Bài giảng Động cơ và máy bù đồng bộ

CHƯƠNG 25ĐỘNG CƠ VÀ MÁY BÙ ĐỒNG BỘ 25-1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ So với động cơ điện không đồng bộ, động cơ điện đồng bộ có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: Do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosφ = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là nâng cao được cosφ của lưới, giảm được tổn hao công suất và tổn hao điện áp trên đường dây. Ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện vì M tỷ lệ với U, trong khi đó động cơ không đồng bộ thì M tỷ lệ với U2. Khi điện áp lưới sụt thấp do sự cố thì khả năng giữ tải ổn định của động cơ đồng bộ tốt hơn, trong trường hợp đó nếu tăng kích thích động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện. Hiệu suất của động cơ điện đồng bộ thường cao hơn động cơ không đồng bộ vì tổn hao sắt phụ nhỏ hơn do khe hở tương đối lớn. Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích thích hoặc nguồn một chiều để cung cấp dòng kích thích nên giá thành cao. Việc mở máy động cơ đồng bộ phức tạp hơn, Việc điều chỉnh tốc độ chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp. 25.1.1. Các phương pháp mở máy động cơ điện đồng bộ. 1. Mở máy bằng phương pháp không đồng bộ Quá trình mở máy được chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Đóng động cơ vào lưới với dòng kích từ it = 0, dây quấn kích thích được nối tắt qua điện trở diệt từ RT (hình 25-1a), động cơ mở máy như một động cơ không đồng bộ thông thường, rôto tăng tốc đến tốc độ xấp xỉ tốc độ từ trường quay: n ≈ n1. Giai đoạn 2: Khi n ≈ n1, đóng kích thích cho động cơ, lúc đó ngoài mômen không đồng bộ và mômen gia tốc tỉ lệ với dω/dt còn có mômen đồng bộ cùng tác dụng, rôto được lôi vào đồng bộ sau một quá trình dao động. Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo rôto được đưa vào đồng bộ một cách thuận lợi, hệ số trượt ở cuối giai đoạn 1 lúc chưa đóng kích thích cần phù hợp với điều kiện sau: trong đó: km – năng lực quá tải ở chế độ động cơ với dòng kích từ định mức it đm. Pđm – công suất định mức của động cơ, kW, itđm – dòng điện kích từ khi đồng bộ hoá, GD2 – mômen động lượng của động cơ và máy công tác nối với nó, kGm2. Trong giai đoạn 1, dây quấn kích từ được nối với điện trở RT có trị số bằng 10 ÷ 12 lần điện trở bản thân cuộn kích thích. Nếu để dây quấn kích thích hở mạch, nó có thể bị hỏng cách điện do điện áp cao vì ngay lúc đầu mở máy từ trường quay của stato quét qua nó với tốc độ đồng bộ. Nếu nối ngắn mạch dây quấn kích thích thì sẽ tạo thành mạch một pha có điện trở nhỏ ở rôto, nó sẽ sinh ra mômen cản lớn làm cho tốc độ rôto không thể vượt quá n1/2. Điều này được giải thích như sau: - Dòng điện rôto có tần số f2 = sf1 sẽ sinh ra từ trường đập mạch, từ trường này phân tích thành hai từ trường quay thuận và quay ngược với chiều quay rôto, tốc độ tương đối so với rôto là n1 - n, trong đó n1 là tốc độ từ trường quay của stato, n là tốc độ quay của rôto. Từ trường quay thuận có tốc độ so với phần tĩnh là: nth = n + (n1 - n) = n1 nghĩa là quay đồng bộ với từ trường quay của stato. Tác dụng của nó với từ trường quay của stato sinh ra mômen không đồng bộ và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra, có dạng như đường số 1 trên hình 25-2. Từ trường quay ngược có tốc độ so với phần tĩnh là: nng = n - (n1 - n) = 2n - n1 = 2n1(1 - s) - n1 = n1(1 - 2s) và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện có tần số là f’ = f1(1 - 2s). Khi 0,5 n1/2) thì từ trường quay ngược quay cùng chiều với chiều quay rôto, tác dụng của nó với dòng điện có tần số f’ ở dây quấn phần tĩnh sinh ra mômen phụ trái dấu với mômen không đồng bộ do từ trường quay thuận sinh ra, do đó tác dụng như mômen hãm. Kết quả là mômen của động cơ trong quá trình mở máy là tổng của các đường 1 và 2, nó có d như đường 3 trên hình 25-2. Rõ ràng khi mômen cản trên trục động cơ lớn thì rôto sẽ làm việc ở điểm A với tốc độ n ≈ n1/2, động cơ không thể đạt đến tốc độ đồng bộ. H×nh 25-2. §­êng cong m«men cña ®éng c¬ ®ång bé më m¸y kh«ng ®ång bé víi d©y quÊn kÝch tõ bÞ nèi ng¾n m¹ch Để tránh phải mở máy qua hai giai đoạn như trên trong đó phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở RT rồi sau đó đóng kích thích, ta có thể nối thẳng dây quấn kích từ với máy kích thích trong suốt quá trình mở máy (hình 25-1b). Khi tốc độ rôto đạt n = (0,6 ÷ 0,7)nđm thì bắt đầu cung cấp kích thích cho động cơ đồng bộ, lúc đến gần tốc độ đồng bộ động cơ được kéo vào đồng bộ. Khi mở máy theo sơ đồ hình 25-1b, động cơ mở máy trong điều kiện khó khăn hơn vì: do động cơ được kích thích quá sớm nên tạo nên dòng ngắn mạch: trong đó: E - s.đ.đ. cảm ứng do dòng kích từ it sinh ra, xd - điện kháng đồng bộ dọc trục khi s = 0, Động cơ phải tải thêm một công suất là: Pn = m.I2n.rư (25-3) Trên trục động cơ sẽ có thêm mômen cản : và quá trình kéo động cơ vào đồng bộ gặp khó khăn hơn. Phương pháp mở máy động cơ đồng bộ theo sơ đồ hình 25-1b chỉ áp dụng tốt khi mômen cản trên trục động cơ MC = (0,4 ÷ 0,6)Mđm. Chỉ khi dây quấn mở máy được thiết kế hoàn hảo mới cho phép mở máy như trên với Mc = Mđm. Phương pháp mở máy này đơn giản nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi. 2. Các phương pháp mở máy khác + Mở máy theo phương pháp hoà đồng bộ. Các điều kiện hoà đồng bộ đối với động cơ điện đồng bộ giống như của máy phát điện đồng bộ. Theo phương pháp này động cơ đồng bộ được quay bởi một máy nối cùng trục với nó (ví dụ: động cơ đồng bộ - máy phát điện một chiều). Lúc mở máy, máy phát điện một chiều làm việc như động cơ điện để kéo động cơ đồng bộ quay đến tốc độ đồng bộ. + Mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn có tần số thay đổi Theo phương pháp này, động cơ phải lấy điện từ một máy phát điện riêng có tần số điều chỉnh được từ không đến định mức trong quá trình mở máy. Như vậy động cơ được quay đồng bộ với máy phát ngay từ lúc đầu mở máy. Kích từ của máy phát và của động cơ đồng bộ được cấp từ nguồn một chiều riêng. 25.1.2. Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ. Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ bao gồm các quan hệ P1, I1, η, cosφ = f(P2) khi it = const, U = const và f = const, có dạng như hình 25-4. Động cơ điện đồng bộ thường làm việc với góc θ = 200 ÷ 300. Đặc điểm của động cơ điện đồng bộ là có thể làm việc với cosφ cao, ít hoặc không tiêu thớicong suất phản kháng Q của lưới nhờ thay đổi dòng kích từ it. Khi kích thích thiếu, động cơ tiêu thụ công suất điện cảm từ lưới (φ > 0), còn khi quá kích thích, động cơ phát công suất điện cảm vào lưới (φ < 0), nghĩa là tiêu thụ công suất điện dung. Lợi dụng chế độ làm việc quá kích thích của động cơ điện để nâng cao hệ số cosφ cho lưới điện. 25-2.MÁY BÙ ĐỒNG BỘ Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải với dòng điện kích từ được điều chỉnh để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Q, do đó duy trì được điện áp của lưới ở nơi tiêu thụ. Chế độ làm việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích, phát công suất điện cảm vào lưới (tiêu thụ công suất điện dung của lưới điện). Ở chế độ này máy bù có tác dụng như một bộ tụ điện, gọi là máy phát công suất phản kháng. Khi tải của hộ dùng điện giảm (đêm hoặc những giờ không cao điểm), điện áp của lưới tăng, máy bù làm việc ở chế độ thiếu kích thích tiêu thụ công suất phản kháng (điện cảm) từ lưới và gây thêm sụt áp trên đường dây, duy trì được điện áp nơi tiêu thụ khỏi tăng quá mức quy định. Máy bù đồng bộ tiêu thụ rất ít công suất tác dụng từ lưới vì công suất đó chỉ để bù vào các tổn hao trong nó. Máy bù đồng bộ thường có cấu tạo theo kiểu cực lồi. Để dễ mở máy, mặt cực được chế tạo bằng thép nguyên khối, trên mặt cực có đặt dây quấn mở máy. Trục của máy bù đồng bộ có thể nhỏ vì không phải kéo tải cơ. Do mômen cản trên trục nhỏ nên yêu cầu làm việc ổn định với lưới điện không bức thiết, do đó có thể thiết kế cho xd lớn, nghĩa là khe hở có thể nhỏ khiến cho kích thước của máy nhỏ hơn. Công suất định mức của máy bù đồng bộ được quy định ứng với chế độ làm việc quá kích thích, có trị số: Sđm = m.Uđm.Iđm (25-5) Khi làm việc ở chế độ thiếu kích thích tối đa, nghĩa là it = 0 và E = 0, công suất của máy bằng: S’ = m.Uđm.I’ (25-6) Nếu bỏ qua tổn hao thì: I’ = (E – U)/jxd = U/jxd và S’ = m.U2đm/xd (25-7) So sánh S’ với Sđm ta có: Với máy bù đồng bộ thông thường xd* = 1,5 ÷ 2,2 nên Các trị số trên đáp ứng được yêu cầu về vận hành. Trong một số trường hợp cần tăng trị số S’ thì phải giảm xd* bằng cách tăng khe hở và như vậy giá thành của máy lại cao.