102

Ch"ơng 21
Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

21-1. Đại c;ơng

Sau khi đã phân tích từ tr4ờng của máy điện đồng bộ lúc không tải và lúc có tải, ta
sẽ phân tích các quan hệ điện từ chính trong máy làm cơ sở cho việc nghiên cứu các
đặc tính của máy phát và động cơ điện đồng bộ. Các quan hệ điện từ chính đ4ợc nêu
lên ở đây bao gồm các ph4ơng trình điện áp và đồ thị véctơ t4ơng ứng, giản đồ cân
bằng năng l4ợng, công suất điện từ của máy điện đồng bộ. Do tính chất thuận nghịch
của máy điện nên ta sẽ ta sẽ xét các quan hệ điện từ nói trên trong các tr4ờng hợp máy
làm việc nh4 máy phát điện và động cơ điện, ngoài ra còn xét tr4ờng hợp đặc biệt khi
máy làm việc nh4 máy bù đồng bộ.
Vì cấu tạo của máy điện đồng bộ có thể là cực ẩn hoặc cự lồi, t4ơng ứng máy sẽ có
những đặc điểm khác nhau cho nên trong từng vấn đề trên ta cũng cần xét riêng biệt
đối với từng loại máy.

21-2. Ph;ơng trình điện áp và đồ thị véc tơ
của máy điện đồng bộ

Chế độ làm việc của máy điện đồng bộ ở tốc dộ quay n = const đ4ợc thể hiện rõ
ràng thông qua các quan hệ giữa các đại l4ợng E, U, I, I
t
, cos, trong đó một số quan
hệ chính đ4ợc suy ra từ ph4ơng trình cân bằng điện áp của máy. ở tải đối xứng ta có
thể xét riêng rẽ từng pha và ph4ơng trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có
dạng sau đây:
Đối với máy phát điện đồng bộ:

) và từ tr4ờng phần ứng F
4
sinh ra. Khi mạch từ của máy không bão hoà có thể xem
nh4 các từ tr4ờng F
t
, F
4
độc lập sinh ra trong dây quấn các s.đ.đ. E và E
4
và ứng dụng
nguyên lý xếp chồng ta có:

4
EEE
&&&
+=

(21-3)
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

103

&
E
0
&
E




u
F
&


F
&
#
4
$%&
&


4
'%
&


&
U

&
E


4
$%&
&



)*+,#
-
.
/
.0
#12#3,4#506060#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@#
7A7#B+#C#3D=#7E#3F+,#7D9#G!"#HI#C#3D=#7E#3F+,#JK+?#G("
Khi mạch từ của máy bão hoà thì nguyên lý xếp chồng nói trên không áp dụng
đ4ợc. Trong tr4ờng hợp đó phải xác định từ tr4ờng tổng
u
FF
&&
+
0
và từ thông tổng ở khe
hở F

sau đó suy ra s.đ.đ. E

.
21.2.1. Tr&ờng hợp máy phát điện
Vì hiện t4ợng bão hoà mạch từ có ảnh h4ởng rất nhiều đối với việc thành lập s.đ.đ.
và điện áp ở đầu máy nên d4ới đây sẽ xét ph4ơng trình cân bằng điện áp và đồ thị
vectơ trong tr4ờng hợp máy phát điện không bão hoà.
1. Tr&ờng hợp mạch từ không bão hoà
Giả sử máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng có tính cảm 0 < < 90
0
.
Trong tr4ờng hợp máy cực ẩn, đem kết hợp (21-1) và (21-3) ta có ph4ơng trình cân
bằng điện áp sau:

4
gọi là điện kháng đồng bộ. Đối với máy phát điện đồng bộ cực
ẩn, x
đb
= 0,7 ữ 1,6.
Đồ thị vectơ s.đ.đ. t4ơng ứng với (21-5) trình bày trên hình 21-1. Trên hình cũng vẽ
đ4ợc vectơ )(
00
F
&
&
v4ợt tr4ớc
E
&

góc /2 và vectơ
)(
,,
uu
F
&
&

v4ợt tr4ớc
,
u
xIjE
&&
=
4

cảm, phản ứng phần ứng là khử từ và dẫn đến kết quả là E

< E.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

104)*+,# /-0##12#3,4#506060#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@#
7A7#L2=#C#3D=#7E#3F+,#7D9#G!"#HI#C#3D=#7E#3F+,#JK+?#G("

)*+,# /M0#12#3,4#506060#6N#(=O+#
6P=#78!#9:;#<,:3#6=>+#7A7#L2=#





dd
xIj
&


I
&

U
&

q


Trong tr4ờng hợp máy điện cực lồi ta phân s.t.đ. phần ứng F
4
thành hai thành phần
dọc trục F
4d
và ngang trục F
4q
.

Từ thông
4d
và
4q
t4ơng ứng với các s.t.đ.

F
4d

(21-7)

Đồ thị vectơ s.đ.đ. t4ơng ứng với (21-7) đ4ợc trình bày trên hình 20-2 mang tên là
đồ thị Blondel.
Vectơ
4
xIj
&

trong (21-7) do từ thông tản sinh ra không phụ thuộc vào từ dẫn của
khe hở theo các h4ớng dọc trục và ngang trục. Tuy
nhiên nếu phân tích nó thành các thành phần theo
hai h4ớng đó ta có:
)sincos(
444
xIxIjxIj
&&&
+=
44
xIjxIj
dq
&&
=

và (21-7) trở thành:
444q44d
rIxxIjxxIjEU
qd
&&&&&
++= )()(
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

105

)*+,#
-
.
/
#
Q
0#
#
12#3,4#RS7,=T#78!#9:;#<,:3#6=>+#62+?#(@
#
0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4






F


U
&


E
&

u
xIj

&

u
rI
&

I
&

x
q
= x
4q

q
x
q
và vẽ PQ = I
d
x
d
thì OQ
chính là sức điện động E.
ở trên, các đồ thị véctơ đều đ4ợc thành lập ứng với tải có tính cảm. Nếu tải có tính
dung 0 > > - /2 thì các đồ thị véctơ có dạng nh4 trên hình 21-1b và 21-2b, khi đó
do tính chất trợ từ của phản ứng nên E

> E.
2. Đồ thị véctơ điện áp của máy điện đồng bộ khi xét đến bão hoà
Các đồ thị véctơ trên hình 21-1 và 21-2 đ4ợc suy ra ứng với tr4ờng hợp mạch từ
không bão hào, tuy nhiên vẫn có thể ứng dụng đối với tr4ờng hợp mạch từ bão hoà ở
chế độ tải lúc đó.
Vì các hệ bão hào số k
à
d
và k
à
q
trong các biểu thức (20-23) và (20-24) rất khó xác
định đ4ợc chính xác, nên trên thực tế các đồ thị véctơ điện áp của máy điện đồng bộ
trong tr4ờng hợp mạch từ bão hoà đ4ợc thành lập dựa vào các đồ thị s.t.đ. và s.đ.đ. kết
hợp với đ4ờng cong không tải (tức đ4ờng cong từ hoá) của máy.
Đối với máy phát đồng bộ cực ẩn, đồ thị véctơ điện áp thành lập đ4ợc dựa theo cơ
sở nói trên gọi là đồ thị sức từ điện động (viết tắt là s.t.đ.đ.) và có tên gọi là Pôchiê.

đ4ợc véctơ

E
&
. Từ đ4ờng
cong không tải ứng với

E
&
có thể xác
định đ4ợc s.t.đ.

F
&
hoặc dòng điện từ
hoá t4ơng ứng. Cộng hình học

F
&
và
uu
kF
&
ta tìm đ4ợc
0
F
&
. Chú ý rằng
uu
kF

(hoặc F
0
) ứng
với tải định mức hoặc tải bất kỳ, do đó rất cần thiết cho thiết kế và vận hành. Tuy ở đây
s.t.đ. của phần ứng không đ4ợc phân thành F
4d
và F
4q
nh4ng đôi khi đồ thị Pôchiê cũng
đ4ợc ứng dụng cho cả máy đồng bộ cự lồi. Sai số lúc đó về E vào khoảng 5 ữ 10%.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

106

u
rI
&

dd
xIj
&

q
q
xIj
&

E
&


xIj
&

u
rI
&

E
&

I
&






(
"
#
)*+,#
-
.
/
U
0#12#3,4#HV73W#78!#6@+?#
7W#6=>+#62+?#(@#X,=#3,=OK#XF7,#
3,F7,#G!"#HI#X,=#YK:#XF7,#3,F7,#G("
#

cos
uq
E







!"
#
)*+,#
-
.
/
Z
0#[:7#64+,#62#3,4#HV73W#
50306060#HI#6@#3,!;#6\=#6=>+#:<#78!#
9:;#62+?#(@#7A7#L2=#X,=#$V3#6O+#(N]#
,]I
#
E

d

E

E
uq


(
"
#
E
4d

Đối với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thành lập đồ thị véctơ có xét đến trạng thái
bão hoà của mạch từ một cách chính xác gặp rất nhiều khó khăn, vì lúc đó từ thông dọc
trục
d
và ngang trục
q

có liên quan với nhau và
th4ờng trạng thái bão hoà
theo hai h4ớng là khác
nhau. Nh4 vậy x
4d
không
những phụ thuộc vào
d

mà còn phụ thuộc vào cả

q
, và t4ơng tự thì x
4q
cũng
phụ thuộc vào cả

4
, jIx

4
và có đ4ợc E

(hình 21-5a), theo h4ớng Ix

4
ta vẽ đoạn:

cos
uq
uq
E
IxCD == (21-9)
và xác định đ4ợc ph4ơng của E. Trị số của x
4q
trong (21-9) có thể tính đ4ợc theo (20-
24), trong đó nếu k
à
q
ch4a cho tr4ớc thì có thể lấy gần đúng bằng 1,1 ữ 1,5. Nếu không
tính x
4q
thì CD cũng có thể xác định đ4ợc bằng trị số AB của đ4ờng cong không tải
ứng với s.t.đ. ngang trục của phần ứng đã quy đổi về s.t.đ. của cực từ:
uuquq
FkF =
,

thành cơ năng. Nh4 đã biết, động cơ
điện đồng bộ th4ờng cấu tạo cực lồi nên
nếu gọi điện áp l4ới điện là U, từ
ph4ơng trình (21-2) đối với máy cực lồi PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

107

ta có: )(
uu
jxrIEU

++=
&&uqqdd
uuuqud
rIxIjxIjE
jxrIEEE
&&&&
&&&&
+++=
++++= )(

(21-10)
Đồ thị véctơ t4ơng ứng với ph4ơng trình (21-10) nh4 ở hình 21-6. Từ đồ thị véctơ
đó ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện P = m.U.I.cos < 0.

a. Tổn hao công suất cần thiết để đ4a không khí hoặc các chất làm lạnh khác vào
các bộ phận của máy.
b. Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt rôto và stato khi rôto quay
trong môi chất làm lạnh (không khí)
ở các máy phát điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau, tỷ lệ phân phối
các tổn hao nói trên không giống nhau. Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất
trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm tới
khoảng 65% tổng tổn hao. Trong khi đó tổn hao trong lõi thép stato (kể cả tổn hao
chính và phụ) chỉ chiếm khoảng 14%. Trong máy phát tuabin n4ớc công suất lớn, tốc
độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiếm khoảng
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

108

)*+,# /^0#_=D+#62#+`+?#Lab+?#78!#9:;#<,:3#
6=>+#62+?#(@#G!"#HI#6@+?#7W#6=>+#62+?#(@#G("#
<
7W
#
P
1

P
đt

P
2

<
3

#
<
c
#
<
7W
#
("
#
35%, còn tổn hao trong lõi thép stato thì chiếm tới 37%. Trong tr4ờng hợp này, để
giảm bớt tổn hao trong lõi thép stato nên dùng tôn silic có suất tổn hao nhỏ. Tổn hao
phụ có thể chiếm tới khoảng 11% đối với máy phát tuabin n4ớc, trong đó chủ yếu là
tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18% đối với máy phát tuabin hơi và ở
đây khác với tr4ờng hợp máy phát tuabin n4ớc, tổn hao phụ trong dây đồng của stato là
chủ yếu. Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn th4ờng dùng các biện
pháp sau:
a. Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày khoảng 4 ữ
5mm và hoán vị vị trí của chúng ở trong rãnh (đôi khi cả ở phần đầu nối) sao cho dọc
chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở tất cả các vị trí từ phía đáy rãnh lên
phía miệng rãnh.
b. Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng thép không từ
tính.
c. Tiện xoắn ốc bề mặt rôto của máy phát tuabin hơi.
21.3.2. Quá trình năng l&ợng trong máy điện đồng bộ
Giả thử rằng máy đồng bộ có cấu tạo thông th4ờng, nghĩa là cực từ đặt lên rôto và
máy kích thích đặt trên cùng một trục.
ở tr4ờng hợp máy phát điện đồng bộ thì công suất điện từ P
đt
chuyển từ rôto sang
stato bằng công suất cơ P

= P
đt
- p
Cu
- p
Fe

Đối với động cơ điện thì
quá trình biến đổi năng l4ợng
tiến hành ng4ợc lại. Sơ đồ năng
l4ợng của máy phát điện và
động cơ điện đồng bộ trình bày
trên hình 21-7. Ta thấy ở
tr4ờng hợp động cơ điện, công
suất điện từ P
đt
truyền qua từ
tr4ờng từ stato sang rôto, ngoài
ra tổn hao kích từ p
t
lấy từ công
suất điện của mạng. ở tr4ờng
hợp máy phát điện, tổn hao
kích thích lấy từ công suất cơ
trên trục.
các đặc tính góc công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy điện đồng bộ.
21.4.1. Đặc tính góc công suất tác dụng
Đặc tính góc công suất tác dụng của máy điện đồng bộ là quan hệ P = f() khi E =
const, U = const, trong đó là góc tải giữa các véctơ s.đ.đ. E và điện áp U. Việc nghiên
cứu đặc tính này cho phép giải thích đ4ợc nhiều tính chất quan trọng của máy. Trong
khi nghiên cứu đặc tính góc đó, để đơn giản ta bỏ qua r
4
vì trị số của nó rất nhỏ so với
các điện kháng đồng bộ (x
đb
, x
d
, x
q
).
Nh4 đã biết, công suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy bằng:
P = mUI cos
Đối với máy cực lồi, theo đồ thị véctơ trên hình 21-3 với r
4
= 0, ta có:
d
d
x
UE
I

cos

=


hay là:
2sin
11
2
sin
2








+=
dqd
xx
mU
x
mUE
P
(21-13)
= P
e
+ P
u

Trong hệ đơn vị t4ơng đối ta có:

2sin

điện cực lồi có x
d*
= 1,1; x
q*
= 0,75. Khi máy làm việc với tải định mức (U
*
= 1; I
*
= 1;
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

110

)*+,#
-
.
#
/
#g
0
#1ah+?#5i7#3j#
3'ah+?#3']+?#9:;#<,:3#6=>+#
62+?#(@#<,D+#X,:+?0
N

S

d

d

.o-#
#
og#
#
oQ#
##

/
oQ
#
#
/ og#
#
/.o-#
#
/.oU
#

1@+?#7W#6=>+#p:;#<,:3#6=>+

R

("

##.g

##
##
/
.g

!"

P

P
e

P
u

##

#
#######
##.g

##
##
/
.g

##
#####
cos = 0,8) qua đồ thị véctơ s.đ.đ. có thể suy ra E
*
= 1,87;
đm
= 22
0
27. Thay các gí trị

ở trên là biểu thức toán học của công suất tác dụng P = f() trong điều kiện E
(hoặc i
t
) không đổi và điện áp U của máy điện ở đầu cực máy không đổi. Cần chú ý
rằng do bỏ qua tổn hao đồng trên dây quấn phần tĩnh và tổn hao sắt từ nên đó cũng
chính là công suất điện từ của máy.
Từ biểu thức đó ta thấy công suất tác dụng của
máy cực lồi gồm hai thành phần: thành phần P
e
tỷ
lệ với sin và phụ thuộc vào E
0
(hoặc i
t
) và thành
phần P
u
tỷ lệ với sin2 và không phụ thuộc vào E
(hoặc i
t
). Nh4 vậy trong máy đồng bộ cực lồi, khi
mất hoặc không có kích thích i
t
= 0 (E = 0) công
suất P = P
u
0. Điều đó có thể giải thích nh4 sau:
khi i
t
= 0 trong máy chỉ có từ tr4ờng của phần ứng.

x
mUE
P =
(21-15)
Đ4ờng biểu diễn đặc
tính góc công suất tác dụng
P = f() của các máy điện
đồng bộ trình bày trên hình
21-9, trong đó > > 0 ứng
với tr4ờng hợp máy phát
điện, còn 0 > > -/2 ứng
với tr4ờng hợp làm việc nh4
động cơ điện.
ở trên ta đã nói là góc
giữa các vectơ E và U. Khi
thay đổi thì công suất P

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

111
> 0




#
###
/
#k
]
###
/
U
]
####
/
M
]
##### #########M
]
#######U
]
#####k
]
#
Q1
#####################
d
#


0,8



trong tr4ờng hợp máy cực ẩn và cực lồi đ4ợc trình bày trên các hình 21- 1 và 21-2.
Khi làm việc nh4 máy phát điện

> 0, rôto (hoặc F
o
) v4ợt tr4ớc và kéo theo từ
tr4ờng F

trên mặt stato (hình 21-10), còn khi làm việc nh4 động cơ điện


< 0, từ
tr4ờng tổng F

trên mặt stato kéo rôto (hoặc F
o
) quay theo. Lực kéo đó biểu thị cho
công suất P. Rõ ràng là công suất P thay đổi theo

, vì khi

thay đổi, lực kéo giữa F
o

và F

sẽ thay đổi.











+








+=
dqdqd
xx
mU
xx
mU
x
mUE
Q
11
2
2cos


Giải
Để tính toán ta dựa vào đồ thị véctơ s.đ.đ. trên hình 21-3. Lấy véctơ U làm gốc để
biểu thị trong hệ đơn vị t4ơng đối, ta có:
U
đm
= 1
0

; I
đm
= 1
936
0

(vì cos
đm
= 0,8;
đm
= 36
0
9)
554,0)9,361(01
00
*
+=+ jxIjU
qdmdm
&&
.cos + I
d*
.x
d*

trong đó: I
d*
= I
*
.sin = 1ì sin55
0
4 = 0,823
Kết quả là: E
*
= 1ì cos18
0
5 + 0,823 ì 0,843 = 1,643
và độ thay đổi điện áp: U
đm
% = %3,64100. =

dm
dm
U
UE

Câu hỏi
1. Thành lập ph4ơng trình cân bằng điện áp, vẽ đồ thị véc tơ của máy phát điện
đồng bộ cực ẩn và cực lồi ứng với các tr4ờng hợp tải có tính chất cảm và tải có tính
chất dung. Từ đồ thị véc tơ có nhận xét gì?

, x
q
trong hệ đơn vị t4ơng đối;
b) S.đ.đ. E và góc ứng với tải định mức;
c) Công suất điện từ của máy lúc đó.
Đáp số: a) x
d*
= 1,23; x
q*
= 0,646; b) E
*
= 1,97; = 20
0
5; c) P
đt*
= 0,802
2. Cho một máy phát điện ba pha cực lồi U
fđm
= 220 V; I
đm
= 10 A; điện trở phần
ứng r
4
= 0,4 ; cos
đm
= 0,8; = 60
0
; E = 400 V. Tính các tham số x
d
, x