Máy điện đồng bộ

trường đại học BáCH KHOA khoa điện

bộ môn: ĐIệN CÔNG NGHIệP

máy điện ii

máy điện đồng bộ máy điện một chiều

máy điện xoay chiều có vμnh góp

Phần thứ tư

Máy điện đồng bộ

Chương 1. Đại cương về máy điện đồng bộ

- Hầu hết các nguồn điện xoay chiều công nghiệp vμ dân dụng đều được sãn xuất từ máy phát điện đồng bộ.

- Động cơ đồng bộ được dùng trong các tải lớn vμ có thể phát ra công suất phản kháng - Máy bù đồng bộ để nâng cao hệ số công suất

1.1 Phân loại vμ kết cấu m.đ.đ.b 1. Phân loại

Theo kết cấu cực từ: Máy cực ẩn (2p = 2); Máy cực lồi (2p ≥ 4) Dựa theo chức năng: Máy phát (Tuabin nước; tuabin hơi; diêzen);

Động cơ ( P ≥ 200 KW); máy bù đồng bộ

2. Kết cấu.

Hình 1-1 mô tả máy phát đồng bộ cực lồi công suất vừa vμ hình 1-2 lμ máy phát tuabin hơi (máy cực ẩn).

Kết cấu của stato của máy điện đồng bộ hoμn toμn giống như stato của m.đ.k.đ.b, nên ở

đây chỉ giới thiệu phần kết cấu của rôto.

Hình 1-1. Máy phát điện đồng bộ cực lồi

Hình 1-2 Máy phát đồng bộ cực ẩn:

1. bệ máy; 2. lỏi thép stato; 3. Vỏ máy; 4. Giá đở stato; 5. ống dẫn chống cháy; 6. Dây quấn stato; 7. Vμnh ép stato; 8. Lá chắn ngoμi; 9. Lá chắn trong; 10. Lá chắn thông gió; 11. Che lá

chắn; 12. Cán chổi; 13. Tay giữ chổi; 14. Chổi; 15. ổ trục; 16. Miếng lót; 17. ống phun dầu; 18.

Giá đở ống phun; 19. Tấm mỏng; 20. Rôto; 21. Cực; 22. Máy kích thích

a) Kết cấu máy đồng bộ cực ẩn

Rô to máy đồng bộ cực ẩn được lμm bằng thép hợp kim, gia công thμnh hình trụ vμ phay rãnh để bố trí dây quấn kích thích. Phần không phay rãnh tạo nên mặt cực của máy. Mặt cắt ngang của lỏi thep rôto như hình 1-3.

Vì máy cực ẩn có 2p = 2, (n = 3000 vg/ph) nên để hạn chế lực ly tâm D ≤ 1,1 - 1,15 m, để tăng công suất ta tăng chiều dμi rôto l đến 6,5m.

Dây quấn kích thích thường lμ dây đồng trần tiết diện hình chử nhật, quấn theo chiều dẹt thμnh từng

bối, giữa các vòng dây có một lớp cách điện bằng mica mỏng. Các bối dây được ép chặt trong các rãnh rôto sau đó miệng rãnh được kín bằng thanh thép không từ tính. Hai đâud ra của dây quấn kích thích được nối với 2 vμnh trược gắn trên trục. Máy phát kích thích thường được nối cùn trục với rôto.

Hình 1-3 Mặt cắt ngang lỏi thép

b) Kết cấu máy cực lồi.

Máy cực lồi thường quay với tốc độ thấp nên

đường kính rôto có thể lớn tới 15m, trong khi chiều dμi lại bé. Thường l/D = 0,15 - 0,2.

Với các máy nhỏ vμ vừa rôto được lμm bằng

thép đúc, gia công thμnh khối lăng trụ trên có các cực từ, hình 1-4.

Hình 1-4. Cực từ của máy đồng bộ cực lồi 1. Lá thép cực từ; 2. Dây quấn kích thích;

3. Đuôi cực từ; 4. Nêm; 5. Lỏi thép rôto

Hình 1-5. Dây quấn cản hoặc dây quấn mở máy Với các máy công suất lớn rôto được ghép từ các lá thép

dμy từ 1-6 mm, dập định hình vμ ghép trên giá đở rôto. Cực từ đặt trên rôto ghép bằng các lá thép dμy từ 1-1,5 mm.

Dây quấn kích thích được quấn định hình vμ lồng vμo thân cực từ, hình 1.4

Trên bề mặt cực từ có một bộ dây quấn ngắn mạch, như

dây quấn lồng sóc của m.đ.k.đ.b. Với máy phát điệnđây lμ dây quấn còn với động cơ lμ dây quấn mở máy, như hình 1.5

Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản.

1.2 Hệ thống kích từ.

1. Yêu cầu đối với hệ kích từ.

- Khi lμm việc bình thường có khả năng điều chỉnh được dòng điện kích từ I_t = U_t/r_t để duy trì điện áp định mức.

- Có khả năng cưỡng bức dòng kích từ tăng nhanh khi

điện áp lưới giảm thấp do có ngắn mạch ở xa. Thường trong khoảng 0,5 giây phải đạt ^(0,5) ư ≈2

tdm tdm tm

U U

U , như hình 1-6.

- Triệt từ kích thích khi có sự cố bằng điện trở triệt từ R_T Hình 1-6. Cưởng bức kích thích

2. Các hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ.

a) Kích từ bằng máy phát điện một chiều gắn cùng trục với máy đồng bộ. Máy phát

điện 1 chiều kích thích thường có 2 cuôn dây kích thích: 1 cuộn song song L_s dùng để tự kích thích vμ 1 cuộn độc lập L_n, hình 1.7.

b) Kích từ bằng máy phát kích từ xoay chiều có chỉnh lưu, hình 1.8a lμ máy kích từ có phần cảm quay vμ phần ứng tĩnh vμ hình 1-8b lμ máy phát kích từ có phần cảm tĩnh vμ phần ứng quay

c) Hệ thống tự kích thích hổn hợp, hình 1-9, theo sơ đồ nμy điện áp vμ dòng điện kích từ sẽ tỷ lệ với U_T vμ U_I của biến điện áp TU vμ biến dòng điện TI.

Hình 1-7 Kích từ bằng máy phát kích từ một chiều

Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh Hình 1-8 Máy kích từ xoay chiều có chỉnh lưu

Hình 1-9 Hệ thống tự kích thích hổn hợp của máy điện đồng bộ

1.3 Nguyên lý lμm việc cơ bản của máy điện đồng bộ

Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều i_t vμo dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện i_t sẽ tạo nên một từ thông φ_t. Nếu ta quay rôto

lên đến tốc độ n (vg/ph), thì từ trường kích thích φ_t sẽ quét qua dây quấn phần ứng vμ cảm ứng nên trong dây quấn đó S.Đ.Đ vμ dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f₁ = p.n/60. Trong đó p lμ số đôi cực của máy.

Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ) như hình 1.10.

Khi máy lμm việc dòng điện phần ứng I_ư chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay (đã biết ở phần 2 MĐ). Từ trường nμy quay với tốc độ đồng bộ n₁ = 60.f₁/p.

Hình 1-10 Nguyên lý LVCB

Như vậy ở máy điện đồng bộ ta thấy: n = n₁ chính vì vậy mμ ta gọi nó lμ máy điện

đồng bộ.

1.4 Các trị số định mức.

Kiểu máy; số pha; tần số (Hz); công suất định mức (kW hay KVA); điện áp dây (v); Sơ

đồ dấu dây stato; Các dòng điện stato vμ rôto; Hệ số công suất; Tốc độ quay (vg/ph); Cấp cách điện.

Chương 2.

Từ trường trong máy điện đồng bộ

2.1 Đại cương.

Từ trường trong m.đ.đ.b bao gồm: Từ trường cực từ F_t do dòng điện kích thích i_t vμ từ trường phần ứng F_ư dòng điện phần ứng I_ư tạo nên.

Khi không tải (I = 0), trong máy chỉ có từ trường F_t. Nếu roto quay F_t quét qua dây quấn stato vμ cảm ứng nên trong đó S.đ.đ không tải E₀

Khi có tải (I ≠ 0) , trong máy ngoμi F_t còn có F_ư. Với máy 3 pha F_ư lμ từ trường quay, từ trường nμy bao gồm từ trường cơ bản vμ từ trường bậc cao. Trong đó từ trường cơ bản lμ quan trọng nhất.

Tác dụng của từ trường phần ứng F_ư lên từ trường cực từ F_t gọi lμ phản ứng phần ứng.

Khi mạch từ không bảo hoμ ta xét riêng F_t vμ F_ư rồi xếp chồng để được Fδ.

Trong chương nμy ta cũng xác định các điện kháng do các từ trường trên sinh ra.

2.2 Từ trường của dây quấn kích thích (F_t).

1. Máy cực lồi.

Sức từ động của một cực từ:

p 2

i

F_t = w^{t t} 2-1

Từ thông do F_t sinh ra khi p = 2 như hình 2.1. Trong đó: φ_t lμ từ thông chính, nó đi qua khe hở không khí vμ móc vòng với dây quấn Stato; φσ_t lμ từ thông tản của cực từ.

Sự phân bố của từ trường vμ từ cảm trong khe hở như hình 2.1 vμ 2.2.

Hình 2.1 Sự phân bố của từ trường kích thích Hình 2.2 Phân bố của từ cảm trong khe hở

Trên hình 2.2 sự khác nhau giữa từ cảm cơ bản vμ từ cảm kích từ B^B_t được biểu thị qua hệ số dạng sóng.

Btm Btm1

kt = (2-2)

Trong đó: B^B_tm1 lμ biên độ của sóng từ cảm cơ bản; B_tm^B lμ trị số cực đại của từ cảm k_t∈δ_m/δ; α = b_c / τ. Thường δ_m/δ = 1-2,5; α = 0,67-0,75 vμ k_t = 0.95-1,15

Từ 2.2 ta có:

.kt 2p

.it wt d. .k k

0 .kt

d. .k k

Ft 0 .Btm

kt Btm1

μ δ δ

μ μ δ

δ

μ =

=

= (2-3)

k_δ lμ hệ số khe hở ; k_μd lμ hệ số bão hoμ dọc trục cực từ.

Từ thông ứng với sóng cơ bản

kt p

.it wt . d. .k k

.l . 2 .l 0 tm1. 2B

t1 δ μ δ

τ δ μ τ δ

π =

φ = (2-4)

Từ thông móc vòng Ψ_tưd = w.k_dq.Φ_t1.cosωt vμ sức điện động hổ cảm trong dây quấn stato

sinωt E0m sinωt Φt1 ω.w.kdq dt

dΨtưd

e0 =ư = =

Khi rô to quay với tốc độ góc ω = 2.π.f thì từ thông móc vòng với dây quấn phần ứng sẽ lμ: ψ_tưd = W.k_dq.φ_t1.cosωt

Sức điện động hổ cảm trong dây quấn sẽ lμ:

t . .sin E t . .sin dt .W.k

e₀ dΨ^tud ω _{dq t1} ω _0m ω

=

=

ư

= φ

Trong đó: ^{t t} _{t ud t ud t}

d 0 dq

0m .i .M .i x .i

p .k .W . .k k .W.k .l

E = =ω =

δ π

τ ω μ

μ δ

δ 2-5

Vậy hệ số hổ cảm của dq kích thích vμ dq phần ứng lμ

p .k .W . .k k

M .l ^{t t}

d 0

ud π δ

τ μ

μ δ

= δ 2-6

vμ điện kháng hổ cảm x_ưd = ω.M_ưd 2-7

Hệ số tự cảm của dây quấn kích thích.

L_t = L_tδ + Lσ_t 2-8

Với: Lσ_t lμ hệ số tự cảm do từ trường tản gây ra (tra tμi liệu TK); L_tδ lμ hệ số tự cảm do từ trường khe hở φ_tδgây ra.

Nếu gọi kφ lμ tỷ số giữa diện tích giới hạn bởi đường 1 vμ đường 2 hình 2.2 thì.

φ_tδ = kφ.φ_t1 ⇒ _φ

μ δ

δ δ

δ π δ

τ

μ .k .k

p .W . .k k

.l i

.

L W _t

2 t d 0 t

t t

t = φ =

2-9

2. Máy cực ẩn.

Hình 2.3 biểu diễn sự phân bố của từ cảm cực từ vμ sóng cơ bản. Lấy trục cực từ lμm gốc ta tính được.

tm 2

π

2 γ)π (1

tm 2

γ).π (1

0 tm 2

π

2 π

t

tm1 B

2 γπ2 sinγπ

π α).cosα.dα 4 2

(π γ.π B . 2

π dα 4 cosα π B

α 4 d cos π B

B = 2

∫

∫

∫

ư

ư

ư

α α

Vậy với máy cực ẩn:

2 γπ2 sinγπ π. 4 B k B

tm tm1

t = = 2-10

Thường γ = 0,6 - 0,85, nên k_t = 1,065 - 0,965.

Hệ số hình dáng

kt

3. 1 2 2. k

π ư γ

φ = 2-11

Hệ số hổ cảm vμ tự cảm của máy cực ẩn cũng

được xác định theo biểu thức 2.6 vμ 2.9.

2.3 Từ trường phần ứng.

Khi máy điện đồng bộ lμm việc từ trường do dòng điện I_ư chạy trong dây quấn Stato sinh ra gọi

lμ từ trường phần ứng F_ư. Tác dụng của F_ư lên F_t gọi lμ phản ứng phần ứng. Tuỳ thuộc vμo tính chất của tải vμ dạng cực từ mμ phản ứng phần ứng có các dạng khác nhau.

Hình 2.3 Sự phân bố của từ cảm cực từ

1. Phản ứng phần ứng ngang trục vμ dọc trục

Xét một máy đồng bộ 3 pha (m = 3), 2p = 2, mỗi pha được tượng trưng bằng một vòng dây, thời điểm xét I&_A = I_m; I&_B = I&_C = - I_m/2

a/ Khi tải thuần trở.

Khi tải đối xứng vμ thuần trở, I& vμ E&

trùng pha nhau (ψ = 0). Tại thời điểm xét i_A = I_m nên F_ư≡ I&_A≡ E&_A còn s.t.đ

sinh ra e

F&A

A = E&_Am sẽ vượt pha trước E&

t

A

một góc π/2. Như vậy trong trường hợp

nμy ^F&_uư ⊥ , phản ứng phần ứng lμ

ngang trục. Đồ thị véc tơ thời gian F&

I&, E&

vμ không gian F&_u, F&_t như hình 2.4 Hình 2. 4 Phản ứng phần ứng khi tải thuần trở

b/ Khi tải thuần cảm.

E&_A vượt pha trước I&_A một góc π /

2 vμ F&_t vượt pha trước E&_A một góc π /2, nên vμ trùng phương nhưng ngược chiều, phản ứng phần ứng lμ dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian

F&u F&_t

I&, E& vμ không gian , như

hình 2.5

F&u F&_t

Hình 2.5 Phản ứng phần ứng khi tải thuần cảm c/ Khi tải thuần dung.

E&_A chậm pha so với I&_A một góc π /

2 vμ F&_t vượt pha trước E&_A một góc π /2, nên vμ trùng phương, chiều với nhau nên, phản ứng phần ứng lμ dọc trục khử từ. Đồ thị véc tơ thời gian

F&u F&_t

I&, E& vμ không gian , như

hình 2.6

F&u F&_t

d/ Khi tải hổn hợp.

E&_A lệch so với I&_A một góc ψ, ta phân

thμnh 2 thμnh phần:

F&u

F_ưd = F_ư.sinψ - dọc trục F_ưq = F_ư.cosψ - ngang trục

Vậy khi 0 < ψ < π/2, phản ứng phần ứng lμ ngang trục vμ khử từ

Vậy khi -π/2 < ψ < 0, phản ứng phần ứng lμ ngang trục vμ trợ từ

Hình 2.6 Phản ứng phần ứng khi tải thuần dung

Hình 2.7 Phản ứng phần ứng khi tải có tính

2. Từ cảm do từ trường phần ứng vμ các điện kháng tương ứng.

a/ Máy đồng bộ cực ẩn.

Với máy đồng bộ cực ẩn δ đều, nếu mạch từ không bảo hoμ thì từ trở lμ hằng số, như

vậy nếu F_ư lμ sin thì B^B_ư cũng sin.

p .I W.k π

2 m.

.δ .k k .F μ .δ .k k

B μ ^dq

μ δ

0 u

μ δ

0

um = = 2-12

vμ .I

p W.k π

2 m.

.δ .k k

.l 2.μ . .l

. π.B

2 dq

2 μ

δ 0 δ um δ

u

τ τ

φ = = 2-13

Sức điện động phần ứng do từ thông φ_ư cảm ứng nên có trị số:

u dq u

dq

u W.k . π. 2.f.W.k . 2

E =ω φ = φ vμ

p .k W .δ π.k .k

.l μ . 4.m.f.

I x E

2 dq 2

μ δ

δ 0 u

u u

= τ

= 2-14

Thường x_ư = 1,1 - 2,3

b/ Máy đồng bộ cực lồi.

Máy đồng bộ cực lồi δ dọc trục vμ ngang trục không giống nhau, nên mặc dầu s.t.đ lμ sin nhưng từ cảm sẽ không sin. Sự không sin của B^B_ư còn phụ thuộc vμo tính chất của tải. Để thuận lợi ta phân F_ư ứng với một tải bất kỳ thμnh hai thμnh phần dọc trục vμ ngang trục như

hình 2.8

Hình 2.8 Sự phân bố của s.t.đ vμ từ cảm dọc trục vμ ngang trục

Ta có:

d dq dq

u

ud I

p W.k π

2 I.sinψ m.

p W.k π

2 .sinψ m.

F

F = = = 2-15

q dq dq

u

uq I

p W.k π

2 I.cosψ m.

p W.k π

2 .cosψ m.

F

F = = = 2-16

vμ từ cảm tương ứng.

ud μd δ

0

udm F

.k .δ k

B = μ vμ _uq

μq δ

0

uqm F

.δ .k k

B = μ 2-17

Thực tế B^B_ưd vμ B_ưq^B phân bố không sin, phân tích thμnh sóng cơ bản vμ sóng bậc cao. Với các sóng cơ bản ta có hệ số dạng sóng:

udm udm

ud B

k = B ¹ vμ

uqm uqm

uq B

k = B ¹ 2-18

Các hệ số k_ưd vμ k_ưq phụ thuộc vμo α, δ_m/δ, δ/τ được tính sẵn trong tμi liệu thiết kế Các điện kháng tương ứng xác định như máy cực ẩn:

ud 2 dq 2

d 0 d

ud

ud k

p .k W . .k .k

.l 4.m.f. .

I x E

δ π

τ μ

μ δ

= δ

= 2-19

uq 2 dq 2

q 0 q

uq

uq k

p .k W . .k .k

.l 4.m.f. .

I x E

δ π

τ μ

μ δ

= δ

= 2-20

Thường: x_ưd = 0,5 - 1,5; x_ưq = 0,3 - 0,9

2.4 Quy đổi các S.T.Đ trong máy điện đồng bộ

Chế độ lμm việc xác lập, tải đối xứng tác dụng của F_ư lên F_t lμ trợ từ hoặc khử từ. Để

đánh giá được mức độ ảnh hưởng đó ta phải quy đổi F_ư về F_t vμ như vậy khi xét các đặc tính lμm việc của máy ta có thể biểu thị chúng trên cùng một hệ trục toạ độ vμ đường cong không tải E = f(i_t).

Chế độ quá độ ta phải quy đổi ngược lại F_t về F_ư. Việc quy đổi phải đảm bảo điều kiện:

B^B_tm1 = B_ưm1 2-21

Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có:

t μ δ

0 t tm t

tm1 .F

.δ .k k . μ k .B k

B = = vμ _t

μ δ

0 tm

um1 .F

.δ .k k B μ

B = = 2-22

Vậy _{u u}

t u

u k .F

k

F′ =F = hay

t

u k

k = 1

Với máy cực lồi theo hướng dọc trục:

t μd δ

0 t

tm t

tm1 .F

.δ .k k . μ k .B k

B = = vμ _ud

μd δ

0 ud

udm ud

udm1 .F

.δ .k k . μ k .B

k

B = = 2-23

Sức từ động phần ứng dọc trục đã quy đổi về s.t.đ cực từ:

d ud t ud ud

ud F .k

k F k

F′ = = với k_d = k_ưd / k_t Cũng vậy, theo hướng ngang trục:

q uq t uq uq

uq F .k

k F k

F′ = = với k_q = k_ưq / k_t

Các hệ số k_d vμ k_q phụ thuộc vμo α, δ_m/δ, δ /τ được tính sẵn trong tμi liệu thiết kế.

Chương 3.

Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

3.1 Đại cương.

Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phương trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lượng vμ công suất điện từ của máy điện đồng bộ.

3.2 Phương trình điện áp vμ đồ thị véc tơ.

Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha.

Đối với máy phát điện:

3-1 )

jx (r I E

U& = &_δ ư& _u + _σu

Đối với động cơ vμ máy bù đồng bộ:

3-2 )

jx (r I E

U& = &_δ +& _u + _σu

Trong đó: U lμ điện áp đầu cực của máy, r_ư vμ xσ_ư lμ điện trở vμ điện kháng tản của dây quấn phần ứng;

Eδ lμ s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở.

Khi mạch từ không bảo hoμ, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có:

3-3 Eu

E

E&_δ = &₀ + &

Khi mạch từ bảo hoμ ta phải xác định F&_δ =F&₀ + F&_urồi suy ra E&_δ 1. Trường hợp máy phát điện.

a/ Khi mạch từ không bảo hoμ.

Giả sử tải đối xứng vμ có tính cảm (0 < ψ < 90⁰)

-/ Máy cực ẩn:

Phương trình cân bằng điện áp lμ:

) jx (r I E E

U& = & + &_u ư& _u + _σu 3-4

Chương 2 ta đã xác định được nên

u

u jIx

E& =ư & Hình 3.1 Đồ thị s.đ.đ máy phát đồng bộ cực ẩn

u db σu u

u jx ) I.r E jI.x I.r

(x I j.

E

U& = & ư & + ư& = & ư & ư&

3.5

trong đó x_đb = x_ư + xσ_ư lμ điện kháng đồng bộ, thường x_đb = 0,7 - 1,6

Đồ thị véc tơ như hình 3.1 - / Máy cực lồi.

Ta phân s.t.đ phần ứng F_ư thμnh F_ưd vμ F_ưq, từ thông tương ứng với các s.t.đ đó sẽ cảm nên các s.đ.đ: ^E&_ud =ư ^jI&_d ^x_ud vμ E&_uq =ư jI&_q x_uq Phương trình cân bằng điện áp có dạng.

3.6

σu u uq

σu ud u uq

ud E I(r x ) E jIx jIx jIx Ir

E E

U& = &+ & + & ư & + = &ư & ư & ư & ư&

Đồ thị véc tơ như hình 3.2 có tên gọi lμ đồ thị Blondel

Hình 3.2 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi Véc tơ do từ thông tản

của từ trường phần ứng sinh ra không phụ thuộc vμo từ dẫn hướng dọc vμ ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể phân tích chúng theo 2 hướng dọc vμ ngang trục:

x u

I

j & _σ

ư

u d u q

u u

u

x I j x I j

) sin x I cos x I j(

x I j.

σ σ

σ σ

σ ψ ψ

&

&

&

&

&

ư

ư

=

=

ư

ư

=

ư

vμ phương trình điện áp được viết lại:

u q q d d σu u

σu uq ud

d(x x ) jI(x x ) Ir E jI x jI x Ir

I j E

U& = &ư & + ư & + ư & = &ư & ư & ư & 3.7

Trong đó:

x_d = x_ưd + xσ_ư gọi lμ điện kháng đồng bộ dọc trục, thường x_d = 0,7 - 1,2 x_q = x_ưq + xσ_ư gọi lμ điện kháng đồng bộ ngang trục, thường x_q = 0,46 - 0,76

Đồ thị véc tơ ứng với phương trình 3.7 như hình 3.3 b/ Khi mạch từ bảo hoμ.

Khi mạch từ bảo hoμ vì các hệ số kμ_d vμ kμ_q rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết hợp đồ thị s.t.đ vμ s.đ.đ với đường cong không tải. Đồ thị nμy được gọi lμ đồ thị s.t.đ.đ, có tên lμ đồ thị Pôchiê.

- Máy cực ẩn:

Giả sử U, I, cosϕ, r_ư, xσ_ư vμ đặc tính không tải đã biết, để thμnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U vμ véc tơ I chậm sau U một góc ϕ.

Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát

điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn

Cộng U với vμ được . Trên trục hoμnh đặt rồi cộng với hợp với trục hoμnh một góc 90

ru

I& jI&x_u E&_δ F&_δ F&_δ K_u F&_u

0 + (ϕ + δ), tìm được . Từ đồ thị nμy xác định được ΔU = E - U

F&0

đm, thường = (5 - 10)%

- Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thμnh lập chính xác đồ thị véc tơ lμ rất khó, vì φ_d vμ φ_q hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo hoμ theo 2 hướng lại khác nhau. Như vậy x_ưd vμ x_ưq phụ thuộc cả vμo φ_d vμ φ_q. Để đơn giản ta coi x_ưd chỉ phụ thuộc vμo φ_d vμ x_ưq chỉ phụ thuộc vμo φ_q vμ kμ_q đã biết. Khi

đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir_ư vμ jI.xσ_ư được , hình 3.5a, theo hướng jI.x

E&δ

σ_ư vẽ đoạn

ψ I.x_uq cosE^uq

CD= = vμ xác

định được phương của E. Trị số x_ưq có thể tính hoặc lấy bằng 1,1 - 1,15. Từ hình 3.5b ta cũng xác

định được CD qua OA = F'_ưq = k_q.F_ưq, sau đó xác định được Eδ_d

= OF = MP, lấy MN = F'_ưd = k_d.F_ưd chiếu lên ta được E

a) b)

Hình 3-6 Cách xây dựng đồ thị véc tơ s.t.đ.đ

của máy đồng bộ cực lồi

2. Trường hợp động cơ điện.

Động cơ điện đồng bộ có cấu tạo cực lồi vì vậy phương trình điện áp sẽ lμ:

u q q d d u

u uq ud u

u jx E E E I r jx E jI x jI x Ir

r I E

U& = &_δ + &( + _σ )= &+ & + & + &( + _σ )= &+ & + & + & 3.8

Hình 3-7 Giản đồ năng lượng a) máy phát; b) động cơ

a) b)

Hình 3-6 Đồ thị véc tơ Động cơ đồ a) Thiếu kích thích; b) Quá kích thích

ng bộ

3.3 Giản đồ năng lượng của máy điện đồng bộ

Máy phát: P_đt = P₁ - (p_cơ + p_t + p_f) vμ P₂ = P_đt - p_cu - p_fe

Động cơ: P_đt = P₁ - p_cu - p_fe vμ P₂ = P_đt - (p_cơ + p_t + p_f)

3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 1. Đặc tính góc công suất tác dụng.

P = f(θ) khi E = const, U = const, với θ lμ góc tải giữa véc tơ E vμ U.

Để đơn giản ta bỏ qua r_ư vì nó rất bé so với (x_đb, x_d, x_q). Công suất đầu cực của máy

đồng bộ bằng: P = mUIcosϕ

Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có:

Hình 3-8 Sự tạo nên P_U

d

d x

Ucosθ I Eư

= ,

q

q x

U.sinθ

I = vμ ϕ = ψ - θ 3.9 Do đó: P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ - θ)

= mU(Icosψ.cosθ + Isinψ.sinθ)

P = mU(I_q.cosθ + I_d.sinθ), thay I_d vμ I_q vμo ta có:

^sinθcosθ

x θ mU x sin

cosθ mEU θ x sin P mU

d 2

d q

2 + ư

= Hay

)sin2θ x

1 x ( 1 2 sinθ mU x

P mUE

d q 2

d

ư +

= = P_e + P_u 3.10

Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần. Một phần P_e tỷ lệ với sinθ vμ phụ thuộc vμo kích từ; một phần P_u tỷ lệ với sin2θ không phụ thuộc vμo kích từ. Như vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một lượng nhỏ lμ P_u. Người ta ứng dụng điều nμy để chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vμi chục oát.

- Với máy đồng bộ cực ẩn vì x_d = x_q nên ^sinθ x mUE P

db

= 3.11

Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ như hình 3.9

Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát

Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn

2. Đặc tính góc công suất phản kháng.

Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ được tính:

Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ - θ) = mU(Isinψψ.cos.cosθθ + Icos + Icosψψ.sin.sinθθ) ) Q = mU(I_d.cosθ - I_q.sinθ)

Q = mU(I_d.cosθ - I_q.sinθ) Thay I_d vμ I_q vμo ta có:

Thay I_d vμ I_q vμo ta có:

x ) 1 x ( 1 2 )cos2θ mU x

1 x ( 1 2 cosθ mU x

Q mUE

d q 2

d q 2

d

+

ư

ư +

=

Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ như hình 3.11.

Khi -θ' < θ < +θ' máy phát công suất phản kháng vμo lưới, ngoμi phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng.

Hình 3-10 Từ trường khe hở a) máy phát, b) động cơ

Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi

Chương 4.

Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải đối xứng

4.1 Đại cương.

Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ được đặc trưng bởi các đại lượng: U, I, I_t , cosϕ vμ tần số f hoặc tốc độ n.

Trong đó f = f_đm; cosϕ phụ thuộc vμo tải còn lại 3 đại lượng U, I, I_t xác định cho ta các

đặc tính.

1. Đặc tính không tải U = f(I_t) khi I = 0; f = f_đm 2. Đặc tính ngắn mạch I_n = f(I_t) khi U = 0; f = f_đm

3. Đặc tính ngoμi U = f(I) khi I_t = cte; f = f_đm; cosϕ = Cte 4. Đặc tính điều chỉnh I_t = f(I) khi U = cte; f = f_đm; cosϕ = Cte 5. Đặc tính tải U = f(I_t) khi I = cte; f = f_đm; cosϕ = Cte Các đặc tính trên được xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm.

Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; ΔU vμ các tham số x_d; x_q; xσ_ư

4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ.

Sơ đồ thí nghiệm như hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 1. Đặc tính không tải.

(E = U = f(I_t) khi I = 0 vμ f = f_đm)

Hệ đơn vị tương đối E_* = E/E_đm ; I_t* = I_t / I_tđm0 Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi dòng điện kích từ ta nhận được đường đặc tính không tải, như hình 4.2

Đường (1) máy phát tourbin hơi, đường (2) máy phát tourbin nước. Ta thấy máy phát tourbin hơi bảo hoμ nhiều hơn máy phát tourbin nước.

Khi E = E_đm = 1 máy phát tourbin hơi có kμ_d = kμ = 1,2 còn máy phát tourbin nước có kμ = 1,06

Hình 4.2 Đặc tính không tải,

(1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nước

2. Đặc tính ngắn mạch, I_n = f(I_t) khi U = 0, f = f_đm vμ tỷ số ngắn mạch K

Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r_ư thì tải của máy phát lμ dây quấn của phần ứng nên nó

được coi lμ thuần cảm ψ = 0, I_q = Icosψ = 0 còn I_d = Isinψ = I Mạch điện thay thế vμ đồ thị véc tơ như hình 4.3, ta có

4.1

xd

I j

E&₀ =+ &

Khi ngắn mạch vì từ thông φδ cần thiết để sinh ra Eδ = E - Ix_ưd = Ixσ_ư rất bé nên mạch từ không bảo hoμ do đó quan hệ I = f(I_t) lμ đường thẳng, hình 4.4

Tỷ số ngắn mạch K.

Đây lμ tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch I_n0 ứng với dòng

điện I_t sinh ra E = U_đm lúc không tải vμ dòng điện

định mức I_đm

K = I_n0 / I_đm 4.2 Từ hình 4.5 ta suy ra:

I_n0 = U_đm / x_d 4.3

Với x_d lμ điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U_đm Vậy K = U_đm / x_d.I_đm = 1/ x_đ*

Thường x_đ* > 1 nên K < 1, hay I_n0 < I_đm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện

đồng bộ không lớn, đó lμ do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng.

Qua hai tam giác đồng dạng OAA' vμ OBB' ta có:

tn t dm n

I I I

K = I ⁰ = ⁰ 4.4

I_t0 ⇒ U₀ = U_đm vμ I_tn ⇒ I_n = I_đm

K lμ một tham số quan trọng của máy phát điện

đồng bộ.

Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ

Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K K lớn ⇒ ΔU bé vμ P_đt lớn ⇒ máy lμm việc ổn

định, muốn K lớn thì x_đ* phải lớn ⇒δ lớn ⇒ kích thước của máy lớn ⇒ giá thμnh tăng.

Thường máy phát tourbin nước K = 0,8 - 1,8; vμ tourbin hơi K = 0,5 - 1,0