Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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: 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. 2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ Cấu tạo máy phát điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và rôto. Trên hình I-1 vẽ mặt cắt ngang trục máy. Trong đó 1: lá thép stato; 2: dây quấn stato; 3: lá thép rôto; 4: dây quấn rôto. stato và Roto của máy đồng bộ cực ẩn. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 1 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi. 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 trờng 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. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 2 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 3 E 0 Iq I o I d N S d) E 0 =90 0 0 N I S c) =-90 0 E o =90 0 o I N S b) =90 0 E o I o 90 o N S a) =0 0 Hình I-4 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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. 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. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 4 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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 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 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 Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 5 A E 0 jIXdb B C I 0 (b) E 0 jIdXd JiqXq U Iq I I d (a) Hình I-5 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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] db 2 db 0 X mU X cosmUE Q = Điều chỉnh công suất phản kháng. Từ biểu thức công suát phản kháng trên Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 6 P đt P đt 0 90 0 180 0 Hình I-6 Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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. 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. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 7 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) Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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 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 . Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 8 I kt I I ktđm cos=0,8 cos=1 cos=-0,8 Hình I-7.c Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 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. II. Hệ thống kích từ máy phát 1. Khái niệm chung Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Dòng kích thích phải có khả năng điều chỉnh đợc để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lợng điện năng cao. Trong chế độ làm việc bình thờng, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh đợc điện áp đầu cực máy phát, và thay đổi lợng công suất phản kháng phát vào lới. Đồ thị điện áp kích thích cỡng bức tăng theo quy luật hàm mũ. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 9 U I kt I = 0 I = I đm Hình I-8 U fđm + 0,632 ( U fgh - U fđm ) U f U fgh U fđm 0 T e t Hàm biến thiên điện áp kích từ cỡng bức Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển U f (t) = U fgh ( U fgh - U fđm ) e -t/ Te ( * ) T e hằng số thời gian của hệ thống kích từ U fgh - điện áp kích từ giới hạn U fđm - điện áp kích từ định mức 2. Phân loại và đặc điểm của một số hệ thống kích từ Hệ thống kích từ có thể chia làm bốn nhóm chính: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu Hệ thống kích từ dùng điện xoay chiều và chỉnh lu có điều khiển. Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều. II.2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Trên hình II-2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. Để điều chỉnh dòng kích từ I f ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích từ của máy phát điện một chiều. Biến trở R đc cho phép điều chỉnh bằng tay dòng điện trong cuộn dây kích từ chính C 1 . Khi TĐK làm việc, dòng điện trong các cuộn C 2 và C 3 đợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C 2 điều chỉnh ứng với chế độ làm việc bình thờng, C 2 ứng với chế độ kích thích cỡng bức. Năng lợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đợc nhận qua máy biến dòng và máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao áp của máy biến áp tăng ). Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 10 [...].. .Thiết bị điện- điện tử C3 C2 Đồ án cthiết bị điều khiển C1 KT IF CF BI MF BU Rđc TĐK Hình II-2 Sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều tới thiết bị đo lư ờng Máy phát điện một chiều trong hệ thống kích từ cũng có thể đợc kích thích độc lập Khi đó một máy phát điện xoay chiều nhỏ hơn sẽ đợc dùng làm nguồn cung cấp cho cuộn dây C1 của máy phát điện kích thích chính Các phơng pháp quay máy. .. dụng hệ thống kích từ không vành trợt ( hình B-5 ) Hệ thống kích từ này sử dụng một máy phát điện xoay chiều ba pha quay cùng trục với MPĐ chính làm nguồn cung cấp cho cuộn kích từ MPĐ đồng bộ chính Máy phát điện xoay chiều cho kích từ có kết cấu đặc biệt: Cuộn kích từ đặt ở stato, cuộn dây ba pha đặt ở rôto Dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra từ máy từ máy kích thích đợc chỉnh lu thành dòng điện một chiều... có vành góp và chổi điện công suất chế tạo bị hạn chế Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 11 Thiết bị điện- điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển II.2.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu Hệ thống kích từ dạng này có hai loại chính: Dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao và máy phát điện xoay chiều không vành trợt Ưu điểm của máy phát điện xoay chiều tần số cao, dòng điện một chiều sau khi... chiều nhờ một bộ chỉnh lu công suất lớn gắn ngay trên trục rôto của máy phát Nhờ vậy, cuộn dây kích từ của máy phát điện chính Cf nhận ngay đợc dòng điện một chiều mà không cần vành trợt và chổi điện Để cung cấp nguồn cho cuộn dây kích từ của máy phát kích thích (đặt ở stato ) dùng bộ chỉnh lu có điều khiển, nguồn cung cấp cho nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số cao hoặc từ nguồn điện xoay... MPĐ đồng bộ có thể từ một máy phát điện xoay chiều ba pha có tần số từ ( 50 500 )Hz, hoặc từ lới điện từ dùng Trong mạch chỉnh lu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của điện áp trên chỉnh lu, còn đòi hỏi một tín hiệu ( dòng điện ) xuất hiện trên cực điều khiển thì bộ chỉnh lu mới cho phép dẫn dòng qua Thờng ngời ta áp dụng chỉnh lu ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ Tốc độ điều. .. pháp quay máy điện kích thích c BA MP a) Đ MP b) MP Đ MP c) a ) Máy phát điện kích thích nối cùng trục với máy phát điện chính b ) Máy phát điện kích thích quay bởi động cơ sử dụng điện áp lưới c ) MPĐ kích thích quay bởi động cơ sử dụng năng lượng từ MPĐ công suất nhỏ Nhợc điểm chung của hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều là hằng số thời gian Te lớn ( 0,3 ữ 0,6 ) giây và giới hạn điều chỉnh... Hệ thống kích từ không vành trượt Tác động của TĐK đợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh lu cấp điện cho cuộn kích từ của máy phát kích, làm thay đổi dòng kích từ tơng ứng với mục đích điều chỉnh Ưu điểm của phơng pháp này là nâng cao đợc công suất chế tạo của máy phát điện vì không có chổi than và vành trợt Hằng số thời gian kích từ T e khá nhỏ khoảng ( 0,1 0,15 )giây, điện áp kích thích... hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều tần số cao và chỉnh lu C3 C2 C1 Ff CL BI CF F IF BU TĐK Hình II-4 Hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh lưu Cuộn kích từ chính C1 của máy phát điện ( MPĐ ) kích thích thờng đợc nối nối tiếp với cuộn kích từ C f của máy phát Các cuộn kích từ phụ C 2 và C3 đợc cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị TĐK với năng lợng nhận từ phía đầu cực của MPĐ đồng bộ ( qua... điện áp kích từ U f của máy phát đồng bộ và thờng khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích Vậy nếu tác động của TĐK trực tiếp vào điện áp kích thích U f thì hằng số thời gian Te sẽ giảm đi nhiều Vấn đề này đã đợc giải quyết khi xuất hiện các loại chỉnh lu điều khiển công suất lớn (sử dụng Tiristor ) Sơ đồ hệ thống kích từ trở nên đơn giản ( hình II-6 ) Năng lợng cung cấp cho cuộn dây kích. .. tức thời vào điện áp kích từ Hằng số thời gian chỉ còn khoảng Te = ( 0,02 0,04 )giây nguồn cấp CLdk F TĐK tín hiệu điều khiển Hình II-6 Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển Do u điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng đợc áp dụng trong các máy phát điện công suất trung bình và lớn có yêu cầu cao về chất lợng điều chỉnh II.2.4 Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều có điều khiển Vũ công . máy điện đồng bộ. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 2 Thiết bị điện- điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển 4. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ Khi máy. Roto của máy đồng bộ cực ẩn. Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42 1 Thiết bị điện- điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi. 3.