Bài giảng Máy điện 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

65
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Máy điện là những thiết bị điện được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm. Tập bài giảng Máy điện 2 được biên soạn theo chương trình môn học Máy điện 2, nội dung gồm các vấn đề sau: Máy điện đồng bộ; Máy điện một chiều; Máy điện xoay chiều có vành góp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Máy điện 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG I: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ................................................................................. 2 1.1 Đại cƣơng về máy điện đồng bộ ......................................................................... 2 1.1.1 Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ.................................................. 2 1) Phân loại ...................................................................................................... 2 2) Kết cấu......................................................................................................... 3 1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ........................................... 6 1.1.3 Các đại lƣợng định mức .............................................................................. 6 1.2 Từ trƣờng trong máy điện đồng bộ ..................................................................... 6 1.2.1 Khái quát chung về từ trƣờng trong máy điện đồng bộ ................................ 6 1.2.2 Từ trƣờng của dây quấn kích từ ................................................................... 7 1) Máy cực lồi .................................................................................................. 7 2) Máy cực ẩn. ............................................................................................... 10 1.2.3 Từ trƣờng của dây quấn phần ứng. ............................................................ 11 1) Khi tải thuần trở ......................................................................................... 11 2) Khi tải thuần cảm ....................................................................................... 12 3) Khi tải thuần dung...................................................................................... 12 4) Khi tải có tính hỗn hợp............................................................................... 13 1.2.4 Quy đổi sức từ động trong máy điện đồng bộ ............................................ 13 1.3 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ .......................................................... 15 1.3.1 Phƣơng trình cân bằng điện áp và đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ ....... 15 1) Chế độ máy phát điện ................................................................................ 16 2) Chế độ động cơ điện .................................................................................. 20 1.3.2 Cân bằng năng lƣợng trong máy điện đồng bộ ........................................... 20 1.3.3 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ ..................................................... 21 1) Đặc tính góc công suất tác dụng ................................................................. 21 2) Đặc tính góc công suất phản kháng ............................................................ 24 1.4 Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng ............................................. 25 1.4.1 Khái quát chung ........................................................................................ 25 i
1.4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ. .................................................. 25 1) Đặc tính không tải. .................................................................................... 25 2) Đặc tính ngắn mạch ................................................................................... 26 3) Đặc tính ngoài ........................................................................................... 28 4) Đặc tính điều chỉnh ................................................................................... 29 5) Đặc tính tải ................................................................................................ 29 1.5 Máy điện đồng bộ làm việc với tải không đối xứng ......................................... 31 1.5.1 Khái quát chung ........................................................................................ 31 1.5.2 Các tham số của máy điện đông bộ khi việc với tải không đối xứng ......... 33 1) Tổng thứ tự thuận z1 = r1 + jx1.................................................................... 33 2) Tổng trở thứ tự ngƣợc z2 = r2 + jx2 ............................................................. 33 3) Tổng trở thứ tự không z0 = r0 + jx0 ............................................................ 35 1.5.3 Ảnh hƣởng của tải không đối xứng đối với máy điện đồng bộ .................. 35 1) Điện áp khi tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ ................. 36 2) Tổn hao tăng và roto nóng ......................................................................... 36 3) Hiện tƣợng máy rung................................................................................. 36 1.5.4 Ngắn mạch không đối xứng ở máy phát điện đồng bộ ............................... 36 1) Ngắn mạch một pha................................................................................... 36 2) Ngắn mạch hai pha .................................................................................... 38 1.6 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song ..................................................... 39 1.6.1 Ghép máy phát điện đồng bộ làm việc song song ...................................... 39 1) Các phƣơng pháp hòa đồng bộ chính xác................................................... 40 2) Phƣơng pháp tự đồng bộ............................................................................ 43 1.6.2 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ ............................................................................................................. 44 1) Điều chỉnh công suất tác dụng ................................................................... 44 2) Điều chỉnh công suất phản kháng .............................................................. 46 1.7 Động cơ và máy bù đồng bộ ........................................................................... 49 1.7.1 Động cơ điện đồng bộ ............................................................................... 49 1) Ƣu, nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng của động cơ đồng bộ ..................... 49 ii
2) Các phƣơng pháp mở máy cho động cơ điện đồng bộ ................................ 50 3) Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ ........................................ 52 1.8 Máy điện đồng bộ đặc biệt ............................................................................... 55 1.8.1 Máy phát điện đồng bộ một pha ................................................................ 55 1.8.2 Máy biến đổi một phần ứng ....................................................................... 56 1.8.3 Động cơ điện đồng bộ phản kháng ............................................................ 57 1.8.4 Động cơ điện đồng bộ kiểu nam châm vĩnh cửu ........................................ 58 1.8.5 Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ............................................................... 58 1.8.6 Máy phát cảm ứng tần số cao .................................................................... 59 1.8.7 Động cơ bƣớc ............................................................................................ 60 CHƢƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................................................................... 65 2.1 Đại cƣơng về máy điện một chiều .................................................................... 65 2.1.1 Cấu tạo và phân loại máy điện một chiều .................................................. 65 1) Cấu tạo ...................................................................................................... 66 2) Phân loại .................................................................................................... 68 2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều.............................................. 69 1) Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều ...................................... 69 2) Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ........................................ 70 2.1.3 Các đại lƣợng định mức của máy điện một chiều....................................... 70 2.2 Từ trƣờng trong máy điện một chiều ................................................................ 71 2.2.1 Khái quát chung ........................................................................................ 71 2.2.2 Từ trƣờng máy điện một chiều lúc có tải ................................................... 72 1) Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều ............................................ 72 2) Từ trƣờng cực từ phụ ................................................................................. 75 3)Từ trƣờng của dây quấn bù ......................................................................... 77 2.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều ........................................................... 78 2.3.1 Khái quát chung ........................................................................................ 78 2.3.2 Dây quấn xếp ............................................................................................ 80 1) Dây quấn xếp đơn ...................................................................................... 80 iii
2) Dây quấn xếp phức tạp .............................................................................. 83 2.3.3 Dây quấn sóng .......................................................................................... 85 1) Dây quấn sóng đơn .................................................................................... 86 2) Dây quấn sóng phức tạp ............................................................................ 87 2.3.4 Dây quấn hỗn hợp..................................................................................... 89 2.4 Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều ...................................................... 91 2.4.1 S.đ.đ phần ứng, momen và công suất điện từ ............................................ 91 1) S.đ.đ phần ứng trong dây quấn máy điện một chiều ................................... 91 2) Momen điện từ và công suất điện từ .......................................................... 92 2.4.2 Quá trình năng lƣợng và các phƣơng trình cân bằng năng lƣợng ............... 94 1) Tổn hao trong máy điện một chiều ............................................................ 94 2) Quá trình năng lƣợng trong máy điện một chiều và các phƣơng trình cân bằng............................................................................................................... 96 2.4.3 Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều........................................ 98 2.5 Đổi chiều trong máy điện một chiều ................................................................ 99 2.5.1 Khái quát chung ........................................................................................ 99 2.5.2 Quá trình đổi chiều ................................................................................. 102 1) Đổi chiều đƣờng thẳng ............................................................................ 103 2) Đổi chiều đƣờng cong ............................................................................. 104 2.5.3 Nguyên nhân sinh ra tia lửa và phƣơng pháp cải thiện đổi chiều ............. 107 1) Nguyên nhân sinh ra tia lửa ..................................................................... 107 2) Các phƣơng pháp cải thiện đổi chiều ....................................................... 108 2.6 Máy phát điện một chiều ............................................................................... 110 2.6.1 Khái quát chung ...................................................................................... 110 2.6.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều .............................................. 111 1) Đặc tính không tải ................................................................................... 111 2) Đặc tính ngắn mạch ................................................................................. 112 3) Đặc tính ngoài ......................................................................................... 113 4) Đặc tính điều chỉnh ................................................................................. 119 5) Đặc tính tải .............................................................................................. 121 iv
2.6.3 Máy phát điện một chiều làm việc song song .......................................... 121 1) Điều kiện làm việc song song của máy phát điện một chiều ..................... 122 2) Phân phối và chuyển tải giữa các máy phát điện một chiều ...................... 123 2.7 Động cơ điện một chiều ................................................................................. 125 2.7.1 Khái quát chung ...................................................................................... 125 2.7.2 Mở máy động cơ điện một chiều ............................................................. 126 1) Mở máy trực tiếp ..................................................................................... 126 2) Mở máy nhờ biến trở ............................................................................... 127 3) Mở máy bằng điện áp thấp (Uk < Uđm) ..................................................... 128 2.7.3 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ........................ 128 1) Phƣơng trình đặc tính cơ .......................................................................... 128 2) Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều .................... 130 2.7.4 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều ......................................... 137 2.8 Máy điện một chiều đặc biệt .......................................................................... 140 2.8.1 Máy điện một chiều từ trƣờng ngang ....................................................... 140 2.8.2 Máy phát hàn điện ................................................................................... 141 2.8.3 Động cơ chấp hành một chiều ................................................................. 142 2.8.4 Máy phát tốc một chiều ........................................................................... 143 2.8.5 Động cơ một chiều không tiếp xúc .......................................................... 143 CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ VÀNH GÓP .......................................... 150 3.1 Khái quát chung ............................................................................................. 150 3.2 Động cơ điện ba pha có vành góp ................................................................... 150 3.2.1 Động cơ điện ba pha kích từ song song ................................................... 151 1) Sơ lƣợc kết cấu ........................................................................................ 151 2) Nguyên lý làm việc .................................................................................. 152 3) Điều chỉnh tốc độ quay và cos ............................................................... 152 3.2.2 Động cơ điện ba pha kích từ nối tiếp ....................................................... 154 1) Sơ đồ nguyên lý ....................................................................................... 154 2) Nguyên lý làm việc .................................................................................. 154 v
3.2.3 Động cơ điện bù pha và máy bù pha ....................................................... 155 1) Động cơ điện bù pha................................................................................ 155 2) Máy bù pha ............................................................................................. 156 3.3 Động cơ điện một pha có vành góp ................................................................ 159 3.3.1 Sức điện động của máy điện một pha có vành góp .................................. 159 1) Sức điện động biến áp Eba........................................................................ 160 2) Sức điện động quay Eq............................................................................. 161 3.3.2 Động cơ điện nối tiếp một pha ................................................................ 162 1) Cấu tạo .................................................................................................... 162 2. Nguyên lý làm việc .................................................................................. 162 3) Momen của động cơ ................................................................................ 163 4) Đồ thị véctơ ............................................................................................. 163 5) Ứng dụng ................................................................................................ 164 3.3.3 Động cơ điện đẩy .................................................................................... 165 1) Động cơ điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh .......................................... 165 2) Động cơ điện đẩy chỉ có một dây quấn ở phần tĩnh (Động cơ Thompson) 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 168 vi
MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực ẩn................................................................ 3 Hình 1. 2 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực lồi ............................................................... 3 Hình 1. 3 Stato máy điện đồng bộ ......................................................................................... 4 Hình 1. 4 Rôto MĐĐB cực ẩn .............................................................................................. 4 Hình 1. 5 Cơ cấu chổi than vành trƣợt của dây quấn kích từ ................................................. 5 Hình 1. 6 Rôto MĐĐB cực lồi .............................................................................................. 5 Hình 1. 7 Sơ đồ nguyên lý MPĐB ba pha 2 cực ................................................................... 6 Hình 1. 8 Từ trƣờng phần cực từ MĐĐB cực lồi ................................................................. 7 Hình 1. 9 Phân bố từ trƣờng khe hở MĐĐB cực lồi ............................................................. 8 Hình 1. 10 Phân bố từ trƣờng khe hở MĐĐB cực ẩn .......................................................... 11 Hình 1. 11 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở .................................................................. 12 Hình 1. 12 Phản ứng phần ứng tải thuần cảm...................................................................... 12 Hình 1. 13 Phản ứng phần ứng tải thuần dung .................................................................... 13 Hình 1. 14 Phản ứng phần ứng tải hỗn hợp ......................................................................... 13 Hình 1. 15 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực ẩn ...................................................................... 16 Hình 1. 16 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực lồi....................................................................... 17 Hình 1. 17 Đồ thị véctơ s.đ.đ đã biến đổi của MPĐB cực lồi.............................................. 18 Hình 1. 18 Đồ thị Pochie của máy phát điện đồng bộ ........................................................ 19 Hình 1. 19 Đồ thị véctơ s.t.đ.đ và độ thay đổi điện áp của MĐĐB cực lồi khi bão hòa ..... 19 Hình 1. 20 Đồ thị véctơ của ĐCĐB .................................................................................... 20 Hình 1. 21 Giản đồ năng lƣợng công suất tác dụng............................................................. 21 Hình 1. 22 Đặc tính góc công suất tác dụng ........................................................................ 22 Hình 1. 23 Mạch điện tƣơng đƣơng và đồ thị véctơ vd1.1 .................................................. 23 Hình 1. 24 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi................................................ 24 Hình 1. 25 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ .......................... 25 Hình 1. 26 Đặc tính không tải ............................................................................................. 26 Hình 1. 27 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ (b) khi ngắn mạch ................................ 26 Hình 1. 28 Đặc tính ngắn mạch ........................................................................................... 27 vii
Hình 1. 29 Đồ thị xác định tỷ số ngắn mạch K.................................................................... 27 Hình 1. 30 Đặc tính ngoài MPĐB ....................................................................................... 28 Hình 1. 31 Đặc tính điều chỉnh của MPĐB ......................................................................... 29 Hình 1. 33 Xây dựng đặc tính tải từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng ................. 30 Hình 1. 32 Đồ thị véctơ s.đ.đ khi tải thuần cảm................................................................... 30 Hình 1. 37 Sơ đồ ngắn mạch một pha của MPĐB............................................................... 37 Hình 1. 38 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch một pha MPĐB .......................................... 37 Hình 1. 39 Sơ đồ ngắn mạch hai pha MPĐB ...................................................................... 38 Hình 1. 40 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch hai pha MPĐB ........................................... 39 Hình 1. 42 Đồ thị véctơ điện áp........................................................................................... 42 Hình 1. 41 Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát điện...................................................................... 41 Hình 1. 43 Sự biến đổi của U*; I*; it* của máy phát 100000 kW khi tự hòa đồng bộ vào lƣới điện...................................................................................................................................... 43 Hình 1. 44 Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện cực ẩn ................ 45 Hình 1. 45 Giản đồ véctơ điều chỉnh công suất phản kháng................................................ 47 Hình 1. 46 Họ các đặc tính hình V của máy điện đồng bộ .................................................. 48 Hình 1. 47 Sơ đồ mạch kích từ ĐCĐB lúc mở máy ........................................................... 50 Hình 1. 48 Đặc tính làm việc của ĐCĐB ........................................................................... 53 Hình 1. 49 Máy biến đổi một phần ứng............................................................................... 57 Hình 1. 50 Mặt cắt roto của ĐCĐB phản kháng.................................................................. 58 Hình 1. 51 Cấu tạo ĐCĐB nam châm vĩnh cửu .................................................................. 58 Hình 1. 52 Mặt cắt ĐCĐB kiểu từ trễ.................................................................................. 59 Hình 1. 53 Sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến momen của ĐCĐB kiểu từ trễ ........................... 59 Hình 1. 54 Cấu tạo máy phát cảm ứng tần số cao................................................................ 60 Hình 1. 55 Từ trƣờng khe hở máy phát tần số cao............................................................... 60 Hình 1. 56 Hình ảnh một số loại động cơ bƣớc ................................................................... 61 Hình 1.57 Sơ đồ nguyên lý động cơ bƣớc ........................................................................... 62 Hình 2. 1 Sơ đồ cấu tạo MĐMC ......................................................................................... 65 Hình 2. 2 Lá thép phần ứng ................................................................................................. 67 Hình 2. 3 Phần ứng và mặt cắt rãnh..................................................................................... 68 viii
Hình 2. 4 Ký hiệu MĐMC .................................................................................................. 69 Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý MPMC và dạng sóng dòng điện và sức điện động ................... 69 Hình 2. 6 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC ...................................................................................... 70 Hình 2. 7 Nhãn máy ĐCMC ............................................................................................... 71 Hình 2. 8 Từ trƣờng trong Máy điện một chiều .................................................................. 72 Hình 2. 9 Phản ứng phần ứng khi chổi than ở trên trung tính hình học ............................... 73 Hình 2. 10 Phản ứng phần ứng khi xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học. .................. 75 Hình 2. 11 Sơ đồ nối dây cực từ phụ ................................................................................... 76 Hình 2. 12 S.t.đ và đƣờng cong từ trƣờng tổng của MĐMC có cực từ phụ......................... 76 Hình 2. 13 Sơ đồ nối dây dây quấn bù ................................................................................ 77 Hình 2. 14 Các đƣờng s.t.đ và từ trƣờng tổng của MĐMC có cực từ phụ và dây quấn bù .. 77 Hình 2. 15 Hình dáng bối dây ............................................................................................. 78 Hình 2. 17 Các tham số sơ đồ trải dây quấn phần ứng ........................................................ 79 Hình 2. 16 Rãnh nguyên tố và rãnh thực ............................................................................. 79 Hình 2. 18 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn xếp đơn ..................................... 81 Hình 2. 19 Sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơn, bƣớc đủ (quấn tiến).................................... 82 Hình 2. 20 Cách đấu dây của MĐMC ................................................................................. 83 Hình 2. 21 Hình sao (a) và đa giác (b) s.đ.đ của dây quấn xếp phức tạp ............................. 84 Hình 2. 22 Giản đồ khai triển dây quấn xếp phức tạp có Z = S = G = 24; 2p = 4; yG =2..... 85 Hình 2. 23 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn sóng đơn ................................... 86 Hình 2. 24 Giản đồ khai triển dây quấn sóng đơn Z = S = G = 15; 2p = 4 ......................... 87 Hình 2. 26 Giản đồ khai triển dây quấn sóng phức tạp m = 2; Z = S = G = 18; 2p = 4 ...... 88 Hình 2. 25 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn sóng phức tạp............................ 88 Hình 2. 27 Bƣớc cực của các phần tử dây quấn hỗn hợp................................................... 89 Hình 2. 28 Xác định Eƣ và Mđt trong MPMC ...................................................................... 92 Hình 2. 29 Xác định Mđt trong ĐCMC ................................................................................ 94 Hình 2. 30 Giản đồ năng lƣợng của máy phát điện một chiều............................................. 96 Hình 2. 31 Giản đồ năng lƣợng của động cơ điện một chiều .............................................. 97 Hình 2. 32 Quá trình đổi chiều trong máy điện một chiều................................................. 100 ix
Hình 2. 33 Diện tích tiếp xúc của chổi than với phiến góp ................................................ 103 Hình 2. 34 Đổi chiều đƣờng thẳng .................................................................................... 104 Hình 2. 35 Dòng điện if khi đổi chiều................................................................................ 105 Hình 2. 36 Đổi chiều có tính chất trì hoãn ......................................................................... 106 Hình 2. 37 Đổi chiều có tính chất vƣợt trƣớc .................................................................... 106 Hình 2. 38 Sơ đồ chống nhiễu vô tuyến điện..................................................................... 107 Hình 2. 39 Xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học ...................................................... 109 Hình 2. 40 Sơ đồ nguyên lý MPMC kích từ độc lập ......................................................... 110 Hình 2. 41 Sơ đồ nguyên lý của MPMC tự kích từ ........................................................... 111 Hình 2. 42 Đặc tính không tải MPMC .............................................................................. 112 Hình 2. 43 Đặc tính ngắn mạch MPMC ............................................................................ 112 Hình 2. 44 Dựng tam giác đặc tính.................................................................................... 113 Hình 2. 45 Đặc tính ngoài MPMC kích từ độc lập ............................................................ 114 Hình 2. 46 Dựng đặc tính ngoài của MPMC kích từ độc lập............................................. 114 Hình 2. 47 Điện áp ra của MPMC kích từ song song với các rt khác nhau........................ 115 Hình 2. 48 Đặc tính ngoài MPMC .................................................................................... 117 Hình 2. 49 Xây dựng đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp........... 118 Hình 2. 50 Đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp ......................... 119 Hình 2. 51 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ độc lập .................................................... 119 Hình 2. 52 Dựng điều chỉnh MPMC kích từ độc lập từ đặc tính không tải và tam giác đặc tính .................................................................................................................................... 120 Hình 2. 54 Đặc tính tải MPMC ......................................................................................... 121 Hình 2. 53 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ hỗn hợp ................................................... 121 Hình 2. 55 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song ............................................................. 122 Hình 2. 56 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song ............................................................. 123 Hình 2. 57 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC .................................................................................. 125 Hình 2. 58 Sơ đồ mở máy ĐCMC kích từ song song bằng biến trở .................................. 127 Hình 2. 60 Đặc tính xét chế độ làm việc............................................................................ 129 Hình 2. 62 Đặc tính cơ của ĐCMC khi thay đổi từ thông ................................................. 131 Hình 2. 64 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng U4> U1 >U2 >U3 ...................... 132 x
Hình 2. 65 Điều khiển phần ứng ĐCMC bằng điện tử công suất ...................................... 133 Hình 2. 66 Đặc tính cơ của ĐCMC kích từ nối tiếp .......................................................... 134 Hình 2. 67 Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp ....................................... 135 Hình 2. 68 Mắc điện trở phụ phần ứng điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp ........... 135 Hình 2. 69 Điều chỉnh điện áp đặt vào ĐCMC nối tiếp................................................... 136 Hình 2. 70 Đặc tính tốc độ và đặc tính momen của ĐCMC ............................................. 137 Hình 2. 71 Đặc tính hiệu suất của ĐCMC ........................................................................ 138 Hình 2. 72 Cấu tạo máy phát điện một chiều từ trƣờng ngang .......................................... 141 Hình 2. 73 Cấu tạo máy phát hàn điện và đặc tính điện áp ra ............................................ 141 Hình 2. 74 Sơ đồ nguyên lý động cơ chấp hành ................................................................ 143 Hình 2. 75 Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc một chiều ......................................................... 143 Hình 2. 76 Mô hình đơn giản của ĐCMCKTX................................................................. 144 Hình 2. 77 Sơ đồ nguyên lý đơn giản của ĐCMCKTX .................................................... 145 Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý của ĐC ba pha kích từ song song............................................ 151 Hình 3. 2 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐC ba pha kích từ song song....................................... 152 Hình 3. 3 Điều chỉnh cos của ĐC ba pha kích từ song song ........................................... 153 Hình 3. 4 ĐC ba pha kích thích nối tiếp ............................................................................ 154 Hình 3. 5 Họ đặc tính của động cơ điện ba pha kích thích nối tiếp.................................... 155 Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý ĐC bù pha............................................................................... 156 Hình 3. 7 Máy bù pha có kích từ ở phần quay................................................................... 157 Hình 3. 8 ĐCKĐB có máy bù pha và s.đ.đ Ef ................................................................... 158 Hình 3. 9 Đồ thị véctơ của ĐCKĐB khi có máy bù pha nb > n1b....................................... 158 Hình 3. 10 Đặc tính cosυ và s = f(P2*) của ĐCKĐB có và không có máy bù ................... 159 Hình 3. 11. S.đ.đ Eba do từ trƣờng đập mạch sinh ra trong dây quấn phần ứng khi n = 0 .. 160 Hình 3. 12 S.đ.đ Eba khi chổi than lệch khỏi trung tính hình học ....................................... 161 Hình 3. 13 S.đ.đ quay Eq sinh ra do từ trƣờng đập mạch................................................... 161 Hình 3. 14 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện nối tiếp một pha ........................................ 162 Hình 3. 15 Đồ thị dòng điện, từ thông, momen động cơ điện nối tiếp một pha ................. 163 Hình 3. 16 Đồ thị véctơ động cơ điện nối tiếp 1 pha ......................................................... 164 xi
Hình 3. 17 Sơ đồ nguyên lý ĐC vạn năng ......................................................................... 165 Hình 3. 18 ĐC điện đẩy với hai dây quấn ở phần tĩnh....................................................... 165 Hình 3. 19 ĐC điện đẩy có một cuộn dây phần tĩnh .......................................................... 166 Hình 3. 20 Động cơ điện đẩy............................................................................................. 167 xii
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ĐC: Động cơ MP: Máy phát MĐĐB: Máy điện đồng bộ MPĐB: Máy phát đồng bộ ĐCĐB: Động cơ đồng bộ ĐCMC: Động cơ một chiều MPMC: Máy phát một chiều ĐCMCKTX: Động cơ một chiều không tiếp xúc ĐCCH: Động cơ chấp hành MBA: Máy biến áp NCVC: Nam châm vĩnh cửu s.đ.đ: Sức điện động s.t.đ: Sức từ động vg/ph: Vòng/phút xiii
MỞ ĐẦU Máy điện là những thiết bị điện đƣợc sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện là vấn đề đƣợc nhiều ngƣời, nhiều ngành quan tâm. Tập bài giảng "Máy điện 2" đƣợc biên soạn theo chƣơng trình môn học Máy điện 2 đã đƣợc Hội đồng khoa học Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định phê duyệt. Nội dung của tập bài giảng gồm các vấn đề sau: Chƣơng 1. Máy điện đồng bộ Chƣơng 2. Máy điện một chiều Chƣơng 3. Máy điện xoay chiều có vành góp Tập bài giảng là tài liệu học tập cho đối tƣợng là sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện của trƣờng và cũng là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành liên quan và các kỹ sƣ, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu máy điện. Khi biên soạn tập bài giảng, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan và phù hợp với đối tƣợng sử dụng cũng nhƣ cố gắng gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thƣờng gặp trong sản xuất, đời sống để tập bài giảng có tính thực tiễn cao. Sau mỗi phần đều có câu hỏi và bài tập. Mặc dù đã cố gắng nhƣng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của ngƣời sử dụng. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện tử, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định. Các tác giả 1
CHƢƠNG I: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 Đại cƣơng về máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ thuộc loại máy điện quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ trong đó tốc độ quay của từ trƣờng quay bằng tốc độ quay của rôto. Máy điện đồng bộ đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống đƣợc sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nƣớc. Máy điện đồng bộ còn đƣợc dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng (do đó có khả năng tự nâng cao hệ số công suất của máy). Thông thƣờng các máy đồng bộ đƣợc tính toán sao cho chúng có thể tạo ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong một số trƣờng hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ để bù hệ số công suất cos cho lƣới điện là hợp lý. Những máy nhƣ vậy gọi là máy bù đồng bộ. Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng đƣợc dùng rất rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. 1.1.1 Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ. 1) Phân loại Theo kết cấu cực từ có thể chia máy điện đồng bộ thành hai loại: Máy cực ẩn (2p = 2) thích hợp với tốc độ quay cao và máy điện đồng bộ cực lồi (2p ≥ 4) thích hợp với tốc độ quay thấp. Dựa theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: a) Máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ thƣờng đƣợc kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nƣớc và đƣợc gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nƣớc. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó đƣợc chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang (hình 1.1). Máy phát tuabin nƣớc thƣờng có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục máy đƣợc đặt thẳng đứng (hình 1.2). Trong trƣờng hợp máy phát điện có công suất nhỏ và thƣờng cần di động thì thƣờng dùng động cơ diezen làm động cơ sơ cấp và đƣợc gọi là máy phát điện diezen. Máy phát điện diezen thƣờng có cấu tạo cực lồi. 2
Hình 1. 1 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực ẩn Hình 1. 2 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực lồi b) Động cơ điện đồng bộ. Động cơ điện đồng bộ thƣờng đƣợc chế tạo theo kiểu cực lồi và thƣờng đƣợc sử dụng để kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200kW trở lên. c) Máy bù đồng bộ. Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số công suất cos của lƣới điện. Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đồng bộ đặc biệt nhƣ máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động, nhƣ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bƣớc... 2) Kết cấu Kết cấu của stato máy điện đồng bộ hoàn toàn giống nhƣ stato của máy điện không đồng bộ bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn nhƣ hình 1.3. 3
Hình 1. 3 Stato máy điện đồng bộ Rôto máy điện đồng bộ ba pha gồm hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lồi. a) Kết cấu rôto máy đồng bộ cực ẩn Rôto máy đồng bộ cực ẩn đƣợc làm bằng thép hợp kim, gia công thành hình trụ và phay rãnh để bố trí dây quấn kích thích. Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực của máy. Mặt cắt ngang của lõi thép rôto nhƣ hình 1-4b. Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để hạn chế lực ly tâm, đƣờng kính trục đƣợc hạn chế D
(1) (2) Hình 1. 5 Cơ cấu chổi than vành trƣợt của dây quấn kích từ 1- Vành trƣợt, 2-Chổi than cấp điện cho kích từ b) Kết cấu rôto máy đồng bộ cực lồi Máy cực lồi thƣờng quay với tốc độ thấp nên đƣờng kính rôto có thể lớn tới 15m, trong khi chiều dài lại ngắn. Thƣờng l/D = 0,15  0,2. Với các máy nhỏ và trung bình rôto đƣợc làm bằng thép đúc, gia công thành khối lăng trụ trên có các cực từ, hình 1-6. (6) Hình 1. 6 Rôto MĐĐB cực lồi 1- Thép cực từ, 2-Dây quấn kích từ, 3- Đuôi hình T, 4-Nêm, 5- Lõi thép rôto, 6-Dây quấn mở máy/dây quấn cản Với các máy công suất lớn, rôto đƣợc ghép từ các lá thép dày từ 16 mm, đƣợc dập định hình và ghép trên giá đỡ rôto. Cực từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dày từ 11,5 mm nhờ hệ thống bu lông, ốc vít. Dây quấn kích thích đƣợc quấn định hình và lồng vào thân cực từ (hình 1-6). Trên bề mặt cực từ có một bộ dây quấn ngắn mạch, nhƣ dây quấn lồng sóc của máy điện không đồng bộ. Với máy phát điện đây là dây quấn cản, với động cơ là dây quấn mở máy. Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản. 5
1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ Hình 1. 7 Sơ đồ nguyên lý MPĐB ba pha 2 cực Khi ta đƣa dòng điện kích thích một chiều it vào dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện it sẽ tạo nên một từ thông  t (hình 1.7). Nếu ta quay rôto lên đến tốc độ n (vg/ph), thì từ trƣờng kích thích  t sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng nên trong dây quấn đó s.đ.đ E0 = 4,44W1kdqf1 t. Khi nối dây quấn phần ứng với tải sinh ra dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f 1 = p.n/60. Trong đó p là số đôi cực ở stato của máy. 1.1.3 Các đại lượng định mức Trên nhãn máy của máy điện đồng bộ có ghi các số liệu sau: - Kiểu máy: máy đứng hay máy ngang, kiểu kín hay kiểu bảo vệ; - Số pha: 1 pha, 3 pha; - Tần số (Hz): 50Hz, 60Hz; - Công suất định mức (kW hay kVA); - Điện áp định mức (V, kV); - Sơ đồ đấu dây stato: Y, ; - Các dòng điện stato và rôto; - Hệ số công suất; - Tốc độ quay (vg/ph) hay số đôi cực p; - Cấp cách điện, điều kiện làm việc, điều kiện làm mát. 1.2 Từ trƣờng trong máy điện đồng bộ 1.2.1 Khái quát chung về từ trường trong máy điện đồng bộ Từ trƣờng trong máy điện đồng bộ bao gồm: Từ trƣờng của dây quấn kích từ Ft do dòng điện kích từ it (dòng điện rôto) và từ trƣờng của dây quấn phần ứng Fư dòng điện phần ứng iư (dòng điện stato) tạo nên. 6