NGHIÊN cứu điều KHIỂN hệ THỐNG KÍCH từ của máy PHÁT điện ĐỒNG bộ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ф Từ thông cực từ rotor Wb f Tần số Hz n Tốc độ quay của rotor vòng/phút p Số đôi cực của rotor ω Tốc độ góc của máy phát rad/s E0 Sức điện động pha V Eưq Sức điện

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ

CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: CB101058

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN

HÀ NỘI - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình tìm hiểu nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn cùng các thầy cô trong bộ môn và các nguồn tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả nghiên cứu là trung thực

Học viên

Vũ Văn Vương

MỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA 01

LỜI CAM ĐOAN 02

MỤC LỤC 03

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 05

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 06

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 07

LỜI NÓI ĐẦU 09

Chương 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 11

1.1 Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ 11

1.2 Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ 12

1.2.1 Phân loại và ứng dụng 12

1.2.2 Cấu tạo 13

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 15

1.4 Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ 17

1.4.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ 17

1.4.2 Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ 18

1.4.2.1 Tải đối xứng thuần trở 19

1.4.2.2 Tải đối xứng thuần cảm 21

1.4.2.3 Tải đối xứng thuần dung 21

1.4.2.4 Tải đối xứng hỗn hợp 22

1.4.3 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ 23

1.4.4 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ 24

1.4.5 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ 25

1.4.6 Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ 26

1.4.7 Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ 28

1.5 Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của máy phát điện đồng bộ 29

1.5.1 Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 29

1.5.2 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng 31

1.5.2.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P 31

1.5.2.2 Điêu chỉnh công suất phản kháng Q 34

1.6 Hệ thống kích từ máy phát 37

1.6.1 Khái niệm chung 37

1.6.2 Phân loại hệ thống kích từ 39

1.6.2.1 Hệ thống kích từ một chiều 39

1.6.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều 41

1.6.2.3 Hệ thống kích từ tĩnh 42

Chương 2 HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỂN HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP AVR 44

2.1 Các khối chức năng của hệ thống kích từ 44

2.1.1 Bộ kích 44

2.1.1.1 Cách tạo nên dòng điện xoay chiều 44

2.1.1.2 Mạch chỉnh lưu cấp nguồn cho rotor 47

2.1.2 Bộ điều chỉnh điện áp AVR 61

2.1.3 Bộ cảm biến điện áp 61

2.1.4 Bộ hạn chế và bảo vệ 61

2.1.4.1 Giới hạn dưới kích từ 61

2.1.4.2 Bộ giới hạn quá kích thích 62

2.1.4.3 Giới hạn dòng phần ứng 63

2.1.4.4 Giới hạn bảo vệ V/Hz 64

2.1.4.5 Mạch diệt từ 64

2.1.4.6 Bảo vệ chạm đất rotor 65

2.1.4.7 Bảo vệ quá áp cho rotor 66

2.2 Bộ điều chỉnh điện áp AVR 68

2.2.1 Bộ AVR 70

2.2.2 Bộ điều chế và tạo xung 71

2.2.3 Bộ khuếch đại xung và máy biến áp xung 75

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 76

3.1 Quá trình mồi từ ban đầu 76

3.2 Quá trình tạo điện áp đặt tự động 79

3.3 Chức năng bảo vệ trong hệ thống kích từ 80

3.4 Tổng hợp hệ thống kích từ 87

Chương 4 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS 91

4.1 Dao động của máy điện đồng bộ 91

4.2 Chức năng ổn định hệ thống điện - PSS 91

4.3 Mô hình bộ ổn định hệ thống điện 92

4.4 Mô phỏng hệ thống 96

KẾT LUẬN 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ф Từ thông cực từ rotor (Wb)

f Tần số (Hz)

n Tốc độ quay của rotor (vòng/phút)

p Số đôi cực của rotor

ω Tốc độ góc của máy phát (rad/s)

E0 Sức điện động pha (V)

Eưq Sức điện động ngang trục (V)

Eưd Sức điện động dọc trục (V)

U Điện áp đầu cực máy phát (V)

I, It Dòng điện stator, dòng điện kích từ (A)

Iq Dòng điện stator ngang trục (A)

Id Dòng điện stator dọc trục (A)

Xưq, Xq Điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục, đồng bộ ngang trục

Xưd, Xd Điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục, đồng bộ dọc trục

Et, Xt Sức điện động tản, điện kháng tản

φ Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện stator

θ, Ψ Góc lệch pha giữa E0 và U, giữa E0 và I

Ft, Fư Từ trường cực từ, từ trường phần ứng

P, Q Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát

B Cảm ứng từ của dòng điện kích từ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PSS Bộ ổn định hệ thống điện – Power System Stabilizer

AVR Bộ tự động điều chỉnh điện áp – Automatic Voltage Regulator s.đ.đ Sức điện động

ĐC Bộ điều chế xung

TX Bộ tạo xung

KĐ Bộ khuếch đại xung

BAX Biến áp xung

G-Th Cực gate của thyristor

RC Bộ điều chế xung

SS Bộ so sánh xung

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Máy phát điện đồng bộ 12

Hình 1.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ 13

Hình 1.3 Cấu tạo rotor máy phát điện đồng bộ 14

Hình 1.4 Đồ thị vector điện áp máy phát điện 19

Hình 1.5 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần trở 20

Hình 1.6 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần cảm 21

Hình 1.7 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần dung 22

Hình 1.8 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực từ và từ trường phần ứng ở tải hỗn hợp 23

Hình 1.9 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ 24

Hình 1.10 Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ 24

Hình 1.11 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ 26

Hình 1.12 Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ 27

Hình 1.13 Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ 28

Hình 1.14 Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát cực lồi 32

Hình 1.15 Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi 33 Hình 1.16 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ 35

Hình 1.17 Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ 36

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống kích từ 44

Hình 2.2 Dòng điện tạo ra cảm ứng từ 45

Hình 2.3 Cấu trúc bán dẫn của thyristor 47

Hình 2.4 Đặc tính vôn-ampe của thyristor 48

Hình 2.5 Yêu cầu đối với xung điều khiển của thyristor 51

Hình 2.6 Chỉnh lưu hình tia ba pha 54

Hình 2.7 Dạng điện áp và dòng điều khiển các van 55

Hình 2.8 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 56

Hình 2.9 Dạng điện áp và dòng điện điều khiển các van 57

Hình 2.10 Giới hạn dòng điện phần ứng 63

Hình 2.11 Bảo vệ chạm đất rotor 66

Hình 2.12 Bảo vệ quá áp rotor 67

Hình 2.13 Bộ crow bar 67

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tạo góc mở van 69

Hình 2.15 Bộ điều chế 71

Hình 2.16 Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa tuyến tính 72

Hình 2.17 Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa cosin 73

Hình 3.1 Hệ thống kích từ tự kích 76

Hình 3.2 Sơ đồ khối của quá trình mồi từ 77

Hình 3.3 Tạo giá trị đặt trong chế độ bình thường 79

Hình 3.4 Tạo giá trị đặt trong chế độ nạp đường dây 80

Hình 3.4 Bảo vệ quá kích từ 82

Hình 3.5 Bảo vệ quá dòng stator 84

Hình 3.6 Bảo vệ thiếu kích từ 87

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab 88

Hình 3.8 Điện áp giá trị đặt 88

Hình 3.9 Điện áp đầu ra của máy phát 89

Hình 3.10 Dòng điện kích từ và công suất của máy phát 89

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất hệ thống 93

Hình 4.2 Bộ ổn định công suất PSS 94

Hình 4.3 Công suất đầu ra của máy phát 96

Hình 4.4 Sơ đồ tổng hợp hệ thống kích từ 97

LỜI NÓI ĐẦU

Định hướng để đất nước phát triển đi lên luôn là vấn đề quan trọng trong thời kỳ hiện nay của nước ta Phát triển đất nước gắn liền với đầu tư và phát triển các ngành công nghiệp, và ngành công nghiệp đầu tiên là các ngành công nghiệp năng lượng đặc biệt là điện năng Tập đoàn điện lực nước ta biết được nhiệm vụ quan trọng của mình nên không ngừng tìm kiếm ra phương thức để phát triển ngành công nhiệp này Với tình hình đó tập đoàn luôn luôn tìm kiếm thăm dò những nguồn năng lượng có thể tái tạo được và tập đoàn tập trung khai thác nguồn năng lượng thủy năng của nước ta Qua quá trình nghiên cứu khảo sát tập đoàn đã lựa chọn Sơn La để xây dựng thủy điện lớn nhất Đông Nam Á với nguồn thủy năng lấy trên con sông Đà Trong nhà máy sản xuất điện máy phát là phần tử không thể thiếu và bộ phận đóng vai trò quan trọng là hệ thống kích từ Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật

và các thiết bị điện thì hệ thống kích từ không ngừng cải tiến công nghệ và phát triển Qua quá trình làm việc tìm hiểu nắm bắt công nghệ với hệ thống kích từ tôi thấy cần nắm bắt công nghệ mới này để vận hành sửa chữa và có thể ứng dụng để cải tạo các hệ thống kích từ công nghệ cũ ở các nhà máy khác và tạo điều kiện trong tương lai làm tiền đề để các nhà máy phát điện có thể ứng dụng công nghệ ổn định hệ thống điện PSS trong hệ hệ thống kích từ vào trong hệ thống điện Đồng thời đây cũng là một tài liệu thực tiễn cho các sinh viên, học viên tham khảo

Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu tôi lựa chọn đề tài: “ nghiên cứu điều khiển

hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ” Nội dung luận văn bao gồm những phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về máy phát điện đồng bộ và hệ thống kích từ

trong máy phát điện đồng bộ

Chương 2: Hệ thống kích từ điển hình và bộ điều chỉnh điện áp AVR Chương 3: Điều khiển hệ thống

Chương 4: Ổn định hệ thống điện PSS

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp tôi đã hoàn thành bản đồ án này Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn cùng các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tuy nhiên,

do trình độ bản thân còn hạn chế và thời gian có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Tôi kính mong được sự hướng dẫn và góp ý của các thầy cô để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ

1.1 Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là một loại máy điện đồng bộ biến cơ năng thành điện năng, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác Máy điện đồng bộ là loại máy điện quay có tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường phần ứng n1 Ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi tải thay đổi

Máy phát điện đồng bộ là thiết bị chính để cung cấp điện năng cho nền kinh tế quốc dân Nó có vai trò cung cấp công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) cho các phụ tải điện Đặc biệt chúng có thể phối hợp điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa các máy phát trong một hệ thống điện sao cho phù hợp với yêu cầu của phụ tải

1.2 Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ

1.2.1 Phân loại và ứng dụng

Hình 1.1 Máy phát điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ gồm có hai loại cơ bản:

+ Máy phát điện đồng bộ cực ẩn (Hình 1.1.a)

Loại này thường có trục quay nằm ngang chiều dài lớn, đường kính nhỏ hoạt động với tốc độ cao Loại này thường được kéo bởi turbine hơi và tuabine khí được dùng chủ yếu ở các nhà máy nhiệt điện đốt than, khí gas hay trong các nhà máy điện nguyên tử

+ Máy phát đồng bộ cực lồi (Hình 1.1.b)

Loại này thường có trục quay thẳng đứng chiều dài ngắn nhưng có đường kính lơn hoạt động với tốc độ thấp Loại này thường được kéo bởi turbine nước và được dùng chủ yếu ở các nhà máy thủy điện

1.2.2 Cấu tạo

Hình 1.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Roto Hình 1.2 mô tả cấu tạo điển hình của máy phát đồng bộ trong đó:

Armature winding : Dây quấn phần ứng

- Rotor cực ẩn:

Rotor cực ẩn làm bằng lõi thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rotor bao gồm các bối dây đồng và được cố định bằng các nêm thép không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục của rotor nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn kích từ Với loại rotor này thường có số cực 2p=2, tốc độ quay rotor lớn đường kính rotor nhỏ nhưng chiều dài lớn và thường dùng cho các máy phát công suất lớn

- Rotor cực lồi:

Rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ được ghép từ các lá thép dày 1-5 mm Dây quấn kích từ

là các cuộn dây đồng được lồng vào thân cực Với loại rotor này thường có số cực 2p  4, tốc độ quay rotor chậm, đường kính rotor lớn và chiều dài ngắn

và thường dùng cho các máy phát công suất nhỏ và trung bình

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp ( như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiêt năng của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào turbine nối với rotor của máy phát Khi rotor được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor cắt qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị

số hiệu dụng:

E0 = Ke.Φ.f (1.1)

Ke = 4,44 W1.Kdq (1.2) Trong đó:

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 1200 điện Cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 1200 Khi dây quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dòng điện ba pha Giống như máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là:

phát bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát để thay đổi suất điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của máy phát

1.4 Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ

Khi vận hành bình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối xứng Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát Công suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép nhỏ hơn hoặc bằng công suất định mức Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lượng như điện áp, dòng điện đầu cực máy phát, dòng kích từ, hệ số công suất cos , tần số f và tốc độ quay n ta có thể xây dựng nên các đặc tính làm việc

Để phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng chủ yếu là điện áp stator U, dòng điện stator I và dòng điện kích từ

If để thành lập các đường đặc tính làm việc

1.4.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát điện làm việc, từ trường cực từ Φ sinh ra sức điện động E0 ở dây quấn stator Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải

Xét máy phát điện cực lồi vì khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên

ta phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục

Từ trường phản ứng phần ứng ngang trục tạo nên sức điện động ngang trục:

Eưq = -j.Iq.Xưq (1.5) Trong đó:

Eưq là sức điện động ngang trục (V)

Xưq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục (Ω)

Iq Là dòng điện ngang trục (A)

Từ trường phản ứng phần ứng dọc trục tạo nên sức điện động dọc trục:

Eưd = -j.Id.Xưd (1.6)

U = E0 – j.Id.Xưd – j.Id.Xt – j.Iq.Xưq – j.Iq.Xt (1.8.1)

U = E0 – j.Id.(Xưd + Xt) – j.Iq.(Xưq+Xt) (1.8.2) Đặt:

Xd = Xưq+ Xt :là điện kháng đồng bộ dọc trục

Xq = Xưq + Xt :là điện kháng đồng bộ ngang trục

Ta có thể viết gọn lại

U = E0 – j.Id Xd – j.Iq Xq (1.9) Phương trình (1.9) tương ứng với đồ thị véc tơ (Hình 1.4a) ta thấy góc lệch pha điện áp U và sức điện động E0 do tải quyết định

Đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ cực ẩn được vẽ trên hình 1.4b

Hình 1.4 Đồ thị vector điện áp máy phát điện a Cực lồi b Cực ẩn

1.4.2 Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ

Khi máy phát điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh

ra từ trường của dây quấn stato còn gọi là từ trường phần ứng Tùy theo tính chất của tải mà trục từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với trục từ trường cực từ Như vậy tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ (hay phản ứng phần ứng) sẽ mang tính chất khác nhau tùy theo tính chất của tải trở, tải kháng hay tải dung

Xét tương quan về không gian giữa từ trường phần ứng và từ trường cực từ trong trường hợp máy điện hai cực có m = 3 và mỗi pha được tượng trưng bởi một vòng dây Các sức điện động (s.đ.đ) và dòng điện trong ba pha là hình sin

1.4.2.1 Tải đối xứng thuần trở

Khi tải là đối xứng và thuần trở thì dòng điện ba pha trong dây quấn stator

sẽ trùng pha với các s.đ.đ tương ứng (Ψ = 00) Xét tại thời điểm dòng điện pha

A đạt cực đại

Hình 1.5 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường

cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần trở

Như vậy vị trí không gian của từ trường quay của phần ứng Fư trong trường hợp đó có chiều trùng với trục của dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại Vì từ thông xuyên qua pha A cực đại trước s.đ.đ trong pha đó một phần

tư chu kỳ nên khi s.đ.đ của pha A cực đại thì cực từ đã quay được một góc Π/2 so với vị trí trục cực từ trùng với trục pha A là lúc từ thông xuyên qua pha A có trị số cực đại Như vậy vị trí không gian của trục cực từ là vuông góc với trục của pha A (tức là vuông góc với chiều của từ trường Fư) Ta kết luận ở tải thuần trở, phương của Fư vuông góc với phương của Ft và phản ứng phần ứng là ngang trục

1.4.2.2 Tải đối xứng thuần cảm

Hình 1.6 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực

từ và từ trường phần ứng ở tải thuần cảm

Ở tải thuần cảm, s.đ.đ E vượt trước dòng điện I một góc 900 (ψ = + 900), nên ở thời điểm iA = Im thì cực từ đã quay thêm một góc Π/2 so với vị trí của

nó ở trường hợp tải thuần trở Ta thấy ở đây Fư và Ft cùng phương (nghĩa là dọc theo trục cực từ) nhưng ngược chiều nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục khử từ

1.4.2.3 Tải đối xứng thuần dung

Hình 1.7 Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực

từ và từ trường phần ứng ở tải thuần dung

Ở tải thuần dung, s.đ.đ E chậm sau dòng điện I một góc 900 (ψ = - 900), nên ở thời điểm iA = Im thì cực từ còn phải quay thêm một góc Π/2 nữa mới đến vị trí của nó ở hình 1.7 Ta thấy ở đây Fư và Ft cùng phương cùng chiều nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ

1.4.2.4 Tải đối xứng hỗn hợp

và trợ từ

1.4.3 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

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

Dạng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác

nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:

E* =  

đ (1.10.1)

và I* =

   đ (1.10.2) Trong đó:

Itđm0 là dòng điện không tải khi U = Uđm

Mạch từ của máy phát turbine hơi bão hòa hơn mạch từ của turbine nước

Ta có đặc tính không tải trên Hình 1.9

Hình 1.9 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

1.4.4 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) Khi it = const; cos = const và f = fđm Đặc tính ngoài cho thấy lúc dòng điện kích từ không đổi, điện áp máy phát thay đổi theo tải Để có đặc tính này phải thay đổi I sao cho cos = const

rồi đo U,I tương ứng với giá trị khác nhau của tải

Hình 1.10 Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ

Từ hình 1.10 ta thấy đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải Nếu tải

có tính cảm, khi I tăng phản ứng phần ứng bị khử từ, điện áp giảm nên đường đặc tính đi xuống Nếu tải có tính dung kháng thì I tăng, phản ứng phần ứng

là trợ từ, điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên Khi tải là thuần trở

thì đường đặc tính gần như song song với trục hoành

Độ thay đổi điện áp định mức ∆Uđm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cos đm

đến không tải theo điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Trị số ∆Uđmthường biểu thị phần trăm của điện áp định mức

∆Uđm(%) =   đ

đ

(1.11) Trị số ∆Uđm của máy phát điện có thể xác định bằng thực nghiệm trực tiếp trên máy đã chế tạo

1.4.5 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính điều chỉnh là quan hệ: it = f(I) Khi U = const; cos = const và

f = fđm Đặc tính này cho biết chiều hướng điều chỉnh dòng điện it của máy phát sao cho điện áp U ở đầu cực của máy phát là không đổi

Khi lấy đặc tính điều chỉnh phải thay đổi tải và thay đối it để có hệ số góc cos = const và U = const

1.4.6 Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ giữa điện áp U đầu cực máy phát với dòng kích từ it : U = f(it) khi dòng điện tải I = const, cos = const và f = fđm

Với các trị số khác nhau của I và cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau Trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm tương ứng với cos = 0 ( =  2 ) và I = Iđm

Để có đặc tính đó ta phải điều chỉnh rt và Zt (cuộn cảm) sao cho I = Iđm

Hình 1.12 Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ

Từ hình 1.12 trình bày các đường đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải I của máy phát điện đồng bộ Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra từ đặc tính không tải (đường 1) và tam giác điện kháng bằng cách tịnh tiến tam giác điện kháng sao cho đỉnh A của tam giác tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C tạo thành đặc tính tải thuần cảm (đường 3)

Thành lập tam giác điện kháng: Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2) cho

In= Iđm tương ứng với dòng kích thích itn ta có sức từ động ( viết tắt là stđ)

Ftn Itn = OC có thể phân tích thành hai thành phần: thành phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = kưd.Fưd sinh ra Eưd và thành phần còn lại

OB = OC – BC sinh ra stđ tản từ Eδư = Iđm.Xδư = AB Điểm A nằm trên đường đặc tính không tải có mạch từ không bão hòa Tam giác ABC gọi là tam giác điện kháng Các cạnh AB và BC của tam giác này đều tỉ lệ với dòng điện định mức Iđm

Thực tế do ảnh hưởng của bão hòa đặc tính tải thuần cảm có được bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và có dạng như đường nét đứt Nguyên nhân

là do dòng điện kích từ tăng, cực từ của máy càng bão hòa do từ thông tản của dây quấn kích từ lớn hơn thì stđ của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ càng lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn

1.4.7 Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In= f(It) khi U = 0 và f = fđm (khi dây quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy)

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (rư = 0) thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (Ψ = ) như vậy Iq = IcosΨ = 0 còn

Id = IsinΨ = I Khi đó ta có đặc tính ngắn mạch như sau:

Hình 1.13 Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ

Tỉ số ngắn mạch K: Là tỉ số giữa dòng điện ngắn mạch In0 tương ứng với dòng điện kích thích sinh ra sức điện động E = Uđm khi không tải với dòng định mức Iđm nghĩa là:

phát điện đồng bộ không lớn do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần

ứng Với máy phát có tỉ số ngắn mạch K càng lớn thì máy phát có ưu điểm

cho độ thay đổi điện áp ∆U nhỏ và sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho

máy làm việc ổn định khi tải dao động, tuy nhiên kích thước của máy lớn giá thành đắt Thông thường K = 0.5  1.0 với turbine hơi và 0.8 1.0 với

turbine nước

1.5 Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của

máy phát điện đồng bộ

1.5.1 Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song

Trong mỗi nhà máy điện thường có đặt nhiều máy phát điện đồng bộ và nói

chung các nhà máy điện đều làm việc trong hệ thống điện lực Như vậy trong hệ thống điện lực có rất nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song

song Việc nối các máy phát điện làm việc chung trong hệ thống điện là cần

thiết, vì có ưu điểm giảm bớt vốn đầu tư đặt máy phát điện dự trữ đề phòng

sửa chữa và sự cố để đảm bảo an toàn cung cấp điện hoặc sử dụng hợp lý các

nguồn năng lượng như các trạm thủy điện làm việc với công suất lớn trong mùa mưa lũ để giảm bớt công suất của các trạm nhiệt điện, do đó tiết kiệm được nhiên liệu trong thời gian đó, nói tóm lại là nâng cao được các chỉ tiêu kinh tế và kĩ thuật khi thiết kế và vận hành

Khi ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong hệ thống điện lực hoặc với một máy phát điện đồng bộ khác theo phương pháp hòa đồng bộ chính xác phải đảm bảo các yêu cầu sau :

1 Điện áp của máy phát UF phải bằng điện áp của lưới điện UL

2 Tần số của máy phát fF phải bằng tần số của lưới điện fL

3 Thứ tự pha của máy phát phải giống số thứ tự pha của lưới điện

4 Điện áp của máy phát và của lưới điện phải trùng pha nhau

Nếu không đảm bảo các điều kiện trên thì sẽ có dòng điện lớn chạy quanh trong máy và dòng điện xung khi đóng cầu dao lớn có thể phá hỏng máy và gây rối loạn hệ thống điện

Giải quyết các yêu cầu hòa đồng bộ:

1 Việc điều chỉnh điện áp UF của máy phát điện đồng bộ được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy phát

2 Tần số của máy phát fF được điều chỉnh bằng cách thay đổi Momen hoặc tốc độ quay của turbine kéo máy phát điện

3 Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiểm tra bằng đèn, vonmet có chỉ số không hoặc dụng cụ đo đồng bộ

4 Thứ tự pha của máy phát điện chỉ được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hòa đồng bộ lần đầu tiên

Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện nói trên gọi là hòa đồng bộ chính xác máy phát điện và thường dùng thiết bị

hòa đồng bộ (theo kiểu ánh sáng đèn hoặc kiểu điện từ) Ngoài ra trong một

số trường hợp với máy phát điện công suất nhỏ có thể dùng phương

pháp hòa đồng bộ không chính xác nghĩa là không cần phải so sánh tần số,

trị số góc pha các điện áp của máy phát điện cần được ghép song song và

lưới điện Đây gọi là phương pháp tự đồng bộ

Phương pháp tự đồng bộ được thực hiện như sau:

Dây quấn kích từ không đóng vào nguồn điện kích từ mà khép mạch

qua điện trở phóng điện, để tránh xuất hiện điện áp cao, phá hỏng dây

quấn kích từ Quay Rotor đến gần tốc độ đồng bộ, sau đó đóng máy phát vào

lưới và cuối cùng sẽ đóng dây quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy sẽ

làm việc đồng bộ

1.5.2 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng

1.5.2.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P

+ Khi máy phát làm việc trong lưới điện có công suất vô cùng lớn

Do đó ta có:

P = mUI cos = mUIcos(Ψ – θ) (1.19.1)

P = m.U(I cosΨ.cosθ + IsinΨ.sinθ) (1.19.2)

P = m.U(Iq.cosθ + Id.sinθ) (1.19.3)

P =   .   (1.19.4)

P = .     2 (1.19.5)

P = Pe + Pu (1.19.6) Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện thì phải thay đổi góc tải θ, nghĩa là thay đổi giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy nhờ bộ điều tốc turbine

Hình 1.15 Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi

Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần chú ý máy phát điện đồng bộ chỉ hoạt động ổn định khi 0 < θ < θđm

+ Khi máy phát công suất tương tự nhau làm việc song song:

Giả sử có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song Trong trường hợp này trong điều kiện tải của lưới điện không đổi khi tăng công suất tác dụng của một máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới và khiến cho hộ tiêu thụ điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác tần số định mức Vì vậy để giữ cho f = const thì khi tăng công suất tác dụng của máy này thì phải giảm công suất tác dụng của máy kia Chính bằng cách này mà có thể thay đổi sự phân phối công suất tác dụng giữa hai máy

1.5.2.2 Điêu chỉnh công suất phản kháng Q

+ Khi máy phát làm việc trong lưới điện có công suất vô cùng lớn:

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:

Q = m.U.I.sin = m.U.I.sin(Ψ – θ) (1.20.1)

Q = m.(U.I.sinΨ.cosθ – U.I.sinθ.cosΨ) (1.20.2)

Q = . θ   . (1.20.3)

Khi công suất tác dụng của máy phát đồng bộ được giữ không đổi P=const,

bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (rư=0) Trong trường hợp này đồ thị vector suất điện động có dạng hình 1.16

Hình 1.16 Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ

Vì P = m.U.I.cos OA = const mà ta lại có U = const nên khi thay đổi Q thì đầu mút của vector I luôn nằm trên đường thẳng 1 vuông góc với U Với mỗi giá trị của I sẽ có một giá trị cos và từ đồ thị sức điện động tương ứng

sẽ xác định được độ lớn của vector E0 từ đó suy ra dòng điện kích từ cần thiết

để sinh ra E0

P = . θ P1 = const (1.21)

Trong đó: U, Xd = const nên ta có: P E0sinθ = OB = const nên mút vector

E0 luôn nằm trên đường thẳng 2 vuông góc với OB

Tóm lại muốn điều chỉnh công suất phản kháng Q thì cần phải thay đổi suất điện động E0 bằng cách thay đổi dòng kích từ It

Với mỗi giá trị của P = const thay đổi Q và vẽ đồ thị suất điện động như trên sẽ xác định được quan hệ I = f(it) gọi là đặc tính hình chữ V của máy phát điện đồng bộ

Hình 1.17 Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ

Trên hình 1.17 đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính tương ứng khi cos = 1 Khu vực bên phải Am tương ứng với tải có tính cảm ( >0)

là chế độ làm việc quá kích thích của máy phát điện còn bên trái Am tương ứng với tải có tính dung ( < 0) là chế độ làm việc thiếu kich thích của máy phát điện Đường Bn tương ứng với giới hạn làm việc ổn định với lưới khi máy phát làm việc ở chế độ thiếu kích thích

+ Khi máy phát công suất tương tự nhau làm việc song song:

Trong trường hợp khi tăng dòng kích thích It của một máy (tức là tăng công suất phản kháng phát ra Q) mà giữ nguyên dòng kích thích của máy kia thì dẫn đến dư thừa công suất phản kháng và làm cho điện áp U của lưới điện tăng lên Vì vậy để duy trì trạng thái làm việc của lưới điện U = const thì khi tăng dòng kích thích của máy này thì phải giảm dòng kích thích của máy

kia Chính bằng cách này sẽ thực hiện được sự phân phối lại công suất phản kháng Q giữa hai máy

1.6 Hệ thống kích từ máy phát

1.6.1 Khái niệm chung

Một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc

an toàn của máy phát điện, là hệ thống kích từ Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ Dòng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống

Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới

Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm (khi máy phát nối với lưới) Nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá huỷ máy Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện nói chung đòi hỏi phải tắt rất nhanh biên độ dao động của các quá trình quá

độ trong máy phải nằm trong phạm vi cho phép Do đó vấn đề điều chỉnh tự động dòng kích từ có vai trò hết sức quan trọng

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng Bộ điều chỉnh tự động điện áp (AVR-Automatic Voltage Regulator) Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với

độ chính xác nhất định) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất

truyền tải của máy phát vào hệ thống lưới điện Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài

Những yêu cầu chung đối với Bộ AVR:

- Điều chỉnh ổn định điện áp máy phát điện

- Điều chỉnh điện áp theo công suất phản kháng, để giảm sụt áp trên đường dây hoặc giảm sụt áp qua tổng trở máy biến áp khi máy vận hành độc lập Phân phối công suất phản kháng giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới

- Đảm bảo ổn định cho hệ thống khi máy nối lưới trong trường hợp thiếu kích thích

- Bộ AVR còn có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy phát làm việc

ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới) thì chỉ có bộ phận kích thích cưỡng bức làm việc là chủ yếu Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới

và giữ ổn định cho hệ thống

Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông

số của hệ thống kích từ cũng như kết cấu của bộ AVR

Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng 0,2% đến 0,6% công suất định mức của máy phát điện Việc tạo ra các hệ thống kích từ có công suất lớn như vậy thường gặp nhiều khó khăn Đó là vì công suất chế tạo các máy phát điện một chiều bị hạn chế bởi điều kiện làm việc của bộ phận đổi chiều, khi máy phát điện một chiều có công suất lớn bộ phận này làm việc kém tin cậy và mau hỏng do tia

lửa điện phát sinh Với các máy phát điện có công suất lớn, người ta phải sử dụng các hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu Ngày nay người ta đang áp dụng phổ biến hệ thống kích từ tĩnh, dùng bộ chỉnh lưu

có điều khiển Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ thống kích

từ còn được đặc trưng bởi hai thông số quan trong khác là điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te)

Điện áp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được của

hệ thống kích từ Giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh Đối với máy phát điện tua bin hơi thường có Ufgh 2Ufđm Trong nhiều trường hợp để đáp ứng các yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống, người ta chế tạo Ufgh = (3 ¸ 4)Ufđm Tuy nhiên, Ufgh càng cao đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện cao

Hằng số thời gian Te đặc trưng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ Te được xác định bởi quán tính điện từ của các cuộn dây điện cảm Te có trị số càng nhỏ thì tốc độ điều chỉnh dòng kích từ càng nhanh Đặc trưng cho tính tác động nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ điện áp kích từ khi có kích thích cưỡng bức

Đây là hệ thống kích thích sử dụng máy phát điện một chiều Dòng điện kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máy kích thích một chiều

Hệ thống kích từ này vẫn tồn tại ở nhiều hệ thống máy phát có công suất nhở hơn 100 MVA Bao gồm hai hệ thống máy phát điện vành góp một chiều:

Hệ thống kích từ chính và hệ thống kích từ phụ Trong đó hệ thống kích thích chính lấy điện áp một chiều từ đầu ra của máy phát điện một chiều cấp cho cuộn kích từ chính của máy phát Trong khi hệ thống kích thích phụ thường có hai cuộn kích thích một cuộn nhận điện áp kích thích từ bộ biến đổi điện tử còn cuộn thứ hai là cuộn kích từ tự kích nhận điện áp kích thích là điện áp đầu ra của máy phát Điện áp một chiều này được cấp cho cuộn kích từ của hệ thống kích thích chính

Trong hệ thống kích từ dùng máy phát một chiều thì chỉ có 1 cuộn kích thích của hệ thống kích thích phụ được cấp nguồn từ bộ biến đổi và được điều khiển bởi bộ AVR Bộ AVR sẽ điều khiển điện áp ra của máy phát một chiều từ đó điều chỉnh dòng kích từ If của kích từ chính nhờ đó mà thay đổi được điện áp ra của máy phát điện đồng bộ

Để quay máy phát điện một chiều người ta có thể sử dụng năng lượng của chính trục quay máy phát điện đồng bộ, hoặc sử dụng một động cơ xoay chiều riêng cho mục đích này Ở trường hợp này, động cơ được cung cấp điện từ lưới điện tự dùng của nhà máy hoặc từ một máy phát điện đồng bộ riêng ghép cùng trục với máy phát điện chính nhưng có công suất nhỏ

Đánh giá về hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều:

+ Ưu điểm:

Bộ biến đổi có công suất nhỏ