Giáo trinh điện máy tập 2 part 2 docx

Sự không sin của BBư còn phụ thuộc vμo tính chất của tải.. 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

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 BBư 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

p

W.k π

2 m.

I.sinψ p

W.k π

2 m.

.sinψ

F

q dq dq

u

p

W.k π

2 m.

I.cosψ p

W.k π

2 m.

.cosψ

F

vμ từ cảm tương ứng

ud μd δ

0

.δ k k

μ

μq δ

0

.δ k k

μ

Thực tế BB

ưd vμ B ưqB 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

B

uqm

uqm uq

B

B

Các hệ số k ưd vμ k ưq phụ thuộc vμo α, δm /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

p

.k W k k

.l 4.m.f.

I

E

x

δ π

τ μ

μ δ

δ

=

uq

2 dq 2

q 0 q

uq

p

.k W k k

.l 4.m.f.

I

E

x

δ π

τ μ

μ δ

δ

=

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:

BB

Chế độ xác lập, máy cực ẩn ta có:

t μ δ

0 t tm t

.δ k k

μ k B

k

μ δ

0 tm

.δ k k

μ B

t

u

k

F

t u

k

1

k =

Với máy cực lồi theo hướng dọc trục:

t μd δ

0 t

tm

t

.δ k k

μ k B

k

μd δ

0 ud

udm ud

.δ k k

μ k B

k

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

d ud t

ud ud

k

k F

F′ = = với k d = k ưd / k t

Cũng vậy, theo hướng ngang trục:

q uq t

uq uq

k

k F

F′ = = với k q = k ưq / k t

Các hệ số k d vμ k q phụ thuộc vμo α, δm /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 + σ u

Đối với động cơ vμ máy bù đồng bộ:

3-2

) jx (r I E

U& = &δ + & u + σ u

Trong đó: U lμ điện áp đầu cực của máy, r ư vμ xσư 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

u

E 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 < 90 0 )

-/ Máy cực ẩn:

Phương trình cân bằng điện áp lμ:

) jx (r I E

E

U& = & + &u ư & u + σ u 3-4

Chương 2 ta đã xác định được

nên

u

u j I x

u db u

σu

u jx ) I r E j I x I r (x

I j.

E

U& = & ư & + ư & = & ư & ư &

3.5

trong đó x đb = x ư + xσư 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 j I&d x ud vμ E&uq = ư j I&q x uq Phương trình cân bằng điện áp có dạng

3.6

u σu uq

ud σu

u uq

ud E I (r x ) E j I x j I x j I x I r 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:

u

x 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

&

&

&

&

&

ư

ư

=

=

ư

ư

=

ư

vμ phương trình điện áp được viết lại:

u q q d d u

σu uq σu

ud

d (x x ) j I (x x ) I r E j I x j I x I r

I

j

E

U& = & ư & + ư & + ư & = & ư & ư & ư & 3.7 Trong đó:

x d = x ưd + xσư gọi lμ điện kháng đồng bộ dọc trục, thường x d = 0,7 - 1,2

x q = x ưq + xσư 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 kμd vμ kμq 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 , xσư 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

u

r

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

0

F&

đm, thường = (5 - 10)%

- Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thμnh lập chính xác đồ thị véc tơ lμ rất khó, vì φd

vμ φq 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 φd vμ φq Để đơn giản ta coi x ưd chỉ phụ thuộc vμo φd vμ x ưq chỉ phụ thuộc vμo φq vμ kμq đã biết Khi

đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir ư

vμ jI.xσư được , hình 3.5a, theo

hướng jI.x

δ

E&

ψ

cos I.xuq E uq

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 Eδd

= OF = MP, lấy MN = F' ưd =

k d F ưd chiếu lên ta được E

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 j I x j I x I r

r

I

E

U& = &δ + & ( + σ ) = & + & + & + & ( + σ ) = & + & + & + & 3.8

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

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 = P 1 - (p cơ + p t + p f ) vμ P 2 = P đt - p cu - p fe

Động cơ: P đt = P 1 - p cu - p fe vμ P 2 = 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

E

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:

x

mU θ sin x

mEU cosθ

θ sin x

mU

P

d 2

d q

2

ư +

=

Hay

)sin2θ x

1 x

1 ( 2

mU sinθ x

mUE

P

d q 2

d

ư +

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

UE m P

db

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

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(Isinψ ψ.cos cosθ θ + Icos + Icosψ ψ.sin sinθ θ) )

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

mU )cos2θ x

1 x

1 ( 2

mU cosθ x

mUE

Q

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 ; xσư

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 kμd =

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

d

x I j

E&0 = + &

Khi ngắn mạch vì từ

thông φδ cần thiết để sinh

ra Eδ = E - Ix ưd = Ixσư 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

I

I t0 ⇒ U 0 = 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