Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 1. Định nghĩa Máy điện là thiệt bị điện từ làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Dùng để biến đổi dạng năng lượng 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 như biến đổi U, I, F, số pha.
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như: công nghiệp, giao thông vận tải và trong các dụng cụ sinh hoạt trong gia đình. Cấu tạo Gồm hai phần chính: Mạch từ (lõi thép) Mạch điện (các dây quấn) 1. Phân loại Máy điện có nhiều loại và được phận loại theo nhiều cách khác nhau: + Theo công suất + Theo cấu tạo + Theo chức năng + Theo loại dòng điện (xoay chiều, một chiều) + Theo nguyên lý làm việc Phân loại theo nguyên lý làm việc được chia làm hai loại: - Máy điện tĩnh: thường gặp là máy biến áp. Làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau.
Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng U1, I1, f thành điện năng có thông số U2, I2, f hoặc ngược lại biến đổi U2, I2, f thành U1, I1, f. Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 3 Khoa CNKT Điện – Điện tử - Máy điện động (quay hoặc chuyển động thẳng): 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 gây ra. Loại máy điện này thường dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (máy phát điện). Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ.
Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện động Máy điện xoay Máy điện một chiều chiều Máy không Máy đồng bộ đồng bộ Máy Động Máy Động Máy Động Máy biến áp cơ phát cơ phát cơ một phát không không đồng đồng chiều một đồng đồng bộ bộ chiều bộ bộ 1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 4 Khoa CNKT Điện – Điện tử 1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần động. stato Cực từ chính Dây quấn cực từ chính Dây quấn cực từ phụ Cực từ phụ Lõi sắt Gông từ Dây quấn phần ứng Hình 1-1.
Cấu tạo động cơ điện một chiều Phần tĩnh hay stato Là phần đứng yên của máy (hình 1 – 1), bao gồm các bộ phận chính sau: a) Cực từ chính Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng, và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau như trên (hình 1 - 2). Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 5 Khoa CNKT Điện – Điện tử Hình 1-2. Cấu tạo cực từ chính b) Cực từ phụ Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều.
Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c) Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại.
Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d) Các bộ phận khác Bao gồm: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi.
Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá.
Giá chổi than có thể Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 6 Khoa CNKT Điện – Điện tử quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. Phần quay hay rôto Bao gồm những bộ phận chính sau : a) Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b) Dây quấn phần ứng C¸ch ®iÖn phiÕn ®æi chiÒu Hình 1-3. Sơ đồ cách quấn dây Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 7 Khoa CNKT Điện – Điện tử Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn.
Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng như trên (hình 1 – 4). Miếng đệm mica Đai Phiến đổi chiều Ống lõi Mi ca PHIẾN ĐỔI CHIỀU CỔ GÓP Hình 1- 4.
Cấu tạo cổ góp 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song (hình 1- 5). Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 8 Khoa CNKT Điện – Điện tử + Uư - + Uư - Rf E CKT RKT I IKT CKT RKT Rf IKT E + UKT - I Hình 1-5. Sơ đồ nối dây của động Hình 1- 6.
Sơ đồ nối dây của cơ kích từ song song động cơ kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (hình 1- 6), lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ (hình 1- 6), có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf). Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng, Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 9 Khoa CNKT Điện – Điện tử rcf : điện trở cuộn cực từ phụ, rb : điện trở cuộn bù, rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện. Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: p .N Trong đó: K= - hệ số cấu tạo của động cơ, 2πa p – số đôi cực từ chính, N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng, Φ - từ thông kích từ dưới một cực từ Wb, ω - tốc độ góc, rad/s.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì: Eư = KeΦ.N Ke = : Hệ số sức điện động của động cơ, 60. a K Ke = ≈ 0 ,105 K 9 , 55 Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 10 Khoa CNKT Điện – Điện tử Từ công thức (1 - 1) và (1 - 2) ta có: U − R− + Rf ω= − .I − (1–4) KΦ KΦ Biểu thức (1 - 4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = KΦ. Φ )2 Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M.
U− R− + Rf ω= − M (1–7) KΦ (K Φ )2 Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ω ω ωo ωo Iđm Inm I Mđm Mnm M Hình 1- 7. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Lương, Kiên, Liêm, Huỳnh 11 Khoa CNKT Điện – Điện tử Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông Φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (1 - 4 ) và phương trình đặc tính cơ (1 - 7) là tuyến tính.
Đồ thị của chúng được biểu diễn trên (hình 1 - 7).