Chơng 4. Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải đối xứng 4.1 Đại cơng. Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đợc đặc trng bởi các đại lợng: U, I, I t , cos v tần số f hoặc tốc độ n. Trong đó f = f đm ; cos phụ thuộc vo tải còn lại 3 đại lợng U, I, I t xác định cho ta các đặc tính. 1. Đặc tính không tải U = f(I t ) khi I = 0; f = f đm 2. Đặc tính ngắn mạch I n = f(I t ) khi U = 0; f = f đm 3. Đặc tính ngoi U = f(I) khi I t = cte; f = f đm ; cos = Cte 4. Đặc tính điều chỉnh I t = f(I) khi U = cte; f = f đm ; cos = Cte 5. Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = cte; f = f đm ; cos = Cte Các đặc tính trên đợc xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm. Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; U v các tham số x d ; x q ; x 4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ. Sơ đồ thí nghiệm nh hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ thí n g hiệm lấ y các đặc tính của má y p hát điện đồn g bộ 1. Đặc tính không tải. (E = U = f(I t ) khi I = 0 v f = f đm ) Hệ đơn vị tơng đối E * = E/E đm ; I t* = I t / I tđm0 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 hơi bảo ho nhiều hơn máy phát tourbin nớc. Khi E = E đm = 1 máy phát tourbin hơi có k d = k = 1,2 còn máy phát tourbin nớc có k = 1,06 Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin nớc Máy điện 2 16 2. Đặc tính ngắn mạch, I n = f(I t ) khi U = 0, f = f đm v tỷ số ngắn mạch K Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r thì tải của máy phát l dây quấn của phần ứng nên nó đợc coi l thuần cảm = 0, I q = Icos = 0 còn I d = Isin = I Mạch điện thay thế v đồ thị véc tơ nh hình 4.3, ta có 4.1 d xIjE && += 0 Khi ngắn mạch vì từ thông cần thiết để sinh ra E = E - Ix d = Ix rất bé nên mạch từ không bảo ho do đó quan hệ I = f(I t ) l đờng thẳng, hình 4.4 Tỷ số ngắn mạch K. Đây l tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch I n0 ứng với dòng điện I t sinh ra E = U đm lúc không tải v dòng điện định mức I đm K = I n0 / I đm 4.2 Từ hình 4.5 ta suy ra: I n0 = U đm / x d 4.3 Với x d l điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U đm Vậy K = U đm / x d .I đm = 1/ x đ* Thờng x đ* > 1 nên K < 1, hay I n0 < I đm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn, đó l do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng. Qua hai tam giác đồng dạng OAA' v OBB' ta có: tn t dm n I I I I K 00 == 4.4 I t0 U 0 = U đm v I tn I n = I đm K l một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Hình 4.3 (a) mạch điện thay Hình 4.4 Đặc tính ngắn mạch thế; (b) đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ Hình 4-5 Xác định tỷ số ngắn mạch K K lớn U bé v P đt lớn máy lm việc ổn định, muốn K lớn thì x đ* phải lớn lớn kích thớc của máy lớn giá thnh tăng. Thờng máy phát tourbin nớc K = 0,8 - 1,8; v tourbin hơi K = 0,5 - 1,0 Máy điện 2 17 3. Đặc tính ngoi v độ thay đổi điện áp U đm Đặc tính ngoi: U = f(I) khi I t = Cte; cos = Cte ; f = f đm Các đờng đặc tính ngoi phụ thuộc vo tính chất tải nh hình 4.6 Dòng điện kích từ I t ứng với U = U đm , I = I đm , cos = cos đm v f = f đm đợc gọi l dòng điện kích từ định mức I tđm Độ thay đổi điện áp U đm 100% 0 dm dm dm U UE U = 4.5 Máy phát tourbin hơi có x d lớn hơn máy phát tourbin nớc nên U đm % của nó lớn hơn máy phát tourbin nớc. Thờng U đm % = (25 - 35)% 4. Đặc tính điều chỉnh I t = F(I) khi U = U đm = Cte, cos = Cte v f = f đm. Thờng cos đm = 0,8 (điện cảm), khi I tăng từ 0 đến I đm với U = U đm thì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2 lần 5. Đặc tính tải U = f(I t ) khi I = Cte, cos = Cte ; f = f đm Theo quan hệ trên, với các giá trị khác nhau của I v cos ta sẽ có các đờng đặc tính tải khác nhau. Trong đó đặc biệt nhất l đờng đặc tính tải thuần cảm, khi cos = 0, ( = 90 0 ) v I = I đm (đờng 3 trên hình 4.8) Hình 4.6 Đặc tính ngoi của máy phát điện đồng bộ Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh Hình 4.8 Đặc tính tải thuần cảm Hình 4.9 Đồ thị s.đ.đ má y đồn g bộ tải thuần cảm Bỏ qua r ta vẽ đợc đồ thị véc tơ nh hình 4.9 Máy điện 2 18 Tam giác điện kháng: Lấy I n = I đm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục honh đợc điểm C. Thì OC = I tn (dòng điện kích từ), dòng điện I tn gồm 2 phần: Một phần BC = k d .F d khắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC I đm Một phần CB = OC - BC sinh ra E = I đm .x = AB Nh vậy tam giác ABC có 2 cạnh AB v BC tỷ lệ với I đm . Xây dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải v tam giác điện kháng. Tịnh tiến ABC (hoặc AOC) sao cho đỉnh A năm trên đờng (1) thì đỉnh C sẽ 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 các tham số của máy phát điện đồng bộ 1. x d v x q AB AC I E x n d == 4.6 Quan hệ x d = f(I t ) l đờng (3) khi mạch từ không bảo ho, ta có: const AB AD I E x n d === 4.7 vì d k E E = nên d d d k x x = 4.8 Hình 4.10 Xác định điện kháng đồng bộ dọc trục Máy cực lồi thờng x q = 0,6.x d ; Máy cực ẩn x d = x q = x đb 2. Điện kháng tản x . Từ một điểm C' bất kỳ trên đờng (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đờng // với OA cắt đờng (1) tại A', từ A' hạ A'B' C'O' thì x = A'B'/ I Khi xét đến bảo ho x p = A"B"/I x p > x l điện kháng Pôchiê Máy cực ẩn x p = (1,05 - 1,1) x Máy cực lồi x p = (1,1 - 1,3) x 4.5 Tổn hao v hiệu suất Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng p cu = I 2 .r Tổn hao thép: do dòng điện xoáy v từ trễ Tổn hao kích từ: trên r t v tiếp xúc chổi than Tổn hao phụ: do từ trờng tản v sự đập mạch của từ trờng bậc cao Tổn hao cơ: ma sát ổ bị, ổ đỡ, lm mát Hiệu suất của máy = + = pP P 2 2 thờng = 0,98 % Máy điện 2 19 Chơng 5. Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại cơng. Chế độ tải không đối xứng của máy điện đồng bộ xáy ra khi - Tải của 3 pha không bằng nhau. - Khi có ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống điện lực, hoặc đầu cực máy phát Chế độ tải không đối xứng thờng gây nên các hiện tợng bất lợi, nh: điện áp không đối xứng; các 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 3 thnh phần thứ tự thuận; ngợc v không. 0 2 1 2 2 1 1 111 I I I aa aa I I I c b a & & & & & & = 5-1 0 2 1 2 2 1 1 111 U U U aa aa U U U c b a & & & & & & = 5-2 trong đó: a = e j2 /3 ; a 2 = e j4 /3 ; 1 + a + a 2 = 0 Dòng điện kích từ i t chỉ sinh ra s.đ.đ ứng với thnh phần thứ tự thuận E 0 = E 1 còn các s.đ.đ thứ tự ngợc v không, không tồn tại E 2 = E t0 = 0 nh vậy: ; ; 5-3 1111 ZIUE &&& += 222 0 ZIU && += 000 0 ZIU && += Từ các phơng trình 5-1; 5-2 v 5-3 ta suy ra 5-4 = = = 0022 2 110 0022110 2 0022110 )( )( )( ZIZIaZIEaU ZIZIaZIEaU ZIZIZIEU c b a &&&&& &&&&& &&&&& Các phơng trình 5-1; 5-2 v 5-3 l cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng. Nó gồm 9 phơng trình có chứa 12 ẩn số, (E 0 , Z 1 ; Z 2 ; Z 0 đã biết), muốn giải đợc tuỳ từng trờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 phơng trình nữa. 5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lm việc ở tải không đối xứng. 1. Tổng trở thứ tự thuận Z 1 = r 1 + jx 1 Tổng trở thứ tự thuận Z 1 chính l tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x 1 = x đb máy cực ẩn, máy cực lồi l x d theo hớng dọc trục v x q theo hớng ngang trục. 2. Tổng trở thứ tự thuận Z 1 = r 1 + jx 1 S.t.đ của hệ thống ngợc, quay ngợc với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ tơng đối của nó so với rô to l 2n 1 . Nó cảm ứng dòng điện trong dây quấn rôto có tần số 2f . Với máy cực lồi nếu ta coi rôto đứng yên thì từ trờng quay ngợc có tốc độ 2n 1 l do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 90 0 v không gian 90 0 tạo nên, hình 5-1. Máy điện 2 20 Nh vậy từ trờng do các dòng điện dọc trục v ngang trục nh hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau v ta có mạch điện thay thế 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 Hình 5-3 Hớng ngang trục có đồng bộ ứng với thứ tự ngợc dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b) Trên các mạch điện thay thế: x điện kháng tản phần ứng; x d điện kháng dọc trục phần ứng; x q điện kháng ngang trục phần ứng; x t điện kháng tản của dây quấn kích thích; x cd điện kháng tản dọc dây quấn cản; x cq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản. Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định đợc điện kháng dọc trục v ngang trục. - Khi có dây quấn cản: - Khi không có dây quấn cản cdtdu ud xxx xx 111 1 ++ += 5-5 tdu ud xx xx 11 1 + += 5-6 cqqu uq xx xx 11 1 + += 5-7 qquuq xxxx =+ = 5-8 Nh vậy khi có dây quấn cản 2 2 qd xx x + = , thờng qd xx nên 5-9 qd xxx = = 2 Khi không có dây quấn cản 2 2 qd xx x + = 5-10 Thờng x < x 2 < x 1 , với máy cực ẩn x 2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x 2* = 0,15 - 0,35 v không có dây quấn cản x 2* = 0,3 - 0,6. Điện trở thứ tự ngợc r 2 = r + r r /2 (Với r r l điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng). Xác định x 2 v r 2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vo dây quấn stato quay rôto ngợc chiều từ trờng quay với tốc độ n 1 đo U 2 ; I 2 ; P 2 của một pha từ đó tính đợc: 2 2 2 I U Z = ; 2 2 2 2 I P r = ; 2 2 2 22 rzx = Máy điện 2 21 3. Tổng trở thứ tự không Z 0 = r 0 + jx 0 Dòng điện thứ tự không I 0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nhng lệch pha nhau về không gian một góc 120 0 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời gian nhng lệch pha về không gian 120 0 . Khi phân tích các s.t.đ thnh các sóng điều ho thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 l tồn tại, nh 3, 9, 15, Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích v dây quấn cản bởi từ trờng đó rất bé, do đó x 0 chủ yếu do từ trờng tản rảnh v đầu nối gây nên. Với máy cực ẩn x 0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x 0* = 0,02 - 0,20. Điện trở thứ tự không r 0 lớn hơn r không nhiều nên thờng coi r 0 = r . Các tham số Z 0 ; r 0 ; x 0 có thể xác định bằng thực nghiệm. Nối nối tiếp 3 pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vo v cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U 0 ; P 0 v I 0 từ đó suy ra: 2 0 2 00 2 0 0 0 0 0 0 ; 3 ; 3 rZx I P r I U Z === 5.3 ảnh hởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thnh phần thứ tự thuận v ngợc, còn thnh phần thứ tự không thờng rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha thờng đợc nối Y v trung tính nối đất. Từ trờng do dòng điện thứ tự ngợc thờng gây nên các hiện tơng bất lợi cho máy phát, nh: Điện áp không đối xứng lm tăng tổn hao, rôto nóng v máy rung động. 1. Điện áp khi tải không đối xứng. Khi tải không đối xứng điện áp đầu cực của máy phát sẽ không đối xứng, nghĩa l chúng có biên độ không bằng nhau v góc lệch pha khác 120 0 . Điều ny ảnh hởng xấu đến hộ dùng điện. 2. Tổn hao tăng v rôto nóng. Khi tải không đối xứng từ trờng quay ngợc sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lm tăng tổn hao ở rôto v lm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao v giảm hiệu suất. 3. Hiện tợng máy rung. Khi tải không đối xứng do tác dụng tơng hổ giữa từ trờng cực từ với từ trờng quay ngợc của stato v từ trờng quay thuận với từ trờng của các dòng điện có tần số 2f ở rôto. chúng sẽ gây nên các 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 chỉ cho phép máy đồng bộ lm việc lâu di với tải không đối xứng khi dòng điện các pha không vợt quá định mức v mức độ sai lệch dòng điện các pha không quá 10% đối với máy cực ẩn; 20% với máy cực lồi. Máy điện 2 22 5.4 Ngắn mạch không đối xứng. Hình 5-4 Ngắn mạch 1 pha 1. Ngắn mạch một pha. Giả sử pha a bị ngắn mạch mạch, hình 5-4, ta có: 0= a U & 5-12 0== cb II && 5-13 Ba phơng trình ny kết hợp với 9 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: 5-14 1na II && = Từ (5-13) v (5-1) ta suy ra: 5-15 21 II && = 1210 3 1 3 1 na IIIII &&&&& ==== 5-16 Thay (5-16) vo (5-4) ta đợc: 021 0 210 ZZZ E III ++ === & &&& 5-17 v dòng điện ngắn mạch một pha có trị số: 021 0 01 3 3 ZZZ E III an ++ === & &&& 5-18 Điện áp các pha b v c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4). Bỏ qua r ta có đồ thị véc tơ của dòng điện v điện áp khi ngắn mạch một pha, hình 5-5. Hình 5-6 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch một pha Hình 5-5 Đồ thị véc tơ dòng v điện áp khi ngắn mạch 1 pha Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế nh hình 5-6. Với E 0 biểu thị nguồn của máy phát với tổng trở thự tự thuận Z 1 . v chổ ngắn mạch Z 2 ; Z 0 giữa điểm M v N. Mạch điện thay thế hình 5-6 hon ton phù hợp với biểu thức (5-17). Điện áp U 1 giữa hai điểm M v N đặc trng cho chổ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z 2 v Z 0 l U 2 v U 0 . Mạch điện thay thế ny có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong lới điện phức tạp. Lúc đó Z 1 ; Z 2 v Z 0 l các tổng trở thự tự thuận, ngợc v không của lới. Máy điện 2 23 2. Ngắn mạch hai pha. Hình 5-7 Ngắn mạch hai pha máy phát đ.b Giả sử ngắn mạch hai pha b v c nh hình 5-7, ta có: 5-19 cb UU && = 5-20 0= a I & 5-21 0=+ ca II && Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha trớc hết ta cộng các phơng trình (5-1) sau đó kết hợp với (5-20); (5-21) v (5-22)t ta đợc: 0;0;0 2100 =+== IIUI &&&& . Từ (5-19) suy ra thế vo phơng trình (5-2) ta có: , thay vo (5-3) đợc: 0= cb UU && 21 UU && = hay l 1210 )( IZZE && += 21 21 ZZ E II + == & && Cuối cùng ta đợc 21 0 11 2 21 2 2 3 3)( ZZ Ej IjIaaIaIaIII cbn + ===+=== & &&&&&&& (5-22) Bỏ qua r ta có đồ thị véc tơ dòng điện v điện áp khi ngắn mạch hai pha nh hình 5-8 v mạch điện thay thế nh hình 5-9. Hình 5-9 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch 2 pha Hình 5-8 Đồ thị véc tơ dòng v điện áp khi ngắn mạch 2 pha Từ sự phân tích ở trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha ở chơng ny v ngắn mạch 3 pha ở chơng 4 ta thấy: Vì Z 1 > Z 2 > Z 0 nên theo các biểu thức (5-18); (5-22) v (4-1) thì với cùng một giá trị E nh nhau sẽ có I n1 > I n2 > I n3 . Nh vậy ngắn mạch 1 pha sẽ có dòng điện lớn nhất. Khi số pha bị ngắn mạch tăng lên thì tác dụng của phản ứng phần ứng khử từ cũng tăng lên nên dòng điện ngắn mạch giảm xuống. Máy điện 2 24 . Chơng 4. Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải đối xứng 4.1 Đại cơng. Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đợc đặc trng bởi các đại. của máy = + = pP P 2 2 thờng = 0,98 % Máy điện 2 19 Chơng 5. Máy phát điện đồng bộ lm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại cơng. Chế độ tải