Ảnh hưởng củ al hồ quang đến lưới điện

5. í nghĩa thực tiễn của đề tài

3.2. Ảnh hưởng củ al hồ quang đến lưới điện

3.2.1. Sụt giảm điện ỏp do khởi động l hồ quang

Khi cỏc điện cực của l hồ quang khởi động, cỏc điện cực được gõy ngắn mạch để tạo ngọn l a hồ quang. Điện ỏp thứ cấp của mỏy biến ỏp l sụt giảm gần về khụng ho c về khụng. D ng điện tăng đột ngột thụng qua biến ỏp l gõy sụt giảm ở lưới điện cung cấp. Quỏ trỡnh gõy ngắn mạch điện cực khoảng từ 0.5s đến 20s và được kết thỳc sau khi d ng hồ quang ổn định ở một giỏ trị đó được tớnh toỏn thiết kế trước.

51

3.2.2. Quỏ điện ỏp do hồ quang

Khi hồ quang đang trong giai đoạn nấu chảy kim loại, do tỏc động nhiệt cỏc nguyờn liệu ho c phế liệu núng chảy bị sụt xuống l là tan chảy, d ng hồ quang giảm đột ngột và cú thể ngắt. Tại thời điểm này mỏy biến ỏp l hở mạch, thụng qua biến ỏp l hệ thống cung cấp cũng dao động tăng điện ỏp và cú cỏc tớnh chất quỏ độ điện ỏp.

3.2.3. Phỏt sinh súng hài

Vấn đề súng hài đó được quan tõm từ rất lõu. Ngay từ nh ng năm 1970 cỏc chuyờn gia về năng lượng điện đó phỏt hiện ra ra và nghiờn cứu về nú. Súng hài là một vấn đề khú khi nú lại nằm chớnh trong tần số c bản lưới điện. Súng hài sinh ra mạnh khi cỏc l hồ quang điện hoạt động do đ c tớnh phi tuyến của l .

Súng hài gõy nờn cỏc tổn thất phụ của động c làm cho động c rung, lắc trong quỏ trỡnh vận hành tạo ra tiếng ồn và quỏ ỏp súng hài.

Tạo ra tổn thất phụ cho cỏc mỏy biến ỏp vỡ cỏc mỏy biến ỏp được thiết kế để phỏt nguồn điện yờu cầu tới tải với tổn thất nhỏ nhất trong tần số c bản. Súng hài làm tăng nhiệt độ mỏy biến ỏp

3.2.4. Mộo dạng súng điện ỏp và d ng điện

Do đ c tớnh phi tuyến của l hồ quang làm mộo dạng súng của d ng điện và điện ỏp khiến cho chỳng khụng c n dạng súng sin n a. Khi lưới điện cú độ mộo d ng điện ho c điện ỏp lớn thỡ một số thiết bị cú yờu cầu chất lượng điện năng khụng thể khởi động và hoạt động theo cụng suất thiết kế được.

3.2.5. Dao động điện ỏp và nhấp nhỏy điện ỏp

Trong quỏ trỡnh hoạt động, l hồ quang gõy ra dao động điện ỏp cú mật độ cao trong thời gian dài dẫn đến hiện tượng flicker gõy ảnh hưởng đến cỏc thiết bị chiếu sỏng làm cho nguồn sỏng khụng ổn định gõy tổn hại đến thị lực của con người.

52

3.3. Một số phư ng phỏp mụ phỏng l hồ quang

L hồ quang là tải khụng cõn bằng, phi tuyến, thay đổi liờn tục từ chế độ hở mạch đến chế độ ngắn mạch vỡ vậy ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện năng. Một tải l hồ quang cú thể gõy ra súng hài, đa hài, mất cõn bằng điện ỏp, nhấp nhỏy điện ỏp.

Việc mụ hỡnh húa l hồ quang là vấn đề rất cần thiết cho việc đỏnh giỏ ảnh hưởng của nú gõy ra về súng hài và nhấp nhỏy điện ỏp. Hoạt động nung núng kim loại của l hồ quang là quỏ trỡnh ngẫu nhiờn nờn khú khăn cho việc xõy dựng một mụ hỡnh chớnh xỏc cho tải l hồ quang. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của l hồ quang bao gồm: trở khỏng l hồ quang, điện ỏp d ng điện của l , đ c điểm của quỏ trỡnh nung chảy hay luyện kim, cụng suất tỏc dụng và phản khỏng ở cỏc chế độ vận hành, vị trớ cỏc điện cực, điện ỏp của nguồn cung cấp. Mụ hỡnh húa một l hồ quang điện phụ thuộc và cỏc yếu tố: điện ỏp, d ng điện, chiều dài hồ quang (được xỏc định bằng vị trớ gi a cỏc điện cực).

Nghiờn cứu mụ hỡnh húa và mụ phỏng l hồ quang dựa trờn cỏc thụng số trờn và mối tư ng quan gi a chỳng. Hiện nay cú rất nhiều phư ng phỏp mụ phỏng l hồ quang 3 pha. Một cỏch tổng quỏt cú thể phõn thành 2 loại:

- Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền thời gian. - Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền tần số.

Phõn loại một cỏch chi tiết, cỏc mụ hỡnh l hồ quang cú thể được phõn loại như sau: - Đ c tớnh V-I

- Mụ hỡnh mạch điện phi tuyến tư ng đư ng dựa trờn miền thời gian - Mụ hỡnh nguồn súng hài điện ỏp

- Phư ng trỡnh vi phõn phi tuyến - Phư ng phỏp quỏ trỡnh ngẫu nhiờn.

Phư ng phỏp đ c tớnh V-I là phư ng phỏp đ n giản và trực tiếp, cú thể đỏp ứng ở một điều kiện vận hành nhất định, việc đ n giản húa đ c tớnh V-I là yếu tố chớnh của sự chớnh xỏc. Phư ng phỏp s dụng mạch tư ng đư ng trờn miền thời

53

gian dựa vào đ c tớnh V-I đ n giản h n so với phư ng phỏp s dụng đ c tớnh V-I. Phư ng phỏp s dụng nguồn điện ỏp súng hài dựa trờn c sở cỏc nghiờn cứu về súng hài của một súng điện ỏp hồ quang đó biết. Phư ng phỏp dựa trờn cụng thức thực nghiệm cho một kết quả tốt. Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền súng hài dựa trờn phư ng trỡnh vi phõn phi tuyến phụ thuộc vào cấu trỳc hệ thống và điều kiện hoạt động. Phư ng phỏp quỏ trỡnh ngẫu nhiờn cú thể phản ỏnh hoạt động của l hồ quang, mụ hỡnh này chủ yếu để nghiờn cứu hiện tượng chập chờn điện ỏp.

Một số phư ng phỏp mụ phỏng l hồ quang được giới thiệu như dưới đõy:

3.3.1. Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền thời gian

a. Phương phỏp đặc tớnh -I (VIC)

 Model 1

Model này được xõy dựng dựa trờn cỏc phư ng trỡnh toỏn học mụ tả đ c tớnh điện ỏp- d ng điện của l hồ quang. Hỡnh 3.3 giới thiệu một đ c tớnh d ng ỏp điển hỡnh của một l hồ quang. Giả thiết điện ỏp Vig là điện ỏp mồi hồ quang, khi điện ỏp gi a cỏc điện cực giảm xuống một giỏ trị nào đú thỡ hồ quang bị tắt, giả s điện ỏp khi hồ quang bị tắt là Vex . Cỏc giỏ trị trờn được xỏc định bởi chiều dài hồ quang trong quỏ trỡnh hoạt động, R1 & R2 là độ dốc của đường OA và AB.

Hỡnh 3.3. Đặc tớnh -I model 1

54 1 1 2 2 1 2 1 0 (3.1) (1 ) ig R i i i v R R i V i i i R                  Trong đú 1 1 ex 2 2 2 1 1 1 ( ) ig ig V i R V i V R R R     Model 2.

Một kiểu mụ hỡnh khỏc khỏc dựa trờn VIC được thể hiện trờn hỡnh 3.4. Do điện ỏp hồ quang thay đổi rất nhanh nờn mụ hỡnh này bỏ qua thời gian tăng điện ỏp. Kết quả là sự thay đổi đột ngột điện ỏp hồ quang khi d ng điện hồ quang đi qua điểm khụng. Quan hệ d ng ỏp được mụ tả bằng biểu thức:

( ). at C (3.2) V sig i V D i           

Với Vat là ngư ng điện ỏp duy trỡ phản ỏnh điều kiện hoạt động của l hồ quang

.

al

V  A B l

(l là chiều dài hồ quang, A và B là cỏc hệ số dựa trờn thực nghiệm)

Hỡnh 3.4. Đặc tớnh -I Model 2

Model 3

Phư ng phỏp thứ 3 s dụng đ c tớnh V-I phi tuyến gần đỳng (hỡnh 3.5). Ở phư ng phỏp này, hoạt động của l hồ quang được chia thành 3 giai đoạn. Giai đoạn 1 từ khi hồ quang bị dập tắt đến khi được mồi lại. Biờn độ điện ỏp tăng từ giỏ

55

trị khi hồ quang bị tắt -Vex đến điện ỏp mồi hồ quang Vig , l hồ quang hoạt động như một điện trở, d ng điện hồ quang thay đổi từ -i3đến i1. Giai đoạn 2 là giai đoạn bắt đầu hồ quang làm núng chảy kim loại, giai đoạn này cú sự giảm điện ỏp đột ngột trờn cỏc điện cực, do vậy điện ỏp hồ quang giảm từ Vig đến Vst và d ng điện tăng từ

i1 đến i2. Cú thể coi gần đỳng điện ỏp hồ quang giảm theo quy luật của hàm mũ. Giai đoạn 3 là quỏ trỡnh hồ quang chỏy ổn định, điện ỏp hồ quang giảm chậm và đều đ n từ Vst về Vex. Do d ng điện tăng đến giỏ trị lớn nhất trước khi giảm xuống i3

nờn đường đ c tớnh V-I được chia thành phần d ng điện tăng và phần d ng điện giảm. Cỏc giai đoạn được thể hiện như sau:

                                      1 1 2 1 st ig st 1 2 T st 2 2 2 ex 3 3 3

R i i i và tăng lên hoặc i i và giảm đi (i i

V (V V ) exp i i i

V i (3.3)

V (i i )R i i và tăng lên V (i i )R i i và giảm đi Trong đú R1; R2; R3 phự hợp với độ dốc của mỗi đoạn

ig ex 1 2 1 3 T 1 1 1 V V i ; i 3i ; i ; i 1.5i R R    

Trong phư ng phỏp mụ phỏng này, giỏ trị điện ỏp trung bỡnh Vm là một hàm phụ thuộc vào vị trớ cỏc điện cực của l , được s dụng để phản ỏnh cỏc điều kiện hoạt động của l , Vig; Vst; Vex được coi là tỉ lệ thuậnt với Vm.

56

Với mỗi đường đ c tớnh V-I khỏc nhau được mụ tả bởi một phư ng trỡnh toỏn học khỏc nhau, phư ng phỏp nghiờn cứu trờn miền thời gian được chia thành hai loại là phư ng phỏp VIC trực tiếp (DVIC) và phư ng phỏp nguồn điện ỏp.

 Phư ng phỏp DVIC

Với một l hồ quang đ n giản, quan hệ điện ỏp và d ng điện cú thể được mụ tả như sau:               a a s a a a dI (t) V (t) V (t) RI (t) L (3.4) dt V (t) f(I (t))

Với Va và Ia là điện ỏp và d ng điện hồ quang, Vs là điện ỏp nguồn, R và L là điện trở và điện khỏng mạch điện thay thế

Cũng cú thể s dụng một mụ hỡnh toỏn học khỏc để diễn tả hoạt động của l hồ quang. Phư ng phỏp Euler cú thể mụ tả gần đỳng quan hệ d ng điện- điện ỏp bởi hệ phư ng trỡnh sau:                                        a s m a m s a a a a 2L 2L V (t) V (t) I (t t) L( R)I (t) t t t I (t t) (V (t t) RI (t t) V (t t)) (3.5) 2L V (t) f(I (t))

 Phư ng phỏp điện ỏp nguồn

Ở phư ng phỏp DVIC, việc tỡm được một phư ng trỡnh toỏn học để mụ tả đ c tớnh d ng ỏp của l hồ quang là rất khú khăn. Với phư ng phỏp điện ỏp nguồn, bắt đầu từ súng điện ỏp thay đổi liờn tục, giỏ trị điện ỏp hồ quang thay đổi ở mức độ khụng đỏng kể gi a hai lần kế tiếp nhau. Như vậy phư ng phỏp điện ỏp nguồn cú thể được đề cập đến bằng biểu thức toỏn học gần đỳng. Giả thiết giỏ trị điện ỏp và d ng điện hồ quang ban đầu đó biết, khi điện ỏp hồ quang thay đổi khụng đỏng kể so với điện ỏp nguồn ta cú thể giả thiết rằng điện ỏp hồ quang tại bước n bằng điện ỏp tại bước n-1. , d ng điện hồ quang cú thể tớnh được ở phư ng trỡnh đầu tiờn của biểu thức (5) và cuối cựng tớnh được điện ỏp hồ quang.

57

3.3.2. Phư ng phỏp sử dụng mạch điện tư ng đư ng khảo sỏt trờn miền thời gian (DTEC).

Khụng giống như phư ng phỏp VIC, phư ng phỏp TDEC s dụng mạch điện tư ng đư ng bao gồm nguồn điện ỏp và điện trở, sau khi nghiờn cứu VIC, dạng súng điện ỏp và d ng điện hồ quang.

Model 4

Phư ng phỏp mụ phỏng này s dụng mạch điện tư ng đư ng như hỡnh 3.6. Tại thời điểm t1 hồ quang tắt và d ng điện thay đổi trờn điện cực của nú. Điện ỏp hồ quang là điện ỏp trờn cỏc xỉ bọt được tạo thành sau khi được thổi khớ. Khi điện ỏp trờn xỉ bọt tăng điện ỏp làm núng chảy kim loại tại thời điểm t2, hồ quang bắt đầu làm núng chảy kim loại và gi khụng đổi ở giỏ trị điện ỏp hồ quang UB. Do giỏ trị d ng điện ở hai thời điểm t1 và t2 khỏc nhau khụng nhiều nờn mạch giả thiết là bằng nhau. Như vậy tại thời điểm t1 điện ỏp hồ quang đảo cực và tại thời điểm t2 quỏ trỡnh nung chảy kim loại bắt đầu. Điện ỏp UB phụ thuộc vào khoảng cỏch cỏc điện cực phản ỏnh tỡnh trạng làm việc của l .

Trong mụ hỡnh này, điện ỏp hồ quang gần đỳng UB và việc ước lượng thời gian t1 và t2 là yếu tố chớnh mang lại sự chớnh xỏc.

+UB

-UB

R1

t1 t2

Hỡnh 3.6. Sơ đồ mạch điện tương đương model 4

Model 5

Một mạch điện tư ng đư ng được giới thiệu để mụ hỡnh húa một tải l hồ quang điện (hỡnh 3.7). Mạch điện dựa trờn c sở đường đ c tớnh V-I của model 1. Điện ỏp hồ quang được coi như một nguồn xung điện ỏp vuụng biờn độ Uac và một

58

điện trở giỏ trị õm. Chọn cỏc giỏ trị gần đỳng là yếu tố chớnh để cú kết quả mụ phỏng chớnh xỏc.

R2

R1

Hỡnh 3.7. Sơ đồ mạch điện thay th model 5

3.3.2. Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền tần số

Phư ng phỏp phõn tớch trờn miền tần số chỉ ra điện ỏp và d ng điện hồ quang được cấu thành bởi cỏc thành phần điều h a của chỳng. Cú thể phõn loại thành phư ng phỏp nguồn điều h a điện ỏp (HVS) và phư ng phỏp giải phư ng trỡnh vi phõn phi tuyến trờn miền súng hài (HDSNDE).

Model 6

Phư ng phỏp HVS s dụng biến đổi Fourier từ dạng súng điện ỏp hồ quang thành cỏc thành phần súng hài, sau đú cỏc thành phần súng hài của d ng điện được tớnh toỏn thụng qua cỏc thành phần điện ỏp súng hài.

Do điện ỏp hồ quang thay đổi rất nhanh trờn cỏc điện cực nờn cú thể coi điện ỏp hồ quang là xung vuụng với biờn độ Ud. Tần số gúc của hệ thống là  và Ua (t) là điện ỏp hồ quang, chuỗi Fourier của Ua (t) được biều diễn như sau:

d a k 1 4U U (t) sin k t k       với k = 1, 3, 5, 7…. (3.6)

Điện ỏp nguồn Vs  2E sin( t  ) và tổng trở của hệ thống là Zk k tại tần số súng hài bậc kth . Giả thiết d ng điện bằng khụng khi điện ỏp thay đổi trờn cỏc điện cực, điện ỏp hồ quang ở tần số c bản là:

    

a1 t 1

U Esin( ) (3.7)

59 Uak ZS        k 1 k 1 t k sin 1 Z với k 1, 3, 5, 7.... (3.8) kZ

H n n a gúc pha của điện ỏp nguồn được tớnh toỏn bằng cỏch giả thiết sự biến đổi cụng suất lớn nhất ở tần số c bản, như vậy:

             1 1 t 1 1 1 tan (3.9) 2 cos( )

Từ nh ng tớnh toỏn trờn, ta cú s đồ mạch điện thay thế ở tần số c bản bao gồm điện trở hồ quang và một điện khỏng như hỡnh 6.

E

ZS

jXNL RNL

Hỡnh 3.7: Sơ đồ mạch điện thay th ở tần số cơ bản

Trong đú: 1 1 NL t 1 t 1 1 NL 1 t 1 1 Z X 1 sin Z sin( ) R

cos( ) cos sin( )

                          (3.10)

Hỡnh 3.8 cho s đồ mạch thay thế để tớnh toỏn thành phần súng hài bậc kth, trong đú Uak là nguồn điện ỏp điều h a.

60 V(t)

Zs Zt

PCC AF

Ở phư ng phỏp này, giả thiết cụng suất lớn nhất của l hồ quang là lớn nhất khi ở tần số c bản, tuy nhiờn điều đú khụng luụn đỳng với hoạt động của l hồ quang.

Phư ng phỏp giải phư ng trỡnh vi phõn phi tuyến trờn miền súng hài