Luận văn Hòa đồng bộ hai máy phát điện bằng PLC

Trong thực tế, để vận hành các tổ máy phát điện dự phòng nói chung ngoài việc đảm bảo công suất của tổ máy phát cho các hộ phụ tải thì hệ thống còn phải đáp ứng các yêu cầu quan trọng kh

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRÊN TRẠM PHÁT ĐIỆN

1 Cơ sở khoa học

Các thế hệ trạm tự động hoá trước đây, trung tâm xử lý, điều khiển là tổ hợp các mạch logic được tổ hợp từ các rơ le điện từ, bán dẫn Ở các trạm này, chương trình điều khiển được thực hiện chỉ bằng thiết bị nên nó được định “cứng”, không thể thay đổi Do đó, không có khả năng thích nghi với các đối tượng khác nhau, với các chế độ vận hành khác nhau

Ở các trạm tự động hoá thế hệ mới, trung tâm xử lý điều khiển được sử dụng

là máy tính điện tử Các chương trình điều khiển được xây dựng nhờ các ngôn ngữ lập trình tạo ra các phần mềm điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính điều khiển Nhờ đó có thể tạo ra chương trình điều khiển trạm phát điện gần với các chế

độ vận hành tối ưu, góp phần giải tích cực giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật trong

xử dụng trạm phát điện Với một môđun điều khiển, ta có thể mở rộng ứng dụng cho nhiều đối tượng, mở rộng cho nhiều chế độ công tác Nói cách khác, bộ điều khiển có khả năng thích nghi Hơn thế nữa, nhờ khả năng nhớ thông tin, ta có thể kiểm soát được quá trình làm việc đã qua của trạm điện sau một khoảng thời gian làm việc Điều này giúp ích rất nhiều cho người vận hành trong việc xử lý nhanh các sự cố, đưa ra phương án bảo dưỡng trạm phát điện hợp lý

Các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay công nghiệp thường dùng là các bộ điều khiển PLC, là các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (program logic contronler)

Trong những năm gần đây vấn đề về nhu cầu cung cấp năng lượng (đặc biệt

là điện năng) đã trở nên rất nóng bỏng trên thế giới cũng như tại Việt Nam Mỗi năm Việt Nam phải nhập khẩu nhiều triệu KWh để cung cấp cho sản xuất cũng như tiêu dùng Công nghiệp Việt Nam trên đà phát triển nhất là sau khi hội nhập WTO

Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nước nhà dẫn đến việc thiếu hụt điện năng một cách nghiêm trọng Cho nên việc trang bị máy phát điện dự phòng để ổn định

các họat động kinh doanh sản xuất của doanh nghiệp là thiết yếu để sẵn sàng chủ động trong mọi tình huống và đem lại hiệu quả kinh tế cao

ên cạnh đó máy phát dự phòng còn đóng một vai trò hết sức quan trọng, không thể thiếu được trong cung cấp điện liên tục cho các l nh vực như: y tế, an ninh, viễn thông, điều khiển, tiếp tân, hội nghị…

Vai trò của máy phát điện dự phòng là khá quan trọng, song việc đưa chúng vào vận hành sử dụng trong thực tế để thu được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao còn

là một vấn đề cần được giải quyết

Trong thực tế, để vận hành các tổ máy phát điện dự phòng nói chung ngoài việc đảm bảo công suất của tổ máy phát cho các hộ phụ tải thì hệ thống còn phải đáp ứng các yêu cầu quan trọng khác: nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ, bảo đảm độ tin cậy làm việc, bảo đảm khả năng cung cấp điện liên tục và lâu dài cho các hộ tiêu thụ, nâng cao khả năng sẵn sàng làm việc của trạm phát điện, …v.v

2 Tính thực tiễn

Tự động hoá trạm phát điện phải giải quyết các vấn đề sau:

- Thay thế tất cả các thao tác thủ công của con người bằng thiết bị tự động Các thao tác đó thường là: Kiểm tra điều kiện đưa máy vào làm việc; khởi động máy; kiểm tra và điều khiển quá trình làm việc với các chế độ khác nhau; bảo vệ trạm phát điện khi có sự cố; dừng máy

- Tự động ổn định các tham số làm việc của động cơ cũng như máy phát trên trạm

- ảo đảm khả năng điều khiển và kiểm soát từ xa trạng thái làm việc của các trạm phát điện Hệ thống tự động hoá ngoài thông báo tình trạng của trạm còn phải

có khả năng báo lỗi cho người vận hành biết để xử lý nhanh chóng

- ảo đảm độ sẵn sàng làm việc, độ tin cậy làm việc của các trạm phát điện Giảm nhẹ được khối lượng công việc của người vận hành trạm phát điện Ở các trạm phát điện được tự động hoá, người vận hành đóng vai trò là người kiểm tra, ra lệnh, định kỳ nạp nhiên liệu, dầu, nước vào bể chứa và tiến hành bảo dưỡng định kỳ

3 Yêu cầu chung

Tự động điều khiển các trạm phát điện là xu thế tất yếu của khoa học công nghệ trong công nghiệp chế tạo trạm phát điện nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong sử dụng vận hành trạm phát điện Các yêu cầu đó là:

- Nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ

- ảo đảm độ tin cậy làm việc, bảo đảm khả năng cung cấp điện liên tục và lâu dài cho các hộ tiêu thụ

- Nâng cao khả năng sẵn sàng làm việc của tram phát điện

- Giảm nhẹ các công việc thủ công cho con người, rút ngắn thời gian kiểm tra chuẩn bị máy để đưa chúng vào làm việc

Các hệ thống tự động điều khiển trên trạm phát điện gọi chung là hệ thống tự động hoá trạm phát điện

4 Các tham số và hệ thống tự động hoá trên trạm phát điện

Để xây dựng được hệ thống tự động điều khiển trên trạm phát điện, thực chất

là chúng ta phải tự động điều chỉnh các tham số sau:

- Tự động ổn định điện áp và tần số máy điện

- Tự động báo hiệu sự cố và bảo vệ trạm khi có sự cố sảy ra

- Tự động khởi động: Lệnh khởi động được phát ra từ trung tâm điều khiển,

từ tổ hợp máy phát khác hoặc từ lưới

- Tự động duy trì trạng thái sẵn sàng làm khi ở chế độ “dự phòng”

- Tự động hoà đồng bộ và làm việc song song với lưới, với trạm điện khác

- Tự động bảo đảm các điều kiện sẵn sàng làm việc và khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài không dưới 180 giờ mà không cần người vận hành Đó

là yêu cầu bảo đảm nhiên liệu, bảo đảm nước làm mát, dầu bôi trơn, yêu cầu về đảm

bảo nguồn khởi động, bảo đảm chế độ nhiệt của động cơ để đảm bảo khả năng làm việc tin cậy và khả năng sẵn sàng nhận tải

- Tự động điều phối đưa các trạm điện khác vào vận hành theo một chương trình định sẵn mà không cần lệnh của người điều khiển như đổi kíp làm việc giữa các trạm mà vẫn đảm bảo khả năng cấp điện liên tục, điều phối tăng giảm số nguồn phát khi yêu cầu tiêu thụ công suất của phụ tải tăng hoặc giảm

5 Các hệ thống chức năng con tự động điều khiển độc lập trên hệ thống tự động hoá trạm phát điện

Để thực hiện công việc theo các mức tự động hóa, hệ thống tự động hóa trên trạm bao gồm các hệ thống con có chức năng độc lập (Hệ thống TĐĐK chức năng) Việc thỏa mãn yêu cầu của các mức tự động hóa phụ thuộc số hệ thống con được sử dụng trong hệ thống tự động hóa

- Hệ thống tự động bảo đảm: Hệ thống này tự động bảo đảm đủ mức nhiên liệu, dầu, nước, dung lượng khởi động (dung lượng ắc quy hoặc áp suất khí nén)

- Hệ thống tự động khởi động và đóng tải: Hệ thống này thực hiện khởi động trạm phát điện khi có các tín hiệu “lệnh khởi động”

- Hệ thống tự động ổn định các tham số của trạm phát điện: Hệ thống này có chức năng ổn định các tham số của trạm phát điện, đảm bảo độ tin cậy làm việc và chất lượng điện năng cấp cho phụ tải

- Hệ thống tự động kiểm tra và bảo vệ các tham số của trạm phát điện: Hệ thống này có chức năng tự động kiểm tra các tham số vận hành của trạm phát điện

và thông báo về trung tâm điều khiển

- Hệ thống tự động dừng máy: Hệ thống này thực hiện tự động dừng máy tuân theo quy trình dừng máy khi có lệnh dừng “stop”

- Hệ thống tự động hòa đồng bộ và làm việc song song: Hệ thống này có chức năng

+ Tự động kiểm tra và xác lập điều kiện hoà đồng bộ

+ Thực hiện hoà đồng bộ hai máy khi các điều kiện hoà đồng bộ (điện áp bằng nhau, tần số bằng nhau, trùng pha) được thoả mãn

+ Tự động phõn phối cụng suất tỏc dụng, cụng suất phản khỏng giữa cỏc

tổ mỏy làm việc song song để trỏnh mất đồng bộ giữa hai tổ mỏy

+ Tự động bảo vệ cụng suất ngược

- Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay: Tốc độ quay của động cơ diesel xỏc định bởi vị trớ thanh răng bơm nhiờn liệu Khi động cơ khụng làm việc, thanh răng bơm nhiờn liệu ở một vị trớ xỏc định tuỳ thuộc phương phỏp điều khiển

- Hệ thống tự động kiểm tra và điều chỉnh điện ỏp: Việc ổn định điện ỏp do

bộ tự động điều chỉnh kớch từ thực hiện

6 Cấu trỳc chung của một hệ tự động hoỏ trờn trạm phỏt điện

Nghiờn cứu chức năng và nguyờn lý tỏc động của cỏc hệ thống tự động hoỏ trờn trạm phỏt điện, ta thấy chỳng thường cú chung một cấu trỳc như hỡnh vẽ

Cấu trỳc chung của một hệ tự động hoỏ trờn trạm phỏt điện

Một tổ mỏy phỏt điện cú thể hoạt động ở chế độ đơn lẻ (độc lập) hoặc chế độ song song (trong lưới) Núi chung, cỏc yờu cầu về đo lường - điều khiển - bảo vệ ở hai trường hợp tương đối như nhau Cỏc chức năng trờn thường được chia ra 2 loại:

Cơ học và Điện

Về phần cơ học, thường cú cỏc loại hỡnh bảo vệ sau:

- ảo vệ tuyến thủy lực ( mực nước, trạng thỏi làm việc của cống lấy nước, đường dẫn, bể ỏp lực, đường ống cú ỏp, van trờn đường ống, kờnh thoỏt hạ lưu)

- ảo vệ cơ học tổ mỏy: Vũng quay tổ mỏy, độ rung động của tổ mỏy, nhiệt độ

Đo sai

Biến đổi khuếch đại

Chấp

Trạm phát điện

các ổ trục, tình trạng hệ thống dầu thủy lực, tình trạng hệ thống làm mát…

Về phần điện:

- Đo lường và bảo vệ về dòng (quá dòng, ngắn mạch)

- Đo lường và bảo vệ về điện áp (quá áp, thấp áp)

- Đo lường và bảo vệ chạm đất

- Đo lường và bảo vệ về tần số

- Đo lường và bảo vệ về công suất

- Điều khiển hòa điện, đóng cắt phụ tải

Trong một trạm thủy điện nhỏ, các thiết bị đo lường thường được bố trí trên 1 hoặc nhiều tủ (bảng) điện tùy theo cỡ công suất tổ máy Thiết bị hòa điện thường được bố trí trên bảng điện điều khiển của tổ máy

Thiết bị hòa điện được sử dụng để tiến hành đưa một tổ máy từ trạng thái hoạt động độc lập (thông thường là sau khi khởi động không tải) sang hòa với lưới điện, tham gia chịu tải của hệ thống

Trong các trạm thủy điện nhỏ, thường sử dụng các phương pháp hòa điện sau:

a) Hòa điện thủ công bằng đèn

Theo phương pháp này, người ta mắc giữa các pha tương ứng của máy phát

và lưới điện 2 bóng đèn loại 220 V Khi quan sát thấy cả 6 bóng đèn đều tắt thì tiến hành ấn nút (hoặc cầu dao) đóng thông mạch điện giữa máy phát và lưới điện Phương pháp này có độ tin cậy cao (do thiết bị rất đơn giản), nhưng độ chính xác thấp

b) Hòa điện thủ công bằng thiết bị đồng hồ từ điện

Theo phương pháp này, một thiết bị chỉ báo được sử dụng thay cho các bóng đèn Thiết bị chỉ báo là một loại đồng hồ từ điện bao gồm 3 đồng hồ nhỏ chỉ báo độ chênh điện áp, chênh lệch tần số và chênh lệch pha Khi cả 3 đại lượng trên nằm trong khoảng cho phép, người vận hành tiến hành thao tác đóng mạch giữa máy phát và lưới điện

c) Hòa điện tự động

Theo phương án này, sau khi nhận lệnh hòa điện (bằng nút ấn hoặc công tắc), Rơ le hòa điện tự động kiểm tra các thông số cần thiết và tự động đóng mạch khi các thông số đạt giá trị cho phép Hiện nay, mức độ tự động được nâng cao hơn

ở chỗ: thiết bị hòa sẽ tự động điều chỉnh tổ máy cho tới khi đạt các yêu cầu về hòa điện và tự động đóng mạch hòa điện Thực ra lúc này hòa điện chỉ là một chức năng nhỏ của thiết bị điều tốc trong trạm thủy điện, bao gồm các chức năng hòa, điều tốc, phân chia tải, bảo vệ tổ máy

Ngoài ra còn có thiết bị hòa đồng bộ tự động thông minh đảm bảo tự động

bộ, hai tổ máy nhận lệnh khởi động đồng thời, hoặc một máy đang làm việc, máy kia nhận lệnh vào hòa đồng bộ

Nếu một máy đang cấp điện cho tải hay đống điện trước lên thanh cái, máy

đó sẽ xác lập vai trò máy chủ ( máy dẫn ) Máy đưa vào hòa đồng bộ là máy bị dẫn ( máy tớ ).Hiện nay có rất nhiều thiết bị có khả năng đảm nhận vai trò tự động hòa đồng bộ hai máy phát hoặc giữa tổ máy phát với hệ thống lưới điện như :

+ PLC ( program logic contronler ) Đây là bộ điều khiển logic mạnh và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong ứng dựng điều khiển các thiết bị công nghiệp được tự động hòa một các dễ dàng, độ ổn định cao PLC được xem là trung tâm đầu não của hệ thống tự động điều khiển, là nơi xử lý và điều khiển các thiết bị hoạt động theo yêu cầu của người lập chương trình Một chương trình điều khiển được lưu trong bộ của PLC, trong suốt quá trình thi hành PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống xuyên suốt từ tín hiệu hồi tiếp từ các tín hiệu thường nhập Sau đó dựa vào chương trình logic để quyết định đầu ra để điều khiển hệ thống thiết bị theo yêu cầu PLC được sử dụng thích hợp cho các hệ thống tự động hóa từ đơn đến phức tạp Các PLC còn có thể kết hợp với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình phức tạp

+ Dùng vì điều khiển Đây là thiết bị cực kỳ linh hoạt trong lập trình, được

sử dụng đa dạng ngành và giá trình rẻ, tuy nhiên độ ổn định không cao như PLC

7 Hệ thống cảm biến và các thiết bị thu thập thông tin trong hệ thống tự động hoá trên trạm phát điện

a) Các phần tử cảm biến

Các bộ cảm biến nhận sự biến đổi của tham số kiểm tra, biến đổi sang tín hiệu dòng hoặc áp, hoặc tác động trực tiếp lên rơle chấp hành Thông thường bộ cảm biến được chế tạo ghép đồng bộ với rơle tác động đầu ra nên người ta thường gọi chung là rơle cảm biến Tín hiệu ra của các bộ cảm biến thường có tín hiệu là các mức logic

Trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện thường sử dụng các loại cảm biến sau:

- Cảm biến nhiệt độ: Kiểm tra nhiệt độ nước, nhiệt độ dầu, nhiệt độ dây quấn máy phát điện

- Cảm biến mức: Kiểm tra mức nước, mức dầu, mức nhiên liệu

- Cảm biến áp suất: Kiểm tra áp suất dầu, áp suất bình khí nén

- Cảm biến tốc độ quay: Kiểm tra tốc độ quay và sai lệch tốc độ

- Cảm biến điện áp: Kiểm tra giá trị điện áp cực đại, cực tiểu và sai lệch điện

áp

- Cảm biến dòng điện: Đo giá trị dòng cực đại

- Cảm biến tần số: Kiểm tra giá trị tần số và sai lệch tần số

- Cảm biến công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Rơ le thời gian

b) Các phần tử chấp hành

Phần tử chấp hành là cơ cấu nhận các lệnh từ trung tâm điều khiển hoặc trực tiếp từ các bộ cảm biến truyền tới, tác động lên đối tượng để thực hiện mục đích điều khiển Trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện có các thiết bị chấp hành sau:

- Thiết bị bổ sung nhiên liệu, dầu nước trong hệ thống bảo đảm

- Thiết bị sấy nóng nước, dầu bôi trơn, buồng cháy động cơ, buồng trạm

- Thiết bị khởi động tự động

- Thiết bị dừng máy tự động

- Thiết bị điều chỉnh tốc độ và điện áp

- Thiết bị đóng tải máy phát

- Thiết bị hoà đồng bộ tự động

- Thiết bị phân phối công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Các thiết bị phụ trợ

c) Các bộ điều chỉnh

Các bộ điều chỉnh có chức năng ổn định các tham số vận hành và các tham

số điện năng của trạm phát điện Trên trạm phát điện tự động hoá phải sử dụng các

- ộ điều chỉnh xác lập điện áp và tần số định mức của trạm máy phát

- ộ ổn định cân bằng tần số và điện áp hiệu dụng giữa hai trạm máy phát

- ộ điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng khi làm việc song song

Ngoài ra còn các thiết bị tín hiệu và các mạch logic điện tử trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện, các thiết bị này tuỳ thuộc vào thiết kế hệ thống cụ thể sẽ lựa chọn

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA KHI HAI TRẠM MÁY PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG

Chất lượng điện năng của các trạm phát điện ngoài việc đảm bảo đủ công suất cung cấp cho các hộ tiêu thụ, còn phải đảm bảo các chỉ tiêu như: ổn định điện

áp, ổn định tần số dòng điện, hòa đồng bộ các máy phát làm việc song song, …Do vậy, đối với các hệ thống tự động hóa trạm phát điện cần phải giải quyết một số bài toán điều khiển tự động sau:

1 Tự động ổn định điện áp phát ra của các máy phát điện

ài toán ổn định điện áp phát ra của các máy phát điện là một trong những

chỉ tiêu quan trọng nhất trong việc đánh giá chất lượng điện cung cấp cho các hộ phụ tải Trên các trạm phát điện phải có các thiết bị ổn định điện áp Do vậy phải điều chỉnh điện áp trên các cực của máy phát, đảm bảo điện áp ra luôn ổn định ở một giá trị đặt trước theo yêu cầu của các hộ tiêu thụ

1.1 Sự cần thiết phải ổn định điện áp máy phát điện

Các thiết bị dùng điện luôn yêu cầu điện năng cung cấp cho chúng phải có điện áp ổn định Nếu điện áp thay đổi, sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ và đặc tính làm việc của các thiết bị

Ví dụ, khi điện áp tăng 5% so với giá trị định mức, tuổi thọ của các đèn chiếu sáng bị giảm đi hai lần Nếu điện áp tăng tức thời quá 20% có thể làm cháy hàng loạt bóng đèn Ngược lại, khi điện áp giảm 5% so với định mức, quang thông của các đèn thắp sáng giảm đến 18%; mômen quay của các động cơ dị bộ giảm 10%; đặc tính làm việc của các thiết bị vô tuyến điện và các dụng cụ y học xấu đi nhiều Khi điện áp giảm tức thời quá 20% so với định mức có thể làm ngừng quay các động cơ dị bộ; làm cắt các công tắc tơ, cản trở sự làm việc của các hệ thống tự động điều khiển, làm mất độ chính xác cần thiết của các thiết bị điện Thực tế đó đòi hỏi điện năng của các trạm máy phát phát ra phải có điện áp và tần số ổn định

Trong khi đó, các trạm phát điện do cần đảm bảo tính cơ động và tính kinh

tế, mà thường chọn công suất của máy phát điện tương đương với công suất của các

hộ tiêu thụ Trong vận hành, phụ tải lại thay đổi trong phạm vi rộng có thể từ (0 

100)% tải Việc thay đổi tải lại rất ngẫu nhiên và đột ngột, do đó sẽ làm cho điện áp cảu máy phát điện bị thay đổi lớn Để tránh sự thay đổi điện áp trên các trạm phát điện nhất thiết phải có hệ thống tự động ổn định điện áp (TĐOĐĐA)

ài toán ổn định điện áp là bài toán điều khiển sự cân bằng công suất phản kháng giữa nguồn phát và phụ tải Công suất phản kháng của nguồn phát phụ thuộc vào công suất kích từ, do đó điều chỉnh công suất phản kháng của nguồn chính là điều khiển kích từ của máy phát đồng bộ Đây là bài toán rất quan trọng, có vai trò rất lớn trong việc bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện ài toán này đặc biệt quan trọng ở những hệ thống điện năng có công suất nguồn hữu hạn, làm việc độc lập như các trạm phát điện Diesel, trạm thủy điện nhỏ

ài toán điều khiển máy phát điện chính là bài toán điều khiển kích từ Hệ thống tự động điều khiển dòng kích từ theo một thuật toán nào đó được gọi là hệ thống tự động điều chỉnh kích từ

1.2 Chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát

- Duy trì điện áp trên các cực của máy phát điện không thay đổi, đây là nhiệm vụ cơ bản nhất của hệ thống Nhiệm vụ này được thực hiện bằng cách tự động thay đổi kích từ máy phát điện theo sự thay đổi của phụ tải và các điều kiện khác

- Tăng cường kích từ của máy phát điện khi điện áp của nó giảm xuống một cách đáng kể, việc tăng cường kích từ được thực hiện trong các trường hợp sau:

+ Đảm bảo khả năng khởi động các động cơ dị bộ rô to lồng sóc có công suất gần bằng công suất máy phát điện

+ Nâng cao độ tin cậy bảo vệ máy phát điện khi ngắn mạch trong mạng, bằng cách tăng nhân tạo dòng ngắn mạch nhờ tăng kích từ

+ Gia tốc quá trình tự khởi động của các động cơ nhỏ sau khi đã loại trừ ngắn mạch

+ Để dễ dàng đưa máy phát điện của trạm phát điện vào làm việc song song

+ Nâng cao độ ổn định làm việc song song cảu các tổ máy phát, khi trọng mạng điện của trạm phát điện có ngắn mạch

- Phân phối tỷ lệ công suất phản kháng giữa các trạm phát điện làm việc song song Để bảo đảm cho các trạm phát điện làm việc song song, phải giải quyết các vấn đề cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa hai tổ máy phát Công suất tác dụng được thể hiện bởi bộ điều chỉnh tốc độ quay động cơ sơ cấp Công suất phản kháng được thể hiện bởi bộ tự động điều chỉnh kích từ máy phát Khi có sự biến động công suất phản kháng, sẽ diễn ra quá trình phân phối lại công suất cho hai tổ máy làm việc song song Việc phân phối hợp lý công suất phản kháng sẽ do đặc tính của bộ tự động điều chỉnh kích từ quyết định

Trên trạm phát điện, chức năng chính của bộ tự động điều chỉnh kích từ là tự động ổn định điện áp Do vậy, người ta thường đồng nhất khái niệm tự động ổn định điện áp với tự động điều chỉnh kích từ thực chất, ổn định điện áp là mục đích

và kết quả của quá trình tự động điều chỉnh kích từ Thiết bị tự động điều chỉnh kích

từ gọi là bộ điều chỉnh kích từ ộ tự động điều chỉnh kích từ hợp với mạch kích từ máy phát tạo thành hệ thống tự động điều chỉnh kích từ

1.3 Yêu cầu và phân loại các bộ tự động điều chỉnh kích từ máy phát

- Sai lệch của điện áp khi nhiệt độ môi trường thay đổi 50oC, không vượt quá 5%

- Đặc tính của hệ thống tự động ổn định điện áp trong quá trình làm việc lâu dài không được thay đổi và không phụ thuộc vào điều kiện khí quyển (độ ẩm tương đối đến 98%, độ cao so với mực nước biển lên đến 4000m)

- Có khả năng thay đổi điện áp trung bình điều chỉnh trong phạm vi 5%, ở điều kiện làm việc bất kỳ của trạm phát điện

- Có khả năng cường hóa kích từ cao, đảm bảo khởi động được động cơ dị bộ rôto lồng sóc có công suất đến 70% công suất của trạm phát điện, khi trạm phát điện đang mang khoảng 30% tải

- Đảm bảo độ tin cậy làm việc cao

- Kết cấu đơn giản, nhỏ, gọn, chế tạo dễ dàng, giá thành hạ

- Có khả năng lắp dẫn cao, được chế tạo và chỉnh định hàng loạt

- Không gây nhiễu vô tuyến

- Tổn hao năng lượng cho thiết bị tự động ổn định điện áp nhỏ nhất

1.3.2 Phân loại

Với sự phát triển mạnh của lý thuyết điều khiển và khoa học công nghệ, hiện nay có rất nhiều kiểu loại bộ TĐĐC kích từ được sử dụng trên các tổ máy phát điện Theo các phần tử chính sử dụng trong các bộ TĐĐC kích từ, người ta phân thành các loại sau:

- ộ điều chỉnh kích từ kiểu cơ điện

- ộ điều chỉnh kích từ kiểu điện từ

- Bộ điều chỉnh kích từ kiểu bán dẫn

- ộ điều chỉnh kích từ ứng dụng k thuật số

a bộ tự động điều chỉnh trên là các bộ điều chỉnh kinh điển, thực hiện bằng

sơ đồ mạch (phần cứng) ộ điều chỉnh thứ tư là loại ứng dụng k thuật điều khiển hiện đại vào điều khiển kích từ máy phát, nó cho phép thực hiện thuật toán điều khiển không chỉ bằng sơ đồ mạch (phần cứng) mà còn bằng một chương trình điều khiển (phần mềm) được ghi trong bộ nhớ của CPU ộ điều khiển loại này cho phép

ta thực hiện được các thuật toán điều khiển phức tạp, mở rộng tính năng điều khiển

Nhờ ứng dụng k thuật điều khiển số, người ta đưa thêm vào nhiều biến điều khiển

để nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống Tạo ra được các bộ điều khiển có

khả năng thích nghi với nhiều đối tượng

1.4 Bài toán điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ

1.4.1 Phương trình điện áp máy phát

ài toán điều chỉnh kích từ máy phát điện đồng bộ được xây dựng từ phương trình điện áp của máy phát đồng bộ Phương trình này được xây dựng ở dạng véc tơ như sau:

U EmpEud EuqEtr u I (2-1)

Trong phương trình trên:

U: Điện áp đầu cực máy phát

Khi máy phát không tải, I = 0, điện áp máy phát bằng SĐĐ trong cuộn dây phần ứng Nó có giá trị bằng U0 E mf  4 , 44 f.W.K dc kt

Khi máy phát mang tải, các thành phần SĐĐ phản ứng phần ứng và điện áp rơi trong cuộn dây phần ứng gây nên sự biến động điện áp đầu cực máy phát Đây là nguyên nhân chính gây biến động điện áp đầu cực máy phát

1.4.2 Biến động của điện áp máy phát khi tải có tính chất điện cảm

Phụ tải có tính điện cảm đặc trưng bằng góc lệch pha φ giữa U và I lớn hơn 0 (véc tơ điện áp vượt trước véc tơ dòng điện)

Phương trình (2-5) biểu diễn bằng biểu đồ véc tơ như hình vẽ 2-1

Từ biểu đồ véc tơ ta thấy khi góc lệch giữa điện áp và dòng điện (tính chất tải) càng lớn thì các thành phần sức điện động (SĐĐ) phản ứng phần ứng càng lớn, gây điện áp máy phát càng giảm mạnh Nếu góc lệch không đổi, giá trị dòng lớn lên, cũng gây tác động giảm điện áp máy phát, nhưng ảnh hưởng không mạnh bằng tính chất tải

Hình vẽ 2-1: Biểu đồ véc tơ điện áp máy phát khi tải R - L

1.4.3 Biến động của điện áp máy phát khi tải có tính chất điện dung

Phụ tải có tính chất điện dung đặc trưng bằng góc lệch pha φ giữa U và I nhỏ hơn 0 (véc tơ điện áp chậm sau véc tơ dòng điện)

Phương trình điện áp máy phát (2-5) biểu diễn bằng biểu đồ véc tơ như hình

vẽ 2-2

Hình vẽ 2-2: Biểu đồ véc tơ điện áp máy phát khi tải R – C

Ngược lại với trường hợp tải điện cảm, trong trường hợp tải điện dung, khi giá trị dòng tải và góc lệch pha φ tăng, điện áp đầu cực máy phát sẽ tăng Dòng điện phần ứng lúc này gây trợ từ cho máy phát Như vậy tải điện dung tạo điều kiện tăng cường kích từ cho máy phát

Khi nghiên cứu các máy phát trên trạm, chúng ta sẽ gặp một số máy có nối tụ điện ở đầu cực để kích từ ban đầu cho máy phát chính là ứng dụng tính chất trợ từ của tải có tính chất điện dung

Nghiên cứu phương trình toán học máy phát đồng bộ và biểu đồ véc tơ điện

áp máy phát, chúng ta thấy nguyên nhân gây biến động điện áp máy phát là phụ tải Còn mức độ gây biến động điện áp ngoài phụ thuộc giá trị và tính chất của phụ tải, còn phụ thuộc vào các thông số của mạch điện, mạch từ của máy phát Đó là điện

đồng bộ, là điện kháng tản trong khe hở không khí giữa mạch rotor và mạch stator

Sự thay đổi của điện áp máy phát theo I và φ theo đặc tính như trên hình vẽ 2-3 Đặc tính này còn gọi là đặc tính ngoài của máy phát

Hình vẽ 2-3: Đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ

Đến đây, chúng ta hình dung ra thuật toán ổn định điện áp máy phát đồng bộ

Từ phương trình (2-5), ta muốn ổn định đại lượng ở vế trái là điện áp Các đại lượng

ở vế phải gồm Ed, Eq, ru.I biến đổi khách quan Để U không đổi, chỉ còn giải pháp điều chỉnh Emp Đại lượng điều khiển để điều chỉnh E0 là từ thông kích từ kt

Nhiệm vụ điều chỉnh kích từ là tạo quy luật thay đổi dòng kích từ theo giá trị

và tính chất của dòng phụ tải máy phát để giữ cho điện áp máy phát không đổi Quy luật điều khiển dòng kích từ phụ thuộc vào các tham số của máy phát

Phương trình điều khiển Ikt = f(I, φ) khi U = const là phương trình phi tuyến

do các tham số của máy phát không phải là hằng số mà biến đổi theo nhiệt độ và phụ thuộc vào điểm làm việc Mặt khác, đặc tính lõi thép máy phát có dạng bão hòa Giải phương trình và tạo ra được quy luật điều khiển chính xác là khó ởi vậy, các

bộ ổn định điện áp đạt tới độ chính xác 2% đã được coi là tốt Nếu các hộ tiêu thụ đòi hỏi làm việc với độ ổn định điện áp cao hơn thì phải dùng bộ nguồn ổn áp thứ cấp

Một điểm đặc biệt ở chế độ làm việc của các trạm phát điện độc lập là công suất nguồn và công suất phụ tải tương đương Công suất phụ tải có thể thay đổi từ 0 đến 100% công suất của nguồn Do vậy, ảnh hưởng của sự biến động phụ tải tới điện áp máy phát là rất lớn, điện áp máy phát rất nhạy cảm với sự biến động của tải

Do vậy, giải quyết vấn đề ổn định điện áp các trạm phát điện công suất nhỏ khó hơn các nguồn công suất lớn hơn rất nhiều

1.5 Mô hình cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát



KT

KT Ukt

U

U

min max 



KT

KT Ikt

I

I

Khả năng cường hóa kích từ còn phụ thuộc khả năng tăng nhanh điện áp kích

từ Điều này phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều chỉnh kích từ, vào quán tính cơ điện từ của các khâu động học trong hệ thống Hiện nay khi người ta sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ tác động nhanh, thì tốc độ tăng kích từ chỉ còn phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch kích từ

thước lớn do thêm các mối ghép cơ học, khả năng tác động nhanh bị giảm do hệ thống kích từ thêm khâu quán tính

Tuy vậy, ở các máy phát lớn nguồn kích từ độc lập vẫn là giải pháp chính để kích từ máy phát do công suất kích từ lớn

1.5.1.2 Nguồn kích từ phụ thuộc

Ở loại nguồn này, năng lượng kích từ cho máy phát lấy ngay ở phần cứng của máy phát Nguồn này có thể lấy ngay trong máy bằng cuộn dây phụ hoặc lấy ở đầu ra máy phát qua máy biến áp hạ áp Dùng loại nguồn này đơn giản được kết cấu

hệ thống kích từ, giảm kích thước, nâng cao được khả năng tác động nhanh Để đảm bảo độ tin cậy kích từ ban đầu, người ta thường kết hợp các biện pháp cưỡng bức kích từ như mồi từ, mắc tụ điện ở đầu cực máy phát hoặc gắn nam châm v nh cửu ở đầu cực rotor máy phát

Hai loại nguồn kích từ này đều gặp trên các trạm phát điện hiện nay Tuy nhiên kết cấu kiểu loại nguồn tự kích từ chiếm ưu thế ở các tổ hợp máy phát mới

1.5.2 Cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ

1.5.2.1 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ theo sai lệch điện áp

Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ theo sai lệch điện áp như hình

vẽ 2-4 sau:

Hình 2-4: Sơ đồ khối hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ theo sai lệch điện áp

Hệ thống gồm các khối cơ bản sau:

- Khối 1: Cơ cấu đặt giá trị điện áp cần ổn định Uo

Khuếch đại Chấp hành Kích từ Máy phát

Phản hồi Đặt Uo

- Khối 2: Khối so sánh Khối này thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp thực với giá trị đặt xác lập điện áp định mức ∆U = Umf – Uo Trị số và dấu của điện áp sai lệch được đưa vào điều khiển khối 3

- Khối 3: Khối khuếch đại Khối này thuwch hiện nhiệm vụ khuếch đại điện

áp sai lệch do khối so sánh tạo ra Độ nhạy, độ chính xác điều chỉnh của hệ thống phụ thuộc vào khối này

- Khối 4: Khối chấp hành Khối này thực hiện thao tác điều chỉnh dòng kích

từ theo quy luật khử sai lệch điện áp

- Khối 5: Khối đo điện áp thực tế của máy phát Khối này tạo nên mạch phản hồi điện áp trong hệ thống và tạo nên hệ thống kín.Các khối 1, 2, 3, 4, 5 tạo nên bộ

tự động điều chỉnh kích từ

- Khối 6: Là nguồn kích từ Đây là khối được điều khiển Đại lượng điều khiển là dòng kích từ và điện áp kích từ

- Khối 7: Máy phát đồng bộ là đối tượng điều khiển

Hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ xây dựng theo mô hình cấu trúc trên hệ thống kín, tác động theo sai lệch nên có độ chính xác cao Tuy nhiên hệ thống này có khả năng tác động nhanh hạn chế do tín hiệu qua nhiều khâu động học Khả năng cường hóa

từ kém Với hệ thống này, để cường hóa kích từ, người ta sử dụng rơ le cường hóa kích từ Khi điện áp máy phát điện giảm đột biến 20% Uđm, rơ le cường hóa kích từ tác động ngắn mạch trực tiếp điện trở trong mạch kích từ, tăng nhanh dòng kích từ, phục hồi nhanh điện áp máy phát

ộ điều chỉnh kích từ tác động theo sai lệch hay được sử dụng trong hệ thống kích từ có nguồn kích từ độc lập

1.5.2.2 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ tác động theo tải

Hệ thống điều chỉnh kích từ tác động theo tải tạo quy luật điều chỉnh dòng kích từ trực tiếp theo dòng phụ tải và góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện phần ứng Sơ đồ cấu trúc của hệ thống như hình vẽ 2-5 sau:

Hình 2-5: Sơ đồ khối hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ tác động theo tải

Hệ thống này bao gồm các khối cơ bản sau:

- Khối 1: Khối đo lường Nhiệm vụ của khối này là đo được giá trị dòng phụ tải và góc lệch pha giữa dòng tải và điện áp Điện áp ra của khối đo sẽ là hàm của hai đại lượng chính gây sai lệch điện áp máy phát là dòng I và hệ số công suất cosφ của phụ tải.Nếu khối đo cảm biến được cả hai giá trị I và cosφ, ta sẽ có bộ điều chỉnh kích từ kiểu hỗn hợp pha.Nếu khối đo chỉ cảm biến một giá trị dòng điện, ta

có bộ điều chỉnh kiểu hỗn hợp dòng

- Khối 2: Khối chấp hành Khối này thực hiện quy luật điều khiển dòng theo thuật toán điều chỉnh dòng kích từ máy phát Giá trị điện áp hoawch dòng điện ra của bộ phận chấp hành đồng biến hoặc nghịch biến với điện áp hoặc dòng vào tùy theo dấu của góc pha mà bộ cảm biến đo được Khi góc pha φ>0 (tải điện cảm), dòng ra đồng biến với dòng vào Còn khi góc pha φ<0, dòng ra nghịch biến với dòng vào.Thực tế, nhiều khi người ta kết hợp cả hai khối 1 và 2 trong một phần tử được gọi là biến áp hỗn hợp Điện áp và dòng ra của phần tử này đã thỏa mãn quy luật điều chỉnh kích từ theo dòng điện và pha của nó

- Khối 3: Khối van chỉnh lưu Khối này chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho cuộn kích từ máy phát Nhìn mô hình hệ thống, ta thấy đây là hệ thống hở Độ chính xác của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào các tham số xác lập quy luật điều chỉnh đã được tính toán

và xác định bởi đặc tính của thiết bị đo và bộ phận chấp hành Nếu bộ điều chỉnh tạo được quy luật thay đổi dòng trùng với đặc tính điều chỉnh kích từ máy phát, sẽ đạt độ chính xác ổn định điện áp cao Tuy nhiên, điều này là khó thực hiện Vì vậy,

độ chính xác của hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ này không cao Đạt 5% là thỏa mãn yêu

Đo I, φ

cầu mong muốn Hệ thống này có khả năng tác động nhanh, khả năng cường hóa kích từ tốt

Hình 2-6: Sơ đồ khối hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ liên hợp

Hai, mạch này làm việc độc lập nhau không ảnh hưởng lên nhau

Cách 2: Mạch điều chỉnh theo sai lệch tác động điều khiển hệ số khuếch đại

bộ phận chấp hành của mạch tác động thẳng, do đó hiệu chỉnh mối quan hệ giữa tín hiệu ra so với tín hiệu vào của bộ phận này theo sai lệch của điện áp máy phát

Có thể coi đây là hệ thống tự chỉnh đơn giản, trong đó khối đo-chấp hành tự thay đổi thông số của mình (Hệ số khuếch đại) theo sai lệch của điện áp máy phát

Hình 2-7: Hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ liên hợp

Cả hai hai hệ thống hình 2-6, hình 2-7 có ưu điểm như nhau Tuy nhiên thực

hiện hệ thống theo sơ đồ hình 2-7 có ưu điểm hơn vì các thiết bị của bôh điều chỉnh kích từ không phụ thuộc vào kết cấu máy phát kích từ Muốn tổng hợp hệ thống theo sơ đồ hình 2-6, máy phát có hai cuộn kích từ trở lên

1.5.2.4 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ mạnh

Hệ thống kích từ tổng hợp theo các sơ đồ trên, đại lượng gây tác động điều khiển mới chỉ là giá trị của U, I,  Các hệ thống này được gọi là các hệ thống tác động tỷ lệ ộ điều chỉnh chỉ mới tác động theo sự thay đổi của giá trị Do quán tính

cơ, điện, điện từ trong các khối của bộ điều chỉnh, tác động của bộ điều chỉnh bao giờ cũng bị chậm trễ, do vậy độ chính xác không cao

Để tăng tốc độ tác động của bộ điều chỉnh kích từ, người ta đưa thêm các đại lượng gây tác động điều chỉnh là tốc độ biến thiên của các giá trị điện áp, dòng điện máy phát, dòng điện kích từ, tần số (đạo hàm bậc 1 hoặc đạo hàm bậc hai) Khi đưa thêm các đại lượng dU/dt, dI/dt, dIkt/dt, df/dt, trong lúc biến động của giá trị các đại lượng còn nhỏ chưa ra khỏi vùng không nhạy, nhưng tốc độ biến thiên của các đại lượng trên đã lớn nên bộ điều chỉnh kích từ đã tác động ngay Hệ thống này phản ứng không chỉ với độ lệch của các tham số điều chỉnh mà còn phản ứng với tốc độ biến thiên của các tham số đó ởi vậy, các bộ điều chỉnh kích từ này gọi là các bộ

Khuếch đại Chấp hành Kích từ Máy

điều chỉnh tác động nhanh Chúng có khả năng cường hóa kích từ tốt, độ chính xác điều chỉnh cao, đảm bảo tính ổn định t nh và động của hệ thống điện

Tuy nhiên thực hiện hệ thống như trên rất phức tạp nếu sử dụng các phần tử điện từ, bán dẫn thông thường Chỉ áp dụng k thuật mạch tổ hợp, k thuật vi xử lí thì bài toán trên mới có ý ngh a k thuật thực tiễn

1.6 Khái quát các hệ thống điều chỉnh kích từ

Các bộ điều chỉnh kích từ ban đầu là những bộ tác động kiểu nam châm điện, thay đổi điện trở trong mạch kích từ một cách liên tục hoặc thay đổi gián đoạn điện

áp đặt vào cuộn kích từ Tiếp đến là các bộ điều chỉnh xung điện trở, nó tác động thay đổi gián đoạn điện trở trong mạch kích từ bằng rơle Các bộ điều chỉnh loại này tác động nhanh và chính xác hơn loại trên Khi k thuật điện tử, bán dẫn phát triển, người ta thay tiếp điểm cơ khí bằng tiếp điểm bán dẫn, song nguyên lý điều chỉnh vẫn giữ nguyên

Các bộ điều chỉnh loại này giới hạn ứng dụng trong các máy công suất nhỏ

Để điều chỉnh kích từ các máy công suất vừa và lớn, người ta dùng các bộ điều chỉnh kiểu điện từ, trong đó chỉ sử dụng các phần tử điện từ có điều khiển như máy biến áp hỗn hợp dòng – áp, máy biến áp bão hòa, khuếch đại từ

Gần đây, người ta hay sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ dùng các van điều khiển công suất lớn (Tiristor, Transtor) Các van này vừa đóng vai trò nắn dòng để kích từ, vừa điều chỉnh dòng kích từ trong phạm vi rộng Vì khả năng van có thể thực hiện điều chỉnh dòng áp kích từ trong dải rộng, người ta có thể bỏ máy biến áp nguồn kích từ mà nối trực tiếp vào điện áp ra của máy phát để tạo nguồn kích từ Các van này có thuật toán điều khiển đơn giản, công suất điều khiển nhỏ nên rất thuận lợi cho việc áp dụng k thuật xung – số, k thuật vi tính vào điều khiển

1.6.1 Hệ thống kích từ máy phát điện một chiều

Với các máy phát đồng bộ sử dụng máy điện một chiều làm nguồn kích từ, các bộ điều chỉnh kích từ sẽ tác động lên kích từ của máy kích từ theo hai cách: Thay đổi điện trở trong mạch kích từ hoặc thay đổi dòng bổ sung cho cuộn kích từ Các bộ tự động điều chỉnh kích từ (TĐĐC) loại này thường là các bộ tác

liên hợp Sơ đồ nguyên lý thực hiện tự động điều chỉnh kích từ ở các hệ thống này như hình 2-8a, 2-8b, 2-8c

Hình 2-8a: Sơ đồ nguyên lý TĐĐC kích từ theo sai lệch điện áp ∆U

Hình 2-8b: Sơ đồ nguyên lý TĐĐC kích từ theo dòng máy phát

Hình 2-8c: Sơ đồ nguyên lý TĐĐC kích từ liên hợp dòng, pha

và sai lệch điện áp ∆U

Trong các sơ đồ trên, bộ TĐĐC kích từ theo sơ đồ 2-8c có độ chính xác cao hơn, tác động nhanh hơn hai sơ đồ trên Tuy nhiên hệ thống kích từ với máy kích từ riêng không đạt được khả năng cường hóa kích từ do quán tính điện từ lớn Để cường hóa kích từ khi điện áp máy phát giảm đột ngột < 25% giá trị định mức, người ta dùng rơle cường hóa kích từ, nó ngắn mạch điện trở trong mạch kích từ để tăng nhanh kích từ

1.6.2 Hệ thống kích từ dùng máy điện xoay chiều chỉnh lưu bán dẫn

Máy kích từ một chiều cổ góp có nhược điểm là độ tin cậy thấp, đặc biệt khi làm việc ở tốc độ cao, công suất lớn Ngày nay, người ta thay máy kích từ một chiều chỉnh lưu cổ góp bằng máy kích từ xoay chiều chỉnh lưu bắn dẫn

Sử dụng máy kích từ xoay chiều chỉnh lưu bán dẫn là một bước tiến bộ về k thuật trong hệ thống kích từ máy phát đồng bộ Ngoài việc nâng cao độ tin cậy, nó còn đảm bảo nâng cao được tính ổn định động của hệ thống điều chỉnh kích từ do hằng số thời gian của mạch kích từ nhỏ

Sơ đồ hệ thống kích từ máy phát xoay chiều chỉnh lưu bán dẫn ở hình 2-9a, 2-9b

Trong hai hệ thống này, bộ điều chỉnh kích từ tác động điều chỉnh theo hai

Cách 1: Tác động điều chỉnh dòng kích từ trong cuộn dây kích từ (hình 9a) Van chỉnh lưu sử dụng điôt thông thường

Cách 2: Tác động thay đổi góc dẫn của van chỉnh lưu có điều khiển, từ đó điều chỉnh dòng kích từ của máy phát đồng bộ (hình 2-9b)

Hình 2-9a: Sơ đồ nguyên lý TĐĐC kích từ chỉnh lưu thường

Hình 2-9b: Sơ đồ nguyên lý TĐĐC kích từ chỉnh lưu điều khiển

1.6.3 Hệ thống kích từ không vành trượt

Hệ thống kích từ này có nguyên lý và sơ đồ kích từ như của hệ thống kích từ

dùng máy phát xaoy chiều chỉnh lưu bán dẫn Điều khiển là các phần ứng máy phát

Fkt, chỉnh lưu CL, cuộn kích từ máy phát đồng bộ đặt trên cùng trục quay rotor Với kết cấu như trên ta loại trừ được kết cấu cổ góp, vành trượt Máy phát kích từ thường sử dụng máy phát ba pha tần số cao từ 150 đến 500HZ để giảm hệ số đập mạch của điện áp kích từ

Hệ thống kích từ loại này dùng cho các máy phát công suất tới hàng ngàn

MW

Nhược điểm của hệ thống này là khó kiểm soát được điện áp và dòng kích

từ Người ta kiểm soát điện áp kích từ bằng vành trượt Vành trượt này dẫn dòng rất nhỏ nên không ảnh hưởng gì tới độ tin cậy chung của hệ thống

Các sơ đồ hệ thống kích từ không chổi than trình bày ở hình 10a, 10b, 10c

2-Hình 2-10: Sơ đồ hệ thống kích từ không vành trượt

1.6.4 Hệ thống tự kích từ

Hệ thống kích từ dùng máy kích từ riêng có thể áp dụng cho các máy từ công

suất nhỏ đến công suất lớn, phổ biến là các máy công suất vừa và nhỏ

Ở các máy công suất nhỏ và trung bình, dùng hệ thống tự kích từ là hợp lý nhất vì kết cấu đơn giản, giảm được số phần tử quay, độ tin cậy cao hơn Hệ thống

tự kích từ dùng nguồn trực tiếp từ máy phát qua chỉnh lưu hoặc qua các phần tử t nh

có hằng số thời gian nhỏ nên tăng được khả năng tác động nhanh

Hệ thống tự kích từ thường sử dụng hai loại sau:

1.6.4.1 Hệ thống tự kích qua máy biến áp hỗn hợp có điều khiển

Máy biến áp hỗn hợp ( AHH) là máy có hai cuộn sơ cấp, cuộn dòng điện

W1, cuộn điện áp WU và một cuộn thứ cấp Điện áp trong cuộn thứ cấp là tác động tổng hợp của dòng và áp bên sơ cấp Do cách lấy tín hiệu điện áp và dòng điện, tại mỗi pha của máy biến áp, thành phần véc tơ điện áp luôn vuông góc với thành phần

thành phần tỷ lệ với điện áp Điều này tạo được điện áp bên cuộn thứ cấp luôn tỉ lệ với giá trị dòng điện và hệ số công suất cos của tải

Ngoài các cuộn dây làm việc, AHH còn có một cuộn dây điều khiển để từ hóa mạch từ bằng dòng điện điều khiển một chiều Khi thay đổi dòng điều khiển, các tham số mạch từ của AHH thay đổi, nên dù giá trị dòng và hệ số công suất cos của tải không đổi, s.đ.đ bên cuộn thứ cấp cũng thay đổi Cuộn điều khiển tạo

ra mạch tác động phản hồi theo sai lệch điện áp máy phát

dụng Đặc biệt Tiristor có công suất lớn, trong khi công suất điều khiển nhỏ, dễ điều khiển nên rất thuận tiện khi sử dụng k thuật xung số để điều khiển

Hình 2-12: Hệ thống kích từ dùng Tiristor

Ở hệ thống tự kích từ Tiristor, van Tiristor đảm nhận cả vai trò nắn dòng và điều chỉnh kích từ, do đó nó thay thế luôn nguồn điều chỉnh kích từ Nhờ vậy, kích thước, trọng lượng của toàn hệ thống giảm nhiều so với các hệ thống trước đã xem xét

Chúng ta nghiên cứu những nét khái quát có tính tổng quan về các hệ thống kích từ, làm cơ sở để nghiên cứu sâu về kết cấu, nguyên lý các bộ điều chỉnh kích từ

cụ thể ở các phần sau

1.7 Bộ tự động điều chỉnh kích từ kiểu cơ điện

ộ TĐĐC kích từ kiểu cơ điện là thiết bị sử dụng các phần tử cơ khí kết hợp

với điện tử, điều khiển kích từ của máy phát điện nhờ sự thay đổi tổng trở mạch kích từ bằng các tác động cơ khí Loại thiết bị này thường gặp 2 kiểu:

- Kiểu rơle rung (còn gọi là kiểu con rung)

- Kiểu biến trở

Phương pháp điều khiển điện trở trong mạch kích từ theo hai cách: Điều khiển liên tục và điều khiển gián đoạn

Sau đây sẽ giới thiệu một số loại điển hình

1.7.1 Bộ TĐĐC kích từ kiểu rơle rung

Các phần tử chính của bộ TĐĐC kích từ này là một rơle điện từ có tiếp điểm

này được mắc nối tiêp với mạch từ Trong quá trình làm việc, trạng thái đóng mở của tiếp điểm thay đổi, sẽ làm thay đổi tổng trở của mạch kích từ, từ đó ổn định điện

1 Phần tử đặt: Dùng để đặt giá trị điện áp trung bình điều chỉnh, đó là giá trị điện áp định mức cần xác lập của máy phát Trong hệ thống này, phần tử đặt là lò

xo xoắn LX (có thể điều chỉnh được lực đàn hồi)

2 Cơ cấu so sánh, so sánh giá trị tỷ lệ của điện áp của máy phát điện do bộ phận đo lường là cuộn dây W0 cảm nhận, sau khi biến đổi về lực điện từ với tín hiệu chuẩn (đại lượng đặt) Độ sai lệch của phép so sánh này, sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động đến các cơ cấu tiếp theo Trong bộ TĐÔĐĐA này, cơ cấu đo lường (khối 5) chính là cuộn dây có lõi thép W0 của rơle điện từ

Điện áp trên cuộn W0 biến đổi thành lực điện từ Lực điện từ so sánh với lực căng lò xo tạo nên tín hiệu sai lệch Tín hiệu này tác động thẳng lên cơ cấu chấp hành là tiếp điểm và điện trở trong mạch kích từ

3 Phần tử chấp hành: Nhận tín hiệu điều chỉnh, tác động lên đối tượng để thay đổi đại lượng cần điều chỉnh là dòng kích từ Trong hệ thống TĐÔĐĐA này, phần tử chấp hành là tiếp điểm và điện trở trong mạch kích từ máy phát điện

4 Đối tượng điều chỉnh đó chính là máy phát điện Đây là đối tượng chung của các hệ thống TĐÔĐĐA

Quá trình làm việc, điện trở được đóng gián đoạn vào cuộn dây kích từ Giá trị trung bình của điện trở phụ trong mạch kích từ xác định:

tđ: Thời gian tiếp điểm đóng

tm: Thời gian tiếp điểm mở Khi tm = 0, Rptb = 0

Dòng kích từ thay đổi theo quy luật:

Ở các máy phát trên trạm phát điện, tốc độ của máy phát không đổi nên td và

tm chỉ phụ thuộc vào dòng tải, vào độ nhạy của cơ cấu đo sai lệch điện áp máy phát Tần số đóng mở của tiếp điểm càng lớn, độ chính xác ổn định điện áp ra càng lớn

Đặc tính làm việc của bộ điều chỉnh điện áp kiểu rung như hình 2-14

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống TĐÔĐĐA kiểu rơle rung biểu diễn ở hình 2-13

lá sơ đồ cơ bản, đơn giản Thực tế, để nâng cao chất lượng của hệ thống TĐÔĐĐA

đã nêu ở trên, trong bộ TĐÔĐĐA phải đưa them các bộ phận sau:

- ộ phận gia tốc nhằm tăng tần số rung của tiếp điểm để giảm sai số động của hệ thống ộ phận gia tốc là cuộn dây hoặc điện trở gia tốc

- ộ phận cân bằng để khử sai số t nh do các bộ phận gia tốc gây ra ộ phận

cân bằng là cuộn dây cân bằng hoặc điện trở cân bằng

- ộ phận ổn định điện áp theo nhiệt độ Đưa thêm điện trở bù nhiệt hoặc dùng các giải pháp khác để giảm sai số của hệ thống do nhiệt độ gây ra v.v…Như

vậy, bộ tự động ĐCKT thực tế phức tạp hơn nhiều

Hình 2-14: Đặc tính làm việc của bộ TĐĐC kích từ kiểu biến trở rung

Hệ thống TĐÔĐĐA dung rơle rung có kết cấu như đã giới thiệu ở trên, với kiểu tiếp điểm như hình 2-13, chỉ thích hợp với những loại máy phát điện nhỏ, một chiều, công suất dưới 1000W

Đối với các loại máy phát điện có công suất lớn hơn từ vài chục đến vài trăm

KW, người ta sử dụng những bộ tự động ĐCKT kiểu rung có cấu trúc hoàn thiện hơn

Một hệ thống như vậy được biểu diễn trên hình 2-15

Ở sơ đồ này, cơ cấu đo lường là cuộn dây có lõi thép M Các cuộn dây này

cảm biến với đại lượng cần ổn định là điện áp máy phát, các đại lượng gây biến động điện áp là dòng điện tải, dòng điện và điện áp kích từ Cuộn dây điều khiển chính là Wrg, nhận điện áp tỷ lệ với điện áp máy phát điện thông qua hai biến áp

TR1, TR2 và chỉnh lưu CL1 Cuộn dây Sg nhận dòng điện và cuộn dây Sv nhận điện

áp của máy kích từ Cuộn dây Sb nhận dòng điện và cuộn dây Vb nhận điện áp từ cuộn dây kích từ của máy kích từ Các cuộn dây Sb, Vg, Sb, Vb cùng quấn trên lõi thép M cùng với cuộn dây Wrg, với cách thu nhận các tín hiệu tác động như trên, mà tính ổn định và độ chính xác của hệ thống được nâng cao

Qua cách nối dây vào các điện trở OS1, OS2 ta có nhận xét:

- Điện áp rơi trên OS1 gồm hai thành phần: Một thành phần đo điện áp dây

Uxz gây ra, một thành phần đo dòng điện pha Iy tạo nên

- Điện áp rơi trên OS2 cũng gồm hai thành phần: Một thành phần đo điện áp dây Uxy gây ra, một thành phần đo dòng điện pha Iz tạo nên

Với cách mắc như trên, thành phần cảm ứng với dòng và thành phần cảm ứng với điện áp vuông góc với nhau, ta tạo được bộ đo tín hiệu cảm ứng theo giá trị

và tính chất của phụ tải cos

Hình 2-15: Hệ thống TĐÔĐĐA kiểu rung dùng cho máy phát xoay chiều

Như vậy, điện áp đặt vào cuộn điều khiển Wrg sẽ phụ thuộc vào cả điện áp dây, điện áp pha và các dòng điện tải của máy phát điện Do đó sức từ động của cuộn Wrg sẽ phụ thuộc cả điện áp, dòng điện và hệ số phụ tải cos của máy phát điện ởi vậy hệ thống TĐÔĐĐA kiểu rung như sơ đồ hình 2-15 là hệ thống TĐÔĐĐA tác động hỗn hợp

Tổng đại số các sức từ động do các cuộn dây: Wrg, Sg, Vg, Sb, Vb tạo ra trên lõi thép M lực từ hóa tổng hợp, điều khiển sự đóng, mở của các cặp tiếp điểm K1,

K2 kết hợp với các điện trở phụ DR, Dk, Dz mà điều chỉnh dòng kích từ của máy kích từ một cách thích hợp, để duy trì điện áp của máy phát điện ổn định ở giá trị định mức

1.8 Bộ tự động điều chỉnh kích từ kiểu điện từ

ộ TĐĐC kích từ kiểu điện từ tổ hợp từ các phần tử điện từ như cảm biến, biến dòng, khuyếch đại từ…để điều khiển kích từ của máy phát

Các hệ thống TĐÔĐĐA sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ kiểu này được xây dựng trên hai nguyên tắc

- Hệ thống tác động theo nhiễu loạn (dòng và pha của phụ tải)

- Hệ thống tác động hỗn hợp (theo sai lệch điện áp và dòng, pha phụ tải) Sau đây sẽ giới thiệu một số loại điển hình

1.8.1 Hệ thống TĐÔĐĐA điện từ kiểu hỗn hợp dòng

Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐÔĐĐA hỗn hợp dòng như hình 2-16

Hình 2-16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐÔĐĐA hỗn hợp dòng

Hệ thống này gồm máy biến dòng TI, máy biến áp A, bộ chỉnh lưu CL và

điện trở phụ tải của biến dòng R1 Máy phát điện và máy kích từ cùng với các phần

tử trên tạo thành một hệ thống TĐÔĐĐA mạch hở

Cơ cấu đo lường của hệ thống này là biến dòng Dòng thứ cấp của máy biến dòng tỷ lệ với dòng điện tải

Một phần của dòng thứ cấp này, qua biến ap A để biến thành điện áp thích hợp và được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều, cung cấp bổ sung cho cuộn dây kích từ của máy kích từ Dòng điện bổ sung Ih biến đổi phụ thuộc vào giá trị của dòng điện phụ tải, sẽ làm thay đổi dòng kích từ của máy phát một cách hợp lý để bù trừ sự biến đổi điện áp của máy phát khi giá trị dòng tải máy phát thay đổi

Máy biến áp A còn gọi là biến áp phân cách nhằm tạo nên điện áp thích hợp và ngăn cách mạch điện xoay chiều với mạch điện một chiều (mạch kích từ) Điện trở R1 là điện trở tải của biến dòng D, nhằm thiết lập chế độ làm việc định mức của máy biến dòng đo lường

Điện trở R2 trong mạch kích từ có vai trò của một biến trở đặt, nhằm xác định giá trị điện áp trung bình của máy phát

Với các phần tử của hệ thống này, ta thấy dòng hỗn hợp Ih chỉ tỷ lệ với giá trị dòng điện phụ tải, không phụ thuộc vào tính chất tải Do đó giá trị điện áp điều chỉnh sẽ bị thay đổi theo hệ số công suất của phụ tải cos với cùng một giá trị dòng điện tải Đặc tính ngoài của máy phát có thiết bị hỗn hợp dòng điện tương ứng với

hệ số công suất của phụ tải khác nhau được thể hiện ở hình 2-17 Đặc tính này có

dạng đường cong là do hiện tượng bão hòa từ của lõi thép máy phát

Hình 2-17: Đặc tính ngoài máy phát với bộ ĐCKT hỗn hợp dòng

Thành phần cảm kháng của dòng điện phụ tải càng nhỏ, tác dụng khử từ càng nhỏ, vị trí của đường cong càng cao Ngoài ra vị trí của các đường cong còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt độ môi trường càng cao, điện áp càng cao Đoạn đầu của đặc tính dốc xuống là do lúc này dòng phụ tải còn nhỏ nên dòng thứ cấp của biến dòng nhỏ, điện áp trên điện trở R1 nhỏ, và do đó điện áp sau biến áp A đặt vào chỉnh lưu CL còn nhỏ, chưa đủ mở chỉnh lưu nên chưa có dòng hỗn hợp Ih

Đoạn này đặc tính sẽ trùng với đặc tính của máy phát khi không có bộ điều chỉnh Khi phụ tải đạt khoảng 10% giá trị đinh mức, thì mới có dòng hỗn hợp Ih

Hệ thống tự động ổn định điện áp kiểu hỗn hợp dòng điện có kết cấu đơn giản, độ tin cậy làm việc cao, không phải bảo dưỡng Nhược điểm lớn nhất của nó

là có độ chính xác thấp, dạt khoảng ±10% Đặc tính ngoài phụ thuộc nhiều vào hệ

số công suất của phụ tải và sai lệch điện áp so với giá trị định mức thay đổi dấu gây khó khăn cho việc phân phối đều công suất phản kháng giữa các trạm máy phát làm việc song song

Hệ thống TĐÔĐĐA kiểu hỗn hợp dòng điện thường chỉ được sử dụng trong các trạm máy phát chuyên dung với một loại phụ tải, phụ tải ít thay đổi hệ số công

suất, không làm việc song song, yêu cầu độ chính xác thấp hoặc sử dụng như là một kênh tác động trong hệ thống TĐÔĐĐA phức tạp hơn

Với các trạm máy phát đòi hỏi độ chính xác ổn định điện áp cao hơn, phải sử dụng hệ thống TĐÔĐĐA kiễu hỗn hợp pha

1.8.2 Hệ thống TĐÔĐĐA điện từ kiểu hỗn hợp pha

Một sơ đồ nguyên lý của hệ thống được trình bày trên hình 2-18

Hình 2-18: Sơ đồ hệ thống TĐÔĐĐA hỗn hợp pha đơn giản

Máy biến áp AHH có hai cuộn dây sơ cấp: Cuộn điện áp và cuộn dòng

điện Cuộn điện áp tạo tín hiệu tỉ lệ với điện áp; cuộn dòng điện tạo tín hiêu tỉ lệ với dòng điện Nhờ cách mắc cuộn dòng ở pha độc lập với cuộn áp mà tạo được tín hiệu dòng vuông pha và vượt trước về thời gian khi tải thuần trở Nhờ đó tạo được dòng điện bổ sung cho kích từ phụ thuộc vào cả giá trị và dòng điện phụ tải theo đúng thuật toán điều khiển kích từ để ổn định điện áp

Do cách nối dây như hình 2-18 mà s.đ.đ cung cấp cho chỉnh lưu gồm hai

thành phần là EU và E1 (điện áp rơi trên điện trở R), E1 luôn cùng pha với dòng điện tải Khi tải thuần trở, E1 vuông pha và vượt trước EU Người ta chế tạo AHH có đặc tính EU không phụ thuộc điện áp máy phát ở vùng làm việc của nó (đặc tính dạng bão hòa) Đây là nguyên lý cơ bản tạo nên bộ TĐÔĐĐA hỗn hợp pha

Khi phụ tải thuần trở, điện áp đặt vào chỉnh lưu Cl là:

Trường hợp cos không đổi, dòng biến động cũng gây tác động điều chỉnh kích từ theo sự biến động của dòng tải như bộ ổn định hỗn hợp dòng

Hình 2-19: Sơ đồ véc tơ điện áp kích từ

Khi tải mang tính điện dung (<0, cos<0), góc lệch pha giữa hai thành phần theo dòng và áp nhỏ hơn 900, làm điện áp kích từ giảm xuống

Do dòng kích từ của máy phát kích từ được điều chỉnh phụ thuộc vào cả giá trị phụ tải và tính chất phụ tải, do đó ổn định có độ chính xác cao hơn hệ thống hỗn hợp dòng, có thể đạt đến ±5%

Để tăng cao độ chính xác, biến áp hỗn hợp AHH sử dụng biến áp ba pha Chỉnh lưu cấp dòng kích từ dùng chỉnh lưu cầu ba pha (sơ đồ hình 2-20)