LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH 1.1 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH: Chức năng cơ bản của hệ thống kích thích là cung cấp dòng điện 1 chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích thích được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích thích. Chức năng điều khiển bao gồm: điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích thích và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn. Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích thích cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi “cho phép liên tục” của máy phát. Các yêu cầu này có thể tham khảo theo đặc tính hình V. Độ dữ trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp… cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích thích biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kWMVA của định mức máy phát. Ngoài ra hệ thống kích thích phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát được giới hạn bởi các yếu tố: hư hỏng cách điện rotor ở điện áp kích thích cao, nóng rotor ở dòng điện kích thích lớn, nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn, lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích thích và sịnh nhiệt do mật độ từ trường cao (VHz). Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian, khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15 ÷ 60s. Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất hệ thống kích thích, cần biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích thích sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh.

Trang 1

Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua cùng với việc phát triển nền kinh tế, xã hội về nhiều mặt nhất là vềcông nghiệp và với nhu cầu ngày càng cao về mức sống nên vấn đề điện năng ngày càng trởnên cần thiết hơn bao giờ hết Chính vì lẽ đó mà nhà nước, chính phủ đã có nhiều biện phápnhằm mục đích tăng đáng kể sản lượng điện để đáp ứng kịp thời các nhu cầu đó Một trongcác biện pháp có tính hiệu quả nhất hiện nay là xây dựng nhiều các công trình thủy điện và cácnhà máy điện sử dụng nhiều loại nguồn nhiên liệu khác nhau Cụm Nhà máy thủy điện trênsông SÊSAN là một trong nhiều nơi cung cấp một lượng điện năng lớn cho đất nước, bao gồmcác nhà máy sau: IALY, SÊSAN 3, SÊSAN 3A, SÊSAN 4, PLEIKRÔNG, THƯỢNGKONTUM

Hiện nay Nhà máy thủy điện IALY đã đi vào vận hành rất hiệu quả, đã mang lại hàngnăm 3,67 tỷ KWh và góp phần xây dựng Tây nguyên ngày càng giàu đẹp Tiếp theo sau IALY

là các nhà máy khác cũng dần mọc lên, do đó để có được một đội ngũ công nhân lành nghềđảm bảo việc vận hành, sửa chữa nhà máy là trách nhiệm nặng nề của ban lãnh đạo nhà máythủy điện IALY Quán triệt được điều đó ngay từ đầu lãnh đạo nhà máy thủy điện IALY đã có

kế hoạch đào tạo một số công nhân vận hành và sửa chữa đủ đáp ứng các nhu cầu đó

Hệ thống kích thích là một hệ thống quan trọng và rất phức tạp của nhà máy thủy điện,chính vì vậy để có đội ngũ công nhân đảm nhận được việc thí nghiệm, hiệu chỉnh, sửa chữaphải tốn rất nhiều thời gian và công sức Trong thời gian qua được sự quan tâm giúp đỡ củalãnh đạo nhà máy đã tạo điều kiện cho tôi được tìm hiểu, nghiên cứu và trực tiếp thí nghiệm,hiệu chỉnh, sửa chữa hệ thống kích thích nhà máy thủy điện IALY, tôi đã hoàn thành tốt nhiệm

vụ Hiện nay tôi cũng được lãnh đạo nhà máy tin tưởng giao cho tôi việc đào tạo cho một sốanh em công nhân sửa chữa hệ thống kích thích của các nhà máy sau, cho nên tôi đã viết giáotrình đào tạo này nhằm mục đích cụ thể chương trình đào tạo và giúp các anh em sau có điềukiện nghiên cứu sâu hơn

Do trình độ có hạn và kinh nghiệm đào tạo chưa nhiều nên tôi viết giáo trình này cònnhiều thiếu sót và chưa đầy đủ mong người đọc thông cảm và góp ý để ngày càng hoàn thiệnhơn giáo trình này Trong giáo trình này tôi có sử dụng một số tài liệu của nhà máy và các anh

em đồng nghiệp

Gia Lai, ngày 10 tháng 09 năm 2006

Trang 1/362

Trang 2

PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG

KÍCH THÍCH

Trang 2/362

Trang 3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

1.1 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH:

Chức năng cơ bản của hệ thống kích thích là cung cấp dòng điện 1 chiều cho cuộn dâytạo từ trường của máy điện đồng bộ Hệ thống kích thích được điều khiển và bảo vệ nhằm đápứng công suất phản kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiểndòng điện kích thích

Chức năng điều khiển bao gồm: điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính

ổn định của hệ thống Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệthống kích thích và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn

Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích thích cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điệnkích thích của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu rabiến thiên trong phạm vi “cho phép liên tục” của máy phát Các yêu cầu này có thể tham khảotheo đặc tính hình V Độ dữ trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tảiđịnh mức khẩn cấp… cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập Thôngthường định mức bộ kích thích biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát

Ngoài ra hệ thống kích thích phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từtrường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn Khả năng của máyphát được giới hạn bởi các yếu tố: hư hỏng cách điện rotor ở điện áp kích thích cao, nóng rotor

ở dòng điện kích thích lớn, nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn, lõi bị nóng trong suốt thờigian vận hành ở trạng thái thiếu kích thích và sịnh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz) Giớihạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian, khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mởrộng từ 15 ÷ 60s Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất hệ thống kích thích, cần biết đầy đủ khảnăng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép

Hệ thống kích thích sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính

ổn định của hệ thống Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanhchóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổnđịnh tĩnh

1.2 TIÊU CHUẨN CỦA ĐIỆN NĂNG

Tiêu chuẩn của điện năng là điện áp và tần số

Khi phụ tải thay đổi, dẫn đến tần số và điện áp nguồn sẽ thay đổi theo, nếu không cónhững bộ tự động điều tần, tự động điều áp thì hệ thống điện sẽ mất ổn định

1.3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN

Trang 3/362

Trang 4

1) Điều chỉnh điện áp thô hay điều chỉnh từng nấc tại các thanh cái phân phối:

Tại các thanh cái cấp điện áp phân phối 15kV, 22kV, ta có thể đóng hoặc mở tụ bù, hoặc

ta có thể thay đổi nấc máy biến áp phân phối (thường có 5 nấc)

2) Điều chỉnh điện áp từng nấc tại các thanh cái chính:

Tại các thanh cái này, ta cũng có thể thay đổi nấc máy biến áp, nhưng chỉ thao tác đượckhi đã ngừng máy biến áp

3) Điều chỉnh điện áp tinh hay điều chỉnh nhuyễn tại đầu cực ra của máy phát:

Bằng cách điều chỉnh dòng điện kích thích, điều chỉnh bằng tay hoặc tự động, ta sẽ thayđổi được điện áp tại đầu ra của máy phát

Trong các chương sau, chúng ta sẽ nghiên cứu về các hệ thống tự động điều chỉnh điện

áp và việc phân phối công suất phản kháng trên các máy phát điện

Trang 5

1.4 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LỚN

Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống kích thích tiêu biểu

1.4.1 Bộ kích thích

- Cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây phần cảm để tạo từ trường của máy điện đồng

bộ, tạo nên công suất tiêu thụ của hệ thống kích thích

- Thông thường định mức bộ kích thích biến thiên từ 2÷3,5kW/MVA của định mức

máy phát

1.4.2 Bộ điều chỉnh điện áp (AVR)

- Xử lý và khuếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát, để tạo racách thức thích hợp nhằm điều khiển “Bộ kích thích ”

- Bộ AVR bao gồm cả việc điều chỉnh và chức năng ổn định hệ thống kích thích

1.4.3 Bộ cảm biến điện áp ra và bù tải:

- Bộ cảm biến điện áp ra: Cảm nhận điện áp ra đầu cực máy phát, chỉnh lưu và lọc nóthành điện một chiều, so sánh nó với một trị chuẩn (trị số đặt) là điện áp đầu ra máy phátmong muốn

- Bộ phận bù tải: (do có sụt áp trên đường dây) khi ta muốn giữ điện áp không đổi tạicác điểm xa đầu cực máy phát (ví dụ: qua máy biến áp tăng) Bộ này còn được gọi là bộ tạo

“đặc tuyến điều chỉnh ”

1.4.4 Bộ ổn định hệ thống công suất:

- Cung cấp thêm một tín hiệu ở ngõ vào để hạn chế dao động công suất của hệ thống

- Những tín hiệu thường dùng là: độ lệch tốc độ Rotor, sự tăng công suất và độ lệch tầnsố

2

4

3 5

Trang 6

- Thường sử dụng “bộ hạn chế kích thích cực đại”, “bộ hạn chế dòng kích thích ”, “bộhạn chế điện áp đầu cực ”, “bộ điều chỉnh và bảo vệ V/Hz ”, và “bộ hạn chế thiếu kích thích ”.Những mạch này thường riêng biệt, các tín hiệu ở ngõ ra của chúng có thể đưa vào hệ thốngkích thích bằng một ngõ nhập tổng hoặc là một cổng nhập

Hệ thống kích từ

tự động

Máy biến

áp tự kích

Cầu chỉnh lưu điốt

Máy phát chính

Hệ thống

tự kích

Hệ thống

tự dùng 1 chiều Bảo vệ

tự động

Máy biến áp

tự kích TE

Cầu chỉnh lưu thyristor

Máy phát chính

Hệ thống tự kích

Hệ thống tự dùng 1 chiều

Bảo vệ máy biến áp TE

Máy phát

tự động

Nguồn 1 chiều hay máy phát

1 chiều

Trang 7

1.5.2 Ưu, nhược điểm của các hệ thống kích thích:

+ Sử dụng cho tất cả các loại máy phát

+ Dòng điện qua chổi than nhỏ

+ Thiết bị có công suất nhỏ dễ chế tạo

• Nhược điểm:

+ Hệ thống phức tạp

+ Thời gian đáp ứng lâu

+ Cần có 1 hệ thống bảo vệ riêng cho máy phát phụ

1.5.2.3 Hệ thống kích thích tự kích:

• Ưu điểm:

+ Đơn giản, dễ chế tạo

+ Dùng cho tất cả các loại máy phát

+ Thời gian đáp ứng nhanh

+ Cải tạo dễ dàng

• Nhược điểm:

+ Dòng điện qua chổi than rất lớn

+ Hệ thống Thyristor công suất lớn rất khó chế tạo

+ Máy biến áp kích thích công suất lớn cồng kềnh

1.5.2.4 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN IALY:

Trang 7/362

Hệ thống đo lường TU, TI

Hệ thống điều khiển Thyristor

Hệ thống tự

động điều

chỉnh điện áp

Bộ cầu chỉnh lưu Thyristor

Máy cắt dập từ

Máy phát

Máy biến

áp kích từ

Hệ thống làm mát Thyristor

Hệ thống tự kích

Hệ thống tự dùng 1 chiều

Hệ thống nước làm mát

Hệ thống Điều

khiển - Bảo vệ

- Tín hiệu

Trang 8

1.5.3 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

1.5.3.1 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MỘT CHIỀU

- Hệ thống kích thích một chiều sử dụng máy phát một chiều như nguồn năng lượng kíchthích và cung cấp dòng điện cho rôto của máy điện đồng bộ thông qua các vòng trượt Máykích thích được kéo nhờ một động cơ hoặc gắn vào trục của máy phát Nó có thể tự kích hoặc

là kích thích độc lập Khi kích thích độc lập từ trường của bộ kích thích được cấp bởi bộ kíchthích nhỏ như là máy phát nam châm vĩnh cửu Hệ thống kích thích một chiều là hệ thống rađời sớm nhất vào khoảng năm 1920÷1960 Đến giữa những năm 1960 chúng được thay thếbằng các hệ thống kích thích xoay chiều hoặc hệ thống kích thích tĩnh, trong một vài trườnghợp các bộ điều chỉnh điện áp độc lập được thay thế bằng các bộ điều chỉnh điện tử bán dẫnhiện đại

- Hình 2 biểu diễn sơ đồ đơn giản của hệ thống kích thích một chiều với bộ khuếch đạiquay Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòng một chiều cho cuộn kíchthích máy phát chính thông qua các vòng trượt Từ trường máy kích thích (DC) được biểu diễnbằng bộ khuếch đại điện cơ Bộ khuếch đại điện cơ là loại máy điện đặc biệt của bộ khuếchđại quay Nó là máy điện một chiều đặc biệt có 2 bộ chổi than đặt lệch nhau góc 90.Việc điềukhiển từ trường cuộn dây được định vị trên trục (d), một cuộn bù mắc nối tiếp với phụ tải trêntrục (d) sinh ra từ trường bằng và ngược chiều với phần ứng trên trục (d), do đó loại bỏ đượcphản hồi âm do sự phản ứng lại của dòng điện phần ứng Bộ chổi than trên trục (q) được nốingắn mạch Công suất điều khiển từ trường rất nhỏ được yêu cầu để tạo ra dòng điện lớn ởphần ứng trên trục (q) Dòng điện trên trục (q) tạo ra theo nguyên tắc từ trường, năng lượngđược yêu cầu để duy trì dòng điện trên trục (q) được cung cấp từ động cơ kéo bộ khuếch đạiđiện cơ Kết quả là tạo ra một thiết bị khuếch đại công suất từ 10.000÷100.000 lần và hằng sốthời gian nằm trong khoảng 0,02÷0,25 giây

Trang 8/362

Trang 9

- Hệ thống kích thích xoay chiều tuỳ thuộc vào dạng chỉnh lưu có các dạng sau:

- Có 2 dạng cơ bản:

a) Hệ thống kích thích chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường: Hình 3.

- Bộ kích thích máy phát xoay chiều được kéo nhờ rotor của máy phát chính Bộ kíchthích này là tự kích với năng lượng từ trường được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thyristor

- Năng lượng của bộ điều chỉnh điện áp được cấp từ điện áp ngõ ra của bộ kích thích

Trang 9/362

Trang 10

b) Chỉnh lưu điều khiển (thyistor):

- Bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp 1 chiều ở ngõ ra của bộ kích thích Hình 4

- Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển việc dẫn của thyristor Bộ kích thích của máy phát xoaychiều là tự kích và sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để duy trì điện áp ở ngõ ra Vìthyristor điều khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ kích thích nên hệ thống này cho đáp ứng nhanhngay từ đầu

có ngõ nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng bảo vệ và điều khiển

1.5.3.4 Hệ thống chỉnh lưu quay

- Ưu điểm hơn là không dùng hệ thống chổi than và các vòng trượt

- Điện áp 1 chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trường máy phát chính Hệ thống nàygọi là hệ thống kích thích tĩnh không có chổi than

Trang 10/362

Trang 11

VD: Hệ thống kích thích xoay chiều thực tế

Trang 11/362

Trang 12

1.5.3.5 HỆ THỐNG KÍCH TỪ TĨNH

- Tất cả các phần tử trong hệ thống kích thích tĩnh đều đứng yên

- Các bộ chỉnh lưu tĩnh được điều khiển hoặc không được điều khiển, cung cấp dòng kíchthích trực tiếp cho từ trường chính nhờ các vòng trượt (vòng nhận điện)

- Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy từ máy phát chính (hoặc ở các trạm phụ) quamáy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp, đôi khi lấy từ cuộn phụ trong máy phát

- Khi máy phát mới khởi động chưa có nguồn áp cung cấp cho hệ thống kích thích, do đócần phải có nguồn năng lượng khác trong vài giây để cung cấp dòng kích thích và năng lượngkích thích ban đầu cho máy phát Phương pháp này được gọi là “kích thích ban đầu”, nguồnkích thường là nguồn acquy tự dùng nhà máy

- Hệ thống kích thích tĩnh có ba kiểu sử dụng rộng rãi:

1.5.3.6 Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp

- Năng lượng kích thích được cung cấp nhờ một máy biến áp kích thích lấy điện từ đầucực máy phát hoặc các trạm tự dùng và được điều chỉnh bởi bộ chỉnh lưu có điều khiển(xem H.6) Hệ thống này vốn có hằng số thời gian rất nhỏ

 Đánh giá:

- Điện áp ra cực đại của bộ kích thích phụ thuộc điện áp xoay chiều ngõ vào, vì vậy khi

hệ thống bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống dẫn đến điện áp cực đại ởđầu ra bộ kích thích bị giảm theo

- Đối với máy phát nối với hệ thống có công suất lớn thì hệ thống này làm việc rất tốt

- Ngoài ra nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền

Trang 12/362

Trang 13

- Hạn chế này được bù bằng đáp ứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trườngcưỡng bức cao

1.5.3.7 Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp

- Năng lượng kích thích trong trường hợp này được tạo ra nhờ sử dụng điện áp cũng nhưdòng điện của máy phát chính qua máy biến áp công suất và máy biến dòng bão hòa như hìnhH.7, hoặc là nguồn áp và nguồn dòng được kết hợp nhờ sử dụng một máy biến áp kích thíchđơn, như là máy biến dòng bão hòa

- Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ ra của bộ kích thích thông qua việc điều khiển sự bão hòacủa máy biến áp kích thích

- Khi máy phát ở chế độ không tải thì dòng ở phần ứng bằng không, nguồn áp sẽ cung cấptoàn bộ cho năng lượng kích thích

- Khi máy phát vận hành ở chế độ có tải năng lượng kích thích sẽ được cung cấp từ nguồn

áp và một phần từ nguồn dòng lấy từ máy biến dòng bão hòa

- Khi hệ thống bị sự cố, với sự cố nặng sẽ làm giảm điện áp đầu cực máy phát, lúc đódòng điện sự cố sẽ cung cấp năng lượng từ trường cưỡng bức cao

1.5.3.8 Hệ thống kích thích chỉnh lưu điều khiển kết hợp

- Hệ thống này sử dụng chỉnh lưu điều khiển trong mạch xuất của bộ kích thích và sự kếthợp nguồn áp, nguồn dòng ở bên trong stator máy phát để cung cấp năng lượng cho bộ kíchthích dẫn đến việc đáp ứng ban đầu cao với nhiều khả năng cưỡng bức

- Hình 8 biểu diễn sơ đồ một sợi cơ bản của hệ thống

Trang 13/362

Trang 14

- Nguồn áp được tạo ra bởi bộ dây quấn ba pha đặt trong ba rãnh bên trong stator máyphát và nối tiếp với cuộn kháng tuyến tính

- Nguồn dòng được tạo ra từ biến dòng đặt ở trung tính cuối cuộn dây stator nối đất

- Những nguồn này được kết hợp thông qua sự hoạt động của máy biến điện và kết quả

là điện áp xoay chiều ở ngõ ra được chỉnh lưu bởi các linh kiện bán dẫn công suất tĩnh Việcđiều khiển được cung cấp bởi sự kết hợp giữa diốt và thyristor mắc song song Bộ điều chỉnhđiện áp xoay chiều điều khiển mạch kích của thyristor và qua đó điều chỉnh bộ kích thích đểkích thích máy phát

- Máy biến áp kích thích bao gồm ba bộ phận đơn pha với ba cuộn dây: cuộn dòng(C), cuộn áp sơ cấp (P) và cuộn ngõ ra thứ cấp (F)

- Điện áp xoay chiều ở ngõ ra thứ cấp (F) được chỉnh lưu bởi các linh kiện bán dẫncông suất tỉnh gồm diode và thyristor mắc song song với nhau Bộ điều chỉnh điện áp xoaychiều điều khiển mạch kích của thyristor và qua đó điều chỉnh bộ kích thích để kích thích máyphát

- Cuộn kháng tuyến tính có hai chức năng: góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp của hệthống kích thích và nhằm làm giảm dòng sự cố khi hệ thống kích thích hay máy phát bị sự cố

Trang 14/362

Trang 15

- Máy biến áp kích thích và cuộn kháng được đặt trong một hộp hình vòm được bắt dínhtrên khung máy phát

- Máy phát không thể tự phát ra điện áp khi chưa có dòng điện kích thích Do đó, cần cónguồn năng lượng khác trong vài giây để cung cấp dòng điện kích thích và năng lượng kíchthích ban đầu cho máy phát Phương pháp này tạo nên dòng điện kích thích cho máy phátđược gọi là “kích thích trường hay kích thích ban đầu” Nguồn kích thường dùng là nguồnacquy tĩnh

2.5.3.9 Ví dụ minh họa

Hệ thống kích thích này áp dụng phương pháp “Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp” Xemhình vẽ

 Hệ thống kích thích và điều áp khối máy hơi nước

Hệ thống điều áp và kích thích của máy phát điện S2, S3 thuộc loại kích thích tinh dùngSCR nắn dòng 3 pha Hệ thống gồm:

 1 máy biến áp công suất PPT 3φ, 13.800V/250V có phần hạ thế cung cấp cho phầnkích thích và điều áp

 3 Biến dòng bão hòa SCT 1φ treo ở phía dưới máy phát điện

Điện áp ra của mạch kích thích được đưa vào Rotor máy phát qua một máy cắt kích thích.Máy ngắt kích thích ngoài việc đóng ngắt kích thích cho máy phát còn đảm nhận thêm 1nhiệm vụ đó là tiêu tán từ trường dư khi cắt máy cắt kích thích máy phát S1

 Nguyên lý hoạt động của mạch kích thích S2(S3)

PPT và SCT là nguồn chính cung cấp cho mạch kích thích máy phát Nguồn điện kíchthích ban đầu (start-up) lấy từ accu 250 VDC Nguyên lý chính của mạch kích thích như sau:Thứ cấp của máy biến áp kích thích cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu nối qua cuộn không tuyếntính L Đồng thời thứ cấp của SCT được nối với cuộn L theo thứ tự pha như trong hình Khimáy chưa mạng tải, điện năng phần kích thích cung cấp bởi PPT và khi có tải điện năng lấy từSCT và PPT

Khi máy phát chưa mang tải, giả sử điện áp đầu cực máy phát tăng thì bộ AVR sẽ cho tínhiệu IC tăng  làm tăng dòng IL  điện áp rơi trên cuộn không tuyến tính L tăng  điện ápđưa vào bộ chỉnh lưu giảm  If giảm  điện áp đầu cực máy phát giảm

Trang 15/362

Trang 16

1.6 ĐÁNH GIÁ ĐÁP ỨNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ

- Hiệu quả của việc nâng cao ổn định hệ thống điện được xác định bởi một số đặctuyến cơ bản của nó Trong phần này ta tìm hiểu, định nghĩa việc đo lường xác định từ các đặctuyến và đáp ứng cơ bản cho việc ước lượng, cũng như để định rõ tính năng làm việc của hệthống điều khiển kích thích

- Hình 9 trình bày toàn bộ hệ thống điều khiển kích thích dạng cổ điển đã được sửdụng để mô tả hệ thống điều khiển hồi tiếp

Trang 16/362

A

Ngắt kích thích

Tải

Start up

Biến trở kích thích Cầu chỉnh lưu

Cuộn không tuyến tính

Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp

A

A C

B

A

C B

Tín hiệu điện áp

AVR

Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp

Trang 17

Hình 15.9 Hệ thống điều khiển kích thích sử dụng hồi tiếp

- Sự làm việc của hệ thống điều khiển kích thích phụ thuộc vào đặc tuyến của hệ thốngkích thích, máy phát và hệ thống điện

- Vì hệ thống không tuyến tính, khảo sát hai dạng tín hiệu sẽ được khảo sát là đặc tínhtín hiệu lớn và đặc tính tín hiệu nhỏ Đối với đặc tính tín hiệu lớn, không tuyến tính là đáng kể.Đối với đặc tính tín hiệu nhỏ, đáp ứng chính là tuyến tính

1.6.1 Đo lường đặc tính tín hiệu lớn:

Đo lường đặc tính tín hiệu lớn cung cấp ý nghĩa của việc đánh giá hiệu suất của hệ thốngkích thích đối với khả năng quá độ Ví dụ đối với các yêu cầu về quá độ, ổn định trung và dàihạn của hệ thống điện

Việc đo lường được căn cứ trên những đại lượng định nghĩa là các tiêu chuẩn được quiđịnh và phù hợp với từng tình huống cụ thể:

* Điện áp đỉnh của hệ thống kích thích: Là điện áp một chiều cực đại của hệ thống kích

thích có thể cung cấp từ đầu cực của nó Điện áp đỉnh nói lên khả năng kích thích cưỡng bứccủa hệ thống kích thích, điện áp cao hơn nữa có xu hướng cải thiện ổn định động Đối với hệthống kích thích nguồn áp và nguồn kết hợp của hệ thống kích thích tĩnh được cung cấp nguồntuỳ thuộc vào điện áp và dòng điện của máy phát: điện áp đỉnh được định nghĩa tại điện áp vàdòng điện cung cấp đã ghi rõ Đối với hệ thống kích thích có bộ kích thích quay, điện áp đỉnhđược định nghĩa ứng với tốc độ quay định mức

* Dòng đỉnh của hệ thống kích thích: Là dòng DC cực đại của hệ thống kích thích có thể

cung cấp trong một thời gian xác định Khi quan tâm đến sự nhiễu loạn kéo dài, dòng đỉnh cóthể được căn cứ trên công suất nhiệt của hệ thống kích thích

* Đáp ứng thời gian điện áp của hệ thống kích thích: Điện áp ra của hệ thống kích thích

được trình bày là một hàm theo thời gian

* Thời gian đáp ứng của điện áp hệ thống kích thích: Là thời gian điện áp đạt được 95%

sự lệch nhau giữa điện áp đỉnh và điện áp kích từ của tải định mức

* Hệ thống kích thích với đáp ứng ban đầu nhanh: Là một hệ thống kích thích có thời

gian đáp ứng điện áp là 0,01s hoặc nhỏ hơn

*Hệ thống kích thích với đáp ứng danh định: Là tỷ lệ tăng điện áp ra của hệ thống kích

thích được xác định từ đường cong đáp ứng điện áp của hệ thống kích thích chia cho điện ápkích thích định mức

Trang 17/362

Điều khiển (bộ điều chỉnh) Khuếch đại công suất (máy kích

thích)

Thiết bị (máy phát và hệ thống điện) Σ

Các phần tử hồi tiếp

ΔV

VC

Trang 18

Đáp ứng danh định =

oe ao

cd

×

cd _ Độ tăng điện áp

ao _ Điện áp kích thích tải định mức

oe _ Thời gian đáp ứng danh định = 0,5s

Thời gian đáp ứng danh định được chọn là 0,5s vì theo khảo sát góc quay rotor máy phátthường dao động trong khoảng 0,4s ÷ 0,75s sau khi có nhiễu loạn, hệ thống kích thích phảitác động trong khoảng chu kỳ thời gian này để nâng cao hiệu quả ổn định động

Tuy nhiên, đáp ứng danh định không còn được dùng để làm tiêu chuẩn đánh giá đặc tínhtín hiệu lớn của các hệ thống kích thích hiện đại vì hình dạng của giá trị hệ thống kích thíchđược cung cấp từ máy phát hay hệ thống điện là không tốt do giảm khả năng trong lúc hệthống bị sự cố

1.6.2 Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ

*Mục đích của “Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ”:

Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ:

- Cung cấp ý nghĩa cho việc đánh giá đáp ứng của hệ thống điều khiển kích thích vòng kín đểthay đổi tình trạng hệ thống

- Cung cấp các giá trị thích hợp cho việc xác định hoặc kiểm tra lại các tham số trong những

mô hình của hệ thống kích thích nhằm mục đích nghiên cứu hệ thống

* Biểu diễn đặc tính tín hiệu nhỏ:

Đặc tính tín hiệu nhỏ có thể được biểu diễn trong các bảng được sử dụng trong “LÝTHUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” như:

 Biểu diễn với “đáp ứng thời gian”

Trang 18/362

Trang 19

 Biểu diễn với “đáp ứng tần số”

• Thời gian lên: “t r” (rise time) là thời gian để c(t) tăng từ 10% đến 90% giá trị xác lập

• Độ vọt lố: (POT – Percent of Overshoot) được định nghĩa là:

Trang 20

Đặc tính “đáp ứng tần số vòng kín” tiêu biểu của một hệ thống điều khiển kích thích ởtrạng thái máy phát không tải được minh họa ở Hình 13

* Định nghĩa về đáp ứng tần số: “Đáp ứng tần số của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra ởtrạng thái xác lập và tín hiệu vào hình sin.”

Trang 20/362

Trang 21

* Người ta đã chứng minh được:

Đặc tính tần số = G (s)|s = jω = G(jω)=

)R(j

)(jC

ω

* Tổng quát G(jω) là một hàm phức nên có thể biểu diễn ở dạng đại số hoặc dạng cực:

)()

()

ω

ωω

ωϕ

P

Q tg j

G : gọi là “đáp ứng pha”

Đặt: L(ω)=20×logM(ω): là“đáp ứng biên độ tính theo đơn vị dB(decibel)”

* Đặc tính đáp ứng tần số có các thông số quan trọng sau đây:

a) Đỉnh cộng hưởng (M p): là giá trị cực đại của M(ω).

b) Tần số cộng hưởng (ωp): là tần số tại đó có đỉnh cộng hưởng.

c) Tần số cắt biên(ω−π)là tần số mà tại đó biên độ của đặc tính bằng1 hay bằng 0 dB M

f) Độ dự trữ pha (Phase – Margin): ΦM =180o +ϕ(ωc)

* Có thể minh hoạ các đại lượng trên bằng 1 trong 2 dạng biểu đồ:

Cả 2 đồ thị đều được vẽ trong hệ trục toạ độ vuông góc, trục hoành ω cũng đã được

chia theo thang logarith

Trang 21/362

Trang 22

Trang 22/362

Trang 23

2) Biểu đồ Nyquist (đường cong Nyquist): là đồ thị biểu diễn đặc tính tần số G( jω) trong

hệ toạ độ cựckhi ω thay đổi từ 0∞

* Đánh giá về đáp ứng tần số:

- Trị số của GM càng lớn : điều chỉnh điện áp xác lập càng tốt

- Tần số cắt pha ωc càng lớn: sẽ cho đáp ứng nhanh hơn

- Độ dự trữ pha MΦ càng lớn và độ dự trữ biên GM càng lớn: sẽ cho điều khiển kíchthích ổn định hơn

* Khi ta hiệu chỉnh trong bộ AVR, nhằm cải thiện hoặc thay đổi một chỉ tiêu này, thì ta đãlàm xáo trộn những chỉ tiêu khác

* Một số chỉ tiêu: Thông thường độ dự trữ pha MΦ khoảng 40o hoặc hơn và độ dự trữbiên GM khoảng 6dB hoặc hơn, độ vọt lố POT= 5÷15%, M p =1,1÷1,6: sẽ được xem như là

một thiết kế tốt để đạt được độ ổn định và hệ thống điều áp không dao động

* Những chỉ tiêu khác như: thời gian lên, thời gian quá độ và dải thông sẽ được xác địnhqua các đường cong động lực học của máy phát đồng bộ

Trang 24

1.7 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống kích thích hiện đại gồm nhiều chức năng như: Điều khiển, giới hạn và bảo vệ

•Chức năng điều khiển, điều chỉnh mỗi đại lượng cụ thể tại các cấp yêu cầu

• Chức năng giới hạn ngăn chặn chắc chắn các đại lượng vượt quá giới hạn đặt

• Chức năng bảo vệ sẽ loại bỏ các phần tử bị hư hoặc các bộ phận có liên quan (Hình 14)

Hình 14 Mạch bảo vệ và điều khiển hệ thống kích thích

1.7.1 BỘ ĐIỀU CHỈNH AC & DC

•Chức năng cơ bản của bộ điều chỉnh AC là duy trì điện áp stato máy phát Ngoài ra còn

có chức năng bảo vệ và điều khiển phụ khác thông qua bộ điều chỉnh AC để điều khiển điện

áp kích thích máy phát Hình 14

•Bộ điều chỉnh DC giữ cho điện áp kích thích máy phát không đổi (thường đưa vào điềukhiển bằng tay) Nó thường được sử dụng cho việc kiểm tra, khởi động và dự phòng khi bộđiều chỉnh AC bị sự cố

•Dùng điều chỉnh điểm đặt để hiệu chỉnh bổ sung điện áp kích thích Để thuận tiện điểmđặt được hiệu chỉnh tự động theo sai lệch về điện áp và công suất phản kháng

•Các nguyên tắc làm việc của bộ điều chỉnh điện áp:

a/ Điều chỉnh theo modul dòng điện máy phát hoặc theo đại lượng nhiễu |I F | (Hình 15).

Trang 24/362

Trang 25

Dòng điện máy phát IF là một trong những yếu tố chính làm thay đổi điện áp đầu cựcmáy phát Dòng kích thích là hàm số của dòng IF

I f = f(|I F |)

Khi P không đổi mà IF thay đổi, ví dụ nó tăng lên sẽ làm UF giảm theo nhưng nhờ thànhphần If được điều chỉnh tỷ lệ với |IF| đưa tới tăng, nên sức điện động máy phát tăng theo Kếtquả là UF được duy trì ở mức cần thiết Tuy nhiên kiểu điều chỉnh trên vẫn còn nhược điểm là

chưa tính tới giá trị cosφ Vì với cùng giá trị IF như nhau nhưng phụ tải nào có cosφ nhỏ sẽlàm cho điện áp máy phát giảm nhiều hơn Do vậy ngày nay phương pháp này không cònđược sử dụng

b/ Điều chỉnh theo dòng điện Stato máy phát I f = f(I F ) ( Hình 17).

Trang 25/362

Trang 26

Tín hiệu điều chỉnh là dòng điện toàn phần của If nghĩa là có kể đến giá trị cosỵ của phụtải (Compound pha)

c/ Điều chỉnh theo độ lệch điện áp ∆U f (Hình 18).

Tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với độ lệch điện áp: I f = f (I TT- I FT)

Để phát hiện độ lệch ∆U f người ta dùng bộ phận đo lường gồm 2 phần tử:

Phần tử tuyến tính cho dòng ITT tỷ lệ với điện áp máy phát

Phần tử không tuyến tính IFT không phụ thuộc tuyến tính vào điện áp máy phát.Tín hiệu

đo lường là hiệu số của hai dòng này

• Tín hiệu đo lường tỷ lệ với độ lệch pha điện áp có thể là điện áp hoặc dòng điện (Hình 18b & H.18c) tương ứng theo bộ khuếch đại sau nó

Trang 26/362

Trang 27

Người ta dùng Iđl khi dùng bộ khuếch đại từ và Uđl khi dùng bộ khuếch đại điện tử

Bộ điều chỉnh này làm việc đơn giản, hiệu quả cho các máy phát có điện áp thấp và dòng điện nhỏ khoảng vài MVA

d/ Tự động điều chỉnh kích thích nhanh (Hình 19).

Trang 27/362

Trang 28

Hình 19 Sơ đồ hệ thống kích thích tác động nhanh

Trong đó: SCR(1); SCR(2) – là hai bộ chịnh lưu công suất kích thích

KIU – bộ tạo đặc tuyến; FH – bộ phản hồi; FM – phản hồi xác lập

FHY – phản hồi quá độ; RF – rơ le tầng số; T – máy biến áp kích thích

ĐK – mạch điều khiễn; CT – rơ le kích thích mạnh; SS – bộ so sánh

Để nâng cao sự ổn định làm việc song song của các nhà máy điện liên lạc với hệ thốngbằng đường dây truyền tải dài, người ta dùng thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (TĐA) chomáy phát kiểu tác động nhanh (TĐN) TĐN tác động nhanh và mạnh hơn so với TĐA theokiểu tỷ lệ đã xét Nó chẳng những phản ứng theo điện áp máy phát mà còn theo những thông

số đặc trưng khác như: Góc sức từ động máy phát so với hệ thống; tần số; vận tốc; gia tốc thayđổi của chúng

Trang 28/362

Trang 29

Vận tốc thay đổi đại lượng điện là đạo hàm bậc 1; Gia tốc là đạo hàm bậc 2 của cácthông số theo thời gian Do đó trong TĐN xuất hiện các phần tử đạo hàm

Độ lệch điện áp máy phát ΔU’f ; vận tốc I’f và gia tốc I’’f thay đổi của dòng điện máyphát hay dòng điện của đường dây truyền tải; độ lệch góc Δδ và vận tốc thay đổi của nó δ’ ; độlệch tần số Δf và tốc độ thay đổi của nó f’; vận tốc thay đổi của dòng điện rotor máy phát I’r.Tần số và góc lệch là những thông số liên hệ với nhau f≡δ’ ; f’≡δ’’ Do lý do kinh tế điều kiệnthực hiện thực tế ngày nay các bộ TĐN người ta sử dụng các thông số như: ΔUf, U’f, Δf, f’, I’r.

Qui luật điều chỉnh TĐN có các kênh điều chỉnh sau: theo độ lệch điện áp, theo tần số,theo đạo hàm bậc 1 của độ lệch tần số, theo đạo hàm bậc 1 của dòng rotor

Ta có hàm số điều chỉnh như sau:

I f = k∆U ∆U + k U’ U’ + k∆ f ∆f + k f ' f ' + k I'r I' r

Trong đó: k là hệ số khuếch đại các phần tử theo qui luật điều chỉnh

1.7.2 Mạch ổn định hệ thống kích thích

Hệ thống kích thích bao gồm các phần tử trễ với thời gian đáng kể (quán tính thời gianlớn) thường có đặc tình động kém Đây chính là đặc thù của hệ thống kích thích AC và DC.Trừ khi độ lợi của bộ điều chỉnh ở trạng thái xác lập rất thấp được sử dụng, điều khiển kíchthích (thông qua mạch hồi tiếp độ lệch stato máy phát) không ổn định khi máy phát hở mạch

Vì vậy để hệ thống điều kích thích ổn định hoặc dùng bộ bù nối tiếp, hoặc là dùng bộ bù hốitiếp để cải thiện đặc tính động của hệ thống điều khiển Hầu hết thường dùng bộ bù vòng hồitiếp vi phân như ở Hình 20, hiệu quả của bộ bù là cực tiểu hoá sự dời pha do thời gian trễ trênmột vùng tần số được chọn Kết quả này là tạo ra độ ổn định hiệu suất của máy phát hoạt độngđộc lập

Trang 29/362

Trang 30

Hình 20 Bộ ổn định hệ thống kích thích có bộ bù hồi tiếp

Tự động điều chỉnh điện áp máy phát điện và phân phối công suất kháng hoạt động độclập, ví dụ tất cả tải tồn tại trước khi hoà đồng bộ hoặc tiếp theo một phụ tải bị loại bỏ Cácthông số hồi tiếp cũng có thể được điều chỉnh để cải thiện hiệu suất của khối máy phát Tuỳkiểu hệ thống kích thích, có thể có vài cấp ổn định của hệ thống điều khiển kích thích gồmvòng ngoài chính, các vòng trong phụ Hệ thống kích thích tĩnh vốn có thời gian trễ khôngđáng kể và không yêu cầu hệ thống điều khiển kích thích ổn định để đảm bảo vận hành ổnđịnh với máy phát hoạt động độc lập

Bộ ổn định hệ thống công suất sử dụng tín hiệu ổn định của các thiết bị phụ để điềukhiển hệ thống kích thích cũng như cải thiện đặc tính động của hệ thống điện Thông thườngtín hiệu ngõ nhập được sử dụng cho bộ ổn định hệ thống điện là tốc độ của trục, tần số và côngsuất ở đầu cực

1.7.3 Bộ bù phụ tải (bộ tạo đặc tuyến)

Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) bình thường điều khiển điện áp đầu cực stato máyphát không đổi Trường hợp này đặc tuyến điều chỉnh điện áp máy phát là đường thẳng khôngphụ thuộc phụ tải máy phát, được gọi là đặc tuyến độc lập như Hình 21a Đôi khi bộ bù phụ tảicòn được thêm vào sử dụng để điều khiển điện áp không đổi tại một điểm bện trong hay bênngoài máy phát Trong trường hợp này đặc tuyến điều chỉnh điện áp máy phát là đường thẳngdốc lên hoặc dốc xuống, được gọi là đặc tuyến phụ thuộc dương hay âm như Hình 21b

Hình 21 Đặc tính điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát

a) Đặc tính độc lậpb) Đặc tính phụ thuộc 1) Đặc tính phụ thuộc âm; 2 – Đặc tính phụ thuộc dương

Trang 30/362

Trang 31

Hình 22 Sơ đồ khối của bộ bù phụ tải

Điều này thực hiện được bằng cách xây dựng thêm một mạch đưa vào bộ AVR như Hình

22 Bộ bù có thể điều chỉnh được điện trở (Rb), điện kháng cảm ứng (Xb) dựa theo trở khánggiữa cực máy phát và tại điểm mà điện áp cần điều khiển theo ý muốn Sử dụng trở kháng này

và dòng cảm ứng, điện áp rơi đã được tính toán và đã đựoc cộng hoặc trừ đi điện áp đầu cực

Độ lớn điện áp được bù để cung cấp cho bộ AVR là:

V b = /E f + (R b +jX b )I F /

Để tạo đặc tính phụ thuộc dương, với Rb và Xb được xác định trong công thức trên, điện

áp rơi ngang bộ bù được cộng với điện áp đầu cực Bộ bù điều chỉnh điện áp tại một điểm bêntrong máy phát và vì vậy cung cấp điện rơi Điều này được dùng để đảm bảo ổn định phânphối công suất phản kháng giữa thanh cái máy phát Các sơ đồ loại này thường sử dụng chocác máy ghép song song Nếu không có bộ phận bù này, một trong những máy phát sẽ cókhuynh hướng cung cấp toàn bộ công suất phản kháng được yêu cầu trong khi những máykhác thu công suất phản kháng sẽ vi phạm cho phép của bộ giới hạn thiếu kích thích

Để dễ hiểu việc phân bố công suất hợp lý giữa các máy phát làm việc song song, ta xét vídụ: khi điện áp thanh U1, lúc đó dòng phản kháng của máy phát là IQ1 và IQ2 như Hình 23; khiđiện áp giảm đến thanh U2, TĐA của mỗi máy phát cố gắng khôi phục điện áp trở về giá trị cũbằng cách tăng dòng rôto Nhưng do bộ phận đo lường TĐA chỉ phản ứng theo độ lệch điện áp

và không phản ứng theo sự thay đổi của dòng stato nên sự phân bố công suất phản kháng giữacác máy phát làm việc song song một cách ngẫu nhiên bất kỳ Do đó, nếu TĐA của máy thứnhất có độ nhạy cao hơn và hệ thống kích thích của nó tác động tăng dòng để khôi phục lạiđiện áp cũ thì máy thứ nhất gần như gánh toàn bộ công suất phản kháng, có thể đưa đến quátải và làm việc không ổn định của các máy phát song song Vì vậy quá trình tự động điều

Trang 31/362

Trang 32

chỉnh điện áp và phân phối công suất kháng giữa các máy phát có thanh góp chung người ta sửdụng TĐA có đặc tính phụ thuộc (Hình 24)

Hình 23 Đặc tuyến điều Hình 24 Giản đồ biểu diễn quá trình chỉnh điện áp độc lập phân bố công suất kháng và điều chỉnh điện áp của các máy phát có đặc tính điều chỉnh điện áp của các máy phát có

đặc tính điều chỉnh phụ thuộc

(1) - đặc tính điếu chỉnh điện áp máy 1; (2) - đặc tính điếu chỉnh điện áp 2

IQ1 - dòng công suất kháng cung cấp cho máy phát 1 lúc đầu

IQ2 - dòng công suất kháng cung cấp cho máy phát 2 lúc đầu

a - điểm làm việc máy phát 1 lúc đầu ; b điểm làm việc mày phát 2 lúc đầu

(1’) - đặc tuyến máy 1 sau khi tăng công suất kháng

(2’)- đặc tuyến máy 2 sau khi tăng công suất kháng

đặc tuyến (1’),(2’) là đường song song của (1),(2) có được bằng cách thay đổi trị số đặt điện

áp chuẩn

a” - điểm làm việc mới của máy phát 1, b”- điểm làm việc mới của máy phát 2

a’, b’điểm làm việc trung gian của máy phát 1 và máy phát 2 trong quá trình điềuchỉnh

I’Q1,I’Q2 - lượng công suất kháng cung cấp bởi máy 1 và máy 2 sau quá trình điềuchỉnh điện áp trở lại Uđm

Với Rb và Xb âm (tạo đặc tuyến phụ thuộc âm), bộ bù điều chỉnh điện áp tại điểm xađầu cực của máy Hình thức này của bộ bù được dùng để bù cho điện áp rơi trên máy biến áptăng, khi có hai hoặc nhiều máy phát đựơc nối với từng máy biến áp riêng lẻ Tiêu biểu là(50/80)% trở kháng của máy biến áp được bù nhằm đảm bảo điện áp rơi những điểm nối song

Trang 32/362

Trang 33

song để cho các máy phát hoạt động song song tốt Thiết bị này thường thấy như bộ bù sụt áp,mặc dù thực tế thường được sử dụng để bù cho tổn hao của máy biến áp Thuật ngữ này ra đờixuất phát từ một bộ bù tương tự dùng để điều chỉnh điến áp phân phối cho hệ thống

Trong hầu hết các trường hợp, điện trở của trở kháng đựơc bù thường bỏ qua và Rb cóthể cho bằng zero

Bộ tạo đặc tuyến có nhiệm vụ là tạo độ dốc cần thiết của đặc tuyến điếu chỉnh Uf =f(If) Đại lượng đưa vào bộ đo lường không chỉ là điện áp máy phát mà còn cộng (véc tơ) vớiđại lượng tỉ lệ với dòng điện máy phát Nói cách khác, bộ bù phụ tải là bộ phận thay đổi độdốc đặc tuyến làm việc của máy phát điện

Khi máy phát làm việc riêng biệt thì đặc tuyến cần điều chỉnh là độc lập

Khi máy phát làm việc song song với nhau thì các máy phát làm việc với đặc tuyến phụthuộc dương

Trang 34

Hình 26 Cách làm việc của bộ tạo đặc tuyến

1.8 CÁC BỘ HẠN CHẾ VÀ BẢO VỆ

Trước khi tìm hiểu vai trò của các bộ hạn chế ta cần biết các giới hạn khả năng phátcông suất của máy phát

1.8.1 Giới hạn khả năng phát công suất kháng

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 bayếu 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 trongphần ứng Dòng điện phần ứng là một trong những nguyên nhân làm tổn hao công suất R I2

F,Trang 34/362

Trang 35

năng lượng do tổn hao này gây phát nóng làm tăng nhiệt độ trong dây dẫn stato và toả nhiệt ramôi trường xung quanh nó Vì vậy một trong những hạn chế của máy phát là dòng cực đại củaphần ứng, Để không bị vượt quá giới hạn nhiệt làm hư hỏng cách điện của stato, khi máy làmviệc ở chế độ định mức (giá trị tối đa giới hạn bởi điều kiện tản nhiệt) tương ứng với điều kiệncông suất biểu kiến không đổi Công suất phát ra tính theo đvtđ:

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 tròntâm 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 phầnnăng lượng ấy là tổn hao trong lõi sắt và thể hiện dưới dạng nhiệt, phần còn lại là công suấtphản kháng tương ứng với năng lượng thay đổi tuần hoàn tích trữ trong từ truờng Công suấtphản kháng không tiêu tán trong lõi sắt mà được cung cấp và hấp thu hoàn toàn bởi nguồnkích thích, như vậy có ảnh hưởng đến dòng kích thích và ảnh hưởng đến tổn hao R f I2f (R , f I f

- điện trở, dòng điện mạch kích thích), nên dòng kích thích là giới hạn thứ hai trong hoạt độngcủa máy phát

Trang 35/362

Trang 36

Với X d = X q = X s, 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 E q = X ad i f ; X là điện kháng roto; ad i là dòng kích thích roto f

X

i X

ad F

X

E i

F S

ad F

F

X

E E i

E X

X P I

F q S

F f

F S

ad F

F

X

E X

E E X

E i

E X

X Q I

E Q

2 2

coscos

S

F q

X

E E

S

F S

F q

X

QE X

E X

E E Q

2 2

4 2 2

2 2

F

X

E E X

E Q

Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng đối với dòng kích thích làvòng tròn có tâm nằm trên trục Q cách gốc toạ độ một đoạn là (−E / F2 X d ) và có bán kínhbằng (X ad /X S)E F i f 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 biểukiến định mức) của máy là giao điểm của hai đường cong

Trang 36/362

Trang 37

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 hoạtđộng của máy điện đồng bộ Khi máy phát hoạt động với chế độ thiếu kích thích, từ thông ởcác vòng dây ở hai đầu phần ứng của stato tản vào và ra vuông góc với từng lớp thép mỏngcủa stato Đây là nguyên nhân dòng điện xoáy trong từng lớp thép, kết quả là sự phát nhiệt ởvùng biên Khi dòng kích thích lớn ứng với trường hợp quá kích thích giữ vòng duy trì bãohoà làm cho từ thông tản nhỏ Tuy nhiên trong vùng thiếu kích thích, dòng kích thích nhỏ vàvòng duy trì không bão hoà, điều này cho phép tăng từ thông tản ở cuối phần ứng Trong điềukiện thiếu kích thích, từ thông tản do dòng phần ứng cộng với từ thông sinh ra do dòng kíchthích, vì vậy từ thông vòng biên làm tăng từ thông hướng tâm trong vùng và kết quả hiệu ứngnhiệt 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.

Trang 37/362

Trang 38

Hình 31 Mặt cắt phần cuối máy phát Hình 32 Giới hạn nhiệt vùng biên

1.8.1.2 Đường cong điện áp V và đường cong tổng hợp

a) Đường cong điện áp V:

Đường cong điện áp V

Trang 38/362

Trang 39

Đặc tính hình V là quan hệ giữa dòng phần ứng theo dòng kích thích ở điện áp không đổi(điện áp định mức) và ở công suất tác dụng không đổi Khi công suất tác dụng không đổi,dòng phần ứng và tương ứng là hệ số cosϕ (hệ số công suất) có thể thay đổi bằng dòng kích

thích Tất nhiên khi đó dòng phần ứng sẽ nhỏ nhất khi hệ số cosϕ bằng 1 và ngược lại tăng

lên khi cosϕ giảm Từ hình vẽ đường cong điện áp các đường chấm là quỹ tích các điểm có

cùng cosϕ Bên phải đường của đường đặc tính điều chỉnh với cosϕ = 1 tương ứng với khu

vực quá kích thích khi đó cosϕ trễ (dòng điện trễ pha hơn điện áp) Bên trái ứng với khu vực

thiếu kích thích và cosϕ sớm (dòng điện sớm pha hơn điện áp Hình vẽ trên ứng với các giá

trị P(0; 0,25; 0,5; 0,75; 1 đvtđ)

b) Đường cong điện áp V và đường cong tổng hợp

Hình 35 trình bày các giới hạn khả năng phản kháng ứng với máy phát điện làm mátrotor và stato bằng hydrogen với áp suất khí H2 = 45(PSIG) Các đoạn AB, BC, CD lần lượttương ứng với giới hạn nhiệt vùng biên, giới hạn nhiệt phần ứng, giới hạn dòng kích thích.Điện áp đầu cực stato định mức, gía trị đvtđ của dòng điện phần ứng và công suất biểu kiếnngõ ra bằng nhau và nó được trình bày dọc theo trục tung Dòng điện kích thích dọc theo trụchoành là đơn vị thường, với 1 đvtđ tượng trưng cho dòng kích thích ứmg với công suất MVAđịnh mức ngõ ra và hệ số công suất

1.8.2 Bộ giới hạn thiếu kích thích

Trang 39/362

Trang 40

Bộ giới hạn thiếu kích thích dùng để ngăn chặn sự giảm kích thích của máy phát tớimức mà ở đó giới hạn ổn định tín hiệu nhỏ (trạng thái xác lập) hoặc là vùng giới hạn nhiệt lõistato bị vượt quá Các bộ giới hạn này còn được gọi là bộ giới hạn thiếu kích thích dòng phảnkháng và bộ giới hạn cực tiểu

Tín hiệu điều khiển của bộ giới hạn thiếu kích thích lấy từ hoặc là điện áp và dòngđiện, hoặc là công suất tác dụng và phản kháng của máy phát Các giới hạn được xác địnhbằng tín hiệu vượt quá trị đặt Sự cài đặt đặc tính của bộ giới hạn là nền tảng cho bảo vệ nhưbảo vệ hệ thống bất ổn định hoặc cuộn dây stato phát nóng Ngoài ra bộ giới hạn còn đượcphối hợp với bộ bảo vệ mất kích thích máy phát Nếu tín hiệu vào cho bộ giới hạn là điện áp

và dòng điện stato máy phát thì sẽ xuất hiện các đường cong đặc tính trên mặt phẳng P-Q nhưhình 36

Hình 36 Sự phối hợp giữa phần tử thiếu,mất kích thích và giới hạn ổn định.

1.8.3 Bộ giới hạn quá kích thích

Mục đích của bộ giới hạn quá kích thích là bảo vệ máy phát không bị quá nhiệt do quádòng kích thích Bộ giới hạn này còn được biết như bộ giới hạn kích thích cực đại Cuộn kíchthích máy phát được thiết kế hoạt động liên tục tại giá trị đáp ứng tải định mức Nhiệt độ phátnóng thì cuộn kích thích roto máy phát quá tải được thiết kế theo tiêu chuẩn thí dụ như theođường cong trong hình 37

Trang 40/362

Định dạng
Số trang	360
Dung lượng	29,89 MB

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TỰ ĐỘNG

KHI ĐẤU NỐI VỚI THANH CÁI SONG SONG