Bài giảng động cơ điện - Từ trường trong máy điện đồng bộ pptx

4. TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY ĐIỆN
ĐỒNG BỘ
4.1. ĐẠI CƯƠNG
•
Khi máy điện làm việc không tải (I = 0), từ trường trong máy chỉ do dòng điện một chiều it chạy trong dây quấn kích
thích đặt trên các cực từ sinh ra - gọi là từ trường cực từ.
•
Khi máy có tải (I ≠ 0), ngoài từ trường cực từ còn có từ trường do dòng điện tải sinh ra (từ trường phần ứng).
•
Nếu máy là ba pha, từ trường do dòng điện phần ứng sinh ra là từ trường quay. Từ trường quay có thể phân tích thành
từ trường cơ bản và các từ trường bậc cao.
•
Trong các từ trường đó, từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì nó có tốc độ quay và chiều quay giống như từ trường cực
từ.
•
Tác dụng của từ trường cơ bản với từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng.
•
Phản ứng phần ứng trong máy điện đồng bộ có ảnh hưởng rất nhiều đến từ trường cực từ, mức độ ảnh
hưởng của nó phụ thuộc vào tính chất của tải và cấu tạo của máy là cực ẩn hay cực lồi.
•
Như vậy, khi máy làm việc có tải, dọc khe hở tồn tại một từ trường thống nhất, nó là tổng hợp của từ trường
cực từ và từ trường phần ứng. Chính từ trường đó sinh ra các s.đ.đ. ở các dây quấn của stato.
4.2. TỪ TRƯỜNG CỦA DÂY QUẤN KÍCH THÍCH
(TỪ TRƯỜNG CỰC TỪ)
4.2.1. Đối với máy điện cực lồi
Xét một máy có p đôi cực.
Gọi wt là số vòng của dây quấn kích thích.
it là dòng điện kích thích.
Sức từ động của một cực từ là:
p
iW

F
tt
t
2
=
(20-1)
Từ thông do sức từ động F
t
sinh ra
trong trường hợp p = 2 được trình bày
trên hình 20-1.
Ở đây: Φ
t
- từ thông chính đi qua khe
hở δ và móc vòng với dây quấn phần ứng.
Φ
σt
- từ thông tản của cực từ.
Hình 20-1. Từ trường của dây quấn
kích thích của máy điện đồng bộ
H×nh 20-2. Tõ tr êng do d©y quÊn kÝch
thÝch ë khe hë cña M§§B bé cùc låi
B
t
B
tm1
B
tm
2
1

0
π/2-
π/2
B
t
b)
α
a)
τ
b
c
=
α

τ
δ
m
δ
Sự phân bố đường sức từ ở mặt cực như ở
hình 20-2a.
Đường biểu diễn cảm ứng từ B
t
dọc theo
bước cực τ như ở hình 20-2b.
Do khó khăn về gia công độ cong mặt cực
nên không thể tạo được cảm ứng từ B
t
hình
sin (đường 1).
Đường phân bố cảm ứng từ không hình sin

đó có thể phân tích thành sóng cơ bản và các
sóng bậc cao.
Trong máy điện đồng bộ, sóng cơ bản đóng
vai trò chủ yếu sinh ra s.đ.đ. cơ bản trong
dây quấn stato, còn các từ trường bậc cao
thường rất nhỏ hoặc đã có các biện pháp cải
thiện.
•
Sự khác nhau giữa sóng cơ bản và từ trường Bt được biểu thị bằng hệ số dạng sóng kt của từ trường:
trong đó: Btm1- biên độ của từ trường cơ bản,
Btm – biên độ của cảm ứng từ Bt.
Trị số kt phụ thuộc vào tỉ số δm/δ và hệ số mặt cực α = bc/τ.
Thường δm/δ = 1,0 ÷ 2,5, α = 0,67 ÷ 0,75 và kt = 0,95 ÷ 1,15.
Từ biểu thức (20-2) ta có:
tm
tm
t
B
B
K
1
=
(20-2)
t
tt
d
t
d
t
tmttm

K
p
iW
KK
K
KK
F
BKB .
2
.
.

.

.
.
00
1
δ
µ
δ
µ
µδµδ
===
(20-3)
trong đó: k
δ
là hệ số khe hở,
k
μd

- hệ số bão hoà dọc trục cực từ.
•
Từ thông ứng với sóng cơ bản của cảm ứng từ bằng:
•
Khi rôto quay với tốc độ ω =2πf, từ thông móc vòng với dây quấn stato ứng với sóng cơ bản của từ trường kích từ sẽ biến
thiên theo quy luật hình sin:
ψtưd = wkdqΦt1cosωt
Sức điện động hỗ cảm trong dây quấn stato sẽ là:
trong đó:
t
tt
d
tmt
i
p
kw
kk
l
lB .


2
0
11
δ
τ
π
µ
τ
π

µδ
δ
δ
==Φ
(20-4)
tEtwk
dt
d
e
mtdq
tud
ωωω
ψ
sinsin
010
=Φ=−=
tudt
tt
d
dqm
iMi
p
kw
kk
l
wkE .
0
0
ω
δπ

τµ
ω
µδ
δ
==
= x
ưd
i
t

(20-5)
Hệ số hỗ cảm của dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng là:

Điện kháng hỗ cảm tưng ứng là:
xưd = ω.Mưd (20-7)
Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích bằng:
Lt = Ltδ + Lσt (20-8)
trong đó Lσt - hệ số tự cảm của dây quấn kích thích ứng với từ thông tản của cực từ (biểu thức có trong tài liệu thiết kế).
Ltδ - hệ số tự cảm của dây quấn kích thích ứng với từ thông khe hở Φtδ của cực từ.
Φtδ = kΦ.Φt1 (20-9)

p
kwwk
kk
l
M
ttdq
d
ud
.

0
δπ
τµ
µδ
δ
=
(20-6)
Φ
=
Φ
= kk
p
w
kk
l
i
w
L
t
t
dt
tt
t
2
0
δπ
τµ
µδ
δδ
δ

(20-10)
Kết hợp (20-9) và (20-4) ta có:
4.2.2. i vi mỏy in cc n.
S phõn b cỏc ng sc t mt cc nh hỡnh 20-3a.
ng biu din t cm Bt ca cc t cú dng hỡnh thang
nh hỡnh 20-3b.
Biờn súng c bn ca t trng ú bng:
Hình 20-3. Từ tr ờng ở khe hở của
MĐĐB cực ẩn và cách xác định biên độ
sóng cơ bản của từ tr ờng đó

a)

d


(1-

)

B
tm1
B
tm
B
t
B

b)
/2

/2
tmtmtmttm
BdBdBdBB
2
2
sin
4
cos
2
24
cos
4
cos
2
2
2
)1(
2
)1(
0
2
2
1

=






+==




(20-11)
Do ú:
2
2
sin
4
1



==

tm
tm
t
B
B
K
(20-12)
γ - là tỷ số giữa phần có quấn dây của bước cực với bước cực. Thường γ = 0,6 ÷ 0,85 và kt = 1,065 ÷ 0,965.
Hệ số hỗ cảm Mưd của dây quấn kích thích của máy đồng bộ cực ẩn cũng được tính theo công thức (20-6).
Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích ứng với từ thông khe hở Ltδ cũng có thể được tính theo biểu thức (20-10),
trong đó:
t
k
k
γ
π
3
2
1
2
−
=
Φ
(20-13)
4.3. TỪ TRƯỜNG CỦA PHẦN ỨNG
Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường - gọi là từ trường phần ứng.
Tuỳ theo tính chất của tải mà trục của từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với từ trường cực từ.
Như vậy, tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ (phản ứng phần ứng) sẽ có tính chất khác nhau tuỳ
theo tính chất của tải: trở, dung hay cảm.
Ngoài ra, trong máy điện cực ẩn khe hở là đều, còn trong máy điện cực lồi khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau

nên s.đ.đ. cảm ứng trong dây quấn phần tĩnh do từ trường phần ứng sinh ra và các điện kháng của từ trường phần
ứng của hai loại máy đó hoàn toàn khác nhau.


4.3.1. Phản ứng phần ứng ngang trục và dọc trục.
a) Khi tải thuần trở
Tải thuần trở nên dòng điện ba pha trong dây quấn stato trùng pha với các
s.đ.đ. tương ứng (ψ = 0).
Giả sử các s.đ.đ. và dòng điện trong ba pha là hình sin, tải ba pha đối xứng.
Ở thời điểm iA = Im thì đồ thị véctơ dòng điện và s.đ.đ. như ở hình 20-4a.
Xét tương quan về không gian giữa từ trường phần ứng và từ trường cực từ
trong trường hợp máy có 2 cực, ba pha, mỗi pha tượng trưng bởi một vòng
dây.
Trị số các dòng điện bằng:
iA = Im; iB = iC = - Im/2
Chiều của các dòng điện trong các pha như ở hình 20-4b.
Hình 20-4. Đồ thị véctơ s.đ.đ (a) và
quan hệ về không gian giữa từ trường
cực từ và từ trường phần ứng (b) ở
tải thuần trở (ψ = 0)
b)
A
X
B
C
Y
Z
N
S
F

ư
F
t
n
a)
F
ư
F
t
E
C
E
A
E
B
I
B
I
A
I
C
Ta thấy: vị trí không gian của từ trường quay phần ứng Fư có chiều trùng với trục của dây quấn pha A - pha có
dòng điện cực đại.
Vì từ thông xuyên qua pha A cực đại trước s.đ.đ. trong pha đó 1/4 chu kỳ nên khi s.đ.đ. pha A cực đại (eA = Em)
thì cực từ đã quay đi được một góc π/2 so với vị trí trục cực từ trùng với trục pha A - lúc mà từ thông xuyên qua
pha A có trị số cực đại.
Như vậy, vị trí không gian của trục cực từ là thẳng góc với trục của pha A, tức là thẳng góc với chiều của từ
trường phần ứng Fư (hình 20-4b).
Kết luận: ở tải thuần trở, phương của Fư thẳng góc với phương của Ft và phản ứng phần ứng là ngang trục.
Các véctơ không gian Fư và Ft cùng vẽ trên đồ thị véctơ thời gian của dòng điện và s.đ.đ. như trên hình 20-4a.

b) Tải thuần cảm
Tải thuần cảm, s.đ.đ. E vượt trước dòng điện I một góc ψ = +
90
0
.
Ở thời điểm iA = Im thì cực từ đã quay thêm góc π/2 so với vị trí
của nó ở trường hợp tải thuần trở (hình 20-5b).
Ta thấy Fư cùng phương với Ft (nghĩa là dọc trục cực từ) nhưng
ngược chiều. Phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ.
Đồ thị véctơ thời gian của E, I và véctơ không gian của Ft, Fư
như ở hình 20-5a.
Hình 20-5. Đồ thị véctơ s.đ.đ. (a) và quan
hệ về không gian giữa từ trường cực từ và
từ trường phần ứng (b) khi tải thuần cảm.
a)
F
u
F
t
ψ = 90
o
I
A
E
A
E
C
E
B
I

B
I
C
F
u
F
t
Z



N
S
A













Y

B









b)
C

n
X









F
ư
c) Tải thuần dung
Nếu tải là thuần dung, s.đ.đ. E chậm sau dòng điện I một góc
90
0
(ψ = - 90
0
).
Khi iA = Im thì cực từ còn phải quay thêm góc π/2 nữa mới
đến vị trí của nó ở trường hợp tải thuần trở, nghĩa là vị trí của
nó như ở hình 20-6b.
Ở đây chiều của Fư trùng với chiều Ft, phản ứng phần ứng là
dọc trục trợ từ.
Đồ thị véctơ tương ứng như ở hình 20-6a.

Hình 20-6. Đồ thị véctơ (a) và quan hệ không
gian giữa từ trường cực từ và từ trường phần
ứng (b) ở tải thuần dung (ψ = - 90
0
)
a)
F
ư
F
t
ψ = 90
o
I
A
E
A
E
B
E
C
I
C
I
B
F
u
F
t
Z

Y



N
S
A











X

B











b)
F
ư
C

n
Trường hợp tải hỗn hợp ta có thể phân tích Fư thành hai
thành phần dọc trục và ngang trục như ở hình 20-7, trong đó:
Fưd = Fư.sinψ
Fưq = Fư.cosψ
Ta thấy rằng, khi tải có tính chất cảm (0 < ψ < π/2) phản ứng
phần ứng vừa ngang trục vừa dọc trục khử từ.
Phân tích tương tự thấy, khi tải có tính chất dung (0 > ψ >
π/2) thì phản ứng phần ứng vừa ngang trục vừa dọc trục trợ từ.
Hình 20-7. Đồ thị véctơ (a) và quan hệ không
gian giữa từ trường phần ứng và từ trường
cực từ (b) ở tải hỗn hợp (0 < ψ < 90
0
)
a)
F
u
F
t
F
uq
F
ưd
I
A
E

A
E
B
E
C
I
B
I
C
ψ
b)
F
u
F
t
Y



S
Z
N
A
X
B
C



F

ư
n

4.3.2. Từ cảm do từ trường phần ứng và điện kháng tương ứng
Ở máy cực ẩn, khe hở không khí giữa rôto và stato là đều. Nếu mạch từ không bão hoà thì từ trở là hằng số.
Nếu s.t.đ. của dây quấn phần ứng phân bố hình sin thì từ cảm dọc khe hở cũng hình sin. Ta có:
I
p
wk
m
kk
F
kk
B
dq
πδ
µ
δ
µ
µδµδ
2
00
==
m
(20-14)
và từ thông tương ứng là:
I
p
Wk
m

kk
l
lB
dq
2
0
2
2
2
π
δ
τµ
τ
π
µδ
δ
δ
==Φ
m
(20-15)
Từ thông Φ
ư
quay đồng bộ với rôto và cảm ứng nên
trong bản thân dây quấn phần ứng s.đ.đ.:

φπ
dq
fwkE 2=
(20-16)
Và điện kháng tương ứng là:

p
kw
kk
l
mf
E
x
dq
22
0
4
δπ
τµ
µδ
δ
==
I


(20-17)
Thường x
ư
= 1,1 ÷ 2,3
Ở máy đồng bộ cực lồi, khe hở giữa stato và rôto theo hai hướng dọc và ngang trục là không đều nhau nên tuy s.t.đ.
phần ứng là hình sin nhưng từ cảm phân bố dọc khe hở là không hình sin.
Để tiện cho việc nghiên cứu, ta phân tích s.t.đ. Fư ở tải bất kỳ thành hai thành phần: dọc trục và ngang trục và xét từ
cảm theo hai hướng đó. Ta có:
d
dqdq
I

p
wk
m
I
p
wk
m
FF
π
ψ
π
ψ
2
sin
2
sin ===
d
q
dqdq
I
p
wk
m
I
p
wk
m
FF
π
ψ

π
ψ
2
cos
2
cos ===
q
(20-17)
(20-18)
Trong đó: I
d
= I.sinψ và I
q
= I.cosψ.
Biên độ của F
ưd
và F
ưq
trùng với trục dọc và trục ngang của cực từ
(hình 20-8).
•
Nếu khe hở theo các hướng là đều, từ cảm do chúng sinh ra sẽ phân bố hình sin (đường 1 trên hình 20-8) và có biên độ
bằng:
Hình 20-8. Từ trường phần ứng dọc trục (a)
và ngang trục (b) trong máy điện cực lồi.
δ
m

δ
απ

π
a)
d
1
B
udm1
2
0
F
ưd
B
udm
b)
π
απ
/2
απ
/2
δ
m
δ
q
F
ưq
1
2
B
uqm1
B
uqm

ddm
F
kk
B
δ
µ
µδ
0
=
qqm
F
kk
B
δ
µ
µδ
0
=
(20-19)
(20-20)
•
Trên thực tế khe hở không đều, từ cảm dọc trục Bưd và ngang trục Bưq phân bố không hình sin (đường 2 ở hình 20-
8).
•
Ta phân tíc các từ cảm đó thành các sóng cơ bản và các sóng bậc cao. Các sóng bậc cao có biên độ rất nhỏ có thể bỏ
qua.
•
Biên độ của các sóng cơ bản Bưdm1 và Bưqm1 nhỏ hơn Bưdm và Bưqm. Sự khác nhau đó được biêủ thị bằng hệ số
dạng sóng dọc trục và ngang trục:
dm

dml
d
B
B
k =
qm
qml
q
B
B
k =
(20-21)
(20-22)
Trị số k
ưd
và k
ưq
phụ thuộc vào hệ số mặt cực α, δ
m
/δ, δ/τ, được tính sẵn
và cho trong tài liệu thiết kế.
•
Tính toán tương tự như máy cực ẩn, ta có:
d
d
d
d
I
k
p

kw
kk
l
mf
E
x
dq
d
22
0
4
δπ
τµ
µδ
δ
==
q
q
q
q
I
k
p
kw
kk
l
mf
E
x
dq

q
22
0
4
δπ
τµ
µδ
δ
==
(20-23)
(20-24)
Thường x
ưd
= 0,5 ÷ 1,5; x
ưq
= 0,3 ÷ 0,9
4.4. QUY ĐỔI CÁC S.T.Đ
TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
•
Ở chế độ xác lập của tải đối xứng, tác dụng trợ từ hoặc khử từ của s.t.đ. phần ứng đối với từ trường cực từ tương đương
với một s.t.đ. nhất định của cực từ. Để xét tác dụng nói trên, ta qui đổi s.t.đ. phần ứng về s.t.đ. cực từ, từ đó khi xét đến
đặc tính của máy ta có thể dùng chung đường cong không tải E = f(it).
•
Trong quá trình quá độ, s.t.đ. phần ứng thay đổi theo thời gian, dây quấn stato và rôto có quan hệ hỗ cảm như dây quấn
sơ cấp và thứ cấp trong máy biến áp. Lúc đó dây quấn stato coi như dây quấn sơ cấp, còn dây quấn rôto coi như dây quấn
thứ cấp. Như vậy phải quy đổi dây quấn kích thích về dây quấn phần ứng.
•
Sau đây xét trường hợp quy đổi s.t.đ. phần ứng về s.t.đ. cực từ. Việc quy đổi dựa trên cơ sở từ cảm hình sin do s.t. đ. Phần
ứng và s.t. đ. Cực từ sinh ra phải bằng nhau.
Btm1 = Bưm1 (20-25)

•
Đối với máy cực ẩn ta có:
ttml
F
kk
kBkB
ttmt
δ
µ
µδ
0
==
ml
F
kk
BB
m
δ
µ
µδ
0
==
(20-26)
(20-27)
Kết hợp (20-25) ÷ (20-27) suy ra được s.t.đ. phần ứng quy đổi về s.t.đ.
cực từ (kí hiệu thêm dấu phẩy):
t
t

'


k
FFk
F
F ===
(20-28)
trong đó:
t

k
1
=k
•
Với máy cực lồi, theo hướng dọc trục ta có:
ttml
F
kk
kBkB
d
ttmt
δ
µ
µδ
0
==
dddddml
F
kk
kBkB
d

m
δ
µ
µδ
0
==
(20-29)
(20-30)
S.t.đ. phần ứng dọc trục quy đổi về s.t.đ. cực từ là:
tdd
t
d
'
d
k
FkF
k
FF
ud
===
(20-31)
Trong đó:
t
d
d
k
k
k =
(20-32)