Đồ án tốt nghiệp - Nhà máy điện Phả Lại P3

Dòng kích thích IKT trong các động cơ đồng bộ rất lớn và cỡ hàng 100A vì thế điều chỉnh nó bằng biến trở đặt trong mạch vòng dây quấn kích thích là không tinh tế vì tổn hao trong biến tr

Chương 3 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Tổng quan về động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quốn Một loại nói với lưới điện có tần số f1 không đổi, còn dây cuốn thứ hai được kích thích bằng dòng điện một chiều, trong đó dây quấn xoay chiều ba pha được được gọi là dây quấn phần ứng, ứng với nó là bộ phận máy có đặt dây cuốn kích thích được gọi là phần cảm Ngày nay các động cơ đồng bộ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt dòng để truyền động các máy có công suất lớn như máy nén khí, máy thu, máy quạt gió, máy nghiền

Cấu tạo của động cơ đồng bộ:

Cấu tạo rôto gồm hai phần chính là lõi thép stator và dây quấn 3 pha stator

3.2 Rôto: Gồm có rôto cực ẩn và roto cực lồi

D©y quÊn kÝch tõ Lâi thÐp

Rôto cực ẩn thường gặp ở động cơ có tốc độ quay cao và có số lực 2p=2

3.3- Hệ thống kích thích của động cơ đồng bộ

Để cung cấp nguồn cho dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ cần phải có nguồn điện một chiều Dưới đây là xét hệ thống kích thích dùng máy phát kích thích trong các động cơ đồng bộ có công suất lớn

trong các động cơ đồng bộ công suất lớn

b- Điều chỉnh dòng kích thích của động cơ đồng bộ

Dòng kích thích IKT trong các động cơ đồng bộ rất lớn và cỡ hàng 100A vì thế điều chỉnh nó bằng biến trở đặt trong mạch vòng dây quấn kích thích là không tinh tế vì tổn hao trong biến trở làm giảm đáng kể hiệu suất của động cơ đồng bộ

Trong sơ đồ (hình 1) các biến trở RV1 và RV2 tương ứng trên các mạch của cuộn kích thích song song của các máy FK để điều chỉnh

UKT ta thực hiện theo hai cách sau

⊕ 1 Điều chỉnh dòng kích thích của máy FK bằng cách điều chỉnh RV1 phương pháp này thường dùng cho các máy phát kích thích có công suất nhỏ Máy không cần phải điều chỉnh rộng

⊕ 2 Điều chỉnh dòng kích thích của máy phát FKP bằng cách điều chỉnh RV2 Nhờ biến trở RV2 ta điều chỉnh được dòng kích thích

từ của máy phát kích phụ IKT FKP làm thay đổi điện áp UJ KP cấp cho cuộn kích thích độc lập của máy FK để thay đổi dòng kích thích của máy FK do đó ta điều chỉnh được dòng kích thích của động cơ đồng

bộ Do đưa máy FUP vào sơ đồ nên giới hạn điều chỉnh máy kích thích

FK được mở rộng Trong các động cơ có công suất lớn ta không cần dùng thêm máy kích thích phụ

c- Dập từ trường kích thích trong khi sự cố

Trong sơ đồ kích thích có một cơ cấu đặc biệt có thể giảm khá nhanh dòng kích thích về 0 (gọi là động từ) khi sự cố

Dập từ được thực hiện khi vận hành bình thường cũng như khi sự

cố nhờ các công tắc tơ k1, k2 và Rtd Dùng công tắc tơ k1 trực tiếp cắt mạch kích thích ra khỏi dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ là đạt mục đích nhanh nhất Tuy nhiên tất cả năng lượng tích tụ trong từ trường kích thích sẽ phóng ra, trên điện trở hồ quang sẽ xuất hiện giữa các lớp điểm của k1

Trong các động cơ đồng bộ năng suất lớn Năng lượng đã có có thể lớn tới mức phá hỏng các tiếp điểm của công tắc tơ khi cắt mạch trực tiếp Ngoài ra khi giảm nhanh dòng kích thích như thế trong dây quấn xuất hiện suất điện động cảm ứng rất lớn

dt

dI L

đó dập từ được tiến hành theo phương pháp sau: Trong khi K1 đóng để chuẩn bị dập từ K2 nối dây quấn kích thích với điện trở dập từ RdT, sau khi tách máy phát FK R1 khỏi dây quấn kích thích của động cơ đồng

bộ Điện trở động từ trường được chọn là RTd = 5 RKT để đảm bảo cho

việc động từ chỉ nhanh mà không xuất hiện điện áp cao giá trị số cho phép của điện áp, theo độ bền cách điện của dây quấn kích thích

d- Quá trình cưỡng bức kích thích

Mỗi khi làm việc động cơ đồng bộ bị mất đồng bộ Nếu muốn đưa vào đồng bộ ta phải tăng cưỡng bức dòng kích thích Sự tăng cưỡng bức được rơle bảo vệ mất đồng bộ thực hiện tự động bằng cách đóng các công tắc tơ K1CB, K2CB (hình 1) khi đó điện trở cưỡng bứcR1Cb và R2Cb các biến trở điều chỉnh RV1 và RV2 đều bị nối ngắn mạch làm cho dòng kích thích của máy phát kích thích FK và FKP tăng lên đến giá trị tới hạn UHTmax, dòng kích thích của động cơ đồng bộ đạt tới giá trị tới hạn IKT max Với một sự chậm trễ do hằng số thời gian của dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ khẳng định

KTdm

KT KTdm

KT

U

U I

1- Phương pháp vào đồng bộ chính xác

Khi vận hành động cơ vào làm việc phải đưa rô to của động cơ tới tốc độ quay bằng tốc độ quay đồng bộ Phương pháp này thích hợp

cho các động cơ đồng bộ được trang bị các động cơ phụ (Động cơ tăng tốc) đưa rôto của chúng tới tốc độ quay bằng tốc độ đồng bộ phương pháp vào đồng bộ được tiến hành chính xác theo các bước sau:

a Dùng động cơ tăng tốc đưa tốc độ góc w của rôtor động cơ đồng bộ tới tốc độ đồng bộ

p f =1

2 π

Trong đó: W Tốc độ góc của rôtor động cơ đồng bộ

P: Số đối cực của động cơ đồng bộ

Wđm: Tốc độ đồng bộ

b.Dòng công tắc tơ K1 mở công tắc tơ k2 (Hình 1) để nối dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ với các điểm chổi than máy phát kích thích (FK) và cắt điện trở dập từ RdT ra khỏi mạch kích thích Khi dùng động cơ này ta sẽ ta sẽ mở núng động cơ đồng bộ một cách chính xác vì vậy lực điện từ nhỏ hơn so với các phương pháp khác nhau Tuy vậy thời gian vào đồng bộ lâu và cần có động cơ tăng tốc

và mạch điều khiển phức tạp

2- Phương pháp tự vào đồng bộ

Để giảm bớt thời gian mở máy ta dùng phương pháp tự vào đồng

bộ, phương pháp này không đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác tốc độ quay của rôtor động cơ đồng bộ

Phương pháp tự vào đồng bộ được tiến hành theo các bước sau:

a-Nhờ động cơ tăng tốc độ, đưa tốc độ w của rôtor động cơ đồng

bộ lên gần đến tốc độ quay đồng bộ Wđb Hệ số trượt 3% không vượt quá 1 ÷4%

(Công thức 3-2) Trong đó: S hệ số trượt

k2 đưa kích từ một chiều vào dây quấn kích thích, kéo rôtor của động

cơ lên tới gần W1

Nhược điểm của phương pháp này là dòng quá độ và lực điện từ làm theo chúng quá lớn làm yếu dần kết cấu cố định của dây quấn phần ứng làm chúng mau bị hỏng Phương pháp này thường dùng cho trường hợp dòng quá độ không gây nguy hại cho động cơ đồng bộ còn những trường hợp còn lại mà sử dụng phương pháp này là khi phải buộc mở máy động cơ đồng bộ nhanh

Hình 3- 2: Phương pháp khởi động động cơ động bộ

có dùng động cơ tăng tốc

ĐCĐB: Động cơ đồng bộ

ĐK: Động cơ tăng tốc là động cơ không đồng bộ

KTĐĐB: Cuộn dây kích từ của động cơ đồng bộ

3 Phương pháp mở máy theo tần số

MC 6kV

Stator BBT

Hình 3- 3: Mạch khởi động theo phương pháp tần số:

Để kéo được rôtor của động cơ đồng bộ vào đồng bộ đòi hỏi khi đóng vào lưới điện các tốc độ W1 – W phải đủ nhỏ

I S

P

f S

1 2

Trong đó: W = W1 (1 – S) tốc độ của rôtor

W1: Tốc độ của từ trường quay ở Stator

F1: Tần số của lưới

ϕtt: Từ thông rôtor tương đối

P: Số đối cực của động cơ đồng bộ

I*1: dòng điện stator tương đối

dm I

I I

1

1 1

* = Khi dòng mạch bằng phương pháp tự động vào đồng bộ hiệu tốc

độ đủ nhỏ được đảm bảo nhỏ bộ khởi động rôtor của động cơ đồng bộ

J W

I S

P

f W

dm

t dm

1 2

Muốn vậy hệ số tương đối của hệ thống phải bằng:

J W

I S Wdm

P fdm

10

Sau khi đã kéo rôtor vào đồng bộ tần số của hệ thống được nâng dần lên đến định mức f1đm do có mô men đồng bộ nên tốc độ của rôtor động cơ đồng bộ cũng được đưa dần lên đến định mức f1đm do có mômen đồng bộ nên tốc độ của rotor động cơ đồng bộ cũng được đưa dần lên tốc độ định mức Việc mở máy theo tần số hay dùng cho các động cơ đồng bộ lớn Để giữ cho dòng điện stator vẫn bằng như khi ở tần số định mức cần phải thay đổi điện áp tỉ lệ với tần số, ta thực hiện được phương pháp này nhờ bộ biến dùng thyritor có công suất đủ lớn

3-5 Phương pháp khởi động không đồng bộ động cơ đồng bộ

Phương pháp này không đòi hỏi phải có động cơ khởi động phụ quay rotor động cơ đồng bộ đến tốc độ gần đồng bộ khi bắt đầu khởi động ta đóng K2, mở K1 và đóng máy cắt để đưa điện áp U1 có tần số f

và stator của động cơ đồng bộ, lúc này dòng điện trong dây quấn stator I1 = U1/(W1xL1) tạo nên từ trường quay có tốc độ W1, khi có sự

xê dịch giữa từ trường quay stator và rotor với tốc độ W1-W= SW1 thì qua điện trở dập từ dây quấn kích thích sẽ nối kín mạch và sẽ trở dập

từ dây quấn kích thích sẽ nối kín mạch và sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng trong dây quấn cản Do vậy mà dây quấn cảm dùng cho khởi động không đồng bộ trong động cơ không đồng bộ được gọi là dây quấn mở máy

Mômen không đồng bộ trong động cơ không đồng bộ có thể tính gần đúng theo công thức sau:

2

2 2 1 1

2 1

2 2 1

) 3 /

W S

U R m

M KDB

+ +

Trong đó: m1: Số pha của dây quấn stator

U1: Điện áp của lưới

W1: Tốc độ góc của từ trường stator

R1: Điện trở tác dụng của các pha dây quấn stator R2: Điện trở tác dụng của rotor đã quy đổi về stator

Xn = X1 + X2 Điện kháng ngắn mạch (khi S =1) X1: Điện kháng tản của dây quấn stator

X2: Điện kháng tản của dây quấn rotor đã quy đổi về stator

Ngoài việc hình thành mômen không đồng bộ dây quấn kích còn tạo ra từ trường đập mạnh hướng dọc trục khá với từ trường quay sinh

ra do dòng điện trở phụ Rdd = 5RKC theo kiểu điện trở dập từ có ảnh hưởng tốt đến đặc tính của mô men không đồng bộ Khi mở máy dây quấn kích từ phải nối với máy kích thích hay nối với điện trở dập từ vì trong dây quấn kích thích để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp kháng từ chọc thủng cách điện và làm hỏng cách điện trong dây quấn của động

cơ đồng bộ Khi đã nối dây quấn kích thích từ với điện trở dập từ Rdt =

5 RKT thì điện áp đó hầu như triệt tiêu và trong bất kỳ trường hợp nào cũng không vượt quá Uđm của dây quấn kích thích

MC

6kV

KT Ukt

K2 K1

Hình 3-4: Phương pháp khởi động không đồng bộ điều khiển đồng bộ ĐCĐB: Động cơ đồng bộ có trang bị dây quấn cảm

KT: Dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ

Việc mở máy không đồng bộ động cơ đồng bộ được tiến hành theo các bước sau:

a- Đầu tiên dây quấn kích từ phải được tách ra khỏi máy phát kích thích do K1 mở và được nối tắt qua điện trở dập từ

Rdt do công tắc tơ K2 đóng

b- Sau đó đóng máy cắt Mc đưa điện lưới vào stator của động cơ đồng bộ xuất hiện mô men khởi động Muđb kéo rotor của động cơ quay nhanh dần tới khi hệ số trượt đạt trị số:

1

0 1

W

W W

Quá trình máy kéo dài cỡ vài chục giây nó tùy thuộc vào công suất và tốc độ góc của động cơ đồng bộ Khi đạt tới tốc độ W0 =Wđb(1-S0) thì máy phát kích thích được tự kích (hoặc điều khiển để tăng điện áp kích từ chuẩn bị cho quá trình vào đồng bộ) và đầu ra của nó

có điện áp UKT đủ để cho dòng kích từ cần thiết

c- Sau khi đạt tới W=W0 thì K1 đóng lại, mở k2 đưa điện áp UKT của máy phát kích thích và mạch kích từ của động cơ đồng bộ

và tách điện trở dập từ Rdt ra Chú ý khi đóng K1 mới được mở

K2 để tránh hở mạch của dây quấn kích thích động cơ đồng bộ d- Nếu mở máy có tải thì UKT được chọn trước sao cho ở chế độ đồng bộ được xác lập với hệ số công suất cosϕ cần thiết, khi

mở máy ở không tải tức là mômen cản M=0 và sau khi được kéo vào đồng bộ động cơ nhận được mô men tải đủ M và dòng kích từ được xác lập để phát ra công suất phản kháng cần thiết Sau khi mở máy và được kéo đồng bộ ở chế độ xác lập dòng điện trong dây quấn cản không tồn tại Tuy vậy khi vận hành ở bất kỳ quá trình nào liên quan tới sự thay đổi UKT hay mô men cản từ sẽ làm cho

từ thông mắc vòng với dây quấn cản thay đổi và trong dây quấn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng I làm cho qúa trình quá độ đó được tiến hành thuận lợi hơn Ngày nay hầu hết các động cơ đồng bộ công suất lớn đều được khởi động bằng phương pháp không đồng bộ

3.6 Nguồn kích từ - Đặc tính cơ - Hãm động cơ đồng bộ

1- Các bộ nguồn kích cho động cơ đồng bộ

Vào những năm 50 người ta chỉ sử dụng máy phát một chiều có vành gáp gọi là máy phát kích thích với động cơ riêng Ngay nay với

sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, kỹ thuật bán dẫn phát triển cao theo đó độ tin cậy của các chỉnh lưu bán dẫn ngày càng tăng và được nâng cao Các hệ kích thích điều khiển chỉnh lưu dòng atsilic và thyzitor được dùng ngày càng nhiều Chúng được dùng cho các động

cơ có công suất lớn Thực tế hiện nay tự kích thích dùng thiết bị bán dẫn có thể được chia thành ba loại cơ bản sau:

a- Hệ tự kích thích

Năng lượng cần thiết để kích thích lấy từ dây quấn stator khi đó việc chỉnh lưu dòng xoay chiều lấy từ stator thực hiện nhờ các chỉnh lưu bán dẫn điều khiển (Thyzitor) Việc chích công suất nhờ máy biến

áp nối song song với dây quấn stator và máy biến áp 9 mắc nối tiếp với dây quấn stator

Máy biến áp 9 điểm báo cho phép cưỡng bức khi có ngắt nguồn ở gần, khi đó điện áp trên dây quấn stator giảm rõ rệt

Hình 3-5: Hệ tự kích thích Trong đó: 1: Dây quấn stator của động cơ đồng bộ

2: Dây quấn rotor của động cơ đồng bộ

3,4: Chổi than và vành trượt để cấp kích từ cho dây quấn

c- Hệ kích thích không chuyển tiếp

Hệ có chỉnh lưu bán dẫn đặt trên trục máy và không có tiếp xúc trượt, hệ này cũng tương tự như hệ kich thích độc lập nhưng ở máy phát ba pha thì dây quấn xoay chiều 3 pha đặt ở rotor còn dây quấn kích thích đặt ở stator Bộ chỉnh lưu đặt trên stator của máy phát ba pha và cấp cho rotor của động cơ đồng bộ

2- Đặc tính của động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những truyền động công suất trung bìn và lớn có yêu cầu ổn định tốc độ cao Ưu điểm của nó là độ ổn định cao hệ số cosϕ và hiệu suất lớn

Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý Hinh 3-7: Đặc tính cơ của

của động cơ đồng bộ động cơ đồng bộ

Khi đóng stator động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần

số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ

0

này được xây dựng băng cách sử dụng đồ thị véc tơ của mạch stator với giả thiết bỏ qua điện trở R4 của stator

Hình 3-8: Đồ thị vectơ của mạch stator động cơ đồng bộ

Trong đó: U1: Điện áp pha lưới điện V

E: Sức điện động pha stator

I1: Dòng điện stator A

X3: Điện kháng pha stator (XS = XM + X’1)

θ: Góc lệch pha giữa vectơ U và I

ϕ: Góc lệnh pha giữa véc tơ U1 và dòng I1

Từ độ thị véc tơ ta có:

U1 cosϕ = E Cos(ϕ - θ) (Công thức 3-8)

Theo tam giác ABC: Cos(ϕ - θ) =

θ ϕ

ϕ−θ

Thay vào phương trình trên ta có:

S

X I

Sin U E

S

1

U1I1 Cosϕ là công suất một pha của động cơ

Vậy công suất ba pha của động cơ là:

X

EU P

S

13

Mô men của động cơ là: Sinθ

X W

EU W

P M

S

1

1 1

3π/2 π

π/2

0

EU M

1 1 3 max = Lúc này M = MmSinθ

Mm: Đặc trưng cho khả năng quá tải củađộng cơ khi tải tăng góc lệch θ tăng Nếu θ>π/2 thì mômen giảm Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức với θđm = 20 ÷250

Hệ số quá tải về mô men là:

2

1 3

1

2 1

1

Sin X X

U Sin X

E U

Trong đó: Xd, Xq là điện kháng dọc trục và ngang trục

Đường cong biểu diễn M sẽ là tổng của hai thành phần

θ

Sin X

E U

1 =

Và 1 1 2θ

2

31

1

X X

W

U M

3.- Trạng thái hãm động cơ điện đồng bộ

Đối với động cơ điện đồng bộ thường dùng phương pháp hãm động năng khi động cơ quay muốn hãm động năng ta cắt staor khỏi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào điện trở phụ ba pha còn rotor vẫn được kích từ như trước đó

M

Rf

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý hãm động năng động cơ đồng bộ Đặc tính cơ hãm động năng có dạng như của động cơ không đồng

bộ khi hãm động năng kích từ độc lập

Trạng thái hãm tái sinh

Hãm tái sinh động cơ đồng bộ có thể xảy ra khi động cơ làm việc

ở đoạn đặc tính cơ nằm ở góc phần tải thứ hai trên hệ trục tọa độ (μ, W) trên hình 7 lúc này động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát biến cơ năng thành điện năng trả về lưới