Máy phát đồng bộ được định mức trong giới hạn công suất biểu kiến phát ra cực đại và hệ số công suất (thường có giá trị 0,8 ; 0,85 ; 0,9 trễ pha) mà chúng có thể không bị quá nhiệt. Công suất tác dụng ở ngõ ra được giới hạn bởi khả năng của động cơ sơ cấp. Khả năng phát ra công suất phản kháng liên tục ở ngõ ra được giới hạn bởi 3 yếu tố:
• Giới hạn dòng phần ứng
• Giới hạn dòng kích từ
• Và giới hạn nhiệt vùng biên
Hình 1.20 biểu diễn đặt tuyến P – Q của máy phát được làm mát bằng khí Hydro lắp ở nhà máy điện Ô Môn. Với hệ số công suất định mức là 0,85. Ứng với
từng áp suất khí Hydro khác nhau (0,45 ; 0,35 ; 0,25 Mpa) ta có từng đường bao công
Đặt tuyến P – Q được chia làm 3 phần
(a)Phần giới hạn bởi nhiệt độ cuộn dây rotor (dòng điện kích từ)
Một trong những nguyên nhân gây phát nhiệt là kết quả của tổn hao công suất trong cuộn kích từ (do Qf = Rf if ). Giới hạn bởi nhiệt độ cuộn dây Rotor dưới điều kiện dòng kích từđược giữ là hằng số và chếđộ làm mát không đổi thông qua áp suất
khí Hydro không đổi.
Đối với rotorcực ẩn ta có Xd≈ Xq≈ Xs Mạch tương đương theo hình 1.22
Hình 1.22: Sơđồ thay thế máy điện đơn giản và Giản đồ véc tơ trạng thái xác lập
Từ phương trình dọc trục và ngang trục của , bỏ qua giá trị R ta có: = ∅ = + ∅ Do: = ; = = nên ∅ = ∅ = − Vì vậy = ∅ =
= ∅ = −
Quan hệ công suất tác dụng với công suất phản kháng đối với dòng kích từ là một đường tròn có tâm nằm trên trục Q cách gốc toạđộ một đoạn là (− ) và có bán kính bằng " #
$% . Vì vậy giới hạn của khả năng máy phát theo dòng kích từđịnh mức
được trình bày theo hình vẽ 1.23
s t X E2 fd t s ad i E X X Hình 1.23: Giới hạn nhiệt do dòng kích từ và dòng phần ứng (b)Phần giới hạn bởi cuộn dây Stator (dòng phần ứng)
Dòng điện phần ứng là một trong những nguyên nhân làm tổn hao công suất & . Năng lượng tổn hao này phải được loại bỏ để giới hạn sự tăng nhiệt độ trong dây dẫn
và môi trường xung quanh nó. Vì vậy một trong những hạn chế định mức công suất
máy phát là dòng cực đại của phần ứng không bị vượt quá giới hạn nhiệt.
Công suất phát ra ' = + ( = ) ) = | || |( ∅ + ( ∅)
It dòng điện phần ứng
∅ góc công suất
Giới hạn bởi nhiệt độ cuộn dây phần ứng dưới điều kiện dòng điện stator giữ hằng số.
Trên mặt phẳng P – Q biểu diễn đường giới hạn dòng phần ứng đó là một đường tròn tâm tại gốc toạđộ và bán kính bằng công suất biểu kiến định mức. (Hình 1.21)
(c)Phần giới hạn bởi nhiệt độ vùng biên của lõi từ
Sự phát nóng được hình thành ở vùng biên của phần ứng, đây là giới hạn hạn thứ ba trong máy phát đồng bộ, giới hạn này ảnh hưởng đến khả năng của máy điện trong điều kiện thiếu kích từ, từ thông ở các cuộn dây ở 2 đầu phần ứng của stator tản vào và ra vuông góc với từng lớp thép mỏng của stator.
Đây là nguyên nhân dòng điện xoáy trong từng lớp thép, kết quả là sự phát nhiệt ở vùng biên. Khi dòng kích từ lớn ứng với trường hợp quá kích từ làm vòng giữđầu dây
(Retaining ring) bão hoà làm cho từ thông tản nhỏ. Tuy nhiên trong vùng thiếu kích
từ, dòng kích từ nhỏ và vòng giữ đầu dây không bão hoà, điều này cho phép tăng từ thông tản ở cuối phần ứng.
Trong điều kiện thiếu kích từ, từ thông tản do dòng phần ứng cộng với từ thông sinh ra do dòng kích từ, vì vậy từ thông vùng biên làm tăng từ thông hướng tâm trong vùng và kết quả hiệu ứng nhiệt xảy ra rất mãnh liệt giới hạn ngõ ra máy phát, đặc biệt trong trường hợp rotordây cuốn.
Giới hạn nhiệt vùng biên này được trình bày cùng với giới hạn chịu nhiệt bởi nhiệt của dòng điện phần ứng như trong hình 1.24
Hình 1.24: Giới hạn nhiệt vùng biên
Đối với máy phát 330MW ở nhà máy Ô Môn vùng (c) trong Hình 1.21 chỉ ra
ảnh hưởng lớn bởi vật liệu của vòng giữđầu dây rotor và cấu trúc đầu cuối cuộn dây stator. Có thể được kiểm tra thử nghiệm đo lường nhiệt độ đầu cuối lõi từở nhà chế tạo trong vùng sớm pha. Tuy nhiên dựa vào nhiều dữ liệu được thu thập trong sự phối hợp với nhiều công ty năng lượng điện khác nhau thì hiển nhiên rằng không có vấn đề gì như là nhiệt độ tăng lên trong đầu cuối lõi từ stator nếu nó nằm trong vùng đường cong khả năng (c)
Sơ đồ vectơ trong vùng cuối của máy phát được chỉ ra trong hình 1.25. Trong vùng này từ thông được sinh ra bởi lực từđộng rotor được xem là λ lần từ thông (λ
< 1).
Ởđiểm tuỳ ý λ/(1 - λ) thì luôn luôn cốđịnh bất chấp điều kiện tải. Với kết quả, nếu CD bằng nhau, nhiệt độ tăng ở phần cuối trở nên bằng nhau và nếu đường thằng OA được vẽ song song với DC và điểm O được lấy từ đoạn thẳng BC kéo dài trên
đường MVAr trễ pha. Quỹđạo của bán kính OA với tâm là điểm O cho ra đường cong
Hình 1.25: Sơđồ vectơ từ thông phần cuối stator φa từ thông sinh ra bởi lực từđộng phần ứng
φo từ thông sinh ra bởi lực từđộng phần cảm
φ từ thông tổng
e hậu tố phương sai phần cuối.
Tổng hợp các giới hạn nêu trên qua tính toán ta có đặt tuyến P – Q máy phát
330 MW làm mát bằng khí Hydro như trong hình 1.21