Chương 5 máy điện đồng bộ

Tính công suất tác dụng quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.?. Nếu máy phát cấp điện cho tải định

Chương 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I Tổng quan

q e

a e X

Axe bobine

a a' a

b'

c

c'

Axe inducteur

N S

A Máy điện đồng bộ có rotor cực từ ẩn:

q e

a e X

Axe bobine

a a' a

N S

L L L L

2

1 ) 120

I L i L 2

1 L

I L i L L 2

3

f af a al 0 aa

t cos(

I L i

a L i 

af a s af a s a

dt

di L dt

d dt

di L dt

d

af a s a a a a a

dt

di L i R dt

d i R

ph dq af

ph dq f

af )

1

af ph dq )

RMS (

af 2 fk N

E    với từ thông kích từ: af LafIf, af kfIf

af a as

dt

di L

e  

af a as

E     

af a s a a a a a

a R I E R I jX I E

Động cơ:

af a

s a

a

af ph dq

E  2  

Máy phát:

a s a

a af

al A al aa

II.2 Đặc tính không tải, ngắn mạch

Thí nghiệm không tải:

af s dqs

E  2  

Đặc tính không tải Thí nghiệm không tải xác định được “đặc tính không tải” Từ đó xác định “đặc tính khe hở”

Ngoài ra, thí nghiệm không tải xác định được tổn hao không tải.Trong đó có tổn hao cơ (không đổi do tốc độ cố định) và tổn hao sắt (do tần số không đổi nên tổn hao sắt tỷ lệ với bình phương biên độ từ thông)

Tổn hao sắt phụ thuộc vào từ thông (hay điện áp không tải)

Thí nghiệm ngắn mạch:

 Máy điện chạy ở chế độ máy phát, quay ở tốc độ đồng bộ Tăng dòng kích từ cho tới

khi dòng phần ứng đạt định mức Ia,sc = Ia,đm, vẽ được đặc tính ngắn mạch

E af

P Fe

Đo được dòng kích từ, và dựa theo đặt tính khe hở, xác định được Eaf, là sức điện động tương ứng với mạch từ còn tuyến tính, chưa bảo hòa

Khi mạch từ chưa bảo hòa, bỏ qua điện trở phần ứng, có thể tính điện kháng đồng bộ chưa

bảo hòa:

sc , a

, af ,

_ Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà: tính theo đặc tính khe hở (Eaf,)

Chú ý: Có thể tính Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà ở điểm Ia,sc khác Ia,đm , nhưng phải tính theo đặc tính khe hở.

Từ thông khe hở rất nhỏ (tỷ lệ với ER, khoảng 15% từ thông định mức) nên mạch từ trong

thí nghiệm ngắn mạch này chưa bảo hòa Thông số tính được sẽ không sát với thực tế khi

máy điện làm việc ở từ thông định mức

 Khi máy điện đồng bộ làm việc KHÔNG TẢI quanh giá trị điện áp định mức (từ thông khe hở gần định mức, xem như “bảo hòa”):

đm , a af

từ I’f này, cho máy ngắn mạch và đo dòng Ia,sc tương ứng Ua,đm Từ đó tính gần đúng giá trị

điện kháng đồng bộ bảo hòa

sc , a

đm , a s

I

U

(tính theo U a,đm trên đặc tính không tải)

Chú ý: Nên tính Điện kháng đồng bộ bảo hoà ở điểm gần Ua,đm

 Đơn vị trương đối (tính theo giá trị định mức):

Hệ số ngắn mạch Kn:

* s đm

s s

đm , a

đm , a

) U ( sc , a

đm , a

đm , a

đm , a

đm , a

đm , a đm

, a

) U ( sc , a

đm , a

) U ( sc , a ''

X

1 X

I U

I U I U

U

U I

I I

I I

Cho một máy điện đồng bộ ba pha 900MVA, 26kV, nối Y, 50Hz, hai cực, có các số liệu thí nghiệm:

Dòng kích từ Dòng ngắn mạch Điện áp không tải Điện áp khe hở

a Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs, ? (đơn vị Ω và đvtđ)

b Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)

c Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?

Ví dụ 2: (EX 5.4-p262) (trang 224)

Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz

Thí nghiệm không tải: dòng kích từ 2,84A, đo được điện áp 220V

Đặc tính khe hở (ước tính): dòng kích từ 2,2A, điện áp khe hở 202V

Thí nghiệm ngắn mạch:

Dòng kích từ 2,2A, đo dòng phần ứng là 118A

Dòng kích từ 2,84A, đo dòng phần ứng là 152A

a Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs,? (đơn vị Ω và đvtđ)

b Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)

c Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?

Tính điện kháng đồng bộ (theo Ω/pha và đvtđ) của máy điện đồng bộ 85kVA Biết điện áp

hở mạch định mức là 460V khi dòng kích từ 8.7A Và đạt dòng ngắn mạch định mức ở 11.2A

Ví dụ 3: (EX 5.5-p265) (trang 226)

Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz như ví dụ trên (EX 5.4)

Khi dòng ngắn mạch bằng dòng phần ứng định mức (118A), tổn hao là 1.8kW ở

25oC Biết điện trở một chiều trên cuộn dây phần ứng là 0.0335Ω/pha Tính điện trở

hiệu dụng trên mỗi pha? (đơn vị Ω và đvtđ)

Máy điện đồng bộ ba pha 13.8kV, 25MVA Tổn hao ngắn mạch là 52,8kW ở dòng định mức

a) Tính điện áp Eaf?

2 t

cos(

I L

eaf   af f   qo  

) cos( o

f af

af L I  t q

c) Công suất điện cấp cho motor (kW) và (hp)

II Máy phát đồng bộ

Máy phát cấp điện cho tải, hay cho lưới

II.1 Mạch tương đương

 a s  a

Ví dụ 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng

hình trụ có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây stator nối Y Điện kháng đồng bộ 5 

a) Tải định mức có HSCS=cos đm=0,9 chậm pha Tính E  af

(trị phức)? Vẽ giản đồ vector?

b) Tính lại cho tải (có dòng điện và điện áp) định mức có

c) Nếu giữ kích từ không đổi như câu a Tính điện áp trên tải (có tổng trở như ở) câu b?

Ví dụ 2: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ có các thông số định mức 16MVA, 10,5kV, 50Hz, cuộn dây stator nối Y Điện kháng đồng bộ 4,8  Tính giá trị sức

định mức, cos đm=0,8 Tính cho trường hợp chậm pha và nhanh pha? Vẽ giản đồ vector?

Ví dụ 3: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực,

có công suất định mức 10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz,

chậm pha so với điện áp), hãy:

a Tính công suất tiêu thụ của tải định mức?

c Vẽ giản đồ vector?

e Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát Biết tổn hao cơ là 500W

f Tính công suất tác dụng quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi

II.2 Đặc tính công suất – góc ở xác lập

Tải RL, t > 0 Tải RC, t < 0

Khi máy phát 1 pha cấp điện cho tải:

Tải RL, t > 0 Tải RC, t < 0

af 2

EQ s

EQ afX X

U E P





EQ s

EQ EQ

s

EQ af

X X

U X

X

U E Q

U

jXsI

Giới hạn công suất của máy phát điện động bộ ( 1 pha ):

t t

X

U E X

U Q P

Giới hạn công suất máy điện đồng bộ

Giới hạn công suất phản kháng của máy điện động bộ

Máy phát điện 3 pha:

t

X

U E UI

1

s

af e

X

UE f

p P

T        

s

af eMAX

X

UE f

Đặc tuyến tải của MPĐB Đặc tuyến công suất phản kháng MPĐB



sin 3

s

af t

X

U E

P 

s s

af t

X

U X

U E Q

2

3 cos

Khi không bỏ qua điện trở R a :

Z s s

a

Tải RL, 2 > 0 Tải RC, 2 < 0

Z s

Z

E E

 

s

a Z

Z

X



 sin

s

a Z

X

R arctg



a << Xs thì aZ  0

) cos( 2

2

P 

) cos(

) cos(

2 2 2

1

s

a Z

o

R E Z

s

a Z

R E Z

E E

P    a 

) sin( 2

2

Q 

) sin(

) sin(

2 2 2

E E

2

2 2 2

1

s

s Z

o

X E Z

E E

Q       

2

2 2 2

1

s

s Z

o

X E Z

1

s

s Z

X E Z

E E

 sin2 1 2

sX

E E

P 

s

E X

E E Q

2 2 2

1

sX

E E

P2max  1 2

khi  = 90o.

_

Ví dụ 4: (EX 5.6-p269)

Máy phát đồng bộ ba pha, 75MVA, 13.8kV, điện kháng đồng bộ bảo hòa

Xs=1.35đvtđ, điện kháng động bộ không bảo hòa là 1.56 đvtđ được kết nối với hệ

thống ngoài điện kháng tương đương là XEQ=0.23 đvtđ và điện áp VEQ=1 đvtđ Điện

áp hở mạch đạt định mức khi dòng kích từ 297A

a) Tính Pmax (theo MW, và đvtđ) mà máy phát có thể cấp cho hệ thống ngoài nếu sức

điện động của máy phát được giữ ở 1 đvtđ

b) Nếu máy phát được điều khiển ổn định điện áp thông qua điều chỉnh tự động từ

thông Nếu máy phát cấp điện cho tải định mức, tính góc công suất, sức điện động

(theo đvtđ),và dòng kích từ tương ứng?

a Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức? Tính giá trị công suất (tác dụng và phản kháng) cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới 11kV với giá trị sức điện động

đã tính ở trên

b Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành

ở hệ số công suất 0,8 chậm pha, cấp cho lưới 12MW và điện

áp lưới là 10kV Tính giá trị công suất tác dụng cực đại?

c Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc

AVR

II.4 Phân bố công suất của máy phát đồng bộ

II.5 Ghép song song máy phát điện đồng bộ

Power Plants Around the World photo gallery landing page:

http://www.industcards.com/ppworld.htm

Bài tập 3: Hai máy phát đồng bộ 3 pha nối Y giống nhau vận hành ở

33kV, mỗi máy cung cấp 5MW cho tải: 10MW và hệ số công suất 0,8 chậm pha Điện kháng đồng bộ của mỗi máy là 6  Máy thứ nhất có dòng điện 125A chậm pha

a Tính dòng điện và hệ số công suất của máy thứ 2?

b Tính góc tải và sức điện động của cả hai máy?

Bài tập: Cho một máy điện đồng bộ ba pha 900MVA, 26kV, nối Y,

50Hz, hai cực, có các số liệu thí nghiệm:

Máy phát trên được nối lưới 26kV thông qua điện kháng nối

tiếp 1 mH Biết máy phát đang cung cấp cho lưới 800MW và

400MVAr Bỏ qua điện trở phần ứng và tổn hao sắt Giả sử tổn

hao cơ là 20MW

b Tính dòng điện phần ứng, sức điện động không tải, góc tải,

c Với kích từ như ở câu b, tính công suất tác dụng cực đại mà

máy phát có thể cấp cho lưới trong ngắn hạn? Tính

d Với kích từ như ở câu b, tính công suất phản kháng lớn

e Khi điều chỉnh giảm dòng kích từ để sức điện động cảm

ứng giảm 10% Biết công suất tác dụng cấp cho lưới vẫn

không đổi Tính góc tải, dòng điện phần ứng và công suất

III.2 Đặc tính công suất - góc



sin X

U 3 Q

s

af s

1

s

af e

X

UE f

p P

X

UE f

p

2 



Nhận xét:

 Khi  < 90o, nếu rotor chậm lại  tăng  P tăng  rotor nhanh hơn

 Khi  > 90o, nếu rotor chậm lại  tăng  P giảm  rotor chậm hơn nữa  mất ổn định, động cơ đồng bộ dừng luôn

Câu hỏi:

_ Khởi động động cơ đồng bộ như thế nào?

_ Moment khởi động lớn hay nhỏ, có kéo nổi tải có quán tính lớn như tàu điện không?

III.3 Đặc tính vận hành của động cơ đồng bộ ở xác lập

 > 0

 < 0

Điều chỉnh tăng hệ số công suất cos

III.4 Phân bố công suất của động cơ đồng bộ

Ví dụ 6: Một động cơ đồng bộ nối Y, nối vào lưới 3 pha 3980V và điều chỉnh dòng rotor sao cho sức điện động cảm

suất cos  ? Tính công suất biểu kiến, công suất tác dụng và công suất phản kháng?

Ví dụ 8: Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 3MW, 6,6kV, 60Hz, 200rpm, kích từ độc lập không đổi, vận hành ở đầy tải ở hệ số công suất 0,8 chậm pha Nếu điện kháng đồng bộ là 11  , tính: công suất biểu kiến, dòng stator, sức điện động cảm ứng và góc tải? Nếu động cơ có tổn hao cơ Pqp là 200kW, tổn hao sắt Ps là 100kW, tổn hao

Tính công suất lớn nhất động cơ có thể kéo tải mà không mất đồng bộ? Tính công suất phản kháng lớn nhất mà động cơ có thể nhận từ lưới và phát lên lưới?

Khi tần số giảm còn 50Hz?

Khi Rs=1  ?

Ví dụ 3: Một động cơ không đồng bộ kéo tải và tiêu thụ 350kW từ lưới ở hệ số công suất 0,707 chậm pha Một động cơ đồng bộ thừa kích từ nối song song với động cơ không đồng bộ và tiêu thụ 150kW từ lưới Nếu hệ số công suất chung của hai động cơ là 0,9 chậm pha, tính công suất phản kháng và công suất biều kiến của động cơ đồng bộ.

n

(Điều chỉnh tăng hệ số công suất cos)

Ví dụ 13: Một động cơ không đồng bộ kéo tải và tiêu thụ 500kW từ

lưới ở hệ số công suất 0,707 chậm pha Một động cơ đồng bộ khác thừa kích từ nối song song với động cơ không đồng bộ và tiêu thụ 100kW từ lưới ở hệ số công suất 0,5 Tính hệ số công suất, công suất phản kháng và công suất biều kiến chung của hai động cơ Tính dòng điện cấp cho động cơ không đồng bộ và dòng điện cấp chung cho cả 2 động cơ, biết U =380V? Nhận xét về kích thước dây dẫn?

BT 1.3 Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực, có công suất định mức

10KVA, điện áp định mức 380V, nối lưới Trên mỗi pha có điện trở phần ứng

Rư = 0,5  và điện kháng đồng bộ Xđb = 5  Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công suất cos  = 0,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy xác định:

a Tính công suất tiêu thụ của tải định mức

b Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất 

c Độ thay đổi điện áp  U%

d Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi

b Khi máy phát cấp nguồn cho tải có dòng điện định mức 12A, tải có

hệ số công suất cos  =1 Vẽ giản đồ vector, tính điện áp dây cấp cho tải Udây, góc công suất? Biết sức điện động của máy phát vẫn không

c Với tải ( có dòng điện, cos  như) ở câu b, tính dòng kích từ điều chỉnh để điện áp dây vẫn là 380V? Biết mạch từ còn tuyến tính.

a Tính công suất tiêu thụ của tải định mức

b Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất 

c Tính độ thay đổi điện áp U%

d Tính công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi

e Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát biết tổn hao cơ là 500W

Câu 1.4 Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 3MW, 6,6kV, 50Hz, 200rpm, kích từ độc lập

không đổi, điện kháng đồng bộ là 10

a Khi động cơ vận hành ở công suất định mức và có hệ số công suất 0,8 nhanh

pha, tính: công suất biểu kiến, sức điện động cảm ứng pha và góc tải?(1,0đ)

b Tính công suất lớn nhất động cơ có thể kéo tải mà không mất đồng bộ? Khi

đó tính công suất phản kháng và momen điện từ của động cơ? (1,5đ)

c Tính công suất phản kháng lớn nhất mà động cơ có thể phát lên tải?(0,5đ)

================= HẾT =======================

Từ trường quay khi có tải Mạch tương đương ĐCĐB

MÁY PHÁT:

Mạch tương đương của MPĐB Từ trường quay trong MPĐB (quá kích từ)

B Máy điện đồng bộ có rotor cực từ lồi:

q e

a e X

Axe bobine

a a' a

NS

Từ thông phản ứng phần ứng ngang trục nhỏ hơn dọc trục

Với X al là điện kháng từ tản không phụ thuộc theo phương dọc trục hay ngang trục

d a

a q a

a q

d d

d a

Eaf

n

jXEQ

VEQ

(sin(2  ) = 2sin  cos  )

tạo ra moment phảng kháng (từ trở) có xu hưởng làm thẳng hàng rotor

và stator, và không phụ thuộc Eaf

Khi máy phát định mức, thành phần này khoảng 10% Thành phần này đáng kể khi Eaf nhỏ

Nhờ thành phần từ trở này mà  nhỏ hơn, máy cực từ lồi làm việc ổn định hơn máy cực từ ẩn

Bài tập 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ

có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây stator nối Y Điện kháng đồng bộ 5  , cos đm = 0,9 chậm pha

d Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức? Tính giá trị công suất cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện động đã tính ở trên

e Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở hệ số công suất 0,8 chậm pha, cấp cho lưới 12MW và điện áp lưới là 10kV Tính giá trị công suất cực đại?

f Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở trên

Bài tập 2: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ

có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây stator nối Y Điện kháng đồng bộ 5 

a Tính giá trị công suất, sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức với tải có cos  = 0,9 chậm pha?Tính giá trị công suất tác dụng cực đại mà

máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện động đã tính ở trên?

b Tính giá trị công suất, sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở

hệ số công suất 0,8 nhanh pha, cấp cho lưới 20MVA ở điện áp lưới định

mức?

c Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở trên? So sánh sức điện động của máy phát trong hai trường hợp trên?

Bài tập 3: Hai máy phát đồng bộ 3 pha nối Y giống nhau vận hành ở 33kV, mỗi

máy cung cấp 5MW cho tải 10MW, có hệ số công suất 0,8 chậm pha Điện kháng đồng bộ của mỗi máy là 6  Máy thứ nhất có dòng điện 125A chậm pha

c Tính dòng điện và hệ số công suất của máy thứ 2?

d Tính góc tải và sức điện đông của cả hai máy?

Bài tập 4: Một máy điện đồng bộ có cuộn dậy stator 3 pha, cuộn dây kích từ

rotor và cấu trúc rotor và stator dạng hình trụ

a Vẽ mạch tương đương và giản đồ pha tương ứng khi máy điện vận hành ở chế độ:

i Máy phát thừa kích từ

ii Máy phát thiếu kích từ

iii Động cơ thừa kích từ

iv Động cơ thiếu kích từ

Xác định trong mỗi trường hợp chiều của công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa máy điện và lưới; và xác định hệ số công suất nhanh hay chậm