Bài giảng Mạch điện tử - Chương 9: Máy điện đồng bộ

Bài giảng Mạch điện tử - Chương 9: Máy điện đồng bộ cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản sau: Khái quát chung về máy điện đồng bộ, cấu tạo máy điện không đồng bộ, nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ, phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 9: Máy điện đồng 9.1 Khái quát chung máy điện đồng 9.1.1 Định nghĩa • Máy điện xoay chiều có tốc độ quay rơto n tốc độ quay từ trường n máy điện đồng • Có dây quấn: - dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f khơng đổi - dây quấn rơto kích thích dòng điện chiều Ở chế độ xác lập, máy điện đồng có tốc độ quay rơto ln khơng đổi tải thay đổi 9.1.2 Công dụng máy điện đồng • Máy phát điện đồng nguồn điện lưới điện quốc gia, động sơ cấp tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước Cơng suất máy phát đạt tới 600MVA lớn hơn, thường làm việc song song Ở lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng kéo động điêzen tuabin khí, làm việc đơn lẻ hai, ba máy làm việc song song • Động đồng sử dụng truyền động cơng suất lớn, đạt đến vài chục MW Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động đồng sử dụng để truyền động máy bơm, nén khí, quạt gió… với tốc độ không đổi Động đồng công suất nhỏ sử dụng thiết bị đồng hồ điện, dụng cụ từ ghi, thiết bị điện sinh hoạt… • Ngồi hệ thống điện cịn sử dụng máy bù đồng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất ổn định điện áp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.2 Cấu tạo máy điện không đồng Máy điện đồng gồm phận stato rơto - thép stato, - dây quấn stato - thép rôto, - dây quấn rôto 9.2.1 Stato Tương tự máy điện không đồng bộ, stato máy điện đồng gồm phận lõi thép stato dây quấn ba pha stato (gọi dây quấn phần ứng) 9.2.2 Rơto Rơto có cực từ dây quấn kích từ, dùng để tạo từ trường cho máy Đối với máy nhỏ, rôto nam châm vĩnh cửu Rôto máy điện đồng có loại: • Rơto cực ẩn: dùng máy có tốc độ cao 3000vg/ph, có đơi cực • Rơto cực lồi: dùng máy có tốc độ thấp, có nhiều đơi cực CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Để có sức điện động sin, từ trường cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở khơng khí stato rơto, đỉnh cực từ có từ cảm cực đại Rơto cực ẩn: dây quấn kích từ đặt rãnh Rơto cực lồi: dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ Hai đầu dây quấn kích từ luồn trục nối với hai vòng trượt đặt đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng Cho dịng điện kích từ (dịng điện khơng đổi) vào dây quấn kích từ sinh từ trường rôto rôto quay, từ trường rôto cắt dây quấn phần ứng stato cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng E o  4,44fw1k dq o Eo : sức điện động pha w1 : số vòng dây pha kdq : hệ số dây quấn  o : từ thơng cực từ rơto Nếu rơto có p đơi cực, rơto quay vịng, sức điện động phần ứng biến thiên p chu kỳ, tần số sđđ là: pn f (vg/ph) 60 Ikt n Dây quấn ba pha stato có trục lệch khơng gian góc 120o Nên sđđ pha lệch góc pha 120o Khi dây quấn stato nối với tải, dây quấn có dịng điện ba pha Dòng điện ba pha ba dây quấn tạo nên từ trường quay với tốc độ n1=60f/p, tốc độ n rôto CuuDuongThanCong.com + _ https://fb.com/tailieudientucntt 9.4 Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng Khi máy phát điện làm việc, từ thông cực từ rôto o cắt dây quấn stato, cảm ứng sđđ Eo chậm pha so với  o góc 90o Dây quấn stato nối với tải tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải Dòng điện tạo nên từ trường quay phần ứng Từ thông phần ứng quay đồng với o Góc lệch pha Eo I tính chất tải định Tác dụng từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi phản ứng phần ứng • Tải trở:   0, Eo I pha, dịng điện I Eo Eo sinh từ thơng phần ứng pha với dịng điện , I Từ thơng phần ứng theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ, gọi phản ứng phần ứng ngang trục • Tải cảm:   90 o, dòng điện I sinh từ thông , I o  phần ứng ngược chiều với  o , gọi phản ứng phần ứng o dọc trục khử từ, làm giảm từ trường tổng N S N S • Tải dung:    90 o, dòng điện sinh từ thông Eo phần ứng chiều với  o, gọi la phản ứng phần ứng Eo dọc trục trợ từ, làm tăng từ trường tổng • Tải bất kỳ: phân tích dịng điện I thành thành phần: Iq I - Thành phần dọc trục I d  I sin  - Thành phần ngang trục I q  I cos  o o Id Dòng điện I sinh từ trường phần ứng vừa có tính chất , I ngang trục, vừa có tính chất dọc trục trợ từ khử từ N S N S tùy theo tính chất tải CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.5 Mơ hình tốn máy phát điện đồng 9.5.1 Phương trình điện áp máy phát điện đồng cực lồi Ở máy điện cực lồi, khe hở dọc trục ngang trục khơng giống nhau, nên ta phải phân tích ảnh hưởng phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục ngang trục E o jI d X d Từ trường phần ứng ngang trục tạo nên sđđ ngang trục: E uq   jI q X uq Từ trường phần ứng dọc trục tạo nên sđđ dọc trục: E ud   jI d X ud  jI q X q U Xud , Xuq điện kháng pưpư dọc trục ngang trục Từ thông tản dq stato đặc trưng điện kháng tản Xt không phụ thuộc vào hướng dọc trục hay ngang trục E t   jIX t   jI d X t  jI q X t Bỏ qua điện áp rơi dây quấn phần ứng, ta có phương trình điện áp máy phát điện đồng cực lồi:  I q    E o  jI d X ud  jI q X uq  jI d X t  jI q X t U  I d  E o  jI d (X ud  X t )  jI q (X uq  X t ) Xd = Xud + Xt : điện kháng đồng dọc trục Xq = Xuq + Xt : điện kháng đồng ngang trục E o jIXđb   E o  jI d X d  jI q X q U 9.5.2 Phương trình điện áp máy phát điện đồng cực ẩn Máy phát điện đồng cực ẩn trường hợp đặc biệt máy phát điện đồng cực lồi với Xd = Xq = Xđb gọi điện kháng đồng   E o  jIX đb Phương trình điện áp: U  U   I  CuuDuongThanCong.com I https://fb.com/tailieudientucntt 9.6 Công suất điện từ máy phát điện đồng cực lồi 9.6.1 Công suất tác dụng Công suất tác dụng máy phát cung cấp cho tải: P  mUI cos   mUI cos(  )  mUI cos  cos   mUI sin  sin  Có: I cos   I q  E  U cos  U sin  ; I sin   I d  o Xq Xd Eo U  1  Pđt  mU sin   m  sin 2 Xd  X q X d  Công suất điện từ gồm thành phần: • • Eo sin  dịng điện kích từ tạo nên, thành phần công suất chủ yếu máy phát Xd U2  1   sin 2 không phụ thuộc vào dịng kích từ, có X d  X q (máy cực lồi) Thành phần m   X q X d  Thành phần mU Do ảnh hưởng thành phần này, máy cực lồi khơng cần dịng điện kích từ mà tạo nên mơmen quay, ngun lý động phản kháng Ta có đặc tính góc cơng suất máy phát điện không đồng P  f   Máy phát làm việc ổn định    , tải định mức   20o  30o CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.6.2 Công suất phản kháng Công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ: Q  mUI sin   mUI sin(  )  mUI sin  cos   mUI cos  sin  Ta tìm được: Q  mU Eo U  1  mU  1  cos   m  cos    Xd  X q X d   X q X d  9.6.3 Điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng a/ Điều chỉnh công suất tác dụng: Máy phát biến đổi thành điện năng, muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất động sơ cấp b/ Điều chỉnh công suất phản kháng: Xét máy điện đồng cực ẩn: Xd = Xq = Xđb mUE o cos   U  X đb Giữ U, f, P không đổi: nếu: • E o cos   U Q  : máy không phát công suất phản kháng mà nhận công suất phản kháng lưới Q điện để tạo từ trường, máy thiếu kích từ • • E o cos   U Q0 E o cos   U Q  : máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy kích từ Ta thấy, muốn thay đổi công suất phản kháng, phải thay đổi Eo, nghĩa điều chỉnh dịng kích từ Muốn tăng cơng suất phản kháng phải tăng kích từ Khi tăng dịng kích từ, Eo tăng, có E o sin   const nên cos  tăng, Q tăng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.7 Đặc tính ngồi đặc tính điều chỉnh 9.7.1 Đặc tính ngồi máy phát điện đồng Là quan hệ điện áp U cực máy phát dòng điện tải I tính chất tải khơng đổi (cos t  const ) , tần số dịng điện kích từ máy phát không đổi Điện áp máy phát phụ thuộc dịng điện đặc tính tải: • Tải cảm tải trở: tải tăng, điện áp giảm • Tải dung: tải tăng, điện áp tăng Để giữ điện áp Uđm phải thay đổi Eo Cách điều chỉnh Ikt,, ta đường đặc tính: U %  U o  U đm E  U đm 100  o U đm U đm Vì Xđb lớn nên giá trị Có thể đạt đến vài chục phần trăm U RC U o RLL Iđm U Uo R Uđ C m CuuDuongThanCong.com I L https://fb.com/tailieudientucntt Iđm I 9.7.2 Đặc tính điều chỉnh Đường đặc tính điều chỉnh quan hệ dịng điện kích từ dịng điện tải điện áp U không đổi định mức Phần lớn máy phát điện đồng có từ động điều chỉnh dịng kích từ IKT cos   giữ cho điện áp không đổi cos   cos   I CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.8 Sự làm việc song song máy phát điện đồng Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng làm việc song song với tạo thành lưới điện Công suất lưới điện lớn so với công suất máy riêng rẽ, điện áp tần số lưới giữ khơng đổi, thay đổi tải Để máy làm việc song song phải đảm bảo điều kiện sau: • Điện áp máy phát phải điện áp lưới trùng pha • Tần số máy phát phải tần số lưới điện • Thứ tự pha máy phát phải giống thứ tự pha lưới điện Nếu không đảm bảo điều kiện trên, có dịng điện lớn chạy quẩn máy, phá hỏng máy gây rối loạn hệ thống điện Để đóng máy phát điện vào lưới, ta dùng thiết bị hòa đồng Đối với máy phát điện công suất nhỏ đóng vào lưới phương pháp tự đồng bộ: dây quấn kích từ khơng đóng vào nguồn điện kích từ mà khép mạch qua điện trở phóng điện để tránh xuất điện áp cao, phá hỏng dây quấn kích từ Quay rơto đến gần tốc độ đồng bộ, sau đóng máy phát vào lưới cuối đóng dây quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy làm việc đồng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.9 Động điện đồng 9.9.1 Nguyên lý làm việc, phương trình điện áp đồ thị vectơ Nguyên lý làm việc đồng điện đồng bộ: Khi ta cho dòng điện ba pha iA, iB, iC vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha stato sinh ta từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p, hình dung từ trường quay nam châm quay Khi cho dòng điện chiều vào dây quấn rôto, rôto biến thành nam châm điện Tác dụng tương hỗ từ trường stato từ trường rơto có lực tác dụng lên rơto Khi từ trường stato quay với tốc độ n1, lực tác dụng kéo rôto quay với tốc độ n = n1 Nếu trục rơto nối với máy đó, ĐCĐ kéo máy quay với tốc độ n không đổi Phương trình điện áp: U  E  IR  jIX o đb Khi bỏ qua điện trở dây quấn stato R, ta có: U  E o  jIX đb CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.9.2 Điều chỉnh hệ số công suất cos  động điện đồng Khi dòng điện I chậm pha sau điện áp U, động tiêu thụ công suất phản kháng lưới điện, làm cho hệ số công suất lưới điện giảm xuống, khơng để động làm việc chế độ  Trong công nghiệp, người ta cho động  làm việc chế độ kích từ, dịng điện I vượt trước pha so với điện áp U, động vừa tạo I năng, vừa phát công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số cơng suất lưới, ưu điểm động đồng I'  E sin   const   U jIXđb E o I  U jIXđb E o I cos   const CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt jI' Xđb E 'o 9.9.3 Mở máy động điện đồng Khi cho dòng điện vào dây quấn stato tạo nên từ trường quay, kéo rôto quay Rơto có qn tính lớn nên đứng n, lực tác dụng tương hỗ từ trường quay stato từ trường cực từ thay đổi chiều, rôto không quay Muốn động làm việc phải tạo nên mômen mở máy để quay rôto đồng với từ trường quay stato, giữ cho lực tác dụng tương hỗ hai từ trường không đổi chiều Để tạo mômen mở máy, mặt cực từ rôto, người ta đặt dẫn, nối ngắn mạch lồng sóc động khơng đồng Khi mở máy, nhờ có dây quấn mở máy rơto, động làm việc động không đồng bộ, động thường chế tạo với hệ số mở máy Mmm/Mđm từ 0,8 đến Trong q trình mở máy, dây quấn kích từ cảm ứng điện áp lớn, phá hỏng dây quấn kích từ, dây quấn kích từ khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số – 10 lần điện trở dây quấn kích từ Khi rơto quay đến tốc độ gần tốc độ đồng n 1, đóng nguồn điện chiều vào dây quấn kích từ, động làm việc đồng Với động công suất nhỏ, mở máy đóng trực tiếp dây quấn stato vào lưới điện Với động công suất lớn, phải hạn chế dòng mở máy cách giảm điện áp đặc vào stato, thường dùng điện kháng hay máy tự biến áp nối vào mạch stato Nhược điểm động điện đồng mở máy cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt so với động điện không đồng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9.10 Các máy điện đồng có cấu tạo đặc biệt Ngoài máy phát động điện ba pha, ta gặp máy phát điện đồng pha cung cấp điện cho tải công suất nhỏ, lưu động động đồng pha dùng hệ tự động thiết bị điện sinh hoạt Ngoài máy có dây quấn kích từ, ta cịn gặp máy rôto nam châm vĩnh cửu rôto cực lồi không nam châm (động phản kháng) Các loại thường có cơng suất nhỏ Trong cơng nghiệp, người cịn dùng động đồng cơng suất lớn làm việc khơng tải dịng điện kích từ điều chỉnh để động phát công suất phản kháng tiêu thụ cơng suất phản kháng, mục đích để điều chỉnh điện áp lưới điện Trong trường hợp này, máy điện gọi máy bù đồng Máy bù đồng phát công suất phản kháng giống tụ điện để nâng cao hệ số công suất cho lưới điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Cấu tạo máy điện không đồng Máy điện đồng gồm phận stato rôto - thép stato, - dây quấn stato - thép rôto, - dây quấn rôto 9.2.1 Stato Tương tự máy điện không đồng bộ, stato máy điện đồng gồm... ngồi máy phát điện đồng Là quan hệ điện áp U cực máy phát dịng điện tải I tính chất tải khơng đổi (cos t  const ) , tần số dịng điện kích từ máy phát khơng đổi Điện áp máy phát phụ thuộc dịng điện. .. việc song song máy phát điện đồng Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng làm việc song song với tạo thành lưới điện Công suất lưới điện lớn so với cơng suất máy riêng rẽ, điện áp tần số