Máy phát điện

c. Điều chỉnh mômen trên trục turbine

1.3. Máy phát điện

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước.

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng.

Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng.

1.3.1.Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi

Máy đồng bộ cực lồi [22] thường có tốc độ thấp, đường kính roto D có thể lớn tới 15m, trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2

Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Roto.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1-10. Mặt cắt ngang máy điện

Armature winding : Dây quấn phần ứng; Stator : Mạch từ Stator Slip ring & brushes : Vành góp và chổi than

Rotor : Mạch từ Rotor

Field winding : Dây quấn kích từ

a. Stator

Stato của máy phát điện đồng bộ cũng giống như Stato của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép Stato và dây quấn ba pha Stato. Lõi thép Stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm ngang trục để làm mát. Lõi thép Stator được đặt cố định trên thân máy. Dây quấn Stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của Stator .

b. Rotor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Rôto máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể phân Rotor thành 2 loại chính : Rôto cực ẩn và Rôto cực lồi.

- Rotor cực ẩn (Salient pole rotor)

Rôto cực ẩn làm bằng lõi thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh Rotor bao gồm các bối dây đồng và được cố định bằng các nêm thép không từ tính. Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục của Rôto nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn kích từ. Với loại Rotor này thường có số cực 2p = 2, tốc độ quay Rotor lớn đường kính Rotor nhỏ nhưng chiều dài lớn và thường dùng cho các máy phát công suất lớn.

- Rotor cực lồi (Round pole rotor )

Rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia coong thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ được ghép từ các lá thép dày 1-1.5mm. Dây quấn kích từ là các cuộn dây đồng được lồng vào thân cực. Với loại Rotor này thường có số cực 2p  4 tốc độ quay Rotor chậm, đường kính Rotor lớn và chiều dài ngắn và thường dùng cho các máy phát công suất nhỏ và trung bình.

1.3.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Chúng ta biết rằng máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng theo sơ đồ nguyên lý hình 1- 12 sau đây:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp (như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiệt năng của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào turbine nối với Rotor của máy phát. Khi Rotor được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường Rotor. Từ trường của Rotor sẽ cắt qua dây quấn phần ứng Stato và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:

E0=Ke.Φ.f (1.2) Ke=4,44 .W1.Kdq (1.3) Trong đó:

Ke : Hằng số điện từ E0 : Là sức điện động pha W1 : Số vòng dây quấn 1 pha Kdq : Hệ số dây quấn

Φ: Từ thông cực từ Rôto

Nếu Rotor có p đôi cực, khi Rotor quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của Rotor là n (v.s) tần số f của sức điện động sẽ là: f = p.n (1.3a)

Nếu tốc độ của Rôtor tính được bằng phút thì: * 60  p n

f (1.3b)

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 1200 điện. Cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 1200 Khi dây quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dòng điện ba pha. Giống như máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là: n1  60 * f

p (1.4) đúng bằng tốc độ quay (n) của Rotor. Do đó, kiểu máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ xoay chiều. Từ công thức (1.2) ta thấy để thay đổi suất điện động E0 ta có thể có hai cách thay đổi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tần số f (hay thay đổi tốc độ quay của Rotor) hoặc thay đổi từ thông Φ (hay thay đổi dòng điện kích từ If). Nhưng khi điều chỉnh tốc độ quay của Rotor lại ảnh hưởng đến tần số của nguồn điện dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn điện. Chính vì vậy cách này trong thực tế rất ít dùng mà trong thực tế sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy phát bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát để thay đổi suất điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của máy phát.

1.3.3. Phương trình điện áp và đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ.

Đối với máy phát điện đồng bộ tốc độ quay n = const được thể hiện rõ ràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng U, I, It, cosφ trong đó một số quan hệ chính xác được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng:

 

U E I r  jx

- -

Trong đó : - U

: điện áp ở đầu cực máy.

- rư và xбư là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng. - E : sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở. Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ

1 F  và từ trường phản ứng u F  sinh ra.

- Trường hợp máy phát đồng bộ có mạch từ không bão hoà

Giả sử máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng có tính cảm 0 <Ψ<900

.Trong máy điện cực lồi thì phân sức từ động phần ứng Fu

 thành hai thành phần dọc trục ud F  và ngang trục uq F  Từ thông  ud uq   tương ứng với sức từ động ud F  và uq F 

sẽ sinh ra trong dây quấn phần ứng các sức điện động:

ud E



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ud

E



= -j Iq Xưq (1- 6) Kết quả phương trình cân bằng sức điện động có dạng: U E0 Eud Euq Iru jxu           (1-7) 0 j dxud j qxuq j x u ru E U I I I  I           

Đồ thị véctơ suất điện động tương ứng với phương trình (1-7) được trình bày ở hình 1.13 tên là đồ thị Blondel.

a) Tải có tính cảm b) Tải có tính dung

Hình 1.13. Đồ thị suất điện động của máy phát điện cực lồi ở tải có tính cảm a và tải có tính dung b.

Vectơ -jxбư trong phương trình (1-13) do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo các hướng dọc trục và ngang trục. Nếu phân tích thành các thành phần theo hai hướng đó thì có:

-jxбư=-j(I  xбưcosΨ + I  xбưsinΨ) - jxбư=- jIq  xбư- Id  xбư và trở thành:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn U  =E0  - j d I  (xưd + xбư) – j Iq  ( xưq + xбư) - I  rư U  = E0  - j Id  x

Trong đó: xd = xưd + xбư là điện kháng đồng bộ dọc trục Xq = xưq + xư là điện kháng đồng bộ ngang trục. - Đồ thị véctơ điện áp của máy điện đồng bộ khi xét đến bão hoà.

Đối với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thành lập đồ thị véctơ có xét đến trạng thái bão hoà của mạch từ một cách chính xác gặp rất nhiều khó khăn vì lúc đó từ thông dọc trục d và ngang trục q có liên quan với nhau và đường trạng thái bão hoà theo hai phương đó là khác nhau.

Vậy xưd không những không phục thuộc vào d mà còn phụ thuộc vào q và tương tự xưq cũng phụ thuộc theo cả d và q. Để đơn giản thì cho rằng từ thông dọc trục và ngang trục chỉ ảnh hưởng đến trạng thái bão hoà của hướng trục đó thôi và giả thử rằng mức độ bão hoà hướng ngang trục đã biết.

Hình 1.14. Đồ thị véctơ sức từ động (a) và độ thay đổi điện áp (b) của máy đồng bộ cực lồi khi bão hoà.

Sau khi vẽ các véctơ U, Irư, jIxбư và có được Eб (hình 1.14a) theo hướng Ixбư

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

chưa cho trước thì có thể lấy gần đúng bằng 1,1 – 1,15 nếu không tính xưq thì CD cũng có thể xác định được trị số AB của đường cong không tải ứng với sức từ động ngang trục của phần ứng đã qui đổi về sức từ động của cực từ Fưq

= KưqFư = OA vì có thể xem tỷ lệ Fưq (hình 1.14b).Điểm D nằm trên phương của đoạn CF thẳng góc với phương của Ėo chính là IqXưq.

Sức từ động của cực từ theo hướng dọc trục gồm hai thành phần: Một phần sinh ra sức điện động có trị số bằng OM. Một phần khắc phục phản ứng dọc trục MN = OM+MN là suất điện động E0 = NQ lúc không tải của máy từ đồ thị hình 1.14b cũng thấy Eưd = NQ – RN, lấy đoạn OG=E0 trên phương E0

trên hình 1.14a thì GF=Eưd và đồ thị vectơ được thành lập.

Sức từ động của cực từ theo hướng dọc trục gồm 2 thành phần: Một phần sinh ra suất điện động Eδd = OF=MP có trị số bằng OM. Một phần khắc phục phản ứng dọc trục MN=OM+MN là suất điện động E0 = NQ lúc không tải của máy từ đồ thị hình 1.14b cũng thấy Eưd = NQ - RN, lấy đoạn OG=E0 trên phương E0 trên hình 1.14a thì GF=Eưd và đồ thị vecto được thành lập.

1.3.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ

Khi vận hành bình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát. Công suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép nhỏ hơn hoặc bằng công suất định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lượng như điện áp, dòng điện đầu cực máy phát, dòng kích từ, hệ số công suất cosφ , tần số f và tốc độ quay n ta có thể xây dựng nên các đặc tính làm việc. Để phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng chủ yếu là U, I, If để thành lập các đường đặc tính.

a. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ E0 = U0 = F(it), khi I = 0 và f = fdm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tdmo dm i i i và U E E 0 1 . .  (1.15)

Trong đó itdmo là dòng điện không tải khi U = Udm

Mạch từ của máy phát đện tuabin hơi bão hòa hơn mạch từ của tuabin nước. Khi E0 = Udm = E* = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi kµd = kµ= 1,2 còn máy phát điện tuabin nước kµd = 1,06.

Hình 1-15. Đặc tính không tải máy phát tuabin hơi nước (1), máy phát tuabin nước (2).

b. Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi it =const, cos φ = const và f = fdm. Đặc tính ngoài cho thấy khi phải thay đổi tải I sao cho cos φ = const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải.

Trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích sao cho khi I = Idm có U = Udm, sau đó giữ không đổi khi thay đổi tải. Dòng điện it ứng với U = Udm; I = Idm; cos φ = cos φdm, f= fdm được gọi là dòng điện từ hóa định mức.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1-16. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ.

Từ hình 1-16 cho thấy các đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Tải có tính cảm I tăng, phản ứng khử từ của phản ứng tăng, điện áp giảm và đường từ biểu diễn đi xuống. Nếu tải có tính dưng khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên.

Độ thay đổi điện áp định mức ΔUdm của máy phát điện đồng bộ theo quy định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ địn mức với cos φ = cos φdm đến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích, Trị số Δ Udm thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức.

100 % 0 dm dm dm U U E U    (1.15)

Máy phát điện turbine hơi do có xd lớn nên có ΔUdm lớn hơn so với máy phát điện tuabin nước. Thông thường ΔU% = 25 ÷ 35%.

Trị số ΔUdm của máy phát điện có thể xác định được bằng thực nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo.

c. Đặc tính điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh là quan hệ it = f(I) khi U = const; cos φ = const; f = fdm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

bộ giữ cho điện áp U ở đầu máy không đổi. Khi lấy đặc tính điều chỉnh phải thay đổi tải và đồng thời thay đổi it để có cos φ = const và U = const.

Hình 1-17. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ.

Dạng đặc tính ở các trị số cos φ khác nhau như trên hình 1-17 cho thấy ở tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng cũng tăng làm cho U bị giảm. Để giữ cho U không đổi phải tăng dòng đện từ hóa it ở tải dung khi I tăng, muốn giữa cho U không đổi phải giảm it . Thông thường cos φ = 0,8 (thuần cảm) nên từ thông không tải it khoảng 1,7 – 2,2 lần.

d. Đặc tính tải

Đặc tính tải [22] là quan hệ giữa U = f(it) khi I = const; f = fdm; cos φ = const. Với các trị số khác nhau của I và cos φ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thần cảm ứng với cosφ = 0 (φ = π/200) và I = Idm

Để đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z (cuộn cảm) sao cho I = Idm. Dạng của đặc tính thuần cảm như đường 3 trên hình 1-18. Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn