Bài giảng Máy phát điện: Chương 5 và chương 6

Phần 2 bài giảng Máy phát điện gồm chương 5 và chương 6 giới thiệu đến các bạn những nội dung: Máy điện đồng bộ, máy điện một chiều. Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt thông tin chi tiết.

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của hệ thống điện quốc gia

Động cơ điện được sử dụng khi truyền tải điện lớn, còn máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng để bù hệ số công suất và ổn định điện áp

Máy điện đồng bộ là những máy điện xoay chiều có tốc độ roto n bằng tốc độ quay của từ trường n1

Máy điện đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn roto được kích thích bằng dòng điện một chiều

-  Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là các tuốc bin nước, tuốc bin khí, tuốc bin hơi nước vv

-  Công suất của các máy phát có thể đạt đến 600 MVA hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song

-  Ở các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ diezel hoặc các tuabin khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song

-  Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW

-  Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được

sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió vv với tốc độ không đổi

-  Máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho luới điện để bù hệ số công suất và ổn định điện áp

-  Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ làm 2 loại:

+ Máy điện đồng bộ cực ẩn (Non-Salient pole) thích hợp với tốc độ cao (2p = 2)

+ Máy điện đồng bộ cực lồi (Salient pole) thích hợp khi tốc độ thấp (2p = 4)

-  Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ làm 2 loại:

-  Theo chức năng có thể chia máy điện máy điện đồng bộ thành:

+ Máy phát điện đồng bộ:

•  Máy phát turbine hơi có n cao thường được chế tạo cực ẩn có trục máy nằm ngang

•  Máy phát turbine nước: Vì tốc độ thấp, thường chế tạo theo cực lồi

•  Máy phát diezen: Kéo bởi động cơ diezel thường cấu tạo cực lồi

+ Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo cực lồi, để kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ

-  Rotor làm bằng thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành khối trục, gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ

-  Máy có thể được chế tạo với số cực từ 2p = 2 và 2p = 4 nên có tốc độ quay cao

-  Máy đồng bộ hiện đại cực ẩn thường 2p = 2 , D = 1,1-1,15m ; chiều dài tối đa của roto khoảng 6,5m

-  Dây quấn kích từ đặt trong rãnh của roto được chế tạo dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây được cách điện vớí nhau Hai đầu của dây quấn thì đi luồn vào trong trục nối với hai vành trượt và chổi than

-  Stator tương tự như của máy điện không đồng bộ, lõi thép được ép bằng tôn silic

741 dày 0,5 mm có phủ sơn cách điện 2 mặt, dọc theo lõi thép stator từ 3 6 cm có rãnh thông gió ngang trục rộng 10 mm

-  Các cực lồi được chế tạo với số cực 2p = 4

Đường kính roto D có thể lớn tới 15m Chiều

dài l nhỏ lại với tỉ lệ l/D = 0,15 đến 0,2

-  Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi công suất

nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng

thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc

khối hình trụ, trên có đặt các cực từ

-  Cực từ trên lõi thép rotor được ghép bằng các lá

thép dày 11,5 mm, cố định cực từ trên lõi thép

-  Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật, các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào các thân cực

-  Dây quấn cản (trường hợp máy phát điện đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp động cơ điện đồng bộ) được đặt trên các đầu cực Được làm bằng các thanh đồng hoặc nhôm, hai đầu cực được nối bằng hai vòng ngắn mạch Dây quấn mở máy có điện trở lớn hơn dây quấn cản

-  Dây quấn cản mục đích để cản dịu sự dao động của rotor khi có quá trình quá độ

và làm bớt sự không đối xứng của các chế độ làm việc

-  Stator của máy điện đồng bộ cực lồi giống như stator của máy điện cực ẩn

-  Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện diézen, máy phát tuốc bin nước công suất nhỏ

-  Đối với máy phát tuốc bin nước công suất lớn, tốc độ chậm, trục của máy được đặt thẳng đứng

Xem video

-  Stator của máy điện đồng bộ có cấu tạo giống như stator của máy điện không

đồng bộ Dây quấn ba pha của stator cũng có số đôi cực như rotor Stator có

dây quấn gọi là phần ứng

-  Rotor của máy điện đồng bộ có cuộn dây kích từ, được cung cấp dòng điện

một chiều từ nguồn qua 2 vòng tiếp xúc và chổi than Công dụng của cuộn

kích từ là tạo ra trong máy một từ trường sơ cấp Rotor cùng cuộn kích từ gọi

là phần cảm ứng

1 Động cơ sơ cấp (turbine hơi); 2 Dây quấn stato; 3 Rôto của máy phát

Khi rôto quay, từ trường rôto quét qua dây quấn phần ứng stato và

cảm ứng ra sđđ xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

Trong đó: E0 là sđđ pha; N là số vòng dây của một pha; kdq là hệ

số dây qấn; Φ0 từ thông cực từ rôto

Nếu rôto có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sđđ cảm ứng

trong dây quấn stato có tần số là:

Khi dây quấn stato nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện ba pha chạy qua Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, có tốc đô là

Tốc độ rôto n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1, nên gọi là

máy điện đồng bộ

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát điện làm việc, từ thông của

cực từ Φ0 cắt dây quấn stato và cảm ứng

sđđ E0 chậm pha so với từ thông Φ0 góc

900

Dây quấn stato nối với tải nên có dòng

điện I cung cấp cho tải Dòng điện I chạy

trong dây quấn stato tạo nên từ trường

quay phần ứng

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Từ trường phần ứng quay đồng bộ với từ

trường cực từ Φ0 Góc lệch pha giữa E0 và I

do tính chất tải quyết định

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ

trường trường cực từ gọi là phản ứng phần

ứng

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Tải thuần trở:

E0 và I trùng pha nên ψ = 0

Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư

cùng pha với dòng điện

Từ thông phần ứng theo hướng ngang trục,

ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục

Từ thông nầy làm méo từ trường cực từ

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Tải thuần cảm:

E0 và I lệch pha nhau một góc ψ = 900

Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư

ngược chiều với Φ0 ta gọi là phản ứng phần

ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm

từ trường tổng

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Tải thuần dung:

E0 và I lệch pha nhau một góc ψ = - 900

Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư

cùng chiều với Φ0 ta gọi là phản ứng phần

ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ

trường tổng

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Tải hỗn hợp có tính cảm:

E0 và I lệch pha nhau một góc 0 < ψ < π/2

Phân tích dòng điện I làm hai thành phần:

Thành phần dọc trục Id = Isinψ sinh ra từ thông phần ứng dọc trục Φưdcùng chiều với Φ0

Thành phần ngang trục Iq = Icosψ sinh ra từ thông phần ứng ngang trục

Φưq vuông góc với Φ0 ta gọi chung là phản ứng phần ứng ngang trục

Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng bộ

Tải hỗn hợp có tính dung:

E0 và I lệch pha nhau một góc -π/2 < ψ < 0 Gọi là phản ứng phần ứng ngang trục trợ từ

Máy phát điện cực lồi

Khi máy phát điện làm việc từ thông cực từ Φ0 sinh ra sđđ E0 ở dây quấn stato

Khi máy có tải dòng điện I trong dây quấn stato sinh ra từ trường phần ứng Φư Ở máy cực lồi do khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phân tích Φư thành hai thành phần: dọc trục Φưd và ngang trục Φưq

Φưq tạo nên sđđ ngang trục

với Xưq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục

Máy phát điện cực lồi

Dòng điện tải I còn sinh ra từ thông tản của dây quấn stato đặc trưng bởi điện kháng tản Xt không phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục, tương ứng có sđđ tản là:

Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

Máy phát điện cực lồi

Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn phần ứng

trong đó: Xd = Xưd + Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục;

Xq = Xưq + Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục

Máy phát điện cực lồi

Góc lệch pha giữa sđđ E0 và điện áp U gọi là góc công suất θ, do phụ tải quyết định

Máy phát điện cực ẩn

Máy phát đồng bộ cực ẩn là trường

hợp đặc biệt của máy phát cực lồi,

trong đó Xđb = Xd = Xq, gọi là điện

kháng đồng bộ

Phương trình điện áp của máy phát

điện cực ẩn có thể viết:

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ-θ) = mUIcosψ.cosθ + mUIsinψ.sinθ = mUIq.cosθ + mUId.sinθ

với Icosψ = Iq và Isinψ = Id

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

Công suất tác dụng

1.  Máy phát cực lồi

Vậy:

Do:

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

Công suất tác dụng

1.  Máy phát cực lồi

Thành phần

do dòng điện kích từ tạo nên tỉ lệ với sinθ

Là thành phần công suất chủ yếu của máy

phát

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

Công suất tác dụng

1.  Máy phát cực lồi

Thành phần

không phụ thuộc vào dòng điện kích từ và

chỉ xuất hiện khi Xq ≠ Xd

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

Công suất tác dụng

1.  Máy phát cực lồi

Do đó người ta chế tạo động cơ điện đồng bộ với rôto có khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau mà không cần dòng điện kích từ, do ảnh hưởng của thành phần công suất nầy cũng tạo nên được mômen quay, đó là nguyên lý của động cơ điện phản kháng

Đặc tính P = f(θ) là đặc tính góc công suất

Máy phát làm việc ổn định khi θ trong khoảng ( )

khi tải định mức

Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

VÍ DỤ:

Máy điện đồng bộ ba pha cực ẩn 5kVA, 208V, 4 cực từ, 60Hz, nối Y có điện trở dây quấn stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ 8Ω/pha Máy làm việc ở chế độ máy phát nối vào lưới có 208V, 60Hz

a Xác định sđđ kích thích và góc công suất khi máy làm việc đầy tải có hệ số công suất 0,8 (R-L) Vẽ đồ thị vector trong trường hợp này

b Với dòng điện kích thích của câu (a), công suất động cơ sơ cấp giảm chậm Tìm giá trị tương ứng của dòng điện stator, hệ số công suất và công suất phản kháng trong điều kiện máy phát công suất cực đại ?

VÍ DỤ:

Mạch điện thay thế

VÍ DỤ:

VÍ DỤ:

Công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:

Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ-θ) = mUIsinψ.cosθ - mUIcosψ.sinθ = mUId.cosθ - mUIq.sinθ

Ta có công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

Công suất phản kháng

2 Máy phát cực ẩn:

Đối với máy phát cực ẩn

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực ẩn là:

Điều chỉnh công suất máy phát

Máy phát biến cơ năng thành điện năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện ta phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp

2 Điều chỉnh công suất phản kháng:

Công suất phản kháng

Nếu giữ U, f và P không đổi thì

Điều chỉnh công suất máy phát

2 Điều chỉnh công suất phản kháng:

Công suất phản kháng khi cho U, f và P không đổi thì:

-  Nếu E0cosθ < U thì Q < 0, nghĩa là máy nhận công suất phản kháng của lưới điện

để tạo ra từ trường, máy thiếu kích thích

-  Nếu E0cosθ > U thì Q > 0, máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích thích

Điều chỉnh công suất máy phát

2 Điều chỉnh công suất phản kháng:

Công suất phản kháng khi cho U, f và P không đổi thì:

Như vậy, muốn điều chỉnh công suất phản kháng ta phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ

Để tăng công suất phản kháng phát ra ta phải tăng dòng điện kích từ Khi tăng dòng điện kích từ, E0 sẽ tăng và cosθ tăng nhưng E0sinθ không đổi, do đó Q tăng

Đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải

Là quan hệ giữa sđđ E và dòng điện kích từ It khi máy làm việc không tải (I = 0) và tốc

độ quay của rôto không đổi Đây chính là dạng đường cong từ hóa B = f(H) của vật liệu sắt từ

Đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngoài

Là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cosϕt = const), cũng như tốc độ quay rôto n và dòng điện kích từ It không đổi

Đặc tính điều chỉnh

Là quan hệ giữa dòng điện kích từ It theo dòng điện tải

I khi điện áp U không đổi và tốc độ quay rôto n, cosϕt

cũng không đổi

Đặc tính này cho biết cần phải điều chỉnh dòng điện

kích từ như thế nào để giữ điện áp U trên đầu cực

máy phát không đổi

Thường trong các máy phát điện đồng bộ có bộ tự

Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

Hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau, tạo thành lưới điện

Công suất của lưới điện rất lớn rất lớn so với công suất của từng máy phát, do đó tần số và điện áp của lưới điện gần như không đổi khi thay đổi tải

Trước khi đưa máy phát vào làm việc cùng với lưới điện tức là hoà đồng bộ thì phải kiểm tra các điều kiện sau đây:

1 Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện

2 Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện

3 Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện

4 Điện áp của máy phát và điện áp của lưới điện phải trùng pha nhau

Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

1 Máy phát đồng bộ; 2 Máy cắt; 3 Lưới điện; 4 Các điều kiện hòa đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

Sau khi hòa đồng bộ:

+ Ta điều chỉnh dòng điện kích từ It, điện áp của máy phát vẫn không đổi vì đó là điện áp của lưới điện Việc thay đổi dòng điện kích từ It chỉ làm tháy đổi công suất phản kháng của máy phát

+ Muốn máy phát mang tải, ta tăng công suất động cơ sơ cấp: tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy nhiệt điện

Bài tập

Một máy phát đồng bộ ba pha Sđm = 35 kVA, Uđm = 400/230V, 50Hz, đấu Y có Xđb =1,2 Máy làm việc trong hệ thống điện với tải cảm định mức có cosϕđm = 0,8, dòng điện kích từ Ikt đm = 25 A Giả sử Rư = 0 Tính :

a Sđđ Eo và góc Ψ ?

b Dòng điện kích từ để có cosϕ = 0,9 khi P = const ?

c Cosϕ và công suất phản kháng Q khi dòng điện kích từ Ikt = 30A

Bài tập

Bài tập

Hai máy phát điện đồng bộ ba pha hoàn toàn giống nhau làm việc song song, nối Y có điện trở phần ứng không đáng kể và điện kháng đồng bộ

Xđb = 4,5 Ω/pha Hai máy cùng cung cấp điện đều cho cho một phụ tải

26000 kW với cos ϕ = 0,866 (chậm sau) và điện áp trên tải là 13,2 kV

Nếu thay đổi dòng điện kích từ để phân phối lại công suất phản kháng của hai máy sao cho một máy có cos ϕ1 = 1 thì lúc đó hệ số công suất cos ϕ2 của máy kia bằng bao nhiêu?

Tính Eo và θ của mỗi máy trong trường hợp đó?

Bài tập

Động cơ điện đồng bộ

Động cơ điện đồng bộ

Về cấu tạo động cơ điện đồng bộ giống máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ có thể làm việc như động cơ điện đồng bộ Nếu tháo động cơ sơ cấp ra khỏi máy phát và nối dây quấn stato vào lưới điện ba pha đông thời cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích

từ, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi và tạo ra momen kéo tải cơ đấu vào trục

Ưu điểm động cơ điện đồng bộ là hệ số công suất cao và có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi dòng điện kích từ, điều này cho phép

Động cơ điện đồng bộ

Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ

Khi cho dòng điện ba pha vào dây quấn stato, dòng điện ba pha ở dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ

Nếu rôto đang đứng yên, cực Nam S của rôto bị cực Bắc N stato kéo và

nó có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ Nhưng do quán tính và cực Bắc stato quét qua nó quá nhanh, trong khi nó chưa quay tới thì