Bài giảng Biến đổi năng lượng - Lecture 8 - Hồ Phạm Duy Ánh

1Lecture 8
BÀI GIẢNG 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
TS. Hồ Phạm Huy Ánh
TS. Nguyễn Quang Nam
March 2010
2Lecture 8
¾ Máy điện đồng bộ được dùng phổ biến trong hệ thống năng lượng để làm các 
máy phát điện ba pha . Công suất phát có thể từ vài kVA cho đến 1100 MVA.
¾ Dây quấn ba pha được bố trí trên mạch từ tĩnh stator còn dây quấn kích từ DC 
được bố trí trên mạch từ quay rotor. Rotor được kéo quay bởi nguồn sơ cấp. Các 
máy phát điện công suất nhỏ thường dùng lỏi từ thường trực (permanent magnets) 
để tạo từ trường quay.
¾ Tốc độ quay đồng bộ của máy phát quyết định trực tiếp đến giá trị tần số của 
dòng áp ba pha đưa lên lưới, và độc lập với điều kiện tải.
¾ Giáo trình tập trung giới thiệu các kết quả nền tảng, cách xây dựng biểu thức mô 
men và quan hệ khi máy phát vận hành xác lập dựa trên mạch tương đương. Các 
kiểu máy điện đồng bộ 1 pha và 2 pha chỉ được giới thiệu sơ lược làm nền khi 
phân tích vận hành máy điện đồng bộ ba pha .
Máy Điện Đồng Bộ – Giới thiệu chung
3Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện trên Fig. 6.1 của G.T., với dây quấn stator và rotor phân 
bố. Các giá trị từ thông liên kết được tính bởi:
Máy điện đồng bộ một pha
( ) ( ) rsrssrrssss iLiLiLNNiLN θπθλ +=−+= 21002
( ) ( ) rrssrrrsrsr iLiLiLNiLNN +=+−= θπθλ 020 21
¾ Hai dây quấn xem như được ghép cặp với giá trị đồng năng lượng xác định bởi:
( ) rssrrrssm iiLiLiLW θ++= 22' 2
1
2
1
¾ Từ đó mô men điện được xác định bởi:
( ) ( )θθ
θ
θ sin
'
Mii
d
dLiiWT rssrrsm
e −==∂
∂=
Trong đó thành phần căn bản của Lsr(θ) là Mcos(θ).
4Lecture 8
¾ Mô hình động của máy điện ĐB được xây dựng từ các quan hệ (xem Fig. 6.3)
dt
d
Riv ssss
λ+=
dt
dRiv rrrr
λ+= me TT
dt
dBK
dt
dJ +=++ θθθ2
2
Với Tm là giá trị mô men tác động ngoài theo chiều góc θ dương.
¾ Ở chế độ vận hành xác lập, công suất cơ được tính bởi:
( ) ( ) ( )θωωωω sincoscos ttMIITp rsrsmmem −==
¾ Giả sử điều kiện tần số đã được thỏa, công suất trung bình được tính như sau,
( ) ( ) 4sin γω rsmavm IIp −=
¾ γ là giá trị góc hằng nhằm bảo đảm θ = ωmt + γ. Kết quả trên cho thấy mô men 
đập mạch, với giá trị công suất thay đổi giữa zero và giá trị đỉnh. Tình trạng này 
có thể được cải thiện bằng cách thêm cuộn dây phụ vào cả ở stator và rotor, 
cho ta máy điện ĐB hai pha.
Máy điện đồng bộ một pha (tt)
5Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện ĐB 2 pha trên Fig. 6.4 của G.T., với bố trí dây quấn stator 
và rotor cụ thể. Lưu ý 2 cuộn dây quấn ở stator và rotor được bố trí để không có
hiện tượng ghép cặp tương hổ. Ta xác định giá trị đồng năng lượng từ các 
thành phần từ thông liên kết. Từ đó mô men điện được xác định bởi:
( ) ( ) ( ) ( )[ ]θθθ sincos
'
bsbrarasbrasbsar
me iiiiiiiiMWT +−−=∂
∂=
¾ Khi cấp dòng 2 pha cân bằng vào hệ thống dây quấn 2 pha, công suất không 
đổi được hình thành. ( )[ ]γωωωωω ++−−== tMIITp rsmsrmmem sin
¾ Nhằm tối ưu hai cuộn cần đặt lệch 900 trong không gian cũng như 2 dòng pha 
cần lệch pha nhau 900 điện, công suất hình thành có thể đạt giá trị tối ưu
( )γω sinMIIp srmm −=
Máy điện đồng bộ hai pha
6Lecture 8
¾ Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha cực lỏm (salient) 2 cực (xem Fig. 6.7). Máy 
điện loại này được dùng như máy phát thủy điện ĐB tốc độ thấp và động cơ ĐB 
một pha công suất thấp. Dây quấn stator mắc kiểu rãi phân bố nhằm tạo sức từ 
động sinusoidal mmfs qua khe hở với rotor.
Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha
7Lecture 8
¾ Về nguyên tắc dây quấn ba pha stator mắc lệch 1200 trong không gian. Khi cấp 
dòng ba pha vào hệ thống, dây quấn ba pha stator sẽ tạo từ trường quay có biên 
độ không đổi, với giả thiết mạch từ không bị bảo hòa. Tương tự, dây quấn hai pha 
stator sẽ mắc lệch 900 trong không gian sẽ tạo từ trường quay khi cấp dòng hai 
pha vào hệ thống.
Khái niệm từ trường quay
8Lecture 8
¾ GT sẽ không khảo sát kĩ cấu trúc rotor cực lõm. Trường hợp rotor bằng mặt, 
mô men điện được xác định bởi biểu thức
Rotor cực lõm (salient-pole) và rotor bằng mặt (round)
( ) ( ) ( )00
'
120sin120sinsin +−−−−=
++=∂
∂=
θθθ
θθθθ
MiiMiiMii
d
dMii
d
dMii
d
dMiiWT
rcrbra
cr
rc
br
rb
ar
ra
me
9Lecture 8
¾ Khi nguồn kích từ là dòng ba pha cân bằng, biểu thức mô men có dạng
Trường hợp rotor dây quấn
( ) ( )
2
sin3
2
sin3 ttMIItMIIT smrmsrme ωγωωθ −+−=−−=
Với θ = ωmt + γ. Mô men sẽ đạt giá trị trung bình khi ωm = ωs, còn được gọi là tốc
độ đồng bộ. 
( ) ( )γγ sin
2
3sin
2
3 MIIMIIT rarm
e −=−=
¾ Lúc này tốc độ cơ đồng bộ ωm bằng với tần số lưới điện ωs (rad/s)
f
ns
m ππω 260
2 ==
Với ns là tốc độ cơ đồng bộ tính bằng (vòng/phút).
10Lecture 8
¾ Điện áp pha xác lập được tính bởi:
Xác định điện áp ở chế độ xác lập
aras
j
s
r
asa EIjxe
MIjILjV +=+= γωω
22
3
0
jxs
EarVa
Ia
jxsIa
Ia
Va
Ear
γ
δ
¾ Mạch tương đương pha a và giản đồ vector khi vận hành như động cơ ĐB 
được thể hiện trên hình. Góc δ còn gọi góc công suất là góc lệch từ Va đến Ear.
¾ Kết quả tương tự cho pha b và c.
PT Pm
Elec. Mech.
11Lecture 8
¾ Đầu tiên dòng ứng sẽ bằng
Xây dựng biểu thức tính công suất
s
ara
a jx
EVI −=
¾ Với ba pha cân bằng, công suất tác dụng tổng sẽ là: ( )*Re33 aaraT IEPP ==
¾ Dùng Va là vector tham chiếu, ta được δ∠= arar EE
( ) ( ) ( )
s
aar
s
aar
aar
s
T x
VE
x
VE
VjE
x
P
δδπδ sin3230Re3 0 −=+∠=∠×∠=
¾ Từ đó tính được mô men
( )
ss
aar
s
T
m
Te
x
VEPPT ω
δ
ωω
sin3−===
¾ Như vậy khi vận hành như động cơ ĐB, PT > 0, ta phải có δ < 0.
12Lecture 8
¾ Từ mạch tương đương ta xây dựng được quan hệ cơ bản:
Máy phát điện đồng bộ ba pha
jxs
EarVa
Ia
arasa EIjxV +−= hay asaar IjxVE +=
¾ Từ đó xác định được dòng phần ứng và công suất phát ba pha:
s
aar
a jx
VEI −= ( ) ( )
s
ara
s
ara
T x
EV
jx
EV
P
δδ sin30
Re3
0
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
−
−∠×∠=
θ
δ
Ia
Va
jxsIa
Ear
13Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha đấu wye nối lưới 60 Hz 2 cực có xs = 5 Ω/phase. 
Cho máy điện vận hành như ĐC, nhận dòng 30 A với áp pha 254 V và cos(phi) là
0.8 sớm. Xác định Ear và Te. Biết tổng các tổn hao dây quấn, tổn hao quay và tổn 
hao thép là 400 W, hãy xác định mô men có ích đầu trục? Tìm thêm hiệu suất của 
ĐC?
Bài Tập 6.1
jxs
EarVa
Ia δ
θ
Ear
Va jxsIa
Ia
14Lecture 8
¾ Giả sử dòng kích từ Ir được chỉnh sao cho công suất tổng không đổi như ở BT 
6.2 và cos(phi)=1 với cùng giá trị đầu vào. Tìm giá trị mới của dòng stator và Ear.
Bài Tập 6.3
jxs
EarVa
Ia
δ
Ear
Va
jxsIa
Ia
( )
24
2543
18286
3
0cos 0 =×== a
T
a V
PI
08.259.280120254 −∠=−= jEar V
A
15Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 2 cực đấu wye có xs = 2 Ω per phase. Được vận 
hành như máy phát cấp áp Va 1905 V per phase. Dòng tải tiêu thụ 350 A với 
cos(phi) tải là 0.8 trễ. Tìm Ear, góc δ, và mô men điện cần có.
Bài Tập 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
16Lecture 8
¾ Số lượng đôi cực có liên quan trực tiếp tới tốc độ đồng bộ của từ trường quay ( 
xem minh họa rotor ở Fig. 6.24(a) của GT). Với mỗi cuộn dây, đường sức từ phải 
qua 2 cực để khép kín mạch từ.
¾ Khảo sát rotor ở Fig. 6.24(b), với cấu trúc 2 cặp cực. Từ trường quay phải mất 
2 chu kì (7200 điện) ứng với trục cơ quay 1 vòng 3600. Ta được
Máy điện đồng bộ nhiều cực
mechelec ωω 2=
¾ Tổng quát, với máy điện ĐB có p đôi cực, mechselec pωωω ==
Với ωs là tần số đồng bộ lưới điện (rad/s). Để qui về f (tính bằng Hz) tương ứng
với vận tốc cơ đồng bộ ns (tính bằng vòng/phút) ta có:
p
fns
60=
17Lecture 8
¾ Cho máy điện đồng bộ ba pha 60Hz, 6 cực, đấu wye được kéo quay bởi turbine 
cấp 16910 W cho trục quay. Biết tổn hao đồng và tổn hao ma sát là 500 W. Dòng 
kích từ được chỉnh sao cho áp Ear tỉ lệ với If và Ear = 355 V. Máy phát cấp áp dây 
440 V cho tải. Xác định vận tốc, Ear, Ia góc lệch pha và công suất phức đầu ra của 
máy phát. Biết điện kháng đồng bộ xs = 5 Ω.
Bài Tập 6.5
18Lecture 8
¾ Như đã khảo sát, động cơ ĐB ba pha có thể nhận năng lượng điện từ lưới để
vận hành với HSCS sớm hay trễ tùy ý. Ưu thế này được dùng để cải thiện HSCS 
toàn cục của lưới mà động cơ ĐB đang kết nối.
¾ Trong thực tế, động cơ ĐB được dùng như máy bù ĐB vận hành không tải, 
thường chạy quá kích thích để có HSCS sớm. Ở chế độ vận hành này, dưới góc 
độ đồng năng lượng, Earsinδ phải là hằng số (ứng với công suất tác dụng không 
đổi nhận từ lưới), đưa đến giản đồ vector như hình.
Biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất (HSCS)
Va
jxsI’ajxsIa
I’a
Ia
Ear E’ar
¾ Giản đồ vector cho thấy, khi 
tăng kích từ (Ear tăng), giá trị
dòng ứng Ia và góc lệch pha 
giữa Va và Ia sẽ giảm (và HSCS 
tăng).
19Lecture 8
¾ Cho máy điện ĐB 3 pha đấu wye cấp điện cho tải có Pt = 1500 kW với cos(phi) 
0.8 PF trễ với áp dây 1732 V. Một động cơ ĐB chạy không tải được mắc thêm 
vào lưới nhằm cải thiện cos(phi) bằng đơn vị. Tìm dòng cần cấp cho động cơ ĐB 
.
Bài Tập 6.7