Bài giảng 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.

a.
b.
1.

Máy điện đồng bộ được sử
dụng rộng rãi trong công
nghiệp. Phạm vi sử dụng:
Máy phát điện.
Động cơ điện
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


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.

Lá thép kỹ thuật điện
của lõi thép stato

Lõi thép stato


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 2 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
ZA

kdq : hệ số dây quấn xtato
 o : từ thông chính( từ trường cực
từ)

ZC

ZB
Ikt


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:

η

P2 : công suất máy phát đưa ra tải
 P tổng các tổn hao

P2
P2   ΔP


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 900.
• 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

Eo

I
S

N

o

Tải thuần trở

(= 00)

N

ư
S

Tải thuần cảm ( = 900)
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.

Eo
o

I

o

ư
S
N
I

Tải thuần dung ( = - 900)

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.


Eo

ư

 ưq

Eo

ư

 ưq

I





o

I

 ưd
N

S
Tải R-L

o
N

 ưd

S

Tải R-C

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.
Trở lại trang đặc tính


9.5.1.Phương trình điện áp của máy phát điện cực lồi
Sức điện động cảm ứng trong dây quấn
xtato được sinh ra do biến thiên từ thông
trong khe hở giữa xtato và rôto.

I

Khi có tải, từ thông trong khe hở gồm

 ưq

t

o

3 thành phần:  o,  ư ,  t

Từ thông cực từ  o, sinh ra sđđ E0.

ư
 ưd

N

S

Từ thông phần ứng  ư sinh ra Eư.:
E   j I X
 j I X
u

q

uq

d

ud

(Xuq là điện kháng pưpư ngang trục,
Xud là điện kháng pưpư dọc trục)
Từ thông tản  t sinh ra Et: E t   j I X t   j I d X t  j I q X t
(Xt là điện kháng tản của dây quấn xtato và ta bỏ qua điện trở của
xtato)


  E o  E u  E

 t  E o  jIq Xuq - jIdXu  jIdXt - jIqXt  E o  jIq (Xuq  Xt )  jId (Xud  Xt )
U
d
 E o  jIdXd  jIqXq
Xd=Xưd+Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục
Xq=Xưq+Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục

  E o  j I d X d  j I q X q
U

Phương trình điện áp:
j I d X d

E o

I q


j I q X

q

Đồ thị véctơ tương ứng với
phương trình điện áp máy phát


U

I


I d


9.5.1.Phương trình điện áp của máy phát điện cực ẩn
U  E

o

 j I d X

d

 j I q X

q

Xd=Xq=Xdb Gọi là điện kháng đồng bộ
  E o  j I d X db  j I q X db  E o  jX db ( I d  I q )  E o  jX db I
U
jX db I

 = E o - jX I
U
db

E o


U



O

Phương trình điện áp:



I


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 U
o
từ Ikt khi
I=0, n=const (f=const).
Phương trình điện áp: U = E o - jX db I
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

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

U
C

R-C

Uo
R
R-L
L

I

Trở lại trang PƯPƯ

9.6.2.2Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ khi có
điều chỉnh dòng kích từ
U

Điều chỉnh dòng kích từ sao cho U0
U=Uđm, sau đó giữ cho Ikt
không đổi.
U=f(I) khi Ikt =const, n=const, Udm
cos t=const
(o = const, f= const, cos t=
const)

L

R-L
R-C

R
C
I
I®m
Trở lại trang PƯPƯ


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), Ikt
U=const, cos t=const.

L

R-L
R

Các máy phát có mạch điện tử
điều chỉnh dòng kích từ giữ cho
điện áp không đổi.

R-C
C
I
Idm
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:
Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng
pha nhau.
Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện .
Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.

1.

2.
3.
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.