MẠCH ĐIỆN BA PHA
Chương 7. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
8.1.1. Định nghĩa, phân loại
Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ quay n của rôtor không đổi bằng tốc độ quay của từ trường, được xác định theo số cặp cực p và tần số f của dòng điện:
60 f
n = p (8-1)
Theo nguyên lý thuận nghịch, máy điện đồng bộ có thể vận hành theo chế độ máy phát điện hoặc chế độ động cơ.
Máy điện đồng bộ chủ yếu được sử dụng để làm máy phát điện.
Hiện nay, tuyệt đại bộ phận điện năng sử dụng trong công nghiệp và đời sống là năng lượng điện từ do các máy phát điện đồng bộ cung cấp trong đó động cơ sơ cấp là các tuýc bin hơi, tuýc bin khí hoặc tuýc bin nước.
Trong truyền động điện công suất lớn từ vài trăm kW trở lên người ta sử dụng động cơ điện không đồng bộ. Trong công nghiệp luyện kim, khai khoáng, thiết bị lạnh động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quát gió, … với tốc độ không đổi. Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các đồng hồ điện, thiết bị tự ghi, thiết bị lập trình, v.v…
Trong các hệ thống điện, máy điện đồng bộ dùng làm máy phát công suất phản kháng để bù và nâng cao hệ số công suất cho lưới điện.
8.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ được cấu tạo từ 3 bộ phận chính là phần cảm, phần ứng và phần kích từ.
a)Phần cảm.
Thường đặt trên rotor của máy điện, trên rotor có hệ thống dây quấn có dòng điện một chiều chạy qua để tạo thành một nam châm điện.
Từ thông của phần cảm sinh ra phải đủ mạnh và ổn định. Số cực từ của phần cảm sẽ quy định tốc độ quay của rotor và tần số của dòng điện. Với dòng điện công nghiệp tần số 50Hz, theo (8-1) ta thấy:
p = 1 (2 cực) → n = 3000 vg/ph
TS. Lưu Thế Vinh
p = 2 ( 4 cực) → n = 1500 vg/ph p = 3 (6 cực) → n = 1000 vg/ph v.v….
Với các máy phát 2 cực (p = 1) tốc độ cao, rotor phải làm dạng cực ẩn, lõi thép rotor có xẻ rãnh để đặt dây quấn (hình 8-1, a).
a)
b)
Hình 8.1. Phần cảm của máy phát điện đồng bộ.
Các máy phát điện đồng bộ nhiều cực (p > 2) có tốc độ quay thấp thường làm ở dạng cực lồi. Mỗi cực là một lõi thép được chế tạo có hình dạng đặc trưng để đặt dây quấn sao cho từ trường tạo ra có phân bố ở đầu cực dạng hình sin (hình 8-1, b).
b) Phần ứng.
Phần ứng của máy phát điện xoay chiều gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian cố định trên các rãnh của mạch từ trên stator.
Cấu tạo của mạch từ và cách bố trí các cuộn dây tương tự như máy điện không đồng bộ (hình 8-2).
c) Phần kích từ. Có nhiệm vụ tạo ra dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường kích từ.
KỸ THUẬT ĐIỆN 138
TS. Lưu Thế Vinh
Lõi thép stator Dây quấn stator
Lõi thép rôtor Dây quấn rôtor
Chổi than
Hình 8-2. Mặt cắt ngang lõi thép của máy điện đồng bộ
Phần lớn các máy phát điện xoay chiều công suất lớn hiện nay thì phần kích từ là một máy phát điện một chiều đặt đồng trục với máy phát xoay chiều. Dòng một chiều từ máy kích từ qua 2 chổi than tiếp xúc với vòng trượt đặt trên trục nối vào dây quấn phần cảm. Toàn bộ cấu tạo của một máy phát điện đồng bộ rôtor cực lồi vẽ trên hình 8-3.
Hình 8-3. Các bộ phận chính của máy phát điện rôtor cực lồi 1 - Thân máy, 2 - Lõi thép stator, 3 - Cuộn dây stator, 4 - Rôtor, 5 - Quạt gió, 7 - Đầu dây ra, 8 - Chổi than, 9 - Máy kích từ
TS. Lưu Thế Vinh
§ 8.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Trên hình 8-4 minh họa sơ đồ nguyên tắc làm việc của tổ hợp máy phát điện đồng bộ.
ĐỘNG CƠ SƠ CẤP
NGUỒN ĐIỆN KÍCH TỪ A B C
+
-Hình 8-4. Sơ đồ nguyên tắc làm việc của máy phát điện
Tổ hợp 3 máy: động cơ sơ cấp, máy phát kích từ và rô to máy phát được nối đồng trục với nhau. Động cơ sơ cấp dùng để quay máy phát điện và nguồn kích từ. Ở các nhà máy thủy điện động cơ sơ cấp là các tuýcbin nước, còn ở nhà máy nhiệt điện là các tuýcbin hơi. Động cơ sơ cấp có thể là các động cơ điêzen hoặc tuýcbin khí.
Nguồn kích từ thường là một máy phát điện một chiều cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát. Đối với các máy phát công suất nhỏ nguồn kích từ là một bộ chỉnh lưu lấy dòng xoay chiều từ phần ứng qua bộ chỉnh lưu bán dẫn để cấp dòng cho cuộn dây phần cảm. Các máy phát loại này gọi là máy phát xoay chiều tự kích.
Khi động cơ sơ cấp quay rôtor, cuộn kích từ của phần cảm có dòng một chiều sẽ biến thành một nam châm điện quay với tốc độ n. Từ trường của rôtor quét qua dây quấn phần ứng trên stator và cảm ứng trên nó sức điện động xoay chiều hình sin. Nếu phần cảm có p cặp cực, tốc độ quay của rôtor là n thì dòng cảm ứng sẽ có tần số:
60
f = p n (8-2)
Tương tự như máy điện không đồng bộ, s.đ.đ. cảm ứng trong mỗi pha dây quấn có trị hiệu dụng:
Eo = 4,44 f W kdq Φo (8-3) Trong đó Φo là từ thông dưới mỗi cực từ, W là số vòng dây một
KỸ THUẬT ĐIỆN 140
TS. Lưu Thế Vinh pha, kdq là hệ số dây quấn.
Nếu máy phát điện đồng bộ là máy 3 pha, trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động 3 pha. Khi máy phát mang tải, dòng điện 3 pha trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ:
1 60f
n = p (8-4)
Ta thấy tốc độ từ trường quay n1 bằng tốc độ quay rotor n. Do đó máy phát gọi là máy phát động bộ.
§ 8.3. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khi máy phát điện làm việc, rotor quay làm cho từ trường kích từ Φ0
của phần cảm cắt dây quấn stator và tạo ra trong mỗi pha của dây quấn stator một s.đ.đ cảm ứng E0. Dây quấn stator nối với tải cung cấp dòng tải I lại tạo ra từ trường phần ứng Φ. Từ thông phần ứng Φ luôn quay đồng bộ với từ thông phần cảm Φo. Tác dụng của từ trường phần ứng Φ lên từ trường của cực từ phần cảm Φo được gọi là phản ứng phần ứng.
Trong mọi trường hợp Φo luôn có phương trùng với trục rôtor, có chiều đi ra từ cực bắc N. Sức điện động E0 luôn chậm pha so với Φ0 một góc 900, còn từ thông phần ứng Φ do dòng điện tải I sinh ra luôn cùng pha với I. Như vậy góc lệch pha giữa E0 và I sẽ phụ thuộc vào tính chất của phụ tải.
Trường hợp tải thuần trở (hình 8-4, a). E0 và I cùng pha, tác dụng của Φ
TS. Lưu Thế Vinh
lên Φ0 trong trường hợp này gọi là phản ứng phần ứng ngang trục. Phản ứng này làm méo dạng từ trường Φ0 làm cho sự phân bố của từ trường Φ0 trong khe không còn dạng sin nữa.
Trường hợp tải thuần cảm (hình 8-4, b), I chậm pha sau E0 một góc 900. Lúc này Φ cùng pha với I và ngược chiều với Φ0 . Tác dụng của Φ lên Φ0
được gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng.
Trường hợp tải điện dung (hình 8-4, c), I vượt trước E0 một góc 900. Lúc này Φcùng pha với I và Φ0 . Tác dụng của Φ lên Φ0trong trường hợp này gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ. Phản ứng này làm tăng từ trường tổng.
Trong trường hợp tải bất kỳ (hình 8-4, d), dòng I lệch pha so với E0
một góc ψ. Ta có thể phân tích I thành hai thành phần:
- Thành phần ngang trục Iq = I cos ψ tạo ra từ thông phần ứng ngang trục Φq vuông góc với Φ0 có tác dụng làm méo dạng từ thông chính.
- Thành phần dọc trục Id = I sinψ tạo ra từ thông dọc trục Φd ngược chiều hoặc cùng chiều với Φ0 tùy thuộc tính chất phụ tải là điện cảm hay điện dung. Khi phụ tải có tính điện cảm ψ > 0, Φd ngược chiều với Φ0. Khi phụ tải có tính điện dung ψ < 0, Φd cùng chiều với Φ0 và làm tăng từ trường của máy điện.
§ 8.4. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 8.4.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi.
Khi máy phát làm việc, từ trường kích từ Φ0 sinh ra s.đ.đ E0 trong dây quấn stator. Khi máy có tải sẽ có dòng I và điện áp U trên tải. Đối với máy phát rôtor cực lồi do khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau, nên phản ứng phần ứng theo hai hướng sẽ khác nhau.
Từ trường chính phần ứng ngang trục tạo ra s.đ.đ. ngang trục E&ưq:
ưq q ưq
E& = − jI X&
Trong đó Xưqlà điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục.
Từ trường phản ứng phần ứng dọc trục E&ưd:
ưd d ưd
E& = − jI X&
Trong đó Xưd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục.
Ngoài ra trong máy còn có từ thông tản của dây quấn stator được đặc trưng bằng điện kháng tản Xt không phụ thuộc hướng dọc trục hay ngang trục
KỸ THUẬT ĐIỆN 142
TS. Lưu Thế Vinh làm xuất hiện s.đ.đ E&t
q t
:
t t d t
E& = − jIX& = − jI X − jI X
Ta có phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện cực lồi:
0 d ưd q ưq d t q t ư
U E& = & − jI X& − jI X& − jI X& − jI X IR& − &
=E&0− jI X&d( ưd +Xt)− jI X&q( ưq +Xt)−IR& ư
=E&0− jI X&d d − jI X&q q −IR& ư
Trong đó: Xd =Xưd +Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục Xq = Xưq+Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng IRư, ta có:
(8-5)
0 d d q q
U E& = & − jI X& − jI X&
Đồ thị véc tơ biểu diễn trên hình (8-5, a).
Hình 8-5