Bài tập lớn môn Bảo vệ rơle và tự động hóa - Chương 4: Mạch tương đương và thông số của các phần tử trong hệ thống điện - Hoàng Đức Ân

i nhau, phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục[2]
Khuynh hướng làm giảm thông lượng bề mặt hoặc bóp méo từ tường làm thay đổi hướng quay 
Hệ số công suất là trễ (tải cảm)
Từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm. Vì hướng của các từ thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.[2]
Hệ số công suất sớm (tải dung)
Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, từ thông phần ứng có khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục.[2]
LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH.
Mô hình vector của máy phát cực từ ẩn như hình 4.3a, giả sử cuộn dây chưa bão hòa, khe hở không khí không thay đổi và các biến số là sóng sin. Điện kháng của máy phát lớn hơn rất nhiều sơ với trở kháng, có thể bỏ qua.
Quay dòng kiện kích từ, ATe, sinh ra 1 từ trường ψ qua khe hở không khí, sinh ra điện áp Et ở stator. Điện áp này nhanh hơn dòng I góc φ và và gây ra phản ứng phần ứng phần ứng - ATar. ATf là tổng hợp của 2 vector, ATevà ATar 
Xoay giản đồ vector trên, theo chiều kim đồng hồ cho đến khi trùng với Et, và biến đổi các đại lượng về đơn vị cơ bản,kết quả như hình 4.3b.
Ví dụ như ATar/ATe là điện áp đơn vị, mà nó tỷ lệ với hướng của dòng tải stator. Vector này có thẻ biểu diễn hoàn toàn bởi điện kháng và thông thường được gọi là “điện kháng phản ứng phần ứng”, Xad. Tương tự, ATf/ATe là điện áp đơn vị được tạo ra bằng hở mạch kích từ. Nó được koi là điện áp nội tự phát của máy và được gọi là E0.
Điện kháng rò của cuộn dây stator có thể gây ra điện áp rơi và có thể điều chỉnh để bỏ qua. Điện kháng này được gọi là XL, và điện áp rơi I*XL, là sự khác biệt giữa điện áp đầu cuối và điện áp sau điện kháng stator rò rỉ EL.
IZL cùng pha với điện áp rơi phụ thuộc Xad, như hình 4.3c. Xad và XL có thể tổng hợp thành 1 điện kháng đơn giản gọi là Xd – điện kháng đồng bộ.
Công suất của máy đồng bộ :
P=VIcosφ=VEXdsinδ ,với δ là góc giữa điện áp nội và điện áp cuối đầu cực.
Sau các phân tích, máy phát có thể biểu diễn như hình 4.4.
 XL (Xa) : điện kháng từ tản
Xad : điện kháng tượng trưng. 
Trong thực tế, phụ thuộc vào cấu trúc của rotor cực từ ẩn để chứa cuộn dây, điện kháng Xa không phỉa là hắng số cho dù ở vị trí nào, và mô hình hóa giống như cực từ lồi. Và sự khác nhau giữa giá trị Xad và Xaq nhỏ, nhỏ hơn rất nhiều nếu so với cực từ lồi.
ROTOR CỰC TỪ LỒI
Lý thuyết đã giới thiệu chỉ đúng được với các máy phát điện rotor cực từ ẩn. Với giả định các khe hở không khí không đỏi là không chính xác khi nghiên cức cực máy phát cực từ lồi. Ảnh hưởng để tạo ra phản ứng phần ứng phụ thuộc vào vị trí. Như hình 4.5
Khi 1 cực được xếp thẳng hàng với sóng sin được tạo ra bởi stator, một đáp ứng với từ trường hình sin được tạo ra, khi khoảng cách lớn thì xảy ra tình trạng bóp méo từ thông.
Sự khác biệt này được xem xé lý thuyết 2 trục dq. Tương ứng với cực và khe hở đối diện. Nó gọi là trục thẳng và trục ngang và thuyết này là lý thuyết 2 trục.
Ma trận PARK biến đổi :
[3]
Mô hình vector giống với cực từ ẩn ngoài trừ điện kháng và dòng điện lien kết với chúng được chia làm 2 thành phần. Điện kháng đồng bộ theo trục dọc là Xd =Xad+XL. Trong khi điện kháng ngang trục là Xq=Xaq+XL. Mô hình được xây dụng ở phần trên nhưng để thích hợp trong trường hợp này là giả quyết theo 2 trục. Tổng hợp các vector được điện áp E0. Như hình 4.6
Chúng ta cần chú ý tới điện áp E0’, trong máy điện cực từ ẩn, E0 được hợp thành từ V và I*Zd. Có sự khác biệt không đáng kể ở độ lớn của E0 và E0’, nhưng cần chú ý ở đây là góc lệch. Lý thuyết này dung đẻ tính toán dòng kích từ nhưng không chính xác để xác định độ ổn định khi góc pha là vấn đề quan trọng.
PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ
Trong điều kiện tải bình thường, lý thuyết ổn định là đầy đủ. Tuy nhiên, trong trường hợp có sự thay đổi tức thời như sự cố hay chuyển mạch. Khi hiện tượng này xảy ra, xuất hiện một hệ số mới bên trong máy, được biểu diễn như 1 đặc tính đáp ứng của máy được yêu cầu.
Cách chấp nhận chung và đơn giản nhất để đánh giá ý nghĩa và nguồn gốc của những đặc điểm này là để xem xét một ngắn mạch đột ngột ba pha được áp dụng cho một máy ban đầu hoạt động hở mạch và kích từ để điện áp bình thường E0.
Điện áp sẽ được sinh ra bời từ thông qua khe hở không khí, nó không hoàn toàn qua khe hở không khí, mà bị tản ra từ cực này sang cực khác, và các cực nội không qua khe hở chính như hình 4.7 . Từ trường cực sẽ là ϕ + ϕL.
Trong chế độ làm việc bình thường, từ thông tạo ra bởi stator gồm một phần móc vòng theo đường tản từ, còn phần chính đi ngang qua khe hở không khí khép vòng qua các cực và thân rotor. Vì từ trở chủ yếu là ở khe hở không khí có từ dẫn λad nhỏ, từ cảm lớn, tương ứng với điện kháng Xd. [4]
Khi từ thông stator thay đổi đột ngột, trong cuộn kích từ sẽ có từ sẽ có dòng cảm ứng tạo nên từ thông ngược hướng với từ thông stator. Vì vậy có thể xem như một phần từ thông stator bị đẩy ra ngoài đi theo đườn từ tản của cuộn kích từ có từ dẫn λσf. Như vậy từ thông stator phải đi qua một tổng dẫn từ lớn, từ cảm sẽ nhỏ hơn và x’d < xd. [4]
Nếu sau đó cuộn dây stator ngắn mạch, thì hệ số công suất sẽ bằng 0, một dòng lớn sẽ làm cho điện kháng phản ứng phản ứng phần ứng khủ từ. Nó sẽ giảm từ trường và ổn định cho tới khi điện kháng phản ứng phần ứng cân bằng với điện kháng kích từ. Phần từ thông còn lại rất nhiều, nó sẽ giảm từ trường qua khe hở không khí và nó sẽ gây ra 1 điện áp cần thiết để vượt qua điện kháng từ tản stator (điện trở có thể bỏ qua). Đây là sự ổn định đơn giản trong trường hợp máy hoạt động ở chế độ ngăn mạch và được biểu hiện bằng hình 4.8a
Và dòng sự cố I=E0/(Xad + XL) bằng với E0/Xd, nhưng bị giảm rất nhiều, và máy sẽ hoạt động không bão hòa. Vì lý do này, các giá trị của điện áp sử dụng là giá trị đọc từ khe hở không khí tương ứng với kích thích bình thường và là khá cao so với các điện áp bình thường. Dòng ổn định được cho bởi :
Id=Eg/Xd với Eg là điện áp khe hở.
Điều quan trọng cần chú ý ở đây là có sự sụt giảm từ thông đáng kể giữa điểm đầu và điểm cuối. Rotor mang một cuộn dây cảm ứng, từ đó sinh ra từ thông, dẫn đến từ thông rò trước khi ngắn mạch được sinh ra bởi ϕ + ϕL. Trong thực tế, từ thông rò được truyền tải qua đầy đủ các cực và nó không truyền qua tất cả cuôn dây. ϕL là từ thông tương đương tập trung để móc vòng qua cuôn tất cả cuôn dây và biên độ của nó là tổng từ tản thời điểm xảy ra. Nó là yếu tố cơ bản để cố gắng thay đổi sự móc vòng qua một mạch sẽ là nguyên nhân dòng chạy về một hướng chống lại sự thay đổi đó. Sự có mặt của từ thông làm giảm và vì vậy có khuynh hướng bao gồm dòng chống lại nó.
Với các vị trí ngay lập tức áp dụng ngắn mạch, có giá trị khi giả sử rằng từ thông móc vòng qua rotor có sự thay đổi liên tục, điều này được mang lại bởi một dòng điện cảm ứng trong rôto cân bằn giữa hiệu quả khử từ mạnh được thiết lập bởi ngắn mạch phần ứng. Vậy ϕ + ϕL còn lại là hằng số, nó làm tăng phản ứng phàn ứng, từ thông tản sẽ tăng đáng kể. Vời từ thông tổng trong rotor, nó chỉ có thể làm tăng hao tổn từ thông móc vòng qua khe hở không khí. Do đó nó làm giảm điện áp, tác động lên điện kháng từ tản và gây ra dòng ngắn mạch.
Có nhiều sự tiện lợi khi phân tích máy điện khi sử dụng điện áp định mức E0, và điện kháng ảo và dòng tương ứng . Điện kháng đó được gọi là điện kháng quá độ X’d. và được định nghĩa bằng biểu thức : I’d=E0/X’d.
Nó lớn hơn XL và mạch điện tương đương được biểu diễn bằng hình 4.8b 
Xf là điện kháng từ tản của cuộn dây. Và biểu thức trên cũng có thể viết lại : X’d=XL+X’f với X’f là điện kháng từ tản tác dụng của cuôn dây.
Từ thông chỉ có thể duy trì với giá trị cao trong khi dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn dây. Khi dòng này suy giảm, vị vậy điều kiện này tiến tới ổn định. Khoảng thời gian tồn tại của nó được xác định bời hằng số thời gian của cuộn dây kích từ. Nó vào khoảng 1 giây hoặc nhỏ hơn, vì vậy nó được gọi là quá độ.
Các máy đồng bộ luôn có cuộn dây giảm rung gọi là cuộn cản. Trong một số trường hợp nó là cuộn dây vật lý ( iống cuộn dây từ trường, nhưng có ít vòng hơn và được dặt riêng ra). 
Khi máy điện đồng bộ dao động (do có sự thay đổi đột ngột về chế độ làm việc ở đầu vào hoặc ở đầu ra của máy), roto quay không đồng bộ với từ trường quay của stato. Tùy theo tính chất của sự thay đổi ở đầu vào hoặc đầu ra và cấu tạo của máy mà dao động của roto có thể là dao động cưỡng bức hoặc dao động tự do tắt dần hay không tắt dần, máy điện có thể tiếp tục làm việc ổn định hoặc mất đồng bộ.[5]
Dây quấn cản trong máy điện đồng bộ (chỉ với máy cực lồi) có cấu tạo giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là được làm bằng các thanh đồng đặt vào các rãnh ở mặt cực và hai đầu được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch. [5]
Khi máy bị dao động như trên, trong dây quấn kích thích, dây quấn cản và lõi thép roto sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng và sinh ra dòng điện tần số thấp (0,5 - 1,5 Hz). Tác dụng giữa từ trường tổng trong máy với các dòng điện đó sẽ sinh ra mômen cản có tác dụng kéo roto về tốc độ đồng bộ.[5]
Trong điều kiện ngắn mạch, có sự truyền từ thông từ khe hở chính sang đường dẫn rò. Sự truyền này, rất nhỏ, đối nghịch với cuộn dây kích từ, và sẽ truyền qua đỉnh cực.
Cuộn cản này có sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng dể chống lại nó. Khi dòng điện cảm ứng này chạy, nó làm cho từ thông ở giá trị cao hơn, nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị ban đầu hở mạch.
Như trước đây, nó là thuận tiện để sử dụng điện áp đánh giá và tạo một điện kháng tương đương được coi là hiệu quả hơn trong giai đoạn này. Điều này được gọi là "điện kháng siêu quá độ và được xác định bởi phương trình: 
Một lần nữa, thời gian của giai đoạn này phụ thuộc vào hằng số thời gian của cuộn dây diều tiết. Trong thực tế là khoảng 0,05 giây - Ít hơn rất nhiều so với quá độ - do đó thuật ngữ "siêu quá độ '.
[1] Máy điện đồng bộ.PDF (page 6/23)
[2] KTDDT06.PDF (Bài giảng kỹ thuật điện điện tử chương 6 – page 10/27)
[3] Bai giang DKSHTDC-DKCMD – Trần Công Binh ( page 24/171)
[4] Quá trình quá độ trong máy điện – VOER (page 6/12)
[5] Tài liệu tìm tổng hợp ở một số trang web điện : webdien.com, voer.edu.vn