Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
144
Ch"¬ng 24
M¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé
lµm viÖc ë t¶i kh«ng ®èi xøng
24-1. §¹i cB¬ng
Trong khi cung cÊp ®iÖn cã thÓ xy ra tr8êng hîp ti cña c¸c pha kh«ng b»ng nhau,
hé dïng ®iÖn cña mét pha nµo ®ã cã thÓ rÊt lín, vÝ dô nh8 khi cung cÊp ®iÖn cho c¸c
tuyÕn ®8êng s¾t, c«ng nghiÖp ®iÖn ph©n, ... vµ nh8 vËy m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé sÏ lµm
viÖc víi ti kh«ng ®èi xøng, trong m¸y ®iÖn ®ång bé sÏ sinh ra mét sè hiÖn t8îng bÊt
lîi nh8 ®iÖn ¸p kh«ng ®èi xøng, c¸c sãng ®iÒu hoµ s.®.®. vµ dßng ®iÖn bËc cao xuÊt
hiÖn lµm tæn hao t¨ng lªn, r«to nãng vµ m¸y rung, ...
Gíi h¹n ti kh«ng ®èi xøng cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé xy ra khi cã ng¾n m¹ch
trong hÖ thèng ®iÖn lùc, hoÆc ë ®Çu cùc m¸y ph¸t (ng¾n m¹ch mét pha víi d©y trung
tÝnh; ng¾n m¹ch hai pha víi d©y trung tÝnh). Tuy dßng ®iÖn ng¾n m¹ch kh«ng ®èi xøng
chØ tån t¹i trong mét thêi gian ng¾n v× c¸c r¬le bo vÖ m¸y ph¸t ®iÖn ®· sÏ t¸c ®éng,
nh8ng còng g©y ra nh÷ng lùc ®iÖn tõ hoÆc hiÖu øng nhiÖt rÊt lín, cã thÓ lµm h8 háng
m¸y ph¸t ®iÖn.
§Ó nghiªn cøu chÕ ®é lµm viÖc ë ti kh«ng ®èi xøng cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé, ta
dïng ph8¬ng ph¸p ph©n l8îng ®èi xøng, chia c¸c dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p kh«ng ®èi xøng
thµnh ba thµnh phÇn ®èi xøng: thø tù thuËn, thø tù ng8îc vµ thø tù kh«ng.
0
2
1
2
2
1
1
111
I
I
I
aa
aa
I
I
I
c
b
a
= (24-1)
0
2
1
2
2
1
1
111
U
U
U
a
a
a
a
U
U
U
c
b
a
= (24-2)
trong ®ã 3/2πj
ea =; 3/42 πj
ea = ; 1 + a + a2 = 0.
Tham sè cña m¸y ph¸t ®iÖn øng víi c¸c thµnh phÇn ®èi xøng lµ z1, z2 vµ z0.
§Ó thµnh lËp ph8¬ng tr×nh ®iÖn ¸p cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé lµm viÖc ë ti kh«ng
®èi xøng cÇn chó ý r»ng dßng ®iÖn kÝch thÝch it vµ tõ tr8êng cña cùc tõ chØ sinh ra
s.®.®. thø tù thuËn E1 = E, cßn c¸c s.®.®. thø tù ng8îc vµ thø tù kh«ng ®Òu kh«ng tån t¹i
(E2 = E0 = 0), v× vËy ta cã:
000
222
1111
0
0
zIU
zIU
zIUE
&& && &&&
+=
+=
+=
(24-3)
Tõ c¸c ph8¬ng tr×nh (24-1), (24-2) vµ (24-3) cã thÓ suy ra:
0022
2
11
002211
2
002211
)(
)(
zIzIazIEaU
zIzIazIEaU
zIzIzIEU
c
b
a
&&&&& &&&&& &&&&&
−−−=
−−−=
−−−=
(24-4)
Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
145
2n
1
q
U
&
d
U
&
d
I
&
q
I
& q
d
H×nh 24-1. M« h×nh cña m¸y
ph¸t ®ång bé øng víi dßng ®iÖn
thø tù ngBîc
C¸c ph8¬ng tr×nh (24-4) cho thÊy ®iÖn ¸p cña m¸y ph¸t ®iÖn ë ti kh«ng ®èi xøng
b»ng s.®.®. ë c¸c pha E, a2E, aE trõ ®i c¸c ®iÖn ¸p gi¸ng trªn c¸c tæng trë thø tù thuËn,
thø tù ng8îc vµ thø tù kh«ng do c¸c dßng ®iÖn thø tù t8¬ng øng g©y ra.
C¸c ph8¬ng tr×nh (24-1), (24-2) vµ (24-4) lµ c¬ së ®Ó ph©n tÝch chÕ ®é lµm viÖc
kh«ng ®èi xøng nãi chung vµ ng¾n m¹ch kh«ng ®èi xøng nãi riªng cña m¸y ph¸t ®iÖn.
Trong chÝn ph8¬ng tr×nh kh«ng ®èi xøng nãi trªn, E, z
1
, z2
, z
0
®· cho biÕt vµ cã
chøa m8êi hai Èn sè. Tuú theo c¸c tr8êng hîp ti kh«ng ®èi xøng cô thÓ, ®Ó t×m lêi
gii, cÇn thªm ba ph8¬ng tr×nh bæ xung n÷a.
D8íi ®©y tr8íc khi ph©n tÝch mét sè tr8êng hîp ng¾n m¹ch kh«ng ®èi xøng, ta xÐt
c¸c tham sè cña m¸y ph¸t ®iÖn khi lµm viÖc kh«ng ®èi xøng.
24-2. C¸c tham sè cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång
bé khi lµm viÖc ë ti kh«ng ®èi xøng
24.2.1. Tæng trë thø tù thuËn z1 = r1 + jx1
HÖ thèng dßng ®iÖn thø tù thuËn sinh ra trong m¸y ®iÖn ®ång bé ba pha s.t.®. quay
cã sãng c¬ bn quay ®ång bé víi r«to gièng nh8 ë tr8êng hîp m¸y ph¸t ®iÖn lµm viÖc
ë ti ®èi xøng, nªn kh«ng sinh ra dßng ®iÖn cm øng ë r«to, do ®ã tæng trë thø tù thuËn
z1 chÝnh lµ tæng trë cña m¸y khi lµm viÖc ë ti ®èi xøng, trong ®ã ®iÖn kh¸ng thø tù
thuËn x1
cña m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé cùc Èn chÝnh lµ ®iÖn kh¸ng ®ång bé xdb vµ cña
m¸y cùc låi cã trÞ sè b»ng xd theo h8íng däc trôc, xq theo h8íng ngang trôc. Cßn ®iÖn
trë thø tù thuËn chÝnh lµ ®iÖn trë cña d©y quÊn phÇn øng.
24.2.2. Tæng trë thø tù ng6îc z2 = r2 + jx2
HÖ thèng dßng ®iÖn thø tù ng8îc sinh ra s.t.®.
quay ng8îc chiÒu quay r«to víi tèc ®é ®ång bé, v×
vËy tèc ®é quay t8¬ng ®èi cña nã so víi r«to b»ng
2n1 vµ trong c¸c d©y quÊn ®Æt trªn r«to sÏ sinh ra
dßng ®iÖn cã tÇn sè 2f.
§èi víi m¸y cùc låi, ®Ó thÊy râ ý nghÜa vµ trÞ
sè cña z
2
ta xem nh8 r«to ®øng yªn vµ tõ tr8êng
quay ng8îc víi tèc ®é 2n1 trªn lµ do dßng ®iÖn hai
pha tÇn sè 2f lÖch nhau vÒ thêi gian 900 ch¹y trong
hai d©y quÊn däc trôc vµ ngang trôc lÖch nhau 900
vÒ kh«ng gian ë stato sinh ra (h×nh 24-1). Trong
tr8êng hîp ®ã sÏ kh«ng cã hiÖn t8îng hç c¶m gi÷a
hai pha, c¸c hiÖn t8îng theo c¸c h8íng däc trôc d
vµ ngang trôc q kh«ng cã liªn quan víi nhau vµ cã
thÓ xÐt riªng rÏ. Nh8 vËy gièng nh8 ®èi víi m.b.a. (hoÆc ®éng c¬ ®iÖn kh«ng ®ång bé
khi r«to ®øng yªn), nÕu bá qua ®iÖn trë th× m¹ch ®iÖn thay thÕ theo h8íng däc trôc trªn
®ã cã d©y quÊn phÇn øng, d©y quÊn kÝch thÝch vµ d©y quÊn cn däc trôc nh8 ë h×nh 24-
2a, hoÆc nÕu kh«ng cã d©y quÊn cn däc trôc th× nh8 ë h×nh 24-2b. Còng nh8 vËy,
m¹ch ®iÖn thay thÕ h8íng ngang trôc sÏ nh8 ë h×nh 24-3a nÕu cã d©y quÊn cn ngang
trôc, hoÆc nh8 ë h×nh 24-3b nÕu kh«ng cã d©y quÊn cn ®ã.
C¨n cø vµo c¸c m¹ch ®iÖn thay thÕ ®ã, ®iÖn kh¸ng däc trôc vµ ngang trôc øng víi
tõ tr8êng cña dßng ®iÖn thø tù ng8îc khi cã d©y quÊn c¶n b»ng:
Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
146
a)
xσB
x
Bd xσt xσcd
b
x
Bd xσt
xσB
H×nh 24-2. M¹ch ®iÖn thay thÕ
hBíng däc trôc khi cã d©y quÊn
cn (a) vµ khi kh«ng cã d©y quÊn
cn (b) cña m¸y ®iÖn ®ång bé.
a)
xσB
xBq xσcq
b
x
Bq
xσB
H×nh 24-3. M¹ch ®iÖn thay thÕ
hBíng ngang trôc khi cã d©y quÊn
c¶n (a) vµ khi kh«ng cã d©y quÊn
c¶n (b) cña m¸y ®iÖn ®ång bé.
cdtud
ud
xxx
xx
σσ
σ111 1
,,
++
+= (24-5)
cquq
uq
xx
xx
σ
σ11 1
,,
+
+= (24-6)
vµ khi kh«ng cã d©y quÊn cn b»ng:
tud
ud
xx
xx
σ
σ11 1
,
+
+= (24-7)
ququq xxxx =+= σ
, (24-8)
V× tõ tr8êng ng8îc quÐt qua r«to víi hai lÇn
tèc ®é ®ång bé nªn trÞ sè cña ®iÖn kh¸ng thø tù
ng8îc x2
lu«n thay ®æi lÆp l¹i c¸c trÞ sè däc vµ
ngang trôc, do vËy khi cã d©y quÊn c¶n cã thÓ
xem nh8:
2
,,,,
2
qd xx
x+
= (24-9)
Th8êng khi cã d©y quÊn cn th× x,,d = x,,q do
®ã:
x2 = x,,d = x,,q
Khi m¸y kh«ng cã d©y quÊn cn cã thÓ xem:
2
,
2
qd xx
x+
= (24-10)
Th«ng th8êng ®iÖn kh¸ng thø tù ng8îc cã
giíi h¹n nh8 sau:
xσ8 < x2 < x1
§èi víi m¸y cùc Èn x2 = 0,12 ÷ 0,25. §èi víi
m¸y cùc låi cã d©y quÊn cn th× x2 = 0,15 ÷ 0,35, cßn kh«ng cã d©y quÊn cn th× x2 =
0,3 ÷ 0,6.
§iÖn trë thø tù ng8îc bao gåm ®iÖn trë cña d©y quÊn phÇn øng r8 vµ ®iÖn trë cña
d©y quÊn r«to qui ®æi vÒ phÇn øng r,r nghÜa lµ:
2
,
2r
u
r
rr += (24-11)
C¸c gi¸ trÞ cña x2, r2 cã thÓ x¸c ®Þnh ®8îc theo thÝ nghiÖm b»ng c¸ch ®Æt vµo d©y
quÊn phÇn øng ®iÖn ¸p thÊp U2 vµ quay r«to ng8îc víi chiÒu tõ tr8êng quay víi tèc ®é
®ång bé. §o dßng ®iÖn I2 vµ c«ng suÊt P2 ë phÝa d©y quÊn stato ta tÝnh ®8îc:
2
2
2I
U
z=; 2
2
2
2I
P
r=; 2
2
2
22 rzx −=
trong ®ã c¸c trÞ sè I2, U2, P2 ®Òu øng víi mét pha.
Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
147
24.2.3. Tæng trë thø tù kh«ng z0 = r0 + jx0
Dßng ®iÖn thø tù kh«ng I0 cïng pha vÒ thêi gian ch¹y trong d©y quÊn ba pha lÖch
nhau 1200 trong kh«ng gian sÏ sinh ra ë khe hë c¸c s.t.®. ®Ëp m¹ch cïng pha vÒ thêi
gian vµ lÖch nhau 1200 trong kh«ng gian. Khi ph©n tÝch chóng thµnh c¸c sãng ®iÒu hoµ
th× tæng cña c¸c s.t.®. c¬ bn vµ s.t.® cã bËc kh¸c béi ba ®Òu b»ng kh«ng. V× vËy ë khe
hë chØ tån t¹i tõ tr8êng ®Ëp m¹ch do c¸c sãng ®iÒu hoµ béi ba nh8 3, 9, 15, ... sinh ra.
C¸c dßng ®iÖn cm øng trong d©y quÊn kÝch thÝch vµ d©y quÊn c¶n g©y ra bëi c¸c tõ
tr8êng bËc cao ®ã th8êng cã trÞ sè nhá kh«ng ®¸ng kÓ.
V× tõ tr8êng c¬ bn kh«ng tån t¹i trong khe hë nªn ®iÖn kh¸ng thø tù kh«ng x0
®8îc x¸c ®Þnh bëi c¸c tõ tr8êng tn ë r·nh, ë ®Çu nèi vµ c¸c tõ tr8êng bËc cao nãi trªn.
Còng v× vËy mµ trÞ sè cña nã th8êng nhá. §èi víi m¸y cùc Èn x0 = 0,02 ÷ 0,10, cßn ®èi
víi m¸y cùc låi x0 = 0,02 ÷ 0,20.
§iÖn trë thø tù kh«ng r0 th8êng lín h¬n r8 do trong d©y quÊn phÇn øng cã thªm tæn
hao phô g©y nªn bëi c¸c tõ tr8êng bËc cao, nh8ng v× c¸c tõ tr8êng ®ã rÊt nhá nh8 ®·
nãi ë trªn nªn c¸c tæn hao phô ®ã kh«ng lín vµ cã thÓ cho r»ng r0 ≈ r8.
C¸c tham sè z0, r0, x0 cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng thÝ nghiÖm nÕu cho r«to quay víi tèc ®é
®ång bé vµ ®Æt ®iÖn ¸p U h¹ thÊp vµo ba pha d©y quÊn nèi tiÕp cña stato. Tõ c¸c trÞ sè
U0, P0, I0 ®o ®8îc ë d©y quÊn stato ta suy ra:
0
0
03I
U
z=; 2
0
0
03I
P
r=; 2
0
2
00 rzx −=
24-3. ¶nh hBëng cña t¶i kh«ng ®èi xøng
®èi víi m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé
Khi lµm viÖc víi ti kh«ng ®èi xøng, trong m¸y ®iÖn chØ cã c¸c dßng ®iÖn thø tù
thuËn vµ ng8îc, cßn dßng ®iÖn thø tù kh«ng hoÆc cã trÞ sè rÊt nhá hoÆc kh«ng tån t¹i,
v× d©y quÊn phÇn øng th8êng nèi h×nh sao cã ®iÓm trung tÝnh nèi ®Êt qua ®iÖn trë lín
(víi môc ®Ých bo vÖ) hoÆc kh«ng nèi ®Êt. Tõ tr8êng quay do dßng ®iÖn thø tù ng8îc
sinh ra trong m¸y ®iÖn ®ång bé nh÷ng hiÖn t8îng bÊt lîi khiÕn cho m¸y ph¸t ®iÖn lµm
viÖc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn khã kh¨n h¬n nh8 ®iÖn ¸p kh«ng ®èi xøng, tæn hao t¨ng vµ
r«to nãng h¬n, m¸y rung nhiÒu. D8íi ®©y ta lÇn l8ît xÐt c¸c c¸c hiÖn t8îng ®ã.
24.3.1. §iÖn ¸p cña m¸y ph¸t ®iÖn khi lµm viÖc ë ti kh«ng ®èi xøng
Khi lµm viÖc ë ti kh«ng ®èi xøng dßng ®iÖn thø tù ng8îc sÏ g©y nªn nh÷ng ®iÖn
¸p r¬i z2I2 biÓu thÞ b»ng nh÷ng vÐct¬ cã c¸c gãc kh¸c nhau víi ®iÖn ¸p thø tù thuËn ë
c¸c pha. NÕu vÏ ®å thÞ vÐct¬ riªng rÏ cho tõng pha theo c¸c ph8¬ng tr×nh (24-4) sÏ suy
ra ®8îc ®iÖn ¸p Ua, Ub, Uc ë ®Çu m¸y ph¸t ®iÖn ®ång bé. C¸c ®iÖn ¸p ®ã kh«ng ®èi
xøng, nghÜa lµ trÞ sè cña chóng kh¸c nhau vµ gãc lÖch pha víi nhau kh¸c 1200. T×nh
tr¹ng ®ã nh h8ëng xÊu ®Õn c¸c hé dïng ®iÖn, ®Æc biÖt ®èi víi c¸c ®éng c¬ ®iÖn kh«ng
®ång bé vµ ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé.
Ta chó ý r»ng nÕu trong m¸y cã ®Æt d©y quÊn cn hoÆc r«to vµ cùc tõ b»ng thÐp
nguyªn khèi th× z2 cã trÞ sè nhá nªn ®iÖn ¸p kh«ng ®èi xøng Ýt h¬n. §iÒu ®ã cã thÓ gii
thÝch ®8îc nh8 sau: dßng ®iÖn cm øng trong d©y quÊn cn vµ thÐp r«to nguyªn khèi
t8¬ng ®èi lín sÏ sinh ra tõ th«ng lµm gim bít tõ tr8êng quay ng8îc khiÕn cho z2 nhá
h¬n, kÕt qu lµ ®iÖn ¸p ®8îc ci thiÖn.
Nguyễn Văn Đô - ĐHĐL
148
a
b
c
1n
I
&
a
I
&
b
U
&
b
I
&
c
I
&
c
U
&
a
U
&
H×nh 24-4. S¬ ®å ng¾n
m¹ch mét pha cña
m¸y ph¸t ®ång bé
24.3.2. Tæn hao vµ r«to nãng
Khi lµm viÖc ë ti kh«ng ®èi xøng, tõ tr8êng quay ng8îc sinh ra dßng ®iÖn cã tÇn
sè 2f ë r«to g©y thªm tæn hao ë r«to, ®ång thêi còng khiÕn cho r«to bÞ nãng thªm vµ
hiÖu suÊt cña m¸y bÞ gim. Trong d©y quÊn cn hoÆc r«to thÐp nguyªn khèi cña m¸y
ph¸t tuabin h¬i, dßng ®iÖn nãi trªn rÊt lín, mÆt kh¸c do hiÖu øng bÒ mÆt, ®iÖn trë cña
d©y quÊn cn còng t¨ng, kÕt qu lµ nÕu ti kh«ng ®èi xøng nhiÒu th× d©y quÊn cn vµ
r«to nguyªn khèi sÏ nãng d÷ déi. Nh8 vËy th©n r«to sÏ bÞ biÕn d¹ng vµ cã kh n¨ng
lµm h8 háng c¸ch ®iÖn cña d©y quÊn kÝch thÝch.
CÇn chó ý r»ng trong d©y quÊn kÝch thÝch, dßng ®iÖn nãi trªn kh«ng lín v× ®iÖn
kh¸ng tn cña d©y quÊn ®ã t8¬ng ®èi lín, nªn phÇn t¨ng thªm nhiÖt ®é cña r«to m¸y
cùc låi do d©y quÊn kÝch thÝch coi nh8 kh«ng ®¸ng kÓ.
24.3.3. HiÖn t6îng m¸y rung
Khi ti kh«ng ®èi xøng, do t¸c dông t8¬ng hç gi÷a tõ tr8êng cña cùc tõ víi tõ
tr8êng quay ng8îc cña stato, còng nh8 tõ tr8êng quay thuËn cña stato víi tõ tr8êng cña
c¸c dßng ®iÖn tÇn sè 2f cm øng ë r«to sÏ sinh ra m«men quay cã dÊu thay ®æi vµ cã
lùc ®Ëp m¹ch víi tÇn sè 2f t¸c dông theo h8íng tiÕp tuyÕn ë mÆt r«to vµ t¸c dông theo
h8íng t©m gi÷a stato vµ r«to. KÕt qu lµ stato vµ r«to cã khuynh h8íng bÞ biÕn d¹ng,
khèi l¸ thÐp Ðp cña stato kh«ng chÆt, c¸c mèi hµn khung d©y bÞ h8 háng, m¸y bÞ rung
m¹nh vµ ån, ...
C¸c hiÖn t8îng ®iÖn ¸p mÊt ®èi xøng, r«to ph¸t nãng d÷ déi vµ m¸y rung nãi trªn
cµng nghiªm träng nÕu møc ®é kh«ng ®èi xøng cña ti cµng nhiÒu. §Ó h¹n chÕ c¸c
hiÖn t8îng bÊt lîi nãi trªn, trong ®ã chñ yÕu lµ h¹n chÕ ®é t¨ng nhiÖt cña r«to vµ møc
®é rung m¸y, th8êng chØ cho phÐp m¸y ph¸t ®iÖn lµm viÖc l©u dµi víi ti kh«ng ®èi
xøng nÕu dßng ®iÖn c¸c pha kh«ng v8ît qu¸ ®Þnh møc vµ sù chªnh lÖch dßng ®iÖn gi÷a
c¸c pha kh«ng qu¸ 10% dßng ®iÖn ®Þnh møc ®èi víi m¸y ph¸t ®iÖn tuabin h¬i vµ 20%
®èi víi m¸y ph¸t ®iÖn tuabin n8íc.
24-4. Ng¾n m¹ch kh«ng ®èi xøng
ë môc nµy sÏ ph©n tÝch c¸c tr8êng hîp ng¾n m¹ch kh«ng ®èi xøng cña m¸y ph¸t
®iÖn, thÝ dô nh8 ng¾n m¹ch mét pha, ng¾n m¹ch hai pha.
24.4.1. Ng¾n m¹ch mét pha
Gi thö pha a bÞ ng¾n m¹ch nh8 tr×nh bµy trªn h×nh 24-4, ta cã:
Ua = 0 (24-12)
Ib = Ic = 0 (24-13)
Ba ph8¬ng tr×nh bæ sung ®ã hîp víi c¸c ph8¬ng tr×nh
(24-1), (24-2), (24-4) thµnh hÖ thèng m8êi hai ph8¬ng
tr×nh víi m8êi hai Èn sè. ë ®©y ta h·y x¸c ®Þnh dßng ®iÖn
ng¾n m¹ch mét pha In1.
Tr8íc hÕt ta cã:
Ia = In1 (24-14)
Tõ (24-13) vµ (24-1) suy ra ®8îc:
I1 = I2 (24-15)