Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 2.10 ( tiếp theo) pptx

dmdm
qt
P
P
M
M
K
maxmax
==
(10.29)
Ở máy dị bộ khái niệm quá tải về công suất và mô men khác nhau (vì n =
var) còn ở máy đồng bộ 2 khái niệm này trùng nhau. Cũng từ đồ thị này ta thấy
máy đồng bộ chỉ có thể làm việc ổn định ở trong phạm vi θ = 0 ÷ 90; ngoài giá trị
đó ra máy mất đồng bộ.
Tuy nhiên trong thực tế góc công tác của máy điện đồng bộ chỉ có giá trị
khoảng 35-45
0
bởi vì nếu góc công suất lớn hơn thì độ dự trữ công tác sẽ nhỏ.
10.10.5.2 Mô men ở máy cực hiện:
Trên cơ sở sơ đồ tương đương đơn giản (R = 0) và đồ thị véc tơ hình 10.36
ta có:
Icosϕ = I
q
cosθ + I
d
sinθ (10.30)
163
Hình 10.35 Đặc tính mô men của máy đồng bộ cực ẩn
M
max1
M

max2
M
max3
M
θ
M=f(θ) với u=const,
f=const,E
0
=const
E
01
E
02
E
03
0
90
0
180
E
0
X
s
I
U
I
0
U
C
JXI

ϕ
θ
ψ
I
0
U
JXI
d
ϕ
θ
ψ
I
d
I
q
JXI
q
Hình 10.36 Đồ thị véc tơ đơn giản của máy đồng bộ cực hiện
X
q
I
q
= Usinθ (10.31)
X
d
I
d
= E
p
- Ucosθ (10.32)

Thay 3 biểu thức này vào (12.23) ta có:








−+≈
θθ
2sin)
11
(
2
1
sin3
2
dqd
p
XX
U
X
UE
P
(10.33)
và









θ−+θ=
2sin)
X
1
X
1
(U
2
1
sin
X
UE
n
m
975,0M
dq
2
d
p
(10.34)
So sánh (10.29) với (10.34) ta thấy thành phần thứ nhất là mômen của máy
cực ẩn. Giá trị mômen này phụ thuộc vào điện áp U và dòng kích từ I
kt
. Thành phần
thứ 2:

θ−≈
2sin)
X
1
X
1
(U
2
1
.
n
m
975,0M
dq
2
(10.35)
không phụ thuộc vàp dòng kích từ, nó chỉ phụ thuộc vào độ không đối xứng mạch
từ giữa trục d và q. Người ta gọi mômen này là mômen dao động hay mômen do
phi đối xứng từ. Trên (hình 10.37) biểu diễn đặc tính của mômen này.
Đường M
1
là thành phần thứ nhất của biểu thức (10.34) tức là mômen xuất
hiện ở máy cực ẩn, đường M
2
là thành phần thứ 2 của (10.34) còn M là tổng của 2
thành phần trên (10.34). Sự xuất hiện mômen dao động làm tăng hệ số quá tải của
máy.
Èn cùc
låi cùc
)

M
M
(2,1)
M
M
(
dm
max
dm
max
≈
10.10.6. Mômen đồng bộ và dao động máy
164
HÌnh 10.37 Đặc tính mô men máy đồng bộ cực ẩn
θ
M=f(θ) với U=const, f=const, E
0
=const
M
1
M
M
2
M
db
90
0
-90
0
180

0
-180
0
Vùng ổn định
θ
max
Hai máy phát đồng bộ làm song song được với nhau không phải vì các
máy có trang bị bộ điều tốc mà là do một loạt các hiện tượng khác. Để nghiên cứu
vấn đề này ta hãy xét một máy đồng bộ làm việc song song với mạng cứng (hình
10.38). Giả sử máy đang làm việc ổn định tại điểm 1, lúc này M
e
-M
đc
=0, máy quay
với tốc độ không đổi. Khi tăng lượng dầu cho máy lai, công suất của máy phát tăng
lên, giả dụ đạt đến điểm 2 ứng với công suất P
2
, nhưng do quán tính rôto chạy tới
điểm 2’. Tại điểm này mômen cơ lớn hơn mômen điện từ (M
đc
>M
e
) làm cho rô to
quay chậm lại, đáng lẽ dừng lại tại điểm 2, song cũng do quán tính rôto đạt tới điểm
1’, ở điểm này công suất điện từ lại lớn hơn cơ (M
e
>M
đc
) nên rôto lại quay nhanh,
song bây giờ nó không tới điểm 2’ mà tới điểm 2’’ thấp hơn. Quá trình được lặp lại

với biên độ dao động quanh điểm 1 nhỏ dần và cuối cùng rôto dừng lại ở điểm 2 -
điểm có công suất cơ bằng công suất điện, ta có chế độ ổn định. Hiện tượng này gọi
là hiện tượng dao động máy. Hệ thống nghiên cứu này có quán tính và đàn hồi. Độ
đàn hồi được được biểu diễn bằng sự thừa mômen xuất hiện khi dao động. Nó
chính là nguyên nhân giữ cho máy làm việc đồng bộ. Để xác định khả năng giữ
đồng bộ của máy ta đưa ra khái niệm mômen đồng bộ và được định nghĩa như sau:
θ
=
d
dM
M
dt
db
Ứng với nó là công suất đồng bộ
θ
=
d
d
P
p
db
Mômen đồng bộ đôi khi còn được xác định như sự thừa mômen
θ
θ∆=∆
d
dM
M
.
165
(10.30)

(10.30a)
θ
cP
1
cP
2
cP
1
1
2
2’
θ
1
θ
2
’’
θ
2
θ’
1
2’’’
2
2’
M
1
M’’
2
M
2
M

2
’
π/2
θ
-π/2
π/2
M(p)
M
đb
E
01
E
01
>E
01
M
đb
=f(θ) với
U=const
F=const
E=const
Động cơ Máy phát
Động cơ Máy phát
a)
b) c)
Hình 10.35 Mô men đồng bộ a) Sơ đồ véc tơ,b) Đặc tính góc, c) Mô men đồng bộ
Mômen đồng bộ càng lớn (sự thừa càng nhiều) thì khả năng giữ đồng
bộ càng lớn với máy đồng bộ cực ẩn thì mômen đồng bộ có dạng hình 10.35b.
θ=
cos

X
UE
CM
s
p
d
(10.31)
Từ đây ta thấy rằng khi θ = 90
0
thì mômen đồng bộ bằng không, máy
rời khỏi đồng bộ. Vì thế không nên để máy làm việc với góc θ ≈ 90
0
vì rất dễ mất
đồng bộ.
Mômen đồng bộ phụ thuộc vào dòng kích từ. Nếu i
kt
càng lớn thì
mômen càng lớn, điều đó chứng tỏ ở máy kích từ thừa khả năng đồng bộ sẽ lớn hơn
máy kích từ thiếu. Khi điện áp lưới giảm, mômen đồng bộ giảm, máy dễ rời khỏi
đồng bộ.
Mômen đồng bộ liên quan với khái niệm làm việc ổn định của máy
đồng bộ. Để máy làm việc ổn định cần thoả mãn:
0
d
dM
CM
d
db
>
θ

=
(10.32)
Mômen đồng bộ giữ một vai trò rất quan trọng trong các trường hợp công
tác bị nhiễu. Cần lưu ý rằng ở chế độ quá độ giá trị X
s
thay đổi. Khi chú ý tới hiện
tượng xuất hiện ở chế độ quá độ ta có thể xác định độ ổn định và quá tải động. Ở
chế độ quá độ do X
s
giảm nên M
db
tăng. Đó là điều có lợi cho khả năng giữ đồng bộ
của máy.
Hiện tượng dao động máy trên đây mang tính tắt dần. Nếu khả năng tắt dần
kém hoặc muốn rút ngắn quá trình dao động người ta dùng thêm cuộn ổn định đặt
trên các mặt cực từ. Cuộn này được thực hiện như rôto ngắn mạch của máy điện dị
bộ. Sự tăng nhanh hoặc chậm của rôto so với từ trường kích từ trong cuộn ổn định
đều cảm ứng sđđ và tạo ra mômen chống lại hiện tượng gây nên hậu quả đó, kết
quả làm cho rôto chóng ổn định.
10.11. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
10.11.1 Tính chất động của động cơ đồng bộ
Một máy điện đồng bộ được nối với lưới điện sau khi hoà đồng bộ có thể
làm việc như máy phát hoặc như động cơ phụ thuộc vào tải. Để giải thích điều này
chúng ta sử dụng sơ đồ véc tơ máy đồng bộ cực ẩn. Giả thiết rằng hoà đồng bộ
chính xác E
p
=
U
lưới
(hình10.36). Lúc này máy chạy không tải (θ = 0) không nhận và

cũng không phát ra một công suất nào, tổn hao trong máy điện được bù đắp bởi
máy lai. Nếu tại thời điểm này ta tăng công suất máy lai mà không thay đổi dòng
kích từ thì rôto sẽ tăng tốc làm góc công suất θ > 0 (hình 10.36b).
166
CQ
3
CQ
4
2
CP
23
3
E
0
E
03
U
I
3
I
2
IX
3
IX
2
θ
CQ
4
CQ
5

CP
45
4
5
E
0
u
s
IX
5
IX
4
θ
I
5
I
4
E
0
U
l
θ=0
E
0
U
l
a)
b)
c)
d)

e)
I
I
CQXI
U
l
XI CQ
E
0
E
0
U
l
Hình 10.36 Khả năng làm việc của máy điện đồng bộ. a)Chạy không tải, b) làm việc như
máy phát;c) Làm việc như động cơ; d)Làm việc như máy bù.
Ở một giá trị θ
2
nào đó có sự cân bằng công suất nhận và công suất phát,
máy đồng bộ làm việc ổn định (điểm 2). Từ vị trí dòng điện trên đồ thị véc tơ ta
thấy máy điện làm việc như máy phát, phát ra công suất tác dụng P
2
và công suất
dung kháng Q
2
. Vì máy phát phát ra công suất dung kháng không tốt lắm cho nên ta
phải tăng dòng kích từ để dòng tải có tính cảm kháng, máy phát ra công suất tác
dụng và công suát cảm kháng.(điểm 3).
Nhưng cũng tại thời điểm xuất phát nếu ta ngắt máy lai, sau đó tải nó bằng
mô men cơ học thì tốc độ rôto chậm dần nhận vị trí ổn định (4) ứng góc công suất
θ

4
. Lúc này máy làm việc như động cơ đồng bộ nhận từ lưới công suất P
4
và Q
4
(cảm kháng). Do nhận từ lưới công suất cảm kháng Q
4
không phù hợp nên ta phải
tăng dòng kích từ để máy có thể cho cosϕ =1 hoặc nhận công suất dung kháng Q
5
và công suất P
5
tác dụng ứng với điểm 5 .
Để hình dung được ảnh hưởng của kích từ ta xét ở chế độ không tải. Tại chế
độ này nếu ta chỉ tăng dòng kích từ (quá kích) thì máy sẽ phát dòng cảm kháng
(hình10.36d), còn nếu giảm dòng kích từ máy sẽ phát dòng dung kháng
(hình.10.41e). Các chế độ có thể làm việc của máy đồng bộ biểu diễn ở H.10.37.
167
jXI
E
0
cQ
U
§éng c¬ nhËn c«ng
suÊt t¸c dông vµ c«ng
suÊt dung kh¸ng
§éng c¬ nhËn c«ng
suÊt t¸c dông vµ c«ng
suÊt ph¶n kh¸ng
M¸y ph¸t nhËn c«ng

suÊt t¸c dông vµ c«ng
suÊt ph¶n kh¸ng
M¸y ph¸t nhËn c«ng
suÊt t¸c dông vµ c«ng
suÊt dung kh¸ng
Hình 10.37 Các khả năng làm việc của máy điện đồng bộ
10.11.2. Khởi động động cơ đồng bộ:
Trước hết ta hãy xét một máy điện đồng bộ không có một thiết bị phụ đặc
biệt nào. Cuộn kích từ được nối vào nguồn 1 chiều, còn cuộn phần ứng được nối
vào lưới điện 3 pha tạo ra từ trường quay với tốc độ
P
f60
n
tt
=
. Trong điều kiện này
ở trong máy đồng bộ xuất hiện mômen biến đổi hình 10.38.
Chu kỳ biến đổi của mômen xác định:
tt
tt
ttM
M
n
)nn(f
1
)nn(p
60
f
1
T



===
(10.33)
Trong đó: n - Tốc độ tức thời của rôto; dấu “-“ khi nó quay thuận chiều
quay, còn dấu “+” khi quay ngược chiều quay. Khi n = 0 thì f
M
= f
1
= 50H
Z
. Một
mômen biến đổi với tần số như vậy thì do rô to có quán tính lớn sẽ không chuyển
động. Có thể nói gọn lại là máy điện đồng bộ không có mômen khởi động (M
tb
=
0). Do đó ta phải tìm cách khởi động động cơ đồng bộ.
a-Khởi động bằng máy ngoài
Thực chất của quá trình này là đồng bộ hoá hay tự đồng bộ. Ta dùng một
máy lai ngoài (động cơ dị bộ, hoặc động một chiều,...) quay rôto động cơ đồng bộ
tới tốc độ cần thiết để hoà vào lưới. Phương pháp này có nhược điểm là cần dùng
một động cơ ngoài nên tốn kém vì vậy ít được dùng.
168
M
T
M
M
tb
=0
Hình 10.38 Mô men máy đồng bộ khi rô to không quay

t
b-Phương pháp khởi động dị bộ
Đây là phương pháp giống như khởi động động cơ dị bộ. Để thực hiện được
phương pháp này người ta đặt ở mặt cực một cuộn dây ngắn mạch làm bằng các
thanh đồng (đồng thường hay đồng đỏ) giống như cuộn dây của máy điện không
đồng bộ rô to ngắn mạch. Nếu bỏ qua cuộn kích từ thì khi nối cuộn dây 3 pha vào
lưới sẽ có dòng 3 pha chạy vào và tạo ra từ trường quay làm rôto quay như máy
điện dị bộ. Khi đã đạt được tốc độ nhất định nếu ta cấp dòng kích từ cho cuộn kích
từ thì giữa từ trường một chiều và từ trường quay sẽ tác động lên nhau và tạo ra
mômen có biên độ tăng dần. Chu kỳ T
M
của mô men này khi độ trượt nhỏ có giá trị
lớn (ví dụ f = 50H
Z
, s = 0,005 thì T
M
= 4s),nên mô men sinh ra trong máy đồng bộ
có thể giúp cho rôto tăng tốc để bước vào đồng bộ. Cuộn dây khởi động của máy có
thể là bản thân các lá thép cực từ với kích thước nhất định, khi từ trường biến thiên
trong nó sẽ xuất hiện dòng xoáy và tạo ra mômen đủ lớn để khởi động máy. Để
giảm dòng khời động người ta sử dụng các phương pháp như ở máy dị bộ.
Cho tới lúc này chúng ta đã bỏ qua cuộn kích từ. Nếu cuộn kích từ hở mạch
thì ở thời kỳ đầu của quá trình khởi động, từ trường quay do stato tạo ra sẽ quay so
với rôto một tốc độ rất lớn (n
tt
– n = sn
tt
) sẽ cảm ứng trong cuộn kích từ hở một sđđ
có giá trị rất lớn gây nguy hiểm cách điện cuộn kích từ và cho người vận hành. Để
tránh hiện tượng quá điện áp ta nối cuộn dây qua một điện trở thích hợp. Việc nối

điện trở này lại tạo ra một hiện tượng khác gọi là hiện tượng Gorgesa. Bản chất
hiện tượng này như sau:
- Từ trường quay của stato làm xuất hiện dòng xoay chiều ở mạch kích từ có
tần số:

sf
60
)nn(p
f
1
tt
2
=
−
=
(10.34)
Dòng biến đổi này tạo ra một từ trường biến đổi mà theo nguyên tắc ta có thể
tách ta làm 2 từ trường quay bằng nhau có cùng tốc độ nhưng chiều quay ngược
nhau. Một từ trường quay có chiều quay cùng chiều rôto còn từ trường kia ngược
chiều (xem động cơ dị bộ 1 pha). Tốc độ 2 từ trường đó so với rôto như sau:
Từ trường cùng chiều quay rôto:
p
f60
n
2
q2
=
(10.35)
Từ trường ngược:
p

f60
'n
2
q2
−=
(10.36)
Và so với stato:
Từ trường quay thuận: n
qs
= n + n
2q
= n
tt
(10.37)
Từ trường quay ngược:n’
qs
= n + n’
2q
= n – n
tt
+ n = 2n - n
tt
(10.37a)
Ta thấy từ trường thuận có tốc độ so với stato không đổi, vậy nó tạo ra
mômen dị bộ tác động lên rôto theo chiều của mômen do cuộn khởi động tạo ra.
169