Chương 1: MẠCH TỪ. Bài tập

Transcript

1 TCBinh Chương : MẠCH TỪ Bài tập Câu. Mạch từ có tiết diện hình chữ nhật, có hình dạng và kích thước như hình vẽ, các kích thước tính bằng mm. Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Bỏ qua từ dẫn rò, độ từ thẩm tương đối của lõi thép là μ r và hệ số tản σ t,. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ. 5 N δ 4 Câu. Cho mạch từ trên như hình vẽ trên. Cho dòng điện một chiều A qua cuộn dây. Bỏ qua từ trở lõi thép, từ dẫn rò trên một đơn vị chiều dài lõi g -6 H/m và hệ số tản σ t,. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ. b. Tính hệ số rò σ r? c. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí. Câu 3. Cho mạch từ trên như 5 hình vẽ trên. Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép, từ dẫn rò trên một đơn vị chiều dài lõi g -6 H/m và hệ số tản σ t,. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ. b. Tính hệ số rò σ r? c. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí. d. Độ tự cảm L của cuộn dây. N δ 4 Baøi taäp Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

2 TCBinh Câu 4. Mạch từ AC có tiết 5 diện đều, hình dạng và kích Φ 4 Φ thước như hình vẽ, các kích δ Φ thước tính bằng đơn vị mm. Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng, 3 N được đặt dưới điện áp xoay chiều hình sin, Vrms, tần số 5Hz. Giả thiết mạch 4 từ làm việc ở chế độ tuyến tính. Bỏ qua từ trở và từ kháng của lõi thép, bỏ qua từ thông rò, hệ số tản của khe hở không khí σ t,. Xác định: a. Mạch tương đương của mạch từ. b. Từ thông trong các nhánh mạch từ. c. Độ tự cảm L của cuộn dây. 8 Câu 5. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Chiều dài khe hở không khí δ mm, tiết diện cực từ là cm. Các cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Biết điện trở của vòng ngắn mạch là mω. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? b. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí? c. Tính độ tự cảm L của cuộn dây? N φ lv φ Baøi taäp Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

3 TCBinh Câu 6. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Chiều dài khe hở không khí δ mm, tiết diện cực từ là cm. Các cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Vòng ngắn mạch có điện trở mω và chiếm ½ cực từ. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? b. Từ thông Φ lv, Φ, Φ? c. Tính độ tự cảm L của cuộn dây? N φ lv φ φ φ o Câu 7. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Chiều dài khe hở không khí δmm, tiết diện cực từ là cm. Các cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Vòng ngắn mạch có điện trở mω và chiếm ½ cực từ. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? b. Từ thông Φ lv, Φ, Φ? c. Tính độ tự cảm L của cuộn dây? φ lv φ φ φ 3 φ 4 N φ o Bài tập: _Tất cả các ví dụ. _ Bài tập: (.)., (-).,.3,.4,.6, (*).5,.7, (**).8. Baøi taäp Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 3

4 Chöông : MAÏCH TÖØ.. Khaùi nieäm chung... Caùc coâng thöùc cô baûn Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

5 S R φ a φ b φ c R R... Sô ñoà thay theá cuûa maïch töø naép N Φ lv Φ σ Φ Φ goâng loõi δ R δ Φ lv N Φ R l R n R σ R g Φ σ R δ R l Φ lv Φ N Φ σ R n R σ R g R δσ R l..3. Ñaëc tính cuûa vaät lieäu saéc töø B 3 B r B H -H c 5 H 4 Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

6 ..4. Caùc baøi toaùn cuûa maïch töø φ 3 δ N φ φ 4 φ.. Maïch töø moät chieàu... Tính toaùn maïch töø moät chieàu khi boû qua töø trôû cuûa loõi theùp Φ lv x G δ δ l N Φ lv Φ σ G σ l cd l N dφ σ d x Φ Φ N N Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 3

7 ... Tính toaùn maïch töø moät chieàu khi khoâng boû qua töø trôû loõi theùp Φ lv R n l l 3 l 34 Φ lv Φ δ R δ Φ F Φ F 3 Φ 3 R 34 F 3 4 Φ σ G σ R Φ σ G σ R 3 Φ σ3 G σ3 R g R δ R R 3 3 R Cuoän daây nam chaâm moät chieàu b a l cd h cd h cd h cd h cd / b l tb Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 4

8 .3. Maïch töø xoay chieàu.3.. Tính maïch töø xoay chieàu khi boû qua töø trôû vaø töø khaùng theùp φ lv G δ φ σ φ lv φ lv φ σ G σ N φ φ N.3.. Tính toaùn maïch töø xoay chieàu khi xeùt ñeán toån hao trong loõi theùp.3.3. Tính toaùn voøng ngaén maïch oâm toaøn boä cöïc töø φ lv R δ N N Mnm φ Z Mnm φ N.3.4. Maïch töø coù voøng ngaén maïch oâm moät phaàn cöïc töø φ lv φ lv φ N φ φ Rδ φ σ R δ φ R δ jx nm φ o N φ G σ Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 5

9 .4. Nam chaâm vónh cöûu (NCVC) B B r δ H c H.4.. Ñieåm laøm vieäc cuûa NCVC B B r A A H C α H Hình veõ Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 6

10 TCBinh Chöa caäp nhaät Chöông : MAÏCH TÖØ.. Khaùi nieäm chung... Caùc coâng thöùc cô baûn Ñònh luaät doøng ñieän toaøn phaàn (hay ñònh luaät löu soá Ampeøre - Maxwell) r r r r H.dl JdA (.) l A H: cöôøng ñoä töø tröôøng (A voøng /m) J: maät ñoä doøng ñieän (A/m ) (Tích phaân ñöôøng cong cuûa cöôøng ñoä töø tröôøng H r doïc theo moät maïch voøng kheùp kín l baèng toång ñaïi soá cöôøng ñoä caùc doøng ñieän ñi xuyeân qua beà maët A baát kyø ñöôïc bao bôûi voøng kín l.) Ñònh luaät Gauss ñoái vôùi töø tröôøng: B r.ds r (.) S B: Caûm öùng töø (T -Tesla) (Thoâng löôïng cuûa vector caûm öùng töø B r (hay töø thoâng) qua maët kín S tuøy yù luoân baèng khoâng.) Ñònh luaät Kirchhoff ñoái vôùi maïch ñieän: Ñònh luaät Kirchhoff ñoái vôùi maïch ñieän: i + kr k Ñoái vôùi maïch töø kín chieàu daøi l coù N doøng ñieän chaïy qua sinh ra cöôøng ñoä töø tröôøng ñeàu H (hình.): r r r r Khi ñoù, phöông trình H.dl JdA coù theå vieát l A thaønh: N. H.l Goïi F N. söùc töø ñoäng Φ B.S töø thoâng qua tieát dieän S R B l Coù: F N Hl l BS ΦR m R μ μs R l Vôùi R m [/H] töø trôû cuûa maïch töø. μ S Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän n k n i μ [H/m] ñoä töø thaåm m ΦR m [A.vòng] ñöôïc goïi laø töø aùp. Ñònh luaät Kirchhoff ñoái vôùi maïch töø: n i p Fi + Φ kr mk k Ñoái vôùi moät maïch voøng kheùp kín trong maïch töø, toång caùc töø aùp rôi treân maïch voøng ñoù vaø caùc söùc töø ñoäng laø baèng khoâng. k p k Hình. ()

11 TCBinh Ñònh luaät Kirchhoff ñoái vôùi maïch töø: n Φ i i (hình.) Ñoái vôùi moät nuùt baát kyø trong maïch töø, toång caùc töø thoâng ñi vaøo vaø ñi ra khoûi nuùt baèng khoâng.... Sô ñoà thay theá cuûa maïch töø naép R n R n N Φ lv Φ σ loõi δ R δ Φ lv R l R σ Φ R δ R l Φ lv Φ Φ R l R σ R δ R δ R l Φ Φ goâng δ R δ μ o S laø töø trôû khe hôû khoâng khí (boû qua töø taûn) R σ laø töø trôû roø töø loõi naøy sang loõi kia μ o 4π. -7 (H/m) haèng soá töø hay ñoä töø thaåm chaân khoâng G δ R laø töø daãn khe hôû khoâng khí δ μos G δ laø töø daãn khe hôû khoâng khí (boû qua töø taûn) R δ δ Neáu khoâng boû qua töø taûn: μos G δ σ t δ vôùi heä soá taûn: σ t vaø heä soá roø: Φ o Φ lv + Φ σ Φ σ σ r + Φ Φ Φ (.7,.9) vì Φ R Φ ( R + R ) σ N Φ σ lv lv n R g lv δσ lv N R g ø Φ Φ σ lv R n + R R σ σ δσ R R G δσ σ G G σ δσ ( R n << R δ Σ ) σ r + (.3) G δσ Baûng.: Töông töï giöõa maïch ñieän vaø maïch töø (xem saùch) Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

12 TCBinh..3. Ñaëc tính cuûa vaät lieäu saéc töø Ñöôøng cong B(H) cuûa vaät lieäu saéc töø khi töø tröôøng ngoaøi taùc ñoäng laø töø tröôøng moät chieàu (hình.7): r r r B μh μ oμ rh vôùi μ o 4π. -7 (H/m) Vaät lieäu saéc töø: μ r μ r (H) (phi tuyeán vaø coù giaù trò töø vaøi chuïc ñeán vaøi chuïc ngaøn). Vaät lieäu phi töø tính: μ r Ñöôøng cong B(H) cuûa vaät lieäu saéc töø khi töø tröôøng ngoaøi taùc ñoäng laø töø tröôøng xoay chieàu (hình.8): Vaät lieäu saéc töø chia laøm nhieàu vuøng con ( - -6 cm 3 ) ñöôïc töø hoùa coù caùc momen cuûa caùc nguyeân töû ñöôïc ñònh höôùng song song nhau. Traïng thaùi baûo hoøa: caùc momen töø cuûa caùc vuøng con ñeàu höôùng theo chieàu taùc ñoäng cuûa töø tröôøng ngoaøi (traïng thaùi töø hoùa giôùi haïn). Hieän töôïng töø treã: laø hieän töông khi giaûm cöôøng ñoä töø tröôøng ngoaøi, B giaûm chaäm hôn khi taêng. Khi cöôøng ñoä töø tröôøng ngoaøi baèng thì B Br goïi laø töø dö. H c laø löïc khaùng töø: cöôøng ñoä töø tröôøng ngöôïc ñeå B. Hình.8 veõ chu trình töø treã. B Khi töø tröôøng ngoaøi xoay chieàu taùc ñoäng, vaät lieäu saéc töø bò töø hoùa tuaàn hoaøn theo voøng töø treã, gaây neân söï phaùt noùng B r 3 do ma saùt noäi boä khi caùc momen töø ñoåi chieàu. Dieän tích voøng töø treã caøng lôùn hay taàn -H c 5 H soá cuûa töø tröôøng ngoaøi caøng cao thì toån hao caøng lôùn. 4 Hình.8 (Coøn laïi SV töï ñoïc saùch)..4. Caùc baøi toaùn cuûa maïch töø Baøi toaùn thuaän o Cho: Φ hay B, kích thöôùc maïch töø, ñöôøng cong B(H) o Tính: söùc töø ñoäng F Baøi toaùn nghòch o Cho: F o Tính: caùc giaù trò töø thoâng trong maïch töø Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 3

13 TCBinh.. Maïch töø moät chieàu... Tính toaùn maïch töø moät chieàu khi boû qua töø trôû cuûa loõi theùp Cuoän daây quaán treân loõi cuûa maïch töø (hình.): x G δ δ l N Φ lv Φ σ G σ l cd N dφ σ d x Φ N φ Hình. N Töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng Söùc töø ñoäng treân moät ñôn vò chieàu daøi cuoän daây cuoän daây: N Töø aùp treân ñieåm x: F x x l Töø daãn roø treân moät ñôn vò chieàu daøi loõi: g Töø daãn roø cuûa ñoaïn maïch dx: dg σ x g. dx Vi phaân töø thoâng roø cuûa ñoaïn maïch töø dx ôû vò trí x: dφ F dg σ x N hay dφ σ x x. gdx l Töø thoâng roø treân ñoaïn loõi maïch töø ( x): x x N N g.x Φ σ x dφ σx x.gdx l l Töø thoâng roø treân ñoaïn loõi maïch töø ( l): g.l Φ σ l N Töø thoâng laøm vieäc khi boû qua töø trôû loõi theùp: Φ lv N. G δσ Töø thoâng toång qua goâng: gl Φ o Φ lv + Φ σl N( G δσ + G σ ) N G δσ + gl Vôùi G σ laø töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng (Thay theá töø thoâng roø phaân boá doïc theo chieàu daøi loõi baèng töø thoâng roø taäp trung taïi moät ñieåm.) x σx N l Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 4

14 TCBinh Töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng moùc voøng Ψ Ψlv + Ψσ Ñoä töï caûm L (Ψ laø töø thoâng moùc voøng) Coù: Ψlv NΦ lv N G δσ l x Vaø Ψσ N dφσx l N x vôùi dφ σ x x. gdx vaø N : soá voøng daây l l l N g gl neân Ψ σ x dx N l 3 gl Vaäy coù: L N G δσ + 3 gl Vôùi G σ laø töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng moùc voøng. Söû duïng cho nam 3 chaâm ñieän laøm vieäc ôû cheá ñoä quaù ñoä hay nam chaâm ñieän xoay chieàu. (Thay theá töø thoâng roø moùc voøng phaân boá doïc theo chieàu daøi loõi baèng töø thoâng roø moùc voøng qua N voøng daây sao cho L cuoän daây khoâng ñoåi) Boû qua töø thoâng roø thì: L N G δ Σ Cuoän daây quaán treân goâng cuûa maïch töø: Tính toaùn töông töï nhö treân, töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng vaø töø thoâng moùc voøng baèng nhau: G σ gl Töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng Töø daãn roø cuûa ñoaïn maïch dx: dg σ x g. dx Vi phaân töø thoâng roø cuûa ñoaïn maïch töø dx ôû vò trí x: dφ σ x FdG σx N. gdx Töø thoâng roø treân ñoaïn loõi maïch töø ( l): l Φ σ l dφ σx N.gdx N.gl l Vôùi G σ gl laø töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng khi cuoän daây ñöôïc quaán treân goâng cuûa maïch töø. Töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng moùc voøng Töø thoâng moùc voøng cuûa töø thoâng roø Ψ σ l Nd Φ σx N gdx l Vôùi G σ gl laø töø daãn roø qui ñoåi theo töø thoâng moùc voøng khi cuoän daây ñöôïc quaán treân goâng cuûa maïch töø.... Tính toaùn maïch töø moät chieàu khi khoâng boû qua töø trôû loõi theùp Giaûi baøi toaùn baèng phöông phaùp laëp: (SV töï ñoïc saùch) N gl Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 5

15 TCBinh..3. Cuoän daây nam chaâm moät chieàu b Heä soá laáp ñaày Ñieän trôû cuûa cuoän daây Nq k ld l h cd ρnl R q tb cd l cd a l tb a + b + πh cd R Söùc töø ñoäng cuoän daây: N q F N N R ρltbn ρl tb q h cd h cd h cd h cd / b l tb Hinh.4.3. Maïch töø xoay chieàu - Doøng ñieän trong cuoän daây phuï thuoäc chuû yeáu vaøo caûm khaùng cuoän daây - Trong maïch töø xoay chieàu xuaát hieän caû hai thaønh phaàn töø trôû vaø töø khaùng..3.. Tính maïch töø xoay chieàu khi boû qua töø trôû vaø töø khaùng theùp Söùc ñieän ñoäng caûm öùng e theo ñònh luaät caûm öùng ñieän töø Faraday : dψ Nφ e vôùi j t φ φ o e ω dt dt Do ñieän aùp nguoàn u, doøng ñieän i, töø thoâng φ vaø töø tröôøng moùc voøng ψ laø nhöõng ñaïi löôïng xoay chieàu bieán thieân haøm sin vôùi thôøi gian neân coù theå ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng soá phöùc. (φ Φ o e jωi ) (F, E,, ) ñöôïc quy öôùc laáy caùc giaù trò hieän duïng (töø thoâng Φ, töø thoâng moùc voøng Ψ, caûm öùng töø B) quy öôùc laáy giaù trò bieân ñoä. NjωΦ NΦ E jω vôùi ω πf laø taàn soá goùc Suy ra quan heä veà giaù trò giöõa E vaø Φ : Nω Φ NπfΦ E πfnφ 4.44fNΦ Neáu boû qua ñieän trôû cuoän daây: Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 6

16 TCBinh Suy ra Hay Φ E πfnφ 4,44.f.N vaø khoâng phuï thuoäc vaøo khe hôû khoâng khí δ. Khi xeùt ñeán ñieän trôû thuaàn cuoän daây r cd : (r cd ) + E Töø (.5) vaø (.54) : (r cd ) + (4,44fNφ o ) phuï thuoäc vaøo ñieän aùp (vuoâng pha).3.. Tính toaùn maïch töø xoay chieàu khi xeùt ñeùn toån hao trong loõi theùp Toån hao trong phaàn vaät lieäu saét töø do hieän töôïng töø treã vaø doøng xoaùy laø nguyeân nhaân sinh ra söï leäch pha giöõa söùc töø ñoäng vaø töø thoâng qua maïch töø. F r cuøng pha vôùi φ, laø thaønh phaàn söùc töø ñoäng F F a sinh ra töø thoâng φ chaïy trong maïch töø. α F a vuoâng goùc vôùi töø thoâng Φ, laø thaønh phaàn söùc F r Φ töø ñoäng buø cho caùc toån hao do töø treã vaø doøng xoaùy (Fuco laù theùp). Töø söï töông töï giöõa maïch ñieän vaø maïch töø, ta coù theå ñònh nghóa caùc ñaïi löôïng töø trôû, töø khaùng vaø toång töø trôû cuûa maïch töø xoay chieàu theo ñònh luaät Ohm nhö sau : Töø trôû R m cuûa loõi theùp maïch töø : F R r m (/H) Φ Töø khaùng X m cuûa loõi theùp maïch töø : F X a m (/H) Φ Toång trôû töø Z m cuûa loõi theùp maïch töø Z F m (/H) Φ Quan heä giöõa caùc ñaïi löôïng treân coù theå bieåu dieãn döôùi daïng soá phöùc: Z m R m + j.x m Vôùi modul cuûa Z m : Z m Zm R m + jx. m Töông töï nhö maïch ñieän, ta coù coâng thöùc tính R m, X m vaø Z m theo caùc töø trôû suaát taùc duïng ρ r (m/h), töø trôû xuaát phaûn khaùng ρ x (/H) vaø toång trôû suaát ρ z (/H) nhö sau : l l l R m ρr, Xm ρx, Zm ρz S S S Trong ñoù l(m) vaø S(m ) laø chieàu daøi vaø tieát dieän loõi theùp. Goùc leäch pha giöõa sức töø ñoäng vaø töø thoâng ñöôïc tính töø töø coâng thöùc tg α X R m m Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 7

17 TCBinh.3.3. Tính toaùn voøng ngaén maïch oâm toaøn boä cöïc töø (Voøng ngaén maïch oâm moät phaàn cöïu töø Choáng rung nam chaâm ñieän xoay chieàu) R δ N N nm φ o Z nm N Söùc töø ñoäâng F nm theo ñònh luaät Lentz sinh ra töø thoâng choáng laïi nguyeân nhaân sinh ra noù, töùc laø choáng laïi töø thoâng qua khe hôû khoâng khí vaø laøm giaûm töø thoâng naøy - töông ñöông vôùi moät toång trôû töø Z Mnm (boû qua töø thoâng roø) Töø aùp rôi treân phaàn cöïc töø coù ñaët voøng ngaén maïch : F & nm Φ& lvz & M nm E& nm Maëc khaùc F& nm & nm.n nm N nm rnm + jx nm Vôùi r nm, x nm laø ñieän trôû vaø ñieän khaùng cuûa voøng ngaén maïch coù N nm voøng daây Theo ñònh luaät caûm öùng ñieän töø E& ω nm j N nm Φ& lv ωn nmφ & lv Suy ra F& nm j Z& MnmΦ & lv (rnm + jx nm ) Töø (.7) vaø (.73) ta coù : N nm rnm N nm Z& ω ω Mnm x nm + j rnm + x nm rnm + x nm hay Z & Mnm R Mnm + jx Mnm vôùi: ωn nm R Mnm x nm (/H) laø töø trôû thay theá cuûa phaàn cöïc töø coù ñaët VNM r + x nm X M nm rnm rnm + φ o nm x nm nm ωn laø töø khaùng thay theá cuûa phaàn cöïc töø coù ñaët VNM Trong thöïc teá voøng ngaén maïch thöôøng coù voøng daây (N nm ), neân ñieän khaùng cuûa voøng ngaén maïch raát nhoû so vôùi ñieän trôû cuûa noù (x nm << r nm ) ωn nm ω Vì vaäy coù theå xem: R Mnm, X Mnm r r nm nm Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 8

18 TCBinh Keát luaän : Phaàn cöïc töø coù ñaët voøng ngaén maïch chæ moät voøng daây ñöôïc ω thay theá baèng töø khaùng X nm trong sô ñoà thay theá (boû qua kyù hieäu M trong kyù r nm hieäu töø khaùng X Mnm ).3.4. Maïch töø coù voøng ngaén maïch oâm moät phaàn cöïc töø φ lv φ lv φ φ φ Rδ φ R δ R δ N φ σ jx nm φ o N φ G σ Hình.8 vôùi toång trôû VNM laø X nm ω rnm.4. Nam chaâm vónh cöûu (NCVC) B B r A A Hình. -H C α H.4.. Ñieåm laøm vieäc cuûa NCVC Φ Φ δ suy ra B B δ μ H δ Theo ñònh luaät doøng ñieän toaøn phaàn doïc theo voøng kín laø chu vi trung bình cuûa voøng xuyeán ta coù: H δ δ + Hl (N) Hl Suy ra H δ δ Hl l Tính ñöôïc: B Bδ μ G δ ( H) laø phöông trình ñöôøng thaúng (goùc α). δ S Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän 9

19 TCBinh.4.. Naêng löôïng töø tröôøng trong khe hôû khoâng khí vaø NCVC Do töø tröôøng trong khe hôû khoâng khí ñeàu vaø boû qua töø thoâng taûn neân naêng löôïng töø tröôøng khe hôû khoâng khí : W δ BδH δsδ R δφ δ (.8) Thay B B δ vaø H δ Hl vaøo (.8) ta coù. δ B( H) W δ Sl W NCVC Vaäy naêng löôïng töø tröôøng trong khe hôû khoâng khí baèng naêng löôïng töø tröôøng beân trong NCVC Ñöôøng phuïc hoài (SV töï ñoïc saùch) Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

20 TCBinh Chöông : MAÏCH TÖØ Toùm taét Khaùi nieäm chung r r r B μh μ oμ rh r r r r H.dl JdA F N Hl l A Vôùi B l μ l S BS μ ΦR m (A.voøng) Φ B.S (Wb) töø thoâng qua tieát dieän S l R m μs (/H) laø töø trôû cuûa maïch töø. μ S G δ (H) R δ δ 7 μ ñoä töø thaåm μ μ r μ vôùi μ 4π. (H / m) Ñònh luaät Kirchhoff : F + Φ R n i p i k mk k B r.ds r n Ñònh luaät Kirchhoff : Φ i S i μ os heä soá taûn: G σ σ t δ G σ Φ o Φ lv + Φ σ Φ σ heä soá roø: σ r + + G δσ Φ lv Φ lv Φ lv Maïch töø moät chieàu gl gl DC: Φ o Φ lv + Φ σl N( G δσ + G σ ) N G δσ + G σ gl gl AC: L N G δσ + G σ 3 3 Cuoän daây treân goâng: G σ gl N q F N N Nq ρnltb ltbn Heä soá laáp ñaày k ld R R ρ ρl tb l h q q cd cd Maïch töø xoay chieàu Tính maïch töø xoay chieàu khi boû qua töø trôû vaø töø khaùng theùp NjωΦ NΦ E jω Nω Φ NπfΦ E πfnφ 4.44fNΦ Φ πfnφ 4,44.f.N. Φ (r cd ) + E Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

21 TCBinh Tính toaùn maïch töø xoay chieàu khi xeùt ñeùn toån hao trong loõi theùp F Töø trôû: R r m (/H) Φ F F F a Töø khaùng: X α m (/H) α Φ Toång trôû: Z F F r Φ m (/H) Φ Z m R m + j.x m Z Z R + jx l l l R m ρr, Xm ρx, Zm ρz S S S Tính toaùn voøng ngaén maïch oâm toaøn boä cöïc töø F & & nm lvz & E& nm Φ M nm F& nm & nm.n nm N nm rnm + jx nm E & ω nm j N nm Φ& lv ωn nmφ & lv F& nm j Z& Mnm. Φ& (r + jx ) lv nm nm N nm rnm N nm Z& ω ω Mnm R Mnm + jx Mnm x nm + j rnm + x nm rnm + x nm R Mnm ωn nm x nm rnm + x nm (/H) laø töø trôû thay theá cuûa phaàn cöïc töø coù ñaët VNM ωn laø töø khaùng thay theá cuûa phaàn cöïc töø coù ñaët VNM X M nm rnm rnm + nm x nm ωn nm ω N nm (x nm << r nm ) R Mnm vaø X Mnm rnm rnm Maïch töø coù voøng ngaén maïch oâm moät phaàn cöïc töø ω toång trôû VNM laø X nm rnm Nam chaâm vónh cöûu (NCVC) _ Ñöôøng ñaëc tính khöû töø chu trình töø treã voøng töø treã _ Ñöôøng thaúng: Φ Φ δ B B δ μ H δ Hl vaø H δ δ + Hl (N) hay H δ δ Hl l B μ G ( H) δ S _ Naêng löôïng NCVC: B( H) W δ BδH δsδ Sl WNCVC δ laø phöông trình ñöôøng thaúng (goùc α). m m m tg α R R δ Φ δ FEΦ Baøi taäp: _Taát caû caùc ví duï. _ Baøi taäp: (.)., (-).,.3,.4,.6, (*).5,.7, (**).8. X R m m m Chöông : Maïch töø trong thieát bò kyõ thuaät ñieän

22 Baøi tập Kyõ Thuaät Ñieän Ñaïi Cöông TCBinh Chöông : CAÙC NGYEÂN LYÙ BEÁN ÑOÅ NAÊNG LÖÔÏNG ÑEÄN CÔ Bài tập Câu. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Cho dòng điện một chiều A qua cuộn dây. Bỏ qua từ trở lõi thép, từ dẫn rò và từ thông tản. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ. b. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí. c. Tính lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ. 5 N δ 4 Câu. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép, từ dẫn rò và từ thông tản. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ. b. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí. c. Tính lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ? 5 N δ 4 Bài tập Chương : Các nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ

23 Baøi tập Kyõ Thuaät Ñieän Ñaïi Cöông TCBinh Câu 3. Mạch từ AC có tiết diện đều, 5 hình dạng và kích thước như hình vẽ, Φ 4 Φ các kích thước tính bằng đơn vị mm. δ Φ Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng, được đặt dưới điện áp xoay chiều hình sin, 3 N Vrms, tần số 5Hz. Giả thiết mạch từ làm việc ở chế độ tuyến tính. Bỏ qua từ trở và từ kháng của lõi 4 thép, bỏ qua từ thông rò, từ thông tản. Xác định: a. Mạch tương đương của mạch từ. b. Từ thông trong các nhánh mạch từ? c. Lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ? Câu 4. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. φ Chiều dài khe hở không khí δ mm, tiết diện lv cực từ là cm. Các cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Biết điện trở của vòng ngắn mạch N là mω. a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? φ b. Từ thông Φ lv qua khe hở không khí? c. Tính lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ? Bài tập Chương : Các nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ

24 Baøi tập Kyõ Thuaät Ñieän Ñaïi Cöông TCBinh Câu 5. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Chiều dài khe hở không khí δ mm, tiết φ lv diện cực từ là cm. Các cuộn dây có φ điện trở rất nhỏ với số vòng N φ vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số N 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Vòng ngắn mạch có điện trở mω và chiếm ½ cực từ. φ o a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? b. Từ thông Φ lv, Φ, Φ? c. Tính lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ? Câu 6. Cho mạch từ trên như hình vẽ bên. Chiều dài khe hở không khí δmm, tiết φ lv diện cực từ là cm. Các cuộn dây có φ φ φ 3 φ 4 điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng. Cuộn dây được đặt dưới điện áp xoay chiều dạng sin Vrms, tần số N 5Hz. Bỏ qua từ trở lõi thép và từ dẫn rò. Vòng ngắn mạch có điện trở mω và chiếm ½ cực từ. φ o a. Vẽ và tính mạch tương đương của mạch từ? b. Từ thông Φ lv, Φ, Φ? c. Tính lực hút điện từ trung bình F tb, cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ? Bài tập Chương : Các nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ 3

25 Baøi tập Kyõ Thuaät Ñieän Ñaïi Cöông TCBinh Câu 7. 5 Maïch töø AC coù tieát dieän hình chöõ nhaät, coù hình daïng vaø kích thöôùc nhö hình veõ, caùc 4 kích thöôùc tính baèng mm. Cuoän daây coù ñieän trôû raát nhoû vôùi soá voøng N 9 voøng. Cuoän daây ñöôïc ñaët döôùi ñieän aùp xoay chieàu hình sin 38Vrms, taàn soá 5Hz. Giaû thieát N 4 maïch töø laøm vieäc ôû cheá ñoä tuyeán tính coù ñoä töø thaåm töông ñoái μ r, boû qua töø thoâng roø vaø taûn. Xaùc ñònh: a. Maïch töông ñöông cuûa maïch töø. b. Ñoä töï caûm L cuûa maïch töø. c. Töø thoâng Φ trong maïch töø. d. Doøng ñieän trong cuoän daây e. Löïc huùt ñieän töø trung bình F tb vaø cöïc ñaïi F max taùc ñoäng leân naép maïch töø. δ 4 Câu 8. Mạch từ AC có tiết diện đều, hình dạng và 5 kích thước như hình vẽ, các kích thước tính Φ bằng đơn vị mm. Cuộn dây có điện trở rất nhỏ với số vòng N vòng, được đặt dưới điện áp xoay chiều hình sin, Vrms, tần số 5Hz. Giả thiết mạch từ làm việc ở chế độ tuyến tính. Bỏ qua từ trở và từ kháng của lõi thép, bỏ qua từ thông rò, 3 4 hệ số tản của khe hở không khí σ t,. Xác định: a. Mạch tương đương của mạch từ. b. Độ tự cảm L của mạch từ. c. Từ thông trong các nhánh mạch từ. d. Dòng điện trong cuộn dây. 4 8 e. Lực hút điện từ trung bình F tb tác động lên nắp mạch từ. 4 δ Φ 4 8 Mạch từ được gắn thêm hai vòng ngắn mạch ôm toàn bộ cực từ cho hai nhánh hai bên. Điện trở của mỗi vòng ngắn mạch là r nm, mω. Tính: f. Lực hút điện từ cực đại F max và cực tiểu F min tác động lên nắp mạch từ. N Φ 4 Bài tập Chương : Các nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ 4

26 TCBinh Chöông : CAÙC NGYEÂN LYÙ BEÁN ÑOÅ NAÊNG LÖÔÏNG ÑEÄN CÔ. Tính löïc huùt ñieän töø trong caùc nam chaâm ñieän theo coâng thöùc Maxwell.. Löïc huùt ñieän töø cuûa nam chaâm ñieän moät chieàu N μ n r Bδ μ Fe ds b a F F F.. Löïc huùt ñieän töø cuûa nam chaâm ñieän xoay chieàu F ñt F r F r dt π π ωt N F cosωt. Bieän phaùp giaûm rung trong caùc nam chaâm ñieän xoay chieàu moät pha φ lv φ φ φ φ lv F F N γ φo θ nm φ θ nm F Hình veõ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô

27 TCBinh Ñoà thò löïc F ñt cuûa theo thôøi gian: F ñt F max F F F min Tính goùc leäch pha θ nm : γ π+γ π+γ ωt φ φ lv φ φ φ lv R δ R δ φ R δ j φ X nm jx nm θ nm φ φ R δ. Söï caân baèng naêng löôïng δ δ δ δ δ Hình veõ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô

28 TCBinh Relay: Contactor - CB Hình veõ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô 3

29 TCBinh Chöông : CAÙC NGYEÂN LYÙ BEÁN ÑOÅ NAÊNG LÖÔÏNG ÑEÄN CÔ. Tính löïc huùt ñieän töø trong caùc nam chaâm ñieän theo coâng thöùc Maxwell.. Löïc huùt ñieän töø cuûa nam chaâm ñieän moät chieàu N μ n r Bδ μ Fe ds b a Xeùt moät vi phaân dieän tích ds treân beà maët cöïc töø coù vectô ñôn vò phaùp tuyeán vaø vec tô caûm öùng töø laø B r. Löïc huùt ñieän töø treân beà maët cöïc töø ñöôïc xaùc ñònh theo coâng δ thöùc Maxwell: F ( B n) dt δ Bδ Bδ n ds μ (.) S Khi μ Fe >>μ, beà maët cöïc töø trôû thaønh beà maët ñaúng theá, do ñoù B r vaø n r truøng phöông. Coâng thöùc (.) trôû thaønh: hay vôùi F dt B ds δ (.) μ μ S lv 4 lv B δ ñeàu vaø Φ lv B δ S: F B S 39,8. [ N] F dt dt δ 4 4 Φ lv 4,6. Bδ S 4,6. [ kgf ] (kgf 9,8N) S.. Löïc huùt ñieän töø cuûa nam chaâm ñieän xoay chieàu Nam chaâm ñieän xoay chieàu hình sin (ñieàu hoøa): φ lv Φ m sinωt Φ lv Φ m Fdt sin ωt -cosαsin α μ S μ S F dt μ Φ m Φ m cos ωt (.6) 4μ S 4μ S F dt F F cosωt (.7) Φ m F Ftb löïc huùt ñieän töø trung bình (.8) 4μ S Nhaän xeùt: Löïc huùt ñieän töø xoay chieàu coù daïng daâp maïch, noù qua trò soá hai laàn trong moät chu kyø cuûa ñieän aùp nguoàn. Φ S Φ S δ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô

30 F F F F ñt TCBinh π π ωt F cosωt. Bieän phaùp giaûm rung trong caùc nam chaâm ñieän xoay chieàu moät pha N F r F r dt Ñeå khaéc phuïc hieän töôïng rung trong NCÑ xoay chieàu pha, ta coù theå taïo ra söï leäch pha giöõa caùc töø thoâng qua beà maët cöïc töø. Phöông phaùp thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå taïo ra söï leäch pha naøy laø döôøng moät voøng ngaén maïch oâm moät phaàn cöïc taïi khe hôû khoâng khí laøm vieäc nhö hình.5. Trong NCÑ naøy ta chæ khaûo saùt löïc huùt ñieän töø taïi beà maët cöïc töø beân phaûi öùng vôùi khe hôû khoâng khí khi laøm vieäc δ, boû qua löïc huùt ñieän töø treân beà maët cöïc töø beân traùi. φ lv φ φ φ φ lv F F N γ φo θ nm φ θ nm F F F F 4μ 4μ F F 4μ Φ S Φ S Φ S 4μ Φ S cos ωt F cos ( ωt θ nm ) F F cos ωt Töø thoâng φ lv sinh ra löïc F F + F Hay F dt F +F [F cosωt + F cos (ωt - θ nm )] Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô

31 TCBinh F dt F F cos(ωt -γ) Vôùi F F + F löïc huùt ñieän töø trung bình const. F cos (ωt - γ) thaønh phaàn bieán thieân theo thôøi gian vôùi taàn soá gaáp ñoâi taàn soá cuûa nguoàn ñieän. Vôùi F F + F + F F cos θ Ñoà thò löïc F ñt cuûa theo thôøi gian: nm F ñt F max F F F min Vaø F max F + F giaù trò lôùn nhaát cuûa löïc huùt ñieän töø. F min F F giaù trò nhoû nhaát cuûa löïc huùt ñieän töø. F min > F fl (.3) Löïc töø F, F min vaø F max ñöôïc xaùc ñònh töø caùc giaù trò töø thoâng Φ, Φ vaø goùc θ nm. Tính goùc leäch pha θ nm : γ π+γ π+γ ωt φ φ lv φ φ φ lv R δ R δ φ R δ j φ X nm jx nm θ nm φ φ R δ Goùc leäch pha θ nm ñöôïc xaùc ñònh töø sô ñoà thay theá cuûa maïch töø vaø giaûn ñoà vectô hình.9 X nm vaø.: tg θ nm R δ vôùi X nm ω/r nm laø töø khaùng cuûa voøng ngaén maïch coù ñieän trôû laø r nm. R δ laø töø trôû cuûa phaàn khe hôû khoâng khí coù ñaët voøng ngaén maïch. Tính φ töø φ lv vaø goùc θ nm : Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô 3

32 TCBinh R δ φ cosθ nmr δ φ Maët khaùc töø hình. ta coù: Thay (.5) vaøo.6) nhaän ñöôïc: φ φ φ φ lv S cosθ nm S cosθ R. R nm δ δ C nm (.5) φ φ + φ + φ φ cosθ (.6) φ + C φ lv + C.cosθ nm. Söï caân baèng naêng löôïng Naêng löôïng nhaän ñöôïc töø nguoàn ñieän Cô naêng ñaàu ra + Ñoä thay ñoåi naêng löôïng töø tröôøng döï tröõ trong heä thoáng + Naêng löôïng bieán thaønh nhieät x δ δ δ δ (Xeùt moái lieân heä giöõa F ñt vaø δ).. Xaùc ñònh löïc huùt ñieän töø theo phöông phaùp caân baèng naêng löôïng Naêng löôïng töø tröôøng W m döï tröõ trong nam chaâm ñieän: W m ψ. i W m W m δ δ < δδ dψ u ir + ir + ( E) dt uidt i rdt + idψ uidt naêng löôïng maø nam chaâm ñieän i rdt toån hao Joule trong cuoän daây idψ naêng löôïng töø tröôøng ôû ñoä dòch chuyeån dδ idψ F dt.(-dδ) + dw m F dt.(-dδ) coâng cô hoïc ñeå dòch chuyeån vi phaân (-dδ) döôùi taùc ñoäng cuûa löïc F dt dw nm laø ñoä thay ñoåi hay gia soá cuûa naêng löôïng töø tröôøng döï tröõ. dψ dwm Fdt i + dδ dδ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô 4

33 TCBinh.. Tính löïc huùt ñieän töø nam chaâm ñieän moät chieàu Giaû thieát: ) Maïch töø laø tuyeán tính: W m ψi ) Naép NC ñieän chuyeån ñoäng chaäm, xem δ khoâng phuï thuoäc vaøo thôøi gian. dψ Ldi u ir + ir + i const / δ dt dt r 3) Boû qua töø trôû loõi theùp. 4) Töø thoâng roø khoâng phuï thuoäc vaøo δ F dt F dt dψ d( ψ) i + dδ dδ dφlv N dt μ S d dg δσ S Φ lv NG δ Fdt (N) (N) δ μ (N) dδ dδ δ Nhaän xeùt: Löïc huùt ñieän töø: tyû leä vôùi bình phöông vôùi löïc töø ñoäng vaø dieän tích cöïc töø. tyû leä ngöôïc vôùi bình phöông khe hôû khoâng khí. dψ dδ.3. Tính löïc huùt ñieän töø nam chaâm ñieän xoay chieàu Giaû thieát nhö treân ñoàng thôøi boû qua ñieän trôû cuoän daây, boû qua toång trôû töø loõi theùp: gl L N G δσ + N G δσ (giaû thieát G σ << G δ Σ ) 3 ψ E N i N u N u u Nφ N πfn πf R δσ R δσ ωl R δσ ω N G δσ ω Φ const Φ khoâng phuï thuoäc vaøo khe hôû khoâng khí δ Nω idψ d( ψi) di di Maø Fdt + ψ Nφ dδ dδ dδ dδ Trong ñoù i F φ di φ dg δσ N N(G + G ) dδ (G G ) dδ F dt (G δσ σ δσ + φ dg δσ dg δσ (Ni) δσ + G σ ) dδ dδ Vôùi i m sinωt dg δσ Fdt ( ωt) N m sin ωt.sin (ωt) cos(ωt) dδ dg δσ dg δσ Fdt tb (N m ) cos( ωt) (N) dδ dδ μ S d μs S Vôùi G δ Fdt (Ni) δ μ (Ni) R δ dδ δ δ σ Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô 5

34 TCBinh μ S (gioáng moät chieàu) δ Fdt tb (N) Nhaän xeùt: Löïc huùt ñieän töø: tyû leä vôùi bình phöông vôùi löïc töø ñoäng vaø dieän tích cöïc töø. tyû leä ngöôïc vôùi bình phöông khe hôû khoâng khí. Chöông : Caùc nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng ñieän cô 6

35 Chương 3: CÁC CHẾ ðộ PHÁT NÓNG.. Khái niệm chung... Quá trình nhiệt thiết bị ñiện θ oñ θ (nhiệt ñộ) θ : nhiệt ñộ mơi trường. θ oñ : nhiệt ñộ ổn ñịnh. θ quá trình nhiệt ñộ quá trình xác lập t (thời gian) τ θ - θ : τ ñộ chênh lệch t o tăng t o + t o tỏa mt θ θ oñ : t o phát ra t o tỏa ra môi trường Nhiệt ñộ vật liệu cách ñiện Nhiệt ñộ cho phép (θ cf ) của thiết bị Cấp cách ñiện: Cấp cách ñiện Y A E B F H C Nhiệt ñộ cho phép ( C) >8... Các ñạng tổn hao công suất trong các thiết bị ñiện ) Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn dẫn ñiện: R l ρ q P R với ρ [ + α( θ θ )] ρ θ q l Trong ñó ρ θ ñiện trở suất của vật dẫn ñiện ở nhiệt ñộ θ α [/ o C] hệ số nhiệt ñiện trở. Thường cho sẵn ρ θ ở θ C nên ρ ρ (+ αθ) Dòng ñiện xoay chiều ñi qua dây dẫn sẽ gây ra hiệu ứng mặt ngoài và hiệu l ứng gần: R N k f R kfρ q Với k f k bm k g >: Hệ số tổn hao phụ do: Hiệu ứng bề mặt (k bm >): phụ thuộc vào kích thước dây dẫn, ñiện trở suất của vật liệu và tần số của dòng ñiện. Hiệu ứng gần (k g >): phụ thuộc kích thước dây dẫn, khoảng cách các dây dẫn, ñiện trở suất và tần số của dòng ñiện. ) Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn từ: P P từ trễ + p dòng xoáy f B p từ trở p tr f B Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

36 f B p ñường xóay p x f B Với p tr, p x [W/kg]: công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trên một ñơn vị khối lượng ở tần số f và từ cảm B. 3) Công suất tổn hao trong vật liệu cách ñiện: ðiện trường biến thiên trong vật liệu cách ñiện sinh ra công suất tổn hao ñiện môi: P π t fgδ P [w] công suất tổn hao. f [Hz] tần số diện trường [V] ñiện áp tgδ hệ số tổn hao ñiện môi. Ở thiết bị ñiện hạ áp (<V) có thể bỏ qua tổn hao ñiện môi...3. Quá trình phát nóng và nguội ) Quá trình phát nóng: P [W] nguồn nhiệt nội tại với công suất nhiệt θ nhiệt ñộ của vật thể ñồng nhất, ñẳng nhiệt k T [W/m C] hệ số tỏa nhiệt (không phụ thuộc vào nhiệt ñộ) C [w.s/ C] nhiệt dung (không phụ thuộc vào nhiệt ño) Phương trình cân bằng năng lượng P.dt C.dτ + k T.S.τ.dt θ θ -θ ñộ chênh nhiệt của t o vật thể θ so với t o môi trường θ S [m ] diện tích tỏa nhiệt của vật thể C.dτ nhiệt lượng vật thể hấp thụ ñể tăng ñộ chênh nhiệt dτ k T.S.τ.dt nhiệt lượng tỏa ra m.trường chung quanh trong t.gian dt Viết lại phương trình cân bằng năng lượng dτ k TSτ P + dt C C Phương trình vi phân có nghiệm: τ τ e -t/t + τ oñ ( - e -t/t ) pt phát nóng τ [ o C] ñộ chênh nhiệt ban ñầu ở ñiểm t τ P od k TS [o C] ñộ chênh nhiệt ổn ñịnh C T [s] hằng số thời gian phát nóng k S T Xác lập: khi t thì τ τ oñ Phương trình cân bằng nhiệt Newton ở chế ñộ xác lập: τ oñ công suất phát nóng vật thể bằng công suất tỏa nhiệt ra môi trường. τ P k S T Nếu τ : τ τ oñ ( e -t/t ) Khi τ o và khi τ o τ oñ τ o t Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

37 k T : Công suất nhiệt chỉ dùng ñể ñốt nóng vật thể (không tỏa nhiệt ra môi trường) p τod P.dt C.dτ hay τ t t khi τ τ oñ thì t T C T Vậy hằng số thời gian phát nóng là thời gian cần thiết ñể nhiệt ñộ của vật thể ñạt ñến nhiệt ñộ ổn ñịnh (khi không có sự tỏa nhiệt từ vật thể ra môi trường chung quanh) ) Quá trình nguội: τ Khi công suất nhiệt P : C.dτ + k T.S.τ.dt với ñiều kiện ban ñầu : t, τ τ oñ nghiệm τ τ oñ e -t/t pt nguội.. Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế ñộ xác lập... Sự truyền nhiệt Giữa các vật thể có nhiệt ñộ khác nhau xảy ra sự truyền nhiệt hay còn gọi là sự trao ñổi nhiệt. Các dạng truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, trao ñổi nhiệt ñối lưu và trao ñổi nhiệt bức xạ. Dẫn nhiệt là quá trình trao ñổi nhiệt giữa các phần của vật thể hay giữa các vật thể có nhiệt ñộ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau. ðối lưu nhiệt là quá trình trao ñổi nhiệt nhờ sự chuyện ñộng của chất lỏng hoặc chất khí giữa các vùng có nhiệt khác nhau. Bức xạ nhiệt là quá trình trao ñổi nhiệt dưới dạng các tia nhiệt do vật thể phát nóng bức xạ ra môi trường xung quanh: tia sáng, tia hồng ngoại. Trong thực tế cả ba dạng trao ñổi nhiệt xảy ra ñồng thời và có ảnh hưởng lẫn nhau gọi là sự trao ñổi nhiệt hỗn hợp. Ta cần xét xem dạng trao ñổi nhiệt nào là cơ bản, ảnh hưởng của các dạng còn lại ñược tính ñến bằng cách dựa vào các hệ số hiệu chỉnh. Vd bề mặt vật rắn với chất khí: Hệ số tỏa nhiệt k T hệ số tỏa nhiệt ñối lưu + hệ số tỏa nhiệt bức xạ dq Φ T gọi là nhiệt thông, nghĩa là công suất truyền nhiệt dt Φ T Φ T mật ñộ nhiệt thông. S Nếu gọi P là công suất tổn hao trong vật thể, ở xác lập nhiệt có : Φ T P (P tỏa ) τ oñ t Quá trình truyền nhiệt này ñược biểu diễn bằng phương trình truyền nhiệt Fourrier: θ d Q λ dsdt x λ [W/m C] là hệ số dẫn nhiệt của vách cách ñiện. Vật thể dẫn ñiện dq ds Vật thể cách ñiện x Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 3

38 Thường thì vật liệu dẫn ñiện có hệ số dẫn nhiệt rất lớn sovới hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách ñiện, nên (ở chế ñộ ổn ñịnh) nhiệt ñộ tại mọi ñiểm trên bề mặt S dq của vách cách ñiện là nhau: const ds S θ dq θ θ Do ñó: dq λ Sdt hay λ S hay Φ T λ S x dt x x (phương trình truyền nhiệt Fourrier)... Sự truyền nhiệt qua vách phẳng Vách phẳng có tiết diện S, bề dày δ, hệ số dẫn nhiệt λ [W/m C] Φ T x θ θ θ θ θ x Nhiệt thông: dθ dθ Φ T Φ T λ S hay dx dx λs Với ñiều kiện ñầu : x δ, θ θ, có nghiệm: Φ θ T x + θ λs Tại x δ, θ θ do ñó : δ θ θ - θ Φ Φ T T R T λs ñịnh luật Ohm với θ θ - θ ñộ chênh nhiệt. δ R T [ C/W] λs nhiệt trở do dây dẫn nhiệt qua vách cách ñiện. ðịnh luật Ohm trong truyền nhiệt: θ Φ T R T Nhiều vách phẳng nối tiếp: δi R T S i λ i [ C/W] Bảng sự tương quan giữa ñại lượng ñiện và ñại lương nhiệt: (Xem sách)..3. Sự truyền nhiệt qua vách trụ Xét dây dẫn tròn, chiều dài l, bán kính dây dẫn R, bán kính kể cả cách ñiện R, hệ số dẫn nhiệt của lớp cách ñiện λ (l >> R,R ) A-A A d r r θ θ R θ Φ T R T A l θ θ R Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 4

39 Phương trình truyền nhiệt Fourrier: Biến ñổi biểu thức trên và lấy tích phân vế của: θ R Φ T dr Φ d θ θ θ θ πλl r πλ l θ Φ T λ dθ S dx R T R ln R dθ λ πrl dr hay θ θ θ Φ T R T (ñịnh luật Ohm) với Φ T Φ T [W/m] l nhiệt thông trên một ñơn vị chiều dài ống R R T ln [m C/W] πλ R nhiệt trở trên một ñơn vị chiều dài ống Trường hợp thành ống gồm nhiều lớp cách ñiện có hệ số dẫn nhiệt λ i thì: Ri+ ln Ri RT π λ i i..4. Quá trình tỏa nhiệt từ bề mặt vật thể phát ra môi trường xung quanh Tỏa nhiệt bằng ñối lưu và bức xạ nhiệt: Φ Phương trình cân bằng nhiệt Newton ở chế ñộ xác lập : θ τ T k T S Với Φ T nhiệt thông trên bề mặt tỏa nhiệt (bằng với tổn hao công suất trong vật dẫn ñiện nếu bỏ qua tổn hao công suất trong vách ñiện) k T hệ số tỏa nhiệt (do ñối lưu và bức xạ) ðịnh luật Ohm trong truyền nhiệt: θ R T Φ T λ với R T [m C/W] ñiện trở ứng với sự tỏa nhiệt từ bề mặt vật thể ra môi k TS trường..3. Các chế ñộ làm việc của thiết bị ñiện.3.. Chế ñộ làm việc dài hạn Phương trình phát nóng: τ τ oñ ( e -t/t ) Dài hạn, t.gian làm việc ñủ lớn ñể τ τ oñ và t.gian nghĩ ñủ dài ñể τ. 4 τ τ t 4T od ( e ), 98τod τ od sai số tương ñối nhỏ hơn %. Vì vậy trong thực tế khi t 4T thì có thể coi là thiết bị ñiện làm việc ở chế ñộ dài hạn và ñộ chênh lệch ổn ñịnh của nó ñược xác ñịnh bằng phương trình cân bằng nhiệt Newton: τ P od k TS ðộ chênh lệch ổn ñịnh hay nhiệt ñộ ổn ñịnh của thiết bị ñiện phải nhỏ hơn ñộ chênh nhiệt hoặc nhiệt ñộ cho phép của (vật liệu cách ñiện sử dụng trong) thiết bị ñiện. Tối ưu hóa các vật liệu trong thiết bị ñiện, thường thiết kế sao cho nhiệt ñộ ổn ñịnh của thiết bị ñiện ở chế ñộ làm việc dài hạn ñịnh mức không nhỏ hơn nhiều so với nhiệt cho phép của nó. Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 5

40 .3.. Chế ñộ làm việc ngắn hạn τ t lv chưa ñủ lớn (t lv < 4T): τ < τ oñ t ng ñủ dài (t ng >4T): τ τ nh τ dh τ oñ τ ðường cong : dh ứng với công suất tổn hao dài hạn P dh τ τ dh ( e -t/t ) τ oñ ( e -t/t ) ðường cong : nh ứng với công suất tổn hao ngắn hạn P nh τ τ nh ( e -t/t ) Nếu thiết bị ñiện làm việc với dh thì khi t t lv, τ τ < τ oñ (làm việc non tải). Thiết bị ñiện tối ưu, tăng dòng ñiện làm việc tới nh sao cho: khi t t lv thì: Khi ổn ñịnh τ P od k S nên τnh P nh τ P Hệ số quá tải dòng ñiện cho phép: T Khi t lv << T, có công thức gần ñúng ( e x x) dh dh : nh dh nh tlv / T ( e ) τ τ τ oñ τ cf K nh dh e nh K dh tlv / T Hệ số quá tải càng lớn khi thời gian làm việc t lv càng nhỏ (và hằng số thời C hằng phát nóng càng lớn ( T )). k S.3.3. Chế ñộ làm việc ngắn hạn lặp lại t lv chưa ñủ lớn (t lv < 4T): τ < τ oñ t ng chưa ñủ dài (t ng < 4T): τ > Lặp ñi lặp lại với tần số không ñổi t ck, khi số chu kỳ ñủ lớn: τ dao ñộng giữa τ min và τ max chế ñộ tựa xác lập τ nl τ T nl t lv t lv t ck t ng t t T t lv τ dh τ max τ min t lv t ng t t lv t ng Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 6

41 ðường cong : dh ứng với công suất tổn hao dài hạn P dh τ τ dh ( e -t/t ) τ oñ ( e -t/t ) ðường cong : nl ứng với công suất tổn hao ngắn hạn lặp lại P nl ðể tận dụng hết khả năng chịu nhiệt của thiết bị thì cần tăng dòng ñiện làm việc ñến nl sao cho: τ max τ dh τ oñ τ cf Ở chế ñộ tựa xác lập: phương trình phát nóng khi t t lv : tlv / T tlv / T τ τ e + τ ( e ) phương trình nguội khi t t ng : τ nl τ τ nl dh τ max min τ t t / T lv / T t / T lv ng tlv / T ( e ) τ τ e τ τ e e max τnl e τmax e tck / T tlv / T min P P Hệ số quá tải dòng ñiện cho phép: Khi t ck << T, có công thức gần ñúng: nl dh dh dh max max min tng / T maxe K nl dh nl K dh t lv Nếu ñịnh nghĩa hệ số tiếp diện: TL%. thì K t ck Hệ số quá tải dòng ñiện càng lớn khi t lv càng bé và t ck càng lớn. nl e e t t ck lv t ck / T tlv / T TL% Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 7

42 Tóm tắt Khái niệm chung Quá trình nhiệt thiết bị ñiện τ θ - θ : τ ñộ chênh lệch t o tăng t o + t o tỏa mt θ θ oñ : t o phát ra t o tỏa ra môi trường Các ñạng tổn hao công suất trong các thiết bị ñiện Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn dẫn ñiện: P R l với R ρ với ρ ρθ [ + α( θ θ) ] q Thường cho sẵn ρ θ ở θ C nên ρ ρ (+ αθ) Dòng ñiện xoay chiều ñi qua dây dẫn sẽ gây ra hiệu ứng mặt ngoài và hiệu l ứng gần: R N kf R kfρ q Với k t k bm k g >: Hệ số tổn hao phụ do: Hiệu ứng bề mặt (k bm >) và Hiệu ứng gần (k g >) Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn từ: P p từ trễ + p dòng xoáy f B p từ trở pr f B f B p ñường xóay p x f B Với p tr, p x [W/kg]: công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trên một ñơn vị khối lượng ở tần số f và từ cảm B. Công suất tổn hao trong vật liệu cách ñiện: ðiện trường biến thiên trong vật liệu cách ñiện sinh ra công suất tổn hao ñiện môi: P π t tgδ tgδ hệ số tổn hao ñiện môi. Ở thiết bị ñiện hạ áp (<V) có thể bỏ qua tổn hao ñiện môi. Quá trình phát nóng và nguội Quá trình phát nóng: k T [ω/m C] hệ số tỏa nhiệt (không phụ thuộc vào nhiệt ñộ) C[w.s/ C] Phương trình cân bằng năng lượng P.dt C.dτ + k T.S.τ.dt nhiệt dung (không phụ thuộc vào nhiệt ño) C.dτ nhiệt lượng vật thể hấp thụ ñể tăng ñộ chênh nhiệt dτ k T.S.τ.dt nhiệt lượng tỏa ra m.trường chung quanh trong t.gian dt Viết lại phương trình cân bằng năng lượng dτ k TSτ P + dt C C Phương trình vi phân có nghiệm: τ τ e -t/t + τ oñ ( - e -t/t ) P τ od [ o C] ñộ chênh nhiệt ổn ñịnh k S T Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 8

43 C T [s] hằng số thời gian phát nóng k S T Xác lập: khi t thì τ τ oñ P Phương trình cân bằng nhiệt Newton ở chế ñộ xác lập: τ oñ k TS k T : Công suất nhiệt chỉ dùng ñể ñốt nóng vật thể (không tỏa nhiệt ra môi trường) P.dt C.dτ hay p τod τ t t C T khi τ τ oñ thì t T Quá trình nguội: Khi công suất nhiệt P : C.dτ + k T.S.τ.dt với ñiều kiện ban ñầu : t, τ τ oñ nghiệm τ τ oñ e -t/t Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế ñộ xác lập Sự truyền nhiệt Hệ số tỏa nhiệt k T hệ số tỏa nhiệt ñối lưu + hệ số tỏa nhiệt bức xạ dq Φ T P tỏa dt gọi là nhiệt thông, nghĩa là công suất truyền nhiệt Φ T Φ T S mật ñộ nhiệt thông. Phương trình truyền nhiệt Fourrier: θ d Q λ Sdt x λ [W/m C] là hệ số dẫn nhiệt nhiệt ñộ tại mọi ñiểm trên bề mặt S vô hạn: dq ds S const Do ñó: θ dq θ θ dq λ Sdt hay λ S hay Φ T λ S x dt x x (phương trình truyền nhiệt Fourrier) Sự truyền nhiệt qua vách phẳng Nhiệt thông: dθ dθ Φ T Φ Φ T λ S hay θ T x + θ dx dx λs λs Tại x δ, θ θ do ñó : δ θ θ - θ Φ Φ T T R T λs ñịnh luật Ohm với θ θ - θ ñộ chênh nhiệt. δ R T [ C/W] λs nhiệt trở do dây dẫn nhiệt qua vách cách ñiện. Nhiều vách phẳng nối tiếp có λ i : δi R T S i λ i [ C/W] Bảng sự tương quan giữa ñại lượng ñiện và ñại lương nhiệt: (Xem sách) Sự truyền nhiệt qua vách trụ Phương trình truyền nhiệt Fourrier: dθ dθ Φ T λ S λ πrl dx dr θ R Φ T dr Φ T R d θ θ θ θ ln πλl r πλ l R θ R Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 9

44 hay θ θ θ Φ T R T (ñịnh luật Ohm) với Φ T Φ T [W/m] l nhiệt thông trên một ñơn vị chiều dài ống R R T ln [m C/W] nhiệt trở trên một ñơn vị chiều dài ống πλ R Ri+ ln Ri Thành ống gồm nhiều lớp cách ñiện có λ i thì: RT π i λi Các chế ñộ làm việc của thiết bị ñiện Chế ñộ làm việc dài hạn Phương trình phát nóng: τ τ oñ ( e -t/t ) Dài hạn, t.gian làm việc ñủ lớn ñể τ τ oñ và t.gian nghĩ ñủ dài ñể τ. 4 τ τ t 4T od ( e ), 98τod τ od sai số tương ñối nhỏ hơn %. P phương trình cân bằng nhiệt Newton: τ od k TS Chế ñộ làm việc ngắn hạn t lv chưa ñủ lớn (t lv < 4T): τ < τ oñ t ng ñủ dài (t ng >4T): τ Nếu thiết bị ñiện làm việc với dh thì khi t t lv, τ τ < τ oñ (làm việc non tải). Thiết bị ñiện tối ưu, tăng dòng ñiện làm việc tới nh sao cho: khi t t lv thì: Khi ổn ñịnh τ P od k S nên τnh P nh τ P Hệ số quá tải dòng ñiện cho phép: T Khi t lv << T, có công thức gần ñúng ( e x x) dh dh : nh dh nh tlv / T ( e ) τ τ τ oñ τ cf K Hệ số quá tải:tỷ lệ nghịch với t lv và tỷ lệ với thời hằng phát nóng Chế ñộ làm việc ngắn hạn lặp lại t lv chưa ñủ lớn (t lv < 4T): τ < τ oñ t ng chưa ñủ dài (t ng < 4T): τ > nh dh e nh K dh C T. k S T tlv / T Lặp ñi lặp lại với tần số không ñổi t ck, khi số chu kỳ ñủ lớn: τ dao ñộng giữa τ min và τ max : chế ñộ tựa xác lập ðể tận dụng hết khả năng chịu nhiệt của thiết bị thì cần tăng dòng ñiện làm việc ñến nl sao cho: τ max τ dh τ oñ τ cf Ở chế ñộ tựa xác lập: phương trình phát nóng khi t t lv : tlv / T tlv / T τ τ e + τ ( e ) phương trình nguội khi t t ng : t t / T lv / T t / T lv ng tlv / T τ ( e ) τ τ e τ τ e e nl max min max max τ max min τ min tng / T maxe nl T t lv Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

45 τ τ nl dh τnl e τmax e tck / T tlv / T P P Hệ số quá tải dòng ñiện cho phép: Khi t ck << T, có công thức gần ñúng: nl dh dh dh K nl dh nl K dh t ck Nếu ñịnh nghĩa hệ số tiếp diện: TL%. thì K t lv Hệ số quá tải dòng ñiện càng lớn khi t lv càng bé và t ck càng lớn. Bài tập: _Tất cả các ví dụ. _ Bài tập: (.), (-)3., 3.5, 3.7, (*) 3., 3.3, 3.6a, (**)3.6b. e e t t ck lv t ck / T tlv / T TL% Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

46 Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương Chương 3: CAÙC CHEÁ ÑOÄ PHAÙT NOÙNG Bài tập Bài. Thanh dẫn dài m có tiết diện tròn có đường kính d mm, có điện trở,mω, có dòng điện A chạy qua liên tục trong thời gian đủ dài. Thanh dẫn có hệ số toả nhiệt K T W/( C.m ) và được đặt trong môi trường không khí có nhiệt độ là 35 o C. Xác định nhiệt độ của thanh dẫn. Bài. Thanh dẫn dài m có tiết diện x3 mm, có điện trở, mω. Thanh dẫn có hệ số toả nhiệt K T W/( C.m ) và được đặt trong môi trường không khí có nhiệt độ là 4 o C. a) Cho dòng điện A chạy qua liên tục qua thanh dẫn trong thời gian đủ dài. Xác định nhiệt độ của thanh dẫn? b) Biết thời hằng phát nóng của thanh dẫn T phút. Dòng điện qua thanh dẫn không đổi như ở câu a), tính nhiệt độ lớn nhất trên thanh dẫn? Chế độ ) Khi thanh dẫn trên làm việc theo chu kỳ lặp lại như giản đồ thời gian sau: (A) lv t (phút) Chế độ ) Khi thanh dẫn trên làm việc theo chu kỳ lặp lại như giản đồ thời gian sau: (A) lv t (phút) Chế độ 3) Khi thanh dẫn trên làm việc theo chu kỳ lặp lại như giản đồ thời gian sau: (A) lv 5 6 t (s) c) Biết thời hằng phát nóng của thanh dẫn T phút. Nhiệt độ lớn nhất trên thanh dẫn không đổi như ở câu a), tính dòng điện làm việc chạy qua thanh dẫn lv trong 3 trường hợp trên? Bài tập Chương 3: Các chế độ phát nóng

47 Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương Bài 3. Một thiết bị điện làm việc với công suất vào là W. Thiết bị luôn có hiệu suất là 8% (tổn hao Vỏ thiết bị nhiệt là %). Vật liệu của thiết bị chịu được nhiệt độ cho phép tối đa là 9 C. Nhiệt độ môi trường làm việc là 4 C. a) Thiết bị trên tản nhiệt thông qua lớp vỏ có hệ số tỏa nhiệt k T W/( C.m ). Tính diện tích tỏa nhiệt (tối thiểu) của vỏ thiết bị? b) Nếu thiết bị ở câu a) làm việc theo chu kỳ lặp lại như giản đồ thời gian trên hình vẽ bên. Biết hằng số thời gian phát nóng của thiết bị P(W) là T phút. Tính hệ số quá P đm tải công suất K P và hệ số quá tải t (phút) dòng điện K của thiết bị? c) Giả sử vỏ thiết bị được sơn một lớp sơn thẩm mỹ có độ dày δ mm. Vật liệu sơn có hệ số dẫn nhiệt λ, W/(m C) và hệ số tỏa nhiệt k Tb 5 W/( C.m ). Tính diện tích tỏa nhiệt tối thiểu của vỏ họp S b? (Xem diện tích tỏa nhiệt của lớp sơn bằng với diện tích tỏa nhiệt của vỏ thiết bị, và nhiệt độ được tỏa đều ra các bề mặt của vỏ thiết bị) d) Nếu thiết bị ở câu c) làm việc (A) theo chu kỳ lặp lại như giản đồ max thời gian trên hình vẽ bên. t (phút) Biết hằng số thời gian phát nóng của thiết bị là T 3 phút. Thiết bị làm việc với công suất định mức. Tính nhiệt độ làm việc của thiết bị θ lv? Bài 4. Một C ổn áp làm việc với điện áp vào,v, dòng điện vào,a và điện áp ra ổn áp 5,V, dòng điện ra,a. C có vỏ tản nhiệt rất nhỏ, và có nhiệt độ cho phép tối đa là 75 C. Nhiệt độ môi trường làm việc là 4 C. Vỏ tản nhiệt a) Để tản nhiệt cho C, cần gắng thêm miếng tản nhiệt kim loại, tản nhiệt có hệ số tỏa nhiệt k Ta W/( C.m S xq ). Tính diện tích tỏa nhiệt tối thiểu của LM785 miếng tản nhiệt S a? b) Giả sử miếng tản nhiệt kim loại ở câu a) cũng chính là vỏ họp chứa C ổn áp (như hình vẽ bên). Bài tập Chương 3: Các chế độ phát nóng

48 Bài giảng Kỹ Thuật Điện Đại Cương Nếu vỏ họp được sơn một lớp sơn thẩm mỹ có độ dày δ mm. Vật liệu sơn có hệ số dẫn nhiệt λ, W/( m C) và hệ số tỏa nhiệt k Tb 5 W/( C.m ). Tính diện tích tỏa nhiệt tối thiểu của vỏ họp S b? (Xem diện tích tỏa nhiệt của lớp sơn bằng với diện tích tỏa nhiệt của vỏ họp, và nhiệt độ được tỏa đều ra các bề mặt của vỏ họp) c) Nếu thiết bị ở câu b) làm việc theo chu kỳ lặp lại như giản đồ (A) max thời gian trên hình vẽ bên. Biết hằng số thời gian phát nóng t (phút) của thiết bị là T phút. Công suất lúc làm việc của C như ở câu a). Tính nhiệt độ làm việc của thiết bị θ lv? Bài tập: _Tất cả các ví dụ. _ Bài tập: (.), (-)3., 3.5, 3.7, (*) 3., 3.3, 3.6a, (**)3.6b. Bài tập Chương 3: Các chế độ phát nóng 3

49 Chương 3: CÁC CHẾ ðộ PHÁT NÓNG.. Khái niệm chung Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

50 ... Quá trình nhiệt thiết bị ñiện θ (nhiệt ñộ) θ oñ θ : nhiệt ñộ môi trường. θ oñ : nhiệt ñộ ổn ñịnh. θ quá trình nhiệt ñộ t (thời gian) quá trình xác lập... Các ñạng tổn hao công suất trong các thiết bị ñiện q l Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng

51 ..3. Quá trình phát nóng và nguội τ τ τ oñ τ oñ τ o Quá trình phát nóng t Quá trình nguội t.. Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế ñộ xác lập... Sự truyền nhiệt Vật thể dẫn ñiện dq ds Vật thể cách ñiện x Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 3

52 ... Sự truyền nhiệt qua vách phẳng Φ T R T θ θ θ Φ T x θ ðẳng nhiệt θ θ θ θ θ x θ θ m θ θ θ Kim loại, ðẳng nhiệt..3. Sự truyền nhiệt qua vách trụ A-A A R r d r A l θ θ R Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 4

53 .3. Các chế ñộ làm việc của thiết bị ñiện.3.. Chế ñộ làm việc dài hạn Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 5

54 .3.. Chế ñộ làm việc ngắn hạn τ τ nh τ dh τ oñ τ P nh P dh t t lv.3.3. Chế ñộ làm việc ngắn hạn lặp lại τ nl τ P nhll nl τ dh P dh τ max t lv t ck t ng t lv t t lv t ng τ min t t lv t ng Hình veõ Chöông 3: Caùc cheá ñoä phaùt noùng 6

55 TCBinh Chương 4: MÁY BẾN ÁP Bài tập Bài. Máy biến áp pha có công suất ñịnh mức S ñm 5 kva, tần số ñịnh mức f ñm 5 Hz, ñiện áp ñịnh mức ñm / ñm / V. Có các thông số r, Ω, x,5 Ω, r, Ω, x,4 Ω. Khi máy biến áp ñược nối với tải ñịnh mức, cosϕ,8 (tải cảm). a. Tính ñộ thay ñổi ñiện áp % b. Tính ñiện áp ngõ ra Bài. Máy biến áp pha có công suất ñịnh mức S ñm 5 kva, tần số ñịnh mức f ñm 5 Hz, ñiện áp ñịnh mức ñm / ñm / V. Mạch tương ñương hình Γ (như hình vẽ) có các thông số R m 6Ω, X m 5Ω, r, Ω, x,5 Ω, r, Ω, x,4 Ω. Khi máy biến áp ñược nối với tải ñịnh mức, cosϕ,8 (tải cảm). r x r x & R m X m & Z t a. Tính ñộ thay ñổi ñiện áp % b. Tính ñiện áp ngõ ra c. Tính dòng ñiện khi máy biến áp ñạt hiệu suất cực ñại η max, tính η max. d. Tính công suất biểu kiến của tải khi máy biến áp ñạt hiệu suất cực ñại. Chöông 3: Maùy bieán aùp

56 Chöông 4: MAÙY BEÁN AÙP V.. Giôùi thieäu chung veà maùy bieán aùp Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp

57 φ i i u w w u Z t V.. Cheá ñoä khoâng taûi cuûa maùy bieán aùp & Φ& & & & E & E & w w E & & E & & Φ& E & & α & & x & r Φ& E & Doøng ñieän khoâng taûi. V.3. Cheá ñoä taûi & Φ& & & w Φ & σ Φ& σ w & Z & t Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp

58 & jx & u i e σ e e σ e i u Z t & & r & jx & θ r & E & E & E & α & & & Φ& V.4. Sô ñoà thay theá cuûa maùy bieán aùp r r x & x & & r m E & E x m & & Z t & r x r x & E & & r R m & & x X m E & & Z t r n x n Đ -Đ & & Z t Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp 3

59 V.5. Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa maùy bieán aùp V.5.. Thí nghieäm khoâng taûi r x A W rm P V V & x m & V.5.. Thí nghieäm ngaén maïch A W n n Pn V A & n r n x n Đ n Đ ñm V.6. Caùc ñaëc ñieåm vaän haønh cuûa maùy bieán aùp & ϕ n n & & nr nx S P + jq S ñt P ñt +jq ñt S P +jq p Cu + jq p Fe +jq m p Cu + jq ϕ Đ -Đ A - Z n Đ ϕ n r n ñm B x n Đ C C R L β Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp 4

60 V.7. Maùy bieán aùp ba pha Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp 5

61 V.8. Söï laøm vieäc song song cuûa maùy bieán aùp c6 E E Z n Z n Z V.9. Caùc maùy bieán aùp ñaëc bieät Maùy töï bieán aùp (maùy bieán aùp töï ngaãu) W W Z t Maùy bieán ñieän aùp A A X x E & & Đ Φ& & & E & δ v Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp 6

62 Maùy bieán doøng ñieän Đ -Đ δ i Đ Baøi taäp Hình veõ Chöông 4: Maùy bieán aùp 7

63 TCBinh Chöông 3: MAÙY BEÁN AÙP (7LT + 3BT) V.. Giôùi thieäu chung veà maùy bieán aùp V... Ñònh nghóa Maùy bieán aùp laø thieát bò ñieän töø tónh laøm nhieäm vuï truyeàn taûi hoaëc phaân phoái naêng löôïng. Goàm cuoän daây sô caáp noái nguoàn ñieän vaø cuoän daây caûm öùng noái taûi laø cuoän thöù caáp. Kyù hieäu: V... Caùc ñaïi löôïng ñònh möùc MBA moät pha: ñm, ñm, ñm, ñm, S ñm ñm. ñm ñm. ñm [VA] MBA bapha: ñm daây, ñm daây, S ñm 3 ñm. ñm 3 ñm. ñm [VA] V..3. Caáu taïo cuûa maùy bieán aùp Loõi: (,35mm ñeán,5mm) Daây quaán. Voû maùy: coù theå chöùa daàu maùy bieán aùp (laøm maùt vaø caùch ñieän MBA). V..4. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa maùy bieán aùp φ i i u w w u Z t dφ w dt jωwφ& E& jωwφ E e dφ w dt jωw Φ & jωw Φ e Hay E πfwφ E πfw Φ ( khoâng ñoåi E xem nhö khoâng ñoåi Φ khoâng ñoåi Töø thoâng Φ khoâng ñoåi caû khi khoâng taûi vaø coù taûi) E w Tyû soá bieán aùp: k E w Neáu boû qua ñieän trôû daây quaán vaø töø thoâng toûa ra ngoøai khoâng khí ta coù: E vaø E E w k E w E& E Chöông 3: Maùy bieán aùp

64 TCBinh V.. Cheá ñoä khoâng taûi cuûa maùy bieán aùp V... Phöông trình ñieän aùp & Φ& & & & E & E & w w E & & E & & Φ& E & ωwφ& & E& j Φ chaäm pha hôn moät goùc 9. w Φ & & E& ω j Φ sôùm pha hôn moät goùc 9. V... Doøng ñieän khoâng taûi & Do toån hao trong loõi theùp, & sôùm pha hôn töø thoâng Φ & goùc α goïi laø goùc toån hao töø treã. x laø thaønh phaàn phaûn khaùng hay töø hoùa duøng ñeå töø hoùa loõi theùp. r laø thaønh phaàn taùc duïng do toån hao trong loõi theùp. Thöôøng r < % x x. Doøng ñieän khoâng taûi raát nhoû hôn so vôùi doøng ñieän sô caáp ñònh möùc neân coù theå boû qua doøng khoâng taûi: (,5% %) ñm. V..3. Coâng suaát khoâng taûi P P Fe + P r P Fe P Fe p 4 5 β f 5,3 m Fe (vì nhoû) Trong ñoù p laø suaát toån hao trong theùp ôû taàn soá 5Hz vaø töø caûm T [w/kg] 4 5 β töø caûm trong loõi theùp [T] m Fe khoái löôïng theùp [kg] V.3. Cheá ñoä taûi V.3.. Phöông trình caân baèng ñieän aùp sô caáp vaø thöù caáp E & α & & x & r Φ& & Φ& & & w Φ& σ Φ & σ w & Z & t Chöông 3: Maùy bieán aùp

65 TCBinh Töø thoâng chính Φ sinh ra söùc ñieän ñoäng caûm öùng chính: dψ dφ dψ dφ e w e w dt dt dt dt Töø thoâng taûn: w Φ Ψ w Φ Ψ σ. σ σ. σ do ñieän caûm taûn sinh ra: Ψσ Lσ i L Ψ σ σ (haèng soá, ) i Töø thoâng taûn chæ moùc voøng qua rieâng leû töø cuoän daây, vaø taïo ra söùc ñieän ñoäng caûm öùng : dψ σ di dψ σ di eσ L σ eσ L σ dt dt dt dt u i e σ e e σ e i u Z t Chieàu ñieän aùp nhö hình veõ: e e σ + ri e + e σ ri Vieát daïng soá phöùc: & E& + ( r + jx )& E& + Z& & & E& ( r + jx )& E& + Z& ( & ) Vôùi x ω L σ laø ñieän khaùng taûn daây quaán sô caáp. x ω L σ laø ñieän khaùng taûn daây quaán thöù caáp. Z r + jx laø toång trôû daây quaán sô caáp. Z r + jx laø toång trôû daây quaán thöù caáp. e + L e L σ σ di dt di dt + r i r i V.3.. Phöông trình caân baèng söùc töø ñoäng const E const Φ m const ( E π.k dq.nf. Φ m ) Do töø thoâng Φ m const neân söùc töø ñoäng khoâng ñoåi ( F N Φ ) mr m (khoâng taûi) w. & w.& + w. & const (coù taûi) w & & & ( ) & & + & + & + w k w E vôùi k laø tyû soá bieán aùp w E Chöông 3: Maùy bieán aùp 3

66 V.3.3. Heä phöông trình moât taû maùy bieán aùp vaø giaûn ñoà vector & jx & TCBinh & E& + & E& & & + ( r + jx )& ( r + jx )& ( & ) α goùc toån hao töø treã θ goùc leäch pha giöõa vaø E. V.4. Sô ñoà thay theá cuûa maùy bieán aùp & E& + Z& & & E& Z& & & & + ( & ) & & r & jx & θ r & E & E & E & α & & & Φ& V.4.. Quy ñoåi maùy bieán aùp Ñeå thieát laäp maïch töông ñöông caàn caùc ñieàu kieän: ñieän aùp, doøng ñieän, taàn soá, naêng löôïng. Söùc ñieän ñoäng vaø ñieän aùp thöù caáp quy ñoåi w Qui veà sô caáp: E E, maø E E ke E ke w Töông töï coù : k Doøng ñieän thöù caáp quy ñoåi Ñieàu kieän naêng löôïng: E E E Doøng ñieän thöù caáp quy ñoåi: E k Ñieän trôû vaø ñieän khaùng thöù caáp quy ñoåi Ñieàu kieän naêng löôïng: r r r k. r Töông töï x x x k. x Hay Z k. Z vaø Z t k. Z t V.4.. Sô ñoà thay theá cuûa maùy bieán aùp & E& + Z& & E& + ( r + jx )& & E& Z& & E& ( r + jx )& & & + ( & ) r r x & x & & r m E & E x m & & Z t Chöông 3: Maùy bieán aùp 4

67 E & & & + ( r m jx m )& Z m Vôùi Z m r m + jx m laø toång trôû hoùa ñaëc tröng cho maïch töø p Fe r m laø ñieän trôû hoùa ñaëc tröng cho toån hao x m TCBinh laø ñieän khaùng töø hoùa ñaëc tröng cho töø thoâng chính Φ & r x r x & E & & r R m & & x X m E & & Z t Doøng ñieän khoâng taûi thöôøng raát nhoû (,5% %) ñm. r n Đ -Đ x n & & Z t (taàn soá cao ko qua ñöôïc) Vôùi r n r + r laø ñieän trôû ngaén maïch cuûa maùy bieán aùp. x n x + x laø ñieän khaùng ngaén maïch cuûa maùy bieán aùp. V.5. Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa maùy bieán aùp V.5.. Thí nghieäm khoâng taûi A W P V V r x rm & x m & w ) Tyû soá bieán aùp k: w p ) Ñieän trôû khoâng taûi: r r + rm E E k Thöôøng r >> r neân: r m r 3) Toång trôû khoâng taûi: Z thöôøng Z >> Z Z m Z m neân 4) Ñieän khaùng khoâng taûi: dm x + x Z r x m Ñieän khaùng töø hoùa thöôøng laáy gaàn ñuùng: x m x p 5) Heä soá coâng suaát khoâng taûi: cosϕ (,,3) dm dm Chöông 3: Maùy bieán aùp 5

68 TCBinh V.5.. Thí nghieäm ngaén maïch A W ñm n ( 3% + % ) ñm r n x n n n P n V A & n Đ n Đ ñm ) Toång trôû ngaén maïch n Z n n Pn ) Ñieän trôû ngaén maïch r n (coù theå ño ñöôïc, raát nhoû) dm dm dm 3) Ñieän trôû khaùng ngaén maïch Quan heä gaàn ñuùng: nr r n ñm ux x n ñm x n Z n rn r r vaø r laø thaønh phaàn taùc duïng cuûa ñieän aùp ngaén maïch. n x x laø thaønh phaàn phaûn khaùng cuûa ñieän aùp ngaén maïch. Ñieän aùp ngaén maïch thöôøng ñöôïc tính baèng phaàn traêm so vôùi ñieän aùp ñònh möùc: n % nr nx n dm % % nr dm nx dm Zn rn dm dm dm x n dm dm dm x n & ϕ n n & & nr nx V.6. Caùc ñaëc ñieåm vaän haønh cuûa maùy bieán aùp V.6.. Giaûn ñoà naêng löôïng cuûa maùy bieán aùp S P + jq S ñt P ñt +jq ñt S P +jq Sô caáp: P cosϕ Q sinϕ ϕ p cu r p Cu + jq p Fe +jq m p Cu + jq coâng suaát taùc duïng. coâng suaát phaàn khaùng. goùc leäch pha giöõa doøng ñieän vaø ñieän aùp sô caáp. coâng suaát toån hao treân ñieän trôû daây quaán sô caáp. Chöông 3: Maùy bieán aùp 6

69 TCBinh q cu x coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng baûn daây quaán sô caáp. p fe r m o coâng suaát toån hao trong loõi theùp. q m x m o coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng chính trong loõi theùp. Coâng suaát ñieän töø taùc duïng vaø phaûn khaùng truyeàn töø sô caáp qua thöù caáp maùy bieán aùp P dt P p cu p fe E..cos ϕ Q dt Q q cu q m E..sin ϕ xem gaàn ñuùng goùc leäch pha ϕ giöõa vaø goùc leäch pha θ giöõa E vaø. Thöù caáp: p cu r coâng suaát toån hao treân ñieän trôû daây quaán thöù caáp. q x coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng baûn daây quaán thöù caáp. Do ñoù coâng suaát taùc duïng vaø phaûn khaùng ôû ñaàu ra maùy bieán aùp laø: P P dt p cu cos ϕ Q Q dt q sin ϕ V.6.. Heä soá taûi cuûa maùy bieán aùp β dm dm Khi β - taûi ñònh möùc; β < - non taûi; β > - quaù taûi. V.6.3. Hieäu suaát cuûa maùy bieán aùp P η hoaëc η P P η P P P + P Fe + P P cosϕ β.s ñm cosϕ P Fe P (TN khoâng taûi vôùi: ñm ) P Cu r + r (r +r ) r n β P n. (TN ngaén maïch vôùi: ñm ) η β Cu % β. Sdm.cos. Sdm.cosϕ + P neáu cos ϕ khoâng ñoåi thì hieäu suaát seõ cöïc ñaïi khi: η β P P ϕ + β. Pn β.p n P Heä soá taûi öùng vôùi hieäu suaát cöïc ñaïi laø: β P P n V.6.4. Ñoä thay ñoåi ñieän aùp cuûa maùy bieán aùp ñm const ñm Khi maùy bieán aùp ôû cheá ñoä taûi thì < ñm vaø phuï thuoäc vaøo taûi do ñieän aùp rôi treân daây quaán sô caáp vaø thöù caáp. Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp laø: ñm Chöông 3: Maùy bieán aùp 7

70 TCBinh dm Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp phaàn traêm: %. k. dm k. dm Hay %.. k. dm dm dm ñm B ϕ Đ -Đ A - Z n Đ ϕ n r n x n Đ C β (.cosϕ +.sin ϕ ) ( %.cos ϕ + %. ϕ ) nr nx % β nr nx sin dm Löu yù: sin ϕ > khi doøng ñieän chaäm pha (taûi caûm) sin ϕ < khi doøng ñieän sôùm pha (taûi dung) % phuï thuoäc vaøo heä soá taûi vaø tính chaát cuûa taûi. Töø % ta tính ñöôïc ñieän aùp thöù caáùp theo coâng thöùc: % dm dm C R L V.7. Maùy bieán aùp ba pha β Y hay Chöông 3: Maùy bieán aùp 8

71 TCBinh V.8. Söï laøm vieäc song song cuûa maùy bieán aùp Ñieàu kieän laøm vieäc song song: doøng ñieän taûi phaân boá tyû leä theo coâng suaát maùy + khoâng coù doøng caân baèng chaïy trong caùc daây quaán thöù caáp + cuøng heä soá taûi β Ñeå ñaûm baûo hai ñieàu kieän treân:. Caùc MBA coù cuøng ñieän aùp sô caáp vaø thöù caáp. Ñieän aùp thöù caáp cuøng pha vaø cuøng toå ñaáu daây 3. Cuøng ñieän aùp ngaén maïch phaàn traêm (ñeå cuøng cuøng β) c6 Z n E Z n E Z β β β β n n dm % % dm n n Z n Z dm n dm Zn Z n dm dm Z n n % Z n n % MBA naøo coù ñieän aùp ngaén maïch nhoû hôn seõ chòu taûi lôùn hôn n n % % V.9. Caùc maùy bieán aùp ñaëc bieät Maùy töï bieán aùp (maùy bieán aùp töï ngaãu) Chöông 3: Maùy bieán aùp 9

72 TCBinh W W Z t w k W Thay ñoåi ñöôïc ñieän aùp deã daøng baèng caùch cho con tröôït di chuyeån. w w doøng ñieän? Maùy bieán ñieän aùp A A X x E & & Đ Φ& & & E & δ v (Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä hôû maïch) Toång trôû cuûa cuoän daây sô caáp Z cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch giaûm r. Maùy bieán doøng ñieän Đ -Đ δ i Đ Chöông 3: Maùy bieán aùp

73 TCBinh (Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä ngaén maïch) Toång trôû maïch töø Z m cuûa bieán aùp caøng lôùn (goùc leäch pha caøng nhoû) caøng chính xaùc. Toång trôû cuûa caùc cuoän daây Z n cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch taêng Z m. Chöông 3: Maùy bieán aùp

74 TCBinh Baøi taäp Giôùi thieäu chung veà maùy bieán aùp MBA moät pha: ñm, ñm, ñm, ñm, S ñm ñm. ñm ñm. ñm [VA] MBA bapha: ñm daây, ñm daây, S ñm 3 ñm. ñm 3 ñm. ñm [VA] dφ dφ e w e w dt dt jωwφ& E& jωw Φ & E& jωwφ jωw Φ E E Hay E πfwφ E πfw Φ ( khoâng ñoåi E xem nhö khoâng ñoåi Φ khoâng ñoåi Töø thoâng Φ khoâng ñoåi caû khi khoâng taûi vaø coù taûi) E w Tyû soá bieán aùp: k E w Neáu boû qua ñieän trôû daây quaán vaø töø thoâng toûa ra ngoøai khoâng khí ta coù: E vaø E E w k E w Cheá ñoä khoâng taûi cuûa maùy bieán aùp ωwφ& & E& j Φ chaäm pha hôn moät goùc 9. w Φ & & E& ω j Φ sôùm pha hôn moät goùc 9. Coâng suaát khoâng taûi & ( (,5% %) ñm ) sôùm pha hôn töø thoâng Φ& goùc α goïi laø goùc toån hao töø treã: x laø thaønh phaàn phaûn khaùng hay töø hoùa duøng ñeå töø hoùa loõi theùp. r laø thaønh phaàn taùc duïng do toån hao trong loõi theùp. ( r < % x x ). Coâng suaát khoâng taûi P P Fe + P r P Fe (vì nhoû) Cheá ñoä taûi Phöông trình caân baèng ñieän aùp sô caáp vaø thöù caáp Töø thoâng chính Φ sinh ra söùc ñieän ñoäng caûm öùng chính: dψ dφ dψ dφ e w e w dt dt dt dt Töø thoâng taûn: w Φ Ψ w Φ Ψ σ. σ σ. σ do ñieän caûm taûn sinh ra: Ψσ Lσ i L Ψ σ σ (haèng soá, ) i Chöông 3: Maùy bieán aùp

75 TCBinh Töø thoâng taûn chæ moùc voøng qua rieâng leû töø cuoän daây, vaø taïo ra söùc ñieän ñoäng caûm öùng : dψ σ di dψ σ di eσ L σ eσ L σ dt dt dt dt u i e σ e e σ e i u Z t Chieàu ñieän aùp nhö hình veõ: e e σ + ri e + e σ ri Vieát daïng soá phöùc: & E& + ( r + jx )& E& + Z& & & E& ( r + jx )& E& + Z& ( & ) Vôùi x ω L σ laø ñieän khaùng taûn daây quaán sô caáp. x ω L σ laø ñieän khaùng taûn daây quaán thöù caáp. Z r + jx laø toång trôû daây quaán sô caáp. Z r + jx laø toång trôû daây quaán thöù caáp. e + L e L σ σ di dt di dt + r i r i Phöông trình caân baèng söùc töø ñoäng const E const Φ m const ( E π.k dq.nf. Φ m ) Do töø thoâng Φ m const neân söùc töø ñoäng khoâng ñoåi ( F N Φ ) mr m (khoâng taûi) w. & w.& + w. & const (coù taûi) w & & & ( ) & & + & + & + w k w E vôùi k laø tyû soá bieán aùp w E Heä phöông trình moât taû maùy bieán aùp vaø giaûn ñoà vector & E& + ( r + jx )& & E& ( r + jx )& & & + ( & ) α goùc toån hao töø treã θ goùc leäch pha giöõa vaø E. Chöông 3: Maùy bieán aùp 3

76 TCBinh Sô ñoà thay theá cuûa maùy bieán aùp & E& + Z& & & E& Z& & & & + ( & ) Quy ñoåi maùy bieán aùp Ñeå thieát laäp maïch töông ñöông caàn caùc ñieàu kieän: ñieän aùp, doøng ñieän, taàn soá, naêng löôïng. Söùc ñieän ñoäng vaø ñieän aùp thöù caáp quy ñoåi w Qui veà sô caáp: E E, maø E E ke E ke w Töông töï coù : k Doøng ñieän thöù caáp quy ñoåi Ñieàu kieän naêng löôïng: E E E Doøng ñieän thöù caáp quy ñoåi: E k Ñieän trôû vaø ñieän khaùng thöù caáp quy ñoåi Ñieàu kieän naêng löôïng: r r r k. r Töông töï x x x k. x Hay Z k. Z vaø Z t k. Z t Sô ñoà thay theá cuûa maùy bieán aùp ( r + jx ) & E& + Z& & E& + & & E& Z& & E& ( r + jx )& & & + ( & ) & r x r x & & r m E & E x m & & Z t E & & & + ( r m jx m )& Z m Vôùi Z m r m + jx m laø toång trôû hoùa ñaëc tröng cho maïch töø p Fe r m laø ñieän trôû hoùa ñaëc tröng cho toån hao x m laø ñieän khaùng töø hoùa ñaëc tröng cho töø thoâng chính Φ r r x & x & E & & r R m & & x X m E & & Z t Chöông 3: Maùy bieán aùp 4

77 TCBinh Doøng ñieän khoâng taûi thöôøng raát nhoû (,5% %) ñm. r n Đ -Đ x n & & Z t (taàn soá cao ko qua ñöôïc) Vôùi r n r + r laø ñieän trôû ngaén maïch cuûa maùy bieán aùp. x n x + x laø ñieän khaùng ngaén maïch cuûa maùy bieán aùp. Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa maùy bieán aùp Thí nghieäm khoâng taûi w E ) Tyû soá bieán aùp k: k w E p ) Ñieän trôû khoâng taûi: r r + rm r m r dm 3) Toång trôû khoâng taûi: Z 4) Ñieän khaùng khoâng taûi: 5) Heä soá coâng suaát khoâng taûi: dm Z m Z x + x Z r x m x m x cos Thí nghieäm ngaén maïch ñm n ( 3% + % ) ñm 4) Toång trôû ngaén maïch p ϕ (,,3) dm n Z n n Pn 5) Ñieän trôû ngaén maïch r n (coù theå ño ñöôïc, raát nhoû) dm dm dm 6) Ñieän trôû khaùng ngaén maïch x n Z n r n rn Quan heä gaàn ñuùng: r r vaø x x nr r n ñm laø thaønh phaàn taùc duïng cuûa ñieän aùp ngaén maïch. ux x n ñm laø thaønh phaàn phaûn khaùng cuûa ñieän aùp ngaén maïch. n % nr nx n dm % % nr dm nx dm Zn rn dm dm dm x n dm dm dm x n Chöông 3: Maùy bieán aùp 5

78 TCBinh Caùc ñaëc ñieåm vaän haønh cuûa maùy bieán aùp Giaûn ñoà naêng löôïng cuûa maùy bieán aùp S P + jq S ñt P ñt +jq ñt S P +jq Sô caáp: P cosϕ coâng suaát taùc duïng. Q sinϕ coâng suaát phaàn khaùng. ϕ goùc leäch pha giöõa doøng ñieän vaø ñieän aùp sô caáp. p cu r coâng suaát toån hao treân ñieän trôû daây quaán sô caáp. q cu x coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng baûn daây quaán sô caáp. p fe r m o coâng suaát toån hao trong loõi theùp. q m x m o coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng chính trong loõi theùp. Coâng suaát ñieän töø taùc duïng vaø phaûn khaùng truyeàn töø sô caáp qua thöù caáp maùy bieán aùp P dt P p cu p fe E..cos ϕ Q dt Q q cu q m E..sin ϕ xem gaàn ñuùng goùc leäch pha ϕ giöõa vaø goùc leäch pha θ giöõa E vaø. Thöù caáp: p cu r coâng suaát toån hao treân ñieän trôû daây quaán thöù caáp. q x coâng suaát phaûn khaùng taïo töø tröôøng baûn daây quaán thöù caáp. Do ñoù coâng suaát taùc duïng vaø phaûn khaùng ôû ñaàu ra maùy bieán aùp laø: P P dt p cu cos ϕ Q Q dt q sin ϕ Heä soá taûi cuûa maùy bieán aùp β β - taûi ñònh möùc; β < - non taûi; β > - quaù taûi. dm dm Hieäu suaát cuûa maùy bieán aùp P P η hoaëc η % P P p Cu + jq P η P p Fe +jq m P P + P Fe + P P cosϕ β.s ñm cosϕ P Fe P (TN khoâng taûi vôùi: ñm ) P Cu r + r (r +r ) r n β P n. (TN ngaén maïch vôùi: ñm ) β.s dm.cosϕ η β.s.cosϕ + P + β.p neáu cos ϕ khoâng ñoåi thì hieäu suaát seõ cöïc ñaïi khi: dm p Cu + jq Cu η β n β.p n P Heä soá taûi öùng vôùi hieäu suaát cöïc ñaïi laø: β P P n Chöông 3: Maùy bieán aùp 6

79 TCBinh Ñoä thay ñoåi ñieän aùp cuûa maùy bieán aùp ñm const ñm Khi maùy bieán aùp ôû cheá ñoä taûi thì < ñm vaø phuï thuoäc vaøo taûi do ñieän aùp rôi treân daây quaán sô caáp vaø thöù caáp. Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp laø: ñm dm Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp phaàn traêm: %. k. dm k. dm Hay %.. k. β dm (.cosϕ +.sin ϕ ) dm dm ( %.cos ϕ + %. ϕ ) nr nx % β nr nx sin dm Löu yù: sin ϕ > khi doøng ñieän chaäm pha (taûi caûm) sin ϕ < khi doøng ñieän sôùm pha (taûi dung) % phuï thuoäc vaøo heä soá taûi vaø tính chaát cuûa taûi. Töø % ta tính ñöôïc ñieän aùp thöù caáùp theo coâng thöùc: % dm dm Söï laøm vieäc song song cuûa maùy bieán aùp Ñieàu kieän:cuøng ñieän aùp sô caáp vaø thöù caáp vaø ñieän aùp ngaén maïch phaàn traêm. β n % n β % β β n dm dm n Z n Z dm n dm Zn Z n dm dm Z n n % Z n n % MBA naøo coù ñieän aùp ngaén maïch nhoû hôn seõ chòu taûi lôùn hôn Caùc maùy bieán aùp ñaëc bieät Maùy töï bieán aùp (maùy bieán aùp töï ngaãu) w w k doøng ñieän? W w Thay ñoåi ñöôïc ñieän aùp deã daøng baèng caùch cho con tröôït di chuyeån. Maùy bieán ñieän aùp (Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä hôû maïch) Toång trôû cuûa cuoän daây sô caáp Z cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch giaûm r. Maùy bieán doøng ñieän (Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä ngaén maïch) Toång trôû maïch töø Z m cuûa bieán aùp caøng lôùn (goùc leäch pha caøng nhoû) caøng chính xaùc. Toång trôû cuûa caùc cuoän daây Z n cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch taêng Z m. Baøi taäp: _Taát caû caùc ví duï. _ Baøi taäp: (.), (-) 4., 4., 4.3, 4.4, 4.5a, 4.6, (*) 4.5bc, (**). n n % % Chöông 3: Maùy bieán aùp 7

80 Bài tập: Bài tập : Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông số sau: R,5Ω, R,5Ω, X X,4Ω Động cơ 3 pha có 4 cực, các cuộn dây stator nối Y, tần số định mức 5Hz và điện áp định mức 45V. Tốc độ định mức 45 vòng/phút. Bỏ qua tổn hao sắt và tổn hao cơ, và điện kháng tản nhánh từ hóa rất lớn. a. Khi động cơ ở định mức: tính độ trượt, dòng điện stator, công suất vào, công suất ra, hiệu suất và momen điện từ. b. Tính momen khởi động, dòng điện khởi động. Tính momen cực đại và độ trượt tương ứng. Tính và vẽ dạng đặc tuyến momen độ trượt. Bài tập : Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, cuộn dây stator nối Y, cặp cực và được cấp nguồn 5Hz, 38V. Điện trở stator Ω, điên trở rotor qui đổi là 6,3Ω, điện kháng tản stator bằng Ω và điện kháng tản stator qui đổi bằng 3Ω. Bỏ qua tổn hao cơ, tổn hao sắt và mạch tương đương của nhánh từ hoá. Động cơ chạy ở tốc độ 45 vòng/phút. a. Với tốc độ trên, tính hệ số công suất, dòng điện stator, công suất vào, công suất ra, độ trượt, momen và hiệu suất? b. Tính momen cực đại và độ trượt tương ứng (cho động cơ). Tính momen khởi động và dòng điện khởi động. c. Vẽ dạng đặc tuyến momen độ trượt của động cơ ứng với độ trượt từ đến. Chỉ ra trên đặc tuyến 3 điểm momen và độ trượt đã tính ở câu trên. Bài tập 3: Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, cuộn dây stator nối Y, 38V, 5Hz, có điện trở stator,6ω/pha. Ở chế độ không tải máy điện tiêu thụ 4W và dòng không tải là 3A. Ở chế độ ngắn mạch ứng với điện áp định mức, máy điện tiêu thụ 5kW và dòng điện 4A. a. Từ các số liệu thí nghiệm không tải, tính: các thông số nhánh từ hóa, hệ số công suất không tải, tổn hao sắt và tổn hao cơ biết tổn hao sắt bằng,5 lần tổn hao cơ. b. Từ các số liệu thí nghiệm ngắn mạch, tính: tính hệ số công suất ngắn mạch, điện trở rotor, điện kháng tản rotor và stator. Bài tập 4: Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông số sau (các thông số rotor đã qui về stator): Điện trở stator điện trở rotor Ω Điện kháng tản stator điện kháng tản rotor Ω Điện kháng từ hoá 5Ω Động cơ có 4 cực, cuộc dây stator nối Y, tần số định mức là 5Hz và điện áp định mức 45V. Động cơ kéo tải định mức ở tốc độ 4 vòng/phút. a. Vẽ dạng mạch tương đương và tính độ trượt định mức. b. Tính dòng điện stator định mức, hệ số công suất và công suất ngõ vào. c. Tính hiệu suất và momen điện từ ở trạng thái hoạt động trên. Bài tập: Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

81 Bài tập 5: Động cơ KĐB 3 pha,y, 46V, 5kW, 6Hz, 4 cực, có: R,3Ω, R,5Ω, X,Ω, X,3Ω, X m 59,4Ω Tổn hao cơ 65W, tổn hao sắt W. Tính tốc độ, công suất và momen đầu trục, công suất vào, hệ số công suất, hiệu suất, ở các độ trượt, và 3%? Có thể mô tả tổn hao sắt từ bằng điện trở // X m. Bài tập 6: Động cơ KĐB 3 pha,y, 3V, 5kW, 6Hz, 6 cực, vận hành đầy tải ở độ trượt 3,5%. Bỏ qua tổn hao cơ và tổn hao sắt. Thông số động cơ: R R,Ω, X X,6Ω Tính momen cực đại, độ trượt khi momen cực đại, momen khởi động? Bài tập 7: ĐC KĐB 3 pha rotor lồng sóc, Δ, 3V, 5kW, 5Hz, 6 cực. Có thông số pha: R,45Ω, R,54Ω, X,9Ω, X,8Ω, X m 9,6Ω a. Tính momen khởi động và dòng điện khởi động? b. Giảm dòng khởi động bằng khởi động Y Δ, vẽ mạch tương đương Y. c. Khởi động Y Δ, tính momen khởi động và dòng điện khởi động? Bài tập 8: Động cơ KĐB 3 pha,y, V, 7,5kW, 6Hz, 6 cực. Thông số động cơ: R,94Ω, R,44Ω, X,53Ω, X,9Ω, X m 3,5Ω Tổng tổn hao cơ và tổn hao sắt là 43W và không phụ thuộc tải. Ở độ trượt %: a. Tính tốc độ, công suất và momen ra, dòng điện stator, hệ số công suất và hiệu suất? b. Sử dụng mạch biến đổi Thevenin, tính dòng điện rotor qui đổi, momen điện từ và công suất điện từ? c. Tính momen cực đại, độ trượt khi momen cực đại? d. Tính momen khởi động và dòng điện khởi động? Bài tập 9: ĐCKĐB 3 pha, Y, V, 5HP, 6Hz, cực. Khi không tải, ở điện áp và tần số định mức, dòng không tải là A và công suất là 4kW. Thông số động cơ: R,Ω, R,Ω, X n Ω Ở độ trượt %, (sử dụng mạch tương đương hình Γ) tính: a. Tốc độ động cơ, tần số rotor. b. Dòng điện stator, dòng điện rotor qui đổi. c. Công suất vào, công suất điện từ, công suất ra. d. Hiệu suất, hệ số công suất. e. Momen điện từ, momen ra. Bài tập : Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, cuộn dây stator nối Y, 38V, 5Hz, có điện trở stator,6ω/pha. Ở chế độ không tải, động cơ tiêu thụ 4W và dòng khôngtải là 3A. Ở thí nghiệm không tải trên, tính hệ số công suất không tải, và các thông số của nhánh từ hoá. Bài tập: Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

82 Bài tập : Thí nghiệm ngắn mạch trên một máy điện không đồng bộ 3 pha 4 cực, nơi sy, 5Hz. Công suất vào là kw, ở điện áp V và dòng 9A. Tính các thông số của động cơ? Biết điện trở stator là,3ω. Bài tập : Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông số như sau: R,5Ω, R,5Ω, X X,4Ω Động cơ 3 pha có 4 cực, các cuộn dây stator nối Y, tần số định mức 5Hz và điện áp định mức 45V. Tính dòng khởi động của động cơ. Tính dòng điện của động cơ khi vận hành ở tốc độ 45vòng/phút. Bài tập 3: Công suất truyền từ stator qua rotor của một máy điện không đồng bộ là kw khi chạy ở độ trượt,5. Tính tổn hao đồng rotor và công suất cơ của máy điện? Biết tổn hao đồng stator là 3kW, tổn hao cơ là kw, và tổn hao sắt là,7kw. Xác định công suất hữu ích và hiệu suất của động cơ? Bài tập 4: Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, có các thông số như sau: điện trở stator và rotor quy đổi bằng nhau và bằng,5ω, điệnkháng tản stator và rotor quy đổi bằng nhau và bằng,5ω. Bỏ qua mạch nhánh từ hoá. Máy điện có cực, cuộn dây stator nới Y, và vận hành với tần số 5Hz, 45V. a. Tính momen định mức và công suất định mức khi biết độ trượt định mức là,5 và bỏ qua tổn hao c?. b. Khi momen đạt cực đại, tính độ trượt và mome?. c. Tính dòng điện khởi động và momen khởi động? Biết động cơ có thể khởi động với momen tải đinh mức không đổi. Bài tập 5: Một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông số như sau: R,39Ω, R,4Ω, X X,35Ω, X m 6Ω Động cơ 3 pha có 4 cực, các cuộn dây stator nối Y, tần số định mức 6Hz và điện áp định mức V. Tốc độ định mức 746 vòng/phút. Bỏ qua tổn hao sắt và tổn hao cơ. a. Khi động cơ ở định mức: tính độ trượt, hệ số công suất, công suất vào, công suất ra, hiệu suất và momen điện từ. b. Tính momen khởi động, dòng điện khởi động. Tính momen cực đại và độ trượt tương ứng. Tính và vẽ dạng đặc tuyến momen độ trượt. Bài tập: Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 3

83 Chöông : : ÑOÄNG CÔ KHOÂNG ÑOÀNG BOÄ. Toång quan.. Khaùi nieäm:.. Caáu taïo: Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

84 .3. Töø tröôøng quay: Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

85 .4. Nguyeân lyù laøm vieäc: Rotor bar b ω Brotating Force r Ring. Maïch töông ñöông.&. Maïch töông ñöông (ñaõ quy veà stator): R & jx & & R jx & & R m jx m E & E & Stator Rotor Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 3

86 & s R jsx & R s jx E & s E & Rotor chuyeån ñoäng Qui veà Rotor ñöùng yeân R & jx & & & c & & m E & G c -jb m R & jx & R s jx & & R m jx m E & Stator Rotor qui ñoåi R & jx & & R m X m & E & R jx s s R Maïch töông ñöông cuûa ñoäng cô KÑB & R & jx G c & c & & m -jb m & R jx s s R Maïch töông ñöông dạng hình Γ Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 4

87 .3. Thí nghieäm khoâng taûi, thí nghieäm ngaén maïch: R jx & R m & n R n Đ n Đ ñm jx n X m Thí nghieäm khoâng taûi (s) 3. Phaân boá coâng suaát vaø hieäu suaát Thí nghieäm ngaén maïch (s) P P ñt P P ñ P s P ñ P qp 4. Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä R a jx a & R s jx & a M M M max M max M M mm M ñm M mm M c A s th s n n th n ñm n Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 5

88 5. Môû maùy ñoäng cô khoâng ñoàng boä ðặc tính momen của ñộng cơ không ñồng bộ ðặc tính momen ñộ trượt của máy ñiện không ñồng bộ ở chế ñộ ñộng cơ (<s<) và máy phát (s<) Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 6

89 6. Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô khoâng ñoàng boä M giaûm M M max R giaûm A A A 3 A A 3 A n n th n n n 7. Caùc ñaëc tính vaän haønh n n η cosϕ cosϕ M P ñm P Φ b sin (3 o - o ) - Φ c sin (3 o - 4 o ).5 A B - C Φ N S C - B A - Φ a sin(3 o ).5 Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 7

90 Magnetic axis of phase Α Θ m Magnetic axis of phase Α Θ m 9 B - C + B - C + A + A - A + A - C - B + C - B + Hình veõ Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 8

91 Chöông 5: ÑOÄNG CÔ KHOÂNG ÑOÀNG BOÄ V.. Toång quan V... Khaùi nieäm: Ñoäng cô KÑB: Toác ñoä rotor # toác ñoä töø tröôøng quay Deã saûn xuaát, giaù thaønh reû, deã vaän haønh, khoâng baûo trì. > HP (5W hay 35W): 3 pha Ñoäng cô khoâng ñoàng boä coù caùc soá lieäu ñònh möùc nhö sau: Coâng suaát cô höõu ích treân truïc P ñm (W, kw, HP 745.7W) Ñieän aùp daây stato ñm (V, kv) Doøng ñieän daây stato ñm (A) Taàn soá doøng ñieän stato f (Hz) Toác ñoä quay roâto n ñm (voøng/phuùt) Heä soá coâng suaát cosϕ ñm Hieäu suaát η ñm V... Caáu taïo: Stator: ba cuoän daây noái Y hay Δ, laù theùp kyõ thuaät ñieän Rotor: raõnh nghieâng (traùnh dao ñoäng, khoùa raêng stator) Loàng soùc (ñôn giaûn, deã cheá taïo, beàn, khoâng baûo trì,...) Daây quaán (luoân ñaáu Y, coù vaønh tröôït, choåi than ñeå môû maùy) Taïi V..3. Töø tröôøng quay: Phuï thuoäc soá caëp cöïc cuûa stator (p hay p ), caùch ñaáu daây. i a m. cos(ωt) i b m. cos(ωt o ) i c m. cos(ωt 4 o ) ωt, ωt o, ωt 4 o 3 B B m quay Xeùt khi p, moãi chu kyø (36 ) thì töø tröôøng quay ½ voøng. 6f πf n (voøng/phuùt) ω (rad/sec) p p V..4. Nguyeân lyù laøm vieäc: Khi töø tröôøng quay sinh doøng ñieän caûm öùng trong thanh daãn (cuoän daây) rotor. Doøng ñieän trong töø tröôøng sinh ra löïc töø keùo rotor quay theo quy taéc baøn tay traùi. Toác ñoä rotor n < n ñeå coøn toàn taïi doøng ñieän caûm öùng: khoâng ñoàng boä. Ñoä tröôït: n n n s n n (< 5%) n s n Hay ( ) Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

92 Vôùi p : n f (voøng /sec) Toác ñoä tröôït n n n sn f sf (Hz) (ñaây chính laø taàn soá doøng ñieän beân trong rotor) V.. Maïch töông ñöông V..&. Maïch töông ñöông (ñaõ quy veà stator): Maïch töông ñöông: Taàn soá doøng ñieän beân trong stator: f Taàn soá doøng ñieän beân trong rotor: f sf & (R + jx) & + E& Z& & + E& E & (R m + jx m )& E & (R + jx ) & Z& & R & jx & & R m jx m & E & E & & R jx Ñeå thieát laäp maïch töông ñöông caàn caùc ñieàu kieän: ñieän aùp, doøng ñieän, taàn soá, naêng löôïng. Ñieän aùp: const E const Φ m const vì E π.k dq.nf. Φ m k dq : heä soá daây quaán phaân boá Coù E π.k.n f Φ rotor ñöùng yeân (f f ) E E dq. Stator m k dq N k Ñaët: E E ke ñieän aùp rotor qui ñoåi k N dq Rotor Taàn soá: (qui ñoåi töø rotor quay veà rotor ñöùng yeân) Khi rotor quay coù taàn soá sf: s π.k dq.n f. Φ m π.k dq.n (sf ). Φ m se E Ñieän aùp: E s se Toång trôû rotor: Rotor ñöùng yeân: Z R + j(πf )L R + jx Rotor quay: Z & s R + j(πsf )L R + jsx E R + jsx & s & & X πfl ( ) s s E R R E & jx & + s + jx & s s Ñieän trôû rotor laø R, vì coâng suaát toån hao khi quy ñoåi khoâng thay ñoåi neân s. Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

93 & s R jsx & R s jx E & s E & Rotor chuyeån ñoäng Qui veà Rotor ñöùng yeân Doøng ñieän: (qui ñoåi töø rotor quay veà satator ñöùng yeân) Tröôøng hôïp khoâng taûi (s ),. Tröôøng hôïp coù taûi: #, const. Doøng ñieän khoâng taûi goàm hai thaønh phaàn: & & + & c m R & jx & & c & & & m E & G c -jb m c cuøng pha vôùi E, thaønh phaàn taùc duïng (toån hao maïch töø). m cuøng pha vôùi Φ, thaønh phaàn töø hoùa. F N Φ k.n. & dq k.n. & dq k dq.n. & const & Ñaët doøng ñieän rotor qui ñoåi: & k & & + & Do töø thoâng Φ m const neân söùc töø ñoäng khoâng ñoåi ( ) Qui ñoåi töø rotor quay veà satator ñöùng yeân: & Trong ñoù, E E ke vaø & k R k + jx & E& s R R Z & k + jx + jx & & s s k Vaäy: & E& + (R + jx )& R jx & E & + s & & & + & & + & c m m R m Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 3

94 R & jx & & R m jx m & E & R s jx Stator Rotor qui ñoåi vôùi R & jx & R s & R m X m R s + R s & R jx E & s s R Maïch töông ñöông cuûa ñoäng cô KÑB Maïch hình T (d), maïch hình π (b), chuyeån nhaùnh töø hoùa veà tröôùc (c). V..3. Thí nghieäm khoâng taûi, thí nghieäm ngaén maïch: Thí nghieäm khoâng taûi: s Z ñm Muïc ñích xaùc ñònh toån hao coâng suaát saéc töø P Fe (ñaõ tröø toån hao cô P th.cô ): P P Fe + P th.cô (xem toån hao ñoàng 3R o khoâng ñaùng keå) TN quay khoâng taûi:p cô (ma saùt, thoâng gioù, toån hao phuï) P cô keùo ñoäng cô quay. & R jx R m X m Tính R R m + R R m : töø P vaø. Tính ñöôïc L s L m + L σs töø, ñm vaø R. Thí nghieäm ngaén maïch: s ñm n Z << Z m Z n Ño ñöôïc coâng suaát toån hao treân stator vaø rotor: P n & n R n İ n İ ñm jx n Tính ñöôïc Rs, Rr, X σ πf(l σs + L σr ). vôùi R s R, R r R, L s L L σs /, L r L L σs /. Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 4

95 V.3. Phaân boá coâng suaát vaø hieäu suaát Phaân boá coâng suaát: Coâng suaát nguoàn: Coâng suaát nguoàn P 3...cosϕ Toån hao ñoàng stator P ñ 3.R. Toån hao saét P s 3.R m. 3.G m.e Coâng suaát ñieän töø: R Coâng suaát ñieän töø: P dt 3 s Toån hao ñoàng rotor: P d 3R s. Pdt s Coâng suaát cô: Pco 3R ( s) P s Coâng suaát cô höõu ích: Coâng suaát cô höõu ích: P P cô - P qp Coâng suaát toån hao: Coâng suaát toån hao: P th P ñ + P s + P ñ + P qp dt Hieäu suaát: P P th η (.75.9) P P + P th P P P P P ñt P P ñ P s P ñ P qp V.4. Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä Maïch töông ñöông Thevenin: R a jx a & R s jx & a Giaû söû R m << X m : j.x & a & vaø R + j( X + X m ) Z a R a + j.x a ( R + j.x ) j.x m R + j( X + X ) m Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 5

96 Tính ñöôïc: Momen quay M M Pco ω R a ( s) ( s) R + s P ω dt a + j P ω dt ( X + X ) a ω M R a 3 R + s a R s + ( X + X ) a M max M max M M mm M ñm M mm M c A s th s n n th n ñm n dm dm Ñoä tröôït tôùi haïn: s th öùng vôùi M max, hay ds dn R s th R + X + X M M M M max mm mm max a ω ω s s th R ( ) a a + R 3 a + a ( X + X ) a ( R + R ) + ( X + X ) a s + s th 3 a. Moâmen M, neáu ñieän aùp giaûm thì moâmen taïo ra seõ giaûm nhieàu.. Ñoä tröôït tôùi haïn s th R, s th. 3. Moâmen cöïc ñaïi M max, M max R. Do ñoù, coù theå ñieàu chænh ñieän trôû roâto (neáu coù theå) ñeå thay ñoåi giaù trò ñoä tröôït tôùi haïn cuûa ñoäng cô. 4. Moâmen môû maùy M mm R, M mm. Do ñoù, khi môû maùy vôùi giaù trò ñieän trôû roâto lôùn thì chaúng nhöõng M mm lôùn maø mm coøn giaûm ñi. R a Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 6

97 V.5. Môû maùy ñoäng cô khoâng ñoàng boä Khi môû maùy (s), ñoäng cô caàn thoaû maõn moät soá yeâu caàu: Moâmen môû maùy phaûi lôùn hôn moâmen caûn cuûa taûi luùc môû maùy. Moâmen ñoäng cô phaûi ñuû lôùn ñeå thôøi gian môû maùy khoâng quaù laâu. Doøng ñieän môû maùy phaûi ñuû nhoû ñeå traùnh aûnh höôûng ñeán söï vaän haønh cuûa löôùi ñieän vaø thieát bò ñoùng caét. Môû maùy ñoäng cô rotor daây quaán: ( X ) R + + R mm Ra + a X Môû maùy ñoäng cô rotor loàng soùc: Duøng ñieän khaùng noái tieáp: neáu /k thì mm giaûm k nhöng M mm giaûm ñi k. Duøng maùy bieán aùp töï ngaãu: neáu /k thì mm vaø M mm ñeàu seõ giaûm ñi k. Ñoåi noái sao - tam giaùc (Y Δ): (ñoäng cô daây quaán stato noái Δ.) Ñaây laø tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa vieäc duøng maùy bieán aùp töï ngaãu, vôùi k 3, do ñoù doøng ñieän môû maùy mm vaø moâmen môû maùy M mm ñeàu giaûm ñi 3 laàn. Duøng daïng raõnh roâto ñaëc bieät ñeå caûi thieän ñaëc tính môû maùy: raõnh roâto coù theå ñöôïc cheá taïo daïng raõnh saâu hay loàng soùc keùp, cho pheùp roâto coù ñieän trôû lôùn khi môû maùy (taàn soá doøng ñieän roâto cao) vaø ñieän trôû ñuû nhoû khi vaän haønh bình thöôøng (taàn soá doøng ñieän roâto raát thaáp). V.6. Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô khoâng ñoàng boä. Thay ñoåi soá cöïc: 6f n (voøng/phuùt) p. Thay ñoåi taàn soá nguoàn ñieän: 6f n (voøng/phuùt). p /f const (traùnh hieän töôïng baõo hoøa maïch töø) 3. Thay ñoåi ñieän aùp nguoàn ñieän: s th const, M max thay ñoåi M giaûm M M max R giaûm A A A 3 A A 3 A n n th n n n 4. Thay ñoåi ñieän trôû maïch roâto (daây quaán): s th thay ñoåi, M max const Phöông phaùp naøy ñôn giaûn, nhöng toån hao nhieät lôùn (ñoäng cô trung bình). Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 7

98 V.7. Caùc ñaëc tính vaän haønh Ñoäng cô khoâng ñoàng boä trong traïng thaùi xaùc laäp ñöôïc ñaùnh giaù tính naêng thoâng qua caùc ñaëc tính vaän haønh, chuû yeáu laø söï thay ñoåi cuûa doøng ñieän, toån hao, toác ñoä khi moâmen taûi thay ñoåi, cuõng nhö caùc giaù trò moâmen cöïc ñaïi, moâmen khôûi ñoäng (môû maùy) theo caùc quan heä sau:. Ñaëc tính doøng ñieän stato f(p ): const thì cuõng gaàn nhö khoâng ñoåi vaø baèng khoaûng (3 5)% ñm. Khi P taêng thì taêng vaø cuõng taêng theo. n η n cosϕ cosϕ M P ñm P. Ñaëc tính vaän toác n f(p ): P taêng, moâmen caûn cuõng taêng theo, do ñoù vaän toác giaûm xuoáng. 3. Ñaëc tính moâmen ñieän töø M f(p ): Moâmen ñieän töø M tyû leä vôùi coâng suaát cô, neáu toác ñoä khoâng ñoåi (s khoâng ñoåi) thì ñaëc tính seõ laø ñöôøng thaúng. Nhöng khi P taêng thì toác ñoä giaûm neân s taêng leân, do ñoù moâmen M taêng hôi nhanh hôn P. 4. Ñaëc tính heä soá coâng suaát cosϕ f(p ): Khi ñoäng cô quay khoâng taûi, nhöng coâng suaát khaùng trong X m vaãn nhö cuõ neân heä soá coâng suaát khoâng taûi cosϕ thaáp (töø,5 ñeán,3). Khi taûi taêng, P taêng, cosϕ taêng leân ñeán cosϕ ñm (töø,8 ñeán,9), sau ñoù giaûm xuoáng. 5. Ñaëc tính hieäu suaát η f(p ): P η P + P + β.pn Khi P, η. P taêng thì P ñ vaø P ñ taêng theo, trong khi P s vaø P qp gaàn nhö khoâng ñoåi; hieäu suaát taêng leân ñeán giaù trò hieäu suaát ñònh möùc η ñm.75.9, sau ñoù giaûm xuoáng. Hieäu suaát ñaït cöïc ñaïi toån hao quay khoâng taûi (P qp coäng vôùi toån hao saét töø P s ) baèng toång toån hao phuï thuoäc taûi (toån hao ñoàng stato P ñ vaø P ñ ). Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 8

99 Toùm taéc Toång quan Khaùi nieäm: Toác ñoä rotor # toác ñoä töø tröôøng quay Töø tröôøng quay: 3 6f B B m n (voøng/phuùt) p πf ω (rad/sec) p Nguyeân lyù laøm vieäc: n n n Ñoä tröôït: s n n (< 5%) Hay n ( s) n Toác ñoä tröôït n n n sn (voøng /sec) f sf (Hz) Maïch töông ñöông Maïch töông ñöông (ñaõ quy veà stator): Taàn soá doøng ñieän beân trong stator: f Taàn soá doøng ñieän beân trong rotor: f sf & (R + jx) & + E& Z& & + E& E & (R m + jx m )& E & (R + jx ) & Z& & R & jx & & R m jx m & E & E & & R jx Ñeå thieát laäp maïch töông ñöông caàn caùc ñieàu kieän: ñieän aùp, doøng ñieän, taàn soá, naêng löôïng. Ñieän aùp: const E const Φ m const vì E π.k dq.nf. Φ m k dq : heä soá daây quaán phaân boá Coù E π.k.n f Φ rotor ñöùng yeân (f f ) E E dq. Stator m k dq N k Ñaët: E E ke ñieän aùp rotor qui ñoåi k N dq Taàn soá: (qui ñoåi töø rotor quay veà rotor ñöùng yeân) Khi rotor quay coù taàn soá sf: s π.k dq.n f. Φ m π.k dq.n (sf ). Φ m se E Ñieän aùp: E s se Toång trôû rotor: Rotor ñöùng yeân: Z R + j(πf )L R + jx Rotor & X πfl Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 9

100 Rotor quay: Z & s R + j(πsf )L R + jsx E & R + jsx & s & ( ) s s E R R E & jx & + s + jx & s s Ñieän trôû rotor laø R, vì coâng suaát toån hao khi quy ñoåi khoâng thay ñoåi neân s. & s R jsx & R s jx E & s E & Rotor chuyeån ñoäng Doøng ñieän: (qui ñoåi töø rotor quay veà satator ñöùng yeân) Tröôøng hôïp khoâng taûi (s ),. Tröôøng hôïp coù taûi: #, const. Doøng ñieän khoâng taûi goàm hai thaønh phaàn: & & + & Qui veà Rotor ñöùng yeân c m R & jx & & c & & & m E & G c -jb m c cuøng pha vôùi E, thaønh phaàn taùc duïng (toån hao maïch töø). m cuøng pha vôùi Φ, thaønh phaàn töø hoùa. F N Φ k.n. & dq k.n. & dq k dq.n. & const & Ñaët doøng ñieän rotor qui ñoåi: & k & & + & Do töø thoâng Φ m const neân söùc töø ñoäng khoâng ñoåi ( ) Qui ñoåi töø rotor quay veà satator ñöùng yeân: & Trong ñoù, E E ke vaø & k R k + jx & E& s R R Z & k + jx + jx & & s s k Vaäy: & E& + (R + jx) & R E & + jx & s m R m Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

101 vôùi & & + & & + & & c m R & jx & R s & R m X m R s + R s & R jx E & s s R Maïch töông ñöông cuûa ñoäng cô KÑB Maïch hình T (d), maïch hình π (b), chuyeån nhaùnh töø hoùa veà tröôùc (c). Thí nghieäm khoâng taûi, thí nghieäm ngaén maïch Thí nghieäm khoâng taûi: s Z ñm Muïc ñích xaùc ñònh toån hao coâng suaát saéc töø P Fe (ñaõ tröø toån hao cô P cô ): P P Fe + P cô (xem toån hao ñoàng khoâng ñaùng keå) TN quay khoâng taûi:p cô (ma saùt, thoâng gioù, toån hao phuï) P cô keùo ñoäng cô quay. & R jx R m X m Tính R R m + R : töø P vaø. Tính ñöôïc L s L m + L σs töø, ñm vaø R. Thí nghieäm ngaén maïch: s ñm n Z << Z m Z n Ño ñöôïc coâng suaát toån hao treân stator vaø rotor: P n & n R n İ n İ ñm jx n Tính ñöôïc Rs, Rr, X σ πf(l σs + L σr ). vôùi R s R, R r R, L s L L σs /, L r L L σs /. Phaân boá coâng suaát vaø hieäu suaát Phaân boá coâng suaát: Coâng suaát nguoàn: Coâng suaát nguoàn P 3...cosϕ Toån hao ñoàng stator P ñ 3.R. Toån hao saét P s 3.R m. 3.G m.e Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

102 Coâng suaát ñieän töø: R Coâng suaát ñieän töø: P dt 3 s Toån hao ñoàng rotor: P d 3R s. Pdt s Coâng suaát cô: Pco 3R ( s) Pdt s Coâng suaát cô höõu ích: Coâng suaát cô höõu ích: P P cô - P qp Coâng suaát toån hao: Coâng suaát toån hao: P th P ñ + P s + P ñ + P qp Hieäu suaát: P P P Pth η (.75.9) P P + P P Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä Giaû söû R m << X m : j.x & a & vaø R + j X + X Tính ñöôïc: Momen quay th ( ) m Pco M ω R a ( s) ( s) R + s P ω dt a + j P ω dt Z a R ( X + X ) a ω R a a R + s + j.x 3 a a R s + ( R + j.x ) j.x m R + j( X + X ) ( X + X ) dm dm Ñoä tröôït tôùi haïn: s th öùng vôùi M max, hay ds dn R s th R + X + X M M M M max mm mm max a ω ω s s th R ( ) a a + R 3 a + a ( X + X ) a ( R + R ) + ( X + X ) a s + s th 3 a R a a m Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä

103 Môû maùy ñoäng cô khoâng ñoàng boä Môû maùy ñoäng cô rotor daây quaán: ( X ) R + + R mm Ra + a X Môû maùy ñoäng cô rotor loàng soùc: Duøng ñieän khaùng noái tieáp: neáu /k thì mm giaûm k nhöng M mm giaûm ñi k. Duøng maùy bieán aùp töï ngaãu: neáu /k thì mm vaø M mm ñeàu seõ giaûm ñi k. Ñoåi Y Δ: bieán aùp töï ngaãu, vôùi k 3 mm vaø M mm ñeàu giaûm ñi 3 laàn. Duøng daïng raõnh roâto ñaëc bieät ñeå caûi thieän ñaëc tính môû maùy. Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô khoâng ñoàng boä. Thay ñoåi soá cöïc:. Thay ñoåi taàn soá nguoàn ñieän: 6f n (voøng/phuùt) p 6f n (voøng/phuùt). p (traùnh hieän töôïng baõo hoøa maïch töø) /f const 3. Thay ñoåi ñieän aùp nguoàn ñieän: s th const, M max thay ñoåi 4. Thay ñoåi ñieän trôû maïch roâto (daây quaán): s th thay ñoåi, M max const Phöông phaùp naøy ñôn giaûn, nhöng toån hao nhieät lôùn (ñoäng cô trung bình). Caùc ñaëc tính vaän haønh. Ñaëc tính doøng ñieän stato f(p ). Ñaëc tính vaän toác n f(p ) 3. Ñaëc tính moâmen ñieän töø M f(p ) 4. Ñaëc tính heä soá coâng suaát cosϕ f(p ) 5. Ñaëc tính hieäu suaát η f(p ) η max P qp + P s P ñ + P ñ. η P + P P + β.p n n η n cosϕ cosϕ M P ñm P Baøi taäp: _Taát caû caùc ví duï. _ Baøi taäp: (.), (-) 5.3, 5.4, 5.6, 5.4, 5.5, 5.6, 5.8, 5., 5.4, 5.5, 5.35, 5.4, 5.48, (*), (**). Chöông 5: Ñoäng cô khoâng ñoàng boä 3

104 Chương 6: MÁY ĐỆN ĐỒNG BỘ Ví dụ : Tính số cực của rotor của động cơ đồng bộ biết ở tần số 6Hz thì tốc độ quay rotor là vòng/phút. Ví dụ : Tính tốc độ đồng bộ của hai họ động cơ đồng bộ thiết kế vận hành ở tần số 5Hz và 6Hz khi số cặp cực thay đổi từ đến. Ví dụ 3: Một động cơ không đồng bộ kéo tải và tiêu thụ 35kW từ lưới ở hệ số công suất,77 chậm pha. Một động cơ đồng bộ thừa kích từ nối song song với động cơ không đồng bộ và tiêu thụ 5kW từ lưới. Nếu hệ số công suất chung của hai động cơ là,9 chậm pha, tính công suất phản kháng và công suất biều kiến của động cơ đồng bộ. Ví dụ 4: Một động cơ đồng bộ vận hành với điện áp lưới 6,3kV, nối Y. Điện kháng đồng bộ là 4Ω và bỏ qua điện trở stator. Máy điện vận hành ở điều kiện không tải lý tưởng. Với các sức điện động 6V, 63V và 785V, vẽ giản đồ pha, tính dòng stator và công suất phản kháng? Ví dụ 5: Vẽ mạch tương đương và giản đồ pha của động cơ đồng bộ bộ ở các chế độ thiếu kích từ và thừa kích từ. Ví dụ 6: Một động cơ đồng bộ nối Y, nối vào lưới 3 pha 398V và điều chỉnh dòng rotor sao cho sức điện động cảm ứng pha là 79V. Điện kháng đồng bộ là Ω và góc tải giữa điện áp và sức điện động cảm ứng là 3 o. Xác định dòng stator và hệ số công suất, góc ϕ. Ví dụ 7: Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 5kW, rpm, 46V có điện kháng đồng bộ,8ω và sức điện động cảm ứng pha là 3V. Vẽ đặc tuyến công suất góc tải, đặc tuyến momen góc tải, công suất cực đại, momen cực đại. Ví dụ 8: Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 3MW, 6,6kV, 6Hz, rpm, vận hành ở đầy tải ở hệ số công suất,8 chậm pha. Nếu điện kháng đồng bộ là Ω, tính: công suất biểu kiến, dòng stator, sức điện động cảm ứng và góc tải? Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ

105 Ví dụ 9: Một máy phát đồng bộ nối lưới có điện áp pha 6,3kV, nối Y. Điện kháng đồng bộ là 4Ω, bỏ qua điện trở stator. Giả sử máy phát làm việc ở điều kiện không tải lý tưởng. Máy phát vận hành ở các sức điện động 6V, 63V và 785V. Vẽ giản đồ pha, tính dòng stator và công suất phản kháng? Ví dụ : Vẽ mạch tương đương và giản đồ pha của máy phát động bộ ở các chế độ thiếu kích từ và thừa kích từ. Ví dụ : Một tuabin phát điện 3 pha có điện kháng đồng bộ là 4Ω và cấp cho lưới công suất tác dụng,68mw với hệ số công suất chậm pha. Điện áp lưới là kv, nối Y và dòng điện stator là A. Tính hệ số công suất, góc tải và sức điện động? Ví dụ : Cho một máy phát 3 pha với thông số định mức 6MVA,,5kV, 5Hz, cosϕ đm,8 som pha (/cham pha), hai cực, nối Y điện kháng đồng bộ 3,77Ω; tính: a. Tính công suất và momen định cực đại, thông qua sức điện động tương ứng ở điều kiện định mức? b. Tính momen định cực đại khi máy phát cấp tải MW, điện áp dây 8kV và hệ số công suất là,6 (chậm pha)? Bài tập : Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ có các thông số định mức kv, 5Hz, MVA, cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 5Ω, cosϕ đm,9 chậm pha. a. Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức?tính giá trị công suất cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện động đã tính ở trên. b. Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở hệ số công suất,8 chậm pha, cấp cho lưới MW và điện áp lưới là kv. Tính giá trị công suất cực đại? c. Vẽ đặc tính công suất góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở trên. Bài tập : Hai máy phát đồng bộ 3 pha nối Y giống nhau vận hành ở 33kV, mỗi máy cung cấp 5MW cho tải MW, có hệ số công suất,8 chậm pha. Điện kháng đồng bộ của mỗi máy là 6Ω. Máy thứ nhất có dòng điện 5A chậm pha. a. Tính dòng điện và hệ số công suất của máy thứ? b. Tính góc tải và sức điện dông của cả hai máy? Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ

106 Bài tập 3: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ có các thông số định mức kv, 5Hz, MVA, cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 5Ω, cosϕ đm,9 chậm pha. a. Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức?tính giá trị công suất tác dụng cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện động đã tính ở trên. b. Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở hệ số công suất,7 chậm pha, cấp cho lưới MW ở điện áp lưới định mức. c. Vẽ đặc tính công suất góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở trên. Bài tập 4: Một máy điện đồng bộ có cuộn dậy stator 3 pha, cuộn dây kích từ rotor và cấu trúc rotor và stator dạng hình trụ. a. Vẽ mạch tương đương và giản đồ pha tương ứng khi máy điện vận hành ở chế độ: i. Máy phát thừa kích từ ii. Máy phát thiếu kích từ iii. Động cơ thừa kích từ iv. Động cơ thiếu kích từ Xác định trong mỗi trường hợp chiều của công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa máy điện và lưới; và xác định hệ số công suất nhanh hay chậm. b. Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ có các thông số định mức 6MVA,,5kV, 5Hz, cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 3,77Ω, cosϕ đm,8 chậm pha. Tính giá trị sức điện động và góc tải khi máy phát vận hành ở điều kiện định mức? Và tính giá trị công suất tác dụng cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới, với giá trị sức điện động như khi vận hành ở điều kiện định mức trên. Bài tập 5: a. Một tuabin phát điện 3 pha có điện kháng đồng bộ 4Ω và cấp cho lưới công suất tác dụng,68mw với hệ số công suất chậm pha. Cuộn dây stator máy phát nối Y, nối với lưới kv và dòng điện stator là A. Tính hệ số công suất, góc tải và sức điện động cảm ứng? b. Một máy phát đồng bộ và một máy phát không đồng bộ nối song song và cấp vào lưới điện công suất tác dụng 8kW với hệ số công suất chung bằng,8 chậm pha. Biết máy phát không đồng bộ vận hành ở công suất,9 và phát công suất tác dụng 3kW vào lưới. Xác định hệ số công suất và công suất tác dụng máy phát đồng bộ phát lên lưới. Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ 3

107 Bài tập 6: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, có công suất định mức KVA, điện áp định mức 38V, nối lưới. Trên mỗi pha có điện kháng đồng bộ X đb Ω. Biết tổn hao sắt là là W và tổn hao cơ là 5W. Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công suất cosϕ,8 (chậm pha), hãy xác định: a. Tính công suất tiêu thụ, hiệu suất và momen cơ cấpcho máy phát ở tải định mức? b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất δ. c. Độ thay đổi điện áp Δ%. d. Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ và biên độ điện áp ngõ ra không đổi. Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ 4

108 BT. Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, có công suất định mức KVA, điện áp định mức 38V, nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng R ư,5ω và điện kháng đồng bộ X đb 5Ω. Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công suất cosϕ,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy xác định: a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức. b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất δ. c. Độ thay đổi điện áp Δ%. d. Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi. E & & s R s jx s V & Z & Load E jx s α Re V R s δ ϕ P 3V cosϕ E & V & + Z Z s s & & & E& V& với Z & R + jx Z α Chiếu lên trục của V ϕ.zs α E δ Phần thực: s s s s ( ) V E δ V E V ( ϕ) ( δ α ) ( α ) cos cos Z α s E Z Z α s Z V Z s Z s cos α ( ϕ) cos( δ α ) cos( α ) cos( δ α ) cos( α ) E s ( δ ) V s R s ϕ cos α vì Zs Z s Z s EV Z Nên: P 3V cosϕ 3 cos( δ α ) Khi EV Pmax 3 3R Zs δ α 9 o. s s V Z s 3R s V Z s E Z s V Z s R Z s s cos α R Z s s Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ 5

109 Baøi taäp: _Taát caû caùc ví duï. _ Baøi taäp: (.), (-) 5.3, 5.4, 5.6, 5.4, 5.5, 5.6, 5.8, 5., 5.4, 5.5, 5.35, 5.4, 5.48, (*), (**). Bài tập Chương 6: Máy điện đồng bộ 6

110 Chương 6: MÁY ĐỆN ĐỒNG BỘ. Tổng quan Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ

111 Rotor cực từ ẩn Rotor cực từ lồi Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ

112 n s Flux Φ f B - C + B - C + N N A + A - A + A - S S C - B + C - B + A C B - A + C + N S C - A - B B + Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ 3

113 Magnetic axis of phase Α Θ m Magnetic axis of phase Α Θ m 9 B - C + B - C + N N A + S A - A + S A - C - B + C - B + Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ 4

114 . Máy phát đồng bộ.. Mạch tương đương R u jx s u t E t Z t Tải n E E jx s ϕ θ V jx s Re θ ϕ V Re.. Đặc tính không tải, ngắn mạch.3. Đặc tính công suất - góc 5 P net () δ 4 MW 3 P network MW δ : deg, deg.. 8deg 6 V E RC R RL.4. Các đặc tính vận hành δ deg P P cơ P đt P P qp P s P đ P kt Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ 5

115 .5. Ghép song song máy phát điện đồng bộ. Động cơ đồng bộ.. Mạch tương đương R ư jx đb u E t n ϕ θ V Re jx s E ϕ θ V E jx s Re.. Đặc tính công suất - góc.3. Các đặc tính vận hành P P điệnac P cơ P P kt P đ P s P qp Hình vẽ Chương 6: Máy điện đồng bộ 6

116 Bài giảng Kỹ Thuật ðiện ðại Cương Chương 3: MÁY ðện ðồng BỘ V.. Tổng quan V... Khái niệm: Máy ñiện ñồng bộ là các máy ñiện xoay chiều có tốc ñộ của rôto bằng với tốc ñộ của từ trường quay. Dây quấn stato ñược nối với lưới ñiện xoay chiều, dây quấn rôto ñược kích thích (kích từ) bằng dòng ñiện một chiều. Ở chế ñộ xác lập, máy ñiện ñồng bộ có tốc ñộ quay của rôto luôn không ñổi khi tải thay ñổi. Máy ñiện ñồng bộ thường ñược dùng làm máy phát trong hệ thống ñiện, với cơ năng ñược cung cấp bằng một ñộng cơ sơ cấp (các loại tuabin, ñộng cơ kéo,...). Công suất của máy phát có thể ñến MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống. ðộng cơ ñồng bộ ñược sử dụng khi cần công suất truyền ñộng lớn, có thể ñến hàng chục MW. Ngoài ra, ñộng cơ ñồng bộ còn ñược dùng làm các máy bù ñồng bộ (ñộng cơ ñồng bộ làm việc ở chế ñộ không tải), dùng ñể cải thiện hệ số công suất và ổn ñịnh ñiện áp cho lưới ñiện. V... Cấu tạo: Stator: Y hay (giống ðckðb) Rotor: Cực lồi hay Cực ẩn (Chỉ phân tích cho máy cực ẩn) Có thêm bộ kích từ một chiều, (có chổi than hay không có chổi than) Công suất cơ hữu ích trên trục P ñm (W, kw, HP) ñối với ñộng cơ, công suất biểu kiến S ñm (VA, kva) ñối với máy phát ðiện áp dây stato ñm (V, kv) Dòng ñiện dây stato ñm (A) Tần số dòng ñiện stato f (Hz) Tốc ñộ quay rôto n ñm (vòng/phút) Hệ số công suất cosϕ ñm (ñối với ñộng cơ) Hiệu suất η ñm f p E V..3. Nguyên lý làm việc: n, n tính bằng vòng/phút (rpm). 6 π.f.k.n Φ m dq. m e a E m.cos(ωt) e b E m.cos(ωt o ) e c E m.cos(ωt 4 o ) V..4. ðặc ñiểm cơ bản: Tần số khi máy phát hoạt ñộng ñộc lập và song song. ðộng cơ ðb không tự mở máy ñược. Phản ứng phần ứng: Ngang: Tải thuần trở Dọc: Thuần cảm (khử từ) hay thuần dung (trợ từ) Chương 6: Máy ñiện ñồng bộ

117 Bài giảng Kỹ Thuật ðiện ðại Cương V.. Mạch tương ñương ðiện kháng ñồng bộ: X ñb là là tổng của ñiện kháng tản phần ứng và ñiện kháng phản ứng phần ứng. Z R ư + jx ñb Mạch tương ñương: E & & + ( R u + jx db ) u & + Z& u E %. Gốc : E& + R u + jx db u cos ϕ j u sin ϕ Gốc : E & cos ϕ + R + j sin ϕ + X ( )( ) ( ) ( ) u u db u V.3. ðặc tính không tải, ngắn mạch Thí nghiệm không tải: Xác ñịnh tổn hao không tải P q và tổn hao sắt từ P s. Thí nghiệm ngắn mạch: ðo ñược P, E n, n. P ñ P P s Từ ñó tính ñược R n R ư P ñ /3 n. Tính ñược Z X ñb. V.4. ðặc tính công suất - góc V.5. Các ñặc tính vận hành Giản ñồ phân bố công suất ñặc tính hiệu suất: Hiệu suất max khi tổn hao không phụ thuộc tải tổn hao phụ thuộc tải ðặc tính ñiều chỉnh: k ( ư ) ðặc tính ngoài: t ( ư ) ðặc tính hình V: ðộng cơ ñồng bộ ư ( k ) khi công suất không ñổi ư ( k ) khi hệ số công suất không ñổi cosϕ( k ) khi công suất không ñổi Thiếu kích từ ( ư trễ) Thừa kích từ ( ư sớm) Mở máy ñộng cơ ñồng bộ: ðộng cơ ñồng bộ không tự mở máy ñược: Gắn ñộng cơ một chiều Momen từ trở, cuộn ñệm (cuộn cản): giống một ñộng cơ KðB Mở máy non tải hay không tải (do gia tốc lớn), hay Mở máy ở ñiện áp thấp ñể dòng ñiện phần ứng không quá cao Cuộn ñệm không có tác dụng khi ñã ñồng bộ Chương 6: Máy ñiện ñồng bộ

118 Bài giảng Kỹ Thuật ðiện ðại Cương V.6. Ghép song song máy phát ñiện ñồng bộ Tần số không ñổi Các ñiều kiện cần ñảm bảo trước khi ñóng máy phát vào hệ thống: Sức ñiện ñộng của máy phải bằng ñiện áp hệ thống. Tần số của máy phải bằng tần số hệ thống. Thứ tự pha của các sức ñiện ñộng của máy phải giống với thứ tự pha của hệ thống. Góc pha giữa các sức ñiện ñộng và các ñiện áp hệ thống phải bằng không. Khi các ñiều kiện trên ñược thoả và ñiện áp hai ñầu máy ngắt bằng không, ta ñóng máy ngắt ñể hoà ñồng bộ. Sau khi hoà ñồng bộ, cần chú ý: Việc thay ñổi dòng ñiện kích từ kt chỉ làm thay ñổi công suất phản kháng mà máy nhận từ hệ thống, ñiện áp của máy phát sẽ không thay ñổi và bằng ñiện áp chung cho cả hệ thống. ðể ñiều chỉnh công suất tác dụng cho hệ thống, phải tăng công suất của ñộng cơ sơ cấp, trong khi vẫn giữ tốc ñộ của máy không ñổi. Chương 6: Máy ñiện ñồng bộ 3

119 Chương 7: MÁY ĐỆN MỘT CHỀ Ví dụ : Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 5V, A, vòng/phút. Điện trở phần ứng,ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính momen, công suất ra định mức của động cơ và hiệu suất của động cơ ở chế độ định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW? Ví dụ : Một động cơ DC kích từ độc lập, 3V, điện trở phần ứng,ω, tốc độ không tải là vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 4A. Tính tốc độ và momen điện từ của động cơ? Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 44V, A, 97 vòng/phút, điện trở phần ứng,6ω. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 4A. Tính tốc độ và momen của động cơ khi đó? Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 5V, A, vòng/phút. Điện trở phần ứng Ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. a. Tính momen và công suất định mức của động cơ? b. Tính hiệu suất của động cơ ở didnh mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW. c. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 4A. Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động cơ khi đó? d. Vẽ đường cong momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên. Ví dụ 5: Một động cơ DC kích từ song song, có các thông số danh định 44Vdc, A, 97 vòng/phút. Điện trở phần ứng,6ω và điện trở cuộn kích từ Ω. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 4A. Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động cơ khi đó? Ví dụ 6: Một động cơ DC kích từ nối tiếp có điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ,ω. Thông số định mức của động cơ là vòng/phút, 4A, 45V. Tính momen điện, công suất và hiệu suất khi động cơ vận hành ở chế độ định mức? Ví dụ 7: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 6, Nm, vòng/phút, 4A, 4V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là,ω. Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm? Ví dụ 8: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, V, 5 vòng/phút, 7A nối với tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là,ω. Động cơ kéo tải có đặc tuyến momen tải là hằng số, bằng với momen định mức của động cơ. Tính momen định mức và công suất định mức của động cơ? Bài tập Chương 7: Máy điện một chiều

120 Bài tập : Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 6, Nm, vòng/phút, 4A, 4V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là,ω. a. Vẽ mạch tương đương của động cơ DC kích từ nối tiếp. Dựa vào đặc tuyến momen tốc độ và chỉ ra điểm làm việc của động cơ. b. Tính công suất và hiệu suất của động cơ ở chế độ định mức? c. Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm? Khi đó xác định công suất ra và hiệu suất của động cơ? Bài tập : Một động cơ DC kích từ nối tiếp, 4V, 4A, vòng/phút, có tổng điện trở phần ứng là,ω và điện trở cuộn kích từ là,8ω. a. Tính momen và công suất định mức của động cơ? b. Động cơ kéo tải có đặc tuyến momen tải tỷ lệ với bình phương tốc độ,. Tính tốc độ, dòng điện và momen của động cơ khi vận hành với tải trên? Bài tập 3: a. Vẽ mạch tương đương của động cơ của (i) động cơ kích từ độc lập và (ii) động cơ kích từ nối tiếp; viết các phương trình ở trạng thái xác lập của mỗi động cơ? b. Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 5V, A, vòng/phút. Điện trở phần ứng là,5ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng khi định mức. i. Tính momen và công suất ra định mức của động cơ? ii. Động cơ kéo tải với dòng điện phần ứng là 4A, tính momen và tốc độ? iii. Vẽ đường cong momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên. Bài tập 4: a. Giải thích cách mô tả cuộn dậy rotor của máy điện DC gồm chỉ một vòng dây và vẽ dạng dòng điện qua cuộn dây đó, biết rằng dòng điện trên các cực của rotor là hằng số. b. Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức: 4V, A, 95 vòng/phút. Điện trở phần ứng là Ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính momen và công suất ra định mức của động cơ? Động cơ kéo tải với dòng điện phần ứng là 5A, tính tốc độ rotor, momen và công suất ra khi đó? Vẽ đường cong momen - tốc độ và chỉ ra hai điểm đã tính ở trên? Bài tập 5: Một động cơ DC kích từ nối tiếp có điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ,8ω, được cấp nguồn 4Vdc. Khi động cơ mang tải có momen là Nm, dòng điện động cơ là 4A. Tính tốc độ động cơ khi đó? Tính dòng điện và tốc độ khi động cơ vận hành ở Nm? Bài tập Chương 7: Máy điện một chiều

121 Bài tập 6: Một động cơ DC kích từ song song Vdc, vận hành ở A và 8 vòng/phút. Điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ 44Ω. a. Tính momen được kéo bởi động cơ ở điều kiện trên. b. Nếu dòng kích từ vẫn không đổi, tính tốc độ và dòng điện cấp cho động cơ khi động cơ kéo tải Nm. c. Dựa vào đặc tuyết tốc độ - momen, xác định tốc độ không tải của động cơ. Bài tập 7: Một động cơ DC kích từ độc lập, có các thông số danh định Phần ứng: 44Vdc, A, 97 vòng/phút, điện trở phần ứng,6ω. Phần cảm (kích từ): 44Vdc, điện trở cuộn kích từ Ω. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng luôn là 4A. a. Tính tốc độ, momen, công suất ra và hiệu suất của động cơ khi đó? (giống với kích từ song song) b. Tính tốc độ, momen, công suất ra và hiệu suất của động cơ nếu điện áp phần ứng giảm còn V? Điện áp phần cảm vẫn là 44V. c. Tính tốc độ, momen, công suất ra và hiệu suất của động cơ nếu điện áp phần cảm giảm còn V? Điện áp phần ứng vẫn là 44V. d. Tính tốc độ, momen, công suất ra và hiệu suất của động cơ nếu điện áp phần ứng và phần cảm giảm còn V? (giống với kích từ song song) e. So sánh tốc độ, momen và công suất ra trong các trường hợp trên. Bài tập 8: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 7 vòng/phút, 48A, 3V. Động cơ có điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ là,5ω. Tổn hao quay là 65W. a. Tính Mômen điện từ của động cơ M đt. b. Tính momen momen ngõ ra của động cơ M ra? c. Tính công suất ra và hiệu suất của động cơ ở chế độ định mức? Bài tập 9: Một động cơ DC kích từ độc lập kt Vdc, vận hành ở,5a và 8 vòng/phút. Điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ 44Ω. a. Tính tốc độ không tải (lý tưởng) của động cơ? b. Tính momen momen ngõ ra của động cơ? c. Nêu và tính phương pháp điều chỉnh để tốc độ động cơ bằng tốc độ không tải, biết momen tải vẫn không đổi. Bài tập : Một động cơ DC kích từ song song Vdc, vận hành ở,5a và 8 vòng/phút. Điện trở phần ứng,ω và điện trở cuộn kích từ 44Ω. Biết tổn hao trên mạch từ là W, tổn hao quay (quạt gió, ma sát) là 5W, tổn hao phụ khác là W. Rơi áp trên tiếp xúc chổi than là 5Vdc. a. Tính momen điện từ và momen ngõ ra của động cơ. b. Tính hiệu suất của động cơ? c. Tính tốc độ không tải (lý tưởng) của động cơ? Bài tập Chương 7: Máy điện một chiều 3

122 Bài tập : Một động cơ một chiều kích từ song song có điện trở mạch phần ứng Ω, điện trở cuộn dây kích từ Ω, điện áp cấp cho động cơ V. Động cơ có tốc độ không tải 33 vòng/phút và dòng điện dây không tải là,5a. Động cơ đang vận hành với dòng điện dây là,5a. a. Tính tốc độ của động cơ n (RPM). b. Tính dòng điện khởi động mm của động cơ? c. Tính Mômen điện từ của động cơ M đt. e. Giả sử tổn hao cơ vẫn không đổi so với trường hợp không tải. Tính Mômen ngõ ra của động cơ M out. Tính hiệu suất của động cơ? Bài tập : Một động cơ DC kích từ hỗn hợp, 4Vdc, vận hành ở 5A và 85 vòng/phút. Điện trở phần ứng,5ω, điện trở cuộn kích từ song song 6Ω, và điện trở cuộn kích từ nối tiếp,3ω. Biết tổn hao quay là W. a. Tính momen điện từ và momen ngõ ra của động cơ. b. Tính hiệu suất của động cơ? Bài tập 3: Một máy phát DC kích từ độc lập có điện áp không tải 5V khi dòng điện kích từ là,a và tốc độ là 6 vòng/phút. Tính sức điện động của máy phát khi: a. Dòng kích từ tăng lên,8a? Giả sử mạch từ chưa bảo hoà. b. Dòng kích từ tăng lên,5a và tốc độ giảm xuống còn 45 vòng/phút? Bài tập 4: Một máy phát DC kích từ hỗn hợp có điện trở cuộn kích từ song song là 4Ω, điện trở cuộn kích từ nối tiếp là,3ω, điện trở phần ứng là,3ω và điện trở dây quấn cực từ phụ là,4ω. Máy có các thông số định mức là 5kW, 4V, vòng/phút. Biết tổn hao cơ là kw. a. Tính sức điện động của máy lúc đầy tải? b. Tính hiệu suất của máy phát ở định mức? c. Tính momen cơ cấp cho máy phát ở định mức? Bài tập 5: Máy phát DC kích từ song song phát công suất định mức kw ở điện áp 6V. Máy có điện trở phần cảm là 5Ω, điện trở phần ứng là,34ω. Tính sức điện động của máy phát khi: a. Dòng điện tải bằng dòng định mức? b. Dòng điện tải bằng nửa dòng định mức, biết khi đó điện áp trên tải là 6V? Bài tập 6: Máy điện DC kích từ độc lập, dùng làm máy phát có dòng điện định mức 4A ở V. Biết điện trở phần ứng là,38ω, tổn hao quay là W. a. Tính công suất cơ định mức cấp cho máy phát? b. Công suất ra định mức khi máy vận hành ở chế độ động cơ và được cấp nguồn V? Bài tập 7: Máy điện DC kích từ song song, điện trở phần ứng là,ω, điện trở kích từ 5Ω. Máy được dùng làm máy phát với công suất định mức 5kW ở 5V và tốc độ vòng/phút. Nếu sử dụng máy làm động cơ kích từ song song, tính: a. Tốc độ động cơ khi công suất vào là 5kW và điện áp 5V? b. Công suất ra của động cơ, biết tổm hao quay là kw? c. Momen ra của động cơ. d. Hiệu suất của động cơ? Bài tập Chương 7: Máy điện một chiều 4

123 Chương 7: MÁY ĐỆN MỘT CHỀ. Tổng quan Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều

124 Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều

125 Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều Vị trí chổi than DC Motor Rotor S N S N Stator và cuộn dây Chổi than Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều 3

126 Neutral Zone B F B S N S N Magnetic field Phản ứng phần ứng vành trượt lệch qua một bên Dòng điện qua rotor đảo chiều Dòng điện qua stator Dòng điện qua rotor Động cơ DC chạy thuận Động cơ DC chạy ngược Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều 4

127 Động cơ DC Momen tải. Phân tích máy phát một chiều u R ư t V E E R t Tải P P cơ P đt P P kt P qp P s P đ Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều 5

128 . Phân tích động cơ một chiều.. Động cơ DC kích từ độc lập Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều 6

129 .. Động cơ DC kích từ song song.3. Động cơ DC kích từ nối tiếp Hình vẽ Chương 7: Máy điện một chiều 7