nghiên cứu khái quát về máy phát điện đồng bộ – đi sâu phân tích một số hệ thống điều khiển kích từ

Máy phát điện đồng bộ là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng.. Các máy có công suất trung bình và lớn, thân máy đư

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đời sống của người dân ngày càng nâng cao Nhu cầu sử dụng điện năng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong các nghành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ

là tăng không ngừng Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu của xã hội Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là việc cung cấp điện một cách liên tục cho những nơi đặc biệt, những công ty xí nghiệp lớn, bệnh viện …và xa hơn nữa là cung cấp điện năng cho sinh hoạt khi lưới điện quốc gia bị xảy ra sự cố Để thực hiện được việc này, yêu cầu đặt ra là phải năng cao chất lượng điện năng cung cấp điện các hộ tiêu thụ quan trọng

Máy phát điện đã trải qua rất nhiều giai đoạn phát triển từ quy mô nhỏ đến nghiên cứu đến mục đích thương mại hóa Và máy phát điện đồng bộ được dùng phổ biến trong các Nhà máy điện công suất trung bình và lớn Nó ngày càng khẳng định được vai trò cũng như tầm quan trọng trong việc phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân,… Vì vậy đòi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sư Điện tự động công nghiệp phải nắm vững kiến thức cơ bản về cấu tạo máy phát điện đồng bộ và cách điều khiển nó theo yêu cầu công nghệ

Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, em đã kết thúc khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài

tốt nghiệp: “Nghiên cứu khái quát về máy phát điện đồng bộ – Đi sâu phân tích một số hệ thống điều khiển kích từ”

Đồ án tốt nghiệp của em gồm ba chương:

Chương 1 Khái quát về máy phát điện đồng bộ

Chương 2 Biến đổi tín hiệu và khí cụ điện của trạm phát điện

Chương 3 Một số hệ thống kích từ điển hình trong trạm phát điện

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo

của thầy giáo PGS.TS Hoàng Xuân Bình, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót

Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các bạn sinh viên để bài đồ án này hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Hoàng Xuân Bình, các thầy

cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua

Hải Phòng, ngày 26 tháng 1 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Tuấn

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

1.1.1 Vai trò của máy phát điện trong đời sống của con người

Trong đời sống vật chất đầy đủ tiện nghi với các thiết bị điện thông minh

để thỏa mãn nhu cầu của con người thì điện năng là yếu tố thiết yếu cần phải có Nền kinh tế của một đất nước muốn phát triển thì ngành điện là một trong những yếu tố cần chú trọng hàng đầu, sau đó mới chuyển hướng sang các ngành công nghiệp sản xuất, văn hóa, khoa học và công nghệ…Tóm lại, điện năng là nguồn năng lượng cần có để duy trì đời sống vật chất, tinh thần cho con người và nó xuất hiện ở bất cứ nơi đâu có con người sinh sống

Máy phát điện đồng bộ là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng Nguồn điện

ba pha để dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước Ngoài ra máy phát điện còn được kéo bởi các động cơ sơ cấp khác như động cơ diesel, động cơ đốt trong cho các máy phát công suất vừa và nhỏ nhằm phục vụ cho các tải hộ dân sinh, các xí nghiệp nhỏ, các nguồn dự phòng Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện, nó thực hiện ba chức năng: phát ra điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp [Tr5 – 1]

Các máy phát điện dự phòng thường được lắp đặt cố định và luôn sẵn sàng hoạt động để cấp điện cho những tải quan trọng khi nguồn điện lưới bị gián đoạn Bệnh viện, các cơ sở thông tin liên lạc, các trạm bơm và rất nhiều các dịch

vụ quan trọng đều được lắp đặt máy phát điện dự phòng Các máy phát điện đặt trên rơ moóc có thể được kéo đến những vị trí thiên tai khi nguồn điện lưới bị gián đoạn Máy phát điện cũng có thể được vận hành bằng sức người để tạo ra nguồn điện tức thời trong lĩnh vực thông tin liên lạc

1.1.2 Lịch sử phát triển của máy phát điện

Trước khi từ tính và điện năng được khám phá, các máy phát điện đã sử

dụng nguyên lý tĩnh điện Máy phát điện Wimshurst đã sử dụng cảm ứng tĩnh

điện Máy phát Van de Graaff đã sử dụng một trong hai cơ cấu sau:

- Điện tích truyền từ điện cực có điện áp cao

- Điện tích tạo ra bởi sự ma sát

Máy phát tĩnh điện được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học yêu cầu

điện áp cao Vì sự khó khăn trong việc tạo cách điện cho các máy phát tạo điện

áp cao, cho nên máy phát tĩnh điện được chế tạo với công suất thấp và không

bao giờ được sử dụng cho mục đích thương mại điện năng

Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho

công nghiệp Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng

lượng quay cơ học thành dòng điện xoay chiều Cấu tạo của dynamo bao gồm

một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay Ở các máy

phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cữu, đối với

các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện Máy phát dynamo

đầu tiên dựa trên nguyên lý Faraday được chế tạo vào năm 1832 do Hippolyte

Pixii là một nhà chế tạo thiết bị đo lường Máy này đã sử dụng một nam

châm vĩnh cửu được quay bằng một tay quay Bằng cách bổ sung một bộ chuyển

mạch, Pixii đã có thể biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Không giống như đĩa Faraday, nhiều vòng dây được nối nối tiếp được sử dụng

trong cuộn dây chuyển động của dynamo Điều này cho phép điện áp đầu cực

của máy cao hơn so với đĩa Faraday tạo ra, do đó điện năng có thể phân phối ở

mức điện áp thích hợp Mối quan hệ giữa chuyển động quay cơ học và dòng

điện trong dynamo là quá trình thuận nghịch, nguyên lý về môtơ điện đã được

phát hiện khi người ta thấy rằng một máy dynamo có thể tạo ra cho một máy

dynamo thứ hai quay nếu cấp dòng điện qua nó

Một máy phát điện - động cơ nổ là tổ hợp một máy phát điện và một động

cơ nổ kéo nó thành một khối thiết bị Tổ hợp này có khi được gọi là bộ máy phát

điện - động cơ (engine - generator set) hoặc bộ máy phát (gen - set) Trong nhiều

ngữ cảnh khác nhau, người ta có thể quên đi cái động cơ nổ mà chỉ gọi đơn

thuần cả tổ hợp là máy phát điện (generator) Đi kèm với máy phát điện và động

cơ nổ, các bộ máy phát điện - động cơ nổ thường có kèm theo một bồn chứa

nhiên liệu, một bộ điều tốc cho động cơ nổ và một bộ điều thế cho máy phát điện Nhiều khối máy còn kèm theo bình ắcquy và bộ động cơ điện khởi động Những tổ máy dùng làm máy phát dự phòng thường bao gồm cả hệ thống tự động khởi động và một bộ chuyển mạch đảo nguồn transfer switch để tách tải ra khỏi nguồn điện dịch vụ và nối vào máy phát Các bộ máy phát điện - động cơ

nổ cung cấp công suất điện xoay chiều sao cho nó có thể được sử dụng thay thế nguồn điện lưới thường phải mua từ các trạm phân phối của công ty điện lực Các thông số điện áp (volt), tần số (Hz) và công suất (watt) định mức của máy phát được lựa chọn sao cho phù hợp với tải cần nối vào máy phát Có cả hai loại máy một pha và ba pha Rất ít loại máy ba pha là máy xách tay di động Thường máy xách tay người ta chỉ làm máy một pha và hầu hết các máy ba pha là loại máy lớn dùng trong công nghiệp Bộ máy phát điện - động cơ nổ thường được chế tao trong một dải công suất khá rộng Nó có thể bao gồm từ các máy di động quay tay có thể cấp điện cỡ vài trăm watt, có thể cấp điện cỡ vài nghìn watt và loại tĩnh hoặc loại đặt trên rơmoóc có thể cấp điện đến vài triệu watt Các máy nhỏ thường dùng nhiên liệu là xăng và các máy lớn hơn sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau, từ dầu diesel, khí tự nhiên hay khí propane Các máy phát điện động cơ nổ thường được sử dụng để cung cấp điện cho các vùng mà nguồn điện lưới không kéo đến được, và trong những tình huống phải cấp điện ngắn hạn tạm thời Các máy phát nhỏ đôi khi có thể dùng để cấp điện cho các dụng cụ tại các công trường xây dựng Các máy phát điện loại rơ moóc có thể dùng cấp điện cho chiếu sáng, và các trò chơi giải trí trong các hội chợ di động [9]

Thông thường, các tuabin nước có tốc độ thấp Vì thế các máy phát điện kéo bằng tuabin nước cũng có tốc độ rất thấp Các máy này thường có nhiều đôi cực, trục ngắn, đường kính lớn, chế tạo theo kiểu cực lồi Tùy theo thể loại và theo tốc độ của tua bin nước, các máy này có thể được đặt đứng hay nằm ngang Đối với những máy phát điện nhỏ, có đường kính ngoài nhỏ hơn 1 m, mạch từ của stator chỉ là một khối hình xuyến làm bằng các lớp lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện ghép lại Đối với các máy có đường kính lớn hơn 1 m, thường phải làm từ nhiều khối dạng vòng cung Rotor của máy phát điện thường làm bằng nhiều khối thép rèn ghép lại với nhau thành nhiều cực từ Trên mỗi cực từ

có các cuộn dây kích thích quấn tập trung Các tuabin hơi và tuabin khí có tốc

độ cao hơn tua bin nước Các máy phát điện tua bin hơi hoặc tua bin khí thường

được chế tạo với tốc độ cao nhất (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50 Hz,

và 3600 vòng/ phút đối với máy 60 Hz) Hầu hết các máy phát điện tuabin hơi

và máy phát điện tuabin khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn

Các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí có thể chế tạo từ một

vài MW đến 700 MW [9]

Máy phát điện có thể có các chế độ vận hành khác nhau như sau:

- Phát điện độc lập, cung cấp điện cho một nhóm tải tập trung

- Phát điện song song

- Hòa đồng bộ với các máy khác, cung cấp cho một nhóm tải

- Hòa đồng bộ với lưới

- Cung cấp công suất lên lưới điện

- Phát vô công, làm máy bù đồng bộ

1.2 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1.2.1 Phân loại

- Theo kết cấu cực từ: máy cực ẩn (2p = 2), máy cực lồi (2p  4)

- Dựa theo chức năng: máy phát (tuabin nước, tuabin hơi, diesel), động cơ

(P200KW), máy bù đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ ba pha là máy có tốc độ quay của rotor bằng tốc

độ của từ trường quay stator Ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc độ

quay rotor không đổi khi tải thay đổi Với

p

f n

n 1  60. (vòng / phút) , (1.1) trong đó: p là số đôi cực, n là tốc độ quay của rotor, n1 là tốc độ quay của từ

trường, f là tần số stator (Hz) [Tr5, 6 - 1]

1.2.2 Cấu tạo của máy phát điện

a Với máy phát điện đồng bộ cực ẩn

Máy phát điện cực ẩn có ndb lớn nên lực ly tâm của rotor khi quay rất lớn

nên rotor phải bền Rotor thường làm bằng thép hợp kim rèn thành khối hình trụ

Sau đó phay rãnh đặt dây quấn kích từ Đường kính rotor thường từ 1,1 ÷ 1,15 m

để giảm quán tính Để tăng công suất của máy thì tăng chiều dài tối đa của rotor đến 6,5 m

Dây dẫn kích từ ở mặt trong rãnh rotor được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây quấn bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Dây quấn kích từ nằm trong rãnh được cố định và ép chặt bằng nối ở ngoài rãnh được đai chặt bằng các thanh nêm bằng thép không từ tính Hai đầu của dây quấn kích từ

đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện nối với dòng kích từ một chiều

Stator của máy phát điện ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép, bên trong có đặt dây quấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy Dây quấn được bố trí lệch nhau về vị trí không gian từng đôi 1200

Hình 1.2 Rotor cực từ ẩn máy điện đồng bộ khi chưa quấn dây Lõi thép stator được ghép và ép bằng các tấm tôn silic dày 0,5 mm có phủ sơn cách điện, khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10

mm Các máy có công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo kết cấu cực ẩn được sử dụng cho các máy phát điện của nhà máy nhiệt điện với ưu điểm là kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn phù hợp với tốc độ cao [Tr5 ÷ 8 – 1]

Hình 1.3 Stator máy điện đồng bộ

b Với máy phát điện cực lồi

Máy cực lồi được chế tạo cho các máy phát điện có tốc độ quay thấp, nên

tỷ lệ chiều dài, đường kính rotor thường: l/d = 0,15 ÷ 0,2 Rotor của máy phát điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc

và gia công thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ Với các máy lớn, lõi thép được chế tạo từ các tấm thép dày 1 ÷ 6 mm dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ Cực từ đặt trên lõi thép rotor được ghép bằng những lá thép dày 1 ÷ 1,5mm

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần thiết diện hình chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng Sau khi gia công, các cuộn dây được lồng vào các thân

cực Dây quấn cản của máy phát điện được đặt ở trên các đầu cực có cấu tạo như dây quấn kiểu lồng sóc của máy phát điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và hai đầu nối với hai vành ngắn mạch

Hình 1.4 Máy phát đồng bộ cực lồi trục đứng

1.Rotor; 2 Ổ trục đỡ; 3 Ổ trục định hướng;

4 Xà đỡ trên; 5 Nền máy; 6 Nối trục

Stator của máy phát điện cực lồi có cấu tạo tương tự máy phát điện cực

ẩn Các kết cấu về cơ học và hệ thống làm mát cũng được thiết kế tạo phù hợp tương thích với từng loại máy phát điện, đáp ứng được môi trường và chế độ làm việc Máy phát điện có công suất nhỏ làm mát bằng gió, có các khoang thông gió làm mát được thiết kế chế tạo nằm giữa vỏ máy và lõi thép stator Đầu trục của máy được gắn một cánh quạt gió để khi quay không khí được thổi qua các khoang thông gió Vỏ máy cũng được chế tạo với các sống gân hoặc cánh tản nhiệt nhằm làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho máy Với máy phát điện công suất lớn người ta chia thành các secmăng để dập ghép lại [Tr8, 9 - 1]

 Hệ thống vành trượt và máy phát kích từ đầu cực

Hệ thống kích từ máy phát đồng bộ phải đảm bảo:

- Điều chỉnh dòng kích từ để duy trì điện áp máy phát trong điều kiện làm việc bình thường bằng cách điều chỉnh điện áp kích từ

- Cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới hạ

thấp do ngắn mạch ở xa nên phải có khả năng tăng gấp hai lần Ikt trong 0,5s

- Giảm nhanh dòng Ikt về bằng không khi sự cố ngắn mạch nội bộ dây quấn stato

mà điện áp trên điện trở triệt từ RT mắc song song với máy phát kích từ không vượt quá 5 lần Uktđm để bảo vệ dây quấn kích từ

Có ba loại hệ kích từ máy phát đồng bộ sau đây:

ba pha lệch nhau 1200

điện, có trị số hiệu dụng là:

Eo = 4,44.Kdq.f.W.Φđm , (1.2) trong đó: Kdq - hệ số dây quấn, W - số vòng dây của một cuộn dây pha, Φđm - từ thông cực đại dưới một cực của cực từ rotor

Nếu rotor có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ Do đó nếu tốc độ quay của rotor là n (vòng/s), tần số f của sđđ sẽ là: f = p.n Khi dây quấn stato nối với tải, trong các sẽ có dòng điện ba pha Giống như ở máy phát điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60f/p bằng tốc độ rôto Do đó kiểu máy điện này là máy điện đồng bộ Khi máy phát điện làm việc, từ trường cực từ 0 sinh ra suất điện động E0 ở dây quấn stato và khi có tải sẽ có dòng điện I, điện áp U trên tải

1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng được thể hiện

rõ ràng của các đại lượng như điện áp U, dòng điện tải I trong dây quấn phần ứng, dòng điện kích từ ikt, hệ số công suất cosφ, tần số f hoặc tốc độ quay n Trừ tần số luôn giữ f = fđm và cosφ = const do tải bên ngoài quyết định, từ các đại lượng U, I, ikt có thể thành lập được các đặc tính sau đây của máy phát điện đồng bộ: đặc tính không tải, đặc tính ngắn mạch, đặc tính ngoài, đặc tính điều chỉnh, đặc tính tải Từ các đặc tính trên có thể suy ra các tính chất quan trọng của máy như tỉ số ngắn mạch k, độ thay đổi điện áp ∆U và các tham số xd, xq,

xσư [Tr38 ÷ 44 – 1]

Hình 1.5 Sơ đồ thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

1.3.1 Đặc tính không tải

Đặc tính không tải là quan hệ E0 = U0 = f(ikt) khi I = 0 và f = fđm

Hình 1.6 Đặc tính không tải của máy phát đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động cảm ứng E ở cuộn dây stato với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không Do có hiện tượng từ trễ nên đặc tính không tải của máy phát khi ikt tăng và giảm không trùng nhau Điểm cắt của đặc tính với trục tung (ikt = 0) là đại lượng suất điện động dư của máy phát [Tr27 - 2]

Bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng thì mạch điện phần ứng là thuần

cảm Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ Mạch từ của máy không bão

hòa vì từ thông khe hở không khí Φσ cần thiết để sinh ra Eδ = E0 – I.Xud = I.Xσư

rất nhỏ Khi làm thí nghiệm ngắn mạch thì dòng kích từ thường nhỏ nên mạch từ

không bão hòa, do đó quan hệ I = f(ikt) là thường là tuyến tính Sự phi tuyến chỉ

xuất hiện khi dòng ngắn mạch vượt giá trị định mức nhiều

Trên hình 1.8, biểu diễn đặc tính ngắn mạch cho ba trường hợp: ngắn

mạch ba pha (3), hai pha (2) và một pha (1) Vì phản ứng phần ứng của ngắn

mạch ba pha lớn nên nằm dưới cùng, sau đó là ngắn mạch hai pha và nằm trên

cùng là ngắn mạch một pha [Tr28, 29 - 2]

Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số giữa dòng điện ngắn mạch, Ino ứng với dòng

điện kích thích sinh ra suất điện động E0 = Uđm khi không tải với dòng điện định

X U

K   (1.6)

Thường *

d

X >1 do đó K <1 và dòng điện ngắn mạch xác lập In < Iđm Vì vậy dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn là do tác dụng khử từ rất mạnh của phần ứng Từ hình dựa vào tam giác đồng dạng biểu diễn tỉ số ngắn mạch K như sau:

tn

to đm

n o

i

i I

1.3.3 Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi ikt = const, cosφ = const, f= fđm

Đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải, khi tải có tính cảm thì I

tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm theo đường biểu diễn đi

xuống Ngược lại tải có tính dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện

áp tăng và đường biểu diễn đi lên Máy phát tuabin hơi thông thường ∆Uđm% =

25 ÷ 35 % Độ thay đổi điện áp % 0 100

đm

đm đm

U

U E

Hình 1.11 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính điều chỉnh là quan hệ ikt =f(I) khi U = const, cos φ = const, f = fđm

Nó cho biết hướng điều chỉnh dòng i của máy phát song song bộ để giữ điện áp

U = const Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử tử của phản ứng phần

ứng tăng làm cho U bị giảm Để giữ cho U không đổi phải tăng dòng điện từ hóa

ikt, ngược lại ở tải điện dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi phải giảm iktthông thường cosφđm = 0,8 (thuần cảm) nên từ không tải (U = Uđm, I = 0) đến tải định mức (U = Uđm , I = Iđm) phải tăng dòng điện từ hóa ikt trong khoảng 1,7 ÷ 2,2 lần

1.3.5 Đặc tính tải

Đặc tính tải là quan hệ U = f(ikt) khi I = const, cosφ = const, f = fđm với các trị số khác nhau của I và cosφ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với cosφ = 0 và I = Iđm

k ud.Fud

xdu.Idm

C' C''

I=Idm1

2 3

Idm

Hình 1.12 Xác định đặc tính tải của máy phát đồng bộ với tải thuần cảm

từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng

Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2) để có trị số In = Iđm dòng điện kích itn, sức từ động của cực từ cần thiết Ftn = itn= 0C Khi máy làm việc ở chế

độ ngắn mạch sức từ động của cực từ Ftn = 0C gồm hai phần: một phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng, BC = Kud.Fưd sinh ra Eưd phần còn lại OB =

OC – BC sẽ sinh ra xuất hiện suất điện động tản từ Fσs = Iđm.xσư = AB (A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải - đường 1 vì lúc đó mạch từ không bão hòa) Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng các cạnh BC và AB của tam giác tỷ lệ với dòng tải định mức Iđm Thực tế do ảnh hưởng của bão hòa đặc tính tải thuần cảm có dạng đường nét đứt do sự khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng

CHƯƠNG 2 BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN CỦA

TRẠM PHÁT ĐIỆN

2.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG VÀ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN

2.1.1 Khái quát và phân loại

Các chức năng bảo vệ của trạm phát điện đều dựa trên số liệu từ việc đo lường các thông số của trạm phát Nếu việc đo lường bị gián đoạn hoặc không chính xác thì hệ thống trạm phát hoạt động không ổn định, tin cậy và có thể gặp các sự cố rất nghiêm trọng Do đó việc đo lường các thông số của trạm phát là hết sức quan trọng và có ý nghĩa đến các quyết định điều khiển, điều chỉnh của

hệ thống trạm phát Trong các thông số đó, thông số cơ bản và quan trọng nhất là: điện áp, dòng điện, tần số, công suất, …

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị Ta có 3 thao tác chính:

- Biến đổi tín hiệu và tin tức

- So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lường

- Chuyển đơn vị, mã hóa để có kết quả bằng số so với đơn vị

Có nhiều cách phân loại song có thể chia thiết bị đo lường thành 2 loại chính là thiết bị đo chuyển đổi thẳng và thiết bị đo kiểu so sánh

Thiết bị đo chuyển đổi thẳng: Đại lượng cần đo đưa vào thiết bị dưới bất

kỳ dạng nào cũng được biến thành góc quay của kim chỉ thị Người đo đọc kết quả nhờ thang chia độ và những quy ước trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị đo cơ điện Ngoài ra lượng ra còn có thể biến đổi thành số, người đo đọc kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt máy hoặc máy tự động làm việc đó

Thiết bị đo kiểu so sánh: cũng có thể là chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số

Tùy theo cách so sánh và cách lập đại lượng bù (bộ mã hóa số tương tự) ta có các thiết bị so sánh khác nhau như: thiết bị so sánh kiểu tùy động (đại lượng đo

x và đại lượng bù luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (đại lượng

bù biến thiên theo một quy luật thời gian nhất định và sự cân bằng chỉ xảy ra tại

một thời điểm trong chu kỳ)

Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập đại lượng bù người ta chai thành dụng

cụ mã hóa số xung, tần số xung, thời gian xung Căn cứ vào điều kiện cân bằng người ta chia thành dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng cụ bù có lệch (vi sai)

Căn cứ vào quan hệ giữa lượng ra và lượng vào, người ta chia thành: thiết

bị đo trực tiếp (đại lượng ra biểu thị trực tiếp đại lượng vào), thiết bị đo gián tiếp (đại lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua những biểu thức toán học xác định), thiết bị đo kiểu hợp bộ (nhiều đại lượng ra liên quan tới nhiều đại lượng vào thông qua các phương trình tuyến tính)

2.1.2 Chuyển đổi đo lường và tổ hợp thiết bị đo

a Chuyển đổi đo lường

- Chuyển đổi chuẩn hóa: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 ÷ 10V; I = 4 ÷ 20mA) Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại…

Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến một tín hiệu không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo Có rất nhiều loại chuyển đổi

sơ cấp khác nhau như: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện,…

b Tổ hợp thiết bị đo

Với một thiết bị cụ thể (một kênh)

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống đo một kênh

+ Chuyển đổi đo lường: biến tín hiệu cần đo thành tín hiệu điện

+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin… bao gồm: nguồn, các mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ…

+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho người quan sát, thường gồm chỉ thị số và chỉ thị

cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v…

Với hệ thống đo lường nhiều kênh

Trường hợp cần đo nhiều đại lượng, mỗi đại lượng đo ở một kênh, như vậy tín hiệu đo được lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa tới mạch điều chế tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đưa qua phân kênh (multiplexer) để được sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền Để có sự phân biệt, các đại lượng đo trước khi đưa vào mạch phân kênh cần phải mã hóa hoặc điều chế (Modulation – MOD) theo tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu đại lượng đo

Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế để lấy lại từng tín hiệu đo Đây chính là hình thức đo lường từ xa cho nhiều đại lượng đo

2.1.3 Các nguyên lý đo lường dùng cho mục đích bảo vệ

a Đo lường một đại lượng đầu vào

Đại lượng đầu vào của X rơle thường là những đại lượng tương tự (dòng điện, điện áp, góc pha giữa dòng và áp …) được lấy từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp

Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào này được so sánh với ngưỡng tác động Xkđ của rơle, còn gọi là trị số chỉnh định của rơle Nếu đại lượng đầu vào biến thiên vượt quá (đối với loại rơle cực đại) hoặc thấp hơn (đối với loại rơle cực tiểu) ngưỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động Sau khi tác động xong nếu đại lượng đầu vào biến thiên theo chiều ngược lại và vượt quá trị số Xtv, rơle sẽ trở về trạng thái ban đầu trước lúc khởi động Xtvđược gọi là ngưỡng trở về hoặc trị số trở về Trị số khởi động và trị số trở về liên

hệ với nhau qua hệ số trở về: Kv = Xtv / Xkđ

• Đối với các rơle điện cơ Kv ≠ 1 thông thường:

+ Kv = 0.85 ÷ 0.9 đối với rơle cực đại

+ Kv = 1.1 ÷ 1.15 đối với rơle cực tiểu

• Đối với các rơle tĩnh và rơle số : Kv ≈ 1

Khái niệm rơle cực đại (tác động khi đại lượng đầu vào tăng) và rơle cực tiểu (tác động khi đại lượng đầu vào giảm) có ảnh hưởng đến cấu trúc của rơle điện cơ (cuộn dây, lò xo, tiếp điểm) Đối với rơle tĩnh và rơle số chức năng cực đại hoặc cực tiểu có thể dễ dàng đổi lẫn cho nhau bằng phép nghịch đảo tín hiệu logic đầu ra của rơle

b So sánh nhiều đại lượng đầu vào

Rơle có thể tác động trên cơ sở so sánh nhiều đại lượng đầu vào Nhiều loại rơle hiện nay như khoảng cách, so lệch, định hướng công suất,… làm việc với hai đại lượng đầu vào Trong trường hợp tổng quát, hai đại lượng đầu vào X1

và X2 là tổ hợp của dòng điện I và điện áp U của phần tử bảo vệ:

K2 = K4 = 1 Đối với rơle khoảng cách hai đại lượng dùng để so sánh là điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện chạy qua phần tử được bảo vệ nên ta chọn các đại lượng K1 = K4 = 1, K2 = K3 = 0

Với các rơle theo hai đại lượng đầu vào thường người ta dùng hai nguyên

lý so sánh: so sánh biên độ và so sánh pha

* So sánh biên độ

Trong các rơle làm việc với hai đại lượng đầu vào, thông thường một đại lượng nào đó chẳng hạn X1 tác động theo chiều hướng làm rơle khởi động còn đại lượng kia X2 tác động theo chiều hướng ngược lại (hãm, cản trở rơle tác động) tín hiệu đầu ra Y của rơle sẽ xuất hiện khi:│X1│> │X2│

Trong đó: │X1│ tín hiệu đầu vào khởi động

│X2│tín hiệu đầu vào hãm Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng điện được sử dụng trong bảo vệ

so lệch và bảo vệ khoảng cách

* So sánh pha

So sánh pha phản ánh góc lệch pha giữa các đại lượng đầu vào, nếu góc lệch pha vượt qua (lớn hơn hay nhỏ hơn) trị số pha định trước rơle sẽ tác động Các đại lượng tương tự đầu vào X1, X2 qua các bộ biến đổi BĐ1, BĐ2 biến này thành các xung chữ nhật X1’ và X2’ với thời gian trùng pha là tK Kiểu so sánh

gọi là so sánh thời gian trùng hợp pha

Nếu thời gian trùng hợp pha tK lớn hơn thời gian đặt t0 của bộ phận thời gian sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra (Y = 1) Cũng có thể tiến hành so sánh cho cả nửa chu kỳ âm để tăng mức tác động nhanh của bộ phận so sánh Để tăng độ chính xác của bộ so sánh pha, có thể tiến hành lọc và khử thành phần một chiều cũng như các sóng hài bậc cao trong các đại lượng đầu vào X1, X2 trước khi dựa vào bộ so sánh [Tr 99,100 – 4]

2.2 CÁC DỤNG CỤ ĐO CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN

2.2.1 Đo dòng điện và điện áp

Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường

có trị số lớn không thể đưa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc rơle và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ đo và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng và máy biến điện áp

Việc đo lường dòng điện và điện áp rất quan trọng trong mục đích bảo vệ của hệ thống vì vậy yêu cầu về độ chính xác của thiết bị đó là vô cùng qua trọng

S

ISI

RCT

ICT+

-Hình 2.2 Cấu tạo Ampemet 1 chiều

Trong đó: RCT - điện trở của cơ cấu chỉ thị;

RS - điện trở sun; IS - dòng điện qua điện trở sun; ICT - dòng điện qua chỉ thị; I - dòng qua ampemet

Điện trở sun được tính theo công thức:

1

CT S

R R



 Khi sử dụng ampemet cần chú ý:

- Không tạo nên điện áp rơi tại các mối nối

- Không được nối trực tiếp Ampemet với nguồn điện khi chưa có tải do điện trở sun có trị số nhỏ sẽ tạo nên dòng điện lớn gây hỏng thiết bị

- Khi sử dụng Ampemet trước hết phải để đổi nối ở vị trí dòng điện lớn nhất sau đó giảm dần cho đến khi thỏa mãn dòng cần đo

Ampemet điện từ

Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Mỗi cơ cấu điện

từ được chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: IW = 100 ÷ 200A – vòng) do

đó khi mở rộng thang đo chỉ cần thay đổi sao cho IW là hằng số bằng cách chia cuộn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách ghép nối các đoạn đó như hình 2.3, Ampemet điện từ có thể đo dòng từ mA ÷ 10A với tần số công nghiệp 50Hz Sai số khoảng ±2% ÷ 5%

-Hình 2.5 Cấu tạo Vônmet một chiều

Điện trở phụ (Rp) được tính theo công thức:

U

Trong đó: Rp – điện trở phụ; RCT - điện trở của cơ cấu chỉ thị;

U - điện áp cần đo; UCT - điện áp rơi trên CCCT (UCT = ICT.RCT)

Vônmet xoay chiều

Vônmet từ điện chỉnh lưu: Là dụng cụ phối hợp giữa mạch chỉnh lưu và

cơ cấu chỉ thị từ điện

Chỉnh lưu có thể thực hiện dưới dạng nửa chu kỳ hoặc cả chu kỳ Khi định thiên thuận, diot silic thường có độ sụt áp thuận là 0.7V, diot Gecmani có

độ sụt cỡ 0.3V Khi định thiên ngược dòng điện ngược rất nhỏ so với dòng thuận

Hình 2.6 Vônmet chỉnh lưu: a) Nửa chu kỳ; b) Cả chu kỳ

Đặc điểm của vônmet chỉnh lưu là độ chính xác không cao, thang đo không đều do đặc tính phi tuyến của diot, các vônmet chỉnh lưu được chế tạo đo điện áp dạng hình sin với hệ số hình dáng khd = 1,1 do vậy khi đo với các tín hiệu khác sin sẽ gây nên sai số đo Dải tần làm việc của dụng cụ 10 ÷ 20 KHz, ngoài ra ta còn có thể mở rộng thang đo bằng cách thay đổi điện trở sun

2.2.2 Đo tổng trở

Nguyên lý đo tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu (mất) kích thích

Đối với hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế

độ làm việc bình thường (bằng thương số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố Ngoài

ra, trong nhiều trường hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỉ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ tởi chỗ ngắn mạch

Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải Trên mặt phẳng phức số ở chế độ dòng tải cực đại IAmax khi cosφ của phụ tải thay đổi, mút vectơ tổng trở phụ tải cực tiểu ZAmin sẽ vẽ nên cung tròn có tâm ở gốc tọa độ của mặt phẳng tổng trở phức

Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc không có thời gian, để tránh tác động nhầm khi có ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bộ phận khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở của đường dây: Zkđ = K ZD

Hệ số K thường được chọn trong khoảng (0.8 ÷ 0.85) có xét đến sai số

của máy biến dòng điện, máy biến điện áp và một số ảnh hưởng gây sai số khác Những rơle tổng trở đã được chế tạo và sử dụng trong hệ thống điện có đặc tuyến khởi động rất đa dạng nhằm đáp ứng tốt hơn điều kiện vận hành của hệ thống

Ngày nay, nguyên lý đo tổng trở thường được sử dụng kết hợp với các nguyên lý khác như dòng điện, quá điện áp, sụt áp để thực hiện những bảo vệ đa chức năng hiện đại

Nguyên lý đo tổng trở có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp

có nhiều nguồn với hình dạng bất kì Tuy nhiên một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến số đo của bộ phận khoảng cách như sai số của máy biến điện áp, máy biến dòng điện, điện trở quá độ tại một chỗ ngắn mạch như trên đã nói, hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và đặc biệt là quá trình dao động điện

a Ôm met

Ôm met là dụng cụ đo điện trở với nguồn cung cấp là pin và các điện trở

chuẩn Xuất phát từ định luật Ôm R U

I

 , nếu ta giữ cho điện áp U không đổi

thì dòng điện I qua mạch đo sẽ thay đổi khi điện trở thay đổi Dựa trên nguyên

lý đó ta chế tạo các ôm met đo điện trở

Hình 2.7 Sơ đồ ôm met thông thường

Trong đó: R1 – điện trở hạn chế dòng; R2 – điện trở chỉnh zero; U – nguồn cung cấp; RCT – điện trở của chỉ thị (mili Ampemet từ điện); Rx – điện trở đo

Khi Rx = 0; I = Imin =0 Ta có thể mở rộng với nhiều thang đo bằng cách

thay đổi điện trở sun sao cho phù hợp Trong thực tế người ta thường chế tạo

dụng cụ kết hợp đo dòng điện, điện áp (xoay chiều, một chiều) và đo điện trở

Dụng cụ như vậy gọi là vạn năng kế

b Mêgôm met

Hình 2.8 Mêgôm met từ điện

Mêgôm met là dụng cụ xách tay để kiểm tra điện trở cách điện của cáp

điện, các động cơ, máy phát và biến áp điện lực

Dụng cụ gồm có nguồn cao áp cung cấp từ máy phát điện quay tay, điện

áp từ 500 ÷ 1000V Chỉ thị là một lôgôm mét từ điện hình 2.8 gồm hai khung

dây, một khung tạo mômen quay và một khung tạo mômen cản Góc quay α của

cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện I1 và I2 qua cuộn dây W1, W2, điện trở

R2, Rx và R3 như hình 2.8

Ta có: 1 0

1 1

U I

R R r R



r1 và r2 – điện trở của khung Dưới tác động của lực điện từ giữa từ trường

và các dòng điện qua khung tạo ra mômen quay M1 và M2

Tại thời điểm cân bằng M1 = M2 ta có:

Do R1, R2, R3, r1 và r2 là hằng số nên góc quay α tỷ lệ với Rx và không phụ thuộc

vào điện áp nguồn cung cấp

2.2.3 Đo tần số

Việc thực hiện đo tần số trong công nghiệp được thực hiện bởi các tần số

kế Độ lệch tần số khỏi trị số danh định chứng tỏ trong hệ thống điện bị mất cân bằng công suất tác dụng giữa nguồn phát với phụ tải Tần số quá thấp chứng tỏ trong hệ thống thiếu công suất tác dụng, ngược lại tần số quá cao chứng tỏ thừa công suất tác dụng

Độ sai lệch tần số có thứ nguyên mHz/MW đặc trưng cho sự ổn định và

“sức mạnh” của hệ thống chống lại những biến đổi công suất tác dụng trong hệ thống Đại lượng này càng bé chứng tỏ hệ thống càng khỏe Vì vậy hệ thống càng lớn bao nhiêu thì thiết bị đo tần số càng phải chính xác bấy nhiêu

Khi tần số bị giảm thấp, như đã nói ở trên, chứng tỏ công suất của nguồn điện không đáp ứng được nhu cầu phụ tải Để đưa tần số trở lại bình thường phải

sa thải dần từng bước phụ tải cho đến khi lập lại được cân bằng giữa cung và cầu công suất tác dụng Khi mất cân bằng càng lớn, tốc độ biến đổi của tần số càng nhanh, vì vậy có thể tổ chức các đợt sa thải phụ tải theo tốc độ thay đổi tần số df/dt

2.2.4 Đo công suất

Đo công suất trong mạch cao áp người ta sử dụng thêm biến áp đo lường

và biến dòng

Khi mắc biến dòng và biến áp đo lường cần chú ý:

- Dòng trong mạch dụng cụ đo cùng hướng với dòng điện khi không có biến áp

- Các đầu của biến áp và biến dòng phải được đánh dấu

- Ngắn mạch thứ cấp của biến dòng và hở mạch thứ cấp biến áp khi không sử dụng

- Nối đất mạch thứ cấp biến áp và biến dòng để đảm bảo an toàn khi đo

Kết quả đo được của dụng cụ đo nhân với hệ số biến dòng và biến áp:

kI,kV – hệ số biến dòng và biến áp

2.3 CÁC KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN

2.3.1 Aptomat

Aptomat là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (1 pha, 3 pha); có công dụng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp… mạch điện

Chọn Aptomat phải thỏa mãn yêu cầu sau:

- Chế độ làm việc ở định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat lâu tùy ý Mặt khác, mạch dòng điện của aptomat phải chịu được dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

- Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể vài chục KA Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, aptomat đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức

- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, aptomat phải có thời gian cắt bé Muốn vậy thường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong aptomat

Hình 2.9 Cấu tạo của aptomat

Nguyên lý hoạt động:

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động Bật aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút

Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ phải hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt

2.3.2 Cầu chì

Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh

sự cố ngắn mạch, thường dùng để bảo vệ cho đường dây dẫn, máy biến áp, động

cơ điện, thiết bị điện, mạch điều khiển, mạch điện thắp sáng

Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên được ứng dụng rộng rãi

Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:

- Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy

và dòng điện định mức lâu dài đi qua

- Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ

- Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc

- Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian

a Cấu tạo

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

- Phần tử ngắt mạch: đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận được giá trị hiệu dụng của dòng điện qua nó Phần tử này có giá trị điện trở suất bé Hình dạng của phần tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng

- Thân của cầu chì: thường bằng thủy tinh, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tương đương

b Nguyên lý hoạt động

Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính ampe – giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường A-s của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tượng cần bảo vệ

- Đối với dòng điện định mức của cầu chì: năng lượng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ tỏa ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt sẽ được thiết lập ở một giá trị mà không gây sự già hóa hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì

- Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: sự cân bằng trên cầu chì bị phá hủy, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá hủy cầu chì

Trong đó: ta – thời điểm bắt đầu sự cố;

tp – thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang;

tt – thời điểm chấm dứt quá trình phát sinh hồ quang

Hình 2.10 Giản đồ thời gian của quá trình phát sinh hồ quang

Quá trình tiền hồ quang: giả sử tại thời điểm t0 – phát sinh sự quá dòng, trong khoảng thời gian tp làm nóng chảy cầu chì và phát sinh hồ quang điện Khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên do sự cố và sự cảm biến của cầu chì

Quá trình phát sinh hồ quang: tại thời điểm tp hồ quang sinh ra cho đến thời điểm tt mới dập tắt toàn bộ hồ quang Trong suốt quá trình này, năng lượng sinh ra do hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy tại môi trường hồ quang sinh ra; điện áp ở 2 đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện được ngắt ra

2.3.3 Contactor

a) Contactor xoay chiều b) Contactor một chiều

Hình 2.11 Cấu tạo contactor

Contactor là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt các tiếp điểm, tạo liên lạc trong mạch điện bằng nút ấn Như vậy khi sử dụng contactor ta có thể điều

khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp đến 500V (vị trí điều khiển, trạng thái hoạt động của contactor rất xa vị trí các tiếp điểm đóng ngắt mạch điện)

Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ)

Nguyên lý hoạt động:

Khi cấp nguồn điện bằng giá trị điện áp định mức của contactor vào hai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động hình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), contactor ở trạng thái hoạt động Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm làm cho tiếp điểm chính đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (thường đóng mở ra, thường mở đóng lại) và duy trì trạng thái này Khi ngưng cấp nguồn cho cuộn dây thì contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

2.3.4 Rơle điều khiển và bảo vệ

Rơle là loại khí cụ điện dùng để tự động đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ

và điều khiển sự làm việc của mạch điện

Theo nguyên lý làm việc có: Rơle điện từ, Rơle điện động, Rơle từ điện, Rơle cảm ứng, Rơle nhiệt, Rơle bán dẫn và vi mạch,…

Theo vai trò và đại lượng tác động của rơle có: Rơle trung gian, Rơle thời gian, Rơle tốc độ, Rơle dòng điện, Rơle điện áp, Rơle công suất, Rơle tổng trở, Rơle tần số,…

a Rơle trung gian

Rơle trung gian được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện

và các sơ đồ điều khiển tự động Do đó số lượng tiếp điểm lớn, từ 4 đến 6 tiếp điểm, vừa thường đóng và thường mở, nên rơ le trung gian thường dùng để truyền tín hiệu từ một rơle chính đến nhiều bộ phận khác của sơ đồ mạch điều khiển

Nguyên lý cấu tạo:

Rơle trung gian có nguyên lý cấu tạo như hình 2 – 12 Gồm nam châm điện có cuộn dây (1), nắp (2), lò so (3) và hệ thống tiếp điểm (4) (hệ thống

tiếp điểm gồm nhiều tiếp điểm thường đóng và thường mở) Khi cuộn dây (1)

có điện áp, lực điện từ sẽ thắng phản lực của lò so (3), kéo nắp (2) về phía lõi của mạch từ nên các tiếp điểm thường mở đóng lại, còn các tiếp điểm thường đóng được mở ra Hệ thống tiếp điểm động và tĩnh của rơle được làm bằng bạc

và gắn trên các thanh dẫn, đồng thời là lò so lá bằng đồng phốt pho vừa dẫn điện tốt vừa có tính đàn hồi cao Dọc theo thanh dẫn tiếp điểm tĩnh có các thanh thép lò so có tác dụng làm tăng lực ép tiếp điểm, đảm bảo tăng độ tin cậy và giảm rung động khi tiếp điểm đóng mạch

Hình 2.12 Cấu tạo rơle trung gian

1 Cuộn dây; 2 Nắp từ; 3 Lò xo; 4 Hệ thống tiếp điểm

Trong một vài loại rơle, ngoài cuộn dây (1) (cuộn điện áp) còn có thêm 2 hoặc 3 cuộn dây duy trì (cuộn dòng điện) mắc nối tiếp với tiếp điểm thường mở của rơle Khi không còn điện áp cấp cho cuộn dây chính rơle vẫn có thể được duy trì ở trạng thái hút khi có dòng điện qua một trong các cuộn dây duy trì

b Rơle thời gian

Hình 2.13 Ký hiệu cuộn dây và tiếp điểm rơ le thời gian

Trong tự động điều khiển, bảo vệ thường gặp những trường hợp cần có một khoảng thời gian giữa những thời điểm tác động của hai hay nhiều thiết bị, hoặc trong tự động hóa các quá trình sản xuất, nhiều khi phải tiến hành những

thao tác kế tiếp nhau, cách nhau những khoảng thời gian xác định Để tạo nên những khoảng thời gian cần thiết đó người ta dùng rơle thời gian Như vậy có thể định nghĩa rơle thời gian là rơle có đặc tính: Khi có tín hiệu vào rơle thì sau một thời gian xác định, rơle mới phát tín hiệu ở đầu ra

Thông thường rơle thời gian không tác động (tức là đóng hoặc ngắt) trực tiếp trên mạch động lực mà nó tác động gián tiếp qua mạch điều khiển, vì vậy dòng định mức của tiếp điểm trên rơle thời gian không lớn, thường chỉ cỡ vài ampe

Cấu trúc chung của rơle thời gian gồm có các bộ phận chính sau:

- Bộ phận động lực: có chức năng nhận tín hiệu vào là năng lượng điện, biến đổi thành năng lượng thích hợp cho bộ phận tạo thời gian hoạt động Bộ phận động lực có thể là nam châm điện, động cơ điện, bộ biến đổi điện, biến áp chỉnh lưu…

- Bộ phận thời gian: có chức năng kéo dài thời gian trễ của rơle Bộ phận này làm việc theo nguyên lý khác nhau như: điện tử, cơ khí, khí nén, thủy lực, điện tử…Căn cứ vào bộ thời gian trễ mà có tên rơle tương ứng

Ví dụ: Rơle điện từ, rơle thời gian thủy lực, rơ le thời gian điện tử…

- Bộ phận đầu ra: Rơle phát tín hiệu đầu ra bằng sự thay đổi trạng thái đóng, mở các tiếp điểm Ngoài ra, rơ le còn có các bộ phận điều chỉnh thời gian tác động (thời gian trễ) của rơle và bộ phận hiển thị thời gian ở dạng kim hoặc dạng chữ

tạo rơle nhiệt gồm có: Bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ (cảm biến) ở đầu vào, bộ phận so sánh, hệ thống tiếp điểm ở đầu ra và bộ phận điều chỉnh các thông số làm việc của rơle

Tùy theo nguyên lý làm việc của bộ phận cảm biến nhiệt độ, ta có các loại rơle nhiệt với các đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng khác nhau Các cảm biến nhiệt độ hay được dùng trong rơle nhiệt là:

- Kiểu kim loại kép (lưỡng kim) dựa trên tính chất dãn nở kích thước do nhiệt

độ của kim loại

- Kiểu khí nén dựa trên tính chất thể tích, áp suất chất khí thay đổi khi nhiệt độ của chúng thay đổi

- Kiểu nhiệt ngẫu dựa trên tính chất xuất hiện một sức điện động khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu nhiệt ngẫu (tức cặp nhiệt gồm hai kim loại khác nhau nối tiếp xúc với nhau)

- Kiểu điện trở nhiệt dựa trên tính chất điện trở của vật liệu thay đổi theo nhiệt

độ

Theo kiểu cảm biến được sử dụng trong rơ le, rơle nhiệt có tên gọi tương ứng: Ví dụ rơle nhiệt kim loại kép, rơle nhiệt khí nén

d Rơle dòng điện

Rơ le dòng điện có đại lượng vào là trị số dòng điện của mạch động lực

Rơ le tác động (hút) khi dòng điện qua cuộn dây rơle đạt đến trị số dòng tác động Khi đó các tiếp điểm của rơle sẽ đóng nếu là tiếp điểm thường mở (hoặc

sẽ mở nếu là tiếp điểm thường đóng) Như vậy cuộn dây của rơle được mắc nối tiếp trong mạch động lực Rơle dòng điện được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệ quá dòng (do quá tải, ngắn mạch…) và tự động điều khiển (mở máy động

cơ điện, chuyển đổi mạch điện…) trong hệ thống điện và truyền động điện

Rơ le dòng điện cực đại điện từ dùng trong lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện, nhóm thiết bị điện hoặc thiết bị điện riêng lẻ quan trọng như động cơ điện, máy biến áp công suất lớn…

Trên hình 2.15, trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle dòng điện cực đại Mạch từ (1) hình C làm bằng thép tấm kỹ thuật điện ghép lại để giảm tổn hao trong lõi thép Cuộn dây (2) của rơle gồm hai phần giống nhau, có

thể đổi nối song song hoặc nối tiếp nhau được để thay đổi giải (nhảy cấp) làm việc dòng tác động của rơle Phần ứng (3) làm bằng thép KTĐ hình chữ Z gắn trên trục quay Khi nắp quay, từ dẫn khe hở không khí tăng lên làm phần ứng (nắp quay) bão ngay cả khi dòng điện gần trị số dòng tác động, do đó hạn chế được mô men điện từ ở cuối hành trình của nắp Tiếp điểm động (5) kiểu cầu được gắn với trục quay để tiếp xúc với hai tiếp điểm tĩnh (6) Khi dòng điện trong cuộn dây đạt tới trị số tác động, nắp từ bị hút và quay theo chiều kim đồng

hồ, làm đóng hệ thống tiếp điểm (5), (6) Lò so phản lực (4) kiểu xoắn ốc được gắn một đầu lên trục quay, đầu kia gắn lên tay đòn (7) Nếu quay tay đòn (7) có thể thay đổi độ xoắn của lò so để thay đổi trị số dòng tác động của rơle

Hình 2.15 Rơ le dòng điện cực đại

1 Mạch từ; 2 Cuộn dây dòng; 3 Phần ứng hình Z; 4 Lò xo nhả; 5 Tiếp điểm

động; 6 Tiếp điểm tĩnh; 7 Tay đòn

e Rơle điện áp

Rơle điện áp thường dùng là rơ le điện áp cực tiểu được dùng trong sơ đồ bảo vệ và tự động điều khiển lưới điện khi có sự cố giảm điện áp trong mạch xoay chiều Ở loại rơle này tác động của rơle là điện áp tại đó rơle chuyển sang trạng thái nhả, tiếp điểm thường mở đóng lại Điện áp phục hồi là điện áp tại đó phần ứng của rơle được hút về phía cực từ nam châm điện và tiếp điểm mở ra Trong trường hợp này, hệ số nhả của rơle là tỷ số giữa điện áp phục hồi và điện

áp tác động và có trị số lớn hơn 1

Hệ số nhả của rơle không lớn quá 1,25

Thới gian đóng của tiếp điểm không lớn hơn 0,15 giây khi điện áp giảm

đến 0,8 Utđ và không lớn hơn 0,1 giây khi điện áp giảm đến 0,5 Utđ

Một số loại rơle thông dụng:

+ Rơ le tốc độ kiểu ly tâm (kiểu cơ khí)

Hình 2.16 Rơ le tốc độ kiểu ly tâm

1 Trục quay; 2 Quả văng ly tâm; 3 Lò xo kéo; 4 Giá tiếp điểm động; 5 Tiếp điểm thường mở; 6 Tiếp điểm thường đóng

Công dụng: dùng để ngắt cuộn mở máy của động cơ không đồng bộ một pha khởi động bằng tụ Tốc độ tác động của rơle thường từ 0,7 đến 0,8 tốc độ định mức của động cơ

- Nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle trên hình 2.16:

Trên trục quay (1) được cố định hệ thống ly tâm gồm quả văng (2) và lò

xo kéo (3): Khi trục đứng yên hoặc quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ tác động, lò

xo kéo (3) làm quả văng (2) tỳ lên đĩa cách điện (4) Hệ thống tiếp điểm (5) mở

và hệ thống tiếp điểm (6) đóng Khi tốc độ quay của trục đạt đến trị số tác động, lực ly tâm của quả văng đủ lớn, thắng lực kéo của lò xo, làm quả văng không tỳ vào đĩa (4) nữa Lò xo nén (7) đẩy đĩa (4) dịch chuyển theo hướng dọc trục làm

đóng tiếp điểm (5) và mở tiếp điểm (6) Điều chỉnh độ căng của lò xo (3) có thể thay đổi được trị số tốc độ tác động của rơle

+ Rơle kiểu cảm ứng (điện)

Hình 2.17 Rơle tốc độ kiểu cảm ứng

1 Trục quay; 2 Nam châm vĩnh cửu; 3 Lồng sóc; 4 Lõi thép stato; 5 Cần tiếp điểm; 6 Hệ thống tiếp điểm

Nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle như hình 2.17:

Rơle gồm ba phần chính: Roto, stato và hệ thống tiếp điểm Rô to (1) có dạng một trục quay, trên đó có gắn một nam châm vĩnh cửu (2) Rô to được nối với trục quay của thiết bị làm việc Stato (3) gồm một lồng sóc bằng đồng đặt trên lõi thép dẫn từ (4) (tương tự rô to lồng sóc trong động cơ không đồng bộ)

Trên vỏ stato có gắn cần tác động (5) Khi trục thiết bị công tác quay, rô

to của rơle quay theo, từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ quay và cắt ngang thanh dẫn trên stato Trong lồng sóc xuất hiện dòng điện cảm ứng Tác dụng giữa dòng điện cảm ứng này với từ trường quay tại khe hở giữa stato và rô to tạo

ra mô men lực làm quay stato của rơle Mô men quay này tỷ lệ thuận với tốc độ roto Khi tốc độ rôto (tức tốc độ trục quay của thiết bị công tác) đạt đến tốc độ tác động Mô men quay stato đủ lớn làm dịch chuyển stato và cần tác động thực hiện đóng, mở các tiếp điểm (6) của rơle

2.3.5 Máy cắt

Máy cắt điện áp cao là thiết bị điện chuyên dùng để đóng cắt mạch điện xoay chiều ở tất cả các chế độ vận hành có thể có: đóng ngắt dòng điện định