Chương 21: Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

CHƯƠNG 21QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ21-2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP, ĐỒ THỊ VÉCTƠ CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Ở tải đối xứng ta có thể xét riêng rẽ từng pha. Phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha như sau:Đối với máy phát điện đồng bộ:Đối với máy động cơ điện (hoặc máy bù đồng bộ):(21-1)(21-2)rong đó: U - điện áp đầu cực máy, rư và xσư - điện trở và điện kháng tản của dây quấn phần ứng. Eδ - sức điện động trong dây quấn do từ trường khe hở sinh ra.Khi máy có tải, từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ Ft (hay F0) và từ trường phần ứng Fư sinh ra.Nếu mạch từ của máy không bão hoà, có thể xem F0, Fư độc lập sinh ra E0, Eư. Dùng phương pháp xếp chồng ta có: (21-3) Khi mạch từ của máy bão hoà, không thể dùng nguyên lý xếp chồng mà phải xét từ trường tổng sau đó suy ra sức điện động Eδ. 21.1.1. Trường hợp máy phát điện a. Trường hợp mạch từ không bão hoà Giả thiết máy làm việc ở tải đối xứng, tải có tính chất cảm (0 E.Trường hợp máy cực lồi: Sức từ động phần ứng phân làm hai thành phần: dọc trục Fưd và ngang trục Fưq. Từ thông Φưd và Φưq tương ứng với Fưd và Fưq sinh ra trong dây quấn phần ứng các s.đ.đ. Eưd và Eưq. Phương trình cân bằng điện áp có dạng:(21-6)(21-7)Ở đây:vàĐồ thị véctơ s.đ.đ. ứng với phương trình (21-7) như ở hình 21-2.Hình 21-2. Đồ thị véctơ s.đ.đ. Của máy phát điện đồng bộ cực lồi ở tải có tính cảm (a) và tải có tính dung (b) Véctơ trong (21-7) do từ thông tản sinh ra không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo hai hướng dọc trục và ngang trục. Ta cũng có thể phân tích nó thành các thành phần theo hai hướng đó: (21-8)và (21-7) trở thành:Trong đó: xd = xưd + xσư là điện kháng đồng bộ dọc trục; xq = xưq + xσư là điện kháng đồng bộ ngang trục.Thường xd = 0,7 ÷ 1,2; xq = 0,46 ÷ 0,76 Đồ thị véctơ ứng với phương trình (21-8) như ở hình 21-3. Từ hình 21-3 thấy rằng: Trên đường thẳng góc với véctơ I qua điểm M thì MN = Iqxq/cosψ = I.xq. Như vậy, nếu biết U, I, φ, xq, xd, rư ta có thể xác định được E. Cách xác định như sau: Lần lượt vẽ các véctơ U, Irư, sau đó vẽ MN = I.xq. Điểm N sẽ nằm trên phương của E. Hạ đoạn thẳng MP thẳng góc với phương của E, MP = Iq.xq Vẽ PQ = Id.xd OQ chình là s.đ.đ. E.Hình 21-3. Đồ thị s.đ.đ. Đã biến đổi của máy phát điện cực lồi.MNPQ0 b) Trường hợp xét đến bão hoà mạch từ Các đồ thị véctơ trong trường hợp mạch từ không bão hoà vẫn có thể dùng đối với trường hợp mạch từ bão hoà ở chế độ tải đó. Vì các hệ số bão hoà kμd và kμq rất khó xác định được chính xác, nên trên thực tế các đồ thị véctơ điện áp của máy phát điện đồng bộ trong trường hợp mạch từ bão hoà được thành lập dựa vào các đồ thị s.t.đ. và s.đ.đ. kết hợp với đường cong không tải của máy. Với máy phát cực ẩn, đồ thị véctơ điện áp được thành lập dựa theo cơ sở nói trên gọi là đồ thị sức từ điện động (s.t.đ.đ.) có tên gọi là Pôchiê. Giả sử U, I, cosφ, rư, xσư và đặc tính không tải đã biết, đồ thị s.t.đ.đ. được thành lập như sau: Trên trục tung của đường cong không tải, vẽ véctơ U và véctơ I chậm sau U một góc φ. Cộng véctơ U với các véctơ Irư và jIxσư ta được véctơ Eδ. Từ đường cong không tải, ứng với Eδ xác định được Fδ (hoặc dòng từ hoá tương ứng).Hình 21-4Đồ thị Pôchiê của máy phát điện đồng bộ0,20,40,60,81,01,21,41,61,80,20,40,60,81,01,2F0Kư Fư+F1,4Cộng hình học vàtìm được Chú ý: hợp với một góc 900 + (φ + δ)Từ đường cong không tải, ứng với trị số của F0 ta xác định được trị số của E lúc không tải.Đồ thị Pôchiê cho phép xác định được ΔU = E – Uđm và dòng điện từ hoá it (hoặc F0) ứng với tải định mức hoặc tải bất kỳ, rất cần thiết cho thiết kế và vận hành.Đồ thị Pôchiê đôi khi cũng được ứng dụng cho cả máy cực lồi, sai số lúc đó về s.đ.đ. E khoảng 5 ÷ 10%. Với máy phát điện đồng bộ cực lồi, việc thành lập đồ thị véctơ có xét đến trạng thái bão hoà của mạch từ gặp rất nhiều khó khăn vì lúc đó từ thông dọc trục Φd và ngang trục Φq có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai hướng là khác nhau. Như vậy, xưd và xưq phụ thuộc vào cả Φd và Φq. Để đơn giản ta cho rằng, từ thông dọc trục hoặc ngang trục chỉ ảnh hưởng đến trạng thái bão hoà của hướng trục, và giả thiết mức độ bão hoà hướng ngang trục kμq đã biết. Cách thành lập đồ thị véctơ: Vẽ các véctơ U, Irư, jIxσư, xác định được Eδ (hình 21-5a). Theo hướng Ixσư ta vẽ đoạn: CD = I.xưq = Eưq/cosψ (21-9) → xác định được phương của E. Trị số xưq có thể tính được theo biểu thức (20-24), trong đó nếu kμq chưa cho trước thì có thể lấy gần đúng bằng 1,1 ÷ 1,5. Nếu không tính xưq thì CD cũng có thể xác định được bằng trị số AB của đường không tải ứng với s.t.đ. ngang trục của phần ứng quy đổi về s.t.đ. cực từ: F’ ưq = kưq.Fư = OA vì có thể xem Eưq tỷ lệ với Fưq (hình 21-5b). Vì D nằm trên phương của E nên đoạn CF thẳng góc với phương E chính là Iq.xưq. S.t.đ. của cực từ theo hướng dọc trục gồm hai phần, một phần có trị số bằng OM để sinh ra s.đ.đ. Eδd = OF = MP (hình 21-5b) và phần MN để khắc phục phản ứng phần ứng dọc trục. OM + MN là s.t.đ. để sinh ra s.đ.đ. E = NQ lúc không tải của máy. Từ hình 21-5b ta cũng thấy: Eưd = NQ – RN. Lấy đoạn OG = E trên phương E ở hình 21-5a thì GF = Eưd. Như vậy đồ thị véctơ của máy được thành lập.EdEQPRNMKưd.FưdKưq FưBA0b)EưdE0DCFGa)Hình 21-5. Xác định đồ thị véctơ s.t.đ.đ và độ thay đổi điện áp của máy đồng bộ cực lồi khi xét đến bão hoà. 21.2.2. Trường hợp động cơ điệnĐộng cơ điện đồng bộ nhận công suất điện từ lưới về biến thành cơ năng.Động cơ điện đồng bộ thường cấu tạo cực lồi nên ta có phương trình cân bằng điện áp như sau:(21-10)Đồ thị véctơ tương ứng với phương trình (21-10) như ở hình 21-6.Hình 21-6. Đồ thị véctơ của động cơ điện đồng bộ khi thiếu kích thích (a) và khi quá kích thích (b)a)b)