Chương 5 máy điện đồng bộ

Bài giảng Máy điện
Chương 5:

TB

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I. Tổng quan

Chương 5: Máy điện đồng bộ

1


Bài giảng Máy điện

Chương 5: Máy điện đồng bộ

TB

2


Bài giảng Máy điện

TB

B

N
A

N

S

C

Chương 5: Máy điện đồng bộ

3


Bài giảng Máy điện

Chương 5: Máy điện đồng bộ

TB

4


Bài giảng Máy điện

TB

Rotor cực từ ẩn

Rotor cực từ lồi

Rotor cực từ ẩn

Rotor cực từ lồi

Chương 5: Máy điện đồng bộ

5


Bài giảng Máy điện

TB
Flux f

ns

B-

B-

C+
N

C+
N

A+

A-

A-

A+

S

S

B+

C-

C-

C

A
B-

A+

C+

C-

Axe bobine
b b'

a
ge

c'

ae

b'
qe

N

AB+

Axe bobine
a a'

S
b

Axe bobine
c c'

Chương 5: Máy điện đồng bộ

Axe
inducteur

X

S

N

B

B+

c

a'

6


Bài giảng Máy điện
Magnetic axis of
phase 

TB
Magnetic axis of
phase  m= 

m= 
C+

B-

C+

B-

N

N

A+

A-

S
C-

B+

Chương 5: Máy điện đồng bộ

A+

A-

S

C-

B+

7


Bài giảng Máy điện

TB

A. Máy điện đồng bộ có rotor cực từ ẩn:
C

A
B

B-

A+

N

C+

A
N

S

N

C-

S
B

AB+

C

Chương 5: Máy điện đồng bộ

8


Bài giảng Máy điện

Axe bobine
b b'

TB

a
ge
Axe
inducteur

X
c'

ae

b'
qe

N

Axe bobine
a a'

S
b

c

Axe bobine
c c'

a'

a   Laa0  Lal  ia   Labi b  Lacic  cos(120o )  Laf If cos(q )

Mà

1
L ab  L ba  Lac  L ca  L bc  L cb   L aa 0
2
1
a   Laa0  Lal  ia  Laa0  i b  ic   Laf I f cos(q )
2
1


a   L aa 0  Lal  L aa 0 i a  L af I f cos(q )
2


3

a   Laa 0  Lal i a  Laf I f cos(q )

2


a  Ls i a  Laf I f cos(t  q o )
a  Ls i a  af
da
di a

do cos(120o )  

1
2

3

Ls   L aa 0  L al 
2

dq
dien  Pco  Pco 
dt
af  Laf I f cos(t  qo )

daf
di
 Ls a  e af
dt
dt
dt
dt

da
di a
v a  R aia 
 R a i a  Ls
 e af
dt
dt

ea 

e af  L af I f

 Ls



d
cos(t  q o )  Laf I f sin(t  q o )
dt

e af  Laf I f cos(t  q o 



2

)

( eaf nhanh pha /2 so với af )
Eaf ( RMS) 

1
1
Laf If 
kdqN ph af  2fkdqN ph af  4,44fk dqN ph af
2
2
Eaf ( RMS)  2fkdqN phaf
với từ thông kích từ: af  Laf I f ,  af  k f I f

dia
 eaf
dt
E a  jLas Ia  E af

ea  Las

  R I  E
  R I  jX I  E

V
a
a a
a
a a
s a
af

Chương 5: Máy điện đồng bộ

9


Bài giảng Máy điện

TB

Động cơ:
jXs

n
If

Ra

Ia
Rf

Uf

af

Ua

Eaf

U a  Ra Ia  jX s Ia  E af
Eaf  2 . f .kdq .N ph. af
Máy phát:

jXs

n
If
Uf

Ra

Ia
Rf
af

It
Ua

Eaf

Zt

Tải

U a  E af  Ra Ia  jX s Ia
Trong đó:
X s  Ls

3
2




với: Ls  Las   Laa0  Lal 

3

3

X   Laa0  Lal    Laa0   Lal  X A  X al
2

2


Chương 5: Máy điện đồng bộ

10


Bài giảng Máy điện

TB

3

X A    Laa0  :
2


điện kháng phản ứng phần ứng.

X al  Lal :

điện kháng từ tản phần ứng.
jXA

jXal

Ra

Ia
Eaf

It
ER

U

Zt

Tải

n

E R  E af  jX A Ia :

sức điện động khe hở.

 :

R

từ thông khe hở = từ thông kích từ + từ thông phản ứng phần ứng

Chương 5: Máy điện đồng bộ

11


Bài giảng Máy điện

TB

II.2. Đặc tính không tải, ngắn mạch
Thí nghiệm không tải:
jXs

n
If
Uf

Ra

Ia
Rf
af

U

Eaf

Eaf
Uđm
f

If

0

Eaf  2 . f .kdqs.N s . af
Eaf

Đặc tính khe hở

Đặc tính không tải
Eaf,
Uaf

0

If
If
Đặc tính không tải

Thí nghiệm không tải xác định được “đặc tính không tải”. Từ đó xác định “đặc tính khe hở”.

Chương 5: Máy điện đồng bộ

12

Bài giảng Máy điện

TB

Ngoài ra, thí nghiệm không tải xác định được tổn hao không tải.Trong đó có tổn hao cơ
(không đổi do tốc độ cố định) và tổn hao sắt (do tần số không đổi nên tổn hao sắt tỷ lệ với
bình phương biên độ từ thông).
PFe

Eaf

Tổn hao sắt phụ thuộc vào từ thông (hay điện áp không tải)

Thí nghiệm ngắn mạch:
 Máy điện chạy ở chế độ máy phát, quay ở tốc độ đồng bộ. Tăng dòng kích từ cho tới
khi dòng phần ứng đạt định mức Ia,sc = Ia,đm, vẽ được đặc tính ngắn mạch.
jXs
n
Ra
If

Ia
Rf

Uf

af

Ia,sc

Eaf

E af  Ra  jX s Ia
Ia

Eaf

Eaf,

Đặc tính ngắn mạch
Ia, đm
Ia, sc

0

If
If

I’’f
(Ia, đm)

Đặc tính ngắn mạch khi mạch từ chưa bảo hòa
Chương 5: Máy điện đồng bộ

13


Bài giảng Máy điện

TB

Đo được dòng kích từ, và dựa theo đặt tính khe hở, xác định được Eaf, là sức điện động
tương ứng với mạch từ còn tuyến tính, chưa bảo hòa.
Khi mạch từ chưa bảo hòa, bỏ qua điện trở phần ứng, có thể tính điện kháng đồng bộ chưa
bảo hòa:

X s, 

E af ,
I a ,sc

(tính theo đặc tính khe hở)

_ Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà: tính theo đặc tính khe hở (Eaf,).
Chú ý: Có thể tính Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà ở điểm Ia,sc khác Ia,đm,
nhưng phải tính theo đặc tính khe hở.

Từ thông khe hở rất nhỏ (tỷ lệ với ER, khoảng 15% từ thông định mức) nên mạch từ trong
thí nghiệm ngắn mạch này chưa bảo hòa. Thông số tính được sẽ không sát với thực tế khi
máy điện làm việc ở từ thông định mức.
jXA
jXal
Ra
Ia
Eaf

I a,sc
ER

n

  R  jX I
E
R
a
al a ,sc

Chương 5: Máy điện đồng bộ

14


Bài giảng Máy điện

TB

 Khi máy điện đồng bộ làm việc KHÔNG TẢI quanh giá trị điện áp định mức (từ
thông khe hở gần định mức, xem như “bảo hòa”):
jXA
jXal
Ra
Ia
Eaf

ER

Uđm

n

 E
 U

E
R
af
a ,đm
Ia

Eaf

Ua,đm
Eaf,

Đặc tính ngắn mạch
Ia, đm
Ia, sc (Uđm)
Ia, sc

0

If
If

I’f
I’’f
(Uđm) (Ia, đm)

Đặc tính không tải – ngắn mạch

I 'f I a,sc( Uđm ) I a,sc( Uđm ) U a,đm
SCR  K n  '' 

If
I a,đm
I a,đm U a,đm

 U a,đm 
 U a,đm 




I
I
1
1
a,đm 
a,đm 
 


 *
Xs
Xs
Xs
 U a,đm 


Zđm

 I a,sc( Uđm ) 

Khi máy điện đồng bộ làm việc KHÔNG TẢI, chỉnh dòng kích từ sao cho điện áp hở mạch
bằng điện áp định mức Ua,đm (từ thông khe hở gần định mức = bảo hòa). Ứng với dòng kích
từ I’f này, cho máy ngắn mạch và đo dòng Ia,sc tương ứng Ua,đm. Từ đó tính gần đúng giá trị
điện kháng đồng bộ bảo hòa.

Chương 5: Máy điện đồng bộ

15


Bài giảng Máy điện

Xs 

TB

U a ,đm
(tính theo Ua,đm trên đặc tính không tải)

I a ,sc

_ Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà: tính theo đặc tính khe hở (Eaf,).
_ Điện kháng đồng bộ bảo hoà: tính theo đặc tính không tải-ngắn
mạch ở Ua,đm.
Chú ý: Nên tính Điện kháng đồng bộ bảo hoà ở điểm gần Ua,đm.

 Đơn vị trương đối (tính theo giá trị định mức):
Hệ số ngắn mạch Kn:

I 'f I a ,sc ( U đm ) I a ,sc ( U đm ) U a ,đm
K n  '' 

If
I a ,đm
I a ,đm U a ,đm

 U a ,đm 
 U a ,đm 




 I

 I

1
1
a ,đm 
a ,đm 





 *
Xs
Xs

Xs
 U a ,đm 


Z đm
 I a ,sc ( U ) 
đm 


X*s là điện kháng đồng bộ tính theo đơn vị tương đối.

Ví dụ 1:
Chương 5: Máy điện đồng bộ

16


Bài giảng Máy điện

TB

Cho một máy điện đồng bộ ba pha 900MVA, 26kV, nối Y, 50Hz, hai cực, có các số liệu thí
nghiệm:
Dòng kích từ
Dòng ngắn mạch
Điện áp không tải
Điện áp khe hở
1710A
10,4kA
(29,6kV)

26kV
3290A
20,0kA
31,8kV
(56,9kV)
a. Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs,? (đơn vị Ω và đvtđ)
b. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)
c. Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?
Ví dụ 2: (EX 5.4-p262)
(trang 224)
Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz.
Thí nghiệm không tải: dòng kích từ 2,84A, đo được điện áp 220V.
Đặc tính khe hở (ước tính): dòng kích từ 2,2A, điện áp khe hở 202V.
Thí nghiệm ngắn mạch:
Dòng kích từ 2,2A, đo dòng phần ứng là 118A.
Dòng kích từ 2,84A, đo dòng phần ứng là 152A.
a. Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs,? (đơn vị Ω và đvtđ)
b. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)
c. Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?

Tính điện kháng đồng bộ (theo Ω/pha và đvtđ) của máy điện đồng bộ 85kVA. Biết điện áp
hở mạch định mức là 460V khi dòng kích từ 8.7A. Và đạt dòng ngắn mạch định mức ở
11.2A.
Ví dụ 3: (EX 5.5-p265) (trang 226)
Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz như ví dụ trên (EX 5.4)
Khi dòng ngắn mạch bằng dòng phần ứng định mức (118A), tổn hao là 1.8kW ở
25oC. Biết điện trở một chiều trên cuộn dây phần ứng là 0.0335Ω/pha. Tính điện trở
hiệu dụng trên mỗi pha? (đơn vị Ω và đvtđ)

Máy điện đồng bộ ba pha 13.8kV, 25MVA. Tổn hao ngắn mạch là 52,8kW ở dòng định

mức.
Chương 5: Máy điện đồng bộ

17


Bài giảng Máy điện

TB

a) Tính dòng phần ứng định mức?
b) Tính điện trở hiệu dụng trên mỗi pha? (đơn vị Ω và đvtđ)
Ví dụ 4: (EX 5.1-p254)

Một động cơ 3 pha đồng bộ, điện áp dây đầu cực là 460V, 60Hz, Y,
dòng điện 120A, hệ số công suất 0.95 chậm. Dòng kích từ 47A. Điện
kháng đồng bộ 1.68Ω (0.794 đơn vị tương đối với 460V, 100kVA, 3
pha). Bỏ qua điện trở stator.

a) Tính điện áp Eaf?



b) Biên độ từ trường af và hỗ cảm Laf? eaf  Laf I f cos(t  q o  )
2

af  Laf I f cos(t  qo )
c) Công suất điện cấp cho motor (kW) và (hp).

Chương 5: Máy điện đồng bộ

18


Bài giảng Máy điện

TB

II. Máy phát đồng bộ

Máy phát cấp điện cho tải, hay cho lưới.

II.1. Mạch tương đương
jXs

n
If
Uf

Ra

Ia
Rf
af

Eaf

It
U

Zt

Tải

E af  U  Ra  jX s Ia
Ví dụ 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng
hình trụ có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây
stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 5.

Chương 5: Máy điện đồng bộ

19


Bài giảng Máy điện

TB



a) Tải định mức có HSCS=cosđm=0,9 chậm pha. Tính E af (trị
phức)? Vẽ giản đồ vector?
b) Tính lại cho tải (có dòng điện và điện áp) định mức có
HSCS=cosb=0,7 nhanh pha?
c) Nếu giữ kích từ không đổi như câu a. Tính điện áp trên tải (có
tổng trở như ở) câu b?
Ví dụ 2: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor
dạng hình trụ có các thông số định mức 16MVA, 10,5kV, 50Hz,
cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 4,8. Tính giá trị sức
điện động Eaf và góc tải  khi máy phát cấp điện cho tải ở điều kiện

định mức, cosđm=0,8. Tính cho trường hợp chậm pha và nhanh
pha? Vẽ giản đồ vector?

Ví dụ 3: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực,
có công suất định mức 10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz,
nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng Rư0 (tính lại cho
Rư0,5) và điện kháng đồng bộ Xđb=5. Khi máy phát cấp
điện cho tải định mức với hệ số công suất cos=0,8 (dòng điện
chậm pha so với điện áp), hãy:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức?
b. Tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất ?
c. Vẽ giản đồ vector?
d. Tính độ thay đổi điện áp U%?
e. Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát. Biết tổn
hao cơ là 500W.
f. Tính công suất tác dụng quá tải lớn nhất máy có thể phát
được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và
biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
II.2. Đặc tính công suất – góc ở xác lập
E  U  ZsI

Zs  R a  jXs  ZsZ  jXs

E  U0o  ZsI   t 

Chương 5: Máy điện đồng bộ

20

Bài giảng Máy điện

TB

jXs

Ra

I
Eaf

It

Zs

E

U

Tải

Zt

n
E1
Zs I


0

E2

t
I

E1

jXsI

jXsI
Zs I

Re

I



Ra I

RaI

t

0

E2

Tải RL, t > 0

Re

Tải RC, t < 0

Khi máy phát 1 pha cấp điện cho tải:
jXs

n
If

Ia
Rf

Uf

It
U

Eaf

af

Eaf

Eaf

Zt

Tải

jXsI


jXsI

0

U

t



Re
0

I
Re

t
U

I
Tải RL, t > 0

Chương 5: Máy điện đồng bộ

Tải RC, t < 0

21

Bài giảng Máy điện

TB

Eaf

jXsI



0
I

t

Re

U

Re

Eaf U
U2
Q2 
cos  
Xs
Xs

E U
P2  af sin 
Xs
P2 max 

Eaf U
o
khi

=
90
.
Xs

U  Eaf  U

Sụt áp:

Độ sụt áp %:

U % 

Eaf  U
U

100

Khi máy phát cấp điện cho tải Thévenin:
jXs

jXEQ

I
Eaf

UEQ

U

n

P

Eaf U EQ
X s  X EQ

sin 

Chương 5: Máy điện đồng bộ

Q

Eaf U EQ
X s  X EQ

cos  

U EQ

2

X s  X EQ

22


Bài giảng Máy điện

TB

Giới hạn công suất của máy phát điện động bộ (1 pha):

Pt 2  Qt 2   UI 

Pt  UI cos  t

Qt  UIsin  t

E U
Pt  af sin 
Xs

U 2 Eaf U
Qt 

cos 
Xs
Xs
2


U 2   Eaf U 
2

Pt    Qt    
Xs   Xs 


2

2

Giới hạn công suất máy điện đồng bộ

Chương 5: Máy điện đồng bộ

23


Bài giảng Máy điện

TB

Giới hạn công suất phản kháng của máy điện động bộ

Máy phát điện 3 pha:________________________________________
jXs

Ra

I

It

Eaf

U

Zt

Tải

n

Pt  3UI cos t  3

Te 

 p
 
  2f
P1

Eaf U
Xs

sin 

 3UEaf


sin 
 Xs

Chương 5: Máy điện đồng bộ

TeMAX 

p 3UEaf
2f X s

24


Bài giảng Máy điện

TB

Đặc tuyến tải của MPĐB

Pt  3

Eaf U
Xs

Đặc tuyến công suất phản kháng MPĐB

sin 

Qt  3

Eaf U
Xs

U2
cos   3
Xs
Q > 0, tải cảm (RL)

  0deg  1deg  180deg
600
500
Pnet  
M W
Pnetwork
MW

400
300
200
100
0

0

30

60

90

120

150

180


deg

Chương 5: Máy điện đồng bộ

25