giới thiệu về máy phát điện xoay chiều

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 trờng rôto.. G

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 trờng rôto Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trờng 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: E o , w 1 , k dq , 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 đợc 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

E0

Iq I

o Id

N S d)

E0 =900

0 N IS

c) =-900

Eo

=900

o I

N S b) =900

Eo

I

o 90o

N S a) =00

Hình I-4

I.4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát điện làm việc, từ trờng 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 trờng quay gọi là từ trờng 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

Hình I-4a:pha  = 0, E0 và I cùng pha Dòng điện I sinh ra từ trờng phần ứng

 cùng pha với dòng điện Tác dụng của từ trờng phần ứng  lên từ trờng cực từ 0

theo hớng ngang trục, làm méo từ trờng cực từ, ta gọi phản ứng phần ứng ngang trục

Trờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha  = 900, dòng điện I sinh ra

từ trờng phần ứng  ngợc chiều với 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ,

có tác dụng làm giảm từ trờng tổng

Trờng hợp tải thuần dung  = -900(hìnhI-4c) dòng điện sinh ra từ trờng phần ứng , cùng chiều với 0, ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng

A E0 jIXdb

B C I

0 (b)

E0 jIdXd

JiqXq U

Iq I

Id (a)

làmg tăng từ trờng tổng Trờng 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 trờng 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 Phơng trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi

Khi máy phát điện làm việc, từ trờng 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 phơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

U = E0 - jidXd - jidXt - jidXq - jiqXt = E0 – jid(Xd + Xt) – jiq(Xq + Xt)

Gọi Xq + Xt = Xd là điện kháng đồng bộ dọc trục

Xq + Xt = Xq là điện kháng đồng bộ ngang trục, ta có thể viết gọn lại;

U = E0 – jidXd - jiqXq Phơng trình trên tơng ứng với đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha điện áp U và sđđ E0 do tải quyết định

A E0 jIXdb

B C I

0 (b)

E0 jIdXd

JiqXq U

Iq I

Id (a)

Hình I-5

Đối với máyphát cực ẩn là trờng hợp đặc biệt của cực lồi Xđb = Xđ = Xq gọi là

điện kháng đồng bộ Xđb thì phơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng

bộ cực ẩn có thể viết :

đồ thị vectơ của nó đợc 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:

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 =

mU E0

X d sin θ+m

U2

2 (x1q−

1

x d)sin 2θ

Ta nhận thấy công suất điện từ gồm hai thành phần(hìnhI-6)

Thành phần

X d sin θ do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin θ Đó là thành

phần công suất chủ yếu của máy phát

Xd

1 Xq

1 ( 2

U m

2

Hình I-6

mU 2

2 (x1q−

1

x d)sin 2θ

, 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

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]

Q= mUE 0 cosθ

mU 2

X db

Điều chỉnh công suất phản kháng Từ biểu thức công suát phản kháng trên

Giữ U, f và P không đổi thì:

U U0 Uđm

0 Iđm

U tải R-C U0Tải R-L

0 I Iđm

Hình I-7

Khi Q < 0 (E0cos <U) nghĩa là máy không phát công suất phản kháng, mà nhận công suất phản kháng của lới điện để tạo ra từ trờng, 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 phơng 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

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

I

Iktđm

cos=0,8

cos=1

cos=-0,8

Hình I-7.c

U

Ikt

I = 0

I = Iđm

Hình I-8

Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải xác định nh sau:

U dm 100 %

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

dòng điện tải khi:

tính điều chỉnh của máy phát

đồng bộ với các hệ số công suất

khác nhau

biết hớng 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 dẫn đến U giảm Để giữ cho U = const phải tăng ikt Ngợc 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 đờng đặc tính tải

ứng với các giá trị của dòng tải I của máy

phát đồng bộ