Bài giảng máy điện chương 3 TS nguyễn quang nam

Bài giảng Chương 3: Các vấn đề máy điện quay TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 1 Khái niệm Điện áp cảm ứng máy điện quay thông qua thay đổi từ thơng móc vịng theo thời gian Sự biến thiên từ thơng móc vịng thực cách quay dây quấn cắt ngang từ trường, quay từ trường quét qua dây quấn, thiết kế mạch từ để từ trở thay đổi rôto chuyển động Sự thay đổi từ thông móc vịng cách đặn dẫn đến điện áp biến thiên theo thời gian sinh Phần Khái niệm (tt) Bộ dây quấn có điện áp cảm ứng thường gọi dây quấn phần ứng Nói chung, thuật ngữ dùng để dây quấn tải dòng điện AC máy điện quay Trong máy điện AC máy đồng không đồng bộ, dây quấn phần ứng thường nằm stato, nên gọi dây quấn stato Trong máy điện DC, dây quấn phần ứng nằm rôto, phần chuyển động máy Phần Khái niệm (tt) Máy điện đồng chiều thường có thêm dây quấn thứ hai mang dòng điện DC, dùng để tạo từ thơng máy Dây quấn thường gọi dây quấn kích từ Dây quấn kích từ nằm stato máy chiều rơto máy đồng Do đó, máy đồng cần hệ thống tiếp điểm quay (vành trượt + chổi) Từ thơng tạo NCVC Phần Khái niệm (tt) Trong hầu hết máy điện quay, stato rôto chế tạo từ thép kỹ thuật điện, dây quấn đặt rãnh Từ thông biến thiên theo thời gian phần ứng có xu hướng làm cảm ứng dịng điện xốy thép Các dịng điện cảm ứng gây tổn hao lớn làm giảm mạnh hiệu máy Để khắc phục, phần ứng chế tạo từ thép mỏng cách điện với Phần Khái niệm (tt) Trong số máy, máy điện từ trở động bước, khơng có dây quấn rơto Sự vận hành máy phụ thuộc vào không đồng từ trở khe hở rôto quay, kết hợp với thay đổi theo thời gian dòng điện stato Trong máy này, stato lẫn rôto có từ thơng biến thiên theo thời gian, cần chế tạo từ thép kỹ thuật điện Phần Giới thiệu máy điện xoay chiều Máy điện AC truyền thống thuộc hai loại: đồng không đồng Trong máy khơng đồng bộ, dịng điện rơto cảm ứng kết hợp biến thiên theo thời gian dòng điện stato chuyển động tương đối rôto so với stato Xét máy đồng sở slide tiếp theo, máy đồng cực lồi, cực Phần Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Kích từ Phần ứng nằm stato, kích từ nằm rơto Dịng điện kích từ vào máy thơng qua chổi than vành Phần ứng trượt Cuộn dây phần ứng gồm N vòng, với cạnh a –a đặt gối xứng qua tâm Rôto quay tốc độ không đổi nhờ nguồn học Phần Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Giả thiết từ thơng khe hở phân bố hình sin khơng gian (trong thực tế, hình dạng mặt cực thiết kế để tạo điều kiện vậy) Điện áp cảm ứng có dạng hình sin theo thời gian, điều kiện giả thiết Cuộn dây hồn tất chu kỳ sau vịng quay máy cực xét Nghĩa tần số (tính Hz) với tốc độ rơto (tính vịng/giây) Phần Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Như tần số điện điện áp phát đồng với tốc độ học, lý tên gọi máy “đồng bộ” Rất nhiều máy đồng có nhiều cực Với máy này, cuộn dây nối cho cực luân phiên thay đổi Mỗi cuộn dây nằm đôi cực từ Như vậy, tần số (tính Hz) gấp p lần tốc độ quay (tính vịng/giây) Với máy có nhiều đơi cực, tập trung vào đơi cực, tượng lặp lại đơi cực Phần 10 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Khi đó, thuận tiện diễn tả góc theo đơn vị độ điện hay radian điện Như vậy, máy có p đơi cực, 360 độ điện hay 2π radian điện tương ứng với đơi cực, θ e = pθ m (3.1) Và tần số máy có tốc độ n (vịng/phút – rpm) f =p n 60 (3.2) Phần 11 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Rôto vừa xét có cấu trúc cực lồi, với dây quấn tập trung Rơto cịn chế tạo với cấu trúc cực ẩn, dây quấn phân bố Cấu trúc cực lồi thích hợp với máy phát thủy điện, nhiều cực, tốc độ thấp Cấu trúc cực ẩn thích hợp với máy phát tuabin (khí hơi), có cực tốc độ cao Hầu hết hệ thống điện hệ thống pha, nên máy phát đồng máy phát pha Phần 12 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Các cuộn dây phần ứng nối Y ∆ Khi máy phát đồng cung cấp điện cho tải, dòng điện phần ứng tạo sóng từ thơng khe hở khơng khí, quay tốc độ đồng Từ thông tương tác với từ thơng kích từ tạo mơmen có xu hướng kéo từ thông thẳng hàng với nhau, ngược chiều quay Động sơ cấp cần tạo mơmen để trì chuyển động quay máy phát Phần 13 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Động đồng có chế hoạt động tương tự, từ thông phần ứng hệ dòng điện pha dây quấn phần ứng tạo ra, quay tốc độ đồng Khi động đồng mang tải, mômen tải làm cho góc lệch từ thơng phần ứng từ thơng kích từ tăng lên, làm tăng mơmen điện từ sinh ra, đưa động trở trạng thái cân Tốc độ động tỷ lệ với tần số nguồn Phần 14 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Máy không đồng (KĐB) có dây quấn stato giống máy đồng Tuy nhiên, dịng điện dây quấn rơto máy KĐB dòng điện AC, cảm ứng chênh lệch tốc độ rôto từ trường quay Máy KĐB xem máy biến áp tổng quát với công suất điện chuyển đổi thành công suất với thay đổi tần số Máy KĐB trước dùng làm máy phát Phần 15 Giới thiệu máy điện xoay chiều (tt) Dây quấn rôto ngắn mạch, giúp cho dòng điện cảm ứng sinh có ứng biến áp từ dây quấn stato Trong động KĐB rơto lồng sóc, dây quấn rơto tạo thành từ dẫn nhôm đúc dọc theo rãnh rôto, với dẫn bị ngắn mạch hai đầu rơto Cấu trúc rơto lồng sóc rẻ tiền tin cậy, khiến cho sử dụng rộng rãi Rôto động KĐB luôn quay chậm từ trường quay máy Phần 16 Giới thiệu máy điện chiều Dây quấn phần ứng máy phát DC nằm rôto, nối với mạch chổi Chiều quay than Chổi than Cổ góp Dây quấn kích từ nằm stato cung cấp dịng điện DC Hình cho thấy cấu trúc đơn giản hóa máy phát DC cực Phần 17 Giới thiệu máy điện chiều (tt) Phân bố từ thông khe hở thường có dạng đầu, khơng phải hình sin, khơng gian Khi quay cuộn dây, điện áp cảm ứng có dạng sóng theo thời gian giống phân bố từ cảm khơng gian Vì điện áp cảm ứng dạng xoay chiều, cổ góp dùng để chỉnh lưu điện áp cuộn dây, tạo điện áp DC ngõ Cổ góp tập phiến đồng cách điện với nhau, gắn thành mặt trụ trục máy Phần 18 Giới thiệu máy điện chiều (tt) Dây quấn kích từ tạo từ trường cố định so với stato, dây quấn phần ứng tạo từ trường cố định không gian, phụ thuộc vào thiết kế máy vị trí chổi, thường vng góc với từ trường kích từ Giống máy điện khảo sát, mômen máy tạo tương tác hai từ trường Trong máy phát, mơmen ngược chiều quay, cịn động cơ, mơmen thuận chiều quay Phần 19 Sức từ động dây quấn rải Hầu hết phần ứng có dây quấn rải, phân tán Cuộn dây N vòng rãnh dọc khe hở Các cuộn dây nối cho từ trường Trục từ stato tạo thành có số cực dây quấn kích từ Xét dây quấn gồm cuộn dây N vòng, với cạnh cách 180 độ điện, hình Phần 20 Điện áp cảm ứng (tt) Giá trị trung bình, hay DC, điện áp hai chổi thu cách tính trung bình điện áp đập mạch Ea = π ω e NΦ p (3.26) Với máy DC, việc biểu diễn điện áp Ea theo tốc độ ωm (rad/s) hay n (rpm) thuận tiện Với máy có p đơi cực Ea = 2p π NΦ pωm = (2 p )NΦ p n 30 (3.27) Phần Điện áp cảm ứng (tt) Trong thực tế máy khơng thể có cuộn dây, (3.27) dùng để biểu diễn kết dây quấn rải, N coi tổng số vòng dây nối tiếp cực phần ứng Điện áp thường biểu diễn theo tổng số dẫn tác dụng Ca số mạch nhánh song song m phần ứng Ea = p  Ca   p  Ca   Φ pω m =   Φ p n πm  60  m  Phần (3.28) 10 Mômen máy cực ẩn Sự vận hành thiết bị điện nằm hệ thống điện biểu diễn thơng qua pt điện đầu cực, dịch chuyển mômen Sau pt điện áp mômen rút thông qua cách tiếp cận Cách tiếp cận chất giống cách tính mơ men cho hệ có nhiều nguồn kích thích Máy xem phần tử mạch có điện cảm phụ thuộc vị trí Phần 11 Mơmen máy cực ẩn (tt) Từ thơng móc vịng đồng lượng biểu diễn theo dòng điện điện cảm Từ xác định mơmen mơ hình hệ Quan điểm thứ hai xem máy nhóm dây quấn tạo từ trường khe hở Như rút từ thơng móc vòng đồng lượng hàm đại lượng từ Từ xác định điện áp cảm ứng mơmen Mơmen xem xu hướng kéo từ trường thẳng hàng Phần 12 Mômen theo quan điểm mạch ghép Xét máy sở có khe hở với dây quấn stato dây quấn rôto Các dây quấn rải rãnh để stđ chúng xấp xỉ hình sin khơng gian Giả thiết dịng điện chạy theo chiều mũi tên tạo từ trường khe hở theo chiều mũi tên Như mũi tên xác định chiều dòng điện từ thông Phần 13 Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt) Stato rơto hình trụ đồng tâm, bỏ qua ảnh hưởng rãnh Cũng giả thiết từ trở lõi thép bỏ qua Xét trường hợp tổng qt máy có p đơi cực Tự cảm stato rơto Lss Lrr xem không đổi, hỗ cảm stato rơto phụ thuộc vào góc điện θe trục từ dây quấn stato rôto: M sr = Lsr cos(θ e ) (3.29) Lsr giá trị hỗ cảm cực đại hai dây quấn đồng trục Phần 14 Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt) Từ thơng móc vịng stato rơto: λs = Lss is + M sr ir = Lss is + Lsr ir cos(θ e ) λr = M sr is + Lrr ir = Lsr is cos(θ e ) + Lrr ir (3.30) (3.31) Các phương trình điện áp: dis dθ di + Lsr cos(θ e ) r − Lsr ir sin (θ e ) e dt dt dt di di dθ vr = Rr ir + Lrr r + Lsr cos(θ e ) s − Lsr is sin (θ e ) e dt dt dt vs = Rs is + Lss (3.32) (3.33) Khi rôto quay, θe cần xem biến Phần 15 Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt) Các số hạng thứ hai thứ ba tương tự mạch ghép tĩnh Số hạng thứ tư chuyển động học sinh tỷ lệ với tốc độ Đây số hạng điện áp tốc độ tương ứng với trao đổi cơng suất hệ điện Có thể xác định mômen điện từ thông qua đồng lượng: T e = − pLsr is ir sin (θ e ) Phần (3.34) 16 Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt) Dấu trừ (3.34) có nghĩa mơmen tác động theo chiều làm cho từ trường stato rôto thẳng hàng Các pt (3.32) đến (3.34) hệ pt liên kết biến điện (điên áp dòng điện) với biến (mơmen góc quay) Hệ pt kết hợp với ràng buộc điện xác định hiệu thiết bị đặc tính biến đổi Đây pt vi phân phi tuyến khó giải, trừ số trường hợp đặc biệt Phần 17 Mômen theo quan điểm từ trường Có thể thấy dịng điện Trục từ stato dây quấn tạo từ thông khe hở, với đường sức khép kín qua lõi thép stato rôto Trục từ rôto Như xuất cực từ stato rôto, với trục từ tương ứng qua cực từ Mômen tạo xu hướng tự thẳng hàng hai từ trường thành phần Phần 18 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Mơmen tỷ lệ với tích độ lớn stđ stato rôto hàm góc lệch trục stđ stato trục stđ rôto Một phần nhỏ từ thông stato rơto khơng vượt qua khe hở, tự móc vịng với cuộn dây tạo Chỉ có từ thơng tương hỗ, móc vịng với hai dây quấn liên quan đến việc tạo mômen Phần 19 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Gọi Fsr sức từ động tổng hợp khe hở Giả thiết chiều dài khe hở g nhỏ so với bán kính stato hay rơto Với máy có khe hở đều, dễ dàng xác định cường độ từ trường, dẫn đến xác định mật độ đồng lượng theo Fsr: µ0  Fsr  Avg coenergy density =  g Phần    (3.35) 20 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Đồng lượng tổng: Wm′ = µ0  Fsr  µ πDl  πD lg =  Fsr  g  4g (3.36) Từ giản đồ vectơ slide 19, suy ra: Wm′ = µ0πDl 4g (F s ) + Fr2 + Fs Fr cos(δ sr ) (3.37) Chú ý giữ stđ khơng đổi tương đương với giữ dịng điện không đổi Phần 21 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Có thể rút biểu thức mơmen từ đạo hàm riêng đồng lượng theo góc quay: Te = − µ0πDl 2g Fs Fr sin (δ sr ) (3.38) Với máy có p đơi cực: T = −( p ) e µ0πDl 2g Fs Fr sin (δ sr ) (3.39) Mômen tác động theo chiều làm tăng tốc rôto Phần 22 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Khi δsr dương, mômen âm máy điện vận hành máy phát Khi δsr âm, mômen dương máy vận hành chế độ động Pt quan trọng cho thấy mômen tỷ lệ với giá trị đỉnh stđ stato rơto, với sin góc điện chúng Dấu trừ có nghĩa từ trường có xu hướng tự thẳng hàng với Mômen tác động lên stato rôto ngược dấu Phần 23 Mơmen theo quan điểm từ trường (tt) Ngồi ra, dựa vào giản đồ vectơ để rút T e = −( p ) µ0πDl T = −( p ) µ0πDl e 2g 2g Fs Fsr sin (δ s ) (3.40) Fr Fsr sin (δ r ) (3.41) Nếu bỏ qua bão hòa từ: T = −( p ) e πDl Bsr Fr sin (δ r ) Phần (3.42) 24 Mômen theo quan điểm từ trường (tt) Dạng khác biểu thức mômen T e = −( p ) π Φ sr Fr sin (δ r ) (3.43) với Φsr từ thông tổng cực từ hai dây quấn tạo Tóm lại, mơmen tỷ lệ thuận với tích độ lớn từ trường tương tác, với sine góc điện trục từ từ trường Phần 25 Máy điện tuyến tính Các máy điện chế tạo dạng tuyến tính, ngồi dạng quay thường gặp Ứng dụng biết đến nhiều động tuyến tính có lẽ giao thông vận tải Các ứng dụng sử dụng động KĐB tuyến tính, với stato nằm phương tiện vận tải rôto đứng yên làm thành đường ray Ngoài việc tạo lực đẩy, dịng điện cảm ứng cịn dùng để tạo lực nâng Phần 26 Máy điện tuyến tính (tt) Động tuyến tính dùng máy cơng cụ robot, nơi thường có u cầu chuyển động tịnh tiến (trong định vị vận hành tay máy) Việc phân tích máy điện tuyến tính giống với máy điện quay, với lực thay cho mơmen, kích thước dài dịch chuyển tịnh tiến thay cho đại lượng góc Xét dây quấn tuyến tính hình 4.36 (sách Fitzgerald) Dây quấn có N vòng dòng điện i chạy qua Phần 27 Máy điện tuyến tính (tt) Thay biến vị trí góc θa biến vị trí z, rút biểu thức thành phần sóng stđ  k dq N phi   2πz   cos  H ag1 =  π  pg   β  (3.44) Cũng tạo dây quấn pha cách đặt lệch dây quấn khoảng β/3, kích thích chúng dịng điện pha cân có tần số góc ωe F (z, t ) =  2πz  Fm cos − ωet  π2  β  Phần (3.45) 28 Bão hịa mạch từ Các đặc tính máy điện phụ thuộc mạnh vào vật liệu từ Các vật liệu dùng để định hình mạch từ, giúp đạt tính chất cần thiết Các vật liệu từ lý tưởng Chúng bị bão hịa từ thơng tăng lên, làm cho độ thẩm từ giảm xuống, kéo theo hiệu tập trung từ trường Cả mômen lẫn điện áp cảm ứng phụ thuộc vào từ thơng móc vịng Phần 29 Bão hòa mạch từ (tt) Với giá trị stđ cho trước, từ thông phụ thuộc vào từ trở lõi thép khe hở Sự bão hòa ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính máy Cụ thể, máy điện thường giả thiết có từ trở lõi thép khơng đáng kể Khi máy thực tế vận hành mức độ bão hịa khác nhau, dự đốn sai số đáng kể Có thể cải thiện cách xem khe hở gia tăng lượng để xét đến từ áp lõi thép Phần 30 Bão hòa mạch từ (tt) Ảnh hưởng miệng rãnh hay khe thơng gió xét đến theo cách tương tự Các kỹ thuật sau cần có kiểm định thơng qua thực nghiệm Các tính chất bão hịa máy điện quay thường biểu diễn dạng đặc tính hở mạch, cịn gọi đường cong từ hóa hay đường cong bão hịa Hình 4.37 (sách Fitzgerald) cho thấy đường cong từ hóa điển hình Phần 31 Bão hòa mạch từ (tt) Với máy đồng bộ, đặc tính hở mạch có cách quay máy tốc độ không đổi, đo điện áp phần ứng hở mạch hàm số dịng điện kích từ Đường thẳng tiếp tuyến với phần thấp đường cong đặc tính khe hở, ứng với giá trị từ thơng thấp Nếu khơng có hiệu ứng bão hịa đặc tính khe hở đặc tính hở mạch trùng Do đó, độ lệch đường cong so với đặc tính khe hở cho biết mức độ bão hòa Phần 32 Bão hịa mạch từ (tt) Trong máy điển hình, tỷ số xét điện áp định mức stđ tổng stđ rơi khe hở vào khoảng 1,1 – 1,25 Với động KĐB, máy vận hành gần hay tốc độ đồng bộ, giá trị dịng điện từ hóa đo ứng với giá trị điện áp stato khác Vì phân bố từ thơng có tải thường khác với khơng tải, đặc tính bão hịa có tải khác với đường cong hở mạch Phần 33 Từ thông tản Tương tự với cuộn dây máy biến áp, từ thông dây quấn máy điện quay chia thành thành phần Một thành phần móc vịng với hai dây quấn, gọi từ thơng tương hỗ, thành phần móc vịng với cuộn dây tạo từ thơng, gọi từ thơng tản Với máy có từ dây quấn trở lên, việc đánh số cần đươc ý Ví dụ, xét hình 4.40 (sách Fitzgerald) Phần 34 Từ thông tản (tt) Chỉ xét dây quấn 1, từ thông ϕ123 rõ ràng từ thơng tương hỗ móc vịng với dây quấn Tuy nhiên, ϕ12 từ thông tương hỗ dây quấn 2, từ thơng tản dây quấn 3, cịn ϕ13 từ thông tương hỗ dây quấn 3, từ thông tản dây quấn Ta thấy, cuộn dây riêng lẻ tạo từ thông khe hở với họa tần đáng kể, cuộn dây phân bố để gia tăng thành phần giảm thiểu họa tần Phần 35 Từ thông tản (tt) Các họa tần không gian từ thông khe hở nhỏ tồn Trong máy DC, họa tần tạo từ thông sinh mơmen coi từ thơng tương hỗ stato rơto Trong máy AC, chúng tạo họa tần áp theo thời gian, sóng từ thơng quay khơng đồng Các hiệu ứng thường khó xác định theo cách định Phần 36 Từ thông tản (tt) Dù vậy, từ thông coi phần từ thông tản dây quấn Có thể nhận diện số thành phần từ thông tản sau Từ thơng tản rãnh: rãnh dây quấn, có lượng từ thông không xuyên qua khe hở Từ thông đầu cuối: phần đầu cuối cuộn dây tạo lượng từ thông không xuyên qua khe hở Phần 37 ... phần Phần 45 Bài giảng Chương 3: Các vấn đề máy điện quay TS Nguyễn Quang Nam 20 13 – 2014, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần Điện áp cảm ứng Xét máy AC sở có...   ia  π  2p  Phần (3. 9) 34 Từ trường máy điện quay Sự vận hành máy điện xác định từ trường dòng điện dây quấn tạo Sự liên hệ từ trường dòng điện xem xét Trong máy có khe hở (hình 4.25a,... thiệu máy điện xoay chiều (tt) Khi đó, thuận tiện diễn tả góc theo đơn vị độ điện hay radian điện Như vậy, máy có p đôi cực, 36 0 độ điện hay 2π radian điện tương ứng với đôi cực, θ e = pθ m (3. 1)