a) Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn
Ở trƣờng hợp này khi thay đổi công suất phản kháng của máy phát thì lƣới điện có U, f = const khi công suất tác dụng của máy giữ không đổi.
Ta xét máy có cực ẩn và bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (rƣ = 0). Trong
trƣờng hợp đó, đồ thì véctơ s.đ.đ có dạng nhƣ hình 1.45.
Vì P = mUIcos OA là không đổi, và với điều kiện U không đổi nên khi thay đổi Q, mút của véctơ I luôn nằm trên đƣờng thẳng 1, vuông góc với U.
Với mỗi trị số của I sẽ có một trị số của cos và vẽ đồ thị véctơ E0,
từ đó suy ra đƣợc dòng điện kích từ it
cần thiết sinh ra E0. Mặt khác,
P = mU E0
xd sinθ ≈ P1 = const, trong
đó U, xd không đổi nên PE0sin =
OB = const và mút của E0 luôn nằm trên đƣờng thẳng 2 vuông góc với
OB.
Hình 1. 45 Giản đồ véctơ điều chỉnh công suất phản
kháng
Kết quả phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q thì phải thay đổi dòng điện kích từ it của máy phát điện.
Với mỗi trị số của P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị véctơ s.đ.đ nhƣ trên ta xác định đƣợc quan hệ I = f(it), còn gọi là đặc tính V của máy phát điện đồng bộ. Thay đổi các trị số của P với phƣơng pháp trên sẽ thành lập đƣợc một họ đặc tính hình V nhƣ trên hình 1.46. Trên hình 1.46, đƣờng Am đi qua các điểm cực tiểu của đặc tính V tƣơng ứng với khi cos = 1. Khu vực bên phải của đƣờng Am ứng với tải có tính cảm ( > 0) và chế độ làm việc quá kích thích của máy phát điện, còn khu vực ở bên trái của đƣờng đó ứng với tải có tính dung (< 0) và chế độ làm việc thiếu kích thích của máy.
Đƣờng Bn ứng với giới hạn làm việc ổn định với lƣới khi máy làm việc ở chế độ thiếu kích thích.
Ở trên ta xét với máy phát điện cực ẩn, nhƣng tất cả những phân tích đó đều áp dụng đƣợc cho máy phát điện cực lồi.
. 0 E' . U . I I '. A B 1 2 . 0 E ®b jI.x θ θ' υ υ' 0
b) Trong trường hợp công suất của lưới điện nhỏ
Khi có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song, nếu tăng dòng điện kích từ của một máy mà vẫn giữ dòng điện kích từ của máy thứ hai không đổi, thì do công suất phản kháng của máy 1 tăng, tổng công suất phản kháng sẽ tăng làm thay đổi điện áp U của lƣới điện, ảnh hƣởng đến trạng thái làm việc bình thƣờng của hộ dùng điện. Nhƣ vậy để duy trì trạng thái làm việc bình thƣờng của lƣới điện với U = const, khi tăng dòng điện kích từ của một máy thì phải giảm tƣơng ứng dòng điện kích từ của máy kia. Bằng phƣơng pháp đó sẽ thực hiện đƣợc sự phân phối lại công suất phản kháng Q giữa hai máy phát điện.
Ví dụ 1.2:
Hai máy phát điện giống nhau làm việc song song có điện trở phần ứng
rư = 2,18 Ω/pha; điện kháng đồng bộ xđb = 62Ω/pha cùng cung cấp điện cho một tải 1830 kW với cosφ= 0,83 (chậm sau). Điện áp đầu cực của tải là 13800V. Điều chỉnh kích từ của hai máy sao cho một máy có dòng điện phản
kháng là 40A. Tính:
a. Dòng điện của mỗi máy?
b. Sức điện động E0 của mỗi máy và góclệch pha giữa các sức điện động đó?
Giải: Dòng điện tải có trị số: 3 1830.10 92,3 3 cos 3.13800.0,83 P I A U
chậm sau điện áp góc υ = arccos0,83 = 33,90
Biểu thị dƣới dạng phức nhƣ sau: . 0
92,3 33,9 76,8 51, 4
I A j A
Vì công suất tác dụng phân phối đều cho hai máy nên dòng điện tác dụng mỗi máy là 76,8/2 =38,4 A. Dòng điện phản kháng của máy 1 là 40A, do đó:
Hình 1. 46 Họ các đặc tính hình V của máyđiện đồng bộ
I 0 i t Quá kích thích Thiếu kích thích m n B A it0 Cosυ=1 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25
. 1 36,8 40 I j A và I.2 36,8 j11, 4A Chọn . 0 0 U U V. Ta có: . . . 0 1 1 13800 ( ) (36,8 40).(2,18 62) 10720 12, 22 3 u db E U I r jx j j V Tƣơng tự: . . . 0 2 2 13800 ( ) (36,8 11, 4).(2,18 62) 9030 15,1 3 u db E U I r jx j j V
Góc lệch pha giữa hai sức điện động Δθ = θ2 –θ1 = 15,10– 12,20 = 2,880
1.7 Động cơ và máy bù đồng bộ
1.7.1 Động cơ điện đồng bộ
1) Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của động cơ đồng bộ
Các động cơ điện xoay chiều dùng trong sản xuất thƣờng là những độngcơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ điện này có những đặc điểm nhƣ cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ do có những ƣu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã đƣợc sử dụng rỗng rãi
hơn và có thể so sánh đƣợc với động cơ điện không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện.
a) Ưu điểm:
+ Động cơ điện đồng bộ do đƣợc kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lƣới điện, kết quả là hệ số công suất của lƣới điện đƣợc nâng cao, làm giảm đƣợc điện áp rơi và tổn hao công suất trên đƣờng dây;
+ Động cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hƣởng bởi sự thay đổi điện áp của lƣới điện
do momen của động cơ điện đồng bộ tỷ lệ với U trong khi momen của động cơ điện không đồng bộ tỷ lệ với U2. Vì vậy khi điện áp của lƣới điện sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn; trong trƣờng hợp đó nếu tăng kích từ, động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện đƣợc điều kiện làm việc của cả lƣới điện;
+ Hiệu suất động cơ điện đồng bộ thƣờng cao hơn hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ vì động cơ điện đồng bộ có khe hở tƣơng đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn.
2 4 3 1 it RT U 4 2 3 1 it U b) a) Rđc Rđc k k1 k1 k2 b) Nhược điểm:
+ Cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao;
+ Việc mở máy động cơ điện đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện.
c) Ứng dụng:
Việc so sánh động cơ điện đồng bộ với động cơ điện không đồng bộ có phối hợp với tụ điện cải thiện cos về giá thành và tổn hao năng lƣợng dẫn đến kết luận là
khi Pđm > 200 300kW, nên dùng động cơ điện đồng bộ ở những nơi nào không cần thƣờng xuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ. Khi Pđm > 300kW dùng động cơ điện đồng bộ với cos = 0,9 và khi Pđm> 1000kW dùng động cơ điện đồng bộ cos = 0,8 là
có lợi hơn dùng động cơ điện không đồng bộ.
2) Các phương pháp mở máy chođộng cơ điện đồng bộ
a) Mở máy theo phương pháp không đồng bộ
Các động cơ điện đồng bộ phần lớn đều mở máy theo phƣơng pháp không đồng bộ. Thông thƣờng các động cơ điện đồng bộ cực lồi đều đặt dây quấn mở máy. Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở mặt cực, hai đầu nối với hai vành ngắn mạch (hình 1.47) và đƣợc tính toán để mở máy trực tiếp với điện áp của lƣới điện.
Trong một số động cơ, các mặt cực từ bằng thép nguyên khối và đƣợc nối với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch ở hai đầu roto cũng có thể thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy. Ở các động cơ điện đồng bộ công suất vài trăm và có khi tới hàng nghìn kW.
Hình 1. 47 Sơ đồ mạch kích từ ĐCĐB lúc mở máy
1- Phần ứng ĐCĐB, 2-Phần ứng máy KT, 3-Cuộn KTĐCĐB, 4-Kích từ máy KT
Đối với các động cơ điện đồng bộ cực ẩn, việc mở máy theo phƣơng pháp không đồng bộ có khó khăn hơn vì dòng điện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài của roto nguyên khối sẽ gây nóng cục bộ đáng kể. Trong trƣờng hợp đó, để mở máy đƣợc dễ dàng, cần hạ điện áp của máy bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng.
Quá trình mở máy động cơ điện đồng bộ có thể chia thành hai giai đoạn. Lúc đầu việc mở máy đƣợc thực hiện với it = 0, hai khoá k1 mở, k2 đóng dây quấn kích từ đƣợc nối tắt qua điện trở RT, nhƣ hình 1.47a. Sau khi đóng cầu dao nối dây quấn stato với nguồn điện, do tác dụng của momen không đồng bộ roto sẽ quay và tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng bộ n1 của từ trƣờng quay. Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích từ với điện trở RT có trị số bằng 10 12 lần điện trở rt của bản thân dây quấn kích từ là cần thiết. Vì nếu để dây quấn này hở mạch sẽ có điện áp cao, làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy từ trƣờng quay của stato quét nó với tốc độ đồng bộ.
Cần chú ý nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích từ thì sẽ tạo thành mạch một pha có điện trở nhỏ ở roto và sinh ra momen cản lớn khiến cho tốc độ quay của roto không thể vƣợt quá một nửa tốc độ đồng bộ. Do dòng điện cảm ứng có tần số f2 = sf1
trong dây quấn kích từ sẽ sinh ra từ trƣờng đập mạch. Từ trƣờng này có thể phân tích thành hai từ trƣờng quay thuận và quay ngƣợc với chiều quay của roto với tốc độ.
Khi roto đã quay đến tốc độ n ≈ n1, có thể tiến hành giai đoạn hai của quá trình mở máy: đóng khóa k1, khoá k2 mở ra, nối dây quấn kích từ với điện áp một chiều của máy kích thích. Lúc đó ngoài momen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số trƣợt s và momen gia tốc tỷ lệ với ds/dt sẽ có momen đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng tác dụng. Do roto chƣa quay đồng bộ nên góc luôn thay đổi. Khi 0 < < 1800 thì momen đồng bộ sẽ cộng tác dụng với momen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của roto và nhƣ vậy roto đƣợc lôi vào tốc độ đồng bộ sau một quá trình dao động.
Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn nhƣ trên, ngƣời ta có thể nối thẳng dây quấn kích từ vào máy kích từ trong suốt quá trình mở máy hình 1.47b. Phƣơng pháp này động cơ vào tốc độ đồng bộ khó khăn hơn nhƣng đơn giản nên vẫn đƣợc áp dụng tốt khi momen cản trên trục động cơ điện nhỏ.
b) Các phương pháp mở máy khác
Mở máy theo phƣơng pháp hòa đồng bộ:
Các điều kiện hòa đồng bộ đối với động cơ điện đồng bộ hoàn toàn giống nhƣ của máy phát điện đồng bộ. Trƣờng hợp này động cơ điện đồng bộ đƣợc quay bởi máy nối cùng trục với nó (thí dụ trong bộ động cơ điện đồng bộ - máy phát điện một chiều, máy phát điện một chiều lúc mở máy làm việc nhƣ động cơ điện để quay động cơ điện đồng bộ đến tốc độ đồng bộ).
Trong một số trƣờng hợp có thể mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn có tần số thay đổi. Muốn vậy động cơ điện đồng bộ phải lấy điện từ một máy phát điện riêng có tần số điều chỉnh đƣợc từ không đến định mức trong quá trình mở máy. Nhƣ
vậy động cơ điện đƣợc quay đồng bộ với máy phát điện ngay từ lúc tốc độ còn rất thấp. Cần chú ý rằng trong trƣờng hợp này, dòng điện kích từ của cả động cơ điện và máy phát điện đều phải đƣợc do nguồn điện một chiều riêng cung cấp.
3) Các đặc tính làm việc của động cơ điện đồng bộ
Các đặc tính của động cơ điện đồng bộ làm việc với dòng điện kích từ không đổi trong lƣới điện có U, f = const bao gồm các quan hệ P1; I1; ; cos = f(P2) có dạng trình bày nhƣ hình 1.48.
Từ hình 1.48 quan hệ P1 = f(P2) là quan hệ gần tuyến tính, nó cho ta thấy muốn tăng công suất đầu ra thì công suất cơ đƣa vào phải tăng lên tƣơng ứng. Ngay khi P2 = 0 thì P1 > 0, đây là phần công suất bù vào tổn hao không tải nhƣ tổn hao sắt từ, tổn hao do ma sát trên các vòng bi, ổ trục,..
Quan hệ cosυ = f(P2) cho thấy, khi P2 tăng, hệ số công suất cao hơn khi P2 nhỏ. Đƣờng đặc tính hiệu suất = f(P2) cho thấy, khi P2 tăng thì hiệu suất tăng, tuy nhiên nó cũng đạt tới một giá trị nhất định sau đó nếu P2 tăng thêm thì hiệu suất không thể tăng thêm do trong máy còn phải bù vào tổn hao trên dây quấn, tổn hao trong mạch từ, tổn hao cơ, …
Cũng giống nhƣ máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ thƣờng làm việc với góc = 200 300.
Đặc điểm của động cơ điện đồng bộ là có thể làm việc với coscao hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lƣới điện nhờ dòng điện kích từ it. Điều đó có thể thấy đƣợc dựa vào đặc tính hình V tức là quan hệ I = f(it) của động cơ điện đồng bộ.
Cách thành lập đặc tính này của động cơ điện đồng bộ hoàn toàn giống nhƣ của máy phát điện đồng bộ.
Ta thấy rằng khi thiếu kích thích, động cơ điện tiêu thụ công suất phản kháng của lƣới điện ( > 0) và ngƣợc lại khi quá kích thích, động cơ điện phát ra công suất
phản kháng vào lƣới điện (< 0), nghĩa là tiêu thụ công suất điện dung.
Vì vậy có thể lợi dụng chế độ làm việc quá kích thích của động cơ điện đồng bộ để nâng cao hệ số công suất coscủa lƣới điện.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 P2* P1*; I1*; cosυ;η 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 cosυ P1 I1 η Hình 1. 48 Đặc tính làm việc của ĐCĐB Pđm= 500kW; 600V; 50Hz; 600 vg/ph; cosυ = 0,8 (quá kích thích) 1.7.2 Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải với dòng điện kích từ đƣợc điều chỉnh để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, do đó duy trì đƣợc điện áp quy định của lƣới điện ở khu vực tập trung hộ dùng điện. Chế độ làm việc bình thƣờng của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích phát công suất phản kháng vào lƣới điện hay tiêu thụ công suất điện dung của lƣới điện. Ở trƣờng hợp này, máy bù đồng bộ có tác dụng nhƣ một bộ tụ điện và đƣợc gọi là máy phát công suất phản kháng.
Khi tải của các hộ dùng điện giảm, ví dụ về đêm hoặc những giờ không cao điểm, điện áp của lƣới điện tăng thì máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ thiếu kích thích, tiêu thụ công suất phản kháng của lƣới điện và gây thêm điện áp rơi trên đƣờng dây để duy trì điện áp khỏi tăng quá mức quy định.
Việc điều chỉnh dòng điện kích từ it để duy trì điện áp của lƣới điện (ở đầu cực của máy bù đồng bộ) không đổi, thƣờng đƣợc tiến hành tự động. Máy bù đồng bộ tiêu thụ rất ít công suất tác dụngvì công suất đó chỉ dùng để bù vào các tổn hao trong nó.
Máy bù đồng bộ thƣờng có cấu tạo cực lồi. Để dễ mở máy, mặt cực đƣợc chế tạo bằng thép nguyên khối trên có đặt dây quấn mở máy. Trong trƣờng hợp mở máy trực tiếp gặp khó khăn thì phải hạ điện áp mở máy, hoặc dùng động cơ điện không
đồng bộ roto dây quấn để kéo máy bù đồng bộ đến tốc độ đồng bộ. Trục của máy bù