GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN II - PHẦN III CÁC VẤN ĐỀ LÍ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU - CHƯƠNG 1 doc

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: )
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
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
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
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
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
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


7
Từ đó ta có:
ν
ν
ν
±±±
+++
Φ
π
=

B3B
2
B
2
3B
1td
k
1
k
3
1
1
kk1
f
2
E


.

+ 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:
1m11dq111r1n1
Bfkwl22fkkw2E τ=Φπ= (1)
Đối với sóng điều hoà bậc
ν
:
ννννννν

τ=Φπ=
m1dqrn
Bfkwl22fkkw2E (2)
Ở đây,
ννν
==
rndq1r1n1dq
kkkkkk , ,. là hệ số dây quấn cho sóng điều hoà bậc 1, …,
bậc
ν
. Khi đó sức điện động tổng của dây quấn là:
() ()
ν
νν
ν
±±±
+++
Φ
π
=
B3B
2
B
2
33B
11dqtd
k
1
k
3

1
1
kkkk1
fkw
2
2
E




Trong đó:
1dq
dq
1dq
3dq
3
k
k
k
k
k
k
ν
ν
== , , 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 tạo mặt cực từ của máy phát điện đồng bộ theo quy luật.
Nguyên nhân khiến cho dạng sóng sđđ không sin là do sự phân bố của từ

trường khác hình sin. Thông thường B phân bố hình thang, muốn sđđ là hình sin
thì cực từ phải gọt vạt 2 đầu theo hình dạng và kích thước thích hợp. Thường
người ta chế tạo mặt cực theo quy luật:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
τ
π
δ
=δ
x
x
cos

δ
: là khe hở nhỏ nhất giữa mặt cực;
()
δ
÷
=δ 6251 ,,
max

với
()
τ÷= 750650b ,,
Tuy nhiên biện pháp trên chưa cho
được kết quả mong muốn. Vì vậy cần làm

giảm hoặc triệt tiêu các sức điện động bậc
cao bằng các cách sau:

8
2. Rút ngắn bước dây quấn:
Khi quấn bước đủ 1y
±
=
τ
=
νn
biết
k
, 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
0k
n
=
ν
Mà
2
k
n
π
νβ=
ν
sin nếu chọn
ν

−=β
1
1

()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
π
−ν=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
π
ν
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
ν
−=⇒
ν

2
1
2
1
1k
n
sin.sin

Khi
0E0k5
55n
=⇒=⇒=ν tương ứng với
5
4
=β .
Khi
0E0k7
77n
=⇒=⇒=ν tương ứng với
7
6
=β
.
Nghóa là ta rút ngắn bước dây quấn đi
0
5
1
=ττ
75
E và E thì

7
1
và
. Rõ ràng là
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
τ
6
1
. Lúc đó
()
86080 ,, ÷=β tuỳ
theo từng máy.
3. Quấn rải:
Khi q = 1 thì 1k
r
±=
ν
, tức là tất cả các sóng bậc cao đều tồn tại.
Khi q > 1 và q càng tăng thì
νr
k càng giảm, song
νr
k 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
νr
k = k
r1
được gọi là sóng điều hoà tăng (

z
ν
=
ν
với 1mqk2
z
±=ν 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 để khử sóng điều hoà răng.
Từ hình vẽ ta thấy sức điện động có từ cảm
z
m
B
ν

cảm ứng trong thanh dẫn có chiều ngược nhau và
bò triệt tiêu. Bước rãnh chéo cần phải chọn
z
zc
22b
ν
τ
=τ=
ν

pz
p2
b
c

±
τ
=
(với k = 1 thì
1
p
z
z
±=ν )
Trong thực tế, thường chọn
z
p2
b
c
τ
= là các
sóng điều hoà răng đã giảm nhỏ đi nhiều.
H
ình 1.5 Trường hợp rãnh chéo
1 bước răng
0
=
Δ
z
E
υ



9

Câu hỏi:
1. Vì sao yêu cầu sức điện động của máy
điện xoay chiều phải có dạng hình sin.
Làm thế nào để đảm bảo yêu cầu đó?
2. Hãy xác đònh biểu 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 B
tb1
= 0,6T, chiều dài tính toán của Stator l = 1,3m. Cho biết
B
tb3
= 0,325B
tb1
; B
tb5
= 0,15B
tb1
. Hãy tính sức điện động E
1
, E
3
, E
5

và sức điện
động tổng E
td
của 1 thanh dẫn (bỏ qua các sóng bậc cao hơn 5), f = 50Hz.
Đáp số: E
1
= 47,6V; E
3
= 15,5V; E
5
= 7,1V; E = 50,6V.
Giải:
1. Ta có: Biểu thức tổng quát của sức điện động:
ννννννν
τ=Φπ=
m1dqrn
Bfkwl22fkkw2E
Đối với sóng điều hoà bậc 1:

1m11dq111r1n1
Bfkwl22fkkw2E τ=Φπ=
Thanh dẫn:
11m1
fBl2E τ=
Với
550
22
70
p2
D

,
.
,.
=
π
=
π
=τ

1tb1m
B
2
B
π
=


11tb1
fB
2
l
p2
D
2E
ππ
=⇒


506031
2

70
4
2
2
.,.,.
,
.
π
=

= 47,63(V)
Tương tự:
33m3
fBl2E τ= = 0,325E
1
= 15,5(V)

55m5
fBl2E τ= = 0,15E
1
= 7,14(V)
Sức điện động tổng của 1 thanh dẫn:

2
5B
2
3B1td
kk1EE ++=

22

150325016347 ,,, ++= = 50,6(V)




10
Bài tập:
1.1. Tính hệ số dây quấn k
dq
của dây quấn hai lớp có q = 2; p = 2; z = 24;
6
5
=β . Biết rằng mỗi bối dây có w
s
= 5 vòng và sức điện động của thanh dẫn E
td

= 5V. Hãy tính sức điện động của mỗi nhóm và s.đ.đ của mỗi pha của dây quấn
đó.
Đáp số: E
q
= 93,3V, E
f
= 93,3V.
1.2. Cho 1 máy phát điện ba pha 6000kW; 6300V; 3000 vòng/phút; f = 50Hz;
ϕcos
= 0,8; đường kính trong stator D = 0,7m; chiều dài stator l = 1,35m; B
tb
=
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 pha của máy.
Đáp số: E
f
= 3353,67V.