Chương 23 Máy phát điện đồng làm việc tải không đối xứng 23-1 Đại cương Trong cung cấp điện xảy trường hợp tải pha không nhau, hộ dùng điện pha lớn, ví dụ cung cấp điện cho tuyến đường sắt, công nghiệp điện phân, máy phát điện đồng làm việc với tải không đối xứng, máy điện đồng sinh số tượng bất lợi điện áp không đối xứng, sóng điều hoà s.đ.đ dòng điện bậc cao xuất làm tổn hao tăng lên, rôto nóng máy rung, Gới hạn tải không đối xứng máy phát điện đồng xảy có ngắn mạch hệ thống điện lực, đầu cực máy phát (ngắn mạch pha với dây trung tính; ngắn mạch hai pha với dây trung tính) Tuy dòng điện ngắn mạch không đối xứng tồn thời gian ngắn rơle bảo vệ máy phát điện tác động, gây lực điện từ hiệu ứng nhiệt lớn, làm hư hỏng máy phát điện Để nghiên cứu chế độ làm việc tải không đối xứng máy phát điện đồng bộ, ta dùng phương pháp phân lượng đối xứng, chia dòng điện, điện áp không đối xứng thành ba thành phần đối xứng: thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không Ia Ib Ic = a2 a 1 I1 a I2 a2 I0 (23-1) Ua Ub Uc 1 U1 = a2 a U2 a a2 U0 (23-2) a = e j / ; a = e j / ; + a + a2 = Tham số máy phát điện ứng với thành phần đối xứng z 1, z2 z0 Để thành lập phương trình điện áp máy phát điện đồng làm việc tải không đối xứng cần ý dòng điện kích thích i t từ trường cực từ sinh s.đ.đ thứ tự thuận E = E, s.đ.đ thứ tự ngược thứ tự không không tồn (E2 = E0 = 0), ta có: E& = U& + I&1 z1 = U& + I& z (23-3) 2 = U& + I&0 z Từ phương trình (23-1), (23-2) (23-3) suy ra: U& a = E& I&1 z1 I&2 z I&0 z U& b = a ( E& I&1 z1 ) aI&2 z I&0 z U& = a ( E& I& z ) a I& z I& z c 1 2 (23-4) 0 120 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Các phương trình (23-4) cho thấy điện áp máy phát điện tải không đối xứng s.đ.đ pha E, a 2E, aE trừ điện áp giáng tổng trở thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không dòng điện thứ tự tương ứng gây Các phương trình (23-1), (23-2) (24-4) sở để phân tích chế độ làm việc không đối xứng nói chung ngắn mạch không đối xứng nói riêng máy phát điện Trong chín phương trình không đối xứng nói trên, E, z 1, z2, z0 cho biết có chứa mười hai ẩn số Tuỳ theo trường hợp tải không đối xứng cụ thể, để tìm lời giải, cần thêm ba phương trình bổ xung Dưới trước phân tích số trường hợp ngắn mạch không đối xứng, ta xét tham số máy phát điện làm việc không đối xứng 23-2 Các tham số máy phát điện đồng làm việc tải không đối xứng 23.2.1 Tổng trở thứ tự thuận z = r1 + jx1 Hệ thống dòng điện thứ tự thuận sinh máy điện đồng ba pha s.t.đ quay có sóng quay đồng với rôto giống trường hợp máy phát điện làm việc tải đối xứng, nên không sinh dòng điện cảm ứng rôto, tổng trở thứ tự thuận z1 tổng trở máy làm việc tải đối xứng, điện kháng thứ tự thuận x1 máy phát điện đồng cực ẩn điện kháng đồng x db máy cực lồi có trị số x d theo hướng dọc trục, xq theo hướng ngang trục Còn điện trở thứ tự thuận điện trở dây quấn phần ứng 23.2.2 Tổng trở thứ tự ngược z = r2 + jx2 d Hệ thống dòng điện thứ tự ngược sinh s.t.đ quay ngược chiều quay rôto với tốc độ đồng bộ, U& d I&d tốc độ quay tương đối với so với rôto 2n1 dây quấn đặt rôto 2n1 sinh dòng điện có tần số 2f I&q Đối với máy cực lồi, để thấy rõ ý nghĩa trị q số z2 ta xem rôto đứng yên từ trường quay ngược với tốc độ 2n dòng điện hai U& q pha tần số 2f lệch thời gian 900 chạy hai dây quấn dọc trục ngang trục lệch 900 Hình 23-1 Mô hình máy không gian stato sinh (hình 23-1) Trong phát đồng ứng với dòng điện trường hợp tượng hỗ cảm thứ tự ngược hai pha, tượng theo hướng dọc trục d ngang trục q liên quan với xét riêng rẽ Như giống m.b.a (hoặc động điện không đồng rôto đứng yên), bỏ qua điện trở mạch điện thay theo hướng d ọc trục có dây quấn phần ứng, dây quấn kích thích dây quấn cản d ọc trục hình 232a, dây quấn cản dọc trục hình 23-2b Cũng vậy, mạch điện thay hướng ngang trục hình 23-3a có dây quấn cản ngang trục, hình 23-3b dây quấn cản Căn vào mạch điện thay đó, điện kháng dọc trục ngang trục ứng với từ trường dòng điện thứ tự ngược có dây quấn cản bằng: 121 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com x d,, = xu + x q,, = xu + 1 1 + + xud xt xcd xư (23-6) 1 + xuq xcq (23-5) a) xưd xt xưd xt xcd dây quấn cản bằng: x d, = xu + 1 + xud xt b) x q, = xu + xuq = x q (23-8) Vì từ trường ngược quét qua rôto với hai lần tốc độ đồng nên trị số điện kháng thứ tự ngược x2 thay đổi lặp lại trị số dọc ngang trục, có dây quấn cản xem như: x2 = đó: x d,, + x q,, Hình 23-2 Mạch điện thay hướng dọc trục có dây quấn cản (a) dây quấn cản (b) máy điện đồng x (23-9) Thường có dây quấn cản x,,d = x,,q x = x,,d = x,,q Khi máy dây quấn cản xem: x2 = x (23-7) x + xq , d xưq a) xcq x b) xưq (23-10) Thông thường điện kháng thứ tự ngược có giới hạn sau: x < x2 < x1 Đối với máy cực ẩn x = 0,12 ữ 0,25 Đối với Hình 23-3 Mạch điện thay hướng ngang trục có dây quấn cản (a) dây quấn cản (b) máy điện đồng máy cực lồi có dây quấn cản x = 0,15 ữ 0,35, dây quấn cản x = 0,3 ữ 0,6 Điện trở thứ tự ngược bao gồm điện trở dây quấn phần ứng r điện trở dây quấn rôto qui đổi phần ứng r,r nghĩa là: r2 = ru + rr, (23-11) Các giá trị x2, r2 xác định theo thí nghiệm cách đặt vào dây quấn phần ứng điện áp thấp U2 quay rôto ngược với chiều từ trường quay với tốc độ đồng Đo dòng điện I2 công suất P2 phía dây quấn stato ta tính được: z2 = U2 P ; r2 = 22 ; x = z 22 r22 I2 I2 trị số I2, U2, P2 ứng với pha 122 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 23.2.3 Tổng trở thứ tự không z = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 pha thời gian chạy dây quấn ba pha lệch 1200 không gian sinh khe hở s.t.đ đập mạch pha thời gian lệch 120 không gian Khi phân tích chúng thành sóng điều hoà tổng s.t.đ s.t.đ có bậc khác bội ba không Vì khe hở tồn từ trường đập mạch sóng điều hoà bội ba 3, 9, 15, sinh Các dòng điện cảm ứng dây quấn kích thích dây quấn cản gây từ trường bậc cao thường có trị số nhỏ không đáng kể Vì từ trường không tồn khe hở nên điện kháng thứ tự không x xác định từ trường tản rãnh, đầu nối từ trường bậc cao nói Cũng mà trị số thường nhỏ Đối với máy cực ẩn x = 0,02 ữ 0,10, máy cực lồi x0 = 0,02 ữ 0,20 Điện trở thứ tự không r thường lớn rư dây quấn phần ứng có thêm tổn hao phụ gây nên từ trường bậc cao, từ trường nhỏ nói nên tổn hao phụ không lớn cho r rư Các tham số z0, r0, x0 xác định thí nghiệm cho rôto quay với tốc độ đồng đặt điện áp U hạ thấp vào ba pha dây quấn nối tiếp stato Từ trị số U0, P0, I0 đo dây quấn stato ta suy ra: z0 = U0 P ; r0 = 02 ; x0 = z 02 r02 3I 3I 23-3 ảnh hưởng tải không đối xứng máy phát điện đồng Khi làm việc với tải không đối xứng, máy điện có dòng điện thứ tự thuận ngược, dòng điện thứ tự trị số nhỏ không tồn tại, dây quấn phần ứng thường nối hình có điểm trung tính nối đất qua điện trở lớn (với mục đích bảo vệ) không nối đất Từ trường quay dòng điện thứ tự ngược sinh máy điện đồng tượng bất lợi khiến cho máy phát điện làm việc điều kiện khó khăn điện áp không đối xứng, tổn hao tăng rôto nóng hơn, máy rung nhiều Dưới ta xét các tượng 23.3.1 Điện áp máy phát điện làm việc tải không đối xứng Khi làm việc tải không đối xứng dòng điện thứ tự ngược gây nên điện áp rơi z2I2 biểu thị véctơ có góc khác với điện áp thứ tự thuận pha Nếu vẽ đồ thị véctơ riêng rẽ cho pha theo phương trình (23-4) suy điện áp Ua, Ub, Uc đầu máy phát điện đồng Các điện áp không đối xứng, nghĩa trị số chúng khác góc lệch pha với khác 120 Tình trạng ảnh hưởng xấu đến hộ dùng điện, đặc biệt động điện không đồng động điện đồng Ta ý máy có đặt dây quấn cản rôto cực từ thép nguyên khối z2 có trị số nhỏ nên điện áp không đối xứng Điều giải thích sau: dòng điện cảm ứng dây quấn cản thép rôto nguyên khối tương đối lớn sinh từ thông làm giảm bớt từ trường quay ngược khiến cho z nhỏ hơn, kết điện áp cải thiện 123 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 23.3.2 Tổn hao rôto nóng Khi làm việc tải không đối xứng, từ trường quay ngược sinh dòng điện có tần số 2f rôto gây thêm tổn hao rôto, đồng thời khiến cho rôto bị nóng thêm hiệu suất máy bị giảm Trong dây quấn cản rôto thép nguyên khối máy phát tuabin hơi, dòng điện nói lớn, mặt khác hiệu ứng bề mặt, điện trở dây quấn cản tăng, kết tải không đối xứng nhiều dây quấn cản rôto nguyên khối nóng dội Như thân rôto bị biến dạng có khả làm hư hỏng cách điện dây quấn kích thích Cần ý dây quấn kích thích, dòng điện nói không lớn điện kháng tản dây quấn tương đối lớn, nên phần tăng thêm nhiệt độ rôto máy cực lồi dây quấn kích thích coi không đáng kể 23.3.3 Hiện tượng máy rung Khi tải không đối xứng, tác dụng tương hỗ từ trường cực từ với từ trường quay ngược stato, từ trường quay thuận stato với từ trường dòng điện tần số 2f cảm ứng rôto sinh mômen quay có dấu thay đổi có lực đập mạch với tần số 2f tác dụng theo hướng tiếp tuyến mặt rôto tác dụng theo hướng tâm stato rôto Kết stato rôto có khuynh hướng bị biến dạng, khối thép ép stato không chặt, mối hàn khung dây bị hư hỏng, máy bị rung mạnh ồn, Các tượng điện áp đối xứng, rôto phát nóng dội máy rung nói nghiêm trọng mức độ không đối xứng tải nhiều Để hạn chế tượng bất lợi nói trên, chủ yếu hạn chế độ tăng nhiệt rôto mức độ rung máy, thường cho phép máy phát điện làm việc lâu dài với tải không đối xứng dòng điện pha không vượt định mức chênh lệch dòng điện pha không 10% dòng điện định mức máy phát điện tuabin 20 % máy phát điện tuabin nước 23-4 Ngắn mạch không đối xứng mục phân tích trường hợp ngắn mạch không đối xứng máy phát điện, thí dụ ngắn mạch pha, ngắn mạch hai pha 23.4.1 Ngắn mạch pha Giả thử pha a bị ngắn mạch trình bày hình 23-4, ta có: Ua = (23-12) Ib = Ic = (23-13) Ba phương trình bổ sung hợp với phương trình (23-1), (23-2), (23-4) thành hệ thống mười hai phương trình với mười hai ẩn số ta xác định dòng điện ngắn mạch pha In1 Trước hết ta có: Ia = In1 (23-14) Từ (23-13) (23-1) suy được: I1 = I2 (23-15) a I&a U& a U& c c I&c I&n1 I&b U& b b Hình 23-4 Sơ đồ ngắn mạch pha máy phát đồng 124 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com I0 = I1 = I = 1 I a = I n1 3 (23-16) E z1 + z + z (23-17) Thay (23-16) vào (23-4) ta có: I0 = I1 = I = dòng điện ngắn mạch pha có trị số: 3E z1 + z + z In1 = Ia = 3I0 = (23-18) Điện áp pha b c xác định theo hai biểu thức cuối (23-4) I&a I&a1 E& B jI&b x0 jI&b x jI&b1 x1 I&a = I&b = I&c j I&a x jI&a x & jI a1 x1 I&c1 I&b1 I&b I&c U& b E& A U& c j I&c x jI&c1 x1 jI&c x0 & EC Hình 23-5 Đồ thị véctơ điện áp dòng điện ngắn mạch pha Nếu bỏ qua điện trở đồ thị véctơ dòng điện điện áp ngắn mạch pha hình 23-5 Từ kết phân tích ta thành lập mạch điện thay ứng với trường hợp ngắn mạch pha hình 23-6, máy phát đồng biểu thị nguồn s.đ.đ E với tổng trở thứ tự thuận z chỗ ngắn mạch biểu thị tổng trở z z0 điểm M N Mạch điện thay hoàn toàn phù hợp với biểu thức (23-17) Điện áp U1 tác dụng điểm M, N đặc trưng cho chỗ ngắn mạch, điện áp U2 U0 điện áp rơi tổng trở z2 z0 Chú ý mạch điện thay áp dụng xảy ngắn mạch pha lưới điện phức tạp Trong trường hợp z 1, z2 z0 tổng trở thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không lưới điện 23.4.2 Ngắn mạch hai pha Giả sử ngắn mạch xảy pha b c hình 23-7, ta có: z1 I&1 E& ~ M I&2 z2 U& I&0 z0 U& U& N Hình 23-6 Mạch điện thay ngắn mạch pha máy phát điện đồng Ub = Uc Ia = 125 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com (23-19) (23-20) Ib + Ic = (23-21) Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha trước hết đem cộng phương trình (23-1) kết hợp với (23-20), (23-21) (23-3) ta được: I0 = 0; U0 = 0; I1 + I2 = Từ điều kiện (23-19) Ub - Uc = đem vào phương trình (23-2) ta có U1 = U2 Đưa kết vào (23-3) suy được: b I&b U& a a I&n U& b I&c I&a U& c c Hình 23-7 Sơ đồ ngắn mạch hai pha máy phát đồng E = (z + z2)I1 hay: sau cùng: I1 = I = E z1 + z In2 = Ib = - Ic = a2I1 + aI2 = (a2 a)I1 = -j 3I = j 3E z1 + z (23-22) Đồ thị véctơ dòng điện I&a1 E& B điện áp bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng ứng với jI&b1 x1 trường hợp ngắn mạch hai pha & jI&a1 x1 j I a x trình bày hình 23-8 Mạch jI&b x điện thay ứng với trường I& &I c1 b1 hợp ngắn mạch hai pha E& A U& a j I&c x hình 23-9 U& b = U& c Từ kết có I& I&b jI&c1 x1 c2 phân tích trường hợp E& C ngắn mạch pha, ngắn mạch hai pha trường hợp I&a ngắn mạch ba pha đối xứng mục 22-2 ta có nhận xét rằng, Hình 23-8 Đồ thị véctơ điện áp z1 > z2 > z0 nên theo biểu dòng điện ngắn mạch hai pha thức (23-18), (23-22) (22-1) với trị số E có In1 > In2 > In3 Như z1 dòng điện ngắn mạch pha có trị số lớn Sở dĩ trường hợp ngắn mạch pha E& I&1 tác dụng khử từ phản ứng phần ứng I&2 z2 pha tạo nên, dòng ngắn mạch pha lớn ~ Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên tác dụng khử từ U& = U& phản ứng phần ứng tăng dòng điện ngắn mạch giảm xuống Hình 23-9 Mạch điện thay Câu hỏi ngắn mạch hai pha ý nghĩa vật lý tham số x1, x2, x0 máy phát điện đồng Cho hệ thống véctơ dòng điện thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không tải không đối xứng Vẽ đồ thị véctơ điện áp ba pha có tải không đối xứng máy phát điện đồng 126 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com