GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN II - PHẦN III CÁC VẤN ĐỀ LÍ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU - CHƯƠNG 2 pps

CHƯƠNG II: DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU § 2.1 ĐẠI CƯƠNG Dây quấn máy điện xoay chiều có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động s.đ.đ nhất định đồng thời cũng tham gia vào việc tạ

CHƯƠNG II: DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN

XOAY CHIỀU

§ 2.1 ĐẠI CƯƠNG

Dây quấn máy điện xoay chiều có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động (s.đ.đ) nhất định đồng thời cũng tham gia vào việc tạo nên từ trường cần thiết cho sự biến đổi năng lượng điện từ trong máy

Kết cấu của dây quấn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:

+ Tiết kiệm dây quấn (phần đầu nối)

+ Bền về cơ, nhiệt, điện

+ Chế tạo đơn giản, lắp ráp, sửa chữa dễ dàng

Phân loại dây quấn:

+ Theo số pha: m = 1, 2, 3

+ Theo số rãnh của một pha dưới mỗi bước cực q

+ Theo lớp: 1 lớp, 2 lớp

+ Theo hình dạng phần đầu nối: dây quấn đồng khuôn, đồng tâm, xếp, sóng .v.v.v

Thường thì số rãnh của 1 pha dưới một cực q là số nguyên nhưng trong một số trường hợp cần thiết q có thể là phân số Dây quấn máy điện xoay chiều có thể đặt trong rãnh thành 1 lớp hoặc 2 lớp và tương ứng là dây quấn 1 lớp và 2 lớp Trong thực tế rất nhiều loại dây quấn, trong phần này ta đề cập đến 1, 2 loại phổ biến thường gặp và mỗi loại chỉ nêu phương pháp phân tích và sơ đồ nối dây

§ 2.2 DÂY QUẤN 3 PHA CÓ Q LÀ SỐ NGUYÊN

1 Dây quấn 1 lớp:

Thường được dùng cho các động cơ điện có công suất < 7kW Trong mỗi rãnh chỉ đặt 1 cạnh tác dụng nên số bối dây S = Z/2

Thí dụ: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn kiểu đồng khuôn tập trung 1 lớp,

Z = 24, 2p = 4

• Trình tự xây dựng sơ đồ dây quấn 1 lớp với q là số nguyên:

- Xác định góc độ điện giữa 2 rãnh liên tiếp:

0 0 0

30 24

360 2 Z

360 p

=

=

=

đ Nên cạnh tác dụng từ 1 đến 12 dưới đôi cực thứ nhất làm thành hình sao s.đ.đ có 12 tia như hình 2 -1a Do vị trí các cạnh 13 đến 24 dưới đôi cực thứ 2 hoàn toàn giống vị trí của các cạnh 1 đến 12 dưới đôi cực thứ nhất nên s.đ.đ của chúng được biểu thị bằng hình sao s.đ.đ trùng với hình sao s.đ.đ thứ nhất

- Số rãnh của 1 pha dưới 1 cực:

2 2 3 2

24 mp 2

Z

- Số phần tử dây quấn:

12 2

24 2

Z

- Số phần tử dây quấn trong một pha: 4

3

12 m

S

- Số nhóm bối dây trong một pha: 2

2 3

12 mq

S

So sánh với số đôi cực 2p ta suy ra dây quấn đấu cực giả

- Pha A cách pha B là 1200 điện tương đương với:

4 30

120 120

0

0 0

=

=

- Bước dây quấn y=τ=6

- Giản đồ khai triển dây quấn:

Hình 2.1 Hình sao sức điện động 12 tia

2 Dây quấn 2 lớp:

Là loại dây quấn mà trong mỗi

rãnh đặt 2 cạnh tác dụng, nên số phần

tử bằng số rãnh của lõi thép ⇒S = Z

so với dây quấn 1 lớp dây quấn 2 lớp

có những ưu điểm sau:

- Loại này có thể thực hiện được

bước ngắn làm giảm sức điện động

bậc cao, cải thiện được dạng sóng sức

điện động, đặc tính làm việc của máy

tốt hơn

- Đầu nối của các bối dây chắc

chắn, gọn, ít choán chỗ, tránh được

phần đầu nối chạm vào nắp máy

Tuy nhiên việc lồng dây cũng như sửa chữa gặp nhiều khó khăn hơn trong dây quấn 1 lớp

Có 2 kiểu dây quấn: Quấn xếp và quấn sóng, đa số dùng dây quấn xếp Dây quấn sóng chỉ dùng với rotor dây quấn của động cơ điện không đồng bộ

a) Dây quấn xếp:

Thí dụ: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn xếp 3 pha, 2 lớp với Z = 24, 2p = 4

• Trình tự xây dựng sơ đồ dây quấn xếp 3 pha 2 lớp với q là số nguyên:

1 Vẽ hình tia sức điện động

Hình 2.2 Sơ đồ khai triển dây quấn 3 pha 1 lớp đồng khuôn tập trung với Z = 24; 2p = 4; q = 2

Hình 2.3 Hình tia sức điện động

0

0 0

30 24

360 2 Z

360

p

=

=

=

đ

p

Z

=

τ : bước cực

τ

=

β y: hệ số rút ngắn bước dây

y: bước dây

- Số rãnh của 1 pha dưới 1 bước cực:

2 2 3 2

24 mp 2

Z

- Số phần tử dây quấn: S = Z = 24

- Số phần tử trong 1 pha: 8

3

24 m

S

- Số nhóm bối dây trong 1 pha:

n = 2p ⇒ đấu cực thật (c – c, đ - đ)

5

6 5 y 5

β

= τ

⇒

= τ β

AA ZZ BB XX CC yy AA ZZ BB XX CC yy

A ZZ BB XX CC yy AA ZZ BB XX CC yy A

Cách vẽ: Đầu tiên ta phân bố cuộn dây theo vùng pha với q = 2 cho mỗi vùng Nếu rãnh 1 và 2 thuộc vùng pha A thì vùng pha B phải đặt ở rãnh 5, 6 vì pha B cần phải dịch chuyển so với pha A là 1200 tức 4 rãnh (1 + 4 = 5, 2 + 4 = 6)

4 2 3

24

=

q m

S n

Hình 2.4 Dây quấn xếp 2 lớp với Z = 24, 2p = 2, q = 5, β =5/6

Pha C cũng dịch chuyển tương đối với pha B và chiếm các rãnh (5 + 4 = 9, 6 + 4

= 10) Còn khoảng rãnh từ 13…24 cũng được phân bố xen kẽ các pha A, B, C với cùng 1 quy luật như vậy (pha A: 13, 14, pha B: 17, 18, pha C: 21, 22) Như vậy một nửa vùng pha và lớp trên đã được phân bố, còn các vùng pha khác cũng được phân bố theo các pha A, B, C và được kí hiệu tương ứng X, Y, Z Lúc này vùng X thuộc pha A dịch chuyển so với vùng A là t = 6 tức là ở các rãnh (1 + 6 =

7, 2 + 6 = 8, 13 + 6 = 19, 14 + 6 = 20) Tương tự vùng Y thuộc pha B ở các rãnh (5 + 6 = 11, 6 + 6 = 12, 17 + 6 = 23, 18 + 6 = 24) Còn vùng Z thuộc pha C ở các rãnh (9 – 6 = 3, 10 – 6 = 4, 21 – 6 = 15, 22 – 6 = 16) Sự khác nhau ở các vùng pha A, B, C và X, Y, Z là sức điện động ở các cạnh tương ứng của nó

b) Dây quấn sóng:

Trình tự xây dựng sơ đồ dây quấn sóng hai lớp:

Bước 1: Lấy số liệu Z, 2p Suy ra τ và kiểm tra lại các điều kiện Z và τ

Bước 2: Chọn bước quấn dây tổng hợp y

p

b Z

™ Khi Z = np (n là số nguyên) chọn b = 0 Trường hợp này tương ứng với Z là bội số của p

™ Khi số cạnh tác dụng trong rãnh là 2 hay là bội số của 2 (4, 6, 8,…) ta thường chọn b = 1

™ Khi trong một rãnh chỉ có một cạnh tác dụng, ta chọn b = 2

Bước 3: Gọi N là tổng số cạnh tác dụng của bộ dây quấn

¾ Nếu (N/6) là số chẵn thì một nhánh trong một pha có (N/6) cạnh tác dụng

¾ Nếu (N/6) là số lẻ thì một nhánh trong một pha có ( 1

6 −

N ) cạnh tác dụng, nhánh còn lại có ( 1

6 +

N ) cạnh tác dụng

Bước 4: Lập bảng số xác định cách quấn dây, bảng số thiết lập như sau:

• Chia bảng dây quấn thành 2p cột

• Lần lượt ghi lớp trên, lớp dưới, lớp trên, lớp dưới, … vào đầu mỗi cột biểu thị cho cạnh tác dụng trên và dưới của mỗi bối dây Sau đó, ghi số thứ tự rãnh vào mỗi ô Gọi y1 là bước bối dây và bước y2 tính như sau:

y2 = y – y1

Ta ghi số sau cách số trước một bước y1, rồi y2

• Mỗi khi ghi hết một dòng, trước khi viết ô đầu của dòng tiếp theo, ta xem mạch có bị khép kín sớm hay không Nếu có sự khép kín mạch sớm thì phải tăng hay giảm bước y2 một đơn vị

• Nếu sơ đồ quấn dùng cho stator thì phải tiến hành biện pháp vừa nêu bình thường ở trên, ngược lại nếu dây quấn dùng cho rotor ta phải chú ý cách đặt đầu dây vào mỗi pha ở các số rãnh 1; ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ + 3

Z

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ + 3

Z 2

1 vào vị trí ô thích hợp đứng đầu mỗi nhánh (trừ trường hợp 2p là bội số của 3)

2p cột

CH: Chuyển hướng

• Lập bảng số qui định đầu dây, suy ra số thanh nối chuyển hướng trong mỗi pha

Bước 5: Thực hiện sơ đồ khai triển dây quấn Nên vẽ các thanh chuyển hướng và

các đầu vào ra của mỗi nhóm bối trước tiên

Hình dạng của bảng số xác định các nhóm của các pha được mô tả trong hình vẽ sau

Bảng xác định cách đấu các pha:

Lớp trên Lớp dưới Lớp trên Lớp dưới … Lớp trên Lớp dưới

Tổng số hàng của bảng xác định cách đấu cho bối dây gồm

p

U

Z r

2

hàng, với

Ur: là số cạnh tác dụng trong một rãnh

Chú ý: Cũng như dây quấn xếp, dây quấn sóng bước ngắn cũng làm cho đặc tính

điện của máy tốt hơn

Thí dụ: Dây quấn sóng 3 pha, 2 lớp có Z = 24, 2p = 4

Bước tổng hợp:

2

24 p

Z

Chọn bước bối dây y1 là bước ngắn, với y1 = 5

Bước dây y2 = 12 – 5 = 7

Số rãnh của 1 pha dưới 1 cực:

4 3

24 mp 2

Z

Số phần tử S = Z =24

 Bảng xác định cách đấu các pha:

Bảng có 4 cột tương ứng với 4 cực Số hàng = 12

4

2

24 = (hàng)

Đầu

A

C

B

A

Nhóm 1 Pha A

Nhóm 2 Pha C

Nhóm 3 Pha B Nhóm 4 Pha A Nhóm 5 Pha C Nhóm 6 Pha B

Lớp trên Lớp dưới Lớp trên Lớp dưới

1 +y1 6’ +y2 13 +y1 18’

2 7’ 14 19’

3 8’ 15 2’

4 9’ 16 21’

5 10’ 17 22’

6 11’ 18 23’

7 12’ 19 24’

8 13’ 20 1’

9 14’ 21 2’

10 15’ 22 3’

11 16’ 23 4’

12 17’ 24 5’

} } } }

} }

Hình 2.5 Dây quấn sóng 2 lớp với Z = 24, 2p = 4, q = 2, β =5/6

§ 2.3 DÂY QUẤN 3 PHA CÓ Q LÀ PHÂN SỐ

Ta có 2 phương pháp bố trí dây quấn (khi q là phân số) đó là phương pháp bố trí theo Clement và phương pháp bố trí theo Pyδo

™ Đối với phương pháp Clement, ta có thể bố trí dây quấn theo dạng 1 lớp hay 2 lớp Tuy nhiên dạng 2 lớp chỉ là biến dạng suy ra từ kết cấu 1 lớp Và phương pháp Clement sẽ không sử dụng được stator hay rotor có số rãnh lẻ, vì lúc đó dây quấn 1 lớp không bố trí được nên cũng không tìm ra được dạng dây quấn 2 lớp

™ Phương pháp bố trí theo Pyδo chỉ thích hợp cho dây quấn 2 lớp với Z chẳn hay lẻ đều được

Trình tự xây dựng sơ đồ dây quấn 1 lớp, q phân số theo Clement:

Bước 1:

Xác định Z 2p, sau đó tính ra: τ q , α , đ

Viết q dưới dạng sau:

d

c b

q= +

Trong đó b, c, d là số nguyên (c < d và c/d là phân số tối giản không rút gọn được)

Bước 2: Lập bảng số xác định phân bố rãnh cho 3 pha

• Bảng số thành lập gồm 3 cột (tương ứng 3 pha A, B, C) số hàng của bảng luôn luôn bằng 2p

• Sau khi kẻ xong bảng, ta điền các giá trị vào các ô chứa trong bảng (tổng số ô trong bảng là 6p ô)

Giá trị của mỗi ô xác định như sau:

d

c⎟< ,

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ : ta ghi giá trị b cho mỗi ô trong bảng

d

c⎟> ,

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ : ta ghi giá trị (b + 1) cho mỗi ô trong bảng

d

c⎟= ,

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ : ta ghi giá trị b hay (b + 1) cho mỗi ô trong bảng

Bước 3: Bảng số thành lập trong bước 2 là bảng phân bố rãnh cho mỗi pha trên

mỗi khoảng bước cực Nếu cộng tổng số các giá trị ghi cho các ô trong bảng, giá trị này có thể:

ƒ Nhỏ hơn tổng số rãnh thực Z của động cơ, nếu mỗi ô ghi giá trị b

ƒ Lớn hơn tổng số rãnh Z của động cơ, nếu mỗi ô ghi giá trị (b + 1)

Như vậy trong bước 3 ta điều chỉnh các giá trị ghi theo bảng 2 để có phân bố rãnh đúng theo tổng số rãnh thực Z đang có trên stator

Phương pháp tăng hay giảm số rãnh phân bố trong bảng phân bố rãnh ở bước 2 được thực hiện như sau:

¾ Từ ô đầu tiên ta đánh dấu *, sau đó bắt đầu đếm từ trái sang phải, từ trên xuống dưới một khoảng cách bằng đúng số cực 2p, dừng lại tại ô nào đánh tại ô đó; tiếp tục thực hiện phép đánh dấu bằng phương pháp này cho đến khi về đúng ô mở đầu

¾ Trên cùng một cột ngay hàng bên dưới của các ô vừa được đánh dấu, ta đánh dấu tiếp Thông thường, với phương pháp trên mỗi lần đánh dấu trên bảng ta có 6 hay bội số của 6 ô được đánh dấu

¾ Tại các ô đã đánh dấu ta điều chỉnh giá trị ghi trong mỗi ô theo qui tắc sau:

o Nếu trị số ghi trong ô là b ta chỉnh thành (b + 1)

o Nếu trị số ghi trong ô là (b + 1) ta chỉnh thành b

Bước 4: Căn cứ theo giá trị trong bảng phân bố theo Clement vừa hiệu chỉnh ta

xác định phân bố rãnh cho mỗi pha trên mỗi bước cực

Sau đó, tuỳ theo dạng sơ đồ dây quấn 1 lớp muốn thực hiện ta vẽ sơ đồ (phương pháp vẽ sơ đồ lúc này thực hiện tương tự như đã thực hiện ở dây quấn 1 lớp q nguyên)

Thí dụ: Vẽ sơ đồ khai triển dây quấn cho động cơ 3 pha có Z = 30, 2p = 4

4

30 p

=

τ

2

1 2 2

5 3 4

30 pm

2

Z

Vậy b = 2, c = 1, d = 1

Lập bảng phân bố:

A C B

A C B

2 2 3

Trình tự xây dựng sơ đồ dây quấn theo Pyδo

Bước 1: Xác định Z, 2p, sau đó tính ra: τ q , α , đ

Viết q dưới dạng sau:

d

c b

q= +

Trong đó b, c, d là số nguyên (c < d và c/d là phân số tối giản)

Bước 2: Căn cứ các giá trị b, c, d ta lập nhóm số thứ tự theo qui tắc sau:

Viết con số có giá trị bằng (b + 1) thành c lần

Viết con số có giá trị bằng b thành (d - c) lần

Sau đó, tính tổng các số hạng của nhóm số thứ tự vừa lập, một cách tổng quát ta xác định như sau:

bc bd c bc c d b c 1

b + + − = + + −

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

tự thứ số nhóm

của

hạng số các Tổng

Xác định tỉ số M được định nghĩa là:

bd c

Z M +

=

Vì

d

c bd d

c b

Hay qd = bd + c

Vậy

d

p 3 p 2

Z d

Z 3 3

d

Z qd

Z

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ τ

=

=

Hình 2.6 Dây quấn 1 lớp đồng khuôn tập trung, đầu vào 2

pha liên tiếp lệch 0

120

(Z = 30; 2p = 4; Phân bố theo Clement).

Theo Pyδo, M chính là số lần viết lập lại nhóm số thứ tự và chuỗi số tuần hoàn tìm được bằng cách viết M lần nhóm số thứ tự xác định xác định phân bố rãnh cho mỗi pha dây quấn trên stator

Bước 3: Chọn y và theo phân bố rãnh định ở bước 2 ta vẽ sơ đồ dây quấn 2 lớp

Thí dụ: Dây quấn 3 pha với q là phân số, Z = 15, 2p = 4

4

1 1 12

15 mp 2

Z

Tức là b = 1, c = 1 và d = 4 và q = bd + c = 4 + 1 = 5 là số rãnh đương lượng (đẳng trị) của 1 pha dưới 1 cực

Bước cực 1:

Bước cực 2:

Bước cực 3:

Bước cực 4:

4

3 3 4

1 1 3 q

=

Chúng ta có thể lấy bước rãnh y = 3

5 4 4

3 3

3

+

= τ

= β

Trong trường hợp này ta có d = 4 nhóm bối dây phân bố trên 4 cực, phải có

d - c = 4 - 1 = 3 nhóm có b = 1 bối dây, phải có c = 1 nhóm có b + 1 = 1 + 1 = 2 bối dây

0

48 15

360 2 Z

360 p

=

=

=

đ

Rãnh 1 2 3 4

Pha A A C B

Rãnh 5 6 7 8

Pha A C C B

Rãnh 9 10 11 12

Pha A C B B

Rãnh 13 14 15

Pha A C B

Hình 2.7 Dây quấn 3 pha 2 lớp với Z = 15, 2p = 4,

4

1 1

q= + , phân bố theo pyδo

§ 2.4 DÂY QUẤN NGẮN MẠCH KIỂU LỒNG SÓC

Dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc được tạo bởi các thanh dẫn bằng đồng đặt trong rãnh, 2 đầu hàn với 2 đầu ngắn mạch cũng bằng đồng Các thanh dẫn và vòng ngắn mạch nói trên cũng có thể được đúc bằng nhôm

Sức điện động của các thanh dẫn kế tiếp lệch pha 1 góc pha

z

p

2

đ

π

=

có thể biểu thị thành hình sao sức điện động có z/t vector, trong đó t là ước số chung lớn nhất của z và p Ở trường hợp dây quấn lồng sóc mỗi vector sức điện động ứng với 1 pha và như vậy số pha

t

Z

m= và nếu có t hình sao sức điện động trùng nhau thì mỗi pha có t thanh dẫn ghép song song Trên thực tế, lúc tính để đơn giản thường xem như mỗi thanh dẫn ứng với 1 pha và như vậy m = z, số vòng dây của 1 pha w = 1/2 và các hệ số bước ngắn, hệ số quấn rải đối với tất cả các sóng điều hoà knv = krv = 1

Sơ đồ mạch điện của dây

quấn lồng sóc như hình 2-8a

Trong đó:

+ rt là điện trở thanh dẫn

+ rv là điện trở từng đoạn

giữa 2 thanh dẫn của vành ngắn

mạch

Để xem dây quấn m pha đấu

hình sao và bị nối ngắn mạch, ta

thay thế mạch điện thực nói trên

bằng mạch điện tương đương

(hình 2-8b) dựa trên cơ sở tổn hao

trên điện trở của 2 mạch điện đó

phải bằng nhau

Đối với 1 nút bất kỳ, thí dụ nút 2 ta có:

it2 = iv23 – iv12

Do dòng điện trong các đoạn chia của vành ngắn mạch cũng

lệch pha nhau góc α như trên hình (2-9) nên:

z

p l 2 2 l

2

lt = vsinα = vsin π

và

z

p 2

l

v = sin π

Vì tổn hao trên điện trở của mạch

điện thực và mạch điện thay thế của cuộn dây phải bằng nhau, nghĩa là:

r Zl r Zl 2

r

Zl2t t + 2v v = 2t

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện thực (a) và

tương đương (b)

Hình 2.9 Quan hệ dòng điện trong thanh dẫn và dòng điện trong vòng

é

nên kết hợp với lv suy ra được điện trở mỗi pha của dây quấn:

z

p 2

r r

r

2

v

=

sin

§ 2.5 CÁCH THỰC HIỆN DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

Dây quấn máy điện xoay chiều được đặt trên các rãnh trên stator hoặc rotor Các rãnh này có thể có miệng rãnh nửa kín, nửa hở và hở như trên hình 2.9

Rãnh nửa kín thường được dùng cho dây quấn stator của máy công suất tới 100kW và điện áp đến 650V Cách điện rãnh thường dày khoảng (0,35÷0,65)mm và gồm những phần tử nhiều vòng tiết diện tròn với đường kính (2,2÷2,5)mm Khi lồng dây phải cho từng một hoặc hai vòng dây qua miệng rãnh Rãnh nửa hở thường được dùng cho các máy có công suất lớn từ (300 ÷

400)kW ở tốc độ 1500vg/ph và đến 650V Ở trường hợp này, bối dây (hay phần tử) được chia làm 2 nửa bối theo chiều rộng của rãnh, các nửa bối đó gồm nhiều vòng dây tiết diện chữ nhật quấn theo khuôn định hình Các nửa bối dây được bọc vải và khi lồng dây cho cả nửa bối qua miệng rãnh Rãnh hở thường dùng với các loại máy có công suất lớn, điện áp cao Trong trường hợp này dây quấn được chế tạo từ dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật và các bối được cách điện trước khi đặt vào rãnh

Sau khi lồng dây vào rãnh, miệng rãnh được nêm kín bằng các thanh nêm bằng vật liệu cách điện như tre, gỗ đã được xử lý

Hình 2.10 Rãnh nửa kín (a),

rãnh nửa hở (b) và rãnh hở

của máy điện xoay chiều

Hình 2.11 Cố định phần đầu

nối của dây quấn rotor

1 Vòng thép

2 Vành ép thép

3 Bulong