khảo sát các chế độ vận hành của máy phát điện trong hệ thống điện

Luận án gồm có 6 chương được chia thành 3 phần : _Chương 1,2,3,4: Giới thiệu về máy điện đồng bộ,trình bày trên cơ sở lý thuyết về các vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN

GVHD : TSKH HỒ ĐẮC LỘC

KS HUỲNH CHÂU DUY

SVTH : ĐẶNG TUẤN QUỐC VIỆT MSSV : 00DDC149

LỚP : 00DDC1

TP.HCM, Tháng 1/2005

Mục lục

-*** -

LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU trang Chương 1: Máy phát điện đồng bộ 1

1.1 Máy phát điện đồng bộ 2

1.1.1 Cấu tạo máy điện đồng bộ 3

1.1.2 Phân loại 10

1.1.2.1 Máy phát điện đồng bộ 10

1.1.2.2 Động cơ điện không đồng bộ 10

1.1.2.3 Máy bù đồng bộ 10

1.2 Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn 11

1.3 Máy phát điện đồng bộ rôto cực lồi 12

Chương 2: Quá trình quá độ của máy phát điện đồng bộ 14

2.1 Phân tích các quá trình quá độtrong máy điện đồng bộ 15

2.2 Các thành phần DC của dòng stato 20

2.3 Xác định các hằng số quá độ 21

Chương 3: Điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 24

3.1 Khái niệm điều khển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 25

3.2 Các hệ thống tự động điều khiển máy phát cơ bản 25

3.3 Điều khiển tần số công suất (LFC) 26

3.3.1 Mô hình máy phát 27

3.3.2 Mô hình tải 31

3.3.3 Mô hình động cơ sơ cấp 32

3.3.4 Mô hình bộ điều tốc 33

3.3.4.1 Bộ điều tốc 33

3.3.4.2 Bộ hồi tiếp cơ học 33

3.3.4.3 Bộ khuyếch đại thủy lực 33

3.3.4.4 Bộ thay đổi tốc độ 34

3.4 Điều chỉnh điện áp máy phát và phân phối công suất phản kháng 37

3.4.1 Mô hình của bộ khuyếch đại 38

3.4.2 Mô hình của bộ kích từ 38

3.4.3 Mô hình của máy phát 39

3.4.4 Mô hình của bộ biến cảm 39

Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 41

4.1 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 42

4.1.1 Đại cương 42

4.1.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 42

4.1.2.1 Đặc tính không tải 43

4.1.2.2 Đặc tính ngắn mạchvà tỉ số ngắn mạch K 43

4.1.2.3 Đặc tính tải 47

4.1.3 Cách xác định các tham số của máy phát điện đồng bộ 49

4.1.3.1 Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục 49

4.1.3.2 Điện kháng tản x u 50

4.1.4 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 51

4.2 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng 53

4.2.1 Đại cương 53

4.2.2 Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không đối xứng 55 4.2.2.1 Tổng trở thứ tự thuận z1 = r1 + jx1 55

4.2.2.2 Tổng trở thứ tự ngược z2 = r2 + jx2 55

4.2.2.3 Tổng trở thứ tự không z0 = r0 + jx0 58

4.2.3 Aûnh hưởng của tải không đối xứng 59

4.2.3.1 Điện áp của máy phát điện khi làm việc ở tải không đối xứng 59

4.2.3.2 Tổn hao và rôto nóng 59

4.2.3.3 Hiện tượng máy rung 60

4.2.4 Ngắn mạch không đối xứng 60

4.2.4.1 Ngắn mạch một pha 60

4.2.4.2 Ngắn mạch hai pha 63

4.3 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65

4.3.1 Đại cương 65

4.3.2 Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65

4.3.2.1 Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác 66

4.3.2.1.1 Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng 66

4.3.2.1.2 Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ 68

4.3.2.2 Phương pháp tự đồng bộ 69

4.3.3 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng bộ 70

4.3.3.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ 70

4.3.3.1.1 Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn 70

4.3.3.1.2 Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song 73

4.3.3.2 Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ 73

Chương 5: Khảo sát máy phát điện đồng bộ trong mô hình máy điện thực tế tại phòng thí nghiệm hệ thống điện trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 76

5.1 Giới thiệu chung về mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện – Bộ môn hệ thống điện –Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 77

5.2 Các thành phần của mô hình 78

5.2.1 Nhóm máy điện 78

5.2.1.1 Động cơ điện xoay chiều ba pha 78

5.2.1.2 Máy phát điện một chiều 78

5.2.1.3 Động cơ điện một chiều 78

5.2.1.4 Máy phát điện xoay chiều 79

5.2.2 Trạm phân phối điện 79

5.2.3 Bảng và bàn điều khiển 79

5.2.3.1 Ký hiệu máy cắt, dao cách ly 79

5.2.3.2 Khóa xoay nhận 79

5.2.3.3 Đèn hiển thị 80

5.2.3.4 Đồng hồ đo 80

5.2.3.5 Nút nhấn 80

5.2.3.6 Bộ đồng hồ hòa đồng bộ 81

5.2.3.7 Khóa lựa chọn điện áp, dòng điện 81

5.2.3.8 Liên động giữa máy cắt và dao cách ly 81

5.3 Quá trình hoạt động của mô hình 81

5.3.1 Khảo sát chi tiết mô hình 82

5.3.1.1 Khảo sát động cơ điện ba pha 82

5.3.1.1.1 Thông số của động cơ điện AC ba pha 82

5.3.1.1.2 Mạch khởi động động cơ AC ba pha 82

5.3.1.1.3.1.Sơ đồ thực tế 82

5.3.1.1.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 83

5.3.1.1.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ AC 84

5.3.1.2 Khảo sát máy phát DC 85

5.3.1.3 Khảo sát động cơ DC 85

5.3.1.3.1 Thông số cơ bản của động cơ điện DC 85

5.3.1.3.2 Mạch khởi động động cơ DC 86

5.3.1.3.3.1.Sơ đồ thực tế 86

5.3.1.3.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 86

5.3.1.3.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ DC 87

5.3.1.4 Khảo sát máy phát điện AC 88

5.3.1.4.1 Thông số của máy phát AC ba pha 88

5.3.1.4.2 Quá trình vận hành hòa đồng bộ máy phát ba pha vào lưới 88

5.3.1.4.3 Trình tự thao tác và vận hành hệ thống 88

5.3.1.4.4 Điều chỉnh công suất tác dụng 89

5.3.1.4.5 Điều chỉnh công suất phản kháng 90

5.3.1.4.6 Các điều kiện để hòa đồng bộ máy phát vào lưới 90

5.3.1.4.7 Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích từ 91

5.3.1.4.8 Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất động cơ kéo 91

5.3.1.4.9 Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích thíchø và lực kéo 92

Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab 93

6.1 Giới thiệu về Simulink của Matlab 94

6.1.1 Giới thiệu sơ lược về Matlab 94

6.1.2 Giới thiệu các giao diện của Matlab 95

6.1.2.1 Khởi động Matlab 95

6.1.2.2 Giới thiệu các giao diện của Matlab 95

6.1.2.2.1 Giao diện chính của Matlab 95

6.1.2.2.2 Giao diện Simulink của Matlab 96

6.1.2.2.3 Giao diện thư viện các phần tử mô phỏng của Matlab 97

6.1.2.2.4 Thoát khỏi Matlab 98

6.1.3 Các thư viện cơ bản Simulink của Matlab 99

6.1.3.1 Nguồn áp xoay chiều 99

6.1.3.2 Nguồn áp một chiều 100

6.1.3.3 Diode 101

6.1.3.4 Nối đất 102

6.1.3.5 Nhánh RLC song song 102

6.1.3.6 Tải RLC song song 104

6.1.3.7 Nhánh RLC nối tiếp 105

6.1.3.8 Tải RLC nối tiếp 106

6.1.3.9 Đo điện áp 108

6.1.3.10 HTG 109

6.1.3.11 Hệ thống kích từ trong Matlab 112

6.2 Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát 114

6.2.1 Khảo sát chế độ vận hành bình thường của máy phát trong hệ thống điện 115

6.2.1.1 Sơ đồ mô phỏng 115

6.2.1.2 Các kết quả mô phỏng 116

6.2.1.2.1 Tốc độ quay của tuabin 116

6.2.1.2.2 Điện áp kích từ 116

6.2.1.2.3 Dòng stator 117

6.2.1.2.4 Điện áp pha a máy phát 117

6.2.2 Khảo sát chế độ sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát 118

6.2.2.1 Sơ đồ mô phỏng 118

6.2.2.2 Các kết quả mô phỏng 119

6.2.2.2.1 Tốc độ quay của tuabin 119

6.2.2.2.2 Điện áp kích từ 119

6.2.2.2.3 Dòng stator 120

6.2.2.2.4 Điện áp pha a máy phát 120

Tài liệu tham khảo

LỜI CẢM ƠN ***

Em chân thành gởi lời cảm ơn đến trường ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ cùng quý thầy cô khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như truyền đạt cho

em kiến thức vô cùng qúy báo trong suốt thời gian thực tập và làm luận án

Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Hồ Đắc Lộc, thầy Huỳnh Châu Duy đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận án này

Cuối cùng em xin gởi đến toàn thể quý thầy cô lời chúc tốt đẹp nhất để tiếp tục sự nghiệp trồng người của mình

Em xin chân trọng kính chào

Tp.HCM, ngày 03 háng 01 năm 2005 SV.Đặng Tuấn Quốc Việt

LỜI NÓI ĐẦU

Điện công nghiệp là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,… bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người

So với hiện tượng vật lý khác như cơ, nhiệt, quang … hiện tượng điện từ được phát hiện chậm hơn vì các giác quan của con người không cảm nhận trực tiếp được hiện tượng này Tuy nhiên việc khám phá ra hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh mẽ cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật chuyển sang lĩnh vực điện khí hóa

Điện năng có ưu điểm nổi bật là có thể sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn, có thể truyền tải đi xa và phân phối tới nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ Điện năng dể dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác Mặt khác quá trình biến đổi năng lượng và tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay và cả lao động trí óc của con người

Cho đến ngày nay máy điện được biết như là một thiết bị điện từ thực hiện sự biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngược lại

Như vậy máy điện là một phần tử quan trọng nhất của bất cứ thiết bị điện năng nào Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế … và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

Với vai trò quan trọng của mình máy điện phải có khả năng tự động hóa cao trong việc điều chỉnh các thông số như điện áp, tần số, công suất … để góp phần vào việc nâng cao chất lượng điện năng nhằm đáp ứng kịp thời tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa cũng như thỏa mãn tốt nhất nhu cầu của con người

Xuất phát từ tầm quan trọng trên, được sự cho phép của nhà trường và khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ em đã quyết định chọn đề tài “KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN” làm chuyên đề cho luận án tốt nghiệp của mình

Luận án gồm có 6 chương được chia thành 3 phần :

_Chương 1,2,3,4: Giới thiệu về máy điện đồng bộ,trình bày trên cơ sở lý thuyết về các vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình quá độ máy phát điện đồng bộ, phương pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống và các chế độ vận hành của máy phát… _Chương 5: Thực hiện vận hành và khảo sát thực tế máy phát điện đồng bộ trong mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH

_Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ bằng phần mềm mô phỏng Matlab

Với thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên tất yếu luận án không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 MÁY PHÁT ĐIỆN

ĐỒNG BỘ

Máy phát điện là một trong những thiết bị điện từ gồm: mạch điện và mạch từ liên hệ với nhau

 Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí

 Mạch điện gồm có hai hay nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng

Máy phát điện thực hiện biến đổi cơ năng thành điện năng, trong đó phần cơ sơ cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước … Sự biến đổi cơ điện trong máy phát điện dựa trên nguyên lý về cảm ứng điện từ Nguyên lý này cũng đặt cơ sở cho sự làm việc của các bộ biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi điện năng với những giá trị của thông số này (điện áp, dòng điện, …) thành điện năng với những giá trị của thông số khác

Hình 1.1.Máy phát điện đồng bộ 3 pha

1.1.Máy phát điện đồng bộ:

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ quay của từ trường n1 trong máy Máy điện đồng bộ có hai dây quấn :dây quấn

Máy phát

Bộ kích từ

phần ứng được bố trí trên stato còn được gọi là dây quấn stato, các cuộn dây phần ứng được thiết kế nhằm tao ra điện áp ba pha cân bằng; dây còn lại là dây quấn kích từ đặt bên phía rôto Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi Bộ phận kích từ cần một lượng công suất nhỏ khoảng 0.2 -3% công suất của máy Rôto được trang bị với một hay nhiều vòng dây ngắn mạch có tác dụng như là những vòng dây chống rung Rôto được quay bởi động cơ sơ cấp với tốc độ xác định và được kích từ bằng dòng điện một chiều Dây quấn kích từ có thể được cấp điện qua hệ thống vành trượt và chổi than từ những máy phát điện một chiều gắn cùng trục với rôto Tuy nhiên những hệ thống kích từ hiện đại thường sử dụng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu, được gọi là hệ thống kích từ không chổi than Hệ thống kích từ có nhiệm vụ duy trì điện áp máy phát và điều khiền công suất phản kháng truyền tải từ máy phát vào hệ thống

Rôto của máy phát đồng bộ có hai loại: rôto cực ẩn và rôto cực lồi

Rôto cực ẩn có khe hở không khí giữa stato và rôto là đều và dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh rôto Những máy phát thuộc rôto được quay bởi tuabin hơi và thường được chế tạo để vận hành với tốc độ cao là 3000 vòng/phút hay 1500 vòng/phút (tương ứng với máy có 2 và 4 cực ở tần số 50Hz) Rôto cực ẩn có đường kính nhỏ và dài được giới hạn bởi lực ly tâm Khỏang 70% máy phát điện đồng bộ là rôto cực ẩn và có công suất từ 150 đến 1500 MVA

Rôto cực lồi có khe hở không khí giữa stato và rôto không đồng đều, dây quấn kích từ được quấn xung quanh thân cực từ Rôto cực lồi có nhiều cực từ, tốc độ quay thấp, vì vậy khác với rôto cực ẩn, rôto cực lồi có đường kính lớn và ngắn Những máy phát thuộc rôto cực lồi thường được sử dụng trong nhà máy thủy điện và được chạy bằng tuabin nước

1.1.1.Cấu tạo máy phát điện đồng bộ:

Cấu tạo máy phát điện đồng bộ gồm ba phần: phần cảm, phần ứng và hệ thống kích từ Phần cảm thường là phần quay (rôto), phần ứng thường là phần tĩnh (stato) cũng có thể chế tạo với phần cảm là phần tĩnh (trong trường máy phát điện đồng bộ công suất nhỏ) nhưng phổ biến nhất vẫn là phần cảm quay

Hình 1.2.Máy phát điện đồng bộ 3 pha công suất lớn

Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực đơn giản hoá được minh họa trong hình 1.3 Stato gồm ba cuộn dây aa’, bb’, cc’ được đặt lệch nhau một gốc 1200 điện Các dây quấn kiểu tập trung, bước đủ trên hình 1.3 biểu diễn cho các dây quấn rãi để tạo

ra sức điện động hình sin tập trung trên các trục từ của các pha tương ứng Khi rôto được kích từ, sẽ tạo ra từ thông ở khe hở không khí bởi từ thông  trên mỗi cực từ quay với vận tốc gốc t không đổi, từ thông  móc vòng qua dây quấn stato và dây quấn rôto biến thiên theo t, với t là góc giữa trục từ của dây quấn aa’ và trục từ rôto Từ thông móc vòng với cuộn dây aa’ có vòng sẽ đạt giá trị lớn nhất bằng N tại

t = 0 và bằng 0 tại t = /2

Rôto có giá đỡ với tuabin và ổ trục của máy phát

Stato của máy phát Chất cách điện

Vòng đệm

Fsr Fr

r' r

Hình 1.3.Máy phát điện đồng bộ ba pha hai cực được đơn giản hoá

t E

Trong các máy phát điện xoay chiều thực tế, các cuộn dây mỗi pha thường được quấn rãi trong các rãnh stato và với bước ngắn K, gọi là hệ số dây quấn Hầu như, các dây quấn ba pha đều có K vào khoảng 0,85 đến 0,95.Việc dùng dây quấn rãi cũng như biện pháp rút ngắn bước dây quấn đem lại nhiều lợi điểm: tiết kiệm được dây đồng cũng như cải thiện được dạng sóng sức điện động Vì vậy, trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng trong một pha được tính theo công thức:

n p

Trong đó: n là tốc độ của rôto hay tốc độ đồng bộ được tính bằng vòng/phút

Trong điều kiện bình thường máy quay cùng tốc độ đồng bộ với lưới điện và tạo ra dòng điện ba pha cân bằng trong phần ứng Giả sử dòng trong pha a trễ pha so với sức điện động ea một góc  được xác định bởi đường thẳng mn trong hình 1.3, các dòng điện phần ứng tức thời sẽ là:

của các pha tương ứng Biên độ của sức từ động tỉ lệ với giá trị tức thời của các dòng pha tương ứng, nghĩa là:

Fa = Kia = KImaxsin(t - ) = Fmsin(t - )

Fb = Kib = KImaxsin(t -  - 2/3) = Fmsin(t -  - 2/3) (1.7)

Fc = Kic = KImaxsin(t -  - 4/3) = Fmsin(t -  - 4/3)

Ở đây, K là hệ số tỉ lệ với số vòng quay của mỗi pha phần ứng và là một hàm của loại dây quấn Từ đó sức từ động phần ứng là véctơ tổng của các sức từ động thành phần ở trên Một phương pháp thích hợp để tìm ra sức từ động tổng là chiếu các véctơ sức từ động thành phần ở trên lên đường thẳng mn, ta sẽ được các thành phần cùng pha và các thành phần lệch pha nhau một góc /2 Các thành phần cùng pha được tính theo :

F1 = Fmsin(t - )cos(t - ) + Fmsin(t -  -2/3)cos(t -  - 2/3) + + Fmsin(t -  - 4/3)cos(t -  - 4/3) Dùng công thức lượng giác sincos = (1/2)sin2, biểu thức ở trên trở thành :

F1 =( Fm/2)[ sin2(t - ) + sin2(t -  -2/3) + sin2(t -  - 4/3)]

Công thức trên là tổng của ba hàm sin lần lượt khác nhau một góc là 2/3, nên cộng lại bằng 0, nghĩa là F1= 0

Tổng các thành phần lệch pha nhau một góc /2 là:

F2 = Fmsin(t - )sin(t - ) + Fmsin(t -  -2/3)sin(t -  - 2/3) + + Fmsin(t -  - 4/3)sin(t -  - 4/3)

Aùp dụng công thức lượng giác sin2=(1/2)(1- cos2), công thức ở trên được viết lại như sau:

F2 = (Fm/2)[3 – cos2(t - ) + cos2(t -  - 2/3) + cos2(t -  - 4/3)]

Tương tự, ở công thức trên có ba hàm cosin lần lược khác nhau một góc 2/3 nên cộng lại bằng 0, suy ra: F2 = (3/2)Fm Vì vậy biên độ của sức từ động phần ứng hay sức từ động stato được tính theo công thức sau :

F2 = (3/2)Fm (1.8) Như vậy sức từ động phần ứng Fs có biên độ xác định, vuông góc với đường thẳng mn và quay cùng tốc độ với từ trường rôto Fr

Đặc trưng của máy điện đồng bộ là trục từ trường stato và trục từ trường rôto luôn có khuynh hướng thẳng hàng với nhau, khi sử dụng không gian véctơ để biểu diễn các trừơng hợp khác nhau, hoạt động giống như máy phát điện được biểu diễn trong hình 1.4 Khi rôto quay với tốc độ đồng bộ và dòng phần ứng bằng 0, thì sức từ động Fr sẽ tạo ra sức điện động không tải E trong mỗi pha của máy phát Nghĩa là sức điện động không tải E tỉ lệ với dòng điện kích từ Véctơ điện áp của pha a trễ pha so với sức từ động Fr một góc 90 , được biểu diển trong giản đồ véctơ ở hình 1.4

Hình 1.4.Giản đồ véctơ cho một pha của máy phát rôto cực ẩn

Đây là giản đồ véctơ chính để xây dựng mạch điện thay thế cho máy điện đồng bộ Cần chú ý trong hình 1.4 rằng các véctơ sức từ động là các véctơ không gian trong khi các véctơ sức điện động là các véctơ thời gian Khi các cuộn dây phần ứng tải dòng ba pha cân bằng thì sức từ động Fs được sinh ra vuông góc với đường thẳng mn Tác động qua lại của từ trường stato và từ trường rôto được gọi là phản ứng phần ứng, gây ra ở khe hở không khí giữa stato và rôto một sức từ động Fsr Véctơ sức từ động

Fsr là tổng của hai véctơ sức từ động phần ứng Fs và sức từ động rôto Fr Sức từ động tổng Fsr là nguyên nhân sinh ra từ thông sr trong khe hở không khí và chính từ thông

sr này cảm ứng ra sức điện động không tải Esr Sức từ động phần ứng Fs cảm ứng ra sức điện động Ear vuông góc với Fs , gọi là điện áp phản ứng phần ứng Sức điện động

Ear sớm pha hơn Ia một góc 900 và vì vậy có thể được đặc trưng bởi điện áp rơi trên điện kháng Xar bởi dòng Ia Xar được gọi là điện kháng phản ứng phần ứng Véctơ tổng E và Ear là Esr vuông góc với Fsr , đặc trưng cho sức điện động không tải

E = Esr + jXarIa (1.9) Điện áp đầu cực V bằng sức điện động Esr trừ đi điện áp rơi trên điện trở RaIa

và điện áp rơi trên điện kháng rò X1Ia Vì vậy:

E = V + [Ra + j(X1 + Xar)]Ia (1.10) Hay

E = V + [Ra + jXs]Ia (1.11)

Trong đó, Xs = (X1 + Xar) được gọi là điện kháng đồng bộ Cosin của góc giữa I và V, nghĩa là cos được gọi là hệ số công suất tại đầu cực của máy phát Góc giữa E và Esr bằng góc giữa sức từ động rôto Fr và sức từ động ở khe hở không khí Fsr , gọi là góc r Công suất được cung cấp bởi máy (the power developed by the machine) tỉ lệ với tích của Fr, Fsr và sin r Tùy theo vị trí của các sức từ động sẽ liên quan đến điều kiện hoạt động của máy điện đồng bộ Khi Fr quay trước Fsr máy điện đồng bộ sẽ hoạt động như là động cơ Vì E và Esr tỉ lệ tương ứng với Fr và Fsr, nên công suất cung cấp bởi máy tỷ lệ với tích của E, Esr và sinr Góc r được gọi là góc công suất Đây là kết quả rất quan trọng vì nó liên quan đến góc thời gian giữa các véctơ sức điện động với góc không gian giữa các từ trường trong máy Thường thì công suất cung cấp bởi máy được biểu diển bởi các đại lượng sức điện động không tải E, điện áp đầu cực V, và sin Góc  xấp xỉ bằng với r bởi vì trở kháng rò thì rất nhỏ so với điện kháng từ hóa

Do sự không tuyến tính của đường cong từ hoá, nên trị số của điện kháng đồng bộ không phải là hằng số Điện kháng đồng bộ chưa bão hòa có thể được xác định từ các thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch Cho máy vận hành ở tại điện áp gần bằng điện áp đầu cực định mức, giả sử rằng khi máy chưa bão hòa thì đường cong từ hóa của nó là một đường thẳng đi qua góc tọa độ và điểm có giá trị điện áp tại đó bằng điện áp định mức trên đặc tính hở mạch Để phân tích chế độ xác lập, cần biết được giá trị bão hòa của điện kháng đồng bộ tương ứng với điện áp định mức được dùng Mạch điện thay thế một pha của máy phát rôto cực ẩn đơn giản được trình bày trên hình 1.5 Điện trở phần ứng thông thường rất nhỏ hơn điện kháng đồng bộ nên được bỏ qua Mạch điện tương đương liên thông với hệ thống vô cùng lớn được trình bày trên hình 1.6, và (1.11) được rút gọn thành

E = V + jXsIa (1.12)

E

Za = Ra + jXs

+ V _

Tải +

_ Ia

Hình 1.5.Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ

Hình 1.6.Máy điện đồng bộ nối với hệ thống

Hình 1.7 là giản đồ véctơ của máy phát với điện áp đầu cực tương ứng với các điều kiện kích thích với nhau sẽ có được các hệ số công suất trễ pha, cùng pha và sớm pha

(c) Hệ số công suất tải sớm pha

Hình 1.7: Giản đồ véctơ của máy phát điện đồng bộ

Độ ổn định điện áp của máy phát điện xoay chiều là một đại lượng dùng để so sánh các máy điện với nhau Nó được xác định theo tỉ lệ phần trăm thay đổi của điện áp đầu cực từ lúc không tải đến tải định mức Đại lượng này cho biết chỉ số thay đổi của dòng kích từ để điện áp của hệ thống được duy trì từ khi không tải đến tải định mức tại một số hệ số công suất đặc biệt

100100

dm

V

V E V

V V

Điện áp không tải ứng với một hệ số công suất đặc biệt có thể được xác định từ hoạt động của máy ở những điều kiện tải định mức, sau đó loại bỏ tải này và quan sát điện áp không tải Vì phương pháp này không được áp dụng cho những máy có công suất lớn, nên một phương pháp gần đúng nhưng cho kết quả tương đối chính xác là coi như đường cong từ hóa này giao nhau tại điện áp định mức Giá trị của E được tính toán từ (1.12) dùng để xác định dòng điện kích thích được tìm từ đường cong từ hóa thực tế

1.1.2.Phân loại:

Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành hai loại : Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p =2) và máy đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp (2p  4)

Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau :

1.1.2.1.Máy phát điện đồng bộ:

Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang Máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì dùng diezen Máy phát điện diezen thường có cấu tạo cực lồi

1.1.2.2.Động cơ điện không đồng bộ:

Động cơ điện đồng bộ thường chế tạo theo kiểu cực lồi và được sử dụng để kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất từ 200kW trở lên

1.1.2.3.Máy bù đồng bộ:

Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để cải thiện hệ số cos của lưới điện

 Ngoài các loại trên còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như : máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao,… và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động, như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu ,động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước,…

1.2.Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn:

Kết cấu rôto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phai rãnh để đặt dây quấn kích từ Phần không phai rãnh của rôto hình thành mặt cực từ

Hình 1.8.Rôto một máy phát cực ẩn

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000 vòng/phút và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính của rôto không được vượt quá 1,1  1,15m Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài của rôto Chiều dài tối đa của rôto là 6,5m

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh ) của các dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính

Hai đầu trong dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung với máy đồng bộ

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp máy Lõi thép stato được ép bằng lá tôn silic dầy 0,5mm, hai mặt có

Cực

Cuộn kích từ DC

Quạt

Vành trượt

phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 đến 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10mm Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy Thân máy phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện Nắp máy cũng được chế tạo trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên kệ máy

1.3.Máy điện đồng bộ rôto cực lồi:

Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với rôto cực ẩn, đường kính rôto của nó có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài lại nhỏ tỉ lệ l/D = 0,15 ÷ 0,2

Rôto của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ trên mặt có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dầy 1 ÷ 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rôto Giá này lồng vào trục máy Cực từ đặt trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dầy 1 ÷ 1,5mm

Việc cố định lực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào các thân cực

Dây quấn cản ( trường hợp máy phát đồng bộ ) hoặc dây quấn mở máy ( trường hợp động cơ đồng bộ) được đặt trên các đầu cực Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chổ điện trở các thanh dẩn của nó lớn hơn Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như của máy đồng bộ cực ẩn

Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng

bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện diezel hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ

và tốc độ quay tương đối lớn ( khoảng trên 200 vòng/phút) Ở trường hợp máy phát

tuabin nước, tuabin công suất lớn, tốc độ chậm, trục của máy được đặt thẳng đứng

Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đở rất quan trọng Nếu ổ trục đỡ đặt ở đầu trên

của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu

dù

Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương

đối dài và phải rất khỏe vì nó chịu toàn bộ trong lượng của rôto máy phát, rôto tuabin

nước và xung lực của nước đi vào tuabin Như vậy kích thước xà đỡ trên rất lớn tốn

kém nhiều sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây

dựng buồn đặt máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ được đặt ngay trên

nắp của tuabin nước Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể

tới vài trăm tấn đối với các máy lớn ) và khiến cho bản thân máy và buồng đặt máy

đều thấp hơn

Trên cùng trục với máy phát tuabin thường có đặt thêm các máy phụ – máy

kích thích, để cung cấp dòng điện một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy

phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin

CHƯƠNG 2

2.1.Phân tích các quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ:

Trong chế độ xác lập, máy phát rôto cực ẩn được đặt trưng bởi một hằng số sức điện động sau điện kháng đồng bộ Xs Đối với rôto cực lồi, do có khe hở không khí không đồng đều giữa stato và rôto, nên máy phát được đặt trưng bởi điện kháng dọc trục Xd và điện kháng ngang trục Xq.Tuy nhiên, ở điều kiện ngắn mạch, điện kháng ngắn mạch thì lớn hơn nhiều so với điện trở Vì vậy dòng stato trễ gần /2 sau sức điện động không tải và hầu như sức từ động phản ứng phần ứng tập trung trên trục thẳng đứng Do đó trong suốt thời gian ngắn mạch, điện kháng hữu dụng của máy được coi như là điện kháng dọc trục Xd

Dạng sóng ngắn mạch ba pha cho thấy thành phần xoay chiều của dòng phần ứng giảm từ giá trị rất cao ban đầu đến giá trị xác lập Quá trình này là do điện kháng của máy thay đổi bởi kết quả của phản ứng phần ứng Tại thời điểm trước khi xảy ra ngắn mạch, có một số từ thông dọc trục móc vòng cả stato và rôto, từ thông này chỉ

do sức từ động rôto tạo ra nếu các cuộn dây stato hở mạch, hoặc là do kết quả của các sức từ động stato và rôto gây ra khi các cuộn dây stato được nối với mạch ngoài Khi ngắn mạch đột nhiên dòng stato tăng lên rất nhanh, từ thông móc vòng qua các cuộn dây stato và rôto không thể đáp ứng ngay vì dòng điện xoáy chảy trong rôto và các mạch chống rung chống lại sự thay đổi này Do vậy, sức từ động stato ban đầu không thể thiết lập bất kỳ phản ứng phần ứng nào, điện kháng của phản ứng phần ứng là không đáng kể, và điện kháng ban đầu có giá trị rất nhỏ giống như giá trị của điện kháng rò Ki dòng điện xoáy trong mạch chống rung và dòng điện kích từ giảm xuống, phản ứng phần ứng được thiết lập hoàn toàn Phản ứng phần ứng được hình thành với hệ số công suất gần bằng 0, dòng điện sinh ra từ thông phần ứng  ngược chiều với từ thông rôto 0 , ta gọi đó là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ , có tác dụng làm giảm từ trường tổng, và điện kháng của máy tăng lên đến giá trị của điện kháng đồng bộ dọc trục

Một cách hoàn toàn định tính, sử dụng sơ đồ tương đương có được bằng cách coi các cuộn dây chống rung và kích thích như là cuộn dây thứ cấp của một máy biến áp, các cuộn dây phần ứng là cuộn dây sơ cấp của máy biến áp này Ở điều kiện xác lập, không có sự biến đổi giữa các cuộn dây stato và rôto của máy điện đồng bộ, giống như trường hợp từ trường sinh ra bởi rôto và stato cùng quay với tốc độ đồng bộ Quá trình này tương tự như máy biến áp hở mạch thứ cấp và cuộn dây sơ cấp của máy biến áp được đặc trưng bởi điện kháng đồng bộ Xd Trong suốt quá trình quá độ, tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stato, kết quả là có sự biến đổi giữa các cuộn dây

Vì vậy, các cuộn dây kích từ và chống rung giống như cuộn dây thứ cấp bị ngắn mạch Mạch điện tương đương cho điều kiện này được quy về phía stato được chỉ ra trong hình 2.1

Bỏ qua điện trở dây quấn, điện kháng tương đương của mạch ở hình 2.1 được gọi là điện kháng điện kháng siêu quá độ dọc trục

1 ( 1 1 1 ) ''     

kd f ad d

X X X X

Trong đó:

Xad : điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục

X1, Xf, Xkd: điện kháng tản dây quấn phần ứng, dây quấn kích thích và dây quấn cản dọc trục

Xk d Xf

E0 = V + jXd’’Id’’ (2.2)

Trong đó:

E0 :sức điện động không tải

V : điện áp đầu cực máy phát

Xd’’: điện kháng siêu quá độ dọc trục

Id’’: dòng điện ngắn mạch siêu quá độ

Nếu điện trở của cuộn dây chống rung Rk được thêm vào hình 2.1 thì điện cảm tương đương nhìn từ hai cực của Rk được gọi là điện kháng tương đương Thévenin, và hằng số thời gian của mạch được gọi là hằng số thời gian siêu quá độ ngắn mạch dọc trục, và trở thành:

k

ad f

l kd d

R

X X X

Đặc biệt mạch chống rung có điện trở lớn và hằng số thời gian siêu quá độ ngắn mạch dọc trục rất nhỏ, khoảng 0,035 giây Vì vậy thành phần dòng điện trong mạch này giảm rất nhanh Và có thể bỏ qua nhánh để tính toán cho các vòng dây chống rung trong mạch tương đương, và mạch điện tương đương được rút gọn ở hình 2.3

X1

Xf

Hình 2.3.Sơ đồ tính toán điện kháng quá độ ngắn mạch dọc trục

Bỏ qua các điện trở dây quấn, điện kháng tương tương của sơ đồ hình 2.3, được gọi là điện kháng quá độ ngắn mạch dọc trục

) 1 1 ( '    

l ad l

d

X X X

Id’: dòng điện ngắn mạch quá độ

Xd’:điện kháng quá độ ngắn mạch dọc trục

V

I d'

Eo

Xd'

Hình 2.4.Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ ở thời kỳ quá độ

Nếu điện trở của cuộn dây kích từ Rf được thể hiện trong hình 2.3, thì điện cảm tương đương nhìn từ hai cực của Rf được gọi là điện cảm tương đương thévenin, hằng

số thời gian của mạch, được gọi là hằng số thời gian quá độ ngắn mạch dọc trục, và trở thành:

f

ad l f d

R

X X

f

f d

d

d d

X1

Xad

Hình 2.5.Sơ đồ tính toán điện kháng ở trạng thái xác lập Điện kháng tương đương là điện kháng đồng bộ dọc trục, được tính theo công thức:

Id : dòng điện ngắn mạch xác lập

Xd: điện kháng đồng bộ dọc trục

Tương tự, ta có các mạch điện tương đương đạt được từ những điện kháng ngang trục là Xq’’, Xq’, Xq Các điện kháng này được tính đến trong trường hợp điện trở của mạch đáng kể với hệ số công suất lớn hơn 0 và phản ứng phần ứng là hoàn toàn không đáng kể trên trục thẳng đứng

Thành phần tần số cơ bản của dòng phần ứng sau khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên của một mạch điện ngắn mạch phần ứng tại thời điểm ban đầu không tải được biểu diển trong biểu thức sau :

( )  2 0[( 1''  1' )  /'  ( 1'  1 )  /'  1 ] sin( )

t X

e X X

e X X

E t

i

d t

d d

t d d

vòng ngắn mạch của các mạch chống rung và lõi từ rôto bởi một mạch chống rung tương đương gần giống như tình trạng thực tế Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp sự xấp xỉ này đã tìm được giá trị chính xác hơn

2.2.Các thành phần DC của dòng stato:

Trong biểu thức của dòng phần ứng ở biểu thức (2.11), thành phần quá độ một chiều đã được bỏ qua Cũng giống như mạch RL đơn giản, có thành phần lệch DC phụ thuộc vào điện áp được sử dụng Trong máy điện đồng bộ, thành phần lệch DC phụ thuộc vào giá trị tức thời của điện áp stato tại thời điểm xảy ra ngắn mạch

Vị trí của rôto được xác định bởi góc :  = t +  + /2 (2.12)

Thành phần DC phụ thuộc vào vị trí của rôto  khi ngắn mạch xảy ra tại thời điểm t= 0 Hằng số thời gian liên quan đến sự giảm của thành phần DC của dòng stato được gọi là hằng số thời gian ngắn mạch phần ứng a’ Hầu như sự giảm của thành phần DC xảy ra trong suốt thời kỳ siêu quá độ Vì vậy, hằng số thời gian ngắn mạch phần ứng a’ được xác định từ giá trị trung bình của điện kháng siêu quá độ dọc trục và ngang trục Nghĩa là:

a

q d a

R

X X

2

'' '' 



Các giá trị đặt trưng của hằng số thời gian ngắn mạch phần ứng là từ 0,05 đến 0,17 giây

Vì các điện áp của ba pha lệch nhau một góc 2/3, nên giá trị của thành phần

DC của dòng phần ứng sẽ khác nhau trong mỗi pha, và phụ thuộc vào giá trị tức thời của điện áp ở thời điểm xảy ra ngắn mạch Thành phần DC của pha a được xác định bởi :

X

e X X

e X X E

t

'' 0 /

' /

' ''

2

)

Độ bất đối xứng phụ thuộc vào giá trị tức thời của điện áp tại thời điểm xảy ra sự cố Quá trình quá độ xấu nhất xảy ra khi góc  = /2 Gía trị biên độ ban đầu cực đại của thành phần DC được xác định theo công thức :

'' 0 (max) 2

d dc

'' 0 2

2 ''

) 2 ( ) (

d d

dc d asy

X

E X

E I

3

3 d

d asy I

2.3.Xác định các hằng số quá độ:

Một sự cố ngắn mạch ba pha đột nhiên được ứng dụng ở đầu cực của một máy phát không tải và nhận được biểu đồ dao động của dòng điện trong một pha Thí nghiệm này được lập lại cho đến khi có được dạng sóng dòng điện đối xứng và không chứa thành phần lệch DC Điều này xảy ra khi điện áp gần cực đại tại thời điểm xảy

ra sự cố Các điện kháng của máy Xd’’, Xd’ và Xd ,các hằng số thời gian là d’’ và d’ được xác định từ sự phân tích biểu đồ sóng dao động

Dạng sóng được chia ra làm ba giai đoạn : giai đoạn siêu quá độ, chỉ sau hai chu kỳ đầu tiên, trong suốt thời gian này dòng điện giảm rất nhanh; giai đoạn quá độ, chiếm một thời gian dài hơn, trong suốt thời gian này dòng điện giảm một cách từ từ hơn; và cuối cùng là giai đoạn xác lập

Sức điện động không tải E0 nhận được bằng cách xác định điện áp pha và biểu diển nó trong hệ đơn vị tương đối Điện kháng đồng bộ dọc trục Xd được xác định từ

một phần của biểu đồ dao động mà ở đó đường bao của dòng điện trở thành hằng số Nghĩa là biên độ này tương ứng với Id(max), trị hiệu dụng của dòng xác lập là:

2

(max)

d d

Hình 2.7.Độ lệch lôgarithm của dòng điện, ln i’ và ln i’’

Hay:

t m c t

I I i

e I I i

d d

d

t d d

d

' ' ' '

'

/ '

'

/ ) ln(

ln

) ( '

Nếu các giá trị cho bởi lni’ được vẽ lại với một thang đo thời gian tuyến tính,

ta sẽ nhận được một đường thẳng với điểm bắt đầu nằm trên trục y là c’= ln(Id’-Id) và có độ dốc–m, như đã trình bày trong hình 2.7

Trị hiệu dụng của thành phần dòng điện quá độ nhận được từ :

m’

m’’

1,5 c’’

d c

d e I

I'  '  (2.22) Điện kháng quá độ và hằng số thời gian quá độ được xác định bởi :

' 1

'

'

' 0

m

I

E X

d

d d

t m c t

I I i

e I I i

d d

d

t d d

d

"

"

/ ) ln(

"

ln

) (

"

' '

'

/ ' ' '

Nếu các giá trị cho bởi lni” được vẽ lại với một thang đo thời gian tuyến tính,

ta sẽ nhận được một đường thẳng với điểm bắt đầu nằm trên trục y là c’’ = ln(Id”-Id’) và có độ dốc–m”, như đã trình bày như hình 2.8 Trị hiệu dụng của thành phần dòng điện siêu quá độ được xác định từ :

Id” = ec’’ + Id’ (2.25) Điện kháng siêu quá độ và hằng số thời gian siêu quá độ là:

d

d d







(2.26)

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN

Cho đến ngày nay, điều khiển hệ thống điện là vấn đề liên quan đến việc thiết lập trạng thái hoạt động bình thường và các điều kiện thuận lợi của sự phát ra điện năng của hệ thống điện Chương này đề cặp đến việc điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng để duy trì hệ thống ở trạng thái xác lập Thêm vào đó là trình bày các mô hình đơn giản của các thành phần cơ bản được sử dụng để điều khiển hệ thống điện Mục tiêu chiến lược của việc điều khiển phát và phân phối công suất trong hệ thống liên kết nhằm đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống là việc duy trì điện áp và tần số ở trong một giới hạn cho phép

3.1.Khái niệm điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện:

Sự thay đổi công suất thực ảnh hưởng chủ yếu đến tần số của hệ thống, trong khi thay đổi công suất phản kháng thì ít ảnh hưởng đến tần số của hệ thống mà chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi biên độ điện áp Vì vậy công suất phản kháng và công suất thực được điều khiển độc lập Hệ thống tự động điều khiển tần số công suất (load frequency control- LFC loop) điều khiển công suất thực và tần số; hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (automatic voltage regulator – AVR loop) điều khiển công suất phản kháng và biên độ điện áp Điều khiển tần số công suất (LFC) để đạt được tính lớn mạnh của các hệ thống liên kết và tạo ra hoạt động tin cậy của hệ thống liên kết Ngày nay nó vẫn là nền tảng của các khái niệm hiện đại để điều khiển các hệ thống lớn

Các phương pháp này được áp dụng để điều khiển các máy phát riêng lẻ, và cuối cùng là điều khiển các hệ thống lớn, giữ vai trò quan trọng ở các trung tâm điều khiển năng lượng hiện đại Các trung tâm điều khiển năng lượng hiện đại (modern energy control centers – EEC) được trang bị với các máy tính độc đáo (on-line computers) biểu diển cho việc xử lý tấc cảcác tín hiệu thông qua hệ thống điều khiển từ xa được gọi là hệ thống kiểm soát điều khiển và thu phát dữ liệu (supervisory

control and data acquisition – SCADA systems) Ở đây chỉ trình bày các hệ thống điều khiển công suất

Vai trò của việc tự động điều khiển phát công suất (automatic generation control-AGC) trong vận hành hệ thống điện, liên quan đến việc điều khiển công suất liên kết (tie-line power control) dưới những điều kiện hoạt động bình thường, sẽ được phân tích đầu tiên

3.2.Các hệ thống tự động điều khiển máy phát cơ bản:

Trong một hệ thống điện liên kết, hệ thống tự động điều khiển tần số công suất (LFC) và hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) được trang bị cho mỗi máy phát Hình 3.1 đặc trưng cho sơ đồ được đơn giản hoá của hệ thống tự động điều chỉnh tần (LFC) và hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) Các hệ thống tự động điều chỉnh này được thiết lập ứng với một điều kiện hoạt động riêng biệt và trong trường có sự thay đổi nhỏ về tải yêu cầu phải giữ tần số và biên độ điện áp ở trong một giới hạn cho phép Sự thay đổi nhỏ về công suất thực chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi tốc độ của rôto được đặc trưng bởi góc công suất , và vì vậy nó làm thay đổi tần số Công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào biên độ điện áp ( nghĩa là phụ thuộc hệ thống kích từ máy phát) Hằng số thời gian của hệ thống kích từ nhỏ hơn hằng số thời gian của động cơ sơ cấp và sự giảm quá độ của nó thì nhanh hơn, nên sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống tự động điều khiển tần số công suất (LFC) Vì vậy, ảnh hưởng giữa hệ thống tự động điều khiển tần số công suất và hệ thống tự động điều chỉnh điện áp được bỏ qua, điều khiển tần số công suất và điều khiển điện áp đầu cực được phân tích độc lập ở phần sau

3.3.Điều khiển tần số công suất (LFC):

Mục tiêu của điều khiển tần số công suất (LFC) là duy trì tần số cơ bản nằm trong một giới hạn cho phép, phân phối tải giữa các máy phát, và điều khiển các thông số của hệ thống liên kết Sự thay đổi tần số và công suất thực liên kết được nhận biết để đánh giá sự thay đổi của góc công suất , chính xác hơn là độ lệch  Độ lệch tín hiệu nghĩa là f và Ptie, được khuyếch đại, trộn, và biến đổi thành tín hiệu yêu cầu công suất thực PV, PV được gởi đến động cơ sơ cấp để yêu cầu một số gia moment quay

Hình 3.1.Sơ đồ đơn giản hoá của bộ điều khiển tần số – công suất (LFC)

và bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) của một máy phát đồng bộ

Vì vậy, động cơ sơ cấp làm thay đổi ngõ ra của máy phát bởi một lượng Pg và lượng Pg sẽ làm thay đổi các giá trị của f và Ptie trong độ lệch định trước

Bước đầu tiên trong việc phân tích và thiết kế một hệ thống điều khiển là tính toán mô hình của hệ thống đó Bước thứ hai là dùng các phương pháp chung nhất là phương pháp hàm truyền đạt và phương pháp biến trạng thái để miêu tả Phương pháp biến trạng thái có thể được áp dụng để miêu tả các hệ thống tuyến tính cũng như các hệ thống không tuyến tính Để sử dụng hàm truyền và các phương trình tuyến tính, trước tiên hệ thống phải được tuyến tính Các giả định chính xác và xấp xỉ được đưa ra để tuyến tính các phương trình tính toán mô tả hệ thống, và mô hình hàm truyền đạt có được từ những mô hình thành phần sau đây

3.3.1.Mô hình máy phát:

Để thiết lập mô hình cho máy phát trước tiên ta đi xác định phương trình dao động (swing equation)

Dưới các điều kiện hoạt động bình thường vị trí tương quan của trục rôto và trục từ trường tổng hợp là cố định Góc giữa hai trục này được gọi là góc công suất hay góc môment quay Trong suốt các quá trình dao động, tốc độ của rôto sẽ bị hãm lại hay tăng lên liên quan đến tốc độ đồng bộ của sức từ động khe hở không khí, và

Hệ thống kích từ

Tự động điều chỉnh điện áp (AVR)

Bộ cảm biế điện áp

Máy phát

Cuộn dây kích từ tu

Tua bin

Điều khiển

van cơ học

Điều khiển tần số công suất (LFC)

Hệ thống kích từ

bắt đầu có sự chuyển động tương đối giữa hai trục Phương trình mô tả chuyển động tương đối này được gọi là phương trình dao động Nếu sau giai đoạn dao động tốc độ của rôto được kéo trở lại tốc độ đồng bộ, máy phát sẽ tự duy trì tính ổn định của nó Nếu quá trình dao động không bao gồm sự thay đổi công suất của lưới, rôto sẽ trở lại

vị trí ban đầu của nó Nếu quá trình dao động được tăng cường bởi sự thay đổi của công suất phát, tải, hay các điều kiện khác của lưới, rôto sẽ thiết lập góc công suất ở điều kiện hoạt động mới tương ứng với từ trường quay đồng bộ

Để hiểu tầm quan trọng của góc công suất chúng ta quy về tổ hợp véctơ hay giản đồ véctơ của một máy phát rôto cực ẩn hai cực được minh hoạ ở hình 1.4 Từ giản đồ véctơ này chúng ta thấy rằng góc công suất r là góc giữa véctơ sức từ động rôto Fr và véctơ sức từ động khe hở không khí Fsr , cả hai véctơ này cùng quay với tốc độ đồng bộ r cũng là góc giữa sức điện động không tải E và điện áp tổng stato Esr Nếu bỏ qua điện trở phần ứng máy phát và từ thông rò thì góc giữa sức điện động không tải E và điện áp đầu cực V, cho bởi , được xem như là góc công suất

Khảo sát một máy điện đồng bộ đang vận hành ở tốc độ đồng bộ sm và cung cấp ra một môment điện từ Te Nếu Tm là môment cơ, dưới điều kiện vận hành ở chế độ xác lập và bỏ qua tổn hao, ta có:

Tm = Te (3.1) Xuất phát từ chế độ xác lập, có một sự dao động đưa đến tốc độ của rôto tăng lên (Tm > Te) hay tốc độ quay của rôto giảm xuống (Tm < Te), môment quay Ta trên trục của rôto là:

Ta = Tm - Te (3.2)

Nếu J là tổ hợp môment quán tính của động cơ sơ cấp và máy phát, bỏ qua môment ma sát và môment hãm, từ định luật của chuyển động quay ta có:

c m a m

T T T dt

d

J 22    (3.3)

Trong đó m là góc dịch chuyển của rôto so với trục quy chiếu cố định trên stato Vì ta quan tâm đến tốc độ tương đối của rôtoso với tốc độ đồng bộ nên góc tương ứng được chọn liên quan đến chuyển động đồng bộ ứng với trạng thái chuyển động của hằng số vận tốc góc sm , nghĩa là:

m = smt + m (3.4)

Ở đây m là vị trí của rôto trước khi xảy ra dao động tại thời điểm t = 0, được xác định ứng với trạng thái quay đồng bộ Lấy đạo hàm phương trình (3.4) ta được vận tốc góc của rôto

dt

d dt

m s m m







    (3.5) Và gia tốc của rôto là:

2 2 2 2

dt

d dt

d m m

 (3.6) Thế (3.6) vào (3.3) Ta được :

e m m

T T dt

d

J 22   (3.7) Nhân (3.7) với m , đưa đến :

e m m m m

m T T dt

m P P dt

k J M

2

1 2

1 2 

 (3.10) Hay

m k

W M



2

 (3.11)