b/ Máy đồng bộ cực lồi. Máy đồng bộ cực lồi dọc trục v ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ l sin nhng từ cảm sẽ không sin. Sự không sin của B B còn phụ thuộc vo tính chất của tải. Để thuận lợi ta phân F ứng với một tải bất kỳ thnh hai thnh phần dọc trục v ngang trục nh hình 2.8 Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ v từ cảm dọc trục v ngang trục Ta có: d dqdq uud I p W.k 2m. I.sin p W.k 2m. .sin FF === 2-15 q dqdq uuq I p W.k 2m. I.cos p W.k 2m. .cos FF === 2-16 v từ cảm tơng ứng. ud d 0 udm F kk B = v uq q 0 uqm F . .kk B = 2-17 Thực tế B B d v B q B phân bố không sin, phân tích thnh sóng cơ bản v sóng bậc cao. Với các sóng cơ bản ta có hệ số dạng sóng: udm udm ud B B k 1 = v uqm uqm uq B B k 1 = 2-18 Các hệ số k d v k q phụ thuộc vo , m / , / đợc tính sẵn trong ti liệu thiết kế Các điện kháng tơng ứng xác định nh máy cực ẩn: ud 2 dq 2 d 0 d ud ud k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2-19 uq 2 dq 2 q 0 q uq uq k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2-20 Thờng: x d = 0,5 - 1,5; x q = 0,3 - 0,9 Máy điện 2 9 2.4 Quy đổi các S.T.Đ trong máy điện đồng bộ Chế độ lm việc xác lập, tải đối xứng tác dụng của F lên F t l trợ từ hoặc khử từ. Để đánh giá đợc mức độ ảnh hởng đó ta phải quy đổi F về F t v nh vậy khi xét các đặc tính lm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục toạ độ v đờng cong không tải E = f(i t ). Chế độ quá độ ta phải quy đổi ngợc lại F t về F . Việc quy đổi phải đảm bảo điều kiện: B B tm1 = B m1 2-21 Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có: t 0 ttmttm1 .F . .kk .k.BkB == v t 0 tmum1 .F . .kk BB == 2-22 Vậy uu t u u .Fk k F F == hay t u k 1 k = Với máy cực lồi theo hớng dọc trục: t d 0 ttmttm1 .F . .kk .k.BkB == v ud d 0 ududmududm1 .F . .kk .k.BkB == 2-23 Sức từ động phần ứng dọc trục đã quy đổi về s.t.đ cực từ: dud t ud udud .kF k k FF == với k d = k d / k t Cũng vậy, theo hớng ngang trục: quq t uq uquq .kF k k FF == với k q = k q / k t Các hệ số k d v k q phụ thuộc vo , m / , / đợc tính sẵn trong ti liệu thiết kế. Máy điện 2 10 Chơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại cơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện từ của máy điện đồng bộ. 3.2 Phơng trình điện áp v đồ thị véc tơ. Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha. Đối với máy phát điện: 3-1 )jx(rIEU uu += &&& Đối với động cơ v máy bù đồng bộ: 3-2 )jx(rIEU uu ++= &&& Trong đó: U l điện áp đầu cực của máy, r v x l điện trở v điện kháng tản của dây quấn phần ứng; E l s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trờng khe hở. Khi mạch từ không bảo ho, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có: 3-3 u EEE &&& += 0 Khi mạch từ bảo ho ta phải xác định rồi suy ra u FFF &&& += 0 E & 1. Trờng hợp máy phát điện. a/ Khi mạch từ không bảo ho. Giả sử tải đối xứng v có tính cảm (0 < < 90 0 ) -/ Máy cực ẩn: Phơng trình cân bằng điện áp l: )jx(rIEEU uuu ++= &&&& 3-4 Chơng 2 ta đã xác định đợc nên uu xIjE && = Hình 3.1 Đồ thị s.đ.đ máy phát đồng bộ cực ẩn udbuuu .rI.xIjE.rI)jx(xIj.EU &&&&&&& =+= 3.5 trong đó x đb = x + x l điện kháng đồng bộ, thờng x đb = 0,7 - 1,6 Đồ thị véc tơ nh hình 3.1 - / Máy cực lồi. Ta phân s.t.đ phần ứng F thnh F d v F q , từ thông tơng ứng với các s.t.đ đó sẽ cảm nên các s.đ.đ: v Phơng trình cân bằng điện áp có dạng. uddud xIjE && = uqquq xIjE && = Máy điện 2 11 3.6 uuuquduuuqud rIxIjxIjxIjE)x(rIEEEU &&&&&&&&&& =+++= Đồ thị véc tơ nh hình 3.2 có tên gọi l đồ thị Blondel Hình 3.2 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi Véc tơ do từ thông tản của từ trờng phần ứng sinh ra không phụ thuộc vo từ dẫn hớng dọc v ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể phân tích chúng theo 2 hớng dọc v ngang trục: u xIj & uduq uuu xIjxIj )sinxIcosxIj(xIj. && &&& = == v phơng trình điện áp đợc viết lại: uqqdduuuquudd rIxIjxIjErI)x(xIj)x(xIjEU &&&&&&&&& =++= 3.7 Trong đó: x d = x d + x gọi l điện kháng đồng bộ dọc trục, thờng x d = 0,7 - 1,2 x q = x q + x gọi l điện kháng đồng bộ ngang trục, thờng x q = 0,46 - 0,76 Đồ thị véc tơ ứng với phơng trình 3.7 nh hình 3.3 b/ Khi mạch từ bảo ho. Khi mạch từ bảo ho vì các hệ số k d v k q rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết hợp đồ thị s.t.đ v s.đ.đ với đờng cong không tải. Đồ thị ny đợc gọi l đồ thị s.t.đ.đ, có tên l đồ thị Pôchiê. - Máy cực ẩn: Giả sử U, I, cos , r , x v đặc tính không tải đã biết, để thnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U v véc tơ I chậm sau U một góc . Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Máy điện 2 12 Cộng U với v đợc . Trên trục honh đặt rồi cộng với hợp với trục honh một góc 90 u rI & u xIj & E & F & F & uu FK & 0 + ( + ), tìm đợc . Từ đồ thị ny xác định đợc U = E - U 0 F & đm , thờng = (5 - 10)% - Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thnh lập chính xác đồ thị véc tơ l rất khó, vì d v q hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo ho theo 2 hớng lại khác nhau. Nh vậy x d v x q phụ thuộc cả vo d v q . Để đơn giản ta coi x d chỉ phụ thuộc vo d v x q chỉ phụ thuộc vo q v k q đã biết. Khi đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir v jI.x đợc , hình 3.5a, theo hớng jI.x E & vẽ đoạn cos I.x uq uq E CD == v xác định đợc phơng của E. Trị số x q có thể tính hoặc lấy bằng 1,1 - 1,15. Từ hình 3.5b ta cũng xác định đợc CD qua OA = F' q = k q .F q , sau đó xác định đợc E d = OF = MP, lấy MN = F' d = k d .F d chiếu lên ta đợc E a) b) Hình 3-6 Cách xây dựng đồ thị véc tơ s.t.đ.đ của máy đồng bộ cực lồi 2. Trờng hợp động cơ điện. Động cơ điện đồng bộ có cấu tạo cực lồi vì vậy phơng trình điện áp sẽ l: uqqdduuuquduu rIxIjxIjEjxrIEEEjxrIEU &&&&&&&&&&& +++=++++=++= )()( 3.8 Hình 3-7 Giản đồ năng lợng a) máy phát; b) động cơ a) b) Hình 3-6 Đồ thị véc tơ Động cơ đồ a) Thiếu kích thích; b) Quá kích thích ng bộ 3.3 Giản đồ năng lợng của máy điện đồng bộ Máy phát: P đt = P 1 - (p cơ + p t + p f ) v P 2 = P đt - p cu - p fe Động cơ: P đt = P 1 - p cu - p fe v P 2 = P đt - (p cơ + p t + p f ) Máy điện 2 13 3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 1. Đặc tính góc công suất tác dụng. P = f( ) khi E = const, U = const, với l góc tải giữa véc tơ E v U. Để đơn giản ta bỏ qua r vì nó rất bé so với (x đb , x d , x q ). Công suất đầu cực của máy đồng bộ bằng: P = mUIcos Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có: Hình 3-8 Sự tạo nên P U d d x UcosE I = , q q x U.sin I = v = - 3.9 Do đó: P = mUIcos = mUIcos( - ) = mU(Icos .cos + Isin .sin ) P = mU(I q .cos + I d .sin ), thay I d v I q vo ta có: cos sin x mU sin x mEU cos sin x mU P d 2 dq 2 += Hay )sin2 x 1 x 1 ( 2 mU sin x mUE P dq 2 d += = P e + P u 3.10 Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần. Một phần P e tỷ lệ với sin v phụ thuộc vo kích từ; một phần P u tỷ lệ với sin2 không phụ thuộc vo kích từ. Nh vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một lợng nhỏ l P u . Ngời ta ứng dụng điều ny để chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vi chục oát. - Với máy đồng bộ cực ẩn vì x d = x q nên sin x UE mP db = 3.11 Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh hình 3.9 Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn Máy điện 2 14 2. Đặc tính góc công suất phản kháng. Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ đợc tính: Q = mUIsin = mUIsin( - ) = mU(Isin .cos + Icos .sin ) .cos + Icos .sin ) Q = mU(I d .cos - I q .sin ) Q = mU(I d .cos - I q .sin ) Thay I d v I q vo ta có: Thay I d v I q vo ta có: ) x 1 x 1 ( 2 mU )cos2 x 1 x 1 ( 2 mU cos x mUE Q dq 2 dq 2 d ++= Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ nh hình 3.11. Khi - ' < < + ' máy phát công suất phản kháng vo lới, ngoi phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng. Hình 3-10 Từ trờng khe hở a) máy phát, b) động cơ Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi Máy điện 2 15 Chơng 4. Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải đối xứng 4.1 Đại cơng. Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đợc đặc trng bởi các đại lợng: U, I, I t , cos v tần số f hoặc tốc độ n. Trong đó f = f đm ; cos phụ thuộc vo tải còn lại 3 đại lợng U, I, I t xác định cho ta các đặc tính. 1. Đặc tính không tải U = 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 ngoi U = f(I) khi I t = cte; f = f đm ; cos = Cte 4. Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U = cte; f = f đm ; cos = Cte 5. Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = cte; f = f đm ; cos = Cte Các đặc tính trên đợc xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm. Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; U v các tham số x d ; x q ; x 4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ. Sơ đồ thí nghiệm nh hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ thí n g hiệm lấ y các đặc tính của má y p hát điện đồn g bộ 1. Đặc tính không tải. (E = U = f(I t ) khi I = 0 v f = f đm ) Hệ đơn vị tơng đối E * = E/E đm ; I t* = I t / I tđm0 Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi dòng điện kích từ ta nhận đợc đờng đặc tính không tải, nh hình 4.2 Đờng (1) máy phát tourbin hơi, đờng (2) máy phát tourbin nớc. Ta thấy máy phát tourbin hơi bảo ho nhiều hơn máy phát tourbin nớc. Khi E = E đm = 1 máy phát tourbin hơi có k d = k = 1,2 còn máy phát tourbin nớc có k = 1,06 Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nớc Máy điện 2 16 2. Đặc tính ngắn mạch, I n = f(I t ) khi U = 0, f = f đm v tỷ số ngắn mạch K Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r thì tải của máy phát l dây quấn của phần ứng nên nó đợc coi l thuần cảm = 0, I q = Icos = 0 còn I d = Isin = I Mạch điện thay thế v đồ thị véc tơ nh hình 4.3, ta có 4.1 d xIjE && += 0 Khi ngắn mạch vì từ thông cần thiết để sinh ra E = E - Ix d = Ix rất bé nên mạch từ không bảo ho do đó quan hệ I = f(I t ) l đờng thẳng, hình 4.4 Tỷ số ngắn mạch K. Đây l tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch I n0 ứng với dòng điện I t sinh ra E = U đm lúc không tải v dòng điện định mức I đm K = I n0 / I đm 4.2 Từ hình 4.5 ta suy ra: I n0 = U đm / x d 4.3 Với x d l điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U đm Vậy K = U đm / x d .I đm = 1/ x đ* Thờng x đ* > 1 nên K < 1, hay I n0 < I đm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn, đó l do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng. Qua hai tam giác đồng dạng OAA' v OBB' ta có: tn t dm n I I I I K 00 == 4.4 I t0 U 0 = U đm v I tn I n = I đm K l một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K K lớn U bé v P đt lớn máy lm việc ổn định, muốn K lớn thì x đ* phải lớn lớn kích thớc của máy lớn giá thnh tăng. Thờng máy phát tourbin nớc K = 0,8 - 1,8; v tourbin hơi K = 0,5 - 1,0 Máy điện 2 17 . thiết kế Các điện kháng tơng ứng xác định nh máy cực ẩn: ud 2 dq 2 d 0 d ud ud k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2- 19 uq 2 dq 2 q 0 q uq uq k p .kW k.k .l. 4.m.f. I E x == 2- 20 Thờng:. Máy điện 2 10 Chơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại cơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện. hình 2. 8 Hình 2. 8 Sự phân bố của s.t.đ v từ cảm dọc trục v ngang trục Ta có: d dqdq uud I p W.k 2m. I.sin p W.k 2m. .sin FF === 2- 15 q dqdq uuq I p W.k 2m. I.cos p W.k 2m. .cos FF === 2- 16