Điện, điện tử - Chương 2: Dây quấn phần ứng máy điện một chiều

Chương 2Dây quấn phần ứng máy điện một chiều2-1. Đại cương Dây quấn phần ứng là bộ phận quan trọng nhất của máy điện vì nó tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng hay ngược lại. Yêu cầu đối với dây quấn phần ứng: - Phải sinh ra được một s. đ. đ cần thiết và có thể cho một dòng điện nhất định đi qua để sinh ra được một mômen cần thiết mà không bị nóng quá cho phép. - Triệt để tiết kiệm kim loại màu, kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn và an toàn. 2.1.1. Cấu tạo của dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng gồm nhiều “phần tử dây quấn” nối với nhau theo một quy luật nhất định. Phần tử dây quấn còn gọi là “bối dây”. Bối dây gồm một hay nhiều vòng dây, hai đầu của bối dây nối vào hai phiến góp. Các phần tử nối với nhau thông qua các phiến góp tạo thành mạch vòng kín. Mỗi phần tử có hai cạnh tác dụng (phần đặt vào rãnh của lõi thép) và phần đầu nối (phần nối hai cạnh tác dụng nằm ngoài lõi sắt). Để dễ chế tạo, mỗi một phần tử có một cạnh tác dụng đặt ở lớp trên của rãnh này, còn cạnh tác dụng kia đặt ở lớp dưới của rãnh khác. Mỗi rãnh của phần ứng gọi là một rãnh thực. Nếu trong một rãnh thực chỉ đặt hai cạnh tác dụng, một ở lớp trên và một ở lớp dưới thì rãnh đó được gọi là rãnh nguyên tố (hình 2-1a).. Nếu trong một rãnh thực chỉ đặt hai cạnh tác dụng, một ở lớp trên và một ở lớp dưới thì rãnh đó được gọi là rãnh nguyên tố (hình 2-1a).. Nếu trong một rãnh thực đó có đặt 2u cạnh tác dụng (u = 1, 2, 3, ) thì có thể chia rãnh thực đó thành u rãnh nguyên tố (hình 2-1b, c). Như vậy: Znt = u.Z trong đó Z là số rãnh thực. Quan hệ giữa số phần tử dây quấn S, số rãnh nguyên tố Znt và số phiến góp G như sau: Znt = S = G Theo kích thước của các phần tử, dây quấn phần ứng chia thành hai loại: - Dây quấn có phần tử đồng đều: kích thước của các phần tử hoàn toàn giống nhau (hình 2-2a). - Dây quấn theo cấp: kích thước của các phần tử không giống nhau (hình 2-2b, c). a) b) c) Hình 2-1a)b)c)Hình 2-2  2.1.2 Các bước dây quấn Quy luật nối các phần tử dây quấn có thể được xác định theo các bước dây quấn (hình 2-3) a) Bước dây quấn thứ nhất y1: là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của cùng một bối dây, được đo bằng số rãnh nguyên tố. b) Bước dây quấn thứ hai y2: là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử thứ nhất với cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử thứ hai nối tiếp ngay sau đó, được đo bằng số rãnh nguyên tố. c) Bước dây quấn tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng tương ứng của hai phần tử liên tiếp nhau, đo bằng số rãnh nguyên tố. d) Bước vành góp yG: là khoảng cách giữa hai phiến góp nối vào hai cạnh tác dụng của cùng một phần tử, được đo bằng số phiến góp. Bước cực τ: là khoảng cách giữa hai cực từ tính theo chu vi phần ứng . τ = Znt/2p trong đó p - số đôi cựcy1 yy2123yGa)y1yy2123yG15158b)Hình 2-3. Các bước dây quấna) Dây quấn xếp; b) Dây quấn sóng.2-2. Dây quấn xếp đơn 2.2.1. Bước dây quấn a) Bước dây quấn thứ nhất y1 Bước dây quấn thứ nhất phải chọn sao cho s. đ. đ cảm ứng trong phần tử là lớn nhất. Muốn vậy, hai cạnh của phần tử phải cách nhau một bước cực, khi đó trị số tức thời của s. đ. đ của hai cạnh bằng nhau về trị số và ngược chiều nhau, s. đ. đ tổng của phần tử bằng tổng số học hai s. đ. đ của hai cạnh tác dụng. Vì số rãnh nguyên tố dưới một bước cực là Znt/2p nên tốt nhất là y1 = Znt/2p. : Khi y1 = Znt/2p = τ, ta có dây quấn bước đủ; Khi y1 = Znt/2p +ε, ta có dây quấn bước dài, Khi y1 = Znt/2p – ε, ta có dây quấn bước ngắn. Thường dây quấn thực hiện bước ngắn để tiết kiệm kim loại màu (dây đồng). Cả bước dài và bước ngắn s.đ.đ của phần tử đều nhỏ hơn so với bước đủ (hình 2-4), nhưng sự nhỏ hơn đó là không đáng kể.Nếukhông phải là số nguyên thì phải chọn y1 là một số nguyên gần bằng số nguyênTổng quát: b) Bước dây quấn tổng hợp y và bước vành góp yG. Đặc điểm của dây quấn xếp đơn là hai đầu dây của một phần tử nối vào hai phiến góp kề nhau nên yG = 1, cũng từ đấy thấy rằng y = 1. y = yG = 1 c) Bước dây quấn thứ hai y2 Theo định nghĩa và hình 2-3, ta có: y2 = y1 – y 2.2.2. Giản đồ khai triển của dây quấn Giản đồ khai triển là hình vẽ khai triển của dây quấn khi cắt bề mặt phần ứng theo chiều trục rồi trải ra thành mặt phẳng. Để hiểu rõ cách phân tích cách đấu dây của các phần tử, ta xét ví dụ sau: Một dây quấn xếp đơn có : Znt = S = G = 16; 2p = 4 N S1 2Chiều quay phần ứng1 1// 1/ 1/// y1 = τ-1’1’1a)1’’1-1’’b)Hình 2-4. S.đ.đ của phần tửa) Bước đủ;b) Bước ngắn;c) Bước dài-1’’’1c)1’’’ a) Các bước dây quấn: y1 = Znt/2p ± ε = 16/4 = 4 y = yG = 1 y2 = y1 - y = 4 - 1 = 3 b) Thứ tự nối các bối dây: Đánh số các rãnh từ 1 đến 16. Phần tử thứ nhất có cạnh tác dụng thứ nhất nếu coi như đặt nằm ở trên của rãnh nguyên tố thứ nhất thì cạnh tác dụng thứ hai của nó phải đặt vào phía dưới của rãnh thứ 5 (vì y1 = 5 - 1 = 4). Hai đầu của phần tử thứ nhất nối vào hai phiến góp 1 và 2. Cạnh thứ nhất của phần tử thứ hai đặt ở lớp trên của rãnh nguyên tố thứ hai (vì y2 = 5 - 2 = 3), cạnh thứ hai của nó đặt ở lớp dưới của rãnh thứ 6, cứ tiếp tục như vậy cho đến khi mạch khép kín. Thứ tự nối các phần tử có thể diễn tả bằng sơ đồ sau: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 Lớp dưới 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 Kín mạchLớp trên c) Giản đồ khai triểnTheo trình tự nối các phần tử ta có thể vẽ được giản đồ khai triển như ở hình 2-5.Quy ước cạnh của phần tử ở lớp trên vẽ nét liền, cạnh ở lớp dưới vẽ bằng nét đứt.Vị trí cực từ phải đối xứng, khoảng cách giữa chúng phải bằng nhau, chiều rộng cực từ bằng khoảng 0,7 bước cực.Vị trí chổi than trên phiến đổi chiều cũng phải đối xứng, khoảng cách giữa các chổi than phải bằng nhau. Bề rộng chổi than có thể lấy bằng một phiến đổi chiều. Vị trí tương đối giữa cực từ và chổi phải có một quan hệ nhất định. Chổi than phải đặt ở vị trí để s.đ.đ lấy ra ở hai đầu chổi than là lớn nhất, đồng thời dòng điện trong phần tử khi bị chổi than nối ngắn mạch là nhỏ nhất (khi hai cạnh của phần tử nằm ở vị trí trùng với đường trung tính hình học). Muốn vậy, vị trí chổi than đặt trên vành góp phải trùng với trục cực từ Trong một số hình vẽ ta qui ước vẽ vị trí của các chổi than ở đường trung tính hình học trên phần ứng. Hình 2-5. Giản đồ khai triển dây quấn xếp đơn 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 A1A2B2B1++__+CDChiều quay phần ứng_ N N S S d) Số đôi mạch nhánh song song Tại thời điểm dây quấn quay đến vị trí như ở hình 2-5 ta thấy, s. đ. đ của các phần tử giữa hai chôi than là cùng chiều, chổi A1 và A2 cùng cực tính (cực +), chổi B1 và B2 cùng cực tính (cực -). Vì vậy thường nối A1 với A2 và B1 với B2. Nhìn từ ngoài vào, dây quấn có thể biểu diễn bằng sơ đồ ký hiệu như ở hình 2-6. Từ hình 2-6 thấy rằng, dây quấn là một mạch điện gồm 4 mạch nhánh ghép song song. Khi phần ứng quay, vị trí của các phần tử thay đổi nhưng nhìn từ ngoài vào vẫn là 4 mạch nhánh song song. Ở ví dụ trên, máy có 4 cực nên có 4 mạch nhánh song song. Tổng quát, nếu máy có 2p cực thì số mạch nhánh song song cúng sẽ là 2p. Như vậy, đặc điểm của dây quấn xếp đơn là: số đôi mạch nhánh song song bằng số đôi cực: a = p với a là số đôi mạch nhánh song songHình 2-6. Sơ đồ kí hiệu dây quấn xếp đơn4iư_+B2B1A1A2Eư, iưEư, iưEư, iưEư, iư4iư e) Dùng đa giác s.đ.đ. nghiên cứu dây quấn phần ứng Giả thiết từ cảm dưới cực từ phân bố hình sin, khi đó s.đ.đ cảm ứng trong mối phần tử cũng biến đổi hình sin, ta có thể dùng một véctơ quay để biểu thị. Trị số tức thời của s.đ.đ. phần tử chính là hình chiếu của véctơ lên trục tung. Ta có thể biểu thị s.đ.đ. của tất cả các phần tử bằng hình sao s.đ.đ. Vì qua mỗi đôi cực s.đ.đ. biến đổi một chu kì 3600 điện, số rãnh nguyên tố dưới một đôi cực là Znt/p, nên góc độ điện giữa hai rãnh nguyên tố cũng chính là góc độ điện giữa hai s.đ. đ. của hai phần tử kề nhau và bằng: Theo thí dụ trên, p = 2, Znt = S = 16 thì α = 450Hình 2-7. Dây quấn xếp trái 16 1 4 5 y1 y2 y 14 15 16 1 2 Trong thí dụ trên yG = 1, dây quấn được xếp theo thứ tự từ trái sang phải, gọi là dây quấn xếp phải. Nếu yG = -1 thì đầu cuối của phần tử phải nằm bên trái của đầu đầu của phần tử, khi đó ta có dây quấn trái (hình 2-7). Cách này tốn đồng hơn nên ít dùng. Theo hình 2-5 ta thấy, các phần tử 1, 2, 3 lần lượt quét qua các cực từ nên s.đ.đ. của phần tử 2 (véctơ 2) chậm sau s.đ.đ. của phần tử 1 (véctơ 1) một góc 450. Với quy ước như trên ta vẽ được hình tia s.đ.đ. của dây quấn như hình 2-8a. Theo hình 2-5, từ rãnh 1 đến rãnh 8 nằm dưới đôi cực từ thứ nhất chiếm 3600 điện nên ta vẽ được một hình sao s.đ. đ. gồm các véc tơ từ 1 đến 8, các véc tơ lệch pha nhau một góc 450. Từ rãnh 9 đến rãnh 16 nằm dưới đôi cực từ thứ hai, có vị trí dưới các cực từ giống như các rãnh từ 1 đến 8 dưới đôi cực từ thứ nhất cho nên ta vẽ được một hình sao s.đ.đ. thứ hai trùng với hình sao s.đ.đ.thứ nhất. Do tất cả các phần tử của dây quấn phần ứng được nối tiếp với nhau, cuối phần tử trước nối với đầu phần tử sau, nên s.đ.đ. sinh ra trong chúng được cộng hình học với nhau (cộng các véctơ). Kết quả ta được đa giác s.đ.đ. Theo thí dụ trên, dây quấn có hai đa giác s.đ.đ. trùng nhau (hình 2-8b).Hình 2-8 Hình tia s.đ.đ. (a) và đa giác s.đ.đ. (b) của dây quấn xếp đơn hình 2-5α = 4501,95,137,153,112,106,148,164,12a)1,913,515,73,112,1014,616,84,12A2A1+9 101 2B1B2_6 514 13b)Dùng đa giác s.đ.đ. có thể thấy rõ các vấn đề sau: - Nếu đa giác khép kín, chứng tỏ tổng các s.đ.đ trong mạch vòng phần ứng bằng 0 và trong điều kiện làm việc bình thường sẽ không có dòng điện cân bằng. - Hình chiếu của đa giác lên trục tung là trị số cực đại của các véctơ s.đ.đ. của một số phần tử nối với nhau trong mạch vòng phần ứng. Muốn cho s.đ.đ. lấy ra ở hai đầu chổi than cực đại thì chổi than phải đặt ở các phần tử mà các véc tơ ở đỉnh và ở đáy đa giá.clà lớn nhất Khi rô to quay thì đa giác cũng quay, hình chiếu của đa giác lên trục tung cũng thay đổi chút ít theo chu kì, điều đó nói lên sự đập mạch của điện áp lấy ra ở chổi than. - Từ đa giác s.đ.đ. có thể thấy số đôi mạch nhánh song song a: mỗi đa giác tương ứng với một đôi mạch nhánh. - Những điểm trùng nhau trên đa giác là những điểm đẳng thế của dây quấn, có thể nối dây cân bằng điện thế, như điểm 1 – 9, 2 – 10, v.vHình 2-5. Giản đồ khai triển dây quấn xếp đơn 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 A1A2B2B1++__+CDChiều quay phần ứng_ N N S S