Giáo trình Máy điện II

 công suất máy phát thứ hai và hệ số công suất mỗi máy phát. 
 ĐS: P2 = 3000kW; Q2 = 500kVAr 
 Cos 1ϕ = 0,848; Cos 2ϕ = 0,986 
3.2. 
 Cho hai máy phát điện đồng bộ nối Y hoàn toàn giống nhau và có xđb = 
4,5Ω làm việc song song. Tải chung, ở điện áp 13,2 kV là 26000 kW, hệ số 
công suất là 0,866 được phân đều cho hai máy. Nếu thay đổi kích từ để phân 
phối lại công suất phản kháng sao cho hệ số công suất của một máy cos 1ϕ = 1 
thì lúc đó hệ số công suất cos 2ϕ của máy kia là bao nhiêu? Tính E0 và θ của 
mỗi máy trong trường hợp đó. 
 ĐS: cos 2ϕ = - 490 
E1 = 8039,1V; 1θ = 190 
E2 = 10880,83 V; 2θ = 140. 
 135
CHƯƠNG IV: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐẶC BIỆT 
§ 4.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN PHẢN KHÁNG (RELUCTANCE MOTOR) 
Là loại máy điện đồng bộ không có dây quấn kích từ, nguyên lý làm việc 
dựa vào sự khác nhau giữa từ trở dọc trục xd và ngang trục xq. Vì như ta đã biết 
Công suất điện từ của máy điện đồng bộ gồm hai phần : 
 Pđt = Pe + Pu 
Trong đó: Pe : Công suất điện từ chính 
 Pu: Công suất điện từ phụ 
Khi không có nguồn kích từ thì Pe = 0, lúc đó lợi dụng công suất điện từ phụ 
Pu để tạo ra môment. 
 Pu = θ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ − 2Sin
x
1
x
1
dq2
 mU2 
Để thực hiện được xd ≠ xq rôto của máy được chế tạo như hình 4.1 với cấu 
tạo như trên hình 4.1a, rôto được ghép bằng những lá thép tròn có những chỗ 
khuyết để tăng khe hở giữa cá cực và do đó tăng từ trở của mạch từ hướng ngang 
trục, trên rôto có đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc để mở máy. Ở hình 4.1 b – 
c, rôto được chế tạo bằng cách đổ nhôm vào các tập lá thép, ở đây nhôm có tác 
dụng của dây quấn mở máy. 
Do không có dây quấn kích từ nên động cơ phải lấy dòng điện từ mạng 
điện và có cosϕ thấp ( do cấu tạo rôto nên dòng điện từ hoá lớn để tạo nên từ 
thông cần thiết qua mạch từ có từ trở lớn ). Trọng lượng động cơ phản kháng 
thường gấp 2, 3 lần trọng lượng động cơ không đồng bộ cùng công suất. Thường 
các động cơ phản kháng được chế tạo với công suất 50 ÷ 100 W. 
Hình 4.1. 
 136
§ 4.2. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 
Động cơ bước là loại động cơ được dùng để biến đổi các lệnh cho dưới 
dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc hay đường thẳng – như là 
bước từng bước mà không cần cảm biến phản hồi. 
Động cơ làm việc phải có kèm theo bộ đổi chiều điện tử dùng để chuyển 
đổi các cuộn dây điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số tùy theo lệnh 
đã cho. Góc quay tổng hợp của rotor động cơ bước tương ứng chính xác với số 
lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự 
chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc tần số chuyển đổi. Như vậy trong trường hợp 
tổng quát có thể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiều điện tử như là 
một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị trí góc 
xoay rotor, tức là bằng cách thay đổi tần số cho đến không. 
Động cơ bước được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động, 
thí dụ trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình, trong các thiết bị của 
kỹ thuật máy tính, Trong các hệ thống trên, động cơ bước được sử dụng hoặc 
để thực hiện sự truyền động theo chương trình điều khiển các cơ cấu thừa hành 
như nhiệm vụ động cơ chấp hành, hoặc như là một phần tử phụ biến đổi các mã 
xung thành tín hiệu điều chế cho một hệ thống nào đó. 
Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu 
riêng về kỹ thuật, ngoài những yêu cầu chung : 
- Có bước chuyển dịch bé. 
- Moment đồng bộ hoá đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi 
thực hiện bước di chuyển. 
- Không tích lũy sai số khi tăng số bước. 
- Tác động nhanh. 
- Làm việc bảo đảm khi có cuộn dây điều khiển ít nhất. 
- Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản. 
Tùy theo cấu tạo động, cơ bước có những loại như : 
- Chỉ thị hay động lực. 
- Thuận nghịch hay không thuận nghịch. 
- Có một stator hay nhiều stator. 
- Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển (quấn tập trung hoặc quấn rải). 
- Rotor phản kháng (không có dây quấn) và rotor tác dụng (có dây quấn 
kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu). 
- Rotor hình đĩa hay rotor mạch in. 
 137
- Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp 
1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper 
motor) 
Cấu trúc tiêu biểu của động cơ bước nam châm vĩnh cửu được trình bày ở 
hình trên. Đây là động cơ 4 pha, mỗi pha quấn trên 2 cực stator. Stator trong 
thiết kế này phải có 8 cực. Rotor bằng nam châm vĩnh cửu có trục thẳng hàng 
với cực stator 1-1’. Nó được giữ ở vị trí này, khi đặt dòng điện I1 vào pha thì cực 
stator 1 được từ hoá như cực nam, còn cực stator 1’ được từ hoá như cực bắc. Chú 
ý chiều dây quấn để tạo ra dạng từ hoá này. Đặt dòng điện I4 vào pha 4, cực từ 
hoá 4-4’ hình thành (I1 được cắt ra). Khi đó lực từ hoá tác động tương hỗ với từ 
trường rotor sinh ra moment đồng bộ xoay rotor 1 góc 450, theo chiều kim đồng 
hồ, để cực bắc rotor đến cực stator 4. Lần lượt đưa dòng điện I3, I2 (mỗi pha 1 
lần) vào pha 3, pha 2. Khi đó rotor xoay theo chiều kim đồng hồ mỗi bước 450. 
Để rotor xoay tiếp lần lượt đưa I1, I4, I3, I2 vào pha 1, 4, 3, 2 nhưng chiều dòng 
điện đổi lại. Như vậy nguồn điều khiển là loại đổi cực. Sau mỗi lần xoay 1800, 
dòng điện điều khiển đổi chiều. Như vậy trình tự điều khiển cho động cơ tiến 
theo chiều kim đồng hồ là 1-4-3-2. Để cho động cơ tiến ngược chiều kim đồng 
hồ trình tự điều khiển phải được đảo ngược lại 1-2-3-4. 
 138
Hình 4-2 : Cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 
2. Động cơ bước từ trở biến đổi, 1 tầng (single stack variable – 
reluctance stepper motor) 
Cấu tạo của động cơ này được trình bày ở hình 4-2. Rotor và stator được 
chế tạo bằng vật liệu.từ. Động cơ có 3 pha, mỗi pha được quấn trên 4 cực hay 
răng của stator. Ví dụ pha 1 được quấn trên cực 1, 4, 7, 10 của stator. Stator có 
12 răng và rotor có 16 răng. Cực ngược cực tính được quấn theo chiều ngược lại 
để tạo sự cân bằng giữa từ thông vào và ra khỏi rotor. Giả sử dòng điện I1 đặt 
vào pha 1 và 4 răng rotor đối đỉnh với răng 1, 4, 7, 10 của stator. Từ thông đi vào 
rotor từ răng stator 4, 10, và ra khỏi rotor qua răng 1, 7, từ thông khép kín qua 
khung stator, có thể thấy rằng đỉnh răng stator 4 là cực bắc và đỉnh răng đối đỉnh 
với răng stator 4 là cực nam (cảm ứng). Sự phân cực này phải tồn tại để cho 
phép từ thông lớn nhất qua khe hở giữa hai răng đối đỉnh. Tương tự cho 2 pha 
còn lại. 
Để rotor tiến 1 bước theo chiều kim đồng hồ thì 3 pha được quấn trên răng 
stator 2, 5, 8, 11 được đặt dòng điện I3 vào và dòng điện I1 được cắt. Bây giờ do 
đường sức chọn đường đi có từ dẫn lớn nhất hay từ trở bé nhất nên xuất hiện 
moment phản kháng kéo răng rotor gần răng stator 2, 5, 8, 11 nhất vào vị trí đố 
đỉnh. Đó là các răng rotor a, d, b, c, đối đỉnh với các răng tương ừng 2, 5, 8, 11 
của stator. Kết quả rotor ở một vị trí cân bằng mới. Nếu dòng điện I2 tiếp theo 
đưa vào pha 2, I3 bị cắt thì rotor sẽ bước thêm 1 bước nữa theo chiều kim đồng 
hồ. 
Như vậy trình tự 1-3-2-1 cho rotor động cơ tiến theo chiều kim đồng hồ. 
Muốn rotor quay ngược lại trình tự kích thích là 1-2-3-1. Nguồn kích thích là loại 
đơn cực. 
Góc bước của rotor θs được xác định như sau : 
ZR : Số răng Rotor. 
 139
ZS : Số răng Stator. 
m : Số pha. 
 tR = 
R
0
Z
360 : Bước răng Rotor (độ). 
 tS = 
S
0
Z
360 : Bước răng Stator (độ). 
 θS = m
tR = 
R
0
Zm
360
.
 = Góc bước (độ/bước). 
 RS = 
S
0360
θ = ZR.m (bước/vòng). 
Tốc độ : n = 
SR
f60 = 
mZ
f60
R .
 = 
6
fSθ (vòng/phút). 
Thì đối với động cơ ở hình 2, ta có : 
 tR = 
R
0
Z
360 = 
16
3600 = 22.50 
 tS = 
S
0
Z
360 = 
12
3600 = 300 
 θS = 
R
0
Zm
360
.
 = 
163
3600
.
 = 7.50 
 RS = ZR.m = 16.3 = 48 bước/vòng 
Có thể giải thích nguyên lý làm việc của động cơ bước đơn giản như sau: 
 a) b) c) 
Hình 4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ bước 
Động cơ bước là loại động cơ quay gián đoạn từng góc độ xác định bởi tác 
dụng của mạch điện xung đặt vào dây quấn stator của nó. Nó được dùng trong 
 140
các mạch tự động và điều chỉnh, thiết bị đồng hồ, tính toán, trong máy cắt gọt 
làm việc theo chương trình. 
Hình 4.3 trình bày cấu tạo của loại động cơ bước đơn giản nhất. Stator và 
rotor có số đôi cực khác nhau. Khi đóng điện áp vào dây quấn 1-1, thì rotor ở vị 
trí hình 4.3 a, khi tiếp tục đóng điện vào dây quấn 2-2 thì rotor quay đi một góc 
150 ( b ). Ngắt dòng điện qua dây quấn 1-1 thì rotor quay tiếp thêm 150 ( hình 
4.3 c ), v.v 
Có thể thay đổi góc quay bằng cách thay đổi số đôi cực hoặc ghép các đôi 
stator và rotor lệch nhau một góc nhất định trên cùng một trục. 
Với cấu tạo khác nhau, động cơ bước có thể cho các góc quay từ 10 ÷ 1800. 
Tần số xung giới hạn để động cơ có thể mở máy được và đứng mà không mất 
bước vào khoảng 10 ÷ 10000 Hz.