Xét mô hình nguyên lý đơn giản của máy phát điện đồng bộ gồm:
Phần cảm (rotor) cực từ lồi 2p = 2
Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây quấn, lệch vị trí không gian từng đôi 1200.
Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay phần cảm là n1. Vận tốc góc của động cơ sơ cấp là 1 2.n1. Vì từ thông tạo bởi dây quấn kích thích không biến thiên theo thời gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm của máy phát có biên độ không thay đổi. Do đó khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm tròn đều với tốc độ 1 2.n1, từ trường tạo bởi phần cảm chuyển động tròn đều cho ta hình ảnh của từ trường quay tròn.
Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thông xuyên qua bộ dây quấn AX . Gọi là góc hợp bởi phương của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta có kết quả như sau:
AX B.A.cos (6.1)
Trong đó A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng tử tạo bởi phần cảm, thay thế tích số B.A m và 1t ta có:
t cos
. 1
m
AX
(6.2)
Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thông tạo bởi từ trường phần cảm với các bộ dây BY và CZ được viết như sau:
1 o
m
BY .cos t120
(6.3)
1 o
m
CZ .cos t 240
(6.4)
Tóm lại khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các từ thông biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ . Nói một cách khác từ trường phần cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng trên mội bộ dây. Áp dụng công thức Faraday ta có các kết quả sau:
dt t cos . .d K . dt N
.d K . N
eAX pha dq AX pha dq m 1 Hay:
t
sin . . K . N
eAX pha dqm 1 1 (6.5)
Tương tự:
1 o
1 m dq pha
BY N .K . . sin t 120
e (6.6)
1 o
1 m dq pha
CZ N .K . . sin t 240
e (6.7)
Từ các quan hệ (6.5) đến (6.7) cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn hợp thành nguồn áp 3 pha cân bằng. Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H6.12 khi từ trường phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận.
B
120o
120o
HÌNH H6.12:
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ TẦN SỐ NGUỒN ĐIỆN PHÁT RA:
Từ mô hình trình bày trong hình H6.12 với số cực 2p = 2 cực, ta có nhận xét như sau:
Giá trị vận tốc góc 1 2.n1 đầu tiên được tạo bởi động cơ sơ cấp.
Tuy nhiên trong các quan hệ (6.5) đến (6.7) vai trò của 1trở thành tần số góc của nguồn áp sinh ra trên các bộ dây quấn stator của máy phát. Tại lúc này ta có :
f.
1 2
(6.8)
Trong đó f là tần số nguồn áp 3 pha sinh ra trên dây quấn stator của máy phát. So sánh quan hệ (6.8) với quan hệ 1 2.n1 suy ra.
f n 1 (6.9)
Đơn vị đo của các đại lượng trong quan hệ (6.9) là : [f] = [Hz] ; [n1] = [vòng/s]. Từ quan hệ (6.9) ta rút ra nhận xét sau:
Với phần cảm có 2p = 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator một vòng , sức điện động hình thành trong bộ dây thực hiện được 1 chu kỳ.
Với phần cảm có số cực 2p > 2 cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator 1 vòng, như vậy đã có p cặp cực từ quét qua bộ dây nên có p chu trình của nguồn điện sin đã thực hiện trong bộ dây . Một cách tổng quát ta có được quan hệ sau:
f p.n 1 (6.10)
Trong đó [f] = [ Hz] ; [n1]=[vòng/giây]. Khi tốc độ được tính theo [vòng / phút ], quan hệ (6.10) được viết lại như sau :
p.n1
f 60 (6.11)
THÍ DỤ 6.1:
Máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn áp có tần số là 50 Hz thì động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là:
1
60.f 60 50
n 1500 vòng / phút
p 2
Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp có tần số 60 Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến giá trị sau:
1
60.f 60 60
n 1800 vòng / phút
p 2
SỨC ĐỘNG ĐỘNG HIỆU DỤNG PHA CỦA MỖI BỘ DÂY QUẤN TRÊN STATOR:
Từ các quan hệ (6.50 đến (6.7) biên độ của sức điện động pha trên mỗi bộ dây quấn là:
phamax pha dq m 1 pha dq m
E N .K . . 2 f.N .K . (6.12) Suy ra sức điện động hiệu dụng pha của mỗiu pha dây quấn trên stator máy phát điện đồng bộ là :
phamax
pha pha dq m
E E 4,44.f.N .K .
2 (6.13)
Trong đó Kdq là hệ số dây quấn của mỗi pha dây quấn.
Biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn còn được trình bày theo quanhệ:
1
pha pha dq m
E 4,44. p.n .N .K . 60
Hay:
pha dq
pha 1 m
4,44.p.N .K
E .n .
60
(6.14)
Gọi KE là hằng số cấu tạo phần ứng (stator) của máy phát,, ta có:
pha dq E
4,44.p.N .K
K 60
(6.15)
Từ các quan hệ (6.14) và (6.15) suy ra:
pha E 1 m
E K .n . (6.16)
Tóm lại
Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thông số: từ trường m kích thích của phần cảm và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp.
Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đôi cực p của máy phát và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp.
THÍ DỤ 6.2:
Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có 2p = 4 cực và sức điện động pha là Epha = 380 V khi phát tại tần số 60 Hz .
Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là Epha = 380 V nhưng tần số là 50 Hz ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát.
GIẢI
Với yêu cầu nêu trong thí dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát:
TT1:
Tại trạng thái phát ra tần số f = 60 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:
11
60.f 60 60
n 1800 vòng / phút
p 2
TT2:
Tại trạng thái phát ra tần số f = 50 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là:
12
60.f 60 50
n 1500 vòng / phút
p 2
Như vậy khi chuyển chế độ làm việc của máy phát từ trạng thái phát ra nguồn áp tần số 60Hz sang trạng thái phát nguồn áp tần số 50 Hz, ta cần giảm tốc độ quay của động cơ sơ cấp.
Ngoài ra muốn đảm bảo điều kiện duy trì sức điện động hiệu dụng pha Epha = 380 V; theo quan hệ (6.16) ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích. Xét tỉ số sau:
pha2 12 max 2
pha1 11 max 1
E n .
E n . 1
hay
11
max 2 max 1 max 1
12
n . 1,2.
n
Tóm lại muốn duy trì Epha = 380 V, ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần số 50 Hz.
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
6.3.PHẢNỨNGPHẦNỨNGCỦAMÁYPHÁTĐỒNGBỘ:
Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng máy phát, mạch kín cho dòng qua tải. Dòng qua tải có tính chất của dòng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ 3 pha dây quấn trên stator máy phát. Theo Lenz các dòng cảm ứng có khuynh hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó. Do đó các dòng qua phần ứng hình thành từ trường tương tác lên từ trường phần cảm. Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số công suất của tải) ta có 3 trường hợp sau khi xét phản ứng phần ứng.
6.3.1.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN TRỞ :
Giả sử dây quấn phần ứng đấu Y, tải 3 pha cân bằng; bỏ qua nội trở của dây quấn phần ứng. Chúng ta khảo sát phản ứng phần ứng sinh ra trong trường hợp này bằng mạch điện tương đương một pha của phần ứng phối hợp với giản đồ vẽctor phase như sau (hình H6.13).
Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm (m).
Vector đặc trưng cho sức điện động pha Epha , chậm pha 90o so với từ thông (m).
Vì tải thuần trở dòng phần ứng trùng pha với sức điện động. Dòng điện này hình thành từ thông ứng (ư) trùng pha với nó.
Vậy từ thông phần cảm và phần ứng có phương vuông góc với nhau . Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục.
6.3.2.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN CẢM :
Tương tự như phần khảo sát trên, khi tải thuần cảm mạch tương đương trình bày trong hình H6.14 .
Vẽ vector từ trường kích thích tạo bởi phần cảm (m).
Vẽ vector sức điện động pha chậm pha 90o so với từ thông (m).
Vì tải thuần cảm , dòng phần ứng chậm pha 90o so với sức điện động.
Dòng điện này hình thành từ thông ứng(ư) trùng pha với dòng ứng. Nên từ thông (ư) chậm pha hơn sức điện động góc 900. Vậy từ thông phần cảm và phần ứng ngược hướng với nhau .
Tóm lại từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm. Vì hướng của các từ thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.
Vkt
+ -
+
-
I R
Ikt
I
max
max
ử Epha Epha
HÌNH H6.13: Phản ứng phần ứng với tải thuần trở
Vkt
+ -
+
-
I L
Ikt
I
max
max
ử
Epha
Epha
HÌNH H6.14: Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm
6.3.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN DUNG :
Tương tự như các nội dung đã khảo sát trong các mục trên, với tải thuần dung mạch tương đương trình bày trong hình H6.15; các vector từ thông và điện áp được xây dựng tuần tự theo qui trình như sau:
Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm (m).
Vector đặc trưng sức điện động chậm pha 90o so với từ thông
Vì tải thuần dung, dòng qua phần ứng sớm pha 90o so với sức điện động . Dòng điện này tạo thành từ thông ứng(ư) trùng pha với dòng ứng. Từ thông (ư) sớm pha hơn sức điện động góc 900.
Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, ta nói từ thông phần ứng có khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục
6.3.4.ĐIỆN KHÁNG ĐỒNG BỘ ( XS) :
Với tải có tính chất bất kỳ, máy phát sinh ra các phản ứng phần ứng dọc trục hay ngang trục. Các phản ứng này ảnh hưởng đến từ thông phần cảm và làm thay đổi giá trị sức điện động trên mỗi pha khi máy phát mang tải.
Để đặc trưng cho các phản ứng phần ứng và đơn giản hóa trong quá trình khảo sát máy phát bằng cách dùng mạch điện tương đương; chúng ta dùng điện kháng đồng bộ Xs. Thực sự điện kháng đồng bộ dọc trục, vừa phản ánh phản ứng phần ứng nhưng lại vừa phản ánh thành phần từ thông tản từ (điện kháng tản từ) trên dây quấn phần ứng .
Mạch điện tương đương 1pha của phần ứng được trình bày trong hình H6.16 Phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng (stator) trên một pha:
pha pha pha S pha
E V R j.X I (6.17)
pha t pha
V Z I (6.18)
Vkt
+ -
+
-
I C
Ikt
I
max
max
ử
Epha
Epha
HÌNH H6.15: Phản ứng phần ứng với tải thuần dung
Epha
Rpha j.XS
Vpha
Zt
S pha S
Z R j.X
Ipha pha
I
HÌNH H6.16: Mạch tương đương 1 pha của máy phát điện đồng bộ.
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009