Bài giảng Máy điện - Chương 6: Sức điện động và sức từ động - Phạm Khánh Tùng
Từ thông của phần cảm xuyên qua dây quấn phần ứng biến thên thì
trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra sức điện động (sđđ). Có hai cách
để tạo ra sự biến thiên của từ thông xuyên qua dây quấn phần ứng.
+ Cho dây quấn phần ứng chuyển động tương đối trong từ trương
phần cảm.
+ Cho xuyên qua dây quấn phần ứng đứng yên, một từ trương phần
cảm đập mạch hoặc một từ trường không đổi nhưng từ dẫn mạch từ
hay đổi
Yêu cầu từ trường phân bố dọc khe hở của máy hình sin để sđđ cảm
ứng trong dây quấn có dạng hình sin
Thực tế: do cấu tạo máy, từ trường của cực từ và của dây quấn đều
khác sin → phân tích thành sóng cơ bản (bậc 1) và sóng bậc cao ν
(bậc 3,5,.)
Phân tích từ cảm B thành các sóng hình sin B1, B3, B5, B7, .
Từ trường B1 có bước cực τ, Bν có bước cực τν = τ / ν.
Khi rôto chuyển động, từ trường B1, B3, B5, B7, . cảm ứng trong dây
quấn sđđ e1, e3, e5, e7, . Do tần số f khác nhau nên sđđ tổng trong
dây quấn sẽ có dạng không sin
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Máy điện - Chương 6: Sức điện động và sức từ động - Phạm Khánh Tùng
của một bối dây (phần tử) Sđđ của một vòng dây gồm hai thanh dẫn đặt trong hai rãnh cách nhau một khoảng y là hiệu số hình học các sđđ lệch nhau một góc (y/τ)π của hai thanh dẫn đó. Từ hình vẽ: Với: ntdv '' td ' tdv k..f2 2 y sinE2E EEE 2 sin 2 y sinkn CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Thông thường: nên kn – hệ số bước ngắn Nếu trong hai rãnh nói trên có đặt một bối dây (phần tử) gồm Npt vòng dây thì sđđ của bối dây: 1 y ptnpt N.fk2E CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG c. Sđđ của một nhóm bối dây Giả thiết ta có q bối dây mắc nối tiếp và được đặt rải trong các rãnh liên tiếp nhau. Góc lệch pha trong từ trường giữa hai rãnh cạnh nhau: Với: Z/p – số rãnh dưới một đôi cực từ. Các vectơ Ept lệch pha nhau một góc α Góc γ = qα vùng pha. Z p.2 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Sđđ tổng của một nhóm bối dây Eq là tổng hình học của q vectơ: 2 sin 2 q sin 2 E 2 2 sin 2 q sin AK2E 2 q sinOA2ABE pt q q 1rptptq kqE 2 sinq 2 q sin qEE CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG kr = tổng hình học các sđđ / tổng số học các sđđ. Gọi là hệ số rải Sđ đ của một bối dây: Với: kdq – hệ số dây quấn. kdq = knkr ptdqq ptrnq N.qk.f2E qNkk.f2E CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG d. Sđđ của dây quấn một pha Dây quấn một pha gồm một hoặc nhiều nhánh đồng nhất ghép song song do đó sđđ của một pha là sđđ của một nhánh song song. Mỗi nhánh gồm n nhóm bối dây có vị trí giống nhau trong từ trường của các cực từ nên sđđ của chúng cộng số học với nhau: trong đó: W = n.q.Npt – số vòng dây của một nhánh song song hay của một pha. .f.Wk2.fN.q.nk2E dqptdqf CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 1.2. Sđđ của dây quấn do từ trường sóng bậc cao Biểu thức sđđ từ trường sóng bậc cao giống trường hợp bậc cơ bản, chú ý rằng bước cực của từ trường bậc ν nhỏ hơn ν lần do đó góc điện 2π của từ trường sóng cơ bản ứng với góc 2νπ đối với từ trường bậc ν, như vậy: Hệ số dây quấn của sóng bậc ν: Tần số của sóng bậc ν: 2 sinkn 2 sin.q 2 q sin k r rn.dq kkk f.f CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Sđđ cảm ứng của sóng bậc ν: Với: Từ những phân tích trên ta thấy rằng, khi từ trường cực từ phân bố không hình sin, sđđ cảm ứng trong dây quấn một pha là tổng của một dãy các sđđ điều hòa có tần số khác nhau. Trị hiệu dụng sđđ đó có trị số: .f.Wk2E .dq .lB 2 .m ...E...EEEE 225 2 3 2 1 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 2. CẢI THIỆN DẠNG SÓNG SỨC ĐIỆN ĐỘNG Nguyên nhân làm cho sđđ cảm ứng không sin là từ cảm B không sin. Sau đây là các biện pháp để làm cho sđđ cảm ứng có dạng sin. 2.1. Tạo độ cong mặt cực để B sin Với δ là khe hở nhỏ nhất giữa mặt cực, δ tăng dần về 2 phía mỏm cực từ, để B hình sin thì δx cách giữa mặt cực bằng: Nếu gọi b là bề rộng mặt cực thì: b = (0,65 - 0,76)τ và δmax = (1,5-2,5)δ. xcos x CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 2.2. Rút ngắn bước dây quấn Khi dây quấn bước đủ y = τ thì tất cả các sđđ bậc cao đều tồn tại vì: Khi dây quấn bước ngắn y < τ thì sđđ bậc cao tùy ý sẽ bị triệt tiêu, như: rút ngắn bước dây quấn 1 2 sinkn 5 4y 5 1 0E0 25 4 5sink 55n 1 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Muốn triệt tiêu sđđ bậc cao ν (Eν = 0) → rút ngắn bước dây quấn Chú ý: • Bước ngắn không đồng thời triệt tiêu tất cả sđđ bậc cao vì vậy phải chọn bước ngắn thích hợp. • Rút ngắn bước dây quấn sđđ bậc một cũng giảm đi một ít nhưng không đáng kể. 1 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 2.3. Thực hiện dây quấn rải Khi q = 1 thì krv = ± 1 nghĩa là các sđđ bậc cao không giảm. Khi q > 1 thì các sđđ bậc cao đều giảm nhỏ. Xem bảng, ta thấy rằng có một số bậc cao không bị giảm yếu đi mà có krv = kr1 bậc của sđđ đó có thể biểu thị như sau: νZ = 2mqk ± 1 trong đó: k = 1, 2, 3,...; m: số pha; q: số rãnh của một pha dưới một cực từ. Vì: 2mq = Z/p nên ta có: 1k p Z Z CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Các sóng điều hòa νZ gọi là sóng điều hòa răng. Sở dĩ có krν = kr1 là do góc lệch ανZ giữa các sđđ của các bối dây đặt trong các rãnh liên tiếp do từ trường bậc νZ hoàn toàn bằng góc lệch α ứng với từ trường sóng cơ bản: Kết luận : Quấn rải không triệt tiêu được sóng điều hòa răng, tuy nhiên q tăng νZ tăng theo và BmνZ nhỏ đi, kết quả là sóng điều hòa răng cũng nhỏ đi tương ứng và dạng sóng sđđ cũng cải thiện được một phần. Có thể giảm sóng điều hòa răng nhiều bằng cách dùng dây quấn có q là phân số k2 Z p.2 k21 p Z k Z p.2 . ZZ CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 2.4. Thực hiện rãnh chéo νZ = (Z/p).k ± 1 Trường hợp k = 1 là lớn nhất, để triệt tiêu được sđđ này ta chọn bước rãnh chéo là: bc = 2τνZ = 2τ/νZ = 2τ.p/(Z ± p) Thực tế thường chọn: bc = 2.τ.p/Z = πD / Z Tất cả các sóng điều hòa đều bị giảm đi rất nhiều. CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 3. SỨC TỪ ĐỘNG ĐẬP MẠCH VÀ SỨC TỪ ĐỘNG QUAY Để việc khảo sát được đơn giản, giả thiết: • Khe hở δ đều. • Từ trở thép rất nhỏ Rµ thép ≈ 0, nghĩa là µFe = ∞ . 3.1. Stđ đập mạch. Biểu thức toán học của stđ đập mạch: Trong đó: α – góc không gian cos.tsinFF m CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Trong biểu thức trên, nếu t = const Với Fm1 = Fsinωt – là biên độ tức thời stđ đập mạch và lúc đó sự phân bố của F là hình sin trong không gian. Khi α = const (ở vị trí cố định bất kỳ) )(fcosFF 1m tsinFF 2m Với Fm2 = F cosα và F ở vị trí đó biến đổi tuần hoàn theo thời gian. Như vậy: Stđ đập mạch là một sóng đứng, nó phân bố hình sin trong không gian và biến đổi hình sin theo thời gian CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 3.2. Stđ quay tròn Biểu thức toán học stđ quay tròn: Giả sử ta xét một điểm bất kỳ của sóng stđ có trị số không đổi Lấy đạo hàm theo thời gian: Ta thấy, đạo hàm α theo t chính là tốc độ góc quay: )tsin(FF m consttconst)tsin( dt d CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Tương ứng với sóng quay thuận, tức là dấu (-) trong biểu thức stđ 0 dt d 0 dt d Tương ứng với sóng quay ngược, tức là dấu (+) trong biểu thức stđ CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 3.3. Quan hệ giữa stđ đập mạch và stđ quay Từ biểu thức stđ đập mạch → quan hệ giữa stđ đập mạch và stđ quay Stđ đập mạch là tổng của hai stđ quay : F1 – quay thuận với tốc độ góc + ω F2 – quay ngược cùng tốc độ góc – ω Biên độ của các stđ quay bằng một nửa biên độ stđ đập mạch )tsin(F 2 1 )tsin(F 2 1 cos.tsinF mmm 21 FFF CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Từ biểu thức stđ quay → quan hệ giữa stđ quay và stđ đập mạch Stđ quay là tổng hợp của hai stđ đập mạch: Lệch pha nhau trong không gian một góc π/2 Khác pha nhau về thời gian một góc là π/2 sin.tcosFcos.tsinF)tsin(F mmm ) 2 cos(). 2 tsin(Fcos.tsinF)tsin(F mmm CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 4. STĐ CỦA DÂY QUẤN MỘT PHA 4.1. Stđ của một phần tử Các giả thiết: - Dây quấn đặt ở stato - Phần tử có Npt vòng dây - Dây quấn bước đủ (y = t ). - Phần tử dây quấn có dòng điện - Ta có đường sức từ sinh ra như hình bên tsin2Ii CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Theo định luật toàn dòng điện, dọc theo đường sức từ khép kín trong đó H - cường độ từ trường dọc theo đường sức từ. Nếu giả thiết Rµ rất nhỏ (µFe = ∞) nên HFe = 0, ta có: Stđ ứng với một khe hở: ptN.ild.H ptN.i2H ptpt N.i 2 1 F CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 1) Đường biểu diễn stđ khe hở dưới một bước cực có thể biểu thị bằng hình chữ nhật abcd có độ cao bằng i.Npt / 2 và ở bước cực tiếp theo bằng hình chữ nhật dega với qui ước nếu đường sức từ hướng lên Fpt được biểu thị bằng tung độ dương 2) Vì nên stđ phân bố dọc khe hở dạng hình chữ nhật, có độ cao thay đổi về trị số và dấu theo dòng điện xoay chiều i. tsin2Ii CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ phân bố hình chữ nhật trong không gian và biến đổi hình sin theo thời gian đó có thể phân tích thành dãy Fourier có các sóng điều hòa 1, 3, 5, 7... , Trong đó: ...cosF...3cosFcosFF pt3pt1ptpt ...5,3,1 .ptpt cosFF 2 sinF 4 d.cosF 2 F pt 2/ 2/ ptpt tsinN.I 2 2 N.i 2 1 F ptptpt CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG ...5,3,1 m.ptpt tsin.cosFF Biểu thức của stđ phần tử: Trong đó: Stđ của một phần tử có dòng điện xoay chiều là tổng của ν sóng đập mạch phân bố hình sin trong không gian và biến đổi hình sin theo thời gian pt ptptm.pt N.I 9,0N.I 22 2 sinN.I 22 F CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 4.2. Stđ của dây quấn một lớp bước đủ Xét stđ dây quấn một lớp bước đủ với q = 3 + Dây quấn một lớp. + Có q = 3 phần tử. + Phần tử có Npt vòng dây. + Góc lệch pha của hai phần tử cạnh nhau: Z p.2 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ tổng = Tổng 3 stđ của 3 phần tử. Stđ bậc một của một nhóm có q phần tử : (giống biểu thức sđđ) với kr1 : hệ số quấn rải Sóng bậc ν của một nhóm có q phần tử : với krν : hệ số quấn rải bậc ν. Stđ của dây quấn một lớp bước đủ : 1pt1r1q Fk.qF ptrq Fk.qF ,..5,3,1 rm.ptq tsin.coskF.qF CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 4.3 Stđ của dây quấn một pha hai lớp bước ngắn Stđ của dây quấn một pha hai lớp bước ngắn có thể dược xem như tổng stđ của hai dây quấn một lớp bước đủ, một đặt ở lớp trên và một đặt ở lớp dưới nhưng lệch pha nhau một góc γ độ điện CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Đối với sóng cơ bản: góc lệch: với Đối với sóng bậc ν: với : )1( /y 1n1q1qf kF2 2 )1cos(F2F nqq.f kF2 2 )1(cosF2F 2 sin 2 )1(coskn CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ của dq một pha hai lớp bước ngắn Trong đó: với W = 2.p.q.Npt – số vòng dây của một pha Stđ của một pha là tổng hợp của một dãy stđ đập mạch phân bố hình sin trong không gian biến đổi hình sin theo thời gian ..5,3,1 m.ptnrf tsin.cosFkqk2F ..5,3,1 ff tsin.cosFF I p. k.W 9,0I p. k.W22 F dqdq f CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 5. STĐ CỦA DÂY QUẤN NHIỀU PHA Giả thiết dây quấn ba pha đặt lệch nhau một góc 120o điện hay 2π/3 và có dòng điện chạy qua: Stđ của từng pha: )3/4tsin(I2i )3/2tsin(I2i tsinI2i C B A ..5,3,1 fC ..5,3,1 fB ..5,3,1 fA )3/4(cos)3/4tsin(Fi )3/2(cos)3/2tsin(FF costsinFF 5.1. Stđ của dây quấn ba pha CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Để có stđ của dây quấn ba pha ta lấy tổng ba stđ đập mạch đó. Muốn cho sự phân tích được dễ dàng, ta phân stđ bậc ν của mỗi pha thành hai stđ quay thuận và quay ngược như vậy stđ tổng của dây quấn ba pha sẽ là tổng của tất cả stđ quay thuận và quay ngược đó: )tsin( 2 F )tsin( 2 F costsinFF fffA )]3/2()3/2tsin[( 2 F )]3/2()3/2tsin[( 2 F )3/2(cos)3/2tsin(FF f f fB CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG )]3/4()3/4tsin[( 2 F )]3/4()3/4tsin[( 2 F )3/4(cos)3/4tsin(FF f f fC Trong đó : ν = 1, 3, 5, . . có thể chia thành ba nhóm: 1) ν = mk = 3k (với k = 1, 3, 5.. thì ν = 3, 9, 15, .. ) 3) ν = 2mk + 1 = 6k + 1 (với k = 0, 1, 2, 3.. thì ν = 1, 7, 13, .. ) 4) ν = 2mk - 1 = 6k - 1 (với k = 1, 2, 3.. thì ν = 5, 11, 17, .. ) CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Xét stđ quay thuận: ]3/2)1(0)tsin[( 2 F )tsin( 2 F F fft.A ]3/2)1(1)tsin[( 2 F )]3/2()3/2tsin[( 2 F F f f t.B ]3/2)1(2)tsin[( 2 F )]3/4()3/4tsin[( 2 F F f f t.C Tổng của chúng là tổng các sóng quay hình sin lệch pha nhau một góc (ν - 1)2π/3 CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Xét với nhóm ν = 3k Nhóm có 3 stđ lệch pha nhau 1 góc 2π/3 và quay cùng tốc độ nên tổng của chúng bằng không 3/2k2 3/2)1k3(3/2)1( CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Xét với nhóm ν = 6k + 1 Nhóm có 3 stđ trùng pha, nên tổng của chúng: k4 3/2]1)1k6[(3/2)1( 1k6 fth )tsin(F 2 3 F CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Xét với nhóm 6k – 1 Nhóm có 3 stđ lệch pha nhau một góc 4π/3 và stđ tổng của chúng bằng không. 3/4k4 3/2]1)1k6[(3/2)1( CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Tương tự, ta xét stđ quay ngược, các stđ ba pha lệch nhau góc với nhóm ν = 3k và ν = 6k+ 1 có stđ tổng bằng không. Nhóm v = 3k: Nhóm v = 6k + 1: Riêng nhóm ν = 6k – 1: Các stđ trùng pha nhau nên tổng của các pha: 1k6 fng )tsin(F 2 3 F 3/2k23/2)1k3(3/2)1( 3/4k43/2]1)1k6[(3/2)1( k43/2]1)1k6[(3/2)1( CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ của dây quấn ba pha Trong đó : 1k6 f3 1k6 f 1k6 fngth3 )tsin(F 2 3 F )tsin(F 2 3 )tsin(F 2 3 FFF I p. k.W 35,1I p. k.W23 F 2 3 dqdq f CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ của dây quấn ba pha là tổng các stđ bậc ν = 6k+ 1 quay thuận và các stđ bậc ν = 6k - 1 quay ngược: Biên độ: Tốc độ: hay với fF 2 3 n n p f.60 n CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 5.2. Stđ của dây quấn hai pha Dây quấn 2 pha đặt lệch pha nhau trong không gian một góc 90o điện và dòng điện hai pha lệch pha nhau một góc 90o. Phân tích như trường hợp dây quấn 3 pha: Trong đó: Stđ của dq hai pha là tổng của các stđ bậc ν =2mk+1= 4k+ 1 quay thuận và các stđ bậc ν = 2mk-1= 4k - 1 quay ngược. Biên độ bằng biên độ của stđ một pha bậc ν, và tốc độ quay của stđ bậc ν là nν = n/ν. 1k4 f2 )tsin(FF I p. k.W 9,0F dq f CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG 5. PHÂN TÍCH STĐ DÂY QUẤN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ Xét stđ sinh ra bởi dòng điện ba pha iA, iB, iC chạy trong dây quấn ba pha AX, BY, CZ đặt lệch pha nhau trong không gian một góc là 120o; máy điện có q = 1 và p = 1. Tại thời điểm t = 0, cho dòng điện pha A đạt cực đại 2/Iii;Ii mCBmA Giả thiết chiều dòng điện pha A chạy từ X → A ta suy ra chiều dòng trong pha B, C như hình bên. CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Vẽ được các stđ FA, FB, FC tìm được stđ F tổng CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Tại thời điểm t = T/3, dòng điện pha B đạt cực đại Chiều dòng điện pha B chạy từ Y → B ta suy ra chiều dòng trong pha A, C và vẽ được stđ FA, FB, FC tìm được stđ F tổng 2/Iii;Ii mACmB CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG Stđ do dòng điện ba pha chạy trong dây quấn ba pha là stđ quay có chiều quay trong không gian và có tốc độ : Trục stđ tổng trùng với trục pha có dòng điện cực đại. )s/vg( p f n);ph/vg( p f.60 n CHƯƠNG 6: SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ SỨC TỪ ĐỘNG
File đính kèm:
- bai_giang_may_dien_chuong_6_suc_dien_dong_va_suc_tu_dong_pha.pdf