Bài giảng môn Kỹ thuật điện - Chương 8: Máy điện đồng bộ

Chương 8 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Kỹ thuật điện 1 8.1 Khái niệm chung 8.2 Cấu tạo MĐ ĐB 8.3 Nguyên lý làm việc 8.4 Phản ứng phần ứng MF 8.5 Phương trình điện áp MF 8.6 Độ thay đổi điện áp MF 8.7 Công suất MF 8.8 Đặc tuyến MF Chương 8 Kỹ thuật điện 2 8.9 MF làm việc song song 8.10 ĐC ĐB 8.1. Khái niệm chung Kỹ thuật điện 3 MĐ ĐB là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ máy tỷ lệ với tần số hệ thống trong vận hành bình thường. MĐ ĐB: có tính thuận – nghịch MĐ ĐB có thể hoạt động ở chế độ máy bù ĐB. MĐ ĐB có điện áp đầu cực khoảng 13 kV đến 28 kV, công suất có thể đạt đến 1000 MVA. 8.2 Cấu tạo Kỹ thuật điện 4 8.2. Cấu tạo Kỹ thuật điện 5 Stato: Có lõi thép và dây quấn Loại tốc độ chậm có chiều dài dọc trục ngắn; còn loại tốc độ cao có chiều dài dọc trục lớn gấp nhiều lần đường kính Có hệ thống làm mát (bằng nước hay Hydro) 8.2. Cấu tạo Kỹ thuật điện 6 Roto: Cực lồi và cực ẩn 8.2. Cấu tạo Kỹ thuật điện 7 Roto: Cực lồi: mặt cực từ có khe hở không khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe hở không khí có phân bố hình sin nên sức điện động cũng có dạng hình sin Dùng cho MF có tốc độ chậm. 8.2. Cấu tạo Kỹ thuật điện 8 Roto: Cực ẩn: có khe hở không khí đều, thường có 2 hoặc 4 cực. Dùng cho máy phát tốc độ cao. Vì tốc độ cao nên bị ảnh hưởng lực ly tâm, vì vậy mà Roto được đúc nguyên khối và có đường kính nhỏ. 8.2. Cấu tạo Kỹ thuật điện 9 Bộ kích từ: Dây quấn kích từ được quấn trên trục Roto, được cung cấp điện một chiều để tạo ra từ thông không đổi theo thời gian. Dòng điện một chiều này được lấy từ bộ kích từ. Các dạng: MF một chiều Dùng chỉnh lưu Chỉnh lưu quay 8.3. Nguyên lý làm việc Kỹ thuật điện 10 Xét MF ĐB đơn giản như hình vẽ Tấn số trên mỗi pha: 60 np f  Sức điện động cảm ứng hiệu dụng mỗi pha: 4,44 .P dq mE f k N  8.3. Nguyên lý làm việc Kỹ thuật điện 11 Vì các pha lệch nhau góc 120 độ trong không gian nên ta có: 0 0 2 sin( ) 2 sin( 120 ) 2 sin( 240 ) a P b P b P e E t e E t e E t         8.4. Phản ứng phần ứng Kỹ thuật điện 12 Cho dòng kích từ Ik chạy vào dây quấn Roto và không có dòng chạy trên Stato (chế độ không tải) thì từ thông của cực từ rôto Ø0 cắt dây quấn stato cảm ứng ra sức điện động E0 chậm pha so với nó một góc 900. Khi Stato có tải, chúng sẽ sinh ra từ trường có 2p cực quay cùng chiều và cùng tốc độ như Roto, gọi là từ trường phản ứng phần ứng. Từ trường phần cảm và từ trường phần ứng tổng hợp lại sinh ra từ thông tổng hợp và kết quả phản ứng phần ứng sực điện động của máy phụ thuộc vào góc lệch pha giữa dòng ứng và sức điện động không tải, tức là hệ số công suất của tải. 8.4. Phản ứng phần ứng Kỹ thuật điện 13 Khi tải R: Khi trục của 2 cực kề nhau đối diện với cạnh của cuộn dây, sức điện động cảm ứng trong cuộn dây là cực đại. Vì dòng ứng cùng pha với sức điện động nên cũng cực đại và tạo ra từ thông xung quanh cuộn dây mà chiều cho bởi các mũi tên (tham khảo sách). Từ thông này có hướng vuông góc với từ thông cảm nên gọi là từ thông phản ứng ngang. Kết quả từ thông tổng hợp bị giảm và sức điện động cũng giảm theo 8.4. Phản ứng phần ứng Kỹ thuật điện 14 Khi tải L: Dòng ứng chậm pha 90 độ so với sức điện động nên sẽ qua cực đại khi Roto đã quay thêm 90 độ điện. Lúc này trục cực Nam của Roto trùng với trục cuộn dây. Từ thông phản ứng có cùng đường đi như ngược chiều với từ thông cảm nên gọi là từ thông phản ứng dọc khử từ. Kết quả từ thông tổng hợp bị giảm và sức điện động cũng giảm theo 8.4. Phản ứng phần ứng Kỹ thuật điện 15 Khi tải C: Dòng ứng sớm pha 90 độ so với sức điện động nên đã qua cực đại trước đó, tức là lúc trục cực Bắc của Roto trùng với trục cuộn dây. Từ thông phản ứng có cùng đường đi và cùng chiều với từ thông cảm nên gọi là từ thông phản ứng dọc trợ từ. Kết quả từ thông tổng hợp tăng lên và sức điện động cũng tăng theo 8.4. Phản ứng phần ứng Kỹ thuật điện 16 Khi tải bất kỳ: Đây là trường hợp thực tế, trong máy có cả từ trường phản ứng dọc và ngang. Kết quả là tùy thuộc vào giá trị và dấu của của góc hệ số công suất tải. 8.5. Phương trình điện áp Kỹ thuật điện 17 Khi đấu tải vào MF ĐB, dòng chạy vào dây quấn Stato làm thay đổi điện áp MF. Sự sụt áp là do điện trở phần ứng, điện kháng phần ứng và ảnh hưởng của phản ứng phần ứng. uR SX Điện trở phần ứng Điện kháng đồng bộ (Xđb) g u u ut tu S SE U R I jX I U Z I      uR SjX tZtUgE 8.6. Độ thay đổi điện áp Kỹ thuật điện 18 Độ thay đổi điện áp MF: % .100% g t t E U U U    Tải R và L thì gây sụt áp khoảng 25% đến 50% Tải C thì gây quá áp 8.7. Công suất Kỹ thuật điện 19 Công suất phát cho tải: 2 2 2 2 23 cos 3 cosf dP U I U I   2P  Góc lệch E và U MF ĐC 8.7. Công suất Kỹ thuật điện 20 Công suất phản kháng:  Góc lệch E và U   đbX UEU Q   cos3 0 2 Khi U, f, P = const: E0cosθ < U thì Q<0 Máy nhận CS phản kháng (thiếu kích từ) E0cosθ = U thì Q=0 E0cosθ > U thì Q>0 MF phát CS phản kháng (quá kích từ) 8.8. Đặc tuyến MF Kỹ thuật điện 21  Đặc tuyến không tải  Đặc tuyến ngoài  Đặc tuyến điều chỉnh  Đặc tuyến hiệu suất Đặc tuyến không tải Kỹ thuật điện 22 PE dE kI Đặc tuyến ngoài Kỹ thuật điện 23 PE kI tU dmI cos cos 1  cos Sớm (Tải Dung) Trễ (Tải Cảm) Đặc tuyến điều chỉnh Kỹ thuật điện 24 kI 0kI uI cos cos 1  cos Sớm (Tải Dung) Trễ (Tải Cảm) Đặc tuyến công suất Kỹ thuật điện 25  uI Đặc tuyến công suất Kỹ thuật điện 26 Công suất cơ sơ cấp: 1P M Tổn hao cơ: mqP Tổn hao từ: tP Tổn hao đồng phần ứng: 23d u uP I R Tổn hao đồng kích từ: 2 kt k k k kP I R I U  Tổng tổn hao: 1 2th mq t d kt pP P P P P P P P       Tổn hao phụ: pP 2 1 .100% P P   8.9. MF làm việc song song Kỹ thuật điện 27 Để các MF làm việc song song thì cần thỏa mãn các điều kiện  Cùng tần số  Cùng điện áp  Cùng thứ tự pha  Góc lệch pha bằng 0 độ Điều chỉnh MF: thay đổi Q; thay đổi P. 8.10. Động cơ đồng bộ Kỹ thuật điện 28 a. Khái niệm chung b. Cấu tạo c. Nguyên lý làm việc d. Mạch tương đương e. Tổn hao và hiệu suất f. Đường cong hình V g. Máy bù đồng bộ h. Mở máy a. Khái niệm chung Kỹ thuật điện 29 Cấp điện ba pha vào Stato và dòng một chiều cho bộ kích từ thì động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi. Ưu điểm có hệ số công suất cao, điều chỉnh được bằng cách thay đổi kích từ ĐC ĐB không tự mở máy được nên cần phải có biện pháp để mang ĐC đến gần tốc độ đồng bộ để đồng bộ hóa trước khi kéo tải. Biện pháp thông dụng là dùng cuộn đệm. b. Cấu tạo Kỹ thuật điện 30 Hoàn toàn giống như MF ĐB Roto thường có dạng cực lồi và có thêm cuộn đệm dùng để mở máy c. Nguyên lý làm việc Kỹ thuật điện 31 Cho dòng nguồn ba pha vào Stato thì ĐC ĐB quay với tốc độ Nếu ban đầu Roto đứng yên thì nó vẫn đứng yên không quay được vì lý do quan tính và do tốc độ “quét” Stato nhanh Nếu cho Roto quay trước với tốc độ đồng bộ thì Roto sẽ bị “khóa chặt” vào các cực Stato. Lúc không tải thì Roto và Stato sẽ quay trùng nhau, tức θ = 0. Lúc có tải thì θ ≠ 0. Nhưng Roto và Stato vẫn cùng tốc độ. p f n 60 1  d. Mạch tương đương Kỹ thuật điện 32 uR SjX tU mEuI m u u m ut u S SU E R I jX I E Z I     d. Mạch tương đương Kỹ thuật điện 33 e. Tổn hao và hiệu suất Kỹ thuật điện 34 Công suất điện cấp vào: 1 3. . cosdP U I  2 1 .100% P P   Công suất cơ đầu ra: 2P M Tổng tổn hao: th mq t d kt PP P P P P P     2 1 thP P P  f. Đường cong hình V Kỹ thuật điện 35 Một tính chất rất hay của ĐC ĐB là có thể thay đổi dòng kích từ để điều chỉnh hệ số công suất Họ đường cong hình V khi công suất không đổi: ( )u kI f I Đầy tải Nửa tải Không tải uI kI Miền sớm Miền trễ cos 1  f. Đường cong hình V Kỹ thuật điện 36 Họ đường cong V khi hệ số công suất không đổi: cos ( )kf I  Đầy tải Nửa tải Không tải cos kI Miền sớm Miền trễ g. Máy bù đồng bộ Kỹ thuật điện 37 Khi ĐC đồng bộ quay không tải, nó cũng cũng tiệu thụ một phần công suất P. Công suất này rất nhỏ nên ta thấy dòng phần ứng sớm pha so với U góc 90 độ. Có nghĩa là giống như tụ điện. Nên gói là máy bù. Máy bù sẽ có khả năng làm: điện áp không bị sụt áp nhiều h. Mở máy Kỹ thuật điện 38 Động cơ đồng bộ không tự mở máy được. Để làm việc được Roto phải được quay với tốc độ gần đồng bộ. Ta có thể dùng đồng cơ một chiều để kéo Hay ta có thể dùng cuộn đệm. Kỹ thuật điện 39 Kỹ thuật điện 40 BÀI TẬP Kỹ thuật điện 41 Máy phát điện đồng bộ 3 pha Sđm =60MVA, Uđm =14.5KV, cực ẩn có Xđb = 2.49Ω, cosφ = 0.8. Bỏ qua điện trở phần ứng, máy nối sao. Tìm dòng điện định mức và góc công suất θ BÀI TẬP Để nâng cao cosφ và cung cấp Q cho mạng điện, động cơ điện đồng bộ thường làm việc ở chế độ nào? Tìm câu trả lời sai: a. Chế độ quá kích từ. b. Chế độ dòng điện stato vượt trước điện áp. c. Chế độ thiếu kích từ.