Chương 22: Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

Chia sẻ: Nguyenvan Do | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

232
lượt xem 76
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sau khi phân tích từ trường của máy điện đồng bộ lúc không tải và lúc có tải, ta sẽ phân tích các quan hệ điện từ chính trong máy làm cơ sở cho việc nghiên cứu các đặc tính của máy phát và động cơ điện đồng bộ. Các quan hệ điện từ chính được nêu lên ở đây bao gồm: các phương trình điện áp và đồ thị vectơ tương ứng

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 22: Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

Ch¬ng 22 Quan hÖ ®iÖn tõ trong m¸y ®iÖn ®ång bé 22-1. §¹i c¬ng Sau khi ®· ph©n tÝch tõ trêng cña m¸y ®iÖn ®ång bé lóc kh«ng t¶i vµ lóc cã t¶i, ta sÏ ph©n tÝch c¸c quan hÖ ®iÖn tõ chÝnh trong m¸y lµm c¬ së cho viÖc nghiªn cøu c¸c ®Æc tÝnh cña m¸y ph¸t vµ ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé. C¸c quan hÖ ®iÖn tõ chÝnh ®îc nªu lªn ë ®©y bao gåm c¸c ph¬ng tr×nh ®iÖn ¸p vµ ®å thÞ vÐct¬ t¬ng øng, gi¶n ®å c©n b»ng n¨ng lîng, c«ng suÊt ®iÖn tõ cña m¸y ®iÖn ®ång bé. Do tÝnh chÊt thuËn nghÞch cña m¸y ®iÖn nªn ta sÏ ta sÏ xÐt c¸c quan hÖ ®iÖn tõ nãi trªn trong c¸c trêng hîp m¸y lµm viÖc nh m¸y ph¸t ®iÖn vµ ®éng c¬ ®iÖn, ngoµi ra cßn xÐt trêng hîp ®Æc biÖt khi m¸y lµm viÖc nh m¸y bï ®ång bé. V× cÊu t¹o cña m¸y ®iÖn ®ång bé cã thÓ lµ cùc Èn hoÆc cù låi, t¬ng øng m¸y sÏ cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau cho nªn trong tõng vÊn ®Ò trªn ta còng cÇn xÐt riªng biÖt ®èi víi tõng lo¹i m¸y. 22-2. Ph¬ng tr×nh ®iÖn ¸p vµ ®å thÞ vÐc t¬ cña m¸y ®iÖn ®ång bé ChÕ ®é lµm viÖc cña m¸y ®iÖn ®ång bé ë tèc dé quay n = const ®îc thÓ hiÖn râ rµng th«ng qua c¸c quan hÖ gi÷a c¸c ®¹i lîng E, U, I, It, cosϕ, trong ®ã mét sè quan hÖ chÝnh ®îc suy ra tõ ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p cña m¸y. ë t¶i ®èi xøng ta cã thÓ xÐt riªng rÏ tõng pha vµ ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p tæng qu¸t cña mét pha cã d¹ng sau ®©y: §èi víi m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé: (22-1) && & U = Eδ − I (r + jxσ ) vµ ®èi víi ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé (hoÆc m¸y bï ®ång bé): (22-2) && & U = Eδ + I (r + jxσ ) trong c¸c ph¬ng tr×nh (22-1) vµ (22-2): U - ®iÖn ¸p ë ®Çu cùc m¸y; r vµ xσ - ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng t¶n tõ cña d©y quÊn phÇn øng; Eδ - søc ®iÖn ®éng trong d©y quÊn do tõ trêng khe hë. Nh ®· biÕt ë ch¬ng 21, tõ trêng khe hë lóc cã t¶i lµ do tõ trêng cùc tõ Ft (hay F0) vµ tõ trêng phÇn øng F sinh ra. Khi m¹ch tõ cña m¸y kh«ng b·o hoµ cã thÓ xem nh c¸c tõ trêng Ft, F ®éc lËp sinh ra trong d©y quÊn c¸c s.®.®. E vµ E vµ øng dông nguyªn lý xÕp chång ta cã: & && Eδ = E + E (22-3) 126 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL
Khi m¹ch tõ cña m¸y b·o hoµ th× nguyªn lý xÕp chång nãi trªn kh«ng ¸p dông & & ®îc. Trong trêng hîp ®ã ph¶i x¸c ®Þnh tõ trêng tæng F0 + Fu vµ tõ th«ng tæng ë khe hë Fδ sau ®ã suy ra s.®.®. Eδ. 22.2.1. Trêng hîp m¸y ph¸t ®iÖn V× hiÖn tîng b·o hoµ m¹ch tõ cã ¶nh hëng rÊt nhiÒu ®èi víi viÖc thµnh lËp s.®.®. vµ ®iÖn ¸p ë ®Çu m¸y nªn díi ®©y sÏ xÐt ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p vµ ®å thÞ vect¬ trong trêng hîp m¸y ph¸t ®iÖn kh«ng b·o hoµ. 1. Trêng hîp m¹ch tõ kh«ng b·o hoµ Gi¶ sö m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé lµm viÖc víi t¶i ®èi xøng cã tÝnh c¶m 0 < ψ < 900. Trong trêng hîp m¸y cùc Èn, ®em kÕt hîp (22-1) vµ (22-3) ta cã ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p sau: (22-4) &&& & U = E + E − I (r + jxσ ) V× theo (21-16) ta cã E = − jI&x nªn (22-4) cã thÓ viÕt thµnh: & , u (22-5) && & & & & & U = E − jI ( x + xσ ) − Ir = E − jIxdb − Iru trong ®ã x®b = x + xσ gäi lµ ®iÖn kh¸ng ®ång bé. §èi víi m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc Èn, x®b = 0,7 ÷ 1,6. §å thÞ vect¬ s.®.®. t¬ng øng víi (22-5) tr×nh bµy trªn h×nh 22-1. Trªn h×nh còng vÏ ®îc vect¬ Φ 0 ( F0 ) vît tríc E gãc π/2 vµ vect¬ Φ u ( Fu ) vît tríc E = − jI&x gãc & && & & & , , u, π/2. & − I r & − j Ix σ & − jIx & − jIxσ & E0 & U & − jIx & − I .ru & & Eδ Eδ θδ & & U I ϕ & E0 θ θδ θ & I & Fu, & Fu, φ 0 0 & & Fδ Fδ & F0 & b) a) F0 H×nh 22-1. §å thÞ s.®.®. cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc Èn ë t¶i cã tÝnh c¶m (a) vµ ë t¶i cã tÝnh dung (b) Tæng h×nh häc cña Φ 0 + Φ = Φ δ sinh ra Eδ vµ còng vît tríc vect¬ Eδ gãc π/2. & & & & & Tõ h×nh 22-1 ta thÊy kÕt luËn nªu ë ch¬ng 21 còng ®îc nghiÖm ®óng. ë t¶i cã tÝnh c¶m, ph¶n øng phÇn øng lµ khö tõ vµ dÉn ®Õn kÕt qu¶ lµ Eδ < E. 127 Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
Trong trêng hîp m¸y ®iÖn cùc låi ta ph©n s.t.®. phÇn øng F thµnh hai thµnh phÇn däc trôc Fd vµ ngang trôc Fq. H×nh 22-2. §å thÞ s.®.®. cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc låi ë t¶i cã tÝnh c¶m (a) vµ ë t¶i cã tÝnh dung (b) Tõ th«ng Φ d vµ Φq t¬ng øng víi c¸c s.t.®. Fd, Fq sÏ sinh ra trong d©y quÊn phÇn & & øng c¸c s.®.®. E d = − jI&d x d vµ E q = − jI q x q nh ®· ph©n tÝch ë ch¬ng 21. KÕt qu¶ lµ & ë ®©y ph¬ng tr×nh c©n b»ng s.®.®. cã d¹ng: (22-6) &&& & & U = E + E d + E q − I (r + jxσ ) (22-7) & & & & & = E − jI d x d − jI q x q − jIxσ − Ir §å thÞ vect¬ s.®.®. t¬ng øng víi (22-7) ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 22-2 mang tªn lµ ®å thÞ Blondel. Vect¬ − jI&xσ trong (22-7) do tõ th«ng t¶n sinh ra kh«ng phô thuéc vµo tõ dÉn cña khe hë theo c¸c híng däc trôc vµ ngang trôc. Tuy nhiªn nÕu ph©n tÝch nã thµnh c¸c thµnh phÇn theo & Q E hai híng ®ã ta cã: N & jIxq & − jIdxd & & & − jIxσ = − j ( Ixσ cosψ + Ixσ sin ψ ) M ψ & −Ir P & & = − jI q xσ − jI d xσ & & U I & − jIqxq vµ (22-7) trë thµnh: ψ & Iq θϕ && & & & U = E − jI d ( x d + xσ ) − jI q ( x q + xσ ) − Ir & Id (22-8) & & & & = E − jI d x d − jI q x q − Ir trong ®ã: H×nh 22-3. §å thÞ s.®.®. ®· biÕn xd = xd + xσ lµ ®iÖn kh¸ng ®ång bé däc trôc; ®èi cña m¸y ph¸t ®iÖn cùc låi 128 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL
xq = xq + xσ lµ ®iÖn kh¸ng ®ång bé ngang trôc. Thêng th× xd = 0,7 ÷ 1,2; xq = 0,46 ÷ 0,76. §å thÞ vÐct¬ s.®.®. t¬ng øng víi (22-8) tr×nh bµy trªn h×nh 22-3. Ta chó ý r»ng ë h×nh 22-3 trªn ®êng th¼ng gãc víi I vµ qua ®iÓm M th× ®o¹n MN = Iqxq/cosψ = Ixq. V× vËy trong trêng hîp biÕt U, I, ϕ, r, xd, xq vµ cÇn x¸c ®Þnh E th× ta lÇn lît vÏ c¸c vÐct¬ U, Ir sau ®ã vÏ MN = Ixq th× N sÏ n»m trªn ph¬ng cña E. H¹ ®o¹n th¼ng th¼ng gãc MP víi ph¬ng cña E th× MP = Iqxq vµ vÏ PQ = Idxd th× OQ chÝnh lµ søc ®iÖn ®éng E. ë trªn, c¸c ®å thÞ vÐct¬ ®Òu ®îc thµnh lËp øng víi t¶i cã tÝnh c¶m. NÕu t¶i cã tÝnh dung 0 > ψ > - π /2 th× c¸c ®å thÞ vÐct¬ cã d¹ng nh trªn h×nh 22-1b vµ 22-2b, khi ®ã do tÝnh chÊt trî tõ cña ph¶n øng nªn Eδ > E. 2. §å thÞ vÐct¬ ®iÖn ¸p cña m¸y ®iÖn ®ång bé khi xÐt ®Õn b·o hoµ C¸c ®å thÞ vÐct¬ trªn h×nh 22-1 vµ 22-2 ®îc suy ra øng víi trêng hîp m¹ch tõ kh«ng b·o hµo, tuy nhiªn vÉn cã thÓ øng dông ®èi víi trêng hîp m¹ch tõ b·o hoµ ë chÕ ®é t¶i lóc ®ã. V× c¸c hÖ b·o hµo sè kµd vµ kµq trong c¸c biÓu thøc (21-23) vµ (21-24) rÊt khã x¸c ®Þnh ®îc chÝnh x¸c, nªn trªn thùc tÕ c¸c ®å thÞ vÐct¬ ®iÖn ¸p cña m¸y ®iÖn ®ång bé trong trêng hîp m¹ch tõ b·o hoµ ®îc thµnh lËp dùa vµo c¸c ®å thÞ s.t.®. vµ s.®.®. kÕt hîp víi ®êng cong kh«ng t¶i (tøc ®êng cong tõ ho¸) cña m¸y. §èi víi m¸y ph¸t ®ång bé cùc Èn, ®å thÞ vÐct¬ ®iÖn ¸p thµnh lËp ®îc dùa theo c¬ së nãi trªn gäi lµ ®å thÞ søc tõ ®iÖn ®éng (viÕt t¾t lµ s.t.®.®.) vµ cã tªn gäi lµ P«chiª. Gi¶ sö U, I, cosϕ. r, xσ vµ ®Æc tÝnh kh«ng t¶i ®· cho tríc, ®Ó thµnh lËp ®å thÞ s.t.®.®., trªn trôc tung cña ®êng 1 ,4 & cong kh«ng t¶i ta vÏ vÐct¬ U vµ vÏ & & Eδ jIxσu 1,2 vÐct¬ I chËm sau U gãc ϕ (xem h×nh & & 1,0 & & víi c¸c vÐct¬ Iru & 22-4). Céng vÐct¬ U Iru F0 & 0 ,8 U & & & vµ j I xσ ®îc vÐct¬ Eδ . Tõ ®êng I 0 ,6 & cong kh«ng t¶i øng víi Eδ cã thÓ x¸c ϕ+δ K F 0, 4 ϕ δ & ®Þnh ®îc s.t.®. Fδ hoÆc dßng ®iÖn tõ 0,2 Fδ & ho¸ t¬ng øng. Céng h×nh häc Fδ vµ 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 & & Fu k u ta t×m ®îc F0 . Chó ý r»ng H×nh 22- 4. Fu k u lµm thµnh víi Fδ mét gãc 900 + (ϕ & & §å thÞ P«chiª cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé + δ) nh ®· biÕt ë h×nh 22-1. Tõ ®êng cong kh«ng t¶i, øng víi trÞ sè cña F0 ta x¸c ®Þnh ®îc trÞ sè cña E lóc kh«ng t¶i. §å thÞ P«chiª cho phÐp x¸c ®Þnh ∆U = E − U dm vµ dßng ®iÖn tõ ho¸ it (hoÆc F0) øng && víi t¶i ®Þnh møc hoÆc t¶i bÊt kú, do ®ã rÊt cÇn thiÕt cho thiÕt kÕ vµ vËn hµnh. Tuy ë ®©y s.t.®. cña phÇn øng kh«ng ®îc ph©n thµnh Fd vµ Fq nhng ®«i khi ®å thÞ P«chiª còng ®îc øng dông cho c¶ m¸y ®ång bé cùc låi. Sai sè lóc ®ã vÒ E vµo kho¶ng 5 ÷ 10%. 129 Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
§èi víi m¸y ph¸t ®ång bé cùc låi, viÖc thµnh lËp ®å thÞ vÐct¬ cã xÐt ®Õn tr¹ng th¸i b·o hoµ cña m¹ch tõ mét c¸ch chÝnh x¸c gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n, v× lóc ®ã tõ th«ng däc trôc Φ d vµ ngang trôc Φ q cã liªn quan víi nhau vµ Euq D thêng tr¹ng th¸i b·o hoµ cosψ Q G E & ψ C − jIxσu Ed theo hai híng lµ kh¸c P Eδd & − Iru R nhau. Nh vËy xd kh«ng F & Eδ nh÷ng phô thuéc vµo Φd & U mµ cßn phô thuéc vµo c¶ E0 ψ & I Φq, vµ t¬ng tù th× xq còng B Cosψ ϕ phô thuéc vµo c¶ Φd vµ Φ q. Euq A §Ó ®¬n gi¶n ta cho r»ng tõ 0 MN th«ng däc trôc hoÆc ngang KdFd KqF trôc chØ ¶nh hëng ®Õn tr¹ng th¸i b·o hoµ cña b) a) híng trôc, h¬n n÷a gi¶ thö H×nh 22-5. X¸c ®Þnh ®å thÞ vÐct¬ møc ®é b·o hoµ híng s.t.®.®. vµ ®é thay ®æi ®iÖn ¸p cña ngang trôc kµq ®· biÕt. m¸y ®ång bé cùc låi khi xÐt ®Õn b·o Nh vËy sau khi vÏ c¸c hoµ vÐct¬ U, Ir, jIxσ vµ cã ®îc Eδ (h×nh 22-5a), theo híng Ixσ ta vÏ ®o¹n: Euq CD = Ixuq = (22-9) cosψ vµ x¸c ®Þnh ®îc ph¬ng cña E. TrÞ sè cña xq trong (22-9) cã thÓ tÝnh ®îc theo (21- 24), trong ®ã nÕu kµq cha cho tríc th× cã thÓ lÊy gÇn ®óng b»ng 1,1 ÷ 1,5. NÕu kh«ng tÝnh xq th× CD còng cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc b»ng trÞ sè AB cña ®êng cong kh«ng t¶i øng víi s.t.®. ngang trôc cña phÇn øng ®· quy ®æi vÒ s.t.®. cña cùc tõ: Fuq = k uq Fu = OA , v× cã thÓ xem nh Eq tû lÖ víi Fq (h×nh 22-5b). V× ®iÓm D n»m trªn ph¬ng cña E nªn ®o¹n CF th¼ng gãc víi ph¬ng E chÝnh lµ Iqxq. S.t.®. cña cùc tõ theo híng däc trôc gåm hai phÇn, mét phÇn ®Ó sinh ra s.®.®. Eδd = 0F = MP cã trÞ sè b»ng OM (h×nh 22-5b) vµ mét phÇn ®Ó kh¾c phôc ph¶n øng däc trôc MN. OM + M N lµ s.t.®. ®Ó & u & Iru & sinh ra s.®.®. E = NQ lóc kh«ng t¶i cña jI q xq & & m¸y. Tõ h×nh 22-5b ta còng thÊy Ed = E Iru & jI q xq & u NQ - RN. LÊy ®o¹n OG = E trªn j I& d x d j I& d x d ph¬ng E ë h×nh 22-5a th× GF = Ed vµ & ®å thÞ vÐct¬ cña m¸y ®îc thµnh lËp. E Iq & 22.2.2. Trêng hîp ®éng c¬ ®iÖn ϕ I θψ & I ψ ϕ Khi chuyÓn sang lµm viÖc nh mét θ Id Iq ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé, m¸y tiªu thô Id c«ng suÊt ®iÖn lÊy tõ m¹ng ®Ó biÕn a) b) thµnh c¬ n¨ng. Nh ®· biÕt, ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé thêng cÊu t¹o cùc låi nªn H×nh 22-6. §å thÞ vÐct¬ cña ®éng nÕu gäi ®iÖn ¸p líi ®iÖn lµ U, tõ c¬ ®iÖn ®ång bé khi thiÕu kÝch ph¬ng tr×nh (22-2) ®èi víi m¸y cùc låi thÝch (a) vµ khi qu¸ kÝch thÝch (b) 130 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL
& & U = Eδ + I (ru + jxσu ) ta cã: && & & = E + Eud + Euq + I (ru + jxσu ) (22-10) & & & & = E + jI x + jI x + Ir d d q q u §å thÞ vÐct¬ t¬ng øng víi ph¬ng tr×nh (22-10) nh ë h×nh 22-6. Tõ ®å thÞ vÐct¬ ®ã ta thÊy c«ng suÊt do ®éng c¬ tiªu thô tõ m¹ng ®iÖn P = m.U.I.cosϕ < 0. 22-3. C©n b»ng n¨ng lîng trong m¸y ®iÖn ®ång bé 22.3.1. Tæn hao trong m¸y ®iÖn ®ång bé Khi lµm viÖc, trong m¸y cã c¸c tæn hao ®ång, tæn hao s¾t, tæn hao kÝch tõ, tæn hao phô vµ tæn hao c¬. Tæn hao ®ång lµ c«ng suÊt mÊt m¸t trªn d©y quÊn phÇn tÜnh víi gi¶ thiÕt lµ mËt ®é dßng ®iÖn ph©n bè ®Òu trªn tiÕt diÖn cña d©y dÉn. Tæn hao nµy phô thuéc vµo trÞ sè mËt ®é dßng ®iÖn, träng lîng ®ång vµ thêng ®îc tÝnh ë nhiÖt ®é 750C. Tæn hao s¾t tõ lµ c«ng suÊt mÊt m¸t trªn m¹ch tõ (g«ng vµ r¨ng) do tõ trêng biÕn ®æi h×nh sin (øng víi tÇn sè f1). Tæn hao nµy phô thuéc vµo trÞ sè tõ c¶m, tÇn sè, träng lîng lâi thÐp, chÊt lîng cña t«n silic, tr×nh ®é c«ng nghÖ chÕ t¹o lâi thÐp. Tæn hao kÝch tõ lµ c«ng suÊt tiªu hao trªn ®iÖn trë cña d©y quÊn kÝch thÝch vµ cña c¸c chæi than. NÕu m¸y kÝch thÝch ®Æt trªn trôc cña m¸y ®ång bé th× c«ng suÊt tæn hao trªn ph¶i chia cho hiÖu suÊt cña m¸y kÝch thÝch. Tæn hao phô gåm c¸c phÇn sau: a. Tæn hao phô do dßng ®iÖn xo¸y ë c¸c thanh dÉn cña d©y quÊn stato vµ c¸c bé phËn kh¸c cña m¸y díi t¸c dông cña tõ trêng t¶n do dßng ®iÖn phÇn øng sinh ra. b. Tæn hao ë bÒ mÆt cùc tõ hoÆc ë bÒ mÆt cña lâi thÐp r«to m¸y cùc Èn do stato cã r·nh vµ nh vËy tõ c¶m khe hë cã sãng ®iÒu hoµ r¨ng. Do t¸c dông cña mµn ch¾n cña dßng xo¸y, ë s©u trong lâi thÐp kh«ng cã tæn hao nµy. c. Tæn hao ë r¨ng cña stato do sù ®Ëp m¹ch ngang vµ däc cña tõ th«ng chÝnh vµ do c¸c sãng ®iÒu hoµ bËc cao víi tÇn sè kh¸c f1. Tæn hao c¬ bao gåm: a. Tæn hao c«ng suÊt cÇn thiÕt ®Ó ®a kh«ng khÝ hoÆc c¸c chÊt lµm l¹nh kh¸c vµo c¸c bé phËn cña m¸y. b. Tæn hao c«ng suÊt do ma s¸t ë æ trôc vµ ë bÒ mÆt r«to vµ stato khi r«to quay trong m«i chÊt lµm l¹nh (kh«ng khÝ…) ë c¸c m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé c«ng suÊt vµ tèc ®é quay kh¸c nhau, tû lÖ ph©n phèi c¸c tæn hao nãi trªn kh«ng gièng nhau. Trong c¸c m¸y ®ång bé bèn cùc c«ng suÊt trung b×nh, tæn hao ®ång trong d©y quÊn phÇn tÜnh vµ d©y quÊn kÝch tõ chiÕm tíi kho¶ng 65% tæng tæn hao. Trong khi ®ã tæn hao trong lâi thÐp stato (kÓ c¶ tæn hao chÝnh vµ phô) chØ chiÕm kho¶ng 14%. Trong m¸y ph¸t tuabin níc c«ng suÊt lín, tèc ®é chËm th× tæn hao trong d©y quÊn phÇn tÜnh vµ trong d©y quÊn kÝch tõ chiÕm kho¶ng 131 Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
35%, cßn tæn hao trong lâi thÐp stato th× chiÕm tíi 37%. Trong trêng hîp nµy, ®Ó gi¶m bít tæn hao trong lâi thÐp stato nªn dïng t«n silic cã suÊt tæn hao nhá. Tæn hao phô cã thÓ chiÕm tíi kho¶ng 11% ®èi víi m¸y ph¸t tuabin níc, trong ®ã chñ yÕu lµ tæn hao bÒ mÆt vµ tæn hao ®Ëp m¹ch vµo kho¶ng 18% ®èi víi m¸y ph¸t tuabin h¬i vµ ë ®©y kh¸c víi trêng hîp m¸y ph¸t tuabin níc, tæn hao phô trong d©y ®ång cña stato lµ chñ yÕu. §Ó gi¶m bít tæn hao phô trong c¸c m¸y c«ng suÊt lín thêng dïng c¸c biÖn ph¸p sau: a. Chia d©y dÉn theo chiÒu cao cña r·nh thµnh nhiÒu d©y ®ång bÑt dµy kho¶ng 4 ÷ 5mm vµ ho¸n vÞ vÞ trÝ cña chóng ë trong r·nh (®«i khi c¶ ë phÇn ®Çu nèi) sao cho däc chiÒu dµi cña r·nh mçi d©y ®ång bÑt ®Òu n»m ë tÊt c¶ c¸c vÞ trÝ tõ phÝa ®¸y r·nh lªn phÝa miÖng r·nh. b. ChÕ t¹o c¸c vµnh Ðp lâi thÐp stato, vµnh ®ai ®Çu nèi cña r«to b»ng thÐp kh«ng tõ tÝnh. c. TiÖn xo¾n èc bÒ mÆt r«to cña m¸y ph¸t tuabin h¬i. 22.3.2. Qu¸ tr×nh n¨ng lîng trong m¸y ®iÖn ®ång bé Gi¶ thö r»ng m¸y ®ång bé cã cÊu t¹o th«ng thêng, nghÜa lµ cùc tõ ®Æt lªn r«to vµ m¸y kÝch thÝch ®Æt trªn cïng mét trôc. ë trêng hîp m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé th× c«ng suÊt ®iÖn tõ P®t chuyÓn tõ r«to sang stato b»ng c«ng suÊt c¬ P1 ®a vµo trõ c¸c tæn hao c¬ pc¬, tæn hao kÝch tõ pt vµ tæn hao phô pf do c¸c tõ trêng bËc cao trong s¾t stato vµ r«to: P®t = P1 - (pc¬ + pt + pf) C«ng suÊt ®iÖn P2 ë ®Çu ra sÏ b»ng c«ng suÊt ®iÖn tõ trõ ®i tæn hao ®ång pCu trªn d©y quÊn phÇn øng vµ tæn hao s¾t tõ pFe: P2 = P®t - pCu - pFe §èi víi ®éng c¬ ®iÖn th× P1 P1 qu¸ tr×nh biÕn ®æi n¨ng lîng tiÕn hµnh ngîc l¹i. S¬ ®å n¨ng pCu pc¬ lîng cña m¸y ph¸t ®iÖn vµ P®t pf pFe ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé tr×nh bµy P®t pt pt trªn h×nh 22-7. Ta thÊy ë pFe trêng hîp ®éng c¬ ®iÖn, c«ng pf suÊt ®iÖn tõ P®t truyÒn qua tõ pCu P2 P2 pc¬ trêng tõ stato sang r«to, ngoµi ra tæn hao kÝch tõ pt lÊy tõ c«ng suÊt ®iÖn cña m¹ng. ë trêng a) b) hîp m¸y ph¸t ®iÖn, tæn hao H×nh 22-7. Gi¶n ®å n¨ng lîng cña m¸y ph¸t kÝch thÝch lÊy tõ c«ng suÊt c¬ ®iÖn ®ång bé (a) vµ ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé (b) trªn trôc. HiÖu suÊt cña m¸y ®iÖn ®ång bé ®îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: P2 η= (22-11) P2 + ∑ p trong ®ã: P2 - c«ng suÊt ®Çu ra cña m¸y; ∑p - tæng tæn hao trong m¸y. 132 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL
HiÖu suÊt cña c¸c m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ cã c«ng suÊt 0,5 ÷ 3 ngµn kW vµo kho¶ng 92 ÷ 95%, c«ng suÊt 3,5 ÷ 100 ngµn kW vµo kho¶ng 95 ÷ 97,8%. NÕu lµm l¹nh b»ng hydrogen th× hiÖu suÊt còng cã thÓ t¨ng kho¶ng 0,8%. 22-4. C¸c ®Æc tÝnh gãc cña m¸y ®iÖn ®ång bé Gi¶ thö tèc ®é quay n cña m¸y vµ ®iÖn ¸p U cña m¹ng ®iÖn lµ kh«ng ®æi, ta h·y xÐt c¸c ®Æc tÝnh gãc c«ng suÊt t¸c dông vµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña m¸y ®iÖn ®ång bé. 22.4.1. §Æc tÝnh gãc c«ng suÊt t¸c dông §Æc tÝnh gãc c«ng suÊt t¸c dông cña m¸y ®iÖn ®ång bé lµ quan hÖ P = f(θ) khi E = const, U = const, trong ®ã θ lµ gãc t¶i gi÷a c¸c vÐct¬ s.®.®. E vµ ®iÖn ¸p U. ViÖc nghiªn cøu ®Æc tÝnh nµy cho phÐp gi¶i thÝch ®îc nhiÒu tÝnh chÊt quan träng cña m¸y. Trong khi nghiªn cøu ®Æc tÝnh gãc ®ã, ®Ó ®¬n gi¶n ta bá qua r v× trÞ sè cña nã rÊt nhá so víi c¸c ®iÖn kh¸ng ®ång bé (x®b, xd, xq). Nh ®· biÕt, c«ng suÊt cña m¸y ®ång bé ë ®Çu cùc cña m¸y b»ng: P = mUI cosϕ §èi víi m¸y cùc låi, theo ®å thÞ vÐct¬ trªn h×nh 22-3 víi r = 0, ta cã: E − U cos θ Id = xd U sin θ (22-12) Iq = xq ϕ=ψ-θ vµ P = mUIcosϕ = mUIcos (ψ - θ) Do ®ã: = mU(Icosψ.cosθ + Isinψ.sinθ) = mU(Iqcosθ + Idsinθ) mU 2 mU 2 mUE = sinθ cosθ + sinθ − sinθ cosθ xq xd xd 1  mU 2 mUE  − 1  sin 2θ P= sinθ + hay lµ: (22-13)  xq xd  xd 2   = Pe + Pu Trong hÖ ®¬n vÞ t¬ng ®èi ta cã: U2  1 1 U * E* sin θ + *   sin 2θ P* = − (22-14) 2  x q* xd *  xd*   TrÞ sè cña Pu nhá h¬n nhiÒu so víi Pe. §Ó thÊy râ ®iÒu ®ã ta lÊy thÝ dô cña m¸y ph¸t ®iÖn cùc låi cã xd* = 1,1; xq* = 0,75. Khi m¸y lµm viÖc víi t¶i ®Þnh møc (U* = 1; I* = 1; 133 Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
cosϕ = 0,8) qua ®å thÞ vÐct¬ s.®.®. cã thÓ suy ra E* = 1,87; θ®m = 22027’. Thay c¸c gÝ trÞ sè ®ã vµo (22-14) ta ®îc: 1,87 ×1 1 1 1 Pdm* = sin 220 27'+  −  sin 2 × 220 27' 2  0,75 1,1  1,1 = 0,65 + 0,15 = 0,8 Ta thÊy r»ng P* = 0,15 vµ chØ chiÕm 19% c«ng suÊt cña m¸y. ë trªn lµ biÓu thøc to¸n häc cña c«ng suÊt t¸c dông P = f(θ) trong ®iÒu kiÖn E (hoÆc it) kh«ng ®æi vµ ®iÖn ¸p U cña m¸y ®iÖn ë ®Çu cùc m¸y kh«ng ®æi. CÇn chó ý r»ng do bá qua tæn hao ®ång trªn d©y quÊn phÇn tÜnh vµ tæn hao s¾t tõ nªn ®ã còng chÝnh lµ c«ng suÊt ®iÖn tõ cña m¸y. Tõ biÓu thøc ®ã ta thÊy c«ng suÊt t¸c dông cña d m¸y cùc låi gåm hai thµnh phÇn: thµnh phÇn Pe tû d N N lÖ víi sinθ vµ phô thuéc vµo E0 (hoÆc it) vµ thµnh phÇn Pu tû lÖ víi sin2θ vµ kh«ng phô thuéc vµo E q (hoÆc it). Nh vËy trong m¸y ®ång bé cùc låi, khi q q mÊt hoÆc kh«ng cã kÝch thÝch it = 0 (E = 0) c«ng q suÊt P = Pu ≠ 0. §iÒu ®ã cã thÓ gi¶i thÝch nh sau: khi it = 0 trong m¸y chØ cã tõ trêng cña phÇn øng. d S S Do cÊu t¹o cùc låi cña r«to, tõ trë däc trôc nhá h¬n tõ trë ngang trôc nªn c¸c ®êng søc tõ cña tõ d trêng quay cña phÇn øng lu«n cã xu híng ®i a) b) theo híng däc trôc (h×nh 22-8a). Khi cã sù xª dÞch gi÷a trôc tõ trêng phÇn øng vµ trôc cùc (h×nh H×nh 22-8. §êng søc tõ 22-8b), c¸c ®êng søc ®ã bÞ uèn, t¹o thµnh m«men trêng trong m¸y ph¸t ®iÖn vµ c«ng suÊt ®iÖn. Do c«ng suÊt Pu rÊt nhá nªn ®ång bé ph¶n kh¸ng. kiÓu m¸y cã r«to cùc låi vµ kh«ng cã d©y quÊn kÝch thÝch ®îc dïng chñ yÕu lµm ®éng c¬ ®iÖn cã c«ng suÊt vµi chôc o¸t vµ mang tªn lµ ®éng c¬ ®iÖn ph¶n kh¸ng. §èi víi m¸y ®ång bé cùc Èn, do xd = xq nªn tõ biÓu thøc (22-13) ta cã: mUE P= sin θ (22-15) P P P xd 1,6 1,6 Pe 1,2 1,2 §êng biÓu diÔn ®Æc tÝnh 0,8 0,8 gãc c«ng suÊt t¸c dông P = 0,4 0,4 Pu f(θ) cña c¸c m¸y ®iÖn ®ång 0 -180 0 1800 180 -1800 θ bé tr×nh bµy trªn h×nh 22-9, θ -0,4 -0,4 trong ®ã π > θ > 0 øng víi -0,8 -0,8 trêng hîp m¸y ph¸t ®iÖn, -1,2 -1,2 0 > θ > -π/2 øng víi cßn -1,6 -1,6 trêng hîp lµm viÖc nh §éng c¬ ®iÖn M¸y ph¸t ®iÖn §éng c¬ ®iÖn M¸y ph¸t ®iÖn ®éng c¬ ®iÖn. a) b) ë trªn ta ®· nãi θ lµ gãc H×nh 22-9. §Æc tÝnh gãc c«ng suÊt t¸c dông cña gi÷a c¸c vect¬ E vµ U. Khi θ m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc låi (a) vµ cùc Èn (b) thay ®æi th× c«ng suÊt P thay 134 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL
®æi. §Ó thÊy râ ý nghÜa vËt lý cña sù thay ®æi cña P theo θ ta chó ý r»ng, nÕu bá qua c¸c ®iÖn ¸p r¬i Ir vµ Ixσ th× θ ≈ θδ vµ ®ã chÝnh lµ gãc kh«ng gian gi÷a s.t.®. Fo cña r«to sinh ra E vµ Fδ = Fo + F ë khe hë trªn mÆt stato sinh ra Eδ. Gãc kh«ng gian θδ trong trêng hîp m¸y cùc Èn vµ cùc låi ®îc tr×nh bµy trªn c¸c h×nh 22- 1 vµ 22-2. Khi lµm viÖc nh m¸y ph¸t ®iÖn θδ > 0, r«to (hoÆc Fo) vît tríc vµ kÐo theo tõ trêng Fδ trªn mÆt stato (h×nh 22-10), cßn khi lµm viÖc nh ®éng c¬ ®iÖn θδ < 0, tõ trêng tæng Fδ trªn mÆt stato kÐo r«to (hoÆc Fo) quay theo. Lùc kÐo ®ã biÓu thÞ cho c«ng suÊt P. Râ rµng lµ c«ng suÊt P thay ®æi theo θδ, v× khi θδ thay ®æi, lùc kÐo gi÷a Fo vµ Fδ sÏ thay ®æi. Q θδ > 0 θδ < 0 0, 8 0 ,4 -θ +θ n n M M θ o o o o 60o 90o - 90 -60 -30 0 30 - 0,4 - 0,8 a) b) - 1,2 F § H×nh 22-10. Tõ trêng ë khe hë khi m¸y H×nh 22-11. §Æc tÝnh gãc c«ng suÊt ph¶n ®iÖn ®ång bé lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t kh¸ng cña m¸y ®iÖn ®ång bé cùc låi (a) vµ ë chÕ ®é ®éng c¬ (b) 22.4.2. §Æc tÝnh gãc c«ng suÊt ph¶n kh¸ng C«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña m¸y ®iÖn ®ång bé b»ng: Q = mUIsinϕ = mUIsin(ψ - θ) = mU(Isinψ.cosθ - Icosψ.sinθ) = mU(Idcosθ - Iqsinθ) Sau khi thay trÞ sè Id, Iq theo (22 - 12), ta cã: 1  2  mU 2 mUE  − 1  cos2θ − mU  1 + 1  Q= cosθ + (22-16) x  2  xq xd  xd 2  q xd    V× khi θ cã trÞ sè d¬ng hoÆc ©m, trÞ sè cña Q theo (22-16) vÉn kh«ng ®æi nªn ®Æc tÝnh gãc c«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña m¸y ph¸t ®iÖn vµ ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé gièng nhau vµ cã d¹ng nh tr×nh bµy trªn h×nh 22-11. Ta thÊy khi - θ < θ < + θ, m¸y ph¸t c«ng suÊt ph¶n kh¸ng vµo líi ®iÖn. Ngoµi ph¹m vi trªn cña θ, m¸y tiªu thô c«ng suÊt ph¶n kh¸ng lÊy tõ líi ®iÖn. ThÝ dô Mét m¸y ph¸t ®iÖn tuabin níc cã c¸c tham sè xd* = 0,843; xq* = 0,554. Gi¶ sö m¸y lµm viÖc ë t¶i ®Þnh møc víi U®m; I®m; cosϕ®m = 0,8. H·y tÝnh s.®.®. E, gãc t¶i θ®m vµ ®é thay ®æi ®iÖn ¸p ∆U. 135 Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
Gi¶i §Ó tÝnh to¸n ta dùa vµo ®å thÞ vÐct¬ s.®.®. trªn h×nh 22-3. LÊy vÐct¬ U lµm gèc ®Ó biÓu thÞ trong hÖ ®¬n vÞ t¬ng ®èi, ta cã: U®m = 1 ∠0 ; I®m = 1 ∠ − 36 0 9 (v× cosϕ®m = 0,8; ϕ®m = 3609) & & U dm + jI dm x q* = 1∠0 0 + j (1∠ − 36,9 0 )0,554 = 1 + j (0,8 − j 0,6 ).0,554 = 1,332 + j 0,443 0,443 θ dm = arctg = 18 0 5 1,332 Ψ = ϕ®m + θ®m = 3609 + 1805 = 5504 Gãc gi÷a vÐct¬ E vµ I lµ: Tõ ®å thÞ vÐct¬ trªn h×nh 22-3, trÞ sè cña E ®îc x¸c ®Þnh nh sau: E* = U*.cosθ + Id*.xd* Id* = I*.sinΨ = 1× sin5504 = 0,823 trong ®ã: E* = 1× cos1805 + 0,823 × 0,843 = 1,643 KÕt qu¶ lµ: E −U dm ∆U®m% = .100 = 64,3% vµ ®é thay ®æi ®iÖn ¸p: U dm C©u hái 1. Thµnh lËp ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p, vÏ ®å thÞ vÐc t¬ cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc Èn vµ cùc låi øng víi c¸c trêng hîp t¶i cã tÝnh chÊt c¶m vµ t¶i cã tÝnh chÊt dung. Tõ ®å thÞ vÐc t¬ cã nhËn xÐt g×? 2. V× sao trong m¸y ®iÖn ®ång bé cùc låi ph¶i chia s.t.®. F thµnh hai thµnh phÇn Fd vµ Fq? 3. VÏ s¬ ®å kh«ng gian biÓu thÞ vÞ trÝ cña cùc tõ so víi d©y quÊn ba pha t¬ng øng víi c¸c h×nh 22-1a vµ 22-2a (Gi¶ sö r»ng m¸y cã 2p = 2; q = 1). 4. Nªu râ sù kh¸c nhau gi÷a ®å thÞ s.®.®. vµ ®å thÞ s.t.®.®. cña m¸y ®iÖn ®ång bé. 5. Gi¶i thÝch t¹i sao trong m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc låi, khi mÊt hoÆc kh«ng cã kÝch thÝch (it = 0, E = 0) c«ng suÊt t¸c dông P = Pu ≠ 0. Bµi tËp 1. Cho mét m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc låi cã S = 8750 kVA; U = 11 kV; nèi Y; cã xd = 17 Ω; xq = 9 Ω; r = 0, lµm viÖc ë t¶i ®Þnh møc cã cosϕ®m = 0,8. H·y tÝnh: a) TrÞ sè xd, xq trong hÖ ®¬n vÞ t¬ng ®èi; b) S.®.®. E vµ gãc θ øng víi t¶i ®Þnh møc; c) C«ng suÊt ®iÖn tõ cña m¸y lóc ®ã. b) E* = 1,97; θ = 2005; §¸p sè: a) xd* = 1,23; xq* = 0,646; c) P®t* = 0,802 2. Cho mét m¸y ph¸t ®iÖn ba pha cùc låi Uf®m = 220 V; I®m = 10 A; ®iÖn trë phÇn øng r = 0,4 Ω; cosϕ®m = 0,8; Ψ = 600; E = 400 V. TÝnh c¸c tham sè xd, xq. §¸p sè: xd = 22,56 Ω; xq = 17,95 Ω 136 Nguyễ n Văn Đô - ĐHĐL