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 trờng 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 trờng rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trờng 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 đợc 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. E0 =9000 N IS c) =-900 Eo I o 90o N S a) =00 Hình I-4 I.4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ Khi máy phát điện làm việc, từ trờng 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 trờng quay gọi là từ trờng phần ứng quay đồng bộ với từ trờng của cực từ 0 . Góc lệch pha giữa E 0 và I do tính chất của tải quyết định. Hình I-4a:pha = 0, E 0 và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ trờng phần ứng cùng pha với dòng điện. Tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ trờng cực từ 0 theo hớng ngang trục, làm méo từ trờng cực từ, ta gọi phản ứng phần ứng ngang trục. Trờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha = 90 0 , dòng điện I sinh ra từ trờng phần ứng ngợc chiều với 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trờng tổng. Trờng hợp tải thuần dung = -90 0 (hìnhI-4c) dòng điện sinh ra từ trờng phần ứng , cùng chiều với 0 , ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làmg tăng từ trờng tổng. Trờng 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 trờng 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 Phơng trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi Khi máy phát điện làm việc, từ trờng 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 phơng 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 Phơng trình trên tơng ứng với đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha điện áp U và sđđ E 0 do tải quyết định. A E0 jIXdb B C I 0 (b) E0 jIdXdJiqXq U Iq I Id (a) Hình I-5 Đối với máyphát cực ẩn là trờng hợp đặc biệt của cực lồi X đb = X đ = X q gọi là điện kháng đồng bộ X đb thì phơng 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 đợc 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: Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là: P = mUIcos 2sin) Xd 1 Xq 1 ( 2 U m 2 Hình I-6 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 ữ /2; khi tải định mức = 20 0 ữ 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] U U0 Uđm 0Iđm Utải R-C U0Tải R-L 0 IIđm Hình I-7 (a) (b) 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 lới điện để tạo ra từ trờng, 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 phơng 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. Ikt I Iktđm cos=0,8 cos=1 cos=-0,8 Hình I-7.c 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. Đờng đặc tính điều chỉnh cho biết hớng 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 U Ikt I = 0 I = Iđm Hình I-8 từ của phản ứng phần ứng tăng dẫn đến U giảm. Để giữ cho U = const phải tăng i kt . Ngợc 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 đờng đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải I của máy phát đồng bộ. . 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. 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