Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 2.10 ( tiếp theo) pptx

Hai máy phát đồng bộ làm song song được với nhau không phải vì các máy có trang bị bộ điều tốc mà là do một loạt các hiện tượng khác.. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 10.11.1 Tính chất động của động cơ

dm dm

qt

P

P M

M



Ở máy dị bộ khái niệm quá tải về công suất và mô men khác nhau (vì n = var) còn ở máy đồng bộ 2 khái niệm này trùng nhau Cũng từ đồ thị này ta thấy máy đồng bộ chỉ có thể làm việc ổn định ở trong phạm vi  = 0  90; ngoài giá trị

đó ra máy mất đồng bộ

Tuy nhiên trong thực tế góc công tác của máy điện đồng bộ chỉ có giá trị khoảng 35-450 bởi vì nếu góc công suất lớn hơn thì độ dự trữ công tác sẽ nhỏ

10.10.5.2 Mô men ở máy cực hiện:

Trên cơ sở sơ đồ tương đương đơn giản (R = 0) và đồ thị véc tơ hình 10.36

ta có:

Icos = Iqcos + Idsin (10.30)

XqIq = Usin (10.31)

163

Hình 10.35 Đặc tính mô men của máy đồng bộ cực ẩn

M

max1

M

max2

M

max3

M



M=f() với u=const, f=const,E

0 =const E

01

E

02

E

03

E

0

X

s I

U

I

0 U

C JXI





0 U

JXI

d







I

d

I

q

JXI

q

Hình 10.36 Đồ thị véc tơ đơn giản của máy đồng bộ cực hiện

XdId = Ep - Ucos (10.32) Thay 3 biểu thức này vào (12.23) ta có:





















2

1 sin

d q d

p

X X

U X

UE

P (10.33)

và

























X

1 X

1 ( U 2

1 sin X

UE n

m 975 , 0 M

d q

2 d

p

(10.34)

So sánh (10.29) với (10.34) ta thấy thành phần thứ nhất là mômen của máy cực ẩn Giá trị mômen này phụ thuộc vào điện áp U và dòng kích từ Ikt Thành phần thứ 2:





X

1 X

1 ( U 2

1 n

m 975 , 0

M

d q

2

(10.35) không phụ thuộc vàp dòng kích từ, nó chỉ phụ thuộc vào độ không đối xứng mạch

từ giữa trục d và q Người ta gọi mômen này là mômen dao động hay mômen do

phi đối xứng từ Trên (hình 10.37) biểu diễn đặc tính của mômen này

Đường M1 là thành phần thứ nhất của biểu thức (10.34) tức là mômen xuất hiện ở máy cực ẩn, đường M2 là thành phần thứ 2 của (10.34) còn M là tổng của 2 thành phần trên (10.34) Sự xuất hiện mômen dao động làm tăng hệ số quá tải của máy

Èn cùc låi

M

M ( 2 , 1 )

M

M

(

dm

max dm

max



10.10.6 Mômen đồng bộ và dao động máy

164

HÌnh 10.37 Đặc tính mô men máy đồng bộ cực ẩn



M=f() với U=const, f=const, E

0 =const

M1 M M

2

M

db

90 0

-180 0

Vùng ổn định



max

Hai máy phát đồng bộ làm song song được với nhau không phải vì các máy có trang bị bộ điều tốc mà là do một loạt các hiện tượng khác Để nghiên cứu

vấn đề này ta hãy xét một máy đồng bộ làm việc song song với mạng cứng (hình

với tốc độ không đổi Khi tăng lượng dầu cho máy lai, công suất của máy phát tăng lên, giả dụ đạt đến điểm 2 ứng với công suất P2, nhưng do quán tính rôto chạy tới điểm 2’ Tại điểm này mômen cơ lớn hơn mômen điện từ (Mđc>Me) làm cho rô to quay chậm lại, đáng lẽ dừng lại tại điểm 2, song cũng do quán tính rôto đạt tới điểm 1’, ở điểm này công suất điện từ lại lớn hơn cơ (Me>Mđc) nên rôto lại quay nhanh, song bây giờ nó không tới điểm 2’ mà tới điểm 2’’ thấp hơn Quá trình được lặp lại với biên độ dao động quanh điểm 1 nhỏ dần và cuối cùng rôto dừng lại ở điểm 2 -điểm có công suất cơ bằng công suất điện, ta có chế độ ổn định Hiện tượng này gọi

là hiện tượng dao động máy Hệ thống nghiên cứu này có quán tính và đàn hồi Độ đàn hồi được được biểu diễn bằng sự thừa mômen xuất hiện khi dao động Nó chính là nguyên nhân giữ cho máy làm việc đồng bộ Để xác định khả năng giữ đồng bộ của máy ta đưa ra khái niệm mômen đồng bộ và được định nghĩa như sau:



 d

dM

db

Ứng với nó là công suất đồng bộ



 d

d

Pdb p

Mômen đồng bộ đôi khi còn được xác định như sự thừa mômen











d

dM

165

(10.30)

(10.30a)



cP

1

cP2

cP1

1

2

2’



1



2 ’’ 2’

1 2’’’

2 2’

M 1

M’’

2

M2

M

2 ’

/2



E01

E01>E01

Mđb=f() với U=const F=const E=const

Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát a)

Hình 10.35 Mô men đồng bộ a) Sơ đồ véc tơ,b) Đặc tính góc, c) Mô men đồng bộ

Mômen đồng bộ càng lớn (sự thừa càng nhiều) thì khả năng giữ đồng

bộ càng lớn với máy đồng bộ cực ẩn thì mômen đồng bộ có dạng hình 10.35b.



X

UE C M

s

p

Từ đây ta thấy rằng khi  = 900 thì mômen đồng bộ bằng không, máy rời khỏi đồng bộ Vì thế không nên để máy làm việc với góc   900 vì rất dễ mất đồng bộ

Mômen đồng bộ phụ thuộc vào dòng kích từ Nếu ikt càng lớn thì mômen càng lớn, điều đó chứng tỏ ở máy kích từ thừa khả năng đồng bộ sẽ lớn hơn máy kích từ thiếu Khi điện áp lưới giảm, mômen đồng bộ giảm, máy dễ rời khỏi đồng bộ

Mômen đồng bộ liên quan với khái niệm làm việc ổn định của máy đồng bộ Để máy làm việc ổn định cần thoả mãn:

0 d

dM C



Mômen đồng bộ giữ một vai trò rất quan trọng trong các trường hợp công tác bị nhiễu Cần lưu ý rằng ở chế độ quá độ giá trị Xs thay đổi Khi chú ý tới hiện tượng xuất hiện ở chế độ quá độ ta có thể xác định độ ổn định và quá tải động Ở chế độ quá độ do Xs giảm nên Mdb tăng Đó là điều có lợi cho khả năng giữ đồng bộ của máy

Hiện tượng dao động máy trên đây mang tính tắt dần Nếu khả năng tắt dần kém hoặc muốn rút ngắn quá trình dao động người ta dùng thêm cuộn ổn định đặt trên các mặt cực từ Cuộn này được thực hiện như rôto ngắn mạch của máy điện dị

bộ Sự tăng nhanh hoặc chậm của rôto so với từ trường kích từ trong cuộn ổn định đều cảm ứng sđđ và tạo ra mômen chống lại hiện tượng gây nên hậu quả đó, kết quả làm cho rôto chóng ổn định

10.11 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

10.11.1 Tính chất động của động cơ đồng bộ

Một máy điện đồng bộ được nối với lưới điện sau khi hoà đồng bộ có thể làm việc như máy phát hoặc như động cơ phụ thuộc vào tải Để giải thích điều này chúng ta sử dụng sơ đồ véc tơ máy đồng bộ cực ẩn Giả thiết rằng hoà đồng bộ chính xác Ep = Ulưới (hình10.36) Lúc này máy chạy không tải ( = 0) không nhận và

cũng không phát ra một công suất nào, tổn hao trong máy điện được bù đắp bởi máy lai Nếu tại thời điểm này ta tăng công suất máy lai mà không thay đổi dòng

kích từ thì rôto sẽ tăng tốc làm góc công suất  > 0 (hình 10.36b).

166

CQ

3

CQ

4

2

CP

23

3

E 0

E03

U

I3 I 2

IX 3 IX 2



CQ

4

CQ

5

CP

45

4 5

E

0

u s

IX

5

IX4



I5 I

4

E

0 Ul

=0

E

0

Ul

a)

CQ XI

U

l

E

0

E

0

U

l

Hình 10.36 Khả năng làm việc của máy điện đồng bộ a)Chạy không tải, b) làm việc

như máy phát;c) Làm việc như động cơ; d)Làm việc như máy bù.

Ở một giá trị 2 nào đó có sự cân bằng công suất nhận và công suất phát, máy đồng bộ làm việc ổn định (điểm 2) Từ vị trí dòng điện trên đồ thị véc tơ ta thấy máy điện làm việc như máy phát, phát ra công suất tác dụng P2 và công suất dung kháng Q2 Vì máy phát phát ra công suất dung kháng không tốt lắm cho nên ta phải tăng dòng kích từ để dòng tải có tính cảm kháng, máy phát ra công suất tác dụng và công suát cảm kháng.(điểm 3)

Nhưng cũng tại thời điểm xuất phát nếu ta ngắt máy lai, sau đó tải nó bằng

mô men cơ học thì tốc độ rôto chậm dần nhận vị trí ổn định (4) ứng góc công suất

4 Lúc này máy làm việc như động cơ đồng bộ nhận từ lưới công suất P4 và Q4 (cảm kháng) Do nhận từ lưới công suất cảm kháng Q4 không phù hợp nên ta phải tăng dòng kích từ để máy có thể cho cos =1 hoặc nhận công suất dung kháng Q5

và công suất P5 tác dụng ứng với điểm 5

Để hình dung được ảnh hưởng của kích từ ta xét ở chế độ không tải Tại chế

độ này nếu ta chỉ tăng dòng kích từ (quá kích) thì máy sẽ phát dòng cảm kháng (hình10.36d), còn nếu giảm dòng kích từ máy sẽ phát dòng dung kháng (hình.10.41e) Các chế độ có thể làm việc của máy đồng bộ biểu diễn ở H.10.37

167

jXI

E 0

cQ

U

§éng c¬ nhËn c«ng suÊt t¸c dông vµ c«ng suÊt dung kh¸ng

§éng c¬ nhËn c«ng suÊt t¸c dông vµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng

M¸y ph¸t nhËn c«ng

suÊt t¸c dông vµ c«ng

suÊt ph¶n kh¸ng

M¸y ph¸t nhËn c«ng

suÊt t¸c dông vµ c«ng

suÊt dung kh¸ng

Hình 10.37 Các khả năng làm việc của máy điện đồng bộ

10.11.2 Khởi động động cơ đồng bộ:

Trước hết ta hãy xét một máy điện đồng bộ không có một thiết bị phụ đặc biệt nào Cuộn kích từ được nối vào nguồn 1 chiều, còn cuộn phần ứng được nối vào lưới điện 3 pha tạo ra từ trường quay với tốc độ

P

f 60

ntt  Trong điều kiện này

ở trong máy đồng bộ xuất hiện mômen biến đổi hình 10.38.

Chu kỳ biến đổi của mômen xác định:

tt

tt tt

M

M

n

) n n (

1 )

n n (

p

60 f

1

T







(10.33)

Trong đó: n - Tốc độ tức thời của rôto; dấu “-“ khi nó quay thuận chiều

quay, còn dấu “+” khi quay ngược chiều quay Khi n = 0 thì fM = f1 = 50HZ Một mômen biến đổi với tần số như vậy thì do rô to có quán tính lớn sẽ không chuyển động Có thể nói gọn lại là máy điện đồng bộ không có mômen khởi động (Mtb = 0) Do đó ta phải tìm cách khởi động động cơ đồng bộ

a-Khởi động bằng máy ngoài

Thực chất của quá trình này là đồng bộ hoá hay tự đồng bộ Ta dùng một máy lai ngoài (động cơ dị bộ, hoặc động một chiều, ) quay rôto động cơ đồng bộ tới tốc độ cần thiết để hoà vào lưới Phương pháp này có nhược điểm là cần dùng một động cơ ngoài nên tốn kém vì vậy ít được dùng

168

M

TM

Mtb=0

Hình 10.38 Mô men máy đồng bộ khi rô to không quay

t

b-Phương pháp khởi động dị bộ

Đây là phương pháp giống như khởi động động cơ dị bộ Để thực hiện được phương pháp này người ta đặt ở mặt cực một cuộn dây ngắn mạch làm bằng các thanh đồng (đồng thường hay đồng đỏ) giống như cuộn dây của máy điện không đồng bộ rô to ngắn mạch Nếu bỏ qua cuộn kích từ thì khi nối cuộn dây 3 pha vào lưới sẽ có dòng 3 pha chạy vào và tạo ra từ trường quay làm rôto quay như máy điện dị bộ Khi đã đạt được tốc độ nhất định nếu ta cấp dòng kích từ cho cuộn kích

từ thì giữa từ trường một chiều và từ trường quay sẽ tác động lên nhau và tạo ra mômen có biên độ tăng dần Chu kỳ TM của mô men này khi độ trượt nhỏ có giá trị lớn (ví dụ f = 50HZ, s = 0,005 thì TM = 4s),nên mô men sinh ra trong máy đồng bộ

có thể giúp cho rôto tăng tốc để bước vào đồng bộ Cuộn dây khởi động của máy có thể là bản thân các lá thép cực từ với kích thước nhất định, khi từ trường biến thiên trong nó sẽ xuất hiện dòng xoáy và tạo ra mômen đủ lớn để khởi động máy Để giảm dòng khời động người ta sử dụng các phương pháp như ở máy dị bộ

Cho tới lúc này chúng ta đã bỏ qua cuộn kích từ Nếu cuộn kích từ hở mạch thì ở thời kỳ đầu của quá trình khởi động, từ trường quay do stato tạo ra sẽ quay so với rôto một tốc độ rất lớn (ntt – n = sntt) sẽ cảm ứng trong cuộn kích từ hở một sđđ

có giá trị rất lớn gây nguy hiểm cách điện cuộn kích từ và cho người vận hành Để tránh hiện tượng quá điện áp ta nối cuộn dây qua một điện trở thích hợp Việc nối điện trở này lại tạo ra một hiện tượng khác gọi là hiện tượng Gorgesa Bản chất hiện tượng này như sau:

- Từ trường quay của stato làm xuất hiện dòng xoay chiều ở mạch kích từ có tần số:

f s

60

) n n ( p

Dòng biến đổi này tạo ra một từ trường biến đổi mà theo nguyên tắc ta có thể tách ta làm 2 từ trường quay bằng nhau có cùng tốc độ nhưng chiều quay ngược nhau Một từ trường quay có chiều quay cùng chiều rôto còn từ trường kia ngược chiều (xem động cơ dị bộ 1 pha) Tốc độ 2 từ trường đó so với rôto như sau:

Từ trường cùng chiều quay rôto:

p

f 60

Từ trường ngược:

p

f 60 '

Và so với stato:

Từ trường quay thuận: nqs = n + n2q = ntt (10.37)

Từ trường quay ngược:n’qs = n + n’2q = n – ntt + n = 2n - ntt (10.37a)

Ta thấy từ trường thuận có tốc độ so với stato không đổi, vậy nó tạo ra mômen dị bộ tác động lên rôto theo chiều của mômen do cuộn khởi động tạo ra

169

Từ (12.37a) ta thấy tốc độ của từ trường ngược n’qs phụ thuộc vào tốc độ quay của rụto, nú cú giỏ trị và hướng thay đổi Qua phõn tớch thấy rằng: Ở phạm vi

0  n 

2

ntt

từ trường ngược quay so với stato sang trỏi mụmen do nú tạo ra cú chiều sang phải trựng với chiều mụmen dị bộ và mụmen tạo ra bởi từ trường thuận Khi n n2tt từ trường ngược ở trạng thỏi khụng chuyển động so với ststo nờn trong cuộn dõy khụng cảm cảm ứng một sđđ nào cả và khụng tạo ra mụmen phụ Khi

2

n

n  tt hướng quay của từ trường ngược so với stato sẽ ngược với trường hợp n n2tt nờn mụmen do nú sinh ra sẽ ngược với chiều của mụmen tạo ra do cuộn khởi động

và từ trường thuận Trờn hỡnh 10.39 biểu diễn đặc tớnh cơ của cỏc loại từ trường

tạo ra Đặc tớnh mụmen do từ trường ngược tạo ta cú: Khi n n2tt thỡ Mq’s = 0, khi

2

n

n  tt thỡ Mas > 0 và khi n n2tt thỡ Mq’s < 0

Đặc tớnh khởi động sẽ là tổng mụmen ấy Từ đồ thị ta thấy đặc tớnh cơ khởi động cú vựng yờn ngựa (hiện tượng Gorgesa) Nếu vựng yờn ngựa lớn (do dũng xoay chiều cuộn kớch từ lớn) thỡ cú thể xảy ra trường hợp mụmen khởi động nhỏ

hơn mụmen cản hỡnh 10.39a, khởi động khụng thành cụng Để giảm sự tỏc động

của từ trường ngược, ta đưa vào cuộn kớch từ một điện trở phụ cú giỏ trị khoảng 10 lần giỏ trị điện trở mạch kớch từ:Rp  10Rkt (hỡnh 10.40) Nếu chọn Rp lớn quỏ sẽ gõy xuyờn thủng cỏch điện, cũn nếu chọn Rp nhỏ quỏ thỡ khụng giảm được hiện tượng Gorges, gõy dừng mỏy khụng khởi động được

170

M

M

A’

M

n

A

A

n

n

M

M

M n

1

Hỡnh 10.39 Đặc tớnh mụ men khi khởiv động động cơ đồng bọ bằng phương phỏp dị

bộ a) Mạch kớch từ bị nối tắt, b)mạch kớch từ nối qua một điện trở

  

  

Cuộn khởi động

Máy kích từ

Rôto

P 2 1

R

p

Hỡnh 10.40 Sơ đồ nối dõy khởi động động cơ đồng bộ bằng phương phỏp dị bộ

Stato

Nắm được tính chất này của máy đồng bộ sẽ có lợi cho trường hợp động cơ

dị bộ 3 pha dây quấn bị đứt một pha ở rô to Khi động cơ dị bộ 3 pha dây quấn đứt

1 pha ở rôto có hiện tượng giống như trường hợp vừa nghiên cứu

c)Khởi động bằng phương pháp tần số

Nếu ta cấp cho stato một nguồn điện có khả năng điều chỉnh tần số, khi tăng dần tần số nguồn điện cung cấp từ 0 đến tần số đồng bộ, nếu mạch kích từ của động cơ đồng bộ được cấp dòng thì cùng với tăng tần số nguồn cung cấp, tốc độ động cơ cũng tăng, đến khi đạt tốc độ đồng bộ ta nối động cơ vào lưới và ngắt nguồn cung cấp có tần số ra khỏi động cơ

10.12 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Ở máy điện cực lồi mômen quay cũng xuất hiện khi không có kích từ





X

1 X

1 ( U 2

1 n

m 975 , 0 M

d q

2

(10.38) Mômen này xuất hiện do tác dụng động lực của từ trường lên phần tử từ không đối xứng (Xq  Xd) được làm bằng vật liệu từ ferô có >1(hình 10.41)

Dưới tác dụng của mômen này hệ thống sẽ tiến tới chiếm vị trí sao cho hệ thống có

độ dẫn từ lớn nhất Việc xuất hiện mômen quay (gọi là mômen dao động) đã tạo cơ

sở để xây dựng những máy đồng bộ có một cuộn dây có khả năng biến cơ năng sang điện năng hoặc điện năng sang cơ năng Ví dụ nếu stato gồm 3 cuộn dây 3 pha có số cặp cực p và rôto là loại cực hiện có cùng số cặp răng thì ở tốc độ đồng

bộ sẽ xuất hiện mômen Từ trường stato sẽ kéo rôto theo mình và giữ nó ở chế độ đồng bộ cho tới khi mômen tải nhỏ hơn mômen điện từ của máy Cần lưu ý rằng

Mmax xuất hiện ở góc 450 chứ không phải ở góc 900 như ở máy có kích từ Mômen điện từ chỉ xuất hiện ở điều kiện cụ thể (f, pstato, prôto) ở một tốc độ nhất định vì nó là mômen đồng bộ

171

M

t



M

N

S

N

S

Hình 10.41 Giải thích hiện tượng xuất hiện mô men dao động a) Sự xuất hiện mô men dao động b) Mô men dao động mhông xuất hiện c) Sự phụ thuộc của mô men dao động vào góc 

Ở tốc độ không đồng bộ có mômen điện từ nhưng đó là mômen biến đổi nên giá trị trung bình bằng zero

Mômen dao động cũng có thể xuất hiện khi số cặp cực stato khác số cặp cực rôto, cụ thể ở tốc độ góc sau:

cơ

r r

s

s p p

p p







Trong đó:

 - Tốc độ góc quay điện

Để khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng dùng phương pháp như đối với động cơ đồng bộ bình thường

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dùng trong tự động, điều khiển

từ xa v.v rôto được cấu tạo như hình 10.42.

Do những ưu điểm nổi bật của loại máy này (về tốc độ cao, dễ dàng điều chỉnh tốc độ v.v) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện có công suất lớn

10.13 MÁY BÙ ĐỒNG BỘ

172

Sắt nhôm

a)

b)

Hình 10.42 Rô to động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu