Giáo trình Máy điện 1 - Phần 2: Lý thuyết chung - Chương 7 Sức điện động của dây quấn máy điện xoay chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008 Chương 7 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 7.1. KHÁI NIỆM CHUNG Khi từ thông phần cảm xuyên qua dây quấn phần ứng biến thiên thì trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra sđđ. Trong máy điện quay có hai cách để tạo ra sự biến thiên của từ thông xuyên qua dây quấn phần ứng. Cách thứ nhất là cho dây quấn phần ứng chuyển động tương đối với từ trường phần cảm, cách thứ hai ngược lại, trong hai trường hợp sđđ cảm ứng đều là xoay chiều. Để máy có thể làm việc được tốt yêu cầu sđđ xoay chiều phải biến thiên hình sin theo thời gian. Muốn vậy thì từ trường phần cảm phân bố dọc khe hở của máy hình sin để sđđ cảm ứng trong dây quấn có dạng hình sin. Thực tế: không thể có, vì cấu tạo máy, từ trường của cực từ và của dây quấn đều khác hình sin. Vì vậy ta phân tích từ trường thành sóng cơ bản (bậc 1) và sóng bậc cao  (bậc 3, 5,...). Ở đây ta phân từ cảm B thành các sóng hình sin B1, B3, B5, B7, ... (hình 7-1). Với từ trường B1 có bước cực  còn B có bước cực =/ . Khi có sự chuyển động tương đối của từ trường cực từ và dây quấn thì tương ứng từ trường B1, B3, B5, B7, .. sẽ cảm ứng trong dây quấn các sđđ e1, e3, e5, e7, .. Do tần số f của các sđđ này khác nhau nên sđđ tổng trong dây quấn sẽ có dạng không sin. Sau dây ta xét trị số của các sđđ cảm ứng và nghiên cứu lmf triệt tiêu hoặc giảm các sđđ bậc cao để cải thiện dạng sóng sđđ tổng khiến nó gần giống dạng hình sin. Hình 7-1 Sự phân bố từ cảm của từ trường cực từ của máy điện đồng bộ cực lồi dọc bề mặt stator 7.2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG DÂY QUẤN Xét sđđ cảm ứng trong dây quấn do sóng từ cảm B1, B3, B5, B7, .. tìm sđđ cảm ứng tổng. 7.2.1. Sđđ của dây quấn do từ trường sóng cơ bản. 1. Sđđ của một thanh dẫn: Thanh dẫn có chiều dài l chuyển đổng với vận tốc v trong từ trường cơ bản phân bố hình sin dọc khe hở như trên hình 7-2, ta có:    x sinBB mx (7-1) Trong thanh dẫn cảm ứng sđđ: xsinvlBvlBe mxtd    trong đó: f Tt x v    2 2 do tốc độ góc  = 2f và từ thông ứng với một bước cực từ:    lBm 2 (7-2) Nên sđđ cảm ứng trong một thanh dẫn: etd = fsint (7-3) Trị số hiệu dụng sđđ đó bằng:    f22,2f 2 2 f 2 E td (7-4) 2. Sđđ của một vòng dây. Sđđ của một phần tử (bối dây): Sđđ của một vòng dây gồm hai thanh dẫn đặt trong hai rãnh cách nhau một khoảng y (hình 7-3a) là hiệu số hình học các sđđ lệch nhau một góc (y/) của hai thanh dẫn đó. Từ hình 7-3b, ta có: ntd '' td ' tdV kf y sinEEEE     2 2 2 (7-5) trong đó: 22      sin y sinkn (7-6) Thông thường   y < 1, nên kn được gọi là hệ số bước ngắn, còn  được gọi là tỉ số bước ngắn. Nếu trong hai rãnh nói trên có đặt một bối dây (phần tử) gồm Npt vòng dây thì sđđ của bối dây đó bằng:  ptn1p fNk2E (7-7) B x Bm1 Bx l  v 0 Hình 7-2 Chuyển động tương đối của thanh dẩn trong từ trường hình sin x Hình 7-4 Nhóm có q=3 bối dây trong từ trường 3. Sđđ của một nhóm phần tử : Giả thiết ta có q phần tử mắc nối tiếp và được đặt rải trong các rãnh liên tiếp nhau như trên hình 7-4. Góc lệch pha trong từ trường giữa hai rãnh cạnh nhau: Z p p/Z     22 (7-8) trong đo : Z/p số rãnh dưới một đôi cực từ. Các vectơ Ept lệch pha nhau một góc  Góc  = q vùng pha. Sđđ tổng của một nhóm bối dây Eq là tổng hình học của q vectơ như hình 7-5: 2 21 2 2 2 22 2 2        sin sinE sin sin AK q sinOAABE q pt q q Hình 7-5 Sđđ nhóm có q=3 bối dây    /2 Ept2 Ept3 Ept1 Ept1 Ept2 Ept3 Eq A K  = q 0 B   y= Bm1 =1  Bm1   ' tdE  '' tdE  '' tdE  vE  Hình 7-3 Sđđ của một vòng dây    y= '' tdE  'tdE =1 (a) (b) 1 2 2 rpt q ptq kqE sinq sin qEE    (7-9) Trong đó: 2 2 1    sinq sin sââ caïc hoücsäú Täøng sââ caïc hçnh hoücTäøng k q r (7-10) Vậy: Eq =  ptdqptrn qNkf2qNkkf2 (7-11) Với: kdq : gọi là hệ số dây quấn và bằng: kdq = knkr (7-12) 4. Sđđ của dây quấn một pha: Dây quấn một pha gồm một hoặc nhiều nhánh đồng nhất ghép song song do đó sđđ của một pha là sđđ của một nhánh song song (hình 7-6). Mỗi nhánh gồm n nhóm bối dây có vị trí giống nhau trong từ trường của các cực từ nên sđđ của chúng cộng số học với nhau:  Nfk2fnqNk2E dqptdqf (7-13) trong đó: N = nqNpt vòng dây của một nhánh song song hay của một pha. 7.2.2. Sđđ của dây quấn do từ trường sóng bậc cao. Nhận xét: Biểu thức sđđ từ trường sóng bậc cao giống từ trường bậc một. Ở đây ta chú ý rằng bước cực của từ trường bậc  nhỏ  lần từ trường sóng cơ bản (hình 7-1) vì vậy góc điện 2 của từ trường sóng cơ bản ứng với góc 2 đối với từ trường bậc , như vậy:    Và 2 2 2          sinq sin k sink q r n (7-14) Hình 7-6 Dây quấn một pha có hai nhánh song song Hệ số dây quấn của sóng bậc  :   rndq kkk (7-15) Tần số của sóng bậc  : f = f Sđđ cảm ứng của sóng bậc  :   Nfk2E dq (7-16) Với:       lBlB mm 22 Từ những phân tích trên ta thấy rằng, khi từ trường cực từ phân bố không hình sin, sđđ cảm ứng trong dây quấn một pha là tổng của một dãy các sđđ điều hòa có tần số khác nhau. Trị hiệu dụng sđđ đó có trị số: ...E...EEEE 225 2 3 2 1  (7-17) 7.3. CẢI THIỆN DẠNG SÓNG SĐĐ. Nguyên nhân làm cho sđđ cảm ứng trong dây quấn không sin là sóng từ cảm B không sin. Sau đây là các biện pháp để làm cho sđđ cảm ứng trong dây quấn có dạng gần sin hơn. 7.3.1. Tạo độ cong mặt cực để B sin Với  là khe hở nhỏ nhất giữa mặt cực từ, khe hở  tăng dần về 2 phía mõm cực từ, để từ cảm B hình sin thì khe hở x cách giữa mặt cực bằng: xcos x     (7-18) Nếu gọi b là bề rộng mặt cực thì b =(0,65-0,76) và max = (1,5-2,5). 7.3.2. Rút ngắn bước dây quấn Khi không rút ngắn bước dây quấn (y = ) thì tất cả các sđđ bậc cao đều tồn tại vì 1 2   sinkn Khi rút ngắn bước dây quấn (y <) thì sđđ bậc cao tùy ý sẽ bị triệt tiêu, như:  5 4    y vậy rút ngắn dây quấn  5 1 thì hệ số dây quấn và sđđ: 00 25 4 5 55    Esinkn  Tương tự muốn E7 = 0 thì rút ngắn  7 1 Chú ý:  Bước ngắn không đồng thời triệt tiêu tất cả sđđ bậc cao vì vậy phải chọn bước ngắn thích hợp.  Rút ngắn bước dây quấn sđđ bậc một cũng giảm đi một ít nhưng không đáng kể. 7.3.3. Thực hiện dây quấn rải Khi không quấn rải q = 1 thì kr =  1 nghĩa là các sđđ bậc cao không giảm. Khi quấn rải q > 1 thì các sđđ bậc cao đều giảm nhỏ. Xem bảng, ta thấy rằng có một số bậc cao kr không bị giảm yếu đi mà có trị số kr = kr1, tức là hệ số của sóng cơ bản, bậc của sđđ đó có thể biểu thị như sau: Z = 2mqk  1 (7-19) trong đó: k = 1, 2, 3,...; m: số pha; q: số rãnh của một pha dưới một cực từ. Vì: 2mq = Z/p nên (7-19) trở thành: 1 k p Z Z (7-20) Các sóng điều hòa Z gọi là sóng điều hòa răng. Sở dĩ có kr = kr1 là do góc lệch Z giữa các sđđ của các bối dây đặt trong các rãnh liên tiếp do từ trường bậc Z hoàn toàn bằng góc lệch  ứng với từ trường sóng cơ bản:            k Z p k p Z k Z p . ZZ 2 2 21 2 (7-21) Kết luận : Quấn rải không triệt tiêu được sóng điều hòa răng, tuy nhiên q tăng Z tăng theo và BmZ nhỏ đi, kết quả là sóng điều hòa răng cũng nhỏ đi tương ứng và dạng sóng sđđ cũng cải thiện được một phần. Có thể giảm sóng điều hòa răng nhiều bằng cách dùng dây quấn có q là phân số. BmZ Z E E Hình 7-7 Trường hợp rãnh chéo một bước răng stator 7.3.4. Thực hiện rãnh chéo. Việc thực hiện rãnh chéo như trình bày trên hình 7-7 là một biện pháp có hiệu lực để triệt tiêu sđđ điều hòa răng. Từ hình 7-7, ta có thể thấy ngay rằng từ cảm BZ dọc hai nửa thanh dẫn có cực tính khác nhau do đó tổng sđđ điều hòa răng cảm ứng trong thanh dẫn bằng không. Ta có Z =(Z/p).k  1, trường hợp sóng điều hòa răng k = 1 là mạnh nhất, để triệt tiêu được sđđ nầy ta chọn bước rãnh chéo là: bc = 2 Z  = 2/Z = 2.p/(Zp) Thực tế thường chọn: bc = 2..p / Z = D/Z (7-22) Như vậy bước rãnh chéo bằng bước răng, lúc đó tất cả các sóng điều hòa răng đều bị giảm nhỏ đi rất nhiều.     CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Vì sao yêu cầu sđđ của máy điện xoay chiều phải có dạng hình sin. Làm thế nào để đảm bảo yêu cầu đó. 2. Hãy xác định biểu thức của dây quấn một pha khi từ trường không hình sin. 3. Các biện pháp để cải thiện dạng sóng sđđ và hiệu lực của các biện pháp đó. 4. Khi dùng rãnh chéo thì trị số sđđ do từ trường cơ bản của dây quấn thay đổi như thế nào?     BÀI TẬP Bài số 7.1. Cho máy phát điện có p=1, đường kính trong stator D=0,7m, Từ cảm trung bình Btb1 = 0,8 T, chiều dài tính toán stator l = 1,3m. Cho biết trị số Btb3 = 0,325Btb1; Btb5 = 0,15Btb1. Hãy tính các sđđ E1, E3, E3 và sđđ tổng của thanh dẫn (bỏ qua các song bậc cao hơn 5). Bài số 7.2. Hãy tinh hệ số dây quấn của dây quấn ba pha hai lớp coa q = 2; p = 2; Z = 24;  = y/ = 5/6. Biết rằng mỗi phần tử có 5 vòng và sđđ của thanh dẫn Etd = 5V. Xác định sđđ pha của dây quấn đó. Bài số 7.3. Cho một máy phát điện xoay chiều ba pha 6000kW; 6300 V; 3000 vg/ph; f = 50Hz; cos =0,8; đường kính trong stator D=0,7m; chiều dài tính toán stator l = 1,35 m; Biết Btb = 0,7 T; Z = 36 rãnh; N =24. Hãy tính sđđ pha của máy. Bài số 7.4. Phần ứng của máy điện xoay chiều ba pha có số rãnh dưới một cực từ là 18 rãnh. Dây quấn được thực hiện hai lớp bước ngắn, bước dây quấn y = 15. Hãy tính hệ số bước ngắn của sóng cơ bản, sóng hài bậc 5 và 7. Bài số 7.5. Phần ứng của máy điện xoay chiều có bước cực từ là 9 rãnh. Hãy tính toán hệ số quấn rải bậc một trong ba trường hợp: (a) một cuộn dây chia thành 9 phần tử đặt lên tất cả các rãnh; (b) một cuộn dây chia thành 6 phần tử đặt lên 6 rãnh có vùng pha 120 0 điện; và (c) một cuộn dây chia thành 3 phần tử đặt lên 3 rãnh trong vùng pha 60 0 điện.    