Giái thích về điện 3 pha - Máy phát điện 3 pha

Giái thích về điện 3 pha - Máy phát điện 3 pha

Kỹ thuật điện có tiếng là bí ẩn, đó là lý do tại sao thuật ngữ Ma thuật khói ma thuật trở thành trò đùa trong các kỹ sư điện và kỹ thuật viên. Tuy nhiên, một kiến ​​thức làm việc về các nguyên tắc kỹ thuật điện có thể cực kỳ hữu ích ngay cả khi bạn không phải là kỹ sư điện, đặc biệt là nếu bạn phải làm việc với nó!

Với ý nghĩ đó, bài viết này đề cập đến một khái niệm cốt lõi trong kỹ thuật điện: năng lượng điện ba pha. Chúng tôi sẽ bắt đầu với những điều cơ bản và tiến lên, với mục tiêu đến cuối bài viết này, làn khói ma thuật đã giành chiến thắng có vẻ khá kỳ diệu.

Hiện tượng này ban đầu được mô tả bởi Michael Faraday. Nếu một dây dẫn được đặt trong một từ trường khác nhau (như được chỉ ra trong hình bên dưới) thì lực điện từ cảm ứng (EMF), tức là điện áp, xuất hiện ở đầu đối diện của nó. Một dòng điện chạy khi vòng lặp của mạch dẫn được đóng lại, với điều kiện dây dẫn được đặt trong từ trường khác nhau được truyền qua các đường sức từ.

Dòng điện xoay chiều và cảm ứng điện từ

Dòng điện xoay chiều (AC) có dạng hình sin và thay đổi hướng và biên độ của nó xen kẽ. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bởi một máy phát điện xoay chiều hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ (EMI). Do đó, máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Các bộ phận cơ bản của nó là stato và rôto. Cái sau đại diện cho nguồn từ trường trong khi cái trước chứa dây dẫn trong đó EMF được cảm ứng (nói chung dây dẫn ở dạng dây cuộn).

Máy phát bao gồm nguồn của từ trường khác nhau (nam châm hoặc nam châm điện) và dây dẫn đi qua các đường sức từ. Nam châm điện là một vết thương ferromagnet (sắt) bằng cuộn dây (dây dẫn). Bàn ủi trở thành nam châm (tạo ra từ trường) khi có dòng điện chạy qua cuộn dây. Nam châm điện là nguồn từ trường được sử dụng phổ biến nhất vì những ưu điểm đặc biệt của chúng trong ứng dụng này (ví dụ: kiểm soát cường độ từ tính, công suất nam châm lớn hơn, v.v.).

Giá trị điện áp cảm ứng ở hai đầu của dây dẫn stato phụ thuộc vào cường độ từ trường (tỷ lệ với số lượng đường sức từ trên một đơn vị diện tích), tốc độ thay đổi từ trường (tốc độ quay của nam châm hoặc dây dẫn) và góc mà tại đó các đường sức từ đi qua dây dẫn.

Trong thực tế, cuộn dây (dây dẫn có nhiều vòng) được sử dụng thay cho dây dẫn cơ bản để đạt được giá trị EMF cao hơn. Giá trị EMF tỷ lệ thuận với số vòng quay N. Ví dụ, trong trường hợp cuộn dây có 100 vòng, EMF cảm ứng sẽ cao hơn 100 lần so với một cuộn dây trong một đoạn dây dẫn.

Tại sao dòng điện xoay chiều có hình dạng hình sin?

Rôto (nam châm) quay trong từ trường, tạo ra 360˚ đầy đủ trong một khoảng thời gian (t). Khoảng thời gian t tỷ lệ nghịch với tần số, tức là, t = 1 / f. Hoa Kỳ sử dụng hệ thống AC 60 Hz (t = 1 / f = 16,67 ms), trong khi Châu Âu sử dụng hệ thống 50 Hz (t = 1 / f = 20 ms). Điều này có nghĩa là một rôto trong máy phát 60 Hz bao phủ toàn bộ vòng quay 360˚ trong 16,67 ms.

Tạo dòng điện xoay chiều. 

Điện áp cảm ứng, cũng như dòng điện rút ra từ máy phát điện, có dạng hình sin, như hình trên là kết quả của nguyên lý làm việc và xây dựng máy phát điện. Các đường sức từ đi qua các cuộn dây ở một góc khác khi rôto (nam châm) quay. Do đó, khi rôto dịch chuyển, một giá trị EMF khác được tạo ra trong cuộn dây (như được biểu thị bằng biên độ hình sin trong hình trên).

Nam châm rôto có hai cực, bắc (N) và nam (S). Khi rôto (nam châm) quay, các cực nam châm ngược lại đi qua cuộn dây trong mỗi nửa chu kỳ (180˚), tạo ra một EMF có cực tính đảo ngược. Phân cực điện áp đảo ngược gây ra một hướng dòng điện đảo ngược (tức là, dòng điện xoay chiều).

Máy phát điện xoay chiều đa pha

Một máy phát có thể được sản xuất với một số cuộn dây khác nhau được đặt trong stato. Một cuộn dây trong stato tạo thành một máy phát một pha, trong khi một số cuộn dây tạo thành một máy phát đa pha. Một EMF với biên độ bằng nhau được tạo ra trong mỗi cuộn dây.

Những ưu điểm chung của máy phát đa pha so với máy phát một pha có công suất tương đương là cái trước nhỏ hơn, nhẹ hơn và ít tốn kém hơn. Về cơ bản, sự khác biệt vật lý duy nhất giữa một máy phát đơn và máy phát đa pha là các cuộn dây bổ sung với các bộ phận đi kèm trong stato. Mỗi pha tạo ra lượng năng lượng xấp xỉ bằng nhau. Năng lượng được tạo ra sẽ được nhân với số lượng pha (tức là, cuộn dây được cài đặt trong máy phát).

Khi so sánh với hệ thống một pha, hệ thống hai pha đòi hỏi nhiều dây và dây dẫn dày hơn nhưng không có bất kỳ lợi ích bổ sung nào, đó là lý do tại sao nó không phổ biến trong thực tế.

Máy phát điện ba pha. 

Máy phát điện ba pha. 

Sơ đồ trên minh họa một máy phát ba pha. Stator có ba cuộn dây (11 ', 22', 33 ') và rôto có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Nó quay thông qua một lực bên ngoài, cho dù nước đó trong tuabin thủy điện, hơi nước trong nhà máy điện, gió trong tuabin gió, v.v.

Từ trường quay cùng với nam châm rôto. EMF cảm ứng trong mỗi cuộn dây stato có cùng biên độ và tần số (pha dịch chuyển trong 120 °).

Ba EMF cảm ứng này đại diện cho ba pha và sự dịch chuyển thời gian giữa chúng (2π / 3) là sự dịch pha hoặc dịch chuyển pha. Lý do cho việc dịch chuyển các pha là các cuộn dây dịch chuyển không gian trong stato: Các cuộn dây được dịch chuyển vật lý 120 với nhau. Về cơ bản, việc xây dựng máy phát điện và nguyên lý làm việc của nó xác định hình dạng và giá trị điện áp cảm ứng. Rôto chung quay với tốc độ bằng nhau, và do đó, các giá trị tần số của tất cả các điện áp cảm ứng cũng bằng nhau.

Điều cần thiết là cả ba EMF cảm ứng đều nhau, với sự dịch chuyển pha bằng nhau giữa chúng. Điều này thể hiện hệ thống ba pha đối xứng.

Một hệ thống ba pha đối xứng khi và chỉ khi:

Một tải của mỗi pha có giá trị trở kháng bằng nhau;

Trở kháng tải của mỗi pha có góc pha bằng nhau;

Điện áp và giá trị hiện tại bằng nhau cho từng pha và;

Độ dịch pha là 120˚ giữa mỗi pha.

Trong trường hợp hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện không chảy qua một đường trung tính chung.

Hệ thống AC ba pha

Ngày nay, hệ thống ba pha đóng vai trò là nền tảng của hầu hết các hệ thống điện, bao gồm sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Đây là một trong những đổi mới quan trọng nhất được đóng góp bởi Nikola Tesla (1856-1943) vì nó cho phép tạo và truyền năng lượng hiệu quả và đơn giản hơn.

Việc tăng giá trị năng lượng của hệ thống truyền tải điện đòi hỏi phải tăng số lượng đường truyền (dây dẫn), do đó thêm vào tổng chi phí.

Hãy giả sử chúng tôi muốn có thêm 3 lần năng lượng được truyền trong hệ thống. Sơ đồ dưới đây cho thấy ba hệ thống một pha (ba máy phát cách ly với nhau). Hệ thống này yêu cầu sáu đường giữa máy phát điện và người tiêu dùng, với mỗi dây dẫn mang tổng giá trị hiện tại.

Ba hệ thống đơn pha. 

Ba hệ thống đơn pha. 

Tổng giá trị công suất ba được truyền chỉ với ba hoặc bốn dòng, tùy thuộc vào việc hệ thống ba pha được kết nối có hoặc không có đường trung tính. Đường trung tính mang dòng điện, là kết quả của hệ thống ba pha không cân bằng, tức là, sự khác biệt giá trị hiện tại giữa các pha. Dòng điện qua đường trung tính thường thấp (thấp hơn giá trị hiện tại của dòng) và mặt cắt ngang của đường trung tính có thể mỏng hơn.

Trong khi sơ đồ trên cho thấy một trường hợp gồm ba hệ thống một pha trong đó cần có sáu dòng để mang công suất, thì sơ đồ dưới đây minh họa hệ thống ba pha trong đó chỉ có ba dòng là cần thiết cho cùng một công suất.

Một hệ thống ba pha duy nhất.

Một hệ thống ba pha duy nhất.

Các đầu của nguồn điện áp (và tải ở phía bên kia) được kết nối trong một điểm chung, được gọi là điểm trung tính hoặc điểm sao.

Kết nối hệ thống ba pha

Bạn có thể thấy trong sơ đồ trên rằng máy phát ba pha có thể được kết nối theo nhiều cách khác nhau. Các cuộn dây máy phát có thể được kết nối trong kết nối sao (YN) hoặc delta (D). Kết nối trước đây là kết nối được sử dụng phổ biến nhất cho cuộn dây stato.

Kết nối sao được hình thành khi các đầu của cả ba cuộn dây stato kết nối tại một điểm (điểm sao), thường được nối đất. Đường trung tính có thể được liên kết với điểm sao, nhưng điều này không bắt buộc. Các đường nối với các đầu khác của cuộn dây stato là các đường pha (được gọi là các pha). Hình ảnh dưới đây cho thấy các đầu nối cuộn dây stato nơi kết nối sao được thực hiện.

Một kết nối delta được hình thành bằng cách kết nối đầu của một cuộn dây với đầu của một cuộn dây khác. Ba cuộn dây được liên kết theo cách này tạo thành kết nối delta.

Trong trường hợp hệ thống ba pha YN, hai điện áp có sẵn cho người tiêu dùng: điện áp đường dây và pha. Người tiêu dùng được cung cấp từ điện áp đường dây (U12, U23, U13) khi được kết nối giữa hai pha bất kỳ, như hình dưới đây. Mặt khác, nếu người tiêu dùng được cung cấp từ điện áp pha (U1, U2, U3), thì nó được kết nối giữa bất kỳ kết nối pha và trung tính nào. Điện áp đường dây luôn cao hơn giá trị điện áp pha.