Bài giảng Máy điện I (cơ sở) - Chương 2: Lý thuyết cơ bản về máy điện quay

12/2015 1ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Lý thuyết cở bản về máy điện quay TS. Trần Tuấn Vũ BM Thiết Bị Điện - Điện Tử Viện Điện / C3-106 vu.trantuan@hust.edu.vn / 0906 298 290 Chương 2 Học phần EE3140 – MÁY ĐIỆN I 2ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Tổng kết Các mục chính đã học Chương 1 – Máy biến áp 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MBA 2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA 3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MBA 4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA Buổi học tới Chương 2 – Những vấn đề chung về MĐ quay Các mục sẽ học 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 4. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 3ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 1. Nguyên lý biến đổi điện cơ (1/11) 1.1. Tổng quan về máy điện quay và phân loại Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay MĐ xoay chiều MĐ 1 chiều MĐ không đồng bộ MĐ đồng bộ Máy biến áp Máy phát Động cơ Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 4ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 1. Nguyên lý biến đổi điện cơ (2/11) 1.2. Biến đổi điện cơ và cấu tạo Cấu tạo STATOR Vỏ máy điện ROTOR Khe hở không khí Rãnh stator/rotor Dây quấn Trục Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 5ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (3/11) 2.1. Khái niệm chung Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Vai trò của dây quấn Tạo ra sức điện động nhất định cho máy. Tạo ra một từ trường cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng trong máy. Yêu cầu đối với dây quấn Có độ bền nhất định về cơ, điện, nhiệt. Chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, giá thành rẻ. Các loại dây quấn Theo số pha 1 pha (nguồn 1 pha). 2 pha (nguồn 1 pha). 3 pha (nguồn 3 pha). Theo số lớp 1 lớp 2 lớp. Theo cách xếp đặt dây quấn xếp dây quấn sóng. Theo số 2mp Zq = phân số. số nguyên. ( Z: số rãnh; p : số đôi cực; m: số pha; q : số rãnh của 1 pha dưới 1 cực.) 6ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (4/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Sơ đồ triển khải dây quấn máy điện xoay chiều 3 pha: Z = 24; 2.p = 4 (24 rãnh stator; 4 cực) Pha A Pha B Pha C Dây trung tính nối Y 7ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (5/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Mỗi rãnh chỉ đặt 1 cạnh tác dụng của 1 phần tử (gồm 2 cạnh tác dụng) Ví dụ: Dây quấn stato ĐCKĐB. Es – sđđ của 1 phần tử Etd’, Etd’’ – sđđ của thanh dẫn ' tdE& '' tdE& '' td ' tds E- E E &&& = 8ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (6/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY *Một số khái niệm về cực trong dây quấn - Số cực 2p: số cực N, S do từ trường dây quấn stator tạo ra. - Số đôi cực p: số cặp cực NS - Bước cực τ (tô): khoảng cách giữa hai cực NS dọc theo khe hở không khí giữa stator và rotor Ví dụ: Xét chiều dòng điện trong các thanh dẫn vào thời điểm iA = Imax 9ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (7/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Ví dụ: Phân tích và vẽ sơ đồ khai triển dây quấn một lớp, ba pha: Z = 24; 2p = 4; 10ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (8/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.1. Dây quấy 1 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Sự phối hợp các thanh dẫn, phần tử tạo nên dây quấn pha stator Quy ước: lấy số thứ tự rãnh trong đó đặt cạnh tác dụng thứ nhất của một phần tử gọi tên phần tử. 11ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (9/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Sơ đồ triển khải dây quấn máy điện xoay chiều 3 pha: Z = 24; 2.p = 4 (24 rãnh stator; 4 cực) Pha A Pha B Pha C Dây trung tính nối Y 12ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (10/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.2. Dây quấy 2 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Định nghĩa Mỗi rãnh đặt 2 cạnh tác dụng của 2 phần tử khác nhau. Mỗi phần tử có 1 cạnh tác dụng nằm ở lớp trên của 1 rãnh và 1 cạnh nằm ở lớp dưới của rãnh khác. Đặc điểm Số phần tử S = số rãnh Z. Ưu điểm Có thể thực hiện được bước ngắn để cải thiện được dạng sóng của sức điện động. Nhược điểm Lồng dây quấn vào rãnh cũng như sửa chữa khó khăn hơn. Phân loại dây quấn theo bước y - khoảng cách giữa 2 cạnh tác dụng. y = βτ β > 1 dây quấn bước dài β = 1 dây quấn bước đủ. β < 1 dây quấn bước ngắn. Phân loại dây quấn theo cách đặt dây quấn xếp dây quấn sóng dây quấn xếp dây quấn sóng y dây quấn 2 lớp 13ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 2. Dây quấn máy điện xoay chiều (11/11) 2.2. Dây quấn máy điện xoay chiều 2.2.2. Dây quấy 2 lớp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Dây quấn 1 lớp Dây quấn 2 lớp 14ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Tổng kết Các mục chính đã học Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU Buổi học tới Chương 2 – Lý thuyết cơ bản về MĐ quay Các mục sẽ học Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 4. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 15ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (1/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Thanh dẫn đặt trong từ trường biến thiên hoặc chuyển động tương đối so với từ trường sẽ được cảm ứng sức điện động. • Xét một máy cụ thể là máy phát điện đồng bộ rotor cực lồi. Từ cảm B dọc theo khe hở không khí giữa stator và rotor có dạng hình thang cong có thể phân tích thành dãy Fourier: 16ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (2/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 (cơ bản) a. SĐĐ của 1 thanh dẫn Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY t 17ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (3/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 b. Sức điện động của 1 vòng dây hoặc 1 bối dây Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY βπ ' tdE& '' tdE& '' td ' tdv EEE &&& −= '' tdE- & Sức điện động của 1 bối dây có ws vòng dây đặt trong 1 rãnh: Es = wsEv = 4,44.Φ.f.kn.ws 18ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (4/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 c. Sức điện động của 1 nhóm bối dây Eq Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Xét 1 nhóm bối dây có q bối dây (q phần tử) mắc nối tiếp và đặt trong một số rãnh liên tiếp. • Góc điện giữa 2 rãnh liên tiếp: p Z 2π α = • Vùng pha γ = q.α • Sức điện động các phần tử lệch nhau góc α • Hệ số quấn rải: 2 αqsin 2 qα sin E sodaiΣ Ehochinh tong k q q r = Σ = Eq = q.Es.kr Eq = q.4,44.Φ.f.kn.ws.kr Eq = 4,44.Φ.f.q.kdq.ws Hệ số dây quấn kdq = kn.kr; 19ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (5/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.1. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc 1 d. Sức điện động của một pha dây quấn: Ef Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Mỗi pha dây quấn có nhiều nhóm bối dây mắc nối tiếp hoặc song song. • Sức điện động một pha = sức điện động một nhánh song song. • Mỗi nhánh song song có n nhóm bối dây có vị trí giống nhau trong từ trường do đó sđđ có thể cộng số học: Ef = n.Eq = n.4,44.Φ.f.q.kdq.ws = 4,44.Φ.f.kdq.w (w = n.q.wS - số vòng dây của một nhánh song song) • Ví dụ: 2 nhóm bối dây A1X1 và A2X2 của pha A dây quấn. 20ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (6/10) 3.1. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều 3.1.2. SĐĐ trong dây quấn do từ trường bậc cao (B3, B5, Bν) Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Sđđ của 1 pha dây quấn bậc ν: Eν = 4,44.Φν.fν.kdq.w • Tổng hợp sđđ của 1 pha dây quấn: e = e1 + e3 + e5... • Trị số hiệu dụng E = ....EEE 252321 +++ 21ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (7/10) 3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ Cần phải cải thiện dạng sóng của từ cảm khe hở không khí và SĐĐ để nó có dạng gần hình sin (giảm tổn hao do sóng hài) 3.2.1. Chọn độ cong mặt cực một cách thích hợp Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • δ : khe hở nhỏ nhất, nằm giữa mặt cực; • δ m : khe hở ở mỏm cực từ. • bc: bề rộng mặt cực • Công thức gần đúng: π τ x cos δ δx = • Thông thường: bc = (0,67÷0,75)τ δm = (1,5÷2,6)δ 22ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (8/10) 3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ 3.2.2. Rút ngắn bước dây quấn Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 23ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (9/10) 3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ 3.2.3. Quấn rải Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY Bằng cách tăng số nhóm bối dây Hệ số quấn rải: 2 να sinq 2 νqα sin k rν = Quấn tập trung q = 1 → krν = 1 → E3, E5, E7 đều tồn tại. Quấn rải q > 1 → krν < kr1 → E3, E5, E7 bị suy yếu. Ví dụ: Tesla (q = 5), Zóe Renault (q = 4) 24ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 3. SĐĐ dây quấn máy điện xoay chiều (10/10) 3.2. Các phương pháp cải thiện dạng sóng SĐĐ 3.2.4. Rãnh chéo Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY - Rotor rãnh thẳng, stato rãnh chéo (rãnh nghiêng) với độ chéo bc bằng một bước răng rôto. - Stato rãnh thẳng, rotor rãnh chéo (rãnh nghiêng) với độ chéo bc bằng một bước răng stato. Rãnh thẳng Rãnh chéo bc 25ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (1/6) 4.1. Khái niệm chung Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Dòng điện xoay chiều I chạy trong dây quấn sẽ sinh ra từ thông Φ dọc theo khe hở không khí giữa mạch từ của stator và rotor. • Tuỳ theo tính chất của dòng điện (1, 3 pha) và loại dây quấn (1, 2, 3 pha) mà sức từ động F có thể là STĐ đập mạch hoặc STĐ quay. 1 2k n k n k k k k k 1 k 1 H l W i F = = = = = =∑ ∑Sức từ động (STĐ): F φ φ = f(F) 26ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (2/6) 4.2. STĐ của dây quấn 1 pha Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Sức từ động dây quấn một pha là đập mạch: Fđm = Fmsinωtsinα - α: góc không gian. - ωt: góc thời gian. Sức từ động tại một vị trí trong khe hở không khí giữa stato và rotor biến thiên theo thời gian Sức từ động tại một thời điểm bất kỳ biến thiên theo vị trí trong khe hở không khí giữa stato và rotor 27ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (3/6) 4.3. STĐ của dây quấn 2 pha Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY F quay ngược = Fmsin(ωt + α) Sức từ động của dây quấn hai pha là sức từ động quay: Fq = Fmsin(ωt ± α) 28ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (4/6) 4.3. STĐ của dây quấn 2 pha Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Quan hệ giữa Fđm và Fq: 29ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (5/6) 4.4. STĐ của dây quấn 3 pha Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY • Dây quấn 3 pha là hệ thống 3 dây quấn 1 pha đặt lệch nhau góc không gian là 1200 iA = Isinωt iB = Isin(ωt - 1200) iC = Isin(ωt - 2400) • Sức từ động của dây quấn 3 pha là sức từ động quay BF& BF& CF& ∑ F& 3 2 AF& AF& BF& ∑ F& 30ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV 4. STĐ dây quấn máy điện xoay chiều (6/6) 4.4. STĐ của dây quấn 3 pha Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY 31ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Tổng kết Các mục chính đã học Chương 2 – Lý thuyết cơ bản máy điện quay 1. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI CƠ ĐIỆN 2. DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. SĐĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 3. STĐ CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU Buổi học tới Chương 3 – Máy điện Không Đồng Bộ (KĐB) Các mục sẽ học 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KĐB 2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KĐB 3. MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 4. ĐỘNG CƠ KĐB 1 PHA Chương 2 – LÝ THUYẾT CỞ BẢN VỀ MÁY ĐIỆN QUAY