ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Đối với hệ thống này sử dụng kết hợp biến áp kích thích và hệ thống chỉnh lưu. Hệ thống sẽ lấy nguồn từ lưới hoặc lấy trực tiếp từ điện áp đầu cực, qua một máy biến áp kích thích, bộ chỉnh lưu điều khiển được, một vành trượt và đưa trực tiếp và rotor máy phát chính.Đối với hệ thống này sử dụng kết hợp biến áp kích thích và hệ thống chỉnh lưu. Hệ thống sẽ lấy nguồn từ lưới hoặc lấy trực tiếp từ điện áp đầu cực, qua một máy biến áp kích thích, bộ chỉnh lưu điều khiển được, một vành trượt và đưa trực tiếp và rotor máy phát chính.

LỜI CẢM ƠNĐược sự phân công của bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện – Điện tử trường đạihọc Bách Khoa TP HCM và sự đồng ý của thầy Đặng Tuấn Khanh, em thực hiện đềtài luận văn tốt nghiệp: “…”.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô củatrường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là quý thầy cô của bộ môn Hệthống điện của trường đại học Bách Khoa TP HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạtcho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường

Em đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy,hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp.Thầy đã tổng hợp những kiến thức cơ bản cũng như những kiến thức nâng cao, bổsung vào những kiến thức bị khuyết và cung cấp những tài liệu quý báu Thầy đã dànhrất nhiều thời gian và động viên em trong suốt thời gian qua Sự hỗ trợ của thầy đãgiúp em rất nhiều để có thể hoàn thành bài tốt nghiệp

Khi thực hiện bài tốt nghiệp, em đã cố gắng tham khảo các tài liệu nước ngoàilẫn trong nước, phân tích các kết quả đạt được để đưa ra những kết luận tốt nhất.Nhưng do tài liệu và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, do đó

em kính mong quý thầy cô có những góp ý cho đề tài tốt nghiệp lần này của em.Những góp ý của quý thầy cô sẽ là kiến thức cần thiết cho việc học tập cũng như côngviệc sau này của em

Tp HCM ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện: HOÀNG MINH TRIẾT

Chương 1

KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Khái niệm ổn định hệ thống điện

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện

Lịch sử điện năng đã có những phát minh vượt bậc và nổi trội trong thế kỉ XIX:phát minh ra hệ thống điện xoay chiều ba pha (1883), tải điện năng đi xa bằng dòngđiện xoay chiều (1884) hay đường dây tải điện ba pha được vận hành thử nghiệm ởkhoảng cách 175 km (1891) Kể từ đó, hệ thống điện xoay chiều ba pha ngày càngphát triển, khoảng cách truyền tải ngày càng tăn, công suất truyền tải ngày càng lớn.Lúc này đã xuất hiện các vấn đề cần được giải quyết Đối với các đường dây truyền tải

sẽ tồn tại các giới hạn công suất truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống, hoặc khi cócác thay đổi trong hệ thống như thay đổi chế độ làm việc của máy phát, xảy ra sự cốlàm thay đổi cấu trúc của hệ thống hay sự cố dẫn đến phân bố lại công suất,… Khi đó

hệ thống sẽ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng dẫn tới các máy phát quay vớicác tốc độ khác nhau, hay còn nói cách khác là hệ thống bị mất ổn định đồng bộ Vìnhững lí do này mà dẫn đến yêu cầu phát triển lí thuyết ổn định hệ thống điện

CĐQĐ là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác sau khi xảy

ra các tác động CĐQĐ sau tác động bị biến thiên nhưng sau một thời gian trở vệ vị tríban đầu hoặc có trị số gần định mức được gọi là CĐQĐ bình thường Ngược lại,CĐQĐ với thông số biến thiên mạnh nhưng sau đó tăng trưởng vô hạn nhưng bị giảmdần về giá trị 0, CĐQĐ đó được gọi là CĐQĐ sự cố

1.3 Khái niệm về ổn định

Ổn định hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của

hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bìnhthường và đạt đến trạng thái cân bằng với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tácđộng của nhiễu

CĐQĐ có thể được gây ra bởi các nhiễu bé hoặc lớn Nhiễu bé xảy ra thườngxuyên trong hệ thống điện dưới dạng thay đổi công suất của phụ tải, nhiễu lớn là các

sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn,mất đường dây kết nối của hệ thống,…

Ổn định hệ thống điện gồm hai loại là ổn định góc lệch rotor máy phát và ổn địnhđiện áp

Mất ổn định tín hiệu bé có thể được chia làm hai loại:

 Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu momen đồng bộ

 Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản

Ổn định động thể hiện đặc tính của quá trình quá độ bằng việc chuyển trạng thái

từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác Hệ thống ổn định quá độ nếu có:

 Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau sựcố)

 Thông số biến thiên của quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xáclập mới

Nhiễu quá độ nghiêm trọng thường là các sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dâytruyền tải, thanh góp, máy biến áp, hoặc cắt đột ngột máy phát điện, đóng – cắt phụ tảilớn… Trong các nhiễu nói trên thì ngắn mạch là nhiễu quá độ nghiêm trọng nhất

Chương 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

2 Các phương trình vi phân mô tả các phần tử của hệ thống điện

2.1 Khái niệm chung

Do trong CĐQĐ có sự mất cân bằng công suất momen quay rotor của các máyphát thay đổi, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái của hệ thống Góc pha và biên

độ các suất điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào quy luật chuyển động cơhọc của các máy điện quay

Vì vậy để phân tích ổn định, người ta đều dưa trên cơ sở các phương trình viphân mô tả sự thay đổi của hệ thống khi xảy ra sự biến thiên của thông số hệ thống,hay cụ thể hơn là phương trình vi phân mô tả các phần tử quan trọng của hệ thống điệnnhư máy phát, máy biến áp, đường dây,…

2.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ

2.2.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ bao gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng Phần cảm đặt ở rotor

và phần ứng đặt ở stator Cuộn dây ở phần cảm (cuộn kích từ) được cung cấp dòng DC

để tạo ra từ trường quay Phần ứng gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong khônggian

Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộNgoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có cuộn dây cản có tác dụng làm tắt dầncác dao động của máy phát

Mạch thay thế của rotor và stator với giả thiết:

 Cuộn dây stator phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở giữa stator

Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộTrong đó :

a, b, c: các cuộn dây stator

: Cuộn dây kích từ

: Cuộn cản dọc trục

: Cuộn cản ngang trục

k = 1, 2, … n: Là số cuộn cản

: Góc trục d vượt trước trục từ trường cuộn dây pha a, tính bằng rad điện

: Vận tốc góc rotor, tính bằng rad điện/s

Trong đó: Trục d là thành phần cùng trục với dây quấn kích từ của rotor và đượcgọi là trục dọc, trục q là thành phần vượt trước trục d 1 góc 90° theo chiều quay củarotor và được gọi là trục ngang Vị trí tương đối của rotor so với rotor được xác địnhbởi góc θ hợp bởi trục d và trục từ trường của pha a

Từ mô hình trên, ta viết được phương trình từ thông móc vòng pha a của stator:

: Điện cảm tự thân của cuộn dây pha a

: Hỗ cảm giữa cuộn dây pha a và các pha b, c

: Hỗ cảm giữa cuộn dây pha a và cuộn dây kích từ

: Hỗ cảm giữa cuộn dây pha a và các cuộn dây cản trục d,q

Dấu trừ là do quy ước chiều dòng điện, chiều dương của dòng điện stator là chiều

đi ra khỏi cuộn dây, trong khi đó chiều dương của các dòng điện rotor là chiều đi vàocuộn dây

Điện cảm tự thân stator:

Tương tự ta cũng sẽ có biểu thức cho từ thông của các pha b và c của stator:

Vì hỗ cảm giữa dây quấn stator và dây quấn rotor thay đổi theo vị trí của rotor(có nghĩa là thay đổi theo thời gian), nên việc phân tích các hoạt động của máy điện ởtrạng thái quá độ bằng cách giải các phương trình vi phân phần ứng với các mạch cómối quan hệ hỗ cảm sẽ vô cùng phức tạp Do đó để dễ dàng cho việc tính toán, người

ta quy đổi các đại lượng stator như điện áp, từ thông của phần ứng thay thế bằng cácđại lượng quay với tốc độ rotor Ví dụ các dòng điện phần ứng i a,i b,i c được biến đổithành các thành phần dọc trục i d và ngang trục i q và thành phần thứ tự không i0 Nhưvậy sau khi biến đổi, các đại lượng stator sẽ trở nên cố định nếu ta xét hệ trục của máyđiện đồng bộ là hệ trục gắn chặt với rotor, do đó hỗ cảm sẽ không thay đổi theo thờigian

2.2.2 Phép biến đổi dq0

Đặt S là các đại lượng stator (từ thông, dòng điện, điện áp) cần biến đổi Các đạilượng chưa biến đổi gồm: và các đại lượng sau khi biến đổi:

Ta viết được phương trình từ thông móc vòng như sau:

(2.11)Tương tự là thành phần từ thông phía rotor khi biến đôi sang dq0:

(2.12)Viết hệ phương trình các từ thông của cuộn dây stator và rotor sau khi đã quy đổi

về hệ trục dq0 dưới dạng ma trận:

(2.13)

2.2.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát

Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát

Ta viết được phương trình điện áp pha a:

(2.14)Phương trình điện áp trên pha a là tổng của điện áp trên điện trở và cuộn dây củamỗi pha và sức điện động cảm ứng của pha a do từ thông quay của dây quấn kích từ.Lưu ý do máy hoạt động ở chế độ đối xứng nên thành phần điện áp ở dây trungtính v n ta có thể bỏ qua không xét đến, do đó ta viết tương tự cho các pha b, c và trêncuộn dây kích từ ở dạng ma trận có dạng:

(2.15)

Ta viết được ma trận trên ở dạng tóm tắt:

Thực hiện phép biến đổi các đại lượng stator sang các đại lượng dq0 cho vế tráicủa phương trình điện áp:

(2.16)với P là ma trận của phép biến đổi từ các pha a, b, c sang các đại lượng dq0; U3 là

ma trận đơn vị bậc 3 do chỉ biến đổi các đại lượng điện áp ở stator

Tương tự thực phép biến đổi cho vế phải của phương trình điện áp

Đối với sụt áp trên thành phần điện trở:

Đối với sụt áp trên thành phần cuộn dây:

Trong đó:

; Viết hai phương trình stator và rotor riêng biệt ta được:

(2.19)

Mà ta đã biết phương trình từ thông của stator và rotor như sau:

(2.20)Thay biểu thức từ thông vào phương trình điện áp (.19) ta có:

Thành phần đạo hàm của từ thông stator là thành phần quá độ điện từ của dâyquấn stator, do ta chỉ tập trung vào nghiên cứu vào quá độ điện cơ nên ta có thể bỏ quathành phần này để giải bài toán phương trình vi phân có thể dễ dàng hơn

Khi bỏ qua ta có thể viết gọn lại phương trình điện áp stator dưới dạng:

(2.21)Với:

Tương tự đối với phương trình rotor, thay vào phương trình điện áp rotor vàchuyển vế ta có được phương trình đạo hàm từ thông của dây quấn rotor:

Trong đó:

2.2.4 Phương trình chuyển động của rotor

Phương trình mô tả chuyển động của máy phát đồng bộ là phương trình mô tảmomen quán tính của rotor máy phát:

Trong đó:

J : Momen quán tính của rotor máy phát và tuabin, đơn vị kg m2

θ: Góc lệch của trục d rotor và trục pha a của stator

T a : Momen tăng tốc, đơn vị là N.m

Bởi vì máy điện đồng bộ là máy phát nên momen tăng tốc T a sẽ bằng momen cơtrừ cho momen điện từ

Ta có phương trình mô tả vị trí của rotor như sau :

(2.24)Trong đó :

 : Tốc độ góc rotor

 : Tốc độ đồng bộ và là vị trí góc rotor ban đầu khi thời gian t = 0

Lấy đạo hàm bậc nhất của phương trình (2.24) ta được :

Đạo hàm bậc hai phương trình (2.24) là :

(do tốc độ đồng bộ là hằng số, chỉ có tốc độ rotor thay đổi theo thời gian t)Thay vào phương trình chuyển động quay của rotor ta viết lại được phương trìnhchuyển động của rotor như sau :

Trong đó công suất điện từ stator có thể viết theo dòng điện cảm ứng phíastator như sau:

(2.26)Điện áp cảm ứng có phương trình :

Từ đó suy ra công thức điện từ có thể được viết lại như sau :

Ta định nghĩa :

Từ đó ta viết lại phương trình công suất điện từ :

(2.27)

2.2.5 Tổng kết về mô hình máy phát điện đồng bộ

Như vậy mô hình máy phát điện đồng bộ được mô tả qua 5 phương trình vi phânbao gồm:

Phương trình này bao gồm 3 phương trình từ thông của rotor

Và 2 phương trình chuyển động quay của rotor là:

Ngoài ra còn có 2 phương trình của điện áp và công suất stator của máy phát:

Trong đó các ma trận phụ thuộc vào các thông số của máyphát điện đồng bộ

2.3 Bộ kích từ

2.3.1 Tổng quan và phân loại

Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng điện một chiều chocuộn cảm của máy phát đồng bộ Một yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ có thể tự điều

chỉnh đường dòng kích từ để ổn định điện áp đầu cực của máy phát ở một giá trị có thểchấp nhận được, và có thể điều chỉnh được công suất phản kháng của tải.

Một hệ thống kích từ phải thỏa mãn những yêu cầu cụ thể như sau:

 Có tiêu chí đáp ứng cụ thể

 Có chức năng giới hạn và bảo vệ để ngăn chặn những hư hại cho chính hệthống kích từ cũng như máy phát và các thiết bị khác

 Thỏa mãn các yêu cầu hoạt động linh hoạt

 Có độ tin cậy và luôn luôn hoạt động tốt

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnhKhối Exciter: sẽ cung cấp dòng điện 1 chiều cho cuộn cảm của máy phát đồngbộ

Khối Regulator: sẽ xử lí và khuếch đại các tín hiệu đầu vào để cho phù hợp với

với quá trình điều khiển cho khối exciter

Khối Terminal voltage transducer and load compensator: có chức năng chuyểnđổi điện áp đầu cực của máy phát trở thành đại lượng 1 chiều và tiến hành bù điện áp

do sụt áp qua các thiết bị hay các sụt áp trên tải ngõ ra của khối Terminal voltagetransducer and load compensator sẽ được dung để so sánh với điện áp tham chiếu, làgiá trị điện áp mà ta mong muốn máy phát duy trì ổn định

Khối Power system stabilizer: là khối ổn định hệ thống thông qua các tín hiệu tốc

độ, tần số đầu cực và công suất Chức năng của khối là tang momen hãm các dao động

cơ điện trong máy phát

Khối Limiters and protective circuits: là khối bao gồm chức năng giới hạn trongđiều khiển và chức năng bảo vệ Thông thường giới hạn sẽ được điều khiển bằng cáchgiới hạn dòng điện ở cuộn cảm

Có ba loại kích từ chính thường được sử dụng đó là:

Hình 2.5 Hệ thống kích từ một chiềuHình trên mô tả hệ thống kích từ cho máy phát bằng động cơ một chiều có bộ ổn

định điện áp và khuếch đại Dòng điện một chiều sẽ được cấp cho rotor máy phát

thông qua một vành trượt và từ thông kích từ của động cơ điện dc sẽ được điều chỉnhthông qua bộ khuếch đại Nếu bộ điều chỉnh khuếch đại bị hỏng thì ta có thể điềuchỉnh bằng tay từ thông kích từ của máy phát được thông qua một biến trở

2.3.3 Hệ thống kích từ xoay chiều

Máy phát đồng bộ dùng để kích thích gọi là máy kích thích xoay chiều, bao gồmmột máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh và phần ứng là phần quay và hệthống chỉnh lưu để chuyển đổi dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều cung cấp cho rotorcủa máy phát chính

Có 2 loại chỉnh lưu được dùng trong hệ thống kích từ xoay chiều là: bộ chỉnhlưu quay và bộ chỉnh lưu cố định

2.3.3.1 Hệ thống chỉnh lưu cố định

Hình 2.6 Hệ thống chỉnh lưu cố địnhDòng phần ứng của hệ thống kích từ là dòng xoay chiều sẽ đi qua hệ thống chỉnhlưu cố định để chuyển từ dòng xoay chiều sang dòng điện một chiều, dòng điện này sẽđược chuyển sang rotor của máy phát chính thông qua một bộ phận tiếp xúc là vànhtrượt để đi vào rotor của máy phát chính

Hệ thống sẽ lấy điện áp đầu cực của máy phát, thông qua bộ điều chỉnh AC đểchuyển từ điện áp thực sang tín hiệu và qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được để tạonên dòng điện và từ thông kích từ của máy phát kích từ

Ngoài ra, đề phòng trường hợp bộ điều chỉnh AC bị hư hỏng thì người ta sẽ sửdụng thay thế một bộ điều chỉnh DC lấy tín hiệu phía sau của bộ chỉnh lưu tĩnh diode

2.3.3.2 Hệ thống chỉnh lưu quay

Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu độngĐối với hế thống kích từ sử dụng bộ chỉnh lưu động thì việc sử dụng chổi than và

cổ góp không còn cần thiết nữa, dòng điện một chiều sẽ được cung cấp trực tiếp chorotor của máy phát thông qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được gắn trên trục của rotormáy phát phát kích từ Hệ thống này còn được gọi là hệ thống kích thích không chổithan

2.3.4 Hệ thống kích từ tĩnh

Hình 2.8 Hệ thống kích từ tĩnhĐối với hệ thống này sử dụng kết hợp biến áp kích thích và hệ thống chỉnh lưu

Hệ thống sẽ lấy nguồn từ lưới hoặc lấy trực tiếp từ điện áp đầu cực, qua một máy biến

áp kích thích, bộ chỉnh lưu điều khiển được, một vành trượt và đưa trực tiếp và rotormáy phát chính

2.3.5 Mô hình toán học của hệ thống kích từ

Hình 2.9 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từBan đầu ta sẽ đặt một điện áp kích thích lên hệ thống kích từ để sinh ra dòngkích từ một chiều đi vào trong rotor máy phát, tại cuộn kích thích của rotor máy phát

sẽ sinh ra điện áp kích từ và máy phát sẽ tạo ra điện áp đầu cực Để duy trì ổnđịnh cho máy phát, hệ thống sẽ lấy phản hồi từ điền áp đầu cực và so sánh với giá trịđiện áp tham chiếu , sai số ngõ ra sẽ đi qua bộ điều chỉnh ổn định để có thể tiếp tụcduy trì điện áp đầu cực máy phát ở một khoảng giá trị ổn định

Đối với một số máy phát có sử dụng thêm bộ ổn định PSS ( Power systemstabilizers ), bộ PSS có chức năng tăng momen hãm các dao động cơ điện của máyphát khi xảy ra các sự cố nhằm cải thiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn địnhtrạng thái tĩnh

2.3.5.1 Các khối chức năng của hệ thống kích từ

 Khối tạo điện áp trên cuộn dây kích từ

Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh

Ta viết được phương trình điện áp của mô hình hệ thống kích từ tĩnh như sau:

(2.28)Trong đó và phụ thuộc vào cấu tạo của máy kích từ

Dòng điện là đường cong phi tuyến

Hình 2.11 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp

Dòng điện được tính bằng công thức: (2.29)Trong đó thành phần biểu diễn dòng điện khi đang ở trạng thái bão hòa

Thay vào phương trình điện áp (.1) ta có được biểu thức:

Xây dựng phương trình trong hệ đơn vị tương đối, ta đặt:

Chia cả hai vế của phương trình ta vừa xây dựng cho đại lượng :

Rút gọn phương trình ta được:

Trong đó ta đặt: (2.31)

Xét phương trình:

Chia hai vế của phương trình cho ta nhận được:

Ta có với là điểm làm việc ổn định của máy kích từ

Thay vào phương trình điện áp ta có:

Từ phương trình (2.32) ta vẽ được sơ đồ khối của quá trình tạo ra điện áp trêncuộn dây kích từ:

Hình 2.12 Quá trình tạo điện áp trên cuộn dây kích từ

 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại

Hình 2.13 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thốngChức năng của khối là khuếch đại tín hiệu điện áp so lệch ngõ ra thành tín hiệu

điện áp , khối có các giới hạn ngõ ra để giữ cho mức điện áp của hệ thống đặt vàocuộn dây kích từ ở được giữ ở một trạng thái ổn định, từ đó mà điện áp đầu cực củamáy phát cũng được duy trì ở một vùng giới hạn nhất định

thì thì

thì

 Khối tín hiệu hồi tiếp (khối Washout)

Hình 2.14 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout)Khối này có tác dụng giúp ổn định mạch kích từ, nó đóng vai trò giống như mộtmáy biến áp Do điện áp ngõ ra là điện áp một chiều đặt vào cuộn dây kích từ nên

khi mạch ở trạng thái ổn định và duy trì ở một giá trị nhất định thì sẽ không có tínhiệu ở ngõ ra của khối Nhưng khi hệ thống có sự thay đổi, có những dao động về mặtbiên độ cũng như tần số thì sẽ xuất hiện tín hiệu ngõ ra ở khối Washout và tín hiệu này

sẽ được đưa về để so sánh

(2.33)Thứ cấp của biến áp được nối với mạch có tổng trở cao, do đó dòng

(2.34)

Từ những khối cơ bản trên ta có thể xây dựng được hế thống kích từ một chiềuđơn giản với nguyên lí hoạt động như sau:

Hệ thống sẽ lấy tín hiệu đầu cực so sánh với điện áp tham chiếu , kết quả

so sánh là sai số để hệ thống tiến hành điều chỉnh

Trong trường hợp hệ thống hoạt động ở chế độ ổn định thì sẽ không có tín hiệu

do tác dụng của khối washout, nhưng khi có nhiễu xảy ra thì sẽ xuất hiện tínhiệu hồi tiếp , và tín hiệu sẽ có nhiệm vụ hãm các dao động phát sinh, kết quảcủa bốn tín hiệu điện áp sẽ có giá trị rất nhỏ, tín hiệu này sẽ đi qua bộkhuếch đại và điều chỉnh để cho ra tín hiệu đầu vào thích hợp và từ đó tạo ra điện

áp kích từ trên cuộn dây kích từ của máy phát Quá trình trên sẽ được lặp lại liên tụcnhằm duy trì ổn định cho điện áp đầu ra của máy phát

2.4.1 Giới thiệu và chức năng của bộ điều tốc (Governor)

Chức năng của bộ điều tốc máy phát là để điều chỉnh tốc độ quay của máy pháttheo sự thay đổi của tải nhằm duy trì tốc độ cũng như tần số của máy phát hoạt động

một cách ổn định Có rất nhiều hệ thống điều tốc dành cho các loại máy phát khácnhau như: bộ điều tốc cho turbine hơi nước, bộ điều tốc cho turbine khí, bộ điều tốccho turbine thủy lực,…

Và cấu tạo của bộ điều tốc gồm 2 loại: bộ điều tốc điều khiển bằng cơ học và bộđiều tốc điều khiển bằng cách mạch điện tử Để đơn giản, phần này chúng ta sẽ mô tả

và giới thiệu về mô hình của bộ điều tốc điều khiển bằng cơ học

2.4.2 Mô hình toán học của bộ điều tốc

 Bộ điều tốc hơi nước

Bộ điều tốc sẽ điều khiển sự thay đổi tốc độ quay của rotor máy phát bằng việcđiều khiển van đóng mở hơi nước đưa vào turbine để làm quay rotor máy phát thôngqua các điều khiển bằng cơ học, đối với trường hợp sử dụng turbine thủy điện thì hệthống sẽ điểu khiển van đóng mở lưu lượng nước

Hình 2.18 Bộ điều tốc hơi nướcFly – ball speed governor: là thiết bị cảm biến tốc độ được nối trực tiếp với phầnchuyển động của máy phát để điều chỉnh sự đóng mở của van hơi nước hay van khíthông qua các liên kết cơ học, khi có sự thay đổi về tốc độ hay sự thay đổi về công suất

đầu trục, hệ thống này sẽ điều chỉnh vị trí của van ở vị trí phù hợp, hệ thống này đượcxem là trái tim của bộ điều tốc.

Hydraulic amplifier: là bộ phận tương tác giữa phần điều chỉnh tốc độ và vanđóng mở, nó bao gồm pilot valve và main piston, phần này sẽ chuyển đổi chuyển độngcông suất thấp của pilot valve trở thành chuyển động công suất lớn của main piston, vàcần phải có 1 lực cơ học rất lớn để có thể đóng mở van

Speed changer: nó cung cấp công suất đầu ra ổn định cho turbine, nếu speedchanger di chuyển lên phía trên, nó sẽ nâng pilot valve lên nên sẽ có nhiều hơi đượcđưa vào làm tăng công suất đầu ra cho turbine

Linkage mechanism: những liên kết bằng cơ học truyền động cho sự hoạt độngcủa các điểm ABCDE Điều khiển điểm E để điều khiển sự đóng mở của van

Khi ta thay đổi công suất cho turbine bằng cách thay đổi speed changer,điểm A sẽ thay đổi xuống dưới 1 khoảng Ta có thể viết: , điểm A dichuyển sẽ khiến cho điểm C và D di chuyển theo, điểm D sẽ di chuyển lên phía trên 1đoạn làm cho pilot valve di chuyển lên, hở ra và dầu áp suất cao đổ vào khốiHydraulic amplifier, tràn lên phía trên của main piston và làm piston di chuyển xuốngdưới 1 đoạn và kết quả là van hơi được mở ra và hơi tràn vào sẽ nhiều hơn, côngsuất đầu ra của turbine sẽ tăng lên dẫn đến công suất của máy phát tăng lên 1 khoảng Vì công suất ngõ ra tăng sẽ dẫn đến sự tăng tốc của máy phát và làm cho tần sốcũng tăng lên 1 khoảng nhỏ Khi máy phát tăng tốc, fly-ball của bộ điều tốc sẽdịch chuyển xuống phía dưới làm thay đổi vị trí của điểm B xuống 1 đoạn , sựdịch chuyển của điểm B cũng gây ra sự dịch chuyển của điểm C, do đó cũng dẫn đếnviệc thay đổi điểm D, đóng pilot valve và ngược lại điểm E sẽ di chuyển lên phía trên

Ta viết được phương trình mô tả sự thay đổi của các điểm C, D, E :

(2.35)

Ta suy được phương trình mô tả dao động điểm E theo và  :

Đặt

Ta viết lại công thức (.2) như sau :

Từ đó ta vẽ được mô hình khối điều khiển điểm E từ sự thay đổi của công suất cơ

Từ các khối cơ bản trên ta xây dựng được bộ điều tốc đơn giản 

Hình 2.21 Mô hình toán học của bộ điều tốc hơi nước đơn giản

2.4.3 Tìm hiểu hệ số R của bộ điều tốc

 Đường đặc tính của bộ điều tốc máy phát

Đường đặc tính của bộ điều tốc mát phát là một đường thẳng tuyến tính như sau :

Hình 2.22 Đường đặc tính bộ điều tốcKhi không có tải, turbine sẽ quay với tốc độ đồng bộ, tốc độ của turbine sẽ giảmdần khi tải tăng từ lúc không tải cho đến lúc đầy tải Độ trượt tốc độ sẽ là với

là tốc độ khi không tải và là tốc độ khi đầy tải

Từ đây ta xây dựng hệ số % điều chỉnh tốc độ trong đơn vị tương đối như sau:

với R thông thường thay đổi giá trị từ 2% cho đến 6%

Vì tốc độ và tần số có liên quan trực tiếp đến nhau nên đại lượng R cũng có thểđược biểu diễn với công thức sau:

ta có thể hiểu là nếu độ lệch tần số là 4% với tần sô định mức lúckhông tải là 50 Hz thì tần số lúc có tải sẽ chỉ còn 48 Hz, tức là giảm đi 2 Hz

Hệ số R trên cũng có thể được biểu diễn bằng công thức có thể hiểu làcông suất máy phát sẽ tăng một khoảng nếu tần số giảm đi

Đường đặc tính biểu diễn mối liên hệ giữa tần số máy phát và công suất của máyphát như sau: