ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ của từ trường quay. Dây quấn stator được nối với điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích thích (kích từ) bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi. Máy phát điện đồng bộ là nguồn cung cấp chính của lưới điện quốc gia. Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp (các loại tuabin, động cơ kéo, ). Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha, là thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng. Công suất của máy phát có thể lên đến 1000 MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống. 1.1. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ 1.1.1. Phần Stator - Stator của máy phát điện đồng bộ giống như stator của máy điện không đồng bộ, gồm 2 thành phần: + Lõi thép stator Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục, lõi thép stator được ép cố định vào trong vỏ máy. Hình 1.1. Lõi thép stator + Dây quấn stator Dây quấn stator được gọi là dây quấn phần ứng. Dây quấn stator làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ). Các dây điện từ được quấn thành nhiều vòng và được đặt trong rãnh của lõi thép. Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator bố trí ba bộ dây quấn đặt lệch vị trí 0 120 trong không gian. Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.1.2. Phần Rotor - Rotor của máy phát điện đồng bộ là nam châm điện, gồm các cực từ và dây quấn kích từ. Dòng điện đưa vào dây quấn kích từ là dòng điện một chiều để tạo ra từ trường. Hai đầu của dây quấn kích từ được nối với hai vành trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với dòng 1 chiều. - Có hai loại rotor: rotor cực ẩn và rotor cực lồi. + Rotor cực lồi Các khe hở không khí không đều, mục đích làm cho từ cảm phân bố trong khe hở không khí hình sin để sức điện động cảm ứng ở dây quấn stator hình sin (Hình 1.2). Rotor của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được cấu tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ. Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 ÷ 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rotor. Giá đỡ này lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép rotor được ghép bằng những lá thép dày 1 ÷ 1,5 mm. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào thân cực. Loại rotor này dùng ở các máy phát có tốc độ thấp có nhiều đôi cực như máy phát kéo bởi tuabin thủy điện. Hình 1.2. Rotor của máy phát điện đồng bộ cực từ lồi + Rotor cực ẩn Trang 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khe hở không khí đều và rotor chỉ có 2 cực hoặc 4 cực (Hình 1.3). Vì tốc độ cao nên để chống lực li tâm, rotor được chế tạo nguyên khối và có đường kính nhỏ. Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000 vòng/phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rotor, đường kính của rotor không vượt quá m5,11,1 ÷ . Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rotor. Chiều dài tối đa của rotor khoảng 6,5m. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rotor được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính. Phần đầu nối nằm ngoài rãnh của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính. Loại rotor cực ẩn được dùng ở các máy phát có tốc độ cao như các máy kéo bởi tuabin nhiệt điện. Hình 1.3. Rotor của máy phát điện đồng bộ cực ẩn 1.1.3. Phần kích từ Nhiệm vụ của phần kích từ là tạo ra dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn phần cảm để tạo ra từ thông. Dòng một chiều này được lấy từ bộ kích từ, có một trong ba dạng sau: - Máy phát điện một chiều: có thể gắn ở đầu trục máy điện đồng bộ và cung cấp dòng một chiều thông qua chổi than. - Bộ kích từ dùng chỉnh lưu tĩnh: lấy nguồn xoay chiều từ phần ứng máy điện đồng bộ thông qua bộ chỉnh lưu cung cấp điện một chiều cho phần cảm của máy đồng bộ. Trang 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Bộ kích từ không chổi than: Bộ kích từ là một máy phát điện xoay chiều ba pha mà phần ứng được đặt trên rotor máy phát đồng bộ. Điện áp xoay chiều ba pha thông qua bộ chỉnh lưu cung cấp dòng một chiều cho dây quấn kích từ. 1.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 1.2.1. Nguyên lý làm việc Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện ba pha 1-Động cơ sơ cấp (tua bin hơi); 2- Dây quấn stator; 3- Rotor của máy phát điện đồng bộ; 4-Dây quấn của rotor; 5-Vành trượt; 6-Chổi than tỳ lên vành trượt; 7-Máy phát điện một chiều nối cùng chiều với máy phát điện đồng bộ. - Động cơ sơ cấp 1 (tuabin hơi) quay rotor máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức (Hình 1.4), máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 6 và vành góp 5, rotor 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện. Do rotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là: 00 2 φπ dq fNKE = (1.1) Trong đó:  0 E : Sức điện động pha.  N: là số vòng dây của một pha dây quấn.  dq K :là hệ số dây quấn phần ứng. Trang 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  0 φ : là từ thông cực từ rotor. - Nếu rotor có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator có tần số là: 60 .np f = (1.2) Hoặc p f n 60 = (vòng/phút) - Khi dây quấn stator nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện ba pha chạy qua. Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, có tốc độ là: p f n 60 1 = (vòng/phút) (1.3) - Từ (1.2) và (1.3), ta thấy tốc độ quay rotor n bằng tốc độ từ trường quay trong máy 1 n nên gọi là máy phát điện đồng bộ. - Máy phát điện đồng bộ có thể làm việc như một động cơ, nếu đặt vào cuộn dây stator của nó một dòng điện ba pha từ lưới và đặt nguồn điện một chiều vào cuộn dây kích từ ở rotor. Khi làm việc bình thường rotor quay theo chiều từ trường quay bằng với tốc độ của từ trường quay stator. - Chú ý rằng động cơ đồng bộ không tự mở máy được. Muốn mở máy động cơ đồng bộ người ta phải dùng động cơ phụ trợ hoặc mở máy theo phương pháp không đồng bộ. Ví dụ 1.1: Máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn điện có tần số là 50Hz thì động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là: ]/[1500 2 506060 1 phútvòng p f n = × == Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp có tần số 60Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến giá trị sau: ]/[1800 2 606060 1 phútvòng p f n = × == Ví dụ 1.2: Trang 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực và sức điện động pha là VE pha 380= khi phát tại tần số 60Hz. Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là VE pha 380= nhưng tần số là 50Hz ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát. Bài giải: Với yêu cầu trong ví dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát: Trạng thái 1: Tại trạng thái phát ra tần số 60Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: ]/[1800 2 606060 11 phútvòng p f n = × == Trạng thái 2: Tại trạng thái phát ra tần số 50Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: ]/[1500 2 506060 12 phútvòng p f n = × == Như vậy khi chuyển chế độ làm việc của máy phát từ trạng thái phát ra nguồn áp tần số 60Hz sang trạng thái phát nguồn áp tần số 50Hz, ta cần giảm tốc độ quay của động cơ sơ cấp. Ngoài ra muốn đảm bảo điều kiện duy trì sức điện động hiệu dụng pha VE pha 380= , ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích. Xét tỉ số sau: 1 0111 0212 1 2 = × × = φ φ n n E E pha pha hay 0101 12 11 02 2.1 φφφ =×= n n Tóm lại muốn duy trì VE pha 380= , ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần số 50Hz. 1.2.2. Các trị số định mức và hiệu suất của máy phát điện đồng bộ - Các trị số định mức (các thông số kỹ thuật định mức) của máy phát điện đồng bộ bao gồm: Công suất có ích, nghĩa là công suất đầu ra của máy tính toán theo các điều kiện phát nóng và làm việc lâu dài mà không bị hư hỏng, được gọi là công suất định mức của máy.  Công suất biểu kiến (thường ghi trên nhãn máy): đmđmđm IUS ××= 3 [VA, KVA] (1.4)  Công suất tác dụng: ],[cos3 KWWIUP đmđmđmđm ϕ ×××= (1.5)  Công suất phản kháng: ],[sin3 KVAVAIUQ đmđmđmđm ϕ ×××= (1.6) Trang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các đại lượng đó có liên quan với nhau và biểu thị cho chế độ làm việc ổn định, lâu dài với công suất lớn nhất cho phép gọi là các đại lượng định mức và đều được ghi trên nhãn máy. - Khi vận hành máy phát ta có các thành phần công suất tác dụng sau:  1 P : công suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện.  2 P : công suất tác dụng cung cấp đến phụ tải.  thép P : tổn hao trên lõi thép do dòng xoáy và từ trễ.  cu P : tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích.  masát P : tổn hao do ma sát cơ khí trên hệ thống như ổ bi, quạt gió. - Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ được xác định theo quan hệ: TônhaoP P P P Σ+ == 2 2 1 2 η (1.7) Trong đó: cuthépmasát PPPTônhao ++=Σ (1.8) Ví dụ 1.3: Máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn có MWP đm 30= , kVU đm 5,10= , 8,0cos = đm ϕ , số đôi cực p = 1. Hiệu suất định mức %32,98= đm η ; tần số nguồn phát f = 50 Hz. 1. Tính tốc độ quay rotor và dòng điện định mức. 2. Tính công suất biểu kiến đm S của máy, công suất phản kháng đm Q của máy. 3. Tính tổn thất công suất mà động cơ sơ cấp cung cấp cho máy phát và tổng các tổn hao? Bài giải 1. Tốc độ quay của rotor máy phát: 3000 1 506060 1 = × = × == p f nn [vòng/phút] Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dòng điện định mức của máy phát: 064,2 8,05,103 30 cos3 = ×× = ×× = đmđm đm đm U P I ϕ [kA] 2. Công suất biểu kiến của máy phát: 5,37 8,0 30 cos === đm đm đm P S ϕ [MVA] Công suất phản kháng của máy phát: 5,226,05,37sin =×=×= đmđmđm SQ ϕ [MVAr] 6,0sin = đm ϕ suy ra từ 8,0cos = đm ϕ 3. Công suất cung cấp cho trục máy phát bởi động cơ sơ cấp là: 51,30100 32,98 30 1 =×== đm đm P P η [MW] 1.3. Quan hệ điện từ trong máy phát điện đồng bộ 1.3.1. Từ trường kích thích và sức điện động không tải Khi rotor quay xung quanh dây quấn stator (có w vòng dây một pha và hệ số dây quấn dq k ), từ thông kích từ rotor sẽ lần lượt cắt qua dây quấn stator với trị số biến đổi theo quy luật hình sin, nên trị số tức thời của từ thông rotor 1t Φ móc vòng trên dây quấn stator tính theo: (1.9 ) Vậy sức điện động trong dây quấn phần ứng stator sinh ra chính là sức điện động. Hỗ cảm có trị số: tEtwk dt d e mtdq tud ωωω ψ sinsin 010 =Φ=−= (1.10) Như vậy khi máy điện đồng bộ làm việc không tải, từ trường dây quấn kích từ tạo nên sức điện động không tải 0 E do hiện tượng hỗ cảm. Biểu thức trên cho thấy sức Trang 8 twk tdqtud ωψ cos 1 Φ= ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP điện động 0 E chậm pha sau từ thông sinh ra nó một góc 0 90 . Về trị số, sức điện động (không tải): 0 11 0 0 44,4 2 2 22 Φ= Φ = Φ == dq tdqtdq m wfk fwkwk E E πω (1.11) Với 10 t Φ=Φ (thường gọi là từ trường không tải). 1.3.2. Từ trường phần ứng và phản ứng phần ứng Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ 0 φ cắt dây quấn stator và cảm ứng sức điện động 0 E chậm pha so với từ thông 0 φ góc 0 90 . Dây quấn stator nối với tải nên có dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I chạy trong dây quấn stator tạo nên từ trường quay phần ứng. Từ trường quay phần ứng quay đồng bộ với từ trường cực từ 0 φ . Góc lệch pha giữa 0 E và I do tính chất tải quyết định. Ta xét 4 trường hợp đặc trưng: 1.3.2.1. Trường hợp tải thuần trở: (Hình 1.5) Khi máy phát có tải thuần trở (tải R, xem hình 1.5), do tính chất mạch điện thuần trở, 0 E và I trùng pha nhau nên góc lệch pha 0 0= ψ . Dòng điện I sinh ra từ 9hong phần ứng u φ cùng pha với dòng điện. Hình 1.5. Tải thuần trở Tác dụng của từ 9hong phần ứng u φ với từ 9hong không tải 0 φ (kích từ) ban đầu theo hướng ngang trục (hướng vuông góc với trục cực từ), làm méo từ trường cực từ ban đầu. Từ 9hong phần ứng theo hướng ngang trục, ta gọi là phản ứng phần ứng Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ngang trục. Kết quả của phản ứng làm tác động của từ trường tổng lúc này theo phương dọc trục giảm, vì vậy sức điện động, điện áp trong máy phát điện giảm xuống. 1.3.2.2. Trường hợp tải thuần cảm: (Hình 1.6) 0 E và I trùng pha nên góc lệch pha 0 90= ψ . Dòng điện I sinh ra từ 10hong phần ứng u φ ngược chiều với từ thông 0 φ , làm giảm nhiều từ trường cực từ ban đầu, nên gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng. Hình 1.6. Tải thuần cảm Kết quả của phản ứng làm tác động của từ trường tổng lúc này theo phương dọc giảm nhiều, vì vậy sức điện động, điện áp trong máy phát điện giảm xuống nhiều hơn so với tải trở. 1.3.2.3. Trường hợp tải thuần dung: (Hình 1.7) 0 E và I trùng pha nên góc lệch pha 0 90−= ψ . Dòng điện I sinh ra từ 10hong phản ứng u φ cùng chiều với từ 10hong 0 φ ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng. Trang 10 [...]... ngắn mạch K 1.7 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song Trong mỗi nhà máy điện thường có đặt nhiều tổ máy phát điện đồng bộ và nói chung các nhà máy điện đều làm việc trong một hệ thống điện lực Như vậy, trong một hệ thống điện lực có rất nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song Việc cho các máy phát điện làm việc chung trong hệ thống điện lực nhằm bảo đảm công suất toàn hệ thống và việc điều chỉnh... vectơ của máy phát điện đồng bộ cực lồi, hình 1.9 Từ phương trình điện áp và đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha giữa sức điện động E0 và điện áp U gọi là góc công suất θ , do phụ tải quyết định 1.3.3.2 Máy phát điện đồng bộ cực ẩn Hình 1.10 Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Đối với máy phát điện đồng bộ cực ẩn là trường hợp đặc biệt của máy phát điện cực lồi, trong đó X d = X q , gọi là điện kháng... phát điện thường chỉ được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hòa đồng bộ với lưới điện lần đầu Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện nói trên gọi là hòa đồng bộ chính xác máy phát điện Trong một số trường hợp có thể dùng phương pháp hòa đồng bộ không chính xác nghĩa là không phải so sánh tần số, trị số góc pha các điện áp của máy phát điện cần được ghép song song và. .. dây aa’, bb’, và cc’, được đặt lệch nhau 1200 trong không gian Hình 1.13 Mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha Từ mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha, ta thành lập được mạch điện máy phát đồng bộ như Hình 1.14 Trang 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.14 Mạch điện máy phát đồng bộ (điện kháng và điện trở khe hở được bỏ qua) Mạch điện Hình 1.14 có thể dễ dàng cải tiến kể cả hiệu ứng điện kháng và điện trở khe... hệ thống và việc điều chỉnh công suất (tác dụng và phản kháng) giữa chúng Trang 30 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Muốn vậy phải đảm bảo các điều kiện sau đây: - Điện áp của máy phát điện U F phải bằng điện áp của lưới điện U L - Tần số của máy phát f F phải bằng tần số của lưới điện f L - Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện - Điện áp của máy và của lưới phải trùng pha nhau Nếu không đảm bảo... máy phát điện có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng, thí dụ như khi đóng cầu dao mà điện áp của máy phát và của lưới lệch pha nhau 180 0 thì sẽ tương đương với nối ngắn mạch máy phát điện với điện áp U F − U L = 2.U F Dòng điện xung khi đóng cầu dao có thể lớn gấp hai lần dòng điện ngắn mạch thông thường Lực và mômen điện từ sẽ lớn gấp bốn lần, phá hỏng dây quấn, kết cấu thép, lõi thép, trục… của máy. .. phát điện Khi ghép song song, việc điều chỉnh điện áp U F của máy phát đồng bộ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy, tần số f F của máy được điều chỉnh bằng cách thay đổi mômen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiểm tra bằng đèn vônmet có chỉ số không hoặc dụng cụ đo đồng bộ Thứ tự pha của máy. .. điều chỉnh điện áp khi hoạt động theo mạch từ trường của máy phát và bằng thiết bị tự động điều chỉnh đầu phân áp trên máy biến áp 1.5 Độ thay đổi điện áp máy phát điện đồng bộ Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp tương thích với số cực để tạo được tần số đúng yêu cầu và duy trì tốc độ quay không đổi để tần số ổn định Kế tiếp điều chỉnh dòng một chiều cấp vào phần... với áp pha lúc không tải Độ chênh lệch giá trị giữa E pha và V pha được gọi là độ thay đổi điện áp của máy phát Trang 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Gọi ∆V là độ thay đổi điện áp và ∆V % là phần trăm độ thay đổi điện áp, ta có các định nghĩa như sau: ∆V = E pha − V pha (1.29)  E − V pha   • 100 ∆V % =  pha  V  pha   (1.30) 1.5.1 Độ thay đổi điện áp khi tải có tính cảm Bài toán xác định độ thay đổi điện áp. .. 1 pha và suy ra cho hai pha còn lại và phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng sau đây: Đối với máy phát điện đồng bộ: • • • U = E δ − I ( ru + jxσu ) (1.12) Đối với động cơ điện đồng bộ: • • • U = E δ + I ( ru + jxσu ) (1.13) Trong đó:  U là điện áp ở đầu cực máy  ru và xσu là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng  Eδ là sức điện động cảm ứng trong dây quấn do . theo mạch từ trường của máy phát và bằng thiết bị tự động điều chỉnh đầu phân áp trên máy biến áp. 1.5. Độ thay đổi điện áp máy phát điện đồng bộ Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều. sức điện động 0 E và điện áp U gọi là góc công suất θ , do phụ tải quyết định. 1.3.3.2. Máy phát điện đồng bộ cực ẩn Hình 1.10. Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Đối với máy phát điện. bằng điện áp của máy. Ở tải đối xứng 3 pha, có thể xét riêng cho 1 pha và suy ra cho hai pha còn lại và phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng sau đây: Đối với máy phát điện