thiết kế mạch ổn định điện áp máy phát cho nhà máy nhiệt điện phả lại 1

Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
L I M UỜ ỞĐẦ 3
PH N I: GI I THI U CHUNG V NH M Y I N PH L I.Ầ Ớ Ệ Ề À Á ĐỆ Ả Ạ 4
A- Các đ c đi m chung v nh máy:ặ ể ề à 4
B- gi i thi u v chu trình nhi t chi ti t c a m t t máy.ớ ệ ề ệ ế ủ ộ ổ 5
7
S đ t ch c ho t đ ng c a Nh máy nhi t đi n Ph L iơ ồ ổ ứ ạ ộ ủ à ệ ệ ả ạ 8
PH N II: GI I THI U V M Y PH T I N NG B XOAY CHI U H TH NG K CH Ầ Ớ Ệ Ề Á Á ĐỆ ĐỒ Ộ Ề Ệ Ố Í
T M Y PH T V C C H TH NG I U KHI N K CH TỪ Á Á À Á Ệ Ố ĐỀ Ể Í Ừ 9
Ch ng I : Gi i thi u v máy phát đi n đ ng b xoay chi u:ươ ớ ệ ề ệ ồ ộ ề 9
I.1. nh ngh a v công d ngĐị ĩ à ụ 9
I.1.1. nh ngh a:Đị ĩ 9
I.1.2. Công d ng:ụ 9
I.2. C u t o máy phát i n ng bấ ạ đệ đồ ộ 9
I.2.1. Stato 10
I.2.2. R toụ 10
I.3. Nguyên lý l m vi c c a MF ng bà ệ ủ Đđồ ộ 10
I.4. Ph n ng ph n ng c a máy phát i n ng bả ứ ầ ứ ủ đệ đồ ộ 12
I.5. Ph ng trình i n áp c a máy phát i n c c l iươ đệ ủ đệ ự ồ 13
I.6. Công su t i n t c a máy phát i n ng b c c l iấ đệ ừ ủ đệ đồ ộ ự ồ 14
I.6.1. Công su t tác d ngấ ụ 14
I.6.2. Công su t ph n khángấ ả 16
I.6.3. i u ch nh công su t tác d ng v công su t ph n khángĐề ỉ ấ ụ à ấ ả 17
I.7. Các c tính c a máy phát ng bđặ ủ đồ ộ 18
I.7.1. c tính không t i c a máy phát i n ng bĐặ ả ủ đệ đồ ộ 18
I.7.2. c tính ngo i c a máy phát i n ng bĐặ à ủ đệ đồ ộ 19
I.7.3. c tính i u ch nh c a máy phát i n ng bĐặ đ ề ỉ ủ đệ đồ ộ 20
I.7.4. c tính t i c a máy phát i n ng bĐặ ả ủ đ ệ đồ ộ 20
I.8. Ch thu n ngh ch c a máy i nếđộ ậ ị ủ đ ệ 21
I.8.1. Ch máy phátếđộ 21

I.8.2. Máy l m vi c ch ng cà ệ ở ếđộđộ ơ 22
I-9. Ch l m vi c song song c a máy phát i n ng bếđộ à ệ ủ đệ đồ ộ 22
ch ng II: H th ng kích t máy phátươ ệ ố ừ 24
II.1- Khái ni m chungệ 24
II.2- Phân lo i v c i m c a m t s h th ng kích tạ àđặ để ủ ộ ố ệ ố ừ 26
II.2.1- H th ng kích t dùng máy phát i n m t chi uệ ố ừ đệ ộ ề 26
II.2.2- H th ng kích t dùng máy phát i n xoay chi u v ch nh l uệ ố ừ đ ệ ề à ỉ ư 28
II.3- H th ng kích t dùng ch nh l u có i u khi nệ ố ừ ỉ ư đề ể 30
Ch ng III: Thi t b t đ ng đi u ch nh kích t (T K)ươ ế ị ự ộ ề ỉ ừ Đ 32
III-1. S kh i thi t b t ng i u ch nh kích t (T K)ơđồ ố ế ị ựđộ đề ỉ ừ Đ 32
III.2- M t s ph ng pháp n nh i n áp máy phátộ ố ươ ổ đị đệ 34
III.2.1- i u ch nh i n áp s d ng bi n tr thanĐề ỉ đệ ử ụ ế ở 34
III.2.2- B i u ch nh i n áp s d ng khuy ch i tộđề ỉ đ ệ ử ụ ế đạ ừ 36
III.2.3- B i u ch nh i n áp máy phát b ng bán d n s d ng transitor công su tộđề ỉ đệ ằ ẫ ử ụ ấ 43
PH N III: THI T K M CH N NH I N P CHO NH M Y NHI T I N PH L IẦ Ế Ế Ạ Ổ ĐỊ ĐỆ Á À Á Ệ ĐỆ Ả Ạ.48
A- T ng quanổ 48
B- Gi i pháp th c hi nả ự ệ 48
B.1- Yêu c u chính:ầ 48
B.2- Gi i pháp l a ch n:ả ự ọ 49
B.2.1- Nguyên lý l m vi c c a h th ng:à ệ ủ ệ ố 49
B.2.2- Các thi t b tiêu chu n:ế ị ẩ 51
Ch ng IV: L a ch n thi t k v tính toán m ch đ ng l cươ ự ọ ế ế à ạ ộ ự 56
IV.1- Tính ch n m ch ng l cọ ạ độ ự 56
IV.1.1 - Mô t khái quát công ngh c a t i:ả ệ ủ ả 56
IV.1.2 - Ch n ph ng án ngu n v m ch i u khi n công su tọ ươ ồ à ạ đề ể ấ 56
1
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
IV.1.3 - S ng m ch l c (s 1 s i):ơđộ ạ ự ơđồ ợ 56
I.1.4 - Gi i thi u các m ch ch nh l u i u khi n công su t b ng bán d nớ ệ ạ ỉ ư đề ể ấ ằ ẫ 57

IV.1.5 - Phân tích l a ch n s i u khi n công su t:ự ọ ơđồđề ể ấ 64
IV.1.6 - Tính ch n các thông s c b n c a m ch ng l cọ ố ơ ả ủ ạ độ ự 65
IV.1.6 : Tính toán i n kháng :đ ệ 71
IV.1.7 : Tính toán, v các ng cong dòng i n v i n áp c a t i, c a các van khi máy l m vi c các ẽ đườ đ ệ àđ ệ ủ ả ủ à ệ ở
ch không t i, nh m c v ch c ng kích.ếđộ ả đị ứ à ếđộ ườ 74
IV.1.8 : Tính toán h th ng t n nhi t cho van :ệ ố ả ệ 78
IV.1.9- Tính ch n máy bi n áp l c :ọ ế ự 80
IV.1.10 : B o v quá i n áp cho van ng l c :ả ệ đ ệ độ ự 82
IV.1.11 : B o v ng n m ch :ả ệ ắ ạ 82
ch ng V : Thi t k v tính toán m ch đi u khi nươ ế ế à ạ ề ể 84
V.2.1 : Các yêu c u chung v m ch i u khi nầ ề ạ đề ể 84
V.2.2: Nguyên t c xây d ngắ ự 84
V.2.4: Phân tích các ph ng ánươ 88
2
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
LờI Mở ĐầU
Chất lượng điện áp là một yếu tố rất quan trọng trong việc sản xuất điện
năng, và nó cũng là một trong những nguyên nhân quyết định sự tồn tại và phát
triển của bất kỳ một quốc gia nào trên thế giới.
ở Việt Nam nói riêng, nguồn năng lượng điện ngày càng khẳng định vai
trò quyết định trong sự thoả mãn nhu cầu ngày càng cao về điện cho xây dựng
và bảo vệ tổ quốc. Cũng nh nhu cầu sinh hoạt của nhân dân. Sản lượng và chất
lượng điện không ngừng được nâng cao, nhiều nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện
cũng đã và đang được củng cố và xây dựng mới.
Đối với Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1, do Liờn xụ (cũ) giúp ta xây dựng.
Phần lớn việc ổn định điện áp là do nguyên lý cổ điển. Phần từ trường kích thích
cho máy phát điện tạo bởi máy phát kích thích lắp đồng trục với máy phát chính.
Phương pháp này có nguyên lý đơn giản, nhưng có nhược điểm là độ tin cậy,
chất lượng điều khiển không cao.

Hiện nay do công nghệ phát triển, các linh kiện bán dẫn công suất lớn
được chế tạo với độ tin cậy cao, giá thành hợp ly. Việc thay thế các bộ điều
khiển trực tiếp cho cuộn kích thích của máy phát đã được thực hiện.
Để tiếp thu ứng dụng nền khoa học mới cùng với kiến thức mà em đã
được học trong nhà trường. Nhiệm vụ làm đồ án tốt nghiệp của em được giao
là : Thiết kế mạch ổn định điện áp máy phát cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1.
Vì thời gian và trình độ hiểu biết có hạn nên bản đồ án của em không thể tránh
khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận được sự chỉ bảo thêm của các thầy, cô
giáo.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của thầy giáo
Nguyễn Huy Phương, thầy Nguyễn Công Hiền cùng toàn thể các thầy cô giáo
trong bộ môn Tự động hoỏ cỏc xí nghiệp công nghiệp đã quan tâm giúp đỡ em
hoàn thành bản đồ án này đúng kỳ hạn.
3
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
Phần I: giới thiệu chung về nhà máy điện phả lại.
A- Các đặc điểm chung về nhà máy:
Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại thuộc địa bàn huyện Chí Linh - tỉnh Hải
Dương. Nhà máy được khởi công xây dựng ngày 17 tháng 5 năm 1980 với sự
giúp đỡ của các chuyên gia Liờn xụ. Nhà máy được thiết kế lắp đặt với công
suất là 440 MW gồm 4 tổ máy. Mỗi tổ máy được lắp đặt theo kiểu hai lò một tua
bin, máy phát, mỗi tổ máy có công suất là 110 MW.
Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại được sử dụng phần lớn là than được khai
thác từ mỏ than Quảng Ninh. Lũ cú cỏc chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật nh :
- Hiệu suất lò : η
lò
= 86,05%
- Nhiệt độ khúi thoát : t
khúi thoát

= 133
0
C.
Các tổ máy của nhà máy được lần lượt đưa vào vận hành và đáp ứng kịp
thời tốc độ tăng trưởng của phụ tải điện trong cả nước, trong thời kỳ công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đặc biệt Nhà máy được tăng cường khai thác
từ những năm 1994 khi đường dây tải điện 500 kV Bắc Nam được đưa vào sử
dụng thống nhất hệ thống điện trong cả nước.
Nhiên liệu cung cấp cho quá trình đốt cháy chủ yếu của lò hơi là than
Quảng Ninh và dầu FO. Than được vận chuyển về nhà máy theo đường thuỷ và
đường sắt.
- Quá trình vận chuyển theo đường thuỷ là nhờ các xà lan tầu thuỷ, than
được bốc dỡ nhờ cẩu ky rốp đưa lên băng tải vận chuyển đưa thẳng lờn lũ hoặc
đưa vào kho than dự trữ.
- Quá trình vận chuyển theo đường sắt nhờ tầu hoả, than được bốc dỡ nhờ
thiết bị quang lật toa rồi đưa vào băng tải vận chuyển lờn lũ hoặc đưa vào kho
than dự trữ.
- Dầu FO được vận chuyển về nhà máy theo đường thuỷ nhờ các xà lan và
được các bơm dầu bơm vào các bể dự trữ.
Lượng khúi thoỏt trước khi thải ra ngoài trời được sử lý qua bộ lọc tĩnh
điện. Bộ lọc này làm việc với hiệu suất là 99%. Khói được các quạt khói đưa
vào ống khói và đẩy ra ngoài ở độ cao của ống khói là 200m.
4
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
Sản lượng điện hàng năm của nhà máy là : 2,86 tỷ kWh
Lượng điện tự dùng tổng nhà máy là : 10,15%
Hiệu suất khử bụi trong khói là : 99%
Lượng than tiêu thụ hàng năm là : 1,254.400 tấn
Lượng dầu FO tiêu thụ hàng năm là : 7.150 tấn

Suất tiêu hao than tiêu chuẩn là : 439 g/kWh
B- giới thiệu về chu trình nhiệt chi tiết của một tổ máy.
Nhà máy nhiệt điện Phả Lại bao gồm có 4 khố kép. Mỗi khối gồm có 2 lò
hơi và 1 tua bin máy phát, các khối được vận hành độc lập với nhau theo chu
trình kín.
Nước ngưng từ bình ngưng của tua bin sẽ được bơm ngưng đưa qua cỏc
bỡnh gia nhiệt hạ áp 4, 5, 6, 7, 8. Hơi được trích từ tua bin qua các cửa trớch
khụng điều chỉnh nước sau khi qua cỏc bỡnh gia nhiệt hạ áp được gia nhiệt còn
tới 140
0
C và được đưa vào bình khử khí 6 ata. Tại đây nước được khử hết các
bọt khí lẫn trong nước, nước từ bình khử khí được các bơm cấp đẩy đi qua cỏc
bỡnh gia nhiệt cao áp 1, 2, 3. Nước đi ra khỏi cỏc bỡnh gia nhiệt cao áp số 1 có
nhiệt độ là 230
0
C, nước trước khi vào bao hơi đi qua bộ hâm cấp 1, cấp 2 để tiếp
tục nhận phần nhiệt của khúi lũ, nước từ bao hơi đi qua cỏc vũng tuần hoàn tự
nhiên, tạo thành hỗn hợp hơi bão hoà trong dàn ống sinh hơi và bao hơi. Hơi bão
hoà từ bao hơi đi qua các bộ quá nhiệt, bộ giảm ôn, hơi được điều chỉnh phù hợp
với yêu cầu kỹ thuật của hơi mới rồi đưa sang tua bin để thực hiện quá trình sinh
công quay máy phát. Sau khi sinh công ở tầng cánh tua bin phần cao áp, hơi
được ống dẫn đưa sang phần hạ áp để tiếp tục sinh công sau đó mới được thoát
xuống bình ngưng.
Công sinh ra trong tua bin để quay máy phát - phát ra điện nh vậy nhiệt
năng đã chuyển hoá thành cơ năng, rồi từ cơ năng biến đổi thành điện năng. Quá
trình chuyển hoỏ đú được thể hiện trên sơ đồ khối như sau :
5
Níc
NhiÖt H¬i Sinhc«ng §iÖnn¨ng
Ngng

Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
Sơ đồ chu trình nhiệt chi tiết của một tổ máy 110 MW được trình bày trên hình
vẽ bên.
6
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
B¥M N¦íC CÊP
1
2
KHö KHÝ
4 5 6
7 8
A
B
MF
XI LANH
H¹ ¸P
XI LANH
CAO ¸ P
VAN STOP
BAO H¥I A BAO H¥I B
Lß A
Lß B
GIA NHIÖT H¹ ¸P
EZECTOR
B¥M NG¦NG
BINH NGUNG
A
B

3
GIA NHIÖT CAO ¸P
Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy 110 MW.
7
ỏn tt nghip
Khoa in
S t chc hot ng ca Nh mỏy nhit in Ph Li
8
PX
VH1
PX
VH2
PX
VH
điện
PX
ccnl
PX
hoá
PX
sccn
PX
sc
điện
PX
tđđ
k
PX
cơ
khí

PX
sx
phụ
giám đốc
phó giám đốc
vận hành

phó giám đốc
sửa chữa

phòng
tổ chức lđ

phòng
t.chính -
KT
phòng
T.hợp -
Hcqt

phòng
T.tra-bao
vệ

phòng
k.hoạch
-V.t t

Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện

phần II: Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay chiều hệ thống kích từ
máy phát và các hệ thống điều khiển kích từ
Chương I : Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay chiều:
I.1. Định nghĩa và công dụng
I.1.1. Định nghĩa:
Máy phát điện (MFĐ) xoay chiều có tốc độ quay Rụto n bằng tốc độ quay
của từ trường n
1
gọi là máy phát điện xoay chiều đồng bộ. ở chế độ xác lập máy
phát điện đồng bộ có tốc độ quay Rụto luụn không đổi khi tải thay đổi.
I.1.2. Công dụng:
MFĐ đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công nghiệp trong đó
động cơ sơ cấp là các tuabin hơi, hoặc tuabin nước. Công suất của mỗi máy có
thể đạt tới 500MW hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song với nhau.
ở các lưới điện công suất nhỏ, MFĐ đồng bộ được kéo bởi các động cơ điờzen
hoặc các tuabin khớ, nú có thể làm việc đơn lẻ hoặc nhiều máy làm việc song
song với nhau.
I.2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
- Cấu tạo MFĐ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Roto. Trờn hỡnh
I-1 vẽ mặt cắt ngang của trục máy.
4
3
2
S
N
1
h×nh I-1
1: Lá thép Stato
9
Đồ án tốt nghiệp

Khoa điện
2: Dây quấn Stato
3. Lá thép Rụto
4. Dây quấn Rụto
I.2.1. Stato
Stato của máy phát điện đồng bộ về trờn hỡnh I-1. Giống nh Stato của
máy phát điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lừi thộp Stato và dây
quấn ba pha Stato. Dây quấn Stato gọi là dây quấn phần ứng.
I.2.2. Rụto
Rụto máy phát điện đồng bộ cú cỏc cực từ và dây quấn kích từ. Có 2 loại:
Rụto cực Èn và Rụto cực lồi. Hình I.2a vẽ Rụto cực Èn, hình I.2b vẽ Rụto cực
lồi. Rụto cực lồi dùng cho các máy phát có tốc độ chậm, có nhiều đôi cực (2P ≥
4)
Rụto cực Èn thường dùng cho máy phát có tốc độ cao 3000v/p, có một
đôi cực (2P=2). Để có sức điện động hình sin, từ trường của cực từ Rụto phải
phân bổ hình sin dọc theo khe hở không khí giữa Stato và Rụto, ở các đỉnh các
cực từ có từ cảm ứng cực đại.
h×nh I.2b
R« to cùc låi
h×nh I.2a
R« to cùc låi
- Đối với Rụto cực Èn, dây quấn kích từ được đi luồn trong trục của Rụto
và nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn
kích từ (Hình vẽ I-3)
I.3. Nguyên lý làm việc của MFĐ đồng bộ
10
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
- Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ
tạo nên từ trường Rụto. Khi quay Rụto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của Rụto

sẽ cắt qua dây quấn phần ứng Stato và cảm ứng một sức điện động xoay chiều
hình sin có trị số hiệu dụng là:
E0 = 4,44 . f .W1.Kdq. φ0 (I-1)
Trong đó:
E
0
: :Là sức điện động pha
W
1
: Số vòng dây quấn 1 pha
K
dq
: Hệ số dây quấn
φ
0
: Từ thông cực từ Rụto
- Nếu Rụto có P đôi cực, khi Rụto quay được một vòng, sức điện động
phần ứng sẽ biến thiên P chu kỳ.
Do đó nếu tốc độ quay của Rụto là n(v.s) tần số f của sức điện động sẽ
là:
f = P.n (I-2a)
Nếu tốc độ của Rụto tính được bằng phỳt thỡ:
P.n
f = (I - 2b)
60
Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 120
0
điện.
Cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 120
0+

Khi dây quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dòng điện ba pha. Giống nh
máy phát điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ
trường quay, với tốc độ là:
60.f
n
1
=
P
đúng bằng tốc độ quay (n) của Rụto. Do đó, kiểu máy điện này được gọi là máy
phát điện đồng bộ xoay chiều.
11
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
I.4. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ
Khi MFĐ làm việc, từ trường của cực từ Rụto φ
0
cắt dây quấn. Cảm ứng
ra sức điện động E
0
chậm pha so với từ thông φ
0
một góc 90
0
(Hình I-4a). Dây
quấn nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây
quấn sẽ tạo nên từ trường quay gọi là từ trường phần ứng φ quay đồng bộ với từ
trường của cực từ φ
0
góc lệch pha giữa E
0

và I do tính chất của tải quyết định.
d)
c)
Ψ = 9 0
b)
Ψ = 9 0
a)
Ψ = 0
Φ 0
Φ 0
Ι
Ι
q
Ψ
Ψ = 9 0
Φ
I
Ψ = 9 0
I
S
Φ
E
0
E
0
E
0
E
0
S

N
S
N
N
S
N
90
h×nh I-4
I ®
Φ
- Trường hợp tải thuần trở (Hình I-4a) góc lệch pha ψ = 0, E
0
và I cùng
pha. Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng φ cùng pha với dòng điện. Tác
dụng của từ trường phần ứng φ lên từ trường cực từ φ
0
theo hướng ngang trục,
làm méo từ trường cực từ ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục.
- Trường hợp tải thuần cảm (Hình I-4b) góc lệch pha ψ = 90
0
, dòng điện I
sinh ra từ trường phần ứng φ ngược chiều với φ
0
ta gọi là phản ứng phần ứng
dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng.
- Trường hợp tải thuần dung: ψ = -90
0
(Hình I-4c) dòng điện sinh ra từ
trường phần ứng φ cùng chiều với φ
0

ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ
12
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng. Trường hợp tải bất kỳ (Hình I-4d) ta
phân tích dòng điện I làm 2 thành phần: thành phần dọc trục I
d
= I sinψ và thành
phần ngang trục I
q
= I cos ψ,dũng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tính
chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ hoặc khử từ tuỳ theo tính chất
của tải có tính điện cảm hoặc có tính điện dung.
I.5. Phương trình điện áp của máy phát điện cực lồi
Khi máy phát điện làm việc, từ trường cực từ φ
0
sinh ra sức điện động E
0
ở dây quấn. Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải. ở máy cực lồi vì
khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phải phân tích ảnh hưởng của
phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục. Từ trường phản ứng
phần ứng ngang trục tạo nên sức điện động ngang trục.
E
ưq
= -J
id
.X
ưq
Trong đó: X
uq

là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục . Từ trường
phản ứng phần ứng dọc trục tạo nên sức điện động dọc trục
E
ưd
= -J
id
. X
ưd
Trong đó: X
ưd
là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục từ thông tản của
dây quấn đặc trưng bởi điện kháng tản X
t
không phụ thuộc vào hướng dọc trục
hoặc ngang trục. E
t
= -J
iq
. X
t
Bá qua điện áp rơi trờn dõy quấn phần ứng IRư ta
có phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
U = E
0
- J
id
.X
ưd
- J
id

X
t
- J
iq
X
ưq
- J
iq
X
t
(I-3)
= E
0
- J
id
(X
ưd
+ X
t
) - J
iq
(X
ưq
+ X
t
) (I-4)
Gọi X
ưq
+ X
t

= X
d
là điện kháng đồng bộ dọc trục
X
ưq
+ X
t
= X
q
là điện kháng đồng bộ ngang trục
Ta có thể viết gọn lại là:
U = E
0
- J
id
X
d
- J
iq
X
q
(I-5)
Phương trình (I-5) tương ứng với đồ thị véc tơ (Hình I-5) ta thấy góc lệch
pha điện áp U và sức điện động E
0
do tải quyết định.
Đối với máy phát cực Èn là trường hợp đặc biệt của máy phát cực lồi: X
đb
= X
d

= X
q
gọi là điện kháng đồng bộ cực Èn.
13
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
Ta có thể viết:
U = E
0
- J
i
X
đb
(I-6)
Đồ thị véc tơ của MFĐ đồng bộ cực Èn được về trờn hỡnh (I-5b)
Φ
Ψ
E
0
A
j Id Xd
j Iq Xq
U
I
Id
0
Iq
E
0
B

C
I
0
j Ix Xdb
θ
θ
Ψ
ϕ
a) b)
h×nh I-5
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 = m UI cosφ (I-7)
Trong đó: m là số pha
Theo đồ thị véc tơ hình (I-5a) ta thấy φ = ψ -θ, do đó:
P = m UI cosφ = m UI cos (ψ-
θ
)
= m UI cosφ cos
θ
+ m UI sin ψ sin
θ
vì I.cos ψ = I
q
và I.sinψ = I
d
Theo đồ thị véc tơ (hình I-5a) ta rót ra:
U.sin
θ

E
0
- U.cos
θ

I
q
= và I
d
=
14
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
X
q
X
d
Thế biểu thức của I
d
và I
q
vào phương trình công suất điện từ bỏ qua tổn
hao sau đó ta biến đổi đơn giản ta còn:
E
0
U
2
1 1
P
đt

= mU sin
θ
+ m . - . sin2
θ

X
d
2 X
q
X
d
Ta nhận thấy công suất điện từ bao gồm hai thành phần (Hình I-6):
mUE
0
- Thành phần sinθ do dũng kớch từ tạo nên tỷ lệ với sinθ đó
X
đ
là thành phần công suất chủ yếu của máy phát.
mU
2
1 1
- Thành phần thứ hai . - sin 2
θ
2 X
q
X
d
không phụ thuộc vào dũng kớch từ và chỉ suất hiện khi X
đ
≠ X

q
. Đối với máy
cực Èn vì X
d
= X
q
thành phần này bằng không người ta chế tạo động cơ Rụto có
khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau (cực lồi) mà không cần dòng điện kích
từ, do ảnh hưởng của thành phần công suất này cũng tạo nên mô men quay. Đó
là nguyên lý của động cơ phản kháng.
15
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
h×nh I-6
m
22
2
U
(
2
U
2
sin2
θ
2
U
)
X ®
m
U

sin2
θ
Eo
0
0
90
180
P ®t
0
P ®t
θ
Đặc tính P = f(θ) gọi là đặc tính góc công suất. Máy phát làm việc ổn định
khi θ trong khoảng 0 ÷ π/2; Khi tải định mức θ = 20
0
÷ 30
0
I.6.2. Công suất phản kháng
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:
Q = m UI sinφ = m UI sin (ψ -
θ
)
= m [UI sin ψ cos
θ
- UI cosψ sin
θ
] (I-9)
Từ đồ thị véc tơ hình I-5b ta có:
I X
đb
sinψ = AB = OA- OB = E

0
- U cos
θ
E
0
- U cos
θ
do đó: I sin ψ = (I-10)
X
đb
I X
đb
cosψ = BC = U sinθ
U sin
θ
do đó: U cosψ = (I-11)
X
đb
Thay (I-10) và (I-11) vào (I-9) ta có:
16
1 1
- sin 2θ
X
q
X
®

Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
m UE

0
cos
θ
m U
2

Q = - (I-12)
X
đb
X
đb
Biểu thức (I-12) là công suất phản kháng của máy phát đồng bộ viết theo
các thông số của máy.
I.6.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng
I.6.3.1. 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 (tua bin hơi
hoặc tua bin khí ).
I.6.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng
Từ biểu thức công suất phản kháng (I-12), ta có:
m U (E
0
cos
θ
- U)
Q = (I-13)
X
đb
Khi giữ U, f và P không đổi thì:
Nếu E

0
cosθ < U thì Q < 0
E
0
cosθ = U thì Q = 0
E
0
cosθ > U thì Q > 0
- Khi Q < 0 nghĩa là mỏy khụng phỏt công suất phản kháng mà nhận công
suất phản kháng từ lưới điện để tạo ra từ trường. Mỏy thiờu kớch từ:
- Khi Q > 0 nghĩa là máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải.
Mỏy quỏ kớch từ.
- Từ các công thức trên, muốn thay đổi công suất phản kháng, phải thay
đổi E
0
nghĩa là phải thay đổi điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn tăng công suất
phản kháng phát ra, thì ta phải tăng dũng kớch từ.
17
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
Thật vậy, nếu tăng dòng điện kích từ, thì E
0
sẽ tăng cosθ tăng(vỡ E
0
sinθ =
const) do đó Q tăng.
I.7. Các đặc tính của máy phát đồng bộ
Khi vận hành bình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối
xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát. Công
suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép nhỏ hơn

hoặc bằng công suất định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lượng
nh điện áp, dòng điện, dũng kớch từ, hệ số công suất cosφ, tần số f và tốc độ
quay n.
Để phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3
đại lượng chủ yếu là U, I, I
f
thành lập các đường đặc tính sau:
I.7.1. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là: quan hệ E = U
0
= f (i
t
) khi I = 0 và f = f
đm
Dạng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực Èn và cực lồi
khác nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:
E i
t
E
*
= i
*
=
E
đm
i
tđm0
Trong đó: i
tđm0
là dòng điện không tải khi U = U

đm
18
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
E
*
(1)
(2)
i
*
Hình I-7: Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
I.7.2. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I). Khi i
t
= const; cosφ = const và f = f
đm.

Đặc tính ngoài cho thấy lúc dòng điện kích từ không đổi, điện áp
máy phát thay đổi theo tải:
L
R
C
I
I ®m
U ®m
U
U
h×nh I-8: ®Æc tÝnh ngoµi cña m¸y ph¸t ®ång bé
Từ hình (I-8) ta thấy đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu
tải có tính cảm, khi I tăng phản ứng phần ứng bị khử từ, điện áp giảm nên đường

đặc tính đi xuống. Nếu tải có tính dung khỏng thỡ I tăng, phản ứng phần ứng là
19
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
trợ từ, điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên. Khi tải là thuần trở thì đường
đặc tính gần nh song song với trục hoành.
I.7.3. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ: i
t
= f(I) . Khi U = const; cosφ = const
và f = f
đm
. Nã cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện i
t
của máy phát sao
cho điện áp U ở đầu cực của máy phát là không đổi:
i

to
t
L
R
I
I ®m
0
i

C
Hình vẽ (I-9): Đặc tính điều chỉnh của MFĐ đồng bộ
I.7.4. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ giữa điện áp U đầu cực máy phát với dũng
kớch từ khi dòng điện tải I = const, cosφ = const và f = f
đm
. Với các trị số khác
nhau của I và cosφ sẽ cú cỏc đặc tính tải khác nhau. Hình (I-10) trình bày các
đường đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải I của máy phát điện đồng bộ:
20
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
U
I kt
I=0
I=I ®m
Hình vẽ (I-10) : Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ
I.8. Chế độ thuận nghịch của máy điện
I.8.1. Chế độ máy phát
Chế độ máy phát là quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng, hay nói
cách khác là máy điện làm việc ở trường hợp P > 0 và Q > 0. Tức là máy phát ra
công suất tác dụng cấp cho tải thuần trở và phát ra công suất phản kháng cấp cho
tải có tính cảm.
ở trường hợp này có phương trình cân bằng điện áp:
E
0
= U + RI + J X
đ
I (I-14)
Sức điện động ở Rụto lớn hơn điện áp ở đầu cực máy phát. Do đó máy
phát phát ra công suất P > 0 và Q > 0 cấp cho lưới.
Khi Rụto quay sinh ra E
0

, nên E
0
còng quay.
Vậy chế độ máy phát thì E
0
vượt tríc U.
Khả năng tải của máy phát khi làm việc ở chế độ quá tải dòng điện tăng,
điện áp giảm, lúc này máy phát làm việc ở trạng thái quá tải, muốn cho điện áp
không thay đổi thì máy phát làm việc ở chế độ kích từ cưỡng bức (quỏ kớch từ)
để phát ra công suất phản kháng cho lưới. Khi máy phát bị non tải thỡ dũng
giảm, điện áp tăng và lớn hơn sức điện động do phần ứng sinh ra. Lúc này để
21
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
cho điện áp không đổi thì máy phát phải làm việc ở chế độ thiếu kích thích để
tiêu thụ: một phần điện áp rơi trên đầu cực của máy phát.
ở máy phát điện, công suất điện từ được chuyển từ Rụto sang Stato bằng
công suất cơ đưa vào trừ các tổn hao trong thộp Rụto và Stato.
I.8.2. Máy làm việc ở chế độ động cơ
Nguyên lý chung của động cơ là biến đổi công suất điện thành công suất
cơ. ở chế độ này ta cung cấp công suất điện P = UI, dưới tác dụng của từ trường
ở cực từ sẽ sinh ra một lực điện từ F
dt
= B
i
.l
Công suất điện từ đưa vào động cơ:
P = Ui = ei = B
i
l . V = F

đt
.V
Nh vậy công suất điện P
đ
= Ui đưa vào động cơ đã biến thành công suất
cơ: P
cơ
= F
đt
. V trên trục động cơ.
Phương trình điện áp ở chế độ động cơ:
E = U - J I X
đ
- RI (I-15)
ở trường hợp này ta xét cho động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ có cấu tạo
đặc tính cũng giống như máy phát. Động cơ đồng bộ làm việc với cosφ cao hơn
và Ýt hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lưới điện là nhờ thay đổi
dòng điện từ hoỏ (dũng kớch từ). Do đó động cơ có thể phát ra công suất phản
kháng đưa vào lưới điện.
Động cơ đồng bộ khác với máy phát đồng bộ là khi thiếu kích thích động
cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện (φ > 0) và khi quá kích thích
động cơ phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới (φ < 0). Vì vậy trong một số
trường hợp người ta sử dụng chế độ quá kích thích của động cơ để làm mỏy bự.
I-9. Chế độ làm việc song song của máy phát điện đồng bộ
Các 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 so với công suất
mỗi máy phát riêng rẽ. Do đó điện áp cũng nh tần số của lưới có thể giữ không
đổi khi thay đổi tải.
Để các máy phát điện làm việc song song, phải đảm bảo các yêu cầu sau:
22

Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
1. Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện và trùng pha
nhau
2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện.
3. Thứ tự pha của máy phát phải giống số thứ tự pha của lưới điện.
Nếu không đảm bảo các điều kiện trờn thỡ sẽ có dòng điện lớn chạy
quanh trong máy, phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện.
Để đóng máy phát điện vào lưới ta dùng thiết bị hoà đồng bộ.
Đối với máy phát điện công suất nhỏ, có thể đóng vào lưới bằng phương
pháp tự đồng bộ nh sau:
Dây quấn kích từ không đóng vào nguồn điện kích từ mà khép mạch qua
điện trở phóng điện, để tránh xuất hiện điện áp cao, phá hỏng dây quấn kích từ.
Quay Rụto đến gần tốc độ đồng bộ, sau đó đóng máy phát vào lưới và cuối cùng
sẽ đúng dõy quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy sẽ làm việc đồng bộ.
E
ưq
= -Ji
q
X
ưq
Trong đó: X
ưq
là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục
E
t
= -J
iq
X
t

bá qua điện áp rơi trờn dõy quấn phần ứng
23
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
chương II: Hệ thống kích từ máy phát
II.1- Khái niệm chung
Mét trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm
việc an toàn của máy phát điện, là hệ thống kích từ.
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.
Dũng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm
bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện
năng cao trong mọi tình huống.
Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dũng kớch từ sẽ điều
chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng
phát vào lưới.
Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ.
Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy
phát điện làm việc với lưới.
Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm (khi máy
phát nối với lưới). Nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá huỷ máy.
Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện nói chung đòi hỏi phải tắt rất
nhanh biên độ dao động của các quá trình quá độ trong máy phải nằm trong
phạm vi cho phép. Do đó vấn đề điều chỉnh tự động dũng kớch từ có vai trò hết
sức quan trọng.
Để tự động điều chỉnh dũng kớch từ của máy phát điện đồng bộ, người ta
sử dụng thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (KĐK). Thiết bị nỏy cú nhiệm vụ giữ
cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải
thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máy phát vào hệ thống
lưới điện. Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài.

Những yêu cầu chung đối với thiết bị (TĐK).
- Thiết bị (TĐK) phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định
động.
24
Đồ án tốt nghiệp
Khoa điện
- Thiết bị (TĐK) cũn cú chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy phát làm
việc ở chế độ sự cố (nh ngắn mạch trong lưới) thì chỉ có bộ phận kích thích
cưỡng bức làm việc là chủ yếu. Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới
và giữ ổn định cho hệ thống.
Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông
số của hệ thống kích từ cũng nh kết cấu của bộ phận (TĐK).
Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ
của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất
định mức đủ lớn. Thông thường đòi hỏi công suất đình mức của hệ thống kích từ
bằng (0,2 ÷ 0,6) % công suất định mức của máy phát điện. Việc tạo ra các hệ
thống kích từ có công suất lớn như vậy thường gặp nhiều khó khăn. Đó là vì
công suất chế tạo các máy phát điện một chiều bị hạn chế bởi điều kiện làm việc
của bộ phận đổi chiều, khi máy phát điện một chiều có công suất lớn bộ phận
náy làm việc kém tin cậy và mau háng do tia lửa điện phát sinh. Với các máy
phát điện có công suất lớn, người ta phải sử dụng các hệ thống kích từ dùng máy
phát điện xoay chiều và chỉnh lưu. Ngày nay người ta đang áp dụng phổ biến hệ
thống kích từ tĩnh, dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển.
Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ hống kích từ còn được
đặc trưng bởi hai thông số quan trong khác là điện áp kích từ giới hạn (U
fgh)
và
hằng số thời gian (T
e
).

* Điện ỏp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được
của hệ thống kích từ. Giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dũng
kớch từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh. Đối với máy phát điện
tua bin hơi thường có U
fgh
≥ 2 U
fđm
. Trong nhiều trường hợp để đáp ứng các yêu
cầu đảm bảo ổn định hệ thống, người ta chế tạo U
fgh
= (3 ÷ 4) U
fđm
. Tuy nhiên,
U
fgh
càng cao đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện cao.
* Hằng số thời gian T
e
đặc trưng cho tốc độ thay đổi dũng kớch từ. T
e
được xác định bởi quán tính điện từ của các cuộn dây điện cảm. T
e
có trị số càng
nhỏ thì tốc độ điều chỉnh dũng kớch từ càng nhanh. Đặc trưng cho tính tác động
nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ điện áp kích từ khi có kích thích cưỡng
bức.
25