Chương 3: Các thiết bị động lực trong nhà máy thủy điện - Phần 2 pdf

Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01
36
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)
II. Máy Phát điện trong NMTĐ
II.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện
Các máy điện đồng bộ bao gồm các máy phát điện đồng bộ, các động cơ
đồng bộ và các bộ chỉnh đồng bộ pha.
Điện năng được cung cấp cho chiếu sáng mà chúng ta dùng hàng ngày và
điện năng được cung cấp cho các nhà máy đều được phát ra ở các nhà máy điện
và được phân phối. Các tua bin nước, tua bin hơi và các động cơ đốt trong làm
quay các máy phát ở các nhà máy điện và năng lượng tồn tại trong tự nhiên
được chuyển đổi thành điện năng. Gần như tất cả các máy phát này là các máy
phát điện đồng bộ.
Hơn nữa, cấu tạo của các động cơ đồng bộ giống như các máy phát điện
đồng bộ. Các đặc điểm của các động cơ đồng bộ là chúng quay ở một tốc độ
đồng bộ, khác với các động cơ điện cảm ứng và với chúng thì việc điều chỉnh
các hệ số công suất được thực hiện dễ dàng. Vì lý do này, các động cơ đồng bộ
được sử dụng cho các trường hợp mà tốc độ vận hành không đổi được yêu cầu
hoặc chúng được sử dụng như các bộ chỉnh đồng bộ pha đối với việc điều chỉnh
hệ số công suất.
Trong chương này, chúng ta học về các máy điện đồng bộ theo các trình tự
sau:
bộ.
(1) Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ.
(2) Các đặc tính của các máy phát điện đồng bộ.
(3) Phân loại và cấu tạo của các máy phát điện đồng bộ.
(4) Công suất định mức, tổn thất và hiệu suất của các máy phát điện đồng
(5) Vận hành song song các máy phát điện đồng bộ.
(1) Sự phát sinh ra sức điện động xoay chiều AC
Như đã nghiên cứu trong lý thuyết về điện năng, khi một cuộn dây được
quay trong từ trường ở một tốc độ không đổi thì sức điện động xoay chiều AC

được sinh ra trong cuộn dây. Các máy phát điện đồng bộ được chế tạo để lấy
lực này ra nhờ một vòng góp và các chổi than và cung cấp nó tới các mạch bên
ngoài.
(Các máy phát điện đồng bộ cũng được gọi là các máy phát dòng điện
xoay chiều hoặc các máy phát điện xoay chiều.)
a. Tần số của sức điện động cảm ứng
Khi cuộn dây “ab” quay đều giữa hai cực từ vị trí YY’ như minh hoạ trong
hình III.1(a) thì sức điện động cảm ứng thay đổi theo từng vòng quay như chỉ ra
trong hình (b) của cùng hình vẽ. Một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC
như minh hoạ trong hình III.2 được sinh ra khi cuộn dây chuyển động một
khoảng dài gấp hai lần bước cực đó. Với một máy điện đa cực có số cực là P thì
một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC được sinh ra sau mỗi lần cuộn
dây chuyển động một khoảng bằng hai lần bước cực, nói các khác là có P/2 chu
kỳ của sức điện động xoay chiều AC được sinh ra trên một vòng qoay. (Điều
này giống hệt trường hợp các cực N và S được chuyển động thay vì một dây
dẫn chuyển động và đa số các máy phát điện đồng bộ được dựa trên phương
pháp này.)
Điện áp
Thời gian
Chu kỳ
Hình III.1 Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ
Chiều quay
Bước cực
2
×
(Bước cực)
1 Chu kỳ
Hình III.2 Máy phát điện xoay chiều AC đa cực
Thông thường, khi máy phát điện quay được n
s

vòng trên giây thì tần số f
[Hz] của sức điện động xoay chiều AC được biểu diễn như sau:
f =
n
S
× p
2
Vì thế, n
s
=
2 ×
f
P
[rps] hoặc
120 ×
f
P
[rpm] (III.1)
Trong đó: p là số cực
Ở Việt Nam, tần số tiêu chuẩn là 50 [Hz], vì vậy các máy phát điện đồng
bộ được thiết kế và chế tạo căn cứ vào tần số này.
b. Tốc độ đồng bộ
Mối liên hệ giữa tần số, số cực và số vòng quay được biểu diễn bởi
phương trình (III.1), số vòng quay n
s
được xem như tốc độ đồng bộ và máy điện
xoay chiều AC quay ở tốc độ đồng bộ trong một trạng thái ổn định được gọi là
máy điện đồng bộ.
thực tế của thanh dẫn phần ứng và v là vận tốc chuyển động [m/s] của thanh
39

Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)
(Một máy điện xoay chiều AC quay ở tốc độ khác tốc độ đồng bộ trong
một trạng thái ổn định được gọi là máy điện không đồng bộ và một ví dụ về loại
này là máy điện cảm ứng.)
(Số cực và số vòng quay)
Số vòng quay của một máy phát điện đồng bộ được xác định chủ yếu bởi
số vòng quay của động cơ chính được sử dụng để truyền động nó. Vì thế, trong
trường hợp của các Tua bin - máy phát thì chúng thường có thuận lợi ở các tốc
độ cao hơn, các máy phát 2 cực được sử dụng trong hầu hết các trường hợp
trong khi các máy phát 4 cực cũng được sử dụng nhưng ít dùng. Trong trường
hợp của các máy phát điện tua bin nước thì các máy phát 6 cực, 8 cực và các
máy điện đa cực như 32 cực, 48 cực được sử dụng theo khả năng và cột áp sẵn
có. Như vậy, phạm vi áp dụng của các máy phát thuỷ lực là rộng lớn.
Bảng III.1 Cho thấy mối liên hệ giữa số cực và số vòng quay được sử dụng
trong ứng dụng thực tế.
Bảng III.1 Số cực và số vòng quay
Số cực
Số vòng quay
[vòng/phút]
50
(Hz)
60
(Hz)
2 3000 3600
4 1500 1800
6 1000 1200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
16 375 450

20 300 360
24 250 300
28 214.3 257.1
32 187.5 225
40 150 180
48 125 140
(2) Cường độ của sức điện động cảm ứng
Trị số tức thời [V] của sức điện động cảm ứng trong cuộn dây phần ứng
được biểu diễn như dưới đây, trong đó B là mật độ từ thông [T], l là chiều dài
40
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)
dẫn:
e =vBl［V (III.2)
Dạng sóng của sức điện động cảm ứng đưa ra giống như sự phân bố mật
độ từ thông B như cho thấy ở phương trình này, vì vậy nếu giả thiết rằng sự
phân bố của mật độ từ thông cùng với khe hở là sóng hình sin như minh hoạ bởi
đường cong B trong hình III.3 thì dạng sóng của sức điện động cảm ứng cũng
sẽ là sóng hình sin như minh họa bởi đường cong trong cùng hình vẽ.
Hình III.3 Sự phân bố theo không gian của sức điện động cảm
ứng
Thời gian t [s] được tính từ lúc mà trục trung gian của các cực từ N và S
vừa mới chạy ở phía dưới một thanh dẫn phần ứng nhất định, trong trường hợp
này thì mật độ từ thông B [T] ở phía dưới thanh dẫn được biểu diễn như ở dưới
đây với sự liên quan đến thời gian t trong đó B
m
[T] biểu thị mật độ từ thông
cực đại (maximum):
B = B
m
sinωt [T] Trong đó: ω = 2πf (rad/s) (III.3)

Nếu bước cực được biểu diễn là τ [m] thì một chu kỳ được đưa ra khi nó
chuyển động một khoảng là 2 τ,
v = 2τf [m/s] (III.4)
Bằng cách thay thế các phương trình (III.3) và (III.4) vào phương trình
(III.2) chúng ta có,
e = 2τflB
m
sinωt = E
m
sinωt [V], Trong đó: E
m
= 2τflB
m
(III.5)
Nếu sự phân bố của mật độ từ thông là sóng hình sin, có nghĩa là B
a
của
mật độ từ thông là
2
B
a
= B
m
π
Khi đó từ thông Φ [Wb] trên cực được biểu diễn,
Φ = B
a
τl =
2
B

m
τl
π
Do đó: E
m
= πfΦ (III.6)
Với điện áp có dạng sóng hình sin thì trị số hiệu dụng của sức điện động
được biểu diễn bởi E’ [V].
E’ =
E
m
=
2
π
fΦ [V] (III.7)
2
Nếu cả hai phía cuộn dây của một cuộn dây được quấn trong khoảng
không của một bước cực từ thì sự chênh lệch pha giữa các sức điện động cảm
ứng đến cả hai phía của cuộn dây sẽ là π và sức điện động E" [V] xuất hiện ở cả
hai đầu của các cuộn dây được sắp xếp mắc nối tiếp nhau, vì thế sức điện động
ở cả hai phía của cuộn dây có thể được cộng lại bằng tổng của cả hai sức điện
động và được biểu diễn như sau:
E” = 2E’ =
2π
fΦ = 4.44fΦ (III.8)
2
Nếu số vòng của một cuộn dây được mắc nối tiếp trong một pha là n thì
sức điện động cảm ứng E [V] của một pha được biểu diễn bởi phương trình sau:
［［4.44fnΦ [V] (III.9)
Đây là phương trình cơ bản cho thấy trị số hiệu dụng của sức điện động

cảm ứng đối với trường hợp mà mật độ từ thông của khe hở là sóng phân bố
hình sin. Các phương trình này được tính toán cho một pha, do đó, khi điện áp
đầu cực của đấu nối ba pha được đạt được thì sự biến đổi nên được thực hiện
theo việc đấu nối giữa các pha, ví dụ: nhân với hệ số 3 cho cuộn dây đấu Y.