Giáo trình máy điện 2 bộ môn máy công nghiệp

Trang 1

trường đại học BáCH KHOA

khoa điện

bộ môn: ĐIệN CÔNG NGHIệP

máy điện ii

máy điện đồng bộ máy điện một chiều máy điện xoay chiều có vμnh góp

Trang 2

Phần thứ tư

Máy điện đồng bộ Chương 1 Đại cương về máy điện đồng bộ

- Hầu hết các nguồn điện xoay chiều công nghiệp vμ dân dụng đều được sãn xuất từ máy phát điện đồng bộ

- Động cơ đồng bộ được dùng trong các tải lớn vμ có thể phát ra công suất phản kháng

- Máy bù đồng bộ để nâng cao hệ số công suất

1.1 Phân loại vμ kết cấu m.đ.đ.b

1 Phân loại

Theo kết cấu cực từ: Máy cực ẩn

(2p = 2); Máy cực lồi (2p ≥ 4)

Dựa theo chức năng: Máy phát

(Tuabin nước; tuabin hơi; diêzen);

Động cơ ( P ≥ 200 KW); máy

bù đồng bộ

2 Kết cấu

Hình 1-1 mô tả máy phát đồng bộ

cực lồi công suất vừa vμ hình 1-2 lμ

máy phát tuabin hơi (máy cực ẩn)

Kết cấu của stato của máy điện đồng bộ hoμn toμn giống như stato của m.đ.k.đ.b, nên ở

Hình 1-1 Máy phát điện đồng bộ cực lồi

Hình 1-2 Máy phát đồng bộ cực ẩn:

1 bệ máy; 2 lỏi thép stato; 3 Vỏ máy; 4 Giá đở stato; 5 ống dẫn chống cháy; 6 Dây quấn stato; 7 Vμnh ép stato; 8 Lá chắn ngoμi; 9 Lá chắn trong; 10 Lá chắn thông gió; 11 Che lá chắn; 12 Cán chổi; 13 Tay giữ chổi; 14 Chổi; 15 ổ trục; 16 Miếng lót; 17 ống phun dầu; 18 Giá đở ống phun; 19 Tấm mỏng; 20 Rôto; 21 Cực; 22 Máy kích thích

Trang 3

a) Kết cấu máy đồng bộ cực ẩn

Rô to máy đồng bộ cực ẩn được lμm bằng thép hợp

kim, gia công thμnh hình trụ vμ phay rãnh để bố trí dây

quấn kích thích Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực

của máy Mặt cắt ngang của lỏi thep rôto như hình 1-3

Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để

hạn chế lực ly tâm D ≤ 1,1 - 1,15 m, để tăng công suất ta

tăng chiều dμi rôto l đến 6,5m

Dây quấn kích thích thường lμ dây đồng trần tiết diện

hình chử nhật, quấn theo chiều dẹt thμnh từng

bối, giữa các vòng dây có một lớp cách điện

bằng mica mỏng Các bối dây được ép chặt

trong các rãnh rôto sau đó miệng rãnh được kín

bằng thanh thép không từ tính Hai đâud ra của

dây quấn kích thích được nối với 2 vμnh trược

gắn trên trục Máy phát kích thích thường được

nối cùn trục với rôto

Hình 1-3 Mặt cắt ngang lỏi thép

b) Kết cấu máy cực lồi

Máy cực lồi thường quay với tốc độ thấp nên

đường kính rôto có thể lớn tới 15m, trong khi

chiều dμi lại bé Thường l/D = 0,15 - 0,2

Với các máy nhỏ vμ vừa rôto được lμm bằng

thép đúc, gia công thμnh khối lăng trụ trên có các cực từ,

Với các máy công suất lớn rôto được ghép từ các lá thép

dμy từ 1-6 mm, dập định hình vμ ghép trên giá đở rôto Cực

từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dμy từ 1-1,5 mm

Dây quấn kích thích được quấn định hình vμ lồng vμo

thân cực từ, hình 1.4

Trên bề mặt cực từ có một bộ dây quấn ngắn mạch, như

dây quấn lồng sóc của m.đ.k.đ.b Với máy phát điệnđây lμ

dây quấn còn với động cơ lμ dây quấn mở máy, như hình 1.5

Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản

1.2 Hệ thống kích từ

1 Yêu cầu đối với hệ kích từ.

- Khi lμm việc bình thường có khả năng điều chỉnh được

dòng điện kích từ I t = U t /r t để duy trì điện áp định mức

- Có khả năng cưỡng bức dòng kích từ tăng nhanh khi

điện áp lưới giảm thấp do có ngắn mạch ở xa Thường trong

khoảng 0,5 giây phải đạt (0,5) ư ≈ 2

tdm

tdm tm

U

U U

, như hình 1-6

- Triệt từ kích thích khi có sự cố bằng điện trở triệt từ R T Hình 1-6 Cưởng bức kích thích

Trang 4

2 Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ

a) Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ Máy phát

điện 1 chiều kích thích thường có 2 cuôn dây kích thích: 1 cuộn song song L s dùng để tự

kích thích vμ 1 cuộn độc lập L n, hình 1.7

b) Kích từ bằng máy phát kích từ xoay chiều có chỉnh lưu, hình 1.8a lμ máy kích từ có phần cảm quay vμ phần ứng tĩnh vμ hình 1-8b lμ máy phát kích từ có phần cảm tĩnh vμ phần ứng quay

c) Hệ thống tự kích thích hổn hợp, hình 1-9, theo sơ đồ nμy điện áp vμ dòng điện kích từ

sẽ tỷ lệ với U T vμ U I của biến điện áp TU vμ biến dòng điện TI

Hình 1-7 Kích từ bằng máy

phát kích từ một chiều

Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh

Hình 1-8 Máy kích từ xoay chiều có chỉnh lưu

Hình 1-9 Hệ thống tự kích thích hổn hợp của máy điện đồng bộ

Trang 5

1.3 Nguyên lý lμm việc cơ bản của máy điện đồng bộ

Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều it vμo dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện it sẽ tạo nên một từ thông φt Nếu ta quay rôto

lên đến tốc độ n (vg/ph), thì từ trường kích thích φt sẽ

quét qua dây quấn phần ứng vμ cảm ứng nên trong dây

quấn đó S.Đ.Đ vμ dòng điện phần ứng biến thiên với tần

số f1 = p.n/60 Trong đó p lμ số đôi cực của máy

Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối

sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ) như hình 1.10

Khi máy lμm việc dòng điện phần ứng Iư chạy trong

dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay (đã biết ở

phần 2 MĐ) Từ trường nμy quay với tốc độ đồng bộ n1 =

Kiểu máy; số pha; tần số (Hz); công suất định mức (kW hay KVA); điện áp dây (v); Sơ

đồ dấu dây stato; Các dòng điện stato vμ rôto; Hệ số công suất; Tốc độ quay (vg/ph); Cấp cách điện

Trang 6

Chương 2

Từ trường trong máy điện đồng bộ

2.1 Đại cương

Từ trường trong m.đ.đ.b bao gồm: Từ trường cực từ F t do dòng điện kích thích i t vμ từ

trường phần ứng F ư dòng điện phần ứng I ư tạo nên

Khi không tải (I = 0), trong máy chỉ có từ trường F t Nếu roto quay F t quét qua dây quấn stato vμ cảm ứng nên trong đó S.đ.đ không tải E0

Khi có tải (I ≠ 0) , trong máy ngoμi F t còn có F ư Với máy 3 pha F ư lμ từ trường quay, từ trường nμy bao gồm từ trường cơ bản vμ từ trường bậc cao Trong đó từ trường cơ bản lμ quan trọng nhất

Tác dụng của từ trường phần ứng F ư lên từ trường cực từ F t gọi lμ phản ứng phần ứng

Khi mạch từ không bảo hoμ ta xét riêng F t vμ F ư rồi xếp chồng để được Fδ

Trong chương nμy ta cũng xác định các điện kháng do các từ trường trên sinh ra

2.2 Từ trường của dây quấn kích thích (F t)

1 Máy cực lồi.

Sức từ động của một cực từ:

p 2

i w

Từ thông do F t sinh ra khi p = 2 như hình 2.1 Trong đó: φt lμ từ thông chính, nó đi qua khe hở không khí vμ móc vòng với dây quấn Stato; φσt lμ từ thông tản của cực từ

Sự phân bố của từ trường vμ từ cảm trong khe hở như hình 2.1 vμ 2.2

Hình 2.1 Sự phân bố của từ trường kích thích Hình 2.2 Phân bố của từ cảm trong khe hở

Trang 7

Trªn h×nh 2.2 sù kh¸c nhau gi÷a tõ c¶m c¬ b¶n vμ tõ c¶m kÝch tõ BB

t ®−îc biÓu thÞ qua

hÖ sè d¹ng sãng

tm B tm1 B t

0 t

.k d k k t F 0 tm

.B t k tm1 B

δ μ δ

μ δ

w d k k

.l 2

0 l tm1 B

2

δ τ μ δ

ω.w.k dt

t−d dΨ

p

.k W k k

.l W.k

δ π

τ μ ω

μ δ

VËy hÖ sè hæ c¶m cña dq kÝch thÝch vμ dq phÇn øng lμ

p

.k W k k

.l

d

0 ud

δ π

τ μ

μ δ

Víi: Lσt lμ hÖ sè tù c¶m do tõ tr−êng t¶n g©y ra (tra tμi liÖu TK); L tδ lμ hÖ sè tù c¶m do

tõ tr−êng khe hë φtδg©y ra

NÕu gäi kφ lμ tû sè gi÷a diÖn tÝch giíi h¹n bëi ®−êng 1 vμ ®−êng 2 h×nh 2.2 th×

μ δ

δ δ

τ μ

.k k p

W k k

.l i

W

2 t d 0 t

t t

t = φ =

2-9

Trang 8

2 Máy cực ẩn

Hình 2.3 biểu diễn sự phân bố của từ cảm cực từ vμ sóng cơ bản Lấy trục cực từ lμm gốc ta tính được

tm 2

π

2 γ)π (1

tm 2

γ).π (1

0 tm 2

π

2 π t

2

γπ sin π

4 α).cosα.dα 2

π ( B γ.π

2

π

4 dα cosα B π

4 α d cos B π

Vậy với máy cực ẩn:

2

γπ 2

γπ sin π

4 B

2 1 2 k

Khi máy điện đồng bộ lμm việc từ trường do

dòng điện I ư chạy trong dây quấn Stato sinh ra gọi

lμ từ trường phần ứng F ư Tác dụng của F ư lên F t gọi lμ phản ứng phần ứng Tuỳ thuộc vμo

tính chất của tải vμ dạng cực từ mμ phản ứng phần ứng có các dạng khác nhau

Hình 2.3 Sự phân bố của từ cảm cực từ

1 Phản ứng phần ứng ngang trục vμ dọc trục

Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha được tượng trưng bằng một vòng

dây, thời điểm xét I& A = I m ; I& B = I& C = - I m /2

a/ Khi tải thuần trở

Khi tải đối xứng vμ thuần trở, I& vμ E&

trùng pha nhau (ψ = 0) Tại thời điểm

Trang 9

b/ Khi tải thuần cảm

E& A vượt pha trước I& A một góc π /

2 vμ F& t vượt pha trước E& A một góc π

Hình 2.5 Phản ứng phần ứng khi tải thuần cảm

c/ Khi tải thuần dung

E& A chậm pha so với I& A một góc π /

2 vμ F& t vượt pha trước E& A một góc π

Với máy đồng bộ cực ẩn δ đều, nếu mạch từ không bảo hoμ thì từ trở lμ hằng số, như

vậy nếu F ư lμ sin thì BB

ư cũng sin

.I p

W.k π

2 m.

.δ k k

μ F

.δ k k

μ

μ δ

0 u

μ δ

2 m.

.δ k k

.l 2.μ l

.B π

2 μ

δ

δ 0 δ

um u

ττ

Sức điện động phần ứng do từ thông φư cảm ứng nên có trị số:

u dq u

.l μ 4.m.f.

I

E x

2 dq 2

μ δ

δ 0 u

u u

τ

=

Thường x ư = 1,1 - 2,3

Trang 10

b/ Máy đồng bộ cực lồi

Máy đồng bộ cực lồi δ dọc trục vμ ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ lμ

sin nhưng từ cảm sẽ không sin Sự không sin của BBư còn phụ thuộc vμo tính chất của tải Để

thuận lợi ta phân F ư ứng với một tải bất kỳ thμnh hai thμnh phần dọc trục vμ ngang trục như hình 2.8

Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ vμ từ cảm dọc trục vμ ngang trục

Ta có:

d dq dq

u

p

W.k π

2 m.

I.sinψ p

W.k π

2 m.

.sinψ

F

q dq dq

u

p

W.k π

2 m.

I.cosψ p

W.k π

2 m.

0

.δ k k

μ

μq δ

0

.δ k k

d 0 d

ud

p

.k W k k

.l 4.m.f.

I

E

x

δ π

τ μ

μ δ

q 0 q

uq

p

.k W k k

.l 4.m.f.

I

E

x

δ π

τ μ

μ δ

δ

=

Thường: x ưd = 0,5 - 1,5; x ưq = 0,3 - 0,9

Trang 11

2.4 Quy đổi các S.T.Đ trong máy điện đồng bộ

Chế độ lμm việc xác lập, tải đối xứng tác dụng của F ư lên F t lμ trợ từ hoặc khử từ Để

đánh giá được mức độ ảnh hưởng đó ta phải quy đổi F ư về F t vμ như vậy khi xét các đặc

tính lμm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục toạ độ vμ đường cong

không tải E = f(i t )

Chế độ quá độ ta phải quy đổi ngược lại F t về F ư

Việc quy đổi phải đảm bảo điều kiện:

BB

Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có:

t μ δ

0 t tm t

.δ k k

μ k B

k

μ δ

0 tm

.δ k k

μ B

F

t u

0 t

tm

t

.δ k k

μ k B

k

μd δ

0 ud

udm ud

.δ k k

μ k B

k

Sức từ động phần ứng dọc trục đã quy đổi về s.t.đ cực từ:

d ud t

ud ud

k

k F

F′ = = với k d = k ưd / k t

Cũng vậy, theo hướng ngang trục:

q uq t

uq uq

k

k F

F′ = = với k q = k ưq / k t

Các hệ số k d vμ k q phụ thuộc vμo α, δm /δ, δ /τ được tính sẵn trong tμi liệu thiết kế

Trang 12

Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha

Đối với máy phát điện:

3-1

) jx (r I E

U& = &δ ư & u + σ u

Đối với động cơ vμ máy bù đồng bộ:

3-2

) jx (r I E

U& = &δ + & u + σ u

Trong đó: U lμ điện áp đầu cực của máy, r ư vμ xσư lμ điện trở vμ điện kháng tản của dây quấn phần ứng;

Eδ lμ s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở

Khi mạch từ không bảo hoμ, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có:

3-3

u

E E

E&δ = &0 + &

Khi mạch từ bảo hoμ ta phải xác định F&δ =F&0 + F&urồi suy ra E&δ

1 Trường hợp máy phát điện

a/ Khi mạch từ không bảo hoμ

Giả sử tải đối xứng vμ có tính cảm

(0 < ψ < 90 0 )

-/ Máy cực ẩn:

Phương trình cân bằng điện áp lμ:

) jx (r I E

σu

u jx ) I r E j I x I r (x

I j.

Trang 13

3.6

u σu uq

ud σu

u uq

ud E I (r x ) E j I x j I x j I x I r E

của từ trường phần ứng sinh ra không

phụ thuộc vμo từ dẫn hướng dọc vμ

ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể

phân tích chúng theo 2 hướng dọc vμ

ngang trục:

u

x I

j & σ

ư

u d u q

u u

u

x I j x I

j

) sin x I cos x I

σ σ

σu uq σu

x d = x ưd + xσư gọi lμ điện kháng đồng bộ dọc trục, thường x d = 0,7 - 1,2

x q = x ưq + xσư gọi lμ điện kháng đồng bộ ngang trục, thường x q = 0,46 - 0,76

Đồ thị véc tơ ứng với phương trình 3.7 như hình 3.3

b/ Khi mạch từ bảo hoμ

Khi mạch từ bảo hoμ vì các hệ số kμd vμ kμq rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết hợp đồ thị s.t.đ vμ s.đ.đ với đường cong không tải Đồ thị nμy được gọi lμ đồ thị s.t.đ.đ, có tên lμ đồ thị Pôchiê

- Máy cực ẩn:

Giả sử U, I, cosϕ, r ư , xσư vμ đặc tính không tải đã biết, để thμnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên

trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U vμ véc tơ I chậm sau U một góc ϕ

Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát

điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn

Trang 14

Cộng U với vμ được Trên trục hoμnh đặt rồi cộng với hợp với

trục hoμnh một góc 90

u

r I& j & I x u E&δ F&δ F&δ K u F&u

- Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thμnh lập chính xác đồ thị véc tơ lμ rất khó, vì φd

vμ φq hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo hoμ theo 2 hướng lại khác nhau Như vậy x ưd

vμ x ưq phụ thuộc cả vμo φd vμ φq Để đơn giản ta coi x ưd chỉ phụ thuộc vμo φd vμ x ưq chỉ phụ thuộc vμo φq vμ kμq đã biết Khi

u uq ud u

Trang 15

3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ

1 Đặc tính góc công suất tác dụng

P = f(θ) khi E = const, U = const, với θ lμ góc tải giữa véc tơ E vμ U

Để đơn giản ta bỏ qua r ư vì nó rất bé so với (x đb , x d , x q ) Công suất đầu cực của máy

đồng bộ bằng: P = mUIcosϕ

Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có:

Hình 3-8 Sự tạo nên P U

d d

x

U.sinθ

I = vμ ϕ = ψ - θ 3.9

Do đó: P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ - θ)

= mU(Icosψ.cosθ + Isinψ.sinθ)

P = mU(I q cosθ + I d sinθ), thay I d vμ I q vμo ta có:

x

mU θ sin x

mEU cosθ

θ sin x

mU

P

d 2

d q

2

ư +

=

Hay

)sin2θ x

1 x

1 ( 2

mU sinθ x

mUE

P

d q 2

d

ư +

Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần Một

phần P e tỷ lệ với sinθ vμ phụ thuộc vμo kích từ; một phần P u tỷ lệ với sin2θ không phụ thuộc vμo kích từ Như vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác

dụng vẫn có một lượng nhỏ lμ P u Người ta ứng dụng điều nμy để chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vμi chục oát

- Với máy đồng bộ cực ẩn vì x d = x q nên sinθ

x

UE m P

Trang 16

2 Đặc tính góc công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ được tính:

Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ - θ) = mU(Isinψ ψ.cos cosθ θ + Icos + Icosψ ψ.sin sinθ θ) )

Q = mU(I d cosθ - I q sinθ)

Thay I d vμ I q vμo ta có:

) x

1 x

1 ( 2

mU )cos2θ x

1 x

1 ( 2

mU cosθ x

mUE

Q

d q 2

d

+

ư

ư +

=

Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ như hình 3.11

Khi -θ' < θ < +θ' máy phát công suất phản kháng vμo lưới, ngoμi phạm vi trên máy

tiêu thụ công suất phản kháng

Hình 3-10 Từ trường khe hở

a) máy phát, b) động cơ

Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi

Trang 17

3 Đặc tính ngoμi U = f(I) khi I t = cte; f = f đm ; cosϕ = Cte

4 Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U = cte; f = f đm ; cosϕ = Cte

5 Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = cte; f = f đm ; cosϕ = Cte

Các đặc tính trên được xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm

Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao

tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi

dòng điện kích từ ta nhận được đường đặc tính

không tải, như hình 4.2

Đường (1) máy phát tourbin hơi, đường (2)

máy phát tourbin nước Ta thấy máy phát tourbin

hơi bảo hoμ nhiều hơn máy phát tourbin nước

Khi E = E đm = 1 máy phát tourbin hơi có kμd =

kμ = 1,2 còn máy phát tourbin nước có kμ = 1,06

Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nước

Trang 18

2 Đặc tính ngắn mạch , I n = f(I t ) khi U = 0, f = f đm vμ tỷ số ngắn mạch K

Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r ư thì tải của máy phát lμ dây quấn của phần ứng nên nó

được coi lμ thuần cảm ψ = 0, I q = Icosψ = 0 còn I d = Isinψ = I

Mạch điện thay thế vμ đồ thị véc tơ như hình 4.3, ta có

d

x I j

Thường x đ* > 1 nên K < 1, hay I n0 < I đm Vậy

dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện

đồng bộ không lớn, đó lμ do tác dụng khử từ của

phản ứng phần ứng

Qua hai tam giác đồng dạng OAA' vμ OBB' ta có:

tn t dm

n

I

I I

Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch

thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ

Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K

định, muốn K lớn thì x đ* phải lớn ⇒ δ lớn ⇒ kích thước của máy lớn ⇒ giá thμnh tăng Thường máy phát tourbin nước K = 0,8 - 1,8; vμ tourbin hơi K = 0,5 - 1,0

Trang 19

3 Đặc tính ngoμi vμ độ thay đổi điện áp ΔU đm

Đặc tính ngoμi: U = f(I) khi I t = Cte; cosϕ = Cte ; f = f đm

Các đường đặc tính ngoμi phụ thuộc vμo tính

U

U E

=

Máy phát tourbin hơi có xd lớn hơn máy phát

tourbin nước nên ΔU đm % của nó lớn hơn máy phát

tourbin nước Thường ΔU đm % = (25 - 35)%

4 Đặc tính điều chỉnh I t = F(I) khi U = U đm = Cte,

cosϕ = Cte vμ f = f đm.

Thường cosϕđm = 0,8 (điện cảm), khi I tăng từ 0 đến

I đm với U = U đm thì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2

lần

5 Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = Cte, cosϕ = Cte ;

f = f đm

Theo quan hệ trên, với các giá trị khác nhau của I vμ

cosϕ ta sẽ có các đường đặc tính tải khác nhau Trong

đó đặc biệt nhất lμ đường đặc tính tải thuần cảm, khi

Trang 20

Tam giác điện kháng:

Lấy I n = I đm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục hoμnh được điểm C Thì OC = I tn (dòng điện kích từ), dòng điện I tn gồm 2 phần:

Một phần BC = k ưd F ưd khắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC ∼ I đm

Một phần CB = OC - BC sinh ra Eσư = I đm xσư = AB

Như vậy tam giác ABC có 2 cạnh AB vμ BC tỷ lệ với I đm

Xây dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải vμ tam giác điện kháng Tịnh tiến ΔABC (hoặc ΔAOC) sao cho đỉnh A năm trên đường (1) thì đỉnh C sẽ vẽ nên đường

(3) với ΔA'B'C'

Khi có xét đến bảo hoμ đường (3) lμ đường đứt nét với ΔA"B"C" (hoặc O"A"C")

4.3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ

1 x d vμ x q

AB

AC I

E x

k

x x

Từ một điểm C' bất kỳ trên đường (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đường // với

OA cắt đường (1) tại A', từ A' hạ A'B'⊥ C'O' thì xσư = A'B'/ I

Khi xét đến bảo hoμ x p = A"B"/I x p > xσư lμ điện kháng Pôchiê

Máy cực ẩn x p = (1,05 - 1,1) xσư

Máy cực lồi x p = (1,1 - 1,3) xσư

4.5 Tổn hao vμ hiệu suất

Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng p cu = I 2 r ư

Tổn hao thép: do dòng điện xoáy vμ từ trễ

Tổn hao kích từ: trên rt vμ tiếp xúc chổi than

Tổn hao phụ: do từ trường tản vμ sự đập mạch của từ trường bậc cao

P

2 2

Trang 21

Chương 5

Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng

Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi

- Tải của 3 pha không bằng nhau

- Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng thường gây nên các hiện tượng bất lợi, như: điện áp không

đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung

Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng phương pháp phân lượng đối xứng Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ngược vμ không

0 2 1

2 2

1 1

1 1 1

I I I

a a

a a I I I

c b a

2 2

1 1

1 1 1

U U U

a a

a a U U U

c b a

0 0 2 2 1

1 0 2

0 0 2 2 1 1 0

) (

Z I Z I a Z I E a U

Z I Z I Z I E U

c b a

gồm 9 phương trình có chứa 12 ẩn số, (E 0 , Z 1 ; Z 2 ; Z 0 đã biết), muốn giải được tuỳ từng

trường hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 phương trình nữa

5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng

1 Tổng trở thứ tự thuận Z 1 = r 1 + jx 1

Tổng trở thứ tự thuận Z 1 chính lμ tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x 1 = x đb máy

cực ẩn, máy cực lồi lμ x d theo hướng dọc trục vμ x q theo hướng ngang trục

S.t.đ của hệ thống ngược, quay ngược với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ tương đối của nó

so với rô to lμ 2n 1 Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rôto có tần số 2f Với máy cực lồi nếu ta coi rôto đứng yên thì từ trường quay ngược có tốc độ 2n 1 lμ do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 90 0 vμ không gian 90 0 tạo nên, hình 5-1

Trang 22

Như vậy từ trường do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục như hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo hướng dọc trục như hình 5-2 vμ ngang trục như hình 5-3

Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 Hướng dọc trục có Hình 5-3 Hướng ngang trục có

đồng bộ ứng với thứ tự ngược dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b)

Trên các mạch điện thay thế: xσư điện kháng tản phần ứng; x ưd điện kháng dọc trục

phần ứng; x ưq điện kháng ngang trục phần ứng; xσt điện kháng tản của dây quấn kích thích;

xσcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xσcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản

Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định được điện kháng dọc trục vμ ngang trục

cd t

d

u d

x x x

x

σ σ

σ

1 1 1

1 + +

+

=

t d

u d

x x

σ

1 1

1 +

+

=

cq q

u q

x x

q

d x x

x ′′ + ′′

= , thường x d′′ ≈ x q′′ nên x2 = x d′′ = x q′′ 5-9

Khi không có dây quấn cản

2 2

q

d x x

Thường xσư < x 2 < x 1 , với máy cực ẩn x 2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản

x 2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x 2* = 0,3 - 0,6

Điện trở thứ tự ngược r 2 = r ư + r r /2 (Với r r lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng)

Xác định x 2 vμ r 2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vμo dây quấn stato quay rôto ngược

chiều từ trường quay với tốc độ n 1 đo U 2 ; I 2 ; P 2 của một pha từ đó tính được:

I

P

2 2 2

2 z r

Trang 23

3 Tổng trở thứ tự không Z 0 = r 0 + jx 0

Dòng điện thứ tự không I 0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nhưng lệch pha nhau

về không gian một góc 120 0 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời

gian nhưng lệch pha về không gian 120 0 Khi phân tích các s.t.đ thμnh các sóng điều hoμ

thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 lμ tồn tại, như 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây

quấn kích thích vμ dây quấn cản bởi từ trường đó rất bé, do đó x 0 chủ yếu do từ trường tản

rảnh vμ đầu nối gây nên Với máy cực ẩn x 0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x 0* = 0,02 - 0,20

Điện trở thứ tự không r 0 lớn hơn r ư không nhiều nên thường coi r 0 = r ư

Các tham số Z 0 ; r 0 ; x 0 có thể xác định bằng thực nghiệm Nối nối tiếp 3 pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vμo vμ cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U 0 ; P 0

vμ I 0 từ đó suy ra:

2 0 2 0 0

2 0

0 0 0

U

5.3 ảnh hưởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ

Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thμnh phần thứ tự thuận vμ ngược, còn thμnh

phần thứ tự không thường rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha thường được nối Y

vμ trung tính nối đất Từ trường do dòng điện thứ tự ngược thường gây nên các hiện tương bất lợi cho máy phát, như: Điện áp không đối xứng lμm tăng tổn hao, rôto nóng vμ máy rung động

1 Điện áp khi tải không đối xứng

Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa lμ

chúng có biên độ không bằng nhau vμ góc lệch pha khác 120 0 Điều nμy ảnh hưởng xấu

đến hộ dùng điện

2 Tổn hao tăng vμ rôto nóng

Khi tải không đối xứng từ trường quay ngược sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lμm

tăng tổn hao ở rôto vμ lμm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao vμ giảm hiệu suất

3 Hiện tượng máy rung

Khi tải không đối xứng do tác dụng tương hổ giữa từ trường cực từ với từ trường quay

ngược của stato vμ từ trường quay thuận với từ trường của các dòng điện có tần số 2f ở rôto chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi vμ lực đập mạch với tần số 2f tác

dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lμm cho máy bị rung động vμ gây ồn

Thường chỉ cho phép máy đồng bộ lμm việc lâu dμi với tải không đối xứng khi dòng

điện các pha không vượt quá định mức vμ mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá

10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi

Trang 24

5.4 Ngắn mạch không đối xứng

Hình 5-4 Ngắn mạch 1 pha

1 0

3

1 3

1

n

a I I I I

I& = & = & = & = & 5-16 Thay (5-16) vμo (5-4) ta được:

0 2 1

0 2

1 0

Z Z Z

E I

I I

+ +

0 0

1

3 3

Z Z Z

E I

I

I n a

+ +

=

= & & &

Điện áp các pha b vμ c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4)

Bỏ qua r ư ta có đồ thị véc tơ của dòng điện vμ điện áp khi ngắn mạch một pha, hình 5-5

Hình 5-6 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch một pha Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 1 pha

Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế như hình 5-6 Với E 0 biểu thị nguồn của

máy phát với tổng trở thự tự thuận Z 1 vμ chổ ngắn mạch Z 2 ; Z 0 giữa điểm M vμ N

Mạch điện thay thế hình 5-6 hoμn toμn phù hợp với biểu thức (5-17) Điện áp U 1 giữa

hai điểm M vμ N đặc trưng cho chổ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z 2 vμ Z 0 lμ U 2 vμ

U 0

Mạch điện thay thế nμy có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong lưới điện phức

tạp Lúc đó Z 1 ; Z 2 vμ Z 0 lμ các tổng trở thự tự thuận, ngược vμ không của lưới

Trang 25

2 Ng¾n m¹ch hai pha

H×nh 5-7 Ng¾n m¹ch hai pha m¸y ph¸t ®.b

Gi¶ sö ng¾n m¹ch hai pha b vμ c nh− h×nh 5-7, ta cã:

= + c

0 (Z Z )I

E& = + &

2 1 2 1

Z Z

E I

0 1

1 2 2 1 2 2

3 3

) (

Z Z

E j I j I a a I a I a I I

pha ë ch−¬ng 4 ta thÊy: V× Z 1 > Z 2 > Z 0 nªn theo c¸c biÓu thøc (5-18); (5-22) vμ (4-1) th×

víi cïng mét gi¸ trÞ E nh− nhau sÏ cã I n1 > I n2 > I n3

Nh− vËy ng¾n m¹ch 1 pha sÏ cã dßng ®iÖn lín nhÊt Khi sè pha bÞ ng¾n m¹ch t¨ng lªn th× t¸c dông cña ph¶n øng phÇn øng khö tõ còng t¨ng lªn nªn dßng ®iÖn ng¾n m¹ch gi¶m xuèng

Trang 26

Chương 5

Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng

Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi

- Tải của 3 pha không bằng nhau

- Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng thường gây nên các hiện tượng bất lợi, như: điện áp không

đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung

Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng phương pháp phân lượng đối xứng Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ngược vμ không

0 2 1

2 2

1 1

1 1 1

I I I

a a

a a I I I

c b a

2 2

1 1

1 1 1

U U U

a a

a a U U U

c b a

0 0 2 2 1

1 0 2

0 0 2 2 1 1 0

) (

Z I Z I a Z I E a U

Z I Z I Z I E U

c b a

gồm 9 phương trình có chứa 12 ẩn số, (E 0 , Z 1 ; Z 2 ; Z 0 đã biết), muốn giải được tuỳ từng

trường hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 phương trình nữa

5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng

Tổng trở thứ tự thuận Z 1 chính lμ tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x 1 = x đb máy

cực ẩn, máy cực lồi lμ x d theo hướng dọc trục vμ x q theo hướng ngang trục

S.t.đ của hệ thống ngược, quay ngược với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ tương đối của nó

so với rô to lμ 2n 1 Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rôto có tần số 2f Với máy cực lồi nếu ta coi rôto đứng yên thì từ trường quay ngược có tốc độ 2n 1 lμ do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 90 0 vμ không gian 90 0 tạo nên, hình 5-1

Trang 27

Như vậy từ trường do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục như hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo hướng dọc trục như hình 5-2 vμ ngang trục như hình 5-3

Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 Hướng dọc trục có Hình 5-3 Hướng ngang trục có

đồng bộ ứng với thứ tự ngược dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b)

Trên các mạch điện thay thế: xσư điện kháng tản phần ứng; x ưd điện kháng dọc trục

phần ứng; x ưq điện kháng ngang trục phần ứng; xσt điện kháng tản của dây quấn kích thích;

xσcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xσcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản

Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định được điện kháng dọc trục vμ ngang trục

cd t

d

u d

x x x

x

σ σ

σ

1 1 1

1 + +

+

=

t d

u d

x x

σ

1 1

1 +

+

=

cq q

u q

x x

q

d x x

x ′′ + ′′

= , thường x d′′ ≈ x q′′ nên x2 = x d′′ = x q′′ 5-9

Khi không có dây quấn cản

2 2

q

d x x

Thường xσư < x 2 < x 1 , với máy cực ẩn x 2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản

x 2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x 2* = 0,3 - 0,6

Điện trở thứ tự ngược r 2 = r ư + r r /2 (Với r r lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng)

Xác định x 2 vμ r 2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vμo dây quấn stato quay rôto ngược

chiều từ trường quay với tốc độ n 1 đo U 2 ; I 2 ; P 2 của một pha từ đó tính được:

I

P

2 2 2

2 z r

Trang 28