Tài liệu Giới thiệu khái quát về máy phát điện đồng bộ xoay chiều& về hệ thống kích từ docx

Giới thiệu kháI quát về máy phát điện đồng bộ
xoay chiều& về hệ thống kích từ .
I. Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay
chiều
:
I.1 Định nghĩa:
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ
quay của từ tr-ờng 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.
I.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
Cấu tạo máy phát điện đồng
bộ gồm hai bộ phận chính là
xtato và rôto. Trên hình I-1 vẽ
mặt cắt ngang trục máy.
Trong đó 1: lá thép xtato; 2: dây
quấn xtato; 3: lá thép rôto; 4: dây
quấn rôto.
Xtato và Roto của máy đồng bộ cực ẩn.
Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi.
I.3 Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ
Cho dòng điện kích từ (dòng điện một chiều) vào dây quấn
kích từ sẽ tạo nên từ tr-ờng rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ
cấp, từ tr-ờng của rôto sẽ cắt dây quấn phần ứng xtato và cảm ứng
sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:
E
o
= 4,44fW
1

k
gq

o
Trong đó: E
o
, w
1
, k
dq
,

o
: Sức điện động pha, số vòng dây một pha,
hệ số dây quấn, từ thông cực từ roto.
Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay đ-ợc một vòng, sđđ phần
ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của rôto là n
(v/s), tần số f của sđđ sẽ là: f = p.n
Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian
một góc 120
0
điện, cho nên sđđ các pha lệch nhau góc pha 120
0
.
Khi dây quấn stato nối với tải, trong các sẽ có dòng điện ba
pha. Giống nh- ở máy phát điện không đồng bộ, dòng điện ba pha
trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ tr-ờng quay, với tốc độ là n
1
=
60f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto. Do đó kiểu máy điện này là

máy điện đồng bộ.
I.4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc, từ tr-ờng của cực từ rôto
0
cắt
dây quấn stato cảm ứng ra sđđ E
0
chậm pha so với từ thông
0
góc
90
0
(hình A-4a). Dây quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I
cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây quấn stato tạo nên từ
tr-ờng quay gọi là từ tr-ờng phần ứng
quay đồng bộ với từ
tr-ờng của cực từ

0
. Góc lệch pha giữa E
0
và I do tính chất của tải
quyết định.

E
o


=90
0

o

I
N
S
b)
=90
0
E
o
I

o
90
o
N S
a)
=0
0
Hình I-4a:pha = 0, E
0
và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ
tr-ờng phần ứng
cùng pha với dòng điện. Tác dụng của từ tr-ờng
phần ứng
lên từ tr-ờng cực từ
0
theo h-ớng ngang trục, làm
méo từ tr-ờng cực từ, ta gọi phản ứng phần ứng ngang trục.

Tr-ờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha
= 90
0
,
dòng điện I sinh ra từ tr-ờng phần ứng
ng-ợc chiều với
0
ta gọi
là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ
tr-ờng tổng.
Tr-ờng hợp tải thuần dung = -90
0
(hìnhI-4c) dòng điện sinh
ra từ tr-ờng phần ứng
, cùng chiều với
0
, ta gọi là phản ứng
phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làmg tăng từ tr-ờng tổng.
Tr-ờng hợp tải bất kỳ (hìnhI-4d) ta phân tích dòng điện I làm 2
thành phần : thành phần dọc trục I
d
= Isin và thành phần ngang
trục I
q
= Icos, dòng điện I sinh ra từ tr-ờng phần ứng vừa có tính
chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ hoặc khử từ tuỳ
theotính chất của tải có tính chất điện cảm hoặc có tính chất điện
dung.
I.5 Ph-ơng trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi
Khi máy phát điện làm việc, từ tr-ờng cực từ

0
sinh ra sđđ
E
0
ở dây quấn stato.Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên
tải.
Ta có ph-ơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng
bộ cực lồi:
U = E
0
- ji
d
X
-d
- ji
d
X
t
- ji
d
X
-q
- ji
q
X
t

= E
0
ji

d
(X
-d
+ X
t
) ji
q
(X
-q
+ X
t
)
Gọi X
-q
+ X
t
= X
d
là điện kháng đồng bộ dọc trục.
X
-q
+ X
t
= X
q
là điện kháng đồng bộ ngang trục, ta có thể viết gọn
lại;
U = E
0
ji

d
X
d
- ji
q
X
q

Ph-ơng trình trên t-ơng ứng với đồ thị vectơ ta thấy góc lệch
pha điện áp U và sđđ E
0
do tải quyết định.
Đối với máyphát cực ẩn là tr-ờng hợp đặc biệt của cực lồi X
đb
= X
đ
= X
q
gọi là điện kháng đồng bộ X
đb
thì ph-ơng trình cân bằng
điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn có thể viết :
U = E
0
jiX
đb
đồ thị vectơ của nó đ-ợc vẽ trên hình I-5b
I.6 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi
I.6.1 Công suất tác dụng:
A

E
0
jIXdb
B C
I


0

(b)
E
0
jIdXd
JiqXq
U

Iq I


0 I
d
(a)
Hình I
-
5
Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là:
P = mUIcos

Trong đó m là số pha.Theo đồ thị vectơ hình I-5a ta thấy = -
do đó:

Ta có công suất điện từ:
P
đt
=










2sin
x
1
x
1
2
U
msin
X
E
mU
dq
2
d
0

Ta nhận thấy công suất điện từ gồm hai thành phần(hìnhI-6)
Thành phần
sin
X
mUE
d
0
do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin

.
Đó là thành phần công suất chủ yếu của máy phát.
Thành phần










2sin
x
1
x
1
2
mU
dq

2
, không phụ thuộc vào dòng điệnkích
từ và chỉ xuất hiện khi x
d
x
q
. Đối với máy cực ẩn
X
d
= X
q
thành phần này
bằng không.
Đặc tính P = f(
)
gọi là đặc tính góc công
suất. Máy phát làm việc
ổn định khi
trong
khoảng 0
/2; khi tải
P
đt

P
đt
sin
Xd
UE
m

0
0 90
0
180
0

2sin)
Xd
1
Xq
1
(
2
U
m
2
Hình I
-
6
định mức = 20
0
30
0
.
Điều chỉnh công suất tác dụng. Máy phát biến đổi cơ năng
thành điện năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải
điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp (tuabin hơi hoặc tuabin
khí v.v )
I.6.2 Công suất phản kháng:
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:

Q = mUIsin
= mUIsin(-)
= m[UIsin
cos - UIcossin]
db
2
db
0
X
mU
X
cosmUE
Q


Điều chỉnh công suất phản kháng. Từ biểu thức công suát phản
kháng trên
db
0
X
)UcosE(mU
Q



Giữ U, f và P không đổi thì:
Khi Q < 0 (E
0
cos <U) nghĩa là máy không phát công suất
phản kháng, mà nhận công suất phản kháng của l-ới điện để tạo ra

từ tr-ờng, máy thiếu kích từ.
Khi Q > 0 (E
0
cos > U) máy phát công suất phản kháng cung
cấp cho tải, máy quá kích từ. Nhìn các công thức trên, muốn thay
đổi công suất phản kháng, phải thay đổi E
0
, nghĩa là phải điều
chỉnh dòng điện kích từ. Muốn tăng công suất phản kháng phát ra,
phải tăng kích từ.
I.7 Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh
I.7.1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ:
Đặc tính ngoài của máy phát điện là quan hệ điện áp U trên
cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos

t
=
const) tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi. Từ ph-ơng
trình cân bằng điện áp (I-5), ta vẽ đồ thị vectơ máy phát ứng với
các loại tải khác nhau. Ta thấy khi tải tăng, đối với tải cảm và trở,
điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với tải dung
điện áp tăng. Bằng đồ thị ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc
vào dòng điện và đặc tính của tải.
U
U
0
U
đm
0
I

đm
U
tải R-C
U
0
Tải R-L
0 I
Iđm
Hình I
-
7
(a)
(b)
Hình I-7a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi I
kt
= const(E
0
=
const) và cos

t
không đổi, ứng với các hệ số công suất khác nhau.
Khi tải có tính chất cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ
thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở. Để giữ
điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E
0
bằng cách điều chỉnh
dòng điện kích từ vẽ trên hình I-7b.
Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định
mức so với khi không tải xác định nh- sau:

%100
U
mU
U
UU
%U
dm
dm
db
dm0



Độ biến thiên điện áp U của máy phát đồng bộ có thể đạt
đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ X
đb
khá lớn.
I.7.2 Đặc tính điều chỉnh:
Đặc tính điều chỉnh là
quan hệ giữa dòng điện kích
từ và dòng điện tải khi:
U = U
đm
= const. Hình I-7.c
vẽ đặc tính điều chỉnh của
máy phát đồng bộ với các hệ
số công suất khác nhau.
Đ-ờng đặc tính điều chỉnh cho biết h-ớng điều chỉnh i
kt

của
máy phát đồng bộ để giữ điện áp U ở đầu máy phát không đổi. Ví
dụ, tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng
I
kt
I
I
ktđm
cos

=0,8
cos

=1
cos

=-0,8
Hình I
-
7.c
dẫn đến U giảm. Để giữ cho U = const phải tăng i
kt
. Ng-ợc lại ở tải
có tính dung khi I tăng muốn U = const ta phải giảm i
kt
.
I.7.3 Đặc tính tải
Đặc tính tải là quan hệ giữa
điện áp đầu cực máy phát với dòng
kích từ khi dòng điện tải I = const,

cos
=const và f = f
đm
. Với các trị
số khác nhau của I và cos
sẽ có
các đặc tính tải khác nhau. Hình I-8
trình bày các đ-ờng đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải I
của máy phát đồng bộ.
U
I
kt
I = 0
I = I
đm
Hình
I-8