.000. I 0 0,5
27 2 2 2 2  Điện kháng mạch từ: Xm = Z m Rm = 20.000 3200 = 19.742. Rm 3200 b. Hệ số cơng suất lúc khơng tải: Cos 0 = = = 0,16. Z m 20.000 c. Các tham số ngắn mạch: Điện áp ngắn mạch thí nghiệm được tính: Un = 0,04. 10000 = 400V. Pn 2400  Điện trở ngắn mạch: Rn = 2 = 2 = 24. I1dm 10 / Rn 24  Điện trở các cuộn dây: R1 = R2 = = = 12. 2 2 U n 400 Tổng trở ngắn mạch: Zn = = = 40. I1dm 10 2 2 2 2  Điện kháng ngăn mạch: Xn = Z n Rn = 40 24 = 32. / X n 32  Điện kháng các cuộn dây: X1 = X2 = = = 16. 2 2 Điện áp trên các phần tử:  Sụt áp trên điện trở: UnR = I1đm. Rn = 10. 24 = 240V.  Tính theo tỉ lệ phần trăm: U nR 240 UnR% = . 100 = . 100 = 2,4%. U 1dm 10.000  Sụt áp trên điện kháng: UnX = I1đm. Xn = 10. 32 = 320V.  Tính theo tỉ lệ phần trăm: U nX 320 UnX% = . 100 = . 100 = 3,2%. U 1dm 10.000 d. Sơ đồ thay thế như hình vẽ Hình 2.14. Sơ đồ thay thế của MBA1
28 2.5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp Mục tiêu: - Mơ tả được các dạng tổn hao trong máy biến áp - Phân biệt được các loại tổn hao của máy biến áp - Tính tốn được các dạng tổn hao của máy - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.5.1 Tổn hao năng lượng của máy biến áp Tổn hao trong mạch từ khơng phụ thuộc vào tải nên cịn gọi là tổn hao khơng đổi. Cịn tổn hao trong 2 bộ dây quấn phụ thuộc tải nên sẽ thay đổi khi tải của máy thay đổi. Vì vậy tổn hao này gọi là tổn hao biến đổi. Tổn hao cơng suất được tính: 2 PBA = PFe + PCu1 + PCu2 = P0 +  . Pn (2.32)  Giản đồ năng lượng của MBA: P2 P1 PCu1 PFe PCu2 Hình 2.15. Giản đồ năng lượng MBA 2.5.2 Hiệu suất của máy biến áp Hiệu suất của MBA: 2 P0  .Pn % = (1 – 2 ). 100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn (2.33 .S dm .Cos 2 ) % = ( 2 ). 100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn Điều kiện vận hành để đạt hiệu suất cực đại: Ta thấy hiệu suất của MBA phụ thuộc vào hệ số phụ tải . Vì vậy nếu cho máy vận hành với hệ số phụ tải thích hợp nào đĩ sẽ cĩ hiệu suất lớn nhất. Người ta đã chứng minh được. P0 max  = (2.34) Pn
29 U 1 10.000 Ví dụ 2.3: Một MBA 1 pha cĩ SBA = 100KVA; KBA = = ; I0 = U 2 400 0,05Iđm. Các tổn hao P0 = 800W; Pn = 2400W; Điện áp ngắn mạch thí nghiệm / / Un% = 4. Giả sử R1 = R2 ; X1 = X2 ; R0 = Rm; X0 = Xm. Hãy tính: Điện áp trên tải khi định mức với Cos 2 = 0,75 (trễ). / Hiệu suất của máy ở tải S2 = 80% Sđm và Cos 2 = 0,8. Với tải là bao nhiêu thì hiệu suất cực đại? Tính giá trị hiệu suất đĩ. Ở trường hợp câu a, nếu dịng điện vượt trước điện áp thì kết quả thế nào. Giải: Trong ví dụ trên đã giải được các kết quả: UnR% = 2,4%; UnX% = 3,2%; Theo đề bài ta cĩ: P0 = 800W; Pn = 2.400W; U2đm = 400V. a. Điện áp trên tải khi định mức: Do dịng điện tải chậm sau điện áp nên mạch cĩ tính cảm kháng, nghĩa là Sin 2 > 0. Vì vậy, ta cĩ Cos 2 = 0,75 Sin 2 = 0,66. U2 = U2đm – U U% =  (UnR%. Cos 2 + UnX%. Sin 2) U% = 1 (2,4. 0,75 + 3,2. 0,66) = 3,912%V. 3,912 Suy ra U = U% U2đm = . 400 = 15,65V 100  Vậy: Điện áp trên tải là: U2 = U2đm – U = 400 – 15,65 = 384,35V. / b. Hiệu suất của máy khi S2 = 80% Sđm và Cos 2 = 0,8. S 2 0,8S Hệ số phụ tải của MBA:  = = 2dm = 0,8. S 2dm S 2dm / 0,8.100.0,8 .S dm .Cos 2 % =(2 ).100=2 . 100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn 0,8.100.0,8 0,8 0,8 .2,4 = 96,48% c. Khi dịng điện vượt trước điện áp nghĩa là mạch cĩ tính dung kháng: Sin 2 > 0. Vì vậy, ta cĩ Cos 2 = 0,75 Sin 2 = – 0,66. U2 = U2đm – U U% =  (UnR%. Cos 2 + UnX%. Sin 2) U% = 1 (2,4. 0,75 + 3,2. (– 0,66)) = – 0,312%V. 0,312 Suy ra U = U% U2đm = . 400 = – 1,25V 100  Vậy: Điện áp trên tải là: U2 = U2đm – U = 400 – (– 1,25) = 401,25V.
30 2.6. Máy biến áp ba pha Mục tiêu: - Biết được khái niệm và mơ tả được nguyên lý làm việc của máy biến áp 3 pha - Phân biệt được chế độ làm việc và các cách nối dây của máy biến áp 3 pha - Tính tốn được máy biến áp 3 pha - Biết được ứng dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.6.1 Khái niệm về máy biến áp ba pha MBA 3 pha dùng biến đổi nguồn điện AC 3 pha từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác và giữ nguyên tần số. Cơ bản về mặt cấu tạo MBA 3 pha cũng bao gồm các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp quấn trên lõi thép. Tùy vào kết cấu của lõi thép mà người ta chia ra các loại MBA 3 pha như sau: MBA 3 pha tổ hợp: Cịn gọi là MBA 3 pha cĩ mạch từ riêng, bao gồm 3 lõi thép giống nhau, trên đĩ cĩ quấn các cuộn sơ cấp, thứ cấp. Thơng số của các cuộn dây cũng giống nhau hồn tồn. Nĩi cách khác: đây chính là sự tổ hợp 3 MBA 1 pha giồng nhau hồn tồn. Hình 2.16. Sơ đồ MBA ba pha MBA 3 pha 1 vỏ: Loại này chỉ dùng 1 mạch từ. Mạch từ thường cĩ 3 trụ, mỗi trụ được bố trí dây quấn của 1 pha. Các thơng số của bộ dây cũng được thiết kế giống nhau hồn tồn. Sơ đồ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý như hình vẽ 2.17.
31 A a A B C B b C c a b c a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ nguyên lý Hình 2.17. Nguyên lý MBA 3 pha 1 vỏ 2.6.2 Tổ nối dây của máy biến áp a. Khái niệm về cực tính của MBA 3 pha Các cuộn dây trong MBA đều được qui ước cực tính; một đầu gọi là đầu đầu, thì đầu kia là đầu cuối. Nếu chỉ cĩ 1 cuộn dây thì việc xác định cực tính là khơng cần thiết. Nhưng nếu cĩ từ 2 cuộn dây trở lên cùng làm việc thì phải xác định chính xác cực tính của chúng. Cực tính cuộn dây sẽ quyết định chiều dịng điện chạy trong cuộn dây đĩ. Sau khi đã qui ước cực tính cho 1 cuộn dây nào đĩ, thì các cuộn dây cịn lại xác định theo qui ước đĩ. Trên sơ đồ, đầu đầu của cuộn dây được đánh dấu (*), cịn đầu cuối thì bỏ trống. b. Tổ đấu dây Các cuộn dây của MBA 3 pha cĩ thể đấu Y hoặc đấu tùy vào điện áp định mức của các cuộn dây và điện áp cần cấp cho tải. Tổ đấu dây được hình thành do sự phối hợp cách đấu dây ở sơ cấp và thứ cấp. Tổ đấu dây cho biết gĩc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp, đồng thời cũng xác định được điện áp định mức của các cuộn dây cũng như điện áp định mức của MBA. Tổ đấu dây Y/Y – 12: Sơ đồ được biểu diễn như hình vẽ, cĩ các đặc điểm: Hình 2.18. Sơ đồ tổ đấu dây MBA ba pha
32 Số 12: Cho biết điện áp thứ cấp trùng pha với điện áp sơ cấp. Tổ đấu dây này thường sử dụng cho các MBA phân phối ở mạng hạ thế. Tổ đấu dây Y/ – 11: Sơ đồ được biểu diễn như hình trên, cĩ các đặc điểm: Sơ cấp: Đấu Y, Thứ cấp: Đấu . Số 11: Cho biết điện áp thứ cấp chậm pha 300 so với điện áp sơ cấp. Qui ước xác định gĩc lệch pha: Dùng mặt số đồng hồ, với qui ước: Kim dài: Biểu thị gĩc pha của điện áp sơ cấp đặt cố định ở số 12. Kim ngắn: Là gĩc lệch pha của điện áp thứ cấp (so với sơ cấp) di chuyển ở các con số cịn lại, mỗi con số cách nhau là 30 0. Hình vẽ a biểu thị gĩc lệch pha của tổ đấu dây Y/Y – 12, cịn hình b biểu thị gĩc lệch pha của tổ đấu dây Y/ – 11 12 12 U1 U1 U2 U2 9 3 9 3 6 6 a. Gĩc lệch pha tổ đấu dây Y/Y – 12 b Gĩc lệch pha tổ đấu dây Y/ – 11 Hình 2.19. Gĩc lệch pha của tổ đấu dây MBA 3 pha Tỉ số biến áp Trong MBA 3 pha các đại lượng định mức đều được tính bằng đại lượng dây, U 1d do vậy tỉ số MBA được định nghĩa. KBA3P = (2.35) U 2d Khi MBA sử dụng tổ đấu dây Y/ – 11: U 1d 3.U 1P N1 KBA3P = = = 3 . (2.36) U U N 2d 2P 2 Khi MBA sử dụng tổ đấu dây Y/ Y – 12: U 1d 3.U 1P N1 KBA3P = = = (2.37) N U 2d 3.U 2P 2 Kết luận: Tỉ số biến áp ở máy biến áp 3 pha khơng chỉ phụ thuộc số vịng quấn mà cịn phụ thuộc tổ đấu dây.  Nếu các đại lượng pha của máy là xác định, khi thay đổi tổ đấu dây thì phải thay đổi nguồn điện đặt vào MBA và điện áp ra của máy cũng sẽ thay đổi.  Ngược lại, khi nguồn điện và điện áp cần cấp cho tải đã xác định, thì phải tiến hành chọn tổ đấu dây phù hợp với yêu cầu.
33 Giải mạch MBA 3 pha Vấn đề giải mạch MBA 3 pha để xác định các thơng số kỹ thuật của chúng được tiến hành tương tự như MBA 1 pha, nhưng phải lưu ý một số điểm sau đây.  Về sơ đồ thay thế: Hoang tồn tương tự như MBA 1 pha, nhưng đây là sơ đồ thay thế cho 1 pha của MBA 3 pha. Vì vậy các thơng số điện áp, dịng điện trong sơ đồ phải tính theo đại lượng pha.  Dung lượng biến áp: Sđm3P = 3 .Ud. Id = 3. UP. IP. (2.38)  Điện áp định mức: U1đm = U1d; U2đm = U2d. (2.39) Do vậy phải kết hợp với tổ đấu dây để tính đại lượng pha trước khi áp dụng sơ đồ thay thế.  Về tổ đấu dây: Lưu ý để tính điện áp vào và ra phù hợp cho máy. 2 2 P 03P = 3. I0 . Rm; Pn3P = 3. I1đm . Rn; U = U P. (2.40) U 1 6000V Ví dụ 2.4: MBA 3 pha cĩ các số liệu: Sđm = 180KVA; = , I0 U 2 400V = 6%I1đm; P0 = 1000W; Pn = 4000W; Un = 5,5%; Tổ đấu dây Y/Y – 12. Giả sử / / R1 = R2 ; X1 = X2 ; R0 = Rm; X0 = Xm. Hãy tính. Các tham số lúc khơng tải của máy. Hệ số cơng suất lúc khơng tải. Các tham số ngắn mạch của máy. Độ sụt áp U% lúc tải định mức với Cos 2 = 0,85 (chậm sau). Tính hiệu suất khi đĩ? Với tải bằng bao nhiêu thì hiệu suất cực đại. / Tính hiệu suất ở tải S2 = 135KVA; Cos 2 = 0,7. Giải: Dịng điện sơ cấp định mức: 3 S dm 180.10 I1đm = = 3 = 17,3A. 3.U 1d 3.6.10 Do MBA cĩ tổ đấu dây Y/Y – 12 nên Id = IP; Ud = 3 . UP; Ta cĩ: U 1d 6000  Điện áp pha phía sơ cấp: U1P = = = 3464V 3 3  Dịng điện khơng tải: I0 = 0,06Iđm = 0,06. 17,3 = 1,04A. Các tham số khơng tải: Từ biểu thức P0 = 3. I0đm. Rm. P0 1000  Điện trở mạch từ: Rm = 2 = 2 = 308. 3.I 0 3.1,04
34 U 1P 3464 Tổng trở mạch từ được tính: Zm = = = 3330. I 0 1,04 2 2 2 2  Điện kháng mạch từ: Xm = Z m Rm = 3330 308 = 3315. Rm 308  Hệ số cơng suất lúc khơng tải: Cos 0 = = = 0,092. Z m 3303 b. Các tham số ngăn mạch: Điện áp ngắn mạch thí nghiệm được tính: Un = 0,0055. 3464 = 190,52V. Pn 4000  Điện trở ngắn mạch: Rn = 2 = 2 = 4,45. 3.I1dm 3.17,3 / Rn 4,45  Điện trở các cuộn dây: R1 = R2 = = = 2,225. 2 2 U n 190,52 Tổng trở ngắn mạch: Zn = = = 11. I1dm 17,3 2 2 2 2  Điện kháng ngăn mạch: Xn = Z n Rn = 11 4,45 = 10,21. / X n 10,21  Điện kháng các cuộn dây: X1 = X2 = = = 5,105. 2 2 Điện áp trên các phần tử:  Sụt áp trên điện trở: UnR = I1đm. Rn = 17,3. 4,45 77V. U nR 77  Tính theo tỉ lệ phần trăm: UnR% = . 100 = . 100 = 2,223%. U 1dm 3464  Sụt áp trên điện kháng: UnX = I1đm. Xn = 17,3. 10,21 = 176,633V. U nX 176,633  Tính theo tỉ lệ phần trăm: UnX% = . 100 = . 100 = 5,1%. U 1dm 3464  Vậy: Điện áp trên tải là: U2 = U2đm – U = 400 – 18,32 = 381,68V.  Hiệu suất của máy khi tải định mức: .S dm .Cos 2 1.180.0,85 % =(2 ).100=2 .100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn 1.180.0,85 1 1 .4 = 96,84% P0 1  Hiệu suất cực đại khi max  = = = 0,5 Pn 4 Vậy khi tải S2 = . Sđm = 0,5. 180 = 90 KVA hiệu suất của MBA sẽ lớn nhất.
35 .S dm .Cos 2 max % = ( 2 ). 100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn 0,5.180.0,85 = . 100 = 98,71% 0,5.180.0,85 1 0,5 2.4 / c. Hiệu suất ở tải S2 = 135KVA: Cos 2 = 0,7 / 135 Khi S2 = 135KVA thì  = = 0,75 180 /  .S dm .Cos 2 % = ( / / 2 ). 100  .S dm .Cos 2 P0  .Pn 0,75.180.0,7 = . 100 = 96,68% 0,75.180.0,7 1 0,75 2.4 d. Tính các thơng số của MBA khi tải định mức: Do dịng điện tải chậm sau điện áp nên mạch cĩ tính cảm kháng, nghĩa là Sin 2 > 0. Vì vậy, ta cĩ Cos 2 = 0,85 Sin 2 = 0,5268. U2 = U2đm – U U% =  (UnR%. Cos 2 + UnX%. Sin 2) U% = 1 (2,223. 0,85 + 5,1. 0,5268) 4,58%. 4,58 Suy ra U = . 400 = 18,32V. 100 2.7. Đấu song song các máy biến áp Mục tiêu: - Biết được cách đấu dây hịa lưới của máy biến áp 3 pha - Phân tích được các điều kiện đấu song song của máy biến áp 3 pha - Vẽ được sơ đồ đấu song song của nĩ - Biết được cơng dụng của nĩ - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.7.1 Khái niệm về chế độ làm việc của máy biến áp đấu song song Trong hệ thống điện thường sử dụng hệ thống các MBA dấu song song, bởi các lý do:  Khi nối song song sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống các MBA nên cơng suất truyền tải sẽ được nâng cao.  Thuận lợi cho việc bảo trì, bảo dường sửa chữa hư hỏng (cĩ thể sửa chữa trên một máy nào đĩ, các máy cịn lại vẫn vận hành bình thường).  Cĩ ý nhĩa trong việc vận hành kinh tế các MBA (khi tải giảm thì cắt dần các MBA ra khỏi mạng).
36 2.7.2 Điều kiện đấu song song máy biến áp Các MBA khi thực hiện nối song song phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau đây:  Cùng cấp điện áp: Các MBA thực hiện đấu song song phải cĩ cùng cấp điện áp ở sơ cấp và thứ cấp.  Cùng tổ đấu dây: Các MBA thành phần phải cùng tổ đấu dây để đẩm bảo điện áp thứ cấp của các MBA là cùng pha nhau.  Cùng giá trị U n%: Điều kiện này phải đảm bảo để phụ tải phân bố trên các máy tỉ lệ với dung lượng của chúng. 2.7.3 Sơ đồ đấu song song máy biến áp Theo hình vẽ, cĩ 2 MBA nối song song; giả sữ: Un%I < Un%II (*) Dịng điện qua MBAI là IđmI cịn dịng điện qua MBA II là III.  Sụt áp trên MBA I: UI = IđmI. ZnI. (2.41)  Sụt áp trên MBA II: UII = III. ZnII. (2.42)  Thay vào (*), ta được: IđmI. ZnI < IđmII. ZnII . Kết hợp với ( ) ta được III < IđmII IđmI III BT I BT II Hình 2.20. Nối song song các MBA Kết luận: Nếu các MBA đấu song song cĩ Un% khác nhau thì trong quá trình làm việc, máy nào cĩ Un% nhỏ hơn sẽ phải mang tải nhiều hơn. Hệ quả:  Nếu các MBA thành phần cĩ cùng dung lượng và đã thỏa 2 điều kiện đầu tiên thì khơng cần phải xét đến điều kiện Un%.  Đối với MBA 1 pha chỉ cần thỏa 2 điều kiện là: cùng cấp điện áp và cùng dung lượng là đủ. 2.8. Các máy biến áp đặc biệt Mục tiêu: - Biết được một số loại máy biến áp đặc biệt khác - Phân biệt được các loại máy biến áp
37 - Biết được cơng dụng của nĩ - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.8.1. MBA đo lường. Là các loại MBA được sử dụng để phục vụ cho cơng tác đo lường trong hệ thống điện, thường sử dụng các loại sau: a. Máy biến điện áp (BU, TU) Được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, nĩ thường biến đổi điện áp cần đo ở lưới trung, cao thế xuống giá trị phù hợp với dụng cụ đo. Loại này gọi là BU giảm điện áp. U1; N1 U1; N1 U2; N2 U2; N2 V V Hz Hz a. Sơ đồ cấu tạo b. Ký hiệu Hình 2.21. Máy biến điện áp Cịn loại BU tăng điện áp thường được sử dụng trong phịng thí nghiệm để tăng kết quả thí nghiệm cho phù hợp với dụng cụ đo. Cấu tạo của BU tương tự hồn tồn như MBA thơng thường, nhưng vật liệu được dùng chế tạo BU là loại vật liệu tiêu chuẩn nhằm hạn chế sai số và tránh các tổn hao. Khi sử dụng BU được nối song song trong mạch. Do phía thứ cấp của máy được nối với volt kế hoặc tần số kế (cĩ điện trở nội rất lớn) nên cĩ thể xem như thứ cấp hở mạch. Nĩi cách khác, BU chỉ làm việc ở trạng thái khơng tải. Do vậy, nếu nối thứ cấp BU với một phụ tải bất kỳ sẽ gây hư hỏng BU. Tương tự như MBA, ta gọi: U 1 N1 KU = = : Là tỉ số biến điện áp. (2.43) U 2 N 2 Với một máy biến điện áp cụ thể sẽ xác định được KU, đọc số chỉ trên dụng cụ đo là giá trị U2. Như vậy điện áp U1 cần đo được tính: U1 = U2. KU
38 Máy biến dịng (BI; TI) Cấu tạo tương tự như máy biến điện áp, nĩ dùng để biến đổi dịng điện cần đo cĩ giá trị lớn thành dịng điện cĩ giá trị bé hơn (trong cơng nghiệp) hoặc biến đổi dịng điện bé thành dịng điện lớn hơn trong phịng thí nghiệm. Khi sử dụng BI: phía sơ cấp được lắp nối tiếp với đường dây cần đo, phía thứ cấp nối với ampe kế. Do vậy, BI xem như luơn là việc ở chế độ ngắn mạch (vì điện trở nội của ampe kế là rất bé). I 1 n 1 I1 n1 n2 n2 I 2 I n K = 1 = 2 : Tỉ số biến dịng I2 A I I 2 n1 A I1 = I2. KI (2.44) a. Sơ đồ cấu tạo b. Ký hiệu Hình 2.22. Máy biến dịng 2.8.2. MBA tự ngẫu Là loại máy biến áp mà cuộn dây thứ cấp là 1phần của cuộn sơ cấp hoặc ngược lại. Nguyên lý của loại máy biến áp này hồn tồn tương tự như MBA 2 dây quấn.  Đặc điểm:  Tiết kiệm, kinh tế hơn MBA cách ly.  Cùng một tiết diện lõi thép MBA tự ngẫu cho cơng suất lớn hơn. Kém an tồn, khơng dùng trong những trường hợp cần cĩ độ an tồn cao U1 U1 U2 U2 a. MBA tự ngẫu loại giảm b. MBA tự ngẫu loại tăng áp áp Hình 2.23. MBA Tự ngẫu 2.9. Bảo dưỡng và sửa chữaPha các máy biến áp Mục tiêu: - Phân tích được nguyên nhân hư hỏng thường gặp ở máy biến áp - Biết được cách khắc phục hư hỏng của máy biến áp
39 - Biết cách tháo lắp, kiểm tra và sửa chữa máy biến áp - Áp dụng vào máy biến áp thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 2.9.1. Các hư hỏng thường gặp a. Hở mạch. Hiện tượng: Cấp nguồn, MBA khơng hoạt động. Kiểm tra: Dùng Ohm kế, đèn thử, Volt kế kiểm tra tiếp xúc điện hoặc đo điện áp ra của máy. Những điểm nhiều khả năng gây hở mach là: tại các ngỏ vào ra; bộ phận chuyển mạch, đổi nối, bộ phận cấp nguồn Sửa chữa: hàn nối, cách điện tốt sau khi sửa chữa. b. Ngắn mạch. Hiện tượng: Cấp nguồn các thiết bị đĩng cắt, bảo vệ tác động ngay, cĩ hiện tượng nổ cầu chì hoặc cháy dây nguồn. Nguyên nhân: Do chạm chập tại các đầu nối, đầu ra dây hoặc ráp sai mạch Kiểm tra: Dùng Ohm kế kiểm tra, quan sát bằng mắt. Sửa chữa cách ly các đầu dây, xử lý cách điện. c. Chập vịng. Hiện tượng: Điện áp tăng cao, máy nĩng nhiều, rung cĩ tiếng kêu lạ Nguyên nhân: Do chạm chập tại các đầu nối, đầu ra dây hoặc ráp sai mạch, hư hỏng ở gallett Kiểm tra: Đo điện áp vào/ ra, đối chiếu với tính tốn; Sửa chữa cách ly các đầu dây, xử lý cách điện. d. Chạm vỏ. Hiện tượng: chạm võ máy bị điện giật. Nguyên nhân: Lõi thép chạm cuộn dây và chạm ra võ; Do các đầu nối chạm võ hoặc gallett bị chạm Kiểm tra: Kiểm tra cách điện bằng mêga Ohm kế hoặc Volt kế (khơng dùng bút thử điện do dịng điện cảm ứng) sau đĩ xử lý cách điện. 2.9.2. Một số hư hỏng cụ thể đối với MBA gia dụng TT HIỆN NGUYÊN NHÂN CÁCH KHẮC PHỤC TƯỢNG 1 Máy biến áp - Hở đường dây cấp Kiểm tra đường dây cấp khơng hoạt nguồn. nguồn. động khi cĩ - Khơng tiếp xúc ở cọc Làm vệ sinh cọc nối hoặc điện vào. nối dây hoặc galleet galleet. khơng tiếp xúc. Đo, kiểm bằng VOM.
40 - Đứt mạch cuộn dây. 2 Máy biến áp - Lõi thép khơng được Dùng xà ép gơng hoặc gỗ, nĩng và cĩ ép chặt. giấy nêm chổ hở. tiếng kêu lớn. - Cuộn dây quấn khơng Gia cố bằng cách tẩm véc chặt. ni. - Quá áp do quấn thiếu Kiểm tra số liệu tính tốn, số vịng hoặc chọn B kiểm tra bộ dây và quấn quá cao hoặc dây quấn lại. bị chạm chập. 3 Chạm vào vỏ - Các đầu dây chạm vỏ. Xử lý cách điện. máy bị điện - Lõi thép chạm cuộn Tháo lõi thép, xử lý chổ giật. dây và chạm ra vỏ. chạm sau đĩ ráp lại. 4 Cấp nguồn cho - Ngắn mạch tại cơng Kiểm tra, xử lý chổ ngắn MBA cầu chì tắc, galleet hoặc các mạch. nổ ngay. đầu dây ra. - Đặt sai vị trí của Kiểm tra chỉnh lại vị trí galleet G1 hoặc G2. của các galleet cho phù hợp. 5 Điện áp ra - Đường dây nguồn tiếp Làm vệ sinh, tăng cường khơng ổn định xúc chập chờn. tiếp xúc đường dây. lúc cĩ, lúc - Galleet hoặc cọc nối Làm vệ sinh, tăng cường khơng. tiếp xúc khơng tốt. tiếp xúc ở galleet, cọc nối. 6 Điện áp tăng - Chỉnh sai chuơng báo. Dời đường dây chuơng quá định mức - Đứt mạch chuơng đến vị trí phù hợp. chuơng khơng hoặc starter khơng làm Kiểm tra bằng VOM, xử báo. việc. lý chổ đứt hoặc thay mới starter. 7 Điện áp bình - Chỉnh sai đồng hồ. Chỉnh lại cho đúng. thường nhưng - Đồng hồ giảm độ Thay đồng hồ mới. đồng hồ báo chính xác do quá tuổi sai. thọ. 8 Đèn báo khơng - Hở mạch đèn báo. Kiểm tra bằng VOM, nối sáng. lại mạch. - Đứt hoặc hở mạch ở Kiểm tra bằng VOM, nối cuộn cảm ứng. lại chổ đứt hoặc quấn lại cuộn cảm ứng.
41 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ BÀI 2: 1. Nội dung: + Về kiến thức: - Phân loại; Cơng dụng của máy biến áp - Cấu tạo của máy biến áp. - Một số loại đại lượng định mức của máy biến áp - Nguyên lý làm việc của máy biến áp - Các chế độ làm việc của máy biến áp - Các dạng tổn hao trong máy biến áp - Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp 3 pha - Chế độ làm việc và các cách nối dây của máy biến áp 3 pha - Các điều kiện đấu song song của máy biến áp 3 pha - Nguyên nhân hư hỏng thường gặp ở máy biến áp, cách khắc phục - Tháo lắp, kiểm tra và sửa chữa máy biến áp + Về kỹ năng: - Giải bài tập cơ bản về tính tốn máy biến áp 1 pha, 3 pha - Tháo, lắp, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 2. Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ năng tính tốn các bài tập
42 BÀI TẬP Bài tập 2.1. Xét MBA một pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng). Cuộn dây sơ cấp cĩ 400 vịng, cuộn dây thứ cấp cĩ 800 vịng. Tiết diện lõi thép là 40cm 2. Nếu cuộn dây sơ cấp được đấu vào nguồn 600V, 60Hz, hãy tính : a. Từ cảm cực đại trong lõi ? b. Điện áp thứ cấp ? Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: =B.S E1=4,44fW1Фm (2.7) E2=4,44fW2Фm (2.8) K=U1/U2=W1/W2 ĐS: a. 1,4T; b. 1200v Bài tập 2.2. Cho một MBA một pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng) 20kVA,1200V/120V. a. Tính dịng định mức sơ cấp và thứ cấp ? b. Nếu máy cấp cho tải 12kW cĩ hệ số cơng suất bằng 0,8; tính dịng sơ và thứ cấp ? Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức S=U.I P=U.I.cos U1/U2=I2/I1 ĐS: a. 16,67A; b. 125A, 12,5ª Bài tập 2.3. Cho một MBA một pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng) cĩ tỉ số vịng dây 4:1 Điện áp thứ cấp là o o 1200 V. Người ta đấu một tải Zt = 1030  vào thứ cấp. Hãy tính : a. Điện áp sơ cấp. b. Dịng điện sơ cấp và thứ cấp ? c. Tổng trở tải qui về sơ cấp. Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức K=U1/U2=W1/W2= I2/I1 I2=U2/Zt ĐS: a. 480v; b. 12A, 3A, c.160 Ω
43 Bài tập 2.4. Cho MBA tăng áp một pha lý tưởng (khơng sụt áp, tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng) 50kVA, 400V/2000V cung cấp cho tải 40kVA cĩ hệ số cơng suất của tải 0.8 (tải R-L). Tính: a. Tổng trở tải ? b. Tổng trở tải qui về sơ cấp ? Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức S=U.I Zt=U2/I2 Zt=Zt ĐS: a. 100 Ω, b. 4 Ω Bài tập 2.5. Cho MBA một pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng) cĩ số vịng dây là 180: 45. Điện trở sơ và thứ cấp lần lượt bằng 0.242 và 0.076. Tính điện trở tương đương sơ cấp ? Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức R2’=K2.R2 Rn=R1+ R2’ ĐS: 1.46 Bài tập 2.6. Cho MBA một pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dịng điện khơng tải bằng khơng) cĩ số vịng dây bằng 220: 500. Phía sơ cấp đấu vào nguồn điện áp 220 V, phía thứ cấp cung cấp cho tải 10kVA. a. Tính điện áp trên tải. b. Dịng điện thứ cấp và sơ cấp ? c. Tính tổng trở tương đương của máy nhìn từ nguồn ? Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức S=U.I K=U1/U2=I2/I1=W1/W2 Zt’=U1/I1 ĐS: a. 500v; b. 20A; 42,5A; c. 4,84 Bài tập 2.7. Cho một máy biến áp một pha Sđm=6637kVA, U1đm=35kV, U2đm=10kV, Pn=53500W, Un%=8%. a. Tính zn, rn, xn. b. Gỉa sử r1=r'2, tính điện trở khơng qui đổi của dây quấn thứ cấp. Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức
44 2 2 U n Zn = Rn X n = . (2.23) I1dm 2 Pn = I1đm . Rn / Rn R1 = R2 = (2.25) 2 / X n X1 = X2 = (2.26) 2 ĐS: a. zn=14.76Ω, rn=1.48 Ω, xn=14.69 Ω. b. r2=0.061 Ω Bài tập 2.8. Máy biến áp một pha Sđm=75kVA, U1đm=4.6kV, U2đm=0.23kV, fđm=50Hz cĩ số liệu thí nghiệm như sau: Thí nghiệm khơng tải: U0=230. I0=13.04A, P0=521W Thí nghiệm ngắn mạch: Un=160.8V, In=16.3A, Pn=1200W a. Điện trở và điện kháng mạch từ hĩa. b. Điện trở ngắn mạch, điện kháng ngắn mạch vàtổng trở ngắn mạch. c. Độ sụt áp phần trăm khi máy hoạt động ở tải định mức với cosφ=0.75 (trễ). Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức P0 Rm = 2 I 0 U 1dm Zm = I 0 2 2 Xm = Z m Rm 2 2 U n Zn = Rn X n = . (2.23) I1dm 2 Pn = I1đm . Rn / Rn R1 = R2 = (2.25) 2 / X n X1 = X2 = (2.26) 2 U =  (UnR. Cos 2 + UnX. Sin 2) U% =  (UnR% . Cos 2 + UnX% . Sin 2) ĐS: a. rm = 3.063 Ω, xm=17.37 Ω, zm=17.64 Ω b. rn=4.52 Ω, xn=8.77 Ω, zn=9.86 Ω, c. ∆U%=3.25% Bài tập 2.9. Một máy biến áp một pha Sđm=150kVA, U1đm=2400V, U2đm=240V, r1=0.2 Ω, x1=0.45 Ω, r2=2m Ω, x2=4.5m Ω.
45 a. Tính rn, xn, I1đm, I2đm. b. Tính Pn, biết rằng khi cosφ=0.8, hệ số tải β=1, hiệu suất η=0.982. (cho P0= P0=637W) Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức / Rn R1 = R2 = (2.25) 2 / X n X1 = X2 = (2.26) 2 S=U.I K=U1/U2=I2/I1=W1/W2 2 Pn = I1đm . Rn 2 PBA = P0 +  . Pn .S dm .Cos 2 % = ( 2 ). 100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn ĐS: a. rn=0.4 Ω, xn=0.9 Ω, I1đm=62.5A, I2đm=625A, b. Pn=1562.5W, Bài tập 2.10. Máy biến áp ba pha Sđm=160kVA, U1đm=15kV, U2đm=400V, P0=460W, Pn=2350W, Un%=4%, tổ nối dây Y/Y-12. Cho biết R1=R'2, X1=X'2 tính a. I1đm, I2đm, Rn, Xn, R1, X1, R2, X2 . b. η khi hệ số tải β=0.75 và cosφt=0.8 c. ∆U%, U2 khi hệ số tải β=1 và cosφt=0.8 Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức S dm I1đm = 3.U 1d U 1d U1P = 3 P0 Rm = 2 3.I 0 U 1P Zm = I 0 2 2 Xm = Z m Rm Pn Rn = 2 3.I1dm / Rn R1 = R2 = 2
46 U n Zn = I1dm 2 2 Xn = Z n Rn / X n X1 = X2 = 2 .S dm .Cos 2 % =(2 ).100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn U2 = U2đm – U U% =  (UnR%. Cos 2 + UnX%. Sin 2) U% = 1 (2,223. 0,85 + 5,1. 0,5268) 4,58%. ĐS: a. I1đm=6.16A, I2đm=230.95A, Rn=20.64Ω, Xn=52.31 Ω, R1=10.32 Ω, X1=26.15 Ω, R2=7.34m Ω, X2=18.6m Ω, b. η=0.981; c. ∆U%=3.4%, U2=386.4V Bài tập 2.11. Một máy biến áp ba pha đấu Y/Y-12 cĩ Sđm=20kVA, U1đm=6kV, U2đm=0.4kV, fđm=50hz, Pn=0.6kW, Un%=5.5% tính: a. Un, Unr, Unx. b. zn, rn, xn, cosφn. c. ∆u% khi β=0.25, 0.5, 0.75, 1 và cosφ2=0.8 (tải cảm). d. Biết P0=0.18kW, tính hiệu suất máy ở các tải nĩi trên. Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức S dm I1đm = 3.U 1d U 1d U1P = 3 Pn Rn = 2 3.I1dm 2 2 Xn = Z n Rn U2 = U2đm – U U% =  (UnR%. Cos 2 + UnX%. Sin 2) U% = 1 (2,223. 0,85 + 5,1. 0,5268) 4,58%. .S dm .Cos 2 % =(2 ).100 .S dm .Cos 2 P0  .Pn ĐS: a. Un= .190V, Unr= .104V, Unx= .159V b. zn=99Ω, rn=54.3 Ω, xn==83 Ω, cosφn=0.55 c. ∆u%=1.29%, 2.58%, 3.87%, 5.16% d. ∆=94.84%, 96.04%, 95.86%, 95.35%
47 BÀI 3 MÁY ĐIỆN KHƠNG DỒNG BỘ Mã bài: MĐ09-03 Giới thiệu: Chương trước ta đã nghiên cứu về máy điện tĩnh, Tuy nhiên trong thực tế chúng ta thường gặp một số loại máy điện trong cơng nghiệp và dân dụng đĩ là máy điện khơng đồng bộ điển hình như máy quạt điện, động cơ điện các máy điện này cĩ kết cấu đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dưỡng sửa chữa Bài này sẽ nghiên cứu, tính tốn, bảo dướng, sửa chữa về máy điện khơng đồng bộ. Mục tiêu: - Phát biểu được nguyên lý cấu tạo, các phương pháp mở máy, đảo chiều quay của động cơ khơng đồng bộ theo nội dung bài học. - Bảo dưỡng và sửa chữa những hư hỏng thơng thường của máy điện khơng đồng bộ đảm bảo máy hoạt động tốt theo đúng tiêu chuẩn về điện. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, tích cực trong học tập Nội dung chính 3.1. Khái niệm chung về máy điện khơng đồng bộ Mục tiêu: - Biết được khái niệm về máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 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 rơto n khác với tốc độ quay của từ trường n1. Máy điện khơng đồng bộ cĩ 2 dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp), với lưới điện tần số khơng đổi f1, dây quấn rơto (thứ cấp) được n1 tắt lại hoặc khép kín trên điện trở. Dịng điện trong dây quấn rơto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng cĩ tần số phụ f 2 phụ thuộc vào rơto; nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên trục của máy. Cũng như các máy điện quay khác, máy điện khơng đồng cĩ tính thuận nghịch, nghĩa là cĩ thể làm việc ở chế độ động cơ điện cũng như chế độ máy phát điện
48 3.2. Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ ba pha Mục tiêu: - Mơ tả được cấu tạo của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Máy điện khơng đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: Hình 3.1: Cấu tạo máy điện 3 pha 3.2.1. Stato: Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. Ngồi ra cịn cĩ vỏ máy, nắp máy. Hình 3.2: Cấu tạo stato máy điện 3 pha Lõi thép: Lõi thép được ép trong vỏ máy làm nhiệm vụ dẫn từ. Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Vì từ trường đi qua lõi thép lá, từ trường quay lên để giảm tổn hao lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ép lại. Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều cĩ phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dịng xốy gây nên.
49 a. Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) và được đặt trong các rãnh của lõi thép. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn sẽ được trình bày chi tiết trong bài sau: c. Vỏ máy: Vỏ máy làm bằng nhơm hoặc gang dùng để cố định lõi thép và dây quấn cũng như cố định máy trên bệ. Khơng dùng để làm mạch dẫn từ. Đối với máy cĩ cơng suất tương đối lớn (1000kw) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau: Kiểu vỏ hở, vỏ bảo vệ, vỏ kín hay vỏ phịng nổ Hai đầu vỏ cĩ nắp máy và ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy cịn dùng để bảo vệ máy. 3.2.2. Rơto: Rơto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn (Thanh dẫn) và trục máy. a. Lõi thép: Nĩi chung người ta sử dụng lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rơto của máy. Phía ngồi của lá thép cĩ xẻ rãnh để đặt dây quấn. b. Dây quấn rơto: Cĩ 2 loại chính: Rơto lồng sĩc và rơto dây quấn - Loại rơto kiểu dây quấn: Rơto cĩ dây quấn giống như dây quấn stato. Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sĩng 2 lớp vì bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rơto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm 1 lớp. Dây quấn ba pha của rơto thường đấu hình sao, cịn ba đầu kia được nối vào ba rãnh trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở 1 đầu trục và thơng qua chổi than cĩ thể đấu với mạch điện bên ngồi. Đặc điểm của loại động cơ điện rơto kiểu dây quấn là cĩ thể thơng qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện roto để cải thiện
50 tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số cơng suất của máy. Khi máy làm việc bình thường, dây quấn rơto được nối ngắn mạch. - Loại roto kiểu lồng sĩc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi thép rơto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhơm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt lại 2 đầu bằng 2 vành ngắn mạch bằng đồng hay nhơm làm thành 1 cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sĩc. Ở các máy cơng suất nhỏ, lồng sĩc được chế tạo bằng cách đúc nhơm vào các rãnh lõi thép roto tạo thành thanh nhơm 2 đầu đúc vịng ngắn mạch và cánh quạt làm mát. Dây quấn roto lồng sĩc khơng cần cách điện với lá thép. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy cơng suất tương đối lớn, rãnh roto cĩ thể làm thành rãnh sâu hoặc làm thành 2 rãnh lồng sĩc (rãnh lồng sĩc kép). Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh roto thường được làm chéo đi một gĩc so với tâm trục. Động cơ lồng sĩc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc bảo đảm. Động cơ roto dây quấn cĩ ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ, song giá thành cao và vận hành kém, tin cậy hơn roto lồng sĩc nên chỉ được dùng khi động cơ roto lồng sĩc khơng đáp ứng các yêu cầu về truyền động. 3.2.3 Khe hở: Vì roto là một khối trịn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện khơng đồng bộ rất nhỏ (0,2÷1mm trong máy điện cỡ vừa và nhỏ) để hạn chế dịng điện từ hố và như vậy mới cĩ thể làm cho hệ số cơng suất của máy cao hơn. Hình 3.5: Khe hở 3.3. Từ trường của máy điện khơng đồng bộ Mục tiêu: - Phân tích được từ trường quay của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Liên hệ ap dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập
51 3.3.1. Từ trường đập mạch của dây quấn một pha Từ trường đập mạch của dây quấn một pha: là từ trường cĩ phương khơng đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian. Để cụ thể hơn ta xét hình vẽ. A X A X Hình 3.6: Từ trường dây quấn một pha 3.3.2. Từ trường quay Như hình vẽ. Các dây quấn AX,BY,CZ, đặt ;lệch nhau trong khơng gian một gĩc là 1200 Gỉa sử trong 3 pha dây quấn cĩ dịng điện ba pha đối xứng Chạy qua iA=ImSint iB=ImSin(ωt-120) (3.1) iA=ImSin(ωt-240) Hình 3.7: Dạng song dịng điện 3 pha Quy ước dịng điện đi vào cĩ chiều từ đầu đến cuối pha cĩ dấu (+) ở giữa, cịn từ cuối tới đầu pha ký hiệu dấu(-)
52 Xét từ trường tại các thời điểm khác nhau. + Thời điểm pha ωt=90 (hình 8a): pha A cĩ cực đại và dương , cịn dịng điện pha C,B, âm Dùng quy tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ do các dịng điện sinh ra, Từ trường tổng cĩ một cực S và một cực N như hình 8a Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha cĩ dịng điện cực đại. Thời điểm pha t=90+120 (hình 8b): kế tiếp ở trên 1/3 chu kỳ , dịng điện pha B lúc này cực đại và dương , các dịng điện pha A,C âm. Dùng quy tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ do các dịng điện sinh ra, Từ trường tổng cĩ một cực S và một cực N như hình 8b Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha cĩ dịng điện cực đại. Ta thấy từ trường tổng đã quay đi một gĩc là 120 so với trường hợp trên + Thời điểm pha ωt=90+240 (hình 8c): Là thời điểm chậm sau thời điểm đầy 2/3 chu kỳ, dịng điện pha C lúc này cực đại và dương , các dịng điện pha A,B âm. Dùng quy tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ do các dịng điện sinh ra, Từ trường tổng cĩ một cực S và một cực N như hình 8c
53 Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C là pha cĩ dịng điện cực đại. Ta thấy từ trường tổng đã quay đi một gĩc là 240 so với trường hợp đầu. Qua sự phân tích trên ta thấy từ trường tổng của dịng điện 3 pha là từ trường quay. 2.3.3. Đặc điểm của từ trường quay - Tốc độ quay phụ thuộc vào tần số dịng điện stato f và số đơi cực p. 60 f n (vong / phut) (3.2) P - Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dịng điện. - Biên độ của từ trường quay 3 3   AmSint 1pha m (3.3) 2 2 3.4. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện khơng đồng bộ. Mục tiêu: - Mơ tả được nguyên lý làm việc của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập N Fdt n1 n Fdt S Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điện khơng đồng bộ Khi ta cho dịng điện ba pha tần số f vào 3 dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường 60 f quay p đơi cực, quay với tốc độ là n (vong / phut) (3.4) P
54 Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rơto, cảm ứng các sdd, vì dây quấn rơto nối ngắn mạch, nên các sdd sẽ sinh ra dịng điện trong các thanh dẫn rơto, lực tác dụng tương hỗ giữa rơto của máy vời từ trường thanh dẫn rơto, kéo rơto quay cùng chiều từ trường với tốc độ n. Nếu rơto quay với tốc độ n, từ trường quay với tốc độ n 1 thì tốc độ quay của rơto sẽ nhỏ hơn từ trường quay là n 2. Vì nếu cĩ tốc độ bằng nhau thì khơng cĩ sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rơto khơng cĩ sdd và dịng điện cảm ứng, lực điện từ bằng khơng. Độ trênh lệch tốc độ quay của rơto và từ trường quay gọi là n2 n2=n1-n (3.5) n n n Hệ số trượt: s 2 1 (3.6) n n 1 1 Khi rơto đứng yên n=0,hệ số trượt s=1, khi rơto quay tốc độ động cơ là. 60 f n n1 (1 s) (1 s)(vong / phut) (3.7) P Ví dụ 3.1. Động cơ khơng đồng bộ ba pha 12 cực từ, tần số 50Hz. Động cơ sẽ quay với tốc độ bao nhiêu nếu hệ số trược bằng 0.06 ? Giải Tốc độ động cơ: 60 50 n (1 s)n (1 0.06) 470vg / ph 1 6 Ví dụ 3.2. Động cơ khơng đồng bộ ba pha 3 đơi cực từ, tần số 50Hz, quay với tốc độ 960vg/ph. Hãy xác định : 1. Vận tốc đồng bộ. 2. Tần số dịng điện rotor. 3. Vận tốc tương đối của rotor so với từ trường quay. Giải Tốc độ đồng bộ của động cơ: 69f 60 50 n 1 1000vg / ph 1 p 3 Tần số dịng điện trong rơto: n1 n 1000 960 f2 sf1 f1 50 2Hz n1 1000 Tốc độ tương đối của roto: n2 n1 n 1000 960 40vg / ph
55 3.5. Mơ hình tốn của động cơ khơng đồng bộ Mục tiêu: - Phân tích được mơ hình tốn của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng tính tốn máy điện khơng đồng bộ ba pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Sơ đồ thay thế stato Dây quấn stato của động cơ điện tương tụ như dây quấn sơ cấp của máy biến áp, 2 2 Trong đĩ: Z1 X 1 R 1 (3.8) tổng trở dây quấn stato R1 là điện trở dây quấn stato X1 = 2πfL là điện kháng tản dây quấn stato, đặc trưng cho từ thơng tản stato. f- tần số dịng điện stato. L1- điện cảm tản stato E1- sức điện động pha stato do từ thơng của từ trương quay sinh ra cĩ trị số là: E1 = 4,44fw1kdq1Фmax (3.9) w1, kdq1 theo thứ tự là số vịng dây quấn và hệ số dây quấn của một pha stato. Hệ số dây quấn kdq1 < 1, nĩi nên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải trên các rãnh và bước rút ngắn, so với quấn tập trung như máy biến áp. Фmax .Biên độ từ thơng của trường quay. Sơ đồ thay thế rơto R2 S.X2 I2 E2s Hình 3.10: sơ đồ thay thế roto Từ trường chính quay với tốc độ n1, rơto quay với tộc độ n vậy từ trường chính quay đối với dây quấn rơto tốc độ trượt n 2 = n1 – n. Như vậy sức điện động và dịng điện trong dây quấn rơto cĩ tần số là: f2 = pn2 / 60 = spn1 / 60 = sf (3.10) Tấn số dịng điện rơto lúc quay bằng hệ số trượt nhân với tần số dịng điện stato f. Lúc rơto đứng yên tần số dịng điện rơto là f. Sức điện động pha dây quấn rơto lúc quay là: E2s = 4,44f2w2kdq2Фmax = 4,44f.s.W2.kdq2Фmax (3.11) w2, kdq2 thứ tự là số vịng dây, hệ số dây quấn của roto. Hệ số k dq2 < 1 nĩi nên sự giảm sức điện động do dây quấn rơto dải trên các rãnh và bước rút ngắn.
56 Khi rơto đứng yên s = 1; tần số f 2 = f. Sức điện động dây quấn rơto lúc đứng yên là: E2 = 4,44f.W2.kdq2Фmax (3.12) Ta thấy E2s = sE2 (3.13) Sức điện động pha rơto lúc quay E 2s bằng sức điện động pha rơto lúc khơng quay nhân với hệ số trượt s. Cũng tương tự như vậy điện kháng tản dây quấn rơto lúc quay là: X2s = 2πf2L2 = s2πfL2 = sX2 (3.14) Trong đĩ L2 là điện cảm tản pha dây quấn roto, X 2 = 2πfL2 là điện kháng tản rơto lúc khơng quay. Điện kháng tản rơto lúc quay bằng điện kháng tản rơto lúc khơng quay nhân với hệ số trượt s. Từ đĩ ta cĩ tỉ số sđđ pha rơto là: Ke = E1/E2 = w1kdq1 / w2kdq2 (3.15) Ke gọi là hệ số quy đổi sđđ rơto Quy đổi dịng điện Roto về stato động cơ khơng đồng bộ Khi động cơ làm việc, từ trường quay trong máy do dịng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dịng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay stato quay tốc độ n1 đối với stato. Dịng điện trong dây quấn rơto sinh ra từ trường quay rơto, quay đối với rơto tốc độ: n2 = 60f2 / p = s60f / p = sn1 (3.16) Vì roto quay đối với stato tốc độ n, cho nên từ trường rơto sẽ quay đối với stato tốc độ là: n2 + n = sn1 + n = n1(1-s) = n1 (3.17) Như vậy, từ trường quay stato và từ trường quay rơto khơng chuyển động tương đối với nhau. Từ trường tổng hợp của máy là từ trường quay tốc độ n1. Cũng lý luận như ở máy biến áp, từ thơng Ф max cĩ trị số hầu như khơng đổi ứng với chế độ khơng tải và cĩ tải. Do đĩ ta cĩ thể viết được phương trình sức từ của động cơ: m1w1kdq1I1 – m2w2kdq2I2 = m1w1kdq1I0 (3.18) Trong đĩ: I0 là dịng điện stato lúc khơng tải I1, I2 là dịng điện stato và rơto khi động cơ kéo tải m1, m2 là số pha của dây quấn stato và roto Các hệ số m1w1kdq, m2w2kdq2 nĩi lên từ trường quay quanh do động thời m1 pha stato và m2 pha rơto sinh ra và cĩ xét đến số vịng dây và cấu tạo các dây quấn.
57 Dấu trừ trước I 2 vì ta chọn chiều I 2 khơng phù hợp với chiều từ thơng theo quy tắc vặn nút chai. Chia hai vế cho m1w1kdq1 và đặt: I2 / (m1w1kdq1 / m2w2kdq2) = I2 / ki = I′2 (3.19) . . . Ta cĩ: I 1 I 0 I'2 (3.20) I′2 là dịng điện rơto quy đổi về stato, hệ số Ki = m1w1kdq1 / m2w2kdq2 (3.21) Gọi là hệ số quy đổi dịng điện rơto. Ví dụ 3.3. Động cơ khơng đồng bộ ba pha, tần số 50Hz, quay với tốc độ gần bằng 1000vg/ph lúc khơng tải và 970vg/ph lúc đầy tải. 1. Động cơ cĩ bao nhiêu cực từ ? 2. Tính hệ số trượt lúc dầy tải ? 3. Tìm tần số điện áp trong dây quấn rotor lúc đầy tải ? 4. Tính tốc độ của : a. Từ trường quay của rotor so với rotor ? b. Từ trường quay của rotor so với stator ?. c. Từ trường quay của rotor so với từ trường quay stator ?. Giải. Số đơi cực từ của động cơ 60f 60 50 p 1 3 n1 1000 Hệ số trượt khi đầy tải: n n 1000 970 s 1 0.03 n1 1000 Tần số dịng điện trong rơto khi đầy tải: f2 sf1 0.03 50 1.5Hz Tốc độ từ trường quay của roto so với roto: n2 n1 n 1000 970 30vg / ph Tốc độ từ trường quay của roto so với stato: n1 1000vg / ph Ví dụ 3.4. Một động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor dây quấn, tần số 50Hz, 6 cực từ 220V cĩ stator đấu và rotor đấu Y. Số vịng dây hiệu dụng rotor bằng một nửa số vịng dây hiệu dụng stator. Hãy tính điện áp và tần số giữa các vành trượt nếu : a. Rotor đứng yên ?; b. Hệ số trượt rotor bằng 0,04 ?
58 Giải. Điện áp và tần số giữa hai vành trượt khi roto đứng yên: U2 0.5 U1 0.5 220 3 190.52V f2 sf1 1 50 50Hz Khi s = 0.04 ta cĩ: U2s sU2 0.04 190.52 7.621V f2 sf1 0.04 50 2Hz Ví dụ 3.5. Tốc độ khi đầy tải của động cơ khơng đồng bộ tần số 50Hz là 460vg/ph. Tìm số cực từ và hệ số trượt lúc đầy tải ? Giải. 60f 60 50 Số đơi cực từ của động cơ: p 1 6 n1 500 n n 500 460 Hệ số trượt khi đầy tải: s 1 0.08 n1 500 3.6. Sơ đồ thay thế động cơ điện khơng đồng bộ Mục tiêu: - Biết được sơ đồ thay thế của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Vẽ được sơ đồ thay thế - Áp dụng tính tốn máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính tốn ta thành lập một sơ đồ điện, gọi là sơ đồ thay thế động cơ điện. Quy đổi roto về stato E′2 = keE2 = E1 là sđđ pha rơto quy đổi về stato. I′2 = I2 / k1 là dịng điện rơto quy đổi về stato. ke, ki là hệ số quy đổi sức điện động và hệ số quy đổi dịng điện. R′2 = R2keki là điện trở kháng dây quấn rơto quy đổi về stato X2′ = X2keki là điện trở kháng dây quấn rơto quy đổi về stato Keki = k là hệ số quy đổi tổng trở Sơ đồ thay thế chính xác động cơ Z1 R1 jX1  R2 I 2 I2 ai jX2 R’2 I + I o 1  I  Z Ife M U1 V ZP  Z0 E1 jX 1 s Rfe M R _ 2 s Hình 3.11a: Sơ đồ thay thế máy điện KDB3 pha
59 Sơ đồ thay thế gần đúng Hình 3.11b: sơ đồ thay thế máy điện KDB3 pha Cũng tương tự như đã nghin cứu ở máy biến áp hệ phương trình trên là hệ phương trình Kiếcshop cho mạch điện . Mạch điện trên là sơ đồ thay thế động cơ điện khơng đồng bộ. Để thuận tiện cho việc tính tốn, sơ đồ đĩ được xem gần đúng tương đương được sử dụng nhiều trong tính tốn động cơ điện khơng đồng bộ, trong đĩ: R0 = R1 + Rth (3.22) X0 = X1 + Xth (3.23) Ngồi ra nếu lam phép biến đổi đơn giản R' R' (1 S) (3.24) 2 R' 2 S 2 S Sơ đồ thay thế động cơ khơng đồng bộ trong đĩ: Rn = R1 + R′2 (3.25) Xn = X1 + X′2 (3.26) R′(1-s) / s là đặc trưng cho cơng suất cơ Pcơ của động cơ. Ví dụ 3.6. Một động cơ khơng đồng bộ ba pha 40hp, tần số 60Hz, 4 cực từ, 460V cĩ stator đấu Y đang vận hành ở tốc độ 1447 vịng/phút. Cơng suất tổn
60 hao phụ ở tải này là 450W, cịn tổn hao cơ là 220 W. Các thơng số mạch của động cơ qui đổi về stator như sau: R1 = 0,1418  ; R’2 = 1,100  ; Rfe = 212,73  ; X1 = 0,7273  ; X’2 = 0,7284  XM = 21,7  Hãy dùng mạch điện thay thế chính xác để xác định (a) tổng trở vào/pha; (b) dịng điện dây stator Giải Tốc độ đồng bộ: 60f 60 60 n 1 1800vg / ph 1 p 2 Hệ số trượt: n n 1800 1447 s 1 0.1961 n1 1800 Tổng trở tải: 1 s 1 0.1961 Z R 1.1 4.5091 t 2 s 0.1961 Tổng trở mạch từ hĩa: RFe jXM 212.73 j21.7 ZM (2.1908 + j21.4765) RFe jXM 212.73 j21.7 Tổng trở vào của một pha: ZM (Z 2 Zt ) Zv Z1 ZM (Z 2 Zt ) (2.1908 + j21.4765) (1.1 + j0.7284 4.5091) 0.1418 + j0.7273 (2.1908 + j21.4765) (1.1 + j0.7284 4.5091) 4.9877 + j2.5806 = 5.615827.36o Dịng điện stato:  U1 460 o I1 o 42.0029 - j21.732 47.2919-27.36 A Zv 3 5.615827.36 3.7. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ khơng đồng bộ Mục tiêu: - Biết được sơ đồ năng lượng của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Vẽ được sơ đồ năng lượng - Áp dụng tính tốn tổn thất và hiệu suất máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập
61 Động cơ điện khơng đồng bộ nhân điện năng của lưới điện, nhờ từ trường quay, điện năng đượ được biến thành cơ năng. Đồ thị quá trình năng lượng được vẽ trên hình sau. Khi số pha stato m1 = 3 ta cĩ: Hình 3.12: Biểu đồ năng lượng máy điện 3 pha P1 – cơng suất điện động cơ điện tiêu thụ của lưới điện P1 = 3U1I1cosφ Trong đĩ U1, I1 là điện áp pha và dịng điện pha. Pđt – cơng suất điện từ 2 R'2 2 R2 Pdt 3I 2. m2.I 2. (3.27) S S Pcơ –cơng suất điện từ được tính theo 1 S 2 1 S Pco2 3I'2 .R'2 m2 .I 2 .R2 (3.28) S S P2 – cơng suất cơ hữu ích trên trục động cơ P2 = Pcơ - Psf (3.29) Psf : tổn hao do ma sát ổ trục, quạt giĩ và phụ Hiệu suất của động cơ điện: η = P2/P1 = P2/(P2 + P) (3.30) P : tổn hao sắt từ trong lõi thép stato do dịng điện xốy và từ trễ Pđ1 : tổn hao điện trở dây quấn stato 2 Pđ1 = 3R1I 1 (3.31) Pđ2 : tổn hao điện trở dây quấn rơto 2 2 Pđ2 = 3R’2I’ 2 = m2R2I 2 (3.32) Tổn hao sắt từ trong lĩi thép roto nhỏ (cĩ thể bỏ qua) Thơng thường người ta xác định gần đúng hiệu suất như sau: 2 η = P2 / (P2 + P0 + k tPn) (3.33) Trong đĩ : kt = I1 / I1đm (3.34) hệ số tải P0 = Pst + Pcf (3.35) tổn hao khơng tải
62 Pn là tổn hao điện trở dây quấn stato và rơto khi dịng điện bằng định mức Hiệu suất định mứu của động cơ khơng đồng bộ khoảng 0,75 ÷ 0,95 3.8. Momen quay của động cơ khơng đồng bộ ba pha Mục tiêu: - Biết được mơ men của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng tính tốn mơ men quay của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Ở chế độ động cơ điện, mơmen điện từ đĩng vai trị mơmen quay. M = Mdt = Pdt / ω1 (3.36) Pđt là cơng suất điện từ được tính theo 2 Pđt = 3I’ 2(R’2/s) (3.37) ω1 là tần số goc của từ trường quay: ω1 = ω/p là tần số gĩc dịng diện stato p là số dơi cực từ Dựa vào sơ đồ gần đúng, dịng điện I’2 được tính là: U1 I'2 (3.38) R' (R 2 ) 2 (X X ' ) 2 1 S 1 2 Cuối cùng ta cĩ: 2 3PU 1R' M 2 (3.39) R'2 2 2 S (R1 ) (X 1 X '2 ) S Ví dụ 3.6. (Tiếp) Tính dịng rotor; (c) cơng suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến và hệ số cơng suất được cấp từ lưới điện; (d) các tổn hao; (e) cơng suất điện từ, cơng suất cơ; cơng suất ra, hiệu suất; (f) moment điện từ, moment trên đầu trục; (g) vẽ giản đồ năng lượng và ghi các số liệu. Giải. Điện áp trên roto:   ZM (Z2 Zt ) E1 I1 ZM (Z 2 Zt ) (1.9827 + j26.4413) (0.3900 + j2.1510 12.61) 27.7668 37.58o (1.9827 + j26.4413) (0.3900 + j2.1510 12.61) 299.5 - j25.252 = 300.5601-4.8195oV Dịng điện roto:  o  E1 300.5601-4.8195 o I 2 22.1115 - j5.6011= 22.8099-14.2 A Z 2 Zt 0.3900 + j2.1510 12.61
63 Cơng suất lấy từ lưới điện: o S = 3U1I1 3 575 (22.0064 j16.9358) 21917 - j16867 = 27656-37.58 VA S1 = 27656VA P1 = 21917W Q1 = 16867VAr Hệ số cơng suất của động cơ: P 21917 cos = 0.7925 S 27656 Các tổn hao trong máy: 2 2 pCu1 3I1R1 3 27.7668 0.3723 861.247 W 2 2 pCu2 3I 2 R 2 3 22.8099 0.39 608.74 W 2 2 E1 300.5601 pFe 3 3 764.2672W RFe 354.6 Cơng suất của động cơ: I 2R 22.80992 0.39 P 3 2 2 3 20291W dt s 0.03 Pco (1 s)Pdt =(1 - 0.03) 20291 = 19683 W P2 Pco pco - pf = 19683 - 230.5 - 115.3 = 19337 W Hiệu suất của động cơ: P 19337  2 0.8823 P1 21917 Mơ men của động cơ: P 60P 60 20291 M dt dt = 161.4733Nm 1 2 n1 2 1200 P2 60P2 60 19337 M2 = 158.6364Nm  2 (1 s)n1 2 (1 0.03) 1200 3.9. Mở máy động cơ khơng đồng bộ ba pha. Mục tiêu: - Biết được các phương pháp mở máy của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Phân biệt được các phương pháp mở máy - Áp dụng vào thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Quá trình mở máy của động cơ là quá trình đưa tốc độ động cơ từ khi n tăng thì phương trình cân bằng động về moment như sau: d M M M J (3.40) d c j dt Trong đĩ: MĐ, Mc, Mj: moment điện từ của động cơ, moment cản, moment quán tính.
64 G.D2 J : hằng số quán tính 49 g = 9,81m/s2 : gia tốc trọng trường G: trọng trường phần quay D: đường kính phần quay ω: tốc độ gĩc của rotor d Để tốc độ của động cơ tăng thuận lợi thì M M 0 c dt Khi bắt đầu mở máy s = 1: U1pha I mm (4  7)Idm (3.41) 2 2 R1 R2 xn Trên thực tế, mạch từ tản của máy bão hịa nhanh X giảm → I mm cịn lớn hơn nhiều so với trị số tính theo cơng thức trên. * Các yêu cầu khi mở máy - Mơmen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. - Imm càng nhỏ càng tốt - Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. - Tổn hao cơng suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. 3.9.1. Mở máy động cơ lồng sĩc a) Mở máy trực tiếp: là đĩng trực tiếp động cơ vào lưới điện. Dịng điện mở máy lớn, chỉ dùng cho các máy cĩ cơng suất nhỏ. Nếu máy cĩ cơng suất lớn thì dùng trong lưới điện cĩ cơng suất lớn. Phương pháp này mở máy nhanh, đơn giản. L1 L2 L3 N PE F1 1 3 5 K1 2 4 6 F2 3~ Hình 3.13 Mở máy trực tiếp
65 Ưu điểm: Mở máy nhanh và đơn giản Khuyết điểm: Dịng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp lưới rất nhiều, nếu quán tính máy lớn thời gian mở máy lâu sẽ cháy cầu chì bảo vệ. b) Hạ điện áp mở máy Khi mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ, để giảm dịng điện mở máy. Khuyết điểm là mơmen mở máy giảm đi rất nhiều nên dùng cho các trường hợp khơng yêu cầu mơmen mở máy lớn, Chỉ dùng với các thiết bị yêu cầu moment mở máy nhỏ. Dùng cuộn kháng bão hịa trong mạch stator Khi mở máy đĩng D1, D2 mở: Mở máy xong đĩng D2 -Lúc mở máy trực tiếp: U U I dm dm (3.42) D1 mm 2 2 Z Rn xn n 2 / m1Immr2 M mm (3.43) 1 D2 - Lúc mở máy cĩ cuộn kháng (điện kháng x ): k U dm I mmk (3.44) 2 2 Rn xn xk 2 / m1lmmk r2 M mmk (3.45) 1 Từ đĩ, ta cĩ: Hình 3.14. Hạ áp mở máy bằng điện kháng I R 2 x 2 M R 2 x 2 mmk n n k 1 mmk n n k 2 (3.46) 2 2 2 2 I mm M mm R x x Rn xn xk n n k Theo phương pháp này Imm giảm k lần thì Mmm giảm k2 lần. Phương pháp chỉ được dùng trong các trường hợp mà vấn đề trị số M mm khơng cĩ ý nghĩa quan trọng. Dùng biến áp tự ngẫu hạ U mở máy Khi mở máy đĩng D và D , khi n = n đĩng D , ngắt D . 1 3 đm 2 3 Gọi: - U1, I1: là điện áp và dịng điện của lưới. / / - U mm , I mm : điện áp trên cực động cơ và dịng điện stator động cơ. - KT: là tỉ số biến áp (KT < 1) - Zn: là tổng trở một pha. / U mm KT .U1 (3.47) / / U mm U1 I mm kT (3.48) Z n Z n
66 / U1 2 2 I1 I mm kT kT kT I mm (3.49) Z n / U mm I / vì kT / U mm U1kT (3.50) U1 I mm / l1 / 2 I mm ; M mm kT M mm (3.51) kT D1 D2 Y Më m¸y Hình 3.15. Mở máy bằng phương pháp sao tam giác Như vậy, khi mở máy bằng biến áp tự ngẫu dịng điện trong lưới giảm đi k 2 lần so với Imm khi nối trực tiếp. Phương pháp: Y – Δ Chỉ sử dụng với động cơ cĩ 2 cấp điện áp 220/380 và làm việc thường trực ở cấp 220V. Cách mở máy: Đĩng dao đổi nối D 2 về vị trí mở máy (Y). Đĩng D 1. Khi n = nđm đổi D2 sang vị trí làm việc. Hình 3.16 Hạ điện áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu
67 Gọi: UL: là điện áp của lưới. UY: điện áp pha khi dây quấn nối Y, Δ. I mmLY , I mmL : dịng điện mở máy trong lưới khi đấu Y, Δ. I mmfDY , ImmfD : dịng điện mở máy pha trong dây quấn stator khi nối Y, Δ. Zn: tổng trở ngắn mạch một pha. UY U L * Khi đấu Y: ImmLY ImmfDY (3.52) Zn 3.Zn U U L * Nếu đĩng động cơ vào lưới khi đấu Δ: ImmfD (3.53) Zn Zn 3.U L Và ImmL 3.ImmfD (3.54) Zn I U Z 1 Lập: mmLY L . n (3.55) I mmL 3.Z n 3.U L 3 Dịng điện mở máy trong lưới khi nối Y nhỏ hơn nhiều khi nối Δ 3 lần. M mm U 2 cũng giảm đi 3 lần: M  U 2 L . (3.56) mmY Y 3 2 2 Trong khi M mm  U U L . Coi phương pháp này là trường hợp đặc biệt mở máy bằng biến áp tự ngẫu cĩ kT 3 . 3.9.2. Mở máy động cơ rơto dây quấn Khi mở máy dây quấn rơto nối với biến trở mở máy. Lúc đầu biến trở lớn nhất, sau đĩ giảm dần về khơng. (3.57) Mơmen mở máy cực đại khi (3.58) Ưu điểm: Dịng điện mở máy giảm, nhưng Mmm tăng. 3.10. Điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ Mục tiêu: - Biết được phương pháp điều chỉnh tốc độ của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng điều chỉnh tốc độ máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Người ta phân biệt các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo cách tác dụng vào động cơ: - Từ phía stator: Thay đổi điện áp U, tần số f, số đơi cực p.
68 - Từ phía rotor: Thay đổi điện trở trong mạch rotor, đưa vào mạch rotor một s.đ.đ phụ cĩ cùng tần số với s.đ.đ chính của rotor. Điều chỉnh n bằng cách thay đổi số đơi cực: 60 f Tốc độ quay đồng bộ n 1 nếu f đã cho thì khi p thay đổi → n thay 1 p 1 1 đổi → n thay đổi. Sơ đồ nguyên tắc đổi số đơi cực: Cĩ thể đổi nối số đơi     cực stator bằng cách sau: - Đặt vào stator một dây quấn và thay đổi số cực bằng cách đổi nối tương ứng các phần của nĩ, chỉ dùng với a. A1 X A động cơ cĩ 2 cấp tốc độ 2: 1. 1 2 X2 - Chế tạo 2 dây quấn độc lập cĩ số đơi cực khác nhau, chỉ dùng với động cơ cĩ cấp tốc độ 4/3 hoặc 6/5. A   X - Chế tạo 2 dây quấn độc lập trên stator, mỗi cái lại cĩ đổi nối các cực. Ví dụ: muốn cho động cơ cĩ 4 cấp tốc b độ quay đồng bộ 1500, 1000, 750, 500 vịng/1phút thì . A 1 X1 A X trên stator cĩ thể đặt 2 dây quấn: một dây quấn cĩ số 2 2 cực là 2p = 4 và 2p = 8, cịn một dây quấn cĩ số cực là A  X  2p = 6 và 2p = 12. + Phương pháp đấu giữa các pha để đổi cực: Tùy theo cách đấu Y hay Δ và cách đấu dây quấn c. A 1 X1 A2 X2 pha song song hay nối tiếp mà người ta chế tạo động cơ điện hai tốc độ thành hai loại: M = const và P = A X const. Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý về thay đổi số đơi cực Trường hợp đổi từ Y → YY: L1 L1 Ua Bảng cắm dây Ub Ub Vb Wb Wb Z X Y Wa Z Y Ua Ua Va Wa Y X Z X Vb Va Wb Vb Ub L2 L3 L2 L3 Va Wa Hình 3.18 Sơ đồ đấu dây quấn thay đổi cực từ Y sang Y Y tỉ lệ thay đổi tốc độ 2:1 với M = const Khi chuyển từ số đơi cực lớn thành nhỏ hơn cần phải đổi nối các đầu ra của các dây quấn các pha sao cho chiều quay của động cơ vẫn như trước. Trường hợp đấu Y, số đơi cực p2 lớn gấp 2 lần trường hợp YY, để tăng n thì ta đấu theo trường hợp YY. Nếu gọi U L là điện áp lưới và dịng điện
69 định mức cho phép lớn nhất trong nửa pha của dây quấn I f. Bỏ qua điều kiện làm nguội khác nhau thì cĩ thề chấp nhận If giống nhau ở cả 2 tốc độ quay. Đấu Y: IL = If Đấu YY: IL = 2If Cơng suất: P2Y 3U L I f cos (3.59) P2YY 2 Nếu coi ŋ, cosφ = const thì: P2Y P2YY M2Iωl Ta đã biết P=Mω mà l 2ll nên: 2 M2l M2ll const (3.60) P2Y M2Ilωll Đấu Δ → YY: L1 Z Ua Ub Ub Z Wb Wa Y Ua Wa X X Vb Va Wb Y L2 Vb Va L3 Hình 3.19. Sơ đồ đấu dây quấn thay đổi cực từ Δ sang YY tỉ lệ thay đổi tốc độ 2:1 với P = const P 3U I  cos 3U 3I  cos 2 L L L L (3.61) P2YY 3U L I L cos 3U L 2I L cos P 3U 2I  cos 2 2YY L L 1,15 1 P = const M = var P2 3U L 3I L cos 3 n nYY YY n 0 M Hình 3.20. Đặc tính cơ của động cơ điện 2 tốc độ đấu Δ sang YY Thay đổi tần số: 60 f Ta đã biết: n n(1 s) 1 1 s p M.P Kơxtenkơ đã nghiên cứu vấn đề này và chứng minh rằng: Nếu ta muốn cho động cơ làm việc ở những tần số khác nhau với các trị số hiệu suất, hệ số cơng suất, KM khơng đổi, thì khi thép khơng bão hịa, đồng thời với việc biến thiên tần số ta phải điều chỉnh U, theo f và M theo qui luật sau:
70 U / f / M / 1 1 (3.62) U1 f1 M / ' Ở đây: U 1, M là điện áp và moment ứng với f1. U1, M là điện áp và moment ứng với f1. U / f / U Khi M = const: 1 1 1 const (3.63) U1 f1 f1 Tức là điện áp đặt vào động cơ phải tỷ lệ thuận với f. Ta cĩ dạng đồ thị biểu thị quan hệ giữa mơ men của tải và đặc tính cơ của động cơ như sau: n M= const n01 n0đm n02 f11 fđm f12 0 M Hình 3.21. Đặc tuyến Thay đổi tần số khi M=const Khi P = const:Thì moment của động cơ biến thiên tỷ lệ nghịch với n: 1 1 M  M  (3.63) n f1 / / / / 2 / / 2 M f1 U1 f1 f1 U1 f1 U1 Tức là / nên ta cĩ: / 2 / const (3.64) M f1 U1 f1 f1 U1 f1 f1 n 1 M  n n01 n0đm f11 n02 fđm f12 0 M Hình 3.22. Đặc tuyến Thay đổi tần số khi P=const Khi M  n2 (M  f 2 ): / / 2 / / 2 M f1 U1 f1 Ui 2 2 2 const (3.65) M f1 U1 f1 f1 Điện áp đặt vào động cơ phải tỷ lệ thuận với bình phương tần số.
71 n 2 n01 M  n n0đm n02 f11 fđm f12 0 M Hình 3.23. Đặc tuyến Thay đổi tần số khi M=n2 3.11. Động cơ khơng đồng bộ một pha Mục tiêu: - Phân tích được cấu tạo và nguyên lý của máy điện khơng đồng bộ một pha - Phận biệt được các loại máy điện khơng đồng bộ - Cĩ ý thức tự giác trong học tập 3.11.1 Cấu tạo động cơ điện xoay chiều một pha Động cơ điện là thiết bị hoạt động dựa trên hiện tượng lực điện từ cho nên cấu tạo cơ bản của nĩ gồm cĩ bộ phận điện là cuộn dây và bộ phận dẫn từ là lõi thép. Theo kết cấu, động cơ điện bao giờ cũng cĩ hai phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay (rơto) được ngăn cách nhau bằng khe hở khơng khí. Stato là một khối thép hình vành khăn được đặt vừa khít trong một vỏ kim loại. Vỏ này cĩ hai nắp ở hai đầu, chính giữa hai nắp cĩ hai ổ bạc hoặc hai ổ bi. Vỏ và nắp cĩ nhiệm vụ định vị cho rơto và stato được đồng tâm để khi quay, chúng khơng bị va chạm vào nhau. Trong lịng stato người ta khoét các rãnh để đặt các cuộn dây, các cuộn dây này được gọi là các cuộn dây stato, nĩ cĩ nhiệm vụ tạo ra từ trường quay. Tuỳ theo cấu tạo của các cuộn dây stato mà các rãnh này cĩ thể bằng nhau hoặc cĩ thể rộng, hẹp khác nhau. Để chống dịng fucơ sinh nĩng động cơ stato khơng phải được đúc liền một khối mà được ghép bằng lá thép kỹ thuật điện mỏng, bên ngồi của các lá thép được phủ một lớp sơn cách điện. Đa số các stato đều nằm bên ngồi chỉ trong một số trường hợp đặc biệt stato mới được nằm bên trong (các loại quạt trần). Hình 3.15 mơ tả một lá thép stato trong những động cơ thơng dụng. Rơto là một khối thép hình trụ cũng được ghép bằng thép lá kỹ thuật điện mỏng với rãnh ở mặt ngồi. Trong các rãnh cĩ đặt các cuộn dây, gọi là cuộn dây rơto.
72 Các cuộn dây này cĩ nhiệm vụ sinh ra dịng điện cảm ứng để tác dụng tương hỗ với từ trường quay, tạo thành mơmen quay làm quay rơto. Chính giữa tâm của rơto cĩ một trục trịn và thẳng. Trục này sẽ được xuyên qua hai nắp của động cơ ở chỗ ổ bạc hoặc ở bi để truyền chuyển động quay của rơto ra phía ngồi. Rơto này được gọi là rơto quấn dây nĩ cĩ nhược điểm phải sử dụng bộ gĩp bằng chổi quét và vành khuyên nên hay hỏng và sinh nhiễu điện từ. Hình 3.16 mơ tả một lá thép rơto quấn dây của động cơ điện thơng dụng. Đa số các động cơ khơng đồng bộ đang sử dụng trong kỹ thuật và đời sống hiện nay đều sử dụng rơto cĩ cuộn dây thường xuyên ngắn mạch. Loại rơto này cĩ mặt ngồi được xẻ thành những rãnh, bên trong các rãnh cĩ các thanh đồng , nhơm hoặc nhơm pha chì được nối với nhau ở hai đầu tạo thành một cái lồng. Loại rơto này được gọi là rơto ngắn mạch hay rơto lồng sĩc. Mỗi một đơi thanh nhơm cĩ tác dụng như một khung dây khép kín, cả cái lồng hình thành một cuộn dây ngắn mạch
73 3.11.2 Cách tạo ra từ trường quay ở cuộn dây stato động cơ điện xoay chiều một pha. Động cơ điện xoay chiều một pha là loại động cơ cĩ cơng suất nhỏ (cỡ 600W trở lại) nĩ được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật cũng như trong đời sống bởi vì nĩ dùng được ở mạng điện một pha 110V hay 220V thơng dụng (một dây nĩng và một dây nguội). Các động cơ điện xoay chiều một pha cĩ rơto lồng sĩc và cuộn dây một pha đặt trong rãnh stato. Bây giờ ta hãy nghiên cứu các cách tạo ra từ trường quay trong động cơ điện xoay chiều một pha. Nếu trong rãnh lõi thép stato ta chỉ đặt một cuộn dây thì khi cho dịng điện xoay chiều một pha chạy qua trong động cơ chỉ sinh ra từ trường đập mạch (tức là khơng cĩ từ trường quay). Từ trường này cĩ thể phân tích thành hai loại từ trường quay trong khơng gian với vận tốc và độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều nhau. Do vậy mụmen quay tổng hợp ở trên rơto bằng khơng. Kết quả động cơ khơng thể quay được. Lúc này, nếu ta dùng tay mồi cho động cơ quay theo chiều nào đĩ thì nĩ sẽ quay theo chiều ấy nhưng do cĩ mơmen khởi động rất nhỏ nên động cơ quay lờ đờ và gần như khơng kéo được tải. Để khởi động động cơ điện xoay chiều một pha, người ta phải sử dụng những sơ đồ đặc biệt như cuộn dây phụ khởi động hay dùng vũng chập mạch. Bây giờ ta sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về các loại này: 3.11.3 Khởi động động cơ điện xoay chiều một pha. Để tạo ra từ trường quay trong thời gian khởi động, người ta đặt thêm vào trong lừi thép stato một cuộn dây thứ hai gọi là cuộn dây phụ khởi động (thường gọi là cuộn đề hay cuộn dây khởi động). Cuộn thứ nhất gọi là cuộn chạy cuộn cơng tác hay cuộn làm việc. Cuộn dây khởi động được đặt lệch trong khơng gian so với cuộn làm việc một gĩc 90 0 (độ điện) tương tự như cuộn thứ hai của động cơ điện xoay chiều hai pha. Ở đây nĩ là cuộn dây phụ, và đơi khi chỉ dùng trong thời gian khởi động nên kích thước dây nhỏ hơn ở cuộn làm việc. Người ta cũng làm cho dịng điện xoay chiều trong cuộn dây làm việc và cuộn dây khởi động lệch pha nhau 900 về thời gian (1/4 chu kỳ) để cĩ được từ trường quay như ở động cơ điện xoay chiều hai pha người ta đấu nối tiếp cuộn dây khởi động với một cuộn cảm hoặc một tụ điện. Như vậy, động cơ điện sẽ tự khởi động được khi đĩng vào lưới điện một pha. Đấu bằng cuộn cảm dịng điện trong cuộn làm việc và cuộn khởi động 0 khơng bao giờ đạt được lệch pha đúng 90 nên ít được dùng vì cĩ mơmen
74 khởi động nhỏ. Khi đấu bằng tụ điện điều kiện lệch pha gần 90 0 được thực hiện cho nên nĩ được sử dụng rộng rãi do cĩ mơmen khởi động lớn. ~ K ~ K LV LV C 3 K§ L 3 K§ a) b) Hình 3.27. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện xoay chiều một pha: a) Đấu nối tiếp cuộn cảm trong cuộn dây phụ khởi động. b) Đấu nối tiếp tụ điện trong cuộn dây phụ khởi động. Như vậy, động cơ điện xoay chiều một pha dùng cuộn dây phụ khởi động cĩ nguyên tắc hoạt động giống hệt như động cơ điên xoay chiều hai pha. Điểm khác biệt duy nhất ở đây là cả hai cuộn dây của động cơ điện xoay chiều hai pha được quấn cùng cỡ dây cịn cuộn khởi động của động cơ điện xoay chiều một pha được quấn bằng cỡ dây bé hơn cỡ dây của cuộn làm việc. Cĩ thể dùng động cơ điện xoay chiều hai pha để mắc vào động cơ điện xoay chiều một pha, hoặc cũng cĩ thể dùng động cơ điện xoay chiều một pha để mắc vào động cơ điện xoay chiều ba pha, Vậy sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha ở những nơi đĩ sẽ cĩ lợi hơn nhiều vì vừa cĩ khả năng cho cơng suất lớn, vừa cĩ kích thước thu nhỏ gọn lại vừa tiêu tốn ít điện năng hơn. Cịn những nơi chỉ cĩ lưới điện xoay chiều một pha thơng thường (một dây nĩng và một dây nguội) thì đã cĩ động cơ xoay chiều một pha đáp ứng. Vì thế chúng ta hãy coi như động cơ điện xoay chiều hai pha và động cơ điện xoay chiều một pha chỉ là một và gọi chung là động cơ điện xoay chiều một pha. Trong động cơ điện xoay chiều một pha, cuộn dây phụ khởi động cĩ thể được đấu liên tục trong suốt thời gian vận hành nhưng cũng cĩ thể chỉ trong thời gian khởi động động cơ. Đấu liên tục sẽ cho mơmen khởi động lớn nhưng hiệu suất làm việc của động cơ sẽ bị giảm thấp (hiệu suất làm việc được tính là tỷ số giữa cơng suất trên trục động cơ và cơng suất tiêu thụ từ nguồn). Nghĩa là tốn điện và gây nĩng động cơ. Đấu khơng liên tục sẽ cho hiệu suất cao hơn nhưng mơmen khởi động lại giảm thấp.
75 Để cải thiện đặc tính khởi động của động cơ điện xoay chiều một pha cĩ khi người ta sử dụng hai tụ điện, một tụ để khởi động được ngắt ra khi tốc độ động cơ đã lên tới 70 đến 80% tốc độ định mức, và một tụ thường trực luơn luơn đấu nối tiếp với cuộn khởi động. Khi đĩ, cả mơmen khởi động và hiệu suất của động cơ điện đồng thời được nâng cao. Để ngắt cuộn khởi động ra khỏi lưới điện sau khi động cơ đã chạy, người ta thường dùng cơng tắc kiểu li tâm bố trí trên trục của động cơ. Đơi khi người ta cịn dùng rơle từ hoặc rơle nhiệt để thay cho cơng tắc ly tâm. 3.12. Sử dụng động cơ điện ba pha vào lưới điện một pha Mục tiêu: - Biết được phương pháp sử dụng máy điện khơng đồng bộ 3 pha hoạt động ở lưới điện một pha. - Vẽ được sơ đồ đấu nối - Áp dụng đấu nối thực tế - Cĩ ý thức tự giác trong học tập Động cơ 3pha cĩ thể làm việc ở lưới 1pha như động cơ 1pha khi dùng tụ điện mở máy động cơ cĩ thể đạt đến 80% cơng suất định mức. Tuy nhiên người ta thường áp dụng với động cơ cĩ cơng suất nhỏ dưới 2KW . Khi đĩ mỗi động cơ cần phải chọn cho 1 sơ đồ và trị số tụ điện cho phù hợp . Về nguyên tắc chuyển đổi các cuộn dây 3pha sang hoạt động 1pha a. Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ - Sơ đồ hình 3.29a + Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U = Uf I + Điện dung làm việc của tụ điện C 4800 f F (3.66) LV U
76 + Điện áp làm việc của tụ: Uc U Nếu địng điện pha định mức của động cơ ba pha, đơn vị là ampe. - Sơ đồ hình 3.29b + Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U = Uf I + Điện dung làm việc của tụ điện C 1600 f F (3.67) LV U + Điện áp làm việc của tụ điện: Cách đấu dây theo sơ đồ hình 3.29b cĩ ưu điểm hơn sơ đồ hình 3.29a: Mơmen mở máy lớn hơn, lợi dụng cơng suất khá, điện dung của tụ nhỏ hơn, nhưng điện áp trên tụ lớn hơn. b. Khi điện áp nguồn điện 1 pha bằng điện áp dây của động cơ 3 pha. Cĩ thể đấu dây theo sơ đồ sau a. b. Hình 3.29. I - Sơ đồ hình 3.29a + U = U + C 2800 f F +U U (3.68) d LV U c I -Sơ đồ hình 3.29b +U = U C 2740 f F +U 1,15U (3.69) d + LV U c 3.13. Dây quấn động cơ khơng đồng bộ ba pha Mục tiêu: - Biết được sơ đồ dây quấn của máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Vẽ được sơ đồ dây quấn - Biết cách quấn dây máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Áp dụng tính tốn, quấn dây máy điện khơng đồng bộ 3 pha - Cĩ ý thức tự giác trong học tập
77 3.13.1. Dây quấn đồng tâm a. Dây quấn đồng tâm 3 mặt phẳng Đây là dây quấn được hình thành bởi các nhĩm cuộn đồng tâm, dạng dây quấn 1 lớp luơn đấu cực thật, nên cĩ số nhĩm cuộn bằng số từ cực của động cơ. Khi trình bày dạng dây quấn này, phải vẽ thể hiện các đầu cuộn dây của mỗi pha, nằm trên 3 lớp phân cách khác nhau. Hình 3.30: Dây quấn đồng tâm 3 mặt phẳng * Ưu điểm: - Việc lắp đặt bộ dây quấn trên Stato pha vào dây liên tục cả 3 pha, tránh được các mối nối giữa các nhĩm cuộn dây trong cùng 1 pha - Thời gian gia cơng lắp đặt nhanh - Bớt khối lượng dây đồng so với dạng dây quấn đồng tâm 2 mặt phẳng * Nhược điểm: - Các cuộn dây vì nằm ở 3 lớp phân cách nên chốn chỗ nhiều. - Việc giấy cách điện giữa các pha phải cẩn thận - Phải mất thời gian gia cơng thực hiện bộ khuơn đồng tâm. - Cịn tồn tại sĩng bậc 3 ảnh hưởng đến tính năng của động cơ. b. Dây quấn đồng tâm 2 mặt phẳng Được hình thành bởi các nhĩm cuọn dây đồng tâm, dạng dây quấn 1 lớp và luơn đấu cực giả. Chỉ áp dụng cho động cơ cĩ 2p 4, Khi trình bày dạng dây quấn này nên vẽ các đầu cuộn dây của các pha nằm trên hai lớp phân cách. Vì vậy vẽ các nhĩm cuộn của mỗi pha cĩ kích thước khác nhau nhưng thực tế kích thước của các nhĩm cuộn bằng nhau.
78 Hình 3.31: Dây quấn đồng tâm 2 mặt phẳng * Ưu điểm: - Việc lắp đặt dây quấn trên Stato dễ dàng, khi lắp đặt từng nhĩm cuộn được lắp kế tiếp, xong hồn tất 3 pha mới nối lại. - Thời gian gia cơng lắp đặt nhanh, ít tốn lĩt cách điện pha giữa các nhĩm cuộn. - Các dầu dây vì được bố trí trên 2 lớp phân cách nên thu gọn, ít chốn chỗ hơn * Khuyết điểm: - Các dạng nhĩm cuộn đồng tâm thường tốn khối lượng dây đồng nhiều hơn so với dạng nhĩm cuộn đồng khuơn. - Việc thực hiện bộ khuơn đồng tâm mất nhiều thời gian hơn so với bộ khuơn đồng khuơn. - Dây quấn đồng tâm 2, 3 mặt phẳng đều cĩ đầu cuộn dây chốn chỗ nhiều so với dạng dây quấn đồng khuơn. - Cĩ tồn tại sĩng bậc 3 nên cĩ ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của động cơ c. Dây quấn đồng tâm xếp lớp Được hình thành bởi các nhĩm cuộn đồng tâm dạng dây quấn 1 lớp hoặc 2 lớp. Nhưng các nhĩm cuộn dây này được lắp đặt gối chồng lên nhau như xếp lớp. Vì vậy khi vẽ sơ đồ dạng dây quấn này phải thể hiện sự xếp lớp, các nhĩm cuộn được vẽ cĩ kích thước bằng nhau và đầu nhĩm cuộn hình tam giác. * Ưu điểm: - Các cuộn dây xếp lớp nhau nên thu gọn lại - Đối với dây quấn đồng tâm 2 lớp, đầu các cuộn dây được thu ngắn nên tiết kiệm được một ít khối lượng đồng.
79 * Nhược điểm: - Đối với dây quấn đồng tâm 1 lớp khĩ lắp đặt dây hơn so với dạng dây quấn dồng tâm 2 mặt phẳng, thời gian gia cơng lâu. - Việc đấu nối dây của dạng dây quấn đồng tâm 2 lớp cĩ thể bị nhầm lẫn. Hình 3.32. Dây quấn đồng tâm xếp lớp 3.13.2 Dây quấn đồng khuơn a. Dây quấn đồng khuơn 1 lớp Dạng dây quấn này được hình thành bởi các nhĩm cuộn đồng khuơn, lắp đặt chồng xếp lên nhau, cĩ thể thực hiện đấu dây cực thật hay cực giả. Khi vẽ dạng dây quấn này phải vẽ thể hiện sự xếp lớp, cĩ đầu cuộn dây hình tam giác. * Ưu điểm: - Các đầu cĩ sự xếp lớp nên thu gọn - Tiết kiệm được khối lượng dây đồng do bước cuộn dây thường là bước ngắn. - Là bước ngắn nên triệt được sĩng hài bậc 3 - Việc thực hiện bộ khuơn đồng khuơn đỡ tốn thời gian * Nhược điểm: - Thời gian gia cơng lâu - Việc đấu dây cĩ thể bị nhầm lẫn - Hao tốn vật liệu cách điện giữa các pha b. Dây quấn đồng khuơn 2 lớp Cũng như dây quấn đồng khuơn 1 lớp, nhưng mỗi rãnh chứa hai cạnh dây và các nhĩm cuộn dây được xếp chồng lên nhau, cĩ thể thực hiện đấu dây cực từ thật hay cực từ giả. c. Dây quấn đồng khuơn mĩc xích
80 Dạng dây quấn này giống như dây quấn đồng khuơn, chỉ khác hình dạng cuộn dây cĩ dạng hình thang nhằm mục đích cho việclắp đặt dây dễ dàng. Khi vào dây thường vào một số rãnh rồi bỏ trống một số rãnh. 3.13.3 Ký hiệu thường gặp trong sơ đồ trải bộ dây quấn động cơ - Z: Số rãnh trong Stato động cơ -  : Bước cực - q: Số rãnh tác dụng dưới 1 cực của 1 pha - y: Bước quấn dây ( được tính từ cạnh đầu cuộn dây đến cạnh cuối cuộn dây hoặc tính bằng số răng của Stato nằm trong cuộn dây) - Zđấu: Chỉ việc nối giữa nhĩm này sang nhĩm kia của các nhĩm trong 1 pha (tính bằng số rãnh của Stato). - m: Số pha của động cơ Hình 3.33: Sơ đồ trải Khoảng cách 2 pha là khoảng cách giữa hai pha: từ A đến B, từ B đến C Thành phần bộ dây Stato – Cuộn dây: gồm nhiều vịng dây quấn trên lõi khuơn Hình 3.34: Sơ đồ trải dây quấn stato - Nhĩm cuộn dây: gồm nhiều cuộn dây được đấu nối tiếp nhau để tạo thành cực từ của 1 pha - Pha: gồm nhiều nhĩm cuộn dây đấu nối tiếp hoặc đấu song song với nhau để tạo nên số cực trong 1 pha của động cơ Nguyên tắc đấu cực của bộ dây Stato - Số nhĩm cuộn dây trong 1 pha bằng số cực (đấu dây cực từ giả) thì: đấu cuối cuộn dây này với cuối cuộn dây kia và đầu cuộn dây này với đầu cuộn dây kia (Đấu đầu với đầu, cuối với cuối). - Số nhĩm cuộn dây trong 1 pha bằng ½ số cực (dấu dây cực từ thật) thì: đấu cuối cuộn dây này với đầu cuộn kia (đấu đầu với cuối và cuối với đầu)