Bài giảng Kỹ thuật điện, điện tử - Chương 06: Máy phát điện đồng bộ 3 pha

ự), 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. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 205 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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 VR E 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. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 206 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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 kt pha kt CL R VR E 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. MỘT SÔ ́ CÁC BÔ ̣ PHÂ ̣N CHI ́NH TRONG TỔ MÁY 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 taûiE phaE ktI kt1I kt2I kt 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. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 207 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 208 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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. HIỆU SUÂ ́T VA ̀ PHÂN BÔ ́ NĂNG LƯỢNG : 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 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 209 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 Hiệu suất của máy phát xác định theo quan hệ sau: 2 2 1 2 P P P 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: d pha E 1408E 812,91 V 3 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 . pha S n E 812,91Z 3,7635 I 216      Từ phép đo điện trở một chiều, suy điện trở một pha dây quấn theo cquan hệ DC phaDC DC V 8R 0,4 2.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 2 S S phaACX Z R 3,7635 0,5 3,73      Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 210 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6  Khi máy phát điện mang tải định mức , ta có:  Áp pha định mức cấp đến tải là : daây ñm pha ñm V 2300V 1327,9 V 3 3     Hệ số công suất tải cos = 0,866 trễ ; suy ra sin = 0,5.  Dòng định mức cấp đến mỗi pha tải là : ñm pha ñm daây S 500000I 125,51 A 3.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 2phaE 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 5992,9V 3 3     Dòng điện định mức của máy phát: ñmphañm daây S 1600 1000I 83,978 83,98 A 3.V 3 11000      Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 211 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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 71,361 I 83,98     Điện áp pha định mức là: day dmphadm V 11000V 6350,8529 6350,85V 3 3     Khi máy phát tải định mức với tải có HSCS = 0,8 trễ, sức điện động pha lúc mang tải là:    2 2phaE 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 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 212 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 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 p pha phadm p Z ZE V Z        pha phadm 0,1 0,6j 1,5 1,25jE V 1,5 1,25j         pha phadm 1,6 1,85jE V 1,5 1,25j       Suy ra sức điện động pha hiệu dụng là: pha phadmpha phadm 1,6 1,85j 2,4469E E V V 1,5 1,25j 1,95256            pha 220E 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 2 2 .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 0 p C 2j 1,5 1,25jjX Z 2,5 3j 3,905 50 19Z 1,5 1,25j 2,5j 1,5 1,25j 1,95256 39 81Z jX               0 tdZ 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 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 213 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 S td pha phadm 0 td Z Z 0,1 0,6j 1,9672 0,3607j 220E V 2 10 38Z 3                   pha 0 2,0672 0,2393j 220E 2 10 38 3        Suy ra: phapha 0 2,0672 0,2393j 220 2,081 220E E 132,16V 22 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.