I. Giíi thiÖu vÒ m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé xoay chiÒu:

Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi.



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 = 4,44fW1kgqo

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 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 120 0

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 trờng 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.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



2



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



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 trờng của cực từ 0. Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của

tải quyết định.

Eo

I

o



Eo







=900



o



90o

N



S



N



a) =00

=900

0 N



b) =900

E0

Iq





E0



I



S



I





o



c) =-900



Hình I-4



I

Id



N







S



S

d)



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.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



3



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



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 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.



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.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



4



Thiết bị điện-điện tử



E0



Đồ án cthiết bị điều khiển



jIdXd

A

E0



jIXdb



JiqXq

U



B



C







I



Iq

Id











I





(a)



Hình I-5







0

(b)



Đối với máyphát cực ẩn là trờng hợp đặc biệt của cực lồi X đb = Xđ = Xq

gọi là điện kháng đồng bộ X đb thì phơng trình cân bằng điện áp của máy phát

điện đồng bộ cực ẩn có thể viết :

U = E0 jiXđb

đồ thị vectơ của nó đợc vẽ trên hình I-5b



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



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



E0

U2

sin + m

Xd

2



1

1



sin 2



x

xd

q





5



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



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

Thành phần



mUE 0

sin do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin . Đó là thành

Xd



phần công suất chủ yếu của máy phát.



Thành

mU 2

2



phần



1

1



sin 2 ,

x



q xd



Pđt



Pđt



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



900



0



1800







Hình I-6



phát làm việc ổn định khi

trong khoảng 0 ữ /2; khi tải định mức = 200 ữ 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 - UIcossin]

Q=



mUE 0 cos mU 2



X db

X db



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



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



6



Thiết bị điện-điện tử

Q=



Đồ án cthiết bị điều khiển

mU (E 0 cos U )

X db



Giữ U, f và P không đổi thì:

Khi Q < 0 (E0cos
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.



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 (cost = 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.

U



U

tải R-C



U0



Tải R-L



0



Uđm



I

(a)



Vũ công Lợng



U0



Iđm



TBĐ-ĐT 1_K42



Hình I-7 0



(b)

Iđm

7



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Hình I-7a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi I kt = const(E0 = const) và

cost 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 E 0

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:

U% =



U 0 U dm mU dm



100%

U db

U dm



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:



Ikt



cos=0,8



Đặc tính điều chỉnh là

quan hệ giữa dòng điện kích từ

Iktđm

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.



cos=1



cos=-0,8



I

Hình I-7.c



Đờng đặc tính điều chỉnh cho 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 .



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



8



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



I.7.3 Đặc tính tải



I=0



U



I = Iđm



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.



Ikt



Hình I-8



II. Hệ thống kích từ máy phát



1. Khái niệm chung

Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các

cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Dòng kích thích phải có khả

năng điều chỉnh đợc để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của

máy phát điện với chất lợng điện năng cao.

Trong chế độ làm việc bình thờng, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh

đợc điện áp đầu cực máy phát, và thay đổi lợng công suất phản kháng phát vào

lới.

Uf

Đồ thị điện áp

kích thích cỡng bức

tăng theo quy luật

hàm mũ.



Ufgh



Ufđm + 0,632 ( Ufgh - Ufđm )



Ufđm



0

Te



t



Hàm biến thiên điện áp kích từ cưỡng bức



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



9



Thiết bị điện-điện tử



Uf(t) = Ufgh ( Ufgh - Ufđm ) e-t/ Te



Đồ án cthiết bị điều khiển



(*)



Te hằng số thời gian của hệ thống kích từ

Ufgh



- điện áp kích từ giới hạn



Ufđm



- điện áp kích từ định mức



2. Phân loại và đặc điểm của một số hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ có thể chia làm bốn nhóm chính:

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu

Hệ thống kích từ dùng điện xoay chiều và chỉnh lu có điều khiển.

Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều.

II.2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

Trên hình II-2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.

Để điều chỉnh dòng kích từ If ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích

từ của máy phát điện một chiều. Biến trở R đc cho phép điều chỉnh bằng tay

dòng điện trong cuộn dây kích từ chính C1. Khi TĐK làm việc, dòng điện trong

các cuộn C2 và C3 đợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C 2 điều

chỉnh ứng với chế độ làm việc bình thờng, C2 ứng với chế độ kích thích cỡng

bức. Năng lợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đợc nhận qua máy

biến dòng và máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao

áp của máy biến áp tăng ).



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



10