Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải đối xứng 4.1 Đại cương.. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại cương.. - Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống đ
Trang 1Chương 4
Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải đối xứng
4.1 Đại cương
cosϕ vμ tần số f hoặc tốc độ n
Trong đó f = f đm ; cosϕ phụ thuộc vμo tải còn lại 3 đại lượng U, I, I t xác định cho ta các
đặc tính
2 Đặc tính ngắn mạch I n = f(I t ) khi U = 0; f = f đm
4 Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U = cte; f = f đm ; cosϕ = Cte
Các đặc tính trên được xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm
Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; ΔU vμ các tham số x d ; x q ; xσư
4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
Sơ đồ thí nghiệm như hình 4.1
Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
1 Đặc tính không tải
(E = U = f(I t ) khi I = 0 vμ f = f đm )
Hệ đơn vị tương đối E * = E/E đm ; I t* = I t / I tđm0
Theo sơ đồ thí nghiệm hình 4.1 Mở cầu dao
tải, quay máy phát đến tốc độ định mức, thay đổi
dòng điện kích từ ta nhận được đường đặc tính
không tải, như hình 4.2
Đường (1) máy phát tourbin hơi, đường (2)
máy phát tourbin nước Ta thấy máy phát tourbin
hơi bảo hoμ nhiều hơn máy phát tourbin nước
kμ = 1,2 còn máy phát tourbin nước có kμ = 1,06
Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nước
Trang 22 Đặc tính ngắn mạch , I n = f(I t ) khi U = 0, f = f đm vμ tỷ số ngắn mạch K
được coi lμ thuần cảm ψ = 0, I q = Icosψ = 0 còn I d = Isinψ = I
Mạch điện thay thế vμ đồ thị véc tơ như hình 4.3, ta có
d
x I j
E&0 = + &
Khi ngắn mạch vì từ
ra Eδ = E - Ix ưd = Ixσư rất
bé nên mạch từ không bảo
lμ đường thẳng, hình 4.4
Tỷ số ngắn mạch K
Đây lμ tỷ số giữa dòng điện
điện I t sinh ra E = U đm lúc
không tải vμ dòng điện
K = I n0 / I đm 4.2
Từ hình 4.5 ta suy ra:
I n0 = U đm / x d 4.3
Vậy K = U đm / x d I đm = 1/ x đ*
Thường x đ* > 1 nên K < 1, hay I n0 < I đm Vậy
dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện
đồng bộ không lớn, đó lμ do tác dụng khử từ của
phản ứng phần ứng
Qua hai tam giác đồng dạng OAA' vμ OBB' ta có:
tn t dm
n
I
I I
I
I t0 ⇒ U 0 = U đm vμ I tn ⇒ I n = I đm
K lμ một tham số quan trọng của máy phát điện
đồng bộ
Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch
thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ
Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K
K lớn ⇒ ΔU bé vμ P đt lớn ⇒ máy lμm việc ổn
Thường máy phát tourbin nước K = 0,8 - 1,8; vμ tourbin hơi K = 0,5 - 1,0
Trang 33 Đặc tính ngoμi vμ độ thay đổi điện áp ΔU đm
Đặc tính ngoμi: U = f(I) khi I t = Cte; cosϕ = Cte ; f = f đm
Các đường đặc tính ngoμi phụ thuộc vμo tính
chất tải như hình 4.6
Dòng điện kích từ I t ứng với U = U đm , I = I đm ,
cosϕ = cosϕđm vμ f = f đm được gọi lμ dòng điện kích
từ định mức I tđm
Độ thay đổi điện áp ΔU đm
dm
dm dm
U
U E
=
4 Đặc tính điều chỉnh I t = F(I) khi U = U đm = Cte,
cosϕ = Cte vμ f = f đm.
I đm với U = U đm thì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2
lần
5 Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = Cte, cosϕ = Cte ;
f = f đm
Theo quan hệ trên, với các giá trị khác nhau của I vμ
đó đặc biệt nhất lμ đường đặc tính tải thuần cảm, khi
cosϕ = 0, (ϕ = 90 0 ) vμ I = I đm (đường 3 trên hình 4.8)
Hình 4.6 Đặc tính ngoμi của
máy phát điện đồng bộ
Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh
Hình 4.8 Đặc tính tải thuần cảm Hình 4.9 Đồ thị s.đ.đ máy đồng bộ tải thuần cảm
Trang 4Tam giác điện kháng:
Một phần CB = OC - BC sinh ra Eσư = I đm xσư = AB
Xây dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải vμ tam giác điện kháng Tịnh
(3) với ΔA'B'C'
Khi có xét đến bảo hoμ đường (3) lμ đường đứt nét với ΔA"B"C" (hoặc O"A"C")
4.3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ
1 x d vμ x q
AB
AC I
E x
n
không bảo hoμ, ta có:
AB
AD I
E x
n
d = ∞ = =
E
E
μ
=
d
d d
k
x x
μ
∞
Hình 4.10 Xác định điện kháng
đồng bộ dọc trục
Máy cực lồi thường x q = 0,6.x d;
Máy cực ẩn x d = x q = x đb
2 Điện kháng tản xσư
Từ một điểm C' bất kỳ trên đường (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đường // với
OA cắt đường (1) tại A', từ A' hạ A'B'⊥ C'O' thì xσư = A'B'/ I
Khi xét đến bảo hoμ x p = A"B"/I x p > xσư lμ điện kháng Pôchiê
Máy cực ẩn x p = (1,05 - 1,1) xσư
Máy cực lồi x p = (1,1 - 1,3) xσư
4.5 Tổn hao vμ hiệu suất
Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng p cu = I 2 r ư
Tổn hao thép: do dòng điện xoáy vμ từ trễ
Tổn hao kích từ: trên rt vμ tiếp xúc chổi than
Tổn hao phụ: do từ trường tản vμ sự đập mạch của từ trường bậc cao
Tổn hao cơ: ma sát ổ bị, ổ đỡ, lμm mát
+
=
∑p P
P
2 2
Trang 5Chương 5
Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng
5.1 Đại cương
Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi
- Tải của 3 pha không bằng nhau
- Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng thường gây nên các hiện tượng bất lợi, như: điện áp không
đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung
Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng phương pháp phân lượng đối xứng Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ngược vμ không
0 2 1
2 2
1 1
1 1 1
I I I
a a
a a I I I
c b a
&
&
&
&
&
&
0 2 1
2 2
1 1
1 1 1
U U U
a a
a a U U U
c b a
&
&
&
&
&
&
trong đó: a = e j2π /3 ; a 2 = e j4π /3 ; 1 + a + a 2 = 0
1 1 1
E& = & + & 0 =U& +2 I&2Z2 0 =U& +0 I&0Z0
Từ các phương trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 ta suy ra
5-4
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
ư
ư
ư
=
ư
ư
ư
=
ư
ư
ư
=
0 0 2 2 2 1 1 0
0 0 2 2 1
1 0 2
0 0 2 2 1 1 0
) (
) (
) (
Z I Z I a Z I E a U
Z I Z I a Z I E a U
Z I Z I Z I E U
c b a
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
Các phương trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 lμ cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng Nó
trường hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 phương trình nữa
5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng
1 Tổng trở thứ tự thuận Z 1 = r 1 + jx 1
2 Tổng trở thứ tự thuận Z 1 = r 1 + jx 1
S.t.đ của hệ thống ngược, quay ngược với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ tương đối của nó
Trang 6Như vậy từ trường do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục như hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo hướng dọc trục như hình 5-2 vμ ngang trục như hình 5-3
Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 Hướng dọc trục có Hình 5-3 Hướng ngang trục có
đồng bộ ứng với thứ tự ngược dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b)
Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định được điện kháng dọc trục vμ ngang trục
cd t
d
u d
x x x
x
x
σ σ
σ
1 1 1
1 + +
+
=
t d
u d
x x
x x
σ
σ
1 1
1 +
+
=
cq q
u q
x x
x
x
σ
1 +
+
=
Như vậy khi có dây quấn cản
2 2
q
d x x
x ′′ + ′′
= , thường x d′′ ≈ x q′′ nên x2 = x d′′ = x q′′ 5-9
Khi không có dây quấn cản
2 2
q
d x x
x ′ + ′
Thường xσư < x 2 < x 1 , với máy cực ẩn x 2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản
x 2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x 2* = 0,3 - 0,6
Điện trở thứ tự ngược r 2 = r ư + r r /2 (Với r r lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng)
chiều từ trường quay với tốc độ n 1 đo U 2 ; I 2 ; P 2 của một pha từ đó tính được:
2
2
2
I
U
Z = ; 2
2
2 2
I
P
2 2 2
x = ư
Trang 73 Tổng trở thứ tự không Z 0 = r 0 + jx 0
thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 lμ tồn tại, như 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây
Điện trở thứ tự không r 0 lớn hơn r ư không nhiều nên thường coi r 0 = r ư
vμ I 0 từ đó suy ra:
2 0 2 0 0
2 0
0 0 0
0
3
;
P r I
U
5.3 ảnh hưởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ
Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thμnh phần thứ tự thuận vμ ngược, còn thμnh
phần thứ tự không thường rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha thường được nối Y
vμ trung tính nối đất Từ trường do dòng điện thứ tự ngược thường gây nên các hiện tương bất lợi cho máy phát, như: Điện áp không đối xứng lμm tăng tổn hao, rôto nóng vμ máy rung động
1 Điện áp khi tải không đối xứng
Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa lμ
đến hộ dùng điện
2 Tổn hao tăng vμ rôto nóng
Khi tải không đối xứng từ trường quay ngược sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lμm
tăng tổn hao ở rôto vμ lμm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao vμ giảm hiệu suất
3 Hiện tượng máy rung
Khi tải không đối xứng do tác dụng tương hổ giữa từ trường cực từ với từ trường quay
ngược của stato vμ từ trường quay thuận với từ trường của các dòng điện có tần số 2f ở rôto chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi vμ lực đập mạch với tần số 2f tác
dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lμm cho máy bị rung động vμ gây ồn
Thường chỉ cho phép máy đồng bộ lμm việc lâu dμi với tải không đối xứng khi dòng
điện các pha không vượt quá định mức vμ mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá
10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi
Trang 85.4 Ngắn mạch không đối xứng
Hình 5-4 Ngắn mạch 1 pha
1 Ngắn mạch một pha
Giả sử pha a bị ngắn mạch mạch, hình 5-4, ta có:
0
=
a
0
=
b I
Ba phương trình nμy kết hợp với 9 phương trình (5-1); (5-2) vμ
(5-4) thμnh hệ thống 12 phương trình 12 ẩn số vμ giải được
Từ (5-13) vμ (5-1) ta suy ra:
2
I& = &
1 2
1 0
3
1 3
1
n
a I I I I
Thay (5-16) vμo (5-4) ta được:
0 2 1
0 2
1 0
Z Z Z
E I
I I
+ +
=
=
= & & &
vμ dòng điện ngắn mạch một pha có trị số:
0 2 1
0 0
1
3 3
Z Z Z
E I
I
I n a
+ +
=
=
= & & &
Điện áp các pha b vμ c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4)
Hình 5-6 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch một pha Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 1 pha
U 0
Mạch điện thay thế nμy có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong lưới điện phức
tạp Lúc đó Z 1 ; Z 2 vμ Z 0 lμ các tổng trở thự tự thuận, ngược vμ không của lưới
Trang 92 Ngắn mạch hai pha
Hình 5-7 Ngắn mạch hai pha máy phát đ.b
Giả sử ngắn mạch hai pha b vμ c như hình 5-7, ta có:
5-19
c
b U
U& = &
0
=
a
I&
5-21
0
=
a I
I& &
Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha trước hết ta cộng
các phương trình (5-1) sau đó kết hợp với (5-20); (5-21) vμ (5-22)t
ta được:
0
; 0
;
0
=
b U
U& &
2
U& = &
hay lμ
1 2 1
0 (Z Z )I
E& = + &
2 1 2 1
Z Z
E I
I
+
=
ư
= & &
&
Cuối cùng ta được
2 1
0 1
1 2 2 1 2 2
3 3
) (
Z Z
E j I j I a a I a I a I I
I n b c
+
ư
=
ư
=
ư
= +
=
ư
=
vμ mạch điện thay thế như hình 5-9
Hình 5-9 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch 2 pha Hình 5-8 Đồ thị véc tơ dòng vμ điện áp khi ngắn mạch 2 pha
Từ sự phân tích ở trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha ở chương nμy vμ ngắn mạch 3
pha ở chương 4 ta thấy: Vì Z 1 > Z 2 > Z 0 nên theo các biểu thức (5-18); (5-22) vμ (4-1) thì với cùng một giá trị E như nhau sẽ có I n1 > I n2 > I n3
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
