Bài giảng động cơ điện - Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Chia sẻ: Trieu Hung | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

906
lượt xem 163
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dạng đặc tính không tải biểu thị theo hệ đơn vị tương đối E* = E/Eđm và it* = it/itđm0 như trên hình 22-2. Ở đây itđm0 là dòng kích từ để khi không tải U0 = Uđm. Ta thấy, dạng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác nhau không nhiều. Mạch từ của máy phát tuabin hơi bão hoà hơn mạch từ của máy phát tuabin nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng động cơ điện - Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

5. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ D2 Z A W V D1 + F A V V i t A A W r t H×nh 221: S¬ ®å nèi d©y x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé
5..1. Đặc tính không tải: E = U0 = f(it) khi I = 0 và f = fđm Dạng đặc tính không tải biểu thị theo E* b hệ đơn vị tương đối E* = E/Eđm và it* = it/itđm0 a 1, như trên hình 22-2. 2 0,8 Ở đây itđm0 là dòng kích từ để khi không 0, tải U0 = Uđm. 4 it* Ta thấy, dạng đặc tính không tải của 3 1 2 0 máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi Hình 22-2. Đặc tính không tải khác nhau không nhiều. của máy phát tuabin hơi (a) và máy phát tuabin nước (b) Mạch từ của máy phát tuabin hơi bão hoà hơn mạch từ của máy phát tuabin nước. Khi E = Eđm = 1, với máy phát tuabin hơi kμd = kμ = 1,2, còn đối với máy phát điện tuabin nước kμd = 1,06.
5.2. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(it)  E khi U = 0, f = fđm. xσ Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần  x jIxud jI d  ứng (rư = 0), mạch dây quấn phần ứng là I  E xd  jIxσu thuần cảm (ψ = 900). Khi đó:  I Iq = I.cosψ = 0, Id = I.sinψ = I. b) a) Đồ thị véctơ khi ngắn mạch như ở hình 22-3a. Hình 22-3. Đồ thị véctơ và mạch Theo phương trình (21-8) ta có: điện thay thế của máy phát điện   E = jIx d đồng bộ khi ngắn mạch (22-1) Mạch điện thay thế như ở hình 22-3b. Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hoà vì từ thông khe hở Φδ rất nhỏ, s.đ.đ. Eδ = E0 - I.xưd rất nhỏ, do đó đặc tính ngắn mạch là đường thẳng (hình 22-4).
Tỷ số ngắn mạch K: Là tỷ số giữa dòng I điện ngắn mạch In0 ứng với dòng kích từ it0 để sinh ra s.đ.đ. E = Uđm khi không tải với dòng I = f(it) it điện định mức Iđm. K = In0/Iđm (22-2) H×nh 224. §Æc tÝnh ng¾n m¹ch cña m¸y ph¸t ®ång bé Theo định nghĩa đó, từ hình 22-5 ta có: In0 = Uđm/xd (22-3) U, U = trong đó xd là trị số bão hoà của điện kháng I f(it) đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm. U®m B/ I = f(it) A/ Thay trị số In0 theo (22-3) vào (22-2) ta có: I®m In0 U dm 1 B A K= = (22-4) it0 it i x d I dm x d * t n Thường xd* > 1 nên K < 1 và dòng điện H×nh 225. X¸c ®Þnh tû sè ng¾n m¹ch K ngắn mạch xác lập In0 < Iđm.
Từ hình 22-5, dựa vào các tam giác đồng dạng OAA’ và OBB’ ta có: I n 0 it 0 K= = (22-5) I dm itn trong đó: it0 – dòng kích thích ứng với khi không tải U0 = Uđm itn – dòng kích thích úng với lúc ngắn mạch I = Iđm. Máy phát điện đồng bộ có K lớn thì có ưu điểm là độ thay đổi điện áp ΔU nhỏ và sinh ra công suất điện từ lớn, máy làm việc ổn định khi tải dao động. Muốn có K lớn (tức là xd* nhỏ) thì phải tăng khe hở, đòi hỏi máy phải tăng cường dây quấn kích thích, kích thước của máy tăng, giá thành cao. Thông thường với máy phát tuabin nước K = 0,8 ÷ 1,8, còn với máy phát tuabin hơi K = 0,5 ÷ 1,0.
Đặc tính ngoài: U = f(I) khi it = const, ∆ U®m cosϕ = cosφ = const và f = fđm. U 1 cosϕ = 0,8(®iÖn Khi lấy đặc tính ngoài, phải thay đổi U®m dung) Z sao cho cosφ = const rồi đo U và I ứng cosϕ = 0,8(điện cảm) với các trị số khác nhau của tải Z. Dạng của đặc tính ngoài ứng với các tính chất khác nhau của tải như ở hình I®m I 0 22-6. Chú ý: Trong mỗi trường hợp phải H×nh 226. §Æc tÝnh điều 5.3.nhặcòng kngoài vàt đaothay đổi điện áp Δu µi cñmáy phát chỉ Đ d tính ích từ i sộ cho khi I = ngo của a m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé Iđm có iU n đUđm, bộ. đó giữ không đổi khi đ ệ = ồng sau thay đổi tải. Dòng kích từ it ứng với I = Iđm, U = Uđm, cosφ = cosφđm, f = fđm được gọi là dòng điện kích từ định mức.
Từ hình 22-6 thấy rằng: dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Tải có tính cảm thì U giảm theo I, tải có tính dung thì U tăng theo I. Độ thay đổi điện áp định mức của máy phát điện đồng bộ ΔUđm là • sự thay đổi điện áp của máy phát khi tải thay đổi từ định mức ứng với cosφđm đến không tải trong điều kiện dòng kích từ không đổi. E − U dm ∆U dm % = .100 (22-6) U dm Máy phát điện tuabin hơi có xd lớn nên ΔU lớn hơn so với máy phát tuabin nước. Thông thường ΔU% = 25 ÷ 35%. ΔU của máy phát đện có thể xác định trực tiếp trên máy đã chế tạo. Lúc thiết kế, để tính ΔU có thể dựa vào đồ thị véctơ s.đ.đ. hoặc đồ thị véctơ s.t.đ.đ.
5.4. Đặc tính điều chỉnh t đm cosϕ = 0,8 i (®iÖn cosϕ = c¶m) t 1 it cosϕ = 0,8 0 (®iÖn dung) 0 I Iđm Hình 22-7. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
I = U, M A"  0 I E0 A'  − jI .xud Eδ C I =  − jI .xσu 1 I®m O' O’’ ’’ ' B' B  Eδ 2  U  I I®m 3 A xб.I®m C B Hình 22-9. 0 Q P i K® F® Đồ thị véctơ s.đ.đ. của máy phát t điện đồng bộ ở tải thuần cảm Hình 22-8. Xác định đặc tính tải thuần cảm từ U= f(iặckhikhôngconst; cosφ =nconst; đ ) tính I = tải và tam giác điệ kháng. f=f • Với mỗi trị số của I và cosφ ta có một đặc tính tải. • Trong các đặc tính tải, đường đặc tính tải thuần cảm với cosφ = 0 và I = Iđm là có ý nghĩa nhất. • Dạng của đặc tính tải thuần cảm như đường 3 trên hình 22-8. Đồ thị véctơ ứng với chế độ đó khi bỏ qua rư như ở hình 22-9.
Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng. • Tam giác điện kháng: Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 trên hình 22-8), để có In = Iđm thì dòng kích từ cần thiết itn (hoặc Ftn) là Ftn ≡ itn = OC. S.t. đ. Ftn = OC gồm hai phần: phần BC để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ Eưd (BC = Kưd.Fưd), phần OB còn lại để sinh ra s.đ.đ. tản từ Eбư = Iđm.xбư = AB. Điểm A nằm trên đường đặc tính không tải vì lúc đó mạch từ không bão hoà. Tam giác ABC được gọi là tam giác điện kháng. Các cạnh BC và AB của tam giác điện kháng tỷ lệ với dòng điện tải định mức Iđm. • Cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng: Tịnh tiến tam giác ABC hoặc OAC sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm (đường 3).
• Chứng minh: Khi ngắn mạch với I = Iđm và khi tải thuần cảm với I = Iđm, cả s.đ.đ. tản Eбư và phản ứng phần ứng khử từ Fưd đều không đổi, do đó các cạnh của tam giác điện kháng AB = Eбư và BC = Kưd.Fưd đều không đổi. Với một s.t.đ. tuỳ ý của cực từ F0 = OP, lúc không tải điện áp đầu cực máy phát là U0 = E = PM. Khi có tải thuần cảm I = Iđm, s.t.đ. có hiệu lực chỉ bằng OQ = OP - PQ và s.đ.đ. Eδ = QA’. Kết quả điện áp đầu cực máy phát là: U = Eδ - Eбư = QA’ - A’B’ = PC’. Trên thực tế, do ảnh hưởng của bão hoà mạch từ, đặc tính tải thuần cảm có được bằng thí nghiệm trực tiếp có dạng như đường nét đứt. Sự khác đó là do khi dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hoà, từ thông tản của dây quấn kích thích tăng, do đó s.t.đ. của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn.
5.6. CÁC ĐẶC TÍNH GÓC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5.6.1. Đặc tính góc công suất tác dụng: P = f(ө) khi E = const, U = const. ө - góc tải giữa các véctơ s.đ.đ. E và điện áp U. Để đơn giản, ta bỏ qua rư vì rư
Thay Id và Iq ở biểu thức (21-12) ta được: mU 2 mU 2 mUE sin θ cos θ + sin θ − sin θ cos θ = xq xd xd mU 2  1 1 mUE  −  sin 2θ và sin θ + P= (21-13) 2  xq xd  xd   = Pe + Pu Trong hệ đơn vị tương đối ta có: U *2  1 1 U * E*   sin 2θ sin θ + P* = − (21-14) 2  x q* x d *  xd *   Trị số Pu nhỏ hơn nhiều so với Pe.
Ví dụ, máy cực lồi có xd* = 1,1; xq* = 0,75. Khi máy làm việc với tải định mức (U* = 1, I* = 1, cosφ = 0,8) qua đồ thị véctơ có thể suy ra được E* = 1,87, θđm = 22027’. Thay các trị số đó vào (21-14) ta được: 1,87 × 1 1 1 1 Pdm* = sin 22 0 27'+  −  sin 2 x 22 0 27' = 0,65 + 0,15 = 0,8 1,1 2  0,75 1,1  Ta thấy: Pu = 0,15, chiếm khoảng 19% công suất của máy. Từ biểu thức (21-13) thấy rằng, công suất của máy cực lồi gồm hai thành phần: - Thành phần Pe tỷ lệ với sinθ và phụ thuộc vào E0 (tức phụ thuộc vào it), - Thành phần Pu không phụ thuộc vào E (hoặc it). Như vậy, máy phát điện đồng bộ cực lồi khi mất kích thích it = 0 (E = 0), P = Pu ≠ 0, máy vẫn phát ra công suất tác dụng.
d Máy phát điện cực lồi khi mất d N N kích thích vẫn phát ra công suất q tác dụng, điều đó được giải thích như sau: q q q Khi it = 0 trong máy chỉ còn từ trường phần ứng. Do rôto cấu d S S tạo cực lồi, từ trở dọc trục nhỏ d hơn từ trở ngang trục, các đường a) b) sức từ của từ trường quay phần Hình 21-8. Đường sức từ trường trong ứng luôn có xu hướng đi theo máy phát điện đồng bộ phản kháng. hướng dọc trục (hình 21-8a). Khi có sự xê dịch giữa trục từ trường P P phần ứng và trục cực (hình 21- P 1,6 1,6 Pe 8b), các đường sức từ bị uốn tạo 1,2 1,2 thành mômen và công suất điện. 0,8 0,8 Pu 0,4 0,4 -1800 1800 1800 -1800 Với máy cực ẩn, xq = xd nên: θ θ - 0,4 - 0,4 P = mUE.sinθ/xd (21-15) - 0,8 - 0,8 - 1,2 - 1,2 Đường biểu diễn P = f(θ) như - 1,6 - 1,6 ở hình 21-9, trong đó π > θ > 0 ứng ĐCĐ ĐCĐ MFĐ MFĐ với chế độ máy phát điện, còn 0 > a) b) θ > -π/2 ứng với chế độ động cơ điện. Hình 21-9. Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát điện đồng bộ cực lồi (a) và cực ẩn (b)
Để thấy rõ ý nghĩa vật lý của sự thay đổi P theo θ, ta chú ý rằng nếu bỏ θδ > 0 θδ < 0 qua điện áp rơi I.rư và I.xσư thì θ ≈ θδ, đó chính là góc không gian giữa s.t.đ. F0 n n của rôto và Fδ ở khe hở trên mặt stato. M M Khi làm việc ở chế độ máy phát điện θδ > 0, rôto (hoặc F0) vượt trước a) b) và kéo theo từ trường Fδ trên mặt stato Hình 21-10. Từ trường ở khe hở khi (hình 21-10a). Còn khi làm việc như máy điện đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ điện thì θδ < 0, từ trường máy phát (a) và ở chế độ động cơ (b) tổng Fδ trên mặt stato kéo rôto (hoặc F0) quay theo (hình 21-10b). Chính lực kéo đó biểu thị cho công suất P. Khi θδ thay đổi, lực kéo giữa F0 và Fδ sẽ thay đổi và P thay đổi theo.
Q 0,8 5.6.2. Đặc tính góc công suất 0,4 phản kháng: Q = f(θ) +θ -θ θ Công suất phản kháng của máy - 0,4 điện đồng bộ bằng: - 0,8 Q = mUI.sinφ = mUI.sin(ψ - θ) - 1,2 F Đ = mU(Isinψcosθ – Icosψsinθ) = mU(Id.cosθ – Iq.sinθ) Hình 21-11. Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ cực lồi. Thay Id và Iq ở biểu thức (21-12) ta có: mU 2  1 1  mU 2  1 1  mUE  −  cos 2θ − + cos θ + Q= (21-16) 2  xq xd  2  xq xd  xd     Ta thấy, dù θ dương hay âm thì Q vẫn không đổi, nên đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát và động cơ điện đồng bộ là giống nhau (hình 21-11). Trong phạm vi – θ < θ < +θ, máy phát công suất phản kháng vào lưới điện. Ngoài phạm vi trên máy tiêu thụ Q từ lưới.
5.7. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5.7.1. Tổn hao trong máy điện đồng bộ • Tổn hao đồng trên dây quấn phần tĩnh. Tổn hao này phụ thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng, thường tính ở 750C. • Tổn hao sắt từ: là công suất mất mát trên mạch từ do từ trường biến đổi hình sin (ứng với tần số f1). Tổn hao sắt phụ thuộc vào từ cảm, tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép. • Tổn hao kích từ: là công suất tiêu hao trên điện trở của dây quấn kích từ và các chổi than. • Tổn hao phụ: bao gồm: - Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của stato và các bộ phận khác của máy do từ trường tản của dòng điện phần ứng sinh ra. - Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt lõi thép rôto (máy cực ẩn) do từ cảm khe hở có sóng điều hoà răng vì stato có rãnh.
- Tổn hao ở răng của stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thông chính và do các sóng điều hoà bậc cao có tần số khác f1. • Tổn hao cơ, bao gồm: - Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khí làm mát hoặc các chất làm mát khác vào trong máy. - Tổn hao ma sát ở ổ trục, ở bề mặt rôto khi rôto quay trong môi trường làm lạnh… Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích thích chiếm khoảng 65% tổng tổn hao, tổn hao trong lõi thép stato chiếm khoảng 14%. Ở các máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm, tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép stato chiếm tới 37%. Tổn hao phụ có thể chiếm tới 11% đối với máy phát tuabin nước trong đó chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch. Với máy phát tuabin hơi, tổn hao phụ khoảng 18%, trong đó tổn hao phụ trong đồng của dây quấn stato là chủ yếu.
• Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn thường dùng các biện pháp sau: 1. Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày khoảng 4 ÷ 5 mm và hoán vị vị trí của chúng ở trong rãnh sao cho dọc chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở tất cả các vị trí từ phía đáy rãnh lên miệng rãnh. 2. Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng thép không từ tính. 3. Tiện xoắn ốc bề mặt rôto của máy phát tuabin hơi.