Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài 8: Máy điện đồng bộ - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 8
408001
Biến đổi năng lượng điện cơ
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK2
2Bài giảng 8

 Máy điện đồng bộ được sử dụng chủ yếu làm máy phát 3 
pha trong hệ thống điện. Công suất từ vài kVA đến hơn 
1000 MVA.

 Một dây quấn 3 pha được đặt trên stato (phần đứng yên) 
và một rôto (phần quay) với một dây quấn kích từ DC được 
kéo quay bởi một động cơ sơ cấp. Các máy nhỏ hơn có thể
dùng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường rôto.

 Tốc độ của máy tỷ lệ trực tiếp với tần số của điện áp hay 
dòng điện stato, và độc lập với điều kiện tải.
Máy điện đồng bộ – Giới thiệu
3Bài giảng 8

 Bài giảng sẽ chỉ đề cập đến các khái niệm nền tảng như 
rút ra biểu thức mômen và sự vận hành xác lập hình sin 
bằng một mạch tương đương.

 Các máy điện quay 1 pha và 2 pha sẽ được giới thiệu sơ 
lược như nền tảng cho việc phân tích sự hoạt động của 
máy 3 pha.
Máy điện đồng bộ – Giới thiệu
4Bài giảng 8

 Xét máy trong hình 6.1, với các dây quấn phân bố trên 
stato và rôto. Từ thông móc vòng là (từ ví dụ 4.2)
Máy điện quay 1 pha
( ) ( ) rsrssrrssss iLiLiLNNiLN θpiθλ +=−+= 21002
( ) ( ) rrssrrrsrsr iLiLiLNiLNN +=+−= θpiθλ 020 21

 Hai dây quấn có thể được coi như hai cuộn dây được 
ghép, với đồng năng lượng cho bởi
( ) rssrrrssm iiLiLiLW θ++= 22' 2
1
2
1
5Bài giảng 8
Máy điện quay 1 pha (tt)

 Mômen có thể được tính
( ) ( )θ
θ
θ
θ
sin
'
Mii
d
dLiiWT rssrrsm
e
−==
∂
∂
=
Nếu chỉ xét thành phần cơ bản của Lsr(θ) là Mcos(θ).

 Mô hình động học của máy (hình 6.3)
dt
d
Riv ssss
λ
+=
dt
dRiv rrrr
λ
+= me TT
dt
dBK
dt
dJ +=++ θθθ2
2
với Tm là mômen bên ngoài đặt vào cùng chiều dương với θ.
6Bài giảng 8
Máy điện quay 1 pha (tt.)

 Ở trạng thái xác lập hình sin, công suất cơ là
( ) ( ) ( )θωωωω sincoscos ttMIITp rsrsmmem −==

 Giả thiết điều kiện tần số được thỏa mãn, công suất trung 
bình là,
( ) ( ) 4sin γω rsmavm IIp −=

 γ là một hằng số sao cho θ = ωmt + γ. Mômen sinh ra có
dạng đập mạch, với công suất thay đổi giữa 0 và một giá trị 
đỉnh. Điều này có thể được loại bỏ bằng cách thêm vào 1 
dây quấn nữa trên cả stato và rôto, tạo thành máy 2 pha.
7Bài giảng 8

 Xét máy 2 pha trong hình 6.4, với các dây quấn đơn giản 
hóa trên stato và rôto như được thể hiện.

 Hai dây quấn stato hoàn toàn không bị ghép, tương tự
với hai dây quấn rôto.

 Đồng năng lượng có thể được xác định theo từ thông 
móc vòng (xem giáo trình). Mômen sinh ra được cho bởi
Máy điện quay 2 pha
( ) ( ) ( ) ( )[ ]θθ
θ
sincos
'
bsbrarasbrasbsar
me iiiiiiiiMWT +−−=
∂
∂
=
8Bài giảng 8
Máy điện quay 2 pha

 Khi các dòng điện 2 pha cân bằng được đưa vào các dây 
quấn 2 pha cân bằng, một công suất hằng được tạo ra 
(không có thành phần xoay chiều nào).
( )[ ]γωωωωω ++−−== tMIITp rsmsrmmem sin

 Bằng cách đặt hai cuộn dây lệch 900 và các dòng điện 
lệch pha 900 (điện), điều kiện một tần số được tạo ra, và
( )γω sinMIIp srmm −=
9Bài giảng 8

 Xét một máy 3 pha cực lồi có 2 cực (hình 6.7). Các máy 
cực lồi được dùng trong các máy phát thủy điện tốc độ thấp 
và động cơ đồng bộ 1 pha công suất thấp. Các cuộn dây 
stato phân bố được dùng để tạo ra sức từ động hình sin dọc 
theo chu vi khe hở.
Máy đồng bộ 3 pha
10Bài giảng 8
Dây quấn stato 3 pha
Dây quấn stato 3 pha
Cận cảnh dây quấn
11Bài giảng 8

 Các cuộn dây stato được làm lệch cơ học 1200 trong một dây 
quấn 3 pha. Khi được cung cấp một hệ dòng điện 3 pha, dây quấn 
3 pha sẽ tạo một từ trường quay với độ lớn không đổi, giả thiết là
mạch từ không bão hòa. Tương tự, một dây quấn 2 pha với các 
cuộn dây stato lệch 900 cũng sẽ tạo ra một từ trường quay khi được 
cung cấp một hệ dòng điện 2 pha.
Khái niệm về từ trường quay
12Bài giảng 8
Khái niệm về từ trường quay (tt)
13Bài giảng 8

 Rôto cực lồi sẽ không được khảo sát thêm nữa. Với rôto 
cực ẩn, mômen sinh ra bởi điện năng cho bởi
Rôto cực lồi và cực ẩn
( ) ( ) ( )00
'
120sin120sinsin +−−−−=
++=
∂
∂
=
θθθ
θθθθ
MiiMiiMii
d
dMii
d
dMii
d
dMiiWT
rcrbra
cr
rc
br
rb
ar
ra
me
14Bài giảng 8
Rôto cực lồi thực
Rôto của một máy đồng bộ
tốc độ thấp
Cận cảnh 1 cực rôto
15Bài giảng 8

 Dưới điều kiện dòng 3 pha kích thích là cân bằng, với 
dòng điện rôto không đổi, mômen có thể được biểu diễn như 
sau
Trường hợp rôto cực ẩn
( ) ( )
2
sin3
2
sin3 ttMIItMIIT smrmsrme ωγωωθ −+−=−−=
với θ = ωmt + γ. Mômen sẽ có giá trị trung bình nếu ωm = ωs, 
được gọi là tốc độ đồng bộ. 
( ) ( )γγ sin
2
3
sin
2
3 MIIMIIT rarm
e
−=−=
16Bài giảng 8
Trường hợp rôto cực ẩn (tt)

 Vì tốc độ đồng bộ ωm bằng với tần số điện ωs (rad/s)
fnsm pi
pi
ω 2
60
2
==
với ns là tốc độ đồng bộ tính bằng vòng/phút (rpm).
17Bài giảng 8

 Điện áp pha a ở trạng thái xác lập
Điện áp ở trạng thái xác lập
aras
j
s
r
asa EIjxe
MIjILjV +=+= γωω
22
3
0
jxs
EarVa
Ia jxsIa
Ia
Va
Ear
γ
δ

 Mạch tương đương với giản đồ vectơ pha tương ứng chế 
độ động cơ được thể hiện dưới đây. δ được định nghĩa là
góc công suất tính từ Va đến Ear.

 Tương tự cho pha b và pha c.
PT Pm
Elec. Mech.
18Bài giảng 8

 Dòng điện được cho bởi
Tính công suất theo điện áp
s
ara
a jx
EV
I
−
=

 Dưới điều kiện cân bằng, công suất tổng là
( )*Re33 aaraT IEPP ==

 Chọn Va là vectơ tham chiếu, và xét δ∠= arar EE
( )
( ) ( )
s
aar
s
aar
aar
s
T
x
VE
x
VE
VjE
x
P
δδpi
δ
sin323
0Re3 0
−=
+∠
=
∠×∠=
19Bài giảng 8
Biểu thức mômen

 Biểu thức của mômen
( )
ss
aar
s
T
m
Te
x
VEPP
T
ω
δ
ωω
sin3
−===

 Ở chế độ động cơ, PT > 0, ta phải có δ < 0.
20Bài giảng 8

 Áp dụng KVL cho mạch vòng trong hình bên dưới
Máy phát đồng bộ
jxs
EarVa
Ia
arasa EIjxV +−= hay asaar IjxVE +=

 Dòng điện và công suất có thể dễ dàng tính được
s
aar
a jx
VE
I
−
=
( ) ( )
s
ara
s
ara
T
x
EV
jx
EV
P
δδ sin30
Re3
0
=





−
−∠×∠
=
θ
δ
Ia
Va
jxsIa
EarPT Pm
Elec. Mech.
21Bài giảng 8
 Một máy đồng bộ 3 pha nối Y 60 Hz có 2 cực với điện 
kháng đồng bộ xs = 5 Ω/pha. Khi vận hành ở chế độ động cơ, 
máy tiêu thụ dòng điện 30 A và điện áp pha là 254 V ở hệ số
công suất 0,8 sớm. Tìm Ear và Te. Nếu máy có tổng tổn hao 
do quạt gió, ma sát, và lõi thép là 400 W, mômen hữu ích 
đầu trục là bao nhiêu? Hiệu suất là bao nhiêu?
Ví dụ 6.1
jxs
EarVa
Ia
δ
θ
Ear
Va jxsIa
Ia
22Bài giảng 8

 Chọn Va làm vectơ pha tham chiếu, dòng điện sẽ là
Ví dụ 6.1 (tt)
( ) °∠=∠= − 87,36308,0cos30 1aI A

 Điện áp Ear sẽ là
( )
°−∠=
°∠−∠=−=
23,193,364
87,363050254 jIjxVE asaar
V

 Công suất điện từ
( ) ( )( ) ( ) 18286
5
23,19sin3,3642543sin3 =°=−=
s
ara
T
x
EVP δ W

 Công suất cơ hữu ích
17886400182862 =−=P W
23Bài giảng 8

 Mômen hữu ích của động cơ
Ví dụ 6.1 (tt)
44,47
120
178862
2 === piωm
PT N.m

 Công suất điện ngõ vào
( ) ( )( )( ) 182888,030254331 === PFIVP aa W

 Hiệu suất
978,0
18288
17886
1
2
===
P
Pη
24Bài giảng 8
 Giả sử dòng điện kích từ Ir được thay đổi sao cho tổng công 
suất là như trong ví dụ 6.2 và hệ số công suất là đơn vị ở cùng 
ngõ vào. Tìm dòng điện stato mới và điện áp cảm ứng Ear.
Ví dụ 6.3
jxs
EarVa
Ia
δ
Ear
Va
jxsIa
Ia
( ) 242543
18286
0cos3 0
=
×
==
a
T
a V
PI
08,259,280120254 −∠=−= jEar V
A
25Bài giảng 8
 Một máy đồng bộ 2 cực, 3 pha, nối Y có điện kháng đồng 
bộ xs = 2 Ω trên mỗi pha. Máy vận hành ở chế độ máy phát 
cung cấp công suất ở điện áp 1905 V trên mỗi pha. Dòng 
điện là 350 A và hệ số công suất của tải là 0,8 trễ. Tìm Ear, δ, 
và mômen điện từ sinh ra.
Ví dụ 6.4
jxs
EarVa
Ia
θ
δ
Ia
Va
jxsIa
Ear
26Bài giảng 8

 Từ giản đồ vectơ pha
Ví dụ 6.4 (tt)
jxs
EarVa
Ia
θ
δ
Ia
Va
jxsIa
Ear
( ) V 54,13239187,3635021905 00 ∠=−∠+= jEar
( ) N.m 42440
3772
23416,0190523913sin3
=
×
×××
==
ss
aare
x
VET
ω
δ
27Bài giảng 8

 Số cực trong máy được xác định bởi cấu hình của từ 
trường. Xét rôto trong hình 6.24(a). Với mỗi cuộn, có 2 cực 
để cắt ngang khi đi hết một vòng.

 Với rôto trong hình 6.24(b), khi đi hết một vòng sẽ gặp 4 
cực. Từ trường quay do đó sẽ hoàn tất 2 chu kỳ (7200) trong 
một vòng quay cơ học 3600. Nghĩa là
Máy nhiều cực
mechelec ωω 2=

 Nói chung, với máy có p đôi cực, mechselec pωωω ==
28Bài giảng 8
Máy nhiều cực (tt)

 ωs là tần số đồng bộ tính bằng rad/s điện.

 Và quan hệ giữa tần số đồng bộ f (tính bằng Hz) và tốc độ 
cơ đồng bộ ns là
p
f
ns
60
=

 Chú ý rằng p là số đôi (cặp) cực từ của máy.
29Bài giảng 8
 Một máy phát đồng bộ 3 pha, 60 Hz, 6 cực, nối Y được 
kéo bởi một tuabin cung cấp 16910 W ở đầu trục. Tổng tổn 
hao ma sát và quạt gió là 500 W. Dòng điện kích từ cũng 
được điều chỉnh sao cho điện áp Ear (tỷ lệ với dòng kích từ) 
có giá trị pha Ear = 355 V. Máy phát cung cấp cho tải ở 440 V
(giá trị dây). Tìm tốc độ, các vectơ pha Ear, Ia và công suất 
thực và phản kháng do máy phát sinh ra. Điện kháng đồng 
bộ là xs = 5 Ω.
Ví dụ 6.5
30Bài giảng 8

 Tốc độ của máy
Ví dụ 6.5 (tt)
( ) 1200
3
606060
===
p
f
ns vòng/phút

 Công suất điện từ
 W1641050016910 =−=TP

 Rút ra giá trị của góc công suất δ
( )( ) °=




 ×
=
− 65,17
3553/4403
516410
sin 1δ
31Bài giảng 8

 Vectơ pha dòng điện pha A
Ví dụ 6.5 (tt)
( ) A 04,3834,27
5
03/44065,17355
°−∠=∠−°∠= jIa

 Công suất phức
( )( ) VA 128411641004,3834,273/4403 jST +=°∠=

 Do đó:
 W16410=P VAr 12841jQ =
32Bài giảng 8

 Một động cơ đồng bộ có thể nhận công suất điện ở hệ số
công suất sớm hoặc trễ. Đặc tính này có thể được dùng để
cải thiện hệ số công suất chung của lưới có động cơ đồng bộ
nối vào.

 Trong thực tế, một máy bù đồng bộ là một động cơ không 
tải và có kích từ thay đổi. Dưới điều kiện này, từ biểu thức 
công suất, Earsinδ phải là hằng số (do công suất tích cực tiêu 
thụ từ nguồn là hằng số), dẫn đến giản đồ vectơ pha sau 
đây.
Cải thiện hệ số công suất
33Bài giảng 8
Cải thiện hệ số công suất (tt)
Va
jxsI’ajxsIa
I’a
Ia
Ear E’ar

 Do đó, khi tăng kích từ, độ lớn của dòng điện và góc lệch 
giữa Va và Ia giảm (hay hệ số công suất tăng).
34Bài giảng 8
 Một tải 3 pha nối Y 1500 kW ở hệ số công suất 0,8 trễ
được nối vào một nguồn 3 pha với điện áp dây là 1732 V. 
Một động cơ đồng bộ không mang tải được nối song song 
với tải để nâng hệ số công suất thành đơn vị. Tìm dòng điện 
tiêu thụ bởi động cơ đồng bộ.
Ví dụ 6.7

 Chọn điện áp pha A làm vectơ tham chiếu, vectơ pha dòng 
điện pha A của tải sẽ là
( )( ) ( ) A 87,366258,0cos8,017323
1500000 1
°−∠=−∠= −aLI
35Bài giảng 8

 Vectơ pha dòng điện pha của tổ hợp tải và động cơ là:
Ví dụ 6.7 (tt)

 Vectơ pha dòng điện pha A của động cơ, tính theo giản đồ 
vectơ pha:
A 90375
87,36625500
°∠=
°−∠−=−= aLaTaM III
( ) A 0500017323
1500000 ∠=∠=aTI