Tài liệu XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ THEO TẢI

XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ THEO TẢI 1. Đặt vấn đề Trong vận hành máy phát điện, việc duy trì sự ổn định điện áp máy phát là việc làm rất quan trọng. Tại sao vậy? Vì tất cả các thiết bị điện đều được chế tạo để làm việc với một điện áp nhất định. Do đó, để phát huy hết tác dụng, độ tin cậy, tuổi thọ của thiết bị thì thiết bị đó phải được làm việc với điện áp định mức của nó. Mọi sự dao động về điện áp quá giới hạn đều gây ra những thiệt hại làm giảm tuổi thọ của thiết bị…Các nguyên nhân gây dao động điện áp của máy phát là: - Do dòng tải và tính chất của tải thay đổi - Do nhiệt độ cuộn dây máy phát thay đổi - Do tốc độ động cơ lai thay đổi - Do phân phối tải giữa các máy làm việc song song không đều - Do ngắn mạch… Sau đây ta sẽ nghiên cứu ảnh hưởng sự thay đổi của phụ tải tới điện áp của máy phát (xét với tải đối xứng và mạch từ không bão hòa), từ đó xây dựng đặc tính ngoài của máy phát theo phụ tải. Đây sẽ là một trong những nội dung quan trọng để có các biện pháp ổn định điện áp máy phát. II. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 3 PHA. 2.1. Cấu tạo: 2.1.1. Stato Stato hay còn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều giống như kết cấu của stator động cơ không đồng bộ. 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 1200 2.1.2. Roto Hình 1. Stato máy phát đồng bộ a. Roto cực ẩn: Lõi thép rôto được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ. Dây quấn kích từ được làm bằng dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật quấn theo kiểu đồng tâm. Hai đầu của Hình 2. Roto cực ẩn máy phát đồng bộ 1 dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với nguồn kích từ thông qua chổi than và vành trượt. Các máy đồng bộ cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, n=3000 v/p. đường kính D của rôto không được vượt quá 1,11,15 m. Chiều dài tối đa của rôto vào khoảng 6,5m b. Roto cực lồi: Lõi thép roto được chế tạo bằng thép đúc hoặc thép tấm dầy 1  6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ. Lõi thép đặt trên giá đỡ của rôto, giá này lồng vào trục máy. Cực từ đặt Hình 3. Roto cực lồi máy phát đồng bộ trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dày 1  1,5 mm . Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn thành từng cuộn dây. Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào thân cực từ. Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp vì vậy đường kính rôto D của nó có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài lại nhỏ với tỉ lệ l/D = 0,15  0,2m 2.2. Nguyên lý làm việc: Dùng cơ năng quay rôto máy phát đến gần tốc độ định mức và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích từ. Từ trường của rôto quét qua dây quấn stato cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là: E0 =4,44W1kdq0 Nếu rôto có số đôi cực là p, quay với tốc độ n thì sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato có tần số là: f  p.n hoặc n  60 . f . Khi dây quấn stato nối với tải, 60 p trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha chạy qua. Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, có tốc độ: n1  60 . f n p Vì vậy gọi đây là máy phát điện đồng bộ III. Phản ứng phần ứng của máy phát đồng bộ Khi máy phát điện làm việc, từ trường của rôto 0 cắt dây quấn stato và cảm ứng sức điện động E0 chậm pha 900 so với 0. Dây quấn stato nối với tải nên E0 sinh ra dòng điện I cấp cho tải. Dòng điện I chạy trong dây quấn stato tạo nên từ trường quay đồng bộ với 0. Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất của tải quyết định. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. 3.1. Trường hợp tải thuần trở 2 E0 và I trùng pha nên  = 0. Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng  cùng pha với dòng điện. Từ trường phần ứng theo hướng ngang trục, kết quả của sự tương tác này làm từ trường phần cảm thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị sức điện động sinh ra trên mỗi pha, ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục khử từ (hình 5a). 3.2. Trường hợp tải thuần cảm E0 và I lệch nhau một góc  = 900 Dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng  ngược chiều với 0, ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng (hình 5b). Hình 4 : Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ a. Tải thuần trở; b. tải thuần cảm; c. tải thuần dung 3.3. Trường hợp tải thuần dung E0 và I lệch nhau một góc  = -900 Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng  cùng chiều với 0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng (hình 5c).. 3.4. Trường hợp tải bất kỳ a. Tải mang tính cảm I trễ pha so với E0 một góc 0 <  < 900, phân tích I thành 2 thành phần Id = I sin và Iq = Icos, như vậy dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tính chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục khử từ (hình 5d). b. Tải mang tính dung: I sớm pha so với E0 một góc 0 <  < 900, phân tích I thành 2 thành phần Id = I sin và Iq = Icos, như vậy dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tính chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ (hình 5e). IV. Phương trình điện áp và đồ thị vecto 3 Hình 4d. Tải mang tính cảm e. 0 <  < 900 Hình 4 e. tải mang tính dung 4.1. Phương trình điện áp - Phương trình điện áp máy phát điện đồng bộ cựa lồi:     U  E0  jI d xd  jI q xq xd = xud + xt: điện kháng đồng bộ dọc trục xq = xuq + xt : điện kháng đồng bộ ngang trục - Phương trình điện áp của máy phát đồng bộ cực ẩn:    U  E0  jIxdb 4.2. Đồ thị vecto a. Khi tải thuần trở, thuần cảm, thuần dung  E0  jIxdb  jIxdb  U0  jIxdb  E0  E0  U0   I  Id   I  Id   I  Id a b c Hình 5: Đồ thị véc tơ của máy phát đồng bộ a. tải thuần cảm; b. Tải thuần trở; c. Tải thuần dung b. Tải mang tính cảm, mang tính dung  I d xd  E0  I q xq  I d xd  I q xq  U  I  U  Iq   I  Iq  E0     Id a  Id b Hình 5: Đồ thị vector của máy phát đồng bộ cực lồi 4 a. Tải mang tính cảm; b. Tải mang tính dung  U0  Ixdb  E0  Ixdb  E  U  U    I    b a Hình 8 Đồ thị vector của máy phát đồng bộ cực ẩn a. Tải mang tính cảm; b. Tải mang tính dung V. Xây dựng đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ theo tải 5.1. Đặc tính ngoài Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải It : U = f(It), cost = const, Ikt =const, f = fđm. Nó cho thấy lúc giữ kích thích không đổi, điện áp của máy phát thay đổi như thế nào theo tải. Khi lấy đặc tính này phải thay đổi tải It sao cho cost = const rồi đo U và I ứng với các giá trị khác nhau của tải. Chú ý rằng trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích từ sao cho Ikt = Iđm, có U = Uđm, sau đó giữ nó không đổi khi thay đổi tải, Dòng điện Ikt ứng với U = Uđm, It = Iđm, cost = const, f = fđm, gọi là dòng điện từ hoá. Dựa vào đồ thị vector ở mục IV ta thành lập được biểu thức tính điện áp của máy phát như sau   * Với tải thuần cảm: E và jIx cùng phương nên bỏ cách viết dạng vecto và được: 0 db U = E0 + I.xdb (với máy phát cực ẩn) U = E0 + I.xd (với máy phát cực lồi) * Với tải thuần dung: Tương tự ta có: U = E0 - I.xdb (với máy phát cực ẩn) U = E0 - I.xd (với máy phát cực lồi) * Với tải thuần trở: Từ đồ thị vecto ta tính được E0  U 2  ( I .xdb ) 2 (với máy phát cực ẩn) E0  U 2  ( I .xd ) 2 (với máy phát cực lồi) * Tải mang tính cảm 5 E0  (U cos  ) 2  (Usin  I .xdb ) 2 (với máy phát cực ẩn) E0  (U cos  ) 2  (Usin  ( I q xq ) 2  ( I d xd ) 2 ) 2 (với máy phát cực lồi) * Tải mang tính dung E0  (U cos  ) 2  (Usin  I .xdb ) 2 (với máy phát cực ẩn) E0  (U cos  ) 2  (Usin  ( I q xq ) 2  ( I d xd ) 2 ) 2 (với máy phát cực lồi) Ta thấy dạng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu tải có tính cảm khi It tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn đi xuống. Ngược lại nếu tải có tính dung thì khi It tăng phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên. 5.2. Xây dựng đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ theo tải trên phần mềm matlab Thường các máy phát đồng bộ, chúng ta đã biết các thông số Uđm, Iđm hoặc Sđm, xd, xn, xdb, góc hoặc cos. Sử dụng tiện ích của phần mềm matlab chúng ta có thể tính toán được giá trị của điện áp ứng với các loại phụ tải bất kỳ. Để vẽ đặc tính ngoài cho máy phát chúng ta có thể viết chương trình: Udm=input('nhap thong so dien ap Udm=') Sdm=input('nhap thong so cong suat Sdm=') xdb=input('nhap thong so dien khang dong bo xdb=') cosphi = input('nhap thong so cosphi=') sinphi = input('nhap thong so sinphi=') Idmf=Sdm/ sqrt (Udm) (Tính dòng định mức pha) E0f=Udm/sqrt(3) (Tính sức điện động pha) I=[0:Idm] (Vẽ đặc tính trong khoảng giá trị từ I = 0 đến I = Iđm) U= (biểu thức của U ứng với từng loại phụ tải) plot(I,U) (lệnh vẽ) Ví dụ : Vẽ đặc tính ngoài cho máy phát đồng bộ cực ẩn có số liệu: Udm =380 V, Iđm = 5A; xdb = 1.2 trong các trường hợp tải thuần cảm, thuần dung, thuần trở bài làm: Idm=input('nhap thong so dong dm Idm=') xdb=input('nhap thong so dien khang dong bo xdb=') E0f=Udm/sqrt(3) I=[0:Idm]; U1=E0f-xdb*I; U2=E0f+xdb*I; U3= sqrt((E0f)^2-(xdb*I)^2) plot(I,U1,'color','red','LineWidth',2) hold on plot(I,U2,'color','blue','LineWidth',2) 6 hold on plot(I,U3,'color','black','LineWidth',2) xlabel('dong dien I') ylabel('dien ap U') title('Dac tinh ngoai may phat dong bo') Và đây là kết quả đạt được  =-900, tải thuần dung  =00, tải thuần trở  =900, tải thuần  =900, tải cảm thuần cảm 5.3. Kết luận Dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng ở trên, thấy rằng sự thay đổi điện áp khi dòng tải và tính chất tải thay đổi đúng theo nguyên lý đã trình bày ở trên: khi tải thuần cảm hoặc mang tính cảm thì điện áp đầu cực máy phát sẽ giảm khi tải tăng, tính cảm càng mạnh thì điện áp giảm càng nhiều. Ngược lại nếu tải mang tính dung thì điện áp máy phát sẽ tăng khi dòng tải tăng, tính dung càng mạnh thì điện áp tăng càng nhiều. Tải thuần trở, khi tải tăng điện áp có giảm nhưng sự giảm này ít hơn so với tải cảm. Dựa vào kết quả này ta có thể tìm giải pháp để ổn định điện áp cho máy phát đồng bộ khi tải thay đổi. 7