CHƯƠNG 28 - MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐẶC BIỆT pdf

176
Ch"ơng 28
Máy điện đồng bộ đặc biệt

28-1. Máy phát điện đồng bộ một pha

Về cấu tạo, máy phát điện đồng bộ một pha khác với máy phát điện đồng bộ ba pha
ở chỗ trên phần ứng của nó chỉ có đặt dây quấn một pha. Dòng điện xoay chiều chạy
trong dây quấn đó sẽ sinh ra từ trRờng đập mạch với tần số của dòng điện. Từ trRờng
đập mạch này có thể xem nhR tổng hợp của hai từ trRờng quay thuận và ngRợc. Từ
trRờng quay thuận có tốc độ quay đồng bộ với từ trRờng của cực từ và quan hệ điện từ
giữa hai từ trRờng đó hoàn toàn giống nhR ở máy điện đồng bộ ba pha. Từ trRờng quay
ngRợc có tốc độ 2n
đb
so với từ trRờng của cực từ (hoặc so với rôto) và sẽ cảm ứng trong
các dây quấn đặt ở rôto các dòng điện có tần số 2f. Các dòng điện này sẽ sinh ra từ
trRờng làm yếu từ trRờng quay ngRợc sinh ra chúng. Nếu trên rôto có đặt dây quấn cản,
thì từ trRờng quay ngRợc sẽ rất nhỏ vì bị giảm nhiều. Trong trRờng hợp chỉ có dây quấn
kích thích thì từ trRờng quay ngRợc chỉ bị giảm ở hRớng dọc trục và vẫn mạnh ở hRớng
ngang trục. Sự có mặt của từ trRờng ngRợc trong máy phát điện đồng bộ một pha làm
cho tổn hao ở rôto tăng thêm, đồng thời cũng sinh ra dòng điện tần số 3f trong dây
quấn phần ứng. Vì vậy trong máy điện đồng bộ một pha luôn luôn có đặt dây quấn cản
để giảm nhỏ từ trRờng ngRợc.
Đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ một pha tRơng tự nhR của máy điện đồng bộ ba
pha. Tuy nhiên điện áp rơi trong máy điện đồng bộ một pha lớn hơn ở máy ba pha vì
điện kháng tản từ x

R
của nó lớn hơn do ảnh hRởng của từ trRờng ngRợc.

28-2. Máy biến đổi một phần ứng

Máy biến đổi một phần ứng là một loại máy điện quay dùng để biến đổi dòng điện
xoay chiều thành dòng điện một chiều hoặc ngRợc lại - dòng điện một chiều thành
dòng điện xoay chiều. Sự biến đổi đó đRợc thực hiện trên cơ sở cấu tạo của máy điện
một chiều. Vì s.đ.đ. cảm ứng trong dây quấn phần ứng của máy điện một chiều là s.đ.đ.
xoay chiều và có thể biểu thị bằng hình đa giác s.đ.đ. nên ở m điểm cách đều nhau trên
dây quấn đó, s.đ.đ. sẽ lệch pha nhau góc 2/m. Nối m điểm đó với m vành trRợt đặt
trên trục phía không có vành góp thì từ các chổi điện tiếp xúc với các vành trRợt đó ta
sẽ đRợc s.đ.đ. m pha.
Nếu máy đRợc dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
thì đối với nguồn xoay chiều, máy làm việc nhR một động cơ điện đồng bộ và đối với
lRới điện một chiều máy làm việc nhR máy phát điện một chiều.
TrRớc kia máy biến đổi một phần ứng nhR vậy thRờng dùng để cung cấp dòng điện
một chiều cho xe điện và các tuyến đRờng sắt dùng đầu máy điện.
Nếu máy dùng để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều thì đối
với lRới điện một chiều máy làm việc nhR một động cơ điện một chiều và đối với lRới
điện xoay chiều máy làm việc nhR máy phát điện đồng bộ.
177
0

+



U
m~
U
=
2

/m
Hình 28-1. Các điện áp của
dây quấn phần ứng của
máy biến đổi một phần ứng

Cũng cần chú ý rằng nếu dùng một động cơ sơ cấp kéo máy biến đổi một phần ứng,
dùng dòng điện một chiều do máy phát ra để cung cấp cho dây quấn kích thích và từ
vành trRợt lấy ra điện áp xoay chiều thì ta đRợc máy phát điện đồng bộ tự kích thích
biến đổi cơ năng lấy từ động cơ sơ cấp thành điện năng xoay chiều.
Vì điện áp xoay chiều U
~
và một chiều U
=
đều đRợc thực hiện trên cùng một dây
quấn nên giữa chúng có một tỷ lệ nhất định. Để xác định tỷ lệ đó có thể dựa vào đồ thị
trên hình 28-1 (với m = 6), và ta có:

m
U
U
m

sin
2
2
~
=
hay là:
m
U

U

sin
2
~
=
Thí dụ với m = 3 thì U
~
= 0,612U
=
.
Từ phân tích trên ta thấy rằng, ở máy biến đổi một phần ứng, nếu điện áp xoay
chiều U
~
là tiêu chuẩn thì điện áp một chiều U
=
là không tiêu chuẩn và ngRợc lại.
Vì máy biến đổi một phần ứng đồng thời
làm việc ở hai chế độ máy phát điện và động cơ
điện, nên dòng điện trong dây quấn phần ứng là
hiệu số của dòng điện xoay chiều và dòng điện
một chiều, do đó tổn hao trong dây quấn phần
ứng nhỏ hơn tổn hao trong phần ứng của máy
điện xoay chiều. Nếu số pha m lớn thì tổn hao
đó càng nhỏ.
Máy biến đổi một phần ứng có thể mở máy
theo phRơng pháp mở máy không đồng bộ của
động cơ điện đồng bộ nếu có đặt dây quấn mở
máy ở các mặt cực. Ngoài ra cũng có thể mở
máy nhR mở máy động cơ điện một chiều, sau

đó hoà đồng bộ với lRới điện xoay chiều.











28-3. Động cơ điện phản kháng

Động cơ điện phản kháng thuộc loại máy điện đồng bộ không có dây quấn kích
thích và nguyên lý làm việc của nó dựa vào sự khác nhau giữa từ trở dọc trục x
d
và
ngang trục x
q
. Công suất và mômen điện từ của nó đã đRợc phân tích ở mục 22.4.1.
Để thực hiện đRợc x
d
x
q
, rôto của máy đRợc chế tạo nhR trình bày trên hình 28-2.
Với cấu tạo nhR trên hình 28-2a, rôto đRợc ghép bằng những lá thép tròn có những chỗ
khuyết để tăng khe hở giữa các cực từ và do đó tăng từ trở của mạch từ hRớng ngang
trục. Để mở máy, trên rôto có đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. ở trRờng hợp của
các hình 28-2b và c, rôto đRợc chế tạo bằng cách đổ nhôm vào các tập thép. ở đây

nhôm có tác dụng của dây quấn mở máy.
Do không có dây quấn kích từ, động cơ phản kháng phải lấy dòng điện từ lRới điện
và có hệ số công suất cos thấp. Trọng lRợng của động cơ điện phản kháng thRờng gấp
178
2p = 4

a)
2p = 2

b
)

2p = 4

c
)

Hình
28
-
2
. Cấu tạo của động cơ điện phản kháng

0
s

1
M

Hình 28-3. Đặc tính mômen

của động cơ điện đồng bộ từ trễ
2-3 lần trọng lRợng của động cơ điện không đồng bộ cùng công suất. Thông thRờng
các động cơ điện phản kháng đRợc chế tạo với công suất 50 ữ 100 W.









28-4. Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ

Động cơ điện từ trễ khác với động cơ điện nam châm vĩnh cửu ở chỗ rôto của nó
không đRợc từ hoá sẵn mà chỉ đRợc từ hoá khi làm việc dRới tác dụng của từ trRờng
quay của stato. Vật liệu chế tạo rôto là hợp kim từ cứng có chu trình từ trễ rộng. Kết
quả của sự từ hoá đó làm từ trRờng của rôto sẽ lệch sau từ trRờng của stato một góc từ
trễ
tt
có độ lớn phụ thuộc vào mômen tác dụng trên trục máy. ở trRờng hợp động cơ
điện, từ trRờng quay của stato vRợt trRớc từ trRờng
rôto và góc
tt
là âm. NgRợc lại, ở trRờng hợp máy
phát điện, từ trRờng của stato chậm sau từ trRờng
rôto và góc
tt
là dRơng. Mômen điện từ sinh ra do
hiện tRợng từ trễ có dạng nhR trên hình 28-3, nghĩa

là không phụ thuộc vào tốc độ.
Máy điện đồng bộ kiểu từ trễ đRợc dùng chủ
yếu làm động cơ điện. So với động cơ điện phản
kháng thì động cơ điện từ trễ có Ru điểm hơn vì
không cần đến dây quấn mở máy, kích thRớc nhỏ v
hệ số công suất cos cao hơn. Công suất của động




cơ điện từ trễ có thể đến 300 ữ 400 W.

28-5. Động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu

ở các động cơ này, cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ
từ dR rất cao (0,5ữ1,5 T). Các cực từ này có cấu tạo của cực lồi và đRợc đặt ở rôto.
Khoảng giữa các cực đRợc đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ. Nếu máy dùng
làm động cơ điện thì cần phải đặt thêm dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì trên hợp
kim nam châm rất khó gia công rãnh nên thRờng phải chế tạo lồng sóc nhR của động
cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu. Với kết cấu nhR vậy sẽ tốn vật
liệu hơn và thRờng chế tạo đến công suất 30 ữ 40 W. Trong trRờng hợp dùng nhR máy
179

Hình 28-4. Cấu tạo của máy
phát điện đồng bộ cảm ứng
B
0

B
max

B
min

stato


Hình 28-5. Từ trYờng ở khe hở của
máy phát đồng bộ kiểu cảm ứng.

Rôto

phát, do không cần có dây quấn mở máy, công suất có thể lên tới 5 ữ 10 kW và đôi khi
đến 100 kW.

28-6. Máy điện đồng bộ cảm ứng
(máy phát cảm ứng tần số cao)

Trong sản xuất, một số
thiết bị dùng trong luyện kim,
vô tuyến điện, hàn, cần
dòng điện xoay chiều một hoặc
ba pha tần số cao (400 ữ
3000Hz). Biện pháp tăng số đôi
cực p hoặc tốc độ quay n trong
các máy phát đồng bộ để thực
hiện tần số cao nói trên bị hạn
chế, do cấu tạo máy hoặc sức
bền vật liệu không cho phép.

Trong trRờng hợp này phải dùng máy phát cảm ứng có tần số cao gây ra bởi sóng điều
hoà răng của từ trRờng đập mạnh. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ cảm ứng nhR
hình 28-4. Trong các rãnh lớn ở stato có đặt dây quấn kích từ và trong các rãnh nhỏ đặt
dây quấn xoay chiều. Rôto có dạng bánh xe răng và không có dây quấn. Sự phân bố từ
trRờng dọc khe hở nhR trên hình 28-5.
Khi rôto quay, từ trRờng đó đập mạch
và đRợc xem nhR tổng của hai thành
phần. Thành phần thứ nhất B
0
có trị số
không thay đổi và không chuyển động
so với stato, do đó không sinh ra sức
điện động cảm ứng trong dây quấn
stato, thành phần thứ hai phân bố hình
sin có biên độ
2
minmax
BB
và chuyển
động cùng với rôto sẽ cảm ứng trong
dây quấn xoay chiều sứcđiện động có
tần số f = Z
2
n, trong đó Z

2
là số răng
của rôto.











28-7. Động cơ bSớc

Động cơ bRớc là loại động cơ quay gián đoạn từng góc độ xác định dRới tác dụng
của mạch điện xung đặt vào dây quấn stato của nó. Các động cơ bRớc đRợc dùng trong
các mạch tự động và điều chỉnh, ví dụ trong máy cắt gọt làm việc theo chRơng trình.
Hình 28-6 trình bày cấu tạo của động cơ bRớc đơn, đơn giản nhất có ba đôi cực ở
stato và hai đôi cực ở rôto. Khi dây quấn ở đôi cực 1-1 có dòng điện thì rôto có vị trí
nhR ở hình 28-6a. Tiếp theo, khi dây quấn ở đôi cực 1-1, 2-2 có dòng điện thì rôto quay
180
1
N
15
0
30
0
3

2
3
2
2
2
3
3
3
3
2
2
1
1
1
1
1
N
N
S S
S
a)

b)

c)

Hình
28
-
6

.
Nguyên lý làm việc của động cơ bYớc

đi một góc 15
0
nhR trên hình 28-6b. Ngắt dòng điện trong dây quấn của đôi cực 1-1 thì
rôto quay tiếp thêm 15
0
, v.v
Góc quay có thể thay đổi đRợc bằng cách tăng giảm số cực hoặc ghép vài đôi stato
và rôto lệch nhau một góc nhất định trên cùng một trục.
Với cấu tạo khác nhau, động cơ bRớc có thể cho các góc quay từ 180
0
đến 1
0
hoặc
nhỏ hơn. Tần số xung giới hạn khiến cho động cơ có thể mở máy và đứng mà không
mất bRớc vào khoảng 100 ữ 10000 Hz.










Câu hỏi
1. Có thể đem một máy phát điện ba pha không có dây trung tính dùng làm máy

phát điện một pha đRợc không? Khi dùng nhR vậy công suất của máy giảm đi bao
nhiêu?
2. So sánh Ru khuyết điểm của ba loại động cơ đồng bộ phản kháng, nam châm
vĩnh cửu và từ trễ.
3. Để động cơ bRớc có thể làm việc đRợc, dòng điện xung đRa vào các dây quấn
của stato phải là dòng điện một chiều hay xoay chiều?











181
Tài liệu tham khảo

1. Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu
Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2001.
2. Trần khánh hà
Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 1997.
3. CHâu ngọc thạch
HRớng dẫn sửa chữa máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện công suất nhỏ -Nhà
xuất bản Giáo dục - 1994.
4. Nguyễn Đức Sỹ
Sửa chữa máy điện và máy biến áp - Nhà xuất bản Giáo dục - 2001.
5. Vũ Gia Hanh

Máy điện 1, 2 - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2003.
6. Nguyễn Hồng Thanh Nguyễn Phúc Hải
Máy điện trong thiết bị tự động - Nhà xuất bản Giáo dục - 1999.




















182
Phụ lục


Phn th ba
Lý luận chung về máy điện xoay chiều

ChRơng 13

Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều

13-1.

Dây quấn có q là số nguyên 3

13-2.

Dây quấn có q là phân số và dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc 8

13-3.

Sức điện động của dây quấn máy điện xoay chiều 10

13-4.

Cải thiện dạng sóng sức điện động 14

ChRơng 14

Sức từ động của dây quấn máy điện xoay chiều

14-1.

Đại cRơng 17

14-2.

Sức từ động của dây quấn một pha 19

14-3.

Sức từ động của dây quấn ba pha 22

14-4.

Sức từ động của dây quấn hai pha 24

14-5.

Phân tích sức từ động của dây quấn bằng phRơng pháp đồ thị 25

14-6.

Điện kháng của dây quấn máy điện xoay chiều 27


Phn th t
Máy điện không đồng bộ (KĐB)

ChRơng 15

Đại c"ơng về máy điện không đồng bộ

15-1.

Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ 34

15-2.

Phân loại và kết cấu của máy điện không đồng bộ 36

15-3.

Các đại lRợng định mức của máy điện không đồng bộ 39

15-4.

Công dụng của máy điện không đồng bộ 40

ChRơng 16

Quan hệ điện từ trong máy điện kđb

16-1.

Đại cRơng 42

16-2.

Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên 42

16-3.

Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay 46

16-4.

Các chế độ làm việc và giản đồ năng lRợng của máy điện không
đồng bộ

51

16-5.

Biểu thức mômen điện từ của máy điện không đồng bộ 53

16-6.

Mômen phụ của máy điện không đồng bộ 57

16-7.

Các đặc tính của máy điện không đồng bộ 60

16-8.

Các đặc tính của máy điện không đồng bộ trong điều kiện không
định mức

61

183
ChRơng 17

Đồ thị vòng tròn của máy điện không đồng bộ

17-1.

Đại cRơng 67

17-2.

Cách xây dựng đồ thị vòng tròn 67

17-3.

Xác định đặc tính làm việc của máy điện không đồng bộ bằng đồ
thị vòng tròn


68

17-4.

Xây dựng đồ thị vòng tròn bằng số liệu thí nghiệm không tải và
ngắn mạch, cách vẽ thực tế.

72

17-5.

Đồ thị vòng tròn chính xác 75

ChRơng 18

Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện kĐB

18-1.

Quá trình mở máy động cơ điện không đồng bộ 77

18-2.

Các phRơng pháp mở máy 78

18-3.

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 81

ChRơng 19

Các chế độ làm việc và các dạng khác của máy
điện không đồng bộ

19-1.

Các chế độ làm việc đặc biệt của máy điện không đồng bộ 89

19-2.

Các dạng khác của máy điện không đồng bộ 92

19-3.

Máy điện không đồng bộ một pha 100

19-4.

Máy điện không đồng bộứng dụng hiệu ứng mặt ngoài ở dây quấn
rôto lồng sóc

106


Phn th nm
Máy điện đồng bộ

ChRơng 20

Đại c"ơng về máy điện đồng bộ

20-1.

Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 110

20-2.

Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ 112

20-3.

Các đại lRợng định mức của máy điện đồng bộ 116

ChRơng 21

Từ tr"ờng trong máy điện đồng bộ

21-1.

Đại cRơng 117

21-2.

Từ trRờng của dây quấn kích thích (của cực từ) 117

21-3.

Từ trRờng của phần ứng 120

21-4.

Quy đổi các sức từ động trong máy điện đồng bộ 124

ChRơng 22

Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

22-1.

Đại cRơng 126

22-2.

PhRơng trình điện áp và đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ 126

22-3.

Cân bằng năng lRợng trong máy điện đồng bộ 131

22-4.

Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 133

184
ChRơng 23

Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng

23-1.

Đại cRơng 137

23-2.

Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 137

23-3.

Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ 141

ChRơng 24

Máy phát điện đồng bộ làm
việc ở tải không đối xứng

24-1.

Đại cRơng 144

24-2.

Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không
đối xứng

145

24-3.

ảnh hRởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ

147

24-4.

Ngắn mạch không đối xứng 148

ChRơng 25

Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

25-1.

Đại cRơng 151

25-2.

Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 151

25-3.

Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy
phát đồng bộ

154

ChRơng 26

Động cơ và máy bù đồng bộ

26-1.

Động cơ điện đồng bộ 160

26-2.

Máy bù đồng bộ 164

ChRơng 27

Quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ

27-1.

Đại cRơng 167

27-2.

Ngắn mạch đột nhiên ba pha của máy phát điện đồng bộ 168

ChRơng 28

Máy điện đồng bộ đặc biệt

28-1.

Máy phát điện đồng bộ một pha 176

28-2.

Máy biến đổi một phần ứng 176

28-3.

Động cơ điện phản kháng 177

28-4.

Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ 178

28-5.

Động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu 178

28-6.

Máy điện đồng bộ cảm ứng (máy phát cảm ứng tần số cao) 179

28-7.

Động cơ bRớc 179


Tài liệu tham khảo 181