Máy đồng bộ - động cơ, máy phát điện và máy bù

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều trong đó rôto và từ trường của dòng điện stato quay đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ ba pha là loại máy điện mạnh nhất. Công suất đơn vị của máy phát điện đồng bộ tại các nhà máy thủy điện là 640 MW và tại các nhà máy nhiệt điện là 8-1200 MW. Trong máy điện đồng bộ, một trong các cuộn dây được nối với nguồn điện xoay chiều và cuộn dây kia được kích thích bằng điện một chiều. Dây quấn xoay chiều gọi là dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng biến đổi toàn bộ điện năng của máy điện đồng bộ thành điện năng và ngược lại. Do đó, nó thường được đặt trên stato, được gọi là phần ứng. Cuộn dây kích thích tiêu thụ 0,3 - 2% công suất chuyển đổi, do đó nó thường được đặt trên rôto quay, được gọi là cuộn cảm và công suất kích thích thấp được cung cấp bởi các vòng trượt hoặc thiết bị kích thích không tiếp xúc.

Từ trường phần ứng quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f1/p, vòng/phút, trong đó p = 1,2,3 … 64, v.v. là số cặp cực.
Với tần số mạng công nghiệp f1 = 50 Hz, một số tốc độ đồng bộ ở số cực khác nhau: 3000, 1500, 1000, v.v.). Do từ trường của cuộn cảm đứng yên so với rôto, nên để có sự tương tác liên tục giữa các trường của cuộn cảm và phần ứng, rôto phải quay với cùng tốc độ đồng bộ.

Thi công máy đồng bộ
Stato của máy điện đồng bộ có dây quấn ba pha không khác nhau về cấu tạo stato máy không đồng bộ, và rôto có cuộn dây kích thích có hai loại—cực nổi và cực ngầm. Ở tốc độ cao và số lượng cực nhỏ, rôto cực ngầm được sử dụng vì chúng có cấu trúc bền hơn, còn ở tốc độ thấp và số lượng cực lớn, rôto cực nổi có cấu trúc mô-đun được sử dụng. Sức mạnh của các cánh quạt như vậy ít hơn, nhưng chúng dễ sản xuất và sửa chữa hơn. Rotor cực biểu kiến:

Chúng được sử dụng trong các máy đồng bộ có số lượng cực lớn và n thấp tương ứng. Nhà máy thủy điện (máy phát điện). tần số n từ 60 đến vài trăm vòng/phút. Các máy phát hydro mạnh nhất có đường kính cánh quạt 12 m với chiều dài 2,5 m, p — 42 và n = 143 vòng / phút.
Rôto gián tiếp:

Cuộn dây — đường kính d = 1,2 — 1,3 m trong các kênh rôto, chiều dài hoạt động của rôto không quá 6,5 m TPP, NPP (máy phát tuabin). S = 500.000 kVA trong 1 máy n = 3000 hoặc 1500 vòng/phút (1 hoặc 2 cặp cực).
Ngoài cuộn kích từ, một van điều tiết hoặc cuộn giảm chấn được đặt trên rôto, được sử dụng để khởi động trong động cơ đồng bộ. Cuộn dây này được chế tạo tương tự như cuộn dây ngắn mạch lồng sóc, chỉ có tiết diện nhỏ hơn nhiều, do cuộn kích từ đảm nhận thể tích chính của rôto.Trong các rôto có cực không đồng nhất, vai trò của cuộn dây giảm chấn được thực hiện bởi các bề mặt của răng rắn của rôto và các nêm dẫn điện trong các kênh.
Dòng điện một chiều trong cuộn dây kích thích của máy điện đồng bộ có thể được cung cấp từ một máy phát điện một chiều đặc biệt được lắp đặt trên trục của máy điện và được gọi là máy kích thích, hoặc từ nguồn điện thông qua bộ chỉnh lưu bán dẫn.
Xem thêm về chủ đề này:
Mục đích và cách bố trí máy đồng bộ

Cách thức hoạt động của tuabin và máy phát điện hydro đồng bộ

Máy đồng bộ có thể hoạt động như máy phát điện hoặc động cơ. Một máy điện đồng bộ có thể hoạt động như một động cơ nếu dòng điện chính ba pha được cung cấp cho cuộn dây stato. Trong trường hợp này, do sự tương tác của từ trường stato và rôto, trường stato mang theo rôto. Trong trường hợp này, rôto quay cùng hướng và cùng tốc độ với từ trường stato.

Chế độ hoạt động của máy phát điện đồng bộ là phổ biến nhất và hầu như tất cả năng lượng điện được tạo ra bởi máy phát điện đồng bộ Động cơ đồng bộ có công suất trên 600 kW và lên đến 1 kW được sử dụng làm vi động cơ. Máy phát điện đồng bộ cho điện áp lên đến 1000 V được sử dụng trong các đơn vị cho hệ thống cung cấp điện tự trị.

Các đơn vị với các máy phát điện này có thể cố định và di động. Hầu hết các đơn vị được sử dụng với động cơ diesel, nhưng chúng có thể được cung cấp năng lượng bằng tuabin khí, động cơ điện và động cơ xăng.

Động cơ đồng bộ chỉ khác với máy phát điện đồng bộ ở cuộn giảm chấn khởi động, cuộn dây này sẽ đảm bảo đặc tính khởi động tốt của động cơ.

Sơ đồ máy phát điện đồng bộ sáu cực.Mặt cắt ngang của các cuộn dây của một pha (ba cuộn dây nối tiếp) được hiển thị. Các cuộn dây của hai pha còn lại phù hợp với các rãnh miễn phí được hiển thị trong hình. Các pha được nối sao hoặc tam giác.

Chế độ máy phát điện: động cơ (tuabin) quay rôto, cuộn dây được cung cấp điện áp không đổi? có dòng điện tạo ra từ trường vĩnh cửu. Từ trường quay cùng với rôto, đi qua các cuộn dây của stato và tạo ra một EMF có cùng cường độ và tần số nhưng dịch chuyển 1200 (hệ thống ba pha đối xứng).

Chế độ động cơ: cuộn dây stato được kết nối với mạng ba pha và cuộn dây rôto với nguồn điện một chiều. Do sự tương tác của từ trường quay của máy với dòng điện một chiều của cuộn dây kích thích, một mô-men xoắn Mvr xảy ra, khiến rôto quay với tốc độ của từ trường.

Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ—phụ thuộc n (M)—là tiết diện nằm ngang.

Phim cuộn giáo dục - "Động cơ đồng bộ" do Xí nghiệp Tư liệu Giáo dục sản xuất năm 1966.
Bạn có thể xem nó ở đây: Phim đèn chiếu «Động cơ đồng bộ»

Ứng dụng của động cơ đồng bộ Việc sử dụng hàng loạt động cơ không đồng bộ với tải trọng thấp làm phức tạp hoạt động của hệ thống điện và trạm: hệ số công suất trong hệ thống giảm, dẫn đến tổn thất bổ sung trong tất cả các thiết bị và đường dây, cũng như việc sử dụng chúng không đủ trong về công suất tác dụng. Do đó, việc sử dụng động cơ đồng bộ trở nên cần thiết, đặc biệt đối với các cơ cấu có truyền động mạnh.

Động cơ đồng bộ có một ưu điểm lớn so với động cơ không đồng bộ, đó là nhờ kích từ một chiều nên chúng có thể làm việc với cosphi = 1 và không tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới, đồng thời trong quá trình vận hành, khi quá kích, chúng còn cung cấp công suất phản kháng cho mạng. Do đó, hệ số công suất của mạng được cải thiện và giảm điện áp rơi và tổn thất trong đó, cũng như hệ số công suất của các máy phát điện hoạt động trong các nhà máy điện.

Mô-men xoắn cực đại của động cơ đồng bộ tỷ lệ thuận với U và đối với động cơ không đồng bộ là U2.

Do đó, khi điện áp giảm, động cơ đồng bộ vẫn giữ khả năng tải cao hơn. Ngoài ra, việc sử dụng khả năng tăng dòng điện kích thích của động cơ đồng bộ giúp tăng độ tin cậy của chúng trong trường hợp giảm điện áp khẩn cấp trong mạng và trong những trường hợp này, cải thiện điều kiện vận hành của toàn bộ hệ thống điện. Do kích thước khe hở không khí lớn hơn nên tổn thất phụ trong thép và trong lồng rôto của động cơ đồng bộ nhỏ hơn so với động cơ không đồng bộ, do đó hiệu suất của động cơ đồng bộ thường cao hơn.

Mặt khác, cấu tạo của động cơ đồng bộ phức tạp hơn động cơ cảm ứng lồng sóc, ngoài ra, động cơ đồng bộ phải có bộ kích từ hoặc thiết bị khác để cấp nguồn cho cuộn dây một chiều. Kết quả là, trong hầu hết các trường hợp, động cơ đồng bộ đắt hơn động cơ lồng sóc không đồng bộ.

Trong quá trình vận hành động cơ đồng bộ, những khó khăn đáng kể đã nảy sinh khi khởi động chúng.Những khó khăn này đã được khắc phục.

Việc khởi động và điều khiển tốc độ của động cơ đồng bộ cũng khó khăn hơn. Tuy nhiên, ưu điểm của động cơ đồng bộ lớn đến mức ở công suất cao, nên sử dụng chúng ở bất cứ nơi nào khởi động và dừng thường xuyên và không cần kiểm soát tốc độ (máy phát động cơ, máy bơm mạnh, quạt, máy nén, máy nghiền, máy nghiền, v.v.). ).

Xem thêm:

Sơ đồ điển hình để khởi động động cơ đồng bộ

Đặc tính cơ điện của động cơ đồng bộ

Máy bù đồng bộ

Máy bù đồng bộ được thiết kế để bù hệ số công suất của mạng và duy trì mức điện áp bình thường của mạng ở những nơi tập trung phụ tải tiêu dùng. Chế độ vận hành quá kích của máy bù đồng bộ là bình thường khi nó cung cấp công suất phản kháng lên lưới.

Về vấn đề này, các bộ bù, cũng như các tụ điện phục vụ các mục đích tương tự, được lắp đặt tại các trạm biến áp tiêu dùng, còn được gọi là máy phát công suất phản kháng. Tuy nhiên, trong thời kỳ tải người dùng giảm (ví dụ: vào ban đêm), thường phải sử dụng bộ bù đồng bộ và ở chế độ kích từ thấp, khi chúng tiêu thụ dòng điện cảm ứng và công suất phản kháng từ mạng, vì trong những trường hợp này, điện áp mạng có xu hướng tăng và để duy trì nó ở mức bình thường, cần phải tải mạng bằng dòng điện cảm, gây ra sụt áp bổ sung trong đó.

Với mục đích này, mỗi bộ bù đồng bộ được trang bị một bộ điều chỉnh điện áp hoặc kích thích tự động, điều chỉnh cường độ của dòng điện kích thích sao cho điện áp ở các cực của bộ bù không đổi.