Lưới điện và máy biến áp tự ngẫu ba pha động cơ đồng bộ vận hành non tải

Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 59 Bài 6 LƯỚI ĐIỆN VÀ MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU BA PHA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ VẬN HÀNH NON TẢI 6.1. LƯỚI ĐIỆN VÀ MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU BA PHA 6.1.1. Mục đích • Quan sát sự phân phối công suất trên hai đường dây truyền tải mắc song song. • Hiểu những đặc tính của máy biến áp tự ngẫu. • Điều chỉnh sự phân phối công suất trên hai đường dây mắc song song bằng máy biến áp tự ngẫu. 6.1.2. Tóm tắt lý thuyết Chúng ta đã biết mô hình của một đường dây truyền tải (môn HTĐ 1). Thế nhưng, trong một HTĐ thực tế có hàng trăm đường dây nối rẽ liên kết những trạm công suất với các tải phân tán rộng của chúng. Mạng lưới chia của đường dây truyền tải cho ở hình 6-1 là một ví dụ đơn giản, nó phức tạp hơn rất nhiều so với một mạch mắc nối tiếp – song song đơn thuần. Công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây không chỉ phụ thuộc vào tổng trở của đường dây mà còn phụ thuộc vào độ lớn và góc pha giữa điện áp đầu phát và đầu nhận. Ở một HTĐ như vậy, công suất trong một đường dây đặc biệt có thể rất cao (hoặc rất thấp), do đó cần lưu ý đến điện dung của đường dây và tính kinh tế của sự truyền tải. Hình 6-1 Trong những trường hợp này, công suất tác dụng có thể được điều chỉnh bằng cách dịch chuyển pha của điện áp đầu nhận hoặc đầu phát (thay đổi góc lệch pha giữa hai đầu điện áp). Tương tự, công suất phản kháng cũng có thể được điều chỉnh bằng cách tăng hoặc giảm điện áp 1 trong 2 đầu nhận hoặc đầu phát. Tăng hoặc giảm điện áp là một vấn đề đơn giản có thể thực hiện được bằng máy tự biến áp tự động đặt tại hai đầu đường dây. Việc thay đổi góc lệch pha có thể được thực hiện bằng máy biến áp dịch pha. Hầu hết những HTĐ lớn đều sử dụng máy biến áp chuyển dịch pha tĩnh, mức độ chuyển dịch phụ thuộc vào cách đấu dây máy biến áp. Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 60 Bản chất của máy biến áp tự ngẫu có thể được hiểu thông qua hình 6-2, trong đó a1, b1, c1 là những cuộn sơ cấp của máy biến áp ba pha mắc theo hình sao; a2, b2, c2 là những cuộn thứ cấp cũng được mắc dạng sao nhưng những cuộn thứ cấp a3, b3, c3 lại chưa được nối lại với nhau. Điện áp áp ở các cuộn a1, a2, a3 sẽ cùng pha nhau, điện áp ở các cuộn b1, b2, b3 và c1, c2, c3 cũng sẽ như vậy. Hình 6-2 Tuy nhiên, ba cặp điện áp này sẽ có góc pha lệch nhau 1200 như ở hình 6-3. Hình 6-3 Nếu a2a3, b2b3, c2c3 được mắc nối tiếp với nhau thì điện áp giữa các đầu X, Y, Z sẽ cùng pha với điện áp giữa các đầu A, B, C như trên hình 6-3. Nhưng nếu mắc nối tiếp a2b3, b2c3 và c2a3 thì ta sẽ được biểu đồ pha như hình 6-4 và khi đó điện áp giữa các đầu X, Y, Z sẽ lệch pha với điện áp giữa các đầu A, B, C. Mức độ lệch phụ thuộc vào độ lớn liên quan giữa điện áp ở a2b2c2 và a3b3c3 (nếu những điện áp này đều bằng nhau thì độ lệch pha sẽ là 600). Hình 6-4 Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 61 Với các cách đấu dây trong máy biến áp ba pha, với một công tắc lựa chọn ta có thể làm cho điện áp sơ cấp và thứ cấp lệch nhau 300. Hơn nữa, có thể thay đổi một cách nhanh chóng từ trễ pha đến sơm pha và ngược lại. Xem hình 6-1 và giả sử rằng chúng ta muốn điều chỉnh công suất tác dụng ở đoạn L2- L3. Nếu ta muốn tăng công suất tác dụng thì góc pha giữa điện áp tại L2 và L3 sẽ phải tăng. Mặt khác, nếu ta muốn giảm công suất tác dụng xuống còn zero thì hai điện áp sẽ phải cùng pha. Việc thay đổi góc pha này có thể thực hiện bởi một máy biến áp dời pha đặt tại cả hai đầu đoạn L2-L3. Việc thay đổi công suất tác dụng trên đường dây L2-L3 sẽ làm ảnh hưởng đến công suất tác dụng trên những đường dây khác, đặc biệt là những đường dây đồng quy tại nút L2 và L3. Và đây thường là lý do để hiệu chỉnh công suất trên đường dây L2-L3 ở nơi đầu tiên. Công suất phản kháng tương tự có thể được điều chỉnh bằng cách tăng thế (nâng lên) hoặc hạ thế (giảm xuống) tại cả hai đầu đường dây. Do vậy, nếu điện áp tại L2 được tăng lên thì công suất phản kháng sẽ truyền thẳng tới L3. Và kết quả tương tự cũng sẽ có được nếu ta giảm áp tại L3. Ở đây, chúng ta cần lưu ý rằng điện áp chỉ có thể được tăng hoặc được giảm trong nội bộ một đường dây truyền tải, nghĩa là ta không thể thay đổi mức điện áp trên những đường dây khác nối vào điểm L2 và L3. Trong thí nghiệm, chúng ta tìm hiểu cách phân bố công suất trên hai đường dây truyền tải mắc song song và sự phân bố này sẽ được điều chỉnh máy biến áp tự ngẫu ba pha. Thiết bị cần thiết TÊN THIẾT BỊ MODEL Resistive load 8311 Inductive load 8321 Three phase transmission line 8329 Three phase Regulating Autotransformer 8349 AC Voltmeter 8426 Power Supply 8821 Stroboscope 8922 Connection leads (dây dẫn) 9128 6.1.3. Trình tự thí nghiệm Lưu ý! Những thí nghiệm này dùng điện áp cao, không nối mạch khi nguồn điện đang mở. 1. Nối mạch như hình 6-5 và sau đó điều chỉnh điện áp E1 = 380 V Ghi lại kết quả điện áp và góc pha vào bảng khi tiến hành thí nghiệm với các điều kiện được thiết lập như trong bảng 6-1 khi thay đổi công tắc tăng/giảm điện áp và công tắc dời pha. Lưu ý: khi thay đổi hai công tắc, góc pha và điện áp E2 thay đổi một cách độc lập. Chú ý thứ tự pha của máy biến áp. Trình bày những gì xảy ra. ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 62 Hình 6-5 Thiết lập Giá trị đọc được Tăng/giảm áp Độ lệch pha E1 E2 δ Trể/sớm % 0 V V 0 - 0 0 0 +15 0 -15 -15 0 -15 +15 -15 -15 +15 0 +15 +15 +15 -15 Bảng 6-1 2. Mắc mạch điện như hình 6-6. Đặt tổng trở của hai đường dây bằng 200 Ω và điều chỉnh điện áp E1 = 380 V. Cần lưu ý rằng mỗi dây đều mang cùng một lượng công suất khi không có lệch pha và tăng/giảm áp của máy biến áp. Tiến hành thí nghiệm với các điều kiện thiết lập như trong bảng 6-2. Hình 6-6 Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 63 Thay đổi góc lệch pha bằng công tắc dời pha trên máy biến áp. Quan sát sự ảnh hưởng đến công suất phản kháng trên đường dây mỗi lần thay đổi góc pha. Thay đổi điện áp E1 bằng công tắc tăng/giảm áp trên máy biến áp. Quan sát sự ảnh hưởng đến công suất tác dụng trên đường dây mỗi lần thay đổi điện áp. Ghi lại kết quả vào bảng 6-2. Thiết lập Kết quả Tăng/giảm áp Độ lệch pha P1 Q1 P2 Q2 E1 E2 E3 % 0 W Var W Var V V V 0 0 380 0 +15 0 -15 +15 0 -15 0 +15 +15 -15 -15 Bảng 6-2 6.1.4. Câu hỏi 1. Trên hình 6-7 có hai đường dây truyền tải có tổng trở là 100 Ω và 200 Ω mắc song song nhau. Một máy biến áp dời pha T1 được nối vào đường dây 200 Ω để công suất tác dụng được phân bố đều trên hai đường dây. Nếu điện áp hai đầu phát và nhận đều bằng 110 kV, hãy xác định công suất tác dụng cực đại truyền đi và góc pha cần điều chỉnh của máy biến áp dời pha. Hình 6-7 ................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... 2. Ở câu hỏi 1, nếu không có máy biến áp dời pha thì công suất cực đại được truyền đi trên hai đường dây được phân bố như thế nào? ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ 3. Có phải máy biến áp dời pha ở câu hỏi 1 tăng công suất cực đại mà đường dây 200 Ω có thể truyền tải? Có Không Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 64 6.2. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ VẬN HÀNH NON TẢI 6.2.1. Mục đích • Quan sát sự vận hành của một động cơ đồng bộ non tải. • Quan sát sự chuyển dịch cơ học của rotor khi tăng tải. • Xác định giới hạn tải của động cơ. • Quan sát tác động của kích từ lên khả năng chịu tải của động cơ. 6.2.2. Tóm tắt lý thuyết Chúng ta hãy xem lại sơ đồ mạch của một động cơ đồng bộ ở thí nghiệm 5.1, sơ đồ có dạng như hình 6-8, trong đó X là tổng trở đồng bộ, E0 là điện cảm bởi dòng từ rotor và E1 là điện áp cung cấp. Hình 6-8 Như đường dây truyền tải, công suất tác dụng cấp cho động cơ được tính như sau: δ= sin X EE P 01 trong đó: δ là góc pha giữa E0 và E1 E1E0/X là công suất cực đại mà động cơ có thể nhận khi δ = 900. Góc δ sẽ thay đổi như thế nào? Nó tăng khi tăng tải. Thật vây, khi moment tăng sẽ làm cho động cơ hoạt động với vận tốc thấp hơn. Khuynh hướng giảm tốc này dẫn đến rotor sẽ dịch chuyển, liên quan stator. Sự dịch chuyển này làm điện áp E0 trễ pha so E1 khi tải tăng. Sự dịch chuyển này có thể quan sát bằng đèn chớp đồng bộ. Với công suất P và điện áp cung cấp E1 thì từ phương trình: P = E1E0sinδ/X, ta thấy góc pha δ tăng khi giảm kích từ. Nếu cuộn kích được giảm vừa đủ, δ sẽ tiến đến 900 tại thời điểm động cơ ở biên của sự mất tính đồng bộ. Ở các động cơ cực lồi thì góc pha khi động cơ mất tính đồng bộ nhỏ hơn 900, thường vào khoảng 700. Điều này có được là nhờ vào moment từ trở được tạo từ những cực lồi. Tuy nhiên, đối với mục đích của chúng ta thì phương trình về công suất ở trên đã tạo ra được một hình minh hoạ rõ ràng, thoả mãn những gì xảy đến với một động cơ đồng bộ non tải. Động cơ đồng bộ và đường dây truyền tải Hãy xem một hệ thống gồm đường dây truyền tải có tổng trở là X1 nối với một động cơ đồng bộ có điện kháng đồng bộ X2 và điện áp cảm ứng E0 như trên hình 6-9. Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 65 Hình 6-9 Công suất truyền từ E1 đến động cơ đồng bộ bây giờ được cho bởi phương trình: ( ) δ+= sinXX EE P 21 o1 trong đó: δ là góc pha giữa E1 và E0, Pmax = E1E0/(X1 + X2) là công suất cực đại có thể xảy ra khi δ = 900. Mặt khác, công suất truyền đến động cơ cũng được cho bởi: α= sin X EEP 02 với E2 là điện áp ở cuối đường dây và α là góc pha giữa E2 và E0. Bởi vì E2 phải nằm giữa E1 và E0 (xem hình 6-10) nên hiển nhiên góc α sẽ nhỏ hơn 900 khi công suất cực đại được truyền đi. Nói cách khác, động cơ sẽ mất tính đồng bộ trước khi góc pha giữa E2 và E0 đạt 900. Do động cơ đồng bộ đạt được công suất cực đại khi α = 900 nếu điện áp E0 và E2 không đổi. Một đường dây truyền tải, điện áp E2 thường không cố định, phụ thuộc vào độ lớn của tải. Đây chính là lý do tại sao động cơ đạt cực đại về công suất trước khi α tiến đến 900 (xem hình 6-10 b). Bằng phương pháp lượng giác, ta có thể xác định được giá trị của α khi công suất đạt cực đại theo phương trình: ( )( )0112 E/EX/Xtan =α Bởi vậy, nếu X1 = X2 và E1 = E0, tanα = 1 → α = 450. Hình 6-10 Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 66 Thiết bị cần thiết TÊN THIẾT BỊ MODEL DC Motor/generator 8211 Three phase Synchronous motor/generator 8241 Resistive load 8311 Three phase transmission line 8329 DC Voltmeter/Ammeter 8412 AC Voltmeter 8426 Three phase Wattmeter/Varmeter 8446 Power Supply 8821 Phase shift Indicator 8909 Stroboscope 8922 Timing belt (Dây curoa) 8942 Connection leads (dây dẫn) 9128 6.2.3. Trình tự thí nghiệm Lưu ý! Những thí nghiệm này dùng điện áp cao, không nối mạch khi nguồn điện đang mở. 1. Mắc mạch như hình 6-12. Hình 6-12 2. Điều chỉnh E1 = 380V để khởi động động cơ, sau đó điều chỉnh kích từ để Q1 = 0. Sau khi điều chỉnh, hãy giữ giá trị dòng kích từ không đổi (trong những điều kiện như thế này, điện áp cảm ứng E0 bằng điện áp E1). Sử dụng đèn chớp điều chỉnh bộ chỉ thị lệch pha bằng 0. Cần lưu ý P1, Q1 và IF; Ghi lại kết quả nhận được vào bảng 6-3. Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 67 δ E1 P1 Q1 P2 Q2 IF E0 0 V W Var W Var A V 0 380 380 10 20 30 40 50 60 Bảng 6-3 Công suất cực đại của động cơ phụ thuộc vào E1 3. Điều chỉnh điện áp E1 = 380 V, chỉnh giá trị IF như bảng 6-3. Đặt tải để δ = 200. Sau đó từ từ giảm E1 và chú ý đến góc lệch pha. Tại góc pha bằng bao nhiêu thì động cơ bị mất tính đồng bộ? δ = ___________ 0 Và điện áp E1 tương ứng khi đó bằng bao nhiêu? E1 =___________V Công suất cực đại của động cơ phụ thuộc vào E0 4. Để giảm dòng kích ta mắc một tải trở nối tiếp với cuộn kích của động cơ/máy phát đồng bộ ba pha. Điều chỉnh điện áp E1 = 380 V và dòng kích từ như ở bảng 6-3, hãy điều chỉnh tải để δ = 200. Sau đó từ từ giảm điện áp E1 và chú ý đến góc lệch pha. Tại góc lệch pha bằng bao nhiêu thì động cơ bị mất tính đồng bộ? δ = ___________ 0 Và dòng kích từ khi đó bằng bao nhiêu? IF = ___________ A Ảnh hưởng của tổng trở đường dây truyền tải 5. Đặt E1 = 380 V, E0 = 380 V và ghi lại giá trị công suất tác dụng P1 và góc lệch pha của E0 so với E1 trước khi động cơ mất tính đồng bộ. P1 = _________W δ = _________ 0 Mắc nối tiếp đường dây với tổng trở 400 Ω với động cơ và với E0 = E1 = 380 V. Tăng tải cho đến khi động cơ mất tính đồng bộ. Ghi lại P1 trước khi mất đồng bộ? P1 = _________ W Góc lệch pha giữa E0 và E1 khi đó? δ = _________ 0 Bài 6 PTN HỆ THỐNG ĐIỆN 68 Khởi động đèn chớp từ điện áp E2 đặt vào động cơ và lưu ý đến độ dịch pha của cực rotor khi tải được tăng lên. Tại góc pha bằng bao nhiêu thì động cơ thì động cơ bị mất tính đồng bộ? α =___________0 Hãy giải thích tại sao góc này lại nhỏ hơn 900 ? ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 6.2.4. Câu hỏi 1. Một động cơ đồng bộ, ba pha 1000 kW; 2,3 kV có điện kháng đồng bộ mỗi pha bằng 2,6 Ω. Xác định góc lệch pha theo độ điện khi công suất động cơ phát 500 kW, biết điện áp kích từ E0 = 2,3 kV (điện áp dây). ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 2. Nếu động cơ ở câu 1 được đặt tại cuối đường dây truyền tải có điện kháng mỗi pha bằng 3 Ω thì độ lệch pha là bao nhiêu độ điện khi động cơ phát ra công suất 500 kV? ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 3. Ở câu 2, hãy cho biết công suất cực đại mà động cơ có thể tạo ra trước khi nó bị mất tính đồng bộ. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................