Tìm hiểu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ

Tìm hiểu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ

ĐẶT VẤN ĐỀ

Máy phát điện dự phòng để đảm bảo liên tục cho các phụ tải đặc biệt

là một yêu cầu không thể thiếu được trong các nhà máy sản xuất công

nghiệp và các cơ quan ví dụ như: Bệnh viện, đài phát thanh và các sinh hoạt

công nghiệp khác Do vậy tìm hiểu về những vấn đề liên quan đến điều

khiển tự động máy phát điện dự phòng là rất cần thiết Đối với bản đồ án của

tôi cần quan tâm tới ba nội dung chính đó là:

Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp

1 Ổn định điện áp của máy phát điện dự phòng sao cho không

phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và không chịu ảnh hưởng vào nguồn

năng lượng cơ khí (động cơ sơ cấp)

2 Tự động chuyển đổi để máy phát dự phòng tiếp tục cung cấp

điện cho phụ tải khi lưới điện quốc gia mất và tự động ngừng máy phát dự

phòng khi lưới điện quốc gia có trở lại

Ngoài ra bản đồ án này của tôi có thể cho học sinh tìm hiểu

nghiên cứu và thực hành, vận dụng những điều đã nói ở trên thì cần phải

có một mô hình thực hành và nội dung đồ án của tôi là xây dựng mô hình

thực hành đó

Bản thuyết minh đồ án sau đây của tôi là những trình bày về quá

trình tham gia chế tạo mô hình đó Bản thuyết minh được chia thành nhiều

chương:

Chương I: Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ

Chương II: Ổn định tần số điện áp máy phát

Chương III: Ổn định điện áp máy phát (AVR)

ChươngIV: Mạch tự động chuyển đổi (ATS)

ChươngV: Kết cấu của mô hình.

Chương VI: Những bài thực hành thực hiện được trên mô

hình

CHƯƠNG I MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Đối với máy phát xoay chiều ở đây ta không quan tâm nhiều về vấn đề

cấu tạo hay về nguyên lý làm việc mà chủ yếu ta quan tâm về: Năng lượng

sơ cấp để kéo roto máy phát, vấn đề tự kích từ và tự động kích từ Tự động

ổn định điện áp, tần số điện áp máy phát

1 Nguồn năng lượng sơ cấp

Điện áp do bất cứ máy phát nào phát ra đều phụ thuộc vào tốc độ quay

của động cơ sơ cấp (n) Điều đó kéo theo tần số của điện áp cũng phụ thuộc

vào động cơ sơ cấp ( f= f(n)) Khi tốc độ quay của động cơ sơ cấp tăng thì tần

số của điện áp phát ra cũng tăng theo và ngược lại do đó đặt vấn đề phải giải

quyết là phải tự động ổn định tần số điện áp phát ra

Nguồn năng lượng sơ cấp thì ta có thể sử dụng nhiều loại như:

Tuabin nước

Tuabin gió

Động cơ điezen

Động cơ điện một chiều…

2 Từ trường biến thiên ban đầu

Mặc dù khi có nguồn năng lượng sơ cấp ban đầu đã đủ lớn nhưng khi

không có một từ trường biến thiên ban đầu (điện áp kích từ ban đầu) thì máy

phát cũng không thể sinh ra được điện năng và điều quan trọng ở máy phát

điện nói chung đó là giá trị điện áp do máy phát phát ra phụ thuộc vào điện

áp kích từ ( Uf = f(u (kt)) Khi đã có điện áp kích từ và nguồn năng lượng sơ

cấp để kéo được roto của máy phát thì khi đó mới có điện năng do máy phát

phát ra

Từ trường biến thiên ban đầu là do từ dư của nam châm (Roto) sinh ra

Khi roto quay thì từ dư của nam châm biến thiên trong lõi thép của roto sinh

ra một sực điện động biến thiên điều hoà Sức điện động biến thiên này gây

ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn dây của stato và sinh ra một sức

điện động tự cảm biến thiên cùng tần số trong cuộn dây stato Tạo ra mạch

ngoài một dòng điện biến thiên cùng tần số cùng biên độ Khi đó một phần

điện áp phát ra lại được lấy chỉnh lưu phản hồi lại để làm điện áp kích từ

nuôi cho roto (đây chính là quá trình tự kích từ) Khi đó roto mới trở thành

nam châm điện Nhưng ở đây vấn đề đặt ra đó là ổn định điện áp ra của máy

phát, và ổn định tần số của điện áp phát ra của máy phát

Ngoài ra đối với một mạng điện của bộ nguồn dự phòng thì vấn đề lớn

nữa ta cần quan tâm đó là bộ tự động chuyển đổi (ATS)

I ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng bộ nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng

thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện Điện năng ba pha chủ yếu

dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống Được sản xuất từ các nhà

máy phát điện quay tuabin hơi hoặc khí nước

Ngoài ra máy điện đồng bộ còn được làm động cơ đặc biệt trong các thiết

bị lớn vì chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng

1 Phân loại

Theo kết cấu có thể chia máy phát điện đồng bộ thành hai loại: Máy phát

điện đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p = 2) và máy

phát điện đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp (2p ≥ 4)

Theo chức năng, có thể chia máy phát điện đồng bộ thành các loại chủ

yếu sau:

a Máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước

và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước Máy phát

tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có

trục máy đặt nằm ngang Máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay

thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nối chung trục máy được đặt thẳng

đứng Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì

thường dùng động cơ điezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát

điện điêzen Máy phát điện điêzen thường có cấu tạo cực lồi

b Động cơ điện đồng bộ

c Máy bù đồng bộ

2 Kết cấu

Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta sẽ xét riêng rẽ

kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi

a Kết cấu của máy phát điện động bộ cực ẩn

Rôto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,

được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn

kích từ Phần không phay rãnh của rôto hình thành mặt cực từ

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực

2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000vg/ph và để hạn chế lực li tâm, trong

phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường

kính của rôto không vượt quá 1,1 -1,15m Để tăng công suất máy, chỉ có thể

tăng chiều dài l của rôto Chiều dài tối đa của rôto khoảng 6,5m

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôtođược chế tạo từ dây đồng trần tiết

diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng

dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để

cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín

bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính Phần đầu nối nằm ngoài rãnh

của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống không từ tính

Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt

đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục

với trục của máy đồng bộ

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba

pha và than máy, nắp máy Lõi thép stato được ép bằng cac lá tôn silic dày

0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách

khoảng 3÷6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10 mm Lõi thép

stato được đặt cố định trong thân máy Trong các máy đồng bộ công suất

trung bình, than máy được chế tạo kiểu kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc

bằng các tấm thép dát dầy.Thân máy phải thiết kế và chế tạo đẻ sao cho

trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện Nắp máy

cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc Ở các máy đồng bộ công

suất trung bình và lớn ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố

định trên bệ máy

b Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực lồi

Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy

đồng bộ cực ẩn, đường kính rôto D của nó có thể lớn tới 15 m trong khi

chiều dài l lại nhỏ với tỷ lệ 1/D =0,15 ÷ 0,2

Rôto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được

cấu tạo bằng 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 dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối

lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được

đặt trên giá đỡ của rôto Giá này lồng vào trục máy cực từ đặt trên lõi thép

rôto được ghép bằng những lá thép dày 1÷1,5 mm

Việc xác định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc

bằng các đuôi hình bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn

uốn theo chiều mỏng thành từng quộn dây Cách điện giữa các vòng dây là

các lớp mica hoặc amiăng Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào

các cuộc than cực

Dây quấn cản (trường hợp này máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy

(trường hợp dộng cơ dồng bộ) được đặt trên các dầu cực Các dây quấn này

giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm

bằng các thanh đồng đặt vào các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng

Trục của máy đồng bộ có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng bộ,

máy bù đồng bộ, máy phát diện điêzen hoặc máy phát tuabin nước công suất

nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng trên 200 vg/ph) ở trường hợp

máy phát tuabin nước,tuabin nước công suất lớn, tốc dộ chậm, trục của máy

được đặt thẳng đứng Khi trục của máy được đặt thẳng đứng, trọng ổ trục đỡ

rất quan Nếu ổ trục đỡ đặt ở đầu trên của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn

nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù

Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào than máy, do đó

tương đối dài và phải rất khẻo vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của rôto máy

phát, rôto tuabin nước và xung lực của nước đi vào tuabin Như vậy kích

thước xà đỡ trên rất lớn tốn nhiều sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao

lớn do đó tăng chi phí xây dựng buồng đặt máy Ở máy phát tuốcbin nước

kiểu dù, ổ đỡ trục nằm trên xà dưới Xà đỡ dưới được cố định trên nền của

gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ được đặt ngay trên nắp

của tuabin nước Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có

thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân máy và

buồng đặt máy đều thấp hơn

Trên cùng trục máy phát tuabin thường có đặt them các máy phụ - máy

kích thích, để cung cấp dòng diện một chiều cho cực từ cuả máy phát đồng

bộ và máy phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự

động của tuabin

Điều chỉnh điện áp máy phát ta điều chỉnh dòng kích từ Id dẫn đến từ

thông và điện trường thay đổi, ta sẽ điều chỉnh được điện áp

Ta điều chỉnh tần số thì ta điều chỉnh tốc độ của động cơ sơ cấp ( tuabin

nước, khí, dầu, gió)

Ta điều chỉnh công suất máy phát ta phải điều chỉnh công suất điện từ,

tức là ta điều chỉnh góc θ giữa U và E0 Muốn điều chỉnh góc θ ta phải điều

chỉnh công suất của động cơ sơ cấp

Như điều chỉnh công suất của máy phát liên quan đến tần số máy phát, ta

điều chỉnh dòng kích từ E0 thay đó góc giữa U và I thay đổi công suất thay

đổi, công suất phản kháng thay đổi

Việc điều chỉnh công suất phản kháng liên quan đến điện áp máy phát ra

+ Điều kiện làm việc song song của máy phát

+UF = Ul

+ fF = fl

+ Thứ tự pha giống nnhau

+ UF, Ul trùng pha nhau

+ F: máy phát, l: lưới điện

3 Nguyên lý làm việc của máy phát

Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng do đó ta phải dùng

động cơ sơ cấp quay rôto với tốc độ n vì rôto là nam châm điện nên cảm

ứng trong dây quấn stato suất điện động 3 pha eA, eB, eC

Trị số hiệu dụng suất điện động 1 pha

Khi máy phát mang tải (mạch ngoài kín) trong dây quấn dòng điện 3

pha tạo ra một từ trường quay n1= n

4 Phương trình và các quan hệ điện từ

a Phản ứng phần ứng

Khi stato có dây điện, dòng điện stato (phần ứng) tạo ra từ trường gọi

là từ trường phần ứng Tác dụng của từ trường phần ứng làm từ trường

phần cảm của rôto gọi là phản ứng phần ứng.Tuỳ theo tính chất của tải

mà phản ứng phần ứng khác nhau

+ Tải thuần dung

Φ0 của cực từ cảm ứng suất diện động E0 ở stato, E0 chậm sau Φ0 một

góc π/2 tải thuần dung nên dòng stato Id vượt trước E0 một ggóc 900

Id sinh ra từ trường phần ứng, Φưd trùng pha nhau sinh ra suất điện

động

tải thuần dung phản ứng phần ứng dọc trục (Φud, Φ0 cùng trục), trợ từ

(Φud cùng chiều Φ0)

+ Tải thuần cảm: Tương tự như tải thuần dung nhưng tải thuần cảm

dùng stato Id chậm sau E0 một góc 900, ta cs đồ thị véc tơ

tải thuần trở thì phản cảm ứng ngang trục

+ Tải bất kỳ: Dòng điện stato I ta phân làm hai thành phần I = Id + In

In:gây ra phản ứng phần ứng ngang trục

Id: Gây ra phản ứng cảm ứng đồng trục(trợ từ hay khử từ) tuỳ thuộc

vào tải mang tính chất tương ứng

Trợ từ mang tính chất điện dung

Dòng điện stato I sinh ra từ trường tản Φt Φt sinh ra Et, Et = -j.xt.Y

=-j.xt.(Id+In)

Đối với may phát điện ta có sơ đồ như sau

R: là điện trở dây quấn phản ứng phần ứng stato Trong nhiều trường

Như đã biết về sự cân bằng năng lượng của máy điện đồng bộ, khi làm

việc, trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao

phụ và tổn hao cơ

Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết

là mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn.Tổn hao này phụ

thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng và thường được tính ở

nhiệt độ 75oC

Tổn hao sắt từ là công suất mất mát trên mạch từ (gông và răng) do từ

trường biến đổi hình sin (ứng với tần số f1) Tổn hao này phụ thuộc vào trị số

của từ cảm, tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng của tôn silic, trình độ

công nghệ chế tạo lõi thép

Tổn hao kích từ là công suất tổn hao trên điện trở của dây quấn kích

thích và của các chổi than Nếu máy kích thích đặt trên trục của máy đồng

bộ thì công suất tổn hao trên phải chia cho hiệu suất của máy kích thích

Tổn hao phụ bao gồm các phần sau:

a.Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của dây quấn stato và

các bộ phận khác của máy với tác dụng của từ trường tản do dòng điện phần

ứng sinh ra

b.Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt cực từ lõi thép rôto của máy

cực ẩn do stato có rãnh và như vậy từ cảm khe hở có song điều hoà răng

Do tác dụng màn chắn của dòng xoáy, ở sâu trong lõi thép không có tổn hao

này

c.Tổn hao ở răng của stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thong

chính và do các song điều hoà bậc cao với tấn số khác ft

Tổn hao cơ bao gồm:

1.Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khíhoặc các chất làm lạnh

khác vào các bộ phận của máy

2.Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt rôto và stato khi

rôto quay trong môi chất làm lạnh (không khí,…)

ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau, tỉ lệ phân

phối các tổn hao nối trên không giống nhau Trong các máy đồng bộ bốn

cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây

quấn kích từ chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao.Trong khi đó tổn hao

trong lõi thép stato (kể cả tổn hao chính và phụ) chỉ chiếm khoảng 14%

Trong máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì tổn hao trong

dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiếm khoảng 35%, còn tổn

hao trong lõi thép stato thì chiếm tới 37%.Trong trường hợp này, để giảm

bớt tổn hao trong lõi thép stato nên dùng tôn silic có suất tổn hao nhỏ Tổn

hao phụ có thể chiếm tới khoảng 11% đối với máy phát tuabin nước, trong

đó chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18% đối với

máy phát tuabin hơi và ở đây khác với trường hợp máy phát tuabin hơi và ở

đây khác với trường hợp máy phát tuabin nước, tổn hao phụ trong dây đồng

của stato là chủ yếu Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn

thường dùng các biện pháp sau:

a.Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày

khoảng 4 ÷ 5 mm và hoán vị vj trí của chúng ở trong rãnh (đôi khi cả ở

phần dầu nối) sao cho dọc chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở

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

b.Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng

thép không từ tính

c.Tiện xoáy ốc bề mặt rôto của máy phát tuabinhơi

Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ được xác định bằng biểu thức:

η =

P P

P

z

z

∑ +

Trong đó: Pz : công suất đầu ra của máy;

∑p: tổng tổn hao trong máy

Hiệu suất của các máy phát đồng bộ làm lạnh bằng không khí công suất

o,5 ÷ 3000 kw vào khoảng 92 ÷ 95%; công suất 3,5 ÷ 100000kw vào

khoảng 95 ÷ 97,8% Nếu làm lạnh bằng hyđrôgen thì hiệu suất cũng có thể

tăng khoảng o,8%

III ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường luôn thay đổi theo điều

kiện của sản xuất hoặc cũng có thể có trường hợp tuy tải không thay đổi

nhưng do điều kiện vận hành của lưới điện mà cần thiếtphải thay đổi chế độ

làm việc của các máy phát điện , do đó trên thực tế phải điều chỉnh công

suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát điện đồng bộ

Ta hãy xét vấn đề ở hai trường hợp điển hình Trường họp thứ nhất là

trường máy phát điện làm việc trong hệ thống điện lực có công suất vô cùng

lớn với U.f=const, hay nói cách khác đi tổng công suất của các máy phát

điện đang làm việc song song trong hệ thống rất lớn so với công suấtcủa

máy phát điện đang được xét, do đó việc điều chỉnh P và Q của máy phát

điện đó không làm thay đổi U, f của hệ thống điện Trường hợp thứ hai là

trường hợp chỉ có hai hoặc nhiều máy phát điện công suất tương tựlàm việc

song song và sự thay đỏi chế độ làm vệc của một máy sẽ làm thay đổi U, f

chung của cả các máy phát điện đó

1 Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ

a Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất

vô cung lớn

Ở trường hợp này U và f là không đổi nên nếu giữ dòng điện kích thích

it không dổi thì E là hằng số và theo biểu thức (24-11) thì P là hàm số của

góc θ vcà đường biểu diễn của nó có dạng như đã biết trên hình24-9 Ở chế

độ làm việc xác lập công suất tác dụng P của máy ứng với góc θ nhất địng

phải cân bằng với công suất cơ trên trục 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 ngang và cắt đặc tính góc ở điểm A trên hình 27-4.Như

vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng Pcủa máy phát thì phải thay đổi

góc θ nghĩa là giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy

Công suất tác dụnh cực đại Pm mà máy phát điện có thể cung cấp cho

hệ thống điện ứng với khi dP/dθ = 0 Áp dụng điều kiện đó đói với biểu

thức (24-11) của máy phát đồng bộ cực ẩn suy ra được θm = 90ovà:

Pm =

d

x mUE Cũng như vậy với máy cực lồi, từ (24-13) có thể suy ra được góc θm

xác định bởi : cosθm =

B

A B A

4

8 2 2

d q m

mU x

mUE

θ

2 sin

2

− +

Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần chú ý ră ngf máy phát điện đồng

bộ chỉ làm việc ổn định tĩnh khi 0< θ <θm Để thấy rõ điều đó, giả sử rằng

máy đang làm việc ở giao điểm A ứng với θ1 < θm Nếu do một nguyên

nhân nào đó công suất cơ Pcơ của động cơ sơ cấp tăng lên trong một thời

gian ngắn sau đó lại trở về trị số ban đầu thì rôto của các máy phát điện sẽ

quay nhanh lên Như vậy góc θ sẽ tăng thêm +∆θ và tương ứng công suất P

sẽ tăng thêm ∆P Vì lúc đó công suất cơ Pcơ đã trở về trị số ban đầu nên

P+∆P >Pcơ, kết quả là rôto sẽ bị ghìm và máy phát điện trở lại làm việc ở

góc θ ban đầu sau vài chu kỳ giao động Trái lại nếu máy phát điện làm việc

xác lập ở θ2 > θm , ví dụ ở điểm Btrên hình 27-4 thì khi công suất cơ thay

đổi trên, góc θ tăng thêm ∆θ sẽ làm cho P của máy phát điện giảm, như vậy:

P < Pcơ , kết quả là rôto quay nhanh them, góc θ càng tăng và máy phát điện

sẽ mất đồng bộ với lưới điện

Từ những điều nói trên ta thấy rằng, khi điều chỉnh công suất tác dụng

mà muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn định thì phải có điều kiện sau:

> 0

θ

d

dP trong đó dP/dθ được gọi là công suất chỉnh bộ đặc trưng cho khả năng

giữ cho máy làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu bằng Pcb

Từ các biểu thức (24-13) ,(24-15) suy ra được hệ số công suất chỉnh bộ

đối với máy cực lồi:

khả năng chỉnh bộ tức khả năng của ∆P giữa công suất cơ đưa vào máy và

công suất tác dụng đưa ra lưới điện ứng với sự thay đổi ∆θ làm cho máy

phát vẫn duy trì làm việc với lưới điện là lớn nhất, còn khi θ =θm thì khả

năng chỉnh bộ bằng không

Trên thực tế vận hành, để đề phòng trường hợp U hoặc E giảm hoặc

những nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm thoe

nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công

gọi là hệ số khả năng quá tải

Đối với máy cực ẩn km =

dm

θ

sin 1

Theo quy định thì cần đảm bảo km >1,7 và muốn như vậy thì máy phải

có tỷ số ngắn mạch K lớn, nghĩa là xd phải nhỏ (hoặc khe hở lớn)

Cần chú ý rằng khi điều chỉnh công suất tác dụng, do θ thay đổi nên

công suất phản kháng cũng thay đổi theo

b.Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song

Giả sử có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song

Ở trường hợp này, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi khi tăng công

suất tác dụng của 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 cân bằng mới

và khiến cho hộ dùng điện phải làm việc trong tần số khác định mức Vì

vậy, để cho f = const khi tăng công suất tác dụng của một máy thì phải giảm

công suất tác dụng của máy kia Chính cũng bằng cách đó mà có thể thay

đổi sự phân phối công suất tác dụng giữa hai máy

2 Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ

Ta hãy xét việc điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện

đồng bộ làm việc trong lưới điện vô cùng lớn (U,f = const) khi công suất tác

dụng cuả máy được giữ không đổi

Giả sử máy có cực ẩn và để đơn giản, bỏ qua tổn hao trên dây quấn

phần ứng (ru =0)

Vì P = mUIcosφ là không đổi, và với điều kiện U = const nên khi thau

đổi Q, mút của vectơ I luôn nằm trên một đường thẳng, thẳng góc với U

Với mỗi trị số của I sẽ có một trị số của cosφ và đò thị véctơ suất điênđộng

tương ứng sẽ xác định được độ lớn của véctơ E, từ đó suy ra được dòng

điện kích thích it cần thiết để sinh ra E Cũng cần chú ý rằng,

P = mUIsinθ/xd =Pl =const, trong đó U, xd không đổi nên P =Esinθ =

OB = const và mút cuả véctơ E luôn nằm trên đường thẳng thẳng góc với

OB

Kết quả phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản

kháng Q thì phải thay đổi dòng điện kích thích it của máy phát điện

CHƯƠNG II

ỔN ĐỊNH TẦN SỐ ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT

I CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ SƠ CẤP

Trong công nghiệp cũng như trong đời sống người ta có rất nhiều cách

để có thể phát ra điện năng, đơn giản nhất là phương pháp cọ sát đầu vỏ bút

nhựa vào tấm len hoặc dạ cũng có thể sinh ra một điện năng có năng lượng

hút được mẩu giấy nhỏ vụn lên ở đây nguồn năng lượng sơ cấp là sức lực

của con người nhưng trong trường hợp này người ta chỉ đẻ làm một thí

nghiệm đơn giản là phát hiện điện năng mà thôi Trong công nghiệp hiện đại

người ta sử dụng các nguồn cơ năng có sức mạnh hơn rất nhiều như:

Nhà máy thuỷ điện thì sử dụng sức nước để làm quay Tuabin nước Nhà

máy nhiệt điện thì sử dụng nhiệt lượng làm quay Tuabin hơi, hay một số

trường hợp sử dụng sức gió làm quay Tuabin cũng để làm sinh ra điện

năng…Trong trường hợp người ta muốn cung cấp cho tải có công suất nhỏ

và yêu cầu phải thường xuyên lưu động thì người ta có thể dùng động cơ

Điêzen hoặc động cơ điện một chiều làm động cơ sơ cấp

Nhưng trong trường hợp này tôi dùng động cơ điện một chiều làm động

cơ sơ cấp là vì:

Ở đây là một mô hình thực hành cho nên để tránh cồng cềnh, gây ra

nhiều tiếng ồn và có thể vận chuyển lưu động được cho nên tôi quyết định

sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm động cơ sơ cấp

Ngoài ra không chỉ vì lý do trên mà lý do cơ bản nhất đó là ưu điểm của

động cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều được coi là một

loại máy quan trọng Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ

rất tốt, phạm vi điều chỉnh rộng Đối với động cơ điện một chiều có mạch

lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh

cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Vì vậy động cơ điện một chiều được

dùng nhiều trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh

tốc độ …Điều này rất có lợi cho những tải có công suất nhỏ và không ổn

định như ở mô hình này Chính vì vậy mà tôi quyết định dùng động cơ điện

làm động cơ sơ cấp

II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Cấu tạo và nguyên lý lám việc

1.1 Nguyên lý làm việc

- Nguyên lí làm việc của máy điện một chiều không khác nguyên lý làm

việc của máy điện xoay chiều, chỉ khác máy điện một chiều là có thêm bộ

phận chỉnh lưu có khi gọi là vành đổi chiều (vành góp)

1.2 Máy điện một chiều chia làm ba phần chính

1) Phần cảm-stato

Để tạo từ trường cho máy

a Cực từ chính: Gồm có lõi thép và dây quấn kích từ.Trong đó có

dòng một chiều ta gọi là dòng kích từ để tạo ra từ trường cho máy

b Cực từ phụ Để cải thiện tia lửa điện giữa chổi than và vành đổi

chiều Gồm có lõi thép và dây quấn cực từ phụ nối tiếp với dây quấn phần

ứng

c Vỏ máy: Ngoài nhiệm vụ bảo vệ các chi tiết bên trong và chịu lực

còn dùng để dẫn từ vì vậy vỏ máy được làm bằng thép đúc hoặc bằng thép

hàn

2) Phần ứng-rôto:

a Lá thép Gồm các là thép kỹ thuật điện dập theo hình tròn Bề mặt

có rãnh để đặt day quấn phần ứng ghép cách điện nhau

b Dây quấn phần ứng

Tạo thành các bối dây và hai cạnh của bối dây đặt ở rãnh lõi thép

phần ứng Các bối dây được ghép nối với nhau tạo thành mạch kín

3) Vành đổi chiều

Do dây quấn phần ứng gồm nhiều bối dây nên mạch một chiều gồm

nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau và cách điện với trục Tì trên

vành một chiều là những cặp chổi than đứng yên Các cặp chổi than phân

chia dây quấn phần ứng thành các nhánh song song Sức điện động của máy

bằng tổng các sức điện động của các vòng dây trong một nhánh song song

khi mở máy ta để Rm ở giá trị max Khi mở song ta đưa Rm = 0 để giảm tổn

hao Vì vậy khi mở máy có Iumở =

Ru Rm

.

e k

Iu Ru

U −

a Thay đổi điện trở phần ứng:

Muốn thay đổi điện trở phần ứng thì ta nối tiếp vào mạch phần ứng biến

trở Rp.(vị trí giống Rm), thay đổi Rp thì động cơ thay đổi dược tốc độ

Đặc điểm: tổn hao lơn vì Iu lớn

Ta chỉ tăng được điên trở mạch phần ứng nên chỉ giảm được tốc độ,

b Thay đổi tôc độ:

Muốn thay đổi điện áp U thì ta phải dùng bộ nguồncó thể thay đổi điện

áp U

Ví dụ: Bộ chỉnh lưu dùng tổ hợp: động cơ không đồng bộ + máy

phát kích từ độc lập + máy phát kích từ + động cơ điện

Đặc điểm: Ta chỉ giảm được điện áp Unên chỉ giảm được tốc độ

c Thay đổi điện trở kích từ

Để thay đổi điện trở kích từ trong mạch kích từ ta nối tiếp biến trở

Các đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi

thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Ta xét quan hệ n=f(m) khi giữ U không đổi, Rkt không đổi

Do U,Rkt không đổi nên Ikt=

U tốc độ của động cơ khi không tải Me = M =o

Me : mô men cản của máy công cụ, đặc tính cơ thay đổi

a =

φ

.

ke

U thay đổi b không đổi

- Đặc tính cơ thay đổi điện trở mạch phần ứng a không đổi

Nếu φ tỷ lệ với Iktn cũng tỷ lệ với Iu

Ta có : φ = φu.k.Iu ta thay vào mômen thì ta có

M = Km.kφIu2: mômen (M) tỷ lệ với I2u nên động cơ kích từ nối tiếp

có khả năng quá tải lớn

Nếu động cơ quá tải hai lần thì :Me = M tăng hai lần = 2M, nhưng Iu

tăng lên 2 lần Vì vậy động cơ kích từ nối tiếp được dùng nhiều trong

Km U

.

.

φ

K Ke Ru

Ta đặt : a/ =

φ

K Ke

Km U

.

. và b/ =

φ

K Ke

+ Không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp chạy không tải

hoặc nối tải (Ma 0) vì khi đó tốc độ động cơ rất lớn Nhưng về mặt cơ

không cho phép vì ổ bi hoặc trục bạc chỉ chịu được tốc độ nhất định, dễ gây

cháy ổ bi

+ Không được dùng đai truyền đối với động cơ khi nối tiếp vì đai

truyền làm tốc độ động cơ tăng lên

III ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP

Trên thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ

điện một chiều

• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc mạch lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ bao giờ

cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ

Ở đây ta sử dụng phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng

động cơ dùng mạch chỉnh lưu điều khiển dùng Tranristor để điều khiển góc

mở Thyristor

1 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu điều khiển

(Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp)

Giản đồ thời gian của các điểm

Các giá trị của linh kiện

t t

ω

2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Tín hiệu đồng pha được lấy từ BA đồng pha sau chỉnh lưu có dạng đập

mạch âm Đập mạch âm này qua R1 được cộng tín hiệu với một phân áp

dương U0 do ta đặt một phân áp VR1 và R2 tạo ra Vì vậy tín hiệu đập mạch

được đẩy nên được một đoạn U0(UB), (dương một phần) Tín hiệu cộng này

được đưa vào Tr1 Tại những điểm đập mạch bị đẩy lên (+) nó làm Tr1 mở,

làm thế tại C=0 Khi hết đoạn đập mạch bị đẩy lên dương, đến phần âm làm

Tr1 khoá do đó thế tại C= +nguồn Vậy từ tín hiệu đập mạch âm qua Tr1 ta

nhận được một xung vuông tại C Xung vuông này được đưa vào Tr2

(thuận) Tại những điểm xung vuông ở đất làm T2 mở, tụ C1 được nạp Đoạn

xung vuông dương T2 khoá, lúc này C1 xả theo đường :

+ C1 → Tr3 → VR2 → R6 →(-12) qua nguồn về đất Vậy là tại D ta

nhận được một xung răng cưa Xung răng cưa này được đưa vào so sánh với

tín hiệu chủ đạo do khâu tổng hợp tín hiệu đưa ra Tại những thời điểm xung

răng cưa lớn hơn Ucđ đầu ra khâu so sánh ta nhận được là 0 Tại những điển

xung răng cưa nhỏ hơn Ucđ đầu ra so sánh ta nhận được +12 Vậy là đầu ra

khâu so sánh ta nhận được xung vuông có độ rộng thay đổi được nhờ thay

đổi Ucđ Xung vuông này được đưa qua tụ nối tiếp C2 Đây là tụ vi phân vì

vậy đầu ra ta nhận được một xung kim Xung kim này được đưa vào khâu

khuếch đại và qua biến áp xung cách ly để đi điều khiển Thyristor

3 Nguyên lý phản hồi âm tốc độ

Ở đây ta sử dụng một khâu cộng tín hiệu điều khiển để tổng hợp tín hiệu

đặt và tín hiệu phản hồi Khi đó Ucd = Udk = ( dat U ph

R

R U R

R

17

15 14

15 + ) Khi ta dùng chiết áp VR4 đặt được tốc độ của động cơ như mong muốn Nếu vì một lý

do nào đó mà làm cho tốc độ của động cơ bị giảm xuống khi đó làm cho

Uph do phát tốc phát ra giảm khi đó làm cho Udk tăng thì làm cho góc mở

của Thyristor giảm khi đó điện áp đặt lên động cơ tăng kéo theo tốc độ

động cơ tăng lên

Nếu vì một lý do nào khác làm cho tốc đọ động cơ tăng lên thì làm cho

Uph do phát tốc phát ra cũng tăng lên khi đó theo công thức trên thì làm cho

Udk giảm xuống Khi Udk giảm xuống thì làm cho góc mở của Thyristor

tăng lên khi đó điện áp đặt lên động cơ giảm xuống đồng thời kéo theo tốc

độ của động cơ giảm xuống Quá trình cứ như vậy làm cho tốc độ của động

cơ được tự động giữ ổn định như mong muốn Khi tốc độ động cơ sơ cấp

được ổn định thì tức là tần số điện áp máy phát được ổn định đây là một yêu

cầu của đề tài của tôi cần giải quyết