Bài giảng Vật lý công nghệ 1 - Chương 9: Máy điện đồng bộ

Tp Vinh, ngày 28/04/2016 1 Chương 9 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Bài giảng Vật lý công nghệ 1 PGS. TS Nguyễn Hồng Quảng Trung tâm Thực hành thí nghiệm 28/04/2016 2 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc trưng của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 3 - Khái niệm  Máy điện đồng bộ (MĐĐB) là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường  Khác với máy điện không ĐB, MĐĐB có thể hoạt động tốt ở cả hai chế độ: Máy phát và Động cơ 1. Giới thiệu 28/04/2016 4 và chiếc đĩa phát điện đầu tiên của ông (1831) Nguồn: 1. Giới thiệu Thí nghiệm về cảm ứng điện từ của Faraday, cơ sở của máy phát điện xoay chiều - Máy phát điện đồng bô ̣ 28/04/2016 5 Máy phát điện có tay quay 1. Giới thiệu Máy phát điện đầu tiên của Jedlik (1870) - Máy phát điện đồng bô ̣ 28/04/2016 6 1. Giới thiệu Máy phát thuỷ điện của Hungary sản xuất đầu thê ́ ký̉ 20 Nguồn - Máy phát điện đồng bô ̣ 28/04/2016 7 1. Giới thiệu Động cơ đồng bộ - Động cơ điện đồng bô ̣ Động cơ đồng bộ thường dùng có công suất lớn 28/04/2016 8 1. Giới thiệu Hoặc công suất nhỏ - Động cơ điện đồng bộ 28/04/2016 9 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc tuyến của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 10 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ Sơ đồ cấu tạo 28/04/2016 11 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ Phần tĩnh (stator) Phần quay (rotor) Máy điện đồng bô ̣ Bộ kích từ (exciter) Sơ đồ cấu tạo 28/04/2016 12 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ 2.1 Stator (phần tĩnh), gắn với vỏ máy, gồm: a) Lõi thép (dẫn từ) b) Các cuộn dây (dẫn điện) Lõi thép Các cuộn dây 28/04/2016 13 a) Lõi thép stator: - Được ghép từ các lá thép KTĐ mỏng (dày 0.35 ~ 0.5mm) sơn cách điện; - Dùng làm mạch từ của máy b) Dây quấn stator: - Làm từ dây đồng (hoặc nhôm); - Bọc cách điện, đặt trong rãnh (slot) + Dây quấn 3 pha  máy điện 3 pha; + Dây quấn 1 pha  máy điện 1 pha 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ 2.1 Stator (phần tĩnh), gắn với vỏ máy, gồm: 28/04/2016 14 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ a) Rotor cực lồi: - Các cực lồi hẳn ra ngoài - Có nhiều đôi cực từ (>=2) - Dùng cho rotor có tốc độ quay chậm (<50 vòng/s) b) Rotor cực ẩn: - Các cực ẩn trong lõi thép - Chỉ có 1 đôi cực từ (p = 1) - Dùng cho rotor có tốc độ quay nhanh (>=50 vòng/giây) 2.2 Rotor (phần quay), cực lồi hoặc cực ẩn 28/04/2016 15 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ a) Rotor cực lồi: - Các cực lồi hẳn ra ngoài - Có nhiều đôi cực từ (>=2) - Dùng cho rotor có tốc độ quay chậm (<50 vòng/s) b) Rotor cực ẩn: - Các cực ẩn trong lõi thép - Chỉ có 1 đôi cực từ (p = 1) - Dùng cho rotor có tốc độ quay nhanh (>=50 vòng/giây) 2.2 Rotor (phần quay), cực lồi hoặc cực ẩn 28/04/2016 16 Đối với máy phát thủy điện, người ta thường dùng loại rotor cực ẩn hay lồi? Vì sao? Cực ẩn hay cực lồi ? Đối với máy phát nhiệt điện hoặc máy điện hạt nhân thi ̀ cần dùng rotor loại nào? Cực ẩn hay lồi? Vì sao? Tuabin máy thủy điện có tốc độ quay không lớn lắm (200 ~ 400 vòng/phút) Tuabin của máy nhiệt điện hay điện hạt nhân đều là tua bin hơi nước, có tốc độ quay rất lớn (>3000 vòng/phút) 28/04/2016 17 a) Tác dụng: Cung cấp dòng điện DC cho cuộn dây rotor, giúp rotor tạo ra từ trường. 2.3 Bộ kích từ (exciter) 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ b) Có 2 cách cung cấp nguồn # Kích từ độc lập: Dùng nguồn một chiều từ bên ngoài qua cô ̉ góp và chổi than # Tự kích từ: Trích từ nguồn DC nối thẳng với trục máy thông qua bô ̣ chỉnh lưu (không cần chổi than và cô ̉ góp 28/04/2016 18 - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ - Sự tiếp xúc giữa chổi than với cô ̉ góp  mòn chổi than bảo dưỡng;  sụt áp trên chổi than hao điện  dùng với máy công suất nhỏ - Tránh được hầu hết những nhược điểm của loại kích từ độc lập - Kết cấu phức tạp, đắt tiền  Nên dùng với máy điện có công suất lớn Trình bày ưu điểm/nhược điểm của mỗi loại kích từ nói trên ? 2. Cấu tạo máy điện đồng bô ̣ 2.3 Bộ kích từ (exciter) 28/04/2016 19 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc tuyến của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 20 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB  Nguồn kích từ cấp dòng 1 chiều cho dây quấn rotor  Tác nhân ngoài làm rotor quay  Từ trường của rotor quay cảm ứng lên các dây quấn stator sđđ cảm ứng Nguồn điện xoay chiều được tạo ra (AC) Dòng điện ra mạch ngoài nhờ các vành khuyên 28/04/2016 21 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 22 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 23 Như vậy: Một hê ̣ thống máy phát điện cần có 3 bộ phận:  Động cơ sơ cấp (để quay rotor),  Nguồn kích từ (cấp điện 1 chiều cho rotor) va ̀  Máy phát (cảm ứng ra suất điện động xoay chiều) 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 24 Sơ đồ nguyên ly ́ hoạt động của một số loại tuabin Tác nhân làm quay rotor: - Thủy lực - Gió - Hơi nước (áp lực lớn) - Địa nhiệt - Thủy triều - 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 25 Mô hình nhà máy thủy điện (xem video) 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 26 Mô hình nhà máy điện gió (xem video) 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 27 Mô hình nhà máy nhiệt điện (xem video) 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 28 Mô hình nhà máy điện hạt nhân (xem video) 3. Nguyên ly ́ hoạt động máy phát ĐB 28/04/2016 29  Tần số của dòng điện phát ra: 60 pn f R trong đó f là tần số (Hz), p là số cặp cực rotor; nR là tốc độ quay của rotor (vòng/phút)  Giá trị suất điện động là: 0. KE  Dòng điện stator tạo ra từ trường quay với tốc độ: Rn p f n    0 1 SỰ QUAY ĐỒNG BỘ K: hằng số cấu trúc 0: từ thông rotor : tốc độ của rotor Bạn có thể tự mình chế tạo một máy phát điện đơn giản được không? 3. Nguyên ly ́ hoạt động MĐ ĐB 28/04/2016 30 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc tuyến của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 31 4. Nguyên ly ́ hoạt động động cơ ĐB Dòng điện 3 pha đi vào các cuộn dây Stator Bộ kích từ cấp nguồn DC cho Rotor Từ trường của Stator tác dụng lực từ lên Rotor Rotor quay 28/04/2016 32 4. Nguyên ly ́ hoạt động động cơ ĐB Dòng điện 3 pha đi vào các cuộn dây Stator Bộ kích từ cấp nguồn DC cho Rotor Từ trường của Stator tác dụng lực từ lên Rotor Rotor quay 28/04/2016 33 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc tuyến của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 34  Phản ứng của phần ứng máy phát ĐB: Khi rotor quay, từ trường BR của nó sẽ cảm ứng lên cuộn dây stator một suất điện động cảm ứng;  Khi tải được nối với cuộn dây stator thì sẽ có dòng điện trong cuộn dây stator Iư Dòng điện này sinh ra từ trường BS tương tác với từ trường BR của rotor, làm ảnh hưởng đến từ trường rotor. SRT BBB   5. Đặc tuyến của máy phát ĐB 28/04/2016 35 AAAAA RIIjXjXIEV  ssS IjXE  sA EEV   Mạch điện thay thế máy phát ĐB: Điện áp pha sẽ bao gồm 2 phần: Do rotor và do stator tạo nên: As jXIE  Trong đó Es là sđđ cảm ứng xuất hiện trong cuộn stator do tự cảm Kể đến tổng trở của tải (R + jX): 5. Đặc tuyến của máy phát ĐB 28/04/2016 36  Đặc tuyến không tải Mô tả sự phụ thuộc của điện áp phần ứng vào từ thông rotor, do dòng kích từ tạo nên   0  AI FA IfE Dòng kích từ tăng làm từ thông rotor tăng, gây ra sđđ trong stator tăng lên 5. Đặc tuyến của máy phát ĐB 28/04/2016 37  Đặc tuyến ngoài Mô tả sự phụ thuộc của điện áp ra của stator khi dòng điện stator tăng (dòng qua tải tăng)   constI f IfU   Dòng qua tải tăng làm sụt áp trên tải tăng, do đó điện áp còn lại trên 2 cực của nguồn giảm nếu tải có tính trở hoặc cảm, ngược lại nếu tải có tính dung tA ZIEU . 5. Đặc tuyến của máy phát ĐB 28/04/2016 38  Đặc tuyến điều chỉnh Mô tả sự phụ thuộc của dòng điện kích từ vào dòng điện tải khi điện áp ra tải được giữ không đổi Dòng qua tải tăng làm sụt áp trên tải tăng, do đó muốn điện áp còn lại trên 2 cực của nguồn không đổi thì buộc tăng sđđ của nguồn tức là tăng dòng kích từ (khi tải có tính cảm hoặc trở)   constUAF IfI  5. Đặc tuyến của máy phát ĐB 28/04/2016 39 Nội dung 1. Giới thiệu máy điện đồng bộ 2. Cấu tạo máy điện ĐB 3. Nguyên ly ́ hoạt động của máy phát ĐB 4. Nguyên ly ́ hoạt động của động cơ ĐB 5. Các đặc trưng của máy phát ĐB 6. Sự làm việc song song của máy phát 28/04/2016 40 6. Máy phát làm việc song song Vì sao nên làm việc song song ?  Nhiều máy phát có thể cung cấp cho tải lớn hơn  Sự sai hỏng của một máy không làm mất hoàn toàn công suất của tải  tăng độ tin cậy của hệ thống  Có thể rút một máy nào đó để bảo trì mà không làm gián đoạn hoạt động của hệ thông  Tăng cường hiệu suất làm việc của từng máy 28/04/2016 41 6. Máy phát làm việc song song Điều kiện để các máy phát làm việc song song:  Có cùng mức điện áp  Có cùng pha  Có cùng tần sô ́ hoặc máy chạy trước phải có tần sô ́ cao hơn một chút so với máy chạy sau 28/04/2016 42 6. Máy phát làm việc song song Một số loại máy phát điện ĐB Doosan Generator 28/04/2016 43 Engine: Doosan - Korea Alternator: Deawoo (Korea) / Mecc Alte (Italia) Controller: Deepsea - UK / Datakom - Turkey Assembly: Vietnam Marine Generator Sets 28/04/2016 44 Output: 35kVA - 1000kVA. - Marine engine: Cummins - USA. - Marine Alternator: Stamford - England. - Controller: Ketstart. Một số loại máy phát điện ĐB KUBOTA Generator 28/04/2016 45 Model number：K10.6S- 1P to K49SX Simple introduction： Product name: Kubota Introduction: Single/Three phase, 50Hz/60Hz, 1500rpm/1800rpm, powered by Kubota with Stamford/Leroysomer alternator, power output ranging from 8 kW to 32kW. Một số loại máy phát điện ĐB 28/04/2016 46 Một số loại máy phát điện ĐB PERKINS Generator Original Perkins Model numbe: P8E to P1656EX Original: PERKINS Product name: Original PERKINS Model number: P8E to P1656EX Introduction: 50Hz/60Hz， 1500rpm/1800rpm， powered by Original Perkins engine, With Stamford, Leroy-Somer Alternators, power ranging from 7.2kW to 1760kW