Giáo trình Máy điện II - Chương 2: Từ trường trong máy điện đồng bộ

Ch−ơng 2. 
Từ tr−ờng trong máy điện đồng bộ 
2.1 Đại c−ơng. 
Từ tr−ờng trong m.đ.đ.b bao gồm: Từ tr−ờng cực từ Ft do dòng điện kích thích it vμ từ 
tr−ờng phần ứng F− dòng điện phần ứng I− tạo nên. 
Khi không tải (I = 0), trong máy chỉ có từ tr−ờng Ft. Nếu roto quay Ft quét qua dây 
quấn stato vμ cảm ứng nên trong đó S.đ.đ không tải E0 
Khi có tải (I ≠ 0) , trong máy ngoμi Ft còn có F−. Với máy 3 pha F− lμ từ tr−ờng quay, từ 
tr−ờng nμy bao gồm từ tr−ờng cơ bản vμ từ tr−ờng bậc cao. Trong đó từ tr−ờng cơ bản lμ 
quan trọng nhất. 
Tác dụng của từ tr−ờng phần ứng F− lên từ tr−ờng cực từ Ft gọi lμ phản ứng phần ứng. 
Khi mạch từ không bảo hoμ ta xét riêng Ft vμ F− rồi xếp chồng để đ−ợc Fδ. 
Trong ch−ơng nμy ta cũng xác định các điện kháng do các từ tr−ờng trên sinh ra. 
2.2 Từ tr−ờng của dây quấn kích thích (Ft). 
1. Máy cực lồi. 
Sức từ động của một cực từ: 
p2
iw
F ttt = 2-1 
Từ thông do Ft sinh ra khi p = 2 nh− hình 2.1. Trong đó: φt lμ từ thông chính, nó đi qua 
khe hở không khí vμ móc vòng với dây quấn Stato; φσt lμ từ thông tản của cực từ. 
 Sự phân bố của từ tr−ờng vμ từ cảm trong khe hở nh− hình 2.1 vμ 2.2. 
Hình 2.1 Sự phân bố của từ tr−ờng kích thích Hình 2.2 Phân bố của từ cảm trong khe hở
Máy điện 2 5
Trên hình 2.2 sự khác nhau giữa từ cảm cơ bản vμ từ cảm kích từ BBt đ−ợc biểu thị qua 
hệ số dạng sóng. 
tmB
tm1B
tk = (2-2) 
Trong đó: BBtm1 lμ biên độ của sóng từ cảm cơ bản; BtmB lμ trị số cực đại của từ cảm 
kt ∈δm/δ; α = bc / τ. Th−ờng δm/δ = 1-2,5; α = 0,67-0,75 vμ kt = 0.95-1,15 
Từ 2.2 ta có: 
t.k2p
t.itw
.d.kk
0
t.k.d.kk
tF0
tm.Btktm1B δμδ
μ
δμδ
μ === (2-3) 
kδ lμ hệ số khe hở ; kμd lμ hệ số bão hoμ dọc trục cực từ. 
Từ thông ứng với sóng cơ bản 
 tkp
t.itw.
.d.kk
.l
.
2
0.l.tm1B
2
t1 δμδ
δτμ
δτπ
==φ (2-4) 
Từ thông móc vòng Ψt−d = w.kdq.Φt1.cosωt vμ sức điện động hổ cảm trong dây quấn 
stato 
 tsinω0mEtsinωt1Φdqω.w.kdt
 t−ddΨ
0e ==−= 
Khi rô to quay với tốc độ góc ω = 2.π.f thì từ thông móc vòng với dây quấn phần ứng 
sẽ lμ: ψt−d = W.kdq.φt1.cosωt 
Sức điện động hổ cảm trong dây quấn sẽ lμ: 
 t..sinEt..sin.W.k
dt
d
e 0mt1dq
tud
0 ωωω
Ψ ==−= φ 
Trong đó: tudtudttt
d
0
dq0m .ix.i.M.ip
.kW
.
..kk
.l
.W.kE === ω
δπ
τμ
ω
μδ
δ 2-5 
Vậy hệ số hổ cảm của dq kích thích vμ dq phần ứng lμ 
p
.kW
.
..kk
.l
M tt
d
0
ud δπ
τμ
μδ
δ= 2-6 
vμ điện kháng hổ cảm x−d = ω.M−d 2-7 
Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích. 
 Lt = Ltδ + Lσt 2-8 
Với: Lσt lμ hệ số tự cảm do từ tr−ờng tản gây ra (tra tμi liệu TK); Ltδ lμ hệ số tự cảm do 
từ tr−ờng khe hở φtδ gây ra. 
Nếu gọi kφ lμ tỷ số giữa diện tích giới hạn bởi đ−ờng 1 vμ đ−ờng 2 hình 2.2 thì. 
 φtδ = kφ.φt1 ⇒ φ
μδ
δδ
δ δπ
τμ
.k.k
p
W
.
..kk
.l
i
.W
L t
2
t
d
0
t
tt
t == φ 2-9 
Máy điện 2 6
2. Máy cực ẩn. 
Hình 2.3 biểu diễn sự phân bố của từ cảm cực từ vμ sóng cơ bản. Lấy trục cực từ lμm 
gốc ta tính đ−ợc. 
tm
2
π
2
γ)π(1
tm
2
γ).π(1
0
tm
2
π
2
π
ttm1 B
2
γπ
2
γπ
sin
π
4
α).cosα.dα
2
π
(B
γ.π
2
.
π
4
dαcosαB
π
4
αdcosB
π
2
B =−+== ∫∫∫
−
−
−
αα 
Vậy với máy cực ẩn: 
2
γπ
2
γπ
sin
.
π
4
B
B
k
tm
tm1
t == 2-10 
Th−ờng γ = 0,6 - 0,85, nên kt = 1,065 - 0,965. 
Hệ số hình dáng 
tk
.
3
2
1
.
2
k
γπ −=φ 2-11 
Hệ số hổ cảm vμ tự cảm của máy cực ẩn cũng 
đ−ợc xác định theo biểu thức 2.6 vμ 2.9. 
2.3 Từ tr−ờng phần ứng. 
Khi máy điện đồng bộ lμm việc từ tr−ờng do 
dòng điện I− chạy trong dây quấn Stato sinh ra gọi 
lμ từ tr−ờng phần ứng F−. Tác dụng của F− lên Ft gọi lμ phản ứng phần ứng. Tuỳ thuộc vμo 
tính chất của tải vμ dạng cực từ mμ phản ứng phần ứng có các dạng khác nhau. 
Hình 2.3 Sự phân bố của từ cảm cực từ 
1. Phản ứng phần ứng ngang trục vμ dọc trục 
Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha đ−ợc t−ợng tr−ng bằng một vòng 
dây, thời điểm xét I& A = Im; I& B = I& C = - Im/2 
a/ Khi tải thuần trở. 
Khi tải đối xứng vμ thuần trở, I& vμ E& 
trùng pha nhau (ψ = 0). Tại thời điểm 
xét iA = Im nên F− ≡ I& A ≡ E& A còn s.t.đ 
sinh ra e
AF&
A = E& Am sẽ v−ợt pha tr−ớc E&
t
A 
một góc π/2. Nh− vậy trong tr−ờng hợp 
nμy uF& − ⊥ , phản ứng phần ứng lμ 
ngang trục. Đồ thị véc tơ thời gian 
F&
I& , E& 
vμ không gian , nh− hình 2.4 uF& tF&
Hình 2. 4 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở
Máy điện 2 7
b/ Khi tải thuần cảm. 
E& A v−ợt pha tr−ớc I& A một góc π / 
2 vμ v−ợt pha tr−ớc tF& E& A một góc π 
/2, nên vμ trùng ph−ơng nh−ng 
ng−ợc chiều, phản ứng phần ứng lμ 
dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời 
gian 
uF& tF&
I& , E& vμ không gian , nh− 
hình 2.5 
uF& tF&
Hình 2.5 Phản ứng phần ứng khi tải thuần cảm
c/ Khi tải thuần dung. 
E& A chậm pha so với I& A một góc π / 
2 vμ v−ợt pha tr−ớc tF& E& A một góc π 
/2, nên vμ trùng ph−ơng, chiều 
với nhau nên, phản ứng phần ứng lμ 
dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời 
gian 
uF& tF&
I& , E& vμ không gian , nh− 
hình 2.6 
uF& tF&
d/ Khi tải hổn hợp. 
E& A lệch so với I& A một góc ψ, ta phân 
 thμnh 2 thμnh phần: uF&
F−d = F−.sinψ - dọc trục 
F−q = F−.cosψ - ngang trục 
Vậy khi 0 < ψ < π/2, phản ứng 
phần ứng lμ ngang trục vμ khử từ 
Vậy khi -π/2 < ψ < 0, phản ứng 
phần ứng lμ ngang trục vμ trợ từ 
Hình 2.6 Phản ứng phần ứng khi tải thuần dung
Hình 2.7 Phản ứng phần ứng khi tải có tính 
2. Từ cảm do từ tr−ờng phần ứng vμ các điện kháng t−ơng ứng. 
a/ Máy đồng bộ cực ẩn. 
Với máy đồng bộ cực ẩn δ đều, nếu mạch từ không bảo hoμ thì từ trở lμ hằng số, nh− 
vậy nếu F− lμ sin thì BB− cũng sin. 
.I
p
W.k
π
2m.
.δ.kk
μ
.F
.δ.kk
μ
B dq
μδ
0
u
μδ
0
um == 2-12 
vμ .I
p
W.k
π
2m.
.δ.kk
.l.2.μ
.l..B
π
2 dq
2
μδ
δ0
δumu
ττφ == 2-13 
Sức điện động phần ứng do từ thông φ− cảm ứng nên có trị số: 
udqudqu ..f.W.k2π..W.k2
ω
E φφ == vμ 
p
.kW
.δ.kπ.k
.l.μ
4.m.f.
I
E
x
2
dq
2
μδ
δ0
u
u
u
τ== 2-14 
Th−ờng x− = 1,1 - 2,3 
Máy điện 2 8
b/ Máy đồng bộ cực lồi. 
Máy đồng bộ cực lồi δ dọc trục vμ ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ lμ 
sin nh−ng từ cảm sẽ không sin. Sự không sin của BB− còn phụ thuộc vμo tính chất của tải. Để 
thuận lợi ta phân F− ứng với một tải bất kỳ thμnh hai thμnh phần dọc trục vμ ngang trục nh− 
hình 2.8 
Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ vμ từ cảm dọc trục vμ ngang trục 
Ta có: 
d
dqdq
uud Ip
W.k
π
2m.
I.sinψ
p
W.k
π
2m.
.sinψFF === 2-15 
q
dqdq
uuq Ip
W.k
π
2m.
I.cosψ
p
W.k
π
2m.
.cosψFF === 2-16 
vμ từ cảm t−ơng ứng. 
ud
μdδ
0
udm F.δ.kk
μ
B = vμ uq
μqδ
0
uqm F.δ.kk
μ
B = 2-17 
Thực tế BB−d vμ B−qB phân bố không sin, phân tích thμnh sóng cơ bản vμ sóng bậc cao. Với 
các sóng cơ bản ta có hệ số dạng sóng: 
udm
udm
ud B
Bk 1= vμ 
uqm
uqm
uq B
B
k 1= 2-18 
Các hệ số k−d vμ k−q phụ thuộc vμo α, δm/δ, δ/τ đ−ợc tính sẵn trong tμi liệu thiết kế 
Các điện kháng t−ơng ứng xác định nh− máy cực ẩn: 
ud
2
dq
2
d
0
d
ud
ud kp
.kW
..k.k
.l.
4.m.f.
I
E
x
δπ
τμ
μδ
δ== 2-19 
uq
2
dq
2
q
0
q
uq
uq kp
.kW
..k.k
.l.
4.m.f.
I
E
x
δπ
τμ
μδ
δ== 2-20 
Th−ờng: x−d = 0,5 - 1,5; x−q = 0,3 - 0,9 
Máy điện 2 9
2.4 Quy đổi các S.T.Đ trong máy điện đồng bộ 
Chế độ lμm việc xác lập, tải đối xứng tác dụng của F− lên Ft lμ trợ từ hoặc khử từ. Để 
đánh giá đ−ợc mức độ ảnh h−ởng đó ta phải quy đổi F− về Ft vμ nh− vậy khi xét các đặc 
tính lμm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục toạ độ vμ đ−ờng cong 
không tải E = f(it). 
Chế độ quá độ ta phải quy đổi ng−ợc lại Ft về F−. 
Việc quy đổi phải đảm bảo điều kiện: 
BBtm1 = B−m1 2-21 
Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có: 
t
μδ
0
ttmttm1 .F.δ.kk
μ
.k.BkB == vμ t
μδ
0
tmum1 .F.δ.kk
μ
BB == 2-22 
Vậy uu
t
u
u .Fkk
F
F ==′ hay 
t
u k
1
k = 
Với máy cực lồi theo h−ớng dọc trục: 
t
μdδ
0
ttmttm1 .F.δ.kk
μ
.k.BkB == vμ ud
μdδ
0
ududmududm1 .F.δ.kk
μ
.k.BkB == 2-23 
Sức từ động phần ứng dọc trục đã quy đổi về s.t.đ cực từ: 
dud
t
ud
udud .kFk
k
FF ==′ với kd = k−d / kt
Cũng vậy, theo h−ớng ngang trục: 
 quq
t
uq
uquq .kFk
k
FF ==′ với kq = k−q / kt
Các hệ số kd vμ kq phụ thuộc vμo α, δm/δ, δ /τ đ−ợc tính sẵn trong tμi liệu thiết kế. 
Máy điện 2 10