Bài giảng Máy điện Máy điện đồng bộ

Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Máy điện đồng bộ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Giới thiệu •Máy điện đồng bộ là máy điện AC có dây quấn kích từ được cấp nguồn DC ngoài, dây quấn kích từ quấn trên rotor tạo ra từ trường rotor •Rotor của máy phát được kéo bởi một nguồn cơ bên ngoài, do đó sẽ tạo ra từ trường quay trong máy. Từ trường quay này sẽ cảm ứng ra sức điện động trong dây quấn stator •Động cơ đồng bộ thực hiện qui trình ngược lại với máy phát. Tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trường quay (tốc độ đồng bộ) Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Phân loại Máy điện đồng bộ: • Máy phát: -Thủy điện: n thấp (50-300 vòng/phút), số cực lớn  đường kính máy lớn  Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và đặt nằm đứng. -Nhiệt điện: n lớn (~3600 vòng/phút), số cực nhỏ  đường kính máy nhỏ, chiều dài lớn  Có kết cấu theo kiểu cực ẩn và đặt nằm ngang. • Động cơ: dùng với tải không đòi hỏi thay đổi tốc độ, thường chế tạo theo kiểu cực lồi. • Máy bù đồng bộ: dùng phát công suất phản kháng (động cơ chạy không tải ở chế độ kích từ) Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Rotor cực lồi (salient pole) • Stator gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại, trên có các rãnh đặt trong nó dây quấn ba pha phần ứng • Rotor có các cực lồi quấn dây quấn kích từ DC • Dòng kích từ được cấp thông qua vành trượt và chổi than (vành trượt gắn trên trục rotor) Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Rotor cực lồi (salient pole) Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Rotor cực ẩn (non-salient pole) • Stator mang dây quấn phần ứng • Rotor làm bằng thép khối hình trụ, có rãnh đặt dây quấn kích từ, phần không có rãnh hình thành mặt cực từ. • Dòng kích từ được cấp thông qua vành trượt và chổi than Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Rotor cực ẩn Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Stator Rotor Dây nối Bearing Cuộn dây stator Cuộn dây rotor Vỏ máy ,phần tản nhiệt Trục Cấu tạo Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Rãnh Dây quấn Đầu dây quấn Lõi thép Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cấu tạo Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Kích từ DC Kích từ cho máy: kích từ bằng nguồn DC 1. Dùng máy phát điện DC gắn đồng trục (máy công suất lớn) 2. Dùng bộ nguồn chỉnh lưu, bộ nguồn DC bên ngoài thông qua chổi than và hai vành trượt (máy công suất nhỏ) 3. Kích từ không chổi than Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Kích từ không chổi than • Kích từ không chổi than là một máy phát AC nhỏ với mạch kích từ nằm trên stator và mạch phần ứng nằm trên rotor • Dòng 3 pha được chỉnh lưu và cấp nguồn cho mạch kích từ của bộ kích từ (trên stator) • Đầu ra của mạch phần ứng của bộ kích từ (rotor) được chỉnh lưu và cấp nguồn kích từ cho máy phát đồng bộ • Một bộ kích từ nhỏ pilot exciter (máy phát AC) với rotor nam châm vĩnh cửu được gắn trên rotor và dây quấn 3 pha nằm trên stator để cấp nguồn cho bộ kích từ không chổi than Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Sơ đồ khối của máy phát công suất lớn Permanent magnets Pilot exciter field Exciter armature Pilot exciter armature Three- phase rectifier Exciter field Three- phase rectifier Main field Synchronous Generator ExciterPilot Exciter Main armature Rotor Stator RF R Y B Bộ kích từ không chổi than Bộ kích từ pilot Máy phát đồng bộ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Nguyên lý hoạt động Dòng DC được đưa vào rotor  tạo từ thông biến thiên trong khe hở không khí Khi cho rotor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng trong đó sđđ AC có tần số f = (nP/120) với P là số cực của máy Các sđđ cảm ứng lệch pha nhau 1200 (do dây quấn bố trí lệch nhau 1200 trong không gian) Khí máy nối tải  dòng điện 3 pha đối xứng lệch nhau 1200 trong dây quấn phần ứng  từ trường quay với tốc độ n1 = 120f/P  n=n1 : máy điện đồng bộ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Từ trường trong máy đồng bộ Từ trường trong máy đồng bộ là do từ trường stator và rotor sinh ra. Nếu không có dòng điện trong dq stator, từ trường trong máy là từ trường do dây quấn kích từ quấn trên cực từ rotor sinh ra. Từ trường do dòng tải ba pha sinh ra từ trường quay, tác dụng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Từ trường trong máy đồng bộ Từ trường do dây quấn kích từ tạo ra sẽ có dạng khác nhau đối với máy cực lồi và máy cực ẩn. - Máy cực từ lồi: từ trường do dây quấn kích từ tại khe hở cực từ có dạng phân bố hình sin. - Máy cực từ ẩn: từ trường do dây quấn kích từ tại khe hở cực từ có dạng phân bố hình thang. Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Từ trường trong máy đồng bộ Từ trường do dòng tải ba pha sinh ra từ trường quay, tác dụng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Ảnh hưởng phản ứng phần ứng phụ thuộc vào góc lệch pha giữa dòng phần ứng và sđđ không tải. Tải trở: từ trường phản ứng phần ứng vuông pha với từ trường kích từ  phản ứng phần ứng ngang trục Tải cảm: từ trường phản ứng phần ứng khử bớt từ trường kích từ (ngược chiều)  phản ứng phần ứng dọc trục khử từ Tải dung: từ trường phản ứng phần ứng làm tăng từ trường kích từ (cùng chiều)  phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện fafcacbabaaaa iiii LLLL  fbfcbcbbbabab iiii LLLL  fcfcccbcbacac iiii LLLL  fffcfcbfbafaf iiii LLLL  alaaccbbaa LL  0LLL Thành phần cơ bản Thành phần từ tản flffff LL  0L Độ tự cảm: Điện kháng – Mạch tương đương Máy điện Bộ môn Thiết bị điện 00 2 1 3 2 cosLLLLLL aaaacbbccaacbaab LL   meaffaaf L cosLL  ) 3 2 cos(LL 0    eeaffccf tL )cos(LL 0eeaffaaf tL   ) 3 2 cos(LL 0    eeaffbbf tL 0 2 eemme t p   Hỗ cảm: Máy điện Bộ môn Thiết bị điện                                                      f c b a flffeeafeeafeeaf eeafalaaaaaa eeafaaalaaaa eeafaaaaalaa f c b a i i i i LLtLtLtL tLLLLL tLLLLL tLLLLL 0000 0000 0000 0000 ) 3 2 cos() 3 2 cos()cos( ) 3 2 cos( 2 1 2 1 ) 3 2 cos( 2 1 2 1 )cos( 2 1 2 1              0 cba iii fafaaaaalaaa iiLiLL L 2 1 )( 00  Với nguồn cân bằng fafaalaaa iiLL L) 2 3 ( 0  fafasa iiL L Ls : Điện cảm đồng bộ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện af a saa fafa saa a aaa e td id LiR td id td id LiR td d iRv  )L( )cos(L 0eeafaf tL   )sin( 0eefafeaf tILe   Điện áp đầu cực cho pha a: 2 fafe af IL E   0 2 L ˆ ejfafe af e I jE Viết dưới dạng phức: Máy điện Bộ môn Thiết bị điện afasaaa EIXjIRV ˆˆˆˆ  asaaafa IXjIREV ˆˆˆˆ  Điện kháng đồng bộ Động cơ: Máy phát: Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy điện Bộ môn Thiết bị điện R jXS I U Ef Ef U I  θ I R I XS Mạch tương đương f dbE U R I jX I   θ: góc công suất (góc tải), θ = (U, Ef) Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy cực lồi θ: góc công suất (góc tải), θ = (U, Ef)    f ad d d aq q q f d d q q E U R I j X X I j X X I E U R I jX I jX I            θ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Cân bằng năng lượng P1 (cơ) P2 (điện) pcơ pphụ pkt pCu + pFe Pđt P1 (điện) P2 (cơ) pcơ pphụ pkt pCu + pFe Pđt Máy phát Động cơ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Công suất 3 osd dP U I c  Công suất điện Hiệu suất 2 2 1 2 P P P P p      Tổng tổn hao Δp = pcơ + pphụ + pkt + pFe + pCu P TMoment Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính góc công suất máy cực từ ẩn sin cosf dbE X I  Nếu Xđb >> R, điện trở phần ứng có thể bỏ qua (Xđb = XS) Ef U I  θ I Xđb 2 3 osd dP U I c   2 3 3 os sin f db UE P UIc X    P(θ) θ Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính góc công suất máy cực từ lồi os sin f d d q q E Uc I X U I X      Nếu Xd, Xq >> R, điện trở phần ứng có thể bỏ qua 2 3 os 3 os( - )P UIc UIc     2 2 3 sin 3 1 1 sin 2 2 f d q d UE U P X X X            θ U      Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính không tải Hở mạch phần ứng, điều chỉnh tăng dần dòng kích từ Ef = f(If) Tổn hao trong thí nghiệm không tải: tổn hao cơ (ma sát, quạt gió) và tổn hao sắt (phụ thuộc từ thông) p0 = pcơ + pFe Tổn hao cơ xác định bằng cách cho máy chạy không tải và không kích từ  p0 = pcơ Ef If Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính ngắn mạch Ngắn mạch dây quấn phần ứng. Điều chỉnh dòng kích từ để dòng phần ứng không quá lớn In = f(If) pn = pcơ + 3I 2 nR  R Ef If f dbE U R I jX I   Nếu Xđb >> R, ngắn mạch  U = 0 f dbE jX I f db E X I   In Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính hình V Quan hệ giữa I và Ikt khi U không đổi, I = f(Ikt) I = f(Ikt) I Ikt Đối với động cơ đồng bộ: Nếu Ikt tăng  Ef tăng  I giảm và cosφ tăng lên 1 Nếu tiếp tục tăng Ikt  I tăng và cosφ sớm pha Đặc tính V của máy phát Trường hợp máy phát giống với động cơ, nhưng miền cosφ sớm và trễ đổi lại cho nhau Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính điều chỉnh Máy điện Bộ môn Thiết bị điện Máy phát làm việc song song Để đảm bảo tính hiệu quả, liên tục và tin cậy của hệ thống Điều kiện ghép song song: 1. Điện áp máy phát bằng điện áp lưới 2. Tần số máy phát bằng tần số lưới 3. Thứ tự pha giống nhau 4. Điện áp máy và lưới cùng pha Việc điều chỉnh dòng kích từ chỉ thay đổi Q của hệ thống Công suất tác dụng P được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh nguồn cơ sơ cấp