Kỹ thuật điện_ Phần 2.10

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:1

Thêm vào BST

Báo xấu

162
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật điện_ Phần 2.10 " Máy điện đồng bộ" dành cho các bạn học viên, sinh viên đang theo học các ngành liên quan đến điện- điện tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điện_ Phần 2.10

CHƯƠNG 10 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 10.1. MỞ ĐẦU Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rô to bằng tốc độ từ trường quay. Hầu hết các máy điện đồng bộ làm việc như máy phát có tần số 50 Hz hoặc 60Hz. Máy điện đồng bộ cũng có thể làm việc như động cơ đồng bộ công xuất lớn. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm máy bù đồng bộ nhằm cải thiện hệ số công suất của lưới điện một xí nghiệp hay một nhà máy. Sự khác nhau căn bản giữa máy điện đồng bộ và không đồng bộ là ở phương pháp kích thích tạo từ trường chính cho máy. Ở máy điện đồng bộ từ trường chính được sinh ra do dòng một chiều chạy qua cuộn dây kích từ, do đó máy đồng bộ không cần lấy công xuất phản kháng từ lưới điện xoay chiều; còn máy điện không đồng bộ phải lấy công suất kháng từ lưới điện xoay chiều hoặc từ tụ điện để tạo từ trường chính (từ trường quay). 10.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Căn cứ vào chức năng máy điện đồng bộ có thể chia thành phần cảm và phần ứng: - Phần cảm tạo ra từ trường chính (phần kích từ), -Phần ứng là phần thực hiện biến đổi năng lượng. Căn cứ vào cấu tạo máy điện đồng bộ có thể chia thành phần tĩnh: stato và phần quay: rô to. Về nguyên tắc stato có thể là phần cảm, cũng có thể là phần ứng và rô to cũng có thể là phần ứng hoặc phần cảm. Tuy nhiên nếu phần ứng ở rô to thì phải lấy dòng điện xoay chiều ra qua vành trượt nên gặp khó khăn trong việc giải quyết tia lửa điện. Vì vậy phần ứng đặt ở rôto chỉ có ở những máy công xuất nhỏ hoặc một pha. Các máy còn lại rôto làm nhiệm vụ phần cảm.. Cấu tạo phần tĩnh(stato) Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như hình 10.1, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ. Cuộn kích từ Nếu stato là phần ứng thì cấu tạo lá thép giống như lá thép stato của máy điện dị bộ (xem hình 9.1a). Ngoài mạch từ là vỏ bằng gang. Cấu tạo của máy dị bộ lúc này giống như máy điện dị bộ, tuy nhiên vỏ không có Hình 10.1 lõi thép phần cản ở stato các gân tản nhiệt. 132
Nếu rô to là phần cảm thì chia làm hai loại: Rôto cực ẩn: lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngoài phay thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ (hình 10.2). Cực từ rôto của máy cực ẩn không lộ ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3chu vi rô to . Với cấu tạo như trên rô to cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500v/ph trở lên đều được chế tạo với rôto cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rôto cực lồi (hiện). C ực t ừ Cuộn dây kích từ Hình 10.2 Rô to cực ẩn Hình 10.3 Rô to cực hiện Rôto cực hiện: lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt. Phía ngoài cực từ là mỏm cực, có tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bố dọc theo stato rất gần với hình sin. Dây quấn kích từ quấn trên các cực từ hình thành cuộn dây kích từ, hai đầu cuộn dây kích từ nối với hai vành trượt qua hai chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngoài. Những máy đồng bộ có tốc độ nhỏ hơn 1000 v/ph rôto thường là loại cực lồi(cực hiện).Hiện nay, người ta thường dùng máy phát đồng bộ không chổi than. Cấu tạo của loại máy phát này được trình bày trên hình 10.3a. Hệ thống gồm: Cuộn dây stator chính ba pha, cuộn dây kích từ chính, cầu chỉnh lưu ba pha, cuộn dây stator của máy kích từ, cuộn dây kích từ cho máy kích từ. Rô to Stato Hình 10.3a Sơ đồ máy phát đồng bộ không chổi than Vỏ các máy đồng bộ có gắn bảng định mức chứa các thông số sau: - điện áp định mức [V, KV] - dòng định mức [A, KA] 133
- tần số định mức [Hz] - Hệ số công suất định mức cosϕ đm. - Dòng kích từ định mức. - Điện áp kích từ định mức. - Công suât ssịnh mức [VA, KVA] - Vòng quay định mức[V/p] 10.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG. Trên (hình 10.4) biểu diễn sơ đồ máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực. Cuộn dây phần ứng đặt ở stato còn cuộn dây kích từ đặt ở rôto. Cuộn dây kích từ được nối với nguồn kích từ (dòng 1 chiều) qua hệ thống chổi than. Để nhận được điện áp 3 pha trên chu vi stato ta đặt ba cuộn dây cách nhau 120 o và được nối sao(có thể nối tam giác). Dòng điện 1 chiều tạo ra từ trường không đổi. Bây giờ ta gắn vào trục rôto một động cơ lai và quay với tốc độ n. Ta được một từ trường quay tròn có từ thông chính Φ khép kín qua rôto, cực từ và lõi thép stato (hình 10.4) Từ thông của từ trường quay cắt các thanh dẫn phần ứng, làm xuất hiện trong 3 cuộn dây 3 sđđ : e A = E m sin ωt; 2π E B = E m sin(ωt- ) ; 3 2π eC=Emsin( ωt + ) 3 Trong đó tần số biến thiên của các sđđ biểu diễn bằng ω =2πf . Nếu số cặp cực là p thì tần số biến thiên f của dòng điện sẽ là: np f= 60 Hz (10.1) Ta nhận thấy tần số biến thiên của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto và số đôi cực . Nếu bây giờ ta tải 3 pha của máy điện bằng 3 tải đối xứng, ta có dòng ba pha đối xứng. 134
Theo nguyên lý tạo từ trường quay nên trong máy phát đồng bộ lúc này cũng xuất hiện từ trường quay mà tốc độ xác định bằng biểu thức: 60f n tt = p (10.2) Thay (10.1) vào (10.2) ta có n = n tt . Như vậy ở máy đồng bộ, tốc độ quay của rô to và tốc độ quay của từ trường tải bằng nhau. Hai từ trường này ở trạng thái nghỉ với nhau. 10.4 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG MÁY PHẤT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ trình bày trên đây là nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ. Khi máy điện đồng bộ có tải, trong máy phát có hai từ trường (từ trường kích từ và từ trường phần ứng) nằm ở trạng thái nghỉ với nhau nên chúng sẽ tác động tương hỗ với nhau. Sự tác động từ trường phần ứng lên từ trường kích từ (từ trường chính) gọi là phản ứng phần ứng. Phản ứng phần ứng có thể làm yếu, làm tăng hoặc làm biến dạng từ trường chính. Ta hãy xét cho từng loại tải. 10.4.1. Phản ứng phần ứng máy đồng bộ với tải khác nhau. a. Khi tải thuần trở: Khi vị trí rô to như ở hình 10.5a, trong các dây dẫn của pha A dòng điện đạt giá trị cực đại i = I m , sđđ cũng đạt giá trị cực đại e = E m , vì tải thuần trở dòng điện và điện áp trùng pha nhau (hình 10.5b). Hướng sđđ và hướng dòng điện trong các pha A,B,C có thể sác định theo qui tắc bàn tay phải còn chiều từ thông do các dòng điện sinh ra xác định bằng qui tắc vặn nút chai. Từ hình 10.5c ta thấy rằng chiều từ thông dòng tải có huớng ngang với từ thông chính và mang tên là phản ứng ngang. Giá trị cực đại của từ trường chính nằm ở dưới các cực trên trục d - d', còn stđ phản ứng phần ứng Faq có giá trị cực đại trên trục q - q'. Điều này làm cho sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí dưới các cực từ không đối xứng: một bên cực 2 từ thông cùng chiều nên cộng nhau còn bên kia 2 từ thông ngược chiều nên trừ đi nhau. Kết quả từ trường chính bị biến dạng: phía nửa cực được tăng cường ngược với chiều quay (hình 10.5c) A d q d q’ d’ q + b) Ea c) a) Y N S + + Z n n q q’ IA Fe IC ϕ=0 Fa Eaq C • • IB B • EB EC X d’ Hình 10.5 Phản ứng ngang máy điện đồng bộ 135
π b) Tải thuần cảm kháng ( ϕ = 2 ) π Sđđ cảm ứng trong các cuộn dây nhanh pha so với dòng điện một góc 2 . Dòng điện trong pha A đạt được giá trị cực đại khi giá trị Sđđ có giá trị zero, còn rôto chiếm vị trí như hình 10.6a. A d q d q’ d’ q + b) Ea c) a) Y N S + Z q + q’ IC ϕ=900 F0 IA Fa Ead C • • B • IB EB EC X d’ Hình 10.6 Phản ứng dọc khử từ máy điện đồng bộ Hướng của dòng trong các pha A, B, C cùng hướng từ thông do nó sinh ra xác định giống như phần trước. Từ hình vẽ, chúng ta thấy rằng chiều của từ trường phần ứng hướng dọc theo trục cực. Sự phân bố từ thông như vậy gọi là phản ứng dọc trục. Khi tải thuần cảm thì chiều từ thông phản ứng ngược chiều từ trường chính nên từ trường chính bị yếu đi, máy bị khử từ. π c. Tải thuần dung ( ϕ = − 2 ). π Dòng điện tải vượt pha so với sđđ một góc 2 hình 10.7. Theo nguyên tắc xác định chiều từ trường phần ứng ta thấy trục của từ trường phần ứng trùng với trục cực nhưng 2 từ trường này cùng chiều nên từ trường chính được trợ từ. A d q d q’ d’ q n + b) Ea c) a) Y N S + Z q + q’ IB F0 n n ϕ=-900 IA Fa Ead C • • B IC • EB EC X d’ Hình 10.7 Phản ứng dọc trợ từ máy điện đồng bộ π d. Tải hỗn hợp (0 < ϕ < ± ) 2 Như chúng ta thấy từ các trường hợp trước, nếu dòng tải I trùng pha với π sđđ Eo (ϕ = 0) thì ta có phản ứng ngang, còn nếu ϕ=± 2 ta có phản ứng dọc 136
π trục.Khi tải là tổng trở 0
Song ở máy cực hiện khe khí không đều nhau nên dạng sđđ hình sin Fad và Faq lại tạo ra các đường cong cảm ứng từ không hình sin. Phân tích đường cong không hình sin ra chuỗi Fourie, và giả thiết rằng sđđ trong cuộn dây có dạng thực tế là hình sin, các sóng của từ trường bậc cao không có ảnh hưởng lắm, do đó đường không sin của độ cảm ứng có thể được thay thế bằng sóng bậc 1(hình sin), (đường B'aq và B' ad ). Do khe khí không đều nên biên độ đường cong B' adm và B’aqm nhỏ hơn Badm bà Baqm. Ta có: B ' adm B ' aqm < 1 và
Trong đó: µ o là độ thẩm từ không khí. Kδ và δ là hệ số chú ý tới độ dẫn từ của không khí và chiều rộng của khe khí. Để tìm giá trị stđ của cuộn kích từ FBd tương ứng với phản ứng phần ứng dọc trục Fad ta mang so sánh giá trị cảm ứng cực đại của từ trường phản ứng và từ trường kích từ có chú ý tới hệ số hình dạng của từ trường ta được: µ0 µ Fad k d = 0 FBd k f Kδ δ Kδ δ Từ đây ta có: kd FBd = k Fad = kadFad (10.7) f Trong đó: kd k aq = hệ số chuyển đổi stđ phản ứng theo trục dọc và mang tên kf hệ số phản ứng phần ứng trục dọc. Tương tự ta có: kq FBq = Faq = k aq .Faq (10.8) kf Trong đó: kq k aq = là hệ số phản ứng phần ngang. kf b δm δ Các hệ số này phụ thuộc vào , , các đại lượng b,τ , δ , δ m biểu τ δ τ diễn ở hình 10.8. Để xác định các hệ số kad và kaq cho máy cực hiện dùng bảng hoặc đường cong riêng. Khi cần tính mời độ giả tham khảo [2] Để xác định các hệ số kad và kaq chúng ta còn có thể xác định stđ tương đương của kích từ theo trục dọc FBd và trục ngang FBq như sau : 3 2 W.k cd FBd = Fad .k ad = .k ad .I d (10.9) π p 3 2 W.k cd FBq = Faq .k aq = .k aq .I q π p Sử dụng mối quan hệ: FB = Wkt .I kt ta có thể tìm được dòng kích từ tương đương trục dọc và trục ngang: k ad I ktd = Fad . (12.10) Wkt 139
k aq I ktd = Faq . Wkt Sđđ cảm ứng trong cuộn phần ứng sẽ bằng: E ad = X ad .I d (10.11) E aq = X aq .I q trong đó X ad và X aq trở kháng phản ứng dọc và ngang trục. 10.6. PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG MÁY PHÁT CỰC ẨN Ở máy cực ẩn khe khí đều nhau. Nếu máy không bão hoà thì với stđ hình sin sẽ tạo ra sự phân bố từ trường hình sin. Đường cong hình sin này không phụ thuộc vào vị trí tương hỗ gữa các cực stato và roto, hay nói một cách khác mạch từ đối sứng theo các trục nên kad = kaq , máy hkông có biểu hiện phản ứng ngang và phản ứng dọc. Cuộn kích từ chỉ đặt trong khoảng 2 3 ÷ 4 5 chu vi, phần còn lại không có cuộn dây gọi là vùng răng lớn. Với cách phân bố cuộn dây như vậy ta có thể giả thiết rằng stđ cuộn kích từ Fa phân bố theo chu vi rôto có dạng hình thang (hình 10.10). Phân tích sang chuỗi rồi xác định biên độ sóng bậc 1 stđ kích từ F1Bm . Để tìm stđ cuộn kích từ tương đương với phản ứng phần ứng, ta so sánh giá trị biên độ của sóng cơ bản từ trường kích từ với biên độ sóng cơ bản từ trường phản ứng có chú ý tới hệ số từ trường kích từ kf, ta có: 1 3 2 Wk cd Ftdkt = Fa = ka Fa = . .ka I (10.12) kf π p FB FBm ρ τ π Hình 10.10 Đường cong stđ cuộn kích từ của máy đồng bộ cực ẩn 140
Trong đó: Fa biên độ sóng bậc 1 từ trường phản ứng, I dòng pha của phần ứng khi tải đối xứng. k a -Hệ số tính chuyển đổi và tính như sau: 1 π 3γ ka = = kf π (10.13) 8 sin γ 2 2ρ Trong đó: γ = , ρ biểu diễn ở hình 10.10 π Dòng kích từ tương đương với dòng I tính được: ka I kttd = Fa (10.14) Wkt Sđđ cảm ứng trong cuộn dây phần ứng E a tỷ lệ với dòng phần ứng khi µ=conts thì: Ea=XaI Trong đó: X a điện trở kháng phản ứng phần ứng của máy cực ẩn. 10.7 ĐỒ THỊ VECTOR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 3 PHA 10.7.1. Đồ thi vec-tơ sđđ máy phát cực ẩn. Đồ thị véc tơ cho ta khả năng phân tích quá trình xảy ra trong máy phát đồng bộ, cho ta nhận được bằng tính toán các tính chất cơ bản, đồng thời xác định được góc hợp bởi giữa E 0 và điện áp U cần thiết cho việc tính toán mô men và công suất trong các chế độ của máy phát. Sơ đồ véc tơ còn cho phép ta tính dòng kích từ khi thiết kế máy ở những chế độ làm việc khác nhau của máy phát. Khi dùng đồ thị véc tơ ta cần chú ý rằng từ thông phản ứng phần ứng không phải chỉ phụ thuộc vào stđ của phần ứng mà nó còn phụ thuộc vào mức độ bão hoà của mạch từ và cấu tạo của cực từ v.v. do đó ta phải xét đồ thị véc tơ trong 4 trường hợp: máy cực ẩn khi chưa bão hoà và khi đã bão hoà, máy cực hiện khi chưa bão hoà và khi đã bão hoà. a. Đồ thị vector của máy cực ẩn khi chưa bão hoà biểu diễn ở hình: 10.11 Khi máy đối xứng, ta chỉ cần nghiên cứu cho 1 pha. Với máy chưa bão hoà có thể giả thiết rằng stđ tỷ lệ với dòng điện sinh ra nó, mà dòng điện này tỷ lệ với sđđ cảm ứng. Máy phát cực ẩn có các loại từ thông sau đây và ứng với nó là sđđ. 1.Từ thông kích từ φ 0 ≡ E0 2. Từ thông phản ứng phần ứng φ a ≡ Ea 3. Từ thông tản φ t ≡ Et 141
4. Vector từ thông tổng φ p và sđđ tổng Ep nhận được bằng tổng hình học của các vector thành phần:       φ = φ a + φ o và E p = E a + E o (10.15) Để dựng đồ thị vector ta xuất phát từ các đại lượng sau đây: U, I , cosϕ, R, Xs, φ a. Sử dụng đồ thị vector ta tìm các đại lượng: E0,ψ, θ, φ 0. Dựng đồ thị véc tơ bắt đầu từ đặt vector U trùng với trục tung. Giả thiết tải có tính cảm kháng nên vector I hợp với U một góc ϕ>0 , góc ϕ tính được theo E0 φ =f(i) -Et A -Et E0 B Et Et Ep Ep Era Era I I U U θ θ ϕ ϕ ψ ψ 900 900 900 90 0 900 900 φp Et Fp Et φa Ea Fa Ea φ0 F0 Hình 10.11 Đồ thị véc tơ của máy cực ẩn chưa bão hoà. Hình 10.12 Đồ thị véc tơ của máy cực ẩn bão hoà. Rt biểu thức: cosϕ = trong đó Rt và Zt là điện trở và tổng trở tải. zt Từ thông tản φ t có phương trùng với vector I tạo ra một sđđ E t vuông π góc với φ t và chậm so với dòng I một góc 2 . Trên cơ sở định luật 2 Kirchof ta có:     U = E p + E t + E ra (10.16)   Trong đó E ra = IR (R điện trở đồng cuộn dây) có chiều ngược với dòng điện nhưng trùng pha với I. 142
Theo (10.16) ta dựng vector E p theo trình tự sau: bắt đầu đặt vector U trùng với trục tung; hợp với nó một góc ϕ dựng vector I. Từ mút U cộng vector E Ra và E t ta nhận được vector sđđ tổng E p . Ở máy phát cực ẩn từ thông phản ứng φ a trùng pha với dòng tải I và π cảm ứng trong cuộn dây stato một sđđ Ea chậm pha so với I một góc 2 . Từ mút E p dựng vector -Ea nhận được E o . Từ đồ thị vector ta thấy rằng khi tải cảm kháng thì phản ứng phần ứng làm giảm từ thông máy phát φ pE0 . Tương tự như vậy nếu tải có tính dung kháng thì vector I vượt pha điện áp một góc ϕ, và vượt sđđ một góc ψ, phản ứng phần ứng trợ từ, do vậy φ p>φ 0 và EpE0 mà U>Ep. b. Đồ thị véc tơ của máy cực ẩn bão hoà(hình 10.12) Vì ở máy bão hoà sự phụ thuộc giữa stđ và từ thông là phi tuyến (I ≡ Fa ≠ φ a ) do đó Ea ≠ I, nên đoạn AB ứng với vector E a sẽ không vuông góc với dòng điện. Để tìm vector E o ta sử dụng đặc tính không tải của máy phát. Theo đặc tính không tải ta xác định stđ tổng hợp Fp theo giá trị E p . Véc tơ Ep π vượt trước Ep một góc 2 . Vector stđ phản ứng phần ứng Fa trùng với véctor dòng I. Tính tổng hình học các vector Fp và Fa ta tìm được vector stđ kích từ Fo , stđ này tỷ lệ với E o . Khi có Fo dùng đặc tính không tải xác định được E o , π E o chậm sau Fo một góc . 2 10.7.2. Đồ thị vector của máy phát đồng bộ cực hiện. a. Đồ thị vector của máy phát cực hiện chưa bão hoà. Với máy chưa bão hoà ta thực hiện dựng đồ thị vector như ở máy cực ẩn. Trên hình 10.13 biểu diễn đồ thị vector của máy phát khi tải có tính cảm π kháng 0
π tổng hình học của E ad và E aq chậm pha với dòng I một góc khác . Sở dĩ 2 như vậy vì ở máy cực hiện hệ số kad và kaq không bằng nhau nhưng khi tính Fad , Faq ta lại dựa vào các hệ số đó. Từ hai đại lượng Fad, Faq tìm Ead, Eaq . Sđđ E a là tổng hình học của Ead và Eaq nên không lệch pha một góc 90 o so với I. Vector E t vuông góc với I, còn E ra song song với I. Véc tơ điện áp tìm dựa vào (10.16). b. Đồ thị vector cho máy cực hiện bão hoà. Sơ đồ vector biểu diễn ở hình 10.14. Các đại lượng cho trước là I, U, cosϕ, R, Xs, Fa, kad, kaq, đặc tính không tải. Trong trường hợp này có thể không tải máy đồng bộ. Chỉ dùng sơ đồ vector để tìm E0,ψ và θ. Giống như trước từ vector U trùng với trục tung ta dựng véc tơ dòng điện hợp với U một góc ϕ . Đặt vector E ra song song với dòng điện và E t vuông góc với dòng điện (đoạn AB). Góc ψ chưa biết song ta có thể xác E aq định được nó như sau: Kéo dài đoạn AB thêm một đoạn BC = , giá trị cos ψ này có thể tìm từ đặc tính không tải. Stđ phản ứng phần ứng theo trục ngang tính chuyển về cuộn kích từ F'aq có giá trị: F’aq = kaqFacosψ F ' aq do đó: = k aq Fa cosψ Giá trị kad và kaq tìm từ hình 19.6 của[2] rồi tính giá trị kaq.Fa. C E0 E H φ =f(i) -Et Ea B M E0 ψ Est D Et Ep Ep A Era Era I I U θ U ψ θ ϕ Id Iq Iq ψ Id E aq ϕ Id φ aq 900 φ ad cosψ Eaq 900 0 kaqFq N K F0-F’ad F’ad Ea F0 φ0 F0-F’ad Ead F0 Hình 10.13 Đồ thị véc tơ của máy cực ẩn chưa bão hoà. 144 Hình 10.14 Đồ thị véc tơ của máy cực ẩn bão hoà.
E aq Đặt kaqFa theo tục hoành, sử dụng đặc tính không tải tìm = BC . cosψ Đường BC xác định hướng Eo . Hạ đường vuông góc với hướng Eo từ điểm B, góc DBC = ψ . Đoạn OD là vector sđđ tổng theo trục nó bằng: Eo − E ad . Sử dụng đặc tính không tải ta tìm giá trị stđ tổng theo trục dọc bằng Fo − F ' ad . Ta có Fad = k ad Fa sin ψ . Hệ số kad tìm theo hình 19.6 [2]. Cộng F ' ad tìm được stđ kích từ Fo . Sử dụng đường không tải tìm Eo . Ở máy bão hoà giá trị Ea (phản ứng phần ứng tổng) không vuông góc với dòng điện. Trên đây chúng ta đã trình bày cách dựng đồ thị vector cho máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực hiện. Trong các sơ đồ trên ta vẫn giữ nguyên các giá trị sđđ ở trong các phần tử điện trở và phản ứng phần ứng. Để thuận tiện ta chuyển chúng sang dạng điện áp theo các nguyên tắc sau:      E a = − JIX a , E t = JIX t , E Ra = − IR a Lúc này phương trình(10.16) có dạng :    E o = U + JIX t + JIX a + IR a (10.16.b) vì R a
Ta có: DA = DB + MK Nhưng: BD = − E ad = JI d X ad     M k = − Etad = JIX t sinψ = JI d X t Do đó: DA= JI d ( X ad + X t ) = JI d X d   Đoạn: AN = BM + KN Nhưng: BM = − E aq = JI q X aq  KN = − E atq = JIX t cosψ Do vậy: AN = JI q ( X aq + X t ) = JI q X q Trong đó: X d = X ad + X t là trở kháng đồng bộ theo trục dọc. X q = X aq + X t trở kháng đồng bộ theo trục ngang. 10.7.3. Đồ thị vector của máy phát đồng bộ khi ngắn mạch. Máy phát đồng bộ có thể ngắn mạch 1 pha, 2 pha hay 3 pha. Ta xét cho trường hợp ngắn mạch 3 pha. Dòng ngắn mạch 3 pha ổn định thực chất chỉ có thành phần dọc trục I ngm = I ad , vì vậy góc ψ ngm có thể coi bằng 90 0 và  JI aq = 0 . Phản ứng phấn ứng dọc trục và khử từ, từ thông chính bị giảm đi rất nhiều nên máy trở thành không bão hoà, từ thông tổng φ p rất nhỏ. Bỏ qua điện trở thuần cuộn dây nên IR a ≈ 0 . Vì khi ngắn mạch ta có U = 0, IR a = 0 , JI aq = 0 , ψ ngm =900 nên I ngm = I ad  • • • do đó E 0 = E p + E ad Đồ thị véc tơ biểu diễn trên hình 10.17 E0 E ad Hình 10.17 Đồ thị véc tơ máy điện đồng Ep bộ khi ngắn mạch 3 pha φ0 Ingm 146
Dòng ngắn mạch xác định bằng biểu thức:. Eo Eo I ngm ≈ = (10.17) Xd X ad + X t Bằng các đặc tính ngắn mạch và không tải ta có thể xác định được giá trị X d 10.8 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ. Để phân tích máy đồng bộ người ta dựa vào các đặc tính lấy được từ thí nghiệm hay xây dựng trên cơ sở của đồ thị véc tơ. Thông thường các máy điện đồng bộ làm việc với tốc độ không đổi nhằm giữ cho tần số không đổi. Vì thế các đặc tính được lấy với tốc độ không đổi. Để so sánh các máy điện có cấu tạo, công xuất khác nhau người ta không dùng các đại lượng vật lý mà dùng đại lượng tương đối. Ở hệ thông đo lường này các đại lượng điện áp, dòng điện, công xuất được biểu diễn bằng phần trăm đại lượng so sánh (đại lượng cơ bản) được nhận giá trị 1. Ở máy điện đồng bộ các đại lượng sau đây được coi là đại lượng cơ bản (so sánh) 1. Công suất định mức Pdm = m.U dm .I dm 2. Điện áp pha định mức khi máy không tải U dm = Eo . 3. Dòng định mức pha I dm . 4. Mô men định mức M dm . 5. Tốc độ quay định mức của rô to ωdm . E 6. Tổng trở định mức Z dm = I o dm Trên cơ sở các đại lượng cơ bản này ta biểu diễn các đại lượng khác của máy đồng bộ ở đại lượng tương đối (thêm dấu sao) như sau : P U P∗ = ; U∗ = Pdm U dm I M I∗ = ; M∗ = I dm M dm 10.8.1. Đặc tính không tải. Đặc tính không tải là mối quan hệ hàm giữa sđđ với dòng kích từ E o = F ( I kt ) khi dòng tải I=0 và n=nđm. .* Ở chế độ không tải Ađiện áp U bA ng sđđ pha U = *EoW Trên hình ằ 2.19biểu diễn sơkt đồ thí nghiệm.(hình 10.18) 1 i + A kA V V k kB kC C B A - V R W2 147 * * Hình 10.18 Sơ đồ nói mạch để lấy các đặc tính máy phát đồng
Để có đặc tính không tải ta mở các khoá k, kA, kB, kC rô to quay với tốc độ không đổi, bằng điện trở R ta có thể thay đổi dòng kích từ từ giá tri lớn nhất tới giá trị nhỏ nhất. Số chỉ các đồng hồ sẽ cho ta các giá trị cần thiết. Từ số chỉ của các đồng hồ ta dựng mối quan hệ Eo = f ( I kt ) Đặc tính biểu diễn trên hình 10.19. Do có hiện tượng từ trễ đặc tính E0 = f( I kt ) khi ikt tăng và khi ikt giảm không trùng nhau. Điểm cắt của đặc tính với trục tung (khi i kt = 0) là đại lượng sđđ dư của máy phát. E0 Ta có thể giả thiết rằng đặc tính không tải là E0=Uđm đặc tính kích từ của máy phát. Với mỗi máy đường đặc tính kích từ thường không biết vì thế để nhận đặc tính khác hoặc dựng đồ thị véc tơ ta dùng đặc tính không tải thay cho đặc tính kích từ. Đặc tính không tải cho các máy khác nhau ở đại lượng tương đối không khác ikt nhau mấy. Đối với mạch phần cảm, dòng kích từ được nhận là dòng so sánh, thường là dòng kích từ cho giá trị điện áp khi không tải, chứ Hình 10.19 Đặc tính không tải không phải dòng kích từ định mức. Sở dĩ như máy phát đồng bộ. vậy vì với dòng I kt 0 là giá trị so sánh, thì đặc tính không tải cho các máy phát khác nhau cắt nhau tại một điểm. Nếu đường nào nằm trên điểm đó sẽ có độ bão hoà lớn hơn. Để tiện cho tính toán ta thường dùng đặc tính không tải trung bình là đường đi qua điểm gốc toạ độ và không có vùng từ trễ (đường không liên tục trên hình 10.19). 10.8.2. Đặc tính ngắn mạch. Đặc tính ngắn mạch là mối quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch với dòng kích từ khi điện áp U = 0 và n = ndm . Ngắn mạch có thể 3 pha khi cả 3 khoá kA, kB, kC đóng (hình 10.18), hai pha khi kA và kB đóng, và 1 pha khi kA đóng (hoặc kB hay kC). Khi làm thí nghiệm ngắn mạch thường cho dòng kích từ nhỏ nên mạch từ không bão hoà, do đó mối quan hệ Ingm =f(ikt) thường tuyến tính. Sự phi tuyến chỉ xuất hiện khi dòng ngắn mạch vượt giá trị định mức nhiều. Trên hình 10.20 biểu diễn đặc tính ngắn mạch cho 3 trường hợp: Ngắn mạch 3 pha (đường 3), 2 pha ( đường 2) và 1 pha (đường 1). 148
Từ hình vẽ chúng ta thấy rằng vì ngắn mạch 3 pha có phản ứng phần lớn nên nằm dưới cùng, sau đó là ngắn mach 2 pha và nằm trên cùng là ngắn mạch một pha. Nếu máy có từ dư thì đường đặc tính sẽ cắt trục tung tại điểm tương ứng với từ dư. Đặc tính không tải cùng với đặc tính ngắn mạch cho phép ta xác định được tam giác đặc trưng, và ta có thể sử dụng tam giác đặc trưng này để dựng đồ thị véc tơ. Khi ngắn mạch đối xứng (3 pha) ta đặt dòng kích từ I ktngm sao cho dòng ngắn mạch của máy bằng dòng định mức thì stđ của các cực từ F0 sẽ tạo ra cho sđđ E0 . Nếu bỏ qua hiện tượng bão hoà từ thì đó là điểm D (đường thẳng kéo dài của đường không tải). ingm E,I D 1 Uđm Ead E=f(ikt) 2 E0 B Ingm=f(ikt) 3 Iđm M Ep N Iongm ikt 0 Fp A Fad ikt0 C ikt,F Hình 10.20 Đặc tính ngắn mạch máy F0 phát đồng bộ: 1) Ngắn mạch 1 pha,2) Ngắn mạch hai pha, 3)Ngắn mạch ba Hình 10.21 Xác định tỷ số ngắn mạch pha Như phần trước đã nói dòng ngắn mạch ổn định này chỉ là thành phần dòng dọc trục I ngm = I ad và stđ của phản ứng phần ứng Fad sẽ có tác dụng khử từ do vậy stđ tổng: E p = E s = I dm X sad sẽ nhỏ hơn E0 một đại lượng Ead xác định bằng: E ad = I dm X ad tức là: E p = E0 - E ad (10.18) Đặt E p lên đặc tính không tải ta có điểm B. Trong tam giác ABC có : AC = Fad , AB = E p . Từ giá trị ở hình 10.21 ta có thể dựng được hình 10.17. - Tỷ số ngắn mạch : Đó là tỷ số dòng ngắn mạch đối xứng đối với dòng định mức. Theo định nghĩa ta có: I ongm K ngm = vì rằng: I dm 149
U dm I ongm = thì Xd U dm 1 K ngm = = X* (10.19) I dm X d d * Trong đó: X d là đại lượng tương đối. Từ tam giác đặc trưng ta có : CN I ongm I okt K ngm = = = I (10.19a) CM I dm ktngm Như vậy hệ số ngắn mạch có thể tính được bằng tỷ số dòng kích từ. Hệ số ngắn mạch là một thông số rất quan trọng của máy điện vì cùng với X d ta có thể xác định được giới hạn của tải ở chế độ công tác ổn định. Nếu hệ số ngắn mạch càng lớn thì giới hạn tải càng lớn. Với máy điện cực ẩn hệ số ngắn mạch có giá trị 0,8 ÷ 1,8; còn cực hiện 0,4 ÷ 0,7 và ở các máy phát điện tàu thuỷ hệ số ngắn mạch có giá trị 0,6 ÷ 1,0. 12.8.3 Đặc tính tải. Đặc tính tải là mối quan hệ giữa điện áp và dòng kích từ khi I = const, cosϕ = const và n = n dm . Đặc tính này không liên quan trực tiếp tới một chế độ nào của máy phát và được dùng như đặc tính phụ để biểu diễn một số đặc điểm của máy và xác định một số thông số của máy, ví dụ: trở kháng của máy. Đặc tính tải π quan trọng nhất là đặc tính tải thuần kháng. ( cos ϕ = 0, ϕ = ) vì thế để thực 2 hiện thí nghiệm ở hình 10.18 người ta dùng tải là biến áp tự ngẫu hay cuộn kháng có độ cảm kháng thay đổi. Mở công tắc kA, kB, kC và đóng công tắc k, thay đổi tải, thay đổi điện trở kích từ R, giữ I = const. Để giữ cos ϕ = const ta có thể điều chỉnh mô men của động cơ lai. Trên hình 10.22 chúng ta biểu diễn dặc tính tải cho các loại tải khác nhau (có sự phản ứng phần ứng khác nhau). cosϕ=0.8 ϕ0 Uđm A A C C B A C ikt Hình 10.22 Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ 150
Khi tải thuần cảm thì chỉ có phản ứng phần đứng dọc trục nên để có đặc tính tải thuần cảm ta có thể dùng đặc tính không tải và tam giác đặc trưng. Cách dựng thực hiện như sau: Cho đỉnh B của tam giác đặc trưng dịch chuyển tịnh tiến trên đặc tính không tải thì đỉnh C vẽ cho ta đặc tính tải thuần cảm (cos ϕ = 0, ϕ > 0 ) còn đặc tính tải có cos ϕ = 0,8 nằm trên đặc tính cos ϕ = 0. Cần lưu ý rằng các đặc tính này không song song với đặc tính không tải. Đặc tính cos ϕ = 0, ϕ