Xem mẫu
- M max Pmax
K qt = = (10.29)
M dm Pdm
M M=f(θ) với u=const,
Mmax1 f=const,E0=const
Xs I
Mmax2 E01
E0 U
Mmax3 E02
E03
0 90 180 θ
0
Hình 10.35 Đặc tính mô men của máy đồng bộ cực ẩn
Ở máy dị bộ khái niệm quá tải về công suất và mô men khác nhau (vì n =
var) còn ở máy đồng bộ 2 khái niệm này trùng nhau. Cũng từ đồ thị này ta thấy
máy đồng bộ chỉ có thể làm việc ổn định ở trong phạm vi θ = 0 ÷ 90; ngoài giá
trị đó ra máy mất đồng bộ.
Tuy nhiên trong thực tế góc công tác của máy điện đồng bộ chỉ có giá trị
khoảng 35-450 bởi vì nếu góc công suất lớn hơn thì độ dự trữ công tác sẽ nhỏ.
10.10.5.2 Mô men ở máy cực hiện:
Trên cơ sở sơ đồ tương đương đơn giản (R = 0) và đồ thị véc tơ hình
10.36 ta có:
JXI
C
JXI
U
0 d JXIq U 0
ψ I ψ I
I
θϕ θϕ
q I
d
Hình 10.36 Đồ thị véc tơ đơn giản của máy đồng bộ cực hiện
Icosϕ = Iqcosθ + Idsinθ (10.30)
163
- XqIq = Usinθ (10.31)
XdId = Ep - Ucosθ (10.32)
Thay 3 biểu thức này vào (12.23) ta có:
UE p 1 1 1
P ≈ 3 sin θ + U 2 ( − ) sin 2θ (10.33)
Xd
2 Xq Xd
m UE p 1 1 1
và M = 0,975 sin θ + U 2 ( − ) sin 2θ (10.34)
n Xd
2 Xq Xd
So sánh (10.29) với (10.34) ta thấy thành phần thứ nhất là mômen của máy
cực ẩn. Giá trị mômen này phụ thuộc vào điện áp U và dòng kích từ Ikt. Thành
phần thứ 2:
m 1 2 1 1
M ≈ 0,975 . U ( − ) sin 2θ (10.35)
n 2 Xq Xd
không phụ thuộc vàp dòng kích từ, nó chỉ phụ thuộc vào độ không đối xứng
mạch từ giữa trục d và q. Người ta gọi mômen này là mômen dao động hay
mômen do phi đối xứng từ. Trên (hình 10.37) biểu diễn đặc tính của mômen này.
Mdb M=f(θ) với U=const, f=const,
E0=const
M1
M
M2
θ max
-1800 -900 1800 θ
900
Vùng ổn định
HÌnh 10.37 Đặc tính mô men máy đồng bộ cực
ẩn
Đường M1 là thành phần thứ nhất của biểu thức (10.34) tức là mômen
xuất hiện ở máy cực ẩn, đường M2 là thành phần thứ 2 của (10.34) còn M là
tổng của 2 thành phần trên (10.34). Sự xuất hiện mômen dao động làm tăng hệ
số quá tải của máy.
M max M
( ) cùcl ≈ 1,2( max ) cùcÈn
åi
M dm M dm
164
- 10.10.6. Mômen đồng bộ và dao động máy
Hai máy phát đồng bộ làm song song được với nhau không phải vì
các máy có trang bị bộ điều tốc mà là do một loạt các hiện tượng khác. Để
nghiên cứu vấn đề này ta hãy xét một máy đồng bộ làm việc song song với
mạng cứng (hình 10.38). Giả sử máy đang làm việc ổn định tại điểm 1, lúc này
Me-Mđc=0, máy quay với tốc độ không đổi. Khi tăng lượng dầu cho máy lai, công
suất của máy phát tăng lên, giả dụ đạt đến điểm 2 ứng với công suất P 2, nhưng
do quán tính rôto chạy tới điểm 2’. Tại điểm này mômen cơ lớn hơn mômen
điện từ (Mđc>Me) làm cho rô to quay chậm lại, đáng lẽ dừng lại tại điểm 2, song
cũng do quán tính rôto đạt tới điểm 1’, ở điểm này công suất điện từ lại lớn hơn
cơ (Me>Mđc) nên rôto lại quay nhanh, song bây giờ nó không tới điểm 2’ mà tới
điểm 2’’ thấp hơn. Quá trình được lặp lại với biên độ dao động quanh điểm 1
nhỏ dần và cuối cùng rôto dừng lại ở điểm 2 - điểm có công suất cơ bằng công
suất điện, ta có chế độ ổn định. Hiện tượng này gọi là hiện tượng dao động
máy. Hệ thống nghiên cứu này có quán tính và đàn hồi. Độ đàn hồi được được
biểu diễn bằng sự thừa mômen xuất hiện khi dao động. Nó chính là nguyên nhân
giữ cho máy làm việc đồng bộ. Để xác định khả năng giữ đồng bộ của máy ta
đưa ra khái niệm mômen đồng bộ và được định nghĩa như sau:
cP M(p Mđb
cP ) 2
1
M2’
2 2
cP M2 E01>E01
1 M’’2 2’’
2 1 1’
2’ M1
E01
θ
θ
θ 1θ 2’θ θ’ π/2 π/ π/2
2
2
Mđb=f(θ) với
U=const
F=const
E=const
a)
Động cơ Máy phát
Động cơ Máy phát
b) c)
Hình 10.35 Mô men đồng bộ a) Sơ đồ véc tơ,b) Đặc tính góc, c) Mô men đồng bộ
dM dt (10.30
M db =
dθ )
Ứng với nó là công suất đồng bộ
dp (10.30
Pdb =
dθ a)
165
- Mômen đồng bộ đôi khi còn được xác định như sự thừa mômen
dM
∆M = ∆θ .
dθ
Mômen đồng bộ càng lớn (sự thừa càng nhiều) thì khả năng giữ
đồng bộ càng lớn với máy đồng bộ cực ẩn thì mômen đồng bộ có dạng hình
10.35b.
UE p
Md = C cos θ (10.31)
Xs
Từ đây ta thấy rằng khi θ = 900 thì mômen đồng bộ bằng không,
máy rời khỏi đồng bộ. Vì thế không nên để máy làm việc với góc θ ≈ 900 vì rất
dễ mất đồng bộ.
Mômen đồng bộ phụ thuộc vào dòng kích từ. Nếu ikt càng lớn thì
mômen càng lớn, điều đó chứng tỏ ở máy kích từ thừa khả năng đồng bộ sẽ lớn
hơn máy kích từ thiếu. Khi điện áp lưới giảm, mômen đồng bộ giảm, máy dễ
rời khỏi đồng bộ.
Mômen đồng bộ liên quan với khái niệm làm việc ổn định của máy
đồng bộ. Để máy làm việc ổn định cần thoả mãn:
dM d
M db = C >0 (10.32)
dθ
Mômen đồng bộ giữ một vai trò rất quan trọng trong các trường hợp công
tác bị nhiễu. Cần lưu ý rằng ở chế độ quá độ giá trị X s thay đổi. Khi chú ý tới
hiện tượng xuất hiện ở chế độ quá độ ta có thể xác định độ ổn định và quá tải
động. Ở chế độ quá độ do Xs giảm nên Mdb tăng. Đó là điều có lợi cho khả năng
giữ đồng bộ của máy.
Hiện tượng dao động máy trên đây mang tính tắt dần. Nếu khả năng tắt
dần kém hoặc muốn rút ngắn quá trình dao động người ta dùng thêm cuộn ổn
định đặt trên các mặt cực từ. Cuộn này được thực hiện như rôto ngắn mạch của
máy điện dị bộ. Sự tăng nhanh hoặc chậm của rôto so với từ trường kích từ
trong cuộn ổn định đều cảm ứng sđđ và tạo ra mômen chống lại hiện tượng gây
nên hậu quả đó, kết quả làm cho rôto chóng ổn định.
10.11. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
10.11.1 Tính chất động của động cơ đồng bộ
Một máy điện đồng bộ được nối với lưới điện sau khi hoà đồng bộ có
thể làm việc như máy phát hoặc như động cơ phụ thuộc vào tải. Để giải thích
điều này chúng ta sử dụng sơ đồ véc tơ máy đồng bộ cực ẩn. Giả thiết rằng hoà
đồng bộ chính xác Ep = Ulưới (hình10.36). Lúc này máy chạy không tải (θ = 0)
không nhận và cũng không phát ra một công suất nào, tổn hao trong máy điện
được bù đắp bởi máy lai. Nếu tại thời điểm này ta tăng công suất máy lai mà
166
- không thay đổi dòng kích từ thì rôto sẽ tăng tốc làm góc công suất θ > 0 (hình
10.36b).
b c
3 CP2 ) CP45
)
a E03 3 IX
) IX
3
CQ3
5
Ul 2
E0 CQ5 IX5
U CQ4
2
CQ4 us IX4
E0 Ul E0 4
θ E0
I3
θ=0
I2 θ
d e
E)
0 Ul ) I5
XI CQ I4
XI CQ
Ul
E0
I I
Hình 10.36 Khả năng làm việc của máy điện đồng bộ. a)Chạy không tải, b) làm việc
như máy phát;c) Làm việc như động cơ; d)Làm việc như máy bù.
Ở một giá trị θ 2 nào đó có sự cân bằng công suất nhận và công suất
phát, máy đồng bộ làm việc ổn định (điểm 2). Từ vị trí dòng điện trên đồ thị véc
tơ ta thấy máy điện làm việc như máy phát, phát ra công suất tác dụng P2 và công
suất dung kháng Q2. Vì máy phát phát ra công suất dung kháng không tốt lắm cho
nên ta phải tăng dòng kích từ để dòng tải có tính cảm kháng, máy phát ra công
suất tác dụng và công suát cảm kháng.(điểm 3).
Nhưng cũng tại thời điểm xuất phát nếu ta ngắt máy lai, sau đó tải nó
bằng mô men cơ học thì tốc độ rôto chậm dần nhận vị trí ổn định (4) ứng góc
công suất θ 4. Lúc này máy làm việc như động cơ đồng bộ nhận từ lưới công
suất P4 và Q4 (cảm kháng). Do nhận từ lưới công suất cảm kháng Q4 không phù
hợp nên ta phải tăng dòng kích từ để máy có thể cho cosϕ =1 hoặc nhận công
suất dung kháng Q5 và công suất P5 tác dụng ứng với điểm 5 .
167
- Để hình dung được ảnh hưởng của kích từ ta xét ở chế độ không tải. Tại
chế độ này nếu ta chỉ tăng dòng kích từ (quá kích) thì máy sẽ phát dòng cảm
kháng (hình10.36d), còn nếu giảm dòng kích từ máy sẽ phát dòng dung kháng
(hình.10.41e). Các chế độ có thể làm việc của máy đồng bộ biểu diễn ở
H.10.37.
M¸y ph¸t nhËn E0 jX §éng c¬ nhËn
c«ng suÊt t¸c I cQ c«ng suÊt t¸c
dông vµ c«ng dông vµ c«ng
suÊt ph¶n kh¸ng suÊt dung kh¸ng
U
M¸y ph¸t nhËn §éng c¬ nhËn
c«ng suÊt t¸c c«ng suÊt t¸c
dông vµ c«ng dông vµ c«ng
Hình 10.37 Các khả năng làm việc của máy điện đồng bộ
10.11.2. Khởi động động cơ đồng bộ:
Trước hết ta hãy xét một máy điện đồng bộ không có một thiết bị phụ đặc
biệt nào. Cuộn kích từ được nối vào nguồn 1 chiều, còn cuộn phần ứng được
60f
nối vào lưới điện 3 pha tạo ra từ trường quay với tốc độ n tt = . Trong điều
P
kiện này ở trong máy đồng bộ xuất hiện mômen biến đổi hình 10.38.
M
Mtb=0
t
TM
Hình 10.38 Mô men máy đồng bộ khi rô to không quay
Chu kỳ biến đổi của mômen xác định:
1 60 1
TM = = =
fM p(n tt n ) f (n tt n ) (10.33)
n tt
Trong đó: n - Tốc độ tức thời của rôto; dấu “-“ khi nó quay thuận chiều
quay, còn dấu “+” khi quay ngược chiều quay. Khi n = 0 thì f M = f1 = 50HZ. Một
mômen biến đổi với tần số như vậy thì do rô to có quán tính lớn sẽ không
168
- chuyển động. Có thể nói gọn lại là máy điện đồng bộ không có mômen khởi
động (Mtb = 0). Do đó ta phải tìm cách khởi động động cơ đồng bộ.
a-Khởi động bằng máy ngoài
Thực chất của quá trình này là đồng bộ hoá hay tự đồng bộ. Ta dùng một
máy lai ngoài (động cơ dị bộ, hoặc động một chiều,...) quay rôto động cơ đồng
bộ tới tốc độ cần thiết để hoà vào lưới. Phương pháp này có nhược điểm là cần
dùng một động cơ ngoài nên tốn kém vì vậy ít được dùng.
b-Phương pháp khởi động dị bộ
Đây là phương pháp giống như khởi động động cơ dị bộ. Để thực hiện
được phương pháp này người ta đặt ở mặt cực một cuộn dây ngắn mạch làm
bằng các thanh đồng (đồng thường hay đồng đỏ) giống như cuộn dây của máy
điện không đồng bộ rô to ngắn mạch. Nếu bỏ qua cuộn kích từ thì khi nối cuộn
dây 3 pha vào lưới sẽ có dòng 3 pha chạy vào và tạo ra từ trường quay làm rôto
quay như máy điện dị bộ. Khi đã đạt được tốc độ nhất định nếu ta cấp dòng
kích từ cho cuộn kích từ thì giữa từ trường một chiều và từ trường quay sẽ tác
động lên nhau và tạo ra mômen có biên độ tăng dần. Chu kỳ T M của mô men này
khi độ trượt nhỏ có giá trị lớn (ví dụ f = 50HZ, s = 0,005 thì TM = 4s),nên mô men
sinh ra trong máy đồng bộ có thể giúp cho rôto tăng tốc để bước vào đồng bộ.
Cuộn dây khởi động của máy có thể là bản thân các lá thép cực từ với kích
thước nhất định, khi từ trường biến thiên trong nó sẽ xuất hiện dòng xoáy và tạo
ra mômen đủ lớn để khởi động máy. Để giảm dòng khời động người ta sử dụng
các phương pháp như ở máy dị bộ.
Cho tới lúc này chúng ta đã bỏ qua cuộn kích từ. Nếu cuộn kích từ hở
mạch thì ở thời kỳ đầu của quá trình khởi động, từ trường quay do stato tạo ra
sẽ quay so với rôto một tốc độ rất lớn (ntt – n = sntt) sẽ cảm ứng trong cuộn kích
từ hở một sđđ có giá trị rất lớn gây nguy hiểm cách điện cuộn kích từ và cho
người vận hành. Để tránh hiện tượng quá điện áp ta nối cuộn dây qua một điện
trở thích hợp. Việc nối điện trở này lại tạo ra một hiện tượng khác gọi là hiện
tượng Gorgesa. Bản chất hiện tượng này như sau:
- Từ trường quay của stato làm xuất hiện dòng xoay chiều ở mạch kích từ
có tần số:
p(n tt − n )
f2 = =f 1s (10.34)
60
Dòng biến đổi này tạo ra một từ trường biến đổi mà theo nguyên tắc ta có
thể tách ta làm 2 từ trường quay bằng nhau có cùng tốc độ nhưng chiều quay
ngược nhau. Một từ trường quay có chiều quay cùng chiều rôto còn từ trường
kia ngược chiều (xem động cơ dị bộ 1 pha). Tốc độ 2 từ trường đó so với rôto
như sau:
Từ trường cùng chiều quay rôto:
169
- 60f 2
n 2q = (10.35)
p
Từ trường ngược:
60f 2
n ' 2q = − (10.36)
p
Và so với stato:
Từ trường quay thuận: nqs = n + n2q = ntt (10.37)
Từ trường quay ngược:n’qs = n + n’2q = n – ntt + n = 2n - ntt (10.37a)
Ta thấy từ trường thuận có tốc độ so với stato không đổi, vậy nó tạo ra
mômen dị bộ tác động lên rôto theo chiều của mômen do cuộn khởi động tạo ra.
Từ (12.37a) ta thấy tốc độ của từ trường ngược n’ qs phụ thuộc vào tốc độ
quay của rôto, nó có giá trị và hướng thay đổi. Qua phân tích thấy rằng: Ở phạm
n tt
vi 0 ≤ n ≤ từ trường ngược quay so với stato sang trái mômen do nó tạo ra
2
có chiều sang phải trùng với chiều mômen dị bộ và mômen tạo ra bởi từ trường
n
thuận. Khi n = 2tt từ trường ngược ở trạng thái không chuyển động so với ststo
nên trong cuộn dây không cảm cảm ứng một sđđ nào cả và không tạo ra mômen
n
phụ. Khi n > 2tt hướng quay của từ trường ngược so với stato sẽ ngược với
n
trường hợp n < 2tt nên mômen do nó sinh ra sẽ ngược với chiều của mômen tạo
ra do cuộn khởi động và từ trường thuận. Trên hình 10.39 biểu diễn đặc tính cơ
của các loại từ trường tạo ra. Đặc tính mômen do từ trường ngược tạo ta có:
n n n
Khi n = 2tt thì Mq’s = 0, khi n < 2tt thì Mas > 0 và khi n > 2tt thì Mq’s < 0.
M M
a) M b)
M A
A’
M
M n
n1/2nA n1 n n1/2 nA n1
Hình 10.39 Đặc tính mô men khi khởiv động động cơ đồng bọ bằng phương pháp
dị bộ a) Mạch kích từ bị nối tắt, b)mạch kích từ nối qua một điện trở
170
- Đặc tính khởi động sẽ là tổng mômen ấy. Từ đồ thị ta thấy đặc tính cơ
khởi động có vùng yên ngựa (hiện tượng Gorgesa). Nếu vùng yên ngựa lớn (do
dòng xoay chiều cuộn kích từ lớn) thì có thể xảy ra trường hợp mômen khởi
động nhỏ hơn mômen cản hình 10.39a, khởi động không thành công. Để giảm
sự tác động của từ trường ngược, ta đưa vào cuộn kích từ một điện trở phụ có
giá trị khoảng 10 lần giá trị điện trở mạch kích từ:R p ≈ 10Rkt (hình 10.40) . Nếu
chọn Rp lớn quá sẽ gây xuyên thủng cách điện, còn nếu chọn Rp nhỏ quá thì
không giảm được hiện tượng Gorges, gây dừng máy không khởi động được.
• ••
R«t o
Rp
2 P
• ••
Stato 1
Cuén khëi
®éng
M¸y kÝch t õ
Hình 10.40 Sơ đồ nối dây khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp dị
bộ
Nắm được tính chất này của máy đồng bộ sẽ có lợi cho trường hợp động
cơ dị bộ 3 pha dây quấn bị đứt một pha ở rô to. Khi động cơ dị bộ 3 pha dây
quấn đứt 1 pha ở rôto có hiện tượng giống như trường hợp vừa nghiên cứu.
c)Khởi động bằng phương pháp tần số
Nếu ta cấp cho stato một nguồn điện có khả năng điều chỉnh tần số, khi
tăng dần tần số nguồn điện cung cấp từ 0 đến tần số đồng bộ, nếu mạch kích
từ của động cơ đồng bộ được cấp dòng thì cùng với tăng tần số nguồn cung
cấp, tốc độ động cơ cũng tăng, đến khi đạt tốc độ đồng bộ ta nối động cơ vào
lưới và ngắt nguồn cung cấp có tần số ra khỏi động cơ.
10.12. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Ở máy điện cực lồi mômen quay cũng xuất hiện khi không có kích từ.
m1 2 1 1
M = 0,975 U ( − ) sin 2θ (10.38)
n 2 Xq Xd
Mômen này xuất hiện do tác dụng động lực của từ trường lên phần tử từ
không đối xứng (Xq ≠ Xd) được làm bằng vật liệu từ ferô có µ>1(hình 10.41) .
171
- Dưới tác dụng của mômen này hệ thống sẽ tiến tới chiếm vị trí sao cho hệ
thống có độ dẫn từ lớn nhất. Việc xuất hiện mômen quay (gọi là mômen dao
động) đã tạo cơ sở để xây dựng những máy đồng bộ có một cuộn dây có khả
năng biến cơ năng sang điện năng hoặc điện năng sang cơ năng. Ví dụ nếu stato
gồm 3 cuộn dây 3 pha có số cặp cực p và rôto là loại cực hiện có cùng số cặp
răng thì ở tốc độ đồng bộ sẽ xuất hiện mômen. Từ trường stato sẽ kéo rôto theo
mình và giữ nó ở chế độ đồng bộ cho tới khi mômen tải nhỏ hơn mômen điện từ
của máy. Cần lưu ý rằng Mmax xuất hiện ở góc 450 chứ không phải ở góc 900
như ở máy có kích từ. Mômen điện từ chỉ xuất hiện ở điều kiện cụ thể (f, p stato,
prôto) ở một tốc độ nhất định vì nó là mômen đồng bộ.
β M
N N
t
M π/ π
2
S
S
a b c
) ) )
Hình 10.41 Giải thích hiện tượng xuất hiện mô men dao động. a) Sự xuất hiện mô men dao
động b) Mô men dao động mhông xuất hiện c) Sự phụ thuộc của mô men dao động vào góc
β
Ở tốc độ không đồng bộ có mômen điện từ nhưng đó là mômen biến đổi
nên giá trị trung bình bằng zero.
Mômen dao động cũng có thể xuất hiện khi số cặp cực stato khác số cặp
cực rôto, cụ thể ở tốc độ góc sau:
ω ps ω
ω cơ = p p = p (10.39)
s r r
Trong đó:
ω - Tốc độ góc quay điện.
Để khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng dùng phương pháp như
đối với động cơ đồng bộ bình thường.
nhôm
Sắt
172 b
)
a Hình 10.42 Rô to động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
)
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dùng trong tự động, điều
khiển từ xa v.v...rôto được cấu tạo như hình 10.42.
Do những ưu điểm nổi bật của loại máy này (về tốc độ cao, dễ dàng
điều chỉnh tốc độ v.v) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện
có công suất lớn.
10.13. MÁY BÙ ĐỒNG BỘ
Trong các xí nghiệp hoặc khu dân cư do nhiều nguyên nhân khác nhau hệ
số công suất giảm (nhận từ lưới nhiều Q). Để nâng cao hệ số công suất người
ta dùng thiết bị bù bằng tụ điện hay bằng máy đồng bộ. Như ta đã biết ở phần
trước phụ thuộc vào giá trị dòng kích từ máy đồng bộ có thể phát ra công suất
cảm kháng (Q > 0) hay công suất dung kháng (Q < 0).
Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ đồng bộ chạy không tải và có kích
từ thích hợp. Động cơ lấy từ lưới một công suất tác dụng nhỏ để bù vào các tổn
hao và lấy từ lưới công suất dung kháng (đưa vào lưới công suất cảm kháng).
Muốn vậy máy đồng bộ phải làm việc với kích từ thừa. Đặc tính cơ bản của
máy bù là đặc tính I = f(Ikt), khi U = const, f = const, P ≈ 0.
Máy điện đồng bộ chạy không tải còn có thể làm việc như bộ điều chỉnh
điện áp bằng thay đổi dòng kích từ ta thay đổi dòng lấy từ lưới và thay đổi được
độ giảm điện áp gây nên bởi dòng này ở lưới.
Nếu máy đồng bộ chỉ dùng làm máy bù hoặc điều chỉnh điện áp thì trục
của máy có thể làm nhỏ.
10.14. NGẮN MẠCH ỔN ĐỊNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ
Ngắn mạch được coi là chế độ sự cố của máy điện. Tuy nhiên nhiều khi
cũng phải thực hiện ngắn mạch để xác định thông số của máy điện. Trước hểt
ta hãy xét ngắn mạch ở chế độ ổn định.
Căn cứ vào vị trí xảy ra ngắn mạch ta phân biệt:
- Ngắn mạch bên trong máy
- Ngắn mạch trên trụ máy
- Ngắn mạch ở dây nối vào máy
Căn cứ vào loại ngắn mạch chúng ta phân biệt:
- Ngắn mạch đối xứng (3 pha).
- Ngắn mạch không đối xứng gồm:
+ Ngắn mạch 2 pha
173
- + Ngắn mạch 1 pha
+ Ngắn mạch với đất
Chúng ta phải xét các hiện tượng xảy ra khi ngắn mạch dưới quan điểm
tác hại của nó tới máy về nhiệt và về động học. Hai hậu quả này đều do dòng
điện gây ra do vậy nghiên cứu ngắn mạch trước hết xác định dòng ngắn mạch.
Khi ngắn mạch xảy ra trong máy thì tác hại do nhiệt gây ra lớn gấp bội.
Dòng điện khi ngắn mạch 1 pha trong máy xác định bằng:
Ep C1 W 1
I ngm ≈ ≈ 2
=c (10.40)
X C2W W
Từ biểu thức này thấy rằng dòng ngắn mạch tỷ lệ với số vòng dây. Khi
số vòng dây ngắn mạch nhỏ thì dòng ngắn mạch lại rất lớn.
Số lượng nhiệt toả ra do dòng ngắn mạch đốt nóng địa phương có thể làm
hỏng cách điện, đặc biệt khi ngắn mạch với thời gian dài. Nếu ngắn mạch chỉ
một vài vòng dây thì ta không phát hiện được sự phi đối xứng điện áp ở trụ đấu
dây, do vậy không có thiết bị bảo vệ nào hoạt động cả. Ngắn mạch xảy ra trong
máy phát làm dòng điện chạy ngay cả khi không tải (chạy trong các vòng ngắn
mạch). Do vậy khi phát hiện ngắn mạch bên trong máy không những phải ngắt
tải mà còn ngắt cả kích từ.
- Khi ngắn mạch 1 pha ở cực máy (hình 10.43)
IA X I1 I2 I0
X1 X2
IB E0 U1 U2 X0
IC U0
b) c) d)
a) UC
Hình 10.43 Ngắn mạch một pha trên cực đấu dây của máy phát.a) Sơ đồ thực tế,
b,c,d) Sơ đồ tương đương của sóng bậc 1; bậc 2; và bậc 0
Bài toán được giải bằng phương pháp dòng thành phần đối xứng. Phương
trình có dạng:
• • •
U 1 = E p1 − jX 1 I 1 (10.41)
• •
U 2 = − jX 2 I 2 (10.42)
• •
U 0 = − jX 0 I 0 (10.43)
Khi ngắn mạch pha A thì:
UA = 0, IB = 0, IC = 0
• • • •
Ta có: I A = I 1 + I 2 + I 0 (10.44)
• • • •
I B = I1+ a I 2 + a2 I 0 (10.45)
174
- • • • •
I C = I1+ a2 I 2 + a I 0 (10.46)
• • • •
Và U A = U 1 +U 2 +U 0
• • • •
U B = U 1 + aU 2 + a 2 U 0
• • • •
U C = U 1 + a 2 U 2 + aU 0 (10.46)
0
Trong đó: a = e j120
Sau khi cộng các phương trình dòng ta được :
IA = 3I0 (10.47)
•
• • IA (10.48)
I1 = I 2 =
3
Sau khi thay (10.48) vào (10.41), (10.42), (10.43) ta được:
• • • • •
U 1 + U 2 + U 0 = E p1 − j ( X 1 + X 2 + X 0 ) I 0 (10.49)
•
E p1
Vậy: I 0 = − j (10.50)
X1 + X 2 + X 0
Sau kkhi chú ý công thức (10.48), dòng ngắn mạch 1 pha xác định bằng:
3E p1
I ngm = (10.51)
X1 + X 2 + X 0
Nếu ngắn mạch không xảy ra ở trục đấu dây mà ở một điểm nào đó thỉ:
3E p1
I ngm1p = (10.52)
X 1 + X 2 + X 0 + 3X e
Trong đó Xe - Điện trở kháng của đường dây từ máy tới nơi bị ngắn mạch.
Cần lưu ý rằng khi máy phát làm việc song song với máy biến áp thì điện trở
của máy biến áp cũng có tác dụng làm giảm dòng ngắn mạch.
Bằng phương pháp trên ta có thể tính được dòng ngắn mạch 2 pha:
3E p1
I ngm 2 p = (10.53)
X1 + X 2
Còn ngắn mạch 3 pha:
E p1
I ngm 3p = (10.54)
X1
So sánh giá trị ngắn mạch của 3 trường hợp 1 pha, 2 pha và 3 pha ta có:
E p1 3E p1 3E p1
I ngm3p : I ngm 2 p : I ngm1p = : :
X1 X1 + X 2 X1 + X 2 + X 0
Nhận X1 ≈ Xd ≈ 1,5; X2 ≈ 0; X0 ≈ 0,05; thì Ingm3p : Ingm2p : Ingm1p = 1 : 1,6 : 2,6
Ta thấy ngắn mạch 3 pha ít nguy hiểm nhất, ngắn mạch 1 pha nguy hiểm hơn cả.
Cần phải nhấn mạnh thêm rằng khi có ngắn mạch không đối xứng thì có thành
phần từ trường ngược xuất hiện. Giá trị dòng ngắn mạch ở một chế độ kích từ nào đó
175
- quyết định bởi điện trở đồng bộ (Xd = X1), do đó người ta chế tạo máy đồng bộ có Xd
lớn. Máy kích từ thừa có giá trị dòng ngắn mạch lớn hơn kích từ thiếu.
Nếu ngắn mạch đối xứng không tải ở điện áp định mức Uđm thì dòng ngắn mạch
có giá trị nhỏ hơn dòng định mức. Nếu ngắn mạch đối xứng xảy ra ở tải định mức (Uđm,
Iđm) thì dòng ngắn mạch đối xứng có giá trị (1,5÷ 2)Iđm.
10.15. NGẮN MẠCH KHÔNG ỔN ĐỊNH
Ngắn mạch không ổn định là quá trình ngắn mạch xảy ra bất thường khi máy
đang công tác. Quá trình ngắn mạch này rất phức tạp, muốn xét các quá trình dòng điện
áp xảy ra trong quá trình quá độ chúng ta phải giải các phương trình vi phân mô tả quá
trìng quá độ, ngày nay máy tính giúp chúng ta việc đó. Ở đây xin được phân tích một
cách đại thể các hiện tượng xảy ra trong khi ngắn mạch này. Để phân tích cần lưu ý:
- Từ thông móc vòng với một cuộn dây bất kỳ không thể thay đổi đột ngột mà
phải thay đổi từ từ.
- Từ thông móc vòng với một cuộn dây không có điện trở thuần (R = 0) sẽ không
thay đổi theo thời gian. Mọi tác động bên ngoài nhằm làm thay đổi từ thông này sẽ gây
nên sự xuất hiện dòng điện mà từ thông do nó sinh ra có chiều chống lại sự tác động ấy
giữ cho từ thông móc vòng không đổi.
Nếu vòng dây có điện trở R thì từ thông móc với vòng này sẽ biến đổi với hằng
số thời gian T = L/R.
Để nghiên cứu quá trình ngắn mạch ta giả thiết
- Máy điện đồng bộ 3 pha cực ẩn chạy không tải
- Ở rôto ngoài cuộn kích từ còn có cuộn ổn định
- Trong quá trình xảy ra ngắn mạch không có điều chỉnh kích từ
Để phân tích quá trình quá đọ của máy phát đồng bộ chúng ta xét 3 quá trình thay
đổi riêng biệt:Sự thay đổi chu kỳ dòng điện, sự thay đổi không chu kỳ tắt dần của dòng
điện và sự thay đổi dòng tổng.
Vì các quá trình quá độ xảy ra phụ thuộc vào thời điểm ngắn mạch, do vậy ta
hãy xét trường hợp đặc biệt: Cuộn dây pha của phần ứng khi ngắn mạch không có từ
thông kích từ móc vòng (hình 10.44). Ở hình vẽ này mỗi cuộn dây là một vòng dây. Cụ
thể: 1 - cuộn ổn định; 2 - cuộn kích từ; 3 - cuộn pha phần ứng.
Tại thời điểm đầu ngắn mạch dòng điện tăng lên, từ thông trong máy điện tăng
lên làm biến đổi trạng thái cân bằng từ lúc đầu của các vòng dây, do đó trong các vòng
kín này sinh ra dòng điện cảm ứng tạo từ thông chống lại sự biến đổi từ thông móc
vòng qua chúng.
Vì lẽ đó lúc đầu từ thông do dòng ngắn mạch sinh ra không khép kín được qua
cuộn ổn định và cuộn kích từ, vì hai cuộn này thực chất là những cuộn ngắn mạch, nó
phải giữ trạng thái ban đầu của mình nên xuất hiện 2 dòng điện (ở 2 cuộn dây) chống
lại sự chui qua của từ thông phần ứng vào hai cuộn này. Như vậy từ thông phần ứng
phải khép kín theo đường của từ thông tải hình 10.44a, giai đoạn này ta gọi là giai đoạn
siêu quá độ. Song vì cuộn dây nào cũng có điện trở thuần nên sau một thời gian kể từ
lúc ngắn mạch các dòng điện xuất hiện trong các cuộn dây ổn định và kích từ giảm dần
nên từ thông dòng ngắn mạch có thể chui qua được các cuộn dây này. Vì cuộn ổn định
176
- có điện trở lớn nhất nên khả năng chống lại sự xâm nhập của từ thông mất trước hết,
từ thông phần ứng đi qua được cuộn ổn định trước nhất, sau là cuộn kích từ. Hằng số
thời gian tắt dòng ở cuộn ổn định là T’’d (ta gọi là thời gian siêu quá độ); hằng số thời
gian tắt dòng trong cuộn dây kích từ là T’d (thời gian quá độ). Khi từ thông phần ứng
chui qua cuộn kích từ ta có trạng thái ổn định (hình 10.44c).
C Y φ ôđ C Y C Y
+ • • •
+ +
+
φ kt
• • +
A A
+ • + • X A + • + • • X + • + • X
• + • +
B + • B + B + •
•
Z φ ad Z Z
a) b) c)
xs xs xs
Xd
Xd’ Xad xkt Xôđ Xd’ Xad xkt Xad
Idm Idm Idm
d) e) g)
Hình 10.44 Giải thích hiện tượng ngắn mạch không ổn định trong máy điện đồng
bộ
Điện trở kháng ở thời siêu độ X’’d sẽ quyết định giá trị dòng ngắn mạch ở chế
độ siêu quá độ (điện trở siêu quá độ), còn trạng thái quá độ là trở kháng quá độ X’ d, ở
trạng thái ổn định là trở kháng ổn định Xd. Giá trị các điện trở này có thể xác định bằng
đường khép kín của từ thông phản ứng phần ứng ở những trạng thái tương ứng (hình
10.44d,e,g),. Trước khi đi vào xác định các trở kháng đó ta hãy lưu ý rằng: Nếu từ thông
song song với nhau thì điện trở sẽ mắc nối tiếp (hình 10.45) trở kháng tương đương Xtd
= x1 + x2. φ 1
A A
A
φ2 x1
∼ xtđ
x2
B B
B
a b c
Hình 10.45 Mạch từ có 2 phần tử nối song song;a)Sơ đồ từ thông, b) Sơ đồ trở
kháng thay thế, c) Trở kháng tương đương
177
- Sở dĩ như vậy vì 2 nguồn từ thông mắc song song mối liên hệ giữa trở từ có dạng:
1 1 1
= + (10.55)
R m2 R m1 R m 2
Ứng với độ dẫn từ λ mtđ = λ m1 + λ m2 và vì X = Cλ m
do đó Xtd = X1 + X2
Trong 2 điện trở này, giá trị điện trở nào lớn sẽ quyết định giá trị Xtd. Vì Φ1 khép
kín trong lõi thép còn φ 2 khép kín qua không khí, do vậy x2
- giữa lõi thép rôto và stato từ thông tản của cuộn kích từ và cuộn ổn định cũng khép kín
qua đường này. Vậy trở kháng siêu dẫn có giá trị:
1
X' ' d = X t +
1 1 1 (10.58)
+ +
X ad X Kt X od
Xem hình 10.44d (Xt - Trở kháng tản)
Tương tự ta có trơ kháng quá độ (khi tắt sự chống đối của cuộn ổn định).
1
X' d = X t +
1 1 (10.59)
+
X ad X Kt
Ở trạng thái ổn định ta có trở kháng đồng bộ hình 10.44c.
(12.47
Xdb = Xt + Xtd
)
Ở những máy không có cuộn ổn định giá trị X’’d và X’d khác nhau rất ít nên đôi
khi có thể chấp nhận được X’’d ≈ X’d.
Đặc tính dòng ngắn mạch không ổn định biểu diễn trên hình 10.47
i Td’
’
t
Td’
Siêu q.đô Quá độ Ổn định
Hình 10.47 Dòng ngắn mạch quá độ của stato máy điện đồng
bộ
Quá trình ngắn mạch ở mạch phần ứng cũng có ảnh hưởng tới dòng kích từ. Do
tác dụng chống đối của cuộn phần ứng ở quá trình siêu quá độ và quá trình quá độ đối
với từ thông kích từ, nên từ thông này cũng phải đổi đường đi so với khi ổn định. Thay
vì khép kín qua lõi thép từ thông kích từ bây giờ khép kín theo đường từ thông tản mạch
rôto và stato nghĩa là qua không khí, như vậy ở thời kỳ quá độ trở từ của mạch kích từ
tăng lên gấp bội. Song giá trị từ thông kích từ phải đảm bảo không đổi, nên dòng kích từ
179
- phải tăng hình 10.48. Dòng kích từ quá độ có dạng tắt dần, sở dĩ như vậy vì khả năng
chống đối từ thông của phần ứng giảm dần.
i
kt
Hình 10.48. Dòng kích từ
trong quá trình ngắn mạch
không ổn định phần ứng
Điểm ngắn t
mạch
Cho tới lúc này ta mới nghiên cứu ngắn mạch phần ứng trong điều kiện
đặc biệt: khi xảy ra ngắn mạch, pha có ngắn mạch không móc vòng với từ thông
kích từ. Trong trường hợp này số từ thông móc vòng với pha ngắn mạch phải
được (bảo vệ) giữ không đổi lâu dài nếu bỏ qua hiện tượng tắt dần (R = 0).
Muốn giữ được trạng thái đó thì trong pha ngắn mạch phải xuất hiện dòng điện
một chiều có giá trị không đổi. Nếu ta chú ý đến hiện tương tắt dần thì sau một
số thời gian dòng điện sẽ giảm nhưng không đổi chiều. Như vậy trong cuộn
phần ứng sẽ xuất hiện một dòng điện tắt dần ia trong dòng ngắn mạch, dòng
này có giá trị lớn nhất khi xảy ra ngắn mạch (dòng i a sẽ không xuất hiện khi pha
ngắn mạch không móc vòng với từ thông kích từ). Dạng tổng quát của dòng
ngắn mạch biểu diễn ở hình 10.49.
i T’
d
’
t
ia
Ta
Td’
Siêu q.đô Quá độ Ổn định
Hình 10.49 Dòng ngắn mạch quá độ của stato máy điện đồng
bộ trong trường hợp tổng quát (có chứa thành phần tắt dần ia)
180
- Thành phần biến đổi của dòng ngắn mạch sẽ tạo ra từ trường quay, còn
dòng tắt dần sẽ tạo ra một từ trườg tắt dần theo thời gian. Từ trường này có
trục không đổi so với stato sẽ cảm ứng trong rôto một sđđ biến đổi nên dòng
kích từ lúc này có dạng hình 10.50.
ikt
Hình 10.50. Dòng kích từ trong
quá trình ngắn mạch không ổn
định phần ứng
Điểm ngắn mạch t
Cho đến lúc này ta mới chỉ nghiên cứu những hiện tượng xảy ra ở trục
dọc. Ta cần phải xem xét các hiện tượng xảy ra khi ngắn mạch ở trục ngang do
cuộn kích từ không đối xứng hoặc phi đối xứng ổn định. Tuy nhiên sự khác nhau
giữa X’’d và X’’q không lớn lắm và ta có thể coi X’’d ≈ X’’q.
Do không có móc vòng cuộn kích từ với trục ngang nên X’q = Xq. Do thời
gian quá độ ngắn (T’’đ ≈ 0,02 ÷ 0,1s; T’đ ≈ 0,1 ÷ 0,2s) nên quá trình nhiệt không
gây hậu quả lớn đối với máy điện, song giá trị dòng ngắn mạch lớn nên sinh ra
lực điện động lớn. Lực này có thể làm biến dạng cấu trúc các cuộn dây (nối đầu
cuộn dây), dòng điện lớn sinh ra mômen có hại tác dụng lên trục máy và lên bệ
máy. Vì những lý do đó chúng ta phải thiết kế các máy phát điện có dòng ngắn
mạch xung nhỏ (máy có X’’d lớn).
181
- 182
nguon tai.lieu . vn
