137 !"#$%&'()$*+$,-$"./$012$345$,6"#$,75$89"#$5:;$<42$=#48$,/>"$,-"?$@A$ W A V D 2 A $$/ $8 B 8 D 1 + - F A A V V Z W Ch"ơng 23 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 23-1. Đại c@ơng Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng đHợc thể hiện rõ ràng qua các đại lHợng nhH 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 đHợc giữ bằng định mức f đm và cos = const do tải bên ngoài quyết định, từ ba đại lHợng U, I, i t còn lại ta có thể thành lập đHợc 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 đHợc 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 nhH tỷ số ngắn mạch K; độ thay đổi điện áp U. Cũng từ các đặc tính trên chúng ta có thể suy ra đHợc các tham số x d , x q , x H của máy. Ngoài ra còn phân tích về vấn đề hiệu suất của máy phát điện đồng bộ. 23-2. 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 đHợc trình bày trên hình 23-1. 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 đHợc nhờ biến trở r t . $ 23.2.1. Đặc tính không tải Đặc tính không tải là quan hệ E = U 0 = f(i t ) khi I = 0 và f = f đm . 138 d xIjE && = E & ud xIj & u xIj & I & ;C$ E & I & x H x Hd @C$ !"#$%&'&D$E-$8#6$FG58+$FH$<I5#$,/>"$8#;2$8#J$ 5:;$<42$=#48$,/>"$,-"?$@A$KL5$"?M"$<I5#$ !"#$%&'%D$E75$89"#$N#O"?$8P/$ 5:;$<42$=#48$8Q;@/"$#+/$R;C$FH$ <42$=#48$8Q;$@/"$"ST5$R@C$ U V $ / 8V $ WXY $ WXZ $ (X% $ ( $ % $ & $ @ $ ; $ W $ !"#$%&'ZD$E75$89"#$"?M"$ <I5#$5:;$<42$=#48$,-"?$@A $ 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 tHơng đối E * = E/ E đm và i t* = i t /i tđm0 nhH trên hình 23-2, trong đó i tđm0 là dòng điện kích từ để khi không tải U 0 = U đm . Ta chú ý rằng, mạch từ của máy phát điện tuabin hơi bão hoà hơn mạch từ của máy phát điện tuabin nHớc. 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 nHớc k à d = 1,06. 23.2.2. 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 H = 0) thì mạch điện dây quấn phần ứng là thuần cảm ( = 90 0 ), nhH vậy I q = I.cos = 0 và I d = I.sin = I, đồ thị véctơ của máy phát điện lúc đó nhH trên hình 23-3a. Theo phHơng trình (22-8), ta có: d xIjE && = (23-1) và mạch điện thay thế nhH trên hình 23-3b. 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 Hd = Ix H rất nhỏ, do đó quan hệ I n = f(i t ) là đHờng thẳng nhH trên hình 23-4. 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 = (23-2) Theo định nghĩa đó, từ hình 23-5 ta có: d dm n x U I = 0 (23-3) 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 (23-3) vào (23-2), ta có: 139 A A / B / B I n0 I đm / 8 $ / 8 " $ / 8 W $ [$\$]R/ 8 C $ ^$ $\$]R/ 8 C $ U, I U đm !"#$%&'_D$`45$,6"#$8a$b.$"?M"$<I5#$c$ 5db $\$($ 5db $\$WXYR,/>"$0Q"?C$ 5db $\$WXYR,/>"$5P<C$ U đm U đm U I đm I 0 !"#$%&'eD$E75$89"#$"?dH/$ 5:;$<42$=#48$,/>"$,-"?$@A $ * 1 ddmd dm xIx U K == (23-4) ThHờng 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 nhH vậy là do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng. Từ hình 23-5, 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 nhH sau: tn t dm n i i I I K 00 == (23-5) 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 Hu điểm cho độ thay đổi điện áp U nhỏ và theo biểu thức (22-12) sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động. NhHng muốn K lớn nghĩa là x d* nhỏ thì phải tăng khe hở không khí và nhH vậy đòi hỏi phải tăng cHờng dây quấn kích thích, tHơng ứng phải tăng kích thHớc máy. Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao. Thông thHờng đối với máy phát tuabin nHớc K = 0,8 ữ 1,8, còn đối với máy tuabin hơi K = 0,5 ữ 1,0. 23.2.3. 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 23-1 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 đHợc trình bày trên hình 23-6. Chú ý rằng, trong mỗi trHờng 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 đHợc gọi là dòng điện từ hoá định mức. Từ hình 23-6 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 đHờng biểu diễn đi xuống. NgHợc lại nếu tải có tính dung, khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đHờng biểu diễn đi lên. 140 / 8 $ / 8W$ W $ ^ $ ^ ,< $ 5db $\$WXY$ R,/>"$5P<C$$ 5db$\$WXY$ R,/>"$0Q"?C$$ 5db $\$($ !"#$%&'fD$E75$89"#$,/gQ$5#h"#$ 5:;$<42$=#48$,/>"$,-"?$@A$ !"#$%&'YD$`45$,6"#$,75$89"#$8P/$8#Qi"$5P<$ 8j$,75$89"#$N#O"?$8P/$FH$8;<$?/45$,/>"$N#4"?$ U, I U A" O' B' O" B" C" x H .I đm K Hđ F Hđ 0 Q P I đm A B C M A' C' 1 3 2 ^\^ , m I = 0 / 8 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 thHờng biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là: 100.% dm dm dm U UE U = (23-6) Máy phát điện tubin hơi do có x d lớn nên U (1) lớn hơn so với máy phát tuabin nHớc. Thông thHờng U% = 25 ữ 35%. Trị số U của máy phát điện có thể xác định đHợc bằng thí nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo. Lúc thiết kế, để tính đHợc U có thể dựa vào cách vẽ đồ thị véctơ nhH đã trình bày trên các hình 22-1 và 22-4. 23.2.4. 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 hHớng 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 23-1, 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 nhH trên hình 23-7. 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 . NgHợc lại, ở tải dung khi tăng I, muốn giữ cho U không đổi phải giảm dòng kích thích i t . Thông thHờng 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. 23.2.5. 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 23-1 (khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉnh đHợc) sao cho I = I đm . Dạng của đặc tính tải thuần cảm nhH đHờng 3 trên hình 23-8. Đồ thị véctơ tHơng ứng với chế độ làm việc đó khi bỏ qua r H nhH trên hình 23-9. (1) ThHờng để đơn giản, đôi khi không dùng ký hiệu đm 141 E E 0 Ijx ud & Ijx u & U & I & !"#$%&'kD$E-$8#6$FG58+$bD,D,D$5:;$ <42$,/>"$,-"?$@A$l$8P/$8#Qi"$5P<$ Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra đHợc từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng nhH sau: Từ đặc tính ngắn mạch (đHờng 2 trên hình 23-8), 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. NhH đã biết (xem mục 23.2.2), 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 Hd , đó là BC = k Hd .F Hd ; phần còn lại OB = OC - BC sẽ sinh ra s.đ.đ. tản từ E H = I đm .x H = AB. Điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải (đHờng 1) vì lúc đó mạch từ không bão hoà. Tam giác ABC đHợc hình thành nhH trên đHợc 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 . DHới 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 (đHờng 3). Nếu các cạnh của tam giác điện kháng đHợc 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 trHờng hợp ngắn mạch I = I đm và tải thuần cảm với I = I đm , s.đ.đ. E H và phản ứng phần ứng khử từ F Hd không thay đổi, do đó các cạnh của tam giác điện kháng AB = E H và BC = k Hd .F Hd đều không đổi. NhH 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 nhH vậy vì lúc có tải thuần cảm nhH 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 H = QA A B = QA - AB = QB = PC . Trên thực tế do ảnh hHởng của bão hoà mạch từ, đặc tính tải thuần cảm có đHợc bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và có dạng nhH đHờng 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. 23-3. Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ Trong chHơng 21 đã nêu lên phHơng pháp tính toán các tham số x d , x q , x H 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. 23.3.1. 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 đHợc suy ra từ các đHờng đặc tính không tải E = f(i t ) và đặc tính ngắn mạch I n = f(i t ) nhH trên 142 D C B A 1 2 3 E I x d 3 0 $ I E E / 8 $ !"#$%&'(WD$`45$,6"#$,/>"$ N#4"?$,-"?$@A$0m5$8Bn5$ hình 23-10. Vì khi ngắn mạch theo đồ thị véctơ trên hình 23-3, x d = E/I n nên ứng với mỗi trị số của i t , từ đặc tính không tải (đHờng 1) và ngắn mạch (đHờng 2) sẽ có trị số của x d bão hoà tHơng ứng: AB AC I E x n d == (23-7) Quan hệ x d = f(i t ) có dạng nhH đHờng 3 trên hình 23-10. Khi mạch từ không bão hào, quan hệ E = f(i t ) là đHờng thẳng, trị số của x d không bão hoà x d là không đổi và đHợc xác định bởi tỷ số: AB AD I E x n d == (23-8) Vì d k E E à = nên: d d d k x x à = (23-9) Điện kháng đồng bộ ngang trục x q tHơng 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 hHớng ngang trục khe hở lớn, từ trở hHớng 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 . 23.3.2. Điện kháng tản x R Với cách suy ra đặc tính tải thuần cảm (đHờng 3 trên hình 23-8) 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 đHờng thẳng song song với OA cắt đặc tính không tải (đHờng 1) ở A rồi hạ đoạn thẳng A B xuống O C ta đHợc: I BA x u ,, = (23-10) Trên thực tế nhH đã trình bày, đặc tính tải thuần cảm thành lập đHợc bằng thí nghiệm trực tiếp (đHờng nét đứt trên hình 23-8) có khác so với đặc tính tải thuần cảm suy từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng (đHờng 3). Vì vậy nếu làm thí nghiệm trực tiếp để có đặc tính tải thuần cảm (đHờng nét đứt) sau đó từ điểm C trên đHờng đó lấy đoạn O C = O C = OC và tiếp tục nhH trên ta đHợc: I BA x p ,,,, = (23-11) ở đây x p đHợc gọi là điện kháng Pôchiê. Rõ ràng x p > x H . Đối với máy đồng bộ cực ẩn x p (1,05 ữ 1,10)x H ; còn đối với máy đồng bộ cực lồi x p (1,1 ữ 1,3)x H . 143 Câu hỏi 1. Cho biết ý nghĩa của tỷ số ngắn mạch K. Trị số của nó ảnh hHởng 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 thHờng 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 H* = 0,09; r H = 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. HHớng dẫn: Khi thành lập đồ thị s.t.đ.đ. Pôchiê có thể dựa vào đHờng cong không tải cho trên hình 23-2, còn đặc tính ngắn mạch làm cơ sở để suy ra tam giác điện kháng và trị số k H F H có thể vẽ đHợc dựa vào tỷ số ngắn mạch K. . dm n I I K 0 = (23- 2) Theo định nghĩa đó, từ hình 23- 5 ta có: d dm n x U I = 0 (23- 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 (23- 3). véctơ của máy phát điện lúc đó nhH trên hình 23- 3a. Theo phHơng trình (22-8), ta có: d xIjE && = (23- 1) và mạch điện thay thế nhH trên hình 23- 3b. Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là. $$/ $8 B 8 D 1 + - F A A V V Z W Ch"ơng 23 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 23- 1. Đại c@ơng Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối