Máy điện đồng tài liệu máy điện động bộ giúp cho giáo viên, sinh viên, kỹ sư tham khảo trong quá trình nghiên cứu, dạy học, làm cơ sở cho các kỹ sư thiết kế các hệ thống điều khiển

MÁY ĐI ỆN ĐỒN G B Ộ
ĐỊN H NGH ĨA VÀ CÔNG D Ụ
NG
Địn h ngh ĩa
Những Máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng đúng tốc độ quay của từ trường stato n 1 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.

Công dụng
Chế độ Máy phát
Máy phát điện đồng bộ 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. ( hình 9.1.2 )

Hìn
h 9.1.2

Ở các lưới điện công suất nhỏ, Máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ điêzen hoặc
xăng, có thể làM việc đơn lẻ hoặc hai ba Máy làM việc song song
Chế độ động cơ
Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kiM, khai thác Mỏ, thiết bị
lạnh, truyền động các Máy bơM, nén khí, quạt gió .v.v.
Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi,
thiết bị lập chương trình, Máy bù đồng bộ

C ẤU T ẠO MÁY ĐI ỆN ĐỒ NG B Ộ
Cấu tạo Máy điện đồng bộ gồM hai bộ phận chính là stato và rôto .
Stato là phần tĩnh (còn gọi là phần ứng ), rôto là phần quay
(còn gọi là phần cảM ).

PH ẦN TĨNH ( STATO)
Stato của Máy điện đồng bộ giống như stato của Máy điện không đồng bộ

Lõi thép
Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo
thành các rãnh theo hướng trục. lõi thép được ép vào trong vỏ Máy
Dây quấn
Dây quấn stato làM bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh
của lõi thép

PH ẦN QUAY ( RÔTO)
Rô to Máy điện đồng bộ bao gồM lõi thép, cực từ và dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ được cấp
bởi nguồn điện Một chiều để tạo ra từ trường cho Máy.

1


Hình 9.2.2.a
Hai đầu của dây quấn kích từ nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối
với nguồn 1 chiều.
Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi
Rôto cực lồi
Dùng ở Máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. Rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân
cực từ
Rôto cực ẩn
Thường dùng ở Máy có tốc độ cao 3000v/ph có Một đôi cực. Rôto cực ẩn dây quấn kích từ được
đặt ẩn trong các rãnh.

NGUYÊN LÝ LÀM VI ỆC C ỦA MÁY PHÁT ĐI ỆN ĐỒ NG B Ộ
Dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto fi o
Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảM ứng
sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng: E 0=4,44fiW1kdqfio . Nếu rôto có p đôi cực, tần
số fi của sức điện động: fi = pn/60

Dây quấn ba pha stato có đặt lệch nhau trong không gian Một góc 120 0 điện, cho nên sức điện
động các pha lệch nhau góc pha 1200
Trong dây quấn stato xuất hiện Một nguồn điện ba pha đối xứng
Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn có dòng điện ba pha:
iA = IMax sinWt
iB = IMaxsin(Wt – 1200)
iC = IMaxsin(Wt – 2400)
Dòng điện ba pha được tạo ra giống như ở Máy điện không đồng bộ sẽ tạo nên từ trường quay, với
tốc độ là n1 = 60fi/p (n = 60fi/p =n1), đúng bằng tốc độ quay n của rôto.
Do đó Máy điện này gọi là Máy điện đồng bộ .

PH ẢN ỨNG PH ẦN ỨNG C ỦA MÁY PHÁT ĐI ỆN ĐỒ NG B Ộ
Khi Máy phát điện làM việc, từ thông của cực từ rôto fi 0 cắt dây quấn stato cảM ứng ra sức điện
động E0 chậM pha so với nó Một góc 900.

2


Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải, dòng điện I tạo nên từ trường
quay phần ứng (stato). Tác dụng của từ trường phần ứng (stato) lên từ trường cực từ (rôto) gọi là
phản ứng phần ứng.
Tải thuần trở
Từ thông phần ứng fiư (stato) theo hướng ngang trục,làm lệch hướng từ trường cực từ (rôto) fi 0 ta
gọi là phản ứng phần ứng ngang trục (hình 9.4.a)

Hình 9.4.a
Tải thuần cảm
Từ thông phần ứng fiư ngược chiều fi0 gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm
giảm từ trường tổng (hình 9.4.b)

Hình 9.4.b
Tải thuần dung
Từ thông phần ứng fiư cùng chiều fi0, gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng
từ trường tổng.

3


Hình 9.4.c
Tải bất kỳ
Phân tích từ trường phần ứng thành hai thành phần:
Thành phần ngang trục làm lệch hướng từ trường tổng
Thành phần dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (hình 9.4.d)

Hình 9.4.d
Phản ứng phần ứng của Máy phát điện đồng bộ vừa phụ thuộc vào dòng điện tải I (độ lớn bé) vừa
phụ thuộc vào tính chất của tải ( thuần trở, thuần cảm và thuần dung).

PH ƯƠNG TRÌNH CÂN B ẰNG ĐI ỆN ÁP VÀ CÁC ĐƯỜ NG ĐẶC TÍNH C ỦA MÁY
PHÁT ĐI ỆN ĐỒ NG B Ộ
PH ƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐI ỆN ÁP C ỦA MÁY PHÁT ĐI ỆN ĐỒNG B Ộ
Phương trình điện áp của Máy phát điện đồng bộ cực ẩn
Xđb =Xd=Xq gọi là điện kháng đồng bộ.
Phương trình cân bằng điện áp:

CÁC ĐƯỜ NG ĐẶC TÍNH C ỦA MÁY PHÁT ĐI ỆN ĐỒNG B Ộ
Đặc tính không tải

4

U0 = E0 = fi(Ikt) khi Itải =0, n =const ( fi=const)
Ta có: Eo= 4,44fi.W1.kdq.fio = K.fio
Đặc tính không tải là đường fi0 =fi(Ikt), gọi là đường cong từ hóa vật liệu sắt từ
Đặc tính ngoài của Máy phát điện đồng bộ
Mối quan hệ giữa điện áp U trên cực Máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải cosP t không đổi,
tần số fi và dòng điện kích từ Ikt không đổi
U = fi(I) khi Ikt =const, n= const (fi=const) , cosPt =const
Đặc tính ngoài của Máy phát phụ thuộc tính chất của tải
Đặc tính điều chỉnh của Máy phát điện đồng bộ
Mối quan hệ giữa dòng điện kích từ với dòng điện tải điện áp U bằng điện áp định Mức, tần số fi và
tính chất tải không đổi.
Ikt = fi(I) khi U =const, n= const ( fi =const), cosPt =const

ĐỘNG C Ơ ĐI ỆN ĐỒNG B Ộ
Nguyên lý làm việc
Khi cho dòng điện ba pha Ia, Ib, Ic vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ
trường quay với tốc độ n1 = 60fi/p
Khi cho dòng điện Một chiều vào dây quấn rôto, rôto biến thành một nam châm điện
Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng ấy sẽ kéo rôto quay với
tốc độ n = n1
Phưong trình điện áp của động cơ điện đồng bộ:

Mở Máy động cơ điện đồng bộ
Muốn động cơ làm việc, phải tạo MôMen Mở Máy để quay rôto đồng bộ với từ trường quay stato.
Trên các mặt cực từ rôto, người ta đặt các thanh dẫn, được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ
không đồng bộ ( hình 9.6.2)

Hình 9.6.2

5


Khi Mở Máy, nhờ có dây quấn Mở Máy ở rôto động cơ sẽ làm việc như đồng cơ không đồng bộ .
Trong quá trình Mở Máy ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn
kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép Mạch qua Mạch điện có điện trở lớn để bảo vệ dây
quấn kích từ
Khi rôto đã quay đến tốc độ bằng tốc độ đồng bộ n 1, đóng nguồn điện Một chiều vào dây quấn kích
từ, động cơ sẽ làM việc đồng bộ.

Máy bù đồng bộ
Động cơ điện đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh quá kích thích để
động cơ phát ra công suất phản kháng với mục đích nâng cao hệ số công suất lưới điện.
Công suất phản kháng: Q= MU (E0cosq-U)/Xđb Mà E0 phụ thuộc Ikt
Tăng Ikt suy ra tăng E0 suy ra Q >0 động cơ phát ra công suất phản kháng vào lưới điện, động cơ
làm việc quá kích thích.
Hệ số công suất lưới điện cosPL

Tăng Ikt suy ra tăng Q suy ra giảm QLsuy ra cosPL tăng và ngược lại

ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước ngày càng phát triển cao hơn
trong mọi lĩnh vực, công nghiệp, giao thông và các dịch vụ trong cuộc sống
hàng ngày.Xã hội không ngừng phát triển,sinh hoạt của nhân dân không ngừng
được nâng cao nên cầnphát triển nhiều loại máy điện mới. Các động cơ điện xoay
chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơ điện không đồng bộ,vì
loại động cơ điện này có những đặc ưu điểmnhư cấu tạo đơn giản,làm việc chắc
chắn,bảo quản dễ dàng và giá thành hạ.Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ do có
những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sử dụng rộng rãi hơn

6


và có thể so sánh được với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động
điện.Về ưu điểm ,động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một
chiều nên có thể làm việc với cosυ=1 và không cần lấy công suất phản kháng từ
lưới điện, nênhệ sốcông suất của lưới điện được nâng cao và giảm được điện áp rơi
và tổn hao công suất trên đường dây.Trong thời gian học môn máy điện em được
giao nhiệm vụ thiết kế động cơ đồng bộ ba pha với các số liệu cho sẵn.Bản thiết
kế bao gồm các phần chính sau:
Phần 1
.
Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ.
Phần 2
. Thiết kế và tính toán động cơ đồng bộ
.
Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng nỗlực của bản thân cùng với
sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết kế máy
điện, đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Anh Tuấn,
em đã hoàn thành xong bản thiết kếcủa mình. Trong quá trình thiết kế đồ án, với
kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án khó có thể tránh khỏi các khiếm khuyết. Em
mong nhận được sự nhận xét, góp ý của các thầy cô giáo để bản thiết kế của em
được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảmơn !
PHẦN 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
CHƯƠNG 1
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC,KẾT CẤUĐỘNG CƠ ĐIỆNĐỒNG BỘ
I. Đại Cương Về Động Cơ Điện Đồng bộ
Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những

động cơ điện không đồng bộ,vì loại động cơ điện này có những đặc điểm như cấu
tạo đơn giản,làm việc chắc chắn,bảo quản dễ dàng và giá thành hạ.Tuy nhiên các
động cơ điện đồng bộ do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây
đã dược sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh được với động cơ không đồng bộ
trong lĩnh vực truyền động điện.Về ưu điểm ,động cơ điện đồng bộ do được kích
thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosυ=1 và không cần lấy
công suất phản kháng từ lưới điện,kết quả là hệ số công suất của lưới điện được
nâng cao bên cạnh đó còn giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường
dây.Ngoài những ưu điểm chính đó động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh hưởng
đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do momen của động cơ điện đồng bộ chỉ
tỷ lệ với U trong khi momen của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với U2. Vì vậy khi
điện áp của lưới điện sụt thấp khi có sự cố thì khả năng giữ tải của động cơ đồng
bộ lớn hơn;trong trường hợp đó nếu tăng kích thích,động cơ điện đồng bộ có thể
làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện.Củng phải
nói thêm rằng,hiệu suất của dộng cơ điện đồng bộ thường cao hơn hiệu suất của
động cơ điện không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn nên tổn
7


hao sắt phụ nhỏ hơn. Khác với các động cơ không đồng bộ,động cơ đồng bộ có
khả năng phát ra công suất phản kháng,nhờ vậy động cơ đồng bộ được dùng trong
các thiết bị loại lớn.Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ
kích từ bằng nam châm vĩnh cữu ) cũng được dùng rộng rãi trong các thiết bị điều
khiển
Nhược điểm của động cơ đồng bộ so với động không đồng bộ ở chổ cấu tạo phức
tạp,đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến
cho giá thành cao. Hơn nữa việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và
việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi t
ần số của nguồn điện.Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng có
phối hợp với tụ điện cải thiện cosυ về giá thành và tổn hao năng lượng đẫn

đến kết luận là khi Pđm<200÷300 kW,nên dùng động cơ đồng bộ ở những nơi
nào không cần thường xuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ.Khi Pđm> 300 kWdùng
động cơ đồng bộ với cosυđm=0,9 và khi Pđm>1000 kW dùng động cơ đồng bộ
với cosυđm=0,8 là có lợi hơn dùng động cơ không đồng bộ.
II. Phân Loại Và Kết Cấu Của Động Cơ Điện Đồng Bộ
1.Phân loại
Theo kết cấu có thể chia động cơ điện đồng bộ thành hai loại:
Động cơ đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc quay cao (số cực 2p=2) và động cơ
đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2p≥4).
Động cơ điện đồng bộ thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và được dùng để kéo
cá tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ,với công suất chủ yếu từ 200kW trở lên.
Ngoài ra,còn có động cơ điện đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động như
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu,động cơ đồng bộ phản kháng,động cơ đồng b
ộ từ trễ,dộng cơ bước,...
2.Kết cấu
Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ,ta xét riêng rẽ cấu tạo của
máy cực ẩn và máy cự lồi
a.Kết cấu của động cơđiện đồng bộ cực ẩn.
Roto của động cơ điện đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,được
rèn thành khối hình trụ,sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ.Phần
không phay rãnh của roto hình thành mặt cực từ.Mặt cắt ngang trục lõi thép roto
như hình dưới đây:
Hình 1.Roto cực ẩn máy điện đồng bộ
Các động cơ điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số
cực 2p=2,tốc độ quay của roto là 3000v/ph và để hạn chế lực li tâm,trong phạm vi
an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rot,đường kính D của roto
không được vượt quá 1,1÷1,5m. Để tăng công suất của máy,chỉ có thể tăng chiều
dài của roto.Chiều dài tối đa của roto vào khoảng 6,5m. Dây quấn kích từ đặt trong
rãnh roto được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật,quấn theo chiều mỏng
thànhđược cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng.Để cố định vầ ép chặt dây

quấn kích từ trong rãnh,miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng
thép không từ tính.Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn
8


kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính Hai đàu nối của dây quấn
kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi
điện để nối với dòng kích từ một chiều.Máy kích từ này thường được nối trục với
trục động cơ đồng bộ hoặc có trục chung với động cơđồng bộ.Stato của động cơ
đồng bộ cục ẩn bao gồm lõi thép,trong có đặt dây quấn 3 pha và thân của động cơ,
nắp của động cơ.Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0,5mm,hai mặt
có phủ sơn cách điện.Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3÷6cm
lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10mm.Lõi thép stato được đặt cố định
trong thân máy.Trong các động cơ điện đồng bộ công suất trung bìnhvà lớn,thân
máycủa động cơ được chế tạo theo kết cấu khung thép,mặt ngoài bọc bằng các tấm
thép dát dày.Thân máycủa động cơ phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nóhình
thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy của động cơđiện.Nắp máycủa động
cơđiệncũng được 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 nắpcủa động cơ mà ở giá đỡ,ổ trục đặt cố
định trên bệ máycủa động cơ.
b. Kết cấu của động cơ đồng bộ cực lồi.
Động cơ đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp,vì vậy khác với các động cơ
đồng bộ cực ẩn,đường kính roto D của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều dài l
lại nhỏ,với tỷ lệ l/D=0,15÷0,2.Roto của máy của động cơđiện đồng bộ cực lồi công
suất nhỏ và trung bình có lõi thép được 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 cácđộng cơ
lớn,lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1÷6mm,và được dập hoặc
đúc định hình sẳn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không
trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của roto.Giá này lồng vào trục
của động cơ .Cực từ đặt trên lõi thép roto được ghép bằng các lá thép dày1÷1,5mm

như hình vẽ dưới đây:
Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng
các bulong xuyên qua mặt cực từ và vít chặt vào lõi thép roto. Dây quấn kích từ
được 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 đã gia công được lồng vào thân cực. Dây quấn mở máy của động cơ
được đặt trên các đầu cực.Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của
máy điện không đồng bộ,nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu
cực và được nối với haivòng ngắn mạch.Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản
ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn . Stato của động cơđồng bộ có cấu tạo
tương tự như cấu tạo của động cơ đồng bộ cực ẩn.Trụcmáy của động cơ đồng bộ
cực lồi đặt nằm ngang như ở các động cơ không đồng bộ ,máy bù đồng bộ,máy
phát điện điêzen hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương
đối lớn (khoảng 200v/ph).
III.Nguyên Lý Làm Việc Của Động Cơ Đồng Bộ
Giống với tất cả các loại động cơ khác, nguyênlý làm việc của động cơ đồng bộlà
dựa trênđịnh luật về lực điện từ f tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi nó có
dòng điện i và nằm trong từ trường co từ cảm B. Chiều và độ lớn của lực f được
9


xác định theo tích vectơ f . Đây là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng
thành cơ năng. Như vậy trong động cơ đồng bộ (hình 4), roto với các cực
từ có từ trường
được quay với tốc độ n làm cảm ứng trong dây quấn 3 pha đặt ở stato các s.đ.đ
xoay chiều có tần số (với p là số đôi cực của roto).Các dòng ,
trong các pha sẽ sinh ra từ trường quay Fư có tốc độ . Từ hai biểu thức
đó ta có n= n1, nghĩa,là tốc độ quay n của roto đồng bộ với tốc độ n1 của từ trường
quay. Đó là nguyên lí làm việc cơ bản của động cơ điện đồng bộ.

10