vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ

Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòngđiện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ chođiện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêucầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát được trình bày ởhình 16

Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải địnhmức 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 mứcmáy 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 từtrường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn Khả năngcủa 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 sinhnhiệt 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 khảnăng 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 caotính ổn định của hệ thống Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định mộtcách 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 hiệuquả hệ thống điện được phát triển liên tục.Hệ thống kích từ đầu tiên được điềukhiển bằng tay để duy trì điện áp và công suất phản kháng của tải ở đầu ra của máyphát như mong muốn Khi điện áp được điều khiển tự động lần đầu tiên, nó chođáp ứng rất chậm Đầu năm 1920 người ta đã sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp đểnâng 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 bộkích thích và điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh đã sớm được đưa vào trongcông 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 việcphát triển điện tử bán dẫn Việc phát triển các mạch tích phân tín hiệu phân tự đãgiúp 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 thốngkích 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 thựchiện bởi mạch tín hiệu tương tự điều khiển bằng tín hiệu số được sử dung rộng rãingày 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 côngnghệ điều khiển phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của máyphát khác Những hệ thống kích từ hiện đại thực tế có khả năng cung cấp các đápứng tức thời ở điện áp rất cao

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 đượcthay thế bằng một hệ thống kích từ xoay chiều hoặc hệ thống kích từ tĩnh Trong vàitrường 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 chúngvẫn 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 bộkhuyếch đại quay Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòngmột chiều cho cuộn kích từ máy phát chính thông qua các vòng trượt Từ trườngmáy 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 chếtạo 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 bùmắc nối tiếp với phụ tải trên trục d sinh ra từ trường bằng và ngược chiều với dòngđiện phần ứng trên trục d do đó loại bỏ được phản hồi âm do sự phản ứng lại củadòng điện phần ứng Bộ chổi than trên trục q bị ngắn mạch, công suất điều khiển từtrường 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 đượcyêu cầu để duy trì dòng điện trên trục q được cung cấp từ động cơ kéo bộ khuyếchđại điện cơ Kết quả là tạo một thiết bị khuyếch đại công suất từ 10.000÷100.000lần 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

II.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều:

Hệ thống kích từ này sử dụng máy phát xoay chiều như là nguồn nănglượng 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 Bộchỉnh lưu có thể là tĩnh hoặc là quay

a Hệ thống chỉnh lưu tĩnh:

Với hệ thống chỉnh lưu tĩnh, ngõ ra một chiều cấp cho từ trường cuôn dâycủa máy phát chính thông qua các vòng trượt Khi chỉnh lưu không có điều khiểnđược sử dụng, bộ điều chỉnh sẽ điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, nhưthế 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 bộchỉnh lưu Thyristor Năng lượng của bộ điều chỉnh điện áp được cấp từ điện áp ngõ

ra của bộ kích từ

Bo dieu AP

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 điềukhiển 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 thyristorđiều khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ kích từ nên hệ thống này cho đáp ứng nhanhngay 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 chínhbằng với điện áp ra mong muốn

2 Bộ điều chỉnh một chiều duy trì điện áp kích từ máy phát là hằng số, xácđịnh bằng điện áp chuẩn DC

Bộ điều chỉnh một chiều hay bộ điều khiển bằng tay được sử dụng khi bộđiều khiển xoay chiều bị hư hoặc cần ngưng làm việc Tín hiệu đưa vào bộ điềukhiển xoay chiều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng điều khiển vàbảo vệ

Hình 20: Hệ thống kích từ chỉnh lưu

có điều khiển được cung cấp bởi máy phát xoay chiều

b 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 máyphát chính

Một bộ kích từ xoay chiều phụ, có một rotor nam châm vĩnh cửu quay vớiphần ứng của bộ kích từ và Diode chỉnh lưu Ngõ ra chỉnh lưu của Stator bộ kích từnhỏ cung cấp năng lượng từ trường tĩnh của bộ kích từ xoay chiều Bộ điều chỉnhđiện áp điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại của máyphát 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 đềcung cấp dòng kích từ lớn không là quan trọng Hệ thống kích từ xoay chiều có vàkhông có chổi than đều hoạt động tốt như nhau

Hiệu suất đáp ứng ban đầu của các kích thích dùng chổi than không cho phéptrực 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 cáchthay 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 từtrường máy phát chính nhờ các vòng trượt Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu đượclấy từ máy phát chính ( hoặc ở các trạm phụ ) qua máy biến áp giảm áp xuống cấpthích hợp, đôi khi lấy từ cuộn phụ trong máy phát Hệ thống kích từ tĩnh thường có

ba kiểu sử dụng rộng rãi:

a Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp:

Trong hệ thống này năng lượng kích từ được cung cấp nhờ một máy biến áplấy 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 bộkích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào.Vì vậy khi hệ thống bị sự sẽlàm 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 đápứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trường cưỡng bức cao Ngoài ra nó cóthể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền Đối với máy phát nối với hệ thống công suất lớn thì

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 làmáy biến dòng bảo hòa

Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ ra của bộ kích từ thông qua việc điều khiển sựbảo hòa của máy biến áp kích từ Khi máy phát không cung cấp cho tải thì dòng ứngbằng không còn nguồn áp cung cấp toàn bộ cho năng lượng kích từ.Ở chế độ có tảimột 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 cấpnăng 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 nốitiếp với cuộn kháng tuyến tính Nguồn dòng được tạo ra từ biến dòng đặt ở trungtính cuối cuộn dây stator nối đất Những nguồn này được kết hợp thông qua sự hoạtđộng của máy biến điện và kết quả là điện áp xoay chiều ở ngõ ra được chỉnh lưubởi các linh kiện bán dẫn công suất tĩnh Việc điều khiển được cung cấp bởi sự kếthợp giữa diode và thyristor mắc song song Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điềukhiển 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: cuộndòng (C) cuộn áp sơ cấp (P) và cuộn ngõ ra thứ cấp (E) Dưới tình trạng sự cố sẽchạy qua cuộn dây (C) máy biến áp kích từ, cung cấp cung cấp từ trường cưỡng bứckhi 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 đượcbắt 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 vànăng lượng kích thích ban đầu cho máy phát Phương pháp này tạo nên dòng kích từcho 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 cuộndây 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 ápbằng cách điều khiển dòng điện kích từ

Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố côngsuất và nâng cao tính ổn định của hệ thống Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khảnăng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượtquá giới hạn

Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòngđiện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ chođiện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêucầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát được trình bày ởhình 16

Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải địnhmức 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 mứcmáy 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 hỏngtrong mạch kích thích (do ngắn mạch hoặc hở mạch), hư hỏng trong hệ thống tựđộng điều chỉnh điện áp, thao tác sai của nhân viên vận hành Khi máy phát bị mấtkích từ thường dẫn đến mất đồng bộ ở stator và rotor Nếu hở mạch kích thích cóthể 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 sứcđiện động E cao hơn điện áp đầu cực máy phát UF (chế độ quá kích thích, đưa côngsuất phản kháng Q vào hệ thống, Q > 0) Khi máy phát làm việc ở chế độ thiếu kíchthích hoặc mất kích thích, sức điện động E thấp hơn điện áp UF, máy phát nhậncông 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 phíamáy phát) nằm ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng tổng trở phức sang ZF (tổngtrở 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 dungkháng Vì vậy để phát hiện mất kích từ ở máy phát điện, chúng ta có thể sử dụngmột rơle điện kháng cực tiểu có X’d <

Xkđ < Xd với đặc tính vòng tròn có tâm nằm trên trục -jX của mặt phẳngtổng trở phưc Đặc tính khởi động của rơle điện kháng cực tiểu hình 1.33b có thểnhận được từ sơ đồ nguyên lý hình 1.34a Tín hiệu đầu vào của rơle là điện áp dâyUbc lấy ở đầu cực máy phát và dòng điện pha Ib, Ic lấy ở các pha tương ứng Điện

áp sơ cấp UBC được đưa qua biến áp trung gian BUG sao cho điện thứ cấp có thể lấy

ra các đại lượng a.UBC và b.UBC (với b > a) tương ứng với các điểm A và B trên đặctính điện kháng khởi động ở hình 1.33b

Khi mất kích từ, dòng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung và vượttrước điện áp pha tương ứng một góc 900 Hiệu dòng điện các pha B và C thông quabiến dòng cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp UD vượt trước dòng điện IBCmột 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 cáchthay đổi đầu phân áp của BUG) sao cho các điểm A và B trên hình 1.34b thoả mãnđiều kiện: b UBC> UD > a.UBC (1-67)

Khi mất kích thích, góc pha dòng điện thay đổi, góc lệch pha α được kiểmtra thông qua độ dài của tín hiệu S3 = - S1.S2 Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ sẽ tácđộng 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