BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [248.07 KB, 20 trang ]
Bài 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
4.1. Định nghĩa và công dụng:
4.1.1. Định nghĩa:
Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ quay của từ
trường n1 gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato
nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto được kích thích bằng dòng điện 1
chiều. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải
thay đổi.
4.1.2 Công dụng của máy điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong
đó động cơ sơ cấp là các tuốc bin nước, tuốc bin khí, tuốc bin hơi nước...v.v. Công
suất của các máy phát có thể đạt đến 600 MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm
việc song song. Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi
các động cơ diezen hoặc các tuabin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm
việc song song.
Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến
vài chục MW. Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng
bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió v.v... với tốc độ
không đổi. Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được được sử dụng trong các thiết bị như
đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, thiết bị điện sinh hoạt v.v....
Máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho luới điện để bù hệ số
công suất và ổn định điện áp.
4.2. Phân loại, cấu tạo và nguyên lí làm việc:
4.2.1 Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ
a. Phân loại
- Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ làm 2 loại:
+ Máy điện đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ cao [2p = 2]
+ Máy điện đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ thấp [2p = 4]
-Theo chức năng có thể chia máy điện máy điện đồng bộ thành:
+ Máy phát điện đồng bộ:
* Máy phát tuốc bin hơi có n cao thường được chế tạo cực ẩn có trục máy nằm ngang.
* Máy phát tuốc bin nước: Vì tốc độ thấp, thường chế tạo theo cực lồi
* Máy phát Diézen: Kéo bởi động cơ diézen thường cấu tạo cực lồi.
+ Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo cực lồi, để kéo các tải không
đòi hỏi phải thay đổi tốc độ.
+ Máy bù đồng bộ: Để cải thiện hệ số cosϕ của lưới.
b. Kết cấu
α. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn:
- Rotor làm bằng thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành khối trục, gia
công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ.
Máy có thể được chế tạo với số cực từ 2p = 2 và 2p = 4 nên có tốc độ quay cao. Máy
đồng bộ hiện đại cực ẩn thường 2p = 2, D = 1,11 ÷ 15 m ; lmax = 6,5 m tối đa roto.
-Dây quấn kích từ đặt trong rãnh của roto được chế tạo dây đồng trần tiết diện
chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây được cách
điện vớí nhau. Hai đầu của dây quấn thì đi luồn vào trong trục nối với hai vành trượt và
chổi than.
146
- Stator tương tự như của máy điện không đồng bộ, lõi thép được ép bằng tôn
silic 741 dày 0,5 mm có phủ sơn cách điện 2 mặt, dọc theo lõi thép stator từ 3...6 cm
có rãnh thông gió ngang trục rộng 10 mm.
β. Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi:
Các cực lồi được chế tạo với số cực 2p ≥ 4. Đường kính rôto D có thể lớn tới 15 m.
Chiều dài l nhỏ lại với tỉ lệ l/D = 0,15 đến 0,2.
- Rôtor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép
được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ, trên có
đặt các cực từ.
Cực từ trên lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép dày 1 ÷1,5 mm [hình 4.1], cố
định cực từ trên lõi thép nhờ đuôi hình T, ốc. v....v...
Hình 4.1 Cố định cực từ liên tiếp trên lõi thép
Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, các cuộn dây sau
khi gia công được lồng vào các thân cực.
- Dây quấn cản [trường hợp máy phát điện đồng bộ] hoặc dây quấn mở máy
[trường hợp động cơ điện đồng bộ] được đặt trên các đầu cực. Được làm bằng các
thanh đồng hoặc nhôm, hai đầu cực được nối bằng hai vòng ngắn mạch. Dây quấn
mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản. Dây quấn cản mục đích để cản dịu sự dao
động của rotor khi có quá trình quá độ và làm bớt sự không đối xứng của các chế độ
làm việc. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, các cuộn
dây sau khi gia công được lồng vào các thân cực.
- Dây quấn cản [trường hợp máy phát điện đồng bộ] hoặc dây quấn mở máy
[trường hợp động cơ điện đồng bộ] được đặt trên các đầu cực. Được làm bằng các
thanh đồng hoặc nhôm, hai đầu cực được nối bằng hai vòng ngắn mạch. Dây quấn
mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản.
Dây quấn cản mục đích để cản dịu sự dao động của rotor khi có quá trình quá độ và
làm bớt sự không đối xứng của các chế độ làm việc.
- Stator của máy điện đồng bộ cực lồi giống như stator của máy điện cực ẩn
- Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các động cơ đồng
bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện Diézen, máy phát tuốc bin nước công suất nhỏ.
Đối với máy phát tuốc bin nước công suất lớn, tốc độ chậm, trục của máy được đặt
thẳng đứng.
Hình 4.2 Dây quấn cản hoặc dây quấn mở
máy của máy điện không147
đồng bộ
4.2.2 Nguyên lí làm việc của máy điện đồng bộ
A, B, C
A, B, C
a. Cực lồi 2pa.= Cực
4 lồi 2p = 4
b. Cực
b. Cực
ẩn ẩn
2p 2p
= 2= 2
Hình 4.3 1.Stato [phần ứng], 2. Rotor [phần cảm], 3. Cuộn kích từ
Stator của máy điện đồng bộ có cấu tạo giống như stator của máy điện không
đồng bộ. Dây quấn ba pha hay m pha nói chung của stator cũng có số đôi cực như
rotor. Stator có dây quấn gọi là phần ứng. Rotor của máy điện đồng bộ có cuộn dây
kích từ, được cung cấp dòng điện một chiều từ nguồn qua 2 vòng tiếp xúc và chổi
than. Công dụng của cuộn kích từ là tạo ra trong máy một từ trường sơ cấp. Rotor
cùng cuộn kích từ gọi là phần cảm ứng.
Nguyên làm việc như sau:
Cho dòng điện kích từ một chiều vào dây quấn kích từ trên rotor thì sẽ tạo ra từ
trường rotor. Khi quay rotor bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rotor sẽ cắt dây quấn
phần ứng stator và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:
E0 = 4,44.f.w1.k dq .Φ 0
Trong đó:
E0, w1, kdq, Φ0 là s.đ.đ pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ
rotor. Nếu rotor có p đôi cực thì tần số của s.đ.đ sẽ là:
f1 = p.n Hz, n tính bằng vòng / giây.
p.n
f1 =
Hz, n tính bằng vòng / phút.
60
Sức điện động stator gồm một hệ thống sức điện động 3 pha đối xứng, có các
trục lệch nhau trong không gian 1200 điện, cho nên s.đ.đ các pha lệch nhau 1200. Khi
nối dây quấn stator với các tải đối xứng thì trong các cuộn dây này sẽ mang 1 hệ thống
dòng điện đối xứng lúc đó máy sẽ làm việc ở chế độ máy phát. Khi có tải dây quấn
stator sẽ tạo nên theo đặc tính của nó 1 từ trường quay cùng như dây quấn của stator
của máy điện không đồng bộ. Từ trường quay của stator sẽ quay theo chiều quay của
rotor với tốc độ:
60 f1
n1 =
p
thế f1 vào công thức trên ta có n = n1
Nghĩa là tốc độ quay của rotor bằng tốc độ từ trường quay. Chính vì vậy
được gọi là máy điện đồng bộ.
148
Máy điện đồng bộ có thể làm việc như 1 động cơ, nếu mắc vào cuộn dây stator của nó
một dòng 3 pha của lưới. Lúc này rotor quay theo chiều và với tốc độ như chính của
trường stator.
4.3 Phản ứng phần ứng trong máy điện đồng bộ
4.3.1 Định nghĩa:
Từ trường trong máy điện đồng bộ là do dòng điện trong các dây quấn stator
và rotor sinh ra. Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn xoay chiều ở stator
không có dòng điện [I = 0] từ trường trong máy điện chỉ do dòng điện một chiều I t chạy
trong dây quấn kích từ đặt trên các cực từ sinh ra. Nếu rotor quay, từ trường của các
cực từ này quét các dây quấn của stator và cảm ứng trong đó sức điện động không tải
E0 của máy.
Khi máy làm việc có tải [I ≠ 0] thì ngoài từ trường của cực từ còn từ trường của
dòng điện tải I sinh ra. Khi có tải từ trường trong máy là tổng cộng hai từ trường;
- Từ trường do dây quấn kích từ sinh ra, tạo ra sức điện động E0
- Từ trường do dòng điện phụ tải I đi qua dây quấn phần ứng gây nên gọi là từ trường
phần ứng tạo ra sức điện động Eư. Nếu là máy ba pha thì từ trường do dòng điện tải
ba pha chạy trong dây quấn ba pha sinh ra từ trường quay. Từ trường này có thể phân
tích thành từ trường cơ bản và các từ trường bậc cao có chiều quay và tốc độ khác
nhau. Trong số các từ trường này, có từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì có tốc độ
và chiều quay giống từ trường các cực từ. Sức điện động do từ trường trong khe hở
Eδ = E0 + Eö
sinh ra:
Tác dụng của từ trường cơ bản [từ trường phần ứng] với từ trường cực từ [từ trường
phần cảm] gọi là phản ứng phần ứng.
Phản ứng phần ứng: Khi máy phát điện làm việc, từ trường của cực từ rotor F 0 cắt
dây quấn stator cảm ứng ra sức điện động E 0 chậm pha so với Φ0 một góc 900. Dây
quấn stator nối với tải tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây quấn
stator tạo nên từ trường quay phần ứng. Góc lệch pha giữa E 0 và I do tính chất của tải
quyết định, tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng
phần ứng.
4.3.2.Tải thuần trở R.
Khi tải là đối xứng và thuần trở thì dòng điện ba
pha trong dây quấn stator sẽ trùng pha với các
sức điện động tương ứng [ψ = 0] như Hình 4.4.
Dòng điện sinh ra từ thông phần ứng cùng pha
với dòng điện. Phương của Fư thẳng góc với
phương của Ft và phản ứng ngang trục [làm méo
từ trường của cực từ].
4.3.3.Tải thuần cảm L.
Hình 4.4 Đồ thị véctơ sức điện động ở tải
thuần trở ψ = 0
149
Sức điện động E vượt trước dòng điện I một góc ψ = + 900 như hình 4.5 ta thấy Fư và
Ft cùng phương nhưng ngược chiều và phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác
dụng làm giảm từ trường tổng.
Hình 4.5 Đồ thị véc tơ sức điện động
Hình 4.6 Đồ thị véc tơ sức điện động
ở tải thuần trở ψ = + 900
ở tải thuần dung ψ = - 900
4.3.4.Tải là thuần dung C
Sức điện động E chậm sau I một góc 90 0
nghĩa là ψ = -900 chiều của Fư trùng với chiều
Ft, phản ứng phần ứng dọc trục từ có tác
dụng làm tăng từ trường tổng.
4.3.5.Tải hỗn hợp
Có thề phân tích Fư ra làm hai thành phần
dọc trục và ngang trục.
Fưd = Fư sinψ
Fưq = Fư cosψ
Tương tự ta phân tích dòng điện I làm hai
thành phần.
Id = I.sinψ
Hình 4.7 Đồ thị véc tơ sức điện động
ở tải hỗn hợp [0 Pcơ, kết
quả là rotor sẽ bị ghìm và máy phát điện
trở lại làm việc ở góc θ ban đầu sau vài
chu kỳ dao động.
Trái lại nếu máy phát điện làm việc
xác lập ở θ2 > θm, ví dụ ở điểm B trên
hình 4.10 thì khi công suất cơ thay đổi như
trên, góc tăng thêm ∆θ sẽ làm cho P của
máy phát điện giảm, như vậy P < P cơ, kết
152 Hình 4.10 Công suất tác dụng và công suất
chỉnh bộ của máy phát điện đồng bộ cực lồi
qủa là rotor quay nhanh thêm, góc θ càng tăng và máy phát điện sẽ mất đồng bộ với
lưới điện.
Từ những điều nói trên ta thấy rằng, khi điều chỉnh công suất tác dụng mà
dP
muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn địnhthì phải có điều kiện sau:
>0
dθ
dP
Trong đó:
được gọi là công suất chỉnh bộ đặc trưng cho khả năng giữ
dθ
cho máy làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu bằng Pcb.
Từ các biểu thức [1], [2] suy ra được hệ số công suất chỉnh bộ đối với máy cực lồi:
mEU
1
1
Pcb =
cos θ + mU2 [
−
] cos 2θ
Xd
xq xd
Và đối với máy cực ẩn:
Pcb =
mEU
cos θ
Xd
Đường biểu diễn của công suất chỉnh bộ như trên hình 4.10. Ta thấy khi không
tải [ θ = 0 ], khả năng chỉnh bộ tức khả năng của ∆P giữa công suất cơ đưa vào máy và
công suất tác dụng đưa ra lưới điện ứng với sự thay đổi ∆θ làm cho máy phát vẫn duy
trì làm việc đồng bộ với lưới điện là lớn nhất, còn khi θ = θm thì khả năng chỉnh bộ
bằng 0.
Trên thực tế vận hành để đề phòng trường hợp U hoặc E giảm hoặc những
nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm theo nhưng vẫn duy trì
đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức P đ m ứng với
θ < 30 . Như vậy khả năng quá tải của máy phát điện đồng bộ được xác định tỉ số:
P
1
k m = m gọi là hệ số năng lực quá tải. Đối với máy cực ẩn Km =
Pñm
sin θ ñm
Theo qui định thì cần đảm bảo km > 1,7 và muốn như vậy thì máy phải có tỉ số
ngắn mạch K lớn, nghĩa là xd phải nhỏ [hoặc khe hở lớn].
Cần chú ý rằng khi điều chỉnh công suất tác dụng P, do θ thay đổi nên công
suất phản kháng cũng thay đổi theo.
b. Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song.
Giả thử có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song. Ở
trường hợp này, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi, khi tăng công tác dụng
của một máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì tần số của
lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân
bằng mới vàkhiến cho hộ dùng điện phải làm
việc trong điều kiện tần số khác định mức. Vì
vậy, để giữ cho f = const khi tăng công suất
tác dụng của một máy thì phải giảm công
suất tác dụng của máy kia. Chính cũng bằng
cách đó mà có thể thay đổi sự phân phối
công suất tác dụng giữa hai máy.
4.4.2.2. Điều chỉnh công suất phản kháng
của máy phát điện đồng bộ.
Ta hãy xét việc điều chỉnh công suất
phản kháng của máy phát điện đồng bộ làm
153
Hình 4.11 Điều chỉnh công suất phản
kháng của máy phát điện đồng bộ.
việc trong lưới điện vô cùng lớn [U, f = const] khi công suất tác dụng của máy được
giữ không đổi.
Giả thử máy có cực ẩn và để đơn giản, bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng
[rư=0]. Trong trường hợp đó, đồ thị vectơ sức điện động có dạng như trên hình [4.11].
suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ.
Vì P= mUIcosϕ ≡ OA là không đổi, và với điều kiện U= const nên khi thay đổi
Q, mút của vectơ I luôn nằm trên đường thẳng 1, thẳng góc với U. Với mỗi trị số của I
sẽ có một trị số của cosϕ và vẽ đồ thị véctơ sức điện động tương ứng sẽ xác định
được độ lớn của véc tơ E, từ đó suy ra được dòng điện khích thích i t cần thiết để sinh
ra E cũng cần chú ý rằng
θ
P = mEU sin
≈ P1 = const
Xd
Trong đó U, xd không đổi nên và mút của vectơ E luôn nằm trên đường thẳng 2
thẳng góc với OB.
Kết quả phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q thì
phải thay đổi dòng điện khích thích it của máy phát điện.
Với mỗi trị số của P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vectơ sức điện động như
trên ta xác định được quan hệ gọi là đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ. Thay
đổi các trị số của P với phương pháp trên sẽ thành lập được một họ các đặc tính hình
V như trên hình 4.12. Trên hình, đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính
hình V tương ứng với khi cosϕ =1. Khu vực bên phải của đường Am ứng với tải có tính
cảm ϕ >0 và chế độ làm việc quá kích thích của máy phát điện khu vực ở bên trái của
đường đó ứng với tải có tính dung [ϕ n thì đèn 1 sáng dần lên,
Hình 4.15 Đố thị véc tơ điện áp pha của lưới và
máy phát nối theo phương pháp ánh sáng đèn quay.
đèn 2 sáng nhiều lên và đèn 3 sáng
yếu đi.
Vậy nếu:
n/ > n ánh sáng quay từ 1-2-3
156
n/ > n ánh sáng quay từ 1-3-2
n/ = n đèn 1 tắt.
Do đó nhìn chiều quay của đèn có thể biết được cần phải tăng hay giảm tốc độ của
máy phát sắp ghép với lưới để đến gần vận tốc đồng bộ.
Chú ý:
Nếu ta nối dây theo sơ đồ đèn tối mà kết quả đèn quay hay ngược lại khi nối theo đèn
quay mà đèn cùng sáng, cùng tối thì chứng tỏ thứ tự pha m nối sai. Lúc này cần đổi
thứ tự nối hai trong ba pha của máy phát với mạng điện là được.
b. Hoà đồng bộ kiểu điện từ [dùng cột đồng bộ].
Cột đồng bộ dùng ba đồng hồ để kiểm tra điều kiện hoà đồng bộ:
- Hai vôn mét để kiểm tra điện áp UL và UF
- Hai hécmét để kiểm tra tần số fL và fF hoặc một tần số kế kép có hai dãy phiến rung
để chỉ đồng thời tần số fF và fL.
- Một đồng bộ kế tác động theo sự khác nhau giữa f L và fF định hoà đồng bộ. Khi fL=
fF và kim quay chậm [fL ≈ fF] thì thời điểm đóng cầu dao là lúc kim trùng với đường
thẳng đứng và hướng lên trên.
4.5.3. Phương pháp tự đồng bộ
Thường chỉ sử dụng với các máy phát điện công suất nhỏ, có thể đóng vào lưới theo
phương pháp tự đồng bộ sau: Nối mạch kích từ qua một điện trở để tránh dòng điện
cảm ứng ở dây quấn rotor lớn, cầu dao D2 đóng về phía điện trở.
Quay rotor đến gần tốc độ đồng bộ, đóng D 1 để
nối máy phát vào lưới điện khi chưa có kích từ,
cuối cùng đóng dây quấn kích từ vào nguồn kích
từ, máy sẽ làm việc đồng bộ. Tuyệt đối không
được đóng stator của máy phát điện vào lưới
theo phương pháp tự đồng bộ khi mạch kích từ
hở mạch vì lúc ấy trong cuộn dây kích từ sẽ cảm
ứng ra một s.đ.đ lớn có thể làm hỏng cách
điện.Phương pháp tự đồng bộ cho phép hoà
đồng bộ nhanh chóng khi cần xử lý khẩn cấp. Tuy
nhiên có khuyết điểm là dòng điện đóng cầu dao
khá lớn.
Hình 4.16 Phương pháp tự đồng bộ
Câu hỏi:
1] Phân tích hậu quả xảy ra đối với máy phát điện khi hòa đồng bộ mà không thỏa
mãn từng điều kiện ghép song song với lưới điện.
2] Vì sao khi ghép song song máy phát điện vào lưới điện bằng phương pháp tự đồng
bộ, dây quấn kích thích phải được nối tắt qua điện trở triệt từ?
3] Ổn định tĩnh là gì? Về mặt này máy điện cực lồi và cực ẩn khác nhau ở chổ nào?
4.6 Động cơ và máy bù đồng bộ.
4.6.1 Động cơ điện đồng bộ.
4.6.1.1 Khái quát về động cơ điện đồng bộ.
Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động
cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ điện này có nhũng đặc điểm như cấu tạo đơn
giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên các động cơ
điện đồng bộ do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sử
157
dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh được với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực
truyền động điện.
Về ưu điểm, trước hết phải nói là động cơ điện đồng bộ do được kích thích
bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosϕ = 1 và không cần lấy công suất
phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm
giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đuờng dây. Ngoài ưu điểm chính đó,
động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh huởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện
do mômen của động cơ điện đồng bộ chỉ tỉ lệ với U trong khi mô men của động cơ
không đồng bộ tỉ lệ với U2. Vì vậy khi điện áp của lưới sụt thấp do sự cố, khả năng giữ
tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động
cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả
lưới điện. Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất động cơ điện đồng bộ thường cao hơn
hiẹu suất của động cơ không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn
khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn.
Nhược điềm của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ ở chỗ cấu
tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều
khiến cho giá thành cao. Hơn nữa việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn
và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số
của nguồn điện.
Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng bộ có phối hợp với tụ
điện cải thiện cosϕ về giá thành và tổn hao năng lượng dẫn đến kết luận là khi P đm >
200 ÷ 300 kW, nên dùng động cơ đồng bộ ở những nơi nào không cần thường xuyên
mở máy và điều chỉnh tốc độ. Khi Pđm > 300 kW dùng động cơ đồng bộ với cosϕđm =
0,9 và khi Pđm > 1000 kW dùng động cơ đồng bộ với cosϕđm = 0,8 là có lợi hơn dùng
động cơ không đồng bộ.
Các quan hệ điện từ chính như phương trình điện áp, đồ thị véc tơ, công suất và mô
men điện từ của động cơ điện đồng bộ đã được xét ở chương trước. Ở đây chỉ đề cập
đến các vấn đề như mở máy động cơ điện đồng bộ, các đặc tính và chế độ làm việc
của nó.
4.6.1.2 Các phương pháp mở máy động cơ điện đồng bộ:
a. Mở máy theo phương pháp không đồng bộ
Các động cơ đồng bộ phần lớn đều mở máy theo phương pháp không đồng bộ. Thông
thường các động cơ điện đồng bộ cực lồi đều có đặt dây quấn mở máy. Dây quấn mở
máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở mặt cực, hai đầu nối với hai vành
ngắn mạch và được tính toán để mở máy trực tiếp với điện áp của lưới điện.
Trong một số động cơ, các mặt cực bằng thép nguyên khối và được nối với
nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch ở hai đầu rôto cũng có thể thay thế cho dây
quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy. Ở các lưới điện lớn có thể cho phép mở
máy trực tiếp với điện áp của lưới các động cơ đồng bộ công suất vài trăm và có khi
đến hàng nghìn kW. Đối với các động cơ đồng bộ cực ẩn, việc mở máy theo phương
pháp không đồng bộ có khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài
của rotor nguyên khối sẽ gây nóng cục bộ đáng kể. Trong trường hợp đó, để mở máy
được dễ dàng cần hạ điện áp của máy bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng.
Quá trình mở máy động cơ đồng bộ bằng phương pháp không đồng bộ có thể
chia thành hai giai đoạn.
158
Lúc đầu việc mở máy được thực hiện với i t= 0, dây quấn kích thích được nối tắt qua
điện trở RT như trên hình 4.17.
Sau khi đóng cầu dao nối dây quấn stato với nguồn điện, do tác dụng động cơ đồng bộ
lúc mở máy với dây quấn của momen không đồng bộ roto sẽ quay và tăng tốc độ đến
gần tốc độ đồng bộ n1 của từ trường quay.
Trong giai đoạn này nối dây quấn kích
thích với điện trở RT có trị số bằng 10
÷12 lần của điện trở rt của bản thân
dây quấn kích từ cần thiết vì nếu để
dây quấn này hở mạch sẽ có điện áp
cao, làm hỏng cách điện của dây quấn,
do lúc bắt đầu mở máy từ trường quay
của stato quét nó với tốc độ đồng bộ.
Cũng cần chú ý rằng nếu đem
nối ngắn mạch dây quấn kích thích thì
sẽ tạo thành mạch một pha có điện trở
nhỏ ở rotor và sinh ra momen cản
Hình 4.17 Sơ đồ mạch kích từ của động cơ đồng bộ lúc mở
lớn khiến cho tốc độ quay của rotor
máy với dây quấn kích thích nối tắt qua điện trở Rt [a] và nối
không thể vượt qúa tốc độ bằng
thẳng vào máy kích thích [b]
một nữa tốc độ đồng bộ. Hiện
Phản ứng động cơ đồng bộ.
tượng này có thể giải thích như Dây quấn máy kích thích.
sau. Dòng điẹn có tần số f 2= sf1 Dây quấn kích từ của động cơ đồng bộ.
Dây quấn kích từ của máy kích thích
trong dây quấn kích thíchbị nối
ngắn mạch sẽ sinh ra từ truờng
đập mạch. Từ truờng này có thể phân tích thành hai từ trường quay thuận và ngược
với chiều quay của rotor với tốc độ tương đối so với rotor n 1-n, trong đó n1 là tốc độ từ
Hình 2.18 Đường cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy không đồng bộ
với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch
trường quay của stato và n là tốc độ của rotor.
Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh:
159
nt h= n+ [n1 - n]= n1
nghĩa là quay đồng bộ với từ trường quay của stato. Tác dụng của nó với trường quay
của stato tạo nên momen không đồng bộ và hổ trợ với momen không đồng bộ do dây
quấn ở máy sinh ra và có dạng như đường 1 trên hình 4.18.
Từ tường quay ngược có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh.
Nng = n - [n1 - n] = 2n-n1
= 2n1[1-S] - n1= n1[1 - 2S]
và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện tần số:
f / = f1[1 − 2s]
Như vậy khi 0,5 < s n/2] thì từ
trường quay ngựơc sẽ cùng chiều với chiều quay rotor. Tác dụng của nó với dòng điện
phần tỉnh tần số f / lúc đó sinh ra momen phụ trái dấu với momen không đồng bộ do từ
trường quay thuận, do đó có tác dụng như momen hãm.
Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch,đừơngm biểu diển momen
của động cơ trong quá trình mở máy tổng của các đường 1 và 2 có tác dụng như
đường 3 trên hình 4.18. Rõ ràng là mômen cản Mc trên trục động cơ đủ lớn thì rotor sẽ
làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n ≈ n1/2 và không thể đạt đến tốc độ gần tốc độ
đồng bộ khi rotor đã quay đến tốc độ n ≈ n1 có thể tiến hành quá trình thứ hai của quá
trình mở máy đem nối dây quấn kích từ vói điện áp 1 chiều của dây quấn kích thích.
Lúc đó ngoài mômen không đồng bộ tỉ lệ với hệ số trượt s và mômen gia tốc tỉ lệ với
ds/dt sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc θ cùng tác dụng. Do rotor chưa quay
đồng bộ nên tốc độ luôn tay đổi. Khi 0 < θ < 180° thì mômen đồng bộ cộng tác dụng
với mômen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rotor sẽ hoà vào tốc độ sau
môt quá trình dao động.
Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rotor được đưa vào tốc độ đồng bộ một
cách thuận lợi, hệ số trượt ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc chưa có dòng điện kích thích
cần phù hợp với điều kiện sau:
KmPñm i tñb
S < 0.04
GD2n2 i tñm
ñm
Trong đó:
Km: năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ định mức itđm.
Pđm: công suất định mức, kW
Itđb : dòng điện kích từ khi đồng bộ hóa
GD2: mômen dđộng lượng của động cơ và máy công tác nối trục với nó,
kGm2.
Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn như trình bày ở trên, trong đó phải
thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở R T và sau đó nối máy kích từ, có thể
160
nối thẳng dây quấn kích thích với máy kích từ trong suốt quá trình mở máy theo sơ đồ
trên hình 4.17-1b như thường gặp gần đây.
Như vậy, trong dây quấn phần ứng của máy kích từ sẽ có dòng điện xoay chiều
nhưng điều đó không gây ra tác hại gì. Khi rotor đạt đến tốc độ quay n = [0,6 ÷ 0,7]
nđm, máy kích thích bắt đầu tăng tốc dòng điện kích từ cho động cơ điện đồng bộ, nhờ
đó mà lúc đền gần tốc độ đồng bộ động cơ được kéo vào tốc độ đồng bộ. Cần chú ý
rằng quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 4.17-1b được thực hiện trong những điều
kiện khó khăn hơn vì động cơ điện đồng bộ được kích thích quá sớm, như vậy sẽ tạo
nên dòng điện ngắn mạch.
[1 − s] E
In =
[28-2]
rö2 + [1 − s] 2 x 2
d
Trong đó:
E: s.đ.đ. cảm ứng do dòng điện kích từ it
xd: điện kháng đồng bộ dọc trục khi s = 0.
Do đó động cơ phải tải thêm công suất:
2r
Pn = mIn
ö
và kết quả là trên trục động cơ điện sẽ có thêm mômen cản.
p.Pn
Mc =
ω
khiến cho quá trình kéo động cơ vào tốc độ đồng bộ gặp khó khăn hơn, vì vậy phương
pháp mở máy động cơ đồng bộ theo sơ đồ trên hình 4.17b áp dụng được tốt khi
m6men cản trên trục động cơ điện Mc = [0,4 ÷ 0,5]Mđm. Chỉ khi dây quấn mở
máyđược thiết kế hoàn hảo mới cho phép mở máy như trên với M c = Mđm. Do cách
mở máy này đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy của động cơ điện không đồng
bộ nên ngày càng được ứng dụng rộng rải.
Hình 4.19 trình bày sự biến đổi của dòng điện phần ứng I, dòng điện kích từ i t và tốc
độ quay n trong quá trình mở mày lúc không tải động cơ đồng bộ [P đm= 1500 kW;
Uđm= 6 KV; nđm= 1000 v/p] trực tiếp vời điện áp định mức theo sơ đồ trên hình 4.17.
b. Các phương pháp mở máy khác.
Mở máy theo phương pháp hòa đồng bộ. Các điều kiện hóa đồng bộ đối với
động cơ đồng bộ hoàn toàn giống như của máy phát điện đồng bộ.Trừơng hợp này
động cơ đồng bộ được quay bởi máy nối cùng trục với nó [ví dụ trong bộ động cơ
đồng bộ - máy phát điện một chiều, máy phát điện một chiều lúc mở máy làm việc như
động cơ điện để quay động cơ đồng bộ đến tốc độ đồng bộ].
Trong một số trường hợp có thể mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn có
tần số thay đổi. Muốn vậy động cơ đồng bộ phải lấy điện từ một máy phát điện riêng
có tần số điều chỉnh được từ không đế tần số định mức trong quá trình mở máy.Như
vậy động cơ được quay đồng bộ với máy phát ngay từ lúc tốc độ còn rất thấp. Cần chú
ý rằng trong trường hợp này, dòng điện kích thích của cả động cơ vào máy phát điện
điều phải do nguồn điện một chiều riêng cung cấp.
c. Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ.
Các đặc tính của động cơ điện đồng bộ làm việc với dòng điện kích từ
it = const trong lưới điện có U,f= const bao gồm các quan hệ P1; I1; η; cosϕ = f[P2] có
dạng như trình bày trên hình 4.19.
161
Cũng như máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ thường làm việc với góc
θ = 20 ÷ 30°
Đặc điểm của động cơ đồng bộ là có thể làm việc với cosϕ cao và ít hoặc không tiêu
thụ công suất phản kháng Q của lưới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hóa i t điều đó có
thể thấy được dựa vào đặc tính hình V tức là quan hệ I = f[i t] của động cơ điện đồng
bộ cách thành lập đặc tính này của động cơ đồng bộ hoàn toàn giống như của máy
phát điện.
Hình 4.19 Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ Pđm =500 KW, 600 V, 50 Hz, 600 v/p,
cos ϕ= 0,8 [quá tự kích]
Ta thấy rằng khi kích thích thiếu động cơ tiêu thụ công suất điện cảm của lưới điện [ϕ
>0] và ngược lại khi quá kích thích, động cơ phát công suất điện cảm vào lưới điện [ϕ