ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

1PHẦN I

GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

Máy điện đồng bộ 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 sinh hoạt
được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khí hoặc nước.
Ngoài ra máy phát điện còn được kéo các động cơ
khác như động cơ Điêzel, động
cơ xy lanh hơi nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hyđro…được chế tạo với công
suất vừa và nhỏ nhằm dùng cho các tải địa phương, dùng làm máy phát dự phòng.
Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ( đặc biệt là các động cơ đồng bộ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãi trong các trang bị
tự
động và điều khiển.

I. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG

I.1 Định nghĩa

Những máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay Rôtor n bằng tốc độ quay
của từ trường n
1
gọi là máy điện đồng bộ, có tốc độ quay Rôtor luôn không đổi
khi tải thay đổi.

thống vành trượt. Cực từ của
máy phát điện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chiều và được đặt ở
phần quay, còn dây quấn phần ứng với ba pha được đặt ở phần tĩnh và nối ra tải.
Cũng có thể đặt cực từ ở phần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phần quay giống trong
máy điện một chiều, máy điện
đồng bộ công suất nhỏ, vì sự trao đổi vị trí đó
không làm thay đổi nguyên lý làm việc cơ bản của máy. Nguyên lý làm việc của
máy điện nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng đều dựa trên định luật
cảm ứng điện từ. Nguyên lý làm việc cơ bản như sau :
Stator của máy phát điện đồng bộ đồng bộ có dây quấn ba pha được đặt cách
nhau một góc 120
0
trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng ra các sức
điện động cung cấp ra tải ( hình 1.1 ). Còn Rôtor của máy phát điện, với cấu tạo
dây quấn cực từ ( cực lồi với đối với máy phát có tuabin tốc độ thấp như các máy
phát tuabin nước, các máy phát công suất nhỏ và cực ẩn với tuabin có tốc độ cao
như máy phát Điêzel, tuabin hơi và khí ) làm nhiệm vụ tạo ra từ trường phần cảm.

Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lên các
dây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch pha nhau
120

Với p là số đôi cực của máy.

N
A
B
C
Hình 1.1 cấu tạo của Stator.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

3
Khi máy phát điện đồng bộ làm việc khép kín mạch với tải, có dòng điện ba
pha chạy trong ba dây quấn lệâch nhau góc 120
0
về thời gian sẽ tạo ra từ trường
quay với tốc độ n
1
:

1
60.
f

ột chiều.
Dòng điện kích từ một chiều thường được cung cấp bởi một máy phát một
chiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu ( có hoặc không có vành trượt ), nối chung
trục với máy phát điện.
Stator của máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó
có đặt dây quấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy. Lõi thép Stator được ghép và ép
bằng các tấm tôn silic có phủ cách điện. Các đường thông gió làm mát cho máy
được chế tạ
o cố định trong thân máy để đảm bảo độ bền cách điện của dây quấn
và máy.
II.2.2 Máy cực lồi

Các máy phát điện có tốc độ quay thấp thường được chế tạo dạng cực lồi,
nên khác với máy cực ẩn, đường kính D của Rôtor có thể lên đến 15met trong khi
chiều dài lại nhỏ với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2. Rôtor của máy phát điện đồng bộ cực
lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia
công thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ. Ở các máy l
ớn, lõi thép đó được
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

4
chế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, 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
của máy mà được đặt trên giá đỡ của Rôtor, giá này được lồng vào trục máy. Hình 1.2 Cực từ của máy phát đồng bộ cực lồi

Cực từ đặt trên lõi thép Rôtor được ghép bằng những lá thép dày
1 – 1,5mm chế tạo đuôi có hình T hoặ

suất lớn ngoài kích thước của chúng khác nhau thì chúng còn khác nhau về hiệu
suất làm việc, giá thành của máy cũng như giá điện sản xuất ra, thời gian làm việc
của nó… Máy phát đ
iện công suất nhỏ có cấu tạo gọn nhẹ, rất thuận lợi để làm
máy phát dự phòng khi mất điện lưới, như máy phát điện Điêzel có thể linh động
vận chuyển đi nơi khác để phục vụ khi cần thiết. Tuy nhiên máy điện công suất
nhỏ giá thành không được rẻ vì trái vơí máy có công suất đơn chiếc càng lớn thì
giá thành trên đơn vị công suất càng hạ nên nó chưa đươc s
ử dụng phổ biến mà nó
chỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết như bệnh viện, truyền hình, quân sự và
thông tin liên lạc…Ngoài ra nó còn được sử dụng ở một số hộ dân cần điện để
phục vụ sản xuất kinh doanh liên tục khi thiếu điện lưới. Hiệu suất làm việc của
máy điện công suất nhỏ luôn thấp hơ
n những máy công suất lớn.

III CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ.

Để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ thì cần phải
có sơ đồ nối dây của máy phát điện. Tải của máy phát là tổng trở Z có thể thay
đổi. Dòng điện kích thích I
t
của máy điện được lấy từ nguồn điện bên ngoài và
được điều chỉnh nhờ vào biến trở r
t
.
Khi vận hành thường máy phát điện cung cấp cho tải đối xứng. Chế độ này
phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát điện, công suất cấp cho tải
không vượt quá định mức mà bằng định mức hoặc thấp hơn định mức một chút.
Mặt khác các đại lượng này thông qua các đaị lượng khác như dòng điện, điện áp,
dòng kích từ


5. Đặc tính tải U = f(i
t
) khi I = const ; cosϕ = const ; f = f
đm

A MFĐ
V
W
A
A
A
V
V
W
Z
Z
Z

III.1 Đặc tính không tải

E = U
0
= f(i
t
)
Khi I= 0 và f= f
đm

Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra cuộn dây
Stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không. Trong hệ đơn vị tương
đối máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cực lồi khác nhau
không nhiều, đặc tính không tải được hiển thị bằng đơn vị tương đối giống như

trên hình 1.3 Hình 1.3 Đặc tính không tải máy phát điện

Trong đơn vị tương đối :

= f(I
t
) khi U= 0 và f = f
đm E
∗
i
t
∗
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

7Hình 1.4 Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế
của máy phát điện lúc ngắn mạch
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng điện tải khi ngắn mạch và dòng
điện kích thích khi điện áp bằng không , tần số bằng tần số định mức ( khi dây
quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy). Nếu bỏ qua điện trở
của dây quấn
phần ứng( r
ư
= 0 ) thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (
ψ = 90
o
) như vậy
I
q


Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn mạch I
no
ứng với dòng điện kích
thích sinh ra sức điện động E = U
đm
khi không tải với dòng điện định mức I
đm
,
nghĩa là K =
no
dm
I
I
trong đó I
no
=
dm
d
U
x

số của I
no
vào biểu thức của K ta có :
K =
*
1
.
dm
ddm d
U
x
Ix
=
. Thường x
d∗
> 1 do đó K < 1 và dòng điện
ngắn mạch xác lập I
no
< I
đm
, vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác
lập của máy phát điện đồng bộ không lớn. Sở dĩ như vậy là do khử từ rất mạnh
của phản ứng phần ứng.

i
t
i
tn
i
to

o
= U
đm

I
tn
dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = I
đm

Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy điện đồng bộ. Máy
có K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp ΔU nhỏ và theo biểu thức
I
d
=
.
d
E
Ucos
x
θ
−

I
q
=
.sin
q
U
x
θ

I
dm
cos
ϕ
= 1

Δ

U
dm
cos
ϕ
= 0,8

(®iÖn dun
g
)

cos
ϕ
= 0,8

(®iÖn c¶m)
Hình 1.7 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ
Từ hình vẽ ta thấy dạng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất tải. Nếu tải có
tính cảm khi I tăng phản ứng khử từ của phần ứng cũng tăng, điện áp giảm và
đường biểu diễn đi xuống. Ngược lại nếu tải có tính dung khi I tăng, phản ứng

t
= f(I) khi U = const ; cosϕ = const và f =f
đm
.
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ của dòng điện kích từ với dòng điện không tải
để luôn giữ cho điện áp không đổi. Nó cho biết hướng điều chỉnh dòng điện I
t
của
máy phát điện đồng bộ để giữ cho điện áp ra U ở đầu máy phát điện không đổi.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

10Hình 1.8 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng
làm cho điện áp U bị giảm. Để giữ cho điện áp U không đổi phải tăng dòng điện
từ hoá i
t
. Ngược lại, ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi phải giảm i
t
.
Thông thường cosϕ
đm
= 0,8 ( thuần cảm ), nên từ không tải ( U = U
đm
; I = I
đm

cosϕ = 0,8 (®iÖn c¶m)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

11Hình 1.9 Xác đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính
không tải và tam giác điện kháng.
Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 ) để có trị số I
n
= I
đm
dòng điện kích thích i
tn

hoặc sức từ động F
tn
cần thiết bằng F
tn
= i
tn
= OC. Như đã biết khi máy làm việc ở
chế độ ngắn mạch sức từ động của cực từ F
tn
= OC gồm hai phần : một phần để
khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = k
ưd
.F
ưd
sinh ra E

it
U.I
I = 0
I = I
dm
2
3
1
E
δ
A'
O'
B' C'
C
Q
P
O
M
I
dm
k
−dF−d
xδ−Idm
E
0 E
δ