5. Kết cấu luận văn
2.1. Hệ thống kích từ máy phát điện
2.1.1. Khái niệm
Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện. Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ, dòng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao nhất trong mọi tình huống.
Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng (CSPK) phát vào lưới điện.
Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ, ở chế độ này có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới. Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm, nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá hủy máy. Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện đòi hỏi phải tắt rất nhanh, biên độ dao động của các quá trình quá độ trong máy phải nằm trong phạm vi cho phép. Đặc biệt trong trường hợp sự cố như ngắn mạch, cần phải có bộ phận để cưỡng bức dòng kích từ cho phép điện áp lưới ổn định.
2.1.2. Các thành phần của hệ thống kích từ
Thiết bị kích từ bao gồm máy biến áp kiểu khô, bộ chỉnh lưu thyristor, bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR (Automatic Voltage Regulator), bộ phận diệt từ, thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ và máy phát trong các điều kiện vận hành bình thường cũng như trong trường hợp không bình thường.
Thiết bị kích từ ban đầu sẽ cung cấp dòng kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắc chắn và ổn định phát xung mở cơ cấu chỉnh lưu thyristor. Thiết bị cho phép kích hoạt các thiết bị kích thích, từ các nguồn tạm thời bên ngoài với công suất dòng kích từ liên tục tới 1,2 lần công suất định mức và có thể điều chỉnh liên tục với các bước điều chỉnh 10% ÷ 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm soát sự bão hòa máy phát và thử nghiệm đặc tính trở kháng trong thời gian vận hành.
Tất cả các tính năng điều khiển, bảo vệ và hoạt động của thiết bị tương thích với chế độ điều khiển từ xa từ phòng điều khiển nhà máy. Điều khiển từ xa được giới hạn trong một vài chức năng điều khiển, chẳng hạn chỉ với chức năng “khởi động − dừng hay tăng − giảm” thông qua bộ điều chỉnh tự động điện áp và điều khiển bằng tay thông qua biến trở tăng − giảm.
2.1.3. Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát
Trong quá trình truyền tải điện năng từ máy phát điện đến các hộ phụ tải trên đường dây dài thì vấn đề ổn định điện áp là rất quan trọng, để ổn định được điện áp chúng ta phải điều chỉnh dòng kích từ của máy điện.
Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp AVR. Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng cao giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện (HTĐ). Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống lưới qua đường dây dài, những yêu cầu chung với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ là:
− Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định động.
− Hệ thống cần có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới)… thì chỉ có bộ phận kích thích cưỡng bức làm việc là chủ yếu. Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới, thông qua đó tạo điều kiện giải quyết sự cố và giữ ổn định cho hệ thống.
Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông số của hệ thống kích từ, cũng như kết cấu của thiết bị AVR.
Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ với công suất định mức đủ lớn. Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng (0.2 ÷ 0.6)% công suất định mức của máy phát điện, việc tạo ra các hệ thống kích từ có công suất lớn như vậy thường gặp nhiều khó khăn. Vì công suất chế tạo các máy phát điện một chiều mà lớn sẽ khiến bộ phận này làm việc kém tin cậy và mau hỏng do tia lửa điện phát sinh, còn với các hệ thống kích từ dùng máy phát điện động cơ xoay chiều và chỉnh lưu thì có ưu điểm nổi trội hơn. Ngày nay người ta đang áp dụng phổ biến hệ thống kích từ tĩnh, dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển.
Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ thống kích từ còn được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng khác là điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te).
Điện áp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được của hệ thống kích từ, giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh. Đối với máy phát điện tuabin hơi thường có Ufgh ≥ 2Ufđm. Trong nhiều trường hợp, để đáp ứng các yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống người ta chế tạo Ufgh = (3÷4) Ufđm. Tuy nhiên, Ufgh giới hạn càng cao đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện càng cao.
Hằng số thời gian Te đặc trưng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ, Te được xác định bởi quán tính điện từ của các cuộn dây điện cảm. Te có trị số càng nhỏ thì tốc độ điều
chỉnh kích từ càng nhanh, đặc trưng cho tính tác động nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ điện áp kích từ khi có kích thích cưỡng bức.
2.1.4. Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor
Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng ở đây là kiểu chỉnh lưu 3 pha gồm hai cầu như nhau nối song song. Trong chế độ vận hành bình thường, cả hai cầu đều ở vị trí làm việc nhưng chỉ một cầu có xung kích từ để mở thyristor, cầu còn lại ở trạng thái đóng.
Trong trường hợp cầu đang mở mà có sự cố thì mạch điều khiển của nó tự động ngắt xung kích từ để khóa thyristor, và mạch điều khiển xung của cầu kia được tác động để tự động mở thyristor. Mỗi thyristor được lắp với một mạch bảo vệ gồm một điện trở nối nối tiếp với một tụ điện, một cảm biến nhiệt điện trở (RTD) để theo dõi nhiệt độ.
Các cầu chỉnh lưu được thiết kế và bảo vệ để nó có thể hoạt động trong mọi điều kiện, thậm trí cả khi HTĐ bị dao động mà không có bất cứ nguy hại nào. Hệ thống kích từ còn phải có khả năng chịu được dòng cảm ứng trong mạch kích từ, khi bị ngắn mạch một pha hay nhiều pha phía hạ áp máy biến áp chính, hoặc trong trường hợp bị mất đồng bộ mà các điểm đấu nối thyristor không bị quá nhiệt.
Các bộ thyristor được đặt trong các phiến tỏa nhiệt thích hợp và có thể được làm mát bằng không khí cưỡng bức, hệ thống làm mát thường được trang bị hai quạt gió 400/230 VAC. Mỗi quạt đảm bảo 100% công suất làm mát cho các bộ thyristor, một quạt làm việc và một quạt dự phòng, sự chuyển đổi hoạt động giữa hai quạt được thực hiện tự động.
Để giám sát nhiệt độ bộ chỉnh lưu, các quạt được trang bị các bộ đo lưu lượng không khí làm mát và các cảm biến nhiệt độ với hai mức cảnh báo, mức thứ nhất gửi đi tín hiệu báo động và mức thứ hai gửi đi tín hiệu cắt.
2.1.5. Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ
Trong thực tế có bốn loại hệ thống kích từ điển hình được sử dụng cho máy phát điện đồng bộ là:
2.1.5.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Hệ thống loại này còn được gọi là DC − Exciter, gồm có máy phát điện một chiều (F) và bộ điều khiển dòng kích từ dựa trên các tín hiệu đo lường dòng điện và điện áp đầu ra của máy phát.
Trên hình 2.1 bao gồm: Máy phát điện một chiều có hai cuộn dây kích từ KT1, KT2 và cuộn KTMF là cuộn kích từ của máy phát đồng bộ chính.
TĐK là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, để điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc. Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc TĐK có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượng điều chỉnh điện áp mà còn đến tính ổn định hệ thống. Tín
hiệu đầu vào cho TĐK lấy từ các máy biến dòng TI và máy biến áp TU, đặt tại đầu cực máy phát.
Khi khởi động, nhờ có từ dư ban đầu trên đầu cực của máy phát kích thích sẽ xuất hiện một điện áp ban đầu. Giá trị điện áp đó khoảng vài phần trăm điện áp danh định, khi có điện áp kích thích quá trình tự kích thích sẽ diễn ra nhanh và đạt giá trị xác lập khi điều chỉnh RDC = 0 điện áp kích thích sẽ đạt tới điện áp giới hạn, dòng điện kích thích đạt tới giới hạn. Để truyền động cho máy phát kích thích có thể dùng động cơ sơ cấp độc lập hoặc được gắn đồng trục với máy phát chính.
Hình 2.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.
Việc truyền động cho máy phát kích thích nhờ gắn đồng trục với máy phát chính có ưu điểm là đơn giản, hạ giá thành, tốc độ quay ổn định. Tuy nhiên nó có nhược điểm cơ bản là khi cần sửa chữa máy kích thích, nhất thiết phải dừng máy phát điện chính và không thể thay thế được bằng nguồn kích thích dự phòng. Ngoài ra tốc độ quay của trục tuabin hơi quá lớn không thích hợp với máy phát điện một chiều. Do đó, phương pháp này chỉ sử dụng ở các máy có công suất nhỏ vì hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều bị giới hạn bởi công suất (hạn chế làm việc bởi tia lửa điện phát sinh trên vành góp), hằng số quán tính điều chỉnh lớn (Te=0.3÷0.5 s) và tốc độ vòng quay chậm.
Một phương pháp khác là sử dụng động cơ xoay chiều làm động cơ sơ cấp kéo máy kích thích, nếu động cơ sơ cấp sử dụng điện áp lưới thì có nhược điểm là vận hành phức tạp, giá thành hệ thống kích từ cao, chịu ảnh hưởng của sự thay đổi tần số và điện áp lưới.
Do đó, với các máy phát từ 100 MW trở lên, hiện nay đều sử dụng hệ thống nguồn xoay chiều chỉnh lưu.
2.1.5.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao
Hệ thống này còn được gọi là AC − Exciter loại static diode. Trong đó bao gồm máy phát điện xoay chiều tần số cao được chế tạo theo kiểu cảm ứng, cuộn dây kích từ được
F TĐK KT2 KTMF TI TI TI TI TU MF RDC KT1
đặt ở phần tĩnh và rôto của nó không có cuộn dây. Do kết cấu răng rãnh của rôto mà khi nó quay làm cho từ thông thay đổi.
Hình 2.2: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao.
Như trên hình vẽ cuộn dây kích thích KT2 được nối tiếp với phụ tải là cuộn kích thích KTMF của máy phát đồng bộ. Trục của rôto máy phát kích thích thường được nối trực tiếp với trục của máy phát đồng bộ, khi trục của máy phát chính quay thì máy phát kích thích phát ra điện áp cấp cho bộ chỉnh lưu, để đưa ra dòng một chiều cấp cho mạch kích từ của máy phát đồng bộ. Việc điều chỉnh dòng kích thích của máy phát chính, được thực hiện bởi bộ tự động điều chỉnh dòng kích từ trong cuộn KT1 thông qua các tín hiệu phản hồi từ các khối đo lường điện áp, dòng điện.
Ưu điểm của hệ thống này là do không có vành góp công suất có thể tăng đáng kể, có thể áp dụng cho các máy phát điện có công suất từ 100 đến 300 MW. Dòng điện một chiều sau khi chỉnh lưu có chất lượng ổn định, ngoài ra thiết bị làm việc với tần số cao còn có khả năng chống được nhiễu công nghiệp.
Tuy nhiên nhược điểm chính của loại này là công suất chế tạo vẫn bị giới hạn, do tia lửa vành trượt xuất hiện khi công suất lớn (cần có vành trượt đưa điện vào stato). Ngoài ra, hệ thống này còn có hằng số thời gian lớn khoảng (0.3 ÷ 0.4)s nên độ tác động nhanh không cao. Để có được hệ thống kích từ có công suất lớn hơn, người ta chế tạo loại máy phát kích thích không vành trượt.
2.1.5.3. Hệ thống kích từ không chổi than
Hệ thống này còn được gọi là AC – Exciter loại rotary diode. Đây là một dạng hệ thống kích thích khắc phục được nhược điểm của hệ thống kích từ có vành trượt và chổi than, thêm vào đó là khả năng chế tạo công suất kích thích lớn. Như trên hình 2.3:
Hệ thống này có máy phát F1 là xoay chiều 3 pha nhưng có phần ứng chuyển động, nghĩa là các cuộn dây pha nằm trên rôto gắn cùng trục với máy phát chính. Phần tạo ra từ trường nằm ở phần tĩnh, được cung cấp từ nguồn một chiều chỉnh lưu. Dòng điện từ các
KTMF TI TI TI TI TĐK TU MF KT1 F KT2 CL
cuộn dây 3 pha (chuyển động) được chuyển thành dòng một chiều bằng các chỉnh lưu gắn ngay trên trục, nối trực tiếp với cuộn kích từ máy phát điện chính.
Hình 2.3: Hệ thống kích từ không chổi than.
Ưu điểm của phương pháp này là nâng cao được công suất chế tạo máy phát điện vì không có chổi than và vành trượt, ngoài ra do nối trực tiếp nên hằng số thời gian giảm đi đáng kể chỉ còn khoảng (0.1 ÷ 0.15)s.
Nhưng hệ thống có nhược điểm là chế tạo rất phức tạp, giá thành thiết bị cao. Do đó ngày nay thường dùng hệ thống xoay chiều với nguồn chỉnh lưu có điều khiển.
2.1.5.4. Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter)
Các hệ thống kích từ đã trình bày ở trên đều có một điểm chung là thời gian tác động lớn (hằng số thời gian kích từ Te lớn bởi quán tính điện từ của máy phát kích thích). Đây là một nhược điểm khiến cho yêu cầu kỹ thuật về chất lượng điện năng và tính ổn định của hệ thống rất khó được đảm bảo, giải pháp cho vấn đề này là phải làm cho tín hiệu của bộ điều chỉnh tự động tác động trực tiếp vào kích từ, nhờ đó hằng số thời gian Te
giảm xuống như trên hình 2.4.
Dây quấn kích thích của máy phát đồng bộ được cấp dòng điện một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển, nguồn điện cấp cho bộ chỉnh lưu CLK có thể là một máy phát xoay chiều có tần số từ (50 ÷ 500)Hz hoặc lấy trực tiếp từ lưới điện tự dùng của nhà máy. Thông thường bộ chỉnh lưu CLK là loại chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, bộ điều chỉnh kích thích nhận các tín hiệu phản hồi điện áp và dòng điện, điều khiển trực tiếp khối mạch chỉnh lưu, do đó thời gian tác động là rất nhanh khoảng (0.02 ÷ 0.04)s.
Vì vậy hệ thống kích từ này được sử dụng rộng rãi trong các máy phát công suất trung bình và lớn, với hằng số thời gian nhỏ là điều kiện quan trọng cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn định.
KTMF TI TI TI TI TĐK TU MF KT F1 CL CLK
Hình 2.4: Hệ thống kích từ tĩnh.
Những phân tích ở trên đã làm rõ phạm vi ứng dụng của từng loại hệ thống kích từ. Do có những ưu điểm hơn cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, vì vậy sử dụng hệ thống kích từ theo phương pháp kích từ tĩnh là một phương pháp đã và đang dần trở