Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 36 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) II. Máy Phát điện trong NMTĐ II.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện Các máy điện đồng bộ bao gồm các máy phát điện đồng bộ, các động cơ đồng bộ và các bộ chỉnh đồng bộ pha. Điện năng được cung cấp cho chiếu sáng mà chúng ta dùng hàng ngày và điện năng được cung cấp cho các nhà máy đều được phát ra ở các nhà máy điện và được phân phối. Các tua bin nước, tua bin hơi và các động cơ đốt trong làm quay các máy phát ở các nhà máy điện và năng lượng tồn tại trong tự nhiên được chuyển đổi thành điện năng. Gần như tất cả các máy phát này là các máy phát điện đồng bộ. Hơn nữa, cấu tạo của các động cơ đồng bộ giống như các máy phát điện đồng bộ. Các đặc điểm của các động cơ đồng bộ là chúng quay ở một tốc độ đồng bộ, khác với các động cơ điện cảm ứng và với chúng thì việc điều chỉnh các hệ số công suất được thực hiện dễ dàng. Vì lý do này, các động cơ đồng bộ được sử dụng cho các trường hợp mà tốc độ vận hành không đổi được yêu cầu hoặc chúng được sử dụng như các bộ chỉnh đồng bộ pha đối với việc điều chỉnh hệ số công suất. Trong chương này, chúng ta học về các máy điện đồng bộ theo các trình tự sau: bộ. (1) Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ. (2) Các đặc tính của các máy phát điện đồng bộ. (3) Phân loại và cấu tạo của các máy phát điện đồng bộ. (4) Công suất định mức, tổn thất và hiệu suất của các máy phát điện đồng (5) Vận hành song song các máy phát điện đồng bộ. (1) Sự phát sinh ra sức điện động xoay chiều AC Như đã nghiên cứu trong lý thuyết về điện năng, khi một cuộn dây được quay trong từ trường ở một tốc độ không đổi thì sức điện động xoay chiều AC được sinh ra trong cuộn dây. Các máy phát điện đồng bộ được chế tạo để lấy lực này ra nhờ một vòng góp và các chổi than và cung cấp nó tới các mạch bên ngoài. (Các máy phát điện đồng bộ cũng được gọi là các máy phát dòng điện xoay chiều hoặc các máy phát điện xoay chiều.) a. Tần số của sức điện động cảm ứng Khi cuộn dây “ab” quay đều giữa hai cực từ vị trí YY’ như minh hoạ trong hình III.1(a) thì sức điện động cảm ứng thay đổi theo từng vòng quay như chỉ ra trong hình (b) của cùng hình vẽ. Một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC như minh hoạ trong hình III.2 được sinh ra khi cuộn dây chuyển động một khoảng dài gấp hai lần bước cực đó. Với một máy điện đa cực có số cực là P thì một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC được sinh ra sau mỗi lần cuộn dây chuyển động một khoảng bằng hai lần bước cực, nói các khác là có P/2 chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC được sinh ra trên một vòng qoay. (Điều này giống hệt trường hợp các cực N và S được chuyển động thay vì một dây dẫn chuyển động và đa số các máy phát điện đồng bộ được dựa trên phương pháp này.) Điện áp Thời gian Chu kỳ Hình III.1 Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ Chiều quay Bước cực 2 × (Bước cực) 1 Chu kỳ Hình III.2 Máy phát điện xoay chiều AC đa cực Thông thường, khi máy phát điện quay được n s vòng trên giây thì tần số f [Hz] của sức điện động xoay chiều AC được biểu diễn như sau: f = n S × p 2 Vì thế, n s = 2 × f P [rps] hoặc 120 × f P [rpm] (III.1) Trong đó: p là số cực Ở Việt Nam, tần số tiêu chuẩn là 50 [Hz], vì vậy các máy phát điện đồng bộ được thiết kế và chế tạo căn cứ vào tần số này. b. Tốc độ đồng bộ Mối liên hệ giữa tần số, số cực và số vòng quay được biểu diễn bởi phương trình (III.1), số vòng quay n s được xem như tốc độ đồng bộ và máy điện xoay chiều AC quay ở tốc độ đồng bộ trong một trạng thái ổn định được gọi là máy điện đồng bộ. thực tế của thanh dẫn phần ứng và v là vận tốc chuyển động [m/s] của thanh 39 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) (Một máy điện xoay chiều AC quay ở tốc độ khác tốc độ đồng bộ trong một trạng thái ổn định được gọi là máy điện không đồng bộ và một ví dụ về loại này là máy điện cảm ứng.) (Số cực và số vòng quay) Số vòng quay của một máy phát điện đồng bộ được xác định chủ yếu bởi số vòng quay của động cơ chính được sử dụng để truyền động nó. Vì thế, trong trường hợp của các Tua bin - máy phát thì chúng thường có thuận lợi ở các tốc độ cao hơn, các máy phát 2 cực được sử dụng trong hầu hết các trường hợp trong khi các máy phát 4 cực cũng được sử dụng nhưng ít dùng. Trong trường hợp của các máy phát điện tua bin nước thì các máy phát 6 cực, 8 cực và các máy điện đa cực như 32 cực, 48 cực được sử dụng theo khả năng và cột áp sẵn có. Như vậy, phạm vi áp dụng của các máy phát thuỷ lực là rộng lớn. Bảng III.1 Cho thấy mối liên hệ giữa số cực và số vòng quay được sử dụng trong ứng dụng thực tế. Bảng III.1 Số cực và số vòng quay Số cực Số vòng quay [vòng/phút] 50 (Hz) 60 (Hz) 2 3000 3600 4 1500 1800 6 1000 1200 8 750 900 10 600 720 12 500 600 16 375 450 20 300 360 24 250 300 28 214.3 257.1 32 187.5 225 40 150 180 48 125 140 (2) Cường độ của sức điện động cảm ứng Trị số tức thời [V] của sức điện động cảm ứng trong cuộn dây phần ứng được biểu diễn như dưới đây, trong đó B là mật độ từ thông [T], l là chiều dài 40 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) dẫn: e =vBl［V (III.2) Dạng sóng của sức điện động cảm ứng đưa ra giống như sự phân bố mật độ từ thông B như cho thấy ở phương trình này, vì vậy nếu giả thiết rằng sự phân bố của mật độ từ thông cùng với khe hở là sóng hình sin như minh hoạ bởi đường cong B trong hình III.3 thì dạng sóng của sức điện động cảm ứng cũng sẽ là sóng hình sin như minh họa bởi đường cong trong cùng hình vẽ. Hình III.3 Sự phân bố theo không gian của sức điện động cảm ứng Thời gian t [s] được tính từ lúc mà trục trung gian của các cực từ N và S vừa mới chạy ở phía dưới một thanh dẫn phần ứng nhất định, trong trường hợp này thì mật độ từ thông B [T] ở phía dưới thanh dẫn được biểu diễn như ở dưới đây với sự liên quan đến thời gian t trong đó B m [T] biểu thị mật độ từ thông cực đại (maximum): B = B m sinωt [T] Trong đó: ω = 2πf (rad/s) (III.3) Nếu bước cực được biểu diễn là τ [m] thì một chu kỳ được đưa ra khi nó chuyển động một khoảng là 2 τ, v = 2τf [m/s] (III.4) Bằng cách thay thế các phương trình (III.3) và (III.4) vào phương trình (III.2) chúng ta có, e = 2τflB m sinωt = E m sinωt [V], Trong đó: E m = 2τflB m (III.5) Nếu sự phân bố của mật độ từ thông là sóng hình sin, có nghĩa là B a của mật độ từ thông là 2 B a = B m π Khi đó từ thông Φ [Wb] trên cực được biểu diễn, Φ = B a τl = 2 B m τl π Do đó: E m = πfΦ (III.6) Với điện áp có dạng sóng hình sin thì trị số hiệu dụng của sức điện động được biểu diễn bởi E’ [V]. E’ = E m = 2 π fΦ [V] (III.7) 2 Nếu cả hai phía cuộn dây của một cuộn dây được quấn trong khoảng không của một bước cực từ thì sự chênh lệch pha giữa các sức điện động cảm ứng đến cả hai phía của cuộn dây sẽ là π và sức điện động E" [V] xuất hiện ở cả hai đầu của các cuộn dây được sắp xếp mắc nối tiếp nhau, vì thế sức điện động ở cả hai phía của cuộn dây có thể được cộng lại bằng tổng của cả hai sức điện động và được biểu diễn như sau: E” = 2E’ = 2π fΦ = 4.44fΦ (III.8) 2 Nếu số vòng của một cuộn dây được mắc nối tiếp trong một pha là n thì sức điện động cảm ứng E [V] của một pha được biểu diễn bởi phương trình sau: ［［4.44fnΦ [V] (III.9) Đây là phương trình cơ bản cho thấy trị số hiệu dụng của sức điện động cảm ứng đối với trường hợp mà mật độ từ thông của khe hở là sóng phân bố hình sin. Các phương trình này được tính toán cho một pha, do đó, khi điện áp đầu cực của đấu nối ba pha được đạt được thì sự biến đổi nên được thực hiện theo việc đấu nối giữa các pha, ví dụ: nhân với hệ số 3 cho cuộn dây đấu Y. . 450 20 300 360 24 25 0 300 28 21 4.3 25 7.1 32 187.5 22 5 40 150 180 48 125 140 (2) Cường độ của sức điện động cảm ứng Trị số tức thời [V] của sức điện động cảm ứng trong cuộn dây phần ứng được biểu. đều được phát ra ở các nhà máy điện và được phân phối. Các tua bin nước, tua bin hơi và các động cơ đốt trong làm quay các máy phát ở các nhà máy điện và năng lượng tồn tại trong tự nhiên được. Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01 36 Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN) II. Máy Phát điện trong NMTĐ II.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện Các máy điện đồng