CHƯƠNG 10
MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
10.1. MỞ ĐẦU
Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rô to
bằng tốc độ từ trường quay. Hầu hết các máy điện đồng bộ làm việc như máy
phát có tần số 50 Hz hoặc 60Hz. Máy điện đồng bộ cũng có thể làm việc như
động cơ đồng bộ công xuất lớn. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm máy bù
đồng bộ nhằm cải thiện hệ số công suất của lưới điện một xí nghiệp hay một nhà
máy.
Sự khác nhau căn bản giữa máy điện đồng bộ và không đồng bộ là ở
phương pháp kích thích tạo từ trường chính cho máy. Ở máy điện đồng bộ từ
trường chính được sinh ra do dòng một chiều chạy qua cuộn dây kích từ, do đó
máy đồng bộ không cần lấy công xuất phản kháng từ lưới điện xoay chiều; còn
máy điện không đồng bộ phải lấy công suất kháng từ lưới điện xoay chiều hoặc
từ tụ điện để tạo từ trường chính (từ trường quay).
10.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ.
Căn cứ vào chức năng máy điện đồng bộ có thể chia thành phần cảm và
phần ứng:
- Phần cảm tạo ra từ trường chính (phần kích từ),
-Phần ứng là phần thực hiện biến đổi năng lượng.
Căn cứ vào cấu tạo máy điện đồng bộ có thể chia thành phần tĩnh: stato và
phần quay: rô to. Về nguyên tắc stato có thể là phần cảm, cũng có thể là phần
ứng và rô to cũng có thể là phần ứng hoặc phần cảm.
Tuy nhiên nếu phần ứng ở rô to thì phải lấy dòng điện xoay chiều ra qua
vành trượt nên gặp khó khăn trong việc giải quyết tia lửa điện. Vì vậy phần ứng
đặt ở rôto chỉ có ở những máy công xuất nhỏ hoặc một pha. Các máy còn lại
rôto làm nhiệm vụ phần cảm..
Cấu tạo phần tĩnh(stato)
Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như hình 10.1, cuộn dây kích
từ được quấn quanh cực từ.
132

- điện áp định mức [V, KV]
- dòng định mức [A, KA]
- tần số định mức [Hz]
- Hệ số công suất định mức cosϕ
đm
.
133
Cực từ
Cuộn dây
kích từ
Hình 10.3 Rô to cực hiện
Hình 10.2 Rô to cực ẩn
Hình 10.3a Sơ đồ máy phát đồng bộ không chổi than
Stato
Rô to
- Dòng kích từ định mức.
- Điện áp kích từ định mức.
- Công suât ssịnh mức [VA, KVA]
- Vòng quay định mức[V/p]
10.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.
Trên (hình 10.4) biểu diễn sơ đồ máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực. Cuộn
dây phần ứng đặt ở stato còn cuộn dây kích từ đặt ở rôto. Cuộn dây kích từ được
nối với nguồn kích từ (dòng 1 chiều) qua hệ thống chổi than.
Để nhận được điện áp 3 pha trên chu vi stato ta đặt ba cuộn dây cách nhau
120
o
và được nối sao(có thể nối tam giác). Dòng điện 1 chiều tạo ra từ trường
không đổi. Bây giờ ta gắn vào trục rôto một động cơ lai và quay với tốc độ n. Ta
được một từ trường quay tròn có từ thông chính Φ khép kín qua rôto, cực từ và
lõi thép stato (hình 10.4)

Trong đó tần số biến thiên của các sđđ biểu diễn bằng
ω
=2πf . Nếu số cặp
cực là p thì tần số biến thiên f của dòng điện sẽ là:
f =
60
np
Hz (10.1)
Ta nhận thấy tần số biến thiên của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ quay của
rôto và số đôi cực .
Nếu bây giờ ta tải 3 pha của máy điện bằng 3 tải đối xứng, ta có dòng ba
pha đối xứng.
Theo nguyên lý tạo từ trường quay nên trong máy phát đồng bộ lúc này
cũng xuất hiện từ trường quay mà tốc độ xác định bằng biểu thức:
tt
n
=
p
f60
(10.2)
134
+ -
3
2
π
3
2
π
S N
A

giá trị cực đại i =
m
I
, sđđ cũng đạt giá trị cực đại e =
m
E
, vì tải thuần trở dòng
điện và điện áp trùng pha nhau (hình 10.5b). Hướng sđđ và hướng dòng điện
trong các pha A,B,C có thể sác định theo qui tắc bàn tay phải còn chiều từ thông
do các dòng điện sinh ra xác định bằng qui tắc vặn nút chai. Từ hình 10.5c ta
thấy rằng chiều từ thông dòng tải có huớng ngang với từ thông chính và mang
tên là phản ứng ngang.
Giá trị cực đại của từ trường chính nằm ở dưới các cực trên trục d - d', còn
stđ phản ứng phần ứng F
aq
có giá trị cực đại trên trục q - q'. Điều này làm cho sự
phân bố cảm ứng từ trong khe khí dưới các cực từ không đối xứng: một bên cực
2 từ thông cùng chiều nên cộng nhau còn bên kia 2 từ thông ngược chiều nên trừ
đi nhau. Kết quả từ trường chính bị biến dạng: phía nửa cực được tăng cường
ngược với chiều quay (hình 10.5c)
b) Tải thuần cảm kháng (
2
π
=ϕ
)
135
q d q’ d’ q
N
S
F

•
A
B
C
X
Y
Z
Hình 10.5 Phản ứng ngang máy điện đồng bộ
n
n
Sđđ cảm ứng trong các cuộn dây nhanh pha so với dòng điện một góc
2
π
.
Dòng điện trong pha A đạt được giá trị cực đại khi giá trị Sđđ có giá trị zero, còn
rôto chiếm vị trí như hình 10.6a.
Hướng của dòng trong các pha A, B, C cùng hướng từ thông do nó sinh ra
xác định giống như phần trước. Từ hình vẽ, chúng ta thấy rằng chiều của từ
trường phần ứng hướng dọc theo trục cực. Sự phân bố từ thông như vậy gọi là
phản ứng dọc trục. Khi tải thuần cảm thì chiều từ thông phản ứng ngược chiều
từ trường chính nên từ trường chính bị yếu đi, máy bị khử từ.
c. Tải thuần dung (
).
2
π
−=ϕ

Dòng điện tải vượt pha so với sđđ một góc
2
π

q d q’ d’ q
F
0
F
a
E
ad
E
a
E
B
E
C
I
A
I
B
I
C
ϕ=90
0
b)
c)
a)
d
d’
q
q’
+
+

I
B
I
C
ϕ=-90
0
b)
c)
a)
d
d’
q
q’
+
+
+
•
•
•
B
C
X
Y
Z
Hình 10.7 Phản ứng dọc trợ từ máy điện đồng bộ
n
n
ngang, vừa mang tính chất phản ứng dọc khử từ. Kết quả của phản ứng loại này
vừa bị biến dạng từ trường vừa bị khử từ. Tương tự cho trường hợp khi
0

F
dm =
p
Wk
.
23
cd
I
π
10.5. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY CỰC HIỆN (CỰC LỒI)
Để tìm sđđ của máy phát cần phải tìm stđ tổng của máy. Song ở máy phát
cực hiện do khe khí không đều nên việc tìm stđ tổng gặp rất nhiều khó khăn. Vì
khe khí không đều nên dạng của từ thông chính không phải là hình sin và phụ
thuộc vào dòng tải. Do vậy khi phân tích máy cực hiện người ta dùng phương
pháp 2 phản ứng: là phản ứng ngang F
aq
và phản ứng dọc F
ad
. Như thế trong máy
có 3 từ trường: F
o
- từ trường kích từ, F
ad
và F
aq
- từ trường phản ứng phần ứng.
Giả thiết rằng từ trường tạo ra F
ad
và F
aq

F
aq
F’
aq
B’
aq
δ
max
+
+
•
•
•
•
d
d’
N
S
τ
d’
q’
d
b)
δ
max
+
+
•
•
B

'B
và B’
aqm
nhỏ hơn
adm
B
bà B
aqm
. Ta có:
1
'
<
adm
adm
B
B
và
1
'
<<
aqm
aqm
B
B
được gọi là là hệ số hình dạng của phản ứng phần
ứng ngang và dọc.
Đường cong phân bố cảm ứng từ chính cũng không phải hình sin. Nếu
chúng ta giả thiết rằng khe khí đều và nhỏ thì đường cong cảm ứng từ B
B
có

BdBm
F
K
B
δ
µ
δ
0
=
(10.6)
Trong đó:
o
µ
là độ thẩm từ không khí.
K
δ
và δlà hệ số chú ý tới độ dẫn từ của không khí và chiều rộng
của khe khí.
Để tìm giá trị stđ của cuộn kích từ F
Bd
tương ứng với phản ứng phần ứng
dọc trục F
ad
ta mang so sánh giá trị cảm ứng cực đại của từ trường phản ứng và
từ trường kích từ có chú ý tới hệ số hình dạng của từ trường ta được:
138
τ
B’
δm
B