Chương 22: Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng docx

Đại cương Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng được thể hiện rõ ràng qua các đại lượng như điện áp U ở đầu dây quấn phần ứng, dòng điện I trong dây quấn phần ứng, dò

Hình 22-1: Sơ đồ nối dây xác định đặc tính của máy phát điện đồng bộ

V

D2

A

i t

r t

D 1 +

-

A

Z

W

Chương 22

Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng

22-1 Đại cương

Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng được thể hiện rõ ràng qua các đại lượng như điện áp U ở đầu dây quấn phần ứng, dòng điện I trong dây quấn phần ứng, dòng kích thích it, hệ số công suất cosϕ, tần số hoặc tốc độ quay n Trừ tần

số f luôn được giữ bằng định mức fđm và cosϕ = const do tải bên ngoài quyết định, từ

ba đại lượng U, I, it còn lại ta có thể thành lập được các đặc tính sau đây của máy phát

điện đồng bộ:

1 Đặc tính không tải U0 = E = f(it) khi I = 0; f = fđm

2 Đặc tính ngắn mạch In = f(it) khi U = 0; f = fđm

3 Đặc tính ngoài U = f(I) khi it = const; cosϕ = const; f = fđm

4 Đặc tính điều chỉnh it = f(I) khi U = const; cosϕ = const; f = fđm

5 Đặc tính tải U = f(it) khi I = const; cosϕ = const; f = fđm Các đặc tính trên có thể thành lập được theo tính toán dựa vào đồ thị vectơ s.đ.đ hoặc bằng cách làm thí nghiệm trực tiếp Từ các đặc tính trên có thể suy ra các tính chất quan trọng của các máy như tỷ số ngắn mạch K; độ thay đổi điện áp ∆U Cũng từ các đặc tính trên chúng ta có thể suy ra được các tham số xd, xq, xσư của máy Ngoài ra còn phân tích về vấn đề hiệu suất của máy phát điện đồng bộ

22-2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Sơ đồ nối dây của máy phát điện đồng bộ để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ được trình bày trên hình 22-1 Tải của máy phát điện đồng bộ

là tổng trở Z có thể biến đổi (ví dụ tải điện trở ba pha ghép song song với tải điện cảm

ba pha) Dòng điện kích thích it của máy phát điện lấy từ nguồn bên ngoài và điều chỉnh được nhờ biến trở rt

22.2.1 Đặc tính không tải

Đặc tính không tải là quan hệ E = U0 = f(it) khi I = 0 và f = fđm

d x I j

E& = &

E&

ud x I

j &

u x I

j&σ

I&

a)

E&

I&

xσư

xưd

b) Hình 22-3 Đồ thị véctơ và mạch điện thay thế của máy phát điện đồng bộ lúc ngắn mạch

Hình 22-2 Đặc tính không tải của máy phát tuabin hơi (a) và máy phát tua bin nước (b)

E *

i t*

0,8 0,4 1,2

b a

0

Hình 22-4 Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ

I

it

I = f(it)

Dạng đặc tính không tải của các máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác

nhau không nhiều và có thể biểu thị theo

đơn vị tương đối E* = E/ Eđm và it* = it/itđm0

như trên hình 22-2, trong đó itđm0 là dòng

điện kích từ để khi không tải khi U0 = Uđm

Ta chú ý rằng, mạch từ của máy phát điện

tuabin hơi boã hoà hơn mạch từ của máy

phát điện tuabin nước

Khi E = Eđm = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi kàd = kà = 1,2 còn đối với máy

phát điện tuabin nước kàd = 1,06

22.2.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(it) khi U = 0; f = fđm

Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng (rư = 0) thì mạch điện dây quấn phần ứng là thuần cảm (Ψ = 900), như vậy Iq = I.cosΨ = 0 và Id = I.sinΨ = I, đồ thị véctơ của máy phát điện lúc đó như trên hình 22-3a Theo phương trình (21-8), ta có:

E& = j I&x d (22-1)

và mạch điện thay thế như trên hình

22-3b

Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng

là khử từ, mạch từ của máy không bão

hoà vì từ thông khe hở Φδ cần thiết để

sinh ra Eδ = E - Ixưd = Ixσư rất nhỏ, do

đó quan hệ In = f(it) là đường thẳng như

trên hình 22-4

Tỷ số ngắn mạch

Tỷ số ngắn mạch K theo định nghĩa

là tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch In0

ứng với dòng điện kích thích để sinh ra

s.đ.đ E = Uđm khi không tải với dòng

điện định mức Iđm, nghĩa là:

dm

n I

I

K = 0 (22-2) Theo định nghĩa đó, từ hình 22-5 ta có:

d

dm n

x

U

I 0 = (22-3) trong đó: xd - trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ

dọc trục ứng với E = Uđm

Thay trị số In0 theo (22-3) vào (22-2), ta có:

A /

B /

B

In0

Iđm

i t

i tn

i t0

U, I

U đm

Hình 22-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K

cosϕ = 1

cosϕ = 0,8(điện dung)

cosϕ = 0,8(điện cảm)

∆ Uđm

Uđm

U

Iđm I 0

Hình 22-6 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

*

1

d dm d

dm x I x

U

K = = (22-4) Thường xd* > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập In0 < Iđm Vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn Sở

dĩ như vậy là do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng

Từ hình 22-5, dựa vào các tam giác đồng dạng OAA, và OBB, có thể biểu thị tỷ số ngắn mạch K theo các dòng điện kích thích như sau:

tn t dm

n i

i I

I

K = 0 = 0 (22-5) trong đó: it0 - dòng điện kích thích khi không tải lúc U0 = Uđm,

itn - dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = Iđm

Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ

Máy có K lớn có ưu điểm cho độ thay

đổi điện áp ∆U nhỏ và theo biểu thức (21-12) sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động Nhưng muốn K lớn nghĩa là

xd* nhỏ thì phải tăng khe hở không khí

δ và như vậy đòi hỏi phải tăng cường dây quấn kích thích, tương ứng phải tăng kích thước máy Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao

Thông thường đối với máy phát tuabin nước K = 0,8 ữ 1,8, còn đối với máy tuabin hơi K = 0,5 ữ 1,0

22.2.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp ∆U đm của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi it = const; cosϕ = const và f = fđm Nó cho thấy lúc giữ kích thích không đổi, điện áp của máy thay đổi thế nào theo tải Khi lấy

đặc tính ngoài, phải thay đổi tải z trên hình 22-1 sao cho cosϕ = const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải z Dạng của các đặc tính ngoài ứng với các tính chất khác nhau của tải được trình bày trên hình 22-6 Chú ý rằng, trong mỗi trường hợp phải

điều chỉnh dòng điện kích thích it sao cho khi I = Iđm có U = Uđm, sau đó giữ nó không

đổi khi thay đổi tải Dòng điện it ứng với U =

Uđm; I = Iđm; cosϕ = cosϕđm; f = fđm được gọi

là dòng điện từ hoá định mức

Từ hình 22-6 ta thấy dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải Nếu tải có tính cảm, khi I tăng, phản ứng phần ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm

và đường biểu diễn đi xuống Ngược lại nếu tải có tính dung, khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên

i t

i t0

đm

cosϕ = 0,8 (điện cảm)

cosϕ = 0,8 (điện dung) cosϕ = 1

Hình 22-7 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Độ thay đổi điện áp định mức ∆Uđm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là

sự thay đổi điện áp của máy phát khi tải thay đổi từ định mức với cosϕđm đến không tải, trong điều kiện dòng kích thích không đổi Trị số của ∆Uđm thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là:

% 100

dm

dm dm

U

U E

∆ (22-6)

Máy phát điện tubin hơi do có xd lớn nên ∆U(1) lớn hơn so với máy phát tuabin nước Thông thường ∆U% = 25 ữ 35%

Trị số ∆U của máy phát điện có thể xác định được bằng thí nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo Lúc thiết kế, để tính được ∆U có thể dựa vào cách vẽ đồ thị véctơ như

đã trình bày trên các hình 21-1 và 21-4

22.2.4 Đặc tính điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh là quan hệ it = f(I) khi U = const; cosϕ = const; f = fđm Nó cho

biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện kích

thích it của máy phát đồng bộ để giữ cho

điện áp U ở đầu máy không đổi Khi làm thí

nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh theo sơ đồ

hình 22-1, phải thay đổi tải z và đồng thời

thay đổi it để có cosϕ = const và U = const

Dạng của đặc tính điều chỉnh ở các trị số

cosϕ khác nhau như trên hình 22-7 Ta thấy

với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của

phản ứng phần ứng cũng tăng làm cho U bị

giảm Để giữ cho U không đổi phải tăng

dòng điện kích thích it Ngược lại, ở tải dung khi tăng I, muốn giữ cho U không đổi phải giảm dòng kích thích it Thông thường cosϕđm = 0,8 (thuần cảm), nên từ không tải (U = Uđm; I = 0) đến tải định mức (U = Uđm; I = Iđm) phải tăng dòng điện kích thích it khoảng 1,7 ữ 2,2 lần

22.2.5 Đặc tính tải

Đặc tính tải là quan hệ U = f(it) khi I = const, cosϕ = const và f = fđm

Với các trị số khác nhau của I và

cosϕ sẽ có các đặc tính tải khác

nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc

tính tải thuần cảm ứng với cosϕ = 0

(ϕ = π/2) và I = Iđm Để có đặc tính

đó phải điều chỉnh rt và z ở trên hình

22-1 (khi đó phải có cuộn cảm có thể

điều chỉnh được) sao cho I = Iđm

Dạng của đặc tính tải thuần cảm như

đường 3 trên hình 22-8 Đồ thị véctơ

tương ứng với chế độ làm việc đó khi

bỏ qua rư như trên hình 22-9

(1) Thường để đơn giản, đôi khi không dùng ký hiệu ″ đm”

Hình 22-8 Xác định đặc tính tải thuần cảm

từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng

U, I

E δ

A"

O' B' O" B" C"

x б ư Iđm

K ưđ F ưđ

Iđm

A

M A'

C'

1

3

2

I=I đ m

I = 0

i t

E0

I

jx ud &

−

I

jx u &

σ

−

U&

I&

Hình 22-9 Đồ thị véctơ s.đ.đ của máy điện đồng bộ ở tải thuần cảm

Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng như sau:

Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 trên hình 22-8), để có trị số In = Iđm, dòng điện kích thích itn hoặc s.t.đ Ftn cần thiết bằng Ftn≡ itn = OC Như đã biết (xem mục 22.2.2), khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch, s.t.đ của cực từ Ftn = OC gồm hai thành phần: một phần để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ Eưd, đó là BC = kưd.Fưd; phần còn lại

OB = OC - BC sẽ sinh ra s.đ.đ tản từ Eσư = Iđm.xσư = AB Điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải (đường 1) vì lúc đó mạch từ không bão hoà Tam giác ABC

được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dòng điện tải định mức Iđm

Dưới đây trình bày cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác

điện kháng

Đem tịnh tiến tam giác ABC (hoặc tam giác OAC) sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm (đường 3) Nếu các cạnh của tam giác điện kháng được vẽ tỷ lệ với dòng điện tải I = Iđm thì

đặc tính tải U = f(it) thuần cảm trên là ứng với I

= Iđm Để chứng minh ta cần chú ý rằng, ở hai trường hợp ngắn mạch I = Iđm và tải thuần cảm với I = Iđm, s.đ.đ Eσư và phản ứng phần ứng khử

từ Fưd không thay đổi, do đó các cạnh của tam giác điện kháng AB = Eσư và BC = kưd.Fưd đều không đổi Như vậy với một s.t.đ tuỳ ý của cực từ F0 = OP, lúc không tải điện áp đầu cực máy là U0 = E = PM, còn khi có tải thuần cảm I = Iđm thì điện áp đầu cực máy U = PC’ Sở dĩ như vậy vì lúc có tải thuần cảm như trên, s.t.đ có hiệu lực chỉ bằng OQ (OQ = OP - PQ, trong đó PQ = B’C’ = BC

là phản ứng khử từ của phần ứng) và s.đ.đ Eδ = QA’ Kết quả là:

U = Eδ - Eσư = QA’ – A’B’ = QA’ - AB = QB’ = PC’ Trên thực tế do ảnh hưởng của bão hoà mạch từ, đặc tính tải thuần cảm có được bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và có dạng như đường nét đứt Nguyên nhân của

sự sai khác đó là do khi dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hoà, từ thông tản của dây quấn kích từ tăng, do đó s.t.đ của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn

22-3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ

Trong chương 20 và 21 đã nêu lên phương pháp tính toán các tham số xd, xq, xσư của máy điện đồng bộ Trong bài này sẽ trình bày cách xác định các tham số đó từ các

đặc tính của máy Cũng có thể xác định các tham số đó bằng thí nghiệm trực tiếp

22.3.1 Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục

Các trị số của điện kháng đồng bộ dọc trục bão hoà xd và không bão hoà xd∞ được suy ra từ các đường đặc tính không tải E = f(it) và đặc tính ngắn mạch In = f(it) như trên

D

C

B

A

1

2

3

E

I

x d

x ∞ d

E E

i t

Hình 22-10 Xác định điện kháng đồng bộ dọc trục

hình 22-10 Vì khi ngắn mạch theo đồ thị véctơ trên hình 22-3, xd = E/In nên ứng với mỗi trị số của it, từ đặc tính không tải (đường 1) và ngắn mạch (đường 2) sẽ có trị số của xd bão hoà tương ứng:

AB

AC I

E x n

d = = (22-7) Quan hệ xd = f(it) có dạng như đường 3 trên hình 22-10

Khi mạch từ không bão hào, quan hệ E = f(it) là đường thẳng, trị số của xd không bão hoà xd∞ là không đổi và được xác định bởi tỷ số:

AB

AD I

E x

n

∞ (22-8)

Vì k d

E

E à

=

nên

d

d d k

x x à

∞

= (22-9)

Điện kháng đồng bộ ngang trục xq tương ứng với từ thông của phản ứng phần ứng ngang

trục và từ thông tản của dây quấn phần ứng

Trong máy điện đồng bộ cực lồi, vì theo hướng

ngang trục khe hở lớn, từ trở hướng ngang trục

lớn, do đó mạch từ không bão hoà nên điện

kháng đồng bộ ngang trục có trị số không đổi

và bằng xq≈ 0,6xd Đối với máy đồng bộ cực ẩn

thì xq = xd = xdb

22.3.2 Điện kháng tản x σ ư

Với cách suy ra đặc tính tải thuần cảm (đường 3 trên hình 22-8) bằng tam giác điện kháng và đặc tính không tải, thì nếu từ một điểm C’ bất kỳ trên đặc tính tải thuần cảm

đó vẽ O’C’ = OC song song với trục ngang, sau đó qua O’ vẽ đường thẳng song song với OA cắt đặc tính không tải (đường 1) ở A’ rồi hạ đoạn thẳng A’B’ xuống O’C’ ta

được:

I

B A

x u

, ,

=

σ (22-10) Trên thực tế như đã trình bày, đặc tính tải thuần cảm thành lập được bằng thí nghiệm trực tiếp (đường nét đứt trên hình 22-8) có khác so với đặc tính tải thuần cảm suy từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng (đư ờng 3) Vì vậy nếu làm thí nghiệm trực tiếp để có đặc tính tải thuần cảm (đường nét đứt) sau đó từ điểm C’’ trên đường đó lấy đoạn O’’C’’ = O’C’ = OC và tiếp tục như trên ta được:

I

B A

x p

, ,

= (22-11)

ở đây xp được gọi là điện kháng Pôchiê Rõ ràng xp > xσư

Đối với máy đồng bộ cực ẩn xp ≈ (1,05 ữ 1,10)xσư; còn đối với máy đồng bộ cực lồi

xp≈ (1,1 ữ 1,3)xσư

Câu hỏi

1 Cho biết ý nghĩa của tỷ số ngắn mạch K Trị số của nó ảnh hưởng thế nào đến cấu tạo và tính năng của máy điện đồng bộ?

2 ý nghĩa của tam giác điện kháng trong máy điện đồng bộ?

3 Vì sao khi máy điện làm việc bình thường dùng trị số xd bão hoà, còn khi ngắn mạch lại dùng trị số không bão hoà? Tại sao xq chỉ có trị số không bão hoà?

4 Trị số của điện kháng Pôchiê có thay đổi không, vì sao?

Bài tập

Một máy phát đồng bộ cực lồi nối Y có các số liệu sau: Sđm = 25kVA; Uđm = 400V; cosϕđm = 0,8; xσư* = 0,09; rư = 0,21 Ω; điện trở của dây quấn kích từ rt = 1,238 Ω; dòng

điện kích thích it0 = 24 A; tỷ số ngắn mạch K = 0,8 Hãy thành lập đồ thị s.t.đ.đ Pôchiê ứng với tải định mức và qua đó xác định:

a) S.đ.đ E của máy;

b) Độ thay đổi điện áp ∆U%;

c) Dòng điện kích thích định mức itđm; d) Điện áp lúc đó của dây quấn kích thích

Hướng dẫn: Khi thành lập đồ thị s.t.đ.đ Pôchiê có thể dựa vào đường cong không tải cho trên hình 22-2, còn đặc tính ngắn mạch làm cơ sở để suy ra tam giác điện kháng

và trị số kưFư có thể vẽ được dựa vào tỷ số ngắn mạch K