VỚI BỘ KÍCH THÍCH PILOT VÀ BỘ KÍCH THÍCH QUAY 8.1 LÝ THUYẾT CHUNG
Rất nhiều hệ thống kích từ của các nhà máy đã trở nên lạc hậu, thời gian ngừng hoạt động và bảo dưỡng tương đối nhiều do một số vấn đề về hệ thống kích từ. Các vấn đề đĩ chủ yếu bao gồm các bộ phận như: máy cắt kích từ DC, biến trở, hư hỏng máy kích từ quay, sự cố chuyển mạch, dao động và sự lạc hậu của bộ điều chỉnh áp. Để khắc phục những vấn đề trên ngày càng nhiều hệ thống được yêu cầu trang bị bộ ổn định hệ thống (PSS). Những vấn đề như đã liệt kê trên cĩ thể ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của máy phát và dẫn đến hệ thống máy phát ngừng hoạt động lâu dài.
Thay thế máy kích thích pilot đối với bộ điều chỉnh điện áp cấp đến thanh cái mới hoặc thay thế toàn bộ hệ thống kích từ quay và thiết bị liên kết với hệ thống kích từ tĩnh mới nhằm giải quyết một cách đúng đắn những vấn đề trên. Trong khi hệ thống kích từ quay đang mong tồn tại thì hệ thống kích từ tĩnh thường được thiết kế rất linh động để dễ dàng trang bị thêm những thiết bị mới cho cả hệ thống kích từ nhỏ và lớn. Ngoài ra, nĩ loại bỏ các hoạt động bảo dưỡng thơng thường dành cho hệ thống kích từ chổi than mà hệ thống kích từ quay cần phải được thực hiện. Một số tác dụng cĩ lợi khác bao gồm:
- 6 SCR bộ chỉnh lưu lực cho một tốc độ đáp ứng tối ưu.
- Chỉ cần 1/4% điện áp cấp cho bộ điều chỉnh điện áp kèm theo bộ điều chỉnh dịng điện kích thích để phục vụ cho quá trình thí nghiệm.
- Các bộ hạn chế, bảo vệ.
- Ghi dạng sĩng dao động và thứ tự các sự kiện.
8.2 GIỚI THIỆU
Chương này đề cập đến hệ thống kích từ tĩnh, trong đĩ nĩ bao gồm các thiết bị điều khiển mạch lực (các SCR gọi là thyristor), máy biến áp lực và bộ điều chỉnh áp tự động. Việc loại bỏ máy cắt kích từ phía điện áp một chiều cĩ thể là một giải pháp kinh tế nhất. Ở đây ta nĩi về lợi ích của các mạch dập kích thích nhanh dùng vật liệu bán dẫn. Việc lựa chọn tiêu chuẩn và cách ứng dụng cho từng loại hệ thống kích từ tĩnh sẽ được xem xét kỹ. Cuối cùng, hệ thống kích từ pilot được sử dụng một bộ điều chỉnh áp mới, các khác biệt sẽ được lưu ý phụ nthuộc vào việc áp dụng cho kích cỡ cầu chỉnh lưu lực nào và việc điều chỉnh của các thiết bị điều khiển.
8.3 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH TĨNH
Bộ kích từ tĩnh/bộ điều chỉnh tĩnh cĩ chức năng hoạt động như là một bộ điều chỉnh áp tự động đơn giản làm việc trong hệ thống kích từ. Khi hệ thống kích thích cảm nhận điện áp máy phát giảm thấp thì hệ thống kích từ sẽ tăng dịng kích thích đưa vào cuộn dây kích từ; ngược lại, khi điện áp máy phát tăng cao thì hệ thống kích từ sẽ giảm dịng kích thích đưa vào cuộn dây rotor. Về chức năng, hệ thống kích từ tĩnh cung cấp nguồn điện áp một chiều đến cuộn dây kích thích chính thơng qua chổi than và vành trượt của máy phát, trong khi đĩ bộ điều chỉnh áp của máy phát đưa nguồn điện áp một chiều vào cuộn dây rotor của máy kích thích. Hệ thống kích từ tĩnh gồm ba thành phần cơ bản như: thiết bị điển tử điều khiển, cầu chỉnh lưu thyristor lực và máy biến thế lực. Cùng với đĩ chúng cịn cung cấp chính xác từ
trường máy phát điều khiển để duy trì điện áp đầu ra máy phát. Hình 1 mơ tả một hệ thống kích từ tĩnh điển hình làm việc trực tiếp với máy kích thích từ trường hoặc trực tiếp với cuộn dây kích thích chính.
Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống kích thích tĩnh 8.4 MÁY BIẾN THẾ LỰC
Nguồn cung cấp cho hệ thống kích từ được lấy từ máy phát thơng qua máy biến áp cơng suất lớn. Máy biến áp này giảm áp đến cấp điện áp phù hợp với yêu cầu từ trường của máy phát. Máy biến áp này sẽ cung cấp cho hệ thống kích từ cộng thêm một áp và cơng suất phù hợp với quá trình xảy ra cường hành kích từ trong thời gian ngắn để giữ máy phát ổn định với các yêu cầu quá tải thống qua. Điện áp cuộn dây thứ cấp của máy biến áp được thiết kế dựa trên việc tính tốn cho quá trình cường hành kích thích để cung cấp cho hệ thống. Mức cường hành kích thích điển hình là 145 - 150% điện áp kích từ định mức danh định.
Ngồi ra, máy biến áp được thiết kế với các định mức BIL (Basic Impulse Level) phù hợp với ANSI C57.12. Định mức BIL cao đảm bảo hệ thống cách điện của máy biến áp chống lại bất kỳ điện áp phĩng điện cảm ứng nhanh hoặc thống qua nào được tạo ra bởi ngắn mạch máy phát.
8.5 CƠNGTẮCTƠ NGẮT KÍCH THÍCH AC
Đầu ra của máy biến thế lực, xem hình 1, nối đến các tiếp điểm đầu vào cơngtắctơ ngắt mạch và các tiếp điểm đầu ra của cơngtắctơ được nối đến cầu chỉnh lưu. Khơng giống như những máy cắt dập từ DC được sử dụng phía kích thích máy phát để ngắt mạch, cơngtắctơ kích thích xoay chiều hoặc máy cắt AC được dùng để ngắt nguồn cung cấp đầu vào đưa đến hệ thống kích thích trong trường hợp dập từ máy phát. Khi máy cắt dập từ xoay chiều mở thì năng lượng từ cuộn dây kích từ chạy qua bộ chỉnh lưu thyrisor và một điện trở diệt từ nối tiếp, được biết như là mạch dập từ nhanh. Xem hình 4.
Việc sử dụng máy cắt dập từ phía đầu vào AC là phương pháp ngắt mạch cĩ ưu điểm hơn so với việc dùng máy cắt dập từ được lắp bên phía DC của bộ chỉnh lưu bởi vì khả năng cho phép của nĩ, tiết kiệm và yêu cầu một khơng gian nhỏ. Hơn nữa, máy cắt AC cịn cĩ khả năng cách ly về điện từ nguồn cấp mạch lực phía AC.
Đối với các hệ thống kích từ lớn mà nĩ cung cấp điện áp một chiều trực tiếp vào cuộn dây kích thích chính của máy phát và sử dụng máy cắt dập từ xoay chiều, thì hệ thống thường dập từ bằng các linh kiện tử. Trong trường hợp này, mạch kích xung sẽ điều khiển cầu chỉnh lưu thực hiện quá trình nghịch lưu hồn tồn, cường hành về phía âm kích thích và làm giảm rất nhanh điện áp máy phát. Việc sử dụng phương pháp dập từ bằng linh kiện tử sẽ giảm sự ăn mịn cơ khí của các thiết bị cơ khí được liên kết với máy cắt kích từ và sẽ tăng tuổi thọ của máy cắt.
8.6 KÍCH THÍCH BAN ĐẦU MÁY PHÁT
Khi hệ thống kích từ tĩnh kết nối trực tiếp đến cuộn dây kích thích máy phát và nguồn kích thích được lấy từ đầu cực máy phát, thì cần phải cĩ nguồn bên ngồi cung cấp vào cuộn dây kích thích để khởi tạo điện áp máy phát. Một nguồn ắc quy DC ngoài cho là đáp ứng được cho yêu cầu này của hệ thống. Khơng cĩ nĩ, điện áp dư của máy phát khơng đủ (điện áp mà nĩ xuất hiện trên đầu cực máy phát khi máy phát đang quay mà khơng cĩ kích thích) để cĩ khả năng cung cấp nguồn đến bộ chỉnh lưu thyristor để chỉnh lưu thành nguồn một chiều kích thích. Khi đĩ, nguồn ắc quy bên ngồi sẽ cưỡng bức dịng điện vào cuộn dây kích thích máy phát, phát một lượng điện áp xoay chiều tại đầu cực máy phát đủ để cho phép cầu chỉnh lưu thyristor bắt đầu quá trình chỉnh lưu.
Một diode được nối nối tiếp ở phía cực dương của nguồn ắc quy nhằm ngăn cản dịng điện từ bộ chỉnh lưu nạp vào ắc quy. Điển hình, nguồn ắc quy là 125VDC, mặc dù điện áp 250VDC khơng phải là khơng được dùng phổ biến. Trong trường hợp đặc biệt ta cĩ thể dùng nguồn xoay chiều mà nĩ được chỉnh lưu và sau đĩ cung cấp cho cuộn dây kích từ như một nguồn kích từ xoay chiều. Nguồn kích từ ban đầu lấy từ ắc quy thwờng được cắt khi điện áp đầu cực máy phát tăng lên đến 50 - 70% áp định mức bởi hệ thống kích từ. Mạch khởi tạo điện áp bao gồm một rơle thời gian dùng để cắt nguồn ắc quy để tránh sự tiêu hao quá mức nguồn ắc quy khi máy cắt kích từ xoay chiều đĩng và điện áp máy phát khơng lên được một giá trị định trước.
8.7 CẦU CHỈNH LƯU LỰC
Cầu chỉnh lưu bao gồm: bộ phận tản nhiệt cĩ gắn các linh kiện bán dẫn lực, cầu chì giới hạn dịng điện và một bộ phận triệt tiêu điện áp xung kích và hạn chế các điện áp cao cảm ứng trong cuộn dây rotor máy phát từ stator. Các linh kiện này cùng được lắp trên
một cái khung hình thành cầu chỉnh lưu.
8.7.1 Hệ thống 3 Thyristor
Cầu chỉnh lưu lực cĩ thể là bán điều khiển hoặc điều khiển hồn tồn để thực hiện quá trình chỉnh lưu và điều khiển kích từ máy phát. Cầu chỉnh lưu cĩ lắp đặt các cầu chì lực và mạch giảm sĩc R-C để điều khiển chính xác các thyristor lực. Hình 2, thể hiện một sơ đồ hệ thống 3 thyristor và cùng với hình dạng sĩng đầu ra khi điện áp ra cao và thấp trong hình 3. Phần nhơ lên theo chiều thẳng đứng dạng sĩng thể hiện khoảng thời gian các thyristor được dẫn. Lưu ý rằng, xung mở được mở trễ thêm một khoảng thời gian (được dịch chuyển về phía phải), thì điện áp DC trung bình đầu ra sẽ giảm. Với sơ đồ này thì giá trị điện áp đầu ra sẽ thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất. Diod thứ tư được gọi là diod freewheeling, nĩ được nối ngang qua các đầu ra của cầu chỉnh lưu để tạo ra một đường dẫn an toàn cho dịng kích thích khi các thyristor chuyển mạch (chuyển mạch on và off). Diod freewheeling thay thế cho máy cắt một chiều và điện trở dập từ khi sử dụng đối với các hệ thống kích từ nhỏ nhằm giảm chi phí cho thiết bị hệ thống kích từ mới. Ở đây, người ta thường lựa chọn sử dụng sơ đồ cầu cĩ 3 thyristor và 3 diod cho các loại máy phát nhỏ mà ở đĩ ngân sách lắp đặt hệ thống kích từ bị hạn chế.
Hình 2: Sơ đồ cầu chỉnh lưu điều khiển bán sĩng (3 Thyristor)
Hệ thống cầu chỉnh lưu 3 thyristor được thể hiện trên hình 2 phù hợp với hệ thống gĩc một phần tư, bởi vì áp một chiều đầu ra cĩ thể thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất về phía điện áp kích thích dương với việc khơng cĩ cường hành áp về phía âm. Việc ứng dụng hệ thống cầu 3 thyristor cĩ thể sử dụng trên bất kỳ máy phát kích cỡ nào, mặc dù chúng chiếm ưu thế hơn khi được sử dụng trên các máy dưới 2-3MVA và/hoặc dịng điện lên đến 150A của cuộn dây kích thích chính.
Hình 3: Dạng sĩng của điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 3 thyristor 8.7.2 Hệ thống 6 Thyristor
Đối với các loại máy phát cĩ cơng suất lớn hơn 3-4 MVA hoặc cĩ dịng trong cuộn dây kích từ chính lớn hơn 150 A, hệ thống cầu chỉnh lưu cĩ 6 thyristor được thích hợp hơn so với các loại cầu thyristor khác. Mặc dù thời gian đáp ứng của hệ thống cầu 3 thyristor rất nhanh, áp đầu ra của hệ thống này được giới hạn trong khoảng từ 0 đến mức điện áp dương cao nhất trong cuộn dây kích từ. Xem ở hình 3. Khi yêu cầu điện áp máy phát thay đổi nhanh thì áp nhỏ nhất trên cầu 3 thyristor lại giới hạn tốc độ giảm áp, trong khi thời gian phục hồi của áp phụ thuộc vào tốc độ giảm kích từ, hằng số thời gian máy phát, được gây ra bởi diod freewheeling được lắp qua cuộn dây kích từ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cầu 6 thyristor trên hình 4 thể hiện một hệ thống 2 gĩc phần tư bởi áp kích thích đầu ra được điều khiển theo cả chiều âm và chiều dương, cho phép phục hồi áp máy phát một cách nhanh chĩng. Khi cầu chỉnh lưu tồn sĩng 6 thyristor được điều khiển về phía cực âm, thì cơng suất sẽ chạy từ cuộn dây kích từ vào máy phát thơng qua máy biến thế lực. Hình 4 thể hiện sơ đồ cầu cĩ 6 thyristor, trong khi đĩ hình 5 cho chúng ta thấy được áp kích thích đầu ra thay đổi theo sự thay đổi gĩc dẫn của các thyrisror lực.
Khi cĩ sự cố trong hệ thống kích thích để làm cho áp máy phát giảm thì các thyristor sẽ được điều khiển với gĩc dẫn lớn nhất. Hình 5 thể hiện hình dạng sĩng đầu ra điển hình theo từng vùng làm việc của cầu chỉnh lưu thyistor phụ thuộc vào gĩc mở thyristor mà áp của máy phát sẽ giảm dần theo từng vùng điều chỉnh A, B và C. Chú ý gĩc dẫn thyristor thay đổi từ 0 đến 60o dương tương ứng với AVR thực hiện lệnh điều chỉnh cơng suất kích từ cao. Khi a = 0, thì áp được cường hành lớn nhất. Ở chế độ tải bình thường, thyristor làm việc trong vùng D, ứng với gĩc dẫn xấp xỉ 90 độ. Khi áp máy phát vượt trên điểm đặt, đầu ra của bộ chỉnh lưu thyristor sẽ chuyển sang dẫn ở phía âm ngay lập tức nhằm thực hiện quá trình nghịch lưu để nhanh chĩng giảm dịng từ thơng trong cuộn dây rotor. Đầu ra của cầu chỉnh lưu thyristor cĩ thể thay đổi gĩc dẫn lớn nhất từ 120 đến 150 độ . Xem vùng E và F trên hình 5