i. tổng quan - hcmut.edu.vntcbinh/file_2014/may_dien/c5_synchronous machines... · bài giảng...
TRANSCRIPT
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 5
Rotor cực từ ẩn Rotor cực từ lồi
Rotor cực từ ẩn Rotor cực từ lồi
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 6
qe
ae
X
Axe bobine
a a'
a
a'
ge
Axe bobine
b b'
Axe bobine
c c'
b
b'
c
c'
Axe
inducteur
N
S
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
A
B
C
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Flux f ns
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 7
A-
B+
A+
C+
C-
B-
m=
Magnetic axis of
phase
N
S
Magnetic axis of
phase
A-
B+
A+
C+
C-
B-
m=
N
S
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 8
A. Máy điện đồng bộ có rotor cực từ ẩn:
A
B
C
N
N
S
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
A
B
C
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 9
qe
ae
X
Axe bobine
a a'
a
a'
ge
Axe bobine
b b'
Axe bobine
c c'
b
b'
c
c'
Axe
inducteur
N
S
o
a aa0 al a ab b ac c af fL L i L i L i cos(120 ) L I cos( ) q
Mà 0aacbbccaacbaab L2
1LLLLLL do
2
1)120cos( o
a aa0 al a aa0 b c af f
1L L i L i i L I cos( )
2 q
)cos(ILiL2
1LL fafa0aaal0aaa q
)cos(ILiLL2
3fafaal0aaa q
al0aas LL
2
3L
)tcos(ILiL ofafasa q dt
dPP cocodien
q
afasa iL )cos( ofafaf tIL q
afa
safa
sa
a edt
diL
dt
d
dt
diL
dt
de
afa
saaa
aaa edt
diLiR
dt
diRv
)tsin(IL)tcos(dt
dILe ofafofafaf qq
)2
tcos(ILe ofafaf
q
( afe nhanh pha /2 so với af )
afphdqafphdqafphdqfaf)RMS(af Nfk44,4Nfk2Nk2
1IL
2
1E
afphdq)RMS(af Nfk2E với từ thông kích từ: fafaf IL , ffaf Ik
afa
asa edt
diLe
afaasa EILjE
afasaaaaaa EIjXIREIRV
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 10
Động cơ:
afasaaa EIjXIRU
afphdqaf NkfE ....2
Máy phát:
asaaafa IjXIREU
Trong đó:
ss LX với:
alaaass LLLL 0
2
3
alAalaaalaa XXLLLLX
00
2
3
2
3
Zt
Ua
Ra
jXs
Ia
It
Tải
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Ua
Ra
jXs
Ia
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 11
0
2
3aaA LX : điện kháng phản ứng phần ứng.
alal LX : điện kháng từ tản phần ứng.
aAafR IjXEE : sức điện động khe hở.
R : từ thông khe hở = từ thông kích từ + từ thông phản ứng phần ứng
Zt
U
Ra
jXA
Ia
It
Tải
Eaf
n
jXal
ER
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 12
II.2. Đặc tính không tải, ngắn mạch
Thí nghiệm không tải:
afsdqsaf NkfE ....2
Đặc tính không tải
Thí nghiệm không tải xác định được “đặc tính không tải”. Từ đó xác định “đặc tính khe hở”.
U
Ra
jXs
Ia
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Uđm
If
Eaf
f
0
If
Eaf
0
Eaf,
If
Uaf
Đặc tính khe hở
Đặc tính không tải
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 13
Ngoài ra, thí nghiệm không tải xác định được tổn hao không tải.Trong đó có tổn hao cơ
(không đổi do tốc độ cố định) và tổn hao sắt (do tần số không đổi nên tổn hao sắt tỷ lệ với
bình phương biên độ từ thông).
Tổn hao sắt phụ thuộc vào từ thông (hay điện áp không tải)
Thí nghiệm ngắn mạch:
Máy điện chạy ở chế độ máy phát, quay ở tốc độ đồng bộ. Tăng dòng kích từ cho tới
khi dòng phần ứng đạt định mức Ia,sc = Ia,đm, vẽ được đặc tính ngắn mạch.
asaaf IjXRE
Đặc tính ngắn mạch khi mạch từ chưa bảo hòa
If
Eaf Ia
0
Ia, sc
Eaf,
If
Đặc tính ngắn mạch
Ia, đm
I’’f
(Ia, đm)
Ra
jXs
Ia
Ia,sc
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Eaf
PFe
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 14
Đo được dòng kích từ, và dựa theo đặt tính khe hở, xác định được Eaf, là sức điện động
tương ứng với mạch từ còn tuyến tính, chưa bảo hòa.
Khi mạch từ chưa bảo hòa, bỏ qua điện trở phần ứng, có thể tính điện kháng đồng bộ chưa
bảo hòa:
sc,a
,af
,sI
EX
(tính theo đặc tính khe hở)
_ Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà: tính theo đặc tính khe hở (Eaf,).
Chú ý: Có thể tính Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà ở điểm Ia,sc khác Ia,đm,
nhưng phải tính theo đặc tính khe hở.
Từ thông khe hở rất nhỏ (tỷ lệ với ER, khoảng 15% từ thông định mức) nên mạch từ trong
thí nghiệm ngắn mạch này chưa bảo hòa. Thông số tính được sẽ không sát với thực tế khi
máy điện làm việc ở từ thông định mức.
sc,aalaR IjXRE
Ra
jXA
Ia
I a,sc
Eaf
n
jXal
ER
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 15
Khi máy điện đồng bộ làm việc KHÔNG TẢI quanh giá trị điện áp định mức (từ
thông khe hở gần định mức, xem như “bảo hòa”):
đm,aafR UEE
Đặc tính không tải – ngắn mạch
đm đm
đm
a,đm a,đm
'a,đm a,đma,sc(U ) a,sc(U ) a,đmf
n '' *sf a,đm a,đm a,đm s sa,đm
đma,sc(U )
U U
I II I UI 1 1SCR K
XI I I U X XUZI
Khi máy điện đồng bộ làm việc KHÔNG TẢI, chỉnh dòng kích từ sao cho điện áp hở mạch
bằng điện áp định mức Ua,đm (từ thông khe hở gần định mức = bảo hòa). Ứng với dòng kích
từ I’f này, cho máy ngắn mạch và đo dòng Ia,sc tương ứng Ua,đm. Từ đó tính gần đúng giá trị
điện kháng đồng bộ bảo hòa.
Ra
jXA
Ia
Eaf
n
jXal
ER
Uđm
If
Eaf
Ua,đm
Ia
0
Ia, sc (Uđm)
Ia, sc
Eaf,
If I’f
(Uđm)
Đặc tính ngắn mạch
Ia, đm
I’’f
(Ia, đm)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 16
sc,a
đm,a
sI
UX
(tính theo Ua,đm trên đặc tính không tải)
_ Điện kháng đồng bộ chưa bảo hoà: tính theo đặc tính khe hở (Eaf,).
_ Điện kháng đồng bộ bảo hoà: tính theo đặc tính không tải-ngắn
mạch ở Ua,đm.
Chú ý: Nên tính Điện kháng đồng bộ bảo hoà ở điểm gần Ua,đm.
Đơn vị trương đối (tính theo giá trị định mức):
Hệ số ngắn mạch Kn:
*
s
đm
ss
đm,a
đm,a
)U(sc,a
đm,a
đm,a
đm,a
đm,a
đm,a
đm,a
)U(sc,a
đm,a
)U(sc,a
''
f
'
fn
X
1
Z
X
1
X
I
U
I
U
I
U
U
U
I
I
I
I
I
IK
đm
đmđm
X*s là điện kháng đồng bộ tính theo đơn vị tương đối.
Ví dụ 1:
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 17
Cho một máy điện đồng bộ ba pha 900MVA, 26kV, nối Y, 50Hz, hai cực, có các số liệu thí
nghiệm:
Dòng kích từ Dòng ngắn mạch Điện áp không tải Điện áp khe hở
1710A 10,4kA 26kV (29,6kV)
3290A 20,0kA 31,8kV (56,9kV)
a. Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs,? (đơn vị Ω và đvtđ)
b. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)
c. Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?
Ví dụ 2: (EX 5.4-p262) (trang 224)
Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz.
Thí nghiệm không tải: dòng kích từ 2,84A, đo được điện áp 220V.
Đặc tính khe hở (ước tính): dòng kích từ 2,2A, điện áp khe hở 202V.
Thí nghiệm ngắn mạch:
Dòng kích từ 2,2A, đo dòng phần ứng là 118A.
Dòng kích từ 2,84A, đo dòng phần ứng là 152A.
a. Tính điện kháng đồng bộ không bảo hòa Xs,? (đơn vị Ω và đvtđ)
b. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs? (đơn vị Ω và đvtđ)
c. Tính tỷ số ngắn mạch Kn? Tính Xs (đvtđ) theo Kn?
Tính điện kháng đồng bộ (theo Ω/pha và đvtđ) của máy điện đồng bộ 85kVA. Biết điện áp
hở mạch định mức là 460V khi dòng kích từ 8.7A. Và đạt dòng ngắn mạch định mức ở
11.2A.
Ví dụ 3: (EX 5.5-p265) (trang 226)
Máy điện đồng bộ ba pha, 45kVA, nối Y, 6 cực, 220V/60Hz như ví dụ trên (EX 5.4)
Khi dòng ngắn mạch bằng dòng phần ứng định mức (118A), tổn hao là 1.8kW ở
25oC. Biết điện trở một chiều trên cuộn dây phần ứng là 0.0335Ω/pha. Tính điện trở
hiệu dụng trên mỗi pha? (đơn vị Ω và đvtđ)
Máy điện đồng bộ ba pha 13.8kV, 25MVA. Tổn hao ngắn mạch là 52,8kW ở dòng định
mức.
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 18
a) Tính dòng phần ứng định mức?
b) Tính điện trở hiệu dụng trên mỗi pha? (đơn vị Ω và đvtđ)
Ví dụ 4: (EX 5.1-p254)
Một động cơ 3 pha đồng bộ, điện áp dây đầu cực là 460V, 60Hz, Y,
dòng điện 120A, hệ số công suất 0.95 chậm. Dòng kích từ 47A. Điện
kháng đồng bộ 1.68Ω (0.794 đơn vị tương đối với 460V, 100kVA, 3
pha). Bỏ qua điện trở stator.
a) Tính điện áp Eaf?
b) Biên độ từ trường af và hỗ cảm Laf? )2
tcos(ILe ofafaf
q
)cos( ofafaf tIL q
c) Công suất điện cấp cho motor (kW) và (hp).
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 19
II. Máy phát đồng bộ
Máy phát cấp điện cho tải, hay cho lưới.
II.1. Mạch tương đương
asaaf IjXRUE
Ví dụ 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng
hình trụ có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây
stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 5.
Zt
U
Ra
jXs
Ia
It
Tải
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 20
a) Tải định mức có HSCS=cosđm=0,9 chậm pha. Tính afE (trị
phức)? Vẽ giản đồ vector?
b) Tính lại cho tải (có dòng điện và điện áp) định mức có
HSCS=cosb=0,7 nhanh pha?
c) Nếu giữ kích từ không đổi như câu a. Tính điện áp trên tải (có
tổng trở như ở) câu b?
Ví dụ 2: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor
dạng hình trụ có các thông số định mức 16MVA, 10,5kV, 50Hz,
cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 4,8. Tính giá trị sức
điện động Eaf và góc tải khi máy phát cấp điện cho tải ở điều kiện
định mức, cosđm=0,8. Tính cho trường hợp chậm pha và nhanh
pha? Vẽ giản đồ vector?
Ví dụ 3: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực,
có công suất định mức 10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz,
nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng Rư0 (tính lại cho
Rư0,5) và điện kháng đồng bộ Xđb=5. Khi máy phát cấp
điện cho tải định mức với hệ số công suất cos=0,8 (dòng điện
chậm pha so với điện áp), hãy:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức?
b. Tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất ?
c. Vẽ giản đồ vector?
d. Tính độ thay đổi điện áp U%?
e. Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát. Biết tổn
hao cơ là 500W.
f. Tính công suất tác dụng quá tải lớn nhất máy có thể phát
được mà không mất đồng bộ, biết dòng kích từ không đổi và
biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
II.2. Đặc tính công suất – góc ở xác lập
sE U Z I s a s s Z sZ R jX Z jX
o
s tE U 0 Z I
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 21
Tải RL, t > 0 Tải RC, t < 0
Khi máy phát 1 pha cấp điện cho tải:
Tải RL, t > 0 Tải RC, t < 0
Zt
U
jXs
Ia
It
Tải
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
E1
Re E2
jXsI
I
t
0
RaI
ZsI
Re
E2
E1
jXsI
I
t
0
RaI
ZsI
Re U
Eaf
jXsI
I
t
0
Eaf
Re
U
jXsI
I
t
0
Zt
U
Ra
jXs
I
It
Tải
Eaf
n
Zs
E
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 22
af2
s
E UP sin
X
2
af2
s s
E U UQ cos
X X
af
2max
s
E UP
X
khi = 90o.
Sụt áp: UEU af
Độ sụt áp %: 100%
U
UEU
af
Khi máy phát cấp điện cho tải Thévenin:
sinEQs
EQaf
XX
UEP
EQs
EQ
EQs
EQaf
XX
U
XX
UEQ
2
cos
U
jXs
I
Eaf
n
jXEQ
UEQ
Re
U
Eaf
jXsI
I
t
0
Re
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 23
Giới hạn công suất của máy phát điện động bộ (1 pha):
t tP UIcos t tQ UIsin 22 2
t tP Q UI
aft
s
E UP sin
X
2
aft
s s
U E UQ cos
X X
222
2
s
af
s
ttX
UE
X
UQP
Giới hạn công suất máy điện đồng bộ
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 24
Giới hạn công suất phản kháng của máy điện động bộ
Máy phát điện 3 pha:________________________________________
sin3cos3s
af
ttX
UEUIP
sin3
2
1
s
af
eX
UE
f
pPT
s
af
eMAXX
UE
f
pT
3
2
Zt
U
Ra
jXs
I
It
Tải
Eaf
n
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 25
Đặc tuyến tải của MPĐB Đặc tuyến công suất phản kháng MPĐB
sin3s
af
tX
UEP
ss
af
tX
U
X
UEQ
2
3cos3
Q > 0, tải cảm (RL)
0deg 1deg 180deg
0 30 60 90 120 150 1800
100
200
300
400
500
600
Pnet
M W
Pnetwork
M W
deg
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 26
Khi không bỏ qua điện trở Ra:____________________________________________
Zssas ZjXRZ
Tải RL, 2 > 0 Tải RC, 2 < 0
Zs
o
s
o
Z
EE
Z
EEI
00 21212
)()( 212 Z
s
Z
s Z
E
Z
EI
)cos()cos(cos 212 Z
s
Z
s Z
E
Z
EI
)sin()sin(sin 212 Z
s
Z
s Z
E
Z
EI
Zt
E2
Ra
jXs
I
It
Tải
Eaf
n
Zs
E1
E1
Re E2
jXsI
I
t
0
RaI
ZsI
Re
E2
E1
jXsI
I
t
0
RaI
ZsI
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 27
s
aZ
Z
Rcos
s
sZ
Z
Xsin
s
aZ
X
Rarctga
khi Ra << Xs thì aZ 0.
)cos( 222 IEP
)cos()cos(
2
2212 Z
s
Z
s Z
E
Z
EEP
2
2
2212 )90(sin
s
aZ
o
s Z
RE
Z
EEP
2
2
2212 sin
s
aZ
s Z
RE
Z
EEP a
)sin( 222 IEQ
)sin()sin(
2
2212 Z
s
Z
s Z
E
Z
EEQ
2
2
2212 )90cos(
s
sZ
o
s Z
XE
Z
EEQ
2
2
2212 )90cos(
s
sZ
o
s Z
XE
Z
EEQ
2
2
2212 )cos(
s
sZ
s Z
XE
Z
EEQ a
Giả sử bỏ qua Ra (khi Ra << Xs, aZ 0):
I
0
jXsI
RaI
ZsI
Z
aZ
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 28
sin212
sX
EEP
ss X
E
X
EEQ
2
2212 cos
sX
EEP 21
max2 khi = 90
o.
_____________________________________________________________
Ví dụ 4: (EX 5.6-p269)
Máy phát đồng bộ ba pha, 75MVA, 13.8kV, điện kháng đồng bộ bảo hòa
Xs=1.35đvtđ, điện kháng động bộ không bảo hòa là 1.56 đvtđ được kết nối với hệ
thống ngoài điện kháng tương đương là XEQ=0.23 đvtđ và điện áp VEQ=1 đvtđ. Điện
áp hở mạch đạt định mức khi dòng kích từ 297A.
a) Tính Pmax (theo MW, và đvtđ) mà máy phát có thể cấp cho hệ thống ngoài nếu sức
điện động của máy phát được giữ ở 1 đvtđ.
b) Nếu máy phát được điều khiển ổn định điện áp thông qua điều chỉnh tự động từ
thông. Nếu máy phát cấp điện cho tải định mức, tính góc công suất, sức điện động
(theo đvtđ),và dòng kích từ tương ứng?
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 29
Ví dụ 5: (EX 5.7-p272) (trang 241)
Ví dụ 6: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor
dạng hình trụ có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA,
cuộn dây stator nối Y. Điện kháng đồng bộ 5, Ra=1, cosđm =
0,9 chậm pha.
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 30
a. Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức?
Tính giá trị công suất (tác dụng và phản kháng) cực đại mà
máy phát có thể cấp cho lưới 11kV với giá trị sức điện động
đã tính ở trên.
b. Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành
ở hệ số công suất 0,8 chậm pha, cấp cho lưới 12MW và điện
áp lưới là 10kV. Tính giá trị công suất tác dụng cực đại?
c. Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc
đã tính ở trên.
II.3. Đặc tính vận hành của máy phát đồng bộ ở xác lập
Đặc tính ngoài Đặc tính điều chỉnh kích từ
Nhận xét:
If
0
R
RL
RC If0
I Iđm
I
U
0
R
RL
RC E
Iđm
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 31
Đặc tính hình V
Zt
U
Ra
jXs
Ia
It
Tải
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
AVR
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 32
II.4. Phân bố công suất của máy phát đồng bộ
II.5. Ghép song song máy phát điện đồng bộ
Power Plants Around the World photo gallery landing page:
http://www.industcards.com/ppworld.htm
Bài tập 3: Hai máy phát đồng bộ 3 pha nối Y giống nhau vận hành ở
33kV, mỗi máy cung cấp 5MW cho tải: 10MW và hệ số công suất 0,8
chậm pha. Điện kháng đồng bộ của mỗi máy là 6. Máy thứ nhất có
dòng điện 125A chậm pha.
a. Tính dòng điện và hệ số công suất của máy thứ 2?
b. Tính góc tải và sức điện động của cả hai máy?
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Pkt Pout
Pcơ
Pcơ Pđt Pout
Pđ Pth_cơ PFe
Pkt
Pin
Pcơ
Pkt
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 33
Bài tập: Cho một máy điện đồng bộ ba pha 900MVA, 26kV, nối Y,
50Hz, hai cực, có các số liệu thí nghiệm:
Dòng kích
từ
Dòng ngắn
mạch
Điện áp không
tải
Điện áp khe
hở
1710A 10,4kA 26kV 29,6kV
3290A 20,0kA 31,8kV 56,9kV
a. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bảo hòa Xs và không bảo
hòa Xs,, tỷ số ngắn mạch? (1đ)
Máy phát trên được nối lưới 26kV thông qua điện kháng nối
tiếp 1 mH. Biết máy phát đang cung cấp cho lưới 800MW và
400MVAr. Bỏ qua điện trở phần ứng và tổn hao sắt. Giả sử tổn
hao cơ là 20MW.
b. Tính dòng điện phần ứng, sức điện động không tải, góc tải,
và moment cơ cấp cho máy phát? (4đ)
c. Với kích từ như ở câu b, tính công suất tác dụng cực đại mà
máy phát có thể cấp cho lưới trong ngắn hạn? Tính
moment cơ khi đó? (1đ)
d. Với kích từ như ở câu b, tính công suất phản kháng lớn
nhất và nhỏ nhất mà máy phát có thể cấp cho lưới? (1đ)
e. Khi điều chỉnh giảm dòng kích từ để sức điện động cảm
ứng giảm 10%. Biết công suất tác dụng cấp cho lưới vẫn
không đổi. Tính góc tải, dòng điện phần ứng và công suất
phản kháng cấp cho lưới khi đó? (3đ)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 34
III. Động cơ đồng bộ
III.1. Mạch tương đương
asaaf IjXREU afphdqaf NkfE ....2
Nếu bỏ qua Ra:
IjXEU saf , IjXEU saf
o0
Thiếu kích từ, E nhỏ
I chậm pha hơn U, >0
Động cơ đóng vai trò tải RL
Động cơ tiêu thụ P và Q
Thừa kích từ, E lớn
I nhanh pha hơn U, <0
Động cơ đóng vai trò tải RC
Động cơ tiêu thụ P, phát Q
(Tụ bù công suất phản kháng)
U
jXs
Ia
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Ra
I
Re U
E
jXsI
0
Re U
E
jXsI
I
0
U
Ra
jXs
I
Eaf
n
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 35
III.2. Đặc tính công suất - góc
2
a1 Z 2
s s
EU U RP sin
Z Z a
2
s1 Z 2
s s
EU U XQ cos( )
Z Z a
Đặc tuyến công suất – góc tải của ĐCĐB Đặc tuyến CSPK – góc tải của ĐCĐB
sinX
UE3P
s
af
cosX
UE3
X
U3Q
s
af
s
2
Q > 0, tải cảm (RL)
sin3
2
1
s
af
eX
UE
f
pPT
s
af
eMAXX
UE
f
pT
3
2
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 36
Nhận xét:
Khi < 90o, nếu rotor chậm lại tăng P tăng rotor nhanh hơn.
Khi > 90o, nếu rotor chậm lại tăng P giảm rotor chậm hơn nữa mất ổn
định, động cơ đồng bộ dừng luôn.
Câu hỏi:
_ Khởi động động cơ đồng bộ như thế nào?
_ Moment khởi động lớn hay nhỏ, có kéo nổi tải có quán tính lớn như tàu điện không?
III.3. Đặc tính vận hành của động cơ đồng bộ ở xác lập
Đặc tính hình V của ĐCĐB
Đặc tính hình V ngược của ĐCĐB
If
cos
0
Tải trở (R)
Sớm (RC) Trễ (RL)
1 Không tải
Nửa tải
Đầy tải
Thiếu kt Thừa kt
If
I
0
R RC, cos = 0.8
cos = 0.8, RL
Iđm
Không tải
Nửa tải
Đầy tải
Thiếu kt Thừa kt
> 0
< 0
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 37
Điều chỉnh tăng hệ số công suất cos
III.4. Phân bố công suất của động cơ đồng bộ
Ví dụ 6: Một động cơ đồng bộ nối Y, nối vào lưới 3 pha
3980V và điều chỉnh dòng rotor sao cho sức điện động cảm
ứng pha là 1790V/pha (3000V/pha - thừa kích từ). Điện
kháng đồng bộ là 22 và góc tải giữa điện áp và sức điện
động cảm ứng là 30o. Xác định dòng stator và hệ số công
U
jXs
Ia
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Ra
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Pkt P1
P1=PđiệnAC Pđt=Pcơ Pout
Pqp
Pđ1 Ps Pkt
Pin
P1
Pkt
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 38
suất cos? Tính công suất biểu kiến, công suất tác dụng và
công suất phản kháng?
Ví dụ 8: Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 3MW, 6,6kV, 60Hz, 200rpm, kích từ độc
lập không đổi, vận hành ở đầy tải ở hệ số công suất 0,8 chậm pha. Nếu điện kháng
đồng bộ là 11, tính: công suất biểu kiến, dòng stator, sức điện động cảm ứng và
góc tải? Nếu động cơ có tổn hao cơ Pqp là 200kW, tổn hao sắt Ps là 100kW, tổn hao
kích từ Pkt là 50kW. Tính hiệu suất, momen điện từ, momen ngõ ra của động cơ?
Tính công suất lớn nhất động cơ có thể kéo tải mà không mất đồng bộ? Tính công
suất phản kháng lớn nhất mà động cơ có thể nhận từ lưới và phát lên lưới?
Khi tần số giảm còn 50Hz?
Khi Rs=1?
Ví dụ 3: Một động cơ không đồng bộ kéo tải và tiêu thụ 350kW từ lưới ở hệ số
công suất 0,707 chậm pha. Một động cơ đồng bộ thừa kích từ nối song song với
động cơ không đồng bộ và tiêu thụ 150kW từ lưới. Nếu hệ số công suất chung
của hai động cơ là 0,9 chậm pha, tính công suất phản kháng và công suất biều
kiến của động cơ đồng bộ.
U
jXs
Ia
If
Rf
Uf
af
Eaf
n
Ra
Re U
E
jXsI
I
q
0
U
Rư
jXs
I
E
n
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 39
(Điều chỉnh tăng hệ số công suất cos)
Ví dụ 13: Một động cơ không đồng bộ kéo tải và tiêu thụ 500kW từ
lưới ở hệ số công suất 0,707 chậm pha. Một động cơ đồng bộ khác
thừa kích từ nối song song với động cơ không đồng bộ và tiêu thụ
100kW từ lưới ở hệ số công suất 0,5. Tính hệ số công suất, công suất
phản kháng và công suất biều kiến chung của hai động cơ. Tính dòng
điện cấp cho động cơ không đồng bộ và dòng điện cấp chung cho cả 2
động cơ, biết U =380V? Nhận xét về kích thước dây dẫn?
BT 1.3. Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực, có công suất định mức
10KVA, điện áp định mức 380V, nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng
Rư = 0,5 và điện kháng đồng bộ Xđb = 5. Khi máy phát cấp điện cho tải định
mức với hệ số công suất cos = 0,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy
xác định:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức.
b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất .
c. Độ thay đổi điện áp U%.
d. Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng
kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
BT1.1: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn, 2 cực, kích từ độc lập, dòng
kích từ 1A, tần số 50Hz, nối Y, 12A. Bỏ qua điện trở phần ứng, điện
kháng đồng bộ pha là 10. Biết tổn hao cơ là 500W, bỏ qua tổn hao sắt.
a. Khi máy phát cấp nguồn cho tải với điện áp định mức 380V, và
dòng điện định mức 12A, tải có hệ số công suất cos=0,8, chậm
pha. Vẽ giản đồ vector, tính sức điện động cảm ứng pha, góc công
suất và momen cơ kéo máy phát? (1,0đ)
b. Khi máy phát cấp nguồn cho tải có dòng điện định mức 12A, tải có
hệ số công suất cos=1. Vẽ giản đồ vector, tính điện áp dây cấp cho
tải Udây, góc công suất? Biết sức điện động của máy phát vẫn không
đổi như ở câu a? (1,0đ)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 40
c. Với tải (có dòng điện, cos như) ở câu b, tính dòng kích từ điều
chỉnh để điện áp dây vẫn là 380V? Biết mạch từ còn tuyến tính. (0,5đ)
BT1.2. Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, có công suất định mức
10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz, nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng Rư0
và điện kháng đồng bộ Xđb = 5. Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công
suất cos = 0,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức.
b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất .
c. Tính độ thay đổi điện áp U%.
d. Tính công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng
kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
e. Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát biết tổn hao cơ là 500W.
Câu 1.4. Một động cơ đồng bộ 3 pha nối Y, 3MW, 6,6kV, 50Hz, 200rpm, kích từ độc lập
không đổi, điện kháng đồng bộ là 10.
a. Khi động cơ vận hành ở công suất định mức và có hệ số công suất 0,8 nhanh
pha, tính: công suất biểu kiến, sức điện động cảm ứng pha và góc tải?(1,0đ)
b. Tính công suất lớn nhất động cơ có thể kéo tải mà không mất đồng bộ? Khi
đó tính công suất phản kháng và momen điện từ của động cơ? (1,5đ)
c. Tính công suất phản kháng lớn nhất mà động cơ có thể phát lên tải?(0,5đ)
Sách trang 153: 6.22, 6.26, 6.28, 6.23
Ví dụ 6: (EX 5.8-p279) (trang 244)
Pcơ Pđt P2
Pđ Pqp Ps
Pkt
P1
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 42
ĐỘNG CƠ:
Từ trường quay trong động cơ đồng bộ khi không tải
V~Ftotal
, IjX~F ss
, E~Fr
0E V5.0E
Q > 0, tải cảm (RL)
VE V5.1E
I = 0
Q = 0
Q < 0, tải dung (RC)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 44
MÁY PHÁT:
Mạch tương đương của MPĐB Từ trường quay trong MPĐB (quá kích từ)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 45
B. Máy điện đồng bộ có rotor cực từ lồi:
Rotor cực từ lồi Rotor cực từ ẩn
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
A
B
C
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 46
qe
ae
X
Axe bobine
a a'
a
a'
ge
Axe bobine
b b'
Axe bobine
c c'
b
b'
c
c'
Axe
inducteur
N
S
Tải L:
Zt
U
Ra
jXs
Ia
It
Tải
Eaf
n
Re U
Eaf
jXsI
I
0
Re U
Eaf
jXsI
I
t
0
Eaf
Re
U
jXsI
I
t
0
A
B
C
N
N
S
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 47
Từ thông phản ứng phần ứng dọc trục
Tải RC Tải R
Từ thông phản ứng phần ứng ngang trục
Eaf
Re U
jXsI
I
0
Eaf
Re
U
jXsI
I
t
0
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 48
Từ thông phản ứng phần ứng ngang trục nhỏ hơn dọc trục
Với Xal là điện kháng từ tản không phụ thuộc theo phương dọc trục hay ngang trục.
Re U
Eaf
jXsI
I
t
0
Eaf
Re
U
jXsI
I
t
0
A
B
C
N
N
S
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 50
Xd = Xal + XAd
Xq = Xal + XAq
Thường Xq = (0,6-0,7)Xd
Với Xal là điện kháng từ tản không phụ thuộc theo phương dọc trục hay ngang trục.
aalaR IjXRE
qAqdAdaalaaf IjXIjXIjXRUE
qqddaaaf IjXIjXIRUE
Zt
U
Ra
jXA
Ia
It
Tải
Eaf
n
jXal
ER
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 51
aqaa IjXIRU sẽ xác định phương Eaf.
Khi tính gần đúng có thể xem máy đồng bộ cực từ lồi giống như máy cực từ ẩn,
khi đó Xq = Xd và:
adaaqdddaaaf IjXIRUIjXIjXIRUE
Khi làm việc ở định mức, sự sai biệt là không nhiều. Nhưng khi làm việc ở thiếu kích từ thì
sự sai biệt sẽ đáng kể.
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 52
Ví dụ 5.5:
Máy phát làm việc ở định mức có: Xd=1, Xq=0,6, cos=0,8 trễ.
Tính Eaf (đvtđ)? Ra=0.
ĐẶT TÍNH CÔNG SUẤT – GÓC
CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ CỰC TỪ LỒI
XdT = XEQ + Xd
XqT = XEQ + Xq
U
jXd
jXq
I
Eaf
n
jXEQ
VEQ
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 53
(sin(2) = 2sin.cos )
.... tạo ra moment phảng kháng (từ trở) có xu hưởng làm thẳng hàng rotor
và stator, và không phụ thuộc Eaf.
Khi máy phát định mức, thành phần này khoảng 10%. Thành phần này
đáng kể khi Eaf nhỏ.
Nhờ thành phần từ trở này mà nhỏ hơn, máy cực từ lồi làm việc ổn định
hơn máy cực từ ẩn.
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 55
Bài tập 1: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ
có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây stator nối Y. Điện
kháng đồng bộ 5, cosđm = 0,9 chậm pha.
d. Tính giá trị sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức? Tính giá trị
công suất cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện
động đã tính ở trên.
e. Tính giá trị sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở hệ số công
suất 0,8 chậm pha, cấp cho lưới 12MW và điện áp lưới là 10kV. Tính giá
trị công suất cực đại?
f. Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở
trên.
Bài tập 2: Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ
có các thông số định mức 11kV, 50Hz, 20MVA, cuộn dây stator nối Y. Điện
kháng đồng bộ 5.
a. Tính giá trị công suất, sức điện động và góc tải ở điều kiện định mức với
tải có cos = 0,9 chậm pha?Tính giá trị công suất tác dụng cực đại mà
máy phát có thể cấp cho lưới với giá trị sức điện động đã tính ở trên?
b. Tính giá trị công suất, sức điện động và góc tải nếu máy phát vận hành ở
hệ số công suất 0,8 nhanh pha, cấp cho lưới 20MVA ở điện áp lưới định
mức?
c. Vẽ 2 đặc tính công suất – góc tải và chỉ ra các điểm làm việc đã tính ở
trên? So sánh sức điện động của máy phát trong hai trường hợp trên?
Bài tập 3: Hai máy phát đồng bộ 3 pha nối Y giống nhau vận hành ở 33kV, mỗi
máy cung cấp 5MW cho tải 10MW, có hệ số công suất 0,8 chậm pha. Điện
kháng đồng bộ của mỗi máy là 6. Máy thứ nhất có dòng điện 125A chậm pha.
c. Tính dòng điện và hệ số công suất của máy thứ 2?
d. Tính góc tải và sức điện đông của cả hai máy?
Bài tập 4: Một máy điện đồng bộ có cuộn dậy stator 3 pha, cuộn dây kích từ
rotor và cấu trúc rotor và stator dạng hình trụ.
a. Vẽ mạch tương đương và giản đồ pha tương ứng khi máy điện vận hành ở
chế độ:
i. Máy phát thừa kích từ
ii. Máy phát thiếu kích từ
iii. Động cơ thừa kích từ
iv. Động cơ thiếu kích từ
Xác định trong mỗi trường hợp chiều của công suất tác dụng và công suất phản
kháng giữa máy điện và lưới; và xác định hệ số công suất nhanh hay chậm.
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 56
b. Một máy phát đồng bộ 3 pha hai cực có cấu trúc rotor dạng hình trụ có
các thông số định mức 16MVA, 10,5kV, 50Hz, cuộn dây stator nối Y.
Điện kháng đồng bộ 13,77, cosđm = 0,8 chậm pha. Tính giá trị sức điện
động và góc tải khi máy phát vận hành ở điều kiện định mức? Và tính giá
trị công suất tác dụng cực đại mà máy phát có thể cấp cho lưới, với giá
trị sức điện động như khi vận hành ở điều kiện định mức trên.
Bài tập 5:
a. Một tuabin phát điện 3 pha có điện kháng đồng bộ 14 và cấp cho lưới công
suất tác dụng 1,68MW với hệ số công suất chậm pha. Cuộn dây stator máy
phát nối Y, nối với lưới 11kV và dòng điện stator là 100A. Tính hệ số công
suất, góc tải và sức điện động cảm ứng?
b. Một máy phát đồng bộ và một máy phát không đồng bộ nối song song
và cấp vào lưới điện công suất tác dụng 800kW với hệ số công suất
chung bằng 0,8 chậm pha. Biết máy phát không đồng bộ vận hành ở
công suất 0,9 và phát công suất tác dụng 300kW vào lưới. Xác định
hệ số công suất và công suất tác dụng máy phát đồng bộ phát lên
lưới.
Bài tập 6:
Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn, 2 cực, đấu Y, có công suất định mức
10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz, nối lưới. Trên mỗi pha có điện
kháng đồng bộ Xđb = 2. Biết tổn hao sắt là là 200W và tổn hao cơ là
500W. Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công suất cos =
0,8 (chậm pha), hãy xác định:
a. Tính công suất tiêu thụ, hiệu suất và momen cơ cấp cho máy phát ở tải định
mức?
b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất .
c. Độ thay đổi điện áp U%.
d. Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết
dòng kích từ và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
e. Tính moment định mức và moment cực đại để kéo máy phát.
BT1.1: Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn, 2 cực, kích từ độc lập, dòng
kích từ 1A, tần số 50Hz, nối Y, 12A. Bỏ qua điện trở phần ứng, điện
kháng đồng bộ pha là 10. Biết tổn hao cơ là 500W, bỏ qua tổn hao sắt.
a. Khi máy phát cấp nguồn cho tải với điện áp định mức 380V, và
dòng điện định mức 12A, tải có hệ số công suất cos=0,8, chậm
pha. Vẽ giản đồ vector, tính sức điện động cảm ứng pha, góc công
suất và momen cơ kéo máy phát? (1,0đ)
b. Khi máy phát cấp nguồn cho tải có dòng điện định mức 12A, tải có
hệ số công suất cos=1. Vẽ giản đồ vector, tính điện áp dây cấp cho
tải Udây, góc công suất? Biết sức điện động của máy phát vẫn không
đổi như ở câu a? (1,0đ)
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 57
c. Với tải (có dòng điện, cos như) ở câu b, tính dòng kích từ điều
chỉnh để điện áp dây vẫn là 380V? Biết mạch từ còn tuyến tính. (0,5đ)
BT1.2. Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, có công suất định mức
10KVA, điện áp định mức 380V, 50Hz, nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng Rư0
và điện kháng đồng bộ Xđb = 5. Khi máy phát cấp điện cho tải định mức với hệ số công
suất cos = 0,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức.
b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất .
c. Tính độ thay đổi điện áp U%.
d. Tính công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng
kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
e. Tính momen điện từ và momen kéo của máy phát biết tổn hao cơ là 500W.
BT 1.3. Một máy phát đồng bộ ba pha cực từ ẩn đấu Y, 2 cực, có công suất định mức
10KVA, điện áp định mức 380V, nối lưới. Trên mỗi pha có điện trở phần ứng
Rư = 0,5 và điện kháng đồng bộ Xđb = 5. Khi máy phát cấp điện cho tải định
mức với hệ số công suất cos = 0,8 (dòng điện chậm pha so với điện áp), hãy
xác định:
a. Tính công suất tiêu thụ của tải định mức.
b. Vẽ giản đồ vector và tính sức điện động cảm ứng E, góc công suất .
c. Độ thay đổi điện áp U%.
d. Công suất quá tải lớn nhất máy có thể phát được mà không mất đồng bộ, biết dòng
kích từ không đổi và biên độ điện áp ngõ ra không đổi.
Đề thi 2012: Cho một máy điện đồng bộ ba pha 225MVA, 15kV, nối Y, 50Hz, hai cực, có các số
liệu thí nghiệm:
Dòng kích từ Dòng ngắn mạch Điện áp không tải Điện áp khe hở
470A 3897A 15kV 16.65kV
Pcơ Pđt P2
Pđ Pqp Ps
Pkt
P1
Bài giảng Máy điện TB
Chương 5: Máy điện đồng bộ 58
1045A 8660A 19kV 37kV
a. Bỏ qua điện trở phần ứng. Tính giá trị điện kháng đồng bộ bão hòa Xs và không bão hòa
Xs,? (1 điểm)
Khi máy phát trên hòa lưới 15kV, cung cấp cho lưới 191.2MW với hệ số công suất là 0.85
chậm pha. Bỏ qua các tổn hao.
b. Tính sức điện động, góc tải? (1 điểm)
c. Với dòng kích từ như ở câu b: Tính công suất tác dụng cực đại mà máy phát có thể cấp
cho lưới mà chưa mất đồng bộ? Tính moment cơ cực đại khi đó? (1 điểm)
d. Để cho máy phát chạy ở chế độ bù công suất phản kháng, cần điều chỉnh dòng kích từ
sao cho dòng điện phần ứng bằng định mức , hệ số công suất bằng 0, chậm pha. Khi đó,
tính sức điện động, góc tải? (1 điểm)