2) Đặc tính góc công suất phản kháng
1.4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
Sơ đồ thí nghiệm nhƣ hình 1.25, tải Z của máy phát có thể đƣợc điều chỉnh cả về trị số và tính chất tuỳ theo yêu cầu của từng đặc tính. Thông thƣờng ngƣời ta điều chỉnh độ lớn và tính chất tải ở một trị số nhất định giữ không đổi trong quá trình khảo sát đặc tính. Các đặc tính thƣờng đƣợc biểu diễn trên cùng một đồ thị để thuận tiện cho việc so sánh, đánh giá và kết luận đặc tính trong từng trƣờng hợp.
Hình 1. 25 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
1) Đặc tính không tải.
Đặc tính không tải là quan hệ E0 = U0 = f(It) khi I = 0 và f = fđm Xét với hệđơn vị tƣơng đối E* = E/Eđm; It* = It/Itđm0
I P A A A Z W W V V V F A rt it + -
Theo sơ đồ thí nghiệm hình 1.25. Mở cầu dao tải quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi dòng điện kích từ ta nhận đƣợc đƣờng đặc tính không tải nhƣ hình 1.26. Đƣờng (1) máy phát tuabin, đƣờng (2) máy phát tuabin nƣớc. Ta thấy máy phát tuabin
hơi bão hoà nhiều hơn máy phát tuabin nƣớc.
Khi E* = Eđm* = 1 máy phát tuabin hơi có kd = k = 1,2 còn máy phát tuabin
nƣớc có kd = 1,06.
Hình 1. 26 Đặc tính không tải
1- Máy phát tuabin hơi, 2-Máy phát tua bin nƣớc
2) Đặc tính ngắn mạch
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(It) khi U = 0; f = fđm
Khi ngắn mạch nếu bỏ qua rƣ thì tải của máy phát là dây quấn của phần ứng
nên nó đƣợc coi là thuần cảm Iq = Icos còn Id = Icos. Ta có mạch điện thay thế và
đồ thịvéctơ nhƣ hình 1.27.
Hình 1. 27 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ (b) khi ngắn mạch
Theo mạch điện thay thếvà đồ thịvéc tơ nhƣ hình 1.27, ta có:
0 1 2 2 3 it* E* 0,4 0,8 1,2 1 2
• •
o d
E =+jI x (1- 43) Khi ngắn mạch vì từ thông δ cần thiết để sinh ra Eδ = E0 – Ixƣd = Ixσƣ rất bé nên mạch từkhông bão hoà do đó quan hệ I = f(It) là đƣờng thẳng (hình 1.28).
Hình 1. 28 Đặc tính ngắn mạch
Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch In0 ứng với dòng điện It sinh ra E = Uđm lúc không tải và dòng điện định mức Iđm. Hay n0
dm K=I I (1-44) Hình 1. 29 Đồ thị xác định tỷ số ngắn mạch K Từ hình 1.29 ta suy ra: ®m no d U I = x (1-45)
Với xđ là điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm.Vậy:
®m d ®m d* U 1 K= = x I x (1-46)
Thƣờng xd* > 1 nên K < 1, hay Ino < Iđm . Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn, đó là do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng.
Uđm U E0 Cosυ = 1 Cosυ = 0,8(R-C) Cosυ = 0,8(R-L) Iđm I 0 ΔUđm
Qua hai tam giác đồng dạng OAA’ và OBB’ ta có:
®m to ®m tn U I K= = I I (1-47)
Trong đó It0 là dòng kích từ lúc không tải U0 = Uđm và Itn là dòng kích từ lúc ngắn mạch In = Iđm.
K là một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. K lớn thì ΔU bé và Pđt lớn và máy làm việc ổn định. Theo biểu thức (1-46) muốn K lớn thì xđ*phải nhỏ nghĩa là δ lớn nhƣ vậy đòi hỏi phải tăng cƣờng dây quấn kích từ tƣơng ứng kích thƣớc của máy lớn và giá thành cao.
Thƣờng máy phát tuabin nƣớc K = 0,8 1,8; và tuabin hơi K = 0,5 1,0.
3) Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi It = Const; f = fđm, cosυ = Const.
Các đƣờng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất tải nhƣ hình 1.30. Nó cho
thấy lúc giữkích thích không đổi, điện áp của máy thay đổi phụ thuộc vào tải. Khi lấy
đặc tính này phải thay đổi tải I trên hình 1.30 sao cho cosυ = Const.
Dòng điện kích từ It, ứng với U = Uđm, I = Iđm, cosυ = cosυđm và f = fđm đƣợc gọi là dòng điện kích từđịnh mức Itđm.
Dạng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Khi tải có tính cảm, nếu I
tăng, phản ứng phần ứng khử từtăng điện áp đầu cực giảm xuống (đƣờng biểu diễn đi
xuống). Ngƣợc lại, khi tải có tính dung, nếu I tăng phản ứng trợ từ của phần ứng tăng nên điện áp đầu cực tăng (đƣờng biểu diễn đi lên).
Độ thay đổi điện áp định mức ΔUđm của máy phát điện đồng bộ là sự thay đổi
điện áp khi tải thay đổi từđịnh mức với cosυ = cosυđm đến không tải trong điều kiện
không thay đổi dòng kích từ.
Trị số ΔUđm thƣờng hiển thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là: 0 ®m ®m ®m E - U U %= 100 U .
Máy phát tuabin hơi có xd lớn nên có ΔU lớn hơn so với máy phát điện tuabin
nƣớc, thƣờng ΔU = (25 ÷ 35)%. Trị số ΔU của máy phát điện có thể xác định đƣợc bằng thí nghiệm trực tiếp trên máy.
4) Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ It = f(I) khi U = Const, f= fđm, cosυ = Const. Nó cho biết chiều hƣớng điều chỉnh dòng điện ii của máy phát điện đồng bộ để giữ cho
điện áp U ởđầu máy không đổi.
Dạng của đặc tính ở các trị sốcosυ khác nhau nhƣ trên hình 1.31. Với tải cảm,
khi I tăng, tác dụng khử từ của phần ứng tăng làm cho U bị giảm đi. Để giữ cho U không đổi phải tăng dòng điện từ hóa it..Ngƣợc lại ở tải dung, khi I tăng, tác dụng trợ từ của phần ứng tăng làm cho điện áp đầu cực tăng lên, muốn giữ U không đổi phải giảm it.
Thƣờng ở hệ số công suất cosυđm = 0,8 (tải điện cảm), khi I tăng từ 0 đến Iđm với U = Uđmthì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 ÷ 2,2 lần.
Hình 1. 31 Đặc tính điều chỉnh của MPĐB
5) Đặc tính tải
Đặc tính tải là mối quan hệ U = f(It) khi I = const, f = fđm; cosυ = Const.
Theo quan hệ trên với các giá trị khác nhau của I và cosυ ta sẽ có các đƣờng
đặc tính khác nhau. Iđm it it0 0 I Cosυ = 0,8 (R-C) Cosυ = 0,8 (R-L) Cosυ = 1
Trong đó có ý nghĩa nhất là đƣờng
đặc tính tải thuần cảm, khi cosυ = 0 và
I = Iđm.. Để có đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z (khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉ1nh đƣợc sao cho I = Iđm. Dạng của đặc tính đó nhƣ đƣờng 3 trên hình 1.32. Bỏ qua rƣ ta vẽ đƣợc đồ thị vectơ nhƣ hình 1.32.
Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng hình 1.33. Cách thành lập tam giác điện kháng nhƣ sau:
Hình 1. 33 Xây dựng đặc tính tải từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng
Tam giác điện kháng:
Lấy In = Iđm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục hoành đƣợc điểm C. OC = Itn (dòng kích từ), dòng điện Itn gồm hai phần:
Một phần BC = kƣd.Fƣdkhắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC ~ Iđm;
Một phần CB = OC – BC sinh ra Eƣ = Iđm.xƣ =AB.
Nhƣ vậy tam giác điện kháng ABC có 2 cạnh AB và BC tỷ lệ với Iđm . Xây
dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng bằng cách tịnh tiến ABC (hoặc ΔAOC) sao cho đỉnh A nằm trên đƣờng (1) thì đỉnh C sẽ vẽ trên đƣờng (3) với ΔA’B’C’.Khi có xét đến bão hoà đƣờng (3) là đƣờng đứt nét với ΔA’’B’’C’’ (hoặc O”A”C”).
Dƣới đây trình bày cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng.
Hình 1. 32 Đồ thị véctơs.đ.đ khi tải thuần cảm
. 0 E . 0 U . E −𝑗𝐼 .𝑥ư𝑑 −𝑗𝐼 .𝑥𝜎ư
Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC) sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ tạo thành đặc tính tải thuần cảm (đƣờng (3)). Nếu các cạnh của tam giác điện kháng đƣợc vẽ tỉ lệ với dòng điện I = Iđm, thì đặc tính tải thuần cảm U = f(it) trên là ứng với I = Iđm. Để chứng minh, ta chú ý rằng ở trƣờng hợp ngắn mạch với I = Iđm và tải thuần cảm với I = Iđm s.đ.đ Eσƣ và phản ứng khử từ
Fƣd không tải đổi, do đó các cạnh AB = Eσƣ và BC = kƣd.Fƣd của tam giác điện kháng đều không đổi. Nhƣ vậy với s.t.đ tùy ý của cực từ F0 = OP lúc không tải, điện áp đầu cực máy U0 = E0 = PM, còn khi có tải thuần cảm nhƣ trên, s.t.đ có hiệu lực chỉ bằng
OP – PQ = OQ (trong đó PQ = B’C’ = BC là phản ứng khử từ của phần ứng) và s.t.đ
Eδ= QA’. Kết quả là U = Eδ - Eσƣ= QA’ –AB’ =QA’ – AB = QB’ = PC’.
Trên thực tế, do ảnh hƣởng của bão hòa, đặc tính tải thuần cảm có đƣợc bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và có dạng nhƣ đƣờng nét đứt. Nguyên nhân của sự sai khác này là khi dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hòa do từ thông tản của dây quân kích từ lớn hơn thì s.t.đ của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn.