Giáo trình Máy Điện Đồng Bộ

Stator: Gồm có lõi thép và dây quấn. Lõi thép làm bằng vật liệu sắt từ tốt, nghĩa là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn. Loại vận tốc chậm có chiều dài dọc trục ngắn; còn loại tốc độ nhanh chiều dài dọc trục lớn gấp đường kính nhiều lần, ngoài ra trong stator còn có hệ thống làm mát. Rotor. Rotor cực lồi: dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe0p không khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe không khí có phân bố hình sin và do đó sức điện động cảm ứng trong dây quấn cũng có hình sin. Loại rotor cực lồi được dùng trong máy phát kéo bởi tua bin vận tốc rất chậm. Lúc đó rotor sẽ có nhiều cực và chiều dài ngắn. Rotor cực ẩn: khe không khí đều và rotor chỉ có hai hoặc bốn cực, loại rotor cực ẩn được dùng trong máy phát kéo bởi tuốc bin vận tốc nhanh. Vì vận tốc quay lớn nên để chống lực ly tâm, rotor được chế tạo nguyên khối và có đường kính nhỏ. Bộ kích từ: Dây quấn kích từ trên rotor được cung cấp dòng một chiều để tạo ra từ thông không đổi theo thời gian.

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT

A Máy phát xoay chiều đồng bộ ba pha

Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha

Stator: Gồm có lõi thép và dây quấn Lõi thép làm bằng vật liệu sắt từ tốt,nghĩa là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn Loại vận tốc chậm có chiều dài dọc trụcngắn; còn loại tốc độ nhanh chiều dài dọc trục lớn gấp đường kính nhiều lần,ngoài ra trong stator còn có hệ thống làm mát

Rotor

Rotor cực lồi: dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe0p không khíkhông đều, mục đích để từ cảm trong khe không khí có phân bố hình sin và do đósức điện động cảm ứng trong dây quấn cũng có hình sin Loại rotor cực lồi đượcdùng trong máy phát kéo bởi tua bin vận tốc rất chậm Lúc đó rotor sẽ có nhiềucực và chiều dài ngắn

Rotor cực ẩn: khe không khí đều và rotor chỉ có hai hoặc bốn cực, loại rotorcực ẩn được dùng trong máy phát kéo bởi tuốc bin vận tốc nhanh Vì vận tốc quaylớn nên để chống lực ly tâm, rotor được chế tạo nguyên khối và có đường kínhnhỏ

Bộ kích từ: Dây quấn kích từ trên rotor được cung cấp dòng một chiều để tạo

ra từ thông không đổi theo thời gian

Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ.

c

Ik

Uk

ay

Sc

z

x

bya

(a) Máy phát đồng bộ 3 pha hai cực đơn giản (b) Biểu diễn đơn

giản của máy phát đồng bộ.

(a)

)120tsin(

2E)t(

p

)240tsin(

2E)t(

bb

Tải thuần dung

Phương trình điện áp của máy phát đồng bộ cực từ ẩn

ö ö

ö ö

• S t

•

• S

• t

• g

•

IZ+U

=IjX+IR+U

=E

Phương trình điện áp của máy phát đồng bộ cực từ lồi

q q d

d u u t

t

•I

t

Z

t

•U

(b)

Hình 2.33 (a) Mạch tương 1 pha của máy đồng bộ.

(b) Đồ thị vectơ khi tải cảm.

(c) Đồ thị vectơ khi tải dung.

C

B

A (c)

g

E•

ö

•I

t

•U

IưXS

IưRư

IưXS φ

Φo

S

(c)

Đặc tính không tải và đặc tính ngắn mạch (giống máy điện không đồng bộ và

máy biến áp)

Đặc tính góc – công suất ở trạng thái xác lập máy cực từ ẩn

Công suất tải nhận được

P2 = E2.I2.cosϕ2

Z

E E

E Z

Trong đó: E1, E2 – biên độ của E•1, E•2

δ - góc pha vượt trước của E•1 so với E•2

Z - tổng trở

ΦZ – góc pha của tổng trở ZCông suất cung cấp bởi nguồn E•2

2

2 2 2

1

2

.)sin(

Z

R E Z

1

1

.)sin(

Z

R E Z

Khi máy phát đồng bộ có điện kháng Xs nối vào

hệ thống có điện áp Uht nối tiếp với điện kháng

tương đương Xht, đặc tính góc - công suất có thể viết:

δsin

Công suất tác dụng

δ

2sin

qT dT

qT dT ht dT

ht

s

X X

X X U X

ht s

X

U X

U E I

U

Q

2cos

.sin

Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Điều chỉnh công suất tác dụng: Phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp (tuabin hơi, khí,…)

- Điều chỉnh công suất phản kháng:

s

ht s

ht

X

U E

U

Q= ( .cosδ − )

Khi giữ U, f và P không đổi, ta có:

Es.cosδ < U thì Q < 0: máy nhận Q, máy thiếu kích từ

Iư

Đặc tuyến hiệu chỉnh.

Đặc tuyến ngoài

Đặc tính hình V của máy phát đồng bộ

Máy phát đồng bộ làm việc song song (hoà vào hệ thống)

Thoả các điều kiện sau:

- Thứ tự pha của các máy làm việc song song phải giống nhau

- Điện áp các máy phải bằng nhau, điều chỉnh điện áp bằng cách chỉnh định dònh kích từ

- Tần số các máy phải bằng nhau, điều chỉnh tần số máy bằng cách chỉnh tốc độ động cơ kéo máy phát

Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ

- Công suất cơ: P1 = M.ω do máy phát nhận từ động cơ sơ cấp, chịu các tổn hao sau:

- Tổn hao cơ: Pmq do ma sát, quạt gió, không phụ thuộc tải vì vận tốc không đổi

- Tổn hao từ+ Pt do dòng xoáy và từ trể trong mạch từ; phụ thuộc từ cảm cực đại Bm

cosϕ = 1cosϕ trể

Vùng cosφ

Iư

Ik0

Họ đường cong khi công suât không đổi.

- Tổng hao đồng trong dây quấn phần ứng: Pđư = 3.I2.Rư và trong dây quấn kích từ.

- Tồn hao phụ: Pp do dòng xoáy trong dây dẫn phần ứng và do tổn hao lõi vì từ trường bị xoắn dạng

- Tổng tổn hao: Pth = Pmq+ Pt + Pđư + Pkt + Pp

= P1 - P2

- Hiệu suất:

100P

P

Pth 2

2 ×+

=

η

Ta có giản đồ công suất của máy phát đồng bộ 3 pha:

Đặc tuyến hiệu suất là đồ thị η theo Iư (hoặc theo Pt) khi tốc độ, Ut và cosφ không đổi Hiệu suất tăng rất nhanh từ 0, qua một cực đại rồi giảm xuống Hiệu suất cực đại xảy ra khi dòng tải Iư có giá trị sao cho tổng tổn hao không phụ thuộc tải (Pmq + Pt + Pkt) bằng tổn hao phụ tải (Pđư) Giá trị này có thể định trước ở giai đoạn thiết kế và thường không bằng Iđm vì ít khi máy chạy đầy tải liên tục

Động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha

Nguyên lý làm việc

Vận tốc đồng bộ:

f60

n1 =

(v/p)

Trong đó: n1: vận tốc từ trường quay stato, vòng/phút

f : tần số lưới điện, Hz p: số cập cực roto

Mạch tương đương và đồ thị vectơ của động cơ xoay chiều đồng bộ

Mạch tương và đồ thị vectơ được cho như hình sau:

Sự tạo ra monent trong động cơ đồng bộ.

SN

θN

S

n1

Từ mạch tương đương, công suất điện đưa vào động cơ:

Sau khi trừ đi tổn hao đồng trong dây quấn stator:

Ta còn lại công suất cơ tổng:

θ

X

UE

3

P

s

m 1

Tổn hao và hiệu suất.

P1 = 3.U.Iư.cosϕ là công suất vào động cơ

P2 = Mω là công suất ra

Pth = Pmq+ Pt + 3I2

ưRư + Pkt + Pp

Vận hành động cơ đồng bộ kéo tải không

đổi và dòng kích từ được chỉnh để hệ số

công suất của động cơ không đổi

Mạch tương đương; (b) cosφ trễ;

(c) cosφ = 1; (d) cosφ sớm; (e) bỏ qua R ư

Các đặc tuyến của động cơ đồng bộ

Họ đường cong hình V khi công suất không đổi.

Họ đường cong khi cosφ không đổi

Vùng cosφ

Iư

Ik0

Vùng cosφ

Iư

Ik0

Họ đường cong khi công suât không đổi.

Họ đường cong V ngược khi công suất không đổi

Mở máy động cơ đồng bộ

Quá trình động học của máy điện đồng bộ

Phương trình quan hệ điện cơ của máy phát đồng bộ

dientu

co M M dt

d

J 2θ2 = −

Trong đó:

θ - vị trí góc của rotor

Mcơ – moment cơ học (có khuynh hướng gia tốc rotor)

Mđiện cơ – moment điện từ (có khuynh hướng giảm gia tốc)

Đối với động cơ đồng bộ M cơ , M điện cơ có dấu ngược lại

Thông thường viết góc θ dưới dạng:

)(

1

δω

d J

P1 2δ2 = −

Đây là phương trình dao động được dùng để khảo sát quá trình quá độ điện cơ của máy đồng bộ.

dientu co

dt

d J

P1 .ω 2δ2 = −

Ik

cosϕ

đầy tải50% tải không tải

Họ đường cong V ngược khi công suất không đổi

δ

ωdb co d P s

dt

d P P dt

d J

Trong đó:

Pd – công sủat cản dịu, liên quan đến dây quấn cản

Ps(δ) – công suất đồng bộ theo góc tải δ

Khi xét máy phát đồng bộ cực ẩn làm việc song song với lưới điện vô cùng lớn:

Ps(δ) = Pm.sinδ

Do đó:

δδ

δ

1

2

2

m d

co

dt

d P P dt

d J

Phương pháp tuyến tính hóa

δδδ

1

2

2

s d

co

dt

d P P dt

d J

Phương pháp đồng diện hoá

2 BÀI TẬP

Bài 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha cực ẩn, đấu Y, Sđm = 1 MVA, f = 50 Hz, p = 2,

Uđm = 6,3 kV, cosϕđm = 0,8, điện trở dây quấn phần ứng trên 1 pha xem bằng 0,điện kháng đồng bộ bằng 2,2 Ω/pha, tổn hao kích từ bằng tổng tổn hao sắt từ, cơ,phụ và bằng 2,5%Pđm Tính:

1 Iđm và tốc độ đồng bộ sơ cấp kéo máy phát

2 Điện áp không tải với giả thiết Ikt không đổi

3 Phải thay đổi Ikt bao nhiêu % so với Iktđm ở câu 1 và 2 để Utải = 6,3 kV với Itải = ½

Iđm và cosϕtải = 1 Giả thiết E0pha = f(Ikt) là tuyến tính

4 Nếu cho máy trên làm việc như một máy bù đồng bộ (động cơ đồng bộ làm việckhông tải) người ta đo được I = Iđm ở câu 1 Hỏi Q máy bù phát ra nếu Ulưới = 6,3

kV và các tổn hao vẫn theo điều kiện đầu bài

Bài 2:

a - Hai máy phát đồng bộ 3 pha giống hệt nhau, nối hình sao, họat động ở điện áp

33 kV và mỗi máy cung cấp 5 MW cho tải có tính cảm là 10 MW, hệ số công suấtcủa hệ 2 máy là 0,8 Điện kháng đồng bộ của mỗi máy là 6 Ω Máy thứ nhất phátdòng trễ 125 A Tính:

1 Dòng và hệ số công suất của máy thứ 2

2 Góc tải và sức điện động kích từ của máy thứ 2

b – Một động cơ đồng bộ 3 pha có các thông số định mức như sau: 4 MW, 5 kV,

60 Hz, 200vòng/phút, hệ số công suất là 0,8 (có tính dung) Điện kháng đồng bộ là

11 Ω Xác định: công suất biểu kiến, dòng stator, sức điện động kích từ và góc tải

Bài 3: Động cơ đồng bộ 3 pha, stator đấu Y, 4000 HP (1 HP = 746 W), 6600 V,

60 Hz, điện kháng đồng bộ xđb = 11Ω/pha, 200v/ph, làm việc ở tải định mức có hệ

số công suất cosϕ = 0,8 sớm, bỏ qua các tổn hao Tính:

a Công suất biểu kiến

b Dòng stator

c Sức điện động cảm ứng E0

d Vẽ giản đồ vectơ

e Góc tải θ

Bài 4: Máy phát đồng bộ 3 pha 250 kVA, nối Y, 6 cực, 660 V có điện kháng đồng

bộ xđb = 1,2 Ω (xem máy có rotor cực ẩn) Máy phát được kéo quay ở tốc độ 1000vòng/phút Máy được nối vào một bus vô hạn có điện áp và tần số không thay đổi.Tính:

a Tần số của điện áp phát ra

b Vẽ giản đồ vectơ của máy với tải định mức có hệ số công suất bằng 0,8 trễ

c Điện áp kích từ Ekt (đại lượng pha và dây)

d Góc công suất tương ứng

e Công suất cực đại mà máy phát có thể cung cấp nếu không điều chỉnh kích từ sovới câu c

Bây giờ xem máy phát có rotor cực lồi với xd = 1,2 Ω, xq = 0,6 Ω

f Vẽ giản đồ vectơ của máy với tải định mức có hệ số công suất 0,8 trễ (như câub)

g Điện áp kích từ Ekt (pha và dây) So sánh với trường hợp rotor cực ẩn

h Góc công suất tương ứng So sánh với trường hợp rotor cực ẩn

Lúc này máy phát (rotor cực ẩn) được nối với một động cơ đồng bộ 200 kW, 2cực, 660 V có điện kháng đồng bộ xđb = 1,2 Ω Máy phát và động cơ được điềuchỉnh sao cho động cơ mang tải định mức ở hệ số công suất là 1, điện áp đầu cực

là định mức Sau đó giữ nguyên kích từ của máy phát và động cơ Bỏ qua các tổnhao

i Công suất cực đại mà động cơ có thể cung cấp

j Moment cực đại tương ứng

Bài 5: Một máy phát điện đồng bộ 3 pha, cực từ lồi, công suất 125 kVA, Uđm =

400 V, dây quấn stator nối Y, cosϕđm = 0,7 trễ, 2p = 4, f = 50 Hz, điện trở phần

ứng Rư = 0,0347Ω/pha, điện kháng tản từ phần ứng xσư = 0,172Ω/pha, điện khángphần ứng ngang trục và dọc trục lần lượt là xưq = 0,26Ω/pha, xưd = 1,62Ω/pha, làmviệc ở tải định mức Tính:

a Góc ψ và góc tải θ

b Sức điện động E0

c Công suất điện từ của máy

d Moment của động cơ sơ cấp, cho biết hiệu suất truyền là 0,92

e Moment cực đại Mmax và góc tải θmax tương ứng

Bài 6: Cho máy phát đồng bộ 3 pha, rotor cực từ ẩn có các thông số định mức: Sđm

= 250 kVA, Uđm = 416 V, fđm = 50 Hz, 2p = 2, nối Y, điện kháng đồng bộ xđb =0,3Ω/pha, hiệu suất ηđm = 96% Điện trở dây quấn phần ứng coi như không đáng

kể Dây quấn phần ứng có tổng cộng s = 48 phần tử (bối dây), mỗi phần tử có Ws

= 20 vòng, số mạch nhánh song song của mỗi dây quấn pha là a = 2, hệ số dâyquấn là kdq = 0,82 Thử nghiệm không tải ở tốc độ n = 3000v/ph cho đặc tính:

Biết máy đang mang tải định mức có cosϕđm = 0,8 (trễ), hãy xác định:

1 Góc tải θ và giá trị (dây và pha) của sức điện động cảm ứng Ef

2 Số vòng dây nối tiếp trên một pha W và từ thông Φ trong máy

3 Moment điện từ Mđt và moment cơ Mcơ cần cung cấp để quay máy phát

4 Dòng điện xác lập Inm trong dây quấn phần ứng nếu có sự cố ngắn mạch trêntòan bộ cực ra của máy phát

5 Giả sử máy đang làm việc song song với lưới có cùng cấp điện áp và tần số thìđộng cơ truyền động sơ cấp đột ngột bị cắt khỏi máy, kích từ lúc này vẫn khôngđổi Xác định:

a Giản đồ vectơ điện áp của máy

b Dòng điện I trên dây quấn phần ứng và hệ số công suất mới cosϕ của máy.Máy đang tiêu thụ hay phát ra công suất phản kháng?

c Khi tăng dòng kích từ lên thêm 10% thì công suất phản kháng mới Q’ làbao nhiêu? Giả sử các tổn hao vẫn không thay đổi và bỏ qua phản ứng phầnứng

Bài 7: Một động cơ đồng bộ 3 pha cực ẩn, đấu Y có điện kháng đồng bộ x = 35 Ω

đang làm việc định mức với: Uđm = 2300 V, Pđm = 150 kW, cosϕđm = 1, fđm = 50

Hz, nđm = 750 vòng/phút, hiệu suất ηđm = 95%, kích từ Ikt = 20 A Bỏ qua tổn hao ởstator và tổn hao kích từ, hãy xác định:

a Moment quay điện từ và moment cản của tải?

b Sức điện động kích từ E0?

c Công suất P0 và Q0 động cơ tiêu thụ nếu cắt bỏ tải khỏi động cơ (chạy khôngtải)? Vẽ đồ thị vectơ cho trường hợp này?

Bài 8: Một nhà máy tiêu thụ từ lưới điện quốc gia U = 380 V, f = 50 Hz, công suất

P = 500 kW, Q = 450 kVAr Trong đó động cơ đồng bộ 3 pha cực ẩn đấu ∆ củanhà máy tiêu thụ: Pđ = 100 kW, cosϕđ = 1, xđb = 2,7 Ω/pha Hãy xác định:

a Sức điện động kích từ E0, dòng động cơ tiêu thụ I và góc tải θ của động cơ? Vẽgiản đồ vectơ?

b Nếu tăng dòng kích từ để sức điện động kích từ tăng lên thành E’0 = 1,6E0 thìgóc tải θ’, dòng điện I’ và công suất phản kháng Q’ mà động cơ tiêu thụ sẽ là baonhiêu? (Biết moment cản của tải và Pđ không đổi)

c Hệ số công suất của nhà máy trước và sau khi tăng dòng kích từ?

Bài 9: Động cơ đồng bộ 3 pha, 50 Hz, 1500 kW, cosϕđm = 1, dây quấn stator nối

Y, 2300 V, 30 cực, có điện kháng đồng bộ xđb = 1,95 Ω/pha

a Tính dòng điện định mức và tốc độ quay của động cơ

b Động cơ được cấp điện từ lưới điện có công suất vô cùng lớn, 2300 V, 50 Hz.Tính moment cực đại động cơ có thể cung cấp cho tải mà không bị mất đồng bộ,dòng kích từ rotor vẫn giữ giá trị như khi động cơ kéo tải định mức ở cosϕ = 1

c Động cơ được cấp điện từ một máy phát turbine hơi 3 pha, stator nối Y, 2300 V,

1750 kVA, 50 Hz, 2 cực, với điện kháng đồng bộ xđb = 2,65 Ω Dòng kích từ củamáy phát turbine và động cơ được điều chỉnh sao cho vectơ biểu diễn sự họat độngcủa hệ thống trong trường hợp này Không thay đổi dòng kích từ của cả 2 máy,nhưng tải cơ học trên trục động cơ được tăng dần Tính moment cực đại mà động

cơ có thể cung cấp cho tải

Coi các máy trong bài là cực từ ẩn và không kể đến các tổn hao công suất trong các máy.

Bài 10: Một máy phát đồng bộ turbine khí, 3 pha, rotor cực từ ẩn, 20 MVA, 13800

V, 50 Hz, 4 cực, dây quấn stator nối Y, điện kháng đồng bộ xđb = 11 Ω/pha, cosϕđm

= 0,85 trễ Bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng và các tổn hao trong máy Máy làm việc ở điều kiện mạch từ không bảo hòa.

a Tính tốc độ quay của turbine khí và dòng phần ứng khi máy phát làm việc ở tảiđịnh mức?

b Máy làm việc song song với lưới điện vô cùng lớn, điện áp 13800 V và cungcấp công suất MVA định mức ra lưới ở cosϕ = 0,8 trễ Vẽ giản đồ vectơ mô tảhọat động và tính điện áp (dây) ở đầu cực máy phát khi đột nhiên máy cắt đầu cựclàm việc, cắt máy cắt trên ra khỏi lưới điện, trong khi dòng kích từ không kịp thayđổi.

c Máy làm việc song song với lưới điện vô cùng lớn, điện áp 13800 V, turbinekéo máy phát bị cắt thình lình khỏi máy phát Dòng kích từ vẫn có giá trị khôngthay đổi như trong câu b , tuy nhiên trên trục máy bây giờ có moment tải cơ học,

có giá trị bằng 60% giá trị moment định mức (khi turbine kéo máy phát) Máy khi

đó làm việc trong chế độ nào? Tính dòng phần ứng Iư, góc tải θ và cosϕ lúc đó

Bài 11: Một máy phát đồng bộ turbine khí, 3 pha, rotor cực từ ẩn, 15 MVA, 13800

V, 50 Hz, 2 cực, dây quấn stator nối Y, điện kháng đồng bộ xđb = 14,95 Ω/pha,cosϕđm = 0,8 trễ

a Tính tốc độ quay của turbine khí và dòng phần ứng khi máy phát làm việc ở tảiđịnh mức?

b Máy làm việc độc lập, cung cấp điện cho tải 3 pha, tiêu thụ 10 MVA, 13800 V,cosϕ = 0,8 trễ Vẽ giản đồ vectơ, tính sức điện động cảm ứng (giá trị pha) khôngtải E0, góc tải θ (góc lệch pha giữa vectơ sức điện động pha E0 và điện áp pha U)

c Máy làm việc song song với lưới điện vô cùng lớn, điện áp 13800 V Điều chỉnhcông suất tác dụng do máy phát ra lưới lên đến giá trị mới là 10 MW, bằng cáchtăng lượng nhiên liệu vào turbine khí, trong khi vẫn giữ dòng kích từ không đổinhư trong câu b Vẽ lại giản đồ vectơ trong điều kiện làm việc mới và tính góc tải

θmới

d Máy vẫn phát ra công suất tác dụng 10 MW cho lưới, nhưng lại điều chỉnh côngsuất phản kháng phát ra, bằng cách tăng dòng kích từ sao cho từ thông kích từdưới mỗi cực từ tăng thêm 25% Vẽ lại giản đồ vectơ trong trường hợp này và tínhcosϕ của máy

Bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng và các tổn hao trong máy.

Bài 12: Máy phát turbine hơi cực từ ẩn 3 pha, 13,8 kV, 10 MVA, 0,8 trễ, 50 Hz, 2

cực, nối Y, có điện kháng đồng bộ Xđb = 12 Ω/pha và điện trở dây quấn phần ứng

Rư = 1,5 Ω/pha Máy đồng bộ trên làm việc với lưới vô cùng lớn

a/ Sức điện động E0 khi máy làm việc với tải định mức?

b/ Góc tải θ (góc lệch pha giữa E0pha và Uđm) khi máy làm việc với tải định mức?c/ Nếu giữ dòng kích từ là không đổi, công suất phát ra cực đại của máy? Độ dựtrữ công suất (Pmax/Pđm) khi máy làm việc với tải định mức?