Giáo trình giới thiệu tới người đọc các khái niệm chung về dây quấn máy phát điện xoay chiều, dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều, dây quấn ba pha có q là số nguyên, dây quấn có q là phân số, cách thực hiện dây quấn máy điện xoay chiều. Mời các bạn cùng tham khảo.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT CHUNG Chương DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG Trên hình 6-1 6-2 trình bày dây quấn máy điện xoay chiều Stator N N S Rotor S N S S N Hình 6-1 Dây quấn kích từ quấn tập trung máy điện đồng Dây quấn máy điện xoay chiều bố trí hai bên khe hở lõi thép phần tĩnh phần quay, phận để thực biến đổi lượng điện máy Một cách tổng quát chia dây quấn máy điện xoay chiều làm hai loại: dây quấn phần cảm (dây quấn kích từ) dây quấn phần ứng Dây quấn phần cảm có nhiệm vụ sinh từ trường khe hở lúc không tải Từ trường máy điện quay thường có cực tính thay đổi (hinh 6-1 62), nghĩa bố trí cực bắc N nam S xen kẻ dọc khe hở, kết cực S đường sức từ vào mặt rotor theo hướng kính cực N khỏi mặt rotor Dây quấn phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng sđđ định có chuyển động tương đối từ trường khe hở tạo stđ cần thiết cho biến đổi lượng điện Rõ ràng từ trường khe hở có cực tính thay đổi sđđ cảm ứng sđđ xoay chiều Do tính phức tạp dây quấn phần ứng nên sau ta xét chủ yếu dây quấn phần ứng ba pha máy điện máy điện xoay chiều Stator N Rotor N S Hình 6-2 Dây quấn kích từ quấn rãi máy điện đồng S 6.2 DÂY QUẤN PHẦN ỨNG MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU (a) Phần dầu nối c b Cạnh tác dụng c b y a y d (b) a d (c) Hình 6-3 Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều; (b) Phần tử dây quấn xếp; c) Phần tử dây quấn sóng Để hình thành từ trường khe hở có cực tính N S xen kẻ nhau, dây quấn phần ứng (hình 6-3a) tạo thành từ tổ hợp bối dây (phần tử) với Mỗi bối dây dây quấn xếp (hình 6-3a) dây quấn sóng (hình 6-3b) gồm có N vòng dây Các phần ab, cd đặt rãnh lõi thép gọi cạnh tác dụng, cịn ad, bc nằm ngồi rãnh gọi phần đầu nối (a) Nói chung dây quấn máy điện xoay chiều phải đảm bảo yêu cầu sau đây: Đối với dây kích từ tạo từ trường hình sin khe hở, cịn dây quấn phần ứng đảm bảo có sđđ dịng điện tương ứng với công suất điện từ máy Kết cấu dây quấn phải đơn giản Ít tốn nguyên vật liệu Bề cơ, điện, nhiệt, hóa Lắp ráp sửa chữa dễ dàng 6.2.1 Các thông số đặc trưng dây quấn máy điện xoay chiều a Bước cực: Bước cực khoảng cách hai cực từ liên tiết Z /số rãnh/ 2p Trong đó, Z số rãnh 2p số cực từ máy (6-1) b Bước dây quấn y: Bước dây quấn y khoảng cách hai cạnh tác dụng phần tử tính số rãnh (hình 6-3) Muốn có sđđ cảm ứng phần tử dây quấn lớn ept.max bước dây quấn phải bước cực nghĩa y = y phải số nguyên hai cạnh tác dụng phần tử dây quấn đặt hai rãnh cách mhau khoảng y Nếu y = gọi dây quấn bước đủ, y < ta có dây quấn bước ngắn c Bước tương đối : Bước tương đối tỉ số bước dây quấn y bước cực y Trong đó, = 1: dây quấn bước đủ < : dây quấn bước ngắn (6-2) d Số rãnh pha cực từ q: Z /số rãnh/ (6-3) m 2p Trong đó, m số pha; cịn q số ngun, phân số q e Góc độ điện hai rãnh cạnh nhau: 360 p.360 /độ điện/ Z/ p Z f Vùng pha dây quấn: q /độ điện/ (6-4) (6-5) 6.2.2 Các loại dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều Nếu rãnh đặt cạnh tác dụng phần tử, ta có dây quấn lớp trình bày hình 6-4 Như vây số phần tử dây quấn bắng nửa số rãnh (S = Z/2, S số phần tử; Z số rãnh) Còn dây quấn hai lớp dây quấn mà rãnh đặt hai cạnh tác Hình 6-4 Dây quấn lớp dụng hai phần tử khác trình bày hình 6-5 Như số phần tử dây quấn số rãnh ( S Z ) Hình 6-5 Dây quấn hai lớp Ngồi ra, người ta cịn phân loại dây quấn theo số phần tử pha cực từ dây quấn có q sơ ngun dây qn có q phân số Để hiểu rõ cách nối phần tử dây quấn ta dùng sơ đồ khai triển Sơ đồ khai triển sơ đồ nhận cách cắt phần ứng đường thẳng song song với trục máy trải mặt phẳng 6.3 DÂY QUẤN BA PHA CÓ q LÀ SỐ NGUYÊN 6.3.1 Dây quấn lớp: Dây quấn lớp thường dùng động điện công suất 7kW máy pháy điện tuabin nước Xét sơ đồ khai triển dây quấn lớp máy điện xoay chiều ba pha có số liệu sau: Z = 24; 2p = 4; m =3 Trước hết ta thiết lập hình sđđ cạnh tác dụng dây quấn sau vẽ giản đồ khia triễn Để vẽ hình sđđ cạnh tác dụng dây quấn, ta tính thông số đặc trưng dây quấn sau: p3600 2.3600 Z 24 300 (độ điện); q rãnh Z 24 2mp 2.3.2 Z 24 ; y ; .q 300.2 600 (độ điện) 2p Ta vẽ hình cạnh tác dụng hai rãnh cách 300, trình bày hình 6-6a Cạnh tác dụng thứ 112 hình thành hình sđđ, tia lệch pha 300, đôi cực từ thứ Cạnh tác dụng thứ 1324 hình thành hình sđđ, đơi cực từ thứ hai, có vị trí giống từ trường, nên hồn tồn trùng với hình đơi cực từ thứ Chia hình sđđ thành 2m = vùng pha, góc vùng pha = q. = 2.300 = 600, lần lược gồm vùng pha AX, BY, CZ, vùng pha có q = rãnh pha A, B, C lệch pha 120 Do hai cạnh tác dụng bối dây cách y = rãnh nên ta biết cạnh tác dụng pha Từ hình sđđ ta thấy: pha A gồm hai bối dây (1-7), (2-8) đôi cực từ thứ (13-19), (14-20) đôi cực từ thứ hai Tương tự pha B gồm bối dây (5-11), (6-12); (17-23), (18-24) pha C gồm bối dây (9-15), (10-16); (21-3), (22-4) (hình 6-6b) Như pha có bối dây, tổng số bối dây dây quấn 12 Cộng véctơ sđđ pha ta sđđ pha pha A, B, C tương ứng E A , E A , E A (a) (b) Hình 6-6 Hình sđđ rãnh (a) phần tử (b) Đem mắc nối tiếp phần tử thuôc pha với ta sơ đồ khai triển dây quấn ba pha Hình 6-7a trình bày kiểu dây quấn với phần tử có kích thước hồnh tồn giống có tên dây quấn đồng khn Trên hình 67b cho ta thấy việc bố trí phần đầu nối dây quấn Hình 6-7 Sơ đồ khai triển dây quấn đồng khn (a) bố trí phần đầu nối (b) Từ sơ đồ khai triển dây quấn hình 6-7a, ta thấy: + Mỗi pha có hai (n =2) nhóm phần tử dây quấn + Mỗi nhóm có hai (q =2) phần tử dây quấn + Các phần tử nhóm phải mắc nối tiếp Khơng nối song song sđđ bối đặt liên tiếp rãnh lệch pha góc + Các nhóm mắc nối tiếp mắc song song vừa song song vừa nối tiếp phụ thuộc vào điện áp + Dây quấn gồm phần tử có kích thước giống gọi dây quấn đồng khn (hình 6-7) Xác định sđđ pha Cộng vectơ sđđ thuộc pha lại, ta có sđđ pha Điều cho thấy trị số sđđ pha không phụ thuộc thứ tự nối cạnh tác dụng thuộc pha Ví dụ pha A nối cạnh tác dụng theo thứ tự cạnh thứ phần tử rãnh số nối với cạnh tác dụng thứ hai rãnh số ký hiệu (1-8), tương tự (2-7) đơi cực từ thứ nhất, cịn (13-20), (14-19) đôi cực từ thứ hai Như ta nối cạnh tác dụng phần tử pha A, B, C theo thứ tự sau: Pha A: (1-8), (2-7); (13-20), (14-19) Pha B: (5-12), (6-11); (17-24), (18-23) Pha C: (9-16), (10-15); (21-4), (22-3) Với cách nối dây quấn trên, ta có sơ đồ khai triễn dây quấn trình bày hình 6-8 Hình 6-8 Dây quấn đồng tâm Từ giản đồ khai triển hình 6-8a, ta thấy bối dây giống vòng tròn đồng tâm gọi dây quấn đồng tâm Đây dây quấn dễ tự động hóa trình đặt dây quấn vào rãnh Khi thực dây quấn đồng tâm phải bẻ phần đầu nối nhóm lên để chúng khơng chồng chéo trình bày hình 6-8b Các kiểu dây quấn đồng tâm, đồng khn gọi dây quấn tập trung nhóm phần tử tập trung cực từ định 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 A B C X Hình 6-9 Dây quấn phân tán Có thể nối cạnh tác dụng phần tử theo thứ tự khác cạnh thứ đặt rãnh số nối cạnh thứ hai rãnh số (2-7), (8-13) (14-19), (201) Như ta nối cạnh tác dụng phần tử pha theo thứ tự sau : Pha A: (2-7), (8-13); (14-19), (20-1) Pha B: (6-11), (12-17); (18-23), (24-5) Pha C: (10-15), (16-21); (22-3), (4-9) Với cách nối ta sơ đồ khai triễn trình bày hinh 6-9 gọi dây quấn phân tán Ở vẽ pha (pha A), pha B C tịnh tiến pha A thêm 1200 2400 điện 6.3.2 Dây quấn hai lớp Dây quấn hai lớp loại dây quấn mà rãnh có đặt hai cạnh tác dụng Khi quấn dây, canhjk thứ bối dây đặt lớp rãnh, cạnh thứ hai đặt lớp rãnh khác cách bước dây quấn y, bước cực gần Thường dây quấn hai lớp có bước ngắn (y < ) để làm yếu sđđ bậc cao, cải thiện dạng sóng sđđ, ưu điểm dây quấn hai lớp so với dây quấn lớp Tuy nhiên có nhược điểm việc lồng dây quấn vào rãnh sửa chữa dây quấn gặp khó khăn Dây quấn hai lớp máy điện xoay chiều chế tạo thành dây quấn xếp dây quấn sóng, dây quấn xếp chủ yếu cịn dây quấn sóng dùng cho động cho rotor dây quấn động điện không đồng cho máy phát điện turbin nước công suất lớn a Dây quấn xếp: Ta thực sơ đồ dây quấn xếp ba pha hai lớp với số rãnh Z = 24; số cực từ 2p = 4; sô pha m = Ta tính thơng số đặc trưng dây quấn: p360 2.360 30 điện Z 24 Z 24 q 2 2mp 2.3.2 Z 24 6 2p y y1 5; .q 300.2 600 điện Vẽ hình sđđ phần tử dây quấn với Hình 6-10 Hình sđđ phần tử vùng pha = 600 trình bày hình 610 Từ hình sđđ, ta thấy phần tử lệch pha góc 300 pha cực từ có vùng pha với hai véctơ sđđ phần tử Như vậy: + Pha A có phần tử: 1,2,7,8; 13,14,19,20 + Pha B có phần tử: 5,6,11,12; 17,18,23,24 + Pha C có phần tử: 9,10,15,16; 21,22,3,4 Dựa vào hình sđđ phần tử, nối cạnh tác dụng phần tử Pha A có phần tử thứ nhất, có cạnh tác dụng thứ đặt rãnh thứ đặt lớp cạnh tác dụng thứ hai phần tử + y = đặt lớp dưới, phần tử 2,7,8 … tương tự Như việc bố trí cạnh tác dụng phần tử rãnh pha sau: Pha A: lớp trên: Lớp dưới: Pha B: lớp trên: Lớp dưới: 10 11 Pha C: lớp trên: 10 Lớp dưới: 14 15 12 11 15 15 20 13 12 17 16 21 13 18 17 22 21 14 19 18 23 22 19 24 23 20 24 Hình 6-11 trình bày sơ đồ khai triễn dây quấn xếp vẽ cho pha A để dễ quan sát, pha B vẽ tương tự cách tịnh tiến pha A đến rãnh số pha C đến rãnh số Từ hình 6-11, ta thấy cực pha có hai (q=2) phần tử nối tiếp thành nhóm phần tử nhóm phải mắc nối tiếp Vì phần tử đặt liên tiếp cực từ N S nên sđđ chúng có chiều ngược Để sđđ chiều cộng lại với phải nối đầu cuối nhóm phần tử trước với đầu cuối nhóm phần tử cực từ Nói chung, nhóm mắc song song nối tiếp phụ thuộc điện áp Nếu muốn pha có nhiều nhánh song song phải nối đầu nhóm phần tử pha lại với Như số nhánh song song phải chia hết cho 2p nhiều số cực từ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 A C B X Hình 6-11 Dây quấn xếp hai lớp bước ngắn b/ Dây quấn sóng Ta thực sơ đồ dây quấn sóng ba pha hai lớp với số rãnh Z = 24; số cực từ 2p = 4; số pha m = trình bày hình 6-12 Để đơn giản hình trình bày cách nối dây pha Vì pha gồm phần tử dây quấn xếp nên sđđ hai loại dây quấn hoàn toàn giống nhau, có cách nối đầu dây phần tử khác Đối với dây quấn sóng pha hình thành hai nhóm phần tử, phần tử cực từ N mắc nối tiếp hình thành nhóm thứ bối dây cực từ S mắc nối tiếp hình thành nhóm thứ hai Thí dụ A đến X1 sau quanh phần ứng q (q=2) vịng ta đặt nhóm bối dây 2, 14, 1, 13 nằm cực từ N Cũng tương tự A2 đến X2 sau quanh phần ứng vịng ta có nhóm bối dây 8, 20, 7, 19 nằm cực từ S Sđđ hai nhóm phần tử nằm cực từ khác tên có chiều ngược nhau, muốn pha có nhánh phải nối X1 với A2 để sđđ hai nhóm chiều 19 20 21 22 23 24 10 11 12 13 14 15 16 17 18 A2 X1 A1 X2 Hình 6-11 Dây quấn sóng hai lớp bước ngắn y/ = 5/6 6.4 DÂY QUẤN CÓ q LÀ PHÂN SỐ Trong máy điện tốc độ thấp nhiều cực từ, thí dụ máy phát điện tuabin nước, số rãnh pha cực từ q khơng thể lớn, q lớn số rãnh Z nhiều, khiến lượng chất cách điện dây quấn tăng làm kích thước trọng lượng máy tăng Nhưng q nhỏ từ trường sóng bậc cao sóng mạnh hơn, kết dạng sóng sđđ khơng cải thiện Để tránh trình trạng người ta dùng dây quấn có q phân số: N c q b Dây quấn có q phân số quấn thành lớp hai lớp d d theo kiểu quấn xếp quấn sóng Ở quấn sóng dùng nhiều tiết kiệm đồng phần đầu nối Chú ý số phần tử pha cực từ q phân số trị số trung bình N phần tử d cực từ Trên thực tế quấn dây, số phần tử pha cực từ số nguyên Để thực điều ta viết: N c bd c (d c)b c(b 1) q b (6-8) d d d d Từ biểu thức (6-8), ta bố trí N phần tử pha d cực từ và: + Nhóm có nhiều phần tử gọi nhóm lớn: (b+1) phần tử + Nhóm có phần tử gọi nhóm nhỏ: b phần tử + Dưới d cực từ có c nhóm lớn (d-c) nhóm nhỏ Xét ví dụ : Vẽ giản đồ khai triển dây quấn có Z = 18; 2p = ; m = + Tính thơng số đặc trưng dây quấn: p360 2.360 40 điện Z 18 Z 18 C q 1 8,17 2mp 2.3.2 2 7,16 .q 40 60 điện Z 18 4,5 ; y 6,15 2p X Vậy có (N = 3) phần tử bố trí 5,14 (d= 2) cực từ, có b = c = Nhóm lớn có b+1 = phần tử Nhóm nhỏ có b = phần tử B Y 9,18 1,10 A 2,11 400 3,12 4,13 Z Vẽ hình s phn t ca dõy qun Hỗnh 6-12 Hỗnh sââ với vùng pha = 600 trình bày hình 6-10 Từ hình sđđ, ta thấy phần tử lệch pha góc 400 pha có véctơ ứng với phần tử Như vậy: + Pha A có phần tử: 1,2,6, 10,11,15; + Pha B có phần tử: 4,5,9, 13,14,18; + Pha C có phần tử: 7,8,3, 16,17,12 11 A B 10 11 12 13 14 15 16 17 18 C X Hình 6-13 Dây quấn xếp hai lớp với q phân số Sơ đồ nối dây pha: ý y = Pha a: lớp trên: Lớp dưới: Pha b: lớp trên: Lớp dưới: Pha c: lớp trên: Lớp dưới: 11 12 10 13 10 14 13 17 16 11 15 14 18 17 15 18 12 16 Sơ đồ khai triển (một pha) dây quấn q phân số, kiểu dây quấn sóng trình bày hình 6-13 Ở thực bước ngắn với = y/= 4/4,5 Ta thực sơ đồ dây quấn sóng ba pha hai lớp với số rãnh Z = 18; số cực từ 2p = 4; số pha m = trình bày hình 6-14 Để đơn giản hình trình bày cách nối dây pha 18 1 A 10 11 12 13 14 15 16 17 X Hình 6-14 Dây quấn sóng hai lớp với q phân số 6.5 DÂY QUẤN NGẮN MẠCH KIỂU LỒNG SÓC Đây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc tạo thành dẫn đồng đặt rãnh rôto, hai đầu chúng hàn với hai vành ngắn mạch đồng Các dẫn vành ngắn mạch nói đúc nhôm Sđđ dẫn lệch pha góc: = 2p/Z Trong tính tốn thực tế, thường xem dẫn pha: m2 = Z2, số vòng dây pha: N = 1/2, hệ số kn = kr = Sơ đồ mạch điện dây quấn lồng sóc: I v 21 I v12 I v 23 I v 34 I v 21 I v12 I v 23 I v 34 rv rt I v 21 I t1 I t I t r I t1 I t I t I v12 I v 23 I v 34 I v 21 I v12 I v 23 I v 34 (a) (b) Hình 6-14 Sơ đồ mạch điện thực (a) tương đương (b) dây quấn kiểu lồng sóc Sơ đồ mạch điện dây quấn rotor kiểu lồng sóc trình bày hình 614a, đó: rt - điện trở dẫn; rv - điện trở đoạn hai dẫn vành ngắn mạch; Ta thay mạch điện thực nói mạch điện tương đương dựa sở tổn hao hai mạch điện (hình 6It 14b) Đối với nút bất kỳ, thí dụ nút hai ta có: I t2 = I v23 - I v12 Do dòng điện đoạn vòng ngắn mạch lệch pha góc , ta có: p I t 2I v sin 2I v sin Z It Iv p sin Z Vì tổn hao điện trở mạch điện thực mạch điện thay phải nhau, nghĩa là: ZI 2t rt 2ZI 2v rv ZI 2t r Kết hợp với phương trình trên, ta tìm điện lồng sóc: Iv12 Iv 23 Hình 6-15 Quan hệ dòng điện dẫn dòng vành ngắn mạch trở pha dây quấn kiểu r rt rv sin p Z 6.6 CÁCH THỰC HIỆN DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU: Dây quấn máy điện xoay chiều đặt rãnh stator hay rotor Các rãnh nầy có dạng sau: a) Rãnh kín b) Rãnh kín c) Rãnh hở d) Rãnh hở Hình 6-16 Các dạng rãnh dây quấn máy điện Rãnh nửa kín (hình 6-16b) dùng cho dây quấn stato máy điện cơng suất P< 100 kW, điện áp U