Quá trình quá độ trong máy điện

Quá trình độ máy điện Quá trình độ máy điện Bởi: Lê Kim Hùng Khái niệm chung: Quá trình độ máy điện xảy phức tạp máy biến áp hay thiết bị tĩnh khác tính chất chuyển động Do kể đến tất yếu tố ảnh hưởng việc nghiên cứu vô khó khăn phức tạp Để đơn giản người ta đưa nhiều giả thiết gán cho máy điện số tính chất “lý tưởng hóa” Dĩ nhiên kết có sai số, so sánh với số liệu thực nghiệm thường sai số nằm phạm vi cho phép ? Các trục tọa độ d, q giá theo dọc trục ngang trục rôto ? Thành phần dọc trục dòng stato dương sức từ động tạo nên chiều với sức từ động cuộn kích từ ? Thành phần ngang trục dòng stato dương sức từ động tạo nên chậm 90o so với sức từ động cuộn kích từ 1/16 Quá trình độ máy điện Các loại từ thông máy điện: ? Từ thông toàn phần cuộn kích từ: đó: Xf - điện kháng cuộn kích từ - Từ thông hữu ích: đó: Xad - điện kháng hổ cãm cuộn dây stato rôto, gọi điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục - Từ thông tản: đó: Xσf - điện kháng tản cuộn kích từ Như vậy: Hệ số tản cuộn kích từ: 2/16 Quá trình độ máy điện ? Từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn kích từ: (chỉ có theo trục dọc) ? Từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn stato: - dọc trục: - ngang trục: ? Từ thông kẻ hở không khí dọc trục: ? Từ thông cuộn cản: - Cuộn cản dọc: từ thông chính: 3/16 Quá trình độ máy điện từ thông tản: - Cuộn cản ngang: từ thông chính: từ thông tản: Sức điện động điện kháng độ: Sức điện động điện kháng độ tham số đặc trưng cho máy phát điện cuộn cản vào thời điểm đầu trình ngắn mạch Khi ngắn mạch, từ thông ?ad tăng đột ngột lượng Δ?ado+ (hình 5.3) Theo định luật Lenx, độ tăng Δ?ado+ làm cho ?f tăng lên lượng Δ?fo+ cho tổng từ thông móc vòng không đổi Do ?f tăng nên ?σf tăng lượng tỷ lệ vì: từ thông kẻ hở không khí giảm xuống vì: 4/16 Quá trình độ máy điện Điều chứng tỏ ?d, ?δd sức điện động Eq, Eδ tương ứng máy phát thay đổi đột biến vào thời điểm đầu ngắn mạch nên sử dụng tham số để thay cho máy phát vào thời điểm đầu ngắn mạch Hình 5.3 Để đặc trưng cho máy phát tính toán ta sử dụng từ thông không đột biến lúc ngắn mạch ?fΣ, phần xem móc vòng với cuộn dây stato là: ?d’ gọi từ thông độ dọc trục Từ thông móc vòng ứng với sức điện động Eq’ gọi sức điện động độ: xd’ gọi điện kháng độ dọc trục 5/16 Quá trình độ máy điện đó: xng - điện kháng từ đầu cực máy điện đến điểm ngắn mạch Sức điện động điện kháng siêu độ: Sức điện động điện kháng siêu độ tham số đặc trưng cho máy phát điện có cuộn cản vào thời điểm đầu trình ngắn mạch Xét máy điện có cuộn cản dọc trục ngang trục, giả thiết cuộn kích từ cuộn cản dọc trục nên liên hệ với cuộn dây stato từ thông hỗ cảm chung Φad xác định Xad Khi có lượng tăng đột ngột từ thông Δ Φad, rôto có thay đổi tương ứng từ thông cuộn kích từ Δ Φf cuộn cản dọc trục Δ Φ1d cho tổng từ thông móc vòng không đổi, vậy: - Đối với cuộn kích từ: 6/16 Quá trình độ máy điện (5.1) - Đối với cuộn cản dọc: (5.2) Từ (5.1) (5.2) ta có: (5.3) Từ (5.3) thấy lượng tăng ΔId tạo cuộn kích từ cuộn cản dọc dòng điện tăng chiều độ lớn tỷ lệ nghịch điện kháng tản chúng Thay phản ứng cuộn dây rôto thời điểm đầu ngắn mạch phản ứng cuộn dây tương đương dọc trục có dòng bằng: điện kháng tản Xσrd với điều kiện thỏa mãn nguyên lý từ thông móc vòng không đổi, tức là: Giải phương trình (5.2), (5.3) (5.4) ta được: Như điện kháng tản cuộn dây tương đương với cuộn kích từ cuộn cản dọc điện kháng tản cuộn dây ghép song song 7/16 Quá trình độ máy điện Để tìm điện kháng đặc trưng cho máy điện theo trục dọc thời điểm đầu ngắn mạch, ta thực tính toán tương tự mục III (đối với máy điện cuộn cản) thay cuộn kích từ có Xσf cuộn dây tương đương có Xσrd ta tìm được: xd’’ gọi điện kháng siêu độ dọc trục Tương tự cho trục ngang, ta có điện kháng siêu độ ngang trục: Vậy máy phát thời điểm đầu ngắn mạch đặc trưng sức điện động siêu độ điện kháng siêu độ Giá trị dòng siêu độ dọc trục ngang trục tương ứng là: 8/16 Quá trình độ máy điện Và dòng siêu độ toàn phần là: Trong tính toán thực dụng gần xem xd’’ = xq’’ ta có: E''o = √(Ucosϕ)2 + (Usinϕ + I.x''d)2 hay:E''o = √(U + I.x''dsinϕ)2 + (I.x''dcosϕ)2 Ý nghĩa vật lý điện kháng: Từ biểu thức tính toán điện kháng ta thấy: xd’’ < xd’ < xd Về mặt vật lý điều giải thích sau: Trong chế độ bình thường từ thông tạo dòng stato gồm phần móc vòng theo đường tản từ, phần ngang kẻ hở không khí khép vòng qua cực thân rôto Vì từ trở chủ yếu kẻ hở không khí có từ dẫn λad nhỏ (hình 5.6a), từ cảm lớn; tương ứng với điện kháng xd Khi từ thông stato thay đổi đột ngột, cuộn kích từ có dòng cảm ứng tạo nên từ thông ngược hướng với từ thông stato, xem phần từ thông stato bị đẩy theo đường tản từ cuộn kích từ có từ dẫn λσf (hình 5.6b) Như từ thông stato phải qua tổng từ dẫn lớn, từ cảm nhỏ có: xd’ < xd Rôto có nhiều mạch vòng kín, từ thông stato khó xâm nhập vào rôto Trường hợp giới hạn, từ thông hoàn toàn vào rôto, nghĩa theo đường 9/16 Quá trình độ máy điện tản từ cuộn dây stato có từ dẫn λσ, điện kháng stato lúc điện kháng tản Xσ, tương ứng với trường hợp xd’’ nhỏ có Đối với máy điện cuộn cản, thân rôto có tác dụng cuộn cản nên xem: xd’’ = (0,75 0,9) xd’ Qua trình độ máy điện không cuộn cản: Để đơn giản trước tiên ta khảo sát máy điện thiết bị TĐK Giả thiết ngắn mạch đầu cực máy điện, mạch điện xem kháng, dòng ngắn mạch có theo trục dọc Khi xảy ngắn mạch, thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch thay đổi đột biến Độ tăng là: đó: Ido - dòng làm việc trước ngắn mạch I‘do+ - dòng độ thời điểm đầu ngắn mạch Để từ thông móc vòng không đổi, dòng kích từ If cần phải tăng lượng: Do cuộn kích từ có điện trở rf nên trị số suy giảm theo số thời gian Td’ cuộn kích từ ΔIf trị số ban đầu thành phần tự không chu kỳ iftd dòng kích từ (hình 5.7): Dòng iftd tạo nên sức điện động ΔEq cuộn dây stato làm xuất thành phần tự chu kỳ Δi’ck dòng stato với trị hiệu dụng ban đầu là: 10/16 Quá trình độ máy điện Id∞ = IN∞ : dòng ngắn mạch xác lập ứng với sức điện động đồng ngang trục Eq∞ dòng kích từ cưỡng Ifo = If∞ tạo Như vậy, thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch gồm thành phần: λ tự chu kỳ Δi’ck dòng tự cuộn kích từ iftd sinh tắt dần theo số thời gian Td’ λ chu kỳ cưỡng ick dòng kích từ cưỡng Ifo = If∞ tạo i’ck = ick + Δi’ck gọi dòng ngắn mạch độ có trị hiệu dụng ban đầu I‘do+ Do dòng chu kỳ tăng so với trước ngắn mạch nên cuộn dây stato xuất thành phần tự không chu kỳ itd cho dòng ngắn mạch toàn phần thời điểm đầu ngắn mạch không đột biến Dòng tắt dần theo số thời gian Ta mạch stato: Dòng itd tạo từ thông đứng yên stato, cảm ứng sang rôto thành phần tự chu kỳ ifck dòng kích từ Vì dòng kích từ if thời điểm đầu ngắn mạch không đột biến nên trị số ban đầu thành phần dòng kích từ phải thỏa mãn: ifcko+ = -iftdo+ = -ΔIf Dòng ifck tắt dần theo số thời gian Ta dòng itd stato sinh tắt dần theo số thời gian Ta Hình 5.7 Dòng ifck sinh từ trường đập mạch rôto nên phân thành từ trường quay ngược chiều nhau: - Từ trường quay ngược chiều với rôto (-ω) đứng yên so với stato nên không cảm ứng sang stato - Từ trường quay chiều với rôto (+ω) quay với tốc độ 2ω so với stato cảm ứng sang stato tạo nên dòng tự chu kỳ ick(2ω) có tần số 2ω Dòng tắt dần theo số thời gian Ta Tóm lại: Dòng cuộn dây stato là: 11/16 Quá trình độ máy điện iN = ick + Δi’ck - itd - ick(2ω) = i’ck - itd - ick(2ω) Dòng cuộn dây kích từ là: if = Ifo + iftd - ifck Quá trình độ máy điện có cuộn cản: Khi từ thông phản ứng phần ứng thay đổi, cuộn cản cảm ứng nên dòng tự không chu kỳ tương tự cuộn kích từ Dòng lại tác dụng lên cuộn dây stato cuộn cản trình độ Dòng cuộn dây stato: Ngoài thành phần dòng điện giống máy điện không cuộn cản, cuộn dây stato máy điện có cuộn cản bao gồm: λ Thành phần siêu độ tự dọc trục Δ i’’ck dòng tự cuộn cản dọc trục sinh ra, tắt dần theo số thời gian T’’d cuộn cản dọc trục Như thành phần chu kỳ dọc trục gồm: i’’ck = ick + Δ i’ck + Δ i’’ck = i’ck + Δ i’’ck i’’ck gọi dòng ngắn mạch siêu độ dọc trục, có trị hiệu dụng ban đầu là: Do T’’d bé nên dòng cuộn cản dòng Δ i’’ck tắt nhanh dòng Δ i’ck cuộn kích từ sinh λ Thành phần siêu độ tự ngang trục i’’q dòng tự cuộn cản ngang trục sinh ra, tắt dần theo số thời gian T’’q cuộn cản ngang trục có trị hiệu dụng ban đầu là: Vậy dòng ngắn mạch toàn phần máy điện có cuộn cản: iN = ick + Δ i’ck + Δ i’’ck + i’’q - itd - ick(2ω) 12/16 Quá trình độ máy điện Trị hiệu dụng dòng siêu độ ban đầu là: Trong tính toán gần đúng, coi x”d = x”q thì: Dòng cuộn kích từ: Vẫn gồm thành phần máy điện không cuộn cản thành phần tự không chu kỳ có khác ảnh hưởng cuộn cản iftd = iftd(KCC) - i’’f iftd(KCC): thành phần tự không chu kỳ xuất máy điện không cuộn cản i”f : thành phần tự không chu kỳ ảnh hưởng cuộn cản, tắt theo số thời gian T”d Dòng cuộn cản: Trong chế độ làm việc bình thường ngắn mạch trì, qua cuộn cản dòng điện Trong trình độ, cuộn cản dọc trục xuất dòng tự không chu kỳ tắt dần theo số thời gian T”d T’d Đồng thời tác dụng dòng tự cuộn dây stato, cuộn cản có thành phần chu kỳ i1dck tắt dần theo số thời gian Ta cho dòng cuộn cản không đột biến i1d = i1dtd + i1dck Trong cuộn cản ngang trục xuất thành phần dòng tương tự Đối với máy phát turbine cuộn cản, lõi thép xem có tác dụng tương tự cuộn cản Do qúa trình độ, diễn biến dòng cuộn dây stato rôto có dạng giống máy điện có cuộn cản Và tính toán dùng tham số siêu độ để thay thời điểm đầu ngắn mạch 13/16 Quá trình độ máy điện Các số thời gian tắt dần: Do mạch có điện trở tác dụng nên thành phần dòng tự tắt dần với số thời gian T = L/r Trong hệ đơn vị tương đối thì: Hằng số thời gian cuộn dây stato: đó: X2 - điện kháng thứ tự nghịch máy điện Nếu ngắn mạch cách máy điện đoạn có tổng trở Z = r + jx thì: Hằng số thời gian cuộn kích từ: α Khi máy phát không tải: α Khi ngắn mạch đầu cực máy phát: Có thể chứng minh rằng: đó: Xf’ - điện kháng cuộn kích từ nối tắt cuộn dây stato 14/16 Quá trình độ máy điện Nếu ngắn mạch cách máy phát đoạn có điện kháng x thì: Hằng số thời gian cuộn cản: Hằng số thời gian cuộn cản dọc Td’’ cuộn cản ngang Tq’’ phụ thuộc vào khoảng cách đến điểm ngắn mạch Có thể lấy trị số trung bình sau: - Máy phát turbine hơi: Td’’ ≈ Tq’’ ≈ 0,1 sec - Máy phát turbine nước: Td’’ ≈ Tq’’ ≈ 0,05 sec Ảnh hưởng TĐK phụ tải đến trình ngắn mạch: Ảnh hưởng TĐK: Tại thời điểm đầu ngắn mạch, từ thông móc vòng với cuộn dây không đổi nên thiết bị TĐK ảnh hưởng Điều cho phép tính toán tham số thời điểm đầu ngắn mạch (chẳng hạn Io’’, Eo’’, ixk) giống máy điện TĐK Trong khoảng thời gian trình độ, TĐK làm tăng dòng kích từ làm tăng thành phần dòng cuộn dây stato cuộn cản dọc Quá trình diễn chậm, thực tế làm thay đổi sức điện động quay stato thành phần chu kỳ dòng stato Thành phần không chu kỳ sóng điều hòa bậc stato giống TĐK Đối với cuộn cản dọc, dòng sinh sức điện động biến áp, sức điện động nhỏ dòng kích từ if thay đổi chậm Do dòng tự có bị giảm xuống không đáng kể Ảnh hưởng phụ tải: Anh hưởng phụ tải thời điểm đầu ngắn mạch phụ thuộc vào điện áp dư điểm nối phụ tải, tức phụ thuộc vào điện kháng xN từ phụ tải điểm ngắn mạch λ Khi xN < 0,4: phụ tải xem nguồn cung cấp làm tăng dòng ngắn mạch λ Khi xN > 0,4: phụ tải tiêu thụ dòng điện làm giảm dòng ngắn mạch λ Khi xN = dòng phụ tải chiếm khoảng 25% dòng ngắn mạch 15/16 Quá trình độ máy điện Trong tính toán thực tế, phụ tải gộp chung thành phụ tải tổng hợp điểm hệ thống điện thay gần bằng: X’’PT = 0,35 E’’PT = 0,8 Chỉ kể đến cách riêng rẽ động cỡ lớn thay sau: - Các động đồng có cấu tạo giống máy phát Ở thời điểm đầu ngắn mạch, động quay theo quán tính xem tốc độ đồng nên thay tham số giống máy phát Eo’’ xd’’ - Các động không đồng với hệ số trượt bé xem động đồng cuộn kích từ, thay sức điện động điện kháng siêu độ: đó: I*mm - dòng mở máy động Uo, Io, φo - tham số động trước xảy ngắn mạch 16/16 [...]... với rôto (+ω) sẽ quay với tốc độ 2ω so với stato và cảm ứng sang stato tạo nên dòng tự do chu kỳ ick(2ω) có tần số 2ω Dòng này tắt dần theo hằng số thời gian Ta Tóm lại: Dòng trong cuộn dây stato là: 11/16 Quá trình quá độ trong máy điện iN = ick + Δi’ck - itd - ick(2ω) = i’ck - itd - ick(2ω) Dòng trong cuộn dây kích từ là: if = Ifo + iftd - ifck Quá trình quá độ trong máy điện có cuộn cản: Khi từ thông... thay đổi, trong cuộn cản cũng cảm ứng nên một dòng tự do không chu kỳ tương tự như trong cuộn kích từ Dòng này lại tác dụng lên cuộn dây stato và cuộn cản trong quá trình quá độ Dòng trong cuộn dây stato: Ngoài các thành phần dòng điện giống như ở máy điện không cuộn cản, trong cuộn dây stato của máy điện có cuộn cản còn bao gồm: λ Thành phần siêu quá độ tự do dọc trục Δ i’’ck do dòng tự do trong cuộn... 13/16 Quá trình quá độ trong máy điện Các hằng số thời gian tắt dần: Do trong mạch có điện trở tác dụng nên các thành phần dòng tự do sẽ tắt dần với hằng số thời gian T = L/r Trong hệ đơn vị tương đối thì: Hằng số thời gian của cuộn dây stato: trong đó: X2 - điện kháng thứ tự nghịch của máy điện Nếu ngắn mạch cách máy điện một đoạn có tổng trở Z = r + jx thì: Hằng số thời gian của cuộn kích từ: α Khi máy. .. itd - ick(2ω) 12/16 Quá trình quá độ trong máy điện Trị hiệu dụng của dòng siêu quá độ ban đầu là: Trong tính toán gần đúng, khi coi x”d = x”q thì: Dòng trong cuộn kích từ: Vẫn gồm các thành phần như ở máy điện không cuộn cản nhưng thành phần tự do không chu kỳ có khác do ảnh hưởng của cuộn cản iftd = iftd(KCC) - i’’f iftd(KCC): thành phần tự do không chu kỳ xuất hiện trong máy điện không cuộn cản... tạo giống như máy phát Ở thời điểm đầu của ngắn mạch, động cơ đang quay theo quán tính xem như vẫn còn tốc độ đồng bộ nên có thể thay thế bằng các tham số giống như đối với máy phát là Eo’’ và xd’’ - Các động cơ không đồng bộ với hệ số trượt bé xem như là động cơ đồng bộ không có cuộn kích từ, cũng được thay thế bằng sức điện động và điện kháng siêu quá độ: trong đó: I*mm - dòng mở máy của động cơ Uo,... máy phát: Có thể chứng minh được rằng: trong đó: Xf’ - điện kháng của cuộn kích từ khi nối tắt cuộn dây stato 14/16 Quá trình quá độ trong máy điện Nếu ngắn mạch cách máy phát một đoạn có điện kháng bằng x thì: Hằng số thời gian của cuộn cản: Hằng số thời gian của cuộn cản dọc Td’’ và cuộn cản ngang Tq’’ cũng phụ thuộc vào khoảng cách đến điểm ngắn mạch Có thể lấy các trị số trung bình như sau: - Máy. .. cản không đột biến i1d = i1dtd + i1dck Trong cuộn cản ngang trục cũng xuất hiện các thành phần dòng tương tự Đối với máy phát turbine hơi không có cuộn cản, lõi thép cũng được xem như có tác dụng tương tự cuộn cản Do vậy trong qúa trình quá độ, diễn biến dòng trong cuộn dây stato và rôto có dạng giống như đối với các máy điện có cuộn cản Và trong tính toán vẫn dùng những tham số siêu quá độ để thay... tiêu thụ dòng điện làm giảm dòng ngắn mạch λ Khi xN = 0 thì dòng phụ tải chiếm khoảng 25% dòng ngắn mạch 15/16 Quá trình quá độ trong máy điện Trong tính toán thực tế, các phụ tải được gộp chung thành phụ tải tổng hợp ở một điểm của hệ thống điện và được thay thế gần đúng bằng: X’’PT = 0,35 và E’’PT = 0,8 Chỉ kể đến một cách riêng rẽ các động cơ cỡ lớn và được thay thế như sau: - Các động cơ đồng bộ... của quá trình quá độ, TĐK làm tăng dòng kích từ và do đó làm tăng các thành phần dòng trong cuộn dây stato và cuộn cản dọc Quá trình này diễn ra chậm, do vậy thực tế nó chỉ làm thay đổi sức điện động quay của stato và thành phần chu kỳ của dòng stato Thành phần không chu kỳ và sóng điều hòa bậc 2 ở stato vẫn giống như khi không có TĐK Đối với cuộn cản dọc, dòng sinh ra trong nó là do sức điện động... gian T”d Dòng trong cuộn cản: Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch duy trì, qua cuộn cản không có dòng điện Trong quá trình quá độ, ở cuộn cản dọc trục xuất hiện dòng tự do không chu kỳ tắt dần theo 2 hằng số thời gian T”d và T’d Đồng thời dưới tác dụng của dòng tự do trong cuộn dây stato, ở cuộn cản sẽ có thành phần chu kỳ i1dck tắt dần theo hằng số thời gian Ta sao cho dòng trong cuộn ... gọi sức điện động độ: xd’ gọi điện kháng độ dọc trục 5/16 Quá trình độ máy điện đó: xng - điện kháng từ đầu cực máy điện đến điểm ngắn mạch Sức điện động điện kháng siêu độ: Sức điện động điện kháng... chính: 3/16 Quá trình độ máy điện từ thông tản: - Cuộn cản ngang: từ thông chính: từ thông tản: Sức điện động điện kháng độ: Sức điện động điện kháng độ tham số đặc trưng cho máy phát điện cuộn... ngắn mạch đặc trưng sức điện động siêu độ điện kháng siêu độ Giá trị dòng siêu độ dọc trục ngang trục tương ứng là: 8/16 Quá trình độ máy điện Và dòng siêu độ toàn phần là: Trong tính toán thực