CHƯƠNG 17: MÁY ĐIỆN DÙNG PHỤ TRỢ 17.1. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ ĐỘ DỊCH PHA. Bộ điều chỉnh cảm ứng là máy điện dị bộ làm việc với rôto hãm để điều chỉnh điện áp lưới. Sơ đồ bộ điều chỉnh 3 pha biểu diễn ở hình 17.1a. Cuộn sơ cấp là rôto, có thể quay được bằng tay quay, còn cuộn thứ cấp là stato. Nguyên lý hoạt động như sau: Dòng điện 3 pha đưa vào rôto sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ n 1 = 1 60 1 f theo một hướng nhất định, ví dụ hướng dây rôto vuông góc với trục cuộn dây stato (hình 17.1b), từ trường quay rôto cắt đồng thời cuộn stato và rôto làm cảm ứng sđđ E 1 và E 2 . Vì 3 cuộn dây cùng nằm trong một tình trạng nên ta chỉ cần nghiên cứu 1 cuộn. Ở điều kiện này sđđ E 2 trùng pha với U 1 , vì vậy điện áp U 2 trên các trụ đấu dây dẫn tới lưới điện là tổng số học của U 1 và E 2 (hình.17.1c). U 2 =U max =OA 1 =U 1 +E 2 (19.1) Trong đó: U 1 - điện áp lớn nhất. Khi nhận vị trí của rôto, ta có thể tìm được góc lệch pha. Quay rôto đi một góc +180 0 ta nhận được điện áp lưới nhỏ nhất. Đây là vị trí đặc trưng thứ 2 của bộ điều chỉnh: U 2 = U min =OA 2 =U 1 -E 2 . Rôto có thể nhận được một góc bất kỳ, lúc đó sđđ U 2 là tổng hình học của U 1 và E 2 . α cos2 21 2 1 2 22 EUUEU =+= (17.2) Nếu máy điện có rôto dây quấn như hình 17.2 thì ta có bộ điều chỉnh 2 Rô to stato U 1 U 2 Tải I 2 E 2 I 1 E 1 U 2 U 1 φ Hình 17.1 Bộ điều chỉnh điện áp và dịch pha U 2 U 2min U 1 U 2max E 2 A 2 A A 3 E 2 A 1 pha. Khi quay rôto ta điều chỉnh được góc pha sđđ của rôto và như vậy nhóm nối các cuộn dây cũng thay đổi. Bộ điều chỉnh pha dùng chủ yếu trong thí nghiệm. 17.2. BIẾN ÁP QUAY Trên tàu thuỷ biến áp quay được dùng khá rộng rãi trong các hệ thống tự động. Căn cứ mối liên hệ giữa điện áp vào và ra ta có 3 loại biến áp sau đây: Biến áp tuyến tính, biến áp sin và biến áp sin - cos. 17.2.1. Biến áp quay tuyến tính Biến áp gồm hai phần: Stato (tĩnh) và rôto (quay). Ở lõi thép stato (hình 17.3) đặt hai cuộn dây 1 và 3 vuông góc với nhau, còn ở rô to đặt cuộn dây 2. Cuộn 1 là cuộn kích từ (sơ cấp) được cấp một điện áp biến đổi U tạo dòng điện và sinh ra một từ thông biến đổi. Từ thông biến đổi cắt cuộn thứ cấp 2 3 U 1 U 1 Hình 17.2 Bô dịch pha Hình 17.3 Biến áp quay a)Tuyến tính, b)Biến áp quay hàm sin, c)Biến áp quay cô-sin c) U∼ 3 1 2 a) Z tải E 2 =KUα U∼ 1 2 b) Z tải E 2 =E 2m sinα α α φ φ d φ q U∼ 1 2 2’ Z tải Z tải E 2m cosα E 2m sinα φ’ q φ q φ kt làm xuất hiện sđđ tỷ lệ với hàm sin của góc quay α. Nếu cuộn 2 hở mạch (Z tải =∞) thì giá trị sđđ E 2 =K 1 sinα, trong đó K 1 - hệ số biến áp cuộn 1 và 2). Nếu bây giờ ta tải mạch gồm cuộn 2 và 3 bằng một tổng trở Z tải thì sẽ có dòng điện chạy qua cuộn 3 tạo ra ở cuộn 3 một từ thông phụ, từ thông phụ sẽ cảm ứng trong cuộn 2 một sđđ phụ E 2 ” có chiều ngược với sđđ E 2 , vậy sđđ tổng hợp của cuộn 2 sẽ bằng: E 2 =E’ 2 - E 2 ” (17.3) Sđđ E 2 tạo ra dòng điện thứ cấp (chạy qua cuộn 2 và 3) nên sđđ E 2 ” xác định bằng biểu thức: E 2 ” = K 2 E 2 cosα (17.4) K 2 - hệ số truyền áp giữa cuộn 2 và 3. Thay E 2 ’ và E 2 ” vào biểu thức E 2 ta được: E 2 =K 1 Usinα- K 2 E 2 cosα (17.5) Vậy: α α cos1 sin 2 1 2 K K UE + = (17.6) Nếu góc quay rôto nằm trong phạm vi ± 60 0 và hệ số biến áp K = 0,5 thì ta có: αα α α α KU K UK E hay KK = + = + = + 2 1 2 2 1 21 1 cos1 sin (17.7) Nghĩa là điện áp ra tỷ lệ tuyến tính với góc quay α. Tính chất này được dùng để biến đổi sự dịch chuyển tuyến tính (cơ khí) sang điện áp và để tạo tích hai đại lượng. Trong trường hợp thứ nhất điện áp phải không đổi, còn E 2 tỷ lệ với α. Ở trường hợp thứ 2 điện áp U phải thay đổi tỷ lệ với hình chiếu sđđ trên trục y, còn góc α tỷ lệ với hình chiếu của sđđ trên trục x, kết quả: E 2 =KUyαx. 17.2.2. Biến áp quay hàm sin (hình.17.3b): Stato đặt cuộn 1, rôto đặt cuộn 2. Cuộn 1 được cấp điện áp xoay chiều. Khi quay rôto sđđ cảm ứng trong cuộn 2 sẽ phụ thuộc vào góc quay α theo hàm sin. E 2 =E 2msin α=KUsinα (17.8) Trong đó: E 2m =KU – giá trị cực đại sđđ cuộn rôto, (đạt được khi α=90 0 ), K- hệ số truyền áp. 17.2.3. Biến áp quay sin – cosin (hình.17.3c): Biến áp quay sin – cosin: ở rôto có hai cuộn dây cùng số vòng nhưng vuông góc với nhau. Nếu các cuộn dây này không tải thì ở cuộn 2 sẽ cảm ứng sđđ tỷ lệ với sin của góc quay rôto α, còn cuộn 2’ sẽ tỷ lệ với cosin của góc này. (E’ 2 E 2mcos α), vì vậy cuộn 2 gọi là cuộn sin, cuộn 2” là cuộn cosin. Ta có: E 2 = KUsinα; E 2 ’ = KUcosα (17.9) Trong đó: E 2m =KU là giá trị cực đại khi α = 90 0 cho cuộn 2 và khi α = 0 (cho cuộn 2’). 4 Các biểu thức sin và cosin chỉ đúng khi các cuộn dây không tải. Khi các cuộn thứ cấp có tải thì điện áp ra sẽ bị biến dạng do có phản ứng của từ trường rôto. Phản ứng từ trường rôto trong 2 biến áp sin và cosin có thể tách làm 2 thành phần: Dọc trục φ d và ngang trục φ q (hình 17.3b). Từ thông ngược chiều từ thông kích từ φ kt nên từ thông tổng φ t = φ kt - φ d giảm, làm sức phản điện động trong cuộn 1 giảm, kết quả làm dòng kích từ tăng dần với giá trị φ kt do nó sinh ra sẽ đạt giá trị trước khi tải. Như vậy thành phần từ thông φ d ở bất kỳ góc α nào cũng khử sự thay đổi dòng cuộn 1. Trong khi đó φ q không làm tăng dòng ở stato, mà nó cảm ứng trong cuộn rôto một sđđ tự cảm E q = φ q cosα = φcosα 2 . Chính sđđ này làm biến dạng mối quan hệ sin của điện áp ra với góc α. Để khử ảnh hưởng của φ q người ta đặt ở stato 1 cuộn phụ vuông góc với cuộn sơ cấp (ví dụ cuộn 3 như hình 17.3a), cuộn này phải được nối kín mạch qua điện trở có giá trị bằng điện trở trong của nguồn cung cấp cho biến áp. Cuộn này khử được φ q và khi tải điện áp ra vẫn là hàm sin của góc α. Biến áp loại này được gọi là biến áp có cuộn sơ cấp đối xứng. Nếu biến áp sin - cosin có hai cuộn rôto như nhau và tải bằng 2 điện trở giống nhau thì thành phần φ q và φ q’ sẽ ngược nhau, chúng triệt tiêu nhau. Ta gọi là biến áp có cuộn thứ cấp đối xứng. 17.3. SEN - SIN Hệ thống Sen - sin được dùng để chuyển giá trị góc đi xa. Hệ thống gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát và thu là hai máy điện cảm ứng có cấu tạo giống hệt nhau: ở lõi thép stato đặt cuộn dây 1 pha và được cấp dòng điện xoay chiều, còn rôto là cuộn dây 3 pha, 3 đầu được nối với nhau, 3 đầu còn lại đưa ra 3 vòng trượt đặt trên trục ( có cấu tạo giống rôto động cơ dị bộ dây quấn, hình 17.4). Cuộn dây các pha tương ứng được nối với nhau qua chổi và vành trượt. Giả thiết khi bắt đầu nghiên cứu vị trí rôto bộ phát và thu như hình 17.4, khi có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây stato bộ phát và thu, tạo ra từ 5 U 1 Thu Phát α α 1 1 2 2 3 3 Hình 17.4 Sơ đồ sen-sin trường biến đổi sẽ cảm ứng trong các pha tương ứng của rôto bộ phát và thu những sđđ như nhau. Giữa các pha của rôto không có dòng điện chạy, trong bộ phận phát và thu không có gì xảy ra. Nếu bây giờ ta quay rôto của bộ phát đi 1 góc α và giữ lại vị trí đó thì sđđ cảm ứng trong các pha 1, 2, 3 của bộ phát khác với sđđ trong các cuộn 1, 2, 3 bộ phận thu, cụ thể như sau: Ở bộ phát: E 1 =E m cosα, E 2 =E m cos(α-120 0 ); E 3 =E m cos(α+120 0 ). (17.9) Còn ở bộ thu sđđ các pha có giá trị như sau: E 1 = E m cos(0 o ); E 2 =E m cos(0-120 0 ); (17.9a) E 3 =E m cos(0+120 0 ). Bây giờ sđđ các pha tương ứng của bộ thu và phát không bằng nhau nữa, sẽ có 3 dòng điện chạy từ các pha của bộ thu tới bộ phát làm sinh ra mômen. Mômen này có chiều làm giảm góc α. Nhưng vì rôto phát đã bị gắn chặt tại góc α nên sẽ tạo ra phản lực quay rôto thu theo chiều quay rôto phát. Khi rôto quay được một góc α thì sđđ trong các pha 1, 2, 3 ở bộ thu sẽ có giá trị như (17.9). Dòng chạy trong các pha rôto bằng 0, mômen quay bằng 0, rôto nằm ở vị trí mới lệch với vị trí đầu một góc α (như ở phát). Bằng hệ thống này ta đã chuyển được góc α đi xa. Hệ thống nghiên cứu có nhiều ưu điểm: Hệ thống tự đồng bộ, quay rất láng, tốc độ truyền góc nhanh, có thể nhận được nhiều điểm thông báo ở những vị trí khác nhau, không cần dùng bánh răng, độ chính xác cao. 17.4. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỒNG BỘ DÙNG SENSIN KHÔNG CÓ VÀNH TRƯỢT Hệ thống sensin dùng máy điện cảm ứng có tính đổi ngược nghĩa là rôto có thể trở thành stato và stato có thể trở thành rôto. Điều đó nói lên là ta có thể tạo một sensin rôto 1 cuộn dây, còn stato có 3 cuộn dây. Hệ thống truyền góc bằng sensin không có vành trượt theo nguyên lý hoạt động giống như hệ thống với sensin có một cuộn dây ở rôto (hình 17.5). Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp đặt ở stato, cuộn sơ cấp được cấp điện áp xoay chiều một pha, 3 pha cuộn sơ cấp được nối tương ứng giữa các pha bộ phát và bộ thu. Khi quay bộ phát rôto đi một góc , ví dụ α = 30 0 , từ trường biến đổi tạo ra do cuộn kích từ cũng quay đi 30 0 vì các từ thông có xu hướng khép kín qua đường có độ dẫn từ nhỏ nhất, nghĩa là qua tập lá thép điện kỹ thuật. Rôto phát đã gây nên sự mất cân bằng của sđđ các pha làm chạy trong cuộn dây thứ cấp những dòng điện, kết quả tạo mômen làm rôto phần thu cũng quay đi một góc α như rôto phát, dẫn đến từ trường biến đổi của bộ phận thu cũng sẽ quay 1 6 góc α. Lúc này xuất hiện sự cân bằng điện áp, dòng cân bằng không tồn tại, rôto thu chiếm vị trí như rôto phát. Hệ thống sensin không có vành trượt có độ bền và độ nhạy cao. 17.5. MÁY PHÁT TỐC TÀU THUỶ Máy điện có điện áp ra tỷ lệ với tốc độ quay gọi là máy phát tốc độ. Đối với các máy phát điện tàu thuỷ khi làm việc thường tốc độ không đổi, còn điện áp thay đổi do từ thông thay đổi. Ở máy phát tốc khi làm việc từ thông không đổi nhưng tốc độ lại thay đổi. Mối quan hệ điện áp ra của máy phát tốc độ với tốc độ khi điện trở tải không đổi gọi là đặc tính ra của máy phát tốc. Yêu cầu đặc tính này phải tuyến tính. 17.5.1. Máy phát tốc đồng bộ: Sơ đồ một máy phát tốc biểu diễn ở hình 17.6. Stato làm bằng thép điện kỹ thuật, rôto là một nam châm vĩnh cửu dạng đĩa nhiều cực. Stato có cuộn dây, đầu của cuộn dây nối với các trụ đấu dây. Khi rôto quay trong các cuộn stato cảm ứng sđđ có giá trị: E = 4,44WK dq fφ = 4,44WK dq cn pn = 60 Như vậy điện áp trên các trụ đấu dây tỷ lệ với tốc độ. Nếu ta dùng vôn- met và thang đo đã chuyển sang tốc độ, ta có thể đọc được tốc độ quay. 7 Hình 17.5 Sen sin không có vành trượt Thu Phát α α 1 1 2 2 3 3 30 0 30 0 17.5.2. Máy phát tốc dị bộ: Trong các hệ thống tự động thường dùng máy phát tốc dị bộ có rôto rỗng ở Stato (hình 17.7) làm từ các lá thép điện kỹ thuật có đặ 2 cuộn dây. Stato này gọi là stato mẹ, stato 2 làm bằng lá thép điện kỹ thuật lồng trong stato 1. Trên trục đặt một rôto rỗng 3 (làm bằng nhôm), rôto 3 nằm trong khoảng không giữa 2 stato. Nạp một cuộn dây stato bằng điện áp có biên độ và tần số không đổi, cuộn dây thứ 2 được mắc vào thiết bị đo có thang đo tính theo tốc độ (V/p). Lý thuyết đã chỉ ra rằng điện áp ra lấy từ cuộn thứ cấp tỷ lệ với tốc độ E = cn. 17.5.3 Máy phát tốc dòng một chiều: Trên tàu thuỷ để đo tốc độ quay của chân vịt, tốc độ của tua bin hơi hoặc những cơ khí khác thường người ta trang bị máy phát tốc để chuyển giá trị đo được đi xa. Máy phát tốc đó thường là loại một chiều. Đây là loại máy có nam châm vĩnh cửu. Để xác định chính xác điện áp tạo ra do máy phát, mạch từ của thiết bị được làm có sun – từ (mạch từ song song). Do mạch từ là nam châm vĩnh cửu nên φ = const. Để giữ cho được φ = const khi nam châm cũ, ta thay đổi vị trí của sun từ, do vậy E= cn. Bộ chỉ tị là một vonmet có cấu tạo đặc biệt, thang đo được chia theo vòng phút và chiếm góc 240 0 . 8 N N S S K Hình 17.6 Máy phát tốc đồng bộ + + • • 2 1 3 Hình 17.7 Máy phát tốc độ dị bộ 17.5.4.Máy phát tốc dòng xoáy: Máy phát tốc dòng xoáy có dạng 1 chiếc đĩa (hình 17.8) gắn trên trục. Theo chu vi đĩa, ta đặt nam châm 2. Khi trục của đĩa 1 quay, nam châm 2 sẽ tạo ra một từ trường quay, cảm ứng trong cốc 4 những dòng xoáy. Sự tác động của dòng xoáy với từ trường quay của nam châm vĩnh cửu sẽ làm cốc 4 quay theo từ trường quay, song lò so 5 gắn trên trục không cho cốc 4 quay mà chỉ làm cốc 4 lệch đi một góc nào đó, giá trị của góc quay phụ thuộc vào lực (tức là vào số vòng quay) đẩy cốc quay. Góc quay tỷ lệ với số vòng quay của trục chân vịt. 17.6. KHỚP NỐI ĐIỆN TỪ. Khớp nối điện từ cho phép nhận được mối liên hệ mềm giữa động cơ sơ cấp và cơ khí sản xuất. Khớp nối gồm phần chuyển động 1 (hình 17.9). Thực chất là rôto của động cơ rôto lồng sóc ngắn mạch và phần stato 2 có cực hiện. Phần quay của khớp nối nối với động cơ sơ cấp. Khi quay kích từ của phần chính tác động với phần quay và tạo ra độ trượt s. Ở chế độ ổn định s = 1÷ 2%. Điều chỉnh dòng kích từ ta có thể nối hoặc ngắt cơ khí sản xuất ra khỏi động cơ sơ cấp. Mỗi một dòng kích từ cho ta một mômen hút rôto (tức là nối cơ khí sản xuất và động cơ sơ cấp), do đó cho phép ta tránh được sự quá tải của động cơ diezen. Khớp nối từ được dùng trong chân vịt tàu thuỷ. Ưu điểm khi sử dụng khớp nối điện từ như sau: - Có khả năng điều chỉnh từ xa chân vịt. - Điều động mềm diezen, ví dụ: Diezen 1 quay tiến còn diezen 2 quay lùi (hình 17.9b). Như vậy khi nối khớp nối 1 tàu tiến, còn nối khớp nối 2 tàu lùi. - Bảo vệ thiết bị khỏi quá tải ( ví dụ chân vịt bị mắc trong băng tuyết). - Giảm bớt ảnh hưởng dao động dựng đứng của trục chân vịt. - Dễ tách trục động cơ và hộp số khi lắp ráp thiết bị. 9 5 4 1 2 3 N S N S ∼ | Hình 17.8 Máy phát tốc dòng xoáy 10 + + • + - N S 1 2 • R p Hình 17.9 Sơ đồ khớp nối điện từ a) D 1 D 2 b) . CHƯƠNG 17: MÁY ĐIỆN DÙNG PHỤ TRỢ 17. 1. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ ĐỘ DỊCH PHA. Bộ điều chỉnh cảm ứng là máy điện dị bộ làm việc với. (17. 2) Nếu máy điện có rôto dây quấn như hình 17. 2 thì ta có bộ điều chỉnh 2 Rô to stato U 1 U 2 Tải I 2 E 2 I 1 E 1 U 2 U 1 φ Hình 17. 1 Bộ điều chỉnh điện