Giáo trình Máy điện (Trình độ Trung cấp)

oạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều cĩ ví dụ và bài tập áp dụng để làm sáng tỏ lý thuyết. Khi biên soạn, tác giả đã dựa trên kinh nghiệm giảng dậy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện cĩ để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung của mơ đun gồm cĩ 6 bài: Bài 1: Khái niệm chung về máy điện Bài 2: Máy biến áp Bài 3: Máy điện khơng đồng bộ Bài 4: Máy điện đồng bộ Bài 5: Máy điện một chiều Bài 6: Máy điện đồng bộ và máy điện một chiều đặc biệt Tập bài giảng này cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ khí và cán bộ vận hành sửa chữ máy điện. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cĩ rất nhiều cố gắng song khĩ tránh khỏi những sai sĩt, nhầm lẫn và khiếm khuyết. Tơi rất mong nhận được sự gĩp ý của Quý đồng nghiệp và các bạn Học sinh - Sinh viên trong tồn Trường để tập bài giảng càng hồn thiện hơn. Tơi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, cảm ơn Khoa Điện-Điện tử, Trường Cao đẳng Lào Cai đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho tơi hồn thành tập bài giảng này. Lào Cai, ngày .... tháng .... năm 2017 Người biên soạn GV Nguyễn Thị Thanh Hoa 3 MỤC LỤC TRANG 1. Lời giới thiệu 2 Bài 1: Khái niệm chung về máy điện. 5 Bài 2: Máy biến áp. 11 1. Cấu tạo và cơng dụng của máy biến áp: 11 2.Các đại lượng định mức: 13 3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp; 14 4. Các chế độ làm việc của máy biến áp: 15 5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp: 21 6. Máy biến áp 3 pha: 21 7. Đấu các máy biến áp làm việc song song: 24 Bài 3: Máy điện khơng đồng bộ. 30 1. Khái niệm và phân loại: 30 2. Động cơ khơng đồng bộ xoay chiều 3 pha: 31 3. Động cơ khơng đồng bộ xoay chiều một pha: 38 Bài 4: Máy điện đồng bộ. 43 1. Định nghĩa và cơng dụng 43 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ: 43 3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ: 47 4. Các đường đặc tính điện: 49 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song : 53 6. Động cơ và máy bù đồng bộ: 54 Bài 5: Máy điện một chiều. 59 1. Đại cương về máy điện một chiều: 59 2. Các quan hệ điện từ: 64 3. Phản ứng phần ứng của máy điện một chiều: 69 4. Đổi chiều dịng điện: 70 5. Máy phát điện một chiều : 70 6. Động cơ điện một chiều: 72 Bài 6: Máy điện đồng bộ và máy điện một chiều đặc biệt. 78 1: Máy điện đồng bộ đặc biệt: 78 2. Máy điện một chiều đặc biệt: 82 4 TẬP BÀI GIẢNG MƠ ĐUN MÁY ĐIỆN MỤC TIÊU MƠ ĐUN: * Kiến thức: - Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy biến áp, máy điện một chiều và xoay chiều; - Giải thích được các tính năng kỹ thuật của từng loại máy điện; - Xác định được phạm vi ứng dụng của từng loại máy điện trong sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng; * Kỹ năng: - Lựa chọn được các khí cụ khống chế và dụng cụ đo thích hợp; - Vận hành được các loại máy biến áp, máy phát điện, động cơ điện; - Phán đốn và xử lý được các hiện tượng khơng bình thường xảy ra trong khi vận hành các máy điện. * Năng lực tự chủ và trách nhiệm. - Vận dụng được các kiến thức đã học vào cơng việc thực tế. - Bảo đảm an tồn, kiệm nguyên vật liệu khi bảo dưỡng và sửa chữa. NỘI DUNG: 5 BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học cĩ khả năng: - Nhận biết được các loại máy điện; - Vận dụng được các định luật dùng để nghiên cứu máy điện; - Phân biệt được các loại vật liệu dùng trong máy điện; - Giải thích được quá trình phát nĩng và làm mát máy điện. - Tích cực chủ động trong học tập. Nội dung: 1. Định nghĩa và phân loại: 1.1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, cấu tạo chính gồm cĩ lõi thép và mạch từ, mạch điện, dùng để biến đổi năng lượng cơ năng thành điện năng, hoặc ngược lại . 1.2. Phân loại Máy điện cĩ nhiều loại được phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại theo cơng suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dịng điện, theo nguyên lý làm việc ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng. a. Máy điện tĩnh : như máy biến áp thường dùng để biến đổi điện năng. b. Máy điện quay : như máy phát điện, động cơ điện . Hình 1.1: Sơ đồ phân loại máy điện thơng dụng thơng thường 6 * Tính thuận nghịch của máy điện: a. Đối với máy điện tĩnh Máy điện tĩnh thường gặp là các loại máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiện từ thơng giữa các cuộn dây khơng cĩ sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thơng số điện năng. Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi cĩ tính chất thuận nghịch. Ví dụ: máy biến áp cĩ thể biến đổi điện năng cĩ các thơng số U1, I1, F1 thành điện năng cĩ các thơng số U2, I2, F2 và ngược lại. Hình 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện tĩnh b. Đối với máy điện quay Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dịng điện của các cuộn dây cĩ chuyển động tương đối với nhau gây ra. Loại máy điện này thường dùng để biến đổi năng lượng. Ví dụ: Biến điện năng thành cơ năng( động cơ điện)hoặc biến cơ năng thành cơ điện năng( máy phát điện).Trong quá trình biến đổi cĩ tính thuận nghịch nghĩa là máy điện cĩ thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ điện. 2. Các định luật thường dùng để nghiên cứu máy điện: 2.1. Định luật về cảm ứng điện từ, Định luật Faraday 2.1.1. Trường hợp từ thơng Φ biến thiên xuyên qua vịng dây: Khi từ thơng Φ biến thiên xuyên qua vịng dây dẫn , trong vịng dây sẽ cảm ứng sức điện động . Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp theo chiều của từ thơng theo quy tắc vặn nút chai (hình 1.3) , sức điện động cảm ứng trong một vịng dây được viết theo cơng thức Macxoen như sau : dt de  ( 1.1) Dấu  trên hình 1.3 chỉ chiều đi từ ngồi vào trong trang giấy . Nếu cuộn dây cĩ w vịng thì sức điện động cảm ứng cuộn dây sẽ là : 7 (1.2) Hình 1.3: chiều sức điện động cảm ứng  = w. Φ gọi là từ thơng mĩc vịng của cuộng dây. Trong các cơng thức (1.1), (1.2) từ thơng được đo bằng wb (Vêbe) , sức điện động đo bằng V(vơn) . 2.1.2. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường Khi thanh dẫn chuyển động thẳng, vuơng gĩc với đường sức từ trường (đĩ trường hợp thường gặp trong máy phát điện, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e, cĩ trị số là: E = B.l.v (1.3) Trong đĩ : B - từ cảm đo bằng T (Tesla) l - chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ trường) đo bằng m v - Tốc độ thanh dẫn đo bằng m/s Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 1.4) Hình 1.4: Xác định chiều sức điện động cảm ứng * Quy tắc bàn tay phải : xác định chiều dịng điện cảm ứng trong một dây dẫn chuyển động trong một từ trường: Nắm bàn tay phải rồi đặt sao cho bốn ngĩn tay hướng theo chiều dịng điện chạy qua các vịng dây thì ngĩn cái chỗi ra chỉ chiều của dịng điện. 2.1.3. Định luật Fa-ra-day: Là định luật cơ bản trong điện từ, cho biết từ trường tương tác với một mạch điện để tạo ra sức điện động - một hiện tượng gọi là cảm ứng điện từ. Đĩ là nguyên lý hoạt động cơ bản của máy biến áp, cuộn cảm, các loại động cơ điện, máy phát điện và nam châm điện. Định luật cảm ứng Faraday cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ thơng Φ trong diện tích mặt cắt của một vịng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vịng đĩ. dt d dt wde  8 2.2. Định luật về lực điện từ Khi thanh dẫn mang dịng điện đặt thẳng gĩc với đường sức từ trường ( đĩ là trường hợp thường gặp trong động cơ điện ), thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ tác dụng vuơng gĩc với trị số là : Fdt = B.i.l (1.4) Trong đĩ : B - Từ cảm đ bằng T(Tesla) i - dịng điện đo bằng A(Ampe) l - chiều dài hiệu dụng đo bằng m(met) Fdt – lực điện từ đo bằng N(Niuton) Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.5) Hình 1.5: Xác định chiều lực điện từ * Quy tắc bàn tay trái (cịn gọi là quy tắc Fleming) :Đặt bàn tay trái sao cho các đường cảm ứng từ hướng vào lịng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngĩn tay giữa hướng theo chiều dịng điện thì ngĩn tay cái chỗi ra 90° chỉ chiều của lực điện từ. 2.3. Năng lượng trường điện từ Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong khơng gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện. 3. Phát nĩng và làm mát của máy điện 3.1. Phát nĩng của máy điện Trong quá trình làm việc cĩ tổn hao cơng suất. Tổn hao năng lượng trong máy điện gồm : tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dịng xốy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nĩng máy điện. Khi đĩ do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hố khác, lớp cách điện sẽ bị lão hố, nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép 8÷100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa. Ở nhiệt độ làm việc cho phép, độ tăng nhiệt của các phần tử khơng vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện vào khoảng 10÷15 năm . Khi máy làm việc quá tải, độ tăng nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép. 9 Vì vậy, khi sử dụng máy điện cần tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một thời gian dài . 3.2 Làm mát của máy điện Để làm mát máy điện phải cĩ biện pháp tản nhiệt ra ngồi mơi trường xung quanh. Sự tản nhiệt khơng những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của mặt máy mà cịn phụ thuộc vào sự đối lưu của khơng khí xung quanh hoặc của mơi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thơng thường, vỏ máy điện được chế tạo cĩ các cánh tản nhiệt và máy điện cĩ hệ thống quạt giĩ để làm mát. 4. Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện: 4.1. Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện tốt nhất là đồng vì chúng khơng đắt lắm và cĩ điện trở suất nhỏ. Ngồi ra cịn dùng nhơm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng photpho. Để chế tạo dây quấn người ta thường dùng đồng đơi khi dùng nhơm. Dây đồng và dây nhơm như sợi vải, sợi thủy tinh, giấy nhựa hĩa học, sơn emay. Với các máy điện cơng suất nhỏ và trung bình điện áp dưới 700V thường dùng dây emay vì lớp cách điện mỏng, đạt độ bền yêu cầu đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sĩc hoặc vành trượt, ngồi đồng, nhơm người ta cịn dùng hợp kim của đồng , nhơm hoặc cĩ chỗ cịn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm chi phí kim loại màu. 4.2. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng để cách ly bộ phận dẫn điện và bộ phận khơng dẫn điện hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau. Trong máy điện vật liệu cách điện phải cĩ cường độ cahcs điện cao, chịu nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đĩ quyết định tải của nĩ. Nếu tính năng cao thì lớp cách điện cĩ thể mỏng và kích thước máy giảm. Chất cách điện chủ yếu ở thể rắn , chiaa làm 4 nhĩm: - Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa - Các chất tổng hợp - Các loại men, sơn cách điện - Chất vơ cơ như amiang, sợi thủy tinh , miaca Chất cách điện tốt nhất là mica song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện cĩ điện áp cao. Thơng thưởng sử dụng giấy, sợi, vải....chúng cĩ độ bền cơ cao, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém. Do vậy dây dẫn cách điện phải được tẩm sấy để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện. 10 4.3. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu sắt từ để làm mạch từ, thép lá kĩ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Gang ít được dùng vì dẫn từ khơng tốt lắm. Ở đoạn mạch từ cĩ từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thpes lá kĩ thuật điện dày 0.35 -0.5mm , trong thành phần thép cĩ từ 2-5% Si ( để tăng điện trở của thép, giảm dịng điện xốy). Ở tần số cao dùng thép lá kĩ thuật điện dày 0.1 – 0.2 mm. Tổn ho cơng suất trong thép lá do hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy được đặc trưng bằng sắt tổn hao . Thép lá kĩ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nĩng và cán nguội,hiện nay với máy biến áp và máy điện thường dùng thép cán nguội vì cĩ độ từ thẩm cao hơn và cơng suất tổn hao nhỏ hơn loại cán nĩng. Ở đoạn mạch từ cĩ từ trường khơng đổi , thường dùng thép đúc, thép rèn. Câu hỏi ơn tập Câu 1: Các bộ phận của máy điện là gì? Chức năng của các bộ phận ấy? Câu 2: giải thchs ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ trong máy điện? Câu 3: giải thích nguyên lí thuận nghịch của máy điện? Câu 4: Định luật mạch từ và phương pháp tính mạch từ? Câu 5: Các vật liệu chính chế tạo mạch từ là gì? 11 BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học cĩ khả năng: - Trình bày được cơng dụng, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đại lượng định mức của máy biến áp; - Giải thích được các chế độ làm việc của máy biến áp, nguyên nhân gây ra tổn hao năng lượng trong máy biến áp; - Thực hiện đấu các máy biến áp làm việc song song; - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy biến áp đặc biệt. - Tích cực chủ động trong học tập. Nội dung: 1. Cấu tạo và cơng dụng của máy biến áp 1. 1. Cấu tạo của máy biến áp Máy biến áp bao gồm hai phần chính: Lõi thép và dây quấn 1.1.1.Lõi thép của máy biến áp : Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép lá kỹ thuật điện( dày 0,35 đến 0,5 mm, hai mặt cĩ sơn cách điện ghép lại với nhau tạo thành lõi thép). Về hình dáng máy biến áp cĩ hai loại : loại trụ và loại bọc. Loại trụ: được tạo bởi các lá thép hình chữ U và chữ I (Hình 2.1a, 2.2a ). Một lượng lớn từ trường sinh ra bởi cuộn dây sơ cấp khơng cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy biến áp cĩ một từ thơng rị lớn. Để cho từ thơng rị ít nhất, các cuộn dây được chia ra với một nửa của mỗi cuộn đặt trên một trụ của lõi thép. Loại bọc: được tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I (Hình 2.1b, 2.2b). Lõi thép loại này bao bọc các cuộn dây quấn, hình thành một mạch từ cĩ hiệu suất rất cao, được sử dụng rộng rãi. Hình 2.1a. Lõi thép hình chữ U-I Hình 2.1b. Lõi thép hình chữ E-I 12 Hình 2.2a. Hình dạng máy biến áp một pha loại trụ Hình 2.2b. Hình dạng máy biến áp một pha loại bọc Phần lõi thép cĩ quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch kín gọi là gơng từ. 1.1.2. Dây quấn của máy biến áp: Dây quấn của máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhơm, cĩ tiết diện hình trịn hoặc hình chữ nhật. Đối với dây quấn cĩ dịng điện lớn, sử dụng các sợi dây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dịng điện xốy trong dây dẫn. Bên ngồi dây quấn được bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vịng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải được cách điện tốt với nhau . Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp. Máy biến áp thường cĩ hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng 1 trụ thì dây quấn sơ cấp đặt sát trụ thép, dây thứ cấp đặt lồng ra ngồi. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất ( lõi sắt), nên giảm được kích thước máy biến áp . Các phần phụ khác : Ngồi 2 bộ phận chính kể trên, để máy biến áp vận hành an tồn, hiệu quả, cĩ độ tin cậy cao ... máy biến áp cịn phải cĩ các phần phụ khác như: Vỏ hộp, thùng dầu, đầu vào, đầu ra, bộ phận điều chỉnh, khí cụ điện đo lường, bảo vệ ... 1.2. Cơng dụng của máy biến áp Hình 2.3. Hệ thống truyền tải và phân phối điện 13 Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng. Thơng thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng vài chục kV, để truyền tải được cơng suất lớn và giảm tổn hao cơng suất trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến áp tăng áp và vì phụ tải chỉ cĩ điện áp từ 0,4-6kV nên cuối đường dây đặt máy biến áp giảm áp. 2. Các đại lượng định mức Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp. 2.1. Điện áp định mức ở cuộn dây thứ cấp và sơ cấp. Điện áp sơ cấp định mức U1đm (V, kV): Là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức U2đm (V, kV): Là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp khơng tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức. Chú ý : với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, cịn máy biến áp ba pha điện áp là điện áp dây. 2.2. Dịng điện định mức ở cuộn dây thứ cấp và sơ cấp. Dịng điện định mức(A): Là dịng điện qui định cho mỗi cuộn dây máy biến áp ứng với cơng suất định mức và điện áp định mức. Với máy biến áp một pha: ; 1 1 dm dm dm U S I  ; 2 2 dm dm dm U S I  (2.1) Với máy biến áp ba pha: ; 3 1 1 đm đm đm U SI  ; 3 2 2 đm đm đm U SI  (2.2) 2.3. Cơng suất biểu kiến định mức. Cơng suất định mức Sđm (VA, kVA): Là cơng suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp. Với máy biến áp một pha: Sđm = U1đm.I1đm = U2đm.I2đm (2.3) Với máy biến áp một pha: Sđm = √3.U1đm.I1đm = √3.U2đm.I2đm (2.4) Hiệu suất MBA:  = 1 2 S S = 11 22 . . IU IU = (75 - >90)% (2.5) Nếu  = 1  S1 = S2  U2đm. I2đm = U1đm. I1đm (2.6) 14 2.4. Tần số định mức. Tần số định mức là tần số quy định cho phép máy biến áp làm việc. Người ta quy định tần số là đại lượng lơn được giữ nguyên cả ở phía sơ cấp và thứ cấp. Tần số định mức ký hiệu là fđm, đơn vị là Hz. Ngồi ra trên máy biến áp cịn ghi các thơng số khác như: số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch Un%, chế độ làm việc, phương pháp làm mát, 3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp Hình 2.4. sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha I1: Dịng điện sơ cấp. I2: Dịng điện thứ cấp. U1: Điện áp sơ cấp. U2: Điện áp thứ cấp. W1=N1: Số vịng dây cuộn sơ cấp. W2=N2: Số vịng dây cuộn thứ cấp. : Từ thơng cực đại sinh ra trong mạch từ. Như hình vẽ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha cĩ hai dây quấn W1,W2. Khi ta nối dây quấn sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sé cĩ dịng điện sơ cấp I1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1. dịng điện I1 sinh ra từ thơng biến thiên chạy trong lõi thép, từ thơng này mĩc vịng đồng thời với với cả 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, và được gọi là từ thơng chính. 15 Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thơng làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng là: (2.7) Cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động cảm ứng là: (2.8) Trong đĩ w1 và w2 là số vịng dây của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp. Khi máy biến áp khơng tải dây quấn thứ cấp hở mạch, dịng điện i2 = 0, từ thơng chính chỉ do cuộn dây w1 sinh ra cĩ trị số đúng bằng dịng từ hĩa. Khi máy biến áp cĩ tải, dây quấn thứ cấp nối với tải Zt dưới tác dụng của sức điện động cảm ứng e2, dịng điện thứ cấp I2 cung cấp điện cho tải, khi đĩ từ thơng chính trong lõi thép do đồng thời cả hai cuộn dây sinh ra. Điện áp U1 biến thiên dạng sin nên từ thơng chính cũng biến thiên cos. 1 1 1 1 ( os )W . .W . sin sinm m m d c te t E t dt           (2.9) 2 2 2 2 ( os )W . .W . sin sinm m m d c te t E t dt           (2.10) Trong đĩ: E1=4,44fW1Фm (2.11) E2=4,44fW2Фm (2.12) E1, E2 là trị số sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp Sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp cĩ cùng tần số, nhưng trị hiệu dụng khác nhau. Nếu chia E1 cho E2 ta cĩ: (2.13) K được gọi là hệ số biến áp. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thơng tản ngồi khơng khí cĩ thể coi gần đúng U1=E1,U2=E2 ta cĩ: (2.14) Đối với máy tăng áp: U2>U1;W2>W1 Đối với máy hạ áp: U2<U1;W2<W1 Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, cĩ thể coi gần đúng các quan hệ các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U2I2=U1I1. Ví dụ 2.1: Cuộn dây của máy biền áp nối vào mạng điện 10000V, điện áp ở đầu cực thứ cấp là 100V, tính tỷ số biến áp, số vịng của cuộn thứ cấp, nếu số vịng cuộn sơ cấp là 21000. Giải. dt dwe  22 dt dwe  11 2 1 2 1 W W E EK  2 1 2 1 2 1 W W E E U UK  16 (vịng) 4. Các chế độ làm việc của máy biến áp 4.1 Chế độ làm việc khơng tải Là trạng thái mà điện áp đưa vào sơ cấp là điện mức và phía thứ cấp hở mạch. Cĩ thể khái quát trạng thái như sau: U1 = U1đm; I2 = 0 Do khơng nối với tải (hở mạch phía thứ cấp) nên cuộn thứ cấp khơng tham gia trong mạch. Mặt khác, tổng trở mach từ rất lớn hơn tổng trở cuộn dây sơ cấp nên cĩ thể xem như cuộn sơ cấp cũng khơng tồn tại, ta cĩ các sơ đồ tương đương.  Dịng điện khơng tải (dịng điện từ hĩa): I0 = Im = m dm Z U 1 = (3 –10)%. I1đm. (2.15)  Tổn hao khơng tải (tổn hao từ hĩa): P0 = I02. Rm = U1đm. I0. Cos0. (với: Cos0 = m m Z R Z R  0 0 ). (2.16) Cơng suất phản kháng khơng tải Q0 rất lớn so với cơng suất tác dụng khơng tải P0. Hệ số cơng suất lúc khơng tải thấp. Cosφ0 = 3.01,0 0 2 0 2 0 2 00 2 0     QP P XR R (2.17)  Từ những đặc điểm trên khi sử dụng khơng nên để máy ở tình trạng khơng tải hoặc non tải. Hình 2.5. Sơ đồ MBA khơng tải 100 100 10000 2 1  U UK 210 100 210001 2 2 1  K WW W WK 17  Kết luận: Khi MBA khơng tải vẫn tiêu thụ một lượng cơng suất tác dụng để từ hĩa mạch từ và tồn tại dịng điện khơng tải trong cuộn sơ cấp. Tổn hao khơng tải thường gọi là tổn hao sắt từ: P0 = P0 = PFe ; ΔPst = p1,0/50B2(f/50)1,3G (2.18) Trong đĩ : P1,0/50 là cơng suất tổn hao trong lá thép khi tần số 50Hz và từ cảm 1T. Đối với lá thép kỹ thuật điện 3413 dày 1,35 mm, P1,0/50 = 0,6 W/kg. B từ cảm trong thép (T) G khối lượng trong thép (kg) 4.2 Chế độ làm việc cĩ tải. Khi MBA mang tải điện áp trên tải sẽ sụt một lượng U so với lúc khơng tải, lượng sụt áp này phụ thuộc vào độ lớn và tính chất của tải. Đặc tính ngồi của MBA được biểu diễn như đồ thị : Từ đồ thị ta được : U2 = U2đm – U (2.19) Hình 2.6. Sơ đồ thay thế của MBA 1 pha U1P I2/ X2 / R1 X1 Xm Rm Im I1 R2/ ZTải U2/ U2 I2 I2đm U2đm U2 U Hình 2.7. Đặc tính ngồi của MBA Hình 2.8. Tính chất tải của MBA Sin >0 Cos Cos = Const Tải cảmkháng Tải dung kháng Sin <0 2 <0 2 >0 Sin 18 Với:   = dmI I 2 2 = dmS S 2 2 (2.21) Là hệ số phụ tải, đặc trưng cho độ lớn của phụ tải.  Cos2: Hệ số cơng suất của phụ tải.  2: Gĩc lệch pha giữa điện áp và dịng điện trên tải, đặc trưng cho tính chất phụ tải.  Độ lớn phụ tải được thể hiện qua hệ số  như sau:  Máy biến áp non tải: I2 < I2đm   < 1  U giảm; U2 tăng.  Máy biến áp đầy tải: I2 = I2đm   = 1  U = Uđm ; U2 = const.  Máy biến áp quá tải: I2 > I2đm   > 1  U tăng; U2 giảm.  Tính chất phụ tải được thể hiện qua gĩc lệch pha 2 .  Khi tải cĩ tính cảm kháng: Sin > 0  U > 0  U2 < U2đm.  Khi tải cĩ tính dung kháng: Sin U2đm. 4.3 Chế độ làm việc ngắn mạch.  Khái niệm về hiện tượng: MBA đang vận hành với các thơng số định mức mà phía thứ cấp bị ngắn mạch thì gọi là ngắn mạch sự cố hay ngắn mạch vận hành. Trường hợp này sẽ gây nguy hiểm cho máy bởi dịng điện ngắn mạch sinh ra cực lớn. Thơng thường, người ta sử dụng các thiết bị tự động (CB, FCO, máy cắt) để cắt MBA ra khỏi mạch khi gặp sự cố nĩi trên. Ngồi ngắn mạch sự cố, khi chế tạo và vận hành MBA người ta tiến hành ngắn mạch thí nghiệm để kiểm nghiệm và xác định các thơng số của máy. U =  (UnR. Cos2 + UnX. Sin2) U% =  (UnR% . Cos2 + UnX% . Sin2) (2.20) U1 = U1đm a. Ngắn mạch sự cố I2 = INM U1 = UNM b. Ngắn mạch thí nghiệm I2 = INM = I1đm I1đm Hình 2.9. Trạng thái ngắn mạch MBA 19  Thí nghiệm ngắn mạch: Là trạng thái mà phía thứ cấp được nối ngắn mạch và điện áp đưa vào sơ cấp được giới hạn sao cho dịng điện ngắn mạch sinh ra bằng dịng điện sơ cấp định mức. Trạng thái được khái quát: U2 = 0; U1 = Un = (3 – 10)%U1đm;  I2 = IN = I1đm (2.22) Khi tiến hành thí nghiệm ngắn mach, do điện áp nguồn rất thấp nên dịng điện khơng tải I0 khơng đáng kể cĩ thể bỏ qua (hở mạch từ hĩa), nên sơ đồ thay thế cĩ dạng như hình vẽ: Đặt: Rn = R1 + R2/; Xn = X1 + X2 (2.23)  Tổng trở ngắn mạch: Zn = 22 nn XR  = dm n I U 1 . (2.24)  Tổn hao ngắn mạch:  Pn = I1đm2. Rn = Un. I1đm. Cosn. (với: Cos0 = n n Z R ). (2.25)  Nếu R1 = R2/; X1 = X2/ thì:  R1 = R2/ = 2 nR (2.26)  X1 = X2/ = 2 nX (2.27)  Sụt áp trên các phần tử:  UnR = I1đm. Rn. (2.28) UnR% = dm nR U U 1 . 100 = dm dm U I 1 1 Rn.100. (2.29)  UnX = I1đm. Xn. (2.30) UnX% = dm nX U U 1 . 100 = dm dm U I 1 1 Xn.100. (2.31)  Kết luận: Tổn hao ngắn mạch trong MBA chủ yếu là do 2 bộ dây quấn gây nên. Tổn hao này cịn gọi là tổn hao đồng: a Un Hình 2.10. Sơ đồ thay thế của MBA ngắn mạch X2/ R1 X1 IN = I1đm R2 / RN XN I1đm Un b UnX UnR 20 Pn = PCu = PCu1 + PCu2 (2.32) Ví dụ 2.2 : Một MBA 1 pha cĩ SBA = 100KVA; KBA = 2 1 U U = 400 000.10 ; I0 = 0,05Iđm. Các tổn hao P0 = 800W; Pn = 2400W; Điện áp ngắn mạch thí nghiệm Un% = 4. Giã sử R1 = R2/; X1 = X2/; R0 = Rm; X0 = Xm. Hãy tính: a. Các tham số lúc khơng tải của máy. b. Hệ số cơng suất lúc khơng tải. c. Các tham số ngắn mạch của máy. d. Vẽ sơ đồ thay thế của máy. Giải: a. Các tham số lúc khơng tải của máy: Dịng điện sơ cấp định mức: I1đm = đm đm U S 1 = 3 3 10.10 10.100 = 10A. Dịng điện khơng tải: I0 = 0,05Iđm = 0,05. 10 = 0,5A. Các tham số khơng tải: Từ biểu thức P0 = I0đm. Rm.  Điện trở mạch từ: Rm = 2 0 0 I P = 26,0 800 = 3200. Tổng trở mạch từ được tính: Zm = 0 1 I U dm = 5,0 10000 = 20.000.  Điện kháng mạch từ: Xm = 22 mm RZ  = 22 3200000.20  = 19.742. b. Hệ số cơng suất lúc khơng tải: Cos0 = m m Z R = 000.20 3200 = 0,16. c. Các tham số ngắn mạch: Điện áp ngắn mạch thí nghiệm được tính: Un = 0,04. 10000 = 400V.  Điện trở ngắn mạch: Rn = 2 1dm n I P = 210 2400 = 24.  Điện trở các cuộn dây: R1 = R2/ = 2 nR = 2 24 = 12. Tổng trở ngắn mạch: Zn = dm n I U 1 = 10 400 = 40.  Điện kháng ngăn mạch: Xn = 22 nn RZ  = 22 2440  = 32.  Điện kháng các cuộn dây: X1 = X2/ = 2 nX = 2 32 = 16. 21 Điện áp trên các phần tử:  Sụt áp trên điện trở: UnR = I1đm. Rn = 10. 24 = 240V.  Tính theo tỉ lệ phần trăm: UnR% = dm nR U U 1 . 100 = 000.10 240 . 100 = 2,4%.  Sụt áp trên điện kháng: UnX = I1đm. Xn = 10. 32 = 320V.  Tính theo tỉ lệ phần trăm: UnX% = dm nX U U 1 . 100 = 000.10 320 . 100 = 3,2%. d. Sơ đồ thay thế như hình vẽ Hình 2.11. Sơ đồ thay thế của MBA1 5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp 5.1. Tổn hao năng lượng của máy biến áp Khi máy biến áp làm việc sẽ cĩ các tổn hao sau: Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng ∆Pđ Tổn hao đồng phụ thuộc vào dịng điện tải: ∆Pđ = I21R1 + I22R2 = I21 . (R1 + R’2 ) = I21Rn = k2tPn Trong đĩ Pn là cơng suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch . Tổn hao sắt từ ∆Pst trong lỗi thép do dịng điện xốy và từ trễ gây ra. Tổn hao sắt từ khơng phụ thuộc tải mà phụ thuộc vào từ thơng chính nghĩa là phụ thuộc vào điện áp. Tổn hao sắt từ bằng cơng suất đo được khi làm thí nghiệm khơng tải. ∆Pst = P0 Hiệu suát của máy biến áp:Đối với máy biến áp cơng suất trung bình và lớn hiệu suất cực đại khi hệ số tải Kt = 0,5 – 0,7. 6. Máy biến áp 3 pha: 22 6.1 Khái niệm về máy biến áp ba pha. MBA 3 pha dùng biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác và giữ nguyên tần số. Cơ bản về mặt cấu tạo MBA 3 pha cũng bao gồm các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp quấn trên lõi thép. Hình 2.12. MBA ba pha Dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng các chữ in hoa : Pha A ký hiệu AX, pha B ký hiệu BY, pha C ký hiệu CZ. Dây quấn thứ cấp được ký hiệu bằng các chữ thường : Pha a ký hiệu ax, pha b ký hiệu by, pha c ký hiệu cz. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp cĩ thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình sao, cĩ trung tính thì ta ký hiệu là Y/YN. 6.2. Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha. 6.2.1. Khái niệm về cực tính của MBA 3 pha Các cuộn dây trong MBA đều được qui ước cực tính; một đầu gọi là đầu đầu, thì đầu kia là đầu cuối. Nếu chỉ cĩ 1 cuộn dây thì việc xác định cực tính là khơng cần thiết. Nhưng nếu cĩ từ 2 cuộn dây trở lên cùng làm việc thì phải xác định chính xác cực tính của chúng. Cực tính cuộn dây sẽ quyết định chiều dịng điện chạy trong cuộn dây đĩ. Sau khi đã qui ước cực tính cho 1 cuộn dây nào đĩ, thì các cuộn dây cịn lại xác định theo qui ước đĩ. Trên sơ đồ, đầu đầu của cuộn dây được đánh dấu (*), cịn đầu cuối thì bỏ trống. 6.2.2. Tổ đấu dây Các cuộn dây của MBA 3 pha cĩ thể đấu Y hoặc đấu  tùy vào điện áp định mức của các cuộn dây và điện áp cần cấp cho tải. Tổ đấu dây được hình thành do sự phối hợp cách đấu dây ở sơ cấp và thứ cấp. Tổ đấu dây cho biết gĩc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp, đồng thời 23 cũng xác định được điện áp định mức của các cuộn dây cũng như điện áp ...i phay thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ. Cực từ rơto của máy cực ẩn khơng lộ ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3chu vi rơ to . Với cấu tạo như trên rơ to cực ẩn cĩ độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đĩ các loại máy đồng bộ cĩ tốc độ từ 1500v/ph trở lên đều được chế tạo với rơto cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khĩ khăn hơn rơto cực lồi (hiện). 45 Rơto cực hiện: Lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt. Phía ngồi cực từ là mỏm cực, cĩ tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bố dọc theo stato rất gần với hình sin. Dây quấn kích từ quấn trên các cực từ hình thành cuộn dây kích từ, hai đầu cuộn dây kích từ nối với hai vành trượt qua hai chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngồi. Những máy đồng bộ cĩ tốc độ nhỏ hơn 1000 v/ph rơto thường là loại cực lồi(cực hiện).Hiện nay, người ta thường dùng máy phát đồng bộ khơng chổi than. Hệ thống gồm: Cuộn dây stator chính ba pha, cuộn dây kích từ chính, cầu chỉnh lưu ba pha, cuộn dây stator của máy kích từ, cuộn dây kích từ cho máy kích từ. Vỏ các máy đồng bộ cĩ gắn bảng định mức chứa các thơng số sau: - Điện áp định mức [V, KV] - Dịng định mức [A, KA] - Tần số định mức [Hz] - Hệ số cơng suất định mức cosđm. - Dịng kích từ định mức. - Điện áp kích từ định mức. - Cơng suât định mức [VA, KVA] Hình 4.4. Sơ đồ máy phát đồng bộ khơng chổi than Stato Rơ to 46 - Vịng quay định mức[V/p] 2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ Như hình vẽ biểu diễn sơ đồ máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực. Cuộn dây phần ứng đặt ở stato cịn cuộn dây kích từ đặt ở rơto. Cuộn dây kích từ được nối với nguồn kích từ (dịng 1 chiều) qua hệ thống chổi than. Để nhận được điện áp 3 pha trên chu vi stato ta đặt ba cuộn dây cách nhau 120 o và được nối sao(cĩ thể nối tam giác). Dịng điện 1 chiều tạo ra từ trường khơng đổi. Bây giờ ta gắn vào trục rơto một động cơ lai và quay với tốc độ n. Ta được một từ trường quay trịn cĩ từ thơng chính  khép kín qua rơto, cực từ và lõi thép stato Hình 4.5: nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ Khi phần cảm được kích từ sẽ tạo nên từ trường cực từ. Động cơ sơ cấp kéo phần cảm quay với tốc độ n. Khi đĩ từ trường cực từ quét qua các thanh dẫn phần ứng ở stator làm cảm ứng trong đĩ sức điện động cĩ dạng: E0 = 4,44. W. Kdq f. m (4.1). Trong đĩ: p fnnpf 60 60  (4.2). Khi máy phát được nối với tải sẽ sinh ra dịng điện trong dây quấn phần ứng tạo nên từ trường quay cĩ tốc độ : p fn 600  (4.3) Từ (4.2) và (4.3)  n = p fn 600  Như vậy khi máy phát điện làm việc luơn tồn tại 2 từ trường khác nhau; Đĩ là từ trường cực từ do nguồn kích từ tạo nên và từ trường quay do dịng điện xoay chiều 3 pha tạo nên, Tác dụng tương hổ giữa 2 từ trường này sẽ tạo quyết 47 2.2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy phát điện thuỷ điện - Đưa dịng điện kích từ (một chiều) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rơ to. - Khi quay rơ to bằng động cơ sơ cấp , từ trường rơ to sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin cĩ trị số hiệu dụng. E0 = 4,44fW1 Kdq Ф0 - Nếu rơ to cĩ P đơi cực, khi rơ to quay một vịng , sức điện động phần ứng sẽ biến thiên P chu kỳ. Do đĩ tần số f của sức điện động các pha lệch nhau 1200 . f= P.n/60 ( n: tốc độ, vịng/phút) - Dây quấn stato 3 pha cĩ trục lệch nhau trong khơng gian 1 gĩc 1200 điện nên sức điện động các pha lệch nhau gĩc pha 1200 . - Khi dây quấn stato nối với tải , trong các dây quấn sẽ cĩ dịng điện 3 pha giống như ở máy điện KĐB, dịng 3 pha trong 3 dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay với n1 = 60f/ p đúng bằng tốc độ n của rơ to. Do đĩ loại máy điện này gọi là máy điện đồng bộ. 3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ 3.1. Từ trường của phần ứng Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ trình bày trên đây là nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ. Khi máy điện đồng bộ cĩ tải, trong máy phát cĩ hai từ trường (từ trường kích từ và từ trường phần ứng) nằm ở trạng thái nghỉ với nhau nên chúng sẽ tác động tương hỗ với nhau. Sự tác động từ trường phần ứng lên từ trường kích từ (từ trường chính) gọi là phản ứng phần ứng. Phản ứng phần ứng cĩ thể làm yếu, làm tăng hoặc làm biến dạng từ trường chính. Ta hãy xét cho từng loại tải. 3.2 Phản ứng phần ứng tải thuần trở: Khi vị trí rơto như ở hình a, trong các dây dẫn của pha A dịng điện đạt giá trị cực đại i = mI , sđđ cũng đạt giá trị cực đại e = mE , vì tải thuần trở dịng điện và điện áp trùng pha nhau (hình b). Hướng sđđ và hướng dịng điện trong các pha A,B,C cĩ thể sác định theo qui tắc bàn tay phải cịn chiều từ thơng do các dịng điện sinh ra xác định bằng qui tắc vặn nút chai. Từ hình c ta thấy rằng chiều từ thơng dịng tải cĩ huớng ngang với từ thơng chính và mang tên là phản ứng ngang. Giá trị cực đại của từ trường chính nằm ở dưới các cực trên trục d - d', cịn stđ phản ứng phần ứng Faq cĩ giá trị cực đại trên trục q - q'. Điều này làm cho sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí dưới các cực từ khơng đối xứng: một bên cực 2 từ thơng cùng chiều nên cộng nhau cịn bên kia 2 từ thơng ngược chiều nên trừ đi nhau. Kết quả 48 từ trường chính bị biến dạng: phía nửa cực được tăng cường ngược với chiều quay (hình c) Hình 4.6. Phản ứng ngang máy điện đồng bộ 3.3 Phản ứng phần ứng tải thuần cảm kháng ( 2   ) Sđđ cảm ứng trong các cuộn dây nhanh pha so với dịng điện một gĩc 2  . Dịng điện trong pha A đạt được giá trị cực đại khi giá trị Sđđ cĩ giá trị zero, cịn rơto chiếm vị trí như hình a. Hướng của dịng trong các pha A, B, C cùng hướng từ thơng do nĩ sinh ra xác định giống như phần trước. Từ hình vẽ, chúng ta thấy rằng chiều của từ trường phần ứng hướng dọc theo trục cực. Sự phân bố từ thơng như vậy gọi là phản ứng dọc trục. Khi tải thuần cảm thì chiều từ thơng phản ứng ngược chiều từ trường chính nên từ trường chính bị yếu đi, máy bị khử từ. 3.4 Phản ứng phần ứng tải thuần dung ( ). 2   Dịng điện tải vượt pha so với sđđ một gĩc 2  hình vẽ. 49 Theo nguyên tắc xác định chiều từ trường phần ứng ta thấy trục của từ trường phần ứng trùng với trục cực nhưng 2 từ trường này cùng chiều nên từ trường chính được trợ từ. 3.5 Phản ứng phần ứng tải hỗn hợp ) 2 0(  Như chúng ta thấy từ các trường hợp trước, nếu dịng tải I trùng pha với sđđ Eo )0(  thì ta cĩ phản ứng ngang, cịn nếu 2   ta cĩ phản ứng dọc trục.Khi tải là tổng trở 2 0  thì phản ứng của ta vừa mang tính chất phản ứng ngang, vừa mang tính chất phản ứng dọc khử từ. Kết quả của phản ứng loại này vừa bị biến dạng từ trường vừa bị khử từ. Tương tự cho trường hợp khi 0 2    thì phản ứng phần ứng vừa mang tính chất phản ứng ngang, vừa mang tính chất phản ứng dọc trục trợ từ, do đĩ phản ứng vừa gây biến dạng từ trường vừa trợ từ.. Từ trường phản ứng phần ứng tổng Fa cĩ thể được phân tích thành 2 thành phần: Phản ứng dọc Fad và phản ứng ngang Faq như sau: Fad = Fasin và Faq = Fa cos  (4.4) Biên độ sĩng cơ bản của stđ tổng cho máy 3 pha cĩ dịng pha I cĩ giá trị như sau: Fdm = p Wk .23 cd I  (4.5) 4. Các đường đặc tính điện 4.1. Đặc tính khơng tải Đặc tính khơng tải là mối quan hệ hàm giữa sđđ với dịng kích từ )( kto IFE  khi dịng tải I=0 và n=nđm. Ở chế độ khơng tải điện áp U bằng sđđ pha oEU  . 50 Để cĩ đặc tính khơng tải ta mở các khố k, kA, kB, kC rơ to quay với tốc độ khơng đổi, bằng điện trở R ta cĩ thể thay đổi dịng kích từ từ giá tri lớn nhất tới giá trị nhỏ nhất. Số chỉ các đồng hồ sẽ cho ta các giá trị cần thiết. Từ số chỉ của các đồng hồ ta dựng mối quan hệ )( kto IfE  . Do cĩ hiện tượng từ trễ đặc tính 0E = f( ktI ) khi kti tăng và khi kti giảm khơng trùng nhau. Điểm cắt của đặc tính với trục tung (khi kti = 0) là đại lượng sđđ dư của máy phát. Ta cĩ thể giả thiết rằng đặc tính khơng tải là đặc tính kích từ của máy phát. Với mỗi máy đường đặc tính kích từ thường khơng biết vì thế để nhận đặc tính khác hoặc dựng đồ thị véc tơ ta dùng đặc tính khơng tải thay cho đặc tính kích từ. Đặc tính khơng tải cho các máy khác nhau ở đại lượng tương đối khơng khác nhau mấy. Đối với mạch phần cảm, dịng kích từ được nhận là dịng so sánh, thường là dịng kích từ cho giá trị điện áp khi khơng tải, chứ khơng phải dịng kích từ định mức. Sở dĩ như vậy vì với dịng 0ktI là giá trị so sánh, thì đặc 51 tính khơng tải cho các máy phát khác nhau cắt nhau tại một điểm. Nếu đường nào nằm trên điểm đĩ sẽ cĩ độ bão hồ lớn hơn. Để tiện cho tính tốn ta thường dùng đặc tính khơng tải trung bình là đường đi qua điểm gốc toạ độ và khơng cĩ vùng từ trễ (đường khơng liên tục). 4.2. Đặc tính ngồi. Đĩ là mối quan hệ hàm giữa điện áp trên cực máy phát với dịng tải khi Ikt=const, n = const và cos = const. Để ngiên cứa đặc tính tải ta dựa vào phương trình cân bằng sđđ và phân biệt cho các loại tải khác nhau. Phương trình cân bằng sđđ cho máy phát điện đồng bộ bỏ qua điện trở thuần cuộn dây cĩ dạng:. IXJEU so   (4.27) Dấu “+” cho trường hợp tải thuần dung, dấu “- “cho tải thuần cảm. a. Trường hợp tải thuần cảm (Zt=Xt). Đồ thị vector của máy phát khi tải thuần cảm Hình 4.15. Sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ b) Đồ thị véc tơ khi tải thuần cảm, c) thuần dung, d) thuần điện trở Ta thấy vector Eo và IXJE so   trùng phương, nên ta cĩ thể bỏ cách viết dạng vector và được: IXUE so  (4.28) Vì ikt = const, n=const nên Eo = const, do vậy mối quan hệ U=f(I) là một đường thẳng đi qua hai điểm E0 (khi khơng tải I = 0) và s ngm X EI 0 (khi U = 0, tức là ngắn mạch) b. Khi tải thuần dung. Phương trình cân bằng sđđ cĩ dạng: IjEU o  sX  (4.29) 52 Đồ thị vector. Giống như khi tải thuần cảm phương của Eo và IXJU c   trùng nhau nên ta cĩ thể viết: IXEU so  (4.30) Đây cũng là là đường thẳng bắt đầu từ Eo (khi I = 0), sau đĩ điện áp U tăng khi dịng tải tăng. Nếu ta tiếp tục giảm giá trị của tụ điện để tăng dịng điện tải thì tới một lúc nào đĩ 2 cực của tụ điện chập lại bị ngắn mạch , lúc này dịng s o ngm X E II  giống như khi tải thuần kháng. Đoạn vẽ khơng liên tục là đoạn chúng ta khơng nhận được bằng phép đo bình thường (dùng các đồng hồ). c. Khi tải thuần trở (Zt=Rt). Do I trùng với U, Ta cĩ một tam giác vuơng. Vì là một tam giác vuơng nên ta cĩ thể viết: E 20 = U 2 (x 2)Is (4.31) Chia cả hai vế cho E 20 ta được: 1 = 2 0 2 0             I E x E U s Hay 1= 22 0               ngmI I E U Đây là một phương trình đường elip cĩ hai nửa trục E 0 và Trên đây ta đã ngiên cưu cho 3 trường hợp điển hình. Từ 3 trường hợp này ta cĩ thể suy ra cho các trường hợp cos 0 (đường 1) và cos <1 , <0 (đường 3). Nếu đặc tính ngồi chỉ vẽ cho khoảng dịng I=0 I dm 53 Dịng kích từ định mức là dịng kích từ tạo ra điên áp định mức U dm khi tải định mức I dm và cos = const. 4.3. Đặc tính điều chỉnh. Đặc tính điều chỉnh là mối quan hệ hàm giữa dịng kích từ với dịng tải ikt = f(I) khi U = const, n = const và cos = const. Để lấy dặc tính điều chỉnh thực hiện như sau: đặt một điện áp nhất định trên cực máy khi khơng tải, sau đĩ tải máy phát đồng thời thay đổi dịng kích từ sao cho điện áp U = const. Từ đặc tính điều chỉnh ta thấy rằng khi tăng tải cảm kháng phải tăng dịng kích từ ngược lại, khi tăng tải dung kháng dịng kích từ giảm. Trên hình vẽ biểu diễn đặc tính điều chỉnh của máy phát khi giữ cho U = const. 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song Để tăng cơng suất cấp cho các tải và đảm bảo cấp điện liên tục cho tải người ta cho các máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau. Khi hai máy phát vào làm việc song song phải đảm bảo sự phân tải đều giữa các máy, cĩ nghĩa là nếu hai máy cĩ cơng suất như nhau thì khi làm việc song song phải chịu tải như nhau, cịn nếu cơng suất của hai máy khác nhau thì máy cĩ cơng suất lớn phải chịu tải nhiều, máy cĩ cơng suất nhỏ chịu tải ít. Việc đưa một máy phát vào làm việc song song với lưới hoặc một máy phát khác phải khơng được cĩ dịng cân bằng chạy quẩn trong các máy và khơng được phá vỡ chế độ làm việc của máy phát đang làm việc. Để làm được điều đĩ các máy phát làm việc song song phải thoả mãn một trong số các điều kiện sau đây. 5.1. Điều kiện hịa đồng bộ Các điều kiện của các máy phát làm việc song song Để đưa một máy điện đồng bộ vào làm việc song song với lưới hoặc một máy điện khác cần thoả mãn những điều kiện sau: - Giá trị hiệu dụng của điện áp máy phát và lưới phải bằng nhau - Phải nối đúng thứ tự pha giữa máy phát và lưới ikt ikt0 I cos=0,8, >0 cos=1, =0 cos=0,8, <0 Iđm Hình 4.16. Đặc tính điều chỉnh của máy phát động bộ 0 54 - Tần số lưới và tần số máy phát bằng nhau - Phải đảm bảo thứ tự pha của các điện áp ấy. 5.2. Các phương pháp hịa đồng bộ Quá trình đưa một máy phát đồng bộ vào làm việc song song với lưới điện hay một máy phát khác gọi là quá trình hồ song song (hoặc hịa đồng bộ) máy phát điện. Trong thực tế cĩ những phương pháp hồ đồng bộ sau đây: Hồ đồng bộ chính xác. Đây là phương pháp thực hiện hồ song song máy phát đồng bộ thoả mãn cả 4 điều kiện trên đây. Phương pháp này thường được dùng nhất vì đảm bảo an tồn cho máy, cho lưới điện và chất lượng hồ. Song thời gian thực hiện lâu Hồ đồng bộ thơ là phương pháp đưa một máy phát vào làm việc song song với một máy phát khác khi khơng thoả mãn tất cả các điều kiện nêu trên. Phương pháp hịa này được áp dụng khi cần hồ nhanh, chất lượng hồ khơng cao, cĩ dịng cân bằng khi hồ. Thường được áp dụng trên tàu thuỷ và một số lưới điện địa phương trên bờ. Tự hồ đồng bộ. Phương pháp tự hịa đồng bộ được thực hiện như sau: Dùng máy lai quay rơto máy phát điện định hồ tới tốc độ gần đồng bộ rồi mới kích từ máy. Sau khi kích từ, do cĩ từ thơng sẽ xuất hiện dịng điện và mơ-men kéo máy vào làm việc đồng bộ. Đưa dịng kích từ vào máy ở độ trượt càng nhỏ thì độ xung dịng càng bé. Độ trượt cĩ giá trị  0,5%. Tự hồ đồng bộ chỉ được sử dụng với những trường hợp khi ở trạng thái quá độ dịng quá độ nhỏ hơn một giá trị nhất định. Phần lớn các máy điện đồng bộ khơng được sản xuất cho chế độ này, cho nên khi sử dụng phải thực hiện đo kiểm tra máy trước rồi mới được áp dụng. Áp dụng phương pháp hồ đồng bộ này rút ngắn được rất nhiều quá trình hồ máy phát, vì vậy phương pháp được sử dụng cho các máy phát sự cố hoặc khởi động hệ thống thuỷ điện dự trữ. Để thực hiện các phương pháp hồ đồng bộ trên đây ta cĩ thể thực hiện bằng tay, nửa tự động hoặc tự động. 6. Động cơ và máy bù đồng bộ: 6.1. Động cơ đồng bộ Ưu điểm - Cĩ độ ổn định cao về tốc độ do momen quay tỉ lệ bậc nhất với điện áp. - Do được kích thích bằng nguồn DC nên cĩ thể điều chỉnh để đạt cos = 1. Nhược điểm - Cấu tạo phức tạp nên khĩ khăn trong vận hành bảo quản và giá thành khá cao - Mở máy phức tạp 55 - Khĩ điều chỉnh tốc độ chỉ thức hiện được duy nhất 1 phương pháp là thay đổi tần số nguồn cung cấp - Khi cho dịng điện ba pha iA,iB,iC, vào ba dây quấn stato, tương tự như động cơ điện khơng đồng bộ, dịng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ )/(601 phutvongP fn  . Ta tưởng tượng từ trường quay của stato như một nam châm quay, khi cho dịng điện một chiều đi vào dây quấn rơto, rơto biến thành một nam châm điện. Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rơto sẽ cĩ tác dụng lực lên rơto, khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo rơto quay với tốc độ n1=n. Hình 4.17. Sơ đồ nguyên lý động cơ đồng bộ Sơ đồ thay thế động cơ điện đồng bộ Eo sdd khơng tải U. Điện áp đầu cực động cơ I. Dịng điện tải ru. điện trở của dây quấn phần ứng (stator) xdb. Điện khqáng đồng bộ của máy phát Hình 4.18. Sơ đồ thay thế động cơ đồng bộ A kt B C I  I.Zư E0 U  E0 U ZƯ I   56 Phương trình cn bằng điện p Trong đĩ: E0: Sức phản điện. I: Dịng điện qua động cơ; Zư: Tổng trở mạch phần ứng. Ta thấy: IKT thay đổi thì E0 sẽ thay đổi; Cơng suất của động cơ đồng bộ Tổn hao trong máy đồng bộ được chia thành tổn hao (chính) cơ bản và tổn hao phụ. Tổn hao chính gồm: P1 cơng suất Điện đầu vào P1=3UIcosφ (4.44) Pcu=3ru.I2 (4.45) tổn hao đồng stator Pco, Pphụ, Pkt tổn hao cơ, phụ, kích từ. Pđt cơng suất điện từ Pđt=P1-Pcu (4.46) P2 cơng suất cĩ ích trên trục động cơ Tổn hao biến đổi là tổn hao phụ thuộc vào tải, gồm tổn hao đồng phần ứng và kích từ (Pcu, Pkt). P2=P1-(Pcu+Pkt+ Pco+Pphụ) (4.47) Hình 4.19. Biểu đồ cơng suất động cơ đồng bộ * Hiệu suất 1 2 P P  (4.48) * Mơmen ở đầu trục động cơ U = E0 + I.Zư (4.43) 57 60 2 22 n PPM    (4.49) 6.2 Máy bù đồng bộ. Trong các xí nghiệp hoặc khu dân cư do nhiều nguyên nhân khác nhau hệ số cơng suất giảm (nhận từ lưới nhiều Q). Để nâng cao hệ số cơng suất người ta dùng thiết bị bù bằng tụ điện hay bằng máy đồng bộ. Như ta đã biết ở phần trước phụ thuộc vào giá trị dịng kích từ máy đồng bộ cĩ thể phát ra cơng suất cảm kháng (Q > 0) hay cơng suất dung kháng (Q < 0). Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ đồng bộ chạy khơng tải và cĩ kích từ thích hợp. Động cơ lấy từ lưới một cơng suất tác dụng nhỏ để bù vào các tổn hao và lấy từ lưới cơng suất dung kháng (đưa vào lưới cơng suất cảm kháng). Muốn vậy máy đồng bộ phải làm việc với kích từ thừa. Đặc tính cơ bản của máy bù là đặc tính I = f(Ikt), khi U = const, f = const, P  0. Máy điện đồng bộ chạy khơng tải cịn cĩ thể làm việc như bộ điều chỉnh điện áp bằng thay đổi dịng kích từ ta thay đổi dịng lấy từ lưới và thay đổi được độ giảm điện áp gây nên bởi dịng này ở lưới. Nếu máy đồng bộ chỉ dùng làm máy bù hoặc điều chỉnh điện áp thì trục của máy cĩ thể làm nhỏ. BÀI TẬP: Bài 1: Phân biệt sự khác nhau, giống nhau giữa động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ. PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH CƠNG VIỆC: Phân biệt sự khác nhau, giống nhau giữa động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ 1/B4/ MĐ20 Bước cơng việc Nội dung Yêu cầu kĩ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú 1 Phân biệt sự khác nhau, giống nhau giữa động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ - Kẻ bảng phân loại - bút, vở tài liệu phát tay 58 Bài 2: Hịa đồng bộ máy phát điện bằng phương pháp hịa chính xác dùng đèn tắt trên mơ hình. PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH CƠNG VIỆC: Hịa đồng bộ máy phát điện bằng phương pháp hịa chính xác dùng đèn tắt trên mơ hình. 2/B4/ MĐ20 Bước cơng việc Nội dung Yêu cầu kĩ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú 1 Chuẩn bị - đầy đủ, chính xác - máy phát cỡ nhỏ - đèn Atm, nguồn 2 Thực hiện đấu nối - Dây đi chính xác, đảm bảo an tồn - dây dẫn, cốt. tovit 3 Vận hành - Hịa đồng bộ được, 3 đèn tắt - nguồn 3 pha 59 BÀI 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Mục tiêu của bài: Học xong bài này, người học cĩ khả năng: - Trình bày được đại cương về máy điện một chiều; - Giải thích được các quan hệ điện từ, các phản ứng phần ứng của máy điện một chiều; - Phân tích được sự đổi chiều dịng điện trong máy điện một chiều; - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều, động cơ điện một chiều; - Trình bày được phương pháp mở máy động cơ điện một chiều. - Tích cực chủ động trong học tập. Nội dung: 1. Đại cương về máy điện một chiều: Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luơn luơn chiếm một vị trí quan trọng, bởi nĩ cĩ các ưu điểm sau: Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong cơng nghiệp dệt, giấy, cán thép. Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong cơng nghiệp mạ điện. Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và bảo quản cổ gĩp phức tạp. 1.1. Cấu tạo của máy điện một chiều Kết cấu của máy điện một chiều cĩ thể phân làm hai thành phần chính là phần tĩnh và phần quay. 1.1.1 Phần tĩnh hay stator: Đây là phần đứng yên của máy nĩ gồm các bộ phận chính sau: a. Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm cĩ lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ.Lõi sắt cực từ 1làm bằng thép lá kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ghép lại bằng đinh tán. Lõi mặt cực từ 2 được kéo dài ra (lõm vào) để tăng thêm đường đi của từ trường.Vành cung của cực từ thường bằng 2/3  (: Bước cực, là khoảng cách giữa hai cực từ liên tiếp nhau). Trên lõi cực cĩ cuộn dây kích từ 3, trong đĩ cĩ dịng một chiều chạy qua, các dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng mỗi cuộn đều được cách điện kỹ thành một khối, được đặt trên các cực từ và mắc nối nối tiếp với nhau. Cuộn dây được quấn vào khung dây 4, thường làm bằng 60 nhựa hố học hay giấy bakêlit cách điện. Các cực từ được gắn chặt vào thân máy 5 nhờ những bu lơng 6. Hình 5.1. Cực từ chính b. Cực từ phụ: Được đặt giữa cực từ chính dùng để cải thiện đổi chiều, triệt tia lửa trên chổi than. Lõi thép của cực từ phụ cũng cĩ thể làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ cĩ đặt dây quấn, cĩ cấu tạo giống như dây quấn của cực từ chính. Để mạch từ của cực từ phụ khơng bị bão hịa thì khe hở của nĩ với rotor lớn hơn khe hở của cực từ chính với rotor. c. Vỏ máy (Gơng từ): Làm nhiệm vụ kết cấu đồng thời dùng làm mạch từ nối liền các cực từ. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm để uốn và hàn lại. Máy cĩ cơng suất lớn dùng thép đúc cĩ từ (0,2 - 2)% chất than. d. Các bộ phận khác: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngồi rơi vào làm hư hỏng dây quấn. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy cĩ tác dụng làm giá đỡ ổ bi. - Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ phần quay ra ngồi hoặc ngược lại. Hình 5.3. Cơ cấu chổi than 1) Hộp chổi than 2) Chổi than 3) Lị so ép 4) Dây cáp dẫn điện Hình 5.2. Cực từ phụ 1) Lõi; 2) Cuộn dây 1) Lõi cực 2) Mặt cực 4) Khung dây 61 1.1.2. Phần quay hay rotor a. Lõi sắt phần ứng: Để dẫn từ thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,5 mm cĩ sơn cách điện cách điện hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xĩay gây nên. Trên các lá thép cĩ dập các rãnh để đặt dây quấn. Rãnh cĩ thể hình thang, hình quả lê hoặc hình chữ nhật... Trong các máy lớn lõi thép thường chia thành từng thếp và cách nhau một khoảng hở để làm nguội máy, các khe hở đĩ gọi là rãnh thơng giĩ ngang trục. Ngồi ra người ta cịn dập các rãnh thơng giĩ dọc trục. Hình 5.4. Lõi thép phần ứng b. Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra sức điện động và cĩ dịng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng cĩ bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ thường dùng dây cĩ tiết diện trịn, trong máy điện vừa và lớn cĩ thể dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh và lõi thép. Để tránh cho khi quay bị văng ra ngồi do sức ly tâm, ở miệng rãnh cĩ dùng nêm để đè chặt và phải đai chặt các phần đầu nối dây quấn. Nêm cĩ thể dùng tre gỗ. c. Cổ gĩp: Dây quấn phần ứng được nối ra cổ gĩp. Cổ gĩp thường được làm bởi nhiều phiến đồng mỏng được cách điện với nhau bằng những tấm mi ca cĩ chiều dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ trịn. Hai đầu trụ trịn dùng hai vành ép hình chữ V ép chặt lại, giữa vành ép và cổ gĩp cĩ cách điện bằng mica hình V. Đuơi cổ gĩp cao Hình 5.5. Mặt cắt rãnh phần Hình 5.6. Mặt cắt một cổ gĩp điện 62 hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến gĩp được dễ dàng d. Chổi than: Máy cĩ bao nhiêu cực cĩ bấy nhiêu chổi than. Các chổi than dương được nối chung với nhau để cĩ một cực dương duy nhất. Tương tự đối với các chổi than âm cũng vậy. e. Các bộ phận khác: - Cánh quạt dùng để quạt giĩ làm nguội máy. - Trục máy, trên đĩ cĩ đặt lõi thép phần ứng, cổ gĩp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường được làm bằng thép các bon tốt. 1.2. Trị số định mức - Pđm : Cơng suất định mức ( kW) - Uđm: Điện áp định mức ( kV) - Iđm: Dịng điện định mức (kA) - nđm: tốc độ định mức ( vịng/phút) - Iư: Dịng điện phần ứng (A) - I : Dịng điện tải (A) - Ikt: dịng điện kích từ (A) - Ikt//: dịng điện kích từ song son (A) - Iktnt: dịng điện kích từ nối tiếp(A) - Imm: dịng điện mở máy (A) - Rư: điện trở phần ứng ( Ω) - Rkt: điện trở kích từ ( Ω) - Rkt//: điện trở dây quấn kích từ song song ( Ω) - Rktnt: điện trở dây quấn kích từ nối tiếp ( Ω) 1.3. Dây quấn phần ứng Hình 5.7. Hình cắt dọc của cổ gĩp 63 Đây là phần dây quấn đặt trong các rãnh của lõi thép phần ứng, nĩ cĩ thể cĩ 1 hoặc nhiều mạch vịng kín. Dây quấn phần ứng là bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng lượng điện từ trong máy và chiếm tỷ giá đáng kể của giá thành máy. Yêu cầu đối với dây quấn phần ứng: - Sinh ra được S.đ.đ cần thiết, cho I đm đi qua lâu dài mà khơng phát nĩng quá mức cho phép. Sinh ra được mơmen đủ lớn và đổi chiều tốt. - Tiết kiệm được vật liệu, kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy và an tồn. a. Phần tử dây quấn Gồm 1 hoặc nhiều bối dây cĩ hai đầu được nối đến hai phiến gĩp. Phần tử dây quấn được gọi là (S). Mỗi phần tử luơn cĩ 2 cạnh tác dụng (một cạnh ở lớp trên và 1 cạnh ở lớp dưới; Hình 5.18). Các phần tử được nối với nhau thơng qua các phiến gĩp để tạo thành mạch kín. Do vầy mối quan hệ giữa số phần tử và số phiến gĩp là: S = G. (G: là số phiến gĩp). b. Rãnh thật và rãnh nguyên tố - Rãnh thật: Là số rãnh nhìn thấy được, đếm được trên lõi thép của máy. - Rãnh nguyên tố: - Nếu trong một rãnh thật chỉ cĩ 2 cạnh tác dụng: 1 cạnh ở lớp trên, 1 cạnh ở lớp dưới thì rãnh thật đĩ gọi là rãnh nguyên tố (Hình 5.19). - Cịn nếu trong 1 rãnh thật cĩ chứa: 4,6,8 cạnh tác dụng thì rãnh thật đĩ được chia thành 2,3,4 rãnh nguyên tố. - Từ các cơ sở trên, ta cĩ: Znt = S = G. c. Các bước dây quấn - Bước dây quấn thứ nhất (y1): Là khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng của cùng 1phần tử, được tính bằng số rãnh nguyên tố. - Bước dây quấn thứ hai (y2): Là khoảng giữa cạnh tác dụng trước của phần tử sau và cạnh tác dụng sau của phàn tử trước liên tiếp cũng được tính bằng rãnh nguyên tố. - Bước dây quấn tổng hợp (y):Là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng tương ứng của 2 phần tử liên tiếp. 64 - Bước vành gĩp (yG): Là khoảng cách trên vành gĩp nơi mà cĩ 2 cạnh tác dụng của cùng 1 phần tử được nối vào. Các bước dây quấn được biểu diễn trên hình 5.20. Hình 5.10 Các bước dây quấn 2. Các quan hệ điện từ: 2.1. Mơ men và cơng suất điện từ Khi máy điện làm việc, trong dây quấn phần ứng sẽ cĩ dịng điện chạy qua. Tác dụng của từ trường lên dây dẫn cĩ dịng điện sẽ sinh ra mơ men điện từ trên trục máy. Theo địmh luật Faraday, lực điện từ tác dụng nên thanh dẫn mang dịng điện là: F = B iưl (5.9) Trong đĩ: B: Từ cảm nơi thanh dẫn quyét qua iư: Dịng điện trong thanh dẫn l: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn Với a I i uu 2  Iư: Dịng điện phần ứng; N: Tổng số thanh dẫn của phần ứng Dư: Đường kính ngồi của phần ứng Thì mơ men điện từ của máy điện một chiều là: ; 22 u u u udt D NI a I BM  2 . ưDNfđtM  65     l B .   ; Thay vào cơng thức tính mơ men điện từ ta được: usdt Ia pNM . 2   (Nm) (5.10) Trong đĩ:  tính bằng weber (wb), Iư tính bằng Ampe (A) Nếu chia hai vế của biểu thức trên cho 9,81 thì Mđt tính bằng Nm Đặt: a pnCE 60  hệ số kết cấu máy Ta cĩ: Mđt = CM .Iư (5.11) Cơng suất điện từ của máy điện một chiều: Pđt = Mđt. với 60 .2 n  Với n tính bằng vịng /phút. Thay vào biểu thức tính Pđt ta cĩ 60 2.. 2 nI a pNP usdt    , Pđt = Eư Iư (5.12) Trong đĩ: Eư tính bằng volt (V) Iư tính bằng Ampe (A) Máy điện 1 chiều cĩ thể làm việc ở hai chế độ: – Đối với máy phát điện: Mđt ngược với chiều quay của máy nên khi máy cung cấp cho tải càng lớn thì cơng suất cơ cung cấp cho máy phải càng tăng vì Mđt luơn cĩ chiều ngược với chiều quay của phần ứng. Hình 5.11. Xác định Eư và Mđt trong máy phát điện một chiều. Chiều của Eư, Iư phụ thuộc vào chiều của  và n, được xác định bằng qui tắc bàn tay phải. Chiều của Mđt xác định bằng qui tắc bàn tay trái.    .2p ưD 66 - Đối với động cơ điện khi cho dịng điện vào phần ứng thì dưới tác dụng của từ trường, trong dây quấn sẽ sinh ra 1 Mđt kéo máy quay, vì vậy chiều quay của máy cùng chiều Mđt. Hình 5.12. Xác định Eư và Mđt trong động cơ điện một chiều. 2.2. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng; a. Máy phát điện: Ta hãy xét quá trình biến đổi năng lượng. Ví dụ như của máy phát điện một chiều kích thích độc lập được quay với tốc độ n. Khi kích thích độc lập thì tổn hao trong mạch kích thích khơng tính vào cơng suất P1 đưa từ động cơ sơ cấp vào máy phát điện. Khi biến đổi năng lượng 1 phần P1 tiêu phí vào các tổn hao pcơ, pFe, pf và phần cịn lại biến thành năng lượng điện từ, do đĩ: Pđt = Eư.Iư = P1 – (pcơ + pFe+ pf) (5.13) Cơng suất cĩ ích P2 = U.Iư do máy phát điện đưa vào lưới nhỏ hơn Pđt một trị số bằng tổn hao đồng trong máy: P2=Pđt– P cuư=Eư.Iư–Rư=U.Iư (5.14) 1P đtP cuP tP cơP fPFeP  2 P Hình 5.13. Giản đồ năng lượng của máy phát điện 1 chiều 67 Chia 2 vế trên cho Iư ta cĩ: U = Eư – Iư.Rư (5.15) Đĩ là phương trình cân bằng sức điện động của máy phát điện. Giản đồ năng lượng của máy phát điện 1 chiều: Ta cĩ thể viết cơng thức: P1 = Pđt + P0 (5.16) Hay M1. = Mđt. + M0. Chia 2 vế cho  M1 = Mđt + M0 (5.17) Đĩ là phương trình cân bằng mơment của máy phát điện 1 chiều với M1: Mơment cơ đưa vào trục MF điện; Mđt: mơment điện từ phát ra của máy phát. b. Động cơ điện: Xét 1 động cơ điện 1 chiều kích thích song song làm việc ở n. Cơng suất điện mà động cơ nhận từ lưới vào. )(1 tu IIUP  . Một phần cơng suất đĩ bù vào tổn hao đồng trên mạch kín từ: tt IUP . và tổ hao trên mạch phần ứng cuưP cịn phần lớn chuyển thành