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

Rôto cực lồi và cực ẩn 
     00
'
120sin120sinsin 






MiiMiiMii
d
dM
ii
d
dM
ii
d
dM
ii
W
T
rcrbra
cr
rc
br
rb
ar
ra
me
15 Máy điện đồng bộ 
Rôto cực lồi thực 
Rôto của một máy đồng bộ 
tốc độ thấp 
Cận cảnh 1 cực rôto 
16 Máy điện đồng bộ 
 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 ttMIItMII
T smrmsrme
 



với  = mt + . Mômen sẽ có giá trị trung bình nếu m = s, 
được gọi là tốc độ đồng bộ. 
    sin
2
3
sin
2
3
MIIMIIT rarm
e 
17 Máy điện đồng bộ 
 Vì tốc độ đồng bộ m bằng với tần số điện s (rad/s) 
s
m
2 n 2 f
60 P
 
  
với ns là tốc độ đồng bộ tính bằng vòng/phút (rpm). 
Với P là số cặp cực. 
 Điện áp pha a ở trạng thái xác lập 
Điện áp ở trạng thái xác lập 
aras
j
s
r
asa EIjxe
MI
jILjV  
22
3
0
jr
ar s r s
MI M
E j e I
22 2
   
 
    
 
18 Máy điện đồng bộ 
jxs 
Ear Va 
Ia jxsIa 
Ia 
Va 
Ear 
 
d 
 Mạch tương đương với giản đồ vectơ pha tương ứng chế 
độ động cơ được thể hiện dưới đây. d được định nghĩa là 
góc công suất tính từ Va đến Ear. 
 Tương tự cho pha b và pha c. 
PT Pm 
Elec. Mech. 
 Sức điện động pha tỷ lệ với dòng điện 
rotor và tốc độ quay 
ar s r
M
E I
2

 
  
 
2

 d   
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
4 
19 Máy điện đồng bộ 
ar s r
M
E I
2

 
  
 
Động cơ đồng bộ 
20 Máy điện đồng bộ 
 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 d arar EE
 
   
0
T ar a
s
ar a ar a
s s
3
P Re jE V 0
x
3E V 2 3E V sin
Re
x x
d
 d d
   
  
   
 
21 Máy điện đồng bộ 
Biểu thức mômen 
 Biểu thức của mômen 
 
ss
aar
s
T
m
Te
x
VEPP
T

d

sin3

 Ở chế độ động cơ, PT > 0, ta phải có d < 0. 
22 Máy điện đồng bộ 
Phân bố công suất 
23 Máy điện đồng bộ 
 Xét mạch vòng trong hình bên dưới 
Máy phát đồng bộ 
jxs 
Ear Va 
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
dd sin30
Re3
0











 
d 
Ia 
Va 
jxsIa 
Ear PT Pm 
Elec. Mech. 
24 Máy điện đồng bộ 
Máy phát đồng bộ 
jxs 
Ear Va 
Ia 
 
d 
Ia 
Va 
jxsIa 
Ear 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
5 
25 Máy điện đồng bộ 
 Một máy đồng bộ 3 pha nối Y 60 Hz có 2 cực với điện 
kháng đồng bộ xs = 5 W/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 T
e. 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 
Ear Va 
Ia 
d 
 
Ear 
Va 
jxsIa 
Ia 
26 Máy điện đồng bộ 
 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
23,19sin3,364254
3
sin
3 


s
ara
T
x
EV
P
d
W 
 Công suất cơ hữu ích 
17886400182862 P W 
27 Máy điện đồng bộ 
 Mômen hữu ích của động cơ 
Ví dụ 6.1 (tt) 
44,47
120
178862
2 
m
P
T N.m 
 Công suất điện ngõ vào 
     1 a aP 3V I PF 3 254 30 0,8 18286   W 
 Hiệu suất 978,0
18288
17886
1
2 
P
P

 Mômen điện từ của động cơ 
e T
m
P 18286
T 48,5
120 
   N.m 
28 Máy điện đồng bộ 
 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 
Ear Va 
Ia 
d 
Ear 
Va 
jxsIa 
Ia 
 
24
2543
18286
0cos3 0



a
T
a
V
P
I
08,259,280120254  jEar V 
A 
29 Máy điện đồng bộ 
 Một máy đồng bộ 2 cực, 3 pha, nối Y có điện kháng đồng 
bộ xs = 2 W 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, d, 
và mômen điện từ sinh ra. 
Ví dụ 6.4 
jxs 
Ear Va 
Ia 
 
d 
Ia 
Va 
jxsIa 
Ear 
30 Máy điện đồng bộ 
 Từ giản đồ vectơ pha 
Ví dụ 6.4 (tt) 
jxs 
Ear Va 
Ia 
 
d 
Ia 
Va 
jxsIa 
Ear 
  V 54,13239187,3635021905 00  jEar
 
N.m 42440
3772
23416,0190523913sin3




ss
aare
x
VE
T

d
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
6 
31 Máy điện đồng bộ 
Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn, 2 cực, kích từ độc lập, 
dòng kích từ 1A, tần số 50Hz, nối Y, 12A. Bỏ qua điện trở phần 
ứng, điện kháng đồng bộ pha là 10W. Biết tổn hao cơ là 500W, 
bỏ qua tổn hao sắt. 
a. Khi máy phát cấp nguồn cho tải với điện áp định mức 380V, và 
dòng điện định mức 12A, tải có hệ số công suất cos=0,8, 
chậm pha. Vẽ giản đồ vector, tính sức điện động cảm ứng pha, 
góc công suất và momen cơ kéo máy phát? 
b. Khi máy phát cấp nguồn cho tải có dòng điện định mức 12A, 
tải có hệ số công suất cos=1. Vẽ giản đồ vector, tính điện áp 
dây cấp cho tải Udây, góc công suất? Biết sức điện động của 
máy phát vẫn không đổi như ở câu a? 
c. Với tải (có dòng điện, cos như) ở câu b, tính dòng kích từ 
điều chỉnh để điện áp dây vẫn là 380V? Biết mạch từ còn 
tuyến tính. 
Bài tập máy phát đồng bộ 
32 Máy điện đồng bộ 
 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  2
 Nói chung, với máy có p đôi cực, mechselec p 
33 Máy điện đồng bộ 
Máy nhiều cực (tt) 
 s 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 
s
60f
n
P

 Chú ý rằng p là số đôi (cặp) cực từ của máy. 
34 Máy điện đồng bộ 
 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 W. 
Tính moment cơ kéo máy phát, và moment điện từ? 
Ví dụ 6.5 
35 Máy điện đồng bộ 
 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 d 
  







 
  65,17
3553/4403
516410
sin 1d
36 Máy điện đồng bộ 
 Vectơ pha dòng điện pha A 
Ví dụ 6.5 (tt) 
 
A 04,3834,27
5
03/44065,17355



j
Ia
 Công suất phức 
   VA 128411641004,3834,273/4403 jST 
 Do đó: 
 W16410P VAr 12841jQ 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
7 
37 Máy điện đồng bộ 
 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, Earsind 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 
38 Máy điện đồng bộ 
ar s r
M
E I
2

 
  
 
Động cơ đồng bộ 
39 Máy điện đồng bộ 
Cải thiện hệ số công suất của động cơ đồng bộ 
Va 
jxsI’a 
jxsIa 
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). 
40 Máy điện đồng bộ 
Cải thiện hệ số công suất của động cơ đồng bộ 
41 Máy điện đồng bộ 
Đặc tính hình V 
42 Máy điện đồng bộ 
Đặc tính hình V ngược 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 
8 
43 Máy điện đồng bộ 
Cải thiện hệ số công suất (tt) 
44 Máy điện đồng bộ 
Đ/cơ đồng bộ 3 pha, 6 cực, 50Hz, 380V, Y. Có 
điện kháng đồng bộ là 2Ω, bỏ qua điện trở phần 
ứng. Khi dòng điện phần ứng là 50A, hệ số công 
suất 0,85 sớm. Dòng điện kích từ là 5A. 
a) Tính tốc độ động cơ, sức điện động, góc công 
suất, công suất tiêu thụ, moment điện từ? 
b) Để hệ số công suất là đơn vị; tính dòng điện 
kích từ cần điều chỉnh? 
Ví dụ 6.6 
45 Máy điện đồng bộ 
 Một động cơ không đồng bộ 3 pha nối Y, 1500W ở hệ số 
công suất 0,8 trễ được nối vào một nguồn 3 pha với điện áp 
(dây) là 380V. Một động cơ đồng bộ 3 pha 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 
Ví dụ 6.8 
Tính lại câu 6.7 trên 
nếu động cơ đồng bộ 
kéo tải 300W? 
46 Máy điện đồng bộ 
 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 87,366258,0cos
8,017323
1500000 1  aLI
47 Máy điện đồng bộ 
 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 05000
17323
1500000
aTI