CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆNI.CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNGI.1Biểu đồ véc tơ và đặc tính công suất của máy phát điện:I.1.1Biểu đồ véc tơI.1.2Góc tải:I.1.3Các đường cong đặc tính của máy phát:I.2Phạm vi hoạt động, đường cong công suất của máy phát điện:I.2.1Công suất định mức:I.2.2Điện áp định mức:I.2.3Hệ số công suất của máy phát:I.2.4Tốc độ quay định mức:I.2.5Đường cong công suất của máy phát điện:II.CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI:II.1Khi công suất vượt quá định mức:II.2Khi điện áp đầu cực tăng lên hoặc giảm đi so với điện áp định mức:II.3Khi tần số bị dao động:II.4Khi hệ số công suất cos thay đổi:III.CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNGIII.1Khái quát chung:III.2Chế độ quá tải máy phát:III.3Chế độ độ vận hành không đối xứng:III.4Chế độ không đồng bộ:III.5Các chế độ khác:III.5.1Khi nhiệt độ máy phát tăng quá trị số cho phép:III.5.2Khi có chạm đất 1 pha cuộn dây stato:III.5.3Khi có chạm đất 1 pha cuộn dây rôto:III.5.4Khi có ngắn mạch đầu cực máy phát điện:III.5.5Máy phát điện bị mất kích thích:III.5.6Máy phát trở thành động cơ điện:III.5.7Không nâng được điện áp máy phát:
Trang 1CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA
MÁY PHÁT ĐIỆN
NỘI DUNG
I CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG 3
I.1 Biểu đồ véc tơ và đặc tính công suất của máy phát điện: 3
I.1.1 Biểu đồ véc tơ 3
I.1.2 Góc tải: 4
I.1.3 Các đường cong đặc tính của máy phát: 4
I.2 Phạm vi hoạt động, đường cong công suất của máy phát điện: 10
I.2.1 Công suất định mức: 10
I.2.2 Điện áp định mức: 10
I.2.3 Hệ số công suất của máy phát: 10
I.2.4 Tốc độ quay định mức: 10
I.2.5 Đường cong công suất của máy phát điện: 10
II CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI: 12
II.1 Khi công suất vượt quá định mức: 12
II.2 Khi điện áp đầu cực tăng lên hoặc giảm đi so với điện áp định mức: 12 II.3 Khi tần số bị dao động: 13
II.4 Khi hệ số công suất cosϕthay đổi: 14
III CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG 15
III.1 Khái quát chung: 15
III.2 Chế độ quá tải máy phát: 15
III.3 Chế độ độ vận hành không đối xứng: 17
III.4 Chế độ không đồng bộ: 18
III.5 Các chế độ khác: 18
III.5.1 Khi nhiệt độ máy phát tăng quá trị số cho phép: 18
III.5.2 Khi có chạm đất 1 pha cuộn dây stato: 18
III.5.3 Khi có chạm đất 1 pha cuộn dây rôto: 19
III.5.4 Khi có ngắn mạch đầu cực máy phát điện: 19
III.5.5 Máy phát điện bị mất kích thích: 20
Trang 2III.5.6 Máy phát trở thành động cơ điện: 21
Trang 3I CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG
Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện là chế độ làm việc ổn định,
đáp ứng được yêu cầu công suất của phụ tải, duy trì được thời gian cung cấp
điện liên tục với tần số và điện áp đầu cực của máy phát đạt trị số định mức cho
phép.
Ở chế độ làm việc bình thường nhiệt độ của máy phát phải nằm trong giới hạn
nhiệt độ cho phép Khi vận hành nhiệt độ trong máy phát tăng lên, nhiệt độ trong
giới hạn quy định được gọi là nhiệt độ cho phép, ở chế độ làm việc bình thường
thì nhiệt độ cho phép trên các bộ phận của máy phát được quy định trong quy
phạm kỹ thuật Không được phép vận hành máy phát điện với nhiệt độ lớn hơn
nhiệt độ cho phép.
cho phép của các bộ phận trong máy phát được quy định theo Bảng 1
Bảng 1
Cuộn dây rôto máy phát
Cuộn dây stato máy phát
Lõi sắt stato
857060
130115105
tăng hoặc giảm dòng điện qua stato theo Bảng 2
Bảng 2Phạm vi tăng và
-0,5
Chế độ làm việc định mức là chế độ làm việc bình thường của máy phát điện,
các thông số kỹ thuật như điện áp đầu cực U F , dòng điện I F , tần số f F , công suất
phát S F, hệ số công suất cosF nằm ở trong giới hạn định mức.
I.1 Biểu đồ véc tơ và đặc tính công suất của máy phát điện:
I.1.1 Biểu đồ véc tơ
trong máy phát điện khi có ảnh hưởng của điện kháng đồng bộ
Sơ đồ tương đương một pha và sơ đồ véc tơ trên Hình 1 Điện áp rơi trên tổng
trở đồng bộ được lấy bằng Zs.I
Điện áp trên đầu cực máy phát khi có tải là:
Trang 4U = Eo - Zs.I
Trên Hình 1:
− V là điện áp đặt vào tải “R, X”
− Xa là điện kháng ảo
− X1là điện kháng rò phần ứng
− Xs là điện kháng đồng bộ
− R là điện trở của tải
− X là điện kháng của tải
I.1.2 Góc tải:
áp U trên cực máy phát khi máy phát mang tải Góc tải tăng giảm theo sự tăng
Khi phụ tải tăng thì góc tải tăng lên nghĩa là độ sụt áp tăng Để duy trì góc tải
không đổi thì máy điều tốc của tua bin máy phát xác định nhanh chóng tình trạng
trên và tăng cường ngay mô men quay cho tua bin đồng nghĩa với việc tăng
cường lực quay cho tua bin Đây là giải pháp chính để duy trì ổn định điện áp
máy phát trong quá trình vận hành máy phát điện
Thí dụ: Với máy phát điện tua bin nước - Khi phụ tải tăng, máy điều tốc trong
tua bin nước phải kịp thời điều chỉnh tăng lượng nước chảy vào tua bin để tăng
cường lực quay cho cánh tua bin, duy trì góc tải không đổi, giữ ổn định điện áp
trên các đầu cực máy phát điện
I.1.3 Các đường cong đặc tính của máy phát:
Các đường cong đặc tính được dùng để mô tả mối quan hệ của các đại lượng
về điện có liên quan khi máy phát điện vận hành trong chế độ không tải, chế độ
ngắn mạch duy trì, chế độ mang tải định mức
Hình 1Mạch tương đương một pha và sơ đồ véc tơ có điện kháng đồng bộ Xs
Trang 5I.1.3.1 Đường cong bão hòa không tải:
Đường cong bão hòa không tải “OM” trên Hình 2b mô tả quan hệ của dòng
điện kích thích và điện áp trên các đầu cực máy phát Khi máy phát điện chạy
không tải với tốc độ quay của rô to là định mức và có dòng điện kích thích tăng
dần lên từ trị số không Điện áp của máy phát tăng lên khi dòng điện kích thích
tăng Khi điện áp ở vùng có trị số thấp thì Uo và If có quan hệ gần như tuyến
tính Trên vùng bão hòa đường đặc tính OM gần như đi ngang, điện áp Uo
không tăng trong khi If tiếp tục tăng lên
Khi máy phát đang vận hành mang tải mà cắt điện cả 3 pha sẽ làm tăng điện
áp trên đầu cực máy phát Từ trở của máy phát có ảnh hưởng hạn chế sự tăng
điện áp, mức độ tăng điện áp trên các đầu cực máy phát tùy thuộc vào từ trở của
máy phát lớn hay bé
a) Sơ đồ thử nghiệm không tải b) Đường cong bão hòa không tải
Hình 2Thử nghiệm đặc tính không tải của máy phát
− Trên đường cong OM lấy điểm “c”
tương ứng với điện áp U = 1,2 Uđm,dóng
sang ngang cắt trục tung tại điểm b
đường OM cắt đường thẳng cb tại c’
Hình 3Đường cong tính toán hệ số bão hòa từδ
cc’
δ =bc’
Trang 6I.1.3.2 Đường cong ngắn mạch 3 pha:
Đường cong ngắn mạch 3 pha được thể hiện trên Hình 4 Dạng ngắn mạch 3
pha này xảy ra khi máy phát điện có tốc độ quay của rô to là định mức, 3 đầu
cực cuộn dây phần ứng được nối tắt (nối ngắn mạch), dòng điện kích thích tăng
dần từ trị số 0 Ta gọi đây là dạng ngắn mạch duy trì hoặc ngắn mạch lâu dài
Trong vận hành nếu đột nhiên máy phát bị ngắn mạch đầu cực ta gọi là ngắn
mạch tức thời còn gọi là dạng ngắn mạch sự cố Dòng điện ngắn mạch 3 pha phụ
thuộc vào tổng trở của cuộn dây phần ứng do cuộn dây phần ứng có điện trở
đồng bộ ra nhỏ hơn điện kháng ảo Xa khi có ngắn mạch (Hình 1)
ra <<<Xanên dòng điện ngắn mạch tại thời điểm này là dòng điện từ trễ với hệ số công
nhỏ vì vậy đường cong ngắn mạch coi như có dạng tuyến tính, không bão hòa
I.1.3.2.1 Tỷ số ngắn mạch và tổng trở đồng bộ:
I.1.3.2.1.1Tỉ số ngắn mạch:
Tỉ số ngắn mạch Ks là một trong các hằng số đặc trưng của máy điện đồng bộ
Hình 5 biểu diễn 3 đường cong đặc tính:
− Đường cong bão hòa không tải M,
− Đường cong ngắn mạch 3 pha S,
− Đường cong tổng trở đồng bộ k
tương ứng với điện áp định mức không tải Uo (đoạn cd), và dòng điện I”f (đoạn
oe) tương ứng với dòng điện làm việc lâu dài, dòng điện định mức In (đoạn ge),
Tỷ số ngắn mạch được xác định như sau:
a) Sơ đồ thử nghiệm ngắn mạch 3 pha b) Đường cong ngắn mạch 3 pha
Hình 4Thử nghiệm đặc tính ngắn mạch 3 pha
Trang 7Trong trường hợp sức điện động không tải bằng điện áp định mức không tải
Un và máy phát điện bị ngắn mạch 3 pha thì dòng điện ngắn mạch lâu dài Is
bằng Ks lần dòng điện định mức In
Cụ thể là:
I.1.3.2.1.2Tổng trở đồng bộ:
Trên sơ đồ thay thế Hình 1 tổng trở đồng bộ Zs được tính bằng tỉ số của sức
điện động cảm ứng một pha Eo và dòng điện ngắn mạch Is với cùng một dòng
điện kích thích
Hình 5Đường cong bão hòa không tải,Đường cong ngắn mạch 3 pha,Đường cong tổng trở đồng bộ và tỉ số ngắn mạch
Trang 8Trên Hình 5 đường cong tổng trở đồng bộ “jhk” cho thấy Zs không phải là
hằng số mà thay đổi phụ thuộc vào tình trạng bão hòa của mạch từ theo dòng
điện kích thích If Với các máy phát nói chung tổng trở đồng bộ thường được
tính bằng tỷ số giữa điện áp pha định mức (với sơ đồ đấu dây của
phần ứng máy phát đấu hình Y) Dòng điện ngắn mạch 3 pha Is tương ứng với
dòng điện ích thích yêu cầu để cảm ứng ra En
Trong hệ đơn vị tương đối thì tổng trở ngắn mạch được tính:
Tổng trở đồng bộ bằng nghịch đảo của hệ số ngắn mạch Nếu nhân với 100 thì
được gọi là tổng trở đồng bộ phần trăm
I.1.3.2.2 Mối quan hệ giữa tỷ số ngắn mạch với các thông số khác:
Trên biểu thức:
Nếu tỷ số ngắn mạch Ks nhỏ thì tổng trở đồng bộ Zs lớn dẫn đến phản ứng
phần ứng lớn đồng nghĩa với các khe hở từ nhỏ Chế tạo máy phát với phương
thức này sẽ tiết kiệm được vật liệu đồng và sắt Ngược lại nếu máy phát điện có
Ks lớn thì khi chế tạo sẽ tốn kém vật liệu hơn nhưng bù lại máy phát sẽ có khả
năng dự phòng lớn, điều chỉnh điện áp tốt hơn và có khả năng chịu quá tải tốt
hơn phù hợp cho các đường dây truyền tải điện công suất lớn và có khoảng cách
chuyên tải xa Trong trường hợp cần đến yêu cầu điều chỉnh điện áp tốt, cần có
khả năng truyền tải lớn cho đường dây thì dùng máy phát loại này, tỷ số ngắn
mạch Ks thường lớn:
Với máy phát điện có Ks nhỏ, có sức điện động lớn theo dòng điện phần ứng
sẽ được gọi tên là “máy điện đồng” Với máy phát điện có Ks lớn, có từ thông
lớn, xử dụng nhiều vật liệu sắt sẽ được gọi tên là “máy điện sắt”
I.1.3.3 Đường cong bão hòa tải:
Trong vận hành máy phát điện chịu ảnh hưởng của hệ số công suất tải Nếu
lần lượt thay đổi các loại tải có hệ số công suất khác nhau, giữ vận tốc của máy
thấp, độ trễ càng lớn thì điện áp của máy phát càng khó tăng lên Nguyên nhân là
do dòng điện chạy vào phần ứng càng lớn thì sự khử từ do tác động dọc trục
1
Zs =Ks
Trang 9càng tăng lên, từ thông nằm giáp ranh khu vực khe hở từ có khuynh hướng bị
khử
Khi máy phát mang tải có hệ số công suất không đổi, vận tốc không đổi và
dòng điện không đổi ta có “Đường cong bão hòa tải” là đường cong biểu diễn
mối quan hệ giữa điện áp đầu cực và dòng điện kích thích Nếu cũng với hệ số
công suất không đổi đó nhưng dòng điện phụ tải là định mức thì đường cong bão
hòa tải được gọi là “Đường cong bão hòa tải lý tưởng” Trong vận hành máy
phát thường xuyên cần phải thay đổi hệ số công suất, “đường cong bão hòa tải”
sẽ cho dòng điện kích thích cần thiết để duy trì được điện áp định mức
I.1.3.4 Đường cong đặc tính ngoài:
“Đường cong đặc tính ngoài” biểu thị quan hệ giữa điện áp đầu cực máy phát
với dòng điện phụ tải khi hệ số công suất liên tục thay đổi trong quá trình vận
hành Dòng điện kích thích được xác định để duy trì điện áp định mức trên máy
phát khi máy phát làm việc ở tốc độ định mức, dòng điện định mức với một hệ
số công suất nhất định Trên Hình 7 biểu diễn đường cong đặc tính ngoài của
công suất trễ (mang đặc tính điện cảm) hệ số công suất sớm (mang đặc tính điện
dung)
Hình 6 Đường cong bão hòa tải
Chú thích:
− N là đường cong bão hòa không tải
− Lb là đường cong bão hòa tải với hệ
− Lc là đường cong bão hòa tải với hệ
− Lc là đường cong bão hòa tải với hệ
Hình 7 Đường cong đặc tính ngoàiChú thích:
− Đường cong 1: ứng với trường hợp hệ sốcông suất trễ (cảm kháng), dòng điện phụ tảităng điện áp đầu cực giảm
− Đường cong 2: ứng với trường hợp hệ sốcông suất bằng 1,0 (trở), dòng điện phụ tảităng điện áp đầu cực giảm
− Đường cong 3: ứng với trường hợp hệ sốcông suất sớm (dung kháng), dòng điện phụtải tăng điện áp đầu cực tăng
Trang 10I.2 Phạm vi hoạt động, đường cong công suất của máy phát điện:
I.2.1 Công suất định mức:
Công suất của máy phát điện bị giới hạn bởi nhiệt độ của các bộ phận trên
máy phát Công suất định mức của máy phát điện được quy định theo công suất
biểu kiến S [kVA] với các điều kiện tiêu chuẩn về điện áp, dòng điện, tần số
Các tổn thất sắt trên lõi thép và tổn thất đồng trên cuộn dây máy phát được xác
định bởi điện trở và dòng điện chứ không quy định theo công suất tác dụng
I.2.2 Điện áp định mức:
Điện áp định mức trên cực máy phát quyết định bởi số cuộn dây nối tiếp
của cùng một pha và cường độ từ thông cắt qua các cuộn dây stato Như vậy
muốn có máy phát có điện áp cao hơn cần phải chế tạo số lượng thanh dẫn nhiều
hơn, stato có nhiều rãnh hơn, điều này đồng nghĩa với việc chế tạo mạch từ của
stato lớn hơn, cách điện của các bối dây dẫn điện phải tốt hơn và phải đảm bảo
được điều kiện thông gió cho máy phát Đây là nguyên nhân làm cho giá thành
chế tạo của máy phát tăng lên
I.2.3 Hệ số công suất của máy phát:
Hệ số công suất của máy phát điện thường từ 0,8 đến 0,98 Khi cần tăng
cường khả năng truyền tải công suất lớn nhất thì máy phát được chế tạo với hệ
số công suất là 1,0
I.2.4 Tốc độ quay định mức:
Tốc độ quay định mức phụ thuộc vào tốc độ quay của tuabin Ngoài ra còn
phụ thuộc vào số đôi cực của máy phát Nếu tốc độ quay là n, số đôi cực là p, tần
số của hệ thống là f = 50Hz (60) thì tốc độ quay đồng bộ là:
Số đôi cực thay đổi tùy theo cấu tạo của từng loại máy phát, số đôi cực “p”
thường là (1, 2, 3, 4, 5, 6, …) Tốc độ quay của các máy phát phải đảm bảo đạt
được tốc độ đồng bộ của hệ thống điện
I.2.5 Đường cong công suất của máy phát điện:
Đường cong công suất cho biết giới hạn đã được tính toán của các máy phát
điện Nếu không đáp ứng được những yêu cầu dưới đây máy phát không được
phép hoạt động
Trang 11Trên Hình 8
− Vùng có đường vạch giới hạn “phạm vi giới hạn trong vùng bóng tối” là
phạm vi mà máy phát vận hành khi đã thỏa mãn các điều kiện cho phép được chỉ
ra trong vùng giới hạn
− “Đường cong 1” là đường cong giới hạn nhiệt độ tăng cao của các cuộn dây
stato ( bán kính là công suất định mức MVA)
− “Đường cong 2’ là đường cong giới hạn nhiệt độ tăng cao của cuộn dây
kích từ (còn gọi đây là đường cong giới hạn khả năng kích thích)
− “Đường cong 3” là đường cong giới hạn giới hạn nhiệt độ tăng cao của các
đầu cực stato (giới hạn kích thích cực tiểu)
− “Đường cong 4” là đường cong giới hạn sự ổn định của trạng thái ổn định
− “Điểm 7” là điểm có khả năng mang tải tuyến tính
− “Đường thẳng 8” là đường hệ số cosϕứng với công suất định mức
− “Đường thẳng a” là đường giới hạn phạm vi công suất hữu công định mức
Trang 12• “ Trong trường hợp công suất phản kháng dẫn trước” độ ổn định điện áp
của máy phát điện được khắc phục bởi bộ AVR “Tự động điều chỉnh điện áp”
động của máy phát là nhờ sự trợ giúp của bộ PSS (bộ ổn định hệ thống điện)
quá độ
định mức của các máy phát – Đường thẳng a (Hình 8)
II CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT KHI CÁC THÔNG SỐ
THAY ĐỔI:
Các trạng thái làm việc không nằm trong giới hạn định mức cho phép gọi là
chế độ làm việc của máy phát khi các thông số thay đổi.
II.1 Khi công suất vượt quá định mức:
Công suất định mức của máy phát điện cho biết khả năng cung cấp điện năng
liên tục trên đầu cực của máy phát điện Công suất định mức còn gọi là dung
lượng định mức S(kVA) với các điều kiện:
− Điện áp đầu cực của máy phát là định mức: Uđm(kV)
cos= 0,8÷ 0,95.
Công suất của các máy phát điện bị giới hạn bởi sự tăng nhiệt độ của máy
phát điện, khi máy phát điện mang tải đến định mức thì nhiệt độ của máy phát
cũng không được vượt quá nhiệt độ cho phép Sự tăng nhiệt độ là do trong máy
phát có tổn thất sắt từ và tổn thất do điện trở trong cuộn dây máy phát (tổn thất
do điện trở còn gọi là tổn thất đồng):
lõi thép của máy phát có từ trở và có dòng điện xoáy (dòng Fu cô) làm cho
nhiệt độ của lõi thép lên
điện trở thuần R(Ω), khi có dòng điện chạy qua cuộn dây thì cuộn dây sẽ bị
nóng lên, dòng điện càng tăng lên thì mức độ phát nóng càng tăng
Điện áp và dòng điện là hai yếu tố gây nên sự tăng nhiệt độ của máy phát.
II.2 Khi điện áp đầu cực tăng lên hoặc giảm đi so với điện áp định mức:
Điện áp định mức là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng cung cấp
điện, do đó sự sai lệch điện áp cho phép trên đầu cực máy phát điện được quy
định
Quy định sự sai lệch điện áp cho phép là Ucf = ±5%
Quy định dòng tải cho phép khi điện áp dao động trong phạm viU cf = ±5%
− U < 95% U đmF thì dòng điện stato Is không > 105% I đm