Giáo trình Máy điện 1 (Phần 4: Máy điện đồng bộ) - Chương 1: Nguyên lý máy điện đồng bộ

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Đại cương về máy điện đồng bộ, cấu tạo máy điện đồng bộ, nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ, từ trường trong điện đồng bộ, máy điện đồng bộ cực ẩn, máy điện đồng bộ cực lồi, giá trị tương đối của các tham số máy đồng bộ. Mời các bạn cùng tham khảo.

2 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 PHẦN THỨ TƢ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chƣơng NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Máy điện đồng máy điện xoay chiều có tốc độ rotor n tốc độ từ trường quay máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng có tốc độ quay rotor ln không đổi Máy điện đồng sử dụng rộng rãi công nghiệp Máy điện đồng phân thành máy phát, động máy bù đồng Máy phát điện đồng nguồn điện lưới điện quốc gia, Hình 1.1 Stator máy nước điện đồng bộtuabin khí Trong nhà máy động sơ cấp tuabin hơi, tuabin máy phát thường nối làm việc song song với nhà máy nối với thành hệ thống điện Công suất máy phát chế tạo 1200MW Còn động điện đồng sử dụng truyền động cơng suất lớn, đạt đến vài chục MW với yêu cầu tốc độ không đổi Động điện đồng dùng công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, máy bơm, khí nén, quạt gió Trong số trường hợp, việc đặt máy điện đồng gần khu công nghiệp để phát công suất phản kháng đủ bù hệ số công suất cos cho lưới điện Những máy gọi máy bù đồng Các động điện đồng công suất nhỏ, đặc biệt động kích từ nam châm vĩnh cửu dùng rộng rãi trang bị tự động điều khiển 1.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấu tạo máy điện đồng gồm có hai phận stator rotor 1.2.1 Stator (phần ứng) Stator máy điện đồng (hình 1.1 1.2) giống stator máy điện khơng đồng bộ, gồm hai phận lõi thép stator dây quấn ba pha stator Lõi thép stator làm thép kỹ thuật điện dầy 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stator cách khoảng - 10 cm có rãnh thơng gió ngang trục rộng khoảng 10mm Lõi thép stator đặt cố dịnh thân máy Dây quấn stator (xem lại phần dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều) gọi dây quấn phần ứng Hình 1.2 Stator máy điện đồng cực ẩn 1.2.2 Rotor (phần cảm) Rotor máy điện đồng nam châm điện gồm có lõi thép dây quấn kích thích Dòng điện đưa vào dây quấn kích thích dòng điện chiều Rotor máy điện đồng có hai kiểu rotor cực lồi rotor cực ẩn Kết cấu rotor cực lồi Loại rotor cực lồi dùng máy đồng có tốc độ thấp, có nhiều đơi cực (hình 1.3) máy phát kéo tuốc bin nước Vì đường kính D rotor lớn đến 15m Rotor máy điện đồng cực lồi có lõi thép chế tạo thép đúc gia công thành khối lăng trụ khối hình trụ mặt có cực từ Cực từ đặt lõi thép rotor làm thép dày 1-1,5 mm N S S N Hình 1.3 Rotor cực lồi máy điện đồng cực lồi mặt cắt ngang Dây quấn kích từ chế tạo dây đồng tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành cuộn dây Cách điện vòng dây mica amiăng Các cuộn dây sau gia công lồng vào thân cực từ Việc cố định cực từ lõi thép rotor thực hình T bulơng xuyên qua mặt cực vít chặt vào lõi thép rotor Dạng mặt cực rotor để khe hở khơng khí khơng đều, mục đích làm cho từ cảm phân bố khe hở khơng khí hình sin để sđđ cảm ứng dây quấn stator hình sin (hình 1.3) N S 2.Hình Kết1.4cấu rotor cực ẩn Lõi thép rotor mặt cắt ngang lõi thép máy điện đồng cực ẩn Loại rotor cực ẩn dùng máy có tốc độ cao máy kéo tuốc bin Vì tốc độ cao nên để chống lực ly tâm, rotor chế tạo ngun khối có đường kính nhỏ (hình 1.4) Rotor máy điện đồng cực ẩn làm thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối hình trụ, sau gia cơng phay rãnh để đặt dây quấn kích từ Khe hở khơng khí stator rotor rotor thường có hai cực từ Dây quấn kích từ đặt rãnh rotor chế tạo dây đồng tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành bối Hình 1.5 Dây quấn rotor cực ẩn dây đồng tâm (hình 1.5) Cách điện vòng dây bối dây mica mỏng Dây quấn kích từ đặt vào rãnh rotor nêm kín nêm làm thép khơng từ tính 1.2.3 Hệ kích từ máy điện đồng Hệ kích từ máy điện đồng phải đảm bảo trì điện áp dầu cực máy phát điều kiện làm việc It bình thường, cưỡng kích thích điện áp hạ thấp U ngắn mạch xa giảm Ut ĐB Lđ Ls KT nhanh dòng điện kích từ đến R T không mà điện áp không vượt cách điện cuộn dây kích từ cho phép Hình 1.6 Hệ kích thích dùng máy chiều It TI ĐB U Ut T Hình 9.8 Hệ kích thích hổn hợp máy đồng Có ba loại kích từ cho máy điện đồng Hệ kích từ dùng máy phát điện chiều mối trục máy phát đồng (hình 1.6); hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều, mối trục với máy phát điện đồng bộ, loại có hai phương án máy kích từ xoay chiều có phần cảm quay, phần ứng tỉnh (hình 1.7a) máy kích từ xoay chiều có phần ứng quay, phần cảm tĩnh (hình 1.7b); hệ tự kích tức hỗn hợp lấy điện áp máy điện đồng phát chỉnh lưu cho vào dây quấn kích từ trình bày hình 1.8 It It Ut Ut ĐB ĐB CL CL KT A A B Phần quay Phần tĩnh KT B Phần quay (a) Phần tĩnh (b) Hình 1.7 Hệ kích thích máy phát xoay chiều chỉnh lưu 1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Trên hình 1.9 trình bày nguyên lý hoạt động máy phát điện đồng Động sơ cấp (tuốc bin hơi) quay rotor máy phát điện đồng đến gần tốc độ định mức, máy phát điện chiều thành lập điện áp cung cấp dòng điện chiều cho dây quấn kích thích máy phát điện đồng thơng qua chổi than vành góp 6, rotor máy phát điện đồng trở thành nam châm điện Do rotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng stator cảm ứng dây quấn stator sđđ xoay chiều hình sin Nếu rotor có số đơi cực từ p, quay với tốc độ n sđđ cảm ứng dây quấn stator có tần số là: p.n f (1.1a) 60 60 f n Hoặc (vg/ph) (1.1b) p Như trị số hiệu dụng sđđ cảm ứng dây quấn stator là: E t  π 2fN s Φ t Trong đó: (1.2) Et = sđđ kích thích pha (V); Ns = số vòng dây hiệu dụng pha; f = tần số sđđ cảm ứng dây qấn stator (Hz); t = từ thơng/cực từ, dòng điện kích từ It tạo (Wb) B A C + Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý máy phát đông bô ba pha Động sơ cấp (tuabin hơi); Dây quấn stator; Rotor máy phát đồng bộ; Dây quấn rotor; Vành trượt; Chổi than tỳ lên vành trượt; Máy phát điện chiều nối trục với máy phát điện đồng Khi dây quấn stator nối với tải, dây quấn có dòng điện ba pha chạy qua Hệ thơng dòng điện sinh từ trường quay, gọi từ trường phần ứng, có tốc đô: n1  60f (vg/ph) p (1.3) Từ (1.1b) (1.3), ta thấy tốc độ rotor n tốc độ từ trường quay máy n1, nên gọi máy điện đồng VÍ DỤ 1.1 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn làm việc không tải có sđđ cảm ứng 240V/pha, tần số 50Hz Xác định sđđ cảm ứng tần số từ thông cực từ tăng 12% tốc độ tăng 12% Bài Giải Sđđ pha cảm ứng máy phát : E t  π 2fN s Φ t Lập tỉ số: E t1 f1Φ t1  E t f 2Φ t  E t  E t1  f 2Φ t 1,2f1  1,2Φ t1  240   345 ,6 V f1Φ t1 f1Φ t1 Tần số sđđ cảm ứng mới: n1 f1 n   f  f1   50 1,2  60 Hz n f2 n1 1.4 TỪ TRƢỜNG TRONG ĐIỆN ĐỒNG BỘ Từ trường máy điện đồng dòng điện dây quấn rôto stato sinh Khi máy làm việc không tải: Trong dây quấn stato khơng có dòng điện, tức dòng điện stator khơng (I = 0), từ trường máy điện dòng điện chiều It chạy dây quấn kích từ đặt cực từ sinh ra, gọi từ trường cực từ Nếu rôto quay từ trường quét qua dây quấn stator cảm ứng sđđ kích thích Et (còn gọi sđđ không tải) Khi máy làm việc mang tải: Ngồi từ trường cực từ có từ trường dòng điện tải I sinh gọi từ trường phần ứng Nếu máy ba pha, từ trường dòng điện tải chạy dây quấn ba pha sinh từ trường quay Từ trường nầy phân tích thành từ trường từ trường bậc cao có chiều quay tốc độ quay khác Trong số từ trường nầy, từ trường quan trọng tốc độ chiều quay giống từ trường cực từ Phản ứng phần ứng tác dụng từ trường phần ứng với từ trường cực từ Nó ảnh hưởng lớn đến từ trường cực từ mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào tính chất tải cấu tạo cực từ ẩn hay lồi Kết máy điện làm việc có tải, dọc khe hở tồn từ trường thống Chính từ trường nầy sinh sđđ lúc có tải dây quấn stato 1.4.1 Từ trƣờng dây quấn kích thích (cực từ) Rôto máy điện đồng cực ẩn máy điện đồng cực lồi có cấu tạo khác nên từ trường chúng sinh có dạng khác nhau, sau ta xét hai trường hợp riêng biệt Đối với máy điện cực lồi Stđ cực từ là: NI Ft  t t (1.4) 2p đó: Nt = số vòng dây kích thích quấn cực từ; It = dòng điện kích thích p = số đơi cực từ Từ thông sức từ động (stđ) nầy sinh (hình 1.10) gồm: t = từ thơng qua khe hở móc vòng với dây quấn stator  = từ thông tản cực từ Do khe hở mặt cực phần ứng không đều, nhỏ mặt cực lớn dần phía mỏm cực, nên mật độ từ thông mặt cực lớn mỏm cực Ta vẽ đường phân bố từ cảm dọc theo bước cực  hình 1.11 10 Từ cảm Bt khơng sin khó khăn mặt gia công độ cong mặt cực Ta phân tích Bt thành sóng sóng bậc cao Sóng là chủ yếu, tạo sđđ có tần số dây quấn stato, từ trường bậc cao cực từ thường nhỏ, sđđ chúng sinh bị yếu chọn bước ngắn quấn rãi t  t N m  S S Btm N -/2 Hình 1.10 Từ trường dây quấn kích từ máy điện đồng Btm1 Bt /2 Hình 1.11 Từ cảm từ trường cực từ khe hở máy điện đồng cực lồi Hệ số dạng sóng từ trường: kt  B tm1 B tm (= 0,951,15) (1.5) đó: Btm1 = biên độ sóng Btm = trị số cực đại cuả từ cảm Bt Từ biểu thức (1.5), ta có: B tm1  k t B tm    Ft kt k  k d  μ N t It kt k δ k μd δ 2p (1.6) đó: k = hệ số khe hở khơng khí kd = hệ số bão hòa dọc trục cực từ  = khe hở khơng khí Tính hệ số hỗ cảm tự cảm dây quấn kích thích MĐ cực lồi: + Hệ số hỗ cảm Mƣd: Hệ số hỗ cảm Mưd suy từ sđđ hỗ cảm dây quấn stator từ thông móc vòng cực từ Từ thơng ứng với sóng cực từ bằng: Φ t1  μ τ lδ Nt k t B tm1τ l δ  It π π k δ k μd δ p (1.7) Khi rôto quay với tốc độ  = 2f từ thơng móc vòng sóng từ trường kích từ với dây quấn stator biến đổi theo qui luật hình sin: 11 tưd = Nst1cost Sđđ hỗ cảm dây quấn stator là: dΨ e t   tæd  Nst1sint = Etmsint dt Trong đó, biên độ sđđ kích thích: μ τl δ N t k t I t  ωM æd I t  X æd I t π k δ k μd δ p E tm  ωN s (1.8) Vậy hệ số hỗ cảm dây quấn kích thích dây quấn phần ứng là: M æd  μ τl δ N Nk  s t t πk δ k μd δ p (1.9) Điện kháng hỗ cảm tương ứng: Xưd = Mưd + Hệ số tự cảm dây quấn kích thích : (1.10) Hệ số tự cảm dây quấn kích thích: Lt = Lt + Lt (1.11) Trong đó: Lt hệ số tự cảm dây quấn kích thích ứng với từ thơng tản t cực từ Lt hệ số tự cảm dây quấn kích thích ứng với từ thơng khe hở t. cực từ Từ thông khe hở t. cực từ : t. = kt1 (1.12) đó: k hệ số có trị số tỉ số có điện tích giới hạn đường cong hình 1.11 Kết hợp biểu thức (1.7) (1.12) ta suy : L tδ  μ τl N2 N t Φ tδ  δ  t ktkφ It πk δ k μd δ p (1.13) Đối với máy điện cực ẩn Đường biểu diễn từ cảm Bt có dạng hình thang (hình 1.3) Ta gọi  tỉ số phần có dây quấn bước cực bước cực  Biên độ sóng từ trường bằng: B tm1       B t cos  d   (1  )   B tm cos  d    B tm (   ) cos  d   (1  )  2 25 Góc cơng suất :  = - 29o Cũng dùng đồ thị vector (hình VD 1.3b) để tính Et  sau : E t  U  (IX âb ) E t  120  (8,33  8) = 137,35 V IX 8,33 tg  âb   0,555 U 120   = -29o (chế độ động cơ) j8 E t I + + U  120 V I = -29o IjX âb   U0o U ~_ _ (a) E t  137 ,35 V (b) Hình VD1.3 Mạch điện tương đương đồ thị vector dộng đồng b Công suất cực đại  =- 90o : 3UE t 137 ,35 120 Pmax   sin θ  sin(90 o )  6180 ,75 W X âb P 6180 ,75 M max  max   32,8 N.m Ω âb (2π 1800 / 60) VÍ DỤ 1.4 Một động điện đồng cực ẩn ba pha 100hp, 460V, cực từ, 60Hz, nối Y có điện trở dây quấn stator khơng đáng kể điện kháng đồng 2,72/pha Động làm việc chế độ định mức có hệ số công suất 0,8 - vượt trước hiệu suất, trừ tổn hao kích thích stator 96% Xác định (a) mơmen điện từ; (b) dòng điện phần ứng; (c) sđđ kích thích góc cơng suất; (a) mơmen cực đại Bài giải Mạch điện thay động đồng pha trình bày hình VD 1.4 a Mômen điện từ Tốc độ đồng bộ: n1  60f1 60  60   1800 vòng/phút p 26 M đt  9,550 Mômen điện từ: Pđt (100  746 ) / 0,96  9,55   410 ,127 Nm n1 1800 b Dòng điện phần ứng Cơng suất vào động cơ: S P( hp)  746 100  746   97135 VA η  cos φ 0,96  0,80   U d 0 o  460 0 o  265 ,580 o V Điện áp pha động : U 3 Dòng điện stator dầy tải : Sâm 97135 I âm    121,92 A 3U âm  460 cos = 0,8   = - 36,87o (tính dung)  I  121,9236,87 o A Phương trình cân điện áp bỏ qua Rư :  t  U0o  IjX âb E  t  265,580o  121,9236,87 o  2,7290 o E = 534,96 - 29,73o.V Sđđ kích thích pha : Et = 535 V Góc cơng suất :  = -29,7o j2,72 E t = -29,7o   U0o U _ U  265,58 V I + + ~ I _ IjX âb E t  535 V (b) (a) Hình VD 1.4 Mạch điện tương đương đồ thị vector động đồng c Công suất cực đại động xảy  = - 90o , : P  Pmax  Mômen điện từ:  3E t U  256 ,58  534 ,96 sin θ  sin(90 o )  156700 W X âb 2,73 M max  Pmax 156700   831,380 Nm Ω1 2π 1800 / 60 27 1.6 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CỰC LỒI 1.6.1 Phƣơng trình điện áp đồ thị vector máy phát điện cực lồi Ở máy cực lồi khe hở dọc trục ngang trục khác nên ta phân tích ư thành hai thành phần: dọc trục ưd ngang trục ưq tương ứng có hai thành phần dòng điện: dọc trục Id ngang trục Iq, ta có :  ỉ   æd    æq  (1.44) I  I d  I q (1 45) Từ trường phần ứng ngang trục ưq tạo nên sđđ ngang trục E q   jI q X æq , với Xưq điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục từ trường phần ứng dọc  d   jI d X æd , với Xưd điện kháng phản ứng phần trục ưd tạo nên sđđ dọc trục E ứng dọc trục Ngồi dòng điện tải I sinh từ thơng tản ưt dây quấn stator, tương ứng có sđđ tản Eưt, đặc trưng điện kháng tản Xưt không phụ thuộc hướng dọc trục ngang trục Như vậy:  æt   jIX æt   jId X æt  jIq X æt E Xd,Xq E t Rư I I q E t   Id, Iq I (1.46)   U jI q X q  U I d IR æ I (a) jI d X d (b)  U Xd,Xq E t Rư I  Id, Iq I   U (c) Hình 1.24 Đồ thị vectơ máy điện đồng cực lồi Phương trình điện áp máy phát điện đồng cực lồi :  E t E  æd  E  æq  E  æt  IR æ U I q E t  I d jI q X q I (d) jI d X d 28  E  t  Id jX æd  Id jX æt  Iq jX æq  Iq jX æt  IR æ U  E  t  Id j(X æd  X æt )  Iq j(X æq  X æt )  IR æ U  E  t  Id jX d  Iq jX q  IR ỉ U đó: (1.47) (1.48) Xd = Xưd + Xưt điện kháng đồng dọc trục; Xq = Xưq + Xưt điện kháng đồng ngang trục Phương trình (1.48) tương ứng với đồ thị vectơ máy phát điện đồng cực lồi, hình 1.24b Từ phương trình điện áp đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha điện áp U sđđ Et phụ tải định Phương trình cân điện áp động điện đồng cực lồi :  E  t  Id jX æd  Id jX t  Iq jX æq  Iq jX æt  IR æ U  E  t  Id j(X æd  X æt )  Iq j(X æq  X æt )  IR æ U  E  t  Id jX d  Iq jX q  IR æ U (1.49) (1.50) Phương trình (1.50) tương ứng với đồ thị vector động điện đồng cực lồi, hình 1.24d Từ phương trình điện áp đồ thị vector ta thấy góc lệch pha điện áp U sđđ Et dòng điện kích thích định 1.6.2 Đặc tính góc cơng suất máy phát đồng cực lồi Công suất tác dụng Công suất tác dụng máy phát điện cung cấp cho tải P = mUIcos Trong đó: U = điện áp pha I = dòng điện pha m = số pha cua máy P Pđt Pe= (1.51) mUE t sin θ Xd mU 1 Pu= ( X  X ) sin 2θ q d -1800 -900  ĐC 450 900 1800 MF Hình 1.25 Đặc tính góc cơng suất máy phát điện đồng cực lồi 29 Theo đồ thị vectơ hình 1.24b, ta có  =  - , : P = mUIcos = mUIcos(-) = mUIcos.cos + mUIsin.sin P = mUIq.cos + mUId.sin (1.52) với Icos = Iq Isin = Id Theo đồ thị vectơ hình 1.24b với giả thiết Rư = 0, ta rút ra: Iq  E  U cosθ U sin  I d  t Xd Xq Thế dòng điện I q I d vào phương trình (1.52), sau vài biến đổi bỏ qua tổn hao, ta có cơng suất điện từ máy phát động điện đồng cực lồi: mUE t mU 1 (1.53) Pât   sin θ  (  ) sin 2θ   Pe  Pu Xd Xq Xd Trong dấu (), dấu (+) chế độ máy phát, (-) chế độ động Ta thấy công suất điện từ máy điện gồm hai thành phần (hình 1.25): mUE t - Thành phần Pe = sin θ dòng điện kích từ tạo nên, tỉ lệ với sin, gọi Xd công suất nam châm Đây thành phần công suất chủ yếu máy mU 1 - Còn thành phần Pu = (  ) sin 2θ không phụ thuộc vào dòng điện Xq Xd kích từ xuất Xq  Xd Do người ta chế tạo động điện đồng với rơto có khe hở dọc trục ngang trục khác mà không cần dòng điện kích từ, ảnh hưởng thành phần công suất nầy tạo nên mômen quay, nguyên lý động điện phản kháng; cơng suất Pu gọi cơng suất từ trở Từ trường quay khe hỡ Góc độ điện Dây quấn kích từ Đường A: mơmen từ trở Đường B: mômen nam châm Đường C: mômen tổng A+B Vị trí rotor có tải Vị trí rotor khơng tải Hình 1.26 Trình bày mơmen từ trở, mơmen nam châm, mơmen tổng A+B góc cơng suất rotor từ trường quay máy đồng chế độ động 30 Như ta thấy từ biểu thức (1.53) hình 1.26, giá trị cực đại mơmen từ trở hình thành có tải so với vị trí khơng tải rotor  = -45o chế độ động  = 45o chế độ máy phát, mơmen nam châm có giá trị cực đại  = - 90o Đặc tính P = f() gọi đặc tính góc cơng suất tác dụng Máy phát làm việc ổn định  khoảng  72 o công suất cực đại khoảng θ  72 o ; tải máy định mức, θ  20  32 Máy phát cực ẩn : Đối với máy điện cực ẩn, khe hở khơng khí stato rôto nên điện kháng đồng X d  X q  X âb , phương trình (1.53) viết lại thành: Pđt   mU Et sin θ X âb (1.54) VÍ DỤ 1.5 Một động điện đồng cực lồi ba pha 200hp, 2300V, nối Y, cực từ, 60Hz, 900 vòng/phút có điện trở dây quấn stator không đáng kể điện kháng đồng dọc trục ngang trục tương ứng 36,66/pha 23,33/pha Bỏ qua tổn hao, xác định (a) mơmen điện từ dòng điện kích từ điều chỉnh để sđđ kích thích gấp hai lần điện áp nguồn cung cấp, góc cơng suất -18o; (b) mơmen điện từ mômen điện từ phần % so với mômen định mức, tải tăng đến xuất mômen từ trở cực đại Bài giải a Mômen điện từ dòng điện kích từ điều chỉnh để sđđ kích thích gấp hai lần điện áp nguồn cung cấp Điện áp pha động : U  Ud  2300  1327 ,9V Công suất điện từ: mUE t mU 1 Pât   sin θ  (  ) sin 2θ Xd Xq Xd Pât    1327 ,9   1327 ,9 sin(18 o )  36,66  1327 ,9 1  (  ) sin(2  18 o )  113412 ,3 W 23,33 36,66 Mômen điện từ: M đt  Pđt 113412 ,3   1203 Nm Ω1 2π  900 / 60 31 b Mơmen điện từ góc cơng suất  = -45o Công suất điện từ: mUE t mU 1 Pât   sin θ  (  ) sin 2θ Xd Xq Xd Pât    1327 ,9   1327 ,9 sin(45 o )  36,66  1327 ,9 1  (  ) sin(2  45 o )  245293 ,2 W 23,33 36,66 Mômen điện từ: Pđt 245293 ,2   2603 Nm Ω1 2π  900 / 60 Do tốc độ động không đổi, nên: 245293 100  1,64% Mômen điện từ % so với định mức = 200  746 M đt  Công suất phản kháng Công suất phản kháng máy phát đồng : Q = mUIsin = mUIsin(-) = =mUIsin.cos - mUIcos.sin Q = mUId.cos - mUIq.sin (1.55) Q* - -90  +  90 Đ F Hình 1.27 Đặc tính góc cơng suất phản kháng máy phát điện đồng cực lồi Thế biểu thức I q I d vào phương trình (1.55), sau vài biến đổi và, ta có cơng suất phản kháng máy phát điện đồng cực lồi là: 32 Q  mU Et mU  1  mU  1  cosθ   cos 2θ   (1.56) Xd  X q X d   X q X d  Vì  có giá trị dương âm, trị số Q theo (1.56) khơng đổi, nên đặc tính góc cơng suất máy phát điện động giống có dạng trình bày hình 1.27 Ở ta cho rằng, Q > 0, máy phát công suất phản kháng cung cấp cho lưới Q < 0, máy tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện, dù động hay máy phát điện Như vậy: Ta thấy hình 1.27, - <  < +, Q > 0, máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho lưới,  ngồi phạm vi trên, Q < 0, máy tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện Máy phát điện cực ẩn : Đối với máy phát cực ẩn X d  X q  X âb nên phương trình (1.56), viết lại : mUE t mU mU Q cosθ   (E t cosθ  U) X âb X âb X âb (1.57) Điều chỉnh công suất máy phát đồng a) Điều chỉnh công suất tác dụng : Máy phát biến thành điện năng, muốn điều chỉnh công suất tác dụng P máy phát điện ta phải điều chỉnh công suất động sơ cấp b) Điều chỉnh công suất phản kháng : Từ biểu thức công suất phản kháng (1.57): mU(E t cosθ  U) (1.58) x âb Giả thiết giữ U, f P khơng đổi thì: - Nếu Etcos < U Q < 0, nghĩa máy nhận công suất phản kháng lưới điện để tạo từ trường, máy thiếu kích thích - Nếu Etcos > U Q > 0, máy phát cơng suất phản kháng cung cấp cho tải, máy kích thích Như vậy, muốn điều chỉnh công suất phản kháng ta phải thay đổi sđđ kích thích Et, nghĩa phải điều chỉnh dòng điện kích từ Để tăng cơng suất phản kháng phát ta phải tăng dòng điện kích từ Thật vậy, tăng dòng điện kích từ, Et tăng cos tăng Etsin khơng đổi, P khơng đổi mà P  Etsin Q tăng Q 1.7 GIÁ TRỊ TƢƠNG ĐỐI CỦA CÁC THAM SỐ MÁY ĐỒNG BỘ Các nhà sản xuất nói chung thường cho tham số máy điện đồng dạng đơn vị tương đối, thay cho trị số thực Trị số tương đối có ích việc thiết kế máy kích thước máy thay đổi phạm vi rộng, tham số thay đổi Điều làm giảm lỗi thiết kế cung cấp điều kiện thuận lợi để so sánh tính chất liên quan tới máy ngồi kích thước ta thiết kế 33 Tham số tương đối máy đồng định nghĩa tỉ số trị số thực tương ứng với trị số tổng trở sở máy Trị số sở máy điện đồng định nghĩa sau: SCS = Cơng suất tồn phần định mức/pha (VA) VCS = điện áp định mức/pha (V) I CS  Z CS  S CS U CS U CS U CS  I CS SCS (A) (2.59) () (2.60) Tham số tương đối máy cực ẩn: R æ*  Ræ X ; X âb*  âb ; Z âb*  R æ*  jXâb* Z CS Z CS (2.61) Tham số tương đối máy cực lồi: X æd*  X d*  X æd ; Z CS Xd ; Z CS X æq*  X æq Z CS X q*  ; X æt*  X æt Z CS Xq (2.62) (2.63) Z CS VÍ DỤ 1.6 Hãy xác định tổng trở tương đối máy phát đồng ba pha 100kVA, 480V, 60Hz có tổng trở đồng (0,08+j2,3)  Bài giải Z CS U CS 480 /    2,304 Ω SCS 100000 / R æ*  Ræ 0,08   0,0347 ; Z CS 2,304 X âb*  X âb 2,3   0,9983 ; Z CS 2,304 Z âb*  R æ*  jXâb* = 0,0347 + j0,9983 = 0,998988,01o VÍ DỤ 1.7 Một máy phát điện đồng ba pha tuabin nước có tham số Xd* = 0,843; Xq* = 0,554 Giả sử máy làm việc tải định mức với Uđm; Iđm; cosđm = 0,80 Hãy tính sđđ Et* góc cơng suất đm 34 Bài giải  làm gốc Để tính tốn ta dựa vào đồ thị véctơ hình VD 1.7 Lấy vector U biểu thị hệ đơn vị tương đối ta có:  đm  10o U Iđm  1  36,87 o cosđm = 0,80  đm = 36,87o Chú ý rằng, véctơ IjX q phải vuông pha với I nằm phương E t , nên:  đm  Iđm jX q*  10o  1  36,87 o j0,554 U  1,332  j0,443  θ đm  artg 0,443  18,5o 1,332 Góc sđđ E t I đm có trị số là: Ψ  φđm  θ đm  36,87 o  18,5o  55,37 o I q jI d X d     U I d jI q X q E t IjX q I Hình VD 1.7 Đồ thị vectơ máy phát điện đồng cực lồi Từ đồ thị véctơ sđđ hình VD 1.7, trị số Et* xác định sau: Et* = U*cos + Id*Xd* Et* = U*cos + I*sin Xd* Et* = 1.cos18,5o + 1.sin55,37o 0,844 =1,643    35 CÂU HỎI ƠN TẬP Vì lõi thép rotor máy điện đồng làm thép rèn thép dày mà không cần dùng tôn silic lõi thép stator Thử vẽ cách nối cuộn dây cực từ máy động cực ẩn cực lồi Vì máy điện đồng cực lồi phải chia stđ thành hai thành phần dọc trục Fưd ngang trục Fưq ? Nêu rõ khác đồ thị vectơ sđđ đồ thị stđ máy phát điện đồng Vẽ đồ thị vectơ khơng gian biểu thị vị trí cực từ so với dây quấn ba pha tương ứng tải máy ba pha có tính cảm tính dung Giả sử máy có p=1 q=1 Phản ứng phần ứng máy điện đồng phụ thuộc vào yếu tố nào? Tác dụng ? Có thể điều chỉnh tốc độ động đồng không ? Tại sao? Có phải tăng tải nguyên nhân dẫn đến tốc độ động đồng giảm làm việc tốc độ ổn định mới? Tại có hai thành phần mơmen máy điện đồng cực lồi ? Có ứng dụng thành phần này? 10 Sự khác mômen vào cực đại, môme cực đại mômen ngắn mạch? 11 Tải có qn tính ảnh hưởng đến mômen vào cực đại, mômen cực đại mômen ngắn mạch? 36 BÀI TẬP Bài số 1.1 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn làm việc khơng tải có sđđ cảm ứng 2460V/pha, tần số 60Hz Xác định sđđ cảm ứng tần số từ thông cực từ tốc độ rotor tăng 10% Đâp số: 2976,6 V; 66Hz Bài số 1.2 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn làm việc khơng tải có sđđ cảm ứng 346,4V/pha, tần số 60Hz Xác định sđđ cảm ứng tần số từ thông cực từ giảm 15% tốc độ tăng 6,8% Đâp số: 314,46 V; 64Hz Bài số 1.3 Một máy phát đồng ba pha 1000kVA, 2200V, 60Hz, đấu Y a Tính dòng điện dây định mức b Tính dòng điện dây máy phát cơng suất 720kW cho tải có cos =0,8 Đâp số: 262,43A; 236,2A Bài số 1.4 Một máy phát đồng ba pha 1600kVA, 6700V, 50Hz, đấu Y a Tính dòng điện dây định mức b Tính dòng điện dây máy phát cho tải cơng suất 1200kW cho tải có cos =0,8 Đâp số: 137,87A; 129,26A Bài số 1.5 Một tải ba pha có điện trở 10/pha cấp điện từ máy phát đồng ba pha có điện áp 220V Tải nối , sau nối Y Tính dòng điện dây công suất tải tiêu thụ hai trường hợp Đâp số: 38,1A; 12,7A; 14520W; 4838,7W Bài số 1.6 Một máy phát đồng ba pha 250kVA, 1260V, 60Hz, đấu Y có cuộn dây phần ứng đấu lại thành  Tính dòng điện dây, áp dây công suất biểu kiến máy Đâp số: 198,4A; 727,5V; 250kVA Bài số 1.7 Điện áp hở mạch máy phát đồng ba pha 4600V, 60Hz, đấu Y dòng kích từ 8A a Tính điện áp hở mạch 50Hz dòng kích từ 6A Cho mạch từ máy chưa bão hòa b Nếu máy dùng để phát điện tần số 50Hz, tìm điện áp dây dòng kích từ 8A Đâp số: 2875V; 3450V Bài số 1.8 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn 2400V, nối Y, cực từ, 60Hz làm việc với hệ thống điện (điện áp U tần số f không đổi) cung cấp 350kW có góc cơng suất 28,2o Stator có điện kháng đồng 12,2/pha Bỏ 37 qua tổn hao, xác định (a) mômen đưa vào trục máy phát; (b) Sđđ kích thích pha; (c) dòng điện phần ứng; (d) thành phần công suất tác dụng phản kháng; (e) hệ số công suất Đâp số: 2785 Nm; 2173,7V; 94,74A; 18,06kVAr; 0,89 Bài số 1.9 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn 600V, nối Y, 60Hz, cực từ làm việc với hệ thống điện (điện áp U tần số f không đổi) Hệ thống cung cấp cho tải 2000kVA, 600V, 60Hz có hệ số cơng suất 80,4% Máy quay turbine có mơmen trục 2652Nm góc cơng suất 36,4o Stator có điện kháng đồng 1,06/pha Bỏ qua tổn hao, xác định (a) công suất đưa vào trục máy phát; (b) Sđđ kích thích pha; (c) dòng điện phần ứng; (d) thành phần cơng suất tác dụng phản kháng công suất biểu kiến cấp cho lưới điện; (e) hệ số công suất máy phát Đâp số: 500kW; 859,1V; 580,8A; 338kVAr; 82,8% Bài số 1.10 Một máy phát điện đồng ba pha cực ẩn 75kVA, 340V, nối Y, 60Hz, cực từ làm việc với lưới cung cấp cho tải 54,5kVA 220V, 60Hz có hệ số cơng suất 78,9% Stator có tổng trở đồng 0,18 + j0,92 /pha Hãy xác định (a) dòng điện phần ứng; (b) Sđđ kích thích pha; (c) góc cơng suất; (d) mơmen trục cung cấp động sơ cấp Bỏ qua tổn hao Đâp số: 143A; 245,5V; 23,40 Bài số 1.11 Một máy phát đồng ba pha dang làm việc với lưới có điện áp 13,80kV, điện kháng đồng 5/pha máy phát 12MW 6MVAR cho lưới Tính : a Góc lệch pha  điện áp dòng điện b Góc cơng suất  c Sđđ kích thích Et từ trường cực từ sinh Đâp số: a/ 26,57o; b/ 15,23o; c/ 9557,8V Bài số 1.12 Một máy phát đồng cực ẩn ba pha 1000kVA, 4600V, 60Hz, đấu Y có điện áp khơng tải 8350V dòng kích thích định mức Bây cho máy làm việc với công suất biểu kiến điện áp định mức; cos = 0,75 (R-L) Giả sử Rư = Tính: a Góc cơng suất  b Điện kháng đồng c Công suất tổng d Sđm Uđm máy đấu  Đâp số: 24,18o; 15,73; 907930W; 1000kVA; 2656V Bài số 1.13 Một máy phát đồng ba pha Sđm = 35kVA, Uđm = 400/230V, 50Hz, đấu Y có Xđb* =1,2 Máy làm việc hệ thống điện với tải cảm định mức có cosđm = 0,8, dòng điện kích từ It đm = 25A Giả sử Rư = Tính : 38 a Sđđ Et góc  b Dòng điện kích từ để có cos = 0,9 P = const c Cos cơng suất phản kháng Q dòng điện kích từ It = 30A Đáp số : Et = 453 V  = 66o I1 = 22,2 A; cos = 0,435 Q = 33,6 kVAR Bài số 1.14 Một máy phát điện đồng ba pha tuốcbin nước có tham số Xd* = 0,943; Xq* = 0,654 Giả sử máy làm việc tải định mức với Uđm; Iđm; cosđm = 0,85 Hãy tính sđđ Et* góc cơng suất đm Đáp số : Et* = đm = 18,5o Bài số 1.15 Một máy phát điện đồng ba pha cực lồi 8750kVA, 11kV; nối Y có tham số Xd = 17; Xq = 9; Rư = Giả sử máy làm việc tải định mức với Uđm; Iđm; cosđm = 0,80 Hãy tính : a Xd Xq hệ đơn vị tương đối ? b Sđđ Et, góc cơng suất đm ? c Công suất điện từ máy lúc tải định mức ? Đáp số : Xd* = 1,23 ; Xq* = 0,646; Et* = 1,97 Et= 12,51kV; đm = 20,5o; Pđt* = 0,8; Pđt = 7000kW Bài số 1.16 Một máy phát điện đồng ba pha cực lồi có điện áp pha định mức Ufđm = 220V; nối Y, dòng điện Iđm = 10A; điện trở phần ứng Rư = 0,4;  = 60o; cosđm = 0,8; Et= 400V Hãy tính tham số Xd ; Xq ? Đáp số : Xd = 22,56 ; Xq = 17,95 Bài số 1.17 Một máy phát điện đồng ba pha cực lồi Pđm = 500kVA, Uđm = 525V; nối Y có tham số Xưd* = 0,84; Xưq* = 0,45; Xưt* = 0,16; Rư = 0;  = 42o; cosđm = 0,80 Hãy tính : a Điện áp U cos máy làm việc với tải định mức ? b Công suất điện từ máy lúc tải định mức ? Đáp số : U = 303V; cosđm = 0,87; Pđt = 250kW Bài số 1.18 Một máy phát điện đồng ba pha cực lồi 1500kW, 6,3kV; nối Y có tham số Xd = 99,1%; Xq = 59,7%; Rư = Giả sử máy làm việc tải định mức với Uđm; Iđm; cosđm = 0,8 Hãy tính (a) Xd, Xq hệ đơn vị có tên; (b) Sđđ Et, góc cơng suất đm; (c) cơng suất điện từ máy lúc tải định mức; (d) độ thay đổi điện áp định mức máy Bài số 1.19 Một máy phát điện đồng ba pha cực lồi 18000kW, 10,5kV; nối Y có tham số Xd = 96,1%; Xq = 61,7%; Rư = Giả sử máy làm việc tải định mức với Uđm; Iđm; cosđm = 0,85 Hãy tính (a) Xd, Xq hệ đơn vị có tên; (b) Sđđ Et, góc cơng suất đm; (c) công suất điện từ máy lúc tải định mức; (d) độ thay đổi điện áp định mức máy 39 Bài số 1.20 Hãy xác định tổng trở tương đối máy phát đồng ba pha 137,5kVA, 480V, nối Y, 60Hz có tổng trở đồng pha (1,47+j7,68)  Bài số 1.21 Hãy xác định điện kháng đồng tương đối máy phát đồng ba pha 5000 kVA, 13800V, nối Y, 60Hz có điện kháng đồng j55,2/pha    ... TƢ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chƣơng NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. 1 ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Máy điện đồng máy điện xoay chiều có tốc độ rotor n tốc độ từ trường quay máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện. .. điều khiển 1. 2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Cấu tạo máy điện đồng gồm có hai phận stator rotor 1. 2 .1 Stator (phần ứng) Stator máy điện đồng (hình 1. 1 1. 2) giống stator máy điện không đồng bộ, gồm hai... N - /2 Hình 1. 10 Từ trường dây quấn kích từ máy điện đồng Btm1 Bt /2 Hình 1. 11 Từ cảm từ trường cực từ khe hở máy điện đồng cực lồi Hệ số dạng sóng từ trường: kt  B tm1 B tm (= 0,95 1, 15) (1. 5)