Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 5

1Bài giảng 5
408001
Biến ñổi năng lượng ñiện cơ
TS. Nguyễn Quang Nam
2010 – 2011, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 5

 Máy ñiện ñồng bộ ñược sử dụng chủ yếu làm máy phát 3 pha trong hệ thống 
ñiện. Công suất từ vài kVA ñến hơn 1000 MVA.

 Một dây quấn 3 pha ñược ñặt trên stato (phần ñứng yên) và một rôto (phần 
quay) với một dây quấn kích từ DC ñược kéo quay bởi một ñộng cơ sơ cấp. 
Các máy nhỏ hơn có thể dùng nam châm vĩnh cửu ñể tạo ra từ trường rôto.

 Tốc ñộ của máy tỷ lệ trực tiếp với tần số của ñiện áp hay dòng ñiện stato, và 
ñộc lập với ñiều kiện tải.

 Bài giảng sẽ chỉ ñề cập ñến các khái niệm nền tảng như rút ra biểu thức 
mômen và sự vận hành xác lập hình sin bằng một mạch tương ñương. Các máy 
ñiện quay 1 pha và 2 pha sẽ ñược giới thiệu sơ lược như nền tảng cho việc 
phân tích sự hoạt ñộng của máy 3 pha.
Máy ñiện ñồng bộ – Giới thiệu
3Bài giảng 5

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

 Hai dây quấn có thể ñược coi như hai cuộn dây ñược ghép, với ñồng năng 
lượng cho bởi ( ) rssrrrssm iiLiLiLW θ++= 22' 2
1
2
1

 Mômen có thể ñược tính
( ) ( )θ
θ
θ
θ
sin
'
Mii
d
dLiiWT rssrrsm
e
−==
∂
∂
=
với thành phần cơ bản của Lsr(θ) là Mcos(θ).
4Bài giảng 5

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

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

 Giả thiết ñiều kiện tần số ñược 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 ñập mạch, với 
công suất thay ñổi giữa 0 và một giá trị ñỉnh. Điều này có thể ñược loại bỏ bằng 
cách thêm vào 1 dây quấn nữa trên cả stato và rôto, tạo thành máy 2 pha.
5Bài giảng 5

 Xét máy 2 pha trong hình 6.4, với các dây quấn ñơn giản hóa trên stato và 
rôto như ñược thể hiện. Hai dây quấn stato hoàn toàn không bị ghép, tương tự
với hai dây quấn rôto. Đồng năng lượng có thể ñược xác ñịnh từ từ thông móc 
vòng (xem giáo trình). Mômen sinh ra ñược cho bởi
Máy ñiện quay 2 pha
( ) ( ) ( ) ( )[ ]θθ
θ
sincos
'
bsbrarasbrasbsar
me iiiiiiiiMWT +−−=
∂
∂
=

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

 Bằng cách ñặt hai cuộn dây lệch 900 và các dòng ñiện lệch pha 900 (ñiện), 
ñiều kiện một tần số ñược tạo ra, và ( )γω sinMIIp srmm −=
6Bài giảng 5

 Xét một máy 3 pha cực lồi có 2 cực (hình 6.7). Các máy cực lồi ñược dùng 
trong các máy phát thủy ñiện tốc ñộ thấp và ñộng cơ ñồng bộ 1 pha công suất 
thấp. Các cuộn dây stato phân bố ñược dùng ñể tạo ra sức từ ñộng hình sin dọc 
theo chu vi khe hở.
Máy ñồng bộ 3 pha
7Bài giảng 5
Dây quấn stato 3 pha
Dây quấn stato 3 pha
Cận cảnh dây quấn
8Bài giảng 5

 Các cuộn dây stato ñược làm lệch cơ học 1200 trong một dây quấn 3 pha. Khi 
ñược cung cấp một hệ dòng ñiện 3 pha, dây quấn 3 pha sẽ tạo một từ trường 
quay với ñộ lớn không ñổi, 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 ñược cung cấp một hệ dòng ñiện 2 pha.
Khái niệm về từ trường quay
9Bài giảng 5
Khái niệm về từ trường quay (tt)
10Bài giảng 5

 Rôto cực lồi sẽ không ñược khảo sát thêm nữa. Với rôto cực ẩn, mômen sinh 
ra bởi ñiện 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
11Bài giảng 5
Rôto cực lồi thực
Rôto của một máy ñồng bộ
tốc ñộ thấp
Cận cảnh 1 cực rôto
12Bài giảng 5

 Dưới ñiều kiện dòng 3 pha kích thích là cân bằng, với dòng ñiện rôto không 
ñổi, mômen có thể ñược 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, ñược gọi là tốc ñộ 
ñồng bộ. 
( ) ( )γγ sin
2
3
sin
2
3 MIIMIIT rarm
e
−=−=

 Vì tốc ñộ ñồng bộ ωm bằng với tần số ñiện ωs (rad/s)
fnsm pi
pi
ω 2
60
2
==
với ns là tốc ñộ ñồng bộ tính bằng vòng/phút (rpm).
13Bài giảng 5

 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 ñương với giản ñồ vectơ pha tương ứng chế ñộ ñộng cơ ñược thể
hiện dưới ñây. δ ñược ñịnh nghĩa là góc công suất tính từ Va ñến Ear.

 Tương tự cho pha b và pha c.
PT Pm
Elec. Mech.
14Bài giảng 5

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

 Dưới ñiều 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
VEVjE
x
P
δδpiδ sin3230Re3 0 −=+∠=∠×∠=

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

 Ở chế ñộ ñộng cơ, PT > 0, ta phải có δ < 0.
15Bài giảng 5

 Áp dụng KVL cho mạch vòng phía dưới
Máy phát ñồng bộ
jxs
EarVa
Ia
arasa EIjxV +−= hay asaar IjxVE +=

 Dòng ñiện và công suất có thể dễ dàng tính ñược
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.
16Bài giảng 5

 Một máy ñồng bộ 3 pha nối Y 60 Hz có 2 cực với ñiện kháng ñồng bộ xs = 5 
Ω/pha. Khi vận hành ở chế ñộ ñộng cơ, máy tiêu thụ dòng ñiện 30 A và ñiện 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 ñầu trục là bao nhiêu? 
Hiệu suất là bao nhiêu?
Ví dụ 6.1
jxs
EarVa
Ia
δ
θ
Ear
Va jxsIa
Ia
17Bài giảng 5

 Giả sử dòng ñiện kích từ Ir ñược thay ñổi sao cho tổng công suất là như trong 
ví dụ 6.2 và hệ số công suất là ñơn vị ở cùng ngõ vào. Tìm dòng ñiện stato mới 
và ñiện 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
18Bài giảng 5

 Một máy ñồng bộ 2 cực, 3 pha, nối Y có ñiện kháng ñồng bộ xs = 2 Ω trên mỗi 
pha. Máy vận hành ở chế ñộ máy phát cung cấp công suất ở ñiện áp 1905 V trên 
mỗi pha. Dòng ñiện là 350 A và hệ số công suất của tải là 0,8 trễ. Tìm Ear, δ, và 
mômen ñiện từ sinh ra.
Ví dụ 6.4
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
19Bài giảng 5

 Số cực trong máy ñược xác ñịnh bởi cấu hình của từ trường. Xét rôto trong 
hình 6.24(a). Với mỗi cuộn, có 2 cực ñể cắt ngang khi ñi hết một vòng.

 Với rôto trong hình 6.24(b), khi ñi hết một vòng sẽ gặp 4 cực. Từ trường quay 
do ñó 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 ñôi cực, mechselec pωωω ==
với ωs là tần số ñồng bộ tính bằng rad/s ñiện. Và quan hệ giữa tần số ñồng bộ f
(tính bằng Hz) và tốc ñộ cơ ñồng bộ ns là
p
f
ns
60
=
20Bài giảng 5

 Một máy phát ñồng bộ 3 pha, 60 Hz, 6 cực, nối Y ñược kéo bởi một tuabin 
cung cấp 16910 W ở ñầu trục. Tổng tổn hao ma sát và quạt gió là 500 W. Dòng 
ñiện kích từ cũng ñược ñiều chỉnh sao cho ñiện áp Ear tỷ lệ với dòng kích từ với 
giá trị pha Ear = 355 V. Máy phát cung cấp cho tải ở 440 V (giá trị dây). Tìm tốc 
ñộ, các vectơ pha Ear, Ia và công suất thực và phản kháng do máy phát sinh ra. 
Điện kháng ñồng bộ là xs = 5 Ω.
Ví dụ 6.5
21Bài giảng 5

 Một ñộng cơ ñồng bộ có thể nhận công suất ñiện ở hệ số công suất sớm hoặc 
trễ. Đặc tính này có thể ñược dùng ñể cải thiện hệ số công suất chung của lưới 
có ñộng cơ ñồng bộ nối vào.

 Trong thực tế, một máy bù ñồng bộ là một ñộng cơ không tải và có kích từ thay 
ñổi. Dưới ñiều 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 ñến giản ñồ vectơ pha dưới ñây.
Cải thiện hệ số công suất
Va
jxsI’ajxsIa
I’a
Ia
Ear E’ar

 Do ñó, khi tăng kích từ, ñộ lớn 
của dòng ñiện và góc lệch giữa 
Va và Ia giảm (hay hệ số công 
suất tăng).
22Bài giảng 5

 Một tải 3 pha nối Y 1500 kW ở hệ số công suất 0,8 trễ ñược nối vào một nguồn 
3 pha với ñiện áp dây là 1732 V. Một ñộng cơ ñồng bộ không mang tải ñược nối 
song song với tải ñể nâng hệ số công suất thành ñơn vị. Tìm dòng ñiện tiêu thụ
bởi ñộng cơ ñồng bộ.
Ví dụ 6.7