máy điện đồng bộ và từ trường trong máy điện đồng bộ

Phần thứ năm

Máy điện đồng bộ
Chơng 19
Đại cơng về máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ đợc sử dụng rộng r i trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng
chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng ba
pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản xuất từ các máy
phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khí hoặc nớc.
Máy điện đồng bộ còn đợc dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì
khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng.
Thông thờng các máy đồng bộ đợc tính toán sao cho chúng có thể phát ra công
suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong một số trờng hợp, việc đặt các
máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng
đủ bù hệ số công suất cos cho lới điện là hợp lý. Những máy nh vậy đợc gọi là
máy bù đồng bộ.
Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là động cơ kích từ bằng nam châm
vĩnh cửu) cũng đợc dùng rất rộng r i trong các trang bị tự động và điều khiển.
19-1. Nguyên lý lm việc của máy điện đồng bộ
Nếu trong sơ đồ hình 1-1 ta đem thay hai vành đổi chiều bằng hai vành trợt trên
đó tì hai chổi than A và B thì khi khung dây abcd quay với tốc độ không đổi n, trên hai
vành trợt và mạch ngoài khép kín qua tải ta sẽ có đợc một s.đ.đ. và một dòng điện
xoay chiều có tần số f

pn , trong đó p là số đôi cực của máy. Đó là nguyên lý làm
60

việc của máy điện đồng bộ một pha.
Thờng trong máy điện đồng bộ cực từ đợc đặt ở rôto, còn dây quấn phần ứng
(khung dây) đợc đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong
không gian 1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác () nh ở hình 20-1.

n

n

b)

a)

Hình 19-1. Sơ đồ nguyên lý của máy điện đồng bộ ba pha
a). Đấu hình sao Y; b) Đấu tam giác

86
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Cũng nh các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính thuận nghịch:
có thể làm máy phát điện hoặc động cơ điện.
19.1.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát tới tốc độ định mức, đồng thời cho dòng
điện một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thành nam châm điện,
từ trờng của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato (dây quấn phần ứng) làm
cảm ứng nên trong chúng các s.đ.đ. xoay chiều.
Tần số của s.đ.đ. cảm ứng là:
f

pn

(19-1)

60

trong đó n là tốc độ quay của rôto, p là số đôi cực của máy.
Giá trị hiệu dụng của s.đ.đ. cảm ứng trong m ỗi pha của dây quấn phần ứng là:
(19-2)

E = 4,44f.W.kdq.0
trong đó:
0 - từ thông trong khe hở dới mỗi cực từ;
W - số vòng dây của một pha dây quấn phần ứng ;
kdq - hệ số dây quấn.

Khi dây quấn phần ứng của máy đợc nối với phụ tải bên ngoài, dòng điện ba pha
đối xứng lệch nhau góc 120 0 về thời gian chạy trong dây quấn ba pha đặt lệch nhau góc
1200 trong không gian sẽ tạo ra từ trờng quay quay với tốc độ là:
n1

60 f

(19-3)

p

So sánh (19-1) và (19-3) ta thấy n = n1, nghĩa là tốc độ quay của rôto bằng tốc độ
của từ trờng quay. Chính vì vậy mà máy điện đợc gọi là máy điện đồng bộ.
Trong máy điện đồng bộ, từ trờng của cực từ do dòng điện một chiều sinh ra và từ
trờng quay do dòng điện xoay chiều ba pha sinh ra không có tốc độ tơng đối. Từ
trờng trong khe hở không khí là tổng hợp của từ trờng cực từ và từ trờng quay làm
cơ sở cho các quan hệ điện từ và sự biến đổi năng lợng trong máy điện đồng bộ.
19.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ

A

Cho dòng điện ba pha iA, iB, iC vào dây
quấn ba pha stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ
sinh ra từ trờng quay với tốc độ n1 60 f . Ta
p

hình dung từ trờng quay stato nh một nam
châm có hai cực quay đợc bằng nét đứt trên
hình 19-2. Đồng thời cho dòng điện một chiều
vào dây quấn rôto, rôto biến thành một nam
châm điện.
Tác dụng tơng hỗ giữa từ trờng stato và
từ trờng rôto tạo ra lực tác dụng lên rôto. Từ
trờng stato quay với tốc độ n = n1 nên lực tác

N

S

C
Hình 19-2. Nguyên lý làm
việc của động cơ đồng bộ

87
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

n1

dụng ấy sẽ kéo rôto quay với tốc độ n = n1.
Nếu trục rôto nối với máy sản xuất thì động cơ đồng bộ cũng sẽ kéo máy đó quay
với tốc độ n.
Chú ý: Động cơ điện một chiều và động cơ điện không đồng bộ đều làm việc theo
nguyên tắc lực điện từ tác dụng. Còn ở động cơ điện đồng bộ thì làm việc theo nguyên
tắc lực tác dụng giữa hai từ trờng.
19-2. Phân loại v kết cấu của máy điện đồng bộ
19.2.1. Phân loại
Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành hai loại: máy đồng bộ cực ẩn
thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p = 2) và máy đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc
độ quay thấp ( 2p 4).
Theo chức năng, có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau:
1. Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ thờng đợc kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nớc đợc gọi
là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nớc. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay
cao, do đó đợc chế tạo theo kiểu có cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang. Máy phát
điện tuabin nớc thờng có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói
chung cực máy đợc đặt thẳng đứng. Trong trờng hợp máy phát điện có công suất nhỏ
và cần di động thì thờng dùng điezen làm động cơ sơ cấp và đợc gọi là máy phát
điện điêzen. Máy phát điện điêzen thờng có cấu tạo cực lồi.
2. Động cơ điện đồng bộ
Động cơ điện đồng bộ thờng đợc chế tạo theo kiểu cực lồi và đợc sử dụng để
kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200 kW trở lên.
3. Máy bù đồng bộ
Máy bù động bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số công suất cos của lới điện.
Ngoài các loại trên còn có máy điện đồng bộ đặc biệt nh máy biến đổi một phần
ứng, máy đồng bộ tần số cao, và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động,
nh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng
bộ từ trễ, động cơ bớc,
19.2.2. Kết cấu của máy điện đồng bộ

Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện
đồng bộ, ta sẽ xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn
và của máy cực lồi.
1. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn
Rôto của máy đồng bộ cực ẩn có lõi thép làm
bằng thép hợp kim chất lợng cao, đợc rèn thành
khối hình trụ, sau đó gia công và phay r nh để đặt
dây quấn kích từ. Phần không phay r nh của rôto

Hình 19-3:
19-3. Mặt cắt ngang
trục của lõi thép rôto

88
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


hình thành mặt cực từ. Mặt c ắt ngang trục lõi thép rôto nh trên hình vẽ 19- 3.
Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thờng đợc chế tạo với số cực 2p = 2, tốc
độ quay của rôto là 3000 vg/ ph và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với
thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đờng kính D của rôto không đợc vợt quá
1,1 1,15 m. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto. Chiều dài tối
đa của rôto vào khoảng 6, 5 m.
Dây quấn kích từ đặt trong r nh
Đờng sức từ
rôto (hình 19-4), đợc chế tạo từ
Dây quấn kích từ
dây đồng trần tiết diện chữ nhật
quấn theo chiều mỏng thành các bối
Lõi thép rôto

dây đồng tâm. Các vòng dây của
Dây quấn stato
bối dây này đợc cách điện với
nhau bằng một lớp mica mỏng. Để
Vòng trợt
cố định và ép chặt dây quấn kích từ
Lõi thép stato
trong r nh, miệng r nh đợc nêm
Dây quấn kích từ
kín bới các thanh nêm bằng thép
không từ tính. Phần đầu nối (nằm
ngoài r nh) của dây quấn kích từ
Hình 19-4. Mặt cắt ngang của
đợc đai chặt bằng các ống trụ thép
máy điện đồng bộ cực ẩn
không từ tính. Hai đầu của dây quấn
kích từ đi luồn trong trục và nối với
hai vành trợt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng điện kích từ một
chiều. Dòng kích thích đợc cung cấp từ máy phát kích thích, máy kích từ này thờng
đợc nối trục hoặc có trục chung với máy đồng bộ.
Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và
thân máy, nắp máy. Lõi thép stato đợc ép bằng các lá tôn silic dày 0,5 mm, hai mặt có
phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 6 cm lại có một
r nh thông gió ngang trục, rộng 10 mm. Lõi thép stato đợc đặt cố định trong thân
máy. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy đợc chế tạo theo
kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày. Thân máy phải thiết kế
và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống đờng thông gió làm mát máy điện.
Nắp máy đợc chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. ở các máy đồng bộ công suất
trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ
máy. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn đợc trình bày trên hình 19-5.

2
1

3

4

Hình 19-5.
Máy phát điện
tuabin hơi (cực ẩn).
1. Phần kích thích;
2. vỏ máy; 3. lõi
thép stato; 4. bộ
phận làm lạnh bằng
khí hyđrô; 5. rôto.
5

89
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


2. Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi
Máy đồng bộ cực lồi thờng
có tốc độ quay thấp, vì vậy khác
với máy đồng bộ cực ẩn, đờng
kính rôto D của nó có thể lớn tới
15 m trong khi chiều dài l lại nhỏ
với tỉ lệ l/D = 0,15 0,2. Rôto
của máy điện đồng bộ cực lồi
nh ở hình 19-6.

Rôto của máy điện đồng bộ
công suất nhỏ và trung bình có
lõi thép đợc chế tạo bằng thép
đúc và gia công thành khối lăng
trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe)
trên mặt có đặt các cực từ. ở các
máy lớn, lõi thép đó đợc hình
thành bởi các tấm thép dày 1 6 Hình 19-6. Rôto của máy phát điện đồng bộ cực lồi
mm, đợc dập hoặc đúc định
hình sẵn để ghép thành các khối
lăng trụ và lõi thép này thờng không trực tiếp lồng vào trục máy mà đợc đặt trên giá
đỡ của rôto, giá này lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên l õi thép rôto đợc ghép bằng
những lá thép dày 1 1,5 mm.
Việc cố định cực từ trên lõi thép đợc thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các
bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào l õi thép rôto (hình 19-7).
1

2
5

43

Hình 19-7. Cực từ của máy điện đồng bộ cực
lồi. 1. lá thép cực từ, 2. dây quấn kích thích,
3.đuôi hình T, 4. nêm, 5. lõi thép rôto

Hình 19-8. Dây quấn cản
(dây quấn mở máy) của
máy điện đồng bộ

Dây quấn kích từ đợc chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo
chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc
amiăng. Các cuộn dây sau khi đ gia công đợc lồng vào các thân cực.
Dây quấn cản (trờng hợp máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trờng hợp
động cơ đồng bộ) đợc đặt trên các đầu cực. Các dây quấn này giống nh dây quấn
kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào
r nh các đầu cực và đợc nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch (hình 19-8). Dây quấn
mở máy khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn.
Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tơng tự nh của máy đồng bộ cực ẩn.
90
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Converter.

You can only convert 5 pages with the trial version.

To get all the pages converted, you need to purchase the software from:

/>