Giáo trình Máy điện II

62 trang cucquyet12 9220

Download

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

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_may_dien_ii.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện II

tr−ờng đại học BáCH KHOA khoa điện bộ môn: ĐIệN CÔNG NGHIệP máy điện ii máy điện đồng bộ máy điện một chiều máy điện xoay chiều có vμnh góp
Phần thứ t− Máy điện đồng bộ Ch−ơng 1. Đại c−ơng về máy điện đồng bộ - Hầu hết các nguồn điện xoay chiều công nghiệp vμ dân dụng đều đ−ợc sãn xuất từ máy phát điện đồng bộ. - Động cơ đồng bộ đ−ợc dùng trong các tải lớn vμ có thể phát ra công suất phản kháng - Máy bù đồng bộ để nâng cao hệ số công suất 1.1 Phân loại vμ kết cấu m.đ.đ.b 1. Phân loại Theo kết cấu cực từ: Máy cực ẩn (2p = 2); Máy cực lồi (2p ≥ 4) Dựa theo chức năng: Máy phát (Tuabin n−ớc; tuabin hơi; diêzen); Động cơ ( P ≥ 200 KW); máy bù đồng bộ 2. Kết cấu. Hình 1-1 mô tả máy phát đồng bộ Hình 1-1. Máy phát điện đồng bộ cực lồi cực lồi công suất vừa vμ hình 1-2 lμ máy phát tuabin hơi (máy cực ẩn). Hình 1-2 Máy phát đồng bộ cực ẩn: 1. bệ máy; 2. lỏi thép stato; 3. Vỏ máy; 4. Giá đở stato; 5. ống dẫn chống cháy; 6. Dây quấn stato; 7. Vμnh ép stato; 8. Lá chắn ngoμi; 9. Lá chắn trong; 10. Lá chắn thông gió; 11. Che lá chắn; 12. Cán chổi; 13. Tay giữ chổi; 14. Chổi; 15. ổ trục; 16. Miếng lót; 17. ống phun dầu; 18. Giá đở ống phun; 19. Tấm mỏng; 20. Rôto; 21. Cực; 22. Máy kích thích Kết cấu của stato của máy điện đồng bộ hoμn toμn giống nh− stato của m.đ.k.đ.b, nên ở đây chỉ giới thiệu phần kết cấu của rôto. Máy điện 2 1
a) Kết cấu máy đồng bộ cực ẩn Rô to máy đồng bộ cực ẩn đ−ợc lμm bằng thép hợp kim, gia công thμnh hình trụ vμ phay rãnh để bố trí dây quấn kích thích. Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực của máy. Mặt cắt ngang của lỏi thep rôto nh− hình 1-3. Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để hạn chế lực ly tâm D ≤ 1,1 - 1,15 m, để tăng công suất ta tăng chiều dμi rôto l đến 6,5m. Dây quấn kích thích th−ờng lμ dây đồng trần tiết diện hình chử nhật, quấn theo chiều dẹt thμnh từng Hình 1-3 Mặt cắt ngang lỏi thép bối, giữa các vòng dây có một lớp cách điện bằng mica mỏng. Các bối dây đ−ợc ép chặt trong các rãnh rôto sau đó miệng rãnh đ−ợc kín bằng thanh thép không từ tính. Hai đâud ra của dây quấn kích thích đ−ợc nối với 2 vμnh tr−ợc gắn trên trục. Máy phát kích thích th−ờng đ−ợc nối cùn trục với rôto. b) Kết cấu máy cực lồi. Máy cực lồi th−ờng quay với tốc độ thấp nên Hình 1-4. Cực từ của máy đồng bộ cực lồi đ−ờng kính rôto có thể lớn tới 15m, trong khi 1. Lá thép cực từ; 2. Dây quấn kích thích; chiều dμi lại bé. Th−ờng l/D = 0,15 - 0,2. 3. Đuôi cực từ; 4. Nêm; 5. Lỏi thép rôto Với các máy nhỏ vμ vừa rôto đ−ợc lμm bằng thép đúc, gia công thμnh khối lăng trụ trên có các cực từ, hình 1-4. Với các máy công suất lớn rôto đ−ợc ghép từ các lá thép dμy từ 1-6 mm, dập định hình vμ ghép trên giá đở rôto. Cực từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dμy từ 1-1,5 mm. Dây quấn kích thích đ−ợc quấn định hình vμ lồng vμo thân cực từ, hình 1.4 Trên bề mặt cực từ có một bộ dây quấn ngắn mạch, nh− Hình 1-5. Dây quấn cản dây quấn lồng sóc của m.đ.k.đ.b. Với máy phát điệnđây lμ hoặc dây quấn mở máy dây quấn còn với động cơ lμ dây quấn mở máy, nh− hình 1.5 Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản. 1.2 Hệ thống kích từ. 1. Yêu cầu đối với hệ kích từ. - Khi lμm việc bình th−ờng có khả năng điều chỉnh đ−ợc dòng điện kích từ It = Ut/rt để duy trì điện áp định mức. - Có khả năng c−ỡng bức dòng kích từ tăng nhanh khi điện áp l−ới giảm thấp do có ngắn mạch ở xa. Th−ờng trong UU− khoảng 0,5 giây phải đạt tm )5,0( tdm ≈ 2 , nh− hình 1-6. U tdm Hình 1-6. C−ởng bức kích thích - Triệt từ kích thích khi có sự cố bằng điện trở triệt từ RT Máy điện 2 2
2. Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ. a) Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ. Máy phát điện 1 chiều kích thích th−ờng có 2 cuôn dây kích thích: 1 cuộn song song Ls dùng để tự kích thích vμ 1 cuộn độc lập Ln, hình 1.7. b) Kích từ bằng máy phát kích từ xoay chiều có chỉnh l−u, hình 1.8a lμ máy kích từ có phần cảm quay vμ phần ứng tĩnh vμ hình 1-8b lμ máy phát kích từ có phần cảm tĩnh vμ phần ứng quay c) Hệ thống tự kích thích hổn hợp, hình 1-9, theo sơ đồ nμy điện áp vμ dòng điện kích từ sẽ tỷ lệ với UT vμ UI của biến điện áp TU vμ biến dòng điện TI. Hình 1-7 Kích từ bằng máy phát kích từ một chiều Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh Hình 1-8 Máy kích từ xoay chiều có chỉnh l−u Hình 1-9 Hệ thống tự kích thích hổn hợp của máy điện đồng bộ Máy điện 2 3
1.3 Nguyên lý lμm việc cơ bản của máy điện đồng bộ Khi ta đ−a dòng điện kích thích một chiều it vμo dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện it sẽ tạo nên một từ thông φt. Nếu ta quay rôto lên đến tốc độ n (vg/ph), thì từ tr−ờng kích thích φt sẽ quét qua dây quấn phần ứng vμ cảm ứng nên trong dây quấn đó S.Đ.Đ vμ dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f1 = p.n/60. Trong đó p lμ số đôi cực của máy. Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ) nh− hình 1.10. Khi máy lμm việc dòng điện phần ứng I− chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ tr−ờng quay (đã biết ở Hình 1-10 Nguyên lý LVCB phần 2 MĐ). Từ tr−ờng nμy quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60.f1/p. Nh− vậy ở máy điện đồng bộ ta thấy: n = n1 chính vì vậy mμ ta gọi nó lμ máy điện đồng bộ. 1.4 Các trị số định mức. Kiểu máy; số pha; tần số (Hz); công suất định mức (kW hay KVA); điện áp dây (v); Sơ đồ dấu dây stato; Các dòng điện stato vμ rôto; Hệ số công suất; Tốc độ quay (vg/ph); Cấp cách điện. Máy điện 2 4
Ch−ơng 2. Từ tr−ờng trong máy điện đồng bộ 2.1 Đại c−ơng. Từ tr−ờng trong m.đ.đ.b bao gồm: Từ tr−ờng cực từ Ft do dòng điện kích thích it vμ từ tr−ờng phần ứng F− dòng điện phần ứng I− tạo nên. Khi không tải (I = 0), trong máy chỉ có từ tr−ờng Ft. Nếu roto quay Ft quét qua dây quấn stato vμ cảm ứng nên trong đó S.đ.đ không tải E0 Khi có tải (I ≠ 0) , trong máy ngoμi Ft còn có F−. Với máy 3 pha F− lμ từ tr−ờng quay, từ tr−ờng nμy bao gồm từ tr−ờng cơ bản vμ từ tr−ờng bậc cao. Trong đó từ tr−ờng cơ bản lμ quan trọng nhất. Tác dụng của từ tr−ờng phần ứng F− lên từ tr−ờng cực từ Ft gọi lμ phản ứng phần ứng. Khi mạch từ không bảo hoμ ta xét riêng Ft vμ F− rồi xếp chồng để đ−ợc Fδ. Trong ch−ơng nμy ta cũng xác định các điện kháng do các từ tr−ờng trên sinh ra. 2.2 Từ tr−ờng của dây quấn kích thích (Ft). 1. Máy cực lồi. Sức từ động của một cực từ: w i F = t t 2-1 t 2p Từ thông do Ft sinh ra khi p = 2 nh− hình 2.1. Trong đó: φt lμ từ thông chính, nó đi qua khe hở không khí vμ móc vòng với dây quấn Stato; φσt lμ từ thông tản của cực từ. Sự phân bố của từ tr−ờng vμ từ cảm trong khe hở nh− hình 2.1 vμ 2.2. Hình 2.1 Sự phân bố của từ tr−ờng kích thích Hình 2.2 Phân bố của từ cảm trong khe hở Máy điện 2 5
Trên hình 2.2 sự khác nhau giữa từ cảm cơ bản vμ từ cảm kích từ BtB đ−ợc biểu thị qua hệ số dạng sóng. Btm1 kt = )( 2 - 2 Btm Trong đó: Btm1B lμ biên độ của sóng từ cảm cơ bản; BtmB lμ trị số cực đại của từ cảm kt ∈δm/δ; α = bc / τ. Th−ờng δm/δ = 1-2,5; α = 0,67-0,75 vμ kt = 0.95-1,15 Từ 2.2 ta có: μ0Ft μ0 wt .it Btm1 = kt .Btm = .kt = .kt (2-3) kδ .kμd .δ kδ .kμd .δ 2p kδ lμ hệ số khe hở ; kμd lμ hệ số bão hoμ dọc trục cực từ. Từ thông ứng với sóng cơ bản 2 μ0 τ.lδ wt .it φ t1= Btm1.τ .lδ = . . kt (2-4) π 2 kδ .kμd .δ p Từ thông móc vòng Ψt−d = w.kdq.Φt1.cosωt vμ sức điện động hổ cảm trong dây quấn stato dΨt−d e = − = ω.w.k Φ sinω t= E sinω t 0 dt dq t1 0m Khi rô to quay với tốc độ góc ω = 2.π.f thì từ thông móc vòng với dây quấn phần ứng sẽ lμ: ψt−d = W.kdq.φt1.cosωt Sức điện động hổ cảm trong dây quấn sẽ lμ: dΨ e = −tud = ω.W.k φ .sinω .t= E .sinω .t 0 dt dq t1 0m μ0 τ.lδ Wt .k t Trong đó: E0m = ω.W.kdq . .it =ω .Mud .i t = x ud .i t 2 5 - πkδ .k μd . δ p Vậy hệ số hổ cảm của dq kích thích vμ dq phần ứng lμ μ0 τ.lδ Wt .k t Mud = . 2 6 - πkδ .k μd . δ p vμ điện kháng hổ cảm x−d = ω.M−d 2 7 - Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích. Lt = Ltδ + Lσt 2 8 - Với: Lσt lμ hệ số tự cảm do từ tr−ờng tản gây ra (tra tμi liệu TK); Ltδ lμ hệ số tự cảm do từ tr−ờng khe hở φtδ gây ra. Nếu gọi kφ lμ tỷ số giữa diện tích giới hạn bởi đ−ờng 1 vμ đ−ờng 2 hình 2.2 thì. 2 W.tφ tδ μ0 τ.lδ Wt φtδ = kφ.φt1 ⇒ Ltδ = = . .kt .k φ 2 9 - i t πkδ .k μd . δ p Máy điện 2 6
2. Máy cực ẩn. Hình 2.3 biểu diễn sự phân bố của từ cảm cực từ vμ sóng cơ bản. Lấy trục cực từ lμm gốc ta tính đ−ợc. π (1−γ).π π γπ sin 2 2 4 2 4 2 2 π 4 B = B cosα d αα = B cosα dα + . B( − α).cosα.dα = 2 B tm1 ∫ t ∫ tm ∫ tm γπ tm π π π 0 π (1−γ)π γ.π 2 π − 2 2 2 Vậy với máy cực ẩn: γπ sin Btm1 4 2 k t = = . 2-10 Btm π γπ 2 Th−ờng γ = 0,6 - 0,85, nên kt = 1,065 - 0,965. 2 1 − .γ π 3 Hệ số hình dáng kφ = . 2-11 2 k t Hệ số hổ cảm vμ tự cảm của máy cực ẩn cũng đ−ợc xác định theo biểu thức 2.6 vμ 2.9. 2.3 Từ tr−ờng phần ứng. Khi máy điện đồng bộ lμm việc từ tr−ờng do Hình 2.3 Sự phân bố của từ cảm cực từ dòng điện I− chạy trong dây quấn Stato sinh ra gọi lμ từ tr−ờng phần ứng F−. Tác dụng của F− lên Ft gọi lμ phản ứng phần ứng. Tuỳ thuộc vμo tính chất của tải vμ dạng cực từ mμ phản ứng phần ứng có các dạng khác nhau. 1. Phản ứng phần ứng ngang trục vμ dọc trục Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha đ−ợc t−ợng tr−ng bằng một vòng dây, thời điểm xét I& A = Im; I& B = I& C = - Im/2 a/ Khi tải thuần trở. Khi tải đối xứng vμ thuần trở, I& vμ E& trùng pha nhau (ψ = 0). Tại thời điểm xét iA = Im nên F− ≡ I& A ≡ E& A còn s.t.đ F&A sinh ra eA = E& Am sẽ v−ợt pha tr−ớc E& A một góc π/2. Nh− vậy trong tr−ờng hợp nμy F&u − ⊥ F&t , phản ứng phần ứng lμ ngang trục. Đồ thị véc tơ thời gian I& , E& Hình 2. 4 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở vμ không gian F&u , F&t nh− hình 2.4 Máy điện 2 7
b/ Khi tải thuần cảm. E& A v−ợt pha tr−ớc I& A một góc π / 2 vμ F&t v−ợt pha tr−ớc E& A một góc π /2, nên F&u vμ F&t trùng ph−ơng nh−ng ng−ợc chiều, phản ứng phần ứng lμ dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian I& , E& vμ không gian F&u , F&t nh− hình 2.5 Hình 2.5 Phản ứng phần ứng khi tải thuần cảm c/ Khi tải thuần dung. E& A chậm pha so với I& A một góc π / 2 vμ F&t v−ợt pha tr−ớc E& A một góc π /2, nên F&u vμ F&t trùng ph−ơng, chiều với nhau nên, phản ứng phần ứng lμ dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian I& , E& vμ không gian F&u , F&t nh− hình 2.6 d/ Khi tải hổn hợp. Hình 2.6 Phản ứng phần ứng khi tải thuần dung E& A lệch so với I& A một góc ψ, ta phân F&u thμnh 2 thμnh phần: F−d = F−.sinψ - dọc trục F−q = F−.cosψ - ngang trục Vậy khi 0 < ψ < π/2, phản ứng phần ứng lμ ngang trục vμ khử từ Vậy khi -π/2 < ψ < 0, phản ứng phần ứng lμ ngang trục vμ trợ từ Hình 2.7 Phản ứng phần ứng khi tải có tính 2. Từ cảm do từ tr−ờng phần ứng vμ các điện kháng t−ơng ứng. a/ Máy đồng bộ cực ẩn. Với máy đồng bộ cực ẩn δ đều, nếu mạch từ không bảo hoμ thì từ trở lμ hằng số, nh− vậy nếu F− lμ sin thì B−B cũng sin. μ 0 μ 0 m. 2 W.kdq Bum = .Fu = .I 2-12 kδ .k μ .δ kδ .k μ .δ π p 2 2.μ 0 .τ .lδ m. 2 W.kdq vμ φu = .Bum . τ .lδ = 2 .I 2-13 π kδ .k μ .δ π p Sức điện động phần ứng do từ thông φ− cảm ứng nên có trị số: 2 2 ω Eu μ 0 .τ .lδ W .kdq Eu = W.kdq .φ u = π. 2.f.W.kdq .φ u vμ xu = = 4.m.f. 2-14 2 Iu π.kδ.k μ .δ p Th−ờng x− = 1,1 - 2,3 Máy điện 2 8
b/ Máy đồng bộ cực lồi. Máy đồng bộ cực lồi δ dọc trục vμ ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ lμ sin nh−ng từ cảm sẽ không sin. Sự không sin của B−B còn phụ thuộc vμo tính chất của tải. Để thuận lợi ta phân F− ứng với một tải bất kỳ thμnh hai thμnh phần dọc trục vμ ngang trục nh− hình 2.8 Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ vμ từ cảm dọc trục vμ ngang trục Ta có: m. 2 W.k m. 2 W.k FF=.sinψ = dq I.sinψ = dq I 2-15 ud u π p π p d m. 2 W.k m. 2 W.k FF= .cosψ = dq I.cosψ = dq I 2-16 uq u π p π p q vμ từ cảm t−ơng ứng. μ 0 μ 0 Budm = Fud vμ Buqm = Fuq 2 7 1 - kδ .k μd .δ kδ .k μq .δ Thực tế B−B d vμ B−B q phân bố không sin, phân tích thμnh sóng cơ bản vμ sóng bậc cao. Với các sóng cơ bản ta có hệ số dạng sóng: B Budm1 uqm1 kud = vμ kuq = 2 8 1 - Budm Buqm Các hệ số k−d vμ k−q phụ thuộc vμo α, δm/δ, δ/τ đ−ợc tính sẵn trong tμi liệu thiết kế Các điện kháng t−ơng ứng xác định nh− máy cực ẩn: 2 2 Eud μ0 . τ .lδ W .k dq xud = = 4.m.f. k ud 2 9 1 - Id π.kδ .k μd . δ p 2 2 Euq μ0 . τ .lδ W .k dq xuq = = 4.m.f. k uq 2 0 2 - Iq π.kδ .k μq . δ p Th−ờng: x−d = 0,5 - 1,5; x−q = 0,3 - 0,9 Máy điện 2 9
2.4 Quy đổi các S.T.Đ trong máy điện đồng bộ Chế độ lμm việc xác lập, tải đối xứng tác dụng của F− lên Ft lμ trợ từ hoặc khử từ. Để đánh giá đ−ợc mức độ ảnh h−ởng đó ta phải quy đổi F− về Ft vμ nh− vậy khi xét các đặc tính lμm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục toạ độ vμ đ−ờng cong không tải E = f(it). Chế độ quá độ ta phải quy đổi ng−ợc lại Ft về F−. Việc quy đổi phải đảm bảo điều kiện: Btm1B = B −m1 2 1 2 - Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có: μ 0 μ 0 Btm1= k t .B tm = k t . .Ft vμ BBum1 =tm = .Ft 2-22 kδ .k μ .δ kδ .k μ .δ Fu 1 Vậy Fu′ = = ku .F u hay k u = k t k t Với máy cực lồi theo h−ớng dọc trục: μ 0 μ 0 Btm1= k t .B tm = k t . .Ft vμ Budm1 = kud .Budm = kud . .Fud 2-23 kδ .k μd .δ kδ .k μd .δ Sức từ động phần ứng dọc trục đã quy đổi về s.t.đ cực từ: k ud FFud′ =ud = Fud .k d với kd = k−d / kt k t Cũng vậy, theo h−ớng ngang trục: k uq FFuq′ =uq = Fuq .k q với kq = k−q / kt k t Các hệ số kd vμ kq phụ thuộc vμo α, δm/δ, δ /τ đ−ợc tính sẵn trong tμi liệu thiết kế. Máy điện 2 10
Ch−ơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại c−ơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các ph−ơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng l−ợng vμ công suất điện từ của máy điện đồng bộ. 3.2 Ph−ơng trình điện áp vμ đồ thị véc tơ. Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha. Đối với máy phát điện: U&&&= Eδ − I(ru + jxσ u ) 3 1 - Đối với động cơ vμ máy bù đồng bộ: U&&&= Eδ + I(ru + jxσ u ) 3 2 - Trong đó: U lμ điện áp đầu cực của máy, r− vμ xσ− lμ điện trở vμ điện kháng tản của dây quấn phần ứng; Eδ lμ s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ tr−ờng khe hở. Khi mạch từ không bảo hoμ, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có: EEE&&&δ =0 + u 3-3 Khi mạch từ bảo hoμ ta phải xác định FFF&&&δ =0 + u rồi suy ra E&δ 1. Tr−ờng hợp máy phát điện. a/ Khi mạch từ không bảo hoμ. Giả sử tải đối xứng vμ có tính cảm (0 < ψ < 900) -/ Máy cực ẩn: Ph−ơng trình cân bằng điện áp lμ: U&&&&= E + Eu − I(r u + jxσ u ) 3-4 Ch−ơng 2 ta đã xác định đ−ợc E&&u = − jI xu nên Hình 3.1 Đồ thị s.đ.đ máy phát đồng bộ cực ẩn U&&&= E − j.I(xu + jxσu ) − I.r&&&&u = E − jI.xdb − I.ru 3 5 . trong đó xđb = x− + xσ− lμ điện kháng đồng bộ, th−ờng xđb = 0,7 - 1,6 Đồ thị véc tơ nh− hình 3.1 - / Máy cực lồi. Ta phân s.t.đ phần ứng F− thμnh F−d vμ F−q, từ thông t−ơng ứng với các s.t.đ đó sẽ cảm nên các s.đ.đ: E&&ud = − jId x ud vμ E&&uq = − jIq x uq Ph−ơng trình cân bằng điện áp có dạng. Máy điện 2 11
U&&&&&= EE +ud + Euq − I(ru + x)σu = E&&&&& − jIxud − jIxuq − jIxσu − Iru 3.6 Đồ thị véc tơ nh− hình 3.2 có tên gọi lμ đồ thị Blondel Véc tơ − j I& xσ u do từ thông tản của từ tr−ờng phần ứng sinh ra không phụ thuộc vμo từ dẫn h−ớng dọc vμ ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể phân tích chúng theo 2 h−ớng dọc vμ ngang trục: −j.Ix&&& = − j(Ix cosψ− Ix sin ψ ) = σu σu σu = −jI&&q xσ u − jI d xσ u vμ ph−ơng trình điện áp đ−ợc viết lại: Hình 3.2 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi U&&&= E − jId (x ud + xσu ) − jI(x& uq + xσu ) − Ir&&&&&u = E − jId x d − jI q x q − Ir u 3 7 . Trong đó: xd = x−d + xσ− gọi lμ điện kháng đồng bộ dọc trục, th−ờng xd = 0,7 - 1,2 xq = x−q + xσ− gọi lμ điện kháng đồng bộ ngang trục, th−ờng xq = 0,46 - 0,76 Đồ thị véc tơ ứng với ph−ơng trình 3.7 nh− hình 3.3 b/ Khi mạch từ bảo hoμ. Khi mạch từ bảo hoμ vì các hệ số kμd vμ kμq rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết hợp đồ thị s.t.đ vμ s.đ.đ với đ−ờng cong không tải. Đồ thị nμy đ−ợc gọi lμ đồ thị s.t.đ.đ, có tên lμ đồ thị Pôchiê. - Máy cực ẩn: Giả sử U, I, cosϕ, r−, xσ− vμ đặc tính không tải đã biết, để thμnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U vμ véc tơ I chậm sau U một góc ϕ. Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Máy điện 2 12
Cộng U với &rI u vμ j I& xu đ−ợc E&δ . Trên trục hoμnh đặt F&δ rồi cộng F&δ với KFu& u hợp với 0 trục hoμnh một góc 90 + (ϕ + δ), tìm đ−ợc F&0 . Từ đồ thị nμy xác định đ−ợc ΔU = E - Uđm, th−ờng = (5 - 10)% - Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thμnh lập chính xác đồ thị véc tơ lμ rất khó, vì φd vμ φq hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo hoμ theo 2 h−ớng lại khác nhau. Nh− vậy x−d vμ x−q phụ thuộc cả vμo φd vμ φq. Để đơn giản ta coi x−d chỉ phụ thuộc vμo φd vμ x−q chỉ phụ thuộc vμo φq vμ kμq đã biết. Khi đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir− vμ jI.xσ− đ−ợc E&δ , hình 3.5a, theo h−ớng jI.xσ− vẽ đoạn E CD =I.x = uq vμ xác uq cosψ định đ−ợc ph−ơng của E. Trị số x−q có thể tính hoặc lấy bằng 1,1 - 1,15. Từ hình 3.5b ta cũng xác định đ−ợc CD qua OA = F'−q = kq.F−q, sau đó xác định đ−ợc Eδd a) b) = OF = MP, lấy MN = F'−d = Hình 3-6 Cách xây dựng đồ thị véc tơ s.t.đ.đ kd.F−d chiếu lên ta đ−ợc E của máy đồng bộ cực lồi 2. Tr−ờng hợp động cơ điện. Động cơ điện đồng bộ có cấu tạo cực lồi vì vậy ph−ơng trình điện áp sẽ lμ: U&&&=++ Eδ I() ru jxσu =++++ E&&&& Eud Euq I() ru jxσu =+ E&&&& jId x d + jI q x q + Ir u 3.8 a) b) Hình 3-6 Đồ thị véc tơ Động cơ đồng bộ Hình 3-7 Giản đồ năng l−ợng a) Thiếu kích thích; b) Quá kích thích a) máy phát; b) động cơ 3.3 Giản đồ năng l−ợng của máy điện đồng bộ Máy phát: Pđt = P1 - (pcơ + pt + pf) vμ P2 = Pđt - pcu - pfe Động cơ: Pđt = P1 - pcu - pfe vμ P2 = Pđt - (pcơ + pt + pf) Máy điện 2 13
3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 1. Đặc tính góc công suất tác dụng. P = f(θ) khi E = const, U = const, với θ lμ góc tải giữa véc tơ E vμ U. Để đơn giản ta bỏ qua r− vì nó rất bé so với (xđb, xd, xq). Công suất đầu cực của máy đồng bộ bằng: P = mUIcosϕ Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có: E − Ucosθ U.sinθ Id = , Iq = vμ ϕ = ψ - θ 3.9 xd xq Do đó: P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ - θ) = mU(Icosψ.cosθ + Isinψ.sinθ) P = mU(Iq.cosθ + Id.sinθ), thay Id vμ Iq vμo ta có: mU 2 mEU mU 2 P = sin θcos θ + sin θ − sin θcos θ xq xd xd Hình 3-8 Sự tạo nên PU Hay mUE mU 2 1 1 P = sinθ + ( − )sin2θ = Pe + Pu 3.10 xd 2 xqx d Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần. Một phần Pe tỷ lệ với sinθ vμ phụ thuộc vμo kích từ; một phần Pu tỷ lệ với sin2θ không phụ thuộc vμo kích từ. Nh− vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một l−ợng nhỏ lμ Pu. Ng−ời ta ứng dụng điều nμy để chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vμi chục oát. UE - Với máy đồng bộ cực ẩn vì xd = xq nên P= m sinθ 3.11 xdb Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh− hình 3.9 Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn Máy điện 2 14
2. Đặc tính góc công suất phản kháng. Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ đ−ợc tính: Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ - θ) = mU(Isinψ.cosθ + Icosψ.sinθ) Q = mU(Id.cosθ - Iq.sinθ) Thay Id vμ Iq vμo ta có: mUE mU 2 1 1 mU 2 1 1 Q = cosθ + ( − )cos2θ − ( + ) xd 2 xqx d 2 xqx d Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ nh− hình 3.11. Khi -θ' < θ < +θ' máy phát công suất phản kháng vμo l−ới, ngoμi phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng. Hình 3-10 Từ tr−ờng khe hở a) máy phát, b) động cơ Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi Máy điện 2 15
Ch−ơng 4. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải đối xứng 4.1 Đại c−ơng. Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đ−ợc đặc tr−ng bởi các đại l−ợng: U, I, It , cosϕ vμ tần số f hoặc tốc độ n. Trong đó f = fđm; cosϕ phụ thuộc vμo tải còn lại 3 đại l−ợng U, I, It xác định cho ta các đặc tính. 1. Đặc tính không tải U = f(It) khi I = 0; f = fđm 2. Đặc tính ngắn mạch In = f(It) khi U = 0; f = fđm 3. Đặc tính ngoμi U = f(I) khi It = cte; f = fđm; cosϕ = Cte 4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = cte; f = fđm; cosϕ = Cte 5. Đặc tính tải U = f(It) khi I = cte; f = fđm; cosϕ = Cte Các đặc tính trên đ−ợc xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm. Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; ΔU vμ các tham số xd; xq; xσ− 4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ. Sơ đồ thí nghiệm nh− hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 1. Đặc tính không tải. (E = U = f(It) khi I = 0 vμ f = fđm) Hệ đơn vị t−ơng đối E* = E/Eđm ; It* = It / Itđm0 Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi dòng điện kích từ ta nhận đ−ợc đ−ờng đặc tính không tải, nh− hình 4.2 Đ−ờng (1) máy phát tourbin hơi, đ−ờng (2) máy phát tourbin n−ớc. Ta thấy máy phát tourbin hơi bảo hoμ nhiều hơn máy phát tourbin n−ớc. Khi E = Eđm = 1 máy phát tourbin hơi có kμd = kμ = 1,2 còn máy phát tourbin n−ớc có kμ = 1,06 Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin n−ớc Máy điện 2 16
2. Đặc tính ngắn mạch, In = f(It) khi U = 0, f = fđm vμ tỷ số ngắn mạch K Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r− thì tải của máy phát lμ dây quấn của phần ứng nên nó đ−ợc coi lμ thuần cảm ψ = 0, Iq = Icosψ = 0 còn Id = Isinψ = I Mạch điện thay thế vμ đồ thị véc tơ nh− hình 4.3, ta có E&&0 = + j I xd 4.1 Khi ngắn mạch vì từ thông φδ cần thiết để sinh ra Eδ = E - Ix−d = Ixσ− rất bé nên mạch từ không bảo hoμ do đó quan hệ I = f(It) lμ đ−ờng thẳng, hình 4.4 Tỷ số ngắn mạch K. Đây lμ tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch In0 ứng với dòng điện It sinh ra E = Uđm lúc không tải vμ dòng điện định mức Iđm K = I / I 4.2 n0 đm Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ Từ hình 4.5 ta suy ra: In0 = Uđm / xd 4.3 Với xd lμ điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm Vậy K = Uđm / xd.Iđm = 1/ xđ* Th−ờng xđ* > 1 nên K < 1, hay In0 < Iđm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn, đó lμ do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng. Qua hai tam giác đồng dạng OAA' vμ OBB' ta có: I I K =n0 = t 0 4.4 I dm I tn It0 ⇒ U0 = Uđm vμ Itn ⇒ In = Iđm K lμ một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K K lớn ⇒ ΔU bé vμ Pđt lớn ⇒ máy lμm việc ổn định, muốn K lớn thì xđ* phải lớn ⇒ δ lớn ⇒ kích th−ớc của máy lớn ⇒ giá thμnh tăng. Th−ờng máy phát tourbin n−ớc K = 0,8 - 1,8; vμ tourbin hơi K = 0,5 - 1,0 Máy điện 2 17
3. Đặc tính ngoμi vμ độ thay đổi điện áp ΔUđm Đặc tính ngoμi: U = f(I) khi It = Cte; cosϕ = Cte ; f = fđm Các đ−ờng đặc tính ngoμi phụ thuộc vμo tính chất tải nh− hình 4.6 Dòng điện kích từ It ứng với U = Uđm, I = Iđm, cosϕ = cosϕđm vμ f = fđm đ−ợc gọi lμ dòng điện kích từ định mức Itđm Độ thay đổi điện áp ΔUđm EU0 − dm ΔU dm % = 100 4.5 U dm Máy phát tourbin hơi có xd lớn hơn máy phát Hình 4.6 Đặc tính ngoμi của tourbin n−ớc nên ΔUđm% của nó lớn hơn máy phát máy phát điện đồng bộ tourbin n−ớc. Th−ờng ΔUđm% = (25 - 35)% 4. Đặc tính điều chỉnh It = F(I) khi U = Uđm = Cte, cosϕ = Cte vμ f = fđm. Th−ờng cosϕđm = 0,8 (điện cảm), khi I tăng từ 0 đến Iđm với U = Uđm thì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2 lần 5. Đặc tính tải U = f(It) khi I = Cte, cosϕ = Cte ; f = fđm Theo quan hệ trên, với các giá trị khác nhau của I vμ cosϕ ta sẽ có các đ−ờng đặc tính tải khác nhau. Trong Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh đó đặc biệt nhất lμ đ−ờng đặc tính tải thuần cảm, khi 0 cosϕ = 0, (ϕ = 90 ) vμ I = Iđm (đ−ờng 3 trên hình 4.8) Hình 4.8 Đặc tính tải thuần cảm Hình 4.9 Đồ thị s.đ.đ máy đồng bộ tải thuần cảm Bỏ qua r− ta vẽ đ−ợc đồ thị véc tơ nh− hình 4.9 Máy điện 2 18
Tam giác điện kháng: Lấy In = Iđm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục hoμnh đ−ợc điểm C. Thì OC = Itn (dòng điện kích từ), dòng điện Itn gồm 2 phần: Một phần BC = k−d.F−d khắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC ∼ Iđm Một phần CB = OC - BC sinh ra Eσ− = Iđm.xσ− = AB Nh− vậy tam giác ABC có 2 cạnh AB vμ BC tỷ lệ với Iđm. Xây dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải vμ tam giác điện kháng. Tịnh tiến ΔABC (hoặc ΔAOC) sao cho đỉnh A năm trên đ−ờng (1) thì đỉnh C sẽ vẽ nên đ−ờng (3) với ΔA'B'C' Khi có xét đến bảo hoμ đ−ờng (3) lμ đ−ờng đứt nét với ΔA"B"C" (hoặc O"A"C"). 4.3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ 1. xd vμ xq E AC xd = = 4.6 I n AB Quan hệ xd = f(It) lμ đ−ờng (3) khi mạch từ không bảo hoμ, ta có: E∞ AD xd∞ = = = const 4.7 I n AB E x vì ∞ = k nên x = d∞ 4.8 μd d Hình 4.10 Xác định điện kháng E k μd đồng bộ dọc trục Máy cực lồi th−ờng xq = 0,6.xd; Máy cực ẩn xd = xq = xđb 2. Điện kháng tản xσ−. Từ một điểm C' bất kỳ trên đ−ờng (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đ−ờng // với OA cắt đ−ờng (1) tại A', từ A' hạ A'B'⊥ C'O' thì xσ− = A'B'/ I Khi xét đến bảo hoμ xp = A"B"/I xp > xσ− lμ điện kháng Pôchiê Máy cực ẩn xp = (1,05 - 1,1) xσ− Máy cực lồi xp = (1,1 - 1,3) xσ− 4.5 Tổn hao vμ hiệu suất 2 Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng pcu = I .r− Tổn hao thép: do dòng điện xoáy vμ từ trễ Tổn hao kích từ: trên rt vμ tiếp xúc chổi than Tổn hao phụ: do từ tr−ờng tản vμ sự đập mạch của từ tr−ờng bậc cao Tổn hao cơ: ma sát ổ bị, ổ đỡ, lμm mát P Hiệu suất của máy η = 2 = th−ờng η = 0,98 % P2 + ∑ p Máy điện 2 19
Ch−ơng 5. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại c−ơng. Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi - Tải của 3 pha không bằng nhau. - Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng th−ờng gây nên các hiện t−ợng bất lợi, nh−: điện áp không đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung. Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng ph−ơng pháp phân l−ợng đối xứng. Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ng−ợc vμ không. I&a 1 1 1 I&1 2 I&b = a a 1 I&2 5 1 - 2 I&c a a 1 I&0 U& a 1 1 1 U&1 2 U& b = a a 1 U& 2 5 2 - 2 U& c a a 1 U& 0 trong đó: a = ej2π /3; a2 = ej4π /3; 1 + a + a2 = 0 Dòng điện kích từ it chỉ sinh ra s.đ.đ ứng với thμnh phần thứ tự thuận E0 = E1 còn các s.đ.đ thứ tự ng−ợc vμ không, không tồn tại E2 = Et0 = 0 nh− vậy: EUIZ&&&1= 1 + 1 1 ; 0 =UIZ&&2 + 2 2 ; 0 =UIZ&&0 + 0 0 5 3 - Từ các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 ta suy ra UEIZIZIZ&&&&&a =()0 − 1 1 − 2 2 − 0 0 ⎫ 2 ⎪ U&&&&&b = a() E0 − I 1 Z 1 − aI2 Z 2 − I 0 Z 0 ⎬ 5 4 - 2 ⎪ U&&&&&c = a() E0 − I 1 Z 1 − a I2 Z 2 − I 0 Z 0 ⎭ Các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 lμ cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng. Nó gồm 9 ph−ơng trình có chứa 12 ẩn số, (E0, Z1; Z2; Z0 đã biết), muốn giải đ−ợc tuỳ từng tr−ờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 ph−ơng trình nữa. 5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng. 1. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 Tổng trở thứ tự thuận Z1 chính lμ tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x1 = xđb máy cực ẩn, máy cực lồi lμ xd theo h−ớng dọc trục vμ xq theo h−ớng ngang trục. 2. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 S.t.đ của hệ thống ng−ợc, quay ng−ợc với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ t−ơng đối của nó so với rô to lμ 2n1. Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rôto có tần số 2f . Với máy cực lồi nếu ta coi rôto đứng yên thì từ tr−ờng quay ng−ợc có tốc độ 2n1 lμ do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 900 vμ không gian 900 tạo nên, hình 5-1. Máy điện 2 20
Nh− vậy từ tr−ờng do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục nh− hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo h−ớng dọc trục nh− hình 5-2 vμ ngang trục nh− hình 5-3. Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 H−ớng dọc trục có Hình 5-3 H−ớng ngang trục có đồng bộ ứng với thứ tự ng−ợc dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b) Trên các mạch điện thay thế: xσ− điện kháng tản phần ứng; x−d điện kháng dọc trục phần ứng; x−q điện kháng ngang trục phần ứng; xσt điện kháng tản của dây quấn kích thích; xσcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xσcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản. Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định đ−ợc điện kháng dọc trục vμ ngang trục. - Khi có dây quấn cản: - Khi không có dây quấn cản 1 1 x′′ = x + 55-x′ = x + 5-6 dσ u 1 1 1 dσ u 1 1 + + + xud xσ t x σcd xu d xσ t 1 x′′ = x + 5 7x′ = x -+ x = x 5-8 qσ u 1 1 qσ u u q q + xu q xσcq x′′ + x′′ Nh− vậy khi có dây quấn cản x = d q , th−ờng x′′ ≈ x′′ nên x= x′′ = x′′ 5-9 2 2 d q 2 d q x′ + x′ Khi không có dây quấn cản x = d q 05 1 - 2 2 Th−ờng xσ− < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6. Điện trở thứ tự ng−ợc r2 = r− + rr/2 (Với rr lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng). Xác định x2 vμ r2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vμo dây quấn stato quay rôto ng−ợc chiều từ tr−ờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2 của một pha từ đó tính đ−ợc: U 2 P2 2 2 Z 2 = ; r2 = 2 ; x2 = z2 − r2 I 2 I 2 Máy điện 2 21
3. Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha nhau về không gian một góc 1200 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha về không gian 1200. Khi phân tích các s.t.đ thμnh các sóng điều hoμ thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 lμ tồn tại, nh− 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích vμ dây quấn cản bởi từ tr−ờng đó rất bé, do đó x0 chủ yếu do từ tr−ờng tản rảnh vμ đầu nối gây nên. Với máy cực ẩn x0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x0* = 0,02 - 0,20. Điện trở thứ tự không r0 lớn hơn r− không nhiều nên th−ờng coi r0 = r−. Các tham số Z0; r0; x0 có thể xác định bằng thực nghiệm. Nối nối tiếp 3 pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vμo vμ cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U0; P0 vμ I0 từ đó suy ra: U 0 P0 2 2 Z 0 = ; r0 = 2 ; x0 = Z0 − r0 3I 0 3I 0 5.3 ảnh h−ởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thμnh phần thứ tự thuận vμ ng−ợc, còn thμnh phần thứ tự không th−ờng rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha th−ờng đ−ợc nối Y vμ trung tính nối đất. Từ tr−ờng do dòng điện thứ tự ng−ợc th−ờng gây nên các hiện t−ơng bất lợi cho máy phát, nh−: Điện áp không đối xứng lμm tăng tổn hao, rôto nóng vμ máy rung động. 1. Điện áp khi tải không đối xứng. Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa lμ chúng có biên độ không bằng nhau vμ góc lệch pha khác 1200. Điều nμy ảnh h−ởng xấu đến hộ dùng điện. 2. Tổn hao tăng vμ rôto nóng. Khi tải không đối xứng từ tr−ờng quay ng−ợc sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lμm tăng tổn hao ở rôto vμ lμm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao vμ giảm hiệu suất. 3. Hiện t−ợng máy rung. Khi tải không đối xứng do tác dụng t−ơng hổ giữa từ tr−ờng cực từ với từ tr−ờng quay ng−ợc của stato vμ từ tr−ờng quay thuận với từ tr−ờng của các dòng điện có tần số 2f ở rôto. chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi vμ lực đập mạch với tần số 2f tác dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lμm cho máy bị rung động vμ gây ồn. Th−ờng chỉ cho phép máy đồng bộ lμm việc lâu dμi với tải không đối xứng khi dòng điện các pha không v−ợt quá định mức vμ mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá 10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi. Máy điện 2 22
5.4 Ngắn mạch không đối xứng. 1. Ngắn mạch một pha. Giả sử pha a bị ngắn mạch mạch, hình 5-4, ta có: U& a = 0 5-12 II&&b= c = 0 5-13 Hình 5-4 Ba ph−ơng trình nμy kết hợp với 9 ph−ơng trình (5-1); (5-2) vμ Ngắn mạch 1 pha (5-4) thμnh hệ thống 12 ph−ơng trình 12 ẩn số vμ giải đ−ợc. Tr−ớc hết ta có: II&&a= n1 5 4 1 - Từ (5-13) vμ (5-1) ta suy ra: II &&1= 2 5 5 1 - 1 1 IIIII&&&&&= = = = 5 6 1 - 0 1 2 3 a3 n1 Thay (5-16) vμo (5-4) ta đ−ợc: E& 0 III&&&0= 1 = 2 = 5 7 1 - ZZZ1+ 2 + 0 vμ dòng điện ngắn mạch một pha có trị số: 3E& 0 III&&&n1 = a =3 0 = 5 8 1 - ZZZ1+ 2 + 0 Điện áp các pha b vμ c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4). Bỏ qua r− ta có đồ thị véc tơ của dòng điện vμ điện áp khi ngắn mạch một pha, hình 5-5. Hình 5-6 Mạch điện thay Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 1 pha thế khi ngắn mạch một pha Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế nh− hình 5-6. Với E0 biểu thị nguồn của máy phát với tổng trở thự tự thuận Z1. vμ chổ ngắn mạch Z2; Z0 giữa điểm M vμ N. Mạch điện thay thế hình 5-6 hoμn toμn phù hợp với biểu thức (5-17). Điện áp U1 giữa hai điểm M vμ N đặc tr−ng cho chổ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z2 vμ Z0 lμ U2 vμ U0. Mạch điện thay thế nμy có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong l−ới điện phức tạp. Lúc đó Z1; Z2 vμ Z0 lμ các tổng trở thự tự thuận, ng−ợc vμ không của l−ới. Máy điện 2 23
2. Ngắn mạch hai pha. Giả sử ngắn mạch hai pha b vμ c nh− hình 5-7, ta có: UU&&b= c 5-19 I &a = 0 5 0 2 - II&&+ = 0 5-21 a c Hình 5-7 Ngắn mạch Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha tr−ớc hết ta cộng hai pha máy phát đ.b các ph−ơng trình (5-1) sau đó kết hợp với (5-20); (5-21) vμ (5-22)t ta đ−ợc: I&0 = 0;U& 0 = 0; II&&1+ 2 = 0 . Từ (5-19) suy ra UU&&b− c = 0 thế vμo ph−ơng trình (5-2) ta có: UU&&1= 2 , thay vμo (5-3) đ−ợc: E& EZZI& 0=() 1 + 2& 1 hay lμ II&&1 = −2 = ZZ1+ 2 2 2 − j3 E& 0 Cuối cùng ta đ−ợc I&&&&&n2 = I b = − IaIaIc =1 + 2 =( aaI − )&&1 = − jI 3 1 = (5-22) ZZ1+ 2 Bỏ qua r− ta có đồ thị véc tơ dòng điện vμ điện áp khi ngắn mạch hai pha nh− hình 5-8 vμ mạch điện thay thế nh− hình 5-9. Hình 5-9 Mạch điện thay Hình 5-8 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 2 pha thế khi ngắn mạch 2 pha Từ sự phân tích ở trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha ở ch−ơng nμy vμ ngắn mạch 3 pha ở ch−ơng 4 ta thấy: Vì Z1 > Z2 > Z0 nên theo các biểu thức (5-18); (5-22) vμ (4-1) thì với cùng một giá trị E nh− nhau sẽ có In1 > In2 > In3. Nh− vậy ngắn mạch 1 pha sẽ có dòng điện lớn nhất. Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên thì tác dụng của phản ứng phần ứng khử từ cũng tăng lên nên dòng điện ngắn mạch giảm xuống. Máy điện 2 24
Ch−ơng 5. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại c−ơng. Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi - Tải của 3 pha không bằng nhau. - Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng th−ờng gây nên các hiện t−ợng bất lợi, nh−: điện áp không đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung. Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng ph−ơng pháp phân l−ợng đối xứng. Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ng−ợc vμ không. I&a 1 1 1 I&1 2 I&b = a a 1 I&2 5 1 - 2 I&c a a 1 I&0 U& a 1 1 1 U&1 2 U& b = a a 1 U& 2 5 2 - 2 U& c a a 1 U& 0 trong đó: a = ej2π /3; a2 = ej4π /3; 1 + a + a2 = 0 Dòng điện kích từ it chỉ sinh ra s.đ.đ ứng với thμnh phần thứ tự thuận E0 = E1 còn các s.đ.đ thứ tự ng−ợc vμ không, không tồn tại E2 = Et0 = 0 nh− vậy: EUIZ&&&1= 1 + 1 1 ; 0 =UIZ&&2 + 2 2 ; 0 =UIZ&&0 + 0 0 5 3 - Từ các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 ta suy ra UEIZIZIZ&&&&&a =()0 − 1 1 − 2 2 − 0 0 ⎫ 2 ⎪ U&&&&&b = a() E0 − I 1 Z 1 − aI2 Z 2 − I 0 Z 0 ⎬ 5 4 - 2 ⎪ U&&&&&c = a() E0 − I 1 Z 1 − a I2 Z 2 − I 0 Z 0 ⎭ Các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 lμ cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng. Nó gồm 9 ph−ơng trình có chứa 12 ẩn số, (E0, Z1; Z2; Z0 đã biết), muốn giải đ−ợc tuỳ từng tr−ờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 ph−ơng trình nữa. 5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng. 1. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 Tổng trở thứ tự thuận Z1 chính lμ tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x1 = xđb máy cực ẩn, máy cực lồi lμ xd theo h−ớng dọc trục vμ xq theo h−ớng ngang trục. 2. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 S.t.đ của hệ thống ng−ợc, quay ng−ợc với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ t−ơng đối của nó so với rô to lμ 2n1. Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rôto có tần số 2f . Với máy cực lồi nếu ta coi rôto đứng yên thì từ tr−ờng quay ng−ợc có tốc độ 2n1 lμ do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 900 vμ không gian 900 tạo nên, hình 5-1. Máy điện 2 25
Nh− vậy từ tr−ờng do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục nh− hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo h−ớng dọc trục nh− hình 5-2 vμ ngang trục nh− hình 5-3. Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 H−ớng dọc trục có Hình 5-3 H−ớng ngang trục có đồng bộ ứng với thứ tự ng−ợc dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b) Trên các mạch điện thay thế: xσ− điện kháng tản phần ứng; x−d điện kháng dọc trục phần ứng; x−q điện kháng ngang trục phần ứng; xσt điện kháng tản của dây quấn kích thích; xσcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xσcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản. Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định đ−ợc điện kháng dọc trục vμ ngang trục. - Khi có dây quấn cản: - Khi không có dây quấn cản 1 1 x′′ = x + 55-x′ = x + 5-6 dσ u 1 1 1 dσ u 1 1 + + + xud xσ t x σcd xu d xσ t 1 x′′ = x + 5 7x′ = x -+ x = x 5-8 qσ u 1 1 qσ u uq q + xu q xσcq x′′ + x′′ Nh− vậy khi có dây quấn cản x = d q , th−ờng x′′ ≈ x′′ nên x= x′′ = x′′ 5-9 2 2 d q 2 d q x′ + x′ Khi không có dây quấn cản x = d q 05 1 - 2 2 Th−ờng xσ− < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6. Điện trở thứ tự ng−ợc r2 = r− + rr/2 (Với rr lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng). Xác định x2 vμ r2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vμo dây quấn stato quay rôto ng−ợc chiều từ tr−ờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2 của một pha từ đó tính đ−ợc: U 2 P2 2 2 Z 2 = ; r2 = 2 ; x2 = z2 − r2 I 2 I 2 Máy điện 2 26
3. Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha nhau về không gian một góc 1200 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha về không gian 1200. Khi phân tích các s.t.đ thμnh các sóng điều hoμ thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 lμ tồn tại, nh− 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích vμ dây quấn cản bởi từ tr−ờng đó rất bé, do đó x0 chủ yếu do từ tr−ờng tản rảnh vμ đầu nối gây nên. Với máy cực ẩn x0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x0* = 0,02 - 0,20. Điện trở thứ tự không r0 lớn hơn r− không nhiều nên th−ờng coi r0 = r−. Các tham số Z0; r0; x0 có thể xác định bằng thực nghiệm. Nối nối tiếp 3 pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vμo vμ cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U0; P0 vμ I0 từ đó suy ra: U 0 P0 2 2 Z 0 = ; r0 = 2 ; x0 = Z0 − r0 3I 0 3I 0 5.3 ảnh h−ởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thμnh phần thứ tự thuận vμ ng−ợc, còn thμnh phần thứ tự không th−ờng rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha th−ờng đ−ợc nối Y vμ trung tính nối đất. Từ tr−ờng do dòng điện thứ tự ng−ợc th−ờng gây nên các hiện t−ơng bất lợi cho máy phát, nh−: Điện áp không đối xứng lμm tăng tổn hao, rôto nóng vμ máy rung động. 1. Điện áp khi tải không đối xứng. Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa lμ chúng có biên độ không bằng nhau vμ góc lệch pha khác 1200. Điều nμy ảnh h−ởng xấu đến hộ dùng điện. 2. Tổn hao tăng vμ rôto nóng. Khi tải không đối xứng từ tr−ờng quay ng−ợc sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lμm tăng tổn hao ở rôto vμ lμm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao vμ giảm hiệu suất. 3. Hiện t−ợng máy rung. Khi tải không đối xứng do tác dụng t−ơng hổ giữa từ tr−ờng cực từ với từ tr−ờng quay ng−ợc của stato vμ từ tr−ờng quay thuận với từ tr−ờng của các dòng điện có tần số 2f ở rôto. chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi vμ lực đập mạch với tần số 2f tác dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lμm cho máy bị rung động vμ gây ồn. Th−ờng chỉ cho phép máy đồng bộ lμm việc lâu dμi với tải không đối xứng khi dòng điện các pha không v−ợt quá định mức vμ mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá 10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi. Máy điện 2 27
5.4 Ngắn mạch không đối xứng. 1. Ngắn mạch một pha. Giả sử pha a bị ngắn mạch mạch, hình 5-4, ta có: U& a = 0 5-12 II&&b= c = 0 5-13 Hình 5-4 Ba ph−ơng trình nμy kết hợp với 9 ph−ơng trình (5-1); (5-2) vμ Ngắn mạch 1 pha (5-4) thμnh hệ thống 12 ph−ơng trình 12 ẩn số vμ giải đ−ợc. Tr−ớc hết ta có: II&&a= n1 5 4 1 - Từ (5-13) vμ (5-1) ta suy ra: II &&1= 2 5 5 1 - 1 1 IIIII&&&&&= = = = 5 6 1 - 0 1 2 3 a3 n1 Thay (5-16) vμo (5-4) ta đ−ợc: E& 0 III&&&0= 1 = 2 = 5 7 1 - ZZZ1+ 2 + 0 vμ dòng điện ngắn mạch một pha có trị số: 3E& 0 III&&&n1 = a =3 0 = 5 8 1 - ZZZ1+ 2 + 0 Điện áp các pha b vμ c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4). Bỏ qua r− ta có đồ thị véc tơ của dòng điện vμ điện áp khi ngắn mạch một pha, hình 5-5. Hình 5-6 Mạch điện thay Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 1 pha thế khi ngắn mạch một pha Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế nh− hình 5-6. Với E0 biểu thị nguồn của máy phát với tổng trở thự tự thuận Z1. vμ chổ ngắn mạch Z2; Z0 giữa điểm M vμ N. Mạch điện thay thế hình 5-6 hoμn toμn phù hợp với biểu thức (5-17). Điện áp U1 giữa hai điểm M vμ N đặc tr−ng cho chổ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z2 vμ Z0 lμ U2 vμ U0. Mạch điện thay thế nμy có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong l−ới điện phức tạp. Lúc đó Z1; Z2 vμ Z0 lμ các tổng trở thự tự thuận, ng−ợc vμ không của l−ới. Máy điện 2 28
2. Ngắn mạch hai pha. Giả sử ngắn mạch hai pha b vμ c nh− hình 5-7, ta có: UU&&b= c 5-19 I &a = 0 5 0 2 - II&&+ = 0 5-21 a c Hình 5-7 Ngắn mạch Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha tr−ớc hết ta cộng hai pha máy phát đ.b các ph−ơng trình (5-1) sau đó kết hợp với (5-20); (5-21) vμ (5-22)t ta đ−ợc: I&0 = 0;U& 0 = 0; II&&1+ 2 = 0 . Từ (5-19) suy ra UU&&b− c = 0 thế vμo ph−ơng trình (5-2) ta có: UU&&1= 2 , thay vμo (5-3) đ−ợc: E& EZZI& 0=() 1 + 2& 1 hay lμ II&&1 = −2 = ZZ1+ 2 2 2 − j3 E& 0 Cuối cùng ta đ−ợc I&&&&&n2 = I b = − IaIaIc =1 + 2 =( aaI − )&&1 = − jI 3 1 = (5-22) ZZ1+ 2 Bỏ qua r− ta có đồ thị véc tơ dòng điện vμ điện áp khi ngắn mạch hai pha nh− hình 5-8 vμ mạch điện thay thế nh− hình 5-9. Hình 5-9 Mạch điện thay Hình 5-8 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 2 pha thế khi ngắn mạch 2 pha Từ sự phân tích ở trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha ở ch−ơng nμy vμ ngắn mạch 3 pha ở ch−ơng 4 ta thấy: Vì Z1 > Z2 > Z0 nên theo các biểu thức (5-18); (5-22) vμ (4-1) thì với cùng một giá trị E nh− nhau sẽ có In1 > In2 > In3. Nh− vậy ngắn mạch 1 pha sẽ có dòng điện lớn nhất. Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên thì tác dụng của phản ứng phần ứng khử từ cũng tăng lên nên dòng điện ngắn mạch giảm xuống. Máy điện 2 29
Phần V Máy điện một chiều Ch−ơng 6. Dây quấn phần ứng máy điện một chiều. 6.1 Đại c−ơng. Đây lμ phần dây quấn đặt trong các rãnh của lỏi thép phần ứng, nó có thể có 1 hoặc nhiều mạch vòng kín. Dây quấn phần ứng lμ bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng l−ợng điện từ trong máy vμ chiếm tỷ giá đáng kể của giá thμnh máy. Yêu cầu đối với dây quấn phần ứng: - Sinh ra đ−ợc S.đ.đ cần thiết, cho Iđm đi qua lâu dμi mμ không phát nóng quá mức cho phép. Sinh ra đ−ợc mômen đủ lớn vμ đổi chiều tốt. - Tiết kiệm đ−ợc vật liệu, kết cấu đơn giản, lμm việc tin cậy vμ an toμn. - Phân loại dây quấn: Dây quấn xếp đơn giản, phức tạp Dây quấn sóng đơn giản, phức tạp 1. Cấu tạo của dây quấn phần ứng. Hình 1.2 Phần Hình 1.1 (a) dây quấn xếp, (b) dây quấn Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối với nhau theo quy luật xếp hoặc sóng, nh− hình 1.1. Phần tử lμ phần cơ bản nhất của dq, nó lμ một bối dây có 1 hoặc nhiều vòng. Hai đầu của 1 phần tử nối với 2 phiến góp Dây quấn phần ứng th−ờng đ−ợc thực hiện 2 lớp, nên 2 cạnh tác dụng của 1 phần tử đ−ợc phân bố, 1 ở lớp trên vμ 1 ở lớp d−ới, hình 1.2. Trong một rãnh có thể có 1 hoặc nhiều cặp cạnh tác dụng, hình 1.3. Gọi Z lμ số Hình 1.3 (a) u Hình 1.4 (a) dq rãnh thực (số rãnh của lõi thép phần = 1, đồng đều ứng) vμ Zngt = u.Z lμ số rãnh nguyên tố (số rãnh chứa các cặp cạnh tác dụng). Gọi S lμ số phần tử, G lμ số phiến góp, ta có quan hệ: S = G = Zngt = u.Z Khi u > 1 các phần tử dây quấn có thể thực hiện đồng đều hoặc phân cấp, hình 1.4 Máy điện 2 30
2. Các b−ớc dây quấn. B−ớc dây quấn thứ nhất, ký hiệu y1, lμ khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng của 1 phần tử B−ớc dây quấn thứ 2, ký hiệu y2, lμ khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ 2 của phần tử thứ nhất vμ cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai B−ớc tổng hợp, ký hiệu y, lμ khoảng cách giữa các cạnh tác thứ nhất của phần tử thứ nhất vμ phần tử thứ hai B−ớc phiến góp, ký hiệu yG, lμ khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai đầu ra của một phần tử. 6.2 Dây quấn xếp đơn giản 1. Các b−ớc dây quấn. a) B−ớc dây quấn thứ nhất. Z B−ớc dây quấn thứ nhất, hình 1.5 đ−ợc tính: y =ngt ± ε 1.1 1 2p Nếu ε ≠ 0 dùng dây quấn b−ớc ngắn đở tốn đồng hơn. b) B−ớc y vμ yG Dây quấn xếp đơn giản y = yG = 1 1.2 c) B−ớc dây quấn thứ hai. Dây quấn xếp đơn giản y2 = y1 - y 1.3 Hình 1.5 B−ớc y1: (a) b−ớc đủ, (b) b−ớc ngắn, (c) 2. Giản đồ khai triển dây quấn Xét dây quấn xếp đơn giản có Zngt = S = G = 16; 2p = 4 Lớp trên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 a) Các b−ớc dây quấn: Z ngt 16 y = ±ε = = 4 1 2 p 4 dqb−ớc đủ y = yG = 1 vμ y2 = y1 - 1 = 4 - 1 = 3 b) Thứ tự nối các phần tử vμ giản đồ khai triển dây quấn, hình 1.6 Quy −ớc: - Cạnh phần tử lớp trên vẽ bằng nét liền, lớp d−ới nét đứt - Vị trí cực từ phải đối xứng, bề rộng Hình 1.4 Giản đồ khai triển dây bc = bG = 0,7τ. - Chiều quay, chiều s.đ.đ Hình 1.6 Giản đồ khai triển dq xếp - Chổi than đặt chính giữa trục cức từ để có Emax vμ dòng điện trong phần tử bị nối ngắn mạch bé. Máy điện 2 31
3. Số đôi mạch nhánh song song. Xác định chiều s.đ.đ theo quy tắc bμn tay phải thì chiều A1 vμ A2 lμ cực (+), còn B1B vμ B2B lμ cực (-). Nối A1 với A2 vμ B1B với B2B nhìn từ ngoμi vμo ta đ−ợc sơ đồ nh− hình 1.7. 4. Đa giác sức điện động của dây quấn phần ứng. Nếu từ cảm d−ới cực từ phân bố hình sin thì Ept lμ hình sin vμ ta có thể biểu diễn Ept bằng 1 véc tơ mμ trị tức thời lμ hình chiếu lên trục tung. Góc lệch giữa 2 rãnh nguyên tố kề nhau. p.360 0 p.360 0 Hình 1.7 Sơ đồ ký hiệu α = = 1.4 của Zngt S Với thí dụ ở trên ta tính đ−ợc α = 450 vμ vẽ đ−ợc hình tia vμ đa giác s.đ.đ, hình 1.8 Hình 1.8 (a) hình sao sức điện động, (b) đa giác sức điện - Đa giác s.đ.đ khép kín chứng tỏ tổng s.đ.đ trong mạch vòng bằng 0 điều kiện lμm việc bình th−ờng không có dòng cần bằng - Hình chiếu đa giác s.đ.đ lên trục tung lμ E− vμ thấy có sự đập mạch s.đ.đ - Mỗi đa giác s.đ.đ ứng với một đôi mạch nhánh - Đỉnh của đa giác s.đ.đ lμ các điểm đẳng thế, có thể nối dây cân bằng. 5. Sự đập mạch của điện áp ra. Hình 1.9 Sự đập mạch của sức U1= U 2 cosα /2) ; UU+ 1 U = 1 2 =(1 + cosα /2) 1.5 tb 2 2 Máy điện 2 32
1 ΔU =UUUU − = − =U (1 − cosα /2) 1 6 . 2 tb tb 1 2 2 Sự đập mạch đ/a ra đ−ợc biểu thị trên hình 1.9 vμ đ−ợc xác định: ΔU 0,5.U (1− cosα /2) = 2 = tg2 α /2 1 7 . Utb 0,5.U2 (1+ cosα /2) p.360 0 180 0 180 0 α = = = Khi G/2p = 8 thì độ đập mạch < 1% S S/2p G/2p 6.3 Dây quấn xếp phức tạp. 1. B−ớc dây quấn. Sự khác nhau giữa dq xếp đơn vμ xếp phức lμ ở b−ớc phiến góp yG . Dq xếp phức có yG = m (m = 2, 3 ) th−ờng m = 2. Nếu yG = 2 thì cạnh tác dụng của phần tử thứ nhất không nối với phần tử thứ 2 mμ nối với phần tử thứ 3, cứ thế cho đến khi khép kín mạch. Nếu đi hết chu vi phần ứng mμ một nửa số phần tử đ−ợc chừa ra, ta thực hiện tiếp mạch vòng thứ hai. Dq xếp phức bây giờ gồm 2 dq xếp đơn xen kẽ nhau, hình 1.10. Hình 1.10 Nối các pt ở dq 2. Giản đồ khai triển dq. Xét dq xếp phức tạp có yG = m = 2 với 2p = 4; Znt = S = G = 24. a) Các b−ớc dq. Z 24 y =±==nt ε 6; y == y 2; y =−=−= y y 6 2 4 1 2p 6 G 2 1 b) Trình tự nối các phần tử. Với các b−ớc dây quấn đã xác định ở trên, ta thực hiện trình tự nối dây quấn vμ đ−ợc 2 dây quấn xếp đơn độc lập với nhau, nh− hình bên. c) Giản đồ khai triển dây quấn Theo thứ tự nối các phần tử dây quấn ta vẽ đ−ợc giản đồ khai triển nh− hình 1.11 d) Hình tia vμ đa giác s.đ.đ Với số liệu dây quấn trên ta xác định đ−ợc góc lệch giữa hai phần tử Hình 1.11 Giản đồ khai triển dq xếp phức liên tiếp lμ: p360 0 2.360 0 α = = = 30 0 S 24 Từ đấy vẽ đ−ợc hình tia vμ đa giác s.đ.đ nh− hình 1.12 Máy điện 2 33
3. Số mạch nhánh song song Dây quấn sóng phức tạp có số đôi mạch nhánh song song lμ a = mp. Với dây quấn đang xét có số đôi mạch nhánh song song a = mp = 2.2 = 4 Z Khi y =nt ± ε nếu ε = 0 ta có 1 2 p dây quấn xếp phức gồm 2 mạch điện độc lập, còn nếu ε ≠ 0 ta có 2 mạch điện không độc lập nh− hình 1.13. a) Hình 1.13 Dây quấn có: a) 2 mạch điện kín độc lập; b) không độc lập Hình 1.12 Hình tia vμ đa giác s.đ.đ của dq 6.4 Dây quấn sóng đơn 1. B−ớc dq. B−ớc dây quấn thứ nhất nh− dây quấn xếp đơn; G± 1 B−ớc dây quấn tổng hợp y= y = 1 8 . G p Biểu thức 1.8 khi lấy dấu (-) ta có dây quấn trái (th−ờng dùng), lấy dấu (+) ta có dây quấn phải B−ớc dây quấn thứ hai y2 = y - y1 1 9 . G± 1 Z± 1 Z 1 Từ biểu thức 1.8 có thể viết: y= y = = nt =nt ± G p p p p Z Vì nt = 2τ nên hai cạnh tác dụng của hai phần tử nối tiếp nhau sẽ lệch nhau một góc p 1/p b−ớc rãnh trong từ tr−ờng. 2. Giản đồ khai triển dq. Xét một dây quấn sóng đơn có: G = S = Znt = 15; 2p = 4. a) B−ớc dq Z 15 3 G± 1 15− 1 y =nt ±ε = − = 3 dây quấn b−ớc ngắn; y= y = = = 7 dây quấn trái 1 2p 4 4 G p 2 y2 = y - y1 = 7 - 3 = 4 Máy điện 2 34
b) Thứ tự nối các phần tử. c) Giản đồ khai triển dây quấn Từ thứ tự nối các phần tử dây quấn ta vẽ đ−ợc giản đồ khai triển nh− hình 1.14. Trên giản đồ ta thấy phần tử 1 nối với phần tử 8 vμ 15 đều cách nhau 7 phần tử vμ đều nằm d−ới cùng một cực tính (cực S), nh−ng khi nối đến phần tử 5 trở đi thì chúng đều nằm d−ới cực N. Nh− vậy quy luật nối lμ nối hết các phần tử nằm d−ới các cực cùng cực tính lại rồi nối các phần tử ở d−ới các cực tính khác cho đến hết. Hình 1.14 Giản đồ khai triển dq d) Hình tia vμ đa giác s.đ.đ Với số liệu dây quấn trên ta xác định đ−ợc góc lệch giữa hai phần tử liên tiếp lμ: p360 0 2.360 0 α = = = 48 0 S 15 Từ đấy vẽ đ−ợc hình tia vμ đa giác s.đ.đ nh− hình 1.15 3. Số đôi mạch nhánh Dây quấn sóng đơn có a = 1 Hình 1.15 Hình tia vμ đa giác s.đ.đ của dq 6.5 Dây quấn sóng phức tạp 1. B−ớc dây quấn. Dây quấn sóng phức tạp, khi các phần tử nối tiếp nhau đi hết 1 vòng quanh bề mặt phần ứng nó không trở về bên cạnh phần tử xuất phát mμ cách 2 hoặc m phần tử, từ đấy khi nối hết tất cả các phần tử nó sẽ tạo nên 2 hoặc m mạch vòng kín khác nhau. B−ớc vμnh góp. G± m y= y = 1.10 G p Các b−ớc dây quấn khác giống nh− dây quấn xếp đơn giản. 2. Giản đồ khai triển. Xét dây quấn xếp phức tạp có: m = 2; 2p = 4; S = G = Znt = 18 Máy điện 2 35
a) Các b−ớc dây quấn. Z 18 2 y =nt ±ε = − = 4 1 2p 4 4 b−ớc ngắn G - m 18 − 2 y= y = = = 8 G p 2 y2 = y - y1 = 8 - 4 = 4 b) Trình tự nối dây quấn Dây quấn nμy có 2 mạch vòng kín. c) Giản đồ khai triển. Từ trình tự nối các phần tử ta vẽ đ−ợc giản đồ khai triển dây quấn nh− hình 1.16 d) Hình tia vμ đa giác s.đ.đ Hình 1.16 Giản đồ dq sóng phức tạp với Với số liệu dây quấn trên ta xác định đ−ợc góc lệch giữa hai phần tử liên tiếp lμ: p360 0 2.360 0 α = = = 40 0 S 18 Từ đấy vẽ đ−ợc hình tia vμ đa giác s.đ.đ nh− hình 1.17 3. Số đôi mạch nhánh. Dây quấn sóng phức có: a = m 1.5 Dây quấn hổn hợp Dây quấn hổn hợp lμ sự kết hợp Hình 1.17 Hình tia vμ đa giác s.đ.đ của dq giữa dq xếp vμ dq sóng, nh− hình 1.18. 1.6 Dây cân bằng điện thế. 1. Dây cân bằng loại một. Dây cân bằng loại 1 dùng cho dây quấn xếp đơn, nối các điểm đẳng thế trên dq với nhau, điểm 1 vμ 9; 2 vμ 10; 3 vμ 11, trên hình 1.6 vμ hình 1.8(b). Dây cân bằng loại một nhằm cân bằng điện thế của các nhánh d−ới các cặp cực khác nhau. 2. Dây cân bằng loại hai. Hình 1.18 Dq Dây cân bằng loại 2 dùng cho dây quấn sóng phức tạp. Với dq xếp phức tạp thì các dq xếp đơn dùng dây cần bằng loại 1 giữa các dq xếp đơn dùng dây cần bằng loại 2. Dây cân bằng loại 2 th−ờng đ−ợc nối ở phía các phiến góp, để khắc phục sự phân bố điện áp giữa các phiến đổi chiều kề nhau không đều nhau. Máy điện 2 36
Ch−ơng 7 Đại c−ơng về máy điện một chiều 7.1 Cấu tạo của máy điện 1 chiều. Cấu tạo của máy điện một chiều nh− hình 2.1 Hình 2.1 Mặt cắt dọc vμ ngang của một máy điện một 1. Phần tĩnh (Stato) Phần tĩnh của máy điện 1 chiều gồm các bộ phần sau: a) Cực từ chính Đây lμ bộ phận sinh ra từ tr−ờng chính trong máy, nó bao gồm: - Lõi cực từ: Hình dạng nh− hình 2.1, có thể lμm bằng thép khối vì dẫn từ 1 chiều. Tuy nhiên để giảm kích th−ớc, ngμy nay nó đ−ợc lμm bằng thép kỹ thuật điện (KTĐ) cán lạnh không đẳng h−ớng. - Dây quấn cực từ chính. Đ−ợc lμm bằng dây dẫn tròn có bọc cách điện hoặc dây dẫn tiết diện chử nhật quấn định hình rồi Hình 2.2 Cực từ lồng vμo thân cực từ. Các dây quấn kích thích đặt trên các cực từ chính th−ờng đ−ợc nối nối tiếp với nhau. b) Cực từ phụ. Đây lμ bộ phận dùng để cải thiện đổi chiều. - Lõi cực có thể lμm bằng thép khối - Dây quấn cực từ phụ, đặt trên cực từ phụ vμ nối nối tiếp với dây quấn phần ứng qua các chổi than. Cực từ phụ đ−ợc bố trí xen kẻ với cực từ chính. c) Gông từ. Lμm mạch dẫn từ, nối liền các cực từ chính vμ phụ, đồng thời lμm vỏ máy. Máy nhỏ vμ vừa gông từ lμm bằng thép tấm, máy lớn lμm bằng thép đúc. d) Các bộ phận khác. - Nắp máy: Để che chắn các vật ngoμi rơi vμo máy vμ lμm giá đở ổ bi - Cơ cấu chổi than: Hộp chổi than vμ chối than đ−ợc cố định trên nắp máy Máy điện 2 37
2. Phần quay (Roto) a) Lõi thép phần ứng. Hình 2.3 Lá thép phần ứng Hình 2.4 Rãnh lỏi thép Đây lμ bộ phận dẫn từ xoay chiều, nên lμm bằng thép KTĐ, dμy 0,35 - 0,5. Trên lõi thép có dập rãnh để bố trí dây quấn phần ứng. Máy nhỏ vμ vừa có lổ thông gió h−ớng trục, máy lớn còn có kênh thông gió h−ớng kính, hình 2.3. b) Dây quấn phần ứng. Đây lμ bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng l−ợng điện từ, nó đ−ợc phân bố trong các rãnh của lõi thép phần ứng, hình 2.4. Dây quấn phần ứng đã xét ở ch−ơng 1. c) Cổ góp. Đây lμ bộ phận để đổi chiều dòng điện hay có thể coi nó lμ bộ chỉnh l−u cơ khí. Cổ góp bao gồm các phiến góp lμm bằng đồng, đ−ợc ghép vμ ép lại thμnh cổ góp hình trụ. Giữa các phiến Hình 2.5 Phiến góp vμ cổ góp góp có lớp cách điện bằng mica dμy 0,4 - 1,2 mm. d) các bộ phận khác. - Trục máy - Quạt gió 7.2 các trị số định mức. Đối với máy điện một chiều các trị số định mức bao gồm: - Công suất định mức Pđm (kW) - Điện áp định mức Uđm (V) - Dòng điện định mức Iđm (A) - Tốc độ định mức nđm (vg/ph) Các thông số khác nh− kiểu máy, ph−ơng pháp vμ dòng điện kích thích Máy điện 2 38
7.3 Nguyên lý lμm việc cơ bản của máy điện một chiều. Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý lμm việc của Sơ đồ nguyên lý nh− hình 2.6. Nó gồm một khung dây abcd hai đầu nối với 2 phiến góp, đặt trong từ tr−ờng của nam châm vĩnh cửu N-S, hai chổi điện A vμ B đặt cố định vμ tỳ sát lên trên 2 phiến góp. Khi cho khung dây quay, theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab vμ cd sẽ cảm ứng đ−ợc một s.đ.đ. e = Blv (v) Trong đó: - B (T) lμ từ cảm của nam châm N-S - l (m) lμ chiều dμi của thanh dẫn - v (m/s) lμ vận tốc dμi của thanh dẫn Tại thời điểm trên hình 2.6 thanh dẫn ab nằm d−ới cực N nên s.đ.đ có chiều h−ớng từ b đến a, thanh dẫn cd nằm d−ới cực S có s.đ.đ chiều h−ớng từ d đến c. Lúc nμy dòng điện chạy trong mạch ngoμi h−ớng từ chổi A (+) đến chổi B (-). Khi khung dây quay đ−ợc 1/2 vòng, thanh dẫn cd lúc nμy nằm d−ới cực N nên chiều s.đ.đ vμ dòng điện h−ớng từ c đến d, còn trong thanh dẫn ab nằm d−ới cực S vμ chiều e h−ớng từ a đến b. Nh− vậy ở mạch ngoμi chổi A vẫn có dấu (+) vμ chổi B vẫn mang dấu (-). Nh− vậy mặc dầu chiều của s.đ.đ vμ dòng điện trong thanh dẫn thay đổi nh−ng chiều của chúng ở mạch ngoμi lμ không đổi. Chổi A luôn (+) vμ chổi B luôn (-). Sức điện động vμ dòng điện mạch ngoμi nh− hình 2.6b. Để có s.đ.đ lấy ra lớn vμ ít đập mạch ta bố trí nhiều khung dây nối tiếp vμ lệch nhau 1 góc nμo đó (dây quấn phần ứng). Trên đây lμ nguyên lý lμm việc cơ bản của máy phát điện. Nêu ta cho dòng điện 1 chiều chạy vμo chổi A (+) vμ chạy ra ở chổi B (-) thì dòng điện trong thanh dẫn d−ới cực N luôn h−ớng từ tr−ớc ra sau, vμ dòng điện trong thanh dẫn d−ới cực S luôn h−ớng từ sau ra tr−ớc vì vậy lực (mômen) điện từ do chúng sinh ra sẽ có chiều không đổi nên nó lμm cho khung dây quay với một chiều không đổi. Đó lμ nguyên lý lμm việc của động cơ điện 1 chiều. Máy điện 2 39
Ch−ơng 8. Quá trình điện từ trong máy điện một chiều 8.1 Sức điện động, mômen vμ công suất điện từ. Giả sử chiều của φδ nh− hình 4.1, khi cho phần ứng quay với tốc độ n, giả sử theo chiều kim đồng hồ. Từ thông φδ quét qua dây quấn phần ứng vμ cảm ứng lên trong thanh dẫn s.đ.đ: etd = Btb.l.v 4.1 Trong đó: Hình 4.1 S.đ.đ vμ mô men điện từ Hình 4.2 Mô men điện từ trong Trong máy phát điện 1 chiều động cơ điện 1 chiều π Dn n φ v = = 2τ p vμ B = δ 4.2 60 60 tb τ l n Vậy e= 2 pφ . 4.3 td δ 60 Nếu gọi N lμ tổng số thanh dẫn thì số thanh dẫn trong một nhánh song song lμ N/2a. Nh− vậy s.đ.đ của dây quấn phần ứng sẽ lμ: N pN E =e = φn= C φ n (V) vậy E = C φδ n 4.4 u 2a td 60a δ e δ − e Trong đó: φδ tính bằng (Wb); n (vg/ph); Ce = pN/60a lμ hệ số S.đ.đ. Khi trong thanh dẫn có dòng điện i− với chiều nh− hình 4.1 vμ 4.2, thì thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác động, chiều xác định theo quy tắc bμn tay trái, độ lớn: fđt = Btb.l.i− , với i− = I− /2a thì fđt = Btb.l. I− /2a 4.5 vμ M = NfD/2 với D = 2pτ/π vμ BtbB = φδ /τl 4.6 Ta có: M = CMφδ.I− (N.m) 4.7 Trong đó CM = pN/2πa lμ hệ số mômen Máy điện 2 40
1 Hoặc M = C .φ .I (kg.m) 4.8 9,81 M δ u Trong chế độ máy phát M ng−ợc chiều n; E− cùng chiều i−. Chế độ động cơ ng−ợc lại. - Công suất điện từ. Đây lμ công suất ứng với M lấy vμo ở chế độ máy phát vμ đ−a ra ở chế độ động cơ. 2π n P = M.ω với ω = lμ tốc độ góc của phần ứng. đt 60 2π n pN pN pN P = . φ .I = φ .n.I= E I với E = φ n dt 60 2π a δ u 60a δ u u u u 60a δ Vậy Pđt = E−.I− 4.9 Chế độ máy phát: Đầu vμo c/s cơ P = M.ω; Đầu ra c/s điện P = E−.I− Chế độ động cơ: Đầu vμo c/s điện P = E−.I−; Đầu ra c/s cơ P = M.ω 8.2 Quá trình năng l−ợng vμ các ph−ơng trình cân bằng. 1. Tổn hao trong máy điện 1 chiều. a) Tổn hao cơ (pcơ) Đây lμ tổn hao do ma sát ổ bi, chổi than vμ vμnh góp; tổn hao thông gió lμm mát. pcơ tỷ lệ với n vμ hiệu suất ổ bi, b) Tổn hao sắt (pfe) 1,2-1,6 2 Nguyên nhân do từ trễ vμ dòng điện xoáy pfe ∼ f vμ B Tổn hao không tải: P0 = pcơ + pfe ta có M0 = p0 / ω c) Tổn hao đồng (pcu): Bao gồm: pcu.− vμ pcu.t 2 pcu.− = I− .R− với R− = r− + rf + rtx pcu.t = Ut.it d) Tổn hao phụ (pf) Tổn hao phụ trong đồng vμ thép (pf = 1%Pđm) 2. Quá trình năng l−ợng vμ các ph−ơng trình cân bằng. a) Máy phát điện. Gọi P1 lμ c/s cơ đ−a vμo đầu trục của máy phát, để biến thμnh c/s điện từ nó phải mất đi các tổn hao pcơ vμ pfe. Pđt = P1 - (pcơ + pfe) = P1 - p0 = E−.I− Vậy Pđt = P1 - p0 hay M.ω = M1. ω - M0. ω Hay ta có ph−ơng trình cân bằng mômen: M = M1 - M0 4.10 Máy điện 2 41
Công suất điện đ−a ra bé hơn công suất điện từ một l−ợng tổn hao trên R− 2 P2 = Pđt - pcu.− = E−.I− -I− .R− = U.I− Vậy ta đ−ợc ph−ơng trình điện áp: U = E - I .R 4.11 − − − Hình 4.3 Giản đồ năng l−ợng chế độ máy b) Động cơ điện. Công suất lấy vμo lμ c/s điện, c/s đ−a ra lμ c/s cơ. 2 P1 = Pđt + pcu.− = E−.I− + I− .R− = U.I− Ta có pt cần bằng điện áp: U = E− + I−.R− 4.12 Công suất cơ đ−a ra đầu trục bé hơn c/s điện l−ợng tổn hao không tải. Hình 4.4 Giản đồ năng l−ợng chế độ động P2 = Pđt - p0 hay Pđt = P2 + p0 hoặc Mω = M2ω + M0ω Ta có ph−ơng trình cân bằng mômen: M = M2 + M0 4.13 Từ sự phân tích trên ta vẻ đ−ợc giản đồ năng l−ợng: 4. Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều Giả sử máy đang lμm việc chế độ máy phát với EUu − Iu = 〉 0 Ru E− > U vμ M lμ mômen hãm. Nếu giảm It thì φt giảm xuống, dẫn tới E− giảm xuống, cho tới khi E− < U thì I− đổi dấu, máy chuyển sang chế độ động cơ. Máy điện 2 42
Ch−ơng 9. Đổi chiều dòng điện trong m.đ.1.c 9.1 Đại c−ơng Đổi chiều lμ toμn bộ các hiện t−ợng xảy ra của dòng điện trong phần tử dây quấn phần ứng, khi nó dịch chuyển từ vị trí bị chổi than nối ngắn mạch qua ranh giới tiếp theo. Xét 1 dây quấn xếp đơn giản, hình 5.1 Khi t = 0, Chổi than phủ hoμn toμn lên phiến 1. Lúc đó nếu dòng điện chạy trong phần tử b lμ (+ i−), thì tại thời điểm t = Tđc Chổi than rời khỏi phiến 1 vμ phủ hoμn toμn lên phiến 2, lúc nμy phần tử (b) đã chuyển sang một nhánh khác vμ dòng điện trong nó đổi chiều (- i−). Vị trí trung gian khi 0 < t < Tđc phần tử (b) bị nối ngắn mạch, dòng điện chạy trong phần tử (b) lúc nμy biến thiên Hình 5.1 Quá trình đổi chiều trong dây quấn theo những quy luật rất phức tạp, phụ thuộc vμo quá trình quá độ trong phần tử (b) vμ các phần tử cùng đổi chiều ở các nhánh khác. Th−ờng Tđc< 0,001 (s) nên fđc = 1000 - 3000 (Hz). 5.2 Quá trình đổi chiều. Viết ph−ơng trình định luật K1 vμ K2 cho nút (1), (2) vμ mạch vòng của phần tử (b) ta có: i− + i - i1 = 0 5.1 i− - i - i2 = 0 5.2 rpt.i + (rd + rtx1).i1 - (rd + rtx2).i2 = ∑e 5.3 Trong đó: i lμ dòng điện chạy trong phần tử (b) bị nối ngắn mạch; i1 vμ i2 lμ dòng điện chạy trong dây nối với phiến đổi chiều 1 vμ 2; rpt lμ điện trở của phần tử dây quấn; rd lμ điện trở dây nối; rtx1 vμ rtx2 lμ điện trở tiếp xúc giữa chổi than với phiến 1 vμ 2; ∑e lμ tổng các s.đ.đ cảm ứng đ−ợc trong phần tử đổi chiều (b), nó gồm: a) S.đ.đ tự cảm eL, do sự biến thiên của dòng điện trong phần tử đổi chiều sinh ra. b) S.đ.đ hổ cảm eM, do các dòng điện đổi chiều trong các phần tử khác hổ cảm qua. c) S.đ.đ đổi chiều eđc, do phần tử đổi chiều chuyển động trong vùng trung tính hình học có B ≠ 0. Vậy ∑e = eL + eM + eđc = epk + eđc. 5.4 Giải 3 ph−ơng trình trên, khi bỏ qua rpt vμ rd (vì chúng rất bé), ta đ−ợc: Máy điện 2 43
e rtx2 − rtx1 ∑ i = .iu + 5 5 . rtx1 + rtx2 rtx1 + rtx2 Giả thiết rtx1 vμ rtx2 tỷ lệ nghịch với bề mặt tiếp xúc Stx1 vμ Stx2 giữa chổi than vμ phiến góp 1 vμ 2. Nếu coi quá trình đổi chiều từ t = 0 đến t = Tđc , nghĩa lμ bc = bG thì: Tdc − t t Stx1 = S vμ Stx2 = S 5 6 . Tdc Tdc Trong đó: S lμ mặt tiếp xúc toμn phần giữa chổi than vμ phiến đổi chiều, thì rtx lμ điện trở tiếp xúc toμn phần. Từ đây ta có: S Tdc S Tdc rtx1 =rtx = rtx rtx2 =rtx = rtx 5 7 . Stx1 Tdc − t Stx2 t Thay các giá trị trên vμo (4) ta có: e 2 2t ∑ Tdc i= (1 −).iu + với rn= r tx . 5.8 Tdc rn t (Tdc − t) 1. Đổi chiều đ−ờng thẳng. 2t Nếu ∑e = 0 ta có i= (1 − ).iu Tdc Quan hệ giữa i = f(t) lμ đ−ờng thẳng, trên hình vẻ ta có mật độ dòng điện: i1 Tdci 1 Tdc Phía ra j1 = = . = .tgα 1 Stx1 S Tdc − t S i2 Tdci 2T dc Phía vμo j2 = =. = .tgα 2 Stx2 S t S Vì α = α nên j = j nghĩa lμ mật độ dòng 1 2 1 2 Hình 5.2 Đổi chiều đ−ờng điện ở phía phiến góp đi ra bằng phía phiến góp đi vμo, điều nμy rất thuận lợi cho quá trình đổi chiều. 2. Đổi chiều đ−ờng cong. Thực tế ∑e ≠ 0, nên ngoμi dòng điện ở trên còn có dòng điện phụ: ∑e i f = ≠ 0 5 9 . rn Đ−ờng biểu diễn rn vμ if nh− hình 5.3. a) Đổi chiều trì hoãn (∑e > 0) Hình 5.3 Dòng Lúc nμy i = icb + if vμ dòng điện đổi chiều đi qua giá trị zéro chậm hơn đổi chiều đ−ờng thẳng (a → a'), hình 5.4. Khi đổi chiều trì hoãn α1 > α2 nên j1 > j2 tia lửa xuất hiện ở phía chổi than đi ra. Điều nμy giống nh− tia lửa khi ta mở cầu dao có tải. Máy điện 2 44
b) Đổi chiều v−ợt tr−ớc (∑e < 0) Lúc nμy i = icb - if vμ dòng điện đổi chiều đi qua giá trị zéro sớm hơn đổi chiều đ−ờng thẳng (a → a''), hình 5.5. Khi đổi chiều v−ợt tr−ớc α1 < α2 nên j1 < j2 tia lửa xuất hiện ở phía chổi than đi vμo. Điều nμy giống nh− tia lửa khi ta đóng cầu dao có tải. 9.3 Nguyên nhân sinh tia lửa vμ biện pháp khắc phục. 1. Nguyên nhân. a) Nguyên nhân về cơ - Vμnh góp không đồng tâm với trục - Sự cân bằng phần quay không tốt gây dao động h−ớng kính - Cổ góp không tròn, lực ép chổi than không đủ. b) Nguyên nhân về điện - Sức điện động đổi chiều không triệt tiêu đ−ợc s.đ.đ phản khánh ∑e ≠ 0 Hình 5.4 Đổi chiều trì hoãn Hình 5.5 Đổi chiều - Sự phân bố không đều của mật độ dòng điện trên bề mặt tiếp xúc - Tác dụng nhiệt, hóa 2. Biện pháp khắc phục. a) Giải quyết các tồn tại cơ khí a) Bố trí cực từ phụ. Sức từ động của cực từ phụ Ff ngoμi việc phải cân bằng đ−ợc F−q còn phải tạo nên đuợc eđc đủ lớn lμm triệt tiêu epk. c) Xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học Hình 5.6 Xê dịch chổi than để Những máy nhỏ không bố trí cực từ phụ, để cải thiện đổi chiều ta có thể xê dịch chổi than khỏi đ−ờng trung tính hình học. Tr−ờng hợp máy phát ta xê dịch chổi than theo chiều quay một góc β = α + γ Trong đó: ứng với góc α lμ đ−ờng trung tính vật lý, thêm một góc γ để tạo nên s.đ.đ đổi chiều đủ triệt tiêu s.đ.đ phản kháng epk. Hình 5.6 d) Dây quấn bù. Tạo nên từ tr−ờng lμm triệt tiêu từ tr−ờng phần ứng d−ới bề mặt cực từ nhờ vậy mμ từ tr−ờng khe hở sẽ phân bố đều đặn, thuận lợi cho quá trình đổi chiều. Máy điện 2 45
Ch−ơng 10 Máy phát điện một chiều 10.1 Đại c−ơng. 1. Máy phát điện 1 chiều kích thích độc lập Gồm: máy phát 1 chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, chế tạo với công suất rất bé. Máy phát điện 1 chiều kích thích điện từ, nguồn kích thích chủ yếu lấy từ ắc quy, công suất lớn, điều chỉnh điện áp dể dμng vμ dãi rộng, hình 6.1a. 2. Máy phát điện 1 chiều tự kích thích. - MF1C kích thích song song, hình 6.1b. Mạch kích thích nối song song với mạch phần ứng. Dq kích thích có số vòng dây nhiều, tiết diện dây bé. - MF1C kích thích nối tiếp, hình 6.1c. Dq kích thích nối nối tiếp với dq phần ứng. Dq kích thích có số vòng dây ít, tiết diện dây lớn. - MF1C kích thích hổn hợp, hình Hình 6.1 Nguyên lý kích thích của các loại 6.1d. 10.2 Các đặc tính của máy phát điện 1 chiều. Máy phát điện 1 chiều có 4 đại l−ợng đặc tr−ng lμ: U, I−, It vμ n. Trong đó n th−ờng đ−ợc giữ không đổi còn lại 3 đại l−ợng xác định cho ta 5 đ−ờng đặc tính. te 1) Đặc tính không tải U0 = E = f(It) khi I = 0, n = C ; te 2) Đặc tính ngắn mạch In = f(It) khi U = 0, n = C ; te te 3) Đặc tính ngoμi U = f(I) khi It = C ; n = C ; te te 4) Đặc tính điều chỉnh I = f (It) khi U = C , n = C ; te te 5) Đặc tính tải U = f(It) khi I = C , n = C ; Trong 5 đặc tính trên thì đặc tính không tải lμ tr−ờng hợp đặc biệt của đặc tính tải, khi I = 0; Đặc tính ngắn mạch lμ tr−ờng hợp đặc biệt của đặc tính điều chỉnh khi U = 0. Đặc tính không tải vμ ngắn mạch của các loại máy phát 1 chiều cơ bản giống nhau, nên ta xét chung. Các đặc tính khác ta xét riêng cho từng loại máy. a) Đặc tính không tải Để lấy đặc tính không tải ta lμm thí nghiệm không tải. Lúc đó cầu dao nối với tải bên ngoμi để hở, cho máy quay lên đến tốc độ n = nđm = const. Tăng dần dòng kích từ It từ 0 đến Itm lúc đó điện áp đầu cực máy đạt khoảng U = (1,15 - 1,25)Uđm. Giảm It cho đến lúc U = 0. Với máy kích từ độc lập đổi chiều dòng điện kích từ lại tăng vμ giảm theo chiều (-) ta Hình 6.2 Đặc tính không đ−ợc toμn bộ chủ trình từ trễ BABA'B'A nh− hình 6.2. tải của Máy điện 2 46
Đoạn OB lμ s.đ.đ Ed− = (2 - 3)%Uđm ứng với It = 0 lμ do từ d− gây nên. Đ−ờng trung bình của chu trình từ trễ lμ đặc tính không tải của máy. Đây cũng chính lμ đặc tính từ hóa đã xác định ở phần tính toán từ tr−ờng không tải. b) Đặc tính ngắn mạch te In = f(It), khi U = 0, n = C ; Để có đặc tính ngắn mạch tất cả các loại máy phát đều phải đ−ợc kích từ độc lập. Nối ngắn mạch các chổi than, quay máy lên tốc độ n = nđm, điều chỉnh It ta đ−ợc các giá trị I t−ơng ứng. Khi ngắn mạch, E−=R−.I− vì R− rất bé nên để I−=(1,25-1,5)Iđm thì It rất bé nên mạch từ không bảo hòa do vậy quan hệ I− = f(It) lμ đ−ờng thẳng. Đ−ờng 1 máy ch−a khử từ; đ−ờng 2 máy đã khử từ. c) Tam giác đặc tính. Trên cùng 1 trục tọa độ vẽ các đ−ờng đặc tính không tải (1) vμ đặc tính ngắn mạch (2), hình 6.4. Từ Inm = Iđm chiếu sang (2) vμ chiếu xuống trục It, ta đ−ợc It = OC. Dòng It nμy Hình 6.4 Dựng tam giác đặc tính: a) khi phản Hình 6.3 Đặc tính ngắn ứng phần gồm 2 phần: OD để sinh ra Enm = AD = BC, phần còn lại DC = AB để khắc phục phản ứng phần ứng lúc ngắn mạch. Ta giác ABC có cạnh AB vμ BC đều tỷ lệ với I gọi lμ tam giác đặc tính hình 6.4a. Với máy kích thích hổn hợp dây quấn kích thích nối tiếp đ−ợc nối thuận, bù thừa thì cạnh AB nằm bên phải cạnh BC, hình 6.4b. 1. Máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập. te te a) Đặc tính ngoμi U=f(I) khi It=C , n=C . Theo ph−ơng trình điện áp máy phát điện 1 chiều U = E - R−I− nên khi I tăng, R−I− tăng vμ phản ứng phần ứng tăng, nên E giảm xuống, cuối cùng lμ U giảm xuống. UU0− dm ΔU dm % = 100= (5 − 10)% Udm - Xây dựng đặc tính ngoμi bằng ph−ơng pháp vẽ: Trên hệ trục tọa độ UOIt vẽ đặc tính U = f(It). te Trên trục It lấy It = OP = C , đặt tam giác đặc tính Hình 6.5 Đặc tính ngoμi máy phát ABC có các cạnh AB vμ BC tỷ lệ với Iđm , sao cho đỉnh A nằm trên đặc tính không tải, cạnh BC nằm trên Máy điện 2 47
đ−ờng PP' thì đoạn PC = U khi I = Iđm. Dóng sang hệ trục UOI ta đ−ợc điểm D' của đặc tính ngoμi. Từ đây ta tìm tiếp đ−ợc các điểm D'' khác, hình 6.6. Chứng minh: Khi không tải I = 0, dòng kích từ It = OP để sinh ra E = U0 = PP' = OD. Khi tải định mức I = Iđm , dòng kích từ chỉ còn lại phần It0 = OQ vì nó đã mất đi phần QP = AB để khắc phục phản ứng phần ứng. Nh− vậy s.đ.đ cảm ứng đ−ợc trong dq phần ứng bây giờ lμ E− = QA = PB. Điện áp trên đầu cực sẽ lμ U = E− - R−I− = PB - BC = PC. Thực tế do mạch từ có bảo hòa nên đ−ờng đặc tính ngoμi thực Hình 6.6 Đặc tính ngoμi xây dựng theo ph−ơng nghiệm lμ đ−ờng đứt nét, nằm d−ới. te te b) Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U=C , n = C . Đặc tính điều chỉnh cho biết h−ớng cần phải điều te chỉnh It nh− thế nμo để giữ cho U = C . Th−ờng từ không tải đến tải Iđm để giữ U = Uđm dòng It phải tăng từ (15-25)%, hình 6.7. Xây dựng đặc tính điều chỉnh bằng ph−ơng pháp vẽ: Vẽ đặc tính không tải, trên trục OU lấy U = Uđm = OF. Kẻ đ−ờng FD song song với trục hoμnh, cắt đặc tính không tải tại điểm M. Từ M hạ vuông góc với Hình 6.7 Đặc tính điều trục hoμnh xác định đ−ợc điểm M' ứng với dòng kích từ It0 khi không tải I = 0. Trên đ−ờng FD ta đặt tam gíac đặc tính ứng với I = Iđm, sao cho đỉnh A nằm trên đặc không tải, đỉnh C nằm trên đ−ờng FD vμ BC// OU. Từ điểm C ta xác định đ−ợc điểm N, thì ON = Itđm, ứng với Iđm. Cứ lμm nh− vậy ta xây dựng đ−ợc đặc tính điều chỉnh, hình 6.8. Đ−ờng đặc tính điều chỉnh thực nghiệm lμ đ−ờng đứt nét do có ảnh h−ởng của bảo hòa. 2. Máy phát điện 1 chiều kích từ song song. a) Điều kiện tự kích thích. Từ đ−ờng đặc tính không tải ta thấy, khi máy điện 1 chiều ngừng hoạt động, trong lỏi thép cực từ chính, Hình 6.8 Dựng tam giác gông từ vẫn còn một l−ợng từ thông d−. Khi quay máy đến tốc độ định mức n = nđm, ban đầu It = 0, lúc nμy đầu cực của máy phát vẫn có một điện áp do φd− cảm ứng nên, U = Ed− = (2-3)%Uđm. Nếu mạch kích từ đ−ợc nối kín trong nó sẽ Máy điện 2 48
có dòng điện kích từ It0 chạy qua. Dòng It0 sinh ra từ thông kích từ đầu tiên φd−. Nếu φt0 cùng chiều với φd− thì điện áp đầu cực của máy phát sẽ tăng tr−ởng, quá trính thμnh lập điện áp sẽ đ−ợc thiết lập. Nếu φt0 ng−ợc chiều với φd− chúng sẽ triệt tiêu nhau vμ máy không tự kích đ−ợc. Điện áp xác lập đầu cực máy phát lμ giao điểm của đ−ờng đặc tính từ hóa của mạch từ vμ đ−ờng đặc tính Vol- Ampe của mạch kích thích, hình 6.9. Từ đó ta có tgα = U/It = Rt. Nếu Rt quá lớn thì điện áp sẽ xác lập tại điểm ứng với Ed−. Vậy điều kiện để máy tự kích lμ: Hình6.9 quá trình - Máy phải có từ d− - Chiều quay của máy phải phù hợp để φt0 cùng chiều với φd− - Rt đủ nhỏ để U đạt giá trị yêu cầu. te te b) Đặc tính ngoμi U=f(I) khi Rt=C , n=C . Dạng của đặc tính ngoμi nh− hình 6.10, đ−ờng 1 của máy phát kích thích song song, đ−ờng 2 của máy kích thích độc lập. Ta thấy đ−ờng 1 dốc hơn đ−ờng 2 đó lμ vì, với máy phát kích thích song song, khi tải tăng (I tăng), ngoμi 2 nguyên nhân lμ cho điện áp đầu cực giảm xuống lμ: - Sụt áp trên R−I tăng - Phản ứng phần ứng tăng lμm E giảm Nó còn nguyên nhân thứ 3 lμ khi U giảm thì It = U/Rt Hình 6.10 Đặc tính sẽ giảm, dẫn tới φt giảm vμ E giảm nhiều. Từ đ−ờng đặc tính ta thấy khi tải tăng đến một giá trị tới hạn Ith ứng với điểm K thì sau đó điện áp tụt nhanh về zéro, với dòng điện ngắn mạch xác lập I0 ứng với Ed−. Điểm K lμ điểm ứng với điểm chớm bảo hòa trên đ−ờng đặc tính không tải, sau đó lμ phần tuyến tính nên điện áp sẽ giảm nhanh. Đặc tính ngoμi của máy phát kích thích song song xây dựng theo ph−ơng pháp vẽ nh− trên hình 6.11. Vì ở máy phát kích thích song song It Hình 6.11 Đặc tính ngoμi xây dựng theo ph−ơng phụ thuộc vμo U nên đ−ờng U = RtIt lμ đ−ờng 0P đi qua gốc tọa độ. te te b) Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U=C , n = C . Vì việc điều chỉnh dòng điện It không phụ thuộc nguồn kích từ lấy từ đâu nên đ−ờng đặc tính điều chỉnh của máy phát kích thích song song cũng giống nh− máy phát kích thích nối tiếp, tuy nhiên do điện áp của MF kích thích song song thay đổi nhiều hơn nên It phải điều chỉnh nhiều hơn. Máy điện 2 49
3. Máy phát điện 1 chiều kích thích hổn hợp. Máy phát điện 1 chiều kích thích hổn hợp có 2 dây quấn kích thích lμ song song vμ nối tiếp. Tuỳ theo cách nối dây quấn nối tiếp mμ từ tr−ờng kích thích của 2 dây quấn có thể cùng chiều (nối thuận) hoặc ng−ợc chiều (nối ng−ợc). Nối ng−ợc chỉ dùng cho máy phát hμn điện 1 chiều. a) Đặc tính ngoμi U = f(I) khi n = Cte Cuộn dây kích từ nối tiếp có thể nối thuận hoặc nối ng−ợc, nên dạng các đặc tính ngoμi nh− Hình 6.12 Đặc tính ngoμi MF- hình 6.12. Đ−ờng 1, nối thuận, bù thừa; đ−ờng 2, nối thuận, bù đủ; đ−ờng 3, kích thích song song; đ−ờng 4, nối ng−ợc Ph−ơng pháp dựng đặc tính ngoμi từ đặc tính không tải vμ tam giác đặc tính t−ơng tự nh− máy phát kích thích song song. Trên hình 6.13, đ−ờng (1) lμ đặc tính không tải, đ−ờng (2) lμ lμ quan hệ U = rtIt, đ−ờng (3) lμ điện áp rơi trên R−I−. Giao điểm của đ−ờng (1) vμ (2) lμ điểm M ứng với I− = 0 dóng sang trục tung ta đ−ợc U0, điện áp lúc không tải. Tam giác ABC ứng với Iđm vμ tr−ờng Hình 6.13 Đặc tính ngoμi theo ph−ơng hợp bù thừa. Cho ABC tịnh tiến theo đ−ờng thẳng 2, sao cho A' năm trên đ−ờng (1), C' nằm trên đ−ờng (2) thì G0C' = Uđm, dóng sang bên trái cắt đ−ờng Iđm cho ta điểm D lμ điểm của đặc tính ngoμi ứng với Iđm. Lμm t−ơng tự với tam giác A1B1B C1 ứng với Iđm/2 ta đ−ợc điểm D1 Nối các điểm U0, D1, D ta đ−ợc đặc tính ngoμi. Khi cần bù điện áp trên đ−ờng dây tải ta tăng dòng kích từ nối tiếp vμ đặc tính ngoμi lμ đ−ờng đứt nét (ứng với điểm D') te te b) Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U=C , n = C . Đặc tính điều chỉnh của máy kích từ hổn hợp nh− hình 6.14 với đ−ờng 1, nối thuận, bù đủ; đ−ờng 2, nối thuận, bù Hình 6.14 Đặc tính thừa; đ−ờng 3, nối ng−ợc điều chỉnh máy PĐ1C kích 10.3 Máy phát điện một chiều lμm việc song song. 1. Điều kiện ghép song song các máy phát. Giả sử máy phát 1 đang phát điện lên thanh cái, ta cần ghép máy phát 2 vμo lμm việc song song với máy 1, hình 6.15. Để việc ghép đ−ợc thuận lợi thì phải đảm bảo các điều kiện sau: 1. Cực tính của máy phát phải nối đúng cực tính của thanh cái 2. S.đ.đ của máy phát bằng điện áp của thanh cái (E2 = U) 3. Với máy kích từ hổn hợp cần phải có dây cân bằng điện thế Máy điện 2 50
Điều kiện thứ nhất bắt buộc phải đảm bảo: nếu không khi nối máy 2 vμo l−ới thì cả hai máy đều bị ngắn mạch. Điều kiện thứ 2 nếu không đảm bảo: khi ghép máy 2 vμo l−ới thì hoặc lμ máy 2 sẽ phải nhận tải đột ngột (nếu E2 > U), hoặc lμ máy 2 sẽ chuyển sang lμm việc theo chế độ động cơ (nếu E2 < U). Điều kiện thứ 3 nếu không đảm bảo: Máy kích từ hổn hợp, cuộn kích từ nối tiếp th−ờng đ−ợc nối thuận. Do đó nếu khi vận hμnh vì một lý do nμo đó Hình 6.15 Máy phát điện một chiều lμm việc giả sử tốc độ của máy 1 tăng lên, lúc đó s.đ.đ E1 tăng lên, thì I1 tăng lên vμ E1 tiếp tục tăng. Cứ nh− thế cho đến khi máy 1 dμnh hết tải vμ bị quá tải, còn máy 2 chuyển sang lμm việc ở chế độ động cơ. 2. Phân phối vμ chuyển tải giữa các máy phát. Giả sử máy phát 1 đang lμm việc với tải I, có đặc tính ngoμi, đ−ờng (1) trên hình vẽ. Nếu máy phát 2 có đặc tính ngoμi dạng nh− đ−ờng (2), ta cần chuyển tải từ máy 1 qua máy 2, quá trình đ−ợc tiến hμnh nh− sau: Tăng kích từ của máy 2 để đẩy đ−ờng (2) lên phía trên, đồng thời giảm kích từ của máy (1) để hạ thấp đ−ờng (1) xuống, te sao cho U = C vμ I = I1 + I2. Nếu muốn chuyển toμn bộ tải sang máy 2 ta cứ tiến hμnh nh− trên, cho đến khi E1 = U, thì cắt hẳn máy 1 ra khỏi l−ới vμ máy 2 sẽ mang tải toμn bộ, hình 6.16 Chú ý rằng:Nếu ta giảm It1 qua nhanh mμ E1 < U thì máy 1 sẽ chuyển sang lμm việc ở chế độ động cơ. Điều nμy rất nguy hiểm nếu các Hình 6.16 Phân phối tải giữa máy phát đ−ợc kéo bằng động cơ nhiệt. Từ hình 6.16 ta nhận thấy rằng muốn sự phân phối tải gi−ũa các máy hợp lý vμ thuận lợi thì các máy phải có đặc tính ngoμi có độ dốc nh− nhau. Máy điện 2 51
Ch−ơng11 Động cơ điện một chiều 11.1 Đại c−ơng Động cơ điện 1 chiều đ−ợc sử dụng nhiều trong giao thông vμ những nơi cần điều chỉnh tốc độ liên tục trong dãi rộng. Phân loại động cơ 1 chiều cũng nh− máy phát: kích thích độc lập, song song, nối tiếp vμ hổn hợp 11.2 Mở máy động cơ điện 1 chiều. Yêu cầu: - Mômen mở máy cμng lớn cμng tốt để dể dμng thích ứng với tải - Dòng điện mở máy cμng bé cμng tốt Các ph−ơng pháp mở máy. 1. Mở máy trực tiếp Theo ph−ơng pháp nμy khi cần mở máy ta chỉ việc đóng thẳng động cơ vμo l−ới. Đặc điểm của ph−ơng pháp: Tại t = 0, khi đó n = 0 nên E = Ceφ n = 0, dòng điện mở máy lúc đó lμ: UE− U Imm = = vì R− rất bé, th−ờng R−* = 0,2 - Ru Ru 0,1 nên Imm = (5-10)Iđm Ph−ơng pháp nμy chỉ đ−ợc áp dụng cho các động cơ Hình 7.1 Mở máy nhờ biến trở có công suất bé, vì với các động cơ nμy R− t−ơng đối lớn 2. Mở máy nhờ biến trở. Sơ đồ mở máy nh− hình 7.1. Do có biến trở mắc nối tiếp vμo mạch phần ứng nên dòng điện mở máy đ−ợc tính. UE− U Imm = = . RRu+ fRR u+ f Điện trở Rf đ−ợc chọn sao cho Imm = (1,4-1,7)Iđm đối với động cơ lớn vμ Imm = (2,0-2,5)Iđm với động cơ bé. Theo sơ đồ hình 7.1 quá trình mở máy đ−ợc tiến Hình 7.2 Quá trình mở máy hμnh nh− sau: nhờ biến trở mắc vμo mạch phần Khi t MC động cơ sẽ quay, tốc độ động cơ tăng từ 0 đến 1 UE− giá trị nμo đó, s.đ.đ tăng theo n, (E = Ceφtn). Khi E tăng lên thì I u = giảm xuống, RRu+ f Máy điện 2 52
dẫn tới M giảm xuống, gia tốc giảm xuống. I− vμ M giảm theo quy luật hμm mũ, phụ thuộc vμo hằng số thời gian R−-L− của dây quấn phần ứng. Tại thời điểm t = t1 khi I− = (1,1 - 1,3)Iđm quay chuyển mạch sang vị trí 2, cắt bớt một phần Rf ra khỏi mạch phần ứng, dòng điện I− lại tăng lên, M tăng lên vμ n lại tiếp tục tăng. I− vμ M tăng gần nh− tức thời vì R− rất bé. Quá trình cứ tiếp tục nh− vậy cho đến khi toμn bộ Rf đ−ợc cắt ra khỏi mạch phần ứng vμ tốc độ động cơ đạt đến giá trị định mức, hình 7.2. 3. Mở máy bằng cách giảm điện áp. Ph−ơng pháp mở máy nμy gần giống nh− mở máy nhờ biến trở nh−ng cần phải có một bộ nguồn có thể điều chỉnh đ−ợc điện áp. 11.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều lμ quan hệ n = f(M), đây lμ đặc tính quan trọng nhất của động cơ. Từ biểu thức s.đ.đ vμ ph−ơng trình điện áp của động cơ 1 chiều ta có: E U− IR n = = u 7.1 Ce φCe φ U RMu vì M = CMφ I nên n = − 2 7.2 Ce φ CCM e φ Xét sự lμm việc ổn định của động cơ theo sự phối hợp đặc tính cơ của động cơ vμ đặc tính cơ của tải, hình 7.3a,b Tr−ờng hợp hình 7.3a, vì một lý do nμo đấy tốc độ của động cơ tăng lên n = nlv +Δ n thì MC > M vμ động cơ sẽ bị hãm lại để trở về nlv ban đầu ứng với điểm P. Cũng vậy nếu tốc độ của động cơ giảm xuống thì MC C 7.5 dn dn Máy điện 2 53
1. Đặc tính cơ động cơ điện 1 chiều kích thích song song hoặc độc lập. te te Nếu U = Uđm = C vμ It = C , thì khi M thay đổi, φ vẫn không đổi, ảnh h−ởng lμm giảm φ do phản ứng phần ứng ngang trục rất bé không đáng kể nên ta có ph−ơng trình đặc tính cơ: R .M n= n − u 7.6 0 K Đặc tính n = f(M) lμ đ−ờng thẳng, hình 7.4. Vì R− rất bé nên từ không tải đến định mức, Δn = (2-8)% , hai loại động cơ trên có đặc tính cơ rất cứng, phù hợp cho các máy cắt gọt kim loại. a) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi φ. Từ ph−ơng trình đặc Hình 7.4 Đặc tính cơ U RM u động cơ tính cơ n = − 2 Ce φ CCM e φ Khi tăng Rđc ta chỉ có thể giảm đ−ợc từ thông φ, khi đó ta đ−ợc một họ đ−ờng đặc tính cơ có độ dốc khác nhau ứng với: φđm > φ' > φ'' > φ''' vμ nđm nđm hình 7.5 b) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi Rf. Khi đ−a thêm Rf vμo mạch phần ứng, đặc tính cơ lμ: (R+ R ).M n= n − u f 0 K 7.7 te Theo ph−ơng pháp nμy n0 = C , khi tăng Rf độ dốc của đặc tính cơ tăng lên, tức lμ tốc độ thay đổi nhiều hơn khi tải thay đổi, hình 7.6. c) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U. Hình 7.7 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Vì chỉ có thể thay đổi đ−ợc U U1 > U2 vμ nđm > n1 > n2 Ph−ơng pháp nμy chỉ có thể điều chỉnh đ−ợc n < nđm vμ chỉ áp dụng cho các động cơ kích từ độc lập. Máy điện 2 54
2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp te Loại động cơ nμy có It = I− = I vμ φ = KφI, trong đó Kφ = C khi I 0,8Iđm thì Kφ giảm xuống một ít do ảnh h−ởng bảo hòa của mạch từ. φ 2 Từ MCIC=Mφ u = M Kφ 7.8 KMφ suy ra φ = CM thay vμo biểu thức U RMu n = − 2 ta có: Ce φ CCM e φ C .U R n = M − u CKMe φ CKe φ Hình 7.9 Các sơ đồ đ/c tốc độ đ.c.đ.1.c kích từ 7.9 U C 2 bỏ qua R− thì n ~ hay M = M n 2 7.10 Vậy đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp sẽ có dạng đ−ờng hypecpon, hình 7.8 (đ−ờng 1) Từ đ−ờng đặc tính cơ ta thấy ở động cơ kích từ nối tiếp khi M tăng n giảm rất nhiều. Đặc biệt khi không tải (I = 0, M = 0), tốc độ có trị số rất lớn. Điều nμy rất nguy hại vì nó có thể lμm gãy trục, vì vậy với loại động cơ nμy không đ−ợc để mất tải (truyền động đai). Chỉ cho phép lμm việc với công suất tối thiểu P2 = (0,2-0,25)Pđm Khi xét đến bμo hòa, đ−ờng M = f(n) lμ đ−ờng Hình 7.8 Đặc tính cơ đứt nét. đ.c.đ.1.c với a) Điều chỉnh n bằng cách thay đổi từ thông φ. Với động cơ kích từ nối tiếp việc thay đổi từ thông φ đ−ợc thực hiện bằng cách: mắc sun dây quấn kích thích, hình 7.9a; điều chỉnh số vòng dây kích thích, hình 7.9b; mặc sun vμo phần ứng, hình 7.9c. Hai sơ đồ 7.9a vμ 7.9b đều có cùng một kết quả, đ−ờng 2 hình 7.8. Lúc đầu It = I, sau khi mắc sun hoặc điều chỉnh Wt thì It = K.It R Khi mắc sun K = st nđm) Máy điện 2 55
Biện pháp thứ 3 mắc sun vμo mạch phần ứng, lúc nμy điện trở toμn mạch giảm xuống I tăng lên vμ It = I tăng lên, φ tăng dẫn tới n < nđm, đ−ờng 3 hình 7.8. b) Điều chỉnh n bằng cách thêm Rđc vμo mạch phần ứng hình 7.8d Lúc nμy điện trở tổng của toμn mạch tăng lên nên It = I đều giảm xuống, đ/c n < nđm, đ−ờng 4 vμ 5, hình 7.8. c) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp. Vì chỉ có thể đ/c U < Uđm nên n < nđm, đ−ờng 6, hình 7.8. 3. Đặc tính cơ đ.c kích thích hổn hợp. Động cơ kích từ hổn hợp th−ờng cuộn kích thích nối tiếp đ−ợc nối thuận (bù kích thích) do đó đặc tính cơ có dạng trung gian giữa kích thích song song vμ kích thích nối tiếp, hình 7.10. Đ−ờng 1 kích thích hỗn hợp bù thuận; đ−ờng 2 kích thích hỗn hợp ng−ợc; đ−ờng 3 kích thích song song vμ đ−ờng 4 kích thích nối tiếp. 11.4 Các đặc tính lμm việc của động cơ điện một chiều. Các đặc tính lμm việc của động cơ điện một chiều lμ quan hệ: n, M, η = f(I−) khi U = te Uđm = C . Đặc tính n = f(I−) giống nh− đặc tính cơ n = f(M) vì M ~ I− Đ−ờng 1 ứng với động cơ kích thích song song, đ−ờng 2, 3 với động cơ kích thích hổn hợp khi dq nối tiếp nối thuận vμ nối ng−ợc; đ−ờng 4 với động cơ kích từ nối tiếp, hình 7.11 te Đặc tính M = f(I−) khi U = Uđm = C . Đây chính lμ quan hệ M = CMφI− Hình 7.10 Đặc tính cơ đ.c.đ.1.c Với động cơ kích thích song song φ = Cte kích thích hỗn hợp so với các loại đ.c nên đ−ờng M = f(I−) lμ đ−ờng thẳng (đ−ờng I). 2 Động cơ kích từ nối tiếp φ ~ I− nên M ~ I− đặc tính mômen lμ đ−ờng parabol (đ−ờng IV). Động cơ kích từ hổn hợp có đặc tính mômen trung gian giữa kích thích song song vμ nối tiếp (đ−ờng II vμ III). te Đặc tính hiệu suất η = f(I−) khi U = Uđm = C nh− hình 7.12. Hiệu suất cực đại th−ờng đ−ợc thiết kế ứng với I− = 0,75Iđm Th−ờng η = 0,75 - 0,85 với động cơ công suất bé vμ η = 0,85 - 0,94 với động cơ công suất trung bình vμ lớn. Máy điện 2 56
Hình 7.12 Hiệu suất Hình 7.11 Các đặc tính l/việc của Máy điện 2 57
Ch−ơng 8 : động cơ điện một pha có vμnh góp Động cơ 1 pha có vμnh góp có kết cấu t−ơng tự nh− động cơ điện 1 chiều, nh−ng điện áp đặt vμo lμ điện áp xoay chiều 1 pha. Loại động cơ nμy đ−ợc dùng nhiều trong các máy sinh hoạt dân dụng. 8.1 Sức điện động biến áp vμ sức điện động quay. Khi động cơ điện 1 pha có vμnh góp lμm việc trong dây quấn phần ứng cảm ứng đ−ợc 2 loại sức điện động lμ: s.đ.đ biến áp vμ s.đ.đ quay. 1. S.đ.đ biến áp, Eba. Đặt điện áp xoay chiều 1 pha U~ vμo dây quấn kích từ K trên phần tĩnh, từ thông φ do dòng điện xoay chiều tạo nên sẽ đập mạch với tần số f của l−ới điện. Khi n = 0 từ thông đó sẽ biến thiên vμ xuyên qua dây quấn phần ứng vμ cảm ứng nên trong các thanh dẫn của dây quấn phần ứng các sức điện động nh− trong máy biến áp, Eba dây quấn kích thích lμ dây quấn sơ cấp vμ dây quấn phần ứng lμ thứ cấp. Chiều của s.đ.đ ở hai phía trục dây quấn kích từ K sẽ trái dấu nhau. K K Nếu chổi than đặt trên đ−ờng trung tính hình học thì s.đ.đ trong các thanh dẫn ở hai phía trục dây quấn kích từ sẽ triệt tiêu nhau, hình 8.1a, nên Eba = 0. Nếu chổi than đặt trên trục dây quấn kích từ thì Eba Hình 8.1 S.đ.đ Eba do từ tr−ờng đập mạch sinh ra = Eba max, hình 8.1b. Trị hiệu dụng của s.đ.đ biến áp lμ: Eba = 4,44 f Wkdqφmax. 8.1 S.đ.đ biến áp chậm sau φ một góc 900, hình 8.1c. Khi chổi than lệch với đ−ờng trung tính hình học một góc α, hình 8.2, thì: Eba(α) = Ebasinα. 8.2 2. Sức điện động quay Eq Hình 8.2 E khi Nếu φm = const, khi phần ứng quay với tốc độ n, các thanh ba dẫn của dây quấn phần ứng quét qua từ tr−ờng kích từ φ vμ sẽ chổi than lệch TTHH, cảm ứng đ−ợc s.đ.đ xoay chiều có tần số f = pn/60, nh−ng s.đ.đ lấy ra ở 2 đầu chổi than lμ s.đ.đ 1 chiều, nh− trong máy điện một chiều, pN E = φ .n 8.3 q 60.a m Khi chổi than nằm trên trung tính hình học Eq = Eqmax vμ khi chổi than nằm trên trục dây quấn kích thích thì Eq = 0. Khi chổi than lệch với đ−ờng trung tính hình học một góc α, thì: Máy điện 2 58
Eq(α) = Eq.cosα. 8.4 Nếu từ thông đập mạch với tần số f vμ phần ứng quay với tốc độ n thì trong mỗi phần tử dây quấn sẽ tồn tại cả 2 loại s.đ.đ: S.đ.đ quay có tần số fq = pn/60 vμ s.đ.đ biến áp có tần số fba = f. Khi chổi than đặt trên đ−ờng trung tính hình học thì Eba = 0 còn Eq ≡ φm khi n = const. Chiều của Eq phụ thuộc chiều của n nh− hình 8.3. Khi chổi than lệch so với trung tính hình học một góc α nμo đó thì sẽ tồn tại cả hai loại Eba vμ Eq có cùng tần số f. Hình 8.3 EE= 2sin 2 α + E 2cos 2 α 8.5 ba q 8.2 Động cơ nối tiếp một pha 1. Sơ l−ợc cấu tạo vμ nguyên lý lμm việc. Về kết cấu động cơ điện một pha giống nh− động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. Nh−ng vì nó đ−ợc dùng với l−ới điện xoay chiều nên mạch từ của nó đ−ợc lμm bằng thép kỹ thuật điện. Động cơ nhỏ th−ờng có cấu tạo cực lồi, động cơ lớn có cấu tạo cực ẩn. Trên cực từ ngoμi dq kích thích K, để cải thiện đổi chiều ng−ời ta cũng bố trí dq bù B vμ cực từ phụ F nh− động cơ Hình 8.4 điện một chiều, hình 8.4. Đ/cơ điện nối tiếp Nguyên lý: Khi đặt đ/a xoay chiều một pha vμo động cơ, từ thông φ tác dụng với dòng điện I chạy dây quấn phần ứng tạo nên mô men lμm cho động cơ quay. Vì phần ứng nối tiếp với dây quấn kích thích nên φ vμ I luôn cùng dấu với nhau, do đó mômen luôn d−ơng hay động cơ luôn quay theo một chiều xác định. Loại động cơ 1 pha nμy đ−ợc dùng nhiều trong các máy sinh hoạt. 2. Mômen của động cơ. Giả sử: i− = I−msinωt 8.6 φ = φmsin(ωt - γ) 8.7 với γ lμ góc lệch giữa i− vμ φ do tổn hao sắt từ Giống nh− máy điện 1 chiều, ta có mômen tức thời pN pN Hình 8.5 Đ−ờng M t =iuφ = Iumφ m sin ω . t sin( ω . t + γ ) 8.8 π π cong i, φ vμ M của động cơ Mômen trung bình 1 π pN M= M dt = I φcos γ ∫ t u m = CMI−φmcosγ 8.9 π 0 2π Với I− lμ trị hiệu dụng dòng điện trong một nhánh song song của dây quấn phần ứng. φm lμ biên độ từ thông kích từ, γ rất nhỏ nên cosγ ≈ 1 nên mômen của động cơ khá lớn. Đ−ờng cong dòng điện, từ thông vμ mômen của động cơ 1 pha có vμnh góp nh− hình 8.5. Máy điện 2 59
3. Đồ thị véc tơ Giả sử động cơ quay với tốc độ n vμ chổi than đặt trên trung tính hình học, thì khi đặt điện áp U vμo động cơ, dòng điện I chạy trong các dây quấn chậm pha so với U một góc ϕ. Từ thông chính φ chậm pha so với I một góc γ (tổn hao sắt). Sức điện động quay Eq ng−ợc pha so với, φ (chế độ động cơ, E ng−ợc chiều I). Sức điện động biến áp Eba = 0 (vì chổi than đặt trên trung tính hình học). Sức điện động rơi trên điện kháng của các dây quấn chậm pha so với I một 0 góc 90 : S.đ.đ cảm ứng trên dây quấn kích thích − &xIj K (xK lμ điện kháng của dây quấn kích thích); s.đ.đ tổng của các dây quấn khác − jI&∑ x (với ∑ x lμ tổng điện kháng của dây quấn phần ứng, dây quấn bù vμ dây quấn cực từ phụ). Sụt áp trên các điện trở − I&∑ r (với ∑ r lμ tổng điện trở của các dây quấn kể cả điện trở tiếp xúc của chổi than) Ph−ơng trình điện áp của động cơ nối tiếp một pha. Hình 8.6 Đồ thị U&&&&= − Eq + I∑ r + jI() xK + ∑ x 8.10 Từ sự phân tích ở trên vμ ph−ơng trình 8.10 ta vẽ đ−ợc đồ thị véc tơ nh− hình 8.6. Động cơ nối tiếp 1 pha có cosϕ = 0,7 - 0,95 tốc độ cμng cao hệ số cosϕ cμng cao. 4. Các đặc tính lμm việc. Đặc tính cơ n = f(M) nh− động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp, hình 8.7. Đặc tính hiệu suất η = f(M) vμ Cosϕ = f(M) nh− hình 8.8 Để nâng cao hệ số cosϕ th−ờng các loại động cơ nμy đ−ợc chế tạo với khe hở rất bé, với máy bé hơn 100 kW, δ = 1,5 - 2,5 mm; máy có công suất lớn hơn δ = 2 - 4 mm Hình 8.7 Đặc tính cơ n Hình 8.8 Đặc tính η = f(M) vμ Cosϕ f(M) 5. ứng dụng. Động cơ điện có vμnh góp 1 pha đ−ợc dùng nhiều trong lĩnh vực đ−ờng sắt, đầu máy xe điện, Với khả năng đạt tốc độ cao (3000 - 30.000 vg/ph) vμ phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng nên nó đ−ợc dùng cho máy hút bụi, máy mμi, máy khâu, Với nguyên lý trên ng−ời ta chế các động cơ vạn năng để có thể sử dụng l−ới điện xoay chiều hoặc một chiều, sơ đồ nguyên lý nh− hình 8.9. Tụ điện C để giảm nhiễu vô tuyến. Hình 8.9 Đ/cơ Máy điện 2 60
8.3 Động cơ điện đẩy. 1. Động cơ điện đẩy 2 dây quấn phần tĩnh Động cơ nμy phần tĩnh có 2 dây quấn, kích từ K vμ bù B nối nối tiếp, đặt vuông trục với nhau, dây quấn phần ứng đ−ợc nối ngắn mạch. Khi đặt một điện áp xoay chiều vμo dây quấn phần tĩnh hình 8.8a. Nếu chổi than đặt trên đ−ờng trung tính hình học, ban đầu khi n = 0, S.đ.đ Eq = 0, từ thông của cuộn bù B cảm ứng nên Ebamax, hình b. Vì dây quấn phần ứng nối ngắn nên trong nó có dòng I2. Dòng điện nμy tác dụng với φK tạo nên mômen quay lμm động cơ quay. Lúc đấy ta thấy d−ơng nh− có một sự đẩy giữa từ tr−ờng phần ứng vμ từ tr−ờng cực từ để tạo ra mômen quay, nên nó có tên lμ động cơ điện đẩy. Khi chổi than nằm trùng với trục dây quấn K thì Eba = 0, hình c, nên I2 = 0 vμ mômen bằng không nên động cơ không quay. Biểu thức mômen quay vẫn có dạng quen Hình 8.10 Động cơ điện đẩy 2 dây quấn ở thuộc: MCII= m2 φ K cos(&2 , φ&K ) 8.11 Vì góc giữa I2 vμ φK gần bằng không nên: M ≈ CmI2φK 8.12 2 Động cơ điện đẩy có một dây quấn trên phần tĩnh (Đ/c Tômxơn) Trên phần tĩnh chỉ có một dây quấn w, hình 8.11a, nh−ng chổi than có thể xê dịch một góc α bất kỳ. Lúc nμy ta phân w thμnh hai Hình 8.11 Đ/cơ chỉ có 1 dây quấn phần w1 = wsinα đóng vai trò cuộn K vμ w2 = wcosα đóng vai trò cuộn B, hình 8.11b. Chiều quay của loại động cơ nμy phụ thuộc vμo chiều xê dịch chổi than đối với trục của của w. 0 Khi α = 90 , Eba = 0, M = 0, đây lμ chế độ không tải, hình 8.12a. Khi α = 0, Eba = Ebamax vμ trong dây quấn phần ứng có dòng điện I2, dòng điện nμy ng−ợc với dòng điện kích thích nên M = 0. Tại vị trí nμy của chổi than động Hình 8.12 Vị trí chổi cơ đ−ợc xem nh− m.b.a lμm việc ngắn mạch, vị trí chổi than khi không tải (a) vμ ngắn than đ−ợc coi lμ vị trí ngắn mạch, hình 8.12b. Tại các vị trí góc α khác đặc tính cơ vμ các đặc tính lμm việc giống nh− động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh n bằng cách xê dịch vị trí của chổi than. Máy điện 2 61