Chương 4 máy điện đồng bộ DHDL

Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ: • Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời chodòng điện một chiều vào dây quấn rôto dây quấn kích thích, rôto tr

Chương 4: Tổng quan về máy điện đồng bộ

 4.1 Đại cương về máy điện đồng bộ (MĐĐB)

 4.1.1 Nguyên lý làm việc của MĐĐB

 4.1.2 Cấu tạo của MĐĐB

 4.1.3 Các đại lượng định mức của MĐĐB

 4.2 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

 4.2.1 Các điều kiện làm việc song song của máy phát điện đồng bộ

 4.2.2 Các phương pháp hòa đồng bộ

• Trong máy điện đồng bộ, thường cực từ đặt ở rôto, còn dây quấn phần ứngđược đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian

1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác (Δ) như ở hình 4.1-1

• Dựa trên định luật cảm ứng điện từ

• Giống như các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính chất thuậnnghịch: có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ điện

4.1.1 Nguyên lý làm việc của Máy điện đồng bộ ( MĐĐB)

4.1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ:

• Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời chodòng điện một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thànhnam châm điện, từ trường của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato(dây quấn phần ứng), trong dây quấn stato xuất hiện s.đ.đ xoay chiều

• Tần số của s.đ.đ cảm ứng là:

trong đó: n là tốc độ quay của rôto, p là số đôi cực của máy

(4.1 1) 60

pn

4.1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ:

• Giá trị hiệu dụng của s.đ.đ cảm ứng trong mỗi pha của dây quấn stato là:

E = 4,44.f.W.kdq.Φ0 (4.1-2)trong đó: Φ0 - từ thông trong khe hở dưới một cực từ;

W - số vòng dây của mỗi pha dây quấn phần ứng;

kdq - hệ số dây quấn

• Khi dây quấn phần ứng của máy được nối với tải bên ngoài, dòng điện ba phađối xứng lệch nhau về thời gian 1200 điện chạy trong dây quấn ba pha đặt lệchnhau trong không gian một góc 1200 điện sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độlà:

So sánh (4.1-1) với (4.1-3) ta thấy n = n1, tốc độ quay rôto bằng tốc độ từ trường quay, vì vậy máy được gọi là máy điện đồng bộ.

60

1 

p f

4.1.1 Nguyên lý làm việc của Máy điện đồng bộ ( MĐĐB)

4.1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ:

• Cho dòng điện ba pha iA, iB, iC vào dây quấn ba pha của stato,

dòng điện ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 =

60f1/p

• Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm có hai

cực đang quay với tốc độ n1 (hình 4.1-2)

• Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto trở

thành một nam châm điện

• Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra

lực tác dụng lên rôto

• Từ trường stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ấy kéo rôto

quay với tốc độ n = n1

• Chú ý : Động cơ điện một chiều và động cơ KĐB đều làm việc

theo nguyên lý lực điện từ tác dụng, còn ở động cơ đồng bộ thì

làm việc theo nguyên lý lực tác dụng giữa hai từ trường

N

S

n 1 A

B C

Hình 4.1-2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ

- Theo kết cấu có thể chia MĐĐB thành 2 loại: Máy đồng bộ

cực ẩn và đồng bộ cực lồi

- Theo chức năng chia MĐĐB thành: Máy phát điện đồng bộ,

động cơ điện đồng bộ, máy bù đồng bộ

4.1.2.1 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực ẩn:

• Lõi thép rôto làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được

rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công phay rãnh để đặt dây

quấn kích từ, phần không phay rãnh làm thành mặt cực từ

• Mặt cắt ngang của lõi thép rôto như ở hình 4.1-3

• Các máy điện đồng bộ cực ẩn hiện đại thường chế tạo với số

cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000 vg/ph

• Để hạn chế lực ly tâm, đường kính D của rôto không vượt

quá 1,1 ÷ 1,15 m Để tăng công suất, người ta tăng chiều dài l

của rôto Chiều dài tối đa của rôto vào khoảng 6,5 m

Hình 4.1-3 Mặt cắt ngang trục

của lõi thép rôto

4.1.2 Cấu tạo của MĐĐB 4.1.2.1 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực ẩn:

• Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto (hình 3.2-4), được

chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo

chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây

được cách điện với nhau bằng mica mỏng

• Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng

rãnh được nêm chặt bằng các thanh thép phi từ tính

• Phần đầu nối ngoài rãnh cũng được đai chặt bằng các ống

thép phi từ tính

• Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với

hai vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi điện để đưa

dòng kích từ vào

• Dòng kích từ là dòng một chiều, được cung cấp từ hệ

thống kích thích

Đường sức từ Dây quấn kích từ Lõi thép rôto Dây quấn stato Vòng trượt Lõi thép stato Dây quấn kích từ

Hình 3.2-4 Mặt cắt ngang của máy điện đồng bộ cực ẩn

4.1.2.1 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực ẩn:

• Stato của máy điện đồng bộ cực ẩn gồm lõi thép, dây quấn ba pha, thân máy vànắp máy

• Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dầy 0,5 mm, hai mặt có phủ sơncách điện Dọc chiều dài lõi thép cứ khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gióngang trục rộng 10 mm

• Lõi thép stato được cố định trong thân máy Thân máy được chế tạo theo kếtcấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày, trong thân máy hìnhthành hệ thống đường thông gió làm mát máy

• Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc gang đúc Ở các máy công suất trungbình và lớn, ổ trục đặt ở giá đỡ ổ trục riêng cố định trên bệ máy

Máy phát điện tuabin hơi Rôto của một máy phát điện

tuabin hơi (cực ẩn) 4.1.2 Cấu tạo của MĐĐB

Kết cấu của một máy phát điện tuabin hơi (cực ẩn)

5 Rôto

4.1.2.2 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực lồi:

• Máy điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay

thấp, đường kính rôto D có thể tới 15 m, chiều

4.1.2.2 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực lồi:

• Lõi thép rôto của máy điện đồng bộ công suất nhỏ và trung bình được chế tạobằng thép đúc, được gia công thành khối hình lăng trụ hoặc hình trụ, trên mặt

có đặt các cực từ

• Ở các máy công suất lớn, lõi thép được chế tạo từ các tấm thép dày 1 ÷ 6mm,được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành khối hình lăng trụ Lõi thépkhông trực tiếp lồng vào trục mà được đặt trên giá đỡ của rôto, giá này lồngvào trục máy

• Cực từ được ghép bởi các lá thép dày 1 ÷ 1,5 mm Cực từ cố định trên lõi thépnhờ các đuôi hình T hoặc bằng bulông xuyên từ mặt cực bắt chặt vào lõi thép(hình 4.2-7)

• Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấntheo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây bằng micahoặc amiăng Các cuộn dây được lồng vào thân cực từ

• Trên mặt cực từ có đặt dây quấn cản (với máy phát điện) hoặc dây quấn mởmáy (với động cơ điện) Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóccủa máy điện không đồng bộ (hình 4.2-8)

• Điện trở của các thanh dẫn của dây quấn mở máy lớn hơn so với dây quấn cản

1 2 5

4 3

Hình 12-7 Cực từ của máy điện đồng bộ cực lồi 1- lõi thép cực từ; 2- Dây quấn kích từ; 3- Đuôi hình T; 4- Nêm; 5- Lõi thép rôto Hình 12-8

Dây quấn cản (dây quấn mở máy) của

máy điện đồng bộ

4.1.2 Cấu tạo của MĐĐB

Mặt cắt ngang của máy điện đồng bộ cực lồi 4 cực như ở hình 4.1-9.

Hình 12-9 Mặt cắt ngang của máy điện đồng bộ cực lồi có 2p = 4

Dây quấn stato

Lõi thép stato

Dây quấn kích từ Mặt cực từ

Trục Giá đỡ rôto

Mặt trong stato Mặt cực từ

Lồng sóc khuyết Dây quấn kích từ

4.1.2.2 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực lồi:

• Trục của máy điện đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang (động cơ đồng bộ,máy bù đồng bộ, máy phát điezen hoặc máy phát điện tuabin nước công suấtnhỏ…) hoặc đặt thẳng đứng (máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độchậm)

• Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ đỡ trục có thể đặt ở đầu trên của trục (máy kiểutreo), có thể đặt ở đầu dưới của trục (máy kiểu dù) như ở hình 4.1-10

5 6

7

Hình 4.1-10

Sơ đồ kết cấu của máy điện đồng bộ trục đứng kiểu treo (a) và kiểu dù (b) 1- Rôto; 2- Ổ đỡ trục; 3- Ổ trục định hướng; 4- Xà đỡ trên; 5- Xà đỡ dưới; 6- Nối trục; 7- Tuabin; 8 - Nền máy.

4.1.2.2 Kết cấu của máy điện đồng bộ cực lồi:

• Trên cùng trục với máy phát, tuabin, người ta thường đặt thêm máy phát phụ(máy kích thích) để cung cấp dòng một chiều cho cực từ của máy phát điện vàmáy phát điều chỉnh

Rôto của MFĐ nhà máy thuỷ điện ĐAMI Stato của MFĐ nhà máy thuỷ điện ĐAMI

4.1.2 Cấu tạo của MĐĐB

• Các đại lượng định mức được ghi trên nhãn máy, bao gồm:

 Công suất định mức (đơn vị kW hay kVA): Sđm

 Điện áp định mức (V, kV) Nếu là máy 3 pha thì đó là điện áp dây

 Dòng điện stato và dòng điện rôto định mức (A)

 Tốc độ quay định mức (vg/ph)

 Tần số định mức (Hz)

 Hệ số công suất cosφ

 Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi: kiểu máy, số pha, kiểu nối dây các pha phầntĩnh, cấp cách điện của dây quấn stato và rôto, nhà máy chế tạo, năm sản

xuất…

4.1.3 Các đại lượng định mức của MĐĐB

• Khi ghép một máy phát điện làm việc song song với hệ thống điện lực hoặc với một máyphát điện khác phải đảm bảo các điều kiện sau:

• Điện áp của máy phát UF phải bằng điện áp của lưới điện UL

• Tần số của máy phát fF phải bằng tần số lưới điện fL

• Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới

• Điện áp của máy phát và của lưới phải trùng pha nhau

• Khi ghép song song, việc điều chỉnh điện áp của máy phát UF được thực hiện bằng cáchthay đổi dòng kích từ của máy

• Tần số fF của máy được điều chỉnh bằng cách thay đổi mômen quay (tốc độ) của động cơ

sơ cấp kéo máy phát

• Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát và điện áp của lưới được kiểm tra bằng đèn,vônmét chỉ không hoặc dụng cụ đồng bộ

• Thứ tự pha của máy phát được kiểm tra bằng dụng cụ kiểm tra thứ tự pha và thường chỉkiểm tra một lần sau khi lắp đặt máy và hoà đồng bộ với lưới lần đầu tiên

• Ghép song song máy phát vào lưới theo các điều kiện trên gọi là hoà đồng bộ chính xác

• Các phương pháp hoà đồng bộ chính xác

• Dùng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn

• Dùng bộ hoà đồng bộ kiểu điện từ

1 Hoà đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.

Bộ hoà này dùng cho các máy phát điện có công suất nhỏ Có hai kiểu nối các đèntrong bộ hoà:

• Kiểu nối “tối”

• Kiểu ánh sáng đèn “quay”

4.2.2 Các phương pháp hòa đồng bộ

1 Hòa đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.

a) Hòa đồng bộ bằng bộ hoà kiểu ánh sáng đèn nối theo

kiểu nối tối.

• Trong sơ đồ hình 4-6a, F1 là máy phát điện đang làm việc,

F2 là máy phát điện cần ghép song song với máy phát F1

Bộ hoà kiểu ánh sáng đèn được hình thành bởi ba ngọn

• Điện áp máy phát UF được kiểm tra theo điều kiện UF =

UL bằng vôn mét V có cầu dao đổi nối

• Tần số và thứ tự pha được kiểm tra bằng bộ đồng bộ với

ba đèn 1, 2 và 3

Hình 4-6 Sơ đồ hoà đồng bộ MFĐ dùng bộ hoà nối theo kiểu

V

D1

D2 3

1 2

1 Hòa đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.

a) Hòa đồng bộ bằng bộ hoà kiểu ánh sáng đèn nối theo kiểu nối tối.

• Điện áp đặt vào ba đèn chính là hiệu số các điện áp pha tương ứng của

máy phát và của lưới (hình 4-7a)

• Hai hình sao điện áp của máy phát và của lưới đang quay với tốc độ ωF =

2πfF và ωL = 2πfL

• Khi tần số fF ≠ fL thì điện áp đặt vào các đèn UF - UL sẽ có tần số fF - fL

• Nếu thứ tự pha của máy phát và của lưới giống nhau thì điện áp đặt vào

ba đèn sẽ giống nhau và thay đổi trong phạm vi 0 ≤ ΔU ≤ 2UF, cả ba đèn

sẽ cùng tối và cùng sáng như nhau với tần số fF - fL

• Điều chỉnh tần số fF của máy phát F2 sao cho chu kỳ sáng và tối bằng 3 ÷

5 giây, chờ lúc các đèn tắt hẳn (là lúc điện áp của máy phát và của lưới

trùng pha nhau) thì đóng cầu dao hoà D2, việc ghép song song máy phát

với lưới được hoàn thành

1 Hòa đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.

b) Hoà đồng bộ bằng bộ hoà nối theo kiểu ánh sáng đèn “quay”

• Khi hoà đồng bộ theo kiểu ánh sáng đèn “quay” (hình 4-6b) thì

hai trong ba đèn phải được nối vào các đầu không tương ứng

của cầu dao D2, ví dụ đèn 2 và đèn 3

• Nếu thứ tự pha giống nhau thì khi tần số fF ≠ fL, các đèn 1, 2,

3 sẽ lần lượt thay nhau sáng, tối tạo thành ánh sáng đèn

“quay”

• Sở dĩ như vậy là vì điện áp đặt vào các đèn không bằng nhau,

chúng thay đổi lần lượt trong phạm vi 0 ≤ ΔU ≤ 2UF như trên

hình 4-7b

b)

F 2

A B C

Đến F1

2

D2

1 3

1 Hòa đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.

b) Hoà đồng bộ bằng bộ hoà nối theo kiểu ánh sáng đèn “quay”.

• Khi fF > fL, ánh sáng quay theo chiều này thì khi fF < fL ánh

sáng quay theo chiều ngược lại

• Điều chỉnh cho fF = fL và tốc độ ánh sáng quay thật chậm (fF ≈

fL), chờ đến khi đèn không nối chéo (đèn 1) tắt hẳn, các đèn

nối chéo (2 và 3) sáng bằng nhau (đó là lúc các điện áp của

máy phát và của lưới trùng pha nhau) thì đóng cầu dao hoà D2

đồ nối “tối” mà nhận được kết quả là ánh sáng đèn “quay”

hoặc khi nối theo sơ đồ ánh sáng đèn “quay” mà kết quả nhận

được các đèn cùng sáng cùng tối thì thứ tự pha của máy phát

đã khác thứ tự pha của lưới Trong trường hợp đó chỉ cần tráo

hai trong ba pha của máy phát điện nối với cầu dao D2 là được

4.2.2 Các phương pháp hòa đồng bộ

Hình 4-7 Đồ thị véc tơ điện áp khi nối theo kiểu ánh sáng đèn

2 Hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ.

• Ở các nhà máy điện có đặt các máy phát có công suất lớn, để kiểm tra các điềukiện ghép song song máy phát điện vào lưới người ta dùng bộ đồng bộ kiểu điện

từ, gọi là cột đồng bộ.

• Cột đồng bộ gồm ba dụng cụ đo sau: một vôn mét có hai kim, một kim chỉ UF vàmột kim chỉ UL, một tần số kế có hai kim để chỉ đồng thời tần số máy phát fF vàtần số lưới fL và một đồng bộ kế làm việc theo nguyên lý từ trường quay có kimquay với tần số fF - fL Tốc độ quay của kim đồng bộ kế phụ thuộc vào trị số fF -

fL, chiều quay của kim thuận hay ngược chiều kim đồng hồ tuỳ thuộc vào fF > fLhay fF < fL

• Trong quá trình hoà, điều chỉnh cho fF = fL và kim quay thật chậm (fF ≈ fL), thờiđiểm đóng cầu dao hoà là lúc kim của đồng bộ kế trùng với vạch thẳng đứng vàhướng lên trên

2 Hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ.

• Việc hoà đồng bộ chính xác máy phát điện đòi hỏi nhân viên vận hành phải thaotác thật thành thục và tập trung chú ý cao độ để tránh thao tác nhầm, nhất là khitrong lưới đang có sự cố

• Để giảm nhẹ công việc cho nhân viên thao tác và tránh nhầm lẫn có thể xảy ra sự

cố, ta có thể dùng bộ hoà đồng bộ tự động: Tự động điều chỉnh UF và fF của máyphát và tự động đóng cầu dao khi các điều kiện hoà được đảm bảo

• Vì khi trong lưới đang có sự cố, UL và fL luôn thay đổi nên quá trình hoà tự độngthường kéo dài 5 đến 10 phút

4.2.2 Các phương pháp hòa đồng bộ

• Không cần kiểm tra tần số, trị số và góc pha của điện áp, đóng cầu dao ghépmáy phát vào lưới điện.

• Sau đó lập tức đóng kích thích cho máy phát điện, do tác dụng của mômenđồng bộ, máy phát được lôi vào đồng bộ (fF = fL), việc ghép máy phát vàolàm việc song song với lưới được hoàn thành

3 Phương pháp hoà tự đồng bộ.

• Chú ý: Việc đóng cầu dao nối máy phát chưa được kích thích với lưới có UL

tương đương với trường hợp ngắn mạch đột nhiên của lưới Tuy nhiên, do trênlưới có tổng trở của các phần tử (như máy biến áp tăng áp, đường dây …) vàtổng trở của bản thân máy phát điện nên dòng điện xung chạy trong máy phátđiện không vượt quá ba hoặc bốn lần dòng điện định mức

• Vì dây quấn kích thích được nối tắt qua điện trở diệt từ nên dòng điện xung quá

độ giảm rất nhanh Điện trở diệt từ làm đường dẫn cho dòng kích từ cảm ứng,giới hạn điện áp ở hai đầu cuộn kích từ và máy kích từ ở mức khả năng chịuđựng được của cuộn kích từ và máy kích từ (cách điện không bị chọc thủng)

• Phương pháp hoà tự đồng bộ chỉ được phép sử dụng trong trường hợp Ixg < 3,5

Iđm

4.2.2 Các phương pháp hòa đồng bộ