Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển mạch dòng điện giữa các van bán dẫn công suất trong nghịch lưu phụ thuộc

Mặt khác, mọi sự biến động không bình th-ờng của l-ới điện cũng ảnh h-ởng xấu đến chế độ làm việc của các bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện dùng van bán dẫn công suất.. Sơ đồ máy

NGUYỄN TRƯƠNG HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN GIỮA CÁC VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGHỊCH LƯU PHỤ THUỘC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2005

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRƯƠNG HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN GIỮA CÁC VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGHỊCH LƯU PHỤ THUỘC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Dương Văn Nghi

Hà Nội - 2005

Mục lục

Nội dung Trang

Mở đầu

Ch-ơng 1: Chế độ chỉnh l-u và nghịch l-u phụ thuộc của 7

bộ biến đổi thyristor ở điều kiện l-ới điện bình th-ờng

Ch-ơng 2: Sự bất bình th-ờng của l-ới điện Mô hình tạo sự cố 30

2.1 Các tiêu chí đánh giá sự không bình th-ờng của l-ới điện 30

2.2 Nguyên nhân tạo nên sự không bình th-ờng của l-ới điện 31 2.3 Xem xét các tr-ờng hợp ngắn mạch trong mạng trung áp 34

2.4 Xây dựng mô hình tạo nên sự không bình th-ờng của l-ới 42

điện

Ch-ơng 3: Chế độ chỉnh l-u và nghịch l-u phụ thuộc của bộ 45

biến đổi thyristor ở điều kiện l-ới điện bất bình th-ờng.

3.1 Chế độ chỉnh l-u ở điều kiện bất bình th-ờng của l-ới điện 45

3.2 Chế độ nghịch l-u phụ thuộc của bộ biến đổi ở điều kiện 47

bất bình th-ờng của l-ới điện

Ch-ơng 4: Ph-ơng pháp phát xung nối tiếp cho bộ biến đổi 58

dùng thyristor

4.1 Ph-ơng pháp phối hợp kỹ thuật số với kỹ thuật t-ơng tự 58

“ Theo dõi trạng thái nguồn cấp cho bộ biến đổi ”

“ Theo dõi chuyển mạch dòng điện”

Ch-ơng 5: Giải pháp duy trì bộ biến đổi làm việc ở điều kiện 81

l-ới điện bất bình th-ờng .

5.2 ứng dụng bộ phát xung nối tiếp vào điều khiển bộ biến đổi 83

ở điều kiện l-ới điện không bình th-ờng

5.3 Điều chỉnh phần diện tích điện áp âm đặt lên thyristor 91

Tài liệu tham khảo 100

Mở đầu

Ngày nay, các l-ới điện cung cấp cho công nghiệp hầu hết đều có các phụ tải dùng bộ biến đổi van bán dẫn công suất với tỷ trọng ngày càng nhiều, công suất càng lớn Quá trình trao đổi năng l-ợng điện giữa tải và nguồn điện đ-ợc

đảm bảo th-ờng xuyên Do tính chất phi tuyến của van bán dẫn công suất đã làm cho dạng dòng điện và điện áp nguồn không còn là hình sin, tạo nên hiệu quả sử dụng năng l-ợng điện thấp, gây nhiễu cho các hộ tiêu thụ điện ở xung quanh Mặt khác, mọi sự biến động không bình th-ờng của l-ới điện cũng ảnh h-ởng xấu đến chế độ làm việc của các bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng

điện dùng van bán dẫn công suất Trong một số tr-ờng hợp, sự không bình th-ờng của l-ới điện có thể gây nên sự cố nguy hiểm cho các bộ biến đổi và l-ới điện Ví dụ nh- tr-ờng hợp truyền tải điện năng đi xa bằng điện áp một chiều, sơ đồ mô tả nh- hình vẽ:

Hình H-1 Hệ thống truyền tải điện một chiều hai cực

Hình H-1 trình bày hệ thống truyền tải điện một chiều hai cực Sử dụng hai đ-ờng dây một chiều Điểm trung tính đ-ợc nối đất một đầu hoặc cả hai

đầu Tr-ờng hợp một trong hai dây dẫn bị sự cố, hệ thống có thể vận hành

Đ-ờng dây DC L-ới điện xoay chiều L-ới điện xoay chiều

Điện cực nối đất

cùng với đất là một đ-ờng dây nh- trong hệ thống đơn cực với công suất bằng một nửa công suất định mức Sơ đồ này th-ờng đ-ợc ứng dụng trong thực

tế

Hoặc trong tr-ờng hợp thực hiện hãm tái sinh hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ có công suất lớn, đ-ợc mô tả trong hình H-2

Hình H-2 Sơ đồ máy đồng bộ tự điều chỉnh

Nếu cho bộ biến đổi I (BBĐI) làm việc ở chế độ chỉnh l-u và bộ biến đổi

II (BBĐII) làm việc ở chế độ nghịch l-u nguồn dòng thì năng l-ợng sẽ đ-ợc chuyền từ l-ới (u1 ,f1) tới động cơ đồng bộ Ng-ợc lại khi động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ hãm tái sinh thì (BBĐII) làm việc ở chế độ chỉnh l-u còn (BBĐI) làm việc ở chế độ nghịch l-u thì năng l-ợng sẽ đ-ợc trả từ động cơ về l-ới (u1

Xung

điều khiển

Chỉnh l-u

Điện áp L

-nh- sét, gió, m-a hoặc các phụ tải lân cận bị sự cố Trong các loại sự cố đó, tuỳ theo thời gian tồn tại của sự cố, có loại sự cố tự hồi phục( thời gian tồn tại

sự cố  100 ms), sự cố thoáng qua ( thời gian tồn tại  400 ms); sự cố bán th-ờng xuyên hay còn gọi là sự cố ngắn hạn ( thời gian tồn tại  15s ) và sự cố th-ờng xuyên, hay là dài hạn, cần phải cắt cách ly hoàn toàn sự cố ra khỏi l-ới

điện chung

Về mặt l-ới điện cung cấp thì sự diễn ra nhanh chóng các quá trình điện khi hỏng ( sự cố ) trong hệ thống năng l-ợng đòi hỏi nhất thiết phải sử dụng các thiết bị tự động bảo vệ trong hệ thống nói chung và các phần tử cụ thể nói riêng Trong các loại sự cố nêu trên, chỉ có sự cố tự hồi phục là khi thiết bị bảo

vệ ch-a kịp tác động, sự cố đã biến mất Đối với các sự cố còn lại, thiết bị tự

động bảo vệ l-ới điện, ví dụ nh- thiết bị tự động đóng lại l-ới (TĐL ) phải tác

động đóng, ngắt lại một số lần với thời gian khác nhau, có thể là 100ms cho

đến 500ms để xử lý và khẳng định tính dai dẳng của sự cố tr-ớc khi cách ly hoàn toàn Về mặt bộ biến đổi, do tính tác động nhanh của van bán dẫn công suất, đặc biệt chu kỳ chuyển mạch dòng điện giữa các van trong bộ biến đổi cầu 3 pha xảy ra ở từng 1/6 chu kỳ điện áp l-ới (  3,64ms ) nên thiết bị bảo vệ

bộ biến đổi lại phải tác động nhanh để cắt đ-ợc ở thời gian khoảng 30ms cho nên ở những khoảng thời gian thiết bị tự động đóng lại l-ới ( TĐL) 100ms; 300ms; 500ms; tr-ớc khi xác định cắt hoàn toàn ảnh h-ởng của sự cố thì đối với bộ biến đổi dùng van bán dẫn công suất theo phân cấp bảo vệ, các thiết bị bảo vệ bản thân bộ biến đổi hoặc thiết bị bảo vệ các van bán dẫn công suất đã tác động rồi với mục đích cách ly bộ biến đổi ra khỏi ảnh h-ởng của sự cố Các thiết bị bảo vệ bộ biến đổi và van bán dẫn công suất tác động nh- trên thực sự có ý nghĩa quan trọng chỉ trong tr-ờng hợp sự cố dài hạn hoặc sự

cố ngắn hạn (  15 s ) Trong tr-ờng hợp sự cố tự hồi phục hoặc sự cố thoáng qua ( mà hai loại này lại chiếm đến hơn 80% các loại sự cố của l-ới điện ) đối với các bộ biến đổi công suất lớn dùng van bán dẫn công suất việc đóng, cắt

các thiết bị bảo vệ nh- vậy thực tế là hiệu quả rất thấp , thậm chí không đạt nh- mong muốn Ngoài các thiết bị bảo vệ kinh điển cho bộ biến đổi, ng-ời ta

đã có ph-ơng pháp khoá hoàn toàn xung điều khiển phát vào bộ biến đổi khi phát hiện sự cố Song ph-ơng pháp bảo vệ này chỉ đạt đ-ợc hiệu quả khi bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh l-u, tức là quá trình biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện dòng xoay chiều sang năng l-ợng điện dòng một chiều Còn khi bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện đang làm việc ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc thì ph-ơng pháp cắt xung điều khiển, không những không có hiệu quả, ng-ợc lại còn nguy hiểm hơn so với tr-ờng hợp vẫn duy trì xung điều khiển Mặt khác, thực chất đó là sự tác động làm ngừng quá trình biến đổi và

điều khiển năng l-ợng dòng một chiều thành năng l-ợng dòng xoay chiều 3 pha hoà vào l-ới công nghiệp Về ý nghĩa sản xuất đó là ngừng cung cấp điện, làm dừng quá trình sản xuất Với những thiết bị công nghiệp công suất lớn ( hàng trăm KW đến hàng MW ) sự cắt điện ứng với sự cố 500 ms hoặc đơn vị hàng giây so với thời gian khởi động lại hệ và thời gian cần thiết để hoà lại hai l-ới công suất lớn vào nhau chắc chắn là không kinh tế và kỹ thuật Nên tìm cách duy trì cho bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng tiếp tục làm việc v-ợt qua đ-ợc khoảng thời gian sự cố đó

Về mặt trao đổi năng l-ợng điện, khi có sự cố, với thời gian khoảng 100

ms đến 500 ms, nếu phải dừng quá trình nghịch l-u phụ thuộc để đ-a năng l-ợng phía dòng một chiều thành năng l-ợng dòng xoay chiều 3 pha vào l-ới xoay chiều đó là vẫn đề nguy hiểm Bởi vì, thông th-ờng nguồn điện áp một chiều cấp cho nghịch l-u phụ thuộc là nguồn dòng điện nên khi cắt không cho

bộ biến đổi làm việc tức là làm hở mạch nguồn dòng, điện áp tăng đến giá trị

có thể phá huỷ van và các phần tử khác Còn nếu nguồn điện áp một chiều cung cấp cho nghịch l-u phụ thuộc là nguồn điện áp, nhất là khi bộ nguồn đó

là một nguồn chỉnh l-u (tr-ờng hợp phổ biến ) thì nguồn một chiều ( tải của chỉnh l-u ) th-ờng có tụ điện với điện dung đủ lớn, khi cắt không cho nghịch

l-u phụ thuộc làm việc, toàn bộ dòng điện nghịch l-u sẽ nạp cho tụ và điện áp trên tụ này sẽ đạt đến giá trị đủ để phá huỷ van và các phần tử khác trong hệ thống

Nh- vậy khi bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc, nếu l-ới

điện bị sự cố thì đều gây nguy hiểm cho bộ biến đổi Ph-ơng án đề xuất là, tuỳ theo mức độ sự cố, đ-ợc thể hiện bằng sự thay đổi biên độ điện áp so với giá trị định mức, mức độ mất cân bằng về pha giữa các điện áp pha và thời gian tồn tại sự cố trên cơ sở đó tìm quy luật phát xung điều khiển vào các van bán dẫn công suất của bộ biến đổi để tiếp tục duy trì cho bộ biến đổi này làm việc cho đến khi hết sự cố, nói cách khác là khi l-ới điện trở lại bình th-ờng Đó chính là mục tiêu giải quyết của bản luận án này

Luận án gồm các ch-ơng nh- sau:

Ch-ơng 1: Chế độ chỉnh l-u và nghịch l-u phụ thuộc của bộ biến đổi

thyristor ở điều kiện l-ới điện bình th-ờng

Ch-ơng 2: Sự bất bình th-ờng của l-ới điện Mô hình tạo sự cố

Ch-ơng 3: Chế độ chỉnh l-u và nghịch l-u phụ thuộc của bộ biến đổi

thyristor ở điều kiện bất bình th-ờng của l-ới điện

Ch-ơng 4: Ph-ơng pháp phát xung nối tiếp cho bộ biến đổi dùng

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS – D-ơng Văn Nghi (bộ môn tự

động hoá tr-ờng đại học bách khoa Hà Nội) đã h-ớng dẫn tận tình tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án Chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn tự động hoá xí nghiệp công nghiệp cùng với sự góp ý chân thành, sâu sắc Cảm ơn sự cổ vũ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp và sự

giúp đỡ, chỉ dẫn của Trung tâm Đào tạo – Bồi d-ỡng sau đại học tr-ờng đại học bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án tốt nghiệp này

Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2004

Nguyễn Tr-ơng Huy

Ch-ơng 1

chế độ chỉnh l-u và nghịch l-u phục thuộc của

bộ biến đổi ở điều kiện bình th-ờng

Bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện sơ đồ cầu ba pha đ-ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhất là ở những nơi yêu cầu điện áp cao, đó là do -u thế về đặc tính làm việc, tính tối -u và tính kinh tế của sơ đồ

Hình: 1-1 Bộ biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện cầu ba pha

Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh l-u khi truyền tải công suất từ phía nguồn xoay chiều sang phía một chiều và làm việc ở chế độ nghịch l-u khi biến đổi công suất một chiều thành xoay chiều Điều kiện để van bán dẫn

thyristor dẫn dòng điện theo h-ớng thuận là khi có xung mồi tại cực điều khiển và

điện áp d-ơng đặt thuận lên thyristor và nó chỉ khoá lại khi điện áp âm đặt lên thyristor và dòng điện trên thyristor đã giảm về giá trị không

Nhằm khai thác một cách có hiệu quả cũng nh- l-ờng hết đ-ợc các khả năng có thể xảy ra với các phần tử trong sơ đồ, cần phân tích kỹ các chế độ làm việc của bộ biến đổi Sơ đồ nghiên cứu nh- hình H1-1

Các giả thiết khi khảo sát:

- Bỏ qua tổn hao trên các thyristor và trong các cuộn dây của máy biến áp

- Có tính đến điện cảm tản các cuộn dây của máy biến áp, giá trị này ở cả ba pha đều bằng nhau, đ-ợc qui đổi về phía thứ cấp giá trị là La [1, 33, 34, 35]

- Giá trị điện cảm trong mạch dòng điện một chiều Ld là vô cùng lớn Với các giả thiết nêu trên dòng điện trong mạch một chiều hoàn toàn đ-ợc san bằng, không thay đổi về giá trị, còn dòng điện chuyển mạch chỉ phụ thuộc vào giá trị điện cảm tản La

Đối với chỉnh l-u điều khiển dùng thyristor tải Rd và Ld, quy luật thay

đổi đặc tính ngoài phụ thuộc vào góc điều chỉnh  Thông th-ờng ng-ời ta xây

dựng các đặc tính ngoài với các giá trị khác nhau của góc  tức là:

 là góc chuyển mạch dòng điện giữa các van ( hay còn gọi là góc trùng dẫn)

 góc khoá (góc khôi phục tính chất điều khiển) của thyristor

2

) 6 sin(

2

) 6

5 sin(

2

2 2 2

U u

U u



  

Qua đồ thị dạng điện áp uKO, uAOvà dạng tổng của chúng ud=uKA=uKO +

uAO nhận thấy: ở bất kỳ thời điểm nào cũng có hai hoặc ba Thyristor dẫn dòng

điện tải Giai đoạn có ba van dẫn là giai đoạn có sự chuyển mạch dòng điện

thay đổi khi thay đổi giá trị của dòng điện tải Chế độ hai hoặc ba van dẫn ứng

dòng điện từ T1, sang T3 là  (H1-2a).Thời gian chuyển mạch dòng điện T1 1và

Hình H1-2 Dạng điện áp và dòng điện của bộ biến đổi cầu ba pha

a) Dạng điện áp của điểm K và điểm A so với điểm “0“ b) Dạng dòng điện một pha (ia) bên thứ cấp biến áp c) Dạng điện áp đặt lên thyristor T 1

d) Dạng điện áp dây thứ cấp máy biến áp

Hình H1-3: Sơ đồ mạch điện t-ơng đ-ơng khi T 1 , T 2 , và T 3

cùng dẫn dòng điện

T3 có sự ngắn mạch ngắn hạn ở các cuộn dây thứ cấp máy biến áp giữa sức

điện động ua và ub Trong suốt thời gian chuyển mạch, dòng điện của các Thyistor T1, T3 và T2 theo quan hệ sau:

I i iT

i iT

i iT

a

b a a b a

I i

i

d

di d

di X u

di a   b nên



d

di X u

) 6

sin(

) 6

5 sin(

0

2 sin

6 2 

Lấy tích phân ph-ơng trình (1-5) với điều kiện giới hạn d-ới: Khi  thì

ia = Id, xác định đ-ợc quy luật thay đổi của dòng điện ia và ib trong thời gian chuyển mạch dòng điện:

)cos(cos

X

UI

i

a d

X

Ui

I.X)

cos(

Qua (1-9) nhận thấy khi tăng dòng điện tải Id đồng thời giữ góc

=const thì góc chuyển mạch dòng điện  cũng tăng theo

Vẫn sử dụng sơ đồ t-ơng (H1-3) đi tìm giá trị trung bình của điện áp chỉnh l-u

Do sự đối xứng các dạng đ-ờng cong điện áp chỉnh l-u uKO và uAO qua trục hoành và do tính lặp lại của dạng đ-ờng cong ở mỗi một phần ba chu kỳ

điện áp l-ới, nên giá trị trung bình của điện áp chỉnh l-u ở dạng tổng quát:[35]

2

6

d u

Trong đó uKO là giá trị tức thời của điện áp giữa điểm K (cực d-ơng của tải) với điểm trung tính 0 của các cuộn dây thứ cấp máy biến áp đấu hình sao

Khi xác định giá trị uKO trong một phần ba chu kỳ cần chia làm hai giai

sang Thyistor T3 (Từ  đến  + ) thì:



d

di X u

a a

Theo (1-3) có đ-ợc:

a

b a a

X

u u d

2 2

2

U u

I.X(cos

Mặt khác khi dòng điện tải càng tăng với một góc  = const thì đặc tính càng mềm đi, đặc tính tốt nhất ứng với tr-ờng hợp không có chuyển mạch dòng điện, hay là sự chuyển mạch xảy ra tức thời

Từ (1-12) suy ra nhận xét tổng quát: Khi có chuyển mạch dòng điện từ van này sang van kia của nhóm Anốt chung hay nhóm Katốt chung thì điện áp

uKO hay uAO trong thời gian chuyển mạch dòng điện giữa hai pha luôn luôn bằng một nửa tổng điện áp của hai pha tham gia chuyển mạch dòng điện Trên cơ sở đó vẽ đ-ợc dạng uKO và uAO nh- trên hình H1 - 2a

Theo (1 - 12)

) 2

sin(

2

2 cos

2

2 2

6 2

6 sin(

6 2

6 2

Nh- trên đã chỉ rõ, sự tăng dòng điện tải Thyristor kéo theo tăng góc trùng dẫn , việc tăng góc trùng dẫn  mở rộng khoảng thời gian cả ba van cùng dẫn dòng điện Dòng điện tải tăng đạt đến một giá trị nào đó ta có:

Chế độ luôn luôn có ba van dẫn dòng, ứng với góc

 , nếu tiếp tục tăng dòng điện tải Id thì

3







vì điều kiện để dẫn van thứ t- ch-a đủ Chế độ này tồn tại cho đến khi nào đạt

cos 6

H×nh 1-4: D¹ng dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p øng víi gãc

63

1 ) 2 (

81

4 )

2 ( 3

4

2 2

2 2 2

2

2 2





U

u U

I x

Thyristor cùng dẫn dòng điện là T1, T2, T5 và T6 do T5 và T2 cùng dẫn dòng trong giai đoạn  nên u1 d = 0 Góc  kết thúc khi dòng điện qua T1 5 bằng không Tiếp theo là giai đoạn ứng với góc  có ba Thyristor đồng thời dẫn 2dòng điện đó là T1, T2 và T6 Giai đoạn này kéo dài cho tới khi nào đủ điều kiện để Thyristor T3 bắt đầu làm việc và lại là giai đoạn 4 Thyristor cùng dẫn dòng nh- trong khoảng thời gian  nêu trên 1

Nh- vậy với tr-ờng hợp góc

Góc  - Vùng thời gian có đồng thời 4 van dẫn dòng điện 1

Góc 2 - Vùng thời gian đồng thời 3 Thyristor dẫn dòng

Sử dụng ph-ơng pháp phân tích nêu trên, có thể xác định đ-ợc đặc tính ngoài của bộ chỉnh l-u điều khiển ở chế độ này

H×nh H1-5: D¹ng dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p øng víi gãc 

Nh- trên đã nêu, chế độ này bắt đầu từ

2

2

U

Id X U

Biểu thức (1-26) là ph-ơng trình của dạng đ-ờng thẳng

Đồ thị hình H1-6, phần trên trục hoành là họ các đặc tính ngoài của bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh l-u với các góc  khác nhau

, đặc tính ngoài của bộ biến đổi mất phân đoạn có đặc tính

elip, chỉ còn lại các phân đoạn đ-ờng thẳng ứng với các ph-ơng trình (1-15)

động của sơ đồ Sự thay đổi dạng dòng điện và điện áp nh- thể chỉ là sự thay

đổi về giá trị trung bình hoặc hiệu dụng… trong khả năng cho phép, chỉ ảnh h-ởng đến quá trình điều khiển năng l-ợng từ phía xoay chiều sang phía một chiều, ít nhiều có ảnh h-ởng đến qui luật hoạt động của tải, nh-ng không dẫn

đến làm hỏng van hoặc làm Thyristor mất tính chất điều khiển hoặc làm bộ biến đổi hoạt động sai quy luật đã xác định

Hình H1-6: Đặc tính ngoài của bộ biến đổi năng l-ợng điện cầu 3

pha dùng Thyristor

1.2 Chế độ nghịch l-u phụ thuộc

Nghịch l-u phụ thuộc là thực hiện quá trình biến đổi và điều khiển năng l-ợng điện dòng một chiều thành năng l-ợng điện xoay chiều 3 pha hòa đ-ợc vào với nguồn công nghiệp tần số 50Hz hoặc 60Hz Quá trình nghịch l-u thực hiện đ-ợc hoàn toàn phụ thuộc vào nguồn năng l-ợng dòng xoay chiều 3 pha tần số công nghiệp nên đ-ợc hiểu là nghịch l-u phụ thuộc

Khi phân tích nguyên lý hoạt động của nghịch l-u phụ thuộc sơ đồ cầu

ba pha hình H1-1, điện trở tải Rd đ-ợc thay bằng nguồn một chiều EN với cực tính nh- hình vẽ Cùng với giả thiết Ld , nguồn điện áp một chiều EN và

Ld sẽ nhận đ-ợc nguồn dòng điện một chiều Id Một trong những vai trò của nguồn xoay chiều là chức năng phản sức điện động (tải của nghịch l-u) Bằng

0 0,2

0,2 0,2 0,4 0,4

các qui luật đóng, mở các Thyristor, ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc, vai trò của

điện áp ud (t-ơng ứng có giá trị trung bình là Ed) luôn có dấu ng-ợc với EN, chính là vai trò sức phản điện động nghịch l-u

Khi thay đổi góc mở chậm  của các Thyristor trong tr-ờng hợp này là thay đổi giá trị trung bình sức phản điện động nghịch l-u Ed, chính là điều khiển quá trình truyền năng l-ợng từ phía nguồn một chiều về phía nguồn dòng xoay chiều tần số công nghiệp

Cũng nh- chế độ chỉnh l-u, sự thay đổi dòng điện tải (Id) có ảnh h-ởng

điến thời gian chuyển mạch dòng điện giữa các Thyristor, cụ thể là góc  ở nghịch l-u phụ thuộc, góc điều khiển đặc tr-ng lại chính là góc v-ợt tr-ớc,

đ-ợc ký hiệu là góc  , xác định từ thời điểm bắt đầu chuyển mạch dòng điện hai van đến thời điểm khi các điện áp xoay chiều tham gia chuyển mạch liên quan đến hai van chuyển mạch trở nên bằng nhau Góc v-ợt tr-ớc  có quan

2 2    

 U

) 6

5 sin(

2 2     

 U

) sin(

6 )

di X u

Hình 1-7: Dạng dòng điện và điện áp ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc

3



 

Kết quả biến đổi nhận đ-ợc:

X

Ui

a b

a d

a

Do có điện áp này nên giá trị tức thời sức phản điện động nghịch l-u ud

cũng tăng lên Sự tăng giá trị trung bình sức phản điện động nghịch l-u do chuyển mạch dòng điện:

62

3

IdXd

)sin(

U

Do sự đối xứng về dạng cũng nh- sự giống nhau về qui luật thay đổi

6 3

2

2

U

Id X U

q ft



Trong đó tq: thời gian tổi thiểu cần thiết để khôi phục tính chất điều khiển củaThyristor đ-ợc dùng ở sơ đồ mạch nghịch l-u

Điểm khác nhau cơ bản giữa chế độ chỉnh l-u ứng với đồ thị hình H1-2

và chế độ nghịch l-u phụ thuộc ứng với đồ thị hình (H1-7) có cùng góc

2 Một cách tổng quát, dạng điện áp đặt lên van có hai lần đột biến tăng

tốc độ điện áp đặt thuận lên van ( )



d

Lần đột biến đầu tiên, ngay sau khi

Thyristor vừa mới hết thời gian đặt điện áp âm để khôi phục tính chất điều khiển nên Thyristor dễ bị mở lại Nếu van mở lại không theo quy luật sẽ làm cho dòng điện trong mạch đột biến tăng nhanh Sự mở lại của van không theo quy luật cũng có khả năng tạo ra dao động tần số cao do điện cảm tản và điện dung ký sinh Dao động này dẫn đến điện áp đặt lên các van không làm việc

đột biến tăng nhanh, hậu quả là hoặc van bị chọc thủng nếu quá áp do đặt ng-ợc hoặc van bị tự mở lại không theo qui luật do quá áp đặt thuận

Từ (1-27) rút điều kiện để sự chuyển mạch dòng điện giữa hai van đ-ợc kết thúc phải thỏa mãn:

Hình H1-9 Dạng dòng điện và điện áp ở chế độ nghịch l-u phụ thuộc

) 3

2 cos

) 3

4 2 ) 2

(

3

4

2 2

2 2

2

2 2





U

E U

U

I X U

Qua hai hình (H1-8) và (H1-9) còn có nhận xét sau: ở chế độ nghịch l-u

phụ thuộc ứng với tr-ờng hợp góc

3





của Thyristor trong sơ đồ bị thay đổi, sự thay đổi các góc  có thể dẫn đến các van không thực hiện đ-ợc chuyển mạch dòng điện Để có đ-ợc chế độ nghịch l-u phụ thuộc, cần thỏa mãn:

Nếu điều kiện này không đ-ợc thỏa mãn thì trong thời gian  min

Thyristor ch-a kịp khôi phục tính chất điều khiển của mình thì điện áp đã lại

đặt thuận lên van làm van mở lại, hiện t-ợng này đ-ợc gọi là hiện t-ợng tái chuyển mạch dòng điện

Còn điều kiện (1-39) không đ-ợc thỏa mãn, quá trình chuyển mạch dòng

điện ch-a kịp kết thúc nghĩa là, dòng điện qua van ch-a giảm về đến giá trị không thì điện áp lại đặt thuận lên Thyristor cần khoá, làm cho van này tiếp tục dẫn dòng điện Hiện t-ợng này đ-ợc gọi là sự mất chuyển mạch dòng điện giữa các van

Dù ở chế độ chỉnh l-u hay nghịch l-u phụ thuộc, sự chuyển mạch dòng

điện giữa các van đ-ợc phản ánh qua điện áp dây: uab, ubc và uac Điện áp uab

phản ánh quan hệ chuyển mạch dòng điện từ Thyristor T1 sang T3 và từ T4

sang T6 Điện áp ubc phản ánh sự chuyển mạch dòng điện từ T3 sang T5 và từ

T6 sang T2 T-ơng tự uca là từ T5 sang T1 và từ T2 sang T4 Trong thời gian chuyển mạch dòng điện (ứng với góc  ) giữa các van và ở các pha t-ơng ứng,

điện áp dây có giá trị bằng không Nh- vậy sự chuyển mạch dòng điện xảy ra bình th-ờng giữa các van thì trong một chu kỳ điện áp dây có ít nhất hai phân

đoạn tồn tại ở giá trị không; Đây là một trong những cơ sở để đánh giá sự chuyển mạch dòng điện của các van

2.Góc  góc chuyển mạch phụ thuộc chủ yếu vào dòng điện tải

3 Để tránh xảy ra hiện t-ợng lật nghịch l-u trong quá trình nghịch l-u cần phải luôn luôn đảm bảo thời gian cần thiết nhỏ nhất đặt điện áp âm lên van, tức thời gian cần thiết để các Thyristor khôi phục lại tính chất điều khiển của van Nh- vậy cần phải thoả mãn các điều kiện (1-39) và (1-44)

Ch-ơng 2

Sự bất bình th-ờng của l-ới điện

Mô hình tạo sự cố

2.1 các tiêu chí đánh giá sự không bình th-ờng của l-ới điện

Hình H2-1 Dạng điện áp 3 pha trong tr-ờng hợp l-ới điện bình th-ờng

Hình H2-2 Dạng điện áp 3pha trong một giai đoạn sự cố



 3



 3

Đối với l-ới điện bình th-ờng và đối xứng thì biên độ điện áp của các pha, các điện áp pha cắt trục hoành luôn đồng đều nhau, hình H2-1

Đối với l-ới điện không bình th-ờng thì biên độ điện áp của các pha, các

điện áp pha cắt trục hoành luôn không đồng đều nhau, hình H2-2

Vậy sự không bình th-ờng của l-ới điện đ-ợc đánh giá:

- Sự thay đổi biên độ điện áp các pha ua, ub, uc không đồng đều nhau

- Không còn đảm bảo các điện áp pha cắt trục hoành đều 600 điện

- Thời gian tồn tại sự không bình th-ờng mang tính chất thoáng qua ( thời gian tồn tại  400 ms)

2 2 nguyên nhân tạo nên sự không bình th-ờng l-ới điện

Sự biến động điện áp đ-ợc thể hiện bằng sự giảm biên độ so với giá trị

định mức, sự mất đối xứng giữa điện áp các pha, mức độ làm méo dạng điện

áp hình sin của điện áp nguồn và thời gian tồn tại sự bất bình th-ờng đó

Các hiện t-ợng tạo ra sự biến động điện áp rất khác nhau [18] [25]:

-Quá trình quá độ đóng điện của một trang thiết bị công nghiệp ví dụ lò

hồ quang , máy cán

-Hỏng cách điện trên đ-ờng dây hoặc cáp d-ới đất bị chọc thủng

-Các hiện t-ợng khí quyển gây ra cho đ-ờng dây nh- sét đánh, gió m-a

Tr-ờng hợp đầu tiên, sự biến động điện áp đã đ-ợc tính đến nên không gây ảnh h-ởng đáng kể đến các hộ tiêu thụ xung quanh

Hai tr-ờng hợp còn lại, gây nên sự cố ngắn mạch Nh- vậy ở xung quanh

điểm xảy ra sự cố ngắn mạch cho đến nơi đặt thiết bị bảo vệ đều bị biến động

về điện áp ít hay nhiều, tuỳ thuộc vào vị trí ở xa hay gần điểm xảy ra sự cố ngắn mạch

Các sự cố dẫn đến biến động điện áp có thể do:

-Ngắn mạch chạm đất một pha

-Ngắn mạch hai pha

-Ngắn mạch ba pha

Hoặc theo thời gian tồn tại sự cố:

-Sự cố tự hồi phục ( thời gian tồn tại sự cố < 100ms) Sự cố này tự biến mất tr-ớc khi thiết bị bảo vệ tác động

-Sự cố thoáng qua ( thời gian tồn tại sự cố < 400ms) Để làm mất ảnh h-ởng của sự cố này thiết bị tự động đóng lại cần cắt điện từ ( 0,2 +0,3)s sau lại đóng lại

-Sự cố bán th-ờng xuyên hay còn gọi sự cố ngắn hạn ( thời gian tồn tại sự

cố < 15s) để làm mất đi sự ảnh h-ởng của sự cố này, thiết bị bảo vệ cần cắt

điện thời gian dài hơn, sau đó đóng lại

-Sự cố th-ờng xuyên hay còn gọi là sự cố dài, cần phải cắt cách hoàn toàn

và nhân viên vận hành phải tác động

Các nghiên cứu thống kê trong nhiều năm trên 100km đ-ờng dây trung áp của n-ớc Pháp chỉ ra rằng có trung bình 150 sự cố trong một năm, [18], [25] trong đó:

-10% sự cố tự hồi phục

-75% sự cố thoáng qua

-10% sự cố ngắn hạn (bán th-ờng xuyên)

-5% sự cố dài hạn (th-ờng xuyên)

Trong những loại sự cố đó có 45% sự cố dẫn đến sụt biên độ điện áp lớn hơn 20% so với định mức Và sự cố xảy ra nhiều hơn cả là sự chạm đất một pha , trung bình là 80%

Các sự cố với thời gian nhỏ hơn 10ms và độ sụt biên độ điện áp nhỏ hơn 10% có thể coi nh- không có ảnh h-ởng đến các trang thiết bị trong công nghiệp

ở việt Nam, cụ thể là l-ới điện trung áp của Hà Nội, đã đ-ợc thống kê

mức độ sự cố nh- sau: [10]

Sự cố ở các đ-ờng cáp cao áp ( 6- 10) KV với chiều dài 507 km

đầu mỗi trạm có máy tự động đóng lại (TĐL) [13 , 14] Trang thiết bị này đều

có bộ phận điều chỉnh tự động đóng, ngắt nhanh hay chậm Trình tự hoạt động của thiết bị đ-ợc mô tả trên hình H2-3[8,25]

Tr-ờng hợp 1: Sự cố xảy ra, thời gian dài 100ms, bộ phận TĐL sau thời gian 300ms tự tách và loại đ-ợc sự cố

Tr-ờng hợp 2: Tách khỏi ảnh h-ởng sau 300ms, nhanh chóng đóng lại Tr-ờng hợp 3: Nếu sự cố còn tiếp tục thì ngắt ( 15s) lại nhanh chóng

đóng lại

Tr-ờng hợp 4: Do tính dai dẳng của sự cố cần thiết phải cắt cách ly hoàn toàn

Dù ở mạng cao áp cũng nh- mạng trung áp khi có sự cố ở một điểm nào

đó đều gây ảnh h-ởng đến cac nhánh khác trong hệ thống D-ới đây xem xét hai tr-ờng hợp ngắn mạch chủ yếu, đó là ngắn mạch chạm đất một pha và ngắn mạch hai pha

Hình 2-3: Biểu đồ dòng điện và điện áp hiệu dụng khi sự cố trên đ-ờng dây trên không có TĐL làm việc

2.3 Xem xét các tr-ờng hợp ngắn mạch trong mạng

Mạng Trung áp

Ngắn mạch chạm đất một pha trong tr-ờng hợp này đ-ợc mô tả trên hình H2-4, biểu đồ véctơ điện áp dạng ở hình H2-5

Hình H2-4 Tr-ờng hợp ngắn mạch chạm đất

một pha trung tính cách đất

Hình 2-5: Biểu đồ véc tơ điện áp tr-ờng hợp ngắn mạch chạm đất

một pha trung tính cách đất

So với các tr-ờng hợp khác, tr-ờng hợp này có các -u điểm , nh-ợc điểm sau:

Ưu điểm :-Trong các l-ới nhỏ dòng điện chạm đất bé

-Cho phép tiếp tục vận hành l-ới khi sự cố ngắn mạch một pha -Bảo vệ chỉ cần đặt trên hai pha

-Tác động nhỏ tới các l-ới xung quanh

-Có thể loại trừ đ-ợc sự cố tự động nếu duy trì đ-ợc điều kiện

dập hồ quang ( dòng điện dung nhỏ hơn 10A)

-Rất khó xác định điểm sự cố đặc biệt với mạch vòng và tr-ờng hợp

điện trở chạm đất cao

2.3.2 Ngắn mạch một pha với đất trong l-ới trung áp có trung tính

nối đất qua cuộn bù