Tự động điều chỉnh điện áp và phân phối tải phản tác dụng

2-Góö ñieän aùp heä thoáng khoâng ñoåi ôû möùc ñoä cho tröôùc khi taûi thay ñoåi ñeán tôùi haïn vaø phaân boá taûi phaûn taùc duïng tyû leä vôùi coâng suaát cuûa maùy phaùt tr[r]

CHƯƠNG 3 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ PHÂN PHỐI TẢI PHẢN TÁC

DỤNG

4-1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Trong qúa trình hoạt động hệ thống năng lượng điện tàu thuỷ tải dùng điện thường xuyên thay đổi nên lượng công suất phát ra của máy phát thay đổi Sự thay đổi đó làm thay đổi điện áp của hệ thống, nếu không có bộ tự động điều chỉnh điện áp, chất luợng năng lượng điện xấu đi Đặc biệt dao động điện áp rất lớn khi có sự cố ví dụ như khi có ngắn mạch, ngắt tức thời một trong những máy phát đang hoạt động song song và khi tăng hay giảm tải lớn v v Trong nhửng trường hợp đó không còn sự cân bằng giữa công suất cơ do động

cơ sơ cấp truyền cho máy phát và công suất điện năng của máy phát phát ra, làm cho máy phát rời khỏi động đồng bộ, làmø cho hệ thống hoạt động không ổn định Ở hệ thống năng lượng điện tàu thuỷ cũng thường dóng mạch khởi động các động cơ có công suất lớn xấp xỉ công suất máy phát nên dòng khởi động lớn làm cho điện áp mạng giảm xuống rất thấp đến mức làm cho các động cơ đang hoạt động tự ngắt ra hay giảm nhanh tốc độ và dừng lại

Điện áp trên thanh cái giàm do có sụt áp trên tổng trở cuộn dây stator máy phát và do tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng Khi máy phát không có bộ tự động điều chỉnh điện áp điện áp có thể giảm xuông 40% và hơn nữa

Các tải dùng điện chỉ hoạt động bình thường khiđiện áp của hệ thống ổn địnhvới mức nhất định và chỉ được phép sai lệch trong phạm vi cho phép so với giá trị định mức

Để khôi phục điện áp hệ thống trở về giá trị định mức khi bị hạ thấp ta cần điều chỉnh kích từ máy phát Qúa trình nghiên cứu và khai thác hệ thống điện năng tàu thuỷ cho ta thấy việc tự động điều chỉnh kích từ có vai trò hết sức quan trọng đảm bảo hệ thống hoạt động tin cậy

Các hệ thống tự động điều chỉnh kích từ của hệ thống năng lượng điện tàu thuỷ phải thoả mãn các yêu cầu về chất lượng cao hơn đối với các hệ thống hoạt động trong các nhà máy, bởi vì hệ thống năng lượng điện tàu thuỷ hoạt động với biểu đồ ngày dêm tiêu hao công suất tác dụng và phản tác dụng không đồng đều Hơn nữa mạng điện táu thuỷ là mạng điện mềm, khi khởi động một động cơ dị bộ có công suất lớn xấp xỉ công suất máy phát gây ra sụt áp rất lớn ảnh hưởng tới hoạt dộng bình thường các tải dùng điện và hoạt động song sonh của các máy phát Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp [điều chỉnh kích từ ] phải có chất lượng khai thác cao, kích thước , trọng lượng nhỏ Đối với các tải dùng điện thắp sáng, cấp điện cho các thiết bị vô tuyến điện và các tải dùng điện đặc biệt khác không cho phép hạ thấp yêu cầu đối với tính chính xác giữ điện áp không đổi

4-2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp có những chức năng cơ bản sau:

1-hệ thống có khả năng tự kích từ

2-Gĩư điện áp hệ thống không đổi ở mức độ cho trước khi tải thay đổi đến tới hạn và phân bố tải phản tác dụng tỷ lệ với công suất của máy phát trong điều kiện hệ thống hoạt 3-Tăng kích từ máy phát cao hơn giá trị định mức khi có ngắn mạch và những trường hợp sụt áp sự cố khác để nâng cao tính ổn định tĩnh và động của hệ thống Yêu cầu hệ thống tự động điều chỉnh điện áp tăng kích từ tới giá trị cực đại khi 4-Đảm bảo tự khởi động lại các động cơ dị bộ và khôi phục nhanh điện áp sau khi loại trừ ngắn mạch

Trong thời gian ngắn mạch điện áp mạng giảm xuống nhiều làm cho các động cơ dị bộ giảm tốc độ do mô men cản trên trục động cơ Khi đó cần tăng kích từ đến giá trị cực đại nên tăng được giá trị ban đầu điện áp vào thời điểm loại trừ ngắn mạch

do đó khôi phục nhanh điện áp và quá trình tự khởi động động 5-Khởi động dễ dàng các động cơ dị bộ có công suất xấp

xỉ công suất máy phát Nếu máy phát không có bộ tự động điều chỉnh điện áp, điện áp trên thanh cái giảm xuống đáng kể do tác đông khử từ thông chính của dòng khởi động, thời gian khởi động kéo dài thậm chí không khởi động được Khi máy phát co ùbộ tự động điều chỉnh điện áp điện áp được khôi 6-Cải thiện điều kiện hoà đồng bộ các máy phát

hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có khả năng cường kích, tăng điện áp trên thanh cái tạo cho máy phát được hoà nhanh chóng kéo vào đồng bộ một cách tin cậy

Thông qua kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm khai thác ta thấy tăng nhanh kích từ máy phát đạt giá trị cực đạiđể nâng cao tính ổn định vận hành song song các máy phát,đảm bảo khôi phục nhanh điệ áp sau khi loại trừ ngắn mạch và giữ cho các động cơ dị bộ hoạt động bình thường Ngoái ra việc cường kích máy phát cò cho phép tăng đáng kể giới hạn công suất phát Chất lượng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phụ thuộc vào hệ thốnh kích từ và đặc tính của nó Hệ thống kích từ máy phát cầnà có tốc độ tăng điện áp kích từ đủ lớn, giớ Đối với máy phát có máy kích từ tố độ tăng điện áp kích từ trung bình đạt giá trị từ 108-235V/gy, đối với máy phát tự kích Để biểu thị khả năng cường kích người ta dùng khái niệm bội số cường kích kck , làtỳ số giũa điện áp kích từ lúc cường kích

Uktck với điện áp kích từ định mức Uktdm

ktdm

ktck ck

U

U

k =

Đối với máy phát có máy kích từ kck= 2,5, đối với máy phát tự kích kck =3-4

4-3 ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐÔNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Đặc tính điều chỉnh của bộ tự động điều chỉnh điện apù là một hàm số biểu thị sự phụ thuộc giữa điện áp máy phát với dòng tải phản tác dụng Ip ở chế độ tĩnh: UF = f[Ip]

Tuỳ thuộc vào giá trị điện ápsau quá trình quá độ, ở chế độ xác lập có trở

về giá trị cũ hay không, đặc tính điều chỉnh có 2 dạng: đặc tính hữu sai và đặc

tính vô sai

Khi điều chỉnh theo đặc tính vô sai giá trị điện áp máy phát ở giá trị xác lập không đổi, không phụ thuộc giá trị của tải Đặc tính hữu sai được mô tả bằng đường thẳng song song với trục Ip như ở hình 4-1

Hình 4-1: Đặc tính điều chỉnh

1 – Đặc tính vô sai

2, 3 – Đặc tính hữu sai Khi điều chỉnh theo đặc tính hữu sai ở những chế độ xác lập

khác nhau điện áp máy phát có những giá trị khác nhau , phụ

thuộc sự thay đổi tải của máy phát Mức độ thay đổi điện áp

phụ thuộc độ nghiêng của đường đặc tính hay là hệ số sai tĩnh

Theo hình 4-1 phương trình đặc tính điều chỉnh có dạng:

UF = UF0 – kc IP

UF điện áp đầu ra của máy phát

UF0 điện áp đầu ra của máy phát lúc không tải

kc hệ số sai tĩnh, = α

∆

∆

I

U k

p c

Quan hệ giữa gia số điện áp máy phát với gia số dòng tải

phản tác dụng được xác định bằng phương trình:

0

=

∆ +

∆UF kc Ip Đặc tính điều chỉnh có hệ số sai tĩnh dương khi điện áp máy

phát giảm lúc tăng tải phản tác dụng như đường số 2 và có

hệ số sai tĩnh âm khi điện áp máy phát tăng lúc tăng tải

phản tác dụng như đường số 3

4-4 CÁC NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU

CHỈNH ĐIỆN ÁP

A Tự kích

Để hệ thống tự động điều chỉnh điện áp có thể thực hiện tự kích cần có các

điều kiện sau:

1 máy phát phải có từ dư do các cực từ tạo ra, bằng khoảng 2-3% từ

thông định mức

2 Chiều từ thông cuộn dây kích từ máy phát khi có dòng điện kích từ

chạy qua cùng chiều với từ dư

3 Điện trở mạch tự kích phải nhỏ hơn điện trở tới hạn

B Các nguyên tắc xây dựng hệ thống

1-Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch

PĐM

UKT

UĐM

UF

CL MF

NC

Tạo

chuẩn

UF0 ∆U≡ UF0 - UF

-+

IKT

PH

-Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch có cấu tạo như ở hình

4-2

Máy phát là đối tượng được điều chỉnh, có lượng được điều chỉnh là điện áp ra của máy phát UF Nhiễu chính của máy phát là dòng tải

IF

Hình 4-2 Sơ đồ

khối hệ thống

tự động điều

chỉnh điện áp

theo độ lệch

Phần tử đo, đo điện áp máy phát Tín hiệu ra của phần tử đo tỷ lệ với

điện áp máy phát, được so sánh với tín hiệu chuẩn do phần tử cho trước [tạo

chuẩn ]tạo nên Kết quả so sánh ta nhận được tín hiệu tỷ lệ với giá trị thay đổi

điện áp máy phát ∆U=∆UF0−∆UF Tín hiệu này được chỉnh lưu, khuyếch đại

tác động trực tiếp hay gián tiếp lên mạch kích từ máy phát để điều chỉnh điện

áp máy phát trở về giá trị ban đầu

Hệ thống có ưu điểm có khả năng điều chỉnh điện áp khi điện áp thay

đổi, không phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra sự thay đổi đó Nhưng hệ thống

có nhược điểm kém tính ổn định nên người ta thường đưa thêm vào hệ thống

phản hồi âm mềm hoặc phản hồi âm cứng để tăng tính ổn định

2-Điều chỉnh theo nhiễu chính-dòng tải máy phát

Trong thực tế nhiễu tác động lên máy phát làm thay đổi điện áp có

nhiều loại như: thay đổi nhhiệt độ cuộn dây kích từ, làm thay đổi điện trở cuộn

dây đó, thay đổi dòng kích từ, thay đổi tốc độ quay động cơ lai máy phát v.v

Đểxây dựng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nhiễu chính người ta chỉ

cần đo dòng tải phản tác dụng I bằng biến áp phức hợp pha hay đo dòng điện P

máy phát bằng biến dòng Tín hiệu đo được cần chỉnh lưu, sau đó tác dộng trực

tiếp lên cuộn kích từ máy phát để bù vào độ sụt áp do dòng tải gây nên như

ở hình 4-3

Hình 4-3 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo dòng tải máy

phát

Hệ thống có tính ổn định cao, khả năng cường kích tốt nhưng không có

tính vạn năng vì khi điện áp máy phát thay đổi vì một nguyên nhân khác không

phải nguyên nhân dòng tải hệ thống không hoạt động chỉnh định khó

khăn,không tự động phân phối tải phản tác dụng nếu không có dây cân bằng

3-Điều chỉnh theo nguyên lý kết hợp

MF

CL Đ/C theo nhiễu I,

cosϕ

+

IF

Để khắc phục những khuyết điểm và tận dụng nhưng ưu điểm của các nguyên lý điều chỉnh trên ta xây dựng hệ thống theo nguyên lý kết hợp vừa theo độ lệch vừa theo nhiễu

Căn cứ vào quan hệ tác động của kênh điều chỉnh theo độ lệch đối với kênh điều chỉnh theo nhiễu hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý kết hợp được xây dựng theo 2 nguyên tắc cơ bản

Nguyên tắc thứ 1

Kênh điều chỉnh theo độ lệch gây tác động điều chỉnh ngược chiều với tác động bù sụt áp của kênh điều chỉnh theo nhiễu Do đó khi máy phát chạy không tải và chưa đóng kênh điện áp của bộ tự động điều chỉnh điện áp vào hoạt động điện áp máy phát tăng từ 10-15% địện áp định mức Khi đưa kênh điều chỉnh theo điện áp vào hoạt động điện áp máy phát hạ xuống bằng định mức mô tả cấu tạo khái quát của hệ thống như ở hình 4-4

Hình 4-4 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý phức

hợp theo nguyên lý 1

Ví dụ minh họa nguyên lý hệ thống trên:

Dùng biến áp phức hợp pha có cuộn điều khiển nhận điện một chiều Dòng điện chạy qua cuộn điều khiển chính là tác động điều chỉnh của kênh điện áp Dòng từ hóa càng lớn điện áp ra của cuộn thứ cấp càng lớn Hệ thống này do hãng ACEA Thụy Điển sản xuất

MF

CL

Biến áp phức hợp pha Biến áp phức

hợp +

IF

NC

TC

(-)

U0F

U1F

UKT x

x1

x2

Điều chỉnh theo U

ĐK

U

Biến áp phức hợp pha có điều khiển

Tiếp tục tính toán như tính toán ở chế độ hoạt động định mức của máy phát với công suất P=220KW, cosϕ=0,9ta có thể xác định dòng bù IH

4-Trường hợp ngắn mạch 3 pha :Sơ đồ tương đương đối với chế độ ngắn mạch 3

pha đươc biểu diể như ở hỉnh 35 [không có tụ điện] Ở chế độ ngắn mạch 3 pha điện áp kích từ đạt giá trị giới hạn như ở các phần trên, nên Uktth = 2Uktđm = 2.33 =66v

Điện áp đặt trên cuộn rotor :

Uktth = 66V

Dòng điện kích từ trong rotor máy phát :

iktth = = = 220A

Điện áp đặt trên chỉnh lưu :

∆Uktth = ∆U1 n = (1,0 + Iktth)n = (1,0 + 220)4 = 10V

Điện trở tính toán của chỉnh lưu đối với 1 pha vá đối với phía một chiều :

Ra = = = 0,046Ω

Điện trở tác dụng tương đương của mạch kích từ :

Re = Ra + rkt = 0,046 + 0,301 = 0,347Ω

Điện áp mạch kích từ đặt trên điện trở tương đương Re

U0th = IktthRe = 220 0,347 = 76,2V

Điện áp mạch kích từ được đưa về phía xoay chiều của chỉnh lưu :

U0the = = = 34,5V

Dòng kích từ được đưa về phía xoay chiều của chỉnh lưu :

I0the = = = 183A

Điện áp mạch kích từ đươc đưa về cuộn điện áp của biến áp phức hợp pha :

U’0th = = = 115V

Dòng bù trong điện trở phức hợp :

IOT = = = 8,6A

Tỷ số giữa dòng bù đối với dòng kích từ :

= = 4,7%

3-Xác định các thông số cơ bản của biến áp phức hợp pha :

Số vòng dây của cuộn raW3 đựoc xác định từ chế độ tải định mức của máy phát :

Theo cấu trúc ta cho W1 =3 vậy ta có :

w3 = = = 23

Tiết diện mạch từ :

2 2

1 1 max u

i

ktđm

2 , 1 3 702 2 , 2 2 , 1 222

108 66 w

I 222

i

U

β

β

β

=

Trong đó Bmax =1,2vb/m2

Số lượng vòng dây của cuôn điện áp :

77 17 2 , 1

23 68 I

w

i

w

H

i

2

ktkt

β

=

5-Phương trình độngcủa các phần tử thường dùng trong các hệ thống tự đông điều chỉnh điện áp : ta có hệ thốngtự động điều chỉnh điện áp như ở

hình .Để khảo sát quá tình quá độ của hệ thống trước hết lập phương tình động của từng phần tử

a-Phương trình động của máy phát :

Để nghiên cứu quá trình quá độ của máy phát khi tăng tải, ta lập phương trình đối với dọc trục máy phát đồng bộ, bỏ qua quá trình siêu quá độ vì quá trình này tắt nhanh,và bỏ qua thành phần không chu kỳ

Thay đổi điện áp máy phát ở quá trình quá độ phụ thuộc quá trình quá độ trong mạch kích từ

Phương trình điện áp của mạch kích từ máy phát có dạng :

dt

d i r

ukt = kt kt+ ψ

{1}

Trong đóukt điện áp kích từ máy phát

Ikt –dòng kích từ máy phát

Rkt –điện trở cuộn dây kích từ máy phát