Giáo trình Máy biến áp - Chương 4: Máy phát điện đồng bộ làm việc vói tải đối xứng

Ch−ơng 4. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải đối xứng 4.1 Đại c−ơng. Chế độ tải đối xứng của máy điện đồng bộ đ−ợc đặc tr−ng bởi các đại l−ợng: U, I, It , cosϕ vμ tần số f hoặc tốc độ n. Trong đó f = fđm; cosϕ phụ thuộc vμo tải còn lại 3 đại l−ợng U, I, It xác định cho ta các đặc tính. 1. Đặc tính không tải U = f(It) khi I = 0; f = fđm 2. Đặc tính ngắn mạch In = f(It) khi U = 0; f = fđm 3. Đặc tính ngoμi U = f(I) khi It = cte; f = fđm; cosϕ = Cte 4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = cte; f = fđm; cosϕ = Cte 5. Đặc tính tải U = f(It) khi I = cte; f = fđm; cosϕ = Cte Các đặc tính trên đ−ợc xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm. Từ các đặc tính trên ta suy ra tỷ số ngắn mạch K; ΔU vμ các tham số xd; xq; xσ− 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 nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 1. Đặc tính không tải. (E = U = f(It) khi I = 0 vμ f = fđm) Hệ đơn vị t−ơng đối E* = E/Eđm ; It* = It / Itđm0 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 đ−ợc đ−ờng đặc tính không tải, nh− hình 4.2 Đ−ờng (1) máy phát tourbin hơi, đ−ờng (2) máy phát tourbin n−ớc. Ta thấy máy phát tourbin hơi bảo hoμ nhiều hơn máy phát tourbin n−ớc. Khi E = Eđm = 1 máy phát tourbin hơi có kμd = kμ = 1,2 còn máy phát tourbin n−ớc có kμ = 1,06 Hình 4.2 Đặc tính không tải, (1) MF tuabin hơi, (2) MF tuabin n−ớc Máy điện 2 16 2. Đặc tính ngắn mạch, In = f(It) khi U = 0, f = fđm vμ tỷ số ngắn mạch K Khi ngắn mạch nếu bỏ qua r− thì tải của máy phát lμ dây quấn của phần ứng nên nó đ−ợc coi lμ thuần cảm ψ = 0, Iq = Icosψ = 0 còn Id = Isinψ = I Mạch điện thay thế vμ đồ thị véc tơ nh− hình 4.3, ta có 4.1 dxIjE && +=0 Khi ngắn mạch vì từ thông φδ cần thiết để sinh ra Eδ = E - Ix−d = Ixσ− rất bé nên mạch từ không bảo hoμ do đó quan hệ I = f(It) lμ đ−ờng thẳng, hình 4.4 Tỷ số ngắn mạch K. Đây lμ tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch In0 ứng với dòng điện It sinh ra E = Uđm lúc không tải vμ dòng điện định mức Iđm K = In0 / Iđm 4.2 Từ hình 4.5 ta suy ra: In0 = Uđm / xd 4.3 Với xd lμ điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm Vậy K = Uđm / xd.Iđm = 1/ xđ* Th−ờng xđ* > 1 nên K < 1, hay In0 < Iđm Vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn, đó lμ do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng. Qua hai tam giác đồng dạng OAA' vμ OBB' ta có: tn t dm n I I I IK 00 == 4.4 It0 ⇒ U0 = Uđm vμ Itn ⇒ In = Iđm K lμ 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 ⇒ ΔU bé vμ Pđt lớn ⇒ máy lμm việc ổn định, muốn K lớn thì xđ* phải lớn ⇒ δ lớn ⇒ kích th−ớc của máy lớn ⇒ giá thμnh tăng. Th−ờng máy phát tourbin n−ớc K = 0,8 - 1,8; vμ tourbin hơi K = 0,5 - 1,0 Máy điện 2 17 3. Đặc tính ngoμi vμ độ thay đổi điện áp ΔUđm Đặc tính ngoμi: U = f(I) khi It = Cte; cosϕ = Cte ; f = fđm Các đ−ờng đặc tính ngoμi phụ thuộc vμo tính chất tải nh− hình 4.6 Dòng điện kích từ It ứng với U = Uđm, I = Iđm, cosϕ = cosϕđm vμ f = fđm đ−ợc gọi lμ dòng điện kích từ định mức Itđm Độ thay đổi điện áp ΔUđm 100% 0 dm dm dm U UEU −=Δ 4.5 Máy phát tourbin hơi có xd lớn hơn máy phát tourbin n−ớc nên ΔUđm% của nó lớn hơn máy phát tourbin n−ớc. Th−ờng ΔUđm% = (25 - 35)% 4. Đặc tính điều chỉnh It = F(I) khi U = Uđm = Cte, cosϕ = Cte vμ f = fđm. Th−ờng cosϕđm = 0,8 (điện cảm), khi I tăng từ 0 đến Iđm với U = Uđm thì dòng điện kích từ thay đổi 1,7 - 2,2 lần 5. Đặc tính tải U = f(It) khi I = Cte, cosϕ = Cte ; f = fđm Theo quan hệ trên, với các giá trị khác nhau của I vμ cosϕ ta sẽ có các đ−ờng đặc tính tải khác nhau. Trong đó đặc biệt nhất lμ đ−ờng đặc tính tải thuần cảm, khi cosϕ = 0, (ϕ = 900) vμ I = Iđm (đ−ờng 3 trên hình 4.8) Hình 4.6 Đặc tính ngoμi 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 máy đồng bộ tải thuần cảm Bỏ qua r− ta vẽ đ−ợc đồ thị véc tơ nh− hình 4.9 Máy điện 2 18 Tam giác điện kháng: Lấy In = Iđm chiếu qua đặc tính ngắn mạch (2), chiếu xuống trục hoμnh đ−ợc điểm C. Thì OC = Itn (dòng điện kích từ), dòng điện Itn gồm 2 phần: Một phần BC = k−d.F−d khắc phục phản ứng phần ứng, vậy BC ∼ Iđm Một phần CB = OC - BC sinh ra Eσ− = Iđm.xσ− = AB Nh− vậy tam giác ABC có 2 cạnh AB vμ BC tỷ lệ với Iđm. Xây dựng đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải vμ tam giác điện kháng. Tịnh tiến ΔABC (hoặc ΔAOC) sao cho đỉnh A năm trên đ−ờng (1) thì đỉnh C sẽ vẽ nên đ−ờng (3) với ΔA'B'C' Khi có xét đến bảo hoμ đ−ờng (3) lμ đ−ờng đứt nét với ΔA"B"C" (hoặc O"A"C"). 4.3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ 1. xd vμ xq AB AC I Ex n d == 4.6 Quan hệ xd = f(It) lμ đ−ờng (3) khi mạch từ không bảo hoμ, ta có: const AB AD I Ex n d === ∞∞ 4.7 vì dkE E μ=∞ nên d d d k xx μ ∞= 4.8 Hình 4.10 Xác định điện kháng đồng bộ dọc trục Máy cực lồi th−ờng xq = 0,6.xd; Máy cực ẩn xd = xq = xđb 2. Điện kháng tản xσ−. Từ một điểm C' bất kỳ trên đ−ờng (3), dựng đoạn C'O' // = OC, từ O' vẽ đ−ờng // với OA cắt đ−ờng (1) tại A', từ A' hạ A'B'⊥ C'O' thì xσ− = A'B'/ I Khi xét đến bảo hoμ xp = A"B"/I xp > xσ− lμ điện kháng Pôchiê Máy cực ẩn xp = (1,05 - 1,1) xσ− Máy cực lồi xp = (1,1 - 1,3) xσ− 4.5 Tổn hao vμ hiệu suất Tổn hao đồng: trên điện trở dây quấn phần ứng pcu = I 2.r− Tổn hao thép: do dòng điện xoáy vμ từ trễ Tổn hao kích từ: trên rt vμ tiếp xúc chổi than Tổn hao phụ: do từ tr−ờng tản vμ sự đập mạch của từ tr−ờng bậc cao Tổn hao cơ: ma sát ổ bị, ổ đỡ, lμm mát... Hiệu suất của máy =+= ∑ pP P 2 2η th−ờng η = 0,98 % Máy điện 2 19 Ch−ơng 5. Máy phát điện đồng bộ lμm việc với tải không đối xứng 5.1 Đại c−ơng. 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 th−ờng gây nên các hiện t−ợng bất lợi, nh−: điện áp không đối xứng; các sóng điều hoμ s.đ.đ vμ dòng điện bậc cao; lμm tăng tổn hao; rôto nóng vμ máy rung. Để phân tích chế độ tải không đối xứng ta dùng ph−ơng pháp phân l−ợng đối xứng. Phân dòng điện vμ điện áp thμnh 3 thμnh phần thứ tự thuận; ng−ợc vμ 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 = ej2π /3; a2 = ej4π /3; 1 + a + a2 = 0 Dòng điện kích từ it chỉ sinh ra s.đ.đ ứng với thμnh phần thứ tự thuận E0 = E1 còn các s.đ.đ thứ tự ng−ợc vμ không, không tồn tại E2 = Et0 = 0 nh− vậy: ; ; 5-3 1111 ZIUE &&& += 2220 ZIU && += 0000 ZIU && += Từ các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 ta suy ra 5-4 ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ −−−= −−−= −−−= 0022 2 110 0022110 2 0022110 )( )( )( ZIZIaZIEaU ZIZIaZIEaU ZIZIZIEU c b a &&&&& &&&&& &&&&& Các ph−ơng trình 5-1; 5-2 vμ 5-3 lμ cơ sở để phân tích chế độ tải không đối xứng. Nó gồm 9 ph−ơng trình có chứa 12 ẩn số, (E0, Z1; Z2; Z0 đã biết), muốn giải đ−ợc tuỳ từng tr−ờng hợp cụ thể ta phải bổ sung thêm 3 ph−ơng trình nữa. 5-2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi lμm việc ở tải không đối xứng. 1. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 Tổng trở thứ tự thuận Z1 chính lμ tổng trở của máy lúc tải đối xứng, với x1 = xđb máy cực ẩn, máy cực lồi lμ xd theo h−ớng dọc trục vμ xq theo h−ớng ngang trục. 2. Tổng trở thứ tự thuận Z1 = r1 + jx1 S.t.đ của hệ thống ng−ợc, quay ng−ợc với tốc độ đồng bộ vì vậy tốc độ t−ơng đối của nó so với rô to lμ 2n1. 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 tr−ờng quay ng−ợc có tốc độ 2n1 lμ do dòng điện 2 pha tần số 2f ở stato lệch nhau về thời gian một góc 900 vμ không gian 900 tạo nên, hình 5-1. Máy điện 2 20 Nh− vậy từ tr−ờng do các dòng điện dọc trục vμ ngang trục nh− hình 5-1 sẽ không hổ cảm với nhau vμ ta có mạch điện thay thế theo h−ớng dọc trục nh− hình 5-2 vμ ngang trục nh− hình 5-3. Hình 5-1 Mô hình máy phát Hình 5-2 H−ớng dọc trục có Hình 5-3 H−ớng ngang trục có đồng bộ ứng với thứ tự ng−ợc dây quấn cản (a); không có (b) dây quấn cản (a); không có (b) Trên các mạch điện thay thế: xσ− điện kháng tản phần ứng; x−d điện kháng dọc trục phần ứng; x−q điện kháng ngang trục phần ứng; xσt điện kháng tản của dây quấn kích thích; xσcd điện kháng tản dọc dây quấn cản; xσcq điện kháng tản ngang trục dây quấn cản. Theo các mạch điện thay thế trên ta xác định đ−ợc điện kháng dọc trục vμ ngang trục. - Khi có dây quấn cản: - Khi không có dây quấn cản cdtdu ud xxx xx σσ σ 111 1 ++ +=′′ 5-5 tdu ud xx xx σ σ 11 1 + +=′ 5-6 cqqu uq xx xx σ σ 11 1 + +=′′ 5-7 qquuq xxxx =+=′ σ 5-8 Nh− vậy khi có dây quấn cản 22 qd xxx ′′+′′= , th−ờng qd xx ′′≈′′ nên 5-9 qd xxx ′′=′′=2 Khi không có dây quấn cản 22 qd xxx ′+′= 5-10 Th−ờng xσ− < x2 < x1, với máy cực ẩn x2* = 0,12 - 0,25 còn máy cực lồi có dây quấn cản x2* = 0,15 - 0,35 vμ không có dây quấn cản x2* = 0,3 - 0,6. Điện trở thứ tự ng−ợc r2 = r− + rr/2 (Với rr lμ điện trở rôto đã quy đổi về phần ứng). Xác định x2 vμ r2 bằng thí nghiệm: Đặt điện áp thấp vμo dây quấn stato quay rôto ng−ợc chiều từ tr−ờng quay với tốc độ n1 đo U2; I2; P2 của một pha từ đó tính đ−ợc: 2 2 2 I UZ = ; 2 2 2 2 I Pr = ; 22222 rzx −= Máy điện 2 21 3. Tổng trở thứ tự không Z0 = r0 + jx0 Dòng điện thứ tự không I0 trong 3 pha cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha nhau về không gian một góc 1200 sinh ra trong khe hở các s.t.đ đập mạch cùng pha nhau về thời gian nh−ng lệch pha về không gian 1200. Khi phân tích các s.t.đ thμnh các sóng điều hoμ thì chỉ có các s.t.đ bội của 3 lμ tồn tại, nh− 3, 9, 15, ... Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích vμ dây quấn cản bởi từ tr−ờng đó rất bé, do đó x0 chủ yếu do từ tr−ờng tản rảnh vμ đầu nối gây nên. Với máy cực ẩn x0* = 0,02 - 0,10; máy cực lồi x0* = 0,02 - 0,20. Điện trở thứ tự không r0 lớn hơn r− không nhiều nên th−ờng coi r0 = r−. Các tham số Z0; r0; x0 có thể xác định bằng thực nghiệm. Nối nối tiếp 3 pha dây quấn stato đặt điện áp thấp vμo vμ cho rôto quay với tốc độ đồng bộ, xác định các giá trị U0; P0 vμ I0 từ đó suy ra: 20 2 002 0 0 0 0 0 0 ;3 ; 3 rZx I Pr I UZ −=== 5.3 ảnh h−ởng của tải không đối xứng đối với máy phát điện đồng bộ Khi tải không đối xứng trong máy chỉ có thμnh phần thứ tự thuận vμ ng−ợc, còn thμnh phần thứ tự không th−ờng rất bé hoặc không tồn tại vì dây quấn 3 pha th−ờng đ−ợc nối Y vμ trung tính nối đất. Từ tr−ờng do dòng điện thứ tự ng−ợc th−ờng gây nên các hiện t−ơng bất lợi cho máy phát, nh−: Điện áp không đối xứng lμm tăng tổn hao, rôto nóng vμ 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 lμ chúng có biên độ không bằng nhau vμ góc lệch pha khác 1200. Điều nμy ảnh h−ởng xấu đến hộ dùng điện. 2. Tổn hao tăng vμ rôto nóng. Khi tải không đối xứng từ tr−ờng quay ng−ợc sinh ra dòng điện có tần số 2f ở rôto lμm tăng tổn hao ở rôto vμ lμm cho rôto nóng lên, đồng thời tăng tổn hao vμ giảm hiệu suất. 3. Hiện t−ợng máy rung. Khi tải không đối xứng do tác dụng t−ơng hổ giữa từ tr−ờng cực từ với từ tr−ờng quay ng−ợc của stato vμ từ tr−ờng quay thuận với từ tr−ờng của các dòng điện có tần số 2f ở rôto. chúng sẽ gây nên các mômen quay có dấu thay đổi vμ lực đập mạch với tần số 2f tác dụng tiếp tuyến với bề mặt rôto lμm cho máy bị rung động vμ gây ồn. Th−ờng chỉ cho phép máy đồng bộ lμm việc lâu dμi với tải không đối xứng khi dòng điện các pha không v−ợt quá định mức vμ 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=aU& 5-12 0== cb II && 5-13 Ba ph−ơng trình nμy kết hợp với 9 ph−ơng trình (5-1); (5-2) vμ (5-4) thμnh hệ thống 12 ph−ơng trình 12 ẩn số vμ giải đ−ợc. Tr−ớc hết ta có: 5-14 1na II && = Từ (5-13) vμ (5-1) ta suy ra: 5-15 21 II && = 1210 3 1 3 1 na IIIII &&&&& ==== 5-16 Thay (5-16) vμo (5-4) ta đ−ợc: 021 0 210 ZZZ EIII ++=== &&&& 5-17 vμ dòng điện ngắn mạch một pha có trị số: 021 0 01 3 3 ZZZ EIII an ++=== &&&& 5-18 Điện áp các pha b vμ c xác định theo 2 biểu thức cuối của (5-4). Bỏ qua r− ta có đồ thị véc tơ của dòng điện vμ 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 vμ điện áp khi ngắn mạch 1 pha Từ sự phân tích trên ta lập mạch điện thay thế nh− hình 5-6. Với E0 biểu thị nguồn của máy phát với tổng trở thự tự thuận Z1. vμ chổ ngắn mạch Z2; Z0 giữa điểm M vμ N. Mạch điện thay thế hình 5-6 hoμn toμn phù hợp với biểu thức (5-17). Điện áp U1 giữa hai điểm M vμ N đặc tr−ng cho chổ ngắn mạch, còn các điện áp rơi trên Z2 vμ Z0 lμ U2 vμ U0. Mạch điện thay thế nμy có thể áp dụng cho ngắn mạch một pha trong l−ới điện phức tạp. Lúc đó Z1; Z2 vμ Z0 lμ các tổng trở thự tự thuận, ng−ợc vμ không của l−ới. 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 vμ c nh− hình 5-7, ta có: 5-19 cb UU && = 5-20 0=aI& 5-21 0=+ ca II && Để tìm trị số dòng điện ngắn mạch hai pha tr−ớc hết ta cộng các ph−ơng trình (5-1) sau đó kết hợp với (5-20); (5-21) vμ (5-22)t ta đ−ợc: 0;0;0 2100 =+== IIUI &&&& . Từ (5-19) suy ra thế vμo ph−ơng trình (5-2) ta có: , thay vμo (5-3) đ−ợc: 0=− cb UU && 21 UU && = hay lμ 1210 )( IZZE && += 21 21 ZZ EII +=−= &&& Cuối cùng ta đ−ợc 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 vμ điện áp khi ngắn mạch hai pha nh− hình 5-8 vμ 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 vμ điện áp khi ngắn mạch 2 pha Từ sự phân tích ở trên so sánh ngắn mạch 1 pha, 2 pha ở ch−ơng nμy vμ ngắn mạch 3 pha ở ch−ơng 4 ta thấy: Vì Z1 > Z2 > Z0 nên theo các biểu thức (5-18); (5-22) vμ (4-1) thì với cùng một giá trị E nh− nhau sẽ có In1 > In2 > In3. 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