Bài giảng máy điện chương 8 máy điện đồng bộ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

CHƯƠNG 8

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Đại cương

MÁY ĐIỆN

- Loại máy điện quay xoay chiều
- Tốc độ quay rôto n bằng tốc độ của từ trường
quay n1
- Máy điện đồng bộ có thể làm việc ở 2 dạng

* Máy phát điện (Biến đổi cơ năng thành điện năng)
* Động cơ điện (Biến đổi điện năng thành cơ năng)

1


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Cấu tạo
MĐĐB gồm có 2 phần chính là: stato và rôto

2.1 Stato

Giống máy điện không đồng bộ

2.2 Rôto
Có hai loại rôto
- Rôto cực ẩn: Dùng ở máy có tốc độ cao, thường
có một đôi cực. Dây quấn kích từ được đặt trong
các rãnh.

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

- Rôto cực lồi: Dùng ở máy có tốc độ thấp. Dây
quấn kích từ được quấn xung quanh thân cực
từ.

B
•

•

B

+

+

•

+

•

+

•

+

•

+
•

+

•

+

N

N
•

+

+

N

Rôto cực ẩn

+

B

•

Rôto cực lồi

2


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

S lip
r in g s

P o le

D C e x c it a tio n
w in d in g

F an

Rôto cực lồi

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Rôto cực ẩn

3


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Nguyên lý làm việc của máy phát
điện đồng bộ

+
-

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Phản ứng phần ứng máy điện đồng bộ

Dòng điện 1 chiều chạy trong dây quấn kích thích (rôto) sinh ra từ
trường cực từ
Khi máy có tải, dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stato tạo ra

từ trường phần ứng

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trờng cực từ được gọi là
Phản ứng phần ứng

Phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải và cấu tạo của rôto

4.1 Phản ứng phần ứng đối với tải thuần trở

Dòng điện các pha trong dây quấn stato trùng pha với các sức điện
động pha

Hệ thống dòng điện trong dây quấn stato là 3 pha. Giả sử xét tại thời
điểm dòng điện pha A cực đại

4


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ
Fư

Ft
A

Fư
Ft

N +

B

.

EA
IA

+B

.Z

X

+

.Y

EC

IC

IB

EB

Phản ứng phần ứng là ngang trục (Fư thẳng góc với Ft)
4.2 Phản ứng phần ứng đối với tải thuần cảm
C

Dòng điện các pha trong dây quấn stato chậm pha so với các sức điện
động pha một góc 90o
Fư

N

EA

Fư
EC

+

.
A

IA

+B

.Z

X

. Y B C+

IC

IB
Ft

EB

Phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ (Fư ngược chiều với Ft)
Ft

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

4.3 Phản ứng phần ứng đối với tải thuần dung

Dòng điện các pha trong dây quấn stato nhanh pha so với các sức điện
động pha một góc 90o
Ft

Ft

Fư

.Z
B

IA
Fư
EB

+

.

A

EA

+B

. Y N C+

X
IC

IB
EC

Phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ (Fư cùng chiều với Ft)

4.4 Phản ứng phần ứng đối với tải hỗn hợp
Fư thành 2 thành phần
- Thành phần dọc trục:

Fưd = Fư sin ψ

- Thành phần ngang trục: Fưq = Fư cos ψ

5


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Fư

.Z

N

.
A
Ft

IA
Fư

+

EA

IC

X

B

.Y

EC

+B

IB

+

C

Ft

EB

Tải có tính điện cảm: PƯPƯ vừa ngang trục vừa dọc
trục khử từ
Tải có tính điện dung: PƯPƯ vừa ngang trục vừa dọc
trục trợ từ

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Phương trình điện áp và đồ thị vectơ
Đối với máy phát điện
U = Eδ − I (ru + jxσ u )
Đối với động cơ điện

U = Eδ + I (ru + jxσ u )

Khi mạch từ chưa bão hòa, dùng nguyên lý xếp
chồng ta có

Eδ = E + Eu

5.1 Máy phát điện

Giả sử máy phát điện đồng bộ làm việc với tải mang tính cảm
(0< ψ <900)

Máy cực ẩn

U = E + Eu − I(ru + jxσu )

U = E − jI(xu +xσu ) − Iru
= E − jIxdb − Iru

6


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

E
-jIxσư

-jIxư

-Irư

-jIxư
-Irư

-jIxσư

U

E

U
I

I

Fư

Fư
Fδ

Tải có tính cảm

Fδ

Tải có tính dung

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Máy cực lồi

U = E + Eud +Euq − I(ru + jxσu )

E
-jIdxd
-jIqxq
-Irư
U

= E − jId xud − jIq xuq − jI xσu −Iru
= E − jId xd − jIq xq − I ru

Iq

I
Id

5.2 Động cơ điện

U = E + jId xd + jIq xq + Iru

7


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Irư

U
jIqxq

E
Irư

jIdxd

U

jIqxq

E

Iq

I

I

jIdxd
xd

Iq
Id

Id

Thiếu kích thích

Quá kích thích

5.3 Giản đồ năng lượng trong máy điện đồng bộ

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Máy phát điện
Công suất điện từ chuyển từ rôto sang stato
.1

Pđt = P1 - (pcơ + pf + pt)

Công suất ra
P2 = Pđt – ( pcu + pfe)
pcơ

pt

P1

pf

pfe

Pđt

pcu

P2

Động cơ điện

.1

pcu

P1

pfe

pt

Pđt

pf

pcơ

P2

8


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Đặc tính góc công suất của máy điện
đồng bộ
6.1 Đặc tính góc công suất tác dụng

Là quan hệ P = f (θ) khi E, U = const; trong đó θ là
góc giữa vectơ E và vectơ U

P = mUIcosϕ
Dựa vào đồ thị vectơ của máy điện cực lồi với giả
thiết rư = 0

P =

mUE
mU 2  1 1 
sinθ +
−
sin2θ
xd
2  xq xd 

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Đối với máy cực ẩn, do xd = xq

P = m

UE
sinθ
xd

9

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

6.2 Đặc tính góc công suất phản kháng

Là quan hệ Q = f (θ) khi E, U = const
Q = mUIsinϕ
Q =

mUE
mU2  1 1 
mU2  1 1 
cosθ +
− cos 2θ −
+
xd
2  xq xd 
2  xd xq 

Khi - θ < θ < + θ máy phát công suất phản kháng
vào lưới điện

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Đặc tính của máy điện đồng bộ

Sơ đồ thí nghiệm

Z

+
−

W

It

Máy
phát

A

V
A
V

A

V
W

A

Rt

7.1 Đặc tính không tải

U0 = E = f(It) khi I = 0
Dạng đặc tính lấy từ thí nghiệm

10


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

7.2 Đặc tính ngắn mạch
I

In = f(It)

khi U = 0

7.3 Đặc tính ngoài
U = f(I)

It

khi It = const

Độ thay đổi điện áp ∆Uđm
∆ U dm % =

E 0 − U dm
100
U dm

7.4 Đặc tính điều chỉnh
It = f(I)

khi U = const

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

Máy phát điện đồng bộ làm việc
song song

8.1 Điều kiện để ghép một máy phát điện vào làm việc
song song với lưới điện

1/ Điện áp của máy phát điện phải bằng điện áp lưới điện

2/ Tần số của máy phát điện phải bằng tần số của lưới điện
3/ Thứ tự pha của máy phát và của lưới điện phải giống nhau
4/ Điện áp của máy phát và của lưới điện phải trùng pha nhau
Việc đưa máy phát điện vào làm việc song song với lưới gọi
là hoà đồng bộ

11


MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Có 2 phương pháp hoà đồng bộ:
+ Hoà đồng bộ chính xác

+ Hoà đồng bộ không chính xác
8.2 Các phương pháp hoà đồng bộ chính xác
8.2.1 Dùng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng
Sơ đồ kiểu nối "tối"
∆U1

VL
ULA

CD2

CD1

UFA

2

VF

1

3

UFB

∆U2

ULC
ULB

∆U3

UFC

MF1

MF2
−

−

It1
+

It2
+

MÁY ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Sơ đồ kiểu ánh sáng "quay"

∆U1
ULA
VL

UFA

CD2

CD1

2

UFB
ULC
UFC

VF

∆U2
∆U3

1

3

ULB

MF1

MF2
−

−

It1
+

It2
+

12


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

8.2.2 Hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ

Phương pháp này dùng cho các máy phát điện công suất lớn
Dùng một cột đồng bộ (Bộ đồng bộ kiểu điện từ) để kiểm tra
Cột đồng bộ gồm:

- 01 Volt kế 2 kim
- 01 tần số kế có 2 dãy phiến rung
- 01 dụng cụ đo có kim quay với tấn số fF - fL
Khi kim trùng với đường thẳng đứng và hướng lên, đóng CD hoà
máy phát vào lưới điện

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

8.3 Phương pháp tự đồng bộ

MÁY ĐIỆN

Không cần thoả mãn các điều kiện trên

Việc đưa máy phát vào làm việc song song được tiến hành
như sau
- Quay máy phát không kích thích (UF = 0) với dây quấn
kích thích được nối tắt qua 1 điện trở
- Khi tốc độ máy gần bằng tốc độ đồng bộ thì đóng CD
ghép máy phát vào lưới không cần kiểm tra tần số, điện
áp và góc pha

13


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

Động cơ điện đồng bộ

MÁY ĐIỆN

9.1 Tính chất của động cơ đồng bộ
9.1.1 Ưu điểm

- Động cơ được kích thích bằng dòng điện một
chiều nên có thể làm việc với cosϕ = 1
- Khi động cơ làm việc, hệ số công suất của
lưới điện được nâng cao
- Giảm tổn thất điện năng trên đường dây
- Động cơ ít chịu ảnh hưởng khi điện áp thay đổi

- Hiệu suất động cơ cao

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

9.1.2 Nhược điểm
- Cần một nguồn điện 1 chiều để kích thích động
cơ
- Cấu tạo động cơ phức tạp, vì vậy giá thành
đắt
- Mở máy phức tạp
- Khó điều chỉnh tốc độ động cơ

14


TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

9.2 Mở máy động cơ điện đồng bộ

MÁY ĐIỆN

Quá trình mở máy động cơ chia thành 2 giai đoạn

9.2.1 Mở máy không đồng bộ
- Chưa cho dòng kích thích vào dây quấn, nối tắt dây
quấn kích thích qua điện trở lớn
- Nối điện vào dây quấn stato, động cơ mở máy
theo kiểu không đồng bộ

9.2.2 Giai đoạn đưa vào đồng bộ

- Khi tốc độ gần bằng tốc độ đồng bộ, đưa dòng
1 chiều vào dây quấn kích thích

- Momen đồng bộ sẽ kéo rôto vào tốc độ đồng bộ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

MÁY ĐIỆN

9.2 Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ

Là mối quan hệ giữa P1, I1, η, cosϕ với P2 khi U và It
không đổi

15