BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN
HÀNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
GVHD : TSKH. HỒ ĐẮC LỘC
KS. HUỲNH CHÂU DUY
SVTH : ĐẶNG TUẤN QUỐC VIỆT
MSSV : 00DDC149
LỚP : 00DDC1 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẨN
(ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
*** Họ tên sinh viên:
MSSV :
Lớp :
Ngành :
Đề tài :
THUẬT CÔNG NGHỆ cùng quý thầy cô khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như truyền đạt cho em kiến thức vô
cùng qúy báo trong suốt thời gian thực tập và làm luận án.
Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Hồ Đắc Lộc, thầy Huỳnh Châu
Duy đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận
án này.
Cuối cùng em xin gởi đến toàn thể quý thầy cô lời chúc tốt
đẹp nhất để tiếp tục sự nghiệp trồng người của mình.
Em xin chân trọng kính chào. Tp.HCM, ngày 03 háng 01 năm 2005
SV.Đặng Tuấn Quốc Việt
LỜI NÓI ĐẦU Điện công nghiệp là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi
năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,… bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử
Luận án gồm có 6 chương được chia thành 3 phần :
_Chương 1,2,3,4: Giới thiệu về máy điện đồng bộ,trình bày trên cơ sở lý thuyết về
các vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình quá độ máy phát điện đồng bộ,
phương pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống và các chế độ vận hành
của máy phát…
_Chương 5: Thực hiện vận hành và khảo sát thực tế máy phát điện đồng bộ trong
mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện Trường ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA TP.HỒ CHÍ MINH.
_Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ bằng phần
mềm mô phỏng Matlab.
Với thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên tất yếu luận án không tránh
khỏi những sai sót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Mục lục
***
LỜI CẢM ƠN
LỜI MỞ ĐẦU
trang
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ 1
1.1. Máy phát điện đồng bộ 2
1.1.1. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3
1.1.2. Phân loại 10
1.1.2.1. Máy phát điện đồng bộ 10
4.1.2.1. Đặc tính không tải 43
4.1.2.2. Đặc tính ngắn mạchvà tỉ số ngắn mạch K 43
4.1.2.3. Đặc tính tải 47
4.1.3. Cách xác đònh các tham số của máy phát điện đồng bộ 49
4.1.3.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục 49
4.1.3.2. Điện kháng tản x
u
50
4.1.4. Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 51
4.2. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng 53
4.2.1. Đại cương 53
4.2.2. Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không
đối xứng 55
4.2.2.1. Tổng trở thứ tự thuận z
1
= r
1
+ jx
1
55
4.2.2.2. Tổng trở thứ tự ngược z
2
= r
2
+ jx
2
55
4.2.2.3. Tổng trở thứ tự không z
0
= r
5.2.1. Nhóm máy điện 78
5.2.1.1. Động cơ điện xoay chiều ba pha 78
5.2.1.2. Máy phát điện một chiều 78
5.2.1.3. Động cơ điện một chiều 78
5.2.1.4. Máy phát điện xoay chiều 79
5.2.2. Trạm phân phối điện 79
5.2.3. Bảng và bàn điều khiển 79
5.2.3.1. Ký hiệu máy cắt, dao cách ly 79
5.2.3.2. Khóa xoay nhận 79
5.2.3.3. Đèn hiển thò 80
5.2.3.4. Đồng hồ đo 80
5.2.3.5. Nút nhấn 80
5.2.3.6. Bộ đồng hồ hòa đồng bộ 81
5.2.3.7. Khóa lựa chọn điện áp, dòng điện 81
5.2.3.8. Liên động giữa máy cắt và dao cách ly 81
5.3. Quá trình hoạt động của mô hình 81
5.3.1. Khảo sát chi tiết mô hình 82
5.3.1.1. Khảo sát động cơ điện ba pha 82
5.3.1.1.1. Thông số của động cơ điện AC ba pha 82
5.3.1.1.2. Mạch khởi động động cơ AC ba pha 82
5.3.1.1.3.1.Sơ đồ thực tế 82
5.3.1.1.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 83
5.3.1.1.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ AC 84
5.3.1.2. Khảo sát máy phát DC 85
5.3.1.3. Khảo sát động cơ DC 85
5.3.1.3.1. Thông số cơ bản của động cơ điện DC 85
5.3.1.3.2. Mạch khởi động động cơ DC 86
5.3.1.3.3.1.Sơ đồ thực tế 86
5.3.1.3.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 86
5.3.1.3.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ DC 87
6.1.3.8. Tải RLC nối tiếp 106
6.1.3.9. Đo điện áp 108
6.1.3.10. HTG 109
6.1.3.11. Hệ thống kích từ trong Matlab 112
6.2. Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát 114
6.2.1. Khảo sát chế độ vận hành bình thường của máy phát trong hệ thống
điện 115
6.2.1.1. Sơ đồ mô phỏng 115
6.2.1.2. Các kết quả mô phỏng 116
6.2.1.2.1. Tốc độ quay của tuabin 116
6.2.1.2.2. Điện áp kích từ 116
6.2.1.2.3. Dòng stator 117
6.2.1.2.4. Điện áp pha a máy phát 117
6.2.2. Khảo sát chế độ sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát 118
6.2.2.1. Sơ đồ mô phỏng 118
6.2.2.2. Các kết quả mô phỏng 119
6.2.2.2.1. Tốc độ quay của tuabin 119
6.2.2.2.2. Điện áp kích từ 119
6.2.2.2.3. Dòng stator 120
6.2.2.2.4. Điện áp pha a máy phát 120
Tài liệu tham khảo
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
1
Hình 1.1.Máy phát điện đồng bộ 3 pha.
1.1.Máy phát điện đồng bộ:
Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ
quay của từ trường n
1
trong máy. Máy điện đồng bộ có hai dây quấn :dây quấn phần ứng
được bố trí trên stato còn được gọi là dây quấn stato, các cuộn dây phần ứng được thiết
kế nhằm tao ra điện áp ba pha cân bằng; dây còn lại là dây quấn kích từ đặt bên phía
rôto. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay
đổi. Bộ phận kích từ cần một lượng công suất nhỏ khoảng 0.2 -3% công suất của máy.
Rôto được trang bò với một hay nhiều vòng dây ngắn mạch có tác dụng như là những
vòng dây chống rung. Rôto được quay bởi động cơ sơ cấp với tốc độ xác đònh và được
kích từ bằng dòng điện một chiều. Dây quấn kích từ có thể được cấp điện qua hệ thống
vành trượt và chổi than từ những máy phát điện một chiều gắn cùng trục với rôto. Tuy
Máy phát
Bộ kích từ
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
3
nhiên những hệ thống kích từ hiện đại thường sử dụng máy phát điện xoay chiều và
chỉnh lưu, được gọi là hệ thống kích từ không chổi than. Hệ thống kích từ có nhiệm vụ
duy trì điện áp máy phát và điều khiền công suất phản kháng truyền tải từ máy phát vào
hệ thống.
Rôto của máy phát đồng bộ có hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lồi.
4
Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực đơn giản hoá được minh họa trong hình
1.3. Stato gồm ba cuộn dây aa’, bb’, cc’ được đặt lệch nhau một gốc 120
0
điện. Các dây
quấn kiểu tập trung, bước đủ trên hình 1.3 biểu diễn cho các dây quấn rãi để tạo ra sức
điện động hình sin tập trung trên các trục từ của các pha tương ứng. Khi rôto được kích
từ, sẽ tạo ra từ thông ở khe hở không khí bởi từ thông trên mỗi cực từ quay với vận tốc
gốc t không đổi, từ thông móc vòng qua dây quấn stato và dây quấn rôto biến thiên
theo t, với t là góc giữa trục từ của dây quấn aa’ và trục từ rôto. Từ thông móc vòng
với cuộn dây aa’ có vòng sẽ đạt giá trò lớn nhất bằng N tại t = 0 và bằng 0 tại t =
/2.
Fsr
Fr
r'
r
m
n
Fs
c
c'
b'
b
a'
a
Hình 1.3.Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực được đơn giản hoá.
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
5
Trong đó :
fNNE
2
max
Và trò hiệu dụng :
fNE 44,4
(1.3)
Trong đó: f tính bằng Hz.
Trong các máy phát điện xoay chiều thực tế, các cuộn dây mỗi pha thường được
quấn rãi trong các rãnh stato và với bước ngắn K
, gọi là hệ số dây quấn. Hầu như, các
dây quấn ba pha đều có K
vào khoảng 0,85 đến 0,95.Việc dùng dây quấn rãi cũng như
biện pháp rút ngắn bước dây quấn đem lại nhiều lợi điểm: tiết kiệm được dây đồng cũng
như cải thiện được dạng sóng sức điện động. Vì vậy, trò hiệu dụng của sức điện động
cảm ứng trong một pha được tính theo công thức:
= I
max
sin(t - - 2/3) (1.6)
I
c
= I
max
sin(t - - 4/3)
Theo (1.2) sức điện động cảm ứng e
a
sẽ đạt gía trò lớn nhất khi trục từ rôto nằm
dọc theo pha a. Vì i
a
chậm sau e
a
một góc , nên khi đường thẳng mn trùng với trục của
cuộn dây aa’, dòng trong pha a sẽ đạt đến giá trò lớn nhất. Tại thời điểm bất kỳ, cuộn
dây của mỗi pha tạo ra sức từ động phân bố hình sin với đỉnh của nó dọc theo trục của
cuộn dây pha tương ứng. Các sức từ động phân bố hình sin này có thể được đặc trưng bởi
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
6
các vectơ trong không gian véctơ. Biên độ của các sức từ động phân bố hình sin f
a
()
được đặc trưng bởi véctơ F
a
dọc theo trục của pha a. Tương tự, biên độ của các sức từ
sin(t - - 2/3) (1.7)
F
c
= Ki
c
= KI
max
sin(t - - 4/3) = F
m
sin(t - - 4/3)
Ở đây, K là hệ số tỉ lệ với số vòng quay của mỗi pha phần ứng và là một hàm của
loại dây quấn. Từ đó sức từ động phần ứng là véctơ tổng của các sức từ động thành phần
ở trên. Một phương pháp thích hợp để tìm ra sức từ động tổng là chiếu các véctơ sức từ
động thành phần ở trên lên đường thẳng mn, ta sẽ được các thành phần cùng pha và các
thành phần lệch pha nhau một góc /2. Các thành phần cùng pha được tính theo :
F
1
= F
m
sin(t - )cos(t - ) + F
m
sin(t - -2/3)cos(t - - 2/3) +
+ F
m
sin(t - - 4/3)cos(t - - 4/3)
Dùng công thức lượng giác sincos = (1/2)sin2, biểu thức ở trên trở thành :
= (F
m
/2)[3 – cos2(t - ) + cos2(t - - 2/3) + cos2(t - - 4/3)]
Tương tự, ở công thức trên có ba hàm cosin lần lược khác nhau một góc 2/3 nên
cộng lại bằng 0, suy ra: F
2
= (3/2)F
m
.Vì vậy biên độ của sức từ động phần ứng hay sức
từ động stato được tính theo công thức sau :
F
2
= (3/2)F
m
(1.8)
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
7
Như vậy sức từ động phần ứng F
s
có biên độ xác đònh, vuông góc với đường thẳng
mn và quay cùng tốc độ với từ trường rôto F
r
.
Đặc trưng của máy điện đồng bộ là trục từ trường stato và trục từ trường rôto luôn
có khuynh hướng thẳng hàng với nhau, khi sử dụng không gian véctơ để biểu diễn các
trừơng hợp khác nhau, hoạt động giống như máy phát điện được biểu diễn trong hình
1.4. Khi rôto quay với tốc độ đồng bộ và dòng phần ứng bằng 0, thì sức từ động F
sr
là
nguyên nhân sinh ra từ thông
sr
trong khe hở không khí và chính từ thông
sr
này cảm
ứng ra sức điện động không tải E
sr
. Sức từ động phần ứng F
s
cảm ứng ra sức điện động
E
ar
vuông góc với F
s
, gọi là điện áp phản ứng phần ứng. Sức điện động E
ar
sớm pha hơn
I
a
một góc 90
0
và vì vậy có thể được đặc trưng bởi điện áp rơi trên điện kháng X
ar
bởi
dòng I
a
. X
ar
E
V
R
a
I
a
jX
1
I
a
jX
ar
I
a
r
r
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
8
Điện áp đầu cực V bằng sức điện động E
(1.11)
Trong đó, X
s
= (X
1
+ X
ar
) được gọi là điện kháng đồng bộ. Cosin của góc giữa I và
V, nghóa là cos được gọi là hệ số công suất tại đầu cực của máy phát. Góc giữa E và E
sr
bằng góc giữa sức từ động rôto F
r
và sức từ động ở khe hở không khí F
sr
, gọi là góc
r
.
Công suất được cung cấp bởi máy (the power developed by the machine) tỉ lệ với tích
của F
r
, F
sr
và sin
r
. Tùy theo vò trí của các sức từ động sẽ liên quan đến điều kiện hoạt
động của máy điện đồng bộ. Khi F
r
quay trước F
pha của máy phát rôto cực ẩn đơn giản được trình bày trên hình 1.5. Điện trở phần ứng
thông thường rất nhỏ hơn điện kháng đồng bộ nên được bỏ qua. Mạch điện tương đương
liên thông với hệ thống vô cùng lớn được trình bày trên hình 1.6, và (1.11) được rút gọn
thành. E = V + jX
s
I
a
(1.12) Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
9
E
Za = Ra + jXs
+
V
_
Tải
+
_
Ia
Hình 1.5.Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ
s
I
I
a
V
Z
s
I
s
I
a
E
V
Z
s
I
s
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
10
Độ ổn đònh điện áp của máy phát điện xoay chiều là một đại lượng dùng để so
sánh các máy điện với nhau. Nó được xác đònh theo tỉ lệ phần trăm thay đổi của điện áp
đầu cực từ lúc không tải đến tải đònh mức. Đại lượng này cho biết chỉ số thay đổi của
dòng kích từ để điện áp của hệ thống được duy trì từ khi không tải đến tải đònh mức tại
một số hệ số công suất đặc biệt.
độ quay thấp (2p 4) .
Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau :
1.1.2.1.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 nói
chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ
và cần di động thì dùng diezen. Máy phát điện diezen thường có cấu tạo cực lồi.
1.1.2.2.Động cơ điện không đồng bộ:
Động cơ điện đồng bộ thường chế tạo theo kiểu cực lồi và được sử dụng để kéo
các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất từ 200kW trở lên.
1.1.2.3.Máy bù đồng bộ:
Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số cos của lưới điện.
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
11
Ngoài các loại trên còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như : máy biến đổi một
phần ứng, máy đồng bộ tần số cao,… và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng
trong tự động, như động cơ đồng bộ nam châm vónh cữu ,động cơ đồng bộ phản
kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước,…
1.2.Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn:
Vành
trượt
Chương 1: Máy phát điện đồng bộ
12
Hai đầu trong dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở
đầu trục thông qua hai chổi điện 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 chung
với máy đồng bộ.
Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và
thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng lá tôn silic dầy 0,5mm, hai mặt có phủ
sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 đến 6 cm lại có một rãnh
thông gió ngang trục,rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố đònh trong thân máy. Trong
các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo kết cấu khung
thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy. Thân máy phải thiết kế và chế tạo để
sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện. Nắp máy
cũng được chế tạo trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt
cố đònh trên kệ máy.
1.3.Máy điện đồng bộ rôto cực lồi:
Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với rôto cực ẩn, đường
kính rôto của nó có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài lại nhỏ tỉ lệ l/D = 0,15 ÷ 0,2.
Rôto của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được
Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương đối
dài và phải rất khỏe vì nó chòu toàn bộ trong 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 kém nhiều
sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây dựng buồn
đặt 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 tới vài trăm tấn
đối với các máy lớn ) và khiến cho bản thân máy và buồng đặt máy đều thấp hơn.
Trên cùng trục với máy phát tuabin thường có đặt thêm các máy phụ – máy kích
thích, để cung cấp dòng điện một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy phát
điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin.
Copyright: Tài liệu đại học ©