Bài giảng ngắn mạch điện chương 5 cđ phương đông

CAO ĐẲNG
PHƯƠNG ĐÔNG QUẢN NAM
BÀI GIẢNG NGẮN MẠCH ĐIỆN


CHƯƠNG 5:
QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY ĐIỆN
I. KHÁI NIỆM CHUNG:

Quá trình quá độ trong máy điện quay diễn ra phức tạp.

Nguyên lý từ thông móc vòng ban đầu không đổi:
Từ thông móc vòng với rôto ở thời điểm đầu của quá
trình quá độ được giữ không đổi, do vậy sức điện động
tương ứng sinh ra trong stato cũng được giữ không đổi
vào thời điểm đó.


Qui ước:
Chọn hệ trục tọa độ trong máy
điện như sau:
 Các trục tọa độ d, q giá theo dọc
trục và ngang trục của rôto.
 Thành phần dọc trục của dòng
stato dương khi sức từ động do nó
tạo nên cùng chiều với sức từ
động của cuộn kích từ.
 Thành phần ngang trục của dòng
stato dương khi sức từ động do nó
tạo nên chậm 90o so với sức từ
động của cuộn kích từ.

II. CÁC LOẠI TỪ THÔNG TRONG MÁY ĐIỆN:
1. Từ thông toàn phần của cuộn kích từ:
.

.

 f  I f .x f

xf - điện kháng của cuộn kích từ.
Từ thông toàn phần của cuộn kích
từ bao gồm 2 thành phần sau:
- Từ thông hữu ích:
.

.

 d  I f . x ad

xad - điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục.
- Từ thông tản:
.

.

  f  I f . x f

xf - điện kháng tản của cuộn kích từ.

Như vậy:
.

.

.

.

 f   d   f  I f ( x ad  x f )

x f  x ad  x f
Có thể xác định hệ số tản của cuộn kích từ như sau:
.

f 

 f
.

f

x f

xf


2. Từ thông của cuộn dây stato:
- Từ thông phản ứng phần ứng:

.
.
dọc trục:
 ad  I d . x ad
.

ngang trục:
- Từ thông tản:
dọc trục:
ngang trục:
toàn phần:

.

 aq  I q . x aq
.

.

.

.

 d  I d . x 

 q  I q . x 
.

.

   I.x 

xaq - điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục.
x - điện kháng tản của cuộn dây stato.
Id, Iq - các thành phần dòng dọc trục và ngang trục của cuộn dây stato.
I - dòng điện toàn phần của cuộn dây stato ( I  I d2  I q2 )


3. Từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn kích từ:
.

.

.

.

.

 f    f   ad  I f . x f  I d . x ad

4. Từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn dây stato:
.

.

.

.

.

.

.

- dọc trục:  sd   d   ad   d  I f . x ad  I d . x ad  I d . x 
.

.

= I f . x ad  I d . x d
- ngang

.

.

.

.

.

 sq  0   aq   q  I q .( x aq  x  )  I q . x q

trục:
xd = xad + x là điện kháng đồng bộ dọc trục của cuộn dây stato.
xq = xaq + x là điện kháng đồng bộ ngang trục của cuộn dây stato.
5. Từ thông kẻ hở không khí dọc trục:

.

.

.

.

.

.

.

 d   d   ad  I f . x ad  I d . x ad  ( I f  I d ) x ad


6. Từ thông cuộn cản:
- Cuộn cản dọc:
từ thông
chính:
từ thông
tản:
- Cuộn cản ngang:
từ thông
chính:
từ

.

.

 1d  I 1d . x ad
.

.

 1d  I 1d . x 1d
.

.

 1q  I 1q . x aq
.

.

 1q  I 1q . x 1q

thông tản:
I1d , I1q - dòng điện trong cuộn cản dọc trục và cuộn cản ngang trục.
xd , xq - điện kháng tản của cuộn cản dọc trục và cuộn cản ngang trục


III. SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN KHÁNG QUÁ ĐỘ:

Sức điện động và điện kháng quá độ là những tham
số đặc trưng cho máy điện đồng bộ không có cuộn cản vào
thời điểm đầu của quá trình ngắn mạch.

Đồ thị các véctơ từ thông dọc trục của máy điện không cuộn cản.


Khi NM, thành phần Id tăng đột ngột một lượng Ido+
và tương ứng làm cho ad tăng đột ngột một lượng ado+ .
Độ tăng ado+ sẽ làm cho f tăng lên một lượng fo+
sao cho tổng từ thông móc vòng với cuộn kích từ là không
đổi. Như vậy các độ tăng từ thông móc vòng ado+ và
fo+ phải bù nhau, nghĩa là:
.

.

  fo    ado  0
.

.

 I do . x ad   I fo ( x f  x ad )  0

Khi f tăng từ fo  fo+ , thì: f tăng từ fo  fo+
d giảm từ do  do+
d tăng từ do  do+
Tuy nhiên từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn kích từ
vẫn giữ không đổi (fo = fo+ )


Các từ thông thay đổi và sức điện động do chúng sinh
ra cũng sẽ thay đổi vào thời điểm đầu NM, do vậy không
thể sử dụng để thay thế máy điện trong tính toán NM.

Để giải quyết, sử dụng từ thông không đột biến lúc
ngắn mạch, đó là từ thông tổng hợp móc vòng với cuộn
kích từ f , trong đó phần móc vòng với cuộn dây stato
được gọi là từ thông quá độ dọc trục ’d:
. ,

.

. ,

.

 d  (1   f )  f 
d

.
.
x f
 (1   f )(  f   ad )  (1 
)(  f   ad )
x f  x ad

x ad
=
x f  x ad
. ,

.

.

 d  I f x ad  I d

.

I. ( x  x )  I. x 
ad
d ad 
 f f

2
x ad
x f  x ad


Sức điện động tương ứng với từ thông móc vòng d’ là:
2
2
.
.
.
x ad
x ad
E' q  Eq  j I d
 (Uq  j I d x d )  j I d
x f  x ad
x f  x ad
.

.

.

2
x ad
= Uq  j I d (x d 
)
x f  x ad
.

.

.

.

= U q  j I d . x 'd

Eq’ được gọi là sức điện động quá độ ngang trục, xd’
được gọi là điện kháng quá độ dọc trục.
Id
2
x f . x ad
x
'
ad
xd  xd 
 x 
x f  x ad
x f  x ad

Eq’

xd
’

Uq


IV. SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN KHÁNG SIÊU QUÁ ĐỘ:

Sức điện động và điện kháng siêu quá độ là những
tham số đặc trưng cho máy điện đồng bộ có cuộn cản vào
thời điểm đầu của quá trình ngắn mạch.

Khi NM, ad tăng đột ngột một lượng ad, từ thông ở
rôto sẽ có một lượng thay đổi tương ứng rd bao gồm
lượng tăng từ thông của cuộn kích từ f và từ thông của
cuộn cản dọc trục 1d sao cho tổng từ thông móc vòng
với các cuộn dây này không đổi, do vậy:


- Đối với cuộn kích từ:
.

.

.

  f    1d    ad  0

.

.

.

 I f ( x f  x ad )   I 1d x ad   I d x ad = 0

- Đối với cuộn cản dọc:
.

.

.

.

  1d    1d    d    ad  0
.

.

.

 I 1d ( x 1d  x ad )   I f x ad   I d x ad = 0

I1d - lượng tăng dòng trong cuộn cản dọc trục.
Như vậy:
.

.

 I f x f   I 1d x 1d


Phản ứng chung của cả 2 cuộn dây ở rôto có thể thay bằng
phản ứng của một cuộn dây tương đương có dòng bằng:
.

.

.

 I rd   I f   I 1d

và điện kháng tản Xrd với điều kiện vẫn thỏa mãn nguyên
lý từ thông móc vòng không đổi, tức là:
.

.

.

  rd    rd    ad  0
.

.

 I rd ( x rd  x ad )   I d x ad = 0
.

.

.

(  I f   I 1d )( x rd  x ad )   I d x ad = 0

Như vậy:
x rd

x f . x 1d

x f  x 1d


Bài toán đang xét trở thành bài toán đã được giải quyết
ở mục III (máy điện không có cuộn cản), trong đó thay cho
vai trò của cuộn kích từ có xf là cuộn dây tương đương có
xrd. Do vậy:
x ''d

2
x ad
1
 xd 
 x 
1
1
1
x rd  x ad



x f x 1d x ad

xd’’ được gọi là điện kháng siêu quá độ dọc trục.
Sức điện động tương ứng được gọi là sức điện động
siêu quá độ ngang trục Eq’’, có giá trị không đột biến vào
thời điểm đầu ngắn mạch:
. ,,
Eqo



. ,,
Eqo

.

.

 U qo  j I do .x 'd'


Uqo, Ido - các thành phần điện áp và dòng điện của máy
điện trước ngắn mạch.
Trong tính toán thực tế, thường sử dụng sức điện động
siêu quá độ gần đúng:
E''o  ( U o cos o ) 2  ( U o sin  o  I o . x ''d ) 2

hay:

E''o  ( U o  I o . x ''d sin  o ) 2  ( I o . x ''d cos o ) 2

trong đó:
Uo, Io, o - điện áp, dòng điện và góc pha của máy điện
trước ngắn mạch.


V. ĐẶC ĐIỂM CỦA PHỤ TẢI :

Trong các tính toán thực tê,ú đặc trưng cho những phụ
tải tổng hợp tại thời điểm đầu của quá trình quá độ là các
sức điện động và điện kháng siêu quá độ. Khi lấy công suất
định mức của phụ tải và điện áp trung bình của cấp mà phụ
tải nối vào làm các lượng cơ bản, thì trị số trong đơn vị
tương đối của chúng là:

x”PT = 0,35

và

E”PT = 0,8