TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 0 GVC-ThS. NGUYỄN TRỌNG THẮNG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN II TP. HCM Tháng 5/ 2006 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình MÁY ĐIỆN II là một cuốn sách trong bộ GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN gồm 2 tập nhằm giúp sinh viên bậc đại học hoặc cao đẳng ngành Điện Công Nghiệp, Điện Tự Động của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM làm tài liệu học tập, hoặc có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Điện- Điện tử, Công nghệ Điện tử –Viễn thông và các ngành khác liên quan đến lónh vực điện –điện tử. Giáo trình máy điện trình bày những lý thuyết cơ bản về: cấu tạo; nguyên lý làm việc; các quan hệ điện từ; các đặc tính cũng như các hiện tượng vật lý xảy ra trong: Máy điện một chiều; Máy biến áp; Máy điện không đồng bộ; Máy điện đồng bộ và các loại máy điện đặc biệt. Toàn bộ giáo trình máy điện được chia làm 2 tập: Tập I gồm 2 phần: Máy điện một chiều và Máy điện một chiều đặc biệt. Máy biến áp và các loại máy biến áp đặc biệt. Tập II gồm 3 phần: Những vấn đề lý luận chung của các máy điện xoay chiều. Máy điện không đồng bộ và các dạng khác của Máy điện không đồng bộ. Máy điện đồng bộ và các loại máy điện đồng bộ đặc biệt. Để giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức môn học, giáo trình trình bày nội dung một cách ngắn gọn, cơ bản. Ở mỗi chương có ví dụ minh họa, câu hỏi và bài tập để sinh viên có thể hiểu sâu hơn những vấn đề mình đã học. Tác giả (Email: t_nguyentrong@yahoo.com) Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM MỤC LỤC Trang Phần III: Các vấn đề lý luận chung của các máy điện xoay chiều Chương 1: Sưcù điện động của dây quấn máy điện xoay chiều 2 Chương 2: Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều 11 Chương 3: Sức từ động của dây quấn máy điện xoay chiều 30 Phần IV: Máy điện không đồng bộ (MĐKĐB) 47 Chương 1: Đại cương về MĐKĐB 48 Chương 2: Các quan hệ điện từ trong MĐKĐB 54 Chương 3: Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 77 Chương 4: Máy điện không đồng bộ đặc biệt 90 Phần V: Máy điện đồng bộ (MĐĐB) 101 Chương 1: Đại cương về MĐĐB 102 Chương II: Các quan hệ điện từ trong MĐĐB 106 Chương III: Máy phát điện và động cơ điện đồng bộ 116 Chương IV: Máy điện đồng bộ đặc biệt 135 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện I,II . NXB khoa học và kỹ thuật - 1998 . 2- Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Thế Kiệt, Công nghệ chế tạo và tính toán sửa chữa Máy điện , NXB Giáo dục, 1995 . 3- A.E. Fitzerald, Charles kingsley . Electrical Machines. Mc. Graw - Hill, 1990 . 4- Jimmie J. Cathey . Electric machines Analysis and Design Applying Matlab . Mc. Graw - Hill - 2001 . 5- E.V.Armensky, G.B.Falk, Fractional Horsepower Electrical machines, Mir Publishers, Moscow, 1985. 6- Mohamed E. El-Hawary, Principle of Electric Machines with Power Electronic Applications, Prentice-Hall, 1986. 7- M.Kostenko, L.Piotrovsky, Electrical machines, vol.1,2, Mir Publishers Moscow, 1974. 8- Stephen J. Chapman, Electric machinery and Power System fundamental, Mc Graw Hill, 2002. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 1 PHẦN III CÁC VẤN ĐỀ LÍ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 2 CHƯƠNG I: SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU § 1.1. ĐẠI CƯƠNG Sức điện động (s.đ.đ) xoay chiều có 3 đặc tính cơ bản: - Độ lớn. - Tần số. - Dạng đường cong. Thường người ta mong muốn có được s.đ.đ của máy điện dùng trong các thiết bò điện khác nhau có dạng hình sin. Đặc biệt đối vơiù máy phát điện các sóng điều hòa bậc cao không những có tác hại đối với các máy phát điện mà còn cả đối với phụ tải làm tăng tổn thất cũng như làm xuất hiện quá điện áp trên các đoạn khác nhau của đường dây. Trong chương này chúng ta nghiên cứu s.đ.đ của dây quấn và các biện pháp làm giảm hoặc triệt tiêu s.đ.đ bậc cao đưa dạng sóng về hình sin. § 1.2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG DÂY QUẤN 1. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường cơ bản: a) Sức điện động của một thanh dẫn: Đặt 1 thanh dẫn trong stator và những cực từ của rotor song song với trục máy điện (h1–1). Khởi động máy và cho quay với tốc độ n = C te = const khi đó trò số tức thời của s.đ.đ cảm ứng trong thanh dẫn là: e td = B x .l.v (V) với B x = B m sin ω t (T), B x là từ cảm nơi thanh dẫn quét qua. f pn Dn v τ τ π 2 60 2 60 === (m/sec). v: Vận tốc dài của thanh dẫn. D: Đường kính phần ứng. Với: p2 Dπ =τ (m) l: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường. tB 2 fltBvle mmtd ω π πτ=ω= sin sin Với τ=Φ lB tb là từ thông trung bình tương ứng với một bước cực. mtb B 2 B π = H ình 1.1 Chuyển động tương đối của thanh dẫn trong từ trường tương đo á i hình sin. 3 Ta có : tEtfe tdtd ω ω π sinsin = Φ = Trò số hiệu dụng là: f222f 2 E td Φ=Φ π = , (1 - 1) b) Sđđ của một vòng dây và của một bối dây:  Sđđ của một vòng dây: + Trường hợp bước đủ: Nếu vòng dây có 2 thanh dẫn 1 và 2 đặt cách nhau 1 khoảng là τ =y (dây quấn bước đủ) và gọi sđđ trong thanh dẫn 1 là E 1 , trong thanh dẫn 2 là E 2 thì s.đ.đ của một vòng dây bước đủ là: td21 E2EEE =+= ν f444f222x2 Φ = Φ= ,, + Trường hợp bước ngắn: Ta kí hiệu β là bước tương đối của dây quấn và p2 Z =τ (rãnh) τ =β y , π τ =βπ y Thì: 2 f444 2 E2E td β π Φ= βπ = ν sin,sin Đặt: 2 k n βπ = sin là hệ số bước ngắn của dây quấn thì: n fk444E Φ= ν , H ình 1.2 Sức điện động của một vòng dây π τ td E ′ ′ β τ =y td E ′ π π τ τ τ = y β π β π 1td E ′ & 1td E ′′ − & 1td E ′′ & v E & 1td E ′ & 1td E ′′ − & 1td E ′′ & v E & 4  Sđđ của một phần tử (bối dây) Nếu một bối dây có W s vòng thì s.đ.đ của một bối dây là: nss fkW444E Φ= , (1-3) c) Sức điện động của 1 nhóm bối dây: Ta tính s.đ.đ của 1 nhóm bối dây có q bối dây dưới 1 cực: mp2 Z q = . Thí dụ: hình 1.3: q = 4 Góc độ điện giữa 2 rãnh kề nhau là: Trong đó Z/p là số rãnh dưới một đôi cực (Z/2p là số rãnh dưới một mặt cực). Giả sử số rãnh dưới 1 mặt cực là 6 p2 Z ==τ thì 0 30= đ α và nếu tại thời điểm đang xét bối dây 1 nằm trên đường trung tính hình học thì trò số tức thời của sđđ cảm ứng trong các bối dây 1, 2, 3, 4 là: 0 sm1s 0EE sin= 0 smsm2s 30EEE sinsin đ =α= 0 smsm3s 60E2EE sinsin đ =α= 0 smsm4s 90E3EE sinsin đ =α= E sm : biên độ sđđ/phần tử. Ta có thể biểu diễn q r lệch nhau 1 góc α như h1-4 (q: số rãnh của 1 pha dưới một cực). Mỗi một vector biểu diễn trò số biên độ hay trò số hiệu dụng của s.đ.đ E s của một bối dây với những tỉ lệ tương ứng (h1-4a). Những vector gần nhau lệch nhau 1 góc α đ = 0 30 . Tổng hình học của 4 vector hình thành đa giác ABCDE (h1-4b) là vector AE biểu diễn trò số hiệu dụng tổng của s.đ.đ E q . Z 360p pZ 2 0 . đ = π =α H ình 1.4 Sức điện động của một vòng dây H ình 1.3 Nhóm bối dây q = 4 5 Để tính E q ta vẽ đường tròn ngoại tiếp với đa giác ABCDE có bán kính R. Cuối cùng ta tính được: E q = q E s k r (1-4) Trong đó: s.đ.đ các họcsố Tổng s.đ.đ các học hìnhTổng == s q r qE E k 2 qsin 2 2 q2Rsin 2 đ đ đ đ α α α α qq R sinsin2 == : hệ số quấn rải của dây quấn. Chứng minh: Ta có 4s3s2s1sq EEEEE +++= Về mặt trò số E q = AE = 2AF = 2 R2 đ q sin α . Tính R theo E q , xét tam giác OO 1 A ta có: 2 R2E s đ sin α = 2 2 E R s đ sin α =⇒ 2 sin2 2 sin 2 đ đ α α qE E s q =⇒ rs s KqE 2 q 2 qqE = α α = đ đ sin sin rnsq kfkqwE Φ =⇒ 44,4 (1-5) Đặt k dq = k n k r : là hệ số dây quấn. dqsq fkqwE Φ =⇒ 44,4 (1-6) d) Sức điện động của dây quấn 1 pha: Một pha có n nhóm bối dây có vò trí giống nhau trong từ trường các cực từ nên sđđ của chúng có thể cộng số học với nhau: dqsf fknqwE Φ =⇒ 44,4 Trong đó: w = n.q.w s là số vòng dây nối tiếp của 1 pha. 2. Sức điện động của dây quấn do từ trường bậc cao: Giả thiết rằng đường cong cường độ tự cảm đối xứng với trục hoành (vì tính chất đối xứng với trục hoành nên đường cong chỉ chứa các sóng hài lẻ) cũng như đối với trục cực. Trong trường hợp này, đường cong cường độ tự cảm bao gồm sóng điều hoà bậc nhất hay sóng điều hoà cơ bản và vô số sóng điều hoà bậc cao ν = 3, 5, 7, …, nghóa là ν = 2k ± 1. Trong đó sóng điều hoà bậc 1 có biên độ B m1 và bước cực τ tương ứng với số đôi cực p. Những sóng điều hoà bậc cao có biên dq fkw Φ = 44,4 6 độ B m3 , B m5 , νm B và những bước cực 3 τ , 5 τ , ν τ tương ứng với số đôi cực 3p, 5p,…, pν . Tần số 1 ff ν = ν . Từ đó từ thông tương ứng là: 1m1tb1 Bl 2 Bl τ π =τ=Φ 333 3 2 3 mtb BlBl τ π τ ==Φ … ννν ν τ π = ν τ =Φ mtb Bl 2 Bl Các sức điện động: 11m11tb111td fBl2fBl 2 f 2 E τ=τ π =Φ π = 13m13m333td fBl2f3B 2 l 3 2 f 2 E τ= π τ π =Φ π = … 1mtd fBl2f 2 E νννν τ=Φ π = Sức điện động hiệu dụng tổng của thanh dẫn: = td E 2 td 2 3td 2 1td EEE ν +++ 2 1td td 2 1td 3td 1td E E E E 1E ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += ν 2 1m m 2 1m 3m 1td B B B B 1E ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += ν 2 B 2 3B1td kk1E ν +++= 2 B 2 3B11 kk1f 2 ν ++Φ π = Những hệ số: 1m m B 1m 3m 3B B B k B B k ν ν == , , là tỉ số giữa biên độ từ cảm sóng bậc cao và biên độ từ cảm sóng hài cơ bản. Mặc khác từ thông tổng của mỗi cực từ được biểu diễn bằng tổng đại số sau: ν Φ ± ± Φ ± Φ ± Φ=Φ 531 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Φ Φ ±± Φ Φ ± Φ Φ ±Φ= ν 11 5 1 3 1 1 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ν ±±±±Φ= ν 1m m 1m 5m 1m 3m 1 B B B5 B B3 B 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ν ±±±±Φ= νB5B3B1 k 1 k 5 1 k 3 1 1 [...]... 0,325Btb1; Btb5 = 0 ,15 Btb1 Hãy tính sức điện động E1, E3, E5 và sức điện động tổng Etd của 1 thanh dẫn (bỏ qua các sóng bậc cao hơn 5), f = 50Hz Đáp số: E1 = 47,6V; E3 = 15 ,5V; E5 = 7,1V; E = 50,6V Giải: 1 Ta có: Biểu thức tổng quát của sức điện động: E ν = π 2 w.k nν k rν Φ ν f ν = 2 2 τ.l.w.k dqν f 1 B mν Đối với sóng điều hoà bậc 1: E 1 = π 2 w.k n1 k r1 Φ 1 f1 = 2 2 τ.l.w.k dq1 f 1 B m1 Thanh dẫn: E 1. .. = π 2 Φ.f 1 1 + k 2 3 + + k 2 ν B B 1 1 1 ± k B3 ± ± k Bν 3 ν + Biểu thức tổng quát của sức điện động: Hiện nay dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều được dùng nhiều nhất là loại dây quấn rải 2 lớp bước ngắn nên ta có: Đối với sóng điều hoà bậc 1: E 1 = π 2 w.k n1 k r1 Φ 1 f 1 = 2 2 τ.l.w.k dq1 f 1 B m1 (1) Đối với sóng điều hoà bậc ν : E ν = π 2 w.k nν k rν Φ ν f ν = 2 2 τ.l.w.k dqν f 1 B mν (2)... dẫn: E 1 = 2τ.l.B m1 f1 πD π.0,7 = = 0,55 2p 2.2 π B m1 = B tb1 2 πD π ⇒ E1 = 2 l B tb1 f 1 2p 2 Với τ = = 2 π 2 0,7 1, 3.0,6.50 4 2 = 47,63(V) Tương tự: E 3 = 2τ.l.B m 3 f 3 = 0,325E1 = 15 ,5(V) E 5 = 2τ.l.B m 5 f 5 = 0 ,15 E1 = 7 ,14 (V) Sức điện động tổng của 1 thanh dẫn: E td = E 1 1 + k 2 3 + k 2 5 B B = 47,63 1 + 0,325 2 + 0 ,15 2 = 50,6(V) 9 Bài tập: 1. 1 Tính hệ số dây quấn kdq của dây quấn hai lớp... k dq1 = k n1 k r1 , , k dqν = k nν k rν là hệ số dây quấn cho sóng điều hoà bậc 1, …, bậc ν Khi đó sức điện động tổng của dây quấn là: E td = Trong đó: k 3 = k dq 3 k dq1 2π 2 1 + (k B3 k 3 ) + + (k Bν k ν ) 1 1 1 ± k B3 ± ± k Bν 3 ν 2 w.k dq1 Φ.f1 , , k ν = k dqν k dq1 2 là trò số tương đối của hệ số dây quấn cho sóng điều hoà bậc cao § 1. 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN DẠNG SÓNG SỨC ĐIỆN ĐỘNG 1 Chế... thức sức điện động của dây quấn 1 pha khi từ trường không hình sin? 3 Các biện pháp để cải thiện dạng sóng sức điện động và hiệu lực của các biện pháp đó? 4 Khi dùng rãnh chéo thì trò số sức điện động do từ trường cơ bản của dây quấn thay đổi như thế nào? Thí dụ: 1 Cho 1 máy phát điện có p = 2, đường kính trong của Stator D = 0.7m từ cảm trung bình Btb1 = 0,6T, chiều dài tính toán của Stator l = 1, 3m Cho... ta thấy sức điện động có từ cảm B mν z cảm ứng trong thanh dẫn có chiều ngược nhau và bò triệt tiêu Bước rãnh chéo cần phải chọn b c = 2 τ νz = 2 bc = τ νz 2pτ z±p (với k = 1 thì ν z = z ± 1) p Trong thực tế, thường chọn b c = 2pτ là các z sóng điều hoà răng đã giảm nhỏ đi nhiều 8 Hình 1. 5 Trường hợp rãnh chéo 1 bước răng Δ E υz = 0 Câu hỏi: 1 Vì sao yêu cầu sức điện động của máy điện xoay chiều phải... và sức điện động của thanh dẫn Etd 6 = 5V Hãy tính sức điện động của mỗi nhóm và s.đ.đ của mỗi pha của dây quấn đó Đáp số: Eq = 93,3V, Ef = 93,3V 1. 2 Cho 1 máy phát điện ba pha 6000kW; 6300V; 3000 vòng/phút; f = 50Hz; cos ϕ = 0,8; đường kính trong stator D = 0,7m; chiều dài stator l = 1, 35m; Btb = 0,4890T; z = 36; dây quấn 2 lớp; y = 13 ; số vòng dây nối tiếp trong một pha W = 24 Hãy tính sức điện động... quả mong muốn Vì vậy cần làm giảm hoặc triệt tiêu các sức điện động bậc cao bằng các cách sau: 7 2 Rút ngắn bước dây quấn: Khi quấn bước đủ y = τ biết k nν = 1 , nghóa là tất cả các sóng hài bậc cao đều tồn tại Để cho các sđđ bậc cao bò triệt tiêu người ta phải chọn β thế nào đó để π 1 nếu chọn β = 1 − 2 ν ⎡⎛ 1 ⎞ π ⎤ π⎤ ⎡ = sin ⎢ 1 − ⎟ν ⎥ = sin ⎢(ν − 1) ⎥ 2⎦ ⎣ ⎣⎝ ν ⎠ 2 ⎦ Mà k nν = sin νβ k nν = 0 ⇒... q = 1 thì k rν = 1 , tức là tất cả các sóng bậc cao đều tồn tại Khi q > 1 và q càng tăng thì k rν càng giảm, song k rν sẽ lập lại trò số ban đầu sau 1 số sóng bậc cao nào đó theo những chu kì tương ứng Một số sóng bậc cao có k rν = kr1 được gọi là sóng điều hoà tăng ( ν = ν z với ν z = 2mqk ± 1 và k = 1, 2, 3 ) Tóm lại phương án này chỉ cải thiện dạng sóng được phần nào 4 Rãnh chéo: Tác dụng của nó... = 0 tương ứng với β = 7 1 1 Nghóa là ta rút ngắn bước dây quấn đi τ và τ thì E 5 và E 7 = 0 Rõ ràng là 5 7 Khi ν = 5 ⇒ k n 5 = 0 ⇒ E 5 = 0 tương ứng với β = biện pháp này không đồng thời triệt tiêu được tất cả các s.đ.đ bậc cao nên người ta chọn bước dây quấn sao cho giảm được các sức điện động bậc cao mạnh bậc 5, 7 Trong trường hợp đó thường rút ngắn bớt đi theo từng máy 1 τ Lúc đó β = (0,8 ÷ 0,86 . TP. HCM 1 PHẦN III CÁC VẤN ĐỀ LÍ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 2 CHƯƠNG I: SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU § 1. 1. ĐẠI. quấn máy điện xoay chiều 2 Chương 2: Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều 11 Chương 3: Sức từ động của dây quấn máy điện xoay chiều 30 Phần IV: Máy điện không đồng bộ (MĐKĐB) 47 Chương 1: . (MĐĐB) 10 1 Chương 1: Đại cương về MĐĐB 10 2 Chương II: Các quan hệ điện từ trong MĐĐB 10 6 Chương III: Máy phát điện và động cơ điện đồng bộ 11 6 Chương IV: Máy điện đồng bộ đặc biệt 13 5 Truong