CHƯƠNG 1 : TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Cơ sở lí thuyết Máy điện đồng bộ từ trường chính được sinh ra do dòng một chiều chạy qua cuộn dây kích từ, do đó máy đồng bộ không cần lấy công xuất phản kháng từ lưới điện xoay chiều. - Máy điện đồng bộ được chia thành phần cảm và phần ứng. +Phần máy điện có dây quấn cảm ứng sức điện động gọi làPhần ứng +Phần nam châm điện (nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường chính trong máy) gọi là Phần cảm + Các máy điện đồng bộ công suất lớn và trung bình, phần tĩnh (stator) thường là phần ứng, còn phần quay (rotor) là phần cảm.
+Một số máy công suất nhỏ, phần quay đóng là phần ứng, phần tĩnh là phần cảm Các đại lượng đặc trưng trong MĐĐB - Điện áp định mức Uđm (V, kV) - Dòng định mức Iđm (A, kA) - Tần số định mức fđm (Hz) - Hệ số công suất định mức cosđm. - Dòng kích từ định mức Iktđm - Điện áp kích từ định mức Uktđm - Công suất định mức Pđm (W,kW) - Tốc độ quay định mức: nđm (v/p) 1. Cấu tạo và nguyên lí làm vi ệc - Máy điện đồng bộ gồm 2 phần chính là stator và rotor. Thông thường: + Stator → Phía ngoài: 1,2: L õi thép, dây quấn stator + Rotor → Phía trong: 3,4: Lõi thép, dây quấn rotor.Cấu tạo máy điện đồng bộ a) Stator (phần tĩnh) Stator của máy điện đồng bộ gồm lõi thép và dây quấn Lõi thép: - Làm từ lá thép kỹ thuật điện dày 0,35-0,5 mm, phủ cách điện.
- Mặt trong xẻ rãnh để đặt dây quấn. - Ép lại thành hình trụ và được ép vào vỏ bảo vệ.Lõi thép c ủa Stator Dây quấn: - Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha. - Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 1200. Dây quấn Stator b) Rotor (phần quay) - Rotor của máy điện đồng bộ được cấu tạo từ lõi thép và dây quấn.
Rotor máy điện đồ ng bộ - Lõi thép gồmphần thân rotor và các cực từ. - Dây quấn rotor được gọi là dây quấn kích từ và được cấp điện một chiều nhờ hai vành trượt. - Rotor của máy điện đồng bộ có hai loại: cực ẩn và cực lồi (phụ thuộc vào tốc độ của máy) Rotor cực ẩn - Lõi thép: +Làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được đúc thành khối hình trụ, có rãnh để đặt dây quấn kích từ. 3 +Phần không phay rãnh tạo thành mặt cực từ.
Đường kính rotor không quá 1,5m. +Để tăng công suất → tăng chiều dài l của rotor (l ≈ 6,5m) Hình 1. Rotor cực ẩn - Dây quấn: + Đặt trong rãnh của rotor, dây đồng, tiết diện chữ nhật và được quấn tạo thành các bối đồng tâm và cách điện với nhau. + Hai đầu dây quấn kích từ nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục, thông qua chổi than để lấy điện một chiều từ ngoài làm nguồn kích từ.
+Rotor cực ẩn thường có số đôi cực là 1, hoặc 2 nên tốc độ có thể tới 3000 v/p và động cơ sơ cấp thường là các tuabin khí, hơi. +Cấp nguồn điện cho dây quấn rotor thường là máy phát một chiều công suất từ 0,3% - 2% công suất của máy điện đồng bộ. - Truyền động cho máy phát một chiều: +Nối trục với trục của máy điện đồng bộ. +Có trục chung với máy điện đồng bộ (máy phát điện đầu trục).
Rotor cực lồi - Số lượng cực từ lớn, dùng trong trường hợp động cơ sơ cấp là các tuabin nước (thuỷ điện) có tốc độ chậm. 4 - Lõi thép: +Các máy công suất nhỏ và trung bình, rotor có kích thước không lớn nên lõi thép được chế tạo bằng thép đúc, gia công thành khối hình trụ hoặc lăng trụ trên mặt là các cực từ. Rotor cực lồi +Các máy công suất lớn, lõi thép làm từ các tấmthép dày 1- 6 mm, dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ. +Cực từ được ghép từ lá thép dày 1-1,5 mm, ghép cố định với lõi nhờ bulông xuyên qua mặt cực hoặc đuôi hình chữ T.
- Dây quấn: +Dây quấn kích từ bằng dây đồng, quấn xung quanh cực từ, các vòng dây được quấn cách điện với nhau. + Hai đầu nối với vành trượt ở một đầu trục, thông qua chổi than nối với nguồn điện một chiều. +Máy điện đồng bộ cực lồi có tốc độ thấp. +Đường kính rotor (D) có thể lớn tới 15 m, trong khi chi ều dài nhỏ.
c) Hệ thống vành trượt và máy phát kích từ đầu trục. 5 - Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor. Khi rotor đượ c kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dòng một chiều được cấp vào rotor thông qua hệ thống vành trượt và chổi than. - Các vành trượt là hai vòng hình trụ bằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bố trí đồng trục với rotor.
Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện. - Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dùng cấp điện vào cho dây quấn rotor. Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo công nghệ nhất định (để hình thành các từ cực trên rotor ) sẽ đưa ra 2 đầu dây. Hai đầu dây này đượ c bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này.
Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy phát điện đầu trục. Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đầu trục được mô tả như sau: +Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha. +Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát chính. Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp.
+Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần ứng của máy phát chính. Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích (loại một chiều). 6 +Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát đầu trục. Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình thành các sức điện động cảmứng.
+Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính. Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên dĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính. +Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng, tần số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục có giá trị cao hơn tần số lưới điện thông thường. Nguyên lý làm vi ệc của máy phát điện đồng bộ ba pha.
Tùy thuộc vào phương pháp cấp dòng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm ta có các dạng máy phát kích từ trực tiếp, và máy phát điện có máy phát kích từ đầu trục.Sơ đồ nguyên lý MFĐ ĐB loạ i kích t ừ trực tiếp - Hệ thốngkích từ này sử dụng nguồn điện 1 chiều cho cả quá trình vận hành thiết bị. Dòng điện kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đầu ra của máy kích thích một chiều. Với những động cơ cỡ nhỏ, chúng thường được kéo 7 trực tiếp cùng trục với hệ thống tua bin máy phát. Ngoài ra chúng ta cũng có thể sử dụng bộ giảmtốc với chức năng tương tự.
Đối với những thiết bị công suất lớn hơn thường được kéo bằng một động cơ riêng biệt.Sơ đồ nguyên lý MFĐ ĐB loạ i không chổi than dùng máy phát đầu trục - Hệ thống kích thích xoay chiều là sự kết hợp giữa máy phát đồng bộ và hệ thống chỉnh lưu. Thiết bị này bao gồmmột máy phát điện đồng bộ với cấu tạo hai phần cảm và phần ứng là stato và roto. Ngoài ra máy phát điện không tồn tại độc lập mà được kết hợp cùng bộ chỉnh lưu quay được lắp đặt ngay trên trục của thiết bị. - Vì vậy dòng điện kích xuất hiện tại phần ứng của thiết bị, sau đó được chuyển qua bộ chỉnh lưu và tiến thẳng đến roto mà không hề qua bất kỳ mối tiếp xúc, vòng nhận diện với chổi than nào.
Chính vì thế mà hệ thống này còn được gọi hệ thống kích từ không chổi than. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh. a) Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ - Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ điện áp trên cực máy phát và dòng điện tải, U =f (I) khi tính chất tải không đổi (cosφ = const, tần số và dòng điện kích từ máy phát không đổi). - Từ phương trình điện áp: .X d 8 - Vẽ đồ thị điện áp máy phát ứng với các loại tải khác nhau: R, L, C - Đồ thị quan hệ U =f (I) khi cosφ = const, Ikt =const và tần số không đổi.Đồ thị điện áp ứng với các loại tải - Ta thấy khi phụ tải của máy phát điện tăng: +Đối với tải dung điện áp tăng.
+Đối với tải cảmvà trở, điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn) - Khi tải có tính chất cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở. - V ới các loại tải khác nhau, để điện áp U =Uđm khi tải định mức → phải thay đổi E0 bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ I kt. - Đường đặc tính ngoài ứng với điều chỉnh kích từ sao cho khi: I =I đm có U =Uđm (hình vẽ trên). +Trong đó: E0 =U0L tải cảm, E0 =U0R tải trở E0 =U0C tải dung - Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải xác định: U 0 U dm E0 U dm U% .100 U dm U dm 9 - Độ biến thiên điện áp ∆U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ Xđb khá lớn.