Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 6: Máy điện đồng bộ

Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng
điện cơ
-Máy điện đồng bộ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Máy điện đồng bộ chủ yếu được dùng làm máy phát ba pha trong hệ thống 
điện. Công suất có thể từ vài kVA tới 1100 MVA.
 Cuộn dây ba pha được quấn ở stator (phần đứng yên) và cuộn kích từ DC 
quấn ở rotor (phần quay). Các máy công suất nhỏ có thể dùng nam châm vĩnh 
cửu để tạo ra từ trường rotor.
 Tốc độ rotor tỉ lệ thuận với tần số của điện áp (dòng điện) stator, và độc lập 
với tải.
 Nội dung này sẽ giới hạn ở khái niệm cơ bản về moment tạo ra và hoạt động 
ở xác lập dùng mạch điện tương đương. Máy điện quay một pha và hai pha sẽ 
được giới thiệu sơ lược nhằm giúp phân tích hoạt động của máy ba pha.
Máy điện đồng bộ - Giới thiệu
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét máy điện như hình Fig. 6.1, với các cuộn stator và rotor quấn phân bố. Từ
thông móc vòng như sau:
 rsrssrrssss iLiLiLNNiLN   2100
2
 rrssrrrsrsr iLiLiLNiLNN   0
2
0 21
 Hai cuộn dây có đồng năng lượng
 rssrrrssm iiLiLiLW  
22'
2
1
2
1
 Moment lực từ có thể được tính bởi
 



sin
'
Mii
d
dL
ii
W
T rs
sr
rs
me 


Máy điện quay một pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Mô hình động của máy (Fig. 6.3)
dt
d
Riv ssss

dt
d
Riv rrrr

 me TT
dt
d
BK
dt
d
J 



2
2
Trong đó Tm là moment ngoài tác động theo chiều quay .
 Ở trạng thái xác lập, công suất cơ là
  sincoscos ttMIITp rsrsmm
e
m 
 Giả sử điều kiện về tần số đã thỏa, công suất trung bình là
 4sin  rsmavm IIp 
  là hằng số sao cho  = mt + . Moment tạo ra là dạng đập mạch, với giá trị
từ 0 tới giá trị đỉnh. Có thể triệt tiêu bằng cách thêm một cuộn dây ở cả stator và
rotor, cho ra máy điện hai pha.
Máy điện quay một pha (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét máy điện 2 pha với các cuộn stator và rotor đơn giản như ở hình Fig. 6.4. 
Hai cuộn stator không có hỗ cảm, 2 cuộn rotor cũng tương tự. Đồng năng lượng 
có thể được tính từ các từ thông móc vòng (xem sách). Moment được tính như 
sau
  

sincos
'
bsbrarasbrasbsar
me iiiiiiiiM
W
T 


 Khi dòng 2 pha cân bằng được đưa vào cuộn hai pha cân bằng, một công 
suất không đổi được tạo ra
   tMIITp rsmsrmm
e
m sin
 Do 2 cuộn dây quấn lệch nhau 900 và các dòng điện pha cũng lệch nhau 900 
(điện), một tần số quay được tạo ra và có  sinMIIp srmm 
Máy điện quay hai pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét một máy điện 3 pha cực từ lồi có 2 cực (Fig. 6.7). Máy cực lồi được dùng ở
các máy phát thủy lực có tốc độ thấp và ở các động cơ đồng bộ một pha công 
suất nhỏ. Dây quấn stator phân bố được dùng để tạo ra mmf dạng sin quanh bề
mặt.
Máy điện đồng bộ ba pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Các cuộn stator ba pha được bố trí lệch pha trong không gian 1200. Khi cấp 
cho chúng các dòng điện ba pha, các cuộn này sẽ tạo ra một từ trường quay với 
độ lớn không đổi, khi giả thiết rằng lõi thép không bảo hòa. Tương tự, một stator 
với cuộn dây 2 pha lệch nhau 900 cũng sẽ tạo ra một từ trường quay khi được 
cấp vào dòng điện 2 pha.
Khái niệm từ trường quay
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Rotor cực lồi không được khảo sát trong nội dung này. Với rotor cực ẩn, 
moment được tính bởi
 00
'
120sin120sinsin 




MiiMiiMii
d
dM
ii
d
dM
ii
d
dM
ii
W
T
rcrbra
cr
rc
br
rb
ar
ra
me
Rotor cực lồi và Rotor cực ẩn
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Khi bị kích thích bởi dòng điện ba pha cân bằng, với dòng rotor không đổi, 
moment có thể viết dưới dạng
2
sin3
2
sin3 ttMIItMII
T smrmsrme
 
Trong đó  = mt + . Moment sẽ có giá trị trung bình sau, khi m = s (tốc độ
đồng bộ)
  sin
2
3
sin
2
3
MIIMIIT rarm
e 
 Vì tốc độ đồng bộ m bằng với tốc độ điện s (rad/s)
f
ns
m 
 2
60
2
Trong đó ns là tốc độ đồng bộ tính bằng vòng/phút (rpm).
Máy điện đồng bộ - Trường hợp rotor cực ẩn
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Điện áp pha khi xác lập
aras
j
s
r
asa EIjxe
MI
jILjV 
22
3
0
jxs
EarVa
Ia
jxsIa
Ia
Va
Ear


 Mạch điện tương đương với giản đồ pha tương ứng ở chế độ động cơ được 
biểu diễn ở dưới.  được gọi là góc moment, tính từ Va tới Ear.
 Tương tự cho pha b và pha c.
PT Pm
Elec. Mech.
Điện áp ở xác lập
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Dòng điện có dạng
s
ara
a
jx
EV
I
 Ở điều kiện cân bằng, công suất tổng *Re33 aaraT IEPP 
 Lấy Va làm chuẩn,  arar EE
s
aar
s
aar
aar
s
T
x
VE
x
VE
VjE
x
P
 

sin323
0Re
3 0 
 
   
 Biểu thức moment
ss
aar
s
T
m
Te
x
VEPP
T



sin3
 Ở chế độ động cơ, PT > 0, góc  < 0.
Công suất tính bằng điện áp
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Phương trình cân bằng điện áp của mạch tương đương
jxs
EarVa
Ia
arasa EIjxV or asaar IjxVE 
 Dòng điện và công suất
s
aar
a
jx
VE
I
s
ara
s
ara
T
x
EV
jx
EV
P
 sin30
Re3
0
  


Ia
Va
jxsIa
Ear
Máy phát đồng bộ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Một máy điện đồng bộ ba pha, nối Y, 60 Hz, 2 cực, có điện kháng đồng bộ xs = 
5 /pha. Khi hoạt động ở chế độ động cơ, máy tiêu thụ 30 A tại điện áp pha 254 
V và PF là 0.8 sớm pha. Tìm Ear và T
e. Nếu máy có tổng tổn hao cơ và tổn hao 
sắt là 400 W, tính moment ra đầu trục? Hiệu suất?
jxs
EarVa
Ia


Ear
Va
jxsIa
Ia
Ví dụ 6.1
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Điều chỉnh dòng kích từ Ir để công suất giống như ở vd 6.2 và PF là 1. Tính 
dòng stator mới và Ear.
jxs
EarVa
Ia

Ear
Va
jxsIa
Ia
24
2543
18286
3
0cos 0
a
T
a
V
P
I
08.259.280120254  jEar V
A
Ví dụ 6.3
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Máy đồng bộ ba pha, 2 cực, nối Y, có điện kháng đồng bộ mỗi pha xs = 2 . 
Máy đang vận hành ở chế độ máy phát, phát công suất với điện áp pha 1905 V. 
Dòng điện là 350 A và PF của tải là 0.8 trễ pha. Tính Ear, , và moment điện từ.
jxs
EarVa
Ia


Ia
Va
jxsIa
Ear
 V 54.13239187.3635021905 00   jEar
N.m 42440
3772
23416.0190523913sin3
ss
aare
x
VE
T


Ví dụ 6.4
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Số cực trong máy điện được định nghĩa bởi kết cấu của dạng từ trường. Xét 
rotor ở hình Fig. 6.24(a). Với 1 cuộn dây, có hai cực khi đi quanh bề mặt.
Với rotor trong hình Fig. 6.24(b), quanh bề mặt có 4 cực. Từ trường quay sẽ có
2 chu kỳ (7200) trong một vòng quay cơ 3600. Điều này có nghĩa là
mechelec  2 
 Tổng quát, với máy có p cặp cực, mechselec p 
Trong đó s là tần số góc động bộ điện rad/s. Quan hệ giữa tần số đồng bộ f 
(Hz) và tốc độ cơ đồng bộ ns là
p
f
ns
60
Máy điện đồng bộ nhiều cực
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Máy phát đồng bộ 3 pha, 60 Hz, 6 cực, nối Y, được kéo bởi một tuabin cấp 
16910 W tới trục máy phát. Tổn hao cơ là 500 W. Dòng kích từ được điều chỉnh 
để sđđ Ear tỉ lệ với dòng kích từ mỗi, Ear = 355 V. Máy phát cấp cho tải 440 V 
(line-to-line). Tìm tốc độ, các vector pha Ear, Ia, công suất tác dụng và phản kháng 
của máy phát. Điện kháng đồng bộ mỗi pha là xs = 5 .
Ví dụ 6.5
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Động cơ đồng bộ có thể nhận công suất điện tại PF sớm hay trễ pha. Đặc tính 
này có thể được dùng để cải thiện PF tổng của lưới điện.
 Trong thực tế, máy bù đồng bộ là một động cơ chạy không tải, và có kích từ 
thay đổi. Ở điều kiện này, từ biểu thức công suất, Earsin phải là hằng số (do 
công suất tác dụng nhận từ nguồn không đổi), đưa tới giản đồ pha như sau.
Va
jxsI’a
jxsIa
I’a
Ia
Ear E’ar
 Vì thế, khi tăng kích từ, biên 
đọ dòng và góc lệch giữa Va and 
Ia giảm (hay là PF tăng).
Cải thiện hệ số công suất
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Một tải ba pha nối Y 1500 kW tại 0.8 PF trễ pha được nối với nguồn 3 pha có 
điện áp dây 1732 V. Một động cơ đồng bộ không tải được nối song song với tải 
để cải thiện hệ số công suất lên 1. Tìm dòng tiêu thụ của động cơ đồng bộ.
Ví dụ 6.7