máy phát điện đồng bộ ba pha

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

187 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6

CHƯƠNG 06

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA

Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng. 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.

Ngày nay các máy phát điện công suất lớn có công suất vài trăm MVA với nguồn cơ năng dùng thủy lực hình thành các nhà máy thủy điện cung cấp cho khu vực hay quốc gia. Các máy phát điện có công suất nhỏ từ 10KVA đến 1MVA , với nguồn cơ năng là động cơ nổ Diessel, hình thành các nhà máy nhiệt điện nhỏ hay các tổ động cơ máy phát dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp.

Máy phát điện còn có khả năng đấu vận hành song song (hòa đồng bộ ) để nâng công suất cấp đến tải, hay dùng làm máy bù dùng nâng cao hệ số công suất. Với khả năng và phạm vi sử dụng rộng rãi của máy phát, các chuyên-viên kỹ-thuật cần nắm vững các nguyên lý cơ bản; để thuận lợi trong công tác vận hành và bảo quản.

6.1.CÂU TAO CU A MAY PHA T ĐÔ NG BÔ :

6.1.1. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH :

Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành phần chính :

ROTOR: còn được gọi là phần cảm dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (không biến thiên biên độ theo thời gian).

ROTOR CỰC TỪ LỒI dây quấn trên các cực từ được quấn tập trung, hình dạng của rotor cực lồi trình bày trong hình H6.1.

ROTOR CỰC TỪ ẦN : dây quấn trên rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố không tập trung, xem hình H6.3 và H6.4.

HINH H6.1: Kết cấu của rotor cực từ lồi, 2p = 4 Rotor chưa được đóng vào trục. Trên rotor đã có quấn dây quấn kích thích.

HINH H6.2: Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục.



HINH H6.3: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , rotor chưa được quấn dây.

HINH H6.4: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , dây quấn rotor đang được sửa chửa.



STATOR: còn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều giống như kết cấu của stator động cơ cảm ứng . Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha. Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 120o. Hình dạng của stator máy phát điện đồng bộ, trình bày trong hình H6.5, H6.6.

HÌNH H6.5: Dây quấn stator máy phát đang được thi công.

HÌNH H6.6: Stator máy phát đang được bảo trì.



6.1.2. HỆ THỐNG VÀNH TRƯỢT VÀ MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐẦU TRỤC :

Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor. Khi rotor được kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dòng một chiều được cấp vào rotor thông qua hệ thống vành trượt và chổi than.

Các vành trượt là hai vòng hình trụ bằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bố trí đồng trục với rotor. Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện, xem hình H6.7.

Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dùng cấp điện vào cho dây quấn rotor.

Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo công nghệ nhất định (để hình thành các từ cực trên rotor) sẽ đưa ra 2 đầu dây. Hai đầu dây này được bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này.

Với các máy phát điện có công suất lớn, từ 200 KVA trở lên, dòng một chiều được cấp vào phần cảm có giá trị rất lớn từ vài chục đến vài trăm Ampère trong quá trình vận hành. Tiếp xúc giữa chổi than và vành trượt dễ sinh ra các tia lửa điện khi rotor đang hoạt động; vấn đề bảo trì và vận hành tương đối phức tạp, ngoài ra tổn hao nhiệt do điện trở tiếp xúc (giữa chổi than và vành trượt) trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy phát điện.

Dạng máy phát điện dùng hệ thống chổi than và vành trượt để cấp nguồn một chiều cho phần cảm, được gọi là máy phát điện kích từ trực tiếp.

Ngày nay để khắc phục nhược điểm của hệ thống vành trượt và chổi than, các máy phát (sử dụng động cơ sơ cấp là động cơ nổ) thường được chế tạo theo dạng “ brushless” không chổi than. Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy phát điện đầu trục. Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đều trục được mô tả như sau:

Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha.

Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát chính. Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp.

Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần ứng của máy phát chính. Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích (loại một chiều).

HÌNH H6.7: Kết cấu vành trượt và chổi than trên stator.



Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát đầu trục . Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình thành các sức điện động cảm ứng .

Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính. Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên dĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính.

Tòan bộ kết cấu của máy phát điện dùng máy phát đầu trục kích từ được mô tả trong hình H6.8. Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng, tần số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục có giá trị cao hơn tần số lưới điện thông thường. Tần số này có thể từ 120Hz đến 240Hz . Do đó, số cực từ của máy phát đầu trục lớn hơn số cực của máy phát chính từ 3 đến 6 lần

HÌNH H6.8: Cấu tạo máy phát điện có dùng máy phát điện đầu trục (brushless alternator)

Stator máy phát điện chính

Rotor máy phát chính

Stator máy phát điện đầu trục

Rotor máy phát điện đầu trục



6.1.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ:

Với nội dung tóm lược về cấu tạo máy phát điện đồng bộ như vừa trình bày trong các mục trên, tùy thuộc vào phương pháp cấp dòng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm ta có các dạng máy phát kích thừ trực tiếp, và máy phát điện có máy phát kích từ đầu trục.

Sơ đồ nguyên lý của mỗi loại được trình bày lần lượt trong các hình H6.9 và H6.10. Trong hình H6.11 trình bày cấu tạo của nửa bộ chỉnh lưu câu dùng chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha từ phần ứng máy phát điện đầu trục thành nguồn một chiều để cấp vào phần cảm của máy phát chính.

HÌNH H6.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại kích từ trực tiếp)

HÌNH H6.10: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại không chổi than, dùng máy phát đầu trục.)

HÌNH H6.11: Hình dạng của nửa cầu chỉnh lưu dùng chỉnh lưu trong máy phát điện đồng bộ



6.2.NGUYÊN TĂC HOAT ĐÔ NG CUA MA Y PHA T ĐÔ NG BÔ :

Xét mô hình nguyên lý đơn giản của máy phát điện đồng bộ gồm:

Phần cảm (rotor) cực từ lồi 2p = 2 Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây

quấn, lệch vị trí không gian từng đôi 1200.

Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay phần cảm là n1. Vận tốc góc của động cơ sơ cấp là 11 n.2 . Vì từ thông tạo bởi dây quấn kích thích không biến thiên theo thời gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm của máy phát có biên độ không thay đổi. Do đó khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm tròn đều với tốc độ 11 n.2 , từ trường tạo bởi phần cảm chuyển động tròn đều cho ta hình ảnh của từ trường quay tròn.

Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thông xuyên qua bộ dây quấn AX . Gọi là góc hợp bởi phương

của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta có kết quả như sau:

cos.A.BAX (6.1)

Trong đó A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng tử tạo bởi phần cảm, thay thế tích số mA.B và t1 ta có:

tcos. 1mAX (6.2)

Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thông tạo bởi từ trường phần cảm với các bộ dây BY và CZ được viết như sau:

o1mBY 120tcos. (6.3)

o1mCZ 240tcos. (6.4)

Tóm lại khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các từ thông biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ . Nói một cách khác từ trường phần cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng trên mội bộ dây. Áp dụng công thức Faraday ta có các kết quả sau:

dttcos.d.K.N

dtd.K.Ne 1m

dqphaAX

dqphaAX

Hay: tsin..K.Ne 11mdqphaAX (6.5)

Tương tự:

o11mdqphaBY 120tsin..K.Ne (6.6)

o11mdqphaCZ 240tsin..K.Ne (6.7)

Từ các quan hệ (6.5) đến (6.7) cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn hợp thành nguồn áp 3 pha cân bằng. Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H6.12 khi từ trường phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận.

B

o120

o120

HÌNH H6.12:



QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ TẦN SỐ NGUỒN ĐIỆN PHÁT RA:

Từ mô hình trình bày trong hình H6.12 với số cực 2p = 2 cực, ta có nhận xét như sau:

Giá trị vận tốc góc 11 n.2 đầu tiên được tạo bởi động cơ sơ cấp.

Tuy nhiên trong các quan hệ (6.5) đến (6.7) vai trò của 1 trở thành tần số góc của nguồn áp sinh ra trên các bộ dây quấn stator của máy phát. Tại lúc này ta có :

f.21 (6.8)

Trong đó f là tần số nguồn áp 3 pha sinh ra trên dây quấn stator của máy phát. So sánh quan hệ (6.8) với quan hệ 11 n.2 suy ra.

1f n (6.9)

Đơn vị đo của các đại lượng trong quan hệ (6.9) là : [f] = [Hz] ; [n1] = [vòng/s]. Từ quan hệ (6.9) ta rút ra nhận xét sau: Với phần cảm có 2p = 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator một vòng , sức điện động hình thành trong bộ dây thực hiện được 1 chu kỳ.

Với phần cảm có số cực 2p > 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator 1 vòng, như vậy đã có p cặp cực từ quét qua bộ dây nên có p chu trình của nguồn điện sin đã thực hiện trong bộ dây . Một cách tổng quát ta có được quan hệ sau:

1f p.n (6.10)

Trong đó [f] = [ Hz] ; [n1]=[vòng/giây]. Khi tốc độ được tính theo [vòng / phút ], quan hệ (6.10) được viết lại như sau :

1p.nf

60 (6.11)

THÍ DỤ 6.1:

Máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn áp có tần số là 50 Hz thì động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là:

160.f 60 50n 1500 voøng / phuùtp 2

Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp có tần số 60 Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến giá trị sau:

160.f 60 60n 1800 voøng / phuùtp 2

SỨC ĐỘNG ĐỘNG HIỆU DỤNG PHA CỦA MỖI BỘ DÂY QUẤN TRÊN STATOR:

Từ các quan hệ (6.50 đến (6.7) biên độ của sức điện động pha trên mỗi bộ dây quấn là:

phamax pha dq m 1 pha dq mE N .K . . 2 f.N .K . (6.12)

Suy ra sức điện động hiệu dụng pha của mỗiu pha dây quấn trên stator máy phát điện đồng bộ là :

phamax

pha pha dq m

EE 4,44.f.N .K .

2 (6.13)

Trong đó Kdq là hệ số dây quấn của mỗi pha dây quấn.



Biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn còn được trình bày theo quanhệ:

1pha pha dq m

p.nE 4,44. .N .K .

60

Hay:

pha dqpha 1 m

4,44.p.N .KE .n .

60

(6.14)

Gọi KE là hằng số cấu tạo phần ứng (stator) của máy phát,, ta có:

pha dq

E

4,44.p.N .KK

60

(6.15)

Từ các quan hệ (6.14) và (6.15) suy ra:

pha E 1 mE K .n . (6.16)

Tóm lại

Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thông số: từ trường m kích thích của phần cảm và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp.

Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đôi cực p của máy phát và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp. THÍ DỤ 6.2:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực và sức điện động pha là Epha = 380 V khi phát tại tần số 60 Hz . Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là Epha = 380 V nhưng tần số là 50 Hz ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát. GIẢI Với yêu cầu nêu trong thí dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát: TT1: Tại trạng thái phát ra tần số f = 60 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:

1160.f 60 60n 1800 voøng / phuùtp 2

TT2: Tại trạng thái phát ra tần số f = 50 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:

1260.f 60 50n 1500 voøng / phuùtp 2

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 50 Hz, 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 Epha = 380 V; theo quan hệ (6.16) ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích. Xét tỉ số sau:

pha2 12 max 2

pha1 11 max 1

E n .1

E n .

hay 11max 2 max 1 max 1

12

n. 1,2.

n

Tóm lại muốn duy trì Epha = 380 V, ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần số 50 Hz.



6.3.PHA N ƯNG PHÂ N ƯNG CU A MAY PHAT ĐÔ NG BÔ :

Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng máy phát, mạch kín cho dòng qua tải. Dòng qua tải có tính chất của dòng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ 3 pha dây quấn trên stator máy phát. Theo Lenz các dòng cảm ứng có khuynh hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó. Do đó các dòng qua phần ứng hình thành từ trường tương tác lên từ trường phần cảm. Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số công suất của tải) ta có 3 trường hợp sau khi xét phản ứng phần ứng.

6.3.1.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN TRỞ :

Giả sử dây quấn phần ứng đấu Y, tải 3 pha cân bằng; bỏ qua nội trở của dây quấn phần ứng. Chúng ta khảo sát phản ứng phần ứng sinh ra trong trường hợp này bằng mạch điện tương đương một pha của phần ứng phối hợp với giản đồ vẽctor phase như sau (hình H6.13).

Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm (m).

Vector đặc trưng cho sức điện động pha Epha , chậm pha 90o so với từ thông (m).

Vì tải thuần trở dòng phần ứng trùng pha với sức điện động. Dòng điện này hình thành từ thông ứng (ư) trùng pha với nó.

Vậy từ thông phần cảm và phần ứng có phương vuông góc với nhau . Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục.

6.3.2.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN CẢM :

Tương tự như phần khảo sát trên, khi tải thuần cảm mạch tương đương trình bày trong hình H6.14 .

Vẽ vector từ trường kích thích tạo bởi phần cảm (m).

Vẽ vector sức điện động pha chậm pha 90o so với từ thông (m).

Vì tải thuần cảm , dòng phần ứng chậm pha 90o so với sức điện động. Dòng điện này hình thành từ thông ứng(ư) trùng pha với dòng ứng. Nên từ thông (ư) chậm pha hơn sức điện động góc 900. Vậy từ thông phần cảm và phần ứng ngược hướng với nhau .

Tóm lại từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm. Vì hướng của các từ

thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.

Vkt

+

-

+

-

RI

Ikt

I

maxmax

ö phaE

phaE

HÌNH H6.13: Phản ứng phần ứng với tải thuần trở

Vkt

+

-

+

-

LI

Ikt

I

max

max

ö

phaE

phaE

HÌNH H6.14: Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm



6.3.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN DUNG :

Tương tự như các nội dung đã khảo sát trong các mục trên, với tải thuần dung mạch tương đương trình bày trong hình H6.15; các vector từ thông và điện áp được xây dựng tuần tự theo qui trình như sau:

Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm (m).

Vector đặc trưng sức điện động chậm pha 90o so với từ thông

Vì tải thuần dung, dòng qua phần ứng sớm pha 90o so với sức điện động . Dòng điện này tạo thành

từ thông ứng(ư) trùng pha với dòng ứng. Từ thông (ư) sớm pha hơn sức điện động góc 900.

Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, ta nói từ thông phần ứng có khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục

6.3.4.ĐIỆN KHÁNG ĐỒNG BỘ ( XS) :

Với tải có tính chất bất kỳ, máy phát sinh ra các phản ứng phần ứng dọc trục hay ngang trục. Các phản ứng này ảnh hưởng đến từ thông phần cảm và làm thay đổi giá trị sức điện động trên mỗi pha khi máy phát mang tải.

Để đặc trưng cho các phản ứng phần ứng và đơn giản hóa trong quá trình khảo sát máy phát bằng cách dùng mạch điện tương đương; chúng ta dùng điện kháng đồng bộ Xs. Thực sự điện kháng đồng bộ dọc trục, vừa phản ánh phản ứng phần ứng nhưng lại vừa phản ánh thành phần từ thông tản từ (điện kháng tản từ) trên dây quấn phần ứng .

Mạch điện tương đương 1pha của phần ứng được trình bày trong hình H6.16 Phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng (stator) trên một pha:

pha pha phapha SE V R j.X I

(6.17)

pha t phaV Z I

(6.18)

Vkt

+

-

+

-

CI

Ikt

I

maxmax

ö

phaE

phaE

HÌNH H6.15: Phản ứng phần ứng với tải thuần dung

phaE

phaR Sj.X

phaV

tZ

S pha SZ R j.X

phaIphaI

HÌNH H6.16: Mạch tương đương 1 pha của máy phát điện đồng bộ.



6.4.ĐÔ THAY ĐÔ I ĐIÊN A P MA Y PHA T ĐÔ NG BÔ :

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 cảm có giá trị phù hợp để tạo các áp pha trên bộ dây quấn stator có giá trị bằng đúng định mức. Điều chỉnh thay đổi dòng kích từ cấp vào dây quấn phần cảm làm thay đổi giá trị của điện áp ra trên stator. Áp pha lúc không tải chính là sức điện động cảm ứng Epha sinh ra trên mỗi pha dây quấn.

Khi máy phát mang tải , nếu duy trì không điều chỉnh thay đổi dòng kích từ, áp pha trên mỗi pha tải lúc vận hành có giá trị là Vpha . Giá trị này khác với áp pha lúc không tải. Độ chênh lệch giá trị giữa Epha và Vpha được gọi là độ thay đổi điện áp của máy phát.

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:

pha phaV E V (6.19)

pha pha

pha

E VV% 100

V

(6.20)

6.4.1. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH CẢM:

Bài toán xác định độ thay đổi điện áp máy phát theo tải thường được khảo sát theo lý thuyết dưới dạng giản đồ vector. Với tải có tính cảm giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.17.

Từ giản đồ vector hình H6.17, khi chọn dòng Ipha làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau:

2 2

pha pha pha pha pha S phaE V .cos R .I V .sin X .I (6.21)

Hay:

pha pha pha pha pha S phaE V .cos R .I j. V .sin X .I

(6.22)

Khi tính được Epha và biết trước Upha ta xác định V hay V% theo (6.19) hay (6.20).

phaE

phaR Sj.X

phaV

tZ

phaI

phaE

phaV

phaI

phaV

.cos

phaV.si

n

phapha

R.I

Sph

a

X.I

HÌNH H6.17: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính cảm



6.4.2. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH DUNG:

Tương tự với tải có tính dungf giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.18.

Từ giản đồ vector hình H6.18, khi chọn dòng Ipha làm chuẩn ta suy ra quan hệ sau:

2 2

pha pha pha pha pha S phaE V .cos R .I V .sin X .I (6.23)

Hay:

pha pha pha pha pha S phaE V .cos R .I j. V .sin X .I

(6.24)

THÍ DỤ 6.3:

Cho máy phát đồng bộ 3 pha: 30 kVA ; 220 V , dây quấn stator đấu Y. Biết tổng trở đồng

bộ một pha của máy phát là: S pha SZ R j.X 0,4 j.1,2 pha

.

a./ Tính độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải với điện áp cấp đến tải bằng định mức. Biết HSCS tải là 0,8 trễ.

b./ Tính lại câu a, nếu HSCS tải là 0,8 sớm. CHÚ Ý:

Với máy phát điện đồng bộ các thông số định mức gồm:

Công suất biểu kiến định mức dmS : là công suất biểu kiến tiêu thụ trên tải được qui định

bởi nhà sản xuất .

Điện áp định mức dmV : là áp dây cấp đến tải từ máy phát. Điện áp này luôn được duy

trì không đổi khi cấp đến tải . Do đó khi tải thay đổi muốn duy trì giá trị này trên tải ta cần phải điều chỉnh thay đổi sức điện động pha của máy phát bằng cách điều chỉnh thay đổi dòng kích thích.

Dòng điện định mức dmI : là dòng dây từ máy phát cấp đến tải khi tải tiêu thụ công suất

biểu kiến bằng đúng định mức và áp cấp đến tải bằng định mức.

Các quan hệ giữa các thông số định mức của máy phát trình bày như sau:

phaE

phaR Sj.X

phaV

tZ

phaI

phaE

phaV

phaI

phaV.co

s

phaV

.sin

phaph

a

R.I

Spha

X.I

HÌNH H6.18: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính dung



Trong hình H6.17 trình bày mạch phần ứng máy phát đang cấp nguồn đến tải. Theo qui định vận hành trong thực tế, ta luôn đảm bảo thông số sau:

daây ñmV V (6.25)

Suy ra:

daây ñmpha

V VV

3 3 (6.26)

Khi tải 3 pha cân bằng đấu Y, ta có:

daây phaI I (6.27)

Khi máy phát đầy tải (hay phát tải định mức) ta có :

daây ñmI I (6.28)

Công suất biểu kiến định mức của máy phát được xác định theo quan hệ sau:

ñm ñm ñmS 3.V .I (6.29)

GIẢI

a./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 trễ.

Dòng điện định mức cấp đến tải :

ñmñm

ñm

S 30000I 78,73 A3.V 3.220

Áp pha định mức cấp đến tải :

ñmphañm

V 220V 127 V3 3

Các dữ liệu cho trong thí dụ: phaR 0,4 ; SX 1,2 ; cos 0,8 ; sin 0,6 .

Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là:

2 2

phaE 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73

phaE 216,43 V

Phần trăm độ thay đổi điện áp là:

pha pha

pha

E V 216,43 127V% 100 100V 127

V% 70,42 %

pha daâyI I

HÌNH H6.17:



b./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 sớm. Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là:

2 2

phaE 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73

phaE 134,34 V


pha pha

pha

E V 134,34 127V% 100 100V 127

V% 5,78 %

THÍ DỤ 6.4:

Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính lại phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải tại điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,6 sớm.

GIẢI Khi máy phát đầy tải tại áp định mức, các số liệu dùng trong phép tính bao gồm:

phaR 0,4 ; SX 1,2 ; cos 0,6 ; sin 0,8 ; ñmI 78,73 A ; phañmV 127 V

Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là:

2 2

phaE 127 0,6 0,4 78,73 127 0,8 1,2 78,73

phaE 107,93 V


pha pha

pha

E V 107,93 127V% 100 100V 127

V% 15,02 % Giá trị V% 0 cho thấy sức điện động pha có giá trị thấp hơn điện áp pha trên tải. Giá trị này phản ảnh được tính chất trợ từ của phản ứng phần ứng khi tải có tính dung. THÍ DỤ 6.5:

Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát có hệ số tải Kt = 0,8 tại áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,7 trễ. CHÚ Ý: Hệ số tải dùng trong máy phát điện đồng bộ 3 pha có định nghĩa tương tự như trường hợp của máy biến áp. Ta có :

ñm daây daâytaûi

tñm ñmñm ñm

3.V .I ISK

S I3.V .I (6.30)



GIẢI Khi máy phát tại hệ số tải Kt = 0,8 với áp định mức, dòng pha qua tải là:

t ñmpha daây

ñm

K .S 0,8 30000I I 62,984 A3.V 3 220

Các số liệu cần dùng để tính toán gồm:

phaR 0,4 ; SX 1,2 ; cos 0,7 ; sin 0,714 ; ñmI 62,984 A ; phañmV 127 V

Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là:

2 2

phaE 127 0,7 0,4 62,984 127 0,714 1,2 62,984

phaE 201,64 V


pha pha

pha

E V 201,64 127V% 100 100V 127

V% 58,77 % 6.5.CAC ĐĂC TUYÊ N CU A MAY PHA T ĐIÊ N ĐÔ NG BÔ : Máy phát điện đồng bộ có ba đặc tuyến làm việc chính:

Đặc tuyến không tải.

Đặc tuyến ngoài hay còn gọi là đặc tuyến tải.

Đặc tuyến điều chỉnh

6.5.1.ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI:

Đặc tuyến không tải của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa sức điện động pha của phần ứng với dòng điện kích thích cấp vào phần cảm. Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi :

Không đấu tải vào dây quấn phần ứng. Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có

giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm. Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B trong khi dòng kích thích tỉ lệ thuận với sức từ động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm.

Như vậy dòng kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát.

Tóm lại đặc tuyến không tải của máy phát có dạng của đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ tạo thành máy phát. Hình dạng của đặc tuyến không tải trình bày trong hình H.6.19. Trên đặc tuyến này lúc Ikt = 0 ta vẫn có được giá trị của sức điện động pha . Giá trị này hình thành do từ trường dư tồn tại trong phần cảm. Sức điện động pha tạo bởi từ trường dư được gọi là Epha dư.

HÌNH H6.18: Thí nghiệm không tải



Trong hình H6.19 trình bày các đặc

tuyến không tải khi thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp (tức thay đổi tần số nguồn điện phát ra).

Tương ứng với giá trị định trước của dòng kích thích khi tăng tốc độ sức điện động pha gia tăng và ngược lại.

Giá trị của sức điện động pha dư thường trong phạm vi vài volt đến khoảng 10V tùy thuộc vào cấp công suất của máy phát.

6.5.2.ĐẶC TUYẾN TẢI (ĐẶC TUYẾN NGOÀI):

Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa áp pha Vpha trên tải theo dòng điện pha Ipha qua tải.

Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi :

Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm.

Điều chỉnh dòng kích thích để có được áp không tải bằng định mức trước khi đấu tải vào phần ứng. Duy trì giá trị dòng kích thích này không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm.

Đấu tải vào phần ứng máy phát; điều chỉnh thay đổi tổng trở tải nhưng duy trì hệ số công suất không thay đổi.

Trong hình H6.20 trình bày đặc tuyến tải với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS 0,7 trễ , tính dung với HSCS 07 sớm.

Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát.

Tương ứng với mỗi loại tải, khi dòng tải tăng độ lớn độ thay đổi điện áp cũng gia tăng.

Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm tạo độ thay đổi điện áp lớn hơn so với trường hợp tải thuần trở. Tại lúc

này áp pha pha phaV E hay pha pha dmV V .

Điều này cho thấy tác dụng khử từ thông kích thích bởi từ thông ứng theo phản ứng phần ứng.

Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính dung tạo sự thay đổi điện áp sao cho pha phaV E

hay pha pha dmV V . Điều này dẫn đến kết quả V 0 , kết quả này có thể tìm thấy trong các thí dụ

6.3 đến 6.5. Tính chất này cho thấy tác dụng trợ từ thông kích thích bởi từ thông ứng theo phản ứng phần ứng.

Tóm lại khi vận hành máy phát nếu chỉ duy trì tần số không đổi và không điều chỉnh thay đổi dòng kích thích; áp trên tải sẽ thay đổi khi dòng tải thay đổi.

Epha

IktEpha dæ

Epha1

Ikt

n11

n12

n13

( n11 > n12 > n13 )

Epha2

HÌNH H6.19: Đặc tuyến không tải

Epha = Vphadm

Vpha

Ipha

cos 1

cos 0,7 treã

cos 0,7 sôùm

2V1V

pha1I pha2I

HÌNH H6.20: Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài.



6.5.3.ĐẶC TUYẾN ĐIỀU CHỈNH:

Với các phân tích về đặc tuyến tải như trên, muốn điện áp cấp đến tải luôn luôn duy trì bằng giá trị định mức khi tải thay đổi độ lớn và tính chất ta cần điều chỉnh thay đổi dòng kích thích để giữ được áp cấp đến tải luôn bằng giá trị định mức.

Biện pháp này được gọi là điều chỉnh kích thích.

Đặc tuyến điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa dòng pha Ipha qua tải theo dòng điện kích Ikt cấp vào phần cảm để áp pha trên tải luôn bằng giá trị định mức.

Trong hình H6.21 trình bày đặc tuyến điều chỉnh với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS

0,7 trễ , tính dung với HSCS 07 sớm.

Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát. Giá trị dòng kích thích nqày là Ikto.

Tương ứng với tải thuần trở hay tính cảm, khi dòng tải tăng để duy trì áp pha luôn bằng định mức độ lớn dòng kích thích được điều chỉnh tăng

Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm cần tăng dòng kích thích nhiều hơn so với trường hợp tải thuần trở.

Ngược lại với tải có tính dung cần giảm dòng kích thích khi dòng tải gia tăng.

Đặc tính điều chỉnh cho ta các dữ liệu cần thiết để điều chỉnh thay đổi dòng kích thích khi tải thay đổi. Đặc tính này là cơ sở để thực hiện các bộ tự động điều chỉnh kích thích máy phát bằng linh kiện bán dẫn (mạch AVR: Automatic Voltage Regulator).

6.6. QUA TRI NH TƯ KI CH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ :

Trong quá trình vận hành thực tế máy phát điện đồng bộ: nguồn áp một chiều cấp vào phần cảm không sử dụng từ nguồn áp một chiều bên ngòai .

Phương pháp kích thích độc lập (dùng nguồn DC ngoài cấp vào phần cảm) chỉ thực hiện trong quá trình chế tạo, vận hành thử trong quá trình sản xuất, hoặc trong các trường hợp thử nghiệm lấy thông số đặc tính của máy phát, hay cần vận hành thử máy phát lần đầu tiên sau quá trình sửa chửa…

Khi bắt đầu vận hành máy phát điện, chúng ta cần thực hiện giai đọan tự kích cho máy phát. Quá trình tự kích là quá trình sử dụng sức điện động dư Edư sinh ra do từ trường dư trong phần cảm để cung cấp trở lại năng lượng ban đầu cho phần cảm , làm tăng dần điện áp phát ra trên phần ứng.

Mạch điện đơn giản mô tả quá trình tự kích cho máy phát điện được trình bày trong hình H6.22. Khi dùng mô hình máy phát điện dùng máy phát kích từ đầu trục (trường hợp máy phát kích từ trực tiếp được khảo sát tương tự), sức điện động trên một pha của phần ứng máy phát được cấp vào dây quấn phần cảm thông qua mạch chỉnh lưu dùng biến đổi dòng điện điện xoay chiều thành một chiều . Dòng điện kích thích được điều chỉnh bằng biến trở VR. Theo lý thuyết , sức điện động trên mỗi pha phần ứng máy phát ( Epha ) và dòng kích thích ( Ikt ) quan hệ với nhau thông qua đặc tuyến không tải .

Ikt

Ipha

cos 1

cos 0,7 treã

cos 0,7 sôùm

pha1I pha2I

ktoI

ktoI ktTaêng I

ktGiaûm I

HÌNH H6.21: Đặc tuyến điều chỉnh.



Giả sử khi hình thành được Epha, giá trị Epha sau khi chỉnh lưu thành điện áp một chiều Vkt cấp vào phần cảm và hình thành dòng kích thích Ikt qua phần cảm .

Phương trình cân bằng áp của mạch phần cảm là :

DC kt ktV (R VR).I (6.31)

Trong đó Rkt : điện trở dây quấn phần cảm; VR : biến trở điều chỉnh dòng kích thích

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của điện trở nội dây quấn phần ứng và điện kháng đồng bộ dọc trục, sức điện động hiệu dụng pha ở ngõ vào mạch chỉnh lưu và áp một chiều trên ngõ ra của mạch chỉnh lưu quan hệ nhau thông qua hệ số chỉnh lưu KCL . Ta có quan hệ :

DC CL phaV K .E (6.32)

Từ các quan hệ (6.31) và (6.32) suy ra đặc tuyến volt ampere mạch kích thích:

ktpha kt

CL

R VRE I

K

(6.33)

Như vậy, sức điện động pha Epha sinh ra lúc không tải thỏa quan hệ (6.33) và đồng thời Epha cũng quan hệ với dòng kích thích Ikt theo đặc tuyến không tải . Tóm lại điểm làm việc của máy phát được xác định tại giao điểm của hai đặc tuyến này , xem hình H6.23.

DIỄN TIẾN CỦA QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH

Khi động cơ sơ cấp đã quay đạt tốc độ ổn định và có giá trị bằng đúng định mức, đóng kín mạch kích thích theo sơ đồ nguyên lý hình H6.22. Sức điện động dư xuất hiện trong dây quấn phần ứng, quá trình bắt đầu bắt đầu khảo sát tại vị trí 1 trong hình H6.24.Với giá trị này đủ hình thành dòng điện kích thích qua phần cảm có giá trị là Ikt1 (điểm 2 trên hình H6.24).

Khi mạch kích thích có dòng đi qua đạt giá trị là Ikt1 , theo đặc tuyến không tải sức điện động pha phải có giá trị là Epha1 (điểm 3 trên hình H6.24). Bây giờ giá trị Epha 1 > Edư .

HÌNH H6.22: Sơ đồ nguyên lý thực hiện quá trình tự kích máy phát điện đồng bộ.



Quá trình tiếp diễn tương tự tại các điểm 4 và 5 .. Ta có thể xem quá trình tự kích có dạng của quá trình hồi tiếp dương, tuy nhiên khi hai đặc tuyến cắt nhau, tại vị trí này hệ thống kích thích sẽ ổn định và hình thành sức điện động pha không tải tương ứng với dòng kích thích không tải của máy phát.

Qua quá trình tự kích chúng ta rút ra các nhận xét như sau :

Sức điện động pha không tải phụ thuộc giá trị dòng kích thích không tải, gián tiếp phụ thuộc điện trở VR mắc nối tiếp dây quấn phần cảm. Khi thay đổi VR, chúng ta thay đổi được giá trị sức điện động pha phát ra lúc không tải.

Mặc khác, điều chỉnh thay đổi điện áp Vdc lấy ra sau mạch chỉnh lưu cũng có thể thay đổi dòng kích thích và sức điện động Epha không tải.

Khi điện trở VR quá lớn làm tăng độ dốc của đặc tuyến

ktpha kt

CL

R VRE I

K

, có thể đưa

đến các tình trạng như sau: Hai đặc tuyến không cắt nhau (khi giá trị Edư quá bé) hay hai đặc tuyến cắt nhau tại vị trí cho giá trị sức điện động pha rất thấp. Giá trị VR lớn nhất làm cho hai đặc tuyến tiếp xúc nhau gọi là điện trở tới hạn của điện trở VR trong mạch kích thích.

6.7. MÔT SÔ CAC BÔ PHÂ N CHI NH TRONG TÔ MAY PHA T ĐIÊ N ĐÔ NG BÔ :

Nguyên lý điều chỉnh thay đổi VR và VDC cấp vào phần cảm xem là nguyên lý cơ bản để tạo thành hệ thống tự động điều chỉnh thay đổi kích thích cho máy phát điện khi vận hành mang tải. Trong hình H6.24 trình bày kết cấu của một tổ máy phát điện dùng động cơ sơ cấp là động cơ Diesel. Trong hình H6.25 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh lượng nhiên liệu để ổn định tốc độ và duy trì tần số máy phát không thay đổi khi mang tải.

pha döE

pha1E

pha2E

phakhoâng taûiEphaE

ktI

kt1I kt2Ikt khoâng taûiI

HÌNH H6.23: Các đặc tuyến trình bày quá trình tự kích.

HÌNH H6.24: Tổ máy phát dùng động cơ Diesel làm động cơ sơ cấp.



MAGNETIC PICKUP(caûm bieán toác ñoä

daïng töø tính)

ACTUATOR(boä ñieàu tieát nhieân

lieäu baèng ñieän)

GOVERNOR(maïch ñieän töû ñieàu

khieån caáp nhieân lieäu)

HÌNH H6.25: Mạch điện tử và cơ cấu chấp hành dùng điều tiết nhiên liệu để ổn định tốc độ động

cơ sơ cấp duy trì tần số nguồn áp phát ra không thay đổi.



Trong hình H6.26 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh dòng kích thích để ổn định điện áp máy phát trên phần ứng khi tải thay đổi.

Mạch AVR có hai chức năng: vừa thực hiện quá trình tự kích khi thành lập điện áp ban đầu lúc vận hành máy phát và tự động điều chỉnh dòng kích thích.

6.8. HIÊU SUÂ T VA PHÂN BÔ NĂNG LƯƠNG :

Khi vận hành máy phát, ta có các thành phần công suất tác dụng sau:

P1 : công suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện.

Pmq: tổn hao ma sát cơ khí trên hệ thống ổ bi, quạt gió. Với máy phát điện có tần số không đổi, tốc độ quay n1 không đổi . Như vậy thành phần tổn hao này không đổi , vì tùy thuộc vào tốc độ quay n1 của hệ thống.

Pthép : tổn hao trên lỏi thép do dòng xoáy và từ trễ.

PJ : tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích do tác dụng Joule.

2 2J pha pha kt ktP 3.R .I R .I (6.34)

P2 : công suất tác dụng cung cấp đến phụ tải.

HÌNH H6.26: Mạch AVR tự động điều chỉnh kích thích



Hiệu suất của máy phát xác định theo quan hệ sau:

2 2

1 2

P PP P Toån hao

(6.35)

Trong đó:

mq theùp JToån hao = P P P (6.36)

THÍ DỤ 6.6:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha S = 500 KVA, 2300 V (àp dây); dây quấn stator đấu Y; Chúng ta tiến hành các phép thử máy phát và ghi nhận các kết quả như sau:

THỬ KHÔNG TẢI: Dòng kích thích Ikt = 25 A , sức điện động dây trên phần ứng là Ed = 1408V.

THỬ NGẮN MẠCH: Dòng kích thích Ikt = 25A ; dòng ngắn mạch qua dây quấn là In = 126A .

ĐO ĐIỆN TRỞ MỘT CHIỀU CỦA DÂY QUẤN STATOR: Cấp nguồn áp một chiều 8V vào 2 đầu bộ dây đấu Y stator, dòng một chiều ghi nhận là 10A.

Biết điện trở xoay chiều bằng 1,25 lần điện trở một chiều. Xác định:

a./ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng khi máy phát tải định mức, cho hệ số công suất tải là cos = 0,866 trễ.

b./ Suy ra độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải,

GIẢI:

a/ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng máy phát điện:

Từ thí nghiệm không tải suy ra sức điện động pha tại dòng kích thích Ikt = 25A là:

dpha

E 1408E 812,91 V3 3

Trong thí nghiệm ngắn mạch vì duy trì đòng điện kích thích cấp vào phần cảm bằng 15A, nên sức điện động Epha bằng giá trị sức điện động pha lúc không tải.

Dựa vào thí nghiệm ngắn mạch suy ra tổng trở đồng bộ của mỗi pha .

phaS

n

E 812,91Z 3,7635I 216

Từ phép đo điện trở một chiều, suy điện trở một pha dây quấn theo cquan hệ

DCphaDC

DC

V 8R 0,42.I 2.10

Giá trị của điện trở pha khi vận hành trong nguồn áp xoay chiều:

phaAC phaDCR 1,25.R 1,25 0,4 0,5

Thành phần điện kháng đồng bộ Xs của mỗi pha là :

2 2 2 2S S phaACX Z R 3,7635 0,5 3,73



Khi máy phát điện mang tải định mức , ta có:

Áp pha định mức cấp đến tải là :

daây ñmpha ñm

V 2300V 1327,9 V3 3

Hệ số công suất tải cos = 0,866 trễ ; suy ra sin = 0,5.

Dòng định mức cấp đến mỗi pha tải là :

ñmpha ñm

daây

S 500000I 125,51 A3.U 3 2300

Sức điện động pha dây khi máy phát mang tải đúng định mức tại tải có hệ số công suất cos = 0,866 trễ.

2 2

phaE 1327,9 0,866 0,5 125,51 1327,9 0,5 3,73 125,51

phaE 1659 V

b/ Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải:

Từ gía trị sức điện động pha tìm trong câu a, suy ra phần trăm thay đổi điện áp khi mang tải theo quan hệ sau:

pha pha dm

pha dm

E V 1659 1327,9U% 100 100 24,94%V 1327,9

THÍ DỤ 6.7:

Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha : 1600 kVA, 11000 V ; 60 Hz ; dây quấn stator đấu Y có đặc tuyến không tải ghi nhận trong bảng số liệu sau:

Edây [kV] 6,5 9,0 11,0 12,2 13,4 14,0 14,5 Ikt [A] 100 150 205 250 300 350 400

Khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A. Giả sử điện trở dây quấn phần ứng không đáng kể (Rpha = 0 Ω), tìm phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát tải định mức cho tải có HSCS = 0,8 trễ.

GIẢI: Từ bảng số liệu đặc tuyến không tải cho trong đầu đề, ta vẽ được đặc tuyến không tải mô tả quan hệ sức điện động dây không tải Edây theo dòng kích thích, xem hình H6.27.

Từ đồ thị đặc tuyến không tải, khi Ikt = 186 A ta có sức điện động là Edây = 10380 V. Suy ra sức điện động pha tại Ikt = 186 A là:

daypha

E 10380E 5992,895 5992,9V3 3

Dòng điện định mức của máy phát:

ñmphañm

daây

S 1600 1000I 83,978 83,98 A3.V 3 11000



Theo giả thiết khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A, sức điện động pha là Epha = 5992,9 V . Nếu điện trở dây quấn phần ứng không đáng kể (Rpha = 0 Ω) ta suy ra điện kháng đồng bộ của mỗi pha theo quan hệ sau:

phas

dmpha

E 5992,9X 71,361I 83,98

Điện áp pha định mức là:

day dm

phadm

V 11000V 6350,8529 6350,85V3 3

Khi máy phát tải định mức với tải có HSCS = 0,8 trễ, sức điện động pha lúc mang tải là:

2 2

phaE 6350,85 0,8 6350,85 0,6 71,361 83,98 11041,74 V

Phần trăm thay đổi điện áp:

pha pha dm

pha dm

E V 11041,74 6350,85U% 100 100 73,86%V 6350,85

HÌNH H6.27: Đặc tuyến không tải của máy phát



THÍ DỤ 6.8: Cho máy phát đồng bộ 3 pha : 25 kVA ; 220 V ; 50 Hz,

tổng trở đồng bộ mỗi pha là: sZ = 0,1 + 0,6 j [/pha] .

Tải 3 pha cân bằng đấu Y, tổng trở pha của

tải là pZ 1,5 1,25j [ ] .

a./ Nếu áp dây tải bằng định mức tính sức điện động pha hiệu dụng của máy phát.

b./ Nếu đấu một bộ 3 tụ 5000C F

song song với

tải và áp dây tải bằng định mức tính phần trăm thay đổi điện áp của máy phát.

GIẢI:

a./ Sức điện động pha khi mang tải với áp tải bằng định mức:

Mạch tương đương 1 pha khi mang tải trình bày trong hình H6.29 . Áp dụng cầu phân áp ta có quan hệ sau đây:

S ppha phadm

p

Z ZE VZ

pha phadm0,1 0,6j 1,5 1,25jE V

1,5 1,25j

pha phadm1,6 1,85jE V1,5 1,25j

Suy ra sức điện động pha hiệu dụng là:

pha phadmpha phadm1,6 1,85j 2,4469E E V V1,5 1,25j 1,95256

pha220E 1,25267 159,11 159 V

3

b./ Phần trăm thay đổi điện áp khi đấu song song tụ C với tải:

Dung kháng của tụ C:

6 6

C 5

1 10 10X 22 .f.C 5 1050002 .50.

Mạch tương đương 1 pha của tải trình bày trong hình H6.30, tổng trở phức tương đương của tải là :

opC

td 0p C

2j 1,5 1,25jjX Z 2,5 3j 3,905 50 19Z1,5 1,25j 2,5j 1,5 1,25j 1,95256 39 81Z jX

0tdZ 2 10 38 1,9672 0,3607j

Áp dụng cầu phân áp suy ra sức điện động pha khi mang tải tại áp định mức.

pZ

pZ

pZ

HÌNH H6.28

+

-

phaE

+

-

phaV

phaI

SZ 0,1 0,6j

pZ 1,5 1,25j

HÌNH H6.29

pZ 1,5 1,25j CjX 2j

HÌNH H6.30



S tdpha phadm 0

td

Z Z 0,1 0,6j 1,9672 0,3607j 220E V2 10 38Z 3

pha 0

2,0672 0,2393j 220E2 10 38 3

Suy ra:

phapha 0

2,0672 0,2393j 220 2,081 220E E 132,16V22 10 38 3 3

Phần trăm thay đổi điện áp:

pha pha dm

pha dm

220132,16E V 3U% 100 100 4,05%V 220

3

BÀI TẬP CHƯƠNG 6

BÀI TẬP 6.1

Cho máy phát đồng bộ 3 pha : 100 kVA, 1100 V, 50 Hz đấu Y được thử nghiệm và có kết quả như sau:

THỬ KHÔNG TẢI : ktl 12,5 A ; daâyE 420 V

THỬ NGẮN MẠCH : ktl 12,5 A ; n dmI I

ĐIỆN TRỞ XOAY CHIỀU ĐO GIỮA 2 ĐẦU RA : 0,9 ;

a./ Tổng trở đồng bộ của mỗi pha. b./ Tính phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát công suất định mức cho tải có hệ số công suất lần lượt bằng : 0,8 trễ ; 0,8 sớm .

BÀI TẬP 6.2

Khi dòng kích từ 10 A qua dây quấn kích thích của máy phát đồng bộ 3 pha, dòng ngắn mạch qua dây quấn phần ứng là 150 A . Với dòng kích từ này sẽ tạo ra sức điện động dây 720 V lúc vận hành máy phát không tải. Biết điện trở dây quấn stator không đáng kể

Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát áp định mức và dòng qua tải là 60 A .

BÀI TẬP 6.3

Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 100 kVA; 230 V ; đấu Y có điện kháng đồng bộ là

1,2 / pha và điện trở dây quấn phần ứng là 0,5 / pha .

a./ Tính phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát công suất định mức cho tải có HSCS = 0,8 trễ. b./ Tính lại V% khi máy phát cấp áp định mức và có hệ số tải Kt = 0,8 , tải có HSCS = 0,707 trễ.

máy phát điện đồng bộ ba pha

Engineering