Chương 7. Máy điện đồng bộ
146
C
CH
HƯ
ƯƠ
ƠN
NG
G
7
7
MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là
máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stator nối với lưới điện có tần số f
không đổi, dây quấn rotor được kích thích bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập máy điện
đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi tải thay đổi.
§7.1. CẤU TẠO
7.1.1. Phần tĩnh (Stator):
Stator của máy đồng bộ giống như stator của máy KĐB gồm 2 bộ phận chính là lõi
thép stator và dây quấn 3 pha.
Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng.
7.1.2. Phần quay (Rotor):
Máy điện đồng bộ gồm có các cực từ và dây quấn kích từ (dây quấn phần cảm) dùng
để tạo ra từ trường cho máy. Đối với máy công suất nhỏ thì rotor là nam châm vĩnh cửu.
Hình 7-2. Toàn bộ cấu tạo máy đồng bộ cực lồi
Hình 7-1
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky t huat TP. HCM
Chương 7. Máy điện đồng bộ
147
Có hai loại rotor: rotor cực ẩn và rotor cực lồi.
Rotor cực lồi dùng cho các máy tốc độ thấp, có nhiều đôi cực, dây quấn kích từ được
quấn xung quanh thân từ cực.
Rotor cực ẩn thường dùng cho máy tốc độ cao 3000 v/ph, có một đội cực, dây quấn
kích từ được đặt trong các rãnh.
Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với 2 vòng trượt ở đầu trục,
thông qua 2 chổi than để nối với nguồn kích từ.
7.1.3. Các bộ phận phụ:
Vỏ máy, nắp máy và cánh quạt làm mát.
Phần kích từ: nhiệm vụ của phần kích từ là tạo ra dòng điện một chiều cung cấp cho
dây quấn phần cảm để tạo ra từ thông. Các máy phát điện xoay chiều công suất lớn thường có
phần kích từ là một máy phát điện một chiều gọi là máy kích từ đặt trên cùng trục với máy phát
xoay chiều.
§7.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
7.2.1. Máy phát điện đồng bộ:
Phần cảm khi có dòng điện một chiều kích thích tạo thành một nam châm 2 cực (N và
S) quay với tộc độ n vòng/phút.
Khi phần cảm quay, từ thông của nó quét qua các cuộn dây phần ứng, gây ra sự biến
đổi từ thông trong cuộn dây theo chu kỳ. Do sự biến đổi từ thông này, trong các cuộn dây phần
ứng sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng eA, eB, eC. Vì các cuộn dây đặt lệch nhau 120o nên
các sức điện động lệch pha nhau 120o tức 1/3 chu kỳ, ta được một hệ thống sức điện động 3 pha.
Trị số hiệu dụng của các sức điện động:
k
W
f
E
.
.
.
.
,
max
444
Trong đó:
Hình 7-3
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Chương 7. Máy điện đồng bộ
148
60
n
.
p
f là tần số của sức điện động.
W là số vòng dây của một cuộn dây một pha
max
là từ thông cực đại dưới một cực của phần
cảm.
k là hệ số quấn dây.
Nếu 3 cuộn dây của phần ứng nối hình Y, nối phụ tải
vào A-B-C sẽ có dòng điện 3 pha chạy trong các cuộn dây rồi
chạy ra phụ tải. Đây là hệ thống điện xoay
chiều 3 pha của phần ứng. Tần số của dòng điện cũng
bằng tần số của sức điện động và lệch pha nhau 1/3 chu kỳ.
Từ trường do dòng điện 3 pha của phần ứng sinh ra
là một từ trường quay với tốc độ p
.
n60
0 bằng tốc độ quay
của phần cảm nên máy phát điện này gọi là máy phát điện đồng
bộ .
7.2.2. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ:
Tác dụng của từ thông phần ứng đối với từ thông phần cảm gọi là phản ứng phần ứng.
Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ 0 cắt dây quấn stator cảm ứng ra sức
điện động E0 chậm pha so với từ thông 0 góc 90o . Nếu stator nối với tải thì trong mạch stator có
dòng điện I cung cấp cho tải. Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của tải quyết định. Ta xét 3
trường hợp đặc trưng:
Trường hợp tải thuần trở: (Hình a)
Góc lệch pha = 0, E0 và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng cùng pha với
dòng điện, theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ ta gọi là phản ứng phần ứng ngang
trục.
Trường hợp tải thuần cảm: (Hình b)
Góc lệch pha = 900. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng ngược chiều với từ thông 0
ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ có tác dụng làm giảm từ trường tổng.
Trường hợp tải thuần dung: (Hình c)
Góc lệch pha = - 900. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng cùng chiều với từ thông 0
ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng từ trường tổng.
Trường hợp tải bất kỳ: (Hình d)
Ta phân tích dòng điện làm 2 thành phần:
Thành phần dọc trục
sin
.
d
Thành phần ngang trục
cos
.
q
Dòng điện I sinh ra từ trường vừa có tính ngang trục và vừa có tính dọc trục khử từ hoặc
trợ từ tùy theo tính chất của tải (tính điện cảm hoặc tính điện dung).
Hình 7-4 Sơ đồ mạch điện của
máy phát điện đồng bộ
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Chương 7. Máy điện đồng bộ
149
§7.3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ
7.3.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi
Khi máy phát điện làm việc từ thông cực từ 0 sinh ra sức điện động E0 ở dây quấn stator.
Khi máy có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải. Ở máy cực lồi vì khe hở dọc trục và ngang
trục khác nhau nên ta phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và
ngang trục. Từ trường chính phần ứng ngang trục tạo nên sđđ ngang trục:
öqqöq XIjE
Trong đó Xưq : điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục
Từ trường chính phần ứng dọc trục tạo nên sđđ dọc trục öññöñ XIjE
Trong đó Xưđ : điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục
Từ thông tản của dây quấn stator đặc trưng bởi điện kháng tản Xt không
phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục:
tqtdtt XIjXIjXIjE
Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng ta có phương trình điện áp
của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
tqöqqtdödd0 XIjXIjXIjXIjEU
0
E0
I
N S
= 90
0
b) = 90
0
0
E0
I
N S
a) = 0
0
0
E0
I
N S
c) = - 90
0
0
E0
I
N S
Iq
Id
d)
bất kỳ
Hình 7-5 Phản ứng phần ứng của rotor máy điện đồng bộ
0
E
dd XIj
qq XIj
U
I
Id
I
q
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
Chương 7. Máy điện đồng bộ
150
)) töqqtödd0 X(XIjX(XIjE
qqdd0 XIjXIjEU
Trong đó:
Xưđ + Xt = Xd là điện kháng đồng bộ dọc trục
Xưq + Xt = Xq là điện kháng đồng bộ ngang trục
7.3.2. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực
ẩn
Đối với máy phát cực ẩn là trường hợp đặc biệt của cực lồi,
trong đó Xd = Xq gọi là điện kháng đồng bộ Xđb. Phương trình điện
áp của máy phát đồng bộ cực ẩn:
ñb0 XIjEU
§7.4. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
7.4.1. Công suất tác dụng:
Công suất tác dụng mà máy phát đồng bộ cung cấp cho tải là:
cos
.
.
U
.
m
P
Trong đó:
m là số pha
U, I là điện áp và dòng điện pha.
là góc lệch pha giữa U và I.
7.4.2. Công suất phản kháng:
Công suất phản kháng của máy phát đồng bộ là:
sin
.
.
U
.
m
Q
dbdb X
mU
X
cosmUE
Q2
0
Trong đó:
E0 là sức điện động pha của máy phát đồng bộ
là góc lệch pha giữa U và E0 do tính chất của tải quyết định
Xđb là điện kháng phản ứng phần ứng đồng bộ
qddb
X
X
X
Xd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục đồng bộ
Xq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục đồng bộ
Như vậy, khi giữ U, f và P không đổi thì
Nếu E0cos < U thì Q < 0
Nếu E0cos > U thì Q > 0
0
E
I
B
A
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM