Điện điện tử - Chương 9: Máy điện đồng bộ

CHƯƠNG 9: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.1.1. ĐỊNH NGHĨA Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trường xtato n1 gọi là máy điện đồng bộ. ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. 9.1.2. CÔNG DỤNG I. Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng: a. Máy phát điện. b. Động cơ điện 1. Máy phát điện là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tua bin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. Công suất mỗi máy phát có thể đạt đến 600 MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song. Ở CÁC LƯỚI ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ, MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐƯỢC KÉO BỞI CÁC ĐỘNG CƠ ĐIÊZEN HOẶC CÁC TUA BIN KHÍ, CÓ THỂ LÀM VIỆC ĐƠN LẺ HOẶC HAI BA MÁY LÀM VIỆC SONG SONG. 2. Động cơ đồng bộ thường được sử dụng trong truyền động điện công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW( loạt ba pha). Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió .v.v. với tốc độ không đổi. Động cơ đồng bộ một pha được dùng trong hệ thống điều khiển và thiết bị sinh hoạt trong gia đình Mục đích sử dụng: tốc độ động cơ luôn không đổi khi tải thay đổi (ổn định tốc độ). Ngoài ra động cơ đồng bộ còn được dùng làm máy bù đồng bộ trong hệ thống điện để cải thiện hệ số công suất cos của lưới điện và ổn định điện áp. 9.2.CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 9.2.1.Xtato (phần ứng) Xtato của máy điện đồng bộ giống như xtato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép xtato và dây quấn ba pha xtato (thường là loại ba pha). Dây quấn xtato còn gọi là dây quấn phần ứng.Lõi thép Dây quấn Lá thép kỹ thuật điện của lõi thép stato Lõi thép stato Lõi thép stato: Hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau có sơn cách điện để hạn chế dòng điện xoáy. Trong các rãnh của lõi thép dùng để đặt dây quấn stato. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. 9.2.2. Rôto ( phần cảm) Rôto máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy. Nguồn kích thích là nguồn điện một chiều. Đối với máy nhỏ rôto là nam châm vĩnh cữu. Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua chổi điện để nối với nguồn kích từ. Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi. a, Rôto cực lồi • Có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc thành các khối lăng trụ (máy có công suất nhỏ, trung bình) hoặc bằng các tấm thép dày 1-6mm ghép lại thành khối lăng trụ (máy có công suất lớn). Các cực từ được ghép trên mặt các lõi thép bằng các bulộng • Dùng ở máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực, đường kính có thể lên tới 15m, trong khi chiều dài không quá 3m. Đối với rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ. b, Rôto cực ẩn • Được chế tạo bằng thép hợp kim rèn thành khối hình trụ, sau đó phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ. • Rôto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000v/ph, chỉ có duy nhất một đôi cực , đường kính không vượt quá 1,1 – 1,15 m( hạn chế lực ly tâm), dài tối đa 6,5 m. • Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh • Trục máy đồng bộ có thể đặt nằm ngang như động cơ đồng bộ, máy phát diezen hoặc máy phát tuabin nước có công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn 200vg/phút. Máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm, trục máy đặt thẳng đứng. 9.3.1.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấp dòng điện kích từ (dòng điện một chiều) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường chính o. Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ quay và biến thiên qua dây quấn phần ứng xtato theo quy luật hình sin xtato= w1kdqosint và cảm ứng sức điện động xoay chiều e trong các pha của máy phát. e = - d xtato/dt= -  w1kdqocos t =  w1kdqosin (t - /2) e= E0 sin (t - /2) ta có trị số hiệu dụng Eo=4,44fw1kdqo Tần số f của sức điện động sẽ là: f=pn/60, n tốc độ quay của rôto đo bằng vòng/phút. w1: số vòng dây một pha xtato kdq : hệ số dây quấn xtato o : từ thông chính( từ trường cực từ) ZA ZB ZC Ikt 2 Dây quấn ba pha xtato có trục lệch nhau trong không gian một góc 120 0 điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau góc pha 120o . Khi dây quấn xtato nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện ba pha. iA= Imaxsint iB= Imaxsin(t – 1200 ) iC=Imaxsin(t – 2400 ) Dòng ba pha sẽ tạo ra từ trường quay giống như trong máy điện không đồng bộ. Dòng ba pha trong ba dây quấn xtato sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/p, (n1=n= 60f/p ) đúng bằng tốc độ n của rôto . Vì vậy này gọi là máy điện đồng bộ. 9.3.2.Tổn hao của máy phát điện đồng bộ 1. Tổn hao sắt từ trong lõi thép xtato Pst: tổn hao do dòng điện xoáy và tổn hao từ trễ 2. Tổn hao trên điện trở mạch kích từ Pmkt= Ikt2 . Rmkt (Rmktlà điện trở của mạch kích từ trên rôto 3. Tổn hao trên mạch phần ứng (xtato) Pư: Pư= 3I2R (R là điện trở dây quấn xtato của một pha) 4. Tổn hao cơ Pcơ: ma sát ở ổ trục, vòng bi.v.v 5. Tổn hao phụ Pp • Hiệu suất của máy phát: P2 : công suất máy phát đưa ra tải  P tổng các tổn hao   ΔPP P η 2 2 9.4.Phản ứng phần ứng của máy phát điện • Khi máy phát điện đồng bộ chạy không tải, trong máy chỉ có từ thông do phần cảm gây ra. Từ thông này cảm ứng ra sđđ Eo trong phần ứng, chậm pha so với từ trường một góc 90 0. • Khi máy mang tải, dòng điện phụ tải qua dây quấn stato gây ra từ trường gọi là từ trường phần ứng và làm thay đổi từ trường trong máy về cả độ lớn và sự phân bố. • Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường chính (rôto) o gọi là phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ. Eo ư I Eo ư I S N o Tải thuần dung ( = - 900) ư Tải thuần trở (= 00) S No Eo I Tải thuần trở : Từ thông phần ứng theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ, ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục. Tải thuần cảm: Phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng. Tải thuần dung: Phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng tăng từ trường tổng. o N S Tải thuần cảm ( = 900) o SN Tải R-L Eo ưq ưd Trở lại trang đặc tính ư  I ư o S N Tải R-C Eo ưq ưd  I Tải R-L : phản ứng phần ứng vừa dọc trục khử từ, vừa hướng ngang làm méo từ trường cực từ. (tác dụng giảm từ trường tổng ) Tải R-C: phản ứng phần ứng vừa dọc trục trợ từ, vừa hướng ngang trục làm méo từ trường cực từ. (tác dụng tăng từ trường tổng) Tóm lại: phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ vừa phụ thuộc dòng điện tải (độ lớn bé) vừa phụ thuộc tính chất của tải. 9.5.1.Phương trình điện áp của máy phát điện cực lồi ưq ưd  t I SN o ư Sức điện động cảm ứng trong dây quấn xtato được sinh ra do biến thiên từ thông trong khe hở giữa xtato và rôto. Khi có tải, từ thông trong khe hở gồm 3 thành phần: o, ư , t (Xt là điện kháng tản của dây quấn xtato và ta bỏ qua điện trở của xtato) Từ thông cực từ o, sinh ra sđđ E0. Từ thông phần ứng ư sinh ra Eư.: (Xuq là điện kháng pưpư ngang trục, Xud là điện kháng pưpư dọc trục) Từ thông tản t sinh ra Et: udduqqu XIjXIjE   tqtdtt XIjXIjXIjE   qqddo tuddtuqqoqtdduduqqotuo XIjXIjE )XX(Ij)XX(IjEXIj-XIjXIj-XIjEEEEU     t Xd=Xưd+Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục Xq=Xưq+Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục Phương trình điện áp: qqddo XIjXIjEU   Đồ thị véctơ tương ứng với phương trình điện áp máy phát dd XIj dI qI oE   qq XIj  U  I 9.5.1.Phương trình điện áp của máy phát điện cực ẩn qqddo XIjXIjEU   O I U  oE   IjX db  Xd=Xq=Xdb Gọi là điện kháng đồng bộ IjXE)II(jXEXIjXIjEU dboqddbodbqdbdo   IjX-oE= U db  Phương trình điện áp: 9.6.1.Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ. Đặc tính biểu thị sự phụ thuộc của điện áp trên cực máy phát Eo hoặc Uo đối với dòng điện kích từ Ikt khi I=0, n=const (f=const). Phương trình điện áp: Vì I=0 cho nên Eo= Uo=f(Ikt ). Ta có Eo= 4,44fw1kdqo Eo tỉ lệ o . o = f(Ikt ) Chính là đường cong từ hoá vật liệu sắt từ . Ikt Uo IjX-oE= U db  9.6.2.1Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ. Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos t = const), tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi. U= f(I) hay khi Ikt =const, n=const, cos t=const (o = const, f= const, cos t= const) Đặc tính ngoài của máy phát phụ thuộc vào tính chất của tải I U R L C R-L R-C Uo Trở lại trang PƯPƯ 9.6.2.2Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ khi có điều chỉnh dòng kích từ Điều chỉnh dòng kích từ sao cho U=Uđm, sau đó giữ cho Ikt không đổi. U=f(I) khi Ikt =const, n=const, cost=const (o = const, f= const, cost= const) L C R I®m Udm I U R-L R-C Trở lại trang PƯPƯ U0 9.6.3.Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ. Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp U không đổi bằng định mức. Ikt = f(I) khi n=const (f=const), U=const, cos t=const. Các máy phát có mạch điện tử điều chỉnh dòng kích từ giữ cho điện áp không đổi. Idm R-C R-L I Ikt R L C Trở lại trang PƯPƯ 9.7.Sự làm việc song song của các máy phát điện đồng bộ I. Để các máy làm việc song song, phải bảo đảm các điều kiện sau: 1. Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau. 2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện . 3. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện. II. Để đóng máy phát điện vào lưới ta dùng thiết bị hoà đồng bộ. Thiết bị hoà đồng bộ gồm các dụng cụ để kiểm tra điện áp, tần số, và thứ tự pha của mạng điện và máy phát. Khi các điều kiện hoà đồng bộ đã thỏa mãn, thiết bị tự động đóng máy phát vào mạng điện. Đối với máy phát công suất nhỏ, có thể đóng vào lưới điện bằng phương pháp tự hoà đồng bộ. 9.8.Động cơ điện đồng bộ 8.8.1.Nguyên lý làm việc, và đồ thị véc tơ Khi cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn xtato, tương tự như động cơ điện không đồng bộ, dòng điện ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1= 60f/p. Khi cho dòng một chiều vào rôto, rôto biến thành một nam châm điện.Từ trường quay sẽ hút cực từ của nam châm và kéo rôto quay theo với tốc độ n. Tốc độ rôto n = tốc độ từ trường quay xtato n1=60f/p Song khi mới mở máy động cơ, lúc rôto còn đứng yên, ta hãy xác định chiều lực tác dụng lên rôto mỗi khi dòng điện dòng điện trong dây quấn xtato đổi chiều hoặc cực từ rôto đổi tên. Khi mới mở máy, lực tác dụng lên rôto luôn đổi chiều theo sự đổi chiều của dòng điện xtato và sự đổi chiều xảy ra quá nhanh, do đó rôto không quay được. Muốn mở máy phải có 2 biện pháp: • Dùng động cơ phụ kéo rôto quay • Bằng phương pháp không đồng bộ s FxI B Fr Fr B Fx s I B B 9.8.2.Mở máy bằng phương pháp không đồng bộ Để tạo nên mômen mở máy, trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn, được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ không đồng bộ. Khi mở máy,ta chưa cấp dòng một chiều cho dây quấn kích từ rôto, nhờ có dây quấn mở máy ở rôto, động cơ sẽ khởi động như đồng cơ không đồng bộ. Trong quá trình mở máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số điện trở rất lớn so dây quấn kích từ. Khi rôto đã quay đến tốc độ bằng tốc độ đồng bộ n1, đóng nguồn điện 1 chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ. • 9.8.3.Máy bù đồng bộ Động cơ điện đồng bộ công suất lớn làm việc không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh được để cho động cơ phát ra công suất phản kháng hoặc tiêu thụ công suất phản kháng mục đích điều chỉnh điện áp lưới điện. Công suất phản kháng: Q= mU (E0cos-U)/Xđb mà Eo phụ thuộc Ikt. Tăng Ikt  tăng E0  Q>0 động cơ phát ra công suất phản kháng vào lưới điện, động cơ làm việc quá kích thích. Giảm Ikt  giảm Eo  Q <0 động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện, động cơ làm việc thiếu kích thích. Tăng Ikt  Q tăng  QL giảm  cosL tăng và ngược lại. 2 L 2 L QP P cos  