Hệ thống tự kớch từ

1. Tự động ổn định điện ỏp phỏt ra của cỏc mỏy phỏt điện

1.6.4. Hệ thống tự kớch từ

Hệ thống kớch từ dựng mỏy kớch từ riờng cú thể ỏp dụng cho cỏc mỏy từ cụng suất nhỏ đến cụng suất lớn, phổ biến là cỏc mỏy cụng suất vừa và nhỏ.

Ở cỏc mỏy cụng suất nhỏ và trung bỡnh, dựng hệ thống tự kớch từ là hợp lý nhất vỡ kết cấu đơn giản, giảm được số phần tử quay, độ tin cậy cao hơn. Hệ thống tự kớch từ dựng nguồn trực tiếp từ mỏy phỏt qua chỉnh lưu hoặc qua cỏc phần tử t nh cú hằng số thời gian nhỏ nờn tăng được khả năng tỏc động nhanh.

Hệ thống tự kớch từ thường sử dụng hai loại sau:

1.6.4.1. Hệ thống tự kớch qua mỏy biến ỏp hỗn hợp cú điều khiển

Mỏy biến ỏp hỗn hợp ( AHH) là mỏy cú hai cuộn sơ cấp, cuộn dũng điện W₁, cuộn điện ỏp WU và một cuộn thứ cấp. Điện ỏp trong cuộn thứ cấp là tỏc động tổng hợp của dũng và ỏp bờn sơ cấp. Do cỏch lấy tớn hiệu điện ỏp và dũng điện, tại mỗi pha của mỏy biến ỏp, thành phần vộc tơ điện ỏp luụn vuụng gúc với thành phần

thành phần tỷ lệ với điện ỏp. Điều này tạo được điện ỏp bờn cuộn thứ cấp luụn tỉ lệ với giỏ trị dũng điện và hệ số cụng suất cos của tải.

Ngoài cỏc cuộn dõy làm việc, AHH cũn cú một cuộn dõy điều khiển để từ húa mạch từ bằng dũng điện điều khiển một chiều. Khi thay đổi dũng điều khiển, cỏc tham số mạch từ của AHH thay đổi, nờn dự giỏ trị dũng và hệ số cụng suất cos của tải khụng đổi, s.đ.đ bờn cuộn thứ cấp cũng thay đổi. Cuộn điều khiển tạo ra mạch tỏc động phản hồi theo sai lệch điện ỏp mỏy phỏt.

Hỡnh 2-11: Hệ thống kớch từ dựng mỏy BAHH

AHH tạo nờn mạch tự kớch và điều chỉnh kớch từ theo giỏ trị dũng và tớnh chất phụ tải. APH tạo nờn mạch điều khiển kớch từ theo sai lệch của điện ỏp.

Tỏc động tổng hợp tạo nờn dũng kớch từ cú quy luật điều khiển I_kt = f(I, ,

U).

Hệ thống kớch từ này được sử dụng khỏ phổ biến trờn cỏc trạm điện Diesel hiện nay.

1.6.4.2. Hệ thống tự kớch dựng Tiristor

Từ những năm 1970, người ta đó ứng dụng rộng rói cỏc mỏy phỏt đồng bộ với hệ thống tự động điều chỉnh kớch từ khụng cú mỏy kớch từ sử dụng cỏc van Tiristor, sau đú dựng cỏc van Tiristor, gọi chung là hệ thống kớch từ Ion. Ưu điểm của hệ thống kớch từ Ion là khả năng tỏc động nhanh cao. Riờng hệ thống kớch từ dựng van Tiristor cũn cú ưu điểm là độ tin cậy cao, hiệu suất cao, tuổi thọ lớn, dễ sử

dụng. Đặc biệt Tiristor cú cụng suất lớn, trong khi cụng suất điều khiển nhỏ, dễ điều khiển nờn rất thuận tiện khi sử dụng k thuật xung số để điều khiển

Hỡnh 2-12: Hệ thống kớch từ dựng Tiristor

Ở hệ thống tự kớch từ Tiristor, van Tiristor đảm nhận cả vai trũ nắn dũng và điều chỉnh kớch từ, do đú nú thay thế luụn nguồn điều chỉnh kớch từ. Nhờ vậy, kớch thước, trọng lượng của toàn hệ thống giảm nhiều so với cỏc hệ thống trước đó xem xột.

Chỳng ta nghiờn cứu những nột khỏi quỏt cú tớnh tổng quan về cỏc hệ thống kớch từ, làm cơ sở để nghiờn cứu sõu về kết cấu, nguyờn lý cỏc bộ điều chỉnh kớch từ cụ thể ở cỏc phần sau.

1.7. Bộ tự động điều chỉnh kớch từ kiểu cơ điện

ộ TĐĐC kớch từ kiểu cơ điện là thiết bị sử dụng cỏc phần tử cơ khớ kết hợp với điện tử, điều khiển kớch từ của mỏy phỏt điện nhờ sự thay đổi tổng trở mạch kớch từ bằng cỏc tỏc động cơ khớ. Loại thiết bị này thường gặp 2 kiểu:

- Kiểu rơle rung (cũn gọi là kiểu con rung). - Kiểu biến trở.

Phương phỏp điều khiển điện trở trong mạch kớch từ theo hai cỏch: Điều khiển liờn tục và điều khiển giỏn đoạn.

Sau đõy sẽ giới thiệu một số loại điển hỡnh.

1.7.1. Bộ TĐĐC kớch từ kiểu rơle rung

này được mắc nối tiờp với mạch từ. Trong quỏ trỡnh làm việc, trạng thỏi đúng mở của tiếp điểm thay đổi, sẽ làm thay đổi tổng trở của mạch kớch từ, từ đú ổn định điện ỏp mỏy phỏt.

Sơ đồ chức năng và sơ đồ nguyờn lý cơ bản của bộ tự động ĐCKT rơle rung được biểu diễn trờn hỡnh 2-13

a) Sơ đồ nguyờn lý

b) Sơ đồ khối – cấu trỳc

Hỡnh 2-13: Sơ đồ nguyờn lý bộ điều chỉnh kớch từ kiểu rơle rung

Ta phõn tớch cỏc phần tử chức năng hệ thống theo sơ đồ khối chức năng đó xem xột ở phần trước.

Hệ thống TĐễĐĐA dung bộ điều chỉnh kớch từ kiểu rơle rung gồm cỏc phần tử sau:

1. Phần tử đặt: Dựng để đặt giỏ trị điện ỏp trung bỡnh điều chỉnh, đú là giỏ trị điện ỏp định mức cần xỏc lập của mỏy phỏt. Trong hệ thống này, phần tử đặt là lũ xo xoắn LX (cú thể điều chỉnh được lực đàn hồi).

2. Cơ cấu so sỏnh, so sỏnh giỏ trị tỷ lệ của điện ỏp của mỏy phỏt điện do bộ phận đo lường là cuộn dõy W₀ cảm nhận, sau khi biến đổi về lực điện từ với tớn hiệu chuẩn (đại lượng đặt). Độ sai lệch của phộp so sỏnh này, sẽ tạo ra tớn hiệu điều khiển tỏc động đến cỏc cơ cấu tiếp theo. Trong bộ TĐễĐĐA này, cơ cấu đo lường (khối 5) chớnh là cuộn dõy cú lừi thộp W₀ của rơle điện từ.

Điện ỏp trờn cuộn W₀ biến đổi thành lực điện từ. Lực điện từ so sỏnh với lực căng lũ xo tạo nờn tớn hiệu sai lệch. Tớn hiệu này tỏc động thẳng lờn cơ cấu chấp hành là tiếp điểm và điện trở trong mạch kớch từ.

3. Phần tử chấp hành: Nhận tớn hiệu điều chỉnh, tỏc động lờn đối tượng để thay đổi đại lượng cần điều chỉnh là dũng kớch từ. Trong hệ thống TĐễĐĐA này, phần tử chấp hành là tiếp điểm và điện trở trong mạch kớch từ mỏy phỏt điện.

4. Đối tượng điều chỉnh đú chớnh là mỏy phỏt điện. Đõy là đối tượng chung của cỏc hệ thống TĐễĐĐA.

Quỏ trỡnh làm việc, điện trở được đúng giỏn đoạn vào cuộn dõy kớch từ. Giỏ trị trung bỡnh của điện trở phụ trong mạch kớch từ xỏc định:

d . m ptb p m t R R t t   ^(2-6) Trong đú:

t_đ: Thời gian tiếp điểm đúng

t_m: Thời gian tiếp điểm mở. Khi t_m = 0, R_ptb = 0 Dũng kớch từ thay đổi theo quy luật:

. mp mp KT m KT p KT p d m U U I t R R R R t t    _  (2-7)

Ở cỏc mỏy phỏt trờn trạm phỏt điện, tốc độ của mỏy phỏt khụng đổi nờn t_d và t_m chỉ phụ thuộc vào dũng tải, vào độ nhạy của cơ cấu đo sai lệch điện ỏp mỏy phỏt. Tần số đúng mở của tiếp điểm càng lớn, độ chớnh xỏc ổn định điện ỏp ra càng lớn.

Đặc tớnh làm việc của bộ điều chỉnh điện ỏp kiểu rung như hỡnh 2-14

Sơ đồ nguyờn lý của hệ thống TĐễĐĐA kiểu rơle rung biểu diễn ở hỡnh 2-13 lỏ sơ đồ cơ bản, đơn giản. Thực tế, để nõng cao chất lượng của hệ thống TĐễĐĐA đó nờu ở trờn, trong bộ TĐễĐĐA phải đưa them cỏc bộ phận sau:

- ộ phận gia tốc nhằm tăng tần số rung của tiếp điểm để giảm sai số động của hệ thống. ộ phận gia tốc là cuộn dõy hoặc điện trở gia tốc.

- ộ phận cõn bằng để khử sai số t nh do cỏc bộ phận gia tốc gõy ra. ộ phận cõn bằng là cuộn dõy cõn bằng hoặc điện trở cõn bằng.

- ộ phận ổn định điện ỏp theo nhiệt độ. Đưa thờm điện trở bự nhiệt hoặc dựng cỏc giải phỏp khỏc để giảm sai số của hệ thống do nhiệt độ gõy ra v.v…Như vậy, bộ tự động ĐCKT thực tế phức tạp hơn nhiều.

Hỡnh 2-14: Đặc tớnh làm việc của bộ TĐĐC kớch từ kiểu biến trở rung

Hệ thống TĐễĐĐA dung rơle rung cú kết cấu như đó giới thiệu ở trờn, với kiểu tiếp điểm như hỡnh 2-13, chỉ thớch hợp với những loại mỏy phỏt điện nhỏ, một chiều, cụng suất dưới 1000W.

Đối với cỏc loại mỏy phỏt điện cú cụng suất lớn hơn từ vài chục đến vài trăm KW, người ta sử dụng những bộ tự động ĐCKT kiểu rung cú cấu trỳc hoàn thiện hơn.

Ở sơ đồ này, cơ cấu đo lường là cuộn dõy cú lừi thộp M. Cỏc cuộn dõy này cảm biến với đại lượng cần ổn định là điện ỏp mỏy phỏt, cỏc đại lượng gõy biến động điện ỏp là dũng điện tải, dũng điện và điện ỏp kớch từ. Cuộn dõy điều khiển chớnh là W_rg, nhận điện ỏp tỷ lệ với điện ỏp mỏy phỏt điện thụng qua hai biến ỏp TR₁, TR₂ và chỉnh lưu CL₁. Cuộn dõy S_g nhận dũng điện và cuộn dõy S_v nhận điện ỏp của mỏy kớch từ. Cuộn dõy S_b nhận dũng điện và cuộn dõy V_b nhận điện ỏp từ cuộn dõy kớch từ của mỏy kớch từ. Cỏc cuộn dõy Sb, V_g, S_b, V_b cựng quấn trờn lừi thộp M cựng với cuộn dõy W_rg, với cỏch thu nhận cỏc tớn hiệu tỏc động như trờn, mà tớnh ổn định và độ chớnh xỏc của hệ thống được nõng cao.

Qua cỏch nối dõy vào cỏc điện trở OS₁, OS₂ ta cú nhận xột:

- Điện ỏp rơi trờn OS₁ gồm hai thành phần: Một thành phần đo điện ỏp dõy U_xz gõy ra, một thành phần đo dũng điện pha I_y tạo nờn.

- Điện ỏp rơi trờn OS₂ cũng gồm hai thành phần: Một thành phần đo điện ỏp dõy U_xy gõy ra, một thành phần đo dũng điện pha I_z tạo nờn.

Với cỏch mắc như trờn, thành phần cảm ứng với dũng và thành phần cảm ứng với điện ỏp vuụng gúc với nhau, ta tạo được bộ đo tớn hiệu cảm ứng theo giỏ trị và tớnh chất của phụ tải cos.

Như vậy, điện ỏp đặt vào cuộn điều khiển W_rg sẽ phụ thuộc vào cả điện ỏp dõy, điện ỏp pha và cỏc dũng điện tải của mỏy phỏt điện. Do đú sức từ động của cuộn Wrg sẽ phụ thuộc cả điện ỏp, dũng điện và hệ số phụ tải cos của mỏy phỏt điện. ởi vậy hệ thống TĐễĐĐA kiểu rung như sơ đồ hỡnh 2-15 là hệ thống TĐễĐĐA tỏc động hỗn hợp.

Tổng đại số cỏc sức từ động do cỏc cuộn dõy: W_rg, S_g, V_g, S_b, V_b tạo ra trờn lừi thộp M lực từ húa tổng hợp, điều khiển sự đúng, mở của cỏc cặp tiếp điểm K₁, K₂ kết hợp với cỏc điện trở phụ D_R, D_k, D_z mà điều chỉnh dũng kớch từ của mỏy kớch từ một cỏch thớch hợp, để duy trỡ điện ỏp của mỏy phỏt điện ổn định ở giỏ trị định mức.

1.8. Bộ tự động điều chỉnh kớch từ kiểu điện từ

ộ TĐĐC kớch từ kiểu điện từ tổ hợp từ cỏc phần tử điện từ như cảm biến, biến dũng, khuyếch đại từ…để điều khiển kớch từ của mỏy phỏt.

Cỏc hệ thống TĐễĐĐA sử dụng cỏc bộ điều chỉnh kớch từ kiểu này được xõy dựng trờn hai nguyờn tắc.

- Hệ thống tỏc động theo nhiễu loạn (dũng và pha của phụ tải)

- Hệ thống tỏc động hỗn hợp (theo sai lệch điện ỏp và dũng, pha phụ tải). Sau đõy sẽ giới thiệu một số loại điển hỡnh.

1.8.1. Hệ thống TĐễĐĐA điện từ kiểu hỗn hợp dũng

Sơ đồ nguyờn lý hệ thống TĐễĐĐA hỗn hợp dũng như hỡnh 2-16

Hệ thống này gồm mỏy biến dũng TI, mỏy biến ỏp A, bộ chỉnh lưu CL và điện trở phụ tải của biến dũng R1. Mỏy phỏt điện và mỏy kớch từ cựng với cỏc phần tử trờn tạo thành một hệ thống TĐễĐĐA mạch hở.

Cơ cấu đo lường của hệ thống này là biến dũng. Dũng thứ cấp của mỏy biến dũng tỷ lệ với dũng điện tải.

Một phần của dũng thứ cấp này, qua biến ap A để biến thành điện ỏp thớch hợp và được chỉnh lưu thành dũng điện một chiều, cung cấp bổ sung cho cuộn dõy kớch từ của mỏy kớch từ. Dũng điện bổ sung I_h biến đổi phụ thuộc vào giỏ trị của dũng điện phụ tải, sẽ làm thay đổi dũng kớch từ của mỏy phỏt một cỏch hợp lý để bự trừ sự biến đổi điện ỏp của mỏy phỏt khi giỏ trị dũng tải mỏy phỏt thay đổi.

Mỏy biến ỏp A cũn gọi là biến ỏp phõn cỏch nhằm tạo nờn điện ỏp thớch hợp và ngăn cỏch mạch điện xoay chiều với mạch điện một chiều (mạch kớch từ).

Điện trở R₁ là điện trở tải của biến dũng D, nhằm thiết lập chế độ làm việc định mức của mỏy biến dũng đo lường.

Điện trở R₂ trong mạch kớch từ cú vai trũ của một biến trở đặt, nhằm xỏc định giỏ trị điện ỏp trung bỡnh của mỏy phỏt.

Với cỏc phần tử của hệ thống này, ta thấy dũng hỗn hợp I_h chỉ tỷ lệ với giỏ trị dũng điện phụ tải, khụng phụ thuộc vào tớnh chất tải. Do đú giỏ trị điện ỏp điều chỉnh sẽ bị thay đổi theo hệ số cụng suất của phụ tải cos với cựng một giỏ trị dũng điện tải. Đặc tớnh ngoài của mỏy phỏt cú thiết bị hỗn hợp dũng điện tương ứng với hệ số cụng suất của phụ tải khỏc nhau được thể hiện ở hỡnh 2-17. Đặc tớnh này cú dạng đường cong là do hiện tượng bóo hũa từ của lừi thộp mỏy phỏt.

Hỡnh 2-17: Đặc tớnh ngoài mỏy phỏt với bộ ĐCKT hỗn hợp dũng

Thành phần cảm khỏng của dũng điện phụ tải càng nhỏ, tỏc dụng khử từ càng nhỏ, vị trớ của đường cong càng cao. Ngoài ra vị trớ của cỏc đường cong cũn phụ thuộc vào nhiệt độ mụi trường, khi nhiệt độ mụi trường càng cao, điện ỏp càng cao.

Đoạn đầu của đặc tớnh dốc xuống là do lỳc này dũng phụ tải cũn nhỏ nờn dũng thứ cấp của biến dũng nhỏ, điện ỏp trờn điện trở R₁ nhỏ, và do đú điện ỏp sau biến ỏp A đặt vào chỉnh lưu CL cũn nhỏ, chưa đủ mở chỉnh lưu nờn chưa cú dũng hỗn hợp I_h.

Đoạn này đặc tớnh sẽ trựng với đặc tớnh của mỏy phỏt khi khụng cú bộ điều chỉnh. Khi phụ tải đạt khoảng 10% giỏ trị đinh mức, thỡ mới cú dũng hỗn hợp Ih.

Hệ thống tự động ổn định điện ỏp kiểu hỗn hợp dũng điện cú kết cấu đơn giản, độ tin cậy làm việc cao, khụng phải bảo dưỡng. Nhược điểm lớn nhất của nú là cú độ chớnh xỏc thấp, dạt khoảng ±10%. Đặc tớnh ngoài phụ thuộc nhiều vào hệ số cụng suất của phụ tải và sai lệch điện ỏp so với giỏ trị định mức thay đổi dấu gõy khú khăn cho việc phõn phối đều cụng suất phản khỏng giữa cỏc trạm mỏy phỏt làm việc song song.

Hệ thống TĐễĐĐA kiểu hỗn hợp dũng điện thường chỉ được sử dụng trong cỏc trạm mỏy phỏt chuyờn dung với một loại phụ tải, phụ tải ớt thay đổi hệ số cụng

suất, khụng làm việc song song, yờu cầu độ chớnh xỏc thấp hoặc sử dụng như là một kờnh tỏc động trong hệ thống TĐễĐĐA phức tạp hơn.

Với cỏc trạm mỏy phỏt đũi hỏi độ chớnh xỏc ổn định điện ỏp cao hơn, phải sử dụng hệ thống TĐễĐĐA kiễu hỗn hợp pha.

1.8.2. Hệ thống TĐễĐĐA điện từ kiểu hỗn hợp pha

Một sơ đồ nguyờn lý của hệ thống được trỡnh bày trờn hỡnh 2-18

Hỡnh 2-18: Sơ đồ hệ thống TĐễĐĐA hỗn hợp pha đơn giản

Mỏy biến ỏp AHH cú hai cuộn dõy sơ cấp: Cuộn điện ỏp và cuộn dũng điện. Cuộn điện ỏp tạo tớn hiệu tỉ lệ với điện ỏp; cuộn dũng điện tạo tớn hiờu tỉ lệ với dũng điện. Nhờ cỏch mắc cuộn dũng ở pha độc lập với cuộn ỏp mà tạo được tớn hiệu dũng vuụng pha và vượt trước về thời gian khi tải thuần trở. Nhờ đú tạo được dũng điện bổ sung cho kớch từ phụ thuộc vào cả giỏ trị và dũng điện phụ tải theo đỳng thuật toỏn điều khiển kớch từ để ổn định điện ỏp.

Do cỏch nối dõy như hỡnh 2-18 mà s.đ.đ cung cấp cho chỉnh lưu gồm hai