1.8 CÁC BỘ HẠN CHẾ VÀ BẢO VỆ
1.8.1.1 Đường cong khả năng phát công suất kháng
Máy phát đồng bộ được định mức trong giới hạn công suất biểu kiến phát ra cực đại và hệ số công suất thường là 0,85 hoặc 0,9 trễ pha mà chúng có thể hoạt động liên tục mà không bị quá nhiệt. Khả năng phát ra công suất phản kháng liên tục ở ngõ ra được giới hạn bởi ba yếu tố: giới hạn dòng phần ứng, giới hạn dòng kích thích và giới hạn nhiệt vùng biên.
a. Giới hạn dòng phần ứng (dòng Stato máy phát):
Trong stato có điện trở, sau khi hoà đồng bộ tăng công suất, sẽ có dòng điện chạy trong phần ứng. Dòng điện phần ứng là một trong những nguyên nhân làm tổn hao công suất R I2F,
năng lượng do tổn hao này gây phát nóng làm tăng nhiệt độ trong dây dẫn stato và toả nhiệt ra môi trường xung quanh nó. Vì vậy một trong những hạn chế của máy phát là dòng cực đại của phần ứng, Để không bị vượt quá giới hạn nhiệt làm hư hỏng cách điện của stato, khi máy làm việc ở chế độ định mức (giá trị tối đa giới hạn bởi điều kiện tản nhiệt) tương ứng với điều kiện công suất biểu kiến không đổi. Công suất phát ra tính theo đvtđ:
S = P + jQ = . .
F IF
E =EF IF (cosφ + jsinφ).
Trong đó: φ - là góc của hệ số công suất;EE - sức điện động; IF- dòng điện phần ứng.
Ta có:
S2 = P2 + Q2 =( P2 +Q2 )2. Đây là phương trình đường tròn với bán kính P2 +Q2 Trên mặt phẳng P, Q có thể biểu diễn đường giới hạn dòng phần ứng, đó là vòng tròn tâm với tâm tại gốc toạ độ và bán kính bằng công suất biểu kiến định mức và bằng P2 +Q2 , hình 27.
Hình 27. Giới hạn dòng điện phần ứng b. Giới hạn dòng kích thích:
Khi có dòng kích thích chạy vào roto, dòng kích thích sinh ra sức từ động cần thiết để tạo ra từ thông trong mạch từ và công suất ứng với năng lượng tích trữ trong mạch từ. Một phần năng lượng ấy là tổn hao trong lõi sắt và thể hiện dưới dạng nhiệt, phần còn lại là công suất phản kháng tương ứng với năng lượng thay đổi tuần hoàn tích trữ trong từ truờng. Công suất phản kháng không tiêu tán trong lõi sắt mà được cung cấp và hấp thu hoàn toàn bởi nguồn kích thích, như vậy có ảnh hưởng đến dòng kích thích và ảnh hưởng đến tổn hao RfI2f (Rf,If
- điện trở, dòng điện mạch kích thích), nên dòng kích thích là giới hạn thứ hai trong hoạt động của máy phát.
Với Xd = Xq = Xs, ta có mạch tương đương như Hình 28, và giản đồ véctơ được trình bày ở Hình 29.
Hình 28. Sơ đồ thay thế Hình 29. Giản đồ véc tơ máy điện đơn giản trạng thái xác lập
Với Eq = Xadif ; Xad là điện kháng roto; if là dòng kích thích roto Ta có:(XadIf)sinδ = XSIF cosφ
(XadIf)cosδ = EF +XSIFsinφ ⇒
S f ad
F X
i
I X δ
φ sin
cos = ;
S F f
ad
F X
E i
I X −
= δ
φ cos
sin
cosφ sinδ sinδ
S F q f
F S ad F
F X
E i E
X E P X I
E
P= ⇒ = =
S F S
F q S F f
F S ad F
F X
E X
E E X i E
X E Q X I
E Q
2 2
cos cos
sin ⇒ = − = −
= φ δ δ
Với: 2 2
2 2
2 sinδ
S F q
X E
P = E ;
S F S
F S
F q
X QE X
E X
E Q E
2 2
4 2 2
2 2
2 2
cos − −
= δ
⇒ 2 2
2
2 ( ) ( )
S F q S
F
X E E X
Q E
P + + =
Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng đối với dòng kích thích là vòng tròn có tâm nằm trên trục Q cách gốc toạ độ một đoạn là (−EF2 /Xd ) và có bán kính bằng (Xad /XS)EFif . Vì vậy tác dụng của dòng kích thích định mức cực đại trên khả năng của máy phát có thể được trình bày như Hình 30. Từ hình vẽ ở trạng thái xác lập, điểm làm việc (P,Q) của máy nằm trong phần tư thứ nhất. Điểm làm việc định mức (với công suất biểu kiến định mức) của máy là giao điểm của hai đường cong.
Hình 30. Giới hạn nhiệt dòng kích thích c. Giới hạn phát nóng vùng biên:
Hình 31 là hình vẽ các vòng dây cuốn vùng biên của máy phát.
Sự phát nóng được hình thành ở vùng biên của phần ứng là giới hạn thứ ba trong hoạt động của máy điện đồng bộ. Khi máy phát hoạt động với chế độ thiếu kích thích, từ thông ở các vòng dây ở hai đầu phần ứng của stato tản vào và ra vuông góc với từng lớp thép mỏng của stato. Đây là nguyên nhân dòng điện xoáy trong từng lớp thép, kết quả là sự phát nhiệt ở vùng biên. Khi dòng kích thích lớn ứng với trường hợp quá kích thích giữ vòng duy trì bão hoà làm cho từ thông tản nhỏ. Tuy nhiên trong vùng thiếu kích thích, dòng kích thích nhỏ và vòng duy trì không bão hoà, điều này cho phép tăng từ thông tản ở cuối phần ứng. Trong điều kiện thiếu kích thích, từ thông tản do dòng phần ứng cộng với từ thông sinh ra do dòng kích thích, vì vậy từ thông vòng biên làm tăng từ thông hướng tâm trong vùng và kết quả hiệu ứng nhiệt xảy ra rất mãnh liệt giới hạn ngõ ra máy phát, đặc biệt trong trường hợp rotor dây quấn.
Giới hạn nhiệt vùng biên này được trình bày cùng với giới hạn chịu nhiệt bởi nhiệt của dòng điện phần ứng ở Hình 32.