* Vai trò của các giới hạn
Trong quá trình hoạt động của máy phát để duy trì hoạt động bình thường của máy phát trong các điều kiện làm việc khác nhau thì các tham số hoạt động của máy phát như điện áp, dòng điện rotor, stator, công suất phản kháng, công suất tác dụng, phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho máy phát không bị quá nhiệt có thể hoạt động đồng bộ trong thời gian dài.
Các giới hạn của máy phát được thể hiện trong biểu đồ giới hạn sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong đó: - AB giới hạn quá nhiệt mạch kích từ - BC giới hạn quá nhiệt mạch stator
- CD giới hạn quá nhiệt lõi thép (giới hạn PQ) Ngoài ra, có thể phân thành:
- Giới hạn thiếu kích thích: DC - Giới hạn quá kích thích ABC
Việc đưa ra các giới hạn trên có thể được giải thích như sau: Công suất phát ra của máy phát là:
S = UI* = P + jQ (3.10) S2 = (UI)2 = P2 + Q2 (3.11)
Ta có công suất biểu kiến lớn nhất của máy phát là không đổi do đó dòng điện stator bị giới hạn bởi đường công suất biểu kiến của máy phát tương ứng với đường đặc tính BC của đường đặc tính giới hạn.
Bây giờ ta xem xét giới hạn dòng kích từ khi máy phát công suất phản kháng vào lưới. Khi đó dòng kích từ tăng nhưng bị hạn chế bởi đường cong công suất. Giả thiết bỏ qua điện trở của mạch stator ta có phương trình công suất :
* * 0 s E U I jX (3.12) * * 0 0 s E U S P jQ UI U jX * cos 0 sin 0 s E U jE U jX = 2 sin cos s s E UE U j X X
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2 2 2 s s UE U P Q const X X
Phương trình trên biểu diễn một đường tròn có tâm nằm trên trục Q, tọa độ U2/Xs và có bán kính là: UE/Xs. Vùng làm việc an toàn cho máy phát nằm phía trong của đường tròn thứ hai này. Đường tròn này cắt ngang cung tròn giới hạn stator điều đó có nghĩa là trong quá trình điều khiển máy phát về phía quá kích thích cần chú ý giảm tải để bảo vệ rotor.
Đường đặc tính giới hạn thiếu kích thích UEL được đưa ra để hạn chế sự phát nóng của lõi thép khi điện áp kích thích quá thấp máy phát nhận quá nhiều công suất phản kháng gây nên sự mất ổn định trong chế độ hoạt động của máy phát. Bên cạnh đó khi tốc độ quay của máy phát giảm trong quá trình khởi động hoặc lúc dừng máy. Để tránh cho máy phát và máy biến áp không bị rơi vào tình trạng quá từ thông do tần số sụt giảm cần đưa ra giới hạn tần số điện áp V/f limiter. Để giải quyết các giới hạn trên khối Limiter được thiết kế có 4 phần cơ bản sau:
* Khâu giới hạn tần số điện áp (V/f limiter)
Chúng ta biết rằng khi tần số của điện áp phát ra của máy phát thấp có thể làm cho máy phát và các máy biến áp không hoạt động được do từ thông giảm, hiện tượng dòng xoáy làm cho các thiết bị này bị quá nhiệt và mạch từ bị bão hòa. Chính vì thế ở các máy phát thường có khối bảo vệ giới hạn tần số điện áp. Khối này có tác dụng giới hạn điện áp đặt theo tần số.Khi tần số giảm thì điện áp phát ra của máy phát cũng phải giảm theo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.14:Đặc tính giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter)
Khi tần số nhỏ hơn tần số định mức thì điện áp đặt giới hạn theo đường thẳng nằm nghiêng. Cần chú ý là tần số không được phép nhỏ quá (Nếu nhỏ quá 41 Hz thì toàn bộ hệ thống máy phát sẽ phải ngưng hoạt động). Khi tần số lớn hơn tần số định mức thì điện áp đặt tối đa là 1.1.Uđm
Để giải quyết được yêu cầu trên thì bộ giới hạn V/f được thiết kế như sau:
Hình 3.15: Sơ đồ giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter)
Phương trình của đường thẳng giới hạn:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong đó: K : Hệ số góc của đường đặc tính V/f U_fn : Điện áp ứng với tần số định mức Utmax : Điện áp đặt lớn nhất
Các tham số thực tế: K = 09; U_fn = 1.1; Utmax = 1.1;
* Khâu giới hạn thiếu kích thích (UEL Limiter)
Khi tải có tính chất dung kháng điện áp phía đầu cực máy phát thường giảm xuống và được gọi là hiện tượng thiếu kích thích. Khi đó máy phát không làm nhiệm vụ phát công suất phản kháng mà trở thành máy nhận công suất phản kháng làm cho lõi thép của máy phát nóng và làm cho máy rơi vào trạng thái làm việc không ổn định. Bộ giới hạn thiếu kích thích có nhiệm vụ hạn chế công suất phản kháng của máy phát không được nhỏ hơn giá trị cho phép. Khi bộ UEL hoạt động bộ AVR trở thành bộ điều chỉnh công suất phản kháng để điều chỉnh công suất phản kháng nằm trong giới hạn cho phép. Việc tính toán giới hạn này dùng phương pháp tra bảng Look up Table.Trong đó bảng quan hệ PQ được lấy gần đúng bằng cách nhập số liệu trong hệ đơn vị tương đối. Tuy nhiên rất ít khi máy phát làm việc ở vùng này.
Sau đây là thiết kế chi tiết của khối giới hạn UEL
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng tra Look up Table có vào là công suất tác dụng của máy phát giá trị ra là giá trị của công suất phản kháng biên giới giới hạn.
Khi mà công suất phản kháng Qt vẫn nằm trong giới hạn cho phép thì giá trị ra của khối UEL âm nên trong khi đó giá trị điện áp ra thường thấp hơn giá trị định mức nên DeltaU thường có giá trị dương qua cổng chọn giá trị cao thì giá trị UEL bị bỏ qua.
Khi mà công suất phản kháng nhỏ hơn giá trị cho phép khi đó tín hiệu ra của khối UEL có giá trị dương khi đó cần chọn giá trị KPQ phù hợp để giá trị tín hiệu ra của khối UEL lớn hơn giá trị DeltaUtrong mạch vòng điều chỉnh điện áp. Và khi đó bộ AVR trở thành điều chỉnh công suất phản kháng bám theo giá trị giới hạn ổn định PQ.Trong thiết kế này thông qua việc so sánh DeltaU và giá trị U_UEL đã chọn ra giá trị phù hợp KPQ = 0,01.
* Khâu giới hạn quá kích thích (OEL Limiter)
Nguyên tắc chung để giải quyết hai bài toán giới hạn trên là tính nhiệt lượng tích lũy trên trên mạch stato hoặc mạch kích từ. So sánh lượng nhiệt tích lũy với lượng nhiệt lớn nhất cho phép. Nếu nhiệt lượng tích lũy nhỏ hơn giá trị cho phép lớn nhất thì không tác động khi nhiệt lượng tích lũy lớn hơn hoặc bằng giá trị lớn nhất thì khối OEL tác động. Khi đó mạch vòng điều chỉnh điện áp trở thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện stato hoặc dòng điện kích từ.