Tài liệu Chương 2 : Hệ thống kích từ máy phát pdf

Chng 2 : Hệ thống kích từ máy phát II.1 Khái niệm chung Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Dòng kích thích phải có khả năng điều chỉnh đ-ợc để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất l-ợng điện năng cao. Trong chế độ làm việc bình th-ờng, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh đ-ợc điện áp đầu cực máy phát, và thay đổi l-ợng công suất phản kháng phát vào l-ới. Đồ thị điện áp kích thích c-ỡng bức tăng theo quy luật hàm mũ. U f (t) = U fgh ( U fgh - U fđm ) e -t/ Te ( * ) U fđm + 0,632 ( U fgh - U fđm ) U f U fgh U fđm 0 T e t Hàm biến thiên điện áp kích từ c-ỡng bức T e hằng số thời gian của hệ thống kích từ U fgh - điện áp kích từ giới hạn U fđm - điện áp kích từ định mức II.2 Phân loại và đặc điểm của một số hệ thống kích từ Hệ thống kích từ có thể chia làm bốn nhóm chính: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l-u Hệ thống kích từ dùng điện xoay chiều và chỉnh l-u có điều khiển. Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều. II.2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Trên hình II-2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. Để điều chỉnh dòng kích từ I f ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích từ của máy phát điện một chiều. Biến trở R đc cho phép điều chỉnh bằng tay dòng điện trong cuộn dây kích từ chính C 1 . Khi TĐK làm việc, dòng điện trong các cuộn C 2 và C 3 đ-ợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C 2 điều chỉnh ứng với chế độ làm việc bình th-ờng, C 2 ứng với chế độ kích thích c-ỡng bức. Năng l-ợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đ-ợc nhận qua máy biến dòng và máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao áp của máy biến áp tăng ). Máy phát điện một chiều trong hệ thống kích từ cũng có thể đ-ợc kích thích độc lập. Khi đó một máy phát điện xoay chiều nhỏ hơn sẽ đ-ợc dùng làm nguồn cung cấp cho cuộn dây C 1 của máy phát điện kích thích chính. Các ph-ơng pháp quay máy điện kích thích. TĐK Hình II-2. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều tới thiết bị đo l-ờng C 3 C 2 C 1 R đc C F MF BI BU I F KT c MP a ) MP Đ b ) Đ MP MP c ) a ) Máy phát điện kích thích nối cùng trục với máy phát điện chính. b ) Máy phát điện kích thích quay bởi động cơ sử dụng điện áp l-ới. c ) MPĐ kích thích quay bởi động cơ sử dụng năng l-ợng từ MPĐ công BA Nh-ợc điểm chung của hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều là hằng số thời gian T e lớn ( 0,3 0,6 ) giây và giới hạn điều chỉnh không cao (U fgh 2 ). Ngoài ra do có vành góp và chổi điện công suất chế tạo bị hạn chế. II.2.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l-u Hệ thống kích từ dạng này có hai loại chính: Dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao và máy phát điện xoay chiều không vành tr-ợt. Ưu điểm của máy phát điện xoay chiều tần số cao, dòng điện một chiều sau khi qua chỉnh l-u có chất l-ợng ổn định ( độ bằng phẳng cao ), thiết bị có kích th-ớc nhỏ, ngoài ra thiết bị làm việc với tần số cao còn có khả năng chống đ-ợc nhiễu công nghiệp. Máy phát điện xoay chiều tần số cao đ-ợc chế tạo theo kiểu cảm ứng. Rôto không có cuộn dây, cuộn dây kích từ đ-ợc đặt ở phần tĩnh. Từ thông thay đổi là nhờ vào kết cấu răng rãnh của rôto. Dòng điện này qua bộ chỉnh l-u ba pha CL biến đổi thành dòng một chiều. Hình II-4 trình bày sơ đồ hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều tần số cao và chỉnh l-u. Cuộn kích từ chính C 1 của máy phát điện ( MPĐ ) kích thích th-ờng đ-ợc nối nối tiếp với cuộn kích từ C f của máy phát. Các cuộn kích từ phụ C 2 và C 3 đ-ợc cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị TĐK với năng l-ợng nhận từ phía đầu cực của MPĐ đồng bộ ( qua BU và BI ). Dùng MPĐ xoay chiều tần số cao làm nguồn cung cấp, hệ thống kích từ có thể chế tạo đ-ợc với công suất khá lớn và có thể áp dụng cho các máy phát điện đồng bộ có công suất từ (100 300)MW. Hạn chế công suất trong tr-ờng hợp này chủ yếu vẫn do tồn tại vành tr-ợt và chổi điện. Ph-ơng pháp này còn có nh-ợc điểm là hằng số thời gian T e lớn và U fgh nhỏ. Để tăng công suất kích từ lên nữa ng-ời ta áp dụng hệ thống kích từ không vành tr-ợt ( hình B-5 ) Hệ thống kích từ này sử dụng một máy phát điện xoay chiều ba pha quay cùng trục với MPĐ chính làm nguồn cung cấp cho cuộn kích từ MPĐ đồng bộ chính. Máy phát điện xoay chiều cho CL TĐK BU BI Hình II-4. Hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh l-u C 3 C 2 C 1 F f C F F I F kích từ có kết cấu đặc biệt: Cuộn kích từ đặt ở stato, cuộn dây ba pha đặt ở rôto. Dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra từ máy từ máy kích thích đ-ợc chỉnh l-u thành dòng điện một chiều nhờ một bộ chỉnh l-u công suất lớn gắn ngay trên trục rôto của máy phát. Nhờ vậy, cuộn dây kích từ của máy phát điện chính C f nhận ngay đ-ợc dòng điện một chiều mà không cần vành tr-ợt và chổi điện. Để cung cấp nguồn cho cuộn dây kích từ của máy phát kích thích (đặt ở stato ) dùng bộ chỉnh l-u có điều khiển, nguồn cung cấp cho nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số cao hoặc từ nguồn điện xoay chiều bất kỳ. Tác động của TĐK đ-ợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh l-u cấp điện cho cuộn kích từ của máy phát kích, làm thay đổi dòng kích từ t-ơng ứng với mục đích điều chỉnh. Ưu điểm của ph-ơng pháp này là nâng cao đ-ợc công suất chế tạo của máy phát điện vì không có chổi than và vành tr-ợt. Hằng số thời gian kích từ T e khá nhỏ khoảng ( 0,1 0,15 )giây, điện áp kích thích giới hạn U fgh t-ơng đối lớn. Tuy nhiên nó có nh-ợc điểm là chế tạo phức tạp, giá thành thiết bị đắt tiền. CL CLdk TĐK phần quay BU BI Hình II-5. Hệ thống kích từ không vành tr-ợt F1 F II.2.3 Hệ thống kích từ dùng chỉnh l-u có điều khiển Giảm thật nhỏ hằng số thời gian kích từ T e là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng xuất phát từ các bài toán đảm bảo độ ổn định và chất l-ợng điện năng. Hằng số thời gian T e đ-ợc xác định là hằng số thời gian t-ơng đ-ơng của tất cả các khâu, từ tín hiệu ra của bộ TĐK đến điện áp kích từ U f của máy phát đồng bộ và th-ờng khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích. Vậy nếu tác động của TĐK trực tiếp vào điện áp kích thích U f thì hằng số thời gian T e sẽ giảm đi nhiều. Vấn đề này đã đ-ợc giải quyết khi xuất hiện các loại chỉnh l-u điều khiển công suất lớn (sử dụng Tiristor . ). Sơ đồ hệ thống kích từ trở nên đơn giản ( hình II-6 ). Năng l-ợng cung cấp cho cuộn dây kích thích của MPĐ đồng bộ có thể từ một máy phát điện xoay chiều ba pha có tần số từ ( 50 500 )Hz, hoặc từ l-ới điện từ dùng. Trong mạch chỉnh l-u có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của điện áp trên chỉnh l-u, còn đòi hỏi một tín hiệu ( dòng điện ) xuất hiện trên cực điều khiển thì bộ chỉnh l-u mới cho phép dẫn dòng qua. Th-ờng ng-ời ta áp dụng chỉnh l-u ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ. Tốc độ điều chỉnh của hệ thống này nhanh, có thể coi nh- tác động tức thời vào điện áp kích từ. Hằng số thời gian chỉ còn khoảng T e = ( 0,02 0,04 )giây. CLdk TĐK nguồn cấp tín hiệu điều khiển F Hình II-6. Hệ thống kích từ dùng chỉnh l-u có Do -u điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng đ-ợc áp dụng trong các máy phát điện công suất trung bình và lớn có yêu cầu cao về chất l-ợng điều chỉnh. II.2.4 Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều có điều khiển. Sơ đồ mạch động lực băm áp một chiều. T3 N 2 d 1 T 1 R2 Rd T 2 N 1 C U d I d t 0 1 2 Sơ đồ điện áp & dòng điện đối với tải cảm. Khi ta điều chỉnh góc mở của Tiristor ( ) và điều chỉnh thời gian chu kỳ (T) ta điện chỉnh đ-ợc dòng điện tảI thay đổi .dòng điện này cung cấp cho cuộn kích từ của máy phát. Đặc điểm: Đây là sơ đồ mới có độ điều chỉnh của hệ thống nhanh, có thể coi nh- tác động tức thời vào điện áp kích từ. Bên cạnh đó sự đóng các van còn gặp nhiều khó khăn, mạch điều khiển phức tạp do đó ch-a đ-ợc sử dụng rộng rãi. . khiển. Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều. II .2. 1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Trên hình II -2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát. nhóm chính: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l-u Hệ thống kích từ dùng điện xoay