Đồ án Thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện xoay chiều ba pha

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH Tên đề tài: Thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện xoay chiều ba pha 1.2 Phân loại động cơ điện một chiều Có 4 loại động cơ điện một chiều thường dùng sau: - Động cơ điện kích từ độc lập Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn 1 chiều độc lập nhau nên I = Iư - Động cơ điện kích từ song song Uư CKT RKT E I IKT + - E I - + CKT RKT IKT Uư UKT + - Hình 1-5. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song Hình 1- 6. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập Rf Rf Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iư + It - Động cơ điện kích từ nối tiếp Hình 1.7: Sơ đò nối dây của động cơ kích từ nối tiếp Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng dây ít chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It Động cơ điện kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. I = Iư + It 1.3 Các thông số ảnh hưởng: Phương trình đặc tính cơ điện : ω = - Iư Phương trình đặc tính cơ : ω = - M Trong đó: + Uư : điện áp phần ứng ( V ) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + Rư : điện trở của mạch phần ứng (W) + Rf : điện trở phụ của mạch phần ứng (W) + Iư : dòng điện mạch phần ứng. (A) + F: từ thông qua một cực từ (Wb) + w: tốc độ góc của rôto, ( rad/s) + k = hệ số cấu tạo của động cơ + M: mô men điện của động cơ Từ hai phương trình đặc tính trên ta có các thông số ảnh hưởng : + Anh hưởng của điện trở phần ứng: để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Rf càng lớn thì tốc độ của động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. + Anh hưởng của điện áp phần ứng: khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. +Anh hưởng của từ thông: thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện Ikt động cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng. 1.4 Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt , dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Fmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó Eư= 0 và theo biểu thức U=Eư = Rư.Iư thì dòng điện sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản rôto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự suất hiện và tăng lên của Eư , dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. Động cơ điện một chiều có hai nguồn năng lượng: Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ. Nguồn phần ứng được dưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phần ứng. Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn cho dòng điện nằm trong từ trường sẽ chiụ lực tác dụng làm rôto quay. Chiều lực từ xác định theo qui tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nủa vòng, vi trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do đó có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho lực từ tác động không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của nó được xác diịnh theo qui tắc bàn tay phảI, ở động cơ chiều SĐĐ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi là sức phản điện động. 1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ω = - .M ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng Rư ,U, F. Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: Sai số tốc độ: Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số wđ = w s% càng nhỏ càng tốt. - Tính liên tục( độ trơn dải điều chỉnh) g = wi + 1/wi wi + 1 » wi: hệ thống điều khiển liên tục wi + 1 ¹ wi : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn g ® 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước. 1.5.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng: Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm; F = Fđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì b càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. Rf = 0 Rf1 Rf2 w0 w M 0 M2 M1 Mc Hình1.9 đường đặc tính cơ khi thay đổi Rf ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên bTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Đặc điểm của phương pháp Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. Đánh giá các chỉ tiêu Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = wmax / wmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. 1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông : Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= Uđm; Rư = const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (F = Fmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông F tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. ® Khi giảm F thì tốc độ không tải lý tưởng tăng, còn độ cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng M Fđm F2 F1 wo wo1 wo2 w 0 Mc1 Mc2 Hình1.10 đặc tính cơ khi thay đổi từ thông điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ. Đặc điểm của phương pháp Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức. Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi. Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1 Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với F » 1 Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = (1 – 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). ® Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. 1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng: Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển.) ở phương pháp này: U = var; Fđm = const; Rf = 0 Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng wo = U /k.F thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng. Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức. ĐTTN w0 w02 w01 w M U1 U2 0 Mc Hình1.11 đặc tính cơ khi thay đổi Uư Đặc điểm của phương pháp Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển. Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì F và Iư đều không đổi. Đánh giá chi tiêu điều khiển Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên) Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi. Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục. Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1 ® Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều. Þ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. 1.6 Đảo chiều động cơ: Hình 1.12 sơ đồ nguyên lý đảo chiều phần ứng Hình 1.13 sơ đồ nguyên lý đảo chiều phần kích từ Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì lực tư có chiều ngược lại, vậy muốn đảo chiều động cơ điện 1 chiều ta thực hiện 1 trong 2 cách như hình vẽ trên.Và đường đặc tính cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ. Nguyên lý: Khi ta thực hiện 1 trong 2 cách đảo chiều phần ứng động cơ hoặc phần kích từ thì nguyên tăc chung là: Ta muốn quay thuận thì chỉ việc ấn 2 tiếp điểm thuongf đóng T lại khi đó 2 tiếp điểm thường mở là N sẽ mở ra và dòng điện sẽ đI qua 2 tiếp điểm T è Quay thuận. Ta muốn quay ngược thì chỉ việc nhả 2 tiếp điểm T ra và ấn 2 tiếp điểm thường mở lại khi đó dòng điện sẽ chạy qua 2 tiếp điểm N è Quay ngược. CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Như đã tìm hiểu về động cơ điện một chiều ở chương 1, ta thấy, nguồn cấp cho động cơ điện một chiều có thể có thể dùng bộ biến đổi một chiều. Vì bộ bién đổi một chiều có thể thiết kế dễ dàng nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn. Hơn nữa các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể điều khiển dễ dàng ,độ tin cậy cao. Do đó, ta đi tìm hiểu và thiết kế nguồn cấp một chiều, qua mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện cho động cơ điện một chiều. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản hay được sử dụng: Chỉnh lưu cầu 1 pha. Chỉnh lưu hình tia 3 pha. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Chỉnh lưu tia 2 pha. 2.1 Chỉnh lưu hình cầu 1 pha 2.1.1. Sơ đồ động lực Hình 2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng Hình 2.4 Giản đồ điện áp chỉnh lưu cầu 1 pha Nguyên lý hoạt động: Trong 1/2 chu kỳđiện áp của thyristo T1 dương (khi đó catot T2 âm) nếu cấp xung điều khiển đồng thuận với điều khiển phảI cả 2 xung cùng một lúc thì T1 , T2 sẽ dẫn. Đến 1/2 sau thì điện áp đổi dấu anot T3 dương, catot T4 âm, nếu có xung điều khiển đồng thời cho cả 2 van thì các van được mở thông. Góc mở van α, góc dẫn các van λ 0 – α : T1, T2 dẫn α – α + λ : T3, T4 dẫn ,khóa T1 ,T2 lại. 2.1.3 Công thức: Điện áp ra: Udα = U2cosα = 0,9U2cosα Idα = Iv = Sba = 1,23Pd Ungmax = U2 I2 = 1,11Id 2.1.4 Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thực tế,nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V. Dùng tải lớn tới 100A. Ưu điểm của nó là không nhất thiết phảI có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp 2 hình tia nên sụt áp trong mạch cũng gấp 2.Do đó nó không phù hợp với tải có dạng dòng lớn nhưng áp nhỏ. 2.2 Chỉnh lưu hình tia 3 pha: 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.5 Chỉnh lưu hình tia 3 pha Hình 2.6 giản đồ điện áp và dòng điện chỉnh lưu tia 3 pha 2.2.2 Nguyên lý hoạt động: Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van: khi anod của van nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Còn các Tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc mở tự nhiên( như vậy trong chỉnh lưu tia 3 pha, góc mở nhỏ nhất a = 0 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o). Chỉnh lưu tia 3 pha được phân biệt bởi hai vùng mở khác nhau: Khi a < p/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các Tiristo dẫn liên tục: có sự chuyển mạch từ van này sang van kia, không có sự hoàn trả năng lượng về lưới. Các đường cong Ud, Id liên tục. Khi a > p/6 thì Tiristo sẽ được mở trong khoảng nào tùy thuộc vào tích chất của tải: nếu tải thuần trở thì đường cong điện áp và dòng điện là gián đoạn còn nếu tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) thì đường cong dòng điện và điện áp là các đường cong liên tục nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu. Với tải điện cảm, Tiristo được dẫn có phần âm điện áp nên có sự trả năng lượng về lưới. 2.2.3 Công thức liên quan: - Điện áp ra: Udα = U2cosα = 1,17U2cosα Với: α góc điều khiển U2 tham số cố định - Dòng điện trên van: Iv = - Công suất biến áp Sba = 1,35Pd - Điện áp ngược lơn nhất trên van Ungmax = U2 - Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn: I2 = 0,58Id - Id trị số trung bình dòng điện ra tải 2.2.4 Nhận xét: Việc điều khiển các van tương đối đơn giản. Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải. Công suất máy biến áp này nhỏ hơn công suất 1 chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trên van nhỏ nên thích hợp với điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng công suất tảI lên gấp nhiều lần,mặt khác độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu giảm đắng kể nên kích thước bộ lọc nhỏ đi nhiều. 2.3 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng: 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.11 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Hình 2.12: giản đồ điện áp và dòng điện dẫn qua van 2.3.2 Nguyên lý hoạt động: Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời (1 xung ở nhóm anod, 1 xung ở nhóm catod). Hai xung điều khiển có: một xung chính quyết định góc mở, 1 xung đêm để có dòng điện. Các van T1, T3, T5 thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm katot chung Ukc Các van T2, T4, T6 thay nhau dẫn ở điểm anot chung Uac. Công thức liên quan: - Điện áp ra: Udα = Udocosα = U2cosα - Dòng trung bình trên van Itbv = - Điện áp ngược lớn nhất: Ungmax = U2 - Công suất máy biến áp: Sba = 1,05Pd - Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn: I2 = 0,816Id Nhận xét: Chỉnh lưu cầu ba pha là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế, vì nó có nhiều ưu điểm . Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch nhỏ 5%. Nếu có sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại khác. Đồng thời công suất mạch chỉnh lưu này lớn len tới vài trăm KW. Nhược điểm là sụt áp trên van gấp đôI trren van của sơ đồ hình tia. 2.4.Chỉnh lưu tia 2 pha: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.13 chỉnh lưu tia 2 pha Hình 2.14 giản đồ điên áp 2.4.2 Nguyên lý hoạt động: Khi T1 được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T1 ở trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và kích mở T2 chuyển sang dẫn. Khi tải có điện cảm thì dòng điện gián đoạn hau liên tục là do nằng lượng điện từ tích lũy trong cuộn dây lớn hay bé Wdt=Li2/2 phụ thuộc vào L,I doquyết định ( nếu càng lớn thì i2 càng lớn, vùng gián đoạn nhỏ đi). Khi tải điện cảm lớn tới mức dòng điện của van đang dẫn bằng 0 đã mở van kế tiếp thì đường cong điện áp, dòng điện là liên tục. 2.4.3 Công thức liên quan: - Điện áp ra: Udα = U2cosα = 0,9U2cosα Với α : góc điều khiển U2 = const - Dòng điện trên van: Iv = - Công suất biến áp: Sba = 1,48Pd Pd công suất tải Pd =Ud0.Id - Điện áp ngược: Ungmax = 2,83U2 - Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn: I2 = 0,58Id 2.4.4 Nhận xét: Việc điều khiển các van tương đối đơn giản. Điện áp ra tải thấp do độ sụt áp trong mạch van thấp hơn. Việc chế tạo biến áp phức tạp, hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn. Buộc phải có biến áp nguồn để tạo điểm giữa cho mạch hoạt động. II. HỆ THỐNG KÍCH TỪ: II.1. Tổng quan về hệ thống kích từ kích từ: 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 kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiền điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn. Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêu cầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp V. Của máy phát được trình bày ở hình 16. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp … cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát. Hình 16: Đường cong điện áp V và đường cong kết hợp cho máy phát tại điện áp phần ứng định mức Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát ở đây xem như được giới hạn bởi các yếu tố; + Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao. + Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn. + Nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn. + Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz). + Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian. + Khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15÷ 60 giây. Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh . Về phương diện lịch sử, vai trò của hệ thống kích từ trong việc nâng cao hiệu quả 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 của tải ở đầu ra của máy phát như mong muốn. Khi điện áp được điều khiển tự động lần đầu tiên, nó cho đáp ứng rất chậm. Đầu năm 1920 người ta đã sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định tĩnh và động hoạt động liên tục và có đáp ứng nhanh. Đáng chú ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày nay càng phát triển, các bộ kích thích và điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh đã sớm được đưa vào trong công nghiệp. Hệ thống kích từ từ đó đã phát triển liên tục. Sự tiến bộ trong hệ thống điều khiển kích từ từ hơn 20 năm qua đã nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn .Việc phát triển các mạch tích phân tín hiệu phân tự đã giúp cho các công nghệ điều khiển phức tạp có thể thực hịên một cách dễ dàng . Sự phát triển sau cùng là kỹ thuật số đã được được đưa vào trong hệ thống kích từ.Thyristo tiếp tục được sử dụng cho mạch công suất Chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý thực hiện bằng các tín hiệu số, mà các chức năng trước đó được thực hiện bởi mạch tín hiệu tương tự. điều khiển bằng tín hiệu số được sử dung rộng rãi ngày nay vì chúng rẻ hơn và độ tin cậy cao hơn các mạch tín hiệu tương tự khác. Chúng tiến bộ hơn nhờ tính liên động cao, 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 máy phát khác. Những hệ thống kích từ hiện đại thực tế có khả năng cung cấp các đáp ứng tức thời ở điện áp rất cao. II.2. Các loại hệ thống kích từ: Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể được chia thành ba loại cơ bản dựa trên nguồn năng lượng mà bộ kích từ sử dụng Hệ thống kích từ một chiều Hệ thống kích từ xoay chiều Hệ thống kích từ tĩnh II.2.1. Hệ thống kích từ một chiều: Hệ thống kích từ loại này sử dụng máy phát một chiều như nguồn năng lượng kích từ và cung cấp dòng điện cho rotor của máy điện đồng bộ thông qua các vòng trượt. Máy kích từ một chiều có thể được kéo nhờ một động cơ hoặc gắn vào trục của máy phát. Nó có thể tự kích hoặc là kích từ độc lập. Khi kích từ độc lập, từ trường của bộ kích từ được cấp bởi bộ kích từ nhỏ như là máy phát nam châm vĩnh cửu. Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống ra đời sớm nhất, khoảng từ năm 1920÷1960.Vào giữa những năm 1960 chúng không còn được lưu tâm nữa mà được thay thế bằng các máy kích từ xoay chiều. Hệ thống kích từ một chiều dần dần biến mất, một số hệ thống cũ hơn được thay thế bằng một hệ thống kích từ xoay chiều hoặc hệ thống kích từ tĩnh. Trong vài trường hợp các bộ điều chỉnh điện áp độc lập được thay thế bằng các bộ điều chỉnh điện tử bán dẫn hiện đại vài hệ thống kích từ một chiều vẫn còn hoạt động do chúng vẫn còn yêu cầu làm mô hình trong nghiên cứu tính ổn định. Hình 18 biểu diễn sơ đồ đơn giản của hệ thống kích từ một chiều với bộ khuyếch đại quay. Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòng một chiều cho cuộn kích từ máy phát chính thông qua các vòng trượt. Từ trường máy kích từ DC được điều khiển bằng bộ khuyếch đại điện cơ. Bộ khuyếch đại điện cơ là một loại đặc biệt của bộ khuyếch đại quay. Nó là một máy điện một chiều chế tạo đặc biệt có 02 bộ chổi than đặt lệch nhau góc 90o về điện, một bộ trên trục d, một bộ trên trục q. Việc điều khiển từ trường cuộn dây được định vị trên trục d. Một cuôn bù mắc nối tiếp với phụ tải trên trục d sinh ra từ trường bằng và ngược chiều với dòng điện phần ứng trên trục d do đó loại bỏ được phản hồi âm do sự phản ứng lại của dòng điện phần ứng. Bộ chổi than trên trục q bị ngắn mạch, công suất điều khiển từ trường rất nhỏ được yêu cầu để tạo ra dòng điện lớn ở phần ứng trên trục q. Dòng điện trên trục q tạo ra theo nguyên tắc từ trường, năng lượng được yêu cầu để duy trì dòng điện trên trục q được cung cấp từ động cơ kéo bộ khuyếch đại điện cơ. Kết quả là tạo một thiết bị khuyếch đại công suất từ 10.000÷100.000 lần và hằng số thời gian nằm trong khoảng (0,02÷0,25) giây. Hình 18: Hệ thống kích từ một chiều với bộ khuyếch đại quay Bo dieu AP II.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều: Hệ thống kích từ này sử dụng máy phát xoay chiều như là nguồn năng lượng kích từ của máy phát chính. Thường máy kích từ có cùng trục vối trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển (SCR) hoặc không có điều khiển (diode) để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát. Bộ chỉnh lưu có thể là tĩnh hoặc là quay Hệ thống chỉnh lưu tĩnh: Với hệ thống chỉnh lưu tĩnh, ngõ ra một chiều cấp cho từ trường cuôn dây của máy phát chính thông qua các vòng trượt. Khi chỉnh lưu không có điều khiển được sử dụng, bộ điều chỉnh sẽ điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, như thế nó sẽ điều khiển tiếp điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Sơ đồ đơn tuyến đơn giản của hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường được trình bày như hình 19. Bộ kích từ máy phát xoay chiều được kéo nhờ rotor của máy phát chính. Bộ kích từ này là tự kích với năng lượng từ trường được cung cấp từ bộ chỉnh lưu Thyristor. Năng lượng của bộ điều chỉnh điện áp được cấp từ điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Hình 19: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều Khi bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor được sử dụng, bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp một chiều ở ngõ ra của bộ kích từ Hình 20 biểu diễn sơ đồ hệ thống chỉnh lưu có điều khiển. Bộ chỉnh lưu điện áp điều khiển việc dẫn của thyristo. Bộ kích từ của máy phát xoay chiều là tự kích và sử dụng điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để duy trì điện áp ở ngõ ra. Vì thyristor điều khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ kích từ nên hệ thống này cho đáp ứng nhanh ngay từ đầu (thời gian đáp ứng nhỏ). Ở hình 19 và hình 20 có hai kiểu điều chỉnh độc lập: 1. Bộ điều chỉnh xoay chiều tự động duy trì điện áp đầu cực máy phát chính bằng với điện áp ra mong muốn 2. Bộ điều chỉnh một chiều duy trì điện áp kích từ máy phát là hằng số, xác định bằng điện áp chuẩn DC. Bộ điều chỉnh một chiều hay bộ điều khiển bằng tay được sử dụng khi bộ điều khiển xoay chiều bị hư hoặc cần ngưng làm việc. Tín hiệu đưa vào bộ điều khiển xoay chiều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng điều khiển và bảo vệ Hình 20: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển được cung cấp bởi máy phát xoay chiều Hệ thống chỉnh lưu quay: (Hệ thống chỉnh lưu không chổi than) Với bộ chỉnh lưu quay, các vòng trượt và chổi than được bỏ, điện áp một chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trường máy phát chính như ở hình 21 Phần ứng của bộ kích từ xoay chiều và chỉnh lưu diode quay kích từ máy phát chính. Một bộ kích từ xoay chiều phụ, có một rotor nam châm vĩnh cửu quay với phần ứng của bộ kích từ và Diode chỉnh lưu. Ngõ ra chỉnh lưu của Stator bộ kích từ nhỏ cung cấp năng lượng từ trường tĩnh của bộ kích từ xoay chiều. Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại của máy phát chính. Một hệ thống như vậy được gọi là một hệ thống kích từ không có chổi than. Nó được phát triển để tránh việc sử dụng các chổi than khi các dòng dòng điện kích từ lớn cho các máy phát rất lớn. (VD: Công suất từ trường cấp cho máy phát 600MW là trên 1MW ). Tuy nhiên với chổi than và các vòng trượt hiện đại, bảo hành tốt, vấn đề cung cấp dòng kích từ lớn không là quan trọng. Hệ thống kích từ xoay chiều có và không có chổi than đều hoạt động tốt như nhau. Hiệu suất đáp ứng ban đầu của các kích thích dùng chổi than không cho phép trực tiếp đo lường dòng và áp từ trường của máy phát. Điều khiển bằng tay điện áp của máy phát chính được thực hiện bằng cách thay đổi trị số đặt nhập một chiều cho mạch cổng của Thyristor. Hình 21: Hệ thống kích từ không chổi than II.2.3. Hệ thống kích từ tĩnh. Tất cả các phần tử trong hệ thống này đều đứng yên. Các bộ chỉnh lưu tĩnh, được điều khiển hoặc không điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho từ trường máy phát chính nhờ các vòng trượt. Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy từ máy phát chính ( hoặc ở các trạm phụ ) qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp, đôi khi lấy từ cuộn phụ trong máy phát. Hệ thống kích từ tĩnh thường có ba kiểu sử dụng rộng rãi: Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp: Trong hệ thống này năng lượng kích từ được cung cấp nhờ một máy biến áp lấy điện từ đầu cực máy phát hoặc các trạm phụ, nó được điều chỉnh bởi bộ chỉnh lưu có điều khiển (xem hình 22) Hệ thống này vốn có hằng số thời gian rất nhỏ. Điện áp ra cực đại của bộ kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào.Vì vậy khi hệ thống bị sự sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp cực đại ở đầu ra bộ kích từ có thể bị 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. Đối với máy phát nối với hệ thống công suất lớn thì hệ thống kích từ làm việc tốt. Hình 22: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp b. Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp: Năng lượng của hệ thống kích từ trong trường hợp này được tạo ra nhờ sử dụng dòng điện cũng điện áp của máy phát chính.điều này có thể thực hiện được nhờ máy biến áp công suất và máy biến dòng bảo hòa như hình 23. Hoặc là nguồn áp và nguồn dòng được kết hợp nhờ sử dụng một máy biến áp kích từ đơn, như là máy biến dòng bảo hòa. Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ ra của bộ kích từ thông qua việc điều khiển sự bảo hòa của máy biến áp kích từ. Khi máy phát không cung cấp cho tải thì dòng ứng bằng không còn nguồn áp cung cấp toàn bộ cho năng lượng kích từ.Ở chế độ có tải một phần năng lượng kích từ được lấy từ dòng điện của máy phát. Khi hệ thống bị sự cố với sự cố nặng sẽ làm giảm điện áp đầu cực máy phát,lúc đó dòng điện sự cố sẽ cung cấp năng lượng từ trường cưỡng bức cao. Hình 23: Hệ thống kích từ chỉnh lưu nguồn kết hợp c. Hệ thống từ chỉnh lưu điều khiển kết hợp: Hệ thống này sử dụng chỉnh lưu điều khiển trong mạch suất của bộ kích từ và sự kết hợp của nguồn áp, nguồn dòng ở bên trong stator máy phát để cung cấp năng lượng cho bộ kích từ. Kết quả là hệ thống kích từ tĩnh cho đáp ứng ban đầu cao với nhiều khả năng cưỡng bức. Hình 24 biểu diễn sơ đồ đơn tuyến cơ bản của hệ thống. Nguồn áp được tạo ra bởi một sợi dây quấn ba pha đặt trong ba rãnh bên trong stator máy phát và nối tiếp với cuộn kháng tuyến tính. Nguồn dòng được tạo ra từ biến dòng đặt ở trung tính cuối cuộn dây stator nối đất. Những nguồn này được kết hợp thông qua sự hoạt động của máy biến điện và kết quả là điện áp xoay chiều ở ngõ ra được chỉnh lưu bởi các linh kiện bán dẫn công suất tĩnh. Việc điều khiển được cung cấp bởi sự kết hợp giữa diode và thyristor mắc song song. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển mạch kích của thristor và qua đó điều chỉnh bộ kích từ để kích từ máy phát. Máy biến áp kích từ bao gồm ba bộ phận đơn pha với ba cuộn dây: cuộn dòng (C) cuộn áp sơ cấp (P) và cuộn ngõ ra thứ cấp (E). Dưới tình trạng sự cố sẽ chạy qua cuộn dây (C) máy biến áp kích từ, cung cấp cung cấp từ trường cưỡng bức khi điện áp máy phát bị giảm thấp. Cuộn kháng có hai chức năng: + Góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp của hệ thống kích từ + Làm giảm dòng sự cố khi hệ thống kích từ hay máy phát bị sự cố. Máy biến áp kích từ và cuộn kháng được đặt trong một hộp hình vòng được bắt dính trên khung máy phát. Bởi vì nguồn năng lượng của hệ thống kích từ tĩnh là từ máy phát chính, nó là hệ thống tự kích. Máy phát không thể tự phát ra điện áp khi chưa có dòng kích từ. Do đó cần có nguồn năng lượng khác trong vài dây để cung cấp dòng kích từ và năng lượng kích thích ban đầu cho máy phát. Phương pháp này tạo nên dòng kích từ cho máy phát được gọi là “kích từ trường”. Nguồn kích thường dùng là nguồn acquy tĩnh. Hình 24: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiển II.3. Nguyên lý làm việc của mạch bảo vệ máy kích từ: 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 kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiền điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn. Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêu cầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp V. Của máy phát được trình bày ở hình 16. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp … cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát. II.4. Cấu tạo, nguyên lý làm việc các thiết bị điều khiển, đo lường, kiểm soát và bảo vệ kích từ: 1. Bảo vệ chống mất kích từ: Trong quá trình vận hành máy phát điện có thể xảy ra mất kích từ do hư hỏng trong mạch kích thích (do ngắn mạch hoặc hở mạch), hư hỏng trong hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thao tác sai của nhân viên vận hành... Khi máy phát bị mất kích từ thường dẫn đến mất đồng bộ ở stator và rotor. Nếu hở mạch kích thích có thể gây quá điện áp trên cuộn rotor nguy hiểm cho cách điện cuộn dây. Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng bộ làm việc với sức điện động E cao hơn điện áp đầu cực máy phát UF (chế độ quá kích thích, đưa công suất phản kháng Q vào hệ thống, Q > 0). Khi máy phát làm việc ở chế độ thiếu kích thích hoặc mất kích thích, sức điện động E thấp hơn điện áp UF, máy phát nhận công suất phản kháng từ hệ thống (Q < 0) (hình 1.33a,c). Như vậy khi mất kích từ, tổng trở đo được đầu cực máy phát sẽ thay đổi từ Zpt (tổng trở phụ tải nhìn từ phía máy phát) nằm ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng tổng trở phức sang ZF (tổng trở của máy phát nhìn từ đầu cực của nó trong chế độ Q < 0) nằm ở góc phần tư thứ tư trên mặt phẳng tổng trở phức (hình 1.33b). Khi xảy ra mất kích từ, điện kháng của máy phát sẽ thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng. Vì vậy để phát hiện mất kích từ ở máy phát điện, chúng ta có thể sử dụng một rơle điện kháng cực tiểu có X’d < Xkđ a) tương ứng với các điểm A và B trên đặc tính điện kháng khởi động ở hình 1.33b. Khi mất kích từ, dòng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 900. Hiệu dòng điện các pha B và C thông qua biến dòng cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp UD vượt trước dòng điện IBC một góc 900. Như vậy góc lệch pha giữa hai véctơ điện áp UD và UBC là 1800 Điện áp đưa vào các bộ biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S1 (hình 1.34). và S2 tương ứng bằng: U1 = a. UBC - UD; U2 = b. UBC - UD Góc lệch pha α giữa U1 và U2 sẽ được kiểm tra. Ở chế độ bình thường α = 00, rơle không làm việc. Khi bị mất kích từ α = 1800, rơle sẽ tác động. Góc khởi động được chọn khoảng 900. Các hệ số a, b được chọn (bằng cách thay đổi đầu phân áp của BUG) sao cho các điểm A và B trên hình 1.34b thoả mãn điều kiện: b. UBC> UD > a.UBC (1-67) Khi mất kích thích, góc pha dòng điện thay đổi, góc lệch pha α được kiểm tra thông qua độ dài của tín hiệu S3 = - S1.S2. Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ sẽ tác động đi cắt máy phát trong khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec. HÌNH 1.34: Sơ đồ bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện dùng rơle điện kháng cực tiểu a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị véctơ; c) Dạng sóng của các đại lượng 2. Bảo vệ chống mất đồng bộ: Bảo vệ chống mất đồng bộ đôi khi còn có tên gọi là bảo vệ chống trượt cực từ. Khi máy phát điện đồng bộ bị mất kích từ, rotor máy phát có thể bị mất đồng bộ với từ trường quay. Việc mát đồng bộ cũng có thể xảy ra khi có dao động công suất trông hệ thống điện do sự cố kéo dài hoặc do cắt một số đường dây trong hệ thống. Hậu quả của việc mất đồng bộ gây nên sự dao động công suất trong hệ thống có thể làm mất ổn định kéo theo sự tan rã hệ thống điện, ngoài ra nó còn tạo ra các ứng suất cơ nguy hiểm trên một số phần tử của máy phát. Để phát hiện sự cố này có thể sử dụng nguyên lý đo tổng trở đầu cực máy phát. Trên hình 1.35 trình bày đặc tính biến thiên của mút véctơ tổng trở đo được trên đầu cực máy phát trong quá trình sự cố và xảy ra dao động điện trong hệ thống. Ơ chế độ vận hành bình thường, mút véctơ tổng trở nằm ở vị trí điểm A. khi xảy ra ngắn mạch mút véctơ dịch chuyển từ A đến B, sau khi bảo vệ cắt ngắn mạch véctơ tổng trở nhảy từ B sang C và nếu xảy ra dao động, mút véctơ ở chu kì đầu tiên sẽ dịch chuyển theo quĩ đạo 2... Hành vi này của véctơ tổng trở khi có dao động điện có thể được phát hiện bằng một rơle với đặc tính khởi động như trên hình 1.36. Đặc tính khởi động có dạng hình elíp hoặc thấu kính 1 và dạng điện kháng 2 kết hợp với nhau theo nguyên lý “và”. Khi có dao động nếu quỹ đạo của mút véctơ Z đi vào miền khởi đoọng ở điểm M và ra khỏi miền khởi động ở điểm N dưới đặc tuyến 2 (hình 1.37) có nghĩa là tâm dao động (tâm điện) nằm trong miền tổng trở của bộ MF-MBA, bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát ngay trong chu kì dao động đầu tiên. HÌNH 1.35: Hành trình của véctơ tổng trở Z khi xảy ra sự cố và dao động Nếu tâm dao động nằm ở phía hệ thống quỹ đạo của mút véctơ Z sẽ nằm cao hơn đặc tuyến 2, khi ấy bảo vệ sẽ tác động cắt sau một số chu kì định trước. Trên hình 1.37 trình bày sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống trượt cực từ, bảo vệ gồm bộ phận đo khoảng cách với đặc tuyến thấu kính1 kết hợp với bộ phậnhạn chế theo điện kháng 2 để giới hạn miền tác động từ phía hệ thống, bộ phận đếm chu kì dao động 3 để cắt máy phát khi sô chu kì đạt trị số đặt trước. Ở phía cao áp của MBA tăng có đặt thêm bộ phận định hướng công suất 4 thực hiện chức năng giống như bộ phận 2 và làm nhiệm vụ dự phòng cho bộ phận này. Thay vì đặc tuyến tổng trở kết hợp 1 và 2 trên hình 1.36 người ta có thể sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật như trên hình 1.38 để phát hiện dao động điện. HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động hình thấu kính để phát hiện dao động điện HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống trượt cực từ (dao động điện) HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động HÌNH 1.39: Quan hệ giữa mức quá hình chữ nhật để phát hiện dao tải và thời gian quá tải cho phép động điện của các cuộn dây máy phát 3. Bảo vệ chống luồng công suất ngược: Công suất sẽ đổi chiều từ hệ thống vào máy phát nếu việc cung cấp năng lượng cho Turbine (dầu, khí, hơi nước hoặc dòng nước...) bị gián đoạn. Khi đó máy phát điện sẽ làm việc như một động cơ tiêu thụ công suất từ hệ thống. Nguy hiểm của chế độ này đối với các máy phát nhiệt điện là Turbine sẽ làm việc ở chế độ máy nén, nén lượng hơi thừa trong Turbine làm cho cánh Turbine có thể phát nóng quá mức cho phép. Đối với các máy phát diezen chế độ này có thể làm nổ máy. Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác dụng của máy phát. Yêu cầu rơle hướng công suất phải có độ nhạy cao để phát hiện được luồng công suất ngược với trị số khá bé (thường chỉ bù đắp lại tổn thất cơ của máy phát trong chế độ này). Với các máy phát điện Turbine hơi, công suất khởi động ΔPkđ bằng: ΔPkđ = (0,01 ÷ 0,03)P đm (1-68) Với các máy phát thuỷ điện và Turbine khí: ΔPPkđ = (0,03 ÷ 0,05)Pđm (1-69) HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống công suất ngược Để đảm bảo độ nhạy của bảo vệ cho các máy phát công suất lớn, mạch dòng điện của bảo vệ thường được đấu vào lõi đo lường của máy biến dòng (thay cho lõi bảo vệ thường dùng cho các thiết bị khác). Bảo vệ chống công suất ngược thường có hai cấp tác động: cấp 1 với thờ gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau khi van STOP khẩn cấp làm việc và cấp thứ 2 với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây không qua tiếp điểm của van STOP (hình 1.40). II.5. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của bộ AVR: 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 kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiền điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Hình 14: Dây quấn kích từ quấn tập trung của máy điện đồng bộ Hình 15: Dây quấn kích từ quấn rải của máy điện đồng bộ Hình 16: Bối dây quấn kích (a): Dây cuốn xếp; (b): Dây cuốn sóng Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn. Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêu cầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp V. Của máy phát được trình bày ở hình 17. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp … cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát. Hình 17: Đường cong điện áp V và đường cong kết hợp cho máy phát tại điện áp phần ứng định mức Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát ở đây xem như được giới hạn bởi các yếu tố; + Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao. + Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn. + Nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn. + Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz). + Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian. + Khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15÷ 60 giây. Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh . Về phương diện lịch sử, vai trò của hệ thống kích từ trong việc nâng cao hiệu quả 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 của tải ở đầu ra của máy phát như mong muốn. Khi điện áp được điều khiển tự động lần đầu tiên, nó cho đáp ứng rất chậm. Đầu năm 1920 người ta đã sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định tĩnh và động hoạt động liên tục và có đáp ứng nhanh. Đáng chú ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày nay càng phát triển, các bộ kích thích và điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh đã sớm được đưa vào trong công nghiệp. Hệ thống kích từ từ đó đã phát triển liên tục. Sự tiến bộ trong hệ thống điều khiển kích từ từ hơn 20 năm qua đã nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn .Việc phát triển các mạch tích phân tín hiệu phân tự đã giúp cho các công nghệ điều khiển phức tạp có thể thực hịên một cách dễ dàng . Sự phát triển sau cùng là kỹ thuật số đã được được đưa vào trong hệ thống kích từ.Thyristo tiếp tục được sử dụng cho mạch công suất Chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý thực hiện bằng các tín hiệu số, mà các chức năng trước đó được thực hiện bởi mạch tín hiệu tương tự. điều khiển bằng tín hiệu số được sử dung rộng rãi ngày nay vì chúng rẻ hơn và độ tin cậy cao hơn các mạch tín hiệu tương tự khác. Chúng tiến bộ hơn nhờ tính liên động cao, 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 máy phát khác. Những hệ thống kích từ hiện đại thực tế có khả năng cung cấp các đáp ứng tức thời ở điện áp rất cao. Sơ đồ khối chức năng tiêu biểu của hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ lớn cho ở ( hình 17 ). Hệ thống này có các bộ phận chính như sau: Bộ kích từ: Cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ, tạo nên công suất của hệ thống kích từ. Bộ điều chỉnh điện áp : ( AVR) Xử lý và khuyếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát để tạo ra cách thức thích hợp nhằm điều khiển bộ kích từ. Nó bao gồm cả việc điều chỉnh và chức năng ổn định hệ thống kích từ (Mạng hồi tiếp hoặc bộ bù sớm –Trễ pha ). Bộ biến điện áp ra và bù tải: Cảm nhận điện áp ra đầu cực máy phát, Chỉnh lưu và lọc nó thành điện một chiều, so sánh nó với một trị chuẩn (trị số đặt) là điện áp đầu ra máy phát mong muốn. Ngoài ra bộ phận bù tải có thể được cung cấp (Do sụt áp trên đường dây hoặc do công suất phản kháng) nếu muốn giữ điện áp không đổi tại các điểm xa đầu cực máy phát ( VD: qua máy biến áp tăng). Bộ này còn được gọi là bộ tạo đặc tuyến điều chỉnh. Bộ ổn định hệ thống công suất: Cung cấp thêm một tín hiệu ngõ vào để hạn chế dao động công suất của hệ thống. Những tín hiệu ở ngõ vào thường dùng là độ lệch tốc độ rôto, Sự tăng công suất và độ lệch tần số . Bộ hạn chế và bảo vệ: Phần này bao gồm một hệ thống điều khiển và bảo vệ rộng nhằm đảm bảo khả năng của bộ kích từ và máy phát đồng bộ không vượt quá giới hạn. Thường sử dụng bộ hạn dòng kích từ, bộ hạn chế kích từ cực đại, bộ hạn áp đầu cực , bộ điều chỉnh và bảo vệ V/Hz và bộ hạn chế thiếu kích từ. Những mạch này thường riêng biệt, các tín hiệu ở ngõ ra của chúng có thể đưa vào hệ thống kích từ bằng một ngõ nhập tổng hay là một cổng nhập. BỘ HẠN CHẾ VÀ BẢO VỆ BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BỘ BÙ TẢI TẠO ĐẶC TUYẾN MÁY PHÁT BỘ KÍCH TỪ BỘ ĐIỀU CHỈNH AVR BỘ ỔN ĐỊNH Tới hệ thống Hình 17 : Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát II.6. Đánh giá đáp ứng động của hệ thống kích từ: Hiệu quả của hệ thống kích từ trong việc nâng cao ổn đinh hệ thống điện được xác định bởi một số đặc tuyến cơ bản của nó. Trong phần này ta tìm hiểu, định nghĩa việc đo lường để xác định từ các đặc tuyến và đáp ứng cơ bản cho việc ước lượng, cũng như việc định rõ chức năng làm việc của hệ thống điều khiển kích từ. Sự làm việc của hệ thống điều khiền kích từ phụ thuộc vào đặc tuyến của hệ thống kích từ, máy phát và hệ thống điện . Vì hệ thống tuyến tính, khảo sát hai dạng tín hiệu, dạng đặc tính tín hiệu nhỏ và dạng đặc tính tín hiệu lớn đối với đặc tính tín hiệu lớn, không tuyến tính là đáng kể: Đối với đặc tính tín hiệu nhỏ, đáp ứng chính là tuyến tính Vr : Điện áp chuẩn Vr : Điện áp ra bộ điều chỉnh V f : Điện áp kích từ ∆V : Độ lệch điện áp. II.7. Chức năng điều khiển và bảo vệ: 1. Quá kích từ: Quá kích từ là nguyên nhân gây ra quá nhiệt máy phát. Để bảo vệ quá kích từ máy phát. Thường dùng bộ giới hạn quá kích từ. Bộ giới hạn kích từ có mục đích là bảo vệ máy phát không bị quá nhiệt do quá dòng kích từ. Bộ giới hạn này còn được biết như bộ giới hạn kích từ cực đại. Cuộn kích từ máy phát được thiết kế hoạt động liên tục tại một giá trị đáp ứng tải định mức. Nhiệt độ phát nóng thì cuộn kích từ rotor máy phát quá tải được thiết kế theo tiêu chuẩn thí dụ như đường cong ( Hinh 26). Hình 26: Sự kết hợp của giới hạn quá kích từ với khả năng chịu nhiệt của cuộn dây kích từ Đường cong đi qua các điểm sau: Thời gian (s) 10 30 60 120 Điện áp kích từ/dòng kích từ (% định mức) 208 146 125 112 Hình 27. Mặt cắt phần cuối máy phát. Hình 27. Là hình vẽ các vòng dây cuốn vùng biên của máy phát. Từ thông các vòng này tản vào và ra vuông góp với từng lớp thép mỏng của Stator. Đây là nguyên nhân dòng điện xoáy trong từng lớp thép, kết quả là sự phát nhiệt được hình thành ở vùng biên. Dòng kích từ lớn ứng với trường hợp quá kích từ giữ vòng duy trì bão hòa làm cho từ thông tản nhỏ. Tuy nhiên trong vùng thiếu kích từ, dòng kích từ nhỏ và vòng duy trì không bão hòa, điều này cho phép từ thông tản ở cuối phần ứng. Hơn nữa trong điều kiện thiếu kích từ từ thông sinh ra do dòng phần ứng cộng với từ thông sinh ra dòng kích từ, vì vậy từ thông vùng biên làm tăng từ thông hướng tâmtrong vùng và kết quả là hiệu ứng nhiệt có thể rất mãnh liệt giới hạn ngõ ra máy phát, đặc biệt trong trường hợp của Rotor dây quấn. Hiện nay việc bổ sung chức năng giới hạn quá kích từ thay đổi tuỳ thuộc vào nhà máy sản xuất và khối chức năng tiêu biểu. Chức năng đặc trưng của bộ giới hạn kích từ là phát hiện ra dòng kích từ cao, qua thời gian trễ, tác động thông qua bộ điều chỉnh AC nhằm làm giảm tốc độ kích từ đến giá trị kích từ đã đặt trước (khoảng 100+110% dòng kích từ định mức ). Hình 28. Đường cong khả năng phát công suất kháng của máy phát Nếu không đặt, nó sẽ cắt độ điều chỉnh AC, chuyển điều khiển đến bộ điều chỉnh DC và xác định lại điểm đạt ở một giá trị đáp ứng đạt trị số định mức. Nếu điều này cũng không làm giảm kích từ đến một giá trị an toàn thì bộ giới hạn sẽ tác động cắt bộ máy phát kích từ và cắt bộ máy phát. Có hai loại thời gian trễ được dùng: Thời gian cố định: Là thời gian mà bộ giới hạn hoạt động khi dòng điện kích từ vượt quá giá trị thời gian cố định đã được đặt bất kể mức độ của sự quá kích từ. Thời gian biến đổi: Là thời gian mà bộ giới hạn hoạt động với thời gian trễ ứng với khả năng từ trường phát nóng, như (Hinh 28). Bộ kích từ với điện áp rất cao có thể được cung cấp thêm một bộ giới hạn dòng kích từ có hoặt động tức thời thông qua bộ điều chỉnh AC cùng với các giới hạn dòng kích từ trong thời gian giới hạn ngắn ( khoảng 160% giá trị định mức ). 2. Thiếu kích từ: Thiếu kích từ là nguyên nhân gây ra quá nhiệt lõi stator máy phát. Để bảo vệ thiếu kích từ máy phát. Thường dùng bộ giới hạn thiếu kích từ. Bộ giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn sự giảm kích từ của máy phát tới mức mà ở đó giới hạn ổn định nhỏ ( trạng thái xác lập ) hoặc là vùng giới hạn nhiệt lõi stator bị vượt quá. Bộ giới hạn này được biết qua những tên khác nhau như bộ giới hạn thiếu kích từ dòng phản kháng và bộ giới hạn kích từ cực tiểu. Tiến hiệu điều khiển của bộ giới hạn thiều kích từ được lấy từ sự kết hợp hoặc là điện áp và dòng điện, hoặc là công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát. Các giới hạn được xác định bằng tiến hiệu vượt quá giá trị đặt. Có nhiều cách để bổ sung chức năng thực hiện của bộ giới hạn thiếu kích từ. Một số bộ giới hạn thiếu kích từ hoặt động theo tiến hiệu sai số điện áp của bộ AVR; khi bộ giới hạn thiếu kích từ khởi động, một phần tử không tuyến tính ( ví dụ như diode) bắt đầu dẫn tín hiệu ngõ ra của bộ giới hạn được kết hợp với các tiến hiệu điều khiển khác của hệ thống kích từ . Sự cài đặt tính của bộ giới hạn thiếu kích từ sẽ đặt nền tảng cho bảo vệ như bảo vệ hệ thống bất ổn định hoặc là cuộn dây stator phát nóng. Ngoài ra đặc tính của bộ giới hạn còn được phối hợp với bộ bảo vệ mất kích từ máy phát. (Hinh 29) trình bày cách mà đặc tính của bộ giới hạn thiếu kích từ ( tượng trưng bằng mặt phẳng P-Q thường sử dụng kết hợp với tính toán ổn định tín hiệu nhỏ và rơle chống mất kích từ. H.29. Sự phối hợp giữa phần tử thiếu, mất kích từ và giới hạn ổn định. Nếu bộ giới hạn chống mất kích từ được sử dụng chống lại vùng phát nóng, sự kết hợp theo cách tương tự, ngoại trừ giới hạn ổn định được thế bằng giới hạn phát nóng. Nếu các tín hiệu nhập cho bộ giới hạn thiếu kích trừ là điện áp và dòng điện stator máy phát thì sẽ xuất hiện các đường cong đặc tính trên mặt phẳng P-Q như (Hinh 29). Với các tiến hiệu ngõ nhập là công suất phản kháng và công suất tác dụng thì đặc tính giới hạn là một đường thẳng. 3. Mạch diệt từ: Vì bộ chỉnh lưu không dẫn theo chiều ngược lại nên dòng điện của bộ kích từ không thể âm như trong trường hợp của bộ kích từ AC và tĩnh. Trong trường hợp cực hư và hệ thống ngắn mạch, dòng cảm ứng trong cuộn kích từ máy phát có thể âm. Nếu dòng điện âm này không có đường thoát thì điện áp tăng rất cao có thể tạo ra ở mạch từ mắc song song. Vì vậy một mạch điện riêng biệt thường được cung cấp để làm nhánh rẽ cho phép dòng kích từ âm thoát qua. Đây là một hình thức của nối tắt từ trường, thường được biết qua bộ ” dập từ trường “ hoăc điện trở biến đổi . Bộ dập từ trường bao gồm một thyristor và một điện trở diệt từ được nối song song với cuộn kích từ máy phát như (hình 30) Cổng của thyristor được điều khiển bằng chế đô quá điện áp được tạo ra dòng cảm ứng ban đầu không lối thoát. Thyristor cũng dẫn dòng kích từ cảm ứng qua điện trở diệt từ. Hình 30 Mạch diệt từ dùng bộ dập từ trường Hình 31 Mạch diệt từ dùng điện trở biến đổi Điện trở biến đổi là một điện trở không tuyến tính khi được nối song song với cuộn kích từ máy phát, ( như hình 31) nó nối tắt cuộn kích từ trong chế độ điện áp cảm ứng cao với điện áp bộ kích từ bình thường điện trở biến đổi mắc song song có điện trở rất lớn vì vậy dòng qua nó có thể bỏ qua. Khi điện áp hai đầu điện trở biến đổi tăng đến ngưỡng thì điện trở của nó giảm theo và dòng điện qua nó tăng lên rất nhanh. Vì thế điện trở biến đổi cung cấp một điện trở nhỏ làm đường dẩn cho dòng kích từ cảm ứng và giới hạn điện áp hai đầu cuộn kích từ và máy kích từ . Trong vài trường hợp, mạch nối tắt riêng biệt bảo vệ cuộn kích từ không được cung cấp. Bộ dập tắt dao động kết hợp với khối sắt của rotor tạo đường dẫn cho đường rotor cảm ứng. Điều này có khả năng giới hạn điện áp cảm ứng ở mức khả năng chịu đựng của cuộn kích từ máy phát và máy kích từ. Vì cuộn kích từ không bị nối tắt nên nó không tải trực tiếp dòng điện hướng âm. II.8. Các bộ hạn chế và bảo vệ: Những phần này được sử dụng để bảo vệ máy phát và máy biến áp tăng để không bị hư do vượt quá dòng từ hoá kết quả của tần số thấp và quá điện áp. Dòng từ hoá vượt quá liên tục có thể là nguyên nhân chủ yếu của sự quá nhiệt. Kết quả có thể làm hư máy biến áp và cuộn dây máy phát. Tỷ số của điện áp đơn vị tương đối và tần số đơn vị tương đối, được xem như điện áp chia cho tần số (V/Hz), có thể đo lường được đại lượng tỷ lệ với dòng từ hoá. Giới hạn VHz đặc trưng cho máy phát và máy biến áp tăng được cho trong bảng sau: V/Hz (đvtđ) 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 Thời gian phá hủy (Phút) Máy phát 0,2 1 6 20 ∞ Máy biến áp tăng 1 5 20 ∞ ∞ Máy biến áp tăng điện áp định mức thường nhỏ hơn điện áp định mức máy phát 5% do đó yêu cầu của bộ giới hạn V/Hz và bảo vệ thường được xác định bởi giới hạn của máy biến áp. Nếu điện áp định mức máy phát và máy biến áp bằng nhau thì giới hạn của máy phát sẽ giới hạn nhiều hơn. Bộ giới hạn V/Hz ( hoặc bộ điều chỉnh V/Hz) điều khiển điện áp kích từ cũng như giới hạn điện áp máy phát khi giá trị V/Hz vượt quá trị số đặt trước. Bộ V/Hz bảo vệ cắt máy phát, khi giá trị V/Hz vượt quá trị số thời gian đặt trước. Thông thường bảo vệ hai cấp được cung cấp, một cấp ứng với trị đặt V/Hz cao hơn và với thời gian ngắn hơn, và cấp khác ngược lại với trị đặt V/Hz thấp hơn và với thời gian đặt dài hơn. Khi sử dụng kết hợp với bộ giới hạn V/Hz, nó như một đáp ứng dự trữ.