Giới thiệu khái quát về máy phát điện đồng bộ xoay chiều và về hệ thống kích từ

Giới thiệu kháI quát về máy phát điện đồng bộ xoay chiều& về hệ thống kích từ . I. Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay chiều: I.1 Định nghĩa: Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ tr•ờng n1 gọi là máy phát điện đồng bộ. ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. I.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ Cấu tạo máy phát điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là xtato và rôto. Trên hình I-1 vẽ mặt cắt ngang trục máy. Trong đó 1: lá thép xtato; 2: dây quấn xtato; 3: lá thép rôto; 4: dây quấn rôto. Xtato và Roto của máy đồng bộ cực ẩn. Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi. I.3 Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ Cho dòng điện kích từ (dòng điện một chiều) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ tr•ờng rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ tr•ờng của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng xtato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là: Eo = 4,44fW1kgqo Trong đó: Eo , w1, kdq, o : Sức điện động pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ roto. Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay đ•ợc một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của rôto là n (v/s), tần số f của sđđ sẽ là: f = p.n Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện, cho nên sđđ các pha lệch nhau góc pha 1200. Khi dây quấn stato nối với tải, trong các sẽ có dòng điện ba pha. Giống nh• ở máy phát điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ tr•ờng quay, với tốc độ là n1 = 60f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto. Do đó kiểu máy điện này là máy điện đồng bộ. I.4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ Khi máy phát điện làm việc, từ tr•ờng của cực từ rôto 0 cắt dây quấn stato cảm ứng ra sđđ E0 chậm pha so với từ thông 0 góc 900 (hình A-4a). Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây quấn stato tạo nên từ tr•ờng quay gọi là từ tr•ờng phần ứng  quay đồng bộ với từ tr•ờng của cực từ 0. Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của tải quyết định. Eo =900 o I N  S b) =900 Eo I  o 90o N S a) =00 Hình I-4a:pha  = 0, E0 và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ tr•ờng phần ứng  cùng pha với dòng điện. Tác dụng của từ tr•ờng phần ứng  lên từ tr•ờng cực từ 0 theo h•ớng ngang trục, làm méo từ tr•ờng cực từ, ta gọi phản ứng phần ứng ngang trục. Tr•ờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha  = 900, dòng điện I sinh ra từ tr•ờng phần ứng  ng•ợc chiều với 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ tr•ờng tổng. Tr•ờng hợp tải thuần dung  = -900(hìnhI-4c) dòng điện sinh ra từ tr•ờng phần ứng , cùng chiều với 0, ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làmg tăng từ tr•ờng tổng. Tr•ờng hợp tải bất kỳ (hìnhI-4d) ta phân tích dòng điện I làm 2 thành phần : thành phần dọc trục Id = Isin và thành phần ngang trục Iq = Icos, dòng điện I sinh ra từ tr•ờng phần ứng vừa có tính chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ hoặc khử từ tuỳ theotính chất của tải có tính chất điện cảm hoặc có tính chất điện dung. I.5 Ph•ơng trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi Khi máy phát điện làm việc, từ tr•ờng cực từ 0 sinh ra sđđ E0 ở dây quấn stato.Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải. Ta có ph•ơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi: U = E0 - jidX•d - jidXt - jidX•q - jiqXt = E0 – jid(X•d + Xt) – jiq(X•q + Xt) Gọi X•q + Xt = Xd là điện kháng đồng bộ dọc trục. X•q + Xt = Xq là điện kháng đồng bộ ngang trục, ta có thể viết gọn lại; U = E0 – jidXd - jiqXq Ph•ơng trình trên t•ơng ứng với đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha điện áp U và sđđ E0 do tải quyết định. Đối với máyphát cực ẩn là tr•ờng hợp đặc biệt của cực lồi Xđb = Xđ = Xq gọi là điện kháng đồng bộ Xđb thì ph•ơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn có thể viết : U = E0 – jiXđb đồ thị vectơ của nó đ•ợc vẽ trên hình I-5b I.6 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi I.6.1 Công suất tác dụng: A E0 jIXdb B C I    0 (b) E0 jIdXd JiqXq U  Iq I   0 Id (a) Hình I-5 Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là: P = mUIcos Trong đó m là số pha.Theo đồ thị vectơ hình I-5a ta thấy  =  -  do đó: Ta có công suất điện từ: Pđt =      2sin x 1 x 1 2 U msin X E mU dq 2 d 0 Ta nhận thấy công suất điện từ gồm hai thành phần(hìnhI-6) Thành phần sin X mUE d 0 do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin . Đó là thành phần công suất chủ yếu của máy phát. Thành phần      2sin x 1 x 1 2 mU dq 2 , không phụ thuộc vào dòng điệnkích từ và chỉ xuất hiện khi xd  xq. Đối với máy cực ẩn Xd = Xq thành phần này bằng không. Đặc tính P = f() gọi là đặc tính góc công suất. Máy phát làm việc ổn định khi  trong khoảng 0  /2; khi tải Pđt Pđt sin Xd UE m 0 0 900 1800   2sin) Xd 1 Xq 1 ( 2 U m 2 Hình I-6 định mức  = 200  300. Điều chỉnh công suất tác dụng. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp (tuabin hơi hoặc tuabin khí v.v...) I.6.2 Công suất phản kháng: Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là: Q = mUIsin = mUIsin(-) = m[UIsin cos - UIcossin] db 2 db 0 X mU X cosmUE Q  Điều chỉnh công suất phản kháng. Từ biểu thức công suát phản kháng trên db 0 X )UcosE(mU Q  Giữ U, f và P không đổi thì: Khi Q < 0 (E0cos <U) nghĩa là máy không phát công suất phản kháng, mà nhận công suất phản kháng của l•ới điện để tạo ra từ tr•ờng, máy thiếu kích từ. Khi Q > 0 (E0cos > U) máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích từ. Nhìn các công thức trên, muốn thay đổi công suất phản kháng, phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn tăng công suất phản kháng phát ra, phải tăng kích từ. I.7 Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh I.7.1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ: Đặc tính ngoài của máy phát điện là quan hệ điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cost = const) tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi. Từ ph•ơng trình cân bằng điện áp (I-5), ta vẽ đồ thị vectơ máy phát ứng với các loại tải khác nhau. Ta thấy khi tải tăng, đối với tải cảm và trở, điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với tải dung điện áp tăng. Bằng đồ thị ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc vào dòng điện và đặc tính của tải. U U0 Uđm 0 Iđm U tải R-C U0 Tải R-L 0 I Iđm Hình I-7 (a) (b) Hình I-7a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi Ikt = const(E0 = const) và cost không đổi, ứng với các hệ số công suất khác nhau. Khi tải có tính chất cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở. Để giữ điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E0 bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ vẽ trên hình I-7b. Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải xác định nh• sau: %100 U mU U UU %U dm dm db dm0  Độ biến thiên điện áp U của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ Xđb khá lớn. I.7.2 Đặc tính điều chỉnh: Đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi: U = Uđm = const. Hình I-7.c vẽ đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ với các hệ số công suất khác nhau. Đ•ờng đặc tính điều chỉnh cho biết h•ớng điều chỉnh ikt của máy phát đồng bộ để giữ điện áp U ở đầu máy phát không đổi. Ví dụ, tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng Ikt I Iktđm cos=0,8 cos=1 cos=-0,8 Hình I-7.c dẫn đến U giảm. Để giữ cho U = const phải tăng ikt . Ng•ợc lại ở tải có tính dung khi I tăng muốn U = const ta phải giảm ikt . I.7.3 Đặc tính tải Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu cực máy phát với dòng kích từ khi dòng điện tải I = const, cos=const và f = fđm . Với các trị số khác nhau của I và cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau. Hình I-8 trình bày các đ•ờng đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải I của máy phát đồng bộ. U Ikt I = 0 I = Iđm Hình I-8