Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 2.8 docx

PH ẦN 2 MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU
CHƯƠNG 8
MẠCH TỪ VÀ MẠCH ĐIỆN TRONG MÁY ĐIỆN
8.1 Các loại từ trường và phương pháp tạo chúng trong máy điện
Người ta có thể chia từ trường dùng trong máy điện ra làm các loại sau:
1-Từ trường không đổi(từ trường đều)
2-Từ trường biến đổi (từ trường đập mạch)
3-Từ trường quay.
Các loại từ trường trên được định nghĩa như sau:
-Từ trường không đổi(từ trường đều) là loại từ trường có biên độ, phương
và chiều không đổi.
Từ trường do một nam châm vĩnh cửu hoặc một nam châm điện có dòng
điện một chiều chạy qua tạo ra là một từ trường không đổi .
-Từ trường biến đổi (từ trường đập mạch) là từ trường có biên độ và chiều
thay đổi nhưng phương không thay đổi. Trường hợp đặc biệt chỉ có giá trị biên độ
thay đổi nhưng phương, chiều không đổi.
Để tạo ra từ trường biến đổi ta cung cấp cho cuộn dây của nam châm
điện(hoặc cuộn dây có lõi thép) một dòng điện biến đổi.
-Từ trường quay có 2 loại: từ trường quay tròn và từ trường quay e-lip.
Từ trường quay tròn là từ trường có biên độ không đổi nhưng phương và
chiều thay đổi.
Để có từ trường quay tròn ta quay một nam châm vĩnh cửu hoặc một nam
châm điện được cấp dòng điện một chiều với tốc độ không đổi.
Từ trưòng quay e-lip là từ trường có biên độ, phương, chiều đều thay đổi.
Người ta tổng hợp 2 từ trường quay tròn có biên độ khác nhau, có cùng tốc
độ quay nhưng có chiều quay khác nhau được từ trường quay e-lip.
Chúng ta nghiên cứu sâu các loại từ trường nay.
a-Từ trường không đổi
Trên hình 8.1 biểu diễn cách tạo ra một từ trường không đổi đơn giả nhất.
Cấp dòng điện một chiều vào một vòng dây đặt trên chu vi của máy điện. Hình
8.1c là sơ đồ stđ theo chu vi máy điện(chủ yếu là giá trị độ tự cảm ở khe khí vì độ

tự cảm này giữ vai trò quan trọng hơn cả). Còn hình 8.1d là độ cảm ứng từ trong
máy điện. Trên hình 8.2 biểu diễn stđ của máy điện có 2 cực do nhiều vòng dây
tạo ra, còn ở hình 8.2c là từ trường do cuộn dây sinh ra có chú ý tới rãnh và răng
của mạch từ. Trong các máy điện có mạch từ đối xứng và không bão hoà thì đặc
tính θ =f(x) và B=f(x) trùng nhau.
Trong máy thực tế do các thanh dẫn đặt trong những rãnh nhất định cách
nhau bởi các răng nên hình thành một cuộn dây phân bố không liên tục do vậy hình
ảnh từ trường là hình 8.2 . Khi cuộn dây được trải ra toàn chu vi máy thì ta có như
hình 8.3
73
Trên hình 8.4 biểu diễn từ trường có số cặp cực p=2.
74
Hình 8.1 Cách tạo từ trường đều đơn giản
+
∙
1
2
4
a)
Θ(x
1
)
Θ(x
2
)
x
1
x
x
1

2 3
4
T
Θ
Chu vi máy điện
c)
+
+
+
+ + +∙ ∙ ∙
∙
∙ ∙
b)
∂
a
b
X
1
X
2
+
I
B
B(x
1
)
x
1
x
T

1 3
2
4
x
Chu vi máy điện
d)
d)
b)
c)
B,Θ
B,Θ
1 2 3 4
1 2 3 4
trục cực
trục cực
trục cực
∙
1
2
4
a)
+
+
∙
∙
∙
∙
∙
+
+

+
∙
3
+
Chu vi máy điện
Chu vi máy điện
Hình 8.2 từ trường máy điện 2 cực do nhiều cuộn dây tạo ra
Hình 8.3 Từ trường máy điện 2 cực khi cuộn dây trải đều trên chu vi máy điện
1 2 3 4
∙
1
2
4
a)
+
+
∙
∙
∙
∙
∙
+
+
+
+
+
+
+
+
∙

∙
∙
∙
∙
∙
3
Chu vi máy điện
Chu vi máy điện
1 2 3 4
B,Θ
B,Θ
+
+
+
+
+
+
∙
∙
∙
∙
∙
∙
1 2 3 4 1
Chu vi máy điện
Hình 8.4 Từ trường máy điện có số đôi cực p=2
Trên đây ta xét một cách tổng quát cách tạo ra từ trường không đổi và
dạng của nó. Ta thấy rằng từ trường có dạng hình chữ nhật hoặc tam giác, biến đổi
có chu kỳ. Để nghiên cứu sâu ta phải phân tích sang chuối Fuorier và xét từng sóng
bậc cao một. Điều đó vượt ra ngoài phạm vi cuốn sach này.

b.Từ rường biến đổi
Nếu vẫn cuộn dây như ở hình 8.1 và 8.4 ta cấp một dòng điện biến đổi thì
từ trường sinh ra ở cuộn dây là từ trường biến đổi hay từ trường đập mạch. Vì dòng
chạy trong dây dẫn là dòng xoay chiều nên việc dùng dấu ‘+’ hay’-‘ là để chỉ
hướng tức thời dòng điện tại điểm nghiên cứu chứ không phải là hướng thực (hình
8.5). Để xác định hướng tác động của stđ hoặc đường sức của từ thông tại một
điểm nào đó ta phải sử dụng mũi tên chỉ hướng (hình 8.5d), nó chỉ cho ta hướng
hoạt động thực tế của đường sức từ giá trị dương. Giống như ở phần từ trường
không đổi, sự phân bố stđ (Θ=f(x) và B=f(x) theo chu vi máy điện là tam giác có
chu kỳ nên có thể phân tích sang chuỗi Fuorier. Ở hình 8.5b,c biểu diễn stđ bậc 1
và bậc 3 ở những thời điểm khác nhau. Biểu thức stđ của sóng bậc cao biểu diễn
tại thời điểm bất kỳ như sau:
.
B
γ
(x,t)=B
νm
sin
t
x
γωπ
τ
γ
cos
(8.1)
75
Hình 8.5 Từ trường biến đỏi
1 2 3 4
1
Chu vi máy điện

+
+
+
∙
∙
∙
+
+
+
∙
∙
∙
+
+
+
∙
∙
∙
+
+
+
∙
∙
∙
1
3
4
2
B(t
5

)
B(t
4
)
B(t
1
)
B(t
2
)
x
B(t
3
)=0
α
B
1m
t
5
=T/2
t
4
t
3
=T/4
t
1
t
2
1 2 3 4 1

B
3m
x
x
I
I
Chu vi máy điện
a)
b)
c)
d)
B
1
,Θ
1
B
3
,Θ
3
Trong đó τ
ν
=
1
1
τ
ν
bước cực của sóng bậc 1 với giả thiết rằng điểm đầu hệ
trục x=0 nằm ở trục trung tính, còn dòng chạy trong cuộn dây là dòng hình sin
I=I
m

cosωt. (8.2)
Trong đó B
1m
-là biên độ cảm ứng từ xuất hiện với biên độ dòng điện I
m
. ω-
xuất hiện trong (8.1) và (8.2) có cùng giá trị và bằng:
ω = 2πf (8.2b)
Phương trình (8.1) là phương trình phẳng của sóng đứng có trục trùng với
đường trung tuyến của từ trường còn hướng trùng với trục của từ trường.
Từ trường biến đổi cũng có thể biểu diễn bằng véc tơ có hướng không đổi trùng
với hướng trục của từ trường nhưng thay đổi giá trị theo thời gian và chiều (hình
8.5a) . Véc tơ này thay đổi theo thời gian theo biểu thức:
)(
1
tB
=B1mcosωt (8.3)
Giá trị cảm ứng tại điểm bất kỳ trên chu vi máy điện xác định bởi góc α (hình 8.5a)
và tại một thời điểm bất kỳ t có thể tính theo biểu thức:
B1(x,t)=
tB
ωα
coscos
1
(8.4)
Số cặp cực của sóng bậc γ có giá trị như sau:
p
γ
= γp
1

(8.5)
c)Từ trường quay tròn
Để tạo từ trường ta có 3 phương pháp
1-Quay một nam châm vĩnh cửu hay một nam châm điện nạp bằng dòng
điện một chiều với tốc độ n=const
2-Cung cấp dòng điện m pha vào m cuộn dây đặt cách nhau một góc 2π/m
đặt trên chu vi máy điện.
3-Cũng có thể tạo từ trường quay bằng cách nạp 2 dòng điện lệch nhau một
góc π/2 vào 2 cuộn dây đặt vuông góc với nhau trên chu vi máy điện.
Do máy điện thường có cấu tạo 3 pha nên ta nghiên cứu cách tạo từ trường
quay bằng cung cấp 3 dòng điện 3 pha vào 3 cuộn dây đặt trên chu vi máy điện,
các cuộn dây này lệch nhau một góc 120
0
.
Nhận máy điện có mô hình sau:
Máy điện 3 pha, mỗi pha có một vòng dây, các cuộn dây đặt lệch nhau trên
chu vi máy điện một góc 2π/3, đầu các cuộn dây ký hiệu là a,b,c còn cuối các cuộn
dây ký hiệu là x,y,z, số đôi cực của máy p=1 (hình 8.6). Ta qui ước như sau: nếu
tại thời điểm nghiên cứu dòng điện có giá trị “+” thì dòng điện chạy vào trang giấy
và ta fùng dấu’+’, ngược lại dòng điện chạy từ trang giấy ra ta ký hiệu là dấu ’.’.
trên hình 8.6a ta biểu diễn dòng điện ba pha theo thời gian. Tại thời điểm ωt
1
=90
0
ta thấy dòng pha a i
a
dương và đạt cực đại còn dòng pha b và c có dấu âm nên đánh
dấu như ở hình 8.6b. Theo qui tắc vặn nút chai ta xác định chiều từ thông từng
thanh dẫn và chiều của từ thông tổng.
Tại thời điểm ωt

2
= ωt
1
+120
0
=90
0
+2π/3, bây giờ dòng i
b
đạt giá trị cực đại,
dòng i
a
và i
c
có giá trị âm, ký hiệu như hình 8.6b. Tương tự như trước ta xác định
chiều từ trường của từng cuộn dây và từ trường tổng của máy điện.
76
Tại thời điểm ωt
3
= ωt
2
+120
0
=90
0
+4π/3, bây giờ dòng i
c
đạt giá trị cực đại,
dòng i
a

và i
b
có giá trị âm, ký hiệu như hình 8.6c. Tương tự như trước ta xác định
chiều từ trường của từng cuộn dây và từ trường tổng của máy điện.
Nếu thời điểm nghiên cứu là ωt
4
= ωt
3
+120
0
thì ta trở về t
1
, dòng điện biến
thiên được một chu kỳ.
Từ hình vẽ ta thấy từ trường tổng hình thành trong máy điện là từ trường
quay. Từ trường này có những đặc điểm sau:
1-Tốc độ quay:
Ta nhận thấy do số đôi cực của máy điện p=1 nên khi dòng điện biến thiên
được một chu kỳ thì từ trường quay quay được một vòng nghĩa là n
tt
=1/T vòng.
Nếu máy điện có p số đôi cực thì khi dòng điện biến thiên được một chu kỳ từ
trường quay quay được n
tt
= 1/Tp vòng , nghĩa là:

Vì 1/T=f là tần số biến thiên dòng điện, mặt khác tốc độ thường đo là phút
chứ không đo là giây vì vậy biểu thức tốc độ của từ trường quay có dạng:
2.-Biên độ
Từ trường quay có biên độ bằng :

B
m
=
2
3
B
1m
(8.7)
Trong đó B
1m
-là biên độ từ trường của một cuộn dây
77
Hình 8.6 Cách tạo từ trường quay trong máy điện bằng dòng điện 3 pha
S
+
+
+
a
∙
∙
∙
x
b
y
c
z
N
t
i
a

i
b
i
c
i
a
i
b
i
c
t
1
t
2
t
3
S
.
.
a
+
+
+
∙
x
b
y
c
z
N

S
∙
+
a
∙
+
+
x
b
y
c
z
N
a)
a) b) c)
t
4
π
2π
pT
n
tt
1
=
[ v/giây ]
p
f
n
tt
60

=
[ v/phút ] (8.6)
3-Hướng quay của từ trường : với cách bố trí cuộn dây nhất định, hướng
quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự dòng điện 3 pha. Từ tính chất này ta có
thể đổi chiều quay của từ trường bằng đổi thứ tự 2 trong ba pha.
Tại đây xuất hiện một vài khái niệm:
a.Tốc độ quay cơ ω
cơ
: Đây là tốc độ quay của bản thân rô to đo bằng [rad/s]
b.Tốc độ quay điện ω
điện
ơ[ rad/sư] (tốc độ quay của từ trường)
Mối quan hệ giữa 2 tốc độ này như sau:
ω
điện
= p.ω
cơ
d)Từ trường quay êlip
Người ta tổng hợp 2 từ trường quay tròn có biên độ khác nhau, có cùng tốc
độ quay nhưng có chiều quay khác nhau được từ trường quay e-lip.
8.2 Cuộn dây máy điện xoay chiều
Cuộn dây máy điện chính là mạch điện của máy điện. Phần lớn các máy
điện trong thực tế gồm 2 loại cuộn dây: cuộn dây đặt ở phần tĩnh (stato) và cuộn
dây đặt ở phần quay (rô to). Cuộn dây máy điện là nguồn cảm ứng sđđ và dòng
điện hoặc là mạch điện qua nó chạy dòng điện để tạo ra từ trường. Loại cuộn dây
thứ nhất gọi là cuộn dây phần ứng, còn cuộn dây loại thứ 2 gọi là cuộn dây kích từ.
Cuộn dây kích từ nói chung là cuộn dây tập trung trong đó các vòng dây móc vòng
với từ thông chính.
Cuộn dây phần ứng thường là cuộn dây phân tán được đặt trong các rãnh
nằm rải rác trên chu vi phần tĩnh (stato hoặc phần động rô to) máy điện, do đó tại

một thời điểm nhất định một nhóm cuộn dây sẽ móc vòng với những đường sức từ
khác nhau.
Chúng ta hãy xét nguyên lý xây dựng cuộn dây máy điện xoay chiều.
8.2.1 Nguyên lý hoạt động của cuộn dây máy điện xoay chiều.
Để có sđđ xoay chiều, phương pháp đơn giản nhất là dịch chuyển cuộn dây
có bước rải thích hợp trong từ trường biến đổi.
Ở hình 8.7 bểu diễn một cuộn dây có cạnh a-b cách nhau một bước cực,
chuyển động trong từ trường với tốc độ đều theo hướng mũi tên. Các cực của từ
trường có kích thước giống nhau và đặt cách đều nhau.
Tại thời điểm nghiên cứu tâm cuộn dây nằm ở vị trí 1 cách đều trục 2 cực
S
1
-N
1
. Theo qui tắc bàn tay phải sđđ cảm ứng xuất hiện có chiều như hình vẽ. Sau
một thời gian nào đó tâm cuộn dây nằm ở vị trí 2 , chiều của sđđ cảm ứng có chiều
ngược với chiều ở vị trí 1. Vị trí 2 dịch trong không gian so với vị trí 1 một bước
cực. Khi tâm cuộn dây nằm ở vị thí thứ 3 thì sđđ trong cuộn dây lại giống như ở vị
trí 1. Thời gian cần thiết để dịch chuyển cuộn dây từ vị trí 1 sang vị trí 3 chính là
78
N
1
N
2
S
1
S
2
a
b

1
2
3
4
Hình 8.7 Nguyên lý hoạt động cuộn dây xoay chiều
Chiều chuyển động của cuộn dây+
•
một chu kỳ sđđ cảm ứng. Từ hình vẽ 8.7 ta thấy vòng dây dịch chuyển đi một
khoảng bằng 2 bước cực. Ta nhận được kết quả tương tự nếu cuộn dây đứng im
nhưng từ trường dịch chuyển theo chiều ngược lại.
Người ta thường chọn khoảng cách giữa 2 cạnh a,b của cuộn dây bằng
bước cực để sđđ có giá trị lớn nhất. Nếu sự phân bố của từ trường các cực có
dạng hình sin, thì sđđ cảm ứng cũng có dạng hình sin. Muốn tăng sđđ thì ta phải
tăng số vòng dây của cuộn dây, các vòng dây này phải mắc nối tiếp với nhau. Các
vòng dây mắc nối tiếp với nhau phải nằm ở cùng một trạng thái trong từ trường thì
sđđ cuộn dây sẽ lớn nhất.
Trên hình 8.8a biểu diễn các vòng dây nối tiếp nhau nằm dưới các cực cạnh
nhau trong từ trường còn hình 8.8b các vòng dây nối tiếp nằm dưới các cực cạnh
nhau. Cuộn dây máy điện thường được đặt vào các rãnh của lõi thép. Để có thể sử
dụng tối đa mạch từ thì vòng dây của một pha phải chiếm một cung nào đó của chu
vi. Độ dài cung chiếm bởi các cạnh cùng tên thuộc một pha gọi là chiều rộng của
dải.
8.2.2 Nguyên lý xây dựng cuộn dây máy điện xoay chiều.
Phần tử cơ bản và đơn giản nhất của mỗi cuộn dây là vòng dây gồm 2
cạnh như hình 8.9a. Các cạnh được đặt vào các rãnh của lõi thép và nó là phần tử
tác dụng của cuộn dây. Các cạnh của vòng dây được nối với nhau bằng nối đầu
cuộn dây. Đó là phần nằm ngoài lõi thép, có nhiều cách nối khác nhau phụ thuộc
vào phương pháp thực hiện cuộn dây. Thông thường phải thực hiện nối đầu cuộn
dây ngắn nhất để tiết kiệm vật liệu và giảm tổn hao công suất. Ở những máy có
công suất lớn việc nối đầu cuộn dây phải đảm bảo chắc chắn để chống biến dạng

do lực điện từ vì có dòng điện lớn chạy qua.
Chúng ta nối tiếp một số vòng dây lại với nhau được một nhóm và gọi là
bin. Bin được coi là phần tử cấu trúc của cuộn dây, người ta có thể thực hiện nó
ngoài máy điện như quấn cách điện, tẩm sấy .. sau đó mới đặt vào các rãnh. Việc
vẽ và đọc cuộn dây biểu diễn trên hình 8.10a phức tạp do đó người ta thường dùng
sơ đồ đơn giản hình 8.10b
79
N
S
N
1
S
1
N
2
S
2
a
1
a
2
b
1
b
2
a
1
b
1
a

2
b
1
Hình 8.8 Cách nối các vòng dây của cuộn dây
a)
b)