Dong co dien

CHƯƠNG 25

ĐỘNG CƠ VÀ MÁY BÙ ĐỒNG BỘ


25-1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ








So với động cơ điện khơng đồng bộ, động cơ điện đồng bộ có những
ưu nhược điểm sau:
Ưu điểm:
Do được kích thích bằng dịng 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 khơng 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 khơng
đồng bộ vì tổn hao sắt phụ nhỏ hơn do khe hở tương đối lớn.

Nhược điểm:
 Cấu tạo phức tạp, địi hỏi phải có máy kích thích hoặc nguồn một
chiều để cung cấp dịng 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 dịng kích từ it = 0, dây
quấn kích thích được nối tắt qua điện trở diệt từ R T (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 ngồi
mơmen khơng đồng bộ và mơmen gia tốc tỉ lệ với dω/dt cịn có mơmen
đồng bộ cùng tác dụng, rơto được lơi vào đồng bộ sau một q trình
dao động.


U

U

4

3

2
RT

it

1

4

a)

3

2

1

it

b)

Hình 25-1. Sơ đồ mạch kích thích của động cơ điện đồng
bộ lúc mở máy với dây quấn kích thích qua điện trở R T (a)
và nối thẳng vào máy kÝch thÝch (b).

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:

k m Pdm itdb
s < 0,04.
. 2 .
2

GD ndm itdm

(25-1)

trong đó: km – năng lực quá tải ở chế độ động cơ với dòng kích từ định mức it đm.
Pđm – cơng suất định mức của động cơ, kW,
itđm – dịng điện kích từ khi đồng bộ hố,
GD2 – mơmen động lượng của động cơ và máy cơng tác nối với nó, kGm2.


Trong giai đoạn 1, dây quấn kích từ được nối với điện trở R T 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 rơto, nó sẽ sinh ra mơmen cản lớn làm cho tốc
độ rôto không thể vượt quá n1/2. Điều này được giải thích như sau:
- Dịng điện rơto 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 n 1 - 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.

M

1
3

Hình 25-2.
Đờng cong mômen của động
cơ đồng bộ mở máy không
đồng bộ với dây quấn kích
từ bị nối ngắn mạch

A

Mc

2
1,0

0,5

0

s

T 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 < s < 1, nghĩa là tốc độ quay của rơto n < n 1/2 thì từ trường
quay ngược so với dây quấn phần tĩnh sẽ quay ngược chiều so với
chiều quay rơto. Tác dụng của nó với dịng điện trong dây quấn phần

tĩnh có tần số f’ sẽ sinh ra mômen phụ cùng dấu với mômen không
đồng bộ do từ trường quay thuận tác dụng với dây quấn mở máy sinh
ra (đường 2 trên hình 25-2).
Khi s = 0,5 (tức n = n1/2), từ trường quay ngược đứng yên so với dây
quấn phần tĩnh, mômen phụ bằng không.


M

1

Hình 25-2.
Đờng cong mômen của động
cơ đồng bộ mở máy không
đồng bộ với dây quấn kích
từ bị nối ngắn mạch

3
A

Mc

2
1,0

0,5

0

s

Khi 0 < s < 0,5 (tức n > n1/2) thì từ trường quay ngược quay cùng
chiều với chiều quay rôto, tác dụng của nó với dịng 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 mơmen
hãm. Kết quả là mơmen của động cơ trong q trình mở máy là tổng
của các đường 1 và 2, nó có d như đường 3 trên hình 25-2. Rõ ràng khi
mơmen cản trên trục động cơ lớn thì rơto sẽ làm việc ở điểm A với tốc
độ n ≈ n1/2, động cơ không thể đạt đến tốc độ đồng bộ.


Để tránh phải mở máy qua hai giai đoạn như trên trong đó phải
thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở R T rồi sau đó đóng
kích thích, ta có thể nối thẳng dây quấn kích từ với máy kích thích
trong suốt q trình mở máy (hình 25-1b).
Khi tốc độ rơto 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:

In =

(1 − s ) E

r + (1 − s ) x
2
­

2

2
d

(25-2)

trong đó: E - s.đ.đ. cảm ứng do dịng 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 mơmen cản :

Pn
Mc =
ω

(25-3)

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 mơmen cản trên trục động cơ M C = (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
dịng kích từ it. Khi kích thích thiếu, động cơ tiêu thụ công suất điện
cảm từ lưới (φ > 0), cịn khi q 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.

Hình 25-4. Đặc tính làm việc của động cơ
điện đồng bộ có Pđm = 500 kW; 600 V; 50
Hz; 600 vg/ph; Cosφ = 0,8 (quá kích thích)


25-2.MÁY BÙ ĐỒNG BỘ
•

Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc khơng tải
với dịng điện kích từ được điều chỉnh để phát hoặc tiêu thụ cơng 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 q kích
thích, phát cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng suất tác dụng từ lưới vì cơng 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 khơng phải kéo tải cơ.
Do mơmen cản trên trục nhỏ nên yêu cầu làm việc ổn định với lưới

điện khơng bức thiết, do đó có thể thiết kế cho x d lớn, nghĩa là khe hở
có thể nhỏ khiến cho kích thước của máy nhỏ hơn.
Cơng suất định mức của máy bù đồng bộ được quy định ứng với
chế độ làm việc q kích thích, có trị số:
Sđm = m.Uđm.Iđm
(25-5)
Khi làm việc ở chế độ thiếu kích thích tối đa, nghĩa là i t = 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:

U dm
S'
1
=
=
S dm I dm x d x d *

(25-8)

Với máy bù đồng bộ thơng thường xd* = 1,5 ÷ 2,2 nên

S'
= 0,45 ÷ 0,67
S dm
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.