Chương 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ. Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Địa chỉ ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ. KHÁI NIỆM MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường. Hầu hết các máy điện đồng bộ làm việc như máy phát có tần số 50Hz hoặc 60Hz.
Máy điện đồng bộ cũng có thể làm việc như động cơ đồng bộ công suất lớn. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm máy bù đồng bộ nhằm cải thiện hệ số công suất của lưới điện một xí nghiệp hay một nhà máy. Sự khác nhau cơ bản giữa máy điện đồng bộ và không đồng bộ là ở phương pháp kích thích tạo ra từ trường chính cho máy. Ở máy điện đồng bộ từ trường chính được sinh ra do đòng điện một chiều chạy qua cuộn dây kích từ, do đó máy đồng bộ không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện xoay chiều; còn máy điện không đồng bộ phải lấy công suất kháng tử lưới điện xoay chiều hoặc từ tụ điện để tạo ra từ trường chính (từ trường quay).
PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Máy điện đồng bộ phân loại theo mạch kích từ được chia thành: - Máy điện đồng bộ có cuộn kích từ Động cơ có cuộn kích từ, còn được gọi là động cơ từ trở thay đổi, gồm rotor thép có các răng, kiểu cực lồi. Chính các răng này sẽ khoác rotor với từ trường stator và làm rotor quay với tốc độc đồng bộ. - Máy điện đồng bộ không có cuộn kích từ (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) Động cơ không có cuộn kích từ tên gọi là động cơ nam châm vĩnh cữu không chổi quét.
Thiết kế này sử dụng một rotor có chứa các nam châm 2 vĩnh cữu. Các nam châm này có thể được lắp trên bề mặt hoặc ráp ở phía trong. Các nam châm vĩnh cữu là các cực lồi và giúp loại bỏ sự trượt. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CÓ CUỘN KÍCH TỪ.1 Máy điện đồng bộ có cuộn kích từ Stato: gồm vỏ lõi và dây quấn.
- Vỏ làm bằng thép đúc,có nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và cùng với tấm chắn để bắt chặt tất cả các phần khác vào máy.Trên vỏ có gắn biển máy. - Lõi stato: được chế tạo hoàn toàn giống như lõi stato của máy điện dị bộ dây quấn phần ứng như dây quấn 3 pha (stato,hay roto) của máy điện dị bộ. Roto: nếu phần quay là phần cảm (đặt cuộn kích từ) thì nó gồm: lõi và dây quấn.Trong trường hợp này roto có hai loại: cực lồi và cực ẩn. - Loại cực lồi: thì trục ngang (q) vuông góc 90 độ với trục dọc.Dây quấn được quấn xung quanh cực từ.
Ở máy lớn thì trên cực còn xẻ rãnh để đặt cuộn ổn định (MF) hay cuộn khởi động (ĐC).Ở máy cực hiện thì tốc độ quay thấp (nếu cao sẽ không đảm bảo độ bền cơ khí). - Loại cực ẩn: người ta xẻ rãnh ở 2/3 chu vi roto. khi đó trục của rãnh lớn gọi là trục dọc (d).Rôto của loại cực ẩn thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực ly tâm (vì cực ẩn thường có số cặp cực p bằng 1 nên vòng dây quay lớn) khi tốc độ lớn. 3 Ngoài ra,trên roto còn đặt vành trượt và chổi than.
- Sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí phụ thuộc vào hình dạng phần cuối của cực từ.Vậy nên khe khí trong máy cực lồi sẽ được chế tạo như sau: độ rộng khe khí sẽ được sẽ được tăng dần theo chiều rộng của mặt cực. - Khe khí của máy đồng bộ lớn hơn nhiều so với máy dị bộ vì ở máy di bộ khe khí phải giảm nhỏ để giảm dòng không tải. Khe khí máy đồng bộ khoảng 0,5 - 5mm. Nguyên lý hoạt động.1 biểu diễn sơ đồ máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực.
Cuộn dây phần ứng đặt ở stator còn cuộn dây kích từ đặt ở rotor. Cuộn dây kích từ được nối với nguồn dòng một chiều qua hệ thống chổi than. Để nhận được điện áp 3 pha, trên chu vi stator đặt 3 cuộn dây cách nhau 1200 và được nối sao. Dòng điện một chiều tạo ra từ trường không đổi.
Bây giờ ta gắn vào trục roto một động cơ lai và quay với tốc độ n. Ta được một từ trường quay tròn có từ thông khép kín qua rotor, cực từ và lõi thép stator ( hình 1. Từ thông của từ trường quay cắt các thanh dẫn phần ứng, làm xuất hiện trong 3 cuộn dây 3 sđđ: EA=Emsint; EB= Emsin(t- ); EC= Emsin(t+ ); Trong đó tần số biến thiên của các sđđ =2 f. Nếu số cặp cực là p thì tần số biến thiên f của dòng điện sẽ là: f= (1.1) 4 Nhận thấy tần số biến thiên của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor và số đôi cực.
Nếu bây giờ tải 3 pha của máy điện bằng 3 tải đối xứng, sẽ có dòng 3 pha đối xứng. Theo nguyên lý tạo từ trường quay nên trong máy phát đồng bộ lúc này cũng xuất hiện từ trường quay mà tốc độ chính xác bằng biểu thức: ntt = Thay (1.2) ta được n = ntt. Như vậy, ở máy điện đồng bộ, tốc độ quay của rotor và tốc độ quay của từ trường bằng nhau. Hai từ trường này ở trạng thái nghỉ với nhau.
Tính chất của máy đồng bộ có cuộn kích từ. Sơ đồ thay thế máy điện đồng bộ có cuộn kích từ. Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và xây dựng các đặc tính cơ của chúng, người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết sau: - Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hoàn toàn hình sin đối xứng. - Các thông số của động cơ là không đổi ( nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bão hòa nên điện kháng cũng không đổi ).
- Dòng điện một chiều kích từ không thay đổi. - Bỏ qua các hao tổn cơ và hao tổn phụ. - Bỏ qua ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy. - Khi mô tả các đại lượng điện áp và dòng điện ở dạng các vectow phức, ta có phương trình điện áp cho mỗi pha của động cơ đồng bộ như sau: U= E + I(R + JX) (1.3) 5 Trong đó : U – điện áp pha E=√ w.- sức điện động trong dây quấn phần ứng I – dòng điện chạy trong mạch phần ứng R – điện trở phần ứng X – điện kháng phần ứng Từ phương trình (1.3 ) ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ đồng bộ như sau.
Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ 1. Các đặc tính của máy điện đồng bộ có cuộn kích từ. Khi ta đóng stator động cơ dồng bộ vào nguồn điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ: 1 = 2 f1/p Trong phạm vi moment cho phép M MMax, đặc tính cơ là cứng tuyệt đối.3 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ Khi moment vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ. Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc: M = f().
Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa moment của động cơ với góc lệch của vecto điện áp pha lưới điện và vecto sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường một chiều sinh ra. Từ phương trình ( 1.3) nếu bỏ qua điện trở R của stator ta có đồ thị vector như hình 1.4 Từ đồ thị vector hình 1.cos= Ecos(- ) mà cos(- ) = Thay vào phương trình trên ta được: Ucos = E UIcos= 7 Hình1.4 Đồ thị vector của mach stator động cơ đồng bộ Vì UIcoslà công suất một pha của động cơ nên công suất 3 pha của động cơ là: P=3 Moment của động cơ là: M= = Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ. Trên đường đặc tính góc ta thấy, khi = thì moment đạt cực đại: Mmax = 3 Moment Mmax đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải năng, góc lệch tăng, nếu > thì moment lại giảm.
Động cơ đồng bộ thường làm việcđịnh mức với đm = 200 300. Hệ số quá tải về moment: M = =22,5 8 Hình 1.5 Đặc tính góc của động cơ đồng bộ Quá trình phân tích ở trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn. Với động cơ đồng bộ cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rotor và stator không đều nên trên máy xuất hiện moment phản kháng phụ, phương trình đặc tính goc có dạng sau: Đường cong biểu diễn M sẽ là tổng của hai thành phần: Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 bằng các đường nét đứt. Đối với máy cực ẩn Xd = Xq nên M2 = 0 và M = M1.
Nhưng thường M2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Khi đó đặc tính góc của động cơ cực lồi và cực ẩn là như nhau. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ trình bày trên đây là nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ.
Khi máy điện đồng bộ có tải, trong máy phát có 2 từ trường là từ trường kích từ và từ trường phần ứng, nằm ở trạng thái nghỉ với nhau nên chúng sẽ tác động tương hỗ với nhau. Sự tác động từ trường phần ứng lên từ trường kích từ gọi là phản ứng phần ứng. Phản ứng phần ứng có thể làm yếu, làm tăng hoặc làm biến dạng từ trường chính. Khi tải thuần trở.
Khi vị trí roto như hình 1.6a, trong các dây dẫn của pha A dòng điện đạt giá trị cực đại I = Im, sđđ cũng đạt giá trị cực đại e = E m, vì tải thuần trở dòng điện và áp trùng pha nhau (hình 1. Hướng sđđ và hướng dòng điện trong các pha A, B, C có thể xác định theo quy tắc bàn tay phải còn chiều từ thông do các dòng điện sinh ra xác định bằng quy tắc vặn nút chai.6c ta thấy rằng chiều từ thông dòng tải có hướng ngang với từ thông chính và mang tên là phản ứng phần ứng ngang.6 Phản ứng ngang máy điện đồng bộ Giá trị cực đại của từ trường chính F0 nằm ở dưới các cực trên trục d – d’, còn stđ phản ứng phần ứng Faq có giá trị cực đại trên trục q – q’.