›
›

Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 2: Vận hành máy điện đồng bộ

pdf 48 trang cucquyet12 8990
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 2: Vận hành máy điện đồng bộ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_may_dien_1_phan_4_may_dien_dong_bo_chuong_2_van_h.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 2: Vận hành máy điện đồng bộ

  1. 39 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
  2. 40 Chƣơng 2 VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chế độ làm việc của máy phát điện của máy phát điện đồng bộ ở tai đối xứng được thể hiện rõ ràng qua các đại lượng như điện áp U ở đầu cực máy phát, dòng điện tải I trong dây quấn phần ứng, dòng điện kích thích It, hệ số công suất cos , tần số f hoặc tốc độ quay n. Trừ tần số f luôn luôn được giữ bằng định mức fđm và cos = const do tải bên ngoài quyết định, từ ba đại lượng U, I, It còn lại có thể thành lập được các đặc tính sau đây của máy phát điện đồng bộ: + Đặc tính không tải: E = U0 =f(It)  I = 0, f = fđm. + Đặc tính ngắn mạch: In = f(It)  U = 0, f = fđm. + Đặc tính ngoài: U = f(I)  It = const, f = fđm, cos = const + Đặc tính điều chỉnh: It = f(I)  U = const, f = fđm, cos = const P I Z W A It V + F A _ V V A W A Rđc Hình 2.1 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính của máy fát điện đồng bộ Các đặc tính trên có thể thành lập được theo tính toán dựa vào đồ thị vectơ sđđ hoặc bằng cách làm thí nghiệm trực tiếp. Từ các đặc tính trên có thể suy ra các tính chất quan trọng của máy tỉ số ngắn mạch, độ thay đổi điện áp. Cũng từ các đặc tính ta suy ra các tham số điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục, điện kháng tản của máy. Trong phần này ta nghiên cứu các vấn đề trên bằng thí nghiệm với sơ đồ nối dây thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ được trình bày trên hình 2.1. Tải của máy phát đồng bộ là tổng trở Z có thể biến đổi. Dòng điện kích thích It của máy phát điện lấy từ nguồn điện bên ngoài và điều chỉnh Et được nhờ biến trở Rđc. Uđm 2.1.1. Đặc tính không tải Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ là quan hệ giữa sđđ Et = Uo và Edư It it0 Hình 2.2 Đặc tính không tải Et = f(It)
  3. 41 dòng điện kích từ It khi máy làm việc không tải (I = 0) và tốc độ quay của rotor không đổi được trình bày trên hình 2.2. Nó chính là dạng của đường cong từ hóa B = f(H) của vật liệu sắt từ. Et = U0 = f(It) I = 0, f = fđm. 2.1.2. Đặc tính ngắn mạch và tỉ số ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch là quan hệ : In = f(It) khi U = 0, f = fđm. (Khi đó dây quấn phần ứng được nối tắt ngay trên đầu cực của máy) Nếu gỉa thiết lúc ngắn mạch bỏ qua điện trở phần ứng (Rư = 0) thì mạch điện 0 dây quấn phần ứng lúc này là thuần cảm ( = 90 ), như vậy dòng điện Iq = Icos = 0, còn Id = Isin = I và đồ thị vectơ của máy phát điện lúc đố trình bày trên hình 2.3b. Ta có:     Et jIXd jIXæt jIXæd (2.1) Và mạch điện thay thế của máy như trên hình 2.3a. jX E ưd t jX jXd ưt +  Et jXưd _ jXưt I (a) Hình 2.3 Mạch điện thay thế và đồ thị véctơ của máy phát điện (b) đồng bộ lúc ngắn mạch Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hòa, vì từ thông khe hở  cần thiết để sinh ra sđđ E = Et –IXưd = IXưt rất nhỏ. Do đó đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng bộ là đường thẳng như trình bày trên hình 2.4 Tỉ số ngắn mạch K Tỉ số ngắn mạch K theo định nghĩa là tỉ số: I K n0 (2.2) Iâm In0 = dòng điện ngắn mạch ứng với dòng điện kích từ It0 để sinh ra sđđ Et = Uđm khi không tải. Iđm = dòng điện định mức của máy phát. Từ hình 2.5, ta có : Uâm Ino (2.3) Xd
  4. 42 Trong đó Xd là trị số bão hòa của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với Et = Uđm Từ (2.2) và (2.3) ta có: U 1 K âm (2.4) Xd Iâm Xd* Thường Xd* > 1, vậy K < 1, nghĩa là dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm lúc ngắn mạch xác lập. Vì vậy có thể kết luận dòng điện ngắn mạch của mát phát điện đồng bộ không lớn vì lúc đó tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng rất mạnh. E,I Et=f(It) Uđm I=f(It) I B’ A’ I=f(It) Iđm I n0 It A B It 0 Ito Itn Hình 2.4 Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ Hình 2.5 Xác định trị số ngắn mạch - Xác định tỉ số ngắn mạch nhờ đặc tính ngắn mạch và không tải Từ hình 2.5, dựa vào hai tam giác đồng dạng 0AA’ và 0BB’, ta có: I I K no to (2.5) Iâm Itn Ito = dòng điện kích từ sinh ra U0 = Uđm khi không tải. Itn = dòng điện kích từ sinh ra I = Iđm khi ngắn mạch. 2.1.3. Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp máy phát đồng bộ. 1. Đặc tính ngoài Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos = const), cũng như tốc độ quay rotor n và dòng điện kích từ It không đổi (hình 2.6). Dòng điện kích thích không đổi thì điện áp U thay đổi như thế U nào khi Uđm dòng điện tải I thay đổi. cos =1 cos =0,8 (dung) Uđm cos =1 cos =0,8 (cảm) I Iđm Hình 2.6 Đặc tính ngoài máy phát đồng bộ
  5. 43 Từ hình 2.6, ta thấy rằng đặc tính ngoài phụ thuộc tính chất tải. Tải có tính cảm khi I tăng, do phản ứng phần ứng khử từ nên điện áp giảm, đường biểu diễn đi xuống; còn tải có tính dung thì ngược lại. Dòng điện từ hóa định mức là dòng điện kích thích ứng với chế độ U =Uđm I=Iđm, cos = cos đm, f = fđm. 2. Độ thay đổi điện áp định mức Uđm của MFĐB. Độ thay đổi điện áp định mức Uđm của máy phát đồng bộ được định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức đến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích từ. Trị số Uđm thường biểu thị theo % điện áp định mức, nghĩa là: Uo Uâm ΔUâm% 100 (2.6) Uâm Trong đó: Uđm% = dộ thay đổi điện áp định mức % Uo = điện áp lúc không tải (V) Uđm = điện áp định mức (V) Trong máy phát đồng bộ turbine hơi, do Xd lớn nên có U lớn hơn so với máy phát turbine nước. Thường Uđm = (25  35)% khi hệ số công suất cos đm. Chú ý: 1. U0 là điện áp đo được sau khi giảm tải từ định mức đến không tải, mà máy đang vận hành ở dòng điện và điện áp định mức (hình 2.6). 2. Điện áp U0 không phải là sđđ kích thích Et. Thay Et bằng Uo vào biểu thức (2.6), sẽ có kết quả sai số lớn vì Et không tính đến ảnh hưởng bão hòa từ, còn U0 là có xét đến yếu tố ảnh hưởng bão hòa từ. (hình 2.7) 3. Độ thay đổi U cho trong điều kiện định mức, thường thì U sẽ dương khi cos = 1, hoặc tải có tính cảm, còn tải có tính dung U âm. a Et Đường thẳng tuyến tính E=f(It) (V) U0 U b Uđm iện áp phần ứng Đ
  6. 44 VÍ DỤ 2.1 Một máy phát điện đồng bộ ba pha 1000kVA, 4,8kV, nối Y có điện trở dây quấn stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ Xđb = 13,8/pha. Máy đang vận hành trong điều kiện định mức với cos = 0,9 (chậm sau). Hãy tính (a) sđđ kích thích và góc công suất; (b) điện áp không tải, cho rằng dòng điện kích từ của máy phát điện không đổi; (c) độ thay đổi điện áp; (d) điện áp không tải, nếu dòng điện kích từ giảm còn 80% so với tải định mức. Bài Giải Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình 2.8a. a. Tính sđđ kích thích Et Điện áp pha và góc lệch pha: U 4800 U d 2771,28 V ; = cos-1(0,9) = 25,84o 3 3 ~ 1000 10 3 S U I* 25,84 o 2771,280o I* 3 I* 120,2825,84 o I 120,28 25,84 o A Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày trên hình 2.8a. Sđđ kích thích pha máy:    o o Et U IjXâb 2771,280 120,28 25,28 j13,8  o Et 3800 ,723,1 V o Et = 3800,7 V;  = 23,1 b. Điện áp không tải
  7. 45 Điện áp không tải có được từ hình vẽ 2.8. Đường cong tuyến tính hóa vẽ được bằng cách, một điểm đi qua gốc tọa độ và một điểm ở đường cong từ hóa có điện áp pha là 2771V. Chia trục điện áp thành tỉ lệ: jXđb I E t + + ~ U U0o _ _ (a) 50 3801 40 3085 2863 2771 2679V (V) t 2535V E 20 thích kích Sđđ 10 (b) 0 10 20 30 40 Dòng điện kích từ It (A) Hình 2.8. Mạch điện tương đương và đường cong từ hóa của Ví dụ 2.1 2771 V  30 tỉ lệ/đơn vị chia = 92,37 V/đơn vị chia So với sức điện động kích thích Et: 3801 41,2 đơn vị chia trên đường tuyến tính hóa 92,37 Từ điện áp 3801V trên đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng sẽ gặp đường cong từ hóa và xác định được điện áp không tải: Uo 33,4 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 3085 V c. Độ thay đổi Điện áp định mức
  8. 46 Uo Uâm 3085 2771 ΔUâm% 100 100 11% Uâm 2771 Chú ý, nếu dùng sđđ kích thích thế vào biểu thức độ thay đổi điện áp, ta có: 3801 2771 100 37% 2771 Ở đây do bão hòa từ làm độ lớn sđđ cảm ứng giảm. d. Điện áp không tải khi giảm dòng điệ khích từ Khi dòng điện kích từ (It2) định mức chia thành 27,5 khoảng, như vậy dòng điện kích từ giảm còn 80%, số đơn vị chia là: 80% x It2 tương ứng = 0,8 x 27,5 = 22 đơn vị chia dòng kích từ Như vậy, ta xác định được điện áp không tải có dòng điện kích từ bằng 80% dòng điện kích từ định mức là: Uo 31đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2863 V VÍ DỤ 2.2 Làm lại ví dụ 2.1 với cos = 0,9 (vượt trước). Bài Giải Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình 2.8a. a. Tính sđđ kích thích Et Điện áp pha và góc lệch pha: U 4800 U d 2771,28 V ; = cos-1(0,9) = - 25,84o 3 3 ~ 1000 10 3 S U I*  25,84 o 2771,280o I* 3 I* 120,28 25,84 o I 120,2825,84 o A Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày trên hình 2.8a. Sđđ kích thích pha máy:    o o Et U IjXâb 2771,280 120,2825,28 j13,8  o Et 2534 ,8136,11 V o Et = 2534,81 V;  = 36,11 b. Điện áp không tải Điện áp không tải có được từ hình 2.8. Đường cong tuyến tính hóa vẽ được bằng cách, một điểm đi qua gốc tọa độ và một điểm ở đường cong từ hóa có điện áp pha là 2771V. Chia trục điện áp thành tỉ lệ: So với sức điện động kích thích Et:
  9. 47 2535 27,4 đơn vị chia trên đường tuyến tính hóa 92,37 Từ điện áp 2535V trên đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng sẽ gặp đường cong từ hóa và xác định được điện áp không tải: Uo 29 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2679 V c. Độ thay đổi Điện áp định mức Uo Uâm 2679 2771 ΔUâm% 100 100 3,32% Uâm 2771 2.1.4. Đặc tính điều chỉnh. Đặc tính điều chỉnh của máy phát là quan hệ giữa dòng điện kích từ It theo dòng điện tải I khi điện áp U không đổi và tốc độ quay rotor n, cos cũng không đổi It cos =0,8 (cảm) (hình 2.9). Đặc tính này cho biết cần phải điều chỉnh dòng điện kích từ như thế nào để cos =1 giữ điện áp U trên đầu cực máy phát không It0 đổi khi tăng tải. Thường trong các máy phát điện đồng bộ có bộ tự động điều chỉnh dòng cos =0,8 (dung) kích từ để giữ điện áp không đổi. I Dòng điện kích thích thay đổi ứng với các 0 tính chất tải khác nhau: Iđm - Tải thuần trở: tăng tải thì phải tăng dòng Hình 2.9 Đặc tính điều chỉnh điện kích từ It để bù điện áp rơi trên dây quấn phần ứng. - Tải có tính cảm: tăng tải thì phải tăng dòng điện kích từ It mạnh (1,7-2,2) Ito, để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ. - Tải có tính dung: tăng tải thì giảm It, do phản ứng phần ứng trợ từ làm U tăng. 2.2. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG Trong nhà máy điện các máy phát nối chung vào một thanh cái, còn trong hệ thống điện gồm nhiều nhà máy nối với nhau, tạo thành lưới điện, như vậy các máy phát điện đồng bộ làm việc song song. Có nhiều ưu điểm khi các máy phát điện đồng bộ làm việc song song như giảm vốn đầu tư đặt máy phát điện dự trữ, đảm bảo an toàn cung cấp điện và sử dụng các nguồn năng lượng một cách kinh tế. Khi nối các máy phát làm việc song song công suất của lưới điện rất lớn so với công suất của từng máy phát, do đó tần số và điện áp của lưới điện gần như không đổi khi thay đổi tải. Trước khi đưa một máy phát vào làm việc cùng với lưới điện tức là hoà đồng bộ (hình.2.10), phải kiểm tra các điều kiện sau đây: 1. Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện. 2. Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện.
  10. 48 3. Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện. 4. Điện áp của máy phát và điện áp của lưới điện phải trùng pha nhau. Trên sơ đồ hình 2.10, máy phát điện đồng bộ F1 là máy phát đang làm việc với lưới, máy F2 là máy phát chuẩn bị ghép làm việc song song F1 tức là nối vào lưới, còn bộ đồng bộ kiểu ánh sáng được hình thành bởi ba đèn dây tóc 1, 2 và 3. Lưới điện  1 2 U U UL,f, L AF U MC1 AL MC2 3  V F L U U CL BF F F 1 2 UF,fL  U - _ U   it1 it2 UCF UBL + + (b) (a) Hình 2.10. Hòa đồng bộ máy phát đồng bộ vào lưới điện Kiểm tra các điều kiện để ghép máy phát làm việc song song Để ghép máy phát F2 vào lưới ta phải kiểm tra các điều kiện nối máy phát điện làm việc song song. Dùng vônmét V để kiểm tra UF = UL, nếu không bằng ta điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát để điện áp máy phát bằng điện áp lưới. Tần số và thứ tự pha được kiểm tra bằng bộ đồng bộ với ba đèn 1, 2 và 3. Khi tần số fF    fL thì điện áp ΔU UL UF đặt vào các đèn 1, 2, 3 sẽ có tần số fF - fL. Nếu thứ tự pha của máy phát và lưới giống nhau thì cả ba đèn cùng tối và cùng sáng với tần số. Điện áp U đặt trên ba đèn chính là hiệu số các điện áp pha tương ứng của hai hình sao điện áp máy phát F2 và của lưới điện như trên hình 2.10b. Như vậy điện áp đặc lên đèn U (0 < U < 2UF) có lúc lớn nhất là 2UF, do vậy Chọn đèn có điện áp Uđm = 2UF. Khi các điều kiện trên được thỏa mãn tức là điện áp ở hai đầu máy cắt bằng không, ta đóng máy cắt MC 2 để hòa đồng bộ. Đóng máy cắt MC khi chu kỳ sáng tối của đèn từ 3  5s và đóng MC khi các đèn tối hẳn. Nếu không đảm bảo các điều kiện trên, sẽ có dòng điện lớn chạy quẩn trong máy, phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện.
  11. 49 VÍ DỤ 2.3 Hai máy phát điện đồng bộ ba pha làm việc song song, nối Y có điện trở dây quấn stator Rư = 2,18 /pha và điện kháng đồng bộ Xđb = 62/pha. Hai máy cùng cung cấp điện cho cho một phụ tải 1830 kW với cos = 0,83 (chậm sau) và điện áp trên tải là 13800V. Điều chỉnh dòng kích từ của hai máy sao cho một máy có dòng điện phản kháng là 40A. Tính : a. Dòng điện của mỗi máy phát điện ? b. Sđđ Et của mỗi máy và góc lệch pha giữa các sđđ đó ? Bài Giải Mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ một pha trình bày trên hình VD 2.3. d. Tính dòng điện tải U 13800 Điện áp pha : U d 7967,43V 3 3 Dòng điện tải có trị số là : P 1830 103 I 92,3 A 3Ucos 3 7967,43 0,83 Dòng điện chậm sau điện áp góc = arccos 0,83 = 33,9o và biểu thị dưới dạng số phức như sau : I 92,3 33,9o 76,8 j51,4 A Do công suất tác dụng phân phối đều cho hai máy nên dòng điện tác dụng của mỗi máy là 76,8/2 = 38,4 A, hơn nữa dòng điện phản kháng của máy A là 40 A, do đó :  IA 38,4 j40 A    IB I IA 38,4 11,4j A   Et j62 2,18 I  IjXâb + +  Et ~  o _ U U0  U _  (b) IR æ (a) Hình VD 2.3 Mạch điện tương đương và đồ thị vector máy phát e. Tính sđđ kích thích Sđđ kích thích pha máy A :    EtA U IA (R æ jXâb)
  12. 50 7967,430o (38,4 40j) (2,18 j62) 1072012,22o V Sđđ kích thích pha máy B :    EtB U IB (R æ jXâb) 7967,430o (38,4 11,4j) (2,18 j62) 903015,1o V Góc lệch pha giữa hai sđđ dó là : o o o B - A = 15,1 -12,22 = 2,88 . 2.3. ĐẶC TÍNH ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP Điều chỉnh dòng điện kích từ It, điện áp của máy phát vẫn không đổi vì đó là điện áp của lưới điện. Việc thay đổi dòng điện kích từ It chỉ làm tháy đổi công suất phản kháng của máy phát. Còn muốn máy phát điện mang tải sau khi hòa đồng bộ, ta tăng công suất động cơ sơ cấp, tức tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy phát nhiệt điện. Trên hình 2.11 trình bày đặc tính tốc độ của động cơ sơ cấp, là quan hệ giữa tốc độ (tần số) của động cơ sơ cấp với công suất tác dụng. Về lý thuyết nó là đường thẳng ngang, nhưng thực tế là đường hơi dốc xuống. Đặc tính tốc độ hơi dốc xuống tình bày trên hình là qui định về tính ổn định làm việc vốn có khi máy phát vận hành song song với máy phát khác. Máy có độ dốc bằng không gọi là máy đẳng thời, sẽ không ổn định khi vận hành song song; trong phần này ta xét sự thay đổi tải đột ngột, và điều chỉnh với trạng thái ổn định. Đường cong đặc tính tốc độ không tải khác nhau được vẽ bằng các đường thẳng nét đứt được trình bày trên hình 2.11. Tham số bộ điều tốc xác định việc phân phối công suất tác dụng giữa các máy phát làm việc song song là độ thay đổi tốc độ bộ điều tốc GSR (Governor Speed Regulation) và độ suy giảm tốc độ GD bộ điều tốc (Governor Droop). Độ thay đổi tốc độ bộ điều tốc GSR Độ thay đổi tốc độ được định nghĩa là: n n f f GSR o âm o âm (2.7) nâm fâm Trong âoï: nđm = tốc độ định mức no = tốc độ không tải fđm = tần số định mức fo = tần số không tải Độ suy giảm tốc độ bộ điều tốc GD Độ suy giảm tốc độ bộ điều tốc hay tỉ số suy giảm là tỉ số của sự thay đổi tần số với thay đổi công suất tác dụng tương ứng:
  13. 51 Δf f f GD o âm (2.8) ΔP Pâm Từ biểu thức (2.8), ta lấy đơn vị tương ứng cho độ suy giảm GD là Hertz/watt, Hertz/kilowatt, hay Hertz/megawatt. Độ suy giảm của bộ điều tốc đúng ra là không đổi nhưng nó sinh ra độ suy giảm khi đặt. Nó độc lập khi đặt ở chế độ không tải và không ảnh hưởng đến lúc làm việc song song. Tốc độ không tải 3060 51 3000 50 độ (vg/phút) độ (Hz) số ần T Tốc 500 Công suất P (kW) Hình 2.11 Đặc tính tốc độ của động cơ sơ cấp VÍ DỤ 2.4 Trên hình 2.11 là đặc tính điều chỉnh tốc độ của máy phát điện đồng bộ ba pha 500kW, 460V, 50Hz, 2 cực từ đang làm việc ở chế độ định mức. Hãy xác định độ thay đổi tốc độ và độ suy giảm tốc độ. Bài Giải a. Độ thay đổi tốc độ f f 51 50 GSR o âm 0,02 fâm 50 b. Độ suy giảm tốc độ f f 51 50 GD o âm 0,002 Hz / kW Pâm 500 Hay 2Hz/MW 2.4. PHƢƠNG PHÁP DỪNG AN TÕAN CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG VỚI MÁY PHÁT KHÁC
  14. 52 Để dừng an toàn các máy phát làm việc song song với máy phát khác, ta tiến hành các bước sau dây: 1. Điều chỉnh công suất cơ trên đầu trục máy phát và dòng điện kích từ để giảm dần dần công suất tác dụng và phản kháng về không. 2. Khi oát kế chỉ không, cắt máy phát ra khỏi lưới 3. Công tắc tự động điều chỉnh điện áp chuyển về bằng tay 4. Giảm điện áp máy phát về trị số nhỏ nhất và cắt kích thích 5. Ngừng turbine quay máy phát Chú ý, trong một số máy phát sử dụng tuốc bin hơi (1000MW hoặc cao hơn), nhà sản xuất đề xuất trình tự dừng máy nhằm mục đích giảm khả năng vượt tốc của máy phát. 2.5. DÙNG TAM GIÁC ĐẶC TÍNH ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TOÁN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG Giải các bài toán phân phối tải giữa các máy phát làm việc song song, ta có thể tiến hành trực tiếp trên tam giác đặc tính của mỗi máy, và dựa vào tam giác đồng dạng để xác định. Trên hình 2.12, là tam giác đặc tính được hình thành từ đường thẳng đặc tính tốc độ (tần số) bộ điều tốc và đường thẳng tốc độ (tần số) định mức, hai đường này sẽ giao nhau ở tần số định mức và công suất tác dụng định mức. Tam giác đặc tính là cố định sinh ra từ sự suy giảm tốc độ và không đổi khi thay đổi tải hay thay đổi tốc độ đặt không tải của bộ điều tốc. Tam giác đặc tính f0 fđm f đm f Đường thẳng tần số mới P số (Hz) số Pđm ần T P đm Công suất P (kW) Hình 2.12 Tam giác đặc tính hình thành từ đặc tính điều tốc và đường thẳng tần số định mức Tăng tải là nguyên nhân làm giảm tần số, như trình bày trên hình 2.12, và sự giao nhau của đường thẳng tần số mới và đặc tính điều tốc đã thiết lập tam giác đặc tính
  15. 53 đồng dạng mới. Như vậy, từ hình của tam giác đồng dạng, và biểu thức (2.8), ta có: f f Δf GD o âm (2.9) Pâm ΔP Từ biểu thức (2.7), ta có: fo fâm GSR fâm (2.10) Thay (2.10) vào biểu thức (2.9), ta được: GSR f Δf GD âm (2.11) Pâm ΔP Trong đó: GR = độ suy giảm tốc độ GSR = độ thay đổi tốc độ f = độ thay đổi tần số do thay đổi tải P = độ thay đổi tải Vì độ suy giảm tốc độ là không đổi khi tăng hoặc giảm tải. Biểu thức (2.11) là đúng với tất cả các tần số vận hành và trong tất cả các tốc độ đặt không tải của bộ điều tốc. VÍ DỤ 2.5 Hai máy phát đồng bộ, A và B, làm việc song song và đang cung cấp cho lưới 300kW có tần số 60Hz. Số liệu định mức của cả hai máy 460V, 500kW, 60Hz và độ thay đổi tốc độ 2%. Máy A mang tải 100kW và máy B – 200kW. Giả sử rằng máy A được cắt ra khỏi lưới điện, xác định tần số của (a) máy A; (b) máy B; (c) và của lưới. Bài giải Trên hình 2.13 trình bày đường cong đặc tính của hai máy, với máy phát A được cắt ra khỏi lưới, tần số của nó tăng lên là fa2; máy B nhận hết tải nên tần số của nó giảm xuống là fb2. a. Tần số của máy A GSR f Δf 0,02 60 Δf âm a a Pâm ΔPa 500 100 Δfa 0,24 Hz Như vậy, fa = fđm + fa = 60 + 0,24 = 60,24 Hz b. Tần số của máy B Vì hai máy có đặc tính điều chỉnh giống nhau, nên: fb = fa = 0,24 Hz fb = fđm - fa = 60 - 0,24 = 59,76 Hz Tam giác đặc tính 61,2 A B Đến tải 60,0 500kW fa2 số (Hz) số ần T
  16. 54 c. Tần số của lưới flưới = 59,76 Hz VÍ DỤ 2.6 Hai máy phát đồng bộ, A có 500kW, 60Hz, 2300V, 6 cực từ và B - 300kW, 60Hz, 2300V, 4 cực từ đang làm việc song song. Cả hai máy đều có độ thay đổi tốc độ 2,43%. Hai máy có tải như nhau và công suất tổng máy đang cấp cho lưới 400kW ở tần số 60,5Hz. Giả sử rằng tải tổng tăng lên 500kW, hãy xác định (a) tần số đang vận hành; và (b) công suất của mỗi máy. Bài giải Trên hình 2.14 trình bày đường cong đặc tính của hai máy. a. Tần số của hai máy đang vận hành GSR f Δf Ta có: âm a Pâm ΔPa Máy A Máy B 0,0243 60 Δf 0,0243 60 Δf 500 ΔPa 300 ΔPb Pa = 342,936 f Pb = 205,761 f Pa + Pb = (342,936 + 205,761) f
  17. 55 500 - 400 = 548,697 f f = 0,182 Hz Tần số của lưới điện: flưới = 60,5 - 0,182 = 60,318 Hz b. Công suất của mỗi máy Máy A: Pa = 342,936 f = 342,936 x 0,182 = 62,414 kW Máy B: Pb = 100 - 62,414 = 37,586 kW Pa = 200 + 62,41 = 262,21 kW Pb = 200 + 37,59 = 237,59 kW Tam giác đặc tính A B Đến tải (Hz) số (B) 60,458 60,458 ần T (A) (B) (A) 60,0 60,0 300kW 500kW 60,5 f fbus Pb Pa 100 200 300 Công suất P/máy (kW) Hình 2.14 Đặc tính điều tốc của ví dụ 2.6 VÍ DỤ 2.7 Hai máy phát đồng bộ, A có 1000kW, 60Hz và B - 600kW, 60Hz đang làm việc song song. Cả hai máy đều có độ suy giảm tốc độ 0,0008Hz/kW. Tải của lưới điện 900kW, máy A cấp 2/3 tải cho lưới ở tần số 60,2Hz. Giả sử rằng tải của lưới tăng thêm 720kW, hãy xác định (a) tần số lưới điện; và (b) tải của mỗi máy.
  18. 56 Bài giải a. Tần số của lưới điện Do hai máy có độ suy giảm tốc độ như nhau nên tải tăng thêm phân phối đều cho hai máy, vì vậy: 720 ΔP ΔP 360 kW a b 2 Δf Δf GD 0,0008 ΔPa 360 Δf 0,288 Hz flưới = 60,2 - 0,288 = 59,91 Hz b. Công suất mỗi máy 2 P 900 360 960kW a 3 1 P 900 360 660kW a 3 Ta thấy máy B đang làm việc quá tải 10% . VÍ DỤ 2.8 Ba máy phát đồng bộ sử dụng đông cơ sơ cấp diesel đang làm việc song song cung cấp công suất tổng 210kW, 60Hz cho tải của lưới điện. Công suất định mức của máy A – 500kW, B – 200kW, C – 300kW. Sơ đồ mạch điện trình bày trên hình 2.18a, và đặc tính điều tốc trên hình 2.18b. Giả sử rằng tải của lưới ba pha tăng thêm gồm tải thuần trở 440kW và một động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất từ lưới 200kVA có hệ số công suất 0,8; hãy xác định (a) công suất tác dụng của lưới điện cung cấp; và (b) tần số của hệ thống; (c) công suất tác dụng của mỗi máy. Bài giải a. Công suất tác dụng của lưới điện cung cấp cho tải Tải tăng thêm: P = 400 + 0,8.200 = 600kW Tải hệ thống: P = 210 + 600 = 810kW b. Tần số hệ thống Từ số liệu trên hình 2.15b, tính được độ suy giảm tốc độ như sau: Δfa 60,2 60 GD a 0,002857 Hz / kW ΔPa 70
  19. 57 Δfb 60,4 60 GD b 0,005714 Hz / kW ΔPb 70 Δfc 60,6 60 GD c 0,008571 Hz / kW ΔPc 70 500kW 200kW 300kW A B C 70kW Lưới 70kW 70kW (a) 210kW 210kW 210kW 60,6 60,4 60,2 60 f (A) f2 P c2 (B) Pb 2 số (Hz) số (C) n Pa2 ầ T (b) 70 100 200 300 400 Công suất P/máy (kW) Hình 2.15 Đặc tính điều tốc của ví dụ 2.7 Tăng tải là nguyên nhân làm giảm tần số về f2 như trình bày trên hình 2.15b. Dựa vào hình 2.15b, sử dụng tam giác đồng dạng và chú ý rằng f là như nhau cho tất cả các máy phát: Δf Δf Δf 0,002857 0,005714 0,008571 ΔPa2 ΔPb2 ΔPc2
  20. 58 Pa2 = 350 f; Pb2 = 175 f; Pc2 = 116,667 f Pa2 + Pb2 + Pc2 = 600 (350 +175 + 116,667) f = 600 f = 0,9351 Hz f2 = 60 - f = 60 - 0,9351 = 59,06 Hz c. Công suất mỗi máy Pa2 = 70 + Pa2 = 70 + 350 x 0,9351 = 397,3 kW Pb2 = 70 + Pb2 = 70 + 175 x 0,9351 = 233,6 kW Pc2 = 70 + Pc2 = 70 + 116,667 x 0,9351 = 179,1 kW 2.6. PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TÁC DỤNG GIỮ CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG Điều chỉnh công suất động cơ sơ cấp tương ứng sẽ cân bằng lại công suất tác dụng giữa các máy phát điện làm việc song song nhưng không cân bằng công suất phản kháng. Điều chỉnh dòng điện kích từ It sẽ cân bằng lại công suất phản kháng giữa các máy phát. Muốn máy phát điện mang tải sau khi hòa đồng bộ, ta tăng công suất cơ của động cơ sơ cấp, tức tăng lưu lượng nước trong máy thủy điện hoặc tăng lưu lượng hơi trong máy phát nhiệt điện. Điều chỉnh dòng điện kích từ It, điện áp của máy phát vẫn không đổi vì đó là điện áp của lưới điện. Việc thay đổi dòng điện kích từ It chỉ làm tháy đổi công suất phản kháng của máy phát. Chú ý, sau đây ta chỉ xét máy phát làm việc trong hệ thống điện, nghĩa là tần số f và điện áp U của hệ thống điện cho là không đổi. Để xét việc điều chỉnh công suất tác dụng giữa các máy phát điện làm việc song song được trình bày trên hình 2.16, máy phát điện một F1 đang cấp công suất cho lưới, máy phát hai F2 vừa hòa đồng bộ thành công vào lưới. Đồ thị véctơ tương ứng với điều kiện ban đầu trình bày trên hình 2.16a và b. Dòng điện I1 do máy F1 cấp cho lưới trước khi hòa máy F2 vào lưới điện. Tuốc bin Hòa thành công vào lưới F1 F2 Tải Hình 2.16 Hai máy phát làm việc song song Điều chỉnh công suất tác dụng giữa các máy phát điện là đồng thời điều chỉnh điều chỉnh công suất cơ tương ứng, đó cũng là nguyên nhân gây ra góc công suất
  21. 59 của máy phát F2 tăng và máy phát F1 giảm. Đồ thị véctơ vẽ bằng đường nét đứt trện hình 2.17a và b là trình bày sau khi điều chỉnh công suất tác dụng. Từ điều kiện mới này, ta có:  Et1 Quỹ tích của E  t jI1Xâb E ' t1 1 ’  sin 1  t1 jI'1 Xâb ’ E ’1 U 1 ’1 ’ I 1 I 1 I’1cos ’1 Quỹ tích của I1 (F1) (a) Quỹ tích của Et  '' Et1 E’t1sin’1= E’’t1sin’’1 ’’1 ’1 '' φ1  '' jI''1 Xâb I1 ’1 ’ 1 Quỹ tích của I1 (F1) I’1cos ’1= I’’1cos ’’1 (c) Hình 2.17 Đồ thị vectơ (a) và (b) trình bày ảnh hưởng khi điều chỉnh công suất cơ đến việc truyền công suất tác dụng; (c) và (d) ảnh hưởng khi điều chỉnh dòng kích từ đến công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ  E't2 2 Quỹ tích ’ '  ' jI X  2 âb của E I2 t2 sin t2 ’2 ’  E ’2 Et2
  22. 60 ' ' UE t1 ' UE t2 ' sinθ1 sinθ2 Xđb1 Xđb 2 Do điện kháng đồng bộ của hai máy bằng nhau (Xđb1 = Xđb2) và điện áp của hai máy là như nhau, nên: ' ' ' ' Et1 sinθ1 Et2 sinθ2 (2.12) Đồ thị véctơ tương ứng trình bày trên hình 2.17 a và b. Hơn nữa, cả hai máy đều cấp công suất tác dụng bằng nhau cho tải: ' ' ' ' UI t1 sinφ1 UI t2 sinφ2 ' ' ' ' It1 sinφ1 It2 sinφ2 (2.13) Chú ý, ở đồ thị véctơ tương ứng trình bày trên hình 2.17: ' 1. Dòng điện phần ứng I1 trong máy F1 là chậm sau, nhưng dòng điện phần ' ứng I2 trong máy F2 là vượt trước, điều đó cho thấy có khác trong hệ số công suất và đã phân phối lại công suất phản khán giữa hai máy.
  23. 61 2. Mặc dù trên hình 2.17a,b,c không trình bày độ lớn và góc pha của dòng ' điện lưới vì nó không đổi và bằng I1 . Đồ thị véctơ tương ứng với điều kiện ổn định khi phân phối lại công suất tác dụng và phảng kháng giữa các máy phát làm việc song song vẽ bằng đường nét ' đứt và có sự thay đổi để I2 trong máy F2 là chậm sau, được trình bày trên hình 2.17c và d. Quỹ tích của véctơ dòng điện và spđđ trên hình 2.17 là trình bày quá trình chuyển công suất tác dụng và phản kháng giữa các máy phát làm việc song song. Cân bằng lại công suất phản kháng giữa các máy phát làm việc song như trình bày trên hình 2.17, là cho ta biết cách phải điều chỉnh đòng điện kích từ sao cho trị số dòng điện và góc lệc pha của lưới không đổi. Để thực hiện điều đó, biến trở điều chỉnh dòng điện kích từ của máy nhận công suất tác dụng (máy F2) quay lên để tăng sđđ kích thích và máy có công suất tác dụng giảm (máy F2) quay xuống để giảm sđđ kích thích cho đến khi đồng hồ hệ số công suất (hay VAr - công suất phản kháng) chỉ như nhau cả hai máy. Các máy phát trình bày trên hình 2.17, là các máy phát giống y nhau làm việc song song, và kết hợp việc điều chỉnh để đảm nhận một phần của tổng công suất tác dụng và phản kháng. Nếu các máy là không giống nhau, điện kháng đồng bộ cũng không như nhau và phải tính đến điều đó. VÍ DỤ 2.9 Hai máy phát đồng bộ ba pha đang làm việc song song cung cấp công suất tổng cho lưới điện gồm phụ tải 500kW, có hệ số công suất đơn vị và các động cơ không đồng bộ nhận công suất 200kVA, có hệ số công suất 0,852. Sơ đồ mạch điện trình bày trên hình 2.18a. Giả sử rằng hai máy cung cấp công suất tác dụng bằng nhau cho lưới điện. Hãy xác định (a) thành phần công suất tác dụng và phản kháng của tải. Nếu(b) hệ số công suất tác dụng của máy A là 0,94, xác định công suất tác dụng của mỗi máy cung cấp. Bài giải a. Thành phần công suất tác dụng và phản kháng của tải Plưới = 500 + 200.0,852 = 670,40 kW -1 o ĐK = cos (0,852) = 31,57 o Qlưới = QĐK = 200.sin(31,57 ) = 104,7 kVAr b. Công suất tác dụng của mỗi máy Pa = Plưới/2 =670,40/2 = 335,2 kW -1 o a = cos (0,94) = 19,95 Công suất phản khán của máy A: (hình 2.18b) o Qa Pa tgφa 335,2 tg(19,95 ) 121,7 kVAr
  24. 62 Công suất phản khán của máy B: Qb Qbus Qa 104,7 121,7 17,0 kVAr Ta thấy công suất phản kháng máy B âm, nghĩa là hệ số công suất máy B vượt trước. Q a a Pa (b) A B Lưới (a) 500kW ĐK ĐK 200kVA. 0,852 Hình 2.18 Sơ đồ mạch điện và đồ thị véctơ công suất của ví dụ 2.9 2.7. ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ Về cấu tạo động cơ điện đồng bộ giống máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ có thể làm việc như động cơ điện đồng bộ. Nếu tháo động cơ sơ cấp ra khỏi máy phát và nối dây quấn stato vào lưới điện ba pha đồng thời cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích từ, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi và tạo ra momen kéo tải cơ đấu vào trục. Ưu điểm động cơ điện đồng bộ là hệ số công suất cao và có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi dòng điện kích từ, điều này cho phép nâng cao hệ số công suất của lưới điện khi cần. Trường hợp động cơ quay không tải và tăng dòng kích từ đủ lớn thì dòng điện lưới vào động cơ sẽ vượt trước điện áp của nó một góc gần 900, lúc này động cơ làm việc như một tụ điện phát công suất phản kháng vào lưới, dây là chế độ máy bù đồng bộ. 2.7.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ Khi cho dòng điện ba pha vào dây quấn stator, dòng điện ba pha ở dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ : 60f n (vg/ ph) (2.14) 1 p
  25. 63 Nếu rotor đang đứng yên (hình 2.19), cực Nam S của rotor bị cực Bắc N stator kéo và nó có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ. Nhưng do quán tính và cực Bắc stator quét qua nó quá nhanh, trong khi nó chưa quay tới thì sau nữa chu kỳ nó đã đối diện với cực Nam stator và bị đẩy lùi, nghĩa là rotor có xu hướng quay theo chiều ngược lại. Kết quả là moment (khởi động) trung bình bằng không và rotor không tự quay được. 1 2 N n 1 S n 1 N S Hình 2.19. Sự tạo ra mômen trong động cơ đồng bộ. 1. Trục rôto; 2. Trục từ trường stato Tuy nhiên nếu chúng ta quay trước rotor với tốc độ đồng bộ các cực từ rotor bị “khóa chặt” vào cực từ stator trái dấu. Khi không tải, từ trường stator và rotor cùng quay với tốc độ đồng bộ n1 và trục của chúng trùng nhau ( = 0). Lúc có tải trục từ trường rotor đi chậm sau trục từ trường stator một góc , tải càng nặng góc  càng lớn, nhưng cả hai vẫn cùng quay với tốc độ đồng bộ n1. 2.7.2. Khởi động động cơ điện đồng bộ Hình 2.20. Rotor cực lồi của động cơ đồng bộ và dây quấn khởi động.
  26. 64 Động cơ đồng bộ không tự khởi động được, như đã trình bày ở phần nguyên lý làm việc. Từ trường quay stator quét qua các cực từ rotor với tốc độ đồng bộ, nên lực tác dụng lên rotor luân phiên kéo và đẩy, do rotor có quán tính lớn, nên moment trung bình bằng không. Vì vậy rotor phải được quay đến bằng hoặc gần bằng tốc độ đồng bộ để giữ cho lực tác dụng tương hỗ giữa hai từ trường không đổi chiều trước khi động cơ có thể làm việc. Trong vài trường hợp, dùng động cơ một chiều gắn vào trục rotor để kéo rotor đến tốc độ đồng bộ. Trong động cơ nhỏ, người ta dùng moment từ trở. Với động cơ công suất lớn, để tạo moment khởi động, trên các mặt cực từ của rotor người ta đặt các thanh dẫn được nối ngắn mạch như kiểu rotor lồng sóc ở động cơ không đồng bộ, gọi là dây quấn khởi động hình 2.20. Lúc đầu động cơ làm việc như động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, khi động cơ quay ổn định đưa dòng điện kích từ vào dây quấn kích thích, rotor sẽ được kéo vào đồng bộ. 2.7.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện đồng bộ Tốc độ của động cơ điện đồng bộ n là tỉ lệ thuận với tần số f và tỉ lệ nghịch với số đôi cực từ p của máy: 60f n n (2.15) 1 p Do cấu tạo, số đôi cực từ p là không thể thay đổi, vi vậy tốc độ động cơ điện đồng bộ chỉ có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi tần số f của nguồn điện. Với một tần số nhất định thì tốc độ động cơ không đổi cho dù tải thay đổi, nếu động cơ không mất đồng bộ. Do đó động cơ điện đồng bộ rất thích hợp với yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác và khi nhiều động cơ đang làm việc đồng bộ nhau. Động cơ đồng bộ làm việc với hệ số công suất và hiệu suất rất cao (không có tổn hao công suất trượt như động cơ không đồng bộ). Như đã biết, việc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ có thể thực hiện được nhờ bộ biến tần. 2.8. ĐIỀU CHỈNH DÕNG ĐIỆN KÍCH THÍCH ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT LƢỚI ĐIỆN Ta viết lại phương trình cân bằng điện áp ở dây quấn stator của động cơ đồng bộ cực ẩn là:     U Et R æI jXâbI (2.16) Khi bỏ qua điện trở dây quấn stator Rư, ta có:    U Et jXâbI (2.17) Mạch điện tương đương và đồ thị vectơ đã được trình bày trên hình 1.19c,d. Trên hình 2.21 vẽ đồ thi vectơ ứng với trường hợp thiếu kích từ, dòng điện I chậm pha sau điện áp U . Khi sử dụng người ta không để động cơ làm việc ở chế độ này, vì động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện, làm cho hệ số công suất của lưới điện thấp. Trong công nghiệp thường động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích từ, dòng điện I vượt trước pha điện áp U , động cơ vừa tạo ra cơ năng, đồng thời phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất cos của lưới điện. Đây là ưu điểm lớn nhất của động cơ đồng bộ.
  27. 65 Để thấy rõ sự thay đổi hệ số công suất của động cơ đồng bộ, ta trình bày trên hình 2.21 là đồ thị vectơ của ba trường hợp: + Khi cos ứng với chế độ thiếu kích từ, I chậm sau U một góc là . + Khi cos = 1 ứng với U và I trùng pha nhau; + Khi cos ứng với chế độ quá kích từ, vượt trước một góc là . I U t   jIXâb = C =  sin t E 2 Icos = Ct   1 Et Et Hình 2.21 Đồ thị vectơ khi cos =1 và khi cos (vượt trước, chậm sau ) Do điện áp U, tần số f, công suất tác dụng P không đổi, nên Icos = const và   Etsin  = const. Khi vẽ cần lưu ý mút vectơ I và Et tương ứng chạy trên đường 1, vuông góc với , và chạy trên đường 2, song song với . 2.9. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI TẢI ĐẾN DÕNG ĐIỆN PHẦN ỨNG, GÓC CÔNG SUẤT VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ Ảnh hưởng của tải trên trục của động cơ đến dòng điện phần ứng, góc công suất và hệ số công suất được trình bày trên hình 2.22; động cơ được cung cấp nguồn có điện áp, tần số và từ trường cực từ cho là không đổi. Giả thiết rằng tải ban đầu đã lớn, sau đó tăng tải trên trục lên gấp đôi. Ta đã biết P  Ucos và P  Etsin nên tăng tải trên trục lên hai lần thì Ucos và Etsin cũng tăng gấp đôi. Khi vẽ đồ thị  véctơ ở điều kiện ổn định mới thì véctơ I2 jXđb tương ứng với dòng điện phần ứng mới và vuông pha với dòng điện I2. Hơn nữa, nếu từ thông cực từ không đổi, tải trên trục tăng, sđđ Et không đổi và Et sẽ di chuyển trên đường tròn bán kính Et, đường đứt nét trên hình 2.22, từ hình vẽ ta thấy tải tăng thì góc công suất  tăng nhưng góc lệch pha của điện áp và dòng điện giảm nghĩa là hệ số công suất cos tăng. Khi tăng tải, vị trí của rotor so với từ trường quay tiếp tục tăng, như vậy góc giữa sức phản điện động và từ trường dòng điện phần ứng tăng. Như vậy khi thay đổi tải, trừ quá trình quá độ, rotor sẽ có vị trí mới liên quan đến từ trường quay, còn tốc độ của động cơ là không đổi. Tóm lại, khi tải tăng, vị trí của điểm mút sđđ
  28. 66 kích thích dịch xa trục hoành hơn, tương ứng với việc tăng mômen và rotor sẽ mất đồng bộ. Điểm mômen cực đại tương ứng góc công suất 90o đối với máy cực ẩn. 2.I1cos 1 I1cos 1 U 2  1 1 E E01sin 1  1 01 sin 1 0 E 2. 2 jIX âb I 2 I 1  E02 Hình 2.22 Đồ thị vectơ trình bày ảnh hưởng của tải trên trục đến dòng điện phần ứng, góc công suất và hệ số công suất của động cơ điện đồng bộ 2.7.4. Đặc tính hình V của động cơ điện đồng bộ Khi tải không đổi (công suất tác dụng P = Cte), thay đổi dòng điện hay điện áp kích từ (thay đổi công suất phản kháng Q) và vẽ đồ thị vectơ sđđ, ta xác định được quan hệ giữa dòng điện phần ứng theo điện áp kích từ (I = f(Et hay It)) gọi là đặc tính hình V của động cơ điện đồng bộ và được trình bày trên hình 2.23, là họ đặc tính hình V của động cơ điện đồng bộ với các tải khác nhau. Các đường cong trên có liên quan đến đồ thị véctơ trên hình 2.20, và trình bày sự thay đổi dòng điện kích từ ảnh hưởng đến dòng điện phần ứng. Chú ý rằng khi tăng tải thì phải tăng dòng điện khich từ để giữ cho hệ số công suất không đổi. n m I Thiếu kích thích 150 1,5 Pđm B 100 1,0 Không tải 0,5 Quá kích 50 thích I(A) ứng phần điện Dòng cos =1 Sđđ Et (It), V/pha 0 50 100 A 150 200 250 Hình 2.23 Họ đặc thính hình V của động cơ đồng bộ
  29. 67 Trên hình 2.23, đường Am là đường đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính hình V, tương ứng với hệ số công suất cos = 1. Còn bên phải của Am ứng với tải có tính cảm > 0: chế độ quá kích thích và bên trái của Am ứng với tải có tính dung < 0: chế độ thiếu kích thích. Đường Bn trên hình 2.23 là đường giới hạn làm việc ổn định tĩnh ( = - 900) của động cơ ở chế độ thiếu kích thích. Nếu giảm dòng điện khích thích nhỏ hơn giới hạn ổn định tĩnh, động cơ sẽ mất đồng bộ. Đặc tính hình V khi tải không đổi trình bày trên hình 2.23 là lấy từ số liệu thí nghiệm I=f(It) hay đồ thị véctơ vẽ quan hệ I=f(Et) được trình bày trên hình 2.22 hay từ công thức toán học của đặc tính hình V sau đây: 0,5 1 2 2 2 2 2 2 I Et U 2 Et U Xđb P1p  (2.18) Xđb Biểu thức (2.18) là từ đồ thị véctơ hình 2.22 khi bỏ qua điện trở phần ứng động cơ. Nếu công suất điện từ nhỏ hơn công suất trên trục cộng với tổn hao cơ, tính không ổn định sẽ xảy ra và biểu thức (2.18), trong căn bậc hai sẽ có giá trị âm. Họ đặc tính hình V vẽ trên hình 2.23 là kết quả của việc tính toán theo biểu thức (2.18) của động cơ đồng bộ ba pha 40hp, 220V, 60Hz có điện kháng đồng bộ 1,27/ pha VÍ DỤ 2.11 Cho rằng đặc tính hình V của động cơ điện đồng bộ khi đầy tải trình bày trên hình 2.23. Hãy xác định (a) trị số sđđ kích thích nhỏ nhất mà động cơ vẫn duy trì ổn định; (b) tính lại khi dùng biểu thức công suất tác dụng và (c) biểu thức (2.18); (d) góc công suất của động cơ điện đồng bộ nếu từ thông kích thích tăng 175% so với giới hạn ổn định tĩnh (c). Bài Giải a. Trị số sđđ kích thích nhỏ nhất theo hình 2.23: Et = 98V b. Tính lại sđđ kích thích bằng biểu thức: E U P X P 3 t sinθ E 1 đb 1 X t 3.U.sinθ đb 40 746 1,27 Et 99V 3 220 / 3 sin( 90 o ) c. Tính lại sđđ kích thích bằng biểu thức: Thành phần trong căn bậc hai của biểu thức (2.18) bằng không là giới hạn ổn định tĩnh, tức là sđđ kích thích nhỏ nhất duy trì sự ổn định của máy, vậy sđđ kích thích sẽ là:
  30. 68 2 2 2 2 Et U Xđb P1p 0 Xđb P1p 1,27 40 746 /3 Et 99V U 220 / 3 d. Tính góc công suất: o o 1,75Et sinθ2 Et sin( 90 ) θ2 35 2.10. TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Tổn hao trong máy điện đồng bộ gồm: 1. Tổn hao đồng trên mạch phần ứng PCu: Công suất mất mát trên dây quấn phần ứng với giả thiết mật độ dòng điện phân bố đều trên toàn bộ tiết diện dây dẫn. 2. Tổn hao sắt từ Pfe: Công suất mất mát trên mạch từ (gông và răng) do từ trường biến đổi hình sin (f1), phụ thuộc vào trị số từ cảm, tần số, trọng lượng thép, chất lượng tôn silíc và trình độ công nghệ chế tạo lõi thép. 3. Tổn hao đồng trên mạch kích từ Pt: trên điện trở dây quấn kích từ và chổi than. 4. Tổn hao phụ Pf: - Do dòng xoay ở các thanh dẫn của dây quấn stato và các bộ phận khác của máy do từ trường tản mà dòng điện phần ứng sinh ra. - Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt lõi thép rôto máy cực ẩn do stato có rãnh. - Tổn hao ở răng stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thông chính và do các sóng điều hòa bậc cao sinh ra. Để giảm tổn hao phụ cho các máy phát đồng bộ công suất lớn ta thường thực hiện các cách sau đây: chia dây dẫn theo chiều cao rãnh thành nhiều dây đồng dẹt và hoán vị chúng cho nhau; chế tạo các vành ép lõi sắt stato và rôto bằng vật liệu phi từ tính; tiện xoắn ốc bề mặt rôto của máy phát tuốc bin hơi. 5. Tổn hao cơ gồm Pcơ: - Làm mát máy; - Ma sát ở ổ trục và bề mặt rôto - stato khi có môi chất làm mát máy. 2.10.1. Máy phát điện đồng bộ Giả sử rằng máy phát điện đồng bộ có cấu tạo thông thường, nghĩa là cực từ đặt trên rotor và máy phát kích thích đặt trên cùng trục. Quá trình năng lượng trong máy phát điện đồng bộ là máy phát nhận công suất cơ từ động cơ sơ cấp đưa vào đầu trục rotor, rồi truyền qua stator và đưa ra công suất điện trên đầu cực dây quấn stator. Giản đồ năng lượng máy phát được trình bày trên hình 2.24. Như đã thấy trên hình 2.24, dòng năng lượng qua máy phát có tổng công suất tổn hao là: P Pf Pms.q Pfe Pt PCu (2.19)
  31. 69 Trong đó: Pf = tổn hao phụ Pms,q = tổn hao ma sát và quạt gió Pfe = tổn hao sắt Pt = tổn hao đồng mạch kích từ PCu = tổn hao đồng stato Hiệu suất của máy phát đồng bộ: Hiệu suất nói chung của máy phát điện đồng bộ được cho bởi biểu thức: P P η 2 2 (2.20) P1 Pt P2 P Trong đó : P2 : Công suất đầu ra của máy phát. P : tổng công suất tổn hao trong máy phát. P1 : Công suất đưa vào trục của máy phát. Công suất kích thích của máy phát điện đồng bộ khoảng từ 150 kW cho các máy phát có công suất ra 25kW đến 7MW. Tất cả công suất đưa vào dây quấn kích thích đều biến thành nhiệt làm máy nóng lên và nhiều phương pháp làm mát được đề xuất. Pt S Pđiện P1 P2 ROTOR N Pđt PCu Pms.q Pf Pfe Pt Hình 2.24 Giản đồ năng lượng động máy phát điện đồng bộ 2.10.2. Động cơ điện đồng bộ Quá trình năng lượng trong động cơ điện đồng bộ là động cơ nhận công suất điện từ lưới đưa vào dây quấn stator, rồi truyền qua rotor và đưa ra công suất cơ trên trục động cơ. Giống như máy phát điện động bộ giản đồ năng lượng động cơ được trình bày trên hình 2.25. Như đã thấy trên hình 2.250, dòng năng lượng qua động cơ có tổng công suất tổn hao là: P PCu Pfe Pt Pms.q Pf (2.21) Trong đó: PCu = tổn hao đồng stato Pfe = tổn hao sắt Pt = tổn hao đồng mạch kích từ
  32. 70 Pms,q = tổn hao ma sát và quạt gió Pf = tổn hao phụ Trừ quá trình quá độ xuất hiện khi tăng hoặc giảm dòng điện kích từ, còn trong máy điện đồng bộ tổng năng lượng vào và kích từ là không đổi, còn lại là thay đổi phụ thuộc vào tổn hao RI2 trong thanh dẫn đồng. P t P S P 1 Pcơ 2 ROTOR N Pđt P P P PCu Pfe t ms.q f Hình 2.25 Giản đồ năng lượng động cơ điện đồng bộ Hiệu suất động cơ điện động bộ Hiệu suất nói chung của động cơ điện đồng bộ được cho bởi biểu thức: P P η 2 2 (2.22) P1 Pt P2 P Trên nhãn động cơ đồng bộ, nhà sản xuất chỉ ghi hiệu suất chung khi máy làm việc trong điều kiện tải định mức. Do vậy, ta chỉ xác định được tổng tổn hao trong máy. Việc tách riêng các tổn hao thành các thành phần như trên biểu thức (2.21) đòi hỏi nhiều thí nghiệm. Nếu tổn hao đồng trong mạch phần ứng và mạch kích từ xác định được, ta lấy công suất vào trừ đi tổn hao mạch phần ứng và mạch kích từ, công suất còn lại có thể coi gần đúng bằng công suất điện từ để sinh công suất cơ. 2.11. SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CỦA LƢỚI ĐIỆN Trong công nghiệp có thể vừa sử dụng động cơ đồng bộ và không đồng bộ, thường động cơ điện đồng bộ làm việc với hệ số công suất vượt trước để bù hệ số công suất chậm sau của động cơ không đồng bộ. Trong trường hợp đó, động cơ điện đồng bộ làm việc không tải, nhằm mục đích cải thiện hệ số công suất của lưới điện, máy được gọi là máy bù đồng bộ (synchronous condenser). Như vậy máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ nhưng được thiết kế đặc biệt vì khi làm việc trên trục không tải.
  33. 71 VÍ DỤ 2.12 Một lưới điện ba pha 50Hz, 460V cung cấp cho ba tải: 1. Động cơ không đồng bộ ba pha 400hp, 60Hz, 6 cực từ, nối Y đang làm việc ở ¾ tải định mức có hiệu suất 95,8% và hệ số công suất 89,1%. 2. Tải thuần trở ba pha 50kW được nối tam giác. 3. Động cơ đồng bộ ba pha 300hp, 60Hz, 4 cực từ, nối Y đang làm việc với ½ tải định mức có góc công suất -16,4o. Bỏ qua tổn hao đồng, động cơ đang làm việc với hiệu suất 96% và điện kháng đồng bộ Xđb = 0,667/pha. Hãy xác định (a) công suất tác dụng của lưới điện cung cấp; (b) hệ số công suất của động cơ điện đồng bộ; (c) hệ số công suât lưới điện; (d) dộ thay đổi % dòng điện kích từ để hệ số công suất của lưới điện bằng 1 (bỏ qua ảnh hưởng bão hòa của mạch từ) Bài Giải Mạch điện thay thế của bài toán trình bày trên hình VD 2.12a và đồ thị vectơ trình bày trên hình VD 2.12b. a. Tính công suất tác dụng của lưới điện cung cấp cho tải: Động cơ không đồng bộ : P 0,75 746 400 0,75 746 P âm 233611 ,7 W ÂK η 0,958 Tải điện trở: Ptrở = 50.000 W Động cơ đồng bộ : P 0,5 746 300 0,5 746 P âm 116.562,5 W ÂB η 0,96 Plưới = PĐK + Ptrở + PĐB = 400.174,19W 400,2 kW b. Tính hệ số công suất của động cơ điện đồng bô: U 460 Điện áp pha: U d 256,58 V 3 3  o Và giả thiết : U UΨu 256,580 V Công suất tác dụng động cơ đồng bộ là: E U E 256,58 P 3 t sinθ 3 t sin( 16,40 ) Xđb 0,667 Et 345,614 V  o Vậy sđđ kích thích: Et 345,614 16,4 V Sđđ kích thích động cơ điện đồng bộ:    Et U IA jXâb
  34. 72 345,614 16,4o 256,580o I j0,667 I 176,634,06 o A Góc lệch pha của điện áp và dòng điện của động cơ điện đồng bộ: o o o φ Ψu Ψi 0 34,06 34,06 cos = cos(-34,06o) = 0,828 (R-C) c. Tính hệ số công suất của lưới điện: o o QĐB PĐB tg( 34,06 ) 116562 ,5 tg( 34,06 ) 78800 ,1 VAr 1 QĐK PĐK tg(cos φ) 233611,7 tg(cos0,891) 119035 ,3 VAr QLæåïi QĐB QÂK 78800 ,1 119035 ,3 40235 ,2 VAr ~ o S Lưới = Plưới +Qlưới = 400174,19 + 40235,2j = 4021915,74 VA o Hệ số công suất lưới điện: cos lưới = cos(5,74 ) = 0,995 (tải R-L) Nguồn ba pha, 460V, 50Hz Nguồn ba pha (a) ĐK ĐB Tải R QĐK o 27 233611,7W o 30,06 116562,5W (b) 50kW QĐB Hình VD 2.12 Mạch điện tương đương và đồ thị vector của ví dụ
  35. 73 d. Tính hệ số công suất của lưới điện đơn vị: Để hệ số công suất lưới điện bằng 1, động cơ điện đồng bộ phải phát thêm công suất phản kháng bù hết công suất phản kháng của động cơ điện không đồng bộ tiêu thụ là -40235,2 VAr. Vậy: ~ o S ĐB = 116562,5 – j(78800,1+40235,2) = 166602-45,6 VA Ta có: ~  * SĐB 3 U I ~ S 166602  45,6o I* ĐB 209,1 46,6o A 3U 3 256,58 I 209,146,6o A Sđđ kích thích động cơ điện đồng bộ:    Et U IA jXâb  o o Et 256,580 209,145,6 j0,667 378,04 14,96 V Khi bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ, ta có Et    It , nên: 378,04 345,614 ΔE % ΔI % 9,38% t t 345,614 2.12. XÁC ĐỊNH THAM SỐ MÁY ĐỒNG BỘ BẰNG THÍ NGHIỆM Điện kháng đồng bộ phụ thuộc vào mức độ bão hòa từ và có trị số khác nhau ứng với các tải và dòng điện kích từ khác nhau. Điện kháng đồng bộ được nhà các nhà sản xuất cung cấp để tính toán độ thay đổi của điện áp và phân tích các chế dộ tải khác, cùng với dòng điện kích thích, là cơ sở cung cấp điện áp không tải và dòng điện ngắn mạch tương ứng. Trong trường hợp tham số máy điện đồng bộ không được nhà sản xuất cung cấp, ta có thể thí nghiệm một chiều, không tải và ngắn mạch để xác định. Thí nghiệm một chiều Mục đích của thí nghiệm một chiều là để xác định Rư. Nó được thực hiện bằng cách nối hai đầu dây quấn stator với nguồn một chiều thấp như trên hình 2.32a. Biến trở điều chỉnh cung cấp các trị số về dòng điện và điện áp, và điện trở giữa các dầu dây stator được xác định bởi định luật Ohm, theo hình 2.32a,b dây quấn stator nối hình sao: VDC R DC R DC R Y (2.23) IDC 2 Nếu dây quấn stator nối hình tam giác như trên hình 2. 32c, R Δ 2R Δ R DC R Δ 1,5R DC (2.24) R Δ 2R Δ Chú ý: do hiệu ứng mặt ngoài, trị số điện trở tính được từ các biểu thức (2. 23) và (2.24) phải nhân thêm một hệ số gọi là hệ số hiệu ứng mặt ngoài, mặt dù các hệ số này thay đổi với các máy khác nhau, gần đúng có thể lấy bằng 1,2. Như vây:
  36. 74 R æ 1,2R Y hay R æ 1,2RΔ (2.25) a Nguồn DC A điều chỉnh V được điện áp MB b c (a) IDC IDC RY a a R Y RY b R b Y UDC RY UDC R c c Y (b) (c) Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện thí nghiệm xác định Rư Thí nghiệm không tải Khi thí nghiệm không tải, yêu cầu tốc độ quay của động cơ sơ cấp không đổi và bằng định mức, điều chỉnh dòng điện kích từ để có điện áp ra trên cực máy phát bằng định mức lúc không tải. Mạch điện nối dây thí nghiệm trình bày trên hình 2.27a. Số liệu thu được từ thí nghiệm không tải là: It0 và U0d (= Uđm) Trong đó: Ito = dòng điện kích thích để sinh ra sđđ E=Uđm lúc không tải (A) U0d = điện áp dây lúc không tải (V) Thí nghiệm ngắn mạch Khi nối ngắn mạch ba pha stator như trình bày trên hình 2.27b, yêu cầu yêu cầu tốc độ quay của động cơ sơ cấp không đổi và bằng định mức, điều chỉnh dòng điện kích thích bắt đầu từ thấp đến bằng dòng điện kích thích để sinh ra điện áp trong thí nghiệm không tải. Mạch điện nối dây thí nghiệm trình bày trên hình 2.27b. Số liệu thu được từ thí nghiệm ngắn mạch là: It0 và Ino (= Uđm) Trong đó: Ino = dòng điện dây trung bình ngắn mạch ba pha (A)
  37. 75 Điện kháng đồng bộ Tỉ số điện áp pha nhận được từ thí nghiệm không tải và dòng điện pha nhận được từ thí nghiệm ngắn mạch là điện kháng đồng bộ pha: U0,pha Zđb (Ω) (2.26) Ino,pha V PƯ Động cơ Sơ Cấp A KT Nguồn DC It (a) Rđc Nối ngắn mạch A PƯ A A Động cơ Sơ Cấp A KT Nguồn DC It (b) Rđc Rư jXđb Z PƯ đb KT (c) Hình 2.27 Sơ đồ nối dây thí nghiệm không tải (a); ngắn mạch (b); mạch điện tương đương (c)
  38. 76 Thay điện trở phần ứng Rư đã tính ở biểu thức (2.25) và Zđb ở (2.26) trong tổng trở đồng bộ gồm điện trở mắc nối tiếp với điện kháng như trình bày trên mạch điện tương đương hình 2.27c, ta có: 2 2 Zâb R æ jXâb Xâb Zâb R æ (2.27) Nếu Rư << Zđb thì bỏ qua Rư và cho Xđb = Zđb VÍ DỤ 2.13 Số liệu thu được từ thí nghiệm không tải, ngắn mach và một chiều của máy điện đồng bộ ba pha 50kVA, 240V, nối Y, 60Hz là: U0,d=240V; Ino,d = 115,65A; UDC = 10,35V; IDC = 52,08A Hãy xác định (a) điện trở phần ứng ; (b) điện kháng đồng bộ; (c) tỉ số ngắn mạch Bài Giải a. Điện trở phần ứng VDC 10,35 R DC 0,196 R DC 0,196Ω R Y 0,098Ω IDC 52,8 2 2 R æ 1,2R Y 1,2 0,098 0,1167 Ω b. Điện kháng đồng bộ U0,pha 240 / 3 Zđb 1,1981 (Ω) Ino,pha 115,65 2 2 2 2 Xâb Zâb R æ 1,1981 0,1167 1,1923 Ω c. Tỉ số ngắn mạch 50000 240 SCS ; UCS 3 3 2 2 UCS (240 3) ZCS 1,1520 Ω SCS 50000 /3 Xđb 1,1923 Xđb* 1,035 ZCS 1,152 1 1 K 0,966 Xđb* 1,035   
  39. 77 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Ý nghĩa của tỉ số ngắn mạch K. Trị số của nó ảnh hưởng như thế nào đến cấu tạo và tính năng của máy điện đồng bộ. 2. Phân tích tại sao đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ lại thay đổi phụ thuộc vào tính chất tải? 3. Tại sao phải nối các máy phát đồng bộ làm việc song song? 4. Trình bày quá trình nối các máy phát đồng bộ làm việc song song bằng phương pháp hòa đồng bộ nối tối? 5. Phân tích hậu quả xãy ra đối với máy phát điện đồng bộ khi hòa đồng bộ mà không thỏa mãn từng điều kiện ghép làm việc song song với lưới điện. 6. Vì sao khi ghép phát điện đồng bộ làm việc song song bằng phương pháp tự đồng bộ, dây quấn kích từ phải nối tắt qua điện trở triệt từ. 7. Làm thế nào để điều chỉnh công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát điện đồng bộ. Việc điều chỉnh P và Q khi làm việc trong lưới điện và khi hai máy cùng công suất làm việc song song khác nhau thế nào? 8. Hãy trình bày việc điều chỉnh từ thông cực từ ảnh hưởng đến hệ số công suất của các máy làm việc song song. 9. Hai máy phát điện đồng bộ giống nhau đều cung cấp tải như nhau cho lưới điện. Máy A có độ thay đổi tốc độ là 2%, máy B- 3%. Vẽ các đặc tính và trình bày ngắn gọn (a) sự phân phối tải khi lưới tăng tải; (b) và sự phân phối tải khi lưới giảm tải. 10. Trong máy điện đồng bộ có các tổn hao nào? Sự làm mát máy như thế nào? 11. Tốc độ động cơ đồng bộ có thể điều chỉnh được không ? Làm thế nào để điều chỉnh được ? 12. Sử dụng đồ thị véctơ trình bày sự thay đổi công suất vào khi giảm tải trên trục động cơ. 13. Việc tăng kích thích của động cơ điện đồng bộ đang đầy tải từ giới hạn ổn định tĩnh đến kích thích cực đại ảnh hưởng như thế nào đến dòng điện phần ứng của nó ? 14. Việc tăng kích thích của động cơ điện đồng bộ đang đầy tải từ giới hạn ổn định tĩnh đến kích thích cực đại ảnh hưởng như thế nào đến mômen cực đại ? 15. Việc tăng kích thích của động cơ điện đồng bộ đang đầy tải từ giới hạn ổn định tĩnh đến kích thích cực đại ảnh hưởng như thế nào đến hệ số công suất của nó?
  40. 78 BÀI TẬP Bài số 2.1. Xác định tốc độ của máy phát điện đồng bộ ba pha 4 cực từ đang vận hành ở lưới điện ba pha có f=50Hz. Đáp số : 1500 vòng/phút Bài số 2.2. Một máy phát đồng bộ cực ẩn ba pha 1600kVA, 13000V, 60Hz, đấu Y. Có điện trở phần ứng 1,5/pha và điện kháng đồng bộ 30/pha. Tính độ thay đổi điện áp phần trăm và góc công suất  khi tải máy phát 1280kW có hệ số công suất là: Cos = 1 ?; Cos = 0,8 (tải có tính cảm) ? và cos = 0,8 (tải có tính dung) ? Đáp số : 26,6%, 12,66o; 20,18%, 10,48o; -12,67%, 15,66o Bài số 2.3. Một máy phát đồng bộ cực ẩn ba pha 2500kVA, 6700V, 50Hz, đấu Y. Có điện trở phần ứng 0,2/pha và điện kháng đồng bộ 6,5 /pha. Tính độ thay đổi điện áp phần trăm khi máy phát dòng và điện áp định mức cho tải có (a) cos = 1; (b) cos = 0,866 (tải có tính cảm); (c) cos = 0,707 (tải có tính dung). Bỏ qua ảnh hưởng của bão hòa từ. Đâp số: 7,39%; 22,98%; -20,32% Bài số 2.4. Một máy phát đồng bộ cực ẩn ba pha 2000kVA, 6700V, 50Hz, đấu Y có điện áp không tải 9350V khi dòng kích thích định mức. Bây giờ cho máy làm việc với công suất biểu kiến và điện áp định mức; cos = 0,8 (tải tính cảm R-L). Giả sử Rư = 0. Tính: a. Độ thay đổi điện áp phần trăm. b. Góc công suất . c. Điện kháng đồng bộ. d. Công suất cơ tổng. e. Công suất Sđm và điện áp Uđm mới nếu máy được đấu . 0 Đáp số : 39,55%; 26,67 ; 20,4; 800kW; Sđm = 2000kVA; 3868V Bài số 2.5. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha hoàn toàn giống nhau làm việc song song, nối Y có điện trở phần ứng không đáng kể và điện kháng đồng bộ Xđb = 4,5/pha. Hai máy cùng cung cấp điện đều cho cho một phụ tải 26000 kW với cos = 0,866 (chậm sau) và điện áp trên tải là 13,2kV. Nếu thay đổi dòng điện kích từ để phân phối lại công suất phản kháng của hai máy sao cho một máy có cos 1 = 1 thì lúc đó hệ số công suất cos 2 của máy kia bằng bao nhiêu ? Tính sđđ Et và góc công suất  của mỗi máy trong trường hợp đó ? o Đáp số : cos 2 = 0,655; Et1 = 8,04 kV và 1 = 18,56 . o Et2 = 10,88 kV và 2 = 13,63 . Bài số 2.6. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha hoàn toàn giống nhau làm việc song song, nối Y có điện trở dây quấn stator Rư = 2,18/pha và điện kháng đồng bộ Xđb = 50/pha. Hai máy cùng cung cấp điện như nhau cho cho một phụ tải 1830 kW với cos = 0,85 (chậm sau) và điện áp trên tải là 13800V. Điều chỉnh dòng kích từ của hai máy sao cho một máy có dòng điện phản kháng là 30A. Tính :
  41. 79 a. Dòng điện của mỗi máy phát điện. b. Sđđ Et của mỗi máy và góc lệch pha giữa các sđđ đó. Đáp số : (a) 48,65A; 42,07A; (b) 9727V, 10,960; 9116V, 11,880 . Bài số 2.7. Hai máy phát điện đồng bộ A và B tương ứng là 300kW, GSR = 3,5% và 600kW, GSR 2,5%, đang làm việc song song ở lưới điện 60Hz, 480V. Máy A cung cấp 260kW và máy B cung cấp 590kW cho lưới. Vẽ sơ đồ đường thẳng của hệ thống. Vẽ đặc tính điều chỉnh tốc độ hai máy trên cùng hệ trục tọa độ. Cắt tải của lưới điện còn 150kW. Xác định tần số mới và công suất tác dụng của mỗi máy cấp cho tải. Bài số 2.8. Hai máy phát điện đồng bộ A và B, mỗi máy có 600kW, 60Hz, và độ thay đổi tốc độ của bộ điều tốc tương ứng là GSR = 2% và GSR =5%. Hai máy đang làm việc song song và cấp tải như nhau cho lưới điện 1000kW, 57Hz. Vẽ (a) đặc tính điều chỉnh tốc độ hai máy trên cùng hệ trục tọa độ ở tần số đang vận hành. Vẽ (b) đặc tính trong điều kiện mới, cho rằng tải của lưới điện giảm còn 400kW. Xác định tần số mới và sự phân bố tải trong điều kiện câu (b). Bài số 2.9. Máy phát điện đồng bộ A có 700kW, 60Hz, GSR = 2% đang làm việc song song với máy B có 600kW, 60Hz, và độ thay đổi tốc độ của bộ điều tốc tương ứng là GSR = 6%. Hai máy đang cung cấp cho lưới điện có tải 1000kW, 60Hz, 2400V và hệ số công suất 0,806 chậm sau được chia đều cho hai máy. Nếu một tải 200kVA, hệ số công suất 60% được nối thêm vào lưới. Xác định tần số làm việc mới và công suất tác dụng của tải trong mỗi máy. Bài số 2.10. Ba máy phát điện đồng bộ 600kW, 60Hz, 480V đang làm việc song song. Các máy cung cấp công suất như sau: máy A - 200kW; máy B - 100kW; và máy C - 300kW. Độ thay đổi tốc độ của bộ điều tốc tương ứng là 2%; 2%; và 3%. Tần số của hệ thống là 60Hz. Nếu tăng tải hệ thống lên đến 2000kVA, hệ số công suất 70% chậm sau. Xác định tần số làm việc mới và công suất tác dụng của tải được cung cấp bởi mỗi máy. Bài số 2.11. Ba máy phát điện đồng bộ A, B, C tần số 25Hz đang làm việc song song trong hệ thống 25Hz, 2400V. Các máy công suất định mức như sau: máy A - 600kW; máy B - 500kW; và máy C - 1000kW. Độ thay đổi tốc độ của bộ điều tốc tương ứng là 2%; 1,5%; và 4%. Tải của các máy A, B , C trương ứng là 200kW;, 300kW và 400kW. Nếu tải tăng thêm 800kW nối vào lưới. Xác định tần số làm việc mới và công suất tác dụng của mỗi máy. Bài số 2.12. Hai máy phát điện đồng bộ A và B làm việc song song và cùng nhận tải bằng nhau từ lưới điện 480V, 60Hz đang mang tải. Hệ số công suất của lưới 0,766 và góc công suất của mỗi máy phát là 20o. Hãy sử dụng thước thẳng và thước đo góc để vẽ đồ thị véctơ riêng của mỗi máy. Cho rằng bộ điều tốc của cả hai máy được điều chỉnh để máy A nhận 25% tải của lưới, xây dựng đồ thị véctơ trong điều kiện mới. Trình bày tất cả việc xây dựng đó bằng các đường và xác định hệ số công suất của mỗi máy.
  42. 80 Bài số 2.13. Một máy phát điện đồng bộ ba pha làm việc song song với hệ thống (công suất hệ thống rất lớn) có góc công suất 27o, hệ số công suất 94,2% và điện điện áp 600V. Hãy sử dụng thước thẳng, thước đo góc và giấy kẻ ly để vẽ đồ thị véctơ riêng của máy phát. Cho rằng turbine (động cơ sơ cấp) bị cắt ra và kích từ không đổi, tải cơ bằng 60% tải được phân phối khi làm việc ở chế độ máy phát đang nối vào trục. Trình bày sự thay đổi trên đồ thị véctơ và xác định hệ số công suất và góc công suất mới. Bài số 2.14. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha diesel DG 1 và DG2 giống nhau làm việc song song cùng cung cấp cho tải 3000kW, hệ số công suất 80,2% chậm sau. Hãy vẽ đồ thị véctơ riêng ở điều kiện đầu của mỗi máy. Điều chỉnh bộ điều tốc để máy DG1 nhận 2/3 tải. Cho rằng điện áp lưới, tần số và kích từ không đổi. Sử dụng compa và thước kẻ để xây dựng đồ thị véctơ trong điều kiện mới của máy. Trình bày cách xây dựng trên đồ thị véctơ và dùng thước đo góc để xác định hệ số công suất và góc công suất mới. Bài số 2.15. Một máy phát điện đồng bộ ba pha F1 đang làm việc với hệ thống điện (công suất hệ thống rất lớn) cung cấp cho lưới 100kW, hệ số công suất 60,2% chậm sau. Hãy vẽ đồ thị véctơ (a) ở điều kiện của máy đang có. Điều chỉnh bộ điều tốc (b) để máy F1 nhận công suất cơ gấp đôi. Sử dụng đường nét chấm để xây dựng đồ thị véctơ trong điều kiện mới của máy trong đồ thị véctơ câu (a) và xác định góc công suất mới. (c) Cho rằng trong điều kiện (b) tăng thên 25% từ thông cực từ ở máy F1. Sử dụng đường nét đứt để xây dựng trên đồ thị véctơ trong điều kiện mới này và xác định góc công suất tương ứng. Bài số 2.16. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha A và B có 450V, 60Hz, 600kW đang làm việc song song cùng cung cấp công suất tác dụng và phản kháng như nhau cho lưới điện. Tải của lưới điện 1000kVA, hệ số công suất 80,4% chậm sau. Cho rằng điều chỉnh dòng điện kích thích máy A để hệ số công suất của máy này tăng đến 85% chậm sau, vậy máy kia đang vận hành với hệ số công suất như thế nào ? Bài số 2.17. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha A và B đang làm việc song song cùng cung cấp công suất cho tải của lưới điện 560kVA, 480V, 60Hz và hệ số công suất 82,8% chậm sau. Máy A nhận 75% công suất tác dụng của tải và có hệ số công suất 92,4% chậm sau. Xác định thành phần công suất tác dụng và phản kháng của mỗi máy. Bài số 2.18. Hai máy phát điện đồng bộ ba pha A và B đang làm việc song song cùng cung cấp cho tải của lưới điện 600V, 60Hz. Tải lưới điện gồm 270kVA có hệ số công suất bằng 1, nhóm động cơ không đồng bộ 420kVA có hệ số công suất 89,4% và động cơ đồng bộ 300kVA có hệ số công suất 92,3% vượt trước. Nếu máy A nhận 60% công suất tác dụng của tải và có hệ số công suất 70,4% chậm sau. Xác định thành phần công suất tác dụng và phản kháng máy B cung cấp.
  43. 81 Bài số 2.19. Ba máy phát điện đồng bộ ba pha giống nhau đang làm việc song song cùng cung cấp công suất bằng nhau cho tải 1500kW của lưới điện 450V, 60Hz có hệ số công suất 80,0% chậm sau. Độ thay đổi tốc độ của ba máy được điều chỉnh 1,0; 1,0; 3,0% tương ứng với máy A, B, C. Vẽ biểu diễn lại (a) độ suy giảm tốc độ của ba máy trên cùng hệ trục tọa độ và ghi tên các đường biểu diễn. Tính (b) tần số vận hành mới và công suất tác dụng của tải trong mỗi máy nếu tải của lưới điện tăng đến 1850kW. Nếu hệ số công suất của hệ thống trong điều kiện mới là 95,0% chậm sau, Máy A có hệ số công suất 90,0% chậm sau, máy B có hệ số công suất 60,0% chậm sau. Xác định hệ số công suất của máy C. mức định áp Điện (V) t E thích kích Sđđ 0 10 20 30 40 Dòng điện kích từ I (A) t Hình BT2.20. Đường cong từ hóa của BT 2.20-25 Bài số 2.20. Một máy phát điện đồng bộ ba pha 250kVA, 480V, nối Y, bốn cực từ có điện trở dây quấn stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ Xđb = 0,99/pha. Máy đang vận hành trong điều kiện định mức với cos = 0,832 (chậm sau) và đường cong từ hóa trình bày trên hình BT 2.20. Hãy tính (a) sđđ kích thích và góc công suất; (b) điện áp pha không tải, cho rằng dòng điện kích từ của máy
  44. 82 phát điện không đổi; (c) độ thay đổi điện áp; (d) điện áp không tải, nếu dòng điện kích từ giảm còn 60% so với tải định mức. Bài số 2.21. Làm lại bài tập 2.20 khi vận hành trong điều kiện định mức với cos = 0,832 (vượt trước) Bài số 2.22. Một máy phát điện đồng bộ ba pha 1000kVA, 4800V, nối Y, hai cực từ có điện trở dây quấn stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ Xđb = 14,12/pha. Máy đang vận hành cung cấp 600kVA ở 4800V cho tải với cos = 0,952 (chậm sau) và đường cong từ hóa trình bày trên hình BT 2.20. Hãy tính điện áp dây không tải của máy. Bài số 2.23. Một máy phát điện đồng bộ ba pha 150kVA, 240V, nối , 4 cực từ có tổng trở đồng bộ (0,094 + j0,32)/pha. Máy đang vận hành trong điều kiện định mức với cos = 0,752 (chậm sau) và đường cong từ hóa trình bày trên hình BT 2.20. Hãy tính độ thay đổi điện. Bài số 2.24. Làm lại bài tập 2.23, cho rằng máy vận hành trong điều kiện định mức với cos = 1. Bài số 2.25. Một máy phát điện đồng bộ ba pha 250kVA, 450V, nối Y, 4 cực từ có tổng trở đồng bộ (0,05 + j0,24)/pha. Máy đang vận hành song song với các máy phát khác trong điều kiện định mức với cos = 0,85 (vượt trước) và đường cong từ hóa trình bày trên hình BT 2.20. Hãy vẽ mạch điện tương đương và đồ thị véctơ tương ứng trên một pha và điện áp của máy nếu mất tải. Bài số 2.26. Xác định tốc độ của động cơ điện đồng bộ ba pha 40 cực từ đang vận hành ở lưới điện ba pha có f=50Hz và U= 4600V. Bài số 2.27. Xác định tần số cần thiết để động cơ điện đồng bộ 16 cực từ, 480V quay ở tốc độ 225 vòng/phút. Bài số 2.28. Động cơ điện đồng bộ ba pha 50hp, 2300V, 60Hz đang làm việc ở tốc độ 90 vòng/phút. Tính số cực từ ở rotor. Bài số 2.29. Động cơ điện đồng bộ ba pha 2 cực từ, 1000hp, 2300V, nối Y đang làm việc ở chế độ định mức có hệ số công suất 0,8 (vượt trước), hiệu suất 96,5% và góc công suất -230. Điện kháng đồng bộ 4,65 /pha. Xác định (a) dòng điện lưới cung cấp và (b) spđđ/pha. Bài số 2.30. Động cơ điện đồng bộ ba pha cực ẩn 2 cực từ, 4000hp, 13200V, 60Hz, nối Y đang làm việc ở chế độ định mức có hệ số công suất 0,84 (vượt trước), hiệu suất 96,5% (trừ tổn hao kích thích và điện trở phần ứng). Điện kháng đồng bộ 49,33 /pha. Vẽ đồ thị véctơ và xác định (a) mômen định mức; (b) dòng điện phần ứng và (c) spđđ/pha; (d) góc công suất; (e) mômen ra cực đại.
  45. 83 Bài số 2.31. Động cơ điện đồng bộ ba pha 2500hp, 6600V, nối Y, 3600vòng/phút, 60Hz đang làm việc ở góc công suất -28,50 và spđđ 4500V/pha. Điện kháng đồng bộ 15,8 /pha. Xác định (a) mômen điện từ; (b) công suất ra trên trục, cho rằng hiệu suất cơ 94,3%; (c) hệ số công suất; (d) mômen ra cực đại. Bài số 2.32. Động cơ điện đồng bộ ba pha cực ẩn 4 cực từ, 200hp, 460V, nối Y, 60Hz đang làm việc với tải định mức có hệ số công suất 0,8 (vượt trước), hiệu suất 94%. Điện kháng đồng bộ 1,163 /pha. Xác định (a) sđđ kích thích và góc công suất; (b) mômen ra; (d) mômen ra nếu sđđ kích thích giảm một nửa.  Hình BT 2.8 Bài số 2.33. Đồ thị véctơ của động cơ điện đồng bộ đang vận hành nửa tải được trình bày trên hình BT 2.8. Sử dụng đồ thị véctơ đã cho, hãy vẽ và trình bày cách vẽ đồ thị vectơ mới khi tải tăng lên định mức. Bài số 2.34. Cho đồ thị véctơ của động cơ điện đồng bộ trình bày trên hình BT 2.9, bỏ qua bão hòa từ. Hãy vẽ và trình bày cách vẽ đồ thị vectơ trong các trường hợp sau; (a) dòng điện khích từ không đổi và tải trên trục tăng gấp đôi; (b) tải trên trục không đổi và dòng điện khích từ tăng gấp đôi; (c) dòng điện khích từ và tải trên trục tăng gấp đôi. U   IjXđb  Et I Hình BT 2.9
  46. 84 Bài số 2.35. Cho đồ thị véctơ của động cơ điện đồng bộ trình bày trên hình BT 2.9, bỏ qua bão hòa từ. Hãy vẽ và trình bày cách vẽ đồ thị vectơ trong các trường hợp sau; (a) dòng điện khích từ tăng gấp đôi và tải trên trục không đổi; (b) tải trên trục tăng gấp đôi và dòng điện khích từ giảm đi một nửa; (c) dòng điện khích từ và tải trên trục giảm đi một nửa. Bài số 2.36*. Động cơ điện đồng bộ ba pha 15000hp, 13200V, nối Y, 60Hz, 1800vòng/phút có điện kháng đồng bộ 14,95 /pha. Hãy vẽ (a) họ đặc tính hình V khi tải định mức, 75% định mức, 50% định mức; vẽ phát thảo (b) đường cong giới hạn ổn định tĩnh và hệ số công suât đơn vị. (c) từ các đặc tính hình V gần đúng, xác định sđđ kích thích nhở nhất để duy trì ổn định trong mỗi trường hợp của tải (a). Bài số 2.37. Động cơ điện đồng bộ ba pha 250hp, 575V, nối Y, 60Hz, 2 cực từ đang vận hành nửa tải định mức có đặc tính hình V trình bày trên hình BT 2.37. (a) tìm (từ đặc tính hình V) sđđ kích thích pha và dòng điện phần ứng gần đúng ở hệ số công suất bằng 1, (b) giới hạn ổn định tĩnh; (c) sử dụng điện áp nhãn máy và số liệu tìm được ở câu (a) vẽ đồ thị véctơ; sử dụng đồ thị véctơ xác định (d) góc công suất và điện kháng đồng bộ. 250 225 200 175 150 125 100 75 Dòng điện phần ứng I(A) ứng phần điện Dòng 50 25 0 100 300 400 500 600 700 0 200 Sđđ kích thíc Et, V/pha Hình BT 2.37 Đặc thính hình V của động cơ đồng bộ Bài số 2.38. Đặc tính hình V trình bày trên hình BT 2.38 là của động cơ điện đồng bộ cực ẩn ba pha 350hp, 460V, nối Y, 60Hz, 1800vòng/phút. Máy đang vận hành non tải có sđđ kích thích 500V/pha. Điện kháng đồng bộ 0,65 /pha. Vẽ theo tỉ lệ đồ thị véctơ của máy và xác định (a) góc công suất; (b) thành phần công suất tác dụng và phản kháng đưa vào máy; (c) hệ số công suất và (d) mômen điện từ. Bài số 2.39. Lưới điện ba pha 60Hz, 460V đang cung cấp cho ba tải gồm: động cơ không đồng bộ 50kVA có hệ số công suất 0,84; tải ánh sáng 30kW (đèn sợi tóc) và
  47. 85 động cơ điện đồng bộ 125hp, 6 cực từ, nối Y, điện kháng đồng bộ 1,5 /pha, tiêu thụ công suất tác dụng 80kW. Xác định (a) hệ số công suất của động cơ điện đồng bộ cần để khi vận hành hệ số công suất lưới điện bằng 1; (b) sđđ kích thích trong điều kiện câu (a); và (c) góc công suất trong điều kiện câu (a). 500 450 400 350 300 Dòng điện phần ứng I(A) ứng phần điện Dòng 250 200 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Sđđ kích thíc Et, V/pha Hình BT 2.38 Đặc thính hình V của động cơ đồng bộ Bài số 2.40. Làm lại bài tập số 2.39 trong trường hợp lưới điện đang vận hành với hệ số công suất 0,80 vượt trước. Bài số 2.41. Lưới điện ba pha 60Hz, 460V đang cung cấp cho ba tải gồm: động cơ không đồng bộ 50kVA có hệ số công suất 0,86; tải điện trở 10kW, nối tam giác và; động cơ điện đồng bộ nối Y, đang làm việc với hệ số công suất 0,62 vượt trước, điện kháng đồng bộ 6,05 /pha. Nếu hệ thống vận hành với hệ số công suất bằng 1, hãy xác định (a) thành phần công suất tác dụng và phản kháng của động cơ điện đồng bộ; (b) dòng điện của động cơ điện đồng bộ; (c) sđđ dây kích thích. Bài số 2.42. Lưới điện ba pha 60Hz, 460V đang cung cấp 1,5MW cho tải có hệ số công suất 0,92 chậm sau, trong đó có động cơ điện đồng bộ 500hp, 575V, 1200 vòng/phút đang làm việc với tải định mức có hệ số công suất 0,84 vượt trước, hiệu suất 96,2% (không kể tổn hao kích từ) và điện kháng đồng bộ 0,567 /pha. Hãy xác định (a) hệ số công suất của lưới nếu động cơ đồng bộ cắt ra khỏi lưới; (b) hệ số công suất của lưới nếu động cơ đồng bộ mất tải nhưng vẫn còn nối với lưới và sđđ kích thích không đổi.
  48. 86 Bài số 2.43. Một động cơ điện đồng bộ ba pha 3500hp, 4000V, nối Y, 60Hz, 450vòng/phút có điện kháng đồng bộ dọc trục 5,76 /pha và điện kháng đồng bộ ngang trục 4,8/pha. Động cơ đang làm việc ở chế độ định mức có góc công suất -34,6o và hiệu suất 97,1%. Hãy xác định (a) sđđ kích thích; (b) thành phần mômen từ (khi có dòng kích từ); (c) thành phần mômen phản kháng; (d) tỉ lệ % của thành phần công suất phản kháng so với công suất tổng. Bài số 2.44. Số liệu thu được từ thí nghiệm không tải, ngắn mach và một chiều của máy phát điện đồng bộ ba pha 50kVA, 240V, nối Y, 60Hz là: U0,d=240V; Ino,d = 60,2A; UDC = 120,6V; IDC = 52,4A Hãy xác định (a) điện trở phần ứng ; (b) điện kháng đồng bộ; (c) tổng trở đồng bộ; (d) tỉ số ngắn mạch Bài số 2.45. Số liệu thu được từ thí nghiệm không tải, ngắn mach và một chiều của máy phát điện đồng bộ ba pha 200kVA, 480V, nối Y, 60Hz là: U0,d= 480V; Ino,d = 209,9A; UDC = 91,9V; IDC = 72,8A Hãy xác định (a) tổng trở đồng bộ; (b) tỉ số ngắn mạch. Bài số 2.46. Một máy phát điện đồng bộ ba pha 350kVA, 600V, nối Y, 60Hz , bốn cực từ có tỉ sô ngắn mạch 0,87 và điện trở đồng bộ 0,644/pha. Hãy xác định tổng trở đồng bộ. Bài số 2.47. Số liệu thu được từ thí nghiệm không tải, ngắn mach và một chiều của máy phat điện đồng bộ ba pha 50kVA, 240V, nối Y, 60Hz là: U0,d=240V; Ino,d = 519,6A; UDC = 24,0V; IDC = 85,6A Hãy xác định (a) điện trở phần ứng; (b) điện kháng đồng bộ; (c) tổng trở đồng bộ.   