Giáo trình Máy điện 1 - Chương 2: Vận hành máy điện đồng bộ

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Đặc tính của máy phát điện đồng bộ, máy phát điện đồng bộ làm việc song song, đặc tính điều tốc của động cơ sơ cấp, phương pháp dừng an toàn các máy phát điện đồng bộ làm việc song song với máy phát khác,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

39 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 40 Chƣơng VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1 ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chế độ làm việc máy phát điện máy phát điện đồng tai đối xứng thể rõ ràng qua đại lượng điện áp U đầu cực máy phát, dòng điện tải I dây quấn phần ứng, dòng điện kích thích It, hệ số cơng suất cos, tần số f tốc độ quay n Trừ tần số f luôn giữ định mức fđm cos = const tải bên định, từ ba đại lượng U, I, It lại thành lập đặc tính sau máy phát điện đồng bộ: + Đặc tính khơng tải: + Đặc tính ngắn mạch: + Đặc tính ngồi: + Đặc tính điều chỉnh: E = U0 =f(It) In = f(It) U = f(I) It = f(I)     I = 0, f = fđm U = 0, f = fđm It = const, f = fđm, cos = const U = const, f = fđm, cos = const I P + W It Z A V A F _ V V A W A Rđc Hình 2.1 Sơ đồ nối dây xác định đặc tính máy fát điện đồng Các đặc tính thành lập theo tính tốn dựa vào đồ thị vectơ sđđ cách làm thí nghiệm trực tiếp Từ đặc tính suy tính chất quan trọng máy tỉ số ngắn mạch, độ thay đổi điện áp Cũng từ đặc tính ta suy tham số điện kháng đồng dọc trục ngang trục, điện kháng tản máy Trong phần ta nghiên cứu vấn đề thí nghiệm với sơ đồ nối dây thí nghiệm lấy đặc tính máy phát điện đồng trình bày hình 2.1 Tải máy phát đồng tổng trở Z biến đổi Dòng điện kích thích It máy phát điện Et lấy từ nguồn điện bên điều chỉnh nhờ biến trở Rđc Uđm 2.1.1 Đặc tính khơng tải Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng quan hệ sđđ Et = Uo It Edư it0 Hình 2.2 Đặc tính khơng tải Et = f(It) 41 dòng điện kích từ It máy làm việc không tải (I = 0) tốc độ quay rotor khơng đổi trình bày hình 2.2 Nó dạng đường cong từ hóa B = f(H) vật liệu sắt từ Et = U0 = f(It) I = 0, f = fđm 2.1.2 Đặc tính ngắn mạch tỉ số ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch quan hệ : In = f(It) U = 0, f = fđm (Khi dây quấn phần ứng nối tắt đầu cực máy) Nếu gỉa thiết lúc ngắn mạch bỏ qua điện trở phần ứng (Rư = 0) mạch điện dây quấn phần ứng lúc cảm ( = 900), dòng điện Iq = Icos = 0, Id = Isin = I đồ thị vectơ máy phát điện lúc đố trình bày hình 2.3b Ta có:  t   jI X d  jIX æt  jIX æd E (2.1) Và mạch điện thay máy hình 2.3a E t jXd I jXưt + I E t _ jXưd I jXưd jXưt I I (a) Hình 2.3 Mạch điện thay đồ thị véctơ máy phát điện đồng lúc ngắn mạch (b) Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng khử từ, mạch từ máy khơng bão hòa, từ thơng khe hở  cần thiết để sinh sđđ E = Et –IXưd = IXưt nhỏ Do đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng đường thẳng trình bày hình 2.4 Tỉ số ngắn mạch K Tỉ số ngắn mạch K theo định nghĩa tỉ số: K In0 I âm (2.2)  In0 = dòng điện ngắn mạch ứng với dòng điện kích từ It0 để sinh sđđ Et = Uđm không tải  Iđm = dòng điện định mức máy phát Từ hình 2.5, ta có : I no  U âm Xd (2.3) 42 Trong Xd trị số bão hòa điện kháng đồng dọc trục ứng với Et = Uđm Từ (2.2) (2.3) ta có: U âm (2.4) K  X d I âm X d* Thường Xd* > 1, K < 1, nghĩa dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm lúc ngắn mạch xác lập Vì kết luận dòng điện ngắn mạch mát phát điện đồng khơng lớn lúc tác dụng khử từ phản ứng phần ứng mạnh E,I Et=f(It) Uđm I=f(It) I B’ A’ I=f(It) Iđm In0 It A Hình 2.4 Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng It B Ito Itn Hình 2.5 Xác định trị số ngắn mạch - Xác định tỉ số ngắn mạch nhờ đặc tính ngắn mạch khơng tải Từ hình 2.5, dựa vào hai tam giác đồng dạng 0AA’ 0BB’, ta có: K I no I to  I âm I tn (2.5) Ito = dòng điện kích từ sinh U0 = Uđm khơng tải Itn = dòng điện kích từ sinh I = Iđm ngắn mạch 2.1.3 Đặc tính ngồi độ thay đổi điện áp máy phát đồng Đặc tính ngồi Đặc tính ngồi máy phát quan hệ điện áp U cực máy phát dòng điện tải I tính chất tải khơng đổi (cos = const), tốc độ quay rotor n dòng điện kích từ It khơng đổi (hình 2.6) Dòng điện kích thích khơng đổi điện áp U thay đổi U Uđm dòng điện tải I thay đổi cos =1 cos =0,8 (dung) Uđm cos =1 cos =0,8 (cảm) I Iđm Hình 2.6 Đặc tính ngồi máy phát đồng 43 Từ hình 2.6, ta thấy đặc tính ngồi phụ thuộc tính chất tải Tải có tính cảm I tăng, phản ứng phần ứng khử từ nên điện áp giảm, đường biểu diễn xuống; tải có tính dung ngược lại Dòng điện từ hóa định mức dòng điện kích thích ứng với chế độ U =Uđm I=Iđm, cos = cosđm, f = fđm Độ thay đổi điện áp định mức Uđm MFĐB Độ thay đổi điện áp định mức Uđm máy phát đồng định nghĩa thay đổi điện áp tải thay đổi từ định mức đến không tải, điều kiện không thay đổi dòng điện kích từ Trị số Uđm thường biểu thị theo % điện áp định mức, nghĩa là: U  U âm 100 (2.6) ΔU âm %  o U âm Trong đó: Uđm% = dộ thay đổi điện áp định mức % Uo = điện áp lúc không tải (V) Uđm = điện áp định mức (V) Trong máy phát đồng turbine hơi, Xd lớn nên có U lớn so với máy phát turbine nước Thường Uđm = (25  35)% hệ số công suất cosđm Chú ý: U0 điện áp đo sau giảm tải từ định mức đến khơng tải, mà máy vận hành dòng điện điện áp định mức (hình 2.6) Điện áp U0 khơng phải sđđ kích thích Et Thay Et Uo vào biểu thức (2.6), có kết sai số lớn Et khơng tính đến ảnh hưởng bão hòa từ, U0 có xét đến yếu tố ảnh hưởng bão hòa từ (hình 2.7) Độ thay đổi U cho điều kiện định mức, thường U dương cos = 1, tải có tính cảm, tải có tính dung U âm áp phần ứng U(V) Et U0 Uđm a Đường thẳng tuyến tính E=f(It) b 44 VÍ DỤ 2.1 Một máy phát điện đồng ba pha 1000kVA, 4,8kV, nối Y có điện trở dây quấn stator khơng đáng kể điện kháng đồng Xđb = 13,8/pha Máy vận hành điều kiện định mức với cos = 0,9 (chậm sau) Hãy tính (a) sđđ kích thích góc cơng suất; (b) điện áp khơng tải, cho dòng điện kích từ máy phát điện khơng đổi; (c) độ thay đổi điện áp; (d) điện áp không tải, dòng điện kích từ giảm 80% so với tải định mức Bài Giải Mạch điện thay máy phát đồng pha trình bày hình 2.8a a Tính sđđ kích thích Et Điện áp pha góc lệch pha: U Ud  4800  2771,28 V ;  = cos-1(0,9) = 25,84o ~  * 1000 10 S  UI  25,84 o  2771,280 o  I* *  I  120 ,2825,84 o  I  120 ,28  25,84 o A Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày hình 2.8a Sđđ kích thích pha máy:   IjX âb  2771,280o  120 ,28  25,28 o  j13,8 E t  U  t  3800 ,723,1o V E Et = 3800,7 V; b Điện áp không tải  = 23,1o 45 Điện áp không tải có từ hình vẽ 2.8 Đường cong tuyến tính hóa vẽ cách, điểm qua gốc tọa độ điểm đường cong từ hóa có điện áp pha 2771V Chia trục điện áp thành tỉ lệ: jXđb E t + + ~ I   U0o U _ _ (a) 50 3801 Sđđ kích thích E t(V) 40 3085 2863 2771 2679V 2535V 20 10 (b) 10 20 30 40 Dòng điện kích từ It (A) Hình 2.8 Mạch điện tương đương đường cong từ hóa Ví dụ 2.1 2771 V  30 tỉ lệ/đơn vị chia = 92,37 V/đơn vị chia So với sức điện động kích thích Et: 3801  41,2 đơn vị chia đường tuyến tính hóa 92,37 Từ điện áp 3801V đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng gặp đường cong từ hóa xác định điện áp không tải: U o  33,4 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 3085 V c Độ thay đổi Điện áp định mức 46 ΔU âm %  U o  U âm 3085  2771 100  100  11% U âm 2771 Chú ý, dùng sđđ kích thích vào biểu thức độ thay đổi điện áp, ta có: 3801  2771 100  37% 2771 Ở bão hòa từ làm độ lớn sđđ cảm ứng giảm d Điện áp không tải giảm dòng điệ khích từ Khi dòng điện kích từ (It2) định mức chia thành 27,5 khoảng, dòng điện kích từ giảm 80%, số đơn vị chia là: 80% x It2 tương ứng = 0,8 x 27,5 = 22 đơn vị chia dòng kích từ Như vậy, ta xác định điện áp khơng tải có dòng điện kích từ 80% dòng điện kích từ định mức là: U o  31 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2863 V VÍ DỤ 2.2 Làm lại ví dụ 2.1 với cos = 0,9 (vượt trước) Bài Giải Mạch điện thay máy phát đồng pha trình bày hình 2.8a a Tính sđđ kích thích Et Điện áp pha góc lệch pha: U Ud  4800  2771,28 V ;  = cos-1(0,9) = - 25,84o ~  * 1000 10 S  UI    25,84 o  2771,280 o  I* *  I  120 ,28  25,84 o  I  120 ,2825,84 o A Sơ đồ mạch điện tương đương trình bày hình 2.8a Sđđ kích thích pha máy: t U   IjX âb  2771,280o  120 ,2825,28 o  j13,8 E  t  2534 ,8136,11o V E Et = 2534,81 V;  = 36,11o b Điện áp khơng tải Điện áp khơng tải có từ hình 2.8 Đường cong tuyến tính hóa vẽ cách, điểm qua gốc tọa độ điểm đường cong từ hóa có điện áp pha 2771V Chia trục điện áp thành tỉ lệ: So với sức điện động kích thích Et: 47 2535  27 ,4 đơn vị chia đường tuyến tính hóa 92,37 Từ điện áp 2535V đường tuyến tính hóa, hạ đường song song trục đứng gặp đường cong từ hóa xác định điện áp khơng tải: U o  29 đơn vị x 92,37 V/đơn vị chia = 2679 V c Độ thay đổi Điện áp định mức ΔU âm %  U o  U âm 2679  2771 100  100  3,32% U âm 2771 2.1.4 Đặc tính điều chỉnh Đặc tính điều chỉnh máy phát quan hệ dòng điện kích từ It theo dòng điện tải I điện áp U không đổi It cos =0,8 (cảm) tốc độ quay rotor n, cos khơng đổi (hình 2.9) Đặc tính cho biết cần phải cos =1 điều chỉnh dòng điện kích từ để It0 giữ điện áp U đầu cực máy phát không đổi tăng tải Thường máy phát cos =0,8 (dung) điện đồng có tự động điều chỉnh dòng kích từ để giữ điện áp khơng đổi I Dòng điện kích thích thay đổi ứng với Iđm tính chất tải khác nhau: - Tải trở: tăng tải phải tăng dòng Hình 2.9 Đặc tính điều chỉnh điện kích từ It để bù điện áp rơi dây quấn phần ứng - Tải có tính cảm: tăng tải phải tăng dòng điện kích từ It mạnh (1,7-2,2) Ito, để khắc phục phản ứng phần ứng khử từ - Tải có tính dung: tăng tải giảm It, phản ứng phần ứng trợ từ làm U tăng 2.2 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG Trong nhà máy điện máy phát nối chung vào cái, hệ thống điện gồm nhiều nhà máy nối với nhau, tạo thành lưới điện, máy phát điện đồng làm việc song song Có nhiều ưu điểm máy phát điện đồng làm việc song song giảm vốn đầu tư đặt máy phát điện dự trữ, đảm bảo an toàn cung cấp điện sử dụng nguồn lượng cách kinh tế Khi nối máy phát làm việc song song công suất lưới điện lớn so với công suất máy phát, tần số điện áp lưới điện gần không đổi thay đổi tải Trước đưa máy phát vào làm việc với lưới điện tức hồ đồng (hình.2.10), phải kiểm tra điều kiện sau đây: Điện áp máy phát phải điện áp lưới điện Tần số máy phát phải tần số lưới điện 48 Thứ tự pha máy phát phải giống thứ tự pha lưới điện Điện áp máy phát điện áp lưới điện phải trùng pha Trên sơ đồ hình 2.10, máy phát điện đồng F1 máy phát làm việc với lưới, máy F2 máy phát chuẩn bị ghép làm việc song song F1 tức nối vào lưới, đồng kiểu ánh sáng hình thành ba đèn dây tóc 1, Lưới điện   UL,f , L U AF U 12 MC1 V MC2 F  U AL L  U BF  U CL F2 F1 UF,fL it1 it2 +  U  U _ -  U CF + (a)  U BL (b) Hình 2.10 Hòa đồng máy phát đồng vào lưới điện Kiểm tra điều kiện để ghép máy phát làm việc song song Để ghép máy phát F2 vào lưới ta phải kiểm tra điều kiện nối máy phát điện làm việc song song Dùng vônmét V để kiểm tra UF = UL, không ta điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát để điện áp máy phát điện áp lưới Tần số thứ tự pha kiểm tra đồng với ba đèn 1, Khi tần số f F   U  L U  F đặt vào đèn 1, 2, có tần số fF - fL Nếu thứ tự fL điện áp ΔU pha máy phát lưới giống ba đèn tối sáng với tần số Điện áp U đặt ba đèn hiệu số điện áp pha tương ứng hai hình điện áp máy phát F2 lưới điện hình 2.10b Như điện áp đặc lên đèn U (0 < U < 2UF) có lúc lớn 2UF, Chọn đèn có điện áp Uđm = 2UF Khi điều kiện thỏa mãn tức điện áp hai đầu máy cắt khơng, ta đóng máy cắt MC để hòa đồng Đóng máy cắt MC chu kỳ sáng tối đèn từ  5s đóng MC đèn tối hẳn Nếu không đảm bảo điều kiện trên, có dòng điện lớn chạy quẩn máy, phá hỏng máy gây rối loạn hệ thống điện 72 345,614   16,4o  256 ,580o  I  j0,667  I  176 ,634,06 o A Góc lệch pha điện áp dòng điện động điện đồng bộ: φ  Ψu  Ψi  0o  34,06 o  34,06 o  cos = cos(-34,06o) = 0,828 (R-C) c Tính hệ số công suất lưới điện: QĐB  PĐB  tg(34,06 o )  116562 ,5  tg(34,06 o )  78800 ,1 VAr QĐK  PĐK  tg(cos1 φ)  233611 ,7  tg(cos 0,891)  119035 ,3 VAr QLæåïi  QĐB  QÂK  78800 ,1  119035 ,3  40235 ,2 VAr ~ S Lưới = Plưới +Qlưới = 400174,19 + 40235,2j = 4021915,74o VA Hệ số công suất lưới điện: coslưới = cos(5,74o) = 0,995 (tải R-L) Nguồn ba pha, 460V, 50Hz Nguồn ba pha (a) ĐB ĐK Tải R QĐK (b) 50kW 27o 233611,7W 30,06o 116562,5W QĐB Hình VD 2.12 Mạch điện tương đương đồ thị vector ví dụ 73 d Tính hệ số công suất lưới điện đơn vị: Để hệ số công suất lưới điện 1, động điện đồng phải phát thêm công suất phản kháng bù hết công suất phản kháng động điện không đồng tiêu thụ -40235,2 VAr Vậy: ~ S ĐB = 116562,5 – j(78800,1+40235,2) = 166602-45,6o VA Ta có: ~   I* SĐB   U ~ S 166602   45,6 o *  I  ĐB   209 ,1  46,6 o A  3U  256 ,58  I  209 ,146,6 o A Sđđ kích thích động điện đồng bộ: t U   I A jX âb E  t  256 ,580o  209 ,145,6  j0,667  378,04  14,96 o V E Khi bỏ qua ảnh hưởng bão hòa từ, ta có Et    It , nên: 378 ,04  345 ,614 ΔE t %  ΔI t %   9,38% 345 ,614 2.12 XÁC ĐỊNH THAM SỐ MÁY ĐỒNG BỘ BẰNG THÍ NGHIỆM Điện kháng đồng phụ thuộc vào mức độ bão hòa từ có trị số khác ứng với tải dòng điện kích từ khác Điện kháng đồng nhà nhà sản xuất cung cấp để tính tốn độ thay đổi điện áp phân tích chế dộ tải khác, với dòng điện kích thích, sở cung cấp điện áp khơng tải dòng điện ngắn mạch tương ứng Trong trường hợp tham số máy điện đồng khơng nhà sản xuất cung cấp, ta thí nghiệm chiều, khơng tải ngắn mạch để xác định Thí nghiệm chiều Mục đích thí nghiệm chiều để xác định Rư Nó thực cách nối hai đầu dây quấn stator với nguồn chiều thấp hình 2.32a Biến trở điều chỉnh cung cấp trị số dòng điện điện áp, điện trở dầu dây stator xác định định luật Ohm, theo hình 2.32a,b dây quấn stator nối hình sao: VDC R  R Y  DC I DC Nếu dây quấn stator nối hình tam giác hình 32c, R DC  R DC  R Δ .2R Δ R Δ  2R Δ (2.23)  R Δ  1,5R DC (2.24) Chú ý: hiệu ứng mặt ngồi, trị số điện trở tính từ biểu thức (2 23) (2.24) phải nhân thêm hệ số gọi hệ số hiệu ứng mặt ngoài, mặt dù hệ số thay đổi với máy khác nhau, gần lấy 1,2 Như vây: 74 R æ  1,2R Y Nguồn DC điều chỉnh điện áp hay R æ  1,2R Δ (2.25) a A V MB b c (a) a IDC RY Y Y R b c UDC R  b Y UDC RY Y IDC a c R  R  (b) (c) Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện thí nghiệm xác định Rư Thí nghiệm khơng tải Khi thí nghiệm khơng tải, u cầu tốc độ quay động sơ cấp không đổi định mức, điều chỉnh dòng điện kích từ để có điện áp cực máy phát định mức lúc không tải Mạch điện nối dây thí nghiệm trình bày hình 2.27a Số liệu thu từ thí nghiệm khơng tải là: It0 U0d (= Uđm) Trong đó: Ito = dòng điện kích thích để sinh sđđ E=Uđm lúc không tải (A) U0d = điện áp dây lúc khơng tải (V) Thí nghiệm ngắn mạch Khi nối ngắn mạch ba pha stator trình bày hình 2.27b, yêu cầu yêu cầu tốc độ quay động sơ cấp không đổi định mức, điều chỉnh dòng điện kích thích thấp đến dòng điện kích thích để sinh điện áp thí nghiệm khơng tải Mạch điện nối dây thí nghiệm trình bày hình 2.27b Số liệu thu từ thí nghiệm ngắn mạch là: It0 Ino (= Uđm) Trong đó: Ino = dòng điện dây trung bình ngắn mạch ba pha (A) 75 Điện kháng đồng Tỉ số điện áp pha nhận từ thí nghiệm khơng tải dòng điện pha nhận từ thí nghiệm ngắn mạch điện kháng đồng pha: Z đb  U 0,pha (Ω ) I no,pha (2.26) V PƯ Động Sơ Cấp A KT Nguồn DC It Rđc (a) Nối ngắn mạch A A PƯ Động Sơ Cấp A A KT Nguồn DC It (b) Rđc Rư Zđb jXđb PƯ KT (c) Hình 2.27 Sơ đồ nối dây thí nghiệm khơng tải (a); ngắn mạch (b); mạch điện tương đương (c) 76 Thay điện trở phần ứng Rư tính biểu thức (2.25) Zđb (2.26) tổng trở đồng gồm điện trở mắc nối tiếp với điện kháng trình bày mạch điện tương đương hình 2.27c, ta có: Z âb  R æ  jX âb  X âb  Z âb  R 2ỉ Nếu Rư