Máy điện đồng bộ: Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Tốc độ đồng bộ được xác định bởi mối quan hệ giữa tần số dòng điện lưới và số đôi cực của máy:

$$n_1 = \frac{60f}{p} \quad \text{(vòng/phút)}$$

Trong đó $f$ là tần số dòng điện (Hz) và $p$ là số đôi cực. Tại Việt Nam với tần số lưới $f = 50$ Hz, máy có 1 đôi cực quay với tốc độ 3000 vòng/phút, máy có 2 đôi cực quay 1500 vòng/phút, máy có 3 đôi cực quay 1000 vòng/phút, và tiếp tục như vậy.

Khi dùng động cơ sơ cấp quay rôto máy phát điện đồng bộ và cho dòng điện kích từ một chiều $I_t$ vào cuộn dây kích từ đặt trên rôto, dòng điện này tạo ra một từ thông $\Phi_t$. Khi rôto quay với tốc độ $n$ (vòng/phút), từ trường kích từ $\Phi_t$ quét qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng trong đó sức điện động biến thiên theo thời gian. Sức điện động cảm ứng có giá trị tức thời:

$$e = Blv$$

Trong đó $B$ là độ từ cảm tác dụng vuông góc với thanh dẫn của cuộn dây phần ứng stator, $l$ là độ dài thanh dẫn nằm trong từ trường, $v$ là tốc độ quay của rôto.

Trong thực tế, từ cảm $B$ và thanh dẫn $l$ không phải lúc nào cũng vuông góc với nhau. Tổng quát, từ cảm $B$ có thể tạo thành với thanh dẫn $l$ một góc $\alpha$, nên:

$$e = B_{max} \cdot l \cdot v \cdot \sin \alpha$$

Trong đó $B_{max}$ là độ từ cảm cực đại mà rôto (phần cảm) có thể tạo ra được.

Tần số của sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ quay của rôto và số đôi cực:

$$f = \frac{P \cdot n_1}{60}$$

Trong đó $f$ là tần số (Hz), $P$ là số đôi cực, $n_1$ là tốc độ đồng bộ (vòng/phút). Ví dụ, máy phát có 4 đôi cực ($P = 4$) cần quay với tốc độ $n_1 = \frac{60 \times 50}{4} = 750$ vòng/phút để tạo ra điện 50 Hz.

Khi máy làm việc có tải, dòng điện phần ứng $I_u$ chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo ra một từ trường quay trong khe hở không khí. Tốc độ quay của từ trường phần ứng này bằng đúng $n_1 = \frac{60f}{P}$, bằng tốc độ quay của rôto. Vì thế hai từ trường (của rôto và của stator) đứng yên tương đối với nhau, hợp thành một từ trường tổng hợp thống nhất trong khe hở — đây chính là cơ sở vật lý của tên gọi "đồng bộ".

Đối với máy điện đồng bộ rôto tròn (cực ẩn), điện kháng đồng bộ $X_d$ đặc trưng cho toàn bộ tổng trở của máy trong trạng thái xác lập. Mô hình mạch tương đương đơn giản nhất bao gồm nguồn sức điện động nội $E_{af}$ mắc nối tiếp với điện kháng đồng bộ $jX_d$:

$$ \underline{I} = \frac{\underline{V} - \underline{E}_{af}e^{j\delta}}{jX_d} $$

Trong đó $X_d = \omega L_d$ là điện kháng đồng bộ, $\underline{V}$ là điện áp đầu cực máy, $\underline{E}_{af} = j\omega M I_f e^{j\theta_m}$ là sức điện động kích từ (sức điện động không tải), $M$ là hỗ cảm giữa dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng, $I_f$ là dòng kích từ, $\delta$ là góc công suất (góc giữa $\underline{V}$ và $\underline{E}_{af}$).

Phương trình công suất cho máy cực lồi bao gồm cả thành phần do từ trở saliency:

$$P = -\frac{3}{2} \left( \frac{V E_{af}}{X_d} \sin \delta + \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \sin 2\delta \right)$$ $$Q = \frac{3}{2} \left( \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_d} + \frac{1}{X_q} \right) - \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \cos 2\delta - \frac{V E_{af}}{X_d} \cos \delta \right)$$

Thành phần $\frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \sin 2\delta$ là mômen từ trở xuất hiện ngay cả khi không có kích từ ($E_{af} = 0$), do sự bất đồng nhất từ trở của máy cực lồi. Trong thực tế, các kỹ sư tính toán ổn định hệ thống điện thường bỏ qua saliency để đơn giản hóa tính toán, vì sai số không quá lớn ở điều kiện vận hành thông thường.

Viết theo hệ đơn vị tương đối (per-unit), với $v, e_{af}, x_d$ là các đại lượng quy về đơn vị cơ sở:

$$p = -\frac{v \cdot e_{af}}{x_d} \sin \delta$$

$$q = \frac{v^2}{x_d} - \frac{v \cdot e_{af}}{x_d} \cos \delta$$

Góc $\delta$ gọi là góc công suất (power angle). Khi $\delta > 0$, máy hoạt động ở chế độ máy phát (công suất truyền ra lưới). Khi $\delta < 0$, máy hoạt động ở chế độ động cơ (nhận công suất từ lưới). Công suất đạt cực đại khi $|\delta| = 90^\circ$, đây là giới hạn ổn định tĩnh của máy điện đồng bộ.

Đối với máy điện đồng bộ cực lồi, do sự bất đồng nhất của khe hở không khí theo vị trí góc, điện kháng theo trục dọc $X_d$ và điện kháng theo trục ngang $X_q$ có giá trị khác nhau, với $X_d > X_q$ (trong khi đó ở máy cực ẩn $X_d = X_q$). Điều này đòi hỏi phải sử dụng lý thuyết hai phản ứng (two-reaction theory), còn gọi là lý thuyết hai trục d-q.

Dòng điện phần ứng được phân tích thành hai thành phần:

• Thành phần theo trục dọc (d-axis): $I_d$ cùng hướng với trục cực từ.
• Thành phần theo trục ngang (q-axis): $I_q$ vuông góc với trục cực từ.

Điện áp đầu cực được phân tích:

$$V_d = V \sin \delta$$ $$V_q = V \cos \delta$$

Các phương trình liên hệ:

$$V_d = -\omega \lambda_q = -\omega L_q I_q$$ $$V_q = \omega \lambda_d = \omega L_d I_d + \omega M I_f$$

Từ đó rút ra dòng điện thành phần:

$$I_d = \frac{V \cos \delta - E_{af}}{X_d}$$ $$I_q = -\frac{V \sin \delta}{X_q}$$

Phương trình công suất cho máy cực lồi bao gồm cả thành phần do từ trở saliency:

$$P = -\frac{3}{2} \left( \frac{V E_{af}}{X_d} \sin \delta + \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \sin 2\delta \right)$$

$$Q = \frac{3}{2} \left( \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_d} + \frac{1}{X_q} \right) - \frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \cos 2\delta - \frac{V E_{af}}{X_d} \cos \delta \right)$$

Thành phần $\frac{V^2}{2} \left( \frac{1}{X_q} - \frac{1}{X_d} \right) \sin 2\delta$ là mômen từ trở (reluctance torque), xuất hiện ngay cả khi không có kích từ ($E_{af} = 0$), do sự bất đồng nhất từ trở của máy cực lồi. Trong thực tế, các kỹ sư tính toán ổn định hệ thống điện thường bỏ qua saliency để đơn giản hóa tính toán, vì sai số không quá lớn ở điều kiện vận hành thông thường.

Phản ứng phần ứng (armature reaction) là hiện tượng từ trường do dòng điện phần ứng stator tạo ra tác động trở lại lên từ trường cực từ của rôto, ảnh hưởng đến sức điện động tổng hợp và điện áp đầu cực của máy. Lực từ động phần ứng $F_u$ tương tác với lực từ động kích từ $F_t$ theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào tính chất của tải ngoài.

Khi tải là thuần trở, dòng điện các pha trong dây quấn stator trùng pha với sức điện động pha tương ứng. Xét tại thời điểm dòng điện pha A đạt cực đại, từ trường phần ứng $F_u$ thẳng góc với từ trường kích từ $F_t$. Phản ứng phần ứng trong trường hợp này là ngang trục, không làm thay đổi đáng kể biên độ từ thông tổng nhưng làm từ trường tổng hợp nghiêng đi một góc so với trục cực từ.

Khi tải là thuần cảm, dòng điện các pha chậm pha so với sức điện động pha một góc 90°. Lúc này, $F_u$ ngược chiều với $F_t$. Phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ, làm giảm từ thông tổng trong khe hở. Điện áp đầu cực máy phát sẽ giảm xuống so với chế độ không tải. Đây là tình huống thường gặp khi máy phát cấp điện cho tải cảm tính lớn như động cơ không đồng bộ hoặc lò phản ứng.

Khi tải là thuần dung, dòng điện các pha nhanh pha so với sức điện động pha một góc $90^\circ$. Lúc này, $F_u$ cùng chiều với $F_t$. Phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ, làm tăng từ thông tổng trong khe hở. Điện áp đầu cực sẽ tăng lên, có thể gây quá điện áp nguy hiểm nếu không điều chỉnh kịp thời.

Đối với tải hỗn hợp (tổng trở có cả thành phần trở và cảm hay dung), góc lệch pha giữa dòng điện và sức điện động là $\psi$ (góc giữa $I_u$ và $E_{af}$). Lực từ động phần ứng $F_u$ được phân tích thành hai thành phần:

$F_{ud} = F_u \sin \psi$ (dọc trục)

$F_{uq} = F_u \cos \psi$ (ngang trục)

Trong thực tế, máy phát thường làm việc với tải có tính cảm trội, nên phản ứng phần ứng dọc trục chủ yếu là khử từ, đòi hỏi phải tăng dòng kích từ để giữ điện áp đầu cực không đổi khi máy mang tải.

Trước khi đưa một máy phát điện đồng bộ vào làm việc song song với lưới, cần thỏa mãn bốn điều kiện ghép song song sau:

• Điện áp của máy phát $U_F$ phải bằng điện áp của lưới $U_L$.
• Tần số của máy phát $f_F$ phải bằng tần số của lưới $f_L$.
• Máy phát và lưới điện phải cùng thứ tự pha.
• Điện áp của máy và của lưới điện phải trùng pha nhau.

Nếu vi phạm bất kỳ điều kiện nào, quá trình đóng máy phát vào lưới sẽ gây ra dòng xung kích và mô men cơ học tức thời rất lớn, có thể phá hủy cả cuộn dây lẫn khớp nối trục.

Khi máy phát đã song song với lưới, điện áp đầu cực $V$ được cố định bởi lưới. Lúc này, việc điều chỉnh công suất tác dụng $P$ thực hiện bằng cách thay đổi công suất cơ của động cơ sơ cấp (tăng hoặc giảm van hơi, van nước), làm thay đổi góc công suất $\delta$. Còn việc điều chỉnh công suất phản kháng $Q$ thực hiện bằng cách thay đổi dòng kích từ $I_f$, từ đó thay đổi sức điện động kích từ $E_{af}$.

Khi kích từ quá kích (over-excited): $E_{af} > V$, máy phát công suất phản kháng dương ($Q > 0$) vào lưới, hoạt động như một tụ điện điều chỉnh được, cải thiện hệ số $\cos \varphi$ của lưới.

Khi kích từ thiếu kích (under-excited): $E_{af} < V$, máy tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới, hoạt động như một cuộn cảm, làm xấu hệ số $\cos \varphi$ của lưới. Thực tế, các máy phát điện hầu như luôn vận hành ở chế độ quá kích để cấp cả công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng cho phụ tải.

Biểu đồ năng lực (capability chart) của máy phát đồng bộ biểu diễn miền làm việc an toàn trên mặt phẳng $P-Q$. Ba giới hạn chính trên biểu đồ này bao gồm giới hạn kích từ (field limit — vòng tròn trên cùng, đặc trưng bởi dòng kích từ cực đại), giới hạn cuộn dây phần ứng (armature limit — vòng tròn ứng với dòng stator định mức) và giới hạn ổn định tĩnh (stability limit — ứng với góc công suất $\delta = 90^\circ$). Ngoài ra, với máy phát công suất lớn, còn có giới hạn phát nhiệt trong lõi thép stator khi vận hành ở chế độ thiếu kích quá mức.

Đặc tính chữ V (Vee Curve) là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện phần ứng $I_a$ và dòng kích từ $I_f$ ở các mức công suất tác dụng khác nhau. Mỗi đường cong có dạng chữ V, với điểm cực tiểu ứng với hệ số công suất đơn vị ($\cos \varphi = 1$). Phía bên phải điểm cực tiểu là vùng quá kích ($\cos \varphi$ sớm pha với điện áp — leading), phía trái là vùng thiếu kích ($\cos \varphi$ chậm pha — lagging).

Ví dụ tính toán động cơ đồng bộ: Một động cơ điện đồng bộ ba pha đấu hình sao có $P_{đm} = 575 \text{ kW}$, $U_{đm} = 6 \text{ kV}$, $2p = 6$, $\cos \varphi = 1$, $f = 50 \text{ Hz}$, $\eta = 0,95$.

Tốc độ động cơ:

$$n = \frac{60f}{p} = \frac{60 \times 50}{3} = 1000 \text{ vg/ph}$$

Mô men quay:

$$M = \frac{P_2}{\omega} = \frac{575 \times 10^3}{\frac{2\pi \times 1000}{60}} = 5490,9 \text{ Nm}$$

Công suất tiêu thụ:

$$P_1 = \frac{P_2}{\eta} = \frac{575}{0,95} = 605 \text{ kW}$$

Dòng điện định mức:

$$I_{đm} = \frac{P_1}{\sqrt{3} U_{đm} \cos \varphi} = \frac{605 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 6000 \times 1} = 58,2 \text{ A}$$

Ví dụ minh họa: Một máy phát điện đồng bộ cung cấp cho hộ tiêu thụ công suất $S = 2500 + j3000$ kVA tại điện áp 6,3 kV. Điện trở một pha đường dây $r_d = 0,15\ \Omega$, điện trở máy phát $r_u = 0,045\ \Omega$.

Công suất biểu kiến:

$$S = \sqrt{2500^2 + 3000^2} = 3905\ \text{kVA}$$

Dòng điện trước bù:

$$I = \frac{S}{\sqrt{3}U} = \frac{3905}{\sqrt{3} \times 6,3} = 357\ \text{A}$$

Tổng tổn hao trước bù:

$$\sum \Delta P = 3I^2(r_d + r_u) = 3 \times 357^2 \times (0,15 + 0,045) = 74,5\ \text{kW}$$

Nếu đặt thêm máy bù đồng bộ công suất $30 - j3000$ kVA, công suất sau bù: $S_{sau\ bu} = 2530$ kVA. Dòng điện sau bù: $I' = \frac{2530}{\sqrt{3} \times 6,3} = 231$ A. Tổn hao sau bù giảm còn: $\sum \Delta P' = 3 \times 231^2 \times 0,195 = 31,2$ kW, tiết kiệm được $74,5 - 31,2 = 43,3$ kW tổn hao.

Hiệu suất máy điện đồng bộ ở chế độ máy phát được tính theo:

$$\eta = \frac{S_{dm} \times \cos \varphi}{S_{dm} \times \cos \varphi + \sum \Delta P}$$

Các thành phần tổn hao bao gồm tổn hao đồng trong dây quấn phần ứng $\Delta P_{cu} = 3R_u I_{dm}^2$, tổn hao đồng trong dây quấn kích từ $\Delta P_{kt} = U_{kt} \times I_{kt}$, tổn hao sắt trong lõi thép stator do hiện tượng từ trễ và dòng Foucault $\Delta P_{Fe}$, tổn hao cơ do ma sát và quạt gió $\Delta P_{co}$, và các tổn hao phụ.

Ví dụ tính hiệu suất: Máy phát đồng bộ ba pha đấu hình Y có $S_{dm} = 2000$ kVA, $U_{dm} = 2,3$ kV, $R_u = 0,0425$ $\Omega$, mạch kích từ tiêu thụ từ nguồn $U_{kt} = 220$ V, $I_{kt} = 35$ A, $\Delta P_{Fe} = 41,2$ kW, $\Delta P_{co} = 22,8$ kW.

Dòng điện định mức: $I_{dm} = \frac{S_{dm}}{\sqrt{3}U_{dm}} = \frac{2000}{\sqrt{3} \times 2,3} = 502$ A

Tổn hao dây quấn kích từ: $\Delta P_{kt} = U_{kt} \times I_{kt} = 220 \times 35 = 7,7$ kW

Tổn hao đồng phần ứng: $\Delta P_{cu} = 3 \times R_u \times I_{dm}^2 = 3 \times 0,0425 \times 502^2 = 32,13$ kW

Tổng tổn hao: $\Delta P = 32,13 + 7,7 + 41,2 + 22,8 = 103,83$ kW

Hiệu suất với $\cos \varphi = 0,8$:

$$ \eta = \frac{S_{dm} \times \cos \varphi}{S_{dm} \times \cos \varphi + \sum \Delta P} $$

$$ = \frac{2000 \times 10^3 \times 0,8}{(2000 \times 10^3 \times 0,8) + 103,83 \times 10^3} $$

$$ \approx 0,94 $$

Máy phát điện đồng bộ hiện đại có hiệu suất rất cao, thường từ 97% đến 99% ở công suất định mức.

Rôto cực lồi có các cực từ nhô ra rõ ràng trên bề mặt, khe hở không khí không đều theo góc quay, dẫn đến $X_d \neq X_q$ và xuất hiện mô men từ trở. Loại này dùng trong máy tốc độ thấp nhiều cực (máy phát thủy điện), đường kính rôto có thể lên đến 15 m. Rôto cực ẩn có dây quấn kích từ đặt trong rãnh xẻ trên thân rôto hình trụ tròn, khe hở không khí đều, điện kháng đồng bộ $X_d \approx X_q$, phù hợp với máy tốc độ cao ít cực (turbogenerator nhiệt điện và hạt nhân) và bị giới hạn đường kính rôto dưới 1,15 m để đảm bảo an toàn lực ly tâm.

Trước khi đóng máy phát đồng bộ vào làm việc song song với lưới, cần đảm bảo bốn điều kiện: (1) điện áp máy phát bằng điện áp lưới ($U_F = U_L$); (2) tần số máy phát bằng tần số lưới ($f_F = f_L$); (3) máy phát và lưới phải cùng thứ tự pha (A-B-C); và (4) điện áp máy phát và lưới phải trùng pha nhau tại thời điểm đóng cầu dao. Vi phạm bất kỳ điều kiện nào sẽ gây ra dòng xung kích và mô men cơ học nguy hiểm, ảnh hưởng đến máy phát và lưới điện.

Góc công suất $\delta$ (power angle) là góc lệch pha giữa sức điện động kích từ $E_{af}$ và điện áp đầu cực $V$. Công suất tác dụng phát ra tỉ lệ với $\sin \delta$: $P = \frac{3VE_{af}}{X_d} \sin \delta$. Khi $\delta$ tăng từ 0° đến 90°, công suất tăng và đạt cực đại ở $\delta$ = 90° — đây là giới hạn ổn định tĩnh. Nếu $\delta$ vượt quá 90°, máy sẽ mất ổn định đồng bộ, rôto "trượt cực" (pole slipping) và phải cắt máy ra. Trong thực tế vận hành, các máy phát lớn thường giữ $\delta$ trong khoảng 20° đến 40° để có đủ biên độ ổn định dự phòng trước các nhiễu loạn.