Máy phát điện xoay chiều đồng bộ

ĐẶT VẤN ĐỀ Máy phát điện dự phòng để đảm bảo liên tục cho các phụ tải đặc biệt là một yêu cầu không thể thiếu được trong các nhà máy sản xuất công nghiệp và các cơ quan ví dụ như: Bệnh viện, đài phát thanh và các sinh hoạt công nghiệp khác. Do vậy tìm hiểu về những vấn đề liên quan đến điều khiển tự động máy phát điện dự phòng là rất cần thiết. Đối với bản đồ án của tôi cần quan tâm tới ba nội dung chính đó là: Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp Ổn định điện áp của máy phát điện dự phòng sao cho không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và không chịu ảnh hưởng vào nguồn năng lượng cơ khí (động cơ sơ cấp). Tự động chuyển đổi để máy phát dự phòng tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải khi lưới điện quốc gia mất và tự động ngừng máy phát dự phòng khi lưới điện quốc gia có trở lại. Ngoài ra bản đồ án này của tôi có thể cho học sinh tìm hiểu nghiên cứu và thực hành, vận dụng những điều đã nói ở trên thì cần phải có một mô hình thực hành và nội dung đồ án của tôi là xây dựng mô hình thực hành đó. Bản thuyết minh đồ án sau đây của tôi là những trình bày về quá trình tham gia chế tạo mô hình đó. Bản thuyết minh được chia thành nhiều chương: Chương I: Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ Chương II: Ổn định tần số điện áp máy phát. Chương III: Ổn định điện áp máy phát (AVR). ChươngIV: Mạch tự động chuyển đổi (ATS). ChươngV: Kết cấu của mô hình. Chương VI: Những bài thực hành thực hiện được trên mô hình. CHƯƠNG I MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Đối với máy phát xoay chiều ở đây ta không quan tâm nhiều về vấn đề cấu tạo hay về nguyên lý làm việc mà chủ yếu ta quan tâm về: Năng lượng sơ cấp để kéo roto máy phát, vấn đề tự kích từ và tự động kích từ. Tự động ổn định điện áp, tần số điện áp máy phát. Nguồn năng lượng sơ cấp. Điện áp do bất cứ máy phát nào phát ra đều phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ sơ cấp (n). Điều đó kéo theo tần số của điện áp cũng phụ thuộc vào động cơ sơ cấp ( f= f(n)). Khi tốc độ quay của động cơ sơ cấp tăng thì tần số của điện áp phát ra cũng tăng theo và ngược lại do đó đặt vấn đề phải giải quyết là phải tự động ổn định tần số điện áp phát ra. Nguồn năng lượng sơ cấp thì ta có thể sử dụng nhiều loại như: Tuabin nước. Tuabin gió. Động cơ điezen. Động cơ điện một chiều… Từ trường biến thiên ban đầu Mặc dù khi có nguồn năng lượng sơ cấp ban đầu đã đủ lớn nhưng khi không có một từ trường biến thiên ban đầu (điện áp kích từ ban đầu) thì máy phát cũng không thể sinh ra được điện năng và điều quan trọng ở máy phát điện nói chung đó là giá trị điện áp do máy phát phát ra phụ thuộc vào điện áp kích từ ( Uf = f(u (kt)). Khi đã có điện áp kích từ và nguồn năng lượng sơ cấp để kéo được roto của máy phát thì khi đó mới có điện năng do máy phát phát ra. Từ trường biến thiên ban đầu là do từ dư của nam châm (Roto) sinh ra. Khi roto quay thì từ dư của nam châm biến thiên trong lõi thép của roto sinh ra một sực điện động biến thiên điều hoà. Sức điện động biến thiên này gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn dây của stato và sinh ra một sức điện động tự cảm biến thiên cùng tần số trong cuộn dây stato. Tạo ra mạch ngoài một dòng điện biến thiên cùng tần số cùng biên độ. Khi đó một phần điện áp phát ra lại được lấy chỉnh lưu phản hồi lại để làm điện áp kích từ nuôi cho roto (đây chính là quá trình tự kích từ). Khi đó roto mới trở thành nam châm điện. Nhưng ở đây vấn đề đặt ra đó là ổn định điện áp ra của máy phát, và ổn định tần số của điện áp phát ra của máy phát. Ngoài ra đối với một mạng điện của bộ nguồn dự phòng thì vấn đề lớn nữa ta cần quan tâm đó là bộ tự động chuyển đổi (ATS). ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Máy điện đồng bộ nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống. Được sản xuất từ các nhà máy phát điện quay tuabin hơi hoặc khí nước. Ngoài ra máy điện đồng bộ còn được làm động cơ đặc biệt trong các thiết bị lớn vì chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. 1. Phân loại. Theo kết cấu có thể chia máy phát điện đồng bộ thành hai loại: Máy phát điện đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p = 2) và máy phát điện đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp (2p 4). Theo chức năng, có thể chia máy phát điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: Máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang. Máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nối chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ điezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện điêzen. Máy phát điện điêzen thường có cấu tạo cực lồi. b. Động cơ điện đồng bộ. Máy bù đồng bộ. 2. Kết cấu Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta sẽ xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi. Kết cấu của máy phát điện động bộ cực ẩn. Rôto của máy đồng bộ cực ẩn 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 của rôto hình thành mặt cực từ. Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000vg/ph và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính của rôto không vượt quá 1,1 -1,15m. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto. Chiều dài tối đa của rôto khoảng 6,5m. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôtođược chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính. Phần đầu nối nằm ngoài rãnh của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống không từ tính. Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều. Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục với trục của máy đồng bộ. Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và than máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng cac lá tôn silic dày 0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện. dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 36 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10 mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình, than máy được chế tạo kiểu kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy.Thân máy phải thiết kế và chế tạo đẻ sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện. Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ máy. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực lồi. Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy đồng bộ cực ẩn, đường kính rôto D của nó có thể lớn tới 15 m trong khi chiều dài l lại nhỏ với tỷ lệ 1/D =0,15 0,2. Rôto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được cấu tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ. ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rôto. Giá này lồng vào trục máy. cực từ đặt trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dày 11,5 mm. Việc xác định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các đuôi hình bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng quộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào các cuộc than cực. Dây quấn cản (trường hợp này máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp dộng cơ dồng bộ) được đặt trên các dầu cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch. Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn. Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như của máy dồng bộ cực ẩn. Trục của máy đồng bộ có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, máy phát diện điêzen hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng trên 200 vg/ph). ở trường hợp máy phát tuabin nước,tuabin nước công suất lớn, tốc dộ chậm, trục của máy được đặt thẳng đứng. Khi trục của máy được đặt thẳng đứng, trọng ổ trục đỡ rất quan. Nếu ổ trục đỡ đặt ở đầu trên của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù. Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào than máy, do đó tương đối dài và phải rất khẻo vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của rôto máy phát, rôto tuabin nước và xung lực của nước đi vào tuabin. Như vậy kích thước xà đỡ trên rất lớn tốn nhiều sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng chi phí xây dựng buồng đặt máy. Ở máy phát tuốcbin nước kiểu dù, ổ đỡ trục nằm trên xà dưới. Xà đỡ dưới được cố định trên nền của gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ được đặt ngay trên nắp của tuabin nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân máy và buồng đặt máy đều thấp hơn. Trên cùng trục máy phát tuabin thường có đặt them các máy phụ - máy kích thích, để cung cấp dòng diện một chiều cho cực từ cuả máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin. Điều chỉnh điện áp máy phát ta điều chỉnh dòng kích từ Id dẫn đến từ thông và điện trường thay đổi, ta sẽ điều chỉnh được điện áp. Ta điều chỉnh tần số thì ta điều chỉnh tốc độ của động cơ sơ cấp ( tuabin nước, khí, dầu, gió). Ta điều chỉnh công suất máy phát ta phải điều chỉnh công suất điện từ, tức là ta điều chỉnh góc giữa U và E0. Muốn điều chỉnh góc ta phải điều chỉnh công suất của động cơ sơ cấp. Như điều chỉnh công suất của máy phát liên quan đến tần số máy phát, ta điều chỉnh dòng kích từ E0 thay đó góc giữa U và I thay đổi công suất thay đổi, công suất phản kháng thay đổi. Việc điều chỉnh công suất phản kháng liên quan đến điện áp máy phát ra. + Điều kiện làm việc song song của máy phát. +UF = Ul + fF = fl + Thứ tự pha giống nnhau + UF, Ul trùng pha nhau + F: máy phát, l: lưới điện. 3. Nguyên lý làm việc của máy phát. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng do đó ta phải dùng động cơ sơ cấp quay rôto với tốc độ n. vì rôto là nam châm điện nên cảm ứng trong dây quấn stato suất điện động 3 pha eA, eB, eC. Trị số hiệu dụng suất điện động 1 pha E0 = 4,44. w.f.k.dq.f. W: số vòng của một pha. f = f: là tần số n: là tốc độ rôto p: là số đối cực k.dq: là hệ số dây quấn F0: từ trường dưới một cực Khi máy phát mang tải (mạch ngoài kín) trong dây quấn dòng điện 3 pha tạo ra một từ trường quay n1= n. 4. Phương trình và các quan hệ điện từ. a. Phản ứng phần ứng. Khi stato có dây điện, dòng điện stato (phần ứng) tạo ra từ trường gọi là từ trường phần ứng. Tác dụng của từ trường phần ứng làm từ trường phần cảm của rôto gọi là phản ứng phần ứng.Tuỳ theo tính chất của tải mà phản ứng phần ứng khác nhau. + Tải thuần dung. F0 của cực từ cảm ứng suất diện động E0 ở stato, E0 chậm sau F0 một góc /2 tải thuần dung nên dòng stato Id vượt trước E0 một ggóc 900 Id sinh ra từ trường phần ứng, Fưd trùng pha nhau sinh ra suất điện động tải thuần dung phản ứng phần ứng dọc trục (Fud, F0 cùng trục), trợ từ (Fud cùng chiều F0). + Tải thuần cảm: Tương tự như tải thuần dung nhưng tải thuần cảm dùng stato Id chậm sau E0 một góc 900, ta cs đồ thị véc tơ. Eud = - j.nud.Id. Tải thuần cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ (Fud ngược chiều F0). + Tải thuần trở: Dòng điện stato In trùng pha với E0 ta có đồ thị In sinh ra Fun Fun sinh ra Eun Eun = - j.xun.In. tải thuần trở thì phản cảm ứng ngang trục + Tải bất kỳ: Dòng điện stato I ta phân làm hai thành phần I = Id + In. In:gây ra phản ứng phần ứng ngang trục. Id: Gây ra phản ứng cảm ứng đồng trục(trợ từ hay khử từ) tuỳ thuộc vào tải mang tính chất tương ứng. Trợ từ mang tính chất điện dung . khử từ mang tính chất điện cảm. b. Phương trình của máy phát điện. F0 sinh ra E0. I = Id+In. Id sinh ra Fud, Fud sinh ra Eud. In sinh ra Fun, Fun sinh ra Eun. Dòng điện stato I sinh ra từ trường tản Ft. Ft sinh ra Et, Et = -j.xt.Y =-j.xt.(Id+In). Đối với may phát điện ta có sơ đồ như sau. R: là điện trở dây quấn phản ứng phần ứng stato. Trong nhiều trường hợp ta bỏ qua R vậy ta có . Eo +Eud+Eun+Et=U E0 =U –Eud-Eun-Et Thay các biểu thức ta được E0 = U + j.xd.Id+j.xnIn. Trong đó: xd = xud + xt Xn = xun+xt điện kháng đồng bộ dọc trong trục. rôto cực ẩn khe hở ngang, dọc đều nhau nên xd = xdb =xn: điện kháng đồng bộ ta có. Eo =U + j.xdb.I. TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Như đã biết về sự cân bằng năng lượng của máy điện đồng bộ, khi làm việc, trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao phụ và tổn hao cơ. Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết là mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn.Tổn hao này phụ thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng và thường được tính ở nhiệt độ 75oC. Tổn hao sắt từ là công suất mất mát trên mạch từ (gông và răng) do từ trường biến đổi hình sin (ứng với tần số f1). Tổn hao này phụ thuộc vào trị số của từ cảm, tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng của tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép. Tổn hao kích từ là công suất tổn hao trên điện trở của dây quấn kích thích và của các chổi than. Nếu máy kích thích đặt trên trục của máy đồng bộ thì công suất tổn hao trên phải chia cho hiệu suất của máy kích thích. Tổn hao phụ bao gồm các phần sau: a.Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở các thanh dẫn của dây quấn stato và các bộ phận khác của máy với tác dụng của từ trường tản do dòng điện phần ứng sinh ra. b.Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt cực từ lõi thép rôto của máy cực ẩn do stato có rãnh và như vậy từ cảm khe hở có song điều hoà răng. Do tác dụng màn chắn của dòng xoáy, ở sâu trong lõi thép không có tổn hao này. c.Tổn hao ở răng của stato do sự đập mạch ngang và dọc của từ thong chính và do các song điều hoà bậc cao với tấn số khác ft. Tổn hao cơ bao gồm: 1.Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khíhoặc các chất làm lạnh khác vào các bộ phận của máy. 2.Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt rôto và stato khi rôto quay trong môi chất làm lạnh (không khí,…). ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau, tỉ lệ phân phối các tổn hao nối trên không giống nhau. Trong các máy đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao.Trong khi đó tổn hao trong lõi thép stato (kể cả tổn hao chính và phụ) chỉ chiếm khoảng 14%. Trong máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiếm khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép stato thì chiếm tới 37%.Trong trường hợp này, để giảm bớt tổn hao trong lõi thép stato nên dùng tôn silic có suất tổn hao nhỏ. Tổn hao phụ có thể chiếm tới khoảng 11% đối với máy phát tuabin nước, trong đó chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18% đối với máy phát tuabin hơi và ở đây khác với trường hợp máy phát tuabin hơi và ở đây khác với trường hợp máy phát tuabin nước, tổn hao phụ trong dây đồng của stato là chủ yếu. Để giảm bớt tổn hao phụ trong các máy công suất lớn thường dùng các biện pháp sau: a.Chia dây dẫn theo chiều cao của rãnh thành nhiều dây đồng bẹt dày khoảng 4 ÷ 5 mm và hoán vị vj trí của chúng ở trong rãnh (đôi khi cả ở phần dầu nối) sao cho dọc chiều dài của rãnh mỗi dây đồng bẹt đều nằm ở tất cả các vị trí từ phía đáy rãnh lên phía miệng rãnh. b.Chế tạo các vành ép lõi thép stato, vành đai đầu nối của rôto bằng thép không từ tính. c.Tiện xoáy ốc bề mặt rôto của máy phát tuabinhơi. Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ được xác định bằng biểu thức: h = Trong đó: Pz : công suất đầu ra của máy; åp: tổng tổn hao trong máy. Hiệu suất của các máy phát đồng bộ làm lạnh bằng không khí công suất o,5 ÷ 3000 kw vào khoảng 92 ÷ 95%; công suất 3,5 ÷ 100000kw vào khoảng 95 ÷ 97,8%. Nếu làm lạnh bằng hyđrôgen thì hiệu suất cũng có thể tăng khoảng o,8%. ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ. Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường luôn thay đổi theo điều kiện của sản xuất hoặc cũng có thể có trường hợp tuy tải không thay đổi nhưng do điều kiện vận hành của lưới điện mà cần thiếtphải thay đổi chế độ làm việc của các máy phát điện , do đó trên thực tế phải điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát điện đồng bộ. Ta hãy xét vấn đề ở hai trường hợp điển hình. Trường họp thứ nhất là trường máy phát điện làm việc trong hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U.f=const, hay nói cách khác đi tổng công suất của các máy phát điện đang làm việc song song trong hệ thống rất lớn so với công suấtcủa máy phát điện đang được xét, do đó việc điều chỉnh P và Q của máy phát điện đó không làm thay đổi U, f của hệ thống điện. Trường hợp thứ hai là trường hợp chỉ có hai hoặc nhiều máy phát điện công suất tương tựlàm việc song song và sự thay đỏi chế độ làm vệc của một máy sẽ làm thay đổi U, f chung của cả các máy phát điện đó. 1. Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ. a. Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cung lớn. Ở trường hợp này U và f là không đổi nên nếu giữ dòng điện kích thích it không dổi thì E là hằng số và theo biểu thức (24-11) thì P là hàm số của góc θ vcà đường biểu diễn của nó có dạng như đã biết trên hình24-9. Ở chế độ làm việc xác lập công suất tác dụng P của máy ứng với góc θ nhất địng phải cân bằng với công suất cơ trên trục làm quay máy phát điện. Đường biểu diễn công suất cơ của động cơ sơ cấp được biểu thị bằng đường thẳng song song với trục ngang và cắt đặc tính góc ở điểm A trên hình 27-4.Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng Pcủa máy phát thì phải thay đổi góc θ nghĩa là giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy. Công suất tác dụnh cực đại Pm mà máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống điện ứng với khi dP/dθ = 0. Áp dụng điều kiện đó đói với biểu thức (24-11) của máy phát đồng bộ cực ẩn suy ra được θm = 90và: Pm = Cũng như vậy với máy cực lồi, từ (24-13) có thể suy ra được góc θm xác định bởi : cosθm = Trong đó : A = , B = mU2() Và Pm = Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần chú ý ră ngf máy phát điện đồng bộ chỉ làm việc ổn định tĩnh khi 0Pcơ, kết quả là rôto sẽ bị ghìm và máy phát điện trở lại làm việc ở góc θ ban đầu sau vài chu kỳ giao động. Trái lại nếu máy phát điện làm việc xác lập ở θ2 > θm , ví dụ ở điểm Btrên hình 27-4 thì khi công suất cơ thay đổi trên, góc θ tăng thêm ∆θ sẽ làm cho P của máy phát điện giảm, như vậy: P < Pcơ , kết quả là rôto quay nhanh them, góc θ càng tăng và máy phát điện sẽ mất đồng bộ với lưới điện. Từ những điều nói trên ta thấy rằng, khi điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn định thì phải có điều kiện sau: trong đó dP/dθ được gọi là công suất chỉnh bộ đặc trưng cho khả năng giữ cho máy làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu bằng Pcb. Từ các biểu thức (24-13) ,(24-15) suy ra được hệ số công suất chỉnh bộ đối với máy cực lồi: Pcb= cosθ +mU2()cos2θ Và đối với máy cực ẩn: Pcb = cosθ Đường biểu diễn của công suất chỉnh bộ, ta thấy khi không tải (θ = 0), khả năng chỉnh bộ tức khả năng của ∆P giữa công suất cơ đưa vào máy và công suất tác dụng đưa ra lưới điện ứng với sự thay đổi ∆θ làm cho máy phát vẫn duy trì làm việc với lưới điện là lớn nhất, còn khi θ =θm thì khả năng chỉnh bộ bằng không. Trên thực tế vận hành, để đề phòng trường hợp U hoặc E giảm hoặc những nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm thoe nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức Pdm ứng với θ <300. Như vấy khả năng quá tải của máy phát điện đồng bộ được xác định tỷ số: km = gọi là hệ số khả năng quá tải. Đối với máy cực ẩn km = Theo quy định thì cần đảm bảo km >1,7 và muốn như vậy thì máy phải có tỷ số ngắn mạch K lớn, nghĩa là xd phải nhỏ (hoặc khe hở lớn) Cần chú ý rằng khi điều chỉnh công suất tác dụng, do θ thay đổi nên công suất phản kháng cũng thay đổi theo. b.Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song. Giả sử có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song. Ở trường hợp này, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi khi tăng công suất tác dụng của máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới và khiến cho hộ dùng điện phải làm việc trong tần số khác định mức. Vì vậy, để cho f = const khi tăng công suất tác dụng của một máy thì phải giảm công suất tác dụng của máy kia. Chính cũng bằng cách đó mà có thể thay đổi sự phân phối công suất tác dụng giữa hai máy. 2. Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ. Ta hãy xét việc điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ làm việc trong lưới điện vô cùng lớn (U,f = const) khi công suất tác dụng cuả máy được giữ không đổi. Giả sử máy có cực ẩn và để đơn giản, bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (ru =0). Vì P = mUIcosφ là không đổi, và với điều kiện U = const nên khi thau đổi Q, mút của vectơ I luôn nằm trên một đường thẳng, thẳng góc với U. Với mỗi trị số của I sẽ có một trị số của cosφ và đò thị véctơ suất điênđộng tương ứng sẽ xác định được độ lớn của véctơ E, từ đó suy ra được dòng điện kích thích it cần thiết để sinh ra E. Cũng cần chú ý rằng, P = mUIsinθ/xd =Pl =const, trong đó U, xd không đổi nên P =Esinθ = OB = const và mút cuả véctơ E luôn nằm trên đường thẳng thẳng góc với OB. Kết quả phân tích cho thấy rằng, muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q thì phải thay đổi dòng điện kích thích it của máy phát điện. CHƯƠNG II ỔN ĐỊNH TẦN SỐ ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT I. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ SƠ CẤP Trong công nghiệp cũng như trong đời sống người ta có rất nhiều cách để có thể phát ra điện năng, đơn giản nhất là phương pháp cọ sát đầu vỏ bút nhựa vào tấm len hoặc dạ cũng có thể sinh ra một điện năng có năng lượng hút được mẩu giấy nhỏ vụn lên ở đây nguồn năng lượng sơ cấp là sức lực của con người nhưng trong trường hợp này người ta chỉ đẻ làm một thí nghiệm đơn giản là phát hiện điện năng mà thôi. Trong công nghiệp hiện đại người ta sử dụng các nguồn cơ năng có sức mạnh hơn rất nhiều như: Nhà máy thuỷ điện thì sử dụng sức nước để làm quay Tuabin nước. Nhà máy nhiệt điện thì sử dụng nhiệt lượng làm quay Tuabin hơi, hay một số trường hợp sử dụng sức gió làm quay Tuabin cũng để làm sinh ra điện năng…Trong trường hợp người ta muốn cung cấp cho tải có công suất nhỏ và yêu cầu phải thường xuyên lưu động thì người ta có thể dùng động cơ Điêzen hoặc động cơ điện một chiều làm động cơ sơ cấp. Nhưng trong trường hợp này tôi dùng động cơ điện một chiều làm động cơ sơ cấp là vì: Ở đây là một mô hình thực hành cho nên để tránh cồng cềnh, gây ra nhiều tiếng ồn và có thể vận chuyển lưu động được cho nên tôi quyết định sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm động cơ sơ cấp. Ngoài ra không chỉ vì lý do trên mà lý do cơ bản nhất đó là ưu điểm của động cơ điện một chiều. Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều được coi là một loại máy quan trọng. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, phạm vi điều chỉnh rộng. Đối với động cơ điện một chiều có mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Vì vậy động cơ điện một chiều được dùng nhiều trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ …Điều này rất có lợi cho những tải có công suất nhỏ và không ổn định như ở mô hình này. Chính vì vậy mà tôi quyết định dùng động cơ điện làm động cơ sơ cấp. II. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Cấu tạo và nguyên lý lám việc. 1.1. Nguyên lý làm việc. - Nguyên lí làm việc của máy điện một chiều không khác nguyên lý làm việc của máy điện xoay chiều, chỉ khác máy điện một chiều là có thêm bộ phận chỉnh lưu có khi gọi là vành đổi chiều (vành góp). 1.2 Máy điện một chiều chia làm ba phần chính. Phần cảm-stato. Để tạo từ trường cho máy. a. Cực từ chính: Gồm có lõi thép và dây quấn kích từ.Trong đó có dòng một chiều ta gọi là dòng kích từ để tạo ra từ trường cho máy. b. Cực từ phụ. Để cải thiện tia lửa điện giữa chổi than và vành đổi chiều. Gồm có lõi thép và dây quấn cực từ phụ nối tiếp với dây quấn phần ứng. c. Vỏ máy: Ngoài nhiệm vụ bảo vệ các chi tiết bên trong và chịu lực còn dùng để dẫn từ vì vậy vỏ máy được làm bằng thép đúc hoặc bằng thép hàn. Phần ứng-rôto: a. Lá thép. Gồm các là thép kỹ thuật điện dập theo hình tròn. Bề mặt có rãnh để đặt day quấn phần ứng ghép cách điện nhau. b. Dây quấn phần ứng. Tạo thành các bối dây và hai cạnh của bối dây đặt ở rãnh lõi thép phần ứng. Các bối dây được ghép nối với nhau tạo thành mạch kín. Vành đổi chiều. Do dây quấn phần ứng gồm nhiều bối dây nên mạch một chiều gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau và cách điện với trục. Tì trên vành một chiều là những cặp chổi than đứng yên. Các cặp chổi than phân chia dây quấn phần ứng thành các nhánh song song. Sức điện động của máy bằng tổng các sức điện động của các vòng dây trong một nhánh song song. 1.3 .Mở máy Khi mở máy tốc mở máy ban đầu n0 thì Eu =0, dòng điện khi mở máy phần ứng Iumở = nên dòng điện mpử máy rất lớn Imở = (510) Idm. Để giảm dòng mở máy thì trong mạch phần ứng ta nối tiếp biến trở Rm . Dođó khi mở máy ta để Rm ở giá trị max. Khi mở song ta đưa Rm = 0 để giảm tổn hao. Vì vậy khi mở máy có Iumở = . 1.4. Điều chỉnh tốc độ. Từ phương trình ta có: n = . Thay đổi điện trở phần ứng: Muốn thay đổi điện trở phần ứng thì ta nối tiếp vào mạch phần ứng biến trở Rp.(vị trí giống Rm), thay đổi Rp thì động cơ thay đổi dược tốc độ. Đặc điểm: tổn hao lơn vì Iu lớn. Ta chỉ tăng được điên trở mạch phần ứng nên chỉ giảm được tốc độ, b. Thay đổi tôc độ: Muốn thay đổi điện áp U thì ta phải dùng bộ nguồncó thể thay đổi điện áp U Ví dụ: Bộ chỉnh lưu dùng tổ hợp: động cơ không đồng bộ + máy phát kích từ độc lập + máy phát kích từ + động cơ điện Đặc điểm: Ta chỉ giảm được điện áp Unên chỉ giảm được tốc độ c. Thay đổi điện trở kích từ Để thay đổi điện trở kích từ trong mạch kích từ ta nối tiếp biến trở Rdc Khi thay đổi Rdc thì Ikt thay đổi,f thay đổi và tốc độ động cơ thay đổi Đặc điểm: + tổn hao ít vì Ikt nhỏ + Phạm vi điều khiển rộng Ta chỉ tăng được điện trở mạch kích từ nên chỉ giảm được Ikt và f.Do đó chỉ tăng được tốc độ Động cơ điện một chiều có ưu điểm là việc điều chỉnh tốc độ đơn giản, phạm vi điều chỉnh rộng. 2. Đặc tính cơ. Rf4 M TN [Rn] w wO Rf1 Rf2 Rf3 MC 0 Các đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng. Ta xét quan hệ n=f(m) khi giữ U không đổi, Rkt không đổi. Từ phương trình ta có n= -.Iu Và M=Km.f.Iu hay Iu vào n được: n=-.M (1) a. Động cơ kích từ song song Do U,Rkt không đổi nên Ikt= không đổi Do đó f không đổi biểu thức(1) có dạng: =a=n0;=b n=a-bm. đặc tính có n0 =a = tốc độ của động cơ khi không tải Me = M =o. Me : mô men cản của máy công cụ, đặc tính cơ thay đổi. a = thay đổi b không đổi - Đặc tính cơ thay đổi điện trở mạch phần ứng a không đổi. b = thay đổi. Ru1 < Ru2 <Ru3. b. Động cơ kính từ nối tiếp. Do I = Iu = Iktn cũng tỷ lệ với Iu. Nếu f tỷ lệ với Iktn cũng tỷ lệ với Iu. Ta có : f = fu.k.Iu ta thay vào mômen thì ta có. M = Km.kIu: mômen (M) tỷ lệ với I2u nên động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn. Nếu động cơ quá tải hai lần thì :Me = M tăng hai lần = 2M, nhưng Iu tăng lên lần. Vì vậy động cơ kích từ nối tiếp được dùng nhiều trong giao thông. Ta thay Iu= vào M M = . f2 hay f = . Ta thay M và kb vào biểu thức (1) ta có. N = - . Ta đặt : a/ = và b/ = đặc tính cơ: n = - b/ đây là phương trình đường hyperpol. Đặc tính: + Không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp chạy không tải hoặc nối tải (M) vì khi đó tốc độ động cơ rất lớn. Nhưng về mặt cơ không cho phép vì ổ bi hoặc trục bạc chỉ chịu được tốc độ nhất định, dễ gây cháy ổ bi. + Không được dùng đai truyền đối với động cơ khi nối tiếp vì đai truyền làm tốc độ động cơ tăng lên. III. ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP. Trên thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Cấu trúc mạch lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Ở đây ta sử dụng phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ dùng mạch chỉnh lưu điều khiển dùng Tranristor để điều khiển góc mở Thyristor. 1. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu điều khiển. (Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp) Giản đồ thời gian của các điểm. Các giá trị của linh kiện. R1 = 4,7k; R2 = 5,6k; R3 = 10k; R4 = 1k; R5 = 560k; R6 = 47k; R7 = 10k; R8 = R9 = R16 = R12 = R13 = R14 = R17 = 10k; R10 = R11 = 560k; R15 = 1k; VR1 = 56k; VR2 = VR3 = VR4 = 22k; Tr1 = Tr3 = Tr5 = C828; Tr2 = A564; Tr4 = Tr6 = H1061; D1 = D2 = D3 = D4 = D5 = 1A; OA1 = OA2= A741; C1 = 224F; C2 = 104F; C3 = 4,7F/50V; C4 = C5 = 1000F; C6 = C7 = 470F. 2. Nguyên lý hoạt động của mạch. Tín hiệu đồng pha được lấy từ BA đồng pha sau chỉnh lưu có dạng đập mạch âm. Đập mạch âm này qua R1 được cộng tín hiệu với một phân áp dương U0 do ta đặt một phân áp VR1 và R2 tạo ra. Vì vậy tín hiệu đập mạch được đẩy nên được một đoạn U0(UB), (dương một phần). Tín hiệu cộng này được đưa vào Tr1 . Tại những điểm đập mạch bị đẩy lên (+) nó làm Tr1 mở, làm thế tại C=0. Khi hết đoạn đập mạch bị đẩy._.