CHƯƠNG III: MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ § 3.1 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Sơ đồ nối dây máy phát điện đồng cần thiết để làm thí nghiệm lấy đặc tính máy phát điện đồng trình bày hình 3-1 Tải máy phát điện tổng trở Z biến đổi (ví dụ tải điện trở ba pha ghép song song với tải điện cảm ba pha) Dòng điện kích thích it máy phát điện lấy từ nguồn điện bên điều chỉnh nhờ biến trở rt Hình 3-1 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính máy phát điện đồng Đặc tính không tải Đặc tính không tải quan hệ E0 = U0 = f(it) I = f = fđm Dạng đặc tính không tải máy phát điện đồng cực ẩn cực lồi khác không nhiều biểu thị theo đơn vị tương đối E* = E0/m it* = i1/itđm0 hình (3-2), itđm0 dòng điện không tải U = m Ta ý mạch từ máy phát điện tuabin bão hoà mạch từ máy phát điện tuabin nước Khi E0 = m = E* = 1, máy phát điện tuabin hơitínhd không tả2 ; Hình 3.2 Đặc k μ = k μ = 1, i máy phát turbin (a), máy máy phát điện tuabin nước k μd = 1,06 phát turbin nước (b) Đặc tính ngắn mạch tỷ số ngắn mạch K Đặc tính ngắn mạch quan hệ In = f(it) U = 0; f = fđm (khi dây quấn phần ứng nối tắt đầu máy) Nếu bỏ qua điện trở dây quấn dây quấn phần ứng (rư = 0) mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch cảm (ϕ = 90 ) , I q = cos ϕ = vaø I d = I sin ϕ = I đồ thị vector máy phát điện lúc hình 3-3a Theo biểu thức (2-5), ta coù: 116 E0 = + jI xd (3-1) mạch điện thay máy có dạng hình 3-3b Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng khử từ, mạch từ máy không bão hoà, từ thông khe hở Φ δ cần thiết ñeå sinh E δ = E − Ix ưd = Ix σư nhỏ Do quan hệ I = f(it) đường thẳng trình bày hình 3-4 Tỷ số ngắn mạch K theo định nghóa tỷ số dòng điện ngắn mạch Ino ứng với dòng điện kích thích sinh s.đ.đ E0 = m không tải với dòng điện định mức Iđm, nghóa là: K= I no I đm (3-2) Theo định nghóa từ hình 3-4 ta có: Hình 3.3 Đồ thị véc tơ mạch điện thay máy phát đồng lúc ngắn mạch xd trị số bão hoà điện kháng đồng dọc trục ứng với E0 = m Thay trị số Ino theo (3-3) vào (3-2), ta có: I no = K= U ñm xd (3-3) U ñm = x d I đm x d* Thường xd* > K < dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm , kết luận dòng điện ngắn mạch xác lập máy phát điện đồng không lớn Sở dó tác dụng khử từ mạnh phản ứng phần ứng Từ hình 3-5, dựa vào tam giác đồng dạng OAA’ OBB’ biểu thị tỷ số ngắn mạch K theo dòng điện kích thích sau: K= Hình 3.4 Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng I no i to = I đm i tn (3-4) Trong đó: it0 dòng điện kích thích không tải lúc U0 = m Itn dòng điện kích thích lúc ngắn mạch I = Iđm 117 Tỷ số ngắn mạch K tham số quan trọng máy điện đồng Máy với K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp ΔU nhỏ theo biểu thức (2-7) sinh công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định tải dao động Nhưng muốn K lớn nghóa xd* nhỏ, phải tăng khe hở δ đòi hỏi phải tăng cường dây quấn kích thích từ tương ứng phải tăng kích thước máy Kết phải dùng nhiều vật liệu giá thành máy cao Thông thường máy phát turbin nước K = 0,8 ÷ 1,8 ; máy phát turbin hơi, K = 0,5 ÷ 1,0 Hình 3.5 Xác định tỷ số ngắn mạch K Đặc tính độ thay đổi điện áp ΔU đm máy phát đồng bộ: Đặc tính quan hệ U = f(I) it = const; cos ϕ = const f = fđm Nó cho thấy lúc giữ kích thích không đổi, điện áp máy thay đổi thể theo tải Khi lấy đặc tính phải thay đổi tải I hình 3-1 cho cos ϕ = const đo U I ứng với trị số khác tải Z Dạng đặc tính ứng với tính chất khác tải trình bày hình 3-6 Chú ý trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích cho I = Iđm có U = m, sau giữ không đổi thay đổi tải Hình 3.6 Đặc tính máy phát Dòng điện it ứng với U =m; điện đồng I = Iđm; cos ϕ = cos ϕ ñm ; f = fñm gọi dòng điện từ hoá định mức Từ hình 3-6 ta thấy dạng đặc tính phụ thuộc vào tính chất tải Nếu tải có tính cảm I tăng, phản ứng khử từ phần ứng tăng, điện áp giảm đường biểu diễn xuống Ngược lại tải có tính dung I tăng, phản ứng phần ứng trợ từ, điện áp tăng đường biểu diễn lên Độ thay đổi điện áp định mức ΔU đm máy phát điện đồng theo định nghóa thay đổi điện áp tải thay đổi với cos ϕ = cos ϕ đm đến không tải, điều kiện thay đổi dòng điện kích thích Trị số ΔU đm thường biểu thị theo phần trăm điện áp định mức, nghóa là: 118 ΔU đm % = E − U đm 100 U đm (3-5) Máy phát điện tuabin có xd lớn nên có ΔU (1) lớn so với máy phát điện tuabin nước Thông thường ΔU% = 25 ÷ 35% Trị số ΔU máy phát điện có thể xác định thí nghiệm trực tiếp máy chế tạo Lúc thiết kế để tính ΔU dựa vào cách vẽ đồ thị vector trình bày hình Đặc tính điều chỉnh Đặc tính điều chỉnh quan heä it = f(I) U = const; cos ϕ = const , f = fđm Nó cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện it máy phát đồng để giữ cho điện áp U đầu máy không đổi Khi làm thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh theo sơ đồ hình 3-1 , phải thay đổi Z đồng thời thay đổi it để có cos ϕ = const U = const Dạng đặc tính trị số cos ϕ khác hình 3-7 Ta thấy với tải cảm I tăng, tác dụng khử từ phản ứng phần ứng tăng làm cho U bị giảm Để giữ cho U không đổi phải tăng dòng điện từ hoá it, ngược lại Hình 3.7 Đặc tính điều chỉnh tải dung I tăng, muốn giữ U không máy phát điện đồng đổi phải giảm it Thông thường cos ϕ đm = 0,8 (thuần cảm), nên từ không tải (U = m; I = 0) đến tải định mức (U =m; I = Iđm) phải tăng dòng điện từ hoá it khoảng 1,7 ÷ 2,2 lần Đặc tính tải Đặc tính tải quan heä U = f(it) I = const; cos ϕ = const f = fđm Với trị số khác I cos ϕ có đặc tính tải khác nhau, có ý nghóa đặc tính tải cảm ứng với π cos ϕ = 0(ϕ = ) I = Iđm Để có đặc tính phải điều chỉnh rt Z (khi phải có cuộn cảm điều chỉnh được) cho I = Iđm (hình 3-1) Dạng đặc tính tải cảm đường hình 3-8 Hình 3.8 Xác định đặc tính tải cảm từ đặc tính không tải tam giác điện kháng 119 Đồ thị vector tương ứng với chế độ làm việc bỏ qua trị số nhỏ rư hình 3-9 Đặc tính tải cảm suy từ đặc tính không tải tam giác điện kháng Cách thành lập tam giác điện kháng sau: Từ đặc tính ngắn mạch (đường hình 3-8) để có trị số In = Iđm, dòng điện kích thích itn s.t.đ Ftn cần thiết Ftn ≡ i tn = OC Như biết (xem mục 2), máy làm việc chế độ ngắn mạch, s.t.đ cực từ Ftn = OC gồm phần: phần để khắc phục phản ứng khử từ phần ứng BC = k ưd Fưd sinh d; phần lại OB = OC – BC sinh s.đ.đ tản từ Hình 3.9 Đồ thị véc tơ sức điện động máy điện đồng tải cảm E σư = I đm x σư = AB Điểm A nằm đoạn thẳng đặc tính không tải (đường 1) lúc mạch từ không bão hoà Tam giác ABC hình thành gọi tam giác điện kháng Các cạnh BC AB tam giác tỷ lệ với dòng điện tải định mức Iđm Dưới trình bày cách thành lập đặc tính tải cảm từ đặc tính không tải tam giác điện kháng Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC được) cho đỉnh A tựa đặc tính không tải đỉnh C vẽ thành đặc tính tải cảm (đường 3) Nếu cạnh tam giác điện kháng vẽ tỷ lệ với dòng điện tải I = Iđm, đặc tính tải cảm U = f(it) ứng với I = Iđm Để chứng minh ta ý rằng, hai trường hợp ngắn mạch với I = Iđm tải cảm với I = Iđm, s.đ.đ E σư phản ứng khử từ Fưd không thay đổi, cạnh AB = E σư BC = k ưd Fưd tam giác điện kháng không đổi Như với s.đ.đ tuỳ ý cực từ F0 = OP lúc không tải, điện áp đầu cực máy U0 = E0 = PM, có tải cảm với I = Iđm, điện áp đầu cực máy U = PC’ Sở dó lúc có tải cảm trên, s.t.đ có hiệu lực OP – PQ = OQ (trong PQ = B’C’ = BC phản ứng khử từ phần ứng) s.đ.đ E δ = QA' Kết U = E δ − E σö = QA'−AB' = QA'−AB = QB' = PC' Trên thực tế ảnh hưởng bão hoà, đặc tính tải cảm có thí nghiệm tải trực tiếp khác có dạng đường nét đứt Nguyên nhân sai khác chỗ, dòng điện kích từ tăng, cực từ máy bão hoà từ thông tản dây quấn kích từ lớn s.t.đ cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ phản ứng phải lớn hơn, nghóa cạnh BC tam giác điện kháng phải dài 120 § 3.2 GHÉP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG I Những khái niệm chung Hiện trạm phát điện thường có nhiều máy phát điện làm việc song song Điều giải thích sau: Một mặt đồ thị phụ tải dao động nhiều thời gian ngày đêm thời gian khác năm, dùng máy phát điện với công suất đặt lớn làm việc với phụ tải nhỏ hiệu suất động sơ cấp giảm thấp Mặc khác trạm phát điện thường có công suất lớn chế tạo máy phát có công suất lớn Ngoài ra, để nâng cao tính bảo đảm an toàn, liên tục cung cấp điện cho trung tâm công nghiệp lớn thường người ta sử dụng vài trạm phát điện nối với lưới điện chung Điều có nhiều ưu điểm: - Các trạm phát điện giảm thiết bị dự trữ để phòng hư hỏng sửa chữa - Có thể phân phối hợp lý phụ tải Trạm phát điện nhằm mục đích nâng cao tiêu kinh tế II Ghép song song máy phát điện đồng Điều kiện làm việc song song Khi ghép máy phát điện đồng làm việc song song hệ thống điện lực với máy phát điện đồng khác, để tránh dòng điện xung Mđt có trị số lớn gây cố hỏng máy thiết bị khác hệ thống phải đảm bảo điều kiện sau: Điện áp máy phát phải với điện áp lưới UF = UL Tần số máy phát phải tần số lưới: fF = fL Đối với máy phát điện ba pha cần phải thêm điều kiện thứ 3: Cùng thứ tự pha Điện áp pha máy phát trùng pha với điện áp pha lưới Khi ghép song song việc điều chỉnh điện áp UF máy phát điện thực cách thay đổi dòng điện kích thích máy Tần số fF máy điều chỉnh cách thay đổi moment tốc độ quay động sơ cấp kéo máy phát Sự trùng pha điện áp máy phát điện lưới điện kiểm tra đèn, volmet không dụng cụ đo đồng bộ, thứ tự pha máy phát điện đồng thường kiểm tra lần sau lắp ráp máy hoà đồng với lưới điện lần đầu Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo điều kiện gọi hoà đồng xác máy phát điện Trong số trường hợp dùng phương pháp hoà đồng không xác nghóa so sánh tần số, trị số góc pha điện áp máy phát điện cần ghép song song lưới điện, phương pháp gọi phương pháp tự đồng 121 Các phương pháp hoà đồng xác: Có thể dùng hoà đồng kiểu ánh sáng đèn hoà đồng kiểu điện từ (cột đồng bộ) Hình 3.10 Hoà đồng máy phát điện pha ánh sáng a) Hoà đồng kiểu ánh sáng: Ta hoà đồng kiểu ánh sáng hai phương pháp: phương pháp nối tối hay đèn tối (máy phát điện 2) phương pháp ánh sáng quay (máy phát điện 3) α Phương pháp đèn tối: Sơ đồ hoà đồng phương pháp đèn tối thể H3.10a H3.11 Quay máy phát đến n = n1 Điều chỉnh cho UFII = UL UFII trùng pha thứ tự pha với UL điện áp đặt đèn nên đèn tối Nếu tần số máy phát lưới không vector điện áp lưới máy phát quay với tốc độ góc khác nhau, góc lệch pha α chúng thay đổi từ đến Hình 3.11 Đồ thị vector điện áp 1800, điện áp đặt lên đèn thay đổi từ pha lưới máy phát nối đến hai lần điện áp pha đèn theo phương pháp đèn tối sáng tối, sai khác điện áp máy phát lưới lớn đèn sáng tối nhanh: f FII ≠ f L nhiều đèn nhấp nháy nhanh, f FII ≈ f L đèn sáng tối chậm Khi đèn tối tương đối lâu (khoảng đến giây) người ta 122 đóng máy phát điện vào lưới Để đóng máy xác người ta mắc thêm volt mét không (có điểm không thang đo) β Phương pháp ánh sáng đèn quay: Ta nối đèn vị trí: (A – A2), (B – C2), (C – B2) (H3-10b) đồ thị vector điện áp hình 3-12 Nếu vị trí h3.12 đèn tối mờ, đèn sáng nhiều, Hình 3.12 Đồ thị vector điện áp đèn sáng vừa Ở vị trí A ≡ A2 đèn tắt pha lưới máy phát nối theo đèn sáng kết hợp với volt phương pháp ánh sáng đèn quay mét không đóng máy hoà đồng Nếu n’ > n đèn sáng dần lên, đèn sáng nhiều lên đèn sáng yếu Vậy n’> n ánh sánh quay từ 1-2-3 n’ < n ánh sáng quay từ 1-3-2 n’ = n đèn tắt Do nhìn chiều quay đèn biết cần phải tăng hay giảm tốc độ máy phát ghép với lưới để đến gần vận tốc đồng Chú ý: Nếu nối dây theo sơ đồ đèn tối mà kết đèn quay hay ngược lại nối theo đèn quay mà đèn sáng, tối chứng tỏ thứ tự pha nối sai Lúc cần đổi thứ tự nối hai ba pha máy phát với lưới điện b) Hoà đồng kiểu điện từ (dùng cột đồng bộ) Cột đồng dùng ba đồng hồ để kiểm tra điều kiện hoà đồng bộ: + Hai volt mét để kiểm tra điện áp UL UF + Hai tần số kế để kiểm tra tần số fL fF tần số kế kép có hai dãy phiến rung để đồng thời tần số fL fF + Một đồng kế tác động theo khác fL fF định hoà đồng Khi fL = fF kim quay chậm ( f L ≈ f F ) thời điểm đóng cầu dao lúc kim trùng với đường thắng đứng hướng lên Phương pháp tự đồng Thường sử dụng với máy phát điện công suất nhỏ, đóng vào lưới theo phương pháp tự đồng sau: Nối mạch kích từ qua điện trở triệt từ để tránh dòng điện cảm ứng dây quấn rotor lớn, cầu dao D2 đóng phía điện trở Dùng động sơ cấp quay rotor đến gần tốc độ đồng bộ, đóng D1 để nối máy phát vào lưới điện chưa có kích từ, cuối đóng dây quấn kích từ vào nguồn kích từ, máy làm việc đồng Tuyệt đối không đóng stator 123 máy phát điện vào lưới theo phương pháp tự đồng mạch kích từ hở mạch lúc cuộn dây kích từ cảm ứng s.đ.đ lớn làm hỏng cách điện Phương pháp tự đồng cho phép hoà đồng nhanh chóng cần xử lý khẩn cấp Tuy nhiên có khuyết điểm dòng điện đóng cầu dao lớn Hình 3.13 Phương pháp tự đồng § 3.3 MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TÁC DỤNG, CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tải hộ dùng điện lưới điện thường thay đổi theo điều kiện sản xuất có trường hợp tải không thay đổi điều kiện vận hành lưới điện mà cần thiết mà cần thiết phải thay đổi chế độ làm việc máy phát điện, thực tế phải điều chỉnh công suất tác dụng P công suất phản kháng Q máy phát điện đồng Ta xét vấn đề hai trường hợp điển hình Trường hợp thứ trường hợp máy phát điện làm việc hệ thống điện lực có công suất vô lớn với U, f = const, hay nói khác tổng công suất máy phát điện làm việc song song hệ thống lớn so với công suất máy phát điện xét, việc điều chỉnh P Q máy phát điện không làm thay đổi U, f hệ thống điện Trường hợp thứ hai trường hợp có hai vài máy phát điện công suất tương tự làm việc song song thay đổi chế độ làm việc máy làm thay đổi U, f chung máy phát điện 124 Điều chỉnh công suất tác dụng P máy phát điện đồng a) Trường hợp máy phát điện làm việc hệ thống điện công suất vô lớn Ở trường hợp U f không đổi nên giữ dòng điện kích thích It không đổi E0 số, theo biểu thức (2-8) P hàm số góc θ đường biểu diễn có dạng biết hình 2-9 Ở chế độ làm việc xác lập công suất tác dụng P máy ứng với góc θ định phải cân với công suất trục quay máy phát điện Đường biểu diễn công suất động sơ cấp biểu thị đường thẳng song song với trục ngang cắt đặc tính góc điểm A hình 3-14 Như muốn điều chỉnh công suất tác dụng P máy phát phải thay đổi góc θ , nghóa dịch chuyển giao điểm A cách thay đổi công suất trục máy Công suất tác dụng cực đại Pm mà máy phát điện cung cấp cho hệ thống điện ứng với dP dθ = p dụng điều kiện biểu thức (2-9) máy phát đồng cực ẩn suy θ m = 90 và: Pm = mE U (3-6) xd máy cực lồi, từ (2-7) suy góc θ m xác định bởi: cos θ m = A + 8B − A 4B Trong đó: A = Và Pm = mE U xd Hình 3.14 Công suất tác dụng công suất chỉnh máy phát điện đồng cực lồi , B = mU ( 1 − ) xq xd mE U mU 1 sin θ m + ( − ) sin 2θ m xd xq xd (3-7) Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần ý máy phát điện đồng làm việc ổn định tónh < θ < θ m Để thấy rõ điều đó, giả thử máy làm việc giao điểm A ứng với θ1 < θ m Nếu nguyên nhân công suất Pcơ động sơ cấp tăng lên thời gian ngắn, sau lại trở trị số ban đầu rotor máy phát điện quay nhanh Như góc θ tăng thêm + Δθ tương ứng công suất P tăng thêm ΔP Vì lúc công suất Pcơ trở trị số ban đầu nên P + ΔP > Pcơ, kết rotor bị ghìm máy phát điện trở lại làm việc góc θ ban đầu sau vài chu kỳ dao động Trái lại máy phát điện làm việc xác lập θ > θ m , ví dụ điểm B hình 3-14 công suất thay đổi trên, góc θ tăng thêm Δθ làm 125 cho P máy phát điện giảm, P < Pcơ, kết rotor quay nhanh thêm, góc θ tăng máy phát điện đồng với lưới điện Từ điều nói ta thấy rằng, điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn định phải có điều kiện sau: dP >0 dθ Trong (3-8) dP gọi công suất chỉnh đặc trưng cho khả giữ cho máy dθ làm việc đồng lưới điện kí hiệu Pcơ Từ biểu thức (2-8), (2-9) suy công suất chỉnh máy cực lồi: Pcb = mE0U 1 cos θ + mU ( − ) cos 2θ xd xq xd Và máy cực ẩn: Pcb = (3-9) mE U cos θ x đb Đường biểu diễn công suất chỉnh hình (3-14) Ta thấy không tải (θ = 0) , khả chỉnh tức khả ΔP công suất đưa vào máy công suất tác dụng đưa lưới điện ứng với thay đổi Δθ làm cho máy phát trì làm việc đồng với lưới điện lớn nhất, θ = θ m khả chỉnh Trên thực tế vận hành để đề phòng trường hợp U E0 giảm nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa lưới điện giảm theo trì đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức Pđm ứng với θ < 30 Như khả tải máy phát điện đồng xác định tỉ số: km = Pm Pđm gọi hệ số lực tải Đối với máy cực ẩn k m = sin θ đm Theo quy định cần đảm bảo km > 1,7 muốn máy phải có tỉ số ngắn mạch K lớn, nghóa xd phải nhỏ (hoặc khe hở lớn) Cần ý điều chỉnh công suất tác dụng P, θ thay đổi nên công suất phản kháng thay đổi theo b) Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song Giả sử có hai máy phát điện công suất làm việc song song Ở trường hợp này, điều kiện tải lưới điện không đổi, tăng công suất tác dụng máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng máy tần số lưới điện thay đổi có cân khiến cho hộ dùng điện phải làm việc điều kiện tần số khác định mức Vì vậy, để giữ cho f = const tăng công suất tác dụng máy phải giảm công suất tác dụng máy Chính cách mà thay đổi phân phối công suất tác dụng hai máy 126 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng Hình 3.15 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng Ta xét việc điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng làm việc lưới điện có công suất vô lớn (U, f = const) công suất tác dụng máy giữ không đổi Giả sử máy có cực ẩn để đơn giản, bỏ qua tổn hao dây quấn phần ứng (rư = 0) Trong trường hợp đó, đồ thị vector s.đ.đ có dạng hình (3-15) Vì P = mUI cos ϕ ≡ OA không đổi, với điều kiện U = const nên thay đổi Q, mút vector I nằm đường thẳng 1, thẳng góc vớiU Với trị số I có trị số cos ϕ vẽ đồ thị vector s.đ.đ tương ứng xác định độ lớn độ lớn vector E0, từ suy dòng điện kích thích It cần thiết để sinh E0, cần ý P = mUE sin θ ≈ P1 = const , U, xđb không x đb đổi nên P ≡ E sin θ = OB = const mút vector E nằm đường thẳng thẳng góc với OB Kết phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q phải thay đổi dòng điện kích thích It máy phát điện Với trị số P = const., thay đổi Q vẽ đồ thị vector s.đ.đ ta xác định quan hệ I = f(It) gọi đặc tính hình V máy phát điện đồng Thay đổi trị số P với phương pháp thành lập họ đặc tính hình V tương ứng với cos ϕ = Khu vực bên phải đường Am ứng với tải có tính cảm ϕ > chế độ làm việc kích thích máy phát điện, khu vực bên trái đường ứng với tải có tính dung (ϕ < ) chế độ làm việc thiếu kích thích máy Đường Bn ứng với giới hạn làm việc ổn định lưới máy phát điện làm việc chế độ thiếu kích thích Hình 3.16 Họ đặc tính hình V máy phát điện đồng Ở ta xét máy phát điện cực ẩn, tất phân tích áp dụng cho máy phát điện cực lồi Trong trường hợp công suất lưới điện nhỏ (thí dụ có hai máy phát điện công suất làm việc song song), tăng dòng điện kích thích It máy mà giữ dòng điện kích thích máy thứ hai không đổi, công suất phản kháng máy tăng, tổng công suất 127 phản kháng tăng làm thay đổi điện áp U lưới điện, ảnh hưởng đến trạng thái làm việc bình thường hộ dùng điện Như để trì trạng thái làm việc bình thường lưới điện với U = const, tăng dòng điện kích thích máy phải giảm tương ứng dòng điện kích thích máy thứ hai Bằng phương pháp thực phân phối lại công suất phản kháng Q hai máy phát điện Động điện đồng a Các phương pháp mở máy động điện đồng Mở máy theo phương pháp không đồng Các động điện đồng phần lớn mở máy theo phương pháp không đồng Thông thường động điện đồng cực lồi có đặt dây quấn mở máy Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt rãnh mặt cực, đầu nối với hai vành ngắn mạch Hình 3.17 Sơ đồ mạch kích từ động Trong số động cơ, đồng lúc mở máy với dây quấn kích thích mặt cực thép nguyên khối nối tắt qua điện trở RT(a) nối thẳng vào nối với hai đầu máy kích thích (b) hai vòng ngắn mạch hai Phần ứng động đồng đầu rotor thay Phần ứng máy kích thích cho dây quấn ngắn mạch dùng Dây quấn kích từ động đồng việc mở máy Ở lưới Dây quấn kích từ máy kích thích điện lớn cho phép mở máy trực tiếp với điện áp lưới động đồng công suất vài trăm có tới hàng nghìn kilowatt Đối với động động đồng cực ẩn, việc mở máy theo phương pháp không đồng có khó khăn hơn, dòng điện cảm ứng lớp mỏng mặt rotor nguyên khối gây nóng cục đáng kể Trong trường hợp đó, để mở máy dễ dàng, cần hạ điện áp máy biến áp tự ngẫu cuộn kháng Quá trình mở máy động đồng phương pháp không đồng chia thành hai giai đoạn Lúc đầu việc mở máy thực với it = 0, dây quấn kích thích nối tắt qua điện trở RT hình 3-17a Sau đóng cầu dao nối dây quấn stator với nguồn điện, tác dụng moment không đồng rotor quay tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng n1 từ trường quay Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích thích với điện trở RT có trị số 10 ÷ 12 lần điện trở rt thân dây quấn kích từ cần thiết, để 128 dây quấn hở mạch có điện áp cao, làm hỏng cách điện dây quấn, lúc bắt đầu mở máy từ trường quay stator quét với tốc độ đồng Cũng cần ý rằng, đem nối ngắn mạch dây quấn kích thích tạo thành mạch pha có điện trở nhỏ rotor sinh moment cản lớn khiến cho tốc độ quay rotor vượt tốc độ nửa tốc độ đồng Hiện tượng giải thích sau Dòng điện có tần số f2 = sf1 dây quấn kích thích bị nối ngắn mạch sinh từ trường đập mạch Từ trường phân tích thành hai từ trường quay thuận quay ngược với chiều quay rotor tương đối so với rotor n1 – n, n1 tốc độ từ trường quay stator n tốc độ rotor Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tónh: nth = n + (n1 – n) = n1 nghóa quay đồng với từ trường quay stator Tác dụng với từ trường quay stator tạo nên moment không đồng hỗ trợ với moment không đồng dây quấn mở máy sinh có dạng đường hình 3-18 Từ trường quay ngược có tốc so với dây quấn phần tónh: nng = n – (n1 – n) = 2n – n1 = 2n (1-s) – n1 = n1 (1-2s) sinh dây quấn phần tónh dòng điện tần số: f = f1(1-2s) Như 0,5 < s < , nghóa tốc độ quay rotor n < n1/2 từ trường quay ngược quay so với dây quấn phần tónh theo chiều ngược so với chiều quay rotor Tác dụng với dòng điện phần tónh tần số f’ sinh moment phụ dấu hỗ trợ với moment không đồng từ trường quay thuận tác dụng với dây quấn mở máy (đường hình 3-18) Khi s = 0,5 (n < n1/2), từ trường quay Hình 3.18 Đường cong mômen ngược đứng yên so với dây quấn phần tónh, động đồng mở máy moment phụ không Và < s < không đồng với dây quấn 0,5 (n < n1/2), từ trường quay ngược kích từ bị nối ngắn mạch quay chiều với chiều quay rotor Tác dụng với dòng điện phần tónh tần số f’ lúc sinh moment phụ trái dấu với moment không đồng từ trường quay thuận, có tác dụng moment hãm Kết dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đường biểu diễn moment động trình mở máy tổng đường có tác dụng đường hình 3-18 Rõ ràng moment cản Mc trục động đủ lớn 129 rotor làm việc điểm A ứng với tốc độ n ≈ n / đạt đến tốc độ gần tốc độ đồng Khi rotor quay đến tốc độ n ≈ n , tiến hành giai đoạn thứ hai trình mở máy: đem nối dây quấn với điện áp chiều máy kích thích Lúc moment không đồng tỉ lệ với hệ số trượt s moment gia tốc tỉ lệ với ds/dt có moment đồng phụ thuộc vào góc θ tác dụng Do rotor chưa quay đồng nên góc θ thay đổi Khi < θ < 180 moment đồng cộng tác dụng với moment không đồng làm tăng thêm tốc độ quay rotor rotor lôi vào tốc độ đồng sau trình dao động Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rotor đưa vào tốc độ đồng cách thuận lợi, hệ số trượt cuối giai đoạn thứ lúc chưa có dòng điện cần phù hợp với điều kiện sau: s < 0,04 k m Pñm i tñb GD n i tđm đm (3-10) đó: km lực tải chế độ đồng với dòng điện kích từ định mức itđm; Pđm công suất định mức, kW; itđb dòng điện kích từ đồng hoá; GD2 moment động lượng động máy công tác nối trục nó, kG.m2 Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn trình bày trên, phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở RT sau nối máy kích từ, nối thẳng dây quấn với máy kích từ suốt trình mở máy theo sơ đồ hình 3-17b thường gặp gần Như vậy, dây quấn phần ứng máy kích từ có dòng điện xoay chiều điều không gây tác hại Khi rotor đạt đến tốc độ quay n = (0,6 ÷ 0,7)n đm , máy kích thích bắt đầu cung cấp dòng điện kích từ cho động điện đồng bộ, nhờ mà lúc đến gần tốc độ đồng Hình 3.19 Quan hệ U, I, it, n = f(t) động kéo vào tốc độ đồng mở máy động đồng 1500kW theo Cần ý trình mở máy sơ đồ hình 3-17b theo sơ đồ hình 3-17b thực điều kiện khó khăn động điện đồng kích thích sớm, tạo nên dòng ngắn mạch: 130 In = (1 − s)E (3-11) rö2 + (1 − s) x d đó: E0 s.đ.đ cảm ứng dòng điện kích từ it; xd điện kháng đồng dọc trục s = Do động phải tải thêm công suất: Pn = mI rư n kết trục động điện có thêm moment cản: Mc = pPn ω (3-12) khiến cho trình kéo động vào tốc độ đồng gặp khó khăn hơn, phương pháp mở máy động đồng theo sơ đồ hình 3-17b áp dụng tốt moment cản trục động điện M c = (0,4 ÷ 0,5)M đm Chỉ dây quấn mở máy thiết kế hoàn hảo cho phép mở máy với Mc = Mđm Do cách mở máy đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy động điện không đồng nên ngày ứng dụng rộng rãi Hình 3-19 trình bày biến đổi dòng điện phần ứng I, dòng điện kích từ it tốc độ quay n trình mở máy lúc không tải động đồng (Pđm = 1500kW; m = 6kV; nđm = 1000vg/ph) trực tiếp với điện áp định mức theo sơ đồ hình 3-17b Các phương pháp mở máy khác Mở máy theo phương pháp hoà đồng Các điều kiện hoà đồng động đồng hoàn toàn giống máy phát điện đồng Trường hợp động đồng quay máy nối trục với (thí dụ động đồng bộ- máy phát điện chiều, máy phát điện chiều lúc mở máy làm việc động điện để quay động đồng đến tốc độ đồng bộ) Trong số trường hợp mở máy động điện đồng nguồn có tần số thay đổi Muốn động đồng phải lấy điện từ máy phát điện riêng có tần số điều chỉnh từ không đến tần số định mức trình mở máy Như động quay đồng với máy phát từ lúc tốc độ thấp Cần ý trường hợp này, dòng điện kích thích động máy phát điện phải nguồn điện chiều riêng cung cấp b Điều chỉnh công suất phản kháng động điện đồng Động điện đồng có đặc điểm thay đổi cos ϕ máy cách thay đổi dòng kích từ Ta dùng đồ thị đơn giản để chứng minh điều Dựa vào phương trình cân điện áp động cơ: Nếu bỏ qua rư : & & & U = − E + I (rư + jxđb ) & & & U = − E + jIx 131 ñb Khi động kéo tải không đổi công suất tác dụng P đưa vào động không đổi: P = mUI cos ϕ = m U Ix ñb cos ϕ = const xđb Với U = const P = const (tải không đổi) Nếu It thay đổi -E0 thay đổi dẫn đến ϕ thay đổi, cos ϕ thay đổi Tương ứng ta có đặc tính hình V sau: Hình 3.20 Điều chỉnh công suất phản kháng máy động điện đồng Hình 3.21 Họ đặc tính hình V động điện đồng c Các đặc tính làm việc động điện đồng Các đặc tính động điện đồng làm việc với dòng điện kích từ it = const lưới điện có U, f = const bao gồm quan hệ P1 ; I ; η; cos ϕ = f (P2 ) có dạng trình bày hình 3-22 Cũng giống máy phát điện đồng bộ, động điện đồng thường làm việc với góc θ = 20 ÷ 30 Đặc điểm động đồng làm việc với cos ϕ cao không tiêu thụ công suất phản kháng Q lưới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hoá it Điều thấy dựa vào đặc Hình 3.22 Đặc tính làm việc động điện đồng Pđm = 500 kW, 600V, 50Hz, 600vòng/phút, cos ϕ = 0,8 (quá kích thích) 132 tính hình V tức quan hệ I = f(it) động điện đồng Cách thành lập đặc tính động đồng hoàn toàn giống máy phát điện đồng Ta thấy kích thích thiếu, động tiêu thụ công suất điện cảm lưới điện (ϕ > 0) ngược lại kích thích, động phát công suất điện cảm vào lưới điện ϕ < , nghóa tiêu thụ công suất điện dung Vì lợi dụng chế độ làm việc kích thích động điện đồng để nâng cao hệ số công suất cos ϕ lưới điện Thí dụ: Hai máy phát điện giống làm việc song song có điện trở phần ứng rư = 2,18 Ω , điện kháng đồng xđb = 62 Ω cung cấp điện cho tải 1830 kW với cos ϕ = 0,83 (chậm sau) Điện áp đầu cực tải 13800V Điều chỉnh kích từ hai máy cho máy có dòng điện phản kháng 40A Tính: a) Dòng điện máy phát điện b) S.đ.đ E0 máy góc pha s.đ.đ Giải: Dòng điện tải có trị số: I= P 3U cos ϕ = 1380x10 3x13800.0,83 = 92,3(A) chậm sau điện áp ϕ = arccos 0,83 = 330 biểu thị dạng số phức sau: I = 92,3∠ − 330 = 76,8 − j51,4(A) Vì công suất tác dụng phân phối cho hai máy nên dòng điện tác dụng 76,8 = 38,4(A) , dòng điện phản kháng máy A & 40A, đó: I&A = 38,4 –j40 vaø I&B = I − I&A = 38,4 – j11,4(A) máy Ứùng dụng biểu thức (3-4) ta coù: & & & E A = U + I A (rư + jxđb) = = E OA ∠θ A = 13800 Cũng vậy: + (38,4 − j40)(2,18 + j62) = 10720∠12,22 (V) & & & E B = U + I B (rö + jxñb) = E B ∠θ B = 9030∠15,10 (V) Góc lệch pha hai s.đ.đ đó: θ A − θ B = 15,10 − 12,22 = 2,88 Câu hỏi: 1) Phân tích hậu xảy máy phát điện hoà đồng mà không thoả mãn điều kiện ghép song song với lưới điện 2) Vì ghép song song máy phát điện vào lưới điện phương pháp tự đồng bộ, dây quấn kích thích phải nối tắt qua điện trở triệt từ? 133 3) Làm để điều chỉnh công suất tác dụng P công suất phản kháng Q máy phát điện đồng Việc điều chỉnh P Q làm việc lưới điện công suất lớn làm việc lưới điện công suất nhỏ (thí dụ có hai máy phát điện công suất tương tự làm việc song song) khác nào? Bài tập 3.1 Cho hai máy phát điện đồng làm việc song song, cung cấp điện cho hai tải: Tải 1: St1 = 5000kVA; cos ϕ1 = 0,8 Taûi 2: St2 = 3000kVA; cos ϕ = Máy thứ phát P1 = 4000kW; Q1 = 2500kVAr Tính công suất máy phát thứ hai hệ số công suất máy phát ĐS: P2 = 3000kW; Q2 = 500kVAr Cos ϕ1 = 0,848; Cos ϕ = 0,986 3.2 Cho hai maùy phaùt điện đồng nối Y hoàn toàn giống có xđb = 4,5 Ω làm việc song song Tải chung, điện áp 13,2 kV 26000 kW, hệ số công suất 0,866 phân cho hai máy Nếu thay đổi kích từ để phân phối lại công suất phản kháng cho hệ số công suất máy cos ϕ1 = lúc hệ số công suất cos ϕ máy bao nhiêu? Tính E0 θ máy trường hợp ĐS: cos ϕ = - 490 E1 = 8039,1V; θ1 = 190 E2 = 10880,83 V; θ = 140 134 ... phát điện đồng Trường hợp động đồng quay máy nối trục v? ??i (thí dụ động đồng b? ?- máy phát điện chiều, máy phát điện chiều lúc mở máy làm việc động điện để quay động đồng đến tốc độ đồng bộ) Trong... ( 3- 2 ) Theo định nghóa từ hình 3- 4 ta có: Hình 3. 3 Đồ thị v? ?c tơ mạch điện thay máy phát đồng lúc ngắn mạch xd trị số bão hoà điện kháng đồng dọc trục ứng v? ??i E0 = m Thay trị số Ino theo ( 3- 3 )... lưới điện kiểm tra đèn, volmet không dụng cụ đo đồng bộ, thứ tự pha máy phát điện đồng thường kiểm tra lần sau lắp ráp máy hoà đồng v? ??i lưới điện lần đầu Việc ghép song song máy phát điện v? ?o