Tải bản đầy đủ

Ch III II 1 nguyen ly MFD

II. Máy Phát điện trong NMTĐ
II.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện
Các máy điện đồng bộ bao gồm các máy phát điện đồng bộ, các động cơ đồng bộ và
các bộ chỉnh đồng bộ pha.
Điện năng được cung cấp cho chiếu sáng mà chúng ta dùng hàng ngày và điện năng
được cung cấp cho các nhà máy đều được phát ra ở các nhà máy điện và được phân phối.
Các tua bin nước, tua bin hơi và các động cơ đốt trong làm quay các máy phát ở các nhà
máy điện và năng lượng tồn tại trong tự nhiên được chuyển đổi thành điện năng. Gần
như tất cả các máy phát này là các máy phát điện đồng bộ.
Hơn nữa, cấu tạo của các động cơ đồng bộ giống như các máy phát điện đồng bộ.
Các đặc điểm của các động cơ đồng bộ là chúng quay ở một tốc độ đồng bộ, khác với các
động cơ điện cảm ứng và với chúng thì việc điều chỉnh các hệ số công suất được thực
hiện dễ dàng. Vì lý do này, các động cơ đồng bộ được sử dụng cho các trường hợp mà
tốc độ vận hành không đổi được yêu cầu hoặc chúng được sử dụng như các bộ chỉnh
đồng bộ pha đối với việc điều chỉnh hệ số công suất.
Trong chương này, chúng ta học về các máy điện đồng bộ theo các trình tự sau:
(1) Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ.
(2) Các đặc tính của các máy phát điện đồng bộ.
(3) Phân loại và cấu tạo của các máy phát điện đồng bộ.
(4) Công suất định mức, tổn thất và hiệu suất của các máy phát điện đồng bộ.
(5) Vận hành song song các máy phát điện đồng bộ.


31


1. Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ
(1) Sự phát sinh ra sức điện động xoay chiều AC
Như đã nghiên cứu trong lý thuyết về điện năng, khi một cuộn dây được quay
trong từ trường ở một tốc độ không đổi thì sức điện động xoay chiều AC được sinh ra
trong cuộn dây. Các máy phát điện đồng bộ được chế tạo để lấy lực này ra nhờ một vòng
góp và các chổi than và cung cấp nó tới các mạch bên ngoài.
(Các máy phát điện đồng bộ cũng được gọi là các máy phát dòng điện xoay chiều
hoặc các máy phát điện xoay chiều.)
a. Tần số của sức điện động cảm ứng
Khi cuộn dây “ab” quay đều giữa hai cực từ vị trí YY’ như minh hoạ trong hình
1-1(a) thì sức điện động cảm ứng thay đổi theo từng vòng quay như chỉ ra trong hình (b)
của cùng hình vẽ. Một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC như minh hoạ trong hình
1-2 được sinh ra khi cuộn dây chuyển động một khoảng dài gấp hai lần bước cực đó. Với
một máy điện đa cực có số cực là P thì một chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC
được sinh ra sau mỗi lần cuộn dây chuyển động một khoảng bằng hai lần bước cực, nói
các khác là có P/2 chu kỳ của sức điện động xoay chiều AC được sinh ra trên một vòng
qoay. (Điều này giống hệt trường hợp các cực N và S được chuyển động thay vì một dây

Điện áp

dẫn chuyển động và đa số các máy phát điện đồng bộ được dựa trên phương pháp này.)

Thời gian
Chu kỳ

Hình 1-1: Nguyên lý của các máy phát điện đồng bộ
Chiều quay

Bước cực
2×(Bước cực)
1 Chu kỳ

Hình 1-2: Máy phát điện xoay chiều AC đa cực
32



Thông thường, khi máy phát điện quay được ns vòng trên giây thì tần số f [Hz]
của sức điện động xoay chiều AC được biểu diễn như sau:
f=

ns  P
2

Vì thế, ns =

2f
[rps]
P

hoặc

120  f
[rpm]
P

(1.1)

Ở Việt Nam, tần số tiêu chuẩn là 50 [Hz], vì vậy các máy phát điện đồng bộ được
thiết kế và chế tạo căn cứ vào tần số này.
b. Tốc độ đồng bộ
Mối liên hệ giữa tần số, số cực và số vòng quay được biểu diễn bởi phương trình
(1-1), số vòng quay ns được xem như tốc độ đồng bộ và máy điện xoay chiều AC quay ở
tốc độ đồng bộ trong một trạng thái ổn định được gọi là máy điện đồng bộ.
(Một máy điện xoay chiều AC quay ở tốc độ khác tốc độ đồng bộ trong một trạng
thái ổn định được gọi là máy điện không đồng bộ và một ví dụ về loại này là máy điện
cảm ứng.)
(Số cực và số vòng quay)
Số vòng quay của một máy phát điện đồng bộ được xác định chủ yếu bởi số vòng
quay của động cơ chính được sử dụng để truyền động nó. Vì thế, trong trường hợp của
các Tua bin - máy phát thì chúng thường có thuận lợi ở các tốc độ cao hơn, các máy phát
2 cực được sử dụng trong hầu hết các trường hợp trong khi các máy phát 4 cực cũng
được sử dụng nhưng ít dùng. Trong trường hợp của các máy phát điện tua bin nước thì
các máy phát 6 cực, 8 cực và các máy điện đa cực như 32 cực, 48 cực được sử dụng theo
khả năng và cột áp sẵn có. Như vậy, phạm vi áp dụng của các máy phát thuỷ lực là rộng
lớn.
Bảng 1.1 cho thấy mối liên hệ giữa số cực và số vòng quay được sử dụng trong ứng
dụng thực tế.

33


Bảng 1.1: Số cực và số vòng quay
Số vòng quay [rpm]
Số cực

50
(Hz)

60
(Hz)

2

3000

3600

4

1500

1800

6

1000

1200

8

750

900

10

600

720

12

500

600

16

375

450

20

300

360

24

250

300

28

214.3

257.1

32

187.5

225

40

150

180

48

125

140

(2) Cường độ của sức điện động cảm ứng
Trị số tức thời [V] của sức điện động cảm ứng trong cuộn dây phần ứng được
biểu diễn như dưới đây, trong đó B là mật độ từ thông [T], l là chiều dài thực tế của
thanh dẫn phần ứng và v là vận tốc chuyển động [m/s] của thanh dẫn:
e =vBl[V]

(1.2)

Dạng sóng của sức điện động cảm ứng đưa ra giống như sự phân bố mật độ từ thông
B như cho thấy ở phương trình này, vì vậy nếu giả thiết rằng sự phân bố của mật độ từ
thông cùng với khe hở là sóng hình sin như minh hoạ bởi đường cong B trong hình 1.3
thì dạng sóng của sức điện động cảm ứng cũng sẽ là sóng hình sin như minh hoạ bởi
đường cong trong cùng hình vẽ.

Hình 1-3: Sự phân bố theo không gian của sức điện động cảm ứng
34


Thời gian t [s] được tính từ lúc mà trục trung gian của các cực từ N và S vừa mới
chạy ở phía dưới một thanh dẫn phần ứng nhất định, trong trường hợp này thì mật độ từ
thông B [T] ở phía dưới thanh dẫn được biểu diễn như ở dưới đây với sự liên quan đến
thời gian t trong đó Bm [T] biểu thị mật độ từ thông cực đại (maximum):
B = Bm sinωt [T]

Trong đó: ω = 2πf (rad/s)

(1.3)

Nếu bước cực được biểu diễn là τ [m] thì một chu kỳ được đưa ra khi nó chuyển
động một khoảng là 2 τ,
v = 2τf [m/s]

(1.4)

Bằng cách thay thế các phương trình (1.3) và (1.4) vào phương trình (1.2) chúng ta
có,
e = 2τflBmsinωt = Emsinωt [V],

Trong đó:

Em = 2τflBm

(1.5)

Nếu sự phân bố của mật độ từ thông là sóng hình sin, có nghĩa là Ba của mật độ từ
thông là
Ba =

2
Bm


Khi đó từ thông Φ [Wb] trên cực được biểu diễn,
Φ = Baτl =

2
Bmτl


Do đó: Em = πfΦ

(1.6)

Với điện áp có dạng sóng hình sin thì trị số hiệu dụng của sức điện động được biểu
diễn bởi E’ [V].
E’ =

Em
2

=


2

fΦ [V]

(1.7)

Nếu cả hai phía cuộn dây của một cuộn dây được quấn trong khoảng không của một
bước cực từ thì sự chênh lệch pha giữa các sức điện động cảm ứng đến cả hai phía của
cuộn dây sẽ là π và sức điện động E" [V] xuất hiện ở cả hai đầu của các cuộn dây được
sắp xếp mắc nối tiếp nhau, vì thế sức điện động ở cả hai phía của cuộn dây có thể được
cộng lại bằng tổng của cả hai sức điện động và được biểu diễn như sau:
E” = 2E’ =

2
2

fΦ = 4.44fΦ

(1.8)

Nếu số vòng của một cuộn dây được mắc nối tiếp trong một pha là w thì sức điện
động cảm ứng E [V] của một pha được biểu diễn bởi phương trình sau:
E=4.44fwΦ [V]

(1.9)
35


Đây là phương trình cơ bản cho thấy trị số hiệu dụng của sức điện động cảm ứng đối
với trường hợp mà mật độ từ thông của khe hở là sóng phân bố hình sin. Các phương
trình này được tính toán cho một pha, do đó, khi điện áp đầu cực của đấu nối ba pha
được đạt được thì sự biến đổi nên được thực hiện theo việc đấu nối giữa các pha, ví dụ:
nhân với hệ số

3 cho cuộn dây đấu Y.

36



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×