CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 ĐẠI CƯƠNG Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường trong máy n1. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rôto n luôn không đổi. Về cơ bản máy điện đồng bộ được phân thành: máy phát đồng bộ và đồng cơ đồng bộ.
+ Máy phát đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. + Động cơ điện đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn có thể lên tới vài chục MW với yêu cầu tốc độ không đổi. Động cơ điện đồng bộ dùng trong công nghiệp luyện kim, máy bơm, quạt gió,.2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC, TRỊ SỐ ĐỊNH MỨC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 Cấu tạo Gồm có 2 phần chính : phần tĩnh (stator) và phần quay (rôto) 1.1 Stator - Mạch từ: là lõi thép được ghép bằng các lá thép kỹ thuật có độ dày từ 0,3-0,5 mm, được đặt cách điện để chống dòng Fucô, mạch từ được đặt trong lõi máy. - Mạch điện: là cuộn dây, dây quấn stator còn gọi là dây quấn phần ứng.
Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/90 1.2 Rotor - Rôto của máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy , đối với máy nhỏ roto là nam châm vĩnh cửu. - Có 2 loại rôto : rôto cực ẩn và rôto cực lồi + Rôto cực lồi : dạng mặt cực để khe hở không khí không đều, mục đích là làm cho từ cảm phân bố trong khe hở không khí hình sin để sức điện động ở dây quấn stato có hình sin. Loại roto này dùng ở các máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực như ở máy phát kéo bởi tubin thủy điện. + Rôto cực ẩn : khe hở không khí đều, rôto chỉ có 2 cực hoặc 4 cực.
Loại này được sử dụng trong các máy có tốc độ cao. Vì quay với tốc độ cao nên để chống lực li tâm, roto được chế tạo nguyên khối có đường kính nhỏ.3 Phân loại - Phân loại theo kết cấu roto : roto cực ẩn và roto cực lồi - Phân loại theo chức năng : + Máy phát đồng bộ + Động cơ đồng bộ + Máy bù đồng bộ Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/90 1.2 Nguyên lí làm việc 1.1 Máy phát đồng bộ Hình 1-1 : Máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực Khi đưa nguồn một chiều có dòng Ikt không đổi vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường roto sẽ cắt dây quấn phần ứng stator tạo nên sức điện động cảm ứng xoay chiều có trị hiệu dụng bằng : Trong đó E0 , w1 , kdq , lần lượt là sức điện động pha, số vòng dây pha, hệ số dây quấn và từ thông cực roto. Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên chu kỳ. Do đó tần số f của sức điện động các pha lệch nhau một góc 1200.
Với n đo bằng vòng/phút Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau góc 1200 trong không gian cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc 1200. Khi dây quấn stator nối với tải trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha , dòng điện 3 pha trong 3 dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ : Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/90 Đúng bằng với tốc độ quay của rôto. Do đó loại máy điện này gọi là máy điện đồng bộ.2 Động cơ điện đồng bộ Khi cho dòng điện 3 pha iA, iB,iC vào 3 dây quấn stator, dòng điện 3 pha ở stator sinh ra từ trường quay với tốc độ n1. Khi cho dòng điện 1 chiều vào dây quấn rotor, rotor biến thành nam châm vĩnh điện.
Tác dụng giữa từ trường stator và rotor sinh ra lực từ tác dụng lên rôto. Lực từ kéo rotor đúng bằng tốc độ n1 của stator nên động cơ được gọi là động cơ đồng bộ.3 Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ 1.1 Phương pháp khởi động dị bộ Để thực hiện được phương pháp này người ta đặt ở mặt cực các thanh dẫn ngắn mạch làm bằng các đồng. Hình 1-2: Sơ đồ nối dây khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp dị bộ Nếu bỏ qua cuộn dây kích từ khi nối cuộn dây 3 pha phần ứng vào lưới sẽ có dòng 3 pha chạy vào và tạo ra từ trường làm máy roto quay như máy điện dị bộ, momen khi đó có thể bằng ( 0,8-1) lần momen định mức. Trong thời gian Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/90 khởi động cuộn dây kích từ được nối với 1 điện trở có giá trị khoảng (10-12) lần điện trở dây quấn để hạn chế điện áp cảm ứng trong dây quấn.
Khi đã đạt được tốc độ nhất định ( gần bằng tốc độ của từ trường) thì nối cuộn kích từ vào nguồn 1 chiều, roto trở thành 1 nam châm điện, từ trường 1 chiều của roto và từ trường quay sẽ tác động lên nhau tạo ra momen có biên độ tăng dần. Chu kỳ momen này khi độ trượt nhỏ có giá trị lớn, nên momen sinh ra có thể giúp roto động cơ tăng tốc bước vào quay với tốc độ đồng bộ ( bằng với tốc độ quay của từ trường). Phương pháp khởi động như hình 3.1 có sử dụng cuộn kháng để giảm dòng khởi động.2 Phương pháp hòa đồng bộ Phương pháp này ta sử dụng 1 động cơ sơ cấp ( động cơ dị bộ hoặc 1 chiều ) để quay roto của đông cơ làm việc ở chế độ máy phát đồng bộ. Dùng phương pháp hòa động bộ máy phát để cho cuộn dây quấn stator vào lưới, sau đó tách động cơ sơ cấp ra khỏi động cơ.
Phương pháp này có nhược điểm là phải sử dụng động cơ ngoài nên tốn kém, cồng kềnh. Do đó ít được sử dụng.3 Phương pháp tần số Nếu cấp cho stator động cơ 1 nguồn điện có khả năng điều chỉnh tần số. Khi tăng dần tần số từ 0 đến tần số đồng bộ đồng thời đưa vào mạch kích từ nguồn 1 chiều cùng tăng với tần số khi đó tốc độ động cơ sẽ tăng theo. Đến khi đạt được tốc độ đồng bộ ta nối động cơ vào lưới và tách nguồn cung cấp ra khỏi động cơ.
Ngày nay với sự phát triển của bộ biến tần thì phương pháp này ngày phát triển và đạt hiệu quả cao.4 Các thông số định mức của máy điện đồng bộ - Sđm : công suất định mức (kVA) - Pđm : công suất tác dụng định mức (kW) Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/90 - Qđm : công suất phản kháng định mực (kVAr) - Uđm : điện áp định mức (kV) - Ukt : điện áp kích từ (kV) - cosφđm : hệ số công sức định mức - Iđm : dòng điện định mức (A) - Ikt : dòng điện kích từ (A) - Imm: dòng điện mở máy (A) - nđm : tốc độ định mức (vòng/phút) - ηđm : hiệu suất định mức - Xđb : điện kháng đồng bộ ( Ω ) 1.3 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng của máy phát , mạch kín cho dòng qua tải. Dòng qua tải có tính chất cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ trên dây quấn stator. Các dòng cảm ứng này có xu hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó. Do đó dòng qua phần ứng sẽ tạo ra từ trường tương tác với từ trường trên phần cảm.
Sự tương tác này gọi là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải ta xét 3 trường hợp của phản ứng phần ứng sau: 1.1 Tải thuần trở : suất điện động E cùng pha với dòng điện I ( ψ=00 ) Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/90 Hình 1-3 : Phản ứng phần ứng với tải thuần trở Từ thông phần cảm và phần ứng vuông góc với nhau. Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến sức điện động sinh ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau nên ta gọi phản ứng phần ứng này là dạng khử từ ngang trục.2 Tải thuần cảm : sức điện động E lệch với dòng điện I một góc ψ=900 Hình 1-4 : Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm Từ thông phân ứng có xu hướng khử từ thông phần cảm.
Hướng của 2 từ thông ngược nhau nên ta gọi phản ứng phần ứng này là dạng khử từ dọc trục 1.3 Tải thuần dung : sức điện động E lệch với dòng điện I góc ψ = -900 Hình 1-5 : Phản ứng phần ứng với tải thuần dung Từ thông phần ứng và phần cảm cùng hướng với nhau , ta nói từ thông phần ứng có xu hướng hỗ trợ từ thông phần cảm. Nên ta gọi phản ứng này là dạng trợ từ dọc trục. Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/90 1.2 Các đặc tính làm việc của máy điện đồng bộ Các đặc tính này chủ yếu là của máy phát đồng bộ 1.1 Đặc tính không tải U = E0 = f(Ikt) khi I =0 và f=fđm Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra dây quấn stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không trong hệ đơn vị tương đối. Trong đó: + iđm0 là dòng điện khi U = Uđm + E* ,i* là sức điện động và dòng điện tương đối Hình 1-6 : Đặt tính không tải 1.2 Đặc tính ngắn mạch Inm =f(Ikt) khi U=0 và f=fđm Mô Phỏng Động Cơ Đồng SVTH: Nguyễn Văn Hòa Bộ Nam Châm Vĩnh cửu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 11/90 Hình 1-7 : Đặc tính ngắn mạch Khi dòng điện kích từ càng tăng thì dòng ngắn mạch càng lớn 1.