Nghiên cứu cách điện trong dây quấn máy điện quay

Nghiên cứu cách điện trong dây quấn máy điện quay Nghiên cứu cách điện trong dây quấn máy điện quay Nghiên cứu cách điện trong dây quấn máy điện quay luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CÔNG HOÀN

NGHIÊN CỨU CÁCH ĐIỆN TRONG DÂY QUẤN

MÁY ĐIỆN QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CÔNG HOÀN

NGHIÊN CỨU CÁCH ĐIỆN TRONG DÂY QUẤN

MÁY ĐIỆN QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TRIỆU VIỆT LINH

HÀ NỘI - 2013

MỤC LỤC

Lời cam đoan 0

Mục lục 1

Mở đầu 5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

Danh muc các ký hiệu, chữ viết tắt 10

Chương 1 : TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÁCH ĐIỆN TRONG DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN QUAY 11

1.1 Các loại máy điện và cấu tạo dây quấn 11

1.1.1 Các loại máy điện quay 11

1.1.2 Phân lọai dựa vào kiểu làm mát 15

1.1.3Mục đích của dây quấn 16

1.1.4 Một số cấu tạo dây quấn stator 18

1.2 Đặc điểm hệ thống cách điện dây quấn stator 22

1.2.1 Cách điện sợi và cách điện vòng 22

1.2.2 Cách điện vách 26

1.2.3 Vách ngăn triệt tiêu phóng điện cục bộ 28

1.2.4 Lớp vách ngăn làm giảm ứng suất 32

1.2.5 Giá đỡ cơ học trong rãnh 34

1.2.6 Giá đỡ cơ học ở phần đầu nối dây quấn 37

1.3 Hệ thống cách điện dây quấn stator hiện nay 39

1.3.1 Các phương pháp cách điện áp dụng cho stator dây quấn cứng 39

1.3.2 Sự phát triển gần đây của hệ thống cách điện dây quấn cứng 41

1.3.3 Một số hệ thống cách điện cho stator dây quấn mềm 43

Chương 2 NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ HỎNG HÓC TRONG

DÂY QUẤN STATOR MÁY ĐIỆN QUAY VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 45

2.1 Hư hỏng nhiệt 45

2.1.1 Quá trình chung 45

2.1.2 Nguyên nhân chính 47

2.1.3 Triệu chứng và sửa chữa 48

2.2 Chu trình nhiệt 49

2.2.1 Quá trình chung 49

2.2.2 Nguyên nhân chính và triệu chứng 52

2.2.3 Sửa chữa 52

2.3 Sự ngâm tẩm hay nhúng không phù hợp 53

2.3.1 Quá trình chung 53

2.3.2 Nguyên nhân chính 54

2.3.3 Triệu chứng và sửa chữa 55

2.4 Cuộn dây bị lỏng trong rãnh 56

2.4.1 Quá trình chung 56

2.4.2 Nguyên nhân chính 57

2.4.3 Triệu chứng và sửa chữa 59

2.5 Sự hư hỏng lớp phủ bán dẫn 60

2.5.1 Quá trình chung 61

2.5.2 Nguyên nhân chính 61

2.5.3 Triệu chứng và sửa chữa 62

2.6 Hư hỏng lớp bọc bán dẫn/phân cấp 63

2.6.1 Quá trình chung 63

2.6.2 Nguyên nhân chính 64

2.6.3 Triệu chứng và sửa chữa 65

2.7 Sự tăng vọt điện áp liên tục 66

2.7.1 Quá trình chung 67

2.7.2 Nguyên nhân chính 68

2.7.3 Triệu chứng và sửa chữa 69

2.8 Sự nhiễm bẩn 70

2.8.1 Quá trình chung 70

2.8.2 Nguyên nhân chính 73

2.8.3 Triệu chứng và sửa chữa 73

2.9 Các hạt mài mòn 75

2.9.1 Quá trình chung 75

2.9.2 Nguyên nhân chính 76

2.9.3 Triệu chứng và sửa chữa 76

2.10 Sự ăn mòn hóa học 77

2.10.1 Quá trình chung 77

2.10.2 Nguyên nhân chính 78

2.10.3 Triệu chứng và sửa chữa 78

2.11 Khoảng cách phần đầu nối dây quấn không phù hợp 79

2.11.1 Quá trình chung 80

2.11.2 Nguyên nhân chính 81

2.11.3 Triệu chứng và sửa chữa 82

2.12 Dao động phần đầu nối dây quấn 83

2.12.1 Quá trình chung 84

2.12.2 Nguyên nhân chính 85

2.12.3 Triệu chứng và sửa chữa 86

2.13 Sự rò rỉ nước làm mát stator 87

2.13.1 Quá trình chung 88

2.13.2 Nguyên nhân chính 89

2.13.3 Triệu chứng và sửa chữa 90

2.14 Kết nối điện kém 91

2.14.1 Quá trình chung 91

2.14.2 Nguyên nhân và triệu chứng 91

2.14 3 Giải pháp khắc phục 92

Chương 3: NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ HỎNG HÓC TRONG DÂY QUẤN ROTOR MÁY ĐIỆN QUAY VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 93

3.1 Dây quấn Rotor tròn (cực ần) 93

3.1.1 Hư hỏng nhiệt 93

3.1.2 Chu kỳ nhiệt 95

3.1.3 Bào mòn do sự không cân bằng hay vận hành của hộp số 97

3.1.4 Nhiễm bẩn 100

3.1.5 Sự tăng vọt điện áp liên tục 101

3.1.6 Lực ly tâm 102

3.1.7 Sửa chữa 104

3.2 Dây quấn Rotor cực lồi 106

3.2.1 Lão hóa nhiệt 106

3.2.2 Chu trình nhiệt 108

3.2.3 Sự nhiễm bẩn (Sự phóng điện và sự hút ẩm) 108

3.2.4 Các hạt mài mòn 109

3.2.5 Lực ly tâm 110

3.2.6 Sự tăng vọt điện áp liên tục 111

3.2.7 Sửa chữa 111

3.3 Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ 113

3.3.1 Quá điện áp quá độ 114

3.3.2 Điện áp stator không đối xứng 114

3.3.3 Kết nối điện trở cao – Nếp gấp thanh dẫn và dây quấn dạng sóng 115

3.3.4 Hỏng đai phần đầu nối dây quấn 115

3.3.5 Sự ngắn mạch và chạm mát cách điện vành trượt 116

3.3.6 Sửa chữa 117

3.4 Dây quấn rotor cảm ứng lồng sóc 118

3.4.1 Nhiệt 118

3.4.2 Chu trình ứng suất cơ học 120

3.4.3 Thiết kế/ Chế tạo kém 123

3.4.4 Sự sửa chữa 125

KẾT LUẬN 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ và máy phát đã được phát minh từ hơn 100 năm, và ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Động cơ và máy phát được sử dụng trong những môi trường làm việc khác nhau do vậy khiến cho chúng có những hư hỏng khác nhau, trong đó nhiều hư hỏng điện là do sự hư hỏng cách điện Những hư hỏng này thường xuất hiện ở những vị trí đặc trưng (dây quấn stator, rotor v.v.) Dòng điện rò rỉ ở những vị trí này gây hủy hoại và thoái hoá lớp cách điện Sự hủy hoại này làm cho cách điện giữa những dòng điện cao thế trở nên thấp đi và gây ra sự ngắn mạch

Một vấn đề khác là nguy cơ tiềm ẩn của sự hư hỏng cách điện của stator cho các máy điện quay khi được cất giữ và vận hành trong môi trường ô nhiễm hoặc môi trường ẩm ướt Những vấn đề có thể xuất hiện nhiều hơn trong các dây quấn máy điện quay nếu một trong các yếu tố sau đây có mặt: bụi, nước, muối, mỡ Ngoài ra, vấn đề có thể xảy ra nếu các cuộn dây máy điện là ở dưới điểm ngưng tụ

Tài liệu tiếng Việt về những hư hỏng phần cách điện, cũng như các nguyên nhân và cách khắc phục chưa có nhiều nên nghiên cứu này nhằm cung cấp thông tin tổng quát cho các biện pháp kiểm tra và bảo trì có thể được thực hiện trong vận hành các máy điện quay Ngoài ra, nghiên cứu sẽ cung cấp một số thực hành bảo dưỡng dự phòng sẽ làm giảm nguy

cơ hư hỏng của stator cũng như rotor cho các máy điện được bảo quản hoặc vận hành trong môi trường ô nhiễm và/hoặc môi trường ẩm ướt

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu cái nhìn tổng quan và chi tiết hơn các hư hỏng cách điện thường gặp trong stator và rotor của động cơ và máy phát

Trên cơ sở các đặc tính cơ, lý, hoá của các vật liệu cách điện và các hư hỏng, đề tài

đã đưa ra các biện pháp bảo dưỡng, vận hành, sửa chữa hệ thống cách điện trong máy điện quay

3 Bố cục của luận văn

Chương 1 : Tổng quan chung về hệ thống cách điện trong dây quấn máy điện quay Chương 2 : Nguyên nhân gây ra sự cố hỏng hóc trong dây quấn stator máy điện quay

và cách khắc phục

Chương 3 : Nguyên nhân gây ra sự cố hỏng hóc trong dây quấn rotor máy điện quay

và cách khắc phục

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Rotor đưa vào stator của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 12

Hình 1.2 Rotor cực ẩn loại nhỏ Các vòng hãm ở mỗi đầu của thân rotor 13

Hình 1.3 Rotor cực lồi cho động cơ loại lớn, tốc độ thấp 15

Hình 1.4 Sơ đồ mạch 3 pha , cuộn dây stator đấu sao, với mạch 2 đường song

song mỗi pha

17

Hình 1.5 Phần đầu nối dây quấn và rãnh stator dây quấn mềm 19

Hình 1.6 (a) Động cơ dây quấn stator cứng

(b) Một cuộn dây cứng đã được đặt trong hai rãnh

21

Hình 1.7 Dây quấn stator máy phát điện tuabin dùng thanh dẫn Roebel 21 Hình 1.8 Tiết diện ngang của rãnh stator dây quấn mềm 22 Hình 1.9 Tiết diện ngang của rãnh chứa cuộn dây cứng nhiều vòng (a) và thanh

Hình 1.13 (a) Tiết diện ngang của một cuộn dây với rỗ khí cạnh cách điện vòng

dây (b) Mạch điện tương đương

30

Hình 1.14 (a) Mặt cắt ngang của một cuộn dây trong một rãnh nơi phóng điện cục

bộ có thể xảy ra trên bề mặt của cuộn dây (b) Các mạch điện tương

đương

33

Hình 1.15 Hình chiếu cạnh của một nêm hai phần, trong đó một thanh dẫn trượt

vát được đặt dưới nêm để tăng áp lực hướng kính trên các cuộn dây

35

Hình 1.16 Vật liệu lò xo bán dẫn gợn sóng nằm phía trên đỉnh của vật liệu lò xo

không dẫn điện gợn sóng

36

Hình 1.17 (a) : Sơ đồ mô tả các lực cơ cảm ứng từ xảy ra giữa lớp trên và dưới của

cuộn dây trong phần đầu nối dây quấn.

(b) : Giữa những cuộn dây liền kề

38

Hình 2.1 Mặt cắt ngang của một thanh dẫn stator trong đó các lực của chu trình

nhiệt làm cho vách ngăn rơi ra khỏi dây dẫn đồng Khoảng hở màu đen

xung quanh đồng là sự vỡ xảy ra

51

Hình 2.2 Tiết diện của cuộn dây 12 vòng từ stator động cơ 6.6kV sử dụng quá

trình ngâm tẩm chân không toàn phần Rỗ khí đen gần dây dẫn đồng là

kết quả của từ việc nhúng tẩm với epoxy kém, chỉ ở ngoài rãnh

54

Hình 2.3 Cạnh của cuộn dây bị mài mòn phần cách điện do cuộn dây bị lỏng

Mài mòn xảy ra dọc theo chiều dài cuộn dây vì cuộn dây không được

lắp đặt chắc chắn Gờ dọc là nơi rãnh thông gió xảy ra trong lõi sắt

stator

58

Hình 2.4 Thanh dẫn stator được tháo ra từ stator lớn được làm mát bằng hydr

Các vòng cung màu sáng là nơi mà lò xo gợn sóng cạnh mài mòn cách

điện vách

59

Hình 2.5 Hai rãnh stator lấy ra từ trục của một máy điện làm mát bằng không khí

Các thanh dẫn nêm stator đã được tháo ra, để lộ phía trên 2 cuộn dây

Lớp phủ bán dẫn trên cuộn dây được kết nối với đầu cực pha đã biến

mất

62

Hình 2.6 Phần đầu nối dây quấn của máy phát thuỷ điện Vệt trắng xung quanh

một vài cuộn dây ở ngoài rãnh cho biết lớp phủ phần gối nhau đã bị

thoái hoá

65

Hình 2.7 Mặt cắt của 2 cuộn dây kề nhau khác pha nhau ở phần đầu nối dây quấn

cùng với 1 mạch tương đương thể hiện dòng điện rò nhỏ chạy như thế

nào

71

Hình 2.8 Hình ảnh của vệt đen bị carbon hoá trên một khối chêm giữa 2 cuộn dây

khác pha nhau

72

Hình 2.9 Mặt cắt của 2 cuộn dây kề nhau trong phần đầu nối dây quấn nơi phóng

điện cục bộ xảy ra nếu khoảng cách giữa các cuộn dây quá nhỏ

81

Hình 2.10 Phóng điện cục bộ giữa 2 cuộn dây kề nhau của các pha khác nhau sinh

ra bột trắng trên bề mặt các cuộn dây

83

Hình 3.1 Lỗ mài xuyên cách điện vách từ một lớp lót rãnh gần đầu rãnh rotor 96 Hình 3.2 Các lực cơ khí khác nhau xảy ra trong một rotor cảm ứng lồng sóc 121 Hình 3.3 Biến dạng thanh dẫn rotor bên ngoài rãnh bởi lực cơ lúc

khởi động động cơ

121

Hình 3.4 Vòng hãm trên một vành ngắn mạch 122

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IFD Inverter-fed drive : thiết bị biến tần

VPI Vacuum pressure impregnation : ngâm tẩm áp suất chân không

DC Direct current : Dòng điện một chiều

AC Alternative current : Dòng điện xoay chiều

RTD Resistance-temperature detector : máy đo điện trở - nhiệt độ

TC Thermocouple – cặp nhiệt độ

PET Polyethylene terephthalate : nhựa nhiệt dẻo

PEN Polyethylene naphthalate : nhựa dẻo nóng

PWM Pulse width modulation : Điều chỉnh độ rộng xung

HP Horse power : Sức ngựa

RPM Vòng/phút

NEMA National Electrical Manufacturers Association : Hội liên hiệp

các nhà sản xuất điện quốc gia SCR Thyristor – silicon controlled rectifier : chỉnh lưu silic có điều

khiển

GTO Gate turn – off switch : công tắc chuyển đóng sang cắt

RMS Root mean square : giá trị hiệu dụng

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor : Transistor có cực điều khiển

cách ly

MW Megawatt : Mega oat

NDT Non-destructive evaluation : đánh giá không phá huỷ

Ppm Part per million : một phần triệu

Ppb Part per billion : một phần tỉ

ring bus Vòng sắp xếp công tắc có thể bao gồm bốn, sáu, hoặc nhiều bộ

ngắt kết nối trong một vòng khép kín, với cùng số điểm kết nối

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÁCH ĐIỆN

TRONG DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN QUAY

1.1 Các loại máy điện và cấu tạo dây quấn

1.1.1 Các loại máy điện quay

Các máy điện quay loại từ 1HP hoặc 1KW trở lên được phân thành 2 loại lớn : (1) động cơ điện-biến đổi điện năng thành cơ năng (thường là mômen quay) và (2) máy phát-biến cơ năng thành điện năng Ngoài ra, còn có những máy đặc biệt khác như máy bù đồng

bộ

Động cơ và máy phát có thể là một chiều hoặc xoay chiều, chúng có thể sử dụng hay sinh ra dòng điện một chiều hoặc xoay chiều Trong động cơ, máy điện một chiều có thể dễ dàng thay đổi vận tốc quay Do vậy, trước đây, động cơ và máy phát một chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Tuy nhiên, ngày nay thật dễ dàng để tạo ra động cơ với tốc

độ thay đổi bằng việc kết hợp một động cơ xoay chiều với một thiết bị biến tần (IFD), nên động cơ một chiều loại hàng trăm kW trở lên ít phổ biến hơn Máy điện còn được phân loại theo cách sử dụng bộ làm mát Chúng có thể được làm mát trực tiếp hoặc gián tiếp bằng không khí, khí hydro hoặc nước như một chất làm mát trung gian

A Động cơ xoay chiều

Gần như các động cơ xoay chiều có dây quấn stator một pha (cho động cơ dưới 1KW) hoặc ba pha mà dòng điện đầu vào chạy qua Với động cơ xoay chiều, stator còn được gọi là phần ứng Động cơ xoay chiều thường được phân loại dựa vào dây quấn rotor Dây quấn rotor cũng được biết như cuộn dây kích từ trong hầu hết các loại máy điện

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (Hình 1.1) Rotor tạo ra một từ trường bằng

cách biến đổi cảm ứng xoay chiều từ cuộn dây stator (phần ứng) Đến nay, đây là loại phổ biến nhất của động cơ AC được chế tạo Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có thể nằm trong dải công suất từ 1 HP (<1kw) đến hàng chục ngàn HP (>30MW) Ưu thế của động cơ này là sự đơn giản của rotor Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc tốc độ của rotor

thường bằng 100% hoặc thấp hơn tốc độ ―đồng bộ‖ của từ trường quay trong khe hở không khí do cuộn dây stator tạo ra Vì vậy tốc độ trượt của rotor thường chậm sau tốc độ của tốc

độ từ thông khe hở [1,2] Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thường được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực bao gồm động cơ bơm, quạt, máy mài, máy trộn và trong hầu hết các máy công cụ

Hình 1.1 Rotor đưa vào stator của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn Rotor được quấn bằng dây cách điện và

các đầu dây được đưa ra khỏi rotor qua các vòng tiếp điện Khi hoạt động, dòng điện được cảm ứng vào trong rotor từ stator, như động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Tuy nhiên, trong máy điện rotor dây quấn thì dòng điện có thể bị hạn chế trong dây quấn rotor nhờ vào điện trở ngoài hoặc hệ thống bù năng lượng hao hụt Điều này cho phép điều chỉnh được tốc

độ của động cơ Động cơ rotor dây quấn thường ít được sử dụng do yêu cầu về bảo dưỡng thêm phần vòng tiếp điện Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có bộ biến tần thường đáng tin cậy hơn và rẻ hơn

Động cơ đồng bộ Động cơ này có dòng một chiều chạy trong dây quấn rotor Dòng

điện một chiều này tạo ra một từ trường một chiều tương tác qua lại với từ trường quay trong dây quấn stator, làm cho rotor quay Tốc độ của rotor có quan hệ với tần số của dòng xoay chiều được cấp tới cuộn dây stator (50 hoặc 60 hz) Tốc độ rotor phụ thuộc vào số đôi cực từ (một đôi cực bao gồm một cực bắc và một cực nam) Có 2 cách để tạo ra dòng điện

một chiều trong rotor Cách xưa nhất, vẫn phổ biến là cung cấp dòng điện một chiều trên rotor bằng hai vành trượt (một âm, một dương) Cách khác, phương pháp ―không chổi than‖, sử dụng dây quấn một chiều gắn trên stator để để phát ra dòng xoay chiều trên dây quấn ba pha được gắn trên rotor, sau đó được chỉnh lưu thành dòng một chiều Động cơ đồng bộ đòi hỏi phải có một ―động cơ phụ‖ để chạy rotor đến gần tốc độ đồng bộ Ngoài ra,

có thể sử dụng loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc dây quấn trên rotor để tăng tốc độ động cơ trước khi dòng một chiều được phép chạy qua cuộn dây chính rotor Cuộn dây này như một thiết bị chống rung hoặc bộ giảm xóc Ưu điểm của động cơ đồng bộ là yêu cầu dòng kích từ nhỏ hơn so với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và tốc độ thì ổn định hơn

Động cơ nam châm vĩnh cửu Những động cơ này có rotor được làm bởi vật liệu từ

vĩnh cửu đặc biệt Tức là không có dòng một chiều hay xoay chiều chạy trong rotor và không có cuộn dây rotor Trước kia, những động cơ dưới 50HP thường là động cơ nam châm vĩnh cữu vì chúng rất khó khăn trong việc tắt máy Tuy nhiên, gần đây một số động cơ nam châm vĩnh cửu lớn được ứng dựng trong lĩnh vực hàng hải do tính đơn giản của nó

B Máy phát điện đồng bộ

Hầu hết điện năng hiện nay đều được sinh ra từ các máy phát điện đồng bộ Trong máy phát điện đồng bộ, dòng một chiều chạy trong dây quấn rotor sẽ tạo ra từ trường Cũng trong thời điểm đó, rotor quay do tác động của động cơ tuabin hơi (sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc hạt nhân), tuabin khí, diesel, hoặc tuabin hơi Sự quay của trường một chiều từ rotor sẽ cảm ứng dòng điện trong cuộn dây stator

Hình 1.2 Rotor cực ẩn loại nhỏ Các vòng hãm ở mỗi đầu của thân rotor

Máy phát điện có rotor cực ẩn (Hình 1.2) Cũng được biết đến như các máy điện

rotor hình trụ, máy điện rotor cực ẩn phổ biến trong các máy điện tốc độ cao, tốc độ rotor trong khoảng 1000rpm trở lên Những nơi mà hệ thống điện sử dụng tần số 60hz, tốc độ rotor thường là 1800rpm hoặc 3600 rpm Bề mặt tương đồi bằng phẳng của rotor sẽ làm giảm tổn thất khe hở, tức là, năng lượng mất đi để di chuyển không khí vòng quay khe hở không khí giữa rotor và stator dưới tác dụng của quạt

Bề mặt dạng hình trụ bằng phẳng thích hợp với một cấu trúc mạnh mẽ dưới tác dụng của lực ly tâm lớn thường có trong những máy điện tốc độ cao Máy phát có rotor cực ẩn còn được gọi là ―máy phát tuabin‖ nó luôn hoạt động nhờ vào tuabin hơi và tuabin khí (động cơ phản lực) Máy phát tuabin sử dụng rotor cực ẩn được chế tạo có thể đạt đến 1500MW Các máy phát điện lớn thường có rotor gắn nằm ngang và làm mát bằng hydro

Máy phát điện cực lồi (Hình1.3) Rotor cực lồi thường có cực từ riêng được gắn

trên các gờ, với cực từ được siết chặt vào rotor bằng một ―ống kẹp‖- một bộ tay quay Vì các cực từ trường nhô ra khỏi mép trong những khoảng không gian giữa các cực, cực lồi rotor tạo ra nhiễu loạn không khí đáng kể trong khe hở giữa rotor và stator khi rotor quay, kết quả là tạo ra tổn thất khe hở tương đối lớn Tuy nhiên, do tốc độ quay thường là ít hơn

1000 rpm rất nhiều nên sự tổn hao này coi như vừa phải Máy điện cực lồi thường được sử dụng với tuabin nước, có tốc độ thấp Để tạo ra được dòng tần số 50 hoặc 60hz trong stator, cần đến 1 số lượng lớn cực từ Năm mươi đôi cực từ thường có trong các máy thủy điện so với một hoặc hai đôi cực trong máy phát điện tuabin Một số lượng đôi cực lớn đòi hỏi rotor phải có đường kính lớn để có mang được tất cả số cực đó Các máy thủy điện có thể phát ra khoảng 800MW Rotor trong máy thủy điện lớn thường được gắn thẳng đứng và có đường kính hơn 10m

Máy phát tích năng bằng bơm Đây là loại máy điện cực lồi đặc biệt Nó sử dụng

để bơm nước ở trên bể chứa cao hơn trong suốt thời gian có nhu cầu điện năng thấp Sau đó,

ở thời điểm nhu cầu điện năng cao, nước được chảy từ bể chứa phía trên xuống bể chứa thấp hơn, ở đó máy điện hoạt động ở chế độ thuận nghịch như máy phát Việc chuyển chế độ làm việc của máy điện từ bơm sang phát thường được hoàn thành bởi sự thay đổi việc kết nối dây quấn stator của máy điện để đảo chiều trực tiếp rotor Tích năng bằng bơm có thế bổ sung đến 500 MW

Hình 1.3 Rotor cực lồi cho động cơ loại lớn, tốc độ thấp

1.1.2 Phân loại dựa vào kiểu làm mát

Một cách khác để phân loại máy điện là loại làm lạnh trung gian mà chúng sử dụng như: không khí, nước và khí hydro Một trong những nguồn nhiệt chính trong máy điện là dòng điện DC hay AC chạy trong dây quấn stator và rotor Biểu thức I2R gọi là tổn thất nhiệt, ta thấy nhiệt tỏa ra tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện và điện trở của dây dẫn Nguyên nhân khác sinh nhiệt là: tổn thất trong lõi thép, tổn thất khe hở, tổn thất dòng điện xoáy Tất cả những nguyên nhân đó đều làm cho nhiệt độ của vòng dây tăng lên Nếu lượng nhiệt này không bị loại bỏ thì cách điện giữa những cuộn dây sẽ bị hỏng và máy điện sẽ bị sự cố do ngắn mạch

Làm lạnh khí gián tiếp Động cơ và máy phát hiện đại đạt dưới 100MVA đều được

làm mát bằng không khí thổi qua rotor và stator Điều này được gọi là làm mát gián tiếp vì dây dẫn điện không trực tiếp tiếp xúc với không khí lạnh do sự có vật liệu cách điện trên dây quấn Không khí được liên tục đưa vào từ môi trường, nhưng không quay vòng

Để thu được khí làm lạnh là đóng kín tổng thể máy điện và quay vòng không khí thông qua bộ trao đổi nhiệt Điều này cần thiết cho các động cơ hở nhiều thành phần Việc tuần hoàn không khí thường được làm mát bởi một bộ trao đổi nhiệt từ không khí tới nước trong máy điện lớn hoặc làm lạnh bởi không khí bên ngoài thông qua việc phát xạ cánh kim loại trong những động cơ nhỏ hay làm lạnh dạng ống trong các máy lớn

Mặc dù máy phát công suất nhỏ, cũ thường là máy hở, phần lớn máy thủy điện và máy phát điện tuabin (công suất dưới 50 MVA) được quay vòng không khí qua máy điện Hầu như tất cả các máy phát điện khí sử dụng không khí quay vòng, với không khí thường được làm mát bởi bộ trao đổi nhiệt từ không khí tới nước Đối với các máy phát điện tuabin công suất lên tới vài trăm megawatt, không khí quay vòng là dạng làm lạnh phổ biến

Làm lạnh hydro gián tiếp Hầu hết tất cả những máy phát tuabin lớn sử dụng hydro

quay vòng như khí làm lạnh Điều này là do phân tử hydro nhỏ hơn và nhẹ hơn, kết quả là tổn thất khe hở nhỏ hơn và truyền tải nhiệt tốt hơn không khí Đường chia khi sử dụng hydro làm lạnh không đổi Trong những năm 1990 đã xác định phương hướng để dự trữ hydro làm lạnh cho các máy điện đạt công suất 300MVA trở lên, trong khi trong quá khứ, làm mát hydro đôi khi được sử dụng trên các máy phát điện tuabin hơi và tuabin khí nhỏ như 50 MVA[4,5]

Làm mát vòng dây trực tiếp Các máy phát điện được gọi là làm mát gián tiếp hay

thông thường nếu các vòng dây được làm mát bởi không khí hoặc hydro thổi qua bề mặt của cuộn dây và qua lõi thép, nơi nhiệt được tạo ra bên trong dây dẫn điện qua vật liệu cách điện Những máy phát điện lớn cuộn dây stator và rotor thường được làm mát trực tiếp Trong dây quấn làm mát trực tiếp, nước hoặc khí hydro được đi xuyên vào bên trong dây dẫn điện hoặc qua đường dẫn sát cạnh dây dẫn điện Cuộn dây stator làm lạnh nước trực tiếp

sử dụng nước tinh khiết chảy qua chỗ lõm của bối dây dẫn đồng hoặc qua ống thép không gỉ ngay cạnh dây dẫn điện đồng Vì chất làm lạnh sẽ trực tiếp tiếp xúc với dây dẫn điện, điều này sẽ loại bỏ hiệu quả lượng nhiệt tăng lên do tổn thất I2R Với những máy điện làm mát gián tiếp, nhiệt lượng từ tổn thất I2R phải được truyền qua vỏ bọc cách điện của dây dẫn, lớp cách nhiệt này đáng kể Hydro được cho thổi qua trong vùng ống dẫn đồng rỗng hoặc ống thép chống rỉ, giống như làm lạnh bằng nước Trong cả 2 trường hợp trên, phải đảm bảo chắc chắn rằng làm mát nước hoặc hydro trực tiếp không gây vấn đề cho vật liệu cách điện

1.1.3 Mục đích của dây quấn

A Dây quấn stator

Ba bộ phận chính của một stator là dây dẫn đồng (mặc dù dây nhôm đôi khi cũng được sử dụng), lõi thép stator và vật liệu cách điện Dây đồng là đường dẫn cho dòng điện dây quấn stator Trong máy phát điện, dòng điện đầu ra của stator được cảm ứng chạy trong

dây dẫn đồng như một phản ứng với từ trường quay của rotor Trong động cơ, dòng điện được đưa vào trong stator sẽ sinh ra một từ trường quay làm rotor chuyển động Dây dẫn đồng phải có tiết diện đủ lớn để mang dòng điện mà không bị quá nhiệt

Hình 1.4 là sơ đồ mạch điện dây quấn stator của động cơ hay máy phát ba pha thông thường Sơ đồ chỉ ra mỗi pha có một hoặc nhiều hơn các đường dẫn song song cho dòng điện chạy qua Nhiều đường dẫn song song thường cần thiết vì tiết diện dây đồng đủ lớn để mang toàn bộ dòng điện pha có thể dẫn đến không kinh tế về kích cỡ rãnh stator Mỗi đường song song có một số cuộn dây được mắc nối tiếp

Lõi thép stator trong máy phát tập trung từ trường từ rotor trên dây dẫn đồng trong dây quấn Lõi thép stator được tạo ra từ những tấm thép từ tính mỏng Thép từ tính là đường dẫn có từ trở thấp để từ trường từ rotor đến stator và ngược lại Lõi thép cũng ngăn cản hầu hết từ trường trong dây quấn stator thoát ra các phần đầu lõi stator, mà có thể gây ra dòng điện chạy gần vật liệu dẫn điện

Hình 1.4 Sơ đồ stator hay dây quấn 3 pha,đấu sao, với mạch 2 đường song song mỗi pha

Thành phần chính cuối cùng của dây quấn stator là vật liệu cách điện Khác với dây dẫn đồng và thép từ tính, là thành phần hoạt động tạo nên chức năng động cơ hoặc máy phát, cách điện là thụ động Người thiết kế máy phát và động cơ luôn muốn hạn chế vật liệu cách điện, vì cách điện làm tăng kích thước máy điện và giá thành, và giảm hiệu suất mà không giúp cho việc tạo ra momen hay dòng điện [6] Cách điện là ―chi phí phụ‖ với mục đích ban đầu là hạn chế ngắn mạch giữa dây dẫn tới đất Tuy nhiên nếu không có cách điện, dây dẫn đồng sẽ tiếp xúc với các dây dẫn khác hoặc với thành lõi stator, gây ra dòng điện chạy theo những đường dẫn không mong muốn và hạn chế sự hoạt động của máy

B Cách điện trong dây quấn rotor

Trong nhiều trường hợp, dây quấn rotor có những thành phần như dây quấn stator nhưng có nhiều thay đổi quan trọng Trong mọi trường hợp, dây đồng, hợp kim đồng hay nhôm được dùng để dẫn điện Tuy nhiên dòng điện ổn định chạy qua dây quấn rotor luôn là dòng một chiều (trong máy điện đồng bộ), hoặc dòng xoay chiều tần số rất thấp (khoảng một vài hz) trong máy điện không đồng bộ

Dây dẫn điện trong dây quấn rotor thường được gắn vào phần lõi thép hoặc bao quanh lá thép từ tính Tuy nhiên, rotor cực ẩn trong những máy phát điện cơ lớn và máy cực lồi tốc độ cao thường được làm từ thép tôi từ tính vì các thép từ tính được cán mỏng trong rotor không thể chịu đựng được lực ly tâm lớn Dây quấn rotor của máy điện đồng bộ giống như dây quấn trong động cơ rotor dây quấn không đồng bộ , nó gồm có vật liệu cách điện để hạn chế ngắn mạch giữa những phần dẫn điện cạnh nhau hoặc thân rotor Cách điện khi đó thường quyết định tuổi thọ của dây quấn rotor

C Dây quấn rotor trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Dây quấn rotor trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc lạ lùng ở chỗ chúng thường không có cách điện rõ ràng trên dây dẫn rotor Thay vào đó, dây dẫn đồng, hợp kim đồng, hay nhôm được lắp đặt trực tiếp trong rãnh lõi rotor thép Trong hoạt động bình thường, chỉ có một vài volt được cảm ứng trên dây dẫn rotor, và tính dẫn điện của các dây dẫn cao hơn nhiều so với lõi thép Vì dòng điện thông thường chỉ chạy trong dây dẫn, vật liệu cách điện không cần phải cưỡng bức để dòng điện chạy đúng theo đường dẫn của nó

Thời điểm có điện áp lớn có thể xuất hiện trên các dây dẫn rotor trong động cơ là khi khởi động Đây cũng là thời gian mà dòng đặc biệt lớn sẽ chạy vào các cuộn dây rotor Dưới một số điều kiện trong quá trình khởi động, các dây dẫn sẽ phá huỷ tiếp xúc với lõi stator, dẫn đến việc đánh lửa Tuy nhiên, một số động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc hoạt động trong môi trường dễ cháy nổ, điều này làm rotor dễ cháy Do vậy, một số nơi sản xuất động

cơ đã làm cách điện giữa dây dẫn và lõi rotor để ngăn cản sự đánh lửa [7]

1.1.4 Một số cấu tạo của dây quấn stator

Ba loại cấu trúc cơ bản của dây quấn stator được sử dụng trên khoảng từ 1KW đến hơn 1000MW :

1 Dây quấn stator mềm

2 Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn

3 Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn Roebel

Nói chung, dây quấn stator mềm thường được sử dụng cho các máy điện dưới vài trăm kW Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn được sử dụng trong hầu hết các động cơ lớn và nhiều máy phát điện loại từ 50 đến 100 MVA Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn Roebel được sử dụng cho máy phát điện lớn

A Dây quấn stator mềm

Dây quấn stator mềm bao gồm các vòng, dây dẫn đồng bọc cách điện (dây điện từ, dây quấn) được quấn liên tục (bằng tay hoặc bằng một máy quấn) qua các rãnh trong lõi stator để tạo thành một cuộn dây (Hình 1.5) Hình 1.5 cho thấy hầu hết các vòng trong các cuộn dây có thể dễ dàng nhìn thấy Mỗi lượt (vòng lặp) của dây điện từ có thể, về nguyên tắc, được đặt ngẫu nhiên với bất kỳ vòng dây khác trong cuộn dây, độc lập với cấp điện áp của vòng dây, do đó có thuật ngữ "ngẫu nhiên" Vì một vòng dây được kết nối với thiết bị đầu pha có thể liền kề với vòng dây đang hoạt động ở điện áp thấp (ví dụ, tại điểm trung tính) Stator dây quấn mềm này thường hoạt động ở điện áp nhỏ hơn 1000 V

Hình 1.5 Phần đầu nối dây quấn và rãnh stator dây quấn mềm

B Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn

Loại này thường dùng cho các máy điện hoạt động ở điện áp 1000V trở lên Các cuộn dây này được làm từ cuộn dây cách điện, chúng được đưa vào trong rãnh lõi stator

(Hình1.6) Các cuộn dây được làm từ trước bao gồm một vòng dây điện liên tục tạo thành hình cuộn dây(đôi khi được gọi là một hình dạng kim cương), với lớp cách điện thêm áp dụng trên các vòng cuộn dây Thiết kế và sản xuất cẩn thận sẽ đảm bảo rằng mỗi vòng trong một cuộn dây tiếp giáp với một vòng khác với sự chênh áp nhỏ nhất có thể Bằng cách giảm thiểu điện áp giữa vòng dây liền kề, cách điện mỏng hơn có thể được dùng để tách các vòng Ví dụ, trong một cuộn dây stator 4160 V (2400 V dòng đối đất), cuộn dây có thể có

10 cuộn dây mắc nối tiếp, với mỗi cuộn dây gồm 10 vòng, nghĩa là 100 vòng giữa các pha

và pha trung tính Điện áp tối đa giữa vòng dây liền kề là 24 V Ngược lại, nếu stator dây quấn mềm, có thể có tối đa là 2400 V giữa các vòng dây liền kề, vì đầu dây pha có thể tiếp giáp với đầu vòng dây trung hoà

C Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn Roebel

Trong những máy phát điện lớn, công suất đầu ra càng lớn, thì các cuộn dây thường lớn và cứng hơn Trong stator có công suất lớn hơn 50MW, dạng dây quấn cứng đủ lớn để gây nên khó khăn trong việc đặt 2 đầu của cuộn đây trong các rãnh nông trong cực stator mà không có rủi ro cơ khí àm hư hại tới cuộn dây trong lúc lắp đặt Do vậy, ngày nay những máy phát điện lớn nhất không được làm từ cuộn dây nhiều vòng, mà là làm từ những cuộn dây ―nửa vòng‖, thường được gọi là thanh dẫn Roebel Với cấu trúc thanh dẫn Roebel, chỉ

có một nửa "cuộn" được đưa vào rãnh cắm tại một thời điểm Với cách tiếp cận thanh dẫn Roebel, kết nối điện để tạo thành ―cuộn dây" ở hai đầu của thanh dẫn (Hình 1.7)

(a)

(b)

Hình 1.6 (a) Động cơ dây quấn stator cứng

(b) Một cuộn dây cứng đã được đặt trong hai rãnh

Hình 1.7 Dây quấn stator máy phát điện tuabin dùng thanh dẫn Roebel

1.2 Những đặc điểm hệ thống cách điện của dây quấn stator

Thành phần cơ bản của hệ thống cách điện stator là:

 Cách điện sợi

 Cách điện vòng

 Cách điện vách Hình 1.8 và 1.9 cho thấy tiết diện dây quấn mềm và dây quấn cứng trong rãnh stator Chú ý là stator dây quấn cứng có hai cuộn dây cho mỗi rãnh Hình 1.10 là hình tiết diện của dây quấn nhiều vòng Ngoài các thành phần cách điện chính, hệ thống cách điện đôi khi có lớp phủ ngoài chống điện áp cao và thành phần giá đỡ phần đầu nối dây quấn

Hình 1.8 Tiết diện ngang của rãnh stator dây quấn mềm

1.2.1 Cách điện sợi và cách điện vòng

Cách điện sợi Trong cuộn stator dây quấn mềm, cách điện sợi có chức năng như

cách điện vòng, mặc dù ống cách điện phụ đôi khi được đưa vào để tăng thêm khả năng cách điện ở những vị trí then chốt Từ quan điểm về điện, có những nguyên nhân để làm ra những sợi dây điện và cách điện chúng với nhau Nó cũng được biết từ lý thuyết điện rằng nếu một dây dẫn bằng đồng có tiết diện đủ lớn, dòng điện chạy trong mặt ngoài của dây dẫn Đó gọi là hiệu ứng bề mặt Hiệu ứng bề mặt gây ra độ sâu bề mặt mà qua đó phần lớn dòng điện chạy qua Độ dày bề mặt của đồng là 8.5 mm ở 60Hz Nếu dây dẫn điện có tiết diện mà dày hơn 8,5mm, có một xu hướng là dòng điện không chạy qua chính giữa dây dẫn, tức là dòng điện không dùng hết tiết diện sẵn có

Ngoài ra, tổn hao dòng điện xoáy xảy ra trong dây dẫn cứng với một tiết diện quá lớn Trong các rãnh, từ trường chính chủ yếu hướng kính, nghĩa là, vuông góc với hướng trục Ngoài ra còn có từ thông móc vòng (tản) có thể tạo ra dòng điện xoáy.Tại phần đầu nối

Vì sợi cách điện liền sát dây dẫn đồng mang dòng điện chính stator, nơi gây ra tổn hao I2R, cách điện sợi bị bóc trần ở nhiệt độ cao trong stator Do đó, vật liệu cách điện sợi phải có tính chịu nhiệt tốt

Hình 1.10 : Tiết diện ngang cuộn dây nhiều vòng, với 3 vòng và 3 bối dây mỗi vòng

Hình 1.11 Hình chiếu cạnh của máy phát cho thấy đường sức hướng kính trong khe

hở không khí và đường sức vòng ở cuối lõi, kết quả tạo ra từ thông hướng trục

Cách điện vòng Mục đích của cách điện vòng trong cả stator dây quấn mềm và

cứng là ngăn ngừa ngắn mạch giữa các vòng dây trong một cuộn dây Nếu ngắn mạch xảy

ra, thì vòng ngắn mạch sẽ như cuộn dây thứ cấp của một máy biến áp tự ngẫu

Quy tắc máy biến áp : n p I p = n s I s (1.1)

trong đó n là số lượng vòng của cuộn sơ cấp hay thứ cấp, và I là dòng điện trong cuộn sơ

cấp hay thứ cấp Do đó, một dòng điện xoáy lớn chạy qua vòng bị sự cố, khiến nó quá nhiệt nhanh chóng Thường thường, dòng điện lớn sẽ được sinh ra nhanh chóng bởi sự cố chạm đất dẫn đến tan chảy đồng mặc dù có bất cứ cách điện vách nào Rõ ràng, tác động của cách điện vòng là cần thiết để làm tăng tuổi thọ của cuộn dây stator

Điện áp tần số công nghiệp trên cách điện vòng trong động cơ dây quấn mềm có thể dao động đến điện áp giữa các pha của stator bởi vì, theo định nghĩa, các vòng dây được đặt ngẫu nhiên trong các rãnh và do đó có thể liền kề với vòng dây đầu pha của pha khác, mặc

dù nhiều nhà sản xuất động cơ có thể chèn thêm cách điện giữa các cuộn dây trong cùng một rãnh nhưng khác pha và giữa các cuộn dây trong các pha khác nhau ở phần đầu nối dây quấn Vì cuộn dây mềm hiếm khi được sử dụng trên các động cơ lớn hơn 600 V (điện áp giữa các pha), cách điện vòng có thể là khá mỏng Tuy nhiên, nếu một động cơ bị đặt vào xung điện áp cao, đặc biệt là từ các thiết bị biến tần hiện đại (IFDs), độ lớn điện áp giữa các vòng dây vượt quá điện áp tối đa thông thường 600 VAC Những xung điện áp cao này làm gia tăng các sự cố cơ học

Điện áp tần số công nghiệp qua vòng liền kề trong dây quấn cứng nhiều cuộn dây được xác định chính xác Về bản chất, một cuộn dây cần số lượng vòng dây giữa dây pha và dây trung tính và chia cho điện áp pha với đất để lấy điện áp trên từng vòng Ví dụ, nếu một động cơ quay với điện áp hiệu dụng 4160V (giữa các dây pha), điện áp pha-đất là 2400 V

Đó sẽ được kết quả là khoảng điện áp hiệu dụng 24V chạy qua từng vòng dây, nếu có 100 vòng giữa dây pha và dây trung tính Điều này xảy ra bởi vì các nhà sản xuất thép cuộn khó khăn kể để đảm bảo rằng các điện cảm của mỗi cuộn dây là như nhau, và độ tự cảm của mỗi

vòng trong một cuộn dây là như nhau Vì cảm kháng ( X L) là:

X L = 2πfL (1.2)

trong đó f là tần số dòng điện xoay chiều và L là độ tự cảm của cuộn dây hay vòng dây,

những vòng dây như những trở kháng trong một bộ chia điện áp mà trở kháng những cuộn nối tiếp là bằng nhau Nói chung, điện áp đi qua mỗi vòng sẽ ở giữa khoảng 10VAC (động

cơ có dây quấn cứng nhỏ) tới 250 VAC (cho máy phát điện lớn nhiều cuộn dây nhiều vòng)

Cách điện vòng trong cuộn dây quấn cứng có thể tiếp xúc với điện áp quá độ cao khi động cơ khởi động, hoạt động IFD, hay sét đánh Điện áp quá độ có thể gây lão hóa hay đánh thủng cách điện vòng Hình 1.12 biểu thị cách điện sợi được nâng cấp lên (thường với dày hơn) để thoả mãn cả cách điện sợi và vòng Điều đó đã loại trừ một bước sản xuất (ví

dụ quá trình quấn) và làm tăng tiết diện ngang rãnh để có thể vừa khít với dây dẫn đồng

Cả cuộn dây cứng và dây quấn mềm đều chịu được ứng suất cơ khí và quá nhiệt Các ứng suất cơ học cao nhất có xu hướng xảy ra trong quá trình hình thành cuộn, đòi hỏi các lớp cách điện vòng được uốn cong với hướng góc lớn mà có thể kéo căng và phá vỡ cách

điện Trạng thái ổn định, lực dao động cơ được từ trường cảm ứng (hai lần tần số điện) hoạt động trên các vòng dây suốt quá trình hoạt động bình thường của động cơ Ngoài ra, lực từ quá độ rất lớn tác động trên các vòng dây trong lúc khởi động động cơ hoặc đồng bộ hóa lệch pha trong máy phát điện Kết quả là cách điện vòng cũng đòi hỏi độ bền cơ học tốt

Hình 1.12 Tiết diện ngang của cuộn dây mà cách điện vòng dây và cách điện sợi là một

Ứng suất nhiệt trong cách điện vòng về cơ bản là giống với sự miêu tả ở trên về cách điện sợi Cách điện vòng là liền kề với dây dẫn đồng, nơi mà sức nóng từ tổn hao I2R trong cuộn dây Độ nóng chảy hay sự phân hủy bởi nhiệt của cách điện vòng càng cao, thì dòng điện mà chạy qua trong stator theo thiết kế phải càng lớn

Trong thanh dẫn Roebel, cách điện vòng không được dùng mà chỉ có cách điện sợi

1.2.2 Cách điện vách

Cách điện vách là thành phần ngăn cách dây dẫn đồng với phần lõi stator Sự hỏng cách điện vách thường làm nhảy rơle nối đất, dẫn đến động cơ hay máy phát dừng hoạt động Như thế, cách điện vách stator là giới hạn cho sự vận hành đúng cách của động cơ hay máy phát Để tuổi thọ của thiết bị lâu dài, vách ngăn phải đáp ứng được sự khắc nghiệt của ứng suất điện, nhiệt và cơ khí mà nó phụ thuộc

Thiết kế điện Cách điện nối đất trong stator dây mềm, ở dạng cơ bản nhất, giống

như cách điện vòng Vì thế cách điện dây điện từ hoạt động như cách điện vòng và cách điện vách Cách điện vòng được thiết kế để chịu được điện áp giữa các dây pha , thường lớn nhất là 600VAC Tuy nhiên, đặc biệt trong động cơ lớn hơn 250V, dây quấn stator mềm thường có những tấm vật liệu cách điện lót ở các rãnh, để tăng thêm cách điện vách (Hình

1.8) Chúng có thể có những tấm vật liệu cách điện ngăn cách các cuộn dây trong các pha khác nhau Tuy nhiên, về mặt cơ khí, miếng đệm có độ chống ăn mòn tuyệt vời để chống lại lực từ trường, gây ra rung trên vòng dây, chống nứt tốt để chịu được hoạt động sản xuất

Cách điện vách trong cuộn dây cứng nhiều vòng và thanh dẫn Roebel đòi hỏi cần phải nghiên cứu sâu hơn Cuộn dây và thanh dẫn nối với đầu pha của dây quấn sẽ tỉ lệ với điện áp pha qua nó Ví dụ, điện áp định mức của stator 13.8kV sẽ có điện áp là 8 kV (13.8/√3) giữa dây dẫn đồng và thành lõi stator Điện áp cao yêu cầu cách điện vách dày Điện áp vách ngăn cao chỉ xảy ra trong cuộn dây/ thanh dẫn nối với đầu pha dây quấn Các cuộn dây / thanh dẫn kết nối với dây trung tính về cơ bản không có điện áp trên vách ngăn trong quá trình hoạt động bình thường Tuy nhiên, hầu như tất cả các máy được thiết kế để

có độ dày cách điện như nhau cho cả hai đầu dây pha và đầu dây trung tính Nếu tất cả cuộn dây có độ dày vách ngăn khác nhau thì để tận dụng chiều rộng nhỏ hơn của đầu thanh dẫn hoặc cuộn dây trung tính, rãnh stator sẽ hẹp hơn

Thiết kế nhiệt Cách điện vách trong máy điện, cuộn dây cứng làm mát gián tiếp

máy điện dây quấn cứng là đường chính để truyền nhiệt từ dây dẫn đồng (nguồn nhiệt) tới lõi stator (bộ tản nhiệt) Như vậy, vách ngăn cần phải có độ kháng nhiệt càng thấp càng tốt,

để ngăn chặn nhiệt độ cao trong đồng Để đạt được một độ kháng nhiệt thấp đòi hỏi các vật liệu vách ngăn có độ dẫn nhiệt càng cao càng tốt, và vách ngăn không có các rỗ khí Những

rỗ khí như thế ngăn dòng chảy của nhiệt, như cách mà hai lớp kính ngăn cách bởi khoảng không khí nhỏ ngăn dòng nhiệt qua cửa sổ Do đó, vật liệu cách điện phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (trong đồng) và được sản xuất theo một cách nào đó để hạn chế tối đa

sự hình thành của các rỗ khí bên trong vách ngăn

Thiết kế cơ khí Có lực từ lớn tác động lên các dây dẫn đồng Các lực từ này chủ

yếu là từ kết quả của hai từ trường từ dòng điện chạy trong các cuộn dây/thanh dẫn trên và dưới trong mỗi rãnh Từ trường này tác động đến nhau, tác dụng một lực làm cho các dây dẫn đồng riêng rẽ cũng như toàn bộ cuộn dây hoặc thanh dẫn (sơ cấp) rung lên xuống trong rãnh Lực, F, tác động lên các cuộn dây trên ở 120 Hz đối với dòng điện 60 Hz theo hướng kính trên 1m chiều dài của cuộn dây được cho xác định theo [8]:

F=

d

kI2

trong đó I là dòng điện hiệu dụng qua thanh dẫn Roebel, hay I= nI0, với I0, là dòng điện hiệu dụng cuộn dây; d là chiều rộng của rãnh stator (m); và k là 0.96 Lực này là có đơn vị KN là lực tác động trên từng mét chiều dài của thanh dẫn/ cuộn dây trong rãnh Nếu dòng điện trong thanh dẫn stator là : I = A sint, trong đó  là 2πf, f là tần số 50 hay 60Hz, và t là thời gian, thì (1.3) trở thành :

F=

d

t kA

2

)2cos1(

Đây là lực tổng tác động tới đáy của rãnh Lực ―DC‖ này là một lực dao động gấp 2 lần tần số công nghiệp, tức là 100 Hz hoặc 120 Hz Ngoài ra còn có một lực 100Hz hoặc 120Hz hướng tiếp tuyến gây ra bởi từ trường của rotor tương tác với dòng điện trong các cuộn dây / thanh dẫn stator Lực tiếp tuyến này là chỉ khoảng 10% lực hướng trục [8]

Cách điện vách cũng giúp để ngăn các dây dẫn đồng khỏi sự rung động từ các lực từ Nếu vách ngăn đầy rỗ khí, dây dẫn đồng có thể được tự do rung động Điều này sẽ khiến các dây dẫn va đập với các vách ngăn còn lại, cũng như cho phép các sợi và vòng đồng rung động với nhau, dẫn đến mài mòn vật liệu cách điện Nếu một khối cách điện không nén được tồn tại giữa đồng và bề mặt cuộn dây, khi đó các dây dẫn không thể di chuyển

1.2.3 Vách ngăn triệt tiêu phóng điện cục bộ

Trong thanh dẫn và cuộn dây kiểu cứng và có điện áp định mức lớn hơn 4kV, phóng điện cục bộ có thể xảy ra trong cách điện vách hay giữa bề mặt của cuộn hay thanh dẫn và cuộn dây stator Những phóng điện cục bộ này được tạo ra bởi áp lực điện áp cao xảy ra trong vách ngăn Nếu một rỗ khí tồn tại trong vách ngăn, ứng suất điện cao sẽ phá hủy không khí, gây ra tia lửa Tia lửa này sẽ làm giảm biến chất vật liệu cách điện và nếu không sửa chữa, sự phóng điện lặp lại sẽ ăn mòn tạo lỗ qua vách ngăn, dẫn tới hỏng Vì vậy, loại

bỏ rỗ khí trong vách ngăn để ngăn cuộn dây stator bị hỏng Ngoài ra, một hệ thống ngăn phóng điện cục bộ là cần thiết để ngăn chặn phóng điện trong bất kỳ khe hở không khí giữa các bề mặt của các cuộn dây và thanh dẫn và lõi sắt

Sự cố điện của lớp cách điện tương tự như sự hư hỏng cơ học của vật liệu Sự hỏng hóc cơ học xảy ra khi các liên kết hóa học bị phá vỡ dưới áp lực cơ học Ứng suất kéo (kPa) được định nghĩa là lực (trọng lượng) trên mỗi đơn vị diện tích tiết diện(m2) Tiết diện càng

lớn, lực một vật liệu (ví dụ, một dây thép) chịu được càng lớn trước khi nó bị phá vỡ Vật liệu khác nhau có độ bền kéo rất khác nhau

Sức chịu sự cố điện cũng là một thuộc tính của vật liệu cách điện Sự cố điện không

bị chi phối bởi mỗi điện áp mà nó còn phụ thuộc vào điện trường, cũng như các ứng suất kéo trên một dây đồng không chỉ được xác định bởi các lực mà nó đang chịu mà còn do lực

trên một tiết diện ngang Ứng suất điện, E, được xác định theo:

𝐸 = 𝑉

𝑑 ( kV/mm) (1.4)

trong đó V là điện áp trên các tấm kim loại (kV) và d là khoảng cách giữa các bản

cực (mm) Lưu ý rằng như đối với các ứng suất kéo, có thành phần kích thước Nếu điện áp đang tăng dần lên trên bản cực kim loại, sẽ có một điện áp mà tại đó sự cố điện xảy ra, ví dụ

là ở đó một tia lửa sẽ đi xuyên giữa các bản cực Sử dụng phương trình 1.4, có thể tính toán

độ bền điện môi của vật liệu cách điện Sự cố bao gồm một quá trình mà các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh các nguyên tử trong vật liệu cách điện được tách ra khỏi các phân tử bởi vì bị hút vào các bản kim loại dương Đó gọi là sự ion hóa Các electron tăng tốc về phía bản cực kim loại dương dưới tác dụng điện trường, và thường xuyên va chạm với các nguyên tử khác, và ion hoá chúng Một đám mây của các ion dương được bỏ lại phía sau và đi dần dần để các bản cực kim loại âm Các electron và ion tạo điện thế giữa hai tấm kim loại Kết quả là sự cố điện của vật liệu cách điện

Như sức bền cơ học, mỗi vật liệu có đặc tính sức chiu sự cố điện riêng Cho không khí ở nhiệt độ phòng và một áp lực không khí (100 kPa), và trong một độ ẩm thấp, độ bền điện là khoảng 3 kV/mm Độ bền điện của cách điện khí phụ thuộc vào áp suất khí và độ

ẩm Ví dụ, độ bền điện với không khí tại 300 kPa là khoảng 9 kV/mm, tức là, cùng một khoảng cách giữa các tấm, điện áp phá hỏng cao hơn ba lần áp suất khí quyển (100 kPa) Nó tuân theo định luật Pasen[9] Sức bền đánh thủng không khí và hydro là như nhau Tuy nhiên, vì máy phát điện làm mát bằng hydro thường hoạt động ở 300 kPa hoặc nhiều hơn, sức bền đánh thủng của hydro dưới áp lực này là 9 kV/mm

Sự hiện diện của những rỗ khí (hoặc hydro) trong vách ngăn có thể dẫn đến các sự cố điện của rỗ khí, một quá trình được gọi là phóng điện cục bộ Để hiểu rõ quá trình này, hãy xem xét tiết diện vách ngăn trong hình 1.13 Đối với sự cố điện xảy ra trong các rỗ khí, phải

có một ứng suất điện cao qua nó Sử dụng một mạch chia điện áp điện dung đơn giản (Hình

1.13b), người ta có thể tính toán điện áp trên các rỗ khí Điện dung của rỗ khí, có thể được tính toán giả định nó là một bản tụ song song, tức là :

Ca =

a

d A

Hình 1.13 (a) Tiết diện ngang của một cuộn dây với rỗ khí cạnh cách điện vòng dây

(b) Mạch điện tương đương

Hằng số điện môi được tính :

Sử dụng lý thuyết mạch đơn giản, điện áp qua rỗ khí được tính:

𝑉𝑎 = 𝐶𝑖𝑛 𝑉0

𝐶𝑎+𝐶𝑖𝑛 (1.7)

Trong đó V0 là điện áp xoay chiều (8 kV hiệu dụng nếu tại đầu dây pha) và Cin là điện dung của vật liệu rắn cách điện Sử dụng các phương trình trên, kích thước trong hình 1.13a, nhận thấy rằng A và 𝜀0 sẽ triệt tiêu, và giả định các hằng số điện môi là 1 và 4 cho không khí và các vật liệu cách điện, tương ứng, người ta có thể tính toán rằng điện áp trên các rỗ khí là 33 % điện áp áp đặt Đối với điện áp hiệu dụng 8 kV (tỷ lệ điện áp pha định mức cho cuộn dây đầu pha trong một stator 13.8kV), điện áp trên các rỗ khí là khoảng 2,6

kV Từ phương trình 1.4, điều này hàm ý ứng suất điện trong rỗ khí là 5,2 kV/mm Điều này vượt xa 3 kV/mm độ bền điện của không khí, và do đó sự cố điện sẽ xảy ra trong không khí Tia lửa điện sinh ra được gọi là phóng điện cục bộ Sự phóng điện được gọi là "cục bộ" vì các tia lửa chỉ trong rỗ khí hoặc túi khí Phần còn lại của vật liệu cách điện là nguyên vẹn và

có thể chịu được điện áp đặt vào

Vì sự chịu đựng hư hỏng của vật liệu cách điện vách rắn điển hình là vượt quá 300 kV/mm, thực tế là không có khả năng mà cách điện vách tự nó xảy ra sự cố điện Thay vào

đó, phóng điện cục bộ sẽ chỉ xảy ra khi có rỗ đầy khí trong vách ngăn Sự phóng điện là có hại cho vách ngăn, vì phóng điện cục bộ lặp đi lặp lại sẽ làm suy giảm cách điện rắn bằng cách phá vỡ các liên kết hóa học Các tia lửa có chứa các electron và ion bắn phá bề mặt cách điện của rỗ khí Sự bắn phá này có thể làm đứt liên kết hóa học, đặc biệt trong chất hữu

cơ như atphalt, nhựa poly, nhựa epoxy, …

1.2.4 Lớp vách ngăn làm giảm ứng suất

Các lớp phủ giảm ứng suất là những thành phần hệ thống cách điện quan trọng trong cuộn dây stator hoạt động ở 6 kV trở lên Lớp phủ này được dùng để ngăn phóng điện cục

bộ xảy ra trên bề mặt của các thanh dẫn hoặc dây quấn stator

Lớp phủ bán dẫn của rãnh Nguyên nhân phóng điện cục bộ có thể xảy ra giữa các

cuộn dây và lõi tương tự như lý do phóng điện có thể xảy ra trong các rỗ khí trong vách ngăn Vì cuộn dây và thanh dẫn được chế tạo bên ngoài của lõi stator, chúng phải phủ hơn

độ vòng của rãnh lõi thép, nếu không, các cuộn dây/thanh dẫn không thể đặt được vào rãnh

Do đó, một khe hở không khí giữa bề mặt cuộn dây/thanh dẫn và lõi là không thể tránh khỏi Hình 1.14a cho thấy khe hở có thể xảy ra trong các rãnh, tiếp giáp với bề mặt cuộn dây Một mạch tương đương, chỉ có một chút khác biệt so với trường hợp vách ngăn, được thể hiện trong hình 1.14b Đối với các rỗ khí vách ngăn, một tỷ lệ phần trăm đáng kể của điện áp đồng sẽ xuất hiện trên các khe hở không khí Nếu ứng suất điện trong khe hở không khí vượt quá 3 kV/mm, phóng điện cục bộ sẽ xảy ra, nhất là trong máy điện làm mát bằng không khí Phóng điện cục bộ này cuối cùng sẽ ăn mòn một lỗ xuyên qua các vách ngăn, gây ra hư hỏng Sự phóng điện trên bề mặt cuộn dây / thanh dẫn đôi khi được coi là phóng điện rãnh, vì chúng có thể được nhìn thấy trong rãnh

Để ngăn chặn phóng điện cục bộ trên bề mặt cuộn dây hoặc thanh dẫn, các nhà sản xuất đã từ lâu phủ cuộn dây/thanh dẫn trong rãnh một lớp phủ dẫn điện một phần Loại phủ này thường là một sơn carbon grafit hoặc băng quấn Lớp phủ này, thường được gọi là lớp phủ bán dẫn (mặc dù không có liên quan gì đến chất bán dẫn trong transistor), có khả năng tiếp xúc với thành lõi stator ở nhiều nơi dọc theo chiều dài của rãnh Với điện trở đủ thấp (ký hiêu là Rs trong hình 1.14b), lớp phủ này về cơ bản là điện thế nối đất vì có tiếp xúc với lõi thép Do đó, điện áp trên bất kỳ khe hở không khí là bằng 0, phóng điện cục bộ không thể xảy ra trong khe hở, bởi vì ứng suất điện sẽ không bao giờ vượt quá 3 kV/mm Kết quả

là lớp phủ bán dẫn với điện trở bề mặt từ 0,1 đến 10 kilohms trên mỗi đơn vị diện tích ngăn ngừa phóng điện bề mặt trong rãnh

Lớp phủ carbit silic Lớp phủ rãnh bán dẫn điện trở thấp thường kéo dài chỉ một vài

cm trên mỗi đầu của rãnh, nếu không bề mặt nối đất sẽ làm cho kết nối của một cuộn dây/thanh dẫn với nhau quá chặt

Lớp bán dẫn rãnh không thể kết thúc đột ngột một vài cm bên ngoài rãnh vì lớp phủ mỏng

sẽ làm phát sinh một điện trường cục bộ cao Trường này sẽ vượt quá 3 kV/mm và phóng

điện cục bộ sẽ xảy ra vào đầu lớp phủ Biên mỏng của lớp phủ tạo ra một điện trường rất không đồng đều ở cuối lớp phủ rãnh vì ứng suất điện phụ thuộc nhiều vào nghịch đảo của bán kính Bán kính càng nhỏ (tức là lớp phủ bán dẫn mỏng hơn), điện trường càng lớn Ví

dụ, một đầu nhọn điện áp V có bán kính r và khoảng cách d giữa đầu nhọn và hình chiếu bằng, sẽ tạo ra điện trường lớn nhất ở đầu nhọn xấp xỉ [10]:

E =

)/4ln(

2

r d r

V

(a)

(b)

Hình 1.14(a) Mặt cắt ngang của một cuộn dây trong một rãnh nơi phóng điện cục

bộ có thể xảy ra trên bề mặt của cuộn dây (b) Các mạch điện tương đương

Trong đó ln là logarit tự nhiên Điều này cho thấy bán kính là quan trọng đối với điện trường tối đa

Như vậy, cũng giống như dây điện cao thế, phía đầu của lớp phủ bán dẫn phải được

"giới hạn‖ Đây là nguyên tắc tương tự được sử dụng trong ống lót tụ điện cao áp trong máy biến áp Tuy nhiên, khi một vật liệu duy nhất được gọi là Silic carbit có sẵn, sẽ dùng phương pháp ống lót Silic carbit là một loại vật liệu đặc biệt có đặc tính tốt : khi tăng ứng suất điện trong vật liệu này, điện trở giảm Có nghĩa là, nó không phải là "thuần trở" Trong quá khứ, silic carbit đã được sử dụng trong những cột thu lôi cao thế để chuyển hướng sự tăng vọt điện áp cao từ sét xuống đất (nghĩa là nó có một trạng thái điện trở thấp), trong khi đang được cách ly hoàn toàn với điện áp hoạt động bình thường của đường dây truyền tải điện Khi áp dụng cho cuộn dây và thanh dẫn stator, silic carbit có điện trở rất thấp trong vùng ứng suất cao ở đầu lớp phủ bán dẫn rãnh, và dần dần tăng điện trở lên hơn nữa dọc theo đoạn phần đầu nối dây quấn của lõi Điện trở khác nhau này làm cho điện trường vào đầu lớp phủ bán dẫn đồng đều hơn Thông thường, ứng suất được giảm xuống dưới mức tới hạn 3 kV/mm (trong không khí) có thể sẽ bắt đầu phóng điện cục bộ

Carbit silic thường được trộn với sơn chính, hay cho vào băng quấn đặt trên bề mặt cuộn dây/thanh dẫn Chiều dài của lớp bề mặt lớp carbit silic phụ thuộc vào mức điện áp, nhưng thường là 5 tới 10 cm Trong hình 1.6b, băng quấn đen ở giữa cuộn dây trong lớp phủ bán dẫn rãnh, trong khi các vùng màu xám ngắn ở đầu lớp phủ bán dẫn là lớp phủ carbit silic (không nhìn thấy được do một bề mặt sơn) Lớp phủ silic carbit cũng được gọi

là lớp phủ gradient

1.2.5 Giá đỡ cơ học trong rãnh

Các cuộn dây và thanh dẫn chịu lực cảm ứng từ lớn trong quá trình vận hành bình thường của động cơ hay máy phát, như được mô tả trong phương trình 1.3 Những lực này gấp hai lần tần số AC Hơn nữa, nếu ngắn mạch giữa các pha xảy ra, dòng điện sự cố quá độ

có thể gấp nhiều lần với dòng điện định mức, trong đó, nhờ có thành phần I2 trong phương trình 1.3, gây ra một lực từ lớn hơn nhiều lần so với hoạt động bình thường Các cuộn dây phải được hạn chế chuyển động theo dưới trạng thái ổn định và lực cơ học tức thời Nếu cuộn dây bị chùng, thì bất kỳ chuyển động tương đối nào xảy ra giữa các dây dẫn hoặc cuộn dây trong các rãnh hoặc phần đầu nối dây quấn sẽ dẫn đến ăn mòn vật liệu cách điện, hoặc gây ra vết nứt trong vật liệu cách điện Cả hai đều là rõ ràng là không mong muốn, vì chúng

có thể dẫn đến ngắn mạch

Hình 1.15 Hình chiếu cạnh của một nêm hai phần, trong đó một thanh dẫn trượt vát được

đặt dưới nêm để tăng áp lực hướng kính trên các cuộn dây

Trong rãnh stator, làm chặt các cuộn dây hoặc thanh dẫn được thực hiện bằng một số phương pháp Trong các tiết diện rãnh như trong hình 1.8 và 1.9, về cơ bản, cả hai rãnh máy điện dây quấn mềm và cứng được đặt vào dây dẫn và vật liệu cách điện càng nhiều càng tốt,

và sau đó rãnh bị đóng lại với chất không dẫn điện và chốt không mang từ tính Lấp đầy rãnh càng nhiều càng tốt để làm giảm khả năng vòng dây/thanh dẫn bị lỏng Nêm rãnh thường được làm từ vật liệu cách điện và hạn chế chuyển động Ban đầu, nêm là một thiết

kế "phẳng" đơn giản, được giữ bằng một rãnh nối trong rãnh stator (Hình 1.9)

Đối với các máy lớn, ở khoảng 20 MW, nhiều nhà sản xuất sử dụng một nêm phức tạp hơn, có hai phần (Hình 1.9b,1.15) Nêm hai phần có một con chạy bị đẩy giữa nêm chính và cuộn dây/ thanh dẫn Điều này tạo ra một chuyển động nhẹ theo hướng kính để có thể giữ áp lực trên các cuộn dây, thậm chí khi độ rộng rãnh co lại một chút theo thời gian

Như một phương án thay thế cho nêm hai phần (hoặc đôi khi là một sự bổ sung), các động cơ lớn có thể sử dụng "tấm gợn sóng" Các tấm gợn sóng là một vật liệu dát mỏng đôi khi chứa đầy cacbon đen để làm cho nó dẫn điện một phần (Hình 1.16) Sóng của tấm gợn sóng thường dát mỏng khi lắp đặt Nếu các độ rộng rãnh co lại theo thời gian, tấm gợn sóng

mở rộng, chiếm không gian mới và giữ chặt các cuộn dây/thanh dẫn Tấm gợn sóng dưới nêm thường không dẫn điện Tấm gợn sóng ngoài (giữa các bên của một cuộn dây và lõi) thường là bán dẫn

Hình 1.16 Vật liệu lò xo bán dẫn gợn sóng nằm phía trên đỉnh của vật liệu lò xo không dẫn

để chiếm hết không gian còn lại

Một cách khác để đảm bảo rằng các cuộn dây / thanh dẫn không bị lung lay là dán các cuộn dây/thanh dẫn vào rãnh Điều này là rất phổ biến cho động cơ stator, và một vài nhà sản xuất đã sử dụng nó trên máy phát tốc độ cao lên đến khoảng 200 MVA [12] Với stator dây quấn mềm, lớp keo (thường là sơn) được áp dụng bằng cách ngâm toàn bộ stator trong một thùng sơn lỏng Ngấm nhỏ giọt và các biến đổi khác đôi khi cũng được sử dụng

để đưa keo vào rãnh Đối với máy dây quấn cứng (và bây giờ thậm chí một số stator dây quấn mềm quan trọng), một quá trình được gọi là ngâm áp suất chân không (vacuum pressure impregnation) được sử dụng

1.2.6 Giá đỡ cơ học ở phần đầu nối dây quấn

Mục đích chính của phần đầu nối dây quấn là để cho phép kết nối điện an toàn giữa cuộn dây/thanh dẫn nối tiếp và tạo kết nối an toàn cho các đường dẫn song song khác Như

đã nói ở trên, với những máy 1000 V trở lên, những kết nối này phải được làm tốt từ thành lõi stator, để ngăn vấn đề sẽ xảy ra với sự cố cách điện tại các điểm nối cách điện Nói chung, điện áp càng cao, ―đường rò‖ giữa lõi và các kết nối càng dài Vì nguyên nhân hình học, những máy điện tốc độ cao thường có phần đầu nối dây quấn dài Trên máy phát điện hai cực lớn, phần đầu nối dây quấn có thể mở rộng lên đến 2 m nằm ngoài lõi

Những phần đầu nối dây quấn này phải được đỡ để ngăn chuyển động Nếu không chặn, sự dao động phần đầu nối dây quấn sẽ xảy ra bởi vì những dòng điện dây quấn stator trong mỗi cuộn dây/thanh dẫn sẽ tạo ra một từ trường sẽ tương tác với các trường được tạo

ra bởi các thanh dẫn/cuộn dây liền kề Kết quả vector lực khá phức tạp [13] Tuy nhiên, cả hai lực dao động hướng kính và tiếp tuyến xảy ra ở hai lần tần số dòng AC (Hình 1.17) Vì các phần đầu nối dây quấn và thanh dẫn trong máy điện công suất lớn về bản chất là dầm có mút thừa, các lực rung động có thể dẫn đến vết nứt của vật liệu cách điện và thậm chí của dây dẫn, tại cuối lõi hoặc tại chỗ đấu nối Ngoài ra, nếu các cuộn dây / thanh dẫn được tự do rung động tương đối với nhau, chuyển động tương đối này có thể dẫn đến mài mòn vật liệu cách điện trong phần đầu nối dây quấn Một động cơ thường xuyên khởi động, các dòng điện khởi động cao sẽ tạo ra lực quá độ lớn hơn

Phần đầu nối dây quấn có thể được đỡ để chống lại lực từ dao động bằng nhiều cách Trong máy dây quấn mềm, các cuộn phần đầu nối dây quấn cơ bản hướng lên ngược với lõi Với các phần mở rộng ngắn và dòng thấp đi kèm, các "keo" bình thường mà cuộn dây đã ngâm tẩm, cùng với dây buộc vừa phải (Hình 1.5) xung quanh các cuộn dây phần đầu nối dây quấn, là thường thích hợp với bệ đỡ phần đầu nối dây quấn

Đối với các máy dây quấn cứng, luôn luôn có một cấu trúc phần đầu nối dây quấn quan trọng, ở đó thường là một ―vòng bệ đỡ‖ hay ―vòng gia cố‖ cho từng loại (Hình 1.6a, 1.7) Vòng có thể làm từ thép, nó thường được cách điện, nhựa poly hay tấm nhựa trong epoxy, hoặc sợi thủy tinh (được ngâm tẩm với epoxy giai đoạn B hoặc là khô và ngâm trong một quá trình ngâm tẩm áp suất chân không toàn bộ) Vòng này được đặt ở trong lớp cuộn dây/ thanh dẫn (tức là, gần với trục hơn các cuộn dây/thanh dẫn), hay toả tròn bên ngoài dây hay thanh dẫn Mỗi cuộn dây/ thanh dẫn được buộc chặt với vòng Động cơ lớn có quá trình khởi động và dừng nhiều lần có thể có nhiều hơn một vòng đỡ và máy phát lớn thường có