Bài giảng biến đổi năng lượng điện cơ chương 6

Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy điện đồng – Giới thiệu ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện  Máy điện đồng sử dụng chủ yếu làm máy phát Bài giảng: Biến đổi lượng điện pha hệ thống điện Công suất từ vài kVA đến 1000 MVA Ngày động đồng nam châm vĩnh cửu Chương 6: Máy điện đồng ngày sử dụng phổ biến  Bộ dây quấn pha đặt stato (phần đứng yên) rôto (phần quay) với dây quấn kích từ DC Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh kéo quay động sơ cấp Các máy công suất nhỏ dùng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường rôto  Tốc độ máy tỷ lệ trực tiếp với tần số điện áp hay NH2012–2013, HK2 Máy điện đồng dòng điện stato, độc lập với điều kiện tải Máy điện đồng Máy điện đồng – Giới thiệu Máy điện quay pha  Bài giảng đề cập đến khái niệm tảng  Xét máy hình 6.1, với dây quấn phân bố rút biểu thức mômen vận hành xác lập hình sin stato rôto Từ thông móc vòng (từ ví dụ 4.2) mạch tương đương s  N s2 L0 is  N s N r L0 1  2  ir  Ls is  Lsr  ir  Các máy điện quay pha pha giới thiệu sơ r  N s N r L0 1  2  is  N r2 L0 ir  Lsr  is  Lr ir lược tảng cho việc phân tích hoạt động  Hai dây quấn coi hai cuộn dây máy pha ghép, với đồng lượng cho Wm'  Máy điện đồng  Ở trạng thái xác lập hình sin, công suất pm  T em  m I s I r M cosst cosr t sin  Wm' dL    is ir sr  is ir M sin    d  Giả thiết điều kiện tần số thỏa mãn, công suất trung Nếu xét thành phần Lsr() Mcos() bình là,  Mô hình động học máy (hình 6.3) với Tm pmav   m I s I r sin  d 2 d  K  B  Te T m dt dt   số cho  = mt +  Mômen sinh có mômen bên đặt vào chiều dương với  đỉnh Điều loại bỏ cách thêm vào v s  i s Rs  ds dt v r  i r Rr  Máy điện quay pha (tt.)  Mômen tính Te  Máy điện đồng Máy điện quay pha (tt) 1 Ls is2  Lr ir2  Lsr  is ir 2 dr dt J dạng đập mạch, với công suất thay đổi giá trị dây quấn stato rôto, tạo thành máy pha Máy điện đồng Máy điện đồng Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy điện quay pha Máy điện quay pha  Xét máy pha hình 6.4, với dây quấn đơn giản  Khi dòng điện pha cân đưa vào dây hóa stato rôto thể quấn pha cân bằng, công suất tạo  Hai dây quấn stato hoàn toàn không bị ghép, tương tự (không có thành phần xoay chiều nào) pm  T em  m I r I s M sinm   s  r t    với hai dây quấn rôto  Đồng lượng xác định từ từ thông móc  Bằng cách đặt hai cuộn dây lệch 900 dòng điện vòng (xem giáo trình) Mômen sinh cho lệch pha 900 (điện), điều kiện tần số tạo ra, Te  pm  m I r I s M sin  Wm'  M iar ibs  iasibr  cos   iasiar  ibr ibs sin    Máy điện đồng Máy điện đồng Máy đồng pha Dây quấn stato pha  Xét máy pha cực lồi có cực (hình 6.7) Các máy cực lồi dùng máy phát thủy điện tốc độ thấp động đồng pha công suất thấp Các cuộn dây stato phân bố dùng để tạo sức từ động hình sin dọc Cận cảnh dây quấn theo chu vi khe hở Dây quấn stato pha Máy điện đồng Khái niệm từ trường quay  Các cuộn dây stato làm lệch học Máy điện đồng 10 Khái niệm từ trường quay (tt) 1200 dây quấn pha Khi cung cấp hệ dòng điện pha, dây quấn pha tạo từ trường quay với độ lớn không đổi, giả thiết mạch từ không bão hòa Tương tự, dây quấn pha với cuộn dây stato lệch 900 tạo từ trường quay cung cấp hệ dòng điện pha Máy điện đồng 11 Máy điện đồng 12 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Sơ đồ nối dây máy điện đồng Rôto cực lồi cực ẩn  Rôto cực lồi không khảo sát thêm Với rôto cực ẩn, mômen sinh điện cho Wm' dM ar dM br dM cr  ia ir  ib i r  ic i r  d d d  ia ir M sin    ib ir M sin   120  ic ir M sin   120 Te   Máy điện đồng   Máy điện đồng 13 Rôto cực lồi thực  14 Trường hợp rôto cực ẩn  Dưới điều kiện dòng pha kích thích cân bằng, với dòng điện rôto không đổi, mômen biểu diễn Cận cảnh cực rôto sau Te   I m I r M sin   s t   I m I r M sin mt    s t   2 với  = mt +  Mômen có giá trị trung bình m = s, gọi tốc độ đồng Rôto máy đồng tốc độ thấp Máy điện đồng 3 T e   I m I r M sin     I a I r M sin   2 16 M Ear    s I r  2  Sức điện động pha tỷ lệ với dòng điện  Vì tốc độ đồng m với tần số điện s (rad/s) rotor tốc độ quay 2 ns 2 f  60 P với ns tốc độ đồng tính vòng/phút (rpm) m   Mạch tương đương với giản đồ vectơ pha tương ứng chế độ động thể d định nghĩa góc công suất tính từ Va đến Ear Với P số cặp cực Điện áp trạng thái xác lập  Điện áp pha a trạng thái xác lập MI r Va  j L0 s I a  j  s e j  jx s I a  Ear 2 MI M   Ear  j r se j  I rs     2 2  Máy điện đồng Máy điện đồng 15 17 PT Pm Elec Mech   d  jxs Va Ia Va jxsIa Ear  d Ear Ia  Tương tự cho pha b pha c Máy điện đồng 18 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Động đồng Tính công suất theo điện áp  Dòng điện cho Ia  Va  E ar jx s  Dưới điều kiện cân bằng, công suất tổng  M Ear    s I r  2 PT  3Pa  Re Ear I a*   Chọn Va vectơ tham chiếu, xét Ear  Ear d PT  Re  jE ar d  Va 00  xs 3E ar Va sin d   3E V    d    Re  ar a  x xs s   Máy điện đồng 19 Biểu thức mômen Máy điện đồng 20 Máy điện đồng 22 Phân bố công suất  Biểu thức mômen Te  PT m  PT  s 3E arVa sin d  xs s  Ở chế độ động cơ, PT > 0, ta phải có d < Máy điện đồng 21 Máy phát đồng Máy phát đồng  Xét mạch vòng hình bên Va   jx s I a  Ear hay Ear  Va  jx s I a  Dòng điện công suất dễ dàng tính Ia   V 0  E ar  d   3Va E ar sin d   PT  Re a   jx s xs   E ar  Va jx s jxs PT Pm Elec Mech Ia Va Ear jxsIa d Ear  jxs Ia Va Va Ear Ia Máy điện đồng jxsIa d Ear  Va Ia 23 Máy điện đồng 24 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 6.1 Ví dụ 6.1 (tt)  Một máy đồng pha nối Y 60 Hz có cực với điện kháng đồng xs = W/pha Khi vận hành chế độ động cơ, máy tiêu thụ dòng điện 30 A điện áp pha 254 V hệ số công suất 0,8 sớm Tìm Ear Te Nếu máy có tổng tổn hao  Chọn Va làm vectơ pha tham chiếu, dòng điện I a  30 cos 1 0,8  3036,87 A  Điện áp Ear Ear  Va  jx s I a  2540  j 53036,87  364,3  19,23 V quạt gió, ma sát, lõi thép 400 W, mômen hữu ích đầu trục bao nhiêu? Hiệu suất bao nhiêu? jxs  Công suất điện từ Ia  Ia Va Ear d PT  3 Va jxsIa 254364,3sin19,23  18286 W Va Ear sin d  3 xs  Công suất hữu ích P2  18286  400  17886 W Ear Máy điện đồng Máy điện đồng 25 Ví dụ 6.1 (tt) Ví dụ 6.3  Mômen điện từ động  Giả sử dòng điện kích từ Ir thay đổi cho tổng công PT 18286 T    48,5 N.m m 120 e suất ví dụ 6.2 hệ số công suất đơn vị ngõ vào Tìm dòng điện stato điện áp cảm ứng E ar  Mômen hữu ích động T2  P2 m  Ia  17886  47,44 N.m 120 PT 18286   24 A 3Va cos 00  254   Ear  254  j120  280,9  25,80 V jxs  Công suất điện ngõ vào P1  3Va Ia  PF    254  30  0,8  18286 W Ia Ia Va  Hiệu suất 26  Ear jxsIa P2 17886   0,978 P1 18288 Ear Máy điện đồng Máy điện đồng 27 Ví dụ 6.4 28 Ví dụ 6.4 (tt)  Một máy đồng cực, pha, nối Y có điện kháng đồng xs = W pha Máy vận hành chế độ máy phát  Từ giản đồ vectơ pha  cung cấp công suất điện áp 1905 V pha Dòng mômen điện từ sinh  Ear  1905  j 350  36,870  239113,540 V điện 350 A hệ số công suất tải 0,8 trễ Tìm Ear, d, Te  3EarVa sin d   23911905  0,23416   42440 N.m xs s  377 Ear Ia Va Va d jxs jxsIa d Ear  Ear Ia Va Va jxs Ia Máy điện đồng jxsIa d Ear  Va Ia 29 Máy điện đồng 30 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Bài tập máy phát đồng Máy nhiều cực Một máy phát đồng ba pha cực từ ẩn, cực, kích từ độc lập, dòng kích từ 1A, tần số 50Hz, nối Y, 12A Bỏ qua điện trở phần ứng, điện kháng đồng pha 10W Biết tổn hao 500W, bỏ qua tổn hao sắt a Khi máy phát cấp nguồn cho tải với điện áp định mức 380V, dòng điện định mức 12A, tải có hệ số công suất cos=0,8, chậm pha Vẽ giản đồ vector, tính sức điện động cảm ứng pha, góc công suất momen kéo máy phát? b Khi máy phát cấp nguồn cho tải có dòng điện định mức 12A, tải có hệ số công suất cos=1 Vẽ giản đồ vector, tính điện áp dây cấp cho tải Udây, góc công suất? Biết sức điện động máy phát không đổi câu a? c Với tải (có dòng điện, cos như) câu b, tính dòng kích từ điều chỉnh để điện áp dây 380V? Biết mạch từ tuyến tính Máy điện đồng  Số cực máy xác định cấu hình từ trường Xét rôto hình 6.24(a) Với cuộn, có cực để cắt ngang hết vòng  Với rôto hình 6.24(b), hết vòng gặp cực Từ trường quay hoàn tất chu kỳ (720 0) vòng quay học 3600 Nghĩa elec  2mech  Nói chung, với máy có p đôi cực, elec  s  pmech Máy điện đồng 31 Máy nhiều cực (tt) 32 Ví dụ 6.5  Một máy phát đồng pha, 60 Hz, cực, nối Y  s tần số đồng tính rad/s điện kéo tuabin cung cấp 16910 W đầu trục Tổng tổn  Và quan hệ tần số đồng f (tính Hz) tốc độ đồng ns ns  hao ma sát quạt gió 500 W Dòng điện kích từ điều chỉnh cho điện áp Ear (tỷ lệ với dòng kích từ) 60f P có giá trị pha Ear = 355 V Máy phát cung cấp cho tải 440 V (giá trị dây) Tìm tốc độ, vectơ pha Ear, Ia công suất  Chú ý p số đôi (cặp) cực từ máy thực phản kháng máy phát sinh Điện kháng đồng xs = W Tính moment kéo máy phát, moment điện từ? Máy điện đồng Ví dụ 6.5 (tt) 34 Ví dụ 6.5 (tt)  Tốc độ máy ns  Máy điện đồng 33  Vectơ pha dòng điện pha A 60 f 6060   1200 vòng/phút p Ia   Công suất điện từ   35517,65  440 / 0  27,34  38,04 A j5  Công suất phức   Rút giá trị góc công suất d  Do đó:  16410     17,65 d  sin 1    440 / 355    Máy điện đồng  ST  440 / 27,3438,04  16410  j12841 VA PT  16910  500  16410 W P  16410 W 35 Q  j12841 VAr Máy điện đồng 36 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Cải thiện hệ số công suất Động đồng  Một động đồng nhận công suất điện hệ số công suất sớm trễ Đặc tính dùng để cải thiện hệ số công suất chung lưới có động đồng nối vào  Trong thực tế, máy bù đồng động không M Ear    s I r  2 tải có kích từ thay đổi Dưới điều kiện này, từ biểu thức công suất, Earsind phải số (do công suất tích cực tiêu thụ từ nguồn số), dẫn đến giản đồ vectơ pha sau Máy điện đồng 37 Cải thiện hệ số công suất động đồng Máy điện đồng 38 Cải thiện hệ số công suất động đồng Va I’a jxsIa jxsI’a Ia Ear E’ar  Do đó, tăng kích từ, độ lớn dòng điện góc lệch Va Ia giảm (hay hệ số công suất tăng) Máy điện đồng 39 Đặc tính hình V Máy điện đồng 40 Đặc tính hình V ngược Máy điện đồng 41 Máy điện đồng 42 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Cải thiện hệ số công suất (tt) Ví dụ 6.6 Đ/cơ đồng pha, cực, 50Hz, 380V, Y Có điện kháng đồng 2Ω, bỏ qua điện trở phần ứng Khi dòng điện phần ứng 50A, hệ số công suất 0,85 sớm Dòng điện kích từ 5A a) Tính tốc độ động cơ, sức điện động, góc công suất, công suất tiêu thụ, moment điện từ? b) Để hệ số công suất đơn vị; tính dòng điện kích từ cần điều chỉnh? Máy điện đồng Máy điện đồng 43 Ví dụ 6.7 44 Ví dụ 6.7  Một động không đồng pha nối Y, 1500W hệ số  Một tải pha nối Y 1500 kW hệ số công suất 0,8 trễ công suất 0,8 trễ nối vào nguồn pha với điện áp nối vào nguồn pha với điện áp dây 1732 V (dây) 380V Một động đồng pha không mang tải Một động đồng không mang tải nối song song nối song song với tải để nâng hệ số công suất thành với tải để nâng hệ số công suất thành đơn vị Tìm dòng điện đơn vị Tìm dòng điện tiêu thụ động đồng tiêu thụ động đồng Ví dụ 6.8 Tính lại câu 6.7  Chọn điện áp pha A làm vectơ tham chiếu, vectơ pha dòng động đồng điện pha A tải kéo tải 300W? I aL  Máy điện đồng 45 1500000   cos 1 0,8  625  36,87 A 17320,8 Máy điện đồng 46 Ví dụ 6.7 (tt)  Vectơ pha dòng điện pha tổ hợp tải động là: I aT  1500000 0  5000 A 1732  Vectơ pha dòng điện pha A động cơ, tính theo giản đồ vectơ pha: I aM  I aT  I aL  500  625  36,87  37590 A Máy điện đồng 47