Điều khiển tần số động cơ đồng bộ công suất lớn

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
.

Luận văn thạc sĩ khoa học

ĐIềU KHIểN BIếN TầN ĐộNG CƠ
ĐồNG Bộ CÔNG SUấT LớN

Ngành: điều khiển và tự động hoá
MÃ số:

Nguyễn thị tâm

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm văn diễn

Hà nội 2008


-1-

Mục lục
Trang1
Lời cam đoan
Mục lục
Lời nói đầu
Chương 1. Tổng quan về máy điện đồng bộ & Bộ biến tần bán dẫn.1
1.1. Máy điện đồng bộ .................................................................................... 1
1.1.1. Kết cấu của Máy điện đồng bộ ..................................................... 1
1.1.2. Từ trường trong Máy điện đồng bộ .............................................. 4
1.1.3. Sơ đồ thay thế máy ®iƯn ®ång bé................................................ 11

1.1.4. Quan hƯ ®iƯn tõ trong M¸y điện đồng bộ ................................. 13
1.2. Động cơ đồng bộ ba pha ....................................................................... 18
1.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 18
1.2.2. Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ ............................... 19
1.2.3. Mô men điện từ của động cơ đồng bộ ba pha ........................... 20
1.2.4. Khởi động và hÃm động cơ đồng bộ kích từ quấn dây .............. 22
1.2.5. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ. 25
1.3. Sơ lược về các bộ biến tần bán dẫn ...................................................... 26
1.3.1. Khái niệm cơ bản về các bộ biến tần bán dẫn ........................... 26
1.3.2. Biến tần trực tiếp ......................................................................... 28
1.3.3. Biến tần gián tiếp ........................................................................ 31
1.3.4. Kết luận ....................................................................................... 37


-2Chương 2. Hệ truyền động động cơ đồng bộ - biến tần
nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên ..................................... 38

2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động động cơ đồng bộ
với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên ................. 38
2.2. Quá trình chuyển mạch ........................................................................ 39
2.3. Mômen của động cơ .............................................................................. 43
2.4. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động ................. 45
2.5. Quy lt ®iỊu khiĨn ............................................................................... 47
2.6. KÕt ln ................................................................................................. 48
Chương 3. Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ -Biến Tần
nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên ...................................... 49

3.1. Mục đích mô phỏng............................................................................... 49
3.2. Phân tích lựa chọn cấu trúc hệ truyền động ....................................... 50
3.2.1. Mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng một chiều .............................. 50

3.2.2. Mạch nghịch lưu dòng điện........................................................ 51
3.2.3. Động cơ đồng bộ.......................................................................... 52
3.3. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ biến tần
nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. .................................................... 53
3.3.1. Khi động cơ làm việc ở tần số định mức f = 50Hz ..................... 54
3.3.2.Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ ........................... 61
3.3.3. Biện pháp mở rộng phạm vi làm việc ở tốc độ thấp .................. 75
Kết luận
Tài liệu tham kh¶o


-1Chương 1
Tổng quan về máy điện đồng bộ và Bộ biến tần bán dẫn
1.1. Máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rÃi trong công nghiệp.
Phạm vi sử dụng chính của Máy điện đồng bộ là biến đổi cơ năng thành
điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Tuy nhiên, máy điện đồng bộ có phát ra
công suất phản kháng nên cũng được dùng làm máy bù công suất phản kháng
cho lưới điện. Đặc biệt, như chúng ta đà biết, máy điện đồng bộ còn được nghiên
cưú øng dơng vµ sư dơng ngµy cµng réng r·i víi chức năng là động cơ - từ những
động cơ công suất nhỏ sử dụng trong các trang bị tự động và điều khiển đến các
động cơ được đặc biệt sử dụng trong các thiết bị có công suất lớn.
Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto (n) b»ng
tèc ®é quay cđa tõ tr­êng (n1), chính vì thế máy điện này mới được gọi là Máy
điện đồng bộ.
1.1.1. Kết cấu của Máy điện đồng bộ
Theo kết cấu, có thể chia Máy điện đồng bộ (MĐĐB) ra làm 2 loại: máy
đồng bộ cực ẩn (số cực 2p = 2); và máy đồng bộ cực lồi (số cực 2p 4).
Mỗi loại máy này có đặc điểm kết cấu khác nhau:
1.1.1.1 Kết cấu của máy điện 3 pha cực ẩn

Máy điện 3 pha cực ẩn roto làm bằng thép chất lượng cao, được đúc thành
khối hình trụ, sau đó được gia công và phay rÃnh để lắp đặt cuộn dây kích từ.
Phần không phay rÃnh của roto hình thành mặt cực từ. Mặt cắt ngang trục lõi
thép roto như trên hình (1.1).


-2-

Hình 1.1- Mặt cắt ngang trục lõi thép roto
MĐĐB hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay
của roto là 3.000 vòng/phút, và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối
với thép hợp kim chế tạo lõi thép roto, đường kính D của roto không được quá
(1,1 1,15)m. Do đó, để tăng công suất của MĐĐB 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 hình chữ nhật, quấn theo chiều
mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện
với nhau bằng lớp mêca mỏng. Để cố định và ép chặt các cuộn dây kích từ trong
rÃnh, miệng rÃnh được nêm kín bằng thép không từ tính, các đầu nối (nằm ngoài
rÃnh) của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống thép không từ tính.
Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trụ và nối với hai vành trượt ở
đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiỊu.
Stato cđa M§§B 3pha cùc Èn gåm lâi thÐp, trong đó đặt dây quấn 3pha và
thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép chặt bằng các lá tôn silic dày 0,5mm,
hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato, cứ cách (3 ữ 6) cm l¹i


-3cã mét r·nh th«ng giã ngang trơc réng 10mm. Lâi thép stato được đặt cố định
trong thân máy. Trong các động cơ công suất trung bình và lớn, thân máy được
chế tạo theo các kết cấu khung thép, mặt ngoài được bọc bằng các tấm thép dát
dầy. Thân máy phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống

đường thông gió làm lạnh cho máy. Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc từ
gang đúc. ở các máy công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà
đặt trên giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ máy.
1.1.1.2. Kết cấu của máy điện đồng bộ 3 pha cực lồi
MĐĐB 3pha cực lồi thường được sử dụng trong trường hợp yêu cầu tốc độ
quay thấp, vì vậy khác với MĐĐB 3pha cùc Èn, ®­êng kÝnh roto D cđa nã cã thể
lớn tới 15m, trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = (0,12 ữ 0,2).
Roto MĐĐB 3pha cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép chế tạo
bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ, trên mặt có đặt
các cực từ. Các máy lớn, lõi thép được hình thành từ các tấm thép dày (1 ữ 6)mm,
được dập định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ, lõi thép này thường
không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt vào giá đỡ roto, giá này lồng vào trục
máy. Cực từ đặt trên lõi thép roto được ghép bằng nhiều lá thép dày (1 ữ 1,5)mm.
Việc cố định các cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc
bằng các bulông xuyên qua mặt cực từ và vít chặt vào lõi thép roto (hình 1.2).


-41
2

5

4
3

Hình 1.2- Cực từ của máy đồng bộ cực lồi.
1. Lá thép cực từ

2. Dây quấn kích thích

3. Đuôi hình T

4. Nêm

5. Lõi thép roto.

Dây quấn kích từ bằng đồng tiết diện hình chữ nhật, được quấn theo chiều
mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mêca hoặc
amiăng. Các cuộn dây sau khi gia công được luồn vào thân cực.
Dây quấn khởi động được đặt trên các đầu cực giống như dây quấn kiểu
lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào
các rÃnh của các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch. MĐĐB
3pha cực lồi có cấu tạo stato tương tự như của MĐĐB 3pha cực ẩn.
1.1.2. Từ trường trong Máy điện đồng bộ
Từ trường trong MĐĐB là do dòng điện trong các dây quấn stato và roto
sinh ra.
Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn xoay chiều ở stato không
có dòng điện (I = 0) nên từ trường trong máy điện chỉ do dòng điện một chiều it


-5chạy trong dây quấn kích thích đặt trên các cực tõ sinh ra. NÕu roto quay, tõ
tr­êng nµy quÐt qua dây quấn stato và cảm ứng trong các dây quấn này sức điện
động (s.đ.đ) không tải E của máy điện.
Khi máy làm việc có tải (I 0), thì ngoài tõ tr­êng cđa cùc tõ cßn cã tõ
tr­êng do dßng điện tải ba pha chạy trong dây quấn ba pha sinh ra, đó là một từ
trường quay. Từ trường quay này có thể phân tích thành từ trường cơ bản và các
từ trường bậc cao có chiều quay và tốc độ quay khác nhau. Trong số các từ
trường này, từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì nó có tốc độ và chiều quay
giống như các từ trường cực tõ. T¸c dơng cđa nã víi tõ tr­êng cùc tõ gọi là phản
ứng phần ứng. Phản ứng phần ứng trong Máy điện đồng bộ có ảnh hưởng rất

nhiều đến từ trường của cực từ và mức độ ảnh hưởng đó phụ thuộc vào tính chất
của tải cũng như cấu tạo cực ẩn hoặc cực lồi của máy. Kết quả là khi máy làm
việc có tải, dọc khe hở tồn tại mét tõ tr­êng thèng nhÊt. ChÝnh tõ tr­êng ®ã sÏ
sinh ra sức điện động lúc có tải ở các dây quấn của stato.
Trong trường hợp mạch từ của máy không bÃo hòa, lúc phân tích ta có thể
xét riêng rẽ tõ tr­êng cđa cùc tõ, tõ tr­êng cđa phÇn øng và các s.đ.đ do các từ
trường đó sinh ra, sau ®ã, dïng nguyªn lý xÕp chång ®Ĩ cã tõ tr­êng tổng ở khe
hở, s.đ.đ của dây quấn phần ứng khi máy làm việc có tải.
1.1.2.1. Từ trường của dây quấn kích thích (của cực từ)
Dây quấn kích thích của MĐĐB 3pha cực ẩn và MĐĐB 3pha cực lồi có
cấu tạo khác nhau nên từ trường do chúng sinh ra cũng có dạng khác nhau.
a. Đối với máy cực lồi
Đối với máy cực lồi, do khe hở giữa mặt cực và phần ứng không đều nên
mật độ từ thông cũng không đều, cụ thể: mật độ từ thông ở giữa mặt cùc lín h¬n


-6ở mỏm cực. Đường biểu diễn của từ cảm Bt dọc theo bước cực được biểu diễn
một cách gần đúng như trên hình 1.3.



.

a)

+

bc =

m

2
Bt

B tm

b)

/2

B tm1

1

0

/2

Hình 1.3- Từ trường do dây quấn kích thích ở khe hở của
Máy điện đồng bộ cực lồi.
Người ta không thể tạo được sự phân bố của từ cảm Bt theo dạng hình sin
(do những khó khăn về gia công độ cong của mặt cực). Nhưng đường phân bố từ
cảm không sin đó có thể phân tích thành sóng cơ bản và sóng bậc cao. Trong
Máy điện đồng bộ, sóng cơ bản là chủ yếu và sẽ tạo nên các s.đ.đ có tần số cơ
bản ở dây quấn stato, còn c¸c tõ tr­êng bËc cao cđa cùc tõ th­êng rÊt nhỏ, hơn
nữa s.đ.đ do chúng sinh ra còn bị giảm đi nếu chọn thích đáng bước ngắn y và số
rÃnh cđa mét pha ë mét cùc q cđa d©y qn stato.

-7b. Đối với máy điện cực ẩn
ở trường hợp Máy ®iƯn ®ång bé cùc Èn, ®­êng biĨu diƠn tõ c¶m Bt của cực
từ có dạng hình thang như trên hình 1. 4.

. . . .

+

δ

a)

+

+

+

τ

B tm1

B tm

Bt

b)
α

0
γπ / 2

(1 − γ )π

γπ / 2

H×nh 1.4- Tõ tr­êng ë khe hë của Máy điện đồng bộ cực ẩn.
1.1.2.2. Từ trường của phần ứng
Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong d©y qn stato sÏ sinh ra tõ
tr­êng cđa d©y quấn stato, còn gọi là từ trường phần ứng. Tùy theo tính chất của
tải mà trục từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với trục từ trường
cực từ. Như vậy tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ hay phản
ứng phần ứng sÏ mang tÝnh chÊt kh¸c nhau tïy theo tÝnh chÊt trë, dung hay c¶m


-8của tải. Ngoài ra, vì trong máy điện cực ẩn khe hở là đều, còn trong máy điện cực
lồi khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau, nên s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn
phần tĩnh do từ trường phần ứng ở hai loại máy đó hoàn toàn không giống nhau.
a. Phản ứng phần ứng ngang trục và dọc trục
Xét tương quan về không gian giữa cực từ trường phần ứng và từ trường
cực từ trong trường hợp máy điện 3pha hai cực, mỗi pha tương ứng bởi một vòng
dây.
Giả sử các s.đ.đ và dòng điện trong 3 pha là hình sin, và xét tại thời điểm
iA = Im, phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải:
- Nếu tải thuần trở, ta có phương của từ trường quay phần ứng Fư thẳng góc
với phương của từ trường cực từ Ft , phản ứng phần ứng là ngang trục.
- Nếu tải thuần cảm, Fư và Ft cùng phương (dọc theo trục cực từ) nhưng
ngược chiều nhau, và phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ.
- ở tải thuần dung, Fư và Ft cùng chiều. Phản ứng phần ứng là dọc trục trợ

từ.
- Trường hợp tải hỗn hợp, phân tích Fư thành hai thành phần dọc trục và
ngang trơc (h×nh 1.5):
Fud = Fu sin Ψ
Fuq = Fu cos Ψ

(1-1)


-9-

.
Fu

.
EA

.
IA

.
F uq
.
IC
.
Ft

Y

.

F ud

.
EC

.
EB

.

+ C

Fu

A

.

S
+X

N

.
IB

.

Ft

+ B

Z

b)

a)

Hình 1.5- Đồ thị véctơ (a) và quan hệ không gian giữa từ trường cực từ và từ
trường phần ứng (b) ở tải hỗn hợp (0 < ϕ < 900).
Ta thÊy khi t¶i cã tÝnh cảm ( 0 < <


2

), phản ứng phần ứng vừa ngang trục

vừa khử từ, còn khi tải có tính dung ( 0 > >


), phản ứng phần ứng là ngang
2

trục và trợ từ.
b. Từ cảm do từ trường phần ứng và điện kháng tương ứng
- ở trường hợp máy đồng bộ cực ẩn, khe hở giữa stato và roto là đều, và
nếu mạch từ không bÃo hòa thì tõ trë lµ h»ng sè. Nh­ vËy, nÕu søc tõ động (s.t.đ)
của dây quấn phần ứng phân bố hình sin thì từ cảm dọc khe hở cũng theo hình
sin. Từ thông u sẽ quay đồng bộ với roto và cảm ứng trong bản thân dây quấn
phần ứng s.đ.đ:

Eu = 2 fwk dq u

(1-2)

và điện kháng tương ứng:

xư = E­/I.

(1-3)


- 10 Thường xư = 1,1 ữ 2,3.
- ở máy đồng bộ cực lồi, khe hở giữa stato và roto không đều nên tuy s.t.đ
của phần ứng là hình sin nhưng từ cảm phân bố dọc khe hở là không sin. Sự phân
bố không sin đó còn phụ thuộc vào góc giữa E và I, nghĩa là phụ thuộc vào
tính chất của tải, vì với mỗi góc khe hở dọc theo sóng s.t.đ Fư có khác nhau.
Để việc nghiên cứu được dễ dàng, ta phân tích s.t.đ Fư ở tải bất kỳ có góc
nào đó thành hai thành phần dọc trục và ngang trục, khi đó ta xét từ cảm theo

hai hướng có từ trở xác định ®ã. Ta cã:
Fud = Fu sin Ψ =

m 2 wk dq
m 2 wk dq
I sin Ψ =
Id
p
p
π

π

m 2 wk dq
m 2 wk dq
Fuq = Fu cos Ψ =
I cos Ψ =
Iq
p
p
π
π

Trong ®ã, I d = I sin Ψ; I q = I cos

(1-4)

(1-5)

Biên độ của Fưd và Fưq trùng với trục dọc và ngang của cực từ (hình 1.6).

Hình 1.6- Từ trường phần ứng dọc trục (a) và ngang trục (b) trong
máy điện cực lồi.


- 11 Nếu khe hở là đều thì từ cảm do chúng sinh ra sẽ phân bố hình sin (đường1
trên hình 1.6). Trên thực tế, do khe hở không đều, từ cảm dọc và ngang trục
Bưd,Bưq phân bố không sin (đường 2), có thể phân tích thành sóng cơ bản và các
sóng bậc cao. Trong máy đồng bộ, các sóng bậc cao này rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Các sóng cơ bản có biên độ Bưdm1 , Bưqm1 nhỏ hơn Bưdm,Bưqm. Khi đó, điện kháng
của máy đồng bộ cực lồi sẽ có hai thành phần khác nhau, điện kháng ngang trục

xưq và điện kháng dọc trục xưd: xưd = E­d/Id ; x­q = E­q/Iq. Th­êng x­d = 0,5 ÷ 1,5;
xưq = 0,3 ữ 0,9.
1.1.3. Sơ đồ thay thế máy ®iƯn ®ång bé
Trong chÕ ®é x¸c lËp mét m¸y ®iƯn đồng bộ cực ẩn có sơ đồ thay thế gần
giống với sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ. Điện áp stato Us tạo ra dòng
điện Is và từ thông từ hoá lõi sắt. Dòng điện kích từ Ik chảy trong dây quấn kích
thích tạo nam châm rôto, khi quay nam châm này sinh ra sức điện động trong dây
quấn stato (E). Như vậy ta có thể dựng được sơ đồ thay thế cho một pha như trên
hình 1.7a. Mạch rôto có thể quy đổi về stato bằng dòng điện Ik có tần số e, như
trên hình 1.7b, trong đó n là tỉ số quy đổi giữa giá trị hiệu dụng của Ik và biên độ
của dòng một chiều Ik. Trong chế độ xác lập năng lượng truyền tới dây quấn là
bằng không và toàn bộ năng lượng chuyển qua khe hở không khí được biến thành
cơ năng. Sử dụng định luật Thevenin ta có sơ đồ thay thế Hình 1.7c, trong đó E =
eLmnIk = ek là sức điện động quay tương ứng từ thông kích thích k do Ik tạo
ra.
Tổng điện kháng tản stato eLs và điện kháng từ hoá eLm, ta gọi là điện
kháng đồng bộ Xs = ωeLs = ωe (Lσs + Lm), vµ tỉng trở Zs = Rs + jXs gọi là tổng trở
đồng bộ, trong đó Ls là điện cảm tản của dây quÊn pha stato, Lm=1,5.Laa


- 12 -

Rs

Lσκ

Lσ s

Is

*

Lm

*

Rk
Ik
U

a)
Rs

L σs

Um

Is
Us

Rs
Us

,
Ik = nIk

Lm

b)

I

s

Lσ s

Um

Lm

Um

E = Ls m nI

c)

Hình 1.7- Sơ đồ thay thế một pha của máy điện đồng bộ cực ẩn.
Laa là điện cảm tương øng tõ th«ng khe hë kh«ng khÝ cđa mét pha stato.
Máy điện đồng bộ cực ẩn có thể vận hành với hệ số công suất theo 3 chế
độ: cos dương với thiếu kích từ, cos âm với quá kích từ và cos = 1 với đủ
kích từ. ở một tần số e xác định, có thể định nghĩa được sức ®iƯn ®éng khe hë
kh«ng khÝ Um = ωeψm, trong ®ã m = LmIm là từ thông khe hở không khí. Dòng
điện Im được hình thành bởi thành phần kích từ If và thành phần cảm kháng của
dòng điện stato Is. Hình 1.8 biểu diễn các đồ thị véc tơ của sơ đồ thay thế hình
1.7c cho các chế độ động cơ và chế độ máy phát.


- 13 Is

ϕ

Us

δ
ψ

ψ

k

ψ

- Is R

s

E

s

- Is X s

a)
a

- Is Xs
E

δ
ϕ

-I R
s s
U

Is

s

b)

Hình 1.8- Đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ
a- Chế độ động cơ

b- Chế độ máy phát

Nếu bỏ qua tổn thất trên điện trở dây quấn stato thì ta có thể biết được
modul véc tơ từ thông stato tỷ lệ với biên độ điện áp và có pha vuông góc với
điện áp.
s =

Us

e

.e

j

2

; a = IsLs

(1-6)

Trong đó a là từ thông phản kháng.
Góc giữa Us và E được gọi là góc mômen, nó có giá trị âm trong chế độ
động cơ và có giá trị dương trong chế ®é m¸y ph¸t (theo chiỊu tõ Us tíi E).
1.1.4. Quan hệ điện từ trong Máy điện đồng bộ
Vịêc phân tích các quan hệ điện từ chính trong MĐĐB để tạo cơ sở cho
việc nghiên cứu các đặc tính của máy phát và động cơ điện đồng bộ. Các quan hệ
điện từ chính trong Máy điện đồng bộ bao gồm các phương trình điện áp, giản đồ


- 14 cân bằng năng lượng, công suất điện từ của Máy điện đồng bộ. Các quan hệ này
khác nhau đối với động cơ, máy phát và máy bù đồng bộ; và cũng mang đặc
điểm riêng biệt với máy đồng bộ cực ẩn và cực lồi.
1.1.4.1. Phương trình điện áp của Máy điện đồng bộ
Chế độ làm việc của Máy ®iÖn ®ång bé ë tèc ®é quay n = const được thể
hiện rõ ràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng E, U, I, It, cos , trong đó
một số quan hệ chính được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp của máy. ở
tải đối xứng, ta có thể xét riêng rẽ từng pha, phương trình điện áp một pha có
dạng sau:
- Đối với máy phát điện đồng bộ:
ã

(1-7)

U ã = E I ã ( ru + jxu )

- Đối với động cơ điện đồng bộ hoặc máy bù đồng bộ:
ã

(1-8)

U ã = E + I ã ( ru + jxu )

trong đó:

U: điện áp ở đầu cực máy
ru và xu : điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng
E : s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hë.

Nh­ ta ®· biÕt, tõ tr­êng khe hë lóc có tải là do từ trường cực từ Ft và từ
trường phần ứng Fư sinh ra. Khi mạch từ của máy không bÃo hòa, có thể xem như
các từ trường Ft, Fư độc lập sinh ra trong dây quấn các s.đ.đ E và Eư. áp dụng
nguyên lý xếp chồng ta có:

ã

E = E ã + E u

ã

(1-9)

Khi mạch từ của máy bÃo hòa thì nguyên lý xếp chồng nói trên không áp
dụng được. Trong trường hợp đó phải xác định từ trường tổng Fo ã + Fu ã và từ
thông tổng ở khe hở F ã , sau đó suy ra s.đ.đ E ã .

- 15 *** Trường hợp máy phát điện:
Máy cực ẩn

Máy cực lồi

Phương trình cân bằng điện áp:

S.t.đ: Fu ã = Fud ã + Fuq ã tương ứng sẽ sinh ra trong

•

U • = E • + Eu − I • ( ru + jxu )

dây quấn phần ứng s.đ.đ:

(1-10)

ã

ã

ã

ã

Eud = − jI d xud ;
Euq = − jI q xuq

mµ Eu ã = jI ã xu , nên:

(1-12)
Phương trình cân bằng điện áp:

U ã = E ã jI • ( xu + xσu ) − I • ru
U • = E • − jI • xdb − I • ru

•

•

U • = E • + Eud + Euq − I • ( ru + jxσu );
•

(1-11)

•

U • = E • − jI d xud − jI q xuq − jI • xσu − I • ru

(1-13)

Ng­êi ta cịng viết được dưới dạng:
với: xdb = xu + xu gọi là điện

ã

ã

U ã = E ã jI d xd jI q x q I ã ru ;

kháng ®ång bé.

(1-14)

víi: x q = xuq + xσu gäi lµ điện kháng đồng bộ

( thường xdb=0,7 ữ 1,6).

dọc trục.
xq = xuq + xu gọi là điện kháng đồng bộ

ngang trục.
(thường xd = 0,7 ÷ 1,2; xq = 0,46 ÷ 0,76)
***Tr­êng hợp động cơ điện:
Khi làm việc như động cơ điện đồng bộ, máy điện đồng bộ tiêu thụ công
suất điện lấy từ mạng điện để biến thành cơ năng.
Như đà biết, động cơ đồng bộ thường có cấu tạo cực lồi nên nếu gọi điện
áp lưới điện là U, ta cã:
•

U • = Eδ + I • ( ru + jxσu )
•

•

U • = E • + Eud + Euq + I • ( ru + jxσu )
•

•

U • = E • + jI d xd + jI q x q + I • ru

(1-15)


- 16 1.1.4.2. Các đặc tính góc của Máy điện đồng bộ
Giả sử tốc độ quay n của máy và điện áp U của mạng điện là không đổi, ta
hÃy xét các đặc tính góc công suất tác dụng và công suất phản kháng của Máy
điện đồng bộ.
a. Đặc tính góc công suất tác dụng.
Đặc tính góc công suất tác dụng của Máy điện đồng bộ là quan hệ P =f( θ )
khi E = const, U = const, trong đó là góc tải giữa véctơ s.đ.đ E và điện áp U.
Việc nghiên cứu đặc tính này cho phép giải thích được nhiều tính chất
quan trọng của máy. Trong khi nghiên cứu đặc tính góc đó, để đơn giản ta bỏ qua
rư vì trị số của nó rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ (xdb, xd, xq).
Như đà biết, công suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy bằng:
P = mUIcos

(1-16)

Đối với máy cực låi, ta cã:
Id =

E − U cos θ
xd

(1-17)

U sin θ
Iq =
xq

và = , do đó:
P = mUI cos ϕ = mUI cos(ψ − θ )
P = mU ( I cosψ cos θ + I sinψ sin θ )
P = mU ( I q cos θ + I d sin θ )
P=

hay lµ:

2

(1-18)
2

mU
mEU
mU
sin θ cos θ +
sin θ −
sin θ cos θ
xq
xd
xd

mUE
mU 2 1
1

P=
sin θ +
( − ) sin 2θ = Pc + Pu
xd
2 xq xd

Theo hÖ đơn vị tương đối ta có:

(1-19)


- 17 2

U E
U
1
1
P* = * * sin θ + * (
−
) sin 2θ
xd *
2 x q* xd *

(1-20)

Nh­ vËy công suất tác dụng của máy cực lồi gồm hai thành phần: thành
phần Pc tỷ lệ với sin và phụ thuộc vào E0 (hoặc it), và thành phần Pu tỷ lệ với
sin2 , không phụ thuộc vào E (hoặc it), (trị số của Pu nhỏ hơn nhiều so với Pc).
Đối với máy đồng bộ cực ẩn, do xd = xq nªn tõ biĨu thøc (1-18) ta cã:

P=

mUE
sin θ
xd

(1-21)

ë trên ta đà nói, góc là góc tải giữa véctơ s.đ.đ E và điện áp U, khi
thay đổi thì công suất P thay đổi. Để thấy rõ ý nghÜa vËt lý cđa sù thay ®ỉi cđa P
theo θ ta chú ý rằng, nếu bỏ qua các điện áp rơi Irư và Ixu thì và do đó
chính là góc không gian giữa s.t.đ F0 của roto sinh ra E vµ Fδ = Fo + Fu ở khe hở
trên mặt stato sinh ra E . Khi làm việc như máy phát điện,góc không gian >0,
roto (hoặc F0) vượt trước và kéo theo từ trường F trên mặt stato; còn khi làm
việc như động cơ điện, <0, từ trường tổng F trên mặt stato kéo roto (hoặc F0)
quay theo. Lực kéo đó biểu thị cho công suất P. P thay đổi theo , vì khi thay
đổi, lực kéo giữa F0 và F sẽ thay đổi.
b. Đặc tính góc công suất phản kháng.
Công suất phản kháng của Máy điện đồng bộ bằng:
Q = mUI sin ϕ = mUI sin(ψ − θ )
Q = mU ( I sinψ cos θ + I cosψ sin θ )
Q = mU ( I d cos θ − I q sin )

(1-22)

Thay trị số của Id, Iq vào ta được:
Q Ư=

1
1

mUE
mU 2 1
mU 2 1
cos +
( ) cos 2θ −
( + )
2 xq xd
2 xq xd
xd

(1-23)


- 18 Tõ biĨu thøc nµy ta thÊy, khi θ có trị số dương hoặc âm thì trị số của Q vẫn
không đổi nên đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát điện và động cơ
điện đồng bộ giống nhau. Trong 1 phạm vi của , máy sẽ phát công suất phản
kháng vào lưới điện, ngoài phạm vi đó máy sẽ tiêu thụ công suất phản kháng lấy
từ lưới điện. Dựa vào đặc tính đó người ta sử dụng động cơ đồng bộ làm việc ở
chế độ không tải để phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện, gọi
là máy bù đồng bộ.
* Như vậy, ta đà xét những đặc điểm cơ bản của Máy điện đồng bộ với các
chức năng làm máy phát điện, động cơ điện và máy bù đồng bộ. Việc sử dụng với
chức năng làm máy bù, đặc biệt là máy phát điện của Máy điện đồng bộ là khó
có thể thay thế. Còn riêng với chức năng động cơ, Máy điện đồng bộ đang ngày
càng thể hiện những điểm ưu việt, do đó càng được nghiên cứu ứng dụng và sử
dụng rộng rÃi trong thực tế, đặc biệt khi nó được kết hợp với khoa học kỹ thuật
hiện đại các phương pháp điều khiển mới, để có thể khắc phục được những
nhược điểm còn tồn tại.
1.2. Động cơ đồng bộ ba pha
1.2.1. Giới thiệu chung

Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động
không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW (truyền
động cho các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền v.v...). Ngày nay, do
sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và công nghệ vật liệu, động cơ
đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công
suất từ vài trăm W (truyền động cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu
truyền động của tay máy, người máy), đến hàng MW (cho đến các truyền động


- 19 kéo tàu tốc độ cao TGV, máy nghiền, máy cán v.v...). Có thể phân loại động cơ
xoay chiều đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính:
- Loại rôto có kích từ ngoài với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW.
Cuộn kích từ được cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi.
- Loại rôto là nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ.
Trong phạm vi luận văn này, ta chỉ nghiên cứu chuyên sâu về động cơ đồng
bộ kích từ quấn dây, vì mục tiêu là những ứng dụng công suất lớn.
1.2.2. Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ
Các đặc tính của động cơ đồng bộ làm việc với dòng điện kích tõ it = const
trong l­íi ®iƯn cã U,f = const bao gåm c¸c quan hƯ Pt; It; cos ϕ = f(P2) có dạng
như trên hình 1.9.
P1 , I1* , cos
*

1.2

P1

1,0

cos

0,8

I1

0,6
0,4
0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1.2

P2

*

Hình1.9- Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ Pđm = 500kW; 600V;
50Hz; 600vòng/phút; cos =0,8 (quá kích thích).
Cũng giống như máy phát đồng bộ, động cơ đồng bộ thường làm việc với
góc = 200 ữ 300 . Đặc điểm của động cơ đồng bộ là cã thĨ lµm viƯc víi cos ϕ cao

- 20 và ít hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lưới điện nhờ thay đổi
dòng điện từ hóa it.
1.2.3. Mô men điện từ của động cơ đồng bộ ba pha
Từ đồ thị véctơ của động cơ đồng bộ (Hình 1.8a), ta tính được dòng điện Is
trong tr­êng hỵp bá qua Rs:
Is.cosϕ = −

E
π
cos(δ + )
Xs
2

(1-24)

NÕu coi rằng công suất điện từ bằng công suất điện lấy vào từ lưới thì:
Pđt = 3

UsE
2
sin =
e . M
Xs
Pp

(1-25)

M=

3Pp U s E
sin δ
2 ωe X s

(1-26)

M=

3Pp

(1-27)

2

ψ s I s cos
máy phát

động cơ

Mmax


0
50%

100%k

Hình1.10- Đặc tính mômen góc tải của động cơ đồng bộ cực ẩn.
Với động cơ đồng bộ cực lồi thì do sự khác nhau về khe hở dọc và ngang

trục, nên nói chung điện kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau Xds Xqs, do
đó đồ thị véc tơ trở nên phức tạp hơn và được dựng theo từng trục, nếu bỏ qua Rs
thì ta có đồ thị véc tơ như trên Hình1.11. Sức ®iƯn ®éng quay E cã ph­¬ng trïng


- 21 với trục oq, trong khi đó từ thông kích thích trùng với trục od. Véc tơ điện áp và
dòng điện pha stato được phân thành các thành phần dọc theo trục od và trục oq.
Từ thông phản kháng của phần ứng a được cộng vào từ thông kích từ k để tạo
thành từ thông s.
Đồ thị véc tơ trong hƯ trơc dq cịng cã thĨ ¸p dơng cho máy điện cực ẩn,
nếu coi Xđs=Xqs.
U qs

Is

Us

Uds


I ds

I qs
Is

J.I qs.X qs
E

q

J.Ids.X ds
s

s

k

Iqs

E

Ids

k



J.Ids.X ds
Us

Uds
a

J.Iqs.X qs
U qs

d

a
d
a)

q

b)

Hình1.11- Đồ thị véctơ của động cơ đồng bộ cực lồi.
Từ hình 1.11a có thể viết:
Iacos = Iqscos - Idssin

(1-28)

Công suất động cơ nhận từ lưới cũng coi gần đúng là công suất điện từ:
Pđ = Pđt = 3Us (Iqscos - Idssin)

(1-29)

Các thành phần dòng điện chiếu lên các trục:
Ids =

U d cos E
X ds

; Iqs =

U s sin δ
X qs

(1-30)

ThÕ c¸c biĨu thức (1-30) vào (1-29) ta được công suất điện từ và mômen
điện từ:

Pđt = 3

( X ds X qs )
UsE
sin δ + 3U s2
sin 2δ
X ds
2 X ds X qs

(1-31)


- 22 -

M=
=


3Pp U s E
( X ds − X qs )
sin δ + U s2
sin 2δ 

2ω e  X ds
2 X ds X qs



(1-32)


3Pp ψ sψ k
( X − X qs )
sin δ + ψ s2 ds
sin 2δ

2e Lsd
2 Lds Lqs


(1-33)

M
máy phát

động cơ
100%k

150%
50%
0%
- 2

0

+

4

+ 2

+



Mômen từ trở

Hình1.12- Đặc tính mômen góc tải động cơ đồng bộ cực lồi.
Mô men động cơ đồng bộ cực lồi gồm hai thành phần: thành phần thứ nhất
giống hệt biểu thức mômen (1-26), ngoại trừ Ls được thay thế bằng Lds; thành
phần thứ hai gọi là mômen từ trở (Lds Lqs), nó luôn hướng rôto tới vị trí sao cho
điện kháng cực tiểu, không phụ thuộc vào từ thông kÝch thÝch ψk.
Cịng cã thĨ thÊy r»ng nÕu gi÷ tØ số Us/e là hằng số (điện áp stato luôn tỷ
lệ với tần số), từ thông kích thích và góc tải không đổi thì mômen điện từ của
động cơ sẽ là không đổi.
1.2.4. Khởi động và hÃm động cơ đồng bộ kích từ quấn dây
Đặc tính cơ động cơ đồng bộ trình bày trên hình 1.13 (đường 1) ta thấy
bản thân động cơ không sinh ra mômen khởi động. Do vậy bắt buộc khi chế tạo
và sử dụng động cơ cần quan tâm tới vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ bằng
không lên đến tốc độ đồng bộ.