Bài giảng Máy điện 2

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng do đó có khả năng tự nâ

i

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2

1.1 Đại cương về máy điện đồng bộ 2

1.1.1 Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ 2

1) Phân loại 2

2) Kết cấu 3

1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 6

1.1.3 Các đại lượng định mức 6

1.2 Từ trường trong máy điện đồng bộ 6

1.2.1 Khái quát chung về từ trường trong máy điện đồng bộ 6

1.2.2 Từ trường của dây quấn kích từ 7

1) Máy cực lồi 7

2) Máy cực ẩn 10

1.2.3 Từ trường của dây quấn phần ứng 11

1) Khi tải thuần trở 11

2) Khi tải thuần cảm 12

3) Khi tải thuần dung 12

4) Khi tải có tính hỗn hợp 13

1.2.4 Quy đổi sức từ động trong máy điện đồng bộ 13

1.3 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 15

1.3.1 Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ 15

1) Chế độ máy phát điện 16

2) Chế độ động cơ điện 20

1.3.2 Cân bằng năng lượng trong máy điện đồng bộ 20

1.3.3 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 21

1) Đặc tính góc công suất tác dụng 21

2) Đặc tính góc công suất phản kháng 24

1.4 Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 25

1.4.1 Khái quát chung 25

1.4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 25

1) Đặc tính không tải 25

2) Đặc tính ngắn mạch 26

3) Đặc tính ngoài 28

4) Đặc tính điều chỉnh 29

5) Đặc tính tải 29

1.5 Máy điện đồng bộ làm việc với tải không đối xứng 31

1.5.1 Khái quát chung 31

1.5.2 Các tham số của máy điện đông bộ khi việc với tải không đối xứng 33

1) Tổng thứ tự thuận z1 = r1 + jx1 33

2) Tổng trở thứ tự ngược z2 = r2 + jx2 33

3) Tổng trở thứ tự không z0 = r0 + jx0 35

1.5.3 Ảnh hưởng của tải không đối xứng đối với máy điện đồng bộ 35

1) Điện áp khi tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ 36

2) Tổn hao tăng và roto nóng 36

3) Hiện tượng máy rung 36

1.5.4 Ngắn mạch không đối xứng ở máy phát điện đồng bộ 36

1) Ngắn mạch một pha 36

2) Ngắn mạch hai pha 38

1.6 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 39

1.6.1 Ghép máy phát điện đồng bộ làm việc song song 39

1) Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác 40

2) Phương pháp tự đồng bộ 43

1.6.2 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ 44

1) Điều chỉnh công suất tác dụng 44

2) Điều chỉnh công suất phản kháng 46

1.7 Động cơ và máy bù đồng bộ 49

1.7.1 Động cơ điện đồng bộ 49

1) Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của động cơ đồng bộ 49

iii

2) Các phương pháp mở máy cho động cơ điện đồng bộ 50

3) Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ 52

1.8 Máy điện đồng bộ đặc biệt 55

1.8.1 Máy phát điện đồng bộ một pha 55

1.8.2 Máy biến đổi một phần ứng 56

1.8.3 Động cơ điện đồng bộ phản kháng 57

1.8.4 Động cơ điện đồng bộ kiểu nam châm vĩnh cửu 58

1.8.5 Động cơ điện đồng bộ kiểu từ trễ 58

1.8.6 Máy phát cảm ứng tần số cao 59

1.8.7 Động cơ bước 60

CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 65

2.1 Đại cương về máy điện một chiều 65

2.1.1 Cấu tạo và phân loại máy điện một chiều 65

1) Cấu tạo 66

2) Phân loại 68

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều 69

1) Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều 69

2) Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 70

2.1.3 Các đại lượng định mức của máy điện một chiều 70

2.2 Từ trường trong máy điện một chiều 71

2.2.1 Khái quát chung 71

2.2.2 Từ trường máy điện một chiều lúc có tải 72

1) Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều 72

2) Từ trường cực từ phụ 75

3)Từ trường của dây quấn bù 77

2.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều 78

2.3.1 Khái quát chung 78

2.3.2 Dây quấn xếp 80

1) Dây quấn xếp đơn 80

2) Dây quấn xếp phức tạp 83

2.3.3 Dây quấn sóng 85

1) Dây quấn sóng đơn 86

2) Dây quấn sóng phức tạp 87

2.3.4 Dây quấn hỗn hợp 89

2.4 Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 91

2.4.1 S.đ.đ phần ứng, momen và công suất điện từ 91

1) S.đ.đ phần ứng trong dây quấn máy điện một chiều 91

2) Momen điện từ và công suất điện từ 92

2.4.2 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng năng lượng 94

1) Tổn hao trong máy điện một chiều 94

2) Quá trình năng lượng trong máy điện một chiều và các phương trình cân bằng 96

2.4.3 Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều 98

2.5 Đổi chiều trong máy điện một chiều 99

2.5.1 Khái quát chung 99

2.5.2 Quá trình đổi chiều 102

1) Đổi chiều đường thẳng 103

2) Đổi chiều đường cong 104

2.5.3 Nguyên nhân sinh ra tia lửa và phương pháp cải thiện đổi chiều 107

1) Nguyên nhân sinh ra tia lửa 107

2) Các phương pháp cải thiện đổi chiều 108

2.6 Máy phát điện một chiều 110

2.6.1 Khái quát chung 110

2.6.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều 111

1) Đặc tính không tải 111

2) Đặc tính ngắn mạch 112

3) Đặc tính ngoài 113

4) Đặc tính điều chỉnh 119

5) Đặc tính tải 121

v

2.6.3 Máy phát điện một chiều làm việc song song 121

1) Điều kiện làm việc song song của máy phát điện một chiều 122

2) Phân phối và chuyển tải giữa các máy phát điện một chiều 123

2.7 Động cơ điện một chiều 125

2.7.1 Khái quát chung 125

2.7.2 Mở máy động cơ điện một chiều 126

1) Mở máy trực tiếp 126

2) Mở máy nhờ biến trở 127

3) Mở máy bằng điện áp thấp (Uk < Uđm) 128

2.7.3 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 128

1) Phương trình đặc tính cơ 128

2) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 130

2.7.4 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều 137

2.8 Máy điện một chiều đặc biệt 140

2.8.1 Máy điện một chiều từ trường ngang 140

2.8.2 Máy phát hàn điện 141

2.8.3 Động cơ chấp hành một chiều 142

2.8.4 Máy phát tốc một chiều 143

2.8.5 Động cơ một chiều không tiếp xúc 143

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU CÓ VÀNH GÓP 150

3.1 Khái quát chung 150

3.2 Động cơ điện ba pha có vành góp 150

3.2.1 Động cơ điện ba pha kích từ song song 151

1) Sơ lược kết cấu 151

2) Nguyên lý làm việc 152

3) Điều chỉnh tốc độ quay và cos 152

3.2.2 Động cơ điện ba pha kích từ nối tiếp 154

1) Sơ đồ nguyên lý 154

2) Nguyên lý làm việc 154

3.2.3 Động cơ điện bù pha và máy bù pha 155

1) Động cơ điện bù pha 155

2) Máy bù pha 156

3.3 Động cơ điện một pha có vành góp 159

3.3.1 Sức điện động của máy điện một pha có vành góp 159

1) Sức điện động biến áp Eba 160

2) Sức điện động quay Eq 161

3.3.2 Động cơ điện nối tiếp một pha 162

1) Cấu tạo 162

2 Nguyên lý làm việc 162

3) Momen của động cơ 163

4) Đồ thị véctơ 163

5) Ứng dụng 164

3.3.3 Động cơ điện đẩy 165

1) Động cơ điện đẩy với hai dây quấn phần tĩnh 165

2) Động cơ điện đẩy chỉ có một dây quấn ở phần tĩnh (Động cơ Thompson) 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO 168

vii

MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực ẩn 3

Hình 1 2 Hình ảnh máy phát điện đồng bộ cực lồi 3

Hình 1 3 Stato máy điện đồng bộ 4

Hình 1 4 Rôto MĐĐB cực ẩn 4

Hình 1 5 Cơ cấu chổi than vành trượt của dây quấn kích từ 5

Hình 1 6 Rôto MĐĐB cực lồi 5

Hình 1 7 Sơ đồ nguyên lý MPĐB ba pha 2 cực 6

Hình 1 8 Từ trường phần cực từ MĐĐB cực lồi 7

Hình 1 9 Phân bố từ trường khe hở MĐĐB cực lồi 8

Hình 1 10 Phân bố từ trường khe hở MĐĐB cực ẩn 11

Hình 1 11 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở 12

Hình 1 12 Phản ứng phần ứng tải thuần cảm 12

Hình 1 13 Phản ứng phần ứng tải thuần dung 13

Hình 1 14 Phản ứng phần ứng tải hỗn hợp 13

Hình 1 15 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực ẩn 16

Hình 1 16 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực lồi 17

Hình 1 17 Đồ thị véctơ s.đ.đ đã biến đổi của MPĐB cực lồi 18

Hình 1 18 Đồ thị Pochie của máy phát điện đồng bộ 19

Hình 1 19 Đồ thị véctơ s.t.đ.đ và độ thay đổi điện áp của MĐĐB cực lồi khi bão hòa 19

Hình 1 20 Đồ thị véctơ của ĐCĐB 20

Hình 1 21 Giản đồ năng lượng công suất tác dụng 21

Hình 1 22 Đặc tính góc công suất tác dụng 22

Hình 1 23 Mạch điện tương đương và đồ thị véctơ vd1.1 23

Hình 1 24 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi 24

Hình 1 25 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 25

Hình 1 26 Đặc tính không tải 26

Hình 1 27 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ (b) khi ngắn mạch 26

Hình 1 28 Đặc tính ngắn mạch 27

Hình 1 29 Đồ thị xác định tỷ số ngắn mạch K 27

Hình 1 30 Đặc tính ngoài MPĐB 28

Hình 1 31 Đặc tính điều chỉnh của MPĐB 29

Hình 1 33 Xây dựng đặc tính tải từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng 30

Hình 1 32 Đồ thị véctơ s.đ.đ khi tải thuần cảm 30

Hình 1 37 Sơ đồ ngắn mạch một pha của MPĐB 37

Hình 1 38 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch một pha MPĐB 37

Hình 1 39 Sơ đồ ngắn mạch hai pha MPĐB 38

Hình 1 40 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch hai pha MPĐB 39

Hình 1 42 Đồ thị véctơ điện áp 42

Hình 1 41 Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát điện 41

Hình 1 43 Sự biến đổi của U*; I*; it*của máy phát 100000 kW khi tự hòa đồng bộ vào lưới điện 43

Hình 1 44 Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện cực ẩn 45

Hình 1 45 Giản đồ véctơ điều chỉnh công suất phản kháng 47

Hình 1 46 Họ các đặc tính hình V của máy điện đồng bộ 48

Hình 1 47 Sơ đồ mạch kích từ ĐCĐB lúc mở máy 50

Hình 1 48 Đặc tính làm việc của ĐCĐB 53

Hình 1 49 Máy biến đổi một phần ứng 57

Hình 1 50 Mặt cắt roto của ĐCĐB phản kháng 58

Hình 1 51 Cấu tạo ĐCĐB nam châm vĩnh cửu 58

Hình 1 52 Mặt cắt ĐCĐB kiểu từ trễ 59

Hình 1 53 Sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến momen của ĐCĐB kiểu từ trễ 59

Hình 1 54 Cấu tạo máy phát cảm ứng tần số cao 60

Hình 1 55 Từ trường khe hở máy phát tần số cao 60

Hình 1 56 Hình ảnh một số loại động cơ bước 61

Hình 1.57 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước 62

Hình 2 1 Sơ đồ cấu tạo MĐMC 65

Hình 2 2 Lá thép phần ứng 67

Hình 2 3 Phần ứng và mặt cắt rãnh 68

ix

Hình 2 4 Ký hiệu MĐMC 69

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý MPMC và dạng sóng dòng điện và sức điện động 69

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC 70

Hình 2 7 Nhãn máy ĐCMC 71

Hình 2 8 Từ trường trong Máy điện một chiều 72

Hình 2 9 Phản ứng phần ứng khi chổi than ở trên trung tính hình học 73

Hình 2 10 Phản ứng phần ứng khi xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học 75

Hình 2 11 Sơ đồ nối dây cực từ phụ 76

Hình 2 12 S.t.đ và đường cong từ trường tổng của MĐMC có cực từ phụ 76

Hình 2 13 Sơ đồ nối dây dây quấn bù 77

Hình 2 14 Các đường s.t.đ và từ trường tổng của MĐMC có cực từ phụ và dây quấn bù 77

Hình 2 15 Hình dáng bối dây 78

Hình 2 17 Các tham số sơ đồ trải dây quấn phần ứng 79

Hình 2 16 Rãnh nguyên tố và rãnh thực 79

Hình 2 18 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn xếp đơn 81

Hình 2 19 Sơ đồ khai triển dây quấn xếp đơn, bước đủ (quấn tiến) 82

Hình 2 20 Cách đấu dây của MĐMC 83

Hình 2 21 Hình sao (a) và đa giác (b) s.đ.đ của dây quấn xếp phức tạp 84

Hình 2 22 Giản đồ khai triển dây quấn xếp phức tạp có Z = S = G = 24; 2p = 4; yG =2 85

Hình 2 23 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn sóng đơn 86

Hình 2 24 Giản đồ khai triển dây quấn sóng đơn Z = S = G = 15; 2p = 4 87

Hình 2 26 Giản đồ khai triển dây quấn sóng phức tạp m = 2; Z = S = G = 18; 2p = 4 88

Hình 2 25 Hình sao (a) và đa giác s.đ.đ (b) của dây quấn sóng phức tạp 88

Hình 2 27 Bước cực của các phần tử dây quấn hỗn hợp 89

Hình 2 28 Xác định Eư và Mđt trong MPMC 92

Hình 2 29 Xác định Mđt trong ĐCMC 94

Hình 2 30 Giản đồ năng lượng của máy phát điện một chiều 96

Hình 2 31 Giản đồ năng lượng của động cơ điện một chiều 97

Hình 2 32 Quá trình đổi chiều trong máy điện một chiều 100

Hình 2 33 Diện tích tiếp xúc của chổi than với phiến góp 103

Hình 2 34 Đổi chiều đường thẳng 104

Hình 2 35 Dòng điện ifkhi đổi chiều 105

Hình 2 36 Đổi chiều có tính chất trì hoãn 106

Hình 2 37 Đổi chiều có tính chất vượt trước 106

Hình 2 38 Sơ đồ chống nhiễu vô tuyến điện 107

Hình 2 39 Xê dịch chổi than khỏi trung tính hình học 109

Hình 2 40 Sơ đồ nguyên lý MPMC kích từ độc lập 110

Hình 2 41 Sơ đồ nguyên lý của MPMC tự kích từ 111

Hình 2 42 Đặc tính không tải MPMC 112

Hình 2 43 Đặc tính ngắn mạch MPMC 112

Hình 2 44 Dựng tam giác đặc tính 113

Hình 2 45 Đặc tính ngoài MPMC kích từ độc lập 114

Hình 2 46 Dựng đặc tính ngoài của MPMC kích từ độc lập 114

Hình 2 47 Điện áp ra của MPMC kích từ song song với các rt khác nhau 115

Hình 2 48 Đặc tính ngoài MPMC 117

Hình 2 49 Xây dựng đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 118

Hình 2 50 Đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 119

Hình 2 51 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ độc lập 119

Hình 2 52 Dựng điều chỉnh MPMC kích từ độc lập từ đặc tính không tải và tam giác đặc tính 120

Hình 2 54 Đặc tính tải MPMC 121

Hình 2 53 Đặc tính điều chỉnh MPMC kích từ hỗn hợp 121

Hình 2 55 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song 122

Hình 2 56 Sơ đồ nối MPMC làm việc song song 123

Hình 2 57 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC 125

Hình 2 58 Sơ đồ mở máy ĐCMC kích từ song song bằng biến trở 127

Hình 2 60 Đặc tính xét chế độ làm việc 129

Hình 2 62 Đặc tính cơ của ĐCMC khi thay đổi từ thông 131

Hình 2 64 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng U4> U1 >U2 >U3 132

xi

Hình 2 65 Điều khiển phần ứng ĐCMC bằng điện tử công suất 133

Hình 2 66 Đặc tính cơ của ĐCMC kích từ nối tiếp 134

Hình 2 67 Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp 135

Hình 2 68 Mắc điện trở phụ phần ứng điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp 135

Hình 2 69 Điều chỉnh điện áp đặt vào ĐCMC nối tiếp 136

Hình 2 70 Đặc tính tốc độ và đặc tính momen của ĐCMC 137

Hình 2 71 Đặc tính hiệu suất của ĐCMC 138

Hình 2 72 Cấu tạo máy phát điện một chiều từ trường ngang 141

Hình 2 73 Cấu tạo máy phát hàn điện và đặc tính điện áp ra 141

Hình 2 74 Sơ đồ nguyên lý động cơ chấp hành 143

Hình 2 75 Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc một chiều 143

Hình 2 76 Mô hình đơn giản của ĐCMCKTX 144

Hình 2 77 Sơ đồ nguyên lý đơn giản của ĐCMCKTX 145

Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý của ĐC ba pha kích từ song song 151

Hình 3 2 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐC ba pha kích từ song song 152

Hình 3 3 Điều chỉnh cos của ĐC ba pha kích từ song song 153

Hình 3 4 ĐC ba pha kích thích nối tiếp 154

Hình 3 5 Họ đặc tính của động cơ điện ba pha kích thích nối tiếp 155

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý ĐC bù pha 156

Hình 3 7 Máy bù pha có kích từ ở phần quay 157

Hình 3 8 ĐCKĐB có máy bù pha và s.đ.đ Ef 158

Hình 3 9 Đồ thị véctơ của ĐCKĐB khi có máy bù pha nb > n1b 158

Hình 3 10 Đặc tính cosυ và s = f(P2*) của ĐCKĐB có và không có máy bù 159

Hình 3 11 S.đ.đ Ebado từ trường đập mạch sinh ra trong dây quấn phần ứng khi n = 0 160

Hình 3 12 S.đ.đ Ebakhi chổi than lệch khỏi trung tính hình học 161

Hình 3 13 S.đ.đ quay Eqsinh ra do từ trường đập mạch 161

Hình 3 14 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện nối tiếp một pha 162

Hình 3 15 Đồ thị dòng điện, từ thông, momen động cơ điện nối tiếp một pha 163

Hình 3 16 Đồ thị véctơ động cơ điện nối tiếp 1 pha 164

Hình 3 17 Sơ đồ nguyên lý ĐC vạn năng 165

Hình 3 18 ĐC điện đẩy với hai dây quấn ở phần tĩnh 165

Hình 3 19 ĐC điện đẩy có một cuộn dây phần tĩnh 166

Hình 3 20 Động cơ điện đẩy 167

s.đ.đ: Sức điện động

s.t.đ: Sức từ động

MỞ ĐẦU

Máy điện là những thiết bị điện được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm

Tập bài giảng "Máy điện 2" được biên soạn theo chương trình môn học Máy điện 2 đã được Hội đồng khoa học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định phê duyệt

Nội dung của tập bài giảng gồm các vấn đề sau:

Chương 1 Máy điện đồng bộ

Chương 2 Máy điện một chiều

Chương 3 Máy điện xoay chiều có vành góp

Tập bài giảng là tài liệu học tập cho đối tượng là sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện của trường và cũng là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành liên quan và các

kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu máy điện

Khi biên soạn tập bài giảng, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới

có liên quan và phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung

lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để tập bài giảng có tính thực tiễn cao Sau mỗi phần đều có câu hỏi và bài tập

Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Cơ

sở kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

CHƯƠNG I: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.1 Đại cương về máy điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ thuộc loại máy điện quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ trong đó tốc độ quay của từ trường quay bằng tốc độ quay của rôto

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn,

vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng (do đó có khả năng tự nâng cao hệ số công suất của máy)

Thông thường các máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể tạo ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng Trong một số trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ để bù hệ số công suất cos cho lưới điện là hợp lý Những máy như vậy gọi

Dựa theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau:

Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang (hình 1.1) Máy phát tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục máy được đặt thẳng đứng (hình 1.2)

Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và thường cần di động thì thường dùng động cơ diezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện diezen Máy phát điện diezen thường có cấu tạo cực lồi

Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số công suất cos của lưới điện Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đồng bộ đặc biệt như máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong

tự động, như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ phản kháng, động

cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước

2) Kết cấu

Kết cấu của stato máy điện đồng bộ hoàn toàn giống như stato của máy điện không đồng bộ bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn như hình 1.3

Hình 1 3 Stato máy điện đồng bộ

Rôto máy điện đồng bộ ba pha gồm hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lồi

Rôto máy đồng bộ cực ẩn được làm bằng thép hợp kim, gia công thành hình trụ và phay rãnh để bố trí dây quấn kích thích Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực của máy Mặt cắt ngang của lõi thép rôto như hình 1-4b

Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để hạn chế lực ly tâm, đường kính trục được hạn chế D <1,1  1,15m, ngoài ra, để tăng công suất người ta tăng

chiều dài máy (rôto) 1 6,5m

Hình 1 4 Rôto MĐĐB cực ẩn a) Hình ảnh thực tế, b) Mặt cắt ngang

Dây quấn kích thích thường là dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều dẹt thành từng bối, giữa các vòng dây có một lớp cách điện bằng mica mỏng Các bối dây được ép chặt trong các rãnh rôto sau đó miệng rãnh được hàn kín bằng thanh thép không từ tính Hai đầu ra của dây quấn kích thích được nối với 2 vành trượt gắn trên trục như hình 1.5 Máy phát kích thích thường được nối cùng trục với rôto

Hình 1 5 Cơ cấu chổi than vành trượt của dây quấn kích từ 1- Vành trượt, 2-Chổi than cấp điện cho kích từ

Máy cực lồi thường quay với tốc độ thấp nên đường kính rôto có thể lớn tới 15m,

trong khi chiều dài lại ngắn Thường l/D = 0,15  0,2

Với các máy nhỏ và trung bình rôto được làm bằng thép đúc, gia công thành khối lăng trụ trên có các cực từ, hình 1-6

Hình 1 6 Rôto MĐĐB cực lồi

1- Thép cực từ, 2-Dây quấn kích từ, 3- Đuôi hình T, 4-Nêm,

5- Lõi thép rôto, 6- Dây quấn mở máy/dây quấn cản

Với các máy công suất lớn, rôto được ghép từ các lá thép dày từ 16 mm, được dập định hình và ghép trên giá đỡ rôto Cực từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dày

(6)

1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Hình 1 7 Sơ đồ nguyên lý MPĐB ba pha 2 cực

Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều it vào dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện itsẽ tạo nên một từ thông t (hình 1.7) Nếu ta quay rôto lên đến tốc

độ n (vg/ph), thì từ trường kích thích t sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng nên trong dây quấn đó s.đ.đ E0 = 4,44W1kdqf1t Khi nối dây quấn phần ứng với tải sinh ra dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f1 = p.n/60 Trong đó p là số đôi cực

ở stato của máy

1.1.3 Các đại lượng định mức

Trên nhãn máy của máy điện đồng bộ có ghi các số liệu sau:

- Kiểu máy: máy đứng hay máy ngang, kiểu kín hay kiểu bảo vệ;

- Số pha: 1 pha, 3 pha;

- Tần số (Hz): 50Hz, 60Hz;

- Công suất định mức (kW hay kVA);

- Điện áp định mức (V, kV);

- Sơ đồ đấu dây stato: Y, ;

- Các dòng điện stato và rôto;

- Hệ số công suất;

- Tốc độ quay (vg/ph) hay số đôi cực p;

- Cấp cách điện, điều kiện làm việc, điều kiện làm mát

1.2 Từ trường trong máy điện đồng bộ

1.2.1 Khái quát chung về từ trường trong máy điện đồng bộ

Từ trường trong máy điện đồng bộ bao gồm: Từ trường của dây quấn kích từ F t

do dòng điện kích từ i t (dòng điện rôto) và từ trường của dây quấn phần ứng F ưdòng

điện phần ứng i ư (dòng điện stato) tạo nên

Khi không tải (iư = 0), trong máy chỉ có từ trường của dây quấn kích từ F t Nếu rôto quay từ trường của dây quấn kích từ F tquét qua dây quấn stato và cảm ứng nên trong đó s.đ.đ không tải E0

Khi có tải (iư≠ 0), trong máy ngoài từ trường của dây quấn kích từ F tcòn có từ

trường của dây quấn phần ứng F ư Với máy điện đồng bộ ba pha F ưlà từ trường quay,

từ trường này bao gồm từ trường cơ bản và từ trường bậc cao Trong đó từ trường cơ bản là quan trọng nhất

Tác dụng của từ trường của dây quấn phần ứng F ư lên từ trường của dây quấn

kích từ F tgọi là phản ứng phần ứng Phản ứng phần ứng có ảnh hưởng rất nhiều đến từ trường cực từ và mức độ ảnh hưởng đó phụ thuộc vào tính chất của tải cũng như cấu tạo cực ẩn hay cực lồi của máy Kết quả khi máy làm việc có tải, dọc khe hở tồn tại một từ trường thống nhất Chính từ trường đó sẽ sinh ra s.đ.đ lúc có tải ở các dây quấn stato

Khi mạch từ không bão hòa, lúc phân tích ta có thể xét riêng rẽ từ trường của

dây quấn kích từ F t và từ trường của dây quấn phần ứng F ư và các s.đ.đ do các từ trường đó sinh ra, sau đó dùng nguyên lý xếp chồng để được từ trường tổng ở khe hở

không khí F

Ở máy điện đồng bộ, từ trường của dây quấn kích từ là do dòng điện một chiều sinh ra, còn từ trường của dây quấn phần ứng là do dòng điện xoay chiều sinh ra, nên

để đánh giá phản ứng của phần ứng ta phải quy đổi từ trường của dây quấn phần ứng

về từ trường của của dây quấn kích từ hoặc ngược lại

1.2.2 Từ trường của dây quấn kích từ

Hình 1 8 Từ trường phần cực từ MĐĐB cực lồi

Ở MĐĐB cực lồi, dây quấn kích từ được quấn thành các cuộn dây bao quanh thân cực từ (hình 1.8)

Sức từ động của một cực từ:

t t t

w i

F , 2p



Trong đó wt là tổng số vòng dây trên 2p cực từ, itlà dòng điện kích từ có chiều như hình 1.8

Từ thông do s.t.đ F tsinh ra gồm hai phần: t là từ thông chính, nó đi qua khe

hở không khí và móc vòng với dây quấn stato; t là từ thông tản của cực từ đi từ N sang cực S không móc vòng với dây quấn đó Sự phân bố của từ trường và từ cảm trong khe hở như hình 1.9 Do khe hở giữa mặt cực và phần ứng không đều: nhỏ ở giữa cực và lớn ở mỏm cực, nên mật độ từ thông ở giữa mặt cực lớn hơn ở mỏm cực Dùng phương pháp chia từ thông ở khe hở thành các đơn vị ống từ, có thể chứng minh rằng từ cảm Btở từng điểm dọc mặt cực tỷ lệ nghịch với chiều dài khe hở không khí 

ở điểm đó và vẽ tương đối chính xác được đường biểu diễn Btdọc bước cực như hình 1.9 Do những khó khăn về gia công độ cong mặt cực nên không thể tạo được sự phân

bố từ cảm Bttheo hình sin, nhưng đường phân bố từ cảm không sin đó có thể phân tích thành sóng cơ bản và sóng bậc cao Trong đó máy đồng bộ có tần số cơ bản là chủ yếu

và sẽ tạo nên các s.đ.đ có tần số cơ bản ở dây quấn stato, còn các từ trường bậc cao của cực từ thường rất nhỏ, hơn nữa s.đ.đ do chúng sinh ra còn bị giảm đi nếu chọn thích đáng bước ngắn y và số rãnh của một pha ở một cực q của dây quấn stato

Hình 1 9 Phân bố từ trường khe hở MĐĐB cực lồi

Sự khác nhau giữa từ cảm cơ bản và từ cảm kích từ B t được biểu thị qua hệ số dạng sóng của từ trường:

tm1 t tm

B k B



(1-2)

Trong đó: B tm1 là biên độ của sóng từ cảm cơ bản; B tmlà trị số cực đại của từ cảm

Trị số của k t phụ thuộc vào tỷ sốδ m /δ và hệ số mặt cực α =b c / Thường δ m /δ =

F2

Với kdqlà hệ số dây quấn

Khi rôto quay với tốc độ góc  = 2fthì từ thông móc vòng với dây quấn phần ứng sẽ là:



t­d w.kdq t1.cos t

(1-7)Sức điện động hỗ cảm trong dây quấn sẽ là:

Với: kδlà hệ số khe hở; kμd là hệ số bão hòa dọc trục cực từ

Hình 1 10 Phân bố từ trường khe hở MĐĐB cực ẩn

1.2.3 Từ trường của dây quấn phần ứng

Khi máy điện đồng bộ làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh ra

từ trường của dây quấn stato hay từ trường phần ứng Tùy theo tính chất của tải mà trục từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với từ trường cực từ Như vậy, tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ hay phản ứng phần ứng sẽ mang tính chất khác nhau tùy theo tính chất trở, dung hay cảm của tải Ngoài ra vì trong máy điện cực ẩn khe hở không khí là đều, còn trong máy điện cực lồi khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau, nên s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn stato do từ trường phần ứng

và các điện kháng của từ trường phần ứng của hai loại máy này hoàn toàn không giống nhau và cần được nghiên cứu riêng biệt

Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha được tượng trưng bằng một vòng dây, thời điểm xét i A = I m ; i B = i C = I m /2

Khi tải đối xứng và thuần trở thì dòng điện ba pha trong dây quấn stato sẽ trùng

pha với các s.đ.đ tương ứng ( = 0).Giả sử các s.đ.đ và dòng điện trong ba

p h a l à h ì n h s i n v à x é t tại thời điểm xét i A = I m thì đồ thị véctơ dòng điện và s.đ.đ như hình 1.11a Ta xét sự tương quan về không gian giữa từ trường phần ứng và

từ trường cực từ như hình 1.11b Vị trí không gian của từ trường quay của phần ứng Fư

trong trường hợp đó có chiều trùng với trục của dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại

Vì từ thông xuyên qua pha A đạt cực đại trước s.đ.đ trong pha đó góc /2 Như vậy vị trí không gian của trục cực từ là vuông góc với trục pha A, tức vuông góc với

Ft

F tm

Ftm1 δ

chiều của từ trường Fư Vậy ở tải thuần trở, phương của Fưvuông góc với phương của

Ftvà phản ứng phần ứng là ngang trục

Hình 1 11 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở

a- đồ thị véctơ, b- Quan hệ không gian từ trường cực từ và từ trường phần ứng

Khi tải đối xứng và thuần cảm thì các s.đ.đ sớm pha so với dòng điện trong dây quấn stato tương ứng ( = 900

).Tại thời điểm xét (iA = Im ; iB = iC = Im/2) cực từ đã quay thêm góc 900 so với vị trí của nó trong trường hợp tải thuần trở và được mô tả như hình 1.12 Ta thấy Fư và Ft cùng phương (nghĩa là dọc theo trục cực từ) nhưng ngược chiều nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ

Khi tải đối xứng và thuần dung thì các s.đ.đ chậm pha so với dòng điện trong dây quấn stato tương ứng ( = 900

) Tại thời điểm xét (iA = Im; iB = iC = Im/2) cực từ phải quay thêm góc 900 mới đến vị trí của nó trong trường hợp tải thuần trở và được

mô tả như hình 1.13 Ta thấy Fư và Ft cùng phương (nghĩa là dọc theo trục cực từ) và cùng chiều nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ

Hình 1 12 Phản ứng phần ứng tải thuần cảm

a- đồ thị véctơ, b- Quan hệ không gian từ trường cực từ và từ trường phần ứng

Hình 1 13 Phản ứng phần ứng tải thuần dung a- đồ thị véctơ, b- Quan hệ không gian từ trường cực từ và từ trường phần ứng

a- đồ thị véctơ, b- Quan hệ không gian từ trường cực từ và từ trường phần ứng

1.2.4 Quy đổi sức từ động trong máy điện đồng bộ

Ở chế độ làm việc xác lập của tải đối xứng, tác dụng của từ trường của dây

quấn phần ứng F ư lên từ trường của dây quấn kích từ F tcó thể là trợ từ hoặc khử từ Tác dụng khử từ hoặc trợ từ tương đương với một s.t.đ nhất định của dây quấn kích

từ Để đánh giá được mức độ ảnh hưởng đó ta phải quy đổi F ư về F t và như vậy khi xét các đặc tính làm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục

tọa độ và đường cong không tải E 0 = f(i t )

Việc quy đổi dựa trên cơ sở từ cảm hình sin do s.t.đ phần ứng sinh ra và s.t.đ cực từ sinh ra phải bằng nhau:

Btm1 = Bưm1

Đối với máy cực ẩn ta có:

0

1.3 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

Việc phân tích quan hệ điện từ làm cơ sở cho việc nghiên cứu các đặc tính của máy phát và động cơ điện đồng bộ Các quan hệ điện từ ở đây bao gồm phương trình điện áp và đồ thị véctơ tương ứng, giản đồ cân bằng năng lượng, công suất điện từ của máy điện đồng bộ Do tính chất thuận nghịch của máy điện nên ta xét các quan hệ điện

từ nói trên trong các trường hợp máy làm việc như máy phát điện và động cơ điện, ngoài ra còn xét trường hợp đặc biệt khi máy làm việc như máy bù đồng bộ

Ngoài ra, vì cấu tạo của máy điện đồng bộ có thể là cực ẩn hoặc cực lồi và tương ứng máy sẽ có những đặc điểm khác nhau cho nên trong từng vấn đề ta cũng cần xét riêng biệt với từng loại máy

1.3.1 Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ

Chế độ làm việc của máy điện đồng bộ ở tốc độ quay không đổi được thể hiện

rõ ràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng U, I, It, cos, trong đó một số quan

hệ chính được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp của máy Ở tải đối xứng, ta có thể xét riêng rẽ từng pha và phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng sau:

- Đối với máy phát điện đồng bộ:

- Đối với động cơ điện đồng bộ (hoặc máy bù đồng bộ):

Trong đó: U là điện áp ở đầu cực máy;

rư và xσưlà điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng;

E δ là sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở

Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường của dây quấn kích từ Ftvà từ trường của dây quấn phần ứng Fư sinh ra Khi mạch từ không bão hòa có thể xem các từ trường Ft, Fư độc lập sinh ra trong dây quấn các s.đ.đ E0 và Eư, và ứng dụng nguyên lý xếp chồng ta có:

E δ = E o + E ư (1-28)

- Khi mạch từ của máy bão hoà thì nguyên lý xếp chồng không áp dụng được,

ta phải xác định từ trường tổng F δ = F o + F ư và từ thông tổng ở khe hở F δ sau đó suy

ra sức điện động E δ

1) Chế độ máy phát điện

Vì hiện tượng bão hòa mạch từ có ảnh hưởng rất nhiều đối với việc thành lập s.đ.đ và điện áp ở đầu máy nên dưới đây sẽ xét phương trình cân bằng điện áp và đồ

thị véctơ trong hai trường hợp máy điện không bão hòa và máy điện bão hòa

Giả sử máy làm việc với tải đối xứng và có tính cảm 0 < ψ < 90o

- Với máy cực ẩn có phương trình cân bằng điện áp sau:

Mà E ư = -jI xư nên có thể viết thành:

U = E o - jI (xư + xσư) - I rư = E o- jI xđb- I rư (1-30) Trong đó xđb = xư + xσưlà điện kháng đồng bộ, thường xđb*= 0,7 ÷ 1,6

Đồ thị véctơ s.đ.đ như trên hình 1.15

a) b)

Hình 1 15 Đồ thị véctơ s.đ.đ MPĐB cực ẩn

a- Tải có tính cảm, b- Tải có tính dung

- Với máy cực lồi ta phân s.t.đ phần ứng F ư thành F ưd và F ưq Từ thông tương ứng với các s.t.đ sẽ sinh ra trong dây quấn phần ứng các s.đ.đ E ưd= -jI dxưd và E ưq= -jI qxưq

Đồ thị véctơ s.đ.đ tương ứng trên hình 1.16

Véctơ -jI xσư do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo các hướng dọc trục và ngang trục Tuy nhiên nếu phân tích nó thành các thành phần theo 2 hướng đó ta có:

-jI xσư = -j(I xσưcosψ + I xσưsinψ) = -jI qxσư - jI dxσư

và có thể viết dưới dạng: U = E o - jI d(xưd + xσư) - jI q(xưq + xσư) - I rư

U = E o - jI dxd - jI qxq - I rư (1-32) trong đó xd = xưd + xσưlà điện kháng đồng bộ dọc trục;

xq = xưq + xσưlà điện kháng đồng bộ ngang trục;

thường xd∗ = 0,7 ÷ 1,2 và xq ∗ = 0,46 ÷ 0,76

Đồ thị véctơ s.đ.đ tương ứng công thức (1-32) trên hình 1.17

b) a)

Hình 1 17 Đồ thị véctơ s.đ.đ đã biến đổi của MPĐB cực lồi

Lưu ý: Trên đường thẳng góc với I. và qua điểm M thì đoạn MN = Iqxq/cos = I.xq

Vì vậy trong trường hợp biết U. ,

.

I , , rư, xd, xqvà cần xác định 𝐸 0ta lần lượt vẽ các véctơ

.

­

U, I.r sau đó vẽ véctơ MN =I.xqthì N nằm trên phương của 𝐸 0do đó xác định được góc 

Hạ đoạn thẳng vuông góc MP với phương của 𝐸 0 thì MP = Iqxq và vẽ PQ = Idxd

thì OQ chính là s.đ.đ E 0

b) Mạch từ bão hoà

Vì các hệ số bão hoà kµd và kµq rất khó tính nên ta phải dựa vào các đồ thị s.t.đ

và s.đ.đ kết hợp với đường cong không tải Đồ thị này được gọi là đồ thị s.t.đ có tên là

đồ thị Pochie

-Với máy cực ẩn: Giả sử U , I , cos φ, rư, xσư và đặc tính đã không tải cho trước

Để thành lập đồ thị s.t.đ, trên trục tung của đường cong không tải vẽ véctơ U và I chậm sau U góc φ Cộng véctơ U với các véctơ I rư và jI xσưđược E δ Từ đường cong không tải ứng với E δ có thể xác định đường s.t.đ 𝐹 𝛿 hoặc dòng điện từ hoá tương ứng Cộng hình học 𝐹 𝛿 và 𝐹 ư𝑘ư với sự chú ý rằng F ưkư làm thành với F δ góc 90 + (𝜑 + δ) ta tìm được F o

Đồ thị Pochie cho phép xác định ∆U = Eo - Uđm và dòng điện từ hoá it Sai số lúc đó về Eo vào khoảng 5 ÷ 10%

Hình 1 18 Đồ thị Pochie của máy phát điện đồng bộ

-Với máy cực lồi, việc thành lập đồ thị véctơ có xét đến trạng thái bão hoà của mạch từ một cách chính xác gặp nhất nhiều khó khăn, vì lúc đó từ thông dọc trục ϕd

và ngang trục ϕq hỗ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bão hoà theo 2 hướng lại khác nhau Như vậy, xưd và xưq phụ thuộc cả vào ϕd và ϕq Để đơn giản, ta coi xưd chỉ phụ thuộc vào ϕd và xưq chỉ phụ thuộc vào ϕq và kµq đã biết

Hình 1 19 Đồ thị véctơ s.t.đ.đ và độ thay đổi điện áp của MĐĐB cực lồi khi bão hòa

Khi đó, sau khi đã có các véctơ U , I rư, jI xσư được E δ Từ hình 1.19a theo hướng I xσư ta vẽ đoạn CD = Ixưq = Eưq

cos ψ và xác định được phương của E 𝑜 Trị số của 𝑥ư𝑞 có thể lấy gần đúng bằng 1,1 ÷ 1,15 Từ hình 1.19b ta cũng xác định được

đoạn CD qua OA = F′ưq = kq.Fưq, sau đó xác định được Eδd = OF = MP, lấy MN = F′ưd = kd.Fưd chiếu lên ta được E

2) Chế độ động cơ điện

Khi chuyển sang làm việc như động cơ điện đồng bộ, máy phát ra công suất âm đưa vào mạng điện hay nói khác đi động cơ tiêu thụ công suất điện lấy từ mạng để biến thành cơ năng Động cơ điện có cấu tạo cực lồi nên phương trình cân bằng điện

áp có dạng:

U = E δ + I (rư + jxσư) = E o + E ưd + E ưq + I (rư + jxσư)

= E o + jI dxd + jI qxq + I rư (1-33)

Hình 1 20 Đồ thị véctơ của ĐCĐB a- Thiếu kích thích, b- Quá kích thích

Đồ thị véctơ ứng với phương trình (1-33) được trình bày trên hình 1.20 Ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện P = m.U.I.cos𝜑 < 0

1.3.2 Cân bằng năng lượng trong máy điện đồng bộ

Giả sử máy điện đồng bộ có cấu tạo thông thường, nghĩa là cực từ đặt lên roto

và máy kích thích (cung cấp điện một chiều cho cực từ) đặt trên cùng trục

Trong máy điện đồng bộ có các loại tổn hao và hiệu suất:

+ Tổn hao đồng (pcu): Trên điện trở dây quấn phần ứng pcu = I2.rư;

+ Tổn hao thép (pFe): do dòng điện xoáy và từ trễ;

+ Tổn hao kích từ (pt): trên rtvà tiếp xúc chổi than;

+ Tổn hao phụ (pf): do từ trường tản và sự đập mạch của từ trường bậc cao; + Tổn hao cơ (pcơ): ma sát ổ bị, ổ đỡ, làm mát…

Hiệu suất của máy 2

1.3.3 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ

Giả sử tốc độ quay n của máy điện đồng bộ và điện áp U của lưới điện là không đổi, ta xét các đặc tính góc công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy điện đồng bộ

1) Đặc tính góc công suất tác dụng

Đặc tính góc công suất tác dụng của máy điện đồng bộ là quan hệ P = f(θ) khi

Eo = const và U = const trong đó θ là góc tải giữa các vectơ s.đ.đ 𝐸 𝑜 và điện áp 𝑈 Để đơn giản ta bỏ qua rư vì trị số của nó rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ xđb,

xd, xq

Công suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy là: P = m.U.I.cos𝜑

- Đối với máy cực lồi:

I d = E−U.cos θ

xd , I q = U.sinθ

Do đó: P = m.U.I.cos = m.U.I.cos(𝜓 - θ)

= m.U.(I.cosψ.cosθ - I.sinψ.sinθ)

P = m.U.(I q.cosθ + I d.sinθ), thay I d,I q vào ta có:

Từ biểu thức (1-39) ta có thể thấy công suất tác dụng của máy điện đồng bộ cực

ẩn có 2 phần Một phần 𝑃𝑒 tỉ lệ với sinθ và phụ thuộc vào kích từ; một phần 𝑃ư tỉ lệ với sin2θ không phụ thuộc vào kích từ Như vậy với máy phát điện đồng bộ cực lồi từ khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một lượng nhỏ là 𝑃ư Người ta ứng dụng điều này để chế tạo ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vài chục oát

Với máy đồng bộ cực ẩn vì 𝑥𝑑 = xq nên P = 𝑚UE

Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ như hình 1.22

Hình 1 22 Đặc tính góc công suất tác dụng a- Máy cực lồi, b- Máy cực ẩn

Ví dụ1.1:

2p = 4; tần số 50 Hz có điện trở dây quấn stato không đáng kể và điện kháng đồng bộ 8Ω/pha Máy làm việc ở chế độ máy phát nối vào lưới có điện áp U = 208V, 50Hz

suất cosφ = 0,8 (tải R-L) Vẽ đồ thị véctơ tương ứng?

b) Với dòng điện kích từ như câu a, công suất động cơ sơ cấp giảm chậm Hãy tìm giá trị tương ứng của dòng điện stato, hệ số công suất và công suất phản kháng trong điều kiện máy phát công suất cực đại?

Giải:

Mạch điện thay thế một pha của máy điện đồng bộ như hình 1.23:

Hình 1 23 Mạch điện tương đương và đồ thị véctơ vd1.1

a Xác định sức điện động E0và góc tải θ

Điện áp pha của máy phát:

208120

dm p

0

2) Đặc tính góc công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ được tính:

Q = m.U.I.sin = m.U.I.sin(- θ) = m.U(I.sin.cosθ + I.sinθ.cos)

Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ như hình 1.24

Khi  có trị số dương hoặc âm, trị số của Q vẫn có giá trị như nhau, nên đặc tính góc của công suất phản kháng của máy phát và động cơ điện đồng bộ giống nhau

1.4 Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng

1.4.1 Khái quát chung

Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng được đặc trưng bởi các đại lượng: điện áp ở đầu dây quấn phần ứng U, dòng điện tải trong dây quấn phần ứng I, dòng điện kích từ It, hệ số cos và tần số f hoặc tốc độ quay n Trừ tần số f luôn được giữ bằng định mức fđm và cos không đổi do tải bên ngoài quyết định, còn lại ba đại lượng U, I, Itxác định cho ta các đặc tính

1 Đặc tính không tải U = f(It) khi I = 0, f = fđm

2 Đặc tính ngắn mạch In = f(It) khi U = 0; f = fđm

3 Đặc tính ngoài U = f(I) khi It = const; f = fđm; cos = const

4 Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const, f= fđm; cos = const

5 Đặc tính tải U = f(It) khi I = const, f = fđm; cos = const

Các đặc tính trên có thể được xác định bằng cách tính toán dựa vào đồ thị véctơ s.đ.đ hoặc thí nghiệm trực tiếp Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; U

và các tham số xd; xq; x ưcủa máy

1.4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Sơ đồ thí nghiệm như hình 1.25, tải Z của máy phát có thể được điều chỉnh cả

về trị số và tính chất tuỳ theo yêu cầu của từng đặc tính Thông thường người ta điều chỉnh độ lớn và tính chất tải ở một trị số nhất định giữ không đổi trong quá trình khảo sát đặc tính Các đặc tính thường được biểu diễn trên cùng một đồ thị để thuận tiện cho việc so sánh, đánh giá và kết luận đặc tính trong từng trường hợp

Hình 1 25 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

1) Đặc tính không tải

Đặc tính không tải là quan hệ E0 = U0 = f(It) khi I = 0 và f = fđm

Xét với hệ đơn vị tương đối E* = E/Eđm; It* = It/Itđm0

Theo sơ đồ thí nghiệm hình 1.25 Mở cầu dao tải quay máy phát đến tốc độ định

mức, thay đổi dòng điện kích từ ta nhận được đường đặc tính không tải như hình 1.26 Đường (1) máy phát tuabin, đường (2) máy phát tuabin nước Ta thấy máy phát tuabin hơi bão hoà nhiều hơn máy phát tuabin nước

Khi E* = Eđm* = 1 máy phát tuabin hơi có kd = k = 1,2 còn máy phát tuabin nước có kd = 1,06

Hình 1 26 Đặc tính không tải

1- Máy phát tuabin hơi, 2-Máy phát tua bin nước

2) Đặc tính ngắn mạch

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(It) khi U = 0; f = fđm

Khi ngắn mạch nếu bỏ qua rư thì tải của máy phát là dây quấn của phần ứng nên nó được coi là thuần cảm Iq = Icos còn Id = Icos Ta có mạch điện thay thế và

đồ thị véctơ như hình 1.27

Hình 1 27 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ (b) khi ngắn mạch

Theo mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ như hình 1.27, ta có:

0

E*

0,40,81,2

1

2