Chơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3.1 Đại cơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện từ của máy điện đồng bộ. 3.2 Phơng trình điện áp v đồ thị véc tơ. Chế độ tải đối xứng ta chỉ cần xét cho một pha. Đối với máy phát điện: 3-1 )jx(rIEU uu += &&& Đối với động cơ v máy bù đồng bộ: 3-2 )jx(rIEU uu ++= &&& Trong đó: U l điện áp đầu cực của máy, r v x l điện trở v điện kháng tản của dây quấn phần ứng; E l s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trờng khe hở. Khi mạch từ không bảo ho, áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có: 3-3 u EEE &&& += 0 Khi mạch từ bảo ho ta phải xác định rồi suy ra u FFF &&& += 0 E & 1. Trờng hợp máy phát điện. a/ Khi mạch từ không bảo ho. Giả sử tải đối xứng v có tính cảm (0 < < 90 0 ) -/ Máy cực ẩn: Phơng trình cân bằng điện áp l: )jx(rIEEU uuu ++= &&&& 3-4 Chơng 2 ta đã xác định đợc nên uu xIjE && = Hình 3.1 Đồ thị s.đ.đ máy phát đồng bộ cực ẩn udbuuu .rI.xIjE.rI)jx(xIj.EU &&&&&&& =+= 3.5 trong đó x đb = x + x l điện kháng đồng bộ, thờng x đb = 0,7 - 1,6 Đồ thị véc tơ nh hình 3.1 - / Máy cực lồi. Ta phân s.t.đ phần ứng F thnh F d v F q , từ thông tơng ứng với các s.t.đ đó sẽ cảm nên các s.đ.đ: v Phơng trình cân bằng điện áp có dạng. uddud xIjE && = uqquq xIjE && = Máy điện 2 11 3.6 uuuquduuuqud rIxIjxIjxIjE)x(rIEEEU &&&&&&&&&& =+++= Đồ thị véc tơ nh hình 3.2 có tên gọi l đồ thị Blondel Hình 3.2 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi Véc tơ do từ thông tản của từ trờng phần ứng sinh ra không phụ thuộc vo từ dẫn hớng dọc v ngang trục, tuy nhiên ta cũng có thể phân tích chúng theo 2 hớng dọc v ngang trục: u xIj & uduq uuu xIjxIj )sinxIcosxIj(xIj. && &&& = == v phơng trình điện áp đợc viết lại: uqqdduuuquudd rIxIjxIjErI)x(xIj)x(xIjEU &&&&&&&&& =++= 3.7 Trong đó: x d = x d + x gọi l điện kháng đồng bộ dọc trục, thờng x d = 0,7 - 1,2 x q = x q + x gọi l điện kháng đồng bộ ngang trục, thờng x q = 0,46 - 0,76 Đồ thị véc tơ ứng với phơng trình 3.7 nh hình 3.3 b/ Khi mạch từ bảo ho. Khi mạch từ bảo ho vì các hệ số k d v k q rất khó tính chính xác nên ta phải vẽ kết hợp đồ thị s.t.đ v s.đ.đ với đờng cong không tải. Đồ thị ny đợc gọi l đồ thị s.t.đ.đ, có tên l đồ thị Pôchiê. - Máy cực ẩn: Giả sử U, I, cos , r , x v đặc tính không tải đã biết, để thnh lập đồ thị s.t.đ.đ trên trục tung của đặc tính không tải, ta đặt véc tơ U v véc tơ I chậm sau U một góc . Hình 3.3 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3.4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Máy điện 2 12 Cộng U với v đợc . Trên trục honh đặt rồi cộng với hợp với trục honh một góc 90 u rI & u xIj & E & F & F & uu FK & 0 + ( + ), tìm đợc . Từ đồ thị ny xác định đợc U = E - U 0 F & đm , thờng = (5 - 10)% - Với máy phát đồng bộ cực lồi, việc thnh lập chính xác đồ thị véc tơ l rất khó, vì d v q hổ cảm với nhau, hơn nữa mức độ bảo ho theo 2 hớng lại khác nhau. Nh vậy x d v x q phụ thuộc cả vo d v q . Để đơn giản ta coi x d chỉ phụ thuộc vo d v x q chỉ phụ thuộc vo q v k q đã biết. Khi đó sau khi đã vẽ các véc tơ U, Ir v jI.x đợc , hình 3.5a, theo hớng jI.x E & vẽ đoạn cos I.x uq uq E CD == v xác định đợc phơng của E. Trị số x q có thể tính hoặc lấy bằng 1,1 - 1,15. Từ hình 3.5b ta cũng xác định đợc CD qua OA = F' q = k q .F q , sau đó xác định đợc E d = OF = MP, lấy MN = F' d = k d .F d chiếu lên ta đợc E a) b) Hình 3-6 Cách xây dựng đồ thị véc tơ s.t.đ.đ của máy đồng bộ cực lồi 2. Trờng hợp động cơ điện. Động cơ điện đồng bộ có cấu tạo cực lồi vì vậy phơng trình điện áp sẽ l: uqqdduuuquduu rIxIjxIjEjxrIEEEjxrIEU &&&&&&&&&&& +++=++++=++= )()( 3.8 Hình 3-7 Giản đồ năng lợng a) máy phát; b) động cơ a) b) Hình 3-6 Đồ thị véc tơ Động cơ đồ a) Thiếu kích thích; b) Quá kích thích ng bộ 3.3 Giản đồ năng lợng của máy điện đồng bộ Máy phát: P đt = P 1 - (p cơ + p t + p f ) v P 2 = P đt - p cu - p fe Động cơ: P đt = P 1 - p cu - p fe v P 2 = P đt - (p cơ + p t + p f ) Máy điện 2 13 3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 1. Đặc tính góc công suất tác dụng. P = f( ) khi E = const, U = const, với l góc tải giữa véc tơ E v U. Để đơn giản ta bỏ qua r vì nó rất bé so với (x đb , x d , x q ). Công suất đầu cực của máy đồng bộ bằng: P = mUIcos Theo đồ thị véc tơ hình 3.3 ta có: Hình 3-8 Sự tạo nên P U d d x UcosE I = , q q x U.sin I = v = - 3.9 Do đó: P = mUIcos = mUIcos( - ) = mU(Icos .cos + Isin .sin ) P = mU(I q .cos + I d .sin ), thay I d v I q vo ta có: cos sin x mU sin x mEU cos sin x mU P d 2 dq 2 += Hay )sin2 x 1 x 1 ( 2 mU sin x mUE P dq 2 d += = P e + P u 3.10 Từ biểu thức 3.10 ta thấy công suất tác dụng của máy đồng bộ cực ẩn có hai phần. Một phần P e tỷ lệ với sin v phụ thuộc vo kích từ; một phần P u tỷ lệ với sin2 không phụ thuộc vo kích từ. Nh vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một lợng nhỏ l P u . Ngời ta ứng dụng điều ny để chế ra các động cơ điện phản kháng có công suất cơ vi chục oát. - Với máy đồng bộ cực ẩn vì x d = x q nên sin x UE mP db = 3.11 Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh hình 3.9 Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Hình 3-9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn Máy điện 2 14 2. Đặc tính góc công suất phản kháng. Công suất phản kháng của máy điện đồng bộ đợc tính: Q = mUIsin = mUIsin( - ) = mU(Isin .cos + Icos .sin ) .cos + Icos .sin ) Q = mU(I d .cos - I q .sin ) Q = mU(I d .cos - I q .sin ) Thay I d v I q vo ta có: Thay I d v I q vo ta có: ) x 1 x 1 ( 2 mU )cos2 x 1 x 1 ( 2 mU cos x mUE Q dq 2 dq 2 d ++= Đặc tính góc công suất phản kháng của máy điện đồng bộ nh hình 3.11. Khi - ' < < + ' máy phát công suất phản kháng vo lới, ngoi phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng. Hình 3-10 Từ trờng khe hở a) máy phát, b) động cơ Hình 3-11 Đặc tính góc công suất phản kháng máy cực lồi Máy điện 2 15 . Chơng 3. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 3. 1 Đại cơng. Quan hệ điện từ trong m.đ.đ.b bao gồm các phơng trình điện áp, đồ thị véc tơ, giản đồ năng lợng v công suất điện từ của máy điện. sin x UE mP db = 3. 11 Đặc tính góc công suất tác dụng máy điện đồng bộ nh hình 3. 9 Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Hình 3- 9 Đặc tính góc công suất tác dụng. a) máy cực lồi; b) máy cực ẩn Máy điện. véc tơ I chậm sau U một góc . Hình 3. 3 Đồ thị s.đ.đ máy phát điện đồng bộ cực lồi đã biến đổi Hình 3. 4 Đồ thị S.T.Đ.Đ máy phát điện đồng bộ cực ẩn Máy điện 2 12 Cộng U với v đợc . Trên trục