Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Giới thiệu kháI quát về máy phát điện đồng bộ xoay
chiều& về hệ thống kích từ .
I. Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay chiều:
1. Định nghĩa:
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ
trờng n
1
gọi là máy phát điện đồng bộ. ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ
có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi.
2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
gồm hai bộ phận chính là xtato và rôto.
Trên hình I-1 vẽ mặt cắt ngang trục
máy.
Trong đó 1: lá thép xtato; 2: dây quấn
xtato; 3: lá thép rôto; 4: dây quấn rôto.
Xtato và Roto của máy đồng bộ cực ẩn.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
1
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi.
3. Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ
Cho dòng điện kích từ (dòng điện một chiều) vào dây quấn kích từ sẽ tạo
nên từ trờng rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trờng của rôto sẽ cắt
dây quấn phần ứng xtato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị số
hiệu dụng là:
E
o
= 4,44fW
1

2
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
4. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc, từ trờng của cực từ rôto
0
cắt dây quấn stato
cảm ứng ra sđđ E
0
chậm pha so với từ thông
0
góc 90
0
(hình A-4a). Dây quấn
stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I trong dây
quấn stato tạo nên từ trờng quay gọi là từ trờng phần ứng quay đồng bộ với từ
trờng của cực từ
0
. Góc lệch pha giữa E
0
và I do tính chất của tải quyết định.
Hình I-4a:pha = 0, E
0
và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ trờng phần
ứng cùng pha với dòng điện. Tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ trờng
cực từ
0
theo hớng ngang trục, làm méo từ trờng cực từ, ta gọi phản ứng phần
ứng ngang trục.
Trờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha = 90
0


=90
0

o

I
N S
b) =90
0
E
o
I

o
90
o
N S
a) =0
0
Hình I-4
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Trờng hợp tải thuần dung = -90
0
(hìnhI-4c) dòng điện sinh ra từ trờng
phần ứng , cùng chiều với
0
, ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có
tác dụng làmg tăng từ trờng tổng. Trờng hợp tải bất kỳ (hìnhI-4d) ta phân tích
dòng điện I làm 2 thành phần : thành phần dọc trục I

- ji
q
X
t

= E
0
ji
d
(X
d
+ X
t
) ji
q
(X
q
+ X
t
)
Gọi X
q
+ X
t
= X
d
là điện kháng đồng bộ dọc trục.
X
q
+ X


(b)
E
0
jIdXd
JiqXq
U

Iq I


I
d
(a)

Hình I-5
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Đối với máyphát cực ẩn là trờng hợp đặc biệt của cực lồi X
đb
= X
đ
= X
q
gọi là điện kháng đồng bộ X
đb
thì phơng trình cân bằng điện áp của máy phát
điện đồng bộ cực ẩn có thể viết :
U = E
0
jiX

E
mU
dq
2
d
0

Ta nhận thấy công suất điện từ gồm hai thành phần(hìnhI-6)
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
5
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Thành phần

sin
X
mUE
d
0
do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin

. Đó là thành
phần công suất chủ yếu của máy phát.
Thành phần








ữ 30
0
.
Điều chỉnh công suất tác dụng. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện
năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất cơ
của động cơ sơ cấp (tuabin hơi hoặc tuabin khí v.v...)
I.6.2 Công suất phản kháng:
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:
Q = mUIsin = mUIsin(-)
= m[UIsin cos - UIcossin]
db
2
db
0
X
mU
X
cosmUE
Q


=
Điều chỉnh công suất phản kháng. Từ biểu thức công suát phản kháng trên
db
0
X
)UcosE(mU
Q

=

7. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh
I.7.1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ:
Đặc tính ngoài của máy phát điện là quan hệ điện áp U trên cực máy phát
và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos
t
= const) tần số và dòng điện
kích từ máy phát không đổi. Từ phơng trình cân bằng điện áp (I-5), ta vẽ đồ thị
vectơ máy phát ứng với các loại tải khác nhau. Ta thấy khi tải tăng, đối với tải
cảm và trở, điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với tải dung điện
áp tăng. Bằng đồ thị ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc vào dòng điện và
đặc tính của tải.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
7
U
U
0
U
đm
0
I
đm
U
tải R-C
U
0
Tải R-L
0 I
Iđm
Hình I-7
(a)

=

Độ biến thiên điện áp U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục
phần trăm vì điện kháng đồng bộ X
đb
khá lớn.
I.7.2 Đặc tính điều chỉnh:
Đặc tính điều chỉnh là
quan hệ giữa dòng điện kích từ và
dòng điện tải khi:
U = U
đm
= const. Hình I-7.c vẽ
đặc tính điều chỉnh của máy phát
đồng bộ với các hệ số công suất
khác nhau.
Đờng đặc tính điều chỉnh cho biết hớng điều chỉnh i
kt
của máy phát đồng
bộ để giữ điện áp U ở đầu máy phát không đổi. Ví dụ, tải cảm khi I tăng, tác
dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng dẫn đến U giảm. Để giữ cho U = const
phải tăng i
kt
. Ngợc lại ở tải có tính dung khi I tăng muốn U = const ta phải giảm
i
kt
.
I.7.3 Đặc tính tải
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
8

đợc điện áp đầu cực máy phát, và thay đổi lợng công suất phản kháng phát vào l-
ới.
Đồ thị điện áp
kích thích cỡng bức
tăng theo quy luật
hàm mũ.
U
f
(t) = U
fgh
( U
fgh
- U
fđm
) e
-t/ Te
( * )
T
e
hằng số thời gian của hệ thống kích từ
U
fgh
- điện áp kích từ giới hạn
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
9
U
fđm
+ 0,632 ( U
fgh
- U

cho phép điều chỉnh bằng tay dòng
điện trong cuộn dây kích từ chính C
1
. Khi TĐK làm việc, dòng điện trong các
cuộn C
2
và C
3
đợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C
2
điều chỉnh ứng
với chế độ làm việc bình thờng, C
2
ứng với chế độ kích thích cỡng bức. Năng l-
ợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đợc nhận qua máy biến dòng và
máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao áp của máy biến
áp tăng ).
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
10
TĐK
Hình II-2. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng
máy phát điện một chiều
tới thiết bị đo lư
ờng
C
3
C
2
C
1

c
MP
a )
MP
Đ
b )
Đ
MP
MP
c )
a ) Máy phát điện kích thích nối cùng trục với máy phát điện chính.
b ) Máy phát điện kích thích quay bởi động cơ sử dụng điện áp lưới.
c ) MPĐ kích thích quay bởi động cơ sử dụng năng lượng từ MPĐ công
suất nhỏ.
BA
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
thớc nhỏ, ngoài ra thiết bị làm việc với tần số cao còn có khả năng chống đợc
nhiễu công nghiệp.
Máy phát điện xoay chiều tần số cao đợc chế tạo theo kiểu cảm ứng. Rôto
không có cuộn dây, cuộn dây kích từ đợc đặt ở phần tĩnh. Từ thông thay đổi là
nhờ vào kết cấu răng rãnh của rôto.
Dòng điện này qua bộ chỉnh lu ba pha CL biến đổi thành dòng một chiều.
Hình II-4 trình bày sơ đồ hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều tần số cao và
chỉnh lu.
Cuộn kích từ chính C
1
của máy phát điện ( MPĐ ) kích thích thờng đợc
nối nối tiếp với cuộn kích từ C
f
của máy phát. Các cuộn kích từ phụ C

3
C
2
C
1
F
f
C
F
F
I
F
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
kích từ của máy phát điện chính C
f
nhận ngay đợc dòng điện một chiều mà
không cần vành trợt và chổi điện. Để cung cấp nguồn cho cuộn dây kích từ của
máy phát kích thích (đặt ở stato ) dùng bộ chỉnh lu có điều khiển, nguồn cung
cấp cho nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số cao hoặc từ nguồn điện
xoay chiều bất kỳ.
Tác động của TĐK đợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh lu
cấp điện cho cuộn kích từ của máy phát kích, làm thay đổi dòng kích từ tơng
ứng với mục đích điều chỉnh.
Ưu điểm của phơng pháp này là nâng cao đợc công suất chế tạo của máy
phát điện vì không có chổi than và vành trợt. Hằng số thời gian kích từ T
e
khá
nhỏ khoảng ( 0,1 0,15 )giây, điện áp kích thích giới hạn U
fgh
tơng đối lớn.

F
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
( hình II-6 ). Năng lợng cung cấp cho cuộn dây kích thích của MPĐ đồng bộ có
thể từ một máy phát điện xoay chiều ba pha có tần số từ ( 50 500 )Hz, hoặc
từ lới điện từ dùng.
Trong mạch chỉnh lu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của điện
áp trên chỉnh lu, còn đòi hỏi một tín hiệu ( dòng điện ) xuất hiện trên cực điều
khiển thì bộ chỉnh lu mới cho phép dẫn dòng qua. Thờng ngời ta áp dụng chỉnh
lu ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ. Tốc độ điều chỉnh của hệ
thống này nhanh, có thể coi nh tác động tức thời vào điện áp kích từ. Hằng số
thời gian chỉ còn khoảng T
e
= ( 0,02 0,04 )giây.
Do u điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng đợc áp dụng trong các
máy phát điện công suất trung bình và lớn có yêu cầu cao về chất lợng điều
chỉnh.
II.2.4 Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều có điều khiển.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
14
CLdk
TĐK
nguồn
cấp
tín hiệu điều
khiển
F
Hình II-6. Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có
điều khiển
T3
N

phía lới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lu đó chỉ có thể làm
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
15
U
d
I
d
t
0

1

2
T
t
d
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
việc ở chế độ chỉnh lu. Các bộ chỉnh lu có điều khiển, không diod ngợc có thể
trao đổi năng lợng theo cả hai chiều.
Khi năng lợng truyền từ lới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm
việc ở chế độ chỉnh lu, khi năng lợng truyền theo chiều ngợc lại (nghĩa là từ phía
tải một chiều về lới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lu trả
năng lợng về lới.
Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lu thành một
hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện và điện áp
tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch trong một
chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là một chiều, hay
xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp một chiều hay
xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số sóng hài
thấp nhất của điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều.

t
t t
t
t
tt
t
b.
0
c.
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Hình 2.1. Chỉnh lu tia ba pha
a. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đờng các cong khi góc mở

= 30
0
tải thuần trở;
c- Giản đồ các đờng cong khi

= 60
0
các đờng cong gián đoạn.
Khi biến áp có ba pha đấu sao ( ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van
nh hình 2.1.a, các catod đấu chung cho ta điện áp dơng của tải, còn trung tính
biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 120
0
theo các đờng cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dơng hơn điện
áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 120
0
). Từ đó thấy rằng,
tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dơng hơn hai pha kia.

, các đờng
cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn > 30
0
điện áp và dòng điện tải gián
đoạn (đờng cong Ud, Id trên hình 2.1c).
Hình 2.2. Đờng cong điện áp tải khi góc mở


=
60
0

với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm.
Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đờng
cong liên tục, nhờ năng lợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện
khi điện áp đổi dấu, nh đờng cong nét đậm trên hình 2.2b (tơng tự nh vậy là đ-
ờng cong Ud trên hình 2.1b). Trên hình 2.2 mô tả một ví dụ so sánh các đờng
cong điện áp tải khi góc mở = 60
0
tải thuần trở hình 2.2 a và tải điện cảm hình
2.2 b
Trị số điện áp trung bình của tải sẽ đợc tính nh công thức (2-1) nếu điện
áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc mở
lớn) điện áp tải đợc tính:
Trong đó; U
do
= 1,17.U
2f
. điện áp chỉnh lu tia ba pha khi van la diod.
U



+=


Udo
Ud
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
động lực các cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung tính phải lớn hơn
dây pha vì theo sơ đồ hình 2.1. a thì dây trung tính chịu dòng điện tải.
II-2. Chỉnh lu tia sáu pha
Hình 2.3. Chỉnh lu tia sáu pha.
a.- Sơ đồ động lực; b.- đờng cong điện áp tải.
Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha ở trên có chất lợng điện áp tải cha thật tốt lắm.
Khi cần chất lợng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn. Một
trong những sơ đồ đó là chỉnh lu tia sáu pha. Sơ đồ động lực mô tả trên hình
2.3a.
Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến áp
ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống nhau và
ngợc pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 60
0
nh mô tả trên hình 2.3b.
Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dơng hơn của các điện áp pha với đập mạch
bậc sáu. Với dạng sóng điện áp nh trên, ta thấy chất lợng điện áp một chiều đợc
coi là tốt nhất.
Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 2.3b) chúng
ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ
đồ khác, thì ở chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do
đó sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn. Trong trờng hợp đó
chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn.

một chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 là
một chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lu này ghép
lại thành cầu ba pha.
Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện
chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm
cần mở Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở
nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình
2.4b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời
tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod các thời
điểm tiếp theo cũng tơng tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần
tuân thủ theo đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ pha
có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ữ t2 pha
A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4
dòng điện dợc chạy từ A về B.
Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một
van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho
nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ữ t3 nh trên hình 1.11b Tiristor
T1 nhóm anod dẫn, nhng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ữ t2 còn T6
dẫn tiếp trong khoảng t2 ữ t3.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
20
R
T1
T3
T5
L
T6
T4
T2

= 90
0
Điện áp ngợc các van phải chịu ở chỉnh lu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van
dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đờng
cong cuối cùng của hình 1.11b) trong khoảng t1 ữ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0,
trong khoảng t3 ữ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngợc U
BA
, đến khoảng
t5 ữ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngợc U
CA
.
Khi điện áp tải liên tục, nh đờng cong Ud trên hình 2.4b trị số điện áp tải
đợc tính theo công thức (2.1).
Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc > 60
0
và thành phần điện cảm
của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nh các đờng nét đậm trên hình 2.4.d
(khi góc mở các Tiristor =90
0
với tải thuần trở). Trong các trờng hợp này dòng
điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo
điện áp dây đặt lên chúng (các đờng nét mảnh trên giản đồ Ud của các hình vẽ
2.4b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngợc
nên chúng tự khoá.
Sự phức tạp của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng nh đã nói trên là
cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
21
Ud
Uf

22
D1
D2
D3
T1
T2
T3
LR
A B C A
X1
X2
X3
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
T1
T2
T3
D1
D2
D3
0
( ) ( )
)24(cos1(max)
2
3
cos1(max)
2
33
+=+=

= 30(A) , sơ đồ chỉnh lu tia ba pha, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm
việc U
d
= 100(V).
Các thông số cơ bản của van động lực đợc tính nh sau:
Điện áp ngợc của van đợc tính:
U
lv
= k
nv
. U
2
với U
2
= U
d
/k
u).(,
,
. V
k
U
kU
U
d
nvlv
4209

Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
U
nv
= 1,8.209,4 = 377(V)
k
dtU
: đợc chọn bằng 1,8.
Dòng điện làm việc của van đợc chọn theo dòng điện hiệu dụng của sơ đồ
đã chọn (I
lv
= I
hd
). Dòng điện hiệu dụng đợc tính:
I
hd
= k
hd
. I
d

I
hd
= 0,577.30 = 17,32(A).
Trong đó: I
hd
, I
d
- Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải;
k
hd

Tiristor loại S4050J có các thông số định mức:
Dòng điện định mức của van I
đmv
=50 A,
Điện áp ngợc cực đại của van U
nv
= 400 V,
Độ sụt áp trên van U = 1,8 V,
Dòng điện dò I
r
= 1 mA,
Điện áp điều khiển U
đk
= 1,5 V,
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
25