›
›

Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện

pdf 38 trang cucquyet12 5700
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_may_dien_1_phan_4_may_dien_dong_bo_chuong_1_co_so.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện

  1. 2 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MƠN: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
  2. 3 PHẦN THỨ TƢ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chƣơng 1 NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều cĩ tốc độ rotor n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ cĩ tốc độ quay của rotor luơn khơng đổi. Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp. Máy điện đồng bộ được phân ra thành máy phát, động cơ và máy bù đồng bộ.
  3. 4 Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện các quốc gia, trong đĩ động cơ sơ cấp là tuabinHình 1. hơi,1 Stator tuabin máy nướcđiện đồng hoặc bộ tuabin khí. Trong nhà máy các máy phát thường nối làm việc song song với nhau và các nhà máy nối với nhau thành hệ thống điện. Cơng suất của một máy phát đã chế tạo trên 1200MW. Cịn động cơ điện đồng bộ được sử dụng khi truyền động cơng suất lớn, cĩ thể đạt đến vài chục MW và với yêu cầu tốc độ khơng đổi. Động cơ điện đồng bộ dùng trong cơng nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, máy bơm, khí nén, quạt giĩ Trong một số trường hợp, việc đặt các máy điện đồng bộ ở gần các khu cơng nghiệp chỉ để phát cơng suất phản kháng đủ bù hệ số cơng suất cos cho lưới điện. Những máy như vậy gọi là máy bù đồng bộ. Các động cơ điện đồng bộ cơng suất nhỏ, đặc biệt là động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu cũng được dùng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. 1.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm cĩ hai bộ phận chính là stator và rotor. 1.2.1. Stator (phần ứng) Stator của máy điện đồng bộ (hình 1.1 và 1.2) giống như stator của máy điện khơng đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stator và dây quấn ba pha stator. Lõi thép stator được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dầy 0,5 mm, hai mặt cĩ phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stator cứ cách khoảng 6 - 10 cm cĩ một rãnh thơng giĩ ngang trục rộng khoảng 10mm. Lõi thép stator được đặt cố dịnh trong thân máy. Dây quấn stator (xem lại phần dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều) cịn gọi là dây quấn phần ứng. Hình 1.2 Stator máy điện đồng bộ cực ẩn 1.2.2. Rotor (phần cảm)
  4. 5 Rotor của máy điện đồng bộ là nam châm điện gồm cĩ lõi thép và dây quấn kích thích. Dịng điện đưa vào dây quấn kích thích là dịng điện một chiều. Rotor của máy điện đồng bộ cĩ hai kiểu là rotor cực lồi và rotor cực ẩn. 1. Kết cấu của rotor cực lồi Loại rotor cực lồi dùng ở các máy đồng bộ cĩ tốc độ thấp, cĩ nhiều đơi cực (hình 1.3) như máy phát kéo bởi tuốc bin nước. Vì vậy đường kính D của rotor cĩ thể lớn đến 15m. Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi cĩ lõi thép chế tạo bằng thép đúc và gia cơng thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ trên mặt cĩ các cực từ. Cực từ đặt trên lõi thép rotor được làm bằng thép lá dày 1-1,5 mm. N S S N Hình 1.3 Rotor cực lồi máy điện đồng bộ cực lồi và mặt cắt ngang Dây quấn kích từ được chế tạo bằng dây đồng tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vịng dây bằng mica hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đã gia cơng được lồng vào thân cực từ Việc cố định cực từ trên lõi thép rotor được thực hiện bằng đuơi hình T hoặc bằng các bulơng xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rotor. Dạng mặt cực rotor để khe hở khơng khí khơng đều, mục đích là làm cho từ cảm phân bố trong khe hở khơng khí hình sin để sđđ cảm ứng ở dây quấn stator hình sin (hình 1.3). N S
  5. 6 2. Kết cấu của rotor cực ẩn Hình 1.4 Lõi thép rotor và mặt cắt ngang của lõi thép máy điện đồng bộ cực ẩn Loại rotor cực ẩn được dùng ở các máy cĩ tốc độ cao như các máy kéo bởi tuốc bin hơi. Vì tốc độ cao nên để chống lực ly tâm, rotor được chế tạo nguyên khối và cĩ đường kính nhỏ (hình 1.4). Rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đĩ gia cơng và phay các rãnh để đặt dây quấn kích từ. Khe hở khơng khí giữa stator và rotor đều và rotor thường chỉ cĩ hai cực từ. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rotor được chế tạo bằng dây đồng tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành các bối Hình 1.5 Dây quấn rotor cực ẩn dây đồng tâm (hình 1.5). Cách điện giữa các vịng dây của bối dây bằng mica mỏng. Dây quấn kích từ đặt vào rãnh rotor và được nêm kín bằng các thanh nêm làm bằng thép khơng từ tính. 1.2.3. Hệ kích từ của máy điện đồng bộ Hệ kích từ máy điện đồng bộ phải đảm bảo duy trì điện áp trên dầu cực máy phát trong điều kiện làm việc I bình thường, cưỡng bức kích t thích khi điện áp hạ thấp do U ngắn mạch ở xa và giảm U KT t ĐB nhanh dịng điện kích từ đến Lđ Ls R khơng mà điện áp khơng vượt T quá cách điện cuộn dây kích từ cho phép. Hình 1.6 Hệ kích thích dùng máy một chiều It TI ĐB U Cĩ ba loại kích từ cho máy điện đồng bộ. Hệ kích từ dùng U t máy phát điện một chiều mối cùng trục máy phát đồng bộ (hình 1.6); hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều, cũng mối cùng trục với máy phát điện đồng bộ, loại T này cĩ hai phương án là máy kích Hình 9.8 Hệ kích thích hổn hợp của máy đồng bộ
  6. 7 từ xoay chiều cĩ phần cảm quay, phần ứng tỉnh (hình 1.7a) và máy kích từ xoay chiều cĩ phần ứng quay, phần cảm tĩnh (hình 1.7b); hệ tự kích tức hỗn hợp là lấy điện áp máy điện đồng bộ phát ra rồi chỉnh lưu và cho vào dây quấn kích từ của chính nĩ như trình bày trên hình 1.8. It It Ut ĐB Ut ĐB CL CL KT A A KT B B Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh (a) (b) Hình 1.7 Hệ kích thích máy phát xoay chiều chỉnh lưu 1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Trên hình 1.9 trình bày nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ. Động cơ sơ cấp 1 (tuốc bin hơi) quay rotor máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức, máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dịng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thơng qua chổi than 5 và vành gĩp 6, rotor 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện. Do rotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng trong dây quấn stator sđđ xoay chiều hình sin. Nếu rotor cĩ số đơi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sđđ cảm ứng trong dây quấn stator cĩ tần số là: p.n f (1.1a) 60 60f Hoặc n (vg/ph) (1.1b) p Như vậy trị số hiệu dụng sđđ cảm ứng trong dây quấn stator là:
  7. 8 Et π 2fN sΦt (1.2) Trong đĩ: Et = sđđ kích thích pha (V); Ns = số vịng dây hiệu dụng của một pha; f = tần số của sđđ cảm ứng dây qấn stator (Hz); t = từ thơng/cực từ, do dịng điện kích từ It tạo ra (Wb). A B C 2 + 3 5 1 7 4 6 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của máy phát đơng bơ ba pha 1. Động cơ sơ cấp (tuabin hơi); 1. Dây quấn stator; Rotor của máy phát đồng bộ; 1. Dây quấn rotor; 5. Vành trượt; 6. Chổi than tỳ lên vành trượt; 7. Máy phát điện một chiều nối cùng trục với máy phát điện đồng bộ. Khi dây quấn stator nối với tải, trong dây quấn sẽ cĩ dịng điện ba pha chạy qua. Hệ thơng dịng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, cĩ tốc đơ: 60f n (vg/ph) (1.3) 1 p Từ (1.1b) và (1.3), ta thấy tốc độ rotor n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1, nên gọi là máy điện đồng bộ. VÍ DỤ 1.1 Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn làm việc khơng tải cĩ sđđ cảm ứng là 240V/pha, tần số 50Hz. Xác định sđđ cảm ứng và tần số nếu từ thơng cực từ tăng 12% và tốc độ tăng 12%. Bài Giải Sđđ pha cảm ứng của máy phát : Lập tỉ số: E f Φ t1 1 t1 E f Φ t2 2 t2 f2Φt2 1,2f1 1,2Φt1 Et2 Et1 240 345,6 V f1Φt1 f1Φt1
  8. 9 Tần số của sđđ cảm ứng mới: n1 f1 n 2 f2 f1 50 1,2 60 Hz n 2 f2 n1 1.4. TỪ TRƢỜNG TRONG ĐIỆN ĐỒNG BỘ Từ trường trong máy điện đồng bộ là do dịng điện trong dây quấn rơto và stato sinh ra. Khi máy làm việc khơng tải: Trong dây quấn stato khơng cĩ dịng điện, tức dịng điện stator bằng khơng (I = 0), từ trường trong máy điện chỉ do dịng điện một chiều It chạy trong dây quấn kích từ đặt trên cực từ sinh ra, gọi là từ trường cực từ. Nếu rơto quay từ trường này quét qua dây quấn stator và cảm ứng trong đĩ các sđđ kích thích Et (cịn gọi là sđđ khơng tải). Khi máy làm việc mang tải: Ngồi từ trường cực từ cịn cĩ từ trường do dịng điện tải I sinh ra gọi là từ trường phần ứng. Nếu là máy ba pha, từ trường do dịng điện tải chạy trong dây quấn ba pha sinh ra là từ trường quay. Từ trường nầy cĩ thể phân tích thành từ trường cơ bản và các từ trường bậc cao cĩ chiều quay và tốc độ quay khác nhau. Trong số từ trường nầy, từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì tốc độ và chiều quay giống như từ trường cực từ. Phản ứng phần ứng là tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ. Nĩ ảnh hưởng rất lớn đến từ trường cực từ và mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào tính chất của tải cũng như cấu tạo cực từ ẩn hay lồi. Kết quả là khi máy điện làm việc cĩ tải, dọc khe hở tồn tại một từ trường thống nhất. Chính từ trường nầy sẽ sinh ra sđđ lúc cĩ tải trong dây quấn stato. 1.4.1. Từ trƣờng của dây quấn kích thích (cực từ) Rơto của máy điện đồng bộ cực ẩn và máy điện đồng bộ cực lồi cĩ cấu tạo khác nhau nên từ trường do chúng sinh ra cĩ dạng khác nhau, vì vậy sau đây ta sẽ xét hai trường hợp riêng biệt. 1. Đối với máy điện cực lồi Stđ của một cực từ là: N I F t t (1.4) t 2p trong đĩ: Nt = số vịng dây kích thích quấn trên các cực từ; It = dịng điện kích thích. p = số đơi cực từ. Từ thơng do sức từ động (stđ) nầy sinh ra (hình 1.10) gồm: t = từ thơng chính đi qua khe hở và mĩc vịng với dây quấn stator.  = từ thơng tản của cực từ. Do khe hở giữa mặt cực và phần ứng khơng đều, nhỏ giữa mặt cực và lớn dần về 2 phía mỏm cực, nên mật độ từ thơng ở giữa mặt cực lớn hơn ở mỏm cực. Ta vẽ đường phân bố từ cảm dọc theo bước cực  như trên hình 1.11.
  9. 10 Từ cảm Bt khơng sin vì khĩ khăn về mặt gia cơng độ cong mặt cực. Ta phân tích Bt thành sĩng cơ bản và các sĩng bậc cao. Sĩng là cơ bản là chủ yếu, sẽ tạo ra sđđ cĩ tần số cơ bản ở dây quấn stato, cịn từ trường bậc cao của cực từ thường rất nhỏ, hơn nữa sđđ do chúng sinh ra cịn bị yếu đi do chọn bước ngắn và quấn rãi. m t   N t  S S 2 Bt 1 Btm1 Btm N /2 - /2 Hình 1.10 Từ trường của dây quấn Hình 1.11 Từ cảm của từ trường cực từ ở khe kích từ của máy điện đồng bộ. hở của máy điện đồng bộ cực lồi Hệ số dạng sĩng của từ trường: Btm1 k t (= 0,951,15) (1.5) Btm trong đĩ: Btm1 = biên độ của sĩng cơ bản. Btm = trị số cực đại cuả từ cảm Bt. Từ biểu thức (1.5), ta cĩ: 0Ft Btm1 k t Btm k t k kd μ0 Nt It k t (1.6) kδkμdδ 2p trong đĩ: k = hệ số khe hở khơng khí kd = hệ số bão hịa dọc trục cực từ  = khe hở khơng khí Tính hệ số hỗ cảm và tự cảm của dây quấn kích thích của MĐ cực lồi: + Hệ số hỗ cảm Mƣd: Hệ số hỗ cảm Mưd được suy ra từ sđđ hỗ cảm trong dây quấn stator do từ thơng mĩc vịng của cực từ. Từ thơng ứng với sĩng cơ bản của cực từ bằng: 2 μ0 τlδ Nt k t Φt1 Btm1τlδ It (1.7) π π kδkμdδ p Khi rơto quay với tốc độ  = 2 f thì từ thơng mĩc vịng do sĩng cơ bản của từ trường kích từ với dây quấn stator biến đổi theo qui luật hình sin:
  10. 11 tưd = Nst1cost Sđđ hỗ cảm trong dây quấn stator là: dΨtỉd e Nst1sint = Etmsint t dt Trong đĩ, biên độ sđđ kích thích: μ0 τlδ Nt k t Etm ωNs It ωMỉdIt X ỉdIt (1.8) π kδkμdδ p Vậy hệ số hỗ cảm của dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng là: μ0τlδ Ns Nt k t Mỉd (1.9) πkδkμdδ p Điện kháng hỗ cảm tương ứng: Xưd = Mưd (1.10) + Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích : Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích: Lt = Lt + Lt (1.11) Trong đĩ: Lt là hệ số tự cảm của dây quấn kích thích ứng với từ thơng tản t cực từ. Lt là hệ số tự cảm của dây quấn kích thích ứng với từ thơng khe hở t. của cực từ. Từ thơng khe hở t. của cực từ là : t. = kt1 (1.12) trong đĩ: k là hệ số cĩ trị số bằng tỉ số cĩ điện tích giới hạn bởi các đường cong 1 và 2 trên hình 1.11. Kết hợp biểu thức (1.7) và (1.12) ta suy ra : 2 NtΦtδ μ0τlδ Nt Ltδ k t kφ (1.13) It πkδkμdδ p 2. Đối với máy điện cực ẩn Đường biểu diễn từ cảm Bt cĩ dạng hình thang (hình 1.3). Ta gọi  là tỉ số giữa phần cĩ dây quấn của bước cực và bước cực . Biên độ sĩng cơ bản của từ trường đĩ bằng: 2 2 Btm1 Bt cos d 2 (1 ) 4 2 4 2 2 B cos d B ( )cos d tm  tm 2 0 (1 ) 2
  11. 12  sin 4 = 2 B (1.14)  tm 2  sin Btm1 4 2  Vậy k t (1.15) Btm  2 Bt Btm1 m  /2 (1-)  /2 Hình 1.12 Từ trường khe hở ở máy điện cực ẩn Thường  = 0.60.85, vậy kt = 1.0650.965. Hệ số hỗ cảm Mưd của dây quấn kích từ máy cực ẩn tính như biểu thức (1.9). Cịn hệ số tự cảm Lt của dây quấn kích thích máy cực ẩn tính như biểu thức (1.13). Nhưng: 2 1  3 k  (1.16) 2 k t 1.4.2. Từ trƣờng của dây quấn phần ứng Khi máy điện làm việc cĩ tải, dịng điện trong dây quấn stator sinh ra từ trường của dây quấn stator gọi là từ trường phần ứng. Tùy theo tính chất của tải mà trục của từ trường phần ứng sẽ làm thành một gĩc nhất định với trục từ trường cực từ. Như vậy tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ hay phản ứng phần sẽ mang tính chất khác nhau phụ thuộc vào tính chất tải (tải trở, dung hay cảm) và kết cấu cực từ. Do trong máy điện cực ẩn khe hở đều, cịn cực lồi khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau, nên sđđ cảm ứng trong dây quấn phần tĩnh do từ trường phần ứng cũng khác nhau và cần được nghiên cứu riêng. 1. Phản ứng phần ứng Giả thiết xét máy phát điện đồng bộ 3 pha cĩ phụ tải ba pha đối xứng; mỗi pha cĩ một phần tử, tạo thành 2 cực từ (p = 1); và bỏ qua sự bão hịa của mạch từ để dùng phương pháp xếp chồng. a) Tải thuần trở Khi tải đối xứng và thuần trở thì dịng điện ba pha trong dây quấn stator sẽ       trùng pha với các sđđ tương ứng IA  EA , IB  EB , IC  EC ( =0). Giả sử các sđđ và dịng điện trong các pha là hình sin và nếu xét ở thời điểm iA Im , thì iB iC Im / 2 và đồ thị véctơ như trên hình 1.13a. Chiều dịng điện điện chạy trong các pha của máy như trên hình 1.13b. Từ hình vẽ ta thấy vị trí khơng gian của từ trường quay của từ trương phần ứng Fư trong trường hợp này cĩ chiều trùng
  12. 13 với trục dây quấn pha A là pha cĩ dịng điện cực đại. Vì từ thơng xuyên qua pha A cực đại trước sđđ pha đĩ một phần tư chu kỳ nên khi sđđ pha A cực đại từ trường quay được 900 so với vị trí cực từ trùng với trục pha A (hình 1.13b). Như vậy vị trí khơng gian của trục cực từ là thẳng gĩc với trục của pha A, tức là thẳng gĩc với chiều từ trường Fư. Kết luận : ở tải thuần trở, phương của Fư thẳng gĩc với phương của Ft và phản ứng phần ứng ngang trục.  E A Y F C ỉ Fư   I A  A Ft Ft N S  X I C I n B E E B Z C B (a) (b) Hình 1. 13. Đồ thị vectơ sđđ (a) và quan hệ khơng gian giữa từ trường cực từ và từ trường phần ứng (b) ở tải thuần trở máy điện đồng bộ b) Tải thuần cảm Khi tải thuần cảm, dịng điện chậm sau sđđ một gĩc  = 900. nên ở thời 0 điểm: iA Im ,iB iC Im / 2, cực từ đã quay thêm một gĩc 90 , so với vị trí của nĩ ở trường hợp tải thuần trở và được trình bày trên hình 1.14b. Ta thấy ở đây từ trường Fư và từ trường Ft cùng phương và ngược chiều nhau và phản ứng phần ứng dọc trục khử từ. Đồ thị vectơ trình bày trên hình 1.14b. Y FƯ C S 0 I =90 A A n X N Z B (b) (a) Hình 1.14 Đồ thị vectơ sđđ (a) và quan hệ khơng gian giữa từ trường cực từ và từ trường phần ứng (b) ở tải thuần cảm máy điện c) Tải thuần dung Khi tải thuần dung sđđ E chậm sau dịng điện I một gĩc  = - 900, nên ở thời 0 điểm i A Im , iB iC Im / 2 , cực từ cịn phải quay thêm một gĩc 90 nữa, mới trùng với tải thuần trở, nghĩa là ở vị trí như trên hình 1.15b.
  13. 14   Ft Ft   EC Fỉ Y FƯ C  I A N 0  = - 90 E A  A n X I C  I B S E Z B B (a) (b) Hình 1.15 Đồ thị vectơ sđđ (a) và quan hệ khơng gian giữa từ trường cực từ và từ trường phần ứng (b) ở tải thuần dung MĐ Ở đây chiều của từ trường Fư và Ft cùng phương và cùng chiều: phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ. Đồ thị véctơ tương ứng trên hình 1.15a. d) Tải hổn hợp Y FƯ C S F  F A ỉq ỉd n X NN Z B (b) (a) Hình 1. 16. Đồ thị vectơ sđđ (a) và quan hệ khơng gian giữa từ trường cực từ và từ trường phần ứng (b) ở tải hổn hợp MĐ Khi tải hỗn hợp, gĩc lệch pha giữa sđđ và dịng điện là . Phân stđ và dịng điện làm hai thành phần dọc trục và ngang trục như trình bày trên hình 1.16, ta cĩ :    Fỉ Fỉd Fỉq (1.17)    I Id Iq (1.18) Thành phần stđ dọc trục và ngang trục: Fưd = Fưsin (1.19a) Fưq = Fưcos (1.19b) Thành phần stđ dọc trục và ngang trục: Id = Isin (1.20a) Iq = Icos (1.20b)
  14. 15 Tải cĩ tính cảm (0  > - /2) : phản ứng phần ứng ngang trục trợ từ.     Stđ tổng khe hở : F Ft Fỉ sinh ra từ trường khe hở và cảm ứng sđđ E . Trong tài liệu tham khảo [4], ta cĩ từ trường phần ứng với m pha là: m 2 N I F s (1.21) ỉ π p 2. Từ cảm do từ trƣờng phần ứng và điện kháng tƣơng ứng a) Máy cực ẩn Giả thiết khe hở khơng khí giữa stato và rotor  đều và mạch từ khơng bão hịa, vậy từ trở R = const, nên stđ Fư sin thì từ cảm Bư cũng hình sin. Từ cảm phân bố dọc khe hở: 0 Bỉm Fỉ k k μ0 m 2 Ns Bỉm I kδkμδ π p Từ thơng tương ứng: 2 2μ τl m 2 N Φ B τl 0 δ s I ỉ ỉm δ 2 π kδkμδ π p Từ thơng nầy quay đồng bộ với rơto và cảm ứng trong dây quấn stato sđđ: Eỉ π 2fNsΦỉ (1.22) Và ta cĩ điện kháng tương ứng: 2 Eỉ μ0τlδ Ns X ỉ 4mf (1.23) I πkδkμδ p b) Máy cực lồi Do khe hỡ  khơng đều, nên từ cảm phân bố dọc khe hở là khơng sin. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta phân tích stđ Fư ra làm hai thành phần và xét từ cảm theo hai hướng đĩ: m 2 Ns m 2 Ns Fưd = Fưsin = Isinψ I (1.24a) π p π p d m 2 Ns m 2 Ns Fưq = Fưcos = Icosψ I (1.24b) π p π p q Biên độ Fưd và Fưq trùng với trục dọc và trục ngang. Nếu  đều thì từ cảm phân bố hình sin (đường1) và cĩ biên độ là: 0 Bỉdm Fỉd (1.25a) kkd 0 Bỉqm Fỉq (1.25b) kkq
  15. 16 Do  khơng đều, nên từ cảm phân bố dọc khe hở là khơng sin (đường 2), cĩ thể phân tích thành sĩng cơ bản và sĩng bậc cao. Bỏ qua sĩng bậc cao. 1 1 Fư d Fư q 2 2 B ưdm B ưdm1 Bưdm B ưdm1 /2 /2 Hình 1.17 Từ trường phản ứng phần ứng: a. Dọc trục; b. Ngang trục Hệ số dạng sĩng từ trường dọc trục và ngang trục phần ứng: Bỉdm1 k ỉd Bỉdm Bỉqm1 k ỉq Bỉqm Trong đĩ: Bưdm1 = biên độ sĩng cơ bản dọc trục Bưqm1 = biên độ sĩng cơ bản ngang trục Cũng tính tốn như máy điện cực ẩn, ta cĩ: 2 Eỉd μ0τlδ Ns X ỉd 4mf k ỉd (1.26a) I πkδkμdδ p 2 Eỉq μ0τlδ Ns X ỉq 4mf k ỉq (1.26b) I πkδkμqδ p Thường điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục Xưd* = 0,5 1,5 và ngang trục Xưq* = 0,3  0,1. 1.5. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CỰC ẨN 1.5.1. Mơ hình mạch máy phát điện đồng bộ cực ẩn Trong phần trước ta đã nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lí làm việc và phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ. Trong phần này ta thành lập mơ hình mạch điện, trên cơ sở đĩ ta nghiên cứu khảo sát đặc tính làm việc. Sau đây ta nghiên cứu
  16. 17 máy điện đồng bộ làm việc ở chế độ xác lập và thành lập mơ hình mạch điện trên một pha. _  ~ + I  E + t t +   ỉ ~  E I t _ _ E jX I E ỉ ỉ ỉ (a) (b) jXư jXư jXưt Rư + + E  t + Et + ' ~ ~ E E _   _ _ (c) (d) jXđb Rư I +  Et + ~  ' U _ E _ (e) Hình 1.18 Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ Dịng điện It trong dây quấn kích thích sinh ra từ thơng t trong khe hở khơng khí. Dịng điện phần ứng I trong dây quấn stator sinh ra từ thơng s trong khe hở khơng khí. Một phần nhỏ của từ thơng này, ưt , gọi là từ thơng tản, chỉ mĩc vịng với dây quấn stator và khơng mĩc vịng qua dây quấn kích thích. Cịn phần lớn của từ thơng này, ư , gọi là từ thơng phản ứng phần ứng, đi qua khe hở khơng khí mĩc vịng với dây quấn kích thích. Kết quả là trong khe hở khơng khí cĩ từ thơng tổng là  , như vậy trong khe hở khơng khí cĩ hai thành phần từ thơng, t và ư . Giả thiết mạch từ chưa bão hịa nên mỗi thành phần từ thơng cảm ứng ra một sđđ trên dây quấn stator. Trên hình 1.18a, sđđ Et là do t cảm ứng và Eư là do ư cảm ứng. Cịn sđđ tổng E do từ thơng tổng  sinh ra. Sđđ kích thích
  17. 18 Et hình thành đường cong khơng tải trên hình 2.2. Sđđ Eư, gọi là sđđ phản ứng phần ứng, phụ thuộc vào ư (tức là phụ thuộc vào I). Từ hình 1.18a, ta cĩ:    Eδ Et Eỉ (1.27) hoặc    Et Eỉ Eδ (1.28)  Từ đồ thị vector hình 1.18b, sđđ Eỉ chậm sau từ thơng ư (hoặc I) một gĩc 90o. Do đĩ, dịng điện I chậm sau - một gĩc 90o. Như vậy trên biểu thức (1.28), điện áp - cĩ thể biểu diễn như điện áp rơi trên điện kháng Xư do dịng điện phần ứng I tạo ra. Biểu thức (1.28) được viết lại như sau :    Et jXỉI Eδ (1.29) Điện kháng Xư gọi là điện kháng phản ứng phần ứng được trình bày trên hình 1.18c. Nếu dây quấn stator cĩ điện trở Rư và điện kháng tản Xưt (ứng với từ thơng tản ưt) thì mạch điện thay thế trình bày trên hình 1.18d. Điện trở Rư là điện trở tác dụng và gần bằng 1,2 lần điện trở một chiều của dây quấn stator. Điện trở tác dụng gồm hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng mặt ngồi gây ra bởi dịng điện chạy qua dây quấn stator. Nếu hai điện kháng Xư và Xưt hợp nhất thành một điện kháng thì mơ hình mạch điện tương đương rút gọn về hình 1.18e, trong đĩ : Xđb = Xư + Xưt : gọi là điện kháng đồng bộ. Zđb = Rư + jXđb : gọi là tổng trở đồng bộ. Điện kháng đồng bộ Xđb gồm tất cả các từ thơng kể cả từ thơng tản, sinh ra bởi dịng điện phần ứng. Giá trị tham số này phụ thuộc vào kích thước của máy. Máy cĩ cơng suất càng lớn thì Xđb càng lớn (Xđb* = 0,5-1,5). 1.5.2. Phƣơng trình cân bằng điện áp, đồ thị vector Đồ thị vector cho ta thấy mối quan hệ về dịng điện và điện áp của cả máy phát và động cơ đồng bộ, trình bày trên hình 1.19b,d. Đồ thị vector này dựa trên cơ sở của mạch điện thay thế máy điện đồng bộ. Lấy điện áp U trên đầu cực của máy làm vector gốc trong việc vẽ đồ thị vector. Mạch điện thay thế của máy phát điện động bộ được vẽ ở hình 1.19a. Để thuận tiện dịng điện I cĩ chiều đi ra trong trường hợp máy phát đồng bộ. Ta cĩ phương trình cân bằng điện áp của máy phát đồng bộ là :     Et U IR ỉ IjXâb Etθ (1.30) Vector của sđđ kích thích Et thu được bằng cách thêm điện áp rơi I Rư và jXđb vào điện áp ra U . Phụ tải máy phát điện động bộ thường cĩ tính cảm, đây là trường hợp thường gặp, ta chỉ xét trường hợp này. Trong trường hợp động cơ đồng bơ, dịng điện cĩ chiều đi vào. Mạch điện thay thế được trình bày trên hình 1.19c. Ta cĩ phương trình cân bằng điện áp của động cơ đồng bộ là :     U Et IR ỉ IjXâb (1.31)
  18. 19    Et U0 IR ỉ IjXâb Et θ (1.32) jXđb Rư E t + +   o IjX Et ~ U0 âb _ _  IR ỉ (a) (b) jXđb R ư   + IjXâb IR + ỉ   Et ~ _ _  Et (c) (d) Hình 1.19 Mạch điện tương đương và đồ thị vector của máy điện đồng bộ cực ẩn Vector sđđ kích thích Et thu được bằng cách lấy U trừ bớt điện áp rơi I Rư và jXđb. Trên hình 1.19d là vẽ đồ thị vector của động cơ điện đồng bộ cĩ tính cảm.  Chú ý rằng, gĩc  giữa và Et dương là chế độ máy phát và âm là chế độ động cơ điện. Gĩc  gọi là gĩc cơng suất. 1.5.3. Đặc tính gĩc cơng suất và moment máy đồng bộ cực ẩn Máy điện đồng bộ thường nối với hệ thống điện nên cĩ điện áp và tần số cố định. Cơng suất của máy là khá nhỏ so với cơng suất của hệ thống. Trên hình 1.20 vẽ lại sơ đồ thay thế cho phù hợp với việc tính tốn, trong đĩ U là điện áp pha của lưới và các thơng số khác tương ứng. Cho là : U U0o  o Et Etθ Zđb = Rư + jXđb = Zđb . (1.33) Cơng suất một pha viết ở dạng phức : ~ S U I* (1.34) Số phức liên hiệp I* của dịng điện sử dụng phù hợp với qui ước, cơng suất phản kháng điện cảm cho là dương và cơng suất phản kháng điện dung cho là âm như hình 1.21.
  19. 20 Chế độ máy phát jXđb Rư I + + o E θ ~ U0 t _ _ Hinh 1.20 Mạch điện tương đương pha Từ hình 1.20, ta cĩ : * E U E * U * I* t t (1.35) * * Zâb Zâb Zâb E  θ U0o I* t Zâb  δ Zâb δ  Et U I* (δ θ) δ (1.36) Zâb Zâb Theo cơng thức (1.12) và (1.14), ta cĩ : ~ U.E U2 S t (δ θ) δ . (1.37) Zâb Zâb Cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q tính cho một pha là : U.E U2 P t cos(δ θ) cosδ (1.38) Zâb Zâb U.E U2 Q t sin(δ θ) sinδ (1.39) Zâb Zâb o Nếu điện trở Rư là khơng đáng kể, vậy Zđb = Xđb và  = 90 . Từ cơng thức (1.38) và (1.39) đối với máy ba pha là : 3U.Et P3p sinθ (1.40a) Xâb P3p Pmax sin (1.40b) 3U.Et Trong đĩ : Pmax Xâb 2 3U.Et 3U 3U Q3p cosθ (Et cosθ U) (1.41) Xâb Xâb Xâb Do bỏ qua điện trở dây quấn stator khi tính tốn, cơng suất ra trên đầu cực bằng cơng suất điện từ. Moment ra của máy là : P M 3p Ωâb
  20. 21 3 UE M t sinθ (1.42) Ωâb Xâb M Mmax sin (N.m) (1.43) 3 UE t Pmax 2πnâb Trong đĩ, Mmax và Ωâb ; (1.44) Ωâb Xâb Ωâb 60 nđb là tốc độ vịng đồng bộ jQ cảm S Q P Hinh 1.21 Đồ thị vector cơng suất P dung Cả cơng suất và moment biến thiên hàm sin theo gĩc  gọi là đặc tính gĩc cơng suất và đặc tính gĩc moment (trình bày trên hình 1.22). cịn  gọi là gĩc cơng suất hay gĩc moment. Máy điện cĩ thể làm việc mang tải đến giới hạn Pmax hoặc o Mmax, khi  = 90 , đĩ gọi là giới hạn ổn định tỉnh của máy. Máy điện mất đồng bộ o nếu  vượt quá 90 . Moment cực đại Mmax cịn được gọi là moment kéo ra. Chú ý te rằng U=C , Moment cực đại Mmax cĩ thể tăng do tăng sđđ Et. Nếu động cơ đồng bộ cĩ xu hướng kéo ra khỏi đồng bộ do moment tải quá lớn, dịng điện kích thích cĩ thể tăng để moment sinh ra cao nhằm ngăn cản sự mất đồng bộ. Cũng như ở máy phát điện đồng bộ, nếu động cơ sơ cấp cĩ xu hướng truyền cho máy tốc độ quá đồng bộ do moment truyền động quá lớn, dịng điện kích thích cĩ thể tăng lên để gây ra moment hãm lớn hơn để hãm xu hướng đĩ. Tốc độ quay của máy khơng đổi nên gọi là máy điện đồng bộ, đặc tính tốc độ - moment là đường thẳng song song với trục moment, như trình bày trên hình 1.23. M P Mmax P max n M M max 0 nđb -Mmax  0 90o 180o Hinh 1.22 Đặc tính cơng suất và moment Hinh 1.23 Đặc tính moment – tốc độ
  21. 22 VÍ DỤ 1.2 Máy điện đồng bộ ba pha cực ẩn 5kVA, 208V, 4 cực từ, 60Hz, nối Y cĩ điện trở dây quấn stator khơng đáng kể và điện kháng đồng bộ 8/pha. Máy làm việc ở chế độ máy phát nối vào lưới cĩ 208V, 60Hz. a. Xác định sđđ kích thích và gĩc cơng suất khi máy làm việc đầy tải cĩ hệ số cơng suất 0,8 (R-L). Vẽ đồ thị vector trong trường hợp này. b. Nếu dịng điện kích từ tăng 20% (giả thiết mạch từ chưa bão hịa và cơng suất động cơ sơ cấp khơng đổi), tìm dịng điện stator, hệ số cơng suất và cơng suất phản kháng cung cấp bởi máy? c. Với dịng điện kích thích của câu (a), cơng suất động cơ sớ cấp giảm chậm. Tìm trạng thái giới hạn ổn định tỉnh ? Tìm giá trị tương ứng của dịng điện stator, hệ số cơng suất và cơng suất phản kháng trong điều kiện máy phát cơng suất cực dại ? Bài Giải Mạch điện thay thế của máy phát điện một pha trình bày trên hình VD 1.2a. a. Điện áp pha của máy phát : U 208 U d 120 V 3 3 Dịng điện stator khi dầy tải : Sâm 5000 Iâm 13,9 A 3Uâm 3 208 cos = 0,8 = 36,9o (tính cảm) Phương trình cân bằng điện áp khi bỏ qua Rư :  o  Et U0 IjXâb  o o o Et 1200 13,9 36,9 890 = 206,9  25,5o.V Sđđ kích thích của một pha : Et = 206,9 V Gĩc cơng suất :  = 25,5o.  j8  Et 206,9V  d I Et IjX IjX + + âb âb  U ~ U 0o _ _ c (b) (c) (a) b a Hình VD 1.2 Mạch điện tương đương và đồ thị vector máy phát
  22. 23 b. Điện áp kích thích mới khi dịng kích thích tăng 20% : E’t = 1,2 x Et =1,1.206,9 = 248,28 V. Do cơng suất cơ khơng đổi nên cơng suất tác dụng trước và sau khi tăng dịng kích thích cũng khơng đổi, vậy : UE UE ' t sinθ t sinθ' Xâb Xâb ' ' hoặc : Et sinθ Et sinθ E 206,9 sin25,5o sinθ' t sinθ sin25,5o ' Et 248,28 1,2  =21o. Dịng điện stator là : E U I t jXâb 248,2821o 1200o I j8 I 17,86 51,5o A Hệ số cơng suất = cos51,5o = 0,62 (cảm). Cơng suất phản kháng : Q = 3UIsin51,5o = 3x120x17,86x0,87x10-3 =5.030VAR. c. Máy phát cơng suất cực đại xảy ra khi  = 90o , vậy : 3Et U 3 206,9 120 Pmax 9.320 W Xâb 8 Dịng điện stator : E U 206,990 o 1200o I t 29,930,1o A jXâb j8 Trị hiệu dụng : I = 29,9 A. Hệ số cơng suất : cos30,1o = 0,865 (dung) Cũng cĩ thể dùng đồ thị vector (hình VD 1.2c) trong trường hợp phát cơng suất cực đại để tính dịng điện stator như sau : 2 2 2 (IXđb) = E t + U 1 206,92 1202 2 I 29,9 A . 2 8
  23. 24 Chế độ động cơ Chế độ động cơ, do gĩc cơng suất  < 0, nên ta cĩ cơng suất ba pha: 3U.Et P3p sinθ (1.40a) Xâb P3p Pmax sinθ (1.40b) 3U.Et Trong đĩ : Pmax Xâb 2 3U.Et 3U 3U Q3p cosθ (U Et cosθ) (1.41) Xâb Xâb Xâb Do bỏ qua điện trở dây quấn stator khi tính tốn, cơng suất ra trên đầu cực bằng cơng suất điện từ. Moment ra của máy ba pha là : 3 UE M t sinθ (1.42) Ωâb Xâb M Mmax sinθ (N.m) (1.43) Trong đĩ, mơmen cực đại là: 3 UE t Mmax Ωâb Xâb VÍ DỤ 1.3 Máy điện đồng bộ ba pha 5kVA, 208V, 4 cực từ, 60Hz, nối Y cĩ điện trở dây quấn stator khơng đáng kể và điện kháng đồng bộ 8/pha. Máy làm việc ở chế độ động cơ nối vào lưới cĩ 208V, 60Hz. Điều chỉnh dịng kích từ để hệ số cơng suất bằng 1 khi đĩ máy nhận 3kW từ nguồn cung cấp. a. Xác định sđđ kích thích và gĩc cơng suất. Vẽ đồ thị vector trong trường hợp này. b. Nếu dịng điện kích từ khơng đổi và tải trên trục tăng lên, tìm cơng suất cực đại động cơ cĩ thể cung cấp ? Bài giải Mạch điện thay thế của máy động cơ đồng bộ một pha trình bày trên hình VD1.3. a. Dịng điện động cơ nhận từ lưới khi cos = 1 : P 3000 I 8,33A 3Ucos 3 120 Sđđ kích thích :    Et U IjXâb 1200o 8,330o 890o 137,35 29o V Trị hiệu dụng : Et = 137,35 A.
  24. 25 Gĩc cơng suất :  = - 29o Cũng cĩ thể dùng đồ thị vector (hình VD 1.3b) để tính Et và  như sau : 2 2 Et U (IX âb) 2 2 Et 120 (8,33 8) = 137,35 V. IX 8,33 8 tg âb 0,555 U 120  = -29o (chế độ động cơ) j8 I U 120 V + + = -29o  Et ~  o  _ U U0 IjXâb _ Et 137,35V (b) (a) Hình VD1.3 Mạch điện tương đương và đồ thị vector của dộng cơ đồng bộ b. Cơng suất cực đại khi  =- 90o : 3UE t 3 137,35 120 o Pmax sinθ sin( 90 ) 6180 ,75 W Xâb 8 Pmax 6180 ,75 Mmax 32,8 N.m Ωâb (2π 1800 / 60) VÍ DỤ 1.4 Một động cơ điện đồng bộ cực ẩn ba pha 100hp, 460V, 4 cực từ, 60Hz, nối Y cĩ điện trở dây quấn stator khơng đáng kể và điện kháng đồng bộ 2,72/pha. Động cơ làm việc ở chế độ định mức cĩ hệ số cơng suất 0,8 - vượt trước và hiệu suất, trừ tổn hao kích thích và stator là 96%. Xác định (a) mơmen điện từ; (b) dịng điện phần ứng; (c) sđđ kích thích và gĩc cơng suất; (a) mơmen cực đại. Bài giải Mạch điện thay thế của động cơ đồng bộ một pha trình bày trên hình VD 1.4. a. Mơmen điện từ 60f 60 60 Tốc độ đồng bộ: n 1 1800 vịng/phút 1 p 2
  25. 26 Pđt (100 746)/ 0,96 Mơmen điện từ: Mđt 9,550 9,55 410,127 Nm n1 1800 b. Dịng điện phần ứng Cơng suất vào động cơ: P(hp) 746 100 746 S 97135 VA η cosφ 0,96 0,80 U 460 Điện áp pha của động cơ : U d 0o 0o 265,580o V 3 3 Dịng điện stator khi dầy tải : Sâm 97135 Iâm 121,92 A 3Uâm 3 460 cos = 0,8 = - 36,87o (tính dung) I 121,9236,87 o A Phương trình cân bằng điện áp khi bỏ qua Rư :  o  Et U0 IjXâb  o o o Et 265,580 121,9236,87 2,7290 = 534,96 - 29,73o.V Sđđ kích thích của một pha : Et = 535 V Gĩc cơng suất :  = -29,7o. j2,72 I U 265,58V + + = -29,7o  Et ~  o  U U0 IjXâb _ _ Et 535V (b) (a) Hình VD 1.4 Mạch điện tương đương và đồ thị vector của động cơ đồng bộ c. Cơng suất cực đại động cơ xảy ra khi  = - 90o , vậy : 3Et U 3 256,58 534,96 o P Pmax sinθ sin( 90 ) 156700 W Xâb 2,73 Pmax 156700 Mơmen điện từ: Mmax 831,380 Nm Ω1 2π 1800 / 60
  26. 27 1.6. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CỰC LỒI 1.6.1. Phƣơng trình điện áp và đồ thị vector của máy phát điện cực lồi Ở máy cực lồi do khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phân tích ư thành hai thành phần: dọc trục ưd và ngang trục ưq và tương ứng cũng cĩ hai thành phần dịng điện: dọc trục Id và ngang trục Iq, như vậy ta cĩ :    ỉ ỉd ỉq (1.44)    I Id Iq (1. 45)   Từ trường phần ứng ngang trục ưq tạo nên sđđ ngang trục Eq jIq X ỉq, với Xưq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục và từ trường phần ứng dọc   trục ưd tạo nên sđđ dọc trục Ed jIdXỉd, với Xưd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục. Ngồi ra dịng điện tải I cịn sinh ra từ thơng tản ưt của dây quấn stator, tương ứng cĩ sđđ tản Eưt, được đặc trưng bởi điện kháng tản Xưt khơng phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục. Như vậy:     Eỉt jIXỉt jIdXỉt jIqXỉt (1.46) Rư  Iq  Xd,Xq Et   Et I , I  d q jI X U q q   Id IR ỉ  jId Xd I (a) (b) Rư Xd,Xq E t Id, Iq    Et (c) (d) Hình 1.24 Đồ thị vectơ máy điện đồng bộ cực lồi Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi :       U Et Eỉd Eỉq Eỉt IR ỉ
  27. 28        U Et Id jXỉd Id jXỉt Iq jXỉq Iq jXỉt IR ỉ      U Et Id j(Xỉd Xỉt ) Iq j(Xỉq Xỉt) IR ỉ (1.47)      U Et Id jXd Iq jXq IR ỉ (1.48) trong đĩ: Xd = Xưd + Xưt là điện kháng đồng bộ dọc trục; Xq = Xưq + Xưt là điện kháng đồng bộ ngang trục. Phương trình (1.48) tương ứng với đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ cực lồi, hình 1.24b. Từ phương trình điện áp và đồ thị vectơ ta thấy gĩc lệch pha giữa điện áp U và sđđ Et do phụ tải quyết định. Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện đồng bộ cực lồi :        U Et Id jXỉd Id jXt Iq jXỉq Iq jXỉt IR ỉ      U Et Id j(Xỉd Xỉt ) Iq j(Xỉq Xỉt ) IR ỉ (1.49)      U Et Id jXd Iq jXq IR ỉ (1.50) Phương trình (1.50) tương ứng với đồ thị vector của động cơ điện đồng bộ cực lồi, hình 1.24d. Từ phương trình điện áp và đồ thị vector ta thấy gĩc lệch pha giữa điện áp U và sđđ Et do dịng điện kích thích quyết định. 1.6.2. Đặc tính gĩc cơng suất máy phát đồng bộ cực lồi 1. Cơng suất tác dụng Cơng suất tác dụng của máy phát điện cung cấp cho tải là P = mUIcos (1.51) Trong đĩ: U = điện áp pha I = dịng điện pha. m = số pha cua máy. P mUEt Pđt sin θ Pe= X d mU2 1 1 ( )sin 2θ Pu= 2 X q X d -1800 0 -90  0 0 450 900 180 ĐC MF Hình 1.25 Đặc tính gĩc cơng suất máy phát điện đồng bộ cực lồi
  28. 29 Theo đồ thị vectơ hình 1.24b, ta cĩ =  - , do đĩ : P = mUIcos = mUIcos(-) = mUIcos.cos + mUIsin.sin . P = mUIq.cos + mUId.sin (1.52) với Icos = Iq và Isin = Id. Theo đồ thị vectơ hình 1.24b với giả thiết Rư = 0, ta rút ra: Usin Et Ucosθ Iq và Id Xq Xd Thế các dịng điện Iq và Id vào phương trình (1.52), sau một vài biến đổi và bỏ qua tổn hao, ta cĩ cơng suất điện từ của máy phát và động cơ điện đồng bộ cực lồi: 2 mUE t mU 1 1 Pât sinθ ( )sin2θ Pe Pu (1.53) Xd 2 Xq Xd Trong dấu ( ), dấu (+) chế độ máy phát, cịn (-) chế độ động cơ. Ta thấy cơng suất điện từ trong máy điện gồm hai thành phần (hình 1.25): mUE t - Thành phần Pe = sinθ do dịng điện kích từ tạo nên, tỉ lệ với sin, gọi Xd là cơng suất nam châm. Đây là thành phần cơng suất chủ yếu của máy. mU 2 1 1 - Cịn thành phần Pu = ( )sin 2θ khơng phụ thuộc vào dịng điện 2 Xq Xd kích từ và chỉ xuất hiện khi Xq Xd. Do đĩ người ta chế tạo động cơ điện đồng bộ với rơto cĩ khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau mà khơng cần dịng điện kích từ, do ảnh hưởng của thành phần cơng suất nầy cũng tạo nên được mơmen quay, đĩ là nguyên lý của động cơ điện phản kháng; và cơng suất Pu cịn gọi là cơng suất từ trở. Từ trường quay trong Gĩc độ khe hỡ điện Dây quấn kích từ Vị trí rotor khi cĩ tải Đường A: mơmen từ trở Vị trí rotor khi khơng tải Đường B: mơmen nam châm Đường C: mơmen tổng A+B Hình 1.26 Trình bày mơmen từ trở, mơmen nam châm, mơmen tổng A+B và gĩc cơng suất giữa rotor và từ trường quay của máy đồng bộ ở chế độ động cơ
  29. 30 Như ta thấy từ biểu thức (1.53) và hình 1.26, giá trị cực đại của mơmen từ trở hình thành khi cĩ tải so với vị trí khơng tải của rotor là  = -45o ở chế độ động cơ và  = 45o ở chế độ máy phát, cịn mơmen nam châm cĩ giá trị cực đại là  = - 90o. Đặc tính P = f() gọi là đặc tính gĩc cơng suất tác dụng. Máy phát làm việc ổn định khi  trong khoảng 0  72 o và cơng suất cực đại ở khoảng θ 72 o ; khi tải của máy định mức, θ 20 0 32 0 . Máy phát cực ẩn : Đối với máy điện cực ẩn, do khe hở khơng khí giữa stato và rơto đều nên điện kháng đồng bộ Xd Xq Xâb, như vậy phương trình (1.53) viết lại thành: Et Pđt mU sinθ (1.54) Xâb VÍ DỤ 1.5 Một động cơ điện đồng bộ cực lồi ba pha 200hp, 2300V, nối Y, 4 cực từ, 60Hz, 900 vịng/phút cĩ điện trở dây quấn stator khơng đáng kể và điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục tương ứng là 36,66/pha và 23,33/pha. Bỏ qua tổn hao, hãy xác định (a) mơmen điện từ nếu dịng điện kích từ điều chỉnh để sđđ kích thích gấp hai lần điện áp nguồn cung cấp, và gĩc cơng suất là -18o; (b) mơmen điện từ và mơmen điện từ phần % so với mơmen định mức, nếu tải tăng đến khi xuất hiện mơmen từ trở cực đại. Bài giải a. Mơmen điện từ khi dịng điện kích từ điều chỉnh để sđđ kích thích gấp hai lần điện áp nguồn cung cấp U 2300 Điện áp pha của động cơ : U d 1327 ,9V 3 3 Cơng suất điện từ: 2 mUE t mU 1 1 Pât sinθ ( )sin2θ Xd 2 Xq Xd 3 1327 ,9 2 1327 ,9 P sin( 18 o ) ât 36,66 3 1327 ,92 1 1 ( )sin( 2 18 o ) 113412 ,3 W 2 23,33 36,66 Mơmen điện từ: Pđt 113412 ,3 Mđt 1203 Nm Ω1 2π 900 / 60
  30. 31 b. Mơmen điện từ khi gĩc cơng suất  = -45o Cơng suất điện từ: 2 mUE t mU 1 1 Pât sinθ ( )sin2θ Xd 2 Xq Xd 3 1327 ,9 2 1327 ,9 P sin( 45 o ) ât 36,66 3 1327 ,92 1 1 ( )sin( 2 45 o ) 245293 ,2 W 2 23,33 36,66 Mơmen điện từ: Pđt 245293 ,2 Mđt 2603 Nm Ω1 2π 900 / 60 Do tốc độ của động cơ khơng đổi, nên: 245293 Mơmen điện từ % so với định mức = 100 1,64% 200 746 2. Cơng suất phản kháng Cơng suất phản kháng của máy phát đồng bộ là : Q = mUIsin = mUIsin(-) = =mUIsin.cos - mUIcos.sin Q = mUId.cos - mUIq.sin (1.55) Q* .8 .4 - +  -900  900 .4 .8 Đ F Hình 1.27 Đặc tính gĩc cơng suất phản kháng máy phát điện đồng bộ cực lồi Thế biểu thức Iq và Id vào phương trình (1.55), sau một vài biến đổi và, ta cĩ cơng suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi là:
  31. 32 E mU 2 1 1 mU 2 1 1 Q mU t cosθ cos2θ (1.56) Xd 2 Xq Xd 2 Xq Xd Vì khi  cĩ giá trị dương hoặc âm, trị số Q theo (1.56) vẫn khơng đổi, nên đặc tính gĩc cơng suất của máy phát điện và động cơ giống nhau và cĩ dạng như trình bày trên hình 1.27. Ở đây ta cho rằng, Q > 0, máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho lưới và Q 0, máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho lưới, cịn  ngồi phạm vi trên, Q U thì Q > 0, máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích thích. Như vậy, muốn điều chỉnh cơng suất phản kháng ta phải thay đổi sđđ kích thích Et, nghĩa là phải điều chỉnh dịng điện kích từ. Để tăng cơng suất phản kháng phát ra ta phải tăng dịng điện kích từ. Thật vậy, nếu tăng dịng điện kích từ, Et sẽ tăng và cos tăng nhưng Etsin khơng đổi, vì P khơng đổi mà P  Etsin do đĩ Q tăng. 1.7. GIÁ TRỊ TƢƠNG ĐỐI CỦA CÁC THAM SỐ MÁY ĐỒNG BỘ Các nhà sản xuất nĩi chung thường cho các tham số của máy điện đồng bộ ở dạng đơn vị tương đối, thay vì cho trị số thực. Trị số tương đối rất cĩ ích trong việc thiết kế máy vì kích thước của máy thay đổi trong phạm vi rộng, tham số này thay đổi ít. Điều đĩ làm giảm được lỗi trong thiết kế và cung cấp các điều kiện thuận lợi để so sánh các tính chất liên quan tới các máy ngồi kích thước ta đang thiết kế.
  32. 33 Tham số tương đối của máy đồng bộ được định nghĩa là tỉ số của trị số thực tương ứng với trị số là tổng trở cơ sở của máy. Trị số cơ sở của máy điện đồng bộ được định nghĩa như sau: SCS = Cơng suất tồn phần định mức/pha (VA) VCS = điện áp định mức/pha (V) SCS ICS (A) (2.59) UCS 2 UCS UCS ZCS () (2.60) ICS SCS Tham số tương đối của máy cực ẩn: R ỉ Xâb R ỉ* ; Xâb* ; Zâb* R ỉ* jXâb* (2.61) ZCS ZCS Tham số tương đối của máy cực lồi: X ỉd X ỉq X ỉt X ỉd* ; X ỉq* ; X ỉt* (2.62) ZCS ZCS ZCS Xd Xq Xd* ; Xq* (2.63) ZCS ZCS VÍ DỤ 1.6 Hãy xác định tổng trở tương đối của máy phát đồng bộ ba pha 100kVA, 480V, 60Hz cĩ tổng trở đồng bộ là (0,08+j2,3) . Bài giải 2 UCS 480 / 3 ZCS 2,304 Ω SCS 100000 /3 R ỉ 0,08 Xâb 2,3 R ỉ* 0,0347 ; Xâb* 0,9983 ; ZCS 2,304 ZCS 2,304 o Zâb* R ỉ* jXâb* = 0,0347 + j0,9983 = 0,998988,01 VÍ DỤ 1.7 Một máy phát điện đồng bộ ba pha tuabin nước cĩ các tham số Xd* = 0,843; Xq* = 0,554. Giả sử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm; cos đm = 0,80. Hãy tính sđđ Et* và gĩc cơng suất đm.
  33. 34 Bài giải Để tính tốn ta dựa vào đồ thị véctơ như trên hình VD 1.7. Lấy vector U làm gốc và biểu thị trong hệ đơn vị tương đối ta cĩ:  o Uđm 10  o o Iđm 1 36,87 vì cos đm = 0,80 đm = 36,87 .    Chú ý rằng, véctơ IjXq phải vuơng pha với I và nằm trên phương của Et , nên:   o o Uđm Iđm jXq* 10 1 36,87 j0,554 1,332 j0,443 0,443 θ artg 18,5o đm 1,332   Gĩc giữa sđđ Et và Iđm cĩ trị số là: o o o Ψ φđm θđm 36,87 18,5 55,37 I  q jId Xd  Et   IjX  q I U jI X d q q I Hình VD 1.7 Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ cực lồi Từ đồ thị véctơ sđđ trên hình VD 1.7, trị số Et* được xác định như sau: Et* = U*cos + Id*Xd* Et* = U*cos + I*sin. Xd* o o Et* = 1.cos18,5 + 1.sin55,37 . 0,844 =1,643   
  34. 35 CÂU HỎI ƠN TẬP 1. Vì sao lõi thép rotor máy điện đồng bộ cĩ thể làm được bằng thép rèn hoặc bằng các lá thép dày mà khơng cần dùng tơn silic như ở lõi thép stator. 2. Thử vẽ cách nối các cuộn dây của các cực từ trong máy động bộ cực ẩn và cực lồi. 3. Vì sao trong máy điện đồng bộ cực lồi phải chia stđ thành hai thành phần dọc trục Fưd và ngang trục Fưq ? 4. Nêu rõ sự khác nhau giữa đồ thị vectơ sđđ và đồ thị stđ của máy phát điện đồng bộ. 5. Vẽ đồ thị vectơ khơng gian biểu thị vị trí cực từ so với dây quấn ba pha tương ứng khi tải máy ba pha cĩ tính cảm và tính dung. Giả sử máy cĩ p=1 và q=1. 6. Phản ứng phần ứng trong máy điện đồng bộ phụ thuộc vào các yếu tố nào? Tác dụng của nĩ ? 7. Cĩ thể điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ được khơng ? Tại sao? 8. Cĩ phải tăng tải là nguyên nhân dẫn đến tốc độ động cơ đồng bộ giảm và sẽ làm việc ở tốc độ ổn định mới? 9. Tại sao cĩ hai thành phần mơmen trong máy điện đồng bộ cực lồi ? Cĩ ứng dụng gì trong các thành phần này? 10. Sự khác nhau giữa mơmen vào cực đại, mơme ra cực đại và mơmen ngắn mạch? 11. Tải cĩ quán tính ảnh hưởng như thế nào đến mơmen vào cực đại, mơmen ra cực đại và mơmen ngắn mạch?
  35. 36 BÀI TẬP Bài số 1.1. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn làm việc khơng tải cĩ sđđ cảm ứng là 2460V/pha, tần số 60Hz. Xác định sđđ cảm ứng và tần số nếu từ thơng cực từ và tốc độ rotor tăng 10%. Đâp số: 2976,6 V; 66Hz Bài số 1.2. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn làm việc khơng tải cĩ sđđ cảm ứng là 346,4V/pha, tần số 60Hz. Xác định sđđ cảm ứng và tần số nếu từ thơng cực từ giảm 15% và tốc độ tăng 6,8%. Đâp số: 314,46 V; 64Hz Bài số 1.3. Một máy phát đồng bộ ba pha 1000kVA, 2200V, 60Hz, đấu Y. a. Tính dịng điện dây định mức. b. Tính dịng điện dây khi máy phát cơng suất 720kW cho tải cĩ cos =0,8. Đâp số: .262,43A; 236,2A Bài số 1.4. Một máy phát đồng bộ ba pha 1600kVA, 6700V, 50Hz, đấu Y. a. Tính dịng điện dây định mức. b. Tính dịng điện dây khi máy phát cho tải cơng suất 1200kW cho tải cĩ cos =0,8. Đâp số: 137,87A; 129,26A Bài số 1.5. Một tải ba pha cĩ điện trở 10/pha được cấp điện từ một máy phát đồng bộ ba pha cĩ điện áp 220V. Tải nối , sau đĩ nối Y. Tính dịng điện dây và cơng suất tải tiêu thụ trong hai trường hợp trên. Đâp số: 38,1A; 12,7A; 14520W; 4838,7W Bài số 1.6. Một máy phát đồng bộ ba pha 250kVA, 1260V, 60Hz, đấu Y cĩ cuộn dây phần ứng đấu lại thành . Tính dịng điện dây, áp dây và cơng suất biểu kiến mới của máy. Đâp số: 198,4A; 727,5V; 250kVA. Bài số 1.7. Điện áp hở mạch của một máy phát đồng bộ ba pha 4600V, 60Hz, đấu Y khi dịng kích từ bằng 8A. a. Tính điện áp hở mạch ở 50Hz nếu dịng kích từ bằng 6A. Cho rằng mạch từ của máy chưa bão hịa. b. Nếu máy được dùng để phát điện tần số 50Hz, tìm điện áp dây nếu dịng kích từ bằng 8A. Đâp số: 2875V; 3450V Bài số 1.8. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn 2400V, nối Y, 6 cực từ, 60Hz đang làm việc với hệ thống điện (điện áp U và tần số f khơng đổi) và cung cấp 350kW cĩ gĩc cơng suất 28,2o. Stator cĩ điện kháng đồng bộ 12,2/pha. Bỏ
  36. 37 qua tổn hao, hãy xác định (a) mơmen đưa vào trục máy phát; (b) Sđđ kích thích pha; (c) dịng điện phần ứng; (d) thành phần cơng suất tác dụng và phản kháng; (e) hệ số cơng suất. Đâp số: 2785 Nm; 2173,7V; 94,74A; 18,06kVAr; 0,89 Bài số 1.9. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn 600V, nối Y, 60Hz, 4 cực từ đang làm việc với hệ thống điện (điện áp U và tần số f khơng đổi). Hệ thống cung cấp cho tải 2000kVA, 600V, 60Hz cĩ hệ số cơng suất 80,4%. Máy được quay bởi turbine hơi cĩ mơmen trên trục 2652Nm và gĩc cơng suất 36,4o. Stator cĩ điện kháng đồng bộ 1,06/pha. Bỏ qua tổn hao, hãy xác định (a) cơng suất cơ đưa vào trục máy phát; (b) Sđđ kích thích pha; (c) dịng điện phần ứng; (d) thành phần cơng suất tác dụng và phản kháng của cơng suất biểu kiến cấp cho lưới điện; (e) hệ số cơng suất máy phát. Đâp số: 500kW; 859,1V; 580,8A; 338kVAr; 82,8% Bài số 1.10. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn 75kVA, 340V, nối Y, 60Hz, 6 cực từ đang làm việc với lưới cung cấp cho tải 54,5kVA 220V, 60Hz cĩ hệ số cơng suất 78,9%. Stator cĩ tổng trở đồng bộ là 0,18 + j0,92 /pha. Hãy xác định (a) dịng điện phần ứng; (b) Sđđ kích thích pha; (c) gĩc cơng suất; (d) mơmen trên trục cung cấp bởi động cơ sơ cấp. Bỏ qua tổn hao. Đâp số: 143A; 245,5V; 23,40. Bài số 1.11. Một máy phát đồng bộ ba pha dang làm việc với lưới cĩ điện áp 13,80kV, điện kháng đồng bộ là 5/pha và máy đang phát 12MW và 6MVAR cho lưới. Tính : a. Gĩc lệch pha của điện áp và dịng điện. b. Gĩc cơng suất . c. Sđđ kích thích Et do từ trường cực từ sinh ra. Đâp số: a/. 26,57o; b/. 15,23o; c/. 9557,8V. Bài số 1.12. Một máy phát đồng bộ cực ẩn ba pha 1000kVA, 4600V, 60Hz, đấu Y cĩ điện áp khơng tải 8350V khi dịng kích thích định mức. Bây giờ cho máy làm việc với cơng suất biểu kiến và điện áp định mức; cos = 0,75 (R-L). Giả sử Rư = 0. Tính: a. Gĩc cơng suất . b. Điện kháng đồng bộ. c. Cơng suất cơ tổng. d. Sđm và Uđm mới nếu máy được đấu . Đâp số: 24,18o; 15,73; 907930W; 1000kVA; 2656V Bài số 1.13. Một máy phát đồng bộ ba pha Sđm = 35kVA, Uđm = 400/230V, 50Hz, đấu Y cĩ Xđb* =1,2. Máy làm việc trong hệ thống điện với tải cảm định mức cĩ cos đm = 0,8, dịng điện kích từ It đm = 25A. Giả sử Rư = 0. Tính :
  37. 38 a. Sđđ Et và gĩc . b. Dịng điện kích từ để cĩ cos = 0,9 khi P = const. c. Cos và cơng suất phản kháng Q khi dịng điện kích từ It = 30A. o Đáp số : Et = 453 V và  = 66 . I1 = 22,2 A; cos = 0,435. và Q = 33,6 kVAR Bài số 1.14. Một máy phát điện đồng bộ ba pha tuốcbin nước cĩ các tham số Xd* = 0,943; Xq* = 0,654. Giả sử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm; cos đm = 0,85. Hãy tính sđđ Et* và gĩc cơng suất đm. o Đáp số : Et* = và đm = 18,5 Bài số 1.15. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực lồi 8750kVA, 11kV; nối Y cĩ các tham số Xd = 17; Xq = 9; Rư = 0. Giả sử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm; cos đm = 0,80. Hãy tính : a. Xd Xq trong hệ đơn vị tương đối ? b. Sđđ Et, gĩc cơng suất đm ? c. Cơng suất điện từ của máy lúc tải định mức ? Đáp số : Xd* = 1,23 ; Xq* = 0,646; Et* = 1,97 và Et= 12,51kV; o đm = 20,5 ; Pđt* = 0,8; Pđt = 7000kW. Bài số 1.16. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực lồi cĩ điện áp pha định mức o Ufđm = 220V; nối Y, dịng điện Iđm = 10A; điện trở phần ứng Rư = 0,4;  = 60 ; cos đm = 0,8; Et= 400V. Hãy tính các tham số Xd ; Xq ? Đáp số : Xd = 22,56 ; Xq = 17,95. Bài số 1.17. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực lồi Pđm = 500kVA, Uđm = 525V; nối Y cĩ các tham số Xưd* = 0,84; Xưq* = 0,45; Xưt* = 0,16; Rư = 0;  = o 42 ; cos đm = 0,80. Hãy tính : a. Điện áp U và cos của máy khi làm việc với tải định mức ? b. Cơng suất điện từ của máy lúc tải định mức ? Đáp số : U = 303V; cos đm = 0,87; Pđt = 250kW. Bài số 1.18. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực lồi 1500kW, 6,3kV; nối Y cĩ các tham số Xd = 99,1%; Xq = 59,7%; Rư = 0. Giả sử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm; cos đm = 0,8. Hãy tính (a) Xd, Xq trong hệ đơn vị cĩ tên; (b) Sđđ Et, gĩc cơng suất đm; (c) cơng suất điện từ của máy lúc tải định mức; (d) độ thay đổi điện áp định mức của máy. Bài số 1.19. Một máy phát điện đồng bộ ba pha cực lồi 18000kW, 10,5kV; nối Y cĩ các tham số Xd = 96,1%; Xq = 61,7%; Rư = 0. Giả sử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm; cos đm = 0,85. Hãy tính (a) Xd, Xq trong hệ đơn vị cĩ tên; (b) Sđđ Et, gĩc cơng suất đm; (c) cơng suất điện từ của máy lúc tải định mức; (d) độ thay đổi điện áp định mức của máy.
  38. 39 Bài số 1.20. Hãy xác định tổng trở tương đối của máy phát đồng bộ ba pha 137,5kVA, 480V, nối Y, 60Hz cĩ tổng trở đồng bộ trên một pha là (1,47+j7,68) . Bài số 1.21. Hãy xác định điện kháng đồng bộ tương đối của máy phát đồng bộ ba pha 5000 kVA, 13800V, nối Y, 60Hz cĩ điện kháng đồng bộ là j55,2/pha.   