GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN II - PHẦN V MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ - CHƯƠNG 2 ppsx

Vì phản ứng phần ứng phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của máy cực ẩn hay cực lồi, tính chất phụ tải điện cảm, điện dung, mức độ đối xứng của phụ tải phụ tải đối xứng hay không đối xứng nê

CHƯƠNG II: CÁC QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN

ĐỒNG BỘ

Các quan hệ điện từ chính bao gồm các phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector tương ứng, giản đồ năng lượng, công suất điện từ của máy điện không đồng bộ Ta sẽ xét các quan hệ điện từ nói trên trong các trường hợp máy làm việc như máy phát điện và động cơ điện

Vì phản ứng phần ứng phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của máy (cực ẩn hay cực lồi), tính chất phụ tải (điện cảm, điện dung), mức độ đối xứng của phụ tải (phụ tải đối xứng hay không đối xứng) nên phải xét đến tất cả các yếu tố này

§ 2.1 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1 Đại cương

Từ trường trong máy điện đồng bộ là do dòng điện trong các dây quấn stator và rotor sinh ra Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn xoay chiều ở stator không có dòng điện (I = 0) từ trường trong máy điện chỉ do dòng điện một chiều It chạy trong dây quấn kích từ đặt trên các cực từ sinh ra Nếu rotor quay, từ trường của các cực từ này quét các dây quấn của stator và cảm ứng trong đó s.đ.đ không tải E0 của máy

Khi máy làm việc có tải ( I ≠ 0) thì ngoài từ trường của cực từ còn từ trường của dòng điện tải I sinh ra Khi có tải từ trường trong máy là tổng của 2 từ trường:

+ Từ trường do dây quấn kích từ It sinh ra, tạo ra s.đ.đ E0

+ Từ trường do dòng điện phụ tải I đi qua dây quấn phần ứng gây nên gọi là từ trường phần ứng tạo ra s.đ.đ Eư Nếu là máy ba pha thì từ trường do dòng điện tải

ba pha chạy trong dây quấn ba pha là từ trường quay Từ trường này có thể phân tích thành từ trường cơ bản và các từ trường bậc cao có chiều quay và tốc độ khác nhau Trong số các từ trường này, từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì có tốc độ và chiều quay giống từ trường ở các cực từ

Sức điện động (s.đ.đ) do từ trường trong khe hở sinh ra:

.

E E

Eδ = 0+

Tác dụng của từ trường cơ bản (từ trường phần ứng) với từ trường cực từ (từ trường phần cảm) gọi là phản ứng phần ứng

2 Phản ứng phần ứng

Khi máy phát điện làm việc, từ trường của cực từ rotor Φt cắt dây quấn stator cảm ứng ra s.đ.đ E0 chậm pha so với Φt một góc 900 Dây quấn stator nối với tải tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải Dòng điện I trong dây quấn stator tạo nên từ trường quay phần ứng Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của tải quyết định, tác dụng của từ trường phần ứng lên cực từ gọi là phản ứng phần ứng

c) Tải thuần trở R:

Khi tải là đối xứng và thuần trở thì dòng

điện ba pha trong dây quấn stator sẽ trùng pha

với các s.đ.đ tương ứng (ψ =0 ) như hình 2.1,

ψ là góc lệch pha giữa E& và I&

Dòng điện sinh ra từ thông phần ứng

cùng pha với dòng điện Phương của Fư thẳng

góc với phương của Ft và phản ứng phần ứng

là ngang trục (làm méo từ trường của cực từ),

Ft : từ trường cực từ vượt trước s.đ.đ 1 góc

900

i Tải thuần cảm L:

S.đ.đ E vượt trước dòng điện I một góc

ψ = + 900 như hình 2.2 ta thấy Fư và Ft cùng

phương nhưng ngược chiều và phản ứng

phần ứng là dọc trục khử từ có tác dụng

làm giảm từ trường tổng

ii Tải thuần dung C:

S.đ.đ E chậm sau dòng điện I một góc 900

90

−

=

ψ chiều của Fư trùng với chiều

Ft, phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ có tác

dụng làm tăng từ trường tổng

iii Tải hỗn hợp:

Có thể phân tích Fư ra làm hai thành phần

dọc trục và ngang trục:

Fưd = Fưsinψ

Fưq = Fưcosψ

Tương tự ta phân tích dòng điện I làm hai thành

phần:

Id = I.sinψ

Idq = I.cosψ

Hình 2.1 Đồ thị véc tơ sức điện động ở tải thuần trở ψ = 0

Hình 2.2 Đồ thị véc tơ sức điện động ở tải thuần cảm ψ = +90 0

Hình 2.3 Đồ thị véc tơ sức điện động

ở tải thuần dung ψ = -90 0

Hình 2.4 Đồ thị véc tơ sức điện động ở tải

hỗn hợp 0

90

0<ψ<

Khi tải có tính cảm

2

<

ψ

< phản ứng phần ứng là ngang trục khử từ

Khi tải có tính dung 0

2 <ψ<

π

− phản ứng phần ứng ngang trục trợ từ

§ 2.2 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP VÀ ĐỒ THỊ VECTOR CỦA

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Ta đã biết sức từ động (s.t.đ) cực từ Ft sinh ra E0, s.t.đ Ft + Fư = Fδ sinh ra s.đ.đ trong khe hở Eδ Ở tải đối xứng ta có thể xét riêng rẽ từng pha và phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng sau:

Đối với máy phát điện đồng bộ:

U. = E.δ − I.( rư + jxσư) (2-1) Đối với động cơ điện đồng bộ (hoặc máy bù đồng bộ):

) (

.

ư

E

Trong đó: U là điện áp ở 2 đầu cực máy

rư, xσ ư: điện trở, điện kháng tản của dây quấn phần ứng

δ

E : S.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở Fδ sinh ra Khi mạch từ của máy không bão hoà có thể xem như các từ trường Ft, Fư

độc lập sinh ra trong dây quấn các s.đ.đ E0, Eư theo nguyên lý xếp chồng ta có:

ư

E E

1 Trường hợp máy phát điện

a) Khi mạch từ không bão hoà:

Giả sử máy phát điện đồng bộ cực ẩn làm việc với tải đối xứng, phụ tải mang tính điện cảm 0

90

0<ψ< S.đ.đ E0 đóng vai trò nguồn điện có chiều trùng với dòng điện Nó cân bằng với điện áp U ở hai cực máy phát và các điện áp rơi điện trở và điện kháng đồng bộ dây quấn phần ứng Phương trình cân bằng điện áp:

) ( ư ư

.

σ

δ − +

= E I r jx U

)

ư

σ

+

− +

= E E I r jx

Ta có: ư . ư

.

x I j

E =− nên

.

σ

+ +

−

)

.

jx r I E

Trong đó xđb =xư +xσư gọi là điện kháng đồng bộ

Đồ thị vector:

Đặt vector điện áp trên cực của máy phát theo chiều dương của trục đứng (hình 2.5) Dòng điện I chậm sau điện áp U một góc ϕ Vẽ vector s.đ.đ E0 gây bởi từ thông kích từ Φt vượt trước vctor dòng điện I một góc ψ Theo quy tắc chung từ thông Φt vượt trước s.đ.đ E0 một góc 900 Sóng cơ bản của s.t.đ phản ứng phần ứng Fư quay đồng bộ với rotor máy Đối với máy phát cực ẩn bỏ qua sự khác biệt từ dẫn dọc trục và ngang trục và coi như Fư sinh ra Φư Từ thông này trùng pha với dòng điện I, nó sinh ra trong dây quấn stator s.đ.đ Eư chậm sau

I một góc 900 Cộng hình học các vector từ thông Φư và Φt, các vector s.đ.đ E0 và Eư ta được vector hợp thành Φδ sinh ra Fδ chậm sau nó 900 Bên cạnh từ thông phản ứng phần ứng còn có từ thông tản Φσư của dây quấn stator, cũng giống như Φư nó trùng pha với dòng điện I, gây nên s.đ.đ ư . ư

.

σ

σ = − j I x

E Ởû tải có tính cảm, phản ứng phần ứng là khử từ và dẫn đến kết quả là Eδ > E0 Trong hình 2.5b vẽ đồ thị s.đ.đ cho trường hợp tải có tính dung −900 <ψ<0 Khi phụ tải có tính điện dung, phản ứng phần ứng là trợ từ và dẫn đến kết quả là Eδ >E0 Trong trường hợp máy điện cực lồi ta phân tích s.t.đ phần ứng Fư thành hai thành phần dọc trục Fưd và ngang trục Fưq Các s.t.đ này sinh ra các từ thông Φưd và Φưq Các từ thông này sinh ra các s.đ.đ ưd . ưd

.

x I j

.

x I j

E = − q Vector − x j I. σư do từ thông tản sinh ra không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở

Hình 2.5 Đồ thị vector sức điện động máy phát điện cực ẩn

a Tải có tính cảm; b Tải có tính dung

theo các hướng dọc trục và ngang trục Tuy nhiên có thể phân tích nó thành các thành phần theo hai hướng đó: − j I.xσư = − j ( I.xσư cos ψ + I.xσưsin ψ )

ư

ư

.

σ

σ −

−

= j I q x j I d x Kết quả phương trình cân bằng điện áp có dạng:

)

ưq

ưd

σ

+

− + +

ư

ư

ưq

ưd

.

σ

−

−

−

−

= E 0 j I d x j I q x r j I x

ư

ư ưq

ư ưd

.

) (

)

I j

ư

.

.

r x I j x I j

E 0 − d d − q q −

Đồ thị vector tương ứng được trình bày trên hình 2.6 được gọi là đồ thị Blondel

Trên hình 2.6a là đồ thị vector s.đ.đ máy phát điện cực lồi tải có tính cảm 0

90

0<ψ< Đồ thị vẽ như sau: Phân tích dòng điện I thành thành phần ngang trục với E0 là Iq = Icosψ, cùng chiều với s.đ.đ E0 và thành phần dọc trục so với

E0 là Id = Isinψ, chậm sau s.đ.đ E0 một góc 900 Dòng điện Iq gây nên s.t.đ Fưq và từ thông Φưq phản ứng ngang trục trùng pha với dòng điện Iq Dòng điện Id gây nên s.t.đ Fưd và từ thông Φưd phản ứng dọc trục trùng pha với dòng điện Id Các từ thông Φưq và Φưd sinh ra trong dây quấn stator các s.đ.đ Eưq và Eưd có tần số

cơ bản và chậm sau các từ thông này 900 Sau khi vẽ các vector s.đ.đ

Hình 2.6 Đồ thị vector s.đ.đ máy phát điện cực lồi

a Tải có tính cảm; b Tải có tính dung

.

ư

.

σ

σ =−jIx

.

r

E = và cộng hình học các s.đ.đ E0, Eưq, Eưd, ư . ư

.

σ

σ =−jIx

ư

.

r

.

r

E = với nhau ta được vector điện áp U trên cực máy phát, vector này vượt pha trước I một góc ϕ

Trên hình 2.6b vẽ đồ thị s.đ.đ cho trường hợp phụ tải điện dung

0

900 <ψ<

− , dòng điện vượt trước s.đ.đ

2 Khi máy làm việc ở chế độ động cơ

Khi máy làm việc ở chế độ động cơ điện, máy tiêu thụ công suất điện từ lưới để biến thành cơ năng S.đ.đ E0 đóng vai trò sức phản điện, có chiều ngược với chiều dòng điện Điện áp U đặt vào động cơ phải cân bằng với sức phản điện E0

.

và các điện áp rơi Irư, jIxđb Động cơ điện đồng bộ thường có cấu tạo cực lồi nên ta có:

) ( ư ư

ưq

ưd

σ

+ +

−

−

−

ư

ư

ưq

ưd

.

σ

+ + +

+

−

= E 0 j I d x j I q x r j I x

ư

.

.

r x I j x I j

E 0 + d d + q q +

−

ưd ưd

.

, E jIx jIx

§ 2.3 QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TRONG MÁY ĐIỆN

ĐỒNG BỘ

Giả sử rằng máy đồng bộ có cấu tạo thông thường có nghĩa là cực từ kích thích đặt trên rotor và máy kích thích đặt trên cùng trục

Hình 2.7 Đồ thị vector sức điện động của động cơ điện cực lồi

a Khi thiếu kích thích; b Khi quá kích thích

1 Trường hợp máy phát điện đồng bộ

Công suất điện từ Pđt chuyển từ rotor sang stator bằng công suất cơ P1 đưa vào trừ các tổn hao cơ Δ pcơ, tổn hao kích từ Δ pt và tổn hao phụ Δ pf do các từ trường bậc cao trong lõi sắt stator và rotor

) ( cơ

đt P1 p pt pf

Công suất điện P2 ở đầu ra sẽ bằng công suất điện từ trừ đi tổn hao đồng Cu

p

Δ trên dây quấn phần ứng và tổn hao sắt từ ΔpFe:

Fe

P = đt −Δ Cu −Δ

2 Đối với động cơ điện

Giả thiết P1 là công suát điện đưa vào động cơ Một phần để bù vào tổn hao đồng ΔpCu và tổn hao thép ΔpFe của stator, phần còn lại là công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor

Fe

P

Pđt = −Δ Cu −Δ

Công suất Pđt trừ đi tổn hao do ma sát và quạt gió Δ pcơ và tổn hao phụ Δ pf còn lại chuyển thành công suất cơ có ích P2 thì quá trình biến đổi năng lượng tiến hành ngược lại Giản đồ năng lượng của máy phát điện và động cơ điện đồng bộ trình bày trên hình 2.8 Ta thấy ở trường hợp động cơ điện, công suất điện từ Pđt truyền qua từ trường stator sang rotor, ngoài ra tổn hao kích từ Δ pt lấy từ công suất điện của lưới khác ở trường hợp máy phát điện, lấy từ công suất cơ trên trục

Hình 2.8 Giản đồ năng lượng của động cơ điện đồng bộ (a) và máy phát điện đồng bộ (b)

§ 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH GÓC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1 Đặc tính góc công suất tác dụng

Đặc tính góc công suất tác dụng của máy điện đồng bộ là quan hệ P= f(θ)

khi U = const, f = const (công suất của lưới điện vô cùng lớn), E0 = const (kích từ không đổi), trong đó θ là góc tải giữa các vector s.đ.đ E và điện áp U Trong khi nghiên cứu đặc tính góc để đơn giản ta bỏ qua trị số rư vì trị số của nó rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ (xđb, xq, xd)

Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải:

ϕ

=mUIcos P

Trong đó: m: số pha của stator

U, I: điện áp, dòng điện pha

Đối với máy điện cực lồi theo đồ thị vector h2.6a với rư = 0 ta có:

d

0 d

x

U E

q q

x

U

và ϕ=ψ−θ do đó:

) sin I cos mU(I

) sin Isin cos

mU(Icos

sin mUIsin cos

mUIcos

) cos(

cos

d

=

θ ψ + θ ψ

=

θ ψ +

θ ψ

=

θ

− ψ

= ϕ

P

Vì Icosψ=Iq và Isinψ =Id và thế biểu thức của Id và Iq ta có:

θ

− +

θ

x

1 x

1 2

U m x

E mU

P

d q 2

d

Trong hệ đơn vị tương đối ta có:

θ

− +

θ

x

1 x

1 2

U x

U E

P

d q 2

d

sin ) (

sin

*

*

*

*

*

*

Ta nhận thấy công suất điện từ gồm 2 thành phần: Thành phần 0 sinθ

d c

x

E mU

là thành phần công suất điện từ chính của máy phát Nó phụ thuộc vào điện lưới

U và sự kích từ hoặc s.đ.đ E0

Thành phần thứ 2: ( 1 1 )sin2θ

2

2

d

q x x

U m

Pp = − là thành phần công suất điện từ phụ, không phụ thuộc vào sự kích từ và chỉ xuất hiện khi xd ≠ xq Đối với máy cực ẩn

xd = xq nên thành phần này bằng không Từ biểu thức (2-9) ta có:

d

x

mUE

Trên hình 2.9 vẽ các quan hệ giữa hai thành phần Pc và Pp của công suất tổng P trong trường hợp máy phát điện cực lồi khi E0 = const và U = const

2 Đặc tính góc công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ:

) sin(

Q

) sin cos cos

sin

) sin cos

Sau khi thay các trị số của Id, Iq ta có:

) (

cos ) (

cos

q d 2

d q 2

1 x

1 2

mU 2

x

1 x

1 2

mU x

mUE

Vì khi θ có trị số dương hoặc âm, trị số của Q theo công thức trên vẫn không đổi nên đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát điện và động cơ điện đồng bộ giống nhau và có dạng như hình 2.10

Hình 2.10 Đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi

Hình 2.9 Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát điện

đồng bộ cực lồi

Thí dụ:

Một máy phát điện turbin nước có các tham sốx d∗ =0,843;x q∗ =0,554 Giả thử máy làm việc ở tải định mức với Uđm; Iđm;cosϕđm =0,8 Hãy tính sức điện động (s.đ.đ)E0, góc tải θđm và độ thay đổi điện áp ΔU

Giải:

0

1∠

=

đm

U&

9 36

1∠− 0

=

đm

554 , 0 ).

9 36 1 ( 0

1 ∠ 0 + ∠ − 0

= + j I x q∗ ϕ

U&đm &đm

=1+ j(0,8− j0,6).0,554

=1,332+ j0,443

5 18 332 , 1

443 ,

=

= artg

đm

Góc giữa các véctơ E&0 và U& có trị số:

4 55 5 18 9

= +

=ψđm θđm

ψ

∗

∗

∗

⇒E&0 U cosθ I d x d

Trong đó: I d∗ =I∗sinψ =1.sin5504=0,823

643 , 1 844 , 0 823 , 0 5 18 cos

Và độ thay đổi điện áp: Δ % = 0 − 100 = 64 , 3 %

đm

đm đm

U

U E U

Câu hỏi:

1 Vì sao trong máy phát điện đồng bộ cực lồi phải chia sức từ động Fư

thành 2 thành phần Fưd và Fưq?

2 Nêu rõ sự khác nhau giữa đồ thị s.đ.đ và đồ thị sức từ động của máy phát điện đồng bộ