ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY ĐIỆN DC KÍCH TỪ SONG SONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA

MỤC LỤC

 

           Mở đầu

           Lời cảm ơn                     

           Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

           Nhận xét của giảng viên phản biện

           Mục lục

           CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU...................................... 1

           1.1. Máy phát điện một chiều........................................................................................... 1

           1.1.1. Khái niệm................................................................................................................... 1

           1.1.2. Cấu tạo máy phát điện một chiều........................................................................... 1

           1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều............................................... 3

           1.1.4. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều.......................................... 5

           1.1.5. Công suất điện từ, mômen điện từ của máy điện một chiều............................... 6

           1.1.6. Phân loại máy điện một chiều................................................................................. 7

           1.2. Động cơ điện một chiều.............................................................................................. 9

           1.2.1. Khái niệm................................................................................................................... 9

           1.2.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều.... 10

           1.2.3. Mở máy động cơ điện một chiều.......................................................................... 10

           1.2.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều......................................................... 11

           1.2.5. Động cơ một chiều kích từ song song.................................................................. 12

           1.2.6. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục.............................................. 13

           CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ......................................... 16

           2.1. Định nghĩa và công dụng......................................................................................... 16

           2.2. Cấu tạo máy điện đồng bộ...................................................................................... 16

           2.3. Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng bộ......................................................... 18

           2.4. Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ.......................................................... 19

           2.5. Mô hình toán của máy điện đồng bộ..................................................................... 20

           2.5.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi................................. 20

           2.5.2. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn................................. 20

           2.6. Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi ...................................... 21

           2.6.1. Công suất tác dụng................................................................................................. 21

           2.6.2. Công suất phản kháng.......................................................................................... 22

           2.6.3. Điều chỉnh công suất phản kháng và công suất tác dụng................................ 23

           2.6.4. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh............................................................... 24

           2.7. Động cơ điện đồng bộ............................................................................................. 25

           2.7.1. Nguyên lý làm việc, phương trình điện áp và đồ thị vecto............................. 25

           2.7.2. Điều chỉnh hệ số công suất cosφ của động cơ điện đồng bộ.......................... 26

           2.7.3. Mở máy động cơ điện đồng bộ............................................................................ 26

           2.8. Các máy điện đồng bộ có cấu tạo đặc biệt......................................................... 27

           2.9. Sự cần thiết phải cho các máy phát điện đồng bộ làm việc song song......... 27

           2.9.1 Các điều kiện làm việc song song của máy phát điện đồng bộ....................... 27

           2.9.1 Các điều kiện làm việc song song của máy phát điện đồng bộ....................... 28

         CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH TỔ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG - MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ     30

           3.1 Giới thiệu chung về mô hình.................................................................................. 31

           3.2. Vận hành động cơ điện một chiều kích từ song song

            và máy phát đồng bộ.................................................................................................... 32

         3.2.1 Vận hành máy điện DC kích từ song song........................................................... 34

    3.2.2 Vận hành máy phát điện                                                                                        34

   CHƯƠNG 4 : KHẢO SÁT VÀ VẼ CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH

           CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG........................................ 35

           4.1. Khảo sát và vẽ đường đặc tính tốc độ không tải

           của động cơ một chiều kích từ song song.................................................................. 35

           4.2. Khảo sát và vẽ đường đặc tính tốc độ khi thay đổi từ thông Φ

           của động cơ một chiều kích từ song song................................................................... 37

           4.3. Khảo sát và vẽ đặc tính tải của động cơ DC kích từ song song................... 38

           CHƯƠNG 5 : KHẢO SÁT VÀ VẼ CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH

           CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ....................................................................................... 40

           5.1. Khảo sát đặc tính không tải.................................................................................. 40

           5.2. Khảo sát và vẽ đặc tính ngoài.............................................................................. 41

           5.2.1 Tải thuần trở............................................................................................................ 41

           5.2.1 Tải thuần cảm......................................................................................................... 43

           5.2.1 Tải thuầndung......................................................................................................... 45

 

           5.3. Khảo sát và vẽ đặc tính điều chỉnh của máy phát............................................ 46

           5.2.1 Tải thuần trở............................................................................................................ 46

           5.2.1 Tải thuần cảm.......................................................................................................... 47

           5.2.1 Tải thuầndung......................................................................................................... 49

           5.4. Sự làm việc song song của hai máy phát............................................................ 50

           KẾT LUẬN

           PHỤ LỤC

           Đáp án tham khảo

           Hình 6.1: đặc tính không tải của động cơ DC kích từ song song theo điện áp phần   ứng

     Hình 6.2  đặc tính tốc độ của động cơ DC kích từ song song theo từ thông mạch kích          

    Hình6.3: đặc tính tải của động cơ DC kích từ song song

      Hình 6.4: đặc tính không tải của máy phát đồng bộ 3 pha

    Hình6.5 : đặc tính tải của máy phát đồng bộ

    Hình6.6 :đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ 3 pha

    Các bản vẽ :

    Sơ đồ mạch điều khiển

    Sơ đồ bố trí thiết bị

    Sơ đồ đi dây thiết bị

    Sơ đồ mạch tải

    Sơ đồ đi dây tải

    Sơ đồ đi dây

    TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

 

1.1: Máy phát điện một chiều

                     1.1.1.Khái niệm :

Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hơn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng.

Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các máy điện chấp hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong các thiết bị otô, tàu thủy, máy bay các loại, máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện chất lượng cao.

Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ điện một chiều cần có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát một chiều).

1.1.2. Cấu tạo máy phát điện một chiều :

Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, roto với dây quấn và cổ góp với chổi than

-Stato (phần cảm):

Gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa làm mạch từ vừa là vỏ máy. Các dây quấn kích từ.

         Hình 1.1 : Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều

-Rôto(phần ứng):

Roto của máy điện một chiều gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi phần tử của dây quấn, phần ứng có chiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên.

Ngoài dây quấn xếp, ở máy điện một chiều còn kiểu dây quấn sóng. Các mạch phần tử được nối thành mạch vòng kín. Ở dây quấn đơn chỉ có hai nhánh song song, thường thấy ở máy có công suất nhỏ

 

Hình 1.2: dây quấn xếp bốn phần t

Hình 1.3 :dây quấn kiểu sóng 2 phần tử

-Cổ góp và chổi than :

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục roto. Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp.

Chổi than (chổi điện) làm bằng than graphit. Các chội than tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.

                      1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Hình 1.4 mô tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều, trong đó dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử nối với hai phiến đổi chiều.

Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường hướng cực từ N đến S (từ trên xuống dưới), chiều phần ứng ngược chiều kim

đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên sđđ có chiều từ b đến a, ở thanh dẫn phía dưới sđđ

có chiều từ d đến c, sđđ của phần tử bằng hai lần sđđ của thanh dẫn. Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có chiều dòng điện từ A đến B, điện áp của máy phát điện có cực dương ở chổi A và âm ở chổi B.

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S, thanh dc ở cực N, sđđ trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện A vẩn nối với phiến góp phía trên, chổi điện B vẫn nối với phiến góp ở phía dưới, nên dòng điện ở mạch ngoài vẫn không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A, âm ở chổi B.

 

Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực như hình. Để điện áp lớn và ít đập mạch, dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều.

Ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng Iư cùng chiều với sđđ phần ứng Eư, phương trình điện áp là :

U = Eư – Rư.Iư

Trong đó :

          Rư.Iư  : điện áp rơi trong dây quấn phần ứng     

          Rư : điện trở dây quấn phần ứng

          U : điện áp đầu cực máy phát

          Eư : sđđ phần ứng.

Hình 1.4 : Nguyên lý làm việc của máy điện một c

Hình 1.5 : đồ thị điện áp đầu cực máy phát

1.1.4. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều :

Từ trường của máy điện một chiều :

Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ. Từ trường cực từ phân bố đối xứng, ở trung tính hình học mn thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ.

Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong máy điện phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng. Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ.

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và phần ứng. Ở một mõm cực, từ trường được tăng cường (do từ trường phần ứng cùng chiều với từ trường cực từ), trong khi đó ở mõm cực kia từ trường bị yếu đi (ở đó từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ).

Hậu quả của phản ứng phần ứng là :

+Từ trường trong máy bị biến dạng : điểm trung tính dịch chuyển từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m’n’. Góc lệch β thường nhỏ và lệch theo chiều quay roto khi là máy phát điện, ngược chiều quay roto là động cơ điện. Ở vị trí trung tính hình học, từ cảm B ≠ 0, thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ giảm sđđ, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều.

+Khi tải lớn dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn, phần mõm cực từ trường được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B ở đó tăng được rất ít, trong khi đó mõm cực kia từ trường giảm đi nhiều, kết quả từ thông Ø của máy bị giảm xuống. Từ thông máy giảm kéo theo sđđ phần ứng Eư giảm. Làm cho điện áp đầu cực giảm làm cho momen quay giảm, và tốc độ động cơ thay đổi.

 Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù.

Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng.

Để kịp thời khắc phục từ trường phần ứn khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp vào mạch phần ứng (hình 1.6).                                                                        hình 1.6

-Sức điện động phần ứng :

+ Sức điện động thanh dẫn : Khi quay roto các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng một sđđ là :

e = Btb.l.v

Trong đó : Btb : từ cảm trung bình dưới cực từ

                      l : chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn                                                           

                     v : tốc độ của thanh dẫn                                                                     

+Sức điện động phần ứng Eư : dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sđđ phần ứng bằng tổng các sđđ thanh dẫn trong một nhánh. Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số   nhánh song song là 2a (a là số đôi nhánh), số thanh dẫn một nhánh là N/2a, sđđ phần ứng là :   E_ư =

1.1.5. Công suất điện từ, momen điện từ của máy điện một chiều :

P_đt = E_ư. I_ư                     (1)

Thay các giá trị E_ư trong E_ư =  vào (1) ta có :

P_đt =  I_ư

Momen điện từ  :    M_đt  =                       (2)

Ωr là tốc độ quay của roto,được tính theo tốc độ quay của n (vg/ph) bằng biểu thức

ω_r =  (3)

Thay (3) vào (2) cuối cùng ta có biểu thức của momen điện từ là :

M_đt = .I_ư

Hoặc : M_đt = K_M I_ư Φ

Trong đó hệ số K_M = phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn.

Momen điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông. Muốn thay đội momen điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặ thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Muốn đổi chiều momen điện từ phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ.

1.1.6. Phân loại máy điện một chiều :

Dựa vào phương pháp cung cấp dòng điện kích từ, người ta chia máy điện một chiều ra các loại sau :

+ Máy điện một chiều kích từ độc lập. Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác, không liên hệ với phần ứng của máy.

+ Máy điện một chiều kích từ song song. Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng.

+ Máy điện một chiều kích từ nối tiếp.

+ Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp.

  Kích từ độc lập         Kích từ song song         Kích từ nối tiếp                 Kích từ hỗn hợp

 

* Máy phát điện một chiều kích từ song song :

          Để thành lập điện áp cần thực hiện một quá trình kích từ. Lúc đầu máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra, bằng khoảng 2 ÷ 3% từ thông định mức. Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ có sđđ cảm ứng do từ thông dư sinh ra. Sđđ này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện

trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất), sinh ra dòng điện kích từ,

làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục cho khi đạt điện

áp ổn định.

Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và

chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ trường dư

Nếu không còn từ dư, ta phải mồi để tạo từ dư,                                                                                                          nếu chiều hai từ trường ngược nhau, ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng.

 

Phương trình cân bằng điện áp là :

                      Mạch phần ứng :   U = E_ư – R_ư.I_ư

                      Mạch kích từ :       U_kt = I_kt.(R_kt + R_đc)

                      Phương trình dòng điện : I_ư = I + I_kt

Khi dòng điện tải tăng, dòng phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông và sức điện động càng giảm, chính vì thế đường đặc tình ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập. Từ đường đặc tính ta thấy, khi ngắn mạch, điện áp U = 0, dòng kích từ bằng 0, sức điện động trong máy sẽ do từ dư sinh ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức.

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh I_kt = f(I), khi U,n không đổi.                                                              

Sơ đồ máy điện kích từ song song( Hình1.7)                                                       

 Đường đặc tính không tải                 Đường đặc tính ngoài      Đường đặc tính điều chỉnh

        U₀ = f (I_kt)                                       U = f(I)                                     I = f(I)

Hình 1.8 : các đường đặc tính của máy phát DC kích từ song son

1.2. Động cơ điện một chiều :

1.2.1. Khái niệm :

Nói chung máy điện một chiều có thể làm việc theo chế độ máy phát khi E > U và theo chế độ động cơ khi E < U. Việc chuyển từ chế độ máy phát sanh chế độ động cơ xảy ra hoàn toàn tự động không cần thay đổi gì ở mạch nối, cụ thể là khi giảm dòng điện kích thích khiến cho E của máy phát hạ đến mức E < U, dòng điện trong phần ứng sẽ tự động đổi chiều, năng lượng sẽ chuyển theo chiều ngược lại và máy phát nghiễm nhiên trở thành động cơ.

Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện…).

Cũng như máy phát, động cơ điện một chiều được phân loại  theo phương pháp kích từ, ta cũng có bốn loại : động cơ điện kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp. Sơ đồ nối dây của chúng cũng tương tự như ở trường hợp máy phát. Cần chú ý rằng ở các động cơ kích từ độc lập I_ư = I; ở động cơ kích từ song song và hỗn hợp I = I_ư + I_t.

Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Ngoài ra, khác với trường hợp máy phát kích từ nối tiếp, động cơ điện kích từ nối tiếp được dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện.

1.2.2. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ một chiều :

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I_ư . Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F_đt tác dụng làm cho roto quay, chiều lực xác định theo quay tắc bàn tay trái.

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động E_ư. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ một chiều sức điện động E_ư ngược chiều với dòng điện Iư nên E_ư còn gọi là sức phản điện.

Phương trình điện áp là : U = E_ư + R_ư.I_ư

Hình 1.9 : Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều

 

1.2.3. Mở máy động cơ điện một chiều :

Phương trình điện áp ở mạch phần ứng là :

U = E_ư + Rư.I_ư

Từ đó rút ra :

I_ư  =

Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức phản điện E_ư = K_E.n.Φ, ta có dòng điện phần ứng mở máy là :

I_{ư mở} =                                                                 

                                                                                             Hình 1.9

Vì điện trở R_ư nhỏ, nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20 ÷ 30)I_đm , làm hỏng cổ góp và chổi than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy I_mở lớn, làm ảnh hưởng tới lưới điện.                                                            

Để giảm dòng điện mở máy, đạt I_mở = (1,5 ÷ 2) _Iđm, ta dùng các biện pháp sau :

-Dùng biến trở mở máy : mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng. Dòng điện mở máy phần ứng lúc có biến trở mở máy là :I_{ư mở} =

Lúc đầu để điện trở mở máy R_mở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, sức điện động E_ư tăng và điện trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức.

-Giảm điện áp đặt vào phần ứng : Phương pháp này được sử dụng khi có một chiều có thể điều chỉnh điện áp, ví dụ trong máy phát động cơ, hoặc nguồn một chiều chỉnh lưu.

Cần chú ý rằng momen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất, vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ lúc mở máy lớn nhất.

1.2.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

E_ư = U - R_ư._Iư

Thay trị số E_ư = K_E.n.Φ, ta có phương trình tốc độ là :n_{0 -} Φ∆_n        (*)

Trong trường hợp điện áp nguồn không đổi, dòng kích từ không đổi và như một cách gần đúng có thể coi từ thông không đổi ta có thể viết quan hệ n = f(M) dưới dạng:

     n_{0 -} ∆_n                                    (**)

Nếu R_f  = 0, do R_ư  rất nhỏ , ∆_n cũng rất nhỏ trong trường hợp này ta nói đặc tính cơ loại động cơ này rất cứng ( tốc độ ít thay đổi).

-Thay đổi từ thông Φ :nếu tăng điện trở phụ trong mạch kích từ dòng điện kích từ giảm, từ thông giảm theo biểu thức (*) n₀ tăng, ∆_n cũng tăng và tăng nhanh hơn đặc tính cơ nhân tạo (khi có thêm điện trở phụ) sẽ cao hơn so với đường đặc tính cơ tự nhiên (điện trở phụ bằng không), độ dốc các đường ngày khác nhau . Theo phương pháp này ta có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi n ≥ n_đm (hình c)-Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng .Theo biểu thức (*) nếu tăng R_f  trong mạch phần ứng n₀ không thay đổi, còn ∆_n tăng do đó đặc tính cơ là những đường dốc xuống như hình b. Ta nhận thấy điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này có thể áp dụng trong phạm vi rộng (dưới định mức) nếu có thể làm cho điện trở thay đổi liên tục tốc độ cũng sẽ thay đổi liên tục. Nhược điểm của phương pháp này là tổn hao năng lượng trên điện trở lớn, hiệu suất vận  hành sẽ giảm.

Hình 1.10 các đường đặc tính của máy điện DC

-Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng. Khi giảm điện áp thành phần n₀ giảm, thành phần ∆_n  không đổi (vì từ thông không đổi và dòng điện không đổi) nên đặc tính cơ là những đường song song, dốc xuống và nằm dưới đường đặc tính cơ tự nhiên (hình1.11)

Hình 1.11:đặc tính cơ n=f(U)

Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp các phương pháp trên. Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động điện một chiều.

1.2.5.Động cơ một chiều kích từ song song :

Để mở máy ta có thể dùng biến trở mở máy, hay dùng phương pháp hạ điện áp đặt vào phần ứng. Để điều chỉnh tốc độ, thường dùng điện trở điều chỉnh thay đổi dòng kích từ do đó thay đổi được từ thông Φ. Phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi, nhưng cần chú ý là khi giảm từ thông Φ có thể dòng điện I_ư tăng quá giá trị cho phép, do đó cần có bộ bảo vệ không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm nhiều.

                   

1.2.5.1 Đường đặc tính cơ n = f(M) :

Đường đặc tính cơ là quan hệ giữa momen quay M và tốc độ n khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích dòng điện kích từ Ikt.

Từ công thức :  ta có :

Mặt khác theo biểu thức momen điện từ M = K_M. I_ư.Φ

=> I_ư  =

Thay vào biểu thức tốc độ ta có :

Nếu thêm điện trở R_p vào mạch phần ứng thì ta có phương trình :

Trên hình vẽ đường đặc tính cơ, đường 1 là đường đặc tính cơ tự nhiên (R_p = 0 ứng với phương trình (1) ). Đường 2 với R_p ≠ 0 ứng với phương trình (2).

Sơ đồ mạch biến trở R_{mở máy}                    Đồ thị đặc tính cơ          Đồ thị đặc tính làm việc

1.2.5.2. Đặc tính làm việc :

Đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng kích từ không đổi đó là các đường quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất η theo công suất trên trục P₂, vẽ trên hình.

Ta có nhận xét động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất P₂ thay đổi, chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ … khi có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ ta dùng động cơ kích từ độc lập.

1.2.6. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục :

Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của thiết bị điện tử. Sự phát sinh tia lửa trên cổ góp do các nguyên nhân cơ khí và điện tử.

-Nguyên nhân cơ khí :

Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tỳ sát chổi điện vào cổ góp.

-Nguyên nhân điện tử :

Khi roto quay liên tiếp có phần tử chuyển mạch

nhánh này sang mạch nhánh khác. Ta gọi

các

phần tử ấy là phần tử đổi chiều, trong phần

tử đổi

chiều xuất hiện các sức điện động :

+ Sức điện động từ cảm e_L, do sự biến

thiện dòng điện trong phần tử đổi chiều.

+ Sức điện động hổ cảm e_m do cự biến thiên

dòng điện

của các phần tử đổi chiều khác lân cận.

+ Sức điện động e_q do từ trường của

phần ứng gây ra.

Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử

đổi chiều (hình), các sức điện động trên sinh ra dòng điện I chạy quẩn trong phần tử tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động.

Để khắc phục tia lửa ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm chỉ số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù.Để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù (triệt tiêu) tổng 3 sức điện động e_L, e_m, e_q. Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng đối với máy công suất nhỏ, người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý.

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

 

2.1. Định nghĩa và công dụng :

2.1.1. Định nghĩa :

Những máy điện có tốc độ roto n bằng tốc độ quay của từ trường n₁ gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có hai loại dây quấn : dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn roto được kích thích bằng nguồn điện một chiều. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay roto luôn không đổi khi tải thay đổi.

                      2.1.2. Công dụng :

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước công suất của mỗi máy phát có thể đạt đến 600MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song. Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ diezen hoặc các tuabin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song.

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt vài chục MW. Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh… động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió… với tốc độ không đổi. Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, thiết bị ghi, thiết lập chương trình, thiết bị điện sinh hoạt…

Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ dủng phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất và ổn định điện áp.

2.2. Cấu tạo máy điện đồng bộ :

Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và roto.

- Stato (phần ứng):

Đây  là phần mà các dây quấn của nócảm ứng ra một suất điện động gọi là phần ứng.Phần ứng gồm 3 cuộn dây có trục lệch nhau 120­­ độ điện và thường nối hình sao.Các cuộn dây được cách ly tốt với vỏ máy,điều này rất quan trọng đối với máy phát công suất lớn ,điện áp cao.

 Đối với máy đồng bộ công suất nhỏ thì phần quay lại đóng vai trò phần ứng,còn phần tĩnh đóng vai trò phần cảm.

Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn ba pha stato. Dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng.

- Roto(phần cảm) :

Thông thường phần cảm được đặt trên trục quay. Cấu tạo phần cảm gồm có : lõi thép trên đó có dây quấn ,cho dòng điện một chiều đi qua để tạo thành nam châm điện.Từ thông của nam châm điện sinh ra khá mạnh và ổn định ,số đôi cực của phần cảm tùy thuộc vàotốc độ quay của trục,máy có 2cực (p = 1) ứng với tốc độ quay 3000v/p,máy có 4cực (p = 2) ứng với tốc độ 1500v/p…Theo tần số tiêu chuẩn của dòng điện dùng trong công nghiệp f = 50hz

 Rôto của máy điện dồng bộ có hai loại là roto cực ẩn và roto cực lồi.

Roto cực lồi dùng ở các máy có tốc độ thấp và có nhiều đôi cực.

Roto cực ần thường dùng ở các máy có tốc độ cao (3000 vg/p) có một đôi cực..

Để có sức điện động sin, từ trường của cực từ roto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở không khí giữa stato và roto, ở đỉnh các cực từ có từ cảm cực đại.

Đối với roto cực ẩn, dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh. Đối với các roto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ.

Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở hai đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ.

- Phần kích từ:

Nhiệm vụ của phần kích từ tạo ra dòng điện một chiều, cung cấp cho dây quấn phần cảm để tạo ra từ thông. Đa số các máy phát điện công suất lớn hiện nay, phần kích từ là một máy phát điện một chiều kích từ song song có công suất khoảng 0,3%-2% công suất của máy phát điện đồng bộ. Rôto của máy kích thích được gắn cùng trục với máy phát đồng bộ. Dòng điện một chiều từ máy kích từ phát ra qua hai chổi than tiếp xúc với hai vành trượt đặt trên trục để nối vào dây quấn phần cảm, để cung cấp dòng điện kích từ cho phần cảm.

Ngoài ra,một số máy phát điện xoay chiều chủ yếu là máy điện công suất nhỏ,không dùng máy kích từ riêng mà thực hiện theo phương pháp tự kích từ. Bằng cách lấy dòng điện xoay chiều của máy phát ra,qua bộ chỉnh lưu bán dẫn để chỉnh lưu thành

dòng điện một chiều cung cấp dòng kích từ cho dây quấn phần cảm.chúng được gọi là máy phát điện xoay chiều tự kích từ. Đặc điểm loại này là chúng có cấu tạo khá đơn giản.

2.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ :

Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường roto; khi quay roto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của roto sẽ cắt dây quấn phần ứng và cảm ứng sức điện xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là :

          Trong đó : E₀ : sức điện động pha.

                          W₁ : số vòng dây một pha.

                           K_dq : hệ số dây quấn.

                           Φ₀ : từ thông cự từ roto.

Nếu roto có p đội cực, khi roto quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó tần số f của sức điện động các pha lệch nhau một góc 120⁰

(n đo bằng vòng/phút)

Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 120⁰  điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau một góc 120⁰ . Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện ba pha giống như ở máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ :

đúng bằng tốc độ n của roto, do đó loại máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ.

2.4. Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ :

Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ roto Φ₀ cắt dây quấn stato cảm ứng ra sức điện động E₀ chậm pha so với từ thông Φ₀ một góc 90⁰. Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây quấn stato tạo nên từ trường quay phần ứng. Từ trường phần ứng quay đồng bộ với từ trường cực từ Φ₀. Góc lệch pha ψ giữa E₀ và I do tinh chất tải quyết định. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng.

+ Trường hợp tải thuấn trở góc lệch pha ψ = 0, E₀ và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng cùng pha với dòng điện. Từ trường phần ứng theo hướng ngang trục, làm méo từ trường cực từ, gọi là phản ứng ngang trục(hình 2.1)

                      Hình 2.1

+ Trường hợp tải thuần cảm góc lệch pha ψ = 90⁰, dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng Φ ngược chiều với Φ₀ ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng(hình 2.2)

Hình 2.2

+ Trường hợp tải thuần dung ψ = - 90⁰ dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng Φ cùng chiều với Φ₀ ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng(hình 2.3)

Hình 2.3

+ Trường hợp tải bất kỳ, ta phân tích dòng điện làm hai phần : thành phần dọc trục I_d = I.sinψ và thành phần ngang trục I_q = I.cosψ, dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tình chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục khử từ hoặc trợ từ tùy theo tính chất của tải (tính chất điện cảm hoặc điện dung(hình 2.4)

Hình 2.4

2.5. Mô hình toán của máy điện đồng bộ :

                      2.5.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi :

Đồ thị vecto ở hình 2.5a

Khi máy phát điện làm việc từ thông cực từ Φ₀ sinh ra sức điện động E₀ ở dây quấn stato. Khi máy điện có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U ở trên tải. Ở máy cực lồi vì khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau ta phải phân tích ảnh hưởng của phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục. Từ trường chính phần ứng ngang trục tạo nên sức điện động ngang trục  E_ưq = -j.I_q.X_ưq, trong đó X_ưq : là điện kháng phả ứng phần ứng ngang trục. Từ trường chính phần ứng dọc trục tạo nên sức điện động dọc trục E_ưd = -j.I_d.X_ưd, trong đó X_ưd : là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục. Từ thông tản dây quấn stato đặc trưng bởi điện kháng tản X_t không phụ thuộc hướng dọc trục hay ngang trục :

E_t = -j.I.X_t = -j.I_d.X_t – j.I_q.X_t

Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng ta có phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi :

U = E₀ – j.I_d.X_d – j.I_q.X

Trong đó : X_d = X_ưd + X_t là điện kháng đồng bộ dọc trục.

                           X_q = X_ưq + X_t là điện kháng đồng bộ ngang trục.

Từ phương trình điện áp và đồ thị vecto ta thấy góc lệch pha θ giữa điện áp U và E₀ do tải quyết định.

Hình 2.5 : Đồ thị vecto của máy phát đồng bộ

2.5.2. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn :

Đồ thị vecto ở hình hình 2.5b.

Đối với máy phát điện cực ẩn là trường hợp đặc biệt của cực lồi trong đó X_d = X_q gọi là điện kháng đồng bộ X_đb. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn là:

U = E₀ - j.I.X_đb

2.6. Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi :

2.6.1. Công suất tác dụng :

Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là :

P = m.U.I.cosφ

          Trong đó U, I là điện áp pha và dòng điện pha; m là số pha.

Theo đồ thị vecto (hình), ta thấy φ = ψ - θ do đó :

P = m.U.I.cosφ = m.U.I.cos(ψ - θ) = m.U.I.cosψ.cosθ + m.U.I.sinψ.sinθ

Vì I.cosψ = I_q và I.sinψ = I_d theo đồ thị vecto rút ra

.............................

2.6.3. Điều chỉnh công suất phản kháng và công suất tác dụng :

- Điều chỉnh công suất tác dụng :

Máy phát biến đổi cơ năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp (tuabin hơi hoặc tuabin khí…)

Đối với lưới có  công suất vô cùng lớn.tại thời điểm ngay sau khi hòa đồng bộ, nếu tất cả các điều kiện hoàn toàn chính xác, dòng điện qua máy phát bằng không, nghĩa là chưa thực hiện phát điện vào lưới. Muốn cho máy phát công suất tác dụng P vào lưới cần tăng công suất đầu vào của nó.

Đối với lưới có công suất giới hạn. Nếu hai hay ba máy phát điện có công suất xấp xỉ như nhau làm việc song song cần chú ý nếu tăng công suất của một máy thì phải đồng thời giãm công suất của máy kia và ngược lại, nếu không tần số của hệ thống sẽ thay đổi do mất cân bằng công suất của nguồn và tải.

-Điều chỉnh công suất phản kháng :

 khi giữ U, f, P không đổi

Nếu : E₀.cosθ < U thì Q < 0

                     E₀.cosθ =U thì Q = 0

                     E₀.cosθ > U thì Q > 0

Khi Q < 0 nghĩa là máy phát không phát công suất phản kháng, mà nhân công suất phản kháng của lưới điện để tạo ra từ trường, máy thiếu kích từ.

Khi Q > 0 máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích từ.

Nhìn các công thức trên, muốn thay đổi công suất phản kháng, phải thay đổi E₀ nghĩa là điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn tăng công suất phản kháng phát ra phải tăng kích từ. Thật vậy muốn tăng dòng điện kích từ, E₀ sẽ tăng, cosθ sẽ tăng ( vì E₀.sinθ = const) do đó Q tăng.

Đối với lưới vô cùng lớn : muốn tăng công suất phản kháng ta cần tăng dòng kích từ của máy phát

Đối với lưới công suất có hạn : tương tự như đối với công suất phản kháng, muốn tăng công suất phản kháng của máy này thì phải đồng thời giảm công suất của máy kia và ngược lại nếu không điện áp của hệ thống sẽ thay đổi

2.6.4. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh:

+ Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ :

Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I, khi tính chất tải không đổi, tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi. Từ phương trình điện áp , ta vẽ đồ thị vecto ứng với các loại tải khác nhau. Ta thấy khi tải tăng đối với tải cảm và tải trở, điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với tải dung điện áp tăng. Bằng đồ thị, ta thấy rằng, điện áp máy phụ thuộc vào dòng điện và đặc tính của tải.

Hình 2.6 : Đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ

Hình 2.6a:  đặc tính ngoài của máy phát khi I_kt = const (E₀ = const) và cosφ_t không đổi, ứng với các tải khác nhau khi tải có tính chất cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở. Để giữ điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E₀ bằng cách điều chỉnh kích từ sao cho I = I_đm có U = U_đm (trên hình 2.6b).

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải được xác định như sau :

Độ biến thiên điện áp ΔU% có máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ X_đb khá lớn.

+ Đặc tính điều chỉnh :

Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp U không đổi và bằng định mức.

Phần lớn các máy phát điện đồng bộ có bộ tự điều chỉnh dòng kích từ giữ cho điện áp không đổi.

2.7. Động cơ điện đồng bộ :

Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ giống như cấu tạo của máy phát điện đồng bộ.

2.7.1. Nguyên lý làm việc, phương trình điện áp và đồ thị vecto :

Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ như sau : khi ta cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn stato tương tự như động cơ điện không đồng bộ, dòng điện ba pha stato sẽ dinh ra từ trường quay với tốc độ . Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm quay tưởng tượng. Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn roto, roto biến thành một nam châm điện.

Tác dụng hổ trợ giữa từ trường stato và từ trường roto sẽ có lực tác dụng lên roto. Khi từ trường stato quay với tốc độ n₁, lực tác dụng ấy sẽ kéo roto quay với tốc độ n = n₁. Nếu trục của roto nối với một máy nào đó thì động cơ điện sẽ kéo máy quay với tốc độ n không đổi.

Phương trình điện áp là :

Khi bỏ qua điện trở dây quấn stato R, ta có :

Đồ thị vecto :

Hình 2.7 : Đồ thị vecto

2.7.2. Điều chỉnh hệ số công suất cosφ của động cơ điện đồng bộ :

Trên hình 2.7 vẽ đồ thị vecto ứng với trường hợp thiếu kích từ, dòng điện I chậm pha sau điện áp U. Khi sử dụng người ta không để động cơ làm việc ở chế độ này, vì động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện làm cho hệ số công suất của lưới điện giảm xuống. Trong công nghiệp người ta cho làm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước pha điện áp U, động cơ vừa tạo ra cơ năng, đồng thời phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số cosφ của lưới điện. Đó là ưu điểm lớn nhất của động cơ điện đồng bộ.

2.7.3. Mở máy động cơ điện đồng bộ :

Khi cho dòng điện vào dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường quay, kéo roto quay. Roto có quán tính lớn nên vẫn đứng yên, do đó lực tác dụng tương hổ giữa từ trường quay stato và từ trường cực từ thay đổi chiều, roto không thể quay được. Muốn động cơ làm việc, phải tạo nên momen mở máy để quay roto đồng bộ với từ trường stato, giữ cho lực tác dụng tương hổ giữa hai từ trường không đổi chiều.

Để tạo nên momen mở máy, trên các cực từ roto, người ta đặt các thanh dẫn được nối ngắn mạch như lồng sóc ở động cơ không đồng bộ.

Khi mở máy, nhờ có dây quấn mở máy, trên các mặt cực từ roto, động cơ sẽ làm iệc như động cơ không đồng bộ,. Người ta chế tạo các động cơ, có hệ số mở máy M_mở/M_đm từ    0,8 ÷ 1,0.

Trong quá trình mở máy, ở dây quấn kích từ sẽ cảm ứng điện áp rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số bằng 6 ÷ 10 lần điện trở dây quấn kích từ. Phải hạn chế dòng điện mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào stato, thường người ta dùng điện kháng hay máy tự biến áp nối vào mạch stato.

Nhược điểm của động cơ điện đồng bộ là mở máy và cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt so với động cơ điện không động bộ.

2.8. Các máy điện đồng bộ có cấu tạo đặc biệt :

Ngoài máy phát điện và động cơ điện ba pha, ta còn gặp máy phát điện đồng bộ một pha (dùng dung cấp điện cho tải công suất nhỏ, lưu động) và động cơ đồng bộ một pha dùng trong hệ tự động và thiết bị điện sinh hoạt.

Ngoài máy có dây quấn kích từ, ta còn gặp các máy roto là nam châm vĩnh cửu hoặc roto cực lồi không nam châm (động cơ phản kháng). Các loại này thường có công suất nhỏ.

Trong công nghiệp người ta còn dùng động cơ đồng bộ công suất lớn làm việc không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh được để cho động cơ phát ra công suất phản kháng hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, mục đích để điều chỉnh điện áp lưới điện. trong trường hợp này máy điện được gọi là máy bù đồng bộ.

Máy bù đồng bộ phát ra công suất phản kháng giống như tũ điện để nâng cao hệ số công suất cosφ cho lưới điện.

2.9. Sự cần thiết phải cho các máy phát điện điện đồng bộ làm việc song song :

          Thông thường các máy phát điện đồng bộ được nối với nhau thành một hệ thống thống nhất. Điều này có lợi xét trên hai khía cạnh : đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục và tiết kiệm năng lượng đầu vào. Khi phụ tải nhỏ người ta cho chạy một tổ máy, khi tải tăng quá định mức của máy thứ nhất ta cho hòa thêm máy thứ hai….Ngược lại, khi phụ tải giảm chúng ta tiến hành sa thải dần các máy, làm như vậy các máy không làm viện non tải nên hiệu suất vận hành cao, tiết kiệm được nhiên liệu. Các máy phát điện trong hệ thống quốc gia cũng như vậy. Về mùa mưa ta có thể cho máy phát điện phát hết công suất và giảm công suất các máy phát nhiệt điện để tiết kiệm than. Việc đưa hai máy phát vào làm việc song song hoặc đưa một máy phát vào làm việc chung với lưới điện gọi là “hòa đồng bộ”

2.9.1 Các điều kiện làm việc song song của các máy phát điện đồng bộ:

          Để tránh hỏng máy và gây dao động lớn trong hệ thống điện khi cho các máy phát điện làm việc song song ta cần phải đáp ứng đầy đủ các điều kiện sau :

- Điện áp không tải của máy phát thứ hai phải bằng điện áp của máy phát thứ nhất (hoặc lưới điện). Nếu điều kiện này không đạt,khi đóng điện để hòa đồng bộ máy sẽ mang tải đột ngột tạo ra một dòng điện và lực điện động lớn, không có lợi cho cả hai máy hoặc lưới. Cách kiểm tra điều kiện náy là dùng hai vôn kế để đo điện áp của hai máy phát.

- Tần số của hai máy phải bằng nhau. Nếu tần số hai máy không bằng nhau thì khi “hòa đồng bộ” sẽ xảy ra tình trạng “lôi kéo nhau” nếu hai máy có công suất có

hạn hoặc máy phát phải mang tải đột ngột khi hòa vào lưới. Điều kiện này có thể kiểm tra được nhờ dùng hai tần số kế đo tần số của hai máy.

- Thứ tự pha của hai máy phải giống nhau. Nếu điều kiện này không đạt được tại thời điểm hòa có thể được nhưng sau đó máy sẽ bị ngắn mạch bởi hai lần điện áp pha định mức. Điều kiện này có thể kiểm tra được nhờ thiết bị báo thứ tự pha hoặc dùng một động cơ ba pha rôto lồng sóc nhỏ để thử. Nếu trên cả hai nguồn động cơ có cùng chiều quay là được.

- Tại thời điểm hòa đồng bộ các pha tương ứng của hai máy phát phải trùng pha. Nếu điều kiện này không đạt được, khi đóng điện để hòa khả năng xấu nhất có thể xảy ra là ngắn mạch với hai lần định mức. Điều kiện này có thể kiểm tra được tùy theo từng phương pháp hòa đồng bộ.

2.9.2 Các phương pháp hòa đồng bộ :

- Hòa đồng bộ chính xác : Theo phương pháp này các điều kiện làm việc song song được kiểm soát chặt chẽ bằng các phương tiện đo lường và điều khiển chính xác. Hòa đồng bộ bằng phương pháp dùng ánh sáng đèn. Theo phương pháp này chúng ta có hai cách : ánh sáng đèn quay và tối sáng.

Thực chất của phương pháp ánh sáng đèn quay là đem từng đôi bóng đèn 220V nối tiếp nhau rồi nối vào các đầu AphI – AphII ; BphI – CphII ; CphI – BphII. Hiệu chỉnh để tốc độ hai máy phát gần bằng nhau, các cặp đèn nối tiếp nhau lần lượt tối sáng tạo thành hiệu ứng “đèn quay”, nếu ta bố trí các đèn trên chu vi của một hình tròn. Nếu điện áp của máy phát cao hơn (6,6; 10,5; 20,5kV) người ta phải dùng máy biến áp để hạ xuống trước khi đưa vào hòa đồng bộ. Thời điểm hòa đồng bộ là lúc cặp đèn mắc tương ứng AphI – AphII tắt hẳn, hai cặp còn lại sáng bằng nhau.

Thực chất của phương pháp hòa tối sáng là dùng các cặp đèn nối tiếp nhau nối vào các đầu tương ứng của hai máy phát ( AphI – AphII ; BphI – BphII ; CphI – CphII). Khi điều chỉnh tốc độ hai máy xấp xỉ nhau các cặp đèn đồng thời tối hoặc sáng.

Tần số tắt tắt sáng phụ thuộc vào sự sai khác tần số của hai máy. Thời điểm hòa đồng bộ là các đèn đều tắt.

- Hòa đồng bộ bằng phương pháp dùng cột đồng bộ. Cột đồng bộ bao gồm ba chiếc đồng hồ bố trí theo phương thẳng đứng (nên gọi là cột) : đồng hồ báo thời điểm trùng pha của điện áp hai máy, đồng hồ tần số kép đo tần số hai máy và đồng hồ vôn kế kép đo điện áp hai máy phát. Thời điểm hòa là kim tần số kép, kim vôn kế kép của hai máy trùng nhau và kim đồng hồ báo trùng pha nằm theo phương thẳn đứng (12 giờ theo đồng hồ thời gian).

Thiết bị hòa đồng bộ điện tử. Thiết bị này dùng nguyên lý so sánh theo kiểu logic hoặc số : nếu điện áp hai máy phát bằng nhau, tần số hai máy phát bằng nhau, điện áp đo được giữa các pha tương ứng bằng 0, thiết bị đóng tiếp điểm lệnh cho máy cắt đóng điện để thực hiện hòa đồng bộ.

- Hòa đồng bộ bằng phương pháp không chính xác :

Theo phương pháp này đem quay máy phát điện đến gần tốc độ đồng bộ rồi đóng thẳng máy phát vào lưới đồng thời cấp kích thích cho máy, mômen đồng bộ sẽ tự động kéo máy phát vào chế độ đồng bộ. Chỉ cần chú ý là nối tắt dây quấn kích thích của máy phát qua một điện trở gọi là điện trở triệt từ trước khi đóng máy phát vào lưới nếu không điện áp cảm ứng trong dây quấn kích thích rất lớn có thể gây đánh thủng cách điện vòng dây của dây quấn kích thích.