Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện

Tiếp theo sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các mạch tích phân tín hiệu tương tự, chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý cũng được thực hiện bằng các tín hiệu số, nhờ vậy hệ thống kích

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày .… tháng …. năm 2011 

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tóm  lược  lý  thuyết  hệ  thống  kích  từ,  khảo  sát  các  loại  kích  từ  tại Công ty Nhiệt điện Cần Thơ. 

 Mô  phỏng  máy  phát  điện  đồng  bộ  sử dụng  các  thông  số  thực tế  của máy phát S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn. Khảo sát các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện sử dụng phần mềm Matlab-Simulink. 

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/09/2010

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2011

  Xin  chân  thành  cảm  ơn  bạn  bè,  đồng  nghiệp  và  gia  đình  đã  động  viên,  tạo điều kiện cho tôi hoàn tất chương trình học tập và thực hiện đề tài này.  

nhiên  vẫn  không  thể  tránh  khỏi  những  thiếu  sót,  rất  mong  nhận  được  những  đóng góp quý báu của Thầy, Cô và các bạn. 

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH   9

MỤC LỤC BẢNG  11

1 Mục đích thực hiện đề tài.   12

2 Nội dung và phạm vi đề tài.   12

2.1 Nội dung đề tài   12

2.2 Phạm vi đề tài.   12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ   14

1.1 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ:   14

1.2 Phân loại và nguyên lý hoạt động của hệ thống kích từ máy phát điện.   15

1.2.1 Hệ thống kích từ một chiều.   15

1.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều.   15

1.2.3 Hệ thống kích thích tĩnh  15

1.3 Các thiết bị chính của hệ thống kích từ.   17

1.3.1 Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR).   17

1.3.2 Tự động diệt từ.   19

1.4 Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ.   21

1.4.1 Chế độ làm việc bình thường, đặc tuyến khả năng P – Q của máy phát. 21 1.4.2 Chế độ mất kích từ  27

1.5 Một số mô hình kích từ mẫu theo tiêu chuẩn IEEE.   31

1.5.1 Mô hình kích thích DC.   31

1.5.2 Mô hình kích thích AC.   32

1.5.3 Mô hình kích thích tĩnh.   32

CHƯƠNG 2. MỘT SỐ SƠ ĐỒ KÍCH TỪ THỰC TẾ   34

2.1 Sơ đồ hệ thống kích từ một chiều tổ máy S4 nhà máy điện Cần Thơ.   34

2.1.1 Thông số kỹ thuật.   34

2.1.2 Nguyên lý hoạt động:   35

2.2 Sơ  đồ  hệ  thống  kích  từ  AC  sử  dụng  diode  quay  các  tổ  máy  Gas  Turbine  nhà  máy điện Cần Thơ.   37

2.2.1 Thông số kỹ thuật.   37

2.2.2 Nguyên lý hoạt động.   38

2.3 Sơ  đồ  hệ  thống  kích  từ  AC  sử  dụng  kích  từ  tĩnh  tổ  máy  S1  nhà  máy  điện  Ô  Môn.   43

2.3.1 Thông số kỹ thuật.   43

2.3.2 Nguyên lý hoạt động.   44

CHƯƠNG  3.  MÔ  PHỎNG  BỘ  TỰ  ĐỘNG  ĐIỀU  CHỈNH  ĐIỆN  ÁP  VÀ  HỆ  THỐNG  KÍCH  TỪ  THEO  CÁC  SỐ  LIỆU  THỰC  TẾ  BẰNG  MATLAB  SIMULINK.   49

3.1 Bộ tự động điều chỉnh điện áp.   49

3.1.1 Mô phỏng chức năng giới hạn thiếu kích từ.   49

3.1.2 Mô phỏng chức năng giới hạn quá kích từ.   52

3.1.3 Mô phỏng chức năng giới hạn V/f.   54

3.1.4 Mô phỏng chức năng ổn định hệ thống.   57

3.1.5 Mô phỏng chức năng bù phụ tải.   59

3.1.6 Mô phỏng chức năng kích từ.   60

CHƯƠNG  4.  MÔ  PHỎNG  MÁY  PHÁT  ĐIỆN  ĐỒNG  BỘ  VÀ  CÁC  CHẾ  ĐỘ  LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO THÔNG SỐ THỰC TẾ CỦA TỔ  MÁY S1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ô MÔN.   64

4.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ.   64

4.2 Sơ đồ tương đương máy phát đồng bộ.   65

4.3 Các phương trình toán học  66

4.3.1 Các phương trình mạch stator.   67

4.3.2 Hỗ cảm các cuộn dây stator.   67

4.3.3 Hỗ cảm giữa stator và rotor  68

4.3.4 Các phương trình mạch rotor.   69

4.4 Phép biến đổi dq0.   69

4.4.1 Phương trình từ thông stator.   70

4.4.2 Phương trình từ thông rotor.   71

4.4.3 Phương trình điện áp stator.   71

4.4.4 Phương trình công suất và moment.   72

4.5 Phương trình toán học trong hệ đơn vị tương đối.   73

4.5.1 Các giá trị cơ bản stator.   73

4.5.2 Phương trình điện áp stator trong hệ đơn vị tương đối.   74

4.5.3 Phương trình điện áp rotor trong hệ đơn vị tương đối.   75

4.5.4 Phương trình từ thông trên stator.   75

4.5.5 Phương trình từ thông trên rotor.   75

4.5.6 Hệ đơn vị tương đối cho rotor.   76

4.5.7 Công suất và moment trong hệ đơn vị tương đối.   77

4.5.8 Phương trình chuyển động rotor.   77

4.6 Mô hình bộ điều khiển kích từ.   78

4.7 Tính toán các giá trị ở chế độ xác lập.   79

4.8 Mô phỏng máy phát điện đồng bộ sử dụng Simulink.   80

4.8.1 Thiết lập phương trình mô phỏng.   80

4.8.2 Mô hình khối mô phỏng máy phát điện đồng bộ.   84

4.8.3 Khối chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0.   85

4.8.4 Mô hình các phương trình trên trục d.   86

4.8.5 Mô hình các phương trình trên trục q.   87

4.8.6 Mô hình chuyển động của rotor máy phát.   87

4.8.7 Mô hình gắn kết các trục d-q và rotor máy phát.   88

4.8.8 Khối cosδ, sinδ.   88

4.8.9 Khối tính giá trị các tín hiệu ra VIPQ  89

4.8.10 Khối chuyển đổi hệ quy chiếu dq0 sang abc.   89

4.8.11 Mô hình chạy mô phỏng máy phát điện đồng bộ.   90

4.9 Kết quả chạy mô phỏng.   90

4.9.1 Nhập thông số mô phỏng thực tế.   90

4.9.2 Chế độ làm việc bình thường.   91

4.9.3 Chế độ làm việc khi tổ máy mất kích thích.   95

4.9.4 Thay đổi điện áp máy phát.   98

PHỤ LỤC  101

KẾT LUẬN   113

ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN   113

TÀI LIỆU THAM KHẢO   114  

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống kích từ một chiều ……… ……16 

Hình 1.2 Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều……… 16 

Hình 1.3 Hệ thống kích từ xoay chiều không chổi than………17 

Hình 1.4 Hệ thống kích từ tĩnh……….……….17 

Hình 1.5 Bộ dập từ trường………20 

Hình 1.6 Diệt từ bằng điện trở biến đổi  ………20 

Hình 1.7 Đồ thị vectơ máy phát điện………23 

Hình 1.8 Chế độ làm việc của mát phát điện khi Eq không đổi, P thay đổi……….24 

Hình 1.9 Đồ thị vectơ điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện………… 24 

Hình 1.10 Giới hạn nhiệt phần ứng……… 25 

Hình 1.11 Giới hạn dòng kích từ……… 25 

Hình 1.12 Giới hạn nhiệt vùng biên……… 26 

Hình 1.13 Đường cong khả năng phát công suất phản kháng của máy phát điện…26  Hình 1.14 Đặc tính hình V máy phát điện………27 

Hình 1.15 Đặc tuyến góc công suất……… 28 

Hình 1.16 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở chế độ không đồng bộ……… 29 

Hình 1.17 Mô hình kích từ DC loại DC1A……… 30 

Hình 1.18 Mô hình kích từ AC loại AC1A……… 33 

Hình 1.19 Mô hình kích thích tĩnh loại ST1A……… 33 

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống kích từ tổ máy S4……… 34 

Hình 2.2 Đường cong bão hòa của máy kích từ, kích từ độc lập……… 36 

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống kích từ tổ máy GT……….37 

Hình 2.4 Đặc tuyến làm việc của hệ thống kích từ……… 39 

Hình 2.5 Sơ đồ bộ tự động điều chỉnh điện áp……… 42 

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống kích từ tổ máy S1……… 43 

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển dòng kích từ……… 44 

Hình 2.8 Điều khiển kích từ tự động hoặc bằng tay……….46 

Hình 2.9 Chức năng giới hạn thiếu kích từ……… 47 

Hình 2.11 Chức năng bảo vệ V/f……… 48 

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động mạch diệt từ……… 48 

Hình 4.1 Sơ đồ mặt cắt máy phát điện đồng bộ 3 pha……… 64 

Hình 4.2 Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng bộ 3 pha……….65 

Hình 4.3 Đặc tuyến hở mạch máy phát điện đồng bộ……… 78 

Hình 4.4 Biến đổi đơn vị tương đối……… 79 

Hình 4.5 Đồ thị tính toán ở trạng thái xác lập……… 80 

Hình 4.6 Sơ đồ khối trục d………84 

Hình 4.7 Sơ đồ khối điện áp theo tốc độ……… 84 

Hình 4.8 Sơ đồ khối trục q………85 

Hình 4.9 Khối chuyển động rotor……….85 

Hình 4.10 Khối chuyển đổi abc-dq0……….85 

Hình 4.11 Khối chuyển đổi dq0-abc……….85 

Hình 4.12 Mô hình chuyển đổi hệ quy chiếu abc-dq0……… 86 

Hình 4.13 Mô hình biểu diễn trục d máy phát điện đồng bộ………86 

 Hình 4.14 Mô hình biểu diễn trục q máy phát điện đồng bộ……… 86 

Hình 4.15 Mô hình chuyển động rotor máy phát……… 88 

Hình 4.16 Mô hình kết nối máy phát đồng bộ……… 88 

Hình 4.17 Mô hình hàm cosδ, sinδ……… 89 

Hình 4.18 Mô hình VIPQ ………89 

Hình 4.19 Mô hình chuyển đổi dq0-abc……… 90 

Hình 4.20 Mô hình máy phát điện đồng bộ……… 90 

Hình 4.21 Đồ thị chế độ quá kích thích………93 

Hình 4.22 Đồ thị chế độ thiếu kích thích……… 95 

Hình 4.23 Đồ thị chế độ mất kích thích………97 

Hình 4.24 Đồ thị tăng điện áp thanh cái……… 99 

Hình 4.25 Đồ thị giảm điện áp thanh cái……… ……… 99    

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng chức năng UEL……… 51 

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng chức năng OEL……… 54 

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng chức năng V/f……… 55 

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng chức năng bù phụ tải……… …60 

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng chức năng chức năng kích thích……….62 

MỞ ĐẦU

1 Mục đích thực hiện đề tài

 Vai  trò  của  hệ  thống  kích  từ  trong  việc  nâng  cao  hiệu  quả  của  hệ  thống điện được phát triển liên tục. Hệ thống kích từ đầu tiên được điều khiển bằng tay để duy  trì  điện  áp  và  công  suất  phản  kháng  ở  đầu  ra  của  máy  phát  như  mong  muốn. Tiếp theo sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các mạch tích phân tín hiệu tương 

tự, chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý cũng được thực hiện bằng các tín hiệu số, nhờ  vậy  hệ  thống  kích  từ  hiện  nay  có  tính  linh  động  cao,  hệ  thống  làm  việc  hoàn toàn tự động và cho đáp ứng nhanh, cho phép thực hiện dễ dàng các công nghệ điều khiển phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của các máy khác. 

 Do vận dụng những  kinh nghiệm có sẵn  về quản lý, vận hành, sửa chữa, bảo trì các thiết bị, nên sự phát triển các nguồn điện thường được lắp đặt, mở rộng ở các nhà  máy đang  vận hành. Chính  vì  vậy ở  các nhà  máy điện hiện nay đang  vận hành đồng thời các hệ thống kích từ có công nghệ từ những năm 60 đến nay. Mục đích của đề tài “Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện” nhằm ôn lại  kiến  thức  về  các  hệ  thống  kích  từ;  khảo  sát  sự  làm  việc  của  hệ  thống  kích  từ bằng  phần  mềm  mô  phỏng,  so  sánh  với  quá  trình  làm  việc  thực  tế  để  làm  tài  liệu đào tạo, tham khảo thực tế của máy phát S1 nhà máy Ô Môn I.  

2 Nội dung và phạm vi đề tài

 Các sơ đồ, thông số thực tế lấy được từ tài liệu của nhà chế tạo, lúc chạy nghiệm  thu  sau  lắp  đặt,  trong  các  đợt  thử  nghiệm  sau  khi  sửa  chữa  và  trong  quá trình vận hành bình thường.  

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.1 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ:

 Kích từ là yếu tố rất quan trọng của máy phát điện, bởi vì tính làm việc ổn định và đảm bảo của máy phát điện phụ thuộc rất nhiều vào tính làm  việc  và đảm bảo của hệ thống kích từ. Vì vậy, đối với hệ thống kích từ đề ra những yêu cầu sau:  

 Hệ thống kích từ cần phải cung cấp đảm bảo dòng kích từ cho máy phát không những trong điều kiện làm việc bình thường mà cả khi sự cố trong hệ thống; 

 Trong chế độ làm việc bình thường hệ thống kích từ phải được tự động điều chỉnh ổn định khi phụ tải của máy phát thay đổi từ không đến định mức, khi đó điện áp đầu cực của nó dao động trong giới hạn ± 5%; 

 Tác  động  nhanh  là  yêu  cầu  rất  quan  trọng  liên  quan  chặt  chẽ  đến  khả năng  ổn định động của hệ thống. Thông thường  vận tốc  kích từ của  một hệ  thống kích  từ  không  được  thấp  hơn  2Ufđm/s  tức  trong  0,5  giây  thì  điện  áp  kích  từ  (Uf) phải tăng từ không đến điện áp kích từ định mức (Ufđm); 

 Hệ  thống  kích  từ cần  phải  đạt  được  điện  áp  kích  từ  lớn  nhất  có  thể  có trong thời gian nhất định để đảm bảo phục hồi sự làm việc bình thường sau khi giải trừ sự cố. Đại lượng điện áp kích từ cưỡng bức giới hạn (Ugh) lớn nhất xác định bởi quá điện áp cho phép của mạch kích từ. Thông thường điện áp giới hạn khi kích từ cưỡng bức của một hệ kích từ không được thấp hơn 2Ufđm. Dòng điện kích từ lớn nhất khi kích từ cưỡng bức giới hạn phụ thuộc vào phát nóng cho phép của Rotor. Thời gian duy trì dòng này phụ thuộc kiểu kích từ và bằng khoảng 20 đến 50 giây, thời gian duy trì kích từ giới hạn là đại lượng rất quan trọng để đảm bảo sự làm việc 

ổn định của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch trong lưới. 

 Chức năng cơ bản của hệ thống  kích từ là cung cấp dòng  một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống thông qua việc điều khiển 

điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. 

 Chức năng các khối điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. 

 Chức  năng  các  khối  bảo  vệ  là  đảm  bảo  được  khả  năng  của  máy  điện 

đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không vượt quá giới hạn

1.2 Phân loại và nguyên lý hoạt động của hệ thống kích từ máy phát điện

Hệ thống kích từ được phân loại dựa trên nguồn của máy kích từ chính cấp cho cuộn rotor của máy phát điện, có 3 loại chính sau:  

1.2.1 Hệ thống kích từ một chiều

Dòng điện kích từ cho rotor máy phát điện được điều khiển bằng cách thay đổi  điện  áp  ra  của  máy  phát  một  chiều  và  đưa  vào  cuộn  dây  rotor  thông  qua  các vòng trượt, đây là nguồn kích từ chính. Máy kích từ chính được kéo cùng trục với máy phát và nhận nguồn kích từ từ bộ kích từ nhỏ còn gọi là kích từ phụ, thường là máy phát nam châm vĩnh cửu như hình 1.1. Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống 

ra đời sớm nhất, các thiết kế mới hiện nay không còn sử dụng nữa và chúng được thay thế bằng hệ thống kích từ xoay chiều. 

1.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều

Dùng Máy phát điện đồng bộ để kích từ cho máy phát điện gọi là hệ thống kích  từ  xoay  chiều.  Thường  máy  kích  từ  được  lắp  cùng  trục  với  trục  turbine  máy phát, điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển hoặc không có điều khiển để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát. Các thiết kế hiện nay thường gồm một máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh, phần ứng là phần quay, kết hợp với bộ chỉnh lưu quay lắp đặt ngay trên trục. Do đó, dòng điện kích từ sẽ đi trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ phụ kích từ cho máy kích từ chính, kích từ chính sẽ kích từ cho máy phát điện thông qua vòng trượt như hình 1.2, hoặc bộ chỉnh lưu quay đặt ở kích từ chính là phần quay sẽ cung cấp dòng kích  từ  trực  tiếp  cho  cuộn  dây  rotor  máy  phát  không  cần  vòng  trượt  như  hình  1.3 đây còn được gọi là hệ thống kích từ không chổi than.  

1.2.3 Hệ thống kích thích tĩnh

Hệ  thống  kích  thích  tĩnh  là  loại  sử  dụng  phối  hợp  biến  áp  kích  từ  và  bộ chỉnh lưu. Tất cả các phần tử trong hệ thống  này đều đứng yên. Các bộ chỉnh lưu tĩnh được điều khiển hoặc không được điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp 

đại của bộ kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào. Vì vậy, khi hệ thống 

bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp đầu ra 

bộ kích từ có thể giảm theo. Hạn chế này của hệ thống kích từ, được bù bằng đáp ứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trường cưỡng bức cao. Ngoài ra, nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền. 

1.3 Các thiết bị chính của hệ thống kích từ

1.3.1 Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR)

Bộ điều chỉnh điện áp tự động có các nhiệm vụ sau: 

1.3.1.1 Điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện

Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó với  một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra những  mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích từ sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này.  

1.3.1.2 Điều khiển công suất vô công của máy phát điện

Khi  máy  phát  chưa  phát  điện  vào  lưới,  việc  thay  đổi  dòng  điện  kích  từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện  kích  từ  được  biểu  diễn  bằng  1  đường  cong,  gọi  là  đặc  tuyến  không  tải  (đặc tuyến  V-A).  Tuy  nhiên  khi  máy  phát  điện  được  nối  vào  một  lưới  có  công  suất  rất lớn  so  với  máy  phát,  việc  tăng  giảm  dòng  kích  thích  hầu  như  không  làm  thay  đổi điện áp lưới. Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng của máy phát. Khi dòng kích 

từ tăng, công suất vô công tăng, khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm. Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại  nếu dòng  kích từ tiếp tục  giảm thêm. Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều  khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn  đến  sự  thay  đổi  rất  lớn  công  suất  vô  công  của  máy  phát  khi  điện  áp  lưới  dao động. Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện 

áp,  còn  phải  theo  dõi  và  điều  khiển  dòng  điện  vô  công.  Thực  chất  của  việc  điều khiển  này là điều  khiển dòng  kích từ  khi công suất  vô công  và điện áp lưới có sự thay đổi,  sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất  vô công phải là mối liên hệ hợp lý. 

1.3.1.3 Giới hạn tỷ số V/f

Khi  khởi  động  một  tổ  máy,  lúc  tốc  độ  quay  của  rotor  còn  thấp,  tần  số phát  ra  sẽ  thấp.  Khi  đó,  bộ  điều  chỉnh  điện  áp  tự  động  sẽ  có  khuynh  hướng  tăng dòng  kích  thích  lên  sao  cho  đủ  điện  áp  đầu  ra.  Điều  này  dẫn  đến  quá  kích  thích, cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế 

chính, máy biến áp tự dùng  sẽ bị quá kích thích, bão hoà từ, và quá nhiệt. Bộ điều chỉnh  điện  áp  tự  động  cũng  phải  luôn  theo  dõi  tỷ  số  này  để  điều  chỉnh  dòng  kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu. 

1.3.1.4 Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây

Khi  máy  phát  điện  vận  hành  độc  lập,  hoặc  nối  vào  lưới  bằng  một  trở kháng lớn. Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây. Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng. 

Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó. Tác động bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải. Để có được tác động này, người ta đưa thêm một tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường. Dòng điện của một pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây 

từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp. Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được. Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện 

áp tổng hợp nói trên là không đổi. 

1.3.1.5 Cường hành kích từ khi có sự cố trên lưới

Hệ thống  kích từ có  khả năng thực hiện các  chức năng chính xác trong khoảng thời gian có các nhiễu loạn quá độ, ví dụ như ngắn mạch trên hệ thống điện cao áp, thông thường thiết bị bảo vệ sẽ giải trừ sự cố trong 0,125s. Thêm vào đó, nó sẵn sàng gia tăng kích từ nếu được yêu cầu. 

1.3.2 Tự động diệt từ

Khi máy phát điện được cắt khỏi lưới, cần phải nhanh chóng tự động diệt từ trường cuộn kích từ, nhất là khi ngắn mạch trong khu vực bảo vệ của máy phát điện. khi đó máy cắt đầu cực của nó phải cắt ra nhưng chỉ mới loại trừ được thành phần dòng ngắn mạch do hệ thống và các máy phát làm việc song song với nó cung cấp. 

Trong  máy  phát  điện  vẫn  còn  tồn  tại  thành  phần  dòng  ngắn  mạch  do  bản  thân  nó 

cung  cấp  vì  máy  phát  vẫn  còn  đang  được  kích  từ  và  quay  theo  quán  tính  mặc  dù 

Khảo sát một máy phát điện cực ẩn với  giả thiết máy phát làm việc song song  với  hệ  thống  vô  cùng  lớn  có  điện  áp  không  đổi  và  bỏ  qua  điện  trở  của  cuộn 

phụ tải mang tính dung kháng thì B ở phía dưới C, tức máy phát điện tiêu thụ công 

suất Q < 0. 

EU Q

2cos 

1.4.1.2 Chế độ làm việc khi E = const, P thay đổi

 Do  giả  thiết  máy  phát  làm  việc  trong  hệ  thống  vô  cùng  lớn  nên  U  = 

const. Sức điện động E tỷ lệ với dòng kích từ If cho nên khi ta thay đổi If sức điện 

EU Q

2cos 

d

U X

0cos 

EU Q

2cos 

d

U X

1.4.1.3 Chế độ làm việc khi E thay đổi, P = const

Muốn điều chỉnh công suất  phản  kháng của  máy phát  điện  khi công suất tác dụng P không đổi ta phải điều chỉnh dòng kích từ như hình 1.9 ta thấy khi thay 

góc lệnh pha dòng stator cũng thay đổi 

Nếu công suất P = 3UIcosφ = const, do điện áp U của lưới không đổi nên trị  số  Icosφ  =  const.  Như  vậy  khi  thay  đổi  If  vectơ  İ  sẽ  thay  đổi  nhưng  có  đỉnh chuyển  động  trên  trục  X.  Mặt  khác  ta  có  IXd  cosφ  =  Esinδ  do  đó  trị  số  Esinδ  = const nên đỉnh Ė sẽ chuyển động trên trục Y 

động E tăng (vectơ Ė1 lớn). Vì vectơ jXdI1 phải vông góc với vectơ İ1 nên xác định được vị trí của İ1. Vectơ İ1 chậm pha sau U

, máy phát có công suất phản kháng có tính chất điện cảm. Khi giảm dòng kích từ Ė1 giảm đến vectơ Ė2 ở vị trí này dòng İ2 trùng  pha  với U

  tương  ứng  cosφ  =  1,  máy  phát  có  công  suất  phản  kháng  Q  =  0. 

vậy trên mặt phẳng P, Q có thể biểu diễn đường giới hạn dòng phần ứng, đó là vòng 

tròn  với  tâm  tại  gốc  toạ  độ  và  bán  kính  bằng  công  suất  biểu  kiến  định  mức  S  = 

EU

2 2 2

Giới hạn nhiệt dòng  kích từ

Giới hạn nhiệt dòng  phần ứng

Giới hạn phát nóng vùng biên:

Sự phát nóng được hình thành ở vùng biên của phần ứng là giới hạn thứ ba trong hoạt động của máy phát điện. Khi máy phát hoạt động với chế độ thiếu kích 

từ, từ thông ở các vòng dây ở hai đầu phần ứng của stator tản vào và ra vuông góc với từng lớp thép mỏng của stator. Đây là nguyên nhân dòng điện xoáy trong từng lớp thép, kết quả là sự phát nhiệt ở vùng biên. Khi dòng kích từ lớn ứng với trường hợp quá kích từ giữ vòng duy trì bão hoà làm cho từ thông tản nhỏ. Tuy nhiên trong vùng thiếu kích từ, dòng kích từ nhỏ và vòng duy trì không bão hoà, điều này cho phép tăng từ thông tản ở cuối phần ứng. Trong điều kiện thiếu kích từ, từ thông tản 

do dòng phần ứng cộng với từ thông sinh ra do dòng kích từ, vì vậy từ thông vùng biên làm tăng từ thông hướng tâm trong vùng và kết quả hiệu ứng nhiệt xảy ra rất mãnh liệt giới hạn ngõ ra máy phát, đặc biệt trong trường hợp roto dây cuốn. Giới hạn nhiệt vùng biên này được trình bày cùng với  giới hạn chịu nhiệt bởi nhiệt của dòng điện phần ứng như Hình 1.12. 

0,2 0,4 0,6 0,8 10,2

0,4 0,6 0,8 1

Hình 1.13. ĐƯỜNG CONG KHẢ NĂNG PHÁT CÔNG  SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

1.4.1.5 Đặc tính hình V máy phát đồng bộ

Đặc tính hình V là quan hệ của dòng phần ứng theo dòng kích từ ở điện áp 

và công suất không đổi. Khi công suất giữ không đổi, dòng phần ứng và tương ứng 

là hệ số công suất có thể thay đổi bằng cách thay dổi dòng kích từ. Tất nhiên khi đó dòng phần  ứng sẽ nhỏ nhất  khi cosφ bằng  1  và ngược lại tăng lên  khi cosφ  giảm. Trên hình 1.14 các đường nét đứt là quĩ tích các điểm có cùng cosφ, cũng chính là đặc tính điều chỉnh cho biết phải thay đổi dòng kích từ khi tải thay đổi ở một cosφ nhất định.  Bên phải của đường đặc tính điều với  cosφ bằng 1 tương ứng  với  vùng quá kích từ và cosφ khi đó vượt trước, bên trái ứng với vùng thiếu kích từ và cosφ khi đó trễ. 

co

= co

= ,95

Hình 1.14 Đặc tính hình V máy phát điện đồng bộ 1.4.2 Chế độ mất kích từ

Trong quá trình vận hành máy phát điện có thể xảy ra mất kích từ do hư hỏng bên trong mạch kích thích, hư hỏng trong hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, hư hỏng chổi than cổ góp hay sơ suất trong thao tác của nhân viên vận hành v.v  Khi máy phát bị  mất  kích thích thường dẫn đến  mất đồng bộ,  gây phát nóng cục bộ ở 

stato  và  rôto.  Nếu  hở  mạch  kích  thích  có  thể  gây  quá  điện  áp  trên  cuộn  dây  rôto nguy hiểm cho cách điện ở cuộn dây. 

Dòng kích thích được đưa vào cuộn dây rotor để tạo từ thông rotor, từ thông này sẽ tạo ra sức điện động của máy phát.  Khi mất kích thích, từ thông kích thích máy phát và sức điện động đồng bộ tương ứng của máy phát bị mất. Do công suất 

vô công của máy phát tỉ lệ với sức điện động nên công suất vô công sẽ giảm. Nếu máy phát đang phát công suất vô công vào hệ thống, công suất vô công sẽ tự giảm 

về không và tiếp tục nhận vô công của hệ thống để tạo từ trường kích thích cho máy phát. Việc suy giảm sức điện động của  máy  phát sẽ làm  giảm  đặc tuyến  góc công suất của máy phát theo công thức 

sin

t e T

E U P

suất ra đạt cực đại, nến dòng  kích thích suy  giảm  vượt qua điểm này  máy phát sẽ không thể chuyển công suất cơ  của turbine thành công suất điện  vào hệ thống, do vậy công suất cơ  được tiêu tán bằng cách tăng tốc độ  máy phát dẫn đến  máy phát hoạt động ở chế độ không đồng bộ. 

Như  vậy  ở  chế  độ  làm  việc  bình  thường,  từ  thông  của  stator  quay  đồng  bộ với  rotor,  chế  độ  mà  từ  thông  stator  không  quay  đồng  bộ  với  rotor  gọi  là  chế  độ 



Trong quá trình tăng tốc của tổ  máy, bộ điều tốc Turbine có đặc tuyến tĩnh như  đường  2  trên  hình  1.16 sẽ  tác  động  giảm  lượng  lưu  chất  làm  việc  đưa  vào 

turbine.  Mômen  quay  trên  trục  giảm  xuống  và  ở  hệ  số  trượt  S 1  nào  đó,  mômen không  đồng  bộ  sẽ  cân  bằng  với  mômen  của  turbine  và  xuất  hiện  chế  độ  ổn  định mới.  Công  suất  tác  dụng  P1 mà  máy  phát  điện  phát  ra  khi  đó  phụ  thuộc  vào  đặc tuyến  mômen  không  đồng  bộ  và  đặc  tuyến  điều  chỉnh  của  turbine,  giới  hạn  công suất và thời  gian phát ở chế độ không đồng bộ thường được cung cấp bởi nhà chế tạo. 

1.4.2.1 Ảnh hưởng đến các tổ máy đấu song song

Khi máy phát được nối trực tiếp với thanh cái chung, khả năng hư hỏng sẽ gia tăng khi có tổ máy bị mất kích từ. Trong trường hợp này, điện áp thanh cái giảm thấp, bộ điều áp của tổ máy còn hoạt động bình thường sẽ tăng nhanh dòng kích từ 

để bù lại điện áp cho thanh cái và cung cấp vô công cho máy phát bất thường. trong trường hợp này cả hai tổ máy có khả năng đều làm việc ở tình trạng quá tải. 

1.4.2.2 Ảnh hưởng đến hệ thống

Một máy phát vận hành ở chế độ không đồng bộ khi mất kích thích có thể tiêu thụ công suất vô công trong khoảng 0,4÷1,9 lần cho phép và độ trượt gia tăng đến 4%. Ảnh hưởng của mất kích từ máy phát trên hệ thống điện được xác định bởi khả năng chịu được không những lượng công suất vô công và hữu công mất đi, mà còn phải cung cấp thêm lượng công suất vô công do tổ máy bất thường tiêu thụ. 

Nếu  máy  phát  có  công  suất  nhỏ  nối  vào  hệ  thống  lớn  khi  mất  kích  từ  sẽ ảnh hưởng  rất nhỏ đến hệ thống. Ngược lại, nếu hệ thống  không đủ  khả năng đáp ứng  lượng  vô  công  thì  có  thể  dẫn  đến  rã  hệ  thống.  Đầu  tiên,  các  máy  phát  điện  ở gần sẽ tăng  kích từ  để cung cấp  vô công cho  tổ máy  bị  mất  kích từ  và bù điện áp cho lưới. Lượng công suất vô công và hữu công đổ về điểm điện áp thấp có thể gây quá tải đường dây tải điện và máy cắt tác động cắt đường dây này ra khỏi hệ thống. Tiếp theo các  máy phát còn lại  không thể duy trì điện áp  kích từ tối  đa do bảo  vệ giới hạn phát nhiệt. Nếu máy phát bất thường không được tách khỏi hệ thống, relay bảo vệ  giới  hạn dòng  kích từ của các tổ  máy  còn lại đến thời  gian tác động,  giảm ngay dòng kích từ các tổ máy về định mức. Kết quả là điện áp hệ thống giảm thấp 

có thể gây tan rã hệ thống.  

1.4.2.3 Ảnh hưởng đối với máy phát

    Ảnh  hưởng  của  mất  kích  từ  lên  máy  phát  điện  phụ  thuộc  vào  thiết  kế máy phát và độ trượt trong quá trình vận hành ở chế độ không đồng bộ có thể gây ra các hiện tượng sau: 

 Dòng  điện  stator  có  thể  tăng  cao  hơn  định  mức  do  lúc  này  dòng kích từ bằng không, từ trường khe hở không khí được tạo nên bởi dòng kích từ xoay 

chiều lấy từ lưới. Dòng  kích từ xoay chiều  mà máy phát tiêu thụ để tạo từ trường khe hở  không  khí  là dòng phản  kháng, đặc trưng cho  máy phát điện tiêu thụ công suất phản kháng. Dòng phản kháng có tính khử từ nên khi đó điện áp của máy phát giảm xuống.   

 Từ trường quay phần tĩnh quét qua rotor nên trong rotor sẽ sinh ra 

dòng cảm ứng có tần số f 2 = Sf 1. Dòng cảm ứng có thể gây quá nhiệt trên rotor.  

 Quá  nhiệt  đầu  cuối  các  cuộn  dây  stator  xảy  ra  như đã  trình  bày  ở mục  1.4.1.4.  Trong  trường  hợp  mất  kích  từ  hiện  tượng  quá  nhiệt  sẽ  nghiêm  trọng hơn.  

 Mômen xung  động xảy ra  khi  máy phát  vận  hành ở chế độ  không đồng bộ, do máy phát và động cơ sơ cấp chịu ứng suất của chu kỳ trượt. Sự mỏi kim loại sẽ được tích lũy. Nếu vận hành lâu dài ở chế độ này có thể ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ các thiết bị như: trục, các cấu trúc liên kết. Mômen xung động còn có khả năng cộng hưởng với trục, cánh turbine, hay các thiết bị khác.  

1.5 Một số mô hình kích từ mẫu theo tiêu chuẩn IEEE

ILR. 

Hình 1.19 Mô hình hệ thống kích thích tĩnh loại ST1A. 

Chương 2 MỘT SỐ SƠ ĐỒ KÍCH TỪ THỰC TẾ 2.1 Sơ đồ hệ thống kích từ một chiều tổ máy S4 nhà máy điện Cần Thơ

ĐỘNG CƠ  KHÔNG ĐỒNG  BỘ

C2 C1

C6 C5

C8 C7

C5 C6

C7 C8

R D4

3 Φ AC

PT

CT CT

DR

MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ CHÍNH KÍCH TỪ PHỤ

HTD KHUẾCH ĐẠI QUAY

HFG MÁY PHÁT CAO TẦN

Nguồn kích từ  HFG

KHUẾCH ĐẠI TỪ

DAL

DAR

BUCK  AMPLIFIER

BOOST AMPLIFIER

BIAS CURENT  SOURCE

CROSS CURENT

DT2 DT1

đủ lớn  để điều  khiển từ trường  kích từ  máy phát theo chiều tăng hoặc  giảm nhằm duy trì điện áp máy phát không đổi. 

Khuếch  đại  từ  hoạt  động  dựa  trên  nguyên  tắc  phi  tuyến  của  đường  cong  từ hóa của cuộn dây lõi thép khi làm việc với dòng điện xoay chiều. Bằng một tín hiệu một chiều nhỏ ta có thể điều khiển được tín hiệu phụ tải xoay chiều đầu ra. 

Mạch chống dao động gồm hai biến thế giảm chấn DT1 và DT2 có nhiệm vụ làm ổn định hệ thống. 

Máy phát cao tần với  tần 400 Hz được nối cùng trục  với  HTD  và cung cấp nguồn AC cho khuếch đại từ.  

Đường  cong  bão  hòa  của  máy  kích  từ  chính  và  mối  liên  hệ  giữa  từ  trường kích  từ  với  điện  áp  kích  từ  trong  hệ  thống  kích  từ  có  kích  từ  phụ.  Một  từ  trường 

cung cấp từ trường  kiểm soát  +AT2 hoặc –AT2, sao cho từ trường tổng cộng của kích  từ  chính  và  điện  áp  ra  được  điều  chỉnh  rộng  rãi  theo  cả  hai  hướng  như  biểu diễn giá trị V1 và V2 như hình 2.2. 

Hình 2.2 Đường cong bão hoà của

T321 T322 CT

EXCITATION TRANSFORMER

T01 T03

T02 T04

AUTOMATIC and MANUAL REGULATION

U> K10 F10 RNL

ASEX1

BOOSTING U01

FLASHING V30

R32

R30 R31

Q03

Q02

R04 U01

230V DC TEST SUPPLY

STANDBY SUPPLY 230V AC

BATTERY SUPPLY

R10 C10 Q01

Hình 2.3 sơ đồ hệ thống kích từ máy phát GT

+ _

áp stator  máy phát, điện áp thứ cấp được chỉnh lưu bằng cầu thyristor  và đưa  vào phần  tĩnh  của  máy  kích  từ.  Nhờ  vào  cấu  tạo  đặc  biệt  của  máy  kích  từ,  từ  trường được  sinh  ra  của  phần  tĩnh  máy  kích  từ  sẽ  cảm  ứng  lên  phần  động  một  sức  điện động xoay chiều 5 pha  với  tần số 200 Hz. Diode quay được lắp trên trục của máy phát để biến đổi  dòng xoay chiều của máy kích từ thành dòng một chiều và đưa vào rotor  máy phát mà không cần chổi than và cổ góp. 

Nguồn accu 125 VDC sẽ cung cấp cho máy kích từ ở chế độ mồi từ lúc khởi động tổ máy thông qua máy cắt Q03. Nguồn này được cắt khi điện áp máy phát đạt giá trị cài đặt. 

Nguồn  accu  125  VDC  còn  cung  cấp  cho  máy  kích  từ  ở  chế  độ  cường  kích khi điện áp giảm đến  mức  giới  hạn. Khi đó máy cắt Q02 đóng để gia tăng kích từ giữ điện áp máy phát.   

0.2 0.4 0.6

0.8

1.0 1.2

U/f = 1.1

N Nn 0.2 0.4 0.6

0.8

1.0 1.2 0

U Un

I ac In

tự  động,  cho  cảm  biến  dòng  điện  -U10  và  các  rơle  ngõ  ra  của  kênh  điều  khiển  tự động. Card này được cấp nguồn từ: 

 Máy biến thế kích từ. 

 Nguồn dự phòng 230V AC. 

- Card  ALS2:  Cung  cấp  nguồn  cho  các  card  điện  tử  của  kênh  điều  khiển bằng tay, cho cảm biến dòng điện -U11 và các rơle ngõ ra của kênh bằng tay. Card này được cấp nguồn 230 VAC. 

- Card  CMS1:  Tự  động  phát  ra  điện  thế  tham  chiếu  (set  point).  một  số chức năng  chính của card này là: 

 Chế độ hoạt động (External) và (Internal): chế độ này cho phép lần lượt từng lệnh điều khiển tự động và bằng tay được đưa đến ở từng ngõ vào tương ứng. 

 Lệnh điều  khiển bằng tay (chế độ External):  chênh lệch điện thế  điều khiển  giữa  hai  kênh  tự  động  và  bằng  tay  (UCA  và  UCM)  được  chuyển  đến  card RS1 để điều chỉnh lại điện thế  UCA bằng với UCM. 

 Lệnh  điều  khiển  tự  động  (chế  độ  Internal):  Các  lệnh  tăng  hoặc  giảm kích từ được đưa vào để kiểm soát giá trị điện áp tham chiếu và được đưa đến card RS1. 

 Chức năng đặt  sẵn (Preset): điện thế tham chiếu tự động được đặt sẵn khi máy cắt kích từ đóng, hoặc máy cắt đầu cực máy phát mở. Việc này cho phép máy khởi động đến một giá trị điện áp danh định đã được chọn trước. 

điều  khiển tự động UCA, điện thế này cùng  với  các tín hiệu cung cấp từ các card CMS1, LSES và LUF2, các tín hiệu này được cộng lại và khuếch đại lên để đưa ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu phát ra là điểm đặt (set point) của dòng kích từ. Điểm đặt  này  có  giới  hạn  cố  định  và  một  giới  hạn  mức  cao.  Giới  hạn  này  được  quyền tham  gia  vào  trong  trường  hợp  điện  thế  máy  phát  có  sự  thay  đổi  nhanh  hoặc  khi điện thế  máy phát xuống dưới  mức  giới hạn thấp. Điện thế  máy phát (UST) được chuyển  đến  card  ASEX1,  card  này  cung  cấp  tín  hiệu  tăng  cường  kích  thích (boosting) khi điện thế máy phát giảm dưới mức giới hạn thấp. Giới hạn dòng kích từ: (110% giá trị định mức) được hiển thị bằng đèn Led trên card.