Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Máy điện đồng bộ

Nội dung text: Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Máy điện đồng bộ

1. 408001 Bi ến đổi n ăng l ượng điện c ơ Gi ảng viên: TS. Nguy ễn Quang Nam 2013 – 2014, HK2 Bài gi ảng 8 1 Máy điện đồng b ộ – Gi ới thi ệu
   Máy điện đồng b ộ được s ử dụng ch ủ yếu làm máy phát 3 pha trong h ệ th ống điện. Công su ất t ừ vài kVA đến h ơn 1000 MVA.
   Một dây qu ấn 3 pha được đặt trên stato (ph ần đứng yên) và một rôto (ph ần quay) v ới m ột dây qu ấn kích t ừ DC được kéo quay b ởi m ột động c ơ s ơ c ấp. Các máy nh ỏ hơn c ó th ể dùng nam châm v ĩnh c ửu để tạo ra t ừ trường rôto.
   Tốc độ của máy t ỷ lệ tr ực ti ếp v ới t ần s ố của điện áp hay dòng điện stato, và độc l ập v ới điều ki ện t ải. Bài gi ảng 8 2
2. Máy điện đồng b ộ – Gi ới thi ệu
   Bài gi ảng s ẽ ch ỉ đề cập đến các khái ni ệm n ền t ảng nh ư rút ra bi ểu th ức mômen và sự vận hành xác l ập hình sin bằng m ột m ạch t ươ ng đươ ng.
   Các máy điện quay 1 pha và 2 pha s ẽ được gi ới thi ệu s ơ lược nh ư n ền t ảng cho vi ệc phân tích s ự ho ạt động c ủa máy 3 pha. Bài gi ảng 8 3 Máy điện quay 1 pha
   Xét máy trong hình 6.1, v ới các dây qu ấn phân b ố trên stato và rôto. T ừ thông móc vòng là (t ừ ví dụ 4.2) λ = 2 + ( − θ π ) = + (θ ) s N s L0is N s N r L0 1 2 ir Lsi s Lsr ir λ = ( − θ π ) + 2 = (θ ) + r N s N r L0 1 2 is N r L0ir Lsr is Lri r
   Hai dây qu ấn có th ể được coi nh ư hai cu ộn dây được ghép, v ới đồng n ăng l ượng cho b ởi 1 1 W ' = L i 2 + L i 2 + L ()θ ii m 2 s s 2 r r sr s r Bài gi ảng 8 4
3. Máy điện quay 1 pha (tt)
   Mômen có th ể được tính ∂W ' dL (θ ) T e = m = ii sr = − ii M sin ()θ ∂θ s r dθ s r θ θ Nếu ch ỉ xét thành ph ần c ơ b ản c ủa Lsr ( ) là Mcos( ).
   Mô hình động h ọc c ủa máy (hình 6.3) dλ dλ d 2θ dθ v = i R + s v = i R + r J + Kθ + B = T e + T m s s s dt r r r dt dt 2 dt với Tm là mômen bên ngoài đặt vào cùng chi ều d ươ ng v ới θ. Bài gi ảng 8 5 Máy điện quay 1 pha (tt.)
   Ở tr ạng thái xác l ập hình sin, công su ất c ơ là = eω = −ω (ω ) (ω ) (θ ) pm T m m I sI r M cos st cos rt sin
   Gi ả thi ết điều ki ện t ần s ố được th ỏa mãn, công su ất trung bình là, = −ω (γ ) pm() av m I sI r sin 4 γ θ ω γ
   là một h ằng s ố sao cho = mt + . Mômen sinh ra có dạng đập m ạch, v ới công su ất thay đổi gi ữa 0 và một giá tr ị đỉnh. Điều này có th ể được lo ại b ỏ bằng cách thêm vào 1 dây qu ấn n ữa trên c ả stato và rôto, t ạo thành máy 2 pha. Bài gi ảng 8 6
4. Máy điện quay 2 pha
   Xét máy 2 pha trong hình 6.4, v ới các dây qu ấn đơ n gi ản hóa trên stato và rôto như được th ể hi ện.
   Hai dây qu ấn stato hoàn toàn không b ị ghép, tươ ng t ự với hai dây qu ấn rôto.
   Đồng n ăng l ượng có th ể được xác định theo t ừ thông móc vòng (xem giáo trình). Mômen sinh ra được cho b ởi ∂W ' T e = m = M [()()()()i i − i i cos θ − i i + i i sin θ ] ∂θ ar bs as br as ar br bs Bài gi ảng 8 7 Máy điện quay 2 pha
   Khi các dòng điện 2 pha cân b ằng được đư a vào các dây qu ấn 2 pha cân b ằng, m ột công su ất h ằng được t ạo ra (không có thành ph ần xoay chi ều nào). = eω = −ω [(ω − ω + ω ) + γ ] pm T m m I r I s M sin m s r t
   Bằng cách đặt hai cu ộn dây l ệch 90 0 và các dòng điện lệch pha 90 0 (điện), điều ki ện m ột t ần s ố được t ạo ra, và = −ω (γ ) pm m I r I s M sin Bài gi ảng 8 8
5. Máy đồng b ộ 3 pha
   Xét m ột máy 3 pha c ực l ồi có 2 c ực (hình 6.7). Các máy cực l ồi được dùng trong các máy phát th ủy điện t ốc độ th ấp và động c ơ đồng b ộ 1 pha công su ất th ấp. Các cu ộn dây stato phân b ố được dùng để tạo ra s ức t ừ động hình sin d ọc theo chu vi khe h ở. Bài gi ảng 8 9 Dây qu ấn stato 3 pha Cận c ảnh dây qu ấn Dây qu ấn stato 3 pha Bài gi ảng 8 10
6. Khái ni ệm v ề từ trường quay
   Các cu ộn dây stato được làm l ệch c ơ h ọc 120 0 trong m ột dây qu ấn 3 pha . Khi được cung c ấp m ột h ệ dòng điện 3 pha, dây qu ấn 3 pha s ẽ tạo m ột t ừ trường quay v ới độ lớn không đổi, gi ả thi ết là mạch t ừ không bão hòa . Tươ ng t ự, m ột dây qu ấn 2 pha v ới các cu ộn dây stato l ệch 90 0 cũng s ẽ tạo ra m ột t ừ trường quay khi được cung c ấp m ột h ệ dòng điện 2 pha. Bài gi ảng 8 11 Khái ni ệm v ề từ trường quay (tt) Bài gi ảng 8 12
7. Rôto c ực l ồi và cực ẩn
   Rôto c ực l ồi s ẽ không được kh ảo sát thêm n ữa. V ới rôto cực ẩn, mômen sinh ra b ởi điện n ăng cho b ởi ∂W ' dM dM dM T e = m = ii ar + ii br + ii cr ∂θ a r dθ b r dθ c r dθ = − ()θ − ()()θ − 0 − θ + 0 aii r M sin bii r M sin 120 cii r M sin 120 Bài gi ảng 8 13 Rôto c ực l ồi th ực Cận c ảnh 1 c ực rôto Rôto c ủa m ột máy đồng b ộ tốc độ th ấp Bài gi ảng 8 14
8. Tr ường h ợp rôto c ực ẩn
   Dưới điều ki ện dòng 3 pha kích thích là cân b ằng, v ới dòng điện rôto không đổi, mômen có th ể được bi ểu di ễn nh ư sau − I I M 3sin (θ −ω t) − I I M 3sin (ω t + γ −ω t) T e = m r s = m r m s 2 2 θ ω γ ω ω với = mt + . Mômen s ẽ có giá tr ị trung bình n ếu m = s, được g ọi là tốc độ đồng b ộ. e = − 3 ()γ = − 3 ()γ T I m I r M sin I a I r M sin 2 2 Bài gi ảng 8 15 Tr ường h ợp rôto c ực ẩn (tt) ω ω
   Vì tốc độ đồng b ộ m bằng v ới t ần s ố điện s (rad/s) 2πn ω = s = 2πf m 60 với ns là tốc độ đồng b ộ tính b ằng vòng/phút (rpm). Bài gi ảng 8 16
9. Điện áp ở tr ạng thái xác l ập
   Điện áp pha a ở tr ạng thái xác l ập MI γ = 3 ω + r ω j = + Va j L0 s I a j s e jx s I a Ear 2 2
   Mạch t ươ ng đươ ng v ới gi ản đồ vectơ pha tương ứng ch ế độ động c ơ được th ể hi ện d ưới đây. δ được định ngh ĩa là góc công su ất tính từ V đến E . a ar P P jx s T m Elec. Mech. Va Ia jx sIa V E a ar γ δ Ear I
   Tương tự cho pha b và pha c. a Bài gi ảng 8 17 Tính công su ất theo điện áp
   Dòng điện được cho b ởi V − E = a ar I a jx s
   Dưới điều ki ện cân b ằng, công su ất t ổng là = = ( * ) PT 3Pa 3Re Ear I a = ∠δ
   Ch ọn V a là vectơ tham chiếu, và xét Ear Ear = 3 ()∠δ × ∠ 0 PT Re jE ar Va 0 xs ∠()π +δ ()δ = 3Ear Va 2 = − 3Ear Va sin xs xs Bài gi ảng 8 18
10. Bi ểu th ức mômen
    Bi ểu th ức c ủa mômen P P 3E V sin (δ ) T e = T = T = − ar a ω ω ω m s xs s δ
    Ở ch ế độ động c ơ, PT > 0 , ta ph ải có < 0 . Bài gi ảng 8 19 Máy phát đồng b ộ
    Áp d ụng KVL cho m ạch vòng trong hình bên d ưới = − + = + Va jx s I a Ear hay Ear Va jx s I a
    Dòng điện và công su ất có th ể dễ dàng tính được E −V V ∠00 × E ∠(− δ ) 3V E sin (δ ) I = ar a P = 3Re  a ar  = a ar a T  −  jx s  jx s  xs jx P P s T m Ear Elec. Mech. Ia jx I δ s a V E a ar θ Va Ia Bài gi ảng 8 20
11. Ví dụ 6.1  Một máy đồng b ộ 3 pha n ối Y 60 Hz có 2 c ực v ới điện Ω kháng đồng b ộ xs = 5 /pha . Khi v ận hành ở ch ế độ động c ơ, máy tiêu th ụ dòng điện 30 A và điện áp pha là 254 V ở hệ số e công su ất 0,8 s ớm. Tìm Ear và T . N ếu máy có tổng t ổn hao do qu ạt gió, ma sát, và lõi thép là 400 W , mômen h ữu ích đầu tr ục là bao nhiêu? Hi ệu su ất là bao nhiêu? jx s Ia θ Ia δ V V E a a ar jx sIa Ear Bài gi ảng 8 21 Ví dụ 6.1 (tt)
    Ch ọn V a làm vect ơ pha tham chi ếu, dòng điện s ẽ là = ∠ −1( ) = ∠ ° Ia 30 cos 8,0 30 36 ,87 A
    Điện áp E ar sẽ là = − = ∠ − ( ) ∠ ° Ear Va jx s Ia 254 0 j 5 30 36 ,87 = 364 3, ∠ −19 ,23° V
    Công su ất điện t ừ (δ ) ( )( ) ( °) = − Va Ear sin = 254 364 3, sin 19 ,23 = PT 3 3 18286 W xs 5
    Công su ất c ơ h ữu ích = − = P2 18286 400 17886 W Bài gi ảng 8 22
12. Ví dụ 6.1 (tt)
    Mômen h ữu ích c ủa động c ơ P 17886 T = 2 = = 47 ,44 N.m 2 ω π m 120
    Công su ất điện ngõ vào = ( ) = ( )( )( ) = P1 3Va Ia PF 3 254 30 8,0 18288 W
    Hi ệu su ất P 17886 η = 2 = = ,0 978 P1 18288 Bài gi ảng 8 23 Ví dụ 6.3  Gi ả sử dòng điện kích t ừ Ir được thay đổi sao cho t ổng công su ất là như trong v í dụ 6.2 và hệ số công su ất là đơn vị ở cùng ngõ vào. Tìm dòng điện stato m ới và điện áp c ảm ứng E ar . P 18286 I = T = = 24 A a ()0 × 3Va cos 0 3 254 jx = − = ∠ − 0 V s Ear 254 j120 280 9, 25 8, I a Ia Va δ Va Ear jx sIa Ear Bài gi ảng 8 24
13. Ví dụ 6.4  Một máy đồng b ộ 2 c ực, 3 pha, n ối Y có điện kháng đồng Ω bộ xs = 2 trên m ỗi pha. Máy v ận hành ở ch ế độ máy phát cung c ấp công su ất ở điện áp 1905 V trên m ỗi pha. Dòng δ điện là 350 A và hệ số công su ất c ủa t ải là 0,8 tr ễ. Tìm Ear , , và mômen điện t ừ sinh ra. Ear jx s Ia jx I δ s a V E a ar θ Va Ia Bài gi ảng 8 25 Ví dụ 6.4 (tt)
    Từ gi ản đồ vectơ pha = + ( ∠ − 0 )= ∠ 0 Ear 1905 j2 350 36 ,87 2391 13 ,54 V 3E V sin (δ ) 3× 2391 ×1905 × ,0 23416 T e = ar a = = 42440 N.m ω × xs s 2 377 Ear jx s Ia jx I δ s a V E a ar θ Va Ia Bài gi ảng 8 26
14. Máy nhi ều c ực
    Số cực trong máy được xác định b ởi c ấu hình c ủa t ừ tr ường. Xét rôto trong hình 6.24(a). V ới m ỗi cu ộn, có 2 c ực để cắt ngang khi đi h ết m ột vòng.
    Với rôto trong hình 6.24(b), khi đi h ết m ột vòng s ẽ gặp 4 cực. T ừ trường quay do đó sẽ hoàn t ất 2 chu k ỳ (720 0) trong một vòng quay c ơ h ọc 360 0. Ngh ĩa là ω = ω elec 2 mech ω = ω = ω
    Nói chung, v ới máy có p đôi cực, elec s p mech Bài gi ảng 8 27 Máy nhi ều c ực (tt) ω
    s là tần s ố đồng b ộ tính b ằng rad/s điện.
    Và quan h ệ gi ữa t ần s ố đồng b ộ f (tính b ằng Hz) và tốc độ cơ đồng b ộ ns là 60 f n = s p
    Chú ý r ằng p là số đôi (c ặp) c ực t ừ của máy. Bài gi ảng 8 28
15. Ví dụ 6.5  Một máy phát đồng b ộ 3 pha, 60 Hz, 6 c ực, n ối Y được kéo b ởi m ột tuabin cung c ấp 16910 W ở đầu tr ục. T ổng t ổn hao ma sát và qu ạt gió là 500 W . Dòng điện kích t ừ cũng được điều ch ỉnh sao cho điện áp Ear (t ỷ lệ với dòng kích t ừ) có giá tr ị pha Ear = 355 V . Máy phát cung c ấp cho t ải ở 440 V (giá tr ị dây). Tìm t ốc độ, các vect ơ pha Ear , Ia và công su ất th ực và ph ản kháng do máy phát sinh ra. Điện kháng đồng Ω bộ là xs = 5 . Bài gi ảng 8 29 Ví dụ 6.5 (tt)
    Tốc độ của máy 60 f 60 (60 ) n = = =1200 vòng/phút s p 3
    Công su ất điện t ừ = − = PT 16910 500 16410 W
    Rút ra giá tr ị của góc công su ất δ  ×  δ = −1 16410 5  = ° sin   17 ,65  3()440 / 3 ()355  Bài gi ảng 8 30
16. Ví dụ 6.5 (tt)
    Vectơ pha dòng điện pha A 355 ∠17 ,65° − (440 / 3)∠0 I = = 27 ,34∠ − 38 ,04° A a j5
    Công su ất ph ức = ( )( ∠ °) = + ST 3 440 / 3 27 ,34 38 ,04 16410 j12841 VA
    Do đ ó: P =16410 W Q = j12841 VAr Bài gi ảng 8 31 Cải thi ện h ệ số công su ất
    Một động c ơ đồng b ộ có th ể nh ận công su ất điện ở hệ số công su ất s ớm ho ặc tr ễ. Đặc tính này có th ể được dùng để cải thi ện h ệ số công su ất chung c ủa l ưới có động c ơ đồng b ộ nối vào.
    Trong th ực t ế, m ột máy bù đồng b ộ là một động c ơ không tải và có kích t ừ thay đổi. Dưới điều ki ện này, t ừ bi ểu th ức δ công su ất, Ear sin ph ải là hằng s ố (do công su ất tích c ực tiêu th ụ từ ngu ồn là hằng s ố), d ẫn đến gi ản đồ vectơ pha sau đây. Bài gi ảng 8 32
17. Cải thi ện h ệ số công su ất (tt) Va I’a jx I s a jx sI’a Ia Ear E’ar
    Do đ ó, khi t ăng kích t ừ, độ lớn c ủa dòng điện và góc l ệch gi ữa V a và Ia gi ảm (hay h ệ số công su ất t ăng). Bài gi ảng 8 33 Ví dụ 6.7  Một t ải 3 pha n ối Y 1500 kW ở hệ số công su ất 0,8 tr ễ được n ối vào m ột ngu ồn 3 pha v ới điện áp dây là 1732 V . Một động c ơ đồng b ộ không mang t ải được n ối song song với t ải để nâng h ệ số công su ất thành đơ n v ị. Tìm dòng điện tiêu th ụ bởi động c ơ đồng b ộ.
    Ch ọn điện áp pha A làm vect ơ tham chi ếu, vect ơ pha dòng điện pha A c ủa t ải s ẽ là 1500000 − I = ∠ − cos 1()8,0 = 625 ∠ − 36 ,87° A aL 3(1732 )(8,0 ) Bài gi ảng 8 34
18. Ví dụ 6.7 (tt)
    Vectơ pha dòng điện pha c ủa t ổ hợp t ải và động c ơ là: 1500000 I = ∠0 = 500 ∠0 A aT 3()1732
    Vectơ pha dòng điện pha A c ủa động c ơ, tính theo gi ản đồ vect ơ pha: = − = − ∠ − ° IaM IaT IaL 500 625 36 ,87 = 375 ∠90 ° A Bài gi ảng 8 35