CHƯƠNG 6 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
6.1. Đại cương về máy điện đồng bộ
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.
6.1.1. Định nghĩa, phân loại và các đại lượng định mức 1) Định nghĩa
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.
2) Phân loại
Theo cấu tạo của rôto thì có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại: Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao và máy đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp.
Theo chức năng thì có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chính: Máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ và máy bù đồng bộ.
Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đồng bộ đặc biệt như máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao… và các máy nhỏ dùng trong tự động như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước…
3) 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.
155 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 …
6.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 1) Cấu tạo
Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và rôto (hình 6.1).
Hình 6.1 Mặt cắt ngang trục máy
1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Lõi thép rôto; 4. Dây quấn rôto a) 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.
b) 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 6.2 Lá thép rôto cực ẩn Hình 6.3 Lá thép rôto cực lồi
156 Rôto có 2 loại: kiểu cực ẩn và kiểu cực lồi.
Kiểu rôto cực ẩn (hình 6.2) 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 6.3) 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.
2) Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ a) 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 (6.1)
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
pn (Hz) (6.2)
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.
b) 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 (mômen đồng bộ) 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.
157 c) 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.
6.1.3. Từ trường trong máy điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc không tải (I = 0), từ trường trong máy chỉ là từ trường kích thích rôto t cắt dây quấn stato và cảm ứng trên dây quấn stato s.đ.đ không tải E0 chậm pha góc 900 so với t. Khi máy phát làm việc có tải (I ≠ 0) thì trong dòng điện trong dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường phần ứng ư quay đồng bộ với t. Tác dụng của ư đối với t gọi là phản ứng phần ứng. Tính chất của
phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải. Hình 6.4 Từ trường trong máy điện đồng bộ
Khi máy phát làm việc có tải (I ≠ 0) thì trong dòng điện trong dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường phần ứng ư quay đồng bộ với t. Tác dụng của ư đối với t gọi là phản ứng phần ứng. Tính chất của phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải.
Xét trường hợp đơn giản, máy phát đồng bộ 3 pha, mỗi pha có một vòng dây và số cực 2p = 2.
1) Tải thuần trở
Giả sử vị trí của rôto nằm đối diện với dây quấn pha A thì chiều của các dòng điện pha A-X, B-Y và C-Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 6.5). Vì từ thông t xuyên qua pha A vượt trước s.đ.đ cảm ứng trong pha đó góc 900 nên khi s.đ.đ đạt cực đại thì cực từ đã quay được góc 900. Mặt khác khi tải thuần trở thì dòng điện ba pha trùng pha (góc = 00) với các sức điện động cảm ứng tương ứng nên từ trường phần ứng ư sẽ nằm thẳng góc với từ trường kích thích. Do đó phản ứng phần ứng là ngang trục có tác dụng làm méo từ trường kích thích. Coi dòng điện và s.đ.đ cảm ứng có dạng hình sin thì đồ thị véctơ s.đ.đ cũng như vị trí của từ trường kích thích và từ trường phần ứng khi tải thuần trở như hình 6.6.
2) Tải thuần cảm
S.đ.đ E vượt trước dòng điện góc = 900 nên khi dòng điện pha A đạt cực đại thì cực từ đã quay thêm góc 900 so với trường hợp tải thuần trở.
158 Hình 6.5 Chiều dòng điện stato khi tải
thuần trở
Hình 6.6 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần trở Do đó, ư và t cùng phương nhưng ngược chiều. Phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ có tác dụng làm yếu từ trường cực từ. Vị trí không gian của từ trường cực từ và từ trường phần ứng như hình 6.7, sơ đồ véctơ s.đ.đ hình 6.8.
Hình 6.7 Chiều dòng điện stato khi tải thuần cảm
Hình 6.8 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần cảm 3) Tải thuần dung
S.đ.đ chậm sau dòng điện góc = +900 nên khi dòng điện pha A đại cực đại thì cực từ phải quay thêm một góc 900 nữa mới tới vị trí của nó như trường hợp tải thuần trở. Do đó từ trường phần ứng và từ trường cực từ trùng pha nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ có tác dụng làm tăng từ trường cực từ (hình 6.9 và 6.10).
4) Tải hỗn hợp
Ta có thể phân tích từ trường phần ứng thành 2 phần: Từ trường dọc trục: ưd =
ưsin và từ trường ngang trục: ưq = ưcos.
Khi tải điện cảm (0 < < 900) phản ứng phần ứng là ngang trục khử từ (hình 6.11). Khi tải điện dung (0 > > -900) phản ứng phần ứng là ngang trục trợ từ.
159 Hình 6.9 Chiều dòng điện stato khi tải
thuần dung
Hình 6.10 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải thuần dung
Hình 6.11 Chiều dòng điện stato khi bất kỳ
Hình 6.12 Vị trí của từ trường kích từ và từ trường phần ứng khi tải bất kỳ