Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ: Bài giảng 8

408001

Biến đổi năng lượng điện cơ

Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK2

Bài giảng 8

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

Máy điện đồng bộ – Giới thiệu

(cid:1) Máy điện đồng bộ được sử dụng chủ yếu làm máy phát 3 pha trong hệ thống điện. Công suất từ vài kVA đến hơn

1000 MVA.

(cid:1) Một dây quấn 3 pha được đặt trên stato (phần đứng yên) và một rôto (phần quay) với một dây quấn kích từ DC được

kéo quay bởi một động cơ sơ cấp. Các máy nhỏ hơn có thể

dùng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường rôto.

Bài giảng 8

(cid:1) Tốc độ của máy tỷ lệ trực tiếp với tần số của điện áp hay dòng điện stato, và độc lập với điều kiện tải.

Máy điện đồng bộ – Giới thiệu

(cid:1) Bài giảng sẽ chỉ đề cập đến các khái niệm nền tảng như

rút ra biểu thức mômen và sự vận hành xác lập hình sin

bằng một mạch tương đương.

(cid:1) Các máy điện quay 1 pha và 2 pha sẽ được giới thiệu sơ

lược như nền tảng cho việc phân tích sự hoạt động của

Bài giảng 8

máy 3 pha.

Máy điện quay 1 pha

(cid:1) Xét máy trong hình 6.1, với các dây quấn phân bố trên

stato và rôto. Từ thông móc vòng là (từ ví dụ 4.2)

LNN

) i

( ) q i

2 iLN s 0

iL ss

r pq

sr +

LNN

+ ( 21

( 210 ) + i

+ ( ) q i

2 iLN r 0

iL rr

(cid:1) Hai dây quấn có thể được coi như hai cuộn dây được

( ) q

' m

2 iL ss

2 iL rr

ii rs

1 2

Bài giảng 8

ghép, với đồng năng lượng cho bởi

Máy điện quay 1 pha (tt)

(cid:1) Mômen có thể được tính

( )q

' W m q

( ) q dL sr q d

¶ = = -= T sin ii rs Mii rs ¶

Nếu chỉ xét thành phần cơ bản của Lsr(q ) là Mcos(q ).

q 2

+ e T

Ri r

Ri s

l d r dt

q d dt

d dt

l d s dt

(cid:1) Mô hình động học của máy (hình 6.3)

Bài giảng 8

với Tm là mômen bên ngoài đặt vào cùng chiều dương với q .

Máy điện quay 1 pha (tt.)

)

( w

w e

( )q

cos

sin

MII r

(cid:1) Ở trạng thái xác lập hình sin, công suất cơ là )

(cid:1) Giả thiết điều kiện tần số được thỏa mãn, công suất trung

sin g

( ) 4

)

( avm

II sm

bình là,

mt + g . Mômen sinh ra có

(cid:1) g là một hằng số sao cho q = w

dạng đập mạch, với công suất thay đổi giữa 0 và một giá trị

đỉnh. Điều này có thể được loại bỏ bằng cách thêm vào 1

Bài giảng 8

dây quấn nữa trên cả stato và rôto, tạo thành máy 2 pha.

Máy điện quay 2 pha

(cid:1) Xét máy 2 pha trong hình 6.4, với các dây quấn đơn giản

hóa trên stato và rôto như được thể hiện.

(cid:1) Hai dây quấn stato hoàn toàn không bị ghép, tương tự

với hai dây quấn rôto.

(cid:1) Đồng năng lượng có thể được xác định theo từ thông

móc vòng (xem giáo trình). Mômen sinh ra được cho bởi

' m

)

( ) q

]q ( )

[ ( iM

( i

Bài giảng 8

¶ = = + - - T i i i cos i i i sin ¶ W q

Máy điện quay 2 pha

(cid:1) Khi các dòng điện 2 pha cân bằng được đưa vào các dây

quấn 2 pha cân bằng, một công suất hằng được tạo ra

[ ( w

(không có thành phần xoay chiều nào).

sin

) t

MII s

(cid:1) Bằng cách đặt hai cuộn dây lệch 900 và các dòng điện

lệch pha 900 (điện), điều kiện một tần số được tạo ra, và

( )g

Bài giảng 8

-= w p sinMII

Máy đồng bộ 3 pha

(cid:1) Xét một máy 3 pha cực lồi có 2 cực (hình 6.7). Các máy cực lồi được dùng trong các máy phát thủy điện tốc độ thấp

và động cơ đồng bộ 1 pha công suất thấp. Các cuộn dây

stato phân bố được dùng để tạo ra sức từ động hình sin dọc

Bài giảng 8

theo chu vi khe hở.

Dây quấn stato 3 pha

Cận cảnh dây quấn

Dây quấn stato 3 pha

Bài giảng 8

Khái niệm về từ trường quay

(cid:1) Các cuộn dây stato được làm lệch cơ học 1200 trong một dây quấn 3 pha. Khi được cung cấp một hệ dòng điện 3 pha, dây quấn

3 pha sẽ tạo một từ trường quay với độ lớn không đổi, giả thiết là

mạch từ không bão hòa. Tương tự, một dây quấn 2 pha với các cuộn dây stato lệch 900 cũng sẽ tạo ra một từ trường quay khi được

cung cấp một hệ dòng điện 2 pha.

Bài giảng 8

Khái niệm về từ trường quay (tt)

Bài giảng 8

Rôto cực lồi và cực ẩn

(cid:1) Rôto cực lồi sẽ không được khảo sát thêm nữa. Với rôto

cực ẩn, mômen sinh ra bởi điện năng cho bởi

' m

)

¶ = = + + T ii ra ii rb ii rc ¶ W q

( q

Bài giảng 8

-= dM q d ( ) q dM q d ( q + - - - sin sin 120 sin 120 Mii ra Mii rb dM q d Mii rc

Rôto cực lồi thực

Cận cảnh 1 cực rôto

Bài giảng 8

Rôto của một máy đồng bộ tốc độ thấp

Trường hợp rôto cực ẩn

(cid:1) Dưới điều kiện dòng 3 pha kích thích là cân bằng, với

dòng điện rôto không đổi, mômen có thể được biểu diễn như

)

( q

g -+

sin3

MII rm

sin3 2

( w 2

- - -

mt + g . Mômen sẽ có giá trị trung bình nếu w

m = w

với q = w

được gọi là tốc độ đồng bộ.

( ) g

( )g

Bài giảng 8

3 -= -= T sin sin MII rm MII ra 3 2 2

Trường hợp rôto cực ẩn (tt)

m bằng với tần số điện w

s (rad/s)

p 2

p 2 ns 60

(cid:1) Vì tốc độ đồng bộ w

Bài giảng 8

với ns là tốc độ đồng bộ tính bằng vòng/phút (rpm).

Điện áp ở trạng thái xác lập

I as

r 2 (cid:1) Mạch tương đương với giản đồ vectơ pha tương ứng chế độ động cơ được thể hiện dưới đây. d được định nghĩa là góc công suất tính từ Va đến Ear.

jxs

(cid:1) Điện áp pha a ở trạng thái xác lập 3 Lj 2

Elec.

Mech.

jxsIa

Ear

g d

Bài giảng 8

(cid:1) Tương tự cho pha b và pha c.

Tính công suất theo điện áp

(cid:1) Dòng điện được cho bởi - V E = I jx

Re3

P T

P a

( IE ar

(cid:1) Dưới điều kiện cân bằng, công suất tổng là

—

(cid:1) Chọn Va là vectơ tham chiếu, và xét (

)

V a

P T

3 x

)

( ) d

— · —

sin

s VE ar a

( p x

VE ar a x

Bài giảng 8

—

Biểu thức mômen

( ) d

sin

3-=

P T w

a w

VE ar x

(cid:1) Biểu thức của mômen

Bài giảng 8

(cid:1) Ở chế độ động cơ, PT > 0, ta phải có d < 0.

Máy phát đồng bộ

(cid:1) Áp dụng KVL cho mạch vòng trong hình bên dưới

I as

(

)

( ) d

hay

sin

3 EV a

P T

E ar jx

ar x

ar jx

   

jxs

Ear

- — · — - V E = I - (cid:1) Dòng điện và công suất có thể dễ dàng tính được   Re3  

Elec.

Mech.

jxsIa

Ear

Bài giảng 8

Ví dụ 6.1

/pha. Khi vận hành ở chế độ động cơ,

(cid:2) Một máy đồng bộ 3 pha nối Y 60 Hz có 2 cực với điện kháng đồng bộ xs = 5 W máy tiêu thụ dòng điện 30 A và điện áp pha là 254 V ở hệ số công suất 0,8 sớm. Tìm Ear và Te. Nếu máy có tổng tổn hao do quạt gió, ma sát, và lõi thép là 400 W, mômen hữu ích

jxs

đầu trục là bao nhiêu? Hiệu suất là bao nhiêu?

Ear

jxsIa

Ear

Bài giảng 8

Ví dụ 6.1 (tt)

)

87,36

cos

- (cid:176) — — (cid:1) Chọn Va làm vectơ pha tham chiếu, dòng điện sẽ là ( 8,0 A

254

( ) 305

87,36

I as

(cid:176) — - — - (cid:1) Điện áp Ear sẽ là E

0 V

V a 3,364

23,19

)

(cid:176) - —

( 254

( 23,19

sin

EV a

18286

P T

sin ar x

) )( 3,364 5

(cid:1) Công suất điện từ ( ) d (cid:176) W

18286

400

17886

Bài giảng 8

(cid:1) Công suất cơ hữu ích - W

Ví dụ 6.1 (tt)

(cid:1) Mômen hữu ích của động cơ

44,47

T 2

P 2 w

17886 p 120

N.m

(

)

(cid:1) Công suất điện ngõ vào

( 3 254

)( 30

)( 8,0

) 18288 =

P 1

IV 3 aa

978,0

17886 18288

P 2 P 1

Bài giảng 8

(cid:1) Hiệu suất

Ví dụ 6.3 (cid:2) Giả sử dòng điện kích từ Ir được thay đổi sao cho tổng công suất là như trong ví dụ 6.2 và hệ số công suất là đơn vị ở cùng ngõ vào. Tìm dòng điện stato mới và điện áp cảm ứng Ear.

)

18286 3 254

P T cos

( 0

3 V a

jxs

254

j 120

280

08,25

Ear

- — -

Ear

jxsIa

Ear

Bài giảng 8

Ví dụ 6.4

Ear

jxs

jxsIa

(cid:2) Một máy đồng bộ 2 cực, 3 pha, nối Y có điện kháng đồng bộ xs = 2 W trên mỗi pha. Máy vận hành ở chế độ máy phát cung cấp công suất ở điện áp 1905 V trên mỗi pha. Dòng điện là 350 A và hệ số công suất của tải là 0,8 trễ. Tìm Ear, d , và mômen điện từ sinh ra.

Ear

Bài giảng 8

Ví dụ 6.4 (tt)

)

1905

87,36

2391

V 54,13

Ear

j ( ) d

— - — (cid:1) Từ giản đồ vectơ pha ( 350

2391

23416

42440

N.m

· · ·

VE sin a ar w x

1905 377 2

Ear

jxs

jxsIa

Ear

Bài giảng 8

Máy nhiều cực

(cid:1) Số cực trong máy được xác định bởi cấu hình của từ

trường. Xét rôto trong hình 6.24(a). Với mỗi cuộn, có 2 cực

để cắt ngang khi đi hết một vòng.

(cid:1) Với rôto trong hình 6.24(b), khi đi hết một vòng sẽ gặp 4

cực. Từ trường quay do đó sẽ hoàn tất 2 chu kỳ (7200) trong

w 2=

elec

mech

một vòng quay cơ học 3600. Nghĩa là

elec

mech

Bài giảng 8

(cid:1) Nói chung, với máy có p đôi cực,

Máy nhiều cực (tt)

s là tần số đồng bộ tính bằng rad/s điện.

(cid:1) w

(cid:1) Và quan hệ giữa tần số đồng bộ f (tính bằng Hz) và tốc độ

60= p

cơ đồng bộ ns là

Bài giảng 8

(cid:1) Chú ý rằng p là số đôi (cặp) cực từ của máy.

Ví dụ 6.5

(cid:2) Một máy phát đồng bộ 3 pha, 60 Hz, 6 cực, nối Y được

kéo bởi một tuabin cung cấp 16910 W ở đầu trục. Tổng tổn

hao ma sát và quạt gió là 500 W. Dòng điện kích từ cũng

được điều chỉnh sao cho điện áp Ear (tỷ lệ với dòng kích từ)

có giá trị pha Ear = 355 V. Máy phát cung cấp cho tải ở 440 V

(giá trị dây). Tìm tốc độ, các vectơ pha Ear, Ia và công suất

Bài giảng 8

. thực và phản kháng do máy phát sinh ra. Điện kháng đồng bộ là xs = 5 W

Ví dụ 6.5 (tt)

)

(cid:1) Tốc độ của máy

1200

60 p

( 60 60 3

vòng/phút

(cid:1) Công suất điện từ

16910

500

16410

(cid:1) Rút ra giá trị của góc công suất d

sin 1

65,17

)

16410 3/

· - (cid:176)

( 3 440

5 )( 355

   

   

Bài giảng 8

Ví dụ 6.5 (tt)

(cid:1) Vectơ pha dòng điện pha A

)

355

65,17

34,27

04,38

I a

— - (cid:176) — (cid:176) - —

( 440 5

) =(cid:176)

04,38

16410

j 12841

— (cid:1) Công suất phức )( ( 3 440 34,27

jQ =

12841 VAr

16410

Bài giảng 8

(cid:1) Do đó:

Cải thiện hệ số công suất

(cid:1) Một động cơ đồng bộ có thể nhận công suất điện ở hệ số công suất sớm hoặc trễ. Đặc tính này có thể được dùng để

cải thiện hệ số công suất chung của lưới có động cơ đồng bộ

nối vào.

(cid:1) Trong thực tế, một máy bù đồng bộ là một động cơ không tải và có kích từ thay đổi. Dưới điều kiện này, từ biểu thức công suất, Earsind phải là hằng số (do công suất tích cực tiêu thụ từ nguồn là hằng số), dẫn đến giản đồ vectơ pha sau

Bài giảng 8

đây.