Máy điện một chiều(MĐ1C) hiện ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong sản xuất và đời sống. Nó dùng làm động cơ điện, máy phát điện hoặc tổ hợp máy, thiết bị điện một chiều chuyên dụng. Cô
Chng 8SC T NG CA DY QUN MY IN XOAY CHIU8.1. ST P MCH V ST QUAY Gi thit vic kho sỏt c n gin:Khe h khụng khớ gia stator v rotor u,T tr Rà thộp 0, ngha l àFe = .8.1.1. St p mch Biu thc toỏn hc ca st p mch:=cos.tsinFFm (8-1)trong ú l gúc khụng gian. Trong biu thc trờn, nu t = const thỡ:)(fcosFFm==1trong ú tsinFFmm=1 l biờn tc thi st p mch v lỳc ú s phõn b ca F l hỡnh sin trong khụng gian.Cũn khi = const v trớ c nh bt k : tsinFFm=2trong ú =cosFFmm2 v F v trớ ú bin i tun hon theo thi gian.St p mch l mt súng ng nh trỡnh by trờn hỡnh 6-1, nú phõn b hỡnh sin trong khụng gian v bin i hỡnh sin theo thi gian8.1.2. St quayBiu thc toỏn hc st quay trũn:)tsin(FFm=(8-2) Tht vy, gi s ta xột mt im bt k ca súng st cú tr s khụng i:const)tsin(=hay const)t(= Ly vi phõn theo thi gian:138-/2/23/2Ft =T/6t =T/4t =3T/4Hỡnh 8-1 St dp mch cỏc thi im khỏc nhau ω±=αdtd(8-3) Ta thấy, đạo hàm α theo t chính là tốc độ góc quay:•0>αdtd ứng vói sóng quay thuận, tức là dấu (-) trong (8-2).•0<αdtd ứng vói sóng quay ngược, tức là dấu (+) trong (8-2).8.1.3. Quan hệ giữa stđ đập mạch và stđ quay:Ta có biểu thức:)tsin(F)tsin(Fcos.tsinFmmmα+ω+α−ω=αω2121 (8-4)nghĩa là stđ đập mạch là tổng của hai stđ quay thuận và quay ngược cùng tốc độ góc ω và có biên độ bằng một nửa biên độ stđ dập mạch đó.Mặt khác, ta có biểu thức:αω±αω=α±ωsin.tcosFcos.tsinF)tsin(Fmmm = = )cos().tsin(Fcos.tsinFmm22π−απ−ω±αω(8-5)ta thấy rằng stđ quay là tổng hợp của hai stđ đập mạch lệch pha nhau trong không gian một góc π/2 và khác pha nhau về thời gian một góc là π/2. 8.2. TỪ TRƯỜNG QUAYTrong phần này ta nghiên cứu sự hình thành từ trường quay sinh ra bởi dòng điện ba pha chạy trong dây quấn ba pha của máy điện xoay chiều. Trên hình 8-3a trình bày dây quấn ba pha AX, BY, CZ lệch pha nhau 120 độ điện trong không gian chung quanh bên trong chu vi stator. Ta nghiên cứu một máy có hai cực từ. Mỗi cuộn dây được quấn tập trung và các cuộn dây được đặt rải bên trong chu vi stator. Khi có dòng điện chạy qua dây quấn một pha thì sinh ra stđ hình sin phân bố trên trục của dây quấn pha đó. Nếu dòng điện chạy qua dây quấn là xoay chiều thì sinh ra stđ đập mạch có độ lớn và chiều phụ thuộc vào trị số tức thời của dòng điện điện chạy qua dây quấn. Trên hình 8-3b trình bày stđ đập mạch phân bố trong không gian 139αα00Fm2π2ππ23π23ππ2π2t=T/4t=T/4t= 0t= 0F FHình 8-2 Vị trí sóng quay ngược (a) và quay thuận (b)(a) (b)(+α) (-α) Hình 8-3 Stđ dập mạch ở các thời điểm khác nhauở các thời điểm khác nhau do dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn AX sinh ra. Mỗi pha dây quấn sinh ra stđ đập mạch như nhau nhưng lệch pha nhau trong không gian 120 độ điện.Ta cho rằng có một hệ thống dòng điện hình sin ba pha đối xứng chạy trong dây quấn ba pha. Các dòng điện nầy là :Ia = Im sinωtIb = Im sin(ωt - 120o)Ic = Im sin(ωt - 240o)Đồ thị hình sin của dòng điện ba pha trình bày trên hình 8-3c. Bây giờ ta khảo sát chiều dòng điện chạy trong dây quấn như hình 8-3a. Khi hệ thống dòng điện này chạy trong từng dây quấn, mỗi sóng stđ sinh ra phân bố hình sin trong không gian và biến đổi hình sin theo thời gian. Ta phân tích stđ bằng phương pháp giải tích sau đó sẽ phân tích bằng phương pháp đồ thị.8.2.1. Phương pháp giải tíchGiả thiết một máy điện có hai cực từ và dây quấn ba pha mỗi pha có một phần tử. Công thức thu được từ kết quả phân tích sóng stđ ở mỗi điểm trong khe hở không khí xác định bởi góc θ. Gốc của góc này được chọn là trục của dây quấn pha A, như trình bày trên hình 8-4a. Ở mỗi thời điểm, stđ ba pha trong khe hở được xác định bởi góc θ. STĐ theo góc θ là :F(θ) = Fa(θ) + Fb(θ) + Fc(θ) (8-6)Ở mỗi thời điểm, mỗi pha dây quấn sinh ra stđ phân bố hình sin với đỉnh của có là trục của pha dây quấn và độ lớn đối xứng phụ thuộc trị số tức thời của dòng điện pha. STĐ của pha a theo góc θ là :Fa(θ) = Niacosθ (8-7)Trong đó N số vòng dây hiệu dụng của pha a.ia dòng điện trong dây quấn pha aDo các pha lệch pha nhau một góc 120 độ điện, nên stđ của các pha B và C tương ứng là :Fb(θ) = Nibcos(θ - 120o) (8-8)140AXBZYC(a)-π/2π/23π/2Fαt =T/6t =T/4t =3T/4(b)ωtiiAiBiC0120024003600(c) Fc(θ) = Niccos(θ - 240o) (8-9)Kết quả stđ tổng ở một điểm của góc θ là :F(θ) = Niacosθ + Nibcos(θ - 120o) + Niccos(θ - 240o) (8-10)Dòng điện ba pha ia, ib, ic như đã cho ở trên, thế vào ta có :F(θ) = NImsinωt.cosθ + NImsin(ωt-120o).cos(θ - 120o) + NImsin(ωt-240o).cos(θ - 240o) (8-11)Sử dụng công thức lượng giác :SinA.cosB = 21sin(A-B) + 21sin(A+B)Phân tích công thức (8-11) vế phải của mỗi phần thành hai thành phần sin rồi cộng lại, ta được:F(θ) = 21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+θ) +21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+θ-120o) +21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+θ-240o)F(θ) = 23NIm sin(ωt-θ) (8-12)Biểu thức của công thức (8-12) trình bày kết quả stđ trong khe hở không khí. Stđ này là stđ quay tròn có tốc độ quay không đổi ω = 2πf. Ở thời điểm nào đó, như t1, stđ phân bố hình sin dọc theo khe hở (hình 8-4b) với biên độ cực đại dương theo θ = ωt1, còn ở thời điểm t2, biên độ cực đại dương theo θ = ωt2. Như vậy sóng stđ quay bởi ω(t2 - t1) dọc theo khe hở stato.Tốc độ quay của từ trường quay : pf60n1=(vòng/phút) (8-13)141AXCYZCB(a)θTrục của dây quấn pha At = t1t = t2Sóng quayθ = ωt1θ = ωt2θ3/2NImHình 8-4 Stđ quay sinh ra bởi dòng ba pha (b) 8.2.2. Phương pháp đồ thịa. Sự hình thành từ trường quayXét máy điện ba pha đơn giản, trên stato có 6 rãnh (hình 8-5). Trong đó người ta đặt dây quấn ba pha đối xứng AX, BY, CZ. Trục của các dây quấn ba pha lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện.Giả thiết rằng trong ba dây quấn có hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thứ tự thuận chạy qua:iA = ImsinωtiB = Imsin(ωt - 1200) (8-14)iC = Imsin(ωt - 2400)Lúc đó từ cảm CBAB,B,B do các dòng điện CBAi,i,i tạo ra riêng rẽ là các từ cảm đập mạch có phương lần lược trùng với trục các pha A, B, C còn chiều cho bởi qui tắc vặn nút chai và độ lớn tỉ lệ lần lược với CBAi,i,i. Từ cảm do cả ba dòng điện tạo ra là tổng vectơ:CBABBBB++=(8-15)Ta xét →B tại các thời điểm khác nhau:α) Xét thời điểm ωt = 900 (Hình 8-5a)Ở thời điểm nầy, dòng điện pha A cực đại và dương (iA = Im), nên AB cũng cực đại và hướng theo chiều dương của trục pha A (BA = Bm). Đồng thời các dòng điện pha B và C âm (iB = iC = -Im/2) nên BB và CB hướng theo chiều âm của trục pha B và C, và có độ dài Bm/2. Từ cảm tổng B hướng theo chiều dương của trục pha A và có độ dài (3/2)Bm. β) Xét thời điểm ωt = 900 + 1200 (Hình 8-5b)Lúc nầy là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kỳ. Ở thời điểm nầy, dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng →B hướng theo chiều dương của trục pha B, có độ dài (3/2)Bm và đã quay đi một góc 1200 so với thời điểm ωt = 900. γ) Xét thời điểm ωt = 900 + 2400 (Hình 8-5c) Lúc nầy là thời điểm sau thời điểm đầu hai phần ba chu kỳ. Ở thời điểm nầy, dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm. Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng B hướng theo chiều dương của trục pha C, có độ dài (3/2)Bm và đã quay đi một góc 2400 so với thời điểm ωt = 900. Qua phân tích trên ta thấy, từ trường tổng của hệ thống dòng điện hình sin ba pha đối xứng chạy qua dây quấn ba pha là từ trường quay tròn. Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rôto là từ trường chính của máy điện, nó tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng. 142AXBZYCABXYZCCZAXYBtäøngBtäøngBABABBBBBCB600600CBtäøngBABBB600Hình 8-5 Từ trường quay hai cực của dây quấn ba pha(a) (b) (c)ωt = 900ωt = 900+1200ωt = 900+2400ωt 0iAiBiCi12002400 Với cách cấu tạo dây quấn như hình (8-5), ta có từ trường quay một đôi cực. Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn, ta có từ trường quay 2, 3, . đôi cực.b. Đặc điểm từ trường quayα. Tốc độ từ trường quayTốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực từ p. Thật vậy, với dây quấn hình 8-5, máy có một đôi cực p = 1, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay một vòng. Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f vòng/giây. Với dây quấn như hình 8-5, máy có một đôi cực từ p = 2, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay 1/2 vòng (từ cực N qua S đến N là 1/2 vòng). Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/2 vòng/giây. Một cách tổng quát, khi máy có p đôi cực từ, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay 1/p vòng. Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/p vòng/giây. Vậy tốc độ từ trường quay (hay còn gọi là tốc độ đồng bộ) trong một giây là:143 pfn1= (vòng/giây) (8-16)hoặcpf60n1= (vòng/phút) (8-17) β. Chiều từ trường quayChiều của từ trường quay phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai trong ba pha cho nhau. Giả sử đi dọc theo chu vi stato ta lần lược gặp trục các pha A, B, C theo chiều kim đồng hồ (hình 8-5). Nếu thứ tự pha thuận, từ trường B sẽ lần lược quét qua các trục pha A, B, C . theo chiều kim đồng hồ (nam châm giả SN quay theo chiều kim đồng hồ). Nếu thứ tự pha ngược, cực đại dòng các pha iA, iB, iC lần lược xãy ra theo thứ tự A, C, B . và từ trường B sẽ lần lược quét qua các trục pha theo thứ tự A, C, B . nghĩa là ngược chiều kim đồng hồ. CÂU HỎI ÔN TẬP1. Phân tích stđ đập mạch và stđ quay. Stđ trong MBA khác stđ đó như thế nào?2. Phân tích stđ của dây quấn một pha. Biểu thức và tính chất của stđ đó.3. Phân tích stđ của dây quấn một pha. Biểu thức và tính chất của stđ đó.4. Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn ba pha. Giả sử một pha bị đứt dây thì stđ của dây quấn thuộc loại nào? BÀI TẬPBài tập 8-1. Cho máy phát điện ba pha mỗi cực từ có 12 rãnh, dây quấn hai lớp y= 10 rãnh, mỗi phần tử có 4 vòng dây. Hã tính biên độ stđ song cơ bản và stđ tổng khi có dòng điện 10A chạy từ pha A → B, pha C hở mạch trong hai trường hợp: (a) dòng xoay chiều; (b) dòng một chiều.144 Bài tập 8-2. Một máy phát điện ba pha tốc độ 75 vòng/phút, dây quấn một lớp, dòng điện đi qua mỗi phần tử I = 239A, Z1 = 280 rãnh, trong mỗi rãnh có 8 thanh dẫn, f= 50Hz. Tính (a) biên độ sóng stđ của mỗi phần tử khi I =Im; (b) biên độ stđ dây quấn của mỗi pha.Bài tập 8-3. Vẽ đường biểu diễn của dây quấn ba pha một lớp với Z = 24; 2p = 4 ở thời điểm ứng với iA = Im. Bài tập 8-4. Vẽ đường biểu diễn của dây quấn xếp ba pha hai lớp với Z = 18; 2p = 4 ở thời điểm ứng với iA = Im. 145 . NImsin(ωt -1 2 0o).cos(θ - 12 0o) + NImsin(ωt-240o).cos(θ - 240o) (8 -1 1 )Sử dụng công thức lượng giác :SinA.cosB = 21sin(A-B) + 21sin(A+B)Phân tích công thức (8 -1 1 ). được:F(θ) = 21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+θ) +21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+θ -1 2 0o) +21NIm sin(ωt-θ) + 21NIm sin(ωt+ -2 40o)F(θ) =