Thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện xoay chiều ba pha hệ thống kích từ máy phát xoay chiều 3 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 điện chiều Có loại động điện chiều thường dùng sau: - Động điện kích từ độc lập Khi nguồn chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nên I = Iư - Động điện kích từ song song + - Uư CKT Uư + E RKT RKT CKT Rf I Hình 1-5 Sơ đồ nối dây động kích từ song song Rf I IKT E - + IKT UKT - Hình 1- Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Khi nguồn chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi, mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iư + It - Động điện kích từ nối tiếp Hình 1.7: Sơ đị nối dây động 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 vịng dây chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It  Động điện kích từ hỗn hợp Động kích từ hỗn hợp gồm dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp dây quấn kích từ song song chủ yếu I = Iư + It 1.3 Các thơng số ảnh hưởng: Phương trình đặc tính điện : ω= Ru  R f Uu - K Iư K Phương trình đặc tính : ω= Ru  R f Uu M K ( K ) Trong đó: + Uư : điện áp phần ứng ( V ) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + Rư : điện trở mạch phần ứng () + Rf : điện trở phụ mạch phần ứng () + Iư : dòng điện mạch phần ứng (A) + : từ thông qua cực từ (Wb) + : tốc độ góc rơto, +k= ω n ( 9,55 rad/s) pN hệ số cấu tạo động 2a + M: mô men điện động Từ hai phương trình đặc tính ta có thơng số ảnh hưởng : + Anh hưởng điện trở phần ứng: để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Rf lớn tốc độ động giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch giảm + Anh hưởng điện áp phần ứng: giảm điện áp mơmen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm tốc độ động giảm ứng với phụ tải định +Anh hưởng từ thông: thay đổi từ thơng cách thay đổi dịng điện I kt động Khi giảm từ thơng vận tốc động tăng 1.4 Nguyên lý hoạt động động điện chiều: Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Hình 1.8 Sơ đồ ngun lý động điện chiều kích từ độc lập Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt , dây kích từ sinh từ thông max tức phải giảm điện trở mạch kích từ R kt đến nhỏ Cũng cần đảm bảo khơng xảy đứt mạch kích thích Φ = 0, M = 0, động khơng quay được, Eư= theo biểu thức U=Eư = Rư.Iư dịng điện lớn làm cháy động Nếu mômen động điện sinh lớn mômen cản rôto bắt đầu quay suất điện động Eư tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do suất tăng lên E , dòng điện Iư giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm Động điện chiều có hai nguồn lượng: - Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh từ thơng kích từ - Nguồn phần ứng dưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp phần ứng Khi cho điện áp chiều vào hai chổi than dây quấn phần ứng có điện Các dẫn cho dịng điện nằm từ trường chiụ lực tác dụng làm rôto quay Chiều lực từ xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nủa vòng, vi trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dịng điện giữ ngun làm cho lực từ tác động không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động E chiều xác diịnh theo qui tắc bàn tay phảI, động chiều SĐĐ E ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động 1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều: Từ phương trình đặc tính động điện chiều ω= Ru  R f Uu M K ( K ) ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động điện chiều thực cách thay đổi đại lượng Rư ,U,  Điều khiển tốc độ nội dung truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ máy sản xuất Để đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện thường vào số tiêu sau: - Sai số tốc độ: Sai số tĩnh tốc độ đại lượng đặc trưng cho độ xác trì tốc độ đặt đánh giá thông qua: s%  ωd  ω  100 ωd Mong muốn: sai số đ =  - s% nhỏ tốt Tính liên tục( độ trơn dải điều chỉnh)  = i + 1/i i +  i: hệ thống điều khiển liên tục i +  i : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn   1: hệ truyền động làm việc ổn định giá suốt dải điều chỉnh - Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) tỉ số giá trị lớn giá trị nhỏ tốc độ làm việc ứng với mômen tải cho: D  max  Mong muốn D lớn tốt Ngồi cịn tiêu khác như: tiêu kinh tế, kích thước 1.5.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phần ứng: - Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm;  = đm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ:  k. dm M   R­  Rf  Ta thấy điện trở lớn  nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm  0 Rf = 0 Rf2 Mc M2 M1 Rf1 M Hình1.9 đường đặc tính thay đổi Rf ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên - Đặc điểm phương pháp  Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn  Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức ( cho phép thay đổi tốc độ phía giảm)  Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục - Đánh giá tiêu  Tính liên tục: phương pháp điều khiển liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp  Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mômen tải Tải nhỏ dải điều chỉnh D = max / min nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D = :  Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn  Chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản 1.5.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông : - Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dịng điện kích từ Thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa ( = max) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thơng  tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức  Khi giảm  tốc độ khơng tải lý tưởng  o  cứng đặc tính     k  Ru U dm tăng, độ k giảm, ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên Khi tăng tốc độ động cách giảm từ thơng dịng điện tăng tăng vượt q mức giá trị cho phép mơmen khơng đổi Vì muốn giữ cho dòng  o2 o1 o đm Mc1 1 Mc2 2 M Hình1.10 đặc tính thay đổi từ thông điện không vượt giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thơng ta phải giảm Mt theo tỉ lệ - Đặc điểm phương pháp  Phương pháp thay đổi tốc độ phía tăng  Phương pháp điều khiển vùng tải không lớn so với định mức  Việc thay đổi từ thông khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch  Việc điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông phương pháp điều khiển với công suất không đổi - Đánh giá tiêu điều khiển  Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm dốc đặc tính tự nhiên  Dải điều khiển phụ thuộc vào phần máy Có thể điều khiển trơn dải điều chỉnh D = :1  Tính liên tục: cơng suất cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta điều khiển liên tục với    Phương pháp áp dụng tương đối phổ biến, thay đổi liên tục kinh tế ( việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ = (1 – 10)%Iđm phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp)  Đây phương pháp gần động điện chiều cần điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ điều khiển 1.5.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng: - Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển.) phương pháp này: U = var; đm = const; Rf = Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), từ thơng động giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lí tưởng o = U /k. thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng Do ta thu họ đặc tính song song thấp đặc tính tự nhiên tức vùng điều khiển tốc độ nằm tốc độ định mức  0 ĐTT N U 01 02 U Mc M Hình1.11 đặc tính thay đổi Uư - Đặc điểm phương pháp  Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động thấp  Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh  Độ cứng đặc tính cao giữ khơng đổi toàn dải điều chỉnh  Chỉ thay đổi tốc độ phía giảm  Rất dễ tự động hóa dùng chỉnh lưu có điều khiển  Phương pháp điều khiển với mơmen khơng đổi  Iư không đổi - Đánh giá chi tiêu điều khiển  Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ sai số tốc độ đặc tính tự nhiên)  Tính liên tục: điện áp động điều khiển biến đổi Các biến đổi có cơng suất bé nên điều chỉnh liên tục  Dải điều chỉnh đạt D = 10:1  Đây phương pháp điều chỉnh liên tục tốc độ động vùng tốc độ thấp tốc độ định mức động chiều  Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng triệt để có nhiều ưu điểm nên ta chọn phương pháp để điều khiển tốc độ động điện 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 xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi đảo chiều từ thơng hay đảo chiều dịng điện lực tư có chiều ngược lại, muốn đảo chiều động điện chiều ta thực cách hình vẽ trên.Và đường đặc tính quay thuận quay ngược đối xứng qua gốc tọa độ - Nguyên lý: Khi ta thực cách đảo chiều phần ứng động phần kích từ ngun tăc chung là: Ta muốn quay thuận việc ấn tiếp điểm thuongf đóng T lại tiếp điểm thường mở N mở dòng điện đI qua tiếp điểm T  Quay thuận Ta muốn quay ngược việc nhả tiếp điểm T ấn tiếp điểm thường mở lại dịng điện chạy qua tiếp điểm N  Quay ngược CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Như tìm hiểu động điện chiều chương 1, ta thấy, nguồn cấp cho động điện chiều có thể dùng biến đổi chiều Vì bién đổi chiều thiết kế dễ dàng nhờ mạch chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn Hơn mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển điều khiển dễ dàng ,độ tin cậy cao Do đó, ta tìm hiểu thiết kế nguồn cấp chiều, qua mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện cho động điện chiều Dưới số mạch chỉnh lưu hay sử dụng:  Chỉnh lưu cầu pha  Chỉnh lưu hình tia pha  Chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng  Chỉnh lưu tia pha 2.1 Chỉnh lưu hình cầu pha 2.1.1 Sơ đồ động lực Hình 2.3 Chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng chiều điều khiển mạch kích thristor qua điều chỉnh kích từ để kích từ máy phát Máy biến áp kích từ bao gồm ba phận đơn pha với ba cuộn dây: cuộn dòng (C) cuộn áp sơ cấp (P) cuộn ngõ thứ cấp (E) Dưới tình trạng cố chạy qua cuộn dây (C) máy biến áp kích từ, cung cấp cung cấp từ trường cưỡng điện áp máy phát bị giảm thấp Cuộn kháng có hai chức năng: + Góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp hệ thống kích từ + Làm giảm dịng cố hệ thống kích từ hay máy phát bị cố Máy biến áp kích từ cuộn kháng đặt hộp hình vịng bắt dính khung máy phát Bởi nguồn lượng hệ thống kích từ tĩnh từ máy phát chính, hệ thống tự kích Máy phát khơng thể tự phát điện áp chưa có dịng kích từ Do cần có nguồn lượng khác vài dây để cung cấp dịng kích từ lượng kích thích ban đầu cho máy phát Phương pháp tạo nên dịng kích từ cho máy phát gọi “kích từ trường” Nguồn kích thường dùng nguồn acquy tĩnh Hình 24: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiển II.3 Nguyên lý làm việc mạch bảo vệ máy kích từ: Chức hệ thống kích từ cung cấp dòng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng Hệ thống kích từ điều khiển bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua điều khiền điện áp cách điều khiển dịng điện kích từ Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ thiết bị khác không vượt giới hạn Các yêu cầu hệ thống kích từ cung cấp tự động điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát đồng để trì điện áp đầu giữ cho điện áp đầu biến thiên phạm vi cho phép liên tục máy phát, u cầu hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát trình bày hình 16 Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, tải định mức khẩn cấp … cần quản lý công suất định mức trạng thái xác lập Thông thường định mức kích từ biến thiên từ ÷ 3,5 kW/MVA định mức máy phát II.4 Cấu tạo, nguyên lý làm việc thiết bị điều khiển, đo lường, kiểm sốt bảo vệ kích từ: Bảo vệ chống kích từ: Trong q trình vận hành máy phát điện xảy kích từ hư hỏng mạch kích thích (do ngắn mạch hở mạch), hư hỏng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thao tác sai nhân viên vận hành Khi máy phát bị kích từ thường dẫn đến đồng stator rotor Nếu hở mạch kích thích gây q điện áp cuộn rotor nguy hiểm cho cách điện cuộn dây Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng làm việc với sức điện động E cao điện áp đầu cực máy phát UF (chế độ q kích thích, đưa cơng suất phản kháng Q vào hệ thống, Q > 0) Khi máy phát làm việc chế độ thiếu kích thích kích thích, sức điện động E thấp điện áp UF, máy phát nhận công suất phản kháng từ hệ thống (Q < 0) (hình 1.33a,c) Như kích từ, tổng trở đo đầu cực máy phát thay đổi từ Zpt (tổng trở phụ tải nhìn từ phía máy phát) nằm góc phần tư thứ mặt phẳng tổng trở phức sang ZF (tổng trở máy phát nhìn từ đầu cực chế độ Q < 0) nằm góc phần tư thứ tư mặt phẳng tổng trở phức (hình 1.33b) Khi xảy kích từ, điện kháng máy phát thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng độ) có tính chất dung kháng Vì để phát kích từ máy phát điện, sử dụng rơle điện kháng cực tiểu có X’d < Xkđ < Xd với đặc tính vịng trịn có tâm nằm trục -jX mặt phẳng tổng trở phưc Đặc tính khởi động rơle điện kháng cực tiểu hình 1.33b nhận từ sơ đồ ngun lý hình 1.34a Tín hiệu đầu vào rơle điện áp dây Ubc lấy đầu cực máy phát dòng điện pha Ib, Ic lấy pha tương ứng Điện áp sơ cấp UBC đưa qua biến áp trung gian BUG cho điện thứ cấp lấy đại lượng a.UBC b.UBC (với b > a) tương ứng với điểm A B đặc tính điện kháng khởi động hình 1.33b Khi kích từ, dịng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung vượt trước điện áp pha tương ứng góc 900 Hiệu dịng điện pha B C thơng qua biến dòng cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp U D vượt trước dịng điện IBC góc 900 Như góc lệch pha hai véctơ điện áp U D UBC 1800 Điện áp đưa vào biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S (hình 1.34) S2 tương ứng bằng: U1 = a UBC - UD; U2 = b UBC - UD Góc lệch pha α U1 U2 kiểm tra Ở chế độ bình thường α = 00, rơle khơng làm việc Khi bị kích từ α = 1800, rơle tác động Góc khởi động chọn khoảng 900 Các hệ số a, b chọn (bằng cách thay đổi đầu phân áp BUG) cho điểm A B hình 1.34b thoả mãn điều kiện: b UBC> UD > a.UBC (1-67) Khi kích thích, góc pha dịng điện thay đổi, góc lệch pha α kiểm tra thơng qua độ dài tín hiệu S3 = - S1.S2 Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ tác động cắt máy phát khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec HÌNH 1.34: Sơ đồ bảo vệ chống kích từ máy phát điện dùng rơle điện kháng cực tiểu a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị véctơ; c) Dạng sóng đại lượng Bảo vệ chống đồng bộ: Bảo vệ chống đồng đơi cịn có tên gọi bảo vệ chống trượt cực từ Khi máy phát điện đồng bị kích từ, rotor máy phát bị đồng với từ trường quay Việc mát đồng xảy có dao động cơng suất trơng hệ thống điện cố kéo dài cắt số đường dây hệ thống Hậu việc đồng gây nên dao động công suất hệ thống làm ổn định kéo theo tan rã hệ thống điện, ngồi tạo ứng suất nguy hiểm số phần tử máy phát Để phát cố sử dụng nguyên lý đo tổng trở đầu cực máy phát Trên hình 1.35 trình bày đặc tính biến thiên mút véctơ tổng trở đo đầu cực máy phát trình cố xảy dao động điện hệ thống Ơ chế độ vận hành bình thường, mút véctơ tổng trở nằm vị trí điểm A xảy ngắn mạch mút véctơ dịch chuyển từ A đến B, sau bảo vệ cắt ngắn mạch véctơ tổng trở nhảy từ B sang C xảy dao động, mút véctơ chu kì dịch chuyển theo quĩ đạo Hành vi véctơ tổng trở có dao động điện phát rơle với đặc tính khởi động hình 1.36 Đặc tính khởi động có dạng hình elíp thấu kính dạng điện kháng kết hợp với theo nguyên lý “và” Khi có dao động quỹ đạo mút véctơ Z vào miền khởi đoọng điểm M khỏi miền khởi động điểm N đặc tuyến (hình 1.37) có nghĩa tâm dao động (tâm điện) nằm miền tổng trở MF-MBA, bảo vệ tác động cắt máy phát chu kì dao động HÌNH 1.35: Hành trình véctơ tổng trở Z xảy cố dao động Nếu tâm dao động nằm phía hệ thống quỹ đạo mút véctơ Z nằm cao đặc tuyến 2, bảo vệ tác động cắt sau số chu kì định trước Trên hình 1.37 trình bày sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống trượt cực từ, bảo vệ gồm phận đo khoảng cách với đặc tuyến thấu kính1 kết hợp với phậnhạn chế theo điện kháng để giới hạn miền tác động từ phía hệ thống, phận đếm chu kì dao động để cắt máy phát sơ chu kì đạt trị số đặt trước Ở phía cao áp MBA tăng có đặt thêm phận định hướng công suất thực chức giống phận làm nhiệm vụ dự phịng cho phận Thay đặc tuyến tổng trở kết hợp hình 1.36 người ta sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật hình 1.38 để phát dao động điện HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động hình thấu kính để phát dao động điện HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống trượt cực từ (dao động điện) HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động HÌNH 1.39: Quan hệ mức q hình chữ nhật để phát dao tải thời gian tải cho phép động điện cuộn dây máy phát Bảo vệ chống luồng công suất ngược: Công suất đổi chiều từ hệ thống vào máy phát việc cung cấp lượng cho Turbine (dầu, khí, nước dịng nước ) bị gián đoạn Khi máy phát điện làm việc động tiêu thụ công suất từ hệ thống Nguy hiểm chế độ máy phát nhiệt điện Turbine làm việc chế độ máy nén, nén lượng thừa Turbine làm cho cánh Turbine phát nóng mức cho phép Đối với máy phát diezen chế độ làm nổ máy Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác dụng máy phát Yêu cầu rơle hướng công suất phải có độ nhạy cao để phát luồng cơng suất ngược với trị số bé (thường bù đắp lại tổn thất máy phát chế độ này) Với máy phát điện Turbine hơi, công suất khởi động ΔPkđ bằng: ΔPkđ = (0,01 ÷ 0,03)P đm (1-68) Với máy phát thuỷ điện Turbine khí: ΔPPkđ = (0,03 ÷ 0,05)Pđm (1-69) HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống công suất ngược Để đảm bảo độ nhạy bảo vệ cho máy phát cơng suất lớn, mạch dịng điện bảo vệ thường đấu vào lõi đo lường máy biến dòng (thay cho lõi bảo vệ thường dùng cho thiết bị khác) Bảo vệ chống công suất ngược thường có hai cấp tác động: cấp với thờ gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau van STOP khẩn cấp làm việc cấp thứ với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây không qua tiếp điểm van STOP (hình 1.40) II.5 Cấu tạo, nguyên lý làm việc AVR: Chức hệ thống kích từ cung cấp dịng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng Hệ thống kích từ điều khiển bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua điều khiền điện áp cách điều khiển dịng điện kích từ Hình 14: Dây quấn kích từ quấn tập trung máy điện đồng Hình 15: Dây quấn kích từ quấn rải máy điện đồng Hình 16: Bối dây quấn kích (a): Dây xếp; (b): Dây sóng Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố cơng suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ thiết bị khác khơng vượt giới hạn Các yêu cầu hệ thống kích từ cung cấp tự động điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát đồng để trì điện áp đầu giữ cho điện áp đầu biến thiên phạm vi cho phép liên tục máy phát, yêu cầu hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát trình bày hình 17 Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, tải định mức khẩn cấp … cần quản lý công suất định mức trạng thái xác lập Thông thường định mức kích từ biến thiên từ ÷ 3,5 kW/MVA định mức máy phát Hình 17: Đường cong điện áp V đường cong kết hợp cho máy phát điện áp phần ứng định mức Ngoài hệ thống kích từ phải có khả đáp ứng q độ bất ổn định với từ trường cưỡng phù hợp với máy phát cách tức thời ngắn hạn Khả máy phát xem giới hạn yếu tố; + Hư cách điện rotor điện áp kích từ cao + Nóng rotor dịng điện kích từ lớn + Nóng stator dòng tải phần ứng lớn + Lõi bị nóng suốt thời gian vận hành trạng thái thiếu kích từ sinh nhiệt mật độ từ trường cao (V/Hz) + Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian + Khả tải ngắn hạn máy phát mở rộng từ 15÷ 60 giây Để đảm bảo sử dụng tốt hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả đáp ứng máy phát ngắn hạn miễn khơng vượt q giới hạn cho phép Hệ thống kích từ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu nâng cao tính ổn định hệ thống Nó có khả cho đáp ứng độ bất ổn định cách nhanh chóng để nâng cao độ ổn định điều chỉnh từ trường máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh Về phương diện lịch sử, vai trò hệ thống kích từ việc nâng cao hiệu hệ thống điện phát triển liên tục.Hệ thống kích từ điều khiển tay để trì điện áp công suất phản kháng tải đầu máy phát mong muốn Khi điện áp điều khiển tự động lần đầu tiên, cho đáp ứng chậm Đầu năm 1920 người ta sử dụng điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định tĩnh động hoạt động liên tục có đáp ứng nhanh Đáng ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày phát triển, kích thích điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh sớm đưa vào cơng nghiệp Hệ thống kích từ từ phát triển liên tục Sự tiến hệ thống điều khiển kích từ từ 20 năm qua nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn Việc phát triển mạch tích phân tín hiệu phân tự giúp cho cơng nghệ điều khiển phức tạp thực hịên cách dễ dàng Sự phát triển sau kỹ thuật số được đưa vào hệ thống kích từ.Thyristo tiếp tục sử dụng cho mạch công suất Chức điều khiển, bảo vệ, luận lý thực tín hiệu số, mà chức trước thực mạch tín hiệu tương tự điều khiển tín hiệu số sử dung rộng rãi ngày chúng rẻ độ tin cậy cao mạch tín hiệu tương tự khác Chúng tiến nhờ tính liên động cao, cho phép thực dễ dàng công nghệ điều khiển phức tạp giao tiếp với chức điều khiển, bảo vệ máy phát khác Những hệ thống kích từ đại thực tế có khả cung cấp đáp ứng tức thời điện áp cao Sơ đồ khối chức tiêu biểu hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng lớn cho ( hình 17 ) Hệ thống có phận sau: Bộ kích từ: Cung cấp dịng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng bộ, tạo nên cơng suất hệ thống kích từ Bộ điều chỉnh điện áp : ( AVR) Xử lý khuyếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào điện áp đầu cực máy phát để tạo cách thức thích hợp nhằm điều khiển kích từ Nó bao gồm việc điều chỉnh chức ổn định hệ thống kích từ (Mạng hồi tiếp bù sớm –Trễ pha ) Bộ biến điện áp bù tải: Cảm nhận điện áp đầu cực máy phát, Chỉnh lưu lọc thành điện chiều, so sánh với trị chuẩn (trị số đặt) điện áp đầu máy phát mong muốn Ngồi phận bù tải cung cấp (Do sụt áp đường dây công suất phản kháng) muốn giữ điện áp không đổi điểm xa đầu cực máy phát ( VD: qua máy biến áp tăng) Bộ gọi tạo đặc tuyến điều chỉnh Bộ ổn định hệ thống công suất: Cung cấp thêm tín hiệu ngõ vào để hạn chế dao động cơng suất hệ thống Những tín hiệu ngõ vào thường dùng độ lệch tốc độ rôto, Sự tăng công suất độ lệch tần số Bộ hạn chế bảo vệ: Phần bao gồm hệ thống điều khiển bảo vệ rộng nhằm đảm bảo khả kích từ máy phát đồng không vượt giới hạn Thường sử dụng hạn dịng kích từ, hạn chế kích từ cực đại, hạn áp đầu cực , điều chỉnh bảo vệ V/Hz hạn chế thiếu kích từ Những mạch thường riêng biệt, tín hiệu ngõ chúng đưa vào hệ thống kích từ ngõ nhập tổng cổng nhập BỘ HẠN CHẾ VÀ BẢO VỆ BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BỘ BÙ TẢI TẠO ĐẶC TUYẾN BỘ ĐIỀU CHỈNH AVR BỘ KÍCH TỪ MÁY PHÁT Tới hệ thốn g BỘ ỔN ĐỊNH Hình 17 : Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát II.6 Đánh giá đáp ứng động hệ thống kích từ: Hiệu hệ thống kích từ việc nâng cao ổn đinh hệ thống điện xác định số đặc tuyến Trong phần ta tìm hiểu, định nghĩa việc đo lường để xác định từ đặc tuyến đáp ứng cho việc ước lượng, việc định rõ chức làm việc hệ thống điều khiển kích từ Sự làm việc hệ thống điều khiền kích từ phụ thuộc vào đặc tuyến hệ thống kích từ, máy phát hệ thống điện Vì hệ thống tuyến tính, khảo sát hai dạng tín hiệu, dạng đặc tính tín hiệu nhỏ dạng đặc tính tín hiệu lớn đặc tính tín hiệu lớn, khơng tuyến tính đáng kể: Đối với đặc tính tín hiệu nhỏ, đáp ứng tuyến tính Vr : Điện áp chuẩn Vr : Điện áp điều chỉnh V f : Điện áp kích từ ∆V : Độ lệch điện áp II.7 Chức điều khiển bảo vệ: Quá kích từ: Quá kích từ nguyên nhân gây nhiệt máy phát Để bảo vệ kích từ máy phát Thường dùng giới hạn kích từ Bộ giới hạn kích từ có mục đích bảo vệ máy phát khơng bị q nhiệt q dịng kích từ Bộ giới hạn biết giới hạn kích từ cực đại Cuộn kích từ máy phát thiết kế hoạt động liên tục giá trị đáp ứng tải định mức Nhiệt độ phát nóng cuộn kích từ rotor máy phát q tải thiết kế theo tiêu chuẩn thí dụ đường cong ( Hinh 26) Hình 26: Sự kết hợp giới hạn kích từ với khả chịu nhiệt cuộn dây kích từ Đường cong qua điểm sau: Thời gian (s) Điện áp kích từ/dịng kích từ (% định mức) 10 208 30 146 60 125 120 112 Hình 27 Mặt cắt phần cuối máy phát Hình 27 Là hình vẽ vịng dây vùng biên máy phát Từ thơng vịng tản vào vng góp với lớp thép mỏng Stator Đây ngun nhân dịng điện xốy lớp thép, kết phát nhiệt hình thành vùng biên Dịng kích từ lớn ứng với trường hợp q kích từ giữ vịng trì bão hịa làm cho từ thơng tản nhỏ Tuy nhiên vùng thiếu kích từ, dịng kích từ nhỏ vịng trì khơng bão hịa, điều cho phép từ thông tản cuối phần ứng Hơn điều kiện thiếu kích từ từ thơng sinh dịng phần ứng cộng với từ thơng sinh dịng kích từ, từ thơng vùng biên làm tăng từ thông hướng tâmtrong vùng kết hiệu ứng nhiệt mãnh liệt giới hạn ngõ máy phát, đặc biệt trường hợp Rotor dây quấn Hiện việc bổ sung chức giới hạn kích từ thay đổi tuỳ thuộc vào nhà máy sản xuất khối chức tiêu biểu Chức đặc trưng giới hạn kích từ phát dịng kích từ cao, qua thời gian trễ, tác động thông qua điều chỉnh AC nhằm làm giảm tốc độ kích từ đến giá trị kích từ đặt trước (khoảng 100+110% dịng kích từ định mức ) Hình 28 Đường cong khả phát cơng suất kháng máy phát Nếu khơng đặt, cắt độ điều chỉnh AC, chuyển điều khiển đến điều chỉnh DC xác định lại điểm đạt giá trị đáp ứng đạt trị số định mức Nếu điều khơng làm giảm kích từ đến giá trị an tồn giới hạn tác động cắt máy phát kích từ cắt máy phát Có hai loại thời gian trễ dùng: a Thời gian cố định: Là thời gian mà giới hạn hoạt động dịng điện kích từ vượt giá trị thời gian cố định đặt mức độ kích từ b Thời gian biến đổi: Là thời gian mà giới hạn hoạt động với thời gian trễ ứng với khả từ trường phát nóng, (Hinh 28) Bộ kích từ với điện áp cao cung cấp thêm giới hạn dịng kích từ có hoặt động tức thời thông qua điều chỉnh AC với giới hạn dịng kích từ thời gian giới hạn ngắn ( khoảng 160% giá trị định mức ) Thiếu kích từ: Thiếu kích từ nguyên nhân gây nhiệt lõi stator máy phát Để bảo vệ thiếu kích từ máy phát Thường dùng giới hạn thiếu kích từ Bộ giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn giảm kích từ máy phát tới mức mà giới hạn ổn định nhỏ ( trạng thái xác lập ) vùng giới hạn nhiệt lõi stator bị vượt Bộ giới hạn biết qua tên khác giới hạn thiếu kích từ dịng phản kháng giới hạn kích từ cực tiểu Tiến hiệu điều khiển giới hạn thiều kích từ lấy từ kết hợp điện áp dịng điện, cơng suất tác dụng công suất phản kháng máy phát Các giới hạn xác định tiến hiệu vượt giá trị đặt Có nhiều cách để bổ sung chức thực giới hạn thiếu kích từ Một số giới hạn thiếu kích từ hoặt động theo tiến hiệu sai số điện áp AVR; giới hạn thiếu kích từ khởi động, phần tử khơng tuyến tính ( ví dụ diode) bắt đầu dẫn tín hiệu ngõ giới hạn kết hợp với tiến hiệu điều khiển khác hệ thống kích từ Sự cài đặt tính giới hạn thiếu kích từ đặt tảng cho bảo vệ bảo vệ hệ thống bất ổn định cuộn dây stator phát nóng Ngồi đặc tính giới hạn cịn phối hợp với bảo vệ kích từ máy phát (Hinh 29) trình bày cách mà đặc tính giới hạn thiếu kích từ ( tượng trưng mặt phẳng P-Q thường sử dụng kết hợp với tính tốn ổn định tín hiệu nhỏ rơle chống kích từ H.29 Sự phối hợp phần tử thiếu, kích từ giới hạn ổn định Nếu giới hạn chống kích từ sử dụng chống lại vùng phát nóng, kết hợp theo cách tương tự, ngoại trừ giới hạn ổn định giới hạn phát nóng Nếu tín hiệu nhập cho giới hạn thiếu kích trừ điện áp dịng điện stator máy phát xuất đường cong đặc tính mặt phẳng P-Q (Hinh 29) Với tiến hiệu ngõ nhập công suất phản kháng cơng suất tác dụng đặc tính giới hạn đường thẳng Mạch diệt từ: Vì chỉnh lưu khơng dẫn theo chiều ngược lại nên dịng điện kích từ khơng thể âm trường hợp kích từ AC tĩnh Trong trường hợp cực hư hệ thống ngắn mạch, dòng cảm ứng cuộn kích từ máy phát âm Nếu dịng điện âm khơng có đường điện áp tăng cao tạo mạch từ mắc song song Vì mạch điện riêng biệt thường cung cấp để làm nhánh rẽ cho phép dịng kích từ âm qua Đây hình thức nối tắt từ trường, thường biết qua ” dập từ trường “ hoăc điện trở biến đổi Bộ dập từ trường bao gồm thyristor điện trở diệt từ nối song song với cuộn kích từ máy phát (hình 30) Cổng thyristor điều khiển chế q điện áp tạo dịng cảm ứng ban đầu khơng lối Thyristor dẫn dịng kích từ cảm ứng qua điện trở diệt từ Hình 30 Mạch diệt từ dùng dập từ trường Hình 31 Mạch diệt từ dùng điện trở biến đổi Điện trở biến đổi điện trở khơng tuyến tính nối song song với cuộn kích từ máy phát, ( hình 31) nối tắt cuộn kích từ chế độ điện áp cảm ứng cao với điện áp kích từ bình thường điện trở biến đổi mắc song song có điện trở lớn dịng qua bỏ qua Khi điện áp hai đầu điện trở biến đổi tăng đến ngưỡng điện trở giảm theo dịng điện qua tăng lên nhanh Vì điện trở biến đổi cung cấp điện trở nhỏ làm đường dẩn cho dịng kích từ cảm ứng giới hạn điện áp hai đầu cuộn kích từ máy kích từ Trong vài trường hợp, mạch nối tắt riêng biệt bảo vệ cuộn kích từ khơng cung cấp Bộ dập tắt dao động kết hợp với khối sắt rotor tạo đường dẫn cho đường rotor cảm ứng Điều có khả giới hạn điện áp cảm ứng mức khả chịu đựng cuộn kích từ máy phát máy kích từ Vì cuộn kích từ khơng bị nối tắt nên khơng tải trực tiếp dòng điện hướng âm II.8 Các hạn chế bảo vệ: Những phần sử dụng để bảo vệ máy phát máy biến áp tăng để không bị hư vượt q dịng từ hố kết tần số thấp điện áp Dòng từ hố vượt q liên tục ngun nhân chủ yếu nhiệt Kết làm hư máy biến áp cuộn dây máy phát Tỷ số điện áp đơn vị tương đối tần số đơn vị tương đối, xem điện áp chia cho tần số (V/Hz), đo lường đại lượng tỷ lệ với dịng từ hố Giới hạn VHz đặc trưng cho máy phát máy biến áp tăng cho bảng sau: V/Hz (đvtđ) Thời gian phá hủy (Phút) 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 Máy phát 0,2 20 ∞ Máy biến áp tăng 20 ∞ ∞ Máy biến áp tăng điện áp định mức thường nhỏ điện áp định mức máy phát 5% yêu cầu giới hạn V/Hz bảo vệ thường xác định giới hạn máy biến áp Nếu điện áp định mức máy phát máy biến áp giới hạn máy phát giới hạn nhiều Bộ giới hạn V/Hz ( điều chỉnh V/Hz) điều khiển điện áp kích từ giới hạn điện áp máy phát giá trị V/Hz vượt trị số đặt trước Bộ V/Hz bảo vệ cắt máy phát, giá trị V/Hz vượt trị số thời gian đặt trước Thông thường bảo vệ hai cấp cung cấp, cấp ứng với trị đặt V/Hz cao với thời gian ngắn hơn, cấp khác ngược lại với trị đặt V/Hz thấp với thời gian đặt dài Khi sử dụng kết hợp với giới hạn V/Hz, đáp ứng dự trữ ... Hình 18: Hệ thống kích từ chiều với khuyếch đại quay Bo dieu AP II.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều: Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều nguồn lượng kích từ máy phát Thường máy kích từ có... - Hệ thống kích từ tĩnh II.2.1 Hệ thống kích từ chiều: Hệ thống kích từ loại sử dụng máy phát chiều nguồn lượng kích từ cung cấp dịng điện cho rotor máy điện đồng thơng qua vịng trượt Máy kích. .. Máy kích từ chiều kéo nhờ động gắn vào trục máy phát Nó tự kích kích từ độc lập Khi kích từ độc lập, từ trường kích từ cấp kích từ nhỏ máy phát nam châm vĩnh cửu Hệ thống kích từ chiều hệ thống