CHƯƠNG 7

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng bộ là loại máy điện có tốc độ quay không đổi, xác định theo số đôi cực p và tần số đã cho của dòng điện xoay chiều. Theo nguyên lý thuận nghịch, máy điện đồng bộ có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ. Phần lớn điện năng hiện đang sử dụng trong công nghiệp và đời sống là dòng điện xoay chiều do các máy phát điện đồng bộ cung cấp. Ngoài ra trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để nâng cao hệ số công suất và ổn định điện áp.

1. CẤU TẠO:

Nhìn chung, máy điện đồng bộ có cấu tạo gần giống với máy điện không đồng bộ, bao gồm:

- Phần tĩnh (stator)

- Phần quay (rotor)

- Các bộ phận phụ: vỏ máy, nắp máy, bộ phận kích từ,...

1.1 Phần tĩnh (stator)

- Stator của máy đồng bộ giống như stator của máy KĐB gồm 2 bộ phận chính là lõi thép stator và dây quấn 3 pha.

- Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng

1.2 Phần quay (rotor)

- Rotor trong máy điện đồng bộ gồm có các cực từ và dây quấn kích từ (dây quấn phần cảm) dùng để tạo ra từ trường cho máy. Đối với máy công suất nhỏ thì rotor là nam châm vĩnh cửu.

- Có hai loại rotor: rotor cực ẩn và rotor cực lồi.

• Rotor cực lồi dùng cho các máy tốc độ thấp, có nhiều đôi cực, dây quấn kích từ được quấn xung quanh thân từ cực.

• Rotor cực ẩn thường dùng cho máy tốc độ cao 3000 v/ph, có một đôi cực, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh.

- Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua 2 chồi than để nối với nguồn kích từ.

1.3 Các bộ phận phụ:

- Vỏ máy, nắp máy và cánh quạt làm mát: có tác dụng bảo vệ các bộ phận bên trong, vỏ máy còn chứa ổ bi để đỡ rotor.

- Phần kích từ: nhiệm vụ của phần kích từ là tạo ra dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn phần cảm để tạo ra từ thông. Các máy phát điện xoay chiều công suất lớn thường có phần kích từ là một máy phát điện một chiều gọi là máy kích từ và thường đặt trên cùng trục với máy phát điện xoay chiều.

2. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ:

2.1 Nguyên lý làm việc:

- Phần cảm khi có dòng điện một chiều kích thích tạo thành một nam châm 2 cực (N và S) quay với tốc độ n vòng/phút.

- Khi phần cảm quay, từ thông của nó quét qua các cuộn dây phần ứng, gây ra sự biến đổi từ thông trong cuộn dây theo chu kỳ. Do sự biến đổi từ thông náy, trong các cuộn dây phần ứng sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng eA, eB, eC. Vì các cuộn dây đặt lệch nhau 1200 nên các sức điện động lệch pha nhau 1200 tức 1/3 chu kỳ, ta được một hệ thống sức điện động 3 pha.

- Trị số hiệu dụng của các sức điện động:

E = 4,44.f.w.Φmax.k (6-1)

Trong đó:

là tần số của sức điện động.

w là số vòng dây của một cuộn dây một pha.

Φmax là từ thông cực đại dưới một cực của phần cảm.

k là hệ số quấn dây

- Nếu 3 cuộn dây của phần ứng nối hình Y và phụ tải được nối vào 3 cực A-B-C của phần ứng thì sẽ có dòng điện 3 pha chạy trong các cuộn dây rồi chạy ra phụ tải. Đây là hệ thống điện xoay chiều 3 pha của phần ứng. tần số của dòng điện cũng bằng tần số của sức điện động và lệch pha nhau 1/3 chu kỳ.

- Từ trường do dòng điện 3 pha của phần ứng sinh ra là một từ trường quay với tốc độ bằng tốc độ quay của phần cảm nên máy phát điện này gọi là máy phát điện đồng bộ.

2.2 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ:

a. Công suất tác dụng:

Công suất tác dụng mà máy phát đồng bộ cung cấp cho tải là:

P = m.U.I.cosφ (6-4)

Trong đó:

m là số pha

U, I là điện áp và dòng điện pha

Φ là góc lệch pha giữa U và I

b. Công suất phản kháng:

Công suất phản kháng mà máy phát đồng bộ là:

Q = m.U.I.sinφ (6-5)

Trong đó:

E0 là sức điện động pha của máy phát đồng bộ

θ là góc lệch pha giữa U và E0 do tính chất cảu tải quyết định

Xđb là điện kháng phản ứng phần ứng đồng bộ

Xđb = Xd + Xq (6-7)

Xd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục đồng bộ

Xq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục đồng bộ

Như vậy, khi giữ U, f và P không đổi thì

- Nếu E0. Cosθ < U thì Q < 0

- Nếu E0. Cosθ > U thì Q > 0

- Nếu E0. Cosθ = U thì Q = 0

• Khi Q>0, nghĩa là máy không phát công suất phản kháng mà nhận công suất phản kháng từ lưới để tạo từ trường quay, máy thiếu kích từ.

• Khi Q<0 máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích từ.

Muốn thay đổi công suất phản kháng ta phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dòng kích từ. Muốn tăng công suất phản kháng phát ra phải tăng dòng kích từ.

2.3 Đặc tính của máy phát điện đồng bộ:

• Đặc tính ngoài:

Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực của máy phát và dòng tải I khi tính chất của tải không đổi (cosφt = const), tần số và dòng điện kích từ của máy phát không đổi.

Điện áp của máy phát phụ thuộc vào dòng điện và đặc tính của tải

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải xác định như sau:

Độ biến thiên điện áp của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì Xđb khá lớn.

• Đặc tính điều chỉnh:

Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp U không đổi bằng định mức.

Phần lớn các máy điện đồng bộ có bộ tự động điều chỉnh dòng kích từ để giữ cho điện áp không đổi.

2.4 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song:

Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau tạo thành lưới điện. Để các máy làm việc song song cần bảo đảm các điều kiện sau:

- Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau.

- Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện

- Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.

Nếu không đảm bảo các điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quần trong máy, phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện.

Để đóng máy phát điện vào lưới, ta dùng thiết bị hòa đồng bộ.

3. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ:

3.1 Nguyên lý làm việc:

Khi ta cho dòng điện 3 pha vào 3 dây quấn stator, tương tự như động cơ điện không đồng bộ, dòng điện 3 pha ở stator sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ

Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rotor, thì rotor sẽ biến thành một nam châm điện. Tác dụng tương hỗ trợ giữa từ trường stator và từ trường rotor sẽ có lực tác dụng lên rotor và kéo rotor quay với tốc độ n = n1.

3.2 Điều chỉnh hệ số công suất của động cơ điện đồng bộ:

Khi động cơ đồng bộ thiếu kích từ dòng điện I sẽ chậm sau điện áp U, động cơ đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Khi sử dụng người ta không để động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ này.

Trong công nghiệp, người ta cho động cơ làm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước điện áp U, động cơ vừa tạo ra cơ năng đồng thời phát ra công suất phản kháng cho lưới điện nhằm nâng cao hệ công suất của lưới. Đó là ưu điểm rất lớn của động cơ đồng bộ.

3.3 Mở máy động cơ điện đồng bộ

Khi cho dòng điện vào dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay kéo rotor quay. Nếu sau khi đóng mạch stator mà cấp ngay dòng điện một chiều cho rotor thì do rotor có quán tính lớn hơn từ trường quay rất nhiều nên vẫn đứng yên, từ trường rotor không thể bắt kịp từ trường quay stator. Vì thế việc mở máy động cơ đồng bộ phải có trang bị mở máy riêng.

Để tạo moment mở máy, trên các mặt cực từ rotor, người ta đặt các thanh dẫn được nối ngắn mạch như rotor lồng sóc ở động cơ không đồng bộ. Khi mở máy nhờ có dây quấn mở máy này động cơ sẽ làm việc như động cơ không đồng bộ khi mở máy.

Trong quá trình mở máy, dây quấn kích từ sẽ cảm ứng một điện rất lớn có thể phá hỏng dây quấn, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua một điện trở phóng điện có trị số bằng từ 6 - 10 lần điện trở dây quấn kích từ.

Khi rotor quay đến tốc độ gần tốc độ đồng bộ, đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ để động cơ làm việc đồng bộ.

Ví dụ: Một động cơ điện đồng bộ ba pha đấu sao có thông số Pđm = 575kW; Uđm = 6000V; η = 0,95; cosφđm = 1; p = 3; f = 50Hz.

a. Tính momen quay định mức, dòng điện định mức, công suất biểu kiến của động cơ.

b. Nếu momen cản chỉ đạt 75%Mđm thì công suất phản kháng tối đa động cơ có thể bù cho mạng điện là bao nhiêu? Muốn đạt điều đó phải làm thế nào?

Lời giải:

a. Momen quay định mức của động cơ:

Trong đó:

Với n = n1=

⇒ Mđm = 5491Nm

Dòng điện định mức cung cấp cho động cơ

Công suất biểu kiến của động cơ:

b. Khi dòng điện cung cấp cho động cơ bằng dòng điện định mức thì công suất điện động cơ tiêu thụ là:

Tổng tổn hao trong trường hợp dòng điện cung cấp cho động cơ không đổi có thể xem là không đổi và có giá trị:

∆P = P1đm - Pđm = 605 - 575 = 30kW

Cơ năng động cơ phát ra khi momen cân bằng 75% định mức

Pcơ = 75%. Pđm = 431kW

Công suất tác dụng động cơ điện nhận được:

P1 = Pcơ + ∆P = 461kW

Lượng công suất phản kháng tối đa động cơ có thể bù cho mạng điện:

Để tăng suất phản kháng, phải tăng dòng điện kích từ cho động cơ điện