Bài giảng máy điện chương 3 TS nguyễn quang nam

Trong máy không đồng bộ, dòng điện rôto được cảm ứng bởi sự kết hợp của sự biến thiên theo thời gian của dòng điện stato và chuyển động tương đối của rôto so với stato.. Khi máy phát đồn

1 Phần 1

Điện áp cảm ứng trong các máy điện quay thông qua sự

thay đổi của từ thông móc vòng theo thời gian

Sự biến thiên của từ thông móc vòng có thể được thực

hiện bằng cách quay dây quấn cắt ngang từ trường, hoặc quay từ trường quét qua dây quấn, hoặc thiết kế mạch từ

để từ trở thay đổi khi rôto chuyển động

Sự thay đổi từ thông móc vòng một cách đều đặn dẫn

đến điện áp biến thiên theo thời gian được sinh ra

Khái ni ệ m

3 Phần 1

Bộ dây quấn có điện áp cảm ứng thường được gọi là

dây quấn phần ứng Nói chung, thuật ngữ này được dùng

để chỉ dây quấn tải dòng điện AC trong máy điện quay

Trong máy điện AC như máy đồng bộ và không đồng bộ, dây quấn phần ứng thường nằm trên stato, nên cũng được

gọi là dây quấn stato

Trong máy điện DC, dây quấn phần ứng nằm trên rôto,

là phần chuyển động trong máy

Khái ni ệ m (tt)

Máy điện đồng bộ và một chiều thường có thêm dây

quấn thứ hai mang dòng điện DC, được dùng để tạo ra từ

thông chính trong máy

Dây quấn này thường được gọi là dây quấn kích từ Dây

quấn kích từ nằm trên stato của máy một chiều và trên rôto

của máy đồng bộ Do đó, máy đồng bộ cần một hệ thống

tiếp điểm quay (vành trượt + chổi)

Từ thông cũng có thể được tạo ra bởi NCVC

Khái ni ệ m (tt)

5 Phần 1

Trong hầu hết máy điện quay, stato và rôto được chế tạo

từ thép kỹ thuật điện, và dây quấn được đặt trong rãnh

Từ thông biến thiên theo thời gian trong phần ứng có xu

hướng làm cảm ứng các dòng điện xoáy trong thép Các dòng điện cảm ứng có thể gây ra tổn hao lớn và làm giảm

mạnh hiệu năng của máy

Để khắc phục, phần ứng được chế tạo từ các lá thép

mỏng cách điện với nhau

Trong một số máy, như máy điện từ trở và động cơ

bước, không có dây quấn trên rôto

Sự vận hành của các máy này phụ thuộc vào sự không

đồng đều của từ trở khe hở khi rôto quay, kết hợp với sự

thay đổi theo thời gian của dòng điện stato

Trong các máy này, cả stato lẫn rôto đều có từ thông

biến thiên theo thời gian, do đó đều cần được chế tạo từ

các lá thép kỹ thuật điện

Khái ni ệ m (tt)

7 Phần 1

Máy điện AC truyền thống thuộc một trong hai loại: đồng

bộ và không đồng bộ

Trong máy không đồng bộ, dòng điện rôto được cảm

ứng bởi sự kết hợp của sự biến thiên theo thời gian của dòng điện stato và chuyển động tương đối của rôto so với stato

Xét máy đồng bộ cơ sở như trong slide tiếp theo, là một máy đồng bộ cực lồi, 2 cực

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u

Phần ứng nằm trên stato, kích từ

nằm trên rôto

Dòng điện kích từ đi vào máy

thông qua các chổi than và vành

9 Phần 1

Giả thiết từ thông trong khe hở phân bố hình sin trong không gian (trong thực tế, hình dạng mặt cực có thể được thiết kế để tạo ra điều kiện như vậy)

Điện áp cảm ứng sẽ có dạng hình sin theo thời gian,

dưới những điều kiện đã giả thiết

Cuộn dây hoàn tất 1 chu kỳ sau mỗi vòng quay của máy

2 cực đang xét Nghĩa là tần số của nó (tính bằng Hz) bằng

với tốc độ của rôto (tính bằng vòng/giây)

Như vậy tần số điện của điện áp phát ra được đồng bộ

với tốc độ cơ học, và là lý do của tên gọi máy “đồng bộ”

Rất nhiều máy đồng bộ có nhiều hơn 2 cực Với các máy này, các cuộn dây được nối sao cho các cực luân phiên thay đổi Mỗi cuộn dây nằm dưới 1 đôi cực từ Như vậy, tần

số (tính bằng Hz) sẽ gấp p lần tốc độ quay (tính bằng

vòng/giây)

Với máy có nhiều đôi cực, có thể tập trung vào một đôi

cực, vì các hiện tượng được lặp lại ở mỗi đôi cực

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u (tt)

11 Phần 1

Khi đó, sẽ thuận tiện hơn khi diễn tả các góc theo đơn vị

độ điện hay radian điện

Như vậy, trong máy có p đôi cực, 360 độ điện hay 2π

radian điện tương ứng với 1 đôi cực, do đó

Hầu hết hệ thống điện là hệ thống 3 pha, nên các máy phát đồng bộ cũng là các máy phát 3 pha

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u (tt)

13 Phần 1

Các cuộn dây phần ứng có thể được nối Y hoặc ∆

Khi máy phát đồng bộ cung cấp điện cho tải, dòng điện

phần ứng tạo ra một sóng từ thông trong khe hở không khí, quay ở tốc độ đồng bộ Từ thông này tương tác với từ thông kích từ tạo ra mômen có xu hướng kéo 2 từ thông này thẳng hàng với nhau, và ngược chiều quay

Động cơ sơ cấp cần tạo ra mômen để duy trì chuyển

động quay của máy phát

Động cơ đồng bộ sẽ có cơ chế hoạt động tương tự,

nhưng từ thông phần ứng là do hệ dòng điện 3 pha trong dây quấn phần ứng tạo ra, quay ở tốc độ đồng bộ

Khi động cơ đồng bộ mang tải, mômen tải sẽ làm cho góc

lệch giữa từ thông phần ứng và từ thông kích từ tăng lên,

do đó làm tăng mômen điện từ sinh ra, và đưa động cơ trở

về trạng thái cân bằng

Tốc độ của động cơ luôn tỷ lệ với tần số nguồn

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u (tt)

15 Phần 1

Máy không đồng bộ (KĐB) cũng có dây quấn stato giống

như máy đồng bộ Tuy nhiên, dòng điện trong dây quấn rôto

của máy KĐB là dòng điện AC, được cảm ứng do sự chênh

lệch tốc độ của rôto và từ trường quay

Máy KĐB có thể được xem là một máy biến áp tổng quát

với công suất điện được chuyển đổi thành công suất cơ

cùng với sự thay đổi tần số

Máy KĐB trước đây rất ít khi được dùng làm máy phát

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u (tt)

Dây quấn rôto được ngắn mạch, giúp cho dòng điện cảm

ứng sinh ra khi có hiện ứng biến áp từ dây quấn stato

Trong động cơ KĐB rôto lồng sóc, dây quấn rôto được

tạo thành từ các thanh dẫn nhôm đúc dọc theo rãnh rôto,

với các thanh dẫn bị ngắn mạch ở hai đầu rôto

Cấu trúc rôto lồng sóc là khá rẻ tiền và rất tin cậy, khiến cho nó được sử dụng rộng rãi Rôto của động cơ KĐB luôn luôn quay chậm hơn từ trường quay của máy

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n xoay chi ề u (tt)

17 Phần 1

Ch ổ i than

C ổ

góp

Hình trên cho thấy cấu trúc đơn giản hóa của máy phát

DC 2 cực

Phân bố từ thông trong khe hở thường có dạng bằng

đầu, chứ không phải hình sin, trong không gian

Khi quay cuộn dây, điện áp cảm ứng có dạng sóng theo

thời gian giống như phân bố từ cảm trong không gian

Vì điện áp cảm ứng là dạng xoay chiều, một bộ cổ góp

19 Phần 1

Dây quấn kích từ tạo ra một từ trường cố định so với

stato, dây quấn phần ứng cũng tạo ra một từ trường cố định trong không gian, phụ thuộc vào thiết kế của máy và vị trí

của các chổi, thường là vuông góc với từ trường kích từ

Giống như trong các máy điện đã được khảo sát, mômen trong máy được tạo ra do sự tương tác giữa hai từ trường.Trong máy phát, mômen ngược chiều quay, còn trong

động cơ, mômen thuận chiều quay

Gi ớ i thi ệ u v ề máy đ i ệ n m ộ t chi ề u (tt)

21 Phần 1

Bỏ qua từ trở của lõi thép, có thể thấy cường độ từ

C ơ b ả n

Sức từ động (stđ) phải được phân bố đều như có thể

thấy ở slide vừa rồi Từ áp rơi trên mỗi khe hở phải bằng Ni/2

Hình vẽ trên thể hiện dạng khai triển của dây quấn, sức

từ động có phân bố dạng bước nhảy có độ lớn Ni/2

Giả thiết miệng rãnh hẹp, sức từ động sẽ đột ngột thay

đổi 1 lượng Ni khi chuyển từ phía bên này sang phía bên kia của cuộn dây

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

23 Phần 1

Phân tích Fourier cho thấy sức từ động của 1 cuộn dây

bước đủ như trên bao gồm thành phần cơ bản lẫn các họa

tần bậc cao

Trong máy AC, các cuộn dây được phân bố sao cho các

họa tần bậc cao được cực tiểu hóa, và sức từ động khe hở

chủ yếu là thành phần cơ bản trong không gian

Giả thiết rằng những biện pháp trên đã được thực hiện, chúng ta có thể tập trung vào thành phần cơ bản

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

Dạng sóng ở slide 21 của dây quấn tập trung 2 cực, bước

đủ có thể được phân tích thành chuỗi Fourier, với thành

Ni

Fag m

25 Phần 1

Bây giờ xét dây quấn rải, gồm nhiều cuộn dây phân bố

trên vài rãnh (hình 4.20a, sách Fitzgerald)

Xét sức từ động khe hở của pha a, với các cuộn dây

được bố trí thành 2 lớp, mỗi cuộn dây bước đủ có Nc vòng

Sơ đồ khai triển của dây quấn (hình 4.20b, sách

Fitzgerald) cho thấy dạng sóng sức từ động trong không gian, gồm một số bước nhảy với độ cao 2Ncia, với ia là dòng

điện trong cuộn dây

Có thể thấy dây quấn rải tạo ra dạng sóng gần với hình sin hơn so với dây quấn tập trung

Biên độ của thành phần cơ bản sóng sức từ động không gian của dây quấn rải nhỏ hơn tổng các thành phần cơ bản

của từng cuộn dây thành phần, vì trục từ của từng cuộn dây không thẳng hàng với trục từ tổng hợp

Thành phần cơ bản của sóng sức từ động trong trường

hợp này sẽ là:

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

27 Phần 1

Dây quấn rôto cũng được phân bố với cùng mục đích

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

a

ph dq

29 Phần 1

Trong các máy DC, bộ đổi chiều

kích từ Khi phần ứng quay, các cuộn dây nối với chổi than

được thay đổi sao cho từ trường phần ứng vẫn thẳng đứng

Trên hình 4.23a (sách Fitzgerald) là sơ đồ khai triển của dây quấn, với sóng sức từ động như hình 4.23b

Giả thiết miệng rãnh hẹp, sóng stđ bao gồm 1 số bước,

với chiều cao mỗi bước là 2Ncic, với Nc là số vòng mỗi cuộn,

và ic là dòng điện trong cuộn dây, giả thiết dây quấn 2 lớp

bước đủ

Sóng stđ đạt cực đại tại trục từ, nằm giữa các cực từ

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

31 Phần 1

Dạng sóng này có thể được xấp xỉ bởi 1 sóng tam giác (hình 4.23c), điều này càng đúng trong các máy thực tế, có

số lượng rãnh phần ứng trên mỗi cực là lớn Sóng răng cưa

có thể được coi là được tạo ra bởi 1 lớp dòng điện nằm sát

bề mặt phần ứng

Thành phần cơ bản của sóng răng cưa có giá trị bằng 8/π2 lần chiều cao (trị đỉnh) của sóng tam giác

S ứ c t ừ độ ng c ủ a dây qu ấ n r ả i (tt)

Mặc dù sóng stđ khe hở chỉ phụ thuộc vào sự bố trí của dây quấn và sự đối xứng của mạch từ, từ cảm trong khe hở

phụ thuộc vào cả stđ lẫn điều kiện biên của mạch từ

Máy DC thường có mạch từ với nhiều hơn 2 cực Dây

33 Phần 1

Các điều kiện từ có thể được xác định thông qua việc

khảo sát một đôi cực từ bất kỳ (360 độ điện)

Trị đỉnh của sóng stđ tam giác có thể được biểu diễn bởi

với Ca là tổng số thanh dẫn phần ứng, m là số mạch

nhánh song song, và ia là dòng điện phần ứng Như vậy ia/m

là dòng điện đi trong thanh dẫn

a

a

p m

35 Phần 1

Sự vận hành của máy điện được xác định bởi các từ

trường do các dòng điện trong các dây quấn tạo ra Sự liên

hệ giữa từ trường và dòng điện được xem xét dưới đây.Trong các máy có khe hở đều (hình 4.25a, sách

Fitzgerald), có thể dễ dàng xác định cường độ từ trường,

với giả thiết chúng chỉ hướng kính và có độ lớn không đổi

dọc theo khe hở

Dạng sóng của Hag1 do đó theo sát dạng sóng của Fag1

T ừ trườ ng trong máy đ i ệ n quay

Các công thức tính cường độ từ trường chỉ khác các

công thức tính sức từ động ở 1 hệ số bổ sung, là chiều dài khe hở không khí g

g

Ni g

F

π 2 cos

41

37 Phần 1

Với các máy có cấu trúc cực lồi, khe hở không khí là cực

kỳ không đều, dẫn đến phân bố từ trường khe hở phức tạp

hơn nhiều so với máy có khe hở đều

Việc phân tích chi tiết phân bố từ trường sẽ đòi hỏi lời giải

đầy đủ của bài toán trường Tuy nhiên, một số giả thiết đơn

giản hóa và kỹ thuật phân tích có thể giúp rút ra lời giải đủ

chính xác

Để hiểu được lý thuyết và sự vận hành của máy AC

nhiều pha, cần nghiên cứu bản chất của sóng stđ do một dây quấn nhiều pha tạo ra

Việc phân tích chỉ tập trung vào máy 2 cực hoặc 1 đôi

cực của dây quấn nhiều cực

Xét sức từ động của một pha dây quấn Phân bố không gian của thành phần stđ cơ bản đã được xác định từ (3.5) cho dây quấn rải

T ừ trườ ng quay trong máy đ i ệ n AC

39 Phần 1

Khi kích thích dây quấn bằng dòng điện biến thiên hình sin theo thời gian ở tần số ωe,

Phân bố sức từ động cho bởi

Như vậy phân bố sức từ động có một giá trị cực đại

Sóng stđ cố định trong không gian với biên độ biến thiên hình sin theo thời gian ở tần số ωe

T ừ trườ ng quay trong máy đ i ệ n AC (tt)

I

ia = m cos ωe (3.11)

( ) ( )p t F ( ) ( )t F

F ag1 = m cos θa cos ωe = mcos θe cos ωe (3.12)

Sóng stđ trên có thể được phân tích thành 2 thành phần

có biên độ bằng nhau, 1 thành phần quay cùng chiều quay,

và 1 thành phần quay ngược chiều quay, với cùng biên độ

bằng 0,5 lần biên độ của Fag1

Đây là một bước quan trọng trong việc tìm hiểu các máy

điện AC Trong các máy điện AC nhiều pha, các sóng stđ

ngược chiều quay bị khử lẫn nhau, còn các sóng stđ cùng chiều quay tăng cường tác dụng

T ừ trườ ng quay trong máy đ i ệ n AC (tt)

41 Phần 1

Xét máy 3 pha với các pha dây

quấn đặt lệch nhau 120 độ điện trong

không gian dọc theo khe hở

Các dây quấn tập trung đại diện

cho các dây quấn rải tạo ra stđ hình

sin dọc theo các trục từ của mỗi pha

Tr ụ c pha b

Tr ụ c pha a

Tr ụ c pha c

Các sóng stđ cơ bản như vậy lệch pha nhau 120 độ điện

Mỗi pha được kích thích bằng 1 dòng điện AC biến thiên hình sin theo thời gian Ở điều kiện cân bằng, các dòng điện

43 Phần 1

Phân tích mỗi sóng stđ thành 2 thành phần, và tính tổng

của các stđ, rút ra được

Quá trình tính toán cho thấy các thành phần stđ quay

ngược khử lẫn nhau, còn các thành phần stđ quay thuận thì

cộng tác dụng

(3.16) biểu diễn một hàm không-thời gian hình sin, có

biên độ không đổi bằng 3/2 biên độ thành phần

T ừ trườ ng quay trong máy đ i ệ n AC (tt)

với ωe là tần số góc của nguồn điện đặt vào (rad/s), và ωs

là tốc độ góc (không gian) đồng bộ của sóng stđ khe hở

(rad/s)

T ừ trườ ng quay trong máy đ i ệ n AC (tt)

pe

s ω /

45 Phần 1

Tốc độ đồng bộ tương ứng ns tính bằng vòng/phút có thể được biểu diễn theo tần số nguồn điện fe (tính bằng Hz)

Tổng quát, một từ trường quay với biên độ không đổi sẽ được tạo ra bởi một dây quấn q pha, được kích thích từ một

hệ dòng q pha cân bằng ở tần số fe khi các trục pha tương

ứng được đặt lệch nhau 2π/q radian điện trong không gian.Biên độ của sóng stđ sẽ bằng q/2 biên độ thành phần

p f

ns = 60 e (3.18)

1 Phần 2

Fitzgerald) Trên stato và rôto là các cuộn dây tập trung,

bước đủ, có nhiều vòng dây

Giả sử khe hở không khí đủ nhỏ, và dây quấn kích từ tạo

ra từ thông khe hở hướng kính với từ cảm Bm

Nếu khe hở không khí là đều, Bm có thể được tính bởi

Đ i ệ n áp c ả m ứ ng

f

f f

p

N k g

3 Phần 2

với g là chiều dài khe hở, kf là hệ số dây quấn kích từ, Nf

là tổng số vòng dây nối tiếp của cuộn kích từ, và If là dòng

điện kích từ

Khi các cực từ rôto thẳng hàng với trục từ của 1 pha

stato, từ thông móc vòng với dây quấn 1 pha stato là

kdqNphΦp, với Φp là từ thông khe hở dưới 1 cực từ (Wb)

5 Phần 2

Khi rôto quay, từ thông móc vòng thay đổi theo cosine

của góc giữa trục từ của các cuộn stato và rôto Ở tốc độ

rôto không đổi ωm, từ thông móc vòng với cuộn dây pha a:

với gốc thời gian được chọn tại thời điểm đỉnh sóng từ cảm trùng với trục từ của pha a Còn

là tốc độ rôto tính bằng radian điện/giây

Đ i ệ n áp c ả m ứ ng (tt)

(p t) k N ( )t N

Điện áp cảm ứng trong pha a khi đó

Điện áp cảm ứng có cực tính sao cho khi cuộn stato bị

ngắn mạch, điện áp cảm ứng sẽ tạo ra dòng điện theo

chiều chống lại các thay đổi của từ thông móc vòng

Số hạng thứ nhất của (3.24) là điện áp biến áp và chỉ có

mặt khi biên độ của từ thông khe hở thay đổi theo thời

gian Số hạng thứ hai là điện áp tốc độ

Đ i ệ n áp c ả m ứ ng (tt)

( )t k N ( )t dt

d N k dt d

e a = λa = dq ph Φp cos ωe −ωe dq phΦp sin ωe (3.24)

7 Phần 2

Trong điều kiện xác lập bình thường trong hầu hết các máy điện, biên độ của từ thông khe hở là không đổi, do đó

số hạng thứ nhất là bằng 0, và điện áp cảm ứng chỉ là điện

áp tốc độ (thường được gọi là sức điện động, emf)

Mặc dù mục tiêu sau cùng là tạo ra điện áp DC, điện áp

cảm ứng trong phần ứng máy DC vẫn là AC khi các cuộn dây cắt ngang từ thông DC của dây quấn kích từ

( ) t N

Ch ổ i than

C ổ

góp

Điện áp AC cảm ứng sẽ có dạng hình sin, và sau khi

được chỉnh lưu bởi cổ góp, sẽ có dạng đập mạch