vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ

Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
II. HỆ THỐNG KÍCH TỪ:
II.1. Tổng quan về hệ thống kích từ kích từ:
Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng một chiều cho cuộn
dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ
nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiền điện áp bằng
cách điều khiển dòng điện kích từ.
Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất
và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng
của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá
giới hạn.
Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng
điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện
áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép liên tục của máy phát, các yêu cầu này
có thể hình dung từ đường cong điện áp V. Của máy phát được trình bày ở hình 16.
Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức
khẩn cấp … cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông
thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát.
Hình 16: Đường cong điện áp V và đường cong kết hợp cho máy phát tại điện áp
phần ứng định mức
Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ
trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng
của máy phát ở đây xem như được giới hạn bởi các yếu tố;
+ Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao.
+ Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn.
+ Nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn.
+ Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh
nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz).
+ Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian.
+ Khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15÷ 60 giây.
Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng

đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép.
Trang 1
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao
tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một
cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát
để nâng cao độ ổn định tĩnh .
Về phương diện lịch sử, vai trò của hệ thống kích từ trong việc nâng cao hiệu
quả hệ thống điện được phát triển liên tục.Hệ thống kích từ đầu tiên được điều khiển
bằng tay để duy trì điện áp và công suất phản kháng của tải ở đầu ra của máy phát
như mong muốn. Khi điện áp được điều khiển tự động lần đầu tiên, nó cho đáp ứng
rất chậm. Đầu năm 1920 người ta đã sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp để nâng cao
ổn định tĩnh và động hoạt động liên tục và có đáp ứng nhanh.
Đáng chú ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày nay càng phát triển, các bộ kích
thích và điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh đã sớm được đưa vào trong công
nghiệp. Hệ thống kích từ từ đó đã phát triển liên tục.
Sự tiến bộ trong hệ thống điều khiển kích từ từ hơn 20 năm qua đã nhờ việc
phát triển điện tử bán dẫn .Việc phát triển các mạch tích phân tín hiệu phân tự đã giúp
cho các công nghệ điều khiển phức tạp có thể thực hịên một cách dễ dàng .
Sự phát triển sau cùng là kỹ thuật số đã được được đưa vào trong hệ thống kích
từ.Thyristo tiếp tục được sử dụng cho mạch công suất Chức năng điều khiển, bảo vệ,
luận lý thực hiện bằng các tín hiệu số, mà các chức năng trước đó được thực hiện bởi
mạch tín hiệu tương tự. điều khiển bằng tín hiệu số được sử dung rộng rãi ngày nay
vì chúng rẻ hơn và độ tin cậy cao hơn các mạch tín hiệu tương tự khác. Chúng tiến bộ
hơn nhờ tính liên động cao, cho phép thực hiện dễ dàng các công nghệ điều khiển
phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của máy phát khác.
Những hệ thống kích từ hiện đại thực tế có khả năng cung cấp các đáp ứng tức thời ở
điện áp rất cao.
II.2. Các loại hệ thống kích từ:
Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể được

chia thành ba loại cơ bản dựa trên nguồn năng lượng mà bộ kích từ sử dụng
- Hệ thống kích từ một chiều
- Hệ thống kích từ xoay chiều
- Hệ thống kích từ tĩnh
II.2.1. Hệ thống kích từ một chiều:
Hệ thống kích từ loại này sử dụng máy phát một chiều như nguồn năng
lượng kích từ và cung cấp dòng điện cho rotor của máy điện đồng bộ thông qua các
vòng trượt. Máy kích từ một chiều có thể được kéo nhờ một động cơ hoặc gắn vào
trục của máy phát. Nó có thể tự kích hoặc là kích từ độc lập. Khi kích từ độc lập, từ
trường của bộ kích từ được cấp bởi bộ kích từ nhỏ như là máy phát nam châm vĩnh
cửu.
Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống ra đời sớm nhất, khoảng từ năm
1920÷1960.Vào giữa những năm 1960 chúng không còn được lưu tâm nữa mà được
thay thế bằng các máy kích từ xoay chiều.
Hệ thống kích từ một chiều dần dần biến mất, một số hệ thống cũ hơn được
thay thế bằng một hệ thống kích từ xoay chiều hoặc hệ thống kích từ tĩnh. Trong vài
trường hợp các bộ điều chỉnh điện áp độc lập được thay thế bằng các bộ điều chỉnh
điện tử bán dẫn hiện đại vài hệ thống kích từ một chiều vẫn còn hoạt động do chúng
vẫn còn yêu cầu làm mô hình trong nghiên cứu tính ổn định.
Trang 2
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
Hình 18 biểu diễn sơ đồ đơn giản của hệ thống kích từ một chiều với bộ
khuyếch đại quay. Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòng một
chiều cho cuộn kích từ máy phát chính thông qua các vòng trượt. Từ trường máy kích
từ DC được điều khiển bằng bộ khuyếch đại điện cơ. Bộ khuyếch đại điện cơ là một
loại đặc biệt của bộ khuyếch đại quay. Nó là một máy điện một chiều chế tạo đặc biệt
có 02 bộ chổi than đặt lệch nhau góc 90
o
về điện, một bộ trên trục d, một bộ trên trục
q.

Việc điều khiển từ trường cuộn dây được định vị trên trục d. Một cuôn bù
mắc nối tiếp với phụ tải trên trục d sinh ra từ trường bằng và ngược chiều với dòng
điện phần ứng trên trục d do đó loại bỏ được phản hồi âm do sự phản ứng lại của
dòng điện phần ứng. Bộ chổi than trên trục q bị ngắn mạch, công suất điều khiển từ
trường rất nhỏ được yêu cầu để tạo ra dòng điện lớn ở phần ứng trên trục q.
Dòng điện trên trục q tạo ra theo nguyên tắc từ trường, năng lượng được yêu
cầu để duy trì dòng điện trên trục q được cung cấp từ động cơ kéo bộ khuyếch đại
điện cơ. Kết quả là tạo một thiết bị khuyếch đại công suất từ 10.000÷100.000 lần và
hằng số thời gian nằm trong khoảng (0,02÷0,25) giây.
Trang 3
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
Hình 18: Hệ thống kích từ một chiều với bộ khuyếch đại quay
Trang 4
Bo
dieu
AP
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
II.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều:
Hệ thống kích từ này sử dụng máy phát xoay chiều như là nguồn năng lượng
kích từ của máy phát chính.
Thường máy kích từ có cùng trục vối trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay
chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển (SCR) hoặc không có
điều khiển (diode) để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát. Bộ
chỉnh lưu có thể là tĩnh hoặc là quay
a. Hệ thống chỉnh lưu tĩnh:
Với hệ thống chỉnh lưu tĩnh, ngõ ra một chiều cấp cho từ trường cuôn dây của
máy phát chính thông qua các vòng trượt. Khi chỉnh lưu không có điều khiển được sử
dụng, bộ điều chỉnh sẽ điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, như thế nó sẽ
điều khiển tiếp điện áp ngõ ra của bộ kích từ.
Sơ đồ đơn tuyến đơn giản của hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều

có điều khiển từ trường được trình bày như hình 19. Bộ kích từ máy phát xoay chiều
được kéo nhờ rotor của máy phát chính.
Bộ kích từ này là tự kích với năng lượng từ trường được cung cấp từ bộ chỉnh
lưu Thyristor. Năng lượng của bộ điều chỉnh điện áp được cấp từ điện áp ngõ ra của
bộ kích từ.
Hình 19: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều
Khi bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor được sử dụng, bộ điều chỉnh điều khiển
trực tiếp điện áp một chiều ở ngõ ra của bộ kích từ
Hình 20 biểu diễn sơ đồ hệ thống chỉnh lưu có điều khiển. Bộ chỉnh lưu điện
áp điều khiển việc dẫn của thyristo. Bộ kích từ của máy phát xoay chiều là tự kích và
sử dụng điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để duy trì điện áp ở ngõ ra. Vì thyristor điều
khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ kích từ nên hệ thống này cho đáp ứng nhanh ngay từ
đầu (thời gian đáp ứng nhỏ).
Ở hình 19 và hình 20 có hai kiểu điều chỉnh độc lập:
Trang 5
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
1. Bộ điều chỉnh xoay chiều tự động duy trì điện áp đầu cực máy phát chính
bằng với điện áp ra mong muốn
2. Bộ điều chỉnh một chiều duy trì điện áp kích từ máy phát là hằng số, xác
định bằng điện áp chuẩn DC.
Bộ điều chỉnh một chiều hay bộ điều khiển bằng tay được sử dụng khi bộ
điều khiển xoay chiều bị hư hoặc cần ngưng làm việc. Tín hiệu đưa vào bộ điều
khiển xoay chiều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng điều khiển và
bảo vệ
Hình 20: Hệ thống kích từ chỉnh lưu
có điều khiển được cung cấp bởi máy phát xoay chiều
b. Hệ thống chỉnh lưu quay: (Hệ thống chỉnh lưu không chổi than)
Với bộ chỉnh lưu quay, các vòng trượt và chổi than được bỏ, điện áp một
chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trường máy phát chính như ở hình 21
Phần ứng của bộ kích từ xoay chiều và chỉnh lưu diode quay kích từ máy phát

chính.
Một bộ kích từ xoay chiều phụ, có một rotor nam châm vĩnh cửu quay với
phần ứng của bộ kích từ và Diode chỉnh lưu. Ngõ ra chỉnh lưu của Stator bộ kích từ
nhỏ cung cấp năng lượng từ trường tĩnh của bộ kích từ xoay chiều. Bộ điều chỉnh
điện áp điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại của máy
phát chính.
Một hệ thống như vậy được gọi là một hệ thống kích từ không có chổi than.
Nó được phát triển để tránh việc sử dụng các chổi than khi các dòng dòng điện
kích từ lớn cho các máy phát rất lớn.
(VD: Công suất từ trường cấp cho máy phát 600MW là trên 1MW ).
Tuy nhiên với chổi than và các vòng trượt hiện đại, bảo hành tốt, vấn đề cung
cấp dòng kích từ lớn không là quan trọng. Hệ thống kích từ xoay chiều có và không
có chổi than đều hoạt động tốt như nhau.
Hiệu suất đáp ứng ban đầu của các kích thích dùng chổi than không cho phép
trực tiếp đo lường dòng và áp từ trường của máy phát.
Điều khiển bằng tay điện áp của máy phát chính được thực hiện bằng cách
thay đổi trị số đặt nhập một chiều cho mạch cổng của Thyristor.
Trang 6
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
Hình 21: Hệ thống kích từ không chổi than
II.2.3. Hệ thống kích từ tĩnh.
Tất cả các phần tử trong hệ thống này đều đứng yên. Các bộ chỉnh lưu tĩnh,
được điều khiển hoặc không điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho từ
trường máy phát chính nhờ các vòng trượt. Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu được
lấy từ máy phát chính ( hoặc ở các trạm phụ ) qua máy biến áp giảm áp xuống cấp
thích hợp, đôi khi lấy từ cuộn phụ trong máy phát. Hệ thống kích từ tĩnh thường có
ba kiểu sử dụng rộng rãi:
a. Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp:
Trong hệ thống này năng lượng kích từ được cung cấp nhờ một máy biến áp
lấy điện từ đầu cực máy phát hoặc các trạm phụ, nó được điều chỉnh bởi bộ chỉnh lưu

có điều khiển (xem hình 22)
Hệ thống này vốn có hằng số thời gian rất nhỏ. Điện áp ra cực đại của bộ kích
từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào.Vì vậy khi hệ thống bị sự sẽ làm cho
điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp cực đại ở đầu ra bộ kích từ
có thể bị giảm theo hạn chế này của hệ thống kích từ, được bù bằng đáp ứng gần như
tức thời và khả năng thay đổi từ trường cưỡng bức cao. Ngoài ra nó có thể bảo trì dễ
dàng và rẻ tiền. Đối với máy phát nối với hệ thống công suất lớn thì hệ thống kích từ
làm việc tốt.
Hình 22: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp
b. Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp:
Trang 7
Vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ
Năng lượng của hệ thống kích từ trong trường hợp này được tạo ra nhờ sử
dụng dòng điện cũng điện áp của máy phát chính.điều này có thể thực hiện được nhờ
máy biến áp công suất và máy biến dòng bảo hòa như hình 23. Hoặc là nguồn áp và
nguồn dòng được kết hợp nhờ sử dụng một máy biến áp kích từ đơn, như là máy biến
dòng bảo hòa.
Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ ra của bộ kích từ thông qua việc điều khiển sự
bảo hòa của máy biến áp kích từ. Khi máy phát không cung cấp cho tải thì dòng ứng
bằng không còn nguồn áp cung cấp toàn bộ cho năng lượng kích từ.Ở chế độ có tải
một phần năng lượng kích từ được lấy từ dòng điện của máy phát. Khi hệ thống bị
sự cố với sự cố nặng sẽ làm giảm điện áp đầu cực máy phát,lúc đó dòng điện sự cố
sẽ cung cấp năng lượng từ trường cưỡng bức cao.
Hình 23: Hệ thống kích từ chỉnh lưu nguồn kết hợp
c. Hệ thống từ chỉnh lưu điều khiển kết hợp:
Hệ thống này sử dụng chỉnh lưu điều khiển trong mạch suất của bộ kích từ và
sự kết hợp của nguồn áp, nguồn dòng ở bên trong stator máy phát để cung cấp năng
lượng cho bộ kích từ. Kết quả là hệ thống kích từ tĩnh cho đáp ứng ban đầu cao với
nhiều khả năng cưỡng bức.
Hình 24 biểu diễn sơ đồ đơn tuyến cơ bản của hệ thống. Nguồn áp được tạo ra

bởi một sợi dây quấn ba pha đặt trong ba rãnh bên trong stator máy phát và nối tiếp
với cuộn kháng tuyến tính. Nguồn dòng được tạo ra từ biến dòng đặt ở trung tính
cuối cuộn dây stator nối đất. Những nguồn này được kết hợp thông qua sự hoạt động
của máy biến điện và kết quả là điện áp xoay chiều ở ngõ ra được chỉnh lưu bởi các
linh kiện bán dẫn công suất tĩnh. Việc điều khiển được cung cấp bởi sự kết hợp giữa
diode và thyristor mắc song song. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển mạch
kích của thristor và qua đó điều chỉnh bộ kích từ để kích từ máy phát.
Máy biến áp kích từ bao gồm ba bộ phận đơn pha với ba cuộn dây: cuộn dòng
(C) cuộn áp sơ cấp (P) và cuộn ngõ ra thứ cấp (E). Dưới tình trạng sự cố sẽ chạy qua
cuộn dây (C) máy biến áp kích từ, cung cấp cung cấp từ trường cưỡng bức khi điện
áp máy phát bị giảm thấp.
Cuộn kháng có hai chức năng:
+ Góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp của hệ thống kích từ
Trang 8