Bài giảng Máy điện 1: Chương 2 - TS. Trần Tuấn Vũ

Học phần EE3140 – MÁY ĐIỆN I

Chương 2

Lý thuyết cở bản về máy điện quay TS. Trần Tuấn Vũ BM Thiết Bị Điện - Điện Tử Viện Điện / C3-106 vu.trantuan@hust.edu.vn / 0906 298 290

1

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

12/2015

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

TổngTổng kếtkết

Các mục chính đã học

Chương 1 – Máy biến áp 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MBA 2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA 3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MBA 4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

Buổi học tới

Chương 2 – Những vấn đề chung về MĐ quay

1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN

Các mục sẽ học

2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 4. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

2

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

1. 1. Nguyên Nguyên lýlý biếnbiến đổiđổi điệnđiện cơcơ (1/11) (1/11)

1.1. Tổng quan về máy điện quay và phân loại

Máy điện

Máy điện quay Máy điện tĩnh

MĐ xoay chiều MĐ 1 chiều

MĐ đồng bộ MĐ không đồng bộ

Động cơ Máy biến áp Máy phát

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

3

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

1. 1. Nguyên Nguyên lýlý biếnbiến đổiđổi điệnđiện cơcơ (2/11) (2/11)

1.2. Biến đổi điện cơ và cấu tạo

Trục

Cấu tạo

Rãnh stator/rotor

STATOR

Dây quấn

Khe hở không khí

Vỏ máy điện

ROTOR

4

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (3/11) (3/11)

2.1. Khái niệm chung

Vai trò của dây quấn

Tạo ra sức điện động nhất định cho máy. Tạo ra một từ trường cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng trong máy. Có độ bền nhất định về cơ, điện, nhiệt. Chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, giá thành rẻ. Theo số pha

Theo số lớp

Yêu cầu đối với dây quấn Các loại dây quấn

Theo cách xếp đặt

q =

Theo số

1 pha (nguồn 1 pha). 2 pha (nguồn 1 pha). 3 pha (nguồn 3 pha). 1 lớp 2 lớp. dây quấn xếp dây quấn sóng. phân số. số nguyên.

Z 2mp ( Z: số rãnh; p : số đôi cực; m: số pha; q : số rãnh của 1 pha dưới 1 cực.)

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

5

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (4/11) (4/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều

Sơ đồ triển khải dây quấn máy điện xoay chiều 3 pha: Z = 24; 2.p = 4 (24 rãnh stator; 4 cực)

Dây trung tính nối Y

Pha C Pha B Pha A

6

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (5/11) (5/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp

Mỗi rãnh chỉ đặt 1 cạnh tác dụng của 1 phần tử (gồm 2 cạnh tác dụng)

Ví dụ: Dây quấn stato ĐCKĐB.

Es – sđđ của 1 phần tử

Etd’, Etd’’ – sđđ của thanh dẫn

& = & & ' E- E E td

s

'' td

'

tdE&

''

tdE&

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

7

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (6/11) (6/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp

*Một số khái niệm về cực trong dây quấn

- Số cực 2p: số cực N, S do từ trường dây quấn stator tạo ra.

- Số đôi cực p: số cặp cực NS - Bước cực t

(tô): khoảng cách giữa hai cực NS dọc theo khe

hở không khí giữa stator và rotor

Ví dụ: Xét chiều dòng điện trong các thanh dẫn vào thời điểm

iA = Imax

8

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (7/11) (7/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp

Ví dụ: Phân tích và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn một lớp, ba pha: Z = 24; 2p = 4;

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

9

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (8/11) (8/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp

Sự phối hợp các thanh dẫn, phần tử tạo nên dây quấn pha stator

Quy ước: lấy số thứ tự rãnh trong đó đặt cạnh tác dụng thứ nhất của một phần tử gọi tên phần tử.

10

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (9/11) (9/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều

Sơ đồ triển khải dây quấn máy điện xoay chiều 3 pha: Z = 24; 2.p = 4 (24 rãnh stator; 4 cực)

Dây trung tính nối Y

Pha C Pha B Pha A

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

11

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (10/11) (10/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.2. Dây quấy 2 lớp

y

Định nghĩa

Đặc điểm

Mỗi rãnh đặt 2 cạnh tác dụng của 2 phần tử khác nhau. Mỗi phần tử có 1 cạnh tác dụng nằm ở lớp trên của 1 rãnh và 1 cạnh nằm ở lớp dưới của rãnh khác. Số phần tử S = số rãnh Z. Ưu điểm

dây quấn 2 lớp

Nhược điểm

Phân loại dây quấn theo bước

Có thể thực hiện được bước ngắn để cải thiện được dạng sóng của sức điện động. Lồng dây quấn vào rãnh cũng như sửa chữa khó khăn hơn. y - khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng. y = b dây quấn bước dài dây quấn bước đủ. dây quấn bước ngắn.

> 1 = 1 < 1

dây quấn xếp

dây quấn xếp dây quấn sóng

Phân loại dây quấn theo cách đặt

dây quấn sóng

t b b b

12

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

2. 2. DâyDây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (11/11) (11/11)

2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.2. Dây quấy 2 lớp

Dây quấn 1 lớp

Dây quấn 2 lớp

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

13

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay

1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN

TổngTổng kếtkết

Các mục chính đã học

2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

Buổi học tới

Chương 2 – Lý thuyết cơ bản về MĐ quay

Các mục sẽ học

Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

4. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

14

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (1/10) (1/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều

• Thanh dẫn đặt trong từ trường biến thiên hoặc chuyển động tương đối so với từ trường sẽ được cảm

ứng sức điện động.

• Xét một máy cụ thể là máy phát điện đồng bộ rotor cực lồi.

Từ cảm B dọc theo khe hở không khí

giữa stator và rotor có dạng hình thang

cong có thể phân tích thành dãy Fourier:

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

15

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (2/10) (2/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 (cơ bản) a. SĐĐ của 1 thanh dẫn

t

16

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (3/10) (3/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 b. Sức điện động của 1 vòng dây hoặc 1 bối dây

''

tdE- &

Sức điện động của 1 bối dây có ws vòng dây đặt trong 1 rãnh:

'

=

& E

& E

& E

v

' td

'' td

tdE&

-

Es = wsEv = 4,44.F

.f.kn.ws

b π

''

tdE&

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

17

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (4/10) (4/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 c. Sức điện động của 1 nhóm bối dây Eq

• Xét 1 nhóm bối dây có q bối dây (q phần tử) mắc

nối tiếp và đặt trong một số rãnh liên tiếp.

• Góc điện giữa 2 rãnh liên tiếp:

α =

2π Z p

• Vùng pha g = q.a • Sức điện động các phần tử lệch nhau góc α

• Hệ số quấn rải:

sin

tong hinh

Ehoc

q

=

=

k

r

daiΣ

E so

q

qsin

qα 2 α 2

S

.f.kn.ws.kr .f.q.kdq.ws

Eq = q.Es.kr Eq = q.4,44.F Eq = 4,44.F Hệ số dây quấn kdq = kn.kr;

18

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (5/10) (5/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 d. Sức điện động của một pha dây quấn: Ef

• Mỗi pha dây quấn có nhiều nhóm bối dây mắc nối tiếp hoặc song song.

• Sức điện động một pha = sức điện động một nhánh song song.

• Mỗi nhánh song song có n nhóm bối dây có vị trí giống nhau trong từ trường do đó sđđ

.f.q.kdq.ws = 4,44.F

.f.kdq.w

có thể cộng số học: Ef = n.Eq = n.4,44.F (w = n.q.wS - số vòng dây của một nhánh song song) • Ví dụ: 2 nhóm bối dây A1X1 và A2X2 của pha A dây quấn.

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

19

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (6/10) (6/10)

3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.2. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc cao (B3, B5, …Bn )

• Sđđ của 1 pha dây quấn bậc n : En = 4,44.F

n .fn .kdq.w

• Tổng hợp sđđ của 1 pha dây quấn: e = e1 + e3 + e5...

+

+

+

E

E

E

....

• Trị số hiệu dụng E =

2 1

2 3

2 5

20

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (7/10) (7/10)

3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ

Cần phải cải thiện dạng sóng của từ cảm khe hở không khí và SĐĐ để nó có dạng gần hình sin (giảm tổn hao do sóng hài) 3.2.1. Chọn độ cong mặt cực một cách thích hợp

•

: khe hở nhỏ nhất, nằm giữa mặt cực;

d m : khe hở ở mỏm cực từ.

=

• • bc: bề rộng mặt cực • Công thức gần đúng:

δ x

π

cos

δ x τ

• Thông thường: bc = (0,67‚ 0,75)t

d

m = (1,5‚ 2,6)d

d

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

21

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (8/10) (8/10)

3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ 3.2.2. Rút ngắn bước dây quấn

22

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (9/10) (9/10)

3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ 3.2.3. Quấn rải

Bằng cách tăng số nhóm bối dây

sin

=

Hệ số quấn rải:

k rν

sinq

νqα 2 να 2

Quấn tập trung q = 1 → krν = 1 → E3, E5, E7 đều tồn tại. Quấn rải q > 1 → krν < kr1 → E3, E5, E7 bị suy yếu. Ví dụ: Tesla (q = 5), Zóe Renault (q = 4)

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

23

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

3. SĐĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay 3. SĐĐ xoay chiều chiều (10/10) (10/10)

3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ

3.2.4. Rãnh chéo

- Rotor rãnh thẳng, stato rãnh chéo (rãnh nghiêng) với độ chéo bc bằng một bước răng rôto.

- Stato rãnh thẳng, rotor rãnh chéo (rãnh nghiêng) với độ chéo bc bằng một bước răng stato.

bc

Rãnh thẳng

Rãnh chéo

24

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (1/6) (1/6)

4.1. Khái niệm chung

• Dòng điện xoay chiều I chạy trong dây quấn sẽ sinh ra

dọc theo khe hở không khí giữa mạch từ của

từ thông F stator và rotor.

=

=

n

k

k

n

1

2

=

=

Sức từ động (STĐ):

F

∑

∑

H l k k

W i k k

= k 1

= k 1

• Tuỳ theo tính chất của dòng điện (1, 3 pha) và loại dây quấn (1, 2, 3 pha) mà sức từ động F có thể là STĐ đập mạch hoặc STĐ quay.

f = f(F)

F

f

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

25

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (2/6) (2/6)

4.2. STĐ của dây quấn 1 pha

• Sức từ động dây quấn một pha là đập mạch:

tsina

Fđm = Fmsinw : góc không gian.

t: góc thời gian.

- a - w

Sức từ động tại một vị trí trong khe hở không khí giữa stato và rotor biến thiên theo thời gian

Sức từ động tại một thời điểm bất kỳ biến thiên theo vị trí trong khe hở không khí giữa stato và rotor

26

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (3/6) (3/6)

4.3. STĐ của dây quấn 2 pha

t ± a )

Sức từ động của dây quấn hai pha là sức từ động quay: Fq = Fmsin(w

t + a )

F quay ngược = Fmsin(w

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

27

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (4/6) (4/6)

4.3. STĐ của dây quấn 2 pha

:

• Quan hệ giữa Fđm và Fq

28

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều ((55/6)/6)

4.4. STĐ của dây quấn 3 pha

• Dây quấn 3 pha là hệ thống 3 dây quấn 1

pha đặt lệch nhau góc không gian là 1200

t

t - 1200)

t - 2400)

iA = Isinw iB = Isin(w iC = Isin(w

• Sức từ động của dây quấn 3 pha là sức từ động quay

∑F&

BF&

BF&

AF&

BF&

3

AF&

CF&

2

∑F&

29

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

44. STĐ . STĐ dâydây quấnquấn máymáy điệnđiện xoay xoay chiều chiều (6/6) (6/6)

4.4. STĐ của dây quấn 3 pha

30

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY

Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

TổngTổng kếtkết

Các mục chính đã học

3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

3. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

Buổi học tới

Chương 3 – Máy điện Không Đồng Bộ (KĐB)

1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KĐB

Các mục sẽ học

2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KĐB 3. MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 4. ĐỘNG CƠ KĐB 1 PHA

ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV

31