Hình 1. Đặc tính không tải máy phát điện đồng bộ
Hình 2. Sơ đồ đấu dây và sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát điện đồng bộ chạy không tải, nếu ta tăng dần dòng điện kích thích It, sức điện động E0 sẽ tăng theo.Nếu ta giữ không đổi tốc độ quay rotor thì E0 tỷ lệ với Φ0. Do đó đường E0 = f[It] có dạng tương tự đường Φ0 = f[It], tức là dạng của đường cong từ hóa vật liệu sắt từ chế tạo lõi thép.
1.1. Đặc tính ngoài: U = f[I] ; It = const ; cosφ = const ; n = const
Là đồ thị của điện áp tải U theo dòng tải I khi dòng điện kích thích, tốc độ quay, cosφ không đổi. Sự thay đổi biến áp phụ thuộc nhiều vào góc φ và là một hệ quả của phản ứng phần ứng.
Hình 3. Đặc tính ngoài máy phát điện đồng bộ
Tải dung: điện áp tăng.
Tải cảm: điện áp giảm.
1.2. Đặc tính điều chỉnh: It = f[I]; U = const; cosφ = const; f = const
Đặc tính điều chỉnh cho biết phải điều chỉnh dòng kích từ như thế nào để bù được điện áp rơi trên cuộn dây phần ứng và phản ứng phần ứng [giữ cho U không đổi] khi n và cosφ không đổi.
Hình 4. Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng bộ
Khi tải tăng [I tăng] muốn duy trì điện áp trên cực máy phát không đổi, ta phải tăng
hoặc giảm E0 bằng cách tăng hoặc giảm It [tùy tính chất của tải].
1.3. Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so với khi không tải:
Khi động cơ kéo làm quay máy phát đồng bộ, đồng thời làm quay máy kích từ. Máy phát điện một chiều trên trục động cơ và máy kích từ cũng quay theo tới tốc độ định mức [n]. Lúc này, máy kích từ thành lập được điện áp và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm của máy điện đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện, hình 5.
Hình 5. Máy phát điện dùng máy kích từ khởi tạo
Khi động cơ kéo làm quay máy phát đồng bộ, máy phát điện một chiều trên trục động cơ cũng quay theo với tốc độ định mức [n]. Lúc này, máy phát kích thích thành lập được điện áp sau đó qua bộ chỉnh lưu và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm của máy điện đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện, hình 6.
Hình 6. Máy phát điện dùng máy kích từ tự kích
Khi động cơ kéo làm quay máy phát đồng bộ, đồng thời làm quay máy kích từ không chổi than. Máy phát điện một chiều trên trục động cơ và máy kích từ cũng quay theo tới tốc độ định mức [n]. Lúc này, máy kích từ thành lập được điện áp qua bộ chỉnh lưu và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm của máy điện đồng bộ, phần cảm trở thành nam châm điện, hình 7 [ bộ kích từ không chổi than phần ứng được thiết kế là 1 nam châm vĩnh cửu].
Hình 7. Máy phát điện dùng bộ kích từ không chổi than
2. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng
Trong khi cung cấp điện có thể xảy ra trường hợp tải của các pha không bằng nhau,… và như vậy máy phát điện đồng bộ sẽ làm việc với tải không đối xứng, trong máy điện đồng bộ sẽ sinh ra một số hiện tượng bất lợi như điện áp không đối xứng, các sóng điều hòa sức điện động và dòng điện bậc cao xuất hiện làm tổn hao tăng lên, rotor máy nóng và máy rung,…
2.1. Các tham số của máy phát điện khi làm việc ở tải không đối xứng
2.1.1. Tổng trở thứ tự thuận: Z1 = r1 + jx1
Tổng trở thứ tự thuận Z1 chính là tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x1 = xđb máy cực ẩn, máy cực lồi là xd theo hướng dọc trục và xq theo hướng ngang trục.
2.1.2. Tổng trở thứ tự ngược: Z2 = r2 + jx2
Sức từ động của hệ thống ngược, quay ngược với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ tương đối của nó so với rotor là 2n1. Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rotor có tần số 2f. Với máy cực lồi nếu ta coi rotor đứng yên thì từ trường quay ngược có tốc độ 2n1 là do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stator lệch nhau về thời gian một góc 900 tạo nên, hình 8.
Như vậy từ trường do các dòng điện dọc trục và ngang trục như hình 8, sẽ không hổ cảm với nhau và ta có mạch điện thay thế theo hướng dọc trục và ngang trục như hình 9.
Hình 8. Mô hình máy phát đồng bộ ứng với thứ tự ngược
Hình 9. Từ trường sinh ra trong dây quấn dọc trục và ngang trục
Trên các mạch điện thay thế ta có:
- xσu: điện kháng tản phần ứng.
- xud: điện kháng dọc trục phần ứng.
- xuq: điện kháng ngang trục phần ứng.
- xσt: điện kháng tản dây quấn kích thích.
- xσcd: điện kháng tản dọc dây quấn cản.
- xσcq: điện kháng tản ngang trục dây quấn cản.
Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định được điện kháng dọc trục và ngang trục:
- Khi không có dây quấn cản:
Như vậy khi có dây quấn cản:
Khi không có dây quấn cản:
Thường xσu < x2 < x1, với máy cực ẩn x2∗ = 0.12 ÷ 0.25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2∗ = 0.15 ÷ 0.35 và không có dây quấn cản x2∗ = 0.3 ÷ 0.6.
Điện trở thứ tự ngược:
Với rr là điện trở rotor đã quy đổi về phần ứng.
2.1.3. Tổng trở thứ tự không: Z0 = r0 + jx0
Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nhưng lệch pha nhau về không gian 1 góc 1200 sinh ra trong khe hở. Các sức từ động đập mạch cùng pha nhau về thời gian nhưng lệch pha nhau về không gian 1 góc 1200. Khi phân tích các sức từ động thành các sóng điều hòa thì chỉ có các sức từ động bội của 3 là tồn tại như 3, 9, 15,…
Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích và dây quấn cản bởi từ trường đó rất bé, do đó x0 chủ yếu do từ trường tản trong rảnh và đầu nối gây nên. với máy cực ẩn x0∗ = 0.02 ÷ 0.1, máy cực lồi x0∗ = 0.02 ÷ 0.2.
Điện trở thứ tự không r0 > ru không nhiều nên thường xem r0 = ru.
2.2. Ảnh hưởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ
Khi làm việc với tải không đối xứng, trong máy phát điện chỉ có các dòng điện thứ tự thuận và ngược còn dòng điện thứ tự không có trị số rất nhỏ hoặc không tồn tại vì dây quấn phần ứng thường nối hình sao có điểm trung tính nối đất hoặc không nối đất.
2.2.1. Điện áp không đối xứng:
Khi làm việc ở tải không đối xứng, dòng điện thứ tự sẽ gây nên những điện áp rơi I2Z2, hậu quả là điện áp ở đầu máy phát điện sẽ không đối xứng, nghĩa là trị số sẽ không khác nhau và góc lệch pha với nhau khác 1200. Tình trạng đó ảnh hưởng xấu đến hộ dùng điện không đồng bộ và động cơ điện đồng bộ.
Nếu trong máy có đặt dây quấn cản hoặc rotor và cực từ bằng thép nguyên khối thì Z2 có trị số nhỏ nên điện áp không đối xứng ít hơn [do dòng điện cảm ứng trong dây quấn cản và thép rotor nguyên khối tương đối lớn sẽ sinh ra từ thông làm giảm bớt từ trường quay ngược khiến cho Z2 nhỏ hơn, kết quả là điện áp được cải thiện].
2.2.2. Tổn hao và rotor nóng
Khi tải không đối xứng, từ trường ngược sinh ra dòng điện ở rotor gây thêm tổn hao ở rotor, rotor bị nóng hơn và hiệu suất của máy giảm.
2.2.3. Hiện tượng máy rung
Do tác dụng giữa từ trường của cực từ với từ trường quay ngược của stator cũng như từ trường quay thuận stator với từ trường do dòng điện cảm ứng rotor sinh ra [dòng điện này do từ trường ngược sinh ra] → tạo ra moment quay có dấu thay đổi và có lực đập mạnh → rung mạnh và ồn.
2.3. Ngắn mạch không đối xứng
2.3.1. Ngắn mạch một pha
Giả sử pha a bị ngắn mạch như hình 10, ta có:
Hình 10. Ngắn mạch 1 pha
Từ sơ đồ trên ta có các phương trình sau:
Hình 11. Đồ thị vét tơ dòng và điện áp khi ngắn mạch 1 pha
Hình 12. Mạch điện thay thế khi ngắn mạch 1 pha
Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế như hình …, .Với E0 biểu thị nguồn của máy phát với tổng trở thứ tự thuận Z1 và chỗ ngắn mạch Z2, Z0 giữa điểm M và N.
Điện áp U1 giữa hai điểm M và N đặc trưng cho chỗ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z2 và Z0 là U2 và U0.
Mạch điện thay thế này có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha lưới điện phức tạp. Lúc đó Z1, Z2 và Z0 là các tổng trở thứ tự thuận, ngược và không của lưới.
2.3.2. Ngắn mạch hai pha
Giả sử ngắn mạch hai pha a và b như hình 13, ta có:
Hình 13. Ngắn mạch 2 pha máy phát đồng bộ
Từ sơ đồ trên ta có các phương trình sau:
Hình 14. Đồ thị vét tơ dòng và điện áp khi ngắn mạch 2 pha
Hình 15. Mạch điện thay thế khi ngắn mạch 2 pha
Từ sự phân tích trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha và ngắn mạch 3 pha ta thấy: vì Z1 > Z2 > Z0 thì với cùng một giá trị E như nhau sẽ có In1 > In2 > In3.
Như vậy ngắn mạch 1 pha sẽ có dòng điện lớn nhất. Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên thì tác dụng của phản ứng phần ứng khử từ cũng tăng lên nên dòng điện ngắn mạch giảm xuống.