NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT – PSS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




NGUYỄN ĐỨC NINH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TỰ ĐỘ NG HÓ A

NGÀNH: TỰ ĐỘ NG HÓ A


NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN
ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT – PSS





NGUYỄN ĐỨC NINH

TN
2011

THÁI NGUYÊN 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS



Ngành: TỰ ĐỘ NG HÓ A
Học Viên: NGUYỄN ĐỨC NINH
Người HD Khoa học: TS. PHẠM QUANG ĐĂNG

THÁI NGUYÊN – 2011


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Họ và tên học viên
:
Nguyễn Đức Ninh
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 12 tháng 03 năm 1984
Nơi sinh

:
Lâm Thao - Phú Thọ
Nơi công tác
:

Cơ sở đào tạo
:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành
:
Tự động hóa
Khóa học
:
K12- TĐH
Ngày giao đề tài
:

Ngày hoàn thành đề tài
:


TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG
NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. Phạm Quang Đăng

Trung tâm Nghiên cứu Triển khai công nghệ cao –
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

NGƢỜI HƢỚNG DẪN


TS. Phạm Quang Đăng
HỌC VIÊN


Nguyễn Đức Ninh
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5
MỞ ĐẦU 7
1. Tính cấp thiết của đề tài 7
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7
3. Phương pháp nghiên cứu 7
4. Phạm vi nghiên cứu 8
5. Kết cấu luận văn 8
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG
ĐIỀU KIỆN HÕA LƢỚI 9
1.1. Máy phát điện đồng bộ 9
1.1.1. Giới thiệu chung 9
1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha 9
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 9

1.2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 10
1.2.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ 10
1.2.2. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ 12
1.2.3. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K 12
1.2.4. Đặc tính ngoài 13
1.2.5. Đặc tính điều chỉnh 14
1.2.6. Đặc tính tải 15
1.3. Điều chỉnh công suất trong máy phát 16
1.3.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P 17
1.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q 20
1.4. Mô hình toán máy phát điện đồng bộ 21
1.4.1. Phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha 21
1.4.2. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc 23
1.4.2.1. Phương trình stato 24
1.4.2.2. Phương trình rôto 25
1.4.2.3. Phương trình từ thông 26
1.4.2.4. Phương trình mômen 29
1.4.3. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối 30
1.4.3.1. Các đại lượng so sánh cơ bản 30
1.4.3.2. Phương trình máy điện đồng bộ trong hệ đơn vị tương đối 31
1.5. Máy điện đồng bộ trong hệ thống điện 33
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ
THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 36
2.1. Hệ thống kích từ máy phát điện 36
2.1.1. Khái niệm 36
2.1.2. Các thành phần của hệ thống kích từ 36
2.1.3. Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát 37
2.1.4. Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor 38
2.1.5. Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ 38
2.1.5.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều 38

2.1.5.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao 39
2.1.5.3. Hệ thống kích từ không chổi than 40
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2
2.1.5.4. Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 41
2.1.6. Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ 42
2.1.6.1. Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (Automatic Voltage Regulator) 42
2.1.6.2. Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ 43
2.2. Hệ thống ổn định công suất 45
2.2.1. Trạng thái ổn định 45
2.2.2. Trạng thái ổn định tức thời 46
2.2.3. Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định 47
2.2.4. Ổn định các kích động nhỏ 48
2.2.4.1. Dao động máy phát khi làm việc song song với lưới điện 48
2.2.4.2. Dao động cưỡng bức của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở chế độ ốc đảo
(dao động nội tại của máy phát điện) 51
2.2.4.3. Dao động liên khu vực 51
2.2.5. Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) 52
2.2.6. Triệt tiêu các dao động cơ điện 53
2.3. Phân loại các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất 54
2.3.1. Các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất dựa trên tín hiệu tốc độ 54
2.3.2. Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất đầu vào kép 55
2.3.2.1. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2A 56
2.3.2.2. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2B 57
2.3.2.3. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS3B 58
2.3.2.4. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS4B 58
2.3.3. Lựa chọn thiết bị ổn định công suất 59
2.3.3.1. Tín hiệu tốc độ 59
2.3.3.2. Bộ lọc xoắn 59

2.3.3.3. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định 60
2.4. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS 60
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG
NGUỒN CÔNG SUẤT 62
3.1. Phương pháp thiết kế PSS 62
3.1.1. Phương pháp tiếp cận mômen tắt dần 62
3.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số 63
3.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái 63
3.2. Mô hình máy phát điện cổ điển 66
3.3. Ảnh hưởng của động học mạch từ máy phát điện đồng bộ 68
3.4. Xây dựng ma trận trạng thái 74
3.5. Ảnh hưởng của hệ thống kích từ 78
3.6. Thiết kế bộ điều khiển PSS 80
3.6.1. Thiết kế bộ điều khiển 80
3.6.2. Tính toán các thông số phục vụ cho mô phỏng 87
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG
NGUỒN CÔNG SUẤT 93
4.1. Mục đích của mô phỏng 93
4.2. Các thành phần chính và tham số của hệ thống mô phỏng 93
4.2.1. Máy phát điện đồng bộ 93
4.2.2. Hệ thống kích từ 93
4.2.3. Bộ điều khiển PSS 94
4.2.4. Hệ thống điều tốc governor 94
4.2.5. Máy biến áp 94
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
4.2.6. Các phần tử khác 95
4.3. Mô hình mô phỏng hệ thống 95
4.4. Kết quả mô phỏng 95

4.4.1. Dạng đáp ứng đầu ra PSS 95
4.4.2. Dạng đáp ứng đầu ra của hệ thống kích từ 96
4.4.3. Sai lệch góc phụ tải 96
4.4.4. Dạng điện áp đầu cực máy phát 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký
hiệu
Ý nghĩa
PSS
Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, viết tắt của Power System
Stabilizer.
AVR
Bộ tự động điều chỉnh điện áp, viết tắt của Automatic Voltage Regulator.
CSPK
Công suất phản kháng.
HTĐ
Hệ thống điện.
VAC
Điện áp xoay chiều, viết tắt của Voltage Alternating Current.
TĐK
Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ.
CLK
Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.
CĐXL

Chế độ xác lập.
QTQĐ
Quá trình quá độ.
VP
Kênh điều chỉnh theo tín hiệu đạo hàm.
CH
Bộ phận kích thích cường hành.
ĐL
Máy biến áp đo lường.
BĐ
Thiết bị biến đổi(chỉnh lưu và lọc).
SS
Khối so sánh.
TCL
Chỉnh lưu thyristor.
MBA
Máy biến áp.
MF
Máy phát.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1: Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng…………………………
9
Hình 1.2: Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi………………
11
Hình 1.3: Đặc tính không tải máy phát: Tuabin hơi(1), máy phát tuabin
nước(2)……………………………………………………………………

12
Hình 1.4: Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ……………………
13
Hình 1.5: Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ……………………
14
Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ………………
15
Hình 1.7: Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác
điện kháng………………………………………………………………….

15
Hình 1.8: Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện…
17
Hình 1.9: Đồ thị véc tơ suất điện động…………………………………….
20
Hình 1.10: Họ các đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ……………
21
Hình 1.11: Biểu diễn hệ số tự cảm cuộn dây pha a stato…………………
27
Hình 1.12: Biểu diễn hệ số hỗ cảm giữa các pha stato…………………….
28
Hình 2.1: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều………………
39
Hình 2.2: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao……
40
Hình 2.3: Hệ thống kích từ không chổi than……………………………….
41
Hình 2.4: Hệ thống kích từ tĩnh……………………………………………
42
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc TĐK tác động mạnh……………………………
42
Hình 2.6: Sơ đồ khối cấu trúc và hàm truyền hệ TĐK tác động mạnh…….
44
Hình 2.7: Trạng thái ổn định tức thời………………………………………
46
Hình 2.8: Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ…………
47
Hình 2.9: Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất dựa vào tín hiệu tốc
độ PSS1A…………………………………………………………………

54
Hình 2.10: Sơ đồ khối thiết bị ổn định công suất PSS2A………………….
57
Hình 2.11: Sơ đồ khối thiết bị ổn định công suất PSS2B………………….
57
Hình 2.12: Mô tả PSS2A và PSS2B kết nối với hệ thống tuabin − máy phát
58
Hình 2.13: Sơ đồ khối của thiết bị ổn định công suất PSS3B……………
58
Hình 2.14: Sơ đồ khối của thiết bị ổn định công suất PSS4B……………
58
Hình 2.15: Khâu lọc thông cao…………………………………………….
59
Hình 2.16: Bộ lọc các thành phần xoắn……………………………………
60
Hình 2.17: Khâu khuếch đại và bù pha…………………………………….
60
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định công
suất máy phát đồng bộ……………………………………………………

61
Hình 3.1: Mô hình hệ thống máy phát điện cổ điển……………………….
66
Hình 3.2: Sơ đồ khối máy phát cổ điển……………………………………
67
Hình 3.3: Sơ đồ khối biểu diễn véc tơ điện áp máy phát và điện áp cuối
đường dây lên hệ trục dq…………………………………………………

69
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
Hình 3.4: Sơ đồ mạch thay thế tương đương máy phát điện………………
69
Hình 3.5: Hệ thống lưới với nhiều máy phát đồng bộ……………………
71
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương với máy phát……………………………….
76
Hình 3.7: Hệ thống kích từ thyristor với AVR……………………………
79
Hình 3.8: Mô hình sơ đồ khối hệ thống kích từ và máy phát đồng bộ với
AVR……………………………………………………………………….

80
Hình 3.9: Mô hình sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát đồng bộ bao gồm
AVR và PSS………………………………………………………………

81
Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống kích từ thyristor AVR và PSS……………
83
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc của mô hình hệ thống kích từ yêu cầu cao…….
86
Hình 4.1: Mô hình máy phát điện đồng bộ………………………………
93
Hình 4.2: Hệ thống kích từ………………………………………………
93
Hình 4.3: Bộ điều khiển PSS………………………………………………
94
Hình 4.4: Hệ thống điều tốc governor……………………………………
94

Hình 4.5: Máy biến áp ba pha……………………………………………
95
Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab − Simulink……………
95
Hình 4.7: Đáp ứng điện áp đầu ra PSS…………………………………….
96
Hình 4.8: Đáp ứng đầu ra của hệ thống kích từ……………………………
96
Hình 4.9: Sai lệch góc phụ tải……………………………………………
97
Hình 4.10: Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát……………………………
97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế sau đổi mới, làm nhu cầu về điện gia tăng
đột biến. Để đáp ứng được sự gia tăng đó, chúng ta đang xây dựng rất nhiều các nhà máy
điện như: thủy điện Sơn La, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng Áng… đồng thời mở
rộng các nhà máy nhiệt điện đang có: Phả Lại 2, Uông Bí, Cẩm Phả, trung tâm nhiệt điện
Phú Mỹ… Đặc biệt là việc phát triển các nhà máy thủy điện nhỏ: thủy điện Nho Quế 3
hay thủy điện Nậm Ly…, phần lớn thiết bị của chúng là ngoại nhập.
Trong các nhà máy điện thì máy phát điện đồng bộ là thiết bị quan trọng, mà hệ
thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm
việc an toàn của máy phát điện. Nên khi vận hành cần quan tâm đến các vấn đề:
Một là khi hệ thống bị tác động bởi sự cố hoặc khi phụ tải thay đổi nhanh, dẫn đến
công suất phát ra sẽ thay đổi xuất hiện sự mất đồng bộ của máy phát điện đồng bộ, thời
gian kéo dài có thể gây phá hủy máy.
Hai là khi vận hành các tổ máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong một nhà
máy hay quá trình hòa vào lưới điện, làm xuất hiện các dao động, ảnh hưởng đến chế độ
làm việc của hệ thống điện, nếu thời gian kéo dài làm cho chất lượng điện năng giảm.
Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm
tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống, thiết bị ổn định hệ thống nguồn công
suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này [7, 8, 9].
Cho đến nay thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) đã được rất nhiều các
tác giả nước ngoài quan tâm, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay tài liệu nói đến
PSS. Do đó trong quá trình xây dựng, cũng như để hòa lưới cho các nhà máy gặp nhiều
khó khăn như: thiết bị ngoại nhập có giá cao làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, tài liệu viết
bằng tiếng anh…
Đề tài này, nhằm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống

nguồn công suất (PSS), góp phần giải quyết được những khó khăn trên.
Với những lý do nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, thiết kế bộ điều
khiển PSS với hy vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, làm giảm chi phí đầu tư,
tăng tỷ lệ nội địa hóa cho các trạm phát điện mới và nâng cao hiệu quả hoạt động của các
trạm phát điện hiện có.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mới xây dựng bộ điều khiển để ổn
định hệ thống công suất, nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của các thiết bị ổn định hệ
thống nguồn công suất PSS.
Ý nghĩa thực tiễn: Làm chủ được công nghệ thiết kế và chế tạo thiết bị ổn định hệ
thống nguồn công suất, ứng dụng cho các trạm phát điện vừa và nhỏ.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
− Tham khảo sách giáo khoa, giáo trình, tài liệu… về hệ thống điện, máy phát điện,
hệ thống kích từ máy phát.
− Tìm hiểu nghiên cứu tài liệu trên thế giới về thiết bị ổn định hệ thống nguồn công
suất (PSS − Power System Stabilizer).
− Xây dựng mô hình toán học: Cho hệ thống máy phát, bộ điều khiển, máy biến áp,
đường dây truyền tải,…
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8
Mô phỏng:
− Thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.
− Ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu
lý thuyết.
− Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.
4. Phạm vi nghiên cứu
Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.
Xây dựng bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.

5. Kết cấu luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn sẽ trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Nghiên cứu về hệ thống điện và máy phát điện trong điều kiện hòa lưới.
Chương 2: Nghiên cứu về hệ thống kích từ của máy phát điện và thiết bị ổn định hệ
thống nguồn công suất.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.
Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY
PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HÕA LƢỚI
1.1. Máy phát điện đồng bộ
1.1.1. Giới thiệu chung
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong đó phần lớn
chúng được sử dụng làm máy phát điện có nghĩa là biến đổi cơ năng thành điện năng.
Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống được sản xuất từ
các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hay tuabin nước. Máy điện đồng bộ
còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với động cơ không
đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. Với công nghệ chế tạo hiện
đại công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW, các máy phát điện thường được
sử dụng làm việc song song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện
công suất nhỏ như: các nhà máy thủy điện có công suất nhỏ.
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trường
phần ứng n
1
gọi là máy phát điện đồng bộ. Ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc
độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi.
1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha
Máy phát điện đồng bộ 3 pha bao gồm 2 bộ phận chính là Stato và Rôto:
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 3 pha stato. Lõi thép stato được ép
bằng các lá tôn silic dầy 0.5 mm, hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của
lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm ngang trục để làm mát. Lõi thép stato được đặt cố
định trên thân máy, dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh
của stato.

Rôto máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể phân rôto
thành 2 loại chính: rôto cực ẩn và rôto cực lồi.
Rôto cực ẩn: thường dùng cho các máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao.
Rôto cực lồi: thường dùng cho các máy phát tuabin nước có tốc độ quay thấp.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Chúng ta biết rằng máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng theo sơ đồ
nguyên lý hình 1.1 sau đây:








Hình 1.1: Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng.
Trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp (như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiệt
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 tuabin nối với rôto của máy phát. Khi
rôto được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ
U,I,f
F
Năng lượng
sơ cấp
Turbine
Máy phát
Kích từ
máy phát
Kích từ
U,I,f

F
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
sẽ tạo nên từ trường rôto. Từ trường của rôto sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato và cảm
ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:
e
E K f
0
**
(1.1)
Với
e 1 dq
K 4.44*W*K
(1.2)
Trong đó:
e
K
: là hằng số điện từ.

E
0
: sức điện động pha.
1
W
: số vòng dây quấn 1 pha.
dq
K
: hệ số dây quấn.


: từ thông cực từ rôto.
Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng thì sức điện động phần ứng sẽ
biến thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của rôto là n (vòng/phút) tần số
f
của sức
điện động sẽ là:

f p n*
(1.3)
Nếu tốc độ của rôto được tính bằng phút thì:

pn
f
*
60

(1.4)
Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 120
0
điện, cho nên
sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 120
0
. Khi dây quấn nối với tải, trong các
pha sẽ có dòng điện ba pha. Dòng điện ba pha trong dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay,
với tốc độ
f
n
p
1
60*


đúng bằng tốc độ quay (n) của rôto. Trong hệ thống điều chỉnh điện
áp máy phát sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy phát từ việc thay đổi dòng
điện kích từ.
1.2. Các đặc tính của máy phát 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, dòng điện đầu cực máy phát,
dòng 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 U (điện áp ở đầu dây quấn phần ứng), I (dòng điện tải trong dây quấn phần
ứng), i
t
(dòng điện kích thích) để thành lập các đường đặc tính.
1.2.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát đồng bộ làm việc ở chế độ tải là đối xứng, phương trình cân bằng điện
áp của một pha có dạng tổng quát như sau:
 
öö
U E I r jx

  
(1.5)

Trong đó:
U
là điện áp ở đầu cực máy.
ö
r
và
ö
x


là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng.

E
là sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11
Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường
của dây quấn stato và còn gọi là từ trường phần ứng. Từ trường khe hở lúc có tải là do từ
trường cực từ
t
F
và từ trường phần ứng
ö
F
sinh ra, khi mạch từ của máy không bão hòa
có thể xem như các từ trường
t
F
,

ö
F
độc lập sinh ra trong dây quấn các sức điện động
E
0

và
ö
E
. Ứng dụng nguyên lý xếp chồng ta có:
ö
E E E
0


(1.6)
Nên (1.5) có thể viết thành:
 
ö ö ö
U=E +E I r jx
0


(1.7)
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. Ta phân
sức từ động phần ứng
ö
F
thành hai thành phần dọc trục

öd
F
và ngang trục
öq
F
. Từ thông
öd

và
öq

tương ứng với các sức từ động
öd
F
,
öq
F
sẽ sinh ra trong dây quấn phần ứng
các sức điện động:
öq q öq
E jI x
và
öd d öd
E jI x
.
Kết quả là ở đây phương trình cân bằng sức điện động có dạng:
 
öd öq ö ö
U E E E I r jx
0


    

=
 
d öd q öq ö ö
E jI x jI x I r jx
0

   

=
d öd q öq ö ö
E jI x jI x jIx Ir
0

   

(1.8)
Với
ö
jIx


do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo
các hướng dọc trục và ngang trục. Tuy nhiên nếu phân tích nó thành các thành phần theo
hai hướng như trên hình 1.2:

Hình 1.2: Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi.
 
ö ö ö
jIx j Ix Ixcos sin
  

   

=
q ö d ö
jI x jI x



Do đó (1.8) trở thành:
 
 
d öd ö q öq ö ö
U E jI x x jI x x Ir

0

     

E

ưd
0
E


E

ưq

E


rö
jIx


I

r
ư
U


I



d
I


q
I











LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
12
=
d d q q ö
E jI x jI x Ir
0
  
(1.9)
Trong đó:
d öd ö

x x x


là điện kháng đồng bộ dọc trục.

q öq ö
x x x


là điện kháng đồng bộ ngang trục.
1.2.2. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là quan hệ
 
t
E U f i
00

khi
I 0
và
ñm
ff

Dạng đặc tính không tải có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:
ñm
E
E
U
0



và
t
t
tñmo
i
i
i
*

(1.10)
Như trên hình 1.3, trong đó
tñm
i
0
là dòng điện không tải khi
ñm
UU
.

Hình 1.3: Đặc tính không tải máy phát: Tuabin hơi (1), máy phát tuabin nước (2).
Mạch từ của máy phát điện tuabin hơi bão hòa hơn mạch từ của máy phát điện
tuabin nước, khi E
0
= U
đm
=

E
= 1, đối với máy phát điện tuabin hơi
2.1

kk
d
, còn
đối với máy phát điện tuabin nước
06.1
d
k

.
1.2.3. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ
 
nt
I f i

khi
U=0
và
ñm
f f
(khi đó dây quấn
phần ứng được nối tắt ngay ở đầu máy). Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (
ö
r 0
)
thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (

=90
0
) như vậy I
q
=
Icos

= 0 và I
d
= Isin

= I. Theo biểu thức (1.9) ta có:
d d d
E +jI x jIx
0
  
(1.11)
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
öd ö
E E Ix Ix
0

  
rất nhỏ. Do đó quan hệ
 
t
I f i 
là đường thẳng như trên hình 1.4:
1.2

0

0.8

0.4

1

2

i
t*
3

1

2

E
*
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13






Hình 1.4: Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ.
Tỷ số ngắn mạch K: theo định nghĩa là tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch I
no
ứng với
dòng điện kích thích sinh ra sức điện động E = U
đm
khi không tải với dòng điện định mức
I
đm
nghĩa là:
đm
no
I
I
K 

(1.12)
Theo định nghĩa trên ta suy ra :
ñm
no
d
U
I
x

(1.13)
(trong đó x
d
là trị số bão hòa của điện kháng động bộ dọc trục ứng với
ñm
EU
).
Thay biểu thức (1.13) vào biểu thức (1.12) ta có:
ñm
d ñm d
U
K
x I x
1


(1.14)
Thường
d
x


> 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập
no ñm
I I
, vì vậy có thể
kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn là do tác
dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng.
Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Với K
lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp
U
nhỏ và sinh ra công suất điện từ lớn khiến
cho máy làm việc ổn định khi tải dao động, nhưng muốn K lớn thì x
d
phải nhỏ nghĩa là
phải tăng khe hở

đồng nghĩa với việc phải tăng dây quấn kích thích từ dẫn đễn phải
tăng kích thước máy. Kết quả là giá thành cao.
1.2.4. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ
 
U f I
khi i
t
= const, cos

= const và
ñm
f f
. Nó cho
thấy khi phải thay đổi tải sao cho cos


= const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau
của tải. Trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích sao cho khi
ñm
I I 

I
0
i
t
I=f(i
t
)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14
có
ñm
UU
, sau đó giữ không đổi khi tải thay đổi. Dòng điện i
t
ứng với
ñm
UU
;
ñm
II
;
cos


= cos
ñm

;
ñm
f f
được gọi là dòng điện từ hóa định mức.






Hình 1.5: Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ.
Từ hình 1.5 cho thấy các đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải, tải có tính
chất cảm khi I tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn
đi xuống. Nếu tải có tính chất dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng
và đường biểu diễn đi lên.
Độ thay đổi điện áp định mức
ñm
U
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
ñm

đến không tải, trong
điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích. Trị số
ñm

U
thường biểu thị theo phần
trăm của điện áp định mức:
ñm
ñm
ñm
EU
U
U
0
.100


(1.15)
Thông thường
%25% U
đến 35%, trị số
đm
U
của máy phát điện có thể xác định
được bằng thực nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo.
1.2.5. Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ
 
t
i f I
khi U = const; cos

= const;
ñm

f f
. Đặc
tính này cho biết hướng điều chỉnh dòng điện i
t
của máy phát điện đồng bộ giữ cho điện
áp U ở đầu máy không đổi. Khi lấy đặc tính điều chỉnh phải thay đổi tải và đồng thời thay
đổi i
t
để có cos

= const và U = const. Hình 1.6
Dạng đặc tính ở các trị số cos

khác nhau như trên hình 1.6 cho thấy ở tải cảm khi I
tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng cũng tăng làm cho U bị giảm. Để giữ cho U
không đổi phải tăng dòng từ hóa i
t
, ngược lại ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi
phải giảm i
t
. Thông thường cos
ñm

= 0.8 (thuần cảm), nên từ không tải (
ñm
UU
; I = 0)
đến tải định mức (
ñm
UU

;
ñm
II
) phải tăng dòng điện từ hóa i
t
khoảng 1.7 ÷ 2.2 lần.
U
E
o
U
đm
đm
U

1cos 


8.0cos 

(điện dung)
0

8.0cos 

(điện cảm)
I

I
đm
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15







Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ.
1.2.6. Đặc tính tải
Đặc tính tải là quan hệ giữa
 
t
U f i
khi I = const;
ñm
ff
; cos

= const. Với các
trị số khác nhau của I và cos

sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất
là đặc tính tải thuần cảm ứng với cos

= 0 (


п/2) và

ñm
I I
. Để có đặc tính đó phải
điều chỉnh r
t
và Z (khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉnh được) sao cho
ñm
I I
. Dạng
của đặc tính tải thuần cảm như đường 3 trên hình 1.7:











Hình 1.7: Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện
kháng.
i
t
i
to
0

I

đm
I

8.0cos 

(điện cảm)

8.0cos 

(điện dung)

1cos 


"
O

'
O

'
B

"
B

i
t
A
B

k
ưd
F
ưd


x
ư
I
đm
I
đm
U, I

E

'
A

"
A

M
I= 0
I = I
đm
"
C

'

C

1
2
3
C
Q
P
O
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
16
Cách tính ngắn mạch như đường 2 hình 1.7: Để có trị số
n ñm
I I
, dòng điện kích
thích i
m
hoặc sức điện động F
m
cần thiết bằng F
m
≡ I
m
= OC. Khi máy làm việc ở chế độ
ngắn mạch, sức từ động của cực từ F
m
= OC gồm các phần:
− Một phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = k
ưd

.F
ưd
sinh ra E
ưd
.
− Phần còn lại OB = OC − BC sẽ sinh ra sức điện động tản từ
ö
E

=
ñm ö
Ix

= AB.
Điểm A nằm trên đoạn đặc tính không tải (đường 1) vì lúc đó mạch từ không bão
hòa. Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng, các cạnh
BC và AB của tam giác đều tỉ lệ với dòng điện tải định mức
ñm
I
.

Cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng
được tiến hành như sau: Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC)
sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm
(đường 3). Nếu các cạnh của tam giác điện kháng được vẽ tỉ lệ với dòng điện tải
ñm
II

thì đặc tính tải thuần cảm
 

t
U f i 
trên là ứng với
ñm
II
. Để chứng minh ta cần chú ý, ở
hai trường hợp ngắn mạch
ñm
II
và tải thuần cảm với
ñm
II
, sức từ động
ö
E

và phản
ứng khử từ F
ưd
không đổi do các cạnh AB =
ö
E

và BC = k
ưd
.F
ưd
của tam giác điện kháng
không đổi. Như vậy với một sức từ động tùy ý của cực từ F
0

= OP lúc không tải, điện áp
đầu cực máy U
0
= E
0
= PM, còn khi có tải thuần cảm với
ñm
II
điện áp đầu cực máy U =
PC
’
. Sở dĩ như vậy vì lúc đó có tải thuần cảm sức từ động có hiệu lực chỉ bằng OP − PQ =
OQ (trong đó PQ = B
’
C
’
= BC là phản ứng khử từ của phần ứng) và sức từ động


E
QA
’
. Kết quả là U =

E
−
ö
E

= QA

’
− AB
’
= QA
’
− AB = QB
’
= PC
’
.
Trên thực tế do ảnh hưởng của bão hòa từ, đặc tính thuần cảm có được bằng thí
nghiệm tải trực tiếp có dạng như đường nét đứt. Nguyên nhân của sự sai khác do khi dòng
điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hòa do từ thông tản của dây quấn kích từ lớn
hơn sức từ động của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng
phải lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn.
1.3. Điều chỉnh công suất trong máy phát
Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường thay đổi theo điều kiện sản xuất và tiêu
dùng. Có trường hợp tải không thay đổi nhưng do điều kiện vận hành của lưới điện nên
phải thay đổi chế độ làm việc của máy phát điện, cho nên trên thực tế phải điều chỉnh
công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát.
Có hai trường hợp điều chỉnh: trường hợp thứ nhất là máy phát điện làm việc trong
hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U,
f const
. Lúc đó tổng công suất của
máy phát điện đang làm việc song song trong hệ thống rất lớn so với công suất của máy
phát điện đó, do đó việc điều chỉnh P và Q của máy phát điện đó không làm thay đổi U,
f

của hệ thống điện.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
17
Trường hợp thứ hai là trường hợp chỉ có hai hay vài máy phát điện công suất tương
tự làm việc song song và sự thay đổi chế độ làm việc của một máy sẽ làm thay đổi điện áp
U, tần số
f
chung của cả các máy phát điện đó.
1.3.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P
Trường hợp này máy phát điện làm việc trong hệ thống điện có công suất vô cùng
lớn U,
f
= const, như hình 1.8:
Ở chế độ xác lập công suất tác dụng P của máy ứng với góc

nhất định phải cân
bằng với công suất cơ trên trục làm quay máy phát điện. Đặc tính góc công suất tác dụng
là quan hệ
 
Pf


khi E
0
= const; U = const, trong đó

là góc tải giữa các véc tơ sức
điện động E
0
và điện áp U. Công suất của máy đồng bộ ở đầu cực máy phát:
P = mUIcos


(1.16)
Với m là số pha.








Hình 1.8: Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện.
Đối với máy phát cực lồi có r
ư
rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ (x
db
, x
d
, x
q
)
nên coi r
ư
= 0 ta có:
d
d
EU
I
x
0

cos



(1.17)
q
q
U
I
x
sin


(1.18)
Do


(1.19)
P
P
cb
A

B

P
m
∆P





1


0

m


2




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
18
Thay biểu thức (1.19) vào biểu thức (1.16) ta được:
P = mUIcos
 


= mU(Icos

cos

+ Isin

sin


)
= mU(I
q
cos

+ I
d
sin

) (1.20)
Thay biểu thức (1.17) và (1.18) vào biểu thức (1.20) ta được:
P =
q
mU
x
2
sin cos

+
d
mE U
x
0
sin

−
d
mU
x

2
sin cos


Vậy: P =
d
mUE
x
0
sin

+
qd
mU
xx
2
11
sin2
2






(1.21)
P = P
e
+ P
u

(1.22)
Trong hệ đơn vị tương đối có:
P =
d q d
EU
U
x x x
2
0
11
sin sin2
2



  





(1.23)
Theo biểu thức (1.22) cho thấy công suất tác dụng của máy phát cực lồi gồm hai
thành phần: thành phần P
e
tỷ lệ với sin

và phụ thuộc vào E
0
(hoặc i

t
), thành phần P
u
tỷ lệ
với sin2

và không phụ thuộc vào E
0
(hoặc i
t
).
Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát thì phải thay đổi góc

, đồng nghĩa với việc thay đổi giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục
máy.
Công suất tác dụng cực đại P
m
của máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống khi
0

d
dp
tương ứng với
m


Áp dụng điều kiện này với biểu thức (1.21) của máy phát cực lồi thì có thể suy ra
được góc
m


xác định bởi:
B
ABA
m
4
8
cos
22



(1.24)
trong đó:

d
mE U
A
x
0

(1.25)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
19

qd
B mU
xx
2
11






(1.26)
Và P
m
=
m
d
mUE
x
0
sin

+
m
qd
mU
xx
2
11
sin2
2







(1.27)
Khi điều chỉnh công suất tác dụng, máy phát điện đồng bộ chỉ làm việc ổn định tĩnh
khi 0 <

<
m

. Để thấy rõ điều đó, giả sử máy đang làm việc ở giao điểm A ứng với
1

<
m

, do một nguyên nhân nào đó công suất cơ (P
cơ
) của động cơ sơ cấp tăng lên trong một
thời gian ngắn, sau đó lại trở về trị số ban đầu thì rôto của các máy phát điện sẽ quay
nhanh lên. Vậy góc

sẽ tăng thêm lên một lượng


và tương ứng công suất P sẽ tăng
thêm
P
, vì lúc đó công suất P
cơ
đã trở về vị trí ban đầu nên P +
P

> P
cơ
, kết quả là rôto
sẽ bị ghìm và máy phát điện làm việc xác lập. Nhưng ở điểm B thì công suất cơ thay đổi,
góc

tăng thêm


sẽ làm cho P của máy phát điện giảm như vậy P < P
cơ
kết quả là rôto
quay nhanh thêm, góc

càng tăng và máy phát điện sẽ mất đồng bộ với lưới điện. Vậy
khi điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện ổn định thì phải có
điều kiện
dP
d
0


trong đó
dP
d

gọi là công suất chỉnh bộ, đặc trưng cho khả năng giữ cho
máy phát làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu là P
cb
. Công suất chỉnh bộ cho

máy phát cực lồi:
cb
d q d
mUE
P mU
x x x
2
0
11
cos cos2


  



(1.28)
Khi không tải (
0

) thì
P
giữa công suất cơ vào và công suất tác dụng ra lưới
điện ứng với sự thay đổi


làm cho máy phát vẫn duy trì làm việc đồng bộ và lưới điện
là lớn nhất. Còn khi
m



thì khả năng chỉnh bộ bằng không.
Trong thực tế, đề phòng trường hợp U hoặc E
0
giảm hay do nguyên nhân khác làm
cho công suất P đưa ra lưới điện giảm theo nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát
điện thường làm việc với công suất định mức P
đm
ứng với

< 30
0
.
Khả năng quá tải của máy phát điện đồng bộ được xác định bằng tỷ số
m
m
ñm
P
k
P

hệ
số năng lực quá tải. Theo quy định thì cần đảm bảo k
m
> 1.7 và muốn như vậy thì máy
phát phải có tỷ số ngắn mạch k lớn nghĩa là
d
x
phải nhỏ hoặc khe hở lớn. Trường hợp
máy phát điện công suất tương tự làm việc song song: Nếu có hai máy phát điện công suất

bằng nhau làm việc song song, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi, khi tăng công
suất tác dụng của một máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì
tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới và khiến cho hộ tiêu thụ
điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác tần số định mức. Vì vậy để giữ cho
f=const
khi tăng công suất tác dụng của một máy thì phải giảm công suất tác dụng của
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
20
máy kia, chính cũng bằng cách đó mà có thể thay đổi sự phân phối công suất giữa hai
máy.
1.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q
Khi điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ làm việc trong lưới
điện vô cùng lớn (U = const;
f
= const), khi công suất tác dụng của máy phát được giữ
không đổi, bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (r
ư
= 0). Trong trường hợp này, đồ thị
vectơ sức điện động có dạng như trên hình 1.9:
Vì P = mUIcos



OA là không đổi, với điều kiện U = const nên khi thay đổi Q thì
đầu mút của vectơ I luôn nằm trên đường 1 và vuông góc với U. Với mỗi trị số của I sẽ có
một trị số của cos

và vẽ đồ thị sức điện động tương ứng, từ đó xác định được độ lớn của
vectơ E

0
và từ đó suy ra dòng kích thích i
t
cần thiết để sinh ra E
0
nhưng cần lưu ý:
d
mUE
P P const
x
0
1
sin

  
(1.29)
Trong đó U, x
d
không đổi nên P

E
0
sin

= OB = const và mút của vectơ E
0
luôn
nằm trên đường 2, thẳng góc với OB. Kết quả phân tích cho thấy, muốn điều chỉnh công
suất phản kháng Q thì phải thay đổi dòng điện kích thích i
t

của máy phát điện.










Hình 1.9: Đồ thị véc tơ suất điện động.
Với mỗi trị số của P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vectơ suất điện động như trên
sẽ xác định được quan hệ
 
t
I f i
, còn gọi là đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ.
0
E


'
0
E


đb
xIj
'



đb
xIj


U


'


A


1
2
B
0


'


I


'
I


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
21







Hình 1.10: Họ các đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ.
Trên hình 1.10 đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính tương ứng khi có

cos
= 1. Khu vực bên phải đường Am ứng với tải có tính cảm (
0

) là chế độ làm việc
quá kích thích của máy phát điện, còn bên trái ứng với tải có tính dung (
0

) và máy
phát điện làm việc ở chế độ thiếu kích thích. Đường B
n
ứng với giới hạn làm việc ổn định
với lưới khi máy phát điện làm việc ở chế độ thiếu kích thích.
Máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song, nếu tăng dòng điện kích
thích i
t

của một máy mà vẫn giữ nguyên dòng kích thích của máy hai, thì do công suất
phản kháng của máy 1 tăng, dẫn đến tổng công suất phản kháng tăng làm thay đổi điện áp
U của lưới điện, ảnh hưởng đến trạng thái làm việc bình thường của lưới điện với U =
const, như vậy khi tăng dòng kích thích của một máy thì phải giảm tương ứng dòng kích
thích của máy kia và sẽ thực hiện được sự phân phối lại công suất phản kháng Q giữa 2
máy.
1.4. Mô hình toán máy phát điện đồng bộ
1.4.1. Phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha
Để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ thường sử dụng phương
trình vi phân ở hệ trục tọa độ pha (hệ trục không chuyển động) của máy.
Các phương trình viết dưới dạng ma trận như sau:
Phương trình cân bằng sức điện động mạch stato:
s s s s
d
u R i
dt

      
  
      
(1.30)
Phương trình cân bằng điện áp mạch rôto:
      
rrrr
dt
d
iRu


(1.31)

I
m
n
B
0
A
t
i
0

t
i

dm
PP1.5

Thiếu kích
thích
Quá kích
thích
1.25
1
0.75
0.5
0.25
cos 1



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
22
Phương trình cân bằng mô men:
m
MM
dt
d
J 
2
2

(1.32)
Phương trình vi phân thứ nhất (1.30) là phương trình cân bằng sức điện động của
stato có giá trị như sau:
T
s a b c
   
   

   
;
T
s a b c
i i i i
   

   

T
s a b c

u u u u
   

   
;
 











R
R
R
R
s
00
00
00

Phương trình vi phân thứ hai (1.31) là phương trình cân bằng điện áp mạch rôto có
giá trị như sau:
T
r fd kd kq

   





;
T
r fd kd kq
i i i i






T
r fd
uu00





;
fd
r kd
kq
R
RR

R
00
00
00









Phương trình vi phân thứ 3 (1.32) là phương trình mô men.
Trong các phương trình trên:
T − ký hiệu là ma trận chuyển vị.
a

,
b

,
c

,
fd

,
kd


,
kq

là từ thông móc vòng của các pha a, b, c của stato, của
cuộn kích từ, cuộn ổn định trục dọc, cuộn ổn định trục ngang.
a
i
,
b
i
,
c
i
,
fd
i
,
kd
i
,
kq
i
là dòng điện các pha a, b, c của stato, cuộn kích từ, cuộn ổn định
dọc, cuộn ổn định ngang.
fd
R
,
kd
R
,

kq
R
là điện trở cuộn kích từ, cuộn ổn định dọc, cuộn ổn định ngang.
u
a
, u
b
, u
c
là điện áp các pha của lưới điện có dấu ngược với điện áp đầu cực máy
phát.
J là mômen quán tính rôto của tổ máy.
M = dW
e
/dt là mô men điện từ, W
e
năng lượng điện từ của máy.
M
m
là mô men cơ khí làm quay rôto.