Máy phát điện đồng bộ và không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát.

Phân loại máy điện không đồng bộ

Khi phân loại máy điện không đồng bộ, có thể căn cứ theo:

• Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung…
• Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: kiểu rotor dây quấn và kiểu rotor lồng sóc.
• Theo số pha: kiểu một pha, hai pha, ba pha.

Cấu tạo máy điện không đồng bộ

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bị và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Stator

Stator [phần tĩnh] gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

Lõi thép

Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

Dây quấn stator

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các ranh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.

Võ máy

Vỏ máy bao gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.

Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

Lõi thép

Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

Trục

Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto.

Dây quấn rotor

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch.

Rotor dây quấn cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao [Y] và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng bộ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p [f là tần số lưới điện; p là số đội cực từ của máy; n là tốc độ từ trường quay bậc một] Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, làm cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện động E,. Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I, chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tống ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mô men. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ.

Các đại lượng định mức

Máy điện không đồng bộ có các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy. Máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy chỉ ghi các trị số làm việc của chế đô động cơ ứng với tải định mức.

• Dòng điện định mức.
• Điện áp dây định mức.
• Kiểu đấu sao hay tam giác
• Tốc độ quay định mức.
• Hiệu suất định mức.
• Hệ số công suất định mức.

Công dụng của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh…Tóm lại phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.

Tuy vậy máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: cosφ của máy thường không cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của nó có phần bị hạn chế.

Hy vọng qua bài viết trên các bạn sẽ biết được sâu hơn về máy điện không đồng bộ. Cuối cùng chúc các bạn luôn thành công và hẹn các bạn tại các viết sau!

      Động cơ đồng bộ hay máy điện đồng bộ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay roto luôn không đổi khi tải thay đổi. Ở bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về khái niệm, nguyên lý, cấu tạo, phương pháp mở máy động cơ đồng bộ.

1. Định nghĩa

1.1 Định nghĩa

Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn roto được kích thích bằng dòng điện một chiều.

Động cơ đồng bộ

1.2 Công dụng

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW. Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, máy điện 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, dụng cụ tự ghi, thiết bị điện sinh hoạt, …

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

2. Cấu tạo máy điện đồng bộ 

Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stato và roto. Hình bên dưới vẽ mặt cắt ngang trục máy.

Mặt cắt ngang trục động cơ đồng bộ 

Ghi chú:

1 : lá thép stato

2 : dây quấn stato

3 : lá thép roto

4 : dây quấn roto

2.1 Stato

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

Stato động cơ đồng bộ 

2.2 Roto

Roto động cơ đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy. Đối với máy nhỏ roto là nam châm vĩnh cửu. Có hai loại: roto cực ẩn và roto cực lồi.

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

Roto cực lồi 

· Roto cực ẩn thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 v/p, có một đôi cực.

Roto cực ẩn 

Để có suất 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 roto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ.

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

Kích từ động cơ đồng bộ 

3. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 

Khi ta cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn stato, dòng điện ba pha ở stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1=60f/p. Ta hình dung từ trường quay stato như một thanh nam châm quay. Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn roto, roto biến thành một nam châm điện có cực từ không thay đổi.

Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 

Tác dụng tương hỗ 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 bằng tốc độ từ trường [n = n1] nên được gọi là động cơ động bộ.

Như vậy khác với động cơ không đồng bộ, ở động cơ đồng bộ ta có roto được cấp nguồn điện một chiều độc lập nên vẩn có lực tác động tương hỗ giữa stato vào roto khi tốc độ động cơ bằng với tốc độ từ trường.

4. Mở máy động cơ điện đồng bộ

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

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

Nối ngắn mạch roto tạo moment mở máy đồng cơ đồng bộ 

Khi mở máy, nhờ có dây quấn mở máy ở roto, động cơ sẽ làm việc như máy điện không đồng bộ. Người ta chế tạo các động cơ, có hệ số mở máy Mmở /Mđm từ 0,8 ÷ 1.

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. Khi roto đã quay đến tốc độ gần bằng tốc độ n1, đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ.

Với động cơ công suất nhỏ, khi mở máy có thể đóng trực tiếp dây quấn stato vào lưới điện.

Với động cơ công suất lớn khoảng 3 ÷ 5 MW, phải hạn chế dòng 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 đồng bộ là mở máy và cấu tạo phức tạp nên giá thành đắt so với động cơ không đồng bộ.

5. Điều chỉnh hệ số công suất cosφ của máy điện đồng bộ 

Hình bên dưới sơ đồ thay thế được vẽ như hình dưới.

Sơ đồ thay thế động cơ điện đồng bộ 

 Ta có, phương trình điện áp là:

Khi bỏ qua điện trở dây quấn stato ta có:

Hình bên dưới vẽ đồ thị véc tơ 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.

Đồ thị véc tơ trong trường hợp thiếu kích từ 

Trong công nghiệp, người ta cho làm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước qua điện áp U, động cơ vừa tạo ra cơ năng, đồng thời phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất của lưới điện. Đó là ưu điểm rất lớn của loại động cơ này.

6. Lưu ý hòa lưới điện của các Máy Phát Điện đồng bộ 

Các hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau, tạo thành lưới điện. Công suất của lưới điện rất lớn so với công suất mỗi máy riêng lẽ, do đó điện áp cũng như tần số của lưới có thể giữ không đổi, khi thay đổi tải.

Để các máy làm việc song song, phải đảm bảo các điều kiện sau:

– Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha nhau.

– Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện.

– Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.

Nếu không đảm bảo các điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong máy, phá hỏng máy và gây rổi loạn hệ thống điện.

Để đóng máy phát điện vào lưới ta dung thiết bị hòa đồng bộ.

Đối với máy phát điện công suất nhỏ, có thể đóng vào lưới bằng phương pháp tự đồng bộ như sau: dây quấn kích từ không đóng vào nguồn điện kích từ, mà khép qua điện trở phóng điện, để tránh xuất hiện điện áp cao, phá hỏng dây quấn kích từ. Quay roto đến gần tốc độ đồng bộ sau đó đóng máy phát vào lưới và cuối cùng sẽ đóng dây quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy sẽ làm việc đồng bộ.

Video về động cơ đồng bộ

Tài liệu tham khảo “Máy điện đồng bộ”