thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH THÍCH CHO Máy phát điện đồng bộ hoạt động theo cơ chế đồng bộ, nghĩa là tốc độ quay của từ trường trong máy bằng với tốc độ quay của Rotor.. Đặc điểm cấ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH THÍCH CHO

Máy phát điện đồng bộ hoạt động theo cơ chế đồng bộ, nghĩa là tốc độ quay của từ trường trong máy bằng với tốc độ quay của Rotor Máy phát điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Điện năng ba pha sử dụng trong nền kinh tế quốc dân phần lớn được sản xuất từ các máy phát điện đồng bộ ba pha, với nguồn cơ năng sơ cấp được sử dụng là các turbin hơi, turbin khí hoặc turbin nước

Chương này hướng tới phân tích về sự biến đổi điện từ trường và đưa ra mô hình toán học tuyến tính cho máy phát điện đồng bộ

2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.1 Đặc điểm cấu tạo

Máy phát điện đồng bộ (Synchronous Generator - SG) thường được chế tạo với Rotor

là một nam châm điện có chức năng tạo ra từ trường trong máy, Stator là 3 cuộn dây giống nhau được đặt lệch nhau 1200 trong thân máy

Theo kết cấu của cực từ gắn trên Rotor của máy phát, người ta chia máy phát điện đồng bộ thành hai loại: Máy phát điện đồng bộ cực ẩn (Non-Salient Pole SG)

(Hình vẽ 2.1a) và máy phát điện đồng bộ cực lồi (Salient Pole SG) (Hình vẽ 2.1b)

Cuộn cản Cuộn cản

Cuộn kích từ

Thân cực

Truc

Thân gắn cực

Truc

Dây kích thích

Hình vẽ 2 1 Rotor máy phát điện đồng bộ a-cực ẩn, b-cực lồi

Máy phát điện đồng bộ cực ẩn có khe hở không khí là đồng đều, rotor dài, đường kính nhỏ, hoạt động với tốc độ cao và thường được thiết kế với số cực 2p=2

Máy phát điện đồng bộ cực lồi có khe hở không khí biến thiên tuần hoàn dọc theo các cực Máy phát điện đồng bộ cực lồi được thiết kế với số cực lớn, thao tác ở vận tốc bé hơn máy phát điện đồng bộ cực ẩn và thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện

Có hai cách cấp dòng một chiều DC cho dây quấn kích từ Rotor, tương ứng với hai

kiểu kích từ khác nhau (Chương 3.2)

- Dòng kích từ DC được cung cấp từ một nguồn công suất 3 pha chỉnh lưu, qua

cơ chế chổi quét và vành góp điện (Kích từ tĩnh)

- Dòng kích từ DC được cung cấp từ những máy phát điện một chiều DC đặt

đồng trục với Rotor (Kích từ quay)

Trên mặt cực của máy điện đồng bộ, người ta đặt các cuộn dây cản dịu (Hình vẽ 2.1)

có tác dụng làm giảm đi sự thay đổi đột ngột của công suất điện từ trong máy, giúp giảm độ rung và tăng tính ổn định cho máy Điện trở cuộn dây cản lớn hơn rất nhiều lần điện trở cuộn dây Stator và Rotor

2 Nguyên lý hoạt động

Khi Rotor của máy phát đồng bộ được cấp dòng kích thích và quay với vận tốc n

(vòng/phút), từ trường biến thiên do các cực từ sinh ra sẽ cảm ứng trong dây quấn 3

pha Stator các suất điện động cảm ứng xoay chiều e A , e B , e C có tần số f=pn/60 Ngược lại, khi máy nối tải, dòng điện trên các dây quấn Stator i A , i B , i C sẽ tạo ra các từ trường

quay với vận tốc n 1 =60f/p Rõ ràng n 1 =n tức là tốc độ quay của Rotor và từ trường là

bằng nhau Đây là nguyên tắc hoạt động của máy phát điện đồng bộ

Dòng kích thích cấp cho dây quấn kích từ Rotor được lấy từ một thiết bị có tên là Bộ kích tích (Exciter) Hệ thống kích từ sẽ điều chỉnh dòng kích thích này để đảm bảo điện áp đầu cực máy phát luôn ổn định trước sự biến thiên liên tục của tải

A

B C

G

Ukt

Ukt

Hình vẽ 2 2 Mô hình tổng quát của máy phát điện đồng bộ

3 TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Khi máy làm việc ở chế độ không bão hòa, từ trường trong máy được xác định là tổng của từ trường do dây quấn Rotor và Stator sinh ra Từ trường trong máy phát điện đồng bộ tuần hoàn, có tần số cơ bản là tần số đồng bộ của máy phát Thành phần ứng với tần số cơ bản có trị số lớn nhất, đóng vai trò quan trọng nhất

3.1 Từ trường của phần cảm

Khi có dòng kích thích tới cuộn dây Rotor, sức từ động của cuộn dây sẽ sinh ra từ trường, gọi là từ trường của phần cảm, trong khe hở không khí Trong hệ quy chiếu

gắn với Rotor, trục x dọc theo các cực từ, x=0 tại đỉnh của một cực từ Từ trường phần cảm Bg(x) biến thiên tuần hoàn với chu kỳ τ (τ: là bước cực từ - Định nghĩa) Bg(x) phụ thuộc vào giá trị độ lớn khe hở không khí g(x) giữa Rotor và Stator, do vậy Bg(x)

có đặc trưng khác nhau ở máy cực ẩn và cực lồi

Ở máy điện đồng bộ cực lồi

0 f f

g

d (x) μ W I

K g(x)K  Khi |x|<τ p /2 và B g = 0 trong trường hợp khác (Hình vẽ 2.3)

S.t.d trên một bối dây

Mật độ từ thông Khe hở không khí

Hình vẽ 2 3 Sức từ động & Từ trường phần cảm máy phát cực lồi

Trong khai triển Fourier, thành phần hài bậc v (v=1, 2 …) của Bg(x):

K g(x)K  Khi |x|<τ p /2 và Bg giảm bậc thang ở hai biên (Hình vẽ 2.4)

Trong đó: N p là số thanh dẫn trên mỗi cực

Trong khai triển Fourier, thành phần hài bậc v (v=1, 2 …) của B g (x):

Hình vẽ 2 4 Sức từ động & Từ trường máy phát đồng bộ cực ẩn

Như vậy, ở các hài bậc cao từ trường khe hở không khí là bé, ít có ý nghĩa, điều này chứng tỏ trong một gần đúng cho phép, máy phát điện đồng bộ cực ẩn thỏa mãn yêu cầu về mặt điện

Từ trường phần cảm quét các cuộn dây Stator, sinh ra ở các cuộn dây này các suất điện động cảm ứng, tuần hoàn và không sin Trong khai triển Fourier của suất điện động

pha A (Pha B, C tương tự), hài bậc v được biểu diễn như sau:

3.2 Từ trường phần ứng

Dây quấn pha của máy phát điện đồng bộ được hình thành từ một chuỗi liên tiếp các bối dây Khi máy hoạt động có tải, dòng điện trong dây quấn pha A, sẽ tạo ra trong mỗi bối dây của nó một sức từ động Sức từ động này sinh ra từ trường, gọi là từ trường phần ứng, trong khe hở không khí của máy Trong hệ quy chiếu gắn với Stator,

trục x dọc bề mặt các cực từ, x=0 tại tâm của cuộn dây pha A Sức từ động của mỗi

bối dây F A b( )x là một đại lượng tuần hoàn chu kỳ τ

2 Khi |x|<y/2 và B g =0 trong trường hợp khác (Hình vẽ 2.5)

Trong đó I = I 2cos(ωt)-là dòng điện pha A A

Trong phép biến đổi Fourier, hài bậc v của b

Khi v=1 Ta sẽ nhận được công thức mong muốn ở tần số cơ bản

Hình vẽ 2 5 Sức từ động & Từ trường phần ứng

Dòng điện trong dây quấn Stator sẽ tạo nên một suất điện động cảm ứng chống lại sự biến thiên của từ trường phần cảm Suất điện động phần ứng phụ thuộc vào đặc tính tải

2.4 TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

2.4.1 Mạch từ tương đương

Mạch từ tương đương của máy phát điện có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu sự hoạt động của nó Tuỳ thuộc vào cách tiếp cận máy điện ta có các mô hình mạch từ tương đương khác nhau: Khi tiếp cận từ dây quấn Stator ta có mô hình pha và khi tiếp cận từ Rotor ta có mô hình dq của máy phát điện đồng bộ

Mô hình pha của máy phát điện

Theo cách tiếp cận từ Stator, mạch từ tưong đương của máy phát điện đồng bộ được

biểu diễn bởi hình vẽ sau (Hình vẽ 2.6)

V If

Điện áp đầu cực (Va) Xf

Ef

Hình vẽ 2 6 Mạch từ tương đương trong mô hình pha

Từ thông trong cuộn dây Stator a bao gồm hai phần: Từ thông phản ứng phần ứng ar

(móc vòng với cuộn kích thích) và từ thông rò al (móc vòng với cuộn dây Stator) Các

từ thông này đặc trưng bởi điện kháng phần ứng Xar và điện kháng rò Xal tương ứng

X s = X ar +X al được gọi là điện kháng đồng bộ

Mô hình dq của máy phát điện

Mô hình dq được tiếp cận trên cơ sở lấy Rotor làm trọng tâm Đối với máy đồng bộ

cực lồi, sức từ động ngang trục (trục q) và dọc truc (trục d) là khác nhau (Xem 2.3), Do

đó, Xar là không duy nhất và phụ thuộc vào góc tải δ Tùy vào góc tải δ mà cụ thể hơn

là góc lệch pha giữa Ia và Ef mà các đại lượng Ia, Far, ar và tiếp đến là Xar khác nhau, tuy nhiên nó luôn được biểu diễn thành các thành phần: Thành phần dọc theo trục cực

Ef

Vq

Hình vẽ 2 7 Mạch từ máy phát theo mô hình dq a-Dọc trục, b- Ngang trục

Máy phát điện đồng bộ được mô hình hoá bởi 2 mạch tương được, một mạch tương

đương dọc trục (Hình vẽ 2.7a) và một mạch khác ngang trục (Hình vẽ 2.7b)

Các đại lượng Fa, Ia được biểu diễn tương ứng thành (Fd, Fq) và (Id, Iq) dọc trục và

ngang trục (Hình vẽ 2.8) Từ thông sinh ra tương ứng ad, aq có thể được đặc trưng bởi điện kháng dọc trục và ngang trục Xad, Xaq Điện kháng dọc trục, ngang trục tương ứng được xác định bởi: Xd = Xad+Xal và Xq=Xaq+Xal

Hình vẽ 2 8 Đặc tính sức từ động của máy

Điểm thuận lợi để nghiên cứu là Xad, Xaq, Xal là các giá trị cố định không phụ thuộc chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của máy, không phụ thuộc vào đặc tính tải của máy

4.2 Đặc tính điện áp đầu cực máy phát

Theo mô hình pha

Điện áp đầu cực máy phát được xác định bởi phương trình

U E jIX IR

Đặc tính điện áp đầu cực máy phát được biễu diễn như hình (Hình vẽ 2.9)

U IRs

jIXs Ef

Hình vẽ 2 9 Đặc tính đầu cực máy phát theo mô hình pha

Id

I

U -jIdXd

IRs -jIqXq

Hình vẽ 2 10 Đặc tính đầu cực máy phát mô hình dq

Đặc tính công suất tác dụng của máy phát đồng bộlà một hàm số của góc tải δ, P=f(δ)

(Hình vẽ 2.11a) Máy hoạt động ổn định tại δ < 900 thỏa mãn P co =P

Un

ere

xcitatio n

Khi P, U không đổi, Q thay đổi theo Iex và hàm số tương ứng I=f(I ex ) là một họ các

đường cong dạng V (V-Curse ) (Hình vẽ 2.11b)

5 BIỂU DIỄN QUÁ ĐỘ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

- J: Hằng số mô men quán tính

- T e : Mô men điện từ

Ta có P= ω r T Do vậy ta có thể viết lại phương trình động học như sau

- ΔPL: Thành phần không phụ thuộc vào tần số

- D: Hệ số sụt giảm của tải

-Hình vẽ 2 12 Sơ đồ chuyển đổi công suất cơ - vận tốc góc

5.2 Mô hình pha trong nghiên cứu máy phát điện

Máy phát điện đồng bộ thường được thiết kế với phần ứng là cuộn dây 3 pha đặt trên Stator và cuộn dây kích thích đặt trên Rotor Ngoài ra để giảm thiểu độ rung của máy khi khởi động và tắt máy, trên bề mặt các cực từ thường được gắn các cuộn dây cản D,

Q Mô hình của máy phát điện đồng bộ có thể được biểu diễn như sau:

Hình vẽ 2 13 Biểu diễn máy điện trong mô hình pha

Trong đó: f biểu diễn cuộn dây kích thích, Q và D là các dây quấn cản đặt ngang trục,

dọc trục và 3 cuộn dây Stator a, b, c (Hình vẽ 2.13)

Phương trình toán học nhận được:

I R s V

dt d

L AA =L sl +L 0 +L 2 cos2θ er

L BB , L CC, , L BC … được xác định tương tự nhưng θ er được thay bằng θ er -2π/3 hoặc

θ er +2π/3 tương ứng do có độ lệch pha giữa sức điện động các pha

Trong đó: M f,M D,M là độ hổ cảm lớn nhất giữa cuộn f, D, Q và các cuộn dây phần Q

ứng Được xác định khi trục của các cuộn dây này trùng với trục của cuộn dây phần ứng

Cách biểu diễn máy điện theo mô hình pha đòi hỏi một khối lượng lớn các phép tính

và biến được sử dụng, không phù hợp cho tính toán Hiện nay, mô hình dq0 thường được sử dụng hơn khi nghiên cứu máy điện

5.3 Mô hình dq0 trong nghiên cứu máy phát điện

Hình vẽ 2 14 Biểu diễn máy điện trong hệ quy chiếu dq0

Mô hình dq0 được xây dựng trên cơ sở xem xét sự biến đổi của các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông… của các cuộn dây phần ứng trong hệ quy chiếu không đổi dq0 gắn với Rotor Chiều dương trục d của hệ quy chiếu dq0 được chọn trùng với chiều của từ trường một cực từ, trục q vượt trước 900 điện (Hình 2.1)

Phép biến đổi Park được xây dựng trên cơ sở bảo toàn công suất hệ thống được sử dụng để biến đổi các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông…trong dây quấn Stator trong hệ quy chiếu gắn với Stator về hệ quy chiếu dq0

Theo phép biến đổi này, các đại lượng điện áp đầu cực V A , V B , V C, cường độ dòng điện

các pha I A , I B , I C và từ thông móc vòng vào các pha ΨA, ΨB, ΨC, được biến đổi sang hệ dq0 bởi phép chuyển đổi

d A

Xd được gọi là đại lượng dọc trục và Xq được gọi là đại lượng ngang trục

Phương trình điện từ trường của máy điện được biểu diễn bởi

thứ cấp Stator Máy điện được biểu diễn như sau (Hình vẽ 2.15)

Hình vẽ 2 15 Mô hình dq0 của máy phát điện khi quy đổi sang cuộn dây phần ứng

Khi đó, phương trình từ thông móc vòng của các cuộn dây được xác định bởi

dt d

dt d

dt d

dt d

dt d

dt d

Mô hình dq0 rất thuận lợi cho nghiên cứu trạng thái quá độ của máy phát điện dq0 là

mô hình được sử dụng để nghiên cứu mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ để

xây dựng hệ thống điều khiển kích từ của các hãng như ABB, Basler…

6 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

6.1 Mạch từ tương đương của máy phát điện trong mô hình dq0

Từ các phương trình điện từ nhận được khi phân tích máy phát điện đồng bộ ở mô hình dq0 Máy phát điện đồng bộ được biểu diễn tương đương bằng 2 mạch từ tương ứng: Mạch từ dọc trục và mạch từ ngang trục

Hình vẽ 2 16 Mạch từ tương đương dọc trục của máy phát điện

Mạch từ tương đương ngang trục được đặc trưng bởi độ 3 hàm chuyển đổi trong khai triển Laplace [3]

Hình vẽ 2 17 Mạch từ tương đương ngang trục

Mạch từ tương đương ngang trục được đặc trưng bởi độ tử cảm ngang trục của cuộn dây phần ứng ở dạng toán tử Laplace như sau:

'' '' 0

6.2 Các tham số của máy điện

- Hằng số thời gian quá độ hở mạch dọc trục: Đặc trưng cho sự thay đổi dòng điện

kích thích khi có sự thay đổi điện áp kích thích ở chế độ hở mạch

- Hằng số thời gian siêu quá độ hở mạch dọc trục: Đặc trưng cho sự tăng dòng điện

cảm ứng trong cuộn dây cản dọc trục ở chế độ hở mạch

- Hằng số thời gian siêu quá độ hở mạch ngang trục: Đặc trưng cho sự tích luỹ dòng

điện cảm ứng trong cuộn dây cản ngang trục ở chế độ hở mạch

- Hằng số thời gian quá độ ngắn mạch dọc trục: Đặc trưng cho sự suy giảm dòng

điện trong cuộn dây kích từ khi ngắn mạch cuộn dây Rotor và Stator

- Hằng số thời gian siêu quá độ ngắn mạch dọc trục: Đặc trưng cho sự suy giảm

dòng điện trong cuộn dây cản dọc trục khi ngán mạch cuộn Rotor và Stator

- Hằng số thời gian siêu quá độ ngắn mạch ngang trục: Đặc trưng cho sự suy giảm

dòng điện trong cuộn dây cản ngang trục khi ngán mạch cuộn Rotor và Stator

' 0 ( 0)

' ''

0 0 ( 0)

lim ( ) d d

s

d d t

'' 0 ( 0)

s

q t

6.3 Máy điện ở chế độ không tải

Ở chế độ không tải ta nhận được

hằng số thời gian quá độ, nên trong một điều kiện cho phép, ta có thể bỏ qua các hằng

số thời gian siêu quá độ T và hằng số rò của cuộn dây cản dịu dọc trục T d''0 D

Hàm truyền đạt của máy điện ở chế độ không tải được biểu diễn dưới dạng

Dạng tuyến tính đơn giản này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, xác định tham

số bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển kích từ

B - HỆ THỐNG KÍCH TỪ

1 GIỚI THIỆU

Hệ thống kích từ, với chức năng cung cấp dòng kích thích cho máy điện đồng bộ bao gồm tất cả, công suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh ổn định điện áp đầu cực máy phát, ra đời và phát triển cùng với máy điện đồng bộ với các tính năng ngày càng hiện đại và đáp ứng yêu cầu cao về ổn định điện áp của hệ thống điện

Trong chương này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu lý thuyết cơ bản về hệ thống kích từ, phân tích đặc điểm các hệ thống đang được sử dụng, sau đó phân tích tính năng ưu việt của hệ thống kích từ tĩnh và tìm phương án xây dựng nó

Bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) đặt độc lập với máy phát, cấp dòng kích từ cho dây quấn kích thích qua cơ cấu chổi quét vòng góp điện Dòng kích thích của bộ kích thích tĩnh được lấy từ đầu cực máy phát thông qua khối cầu chỉnh luư Thyristor có điều khiển

2.1 Bộ kích thích DC

Ngày nay, bộ kích thích DC vẫn còn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ (Synchronous Generator-SG) có công suất thấp hơn 100MVA Nó được cấu tạo gồm hai máy phát điện một chiều kiểu vành góp điện DC (DC commutator electric generator) đóng vai trò là: Bộ kích thích chính (Main Exciter- ME) và bộ kích thích bổ trợ (Auxiliary Exciter- AE) gắn đồng trục và quay đồng bộ với Rotor máy phát

Bộ kích từ

bổ trợ-AE

Bộ kích thích DC

Hình vẽ 3 2 Bộ kích thích DC

Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dòng điện cấp cho máy phát điện ME

Tới lượt mình, ME sẽ tạo ra dòng một chiều cấp cho dây quấn kích thích máy phát để

tạo ra sức điện động cảm ứng trên đầu cực máy phát

Bộ kích thích DC được điều khiển bởi AVR thông qua điện áp điều khiển Vcon

Hệ AE và ME đóng vai trò như một bộ khuyếch đại công suất với hệ số khuyếch đại lên tới 600/1 (20.30), do vậy ta chỉ cần công suất thấp để cấp cho bộ kích thích Tuy nhiên lợi thế này bị trả giá bởi:

- Đáp ứng thời gian chậm, mà nguyên nhân là hằng số thời gian ở cuộn dây kích

từ ở ME và AE lớn

- Vấn đề ăn mòn chổi quét ở ME và AE

- Có thể gây ra hiện tượng xoán trục khi có tải, mà nguyên nhân là đáp ứng chậm của nó

- Không có khả năng dự phòng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành phần của hệ thống đều là cơ cấu quay

Vì những nguyên nhân này mà hiện nay phần lớn hệ thống kích từ DC đã được thay thế bằng hệ thống kích từ tĩnh

2.2 Bộ kích thích AC

Bộ kích thích AC vẫn được sử dụng thường xuyên trong công nghiệp ngay cả ở các máy đồng bộ mới Nó được thiết kế trên cơ sở sử dụng một máy phát điện đồng bộ (Excitation Synchronous Generator-ESG) và một cầu chỉnh lưu diode gắn trên trục của

nó Bộ kích thích AC gắn đồng trục với máy phát (Hinh vẽ 3.3)

Bộ Chuyển

Khi hệ thống hoạt động, điện áp xoay chiều đầu cực ESG được chỉnh lưu bằng cầu chỉnh lưu diode để tạo ra dòng DC cấp trực tiếp tới dây quấn kích từ của máy phát Điện áp đầu cực máy phát được điều khiển bởi bộ AVR thông qua điện áp Vcon

Bộ kích thích AC có hệ số khuyếch đại khoảng 1/20(30) do chỉ sử dụng một máy phát kích từ, do vậy chỉ cần công suất bé để cấp cho hệ thống

Hệ thống kích từ AC có đặc điểm

- Đáp ứng thời gian của hệ thống vẫn còn lớn

- Công suất điều khiển nhỏ

- Vẫn còn khả năng gây xoán trục khi có tải

chổi quét, vòng góp điện (Hình vẽ 3.4)

Từ nguồn bổ trợ

Hình vẽ 3 4 Bộ kích thích tĩnh nguồn thế

Sự ra đời IGBT công suất lớn mở ra hướng thay thế cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển bằng hệ Diode-IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế biên độ xung PWM

(Hình vẽ 3.5) Hệ chỉnh lưu Diod-IGBT có ưu điểm về điều khiển và bảo vệ là huớng

phát triển triển vọng trong tương lai

Hình vẽ 3 5 Sơ đồ Thyristor đối xứng (a) và hệ Diode-Thyristor (b)

Hệ thống kích từ tĩnh có ưu điểm về tính ổn định cao, dễ dàng thiết kế, chế tạo, vận hành và thuận lợi cho dự phòng thay thế Hơn nữa, bộ kích thích tĩnh được thiết kế trên cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor, có công suất kích từ được lấy từ đầu cực máy phát

do vậy hằng số thời gian của hệ thống là bé Tuy nhiên, Hệ thống kích từ tĩnh gặp một

số hạn chế như:

- Nguồn kích từ được lấy trực tiếp từ đầu cực máy phát nên cần phải có một nguồn công suất phụ độc lập để khởi động từ cho hệ thống Hơn nữa, dễ sinh ra tia lửa điện ở cơ cấu vòng góp điện và chổi quét

- Điện áp đầu cực máy phát biến thiên liên tục trong một dải lớn, do vậy miền biến thiên của điện áp kích từ là lớn, gây ra những ảnh hưởng xấu tới thiết bị nối với máy cũng như dây quấn Rotor và Stator

Những hạn chế này là nhỏ và được giải quyết bởi trình độ của khoa học kỹ thuật hiện tại Người ta có thể đưa ra các khái niệm về giới hạn kích từ và định ra giới hạn hoạt động của hệ thống Do vậy, hệ thống kích từ tĩnh được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong các nhà máy phát điện

Bộ kích thích tĩnh có hai kiểu chính:

- Kiểu kích từ chỉnh lưu nguồn thế (Potential source-rectifier exciter)

- Kiểu kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp (Compound source-rectifier exciter)

Trong bộ kích thích này, ngoài biến áp lực người ta còn sử dụng 2 hoặc 3 biến dòng công suất lớn để cấp dòng kích từ trực tiếp tới cuộn Rotor khi ngắn mạch Bởi vì trong

trường hợp đó ta không điều khiển được điện áp nữa do sự sụt giảm rất nhanh của điện

áp đầu cực khi ngắn mạch, hoặc sụt áp

2.4 Thay thế hệ thống kích từ quay bằng hệ kích từ tĩnh

Các hệ thống kích từ quay có hạn chế lớn về chi phí bảo dưỡng duy trì, thường xuyên lỗi, gây ra hậu quả về sự quá nhiệt và thời gian dừng vận hành lớn, gây hậu quả nghiêm trọng đến hệ thống cung cấp điện

Biện pháp xem xét, thay thế hệ thống kich từ quay là cần thiết để cải thiện vấn đề trên

Hệ thống kích từ tĩnh, có thiết kế mềm dẽo, dể dàng lắp đặt cho cả hệ thống kích từ quay lớn và nhỏ Thêm vào đó nó có ưu điểm về tính đáp ứng nhanh, khả năng dự phòng online, thời gian dừng hệ thống nhỏ, có chế độ bảo vệ, giới hạn và có khả năng điều khiển điện áp bằng tay

Việc thay thế hệ thống kích từ tĩnh cho hệ kích từ quay được xem xét trên cơ sở đặc tính điện áp đầu cực máy phát không phụ thuộc vào hệ thống kích từ, mà chỉ phụ thuộc vào kết cấu của máy phát

3 THÀNH PHẦN HỆ THỐNG KÍCH TỪ TĨNH

Hệ kích từ tĩnh xây dựng trên cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor (Hình vẽ 3.6), được cấu

thành từ các thành phần chính: Các máy biến áp, biến dòng, bộ cầu chỉnh lưu Thyristor, bộ điều chỉnh ổn định điện áp (Automation Voltage Regulaler-AVR), các thiết bị bảo vệ, hiển thị…, các trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển và bảo vệ hệ thống kích từ và máy phát trong điều kiện vận hành bình thường và gặp sự cố

FIELD FLASHING

AVR/FCR

THYR POWER EXC

Hình vẽ 3 6 Sơ đồ khối hệ thống kích từ tĩnh

3.1 Máy biến áp công suất

Công suất kích từ được đưa tới máy phát thông qua một máy biến áp công suất Máy biến thế sẽ làm giảm điện áp đầu cực máy phát cho phù hợp với thiết bị trường của máy phát điện

Các contactor đặt ở đầu thứ cấp máy biến thế công suất để cách ly hệ thống kích từ với lưới trong các trường hợp có sự cố xảy ra

3.2 Bộ chỉnh lưu Thyristor

Cầu chỉnh lưu Thyristor kiểu đối xứng 6 Thyristor (Hình vẽ 3.7) thường được sử dụng

trong hệ kích từ tĩnh Nó có chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều đầu cực máy phát, tạo dòng kích thích DC cấp tới dây quấn kích thích

Góc mở Thyristor được điều khiển bởi một thiết bị gọi là Firing Card Từ điện áp điều khiển Vc cấp bởi AVR, Firing Card sẽ xác định góc mở Thyristor và đưa 6 xung điều khiển tới cầu chỉnh lưu

Firing Card phải đảm bảo góc pha mở Thyristor chính xác và tin cậy sao cho bộ chỉnh lưu hoạt động trong toàn bộ phạm vi áp xoay chiều là 30%->150% và dải tần số là 90%->145% giá trị định mức, kể cả khi điện áp bị méo (không sin)

3 PHASE

FIRING CARD

V_EX

VC

THYRISTOR BRIDGE

Hình vẽ 3 7 Cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển

3.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp-AVR

Được trang bị cho mỗi hệ thống kích từ máy phát Nó có chức năng nhận biết sự thay đổi của điện áp đầu cực để đưa tín hiệu điều khiển mở thyristor/IGBT để đảm bảo sự

ổn định của điện áp đầu cực máy phát

AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là: Điện áp, dòng điện ba pha đầu cực máy phát, tín hiệu từ các thiết bị bảo vệ, các giới hạn kích từ được cài đặt…và

có tín hiệu đầu ra là: Góc mở Thyristor, tín hiệu mở hoặc đóng mạch mồi kích từ ban đầu, xung điều khiển đóng ngắt hệ thống, các tín hiệu hiển thị…

AVR đảm bảo sự hoạt động ổn định của hệ thống kích từ cũng như sự an toàn cho nó khi xảy ra các sự cố bằng cách chuyển đổi chế độ điều khiển, đáp ứng nhanh chóng các sự cố, ngắt hệ thống ra khỏi lưới, diệt từ…

3.4 Bộ khởi động từ (Field Flashing)

Bộ Field Flashing, là thiết bị độc lập, được sử dụng để cung cấp công suất kích thích