Bài giảng Lý thuyết máy điện - Chương 5: Máy điện đồng bộ

BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm. II. Cấu tạo máy điện đồng bộ. III. Nguyên lý hoạt động máy điện đồng bộ. IV. Các phương trình cân bằng điện áp V. Đặc tính góc công suất BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm. Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều mà tốc độ quay rotor bằng tốc độ từ trường quay. Được dùng làm động cơ đồng bộ , tiêu thụ công suất tác dụng, bù công suất phản kháng vào lưới điện, nâng cao hệ số công suất của lưới điện . Được dùng làm máy phát điện, điện áp của máy phát thường từ 13 kv đến 28kv, công suất có thể đến 1000 MVA . BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ II. Cấu tạo Stator: Stator của máy điện đồng bộ giống như stator của máy điện không đồng bộ, gồm có lõi thép và dây quấn. Rotor: a)Rotor cực lồi:(xd, xq) b) Rotor cực ẩn(xđb) BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ II. Cấu tạo Bộ kích từ: Tạo ra từ thông không đổi theo thời gian. Nguồn cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích có thể là Máy phát 1 chiều hoặc chỉnh lưu III. Nguyên lý hoạt động Khi động cơ sơ cấp quay, kéo rotor máy phát đồng bộ và máy phát một chiều quay theo tới tốc độ định mức, máy phát kích thích thành lập được điện áp và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm máy đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện Do rotor (phần cảm) quay nên từ trường phần cảm cắt các thanh dẫn dây quấn phần ứng (stator) làm cảm ứng trong dây quấn sức điện động hình sin. 60 pnf  E = 4,44.f.kdq.w1.0. Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện, )240tsin(.E2e )120tsin(.E2e tsin.E2e o c o b a    n p f60n1  dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ máy điện đồng bộ - Khi máy điện ở trạng thái không tải : trong máy có từ trường tĩnh của phần cảm (DC) - Khi máy điện có tải : ngoài từ trường tĩnh của phần cảm (DC) còn có từ trường quay đều của phần ứng. Sự tương tác giữa từ trường phần cảm và từ trường phần ứng khi có tải goại là phản ứng phần ứng. Tải thuần trở S N Eư I ư  Do ư   Đóng tải  sụt aùp Tải thuần cảm S N Eư I ư pưpư ngang trục khử từ Do ư ngöôïc chieàu vôùi  Đóng tải  sụt aùp pưpư doïc trục khử từ Tải thuần dung S N Eư I ư Do ư cuøng chieàu vôùi  Đóng tải  taêng aùp pưpư doïc trục trôï từ Tải cảm S N Eư I ư  Do ư hôïp vôùi  hai thaønh phaàn Đóng tải  sụt aùp pưpư ngang truïc khöû töø vaø doïc trục khử từ Tải dung S N Eư I ư Do ư hôïp vôùi  hai thaønh phaàn Đóng tải  taêng aùp pưpư ngang truïc khöû töø vaø doïc trục trôï từ BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ IV. Phương trình cân bằng điện áp Sơ đồ tương đương một pha. Ep : sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do từ trường của phần kích từ tạo ra. Eư : sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do dòng điện biến thiên trên dây quấn phần ứng tạo ra. E: sức điện động cảm ứng trên dây quấn phần ứng do từ trường tản tạo ra Phương trình cân bằng điện áp cho máy phát điện đồng bộ : Phương trình cân bằng điện áp cho động cơ điện đồng bộ: Rư : điện trở trên một pha của dây quấn phần ứng. Up , Ip : điện áp pha, dòng điện pha của máy điện đồng bộ. pöpσöp I.RUEEE   pöpσöp I.RUEEE   V. Giản đồ vector của máy phát điện: pöpσöp I.RUEEE   pöö I.jXE   pI.jXE    Xư : điện kháng dây quấn phần ứng phần ứng/ pha X : điện kháng tản của dây quấn phần ứng phần ứng/ pha 1. Máy phát điện đồng bộ cực từ ẩn: (Do khe hở không khí đều) pöpöpp I)Xj(XI.RUE   σ pñbpöp IjXI.RU   Xđb = X + Xư : điện kháng đồng bộ trên dây quấn phần ứng phần ứng/ pha Sơ đồ tương đương một pha. taûiZ Rưjxđb pE pU pö II     iupp U,Iˆ   pp I,Eˆ  pp U,Eˆ góc tải, góc điện áp, góc moment, góc công suất - Tải trở:  = 0 pI pU pñbpöpp IjXI.RUE   pö I.R  pñbIjX  pE  - Tải cảm: Ip trễ so với Up ,  > 0 pI pU pö I.R  pñbIjX  pE    - Tải dung: Ip sớm so với Up ,  < 0 pI pU pö I.R  pñbIjX  pE    - Nếu chọn = Up0o pU pI + Tải cảm : = Ip-pI + Tải dung : = IppI - Nếu chọn = Ip0o pI pU + Tải cảm : = UppU + Tải dung : = Up-pU Có . Tìmöñbpp R,X,I,U  pE 2. Máy phát điện đồng bộ cực từ lồi: Do khe hở không khí không đều nên từ trường trên hai phương khác nhau, khảo sát trên hai phương d, q dqp III   pöpσöp I.RUEEE   öqödö EEE   qöqdöd I.jXI.jX   pI.jXE    qd I.jXI.jX    qdqöqdödpöpp I.jXI.jXI.jXI.jXI.RUE    dödqöqpöp I)XX(jI)XX(jI.RU    ddqqpöp IjXIjXI.RU   Xq = X + Xưq : điện kháng đồng bộ ngang trục. Xd = X + Xưd : điện kháng đồng bộ dọc trục. Có . Tìmöqdpp R,X,X,I,U  pE Tìm Iq , Iq       sinII cosII pd pq pI qI dI  pI qI dI  pU  pö IR  pqIjX   qqIjX  ddIjX  pE ddqqpöpp IjXIjXI.RUE   Máy phát điện đồng bộ cực từ lồi:        sinII cosII pd pq O A pqpöp IjXIRUOA   Các bước tính toán:  OA   sinII pd ddpöpp IXcos.IRcosUE     pp EE BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ V. Đặc tính góc công suất của máy điện đồng bộ 1. Đặc tính góc công suất tác dụng: Up , Ep =const, P = f()  cos.I.U.mP pp Công suất tác dụng của máy điện đồng bộ : )cos(.I.U.m pp  )sinsincos.(cosI.U.m pp  )sinIcosI(U.m dqp  (5.1) ddqqpupp IjXIjXI.RUE  Từ phương trình: Chiếu lên phương q : Ep = Upcos + Rư .Iq + Xd.Id (5.2) Chiếu lên phương d : 0 = Up sin + Rư .Id - Xq.Iq Từ (5.2) và (5.3)  Iq , Id (5.3) Thay vào (5.1) ta được : 2 öqd qd 2 p 2 öqd öqpp RXX 2sin)XX( 2 mU RXX )cosRsinX(E.U.m P       (Xd , Xq >> Rư )            2sin X 1 X 1 2 mU X sinE.U.m P dq 2 p d pp Máy điện đồng bộ cực từ ẩn: Xd = Xq = Xđb đñb pp X sinE.U.m P    P maxP o90 Máy điện đồng bộ cực từ lồi:  P o90            2sin X 1 X 1 2 mU X sinE.U.m P dq 2 p d pp o180 o180 max maxP Để vận hành máy phát ổn định: 0    max o180 ÑC MP ÑC MP BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ V. Đặc tính góc công suất 2. Đặc tính góc công suất phản kháng: Q= f(Up , Ep )  sin.I.U.mQ pp Công suất phản kháng của máy : )sin(.I.U.m pp  )sincoscos.(sinI.U.m pp  )sinIcosI(U.m qdp  (5.4) Từ (5.2) và (5.3)  Iq , Id Thay vào (5.4) ta được :                    dq 2 p dq 2 p d pp X 1 X 1 2 mU 2cos X 1 X 1 2 mU X cos.E.U.m Q  Q o90o45 maxQ ÑC MP o45o90 o oĐể vận hành ổn định: -    + 3. Giản đồ năng lượng của máy điện đồng bộ + Tổn hao đồng trên cuộn dây kích từ  Pkt = pkt = Rkt. I2kt = Ukt.Ikt + Tổn hao đồng trên phần ứng  P Cu = pCu = mRư. I2p + Tổn hao phụ : Pf (pf) do dòng xoáy trong dây dẫn phần ứng & do tổn hao lõi vì từ trường bị xoắn dạng. + Tổn hao cơ : Pcơ (pcơ) do ma sát, quạt gió, không phụ thuộc tải vì vận tốc không đổi. Máy phát P1 (cơ) Pđt P2 (điện) (Pđm) p cơ Uo(Eư) U(Uđm) + Tổn hao mạch từ  P Fe = pFe tổn hao sắt từ do dòng xoáy & từ trễ trong mạch từ. p f p kt p Fe p Cu ñmñmñm I.U3S   cos.SP ñmñm  sin.SQ ñmñm P = pcơ + pf + pkt + pCu + pFe M1 =  1đP Mđt =  ñtP Động cơ P1 (điện) Pđt P2 (cơ) (Pđm) p Cu p Fe p kt p f p cơ P = pcơ + pf + pkt + pCu + pFe  cosI.U3P ñmñm1  sinI.U3Q ñmñm1  .cos.I.U3P ñmñmñm 1 ñm P P  M2 =  2đP Mđt =  ñtP BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 5: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VI. Máy phát điện làm việc song song (ghép vào lưới điện hoặc ghép với máy phát điện khác) 1. Mục đích: - Đảm bảo công suất điện cấp cho phụ tải. - Giảm công suất nguồn dự phòng. - Tăng độ tin cậy cung cấp điện. - Cho phép sử dụng nhiều nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau. - Cho phép vận hành kinh tế nhất. 2. Điều kiện máy phát điện làm việc song song: - Cùng điện áp - Cùng tần số - Cùng thứ tự pha. - Cùng góc lệc pha. 3. Phương pháp hòa đồng bộ: a. Phương pháp hòa đồng bộ dùng ba đèn tối: G 3 s A BC a b c Khi ba đèn tối, bật công tắc S 3. Phương pháp hòa đồng bộ: b. Phương pháp hòa đồng bộ dùng ba đèn sáng quay: G 3 s A BC a b c Khi ba đèn sáng quay đều, bật công tắc S