Giáo trình Máy điện 1 - Chương 2: Vận hành máy điện đồng bộ

39

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

MÁY ĐIỆN 1

2008


40

Chƣơng 2

VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

2.1.

ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chế độ làm việc của máy phát điện của máy phát điện đồng bộ ở tai đối xứng
được thể hiện rõ ràng qua các đại lượng như điện áp U ở đầu cực máy phát, dòng
điện tải I trong dây quấn phần ứng, dòng điện kích thích It, hệ số công suất cos,
tần số f hoặc tốc độ quay n. Trừ tần số f luôn luôn được giữ bằng định mức fđm và
cos = const do tải bên ngoài quyết định, từ ba đại lượng U, I, It còn lại có thể
thành lập được các đặc tính sau đây của máy phát điện đồng bộ:
+ Đặc tính không tải:
+ Đặc tính ngắn mạch:
+ Đặc tính ngoài:
+ Đặc tính điều chỉnh:

E = U0 =f(It)
In = f(It)
U = f(I)
It = f(I)






I = 0, f = fđm.
U = 0, f = fđm.
It = const, f = fđm, cos = const
U = const, f = fđm, cos = const

I

P
+

W

It

Z

A

V

A

F

_

V

V

A

W

A

Rđc
Hình 2.1 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính của máy fát điện đồng bộ

Các đặc tính trên có thể thành lập được theo tính toán dựa vào đồ thị vectơ sđđ
hoặc bằng cách làm thí nghiệm trực tiếp. Từ các đặc tính trên có thể suy ra các
tính chất quan trọng của máy tỉ số ngắn mạch, độ thay đổi điện áp. Cũng từ các
đặc tính ta suy ra các tham số điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục, điện
kháng tản của máy. Trong phần này ta nghiên cứu các vấn đề trên bằng thí nghiệm
với sơ đồ nối dây thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ được
trình bày trên hình 2.1. Tải của máy phát đồng bộ là tổng trở Z có thể biến đổi.
Dòng điện kích thích It của máy phát điện
Et
lấy từ nguồn điện bên ngoài và điều chỉnh
được nhờ biến trở Rđc.

Uđm
2.1.1. Đặc tính không tải

Đặc tính không tải của máy phát điện
đồng bộ là quan hệ giữa sđđ Et = Uo và
It

Edư

it0
Hình 2.2 Đặc tính không tải Et = f(It)


41

dòng điện kích từ It khi máy làm việc không tải (I = 0) và tốc độ quay của rotor
không đổi được trình bày trên hình 2.2. Nó chính là dạng của đường cong từ hóa B
= f(H) của vật liệu sắt từ.
Et = U0 = f(It) I = 0, f = fđm.
2.1.2. Đặc tính ngắn mạch và tỉ số ngắn mạch
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ : In = f(It) khi U = 0, f = fđm. (Khi đó dây quấn
phần ứng được nối tắt ngay trên đầu cực của máy)
Nếu gỉa thiết lúc ngắn mạch bỏ qua điện trở phần ứng (Rư = 0) thì mạch điện
dây quấn phần ứng lúc này là thuần cảm ( = 900), như vậy dòng điện Iq = Icos
= 0, còn Id = Isin = I và đồ thị vectơ của máy phát điện lúc đố trình bày trên hình
2.3b. Ta có:

 t   jI X d  jIX æt  jIX æd
E

(2.1)

Và mạch điện thay thế của máy như trên hình 2.3a.

E t

jXd I

jXưt
+

I

E t
_

jXưd I

jXưd

jXưt I

I

(a)
Hình 2.3 Mạch điện thay thế và đồ thị véctơ của máy phát điện
đồng bộ lúc ngắn mạch

(b)

Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão
hòa, vì từ thông khe hở  cần thiết để sinh ra sđđ E = Et –IXưd = IXưt rất nhỏ. Do
đó đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng bộ là đường thẳng như trình bày trên
hình 2.4

Tỉ số ngắn mạch K
Tỉ số ngắn mạch K theo định nghĩa là tỉ số:
K

In0
I âm

(2.2)

 In0 = dòng điện ngắn mạch ứng với dòng điện kích từ It0 để sinh ra sđđ Et = Uđm
khi không tải.
 Iđm = dòng điện định mức của máy phát.
Từ hình 2.5, ta có :

I no 

U âm
Xd

(2.3)


42

Trong đó Xd là trị số bão hòa của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với Et = Uđm

Từ (2.2) và (2.3) ta có:
U âm
1
(2.4)
K

X d I âm X d*
Thường Xd* > 1, vậy K < 1, nghĩa là dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm lúc
ngắn mạch xác lập. Vì vậy có thể kết luận dòng điện ngắn mạch của mát phát điện
đồng bộ không lớn vì lúc đó tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng rất mạnh.

E,I

Et=f(It)

Uđm
I=f(It)

I

B’
A’

I=f(It)

Iđm
In0
It

A

0

Hình 2.4 Đặc tính ngắn mạch của máy
phát đồng bộ

It

B
Ito

Itn

Hình 2.5 Xác định trị số ngắn mạch

- Xác định tỉ số ngắn mạch nhờ đặc tính ngắn mạch và không tải
Từ hình 2.5, dựa vào hai tam giác đồng dạng 0AA’ và 0BB’, ta có:

K

I no I to

I âm I tn

(2.5)

Ito = dòng điện kích từ sinh ra U0 = Uđm khi không tải.
Itn = dòng điện kích từ sinh ra I = Iđm khi ngắn mạch.
2.1.3. Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp máy phát đồng bộ.
1. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và

dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos = const), cũng như tốc độ quay
rotor n và dòng điện kích từ It không đổi (hình 2.6). Dòng điện kích thích không
đổi thì điện
áp U thay đổi như thế
U
nào
khi
Uđm
dòng điện tải I thay đổi.
cos =1

cos =0,8 (dung)

Uđm
cos =1
cos =0,8 (cảm)

I
Iđm
Hình 2.6 Đặc tính ngoài máy phát đồng bộ


43

Từ hình 2.6, ta thấy rằng đặc tính ngoài phụ thuộc tính chất tải. Tải có tính
cảm khi I tăng, do phản ứng phần ứng khử từ nên điện áp giảm, đường biểu diễn đi
xuống; còn tải có tính dung thì ngược lại.
Dòng điện từ hóa định mức là dòng điện kích thích ứng với chế độ U =Uđm
I=Iđm, cos = cosđm, f = fđm.
2. Độ thay đổi điện áp định mức Uđm của MFĐB.

Độ thay đổi điện áp định mức Uđm của máy phát đồng bộ được định nghĩa là
sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức đến không tải, trong điều kiện
không thay đổi dòng điện kích từ. Trị số Uđm thường biểu thị theo % điện áp định
mức, nghĩa là:
U  U âm
100
(2.6)
ΔU âm %  o
U âm
Trong đó:
Uđm% = dộ thay đổi điện áp định mức %
Uo = điện áp lúc không tải (V)
Uđm = điện áp định mức (V)
Trong máy phát đồng bộ turbine hơi, do Xd lớn nên có U lớn hơn so với máy
phát turbine nước. Thường Uđm = (25  35)% khi hệ số công suất cosđm.
Chú ý:
1. U0 là điện áp đo được sau khi giảm tải từ định mức đến không tải, mà máy
đang vận hành ở dòng điện và điện áp định mức (hình 2.6).
2. Điện áp U0 không phải là sđđ kích thích Et. Thay Et bằng Uo vào biểu thức
(2.6), sẽ có kết quả sai số lớn vì Et không tính đến ảnh hưởng bão hòa từ,
còn U0 là có xét đến yếu tố ảnh hưởng bão hòa từ. (hình 2.7)
3. Độ thay đổi U cho trong điều kiện định mức, thường thì U sẽ dương khi
cos = 1, hoặc tải có tính cảm, còn tải có tính dung U âm.

áp phần ứng U(V)

Et

U0
Uđm

a

Đường thẳng
tuyến tính

E=f(It)
b


44

VÍ DỤ 2.1
Một máy phát điện đồng bộ ba pha 1000kVA, 4,8kV, nối Y có điện trở dây quấn
stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ Xđb = 13,8/pha. Máy đang vận hành
trong điều kiện định mức với cos = 0,9 (chậm sau). Hãy tính (a) sđđ kích thích và
góc công suất; (b) điện áp không tải, cho rằng dòng điện kích từ của máy phát điện
không đổi; (c) độ thay đổi điện áp; (d) điện áp không tải, nếu dòng điện kích từ
giảm còn 80% so với tải định mức.

Bài Giải
Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình 2.8a.
a. Tính sđđ kích thích Et
Điện áp pha và góc lệch pha:

U

Ud
3



4800
 2771,28 V ;
3

 = cos-1(0,9) = 25,84o

~  * 1000 10 3
S  UI 
25,84 o  2771,280 o  I*
3
*
 I  120 ,2825,84 o  I  120 ,28  25,84 o A
Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày trên hình 2.8a.
Sđđ kích thích pha máy:
  IjX âb  2771,280o  120 ,28  25,28 o  j13,8
E t  U
 t  3800 ,723,1o V
E
Et = 3800,7 V;
b. Điện áp không tải

 = 23,1o


45

Điện áp không tải có được từ hình vẽ 2.8. Đường cong tuyến tính hóa vẽ được
bằng cách, một điểm đi qua gốc tọa độ và một điểm ở đường cong từ hóa có điện

áp pha là 2771V. Chia trục điện áp thành tỉ lệ:
jXđb

E t

+

+

~

I
  U0o
U
_

_

(a)
50
3801

Sđđ kích thích E t(V)

40

3085
2863
2771

2679V

2535V

20

10

(b)

0

10

20

30

40

Dòng điện kích từ It (A)

Hình 2.8. Mạch điện tương đương và đường cong từ hóa của Ví dụ 2.1

2771 V  30 tỉ lệ/đơn vị chia = 92,37 V/đơn vị chia
So với sức điện động kích thích Et:
3801
 41,2 đơn vị chia trên đường tuyến tính hóa
92,37
Từ điện áp 3801V trên đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng sẽ

gặp đường cong từ hóa và xác định được điện áp không tải:

U o  33,4 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 3085 V
c. Độ thay đổi Điện áp định mức


46

ΔU âm % 

U o  U âm
3085  2771
100 
100  11%
U âm
2771

Chú ý, nếu dùng sđđ kích thích thế vào biểu thức độ thay đổi điện áp, ta có:

3801  2771
100  37%
2771
Ở đây do bão hòa từ làm độ lớn sđđ cảm ứng giảm.
d. Điện áp không tải khi giảm dòng điệ khích từ
Khi dòng điện kích từ (It2) định mức chia thành 27,5 khoảng, như vậy dòng điện
kích từ giảm còn 80%, số đơn vị chia là:
80% x It2 tương ứng = 0,8 x 27,5 = 22 đơn vị chia dòng kích từ
Như vậy, ta xác định được điện áp không tải có dòng điện kích từ bằng 80% dòng
điện kích từ định mức là:

U o  31 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2863 V
VÍ DỤ 2.2
Làm lại ví dụ 2.1 với cos = 0,9 (vượt trước).

Bài Giải
Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình 2.8a.
a. Tính sđđ kích thích Et
Điện áp pha và góc lệch pha:

U

Ud
3



4800
 2771,28 V ;
3

 = cos-1(0,9) = - 25,84o

~  * 1000 10 3
S  UI 
  25,84 o  2771,280 o  I*
3
*
 I  120 ,28  25,84 o  I  120 ,2825,84 o A
Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày trên hình 2.8a.
Sđđ kích thích pha máy:

t U
  IjX âb  2771,280o  120 ,2825,28 o  j13,8
E
 t  2534 ,8136,11o V
E
Et = 2534,81 V;

 = 36,11o

b. Điện áp không tải
Điện áp không tải có được từ hình 2.8. Đường cong tuyến tính hóa vẽ được bằng
cách, một điểm đi qua gốc tọa độ và một điểm ở đường cong từ hóa có điện áp pha
là 2771V. Chia trục điện áp thành tỉ lệ:
So với sức điện động kích thích Et:


47

2535
 27 ,4 đơn vị chia trên đường tuyến tính hóa
92,37
Từ điện áp 2535V trên đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng sẽ
gặp đường cong từ hóa và xác định được điện áp không tải:

U o  29 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2679 V
c. Độ thay đổi Điện áp định mức

ΔU âm % 

U o  U âm

2679  2771
100 
100  3,32%
U âm
2771

2.1.4. Đặc tính điều chỉnh.
Đặc tính điều chỉnh của máy phát là quan hệ giữa dòng điện kích từ It theo
dòng điện tải I khi điện áp U không đổi và
It
cos =0,8 (cảm)
tốc độ quay rotor n, cos cũng không đổi
(hình 2.9). Đặc tính này cho biết cần phải
cos =1
điều chỉnh dòng điện kích từ như thế nào để
It0
giữ điện áp U trên đầu cực máy phát không
đổi khi tăng tải. Thường trong các máy phát
cos =0,8 (dung)
điện đồng bộ có bộ tự động điều chỉnh dòng
kích từ để giữ điện áp không đổi.
I
Dòng điện kích thích thay đổi ứng với các
0
Iđm
tính chất tải khác nhau:
- Tải thuần trở: tăng tải thì phải tăng dòng
Hình 2.9 Đặc tính điều chỉnh
điện kích từ It để bù điện áp rơi trên dây
quấn phần ứng.

- Tải có tính cảm: tăng tải thì phải tăng dòng điện kích từ It mạnh (1,7-2,2) Ito,
để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ.
- Tải có tính dung: tăng tải thì giảm It, do phản ứng phần ứng trợ từ làm U
tăng.
2.2.

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG

Trong nhà máy điện các máy phát nối chung vào một thanh cái, còn trong hệ
thống điện gồm nhiều nhà máy nối với nhau, tạo thành lưới điện, như vậy các máy
phát điện đồng bộ làm việc song song. Có nhiều ưu điểm khi các máy phát điện
đồng bộ làm việc song song như giảm vốn đầu tư đặt máy phát điện dự trữ, đảm
bảo an toàn cung cấp điện và sử dụng các nguồn năng lượng một cách kinh tế. Khi
nối các máy phát làm việc song song công suất của lưới điện rất lớn so với công
suất của từng máy phát, do đó tần số và điện áp của lưới điện gần như không đổi
khi thay đổi tải.
Trước khi đưa một máy phát vào làm việc cùng với lưới điện tức là hoà đồng
bộ (hình.2.10), phải kiểm tra các điều kiện sau đây:
1. Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện.
2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện.


48

3. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện.
4. Điện áp của máy phát và điện áp của lưới điện phải trùng pha nhau.
Trên sơ đồ hình 2.10, máy phát điện đồng bộ F1 là máy phát đang làm việc với
lưới, máy F2 là máy phát chuẩn bị ghép làm việc song song F1 tức là nối vào lưới,
còn bộ đồng bộ kiểu ánh sáng được hình thành bởi ba đèn dây tóc 1, 2 và 3.
Lưới điện



UL,f
, L U AF U

12

MC1

V

MC2

F

3


U
AL

L

U
BF


U
CL

F2

F1

UF,fL

it1

it2

+


U


U

_

-


U
CF

+
(a)


U
BL

(b)

Hình 2.10. Hòa đồng bộ máy phát đồng bộ vào lưới điện

Kiểm tra các điều kiện để ghép máy phát làm việc song song
Để ghép máy phát F2 vào lưới ta phải kiểm tra các điều kiện nối máy phát điện làm
việc song song. Dùng vônmét V để kiểm tra UF = UL, nếu không bằng ta điều
chỉnh dòng điện kích từ máy phát để điện áp máy phát bằng điện áp lưới. Tần số
và thứ tự pha được kiểm tra bằng bộ đồng bộ với ba đèn 1, 2 và 3. Khi tần số f F 
 U
 L U
 F đặt vào các đèn 1, 2, 3 sẽ có tần số fF - fL. Nếu thứ tự
fL thì điện áp ΔU
pha của máy phát và lưới giống nhau thì cả ba đèn cùng tối và cùng sáng với tần
số. Điện áp U đặt trên ba đèn chính là hiệu số các điện áp pha tương ứng của hai
hình sao điện áp máy phát F2 và của lưới điện như trên hình 2.10b. Như vậy điện
áp đặc lên đèn U (0 < U < 2UF) có lúc lớn nhất là 2UF, do vậy Chọn đèn có
điện áp Uđm = 2UF.
Khi các điều kiện trên được thỏa mãn tức là điện áp ở hai đầu máy cắt bằng
không, ta đóng máy cắt MC 2 để hòa đồng bộ. Đóng máy cắt MC khi chu kỳ sáng
tối của đèn từ 3  5s và đóng MC khi các đèn tối hẳn. Nếu không đảm bảo các
điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong máy, phá hỏng máy và gây rối
loạn hệ thống điện.


49

VÍ DỤ 2.3
Hai máy phát điện đồng bộ ba pha làm việc song song, nối Y có điện trở dây quấn
stator Rư = 2,18 /pha và điện kháng đồng bộ Xđb = 62/pha. Hai máy cùng cung
cấp điện cho cho một phụ tải 1830 kW với cos  = 0,83 (chậm sau) và điện áp trên
tải là 13800V. Điều chỉnh dòng kích từ của hai máy sao cho một máy có dòng điện
phản kháng là 40A. Tính :
a. Dòng điện của mỗi máy phát điện ?
b. Sđđ Et của mỗi máy và góc lệch pha giữa các sđđ đó ?

Bài Giải
Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình VD 2.3.
d. Tính dòng điện tải
Điện áp pha :

U

Ud
3



13800
 7967,43 V
3

Dòng điện tải có trị số là :

I

P
1830 103

 92,3 A
3U cos  3  7967,43 0,83

Dòng điện chậm sau điện áp góc  = arccos 0,83 = 33,9o và biểu thị dưới dạng số
phức như sau :

I  92,3  33,9o  76,8  j51,4 A
Do công suất tác dụng phân phối đều cho hai máy nên dòng điện tác dụng của mỗi
máy là 76,8/2 = 38,4 A, hơn nữa dòng điện phản kháng của máy A là 40 A, do đó :

I A  38,4  j40 A
I B  I  I A  38,4  11,4 j A
j62

E t

2,18

IjX âb

+

+

~

E t

I

  U0o
U
_

_
(a)



I


U
(b)

Hình VD 2.3 Mạch điện tương đương và đồ thị vector máy phát

e. Tính sđđ kích thích

Sđđ kích thích pha máy A :
 tA  U
  I A (R æ  jX âb )
E

IR æ

50

 7967,430o  (38,4  40 j)  (2,18  j62)
 1072012,22o V
Sđđ kích thích pha máy B :
 tB  U
  I B (R æ  jX âb )
E
 7967,430o  (38,4  11,4 j)  (2,18  j62)
 903015,1o V
Góc lệch pha giữa hai sđđ dó là :
B - A = 15,1o -12,22o = 2,88o.

2.3.

ĐẶC TÍNH ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP

Điều chỉnh dòng điện kích từ It, điện áp của máy phát vẫn không đổi vì đó là
điện áp của lưới điện. Việc thay đổi dòng điện kích từ It chỉ làm tháy đổi công suất
phản kháng của máy phát. Còn muốn máy phát điện mang tải sau khi hòa đồng bộ,
ta tăng công suất động cơ sơ cấp, tức tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện
hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy phát nhiệt điện.
Trên hình 2.11 trình bày đặc tính tốc độ của động cơ sơ cấp, là quan hệ giữa
tốc độ (tần số) của động cơ sơ cấp với công suất tác dụng. Về lý thuyết nó là
đường thẳng ngang, nhưng thực tế là đường hơi dốc xuống. Đặc tính tốc độ hơi
dốc xuống tình bày trên hình là qui định về tính ổn định làm việc vốn có khi máy
phát vận hành song song với máy phát khác. Máy có độ dốc bằng không gọi là
máy đẳng thời, sẽ không ổn định khi vận hành song song; trong phần này ta xét sự
thay đổi tải đột ngột, và điều chỉnh với trạng thái ổn định. Đường cong đặc tính tốc
độ không tải khác nhau được vẽ bằng các đường thẳng nét đứt được trình bày trên

hình 2.11.
Tham số bộ điều tốc xác định việc phân phối công suất tác dụng giữa các máy
phát làm việc song song là độ thay đổi tốc độ bộ điều tốc GSR (Governor Speed
Regulation) và độ suy giảm tốc độ GD bộ điều tốc (Governor Droop).

Độ thay đổi tốc độ bộ điều tốc GSR
Độ thay đổi tốc độ được định nghĩa là:

GSR 
Trong âoï:

n o  n âm f o  f âm

n âm
f âm

(2.7)

nđm = tốc độ định mức
no = tốc độ không tải
fđm = tần số định mức
fo = tần số không tải

Độ suy giảm tốc độ bộ điều tốc GD
Độ suy giảm tốc độ bộ điều tốc hay tỉ số suy giảm là tỉ số của sự thay đổi tần số
với thay đổi công suất tác dụng tương ứng:


51

GD 

Δf f o  f âm

ΔP
Pâm

(2.8)

Từ biểu thức (2.8), ta lấy đơn vị tương ứng cho độ suy giảm GD là Hertz/watt,
Hertz/kilowatt, hay Hertz/megawatt. Độ suy giảm của bộ điều tốc đúng ra là
không đổi nhưng nó sinh ra độ suy giảm khi đặt. Nó độc lập khi đặt ở chế độ
không tải và không ảnh hưởng đến lúc làm việc song song.
Tốc độ không tải

3000

50

Tần số (Hz)

51

Tốc độ (vg/phút)

3060

500

Công suất P (kW)

Hình 2.11 Đặc tính tốc độ của động cơ sơ cấp

VÍ DỤ 2.4
Trên hình 2.11 là đặc tính điều chỉnh tốc độ của máy phát điện đồng bộ ba pha
500kW, 460V, 50Hz, 2 cực từ đang làm việc ở chế độ định mức. Hãy xác định độ
thay đổi tốc độ và độ suy giảm tốc độ.

Bài Giải
a. Độ thay đổi tốc độ

GSR 
b. Độ suy giảm tốc độ

GD 
Hay
2.4.

f o  f âm 51  50

 0,02
f âm
50

f o  f âm 51  50

 0,002 Hz / kW
Pâm
500

2Hz/MW

PHƢƠNG PHÁP DỪNG AN TÕAN CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG
BỘ LÀM VIỆC SONG SONG VỚI MÁY PHÁT KHÁC


52

Để dừng an toàn các máy phát làm việc song song với máy phát khác, ta tiến hành
các bước sau dây:
1. Điều chỉnh công suất cơ trên đầu trục máy phát và dòng điện kích từ để
giảm dần dần công suất tác dụng và phản kháng về không.
2. Khi oát kế chỉ không, cắt máy phát ra khỏi lưới
3. Công tắc tự động điều chỉnh điện áp chuyển về bằng tay
4. Giảm điện áp máy phát về trị số nhỏ nhất và cắt kích thích
5. Ngừng turbine quay máy phát
Chú ý, trong một số máy phát sử dụng tuốc bin hơi (1000MW hoặc cao hơn), nhà
sản xuất đề xuất trình tự dừng máy nhằm mục đích giảm khả năng vượt tốc của
máy phát.
2.5.

DÙNG TAM GIÁC ĐẶC TÍNH ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TOÁN VỀ MÁY
PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG

Giải các bài toán phân phối tải giữa các máy phát làm việc song song, ta có thể
tiến hành trực tiếp trên tam giác đặc tính của mỗi máy, và dựa vào tam giác đồng
dạng để xác định.
Trên hình 2.12, là tam giác đặc tính được hình thành từ đường thẳng đặc tính tốc
độ (tần số) bộ điều tốc và đường thẳng tốc độ (tần số) định mức, hai đường này sẽ
giao nhau ở tần số định mức và công suất tác dụng định mức. Tam giác đặc tính là

cố định sinh ra từ sự suy giảm tốc độ và không đổi khi thay đổi tải hay thay đổi tốc
độ đặt không tải của bộ điều tốc.

Tam giác đặc tính

f0
fđm

Tần số (Hz)

fđm

f
Đường thẳng
tần số mới

P
Pđm

Pđm

Công suất P (kW)

Hình 2.12 Tam giác đặc tính hình thành từ đặc tính điều tốc và đường thẳng tần số định mức

Tăng tải là nguyên nhân làm giảm tần số, như trình bày trên hình 2.12, và sự giao
nhau của đường thẳng tần số mới và đặc tính điều tốc đã thiết lập tam giác đặc tính


53

đồng dạng mới. Như vậy, từ hình của tam giác đồng dạng, và biểu thức (2.8), ta
có:
f f
Δf
(2.9)
GD  o âm 
Pâm
ΔP
Từ biểu thức (2.7), ta có:

f o  f âm  GSR  f âm

(2.10)

Thay (2.10) vào biểu thức (2.9), ta được:
GSR  f âm Δf
GD 

Pâm
ΔP
Trong đó:
GR = độ suy giảm tốc độ
GSR = độ thay đổi tốc độ
f = độ thay đổi tần số do thay đổi tải
P = độ thay đổi tải

(2.11)

Vì độ suy giảm tốc độ là không đổi khi tăng hoặc giảm tải. Biểu thức (2.11) là

đúng với tất cả các tần số vận hành và trong tất cả các tốc độ đặt không tải của bộ
điều tốc.
VÍ DỤ 2.5
Hai máy phát đồng bộ, A và B, làm việc song song và đang cung cấp cho lưới
300kW có tần số 60Hz. Số liệu định mức của cả hai máy 460V, 500kW, 60Hz và
độ thay đổi tốc độ 2%. Máy A mang tải 100kW và máy B – 200kW. Giả sử rằng
máy A được cắt ra khỏi lưới điện, xác định tần số của (a) máy A; (b) máy B; (c) và
của lưới.

Bài giải
Trên hình 2.13 trình bày đường cong đặc tính của hai máy, với máy phát A được
cắt ra khỏi lưới, tần số của nó tăng lên là fa2; máy B nhận hết tải nên tần số của nó
giảm xuống là fb2.
a. Tần số của máy A

GSR  f âm Δf a
0,02  60 Δf a



Pâm
ΔPa
500
100
 Δf a  0,24 Hz
Như vậy,

fa = fđm + fa = 60 + 0,24 = 60,24 Hz

b. Tần số của máy B

Vì hai máy có đặc tính điều chỉnh giống nhau, nên:
fb = fa = 0,24 Hz
fb = fđm - fa = 60 - 0,24 = 59,76 Hz
Tam giác đặc tính
61,2
A

Đến tải

60,0

z)

B

500kW


54

c. Tần số của lưới
flưới = 59,76 Hz
VÍ DỤ 2.6
Hai máy phát đồng bộ, A có 500kW, 60Hz, 2300V, 6 cực từ và B - 300kW, 60Hz,
2300V, 4 cực từ đang làm việc song song. Cả hai máy đều có độ thay đổi tốc độ
2,43%. Hai máy có tải như nhau và công suất tổng máy đang cấp cho lưới 400kW
ở tần số 60,5Hz. Giả sử rằng tải tổng tăng lên 500kW, hãy xác định (a) tần số đang
vận hành; và (b) công suất của mỗi máy.

Bài giải

Trên hình 2.14 trình bày đường cong đặc tính của hai máy.
a. Tần số của hai máy đang vận hành

GSR  f âm Δf a

Pâm
ΔPa

Ta có:
Máy A

Máy B

0,0243  60 Δf

500
ΔPa

0,0243  60 Δf

300
ΔPb

Pa = 342,936 f

Pb = 205,761 f

Pa + Pb = (342,936 + 205,761) f

55

500 - 400 = 548,697 f
f = 0,182 Hz
Tần số của lưới điện:
flưới = 60,5 - 0,182 = 60,318 Hz
b. Công suất của mỗi máy
Máy A:

Pa = 342,936 f = 342,936 x 0,182 = 62,414 kW

Máy B:

Pb = 100 - 62,414 = 37,586 kW
Pa = 200 + 62,41 = 262,21 kW
Pb = 200 + 37,59 = 237,59 kW
Tam giác đặc tính

Tần số (Hz)

A

B
Đến tải

(B)

60,458

60,458

(A)

(B)

(A)
60,0

60,0
300kW

500kW

60,5
f

fbus
Pb
Pa

100
Hình 2.14 Đặc tính điều tốc của ví dụ 2.6

200

300
Công suất P/máy (kW)

VÍ DỤ 2.7
Hai máy phát đồng bộ, A có 1000kW, 60Hz và B - 600kW, 60Hz đang làm việc
song song. Cả hai máy đều có độ suy giảm tốc độ 0,0008Hz/kW. Tải của lưới điện

900kW, máy A cấp 2/3 tải cho lưới ở tần số 60,2Hz. Giả sử rằng tải của lưới tăng
thêm 720kW, hãy xác định (a) tần số lưới điện; và (b) tải của mỗi máy.


56

Bài giải
a. Tần số của lưới điện
Do hai máy có độ suy giảm tốc độ như nhau nên tải tăng thêm phân phối đều cho
hai máy, vì vậy:

720
 360 kW
2
Δf
Δf
GD 
 0,0008 
ΔPa
360
 Δf  0,288 Hz
ΔPa  ΔPb 

flưới = 60,2 - 0,288 = 59,91 Hz
b. Công suất mỗi máy

2
Pa   900  360  960 kW
3
1

Pa   900  360  660 kW
3
Ta thấy máy B đang làm việc quá tải 10% .

VÍ DỤ 2.8
Ba máy phát đồng bộ sử dụng đông cơ sơ cấp diesel đang làm việc song song cung
cấp công suất tổng 210kW, 60Hz cho tải của lưới điện. Công suất định mức của
máy A – 500kW, B – 200kW, C – 300kW. Sơ đồ mạch điện trình bày trên hình
2.18a, và đặc tính điều tốc trên hình 2.18b. Giả sử rằng tải của lưới ba pha tăng
thêm gồm tải thuần trở 440kW và một động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất
từ lưới 200kVA có hệ số công suất 0,8; hãy xác định (a) công suất tác dụng của
lưới điện cung cấp; và (b) tần số của hệ thống; (c) công suất tác dụng của mỗi
máy.

Bài giải
a. Công suất tác dụng của lưới điện cung cấp cho tải
Tải tăng thêm:

P = 400 + 0,8.200 = 600kW

Tải hệ thống:

P = 210 + 600 = 810kW

b. Tần số hệ thống
Từ số liệu trên hình 2.15b, tính được độ suy giảm tốc độ như sau:

GD a 

Δf a 60,2  60


 0,002857 Hz / kW
ΔPa
70


57

Δf b 60,4  60

 0,005714 Hz / kW
ΔPb
70
Δf
60,6  60
GD c  c 
 0,008571 Hz / kW
ΔPc
70
GD b 

500kW 200kW

300kW

B

A

C

70kW

70kW

70kW

Lưới

(a)
210kW

210kW

210kW

60,6
60,4
60,2
60
f

(A)

f2
Pc2

Tần số (Hz)

(B)

(b)

Pb
2

(C)

Pa2

70 100

200

300

400

Công suất P/máy (kW)

Hình 2.15 Đặc tính điều tốc của ví dụ 2.7

Tăng tải là nguyên nhân làm giảm tần số về f2 như trình bày trên hình 2.15b. Dựa
vào hình 2.15b, sử dụng tam giác đồng dạng và chú ý rằng f là như nhau cho tất
cả các máy phát:
Δf
Δf
Δf
 0,008571
 0,002857

 0,005714
ΔPc 2
ΔPa 2
ΔPb 2


58

Pa2 = 350f;
Pb2 = 175f;
Pc2 = 116,667f
Pa2 + Pb2 + Pc2 = 600
(350 +175 + 116,667)f = 600
 f = 0,9351 Hz
f2 = 60 - f = 60 - 0,9351 = 59,06 Hz
c. Công suất mỗi máy
Pa2 = 70 + Pa2 = 70 + 350 x 0,9351 = 397,3 kW
Pb2 = 70 + Pb2 = 70 + 175 x 0,9351 = 233,6 kW
Pc2 = 70 + Pc2 = 70 + 116,667 x 0,9351 = 179,1 kW
2.6.

PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TÁC DỤNG GIỮ CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG

Điều chỉnh công suất động cơ sơ cấp tương ứng sẽ cân bằng lại công suất tác
dụng giữa các máy phát điện làm việc song song nhưng không cân bằng công suất
phản kháng. Điều chỉnh dòng điện kích từ It sẽ cân bằng lại công suất phản kháng
giữa các máy phát. Muốn máy phát điện mang tải sau khi hòa đồng bộ, ta tăng
công suất cơ của động cơ sơ cấp, tức tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện
hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy phát nhiệt điện. Điều chỉnh dòng điện kích từ

It, điện áp của máy phát vẫn không đổi vì đó là điện áp của lưới điện. Việc thay
đổi dòng điện kích từ It chỉ làm tháy đổi công suất phản kháng của máy phát. Chú
ý, sau đây ta chỉ xét máy phát làm việc trong hệ thống điện, nghĩa là tần số f và
điện áp U của hệ thống điện cho là không đổi.
Để xét việc điều chỉnh công suất tác dụng giữa các máy phát điện làm việc song
song được trình bày trên hình 2.16, máy phát điện một F1 đang cấp công suất cho
lưới, máy phát hai F2 vừa hòa đồng bộ thành công vào lưới. Đồ thị véctơ tương
ứng với điều kiện ban đầu trình bày trên hình 2.16a và b. Dòng điện I1 do máy F1
cấp cho lưới trước khi hòa máy F2 vào lưới điện.

Tuốc bin

Hòa thành công
vào lưới
F1

F2

Tải

Hình 2.16 Hai máy phát làm việc song song

Điều chỉnh công suất tác dụng giữa các máy phát điện là đồng thời điều chỉnh
điều chỉnh công suất cơ tương ứng, đó cũng là nguyên nhân gây ra góc công suất


59

của máy phát F2 tăng và máy phát F1 giảm. Đồ thị véctơ vẽ bằng đường nét đứt
trện hình 2.17a và b là trình bày sau khi điều chỉnh công suất tác dụng. Từ điều

kiện mới này, ta có:

E t1

jI1X âb

Quỹ tích của Et

1
’1

jI'1 X âb


U

E’t1sin’1

E ' t1

1
’1

I 1

I ’1
I’1cos’1

Quỹ tích của I1

(F1)

(a)
Quỹ tích của Et

E 't'1

E’t1sin’1= E’’t1sin’’1

E ' t1


’1 ’’1 U
φ1''
’1

jI' '1 X âb

I1''

I ’1
Quỹ tích của I1

(F1)

I’1cos’1= I’’1cos’’1
(c)

Hình 2.17 Đồ thị vectơ (a) và (b) trình bày ảnh hưởng khi điều chỉnh công suất cơ đến việc
truyền công suất tác dụng; (c) và (d) ảnh hưởng khi điều chỉnh dòng kích từ đến công suất

phản kháng của máy phát điện đồng bộ

I '2

’2

jI '2 X âb
’2

E t 2

Quỹ tích
của Et2

E’t2sin’2

E ' t 2


60

UE 't1
UE 't 2
sin θ1' 
sin θ '2
X đb1
X đb 2
Do điện kháng đồng bộ của hai máy bằng nhau (Xđb1 = Xđb2) và điện áp của hai
máy là như nhau, nên:

E 't1 sin θ1'  E 't 2 sin θ '2

(2.12)

Đồ thị véctơ tương ứng trình bày trên hình 2.17 a và b. Hơn nữa, cả hai máy đều
cấp công suất tác dụng bằng nhau cho tải:

UI 't1 sin φ1'  UI 't 2 sin φ '2
I't1 sin φ1'  I't 2 sin φ '2
Chú ý, ở đồ thị véctơ tương ứng trình bày trên hình 2.17:

(2.13)

1. Dòng điện phần ứng I1' trong máy F1 là chậm sau, nhưng dòng điện phần
ứng I '2 trong máy F2 là vượt trước, điều đó cho thấy có khác trong hệ số
công suất và đã phân phối lại công suất phản khán giữa hai máy.


61

2. Mặc dù trên hình 2.17a,b,c không trình bày độ lớn và góc pha của dòng
điện lưới vì nó không đổi và bằng I1' .
Đồ thị véctơ tương ứng với điều kiện ổn định khi phân phối lại công suất tác
dụng và phảng kháng giữa các máy phát làm việc song song vẽ bằng đường nét
đứt và có sự thay đổi để I '2 trong máy F2 là chậm sau, được trình bày trên hình
2.17c và d. Quỹ tích của véctơ dòng điện và spđđ trên hình 2.17 là trình bày quá
trình chuyển công suất tác dụng và phản kháng giữa các máy phát làm việc song
song.
Cân bằng lại công suất phản kháng giữa các máy phát làm việc song như trình
bày trên hình 2.17, là cho ta biết cách phải điều chỉnh đòng điện kích từ sao cho trị

số dòng điện và góc lệc pha của lưới không đổi. Để thực hiện điều đó, biến trở
điều chỉnh dòng điện kích từ của máy nhận công suất tác dụng (máy F2) quay lên
để tăng sđđ kích thích và máy có công suất tác dụng giảm (máy F2) quay xuống để
giảm sđđ kích thích cho đến khi đồng hồ hệ số công suất (hay VAr - công suất
phản kháng) chỉ như nhau cả hai máy.
Các máy phát trình bày trên hình 2.17, là các máy phát giống y nhau làm việc
song song, và kết hợp việc điều chỉnh để đảm nhận một phần của tổng công suất
tác dụng và phản kháng. Nếu các máy là không giống nhau, điện kháng đồng bộ
cũng không như nhau và phải tính đến điều đó.
VÍ DỤ 2.9
Hai máy phát đồng bộ ba pha đang làm việc song song cung cấp công suất tổng
cho lưới điện gồm phụ tải 500kW, có hệ số công suất đơn vị và các động cơ không
đồng bộ nhận công suất 200kVA, có hệ số công suất 0,852. Sơ đồ mạch điện trình
bày trên hình 2.18a. Giả sử rằng hai máy cung cấp công suất tác dụng bằng nhau
cho lưới điện. Hãy xác định (a) thành phần công suất tác dụng và phản kháng của
tải. Nếu(b) hệ số công suất tác dụng của máy A là 0,94, xác định công suất tác
dụng của mỗi máy cung cấp.

Bài giải
a. Thành phần công suất tác dụng và phản kháng của tải
Plưới = 500 + 200.0,852 = 670,40 kW
ĐK = cos-1(0,852) = 31,57o
Qlưới = QĐK = 200.sin(31,57o) = 104,7 kVAr
b. Công suất tác dụng của mỗi máy
Pa = Plưới/2 =670,40/2 = 335,2 kW
a = cos-1(0,94) = 19,95o
Công suất phản khán của máy A: (hình 2.18b)

Qa  Pa  tgφ a  335,2  tg(19,95 o )  121,7 kVAr

62

Công suất phản khán của máy B:

Qb  Qbus  Qa  104 ,7  121,7  17,0 kVAr
Ta thấy công suất phản kháng máy B âm, nghĩa là hệ số công suất máy B vượt
trước.

Qa
a
A

B

Pa

(b)

Lưới

(a)
500kW

ĐK

ĐK

200kVA. 0,852

Hình 2.18 Sơ đồ mạch điện và đồ thị véctơ công suất của ví dụ 2.9

ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Về cấu tạo động cơ điện đồng bộ giống máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện
đồng bộ có thể làm việc như động cơ điện đồng bộ. Nếu tháo động cơ sơ cấp ra
khỏi máy phát và nối dây quấn stato vào lưới điện ba pha đồng thời cung cấp dòng
điện một chiều cho dây quấn kích từ, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi và tạo
ra momen kéo tải cơ đấu vào trục.
Ưu điểm động cơ điện đồng bộ là hệ số công suất cao và có thể điều chỉnh
được bằng cách thay đổi dòng điện kích từ, điều này cho phép nâng cao hệ số công
suất của lưới điện khi cần.
Trường hợp động cơ quay không tải và tăng dòng kích từ đủ lớn thì dòng điện
lưới vào động cơ sẽ vượt trước điện áp của nó một góc gần 900, lúc này động cơ
làm việc như một tụ điện phát công suất phản kháng vào lưới, dây là chế độ máy
bù đồng bộ.
2.7.

2.7.1.

Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ

Khi cho dòng điện ba pha vào dây quấn stator, dòng điện ba pha ở dây quấn
stator sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ :
60 f
n1 
( vg / ph )
(2.14)
p

63

Nếu rotor đang đứng yên (hình 2.19), cực Nam S của rotor bị cực Bắc N stator
kéo và nó có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ. Nhưng do quán tính và cực
Bắc stator quét qua nó quá nhanh, trong khi nó chưa quay tới thì sau nữa chu kỳ nó
đã đối diện với cực Nam stator và bị đẩy lùi, nghĩa là rotor có xu hướng quay theo
chiều ngược lại. Kết quả là moment (khởi động) trung bình bằng không và rotor
không tự quay được.

2

1

N

n
1

S

n
1

N

S
Hình 2.19. Sự tạo ra mômen trong động cơ
đồng bộ. 1. Trục rôto; 2. Trục từ trường stato

Tuy nhiên nếu chúng ta quay trước rotor với tốc độ đồng bộ các cực từ rotor bị

“khóa chặt” vào cực từ stator trái dấu. Khi không tải, từ trường stator và rotor cùng
quay với tốc độ đồng bộ n1 và trục của chúng trùng nhau ( = 0). Lúc có tải trục từ
trường rotor đi chậm sau trục từ trường stator một góc , tải càng nặng góc  càng
lớn, nhưng cả hai vẫn cùng quay với tốc độ đồng bộ n1.
2.7.2.

Khởi động động cơ điện đồng bộ

Hình 2.20. Rotor cực lồi của động cơ
đồng bộ và dây quấn khởi động.