BÀI 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
5.1. Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đại lượng định mức
Máy điện đồng bộ là máy điện quay xoay chiều có tốc độ rôto n bằng tốc độ quay của từ trường n1. Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato thường được nối với lưới có tần số f = const và dây quấn rôto được kích thích bằng nguồn điện 1 chiều. Ở điều kiện làm việc bình thường thì n luôn bằng n1 khi tải thay đổi.
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia với động cơ sơ cấp là các tuabin nước, tuabin khí hoặc tuabin hơi. Ở các lưới điện công suất nhỏ hoặc để làm nguồn dự phòng thì máy phát đồng bộ được kéo bởi động cơ diezen hoặc tuabin khí.
Máy điện đồng bộ còn dùng làm động cơ điện, đặc biệt khi truyền động công suất lớn vì khác với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, như trong ngành công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh… Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ cũng được dùng rộng rãi trong các trang thiết bị tự động và điều khiển.
Trong hệ thống điện, để bù hệ số công suất cos cho hợp lý cũng như ổn định điện áp của lưới điện thì người ta dùng máy điện đồng bộ chỉ phát ra công suất phản kháng. Đó là các máy bù đồng bộ.
Hình 5.1. Mặt cắt ngang trục máy
1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Lõi thép rôto; 4. Dây quấn rôto 1. Stato
Stato của máy điện đồng bộ giống stato của máy điện không đồng bộ, bao gồm lõi thép, thân máy và nắp máy. Lõi thép được ép bằng các lá thép kỹ thuật điện, mặt trong được xẻ rãnh để đặt dây quấn và gọi là dây quấn phần ứng.
2. Rôto
Rôto của máy điện đồng bộ thường làm bằng thép hợp kim hoặc thép đúc và được gia công thành các cực từ. Tại các cực từ có đặt các dây quấn kích từ một chiều để tạo ra từ trường cho máy. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng có cách điện tốt và được cố định chặt trong rãnh. Hai đầu dây của nó được luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục. Nguồn điện kích từ sẽ được đưa vào dây quấn rôto thông qua hai chổi điện tì lên hai vành trượt đó. Ở các máy nhỏ thì rôto là nam châm vĩnh cửu.
Hình 5.2. Lá thép rôto cực ẩn Hình 5.3. Lá thép rôto cực lồi Rôto có 2 loại: kiểu cực ẩn và kiểu cực lồi.
Kiểu rôto cực ẩn (hình 5.2) có rãnh rôto được gia công phay, thích hợp với tốc độ quay cao 3000 vòng/phút (số cực 2p = 2).
Kiểu rôto cực lồi (hình 5.3) có các cực từ được chế tạo riêng và được cố định trên lõi thép bằng các bulông xuyên, thích hợp với tốc độ quay thấp (khoảng trên 200 vòng/phút với máy có trục nằm ngang và thấp hơn khi trục máy đặt thẳng đứng).
Trên rôto, ngoài dây quấn kích từ còn có thêm dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trong động cơ đồng bộ) đặt ở đầu cực.
Hình 5.4. Các chi tiết cơ bản của máy phát điện đồng bộ 5.1.3. Nguyên lý làm việc
1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Dùng động cơ sơ cấp quay rôto với tốc độ n (vòng/phút), đồng thời cấp nguồn điện kích từ một chiều vào dây quấn kích từ thì từ trường do dòng điện trong dây quấn này sinh ra (có phương không đổi với rôto) cũng sẽ quay với tốc độ n. Do đó từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động hình sin trong dây quấn này, có trị số hiệu dụng:
E0 = 4,44fwmkdq (5.1)
Trong đó: E0, f, w, m, kdq lần lượt là s.đ.đ pha, tần số, số vòng dây, từ thông cực từ rôto và hệ số dây quấn stato.
Nếu rôto có p đôi cực thì khi rôto quay được 1 vòng thì s.đ.đ phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó tần số s.đ.đ stato sẽ bằng:
f = 60
p n (Hz) (5.2)
Ở máy phát xoay chiều 3 pha, do dây quấn stato 3 pha cũng có p đôi cực và có trục lệch nhau 1200 điện trong không gian nên các s.đ.đ pha cũng lệch nhau góc pha 1200. Khi dây quấn stato nối với tải thì trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha lệch nhau góc pha 1200. Do đó, hệ thống dòng điện 3 pha này sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p (vòng/phút), đúng bằng tốc độ n của rôto. Chính vì đặc điểm này mà loại máy này được gọi là máy điện đồng bộ.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ
Cấp nguồn điện xoay chiều vào dây quấn stato và nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ rôto. Khi đó, từ trường stato sẽ quay với tốc độ n1, nếu rôto quay với tốc độ n n1 thì sự tương tác giữa từ trường stato với từ trường kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ kéo rôto quay đồng bộ với từ trường stato. Việc quay rôto đến tốc độ xấp xỉ tốc độ từ trường có thể thực hiện bằng một động cơ sơ cấp hoặc dùng dây quấn mở máy đặt ở stato.
3. Nguyên lý làm việc của máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải. Bằng việc điều chỉnh dòng điện kích từ mà máy bù đồng bộ có thể thu vào hay phát ra công suất phản kháng lên lưới điện có nghĩa là nó có thể tham gia vào việc ổn định điện áp và hệ số công suất của lưới.
5.1.4. Các đại lượng định mức
Công suất có ích Pđm (kW) là công suất đầu ra của máy được tính toán theo các điều kiện phát nóng và làm việc lâu dài mà không bị hư hỏng.
Các đại lượng khác có liên quan và biểu thị cho chế độ làm việc đó cũng được gọi là các đại lượng định mức và đều được ghi trên nhãn máy như: số pha, tần số (Hz), điện áp dây (V), sơ đồ nối dây phần tĩnh, dòng điện stato và rôto (A), hệ số công suất, tốc độ quay (vòng/phút), cấp cách điện …
Câu hỏi
Câu 1: Tại sao máy phát điện đồng bộ chủ yếu được sử dụng làm nguồn điện cho lưới điện?
Câu 2: Tại sao mạch từ roto của máy điện đồng bộ thường làm từ thép hợp kim hoặc thép đúc?
Câu 3: Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ.