Bài giảng Lý thuyết máy điện - Chương 5: Máy điện đồng bộ - Văn Thị Kiều Nhi

BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
I. Khái niệm.
II. Cấu tạo máy điện đồng bộ.
III. Nguyên lý hoạt động máy điện đồng bộ.
IV. Các phương trình cân bằng điện áp
V. Đặc tính góc công suất
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
I. Khái niệm.
Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều mà tốc độ quay rotor bằng tốc độ từ 
trường quay. 
Được dùng làm động cơ đồng bộ , tiêu thụ công suất tác dụng, bù công suất phản 
kháng vào lưới điện, nâng cao hệ số công suất của lưới điện .
Được dùng làm máy phát điện, điện áp của máy phát thường từ 13 kv đến 28kv, công 
suất có thể đến 1000 MVA .
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
II. Cấu tạo
Stator:
Stator của máy điện đồng bộ giống như stator của máy điện không đồng bộ, gồm có lõi 
thép và dây quấn. 
Rotor:
a)Rotor cực lồi:(xd, xq) b) Rotor cực ẩn(xđb)
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
II. Cấu tạo
Bộ kích từ:
Tạo ra từ thông không đổi theo thời gian. Nguồn cung cấp dòng điện một 
chiều cho dây quấn kích thích có thể là Máy phát 1 chiều hoặc chỉnh lưu
III. Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ sơ cấp quay, kéo rotor máy phát đồng bộ và máy phát một chiều quay
theo tới tốc độ định mức, máy phát kích thích thành lập được điện áp và cung cấp
dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm máy đồng bộ, phần cảm trở thành nam
châm điện Do rotor (phần cảm) quay nên từ trường phần cảm cắt các thanh dẫn dây
quấn phần ứng (stator) làm cảm ứng trong dây quấn sức điện động hình sin.
60
pnf E = 4,44.f.kdq.w1.0.
Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện,
)240tsin(.E2e
)120tsin(.E2e
tsin.E2e
o
c
o
b
a
  
  
 
n
p
f60n1 
dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn phần ứng sẽ sinh 
ra từ trường quay với tốc độ
máy điện đồng bộ
- Khi máy điện ở trạng thái không tải : trong máy có từ trường tĩnh của phần cảm (DC)
- Khi máy điện có tải : ngoài từ trường tĩnh của phần cảm (DC) còn có từ trường quay 
đều của phần ứng. Sự tương tác giữa từ trường phần cảm và từ trường phần ứng khi có 
tải goại là phản ứng phần ứng.
Tải thuần trở
S N
Eư
I
ư

Do ư  
Đóng tải sụt aùp 
Tải thuần cảm
S N
Eư
I
ư
 pưpư ngang trục khử từ
Do ư ngöôïc chieàu vôùi 
Đóng tải sụt aùp 
 pưpư doïc trục khử từ
Tải thuần dung
S N
Eư
I
ư
Do ư cuøng chieàu vôùi 
Đóng tải taêng aùp 
 pưpư doïc trục trôï từ
Tải cảm
S N
Eư
I
ư

Do ư hôïp vôùi  hai thaønh phaàn
Đóng tải sụt aùp 
 pưpư ngang truïc khöû töø vaø doïc trục khử từ
Tải dung
S N
Eư
I ư
Do ư hôïp vôùi  hai thaønh phaàn
Đóng tải taêng aùp 
 pưpư ngang truïc khöû töø vaø doïc trục trôï từ
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
IV. Phương trình cân bằng điện áp
Sơ đồ tương đương một pha.
Ep : sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do từ trường của phần 
kích từ tạo ra.
Eư : sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do dòng điện biến 
thiên trên dây quấn phần ứng tạo ra.
E: sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do từ trường tản tạo ra
Phương trình cân bằng điện áp cho máy phát điện đồng bộ :
Phương trình cân bằng điện áp cho động cơ điện đồng bộ:
Rư : điện trở trên một pha của dây quấn phần ứng.
Up , Ip : điện áp pha, dòng điện pha của máy điện đồng bộ.
pöpσöp
I.RUEEE  
pöpσöp
I.RUEEE  
V. Giản đồ vector của máy phát điện:
pöpσöp
I.RUEEE  
pöö I.jXE  
pI.jXE   
Xư : điện kháng dây quấn phần ứng phần ứng/ pha
X : điện kháng tản của dây quấn phần ứng phần ứng/ pha
1. Máy phát điện đồng bộ cực từ ẩn: (Do khe hở không khí đều)
pöpöpp I)Xj(XI.RUE  σ pñbpöp IjXI.RU  
Xđb = X + Xư : điện kháng đồng bộ trên dây quấn phần ứng phần ứng/ pha
Sơ đồ tương đương một pha.
taûiZ
Rưjxđb
pE pU
pö II  iupp U,Iˆ   
 pp I,E ˆ
 pp U,E ˆ
góc tải, góc điện áp, 
góc moment, góc công suất
- Tải trở: = 0
pI pU
pñbpöpp IjXI.RUE  
pö I.R 
pñbIjX 
pE
 
- Tải cảm: Ip trễ so với Up , > 0 
pI
pU
pö I.R 
pñbIjX 
pE


- Tải dung: Ip sớm so với Up , < 0 
pI
pU
pö I.R 
pñbIjX 
pE


- Nếu chọn = Up0o pU pI
+ Tải cảm : = Ip- pI
+ Tải dung : = Ip pI
- Nếu chọn = Ip0o pI pU
+ Tải cảm : = Up pU
+ Tải dung : = Up- pU
Có . Tìmöñbpp R,X,I,U  pE
2. Máy phát điện đồng bộ cực từ lồi:
Do khe hở không khí không đều nên từ trường trên hai phương khác nhau, khảo sát trên 
hai phương d, q dqp III  
pöpσöp
I.RUEEE  
öqödö EEE  qöqdöd I.jXI.jX  
pI.jXE   qd I.jXI.jX   
qdqöqdödpöpp I.jXI.jXI.jXI.jXI.RUE   
dödqöqpöp I)XX(jI)XX(jI.RU   
ddqqpöp IjXIjXI.RU  
Xq = X + Xưq : điện kháng đồng bộ ngang trục.
Xd = X + Xưd : điện kháng đồng bộ dọc trục.
Có . Tìmöqdpp R,X,X,I,U  pE
Tìm Iq , Iq
sinII
cosII
pd
pq pI
qI
dI
pI
qI
dI
pU
pö IR 
pqIjX 
qqIjX 
ddIjX 
pE
ddqqpöpp IjXIjXI.RUE  
Máy phát điện đồng bộ cực từ lồi:
  
 
 
sinII
cosII
pd
pq
O
A
pqpöp IjXIRUOA  
Các bước tính toán:
 OA
  
 sinII pd
ddpöpp IXcos.IRcosUE   

 pp EE
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
V. Đặc tính góc công suất của máy điện đồng bộ
1. Đặc tính góc công suất tác dụng: Up , Ep =const, P = f()
 cos.I.U.mP pp
Công suất tác dụng của máy điện đồng bộ :
)cos(.I.U.m pp   
)sinsincos.(cosI.U.m pp   )sinIcosI(U.m dqp   (5.1)
ddqqpupp IjXIjXI.RUE  Từ phương trình:
Chiếu lên phương q : Ep = Upcos + Rư .Iq + Xd.Id (5.2)
Chiếu lên phương d : 0 = Up sin + Rư .Id - Xq.Iq
Từ (5.2) và (5.3) Iq , Id
(5.3)
Thay vào (5.1) ta được :
2
öqd
qd
2
p
2
öqd
öqpp
RXX
2sin)XX(
2
mU
RXX
)cosRsinX(E.U.m
P
 
 
(Xd , Xq >> Rư )  

 2sin
X
1
X
1
2
mU
X
sinE.U.m
P
dq
2
p
d
pp
Máy điện đồng bộ cực từ ẩn: Xd = Xq = Xđb
đñb
pp
X
sinE.U.m
P


P
maxP
o90
Máy điện đồng bộ cực từ lồi:

P
o90
 

 2sin
X
1
X
1
2
mU
X
sinE.U.m
P
dq
2
p
d
pp
o180
o180
max
maxP
Để vận hành máy phát ổn định:
0  max
o180 
ÑC MP
ÑC MP
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
V. Đặc tính góc công suất
2. Đặc tính góc công suất phản kháng: Q= f(Up , Ep )
 sin.I.U.mQ pp
Công suất phản kháng của máy :
)sin(.I.U.m pp   
)sincoscos.(sinI.U.m pp   )sinIcosI(U.m qdp   (5.4)
Từ (5.2) và (5.3) Iq , Id Thay vào (5.4) ta được :
  

dq
2
p
dq
2
p
d
pp
X
1
X
1
2
mU
2cos
X
1
X
1
2
mU
X
cos.E.U.m
Q

Q
o90o45
maxQ
ÑC MP
o45 o90 
o oĐể vận hành ổn định:
-  +
3. Giản đồ năng lượng của máy điện đồng bộ
+ Tổn hao đồng trên cuộn dây kích từ Pkt = pkt = Rkt. I2kt = Ukt.Ikt
+ Tổn hao đồng trên phần ứng P Cu = pCu = mRư. I2p
+ Tổn hao phụ : Pf (pf) do dòng xoáy trong dây dẫn phần ứng & do tổn hao lõi vì từ 
trường bị xoắn dạng.
+ Tổn hao cơ : Pcơ (pcơ) do ma sát, quạt gió, không phụ thuộc tải vì vận tốc không đổi.
Máy phát
P1
(cơ)
Pđt P2
(điện)
(Pđm)
p cơ
Uo(Eư) U(Uđm)
+ Tổn hao mạch từ P Fe = pFe tổn hao sắt từ do dòng xoáy & từ trễ trong mạch từ.
p f p kt p Fe
p Cu
ñmñmñm I.U3S 
 cos.SP ñmñm
 sin.SQ ñmñm
 P = pcơ + pf + pkt + pCu + pFe
M1 = 
1đP Mđt = 
ñtP
Động cơ
P1
(điện)
Pđt P2
(cơ)
(Pđm)
p Cu p Fe p kt p f
p cơ
 P = pcơ + pf + pkt + pCu + pFe
 cosI.U3P ñmñm1 sinI.U3Q ñmñm1
 .cos.I.U3P ñmñmñm
1
ñm
P
P
 
M2 = 
2đP Mđt = 
ñtP
BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI
CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
VI. Máy phát điện làm việc song song (ghép vào lưới điện hoặc ghép với 
máy phát điện khác)
1. Mục đích: 
- Đảm bảo công suất điện cấp cho phụ tải. 
- Giảm công suất nguồn dự phòng.
- Tăng độ tin cậy cung cấp điện.
- Cho phép sử dụng nhiều nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau.
- Cho phép vận hành kinh tế nhất.
2. Điều kiện máy phát điện làm việc song song: 
- Cùng điện áp
- Cùng tần số
- Cùng thứ tự pha.
- Cùng góc lệc pha.
3. Phương pháp hòa đồng bộ:
a. Phương pháp hòa đồng bộ dùng ba đèn tối:
G 3
s
A
BC
a
b
c
Khi ba đèn tối, bật công tắc S
3. Phương pháp hòa đồng bộ:
b. Phương pháp hòa đồng bộ dùng ba đèn sáng quay:
G 3
s
A
BC
a
b
c
Khi ba đèn sáng quay đều, bật công tắc S