Giáo trình Máy phát điện - Chương 3: Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

Ch−ơng 3. 
Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 
3.1 Đại c−ơng. 
Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các ph−ơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ 
năng l−ợng vμ công suất điện từ của máy điện đồng bộ. 
3.2 Ph−ơng trình điện áp vμ đồ thị véc tơ. 
Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha. 
Đối với máy phát điện: 
 3-1 )jx(rIEU uσuδ +−= &&&
Đối với động cơ vμ máy bù đồng bộ: 
 3-2 )jx(rIEU uσuδ ++= &&&
Trong đó: U lμ điện áp đầu cực của máy, r− vμ xσ− lμ điện trở vμ điện kháng tản của dây 
quấn phần ứng; 
Eδ lμ s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ tr−ờng khe hở. 
Khi mạch từ không bảo hoμ, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có: 
 3-3 uEEE &&& += 0δ
Khi mạch từ bảo hoμ ta phải xác định rồi suy ra uFFF &&& += 0δ δE&
1. Tr−ờng hợp máy phát điện. 
a/ Khi mạch từ không bảo hoμ. 
Giả sử tải đối xứng vμ có tính cảm 
 (0 < ψ < 900) 
-/ Máy cực ẩn: 
Ph−ơng trình cân bằng điện áp lμ: 
)jx(rIEEU uσuu +−+= &&&& 3-4 
Ch−ơng 2 ta đã xác định đ−ợc 
 nên uu xIjE && −= Hình 3.1 Đồ thị s.đ.đ máy phát đồng bộ cực ẩn
udbuσuu .rI.xIjE.rI)jx(xIj.EU &&&&&&& −−=−+−=
 3.5 
trong đó xđb = x− + xσ− lμ điện kháng đồng bộ, th−ờng xđb = 0,7 - 1,6 
Đồ thị véc tơ nh− hình 3.1 
- / Máy cực lồi. 
Ta phân s.t.đ phần ứng F− thμnh F−d vμ F−q, từ thông t−ơng ứng với các s.t.đ đó sẽ cảm 
nên các s.đ.đ: vμ Ph−ơng trình cân bằng điện áp có dạng. uddud xIjE && −= uqquq xIjE && −=
Máy điện 2 11
 3.6 uσuuqudσuuuqud rIxIjxIjxIjE)x(rIEEEU &&&&&&&&&& −−−−=+−++=
Đồ thị véc tơ nh− hình 3.2 có tên 
gọi lμ đồ thị Blondel 
Hình 3.2 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi
 Véc tơ do từ thông tản 
của từ tr−ờng phần ứng sinh ra không 
phụ thuộc vμo từ dẫn h−ớng dọc vμ 
ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể 
phân tích chúng theo 2 h−ớng dọc vμ 
ngang trục: 
uxIj σ&−
uduq
uuu
xIjxIj
)sinxIcosxIj(xIj.
σσ
σσσ ψψ
&&
&&&
−−=
=−−=−
vμ ph−ơng trình điện áp đ−ợc viết lại: 
uqqdduσuuqσuudd rIxIjxIjErI)x(xIj)x(xIjEU &&&&&&&&& −−−=−+−+−= 3.7 
Trong đó: 
xd = x−d + xσ− gọi lμ điện kháng đồng bộ dọc trục, th−ờng xd = 0,7 - 1,2 
xq = x−q + xσ− gọi lμ điện kháng đồng bộ ngang trục, th−ờng xq = 0,46 - 0,76 
Đồ thị véc tơ ứng với ph−ơng trình 3.7 nh− hình 3.3 
b/ Khi mạch từ bảo hoμ. 
Khi mạch từ bảo hoμ vì các hệ số kμd vμ kμq rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết 
hợp đồ thị s.t.đ vμ s.đ.đ với đ−ờng cong không tải. Đồ thị nμy đ−ợc gọi lμ đồ thị s.t.đ.đ, có 
tên lμ đồ thị Pôchiê. 
- Máy cực ẩn: 
Giả sử U, I, cosϕ, r−, xσ− vμ đặc tính không tải đã biết, để thμnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên 
trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U vμ véc tơ I chậm sau U một góc ϕ. 
Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát 
điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn
Máy điện 2 12
Cộng U với vμ đ−ợc . Trên trục hoμnh đặt rồi cộng với hợp với 
trục hoμnh một góc 90
urI& uxIj & δE& δF& δF& uu FK &
0 + (ϕ + δ), tìm đ−ợc . Từ đồ thị nμy xác định đ−ợc ΔU = E - 
U
0F&
đm, th−ờng = (5 - 10)% 
- Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thμnh lập chính xác đồ thị véc tơ lμ rất khó, vì φd 
vμ φq hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo hoμ theo 2 h−ớng lại khác nhau. Nh− vậy x−d 
vμ x−q phụ thuộc cả vμo φd vμ φq. Để đơn giản ta coi x−d chỉ phụ thuộc vμo φd vμ x−q chỉ phụ 
thuộc vμo φq vμ kμq đã biết. Khi 
đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir− 
vμ jI.xσ− đ−ợc , hình 3.5a, theo 
h−ớng jI.x
δE&
σ− vẽ đoạn 
 ψcosI.x uq
uqECD == vμ xác 
định đ−ợc ph−ơng của E. Trị số 
x−q có thể tính hoặc lấy bằng 1,1 
- 1,15. Từ hình 3.5b ta cũng xác 
định đ−ợc CD qua OA = F'−q = 
kq.F−q, sau đó xác định đ−ợc Eδd 
= OF = MP, lấy MN = F'−d = 
kd.F−d chiếu lên ta đ−ợc E 
a) b) 
Hình 3-6 Cách xây dựng đồ thị véc tơ s.t.đ.đ 
 của máy đồng bộ cực lồi 
2. Tr−ờng hợp động cơ điện. 
Động cơ điện đồng bộ có cấu tạo cực lồi vì vậy ph−ơng trình điện áp sẽ lμ: 
uqqdduuuquduu rIxIjxIjEjxrIEEEjxrIEU &&&&&&&&&&& +++=++++=++= )()( σσδ 3.8 
Hình 3-7 Giản đồ năng l−ợng 
 a) máy phát; b) động cơ 
a) b) 
Hình 3-6 Đồ thị véc tơ Động cơ đồ
a) Thiếu kích thích; b) Quá kích thích
ng bộ 
3.3 Giản đồ năng l−ợng của máy điện đồng bộ 
Máy phát: Pđt = P1 - (pcơ + pt + pf) vμ P2 = Pđt - pcu - pfe
Động cơ: Pđt = P1 - pcu - pfe vμ P2 = Pđt - (pcơ + pt + pf) 
Máy điện 2 13
3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 
1. Đặc tính góc công suất tác dụng. 
P = f(θ) khi E = const, U = const, với θ lμ góc tải giữa véc tơ E vμ U. 
Để đơn giản ta bỏ qua r− vì nó rất bé so với (xđb, xd, xq). Công suất đầu cực của máy 
đồng bộ bằng: P = mUIcosϕ 
Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có: 
Hình 3-8 Sự tạo nên PU
d
d x
UcosθE
I
−= , 
q
q x
U.sinθ
I = vμ ϕ = ψ - θ 3.9 
Do đó: P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ - θ) 
 = mU(Icosψ.cosθ + Isinψ.sinθ) 
P = mU(Iq.cosθ + Id.sinθ), thay Id vμ Iq vμo ta có: 
 cosθθ sin
x
mU
θ sin
x
mEU
cosθθ sin
x
mU
P
d
2
dq
2
−+= 
Hay 
)sin2θ
x
1
x
1
(
2
mU
sinθ
x
mUE
P
dq
2
d
−+= = Pe + Pu 3.10 
Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần. Một 
phần Pe tỷ lệ với sinθ vμ phụ thuộc vμo kích từ; một phần Pu tỷ lệ với sin2θ không phụ 
thuộc vμo kích từ. Nh− vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác 
dụng vẫn có một l−ợng nhỏ lμ Pu. Ng−ời ta ứng dụng điều nμy để chế ra các động cơ điện 
phản kháng có công suất cơ vμi chục oát. 
- Với máy đồng bộ cực ẩn vì xd = xq nên sinθx
UE
mP
db
= 3.11 
Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh− hình 3.9 
 Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát 
Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn 
Máy điện 2 14
2. Đặc tính góc công suất phản kháng. 
Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ đ−ợc tính: 
Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ - θ) = mU(Isinψ.cosθ + Icosψ.sinθ) 
Q = mU(Id.cosθ - Iq.sinθ) 
Thay Id vμ Iq vμo ta có: 
)
x
1
x
1
(
2
mU
)cos2θ
x
1
x
1
(
2
mU
cosθ
x
mUE
Q
dq
2
dq
2
d
+−−+= 
Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ nh− hình 3.11. 
Khi -θ' < θ < +θ' máy phát công suất phản kháng vμo l−ới, ngoμi phạm vi trên máy 
tiêu thụ công suất phản kháng. 
Hình 3-10 Từ tr−ờng khe hở 
a) máy phát, b) động cơ 
Hình 3-11 Đặc tính góc công 
suất phản kháng máy cực lồi 
Máy điện 2 15