CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Ở các lưới điện công suất nhỏhoặc máy phát dự phòng, máy phát điện đồng bộ được kéobởi động cơ diesel hoặc các tuabin khí... Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bìn

04/06/2013 401041 – Chương 4 2

CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

4.1 Đại cương về máy điện đồng bộ

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

4.3 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ:

4.4 Công suất của máy phát đồng bộ

4.5 Các đặc tuyến của máy phát đồng bộ

4.6 Sự làm việc song song của các máy phát đồng bộ

4.7 Động cơ và máy bù đồng bộ

04/06/2013 401041 – Chương 4 3

4.1 Đại cương về máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ là những máy điện xoay chiều có tốc độ rotor n bằng tốc độ quay của từ trường stator n 1

n = n1 = nđb : vận tốc đồng bộ

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điệnnăng : Máy Phát Điện Đồng Bộ

04/06/2013 401041 – Chương 4 4

4.1 Đại cương về máy điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn năng lượng chính củacác lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabinhơi, tuabin khí hoặc nước Ở các lưới điện công suất nhỏhoặc máy phát dự phòng, máy phát điện đồng bộ được kéobởi động cơ diesel hoặc các tuabin khí

04/06/2013 401041 – Chương 4 5

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 6

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

1/ Stator:

Tương tự như của động cơ không đồng bộ, stator gồm

có lõi thép và dây quấn

- Lõi thép làm bằng vật liệu sắt từ tốt, nghĩa là có từ trở nhỏ

và điện trở suất lớn

- Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng.

- Loại vận tốc chậm có chiều dài dọc trục ngắn; còn loại vậntốc nhanh chiều dài dọc trục lớn gấp đường kính nhiều lần

- Ngoài ra, trong stator còn có hệ thống làm mát (nước, khíhydro)

04/06/2013 401041 – Chương 4 7

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

Có hai dạng rotor : rotor cực lồi và rotor cực từ ẩn

04/06/2013 401041 – Chương 4 9

a) Rotor cực lồi

Dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe hởkhông khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe hởkhông khí có phân bố hình sin và do đó sức điện độngcảm ứng trong dây quấn cũng có hình sin Loại rotor cựclồi được dùng trong máy phát kéo bởi tuabin có vận tốcchậm (tuabin thủy điện)

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 10

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 11

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 12

a) Rotor cực lồi

Đường kính D của rotor cực lồi có thể lớn tới 15mtrong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D=0,150,2.

Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ

và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc vàgia công thành khối lăng trụ hoặc khối trụ (bánh xe) trênmặt có đặt các cực từ Ơ các máy lớn, lõi thép đượchình thành bởi các tấm thép dày 16mm được dập hoặcđúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 13

a) Rotor cực lồi

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiếtdiện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từngcuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp micahoặc amiăng

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 14

a) Rotor cực lồi

Dây quấn cản (trường hợp máy phát đồng bộ) hoặcdây quấn mở máy (trường hợp động cơ đồng bộ) đượcđặt trên các đầu cực từ

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 15

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 16

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 17

b) Rotor cực từ ẩn

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 18

b) Rotor cực từ ẩn

Rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn làm bằng théphợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ,sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ.Phần không phay hình thành mặt cực từ

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

suất của máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rotor Chiều

dài tối đa của rotor vào khoảng 6,5m

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 20

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

b) Rotor cực từ ẩn

04/06/2013 401041 – Chương 4 21

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

Hệ kích từ

M

Động cơ sơ cấp

Ukt

Ikt+

_

Chổi than

Vành góp

04/06/2013 401041 – Chương 4 23

3/ Hệ kích từ của máy đồng bộ

Hệ kích từ của máy điện đồng bộ phải bảo đảm:

- Điều chỉnh dòng kích từ để duy trì điện áp máy phát Utrong điều kiện làm việc bình thường (bằng cách điềuchỉnh điện áp kích thích Ukt)

- Cưỡng bức kích từ để giữ đồng bộ máy phát với lướiđiện khi điện áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa

- Triệt tiêu từ trường kích thích, nghĩa là giảm nhanh dòngIkt đến 0 (khi sự cố ngắn mạch nội bộ dây quấn stator)

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

04/06/2013 401041 – Chương 4 24

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

3/ Hệ kích từ của máy đồng bộ

Có 3 loại hệ kích từ máy điện đồng bộ :

a) Máy phát điện một chiều :

04/06/2013 401041 – Chương 4 25

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

b) Bộ kích từ không chổi than (Brushless Excitation)

04/06/2013 401041 – Chương 4 26

4.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 pha

c) Bộ kích từ dùng chỉnh lưu (tự kích)

E0 = 4,44.f.W1.kdq.0 (V)

E0 : sức điện động pha

W1 : số vòng dây 1 pha dây quấn phần ứng

kdq :hệ số dây quấn

0 : từ thông cực từ rotor

p

n f

60



từ trường quay với tốc độ đồng bộ đúng bằng tốc

độ n của rotor p

f

n1  60

+ +

N

S

Ft

Fö

1 góc nhất định Tác dụng của từ trường phần ứng lên từtrường cực từ gọi là phản ứng phần ứng.

04/06/2013 401041 – Chương 4 35

4.3 Quan hệ điện từ trong máy điện

đồng bộ

a) Tải thuần trở - phản ứng ngang trục

Khi trục của hai cực từ kề nhau đối diện với cạnhcuộn dây, sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đạt cựcđại

Khi tải thuần trở, góc lệch pha giữa E và I là =0; E

và I cùng pha nên dòng ứng cũng đạt cực đại lúc đó, vàsinh ra từ trường phần ứng Fư vuông góc với từ trườngcực từ Ft Từ trường phần ứng theo hướng ngang trục,làm méo từ trường cực từ, ta gọi là phản ứng ngang trục.

S

Dòng ứng chậm pha 90 so với sức điện động nên

sẽ đạt cực đại sau khi rotor đã quay thêm 90 điện.Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng Fư ngược chiềuvới Ft ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, cótác dụng làm giảm từ thông tổng

04/06/2013 401041 – Chương 4 39

4.3 Quan hệ điện từ trong máy điện

đồng bộ

c)Tải thuần dung _ phản ứng dọc trục trợ từ

Dòng ứng nhanh pha hơn sức điện động 1 góc 90 nên

nó đạt cực đại trước đó, trong khi rotor phải quay thêm

1 góc 90 nữa mới đến vị trí cực đại của sức điện động

Do đó dòng ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng Fư cùng

chiều với Ft, ta gọi là phản ứng dọc trục trợ từ, có tác

dụng làm tăng từ trường tổng

F ö

04/06/2013 401041 – Chương 4 43

4

4 3 3 Quan hệ điện từ trong máy điện

đồng bộ

phương trình điện áp, đồ thị vector:

E 0 : sức điện động cảm ứng mỗi pha

R ư : điện trở dây quấn mỗi pha

X đb : điện kháng đồng bộ mỗi pha

E   ö ö  ñ





 0

04/06/2013 401041 – Chương 4 44

4

4 3 3 Quan hệ điện từ trong máy điện

đồng bộ

phương trình điện áp, đồ thị vector:



ö R jX I

p I R jX U

E   ö ö  ñ





 0

04/06/2013 401041 – Chương 4 45

4.4 Công suất của máy phát đồng bộ

• Công suất cơ do máy nhận từ động cơ sơ cấp : P 1 = M 

- Tổn hao cơ p mq (do ma sát, quạt gió)

- Tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng: p Cu = 3.I ư 2 R ư

- Tổn hao đồng trong dây quấn kích từ : pkt = U k I k = I k 2 R k

- Tổn hao phụ p p do dòng xoáy trong dây dẫn phần ứng và

do tổn hao lõi vì từ trường phần ứng bị xoắn dạng

2

2 1

2

th

P P

P P

rotor không đổi

• Nó có dạng của đường cong

m(Ik) tức là đường cong từ hóa

04/06/2013 401041 – Chương 4 48

2/ Đặc tuyến ngoài

Là đồ thị quan hệ điện áp U

trên cực máy phát và dòng

tải I khi tính chất của tải

không đổi, tần số không đổi

(tức là n không đổi) và dòng

điện kích từ không đổi

cos  = const; n = const

E U

U U U





dòng tải It như thế nào để

giữ được điện áp U không

đổi và bằng định mức khi n

và cost không đổi

4/ Đặc tuyến hiệu suất

04/06/2013 401041 – Chương 4 51

4.6 Sự làm việc song song của các

MP đồng bộ.

04/06/2013 401041 – Chương 4 52

4.6 Sự làm việc song song của các

MP đồng bộ.

Sau khi hòa đồng bộ, cần chú ý :

- Cho dù ta có thay đổi dòng kích từ Ik, điện áp của máy phát vẫn như cũ vì đó là điện áp chung của cả hệ thống Việc thay đổi dòng kích từ Ik chỉ làm thay đổi công suất phản kháng mà máy nhận từ hệ thống

- Muốn máy phát công suất tác dụng cho hệ thống, phải tăng công suất vào động cơ kéo máy phát : tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy nhiệt điện Nhưng vận tốc vẫn được giữ không đổi vì lúc vận tốc là

vận tốc đồng bộ phụ thuộc vào tần số f, nhưng tần số f của

hệ thống không đổi

từ, động cơ sẽ quay với vận tốc không đổi và tạo ra momenkéo tải đấu vào trục của nó.

• Một ưu điểm của động cơ đồng bộ là hệ số công suất cao

và điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh dòng kích từ, điềunày cho phép nâng cao hệ số công suất của lưới khi phầnlớn tải là động cơ không đồng bộ (có hệ số công suất trễ vàkhông điều chỉnh được)

cơ làm việc như một tụ điện và đây là chế độ bù đồng bộ

• Động cơ đồng bộ không tự mở máy được nên phải có biện pháp để mang động cơ đến gần vận tốc đồng bộ để đồng bộ hóa trước khi kéo tải Biện pháp thường gặp nhất là dùng

cuộn đệm

04/06/2013 401041 – Chương 4 55

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

1/ Nguyên lý làm việc :

• Vì dây quấn stator của động cơ

đồng bộ cũng giống như động cơ

không đồng bộ nên khi cung cấp

cho stator một hệ thống dòng điện

3 pha cân bằng, ta được một từ

trường quay có 2p cực và quay

nñb  1 

04/06/2013 401041 – Chương 4 56

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

1/ Nguyên lý làm việc :

• Vì dây quấn stator của động cơ

đồng bộ cũng giống như động cơ

không đồng bộ nên khi cung cấp

cho stator một hệ thống dòng điện

3 pha cân bằng, ta được một từ

trường quay có 2p cực và quay

với vận tốc đồng bộ

p

f

60 n

nñb  1 

n1

N

S

04/06/2013 401041 – Chương 4 57

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

1/ Nguyên lý làm việc :

• Khi cho dòng một chiều vào

dây quấn rotor, rotor biến

thành một nam châm điện

• Nếu rotor đang đứng yên thì

cực S của rotor bị cực N của

stator kéo theo và nó có

khuynh hướng quay theo

chiều quay của từ trường

stator Nhưng do quán tính và

do cực N của stator quét quá

nhanh, kết quả là rotor không

04/06/2013 401041 – Chương 4 58

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

1/ Nguyên lý làm việc :

• Tuy nhiên nếu ta có biện

pháp để cho rotor quay trước

với vận tốc đồng bộ thì các

cực rotor sẽ bị khoá chặt vào

các cực stator trái dấu

04/06/2013 401041 – Chương 4 59

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

1/ Nguyên lý làm việc :

• Tuy nhiên nếu ta có biện

pháp để cho rotor quay trước

với vận tốc đồng bộ thì các

cực rotor sẽ bị khoá chặt vào

các cực stator trái dấu và cả 2

• Lúc có tải, trục của rotor đi

chậm sau trục từ trường stator

04/06/2013 401041 – Chương 4 61

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

2/ Mạch tương đương, phương trình điện áp, đồ thị

vectơ của động cơ ĐB cực từ ẩn

Mạch tương đương và đồ thị vectơ của động cơ đồng bộ cực ẩn

(Bỏ qua điện trở phần ứng)

I

ư R j x I

04/06/2013 401041 – Chương 4 62

4.7 Động cơ đồng bộ và máy bù

đồng bộ

4/ Điều chỉnh hệ số công suất

Trong công nghiệp, người ta cho động cơ đồng bộlàm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước điện

áp pha U do đó, động cơ vừa tạo ra cơ năng, vừa phát racông suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất coscủa lưới điện Đó là ưu điểm rất lớn của động cơ đồng bộ

Máy bù đồng bộ

Nguồn

ba pha vào cos được

nâng cao

Kích từ một chiều

Nâng cao hệ số công suất bằng máy bù đồng bộ

bộ trước khi động cơ có thể làm việc.

Phương pháp mở máy :

- Dùng động cơ phụ (phương pháp đồng bộ)

- Dùng dây quấn mở máy (phương pháp không đồngbộ)

a) Tìm tần số nguồn điện phát ra.

b) Tính sức điện động pha lúc đầy tải, cos = 0,8 trễc) Tính góc công suất lúc đầy tải

2. Một động cơ đồng bộ 3 pha 100Hp, 4 cực, 50Hz, 2000V,đấu  Khi máy làm việc ở định mức với hệ số công suấtbằng 0,8 sớm, tổng tổn hao là 7500W Biết điện kháng đồng

bộ Xđb=1,6 , điện trở phần ứng không đáng kể Tính:

a/ Dòng vào động cơb/ Sức điện động phần ứng, góc công suất

c/ Momen điện từ