Tài liệu Bài giảng Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ docx

2 Lecture 8 ¾ Máy điện đồng bộ được dùng phổ biến trong hệ thống năng lượng để làm các máy phát điện ba pha.. Các máy phát điện công suất nhỏ thường dùng lỏi từ thường trực permanent mag

BÀI GIẢNG Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ

TS Hồ Phạm Huy Ánh

TS Nguyễn Quang Nam

March 2010

http://www4.hcmut.edu.vn/~hphanh/teach.html

2 Lecture 8

¾ Máy điện đồng bộ được dùng phổ biến trong hệ thống năng lượng để làm các máy phát điện ba pha Công suất phát có thể từ vài kVA cho đến 1100 MVA

¾ Dây quấn ba pha được bố trí trên mạch từ tĩnh stator còn dây quấn kích từ DC được bố trí trên mạch từ quay rotor Rotor được kéo quay bởi nguồn sơ cấp Các máy phát điện công suất nhỏ thường dùng lỏi từ thường trực (permanent magnets)

để tạo từ trường quay

¾ Tốc độ quay đồng bộ của máy phát quyết định trực tiếp đến giá trị tần số của dòng áp ba pha đưa lên lưới, và độc lập với điều kiện tải

¾ Giáo trình tập trung giới thiệu các kết quả nền tảng, cách xây dựng biểu thức mô men và quan hệ khi máy phát vận hành xác lập dựa trên mạch tương đương Các kiểu máy điện đồng bộ 1 pha và 2 pha chỉ được giới thiệu sơ lược làm nền khi

phân tích vận hành máy điện đồng bộ ba pha

Máy Điện Đồng Bộ – Giới thiệu chung

¾ Khảo sát máy điện trên Fig 6.1 của G.T., với dây quấn stator và rotor phân

bố Các giá trị từ thông liên kết được tính bởi:

Máy điện đồng bộ một pha

( ) r s s sr ( ) r

r s s

s

s N L i N N L θ π i L i L θ i

( ) s r r sr ( ) s r r

r s

r = N N L − θ π i + N L i = L θ i + L i

0 1 2

¾ Hai dây quấn xem như được ghép cặp với giá trị đồng năng lượng xác định bởi:

( ) s r

sr r

r s

s

2

1 2

1

¾ Từ đó mô men điện được xác định bởi:

θ

θ

'

M i

i d

dL i

i

W

T e m = s r sr = − s r

∂

∂

=

Trong đó thành phần căn bản của Lsr(θ) là Mcos(θ)

4 Lecture 8

¾ Mô hình động của máy điện ĐB được xây dựng từ các quan hệ (xem Fig 6.3)

dt

d R

i

vs s s λs

+

=

dt

d R

i

vr r r λr

+

T

T dt

d B

K dt

d

J θ + θ + θ = +

2 2

Với Tm là giá trị mô men tác động ngoài theo chiều góc θ dương

¾ Ở chế độ vận hành xác lập, công suất cơ được tính bởi:

( ) ( ) ( ) ω ω θ ω

ω I I M cos t cos t sin

T

¾ Giả sử điều kiện tần số đã được thỏa, công suất trung bình được tính như sau,

( )av ωm s r sin ( ) γ 4

¾ γ là giá trị góc hằng nhằm bảo đảm θ = ωmt + γ Kết quả trên cho thấy mô men đập mạch, với giá trị công suất thay đổi giữa zero và giá trị đỉnh Tình trạng này

có thể được cải thiện bằng cách thêm cuộn dây phụ vào cả ở stator và rotor,

cho ta máy điện ĐB hai pha

Máy điện đồng bộ một pha (tt)

¾ Khảo sát máy điện ĐB 2 pha trên Fig 6.4 của G.T., với bố trí dây quấn stator

và rotor cụ thể Lưu ý 2 cuộn dây quấn ở stator và rotor được bố trí để không có hiện tượng ghép cặp tương hổ Ta xác định giá trị đồng năng lượng từ các

thành phần từ thông liên kết Từ đó mô men điện được xác định bởi:

'

bs br ar

as br

as bs

ar

m e

i i i

i i

i i

i M

W

∂

∂

=

¾ Khi cấp dòng 2 pha cân bằng vào hệ thống dây quấn 2 pha, công suất không đổi được hình thành

ω

¾ Nhằm tối ưu hai cuộn cần đặt lệch 900 trong không gian cũng như 2 dòng pha cần lệch pha nhau 900 điện, công suất hình thành có thể đạt giá trị tối ưu

( ) γ

ω I I M sin

pm = − m r s

Máy điện đồng bộ hai pha

6 Lecture 8

¾ Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha cực lỏm (salient) 2 cực (xem Fig 6.7) Máy điện loại này được dùng như máy phát thủy điện ĐB tốc độ thấp và động cơ ĐB một pha công suất thấp Dây quấn stator mắc kiểu rãi phân bố nhằm tạo sức từ động sinusoidal mmfs qua khe hở với rotor

Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha

¾ Về nguyên tắc dây quấn ba pha stator mắc lệch 1200 trong không gian Khi cấp dòng ba pha vào hệ thống, dây quấn ba pha stator sẽ tạo từ trường quay có biên

độ không đổi, với giả thiết mạch từ không bị bảo hòa Tương tự, dây quấn hai pha stator sẽ mắc lệch 900 trong không gian sẽ tạo từ trường quay khi cấp dòng hai pha vào hệ thống

Khái niệm từ trường quay

8 Lecture 8

¾ GT sẽ không khảo sát kĩ cấu trúc rotor cực lõm Trường hợp rotor bằng mặt,

mô men điện được xác định bởi biểu thức

Rotor cực lõm (salient-pole) và rotor bằng mặt (round)

'

120 sin

120 sin

−

=

+ +

=

∂

∂

=

θ θ

θ

θ θ

θ

θ

M i i M

i i M

i i

d

dM i

i d

dM i

i d

dM i

i

W T

r c r

b r

a

cr r

c

br r

b

ar r

a m

e

¾ Khi nguồn kích từ là dòng ba pha cân bằng, biểu thức mô men có dạng

Trường hợp rotor dây quấn

2

sin 3 2

sin

M I

I

=

−

−

=

Với θ = ωmt + γ Mô men sẽ đạt giá trị trung bình khi ωm = ωs, còn được gọi là tốc

độ đồng bộ

( ) γ sin ( ) γ

2

3 sin

2

3

M I I M

I I

¾ Lúc này tốc độ cơ đồng bộ ωm bằng với tần số lưới điện ωs (rad/s)

f

ns

60

2

=

=

Với ns là tốc độ cơ đồng bộ tính bằng (vòng/phút)

10 Lecture 8

¾ Điện áp pha xác lập được tính bởi:

Xác định điện áp ở chế độ xác lập

ar a

s

j s

r a

s

2 2

3

0

jxs

Ear

Va

Ia

jxsIa

Ia

Va

Ear

γ

δ

¾ Mạch tương đương pha a và giản đồ vector khi vận hành như động cơ ĐB

được thể hiện trên hình Góc δ còn gọi góc công suất là góc lệch từ V a đến E ar

¾ Kết quả tương tự cho pha b và c

¾ Đầu tiên dòng ứng sẽ bằng

Xây dựng biểu thức tính công suất

s

ar a

a

jx

E

V

=

¾ Với ba pha cân bằng, công suất tác dụng tổng sẽ là:

Re 3

¾ Dùng Va là vector tham chiếu, ta được Ear = Ear∠ δ

s

a ar s

a ar a

ar s

T

x

V E x

V

E V

jE x

Re

−

=

+

∠

=

∠

×

∠

=

¾ Từ đó tính được mô men

( )

s s

a ar s

T m

T e

x

V E P

P T

ω

δ ω

ω

sin 3

−

=

=

=

¾ Như vậy khi vận hành như động cơ ĐB, PT > 0, ta phải có δ < 0

12 Lecture 8

¾ Từ mạch tương đương ta xây dựng được quan hệ cơ bản:

Máy phát điện đồng bộ ba pha

jxs

Ear

Va

Ia

ar a

s

a jx I E

a s a

ar V jx I

¾ Từ đó xác định được dòng phần ứng và công suất phát ba pha:

s

a ar

a

jx

V

E

s

ar a s

ar a

T

x

E V jx

E

V

Re 3

0

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

∠

×

∠

=

θ

δ

Ia

Va

jxsIa

Ear

¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha đấu wye nối lưới 60 Hz 2 cực có xs = 5 Ω/phase Cho máy điện vận hành như ĐC, nhận dòng 30 A với áp pha 254 V và cos(phi) là 0.8 sớm Xác định Ear và Te Biết tổng các tổn hao dây quấn, tổn hao quay và tổn hao thép là 400 W, hãy xác định mô men có ích đầu trục? Tìm thêm hiệu suất của ĐC?

Bài Tập 6.1

jxs

Ear

Va

Ia

δ

θ

Ear

Va

jxsIa

Ia

14 Lecture 8

¾ Giả sử dòng kích từ Ir được chỉnh sao cho công suất tổng không đổi như ở BT 6.2 và cos(phi)=1 với cùng giá trị đầu vào Tìm giá trị mới của dòng stator và Ear

Bài Tập 6.3

jxs

Ear

Va

Ia

δ

Ear

Va

jxsIa

Ia

( )

24 254

3

18286 3

0 cos 0

=

×

=

=

a

T a

V

P I

0

8 25 9

280 120

A

¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 2 cực đấu wye có xs = 2 Ω per phase Được vận hành như máy phát cấp áp Va 1905 V per phase Dòng tải tiêu thụ 350 A với

cos(phi) tải là 0.8 trễ Tìm Ear, góc δ, và mô men điện cần có

Bài Tập 6.4

jxs

Ear

Va

Ia

θ

δ

Ia

Va

jxsIa

Ear

( 350 36 87 ) 2391 13 54 V 2

Ear

( )

N.m

42440 377

2

23416

0 1905 2391

3 sin

3

=

×

×

×

×

=

=

s s

a ar e

x

V

E T

ω

δ

16 Lecture 8

¾ Số lượng đôi cực có liên quan trực tiếp tới tốc độ đồng bộ của từ trường quay ( xem minh họa rotor ở Fig 6.24(a) của GT) Với mỗi cuộn dây, đường sức từ phải qua 2 cực để khép kín mạch từ

¾ Khảo sát rotor ở Fig 6.24(b), với cấu trúc 2 cặp cực Từ trường quay phải mất

2 chu kì (7200 điện) ứng với trục cơ quay 1 vòng 3600 Ta được

Máy điện đồng bộ nhiều cực

mech elec ω

ω = 2

¾ Tổng quát, với máy điện ĐB có p đôi cực, ωelec = ωs = p ωmech

Với ωs là tần số đồng bộ lưới điện (rad/s) Để qui về f (tính bằng Hz) tương ứng với vận tốc cơ đồng bộ ns (tính bằng vòng/phút) ta có:

p f

ns = 60

¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 60Hz, 6 cực, đấu wye được kéo quay bởi turbine cấp 16910 W cho trục quay Biết tổn hao đồng và tổn hao ma sát là 500 W Dòng kích từ được chỉnh sao cho áp Ear tỉ lệ với If và Ear = 355 V Máy phát cấp áp dây

440 V cho tải Xác định vận tốc, Ear, Ia góc lệch pha và công suất phức đầu ra của máy phát Biết điện kháng đồng bộ xs = 5 Ω

Bài Tập 6.5

18 Lecture 8

¾ Như đã khảo sát, động cơ ĐB ba pha có thể nhận năng lượng điện từ lưới để vận hành với HSCS sớm hay trễ tùy ý Ưu thế này được dùng để cải thiện HSCS toàn cục của lưới mà động cơ ĐB đang kết nối

¾ Trong thực tế, động cơ ĐB được dùng như máy bù ĐB vận hành không tải,

thường chạy quá kích thích để có HSCS sớm Ở chế độ vận hành này, dưới góc

độ đồng năng lượng, Earsinδ phải là hằng số (ứng với công suất tác dụng không đổi nhận từ lưới), đưa đến giản đồ vector như hình

Biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất (HSCS)

Va

jxsI’a

jxsIa

I’a

Ia

Ear E’ar

¾ Giản đồ vector cho thấy, khi

tăng kích từ (Ear tăng), giá trị

dòng ứng Ia và góc lệch pha

giữa Va và Ia sẽ giảm (và HSCS

tăng)

¾ Cho máy điện ĐB 3 pha đấu wye cấp điện cho tải có Pt = 1500 kW với cos(phi) 0.8 PF trễ với áp dây 1732 V Một động cơ ĐB chạy không tải được mắc thêm vào lưới nhằm cải thiện cos(phi) bằng đơn vị Tìm dòng cần cấp cho động cơ ĐB

Bài Tập 6.7