Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Tự động điều khiển

ơ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được dùng rộng rãi trong các trang
bị tự động và điều khiển.
1.2. Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ.
1. Phân loại:
Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại: Máy đồng
bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), và máy điện đồng
bộ cực lồi thích h
ợp với tốc độ quay thấp (2P ≥ 4)
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

2
Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau:
a. Máy phát điện đồng bộ
- Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin
nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hay máy phát tuabin nước. Máy
phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và
trục máy được đặt nằm ngang nhằm đả
m bảo độ bền cơ cho máy. Máy phát

Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng
cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây
quấn kích từ.
Phần không phay rãnh còn lại hình thành nên mặt cực từ. Mặt cực
ngang trục lõi thép roto như hình 1.3.

Thông thường các máy đồng bộ được chế tạo với số cực 2P = 2, tốc
độ quay n = 3000(vòng/phút). Để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn
đối với hợp kim, người ta chế tạo roto có đường kính nhỏ: (D = 1,1 ÷ 1,15
(m)). Vì vậy muốn tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của roto
(l
max
= 6,5m).
Dây quấn kích từ được đặt trong rãnh roto và được quấn thành các
bối dây, các vòng dây trong bối dây được cách điện với nhau bằng một lớp
mica mỏng. Miệng rãnh được nêm kín để cố định và ép chặt các bối dây.
Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

4
Dòng điện kích từ là dòng một chiều được đưa vào cuộn kích từ thông qua
chổi than đặt trên trục roto.


Hì h14 C từ ủ á đồ bộ lồi
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

5
1. Lá thép cực từ
2. Dây quấn kích từ
3. Đuôi hình T
4. Nêm
5. Lõi thép roto.
Stato của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang với máy có
công suất nhỏ, tốc độ quay cao. Ở trường hợp máy phát tuabin nước công
suất lớn, tốc độ chậm thì trục của máy phải đặt thẳng đứng theo 2 kiểu treo
và kiểu đõ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ.
+ Ư
u điểm của kiểu treo là ổn định, ít chịu ảnh hưởng tác động của
các phần phụ, nhưng chi phí xây dựng cao, còn kiểu đỡ là giảm được kích
thước máy theo chiều cao. Do đó giảm được kích thước chung của máy.
Như vậy tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí sao cho hợp lý nhất.
1.3. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ
Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số như
: Công suất,

Do dòng điện xuất hiện trong cuộn dây cản là tức thời cho nên điện kháng
X"d chỉ tồn tại trong giai đoạn đầu của chế độ quá độ.
4. Hằng số quán tính cơ Tj:
Đặc trưng cho mômen quán tính phần quay, hằng số này được tính
toán tùy thuộc vào từng loại máy phát.
Tj =
J
=
ω
2
đm
.J
JđmSđm
Trong đó:
ω
đm
=
J =
60
n.2π
60
GD
2
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

7
Với: G - Khối lượng vật quay
D - đường kính vật quay

δ
= +
ư

a. Ta xét trường hợp máy phát điện
Trong trường hợp này ta xét cho 2 loại máy cực ẩn và máy cực lồi.
Giả sử máy phát làm việc ở tải điện cảm có:
0 < ϕ < 90
0

Phương trình cân bằng điện áp cho máy cực ẩn
= +
ư
- (r
ư
+ jX
ư
) (1 - 3)
ư
: Sức điện động phần ứng được biểu thị theo điện kháng phần
ứng:
ư
= j

X
ư

Vậy phương trình 1 - 3 trở thành:
.
U

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

8
= - j (X
ư
+ jX
σư
)- r
ư
(1 - 4)
Ta biểu diễn phương trình 1 - 4 bằng đồ thị vectơ

Trên đồ thị thì: Từ thông chính Φ
0
(F
0
) vượt trước E một góc π/2 và
Φ
ư

q
X
ưq
Và thành phần -j X
δư
ta cũng phân tích thành 2 thành phần dọc trục
và ngang trục.
-j X
δư
= -j
q
X
δư
- (-j
d
X
δư
)
Lúc này phương trình (1 - 5) trở thành:
Hình 1.5: Đồ thị sđđ của máy phát đồng bộ cực ẩn
F

o

E
jIX
δ
I
F
ư

I
.
I
.
I
.
I
.
E
.
I
.
E
.
I
.
I
.
I
.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

9
= -j
d

Biểu diễn phương trình (1 - 6) trên đồ thị vectơ.
+ Trường hợp mạch từ bão hoà:
Đối với máy phát đồng bộ cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ có xét
đến trạng thái bão hoà mạch từ có gặp nhiều khó khăn. Vì lúc đó từ thông
Φ
d
và Φ
q
có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai phương đó là
khác nhau. Như vậy X
ưd
không những phụ thuộc vào Φ
d
mà còn phụ thuộc
vào Φ
q
, và X
ưd
cũng tương tự. Để đơn giản, ta cho rằng từ thông dọc trục
và ngang trục chỉ ảnh hưởng theo hướng trục và giả sử rằng mức độ bão
hoà theo hướng ngang trục là đã biết (K


d
q
X
d
jI
d
jI
q
q
X
jI
q
X
.
U
.
E
.
I
.
I
.
I
.
U
.
E
.
J


Đối với máy phát điện cực ẩn ta cũng có thể dựa trên phương trình
điện áp ở trường hợp mạch từ không bão hoà.
= - j (X
ư
+ X
δư
) - rư (1 - 8)
Lúc này xác định E
0
bằng đồ thị Potier
F
δ
= F
0
+ F
ư

=> F
0
= F

cos
ψ

jIX
δ
ư
ư
Ir
U
I
ϕ
jIX

ư

E

δ

E

δ
θ

O
F
ϕ + δ
U
.
U

b. Trường hợp động cơ điện:
Khi chuyển sang làm việc như động cơ điện đồng bộ, máy phát ra
công suất âm đưa vào mạng điện hay nói khác đi là tiêu thụ công suất điện
lấy từ mạng để biến thành cơ năng. Thông thường động cơ đồng bộ có cấu
tạo cực lồi, ta viết phương trình cân bằng điện áp cho trường hợp động cơ.
= + j
d
X
d
+ j
q
X
q
+ rư (1 -
9)
Ta có thể vẽ đồ thị vectơ cho 2 trường hợp: Thiếu kích từ và khi quá
kích từ.
Từ đồ thị sẽ cho ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện
là:
P = m . U . I .Cosϕ < 0


d
X
d
jI
q
X
q
U
E
.
U
.
E
.
I
.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

12

*
=
i
t
i
tđm0
Trong đó i
tđmo
là dòng điện không tải khi U = U
đm
E
*
(2)
(1)
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

13
- j
q
X
q
- r
ư

Vì r
ư
= 0; I
q
= 0 nên:
Ta được: = j X
d
(1 - 10)
Lúc này sơ đồ thay thế của máy là:

Hình 1.12: Đồ thị véctơ lúcngắnmạch và sơ đồ thay thế củamáyphát điện
E
X
σư
I
E
X
ưd
jIX
d
Lúc ngắn mạch, phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy
không bão hoà. Vì từ thông khe hở Φ
δ
cần thiết để sinh ra: E
δ
=E-IX
ưd
=
IX
δư
rất nhỏ nên quan hệ I = f(i
t
) là một đường thẳng.

c. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I). Khi i
t
= const, cosϕ = const và f = f
đm

Từ hình 1.14 ta thấy đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải.
Nếu tải có tính cảm, khi I tăng phản ứng phần ứng bị khử từ, điện áp giảm
nên đường đặc tính đi xuống. Nếu tải có tính dung thì I tăng, phản ứng
phần ứng là trợ từ, điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên. Khi tải làm
thuần trở thì đườ
ng đặc tính gần như song song với trục hoành.
d. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ : i
t
= f(I) khi U = const, Cosϕ = const
và f = f
đm
. Nó cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện i
t
của máy phát
sao cho điện áp U ở đầu cực máy phát là không đổi.
đến tải định mức (U = U
đm
, I = I
đm
) thì phải tăng dòng điện từ hoá từ 1,7
đến 2,2 lần.
e. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu cực máy phát và dòng điện kích thích.
U = f(i
t
) khi I = Const, Cosϕ = const và f = f
đm
.
Với các trị số khác nhau của I và Cosϕ sẽ có đặc tính khác nhau, trong đó
có ý nghĩa nhất là tải thuần cảm ứng với Cosϕ = 0 (ϕ = π/2) và I = I
đm
.
Để xây dựng đường đặc tính tải ta phải điều chỉnh r
t
và Z sao cho
I = I
đm
, và dạng đặc tính này được biểu diễn ở tải thuần cảm là chủ yếu.
Đường đặc tính tải cảm có thể suy ra được từ đặt tính không tải và
tam giác điện kháng. Trước hết vẽ đường đặc tính không tải và đặc tính
ngắn mạch rồi thành lập được tam giác điện kháng sau đó tịnh tiến trên
đường đặc tính không tải ta vẽ được đặc tính tải cảm.
Dựng đườ
ng đặc tính tải như sau:


t
)
I
E
δ

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

17
Quan hệ: I = f(i
t
) khi P = const.
Với mỗi giá trị của P = const, ta thay đổi Q và vẽ đồ thị suất điện
động ta xác định được đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ. Thay
đổi giá trị của P ta thành lập được một họ các đặc tính hình V như sau

Trên hình, đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính,
tương ứng với Cosϕ = 1. Bên phải đường Am ứng v
ới tải cảm (ϕ > 0) là

d
(1 - 11)
Sức điện động ở rôto lớn hơn điện áp ở đầu cực máy phát. Do đó
máy phát ra công suất P > 0 và Q > 0 cho lưới: Khi rôto quay sinh ra E
0
,
nên E
0
cũng quay. Vậy chế độ máy phát thì E
0
vượt trước U.
Khả năng tải của máy phát khi làm việc ở chế độ quá tải, dòng điện
tăng, điện áp giảm. Lúc này máy phát làm việc ở trạng thái quá tải, mà
muốn cho điện áp không thay đổi thì máy phát làm việc ở chế độ kích từ
cưỡng bức (quá kích thích) để phát ra công suất phản kháng cho lưới. Khi
máy phát bị non tải thì dòng giảm, điện áp tăng và lớn hơn sức điện độ
ng
do phần ứng sinh ra. Lúc này để cho điện áp không đổi thì máy phát phải
làm việc ở chế độ thiếu kích thích để tiêu thụ bớt một phần điện áp rơi ở
đầu cực máy phát.
Ở máy phát điện công suất điện từ được chuyển từ rôto sang stato
bằng công suất cơ đưa vào trừ các tổn hao trong thép rôto và stato.
2. Chế độ động cơ:
Nguyên lý chung của động cơ là biến đổi công suất điện thành công
suất cơ. Ở chế này ta cung cấp công suất điện P = ui, dưới tác dụng của từ
trường ở cực từ sẽ sinh ra một lực điện từ: F
đt
= B
i
l.

.
E
.
U
.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

19
lưới điện là nhờ thay đổi dòng điện từ hoá (dòng kích từ). Do đó động cơ
có thể phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới điện.
Động cơ đồng bộ khác với máy phát đồng bộ là khi thiếu kích thích
động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện (ϕ > 0) và khi quá
kích thích động cơ phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới (ϕ < 0). Vì
vậy trong một số trường h
ợp người ta sử dụng chế độ quá kích thích của
động cơ để làm máy bù.
3. Chế độ máy bù động cơ.
Máy bù đồng bộ thực chất là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ
không tải với dòng kích từ được điều chỉnh để máy phát ra hoặc tiêu thụ
công suất phản kháng do đó duy trì được điện áp của lưới điện. Chế độ làm
việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích của động cơ
đồng bộ để phát ra công suấ
t phản kháng bù vào lưới điện. Ở trường hợp
này máy bù như một tụ bù hay còn gọi là máy phát công suất phản kháng.
Trường hợp hộ tiêu thụ tăng tải thì dòng tăng, áp giảm thì máy bù

hệ thống điện.
Trong chế độ sự cố thì hệ thống kích từ làm việc ở chế độ cưỡng bức
để duy trì điện áp của máy phát.
Để cung cấp tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy
phát đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ công suất đủ lớn (thường
dùng các loại máy phát một chiều, máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh
lưu...).
Như vậy một hệ thống kích từ làm việc tin cậy phải đảm bảo được
những yếu tố cơ bản sau:
1. Có khả năng điều chỉnh dòng kích từ: i
t
= U
t
/r
t
để duy trì điện áp
máy phát U trong điều kiện làm việc bình thường.
2. Cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện
áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa. Muốn vậy hệ thống kích từ phải
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

21
có khả năng tăng nhanh gấp đôi dòng kích từ trong khoảng thời gian t =
0,5s.
Hay:
U
tm
(0,5) -

trong các cuộn W
2
và W
3
thay đổi nhờ bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu thông
qua máy biến dòng BI và máy biến điện áp BU ở phía đầu cực máy phát
điện đồng bộ. Cuộn W
2
điều chỉnh tương ứng với chế độ làm việc bình
TĐK
Rđc
Hình 2.1: Sơ đồ kích từ dùng máy phát điện một chiều
f
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

22
thường, còn cuộn W
3
làm việc ứng với chế độ kích thích cững bức khi có
sự cố.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

23
a. Hệ thống kích từ song song TĐK

Rđc
Hình 2.2: Sơ đồ kích từ song song
TĐK
R
KTF
R
KT
Hình 2.3: Sơ đồ kích từ độc lập
F
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển
Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 -
K1

24
Hệ thống này dùng 2 máy phát điện một chiều một máy kích từ phụ
và một máy kích từ chính.
Máy phát kích từ phụ tự kích song song, dòng kích từ trong cuộn
W
KT
có thể điều chỉnh được nhờ biến trở R
KTf
và R
KT
. Dòng và áp trong
cuộn W
F

3
w
2
w
1
cl
F
f
bi
bu
F
w
f