Chương 22: Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng docx

113 !"#$%%&'($)*$+,$" $/01$234$+5"#$+64$78"#$49:$;31$<#37$+.="$+,">$?@$ W A V D 2 A $$. $7 A 7 D 1 + - F A A V V Z W Ch"ơng 22 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 22-1. Đại c?ơng Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng đGợc thể hiện rõ ràng qua các đại lGợng nhG điện áp U ở đầu dây quấn phần ứng, dòng điện I trong dây quấn phần ứng, dòng kích thích i t , hệ số công suất cos, tần số hoặc tốc độ quay n. Trừ tần số f luôn đGợc giữ bằng định mức f đm và cos = const do tải bên ngoài quyết định, từ ba đại lGợng U, I, i t còn lại ta có thể thành lập đGợc các đặc tính sau đây của máy phát điện đồng bộ: 1. Đặc tính không tải U 0 = E = f(i t ) khi I = 0; f = f đm 2. Đặc tính ngắn mạch I n = f(i t ) khi U = 0; f = f đm 3. Đặc tính ngoài U = f(I) khi i t = const; cos = const; f = f đm 4. Đặc tính điều chỉnh i t = f(I) khi U = const; cos = const; f = f đm 5. Đặc tính tải U = f(i t ) khi I = const; cos = const; f = f đm Các đặc tính trên có thể thành lập đGợc theo tính toán dựa vào đồ thị vectơ s.đ.đ. hoặc bằng cách làm thí nghiệm trực tiếp. Từ các đặc tính trên có thể suy ra các tính chất quan trọng của các máy nhG tỷ số ngắn mạch K; độ thay đổi điện áp U. Cũng từ các đặc tính trên chúng ta có thể suy ra đGợc các tham số x d , x q , x G của máy. Ngoài ra còn phân tích về vấn đề hiệu suất của máy phát điện đồng bộ. 22-2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ Sơ đồ nối dây của máy phát điện đồng bộ để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ đGợc trình bày trên hình 22-1. Tải của máy phát điện đồng bộ là tổng trở Z có thể biến đổi (ví dụ tải điện trở ba pha ghép song song với tải điện cảm ba pha). Dòng điện kích thích i t của máy phát điện lấy từ nguồn bên ngoài và điều chỉnh đGợc nhờ biến trở r t . $ 22.2.1. Đặc tính không tải Đặc tính không tải là quan hệ E = U 0 = f(i t ) khi I = 0 và f = f đm . PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 114 d xIjE && = E & ud xIj & u xIj & I & :B $ E & I & x G x Gd ? B $ !"#$% % & CD$E,$7#5$FG47*$FH$;I4#$+.="$7#:1 $7#J$ 49:$;31$<#37$+.="$+,">$?@$KL4$">M"$;I4#$ !"#$% % & % D$E64$78"#$N#O">$7P.$ 49:$;31$<#37$7Q:?."$#*.$R:B$FH$ ;31$<#37$7Q:$?."$"ST4$R?B$ U V $ . 7V $ WXY $ WXZ $ 'X% $ ' $ % $ C $ ? $ : $ W $ !"#$% % & ZD$E64$78"#$">M"$ ;I4#$49:$;31$<#37$+,">$?@ $ I i t I = f(i t ) Dạng đặc tính không tải của các máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tGơng đối E * = E/ E đm và i t* = i t /i tđm0 nhG trên hình 22-2, trong đó i tđm0 là dòng điện kích từ để khi không tải khi U 0 = U đm . Ta chú ý rằng, mạch từ của máy phát điện tuabin hơi boã hoà hơn mạch từ của máy phát điện tuabin nGớc. Khi E = E đm = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi k à d = k à = 1,2 còn đối với máy phát điện tuabin nGớc k à d = 1,06. 22.2.2. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K Đặc tính ngắn mạch là quan hệ I n = f(i t ) khi U = 0; f = f đm . Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng (r G = 0) thì mạch điện dây quấn phần ứng là thuần cảm ( = 90 0 ), nhG vậy I q = I.cos = 0 và I d = I.sin = I, đồ thị véctơ của máy phát điện lúc đó nhG trên hình 22-3a. Theo phGơng trình (21-8), ta có: d xIjE && = (22-1) và mạch điện thay thế nhG trên hình 22-3b. Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hoà vì từ thông khe hở cần thiết để sinh ra E = E - Ix Gd = Ix G rất nhỏ, do đó quan hệ I n = f(i t ) là đGờng thẳng nhG trên hình 22-4. Tỷ số ngắn mạch Tỷ số ngắn mạch K theo định nghĩa là tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch I n0 ứng với dòng điện kích thích để sinh ra s.đ.đ. E = U đm khi không tải với dòng điện định mức I đm , nghĩa là: dm n I I K 0 = (22-2) Theo định nghĩa đó, từ hình 22-5 ta có: d dm n x U I = 0 (22-3) trong đó: x d - trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U đm . Thay trị số I n0 theo (22-3) vào (22-2), ta có: PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 115 A A / B / B I n0 I đm . 7 $ . 7 " $ . 7 W $ [$\$]R. 7 B $ ^$$\$]R. 7 B$ U, I U đm !"#$% % & _D$`34$+5"#$7a$b-$">M"$;I4#$c $ 4db $\$' $ 4db$\$WXYR+.="$/Q">B $ 4db $\$WXYR+.="$4P;B $ U đm U đm U I đm I 0 !"#$% % & eD$E64$78"#$">dH.$ 49:$;31$<#37$+.="$+,">$?@ $ * 1 ddmd dm xIx U K == (22-4) ThGờng x d* > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập I n0 < I đm . Vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn. Sở dĩ nhG vậy là do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng. Từ hình 22-5, dựa vào các tam giác đồng dạng OAA , và OBB , có thể biểu thị tỷ số ngắn mạch K theo các dòng điện kích thích nhG sau: tn t dm n i i I I K 00 == (22-5) trong đó: i t0 - dòng điện kích thích khi không tải lúc U 0 = U đm , i tn - dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = I đm . Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Máy có K lớn có Gu điểm cho độ thay đổi điện áp U nhỏ và theo biểu thức (21-12) sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động. NhGng muốn K lớn nghĩa là x d* nhỏ thì phải tăng khe hở không khí và nhG vậy đòi hỏi phải tăng cGờng dây quấn kích thích, tGơng ứng phải tăng kích thGớc máy. Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao. Thông thGờng đối với máy phát tuabin nGớc K = 0,8 ữ 1,8, còn đối với máy tuabin hơi K = 0,5 ữ 1,0. 22.2.3. Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp U đm của máy phát điện đồng bộ Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi i t = const; cos = const và f = f đm . Nó cho thấy lúc giữ kích thích không đổi, điện áp của máy thay đổi thế nào theo tải. Khi lấy đặc tính ngoài, phải thay đổi tải z trên hình 22-1 sao cho cos = const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải z. Dạng của các đặc tính ngoài ứng với các tính chất khác nhau của tải đGợc trình bày trên hình 22-6. Chú ý rằng, trong mỗi trGờng hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích i t sao cho khi I = I đm có U = U đm , sau đó giữ nó không đổi khi thay đổi tải. Dòng điện i t ứng với U = U đm ; I = I đm ; cos = cos đm ; f = f đm đGợc gọi là dòng điện từ hoá định mức. Từ hình 22-6 ta thấy dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu tải có tính cảm, khi I tăng, phản ứng phần ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và đGờng biểu diễn đi xuống. NgGợc lại nếu tải có tính dung, khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đGờng biểu diễn đi lên. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 116 . 7 $ . 7 W $ W $ ^ $ ^ +; $ 4db $\$WXY $ R+.="$4P;B$ $ 4db $\$WXY$ R+.="$/Q">B$ $ 4db $\$'$ !"#$% % & fD$E64$78"#$+.gQ$4#h"#$ 49:$;31$<#37$+.="$+,">$?@$ Độ thay đổi điện áp định mức U đm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là sự thay đổi điện áp của máy phát khi tải thay đổi từ định mức với cos đm đến không tải, trong điều kiện dòng kích thích không đổi. Trị số của U đm thGờng biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là: 100.% dm dm dm U UE U = (22-6) Máy phát điện tubin hơi do có x d lớn nên U (1) lớn hơn so với máy phát tuabin nGớc. Thông thGờng U% = 25 ữ 35%. Trị số U của máy phát điện có thể xác định đGợc bằng thí nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo. Lúc thiết kế, để tính đGợc U có thể dựa vào cách vẽ đồ thị véctơ nhG đã trình bày trên các hình 21-1 và 21-4. 22.2.4. Đặc tính điều chỉnh Đặc tính điều chỉnh là quan hệ i t = f(I) khi U = const; cos = const; f = f đm . Nó cho biết chiều hGớng điều chỉnh dòng điện kích thích i t của máy phát đồng bộ để giữ cho điện áp U ở đầu máy không đổi. Khi làm thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh theo sơ đồ hình 22-1, phải thay đổi tải z và đồng thời thay đổi i t để có cos = const và U = const. Dạng của đặc tính điều chỉnh ở các trị số cos khác nhau nhG trên hình 22-7. Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng cũng tăng làm cho U bị giảm. Để giữ cho U không đổi phải tăng dòng điện kích thích i t . NgGợc lại, ở tải dung khi tăng I, muốn giữ cho U không đổi phải giảm dòng kích thích i t . Thông thGờng cos đm = 0,8 (thuần cảm), nên từ không tải (U = U đm ; I = 0) đến tải định mức (U = U đm ; I = I đm ) phải tăng dòng điện kích thích i t khoảng 1,7 ữ 2,2 lần. 22.2.5. Đặc tính tải Đặc tính tải là quan hệ U = f(i t ) khi I = const, cos = const và f = f đm . Với các trị số khác nhau của I và cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với cos = 0 ( = /2) và I = I đm . Để có đặc tính đó phải điều chỉnh r t và z ở trên hình 22-1 (khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉnh đGợc) sao cho I = I đm . Dạng của đặc tính tải thuần cảm nhG đGờng 3 trên hình 22-8. Đồ thị véctơ tGơng ứng với chế độ làm việc đó khi bỏ qua r G nhG trên hình 22-9. (1) ThGờng để đơn giản, đôi khi không dùng ký hiệu đm !"#$% % & Y D $`34$+5"#$+64$78"#$7P.$7#Qi"$4P;$ 7j$+64$78"#$N#O">$7P.$FH$7:;$>.34$+.="$N#3"> $ U, I U A" O' B' O" B" C" x G .I đm K Gđ F Gđ 0 Q P I đm A B C M A' C' 1 3 2 ^\^ + m I = 0 . 7 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 117 E E 0 Ijx ud & Ijx u & U & I & !"#$ % % & kD$E,$7#5$FG47*$bD+D+D$49:$ ;31$+.="$+,">$?@$l$7P.$7#Qi"$4P;$ Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra đGợc từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng nhG sau: Từ đặc tính ngắn mạch (đGờng 2 trên hình 22-8), để có trị số I n = I đm , dòng điện kích thích i tn hoặc s.t.đ. F tn cần thiết bằng F tn i tn = OC. NhG đã biết (xem mục 22.2.2), khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch, s.t.đ. của cực từ F tn = OC gồm hai thành phần: một phần để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ E Gd , đó là BC = k Gd .F Gd ; phần còn lại OB = OC - BC sẽ sinh ra s.đ.đ. tản từ E G = I đm .x G = AB. Điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải (đGờng 1) vì lúc đó mạch từ không bão hoà. Tam giác ABC đGợc hình thành nhG trên đGợc gọi là tam giác điện kháng. Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dòng điện tải định mức I đm . DGới đây trình bày cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng. Đem tịnh tiến tam giác ABC (hoặc tam giác OAC) sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm (đGờng 3). Nếu các cạnh của tam giác điện kháng đGợc vẽ tỷ lệ với dòng điện tải I = I đm thì đặc tính tải U = f(i t ) thuần cảm trên là ứng với I = I đm . Để chứng minh ta cần chú ý rằng, ở hai trGờng hợp ngắn mạch I = I đm và tải thuần cảm với I = I đm , s.đ.đ. E G và phản ứng phần ứng khử từ F Gd không thay đổi, do đó các cạnh của tam giác điện kháng AB = E G và BC = k Gd .F Gd đều không đổi. NhG vậy với một s.t.đ. tuỳ ý của cực từ F 0 = OP, lúc không tải điện áp đầu cực máy là U 0 = E = PM, còn khi có tải thuần cảm I = I đm thì điện áp đầu cực máy U = PC . Sở dĩ nhG vậy vì lúc có tải thuần cảm nhG trên, s.t.đ. có hiệu lực chỉ bằng OQ (OQ = OP - PQ, trong đó PQ = B C = BC là phản ứng khử từ của phần ứng) và s.đ.đ. E = QA . Kết quả là: U = E - E G = QA A B = QA - AB = QB = PC . Trên thực tế do ảnh hGởng của bão hoà mạch từ, đặc tính tải thuần cảm có đGợc bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và có dạng nhG đGờng nét đứt. Nguyên nhân của sự sai khác đó là do khi dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hoà, từ thông tản của dây quấn kích từ tăng, do đó s.t.đ. của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn. 22-3. Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ Trong chGơng 20 và 21 đã nêu lên phGơng pháp tính toán các tham số x d , x q , x G của máy điện đồng bộ. Trong bài này sẽ trình bày cách xác định các tham số đó từ các đặc tính của máy. Cũng có thể xác định các tham số đó bằng thí nghiệm trực tiếp. 22.3.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục Các trị số của điện kháng đồng bộ dọc trục bão hoà x d và không bão hoà x d đGợc suy ra từ các đGờng đặc tính không tải E = f(i t ) và đặc tính ngắn mạch I n = f(i t ) nhG trên PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 118 D C B A 1 2 3 E I x d 2 / $ I E E . 7 $ !"#$% % & ' WD$`34$+5"#$+.="$ N#3">$+,">$?@$/m4$7An4$ hình 22-10. Vì khi ngắn mạch theo đồ thị véctơ trên hình 22-3, x d = E/I n nên ứng với mỗi trị số của i t , từ đặc tính không tải (đGờng 1) và ngắn mạch (đGờng 2) sẽ có trị số của x d bão hoà tGơng ứng: AB AC I E x n d == (22-7) Quan hệ x d = f(i t ) có dạng nhG đGờng 3 trên hình 22-10. Khi mạch từ không bão hào, quan hệ E = f(i t ) là đGờng thẳng, trị số của x d không bão hoà x d là không đổi và đGợc xác định bởi tỷ số: AB AD I E x n d == (22-8) Vì d k E E à = nên d d d k x x à = (22-9) Điện kháng đồng bộ ngang trục x q tGơng ứng với từ thông của phản ứng phần ứng ngang trục và từ thông tản của dây quấn phần ứng. Trong máy điện đồng bộ cực lồi, vì theo hGớng ngang trục khe hở lớn, từ trở hGớng ngang trục lớn, do đó mạch từ không bão hoà nên điện kháng đồng bộ ngang trục có trị số không đổi và bằng x q 0,6x d . Đối với máy đồng bộ cực ẩn thì x q = x d = x db . 22.3.2. Điện kháng tản x R Với cách suy ra đặc tính tải thuần cảm (đGờng 3 trên hình 22-8) bằng tam giác điện kháng và đặc tính không tải, thì nếu từ một điểm C bất kỳ trên đặc tính tải thuần cảm đó vẽ O C = OC song song với trục ngang, sau đó qua O vẽ đGờng thẳng song song với OA cắt đặc tính không tải (đGờng 1) ở A rồi hạ đoạn thẳng A B xuống O C ta đGợc: I BA x u ,, = (22-10) Trên thực tế nhG đã trình bày, đặc tính tải thuần cảm thành lập đGợc bằng thí nghiệm trực tiếp (đGờng nét đứt trên hình 22-8) có khác so với đặc tính tải thuần cảm suy từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng (đGờng 3). Vì vậy nếu làm thí nghiệm trực tiếp để có đặc tính tải thuần cảm (đGờng nét đứt) sau đó từ điểm C trên đGờng đó lấy đoạn O C = O C = OC và tiếp tục nhG trên ta đGợc: I BA x p ,,,, = (22-11) ở đây x p đGợc gọi là điện kháng Pôchiê. Rõ ràng x p > x G . Đối với máy đồng bộ cực ẩn x p (1,05 ữ 1,10)x G ; còn đối với máy đồng bộ cực lồi x p (1,1 ữ 1,3)x G . PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 119 Câu hỏi 1. Cho biết ý nghĩa của tỷ số ngắn mạch K. Trị số của nó ảnh hGởng thế nào đến cấu tạo và tính năng của máy điện đồng bộ? 2. ý nghĩa của tam giác điện kháng trong máy điện đồng bộ? 3. Vì sao khi máy điện làm việc bình thGờng dùng trị số x d bão hoà, còn khi ngắn mạch lại dùng trị số không bão hoà? Tại sao x q chỉ có trị số không bão hoà? 4. Trị số của điện kháng Pôchiê có thay đổi không, vì sao? Bài tập Một máy phát đồng bộ cực lồi nối Y có các số liệu sau: S đm = 25kVA; U đm = 400V; cos đm = 0,8; x G* = 0,09; r G = 0,21 ; điện trở của dây quấn kích từ r t = 1,238 ; dòng điện kích thích i t0 = 24 A; tỷ số ngắn mạch K = 0,8. Hãy thành lập đồ thị s.t.đ.đ. Pôchiê ứng với tải định mức và qua đó xác định: a) S.đ.đ. E của máy; b) Độ thay đổi điện áp U%; c) Dòng điện kích thích định mức i tđm ; d) Điện áp lúc đó của dây quấn kích thích. HGớng dẫn: Khi thành lập đồ thị s.t.đ.đ. Pôchiê có thể dựa vào đGờng cong không tải cho trên hình 22-2, còn đặc tính ngắn mạch làm cơ sở để suy ra tam giác điện kháng và trị số k G F G có thể vẽ đGợc dựa vào tỷ số ngắn mạch K. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . Ch"ơng 22 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 22-1. Đại c?ơng Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng đGợc thể hiện rõ ràng qua các đại lGợng nhG điện áp U ở đầu. suất của máy phát điện đồng bộ. 22-2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ Sơ đồ nối dây của máy phát điện đồng bộ để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ đGợc trình. hình 22-1. Tải của máy phát điện đồng bộ là tổng trở Z có thể biến đổi (ví dụ tải điện trở ba pha ghép song song với tải điện cảm ba pha). Dòng điện kích thích i t của máy phát điện lấy từ