Tìm hiểu nhà máy điện và cấu trúc trạm biến áp

+ Rotor cực lồi Các khe hở không khí không đều, mục đích làm cho từ cảm phân bố trong khe hởkhông khí hình sin để sức điện động cảm ứng ở dây quấn stator hình sin Hình 1.2.Rotor của máy

CHƯƠNG 1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng vớitốc độ của từ trường quay Dây quấn stator được nối với điện xoay chiều, dây quấnrotor được kích thích (kích từ) bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập, máy điệnđồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi

Máy phát điện đồng bộ là nguồn cung cấp chính của lưới điện quốc gia Máy phátđiện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điệnnăng, với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp (các loại tuabin, động cơkéo, ) Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha, là thànhphần chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng Công suất của máy phát

có thể lên đến 1000 MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song songvới nhau trong hệ thống

1.1 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ

thép kỹ thuật điện được dập rãnh

bên trong ghép lại với nhau tạo

thành các rãnh theo hướng trục, lõi

thép stator được ép cố định vào

trong vỏ máy

Hình 1.1 Lõi thép stator+ Dây quấn stator

Dây quấn stator được gọi là dây quấn phần ứng Dây quấn stator làm bằng dây dẫnđiện được bọc cách điện (dây điện từ) Các dây điện từ được quấn thành nhiều vòng vàđược đặt trong rãnh của lõi thép Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trênstator bố trí ba bộ dây quấn đặt lệch vị trí 120 0trong không gian

Trang 1

1.1.2 Phần Rotor

- Rotor của máy phát điện đồng bộ là nam châm điện, gồm các cực từ và dây quấnkích từ Dòng điện đưa vào dây quấn kích từ là dòng điện một chiều để tạo ra từtrường Hai đầu của dây quấn kích từ được nối với hai vành trượt ở đầu trục, thông quahai chổi than để nối với dòng 1 chiều

- Có hai loại rotor: rotor cực ẩn và rotor cực lồi

+ Rotor cực lồi

Các khe hở không khí không đều, mục đích làm cho từ cảm phân bố trong khe hởkhông khí hình sin để sức điện động cảm ứng ở dây quấn stator hình sin (Hình 1.2).Rotor của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được cấu tạobằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ

Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 16 mm, được dậphoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường khôngtrực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rotor Giá đỡ này lồng vào trụcmáy Cực từ đặt trên lõi thép rotor được ghép bằng những lá thép dày 11,5 mm

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theochiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặcamiăng Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào thân cực

Loại rotor này dùng ở các máy phát có tốc độ thấp có nhiều đôi cực như máy phátkéo bởi tuabin thủy điện

Hình 1.2 Rotor của máy phát điện đồng bộ cực từ lồi+ Rotor cực ẩn

Trang 2

Khe hở không khí đều và rotor chỉ có 2 cực hoặc 4 cực (Hình 1.3) Vì tốc độ caonên để chống lực li tâm, rotor được chế tạo nguyên khối và có đường kính nhỏ.

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độquay của rôto là 3000 vòng/phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối vớithép hợp kim chế tạo thành lõi thép rotor, đường kính của rotor không vượt quá

1  Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rotor Chiều dài tối

đa của rotor khoảng 6,5m

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rotor được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữnhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây nàyđược cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấnkích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từtính Phần đầu nối nằm ngoài rãnh của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụthép không từ tính Loại rotor cực ẩn được dùng ở các máy phát có tốc độ cao như cácmáy kéo bởi tuabin nhiệt điện

Hình 1.3 Rotor của máy phát điện đồng bộ cực ẩn

- Bộ kích từ dùng chỉnh lưu tĩnh: lấy nguồn xoay chiều từ phần ứng máy điện đồng

bộ thông qua bộ chỉnh lưu cung cấp điện một chiều cho phần cảm của máy đồng bộ

Trang 3

- Bộ kích từ không chổi than: Bộ kích từ là một máy phát điện xoay chiều ba pha

mà phần ứng được đặt trên rotor máy phát đồng bộ Điện áp xoay chiều ba pha thôngqua bộ chỉnh lưu cung cấp dòng một chiều cho dây quấn kích từ

1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

1.2.1 Nguyên lý làm việc

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện ba pha1-Động cơ sơ cấp (tua bin hơi); 2- Dây quấn stator;

3- Rotor của máy phát điện đồng bộ; 4-Dây quấn của rotor;

5-Vành trượt; 6-Chổi than tỳ lên vành trượt; 7-Máy phát điện một chiều nối cùng chiều

với máy phát điện đồng bộ

- Động cơ sơ cấp 1 (tuabin hơi) quay rotor máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độđịnh mức (Hình 1.4), máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấpdòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổithan 6 và vành góp 5, rotor 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện Dorotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng ra sức điệnđộng xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

- Khi dây quấn stator nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện ba pha chạy qua.

Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, có tốc độlà:

- Chú ý rằng động cơ đồng bộ không tự mở máy được Muốn mở máy động cơđồng bộ người ta phải dùng động cơ phụ trợ hoặc mở máy theo phương pháp khôngđồng bộ

Ví dụ 1.1:

Máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn điện có tần số là50Hz thì động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là:

] / [ 1500 2

50 60 60

60 60 60

Ví dụ 1.2:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực và sức điện động pha là

V

E pha  380 khi phát tại tần số 60Hz

Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là E pha  380V nhưng tần số là50Hz ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát

Bài giải:

Với yêu cầu trong ví dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát:

Trạng thái 1: Tại trạng thái phát ra tần số 60Hz Tốc độ động cơ sơ cấp là:

] / [ 1800 2

60 60 60

50 60 60

V

E pha  380 , ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích Xét tỉ số sau:

1 01 11

02 12 1

E pha

Tóm lại muốn duy trì E pha  380V , ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần

số 50Hz

1.2.2 Các trị số định mức và hiệu suất của máy phát điện đồng bộ

- Các trị số định mức (các thông số kỹ thuật định mức) của máy phát điện đồng bộbao gồm:

Công suất có ích, nghĩa là công suất đầu ra của máy tính toán theo các điều kiệnphát nóng và làm việc lâu dài mà không bị hư hỏng, được gọi là công suất định mứccủa máy

 Công suất biểu kiến (thường ghi trên nhãn máy):

đm đm

 Công suất tác dụng: P đm  3 U đmI đm cos đm[W,KW] (1.5)

Trang 6

 Công suất phản kháng:Q đm  3 U đmI đm sin đm[VA,KVA] (1.6)Các đại lượng đó có liên quan với nhau và biểu thị cho chế độ làm việc ổn định, lâudài với công suất lớn nhất cho phép gọi là các đại lượng định mức và đều được ghitrên nhãn máy.

- Khi vận hành máy phát ta có các thành phần công suất tác dụng sau:

 P1: công suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện

 P2 : công suất tác dụng cung cấp đến phụ tải

 P thép: tổn hao trên lõi thép do dòng xoáy và từ trễ

 P cu: tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích

 P masát: tổn hao do ma sát cơ khí trên hệ thống như ổ bi, quạt gió

- Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ được xác định theo quan hệ:

Tônhao P

P P

1 Tính tốc độ quay rotor và dòng điện định mức

2 Tính công suất biểu kiến S đm của máy, công suất phản kháng Q đm của máy

3 Tính tổn thất công suất mà động cơ sơ cấp cung cấp cho máy phát và tổng cáctổn hao?

Bài giải

1 Tốc độ quay của rotor máy phát:

Trang 7

3000 1

50 60 60



p

f n

Dòng điện định mức của máy phát:

064 , 2 8 , 0 5 , 10 3

30 cos



đm đm

đm đm

U

P I

2 Công suất biểu kiến của máy phát:

5 , 37 8 , 0

P S

Công suất phản kháng của máy phát:

5 , 22 6 , 0 5 , 37

3 Công suất cung cấp cho trục máy phát bởi động cơ sơ cấp là:

51 , 30 100 32 , 98

30

đm đm

P

P

1.3 Quan hệ điện từ trong máy phát điện đồng bộ

1.3.1 Từ trường kích thích và sức điện động không tải

Khi rotor quay xung quanh dây quấn stator (có w vòng dây một pha và hệ số dâyquấn k dq), từ thông kích từ rotor sẽ lần lượt cắt qua dây quấn stator với trị số biến đổitheo quy luật hình sin, nên trị số tức thời của từ thông rotor t1 móc vòng trên dâyquấn stator tính theo:

(1.9)

Vậy sức điện động trong dây quấn phần ứng stator sinh ra chính là sức điện động

Hỗ cảm có trị số:

t E

t wk

t

wk dq t

Như vậy khi máy điện đồng bộ làm việc không tải, từ trường dây quấn kích từ tạonên sức điện động không tải E0 do hiện tượng hỗ cảm Biểu thức trên cho thấy sứcđiện động E0 chậm pha sau từ thông sinh ra nó một góc 90 0 Về trị số, sức điện động(không tải):

0 1

1 0

2

2 2

từ trường quay phần ứng Từ trường quay phần ứng quay đồng bộ với từ trường cực từ0

 Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất tải quyết định Ta xét 4 trường hợp đặctrưng:

1.3.2.1 Trường hợp tải thuần trở: (Hình 1.5)

Khi máy phát có tải thuần trở (tải R, xem hình 1.5), do tính chất mạch điện thuầntrở, E0và I trùng pha nhau nên góc lệch pha   0 0 Dòng điện I sinh ra từ 9hongphần ứngu cùng pha với dòng điện

ϕ 0

ϕ I

E 0

Hình 1.5 Tải thuần trởTác dụng của từ 9hong phần ứng u với từ 9hong không tải  0 (kích từ) ban đầutheo hướng ngang trục (hướng vuông góc với trục cực từ), làm méo từ trường cực từ

Trang 9

ban đầu Từ 10hong phần ứng theo hướng ngang trục, ta gọi là phản ứng phần ứngngang trục Kết quả của phản ứng làm tác động của từ trường tổng lúc này theophương dọc trục giảm, vì vậy sức điện động, điện áp trong máy phát điện giảm xuống.

1.3.2.2 Trường hợp tải thuần cảm: (Hình 1.6)

0

E và I trùng pha nên góc lệch pha   90 0 Dòng điện I sinh ra từ 10hong phầnứng u ngược chiều với từ thông  0, làm giảm nhiều từ trường cực từ ban đầu, nêngọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng

Trang 10

0   thì dòng điện tải tạo nên phản ứng vừa

1.3.3 Phương trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ

Chế độ làm việc thông thường của máy điện đồng bộ có tốc độ quay n  constđược

thể hiện thông qua các quan hệ giữa các đại lượng E, U, I, I t , cos

Trang 11

Trong đó, các quan hệ chính được suy ra phương trình cân bằng điện áp của máy.

Ở tải đối xứng 3 pha, có thể xét riêng cho 1 pha và suy ra cho hai pha còn lại vàphương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng sau đây:

Đối với máy phát điện đồng bộ:

r u jx u

I E

 U là điện áp ở đầu cực máy

 r u và xu là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng

 E là sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở khôngkhí   gây ra

Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ ban đầu t và từ trường phầnứng khi có tải u sinh ra

Khi mạch từ của máy không bão hòa, có thể xem như các từ trường t ,uđộc lậpsinh ra trong dây quấn các sức điện động E (sức điện động không tải E0), sức điệnđộng phần ứng (có tải) E u và ứng dụng các nguyên lý xếp chồng, ta có:

Từ trường phần ứng ngang trục uq tạo nên sức điện động ngang trục:

uq q

Trong đóX uq là điện kháng phần ứng theo hướng ngang trục

Từ trường phần ứng dọc trục ud tạo nên sức điện động dọc trục:

ud d

Trong đó X ud là điện kháng phần ứng theo hướng dọc trục

Ngoài ra dòng điện tải I còn sinh ra từ thông tản của dây quấn stator được đặc trưngbởi điện kháng tản X t không phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục, tương ứngvới sức điện động tản là:

t q t

d t

Ta có phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

u t q uq q t d ud

I E

U 0           (1.18)

Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn phần ứng, ta có:

Trang 13

 ud t q uq t

I E

I j E

db

X I j E

cos U I m

Trong đó: U là điện áp pha; I là dòng điện pha; m là số pha;

Đối với máy đồng bộ cực lồi, theo đồ thị vectơ, coi điện trở phần ứng rất nhỏ r u 0

, phân tích dòng điện thành hai thành phần dọc trục và ngang trục, ta có:

d d

X

U E

q q

X

U

Do đó: PmUIcos  mUIcos  mUIcos  cos  Isin  sin 

d d

q d

q

X

mU X

U mE X

mU I

2 0

mU X

U mE

P

Đối với máy đồng bộ cực ẩn, do X  d X q nên từ biểu thức trên ta có:

 sin

0

d

X

U mE

+θ -θ

0,8 0,4

-0,4 -0,8 -1,2

sin

q

U m X

X

U m X

U mE

2

2 cos 1 1 2

cos

2 2

U mE Q

1.3.4.3 Điều chỉnh công suất máy phát điện đồng bộ

 Điều chỉnh công suất tác dụng P

Ở chế độ làm việc xác lập, coong suất tác dụng P của máy phải công bằng với côngsuất cơ trên đầu trục làm quay máy phát điện Như vậy muốn điều chỉnh công suất tácdụng P của máy phát thì phải thay đổi công suất cơ trên trục máy Khả năng quá tảicủa máy phát điện đồng bộ được xác định tỉ số:

Trang 16

m m

P

P

k  (1.26)

Với P m là công suất tác dụng tối đa, P đm là công suất định mức của máy phát Tỉ

số k m gọi là hệ số năng lực quá tải

Theo quy định thì cần đảm bảo k m  1 , 7 và muốn như vậy máy phải có tỉ số ngắnmạch K lớn, nghĩa là X d phải nhỏ (hoặc khe hở lớn)

Cần chú ý rằng, khi điều chỉnh công suất tác dụng P, do góc tải  thay đổi nêncông suất phản kháng cũng thay đổi theo

Trong trường hợp có hai hay một số máy phát điện làm việc song songtrong mộtlưới riêng Ví dụ như hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song Ởtrường hợp này, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi, khi tăng công suất tácdụng của một máy mà 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 công bằng mới và khiến cho hộ dùngđiện phải làm việc trong điều kiện tần số khác định mức

Vì vậy, để giữ cho tần số lưới chung f = const, thì khi tăng công suất tác dụng củamột máy thì đồng thời phải giảm công suất tác dụng của máy kia Chính cũng bằngcách đó mà có thể thay đổi sự phân phối công suất tác dụng giữa hai máy

 Điều chỉnh công suất phản kháng

Từ biểu thức công suất phản kháng (1.25):

db

U m X

U mE Q

 E0 cos  U , thì Q = 0, máy phát chỉ thuần túy phát công suất tác dụng ratải.

Như vậy, khi giữ U, I, f không đổi, để điều chỉnh công suất phản kháng, người tađiều chỉnh dòng kích từ Khi tăng dòng kích từ, Q tăng Khi giảm dòng kích từ, thì Qgiảm Việc điều chỉnh được công suất phản kháng Q làm cải thiện được hệ số cos vàhiệu suất  của lưới điện khi vận hành máy phát điện

1.4 Mô hình mạch điện của máy phát điện đồng bộ

Mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha một đôi cực được biểu diễn như Hình 1.13.Rotor và stator được làm bằng sắt có độ từ thẩm cao để mật độ từ thông và lực từ độngđặt được tỷ số cao Hình 1.13 biểu diễn mỗi cuộn dây pha như một biến duy nhất (các

cuộn dây aa’, bb’, cc’) cuộn dây được đặt trong các rãnh stator Thật ra, nó là một cuộn dây nhiều vòng được phân bố trong các rãnh stator Ba cuộn dây aa’, bb’, và cc’,

được đặt lệch nhau 1200 trong không gian

Hình 1.13 Mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha

Từ mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha, ta thành lập được mạch điện máy phátđồng bộ như Hình 1.14

Trang 18

Xa

Hình 1.14 Mạch điện máy phát đồng bộ(điện kháng và điện trở khe hở được bỏ qua)Mạch điện Hình 1.14 có thể dễ dàng cải tiến kể cả hiệu ứng điện kháng và điện trởkhe hở phần ứng (đây là những hiệu ứng nối tiếp) để cho mạch điện hoàn chỉnh củacủa máy phát đồng bộ như trong Hình 1.15 Tổng điện kháng(X a X l) X S được gọi

là điện kháng đồng bộ của máy điện Ta có phương trình:

a a s a f

Điện trở phần ứng R a luôn luôn được bỏ qua trong việc nghiên cứu hệ thống Do

đó, trong mạch điện Hình 1.15 được đơn giản như trong Hình 1.16 Tương ứng với đồthị véctơ đã cho trong Hình 1.17 Từ trường gây ra sức điện động E f sớm pha hơnđiện áp đầu cực một góc Thực vậy, đây là điều kiện để cho máy phát phát công suấttác dụng Độ lớn của công suất phát ra phụ thuộc vào giá trị sin 

Đồ thị véctơ tương ứng cho mạch điện Hình 1.16

Trang 19

Hình 1.17 Đồ thị véctơ của máy phát điện đồng bộ

Kết quả phương trình 1.27 thay đổi thành:

s a t

Điện áp và dòng công suất phản kháng luôn được điều chỉnh bởi thiết bị điều chỉnhđiện áp khi hoạt động theo mạch từ trường của máy phát và bằng thiết bị tự động điềuchỉnh đầu phân áp trên máy biến áp

1.5 Độ thay đổi điện áp máy phát điện đồng bộ

Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp tươngthích với số cực để tạo được tần số đúng yêu cầu và duy trì tốc độ quay không đổi đểtần số ổn định

Kế tiếp điều chỉnh dòng một chiều cấp vào phần cảm có giá trị phù hợp để tạo các

áp pha trên bộ dây quấn stator có giá trị bằng đúng định mức Điều chỉnh thay đổidòng kích từ cấp vào dây quấn phần cảm làm thay đổi giá trị của điện áp ra trên stator

Áp pha lúc không tải chính là sức điện động cảm ứng E pha sinh ra trên mỗi pha dâyquấn

Khi máy phát mang tải, nếu duy trì không điều chỉnh thay đổi dòng kích từ, áp phatrên mỗi pha tải lúc vận hành có giá trị là V pha Giá trịnày khác với áp pha lúc khôngtải Độ chênh lệch giá trị giữa E pha và V pha được gọi là độ thay đổi điện áp của máyphát

Gọi V là độ thay đổi điện áp và V% là phần trăm độ thay đổi điện áp, ta cócác định nghĩa như sau:

Trang 20

pha pha V E

V

V E

1.5.1 Độ thay đổi điện áp khi tải có tính cảm

Bài toán xác định độ thay đổi điện áp máy phát theo tải thường được khảo sát theo

lý thuyết dưới dạng giản đôg vectơ Với tải có tính cảm giản đồ vectơ được vẽ từ mạchtương đương 1 pha trình bày trong hình

-Ipha

Z t Tính tải cảm HSCS trễ

Hình 1.18 Giản đồ vectơ dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính cảm

Từ giản đồ vectơ hình, khi chọn dòng I pha làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau:

Khi tính được E pha và biết trước U pha ta xác định V hay V% theo công thức

1.5.2 Độ thay đổi điện áp khi tải có tính dung

Tương tự với tải dung giản đồ vectơ được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bàytrong hình

Trang 21

-I pha

Z t Tính tải cảm

V pha

E pha

Ipha

Hình 1.19 Giản đồ vectơ dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính dung

Từ giản đồ vectơ hình, khi chọn dòng I pha làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha: 30 kVA, 220 V, dây quấn stator đấu Y Biết

X j R

S I

đm

đm

220 3

30000



Trang 22

Vì tải có tính cảm, suy ra sức điện động pha là:

sin

.

127 43 , 216 100

V

V E V

b Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và hệ số công suất tải 0,8 sớm

Vì tải có tính dung nên sức điện động pha là:

sin

.

127 34 , 134 100

V

V E V

1.6 Đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Qui luật làm việc của các máy phát điện thể hiện qua việc nghiên cứu các đặc tínhcủa chúng Máy phát điện đồng bộ các đặc tính làm việc chính:

Trang 23

- Không đấu tải vào dây quấn phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồnđiện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm

Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B trong khi dòng kích thích tỉ lệ thuậnvới sức từ động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm Như vậy dòng kích thích tỉ lệvới cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát

Tóm lại đặc tuyến không tải của máy phát có dạng của đường cong từ hóa của vậtliệu sắt từ tạo thành máy phát Hình dạng của đặc tuyến không tải trình bày trong hìnhHình 1.20 Trên đặc tuyến này lúc I kt  0 ta vẫn có được giá trị của sức điện động pha.Giá trị này hình thành do từ trường dư tồn tại trong phần cảm Sức điện động pha tạobởi từ trường dư được gọi là E phadu

Epha

Epha1Epha2

1.6.2 Đặc tính ngoài

Đó là quan hệ U  f I khi i t const, cos  const, f  f đm Nó cho thấy khi vậnhành, giữ kích thích (dòng kích từ) không đổi, điện áp của máy thay đổi như thế nàotheo tải Dạng của đặc tính ngoài ứng với các tính chất khác nhau của tải

Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đườngbiểu diễn mô tả quan hệ giữa áp pha V pha trên tải theo dòng điện pha I pha qua tải

Trang 24

ΔV 1 ΔV 2 Vpha

E pha =V pha

cosφ=0,7 trễ cosφ=1 cosφ=0,7 sớm

Hình 1.21 Đặc tính ngoàiĐặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi:

 Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số củaguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thínghiệm

 Điều chỉnh dòng kích thích để có được áp không tải bằng định mức trướckhi đấu tải vào phần ứng Duy trì giá trị dòng kích thích này không đổi trongsuốt quá trình thí nghiệm

 Đấu tải vào phần ứng máy phát, điều chỉnh thay đổi tổng trở tải nhưng duytrì hệ số công suất không thay đổi

Trong hình Hình 1.21 trình bày đặc tuyến tải với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với

hệ số công suất 0,7 trễ, tính dung với hệ số công suất 0,7 sớm

 Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích đượcchỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát

 Tương ứng với mỗi loại tải, khi dòng tải tăng độ lớn độ thay đổi điện ápcũng gia tăng

 Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm tạo độ thay đổi điện áp lớn hơn sovới trường hợp tải thuần trở Tại lúc này áp pha V pha E phahay

Trang 25

Tóm lại khi vận hành máy phát nếu chỉ duy trì tần số không đổi và không điềuchỉnh thay đổi dòng kích thích, áp trên tải sẽ thay đổi khi dòng tải thay đổi.

Ví dụ 1.5:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha: 30 kVA, 220 V, dây quấn stator đấu Y Biết tổng

X j R

Z s pha . s 0 , 4 1 , 2 Tính độ thayđổi điện áp khi máy phát đầy tải với điện áp cấp đến tải bằng định mức Biết hệ sốcông suất của tải là 0,6 sớm

A V

S I

đm

đm

220 3

30000

.

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:

% 02 , 15 100 127

127 93 , 107 100

V E V

Giá trị V%  0cho thấy sức điện động pha có giá trị thấp hơn điện áp pha trên tải.Giá trị này phản ánh được tính chất trợ từ của phản ứng phần ứng khi tải có tính dung

I kt0

Tăng I kt

Giảm I kt

Hình 1.22 Đặc tính điều chỉnhVới các phân tích về đặc tuyến tải như trên, muốn điện áp cấp đến tải luôn luôn duytrì bằng giá trị định mức khi tải thay đổi độ lớn và tính chất, ta cần điều chỉnh thay đổidòng kích thích để giữ được áp cấp đến tải luôn bằng giá trị định mức Biện pháp nàyđược gọi là điều chỉnh kích thích

Đặc tuyến điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô

tả quan hệ giữa dòng pha I pha qua tải theo dòng điện kích I kt cấp vào phần cảm để

áp pha trên tải luôn bằng giá trị định mức

Trong hình Hình 1.22 trình bày đặc tuyến điều chỉnh với 3 dạng tải: thuần trở, tínhcảm với hệ số công suất 0,7 trễ, tính dung với hệ số công suất 0,7 sớm

Trang 27

 Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích đượcchỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát Giá trịdòng kích thích nqày là I kt0.

 Tương ứng với tải thuần trở hay tính cảm, khi dòng tải tăng để duy trì áppha luôn bằng định mức độ lớn dòng kích thích được điều chỉnh tăng

 Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm cần tăng dòng kích thích nhiều hơn

so với trường hợp tải thuần trở

 Ngược lại với tải có tính dung cần giảm dòng kích thích khi dòng tải giatăng

Đặc tính điều chỉnh cho ta các dữ liệu cần thiết để điều chỉnh thay đổi dòng kíchthích khi tải thay đổi Đặc tính này là cơ sở để thực hiện các bộ tự động điều chỉnhkích thích máy phát bằng linh kiện bán dẫn (mạch AVR: Automatic VoltageRegulator)

1.6.4 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K

Đặc tính ngắn mạch là quan hệI  n f(i t) khi U = 0, f  f đm Nếu bỏ qua điện trở dâyquấn phần ứng (rư = 0) , mạch dây quấn phần ứng là thuần cảm (  90 0) Khi đó:

I I

I I

I q  cos   0 , d  sin   Đồ thị véctơ khi ngắn mạch như ở hình 1.23 (a) Ta có:

d

jIx

E 0 (1.33)Mạch điện thay thế như ở hình 1.26 (b)

Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hoà vì từthông khe hở  rất nhỏ, s.đ.đ E E0 Ix ud Ixurất nhỏ, do đó đặc tính ngắnmạch là đường thẳng (Hình 1.24).

d đm

I 0  / (1.35)Trong đó x d là trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E  U đm

Thay trị số I 0 theo (1.34) vào (1.35) ta có:

Thường x d*  1nên K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập I n0 I đm

Từ hình 1.28, dựa vào các tam giác đồng dạng OAA’ và OBB’ ta có:

trong đó: i t0 – dòng kích thích ứng với khi không tải U 0 U đm

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

Hình 1.25 Xác định tỉ số ngắn mạch K

1.7 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

Trong mỗi nhà máy điện thường có đặt nhiều tổ máy phát điện đồng bộ và nóichung các nhà máy điện đều làm việc trong một hệ thống điện lực

Như vậy, trong một hệ thống điện lực có rất nhiều máy phát điện đồng bộ làm việcsong song Việc cho các máy phát điện làm việc chung trong hệ thống điện lực nhằmbảo đảm công suất toàn hệ thống và việc điều chỉnh công suất (tác dụng và phảnkháng) giữa chúng

Muốn vậy phải đảm bảo các điều kiện sau đây:

- Điện áp của máy phát điện U F phải bằng điện áp của lưới điện U L

- Tần số của máy phát f F phải bằng tần số của lưới điện f L

- Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện

- Điện áp của máy và của lưới phải trùng pha nhau

Nếu không đảm bảo các điều kiện nói trên, khi ghép song song máy phát điện cóthể xảy ra các sự cố nghiêm trọng, thí dụ như khi đóng cầu dao mà điện áp của máyphát và của lưới lệch pha nhau 180 0 thì sẽ tương đương với nối ngắn mạch máy phát

Trang 30

điện với điện áp U F  U L  2 U F Dòng điện xung khi đóng cầu dao có thể lớn gấp hailần dòng điện ngắn mạch thông thường Lực và mômen điện từ sẽ lớn gấp bốn lần, pháhỏng dây quấn, kết cấu thép, lõi thép, trục… của máy phát điện.

Khi ghép song song, việc điều chỉnh điện áp U F của máy phát đồng bộ được thựchiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy, tần số f F của máy được điềuchỉnh bằng cách thay đổi mômen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo máy phátđiện Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiểm tra bằngđèn vônmet có chỉ số không hoặc dụng cụ đo đồng bộ Thứ tự pha của máy phát điệnthường chỉ được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hòa đồng bộ với lưới điện lầnđầu Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện nói trêngọi là hòa đồng bộ chính xác máy phát điện Trong một số trường hợp có thể dùngphương pháp hòa đồng bộ không chính xác nghĩa là không phải so sánh tần số, trị sốgóc pha các điện áp của máy phát điện cần được ghép song song và của lưới điện.Phương pháp này còn được gọi là phương pháp tự đồng bộ

Ví dụ 1.6:

Hai máy phát điện làm việc song song cung cấp điện cho hai tải:

Tải 1: S t1  5000 kVA; cos t1  0 , 8.Tải 2: S t2  3000 kVA; cos t2  1.Máy phát thứ nhất phát ra P1  4000 kW, Q1  2500kVAr Tính công suất máy phátthứ hai và hệ số công suất mỗi máy phát

Bài giải

Công suất tác dụng của hai tải:

7000 1

3000 8

, 0 5000 cos

3000 6

, 0 5000 sin

3000 4000

4000 cos

2 2

2 1

2 1

P



Hệ số công suất máy phát 2:

986 , 0 500 3000

3000 cos

2 2 2

2

2 21

P



Ví dụ 1.7:

Máy phát điện A có công suất định mức 300 kW, độ thay đổi tốc độ 3.5% Máy phát B

có công suất định 600kW, độ thay đổi tốc độ 2.5% Hai máy làm việc song song ở tần

số 60Hz, điện áp 480V Máy A phát 260kW và máy B phát 590kW Vẽ đường đặc tính điều chỉnh Tính tần số và tải tác dụng khi tổng tải còn 150kW

Bài giải

Tần số không tải của máy A:

) ( 1 62 60 60 035 0 035

Khi tải còn 150(kW) thì ta có:

Máy A:

A đmA

đmA

P

f P

300 035

.

0

Máy B:

B đmB

đmB

P

f P

600 025

.

0

f P

) ( 71 75 2894 184 260

) ( 2894 184 29 1 86 142 86

.

142

kW P

kW P

kW f

1.8 Chế độ làm việc với hệ thống điện của máy phát điện

Trong hệ thống điện hiện đại, nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song Cácnghiên cứu thường xoay quanh vấn đề bảo đảm cho máy phát làm việc đúng ngay cả

Trang 33

khi sự cố hay điều kiện làm việc của hệ thống thay đổi Các nghiên cứu này thườngchia làm 3 loại:

 Các nghiên cứu về sự ổn định trong quá trình quá độ khảo sát khả năng giữđồng bộ từ các dao động lớn tạo bởi nhiễu loạn quá độ nghiêm trọng Do daođộng lớn nên mô hình của máy được sử dụng phải phản ánh đúng đắn tính phituyến bản chất trong phạm vi tần số từ 1 đến 5 Hz Đặc tính động của dao độngđồng bộ như vậy bị ảnh hưởng bởi các thông số hệ thống và kiểu điều khiển

 Các nghiên cứu ổn định động khảo sát các đặc tính tín hiệu nhỏ và tính ổn địnhxung quanh điểm làm việc Các nghiên cứu như vậy thường sử dụng biểu diễntuyến tính hoá rút ra từ nhiễu loạn mô hình phi tuyến

 Các nghiên cứu cân bằng năng lượng động liên quan đến đặc tính của hệ thống.Thông thường, một máy phát điện đồng bộ vận hàng song song với những máy phátkhác được kết nối đến hệ thống Để đơn giản cho vận hành, cho một máy phát điện kếtnối đến một nút vô tận như trong hình 1.26

Nút vô tận có nghĩa là một hệ thống lớn có điện áp và tần số giữ không đổi độc lậpvới sự trao đổi công suất giữa động cơ đồng bộ và nút, và độc lập với sự kích từ củamáy phát điện đồng bộ

Xét một máy phát đồng bộ cung cấp công suất thực không đổi đến một thanh cái vôtận Khi kích từ động cơ được thay đổi thì dòng điện phần ứng I avà góc  , tức là hệ

số công suất thay đổi theo để duy trì:

Xs

Ef+

Vt

Ia Thanh cái vô tận

Hình 1.26 Máy phát đồng bộ nối đến thanh cái vô tận



cos

a

t I

Điều này có nghĩa rằng khi V t được cố định thì hình chiếu I a cos  của véctơ

a

I trên Vt không đổi trong khi sự kích thích thay đổi Các đồ thị véctơ tương ứng với

Trang 34

dòng kích từ cao, trung bình và thấp được thể hiện trong Hình 1.27 Đồ thị véctơ trongHình 1.27(b) tương ứng với trường hợp hệ số công suất bằng 1 Từ đồ thị véctơ hình1.27(b):

V t

c Thiếu kích

Hình 1.27 Đồ thị véctơ của máy phát đồng bộ cung cấp công suất không đổi khi tải thay đổiĐối với trường hợp quá kích thích (Hình 1.27(a)), nghĩa là E f cos  V t , I atrễ phahơn V tkết quả là máy phát cung cấp công suất phản kháng dương đến thanh cái (hoặctiêu thụ công suất phản kháng từ thanh cái) Đối với trường hợp thiếu kích thích (Hình1.27(c)), nghĩa là E f cos  V t , thì Ia sớm pha hơn V t, kết quả là máy phát cung cấpcông suất phản kháng âm đến thanh cái (hoặc ngược lại tiêu thụ công suất phản khángdương từ thanh cái)

Từ thảo luận bên trên, suy ra được kết luận rằng một máy điện đồng bộ (chế độ máyphát hoặc động cơ) trong khi vận hành tại công suất cố định cung cấp công suất phảnkháng dương đến thanh cái (hoặc tiêu thụ công suất phản kháng âm từ thanh cái) khi

Trang 35

thiếu kích thích Mặt khác, một máy điện đồng bộ thiếu kích thích cung cấp công suấtphản kháng âm đến thanh cái (hoặc tiêu thụ công suất phản kháng dương từ thanh cái).Quan sát công suất được phát bởi một máy phát đồng bộ đến một thanh cái vô tận.

Từ Hình1.27 công suất này là:

sin(

S a o

X

V E

(1.38)

Đồ thị công suất P theo góc  , thể hiện trong Hình 1.28 được gọi là đường conggóc công suất Công suất cực đại mà có thể được phát xẩy ra tại góc  90 0và đượccho bởi công thức:

P =

S

t f

X

V E

(1.39)Đối với P > Pmax hoặc  90 0 máy phát hoạt động mất ổn định

Một máy phát điện có công suất là 50MVA, 13,8kV, 50Hz, và điện kháng đồng bộ

3 Ω/pha và ra ≈ 0 Một máy phát được cung cấp công suất định mức với hệ số côngsuất là 0.85 tại điện áp ra định mức:

a Tính điện áp kích thích mỗi pha E và góc công suất δ

b Với hằng số kích thích có giá trị tại câu (a), giảm mômen xoắn đến khi máy phátcông suất là 22MW Xác định dòng điện phần ứng và hệ số công suất?

c Nếu các máy phát điện đang hoạt động ở điện áp kích thích như phần (a), côngsuất tối đa máy có thể cung cấp trước khi mất đồng bộ là những gì?

Bài giải:

a cos   0 85    31 80

MVA j

96 7 3

10 8 31 50

3

0 0

2093 )

3 ( 96

.

=> E  12 46  25 3 0kV

Do đó, độ lớn điện áp kích từ là: 12.46kV và góc công suất là 25.3º

b Khi máy phát được cung cấp 22MW, từ phương trình 3 3 sin 

s

x

V E

P 

0 1

54 297

66 sin

96 7 46 12 3

3 22

6 56 4

1672 3

76 2 19 4 3

0 96 7 8 12 46

I a

Trang 37

Hệ số công suất: cos (56.6º) = 0.55

x

V E

P

s

18 99 3

96 7 46 12 3 3

j

j j

3

46 12 96 7 3

0 96 7 90

01 40 3

87 36 80

3

0 0

1000

87 36 5

666 10 0

.

) ( 9 6 33

Máy điện xoay chiều đồng bộ, thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải(trục động cơ không nối với tải) để bù hệ số công suấtcos  và điều chỉnh điện ápmạng điện Chế độ làm việc bình thường của máy bù đồng bộ là quá kích từ, phát racông suất phản kháng cho lưới điện để nâng caocostăng điện áp đến trị số cần thiết.Lúc này, máy bù có vai trò như một bộ tụ điện Khi tải xuống thấp, điện áp của lướităng cao, máy bù đồng bộ sẽ làm việc ở chế độ thiếu kích từ, tiêu thụ công suất phảnkháng của lưới, tăng điện áp rơi trên đường dây, giảm điện áp đến trị số yêu cầu Máy

bù đồng bộ thường có rôto cực lồi, công suất đạt đến hàng trăm mêgavôn.ampe Ngàynay, máy bù đồng bộ được thay thế bằng máy bù tĩnh (SVC - Static VARCompensator) có tính năng tốt hơn

Máy bù đồng bộ thường có cấu tạo theo kiểu cự lồi Để dễ mở máy,mặt cực đượcchế tạo bằng thép nguyên khối có đặt dây quấn mở máy Trong trường hợp mở máytrực tiếp gặp khó khăn thì phải hạ điện áp mở máy, hoặc dùng động cơ không đồng bộrotor dây quấn để kéo máy bù đồng bộ đến tốc độ đồng bộ Trục của máy bù đồng bộ

có thể nhỏ vì không kéo tải cơ Cũng do momen cản trên trục nhỏ( chủ yếu chỉ do masát của ổ trục và quạt gió) nên yêu cầu làm việc ổn định với lưới điện không bức thiết,

do đó có thể thiết kế cho x dlớn, nghĩa là khe hở có thể nhỏ, kết quả là có thể giảmsuất điện động và dây quấn kích từ khiến cho kích thước máy nhỏ hơn

Công suất định mức của máy bù đồng bộ được qui định ứng với chế độ làm việcquá kích thích có trị số:

(1.40)Khi làm việc ở chế độ thiếu kích thích tối đa, nghĩa là ứng với khi it =0 và E0=0,công suất của máy bằng : S' mU đm I'

Nếu bỏ qua các tổn hao thì:

U E

I

.

đm m đ

1 '

d d đm

đm

x x I

U

(1.41)

Thông thường đối với máy bù đồng bộ x d* 5,,2 ;2S/'S đm ,045 ,067 và các trị số này

có thể đáp ứng yêu cầu về vận hành Trong một số trường hợp cần tăng trị số của S’ thìphải giảm x d* bằng cách tăng khe hở và điều này khiến cho giá thành của máy caohơn Để được kinh tế hơn, có thể thực hiện chế độ kích thích âm, khi đó E0 < 0, kếtquả là I' sẽ tăng khiến cho S’ cũng tăng theo

Ví dụ 1.10:

Một máy phát điện đồng bộ cung cấp cho hộ tiêu thụ một công suất 2500+j3000Kvavới điện áp 6,3kV Xác định tổng tổn hao trên đường dây và trong máy phát, biết rằngđiện trở một pha của đường dây r d  0 , 15 , của máy phát r u  0 , 045 

Nếu đặt thêm một máy bù đồng bộ với công suất bù là 30-j3000kVA thì tổng tổn haotrên là bao nhiêu

Bài giải:

Công suất của tải: S P2 Q2 = 2500 2  3000 2  3910 (kVA)

3000 30

( ) 3000 2500

2530 3