Máy điện xoay chiều

Máy điện dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát điện xoay chiều và một chiều) và ngược lại (động cơ điện).

Trong tất cả các trường hợp này, về cơ bản, ba khám phá chính trong lĩnh vực điện từ được sử dụng: hiện tượng tương tác cơ học của dòng điện do Ampere phát hiện năm 1821, hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện năm 1831 và bản tóm tắt lý thuyết về những hiện tượng này được thực hiện bởi Lenz (1834) trong định luật nổi tiếng về chiều của dòng điện cảm ứng (thực tế, định luật Lenz dự đoán định luật bảo toàn năng lượng cho các quá trình điện từ).

Để biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngược lại, cần tạo ra chuyển động tương đối của mạch dẫn có dòng điện và từ trường (nam châm hay dòng điện).

Trong các máy điện được thiết kế để hoạt động liên tục, người ta sử dụng chuyển động quay của phần chuyển động của máy (rôto của máy điện xoay chiều) nằm bên trong phần tĩnh (stato).Cuộn dây của máy dùng để tạo ra từ trường được gọi là cuộn cảm và cuộn dây chạy xung quanh với dòng điện hoạt động được gọi là phần ứng. Cả hai thuật ngữ sau này cũng được sử dụng cho máy DC.

Để tăng cảm ứng từ, cuộn dây của máy được đặt trên các vật thể sắt từ (thép, gang).

Tất cả các máy điện đều có đặc tính đảo ngược, nghĩa là chúng có thể được sử dụng làm máy phát năng lượng điện và động cơ điện.

động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ được sử dụng một trong những biểu hiện của hiện tượng cảm ứng điện từ… Trong môn vật lý nó được chứng minh như sau:

Bên dưới một đĩa đồng, có thể quay quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm của nó, được đặt một nam châm hình móng ngựa thẳng đứng được điều khiển để quay quanh cùng một trục (loại trừ tương tác cơ học giữa đĩa và nam châm). Trong trường hợp này, đĩa bắt đầu quay cùng hướng với nam châm, nhưng với tốc độ thấp hơn. Nếu bạn tăng tải trọng cơ học lên đĩa (ví dụ: bằng cách tăng ma sát của trục với ổ đỡ lực đẩy), thì tốc độ quay của nó sẽ giảm.

Ý nghĩa vật lý của hiện tượng này có thể dễ dàng giải thích bằng lý thuyết cảm ứng điện từ: khi nam châm quay, từ trường quay được tạo ra, từ trường này sinh ra dòng điện xoáy trong đĩa, độ lớn của từ trường phụ thuộc vào tốc độ tương đối của trường và đĩa.

Theo định luật Lenz, đĩa phải quay theo hướng của trường. Trong trường hợp không có ma sát, đĩa phải thu được vận tốc góc bằng vận tốc của nam châm, sau đó suất điện động cảm ứng sẽ biến mất. Trong cuộc sống thực, ma sát chắc chắn sẽ xuất hiện và đĩa trở nên chậm hơn.Độ lớn của nó phụ thuộc vào mômen hãm cơ học mà đĩa trải qua.

Sự khác biệt giữa tốc độ quay của đĩa (rôto) và tốc độ quay của từ trường được phản ánh trong tên của động cơ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ:

Trong các động cơ không đồng bộ kỹ thuật (thường là ba pha), từ trường quay được tạo ra dòng điện nhiều phachảy xung quanh cuộn dây stato đứng yên. Ở tần số dòng điện ba pha là và số vòng dây stato là 3p trường quay làm n = f/p vòng/giây.

Một rôto quay được đặt trong khoang stato. Một cơ cấu quay có thể được kết nối với trục của nó... Trong các động cơ "tế bào sóc" đơn giản nhất, rôto bao gồm một hệ thống các thanh kim loại dọc được đặt trong các rãnh của thân hình trụ bằng thép. Các dây được nối tắt bởi hai vòng. Để tăng mô-men xoắn, bán kính của rôto được chế tạo đủ lớn.

Trong các thiết kế động cơ khác (thường là động cơ công suất cao), các dây rôto tạo thành cuộn dây ba pha hở. Các đầu của cuộn dây được nối tắt trong chính rôto và các dây dẫn được đưa ra ba vòng trượt gắn trên trục rôto và cách ly với nó.

Một biến trở ba pha được kết nối với các vòng này bằng các tiếp điểm trượt (chổi than), dùng để khởi động động cơ chuyển động. Sau khi động cơ quay, bộ biến trở được tháo hoàn toàn và rôto trở thành lồng sóc (xem — Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn).

Có một bảng thiết bị đầu cuối trên vỏ stato. Các cuộn dây stato được đưa ra cho họ. Chúng có thể được bao gồm sao hoặc tam giác, tùy thuộc vào điện áp nguồn: trong trường hợp đầu tiên, điện áp nguồn có thể cao hơn 1,73 lần so với trường hợp thứ hai.

Giá trị đặc trưng cho độ giảm tốc tương đối của rôto so với từ trường stato của động cơ không đồng bộ được gọi là trượt ngã… Nó thay đổi từ 100% (tại thời điểm khởi động động cơ) thành 0 (trường hợp lý tưởng của chuyển động rôto không tổn hao).

Sự đảo ngược hướng quay của động cơ cảm ứng đạt được bằng cách chuyển đổi lẫn nhau của mỗi hai dây dẫn tuyến tính của mạng điện cung cấp cho động cơ.

Động cơ lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ưu điểm của động cơ không đồng bộ là thiết kế đơn giản và không có tiếp điểm trượt.

Cho đến gần đây, nhược điểm chính của những động cơ như vậy là khó điều chỉnh tốc độ, bởi vì nếu điện áp của mạch stato thay đổi vì điều này, thì mô-men xoắn sẽ thay đổi mạnh, nhưng về mặt kỹ thuật, rất khó để thay đổi tần số của dòng điện. Các thiết bị vi xử lý hiện đại ngày nay được sử dụng rộng rãi để điều khiển tần số của dòng điện cung cấp nhằm thay đổi tốc độ của động cơ — Bộ chuyển đổi tần số.

máy phát điện

Máy phát điện được chế tạo cho công suất đáng kể và điện áp cao. Giống như máy không đồng bộ, chúng có hai cuộn dây. Thông thường, dây quấn phần ứng được đặt trong vỏ stato. Cuộn cảm tạo ra từ thông sơ cấp được gắn trên rôto và được cung cấp năng lượng bởi bộ kích thích—một máy phát điện một chiều nhỏ được gắn trên trục rôto. Trong các máy công suất lớn, sự kích thích đôi khi được tạo ra bởi điện áp xoay chiều được chỉnh lưu.

Do cuộn dây phần ứng không cố định, những khó khăn kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng tiếp điểm trượt ở công suất cao biến mất.

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ của máy phát điện một pha. Cánh quạt của nó có tám cực. Trên đó là các cuộn dây quấn (không thể hiện trong hình) được cấp điện từ nguồn bên ngoài bằng dòng điện một chiều đặt vào các vòng trượt gắn trên trục rôto. Các cuộn dây cực được quấn sao cho các dấu hiệu của các cực đối diện với stato xen kẽ nhau. Số cọc phải chẵn.

Cuộn dây phần ứng được đặt trong vỏ stato. Các dây «hoạt động» hoạt động dài của nó, vuông góc với mặt phẳng của bản vẽ, được thể hiện trong hình với các vòng tròn, chúng được cắt ngang bởi các đường cảm ứng từ khi rôto quay.

Các vòng tròn thể hiện sự phân bố tức thời theo hướng của các điện trường cảm ứng. Các dây kết nối chạy dọc theo mặt trước của stato được thể hiện bằng các đường liền nét và ở mặt sau có các đường đứt nét. Kẹp K dùng để nối mạch ngoài với cuộn dây stato. Hướng quay của rôto được chỉ định bởi một mũi tên.

Nếu bạn cắt máy dọc theo bán kính đi qua giữa các kẹp K và biến nó thành một mặt phẳng, thì vị trí tương đối của cuộn dây stato và các cực của rôto (mặt bên và mặt phẳng) sẽ được mô tả bằng sơ đồ:

Xem xét hình vẽ, chúng tôi đảm bảo rằng tất cả các dây hoạt động (đi qua các cực của cuộn cảm) được kết nối nối tiếp với nhau và EMF gây ra trong chúng được tính tổng. Các pha của tất cả các EMF rõ ràng là giống nhau.Trong một vòng quay hoàn chỉnh của rôto, sẽ thu được bốn chu kỳ thay đổi dòng điện hoàn chỉnh trong mỗi dây dẫn (và do đó ở mạch ngoài).

Nếu một máy điện có p cặp cực, rôto quay n vòng/giây thì tần số của dòng điện xoay chiều mà máy nhận được là f = pn hz.

Vì tần số của EMF trong mạng phải không đổi nên tốc độ quay của các rôto phải không đổi. Để có được EMF tần số kỹ thuật (50 Hz), có thể sử dụng vòng quay tương đối chậm nếu số lượng cực rôto đủ lớn.

Để có được dòng điện ba pha, ba cuộn dây riêng biệt được đặt trong thân stato. Mỗi trong số chúng được bù so với hai cái còn lại bằng một phần ba khoảng cách cung giữa các cực liền kề (đối diện) của cuộn cảm.

Có thể dễ dàng xác minh rằng khi cuộn cảm quay, EMF được tạo ra trong cuộn dây lệch pha (theo thời gian) 120 °. Các đầu của cuộn dây được tháo ra khỏi máy và có thể được nối sao hoặc tam giác.

Trong một máy phát điện, tốc độ tương đối của trường và dây dẫn được xác định bởi đường kính của rôto, số vòng quay của rôto trên giây và số cặp cực.

Nếu máy phát điện chạy bằng dòng nước (máy phát điện hydro) thì thường được chế tạo với số vòng quay chậm. Để có được tần số dòng điện mong muốn, cần phải tăng số lượng cực, do đó cần tăng đường kính của rôto.

Vì một số lý do kỹ thuật máy phát điện hydro mạnh mẽ chúng thường có trục thẳng đứng và nằm phía trên tuabin thủy lực, khiến chúng quay.

Máy phát điện chạy bằng tuabin hơi nước — Máy phát điện tuabin thường có tốc độ cao. Để giảm lực cơ học, chúng có đường kính nhỏ và số lượng cực nhỏ tương ứng.Một số cân nhắc kỹ thuật yêu cầu sản xuất máy phát điện tuabin có trục nằm ngang.

Nếu máy phát điện được điều khiển bởi động cơ đốt trong, thì nó được gọi là máy phát điện diesel, vì động cơ diesel thường được sử dụng làm động cơ tiêu thụ nhiên liệu rẻ hơn.

Khả năng đảo ngược máy phát điện, động cơ đồng bộ

Nếu một điện áp xoay chiều được đặt vào cuộn dây stato của máy phát từ một nguồn bên ngoài, thì sẽ có sự tương tác giữa các cực của cuộn cảm với từ trường của dòng điện được tạo ra trong stato và các mô men từ cùng một hướng sẽ tác động trên tất cả các cực.

Nếu rôto quay với tốc độ sao cho ngay sau một nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều, cực tiếp theo của cuộn cảm (ngược dấu với cực thứ nhất) sẽ nằm gọn dưới dây đang xét của cuộn dây stato, khi đó dấu của lực tương tác giữa nó và dòng điện đã đổi chiều sẽ không đổi.

Trong những điều kiện này, rôto, chịu tác động liên tục của mô-men xoắn, sẽ tiếp tục chuyển động và có thể dẫn động bất kỳ cơ cấu nào. Vượt qua lực cản đối với chuyển động của rôto sẽ xảy ra do năng lượng tiêu thụ của mạng và máy phát điện sẽ trở thành động cơ điện.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chuyển động liên tục chỉ có thể ở một tốc độ quay được xác định nghiêm ngặt, vì trong trường hợp lệch khỏi nó, một mô men gia tốc sẽ tác động một phần lên mỗi cực của rôto, chuyển động giữa hai dây dẫn của rôto. stator, một phần của thời gian - dừng lại.

Do đó, tốc độ quay của động cơ phải được xác định nghiêm ngặt - thời gian thay cực này bằng cực tiếp theo phải trùng với nửa chu kỳ của dòng điện, đó là lý do tại sao các động cơ như vậy được gọi là đồng bộ.

Nếu một điện áp xoay chiều được đặt vào cuộn dây stato có rôto đứng yên, thì mặc dù tất cả các cực của rôto trong nửa chu kỳ đầu tiên của dòng điện đều chịu tác dụng của các mô men xoắn cùng dấu, nhưng do quán tính, cánh quạt sẽ không có thời gian để di chuyển. Trong nửa chu kỳ tiếp theo, dấu của mô men quay ở tất cả các cực của rôto sẽ đổi chiều ngược lại.

Kết quả là cánh quạt sẽ rung nhưng không thể quay. Do đó, động cơ đồng bộ trước tiên phải được quấn, tức là đưa về số vòng quay bình thường, và chỉ sau đó mới bật dòng điện trong cuộn dây stato.

Sự phát triển của động cơ đồng bộ được thực hiện bằng phương pháp cơ khí (ở công suất thấp) và các thiết bị điện đặc biệt (ở công suất cao).

Đối với thay đổi tải nhỏ, tốc độ động cơ sẽ tự động thay đổi để thích ứng với tải mới. Vì vậy, khi tải trọng trên trục động cơ tăng lên, rôto sẽ ngay lập tức chậm lại. Do đó, sự dịch pha giữa điện áp đường dây và EMF cảm ứng ngược lại do cuộn cảm gây ra trong cuộn dây stato thay đổi.

Ngoài ra, phản ứng phần ứng tạo ra sự khử từ của cuộn cảm, do đó dòng điện stato tăng lên, cuộn cảm chịu mô-men xoắn tăng lên và động cơ bắt đầu quay đồng bộ trở lại, khắc phục tải trọng tăng lên. Một quá trình tương tự xảy ra với việc giảm tải.

Với sự dao động mạnh của tải, khả năng thích ứng này của động cơ có thể không đủ, tốc độ của nó sẽ thay đổi đáng kể, nó sẽ "mất đồng bộ" và cuối cùng dừng lại, trong khi EMF cảm ứng gây ra trong stato biến mất và dòng điện trong nó tăng lên sắc nét. Do đó, phải tránh dao động mạnh trong tải. Để dừng động cơ, rõ ràng trước tiên bạn phải ngắt mạch stato, sau đó ngắt cuộn cảm; khi khởi động động cơ, bạn phải tuân thủ thứ tự thao tác ngược lại.

Động cơ đồng bộ thường được sử dụng để điều khiển các cơ chế hoạt động ở tốc độ không đổi. Dưới đây là những ưu điểm và nhược điểm của động cơ đồng bộ và các phương pháp khởi động chúng: Động cơ đồng bộ và ứng dụng của chúng

Dải phim giáo dục - "Động cơ đồng bộ", được tạo bởi nhà máy hỗ trợ giáo dục trực quan vào năm 1966. Bạn có thể xem nó ở đây: Phim đèn chiếu «Động cơ đồng bộ»