Máy phát điện đồng bộ ba pha

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

187
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

CHƯƠNG 06
MÁYPHÁTĐIỆNĐỒNGBỘ3PHA




Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành
điện năng. Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha, là thành phần
chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng.
Ngày nay các máy phát điện công suất lớn có công suất vài trăm MVA với nguồn cơ năng
dùng thủy lực hình thành các nhà máy thủy điện cung cấp cho khu vực hay quốc gia. Các má
y

phát điện có công suất nhỏ từ 10KVA đến 1MVA , với nguồn cơ năng là động cơ nổ Diessel, hình
thành các nhà máy nhiệt điện nhỏ hay các tổ động cơ máy phát dự phòng cho các nhà máy, xí
nghiệp công nghiệp.
Máy phát điện còn có khả năng đấu vận hành song song (hòa đồng bộ ) để nâng công suất
cấp đến tải, hay dùng làm máy bù dùng nâng cao hệ số công suất. Với khả năng và phạm vi sử
dụng rộng rãi của m
á
y phát, các chuyên-viên kỹ-thuật cần nắm vững các nguyên lý cơ bản; để
thuận lợi trong công tác vận hành và bảo quản.

6.1.CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ:

6.1.1. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH :
Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành
phần chính :

 ROTOR: còn được gọi là phần cảm dùng
tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (không
biến thiên biên độ theo thời gian).

 ROTOR CỰC TỪ LỒI dây quấn trên các
cực từ được quấn tập trung, hình dạng của rotor
cực lồi trình bày trong hình H6.1.

ROTOR CỰC TỪ ẦN : dây quấn trên
rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố
không tập trung, xem hình H6.3 và H6.4.

HÌNH H6.1: Kết cấu của rotor cực từ lồi, 2p = 4
Rotor chưa được đóng vào trục.
Trên rotor đã có quấn dây quấn kích thích.

HÌNH H6.2: Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

188
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

HÌNH H6.3: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , rotor chưa được quấn dây.
HÌNH H6.4: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , dây quấn rotor đang được sửa chửa.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

189
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

 STATOR: còn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều

giống như kết cấu của stator động cơ cảm ứng . Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha
dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha. Với máy phát điện đồng bộ xoay
chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 120
o
. Hình dạng
của stator máy phát điện đồng bộ, trình bày trong hình
H6.5, H6.6.

HÌNH H6.5: Dây quấn stator máy phát đang được thi công.


HÌNH H6.6: Stator máy phát đang được bảo trì.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

190
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

6.1.2. HỆ THỐNG VÀNH TRƯỢT VÀ MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐẦU TRỤC :
Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một
chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor. Khi rotor được kéo quay bởi động cơ sơ cấp,
để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dòng một chiều được cấp vào rotor thông qua hệ thống
vành trượt và chổi than.

Các vành trượt là hai vòng hình trụ bằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bố trí đồng trục
với rotor. Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện,
xem hình H6.7.



Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dùng
cấp điện vào cho dây quấn rotor.
Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo công nghệ nhất định (để hình thành các từ cực
trên rotor) sẽ đưa ra 2 đầu dây. Hai đầu dây này được bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các
vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này.

Với các máy phát điện có công suất lớn, từ 200 KVA trở lên, dòng một chiều được cấp vào
phần cảm có giá trị rất lớn từ vài chục đến vài trăm Ampère trong quá trình vận hành. Tiếp xúc
giữa chổi than và vành trượt dễ sinh ra các tia lửa điện khi rotor đang hoạt động; vấn đề bảo trì và
vận hành tương đối phức tạp, ngoài ra tổn hao nhiệt do điện trở tiếp xúc (giữa chổi than và vành
trượt) trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy phát

điện.

Dạng máy phát điện dùng hệ thống chổi than và vành trượt để cấp nguồn một chiều cho
phần cảm, được gọi là máy phát điện kích từ trực tiếp.

Ngày nay để khắc phục nhược điểm của hệ thống vành trượt và chổi than, các máy
phát (sử dụng động cơ sơ cấp là động cơ nổ) thường được chế tạo theo dạng “ brushless”
không chổi than. Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy
phát điện đầu trục. Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đều trục được mô tả như sau:

 Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha.
 Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát
chính. Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp.
 Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần ứng
của máy ph
át chính. Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo
ra từ trường kích thích (loại một chiều).


HÌNH H6.7: Kết cấu vành trượt và chổi than trên stator.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

191
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6



 Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp
quay phần ứng của máy phát đầu trục . Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình
thành các sức điện động cảm ứng .

 Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch
cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính.

Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên dĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng
máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính.

Tòan bộ kết cấu của má
y phát điện
dùng máy phát đầu trục kích từ được mô tả trong hình
H6.8. Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một
chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng, tần
số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục có giá trị cao hơn tần số lưới điện thông
thường. Tần số này có thể từ 120Hz đến 240Hz . Do đó, số cực từ của máy phát đầu trục lớn hơn
số cực của máy phát chính từ 3 đến 6 lần



HÌNH H6.8: Cấu tạo máy phát điện có dùng máy phát điện đầu trục (brushless alternator)
Stator máy phát
điện chính
Rotor máy
phát chính
Stator máy
phát điện
đầu trục
Rotor máy
phát điện
đầu trục


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

192

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6


6.1.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ:

Với nội dung tóm lược về cấu tạo
máy phát điện đồng bộ như vừa trình bày
trong các mục trên, tùy thuộc vào phương
pháp cấp dòng kích thích một chiều vào
dây quấn phần cảm ta có các dạng máy
phát kích thừ trực tiếp, và máy phát điện
có máy phát kích từ đầu trục.

Sơ đồ nguyên lý của mỗi loại được
trình bày lần lượt trong các hình H6.9 và
H6.10. Trong hình H6.11 trình bày cấu tạo
của nửa bộ chỉnh lưu câu dùng chỉnh lưu
dòng xoay chiều 3 pha từ phần ứng máy
phát điện đầu trục thành nguồn một chiều
để cấp vào phần cảm của máy phát chính.





HÌNH H6.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ
(loại kích từ trực tiếp)

HÌNH H6.10: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại không chổi than, dùng máy phát đầu trục.)

HÌNH H6.11: Hình dạng của nửa cầu chỉnh lưu dùng chỉnh lưu trong máy phát điện đồng bộ



Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

193
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

6.2.NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ:

Xét mô hình nguyên lý đơn giản của
máy phát điện đồng bộ gồm:

 Phần cảm (rotor) cực từ lồi 2p = 2
 Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây
quấn, lệch vị trí không gian từng đôi
120
0
.

Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay
phần cảm là n
1
. Vận tốc góc của động cơ sơ
cấp là
11
n.2




. Vì từ thông tạo bởi dây
quấn kích thích không biến thiên theo thời
gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm
của máy phát có biên độ không thay đổi. Do
đó khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm
tròn đều với tốc độ
11
n.2
, từ trường tạo
bởi phần cảm chuyển động tròn đều cho ta
hình ảnh của từ trường quay tròn.

Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thông xuyên qua bộ dây quấn AX . Gọi
 là góc hợp bởi phương
của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta có kết quả như sau:

 cos.A.B
AX
(6.1)

Trong đó A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng tử tạo bởi phần cảm, thay thế tích
số
m
A.B 
và
t
1



ta có:



tcos.
1mAX



(6.2)

Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thông tạo bởi từ trường phần cảm với các bộ
dây BY và CZ được viết như sau:




o
1mBY
120tcos.  (6.3)




o
1mCZ
240tcos.  (6.4)

Tóm lại khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các từ

thông biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ . Nói một cách khác từ trường phần
cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng trên mội bộ dây. Áp
dụng công thức Faraday ta có các kết quả sau:






dt
tcos.d
.K.N
dt
d
.K.Ne
1m
dqpha
AX
dqphaAX





Hay:



tsin K.Ne
11mdqphaAX



(6.5)
Tương tự:



o
11mdqphaBY
120tsin K.Ne 
(6.6)




o
11mdqphaCZ
240tsin K.Ne 
(6.7)

Từ các quan hệ (6.5) đến (6.7) cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn
hợp thành nguồn áp 3 pha cân bằng. Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H6.12 khi
từ trường phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận.



B
o
120
o

120

HÌNH H6.12:


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

194
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6


QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ TẦN SỐ NGUỒN ĐIỆN PHÁT RA:

Từ mô hình trình bày trong hình H6.12 với số cực 2p = 2 cực, ta có nhận xét như sau:

Giá trị vận tốc góc
11
n.2
đầu tiên được tạo bởi động cơ sơ cấp.
Tuy nhiên trong các quan hệ (6.5) đến (6.7) vai trò của
1

trở thành tần số góc của
nguồn áp sinh ra trên các bộ dây quấn stator của máy phát. Tại lúc này ta có :

f.2
1

(6.8)

Trong đó f là tần số nguồn áp 3 pha sinh ra trên dây quấn stator của máy phát. So sánh
quan hệ (6.8) với quan hệ
11
n.2
suy ra.

1
fn
(6.9)

Đơn vị đo của các đại lượng trong quan hệ (6.9) là : [f] = [Hz] ; [n
1
] = [vòng/s]. Từ quan
hệ (6.9) ta rút ra nhận xét sau:


Với phần cảm có 2p = 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn
stator một vòng , sức điện động hình thành trong bộ dây thực hiện được 1 chu kỳ.

Với phần cảm có số cực 2p > 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây
quấn stator 1 vòng, như vậy đã có p cặp cực từ quét qua bộ dây nên có p chu trình của nguồn
điện sin đã thực hiện trong bộ dây . Một cách tổng quát ta có được quan hệ sau:

1
fp.n
(6.10)

Trong đó [f] = [ Hz] ; [n
1
]=[vòng/giây]. Khi tốc độ được tính theo [vòng / phút ], quan hệ

(6.10) được viết lại như sau :


1
p.n
f
60

(6.11)
THÍ DỤ 6.1:

Máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn áp có tần số là 50 Hz thì
động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là:


1
60.f 60 50
n 1500 voøng / phuùt
p2



 




Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp có tần số 60 Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến
giá trị sau:

1
60.f 60 60
n 1800 voøng / phuùt
p2



 




SỨC ĐỘNG ĐỘNG HIỆU DỤNG PHA CỦA MỖI BỘ DÂY QUẤN TRÊN STATOR:


Từ các quan hệ (6.50 đến (6.7) biên độ của sức điện động pha trên mỗi bộ dây quấn là:


phamax pha dq m 1 pha dq m
E N .K . . 2 f.N .K .  (6.12)

Suy ra sức điện động hiệu dụng pha của mỗiu pha dây quấn trên stator máy phát điện
đồng bộ là :

phamax
pha pha dq m
E
E 4,44.f.N .K .
2



(6.13)

Trong đó K
dq
là hệ số dây quấn của mỗi pha dây quấn.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

195
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

Biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn còn được trình bày theo quanhệ:


1
pha pha dq m
p.n
E 4, 44. .N .K .
60






Hay:

pha dq

pha 1 m
4,44.p.N .K
E.n.
60





(6.14)

Gọi K
E
là hằng số cấu tạo phần ứng (stator) của máy phát,, ta có:


pha dq
E
4, 44.p.N .K
K
60





(6.15)

Từ các quan hệ (6.14) và (6.15) suy ra:

pha E 1 m
EK.n.
(6.16)
Tóm lại


Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thông số: từ trường 
m
kích thích của phần
cảm và tốc độ quay n
1
của động cơ sơ cấp.

Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đôi cực p của máy phát và tốc độ
quay n
1
của động cơ sơ cấp.

THÍ DỤ 6.2:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực và sức điện động pha là E
pha
= 380 V khi
phát tại tần số 60 Hz .
Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là E
pha
= 380 V nhưng tần số là 50 Hz
ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát.

GIẢI
Với yêu cầu nêu trong thí dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát:
TT1:
Tại trạng thái phát ra tần số f = 60 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:

11
60.f 60 60
n 1800 voøng / phuùt
p2



 



TT2:
Tại trạng thái phát ra tần số f = 50 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:

12
60.f 60 50
n 1500 voøng / phuùt
p2



 



Như vậy khi chuyển chế độ làm việc của máy phát từ trạng thái phát ra nguồn áp tần số
60Hz sang trạng thái phát nguồn áp tần số 50 Hz, ta cần giảm tốc độ quay của động cơ sơ cấp.
Ngoài ra muốn đảm bảo điều kiện duy trì sức điện động hiệu dụng pha E
pha
= 380 V; theo quan hệ
(6.16) ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích. Xét tỉ số sau:


pha2
12 max 2
pha1 11 max 1
E
n.
1
En.



hay
11
max 2 max 1 max 1
12
n
.1,2.
n

 




Tóm lại muốn duy trì E
pha
= 380 V, ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần số 50 Hz.



Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

196
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

6.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ :

Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng máy phát, mạch kín cho dòng qua tải. Dòng qua tải
có tính chất của dòng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ 3 pha dây
quấn trên stator máy phát. Theo Lenz các dòng cảm ứng có khuynh hướng tạo các hệ quả đối
kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó. Do đó các dòng qua phần ứng hình thành từ trường
tương tác lên từ trường phần cảm. Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi
là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số công suất của tải) ta có 3 trường
hợp sau khi xét phản ứng phần ứng.

6.3.1.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN TRỞ :
Giả sử dây quấn phần ứng đấu Y,
tải 3 pha cân bằng; bỏ qua nội trở của
dây quấn phần ứng. Chúng ta khảo sát
phản ứng phần ứng sinh ra trong trường
hợp này bằng mạch điện tương đương
một pha của phần ứng phối hợp với giản

đồ vẽctor phase như sau (hình H6.13).

 Vẽ vector đặc trưng cho từ trường
kích thich tạo bởi phần cảm (
m
).

 Vector đặc trưng cho sức điện
động pha E
pha
, chậm pha 90
o
so với từ
thông (
m
).

 Vì tải thuần trở dòng phần ứng
trùng pha với sức điện động. Dòng điện
này hình thành từ thông ứng (
ư
) trùng
pha với nó.


Vậy từ thông phần cảm và phần ứng có phương vuông góc với nhau . Kết quả của sự
tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh
ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau, ta nói phản ứng phần ứng
là dạng khử từ ngang trục.

6.3.2.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN CẢM :
Tương tự như phần khảo sát trên, khi
tải thuần cảm mạch tương đương trình
bày trong hình H6.14 .

 Vẽ vector từ trường kích thích tạo
bởi phần cảm (
m
).


Vẽ vector sức điện động pha
chậm pha 90
o
so với từ thông (
m
).


Vì tải thuần cảm , dòng phần ứng
chậm pha 90
o
so với sức điện động.
Dòng điện này hình thành từ thông
ứng(
ư
) trùng pha với dòng ứng. Nên từ
thông (
ư
) chậm pha hơn sức điện động

góc 90
0
. Vậy từ thông phần cảm và phần
ứng ngược hướng với nhau .


Tóm lại từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm. Vì hướng của các từ
thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.



Vkt
+
-
+
-
R
I
I
kt
I
max

max

ö

pha
E
pha

E



HÌNH H6.13: Phản ứng phần ứng với tải thuần trở
Vkt
+
-
+
-
L
I
I
kt
I
max

max

ö

pha
E
pha
E

HÌNH H6.14: Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

197
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

6.3.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN DUNG :

Tương tự như các nội dung đã
khảo sát trong các mục trên, với tải
thuần dung mạch tương đương trình
bày trong hình H6.15; các vector từ
thông và điện áp được xây dựng
tuần tự theo qui trình như sau:

 Vẽ vector đặc trưng cho từ
trường kích thich tạo bởi phần cảm
(
m
).

 Vector đặc trưng sức điện
động chậm pha 90
o
so với từ thông

 Vì tải thuần dung, dòng qua
phần ứng sớm pha 90
o
so với sức
điện động . Dòng điện này tạo thành
từ thông ứng(

ư
) trùng pha với dòng ứng. Từ thông (
ư
) sớm pha hơn sức điện động góc 90
0
.

 Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, ta nói từ thông phần ứng có
khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục

6.3.4.ĐIỆN KHÁNG ĐỒNG BỘ ( X
S
) :
Với tải có tính chất bất kỳ, máy phát sinh ra các phản ứng phần ứng dọc trục hay ngang
trục. Các phản ứng này ảnh hưởng đến từ thông phần cảm và làm thay đổi giá trị sức điện động
trên mỗi pha khi máy phát mang tải.

Để đặc trưng cho các phản ứng phần ứng và đơn giản hóa trong quá trình khảo sát
máy phát bằng cách dùng mạch điện tương đương; chúng ta dùng điện kháng đồng bộ X
s
.
Thực sự điện kháng đồng bộ dọc trục, vừa phản ánh phản ứng phần ứng nhưng lại vừa phản ánh
thành phần từ thông tản từ (điện kháng tản từ) trên dây quấn phần ứng .

Mạch điện tương đương 1pha của phần ứng được trình bày trong hình H6.16
Phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng (stator) trên một pha:

pha pha pha
pha S
EVRj.XI

 
   (6.17)

pha t pha
VZI


(6.18)


Vkt
+
-
+
-
C
I
I
kt
I
max

max

ö

pha
E
pha
E

HÌNH H6.15: Phản ứng phần ứng với tải thuần dung
pha
E

pha
R
S
j.X
pha
V

t
Z
S
pha S
ZR j.X
pha
I

pha
I


HÌNH H6.16: Mạch tương đương 1 pha của máy phát điện đồng bộ.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

198

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

6.4.ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ:

Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp tương thích
với số cực để tạo được tần số đúng yêu cầu và duy trì tốc độ quay không đổi để tần số ổn định.

Kế tiếp điều chỉnh dòng một chiều cấp vào phần cảm có giá trị phù hợp để tạo các áp pha
trên bộ dây quấn stator có giá trị bằng đúng định mức. Điều chỉnh thay đổi dòng kích từ cấp vào
dây quấn phần cảm làm thay đổi giá trị của điện áp ra trên stator. Áp pha lúc không tải chính là
sức điện động cảm ứng E
pha
sinh ra trên mỗi pha dây quấn.

Khi máy phát mang tải , nếu duy trì không điều chỉnh thay đổi dòng kích từ, áp pha trên mỗi
pha tải lúc vận hành có giá trị là V
pha
. Giá trị này khác với áp pha lúc không tải. Độ chênh lệch giá
trị giữa E
pha
và V
pha
được gọi là độ thay đổi điện áp của máy phát.

Gọi V là độ thay đổi điện áp và V% là phần trăm độ thay đổi điện áp, ta có các định
nghĩa như sau:


pha pha
VE V 

(6.19)


pha pha
pha
EV
V% 100
V



 


(6.20)

6.4.1. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH CẢM:
Bài toán xác định độ thay đổi điện áp máy phát theo tải thường được khảo sát theo lý
thuyết dưới dạng giản đồ vector. Với tải có tính cảm giản đồ vector được vẽ từ mạch tương
đương 1 pha trình bày trong hình H6.17.


Từ giản đồ vector hình H6.17, khi chọn dòng I
pha
làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau:



22
pha pha pha pha pha S pha

EV.cosR.IV.sinX.I
(6.21)

Hay:


pha
pha pha pha pha S pha
EV.cosR.Ij.V.sinX.I

 
(6.22)

Khi tính được E
pha
và biết trước U
pha
ta xác định V hay V% theo (6.19) hay (6.20).
pha
E

pha
R
S
j.X
pha
V

t
Z

pha
I


pha
E
pha
V
pha
I
p
h
a
V
.
c
os

p
h
a
V
.
s
i
n

p
h
a

p
h
a
R
.
I
S
p
h
a
X .
I

HÌNH H6.17:
Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính cảm


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

199
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6


6.4.2. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH DUNG:
Tương tự với tải có tính dungf giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình
bày trong hình H6.18.


Từ giản đồ vector hình H6.18, khi chọn dòng I
pha

làm chuẩn ta suy ra quan hệ sau:



22
pha pha pha pha pha S pha
EV.cosR.IV.sinX.I
(6.23)

Hay:


pha
pha pha pha pha S pha
EV.cosR.Ij.V.sinX.I

 
(6.24)

THÍ DỤ 6.3:

Cho máy phát đồng bộ 3 pha: 30 kVA ; 220 V , dây quấn stator đấu Y. Biết tổng trở đồng
bộ một pha của máy phát là:
S
pha S
ZR j.X0,4j.1,2
pha









.
a./ Tính độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải với điện áp cấp đến tải bằng định mức.
Biết HSCS tải là 0,8 trễ.

b./ Tính lại câu a, nếu HSCS tải là 0,8 sớm.

CHÚ Ý:
Với máy phát điện đồng bộ các thông số định mức gồm:

Công suất biểu kiến định mức
dm
S
: là công suất biểu kiến tiêu thụ trên tải được qui định
bởi nhà sản xuất .
Điện áp định mức
dm
V
: là áp dây cấp đến tải từ máy phát. Điện áp này luôn được duy
trì không đổi khi cấp đến tải . Do đó khi tải thay đổi muốn duy trì giá trị này trên tải ta cần
phải điều chỉnh thay đổi sức điện động pha của máy phát bằng cách điều chỉnh thay
đổi dòng kích thích.
Dòng điện định mức
dm
I
: là dòng dây từ máy phát cấp đến tải khi tải tiêu thụ công suất

biểu kiến bằng đúng định mức và áp cấp đến tải bằng định mức.

Các quan hệ giữa các thông số định mức của máy phát trình bày như sau:
pha
E

pha
R
S
j.X
pha
V

t
Z
pha
I


pha
E
pha
V
pha
I
p
h
a
V
.

c
o
s

p
h
a
V
.
s
i
n

ph
a
p
h
a
R .
I
S
p
h
a
X
.I

HÌNH H6.18:
Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính dung

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

200
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6


Trong hình H6.17 trình bày mạch phần ứng máy
phát đang cấp nguồn đến tải. Theo qui định vận
hành trong thực tế, ta luôn đảm bảo thông số sau:


daây ñm
VV (6.25)

Suy ra:


daây
ñm
pha
V
V
V
33

(6.26)

Khi tải 3 pha cân bằng đấu Y, ta có:

daây pha
II (6.27)

Khi máy phát đầy tải (hay phát tải định mức) ta có :


daây ñm
II (6.28)

Công suất biểu kiến định mức của máy phát được xác định theo quan hệ sau:


ñm ñm ñm
S3.V.I (6.29)

GIẢI

a./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 trễ.

Dòng điện định mức cấp đến tải :


ñm
ñm
ñm
S
30000
I78,73A
3.V 3.220

 


Áp pha định mức cấp đến tải :


ñm
pha ñm
V
220
V 127 V
33
 


Các dữ liệu cho trong thí dụ:
pha
R0,4 ;
S
X1,2


;
cos 0,8


;
sin 0,6
.
Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là:


22
pha
E 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73 

pha
E 216,43 V

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:


pha pha
pha
EV
216,43 127
V% 100 100
V 127





   





V% 70,42 %


pha daây
II



HÌNH H6.17:


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

201
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

b./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 sớm.

Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là:



22
pha
E 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73 

pha
E 134,34 V

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:


pha pha
pha
EV
134,34 127
V% 100 100
V 127





   








V% 5,78 %


THÍ DỤ 6.4:

Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính lại phần trăm độ thay đổi

điện áp khi máy phát đầy tải tại điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,6 sớm.

GIẢI
Khi máy phát đầy tải tại áp định mức, các số liệu dùng trong phép tính bao gồm:

pha
R0,4 ;
S
X1,2
;
cos 0,6
;
sin 0,8


;
ñm
I78,73A
;
phañm
V 127 V

Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là:



22
pha
E 127 0,6 0,4 78,73 127 0,8 1,2 78,73 

pha
E107,93V

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:


pha pha
pha
EV
107,93 127
V% 100 100
V 127





   








V% 15,02 %


Giá trị

V% 0
cho thấy sức điện động pha có giá trị thấp hơn điện áp pha trên tải. Giá trị
này phản ảnh được tính chất trợ từ của phản ứng phần ứng khi tải có tính dung.

THÍ DỤ 6.5:

Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính phần trăm độ thay đổi
điện áp khi máy phát có hệ số tải K
t
= 0,8 tại áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,7 trễ.

CHÚ Ý:
Hệ số tải dùng trong máy phát điện đồng bộ 3 pha có định nghĩa tương tự như trường hợp
của máy biến áp. Ta có :


ñm daây daây
taûi
t
ñm ñm
ñm ñm
3.V .I I
S
K
SI
3.V .I
 
(6.30)

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

202
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

GIẢI
Khi máy phát tại hệ số tải K
t
= 0,8 với áp định mức, dòng pha qua tải là:


tñm
pha daây
ñm
K.S
0,8 30000
I I 62,984 A
3.V 3 220

  



Các số liệu cần dùng để tính toán gồm:


pha
R0,4 ;
S

X1,2
;
cos 0,7
;
sin 0,714


;
ñm
I 62,984 A
;
phañm
V 127 V

Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là:


 
22
pha
E 127 0,7 0,4 62,984 127 0,714 1,2 62,984 

pha
E 201,64 V

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:


pha pha
pha

EV
201,64 127
V% 100 100
V 127





   








V% 58,77 %


6.5.CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ :
Máy phát điện đồng bộ có ba đặc tuyến làm việc chính:

Đặc tuyến không tải.
Đặc tuyến ngoài hay còn gọi là đặc tuyến tải.
Đặc tuyến điều chỉnh
6.5.1.ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI:

Đặc tuyến không tải của máy phát điện

đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả
quan hệ giữa sức điện động pha của phần
ứng với dòng điện kích thích cấp vào phần
cảm. Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua
thí nghiệm khi :

Không đấu tải vào dây quấn phần ứng.
Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có
giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn
điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số
trong suốt quá trình thí nghiệm.

Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B
trong khi dòng kích thích tỉ lệ thuận với sức từ
động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm.
Như vậy dòng kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát.

Tóm lại đặc tuyến không tải của máy phát có dạng của đường cong từ hóa của vật liệu sắt
từ tạo thành máy phát. Hình dạng của đặc tuyến không tải trình bày trong hình H.6.19. Trên đặc
tuyến này lúc I
kt
= 0 ta vẫn có được giá trị của sức điện động pha . Giá trị này hình thành do từ
trường dư tồn tại trong phần cảm. Sức điện động pha tạo bởi từ trường dư được gọi là E
pha dư
.


HÌNH H6.18: Thí nghiệm không tải

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

203
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

Trong hình H6.19 trình bày các đặc
tuyến không tải khi thay đổi tốc độ động cơ sơ
cấp (tức thay đổi tần số nguồn điện phát ra).

Tương ứng với giá trị định trước của
dòng kích thích khi tăng tốc độ sức điện động
pha gia tăng và ngược lại.

Giá trị của sức điện động pha dư
thường trong phạm vi vài volt đến khoảng
10V tùy thuộc vào cấp công suất của máy
phát.

6.5.2.ĐẶC TUYẾN TẢI (ĐẶC TUYẾN NGOÀI):
Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài của
máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường
biểu diễn mô tả quan hệ giữa áp pha V
pha

trên tải theo dòng điện pha I
pha
qua tải.

Đặc tuyến không tải được ghi nhận
qua thí nghiệm khi :

Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn
điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm.
Điều chỉnh dòng kích thích để có được áp không tải bằng định mức trước khi đấu tải
vào phần ứng. Duy trì giá trị dòng kích thích này không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm.
Đấu tải vào phần ứng máy phát; điều chỉnh thay đổi tổng trở tải nhưng duy trì hệ số
công suất không thay đổi.
Trong hình H6.20 trình bày đặc tuyến
tải với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với
HSCS 0,7 trễ , tính dung với HSCS 07 sớm.

 Khi chưa cấp tải vào dây quấn
phần ứng của máy phát, dòng kích thích
được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng
áp pha định mức của máy phát.
 Tương ứng với mỗi loại tải, khi
dòng tải tăng độ lớn độ thay đổi điện áp
cũng gia tăng.
 Với cùng giá trị dòng tải, tải có
tính cảm tạo độ thay đổi điện áp lớn hơn
so với trường hợp tải thuần trở. Tại lúc
này áp pha
pha pha
VE hay
pha pha dm
VV .
Điều này cho thấy tác dụng khử từ thông
kích thích bởi từ thông ứng theo phản ứng
phần ứng.
 Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính dung tạo sự thay đổi điện áp sao cho

pha pha
VE
hay
pha pha dm
VV . Điều này dẫn đến kết quả
V0


, kết quả này có thể tìm thấy trong các thí dụ
6.3 đến 6.5. Tính chất này cho thấy tác dụng trợ từ thông kích thích bởi từ thông ứng theo phản
ứng phần ứng.
 Tóm lại khi vận hành máy phát nếu chỉ duy trì tần số không đổi và không điều chỉnh
thay đổi dòng kích thích; áp trên tải sẽ thay đổi khi dòng tải thay đổi.
Epha
Ikt
Epha dæ
Epha1
Ikt
n11
n12
n13
( n11 > n12 > n13 )
Epha2


HÌNH H6.19: Đặc tuyến không tải

Epha = Vphadm
Vpha
Ipha

cos 1


cos 0,7 treã
cos 0,7 sôùm
2
V

1
V
pha1
I
pha2
I

HÌNH H6.20: Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài.


i hc Bỏch Khoa Tp H Chớ Minh Khoa in in T Phũng Thớ Nghim Mỏy in v Thc Tp in- 2009

204
BI GING K THUT IN IN T CHNG 6

6.5.3.C TUYN IU CHNH:
Vi cỏc phõn tớch v c tuyn
ti nh trờn, mun in ỏp cp n ti
luụn luụn duy trỡ bng giỏ tr nh mc
khi ti thay i ln v tớnh cht ta
cn iu chnh thay i dũng kớch
thớch gi c ỏp cp n ti luụn

bng giỏ tr nh mc.

Bin phỏp ny c gi l iu
chnh kớch thớch.

c tuyn iu chnh ca mỏy
phỏt in ng b l th hay ng
biu din mụ t quan h gia dũng pha
I
pha
qua ti theo dũng in kớch I
kt
cp
vo phn cm ỏp pha trờn ti luụn
bng giỏ tr nh mc.

Trong hỡnh H6.21 trỡnh by c tuyn iu chnh vi 3 dng ti: thun tr, tớnh cm vi HSCS
0,7 tr , tớnh dung vi HSCS 07 sm.

Khi cha cp ti vo dõy qun phn ng ca mỏy phỏt, dũng kớch thớch c chnh
t sc in ng pha bng ỏp pha nh mc ca mỏy phỏt. Giỏ tr dũng kớch thớch nqy l I
kto
.
Tng ng vi ti thun tr hay tớnh cm, khi dũng ti tng duy trỡ ỏp pha luụn
bng nh mc ln dũng kớch thớch c iu chnh tng
Vi cựng giỏ tr dũng ti, ti cú tớnh cm cn tng dũng kớch thớch nhiu hn so vi
trng hp ti thun tr.
Ngc li vi ti cú tớnh dung cn gim dũng kớch thớch khi dũng ti gia tng.
c tớnh iu chnh cho ta cỏc d liu cn thit iu chnh thay i dũng kớch thớch khi
ti thay i. c tớnh ny l c s thc hin cỏc b t ng iu chnh kớch thớch mỏy phỏt

bng linh kin bỏn dn (mch AVR: Automatic Voltage Regulator).

6.6. QUA TRINH T KICH MY PHT NG B :

Trong quỏ trỡnh vn hnh thc t mỏy phỏt in ng b: ngun ỏp mt chiu cp vo
phn cm khụng s dng t ngun ỏp mt chiu bờn ngũai .
Phng phỏp kớch thớch c lp (dựng ngun DC ngoi cp vo phn cm) ch thc hin
trong quỏ trỡnh ch to, vn hnh th trong quỏ trỡnh sn xut, hoc trong cỏc trng hp th
nghim ly thụng s c tớnh ca mỏy phỏt, hay cn vn hnh th mỏy phỏt ln u tiờn sau quỏ
trỡnh sa cha
Khi bt u vn hnh mỏy phỏt in, chỳng ta cn thc hin giai an t kớch cho mỏy
phỏt. Quỏ trỡnh t kớch l quỏ trỡnh s dng sc in ng d E
d
sinh ra do t trng d trong
phn cm cung cp tr li nng lng ban u cho phn cm , lm tng dn in ỏp phỏt ra
trờn phn ng.
Mch in n gin mụ t quỏ trỡnh t kớch cho mỏy phỏt in c trỡnh by trong hỡnh
H6.22. Khi dựng mụ hỡnh mỏy phỏt in dựng mỏy phỏt kớch t u trc (trng hp mỏy phỏt
kớch t trc tip c kho sỏt tng t), sc in ng trờn mt pha ca phn ng mỏy phỏt
c cp vo dõy qun phn cm thụng qua mch chnh lu dựng bin i dũng in in xoay
chiu thnh mt chiu . Dũng in kớch thớch c iu chnh bng bin tr VR. Theo lý thuyt , sc
in ng trờn mi pha phn ng mỏy phỏt ( E
pha
) v dũng kớch thớch ( I
kt
) quan h vi nhau thụng qua
c tuyn khụng ti .

Ikt
Ipha

cos 1


cos 0,7 treó
cos 0,7 sụựm
pha1
I
pha2
I
kto
I
kto
I
kt
Taờng I
kt
Giaỷm I

HèNH H6.21: c tuyn iu chnh.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

205
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6


Giả sử khi hình thành được E
pha
, giá trị E

pha
sau khi chỉnh lưu thành điện áp một chiều V
kt
cấp vào
phần cảm và hình thành dòng kích thích I
kt
qua phần cảm .
Phương trình cân bằng áp của mạch phần cảm là :

DC kt kt
V(RVR).I
(6.31)
Trong đó R
kt
: điện trở dây quấn phần cảm; VR : biến trở điều chỉnh dòng kích thích
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của điện trở nội dây quấn phần ứng và điện kháng đồng bộ dọc trục,
sức điện động hiệu dụng pha ở ngõ vào mạch chỉnh lưu và áp một chiều trên ngõ ra của mạch
chỉnh lưu quan hệ nhau thông qua hệ số chỉnh lưu K
CL
. Ta có quan hệ :

DC CL pha
VK.E (6.32)
Từ các quan hệ (6.31) và (6.32) suy ra đặc tuyến volt ampere mạch kích thích:

kt
pha kt
CL
RVR
EI

K






(6.33)
Như vậy, sức điện động pha E
pha
sinh ra lúc không tải thỏa quan hệ (6.33) và đồng thời
E
pha
cũng quan hệ với dòng kích thích I
kt
theo đặc tuyến không tải . Tóm lại điểm làm việc của
máy phát được xác định tại giao điểm của hai đặc tuyến này , xem hình H6.23.

DIỄN TIẾN CỦA QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH

Khi động cơ sơ cấp đã quay đạt tốc độ ổn định và có giá trị bằng đúng định mức, đóng kín
mạch kích thích theo sơ đồ nguyên lý hình H6.22. Sức điện động dư xuất hiện trong dây quấn
phần ứng, quá trình bắt đầu bắt đầu khảo sát tại vị trí 1 trong hình H6.24.Với giá trị này đủ hình
thành dòng điện kích thích qua phần cảm có giá trị là I
kt1
(điểm 2 trên hình H6.24).

Khi mạch kích thích có dòng đi qua đạt giá trị là I
kt1
, theo đặc tuyến không tải sức điện động

pha phải có giá trị là E
pha1
(điểm 3 trên hình H6.24). Bây giờ giá trị E
pha 1
> E
dư
.


HÌNH H6.22: Sơ đồ nguyên lý thực hiện quá trình tự kích máy phát điện đồng bộ.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

206
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6
Quá trình tiếp diễn tương tự tại
các điểm 4 và 5 Ta có thể xem
quá trình tự kích có dạng của quá
trình hồi tiếp dương, tuy nhiên khi
hai đặc tuyến cắt nhau, tại vị trí này
hệ thống kích thích sẽ ổn định và
hình thành sức điện động pha
không tải tương ứng với dòng kích
thích không tải của máy phát.
Qua quá trình tự kích chúng
ta rút ra các nhận xét như sau :

Sức điện động pha không tải
phụ thuộc giá trị dòng kích thích

không tải, gián tiếp phụ thuộc điện
trở VR mắc nối tiếp dây quấn phần
cảm. Khi thay đổi VR, chúng ta thay
đổi được giá trị sức điện động pha
phát ra lúc không tải.

Mặc khác, điều chỉnh thay đổi
điện áp V
dc
lấy ra sau mạch chỉnh
lưu cũng có thể thay đổi dòng kích
thích và sức điện động E
pha
không
tải.

Khi điện trở VR quá lớn làm
tăng độ dốc của đặc tuyến
kt
pha kt
CL
RVR
EI
K








, có thể đưa
đến các tình trạng như sau: Hai đặc tuyến không cắt nhau (khi giá trị E
dư
quá bé) hay hai đặc
tuyến cắt nhau tại vị trí cho giá trị sức điện động pha rất thấp. Giá trị VR lớn nhất làm cho hai đặc
tuyến tiếp xúc nhau gọi là điện trở tới hạn của điện trở VR trong mạch kích thích.

6.7. MỘT SỐ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ :

Nguyên lý điều chỉnh
thay đổi VR và V
DC
cấp
vào phần cảm xem là
nguyên lý cơ bản để tạo
thành hệ thống tự động
điều chỉnh thay đổi kích
thích cho máy phát điện
khi vận hành mang tải.
Trong hình H6.24 trình
bày kết cấu của một tổ
máy phát điện dùng động
cơ sơ cấp là động cơ
Diesel. Trong hình H6.25
trình bày mạch điện tử
dùng điều chỉnh lượng
nhiên liệu để ổn định tốc
độ và duy t
rì tần số máy

phát không thay đổi khi
mang tải.


pha dö
E
pha1
E
pha2
E
pha khoâng taûi
E
pha
E
kt
I
kt1
I
kt2
I
kt khoâng taûi
I

HÌNH H6.23: Các đặc tuyến trình bày quá trình tự kích.

HÌNH H6.24: Tổ máy phát dùng động cơ Diesel làm động cơ sơ cấp.


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

207
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

MAGNETIC PICKUP
(cảm biến tốc độ
dạng từ tính)
ACTUATOR
(bộ điều tiết nhiên
liệu bằng điện)
GOVERNOR
(mạch điện tử điều
khiển cấp nhiên liệu)

HÌNH H6.25: Mạch điện tử và cơ cấu chấp hành dùng điều tiết nhiên liệu để ổn định tốc độ động
cơ sơ cấp duy trì tần số nguồn áp phát ra khơng thay đổi.



Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

208
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

Trong hình H6.26 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh dòng kích thích để ổn định điện áp
máy phát trên phần ứng khi tải thay đổi.
Mạch AVR có hai chức năng: vừa thực hiện quá trình tự kích khi thành lập điện áp ban đầu
lúc vận hành máy phát và tự động điều chỉnh dòng kích thích.

6.8. HIỆU SUẤT VÀ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG :

Khi vận hành máy phát, ta có các thành phần công suất tác dụng sau:
P
1
: công suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện.
P
mq
: tổn hao ma sát cơ khí trên hệ thống ổ bi, quạt gió. Với máy phát điện có tần số
không đổi, tốc độ quay n
1
không đổi . Như vậy thành phần tổn hao này không đổi , vì tùy thuộc vào
tốc độ quay n
1
của hệ thống.
P
thép
: tổn hao trên lỏi thép do dòng xoáy và từ trễ.
P
J
: tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích do tác dụng Joule.

22
J pha pha kt kt
P3.R.I R.I (6.34)
P
2
: công suất tác dụng cung cấp đến phụ tải.


HÌNH H6.26: Mạch

A
VR tự động điều chỉnh kích thích


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

209
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

Hiệu suất của máy phát xác định theo quan hệ sau:

22
1
2
PP
P
P Toån hao
 


(6.35)
Trong đó:

mq theùp J
Toån hao = P P P



(6.36)

THÍ DỤ 6.6:
Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha S = 500 KVA, 2300 V (àp dây); dây quấn stator đấu Y;
Chúng ta tiến hành các phép thử máy phát và ghi nhận các kết quả như sau:

THỬ KHÔNG TẢI: Dòng kích thích I
kt
= 25 A , sức điện động dây trên phần ứng là E
d
= 1408V.

THỬ NGẮN MẠCH: Dòng kích thích I
kt
= 25A ; dòng ngắn mạch qua dây quấn là I
n
= 126A .

ĐO ĐIỆN TRỞ MỘT CHIỀU CỦA DÂY QUẤN STATOR: Cấp nguồn áp một chiều 8V vào 2 đầu bộ
dây đấu Y stator, dòng một chiều ghi nhận là 10A.

Biết điện trở xoay chiều bằng 1,25 lần điện trở một chiều. Xác định:

a./ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng khi máy phát tải định mức, cho hệ số công suất tải
là cos
 = 0,866 trễ.
b./ Suy ra độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải,


GIẢI:

a/ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng máy phát điện:

 Từ thí nghiệm không tải suy ra sức điện động pha tại dòng kích thích I
kt
= 25A là:
d
pha
E
1408
E812,91V
33
 


 Trong thí nghiệm ngắn mạch vì duy trì đòng điện kích thích cấp vào phần cảm bằng
15A, nên sức điện động E
pha
bằng giá trị sức điện động pha lúc không tải.
Dựa vào thí nghiệm ngắn mạch suy ra tổng trở đồng bộ của mỗi pha .
pha
S
n
E
812,91
Z 3,7635
I216
  


 Từ phép đo điện trở một chiều, suy điện trở một pha dây quấn theo cquan hệ
DC

phaDC
DC
V
8
R0,4
2.I 2.10



Giá trị của điện trở pha khi vận hành trong nguồn áp xoay chiều:
phaAC phaDC
R 1,25.R 1,25 0,4 0,5




 Thành phần điện kháng đồng bộ X
s
của mỗi pha là :

22 2 2
S S phaAC
X Z R 3,7635 0,5 3,73    



Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

210
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

 Khi máy phát điện mang tải định mức , ta có:

 Áp pha định mức cấp đến tải là :
daây ñm
pha ñm
V
2300
V 1327,9 V
33



 Hệ số công suất tải cos = 0,866 trễ ; suy ra sin = 0,5.

 Dòng định mức cấp đến mỗi pha tải là :
ñm
pha ñm
daây
S
500000
I 125,51 A
3.U 3 2300
 



 Sức điện động pha dây khi máy phát mang tải đúng định mức tại tải có hệ số công
suất cos
 = 0,866 trễ.


22
pha
E 1327,9 0,866 0,5 125,51 1327,9 0,5 3,73 125,51

pha
E1659V

b/ Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải:

Từ gía trị sức điện động pha tìm trong câu a, suy ra phần trăm thay đổi điện áp khi mang
tải theo quan hệ sau:

pha pha dm
pha dm
EV
1659 1327,9
U% 100 100 24,94%
V 1327,9





  





THÍ DỤ 6.7:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha : 1600 kVA, 11000 V ; 60 Hz ; dây quấn stator đấu Y
có đặc tuyến không tải ghi nhận trong bảng số liệu sau:

E
dâ
y
[kV] 6,5 9,0 11,0 12,2 13,4 14,0 14,5
I
kt
[A] 100 150 205 250 300 350 400

Khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A. Giả sử điện trở
dây quấn phần ứng không đáng kể (R
pha
= 0 Ω), tìm phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát tải
định mức cho tải có HSCS = 0,8 trễ.

GIẢI:
Từ bảng số liệu đặc tuyến không tải cho trong đầu đề, ta vẽ được đặc tuyến không tải mô
tả quan hệ sức điện động dây không tải E
dây
theo dòng kích thích, xem hình H6.27.

Từ đồ thị đặc tuyến không tải, khi I
kt
= 186 A ta có sức điện động là E
dây

= 10380 V. Suy ra
sức điện động pha tại I
kt
= 186 A là:


day
pha
E
10380
E 5992,895 5992,9 V
33
  


Dòng điện định mức của máy phát:


ñm
pha ñm
daây
S
1600 1000
I 83,978 83,98 A
3.V 3 11000

 


Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

211
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

Theo giả thiết khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A, sức
điện động pha là E
pha
= 5992,9 V . Nếu điện trở dây quấn phần ứng không đáng kể (R
pha
= 0 Ω) ta
suy ra điện kháng đồng bộ của mỗi pha theo quan hệ sau:


pha
s
dm pha
E
5992,9
X 71,361
I83,98
  

Điện áp pha định mức là:


day dm
pha dm
V

11000
V 6350,8529 6350,85V
33
  


Khi máy phát tải định mức với tải có HSCS = 0,8 trễ, sức điện động pha lúc mang tải là:

 
22
pha
E 6350,85 0,8 6350,85 0,6 71,361 83,98 11041,74 V



Phần trăm thay đổi điện áp:


pha pha dm
pha dm
EV
11041,74 6350,85
U% 100 100 73,86%
V 6350,85





  









HÌNH H6.27: Đặc tuyến không tải của máy phát