khảo sát các chế độ vận hành của máy phát điện trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP




LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP




ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN





GVHD : TSKH. HỒ ĐẮC LỘC
KS. HUỲNH CHÂU DUY
SVTH : ĐẶNG TUẤN QUỐC VIỆT
MSSV : 00DDC149
LỚP : 00DDC1

TP.HCM, Tháng 1/2005

Mục lục
***

LỜI CẢM ƠN
LỜI MỞ ĐẦU
trang
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ 1
1.1. Máy phát điện đồng bộ 2
1.1.1. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3
1.1.2. Phân loại 10
1.1.2.1. Máy phát điện đồng bộ 10
1.1.2.2. Động cơ điện không đồng bộ 10
1.1.2.3. Máy bù đồng bộ 10
1.2. Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn 11
1.3. Máy phát điện đồng bộ rôto cực lồi 12
Chương 2: Quá trình quá độ của máy phát điện đồng bộ 14
2.1. Phân tích các quá trình quá độtrong máy điện đồng bộ 15
2.2. Các thành phần DC của dòng stato 20
2.3. Xác đònh các hằng số quá độ 21
Chương 3: Điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 24
3.1. Khái niệm điều khển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 25
3.2. Các hệ thống tự động điều khiển máy phát cơ bản 25
3.3. Điều khiển tần số công suất (LFC) 26
3.3.1. Mô hình máy phát 27
3.3.2. Mô hình tải 31
3.3.3. Mô hình động cơ sơ cấp 32

3.3.4. Mô hình bộ điều tốc 33
3.3.4.1. Bộ điều tốc 33
3.3.4.2. Bộ hồi tiếp cơ học 33
3.3.4.3. Bộ khuyếch đại thủy lực 33
3.3.4.4. Bộ thay đổi tốc độ 34
3.4. Điều chỉnh điện áp máy phát và phân phối công suất phản kháng 37
3.4.1. Mô hình của bộ khuyếch đại 38
3.4.2. Mô hình của bộ kích từ 38
3.4.3. Mô hình của máy phát 39
3.4.4. Mô hình của bộ biến cảm 39
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 41
4.1. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 42
4.1.1. Đại cương 42
4.1.2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 42
4.1.2.1. Đặc tính không tải 43
4.1.2.2. Đặc tính ngắn mạchvà tỉ số ngắn mạch K 43
4.1.2.3. Đặc tính tải 47
4.1.3. Cách xác đònh các tham số của máy phát điện đồng bộ 49
4.1.3.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục 49
4.1.3.2. Điện kháng tản x

u
50
4.1.4. Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 51
4.2. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng 53
4.2.1. Đại cương 53
4.2.2. Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không đối xứng 55
4.2.2.1. Tổng trở thứ tự thuận z
1
= r

1
+ jx
1
55
4.2.2.2. Tổng trở thứ tự ngược z
2
= r
2
+ jx
2
55
4.2.2.3. Tổng trở thứ tự không z
0
= r
0
+ jx
0
58
4.2.3. nh hưởng của tải không đối xứng 59
4.2.3.1. Điện áp của máy phát điện khi làm việc ở tải không đối xứng 59
4.2.3.2. Tổn hao và rôto nóng 59
4.2.3.3. Hiện tượng máy rung 60
4.2.4. Ngắn mạch không đối xứng 60
4.2.4.1. Ngắn mạch một pha 60
4.2.4.2. Ngắn mạch hai pha 63
4.3. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65
4.3.1. Đại cương 65
4.3.2. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65
4.3.2.1. Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác 66
4.3.2.1.1. Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng 66

4.3.2.1.2. Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ 68
4.3.2.2. Phương pháp tự đồng bộ 69
4.3.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng bộ
70
4.3.3.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ 70
4.3.3.1.1. Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn
70
4.3.3.1.2. Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song 73
4.3.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ 73
Chương 5: Khảo sát máy phát điện đồng bộ trong mô hình máy điện thực tế tại phòng thí
nghiệm hệ thống điện trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 76
5.1. Giới thiệu chung về mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện –
Bộ môn hệ thống điện –Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 77
5.2. Các thành phần của mô hình 78
5.2.1. Nhóm máy điện 78
5.2.1.1. Động cơ điện xoay chiều ba pha 78
5.2.1.2. Máy phát điện một chiều 78
5.2.1.3. Động cơ điện một chiều 78
5.2.1.4. Máy phát điện xoay chiều 79
5.2.2. Trạm phân phối điện 79
5.2.3. Bảng và bàn điều khiển 79
5.2.3.1. Ký hiệu máy cắt, dao cách ly 79
5.2.3.2. Khóa xoay nhận 79
5.2.3.3. Đèn hiển thò 80
5.2.3.4. Đồng hồ đo 80
5.2.3.5. Nút nhấn 80
5.2.3.6. Bộ đồng hồ hòa đồng bộ 81
5.2.3.7. Khóa lựa chọn điện áp, dòng điện 81
5.2.3.8. Liên động giữa máy cắt và dao cách ly 81
5.3. Quá trình hoạt động của mô hình 81

5.3.1. Khảo sát chi tiết mô hình 82
5.3.1.1. Khảo sát động cơ điện ba pha 82
5.3.1.1.1. Thông số của động cơ điện AC ba pha 82
5.3.1.1.2. Mạch khởi động động cơ AC ba pha 82
5.3.1.1.3.1.Sơ đồ thực tế 82
5.3.1.1.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 83
5.3.1.1.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ AC 84
5.3.1.2. Khảo sát máy phát DC 85
5.3.1.3. Khảo sát động cơ DC 85
5.3.1.3.1. Thông số cơ bản của động cơ điện DC 85
5.3.1.3.2. Mạch khởi động động cơ DC 86
5.3.1.3.3.1.Sơ đồ thực tế 86
5.3.1.3.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 86
5.3.1.3.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ DC 87
5.3.1.4. Khảo sát máy phát điện AC 88
5.3.1.4.1. Thông số của máy phát AC ba pha 88
5.3.1.4.2. Quá trình vận hành hòa đồng bộ máy phát ba pha vào lưới 88
5.3.1.4.3. Trình tự thao tác và vận hành hệ thống 88
5.3.1.4.4. Điều chỉnh công suất tác dụng 89
5.3.1.4.5. Điều chỉnh công suất phản kháng 90
5.3.1.4.6. Các điều kiện để hòa đồng bộ máy phát vào lưới 90
5.3.1.4.7. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích từ 91
5.3.1.4.8. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất động cơ kéo 91
5.3.1.4.9. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích thíchø và lực kéo 92
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab 93
6.1. Giới thiệu về Simulink của Matlab 94
6.1.1. Giới thiệu sơ lược về Matlab 94
6.1.2. Giới thiệu các giao diện của Matlab 95
6.1.2.1. Khởi động Matlab 95
6.1.2.2. Giới thiệu các giao diện của Matlab 95

6.1.2.2.1. Giao diện chính của Matlab 95
6.1.2.2.2. Giao diện Simulink của Matlab 96
6.1.2.2.3. Giao diện thư viện các phần tử mô phỏng của Matlab 97
6.1.2.2.4. Thoát khỏi Matlab 98
6.1.3. Các thư viện cơ bản Simulink của Matlab 99
6.1.3.1. Nguồn áp xoay chiều 99
6.1.3.2. Nguồn áp một chiều 100
6.1.3.3. Diode 101
6.1.3.4. Nối đất 102
6.1.3.5. Nhánh RLC song song 102
6.1.3.6. Tải RLC song song 104
6.1.3.7. Nhánh RLC nối tiếp 105
6.1.3.8. Tải RLC nối tiếp 106
6.1.3.9. Đo điện áp 108
6.1.3.10. HTG 109
6.1.3.11. Hệ thống kích từ trong Matlab 112
6.2. Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát 114
6.2.1. Khảo sát chế độ vận hành bình thường của máy phát trong hệ thống điện 115
6.2.1.1. Sơ đồ mô phỏng 115
6.2.1.2. Các kết quả mô phỏng 116
6.2.1.2.1. Tốc độ quay của tuabin 116
6.2.1.2.2. Điện áp kích từ 116
6.2.1.2.3. Dòng stator 117
6.2.1.2.4. Điện áp pha a máy phát 117
6.2.2. Khảo sát chế độ sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát 118
6.2.2.1. Sơ đồ mô phỏng 118
6.2.2.2. Các kết quả mô phỏng 119
6.2.2.2.1. Tốc độ quay của tuabin 119
6.2.2.2.2. Điện áp kích từ 119
6.2.2.2.3. Dòng stator 120

6.2.2.2.4. Điện áp pha a máy phát 120
Tài liệu tham khảo





LỜI CẢM ƠN
***





Em chân thành gởi lời cảm ơn đến trường ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ cùng
quý thầy cô khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như truyền đạt cho
em kiến thức vô cùng qúy báo trong suốt thời gian thực tập và làm luận án.

Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Hồ Đắc Lộc, thầy Huỳnh Châu Duy đã dành nhiều thời
gian tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận án này.

Cuối cùng em xin gởi đến toàn thể quý thầy cô lời chúc tốt đẹp nhất để tiếp tục sự
nghiệp trồng người của mình.

Em xin chân trọng kính chào.

Tp.HCM, ngày 03 háng 01 năm 2005
SV.Đặng Tuấn Quốc Việt







LỜI NÓI ĐẦU


Điện công nghiệp là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng
lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,… bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện
năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người.

So với hiện tượng vật lý khác như cơ, nhiệt, quang … hiện tượng điện từ được phát hiện
chậm hơn vì các giác quan của con người không cảm nhận trực tiếp được hiện tượng này. Tuy
nhiên việc khám phá ra hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh mẽ cuộc cách mạng khoa học và
kỹ thuật chuyển sang lónh vực điện khí hóa.

Điện năng có ưu điểm nổi bật là có thể sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn, có
thể truyền tải đi xa và phân phối tới nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ. Điện năng dể dàng
biến đổi thành các dạng năng lượng khác. Mặt khác quá trình biến đổi năng lượng và tín hiệu

điện từ dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay và cả
lao động trí óc của con người.

Cho đến ngày nay máy điện được biết như là một thiết bò điện từ thực hiện sự biến đổi cơ
năng thành điện năng hoặc ngược lại.

Như vậy máy điện là một phần tử quan trọng nhất của bất cứ thiết bò điện năng nào. Nó
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển
và tự động điều chỉnh, khống chế … và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình.

Với vai trò quan trọng của mình máy điện phải có khả năng tự động hóa cao trong việc
điều chỉnh các thông số như điện áp, tần số, công suất … để góp phần vào việc nâng cao chất
lượng điện năng nhằm đáp ứng kòp thời tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa cũng như
thỏa mãn tốt nhất nhu cầu của con người.

Xuất phát từ tầm quan trọng trên, được sự cho phép của nhà trường và khoa ĐIỆN-ĐIỆN
TỬ em đã quyết đònh chọn đề tài “KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT
ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN” làm chuyên đề cho luận án tốt nghiệp của mình.

Luận án gồm có 6 chương được chia thành 3 phần :
_Chương 1,2,3,4: Giới thiệu về máy điện đồng bộ,trình bày trên cơ sở lý thuyết về các
vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình quá độ máy phát điện đồng bộ, phương
pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống và các chế độ vận hành của máy phát…
_Chương 5: Thực hiện vận hành và khảo sát thực tế máy phát điện đồng bộ trong mô
hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ
CHÍ MINH.
_Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ bằng phần mềm
mô phỏng Matlab.

Với thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên tất yếu luận án không tránh khỏi

những sai sót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn.

Xin chân thành cảm ơn!

CHÖÔNG 1
MAÙY PHAÙT ÑIEÄN
ÑOÀNG BOÄ












Máy phát điện là một trong những thiết bò điện từ gồm: mạch điện và mạch từ
liên hệ với nhau.

 Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí.
 Mạch điện gồm có hai hay nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với
nhau cùng với các bộ phận mang chúng.

Máy phát điện thực hiện biến đổi cơ năng thành điện năng, trong đó phần cơ sơ

cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước … Sự biến đổi cơ điện trong
máy phát điện dựa trên nguyên lý về cảm ứng điện từ. Nguyên lý này cũng đặt cơ sở
cho sự làm việc của các bộ biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi điện năng với những giá
trò của thông số này (điện áp, dòng điện, …) thành điện năng với những giá trò của
thông số khác.



Hình 1.1.Máy phát điện đồng bộ 3 pha.

1.1.Máy phát điện đồng bộ:

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc
độ quay của từ trường n
1
trong máy. Máy điện đồng bộ có hai dây quấn :dây quấn
Máy phát
Bộ kích từ
phần ứng được bố trí trên stato còn được gọi là dây quấn stato, các cuộn dây phần ứng
được thiết kế nhằm tao ra điện áp ba pha cân bằng; dây còn lại là dây quấn kích từ
đặt bên phía rôto. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không
đổi khi tải thay đổi. Bộ phận kích từ cần một lượng công suất nhỏ khoảng 0.2 -3%
công suất của máy. Rôto được trang bò với một hay nhiều vòng dây ngắn mạch có tác
dụng như là những vòng dây chống rung. Rôto được quay bởi động cơ sơ cấp với tốc
độ xác đònh và được kích từ bằng dòng điện một chiều. Dây quấn kích từ có thể được
cấp điện qua hệ thống vành trượt và chổi than từ những máy phát điện một chiều gắn
cùng trục với rôto. Tuy nhiên những hệ thống kích từ hiện đại thường sử dụng máy
phát điện xoay chiều và chỉnh lưu, được gọi là hệ thống kích từ không chổi than. Hệ
thống kích từ có nhiệm vụ duy trì điện áp máy phát và điều khiền công suất phản
kháng truyền tải từ máy phát vào hệ thống.

Rôto của máy phát đồng bộ có hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lồi.

Rôto cực ẩn có khe hở không khí giữa stato và rôto là đều và dây quấn kích từ
được đặt trong các rãnh rôto. Những máy phát thuộc rôto được quay bởi tuabin hơi và
thường được chế tạo để vận hành với tốc độ cao là 3000 vòng/phút hay 1500
vòng/phút (tương ứng với máy có 2 và 4 cực ở tần số 50Hz). Rôto cực ẩn có đường
kính nhỏ và dài được giới hạn bởi lực ly tâm. Khỏang 70% máy phát điện đồng bộ là
rôto cực ẩn và có công suất từ 150 đến 1500 MVA.

Rôto cực lồi có khe hở không khí giữa stato và rôto không đồng đều, dây quấn
kích từ được quấn xung quanh thân cực từ. Rôto cực lồi có nhiều cực từ, tốc độ quay
thấp, vì vậy khác với rôto cực ẩn, rôto cực lồi có đường kính lớn và ngắn. Những máy
phát thuộc rôto cực lồi thường được sử dụng trong nhà máy thủy điện và được chạy
bằng tuabin nước.

1.1.1.Cấu tạo máy phát điện đồng bộ:
Cấu tạo máy phát điện đồng bộ gồm ba phần: phần cảm, phần ứng và hệ thống
kích từ. Phần cảm thường là phần quay (rôto), phần ứng thường là phần tónh (stato)
cũng có thể chế tạo với phần cảm là phần tónh (trong trường máy phát điện đồng bộ
công suất nhỏ) nhưng phổ biến nhất vẫn là phần cảm quay.



Hình 1.2.Máy phát điện đồng bộ 3 pha công suất lớn.
Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực đơn giản hoá được minh họa trong hình
1.3. Stato gồm ba cuộn dây aa’, bb’, cc’ được đặt lệch nhau một gốc 120
0
điện. Các
dây quấn kiểu tập trung, bước đủ trên hình 1.3 biểu diễn cho các dây quấn rãi để tạo

ra sức điện động hình sin tập trung trên các trục từ của các pha tương ứng. Khi rôto
được kích từ, sẽ tạo ra từ thông ở khe hở không khí bởi từ thông  trên mỗi cực từ
quay với vận tốc gốc t không đổi, từ thông  móc vòng qua dây quấn stato và dây
quấn rôto biến thiên theo t, với t là góc giữa trục từ của dây quấn aa’ và trục từ
rôto. Từ thông móc vòng với cuộn dây aa’ có vòng sẽ đạt giá trò lớn nhất bằng N tại
t = 0 và bằng 0 tại t = /2.


Rôto có giá đỡ với
tuabin và ổ trục
của máy phát
Stato của máy phát
Chất cách điện
Vòng đệm
Fsr
Fr
r'
r
m
n
Fs
c
c'
b'
b
a'
a

Hình 1.3.Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực được đơn giản hoá.

Giả sử cuộn dây được bố trí sao cho từ thông móc vòng 
a
sẽ biến thiên theo
hình cosin của góc t. Vậy từ thông móc vòng với cuộn dây aa’ là:

a = Ncost (1.1)

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây aa’ được xác đònh bởi đònh luật Faraday:

tN
dt
d
e
a


sin


)2/cos(
sin
max
max




te
tE
(1.2)

Trong đó :
 fNNE

2
max

Và trò hiệu dụng :

 fNE 44,4
(1.3)
Trong đó: f tính bằng Hz.

Trong các máy phát điện xoay chiều thực tế, các cuộn dây mỗi pha thường
được quấn rãi trong các rãnh stato và với bước ngắn K

, gọi là hệ số dây quấn. Hầu
như, các dây quấn ba pha đều có K

vào khoảng 0,85 đến 0,95.Việc dùng dây quấn
rãi cũng như biện pháp rút ngắn bước dây quấn đem lại nhiều lợi điểm: tiết kiệm
được dây đồng cũng như cải thiện được dạng sóng sức điện động. Vì vậy, trò hiệu
dụng của sức điện động cảm ứng trong một pha được tính theo công thức:

E = 4,44K

fN (1.4)

Khi rôto quay với vận tốc xác đònh, từ trường của rôto sẽ cắt các dây quấn phần

ứng stato và cảm ứng suất điện động xoay chiều hình sin ba pha lệch nhau một góc
2/3. Tần số của sức điện động cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ của rôto và số cực từ
của máy. Tần số của sức điện động cảm ứng được tính bởi:

602
np
f 
(1.5)

Trong đó: n là tốc độ của rôto hay tốc độ đồng bộ được tính bằng vòng/phút.

Trong điều kiện bình thường máy quay cùng tốc độ đồng bộ với lưới điện và
tạo ra dòng điện ba pha cân bằng trong phần ứng. Giả sử dòng trong pha a trễ pha so
với sức điện động e
a
một góc  được xác đònh bởi đường thẳng mn trong hình 1.3, các
dòng điện phần ứng tức thời sẽ là:
I
a
= I
max
sin(t - )

I
b
= I
max
sin(t -  - 2/3) (1.6)

I

c
= I
max
sin(t -  - 4/3)

Theo (1.2) sức điện động cảm ứng e
a
sẽ đạt gía trò lớn nhất khi trục từ rôto nằm
dọc theo pha a. Vì i
a
chậm sau e
a
một góc  , nên khi đường thẳng mn trùng với trục
của cuộn dây aa’, dòng trong pha a sẽ đạt đến giá trò lớn nhất. Tại thời điểm bất kỳ,
cuộn dây của mỗi pha tạo ra sức từ động phân bố hình sin với đỉnh của nó dọc theo
trục của cuộn dây pha tương ứng. Các sức từ động phân bố hình sin này có thể được
đặc trưng bởi các vectơ trong không gian véctơ. Biên độ của các sức từ động phân bố
hình sin f
a
() được đặc trưng bởi véctơ F
a
dọc theo trục của pha a. Tương tự, biên độ
của các sức từ động f
b
() và f
c
() được đặc trưng bởi các véctơ F
b
và F
c

dọc theo trục
của các pha tương ứng. Biên độ của sức từ động tỉ lệ với giá trò tức thời của các dòng
pha tương ứng, nghóa là:

F
a
= Ki
a
= KI
max
sin(t - ) = F
m
sin(t - )

F
b
= Ki
b
= KI
max
sin(t -  - 2/3) = F
m
sin(t -  - 2/3) (1.7)

F
c
= Ki
c
= KI
max

sin(t -  - 4/3) = F
m
sin(t -  - 4/3)

Ở đây, K là hệ số tỉ lệ với số vòng quay của mỗi pha phần ứng và là một hàm
của loại dây quấn. Từ đó sức từ động phần ứng là véctơ tổng của các sức từ động
thành phần ở trên. Một phương pháp thích hợp để tìm ra sức từ động tổng là chiếu các
véctơ sức từ động thành phần ở trên lên đường thẳng mn, ta sẽ được các thành phần
cùng pha và các thành phần lệch pha nhau một góc /2. Các thành phần cùng pha
được tính theo :

F
1
= F
m
sin(t - )cos(t - ) + F
m
sin(t -  -2/3)cos(t -  - 2/3) +
+ F
m
sin(t -  - 4/3)cos(t -  - 4/3)

Dùng công thức lượng giác sincos = (1/2)sin2, biểu thức ở trên trở thành :

F
1
=( F
m
/2)[ sin2(t - ) + sin2(t -  -2/3) + sin2(t -  - 4/3)]

Công thức trên là tổng của ba hàm sin lần lượt khác nhau một góc là 2/3, nên
cộng lại bằng 0, nghóa là F
1
= 0.
Tổng các thành phần lệch pha nhau một góc /2 là:

F
2
= F
m
sin(t - )sin(t - ) + F
m
sin(t -  -2/3)sin(t -  - 2/3) +
+ F
m
sin(t -  - 4/3)sin(t -  - 4/3)

p dụng công thức lượng giác sin
2
=(1/2)(1- cos2), công thức ở trên được viết lại
như sau:
F
2
= (F
m
/2)[3 – cos2(t - ) + cos2(t -  - 2/3) + cos2(t -  - 4/3)]

Tương tự, ở công thức trên có ba hàm cosin lần lược khác nhau một góc 2/3
nên cộng lại bằng 0, suy ra: F
2

= (3/2)F
m
.Vì vậy biên độ của sức từ động phần ứng
hay sức từ động stato được tính theo công thức sau :

F
2
= (3/2)F
m
(1.8)
Như vậy sức từ động phần ứng F
s
có biên độ xác đònh, vuông góc với đường
thẳng mn và quay cùng tốc độ với từ trường rôto F
r
.
Đặc trưng của máy điện đồng bộ là trục từ trường stato và trục từ trường rôto
luôn có khuynh hướng thẳng hàng với nhau, khi sử dụng không gian véctơ để biểu
diễn các trừơng hợp khác nhau, hoạt động giống như máy phát điện được biểu diễn
trong hình 1.4. Khi rôto quay với tốc độ đồng bộ và dòng phần ứng bằng 0, thì sức từ
động F
r
sẽ tạo ra sức điện động không tải E trong mỗi pha của máy phát. Nghóa là sức
điện động không tải E tỉ lệ với dòng điện kích từ. Véctơ điện áp của pha a trễ pha so
với sức từ động F
r
một góc 90 , được biểu diển trong giản đồ véctơ ở hình 1.4.

Hình 1.4.Giản đồ véctơ cho một pha của máy phát rôto cực ẩn

Đây là giản đồ véctơ chính để xây dựng mạch điện thay thế cho máy điện đồng
bộ. Cần chú ý trong hình 1.4 rằng các véctơ sức từ động là các véctơ không gian trong
khi các véctơ sức điện động là các véctơ thời gian. Khi các cuộn dây phần ứng tải
dòng ba pha cân bằng thì sức từ động F
s
được sinh ra vuông góc với đường thẳng mn.
Tác động qua lại của từ trường stato và từ trường rôto được gọi là phản ứng phần ứng,
gây ra ở khe hở không khí giữa stato và rôto một sức từ động F
sr
. Véctơ sức từ động
F
sr
là tổng của hai véctơ sức từ động phần ứng F
s
và sức từ động rôto F
r
. Sức từ động
tổng F
sr
là nguyên nhân sinh ra từ thông 
sr
trong khe hở không khí và chính từ thông

sr
này cảm ứng ra sức điện động không tải E
sr
. Sức từ động phần ứng F

s
cảm ứng ra
sức điện động E
ar
vuông góc với F
s
, gọi là điện áp phản ứng phần ứng. Sức điện động
m
n
F
r
F
s
F
sr
E
ar
E
sr
I
a
E

V

R
a
I
a

jX
1
I
a
jX
ar
I
a



r

r



E
ar
sớm pha hơn I
a
một góc 90
0
và vì vậy có thể được đặc trưng bởi điện áp rơi trên
điện kháng X
ar
bởi dòng I
a
. X
ar

được gọi là điện kháng phản ứng phần ứng. Véctơ
tổng E và E
ar
là E
sr
vuông góc với F
sr
, đặc trưng cho sức điện động không tải.

E = E
sr
+ jX
ar
I
a
(1.9)
Điện áp đầu cực V bằng sức điện động E
sr
trừ đi điện áp rơi trên điện trở R
a
I
a

và điện áp rơi trên điện kháng rò X
1
I
a
. Vì vậy:

E = V + [R

a
+ j(X
1
+ X
ar
)]I
a
(1.10)

Hay

E = V + [R
a
+ jX
s
]I
a
(1.11)

Trong đó, X
s
= (X
1
+ X
ar
) được gọi là điện kháng đồng bộ. Cosin của góc giữa I
và V, nghóa là cos được gọi là hệ số công suất tại đầu cực của máy phát. Góc giữa E
và E
sr
bằng góc giữa sức từ động rôto F

r
và sức từ động ở khe hở không khí F
sr
, gọi là
góc 
r
. Công suất được cung cấp bởi máy (the power developed by the machine) tỉ lệ
với tích của F
r
, F
sr
và sin 
r
. Tùy theo vò trí của các sức từ động sẽ liên quan đến điều
kiện hoạt động của máy điện đồng bộ. Khi F
r
quay trước F
sr
máy điện đồng bộ sẽ hoạt
động như là động cơ. Vì E và E
sr
tỉ lệ tương ứng với F
r
và F
sr
, nên công suất cung cấp
bởi máy tỷ lệ với tích của E, E
sr
và sin
r

. Góc 
r
được gọi là góc công suất. Đây là kết
quả rất quan trọng vì nó liên quan đến góc thời gian giữa các véctơ sức điện động với
góc không gian giữa các từ trường trong máy. Thường thì công suất cung cấp bởi máy
được biểu diển bởi các đại lượng sức điện động không tải E, điện áp đầu cực V, và
sin. Góc  xấp xỉ bằng với 
r
bởi vì trở kháng rò thì rất nhỏ so với điện kháng từ hóa.

Do sự không tuyến tính của đường cong từ hoá, nên trò số của điện kháng đồng
bộ không phải là hằng số. Điện kháng đồng bộ chưa bão hòa có thể được xác đònh từ
các thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch. Cho máy vận hành ở tại điện áp gần bằng
điện áp đầu cực đònh mức, giả sử rằng khi máy chưa bão hòa thì đường cong từ hóa
của nó là một đường thẳng đi qua góc tọa độ và điểm có giá trò điện áp tại đó bằng
điện áp đònh mức trên đặc tính hở mạch. Để phân tích chế độ xác lập, cần biết được
giá trò bão hòa của điện kháng đồng bộ tương ứng với điện áp đònh mức được dùng.
Mạch điện thay thế một pha của máy phát rôto cực ẩn đơn giản được trình bày trên
hình 1.5. Điện trở phần ứng thông thường rất nhỏ hơn điện kháng đồng bộ nên được
bỏ qua. Mạch điện tương đương liên thông với hệ thống vô cùng lớn được trình bày
trên hình 1.6, và (1.11) được rút gọn thành.


E = V + jX
s
I
a
(1.12)

E
Za = Ra + jXs
+
V
_
Tải
+
_
Ia

Hình 1.5.Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ



Hình 1.6.Máy điện đồng bộ nối với hệ thống

Hình 1.7 là giản đồ véctơ của máy phát với điện áp đầu cực tương ứng với các
điều kiện kích thích với nhau sẽ có được các hệ số công suất trễ pha, cùng pha và sớm
pha.




(a) Hệ số công suất tải trễ pha (b) Hệ số công suất tải cùng pha

E V
jX
s
I
a

I
a



V
E
Z
s
I

I
a

V
Z
s
I
s


(c) Hệ số công suất tải sớm pha

Hình 1.7: Giản đồ véctơ của máy phát điện đồng bộ

Độ ổn đònh điện áp của máy phát điện xoay chiều là một đại lượng dùng để so
sánh các máy điện với nhau. Nó được xác đònh theo tỉ lệ phần trăm thay đổi của điện
áp đầu cực từ lúc không tải đến tải đònh mức. Đại lượng này cho biết chỉ số thay đổi
của dòng kích từ để điện áp của hệ thống được duy trì từ khi không tải đến tải đònh

mức tại một số hệ số công suất đặc biệt.

100100
0





dm
dm
dm
dm
V
VE
V
VV
VR
(1.13)

Điện áp không tải ứng với một hệ số công suất đặc biệt có thể được xác đònh từ
hoạt động của máy ở những điều kiện tải đònh mức, sau đó loại bỏ tải này và quan sát
điện áp không tải. Vì phương pháp này không được áp dụng cho những máy có công
suất lớn, nên một phương pháp gần đúng nhưng cho kết quả tương đối chính xác là coi
như đường cong từ hóa này giao nhau tại điện áp đònh mức. Giá trò của E được tính
toán từ (1.12) dùng để xác đònh dòng điện kích thích được tìm từ đường cong từ hóa
thực tế.

1.1.2.Phân loại:

Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành hai loại : Máy đồng bộ
cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p =2) và máy đồng bộ cực lồi thích hợp
khi tốc độ quay thấp (2p  4) .

Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau :

1.1.2.1.Máy phát điện đồng bộ:



I
a

E
V
Z
s
I
s
Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và
được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước. Máy phát tuabin hơi có
tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang.
Máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực
lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có
công suất nhỏ và cần di động thì dùng diezen. Máy phát điện diezen thường có cấu
tạo cực lồi.

1.1.2.2.Động cơ điện không đồng bộ:

Động cơ điện đồng bộ thường chế tạo theo kiểu cực lồi và được sử dụng để kéo

các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất từ 200kW trở lên.

1.1.2.3.Máy bù đồng bộ:

Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số cos của lưới điện.
 Ngoài các loại trên còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như : máy biến đổi
một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao,… và các máy đồng bộ công suất nhỏ
dùng trong tự động, như động cơ đồng bộ nam châm vónh cữu ,động cơ đồng bộ
phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước,…

1.2.Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn:

Kết cấu rôto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,
được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phai rãnh để đặt dây quấn kích từ.
Phần không phai rãnh của rôto hình thành mặt cực từ.



Hình 1.8.Rôto một máy phát cực ẩn

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2,
tốc độ quay của rôto là 3000 vòng/phút và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an
toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính của rôto không
được vượt quá 1,1  1,15m. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài của rôto.
Chiều dài tối đa của rôto là 6,5m.

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện
chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây
này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Để cố đònh và ép chặt dây
quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép

không từ tính. Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh ) của các dây quấn kích từ được đai chặt
bằng các ống trụ thép không từ tính.

Hai đầu trong dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở
đầu trục thông qua hai chổi điện thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một
chiều.

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung
với máy đồng bộ.

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha
và thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng lá tôn silic dầy 0,5mm, hai mặt có
Cực
Cuộn kích từ DC

Quạt

Vành
trượt

phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 đến 6 cm lại có một
rãnh thông gió ngang trục,rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố đònh trong thân
máy. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo
kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy. Thân máy phải thiết
kế và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy
điện. Nắp máy cũng được chế tạo trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở
giá đỡ ổ trục đặt cố đònh trên kệ máy.

1.3.Máy điện đồng bộ rôto cực lồi:

Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với rôto cực ẩn,
đường kính rôto của nó có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài lại nhỏ tỉ lệ l/D = 0,15 ÷
0,2.

Rôto của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép
được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ trên
mặt có đặt các cực từ. Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép
dầy 1 ÷ 6 mm, được dập hoặc đúc đònh hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và
lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của
rôto. Giá này lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép rôto được ghép bằng những
lá thép dầy 1 ÷ 1,5mm.

Việc cố đònh lực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các
bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto.

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn
theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica
hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào các thân cực.

Dây quấn cản ( trường hợp máy phát đồng bộ ) hoặc dây quấn mở máy ( trường
hợp động cơ đồng bộ) được đặt trên các đầu cực. Các dây quấn này giống như dây
quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghóa là làm bằng các thanh đồng
đặt vào rãnh các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch.

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chổ điện trở các thanh dẩn của nó
lớn hơn. Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như của máy đồng bộ cực
ẩn.

Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng
bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện diezel hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ

và tốc độ quay tương đối lớn ( khoảng trên 200 vòng/phút). Ở trường hợp máy phát
tuabin nước, tuabin công suất lớn, tốc độ chậm, trục của máy được đặt thẳng đứng.
Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đở rất quan trọng. Nếu ổ trục đỡ đặt ở đầu trên
của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu
dù.

Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương
đối dài và phải rất khỏe vì nó chòu toàn bộ trong lượng của rôto máy phát, rôto tuabin
nước và xung lực của nước đi vào tuabin. Như vậy kích thước xà đỡ trên rất lớn tốn
kém nhiều sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây
dựng buồn đặt máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ được đặt ngay trên
nắp của tuabin nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể
tới vài trăm tấn đối với các máy lớn ) và khiến cho bản thân máy và buồng đặt máy
đều thấp hơn.

Trên cùng trục với máy phát tuabin thường có đặt thêm các máy phụ – máy
kích thích, để cung cấp dòng điện một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy
phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin.





CHƯƠNG 2
QUÁ TRÌNH QUÁ
ĐỘ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN ĐỒNG
BỘ

Quá trình quá độ của máy phát điện đồng bộ là một trong những quá trình quan
trọng, cần phải khảo sát và phân tích thật tỉ mỉ để trên cơ sở đó có thể vận hành thiết
bò đạt được hiệu quả tốt nhất.

2.1.Phân tích các quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ:

Trong chế độ xác lập, máy phát rôto cực ẩn được đặt trưng bởi một hằng số sức
điện động sau điện kháng đồng bộ X
s
. Đối với rôto cực lồi, do có khe hở không khí
không đồng đều giữa stato và rôto, nên máy phát được đặt trưng bởi điện kháng dọc
trục X
d
và điện kháng ngang trục X
q
.Tuy nhiên, ở điều kiện ngắn mạch, điện kháng
ngắn mạch thì lớn hơn nhiều so với điện trở. Vì vậy dòng stato trễ gần /2 sau sức
điện động không tải và hầu như sức từ động phản ứng phần ứng tập trung trên trục
thẳng đứng. Do đó trong suốt thời gian ngắn mạch, điện kháng hữu dụng của máy
được coi như là điện kháng dọc trục X
d
.

Dạng sóng ngắn mạch ba pha cho thấy thành phần xoay chiều của dòng phần
ứng giảm từ giá trò rất cao ban đầu đến giá trò xác lập. Quá trình này là do điện kháng
của máy thay đổi bởi kết quả của phản ứng phần ứng. Tại thời điểm trước khi xảy ra
ngắn mạch, có một số từ thông dọc trục móc vòng cả stato và rôto, từ thông này chỉ

do sức từ động rôto tạo ra nếu các cuộn dây stato hở mạch, hoặc là do kết quả của các
sức từ động stato và rôto gây ra khi các cuộn dây stato được nối với mạch ngoài. Khi
ngắn mạch đột nhiên dòng stato tăng lên rất nhanh, từ thông móc vòng qua các cuộn
dây stato và rôto không thể đáp ứng ngay vì dòng điện xoáy chảy trong rôto và các
mạch chống rung chống lại sự thay đổi này. Do vậy, sức từ động stato ban đầu không
thể thiết lập bất kỳ phản ứng phần ứng nào, điện kháng của phản ứng phần ứng là
không đáng kể, và điện kháng ban đầu có giá trò rất nhỏ giống như giá trò của điện
kháng rò. Ki dòng điện xoáy trong mạch chống rung và dòng điện kích từ giảm
xuống, phản ứng phần ứng được thiết lập hoàn toàn. Phản ứng phần ứng được hình
thành với hệ số công suất gần bằng 0, dòng điện sinh ra từ thông phần ứng  ngược
chiều với từ thông rôto 
0
, ta gọi đó là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ , có tác
dụng làm giảm từ trường tổng, và điện kháng của máy tăng lên đến giá trò của điện
kháng đồng bộ dọc trục.

Một cách hoàn toàn đònh tính, sử dụng sơ đồ tương đương có được bằng cách
coi các cuộn dây chống rung và kích thích như là cuộn dây thứ cấp của một máy biến
áp, các cuộn dây phần ứng là cuộn dây sơ cấp của máy biến áp này. Ở điều kiện xác
lập, không có sự biến đổi giữa các cuộn dây stato và rôto của máy điện đồng bộ,
giống như trường hợp từ trường sinh ra bởi rôto và stato cùng quay với tốc độ đồng bộ.
Quá trình này tương tự như máy biến áp hở mạch thứ cấp và cuộn dây sơ cấp của máy
biến áp được đặc trưng bởi điện kháng đồng bộ X
d
. Trong suốt quá trình quá độ, tốc
độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stato, kết
quả là có sự biến đổi giữa các cuộn dây.