ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN HỮU LỘC
CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ
MÁY PHÁT ĐIỆN
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN HỒNG LĨNH
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2011
Trang 2
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HỒNG LĨNH
Cán bộ chấm nhận xét 1:
.........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:
........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày .… tháng …. năm 2011
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 3
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP.HCM, ngày…..tháng …..năm 2011
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU LỘC
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 04/07/1966 , Nơi sinh: Cần Thơ
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
MSHV: 09189001
1. TÊN ĐỀ TÀI: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ
MÁY PHÁT ĐIỆN.
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 thơng số thực tế của
máy phát S1 nhà máy Nhiệt điện Ơ Mơn. 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
5. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỒNG LĨNH
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chun ngành thơng
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CN BỘ MƠN
QL CHUN NGÀNH
KHOA QL
CHUN NGÀNH
TS. TRẦN HỒNG LĨNH
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 4
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn q Thầy, Cơ đã giảng dạy, truyền đạt
tri thức khoa học trong suốt thời gian học tập.
Để hồn thành đề tài này, em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy Trần
Hoàng Lĩnh, người đã tận tâm giảng dạy trong thời gian học tập và làm đề tài tốt
nghiệp Đại học. Nay lại dành rất nhiều thời gian, tận tình hướng dẫn và cung cấp
các tài liệu quý giá cho em thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, tạo
điều kiện cho tơi hồn tất chương trình học tập và thực hiện đề tài này.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng tìm tịi, học hỏi để thực hiện đề tài này, tuy
nhiên vẫn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng
góp q báu của Thầy, Cơ và các bạn.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 5
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 u cầu cơ bản của hệ thống kích từ: ....................................................... 14
1.2. Phân loại và ngun 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 mơ hình kích từ mẫu theo tiêu chuẩn IEEE. ........................................ 31
1.5.1.
Mơ hình kích thích DC. ........................................................................ 31
1.5.2.
Mơ hình kích thích AC. ........................................................................ 32
1.5.3.
Mơ 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.
Thơng số kỹ thuật. ................................................................................ 34
2.1.2.
Ngun 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
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 6
2.2.1.
Thơng số kỹ thuật. ................................................................................ 37
2.2.2.
Ngun 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.
Mơ phỏng chức năng giới hạn thiếu kích từ. ......................................... 49
3.1.2.
Mơ phỏng chức năng giới hạn q kích từ. ........................................... 52
3.1.3.
Mơ phỏng chức năng giới hạn V/f. ....................................................... 54
3.1.4.
Mơ phỏng chức năng ổn định hệ thống. ................................................ 57
3.1.5.
Mơ phỏng chức năng bù phụ tải. ........................................................... 59
3.1.6.
Mơ phỏng chức năng kích từ. ............................................................... 60
CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC CHẾ ĐỘ
LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO THƠNG SỐ THỰC TẾ CỦA TỔ
MÁY S1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ơ MƠN. ....................................................... 64
4.1. Mơ hình máy phát điện đồng bộ. .................................................................... 64
4.2. Sơ đồ tương đương máy phát đồng bộ. ........................................................... 65
4.3. Các phương trình tốn 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 thơng stator. ................................................................ 70
4.4.2.
Phương trình từ thơng rotor. ................................................................. 71
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 7
4.4.3.
Phương trình điện áp stator. .................................................................. 71
4.4.4.
Phương trình cơng suất và moment. ...................................................... 72
4.5. Phương trình tốn 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 thơng trên stator. ......................................................... 75
4.5.5.
Phương trình từ thơng trên rotor. .......................................................... 75
4.5.6.
Hệ đơn vị tương đối cho rotor. .............................................................. 76
4.5.7.
Cơng suất và moment trong hệ đơn vị tương đối. .................................. 77
4.5.8.
Phương trình chuyển động rotor. .......................................................... 77
4.6. Mơ hình bộ điều khiển kích từ. ....................................................................... 78
4.7. Tính tốn các giá trị ở chế độ xác lập. ............................................................ 79
4.8. Mơ phỏng máy phát điện đồng bộ sử dụng Simulink. ..................................... 80
4.8.1.
Thiết lập phương trình mơ phỏng. ......................................................... 80
4.8.2.
Mơ hình khối mơ phỏng máy phát điện đồng bộ. .................................. 84
4.8.3.
Khối chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0. ........................................ 85
4.8.4.
Mơ hình các phương trình trên trục d. ................................................... 86
4.8.5.
Mơ hình các phương trình trên trục q. ................................................... 87
4.8.6.
Mơ hình chuyển động của rotor máy phát. ............................................ 87
4.8.7.
Mơ 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. Mơ hình chạy mơ phỏng máy phát điện đồng bộ. .................................. 90
4.9. Kết quả chạy mơ phỏng. ................................................................................. 90
4.9.1.
Nhập thơng số mơ 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
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 8
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
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 9
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 khơng 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 khơng đổi, P thay đổi……….24
Hình 1.9 Đồ thị vectơ điều chỉnh cơng suất phản kháng máy phát điện…………..24
Hình 1.10 Giới hạn nhiệt phần ứng………………………………………………...25
Hình 1.11 Giới hạn dịng kích từ…………………………………………………...25
Hình 1.12 Giới hạn nhiệt vùng biên………………………………………………..26
Hình 1.13 Đường cong khả năng phát cơng 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 cơng suất………………………………………………..28
Hình 1.16 Máy phát điện đồng bộ làm việc ở chế độ khơng đồng bộ……………..29
Hình 1.17 Mơ hình kích từ DC loại DC1A………………………………………...30
Hình 1.18 Mơ hình kích từ AC loại AC1A………………………………………...33
Hình 1.19 Mơ 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 hịa 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 dịng 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
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 10
Hình 2.10 Chức năng giới hạn q kích từ……………………….………………..48
Hình 2.11 Chức năng bảo vệ V/f…………………………………………………..48
Hình 2.12 Ngun 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 tốn 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 Mơ hình chuyển đổi hệ quy chiếu abc-dq0……………………………..86
Hình 4.13 Mơ hình biểu diễn trục d máy phát điện đồng bộ………………………86
Hình 4.14 Mơ hình biểu diễn trục q máy phát điện đồng bộ……………………...86
Hình 4.15 Mơ hình chuyển động rotor máy phát…………………………………..88
Hình 4.16 Mơ hình kết nối máy phát đồng bộ……………………………………..88
Hình 4.17 Mơ hình hàm cosδ, sinδ………………………………………………...89
Hình 4.18 Mơ hình VIPQ …………………………………………………………89
Hình 4.19 Mơ hình chuyển đổi dq0-abc…………………………………………...90
Hình 4.20 Mơ hình máy phát điện đồng bộ………………………………………..90
Hình 4.21 Đồ thị chế độ q 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
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 11
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3.1 Kết quả mơ phỏng chức năng UEL……………………………………...51
Bảng 3.2 Kết quả mơ phỏng chức năng OEL……………………………………...54
Bảng 3.3 Kết quả mơ phỏng chức năng V/f………………………………………..55
Bảng 3.4 Kết quả mơ phỏng chức năng bù phụ tải……………………………...…60
Bảng 3.5 Kết quả mơ phỏng chức năng chức năng kích thích…………………….62
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 12
MỞ ĐẦU
1. Mục đích thực hiện đề tài.
Vai trị 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 cơng suất phản kháng ở đầu ra của máy phát như mong muốn.
Tiếp theo sự phát triển của cơng 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 hồn
tồn tự động và cho đáp ứng nhanh, cho phép thực hiện dễ dàng các cơng 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 cơng 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 ơn
lại kiến thức về các hệ thống kích từ; khảo sát sự làm việc của hệ thống kích từ
bằng phần mềm mơ 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 Ơ Mơn I.
2. Nội dung và phạm vi đề tài.
2.1. Nội dung đề tài
Khảo sát lý thuyết hệ thống kích từ cho máy phát điện;
Ngun lý làm việc của các bộ phận thuộc hệ thống kích từ;
Mơ phỏng bằng Simulink-Matlab và so sánh với thực tế các chế độ làm
việc của hệ thống kích từ của máy phát điện trong nhà máy điện.
2.2. Phạm vi đề tài.
Phần lý thuyết liên quan đến các tổ máy hiện có tại Cơng ty Nhiệt điện
Cần Thơ.
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 13
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.
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 14
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 u cầu sau:
Hệ thống kích từ cần phải cung cấp đảm bảo dịng kích từ cho máy phát
khơng 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 khơng đến định mức, khi đó
điện áp đầu cực của nó dao động trong giới hạn ± 5%;
Tác động nhanh là u cầu rất quan trọng liên quan chặt chẽ đến khả
năng ổn định động của hệ thống. Thơng thường vận tốc kích từ của một hệ thống
kích từ khơng được thấp hơn 2Ufđm/s tức trong 0,5 giây thì điện áp kích từ (Uf)
phải tăng từ khơng 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
q điện áp cho phép của mạch kích từ. Thơng thường điện áp giới hạn khi kích từ
cưỡng bức của một hệ kích từ khơng được thấp hơn 2Ufđm. Dịng 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 dịng 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 dịng 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 cơng suất phản kháng cho hệ thống thơng qua việc điều khiển
điện áp bằng cách điều khiển dịng điện kích từ.
Chức năng các khối điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố
cơng suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống.
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 15
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 khơng vượt q 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.
Dịng 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 thơng qua các
vịng 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 cịn 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 khơng cịn 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
khơng có điều khiển để tạo ra dịng 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,
dịng 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 thơng qua vịng trượt như
hình 1.2, hoặc bộ chỉnh lưu quay đặt ở kích từ chính là phần quay sẽ cung cấp dịng
kích từ trực tiếp cho cuộn dây rotor máy phát khơng cần vịng trượt như hình 1.3
đây cịn được gọi là hệ thống kích từ khơng 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 n. Các bộ chỉnh lưu
tĩnh được điều khiển hoặc khơng được điều khiển, cung cấp dịng kích từ trực tiếp
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 16
cho từ trường máy phát chính nhờ các vịng trượt. Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu
được lấy từ máy phát chính qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp. Đối với
loại máy kích từ có sử dụng Thyristor cho mạch chỉnh lưu gọi là hệ thống kích thích
thyristor như hình 1.4. Hệ thống này 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 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. Ngồi ra, nó có
thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 17
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:
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 18
1.3.1.1. Điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện.
Bộ điều chỉnh điện áp tự động ln ln 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 dịng 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 cơng suất vơ cơng của máy phát điện.
Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dịng điện kích từ
chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dịng
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 cơng suất rất
lớn so với máy phát, việc tăng giảm dịng kích thích hầu như khơng làm thay đổi
điện áp lưới. Tác dụng của bộ điều áp khi đó khơng cịn là điều khiển điện áp máy
phát nữa, mà là điều khiển dịng cơng suất phản kháng của máy phát. Khi dịng kích
từ tăng, cơng suất vơ cơng tăng, khi dịng kích thích giảm, cơng suất vơ cơng giảm.
Dịng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, cơng suất vơ cơng của máy sẽ giảm
xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại nếu dịng kích từ tiếp tục giảm thêm.
Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát q 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, ngồi việc theo dõi và điều khiển điện
áp, cịn phải theo dõi và điều khiển dịng điện vơ cơng. Thực chất của việc điều
khiển này là điều khiển dịng kích từ khi cơng suất vơ cơng và điện áp lưới có sự
thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và cơng suất vơ
cơng 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 cịn thấp, tần số
phát ra sẽ thấp. Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng
dịng 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
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 19
chính, máy biến áp tự dùng... sẽ bị q kích thích, bão hồ từ, và q nhiệt. Bộ điều
chỉnh điện áp tự động cũng phải ln theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dịng 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 đốn 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 đơi chút so với tải, trong khi
điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đơi chút so với tải. Để có được tác động này,
người ta đưa thêm một tín hiệu dịng điện vào trong mạch đo lường. Dịng điện của
một pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dịng 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 dịng kích từ, sao cho điện
áp tổng hợp nói trên là khơng 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 q độ, ví dụ như ngắn mạch trên hệ thống điện
cao áp, thơng 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 u 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
dịng ngắn mạch do hệ thống và các máy phát làm việc song song với nó cung cấp.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 20
Trong máy phát điện vẫn còn tồn tại thành phần dịng ngắn mạch do bản thân nó
cung cấp vì máy phát vẫn cịn đang được kích từ và quay theo qn tính mặc dù
nguồn cung cấp cho turbine đã bị cắt. Để loại trừ thành phần dịng ngắn mạch này,
cần phải nhanh chóng tự động giảm dịng kích từ xuống, tức là diệt từ trường cuộn
kích từ. Thời gian diệt từ càng nhỏ, càng hạn chế được những hư hỏng do tác dụng
nhiệt gây nên, nhất là khi ngắn mạch trong cuộn dây phần tĩnh. Tuy nhiên cuộn kích
từ có số vịng lớn nên điện cảm Lf lớn, thời gian diệt từ càng nhanh tức đạo hàm của
dịng kích từ if theo thời gian
di f
dt
càng lớn, điện áp tự cảm trên cuộn kích từ L f
di f
dt
càng lớn, làm cho nó q điện áp càng nhiều. Do đó khi thời gian tự động diệt từ
càng nhỏ, q điện áp càng cao. Vậy thời gian diệt từ bị hạn chế bởi đại lượng q
điện áp cho phép của mạch kích từ.
Diệt từ bằng bộ dập từ trường như hình 1.5 bao gồm một thyristor và một
điện trở diệt từ được nối song song với cuộn kích từ máy phát. Cổng thyristor được
điều khiển bằng chế độ q điện áp được tạo ra dịng cảm ứng ban đầu khơng có lối
thốt. Thyristor cũng dẫn dịng cảm ứng qua điện trở diệt từ.
Diệt từ bằng điện trở biến đổi như hình 1.6 là sử dụng một điện trở
khơng tuyến tính được nối song song với cuộn kích từ máy phát, điện trở này 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 dịng qua nó có thể bỏ
qua. Khi điện áp hai đầu điện trở tăng đến ngưỡng thì điện trở của nó giảm theo và
dịng điện qua nó tăng rất nhanh. Vì thế, điện trở biến đổi cung cấp một điện trở nhỏ
làm đường dẫn cho dịng kích từ cảm ứng và giới hạn điện áp hai đầu cuộn kích từ
và máy kích từ.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 21
1.4. Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ.
1.4.1.
Chế độ làm việc bình thường, đặc tuyến khả năng P – Q của máy
phát.
1.4.1.1. Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ.
Chế độ làm việc bình thường là chế độ đồng bộ ổn định, vận tốc rotor và
từ trường quay phần tĩnh cùng bằng vận tốc đồng bộ nhờ cân bằng giữa mơmen cơ
và mơmen điện. Trong chế độ làm việc bình thường các thơng số làm việc của máy
phát khơng được vượt ra ngồi giới hạn cho phép
Khảo sát một máy phát điện cực ẩn với giả thiết máy phát làm việc song
song với hệ thống vơ cùng lớn có điện áp khơng đổi và bỏ qua điện trở của cuộn
dây stator. Ta có đồ thị vectơ như hình 1.7 được xây dựng từ phương trình cân bằng
điện áp của máy phát
U = Ė - jXdİ
Từ hình vẽ ta thấy: AB = ACcosφ = IXd cosφ= UIcosφ
Do
X
Xd
=P d
U
U
Xd
= const nên P tỷ lệ với AB. Nhận thấy khi I = 0 thì P = 0 điểm A
U
và B trở về trùng với C nên C là gốc của trục cơng suất P, do P ln dương nên trục
P chỉ ở phía trái của C và là trục CX.
Mặt khác:
AB = OAsinδ = Esinδ
Suy ra:
IXd cosφ = Esinδ
Nhân thêm U cho hai vế ta có: IUcosφXd = EUsinδ
Vậy: P
EU
sin
Xd
Tương tự ta có: CB = ACsinφ = IXdsinφ= UIsinφ
Do
(1.1)
Xd
X
=Q d
U
U
Xd
= const nên Q tỷ lệ với CB. Nhận thấy khi I = 0 thì điểm A và B
U
trở về trùng với C nên C cũng là góc của cơng suất Q và trục là OY. Khi phụ tải có
tính cảm kháng thì B ở phía trên C, tức máy phát điện phát cơng suất Q > 0. Khi
phụ tải mang tính dung kháng thì B ở phía dưới C, tức máy phát điện tiêu thụ cơng
suất Q < 0.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 22
Mặt khác: CB = OB – OC = OAcosδ – OC
CB = Ecosδ – U
Suy ra:
IXdsinφ = Ecosδ – U UIsinφXd = EUcosδ – U2
Vậy: Q
EU
U2
cos
Xd
Xd
(1.2)
1.4.1.2. Chế độ làm việc khi E = const, P thay đổi.
Do giả thiết máy phát làm việc trong hệ thống vơ cùng lớn nên U =
const. Sức điện động E tỷ lệ với dịng kích từ If cho nên khi ta thay đổi If sức điện
động E sẽ thay đổi.
Khi E = const tức vectơ Ė chỉ thay đổi về phương và chiều. Do
U = const nên điểm O và C trên đồ thị vectơ cố định vì vậy khi Ė thay đổi điểm đầu
A của nó sẽ chạy trên cung trịn O bán kính E = const, cung này bị chặn ở điểm A0
và Agh do góc 0 ≤ δ ≤ 900 để bảo đảm điều kiện ổn định như hình 1.8.
Sự thay đổi của P theo δ thể hiện qua sự thay đổi của đoạn AB. Trong
vận hành khi P thay đổi cần phải thay đổi năng lượng đầu vào động cơ sơ cấp để
đảm bảo sự cân bằng giữa momen cơ của turbine và momen điện của máy phát, như
vậy máy phát mới tiếp tục làm việc đồng bộ được.
Sự thay đổi của công suất phản kháng được khảo sát theo góc δ như
sau:
Khi δ = 0, điểm A và B trở về A0 lúc đó ta có Q tỉ lệ với đoạn CA0
và là cơng suất phản kháng lớn nhất mà máy phát có thể phát Q > 0 có thể xác định
như sau:
Q
U
EU
U2
EU
U2
E U
cos
cos 0
Xd
Xd
Xd
Xd
Xd
Khi tăng δ > 0, chẳng hạn đến vị trí tương ứng với vị trí Ė tỉ lệ với
OA thì Q tỉ lệ với CB < CA0, tức là Q giảm xuống. Khi điểm đầu của Ė đến vị trí A1
tương ứng với góc δ1, điểm B sẽ trùng với điểm C nên Q = 0. Tiếp tục tăng góc δ,
dễ thấy rằng từ đây Q bắt đầu đổi dấu. Thật vậy ứng với vị trí Ė tỉ lệ với OA2 khi đó
Q tỉ lệ với CB1 nhưng B1 ở phía dưới C nên Q < 0 tức máy phát tiêu thụ Q.
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 23
Khi δ = 900, thì Q tỉ lệ với CO và là cơng suất phản kháng lớn nhất
mà máy phát có thể tiêu thụ và được xác định như sau:
Q
EU
U2
EU
U2
U2
cos
cos 90
Xd
Xd
Xd
Xd
Xd
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 cơng suất
tác dụng P khơng đổi ta phải điều chỉnh dịng kích từ như hình 1.9 ta thấy khi thay
đổi dịng kích từ If thì trị số sức điện động E sẽ thay đổi và do đó trị số cũng như
góc lệnh pha dịng stator cũng thay đổi
Nếu cơng suất P = 3UIcosφ = const, do điện áp U của lưới khơng 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
Theo đồ thị vectơ như hình 1.9 ta thấy khi tăng dịng kích từ thì sức điện
động E tăng (vectơ Ė1 lớn). Vì vectơ jXdI1 phải vơng góc với vectơ İ1 nên xác định
được vị trí của İ1. Vectơ İ1 chậm pha sau U , máy phát có cơng suất phản kháng có
tính chất điện cảm. Khi giảm dịng kích từ Ė1 giảm đến vectơ Ė2 ở vị trí này dịng İ2
trùng pha với U tương ứng cosφ = 1, máy phát có cơng suất phản kháng Q = 0.
Tiếp tục giảm dịng kích từ sức điện động sẽ giảm đến vectơ Ė3 và dịng İ3 sẽ vượt
trước điện áp U , cơng suất phản kháng của máy phát có tính dung kháng.
1
dİ
jX
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 24
dİ
jX
1
st
jX
on
dİ
C
1
E=
1.4.1.4. Đặc tuyến khả năng P – Q của máy phát.
Máy phát đồng bộ được định mức trong giới hạn cơng suất biểu kiến phát
ra cực đại và hệ số cơng suất thường là 0,85 hoặc 0,9 trễ pha mà chúng có thể hoạt
động liên tục mà khơng bị q nhiệt. Khả năng phát ra cơng suất phản kháng liên
tục ở ngõ ra được giới hạn bởi ba yếu tố:
giới hạn dịng phần ứng;
giới hạn dịng kích từ;
giới hạn nhiệt vùng biên.
Giới hạn dịng phần ứng:
Khi mang tải máy phát sẽ có dịng điện chạy trong phần ứng. Dịng điện
phần ứng là một trong những ngun nhân làm tổn hao cơng suất RI2, năng lượng
do tổn hao này gây phát nóng làm tăng nhiệt độ trong dây dẫn stator và toả nhiệt ra
mơi trường xung quanh. Vì vậy một trong những hạn chế của máy phát là dịng cực
đại của phần ứng, để khơng bị vượt q giới hạn nhiệt làm hư hỏng cách điện của
stator, khi máy làm việc ở chế độ định mức, tương ứng với điều kiện cơng suất biểu
kiến định mức ta có:
S2 = P2 + Q2, đây là phương trình đường trịn với bán kính là S. Như
vậy trên mặt phẳng P, Q có thể biểu diễn đường giới hạn dịng phần ứng, đó là vịng
CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc
Trang 25
tròn với tâm tại gốc toạ độ và bán kính bằng cơng suất biểu kiến định mức S =
UđmIđm như hình 1.10.
Giới hạn dịng kích từ:
Tổn hao cơng suất trong cuộn kích từ do điện trở và dịng kích từ là
ngun nhân gây phát nhiệt và cũng là giới hạn trong hoạt động của máy phát.
Từ cơng thức (1.1) và (1.2) ở mục 1.4.1.1 ta có:
2
2
EU
EU
U2
sin P 2 và
cos Q
Xd
Xd
Xd
2
EU
U2
P 2 Q
Xd
Xd
2
2
Vậy quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng đối với
dịng kích từ định mức cực đại theo khả năng của máy phát trên mặt phẳng P, Q là
U2
Xd
một đường trịn có tâm nằm trên trục Q cách gốc tọa độ một đoạn là
và có
EU
được trình bày như hình 1.11.
X
d
bán kính bằng
Q
Giới hạn nhiệt dịng
kích từ
EU
X
d
P
U
X
2
d
Giới hạn nhiệt dịng
phần ứng
Hình 1.11 Giới hạn dịng kích từ
CBHD: TS. Trần Hồng Lĩnh
HVTH: Nguyễn Hữu Lộc