Kỹ thuật điện đại cương - Chương 6 pot

Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ phát công suất phản kháng cho lưới điện, để bù hệ số công suất và ổn định điện áp.. Dùng động cơ sơ cấp quay roto máy phát đồng bộ cho đến khi máy phá

Chương 6 . Máy điện đồng bộ(ĐB)

Mục tiêu: Cấu tạo và nguyên lý, các phương trình cân bằng, công suất, và đặc tính của máy điện đồng bộ

1 Định nghĩa máy điện đồng bộ

Là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường quay

ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto không đổi khi tải thay đổi

2 Công dụng

Máy điện đồng bộ được chế tạo làm máy phát, làm động cơ và làm máy bù

đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia Công suất của máy phát có thể đạt đến 500MW hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW, được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng

hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị điện sinh hoạt

Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ phát công suất phản kháng cho lưới

điện, để bù hệ số công suất và ổn định điện áp

Cấu tạo máy điện đồng bộ trên hình 6-1 Máy điện đồng bộ có 2 phần chính:

là stato 1 và rôto 2

H.6-1

2

1

1 Stato

Stato của máy điện đồng bộ vẽ trên hình

6-2, giống như stato của máy điện không đồng

bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và

dây quấn stato Trong máy điện đb stato

thường là phần ứng, có nhiệm vụ cảm ứng ra

các sđđ

2 Rôto

Rô to máy điện đồng bộ có hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lỗi Hình 6-3, vẽ rôto máy điện đồng

bộ

Rôto cực lồi dùng ở các máy có tốc độ chậm, có nhiều cực từ lộ ra một cách rõ rệt

Rôto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao ≥

1500vg/ph, có một hoặc 2 đôi cực từ

Để có suất điện động hình sin, từ trường của

cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở

không khí giữa stato và rôto, ở đỉnh các cực từ có

từ cảm cực đại

Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt

trong các rãnh, còn rôto cực lồi dây quấn kích từ

quấn xung quang thân cực từ

Hai đầu của dân quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với 2 vòng trượt đặt ở

đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ

H6 -2

H6-3b H6-3a

Đ 6-3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng bộ

1 Sơ đồ khối

2- Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

Dùng động cơ sơ cấp quay roto máy phát đồng bộ cho đến khi máy phát DC thiết lập được điện áp và cung cấp dòng điện kích thích cho cuộn dây kích từ , phần cảm trở thành nam châm điện Vì rôto quay cùng động cơ sơ cấp nên từ trường của rôto sẽ biến thiên trong dây quấn phần ứng và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là: E0= 4,44fW1kgqΦ0

Trong đó: E0, w1, kgq, Φ0: sđđ pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ rôto

Giả sử rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng thì sđđ phấn ứng sẽ biến thiên p chu kỳ Nếu tốc độ của rôto là n (v/s) thì tần số của sđđ sẽ là: f = pn

Khi tốc độ rôto tính bằng v/ph thì:

60

pn

f = Hz Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện, cho nên sđđ các pha lệch pha 1200

Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn stato sẽ có dòng điện ba pha Giống như máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong 3 dây quấn

Sơ đồ khối nhà máy thuỷ điện

+

-Rkt Ikt

3

1

2

1- Động cơ cơ sở 2- Máy phát đồng bộ 3- Máy phát 1 chiều

A B C O

H6- 4a

stato sẽ tạo ra từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto Do đó kiểu máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ

Khi máy phát điện đồng bộ làm việc từ thông chính Φo biến thiên trong dây quấn stato, làm cảm ứng trong dây này sđđ Eo

chậm pha so với từ thông Φo góc 900 (H6-4a) Nếu

nối dây quấn stato với tải sẽ có dòng điện I chạy

trên tải Dòng điện I trong dây quấn stato tạo nên

từ thông phần ứng Φu,và quay đồng bộ với từ

thông của cực từ Φo, do đó từ thông trong máy là:

Φ = Φo+Φu

Góc lệch pha ψ giữa Eo và I do tính chất của

tải quyết định

Trường hợp tải thuần trở (hình 6-4a) góc lệch

pha ψ = 0, Eo và I cùng pha Dòng điện I sinh ra từ

thông phần ứng Φu cùng pha với dòng điện Tác

dụng của từ thông Φu lên từ thông Φo theo hướng

ngang trục, làm méo từ trường cực từ, ta gọi là

phản ứng phần ứng ngang trục

Trường hợp tải thuần cảm (hình 6-4b) góc lệch

pha ψ = 90o, dòng điện I sinh ra từ thông Φu

ngược chiều với Φo và phản ứng dọc trục khử từ,

có tác dụng làm giảm từ thông tổng

Trường hợp tải thuần dung ψ = -900 (hình

6-4c) dòng điện sinh ra từ thông phần ứng Φu cùng

chiều với Φo, và phản ứng phần ứng dọc trục trợ

từ, có tác dụng làm tăng từ thông tổng

Trường hợp tải bất kỳ (hình 6-4d), phân tích

dòng điện I làm 2 thành phần: Thành phấn dọc

trục Id = Isinϕ và thành phần ngang trục Iq =

Icosϕ, dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa

có tính chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục

khử từ hoặc trợ từ tuỳ theo tính chất của tải điện cảm hay có điện dung

o

Er

o

Φr

u

Φr Ir

H6- 4a

o

Er

o

Φr

u

Φr I

r

H6- 4b

o

Er

o

Φr

u

H6- 4c

o

Er

o

d

d I r H6- 4d

q I

rq

Φr

I r

ψ

Đ 6-5 Phương trình điện áp của máy phát điện cực lồi

Khi máy phát điện làm việc, từ trường cực từ Φo sinh ra sđđ Eo ở dây quấn stato Khi máy có tải trên tải có dòng điện I và điện áp U ở máy cực lỗi vì khe

hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ảnh hưởng của phản ứng phần ứng dọc trục và ngang trục là khác nhau Từ trường phản ứng phấn ứng ngang trục tạo nên sđđ ngang trục: E&uq = ưjI&qXuq, trong đó Xuq là điện kháng phản ứng phấn ứng ngang trục

Từ trường phản ứng phần ứng dọc trục tạo nên sđđ dọc trục E&uq = ưjI&qXuq, trong đó Xud là điện kháng phản ứng phấn ứng dọc trục

Từ thông tản của dây quấn stato đặc trưng bằng điện kháng tản Xt không phụ thuộc thuộc vào phản ứng phần ứng và được tính:

E&t =ưjI& Xt = ưjI&dXt ư jI&qXt (6-3)

Điện áp trên tải là:

U& =E&o ưI&Ru ư jI&d(Xud + Xt)ư jI&q(Xuq + Xt) (6-4)

Gọi: Xud + Xt = Xd là điện kháng đồng bộ dọc trục

Xuq + Xt = Xq là điện kháng đồng bộ ngang trục.Vì I&Ru rất nhỏ được bỏ qua nên phương trình 6-4 có thể viết:

U& =E&o ư j&IdXd ư jI&qXq (6-5)

Phương trình (6-5) tương ứng với đồ thị

véctơ của máy phát đồng bộ cực lồi(hình 6-5a)

Từ phương trình điện áp và đồ thị vectơ ta

thấy góc lệch pha giữa điện áp U& và sđđ E& do 0

tải quyết định

Từ phương trình điện áp và đồ thị vectơ ta

thấy góc lệch pha giữa điện áp U& và sđđ E& do 0

tải quyết định

Đối với máy phát cực ẩn là trường hợp đặc biệt của máy cực lồi có:

Xq = Xd = Xdb , và Xđb gọi là điện kháng đồng bộ

Phương trình cân bằng điện áp của máy phát đồng bộ cực ẩn có thể viết:

U& =E&o ư jI&Xdb (6-6)

Đồ thị vectơ của nó được vẽ trên hình 6-5b

I&

o

E&

b

X I j&

U &

θ ϕ

o

ψ

H6-5b H6-5a

θ

ϕ

Iq

U&

q

qX I j&

d

d X I j&

o

E&

I&

o

θ

ψ

Id

ψ

Đ 6-6 Công suất điện từ của máy điện đồng bộ cực lồi

1 Công suất tác dụng

Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là:

P = mUIcosϕ (6-7)

Trong đó m là số pha Theo đồ thị vectơ hình 6-5a ta thấy ϕ = ψ - θ do đó:

P = mUIcosϕ = mUIcos (ψ - θ)

= mUIcosψcosθ + mUIsinψsinθ (6-8)

Vì I cosψ = Iq và Isinψ = Id, từ đồ thị vectơ hình 6-5a rút ra:

q q

x

θ Usin

d

0 d

x

θ Ucos -E

Thế biểu thức của Id và Iq vào phương trình 6-8 ta có:

x

1 -x

1 ( 2

U m θ sin x

E mU P

d q

2

d

0

Ta nhận thấy công suất điện từ gồm 2 thành phần:

- Thành phần sinθ

X

mUE

d

0 do dòng điện kích từ tạo nên tỷ lệ với sinθ Đó là

thành phần công suất chủ yếu của máy phát

- Thành phần

)sin2θ x

1 x

1

(

2

mU

d q

2

ư

, không phụ thuộc

vào dòng điện kích từ

và chỉ xuất hiện khi

xd ≠ xq Đối với máy

cực ẩn xd = xq thành

phần này bằng

không

- Trong kỹ thuật

người ta chế tạo động

cơ rôto cực lồi có khe

hở dọc trục và ngang

trục khác nhau, không cần dòng điện kích từ, do ảnh hưởng của thành phần công

Pđt

)sin2θ X

1 X

1 ( 2

U m

d q

2

ư

Pđt

sinθ X

UE m

d 0

H6-5a

db

X I j&

U&

θ ϕ

o

ψ H6-5b

B

A

C

o

E &

I&

suất )sin2θ

x

1 x

1 (

2

mU

d q

2

− cũng tạo nên đ−ợc mômen quay, đó là động cơ phản

kháng

Đặc tính P = f(θ) gọi là đặc tính góc công suất Máy phát làm việc ổn định khi θ trong khoảng 0 ữ π/2, khi tải định mức θ = 200 ữ 300

2 Công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy phát đồng bộ là:

Q = mUIsinϕ = mUIsin (ψ-θ) = m[UIsinψcosθ - UIcosψsinθ] (6-9)

Từ đồ thị vectơ hình 6-5b ta có:

IXdbsinψ = AB = OA - OB = E0 - Ucosθ

do đó:

db

0

X

θ Ucos -E Isinψ = (6-10)

IXdbcosψ = BC = Usinθ

do đó

db

X

θ Usin Icosψ = (6-11) Thay (6-10), (6-11) vào (6-9) ta có:

db

2

db

0

X

mU -X

θ cos mUE

Q = (6-12) Biểu thức (6-12) là công suất phản kháng của máy phát đồng bộ viết theo các thông số của máy

3 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng

a Điều chỉnh công suất tác dụng

Máy phát điện biển đổi cơ năng thành điện năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp

b Điều chỉnh công suất phản kháng

Từ biểu thức công suất phản kháng (6-12):

db

0

X

U) -θ cos mU(E

Q = (6-13)

Khi giữ U, f và P không đổi thì:

Nếu E0cosθ < U thì Q < 0

E0cosθ = U thì Q = 0

E0cosθ > U thì Q > 0

Khi Q< 0 nghĩa là máy không phát công suất phản kháng, mà nhận công suất phản kháng của lưới điện để tạo ra từ trường, máy thiếu kích từ phải tăng Ikt Khi Q > 0 máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích từ, phải giảm Ikt

Từ công thức 6-13, để thay đổi công suất phản kháng, phải thay đổi Eo, nghĩa

là phải điều chỉnh dòng điện kích từ Muốn tăng công suất phản kháng phát ra, phải tăng kích từ Thật vậy, khi tăng dòng điện kích từ, Eo sẽ tăng, cosθ tăng do

đó Q tăng

1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng

điện phụ tải (I) khi

cosϕt, tần số và

dòng điện kích từ

không đổi Hình

6-7 là đường dặc tính

ngoài của máy phát

đồng bộ ứng với

các loại tải khác

nhau

Nhận xét:

- Với tải điện cảm và điện trở, điện áp giảm khi tải tăng Khi tải có tính chất

điện cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông giảm, do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở Để giữ điện áp U bằng định mức, phải thay đổi Eo bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ

- Với tải điện dung, tải tăng thì điện áp tăng

- Từ đồ thị, ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc vào dòng diện và đặc tính của tải

Đường đặc tính ngoài ứng với điều chỉnh kích từ sao cho I= Iđm và U - Uđm vẽ trên hình 6-7b

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi máy làm việc định mức so với khi không tải xác định như sau:

H6-7

Tải L

Tải RC

Tải RL

Uo

U

I

O

Iđm

a)

L

R

C

Uo

Iđm

I

O

Uđm

U

b)

U

U E 100%

U

U U

∆U%

dm

dm 0

dm

dm

=

ư

Độ biến thiên điện áp ∆U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ Xdb khá lớn

2 Đặc tính điều chỉnh

Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa

dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp

bằng định mức Hình 6-7c vẽ đặc tính điều chỉnh

của máy phát điện đồng bộ với các hệ số công

suất khác nhau

Phần lớn các máy phát điện đồng bộ có bộ tự

động điều chỉnh dòng kích từ giữ cho điện áp

không đổi

Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ giống như của máy phát điện đồng bộ

1 Nguyên lý làm việc, phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vectơ

a Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ như sau:

Cho dòng điện ba pha iA, iB, iC vào

ba dây quấn stato, dòng điện ba pha

chạy trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ

trường quay có với tốc độ n1=60f/p

Cho dòng điện một chiều vào dây quấn

rôto, rôto biến thành nam châm điện

có từ trường Bo

Tác dụng tương hổ giữa từ trường

stato và từ trường rôto tạo thành mômen làm rôto quay với tốc độ n = n1

Nếu trục của rôto nối với một máy công tác, thì động cơ điện sẽ kéo máy này quay với tốc độ n không đổi

Sơ đồ thay thế động cơ điện đồng bộ như hình 6-9a

Phương trình cân bằng điện áp là:

db

E

Khi bỏ qua điện trở dây quấn stato ta có:

I r

Ur

Er

db

Z

H6-9a H6-9b

O

θ

ϕ

U r

o

Er I r

Iktđm

H6-7c

Ikt

I

cos ϕ<1 (điện cảm)

cos ϕ<0 (điện dung)

cos ϕ =1

o

Đồ thị vectơ vẽ trên hình 6-9b

2 Điều chỉnh hệ số công suất cosϕ của động cơ điện đồng bộ

Trên hình 6-9b vẽ đồ thị vectơ ứng với trường hợp thiếu kích từ, dòng điện I& chậm pha sau điện áp U& , trong thực tế

không để động cơ làm việc ở chế độ

này, vì động cơ tiêu thụ công suất phản

kháng của lưới điện, làm cho hệ số công

suất lưới điện giảm xuống Trong công

nghiệp, người ta cho động cơ làm iệc ở

chế độ quá kích từ, dòng điện I& vượt

trước điện áp U& , động cơ vừa tạo ra cơ

năng, đồng thời phát ra công suất phản

kháng nhằm nâng cao hệ số công suất

cosϕ của lưới điện Đó là ưu điểm rất

lớn của động cơ đồng bộ

Để thấy rõ sự điều chỉnh cosϕ, vẽ đồ thị vectơ của động cơ đồng bộ cho 2 trường hợp (hình 6-10): Khi cosϕ = 1 ứng với E&0, I& và khi quá kích từ cosϕ' = 0,9 (vượt trước) ứng với E&'0, I& '

Vì U, f, p không đổi, nên Icosϕ = const, E0sinθ = const, khi vẽ cần lưu ý,

điểm đầu của vectơ I& và E& chạy trên đường ∆ và ∆'

3 Mở máy động cơ điện đồng bộ

Khi làm việc động cơ đb không tự mở máy được

Vì khi mở máy rôto còn đứng yên, xét lực điện từ tác dụng lên 1 thanh dẫn trong 1 chu kỳ dòng điện

Giả sử nửa chu kỳ đầu, dòng điện đi vào, và từ trường dưới thanh dẫn này là

N, dùng qui tắc bàn tay trái xác định đuợc lực tác dụng lên thanh dẫn, từ đó tìm

được lực tác dụng lên rôto có phương và chiều ngược lại(hình 6-11a)

Nửa chu kỳ sau dòng điện đổi chiều và i đi ra, nhưng từ trường dưới thanh dẫn này vẫn là N, dùng qui tắc bàn tay trái xác định đuợc lực tác dụng lên thanh dẫn, từ đó tìm được lực tác dụng lên rôto có phương và chiều ngược lại hình 6-11b

'I

&

I

&

0

O

0 '

db X I j& j&'IXdb

ϕ

θ

cosϕ = const

osin

H6-10

∆'

∆

∆'

Như vậy chiều lực tác dụng lên rôto cứ sau nửa chu kỳ lại đổi chiều, nên máy không thể tự quay được

Để động cơ tự quay thì phải bảo đảm điều kiện: Khi dòng điện đổi chiều thì từ trường ở dứơi thanh dẫn đó phải đổi cực tính Trong kỹ thuật thực hiện điều này

có các phương pháp mở máy sau:

Trên các mỏm cực của rôto, người ta đặt các thanh dẫn, và được nối ngắn mạch thành rôto lồng sóc như động cơ không đồng bộ Khi mở máy thì mở ở chế

độ động cơ KĐB, lúc rôto đã quay đến tốc độ gần bằng tốc độ đồng bộ, thì đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ

Trong quá trình mở máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số bằng 6 ữ10 lần điện trở dây quấn kích từ, Khi đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ đồng thời cắt điện trở này khỏi mạch

động cơ

Với động cơ công suất nhỏ, khi mở máy có thể đóng trực tiếp dây quấn stato vào lưới điện Với động cơ công suất lớn khoảng 3 ữ 5MW, phải hạn chế dòng

mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào stato, như dùng điện kháng hay máy tự biến áp nối vào mạch stato để giảm U

Nhược điểm của động cơ điện đồng bộ là mở máy và cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt so với động cơ điện không đồng bộ

4 Các máy điện đồng bộ 1 pha

Máy điện đồng bộ 1 pha thường có rôto là nam châm vĩnh cửu hoặc rôto cực lồi không nam châm (động cơ phản kháng) Các ĐC loại này có công suất nhỏ

Bài tập máy điện đồng bộ

Câu 1 Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn đấu sao có Sđm= 10000kVA;

Uđm= 6300V; cosϕđm = 0,8; số đôi cực từ p =2; điện trở R = 0,04Ω; điện kháng

N

N

F x

Fr

H6-11 a, b, c

S

F x