Bài giảng Máy điện I (cơ sở) - Chương 4: Máy điện đồng bộ

12/2015 1ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Máy điện Đồng bộ TS. Trần Tuấn Vũ BM Thiết Bị Điện - Điện Tử Viện Điện / C3-106 vu.trantuan@hust.edu.vn / 0906 298 290 Chương 4 Học phần EE3140 – MAÝ ĐIỆN I 2017 2ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tóm tắt Các mục chính đã học buổi trước Chương 3 – Máy điện Không đồng bộ 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KĐB 2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KĐB 3. MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 4. ĐỘNG CƠ KĐB 1 PH Buổi học này Chương 4 – Máy điện Đồng bộ Các mục sẽ học buổi này 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ 2017 3ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.1. Cấu tạo và phân loại * Định nghĩa: Máy điện xoay chiều, tốc độ rôto n = n1 (đồng bộ) 2017 4ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.1. Cấu tạo và phân loại Rôto cực ẩn Rôto cực lồi Thành phần Lõi thép làm từ hợp kim đúc, trên có xẻ một số rãnh để đặt dây quấn Cực từ rôto làm bằng thép KTĐ 1,5 mm Lõi thép rôto làm bằng thép đúc Dây quấn kích từ có dòng kích từ It
tạo ra từ trường cho máy. Đặc điểm Dây quấn kích từ quấn rải Dây quấn kích từ quấn tập trung Lực ly tâm bé Lực ly tâm lớn Tốc độ quay lớn, n ≥1500 vòng/phút Tốc độ quay thấp, n ≤ 1500 vòng/phút Dùng trong nhà máy nhiệt điện Dùng trong nhà máy thuỷ điện 2017 5ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.1. Cấu tạo và phân loại Hai máy máy phát điện rôto cực ẩn và cực lồi có cùng công suất và tần số Loại cực ẩn Loại cực lồi tốc độ quay n lớn nhỏ số đôi cực p nhỏ lớn đường kính D nhỏ lớn chiều dài l lớn nhỏ cách đặt nằm. đứng 2017 6ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ U = S N φo Eo Eo = 4,44.f.w.kdq.φo f = pn 60 CD I I3pha  Từ trường quay 1 60f n p =  n = n1 n Lưới nối với tải 1.2. Nguyên lý làm việc 2017 7ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.2. Nguyên lý làm việc 1.2.1. Máy phát điện * Cơ
điện • Rotor quay với tốc độ n. • Rotor đóng vai trò nam châm điện (do có dòng kích từ) tạo ra từ trường quay, cảm ứng trong dây quấn stato các sức điện động hình sin. • Nếu MFĐĐB mang tải (mạch kín) sẽ có dòng điện 3 pha: iA, iB, iC. • Các dòng iA, iB, iC tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 = n 2017 8ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.2. Nguyên lý làm việc 1.2.2. Động cơ điện * Điện
cơ • Đặt điện áp 3 pha vào dây quấn stato. • Trong dây quấn stato sẽ có dòng điện 3 pha iA, iB, iC tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p. • Từ trường trong dây quấn stato kéo rotor quay với tốc độ n = n1. 2017 9ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện đồng bộ 1.2. Các đại lượng định mức - Kiểu máy - Số pha - Tần số - Công suất định mức (kW, kVA) - Điện áp dây - Hệ số công suất - Tốc độ quay - Cấp cách điện dây quấn stato, rotor. *Cách ký hiệu 2017 10ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm chung & cấu tạo 2017 11ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm chung & cấu tạo 2017 12ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm chung & cấu tạo 3 tổ máy 400 MVA 2017 13ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm chung & cấu tạo 2017 14ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. Khái niệm chung & cấu tạo 2017 15ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.1. Khái niệm chung Đặc điểm Vị trí Nguyên nhân Tác dụng Từ trường phần cảm Dẫn từ thông một chiều Bên rotor, (phần cảm, phần quay, cực từ) Rôto quay, dòng kích từ một chiều Cảm ứng sđđ bên dây quấn phần ứng (stato) (MFĐ); Đồng bộ với từ trường phần ứng (ĐCĐ) Từ trường phần ứng Dẫn từ thông xoay chiều Bên stator, (phần ứng, phần tĩnh) Dòng 3 pha xoay chiều Kéo rotor quay (ĐCĐ). Gây ra phản ứng phần ứng (MFĐ) 2017 16ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.2. Các kiểu kích từ và từ trường của cực từ Sơ đồ nguyên lý làm việc của MFĐĐB hoàn chỉnh 2017 17ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.2. Các kiểu kích từ và từ trường của cực từ Ví dụ: Thí nghiệm khảo sát MFĐĐB, dùng ĐC sơ cấp là ĐCMC 2017 18ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.2. Các kiểu kích từ và từ trường của cực từ It (dòng kích từ) của cực từ sinh ra stđ wt: số vòng dây cuộn kích từ p: số đôi cực từ 2p .IwF ttt = Từ trường chính Φt (đi qua khe hở không khí để truyền tải năng lượng). Từ trường tản Φσt chỉ móc vòng trong các dây quấn kích từ τ : bước cực Bt : từ cảm cực từ Bt1: sóng cơ bản bậc 1. E = Blv 2017 19ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.3. Từ trường của phần ứng và phản ứng phần ứng • Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường phần cảm gọi là phản ứng phần ứng (p/ư p/ư) • Tuỳ theo tính chất của tải mà p/ư p/ư có tính chất khác nhau, phụ thuộc vào tính chất của tải: thuần R, thuần L, thuần C, hay mang tính chất L, tính chất C. * Các thiết bị điện chủ yếu là thuần R hoặc mang tính chất L. 2017 20ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.3. Từ trường của phần ứng và phản ứng phần ứng 2.3.1. Tải thuần trở *Ví dụ: Một MĐĐB rotor cực lồi có số đôi cực p = 1, số rãnh của một pha dưới một cực q = 1, rotor quay ngược chiều kim đồng hồ. Hãy xét vị trí tương quan về không gian giữa từ trường phần cảm và phần ứng vào thời điểm iA = Imax? 2017 21ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.3. Từ trường của phần ứng và phản ứng phần ứng 2.3.1. Tải thuần trở * Phương pháp điện từ: 1. Số rãnh Z = 2mpq = 2.3.1.1 = 6 2. Xác định thứ tự pha theo chiều quay của rôto. 3. Giả sử chiều dòng điện ra tại A, vào tại X Xác định chiều dòng điện tại B, Y, C, Z: iA = Imax → iB = iC = -Imax/2 4. Xác định chiều của từ trường pha A, B, C. Chiều của từ trường phần ứng Fư (xác định theo quy tắc vặn nút chai) là tổng hợp của từ trường pha A, B, C và vuông góc với AX. 5. Trục của cực từ đi qua AX để có IA = Imax. 6. Chiều của từ trường cực từ Ft xác định theo quy tắc bàn tay phải. 2017 22ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ  2017 23ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ  2017 24ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2. Từ trường trong máy điện đồng bộ 2.3. Từ trường của phần ứng và phản ứng phần ứng 2.3.3. Tải thuần dung - Các điều kiện để xét gióng như tải thuần trở
Fư cùng phương cùng chiều với Ft, khi tải thuần dung p/ư p/ư là dọc trục trợ từ (lấy Ft làm trục gốc để so sánh) Fư BI& CI& AI& AE& tF& 2017 25ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1. Khái niệm chung Quan hệ điện từ bao gồm: - Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector MĐĐB - Giản đồ cân bằng năng lượng MĐĐB - Công suất điện từ của MĐĐB *Điện kháng phần ứng (Xư): cảm ứng E0 trong dây quấn phần ứng.  Nếu mạch phần ứng khép kín (có tải) sẽ có Iư
Fư
Φư
cảm ứng Eư  Xư là điện kháng phần ứng, đặc trưng cho khả năng tích luỹ năng lượng từ trường của phần ứng: Xư = Eư/Iư  Với tải bất kỳ: Iư (I) Id (Iưd)
Fưd
Φưd
Eưd = Xưd.I-d Iq (Iưq)
Fưq
Φưq
Eưq = Xưq.I-q Xưd - điện kháng phần ứng dọc trục Xưq - điện kháng phần ứng ngang trục →→→ ttt ΦFI &&& 2017 26ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 0 2017 27ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.1. Máy phát điện đồng bộ • Mạch dây quấn phần ứng (1) giống mạch thứ cấp MBA, nhưng giá trị điện kháng X khác nhau theo hướng dọc và ngang trục: Id ≠ Iq ≠ I.
điện kháng X được đưa vào trong mạch (2): EΣ IRU u &&& =+E&Σ * Chỉ xét: mạch từ chưa bão hoà (bão hòa – MĐ2) •Sử dụng nguyên lý xếp chồng: uδ FFF &&& += - sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng do TT khe hở không khí δE&uδ EEE &&& += 0 2017 28ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.1. Máy phát điện đồng bộ 3.2.1.1. MFĐ rotor cực lồi φo φ- -ư d do Ikt do Id φ -ưq do Iq Móc vòng stator  rotor φt (φσ) do I  TT tản, móc vòng riêng với stator δdδq φo φ -ư d ud d udE jI X • • = − φ -ư q uq q uqE jI X • • = − o ud uq t uU E E E E R I • • • • • • = + + + − Ph-ương trình cân bằng điện áp o d qud uq t uU E jI X jI X jI X R I • • • • • • = − − − −φt t tE jI X • • = − 0E • Xud: điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục Xuq: điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục 2017 29ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ d qI I I • • • = + o d qud t uq t uU E jI (X X ) jI (X X ) R I • • • • • = − + − + − o d qd q uU E jI X jI X R I • • • • • = − − − o d qd qU E jI X jI X • • • • = − − qI r dI r ψ I r oE ur ϕ θ q qjI X− r d djI X− r U ur * Đồ thị vector - Tải mang t/c điện cảm - Tải mang t/c điện dung ψ I r oE ur qI r dI r d djI X− r q qjI X− r U ur ϕ θ θ = ψeo - ψu ψ = ψeo- ψi ϕ = ψu - ψi Xd = Xud + Xt: điện kháng đồng bộ dọc trục Xq = Xuq + Xt: điện kháng đồng bộ ngang trục 2017 30ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.1. Máy phát điện đồng bộ 3.2.1.2. MFĐ rotor cực ẩn 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ o dbU E jI X • • • = − Vì δd = δq = δ Xd = Xq = Xđb: điện kháng đồng bộ o d q dbU E j(I I )X • • • • = − + * Đồ thị vector ψ I r oE ur ϕ θ U ur ψ I r oE ur U ur θ- Tải mang t/c điện cảm - Tải mang t/c điện dung dbjIX− r dbjIX− r ϕ - Nhận xét: + θ > 0 : E0 v-ượt trước U + góc Eo và U 2017 31ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.2. Động cơ đồng bộ IV. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector o dbU E jI X • • • = + * Đồ thị vector ψ θ I r U ur ϕ oE ur dbjI X− r - Nhận xét về góc θ: Máy cực ẩn U vượt trước E0 2017 32ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.3. Cân bằng năng lượng trong MĐĐB - MFĐĐB có MF kích từ nằm cùng trục với rotor: pcơ: tổn hao cơ do ma sát và quạt gió; P1: công suất cơ đưa vào; pf : tổn hao phụ do sóng bậc cao; P2: công suất điện đưa ra; pCu: tổn hao đồng dây quấn stato; Pđt: công suất điện từ; pFe: tổn hao sắt từ bên stato; pt : tổn hao kích từ (điện). 2017 33ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.2. Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 3.2.3. Cân bằng năng lượng trong MĐĐB - ĐCĐĐB có MF kích từ nằm cùng trục với rotor: 2017 34ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tóm tắt Các mục chính đã học buổi trước Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Buổi học này Chương 4 – Máy điện Đồng bộ Các mục sẽ học buổi này Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Chương 5 – Máy điện 1 chiều 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc 2017 35ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB Các đường đặc tính có thể xác định bằng cách đo trực tiếp hoặc dựa vào đồ thị vector. 2017 36ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB 4.1.1. Đặc tính không tải 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng U0 = E = f (It) khi I = 0, f = const EB H It 3405 (mã thép) 3406 EU: - M400-50A - M600-35A - M330-35A 2017 37ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB 4.1.2. Đặc tính ngắn mạch (3 pha) In = I = f (It) khi U = 0, f = const Coi Rư = 0 (vì Rư << Xq, Xd) thì khi ngắn mạch, mạch điện stator là thuần cảm (ψ = (E,I) = 900) , p/ư p/ư là dọc trục khử từ. Xưd XσưEδE I I jXưdI jXσưI E = jXdI - B tuyến tính In It H 2017 38ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB 4.1.3. Đặc tính ngoài U = f(I) khi It, f, cosϕ = const PT cân bằng ĐA: U = E – RưI – jXđbI ; Khi tải ↑, I↑ → RưI ↑, XđbI↑ Mặt khác do p/ư p/ư, khi I↑ → U↑ hoặc ↓ do tính chất của tải: + Tải thuần R → p/ư p/ư ngang trục, E = const → U↓ + Tải thuần L → p/ư p/ư dọc trục khử từ, E↓ → U↓ + Tải thuần C → p/ư p/ư dọc trục trợ từ, E↑ → U↑  Độ biến thiên điện áp ∆U%: ∆U% = 100% E ứng với lúc Itđm không tải ∆U% của MFĐ = 25÷35% do Xd lớn, sụt áp nhiều (∆U% của MBA ≈ 5%). Để ∆U% nhỏ cần sử dụng bộ AVR (automatic voltage regulator) C R L I Uđm Iđm U dmU UE dm − 2017 39ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB 4.1.4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi f = fđm, cosϕ = cosϕđm = const; U = Uđm= const Khi tải thay đổi → I thay đổi → U thay đổi Muốn giữ U = const cần điều chỉnh It Ví dụ: Tải L, khi I↑ → p/ư p/ư ↑ → U↓ Để U = const, cần phải tăng It Thông thường cosϕ = 0,8 (tải cảm) cho nên từ không tải cho đến tải định mức (Ito đến Itđm) It phải tăng khoảng 1,7÷2,2 lần. I It Ito C R L Itđm Iđm 0 2017 40ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 4. Máy điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 4.1. Các đặc tính của MFĐĐB 4.1.5. Đặc tính tải U = f(It) khi f = fđm = const cosϕ = const I = const Ví dụ: Xét U = f(It) khi f = fđm cosϕ = 0 (tải thuần cảm) I = const Cách vẽ U = f(It) từ đặc tính không tải và đặc tính ngắn mạch. ∆ABC : ∆ điện kháng. Dịch chuyển ∆ABC sao cho điểm A chạy trên đường 1, cạnh BC // trục It; → điểm C sẽ vẽ nên đặc tính tải It U 0 U = f(It) Itn đặc tính tải 0 U It I A B C Iđm 1đặc tính không tải 3 2 đặc tính ngắn mạch 2017 41ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.1. Các phương pháp hòa đồng bộ 5.1.1. Tổng quan - Nhiều nhà máy điện làm việc chung trong hệ thống điện . Mỗi nhà máy do điều kiện dự trữ và phát triển nên có nhiều máy phát. - MFĐ làm việc song song đảm bảo các vấn đề: + Kỹ thuật: liên tục cung cấp điện khi có sự cố hoặc sửa chữa. + Kinh tế: tận dụng hợp lý các nguồn năng lượng. - Nếu một hoặc nhiều máy đang làm việc song song, đưa thêm một máy vào làm việc thì gọi là hoà đồng bộ. 2017 42ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.1. Các phương pháp hòa đồng bộ 5.1.2. Điều kiện hòa đồng bộ u uAL ωt uAF uBL uBF uCL uCF ALU& AFU& BFU& BLU& CLU& CFU& Yêu cầu uF = uL (giá trị tức thời) trùng nhau về Cách thức không có dòng điện xung trong hệ thống biên độ UF = UL Điều chỉnh It tần số fF = fL Điều chỉnh nRotor thứ tự pha thứ tự pha giống nhau Thứ tự pha được kiểm tra lần đầu sau khi lắp máy hoặc hoà đồng bộ góc lệch pha và trùng pha Kiểm tra bằng ánh sáng đèn hoặc cột đồng bộ FU& LU& L – lưới điện F – máy phát cần hòa đồng bộ FU& LU& 2017 43ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.1. Các phương pháp hòa đồng bộ 5.1.1. Phương pháp hòa đồng bộ a) Hòa chính xác: đủ 4 điều kiện mới cho hòa ĐB *Dùng đèn tối sáng 1. Điều chỉnh UF = UL 2. Phải điều chỉnh cho thời gian đèn sáng - tắt chậm 3-5 giây 3. Thứ tự pha (đã biết) 4. Lúc đèn tắt hẳn, đóng cầu dao hoà đồng bộ Đang làm việc Cần hoà đồng bộ MF MF A B C 1 2 3 ALU& AFU& BFU& BLU& CLU& CFU& 1 3 2017 44ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.1. Các phương pháp hòa đồng bộ 5.1.1. Phương pháp hòa đồng bộ a) Hòa chính xác: đủ 4 điều kiện mới cho hòa ĐB *Dùng áng sáng đèn quay 1. Điều chỉnh UF = UL 2. Các đèn lần lượt tắt, sáng và có ánh sáng đèn quay; điều chỉnh sao cho ánh sáng quay thật chậm 3. Đợi đèn 1 tắt, đèn 2, 3 sáng đều nhau thì đóng cầu dao hoà đồng bộ *Cột đồng hồ Đang làm việc Cần hoà đồng bộ MF MF A B C 1 2 3 A B C ALU& AFU& BFU& BLU& CLU& CFU& 2 3 1 1 2 3 1 2 3 2 1 3 b) Hoà không chính xác (tự đồng bộ) Phương pháp này không kiểm tra điều kiện tần số, trị số và góc pha điện áp. Quay MF chưa được kích từ lên tới tốc độ n = nđồngbộ . Đóng cầu dao hoà đồng bộ và nhanh chóng kích từ cho MF. Tương tác giữa Φt và Φư sẽ sinh ra mômen đồng bộ Mđb và kéo MF vào làm việc đồng bộ. 2017 45ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5.2. Đặc tính góc 5.2.1. Đặc tính góc công suất tác dụng 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song P = f(θ) qI r dI r ψ I r oE ur ϕ θ q qjI X− r d djI X− r U ur P = mUIcosϕ ϕ = ψ - θ P = mU[ Icosψcosθ+ Isinψsinθ] Iq Id q q UsinI X θ = a. Máy cực lồi o d d E UcosI X − θ = o q d E UcosUsinP mU[ cos sin ] X X − θθ = θ + θ o d mUEP sin X = θ 2mU 2 + q d 1 1( )sin 2 X X − θ 2017 46ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ V. Đặc tính góc công suất -0 .0 1 -0 .0 0 8 -0 .0 0 6 -0 . 0 0 4 -0 .0 0 2 0 0 . 0 0 2 0 .0 0 4 0 .0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 -1 .5 -1 -0 .5 0 0 .5 1 1 .5 θ PP = Pe+ Pu = f(θ) o e d mUEP sin X = θ 2 u q d mU 1 1P [ ]sin 2 2 X X = − θ Pe Pu P MF ĐC Pcơ θlv θlv = 20o ÷ 30o với tải đm b. Máy cực ẩn Vì δd = δq = δ Xd = Xq = Xđb P = Pe o db mUE sin X = θ 2017 47ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.2.2. Đặc tính góc công suất phản kháng Q = f(θ) Nếu bỏ qua ∆P1 => P = Pđt 2 o dt d q d mUE mU 1 1M sin [ ]sin 2 X 2 X X = θ + − θ ω ω Q = mUIsinϕ ϕ = ψ - θ Q = mU[ Isinψcosθ- Icosψsinθ] 32 1 0 4 9090 00 θ θ θ Q ĐCĐ MFĐ ) X 1 X 1( 2 mU) X 1 X 1( cos2θ 2 mU cosθ X mUE dq 2 dq 2 d +−−+Q = • Đoạn 1: Q < 0, ĐCĐB tiêu thụ Q từ lưới điện. • Đoạn 2: Q > 0, ĐCĐB phát Q vào lưới (máy bù đồng bộ). • Đoạn 3: Q > 0, MFĐB phát Q vào lưới. • Đoạn 4: Q < 0, MFĐB tiêu thụ Q từ lưới. 2017 48ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB Q Q’ P ϕ’ S’ S ϕ 93 *Công suất vs beer! - P cung cấp năng lượng cho + Các thiết bị chiếu sáng (điện năng → quang năng, nhiệt năng) + Động cơ (điện năng → cơ năng). - Q tạo ra từ trường quay, động cơ (Fđt = Bil) Cách gọi: P là công suất tác dụng (hiệu dụng, hữu công) Q là công suất phản kháng (không hiệu dụng, vô công) S là công suất toàn phần (biểu kiến) ĐC nhận công suất: P + jQ, tương ứng với cosϕ. ↑cosϕ = P/S (csϕ → cosϕ’) nghĩa là ↓ Q (Q → Q’) và giữ nguyên P =const Đơn vị P: W Q: VAr S: VA Lý do điều chỉnh công suất: khi tải thay đổi hoặc khi chuyển tải từ máy phát 2017 49ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB 5.3.1. Điều chỉnh P A, B: 2 điểm làm việc của máy khi Pđiện = Pcơ. Tại A: Nếu ↑ Pcơ thành Pcơ+ ∆P > Pđiện thì nrôto↑ → θ↑. Sau đó Pcơ + ∆P ↓ về Pcơ thì Pđiện + ∆P > Pcơ, rôto bị ghìm lại, nrôto↓, θ’ sẽ trở lại θ ban đầu → A là điểm làm việc ổn định. Tại B: Nếu ↓ Pcơ thành Pcơ - ∆P, θ sẽ thay đổi thành θ’. Sau đó Pcơ - ∆P ↑ về Pcơ → Pđiện - ∆P < Pcơ → nrôto ↑, θ↑ → mất đồng bộ → B là điểm làm việc không ổn định. A Pcơ 0 90 1800 0 B P θ ∆P Pcb Pđiện n θ θ’ ∆P 2017 50ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB 5.3.2. Điều chỉnh Q a, MF làm việc với lưới công suất vô cùng lớn: U = const, f = const. Để điều chỉnh Q = mUIsinϕ cần điều chỉnh Isinϕ Điều chỉnh Q nhưng giữ P = const = mUIcosϕ → Icosϕ = const Esinθ = const θ ϕ a b b' a' jXđbI Tải điện cảmE & U& I& *Kết luận: muốn điều chỉnh Q cần phải điều chỉnh It Điều chỉnh Q khi: - Tải thay đổi. - Chế độ vận hànhtải thay đổi. 95 2017 51ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB 5.3.2. Điều chỉnh Q a, MF làm việc với lưới công suất vô cùng lớn: U = const, f = const. Để điều chỉnh Q = mUIsinϕ cần điều chỉnh Isinϕ Điều chỉnh Q nhưng giữ P = const = mUIcosϕ → Icosϕ = const 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song o dbU E jI X • • • = +P = mUIcosϕ = const I r nchạy trên n o db mUEP sin X = θ = const const oE ur chạy trên m m θ I r U ur ϕ oE ur dbjI X r A B C D = const = const *Kết luận: muốn điều chỉnh Q cần phải điều chỉnh It Điều chỉnh Q khi: - Tải thay đổi. - Chế độ vận hànhtải thay đổi. 2017 52ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ đồng bộ làm việc song song 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB 5.3.2. Điều chỉnh Q a, MF làm việc với lưới công suất vô cùng lớn: U = const, f = const. Để điều chỉnh Q = mUIsinϕ cần điều chỉnh Isinϕ Điều chỉnh Q nhưng giữ P = const = mUIcosϕ → Icosϕ = const Esinθ = const θ ϕ a b b' a' jXđbI Tải điện cảmE & U& I& *Kết luận: muốn điều chỉnh Q cần phải điều chỉnh It Điều chỉnh Q khi: - Tải thay đổi. - Chế độ vận hànhtải thay đổi. 95 2017 53ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5. Máy điện đồng bộ làm việc song song 5.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng MFĐĐB 5.3.2. Điều chỉnh Q I It It0 A B ϕ = 0 (tải trở) ϕ > 0 (tải cảm) ϕ < 0 (tải dung) Đặc tính điều chỉnh It = f(I) q quá kích từ thiếu kích từ I B A q n It m (ϕ =0) P*=0,5 P*=1 P*=1,5 Đặc tính hình V Tải cảm Tải dung E > U E < U p/ư p/ư khử từ p/ư p/ư trợ từ It > Itđm It < Itđm MF làm việc ở chế độ quá kích từ MF làm việc ở chế độ thiếu kích từ MF phát P, phát Q. MF phát P, nhận Q It quay xung quanh It0 từ AB (ϕ = - 900) tới Aq (ϕ = 900) AB – tải thuần cảm; Aq – tải thuần dung BAq là hàm I = f(It) khi P* = 0 (P* = P/Pđm) Am - ứng với ϕ = 0 Bn - giới hạn làm việc ổn định của MFĐ. Am - đi qua điểm cực tiểu của I = f(It) ứng với các P*. Bên phải Am: quá kích từ (tải cảm) Bên trái Am: thiếu kích từ (tải dung) *Đặc tính hình V: I = f(It) khi P = const. 2017 54ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 6. Động cơ điện đồng bộ * Mở máy động cơ đồng bộ Bên stator có từ trường quay, tượng trưng bằng cặp cực N,S. Rôto có N, S. Hai cực N và S của stato và rôto trái dấu hút nhau. → Để mở máy ĐCĐB cần tạo ra tốc độ ban đầu n ≈ n1 PP mở máy: • Rotor có thêm lồng sóc • Sử dụng động cơ phụ trợ • Biến tần So sánh động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ Động cơ KĐB Động cơ ĐB Cấu tạo Đơn giản, giá thành hạ Phức tạp, giá thành đắt, cần nguồn một chiều cosϕ Thấp (<1) Lấy Q từ nguồn Cao (có thể =1) Không cần Q từ nguồn Mômen ~ U2 (khả năng kéo tải kém hơn) ~ U η Thấp Cao Mở máy Đơn giản Phức tạp Điều chỉnh tốc độ f, p, U f Đặc tính điều chỉnh - Điều chỉnh fp, phát Q vào lưới S N S N n1 n dq mở máy dạng lồng sóc 2017 55ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VII. Động cơ đồng bộ n m θ I r U ur ϕ oE ur dbjIX r O d 1. Thiếu kích từ: chậm sau ϕ > 0, Q = Ptgϕ >0 Động cơ nhận Q từ lưới điện  Tính chất điện cảm I r U ur 2. Q = 0:  Tính chất điện trở 2I r U ur trùng pha ϕ = 0 Q = Ptgϕ = 0 Động cơ không nhận Q từ -lưới điện 2 dbjI X r o3E ur o2E ur ktI r 2I r 3. Quá kích từ ktI r 3 dbjI X r 3I r ϕ < 0 Q = Ptgϕ < 0  Tính chất điện dung: phát Q về l-ưới Thiếu kích từ Quá kích từ 2I r U ur sớm pha o2E ur  o3E ur  2017 56ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tóm tắt Các mục chính đã học buổi trước Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Buổi học này Chương 4 – Máy điện Đồng bộ Các mục sẽ học buổi này Chương 4 – Máy điện Đồng bộ 1. Khái niệm chung & cấu tạo máy điện ĐB 2. Từ trường trong MĐ đồng bộ 3. Quan hệ điện từ trong MĐ ĐB 4. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng 5. Máy phát điện đồng bộ làm việc với tải song song 6. Động cơ điện đồng bộ Chương 5 – Máy điện 1 chiều 1. Tổng quan về máy điện 1 chiều 2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 2017 57ĐHBK HN / Viện Điện / BM TBĐ-ĐT / TTV Chương 4 – MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tổng kết Các mục chính đã học buổi hôm nay Chương 4 – Máy điện Đồng bộ I. Khái niệm chung II. Cấu tạo III. Nguyên lý làm việc của máy phát ĐB 3 pha IV. Từ trường và phản ứng phần ứng V. Phương trình cân băng điện áp và đồ thị vector VI. Đặc tính góc VII. Đặc tính làm việc VIII. Động cơ đồng bộ Buổi học tới Chương 5 – Máy điện Một chiều Các mục sẽ học buổi tới I. Nguyên lý làm việc II. Cấu tạo III. Sức điện động phần ứng và mômen điện từ IV. Tia lửa điện và biện pháp khắc phục V. Phân loại VI. Máy phát điện một chiều VII. Động cơ điện 1 chiều