Nghiên cứu cách điện trong dây quấn máy điện quay

NGUYỄN CƠNG HỒN

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

NGUYỄN CƠNG HỒN

NGHIÊN CỨU CÁCH ĐIỆN TRONG DÂY QUẤN
KỸ THUẬT ĐIỆN

MÁY ĐIỆN QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI - 2011B

HÀ NỘI – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

NGUYỄN CƠNG HỒN

NGHIÊN CỨU CÁCH ĐIỆN TRONG DÂY QUẤN
MÁY ĐIỆN QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TRIỆU VIỆT LINH

HÀ NỘI - 2013



MỤC LỤC
Lời cam đoan .........................................................................................................0
Mục lục ..................................................................................................................1
Mở đầu ...................................................................................................................5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................7
Danh muc các ký hiệu, chữ viết tắt ......................................................................10

Chƣơng 1 : TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÁCH ĐIỆN
TRONG DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN QUAY ...................................................................11
1.1 Các loại máy điện và cấu tạo dây quấn ............................................................... 11
1.1.1 Các loại máy điện quay ....................................................................................11
1.1.2 Phân lọai dựa vào kiểu làm mát........................................................................15
1.1.3 Mục đích của dây quấn ..................................................................................... 16
1.1.4 Một số cấu tạo dây quấn stator ........................................................................18
1.2. Đặc điểm hệ thống cách điện dây quấn stator .................................................22
1.2.1

Cách điện sợi và cách điện vòng ...................................................... 22

1.2.2

Cách điện vách..................................................................................26

1.2.3

Vách ngăn triệt tiêu phóng điện cục bộ ............................................28

1.2.4

Lớp vách ngăn làm giảm ứng suất ....................................................32

1.2.5

Giá đỡ cơ học trong rãnh ..................................................................34

1.2.6

Giá đỡ cơ học ở phần đầu nối dây quấn ...........................................37

1.3 Hệ thống cách điện dây quấn stator hiện nay ...................................................... 39
1.3.1

Các phương pháp cách điện áp dụng cho
stator dây quấn cứng .........................................................................39

1.3.2

Sự phát triển gần đây của hệ thống
cách điện dây quấn cứng...................................................................41

1.3.3

Một số hệ thống cách điện cho stator dây quấn mềm ...................... 43

Trang 1


Chƣơng 2. NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ HỎNG HÓC TRONG
DÂY QUẤN STATOR MÁY ĐIỆN QUAY VÀ CÁCH KHẮC PHỤC ..................... 45
2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

Hư hỏng nhiệt...................................................................................................45
2.1.1

Q trình chung ................................................................................45

2.1.2

Ngun nhân chính ...........................................................................47

2.1.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................48

Chu trình nhiệt .................................................................................................49
2.2.1

Quá trình chung ................................................................................49

2.2.2

Nguyên nhân chính và triệu chứng ...................................................52

2.2.3

Sửa chữa ........................................................................................... 52

Sự ngâm tẩm hay nhúng khơng phù hợp ......................................................... 53
2.3.1

Q trình chung ................................................................................53

2.3.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................54

2.3.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................55

Cuộn dây bị lỏng trong rãnh ............................................................................56
2.4.1

Quá trình chung ................................................................................56

2.4.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................57

2.4.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................59

Sự hư hỏng lớp phủ bán dẫn ............................................................................60
2.5.1

Q trình chung ................................................................................61

2.5.2

Ngun nhân chính ...........................................................................61

2.5.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................62

Hư hỏng lớp bọc bán dẫn/phân cấp .................................................................63
2.6.1

Q trình chung ................................................................................63

2.6.2

Ngun nhân chính ...........................................................................64

2.6.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................65

Sự tăng vọt điện áp liên tục..............................................................................66
2.7.1

Quá trình chung ................................................................................67

2.7.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................68

2.7.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................69

Sự nhiễm bẩn ...................................................................................................70
2.8.1

Q trình chung ................................................................................70

2.8.2

Ngun nhân chính ...........................................................................73
Trang 2


2.8.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................73

2.9 Các hạt mài mòn ..................................................................................................75
2.9.1

Q trình chung ................................................................................75

2.9.2

Ngun nhân chính ...........................................................................76

2.9.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................76

2.10 Sự ăn mịn hóa học ........................................................................................... 77
2.10.1

Q trình chung ................................................................................77

2.10.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................78

2.10.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................78

2.11 Khoảng cách phần đầu nối dây quấn không phù hợp ......................................79
2.11.1

Q trình chung ................................................................................80

2.11.2

Ngun nhân chính ...........................................................................81

2.11.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................82

2.12 Dao động phần đầu nối dây quấn.....................................................................83
2.12.1

Quá trình chung ................................................................................84

2.12.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................85

2.12.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................86

2.13 Sự rị rỉ nước làm mát stator ............................................................................87
2.13.1

Q trình chung ................................................................................88

2.13.2

Nguyên nhân chính ...........................................................................89

2.13.3

Triệu chứng và sửa chữa ...................................................................90

2.14 Kết nối điện kém .............................................................................................. 91
2.14.1

Quá trình chung ................................................................................91

2.14.2

Nguyên nhân và triệu chứng ............................................................. 91

2.14. 3

Giải pháp khắc phục .........................................................................92

Chƣơng 3: NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ HỎNG HÓC TRONG
DÂY QUẤN ROTOR MÁY ĐIỆN QUAY VÀ CÁCH KHẮC PHỤC....................... 93
3.1

Dây quấn Rotor tròn (cực ần) ..........................................................................93
3.1.1

Hư hỏng nhiệt ...................................................................................93

3.1.2

Chu kỳ nhiệt...................................................................................... 95

3.1.3

Bào mịn do sự khơng cân bằng hay vận hành của hộp số ...............97

3.1.4

Nhiễm bẩn ......................................................................................... 100
Trang 3


3.2

3.3

3.4

3.1.5

Sự tăng vọt điện áp liên tục .............................................................. 101

3.1.6

Lực ly tâm ......................................................................................... 102

3.1.7

Sửa chữa ........................................................................................... 104

Dây quấn Rotor cực lồi ....................................................................................106
3.2.1

Lão hóa nhiệt ....................................................................................106

3.2.2

Chu trình nhiệt ..................................................................................108

3.2.3

Sự nhiễm bẩn (Sự phóng điện và sự hút ẩm)....................................108

3.2.4

Các hạt mài mịn ...............................................................................109

3.2.5

Lực ly tâm ......................................................................................... 110

3.2.6

Sự tăng vọt điện áp liên tục ...........................................................111

3.2.7

Sửa chữa ........................................................................................... 111

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ .................................................113
3.3.1

Quá điện áp quá độ ...........................................................................114

3.3.2

Điện áp stator không đối xứng ......................................................... 114

3.3.3

Kết nối điện trở cao – Nếp gấp thanh dẫn và dây quấn dạng sóng ..115

3.3.4

Hỏng đai phần đầu nối dây quấn ...................................................... 115

3.3.5

Sự ngắn mạch và chạm mát cách điện vành trượt ............................ 116

3.3.6

Sửa chữa ........................................................................................... 117

Dây quấn rotor cảm ứng lồng sóc ....................................................................118
3.4.1

Nhiệt .................................................................................................118

3.4.2

Chu trình ứng suất cơ học .................................................................120

3.4.3

Thiết kế/ Chế tạo kém .......................................................................123

3.4.4

Sự sửa chữa ....................................................................................... 125

KẾT LUẬN .................................................................................................................127
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 128

Trang 4


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ và máy phát đã được phát minh từ hơn 100 năm, và ngày nay vẫn được sử
dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Động cơ và máy phát được sử
dụng trong những môi trường làm việc khác nhau do vậy khiến cho chúng có những hư
hỏng khác nhau, trong đó nhiều hư hỏng điện là do sự hư hỏng cách điện. Những hư hỏng
này thường xuất hiện ở những vị trí đặc trưng (dây quấn stator, rotor .v.v.). Dịng điện rị rỉ ở
những vị trí này gây hủy hoại và thoái hoá lớp cách điện. Sự hủy hoại này làm cho cách
điện giữa những dòng điện cao thế trở nên thấp đi và gây ra sự ngắn mạch.
Một vấn đề khác là nguy cơ tiềm ẩn của sự hư hỏng cách điện của stator cho các máy
điện quay khi được cất giữ và vận hành trong môi trường ô nhiễm hoặc môi trường ẩm ướt.
Những vấn đề có thể xuất hiện nhiều hơn trong các dây quấn máy điện quay nếu một trong
các yếu tố sau đây có mặt: bụi, nước, muối, mỡ. Ngồi ra, vấn đề có thể xảy ra nếu các cuộn
dây máy điện là ở dưới điểm ngưng tụ.
Tài liệu tiếng Việt về những hư hỏng phần cách điện, cũng như các nguyên nhân và
cách khắc phục chưa có nhiều nên nghiên cứu này nhằm cung cấp thông tin tổng quát cho
các biện pháp kiểm tra và bảo trì có thể được thực hiện trong vận hành các máy điện quay.
Ngoài ra, nghiên cứu sẽ cung cấp một số thực hành bảo dưỡng dự phòng sẽ làm giảm nguy
cơ hư hỏng của stator cũng như rotor cho các máy điện được bảo quản hoặc vận hành trong
môi trường ô nhiễm và/hoặc môi trường ẩm ướt.

2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu cái nhìn tổng quan và chi tiết hơn các hư hỏng cách điện thường gặp
trong stator và rotor của động cơ và máy phát.
Trên cơ sở các đặc tính cơ, lý, hố của các vật liệu cách điện và các hư hỏng, đề tài
đã đưa ra các biện pháp bảo dưỡng, vận hành, sửa chữa hệ thống cách điện trong máy điện
quay.

Trang 5


3. Bố cục của luận văn

Chương 1 : Tổng quan chung về hệ thống cách điện trong dây quấn máy điện quay
Chương 2 : Nguyên nhân gây ra sự cố hỏng hóc trong dây quấn stator máy điện quay
và cách khắc phục
Chương 3 : Nguyên nhân gây ra sự cố hỏng hóc trong dây quấn rotor máy điện quay
và cách khắc phục

Trang 6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Trang

Hình 1.1

Rotor đưa vào stator của động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc

12

Hình 1.2

Rotor cực ẩn loại nhỏ. Các vòng hãm ở mỗi đầu của thân rotor

13

Hình 1.3

Rotor cực lồi cho động cơ loại lớn, tốc độ thấp

15

Hình 1.4

Sơ đồ mạch 3 pha , cuộn dây stator đấu sao, với mạch 2 đường song

17

song mỗi pha
Hình 1.5

Phần đầu nối dây quấn và rãnh stator dây quấn mềm

19

Hình 1.6

(a) Động cơ dây quấn stator cứng.

21

(b) Một cuộn dây cứng đã được đặt trong hai rãnh
Hình 1.7

Dây quấn stator máy phát điện tuabin dùng thanh dẫn Roebel

21

Hình 1.8

Tiết diện ngang của rãnh stator dây quấn mềm

22

Hình 1.9

Tiết diện ngang của rãnh chứa cuộn dây cứng nhiều vòng (a) và thanh

23

dẫn làm mát trực tiếp Roebel (b)
Hình 1.10 Tiết diện ngang cuộn dây nhiều vịng, với 3 vịng và 3 bối dây mỗi vịng

24

Hình 1.11 Hình chiếu cạnh của máy phát cho thấy đường sức hướng kính trong

24

khe hở khơng khí và đường sức vịng ở cuối lõi, kết quả tạo ra từ thơng
hướng trục
Hình 1.12 Tiết diện ngang của cuộn dây mà cách điện vòng dây và cách điện bối

26

dây là một
Hình 1.13 (a) Tiết diện ngang của một cuộn dây với rỗ khí cạnh cách điện vịng

30

dây. (b) Mạch điện tương đương
Hình 1.14

(a) Mặt cắt ngang của một cuộn dây trong một rãnh nơi phóng điện cục

33

bộ có thể xảy ra trên bề mặt của cuộn dây. (b) Các mạch điện tương
đương.
Hình 1.15 Hình chiếu cạnh của một nêm hai phần, trong đó một thanh dẫn trượt
vát được đặt dưới nêm để tăng áp lực hướng kính trên các cuộn dây.

Trang 7

35


Hình 1.16 Vật liệu lị xo bán dẫn gợn sóng nằm phía trên đỉnh của vật liệu lị xo

36

khơng dẫn điện gợn sóng
Hình 1.17 (a) : Sơ đồ mơ tả các lực cơ cảm ứng từ xảy ra giữa lớp trên và dưới của

38

cuộn dây trong phần đầu nối dây quấn.
(b) : Giữa những cuộn dây liền kề
Hình 2.1

Mặt cắt ngang của một thanh dẫn stator trong đó các lực của chu trình

51

nhiệt làm cho vách ngăn rơi ra khỏi dây dẫn đồng. Khoảng hở màu đen
xung quanh đồng là sự vỡ xảy ra
Hình 2.2

Tiết diện của cuộn dây 12 vịng từ stator động cơ 6.6kV sử dụng q

54

trình ngâm tẩm chân khơng tồn phần. Rỗ khí đen gần dây dẫn đồng là
kết quả của từ việc nhúng tẩm với epoxy kém, chỉ ở ngồi rãnh.
Hình 2.3

Cạnh của cuộn dây bị mài mòn phần cách điện do cuộn dây bị lỏng.

58

Mài mòn xảy ra dọc theo chiều dài cuộn dây vì cuộn dây khơng được
lắp đặt chắc chắn. Gờ dọc là nơi rãnh thơng gió xảy ra trong lõi sắt
stator.
Hình 2.4

Thanh dẫn stator được tháo ra từ stator lớn được làm mát bằng hydr.

59

Các vòng cung màu sáng là nơi mà lị xo gợn sóng cạnh mài mịn cách

điện vách
Hình 2.5

Hai rãnh stator lấy ra từ trục của một máy điện làm mát bằng khơng khí.

62

Các thanh dẫn nêm stator đã được tháo ra, để lộ phía trên 2 cuộn dây.
Lớp phủ bán dẫn trên cuộn dây được kết nối với đầu cực pha đã biến
mất
Hình 2.6

Phần đầu nối dây quấn của máy phát thuỷ điện. Vệt trắng xung quanh

65

một vài cuộn dây ở ngoài rãnh cho biết lớp phủ phần gối nhau đã bị
thối hố
Hình 2.7

Mặt cắt của 2 cuộn dây kề nhau khác pha nhau ở phần đầu nối dây quấn
cùng với 1 mạch tương đương thể hiện dòng điện rò nhỏ chạy như thế
nào

Trang 8

71


Hình 2.8

Hình ảnh của vệt đen bị carbon hố trên một khối chêm giữa 2 cuộn dây

72

khác pha nhau
Hình 2.9

Mặt cắt của 2 cuộn dây kề nhau trong phần đầu nối dây quấn nơi phóng

81

điện cục bộ xảy ra nếu khoảng cách giữa các cuộn dây q nhỏ
Hình 2.10 Phóng điện cục bộ giữa 2 cuộn dây kề nhau của các pha khác nhau sinh

83

ra bột trắng trên bề mặt các cuộn dây
Hình 3.1

Lỗ mài xuyên cách điện vách từ một lớp lót rãnh gần đầu rãnh rotor.

96

Hình 3.2

Các lực cơ khí khác nhau xảy ra trong một rotor cảm ứng lồng sóc

121

Hình 3.3

Biến dạng thanh dẫn rotor bên ngồi rãnh bởi lực cơ lúc

121

khởi động động cơ
Hình 3.4

Vịng hãm trên một vành ngắn mạch.

Trang 9

122


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt

Nội dung

IFD

Inverter-fed drive : thiết bị biến tần

VPI

Vacuum pressure impregnation : ngâm tẩm áp suất chân khơng

DC

Direct current : Dịng điện một chiều

AC

Alternative current : Dòng điện xoay chiều

RTD

Resistance-temperature detector : máy đo điện trở - nhiệt độ

TC

Thermocouple – cặp nhiệt độ

PET

Polyethylene terephthalate : nhựa nhiệt dẻo

PEN

Polyethylene naphthalate : nhựa dẻo nóng

PWM

Pulse width modulation : Điều chỉnh độ rộng xung

HP
RPM

NEMA

Horse power : Sức ngựa
Vòng/phút
National Electrical Manufacturers Association : Hội liên hiệp
các nhà sản xuất điện quốc gia

GTO

Thyristor – silicon controlled rectifier : chỉnh lưu silic có điều
khiển.
Gate turn – off switch : cơng tắc chuyển đóng sang cắt

RMS

Root mean square : giá trị hiệu dụng

SCR

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor : Transistor có cực điều khiển
cách ly

MW

Megawatt : Mega oat

NDT

Non-destructive evaluation : đánh giá không phá huỷ

Ppm

Part per million : một phần triệu

Ppb

Part per billion : một phần tỉ

ring bus

Vịng sắp xếp cơng tắc có thể bao gồm bốn, sáu, hoặc nhiều bộ
ngắt kết nối trong một vịng khép kín, với cùng số điểm kết nối.

Trang 10


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÁCH ĐIỆN
TRONG DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN QUAY
1.1 Các loại máy điện và cấu tạo dây quấn
1.1.1 Các loại máy điện quay.
Các máy điện quay loại từ 1HP hoặc 1KW trở lên được phân thành 2 loại lớn : (1)
động cơ điện-biến đổi điện năng thành cơ năng (thường là mômen quay) và (2) máy phátbiến cơ năng thành điện năng. Ngồi ra, cịn có những máy đặc biệt khác như máy bù đồng
bộ.
Động cơ và máy phát có thể là một chiều hoặc xoay chiều, chúng có thể sử dụng hay
sinh ra dịng điện một chiều hoặc xoay chiều. Trong động cơ, máy điện một chiều có thể dễ
dàng thay đổi vận tốc quay. Do vậy, trước đây, động cơ và máy phát một chiều được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên, ngày nay thật dễ dàng để tạo ra động cơ với tốc
độ thay đổi bằng việc kết hợp một động cơ xoay chiều với một thiết bị biến tần (IFD), nên
động cơ một chiều loại hàng trăm kW trở lên ít phổ biến hơn. Máy điện cịn được phân loại
theo cách sử dụng bộ làm mát. Chúng có thể được làm mát trực tiếp hoặc gián tiếp bằng
khơng khí, khí hydro hoặc nước như một chất làm mát trung gian.

A. Động cơ xoay chiều
Gần như các động cơ xoay chiều có dây quấn stator một pha (cho động cơ dưới
1KW) hoặc ba pha mà dòng điện đầu vào chạy qua. Với động cơ xoay chiều, stator còn
được gọi là phần ứng. Động cơ xoay chiều thường được phân loại dựa vào dây quấn rotor.
Dây quấn rotor cũng được biết như cuộn dây kích từ trong hầu hết các loại máy điện.
Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc (Hình 1.1). Rotor tạo ra một từ trường bằng
cách biến đổi cảm ứng xoay chiều từ cuộn dây stator (phần ứng). Đến nay, đây là loại phổ
biến nhất của động cơ AC được chế tạo. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có thể nằm
trong dải cơng suất từ 1 HP (<1kw) đến hàng chục ngàn HP (>30MW). Ưu thế của động cơ
này là sự đơn giản của rotor. Trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc tốc độ của rotor
Trang 11


thường bằng 100% hoặc thấp hơn tốc độ ―đồng bộ‖ của từ trường quay trong khe hở khơng
khí do cuộn dây stator tạo ra. Vì vậy tốc độ trượt của rotor thường chậm sau tốc độ của tốc
độ từ thông khe hở [1,2]. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thường được ứng dụng
trong hầu hết các lĩnh vực bao gồm động cơ bơm, quạt, máy mài, máy trộn và trong hầu hết
các máy cơng cụ.

Hình 1.1 Rotor đưa vào stator của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Động cơ khơng đồng bộ rotor dây quấn. Rotor được quấn bằng dây cách điện và
các đầu dây được đưa ra khỏi rotor qua các vòng tiếp điện. Khi hoạt động, dòng điện được
cảm ứng vào trong rotor từ stator, như động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc. Tuy nhiên,
trong máy điện rotor dây quấn thì dịng điện có thể bị hạn chế trong dây quấn rotor nhờ vào

điện trở ngoài hoặc hệ thống bù năng lượng hao hụt. Điều này cho phép điều chỉnh được tốc
độ của động cơ. Động cơ rotor dây quấn thường ít được sử dụng do yêu cầu về bảo dưỡng
thêm phần vòng tiếp điện. Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc có bộ biến tần thường
đáng tin cậy hơn và rẻ hơn.
Động cơ đồng bộ. Động cơ này có dịng một chiều chạy trong dây quấn rotor. Dòng
điện một chiều này tạo ra một từ trường một chiều tương tác qua lại với từ trường quay
trong dây quấn stator, làm cho rotor quay. Tốc độ của rotor có quan hệ với tần số của dòng
xoay chiều được cấp tới cuộn dây stator (50 hoặc 60 hz). Tốc độ rotor phụ thuộc vào số đôi
cực từ (một đôi cực bao gồm một cực bắc và một cực nam). Có 2 cách để tạo ra dòng điện
Trang 12


một chiều trong rotor. Cách xưa nhất, vẫn phổ biến là cung cấp dòng điện một chiều trên
rotor bằng hai vành trượt (một âm, một dương). Cách khác, phương pháp ―không chổi
than‖, sử dụng dây quấn một chiều gắn trên stator để để phát ra dòng xoay chiều trên dây
quấn ba pha được gắn trên rotor, sau đó được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Động cơ
đồng bộ đòi hỏi phải có một ―động cơ phụ‖ để chạy rotor đến gần tốc độ đồng bộ. Ngồi ra,
có thể sử dụng loại động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc dây quấn trên rotor để tăng tốc độ
động cơ trước khi dịng một chiều được phép chạy qua cuộn dây chính rotor. Cuộn dây này
như một thiết bị chống rung hoặc bộ giảm xóc. Ưu điểm của động cơ đồng bộ là u cầu
dịng kích từ nhỏ hơn so với động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc và tốc độ thì ổn định
hơn.
Động cơ nam châm vĩnh cửu. Những động cơ này có rotor được làm bởi vật liệu từ
vĩnh cửu đặc biệt. Tức là khơng có dịng một chiều hay xoay chiều chạy trong rotor và
khơng có cuộn dây rotor. Trước kia, những động cơ dưới 50HP thường là động cơ nam
châm vĩnh cữu vì chúng rất khó khăn trong việc tắt máy. Tuy nhiên, gần đây một số động cơ
nam châm vĩnh cửu lớn được ứng dựng trong lĩnh vực hàng hải do tính đơn giản của nó.

B. Máy phát điện đồng bộ
Hầu hết điện năng hiện nay đều được sinh ra từ các máy phát điện đồng bộ. Trong

máy phát điện đồng bộ, dòng một chiều chạy trong dây quấn rotor sẽ tạo ra từ trường. Cũng
trong thời điểm đó, rotor quay do tác động của động cơ tuabin hơi (sử dụng nhiên liệu hóa
thạch hoặc hạt nhân), tuabin khí, diesel, hoặc tuabin hơi. Sự quay của trường một chiều từ
rotor sẽ cảm ứng dòng điện trong cuộn dây stator.

Trang 13


Hình 1.2 Rotor cực ẩn loại nhỏ. Các vịng hãm ở mỗi đầu của thân rotor
Máy phát điện có rotor cực ẩn (Hình 1.2). Cũng được biết đến như các máy điện
rotor hình trụ, máy điện rotor cực ẩn phổ biến trong các máy điện tốc độ cao, tốc độ rotor
trong khoảng 1000rpm trở lên. Những nơi mà hệ thống điện sử dụng tần số 60hz, tốc độ
rotor thường là 1800rpm hoặc 3600 rpm. Bề mặt tương đồi bằng phẳng của rotor sẽ làm
giảm tổn thất khe hở, tức là, năng lượng mất đi để di chuyển khơng khí vịng quay khe hở
khơng khí giữa rotor và stator dưới tác dụng của quạt.
Bề mặt dạng hình trụ bằng phẳng thích hợp với một cấu trúc mạnh mẽ dưới tác dụng
của lực ly tâm lớn thường có trong những máy điện tốc độ cao. Máy phát có rotor cực ẩn
cịn được gọi là ―máy phát tuabin‖ nó ln hoạt động nhờ vào tuabin hơi và tuabin khí
(động cơ phản lực). Máy phát tuabin sử dụng rotor cực ẩn được chế tạo có thể đạt đến
1500MW. Các máy phát điện lớn thường có rotor gắn nằm ngang và làm mát bằng hydro.
Máy phát điện cực lồi (Hình1.3). Rotor cực lồi thường có cực từ riêng được gắn
trên các gờ, với cực từ được siết chặt vào rotor bằng một ―ống kẹp‖- một bộ tay quay. Vì
các cực từ trường nhơ ra khỏi mép trong những khoảng không gian giữa các cực, cực lồi
rotor tạo ra nhiễu loạn khơng khí đáng kể trong khe hở giữa rotor và stator khi rotor quay,
kết quả là tạo ra tổn thất khe hở tương đối lớn. Tuy nhiên, do tốc độ quay thường là ít hơn
1000 rpm rất nhiều nên sự tổn hao này coi như vừa phải. Máy điện cực lồi thường được sử
dụng với tuabin nước, có tốc độ thấp. Để tạo ra được dòng tần số 50 hoặc 60hz trong stator,
cần đến 1 số lượng lớn cực từ. Năm mươi đôi cực từ thường có trong các máy thủy điện so
với một hoặc hai đôi cực trong máy phát điện tuabin. Một số lượng đơi cực lớn địi hỏi rotor
phải có đường kính lớn để có mang được tất cả số cực đó. Các máy thủy điện có thể phát ra

khoảng 800MW. Rotor trong máy thủy điện lớn thường được gắn thẳng đứng và có đường
kính hơn 10m.
Máy phát tích năng bằng bơm. Đây là loại máy điện cực lồi đặc biệt. Nó sử dụng
để bơm nước ở trên bể chứa cao hơn trong suốt thời gian có nhu cầu điện năng thấp. Sau đó,
ở thời điểm nhu cầu điện năng cao, nước được chảy từ bể chứa phía trên xuống bể chứa thấp
hơn, ở đó máy điện hoạt động ở chế độ thuận nghịch như máy phát. Việc chuyển chế độ làm
việc của máy điện từ bơm sang phát thường được hoàn thành bởi sự thay đổi việc kết nối
dây quấn stator của máy điện để đảo chiều trực tiếp rotor. Tích năng bằng bơm có thế bổ
sung đến 500 MW.

Trang 14


Hình 1.3 Rotor cực lồi cho động cơ loại lớn, tốc độ thấp

1.1.2 Phân loại dựa vào kiểu làm mát
Một cách khác để phân loại máy điện là loại làm lạnh trung gian mà chúng sử dụng
như: khơng khí, nước và khí hydro. Một trong những nguồn nhiệt chính trong máy điện là
dòng điện DC hay AC chạy trong dây quấn stator và rotor. Biểu thức I2R gọi là tổn thất
nhiệt, ta thấy nhiệt tỏa ra tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dịng điện và điện trở của
dây dẫn. Nguyên nhân khác sinh nhiệt là: tổn thất trong lõi thép, tổn thất khe hở, tổn thất
dịng điện xốy. Tất cả những nguyên nhân đó đều làm cho nhiệt độ của vịng dây tăng lên.
Nếu lượng nhiệt này khơng bị loại bỏ thì cách điện giữa những cuộn dây sẽ bị hỏng và máy
điện sẽ bị sự cố do ngắn mạch.
Làm lạnh khí gián tiếp. Động cơ và máy phát hiện đại đạt dưới 100MVA đều được
làm mát bằng khơng khí thổi qua rotor và stator. Điều này được gọi là làm mát gián tiếp vì
dây dẫn điện khơng trực tiếp tiếp xúc với khơng khí lạnh do sự có vật liệu cách điện trên
dây quấn. Khơng khí được liên tục đưa vào từ môi trường, nhưng không quay vịng.
Để thu được khí làm lạnh là đóng kín tổng thể máy điện và quay vịng khơng khí
thơng qua bộ trao đổi nhiệt. Điều này cần thiết cho các động cơ hở nhiều thành phần. Việc

tuần hồn khơng khí thường được làm mát bởi một bộ trao đổi nhiệt từ khơng khí tới nước
trong máy điện lớn hoặc làm lạnh bởi khơng khí bên ngồi thơng qua việc phát xạ cánh kim
loại trong những động cơ nhỏ hay làm lạnh dạng ống trong các máy lớn.

Trang 15


Mặc dù máy phát công suất nhỏ, cũ thường là máy hở, phần lớn máy thủy điện và
máy phát điện tuabin (cơng suất dưới 50 MVA) được quay vịng khơng khí qua máy điện.
Hầu như tất cả các máy phát điện khí sử dụng khơng khí quay vịng, với khơng khí thường
được làm mát bởi bộ trao đổi nhiệt từ khơng khí tới nước. Đối với các máy phát điện tuabin
cơng suất lên tới vài trăm megawatt, khơng khí quay vòng là dạng làm lạnh phổ biến.
Làm lạnh hydro gián tiếp. Hầu hết tất cả những máy phát tuabin lớn sử dụng hydro
quay vịng như khí làm lạnh. Điều này là do phân tử hydro nhỏ hơn và nhẹ hơn, kết quả là
tổn thất khe hở nhỏ hơn và truyền tải nhiệt tốt hơn khơng khí. Đường chia khi sử dụng
hydro làm lạnh không đổi. Trong những năm 1990 đã xác định phương hướng để dự trữ
hydro làm lạnh cho các máy điện đạt công suất 300MVA trở lên, trong khi trong quá khứ,
làm mát hydro đôi khi được sử dụng trên các máy phát điện tuabin hơi và tuabin khí nhỏ
như 50 MVA[4,5].
Làm mát vịng dây trực tiếp. Các máy phát điện được gọi là làm mát gián tiếp hay
thơng thường nếu các vịng dây được làm mát bởi khơng khí hoặc hydro thổi qua bề mặt của
cuộn dây và qua lõi thép, nơi nhiệt được tạo ra bên trong dây dẫn điện qua vật liệu cách
điện. Những máy phát điện lớn cuộn dây stator và rotor thường được làm mát trực tiếp.
Trong dây quấn làm mát trực tiếp, nước hoặc khí hydro được đi xuyên vào bên trong dây
dẫn điện hoặc qua đường dẫn sát cạnh dây dẫn điện. Cuộn dây stator làm lạnh nước trực tiếp
sử dụng nước tinh khiết chảy qua chỗ lõm của bối dây dẫn đồng hoặc qua ống thép không gỉ
ngay cạnh dây dẫn điện đồng. Vì chất làm lạnh sẽ trực tiếp tiếp xúc với dây dẫn điện, điều
này sẽ loại bỏ hiệu quả lượng nhiệt tăng lên do tổn thất I2R. Với những máy điện làm mát
gián tiếp, nhiệt lượng từ tổn thất I2R phải được truyền qua vỏ bọc cách điện của dây dẫn,
lớp cách nhiệt này đáng kể. Hydro được cho thổi qua trong vùng ống dẫn đồng rỗng hoặc

ống thép chống rỉ, giống như làm lạnh bằng nước. Trong cả 2 trường hợp trên, phải đảm bảo
chắc chắn rằng làm mát nước hoặc hydro trực tiếp không gây vấn đề cho vật liệu cách điện.

1.1.3 Mục đích của dây quấn
A. Dây quấn stator.
Ba bộ phận chính của một stator là dây dẫn đồng (mặc dù dây nhôm đôi khi cũng
được sử dụng), lõi thép stator và vật liệu cách điện. Dây đồng là đường dẫn cho dòng điện
dây quấn stator. Trong máy phát điện, dòng điện đầu ra của stator được cảm ứng chạy trong
Trang 16


dây dẫn đồng như một phản ứng với từ trường quay của rotor. Trong động cơ, dòng điện
được đưa vào trong stator sẽ sinh ra một từ trường quay làm rotor chuyển động. Dây dẫn
đồng phải có tiết diện đủ lớn để mang dịng điện mà khơng bị q nhiệt.
Hình 1.4 là sơ đồ mạch điện dây quấn stator của động cơ hay máy phát ba pha thông
thường. Sơ đồ chỉ ra mỗi pha có một hoặc nhiều hơn các đường dẫn song song cho dòng
điện chạy qua. Nhiều đường dẫn song song thường cần thiết vì tiết diện dây đồng đủ lớn để
mang tồn bộ dịng điện pha có thể dẫn đến khơng kinh tế về kích cỡ rãnh stator. Mỗi đường
song song có một số cuộn dây được mắc nối tiếp.
Lõi thép stator trong máy phát tập trung từ trường từ rotor trên dây dẫn đồng trong
dây quấn. Lõi thép stator được tạo ra từ những tấm thép từ tính mỏng. Thép từ tính là đường
dẫn có từ trở thấp để từ trường từ rotor đến stator và ngược lại. Lõi thép cũng ngăn cản hầu
hết từ trường trong dây quấn stator thoát ra các phần đầu lõi stator, mà có thể gây ra dịng
điện chạy gần vật liệu dẫn điện.

Hình 1.4 Sơ đồ stator hay dây quấn 3 pha,đấu sao, với mạch 2 đường song song mỗi pha

Thành phần chính cuối cùng của dây quấn stator là vật liệu cách điện. Khác với dây
dẫn đồng và thép từ tính, là thành phần hoạt động tạo nên chức năng động cơ hoặc máy
phát, cách điện là thụ động. Người thiết kế máy phát và động cơ luôn muốn hạn chế vật liệu

cách điện, vì cách điện làm tăng kích thước máy điện và giá thành, và giảm hiệu suất mà
khơng giúp cho việc tạo ra momen hay dịng điện [6]. Cách điện là ―chi phí phụ‖ với mục
đích ban đầu là hạn chế ngắn mạch giữa dây dẫn tới đất. Tuy nhiên nếu khơng có cách điện,
dây dẫn đồng sẽ tiếp xúc với các dây dẫn khác hoặc với thành lõi stator, gây ra dòng điện
chạy theo những đường dẫn không mong muốn và hạn chế sự hoạt động của máy.
Trang 17


B. Cách điện trong dây quấn rotor.
Trong nhiều trường hợp, dây quấn rotor có những thành phần như dây quấn stator
nhưng có nhiều thay đổi quan trọng. Trong mọi trường hợp, dây đồng, hợp kim đồng hay
nhôm được dùng để dẫn điện. Tuy nhiên dòng điện ổn định chạy qua dây quấn rotor ln là
dịng một chiều (trong máy điện đồng bộ), hoặc dòng xoay chiều tần số rất thấp (khoảng
một vài hz) trong máy điện không đồng bộ .
Dây dẫn điện trong dây quấn rotor thường được gắn vào phần lõi thép hoặc bao
quanh lá thép từ tính. Tuy nhiên, rotor cực ẩn trong những máy phát điện cơ lớn và máy cực
lồi tốc độ cao thường được làm từ thép tơi từ tính vì các thép từ tính được cán mỏng trong
rotor không thể chịu đựng được lực ly tâm lớn. Dây quấn rotor của máy điện đồng bộ giống
như dây quấn trong động cơ rotor dây quấn khơng đồng bộ , nó gồm có vật liệu cách điện để
hạn chế ngắn mạch giữa những phần dẫn điện cạnh nhau hoặc thân rotor. Cách điện khi đó
thường quyết định tuổi thọ của dây quấn rotor.

C. Dây quấn rotor trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc
Dây quấn rotor trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc lạ lùng ở chỗ chúng
thường khơng có cách điện rõ ràng trên dây dẫn rotor. Thay vào đó, dây dẫn đồng, hợp kim
đồng, hay nhôm được lắp đặt trực tiếp trong rãnh lõi rotor thép. Trong hoạt động bình
thường, chỉ có một vài volt được cảm ứng trên dây dẫn rotor, và tính dẫn điện của các dây
dẫn cao hơn nhiều so với lõi thép. Vì dịng điện thơng thường chỉ chạy trong dây dẫn, vật
liệu cách điện không cần phải cưỡng bức để dòng điện chạy đúng theo đường dẫn của nó.
Thời điểm có điện áp lớn có thể xuất hiện trên các dây dẫn rotor trong động cơ là khi

khởi động. Đây cũng là thời gian mà dòng đặc biệt lớn sẽ chạy vào các cuộn dây rotor. Dưới
một số điều kiện trong quá trình khởi động, các dây dẫn sẽ phá huỷ tiếp xúc với lõi stator,
dẫn đến việc đánh lửa. Tuy nhiên, một số động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc hoạt động
trong mơi trường dễ cháy nổ, điều này làm rotor dễ cháy . Do vậy, một số nơi sản xuất động
cơ đã làm cách điện giữa dây dẫn và lõi rotor để ngăn cản sự đánh lửa [7].

1.1.4 Một số cấu tạo của dây quấn stator
Ba loại cấu trúc cơ bản của dây quấn stator được sử dụng trên khoảng từ 1KW đến
hơn 1000MW :
Trang 18


1. Dây quấn stator mềm
2. Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn
3. Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn Roebel
Nói chung, dây quấn stator mềm thường được sử dụng cho các máy điện dưới vài
trăm kW. Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn được sử dụng trong hầu hết các động cơ lớn và
nhiều máy phát điện loại từ 50 đến 100 MVA. Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn
Roebel được sử dụng cho máy phát điện lớn.

A. Dây quấn stator mềm
Dây quấn stator mềm bao gồm các vòng, dây dẫn đồng bọc cách điện (dây điện từ,
dây quấn) được quấn liên tục (bằng tay hoặc bằng một máy quấn) qua các rãnh trong lõi
stator để tạo thành một cuộn dây (Hình 1.5). Hình 1.5 cho thấy hầu hết các vịng trong các
cuộn dây có thể dễ dàng nhìn thấy. Mỗi lượt (vịng lặp) của dây điện từ có thể, về nguyên
tắc, được đặt ngẫu nhiên với bất kỳ vòng dây khác trong cuộn dây, độc lập với cấp điện áp
của vịng dây, do đó có thuật ngữ "ngẫu nhiên". Vì một vịng dây được kết nối với thiết bị
đầu pha có thể liền kề với vịng dây đang hoạt động ở điện áp thấp (ví dụ, tại điểm trung
tính). Stator dây quấn mềm này thường hoạt động ở điện áp nhỏ hơn 1000 V.

Hình 1.5 Phần đầu nối dây quấn và rãnh stator dây quấn mềm
B. Dây quấn stator cứng – kiểu cuộn
Loại này thường dùng cho các máy điện hoạt động ở điện áp 1000V trở lên. Các
cuộn dây này được làm từ cuộn dây cách điện, chúng được đưa vào trong rãnh lõi stator
Trang 19


(Hình1.6). Các cuộn dây được làm từ trước bao gồm một vịng dây điện liên tục tạo thành
hình cuộn dây(đơi khi được gọi là một hình dạng kim cương), với lớp cách điện thêm áp
dụng trên các vòng cuộn dây. Thiết kế và sản xuất cẩn thận sẽ đảm bảo rằng mỗi vòng trong
một cuộn dây tiếp giáp với một vịng khác với sự chênh áp nhỏ nhất có thể. Bằng cách giảm
thiểu điện áp giữa vòng dây liền kề, cách điện mỏng hơn có thể được dùng để tách các
vịng. Ví dụ, trong một cuộn dây stator 4160 V (2400 V dịng đối đất), cuộn dây có thể có
10 cuộn dây mắc nối tiếp, với mỗi cuộn dây gồm 10 vòng, nghĩa là 100 vòng giữa các pha
và pha trung tính. Điện áp tối đa giữa vịng dây liền kề là 24 V. Ngược lại, nếu stator dây
quấn mềm, có thể có tối đa là 2400 V giữa các vịng dây liền kề, vì đầu dây pha có thể tiếp
giáp với đầu vịng dây trung hồ.

C. Dây quấn stator cứng – kiểu thanh dẫn Roebel
Trong những máy phát điện lớn, cơng suất đầu ra càng lớn, thì các cuộn dây thường
lớn và cứng hơn. Trong stator có cơng suất lớn hơn 50MW, dạng dây quấn cứng đủ lớn để
gây nên khó khăn trong việc đặt 2 đầu của cuộn đây trong các rãnh nơng trong cực stator mà
khơng có rủi ro cơ khí àm hư hại tới cuộn dây trong lúc lắp đặt. Do vậy, ngày nay những
máy phát điện lớn nhất không được làm từ cuộn dây nhiều vòng, mà là làm từ những cuộn
dây ―nửa vòng‖, thường được gọi là thanh dẫn Roebel. Với cấu trúc thanh dẫn Roebel, chỉ
có một nửa "cuộn" được đưa vào rãnh cắm tại một thời điểm. Với cách tiếp cận thanh dẫn
Roebel, kết nối điện để tạo thành ―cuộn dây" ở hai đầu của thanh dẫn (Hình 1.7).

(a)

Trang 20


(b)
Hình 1.6 (a) Động cơ dây quấn stator cứng.
(b) Một cuộn dây cứng đã được đặt trong hai rãnh

Hình 1.7 Dây quấn stator máy phát điện tuabin dùng thanh dẫn Roebel

Trang 21


1.2 Những đặc điểm hệ thống cách điện của dây quấn stator
Thành phần cơ bản của hệ thống cách điện stator là:
 Cách điện sợi
 Cách điện vòng
 Cách điện vách
Hình 1.8 và 1.9 cho thấy tiết diện dây quấn mềm và dây quấn cứng trong rãnh stator.
Chú ý là stator dây quấn cứng có hai cuộn dây cho mỗi rãnh. Hình 1.10 là hình tiết diện của
dây quấn nhiều vịng. Ngồi các thành phần cách điện chính, hệ thống cách điện đơi khi có
lớp phủ ngồi chống điện áp cao và thành phần giá đỡ phần đầu nối dây quấn.

Hình 1.8 Tiết diện ngang của rãnh stator dây quấn mềm

1.2.1 Cách điện sợi và cách điện vòng
Cách điện sợi. Trong cuộn stator dây quấn mềm, cách điện sợi có chức năng như
cách điện vòng, mặc dù ống cách điện phụ đôi khi được đưa vào để tăng thêm khả năng
cách điện ở những vị trí then chốt. Từ quan điểm về điện, có những nguyên nhân để làm ra
những sợi dây điện và cách điện chúng với nhau. Nó cũng được biết từ lý thuyết điện rằng
nếu một dây dẫn bằng đồng có tiết diện đủ lớn, dịng điện chạy trong mặt ngồi của dây

dẫn. Đó gọi là hiệu ứng bề mặt. Hiệu ứng bề mặt gây ra độ sâu bề mặt mà qua đó phần lớn
dịng điện chạy qua. Độ dày bề mặt của đồng là 8.5 mm ở 60Hz. Nếu dây dẫn điện có tiết
diện mà dày hơn 8,5mm, có một xu hướng là dịng điện khơng chạy qua chính giữa dây dẫn,
tức là dịng điện khơng dùng hết tiết diện sẵn có.
Ngồi ra, tổn hao dịng điện xoáy xảy ra trong dây dẫn cứng với một tiết diện quá
lớn. Trong các rãnh, từ trường chính chủ yếu hướng kính, nghĩa là, vng góc với hướng
trục. Ngồi ra cịn có từ thơng móc vịng (tản) có thể tạo ra dịng điện xốy.Tại phần đầu nối
Trang 22