Tài liệu Bài giảng Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ docx

1Lecture 8 BÀI GIẢNG Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ TS. Hồ Phạm Huy Ánh TS. Nguyễn Quang Nam March 2010 http://www4.hcmut.edu.vn/~hphanh/teach.html 2Lecture 8 ¾ Máy điện đồng bộ được dùng phổ biến trong hệ thống năng lượng để làm các máy phát điện ba pha . Công suất phát có thể từ vài kVA cho đến 1100 MVA. ¾ Dây quấn ba pha được bố trí trên mạch từ tĩnh stator còn dây quấn kích từ DC được bố trí trên mạch từ quay rotor. Rotor được kéo quay bởi nguồn sơ cấp. Các máy phát điện công suất nhỏ thường dùng lỏi từ thường trực (permanent magnets) để tạo từ trườ ng quay. ¾ Tốc độ quay đồng bộ của máy phát quyết định trực tiếp đến giá trị tần số của dòng áp ba pha đưa lên lưới, và độc lập với điều kiện tải. ¾ Giáo trình tập trung giới thiệu các kết quả nền tảng, cách xây dựng biểu thức mô men và quan hệ khi máy phát vận hành xác lập dựa trên mạch tương đương. Các kiểu máy điện đồng bộ 1 pha và 2 pha chỉ đượ c giới thiệu sơ lược làm nền khi phân tích vận hành máy điện đồng bộ ba pha . Máy Điện Đồng Bộ –Giới thiệu chung 3Lecture 8 ¾ Khảo sát máy điện trên Fig. 6.1 của G.T., với dây quấn stator và rotor phân bố. Các giá trị từ thông liên kết được tính bởi: Máy điện đồng bộ một pha ( ) ( ) rsrssrrssss iLiLiLNNiLN θπθλ +=−+= 21 00 2 ( ) ( ) rrssrrrsrsr iLiLiLNiLNN +=+−= θπθλ 0 2 0 21 ¾ Hai dây quấn xem như được ghép cặp với giá trị đồng năng lượng xác định bởi: () rssrrrssm iiLiLiLW θ ++= 22' 2 1 2 1 ¾ Từ đó mô men điện được xác định bởi: ( ) () θ θ θ θ sin ' Mii d dL ii W T rs sr rs m e −== ∂ ∂ = Trong đóthànhphầncănbảncủa L sr (θ) là Mcos(θ). 4Lecture 8 ¾ Mô hình động của máy điện ĐB được xây dựng từ các quan hệ (xem Fig. 6.3) dt d Riv s sss λ += dt d Riv r rrr λ += me TT dt d BK d t d J +=++ θ θ θ 2 2 Với T m là giá trị mô men tác động ngoài theo chiều góc θ dương. ¾ Ở chế độ vận hành xác lập, công suất cơ được tính bởi: ( ) ( ) ( ) θωωωω sincoscos ttMIITp rsrsmm e m −== ¾ Giả sử điều kiện tần số đã được thỏa, công suất trung bình được tính như sau, () () 4sin γ ω rsmavm IIp − = ¾ γ là giá trị góc hằng nhằm bảo đảm θ = ω m t + γ. Kết quả trên cho thấy mô men đập mạch, với giá trị công suất thay đổi giữa zero và giá trị đỉnh. Tình trạng này có thể được cải thiện bằng cách thêm cuộn dây phụ vào cảởstator và rotor, cho ta máy điện ĐB hai pha. Máy điện đồng bộ một pha (tt) 5Lecture 8 ¾ Khảo sát máy điện ĐB 2 pha trên Fig. 6.4 của G.T., với bố trí dây quấn stator và rotor cụ thể. Lưu ý 2 cuộn dây quấn ở stator và rotor được bố trí để không có hiện tượng ghép cặp tương hổ. Ta xác định giá trị đồng năng lượng từ các thành phần từ thông liên kết. Từ đó mô men điện được xác định bởi: ()()()() [] θθ θ sincos ' bsbrarasbrasbsar m e iiiiiiiiM W T +−−= ∂ ∂ = ¾ Khi cấp dòng 2 pha cân bằng vào hệ thống dây quấn 2 pha, công suất không đổi được hình thành. ( ) [ ] γωωωωω ++−−== tMIITp rsmsrmm e m sin ¾ Nhằm tối ưu hai cuộn cần đặt lệch 90 0 trong không gian cũng như 2 dòng pha cần lệch pha nhau 90 0 điện, công suất hình thành có thể đạt giá trị tối ưu () γ ω sinMIIp srmm − = Máy điện đồng bộ hai pha 6Lecture 8 ¾ Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha cực lỏm (salient) 2 cực (xem Fig. 6.7). Máy điện loại này được dùng như máy phát thủy điện ĐB tốc độ thấp và động cơ ĐB một pha công suất thấp. Dây quấn stator mắc kiểu rãi phân bố nhằm tạo sức từ động sinusoidal mmfs qua khe hở với rotor. Khảo sát máy điện đồng bộ ba pha 7Lecture 8 ¾ Về nguyên tắc dây quấn ba pha stator mắc lệch 120 0 trong không gian. Khi cấp dòng ba pha vào hệ thống, dây quấn ba pha stator sẽ tạo từ trường quay có biên độ không đổi, với giả thiết mạch từ không bị bảo hòa. Tương tự, dây quấn hai pha stator sẽ mắc lệch 90 0 trong không gian sẽ tạo từ trường quay khi cấp dòng hai pha vào hệ thống. Khái niệm từ trường quay 8Lecture 8 ¾ GT sẽ không khảo sát kĩ cấu trúc rotor cực lõm. Trường hợp rotor bằng mặt, mô men điện được xác định bởi biểu thức Rotor cực lõm (salient-pole) và rotor bằng mặt (round) () () () 00 ' 120sin120sinsin +−−−−= ++= ∂ ∂ = θθθ θθθθ MiiMiiMii d dM ii d dM ii d dM ii W T rcrbra cr rc br rb ar ra m e 9Lecture 8 ¾ Khi nguồn kích từ là dòng ba pha cân bằng, biểu thức mô men có dạng Trường hợp rotor dây quấn ( ) ( ) 2 sin3 2 sin3 ttMIItMII T smrmsrm e ω γ ω ω θ − + − = − − = Với θ = ω m t+ γ. Mô men sẽđạtgiátrị trung bình khi ω m = ω s , còn đượcgọilàtốc độ đồng bộ. () () γγ sin 2 3 sin 2 3 MIIMIIT rarm e −=−= ¾ Lúc này tốc độ cơ đồng bộ ω m bằng với tần số lưới điện ω s (rad/s) f n s m π π ω 2 60 2 == Với n s là tốc độ cơ đồng bộ tính bằng (vòng/phút). 10Lecture 8 ¾ Điện áp pha xác lập được tính bởi: Xác định điện áp ở chế độ xác lập aras j s r asa EIjxe MI jILjV +=+= γ ωω 2 2 3 0 jx s E ar V a I a jx s I a I a V a E ar γ δ ¾ Mạch tương đương pha a và giản đồ vector khi vận hành như động cơ ĐB được thể hiện trên hình. Góc δ còn gọi góc công suất là góc lệch từ V a đến E ar . ¾ Kết quả tương tự cho pha b và c. P T P m Elec. Mech. [...]... lệch pha và công suất phức đầu ra của máy phát Biết điện kháng đồng bộ xs = 5 Ω Lecture 8 17 Biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất (HSCS) Như đã khảo sát, động cơ ĐB ba pha có thể nhận năng lượng điện từ lưới để vận hành với HSCS sớm hay trễ tùy ý Ưu thế này được dùng để cải thiện HSCS toàn cục của lưới mà động cơ ĐB đang kết nối Trong thực tế, động cơ ĐB được dùng như máy bù ĐB vận hành không tải, thường... vận hành này, dưới góc độ đồng năng lượng, Earsinδ phải là hằng số (ứng với công suất tác dụng không đổi nhận từ lưới), đưa đến giản đồ vector như hình Va Giản đồ vector cho thấy, khi I’a tăng kích từ (Ear tăng), giá trị dòng ứng Ia và góc lệch pha giữa Va và Ia sẽ giảm (và HSCS jxsIa jxsI’a Ia tăng) Ear Lecture 8 E’ar 18 Bài Tập 6.7 Cho máy điện ĐB 3 pha đấu wye cấp điện cho tải có Pt = 1500 kW với... động cơ ĐB, PT > 0, ta phải có δ < 0 Lecture 8 11 Máy phát điện đồng bộ ba pha Từ mạch tương đương ta xây dựng được quan hệ cơ bản: Va = − jx s I a + E ar hay E ar = Va + jx s I a Từ đó xác định được dòng phần ứng và công suất phát ba pha: ⎛ Va ∠0 0 × E ar ∠(− δ ) ⎞ 3Va E ar sin (δ ) ⎟= PT = 3 Re⎜ ⎜ ⎟ − jx s xs ⎝ ⎠ E ar − Va Ia = jx s jxs Ear Ia Va Ear jxsIa δ θ Va Ia Lecture 8 12 Bài Tập 6.1 Cho máy điện. .. 8 15 Máy điện đồng bộ nhiều cực Số lượng đôi cực có liên quan trực tiếp tới tốc độ đồng bộ của từ trường quay ( xem minh họa rotor ở Fig 6.24(a) của GT) Với mỗi cuộn dây, đường sức từ phải qua 2 cực để khép kín mạch từ Khảo sát rotor ở Fig 6.24(b), với cấu trúc 2 cặp cực Từ trường quay phải mất 2 chu kì (7200 điện) ứng với trục cơ quay 1 vòng 3600 Ta được ω elec = 2ω mech Tổng quát, với máy điện ĐB... vòng 3600 Ta được ω elec = 2ω mech Tổng quát, với máy điện ĐB có p đôi cực, ωelec = ωs = pωmech Với ωs là tần số đồng bộ lưới điện (rad/s) Để qui về f (tính bằng Hz) tương ứng với vận tốc cơ đồng bộ ns (tính bằng vòng/phút) ta có: 60 f ns = p Lecture 8 16 Bài Tập 6.5 Cho máy điện đồng bộ ba pha 60Hz, 6 cực, đấu wye được kéo quay bởi turbine cấp 16910 W cho trục quay Biết tổn hao đồng và tổn hao ma sát... có xs = 5 Ω/phase Cho máy điện vận hành như ĐC, nhận dòng 30 A với áp pha 254 V và cos(phi) là 0.8 sớm Xác định Ear và Te Biết tổng các tổn hao dây quấn, tổn hao quay và tổn hao thép là 400 W, hãy xác định mô men có ích đầu trục? Tìm thêm hiệu suất của ĐC? jxs Ia θ Ia Va δ Ear Va jxsIa Ear Lecture 8 13 Bài Tập 6.3 Giả sử dòng kích từ Ir được chỉnh sao cho công suất tổng không đổi như ở BT 6.2 và cos(phi)=1... = 3Va 3 × 254 jxs E ar = 254 − j120 = 280.9∠ − 25.8 0 V Ia Va Ia Va δ Ear jxsIa Ear Lecture 8 14 Bài Tập 6.4 Cho máy điện đồng bộ ba pha 2 cực đấu wye có xs = 2 Ω per phase Được vận hành như máy phát cấp áp Va 1905 V per phase Dòng tải tiêu thụ 350 A với cos(phi) tải là 0.8 trễ Tìm Ear, góc δ, và mô men điện cần có ( ) E ar = 1905 + j 2 350∠ − 36.87 0 = 2391∠13.54 0 V 3E arVa sin (δ ) 3 × 2391 × 1905... Ear Lecture 8 E’ar 18 Bài Tập 6.7 Cho máy điện ĐB 3 pha đấu wye cấp điện cho tải có Pt = 1500 kW với cos(phi) 0.8 PF trễ với áp dây 1732 V Một động cơ ĐB chạy không tải được mắc thêm vào lưới nhằm cải thiện cos(phi) bằng đơn vị Tìm dòng cần cấp cho động cơ ĐB Lecture 8 19 . 1Lecture 8 BÀI GIẢNG Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ TS. Hồ Phạm Huy Ánh TS. Nguyễn Quang Nam March 2010 http://www4.hcmut.edu.vn/~hphanh/teach.html 2Lecture. của máy phát. Biết điện kháng đồng bộ x s = 5 Ω. Bài Tập 6.5 18Lecture 8 ¾ Như đã khảo sát, động cơ ĐB ba pha có thể nhận năng lượng điện từ lưới để vận