Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Ảnh hưởng sự thay đổi tần số đối với hệ thống điện
2.1.1 Đối với đường dây
Xét hệ số K:
= ( )
( ) (2.1)
Trong đó: f là tần số hệ thống (Hz)
fn là tần số danh định của hệ thống (50 Hz hoặc 60 Hz)
Khi tần số hệ thống bằng tần số danh định thì K là 1. K ở đây chính là tần số trong đơn vị tương đối với fbase = 50 Hz (hoặc 60 Hz).
Khi tần số định mức, mơ hình đường dây truyền tải AC, độ lớn tổng trở đường dây được tính theo cơng thức:
= + ( − ) (2.2)
Với: = 2 : Giá trị cảm kháng ở tần số định mức = : Giá trị dung kháng ở tần số định mức
Khi tần số hệ thống bị sai lệch so với tần số định mức ta đặt:
= + ( − ) (2.3)
Với: = 2 = 2 = : Giá trị cảm kháng ở tần số thực tế = = = : Giá trị dung kháng ở tần số thực tế
Vậy, sự thay đổi của điện kháng tỉ lệ thuận với sự thay đổi tần số và sự thay đổi dung kháng tỉ lệ nghịch với sự thay đổi tần số.
Khi tần số tăng, giá trị XL tăng và giá trị XC giảm là cho giá trị XL – XC tăng lên kết quả dẫn đến giá trị tổng trở Z của đường dây tăng lên. Tam giá trở kháng thể hiện giá trị tổng trở được thể hiện như hình 2.1 bên dưới.
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 8
HVTH: Nguyễn Hồng Nhật
Hình 1: Sự thay đổi của tổng trở khi tần số tăng
Ngược lại, khi tần số giảm, giá trị XL giảm trong khi giá trị XC tăng làm cho giá trị XL–XC giảm, kết quả là tổng trở Z của đường dây giảm.
Sự thay đổi của trở kháng đường dây làm ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố công suất trên hệ thống điện, đặc biệt đối với lưới được nối mạng vòng. Khi tần số giảm, giá trị tổng trở giảm làm cho dòng điện đi qua dây dẫn tăng lên, điều này có thể làm quá tải đường dây truyền tải.
2.1.2 Đối với tải động cơ
Đối với động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng) Tốc độ đồng bộ của động cơ được tính theo cơng thức:
=2 × 60 (2.4)
Với: ns là tốc độ đồng bộ của động cơ (rpm) fs là tần số hệ thống điện (Hz)
p là số cực của động cơ (pole)
Tần số hệ thống ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ động cơ, khi tần số thay đổi tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi theo. Điều này ảnh hưởng đến những dây chuyền sản xuất hay hệ thống máy móc mà hoạt động bị ảnh hưởng lớn bởi tốc độ quay của động cơ.
Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ hoạt động với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ một lượng ns - nr với hệ số trượt s đại điện cho độ lệch tốc độ này theo công thức:
= − (2.5)
Với: s là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ (pu) ns là tốc độ đồng bộ (rmp)
nr là tốc độ rotor của động cớ không đồng bộ (rpm)
Khảo sát mạch điện tương đương của động cơ điện khơng đồng bộ 3 pha như hình 2.2 [3].
Rs, Rr là điện trở stator và rotor Xs, Xr là điện kháng stator và rotor Xm là điện kháng từ hóa
Is, Ir là dịng điện trên stator và rotor Vs là điện áp trên đầu cực của động cơ s là hệ số trượt
Hình 2: Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ 3 pha
Pag là công suất trên rotor (công suất đi qua khe hở khơng khí (air-gap)) Khi tần số giảm, tốc độ đồng bộ của động cơ giảm làm cho tốc độ đầu ra trên trục rotor của động cơ giảm gây giảm công suất đầu ra của động cơ, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Ngoài ra, tần số giảm làm điện kháng từ hóa Xm và điện kháng stator và rotor Xs, Xr giảm trong khi điện áp đầu vào Vs không đổi làm cho dòng điện
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 10
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
trên stator Is tăng gây nóng động cơ (động cơ tiêu thụ cơng suất phản kháng nhiều hơn).
2.1.3 Đối với máy biến áp
Khảo sát mạch điện máy biến áp 2 cuộn dây như hình 2.3 [3].
Zp = Rp + jXp ; Zs = Rs + jXs
Rp, Rs là điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp Xp, Xs là điện kháng dây quấn sơ cấp và thứ cấp Np, ns là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp
Xmp là điện kháng từ hóa máy biến áp quy đổi về phía sơ cấp Hình 3: Mạch điện tương đương của máy biến áp 2 cuộn dây
Mơ hình mạch điện tương đương trong máy biến áp ngoài các thành phần điện kháng Xp, Xs ở cả cuộn sơ cáp và thứ cấp cịn có thành phần điện kháng để từ hóa mạch từ máy biến áp Xmp. Các thành phần điện kháng này ảnh hưởng rất lớn khi tần số thay đổi, đặc biệt là thành phần điện kháng từ hóa Xmp.
Khi tần số giảm, điện Xp, Xs, Xmp kháng trên máy biến áp giảm làm cho dòng tải qua máy biến áp tăng, thành phần điện điện kháng Zmp trong máy biến áp giảm cịn làm tăng dịng điện dùng để từ hóa máy biến áp, gây nóng máy biến áp khơng cần thiết (dịng điện này là tổn hao khơng tải của máy biến áp, tổn hao này tăng cao khi tần số của máy biến áp giảm so với tần số làm việc định mức). Điều này làm giảm công suất định mức của máy biến áp do phải tăng dòng điện để từ hóa lõi thép, ảnh hưởng đến phân bố công suất của hệ thống.
Khi tần số tăng, điện kháng Xp, Xs, Xmp trên máy biến áp tăng, dòng điện từ hóa máy biến áp giảm (tổn hao khơng tải trong máy biến áp giảm). Tuy nhiên, khi lõi thép
máy biến áp làm việc với tần số cao hơn tần số định mức sẽ làm nóng lõi thép do dòng điện Foucault (tùy theo chất lượng lõi thép và độ tăng của tần số mà dòng điện này lớn hay nhỏ) đồng thời làm rung các lá thép kĩ thuật điện trong máy biến áp (máy biến áp sẽ phát ra tiếng kêu lớn hơn bình thường nếu các gơng từ trong máy biến áp yếu).
2.1.4 Đặc tính của một số loại tải thơng dụng
Đặc tính động của tải là thơng số đặc trưng cho sự thay đổi công suất của thiết bị theo tần số và điện áp. Dưới đây là khảo bảng khảo đặc tính động dùng để tham khảo của một số loại tải.
Bảng 2.1: Đặc tính động của một số loại tải [3]
Thành phần Cos P/V Q/V P/f Q/f
Đèn sợi đốt, máy nước nóng, bếp
điện dây mayso 1.0 2.0 0 0 0
Đèn huỳnh quang 0.9 0.96 7.4 1.0 -2.8
Động cơ công nghiệp 0.88 0.07 0.5 2.5 1.2
Động cơ quạt 0.87 0.08 1.6 2.9 1.7
Máy bơm nước 0.85 1.4 1.4 5.0 4.0
Máy biến áp (không tải) 0.64 3.4 11.5 0 -11.8
(Trích trong bảng 7.1 tài liệu [3], các thơng số được khảo sát từ những năm 80 của thế kỉ XX. Tuy nhiên, các thơng số được trích dẫn là ít thay đổi theo thời gian)
Theo đặc tính động của các tải theo tần số, tải động cơ có cơng suất giảm rất nhiều khi tần số giảm và ngược lại công suất động cơ tăng khi tần số tăng. Tải máy biến áp tiêu thụ nhiều công suất phản kháng khi tần số giảm và tiêu thụ ít cơng suất phản kháng khi tần số tăng.