Nguyn Vn ụ - HL 160 Ch"ơng 26 Động cơ và máy bù đồng bộ 26-1. Động cơ điện đồng bộ Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất th<ờng là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ điện này có những đặc điểm nh< cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ do có những <u điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã đ<ợc sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh đ<ợc với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện. Về <u điểm, tr<ớc hết phải nói là động cơ điện đồng bộ do đ<ợc kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ l<ới điện, kết quả là hệ số công suất của l<ới điện đ<ợc nâng cao, làm giảm đ<ợc điện áp rơi và tổn hao công suất trên đ<ờng dây. Ngoài <u điểm chính đó, động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh h<ởng đối với sự thay đổi điện áp của l<ới điện do mômen của động cơ điện đồng bộ chỉ tỷ lệ với U trong khi mômen của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với U 2 .Vì vậy khi điện áp của l<ới sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn, trong tr<ờng hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện đ<ợc điều kiện làm việc của cả l<ới điện. Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất động cơ điện đồng bộ th<ờng cao hơn hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở t<ơng đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn. Nh<ợc điểm của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao. Hơn nữa, việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện đ<ợc bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện. Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng bộ có phối hợp với tụ điện cải thiện cos về giá thành và tổn hao năng l<ợng dẫn đến kết luận là khi P đm > 200 ữ 300kW, nên dùng động cơ đồng bộ ở những nơi nào không cần th<ờng xuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ. Khi P đm > 300kW dùng động cơ đồng bộ với cos đm = 0,9 và khi P đm > 1000kW dùng động cơ đồng bộ với cos đm = 0,8 là có lợi hơn dùng động cơ không đồng bộ. Các quan hệ điện từ chính nh< ph<ơng trình cân bằng điện áp, đồ thị véctơ, công suất và mômen điện từ của động cơ điện đồng bộ đã đ<ợc xét ở ch<ơng 22. ở đây chỉ đề cập đến các vấn đề nh< mở máy động cơ điện đồng bộ, các đặc tính và chế độ làm việc của nó. 26.1.1. Các ph*ơng pháp mở máy động cơ điện đồng bộ 1. Mở máy theo ph*ơng pháp không đồng bộ Các động cơ điện đồng bộ phần lớn đều mở máy theo ph<ơng pháp không đồng bộ. Thông th<ờng các động cơ điên đồng bộ cực lồi đều có đặt dây quấn mở máy. Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở mặt cực, hai đầu nối với hai vành ngắn mạch (hình 20-8) và đ<ợc tính toán để mở máy trực tiếp với điện áp của l<ới điện. Nguyn Vn ụ - HL 161 Hình 26-1. Sơ đồ mạch kích thích của động cơ đồng bộ lúc mở máy với dây quấn kích thích ni tt qua điện trở R T (a) và nối thẳn g vào máy kích thích (b). 1 và 3 là phần ứng và dây quấn của động cơ đồng bộ, 2 và 4 là phần ứng và dây quấn của máy kích thích. 1 2 3 4 U i t b) 1 2 R T 3 4 U i t a) Trong một số động cơ, các mặt cực bằng thép nguyên khối và đ<ợc nối với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch ở hai đầu rôto cũng có thể thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy. ở các l<ới điện lớn có thể cho phép mở máy trực tiếp với điện áp của l<ới các động cơ đồng bộ công suất vài trăm có khi tới hàng nghìn kilôoat. Đối với các động cơ đồng bộ cực ẩn, việc mở máy theo ph<ơng pháp không đồng bộ có khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài của rôto nguyên khối sẽ gây nóng cục bộ đáng kể. Trong tr<ờng hợp đó, để mở máy đ<ợc dễ dàng, cần hạ điện áp của máy bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng. Quá trình mở máy động cơ đồng bộ bằng ph<ơng pháp không đồng bộ có thể chia thành hai giai đoạn. Lúc đầu việc mở máy đ<ợc thực hiện với i t = 0, dây quấn kích thích đ<ợc nối tắt qua điện trở R T nh< trên hình 26-1a. Sau khi đóng cầu dao nối dây quấn stato với nguồn điện, do tác dụng của mômen không đồng bộ rôto sẽ quay và tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng bộ n 1 của từ tr<ờng quay. Trong giai đoạn này, dây quấn kích thích đ<ợc nối với điện trở R T có trị số bằng 10 ữ 12 lần điện trở r t của bản thân dây quấn kích từ. Nếu để dây quấn kích từ hở mạch sẽ có điện áp cao, làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy từ tr<ờng quay của stato quét nó với tốc độ đồng bộ. Nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích thích thì sẽ tạo thành mạch một pha có điện trở nhỏ ở rôto và sinh ra mômen cản lớn khiến cho tốc độ quay của rôto không thể v<ợt qua tốc độ bằng một nửa tốc độ đồng bộ. Hiện t<ợng này có thể giải thích nh< sau. Dòng điện có tần số f 2 = sf 1 trong dây quấn kích thích bị nối ngắn mạch sẽ sinh ra từ tr<ờng đập mạnh. Từ tr<ờng này có thể phân tích thành hai từ tr<ờng quay thuận và ng<ợc với chiều quay của rôto với tốc độ t<ơng đối so với rôto n 1 - n, trong đó n 1 là tốc độ từ tr<ờng quay của stato và n là tốc độ quay của rôto. Từ tr<ờng quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh là: n th = n + (n 1 - n) = n 1 nghĩa là quay đồng bộ với từ tr<ờng quay của stato. Tác dụng của nó với từ tr<ờng quay của stato tạo nên mômen không đồng bộ và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra và có dạng nh< đ<ờng 1 trên hình 26-2. Từ tr<ờng quay ng<ợc có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh là: n ng = n - (n 1 - n) = 2n - n 1 = 2n 1 (1-s) - n 1 = n 1 (1-2s) và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện có tần số: Nguyn Vn ụ - HL 162 Hình 26-2. ĐZờng cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy không đồng bộ với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch 2 A 1 3 M c 1,0 0,5 0 s M f = f 1 (1-2s) Nh< vậy khi 0,5 < s < 1, nghĩa là tốc độ quay của rôto n < n 1 /2 thì từ tr<ờng quay ng<ợc so với dây quấn phần tĩnh sẽ quay ng<ợc chiều so với chiều quay của rôto. Tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f sẽ sinh ra mômen phụ cùng dấu và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do từ tr<ờng quay thuận tác dụng với dây quấn mở máy (đ<ờng 2 trên hình 26-2). Khi s = 0,5 (tức n = n 1 /2), từ tr<ờng quay ng<ợc đứng yên so với dây quấn phần tĩnh, mômen phụ bằng không. Và khi 0 < s < 0,5 (n > n 1 /2), thì từ tr<ờng quay ng<ợc sẽ quay cùng chiều với chiều quay rôto. Tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f lúc đó sinh ra mômen phụ trái dấu với mômen không đồng bộ do từ tr<ờng quay thuận, do đó có tác dụng nh< mômen hãm. Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đ<ờng biểu diễn mômen của động cơ trong quá trình mở máy là tổng của các đ<ờng 1 và 2 có tác dụng nh< đ<ờng 3 trên hình 26-2. Rõ ràng là khi mômen cản M c trên trục động cơ đủ lớn thì rôto sẽ làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n n 1 /2 và không thể đạt đ<ợc đến tốc độ gần tốc độ đồng bộ. Khi rôto đã quay đến tốc độ n n 1 , có thể tiến hành giai đoạn thứ hai của quá trình mở máy: đem nối dây quấn kích từ với điện áp một chiều của máy kích từ. Lúc đó ngoài mômen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số tr<ợt s và mômen gia tốc tỷ lệ với ds/dt còn có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng tác dụng. Do rôto ch<a quay đồng bộ nên góc luôn thay đổi. Khi 0 < < 180 0 thì mômen đồng bộ sẽ cộng tác dụng với mômen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rôto và nh< vậy rôto sẽ đ<ợc lôi vào tốc độ đồng bộ sau một quá trình dao động. Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rôto đ<ợc đ<a vào tốc độ đồng bộ một cách thuận lợi, hệ số tr<ợt ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc ch<a có dòng điện kích thích cần phù hợp với điều kiện sau: tdm tdb dm dmm i i n P GD k s 04,0 22 < (26-1) trong đó: k m - năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ định mức i tđm ; P đm - công suất định mức, kW; i tđb - dòng điện kích từ khi đồng bộ hoá; GD 2 - mômen động l<ợng của động cơ và máy công tác nối trục với nó, kGm 2 . Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn nh< trình bày ở trên trong đó phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở R T và sau đó nối máy kích từ, có thể nối thẳng dây quấn kích thích với máy kích từ trong suốt quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 26-1b nh< th<ờng gặp gần đây nhất. Nh< vậy, trong dây quấn phần ứng của máy kích từ sẽ có dòng điện xoay chiều nh<ng điều đó không gây ra tác hại gì. Khi rôto đạt đến tốc độ quay n = (0,6 ữ 0,7)n đm , máy kích thích bắt đầu cung cấp dòng điện kích từ cho Nguyn Vn ụ - HL 163 n I * i t U * I t (A) 300 200 100 t 6 2 4 8 10 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 U * I * n (vòng phút) 1000 500 Hình 26-3. Quan hệ U, I, i t , n = f(t) khi mở máy động cơ đồng bộ 1500kW theo sơ đồ hình 26-1b động cơ điện đồng bộ, nhờ đó mà lúc đến gần tốc độ đồng bộ động cơ đ<ợc kéo vào tốc độ đồng bộ. Cần chú ý rằng quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 26-1b đ<ợc thực hiện trong những điều kiện khó khăn hơn vì động cơ điện đồng bộ đ<ợc kích thích quá sớm, nh< vậy sẽ tạo nên dòng điện ngắn mạch: 22 )1( )1( d n xsr Es I + = 2 < (26-2) trong đó: E - s.đ.đ. cảm ứng do dòng điện kích từ i t ; x d - điện kháng đồng bộ dọc trục khi s = 0. Do đó động cơ phải tải thêm công suất: P n = mI 2 n r < (26-3) và kết quả là trên trục động cơ điện sẽ có thêm mômen cản: n c P M = (26-4) khiến cho quá trình kéo động cơ vào tốc độ đồng bộ gặp khó khăn hơn, vì vậy ph<ơng pháp mở máy động cơ đồng bộ theo sơ đồ trên hình 26-1b áp dụng đ<ợc tốt khi mômen cản trên trục động cơ điện M c = (0,4 ữ 0,5)M đm . Chỉ khi dây quấn mở máy đ<ợc thiết kế hoàn hảo mới cho phép mở máy nh< trên với M c = M đm . Do cách mở máy này đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy của động cơ điện không đồng bộ nên ngày càng đ<ợc ứng dụng rộng rãi. Hình 26-3 trình bày sự biến đổi của dòng điện phần ứng I, dòng điện kích từ i t và tốc độ quay n trong quá trình mở máy lúc không tải động cơ đồng bộ (P đm = 1500kW; U đm = 6kV; n đm = 1000 vòng/phút) trực tiếp với điện áp định mức theo sơ đồ trên hình 26-1b. 2. Các ph*ơng pháp mở máy khác Mở máy theo phZơng pháp hoà đồng bộ Các điều kiện hoà đồng bộ đối với động cơ đồng bộ hoàn toàn giống nh< của máy phát điện đồng bộ. Tr<ờng hợp này động cơ đồng bộ đ<ợc quay bởi máy nối cùng trục với nó (thí dụ trong bộ động cơ đồng bộ - máy phát điện một chiều, máy phát điện một chiều lúc mở máy làm việc nh< động cơ điện để quay động cơ đồng bộ đến tốc độ đồng bộ). Trong một số tr<ờng hợp có thể mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn có tần số thay đổi. Muốn vậy động cơ đồng bộ phải lấy điện từ một máy phát điện riêng có tần số điều chỉnh đ<ợc từ không đến tần số định mức trong quá trình mở máy. Nh< vậy động cơ đ<ợc quay đồng bộ với máy phát ngay từ lúc tốc độ còn rất thấp. Cần chú ý rằng trong tr<ờng hợp này, dòng điện kích thích của cả động cơ và máy phát điện đều phải do nguồn điện một chiều riêng cung cấp. Nguyn Vn ụ - HL 164 Hình 26-4. Đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ P đm = 500 kW; 600 V; 50 Hz; 600vg/ph; cos = 0,8 (quá kích thích) 26.1.2. Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ Các đặc tính của động cơ điện đồng bộ làm việc với dòng điện kích từ i t = const trong l<ới điện có U, f = const bao gồm các quan hệ P 1 , I 1 , , cos = f(P 2 ) có dạng nh< trình bày trên hình 26-4. Cũng giống nh< máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ th<ờng làm việc với góc = 20 0 ữ 30 0 . Đặc điểm của động cơ đồng bộ là có thể làm việc với cos cao và ít hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của l<ới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hoá i t . Điều đó có thể thấy đ<ợc dựa vào đặc tính hình V tức là quan hệ I = f(i t ) của động cơ điện đồng bộ. Cách thành lập đặc tính này của động cơ đồng bộ hoàn toàn giống nh< của máy phát điện đồng bộ. Ta thấy rằng khi kích thích thiếu, động cơ tiêu thụ công suất điện cảm của l<ới điện ( > 0) và ng<ợc lại khi qúa kích thích, động cơ phát công suất điện cảm vào l<ới điện ( < 0), nghĩa là tiêu thụ công suất điện dung. Vì vậy có thể lợi dụng chế độ làm việc quá kích thích của động cơ điện đồng bộ để nâng cao hệ số công suất cos của l<ới điện. 26-2. Máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải với dòng điện kích từ đ<ợc điều chỉnh để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, do đó duy trì đ<ợc điện áp quy định của l<ới điện ở khu vực tập trung hộ dùng điện. Chế độ làm việc bình th<ờng của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích phát công suất điện cảm vào l<ới điện hay nói khác đi, tiêu thụ công suất điện dung của l<ới điện. ở tr<ờng hợp này, máy bù đồng bộ có tác dụng nh< một bộ tụ điện và đ<ợc gọi là máy phát công suất phản kháng. Khi tải của các hộ dùng điện giảm, ví dụ về đêm hoặc vào những giờ không cao điểm, điện áp của l<ới tăng thì máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ thiếu kích thích, tiêu thụ công suất phản kháng (điện cảm) của l<ới điện và gây thêm điện áp rơi trên đ<ờng dây để duy trì điện áp khỏi tăng quá mức quy định. Việc điều chỉnh dòng điện kích thích i t để duy trì điện áp của l<ới (ở đầu cực của máy bù đồng bộ) không đổi, th<ờng đ<ợc tiến hành tự động. Máy bù đồng bộ tiêu thụ rất ít công suất tác dụng vì công suất đó chỉ dùng để bù vào các tổn hao trong nó. Máy bù đồng bộ th<ờng có cấu tạo theo kiểu cực lồi. Để dễ mở máy, mặt cực đ<ợc chế tạo bằng thép nguyên khối trên có mặt dây quấn mở máy. Trong tr<ờng hợp mở máy trực tiếp gặp khó khăn thì phải hạ điện áp mở máy, hoặc dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn để kéo máy bù đồng bộ đến tốc độ đồng bộ. Trục của máy bù đồng bộ có thể nhỏ vì không kéo tải cơ (chủ yếu chỉ do ma sát của ổ trục và quạt gió). Nguyn Vn ụ - HL 165 Cũng do mômen cản trên trục nhỏ nên nên yêu cầu làm việc ổn định với l<ới điện không bức thiết, do đó có thể thiết kế cho x d lớn nghĩa là khe hở có thể nhỏ, kết quả là có thể làm giảm sức từ động và dây quấn kích từ khiến cho kích th<ớc máy nhỏ hơn. Công suất định mức của máy bù đồng bộ đ<ợc quy định ứng với chế độ làm việc quá kích thích có trị số: S đm = mU đm I đm (26-5) Khi làm việc ở chế độ thiếu kích thích tối đa, nghĩa là ứng với khi i t = 0 và E = 0, công suất của máy bằng: S = mU đm I (26-6) Nếu bỏ qua các tổn hao thì: d dm d dm x U j jx UE I = =' Vậy: d dm x U mS 2 '= (26-7) So sánh công suất đó với công suất định mức có: * 1' dddm dm dm xxI U S S == (26-8) Thông th<ờng đối với máy bù đồng bộ x d* = 1,5 ữ 2,2; 67,045,0 ' ữ= dm S S và các trị số này có thể đáp ứng yêu cầu về vận hành. Trong một số tr<ờng hợp cần tăng trị số S thì phải giảm x d* bằng cách tăng khe hở và điều này khiến cho giá thành của máy cao hơn. Để đ<ợc kinh tế hơn, có thể thực hiện chế độ kích thích âm, khi đó E < 0, kết quả là I sẽ tăng khiến cho S lớn hơn lên. Thí dụ Một máy phát điện đồng bộ cung cấp cho hộ tiêu thụ một công suất 2500 + j3000 kVA với điện áp 6,3 kV. Xác định tổng tổn hao trên đ<ờng dây và trong máy phát, biết rằng điện trở một pha của đ<ờng dây r d = 0,15 , của máy phát r < = 0,045 . Nếu đặt thêm máy bù đồng bộ với công suất bù là 30 - j3000 kVA thì tổng tổn hao trên là bao nhiêu? Giải Công suất của tải: kVAQPS 391030002500 2222 =+=+= Dòng điện tải khi ch<a bù: 360 3,63 3910 3 === U S I A Hệ số công suất khi ch<a bù: Nguyn Vn ụ - HL 166 64,0 3910 2500 cos === S P Tổng tổn hao khi ch<a bù: 2,75)045,015,0(3603)(3 22, =+ì=+= ud rrIP kW Công suất của máy khi có bù: 2530)300030()30002500( , =++=+= jjSSS bu kW Dòng điện t<ơng ứng: 233 3,63 2530 3 , , = ì == U S I A Tổng tổn hao khi có máy bù: 5,31)045,015,0(2333)(3 22,, =+ì=+= ud rrIp kW Hệ số công suất khi có bù: cos , = 1 vì Q , = 0 Câu hỏi 1. Ưu, nh<ợc điểm của động cơ điện đồng bộ so với động cơ điện không đồng bộ? Các ph<ơng pháp mở máy động cơ điện đồng bộ? 2. Khi mở máy động cơ điện đồng bộ theo hình 26-1b, vì sao khi tốc độ rôto đạt đến (0,6 ữ0,7)n đm mới bắt đầu cho dòng điện kích thích vào rôto? 3. Vì sao máy bù đồng bộ có khả năng duy trì điện áp quy định của l<ới điện ở khu vực tập trung hộ dùng điện? Bài tập Công suất tác dụng của một nhà máy P 1 = 527 kW, cos 1 = 0,7. Để kéo thêm một tải động lực có công suất P 2 = 150 kW nhà máy dùng một động cơ điện đồng bộ. Hỏi công suất S đb của động cơ đồng bộ đó là bao nhiêu kVA để kéo đ<ợc tải động lực trên và nâng cos của nhà máy lên 0,9? Biết hiệu suất của động cơ điện đồng bộ = 0,87. Đáp số: S đb = 626 kVA . 160 Ch"ơng 26 Động cơ và máy bù đồng bộ 26- 1. Động cơ điện đồng bộ Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất th<ờng là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ điện. 1000 500 Hình 26- 3. Quan hệ U, I, i t , n = f(t) khi mở máy động cơ đồng bộ 1500kW theo sơ đồ hình 26- 1b động cơ điện đồng bộ, nhờ đó mà lúc đến gần tốc độ đồng bộ động cơ đ<ợc kéo vào. nh<ợc điểm của động cơ điện đồng bộ so với động cơ điện không đồng bộ? Các ph<ơng pháp mở máy động cơ điện đồng bộ? 2. Khi mở máy động cơ điện đồng bộ theo hình 26- 1b, vì sao khi tốc độ