Chơng Máy phát điện đồng lm việc với tải đối xứng 4.1 Đại cơng Chế độ tải đối xứng máy điện đồng đợc đặc trng đại lợng: U, I, It , cos v tần số f tốc độ n Trong f = fđm; cos phụ thuộc vo tải lại đại lợng U, I, It xác định cho ta đặc tính Đặc tính không tải Đặc tính ngắn mạch Đặc tính ngoi Đặc tính điều chỉnh Đặc tính tải U = f(It) I = 0; f = fđm In = f(It) U = 0; f = fđm U = f(I) It = cte; f = fđm; cos = Cte It = f(I) U = cte; f = fđm; cos = Cte U = f(It) I = cte; f = fđm; cos = Cte Các đặc tính đợc xác định cách tính toán thí nghiệm Từ đặc tính ta suy tỷ số ngắn mạch K; U v tham số xd; xq; x 4.2 Các đặc tính máy phát điện đồng Sơ đồ thí nghiệm nh hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm lấy đặc tính máy phát điện đồng Đặc tính không tải (E = U = f(It) I = v f = fđm) Hệ đơn vị tơng đối E* = E/Eđm ; It* = It / Itđm0 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 đợc đờng đặc tính không tải, nh hình 4.2 Đờng (1) máy phát tourbin hơi, đờng (2) máy phát tourbin nớc Ta thấy máy phát tourbin bảo ho nhiều máy phát tourbin nớc Khi E = Eđm = máy phát tourbin có kd = k = 1,2 máy phát tourbin nớc có k = 1,06 Máy điện 16 Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nớc Đặc tính ngắn mạch, In = f(It) U = 0, f = fđm v tỷ số ngắn mạch K Khi ngắn mạch bỏ qua r tải máy phát l dây quấn phần ứng nên đợc coi l cảm = 0, Iq = Icos = Id = Isin = I Mạch điện thay v đồ thị véc tơ nh hình 4.3, ta có E& = + j I& x d 4.1 Khi ngắn mạch từ thông cần thiết để sinh E = E - Ixd = Ix bé nên mạch từ không bảo ho quan hệ I = f(It) l đờng thẳng, hình 4.4 Tỷ số ngắn mạch K Đây l tỷ số dòng điện ngắn mạch In0 ứng với dòng điện It sinh E = Uđm lúc không tải v dòng điện định mức Iđm K = In0 / Iđm 4.2 Từ hình 4.5 ta suy ra: In0 = Uđm / xd Hình 4.3 (a) mạch điện thay thế; (b) đồ thị véc tơ Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng 4.3 Với xd l điện kháng đồng dọc trục ứng với E = Uđm Vậy K = Uđm / xd.Iđm = 1/ xđ* Thờng xđ* > nên K < 1, hay In0 < Iđm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập máy phát điện đồng không lớn, l tác dụng khử từ phản ứng phần ứng Qua hai tam giác đồng dạng OAA' v OBB' ta có: K= I n0 I t = I dm I tn 4.4 It0 U0 = Uđm v Itn In = Iđm K l tham số quan trọng máy phát điện đồng Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K K lớn U bé v Pđt lớn máy lm việc ổn định, muốn K lớn xđ* phải lớn lớn kích thớc máy lớn giá thnh tăng Thờng máy phát tourbin nớc K = 0,8 - 1,8; v tourbin K = 0,5 - 1,0 Máy điện 17 Đặc tính ngoi v độ thay đổi điện áp Uđm Đặc tính ngoi: U = f(I) It = Cte; cos = Cte ; f = fđm Các đờng đặc tính ngoi phụ thuộc vo tính chất tải nh hình 4.6 Dòng điện kích từ It ứng với U = Uđm, I = Iđm, cos = cosđm v f = fđm đợc gọi l dòng điện kích từ định mức Itđm Độ thay đổi điện áp Uđm U dm % = E U dm 100 U dm 4.5 Máy phát tourbin có xd lớn máy phát tourbin nớc nên Uđm% lớn máy phát tourbin nớc Thờng Uđm% = (25 - 35)% Hình 4.6 Đặc tính ngoi máy phát điện đồng Đặc tính điều chỉnh It = F(I) U = Uđm = Cte, cos = Cte v f = fđm Thờng cosđm = 0,8 (điện cảm), I tăng từ đến Iđm với U = Uđm dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2 lần Đặc tính tải U = f(It) I = Cte, cos = Cte ; f = fđm Theo quan hệ trên, với giá trị khác I v cos ta có đờng đặc tính tải khác Trong đặc biệt l đờng đặc tính tải cảm, cos = 0, ( = 900) v I = Iđm (đờng hình 4.8) Hình 4.8 Đặc tính tải cảm Hình 4.9 Đồ thị s.đ.đ máy đồng tải cảm Bỏ qua r ta vẽ đợc đồ thị véc tơ nh hình 4.9 Máy điện Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh 18 Tam giác điện kháng: Lấy In = Iđm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục honh đợc điểm C Thì OC = Itn (dòng điện kích từ), dòng điện Itn gồm phần: Một phần BC = kd.Fd khắc phục phản ứng phần ứng, BC Iđm Một phần CB = OC - BC sinh E = Iđm.x = AB Nh tam giác ABC có cạnh AB v BC tỷ lệ với Iđm Xây dựng đặc tính tải cảm từ đặc tính không tải v tam giác điện kháng Tịnh tiến ABC (hoặc AOC) cho đỉnh A năm đờng (1) đỉnh C vẽ nên đờng (3) với A'B'C' Khi có xét đến bảo ho đờng (3) l đờng đứt nét với A"B"C" (hoặc O"A"C") 4.3 Cách xác định tham số máy phát điện đồng xd v xq xd = E AC = I n AB 4.6 Quan hệ xd = f(It) l đờng (3) mạch từ không bảo ho, ta có: x d = E = k d E E AD = = const In AB 4.7 x d k d 4.8 nên xd = Hình 4.10 Xác định điện kháng đồng dọc trục Máy cực lồi thờng xq = 0,6.xd; Máy cực ẩn xd = xq = xđb Điện kháng tản x Từ điểm C' đờng (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đờng // với OA cắt đờng (1) A', từ A' hạ A'B' C'O' x = A'B'/ I Khi xét đến bảo ho xp = A"B"/I xp > x l điện kháng Pôchiê Máy cực ẩn xp = (1,05 - 1,1) x Máy cực lồi xp = (1,1 - 1,3) x 4.5 Tổn hao v hiệu suất Tổn hao đồng: Tổn hao thép: Tổn hao kích từ: Tổn hao phụ: Tổn hao cơ: điện trở dây quấn phần ứng pcu = I2.r dòng điện xoáy v từ trễ rt v tiếp xúc chổi than từ trờng tản v đập mạch từ trờng bậc cao ma sát ổ bị, ổ đỡ, lm mát Hiệu suất máy = Máy điện P2 = thờng = 0,98 % P2 + p 19 Chơng Máy phát điện đồng lm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại cơng Chế độ tải không đối xứng máy điện đồng xáy - Tải pha không - Khi có ngắn mạch không đối xứng hệ thống điện lực, đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng thờng gây nên tợng bất lợi, nh: điện áp không đối xứng; sóng điều ho s.đ.đ v dòng điện bậc cao; lm tăng tổn hao; rôto nóng v máy rung Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng phơng pháp phân lợng đối xứng Phân dòng điện v điện áp thnh thnh phần thứ tự thuận; ngợc v không I&a &I = a b &I a c 1 a a2 I&1 I&2 I&0 5-1 U& a & Ub = a2 U& c a 1 a a2 U& U& U& 5-2 đó: a = ej2 /3; a2 = ej4 /3; + a + a2 = Dòng điện kích từ it sinh s.đ.đ ứng với thnh phần thứ tự thuận E0 = E1 s.đ.đ thứ tự ngợc v không, không tồn E2 = Et0 = nh vậy: E& = U& + I&1 Z ; = U& + I&2 Z ; = U& + I&0 Z 5-3 Từ phơng trình 5-1; 5-2 v 5-3 ta suy U& a = ( E& I&1 Z ) I&2 Z I&0 Z U& b = a ( E& I&1 Z ) a I&2 Z I&0 Z U& c = a ( E& I&1 Z ) a I&2 Z I&0 Z 5-4 Các phơng trình 5-1; 5-2 v 5-3 l sở để phân tích chế độ tải không đối xứng Nó gồm phơng trình có chứa 12 ẩn số, (E0, Z1; Z2; Z0 biết), muốn giải đợc tuỳ trờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm phơng trình 5-2 Các tham số máy phát điện đồng lm việc tải không đối xứng Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 Tổng trở thứ tự thuận Z1 l tổng trở máy lúc tải đối xứng, với x1 = xđb máy cực ẩn, máy cực lồi l xd theo hớng dọc trục v xq theo hớng ngang trục Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 S.t.đ hệ thống ngợc, quay ngợc với tốc độ đồng tốc độ tơng đối so với rô to l 2n1 Nó cảm ứng dòng điện dây quấn rôto có tần số 2f Với máy cực lồi ta coi rôto đứng yên từ trờng quay ngợc có tốc độ 2n1 l dòng điện pha tần số 2f stato lệch thời gian góc 900 v không gian 900 tạo nên, hình 5-1 Máy điện 20 Nh từ trờng dòng điện dọc trục v ngang trục nh hình 5-1 không hổ cảm với v ta có mạch điện thay theo hớng dọc trục nh hình 5-2 v ngang trục nh hình 5-3 Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 Hớng dọc trục có đồng ứng với thứ tự ngợc dây quấn cản (a); (b) Hình 5-3 Hớng ngang trục có dây quấn cản (a); (b) Trên mạch điện thay thế: x điện kháng tản phần ứng; xd điện kháng dọc trục phần ứng; xq điện kháng ngang trục phần ứng; xt điện kháng tản dây quấn kích thích; xcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản Theo mạch điện thay ta xác định đợc điện kháng dọc trục v ngang trục - Khi có dây quấn cản: - Khi dây quấn cản x d = x u + x q = x u + 1 1 + + xu d x t xcd 1 + xu q xcq Nh có dây quấn cản x2 = Khi dây quấn cản x2 = x d + x q 5-5 x d = x u + 5-7 x q = x u + xu q = x q 1 + xu d x t , thờng x d x q nên x2 = x d = xq x d + x q 5-6 5-8 5-9 5-10 Thờng x < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0,12 - 0,25 máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 v dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6 Điện trở thứ tự ngợc r2 = r + rr/2 (Với rr l điện trở rôto quy đổi phần ứng) Xác định x2 v r2 thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vo dây quấn stato quay rôto ngợc chiều từ trờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2 pha từ tính đợc: Z2 = U2 ; I2 r2 = Máy điện P2 ; I 22 x = z 22 r22 21 Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 pha pha thời gian nhng lệch pha không gian góc 1200 sinh khe hở s.t.đ đập mạch pha thời gian nhng lệch pha không gian 1200 Khi phân tích s.t.đ thnh sóng điều ho có s.t.đ bội l tồn tại, nh 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng dây quấn kích thích v dây quấn cản từ trờng bé, x0 chủ yếu từ trờng tản rảnh v đầu nối gây nên Với máy cực ẩn x0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x0* = 0,02 - 0,20 Điện trở thứ tự không r0 lớn r không nhiều nên thờng coi r0 = r Các tham số Z0; r0; x0 xác định thực nghiệm Nối nối tiếp pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vo v cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định giá trị U0; P0 v I0 từ suy ra: Z0 = U0 ; I0 r0 = P0 ; 3I 02 x0 = Z 02 r02 5.3 ảnh hởng tải không đối xứng máy phát điện đồng Khi tải không đối xứng máy có thnh phần thứ tự thuận v ngợc, thnh phần thứ tự không thờng bé không tồn dây quấn pha thờng đợc nối Y v trung tính nối đất Từ trờng dòng điện thứ tự ngợc thờng gây nên tơng bất lợi cho máy phát, nh: Điện áp không đối xứng lm tăng tổn hao, rôto nóng v máy rung động Điện áp tải không đối xứng Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực máy phát không đối xứng, nghĩa l chúng có biên độ không v góc lệch pha khác 1200 Điều ny ảnh hởng xấu đến hộ dùng điện Tổn hao tăng v rôto nóng Khi tải không đối xứng từ trờng quay ngợc sinh dòng điện có tần số 2f rôto lm tăng tổn hao rôto v lm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao v giảm hiệu suất Hiện tợng máy rung Khi tải không đối xứng tác dụng tơng hổ từ trờng cực từ với từ trờng quay ngợc stato v từ trờng quay thuận với từ trờng dòng điện có tần số 2f rôto chúng gây nên mômen quay có dấu thay đổi v lực đập mạch với tần số 2f tác dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lm cho máy bị rung động v gây ồn Thờng cho phép máy đồng lm việc lâu di với tải không đối xứng dòng điện pha không vợt định mức v mức độ sai lệch dòng điện pha không 10% máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi Máy điện 22 5.4 Ngắn mạch không đối xứng Ngắn mạch pha Giả sử pha a bị ngắn mạch mạch, hình 5-4, ta có: U& a = 5-12 I&b = I&c = 5-13 Ba phơng trình ny kết hợp với phơng trình (5-1); (5-2) v (5-4) thnh hệ thống 12 phơng trình 12 ẩn số v giải đợc Trớc hết ta có: I&a = I&n1 Từ (5-13) v (5-1) ta suy ra: Hình 5-4 Ngắn mạch pha 5-14 I&1 = I&2 5-15 1 I&0 = I&1 = I&2 = I&a = I&n1 3 5-16 Thay (5-16) vo (5-4) ta đợc: I&0 = I&1 = I&2 = E& Z1 + Z + Z 5-17 v dòng điện ngắn mạch pha có trị số: I&n1 = I&a = 3I&0 = 3E& Z1 + Z + Z 5-18 Điện áp pha b v c xác định theo biểu thức cuối (5-4) Bỏ qua r ta có đồ thị véc tơ dòng điện v điện áp ngắn mạch pha, hình 5-5 Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng v điện áp ngắn mạch pha Hình 5-6 Mạch điện thay ngắn mạch pha Từ phân tích ta lập mạch điện thay nh hình 5-6 Với E0 biểu thị nguồn máy phát với tổng trở thự tự thuận Z1 v chổ ngắn mạch Z2; Z0 điểm M v N Mạch điện thay hình 5-6 hon ton phù hợp với biểu thức (5-17) Điện áp U1 hai điểm M v N đặc trng cho chổ ngắn mạch, điện áp rơi Z2 v Z0 l U2 v U0 Mạch điện thay ny áp dụng cho ngắn mạch pha lới điện phức tạp Lúc Z1; Z2 v Z0 l tổng trở thự tự thuận, ngợc v không lới Máy điện 23 Ngắn mạch hai pha Giả sử ngắn mạch hai pha b v c nh hình 5-7, ta có: U& b = U& c 5-19 I&a = 5-20 I&a + I&c = 5-21 Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha trớc hết ta cộng phơng trình (5-1) sau kết hợp với (5-20); (5-21) v (5-22)t ta đợc: Hình 5-7 Ngắn mạch hai pha máy phát đ.b I&0 = 0; U& = 0; I&1 + I&2 = Từ (5-19) suy U& b U& c = vo phơng trình (5-2) ta có: U& = U& , thay vo (5-3) đợc: E& = ( Z1 + Z ) I&1 hay l I&1 = I&2 = E& Z1 + Z Cuối ta đợc I&n = I&b = I&c = a I&1 + aI&2 = (a a) I&1 = j 3I&1 = j 3E& Z1 + Z (5-22) Bỏ qua r ta có đồ thị véc tơ dòng điện v điện áp ngắn mạch hai pha nh hình 5-8 v mạch điện thay nh hình 5-9 Hình 5-8 Đồ thị véc tơ dòng v điện áp ngắn mạch pha Hình 5-9 Mạch điện thay ngắn mạch pha Từ phân tích so sánh ngắn mạch pha, pha chơng ny v ngắn mạch pha chơng ta thấy: Vì Z1 > Z2 > Z0 nên theo biểu thức (5-18); (5-22) v (4-1) với giá trị E nh có In1 > In2 > In3 Nh ngắn mạch pha có dòng điện lớn Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên tác dụng phản ứng phần ứng khử từ tăng lên nên dòng điện ngắn mạch giảm xuống Máy điện 24