Bộ tự động điều chỉnh điện ỏp, tần số tự động (Automatic Voltage Regulator - AVR) trong cỏc mỏy phỏt điện, là một phần đúng vai trũ quan trọng của mỗi mỏy phỏt hoặc hệ thống tổ mỏy phỏt điện, nếu mất tớnh năng tự động điều chỉnh này thỡ chất lượng điện cung cấp (điện ỏp và tần số) khụng đỏp ứng được yờu cầu khắt khe của hệ thống thiết bị.
3.3.1. Tớnh năng, tỏc dụng.
Điều chỉnh điện ỏp mỏy phỏt điện. Giới hạn tỷ số điện ỏp / tần số.
Điều chỉnh cụng suất vụ cong mỏy phỏt điện. Bự trừ điện ỏp suy giảm trờn đường dõy.
Tạo độ suy giảm điện ỏp theo cụng suất vụ cụng, để cõn bằng sự phõn phối cụng suất vụ cụng giữa cỏc mỏy phỏt với nhau trong hệ thống khi vận hành nối lưới Khống chế dũng điện khỏng do thiếu kớch thớch, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống khi mỏy nối lưới.
Cường hành kớch thớch khi cú sự cố trờn lưới.
a. Điều chỉnh điện ỏp mỏy phỏt điện.
Điều chỉnh điện ỏp của mỏy phỏt điện bộ điều chỉnh điện thế tự động luụn luụn
theo dừi điện ỏp đầu ra của mỏy phỏt điện, và so sỏnh nú với một điện ỏp tham chiếu. Nú phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dũng điện kớch thớch sao cho sai số giữ điện ỏp đo được và điện ỏp tham chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện ỏp của mỏy phỏt điện, người ta chỉ cần thay đổi điện ỏp tham chiếu này. Điện ỏp tham chiếu thường được đặt tại giỏ trị định mức khi mỏy phỏt vận hành độc lõp (Isolated) hoặc là điện ỏp thanh cỏi, điện ỏp lưới tại chế độ vận hành hũa lưới (Paralled)
b. Giới hạn tỷ số điện ỏp/tần số.
Khi khởi động một tổ mỏy, lỳc tốc độ quay của Rotor cũn thấp, tần số phỏt ra sẽ thấp. Khi đú, bộ điều chỉnh điện ỏp tự động sẽ cú khuynh hướng tăng dũng kớch thớch lờn sao cho đủ điện ỏp đầu ra như tham chiếu theo giỏ trị đặt hoặc điện ỏp lưới. Điều này dẫn đến quỏ kớch thớch: cuộn dõy rotor sẽ bị quỏ nhiệt, cỏc thiết bị
thớch, bóo hũa từ, và quỏ nhiệt. Thường tốc độ mỏy phỏt cần đạt đến 95% tốc độ định mức. Bộ điều chỉnh điện ỏp tự động cũng phải luụn theo dừi tỷ số này để điều chỉnh dũng kớch thớch cho phự hợp, mặc dự điện ỏp mỏy phỏt chưa đạt đến điện ỏp tham chiếu.
c. Điều khiển cụng suất vụ cụng của mỏy phỏt điện.
Khi mỏy phỏt chưa phỏt điện vào lưới, việc thay đổi dũng điện kớch từ chỉ thay đổi điện ỏp đầu cực mỏy phỏt. Quan hệ giữa điện ỏp mỏy phỏt đối với dũng điện kớch từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến khụng tải. (đặc tuyến V-A).
Tuy nhiờn khi mỏy phỏt điện được nối vào một lưới cú cụng suất rất lớn so với mỏy phỏt, việc tăng giảm dũng kớch thớch hầu như khụng làm thay đổi điện ỏp lưới. Tỏc dụng của bộ điều ỏp khi đú khụng cũn là điều khiển điện ỏp mỏy phỏt nữa, mà là điều khiển dũng cụng suất phản khỏng (cũn gọi là cụng suất vụ cụng, cụng suất ảo)của mỏy phỏt. Khi dũng kớch thớch tăng, cụng suất vụ cụng tăng. Khi dũng kớch thớch giảm, cụng suất vụ cụng giảm. Dỏng kớch thớch giảm đến một mức độ nào đú, cụng suất vụ cụng của mỏy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại (chiều õm), nếu dũng kớch thớch tiếp tục giảm thờm. Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện ỏp của mỏy phỏt quỏ nhạy, cú thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn cụng suất vụ cụng của mỏy phỏt khi điện ỏp lưới dao động. Do đú, bộ điều khiển điện ỏp tự động, ngoài việc theo dừi và điều khiển điện ỏp, cũn phải theo dừi và điều khiển dũng điện vụ cụng. Thực chất của việc điều khiển này là điều khiển dũng kớch thớch khi cụng suất vụ cụng và điện ỏp lưới cú sự thay đổi, sao cho mối liờn hệ giữa điện ỏp mỏy phỏt, điện ỏp lưới và cụng suất vụ cụng phải là mối liờn hệ hợp lý.
d. Bự trừ điện ỏp suy giảm trờn đường dõy.
thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng.Muốn giảm bớt tỏc hại này của hệ thống, bộ điều ỏp phải dự đoỏn được khả năng sụt giảm của đường dõy, và tạo ra điện ỏp bự trừ cho độ sụt giảm đú. Tỏc động bự này giỳp cho điện đỏp tại một điểm nào đú, giữa mỏy phỏt và hộ tiờu thụ sẽ được ổn điểm mà ta muốn giữ ổn định điện ỏp. Điện ỏp này được cộng thờm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện ỏp đầu cực mỏy phỏt đó đo lường được. Bộ điều ỏp tự động sẽ căn cứ vào điện ỏp tổng hợp này mà điều chỉnh dũng kớch từ, sao cho điện ỏp tổng hợp núi trờn là khụng đổi. Nếu cỏc cực tớnh của biến dũng đo lường và biến điện ỏp đo lường được nối sao cho chỳng trừ bớt lẫn nhau, sẽ cú: Ump – Imp(r + jx) = const. Như vậy chiều đấu nối này làm cho điện ỏp mỏy phỏt sẽ tăng nhẹ khi tăng tải. Độ tăng tương đối được tớnh trờn tỷ số giữa độ tăng phần trăm của điện ỏp mỏy phỏt khi dũng điện tăng từ 0 đến dũng định mức.Thớ dụ khi dũng điện mỏy phỏt =0, thỡ điện ỏp mỏy phỏt là 100%. Khi dũng điện mỏy phỏt = dũng định mức, điện ỏp mỏy phỏt là 104% điện ỏp định mức.Vậy độ tăng tương đối là + 4%. Độ tăng này cũn gọi là độ bự (compensation). Độ bự của bộ điều ỏp càng cao, thỡ điểm ổn định điện ỏp càng xa mỏy phỏt và càng gần tải hơn.Trong cỏc nhà mỏy điện núi chung và nhà mỏy thuỷ điện núi riờng, vấn đề duy trỡ điện ỏp đầu cực mỏy phỏt ổn định (liờn quan đến tần số phỏt) và bằng với giỏ trị điện ỏp định sẵn là rất quan trọng, hệ thống kớch từ mỏy phỏt phải đảm bảo điều này bằng cỏch thay đổi giỏ trị của bộ bự tổng trở khi mỏy phỏt vận hành hoặc cỏch ly với hệ thống và cỏc mỏy cắt đường dõy truyền tải đúng hoặc mở. Thành phần quan trọng nhất trong hệ thống là cỏc cầu chỉnh lưu thyristor và bộ tự động điều chỉnh điện ỏp (AVR- Automatic Voltage Regulator).
R38 Q1 Q2 C10 C12 C13 C15 C16 C17 Z2 Z3 D5 D2 D6 D9 D10 D11 D12 D13 E F I A G B H G C E F B A C D H I D G1 G2 Z6 Z5 G1 K1 CRS2 P.I.D CRS1 R39 C14 A B G2 K2 1 2 3 R1 S1 T1 CCT u v u v u v CCR D1 C1 R1 R2 Z1 C3 C4 C2 R3 R4 R5 R9 R6 R10 R7 R8 C5 C6 C7 C9 C8 R11 R13 R16 R15 R14 D3 R12 D4 R17 R18 R19 R20 R27 R26 R29 R30 R31 R32 R33 R34 R37 R35 R36
3.3.2. Sơ đồ nguyờn lý bộ AVR
3.3.2.1. Sơ đồ nguyờn lý một bộ AVR.
Hỡnh 3-16: sơ đồ nguyờn lý bộ AVR
3.3.2.2. Cỏc khối cơ bản a, Mạch đo:
Mạch đo được tạo nờn bởi biến ỏp ba pha Tr biến ỏp này cú cuộn sơ cấp nối sao nhận điện ỏp ba pha R1S1T1, cuộn thứ cấp nối tam giỏc hở trong đú một nhỏnh
CCR thay đổi được nhờ thay đổi con chạy, điều này giỳp cho người vận hành cú thể thay đổi được độ nghiờng của đặc tớnh ngoài hệ thống, giỳp cho việc phõn phối tải phản khỏng cỏc mỏy phỏt khi làm việc song song sau này. Biến dũng CCT cũn cú một cuộn thứ cấp thứ hai, cuộn thứ cấp này cú thể dựng vào việc nối cõn bằng cho cỏc bộ kớch từ mỏy phỏt khi chỳng làm việc song song thụng qua cỏc tiếp điểm phụ của cỏc cầu dao chớnh ACB.
Mạch đo cũn cú chỉnh lưu cầu ba pha D1 diode zener Z và cỏc điện trở biến trở. Mạch đo của AVR đó được xõy dựng trờn cơ sở mạch kinh điển như hỡnh 3-11, tớn hiệu đo được lấy từ biến ỏp Tr và điện trở CCR cung cấp thờm tớn hiệu dũng khi cú tải dưới dạng điện ỏp sau đú bộ chỉnh lưu Rec biến đổi thành điện ỏp một chiều, điện ỏp này được mạch lọc cú tụ điện C đưa đến điện trở R3 mắc song song với cầu tạo bởi hai diode zener ZD1 và ZD2 cựng hai điện trở R4 và R5 . Đặc tớnh vào ra trờn cầu diode, điện trở này được trỡnh bày trờn hỡnh 3-10 trong đú đặc tớnh điện ỏp Vab trờn hỡnh 3-12 sẽ cú hai vựng làm việc khỏc dấu, điều này cho phộp người thiết kế lựa chọn vựng làm việc theo yờu cầu điều chỉnh của AVR xung quanh điện ỏp định mức của mỏy phỏt. VR1 VR2 CCR IR REC C R1 R2 DET R3 ZD1 R5 ZD2 R4 V Vab ZD2 + - a b
Thực tế cầu đo trong sơ đồ trờn đó được thay đổi đụi chỳt trong đú người ta vẫn tận dụng được đặc tớnh ngược của diode zener Z làm điện ỏp chuẩn sau đú dem so sỏnh với điện ỏp đo được nhận từ mạch đo để tạo ra điện ỏp điều chỉnh.
Hỡnh 3-18: Đặc tớnh vào ra của mạch đo.
b, Mạch P.I.D
Mạch P.I.D (Hỡnh 3-10) được tạo bởi IC Q1 với cỏc linh kiện mạch ngoài để tạo nờn bộ điều chỉnh hoàn hảo trong đú mạch tỷ lệ P được lấy tớn hiệu sai lệch sau mạch đo, thụng qua biến trở VR, điện trở R4 điện trở R8 và Q1. điều chỉnh hệ số Kp
thụng qua VR. Mạch vi phõn D được tạo bởi tớn hiệu sai lệch thụng qua tụ điện C5 điện trở R5 và Q1 việc điều chỉnh hệ số KD thong qua R5. Mạch tớch phõn I thụng qua tụ điện C6, điện trở R9 và Q1điều chỉnh KI thụng qua R9.
c, Mạch điều khiển pha
Mạch điều khiển pha (Hỡnh 3-10) được xõy dựng trờn cơ sở cỏc linh kiện chớnh như cỏc transitor Q3, Q4 và transitor một tiếp giỏp Q5. Nguyờn lý của mạch điều
VR VDET VR5 VZD2 Vab Vv o V1
nhiệm vụ khuếch đại tớn hiệu sai lệch Vab, dũng colector được nạp tụ C7 thụng qua R17 hằng số thời gian của mạch này sẽ quyết định đến thời gian phỏt xung đo Q2 tạo nờn. Đồ thị hỡnh 3-14 minh họa cỏc giỏ trị thời gian được tạo ra khi thay đổi hằng số thời gian của mạch R17C7. tớn hiệu được khuếch đại bằng Q3, tải của Q3 là biến ỏp xung được gửi đến điều khiển thyristor SCR. Trong mạch thực tế, tớn hiệu sau khuếch đại Q1 được Q3 khuếch đại rồi đưa đến nạp cho tụ C10 và hằng số thời gian của R17 với C10 sẽ tạo nờn hoạt động cho transitor một tiếp giỏp Q5. Tụ điện C10
cũn được can thiệp bởi Q4 từ mạch điều khiển đồng bộ gửi đến nếu Q4 dẫn, thỡ Q5
khụng cũn khả năng phỏt xung nữa. Bến ỏp xung là tải trực tiếp của Q5, biến ỏp xung cú 2 cuộn dõy thứ cấp để điều khiển cho hai thyristor G1 và G2.
CH1 SCR D7 D8 ZD5 R21 ZD4 C8 R20 R25 C7 Ic R18 Q2 R19 Q1 R17 R16 D6 IB C4 D3 D4 R26
Hỡnh 3-13. Mạch điều khiển pha
d, Mạch điều khiển đồng bộ
Mạch điều khiển đồng bộ (Hỡnh 3-10) được xõy dựng tren cơ sở mạch khueehs đại thuật toỏn Q2, tớn hiệu điều khiển chớnh là điện ỏp kớch từ phớa xoay chiều lấy qua cuộn thứ cấp CD của biến ỏp, tớn hiệu đo được hạn chế bởi diode zener Z6. Trờn cửa ra của của Q2 tớn hiệu này được so sỏnh với tớn hiệu chuẩn do Z5 tạo ngưỡng. Như vậy, tớn hiệu đồng bộ pha can thiệp đến khả năng phỏt xung Q5 thụng qua
động. Ngưỡng của Z5 tạo ra trờn cơ sở tớnh toỏn theo giỏ trị điện ỏp định mức của mỏy phỏt. Mạch đồng bộ sẽ tạo nờn cơ chế phối hợp nhịp nhàng của độ lớn cũng như pha của điện ỏp kớch từ (gõy ra bởi dong tải của mỏy phỏt) để tạo ra một phản hồi õm làm chất lượng cho lưới điện được cải thiện hơn khi chưa cú bộ AVR..
Hènh 3-14. Thời gian được tạo nờn trờn cơ sở hằng số thời gian của mạch
e, Mạch thyristor.
Mạch thyristor (Hỡnh 3-10) bao gồm G1 và G2 được mắc đối nhau làm việc cả hai nửa chu kỳ điều khiển, tăng khả năng phản ứng nhanh của hệ thống tạo nờn một dũng kớch từ cú phản ứng lập tức khi cần thiết giống như sườn trước của một xung điều chỉnh, giảm hoàn toàn quỏ trỡnh quỏ độ, rỳt ngắn thời gian quỏ độ. Cuộn L1 vừa là tải khỏng, vừa đúng vai trũ như một mắt lọc để trỏnh điều khiển cực đoan khi cỏc thyristor mở hoàn toàn đỳng lỳc điện ỏp kớch từ xoay chiều đang đạt giỏ trị mức cao.
3.3.3. Giới thiệu cỏc loại bộ tự động điều chỉnh điện ỏp.
Mỗi hệ thống kớch từ của mỏy phỏt được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện ỏp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR được đấu nối với cỏc biến
Vc t1 t2 t3 t4 t
AVR đỏp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện ỏp mỏy phỏt và khụng phụ thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tớn hiệu đầu vào là điện ỏp 3-pha tại đầu cực mỏy phỏt, sử dụng nguyờn lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện ỏp đầu cực mỏy phỏt, nú cũng cú chức năng điều chỉnh hằng số hệ số cụng suất và hằng số dũng điện trường. Một bộ cài đặt điện ỏp được sử dụng, thiết bị này thớch hợp với việc vận hành bằng tay tại tủ điều chỉnh điện ỏp và tại tủ điều khiển tại chỗ tổ mỏy. Bộ cài đặt này cú khả năng đặt dải điện ỏp đầu cực mỏy phỏt trong khoảng ±50% giỏ trị điện ỏp định mức. Tất cả cỏc bộ cài đặt giỏ trị vận hành đều là kiểu điện tử kỹ thuật số. Bộ cài đặt giỏ trị điện ỏp vận hành bằng tay và bộ cài đặt giỏ trị điện ỏp mẫu phải tự động đặt về giỏ trị nhỏ nhất khi tổ mỏy dừng. Bộ AVR điều khiển tự động đúng hoặc mở mạch mồi kớch từ ban đầu trong quỏ trỡnh khởi động tổ mỏy. Chức năng bự điện khỏng được thiết kế kốm theo cỏc phương phỏp điều chỉnh để cú thể bự điện khỏng trong khoảng lớn nhất là 20%. Chức năng bự dũng giữa cỏc tổ mỏy được thiết kế để đảm bảo điện khỏng được phõn bổ ổn định giữa cỏc mỏy phỏt. Cú biện phỏp ngăn ngừa quỏ kớch từ mỏy phỏt trong quỏ trỡnh khởi động và dừng bỡnh thường của tổmỏy. Bộ AVR cựng với trang thiết bị phụ được đặt trong tủ độc lập trờn sàn mỏy phỏt, phự hợp với cỏc tủ khỏc của hệ thống kớch từ. Tất cả trang thiết bị cho vận hành và điều khiển được lắp trờn mặt trước của tủ. Cỏc mạch tổ hợp được thiết kế với độ tin cậy lớn nhất cú thể và cú kết cấu dự phũng phự hợp để sự cố ở một vài phần tử điều khiển sẽ khụng làm hệ thống kớch từ gặp nguy hiểm hay khụng vận hành. Tất cả cỏc bộ phận sẽ phự hợp với điều kiện làm việc liờn tục và dài hạn dưới điều kiện nhiệt độ 00C-700C và độ ẩm tới 95%.
Mỗi cầu nắn dũng thyristor được trang bị riờng một mạch điều khiển xung. Mạch điều khiển xung cú khả năng vận hành tự động và khụng tự động. Cỏc cổng tớn hiệu vào và ra cú thể bị ảnh hưởng do cỏc nhiễu loạn trong mạch điều khiển, do đú được bảo vệ bằng cỏc bộ lọc nhiễu hoặc bằng cỏc rơ le thớch hợp.
Độ tin cậy và chớnh xỏc của gúc pha mạch điều khiển xung phải đảm bảo sao cho cỏc bộ chỉnh lưu hoạt động trong toàn bộ phạm vi ỏp xoay chiều là 30% - 150% giỏ trị định mức và tần số là 90%- 145% giỏ trị định mức, thậm chớ cả khi súng điện ỏp bị mộo ( khụng là hỡnh sin). Bộ AVR cơ bản gồm cú một vũng lặp điều chỉnh ỏp bằng cỏc tớn hiệu tớch phõn tải để đạt được sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lường điện ỏp mỏy phỏt được thực hiện trờn cả ba pha. Độ chớnh xỏc của điện ỏp điều chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giỏ trị cài đặt, trong cỏc chế độ vận hành