Chơng 4.
Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải đối xứng
4.1 Đại cơng.
Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đợc đặc trng bởi các đại lợng: U, I, I
t
,
cos

v tần số f hoặc tốc độ n.
Trong đó f = f
đm
; cos

phụ thuộc vo tải còn lại 3 đại lợng U, I, I
t
xác định cho ta các
đặc tính.
1. Đặc tính không tải U = f(I
t
) khi I = 0; f = f
đm
2. Đặc tính ngắn mạch I
n
= f(I
t
) khi U = 0; f = f
đm

3. Đặc tính ngoi U = f(I) khi I
t
= cte; f = f

Hình 4.1 Sơ đồ thí n
g
hiệm lấ
y
các đặc tính của má
y

p
hát điện đồn
g
bộ
1. Đặc tính không tải.
(E = U = f(I
t
) khi I = 0 v f = f
đm
)
Hệ đơn vị tơng đối E
*
= E/E
đm
; I
t*
= I
t
/ I
tđm0
Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao
tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi
dòng điện kích từ ta nhận đợc đờng đặc tính

thì tải của máy phát l dây quấn của phần ứng nên nó
đợc coi l thuần cảm

= 0, I
q
= Icos

= 0 còn I
d
= Isin

= I
Mạch điện thay thế v đồ thị véc tơ nh hình 4.3, ta có
4.1
d
xIjE
&&
+=
0
Khi ngắn mạch vì từ
thông


cần thiết để sinh
ra E

= E - Ix
d
= Ix


/ x
d
4.3
Với x
d
l điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U
đm
Vậy K = U
đm
/ x
d
.I
đm
= 1/ x
đ*
Thờng x
đ*
> 1 nên K < 1, hay I
n0
< I
đm
Vậy
dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện
đồng bộ không lớn, đó l do tác dụng khử từ của
phản ứng phần ứng.
Qua hai tam giác đồng dạng OAA' v OBB' ta có:
tn
t
dm
n




U bé v P
đt
lớn

máy lm việc ổn
định, muốn K lớn thì x
đ*
phải lớn



lớn kích thớc của máy lớn giá thnh tăng.
Thờng máy phát tourbin nớc K = 0,8 - 1,8; v tourbin hơi K = 0,5 - 1,0

Máy điện 2
17
3. Đặc tính ngoi v độ thay đổi điện áp

U
đm

Đặc tính ngoi: U = f(I) khi I
t
= Cte; cos

= Cte ; f = f
đm

Máy phát tourbin hơi có x
d
lớn hơn máy phát
tourbin nớc nên

U
đm
% của nó lớn hơn máy phát
tourbin nớc. Thờng

U
đm
% = (25 - 35)%
4. Đặc tính điều chỉnh I
t
= F(I) khi U = U
đm
= Cte,
cos

= Cte v f = f
đm.
Thờng cos

đm
= 0,8 (điện cảm), khi I tăng từ 0 đến
I
đm
với U = U
đm

bộ tải thuần cảm
Bỏ qua r

ta vẽ đợc đồ thị véc tơ nh hình 4.9

Máy điện 2
18
Tam giác điện kháng:
Lấy I
n
= I
đm
chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục honh đợc điểm C.
Thì OC = I
tn
(dòng điện kích từ), dòng điện I
tn
gồm 2 phần:
Một phần BC = k
d
.F
d
khắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC

I
đm
Một phần CB = OC - BC sinh ra E

AC
I
E
x
n
d
==
4.6
Quan hệ x
d
= f(I
t
) l đờng (3) khi mạch từ
không bảo ho, ta có:

const
AB
AD
I
E
x
n
d
===


4.7
vì
d
k


.
Từ một điểm C' bất kỳ trên đờng (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đờng // với
OA cắt đờng (1) tại A', từ A' hạ A'B'

C'O' thì x


= A'B'/ I
Khi xét đến bảo ho x
p
= A"B"/I x
p
> x


l điện kháng Pôchiê
Máy cực ẩn x
p
= (1,05 - 1,1) x



Máy cực lồi x
p
= (1,1 - 1,3) x


4.5 Tổn hao v hiệu suất
Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng p

Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi
- Tải của 3 pha không bằng nhau.
- Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát
Chế độ tải không đối xứng thờng gây nên các hiện tợng bất lợi, nh: điện áp không
đối xứng; các sóng điều ho s.đ.đ v dòng điện bậc cao; lm tăng tổn hao; rôto nóng v
máy rung.
Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng phơng pháp phân lợng đối xứng.
Phân dòng điện v điện áp thnh 3 thnh phần thứ tự thuận; ngợc v không.
0
2
1
2
2
1
1
111
I
I
I
aa
aa
I
I
I
c
b
a
&
&
&

=
5-2
trong đó: a = e
j2

/3
; a
2
= e
j4

/3
; 1 + a + a
2
= 0
Dòng điện kích từ i
t
chỉ sinh ra s.đ.đ ứng với thnh phần thứ tự thuận E
0
= E
1
còn các
s.đ.đ thứ tự ngợc v không, không tồn tại E
2
= E
t0
= 0 nh vậy:
; ; 5-3
1111
ZIUE

ZIZIaZIEaU
ZIZIZIEU
c
b
a
&&&&&
&&&&&
&&&&&
Các phơng trình 5-1; 5-2 v 5-3 l cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng. Nó
gồm 9 phơng trình có chứa 12 ẩn số, (E
0
, Z
1
; Z
2
; Z
0
đã biết), muốn giải đợc tuỳ từng
trờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 phơng trình nữa.
5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lm việc ở tải không đối xứng.
1. Tổng trở thứ tự thuận Z
1
= r
1
+ jx
1

Tổng trở thứ tự thuận Z
1
chính l tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x

cảm với nhau v ta có mạch điện thay thế theo hớng dọc trục nh hình 5-2 v ngang trục
nh hình 5-3.
Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 Hớng dọc trục có Hình 5-3 Hớng ngang trục có
đồng bộ ứng với thứ tự ngợc dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b)
Trên các mạch điện thay thế: x


điện kháng tản phần ứng; x
d
điện kháng dọc trục
phần ứng; x
q
điện kháng ngang trục phần ứng; x

t
điện kháng tản của dây quấn kích thích;
x

cd
điện kháng tản dọc dây quấn cản; x

cq
điện kháng tản ngang trục dây quấn cản.
Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định đợc điện kháng dọc trục v ngang trục.
- Khi có dây quấn cản: - Khi không có dây quấn cản
cdtdu
ud
xxx
xx


5-7
qquuq
xxxx =+
=


5-8
Nh vậy khi có dây quấn cản
2
2
qd
xx
x


+


= , thờng
qd
xx





nên 5-9
qd
xxx


2
= r

+ r
r
/2 (Với r
r
l điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng).
Xác định x
2
v r
2
bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vo dây quấn stato quay rôto ngợc
chiều từ trờng quay với tốc độ n
1
đo U
2
; I
2
; P
2
của một pha từ đó tính đợc:
2
2
2
I
U
Z =
;
2

0
. Khi phân tích các s.t.đ thnh các sóng điều ho
thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 l tồn tại, nh 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây
quấn kích thích v dây quấn cản bởi từ trờng đó rất bé, do đó x
0
chủ yếu do từ trờng tản
rảnh v đầu nối gây nên. Với máy cực ẩn x
0*
= 0,02 - 0,10; máy cực lồi x
0*
= 0,02 - 0,20.
Điện trở thứ tự không r
0
lớn hơn r

không nhiều nên thờng coi r
0
= r

.
Các tham số Z
0
; r
0
; x
0
có thể xác định bằng thực nghiệm. Nối nối tiếp 3 pha dây quấn
stato đặt điện áp thấp vo v cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U
0
; P

Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thnh phần thứ tự thuận v ngợc, còn thnh
phần thứ tự không thờng rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha thờng đợc nối Y
v trung tính nối đất. Từ trờng do dòng điện thứ tự ngợc thờng gây nên các hiện tơng
bất lợi cho máy phát, nh: Điện áp không đối xứng lm tăng tổn hao, rôto nóng v máy
rung động.
1. Điện áp khi tải không đối xứng.
Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa l
chúng có biên độ không bằng nhau v góc lệch pha khác 120
0
. Điều ny ảnh hởng xấu
đến hộ dùng điện.
2. Tổn hao tăng v rôto nóng.
Khi tải không đối xứng từ trờng quay ngợc sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lm
tăng tổn hao ở rôto v lm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao v giảm hiệu suất.
3. Hiện tợng máy rung.
Khi tải không đối xứng do tác dụng tơng hổ giữa từ trờng cực từ với từ trờng quay
ngợc của stato v từ trờng quay thuận với từ trờng của các dòng điện có tần số 2f ở
rôto. chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi v lực đập mạch với tần số 2f tác
dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lm cho máy bị rung động v gây ồn.
Thờng chỉ cho phép máy đồng bộ lm việc lâu di với tải không đối xứng khi dòng
điện các pha không vợt quá định mức v mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá
10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi.

Máy điện 2
22
5.4 Ngắn mạch không đối xứng.
Hình 5-4

3
1
na
IIIII
&&&&&
====
5-16
Thay (5-16) vo (5-4) ta đợc:

021
0
210
ZZZ
E
III
++
===
&
&&&
5-17
v dòng điện ngắn mạch một pha có trị số:

021
0
01
3
3
ZZZ
E
III

l U
2
v
U
0
.
Mạch điện thay thế ny có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong lới điện phức
tạp. Lúc đó Z
1
; Z
2
v Z
0
l các tổng trở thự tự thuận, ngợc v không của lới. Máy điện 2
23
2. Ngắn mạch hai pha.
Hình 5-7 Ngắn mạch
hai pha máy phát đ.b
Giả sử ngắn mạch hai pha b v c nh hình 5-7, ta có:
5-19
cb
UU
&&
=
5-20
0=
a

21
ZZ
E
II
+
==
&
&&

Cuối cùng ta đợc
21
0
11
2
21
2
2
3
3)(
ZZ
Ej
IjIaaIaIaIII
cbn
+

===+===
&
&&&&&&&
(5-22)
Bỏ qua r

24