Nghiên cứu điều khiển hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ

..

Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ
CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: CB101058

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN

HÀ NỘI - 2012
1 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB

 

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình tìm hiểu nghiên cứu của riêng tôi dựa
trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn cùng
các thầy cô trong bộ môn và các nguồn tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết
quả nghiên cứu là trung thực.

Học viên

Vũ Văn Vương

2 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA ......................................................................................... 01
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 02
MỤC LỤC ...................................................................................................... 03
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ...................................................................... 05
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 06
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ....................................................... 07

LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................... 09
Chương 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG
KÍCH TỪ ..................................................................................... 11
1.1. Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ ................................ 11
1.2. Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ........................................ 12
1.2.1. Phân loại và ứng dụng ................................................................... 12
1.2.2. Cấu tạo ........................................................................................ 13
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ .................................. 15
1.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ ................................... 17
1.4.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ ........................ 17
1.4.2. Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ .................................. 18
1.4.2.1. Tải đối xứng thuần trở ........................................................... 19
1.4.2.2. Tải đối xứng thuần cảm ......................................................... 21
1.4.2.3. Tải đối xứng thuần dung ........................................................ 21
1.4.2.4. Tải đối xứng hỗn hợp ............................................................. 22
1.4.3. Đặc tính khơng tải của máy phát điện đồng bộ ............................ 23
1.4.4. Đặc tính ngồi của máy phát điện đồng bộ................................... 24
1.4.5. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ ........................... 25
1.4.6. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ....................................... 26
1.4.7. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ .......................... 28
1.5. Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của máy
phát điện đồng bộ ............................................................................ 29
1.5.1. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song ................. 29
1.5.2. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng ............. 31
1.5.2.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P............................................ 31
1.5.2.2. Điêu chỉnh công suất phản kháng Q ...................................... 34
1.6. Hệ thống kích từ máy phát ................................................................. 37
1.6.1. Khái niệm chung ........................................................................... 37
3 
 

Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

1.6.2. Phân loại hệ thống kích từ ............................................................ 39
1.6.2.1. Hệ thống kích từ một chiều .................................................... 39
1.6.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều .................................................. 41
1.6.2.3. Hệ thống kích từ tĩnh ............................................................. 42
Chương 2 HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỂN HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU CHỈNH
ĐIỆN ÁP AVR............................................................................. 44
2.1. Các khối chức năng của hệ thống kích từ ............................................ 44
2.1.1. Bộ kích .......................................................................................... 44
2.1.1.1. Cách tạo nên dòng điện xoay chiều ....................................... 44
2.1.1.2. Mạch chỉnh lưu cấp nguồn cho rotor ..................................... 47
2.1.2. Bộ điều chỉnh điện áp AVR .......................................................... 61
2.1.3. Bộ cảm biến điện áp ...................................................................... 61
2.1.4. Bộ hạn chế và bảo vệ .................................................................... 61
2.1.4.1. Giới hạn dưới kích từ ............................................................. 61
2.1.4.2. Bộ giới hạn q kích thích ..................................................... 62
2.1.4.3. Giới hạn dịng phần ứng......................................................... 63
2.1.4.4. Giới hạn bảo vệ V/Hz .......................................................... 64
2.1.4.5. Mạch diệt từ ........................................................................... 64
2.1.4.6. Bảo vệ chạm đất rotor ............................................................ 65
2.1.4.7. Bảo vệ quá áp cho rotor ......................................................... 66
2.2. Bộ điều chỉnh điện áp AVR ................................................................. 68
2.2.1. Bộ AVR......................................................................................... 70
2.2.2. Bộ điều chế và tạo xung ................................................................ 71

2.2.3. Bộ khuếch đại xung và máy biến áp xung .................................... 75
Chương 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ........................................................ 76
3.1. Quá trình mồi từ ban đầu ..................................................................... 76
3.2. Quá trình tạo điện áp đặt tự động ......................................................... 79
3.3. Chức năng bảo vệ trong hệ thống kích từ ............................................ 80
3.4. Tổng hợp hệ thống kích từ ................................................................... 87
Chương 4 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS............................................ 91
4.1. Dao động của máy điện đồng bộ.......................................................... 91
4.2. Chức năng ổn định hệ thống điện - PSS .............................................. 91
4.3. Mô hình bộ ổn định hệ thống điện ....................................................... 92
4.4. Mơ phỏng hệ thống .............................................................................. 96
KẾT LUẬN .................................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 99
4 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ф

Từ thông cực từ rotor (Wb)

f

Tần số (Hz)

n

Tốc độ quay của rotor (vịng/phút)

p

Số đơi cực của rotor

ω

Tốc độ góc của máy phát (rad/s)

E0

Sức điện động pha (V)

Eưq

Sức điện động ngang trục (V)

Eưd

Sức điện động dọc trục (V)

U

Điện áp đầu cực máy phát (V)

I, It

Dòng điện stator, dòng điện kích từ (A)

Iq

Dịng điện stator ngang trục (A)

Id

Dịng điện stator dọc trục (A)

Xưq, Xq

Điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục, đồng bộ ngang trục

Xưd, Xd

Điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục, đồng bộ dọc trục

Et, Xt

Sức điện động tản, điện kháng tản

φ

Góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện stator

θ, Ψ

Góc lệch pha giữa E0 và U, giữa E0 và I

Ft, Fư

Từ trường cực từ, từ trường phần ứng

P, Q

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát

B

Cảm ứng từ của dịng điện kích từ

5 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PSS

Bộ ổn định hệ thống điện – Power System Stabilizer

AVR

Bộ tự động điều chỉnh điện áp – Automatic Voltage Regulator

s.đ.đ

Sức điện động

ĐC

Bộ điều chế xung

TX

Bộ tạo xung

KĐ

Bộ khuếch đại xung

BAX

Biến áp xung

G-Th

Cực gate của thyristor

RC

Bộ điều chế xung

SS

Bộ so sánh xung

6 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Máy phát điện đồng bộ.................................................................... 12
Hình 1.2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ....................................................... 13
Hình 1.3. Cấu tạo rotor máy phát điện đồng bộ .............................................. 14
Hình 1.4. Đồ thị vector điện áp máy phát điện .............................................. 19
Hình 1.5. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần trở ......................................................... 20
Hình 1.6. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần cảm ....................................................... 21
Hình 1.7. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần dung...................................................... 22
Hình 1.8. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải hỗn hợp .......................................................... 23
Hình 1.9. Đặc tính khơng tải của máy phát điện đồng bộ............................... 24
Hình 1.10. Đặc tính ngồi của máy điện đồng bộ .......................................... 24

Hình 1.11. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ .......................... 26
Hình 1.12. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ ........................................ 27
Hình 1.13. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ .......................... 28
Hình 1.14. Đặc tính góc cơng suất tác dụng của máy phát cực lồi ................. 32
Hình 1.15. Cơng suất tác dụng và cơng suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi .33
Hình 1.16. Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ ........... 35
Hình 1.17. Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ............................ 36
Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống kích từ .................................... 44
Hình 2.2. Dịng điện tạo ra cảm ứng từ ........................................................... 45
Hình 2.3. Cấu trúc bán dẫn của thyristor ........................................................ 47
Hình 2.4. Đặc tính vôn-ampe của thyristor ..................................................... 48

7 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 2.5. Yêu cầu đối với xung điều khiển của thyristor ............................... 51
Hình 2.6. Chỉnh lưu hình tia ba pha ................................................................ 54
Hình 2.7. Dạng điện áp và dòng điều khiển các van....................................... 55
Hình 2.8. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ................................................ 56
Hình 2.9. Dạng điện áp và dịng điện điều khiển các van ............................... 57
Hình 2.10. Giới hạn dịng điện phần ứng ........................................................ 63
Hình 2.11. Bảo vệ chạm đất rotor ................................................................... 66
Hình 2.12. Bảo vệ quá áp rotor ....................................................................... 67
Hình 2.13. Bộ crow bar ................................................................................... 67

Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tạo góc mở van ............................... 69
Hình 2.15. Bộ điều chế .................................................................................... 71
Hình 2.16. Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa tuyến tính............................ 72
Hình 2.17. Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa cosin ................................... 73
Hình 3.1. Hệ thống kích từ tự kích.................................................................. 76
Hình 3.2. Sơ đồ khối của quá trình mồi từ ...................................................... 77
Hình 3.3. Tạo giá trị đặt trong chế độ bình thường ........................................ 79
Hình 3.4. Tạo giá trị đặt trong chế độ nạp đường dây .................................... 80
Hình 3.4. Bảo vệ q kích từ........................................................................... 82
Hình 3.5. Bảo vệ q dịng stator .................................................................... 84
Hình 3.6. Bảo vệ thiếu kích từ ........................................................................ 87
Hình 3.7. Sơ đồ mơ phỏng trong Matlab ........................................................ 88
Hình 3.8 Điện áp giá trị đặt ............................................................................. 88
Hình 3.9. Điện áp đầu ra của máy phát .......................................................... 89
Hình 3.10. Dịng điện kích từ và cơng suất của máy phát .............................. 89
Hình 4.1. Sơ đồ khối bộ ổn định cơng suất hệ thống ...................................... 93
Hình 4.2. Bộ ổn định cơng suất PSS ............................................................... 94
Hình 4.3. Cơng suất đầu ra của máy phát ....................................................... 96
Hình 4.4. Sơ đồ tổng hợp hệ thống kích từ ..................................................... 97

8 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

LỜI NĨI ĐẦU

Định hướng để đất nước phát triển đi lên luôn là vấn đề quan trọng trong
thời kỳ hiện nay của nước ta. Phát triển đất nước gắn liền với đầu tư và phát
triển các ngành công nghiệp, và ngành công nghiệp đầu tiên là các ngành
công nghiệp năng lượng đặc biệt là điện năng. Tập đoàn điện lực nước ta biết
được nhiệm vụ quan trọng của mình nên khơng ngừng tìm kiếm ra phương
thức để phát triển ngành cơng nhiệp này. Với tình hình đó tập đồn ln ln
tìm kiếm thăm dị những nguồn năng lượng có thể tái tạo được và tập đoàn
tập trung khai thác nguồn năng lượng thủy năng của nước ta. Qua quá trình
nghiên cứu khảo sát tập đoàn đã lựa chọn Sơn La để xây dựng thủy điện lớn
nhất Đông Nam Á với nguồn thủy năng lấy trên con sông Đà. Trong nhà máy
sản xuất điện máy phát là phần tử không thể thiếu và bộ phận đóng vai trị
quan trọng là hệ thống kích từ. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật
và các thiết bị điện thì hệ thống kích từ không ngừng cải tiến công nghệ và
phát triển. Qua quá trình làm việc tìm hiểu nắm bắt cơng nghệ với hệ thống
kích từ tơi thấy cần nắm bắt cơng nghệ mới này để vận hành sửa chữa và có
thể ứng dụng để cải tạo các hệ thống kích từ cơng nghệ cũ ở các nhà máy
khác và tạo điều kiện trong tương lai làm tiền đề để các nhà máy phát điện có
thể ứng dụng cơng nghệ ổn định hệ thống điện PSS trong hệ hệ thống kích từ
vào trong hệ thống điện. Đồng thời đây cũng là một tài liệu thực tiễn cho các
sinh viên, học viên tham khảo.
Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu tơi lựa chọn đề tài: “ nghiên cứu điều khiển
hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ”. Nội dung luận văn bao gồm
những phần chính sau:

9 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Chương 1: Tổng quan về máy phát điện đồng bộ và hệ thống kích từ
trong máy phát điện đồng bộ.
Chương 2: Hệ thống kích từ điển hình và bộ điều chỉnh điện áp AVR.
Chương 3: Điều khiển hệ thống.
Chương 4: Ổn định hệ thống điện PSS.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn
cùng các thầy cô giáo trong bộ mơn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Cơng Nghiệp
tơi đã hồn thành bản đồ án này. Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới
thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn cùng các thầy cô trong bộ môn Tự Động
Hóa Xí Nghiệp Cơng Nghiệp trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tuy nhiên,
do trình độ bản thân cịn hạn chế và thời gian có hạn nên bản luận văn khơng
tránh khỏi nhiều thiếu sót. Tơi kính mong được sự hướng dẫn và góp ý của
các thầy cơ để bản luận văn được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

10 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

CHƯƠNG I
TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ

1.1. Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ là một loại máy điện đồng bộ biến cơ năng
thành điện năng, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ
năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong,
tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác. Máy điện đồng bộ là loại máy điện
quay có tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường phần ứng n1. Ở
chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi
tải thay đổi.
Máy phát điện đồng bộ là thiết bị chính để cung cấp điện năng cho nền
kinh tế quốc dân. Nó có vai trị cung cấp cơng suất tác dụng (P) và công suất
phản kháng (Q) cho các phụ tải điện. Đặc biệt chúng có thể phối hợp điều
chỉnh cơng suất tác dụng và công suất phản kháng giữa các máy phát trong
một hệ thống điện sao cho phù hợp với yêu cầu của phụ tải.

11 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

1.2. Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ
1.2.1. Phân loại và ứng dụng

Hình 1.1. Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ gồm có hai loại cơ bản:
+ Máy phát điện đồng bộ cực ẩn (Hình 1.1.a)

Loại này thường có trục quay nằm ngang chiều dài lớn, đường kính nhỏ
hoạt động với tốc độ cao. Loại này thường được kéo bởi turbine hơi và
tuabine khí được dùng chủ yếu ở các nhà máy nhiệt điện đốt than, khí gas hay
trong các nhà máy điện nguyên tử.
+ Máy phát đồng bộ cực lồi (Hình 1.1.b)
Loại này thường có trục quay thẳng đứng chiều dài ngắn nhưng có
đường kính lơn hoạt động với tốc độ thấp. Loại này thường được kéo bởi
turbine nước và được dùng chủ yếu ở các nhà máy thủy điện

12 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

1.2.2. Cấu tạo

Hình 1.2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Roto.
Hình 1.2 mơ tả cấu tạo điển hình của máy phát đồng bộ trong đó:
Armature winding

: Dây quấn phần ứng

Stator

: Mạch từ Stator

Slip ring & brushes

: Vành góp và chổi than

Rotor

: Mạch từ Rotor

Field winding

: Dây quấn kích từ

+ Stator
Stato của máy phát điện đồng bộ cũng giống như Stato của máy điện không
đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép Stato và dây quấn ba pha Stato. Lõi
thép Stator được ép bằng các lá tơn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ lớp sơn
cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thơng gió đặt nằm
ngang trục để làm mát. Lõi thép Stator được đặt cố định trên thân máy. Dây

13 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

quấn Stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của

Stator .
+ Rotor

Hình 1.3 Cấu tạo rotor máy phát điện đồng bộ a. Cực lồi b. Cực ẩn
Rotor máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể
phân rotor thành 2 loại chính : Rotor cực ẩn và rotor cực lồi.
- Rotor cực ẩn:
Rotor cực ẩn làm bằng lõi thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành
khối hình trụ sau đó gia cơng phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Dây quấn
kích từ đặt trong rãnh rotor bao gồm các bối dây đồng và được cố định bằng
các nêm thép khơng từ tính. Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục của
rotor nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với
nguồn kích từ. Với loại rotor này thường có số cực 2p=2, tốc độ quay rotor
lớn đường kính rotor nhỏ nhưng chiều dài lớn và thường dùng cho các máy
phát công suất lớn.
- Rotor cực lồi:

14 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép
được chế tạo bằng thép đúc và gia cơng thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên
mặt có đặt các cực từ được ghép từ các lá thép dày 1-5 mm. Dây quấn kích từ
là các cuộn dây đồng được lồng vào thân cực. Với loại rotor này thường có số

cực 2p 

4, tốc độ quay rotor chậm, đường kính rotor lớn và chiều dài ngắn

và thường dùng cho các máy phát cơng suất nhỏ và trung bình.
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng trong đó các
năng lượng cơ dạng sơ cấp ( như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiêt năng
của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức
gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào turbine nối với
rotor của máy phát. Khi rotor được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và
cho dịng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor cắt qua dây
quấn phần ứng stator và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị
số hiệu dụng:
E0 = Ke.Φ.f

(1.1)

Ke = 4,44 .W1.Kdq

(1.2)

Trong đó:
Ke : Hằng số điện từ
E0 : Là sức điện động pha (V)
W1 : Số vòng dây quấn 1 pha (vòng)
Kdq : Hệ số dây quấn
Φ : Từ thông cực từ rotor ( Wb)
15 
 

Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

f : Tần số (Hz)
Nếu rotor có p đơi cực, khi rotor quay được một vòng, sức điện động phần
ứng sẽ biến thiên p chu kỳ.
Do đó nếu tốc độ quay của rotor là n (v/s) thì tần số f của sức điện động sẽ
là:
f = n.p

(1.3.1)

Nếu tốc độ của rotor tính được bằng vịng/phút thì tần số là :
f=

.

(1.3.2)

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong khơng gian một góc là 1200
điện. Cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 1200. Khi dây
quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dịng điện ba pha. Giống như máy điện
khơng đồng bộ, dịng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường
quay, với tốc độ là:

 

.

(1.4)

n : Tốc độ từ trường quay ( vòng/phút)
Tốc độ quay của rotor đúng bằng tốc độ quay của từ trường. Do đó, kiểu
máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ xoay chiều.
Từ công thức (1.1) ta thấy để thay đổi suất điện động E0 ta có thể có hai
cách thay đổi tần số f (hay thay đổi tốc độ quay của rotor) hoặc thay đổi
từ thơng (hay thay đổi dịng điện kích từ If). Nhưng khi điều chỉnh tốc độ
quay của rotor lại ảnh hưởng đến tần số của nguồn điện dẫn đến ảnh hưởng
đến chất lượng của nguồn điện. Chính vì vậy cách này trong thực tế rất ít
dùng. Mà trong thực tế sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy

16 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

phát bằng cách thay đổi dịng điện kích từ của máy phát để thay đổi suất
điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của máy phát.
1.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện 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 như điện áp, dịng điện đầu cực máy phát, dịng kích từ, hệ số
công suất cos , tần số f và tốc độ quay n ta có thể xây dựng nên các đặc tính
làm việc.
Để phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3
đại lượng chủ yếu là điện áp stator U, dòng điện stator I và dịng điện kích từ
If để thành lập các đường đặc tính làm việc.
1.4.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc, từ trường cực từ Φ sinh ra sức điện động E0 ở
dây quấn stator . Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải.
Xét máy phát điện 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:
Eưq = -j.Iq.Xưq

(1.5)

Trong đó:
Eưq là sức điện động ngang trục (V)
Xưq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục (Ω)
Iq Là dòng điện ngang trục (A)
Từ trường phản ứng phần ứng dọc trục tạo nên sức điện động dọc trục:
Eưd = -j.Id.Xưd

(1.6)
17 

 

Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Trong đó:
Eưd là sức điện động dọc trục (V)
Xưd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục (Ω)
Id Là dòng điện dọc trục (A)
Từ thông tản của dây quấn đặc trưng bởi điện kháng tản Xt không phụ
thuộc vào hướng dọc trục hoặc ngang trục.
Et = -j.(Iq+Id).Xt

(1.7)

Et Là sức điện động tản (V)
Xt Là điện kháng tản (Ω)
Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng (I.Rư) ta có phương trình cân
bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
U = E0 – j.Id.Xưd – j.Id.Xt – j.Iq.Xưq – j.Iq.Xt

(1.8.1)

U = E0 – j.Id.(Xưd + Xt) – j.Iq.(Xưq+Xt)

(1.8.2)

Đặt:
Xd = Xưq+ Xt

:là điện kháng đồng bộ dọc trục

Xq = Xưq + Xt :là điện kháng đồng bộ ngang trục
Ta có thể viết gọn lại
U = E0 – j.Id .Xd – j.Iq .Xq

(1.9)

Phương trình (1.9) tương ứng với đồ thị véc tơ (Hình 1.4a) ta thấy góc lệch
pha điện áp U và sức điện động E0 do tải quyết định.
Đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ cực ẩn được vẽ trên hình 1.4b.

18 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 1.4. Đồ thị vector điện áp máy phát điện a. Cực lồi b. Cực ẩn

1.4.2. Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh
ra từ trường của dây quấn stato còn gọi là từ trường phần ứng. Tùy theo tính
chất của tải mà trục từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với
trục từ trường cực từ. Như vậy tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường
cực từ (hay phản ứng phần ứng) sẽ mang tính chất khác nhau tùy theo tính

chất của tải trở, tải kháng hay tải dung.
Xét tương quan về không gian giữa từ trường phần ứng và từ trường cực từ
trong trường hợp máy điện hai cực có m = 3 và mỗi pha được tượng trưng bởi
một vòng dây. Các sức điện động (s.đ.đ) và dòng điện trong ba pha là hình
sin.
1.4.2.1. Tải đối xứng thuần trở

19 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Khi tải là đối xứng và thuần trở thì dịng điện ba pha trong dây quấn stator
sẽ trùng pha với các s.đ.đ tương ứng (Ψ = 00). Xét tại thời điểm dòng điện pha
A đạt cực đại.

Hình 1.5. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường
cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần trở.

Như vậy vị trí khơng gian của từ trường quay của phần ứng Fư trong trường
hợp đó có chiều trùng với trục của dây quấn pha A là pha có dịng điện cực
đại. Vì từ thơng xun qua pha A cực đại trước s.đ.đ trong pha đó một phần
tư chu kỳ nên khi s.đ.đ của pha A cực đại thì cực từ đã quay được một góc
Π/2 so với vị trí trục cực từ trùng với trục pha A là lúc từ thơng xun qua
pha A có trị số cực đại. Như vậy vị trí khơng gian của trục cực từ là vng
góc với trục của pha A (tức là vng góc với chiều của từ trường Fư). Ta kết

luận ở tải thuần trở, phương của Fư vng góc với phương của Ft và phản ứng
phần ứng là ngang trục.
1.4.2.2. Tải đối xứng thuần cảm

20 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 1.6. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần cảm

Ở tải thuần cảm, s.đ.đ E vượt trước dịng điện I một góc 900 (ψ = + 900),
nên ở thời điểm iA = Im thì cực từ đã quay thêm một góc Π/2 so với vị trí của
nó ở trường hợp tải thuần trở. Ta thấy ở đây Fư và Ft cùng phương (nghĩa là
dọc theo trục cực từ) nhưng ngược chiều nhau và phản ứng phần ứng là dọc
trục khử từ.
1.4.2.3. Tải đối xứng thuần dung

21 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB

 

Hình 1.7. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần dung

Ở tải thuần dung, s.đ.đ. E chậm sau dịng điện I một góc 900 (ψ = - 900),
nên ở thời điểm iA = Im thì cực từ cịn phải quay thêm một góc Π/2 nữa mới
đến vị trí của nó ở hình 1.7. Ta thấy ở đây Fư và Ft cùng phương cùng chiều
nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ.
1.4.2.4. Tải đối xứng hỗn hợp

22 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 1.8. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải hỗn hợp

Trong trường hợp tải hỗn hợp có thể phân tích Fư thành hai thành phần dọc
trục và ngang trục. Phần dọc trục Fưd cùng phương với từ trường cực từ, phần
ngang trục cùng phương với s.đ.đ của pha. Khi tải có tính cảm phản ứng vừa
ngang trục vừa khử từ. Khi tải có tính dung phản ứng phần ứng là ngang trục
và trợ từ.
1.4.3. Đặc tính khơng tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính khơng tải là quan hệ : E0 = U0 = f (it) khi I = 0 và f = fđm

Dạng đặc tính khơng tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác
nhau khơng nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:
E* =
và

I* =

(1.10.1)

  đ

(1.10.2)

   đ

Trong đó:
Itđm0 là dịng điện khơng tải khi U = Uđm

23 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Mạch từ của máy phát turbine hơi bão hòa hơn mạch từ của turbine nước.
Ta có đặc tính khơng tải trên Hình 1.9

Hình 1.9. Đặc tính khơng tải của máy phát điện đồng bộ
1.4.4. Đặc tính ngồi của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính ngồi là quan hệ U = f(I). Khi it = const; cos = const và f = fđm.
Đặc tính ngồi cho thấy lúc dịng điện kích từ khơng đổi, điện áp máy
phát thay đổi theo tải. Để có đặc tính này phải thay đổi I sao cho cos = const
rồi đo U,I tương ứng với giá trị khác nhau của tải.

Hình 1.10. Đặc tính ngồi của máy điện đồng bộ
24 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Từ hình 1.10 ta thấy đặc tính ngồi 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 kháng thì I tăng, phản ứng phần ứng
là trợ từ, điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên. Khi tải là thuần trở
thì đường đặc tính gần như song song với trục hoành.
Độ thay đổi điện áp định mức ∆Uđm của máy phát điện đồng bộ theo định
nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cos

đm

đến không tải theo điều kiện khơng thay đổi dịng điện kích thích. Trị số ∆Uđm
thường biểu thị phần trăm của điện áp định mức.
∆Uđm(%) =

  đ

(1.11)

đ

Trị số ∆Uđm của máy phát điện có thể xác định bằng thực nghiệm trực tiếp
trên máy đã chế tạo.
1.4.5. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ: it = f(I) . Khi U = const; cos

= const và

f = fđm. Đặc tính này cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện it của máy
phát sao cho điện áp U ở đầu cực của máy phát là không đổi.
Khi lấy đặc tính điều chỉnh phải thay đổi tải và thay đối it để có hệ số góc
cos = const và U = const.

25