Chương 21: Quan hệ từ trong máy điện đồng bộ docx

102

Ch"ơng 21
Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

21-1. Đại c;ơng

Sau khi đã phân tích từ tr4ờng của máy điện đồng bộ lúc không tải và lúc có tải, ta
sẽ phân tích các quan hệ điện từ chính trong máy làm cơ sở cho việc nghiên cứu các
đặc tính của máy phát và động cơ điện đồng bộ. Các quan hệ điện từ chính đ4ợc nêu
lên ở đây bao gồm các ph4ơng trình điện áp và đồ thị véctơ t4ơng ứng, giản đồ cân
bằng năng l4ợng, công suất điện từ của máy điện đồng bộ. Do tính chất thuận nghịch
của máy điện nên ta sẽ ta sẽ xét các quan hệ điện từ nói trên trong các tr4ờng hợp máy
làm việc nh4 máy phát điện và động cơ điện, ngoài ra còn xét tr4ờng hợp đặc biệt khi
máy làm việc nh4 máy bù đồng bộ.
Vì cấu tạo của máy điện đồng bộ có thể là cực ẩn hoặc cự lồi, t4ơng ứng máy sẽ có
những đặc điểm khác nhau cho nên trong từng vấn đề trên ta cũng cần xét riêng biệt
đối với từng loại máy.

21-2. Ph;ơng trình điện áp và đồ thị véc tơ
của máy điện đồng bộ

Chế độ làm việc của máy điện đồng bộ ở tốc dộ quay n = const đ4ợc thể hiện rõ
ràng thông qua các quan hệ giữa các đại l4ợng E, U, I, I
t
, cos, trong đó một số quan
hệ chính đ4ợc suy ra từ ph4ơng trình cân bằng điện áp của máy. ở tải đối xứng ta có
thể xét riêng rẽ từng pha và ph4ơng trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có
dạng sau đây:
Đối với máy phát điện đồng bộ:

)(
44
jxrIEU +=
&&&

(21-1)
và đối với động cơ điện đồng bộ (hoặc máy bù đồng bộ):
)(
44
jxrIEU ++=
&&&

(21-2)
trong các ph4ơng trình (21-1) và (21-2):
U - điện áp ở đầu cực máy;
r
4
và x

4
- điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng;
E

- sức điện động trong dây quấn do từ tr4ờng khe hở.
Nh4 đã biết ở ch4ơng 20, từ tr4ờng khe hở lúc có tải là do từ tr4ờng cực từ F
t
(hay
F
0

) và từ tr4ờng phần ứng F
4
sinh ra. Khi mạch từ của máy không bão hoà có thể xem
nh4 các từ tr4ờng F
t
, F
4
độc lập sinh ra trong dây quấn các s.đ.đ. E và E
4
và ứng dụng
nguyên lý xếp chồng ta có:

4
EEE
&&&
+=

(21-3)
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

103

&
E
0
&
E

&
U
&
I


!"
#
4
$%&
&


4
$%&
&


4
'%&
&


0
F
&

,

u
F
&


F
&
#
4
$%&
&


4
'%
&


&
U

&
E


4
$%&
&

&
E
0
&
I








("
#

F
&
#
,
u
F
&



0
F
&

)*+,#
-
.
/
.0
#12#3,4#506060#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@#
7A7#B+#C#3D=#7E#3F+,#7D9#G!"#HI#C#3D=#7E#3F+,#JK+?#G("
Khi mạch từ của máy bão hoà thì nguyên lý xếp chồng nói trên không áp dụng
đ4ợc. Trong tr4ờng hợp đó phải xác định từ tr4ờng tổng
u
FF
&&
+
0
và từ thông tổng ở khe
hở F

sau đó suy ra s.đ.đ. E

.
21.2.1. Tr&ờng hợp máy phát điện
Vì hiện t4ợng bão hoà mạch từ có ảnh h4ởng rất nhiều đối với việc thành lập s.đ.đ.
và điện áp ở đầu máy nên d4ới đây sẽ xét ph4ơng trình cân bằng điện áp và đồ thị
vectơ trong tr4ờng hợp máy phát điện không bão hoà.
1. Tr&ờng hợp mạch từ không bão hoà
Giả sử máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng có tính cảm 0 < < 90
0
.
Trong tr4ờng hợp máy cực ẩn, đem kết hợp (21-1) và (21-3) ta có ph4ơng trình cân
bằng điện áp sau:

)(
444
jxrIEEU ++=
&&&&

(21-4)
Vì theo (20-16) ta có
,
u
xIjE
&&
=
4
nên (21-4) có thể viết thành:

udb
rIxIjErIxxIjEU
&&&&&&&
=+=
444
)(

(21-5)

trong đó x
đb
= x
4
+ x

4
gọi là điện kháng đồng bộ. Đối với máy phát điện đồng bộ cực
ẩn, x
đb
= 0,7 ữ 1,6.
Đồ thị vectơ s.đ.đ. t4ơng ứng với (21-5) trình bày trên hình 21-1. Trên hình cũng vẽ
đ4ợc vectơ )(
00
F
&
&
v4ợt tr4ớc
E
&

góc /2 và vectơ
)(
,,
uu
F
&
&

v4ợt tr4ớc
,
u
xIjE
&&
=
4

góc
/2.












Tổng hình học của

=+
&&&
40
sinh ra

E
&
và cũng v4ợt tr4ớc vectơ

E
&

góc /2.
Từ hình 21-1 ta thấy kết luận nêu ở ch4ơng 20 cũng đ4ợc nghiệm đúng. ở tải có tính

cảm, phản ứng phần ứng là khử từ và dẫn đến kết quả là E

< E.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

104


)*+,# /-0##12#3,4#506060#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@#
7A7#L2=#C#3D=#7E#3F+,#7D9#G!"#HI#C#3D=#7E#3F+,#JK+?#G("

)*+,# /M0#12#3,4#506060#6N#(=O+#
6P=#78!#9:;#<,:3#6=>+#7A7#L2=#





dd
xIj
&


I
&

U
&

q

I
&

d
I
&

r
I
&


q
xIj
&

qq
xIj
&


E
&

N
P

Q

M

Trong tr4ờng hợp máy điện cực lồi ta phân s.t.đ. phần ứng F
4
thành hai thành phần
dọc trục F
4d
và ngang trục F
4q
.













Từ thông
4d
và
4q
t4ơng ứng với các s.t.đ.

F
4d

, F
4q
sẽ sinh ra trong dây quấn phần
ứng các s.đ.đ.
4d4d
xIjE
d
&&
= và
4q4q
xIjE
q
&&
= nh4 đã phân tích ở ch4ơng 20. Kết quả là
ở đây ph4ơng trình cân bằng s.đ.đ. có dạng:

)(
444q4d
jxrIEEEU +++=
&&&&&

(21-6)

444q4d
rIxIjxIjxIjE
qd
&&&&&
=

(21-7)

Đồ thị vectơ s.đ.đ. t4ơng ứng với (21-7) đ4ợc trình bày trên hình 20-2 mang tên là
đồ thị Blondel.
Vectơ
4
xIj
&

trong (21-7) do từ thông tản sinh ra không phụ thuộc vào từ dẫn của
khe hở theo các h4ớng dọc trục và ngang trục. Tuy
nhiên nếu phân tích nó thành các thành phần theo
hai h4ớng đó ta có:
)sincos(
444
xIxIjxIj
&&&
+=
44
xIjxIj
dq
&&
=

và (21-7) trở thành:
444q44d
rIxxIjxxIjEU
qd
&&&&&
++= )()(

4qd
rIxIjxIjE
qd
&&&&
=

(21-8)

trong đó:
x
d
= x
4d
+ x

4
là điện kháng đồng bộ dọc trục;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

105

)*+,#
-
.
/
#
Q
0#
#
12#3,4#RS7,=T#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@
#
0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

1,4
0,2

0,4

0,
6

0,8

1,0

1,2

F
0

K
4
F
4


+

F


U
&


E
&

u
xIj

&

u
rI
&

I
&

x
q
= x
4q

+ x

4
là điện kháng đồng bộ ngang trục.
Th4ờng thì x
d
= 0,7 ữ 1,2; x
q
= 0,46 ữ 0,76.
Đồ thị véctơ s.đ.đ. t4ơng ứng với (21-8) trình bày trên hình 21-3.
Ta chú ý rằng ở hình 21-3 trên đ4ờng thẳng góc với I và qua điểm M thì đoạn
MN = I
q
x
q
/cos = Ix
q
. Vì vậy trong tr4ờng hợp biết U, I, , r
4
, x
d
, x
q
và cần xác định E
thì ta lần l4ợt vẽ các véctơ U, Ir
4
sau đó vẽ MN = Ix
q
thì N sẽ nằm trên ph4ơng của E.
Hạ đoạn thẳng thẳng góc MP với ph4ơng của E thì MP = I

q
x
q
và vẽ PQ = I
d
x
d
thì OQ
chính là sức điện động E.
ở trên, các đồ thị véctơ đều đ4ợc thành lập ứng với tải có tính cảm. Nếu tải có tính
dung 0 > > - /2 thì các đồ thị véctơ có dạng nh4 trên hình 21-1b và 21-2b, khi đó
do tính chất trợ từ của phản ứng nên E

> E.
2. Đồ thị véctơ điện áp của máy điện đồng bộ khi xét đến bão hoà
Các đồ thị véctơ trên hình 21-1 và 21-2 đ4ợc suy ra ứng với tr4ờng hợp mạch từ
không bão hào, tuy nhiên vẫn có thể ứng dụng đối với tr4ờng hợp mạch từ bão hoà ở
chế độ tải lúc đó.
Vì các hệ bão hào số k
à
d
và k
à
q
trong các biểu thức (20-23) và (20-24) rất khó xác
định đ4ợc chính xác, nên trên thực tế các đồ thị véctơ điện áp của máy điện đồng bộ
trong tr4ờng hợp mạch từ bão hoà đ4ợc thành lập dựa vào các đồ thị s.t.đ. và s.đ.đ. kết
hợp với đ4ờng cong không tải (tức đ4ờng cong từ hoá) của máy.
Đối với máy phát đồng bộ cực ẩn, đồ thị véctơ điện áp thành lập đ4ợc dựa theo cơ
sở nói trên gọi là đồ thị sức từ điện động (viết tắt là s.t.đ.đ.) và có tên gọi là Pôchiê.

Giả sử U, I, cos. r
4
, x

4
và đặc tính
không tải đã cho tr4ớc, để thành lập đồ
thị s.t.đ.đ., trên trục tung của đ4ờng
cong không tải ta vẽ véctơ U
&
và vẽ
véctơ
I
&
chậm sau U
&
góc (xem hình
21-4). Cộng véctơ U
&
với các véctơ
u
rI
&

và j
I
&
x

4

đ4ợc véctơ

E
&
. Từ đ4ờng
cong không tải ứng với

E
&
có thể xác
định đ4ợc s.t.đ.

F
&
hoặc dòng điện từ
hoá t4ơng ứng. Cộng hình học

F
&
và
uu
kF
&
ta tìm đ4ợc
0
F
&
. Chú ý rằng
uu
kF

&
làm thành với

F
&
một góc 90
0
+ (
+ ) nh4 đã biết ở hình 21-1. Từ đ4ờng











cong không tải, ứng với trị số của F
0
ta xác định đ4ợc trị số của E lúc không tải.
Đồ thị Pôchiê cho phép xác định U =
dm
UE
&&

và dòng điện từ hoá i
t

(hoặc F
0
) ứng
với tải định mức hoặc tải bất kỳ, do đó rất cần thiết cho thiết kế và vận hành. Tuy ở đây
s.t.đ. của phần ứng không đ4ợc phân thành F
4d
và F
4q
nh4ng đôi khi đồ thị Pôchiê cũng
đ4ợc ứng dụng cho cả máy đồng bộ cự lồi. Sai số lúc đó về E vào khoảng 5 ữ 10%.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

106

u
rI
&

dd
xIj
&

q
q
xIj
&

E
&

I
d
I
q

u
&

I
&






!"
#
I
d
I
q
u
&

dd
xIj
&
q
q

xIj
&

u
rI
&

E
&

I
&






(
"
#
)*+,#
-
.
/
U
0#12#3,4#HV73W#78!#6@+?#
7W#6=>+#62+?#(@#X,=#3,=OK#XF7,#
3,F7,#G!"#HI#X,=#YK:#XF7,#3,F7,#G("
#

E
0
D

C

F

G

U
&

I
&


E
&
u
xIj

&


u
rI
&

cos
uq
E







!"
#
)*+,#
-
.
/
Z
0#[:7#64+,#62#3,4#HV73W#
50306060#HI#6@#3,!;#6\=#6=>+#:<#78!#
9:;#62+?#(@#7A7#L2=#X,=#$V3#6O+#(N]#
,]I
#
E

d

E

E
uq

Cos


Q

P

R

N

M

K
4d
F
4d

K
4
q
F
4

B

A

0

(
"
#
E
4d

Đối với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thành lập đồ thị véctơ có xét đến trạng thái
bão hoà của mạch từ một cách chính xác gặp rất nhiều khó khăn, vì lúc đó từ thông dọc
trục
d
và ngang trục
q

có liên quan với nhau và
th4ờng trạng thái bão hoà
theo hai h4ớng là khác
nhau. Nh4 vậy x
4d
không
những phụ thuộc vào
d

mà còn phụ thuộc vào cả

q
, và t4ơng tự thì x
4q
cũng
phụ thuộc vào cả

d
và
q
.
Để đơn giản ta cho rằng từ
thông dọc trục hoặc ngang
trục chỉ ảnh h4ởng đến
trạng thái bão hoà của
h4ớng trục, hơn nữa giả thử
mức độ bão hoà h4ớng
ngang trục k
à
q
đã biết.
Nh4 vậy sau khi vẽ các














véctơ U, Ir

4
, jIx

4
và có đ4ợc E

(hình 21-5a), theo h4ớng Ix

4
ta vẽ đoạn:

cos
uq
uq
E
IxCD == (21-9)
và xác định đ4ợc ph4ơng của E. Trị số của x
4q
trong (21-9) có thể tính đ4ợc theo (20-
24), trong đó nếu k
à
q
ch4a cho tr4ớc thì có thể lấy gần đúng bằng 1,1 ữ 1,5. Nếu không
tính x
4q
thì CD cũng có thể xác định đ4ợc bằng trị số AB của đ4ờng cong không tải
ứng với s.t.đ. ngang trục của phần ứng đã quy đổi về s.t.đ. của cực từ:
uuquq
FkF =
,

= OA
vì có thể xem nh4 E
4q
tỷ lệ với F
4q
(hình 21-5b). Vì điểm D nằm trên ph4ơng của E
nên đoạn CF thẳng góc với ph4ơng E chính là I
q
x
4q
.
S.t.đ. của cực từ theo h4ớng dọc trục gồm hai phần, một phần để sinh ra s.đ.đ.
E

d
= 0F = MP có trị số bằng OM (hình 21-5b) và một phần để khắc phục phản ứng
dọc trục MN. OM + MN là s.t.đ. để
sinh ra s.đ.đ. E = NQ lúc không tải của
máy. Từ hình 21-5b ta cũng thấy E
4d
=
NQ - RN. Lấy đoạn OG = E trên
ph4ơng E ở hình 21-5a thì GF = E
4d
và
đồ thị véctơ của máy đ4ợc thành lập.
21.2.2. Tr&ờng hợp động cơ điện
Khi chuyển sang làm việc nh4 một
động cơ điện đồng bộ, máy tiêu thụ
công suất điện lấy từ mạng để biến

thành cơ năng. Nh4 đã biết, động cơ
điện đồng bộ th4ờng cấu tạo cực lồi nên
nếu gọi điện áp l4ới điện là U, từ
ph4ơng trình (21-2) đối với máy cực lồi


PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

107

ta có: )(
uu
jxrIEU

++=
&&


uqqdd
uuuqud
rIxIjxIjE
jxrIEEE
&&&&
&&&&
+++=
++++= )(

(21-10)
Đồ thị véctơ t4ơng ứng với ph4ơng trình (21-10) nh4 ở hình 21-6. Từ đồ thị véctơ
đó ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện P = m.U.I.cos < 0.

21-3. Cân bằng năng l;ợng trong máy điện đồng bộ

21.3.1. Tổn hao trong máy điện đồng bộ
Khi làm việc, trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao
phụ và tổn hao cơ.
Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết là mật độ
dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn. Tổn hao này phụ thuộc vào trị số mật
độ dòng điện, trọng l4ợng đồng và th4ờng đ4ợc tính ở nhiệt độ 75
0
C.
Tổn hao sắt từ là công suất mất mát trên mạch từ (gông và răng) do từ tr4ờng biến
đổi hình sin (ứng với tần số f
1
). Tổn hao này phụ thuộc vào trị số từ cảm, tần số, trọng
l4ợng lõi thép, chất l4ợng của tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép.
Tổn hao kích từ là công suất tiêu hao trên điện trở của dây quấn kích thích và của
các chổi than. Nếu máy kích thích đặt trên trục của máy đồng bộ thì công suất tổn hao
trên phải chia cho hiệu suất của máy kích thích.
Tổn hao phụ gồm các phần sau:
a. Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của dây quấn stato và các bộ
phận khác của máy d4ới tác dụng của từ tr4ờng tản do dòng điện phần ứng sinh ra.
b. Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép rôto máy cực ẩn do stato có
rãnh và nh4 vậy từ cảm khe hở có sóng điều hoà răng. Do tác dụng của màn chắn của
dòng xoáy, ở sâu trong lõi thép không có tổn hao này.
c. Tổn hao ở răng của stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thông chính và do
các sóng điều hoà bậc cao với tần số khác f
1
.
Tổn hao cơ bao gồm:

a. Tổn hao công suất cần thiết để đ4a không khí hoặc các chất làm lạnh khác vào
các bộ phận của máy.
b. Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt rôto và stato khi rôto quay
trong môi chất làm lạnh (không khí)
ở các máy phát điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau, tỷ lệ phân phối
các tổn hao nói trên không giống nhau. Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất
trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm tới
khoảng 65% tổng tổn hao. Trong khi đó tổn hao trong lõi thép stato (kể cả tổn hao
chính và phụ) chỉ chiếm khoảng 14%. Trong máy phát tuabin n4ớc công suất lớn, tốc
độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiếm khoảng
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

108

)*+,# /^0#_=D+#62#+`+?#Lab+?#78!#9:;#<,:3#
6=>+#62+?#(@#G!"#HI#6@+?#7W#6=>+#62+?#(@#G("#
<
7W
#
P
1

P
đt

P
2

<
3

#
<
c
#
<
de
#
<
fK
#
!"
#
P
1

P
đt

P
2

<
3
#
<
fK
#
<
d
e

#
<
c
#
<
7W
#
("
#
35%, còn tổn hao trong lõi thép stato thì chiếm tới 37%. Trong tr4ờng hợp này, để
giảm bớt tổn hao trong lõi thép stato nên dùng tôn silic có suất tổn hao nhỏ. Tổn hao
phụ có thể chiếm tới khoảng 11% đối với máy phát tuabin n4ớc, trong đó chủ yếu là
tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18% đối với máy phát tuabin hơi và ở
đây khác với tr4ờng hợp máy phát tuabin n4ớc, tổn hao phụ trong dây đồng của stato là
chủ yếu. Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn th4ờng dùng các biện
pháp sau:
a. Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày khoảng 4 ữ
5mm và hoán vị vị trí của chúng ở trong rãnh (đôi khi cả ở phần đầu nối) sao cho dọc
chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở tất cả các vị trí từ phía đáy rãnh lên
phía miệng rãnh.
b. Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng thép không từ
tính.
c. Tiện xoắn ốc bề mặt rôto của máy phát tuabin hơi.
21.3.2. Quá trình năng l&ợng trong máy điện đồng bộ
Giả thử rằng máy đồng bộ có cấu tạo thông th4ờng, nghĩa là cực từ đặt lên rôto và
máy kích thích đặt trên cùng một trục.
ở tr4ờng hợp máy phát điện đồng bộ thì công suất điện từ P
đt
chuyển từ rôto sang
stato bằng công suất cơ P

1
đ4a vào trừ các tổn hao cơ p
cơ
, tổn hao kích từ p
t
và tổn hao
phụ p
f
do các từ tr4ờng bậc cao trong sắt stato và rôto:
P
đt
= P
1
- (p
cơ
+ p
t
+ p
f
)
Công suất điện P
2
ở đầu ra sẽ bằng công suất điện từ trừ đi tổn hao đồng p
Cu
trên
dây quấn phần ứng và tổn hao sắt từ p
Fe
:
P
2

= P
đt
- p
Cu
- p
Fe

Đối với động cơ điện thì
quá trình biến đổi năng l4ợng
tiến hành ng4ợc lại. Sơ đồ năng
l4ợng của máy phát điện và
động cơ điện đồng bộ trình bày
trên hình 21-7. Ta thấy ở
tr4ờng hợp động cơ điện, công
suất điện từ P
đt
truyền qua từ
tr4ờng từ stato sang rôto, ngoài
ra tổn hao kích từ p
t
lấy từ công
suất điện của mạng. ở tr4ờng
hợp máy phát điện, tổn hao
kích thích lấy từ công suất cơ
trên trục.

Hiệu suất của máy điện đồng bộ đ4ợc xác định bởi biểu thức:


+
=
pP
P
2
2

(21-11)
trong đó: P
2
- công suất đầu ra của máy; p - tổng tổn hao trong máy.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

109

Hiệu suất của các máy phát điện đồng bộ làm lạnh bằng không khí có công suất
0,5 ữ 3 ngàn kW vào khoảng 92 ữ 95%, công suất 3,5 ữ 100 ngàn kW vào khoảng 95 ữ
97,8%. Nếu làm lạnh bằng hydrogen thì hiệu suất cũng có thể tăng khoảng 0,8%.

21-4. Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ

Giả thử tốc độ quay n của máy và điện áp U của mạng điện là không đổi, ta hãy xét

các đặc tính góc công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy điện đồng bộ.
21.4.1. Đặc tính góc công suất tác dụng
Đặc tính góc công suất tác dụng của máy điện đồng bộ là quan hệ P = f() khi E =
const, U = const, trong đó là góc tải giữa các véctơ s.đ.đ. E và điện áp U. Việc nghiên
cứu đặc tính này cho phép giải thích đ4ợc nhiều tính chất quan trọng của máy. Trong
khi nghiên cứu đặc tính góc đó, để đơn giản ta bỏ qua r
4
vì trị số của nó rất nhỏ so với
các điện kháng đồng bộ (x
đb
, x
d
, x
q
).
Nh4 đã biết, công suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy bằng:
P = mUI cos
Đối với máy cực lồi, theo đồ thị véctơ trên hình 21-3 với r
4
= 0, ta có:
d
d
x
UE
I

cos

=

q
q
x
U
I

sin
=
(21-12)
và = -
Do đó: P = mUIcos = mUIcos ( - )
= mU(Icos.cos + Isin.sin)
= mU(I
q
cos + I
d
sin)

cossinsincossin
22
ddq
x
mU
x
mUE
x
mU
+=

hay là:
2sin
11
2
sin
2








+=
dqd
xx
mU
x
mUE
P
(21-13)
= P
e
+ P
u

Trong hệ đơn vị t4ơng đối ta có:

2sin

11
2
sin
**
2
*
*
**
*








+=
dqd
xx
U
x
EU
P
(21-14)
Trị số của P
u
nhỏ hơn nhiều so với P
e
. Để thấy rõ điều đó ta lấy thí dụ của máy phát

điện cực lồi có x
d*
= 1,1; x
q*
= 0,75. Khi máy làm việc với tải định mức (U
*
= 1; I
*
= 1;
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

110

)*+,#
-
.
#
/
#g
0
#1ah+?#5i7#3j#
3'ah+?#3']+?#9:;#<,:3#6=>+#
62+?#(@#<,D+#X,:+?0
N

S

d

d

q

q

("
#
N

S

d

d

q

q

!
"
#
)*+,# /k0#1l7#3F+,#?E7#7S+?#5Km3#3:7#Jn+?#78!#
9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@#7A7#L2=#G!"#HI#7A7#B+#G("#

#
#######
.oU
#
#

.o-#
#
og#
#
oQ#
##

/
oQ
#
#
/ og#
#
/.o-#
#
/.oU
#

1@+?#7W#6=>+#p:;#<,:3#6=>+

R

("

##.g

##
##
/
.g

##
#####
.oU#
#
.o-#
#
og#
#
oQ#
##

/
oQ
#
#
/ og#
#
/.o-#
#
/
.oU
#
1@+?#7W
#6=>+##
p:;#<,:3
#6=>+

R

!"

P

P
e

P
u

##

#
#######
##.g

##
##
/
.g

##
#####
cos = 0,8) qua đồ thị véctơ s.đ.đ. có thể suy ra E
*
= 1,87;
đm
= 22
0
27. Thay các gí trị

số đó vào (21-14) ta đ4ợc:

'2722sin
1,1
1
75,0
1
2
1
'2722sin
1,1
187,1
00
*






+
ì
=
dm
P

= 0,65 + 0,15 = 0,8
Ta thấy rằng P
4*
= 0,15 và chỉ chiếm 19% công suất của máy.

ở trên là biểu thức toán học của công suất tác dụng P = f() trong điều kiện E
(hoặc i
t
) không đổi và điện áp U của máy điện ở đầu cực máy không đổi. Cần chú ý
rằng do bỏ qua tổn hao đồng trên dây quấn phần tĩnh và tổn hao sắt từ nên đó cũng
chính là công suất điện từ của máy.
Từ biểu thức đó ta thấy công suất tác dụng của
máy cực lồi gồm hai thành phần: thành phần P
e
tỷ
lệ với sin và phụ thuộc vào E
0
(hoặc i
t
) và thành
phần P
u
tỷ lệ với sin2 và không phụ thuộc vào E
(hoặc i
t
). Nh4 vậy trong máy đồng bộ cực lồi, khi
mất hoặc không có kích thích i
t
= 0 (E = 0) công
suất P = P
u
0. Điều đó có thể giải thích nh4 sau:
khi i
t
= 0 trong máy chỉ có từ tr4ờng của phần ứng.

Do cấu tạo cực lồi của rôto, từ trở dọc trục nhỏ
hơn từ trở ngang trục nên các đ4ờng sức từ của từ
tr4ờng quay của phần ứng luôn có xu h4ớng đi
theo h4ớng dọc trục (hình 21-8a). Khi có sự xê
dịch giữa trục từ tr4ờng phần ứng và trục cực
(hình 21-8b), các đ4ờng sức đó bị uốn, tạo thành
mômen và công suất điện.











Do công suất P
u
rất nhỏ nên kiểu máy có rôto cực lồi và không có dây quấn kích
thích đ4ợc dùng chủ yếu làm động cơ điện có công suất vài chục oát và mang tên là
động cơ điện phản kháng.
Đối với máy đồng bộ cực ẩn, do x
d
= x
q
nên từ biểu thức (21-13) ta có:
sin
d

x
mUE
P =
(21-15)
Đ4ờng biểu diễn đặc
tính góc công suất tác dụng
P = f() của các máy điện
đồng bộ trình bày trên hình
21-9, trong đó > > 0 ứng
với tr4ờng hợp máy phát
điện, còn 0 > > -/2 ứng
với tr4ờng hợp làm việc nh4
động cơ điện.
ở trên ta đã nói là góc
giữa các vectơ E và U. Khi
thay đổi thì công suất P

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

111






> 0

< 0
)*+,
#
-
.
/
.
0
#qj#3'ah+?#C
#X,e#,C#X,=#9:;#
6=>+#62+?#(@#LI9#H=>7#C#7,O#6@#9:;#<,:3#
G!"#HI#C#7,O#6@#6@+?#7W#G("
M

+
#
!"
+
#
M

(
"
)*+,# / 0#1l7#3F+,#?E7#7S+?#5Km3#<,D+#
X,:+?#78!#9:;#6=>+#62+?#(@#7A7#L2=#
##############/

###########################r

#

#
###
/
#k
]
###
/
U
]
####
/
M
]
##### #########M
]
#######U
]
#####k
]
#
Q


1
#####################
d
#


0,8

0,4

- 0,4

- 0,8

- 1,2

thay đổi. Để thấy rõ ý nghĩa vật lý của sự thay đổi của P theo ta chú ý rằng, nếu bỏ
qua các điện áp rơi Ir
4
và Ix

4
thì

và đó chính là góc không gian giữa s.t.đ. F
o
của
rôto sinh ra E và F

= F
o
+ F
4
ở khe hở trên mặt stato sinh ra E

. Góc không gian

trong tr4ờng hợp máy cực ẩn và cực lồi đ4ợc trình bày trên các hình 21- 1 và 21-2.
Khi làm việc nh4 máy phát điện

> 0, rôto (hoặc F
o
) v4ợt tr4ớc và kéo theo từ
tr4ờng F

trên mặt stato (hình 21-10), còn khi làm việc nh4 động cơ điện


< 0, từ
tr4ờng tổng F

trên mặt stato kéo rôto (hoặc F
o
) quay theo. Lực kéo đó biểu thị cho
công suất P. Rõ ràng là công suất P thay đổi theo

, vì khi

thay đổi, lực kéo giữa F
o

và F

sẽ thay đổi.

21.4.2. Đặc tính góc công suất phản kháng
Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ bằng:
Q s#mUIsin = mUIsin( - )
= mU(Isin.cos - Icos.sin)
= mU(I
d
cos - I
q
sin)
Sau khi thay trị số I
d
, I
q
theo (21 -12), ta có:

+








+=
dqdqd
xx
mU
xx
mU
x
mUE
Q
11
2
2cos

11
2
cos
22

(21-16)
Vì khi có trị số d4ơng hoặc âm, trị số của Q theo (21-16) vẫn không đổi nên đặc
tính góc công suất phản kháng của máy phát điện và động cơ điện đồng bộ giống nhau
và có dạng nh4 trình bày trên hình 21-11.
Ta thấy khi - < < + , máy phát công suất phản kháng vào l4ới điện. Ngoài
phạm vi trên của , máy tiêu thụ công suất phản kháng lấy từ l4ới điện.
Thí dụ
Một máy phát điện tuabin n4ớc có các tham số x
d*
= 0,843; x
q*
= 0,554. Giả sử
máy làm việc ở tải định mức với U
đm
; I
đm
; cos
đm
= 0,8. Hãy tính s.đ.đ. E, góc tải
đm

và độ thay đổi điện áp U.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

112

Giải
Để tính toán ta dựa vào đồ thị véctơ s.đ.đ. trên hình 21-3. Lấy véctơ U làm gốc để
biểu thị trong hệ đơn vị t4ơng đối, ta có:
U
đm
= 1
0

; I
đm
= 1
936
0

(vì cos
đm
= 0,8;
đm
= 36
0
9)
554,0)9,361(01
00
*
+=+ jxIjU
qdmdm
&&

443,0332,1554,0).6,08,0(1 jjj
+
=

+
=

518
332,1
443,0
0
== arctg
dm

Góc giữa véctơ E và U là: =
đm
+
đm
= 36
0
9 + 18
0
5 = 55
0
4
Từ đồ thị véctơ trên hình 21-3, trị số của E đ4ợc xác định nh4 sau:
E
*
= U
*

.cos + I
d*
.x
d*

trong đó: I
d*
= I
*
.sin = 1ì sin55
0
4 = 0,823
Kết quả là: E
*
= 1ì cos18
0
5 + 0,823 ì 0,843 = 1,643
và độ thay đổi điện áp: U
đm
% = %3,64100. =

dm
dm
U
UE

Câu hỏi
1. Thành lập ph4ơng trình cân bằng điện áp, vẽ đồ thị véc tơ của máy phát điện
đồng bộ cực ẩn và cực lồi ứng với các tr4ờng hợp tải có tính chất cảm và tải có tính
chất dung. Từ đồ thị véc tơ có nhận xét gì?

2. Vì sao trong máy điện đồng bộ cực lồi phải chia s.t.đ. F
4
thành hai thành phần
F
4d
và F
4q
?
3. Vẽ sơ đồ không gian biểu thị vị trí của cực từ so với dây quấn ba pha t4ơng ứng
với các hình 21-1a và 21-2a (Giả sử rằng máy có 2p = 2; q = 1).
4. Nêu rõ sự khác nhau giữa đồ thị s.đ.đ. và đồ thị s.t.đ.đ. của máy điện đồng bộ.
5. Giải thích tại sao trong máy phát điện đồng bộ cực lồi, khi mất hoặc không có
kích thích (i
t
= 0, E = 0) công suất tác dụng P = P
u
0.
Bài tập
1. Cho một máy phát điện đồng bộ cực lồi có S = 8750 Xtu; U = 11 Xt; nối Y; có
x
d
= 17 ; x
q
= 9 ; r
4
= 0, làm việc ở tải định mức có cos
đm
= 0,8. Hãy tính:
a) Trị số x
d

, x
q
trong hệ đơn vị t4ơng đối;
b) S.đ.đ. E và góc ứng với tải định mức;
c) Công suất điện từ của máy lúc đó.
Đáp số: a) x
d*
= 1,23; x
q*
= 0,646; b) E
*
= 1,97; = 20
0
5; c) P
đt*
= 0,802
2. Cho một máy phát điện ba pha cực lồi U
fđm
= 220 V; I
đm
= 10 A; điện trở phần
ứng r
4
= 0,4 ; cos
đm
= 0,8; = 60
0
; E = 400 V. Tính các tham số x
d
, x

q
.
Đáp số: x
d
= 22,56 ; x
q
= 17,95
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version