Bài giảng Kỹ thuật điện

111 trang phuongnguyen 6930

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_dien.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện

LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu. Năng lượng điện ngày nay trở nên rất cần thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người. Bài giảng điện tử môn Kỹ thuật điện được biên soạn dành cho sinh viên các ngành kỹ thuật không chuyên về Điện thuộc trường Đại học Thủy Sản Nha Trang Nội dung bài giảng gồm ba phần chính: Phần I: Mạch điện và đo lường điện Gồm 5 chương cung cấp các kiến thức cơ bản về mạch điện ( thông số, mô hình, các định luật cơ bản), các phương pháp tính toán mạch điện một pha và ba pha ở chế độ xác lập, đồng thời giới thiệu các cơ cấu đo lường điện và các đại lương không điện Phần II: Máy điện Trình bày nguyên lý, cấu tạo, các tính năng kỹ thuật và các ứng dụng của các loại máy điện cơ bản thường gặp Phần III: Thí nghiệm Kỹ thuật điện Gồm 5 bài thí nghiệm giúp sinh viên củng cố phần lý thuyết đã học và sử dụng thành thạo các thiết bị điện và dụng cụ đo trong thực tế. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Khai Thác – Hàng Hải, Bộ môn Điện – Điện tử hàng hải, và Trung tâm Công nghệ phần mềm thuộc Trường Đại Học Thủy Sản Nha Trang đã quan tâm và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành bài giảng này. KS. NGUYỄN TUẤN HÙNG 1
PHẤN I. MẠCH ĐIỆN VÀ ĐO LƯỜNG CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1. MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.1.1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. D©y dÉn mf ® §c a b 1 3 2 c Hình 1.1.a a. Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng. Hình 1.1.b b. Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v v. (hình 1.1.c) 2
Hình 1.1.c c. Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. 1.1.2. Kết cấu hình học của mạch điện a. Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. b. Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. c. Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. d. Mắt lưới : vòng mà bên trong không có vòng nào khác 1.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u. Công suất của nhánh: p = u.i 1.2.1. Dòng điện Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn: i = dq/dt i A B UAB Hình 1.2.a Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường. 1.2.2. Điện áp Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm A và B: uAB = uA - uB Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 3
1.2.3. Chiều dương dòng điện và điện áp i + Ung U - t Hình 1.2.b Khi giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh gọi là chiều dương. Kết quả tính toán nếu có trị số dương, chiều dòng điện (điện áp) trong nhánh ấy trùng với chiều đã vẽ, ngược lại, nếu dòng điện (điện áp) có trị số âm, chiều của chúng ngược với chiều đã vẽ. 1.2.4. Công suất Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.3. MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực. Khi nghiên cứu tính toán trên mạch điện thực, ta phải thay thế mạch điện thực bằng mô hình mạch điện. Mô hình mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn dòng điện J (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M. 1.3.1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện a. Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. u( t) u( t) e( t) Hình 1.3.1.a Hình 1.3.1.b Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t) (hình1.3.1.b). Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t) 4
b. Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện J (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài ( hình 1.3.1.c) J( t) Hình 1.3.1.c 1.3.2. Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v v. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : uR =R.i (hình1.3.2.) Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri2 R i uR Hình 1.3.2 Điện dẫn G: G = 1/R. Đơn vị điện dẫn là Simen (S) Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t : Khi i = const ta có A = R i2.t 1.3.3. Điện cảm L Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây ψ = Wφ (hình 1.3.3) Điện cảm của cuộc dây: L = ψ /i = Wφ./i Đơn vị điện cảm là Henry (H). Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L di/dt 5
Hình 1.3.3 Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL .i = Li di/dt Năng lượng từ trường của cuộn dây: Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. 1.3.4. Điện dung C Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C .uc Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .duc /dt Ta có: C i uC Hình 1.3.4 Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc .i =C .uc .duc /dt Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường ( phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là F (Fara) hoặc µF 6
1.3.5. Mô hình mạch điện Mô hình mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế mạch điện , trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện thực đã được mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e,j. Mô hình mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán mạch điện và thiết bị điện. 1.4. PHÂN LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.4.1. Phân loại theo loại dòng điện a. Mạch điện một chiều: Dòngđiện một chiều là dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. Mạch điện có dòng điện một chiều chạy qua gọi là mạch điện một chiều. Dòng điện có trị số và chiều không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi (hình 1.4.a) b. Mạch điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến đổi theo thời gian. Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin (hình 1.4.b). i i I O t t Hình 1.4.a Hình 1.4.b 1.4.2. Phân loại theo tính chất các thông số R, L, C của mạch điện a. Mạch điện tuyến tính: Tất cả các phần tử của mạch điện là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L, C là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng. b. Mạch điện phi tính: Mạch điện có chứa phần tử phi tuyến gọi là mạch điện phi tuyến. Thông số R, L, C của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng. 7
1.4.3. Phụ thuộc vào quá trình năng lượng trong mạch người ta phân ra chế độ xác lập và chế độ quá độ a. Chế độ xác lập: Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập, dòng điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo một quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn điện b. Chế độ quá độ: Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo các quy luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập. 1.4.4. Phân loại theo bài toán về mạch điện Có hai loại bài toán về mạch điện: phân tích mạch và tổng hợp mạch. Nội dung bài toán phân tích mạch là cho biết các thông số và kết cấu mạch điện, cần tính dòng, áp và công suất các nhánh. Tổng hợp mạch là bài toán ngược lại, cần phải thành lập một mạch điện với các thông số và kết cấu thích hợp, để đạt các yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng. 1.5. HAI ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP Định luật Kiếchốp 1 và 2 là hai định cơ bản để nghiên cứu và tính toán mạch điện. 1.5.1. Định luật KIẾCHỐP 1 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không: ∑i=0 trong đó thường quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút mang dấu dương, và các dòng điện có chiều rời khỏi nút thì mang dấu âm hoặc ngược lại. Ví dụ : Tại nút A hình 1.5.1, định luật Kiếchốp 1 được viết: i1 + i2 – i3 – i4 = 0 i 4 i3 i1 i2 Hình 1.5.1 8
1.5.2. Định luật KIẾCHỐP 2 Đi theo một vòng khép kín, theo một chiều dương tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R ,L, C bằng tổng đại số các sức điện động có trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều dương của vòng sẽ mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm. Ví dụ: Đối với vòng kín trong hình 1.5.2, định luật Kiếchốp 2: R1 i1 i4 e2 e4 R2 R i2 R3 i3 e3 Hình 1.5.2 R1 i1 + R2 i2 –R3 i3 +R4i4 = –e2 – e3 + e4 9
CHƯƠNG II. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 2.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: i = Imax sin (ωt + ϕi) u = Umax sin (ωt + ϕu) trong đó i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp. Imax, Umax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. ϕi, ϕu : pha ban đầu của dòng điện, điện áp. Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường kí hiệu là ϕ: ϕ = ϕu - ϕi ϕ > 0 điện áp vượt trước dòng điện ϕ < 0 điện áp chậm pha so với dòng điện ϕ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện 2.2. TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin là dòng một chiều I sao cho khi chạy qua cùng một điện trở R thì sẽ tạo ra cùng công suất. Dòng điện hình sin chạy qua điện trở R, lượng điện năng W tiêu thụ trong một chu kỳT: Công suất trung bình trong một chu kỳ: Với dòng điện một chiều ta có công suất P = I2R. Tacó : Ta có: Trong thực tế, giá trị đọc trên các cơ cấu đo dòng điện I, đo điện áp U, đo công su ất P của dòng điện hình sin là trị số hiệu dụng của chúng. Các giá trị U, I, P ghi nhãn mác của dụng cụ và thiết bị điện là trị số hiệudụng. 10
2.3. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VÉCTƠ Các đại lượng hình sin được biểu diễn bằng véctơ có độ lớn (môđun) bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox bằng pha đầu của các đại lượng (hì Véctơdòng điện biểu diễn cho dòng điện: và véctơ điện áp biểu diễn cho điện áp: Tổng hay hiệu của các hàm sin được biểu diễn bằng tổng hay hiệu các véc tơ tương ứng. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng véc tơ: Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng véc tơ: Dựa vào cách biểu diễn các đại lượng và 2 định luật Kiếchốp bằng véctơ, ta có thể giải mạch điện trên đồ thị bằng phương pháp đồ thị véctơ. 2.4. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC Cách biểu diễn véc tơ gặp nhiều khó khăn khi giải mạch điện phức tạp. Khi giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập một công cụ rất hiệu quả là biểu diễn các đại lượng hình sin bằng số phức 2.4.1. Kí hiệu của đại lượng phức Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin ký hiệu bằng các chữ in hoa, có dấu chấm ở trên. Số phức có 2 dạng: a. Dạng số mũ: b. Dạng đại số: A= a + jb trong đó j2 = -1 Biến đổi dạng số phức dạng mũ sang đại số: Biến đổi số phức dạng đại số sang số mũ: a+ jb = C.ej ϕ trongđó: ϕ = arctg(b/a) 2.4.2. Một số phép tính đối với số phức a. Cộng, trừ: 11
(a+jb)- (c+jd) = (a-c)+j(b-d) b. Nhân, chia: (a+jb).(c+jd) = ac + jbc + jad + j2bd= (ac-bd) + j(bc+ad) c. Nhân số phức với ±j ej 90 = 1.( cos90 + j sin90) = j; ej -90 = 1[cos (-90) + j sin (-90)] = - j 2.4.3. Tổng trở phức và tổng dẫn phức Tổng trở phức kí hiệu là Z: Z = R +jX Mô đun của tổng trở phức kí hiệu là z: Tổng dẫn phức: 2.4.4. Định luật Ôm dạng phức: 2.4.5. Định luật Kiếchốp dạng phức a. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng phức: b. Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng phức: 2.5. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN TRỞ Khi có dòng điện i = Imaxsinωt qua điện trở R , điện áp trên điện trở: uR = R.i =URmax sinωt, trongđó: URmax = R.Imax Ta có: UR =R.I hoặc I = UR/ R Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UR Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: Điện áp uR = Umaxsinωt biểu diễn dưới dạng điện áp phức: Công suất tức thời của mạch điện: pR(t) = uRi = UR .I(1 – cos2ωt) Ta thấy pR(t) > 0 tại mọi thời điểm, điện trở R luôn tiêu thụ điện năng của nguồn và biến đổi sang dạng năng lượng khác như quang năng và nhiệt năng .v. Công suất tác dụng P là trị số trung bình của công suất tức thời pR trong một chu kỳ. 12
2 Ta có: P = URI = RI Đơn vị của công suất tác dụng là W (oát) hoặc KW 2.6. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN CẢM Khi dòng điện i = Imaxsinωt qua điện cảm L (hình 2.6.a), điện áp trên điện cảm: uL(t) = L di/dt = ULmax sin(ωt + π/2 ) trong đó: ULmax = XLImax ⇒UL = XLI ⇒I = UL/ XL XL = ω L gọi là cảm kháng. Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UL (hình 2.6.b) UL L i π/2 I UL b) a) u,i,pL P L UL i 2π O π/2 ωt c) Hình 2.6 13
Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: Điện áp uL = ULmax sin(ωt + π/2 ) biểu diễn dưới dạng điện áp phức: Công suất tức thời của điện cảm: pL(t) = uL. i = UL I sin2ωt Công suất tác dụng của nhánh thuần cảm: Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện cảm ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng QL 2 QL = ULI = XLI Đơn vị công suất phản kháng là Var hoặc KVar 2.7. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN DUNG Đặt vào hai đầu tụ điện một điện áp uC : uC = UCmax sin (ωt - π/2) thì điện tích q trên tụ điện: q = C uC = C. UCmax sin (ωt - π/2) Ta có iC = dq/dt = ICmax sinωt trong đó: ICmax = UCmax /XC → IC = UC/XC XC = 1/(Cω) gọi là dung kháng Đồ thị véctơ dòng điện I và điện áp UC Biểu diễn điện áp uC = UCmax sin(ωt - π/2) dưới dạng điện áp phức: Biểu diễn dòng điện iC = ICmax sinωt dưới dạng phức: Ta có: Kết luận: Công suất tức thời của nhánh thuần dung: pC = uC iC = - UC IC sin 2ωt Mạch thuần dung không tiêu tán năng lượng: 2 Công suất phản kháng của điện dung: QC = - UC .IC = - XCI 2.8. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG MẠCH R – L – C MẮC NỐI TIẾP VÀ SONG SONG 2.8.1. Dòng điện hình Sin trong nhánh R-L-C nối tiếp Khi cho dòng điện i = Imax sinωt qua nhánh R – L – C nối tiếp sẽ gây ra các điện áp uR , uL, uC trên các phần tử R , L, C. Ta có : u = u R + uL+ uC hoặc Biểu diễn véctơ điện áp U bằng phương pháp véctơ 14
Từ đồ thị véctơ ta có: Trong đó: z gọi là mô đun tổng trở của nhánh R – L - C nối tiếp. X = XL - XC; X là điện kháng của nhánh. Điện áp lệch pha so với dòng điện một góc ϕ: tgϕ = X/R= (XL –XC)/R Biểu diễn định luật Ôm dưới dạng phức: Ta có: Tổng trở phức của nhánh: 2.8.2. Dòng điện hình sin trong mạch R-L-C song song Cho mạch điện gồm điện trở R, điện cảm L, tụ C mắc song song (hình 2.8.2.a.) Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại nút A: i = iR + iL + iC hoặc: Biều diển véctơ I bằng phưong pháp véctơ (hình 2.8.2.b) Trị số hiệu dụng I của dòng điện mạch chính: C iC IC iL L I L I IC – IL R iR ϕ A i U IR b ) u a) Hình 2.8.2 15
Mô đun tổng trở z của toàn mạch: Dòng điện mạch chính I lệch pha so với điện áp U một góc ϕ: Định luật Ôm dưới dạng phức trong mạch R, L,C song song Áp dụng định luật Kiếchốp 1 dạng phức tại nút A: Tổng trở phức của mạch: 2.9. CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Đối với dòng điện xoay chiều có ba loại công suất 2.9.1. Công suất tác dụng P Cho mạch điện (hình 2.9) gồm các thông số R, L,C được đặt vào điện áp u = Umax sin( ωt + ϕ) và dòng điện i = Imax sinωt chạy qua mạch . Công suất tác dụng P: Công suất tức thời p(t) = u.i = UI[ cosϕ - cos(2ωt + ϕ)] Ta có: Công suất tác dụng P có thể được tính bằng tổng công suất tác dụng trên các điện trở của các nhánh của mạch điện: Trong đó Rk, Ik là điện trở, dòng điện trên nhánh thứ k. Công suất tác dụng đặc trưng cho hiện tượng biến đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng.v.v 16
2.9.2. Công suất phản kháng Q Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q. Q = UIsinϕ Công suất phản kháng có thể được tính bằng tổng công suất phản kháng của điện cảm và điện dung của mạch điện : trong đó: XLk, XCk, Ik ần lượt là cảm kháng, dung kháng và dòng điện trên nhánh thứ k. 2.9.3. Công suất biểu kiến S Công suất biểu kiến còn được gọi là công suất toàn phần. P, S, Q có cùng 1 thứ nguyên, nhưng đơnvị của P là W, của Q là VAR và của S là VA. 2.10. NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSϕ Ta có P = UIcosϕ ; cosϕ được gọi là hệ số công suất. Nâng cao hệ số cosϕ của tải sẽ nâng cao khả năng sử dụng công suất nguồn điện. Mặt khác nếu cần 1 công suất P nhất định trên đường dây 1 pha thì dòng điện chạy trên đường dây: Khi ta nâng hệ số cosϕ thì dòng điện dây Id sẽ giảm, dẫn đến giảm chi phí đầu tư cho đường dây và tổn hao điện năng trên đườngdây . Để nâng cao cosϕ ta dùng tụ điện nối song song với tải Ta có phụ tải: Z = R +jX, khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện trên đường dây I bằng dòng điện qua tải I1, hệ số công suất cosϕ1 = R/z của tải. Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện trên đường dây I: Lúc chưa bù chỉ có công suất Q1 của tải: Q1 = P tgϕ1 Lúc có bù, công suất phản kháng của mạch : Q = Ptgϕ Công suất phản kháng của mạch gồm Q1 của tải và Qc của tụ điện: Q1 + QC = Ptgϕ ⇒ QC = - P (tgϕ1 - tgϕ) (*) Mặt khác công suất phản kháng QC của tụ: 2 Qc = -UC . IC = - U ω C ( ) Từ (*) và ( ) ta tính được giá trị điện dung C để nâng hệ số công suất của mạch điện từ cosϕ1 lên cosϕ: 17
CHƯƠNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Phân tích mạch điện là bài toán cho biết kết cấu và thông số của mạch điện ( thông số của nguồn U và E, điện trở R, điện cảm L, điện dung C, tần số f của mạch) và yêu cầu phải tìm dòng điện, điện áp, và công suất trên các nhánh Hai định luật Kiếchốp là cơ sở để giải mạch điện. Khi nghiên cứu giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập ta biểu diễn dòng điện, điện áp, và các định luật dưới dạng véctơ hoặc số phức. Đặc biệt khi cần lập hệ phương trình để giải mạch điện phức tạp ta nên sử dụng phương pháp biểu diễn bằng số phức. 3.2.ỨNG DỤNG BIỂU DIỄN SỐ PHỨC ĐỂ GIẢI MẠCH ĐIỆN Cho mạch điện như hình vẽ 3.2. Cho biết: Tìm dòng điện I, I1, I2 bằng phương pháp biểu diễn số phức Tìm công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S của mạch điện. X A C C I I 2 I1 X R U& AB L D B Hình 3.2 Giải mạch điện bằng phương pháp số phức: Tổng trở phức nhánh ZCD = R.ZL/ ( R+ ZL) = 5 ( 1+j) (Ω); 18
Tổng trở phức ZAC = - jXC = -10j (Ω); Tổng trở phức toàn mạch ZAB = ZAC +ZCD = 5 ( 1+j) - 10j = 5 ( 1- j) ( Ω); Dòng điện phức mạch chính: Giá trị hiệu dụng dòng điện mạch chính: I = 10 (A) Điện áp phức nhánh CD: Dòng điện phức I1: Giá trị hiệu dụng dòng điện I1 = 10 (A) Dòng điện phức nhánh 2: Giá trị hiệu dụng dòng điện I2 = 10 (A) 2 Công suất tác dụng toàn mạch: P = I2 .R = 100. 10 = 1000(W) Công suất phản kháng của toàn mạch: 2 2 Q = I1 XL – I XC = 100. 10 – 200. 10 = - 1000 (Var) Công suất biểu kiến của toàn mạch : S = UAB.I = 1000 (VA) 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 3.3.1. Mắc nối tiếp Các tổng trở Z1, Z2, Z3 được mắc nối tiếp Tổng trở tương đương của mạch nối tiếp Ztđ = Z1 +Z2 + Z3 Ta có: Suy ra Ztđ = Z1 +Z2 + Z3 Kết luận: Tổng trở tương đương của các phần tử mắc nối tiếp bằng tổng các tổng trở của các phần tử. Công thức tổng quát: 3.3.2. Mắc song song Các tổng trở Z1, Z2, Z3 được mắc song song Áp dụng định luật kiếchốp 1 tại nút A: (1) Mặc khác : (2) Từ (1) và (2) ta có: Ta có: Ytđ = Y1 +Y2 +Y3 19
Kết luận: Tổng dẫn tương đương của các nhánh song song bằng tổng các tổng dẫn các phần tử trên các nhánh. Công thức tổng quát: 3.3.3. Biến đổi sao - tam giác (Y - ∆) và tam giác – sao ( ∆ -Y) a. Biến đổi từ hình sao sang tam giác (Y - ∆): Nếu Z1 =Z2 = Z3 = ZY ⇒ Z12 =Z23 = Z31 =3.Zy b. Biến đổi từ hình tam giác sang sao ( ∆-Y): Nếu Z12 = Z23 = Z31 = Z∆ ⇒ Z1 =Z2 = Z3 = Z∆/3 3.4. PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN NHÁNH a. Thuật toán: Xác định số nút n và số nhánh m của mạch điện: - Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh - Viết n -1 phương trình Kiếchốp 1 cho n –1 nút - Viết m – n +1 phương trình Kiếchốp 2 cho các vòng - Giải hệ m phương trình tìm các dòng điện nhánh b. Bài tập: Cho mạch điện như hình vẽ 3.4 Cho biết: Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1,I2 và I3 bằng phương pháp dòng điện nhánh. 20
E& 1 Z1 &I1 a E& &I 2 Z2 2 A B b E& &I 3 3 Z3 Hình 3.4 Giải mạch địện bằng phương pháp dòng điện nhánh Mạch điện có 2 nút (n = 2) và 3 nhánh (m =3) Chọn chiều dòng điện nhánh I1,I2 , I3 và chiều dương cho vòng a, b ( hình 3.4) Viết phương trình Kiếchốp 1 cho nút B: Viết 2 phương trình Kiếchốp 2 cho hai vòng : Vòng a: Vòng b: Thế số vào 3 phương trình (1) (2) và (3) ta giải hệ phương trình được kết quả: Suy ra giá trị hiệu dụng : c. Kết luận 21
Nhược điểm của phương pháp dòng điện nhánh là giải hệ nhiều phương trình với nhiều ẩn số. 3.5. PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN VÒNG a. Thuật toán • Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và dòng điện vòng • Lập m- n +1 phương trình Kiếchốp 2 cho m - n +1 vòng độc lập • Giải hệ m- n + 1 phương trình tìm các dòng điện vòng • Từ các dòng điện vòng suy ra các dòng điện nhánh ( Dòng điện nhánh bằng tổng đại số các dòng điện vòng chạy trên nhánh đó) m là số nhánh, n là số nút của mạch điện Dòng điện vòng là dòng điện mạch vòng tưởng tượng chạy khép kín trong các vòng độc lập. b. Bài tập Cho mạch điện như hình 3.4 Cho biết: Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1, I2 và I3 bằng phương pháp dòng điện vòng Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng: Mạch điện có 2 nút (n = 2) và có 3 nhánh (m =3) Chọn chiều dòng điện nhánh I1, I2 , I3 , chiều hai dòng điện vòng Ia, Ib và chiều dương cho vòng a, b (hình 3.5) Viết hai phương trình Kiếchốp 2 cho hai vòng a và b với ẩn số là các dòng điện vòng Ia, Ib Vòng a: Vòng b: Thế số vào ta giải hệ 2 phương trình (1)(2), tìm được dòng điện vòng: Dòng điện trên các nhánh Nhánh 1: Nhánh 2: Nhánh 3: c. Kết luận Phương pháp dòng điện vòng có ưu điểm là giải hệ ít phương trình, ít ẩn số hơn phương pháp dòng điện nhánh, thường được sử dụng để giải bài toán mạch điện phức tạp 3.6. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN ÁP HAI NÚT a. Thuật toán 22
- Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và điện áp hai nút - Tìm điện áp hai nút theo công thức tổng quát: trong đó có quy ước các sức điện động Ek có chiều ngược chiều với điện áp UAB thì lấy dấu dương và cùng chiều lấy dấu âm. - Tìm dòng điện nhánh bằng cách áp dụng định luật Ôm cho các nhánh. b. Bài tập Cho mạch điện như hình 3.6 Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1,I2 và I3 bằng phương pháp điện áp 2 nút A &I1 &I 2 &I3 Z 1 Z 2 Z3 U& AB E& 2 E& 3 E& 1 B Hình 3.6 Chứng minh công thức tổng quát : Áp dụng định luật Ôm cho các nhánh Nhánh 1: 23
Nhánh 2: Nhánh 3: Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại nút A: Từ các phương trình trên ta có: Suy ra: Công thức tổng quát nếu mạch có n nhánh và chỉ có hai nút A,B : trong đó có quy ước các sức điện động Ek có chiều ngược chiều với điện áp UAB thì lấy dấu dương và cùng chiều lấy dấu âm. Giải bài toán trên bằng phương pháp điện áp hai nút: Điện áp UAB: Thay số vào ta có: Áp dụng định luật Ôm cho các nhánh của mạch điện : Nhánh 1 : Nhánh 2: Nhánh 3: Kết luận: Phương pháp điện áp hai nút thích hợp giải cho mạch điện có nhiều nhánh nhưng chỉ có hai nút. 3.7. PHƯƠNG PHÁP XẾP CHỒNG Phương pháp này dựa trên nguyên lý xếp chồng sau: Trong một mạch tuyến tính chứa nhiều nguồn, dòng (hoặc áp) trong một nhánh nào đó là tổng đại số ( xếp chồng) của nhiều dòng ( hoặc áp) sinh ra do từng nguồn độc lập làm việc một mình, các nguồn còn lại nghỉ. 24
a. Thuật toán: • Chỉ cho nguồn 1 làm việc, các nguồn 2,3, n nghỉ. Giải mạch thứ nhất này để tìm thành phần I1 của dòng I cần tìm • Tiếp tục với các ngụồn 2,3, n., ta tìm được các thành phần I2,I3, In của I. Khi cả n nguồn cùng làm việc, dòng I cần tìm là: I = I1 +I2 +I3 +I4 + + In. 25
CHƯƠNG 4. MẠCH ĐIỆN BA PHA 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN BA PHA Việc truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn hơn việc truyền tải bằng dòng điện một pha đồng thời hệ thống điện ba pha có công suất lớn hơn Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha. Để tạo ra nguồn điện ba pha ta dùng máy phát điện đồng bộ ba pha. Ta xét cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha đơn giản : Phần tĩnh gồm 6 rãnh, trong các rãnh đặt ba dây quấn AX, BY, CZ có cùng số vòng dây và lệch nhau một góc 2π/3 trong không gian. Dây quấn AX gọi là pha A, dây quấn BY gọi là pha B, dây quấn CZ là pha C. Phần quay là nam châm vĩnh cửu có 2 cực N – S Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha: Khi quay rôto quay ngược chiều kim đồng hồ, từ trường lần lượt quét các dây quấn stato và cảm ứng vào trong dây quấn stato các sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau một góc 2π/3. Sức điện động pha A: eA = Emax sinωt Sức điện động pha B: eB = Emax sin(ωt - 2π/3) Sức điện động pha C: eC = Emax sin (ωt - 4π/3)= Emax sin (ωt + 2π/3) Nguồn điện gồm ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 2π/3 gọi là nguồn ba pha đối xứng Đối với nguồn đối xứng ta có: eA+eB+eC=0 hoặc Nếu tổng trở phức của các pha tải bằng nhau ZA = ZB =ZC thì ta có tải đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn, tải và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng. Nếu không thoã mãn một trong các điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng. 4.2. MẠCH ĐIỆN BA PHA PHỤ TẢI NỐI SAO 4.2.1. Cách nối Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối pha với nhau tạo thành điểm trung tính 4.2.2. Các quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng a. Quan hệ giữa dòng điện dây và pha Id = Ip b. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha 26
Ta có: Về độ lớn: UAB = UBC = UCA = Ud = Up 0 Về pha, điện áp dây UAB , UBC , U CA lệch pha nhau một góc 120 và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 300 . 4.3. MẠCH ĐIỆN BA PHA PHỤ TẢI NỐI HÌNH TAM GIÁC 4.3.1. Cách nối Muốn nối hình tam giác ta lấy đầu pha này nối với cuối pha kia. A nối với Z, B nối với X, C nối với Y 4.3.2. Các quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha trong cách nối hình tam giác đối xứng a. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Ud = Up b. Quan hệ giữa dòng điện dây và pha Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại các nút Nút A’: Nút B’: Nút C': Từ đồ thị hình 4.3.b ta có : IA = IB = IC = Id IAB = IBC = ICA = Ip Về trị số dòng điện dây ta có : 0 Về pha, dòng điện dây IA, IB, IC lệch pha nhau một góc 120 và chậm pha so với dòng điện pha tương ứng một góc 300 4.4. CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA 4.4.1. Công suất tác dụng P3p= PA + PB+ PC = UA IA cosϕA + UB IB cosϕB + UC IC cosϕC Khi mạch ba pha đối xứng: UA= UB= UC=UP ; IA= IB= IC= IP và cosϕA= cosϕB= cosϕC= cosϕ 2 Ta có: P3p = 3 Up Ip cosϕ = 3 Rp I p ; trong đó Rp là điện trở pha. 27
Đối với nối sao đối xứng: Đối với nối tam giác đối xứng: Công suất tác dụng ba pha viết theo đại lượng dây, áp dụng cho cả trường hợp nối sao và nối tam giác đối xứng: 4.4.2. Công suất phản kháng Q3p = QA + QB +QC = UA IA sinϕA + UB IB sinϕB + UC IC sinϕC 2 Khi mạch ba pha đối xứng : Q3p= 3 Up Ip sinϕ = 3 Xp I p; trong đó Xp là điện kháng pha Hoặc viết theo đại lượng dây: 4.4.3. Công suất biểu kiến Khi mạch ba pha đối xứng, công suất biểu kiến ba pha: 4.5. CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG Đối với mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn đối xứng, tải và các dây pha đối xứng. Khi giải mạch ba pha đối xứng ta chỉ cần tính toán trên một pha rồi suy ra các pha kia 4.5.1. Giải mạch điện ba pha tải nổi hình sao đối xứng a. Khi không xét tổng trở đường dây pha Điện áp trên mỗi pha tải: Tổng trở pha tải: trong đó Rp, Xp là điện trở và điện kháng mỗi pha tải . Ud là điện áp dây Dòng điện pha của tải: Tài nối hình sao: Id = Ip b. Khi có xét tổng trở của đường dây pha Cách tính toán cũng tương tự: trong đó Rd , Xd là điện trở và điện kháng đường dây. 28
4.5.2. Giải mạch điện ba pha tải nổi tam giác đối xứng a. Khi không xét tổng trở đường dây Ta có: Ud = Up Dòng điện pha tải Ip Dòng điện dây: b. Khi có xét tổng trở đường dây Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác: Z∆ = Rp+jXp Tổng trở biến đổi sang hình sao Dòng điện dây Id: Dòng điện pha của tải : 4.6. CÁCH GIẢI MẠCH BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG Khi tải ba pha không đối xứng ( ZA≠ZB≠ZC ) thì dòng điện và điện áp trên các pha tải sẽ không đối xứng. Trong phần này ta vẫn xem nguồn của mạch ba pha là đối xứng. 4.6.1. Giải mạch điện ba pha tải nổi hình sao không đối xứng a. Tải nối hình sao với dây trung tính có tổng trở Zo (hình 4.6.1.a) &IA A Up ZA &I Zoo’ o'o O’ O ZB Ud ZC C &IC B 29 &IB
Hình 4.6.1.a Dùng phương pháp điện áp hai nút, điện áp giữa hai điểm trung tính O’ và O: trong đó YA= 1/ZA; YB=1/ ZB; YC=1/ ZC; Y0=1/ Z0 là tổng dẫn phức các pha tải và dây trung tính . Vì nguồn đối xứng: Thay vào công thức trên ta có: Điện áp trên các pha tải: Pha A: Pha B: Pha C: Dòng điện các pha tải: Dòng điện trên dây trung tính I0: b. Nếu xét đến tổng trở Zd của các dây dẫn pha Phương pháp tính toán vẫn như trên nhưng với: c. Khi tổng trở dây trung tính Z0 = 0 Nhờ có dây trung tính điện áp pha trên các tải đối xứng. Dòng điện trên các pha tải Pha A: Pha B: Pha C: 30
Dòng điện trên dây trung tính I0: 4.6.2. Giải mạch điện ba pha tải nổi tam giác không đối xứng &I Mạch ba pha tải khôngA đối xứng nối hình tam giácA như hình 4.6.2 A &I AB Z CA ZAB Ud &IC &ICA ZBC C B C &IBC &IB B Hình 4.6.2 Nguồn điện có điện áp dây là UAB, UBC, UCA Nếu không xét tổng trở các dây dẫn pha (Zd =0) điện áp đặt lên các pha tải là điện áp dây nguồn. Dòng điện trên các pha tải: Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại các nút Tại nút A: Tại nút B: Tại nút C: Nếu trường hợp có xét tổng trở Zd của các dây dẫn pha ta nên biến đổi tương đương tải nối tam giác thành hình sao 31
4.7. CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI TRONG MẠCH ĐIỆN BA PHA Nguồn điện và tải ba pha đều có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, tùy theo điều kiện cụ thể như điện áp quy định của thiết bị, điện áp của mạng điện và một số yêu cầu kỹ thuật khác. 4.7.1. Cách nối nguồn điện Các nguồn điện dùng trong sinh hoạt thường nối thành hình sao có dây trung tính. Cách nối này có ưu điểm là cung cấp hai điện áp khác nhau : Điện áp pha và điện áp dây 4.7.2. Cách nối động cơ điện ba pha Khi thiết kế người ta đã quy định điện áp cho mỗi dây quấn. Ví dụ động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi dây quấn pha là 220V (Up =220), do đó trên nhãn hiệu của động cơ ghi là ∆/Y ~ 220/380 V . Nếu ta nối động cơ vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là 380 V thì động cơ phải nối hình sao Nếu động cơ ấy làm việc ở mạng điện 220/127V có điện áp dây là 220 V thì động cơ phải được nối hình tam giác 4.7.3. Cách nối các tải của một pha Điện áp làm việc của tải phải bằng đúng điện áp định mức đã ghi trên nhãn Ví dụ bóng đèn 220V lúc làm việc ở mạng điện 380/220V thì phải nối giữa dây pha và dây trung tính. Cũng bóng đèn ấy nếu làm việc ở mạng 220/127V thì phải nối hai dây pha để mạng điện áp đặt vào thiết bị đúng bằng định mức Tuy nhiên lúc chọn thiết bị trong sinh hoạt, ta cần chọn điện áp thiết bị bằng điện áp pha. 32
CHƯƠNG 5. ĐO LƯỜNG ĐIỆN 5.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 5.1.1. Định nghĩa Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo với đơn vị của đại lượng đo 5.1.2. Phân loại cách thực hiện phép đo a. Đo trực tiếp Cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất b. Đo gián tiếp Cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng nhiều cách đo trực tiếp 5.1.3. Các loại sai số của phép đo và cấp chính xác a. Sai số tuyệt đối Hiệu số giữa giá trị đo X và giá trị thực Xth : b. Sai số tương đối Tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị đo được tính bằng phần trăm: δ %= ∆X/Xđo.100 c. Sai số của dụng cụ đo được đặc trưng bằng sai số tương đối quy đổi γ% =∆X/Xđm.100 Xđm là trị số định mức của thang đo tương ứng d. Sai số phương pháp Sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác biểu thức lí thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo e. Sai số thiết bị Sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, liên quan đến cấu trúc, tình trạng của dụng cụ đo f. Sai số chủ quan Sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như mắt kém, do cẩu thả, do đọc lệch g. Sai số hệ thống Thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo h. Cấp chính xác của dụng cụ đo K =∆Xmax/A.100 ∆Xmax: sai số tuyệt đối lớn nhất; A khoảng thang đo trên dụng cụ đo K< 0.5 là loại dụng cụ đo có cấp chính xác cao, thường làm dụng cụ mẫu . Các dụng cụ đo trong công nghiệp thường có cấp chính xác 1 ÷2.5 i. Độ nhạy của dụng cụ đo S=∆α/ ∆X ∆α : độ biến thiên của chỉ thị đo ∆X: độ biến thiên của đại lượng cần đo 33
5.2. CƠ CẤU BIẾN ĐỔI ĐIỆN CƠ a. Định nghĩa Dụng cụ đo tương tự ( analog) là loại dụng cụ đo mà chỉ số của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị điện cơ, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ thị. Cơ cấu này thực hiện việc biến năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc lệch α so với phần tĩnh. α= f(X) , X : Đại lượng điện b. Nguyên lý làm việc của cơ cấu biến đổi điện cơ Khi cho dòng điện vào một cơ cầu biến đổi cơ điện do tác dụng của từ trường quay lên phần động của cơ cấu mà sinh ra một mô men quay Mq. Mq = dWđt/dα ( Wđt là năng lượng điện từ trường) Nếu ta đặt vào trục của phần động một lò xo cản thì khi phần động quay lò xo bị xoắn lại và sinh ra một mômen cản Mc: Mc = K.α ( hệ số K phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo lò xo) Khi phần động của cơ cấu nằm ở vị trí cân bằng: Mq = Mc ⇒ α = 1/K. dWđt/dα Đây là phương trình đặc tính thang đo Cơ cấu biến đổi kiểu điện cơ có 4 loại: 1. Cơ cấu kiểu từ điện 2. Cơ cấu kiểu điện từ 3. Cơ cấu kiểu điện động 4. Cơ cấu kiểu cảm ứng 5. Cơ cấu kiểu tĩnh điện 5.2.1. Cơ cấu đo kiểu từ điện a. Cấu tạo Nam châm vĩnh cửu (1) có độ từ cảm cao có hai má cực từ. • Lõi thép hình trụ (2) nhằm giảm khe hở không khí giữa hai cực nam châm làm cho từ trường mạnh và phân bố đều. • Cuộn dây động (3) bằng dây đồng tiết diện nhỏ trên khung nhôm – khung nhôm để quấn dây. • Lò xo (4) dùng để tạo mômen phản kháng. • Trục (5) • Kim chỉ thị (6) b. Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện một chiều cần đo chạy vào cuộn dây động, từ trường của nó sẽ tác dụng với từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo nên lực F tác dụng lên hai cạnh cuộn dây động và gây ra mômen quay Mq: Mq =F.*D = BLWI .D = Kq .I Mối quan hệ giữa góc lệch α kim chỉ thị và dòng điện cần đo: 34
α = S.I trong đó S là độ nhạy của cơ cấu đo c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Có độ chính xác cao vì các phần tử cơ cấu có độ ổn định cao, từ trường cực từ mạnh nên ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài và công suất tiêu thụ nhỏ - Thang đo chia độ đều - Độ nhạy lớn nên đo được các dòng một chiều rất nhỏ. Nhược điểm: - Chỉ đo được dòng một chiều vì góc lệch α tỉ lệ bậc nhất với dòng điện - Tiết diện cuộn dây động nhỏ, nên khả năng quá tải kém - Cấu tạo phức tạp, hư hỏng khó sửa chữa. Ứng dụng: Chế tạo để đo dòng điện và điện áp một chiều: vôn kế, ăm pe kế. Đo các dòng, áp trị số nhỏ như: điện kế, miliămpekế, milivolkế. Đo điện trở : Ôm mét, mêgômét Chế tạo đồng hồ vạn năng. 5.2.2. Cơ cấu đo kiểu điện từ a. Cấu tạo Cơ cấu gồm 2 loại chính: kiểu cuộn dây phẳng và kiểu cuộn dây tròn Ta xét cơ cấu kiểu cuộn dây phẳng như hình 5.2.2 - Cuộn dây phẳng ở phần tĩnh (1) - Lõi thép (2) - Lá sắt từ mềm (3) là phần động, nằm trong lòng cuộn dây phần tĩnh - Bộ phận cản dịu (4) Hình 5.2.2 b. Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện cần đo I vào cuộn dây 1, lá sắt từ 3 sẽ bị đẩy làm kim quay đi một góc α. Trong cuộn dây được tích lũy năng lượng từ trường: 2 WM = LI /2 L: Điện cảm của cuộn dây Mối quan hệ giữa góc lệch của kim chỉ thị α với dòng điện cấn đo I: α = SI2 S: độ nhạy của cơ cấu đo 35
c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Đo được dòng xoay chiều và một chiều - Khả năng quá tải lớn do tiết diện dây quấn lớn, đo được dòng và áp lớn - Cấu tạo đơn giản Nhược điểm: - Từ trường bản thân yếu, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài. Do tổn hao phu cô và từ trễ, nên độ chính xác không cao, độ nhạy thấp. - Thang đo chia độ không đều. Ứng dụng: Chế tạo các ampe kế và vôn kế một chiều và xoay chiều 5.2.3. Cơ cấu đo kiểu điện động a. Cấu tạo - Phần tĩnh là cuộn dây (1 ) gồm hai nữa cuộn dây đặt cạnh nhau để tạo ra khoảng không gian có từ trường tương đối đều, quấn dây tiết diện lớn. - Phần động là cuộn dây (2 ) có tiết diện nhỏ đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Ngoài ra còn có lò xo và bộ phận cản dịu b. Nguyên lý làm việc Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây 1( I1) và 2 (I2) tạo nên 2 từ trường đẩy nhau, gây nên mômen quay. Năng lượng từ trường tích lũy trong 2 cuộn dây: 2 2 WM = L1I1 /2 +L2I2 /2 + MI1.I2 L1, L2 : điện cảm của hai cuộn dây; M: hỗ cảm giữa hai cuộn dây Mối quan hệ giữa góc lệch kim chỉ thị α với 2 dòng điện cần đo: α = S. I1 I2 trong đó S là độ nhạy của cơ cấu đo 2 Nếu I1= I2 =I ⇒ α =S I c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Không có lõi thép nên không có tổn hao sắt từ, nên độ chính xác cao, chế tạo dụng cụ đo với cấp chính xác đến 0.05. - Đo được dòng một chiều và xoay chiều. Nhược điểm: - Cuộn dây (2) có tiết diện nhỏ, nên khả năng quá tải kém. - Cấu tạo phức tạp - Từ trường của cơ cấu đo bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài. Ứng dụng: Chế tạo vôn kế, ampe kế một chiều và xoay chiều và chế tạo dụng cụ đo công suất (oát kế) là chủ yếu . 5.2.4. Cơ cấu đo kiểu cảm ứng a. Cấu tạo ( hình vẽ 5.2.4) - Phần tĩnh gồm cuộn dây (2) và cuộn dây (3) Cuộn điện áp (2) có số vòng nhiều, tiết diện nhỏ. Cuộn dòng điện (3) có tiết diện lớn, quấn ít vòng - Phần động gồm đĩa nhôm (1) gắn với trục (4) 36
2 3 I I 1 φ φ 4 Hình 5.2.4 b. Nguyên lý làm việc Cho dòng điện I1 và I2 vào hai cuộn dây (2) và(3) sinh ra từ thông φ1 và φ2 lệch nhau góc ψ . Mômen làm cho đĩa nhôm quay: Mq = Cf.φ1.φ2 sinψ Hai cuộn dây phần tĩnh lần lượt đo dòng I và điện áp U cho nên: φ1 ∼U ; φ2 ∼I ; góc lệch pha ϕ giữa U và I ( vì U nhanh pha so với φ1 góc 90 , I cùng pha 0 với φ2 ) cho nên ϕ = ψ+90 Mq = Cf.φ1.φ2 sin ≈ ψ KU.I.cosϕ = KP Như vậy mômen quay tỉ lệ với công suất P mà tải tiêu thụ . Để thể hiện số vòng quay của đĩa nhôm, người ta gắn vào trục cơ cấu chỉ thị đếm cơ khí. Lượng điện năng tiêu thụ A trong khoảng thời gian ∆t: A = P. ∆t= C.N (N : số vòng quay của đĩa nhôm) c. Đặc điểm và ứng dụng - Điều kiện để mômen quay là phải có hai từ trường - Mômen quay phụ thuộc tần số dòng điện - Chỉ làm việc trong mạch điện xoay chiều Ứng dụng: Chế tạo công tơ đo điện năng 5.3. ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐO ĐIỆN ÁP 5.3.1. Đo dòng điện Đo dòng điện bằng cách mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải có dòng điện cần đo chạy qua. Điện trở trong của ampe kế càng nhỏ càng tốt Để mở rộng thang đo một chiều, người ta dùng điện trở sơn (shunt) Rs nối song song với cơ cấu đo Ta có I = IS+IA K = I/IA = RA /RS + 1 K: hệ số mở rộng thang đo. Thay đổi RS ta được các hệ số mở rộng thang đo khác nhau RA /RS = 9;99; 999 ⇒K = 10;100;1000; Dòng đi qua cơ cấu đó chỉ bằng 1/10; 1/100;1/1000; với dòng cần đo. Đo dòng xoay chiều dùng các ampemét điện từ hay điện động. 37
Với dòng xoay chiều ta dùng máy biến dòng để mở rộng thang đo. Ampemét điện từ mở rộng thang đo bằng cách chia cuộn dây tĩnh ra nhiều đoạn bằng nhau và tuỳ thuộc việc mắc nối tiếp hay song song ( hình 5.3.1.b ) Khi cần đo dòng xoay chiều bằng dụng cụ đo từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều 0 I I2 I3 I 1 4 RS RS RS RS I A Hình 5.3.1.b 5.3.2. Đo điện áp Đo điện áp người ta dùng vôn kế mắc song song với mạch điện có điện áp cần đo. Để kết quả đo chính xác thì điện trở vôn kế càng lớn càng tốt. Để mở rộng thang đo bằng cách mắc thêm điện trở phụ nối tiếp với vôn kế Gọi k= U/UV : hệ số mở rộng thang đo. k = U/UV = 1+Rp/Rv Thay đổi Rp có thể đạt được các giá trị k khác nhau Khi đo điện áp U lớn để mở rộng thang đo người ta dùng máy biến áp điện áp. 5.4. ĐO CÔNG SUẤT Dụng cụ đo công suất là Oát kế (oát mét), đơn vị của công suất là Oát (W). 5.4.1. Đo công suất trong mạch điện sin một pha Oát mét hay dụng cụ đo công suất thường chế tạo theo cơ cấu kiểu điện động Nguyên lý hoạt động: - Cuộn tĩnh 1 mắc nối tiếp với phụ tải và gọi là cuộn dòng, có điện trở rất nhỏ nên thường quấn ít vòng bằng dây cỡ lớn. - Cuộn 2 ở phần động dùng làm cuộn áp, nối song song với phụ tải cần đo . Cuộn dây 2 điện trở rất lớn nên người ta nối thêm một điện trở phụ Rp. Mômen quay tức thời của cuộn dây 2 phần động: mq=kg II IU Dòng điện qua cuộn dây tĩnh 1 là dòng điện phụ tải Ipt=II, còn dòng qua cuộn dây động 2: II =Ipt; IU =U/(R2+Rp) ⇒ IU ∼U ⇒ Mq ∼ Ppt = UI cosϕ Như vậy Mq của oát mét tỉ lệ với công suất tác dụng của phụ tải nên được dùng để đo công suất mạch xoay chiều và cả một chiều. 38
5.4.2. Đo công suất trong mạch điện ba pha Khi mạch ba pha bốn dây đối xứng, thì chỉ cần dùng một oát kế đo công suất 1 pha rồi nhân 3 : P3p= 3.P1p Nếu là mạch 3 pha 4 dây không đối xứng thì phải dùng 3 oátmét đo rồi cộng kết quả lại. P3p=PA+PB+PC Khi mạch ba pha không có dây trung tính phụ tải bất kỳ, người ta dùng 2 oát kế để đo công suất: P3p=P1+P2 Chứng minh: Công suất tức thời của mạch ba pha: p3p= uAiA+uBiB+uCiC (1) Ta có: iA+iB+iC=0 ⇒ iC= - ( iA+iB) (2) Từ (1) và (2) ta có: p3p = iA (uA-uC)+iB (uB-uC) = iAuAC+iBuBC = p1+p2 Người ta đã chế tạo loại oát kế 3 pha hai phần tử, cách mắc sơ đồ đo tương tự như cách dùng 2 oát kế một pha 5.5. ĐO ĐIỆN TRỞ a. Đo gián tiếp Để đo điện trở ta dùng Ampe kế đo dòng điện I và vônkế đo điện áp U. Điện trở cần đo: Rx = U/I Ta có Rx +RA = U/I, điện trở ampekế gây sai số phép đo. Ta có: I = U/Rx + U/Rv ⇒ Rx = 1/ (I/U –1/Rv) Điện trở vôn kế gây nên sai số phép đo, dùng để đo điện trở có giá trị nhỏ b. Đo bằng Ôm kế (hình 5.5.2) R cc 1 I R E x 2 Rbt Hình 5.5.2 Ôm kế dùng để đo các điện trở có giá trị nhỏ Cấu tạo: - Nguồn pin E - Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện Rcc - Rbt - điện trở dùng để điều chỉnh vị trí không. - Rx - điện trở cần đo 39
Khi nối Rx cần đo vào mạch, dòng điện đi qua cơ cấu đo I: I = E/( Rbt + Rx) E và Rbt không đổi thì I phụ thuộc Rx, đọc được I ta suy ra điện trở Rx Trên thang đo khắc độ theo đơn vị điện trở tương ứng với dòng điện I Sau một thời gian sử dụng E của pin giảm, nên trước khi đo cần ngắn mạch 1, 2 để chỉnh kim về vị trí 0, sau đó mới bắt đầu đo. c. Mêgômét ( lôgômét từ điện) Dùng để đo điện trở lớn như điện trở cách điện Phần tĩnh là một nam châm vĩnh cửu có lõi thép . Phần động gồm hai khung dây 1 có điện trở R1, khung dây 2 có điện trở R2 Nguồn cung cấp có điện áp từ 500 – 1000V do máy phát điện 1 chiều quay tay tạo ra Điện trở phụ dùng để điều chỉnh Rp1 mắc nối tiếp với điện trở R1 , Rp2 mắc nối tiếp với điện trở R2, điện trở cần đo Rx mắc nối tiếp với điện trở Rp1 Dòng điện qua 2 khung dây: I1 =U/(R1+Rp1 +Rx); I2 =U/(R2+Rp2); Góc quay α của mêgômét tỷ lệ với tỷ số của hai dòng: α =f(I1/I2) =f[(R2+Rp2)/ (R1+Rp1 +Rx)] Do R1, Rp1 R2, Rp2 không thay đổi, nên α = f(Rx) d. Cầu đo điện trở Điện trở cần đo là Rx là một nhánh của cầu, các điện trở R1, R2, R3 có thể điều chỉnh được. Điều chỉnh các điện trở R1, R2, R3 cho điện kế G chỉ không, cầu đã cân bằng: Rx/R2 = R3/R1 ⇒ Rx =R2. R3/R1 5.6. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN 5.6.1. Những khái niệm chung về sự biến đổi đo lường a. Khái niệm chung Các đại lượng không điện như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mực chất lỏng, vận tốc của vật, tốc độ quay, có thể đo được một cách chính xác bằng phép đo lường điện. Đồng thời tín hiệu điện được truyền dẫn và điều khiển thuận lợi hơn. Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường các đại lượng không điện bao gồm: 1. Cơ cấu chuyển đổi đo lường Để biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, điện dung .v.v 2. Các khâu trung gian như khuếch đại, bù các đại lượng điện 3. Các cơ cấu đo lường ở đầu ra có thang chia theo các đại lượng không điện b. Chuyển đổi đo lường Chức năng biến các đại lượng cần đo khác nhau thành các đại lượng điện Có nhiều cách chuyển đổi: 1. Chuyển đổi điện trở 2. Chuyển đổi điện từ 3. Chuyển đổi điện dung 4. Chuyển đổi nhiệt điện Một vài bộ chuyển đổi: 40
1. Chuyển đổi điện trở - Biến trở Điện trở của biến trở : Rx= R.L/LX LX là khoảng di chuyển của con chạy . Biến trở dùng để đo di chuyển thẳng hoặc nếu có loại biến trở xoay - Chuyển đổi điện trở lực căng Cấu tạo gồm miếng giấy mỏng làm đế, trên đó dán sợi dây mảnh bằng hợp kim platin. Sau đó dán lên chi tiết cần đo biến dạng. Sự biến thiên điện trở chuyển đồi : ∆R/R = K .δ/E K : độ nhạy của chuyển đổi δ : Ứng suất tác dụng lên chuyển đổi cần đo E: môđun đàn hồi 2. Chuyển đổi điện từ Chuyển đổi các di chuyển thẳng hay góc thành thay đổi điện cảm, hỗ cảm và xuất hiện sức điện động 3. Chuyển đổi điện dung (như hình 5.6.1.c) Điện dung của tụ điện C: C = ε. S/d ε: hằng số điện môi S: diện tích bản cực d: khoảng cách giữa hai bản cực Sự di chuyển của khoảng cách giữa hai điện cực, góc quay hay chiều dày điện môi dẫn đến sự biến thiên của tụ điện Hình 5.6.1.c 4. Chuyển đổi nhiệt điện (như hình 5.6.1.d) t0 t0 t0 I II t1 t1 Hình 5.6.1.d Đem hàn hai thanh kim loại không đồng chất I và II, nhiệt độ t1 và t0 khác nhau dẫn đến xuất hiện sức điện động trong mạch gọi là sức nhiệt điện động 41
Trị số sức nhiệt điện động phụ thuộc độ chênh lệch nhiệt độ hai đầu t1, t0 . Cơ cấu dùng để đo nhiệt độ. 5.6.2. Một số mạch đo lường các đại lượng không điện a. Đo ứng suất Ta dán chuyển đổi điện trở lực căng lên điểm cần đo và là một nhánh của mạch cầu như hình 5.6.2.a Sự biến thiên của điện áp ra trên đường chéo được khuếch đại và đưa vào cơ cấu đo A KĐ B Hình 5.6.2.a b. Đo sự di chuyển ( như hình 5.6.2.b) Rt C ∆δ Hình 5.6.2.b Sự di chuyển của vật thể dẫn đến sự thay đổi khoảng cách 2 bản cực của tụ C, dẫn đến thay đổi điện dung C, biến thiên điện áp và tín hiệu được đưa ra cơ cấu đo. Cơ cấu đo sẽ được khắc vạch khoảng di chuyển tương ứng. 5.7. ĐO LƯỜNG SỐ a. Nguyên lý của chỉ thị số 42
Đại lượng đo x(t) sau khi qua bộ biến đổi thành xung (BĐX). Số xung được được đưa vào bộ mã hóa (MH) cơ số 2 sau đó đến bộ giải mã (GM) và đưa ra bộ hiện số như hình 5.7.1 x(t) BĐX MH GM Hình 5.7.1 b. Thiết bị hiện số Có nhiều loại thiết bị hiện số quang học khác nhau nhưng dùng phổ biến nhất là bộ hiện số bằng LED ghép 7 thanh và loại tinh thể lỏng. Điốt phát quang là chất bán dẫn phát sáng khi đặt vào điện áp một chiều, còn tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng thái trong suốt sang trạng thái mờ và ta có thể nhìn thấy mầu sắc ở nền đằng sau. Tinh thể lỏng tiêu thụ công suất rất nhỏ (0,1µΑ một thanh) còn điốt phát quang là 10mA. Các thiết bị kỹ thuật sử dụng mã cơ số 2. Để đọc thông tin đo thể hiện ra bên ngoài ta biến đổi mã cơ số 2 thành mã cơ số 10 +5V CC a R1 a 3 a 2 b R2 b c R 3 c f b 22 d R4 d g 1 e R e 2 5 e c f f 0 d 2 g R6 g R7 Hình 5.7.2 Thiết bị làm nhiệm vụ này là bộ giải mã Người ta sử dụng 7 vạch từ a đến g bố trí như hình 5.7.2 . Nếu tất cả các vạch đều sáng ta nhận được số 8. Bộ giải mã 7 vạch được chế tạo dưới dạng vi mạch kiểu SN 74247 có các đầu ra hở cực góp. Dùng để điều khiển bộ chỉ thị LED có chung anốt +5V . Để đảm bảo dòng anốt mong muốn cần thêm 7 điện trở bên ngoài. Các bộ giải mã nhị thập phân 7 vạch được chế tạo kết hợp với khối hiển thị dưới dạng vi mạch . Trong vi mạch bố trí các bộ nhớ đệm lưu trữ các biến vào Bộ chỉ thị số gồm nhiều chữ số . Hoạt động của bộ chỉ thị là nối tiếp chứ không phải song song với việc sử dụng cách nối ma trận và chế độ dồn kênh có thể rút gọn đáng kể số dây nối. 43
PHẦN II. MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 6. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 6.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 6.1.1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy điện dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện (máy biến áp, máy biến dòng), tần số (máy biến tần). 6.1.2. Phân loại Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau, ví dụ phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng điện, theo nguyên lý làm việc v.v Trong chương này phân loại dựa theo nguyên lý biến đổi năng lượng như sau: a. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh là máy điện làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau b. Máy điện có phần quay Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau 6.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Nguyên lý làm việc của máy điện thường dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và định luật lực điện từ. Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật mạch từ. 6.2.1. Định luật cảm ứng điện từ a. Trường hợp từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây Khi từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng ecư tính theo công thức: ecư = - dφ/dt Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc vặn nút chai Cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây: e = - W.dφ /dt b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường 44
I: cường độ dòng điện L: chiều dài thanh dẫn F: lực điện từ Chiều lực điện từ F xác định bằng quy tắc bàn tay trái 6.2.3. Định luật mạch từ Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông (trong máy điện mạch từ là lõi thép) Nếu H là cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1,i2, ,in tạo ra và nếu C là đường cong kín trong không gian: Công thức tổng quát đối với mạch từ có n đoạn và m cuộn dây quấn trên mạch từ: trong đó dòng điện ij có chiều phù hợp với chiều φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, không phù hợp sẽ mang dấu âm Hk: cường độ từ trường trong đoạn mạch từ thứ k lk: chiều dài trung bình của đoạn mạch từ thứ k Wj: số vòng dây của cuộn dây thứ j Wj ij :được gọi là sức từ động của cuộn dây thứ j Hk lk: từ áp rơi của đoạn mạch từ thứ k Cho đoạn mạch từ (hình 6.2.3): Áp dụng định luật mạch từ: H1. L1 + H2 .L2 = W1. i1 – W2.i2 6.3. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu. 6.3.1. Vật liệu dẫn điện Dây quấn máy điện thường bằng đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Khi có yêu cầu đặc biệt, người ta dùng các hợp kim đồng, nhôm hoặc dùng thép 6.3.2. 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 kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0.35 – 0.5 mm, trong thành phần thép có từ 2 –5 % Si . Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn. 6.3.3. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau trong máy điện. Chất cách điện của máy điện gồm 4 nhóm: 1. Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vi lụa 2. Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh 3. Các chất tổng hợp 45
4. Các loại men, sơn cách điện 6.3.4. Vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo. 6.4. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN Các loại tổn hao trong máy điện: - Tổn hao hao sắt từ trong lõi thép (do hiện tượng từ trể và dòng điện xoáy) - Tổn hao đồng trong điện trở dây quấn - Tổn hao do ma sát Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện. Để làm mát, máy điện phải có các biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và có hệ thống quạt gió để mát máy hoặc hệ thống lưu chất làm mát máy điện như dầu trong máy biến áp .v.v. 6.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 1. Nghiên cứu các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện 2. Dựa vào các định luật vật lý, viết hệ phương trình toán học diễn tả sự làm việc của máy điện. Đó là mô hình toán của máy điện. 3. Từ mô hình toán, thiết lập mô hình mạch, đó là mạch điện thay thế của máy điện. 4. Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác, sử dụng theo yêu cầu cụ thể. 46
CHƯƠNG 7. MÁY BIẾN ÁP 7.1. KHÁI NIỆM CHUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Để biến đổi điện áp (dòng điện) của dòng xoay chiều từ giá trị cao đến giá trị thấp hoặc ngược lại ta dùng máy biến áp. 7.1.1. Định nghĩa và các lượng định mức a. Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện xoay chiều (U1, I1,f) thành (U2, I2,f) Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp . b. Các lượng định mức - Điện áp định mức Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm là điện áp đã quy định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức . Với máy biến áp ba pha điện áp định mức là điện áp dây - Dòng điện định mức Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. Dòng điện sơ cấp định mức kí hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu I2đm - Công suất định mức Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức. Công suất định mức kí hiệu là Sđm, đơn vị là KVA. 7.1.2. Công dụng của máy biến áp Công dụng của máy biến áp là truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống điện Muốn giảm tổn hao ∆P = I2.R trên đường dây truyền tải có hai phương án: Phương án 1: Giảm điện trở R của đường dây (R = ρ.l/S) Muốn giảm R ta tăng tiết diện dây dẫn S, tức là tăng khối lượng dây dẫn, các trụ đỡ cho đường dây, chi phí xây dựng đường dây tải điện rất lớn ( phương án này không kinh tế) Phương án 2: Giảm dòng điện I chạy trên đường dây truyền tải. Muốn giảm I ta phải tăng điện áp, ta cần dùng máy tăng áp vì đối với máy biến áp U1I1 = U2.I2 ( phương án này kinh tế và hiệu quả hơn) Máy biến áp còn được dùng rộng rãi : Trong kỹ thuật hàn, thiết bị lò nung, trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong lĩnh vực đo lường. trong các thiết bị tự động, làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử , trong thiết bị sinh hoạt gia đình v.v. 47
7.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 7.2.1 Cấu tạo máy biến áp Gồm hai bộ phận chính: lõi thép và dây quấn a. Lõi thép máy biến áp Dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện, hai mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép. b. Dây quấn máy biến áp Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Máy biến áp có công suất nhỏ thì làm mát bằng không khí Máy có công suất lớn thì làm mát bằng dầu, vỏ thùng có cánh tản nhiệt 7.2.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơ cấp I1 (hình 7.2.2) Dòng điện I1 sinh ra từ thông Φ biến thiên chạy trong lõi thép. Từ thông này móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính. Theo định luật cảm ứng điện từ: e1 = - W1 dΦ/dt e2 = - W2 dΦ/dt W1, W2 là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Hình 7.2.2 Khi máy biến áp có tải, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp I2 cung cấp điện cho tải. Từ thông Φ biến thiên hình sin Φ = Φmax sinωt Ta có: e1 = - W1 dΦ/dt = 4,44 f W1Φmax sin(ωt- π/2) e2 = - W2 dΦ/dt = 4,44 f W2Φmax sin(ωt- π/2) 48
trong đó E1=4,44 f W1Φmax, E2 =4,44 f W2Φmax k = E1/ E2= W1/ W2 , k được gọi là hệ số biến áp. Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có: U1/ U2 ≈ E1/ E2 = W1/ W2 = k Bỏ qua mọi tổn hao trong máy biến áp, ta có: U2 I2≈ U1 I1 ⇒ U1/U2 ≈ I2/I1 =W1/W2 = k 7.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP Theo quy tắc vặn nút chai, chiều φ phù hợp với chiều i1, e1 và i1 cùng chiều . Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2 không phù hợp với chiều φ theo quy tắc vặn nút chai. Trong máy biến áp còn có từ thông tản φt1 , φt2 ( hình 7.3.a) Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản . Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L1 : L1 = φt1 /i1 Điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2 : L2= φt2 /i2 φ φt1 φ t2 I2 I1 e1 u1 u2 Zt e2 Hình 7.3.a 7.3.1. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn sơ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.b : trong đó X1 = L1 ω 49
i1 R1 L1 u1 e Hình 7.3.b 7.3.2. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn thứ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.c : R2 L2 i2 e2 Zt u2 Hình 7.3.c Trong đó X2 = L2.ω 7.3.3. Phương trình cân bằng từ Điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1≈ E1 = 4.44 fW1φmax không đổi, cho nên từ thông chính φmax sẽ không đổi. Phương trình cân bằng từ dưới dạng số phức: 7.4. SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP Từ các phương trình cân bằng điện từ ta xây dựng mô hình mạch điện cho máy biến áp. Sơ đồ thay thế là sơ đồ điện phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp, ta có hệ phương trình: 50
Trong đó: Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ thay thế cho máy biến áp (hình 7.4.a) X1 R1 R'2 X'2 1 I1 Rth I’2 I0 U’2 Z’t U1 Xth E1 = E’2 2 Hình 7.4.a 7.5. CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Là chế độ mà phía thứ cấp hở mạch và phía sơ cấp được đặt vào điện áp. 7.5.1. Đặc điểm chế độ không tải của máy biến áp a. Dòng điện không tải I0 Ta có : I0 = U1/ z0 Tổng trở z0 rất lớn vì thế I0 rất nhỏ: I0 =(3% -10% )I1đm b. Công suất không tải P0 2 2 P0 = R0 I 0=Rth I th = Pst 51
c. Hệ số công suất cosϕ0 7.5.2. Thí nghiệm không tải của máy biến áp Xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ Pst, Xth, Rth, cosϕ0, I0 Sơ đồ thí nghiệm Vôn kế V1 chỉ U1đm; vôn kế V2 chỉ U2đm Ampe kế A chỉ dòng điện không tải I0 Oát mét W chỉ công suất không tải P0 a. Hệ số biến áp k : k = W1/W2 =U1đm/U2đm b. Dòng điện không tải phần trăm : I0 % = I0/I1đm .100% = (3% ÷ 01%) I1đm 2 c. Điện trở không tải: R0=P0/I 0 ≈Rth d. Tổng trở không tải: z0 = U1đm /I0 Điện kháng không tải: Xth≈Xo e. Hệ số công suất không tải: cosϕ0 = P0/(U1đmI0 ) = 0.1 ÷0.3 7.6. CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP Là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại và phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp. Đây là tình trạng sự cố. 7.6.1. Đặc điểm chế độ ngắn mạch của máy biến áp Phương trình và sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch. Sơ đồ thay thế Tổng trở z’2 rất nhỏ so với zth , nên có thể bỏ nhánh từ hoá . Dòng điện ngắn mạch In: In = U1đm/zn Rn: điện trở ngắn mạch máy biến áp Xn: điện kháng ngắn mạch máy biến áp. zn : tổng trở ngắn mạch máy biến áp Zn rất nhỏ cho nên In rất lớn: In = U1đm/zn ≈ (10 ÷ 25) I1đm ( tình trạng sự cố) 7.6.2. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp 52
Xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và các thông số R1, X1, R2, X2 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp . Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho dòng điện trong các dây quấn đạt giá trị định mức. Un % = Un /U1đm 100% = (3÷10 %) U1đm Công suất đo trong thí nghiệm ngắn mạch Pn là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn. a. Tổng trở ngắn mạch: zn = Un /I1đm 2 b. Điện trở ngắn mạch: Rn= Pn/I 1đm c. Điện kháng ngắn mạch d. Thông số dây quấn R1 =R’2 = Rn /2 X1 =X’2 =Xn/2 Biết hệ số biến áp, tính được thông số thứ cấp chưa quy đổi. 2 2 R2=R’2/k ; X2=X’2/k 7.7. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải. Hệ số tải : kt = I2/I2đm= I1/I1đm kt=1 tải định mức, kt 1 quá tải. a. Độ biến thiên điện áp thứ cấp. ∆U2% = (U2đm-U2)/ U2đm .100% b. Đặc tính ngoài của máy biến áp Quan hệ U2 = f(I2), khi U1 =U1đm và cosϕt = const. Điện áp thứ cấp U2 là: U2 = U2đm -∆U2 = U2đm (1 - ∆U2%/100) c. Tổn hao và hiệu suất máy biến áp - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng 2 2 2 ∆Pđ =∆Pđ1+∆Pđ2 = I1 R1 +I 2R2 = kt Pn trong đó Pn là công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch . - Tổn hao sắt từ ∆Pst trong lõi thép do dòng điện xoáy và từ trể gây ra Tổn hao sắt từ bằng công suất đo khi thí nghiệm không tải. ∆Pst = P0 Hiệu suất máy biến áp η: 2 η=P2/P1 = P2/(P2 + ∆Pst +∆Pđ) = ktSđm cosϕt /( ktSđm cosϕt +P0 +kt Pn) P2= S2 cos ϕt = ktSđm cosϕt 2 Nếu cosϕt không đổi, hiệu suất cực đại khi η∂/∂kt = 0 ⇒ kt Pn =P0 Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại: Đối với máy biến áp công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải kt= 0.5 ÷0.7 53
7.8. MÁY BIẾN ÁP BA PHA Để biến đổi điện áp của hệ thống điện ba pha, ta dùng máy biến áp ba pha. Về cấu tạo lõi thép của máy biến áp ba pha gồm 3 trụ và trên mỗi trụ quấn dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mỗi pha Dây quấn sơ cấp: pha A thường kí hiệu là AX, pha B là BY, pha C là CZ. Dây quấn thứ cấp: pha a thường kí hiệu là ax, pha b là by, pha c là cz. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, ví dụ như có 4 trường hợp cơ bản, bao gồm 12 tổ nối dây ( hình 7.8.1) Up1 Up2 Ud2 Ud1 Υ/∆ Υ/Υ ∆/∆ ∆/Υ Hình 7.8.1 Tỷ số điện áp dây trong 4 trường hợp cơ bản: Nối Y/Y: Υ/∆: ∆/Υ: 54
∆/∆: Tổ nối dây của máy biến áp cho ta biết cách mắc của cuộn sơ cấp, thứ cấp và góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Ví dụ: Tổ nối dây kí hiệu Υ/Υ- 21; phía sơ cấp và thứ cấp nối sao, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12x300 =3600 7.9. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP Nhờ làm việc song song, công suất lưới điện lớn rất nhiều so với công suất mỗi máy, đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an toàn cung cấp điện, khi một máy hỏng hóc hoặc phải sửa chữa. Điều kiện để cho các máy biến áp làm việc song song : 1. Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các máy phải bằng nhau tương ứng 2. Các máy phải có cùng tổ nối dây 3. Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau. UnI% = UnII% = UnN% Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ lệ với công suất định mức của chúng. 7.10. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 7.10.1. Máy biến áp tự ngẫu Biến áp tự ngẫu còn được gọi là máy tự biến áp Máy biến áp tự ngẫu một pha thường có công suất nhỏ, được dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị để làm nguồn có khả năng điều chỉnh được điện áp đầu ra theo yêu cầu. Máy biến áp tự ngẫu một pha gồm có dây quấn thấp áp (số vòng dây W2 ) là một phần của dây quấn cao áp (số vòng dây W1) ( hình 7.10.1 ) Ta có: U1/U2=W1/W2 hay là U2 = U1.W1/W2 I1 I2 55 a ∼U1 W1
Hình 7.10.1 Ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt a, sẽ thay đổi được điện áp U2. Máy tự biến áp có tiết diện lõi thép bé hơn máy biến áp thông thường nhưng vẫn đảm bảo đủ công suất Máy tự biến áp trong đó cuộn thấp áp là một phần cuộn cao áp cho nên tiết kiệm được dây dẫn, và giảm được tổn hao. Máy tự biến áp có nhược điểm là mức độ an toàn điện không cao 7.10.2. Máy biến áp đo lường a. Máy biến điện áp Dùng biến đổi điện áp xoay chiều rất cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Số vòng dây cuộn thứ cấp phải ít hơn số vòng dây cuộn sơ cấp. Tiết diện dây quấn sơ cấp nhỏ hơn tiết diện dây quấn thứ cấp. Trong khi làm việc, không được để cho máy biến điện áp ngắn mạch ở thứ cấp. U1 A X a U x 2 V Hình 7.10.2.a b. Máy biến dòng điện Dùng biến đổi dòng điện xoay chiều lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường và một số mục đích khác. Vì dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp nhiều hơn số vòng dây sơ cấp. Tiết diện dây quấn thứ cấp nhỏ hơn tiềt diện dây sơ cấp 56
Đối với máy biến dòng không được để hở mạch ở thứ cấp. A X I1 a x I2 A Hình 7.10.2.b CHƯƠNG 8. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.1. KHÁI NIỆM CHUNG 57
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện có phần quay, làm việc với điện xoay chiều, theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto khác với tốc độ quay của từ trường. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt nên ít được dùng. Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, gíá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Động cơ điện không đồng bộ gồm các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. 8.2. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Gồm hai phần chính: 1. Phần tĩnh ( Stator: Stato, xtato) 2. Phần quay ( Rotor: Rôto) Hình 8.2 8.2.1. Phần tĩnh ( STATO) Phần tĩnh gồm các bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có vỏ máy và nắp máy (hình 8.2.1.a) Hình 8.2.1.a a. Lõi thép Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy (hình 8.2.1.b) 58
Hình 8.2.1.b b. Dây quấn ba pha Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn ba pha stato sẽ tạo ra từ trường quay. Dây quấn ba pha có thể nối sao hoặc tam giác c. Vỏ máy Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép, cố định máy trên bệ, bảo vệ máy và đỡ trục rôto (hình 8.2.1.c ) 8.2.2. Phần quay ( RÔTO) Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. a. Lõi thép Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục b. Dây quấn Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ thường có hai kiểu: rôto lồng sóc (rôto ngắn mạch) và rôto dây quấn. Rôto lồng sóc trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các thanh đồng (hoặc nhôm), các thanh đồng thường đặt nghiêng so với trục, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng (nhôm), tạo thành lồng sóc (hình 8.2.2.b) 59
Hình 8.2.2.b Rôto dây quấn gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép do các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trục Trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quân ba pha. Dây quấn rôto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt), được nối với ba biến trở bên ngoài để điều chỉnh tốc độ và mở máy Động cơ không đồng bộ có hai loại: Động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn 8.3. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.3.1. Từ trường đập mạch của dây quấn một pha Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian, gọi là từ trường đập mạch. Cho dòng điện hình sin một pha chạy vào cuộn dây AX ( hình 8.3.1.a ) Dây quấn AX được đặt trong 4 rãnh trên stato 1,2,3,4. X N 2 1 2 3 4 3 1 4 S X A A Hình 8.3.1.a Căn cứ vào chiều dòng điện ta vẽ được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai, dây quấn tạo ra tử trường đập mạch có hai cực ( p=1; p là số đôi cực), từ trường này có phương không đổi, nhưng có chiều và độ lớn biến thiên hình sin theo thời gian. Tương tự ta đặt dây quấn AX trên 4 rãnh tạo ra từ trường 4 cực đập mạch ( p=2). 8.3.2. Từ trường quay của dây quấn ba pha a. Sự tạo thành từ trường quay Ta xét máy điện ba pha đơn giản gồm 6 rãnh trong đó đặt ba dây quấn đối xứng AX, BY, CZ trên stato Ba dây quấn được đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện. Trong các dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua có đồ thị iA = Imax sinωt 0 iB = Imax sin(ωt-120 ) 60
0 iC = Imax sin(ωt-240 ) iA chạy vào cuộn dây AX, iB chạy vào cuộn BY, iC chạy vào cuộn CZ Nếu iA >0 thì dòng đi vào A ra X, nếu iA<0 thì dòng đi vào X ra A Xét từ trường tổng do dòng ba pha gây ra tại 3 thời điểm:  Thời điểm pha ωt= 900 Dòng điện pha A cực đại và dương, các dòng điện pha B và C âm và có độ lớn bằng nhau. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường BA, BB, BC, Btổng  Thời điểm pha ωt= 900+1200 Dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường BA, BB, BC, Btổng . 0 Véc tơ từ trường tổng Btổng đã quay đi một góc là 120 so với thời điểm trước theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.  Thời điểm pha ωt= 900+2400 Dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm. 0 Véc tơ từ trường tổng Btổng đã quay đi một góc là 240 so với thời điểm ban đầu theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Vậy dòng điện ba pha tạo ra từ trường quay b. Đặc điểm của từ trường quay  - Tốc độ từ trường quay Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực p. Tốc độ từ trường quay là n1 =60f/p ( vòng /phút)  - Chiều quay của từ trường Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện đạt cực đại Muốn đổi chiều quay của từ trường ta giữ nguyên một pha và thay đổi thứ tự hai pha còn lại với nhau . Ví dụ : Dòng điện iB cho vào dây quấn CZ, dòng điện iC cho vào dây quấn BY, từ trường sẽ quay theo chiều ngược lại tức là cùng chiều kim đồng hồ.  - Biên độ của từ trường quay Từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên độ bằng 3/2 từ thông cực đại của một pha φmax = 3/2 φpmax c. Từ trường quay của dây quấn hai pha Khi có dây quấn hai pha đặt lệch nhau trong không gian 1 góc 900 điện, dòng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 900 , cũng phân tích như trên, từ trường hai pha là từ trường quay và có biên độ : φmax = φpmax d. Từ thông tản Bộ phận từ thông chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn gọi là từ thông tản 8.4. NGUYÊN LÝ LÀM CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha: Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p. 61
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1 N n Fđt n F đt S Hình 8.4 Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhau thì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, cho nên lực điện từ bằng không. Hệ số trượt của tốc độ : s = (n1-n)/n1 Tốc độ của động cơ : n= 60f/p. (1-s) (vòng/phút) 8.5. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 8.5.1. Phương trình cân bằng điện dây quấn stato Dây quấn stato của động cơ điện tương tự như dây quấn sơ cấp của máy biến áp, phương trình cân bằng điện áp: 8.5.2. Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto Dây quấn rôto được coi như dây quấn thứ cấp máy biến áp, dây quấn rôto chuyển động đối với từ trường quay tốc độ trượt: n1- n Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số : f2= p (n1- n )/60=sf Sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay: E2s=4,44.f2W2 kdq2φmax =sE2 Điện kháng tản dây quấn rôto lúc quay: X2s = 2πf2.L2 =s. 2πf.L2 = s.X2 ke: Hệ số quy đổi sức điện động rôto ke = E1/E2= W1.kdq1/ W2 kdq2 62
Phương trình điện áp dây quấn rôto lúc quay : 8.5.3. Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ ki = (m1W1kdq1)/(m2W2kdq2) là hệ số quy đổi dòng điện rôto I0: dòng điện stato lúc không tải; I1, I2 là dòng điện stato và rôto khi động cơ kéo tải, m1, m2 là số pha của dây quấn stato và rôto 8.6. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ta có hệ phương trình : Sơ đồ thay thế cho động cơ không đồng bộ ( hình 8.6) R1 X1 R2’/s X’2 I1 I’2 I0 Rth U1 Xth Hình 8.6 8.7. MÔ MEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Mômen điện từ Mđt đóng vai trò mômen quay: M = Mđt = Pđt/ω1= Pđt.p/ω ω1: tần số góc của từ trường quay ; ω: tần số góc dòng điện stato; p là số đôi cực từ 2 Công suất điện từ: Pđt= 3I’2 R’2/s Dựa vào sơ đồ thay thế ở mục 8.6 ta tính được: Ta có : Đồ thị mômen theo hệ số trượt M = f(s) ( hình 8.7.a) Thay s = (n1-n)/n1 vào biều thức ta có mối quan hệ n=f(M) 63
Quan hệ n=f(M), gọi là đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (hình 8.7.b) n M Mc n1 Mmax Mq O s O Mmm M a) b) Hình 8.7 Động cơ sẽ làm việc ở điểm Mq =Mc ( hình 8.7.b ) Đặc điểm của mômen quay: 2 a. Mômen tỉ lệ với bình phương điện áp M∼U1 , nếu U1 thay đổi, mômen động cơ thay đổi rất nhiều. b. Mômen có trị số cực đại Mmax ứng với giá trị tới hạn sth c. Mômen mở máy Mmm 8.8. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Khi mở máy động cơ phải thỏa mãn ba yêu cầu: 1. Mômen mở máy động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy 2. Mômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép 3. Dòng mở máy phải nhỏ để điện áp lưới điện không bị sụt áp và ảnh hưởng đến các thiết bị khác 8.8.1. Mở máy động cơ rôto dây quấn Khi mở máy dây quấn rôto được nối với biến trở mở máy. Đầu tiên để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần đến không. Đường đặc tính cơ ứng với các giá trị Rmở Khi có điện trở mở máy Rmở , dòng điện pha lúc mở máy : 64
Khi Rmở tăng thì Mmm tăng Nhờ có Rmở dòng điện mở máy giảm xuống và mômen mở máy tăng Đó là ưu điểm của động cơ rôto dây quấn. 8.8.2. Mở máy động cơ lồng sóc a. Mở máy trực tiếp Phương pháp đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều. Phương pháp này dùng được khi công suất mạng điện (hoặc nguồn điện) lớn hơn công suất động cơ rất nhiều. b. Giảm điện áp cung cấp cho stato Khi mở máy ta giảm điện áp vào động cơ, cũng làm giảm được dòng điện mở máy. Khuyết điểm của phương pháp này mômen mở máy giảm rất nhiều, vì thế chỉ sử dụng được đối với trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. Các biện pháp giảm điện áp như sau: - Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato Lúc mở máy, cầu dao K2 mở, cầu dao K1 đóng. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng K2 và ngắt K1. Nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần, dòng điện sẽ giảm đi k lần, song mômen giảm đi k2 lần (vì M∼U2) - Dùng máy tự biến áp Gọi k là hệ số biến áp ; U1 là điện áp pha lưới điện ; zn là tổng trở động cơ lúc mở máy. Dòng điện I1 lưới điện cung cấp cho động cơ lúc có máy tự biến áp : 2 I1=Iđc/k =Uđc/kzn = U1/k zn Khi mở máy trực tiếp, dòng điện I1 =U1/zn Dòng điện của lưới điện giảm đi k2 lần. Điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, nên mômen sẽ giảm k2 lần. - Phương pháp đổi nối sao – tam giác Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối hình tam giác. Khi mở máy ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm . Sau khi mở máy ta đổi nối lại thành hình tam giác như đúng quy định của máy. Dòng điện dây khi nối hình tam giác: Dòng điện dây khi nối hình sao: Dòng điện dây mạng điện giảm đi 3 lần. vả mômen giảm đi 3 lần. 65
Qua các phương pháp, chúng ta đều thấy mômen máy giảm xuống nhiều. Để khắc phục điều này, người ta đã chế tạo loại động cơ lồng sóc kép và loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tốt. 8.8.3. Động cơ điện lồng sóc có đặc tính mở máy tốt a. Động cơ điện lồng sóc rãnh sâu Loại động cơ này, rãnh rôto hẹp và sâu (chiều sâu bằng 10-12 lần chiều rộng rãnh). Khi có dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, từ thông tản rôto phân bố. Từ thông tản móc vòng với đọan dưới thanh dẫn nhiều hơn đoạn trên. Do lúc mở máy, điện kháng tản phía dưới lớn, dòng điện tập trung phía trên thanh dẫn gần miệng rãnh làm sự phân bố dòng điện tập trung nhiều ở phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện của thanh coi như bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên sẽ làm tăng mômen mở máy. Khi mở máy xong, tần số dòng điện rôto nhỏ, tác dụng trên bị yếu đi, điện trở rôto giảm xuống như bình thường. b. Động cơ điện lồng sóc kép Rôto của động cơ có hai lồng sóc, các thanh dẫn của lồng sóc ngoài (còn gọi là lồng sóc mở máy) có tiết diện nhỏ và điện trở lớn Lồng sóc trong có tiết diện lớn hơn điện trở nhỏ. Như ở trên khi mở máy dòng điện tập trung ở lồng sóc ngoài có điện trở lớn, mômen mở máy lớn. Khi làm việc bình thường, dòng điện lại phân bố đều ở cả hai lồng sóc, điện trở lồng sóc ngoài nhỏ xuống. Động cơ điện rãnh sâu và lồng sóc kép có đặc tính mở máy tốt, nhưng vì từ thông tản lớn, nên hệ số công suất cosϕ thấp hơn động cơ lồng sóc thông thường. 8.9. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ : n = 60f/p. (1-s) (vòng/phút) 8.9.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số (f) Thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng bộ biến tần. Khi thay đổi tần số người ta mong muốn giữ cho từ thông φmax không đổi, cho nên phải giữ cho tỷ số điện áp và tần số không đổi. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép điều chình tốc độ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng và cho cà nhóm động cơ, song giá thành tương đối đắt. 8.9.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực (p) Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. Muốn thay đổi P ta phải thay đổi cách đấu dây hoặc có cách cấu tạo dây quấn đặc biệt 8.9.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp đường đặc tính M=f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi. 66
Nhược điểm của phương pháp này là giảm khả năng quá tải của động cơ, phạm vi điều chỉnh hẹp, tăng tổn hao và chỉ sử dụng cho các động cơ công suất nhỏ 8.9.4. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở rôto của động cơ rôto dây quấn Khi tăng điện trở, dòng điện rôto giảm dẫn đến lực từ giảm cho nên tốc độ quay của động cơ giảm. Phương pháp này đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng 8.10. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Đặc tính của động cơ không đồng bộ là các quan hệ giữa tốc độ quay rôto n, hệ số cosϕ, hiệu suất η, mômen quay M, và dòng điện stato I1 với công suất cơ hữu ích trên trục P2 . 8.10.1. Đặc tuyến dòng điện stato I1 = f(P2) Với U1 không đổi , I0 gần như không đổi. Khi P2 tăng , I’2 tăng nên I1 tăng theo. 8.10.2. Đặc tuyến tốc độ rôto n = f(P2) Khi tải tăng, công suất P2 trên trục động cơ tăng, mômen cản tăng lên, từ đường đặc tính mômen ta thấy hệ số trượt s tăng lên, và tốc độ động cơ giàm xuống. 8.10.3. Đặc tuyến mômen quay M = f(P2) Khi P2 tăng, nếu s không đổi thì đặc tuyến sẽ là đường thẳng. Ở đây s hơi tăng lên nên M tăng nhanh hơn P2 8.10.4. Đặc tuyến hiệu suất η = f(P2) Hiệu suất của động cơ : η = P2/(P2+∆P) Nếu P2 tăng , Pđ1 và Pđ2 tăng theo, hiệu suất tăng theo, hiệu suất tăng lên đến ηđm = 0.75 –0.9, sau đó giảm xuống. 8.10.5. Hệ số công suất cosϕ = f(P2) Trong đó P1 là công suất tác dụng (điện) động cơ tiêu thụ để biến đổi sang công suất cơ P2. Q1 là công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ để tạo ra từ trường cho máy. Khi tải tăng, công suất P1 tăng và cosϕ được tăng lên đạt đến giá trị định mức cosϕ= 0,8 - 0,9. Khi quá tải dòng điện vượt định mức, từ thông tản tăng, Q1 tăng; do đó cosϕ lại giảm xuống. Các đường đặc tuyến được thể hiện trên hình vẽ 8.10 67
n, M, I n η cosϕ I1 cosϕ0 M I0 O P2 Hình 8.10 8.11. ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA a. Từ trường dòng điện hình sin một pha Dòng điện xoay chiều một pha không tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điện, chiều và trị số từ trường thay đổi, nhưng phương của từ trường không đổi. Từ trường này gọi là từ trường đập mạch. Phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau cùng tần số quay n1 và biên độ bằng một nửa biên độ từ trường đập mạch. Trong đó từ trường quay có chiều quay trùng với chiều quay rôto, gọi là từ trường quay thuận B+, còn từ trường có chiều quay ngược chiều quay rôto gọi là từ trường quay ngược B- Mômen quay M1 do từ trường thuận sinh ra có giá trị số dương và M2 do từ trường ngược gây ra có trị số âm. Mômen quay M của động cơ là M=M1-M2 Từ đường đặc tính mômen, lúc mở máy M1= M2 ⇒ M=0 động cơ điện không tự mở máy được. Nhưng nếu tác động làm cho động cơ quay, động cơ có mômen M và sẽ tiếp tục quay. Phải có biện pháp mở máy, tạo cho động cơ một mômen mở máy. b. Động cơ một pha Về cấu tạo stato chỉ có dây quấn một pha, rôto thường là lồng sóc. Ở loại động cơ này, ngoài dây quấn chính, còn có dây quấn phụ. Dây quấn phụ có thể thiết kế để làm việc chỉ lúc mở máy (gọi là động cơ 1 pha không ngậm tụ), hoặc làm việc thường trực (động cơ 1 pha ngậm tụ). 68
Dây quấn phụ đặt trong các rãnh stato, sao cho sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 900 trong không gian. Dòng điện ở dây quấn phụ và dây quấn chính sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen mở máy. Để dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900, phải nối tiếp với dây quấn phụ một tụ điện C. CHƯƠNG 9. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG 9.9.1. Định nghĩa Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng đúng tốc độ quay của từ trường stato n1 gọi là máy điện đồng bộ Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. 9.1.2. Công dụng a. Chế độ máy phát Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tua bin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. ( hình 9.1.2 ) 69
Hình 9.1.2 Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ điêzen hoặc xăng, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song b. Chế độ động cơ Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió .v.v. Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, máy bù đồng bộ 9.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và rôto . Stato là phần tĩnh (còn gọi là phần ứng ), rôto là phần quay (còn gọi là phần cảm ). 9.2.1. Phần tĩnh ( STATO) Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ a. Lõi thép Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. lõi thép được ép vào trong vỏ máy b. Dây quấn Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép 9.2.2. Phần quay ( RÔTO) Rô to máy điện đồng bộ bao gồm lõi thép, cực từ và dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ được cấp bởi nguồn điện một chiều để tạo ra từ trường cho máy. (hình 9.2.2.a) Hình 9.2.2.a 70
Hai đầu của dây quấn kích từ nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn 1 chiều. Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi a. Rôto cực lồi Dùng ở máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. Rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ b. Rôto cực ẩn Thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000v/ph có một đôi cực. Rôto cực ẩn dây quấn kích từ được đặt ẩn trong các rãnh. 9.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto φo Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng: E0=4,44fW1kdqφo . Nếu rôto có p đôi cực, tần số f của sức điện động: f = pn/60 Dây quấn ba pha stato có đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau góc pha 1200 Trong dây quấn stato xuất hiện một nguồn điện ba pha đối xứng Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn có dòng điện ba pha: iA = Imax sinωt 0 iB = Imaxsin(ωt – 120 ) 0 iC = Imaxsin(ωt – 240 ) Dòng điện ba pha được tạo ra giống như ở máy điện không đồng bộ sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/p (n = 60f/p =n1), đúng bằng tốc độ quay n của rôto. Do đó máy điện này gọi là máy điện đồng bộ . 9.4. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ rôto φ0 cắt dây quấn stato cảm ứng 0 ra sức điện động E0 chậm pha so với nó một góc 90 . Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải, dòng điện I tạo nên từ trường quay phần ứng (stato). Tác dụng của từ trường phần ứng (stato) lên từ trường cực từ (rôto) gọi là phản ứng phần ứng. Tải thuần trở Từ thông phần ứng φư (stato) theo hướng ngang trục, làm lệch hướng từ trường cực từ (rôto) φ0 ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục (hình 9.4.a) E0 I φư 71 S φo N
Hình 9.4.a Tải thuần cảm Từ thông phần ứng φư ngược chiều φ0 gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng (hình 9.4.b) E0 I N φo φư S N Hình 9.4.b Tải thuần dung Từ thông phần ứng φư cùng chiều φ0, gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng từ trường tổng. E0 I φo S φư N Hình 9.4.c N Tải bất kỳ Phân tích từ trường phần ứng thành hai thành phần: Thành phần ngang trục làm lệch hướng từ trường tổng Thành phần dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (hình 9.4.d) E0 φư φưn 72 I
Hình 9.4.d Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ vừa phụ thuộc vào dòng điện tải I (độ lớn bé) vừa phụ thuộc vào tính chất của tải ( thuần trở, thuần cảm và thuần dung). 9.5. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP VÀ CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.5.1. Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn Xđb =Xd=Xq gọi là điện kháng đồng bộ. Phương trình cân bằng điện áp: 9.5.2. Các đường đặc tính của máy phát điện đồng bộ a. Đặc tính không tải U0 = E0 = f(Ikt) khi Itải =0, n =const ( f=const) Ta có: Eo= 4,44f.W1.kdq.φo = K.φo Đặc tính không tải là đường φ0 =f(Ikt), gọi là đường cong từ hóa vật liệu sắt từ b. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ Mối quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải cosϕt không đổi, tần số f và dòng điện kích từ Ikt không đổi U = f(I) khi Ikt =const, n= const (f=const) , cosϕt =const Đặc tính ngoài của máy phát phụ thuộc tính chất của tải c. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ Mối quan hệ giữa dòng điện kích từ với dòng điện tải điện áp U bằng điện áp định mức, tần số f và tính chất tải không đổi. Ikt = f(I) khi U =const, n= const ( f =const), cosϕt =const 9.6. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.6.1. Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện ba pha Ia, Ib, Ic vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto biến thành một nam châm điện 73
Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo rôto quay với tốc độ n = n1 Phưong trình điện áp của động cơ điện đồng bộ: 9.6.2. Mở máy động cơ điện đồng bộ Muốn động cơ làm việc, phải tạo mômen mở máy để quay rôto đồng bộ với từ trường quay stato. Trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn, được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ không đồng bộ ( hình 9.6.2) Hình 9.6.2 Khi mở máy, nhờ có dây quấn mở máy ở rôto động cơ sẽ làm việc như đồng cơ không đồng bộ . Trong quá trình mở máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua mạch điện có điện trở lớn để bảo vệ dây quấn kích từ Khi rôto đã quay đến tốc độ bằng tốc độ đồng bộ n1, đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ. 9.6.3. Máy bù đồng bộ Động cơ điện đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh quá kích thích để động cơ phát ra công suất phản kháng với mục đích nâng cao hệ số công suất lưới điện. Công suất phản kháng: Q= mU (E0cosθ-U)/Xđb mà E0 phụ thuộc Ikt Tăng Ikt ⇒ tăng E0 ⇒ Q >0 động cơ phát ra công suất phản kháng vào lưới điện, động cơ làm việc quá kích thích. Hệ số công suất lưới điện cosϕL Tăng Ikt ⇒ tăng Q ⇒ giảm QL⇒ cosϕL tăng và ngược lại 74
CHƯƠNG 10. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 10.1. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều bao gồm stato với cực từ, rôto và cổ góp với chổi than 10.1.1. PHẦN TĨNH (STATO ) Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Gắn với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ 10.1.2. PHẦN QUAY (RÔTO) Rôto của máy điện một chiều gọi là phần ứng bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và chổi than (hình 10.1.2.a) Hình 10.1.2.a a. Lõi thép và dây quấn Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. Các lá thép kỹ thuật điện có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp. Các phiến góp đặt trên cổ góp b. Cổ góp và chổi than 75
Cổ góp gổm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ , được gắn ở đầu trục rôto. Các đầu dây của phần tử dây quấn rôto nối với phiến góp. Chổi than làm bằng than graphit, các chổi than được tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo 10.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10.2.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Ta xét máy phát điện một chiều có dây quấn phần ứng gồm hai thanh dẫn ab và cd chỉ nối với hai phiến góp 1 và 2 ( hình 10.2.1) Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Trên thanh dẫn ab sức điện động có chiều từ a đến b. Trên thanh dẫn cd chiều sức điện động từ c đến d . Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của hai thanh dẫn phần tử và hai phiến góp thay đổi cho nhau. Sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều nhưng chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ chỉnh lưu dòng điện I ra tải có chiều không đổi. Phương trình cân bằng điện áp: U = Eư –Rư Iư Rư là điện trở dây quấn phần ứng; U là điện áp hai đầu cực máy ; Eư là sức điện động phần ứng. 10.2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp 1 và 2, trong dây quấn phần ứng có dòng điện (hình 10.2.2 ) Hai thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Hình 10.2.2 Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp 1 và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eưtrong dây quấn rôto Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: 76
U = Eư + Rư Iư 10.3. SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHẦN ỨNG, CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ VÀ MÔMEN ĐIỆN TỪ a. Sức điện động phần ứng Khi quay rôto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động : e =Btbl.v Sức điện động phần ứng Eư bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh. Số thanh dẫn trong một nhánh: N/2a Sức điện động phần ứng Eư: Eư = N/2a *e = N/2a * Btbl.v (1) Tốc độ dài: v= πDn/60 (2) Mặt khác từ thông mỗi cực từ φ = Btb πDl/2p (3) Từ (1) (2) (3) ta có Eư= pN/60a *nφ = kEnφ Kết luận: Eư = kEnφ b. Công suất điện từ và mômen điện từ Công suất điện từ: Pđt = Eư Iư (5) Từ (4) và (5) ta có : Pđt = pN/60a *nφ Iư Mômen điện từ: Mđt = Pđt /ωr (6) ωr là tần số góc quay của rôto: ωr =2πn/60 (7) Từ (6) và (7) ta có: Mđt = pN/2πa Iư φ = kM Iư φ Kết luận : Mđt =kM Iư φ 10.4. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ . Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở đường trung tính hình học AB Ở đường trung tính hình học có cường độ từ cảm B = 0, thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sức điện động . Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng (rôto) sinh ra từ trường phần ứng .Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng . Hậu quả của phản ứng phần ứng a. Từ trường trong máy bị biến dạng Đường trung tính hình học AB đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý A1B1 với góc lệch thường nhỏ và lệch theo chiều quay của rôto khi là máy phát điện, và ngược chiều quay của rôto khi là động cơ điện. 77
b. Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, từ thông φ của máy bị giảm xuống, kéo theo sức điện động phần ứng Eư giảm, điện áp máy phát U giảm . Ở chế độ động cơ, từ thông giảm làm cho mômen quay giảm, và tốc độ động cơ thay đổi Để khắc phục hậu quả trên, người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù . Từ trường cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng nhằm triệt tiêu từ trường phần ứng . 10.5. NGUYÊN NHÂN TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, và làm nhiễu đến các thiết bị điện tử khác. Sự phát sinh tia lửa điện do các nguyên nhân sau: 1. Nguyên nhân cơ khí Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp . 2. Nguyên nhân điện từ Khi rôto quay liên tiếp có phần tử chuyển đổi từ mạch nhánh này sang mạch nhánh khác. trong phần tử đổi chiều ấy sẽ xuất hiện các sức điện động sau: a. Sức điện động tự cảm eL, do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều . b. Sức điện động hỗ cảm em, do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận . c. Sức điện động eq do từ trường phần ứng gây ra 3. Biện pháp khắc phục Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên bằng cách dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù ( triệt tiêu) tổng 3 sức điện động eL, em,eq . 10.6. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia máy điện một chiều ra các loại : a. Máy điện một chiều kích từ độc lập. b. Máy điện một chiều kích từ song song c. Máy điện một chiều kích từ nối tiếp d. Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp 10.6.1. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập Phưong trình cân bằng điện áp Mạch phần ứng: U = Eư –RưIư 78
Mạch kích từ : Ukt = Ikt ( Rkt + Rđc) Khi dòng điện I tải tăng, dòng điện phần ứng Iư tăng, điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân: 1. Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông φ giảm, kéo theo sức điện động Eư giảm. 2. Điện áp rơi Rư.Iư tăng. Đường đặc tính ngoài U=f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) , khi giữ điện áp và tốc độ không đổi Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong các hệ thống máy phát - động cơ, truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động trên tàu thủy, máy bay v.v 10.6.2. MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ SONG SONG Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ dư Phương trình cân bằng điện áp Mạch phần ứng : U = Eư –RưIư Mạch kích từ : U=Ikt (Rkt +Rđc) Phương trình dòng điện: Iư =I+Ikt Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U giảm như máy phát điện kích từ độc lập, ở máy kích từ song song khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm. Đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập Đường đặc tính điều chỉnh của máy phát điện Ikt=f(I) khi U,n không đổi 10.6.3. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều, trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Khi I tải tăng, dòng điện Iư tăng, từ thông φ và Eư tăng, do đó U tăng, Khi I = (2-2,5)Iđm, máy bão hoà, thì I tăng U sẽ giảm. 10.6.4. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song. Khi tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông máy tăng lên, sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi. Đây là ưu điểm của máy phát điện kích từ hỗn hợp. Đường đặc tính ngoài U= f(I) Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường của dây quấn kích từ song song Khi tải tăng, điện áp giảm rất nhiều. Đường đặc tính ngoài dốc, nên được sử dụng làm máy hàn một chiều. 10.7. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 79
Dựa vào phương pháp kích từ, việc phân loại động cơ điện một chiều giống đối với máy phát một chiều. Sức điện động của động cơ điện một chiều Eư: Eư= pN/60a *nφ = kEnφ Mômen điện từ Mđt của động cơ: Mđt = pN/2πa Iư φ = kM Iư φ 10.7.1. MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU a. Mở máy động cơ điện một chiều Phương trình cân bằng điện áp: U=Eư + RưIư ⇒Iư= (U- Eư)/ Rư Khi mở máy, tốc độ n=0 ⇒Eư = kE nφ =0 ⇒ Iư= U/ Rư Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư=(20÷30) Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện. Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp : - Dùng biến trở mở máy Rmở Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy: Iưmở =U/( Rư+Rmở) Lúc đầu để biến trở Rmở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy giảm dần đến không (hình 10.7.1 ) - Giảm điện áp đặt vào phần ứng Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp U A Rđc Rm I ư Hình 10.7.1 b. Điều chỉnh tốc độ 80
Eư = U - RưIư = kE n.φ⇒ n = (U - RưIư)/ kE φ Điều chỉnh tốc độ bẳng các phương pháp: - Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ. - Thay đổi điện áp U Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều. - Thay đổi từ thông Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp phương pháp thay đổi từ thông với thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh tốc độ rất rộng. 10.7.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Để mở máy dùng biến trở mở máy Rmở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc . a. Đường đặc tính cơ n = f(M) n = (U - RưIư)/ kEφ (1) Mặt khác: Mđt = kM Iư φ (2) Từ (1) và (2) ta có: 2 n= U/ kEφ - RưM/ (kM kEφ ) Thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có: 2 n= U/ kEφ - (Rư +Rp )M/ (kM kEφ ) Đường 1 đặc tính cơ tự nhiên (Rp =0), đường 2 đặc tính cơ ứng với Rp ≠ 0. (hình 10.7.2) b. Đặc tính làm việc Các đường quan hệ giữa tốc độ n, mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất η theo công suất cơ trên trục P2 Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắt kim loại, máy công cụ . 10.7.3. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Để điều chỉnh tốc độ ta có thể điều chỉnh từ thông, mắc biến trở điều chinh song song với dây quấn kích từ nối tiếp. a. Đường đặc tính cơ n = f(M) Khi máy không bão hoà, dòng điện phần ứng Iư và từ thông φ tỷ lệ với nhau: Iư = kI φ (1) 2 Ta có: M=kM Iư φ = kM kI φ (2) n = (U - RưIư)/ kEφ (3) Từ (1), (2) và (3) ta có: 81