Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ

Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ giới thiệu tới người đọc các nội dung: Những khái niệm và giả thiết, ngắn mạch đột nhiên ba pha máy phát đồng bộ. Cuối chương có phần bài tập để người đọc tự ôn tập và củng cố kiến thức.

86 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 87 Chương QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3.1 NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ GIẢ THIẾT Khi có thay đổi đột ngột chế độ làm việc máy điện đồng nhận tải, tải, ngắn mạch hệ thống điện …thì máy điện đồng xuất trình độ khác Nếu máy điện đồng làm việc hệ thống điện, trình độ xảy máy ảnh hưởng nhiều đến làm việc máy khác Khi có ngắn mạch xảy hệ thống điện, thời gian xảy ngắn mạch ngắn, ngắn mạch đột nhiên, ngắn mạch ngắn mạch xảy hệ thống điện, mà qúa trình qúa độ xảy thời gian ngắn khoảng vài giây từ xảy ngắn mạch đến thành lập chế độ ngắn mạch xác lập Khi ngắn mạch dòng điện xung lực điện từ lớn gây cố nghiêm trọng đến máy phát điện thiết bị điện khác dẫn đến tai hại ngừng cung cấp điện Hiện tượng xảy máy điện đồng trình độ lúc ngắn mạch khác với ngắn mạch xác lập, lúc dòng điện ba pha stator dòng điện rotor thay đổi có liên quan chặt chẽ với tốc độ quay rotor thường số Các q trình q độ nói chung ngắn mạch nói riêng máy điện đồng biểu diễn hệ phương trình vi phân phức tạp Như việc phân tích gặp khó khăn, dùng phương pháp phân tích dựa tượng vật lý kết hợp phương pháp giải tích tốn Trong phân tích q trình q độ lúc ngắn mạch cần ý rằng, điện trở dây quấn máy điện nhỏ so với điện kháng, nên thường khơng có tác dụng định đến trị số ban dầu dòng điện stator rotor mà khiến thành phần tự dòng điện giảm dần theo thờì gian q trình q độ Vì xác định trị số ban đầu dòng điện giả thiết Các giả thiết để thuận tiện việc phân tích: + điện trở phần ứn Rư = 0, nghĩa mạch siêu dẫn, từ thơng móc vòng với mạch siêu dẫn không đổi; + tốc độ quay rôto không đổi; + ngắn mạch xảy đầu cực máy phát điện làm việc khơng tải dòng điện kích từ It = const Chú ý: Nếu ngắn mạch xảy đường dây dẫn điện đưa đầu cực máy phát cách cộng thêm điện kháng đường dây 3.2 NGẮN MẠCH ĐỘT NHIÊN BA PHA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 3.2.1 Hiện tượng vật lý xảy FĐB ngắn mạch ba pha 88 Giả thiết thời điểm xảy ngắn mạch (t=0), vị trí cực từ dây quấn AX, BY, CZ hình 3.1 Lúc xảy ngắn mạch trục cực từ trục a dây quấn pha A làm thành góc  hình 3.1a n d d A  Y t Z a B C ưt  A iA= Z Y a B iC= X a)  ư iB= C n d A iA Z Y a ư iB C B iC X X b) c) Hình 3.1 a) Từ trường cực từ ; b) Thành phần dòng điện khơng chu kỳ; c) thành phần dòng điện chu kỳ phần ứng lúc bắt đầu ngắn mạch tự nhiên Từ thông móc vòng xun qua pha: A  t cos  B  t cos(120 o   ) (3.2) C  t cos(240 o   ) đó: t từ thơng móc vòng cực từ với dây quấn trục cực từ trùng với trục dây quấn Ta phân tích qui luật biến đổi dòng điện dây quấn stato dòng điện dây quấn kích thích, dây quấn cản rotor Dòng điện dây quấn stato Ta giả thiết Rư = 0, tức pha A, B, C mạch siêu dẫn, từ thông A,B,C phải không đổi sau xảy ngắn mạch Muốn dòng điện pha A, B C gồm hai thành phần: + Thành phần dòng điện chiều i= để trì từ thơng móc vòng A, B, C , thời điểm t = i A   I m cos  i B   I m cos(120 o   ) (3.3) i C   I m cos(240 o   ) đó: I m trị số lớn thành phần dòng điện chiều ứng với trục cực từ trùng với trục dây quấn pha Như thành phần dòng điện chiều pha từ thông chúng sinh hình 3.1b 3.2 + Thành phần dòng điện xoay chiều i~ để sinh từ thông phản ứng phần ừng dọc trục khử từ ưd, quay đồng với rôto để khiến cho sau xãy ngắn 89 mạch tổng t + ưd khe hở không Thành phần dòng điện xoay chiều pha từ thơng chúng sinh hình 3.1c 3.2 Kết quả, dòng điện dây quấn phần ứng gồm hai thành phần: (hình 3.2) iA  iA  iA ~ i B  i B  i B~ iC  iC  iC~ iB iA iC iA iB iA= t iC iB= t t iC= iB iA iC Hình 3.2 Đường biểu diễn dòng điện ngắn mạch pha dây quấn siêu dẫn Điện kháng siêu độ độ ’’ưd ’ưd (a) (b) Hình 3.3 Từ trường dòng điện xoay chiều: a) Lúc bắt đầu ngắn mạch đột nhiên; b) Sau dòng điện dây quấn cản giảm không Đã giả thiết điện trở dây quấn kích từ dây quấn cản Rt Rc = 0, ta có mạch siêu dẫn, nên từ thông phần ứng ưd xuyên qua chúng biến thiên chúng sinh dòng điện chống lại Kết từ thông phần ứng phải theo mạch tản từ trình bày hình 3.3 Lúc nầy quan hệ hỗ cảm dây quấn phần ứng, dây quấn kích thích dây quấn cản tương tự quan hệ điện từ máy biến áp ba dây quấn, dây quấn kích thích dây quấn cản bị nối tắt Ta có mạch điện thay tương đương trình bày hình 3.4 Từ mạch điện tương đương trình bày hình 3.4, ta tính điện kháng sau đây: Xtư a) Xtư Xưd Xt Xtcd b) Hình 3.4 Sơ đồ tính điện kháng Xưd Xt 90 Điện kháng siêu độ dọc trục: X 'd'  X σæ  1 1   X æd X σt X σcd Điện kháng độ dọc trục: X 'd  X σỉ  Trong : 1  X æd X tkt Xưd = điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục Xtư = điện kháng tản dây quấn phần ứng Xtkt = điện kháng dây quấn kích thích Xtcd = điện kháng dây quấn cản Dòng điện dây quấn rơto + Trước lúc xảy ngắn mạch: Từ thông cực từ t sinh dòng điện ito xun qua dây quấn kích thích dây quấn cản rôto + Sau xảy ngắn mạch: rôto quay với tốc độ đồng bộ, vậy: - Từ thông đứng yên không gian sinh dòng điện chiều dây quấn stato xuyên qua dây quấn kích thích dây quấn cản theo qui luật hình sin Từ thơng phản ứng phần ứng dọc trục khử từ thành phần dòng điện xoay chiều dây quấn stato quay đồng không đổi so với rôto xuyên qua dây quấn kích thích dây quấn cản Với giả thiết điện trở Rt Rc = 0, mạch siêu dẫn, từ thông xuyên qua chúng t trước lúc xãy ngắn mạch Nên chúng có hai thành phần dòng điện: - Thành phần dòng điện xoay chiều để sinh từ thông xoay chiều hình sin trị số ngược dấu với từ thông dây quấn stato xuyên qua rôto theo qui luật hình sin Thành phần dòng điện chiều để sinh từ thông không đổi trị số ngược dấu với từ thông phản ứng khử từ dọc trục dây quấn stato ic it ic it ic= ito it= ito ic= ito it= t ic 91 Kết luận: Khi xảy ngắn mạch đột nhiên, dòng điện dây quấn stato rôto gồm hai thành phần chu kỳ khơng chu kỳ có liên quan chặt chẽ với nhau: thành phần chu kỳ dòng điện rơto với thành phần khơng chu kỳ dòng điện stato thành phần khơng chu kỳ dòng điện rôto với thành phần chu kỳ dòng điện stato Trên thực tế điện trở Rư, Rt, Rc  0, nên dòng điện i, it ic giảm dần theo thời gian Điện trở dây quấn phần ứng Rư  0, thành phần chiều dây quấn stator giảm dần đén trị số khơng (đường hình 3.6b), từ thơng chiều chúng sinh giảm dần đến khơng thành phần xay chiều dòng điện dây quấn kích thích dây quấn cản giảm tương ứng tới trị số không (đường hình 3.6c d) xư Hình 3.6 Đường biểu diễn dòng điện dây quấn máy phát điện đồng ngắn mạch Thành phần dòng điện chiều; Tổng thành phần dòng điện chiều xoay chiều Tương tự điện trở dây quấn kích thích dây quấn cản khác khơng, nên dòng điện chúng giảm dần khơng (đường hình 3.6c d) 92 3.2.2 Biểu thức tốn học dòng điện ngắn mạch dột nhiên ba pha Phương trình cân điện áp ngắn mạch ba pha dây quấn phần ứng, dây quấn kích từ dây quấn cản là: ωe 0  X æd  x æt X æd X æd X æd X æd  X tkt X æd X æd X æd X æd  X tcd di dt di t dt di c dt Xưt Em Xưd Xtkt Xtcd Hình 3.7 Mạch điện tương đương ngắn mạch Giải hệ phương trình vi phân với diều kiện ban đầu: t = i = 0, It = Ito, Ic = 0, ta có dòng điện I, It, Ic Dòng điện ngắn mạch i dây quấn phần ứng: E E i   m'' cos(ωt  α)  m'' cos α Xd Xd đó:  góc hợp trục cực từ trục dây quấn pha lúc xãy ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch i biểu thức gồm hai thành phần: + Dòng điện xoay chiều biến đổi hình sin theo thời gian với biên độ khơng đổi + Dòng điện chiều có trị số khơng đổi Trên thực tế Rư, Rt, Rc  nên hai thành phần dòng điện xoay chiều chiều nói giảm theo thời gian, sau trình độ dây quấn phần ứng lại dòng điện ngắn mạch xác lập Ta viết lại thành phần dòng điện xoay chiều dạng:  Em Em Em Em Em  cos( ω t  α )  (  )  (  )    cos(ωt  α) '' ' X d  X 'd' X 'd X d  X d X d Trong đó, số hạng thứ vế phải giảm dần theo số thời gian siêu độ T’’d, số hạng thứ hai giảm dần theo số thời gian độ T’ d Còn thành phần chiều biểu thức giảm dần theo số thời gian dây quấn phần ứng Tư Em 93 Vậy xét Rư, Rt, Rc  0, dòng điện ngắn mạch thời gian qúa độ giảm dần biểu thị sau:  E E E E E  E i   ( m''  m' )e 1/ T  ( m'  m )e 1/ T  m  cos(ωt  α)  m cos α e 1/ T X d  Xd Xd Xd  X d X d '' d ' d æ Tính số thời gian : - Hằng số thời gian siêu độ: ' X 'cd  ωR cd đó:X’’cd điện kháng dọc trục dây quấn cản qui đổi dây quấn stato Tương tự điện kháng dọc trục dây quấn phần ứng, ta có: Td'' 1 1   X ỉd X ỉt X tkt rcd điện trở dọc trục dây quấn cản qui đổi dây quấn stato ' X 'cd  X tc  - Hằng số thời gian độ X 'td  ωR t đó: X’t d điện kháng qui đổi phần tỉnh dây quấn kích thích, dây quấn phần tỉnh bị nối tắt Tương tự điện kháng độ dây quấn phần ứng, ta có: Td' X 'td  X tkt  1  X æd X ỉt rt điện trở qui đổi dây quấn phần tỉnh dây quấn kích từ - Hằng số thời gian tắt dần thành phần dòng điện chiều: X 'æ' Tæ  ωR æ đó: Rư = điện trở dây quấn phần tỉnh X’’ư = điện kháng thành phần dòng điện khơng chu kỳ phần tỉnh, cách gần dúng cho rằng: X 'æ'  X 'd'  X 'q'  X2 Dòng điện xung lúc ngắn mạch đột nhiên: Trị số tức thời lớn xung dòng điện lúc: t = 0,01s , khoảng T/2, tức t =  =0 Gần đúng, ta có: 94 i xg  Em X 'd' (1  e 0.01/ T ) '' æ Thường: k xg  (1  e 0.01/ T )  1.8 : hệ số xung dòng điện ngắn mạch Máy cho phép làm việc với điện áp U = 1,05Uđm, nên dòng điện xung: 1.05 1.8 2U âm i xg  X 'd' Trong hệ đơn vị tương đối: i xg 1.8  1.05 i xg*   2I âm X 'd' * Giả sử máy có dây quấn cản: X’’d* = 0,12  0.3  ixg* = 18  Giả sử máy khơng có dây quấn cản: X’’d* = 0,25  0.5  ixg* = 7.5 3 '' æ 3.2.3 Ảnh hưởng ngắn mạch Đối với máy phát Ngắn mạch sinh lực điện từ Fđt mômen Mđt lớn Vì Fđt  i2 tác dụng lên phần đầu nối dây quấn làm hỏng cách điện chúng, chỗ sát đầu rãnh, chí phá tung phần đầu nối Mđt lớn gãy trục máy bulông bắt chặc thân máy Vì lúc thiết kế máy phát phải ý đến ảnh hưởng nói Đối với hệ thống điện + Phá hoại làm việc ổn định hệ thống điện + Quá điện áp hệ thống điện 2-3 lần Uđm gây nguy hiểm cho máy biến áp thiết bị điện khác + Nhiễu đường dây thơng tin dòng điện điều hòa bậc cao sinh    CÂU HỎI ÔN TẬP Phân tích liên quan chặt chẽ thành phần dòng điện stator thành phần dòng điện rotor ngắn mạch Ý nghĩa vật lý điện kháng X’’d, X’d, X’’ư Ý nghĩa vật lý số thời gian T’’d, T’d, T’ư Trong trường hợp dòng điện nhắn mạch pha dọng điện ngắn mạch xác lập?    ...87 Chương QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 .1 NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ GIẢ THIẾT Khi có thay đổi đột ngột chế độ làm việc máy điện đồng nhận tải, tải, ngắn mạch hệ thống điện …thì máy điện đồng. .. xuất trình độ khác Nếu máy điện đồng làm việc hệ thống điện, trình độ xảy máy ảnh hưởng nhiều đến làm việc máy khác Khi có ngắn mạch xảy hệ thống điện, thời gian xảy ngắn mạch ngắn, ngắn mạch đột... máy phát điện thiết bị điện khác dẫn đến tai hại ngừng cung cấp điện Hiện tượng xảy máy điện đồng trình độ lúc ngắn mạch khác với ngắn mạch xác lập, lúc dòng điện ba pha stator dòng điện rotor