Tài liệu Bài giảng Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ docx

1Lecture 8
BÀI GIẢNG
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
TS. Hồ Phạm Huy Ánh
TS. Nguyễn Quang Nam
March 2010
/>2Lecture 8
¾ Máy điện đồng bộ được dùng phổ biến trong hệ thống năng lượng để làm các
máy phát điện ba pha . Công suất phát có thể từ vài kVA cho đến 1100 MVA.
¾ Dây quấn ba pha được bố trí trên mạch từ tĩnh stator còn dây quấn kích từ DC
được bố trí trên mạch từ quay rotor. Rotor được kéo quay bởi nguồn sơ cấp. Các
máy phát điện công suất nhỏ thường dùng lỏi từ thường trực (permanent magnets)
để tạo từ trườ
ng quay.
¾ Tốc độ quay đồng bộ của máy phát quyết định trực tiếp đến giá trị tần số của
dòng áp ba pha đưa lên lưới, và độc lập với điều kiện tải.
¾ Giáo trình tập trung giới thiệu các kết quả nền tảng, cách xây dựng biểu thức mô
men và quan hệ khi máy phát vận hành xác lập dựa trên mạch tương đương. Các
kiểu máy điện đồng bộ 1 pha và 2 pha chỉ đượ
c giới thiệu sơ lược làm nền khi
phân tích vận hành máy điện đồng bộ ba pha .
Máy Điện Đồng Bộ –Giới thiệu chung
3Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện trên Fig. 6.1 của G.T., với dây quấn stator và rotor phân
bố. Các giá trị từ thông liên kết được tính bởi:
Máy điện đồng bộ một pha
(
)
(
)
rsrssrrssss

iLiLiLNNiLN
θπθλ
+=−+= 21
00
2
(
)
(
)
rrssrrrsrsr
iLiLiLNiLNN +=+−=
θπθλ
0
2
0
21
¾ Hai dây quấn xem như được ghép cặp với giá trị đồng năng lượng xác định bởi:
()
rssrrrssm
iiLiLiLW
θ
++=
22'
2
1
2
1
¾ Từ đó mô men điện được xác định bởi:
(
)

()
θ
θ
θ
θ
sin
'
Mii
d
dL
ii
W
T
rs
sr
rs
m
e
−==
∂
∂
=
Trong đóthànhphầncănbảncủa L
sr
(θ) là Mcos(θ).
4Lecture 8
¾ Mô hình động của máy điện ĐB được xây dựng từ các quan hệ (xem Fig. 6.3)
dt
d
Riv

s
sss
λ
+=
dt
d
Riv
r
rrr
λ
+=
me
TT
dt
d
BK
d
t
d
J +=++
θ
θ
θ
2
2
Với T
m
là giá trị mô men tác động ngoài theo chiều góc θ dương.
¾ Ở chế độ vận hành xác lập, công suất cơ được tính bởi:
(

)
(
)
(
)
θωωωω
sincoscos ttMIITp
rsrsmm
e
m
−==
¾ Giả sử điều kiện tần số đã được thỏa, công suất trung bình được tính như sau,
()
()
4sin
γ
ω
rsmavm
IIp
−
=
¾ γ là giá trị góc hằng nhằm bảo đảm θ = ω
m
t + γ. Kết quả trên cho thấy mô men
đập mạch, với giá trị công suất thay đổi giữa zero và giá trị đỉnh. Tình trạng này
có thể được cải thiện bằng cách thêm cuộn dây phụ vào cảởstator và rotor,
cho ta máy điện ĐB hai pha.
Máy điện đồng bộ một pha (tt)
5Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện ĐB 2 pha trên Fig. 6.4 của G.T., với bố trí dây quấn stator

và rotor cụ thể. Lưu ý 2 cuộn dây quấn ở stator và rotor được bố trí để không có
hiện tượng ghép cặp tương hổ. Ta xác định giá trị đồng năng lượng từ các
thành phần từ thông liên kết. Từ đó mô men điện được xác định bởi:
()()()()
[]
θθ
θ
sincos
'
bsbrarasbrasbsar
m
e
iiiiiiiiM
W
T +−−=
∂
∂
=
¾ Khi cấp dòng 2 pha cân bằng vào hệ thống dây quấn 2 pha, công suất không
đổi được hình thành.
(
)
[
]
γωωωωω
++−−== tMIITp
rsmsrmm
e
m
sin

¾ Nhằm tối ưu hai cuộn cần đặt lệch 90
0
trong không gian cũng như 2 dòng pha
cần lệch pha nhau 90
0
điện, công suất hình thành có thể đạt giá trị tối ưu
()
γ
ω
sinMIIp
srmm
−
=
Máy điện đồng bộ hai pha
6Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha cực lỏm (salient) 2 cực (xem Fig. 6.7). Máy
điện loại này được dùng như máy phát thủy điện ĐB tốc độ thấp và động cơ ĐB
một pha công suất thấp. Dây quấn stator mắc kiểu rãi phân bố nhằm tạo sức từ
động sinusoidal mmfs qua khe hở với rotor.
Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha
7Lecture 8
¾ Về nguyên tắc dây quấn ba pha stator mắc lệch 120
0
trong không gian. Khi cấp
dòng ba pha vào hệ thống, dây quấn ba pha stator sẽ tạo từ trường quay có biên
độ không đổi, với giả thiết mạch từ không bị bảo hòa. Tương tự, dây quấn hai pha
stator sẽ mắc lệch 90
0
trong không gian sẽ tạo từ trường quay khi cấp dòng hai
pha vào hệ thống.

Khái niệm từ trường quay
8Lecture 8
¾ GT sẽ không khảo sát kĩ cấu trúc rotor cực lõm. Trường hợp rotor bằng mặt,
mô men điện được xác định bởi biểu thức
Rotor cực lõm (salient-pole) và rotor bằng mặt (round)
()
() ()
00
'
120sin120sinsin +−−−−=
++=
∂
∂
=
θθθ
θθθθ
MiiMiiMii
d
dM
ii
d
dM
ii
d
dM
ii
W
T
rcrbra
cr

rc
br
rb
ar
ra
m
e
9Lecture 8
¾ Khi nguồn kích từ là dòng ba pha cân bằng, biểu thức mô men có dạng
Trường hợp rotor dây quấn
(
)
(
)
2
sin3
2
sin3 ttMIItMII
T
smrmsrm
e
ω
γ
ω
ω
θ
−
+
−
=

−
−
=
Với θ = ω
m
t+ γ. Mô men sẽđạtgiátrị trung bình khi ω
m
= ω
s
, còn đượcgọilàtốc
độ đồng bộ.
() ()
γγ
sin
2
3
sin
2
3
MIIMIIT
rarm
e
−=−=
¾ Lúc này tốc độ cơ đồng bộ ω
m
bằng với tần số lưới điện ω
s
(rad/s)
f
n

s
m
π
π
ω
2
60
2
==
Với n
s
là tốc độ cơ đồng bộ tính bằng (vòng/phút).
10Lecture 8
¾ Điện áp pha xác lập được tính bởi:
Xác định điện áp ở chế độ xác lập
aras
j
s
r
asa
EIjxe
MI
jILjV +=+=
γ
ωω
2
2
3
0
jx

s
E
ar
V
a
I
a
jx
s
I
a
I
a
V
a
E
ar
γ
δ
¾ Mạch tương đương pha a và giản đồ vector khi vận hành như động cơ ĐB
được thể hiện trên hình. Góc δ còn gọi góc công suất là góc lệch từ V
a
đến E
ar
.
¾ Kết quả tương tự cho pha b và c.
P
T
P
m

Elec. Mech.
11Lecture 8
¾ Đầu tiên dòng ứng sẽ bằng
Xây dựng biểu thức tính công suất
s
ara
a
jx
EV
I
−
=
¾ Với ba pha cân bằng, công suất tác dụng tổng sẽ là:
(
)
*
Re33
aaraT
IEPP ==
¾ Dùng V
a
là vector tham chiếu, ta được
δ
∠=
arar
EE
()
()
(
)

s
aar
s
aar
aar
s
T
x
VE
x
VE
VjE
x
P
δ
δ
π
δ
sin323
0Re
3
0
−=
+
∠
=∠×∠=
¾ Từ đó tính được mô men
(
)
ss

aar
s
T
m
T
e
x
VE
PP
T
ω
δ
ωω
sin3
−===
¾ Như vậy khi vận hành như động cơ ĐB, P
T
> 0, ta phải có δ < 0.
12Lecture 8
¾ Từ mạch tương đương ta xây dựng được quan hệ cơ bản:
Máy phát điện đồng bộ ba pha
jx
s
E
ar
V
a
I
a
arasa

EIjxV +−=
hay
asaar
IjxVE +=
¾ Từ đóxác định được dòng phần ứng và công suất phát ba pha:
s
aar
a
jx
VE
I
−
=
(
)
(
)
s
ara
s
ara
T
x
EV
jx
EV
P
δδ
sin30
Re3

0
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−∠×∠
=
θ
δ
I
a
V
a
jx
s
I
a
E
ar
13Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha đấu wye nối lưới 60 Hz 2 cực có x
s
= 5 Ω/phase.
Cho máy điện vận hành như ĐC, nhận dòng 30 A với áp pha 254 V và cos(phi) là

0.8 sớm. Xác định E
ar
và T
e
. Biết tổng các tổn hao dây quấn, tổn hao quay và tổn
hao thép là 400 W, hãy xác định mô men có ích đầu trục? Tìm thêm hiệu suất của
ĐC?
Bài Tập 6.1
jx
s
E
ar
V
a
I
a
δ
θ
E
ar
V
a
jx
s
I
a
I
a
14Lecture 8
¾ Giả sử dòng kích từ I

r
được chỉnh sao cho công suất tổng không đổi như ở BT
6.2 và cos(phi)=1 với cùng giá trị đầu vào. Tìm giá trị mới của dòng stator và E
ar
.
Bài Tập 6.3
jx
s
E
ar
V
a
I
a
δ
E
ar
V
a
jx
s
I
a
I
a
(
)
24
2543
18286

3
0cos
0
=
×
==
a
T
a
V
P
I
0
8.259.280120254 −∠=−= jE
ar
V
A
15Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 2 cực đấu wye có x
s
= 2 Ω per phase. Được vận
hành như máy phát cấp áp Va 1905 V per phase. Dòng tải tiêu thụ 350 A với
cos(phi) tải là 0.8 trễ. Tìm E
ar
, góc δ, và mô men điện cần có.
Bài Tập 6.4
jx
s
E
ar

V
a
I
a
θ
δ
I
a
V
a
jx
s
I
a
E
ar
(
)
V 54.13239187.3635021905
00
∠=−∠+= jE
ar
(
)
N.m 42440
3772
23416.0190523913
sin3
=
×

×××
==
ss
aar
e
x
VE
T
ω
δ
16Lecture 8
¾ Số lượng đôi cực có liên quan trực tiếp tới tốc độ đồng bộ của từ trường quay (
xem minh họa rotor ở Fig. 6.24(a) của GT). Với mỗi cuộn dây, đường sức từ phải
qua 2 cực để khép kín mạch từ.
¾ Khảo sát rotor ở Fig. 6.24(b), với cấu trúc 2 cặp cực. Từ trường quay phải mất
2 chu kì (720
0
điện) ứng với trục cơ quay 1 vòng 360
0
. Ta được
Máy điện đồng bộ nhiều cực
mechelec
ω
ω
2
=
¾ Tổng quát, với máy điện ĐB có p đôi cực,
mechselec
p
ω

ω
ω
=
=
Với ω
s
là tầnsốđồng bộ lưới điện (rad/s). Để qui về f (tính bằng Hz) tương ứng
vớivậntốccơđồng bộ n
s
(tính bằng vòng/phút) ta có:
p
f
n
s
60
=
17Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 60Hz, 6 cực, đấu wye được kéo quay bởi turbine
cấp 16910 W cho trục quay. Biết tổn hao đồng và tổn hao ma sát là 500 W. Dòng
kích từ được chỉnh sao cho áp E
ar
tỉ lệ với If và E
ar
= 355 V. Máy phát cấp áp dây
440 V cho tải. Xác định vận tốc, E
ar
, I
a
góc lệch pha và công suất phức đầu ra của
máy phát. Biết điện kháng đồng bộ x

s
= 5 Ω.
Bài Tập 6.5
18Lecture 8
¾ Như đã khảo sát, động cơ ĐB ba pha có thể nhận năng lượng điện từ lưới để
vận hành với HSCS sớm hay trễ tùy ý. Ưu thế này được dùng để cải thiện HSCS
toàn cục của lưới mà động cơ ĐB đang kết nối.
¾ Trong thực tế, động cơ ĐB được dùng như máy bù ĐB vận hành không tải,
thường chạy quá kích thích để có HSCS s
ớm. Ở chế độ vận hành này, dưới góc
độ đồng năng lượng, E
ar
sinδ phải là hằng số (ứng với công suất tác dụng không
đổi nhận từ lưới), đưa đến giản đồ vector như hình.
Biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất (HSCS)
V
a
jx
s
I’
a
jx
s
I
a
I’
a
I
a
E

ar
E’
ar
¾ Giản đồ vector cho thấy, khi
tăng kích từ (E
ar
tăng), giá trị
dòng ứng I
a
và góc lệch pha
giữa V
a
và I
a
sẽ giảm (và HSCS
tăng).
19Lecture 8
¾ Cho máy điện ĐB 3 pha đấu wye cấp điện cho tải có Pt = 1500 kW với cos(phi)
0.8 PF trễ với áp dây 1732 V. Một động cơ ĐB chạy không tải được mắc thêm
vào lưới nhằm cải thiện cos(phi) bằng đơn vị. Tìm dòng cần cấp cho động cơ ĐB
.
Bài Tập 6.7