Bài giảng động cơ điện - Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ pdf

- Tổn hao ma sát ở ổ trục, ở bề mặt rôto khi rôto quay trong môi trường làm lạnh… Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn k

5 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

5 1 Đặc tính không tải: E = U 0 = f(i t ) khi I = 0 và f = f đm

Dạng đặc tính không tải biểu thị theo hệ

nhau không nhiều.

Mạch từ của máy phát tuabin hơi bão hoà

hơn mạch từ của máy phát tuabin nước.

Hình 22-2 Đặc tính không tải của máy phát tuabin hơi (a) và máy phát tuabin nước (b)

E *

i t*

0,8

0,4 1,2

b a

0

5.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ I n = f(i t )

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng

Hình 22-3 Đồ thị véctơ và mạch điện thay thế của máy phát điện đồng bộ khi ngắn mạch

j  j  I xud

u

x I

Hình 22-4 Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ

d

dm

x I

Từ hình 22-5, dựa vào các tam giác đồng dạng OAA ’ và OBB ’ ta có:

phải tăng cường dây quấn kích thích, kích thước của máy tăng, giá thành cao.

Thông thường với máy phát tuabin nước K = 0,8 ÷ 1,8, còn với máy phát tuabin hơi K = 0,5 ÷ 1,0.

5.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp Δu đm của máy phát điện đồng bộ.

Đặc tính ngoài: U = f(I) khi i t = const,

Khi lấy đặc tính ngoài, phải thay đổi Z

sao cho cosφ = const rồi đo U và I ứng với

các trị số khác nhau của tải Z.

Dạng của đặc tính ngoài ứng với các

tính chất khác nhau của tải như ở hình

22-6.

Chú ý: Trong mỗi trường hợp phải

I ®m I 0

H×nh 22-6 §Æc tÝnh ng)oµi cña m¸y ph¸t ®iÖn dung)iÖn ®iÖn dung)ång) bé

Từ hình 22-6 thấy rằng: dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải Tải có tính cảm thì U giảm theo I, tải có tính dung thì

%

dm

dm dm

Thông thường ΔU% = 25 ÷ 35%.

ΔU của máy phát đện có thể xác định trực tiếp trên máy đã chế tạo Lúc thiết kế, để tính ΔU có thể dựa vào đồ thị véctơ s.đ.đ hoặc đồ thị véctơ s.t.đ.đ

5.4 Đặc tính điều chỉnh

i t = f(I) khi U = const; cosφ = const; f = f đm

Đặc tính điều chỉnh cho biết hướng điều chỉnh

dòng kích từ i t của máy phát để giữ cho điện áp đầu

cực máy không đổi.

Khi làm thí nghiệm để lấy đặc tính điều chỉnh,

phải thay đổi tải Z và đồng thời thay đổi dòng kích

từ i t để có cosφ = const và U = const.

Dạng của đặc tính điều chỉnh với các trị số cosφ

khác nhau như ở hình 22-7.

- Với tải cảm, khi I tăng muốn giữ cho U không

đổi phải tăng dòng kích từ i t

- Với tải dung, khi I tăng, muốn giữ U không

Thông thường cosφ đm = 0,8 (thuần cảm), từ

không tải (I = 0, U = U đm ) đến tải định mức (I = I đm ,

U = U đm ) phải tăng dòng kích từ i t khoảng 1,7 ÷ 2,2

5.5 Đặc tính tải

U = f(i t ) khi I = const; cosφ = const; f = f đm

• Với mỗi trị số của I và cosφ ta có một đặc tính tải

• Trong các đặc tính tải, đường đặc tính tải thuần cảm với cosφ = 0 và

• Dạng của đặc tính tải thuần cảm như đường 3 trên hình 22-8 Đồ thị

véctơ ứng với chế độ đó khi bỏ qua rư như ở hình 22-9.

Hình 22-8 Xác định đặc tính tải thuần cảm) từ đặc tính không tải và tam) giác điện kháng.

C ' 1

3 2

j 



u x I

Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng

• Tam) giác điện kháng:

Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 trên hình 22-8), để có I n = I đm thì dòng kích từ cần thiết i tn (hoặc F tn ) là F tn ≡ i tn = OC

S.t đ F tn = OC gồm hai phần: phần BC để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ E ưd (BC = K ưd F ưd ), phần OB còn lại để sinh ra s.đ.đ tản từ E бư = I đm x бư = AB

Điểm A nằm trên đường đặc tính không tải vì lúc đó mạch từ không bão hoà.

Tam giác ABC được gọi là tam giác điện kháng Các cạnh BC và

AB của tam giác điện kháng tỷ lệ với dòng điện tải định mức I đm

• Cách thành lập đặc tính tải thuần cảm) từ đặc tính không tải và tam) giác

• Chứng m)inh:

máy phát là:

U = E δ - E б ư = QA ’ - A ’ B ’ = PC ’

Trên thực tế, do ảnh hưởng của bão hoà mạch từ, đặc tính tải thuần cảm có được bằng thí nghiệm trực tiếp có dạng như đường nét đứt Sự khác đó là do khi dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hoà,

từ thông tản của dây quấn kích thích tăng, do đó s.t.đ của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn, nghĩa

là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn

5.6 CÁC ĐẶC TÍNH GÓC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

5.6.1 Đặc tính góc công suất tác dụng: P = f(ө) khi E = const, U = const.

ө - góc tải giữa các véctơ s.đ.đ E và điện áp U.

Để đơn giản, ta bỏ qua r ư vì r ư << x đb , x d , x q

j 



u r



d

d x I

j 



q

q x I

j 

d

Iq

Q

0

d d

mU x

mUE x

mU x

mUE P

U x

E

U P

Trong hệ đơn vị tương đối ta có:

(21-14)

Ví dụ, máy cực lồi có x d* = 1,1; x q* = 0,75 Khi máy làm việc với tải

'27222

sin1,1

175,0

12

1'2722

sin1

,1

187,

Từ biểu thức (21-13) thấy rằng, công suất của máy cực lồi gồm hai thành phần:

Máy phát điện cực lồi khi mất

kích thích vẫn phát ra công suất tác

dụng, điều đó được giải thích như

sau:

trường phần ứng Do rôto cấu tạo

cực lồi, từ trở dọc trục nhỏ hơn từ

trở ngang trục, các đường sức từ

của từ trường quay phần ứng luôn

có xu hướng đi theo hướng dọc trục

(hình 21-8a) Khi có sự xê dịch giữa

với chế độ máy phát điện, còn 0 > θ

> -π/2 ứng với chế độ động cơ điện.

Hình 21-8 Đường sức từ trường trong m)áy phát điện đồng bộ phản kháng.

N

S

d

d q

- 0,4

- 0,8

- 1,2

- 1,6

-180 0 180 0



1,2

0,8 0,4

Để thấy rõ ý nghĩa vật lý của sự

thay đổi P theo θ, ta chú ý rằng nếu bỏ

Khi làm việc ở chế độ máy phát điện

21-10a) Còn khi làm việc như động cơ

(hình 21-10b) Chính lực kéo đó biểu thị

cho công suất P

sẽ thay đổi và P thay đổi theo

 > 0 < 0

Hình 21-10 Từ trường ở khe hở khi m)áy điện đồng bộ làm) việc ở chế độ m)áy phát (điện cảm)a) và ở chế độ động cơ (điện cảm)b)

M n

a)

n

M

b)

d q

mU x

x

mU x

mUE

2

2 cos

1

1 2

cos

2 2



Ta thấy, dù θ dương hay âm thì Q vẫn không đổi, nên đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát và động cơ điện đồng bộ là giống nhau (hình 21-11).

Trong phạm vi – θ < θ < +θ, máy phát công suất phản kháng vào lưới điện Ngoài phạm vi trên máy tiêu thụ Q từ lưới.

Hình 21-11 Đặc tính góc công suất phản kháng của m)áy điện đồng bộ cực lồi.

+ θ

Q

F



0,8 0,4

- 0,4

- 0,8

- 1,2

- θ

Đ

5.7 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

5.7.1 Tổn hao trong máy điện đồng bộ

• Tổn hao đồng trên dây quấn phần tĩnh Tổn hao này phụ thuộc vào trị

• Tổn hao sắt từ : là công suất mất mát trên mạch từ do từ trường biến

số, trọng lượng lõi thép, chất lượng tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép.

• Tổn hao kích từ: là công suất tiêu hao trên điện trở của dây quấn kích

từ và các chổi than.

• Tổn hao phụ: bao gồm:

- Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của stato và các bộ phận khác của máy do từ trường tản của dòng điện phần ứng sinh ra.

- Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt lõi thép rôto (máy cực ẩn) do

- Tổn hao ở răng của stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ

• Tổn hao cơ, bao gồm:

- Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khí làm mát hoặc các chất làm mát khác vào trong máy.

- Tổn hao ma sát ở ổ trục, ở bề mặt rôto khi rôto quay trong môi trường làm lạnh…

Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích thích chiếm khoảng 65% tổng tổn hao, tổn hao trong lõi thép stato chiếm khoảng 14%.

Ở các máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm, tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép stato chiếm tới 37%.

Tổn hao phụ có thể chiếm tới 11% đối với máy phát tuabin nước trong đó chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch Với máy phát tuabin hơi, tổn hao phụ khoảng 18%, trong đó tổn hao phụ trong đồng của dây quấn stato là chủ yếu.

• Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn thường

dùng các biện pháp sau:

1 Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày khoảng 4 ÷ 5 mm và hoán vị vị trí của chúng ở trong rãnh sao cho dọc chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở tất

cả các vị trí từ phía đáy rãnh lên miệng rãnh.

2 Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng thép không từ tính.

3 Tiện xoắn ốc bề mặt rôto của máy phát tuabin hơi.

5.7.2 Quá trình năng lượng trong máy điện đồng bộ.

+ Với máy phát điện đồng bộ:

P đt = P 1 - (p cơ + p t + p f )

P 2 = P đt – p cu – p Fe

p cơ - tổn hao cơ;

+ Với động cơ điện, quá trình biến đổi năng lượng ngược lại

Sơ đồ năng lượng của máy phát và động cơ điện đồng bộ trình bày như ở hình 21-7.

Hiệu suất của máy điện đồng bộ xác định theo biểu thức:

η = P 2 /(P 2 + Σp) (21-11)

Σp - tổng tổn hao.

Hình 21-7

Giản đồ năng lượng của máy phát điện

đồng bộ (a) và động cơ điện đồng bộ (b)

5.8 ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA MFĐB

24.3.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P của MFĐĐB

1 Trường hợp MFĐ làm) việc trong hệ thống có công suất vô cùng lớn.

Do hệ thống có công suất vô cùng lớn nên U = const, f = const

thức (21-13) và hình 21-9

Ở chế độ làm việc xác lập, công suất tác dụng P của máy phát ứng với góc tải θ nhất định phải cân bằng với công suất cơ đưa vào trục máy

để làm quay máy phát điện

Đường biểu diễn công suất cơ của động cơ sơ cấp được biểu thị bằng đường thẳng song song với trục hoành, cắt đường đặc tính góc ở điểm A trên hình 24-4.

công suất cơ trên trục máy.

Công suất tác dụng cực đại P m mà

máy phát có thể cung cấp cho hệ thống

điện ứng với khi dP/dθ = 0.

Áp dụng điều kiện đó, với máy cực ẩn

H×nh 24-4 C«ng) suÊt t¸c dông) vµ c«ng) suÊt chØnh bé cña m¸y ph¸t

®iÖn dung)iÖn ®iÖn dung)ång) bé cùc Èn



P m

B A

A

m

4

8 cos

2 2

Khi điều chỉnh công suất tác dụng, máy phát điện đồng bộ chỉ làm việc ổn định tĩnh khi 0 < θ < θ m

lên trong một thời gian ngắn, sau đó trở về trị số ban đầu thì rôto của máy phát quay nhanh lên, góc θ sẽ tăng thêm một lượng +Δθ, tương ứng công suất P tăng thêm một lượng ΔP Vì lúc đó công suất cơ đã

máy phát điện trở lại làm việc ở góc θ ban đầu sau một vài dao động.

công suất cơ thay đổi như trên, góc θ tăng thêm Δθ sẽ làm cho P của

góc θ càng tăng… máy phát điện mất đồng bộ với lưới điện

d q

m d

m

x x

mU x

mUE

2 sin

Từ những phân tích trên cho thấy, khi điều chỉnh công suất tác dụng, điều kiện để cho máy phát điện làm việc ổn định là:

Từ các biểu thức (21-13) và (21-14) suy ra công suất chỉnh bộ như sau:

d

cb

x x

mU x

mUE

Đường biểu diễn công suất chỉnh bộ như đường nét đứt trên hình

24-4

Khi θ = 0, khả năng duy trì máy phát làm việc đồng bộ với lưới là lớn

• Trên thực tế, để đề phòng trường hợp U hoặc E giảm hoặc những

nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công

Chú ý : khi điều chỉnh P, do góc θ thay đổi nên công suất phản

kháng Q cũng thay đổi theo.

2 Trường hợp m)áy phát điện có công suất tương đương làm) việc song song

Khi hai máy có công suất tương đương làm việc song song, nếu tải của lưới điện không đổi, để giữ cho f = const thì khi tăng công suất tác dụng của máy này phải giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia

Nếu không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới khiến cho hộ dùng điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác định mức.

5.8.2 Điều chỉnh cụng suất phản

khỏng của mỏy phỏt điện

 Xột trường hợp mỏy phỏt điện đồng bộ

làm việc trong lưới cú cụng suất vụ cựng

lớn (U, f = const) và cụng suất tỏc dụng P

của mỏy được giữ khụng đổi.

Giả sử mỏy phỏt điện là cực ẩn, và để

đơn giản ta coi r ư = 0.

Vỡ P = mUIcosφ = const ≡ OA, trong

đú U = const nờn khi thay đổi Q, mỳt của

vộctơ I luụn luụn ở trờn đường thẳng 1 đi

qua A và vuụng gúc với vộctơ U.

Với mỗi trị số của I sẽ cú một trị số

của cosφ, vẽ đồ thị vộctơ s.đ.đ tương ứng

sẽ xỏc định được độ lớn của E 0 , từ đú suy

ra dũng kớch từ i t cần thiết.

Hình 24-5 Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ



A

0

db x I

j '

db x I

j  U

I I'

0

E

' 0

E

Mặt khỏc ta cú P = mUE.sinθ/x d ≈ P 1 = const.

Do U và x d khụng đổi nờn P ≡ E 0 sinθ = OB = const.

Như vậy, khi điều chỉnh Q mỳt của vộctơ E 0 luụn nằm trờn đường thẳng 2 vuụng gúc với OB.

Kết quả phõn tớch cho thấy, m)uốn điều chỉnh cụng suất phản khỏng

Q thỡ phải thay đổi dũng kớch từ của m)ỏy phỏt điện.

Với mỗi trị số của P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vộctơ s.đ.đ như trờn ta vẽ được quan hệ I = f(i t ) - gọi là đặc tớnh hỡnh V của mỏy phỏt điện đồng bộ Họ cỏc đặc tớnh hỡnh V ứng với cỏc trị số khỏc nhau của P như ở hỡnh 24-6.

Hình 24 - 6 Đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ Thiếu

kích thích P = 1,0P đm cos =1 i t0 n Quá

kích thích

i t

P = 0,5P đm

A

0

 > 0

 < 0

m)

I

B

P = 0,25P đm

Đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính hình V ứng với cosφ = 1

Khu vực bên phải của đường Am ứng với tải có tính chất cảm (φ

> 0) và chế độ làm việc của máy phát điện là quá kích thích.

Khu vực bên trái Am ứng với tải có tính chất dung (φ < 0) và máy làm việc ở chế độ thiếu kích thích.

Đường Bn ứng với giới hạn làm việc ổn định với lưới khi máy phát điện làm việc ở chế độ thiếu kích thích.

Kết quả phân tích ở trên đều áp dụng được cho máy phát điện cực lồi.

 Trường hợp công suất của lưới nhỏ (hai máy phát có công suất bằng nhau làm việc song song), để duy trì tình trạng làm việc bình thường của lưới điện với U = const, khi tăng dòng kích từ của một máy thì phải giảm tương ứng dòng kích từ của máy thứ hai.

Nếu tăng dòng kích từ của máy này mà vẫn giữ dòng kích thích của máy kia không đổi thì tổng công suất phản kháng sẽ tăng, làm thay đổi U của lưới điện, ảnh hưởng đến tình trạng làm việc bình thường của hộ dùng điện.