Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Tự động điều khiển Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

Trong một số trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

2
công nghiệp lớn là chỉ để phát ra công suất phản kháng. Với mục đích
chính là bù hệ số công suất cosϕ cho lưới điện được gọi là máy bù đồng bộ.
Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được dùng rộng rãi trong các trang
b
ị tự động và điều khiển.
1.2. Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ.
1. Phân loại:
Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại: Máy đồng
bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), và máy điện đồng
bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P ≥ 4) Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau:
a. 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 hay máy phát tuabin nước. Máy

a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn:
Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng
cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây
quấn kích từ.
Phần không phay rãnh còn lại hình thành nên mặt cực từ. Mặt cực
ngang tr
ục lõi thép roto như hình 1.3. Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

4Thông thường các máy đồng bộ được chế tạo với số cực 2P = 2, tốc
độ quay n = 3000(vòng/phút). Để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn
đối với hợp kim, người ta chế tạo roto có đường kính nhỏ: (D = 1,1 ÷ 1,15
(m)). Vì vậy muốn tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của roto
(l
max
= 6,5m).
Dây quấn kích từ được đặt trong rãnh roto và được quấn thành các
bối dây, các vòng dây trong bối dây được cách điện với nhau bằng một lớp
mica mỏng. Miệng rãnh được nêm kín để cố định và ép chặt các bối dây.
Dòng điện kích từ là dòng một chiều được đưa vào cuộn kích từ thông qua
chổi than đặt trên trục roto.

đầu bởi 2 vòng ngắn mạch.

1. Lá thép cực từ
2. Dây quấn kích từ
3. Đuôi hình T
4. Nêm
5. Lõi thép roto.
Stato của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang với máy có
công suất nhỏ, tốc độ quay cao. Ở trường hợp máy phát tuabin nước công
suất lớn, tốc độ chậm thì trục của máy phải đặt thẳng đứng theo 2 kiểu treo
và kiểu đõ tuỳ thu
ộc vào cách bố trí ổ trục đỡ.
+ Ưu điểm của kiểu treo là ổn định, ít chịu ảnh hưởng tác động của
các phần phụ, nhưng chi phí xây dựng cao, còn kiểu đỡ là giảm được kích
thước máy theo chiều cao. Do đó giảm được kích thước chung của máy.
Như vậy tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí sao cho hợp lý nhất.
1.3. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ
Hình 1.4: Cực từ của máy đồng bộ cực lồi
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

6

Đặc trưng cho mômen quán tính phần quay, hằng số này được tính
toán tùy thuộc vào từng loại máy phát.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

7
Tj =
J
=
ω
2
đm
.J
JđmSđm
Trong đó:
ω
đm
=
J =
Với: G - Khối lượng vật quay
D - đường kính vật quay
1.4. Đồ thị vectơ và các đặt tính của máy phát điện
1. Phương trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ.
Đối với máy phát đồng bộ:
=
δ
- (r
ư
+ jX
δư
). (1 - 1)

Phương trình cân bằng điện áp cho máy cực ẩn
60
n.2π
60
GD
2
.
U
.
E
.
I
.
U
.
E
.
I
.
E
.
E
.
E
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

8
= +
ư
- (r
Trên đồ thị thì: Từ thông chính
Φ
0
(F
0
) vượt trước E một góc
π
/2 và
Φ
ư
(F
ư
) chậm sau
ư
= j IX
ư
một góc
π
/2.
Phương trình cân bằng điện áp cho máy cực lồi.
= - j
d
X
ưd
- j
q
X
ưq

Ir
f
δ
θ
U
ư
ư
ư
jIX
θ
'
.
U
.
E
.
E
.
I
.
E
.
E
.
I
.
U
.
E
.

ta cũng phân tích thành 2 thành phần dọc trục
và ngang trục.
-j X
δư
= -j
q
X
δư
- (-j
d
X
δư
)
Lúc này phương trình (1 - 5) trở thành:
= -j
d
X
d
-j
q
X
q
- r
ư
(1 -
6)
Với: X
d
= X
ưd

d
và
Φ
q
có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai phương đó là
khác nhau. Như vậy X
ưd
không những phụ thuộc vào
Φ
d
mà còn phụ thuộc
vào
Φ
q
, và X
ưd
cũng tương tự. Để đơn giản, ta cho rằng từ thông dọc trục
Hình 1.6: Đồ thị sđđ đã biến đổi của máy điện cực lồi
E
ư
Ir
U
I
I
I
θ
ϕ
ψ
ψ
d

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

10
và ngang trục chỉ ảnh hưởng theo hướng trục và giả sử rằng mức độ bão
hoà theo hướng ngang trục là đã biết (K
μq
đã biết).
Từ phương trình cân bằng điện áp:
= - I
d
X
d
- I
q
X
q
-
rư
(1 - 7)
Vẽ đồ thị vectơ cho phương trình (1 - 7), trước hết ta vẽ vectơ ,
rư
, J
rư
, ta được E
δ
rồi từ hướng X
ưq
ta vẽ đoạn:
CD = X
ưq

F
δ
= F
0
+ F
ư

=> F
0
= F
δ
- F
ư

Hình 1.7: Đồ thị vectơ sđđ của máy phát điện đồng bộ cực lồi khi bão hoà

E
F
D
O
I
ϕ
ψ
Ir
ư
U
ư
jIX
δ
C

U
.
E
.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

11
b. Trường hợp động cơ điện:
Khi chuyển sang làm việc như động cơ điện đồng bộ, máy phát ra
công suất âm đưa vào mạng điện hay nói khác đi là tiêu thụ công suất điện
lấy từ mạng để biến thành cơ năng. Thông thường động cơ đồng bộ có cấu
tạo cực lồi, ta viết phương trình cân bằng điện áp cho trường hợp động cơ.
= + j
d
X

E

δ
E
δ
θ
δ
F
f
F

I
O

F
k
ư

F

ư
f
ϕ + δ
U
O
U
Ir
ư
E
θ

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

12 2. Các đặc tính của máy phát đồng bộ
Khi vận hành bình thường máy phát đồng bộ cung cấp cho tải đối
xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát,
công suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà phải gần
bằng định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lượng như điện
áp, dòng điện, dòng kích từ, hệ số Cos
ϕ
, tần số f, và tốc độ quay n. Để phân
tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng
chủ yếu là: U, I, I
f
thành lập các đường đặc tính sau:
a. Đặc tính không tải:
Đặc tính không tải là quan hệ: E = U
0
= f (i
Đường 1: Với máy cực ẩn
Đường 2: Với máy cực lồi
b. Đặc tính ngắn mạch:
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng ngắn mạch và dòng kích từ
I
n
= f(i
t
) khi U = 0, Z
t
= 0, f = f
đm
Xét trường hợp bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (r
ư
= 0) thì mạch
điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm
Ψ
= 90
0
, như vậy
I
q
E
*
i
t*
(2)
(1)
Hình 1.11: Đặc tính không tải của máy phát đồng bộ
E
X
σư
I
E
X
ưd
jIX
d
jIX
ưd
jIX
σư
I
() (b)
.
U
.
E
.
I

) là một đường thẳng.

c. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I). Khi i
t
= const, cos
ϕ
= const và f = f
đm
.
Đặc tính ngoài cho thấy lúc dòng điện kích từ không đổi, điện áp
máy phát thay đổi theo tải.
Hình 1.13: Đặc tính ngắn mạch máy phát
i
t

t
= f(I) khi U = const, Cos
ϕ
= const
và f = f
đm
. Nó cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện i
t
của máy phát
sao cho điện áp U ở đầu cực máy phát là không đổi.
Ta thấy với tải cảm, khi I tăng tác dụng khử từ của phản ứng phần
ứng cũng tăng nên U bị giảm. Để giữ điện áp U không đổi thì ta phải tăng
L
I
đm
Hình 1.15: Đặc tính điều chỉnh máy phát đồng bộ
I
C
R
i
to

đm
.
Với các trị số khác nhau của I và Cos
ϕ
sẽ có đặc tính khác nhau, trong đó
có ý nghĩa nhất là tải thuần cảm ứng với Cos
ϕ
= 0 (
ϕ
=
π
/2) và I = I
đm
.
Để xây dựng đường đặc tính tải ta phải điều chỉnh r
t
và Z sao cho
I = I
đm
, và dạng đặc tính này được biểu diễn ở tải thuần cảm là chủ yếu.
Đường đặc tính tải cảm có thể suy ra được từ đặt tính không tải và
tam giác điện kháng. Trước hết vẽ đường đặc tính không tải và đặc tính
ngắn mạch rồi thành lập được tam giác điện kháng sau đó tịnh tiến trên
đường đặc tính không tải ta vẽ được đặc tính tải cảm.
Dựng đườ
ng đặc tính tải như sau:


t
)
I
E
δ
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

17
Với mỗi giá trị của P = const, ta thay đổi Q và vẽ đồ thị suất điện
động ta xác định được đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ. Thay
đổi giá trị của P ta thành lập được một họ các đặc tính hình V như sau

Trên hình, đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính,
tương ứng với Cos
ϕ
= 1. Bên phải đường Am ứng với tải cảm (
ϕ
> 0) là
chế độ làm việc quá kích thích, khu vực bên trái Am ứng với tải có tính
dung (
ϕ

.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

18
Sức điện động ở rôto lớn hơn điện áp ở đầu cực máy phát. Do đó
máy phát ra công suất P > 0 và Q > 0 cho lưới: Khi rôto quay sinh ra E
0
,
nên E
0
cũng quay. Vậy chế độ máy phát thì E
0
vượt trước U.
Khả năng tải của máy phát khi làm việc ở chế độ quá tải, dòng điện
tăng, điện áp giảm. Lúc này máy phát làm việc ở trạng thái quá tải, mà
muốn cho điện áp không thay đổi thì máy phát làm việc ở chế độ kích từ
cưỡng bức (quá kích thích) để phát ra công suất phản kháng cho lưới. Khi
máy phát bị non tải thì dòng giảm, điện áp tăng và lớn hơn sức điện độ
ng
do phần ứng sinh ra. Lúc này để cho điện áp không đổi thì máy phát phải
làm việc ở chế độ thiếu kích thích để tiêu thụ bớt một phần điện áp rơi ở
đầu cực máy phát.
Ở máy phát điện công suất điện từ được chuyển từ rôto sang stato
bằng công suất cơ đưa vào trừ các tổn hao trong thép rôto và stato.
2. Chế độ động cơ:
Nguyên lý chung của động cơ là biến đổi công suất điện thành công
suất cơ. Ở chế này ta cung cấp công suất điện P = ui, dưới tác dụng của từ

có thể phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới điện.
.
E
.
U
.
I
.
I
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

19
Động cơ đồng bộ khác với máy phát đồng bộ là khi thiếu kích thích
động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện (
ϕ
> 0) và khi quá
kích thích động cơ phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới (
ϕ
< 0). Vì
vậy trong một số trường hợp người ta sử dụng chế độ quá kích thích của
động cơ để làm máy bù.
3. Chế độ máy bù động cơ.
Máy bù đồng bộ thực chất là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ
không tải với dòng kích từ được điều chỉnh để máy phát ra hoặc tiêu thụ
công suất phản kháng do đó duy trì được điện áp của lưới điện. Chế độ làm
việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích của động cơ
đồng bộ để phát ra công suấ
t phản kháng bù vào lưới điện. Ở trường hợp
này máy bù như một tụ bù hay còn gọi là máy phát công suất phản kháng.
Trường hợp hộ tiêu thụ tăng tải thì dòng tăng, áp giảm thì máy bù

để duy trì điện áp của máy phát.
Để cung cấp tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy
phát đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ công suất đủ lớn (thường
dùng các loại máy phát một chiều, máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh
lưu...).
Như vậy một hệ thống kích từ làm việc tin cậy phải đảm bảo được
những yếu tố cơ bản sau:
1. Có khả năng điều chỉnh dòng kích từ: i
t
= U
t
/r
t
để duy trì điện áp
máy phát U trong điều kiện làm việc bình thường.
2. Cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện
áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa. Muốn vậy hệ thống kích từ phải
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

21
có khả năng tăng nhanh gấp đôi dòng kích từ trong khoảng thời gian t =
0,5s.
Hay:
U
tm
(0,5) -
U
tđm
= 2
U

thay đổi nhờ bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu thông
qua máy biến dòng BI và máy biến điện áp BU ở phía đầu cực máy phát
điện đồng bộ. Cuộn W
2
điều chỉnh tương ứng với chế độ làm việc bình
thường, còn cuộn W
3
làm việc ứng với chế độ kích thích cững bức khi có
sự cố.
TĐK
Rđc
Hình 2.1: Sơ đồ kích từ dùng máy phát điện một chiều
f
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

22
a. Hệ thống kích từ song song Với sơ đồ này máy phát kích từ phụ tự kích song song, dòng kích từ
của máy phát kích (F
KT
) có thể thay đổi được nhờ R
đc

Hình 2.3: Sơ đồ kích từ độc lập
F
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

23
Hệ thống này dùng 2 máy phát điện một chiều một máy kích từ phụ
và một máy kích từ chính.
Máy phát kích từ phụ tự kích song song, dòng kích từ trong cuộn
W
KT
có thể điều chỉnh được nhờ biến trở R
KTf
và R
KT
. Dòng và áp trong
cuộn W
F
của máy phát thay đổi nhờ bộ TĐK thay đổi dòng và áp đặt lên
cuộn W
KTf
, bộ này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát thông qua bộ đo
lường dùng bộ biến dòng BI và điện áp BU.
Khi thay đổi dòng kích từ của máy phát kích phụ thì thay đổi dòng
kích từ máy kích thích dẫn đến thay đổi được dòng điện kích từ của máy
phát chính.
+ Ưu điểm: làm việc tin cậy, độ điều chỉnh rộng.
+ Nhược điểm: kết cấu phức tạp, giá thành cao nên chỉ dùng cho các
máy phát công suất trung bình và nhỏ
.
2. Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều và chỉnh lưu

f
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển

24
Cuộn dây kích từ chính W
F
được nối với tải của nó là cuộn dây W
1

của máy xoay chiều tần số cao và được nối nối tiếp. Các cuộn W
2
và W
3

được cung cấp qua bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu từ đầu cực của máy phát
chính.
+ Ưu điểm: sơ đồ này có ưu điểm hơn hệ thống kích từ dùng máy
phát một chiều, thường được dùng cho những máy có công suất lớn.
+ Nhược điểm: vẫn còn tồn tại vành trượt và chổi than để cung cấp
dòng một chiều kích từ cho rôto máy phát đồng bộ.
b. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành
trượt.