LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian qua cùng với việc phát triển nền kinh tế, xã hội về nhiều mặt nhất là về
công nghiệp và với nhu cầu ngày càng cao về mức sống nên vấn đề điện năng ngày càng trở
nên cần thiết hơn bao giờ hết. Chính vì lẽ đó mà nhà nước, chính phủ đã có nhiều biện pháp
nhằm mục đích tăng đáng kể sản lượng điện để đáp ứng kịp thời các nhu cầu đó. Một trong
các biện pháp có tính hiệu quả nhất hiện nay là xây dựng nhiều các công trình thủy điện và các
nhà máy điện sử dụng nhiều loại nguồn nhiên liệu khác nhau. Cụm Nhà máy thủy điện trên
sông SÊSAN là một trong nhiều nơi cung cấp một lượng điện năng lớn cho đất nước, bao gồm
các nhà máy sau: IALY, SÊSAN 3, SÊSAN 3A, SÊSAN 4, PLEIKRÔNG, THƯỢNG
KONTUM.
Hiện nay Nhà máy thủy điện IALY đã đi vào vận hành rất hiệu quả, đã mang lại hàng
năm 3,67 tỷ KWh và góp phần xây dựng Tây nguyên ngày càng giàu đẹp. Tiếp theo sau IALY
là các nhà máy khác cũng dần mọc lên, do đó để có được một đội ngũ công nhân lành nghề
đảm bảo việc vận hành, sửa chữa nhà máy là trách nhiệm nặng nề của ban lãnh đạo nhà máy
thủy điện IALY. Quán triệt được điều đó ngay từ đầu lãnh đạo nhà máy thủy điện IALY đã có
kế hoạch đào tạo một số công nhân vận hành và sửa chữa đủ đáp ứng các nhu cầu đó.
Hệ thống kích thích là một hệ thống quan trọng và rất phức tạp của nhà máy thủy điện,
chính vì vậy để có đội ngũ công nhân đảm nhận được việc thí nghiệm, hiệu chỉnh, sửa chữa
phải tốn rất nhiều thời gian và công sức. Trong thời gian qua được sự quan tâm giúp đỡ của
lãnh đạo nhà máy đã tạo điều kiện cho tôi được tìm hiểu, nghiên cứu và trực tiếp thí nghiệm,
hiệu chỉnh, sửa chữa hệ thống kích thích nhà máy thủy điện IALY, tôi đã hoàn thành tốt nhiệm
vụ. Hiện nay tôi cũng được lãnh đạo nhà máy tin tưởng giao cho tôi việc đào tạo cho một số
anh em công nhân sửa chữa hệ thống kích thích của các nhà máy sau, cho nên tôi đã viết giáo
trình đào tạo này nhằm mục đích cụ thể chương trình đào tạo và giúp các anh em sau có điều
kiện nghiên cứu sâu hơn.
Do trình độ có hạn và kinh nghiệm đào tạo chưa nhiều nên tôi viết giáo trình này còn
nhiều thiếu sót và chưa đầy đủ mong người đọc thông cảm và góp ý để ngày càng hoàn thiện
hơn giáo trình này. Trong giáo trình này tôi có sử dụng một số tài liệu của nhà máy và các anh
em đồng nghiệp.
Gia Lai, ngày 10 tháng 09 năm 2006

Trang 1/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG
KÍCH THÍCH
Trang 2/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH
1.1 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH:
Chức năng cơ bản của hệ thống kích thích là cung cấp dòng điện 1 chiều cho cuộn dây
tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích thích được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp
ứng công suất phản kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển
dòng điện kích thích.
Chức năng điều khiển bao gồm: điều chỉnh 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 thích và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn.
Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích thích cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện
kích thích 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 tham khảo
theo đặc tính hình V. Độ dữ 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 thích biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát.
Ngoài ra hệ thống kích thích 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 được giới hạn bởi các yếu tố: hư hỏng cách điện rotor ở điện áp kích thích cao, nóng rotor
ở dòng điện kích thích lớn, nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn, lõi bị nóng trong suốt thời
gian vận hành ở trạng thái thiếu kích thích và sịnh 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 ÷ 60s. Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất hệ thống kích thích, cần biết đầy đủ khả
năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép.
Hệ thống kích thích 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.
1.2 TIÊU CHUẨN CỦA ĐIỆN NĂNG
Tiêu chuẩn của điện năng là điện áp và tần số.
Khi phụ tải thay đổi, dẫn đến tần số và điện áp nguồn sẽ thay đổi theo, nếu không có
những bộ tự động điều tần, tự động điều áp thì hệ thống điện sẽ mất ổn định.
1.3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN
Trang 3/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1) Điều chỉnh điện áp thô hay điều chỉnh từng nấc tại các thanh cái phân phối:
Tại các thanh cái cấp điện áp phân phối 15kV, 22kV, ta có thể đóng hoặc mở tụ bù, hoặc
ta có thể thay đổi nấc máy biến áp phân phối (thường có 5 nấc).
2) Điều chỉnh điện áp từng nấc tại các thanh cái chính:
Tại các thanh cái này, ta cũng có thể thay đổi nấc máy biến áp, nhưng chỉ thao tác được
khi đã ngừng máy biến áp.
3) Điều chỉnh điện áp tinh hay điều chỉnh nhuyễn tại đầu cực ra của máy phát:
Bằng cách điều chỉnh dòng điện kích thích, điều chỉnh bằng tay hoặc tự động, ta sẽ thay
đổi được điện áp tại đầu ra của máy phát.
Trong các chương sau, chúng ta sẽ nghiên cứu về các hệ thống tự động điều chỉnh điện
áp và việc phân phối công suất phản kháng trên các máy phát điện.
Trang 4/362
~
~
13,8kV±5%
110kV±2,5%±5%
110kV±2,5%±5%
11kV±5%
110kV
110kV

110kV
220kV
15kV±2,5%±5%
22kV±2,5%±5%
15kV
22kV
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.4 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LỚN
Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống kích thích tiêu biểu
1.4.1 Bộ kích thích
- Cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây phần cảm để tạo từ trường của máy điện đồng
bộ, tạo nên công suất tiêu thụ của hệ thống kích thích.
- Thông thường định mức bộ kích thích biến thiên từ 2
÷
3,5kW/MVA của định mức
máy phát.
1.4.2 Bộ điều chỉnh điện áp (AVR)
- Xử lý và khuếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát, để tạo ra
cách thức thích hợp nhằm điều khiển “Bộ kích thích ”.
- Bộ AVR bao gồm cả việc điều chỉnh và chức năng ổn định hệ thống kích thích.
1.4.3 Bộ cảm biến điện áp ra và bù tải:
- Bộ cảm biến điện áp ra: Cảm nhận điện áp ra đầu cực máy phát, chỉnh lưu và lọc nó
thành điện một chiều, so sánh nó với một trị chuẩn (trị số đặt) là điện áp đầu ra máy phát
mong muốn.
- Bộ phận bù tải: (do có sụt áp trên đường dây) khi ta muốn giữ điện áp không đổi tại
các điểm xa đầu cực máy phát (ví dụ: qua máy biến áp tăng). Bộ này còn được gọi là bộ tạo
“đặc tuyến điều chỉnh ”.
1.4.4 Bộ ổn định hệ thống công suất:
- Cung cấp thêm một tín hiệu ở ngõ vào để hạn chế dao động công suất của hệ thống.

- Những tín hiệu thường dùng là: độ lệch tốc độ Rotor, sự tăng công suất và độ lệch tần
số.
1.4.5 Bộ hạn chế và bảo vệ:
- Phần này bao gồm một hệ thống điều khiển và bảo vệ rộng, nhằm đảm bảo khả năng
của bộ kích thích và máy phát đồng bộ không vượt quá giới hạn.
Trang 5/362
BỘ HẠN CHẾ VÀ
BẢO VỆ
BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ
BỘ BÙ TẢI TẠO ĐẶC TUYẾN
MÁY PHÁT
BỘ ỔN ĐỊNH
BỘ KÍCH THÍCH
BỘ ĐIỀU CHỈNH AVR
TỚI HỆ
THỐNG
1
2
4
3
5
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
- Thường sử dụng “bộ hạn chế kích thích cực đại”, “bộ hạn chế dòng kích thích ”, “bộ
hạn chế điện áp đầu cực ”, “bộ điều chỉnh và bảo vệ V/Hz ”, và “bộ hạn chế thiếu kích thích ”.
Những mạch này thường riêng biệt, các tín hiệu ở ngõ ra của chúng có thể đưa vào hệ thống
kích thích bằng một ngõ nhập tổng hoặc là một cổng nhập.
1.5 CÁC LOẠI HỆ THỐNG KÍCH TỪ
Qua nhiều năm phát triển, hệ thống kích thích có nhiều dạng, nhưng chúng có thể được
chia thành 3 loại cơ bản như sau, dựa trên nguồn năng lượng mà “bộ kích thích ” sử dụng:
 Hệ thống kích thích một chiều.

 Hệ thống kích thích xoay chiều.
 Hệ thống kích thích tĩnh.
1.5.1 Các dạng sơ đồ khối cơ bản của hệ thống kích thích:
1.5.1.1 Hệ thống kích thích từ nguồn 1 chiều:
1.5.1.2 Hệ thống kích thích dùng máy phát phụ:
1.5.1.3 Hệ thống kích thích tự kích:
Phản hồi điều khiển
Trang 6/362
Máy phát
phụ gắn
đồng trục
Hệ thống
kích từ
tự động
Máy biến
áp tự
kích
Cầu chỉnh
lưu điốt
Máy phát
chính
Hệ thống
tự kích
Hệ thống
tự dùng 1
chiều
Bảo vệ
Hệ
thống
kích từ

tự động
Máy
biến áp
tự kích
TE
Cầu chỉnh
lưu
thyristor
Máy
phát
chính
Hệ
thống tự
kích
Hệ
thống tự
dùng 1
chiều
Bảo vệ
máy
biến áp
TE
Máy phátHệ thống
kích từ
tự động
Nguồn 1 chiều
hay máy phát
1 chiều
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.5.2 Ưu, nhược điểm của các hệ thống kích thích:

1.5.2.1 Hệ thống kích thích từ nguồn tự dùng 1 chiều:
• Ưu điểm:
+ Đơn giản dễ chế tạo
+ Mức độ ổn định cao
• Nhược điểm:
+ Chỉ sử dụng cho máy phát nhỏ do sự hạn chế của nguồn 1 chiều
1.5.2.2 Hệ thống kích thích dùng máy phát phụ:
• Ưu điểm:
+ Sử dụng cho tất cả các loại máy phát
+ Dòng điện qua chổi than nhỏ
+ Thiết bị có công suất nhỏ dễ chế tạo
• Nhược điểm:
+ Hệ thống phức tạp
+ Thời gian đáp ứng lâu
+ Cần có 1 hệ thống bảo vệ riêng cho máy phát phụ
1.5.2.3 Hệ thống kích thích tự kích:
• Ưu điểm:
+ Đơn giản, dễ chế tạo
+ Dùng cho tất cả các loại máy phát
+ Thời gian đáp ứng nhanh
+ Cải tạo dễ dàng
• Nhược điểm:
+ Dòng điện qua chổi than rất lớn
+ Hệ thống Thyristor công suất lớn rất khó chế tạo
+ Máy biến áp kích thích công suất lớn cồng kềnh
1.5.2.4 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN IALY:
Trang 7/362
Hệ thống đo
lường TU, TI
Hệ thống

điều khiển
Thyristor
Hệ thống tự
động điều
chỉnh điện áp
Bộ cầu
chỉnh lưu
Thyristor
Máy cắt
dập từ
Máy
phát
Máy biến
áp kích từ
Hệ thống
làm mát
Thyristor
Hệ
thống tự
kích
Hệ
thống tự
dùng 1
chiều
Hệ thống
nước làm
mát
Hệ thống Điều
khiển - Bảo vệ
- Tín hiệu

Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.5.3 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH
1.5.3.1 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MỘT CHIỀU
- Hệ thống kích thích một chiều sử dụng máy phát một chiều như nguồn năng lượng kích
thích và cung cấp dòng điện cho rôto của máy điện đồng bộ thông qua các vòng trượt. Máy
kích thích được kéo nhờ một động cơ hoặc gắn vào trục của máy phát. Nó có thể tự kích hoặc
là kích thích độc lập. Khi kích thích độc lập từ trường của bộ kích thích được cấp bởi bộ kích
thích nhỏ như là máy phát nam châm vĩnh cửu. Hệ thống kích thích một chiều là hệ thống ra
đời sớm nhất vào khoảng năm 1920÷1960. Đến giữa những năm 1960 chúng được thay thế
bằng các hệ thống kích thích xoay chiều hoặc hệ thống kích thích tĩnh, trong một 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.
- Hình 2 biểu diễn sơ đồ đơn giản của hệ thống kích thích một chiều với bộ khuếch đại
quay. Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòng một chiều cho cuộn kích
thích máy phát chính thông qua các vòng trượt. Từ trường máy kích thích (DC) được biểu diễn
bằng bộ khuếch đại điện cơ. Bộ khuếch đại điện cơ là loại máy điện đặc biệt của bộ khuếch
đại quay. Nó là máy điện một chiều đặc biệt có 2 bộ chổi than đặt lệch nhau góc 90.Việc điều
khiển từ trường cuộn dây được định vị trên trục (d), một cuộn bù mắc nối tiếp với phụ tải trên
trục (d) sinh ra từ trường bằng và ngược chiều với 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) được nối
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 khuếch đại
điện cơ. Kết quả là tạo ra một thiết bị khuếch đại công suất từ 10.000
÷
100.000 lần và hằng số
thời gian nằm trong khoảng 0,02
÷
0,25 giây.
Trang 8/362

Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.5.3.2 HỆ THỐNG KÍCH TỪ XOAY CHIỀU:
- Hệ thống kích thích dạng này sử dụng máy phát xoay chiều làm nguồn năng lượng kích
thích cho máy phát chính. Thường máy kích thích nối cùng trục với tuabin máy phát.
- Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích thích được chỉnh lưu có điều khiển (SCR) hoặc
không điều khiển (Diốt) để tạo ra dòng một chiều cần thiết cho từ trường máy phát. Bộ chỉnh
lưu có thể là tĩnh hoặc quay.
- Hệ thống kích thích xoay chiều tuỳ thuộc vào dạng chỉnh lưu có các dạng sau:
• Hệ thống chỉnh lưu tĩnh.
• Hệ thống chỉnh lưu quay (hệ thống chỉnh lưu không chổi than).
1.5.3.3 HỆ THỐNG CHỈNH LƯU TĨNH
- Với hệ thống này ngõ ra một chiều cấp cho từ trường cuộn dây của máy phát chính
phải 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 thích xoay chiều, như thế nó sẽ điều khiển trực tiếp điện áp ngõ ra của bộ
kích thích.
- Có 2 dạng cơ bản:
a) Hệ thống kích thích chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường: Hình 3.
- Bộ kích thích máy phát xoay chiều được kéo nhờ rotor của máy phát chính. Bộ kích
thích 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 thích.
Trang 9/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
b) Chỉnh lưu điều khiển (thyistor):
- Bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp 1 chiều ở ngõ ra của bộ kích thích. Hình 4.
- Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển việc dẫn của thyristor. Bộ kích thích của máy phát xoay
chiều là tự kích và sử dụng bộ 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 thích nên hệ thống này cho đáp ứng nhanh
ngay từ đầu.
- Có 2 kiểu điều chỉnh độc lập:

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 điện áp 1 chiều duy trì điện áp kích thích máy phát là hằng số, xác định
điện áp chuẩn DC. Bộ điều chỉnh 1 chiều hay bộ điều khiển bằng tay được sử dụng khi bộ điều
chỉnh xoay chiều bị hỏng hoặc cần ngừng làm việc. Tín hiệu đưa vào bộ điều chỉnh xoay chiều
có ngõ nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng bảo vệ và điều khiển.
1.5.3.4 Hệ thống chỉnh lưu quay
- Ưu điểm hơn là không dùng hệ thống chổi than và các vòng trượt
- Điện áp 1 chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trường máy phát chính. Hệ thống này
gọi là hệ thống kích thích tĩnh không có chổi than.
Trang 10/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
VD: Hệ thống kích thích xoay chiều thực tế
Trang 11/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.5.3.5 HỆ THỐNG KÍCH TỪ TĨNH
- Tất cả các phần tử trong hệ thống kích thích tĩnh đều đứng yên.
- Các bộ chỉnh lưu tĩnh được điều khiển hoặc không được điều khiển, cung cấp dòng kích
thích trực tiếp cho từ trường chính nhờ các vòng trượt (vòng nhận điện).
- 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.
- Khi máy phát mới khởi động chưa có nguồn áp cung cấp cho hệ thống kích thích, do đó
cần phải có nguồn năng lượng khác trong vài giây để cung cấp dòng kích thích và năng lượng
kích thích ban đầu cho máy phát. Phương pháp này được gọi là “kích thích ban đầu”, nguồn
kích thường là nguồn acquy tự dùng nhà máy.
- Hệ thống kích thích tĩnh có ba kiểu sử dụng rộng rãi:
1.5.3.6 Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp
- Năng lượng kích thích được cung cấp nhờ một máy biến áp kích thích lấy điện từ đầu
cực máy phát hoặc các trạm tự dùng và được điều chỉnh bởi bộ chỉnh lưu có điều khiển
(xem H.6). Hệ thống này vốn có hằng số thời gian rất nhỏ.

 Đánh giá:
- Điện áp ra cực đại của bộ kích thích phụ thuộc điện áp xoay chiều ngõ vào, vì vậy khi
hệ thống bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống dẫn đến điện áp cực đại ở
đầu ra bộ kích thích bị giảm theo.
- Đối với máy phát nối với hệ thống có công suất lớn thì hệ thống này làm việc rất tốt.
- Ngoài ra nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền.
Trang 12/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
- Hạn chế này được bù bằng đáp ứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trường
cưỡng bức cao.
1.5.3.7 Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp
- Năng lượng kích thích trong trường hợp này được tạo ra nhờ sử dụng điện áp cũng như
dòng điện của máy phát chính qua máy biến áp công suất và máy biến dòng bão hòa như hình
H.7, hoặc là nguồn áp và nguồn dòng được kết hợp nhờ sử dụng một máy biến áp kích thích
đơn, như là máy biến dòng bão hòa.
- Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ ra của bộ kích thích thông qua việc điều khiển sự bão hòa
của máy biến áp kích thích.
- Khi máy phát ở chế độ không tải thì dòng ở phần ứng bằng không, nguồn áp sẽ cung cấp
toàn bộ cho năng lượng kích thích.
- Khi máy phát vận hành ở chế độ có tải năng lượng kích thích sẽ được cung cấp từ nguồn
áp và một phần từ nguồn dòng lấy từ máy biến dòng bão hòa.
- 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.
1.5.3.8 Hệ thống kích thích chỉnh lưu điều khiển kết hợp
- Hệ thống này sử dụng chỉnh lưu điều khiển trong mạch xuất của bộ kích thích và sự kết
hợp nguồn áp, nguồn dòng ở bên trong stator máy phát để cung cấp năng lượng cho bộ kích
thích dẫn đến việc đáp ứng ban đầu cao với nhiều khả năng cưỡng bức.
- Hình 8 biểu diễn sơ đồ một sợi cơ bản của hệ thống.
Trang 13/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích

- Nguồn áp được tạo ra bởi bộ 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 diốt và thyristor mắc song song. Bộ điều chỉnh
điện áp xoay chiều điều khiển mạch kích của thyristor và qua đó điều chỉnh bộ kích thích để
kích thích máy phát.
- Máy biến áp kích thích 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 (F).
- Điện áp xoay chiều ở ngõ ra thứ cấp (F) được chỉnh lưu bởi các linh kiện bán dẫn
công suất tỉnh gồm diode và thyristor mắc song song với nhau. Bộ điều chỉnh điện áp xoay
chiều điều khiển mạch kích của thyristor và qua đó điều chỉnh bộ kích thích để kích thích máy
phát.
- Cuộn kháng tuyến tính có hai chức năng: góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp của hệ
thống kích thích và nhằm làm giảm dòng sự cố khi hệ thống kích thích hay máy phát bị sự cố.
Trang 14/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
- Máy biến áp kích thích và cuộn kháng được đặt trong một hộp hình vòm được bắt dính
trên khung máy phát.
- Máy phát không thể tự phát ra điện áp khi chưa có dòng điện kích thích. Do đó, cần có
nguồn năng lượng khác trong vài giây để cung cấp dòng điện kích thích và năng lượng kích
thích ban đầu cho máy phát. Phương pháp này tạo nên dòng điện kích thích cho máy phát
được gọi là “kích thích trường hay kích thích ban đầu”. Nguồn kích thường dùng là nguồn
acquy tĩnh.
2.5.3.9 Ví dụ minh họa
Hệ thống kích thích này áp dụng phương pháp “Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp”. Xem
hình vẽ.
 Hệ thống kích thích và điều áp khối máy hơi nước
Hệ thống điều áp và kích thích của máy phát điện S2, S3 thuộc loại kích thích tinh dùng

SCR nắn dòng 3 pha. Hệ thống gồm:
 1 máy biến áp công suất PPT 3φ, 13.800V/250V có phần hạ thế cung cấp cho phần
kích thích và điều áp.
 3 Biến dòng bão hòa SCT 1φ treo ở phía dưới máy phát điện.
Điện áp ra của mạch kích thích được đưa vào Rotor máy phát qua một máy cắt kích thích.
Máy ngắt kích thích ngoài việc đóng ngắt kích thích cho máy phát còn đảm nhận thêm 1
nhiệm vụ đó là tiêu tán từ trường dư khi cắt máy cắt kích thích máy phát S1.
 Nguyên lý hoạt động của mạch kích thích S2(S3)
PPT và SCT là nguồn chính cung cấp cho mạch kích thích máy phát. Nguồn điện kích
thích ban đầu (start-up) lấy từ accu 250 VDC. Nguyên lý chính của mạch kích thích như sau:
Thứ cấp của máy biến áp kích thích cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu nối qua cuộn không tuyến
tính L. Đồng thời thứ cấp của SCT được nối với cuộn L theo thứ tự pha như trong hình. Khi
máy chưa mạng tải, điện năng phần kích thích cung cấp bởi PPT và khi có tải điện năng lấy từ
SCT và PPT.
Khi máy phát chưa mang tải, giả sử điện áp đầu cực máy phát tăng thì bộ AVR sẽ cho tín
hiệu I
C
tăng  làm tăng dòng I
L
 điện áp rơi trên cuộn không tuyến tính L tăng  điện áp
đưa vào bộ chỉnh lưu giảm  I
f
giảm  điện áp đầu cực máy phát giảm.
Trang 15/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.6 ĐÁNH GIÁ ĐÁP ỨNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ
- Hiệu quả của việc nâng cao ổn định hệ thống điện được xác định bởi một số đặc
tuyến cơ bản của nó. Trong phần này ta tìm hiểu, định nghĩa việc đo lường xác định từ các đặc
tuyến và đáp ứng cơ bản cho việc ước lượng, cũng như để định rõ tính năng làm việc của hệ
thống điều khiển kích thích.

- Hình 9 trình bày toàn bộ hệ thống điều khiển kích thích dạng cổ điển đã được sử
dụng để mô tả hệ thống điều khiển hồi tiếp.
Trang 16/362
A
Ngắt kích
thích
Tải
Start
up
Biến trở
kích
thích
Cầu chỉnh lưu
Cuộn không
tuyến tính
Cuộn sơ cấp
Cuộn thứ cấp
I
L
I
L
I
L
PPT
B
C
A
A
C
B

A
C
B
C
B
A
I
C
I
f
SCT
Cuộn dây
điều khiển
n
C
B
A
C
B
Tín hiệu
điện áp
AVR
Cuộn sơ cấp
Cuộn thứ cấp
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
Hình 15.9 Hệ thống điều khiển kích thích sử dụng hồi tiếp
- Sự làm việc của hệ thống điều khiển kích thích phụ thuộc vào đặc tuyến của hệ thống
kích thích, máy phát và hệ thống điện.
- Vì hệ thống không tuyến tính, khảo sát hai dạng tín hiệu sẽ được khảo sát là đặc tính
tín hiệu lớn và đặc tính tín hiệu nhỏ. Đối với đặc tính tín hiệu lớn, không tuyến tính là đáng kể.

Đối với đặc tính tín hiệu nhỏ, đáp ứng chính là tuyến tính.
1.6.1 Đo lường đặc tính tín hiệu lớn:
Đo lường đặc tính tín hiệu lớn cung cấp ý nghĩa của việc đánh giá hiệu suất của hệ thống
kích thích đối với khả năng quá độ. Ví dụ đối với các yêu cầu về quá độ, ổn định trung và dài
hạn của hệ thống điện.
Việc đo lường được căn cứ trên những đại lượng định nghĩa là các tiêu chuẩn được qui
định và phù hợp với từng tình huống cụ thể:
* Điện áp đỉnh của hệ thống kích thích: Là điện áp một chiều cực đại của hệ thống kích
thích có thể cung cấp từ đầu cực của nó. Điện áp đỉnh nói lên khả năng kích thích cưỡng bức
của hệ thống kích thích, điện áp cao hơn nữa có xu hướng cải thiện ổn định động. Đối với hệ
thống kích thích nguồn áp và nguồn kết hợp của hệ thống kích thích tĩnh được cung cấp nguồn
tuỳ thuộc vào điện áp và dòng điện của máy phát: điện áp đỉnh được định nghĩa tại điện áp và
dòng điện cung cấp đã ghi rõ. Đối với hệ thống kích thích có bộ kích thích quay, điện áp đỉnh
được định nghĩa ứng với tốc độ quay định mức.
* Dòng đỉnh của hệ thống kích thích: Là dòng DC cực đại của hệ thống kích thích có thể
cung cấp trong một thời gian xác định. Khi quan tâm đến sự nhiễu loạn kéo dài, dòng đỉnh có
thể được căn cứ trên công suất nhiệt của hệ thống kích thích.
* Đáp ứng thời gian điện áp của hệ thống kích thích: Điện áp ra của hệ thống kích thích
được trình bày là một hàm theo thời gian.
* Thời gian đáp ứng của điện áp hệ thống kích thích: Là thời gian điện áp đạt được 95%
sự lệch nhau giữa điện áp đỉnh và điện áp kích từ của tải định mức.
* Hệ thống kích thích với đáp ứng ban đầu nhanh: Là một hệ thống kích thích có thời
gian đáp ứng điện áp là 0,01s hoặc nhỏ hơn.
*Hệ thống kích thích với đáp ứng danh định: Là tỷ lệ tăng điện áp ra của hệ thống kích
thích được xác định từ đường cong đáp ứng điện áp của hệ thống kích thích chia cho điện áp
kích thích định mức.
Trang 17/362
Điều khiển (bộ
điều chỉnh)
Khuếch đại công

suất (máy kích
thích)
Thiết bị (máy
phát và hệ thống
điện)
Σ
Các phần tử hồi
tiếp
ΔV
V
C
V
r
+ V
R
V
f
V
F
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích

Đáp ứng danh định =
oeao
cd
×
cd _ Độ tăng điện áp
ao _ Điện áp kích thích tải định mức
oe _ Thời gian đáp ứng danh định = 0,5s
Thời gian đáp ứng danh định được chọn là 0,5s vì theo khảo sát góc quay rotor máy phát
thường dao động trong khoảng 0,4s ÷ 0,75s sau khi có nhiễu loạn, hệ thống kích thích phải

tác động trong khoảng chu kỳ thời gian này để nâng cao hiệu quả ổn định động.
Tuy nhiên, đáp ứng danh định không còn được dùng để làm tiêu chuẩn đánh giá đặc tính
tín hiệu lớn của các hệ thống kích thích hiện đại vì hình dạng của giá trị hệ thống kích thích
được cung cấp từ máy phát hay hệ thống điện là không tốt do giảm khả năng trong lúc hệ
thống bị sự cố.
1.6.2 Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ
*Mục đích của “Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ”:
Đo lường đặc tính tín hiệu nhỏ:
- Cung cấp ý nghĩa cho việc đánh giá đáp ứng của hệ thống điều khiển kích thích vòng kín để
thay đổi tình trạng hệ thống.
- Cung cấp các giá trị thích hợp cho việc xác định hoặc kiểm tra lại các tham số trong những
mô hình của hệ thống kích thích nhằm mục đích nghiên cứu hệ thống.
* Biểu diễn đặc tính tín hiệu nhỏ:
Đặc tính tín hiệu nhỏ có thể được biểu diễn trong các bảng được sử dụng trong “LÝ
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” như:
 Biểu diễn với “đáp ứng thời gian”
Trang 18/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
 Biểu diễn với “đáp ứng tần số”.
1.6.2.1 Đáp ứng thời gian:
 Đáp ứng thời gian của “hệ thống điều khiển có hồi tiếp”, có đặc trưng là thay đổi từng
cấp ở ngõ nhập được trình bày ở Hình 11.

Hình 11. Đáp ứng thời gian
Sự phối hợp là: thời gian lên, độ vọt lố, thời gian quá độ.
 Một số định nghĩa:
• Thời gian lên: “t
r
” (rise time) là thời gian để c(t) tăng từ 10% đến 90% giá trị xác lập.
• Độ vọt lố: (POT – Percent of Overshoot) được định nghĩa là:

100
max
×
−
=
xl
xl
c
cc
POT
[%]
• Thời gian quá độ (hay còn gọi là thời gian xác lập): là thời gian để sai số giữa c(t) và giá
trị xác lập nhỏ hơn e (e = 5% hoặc e = 2%)
1.6.2.2 Đáp ứng tần số (hay đặc tính tần số)
Đặc tính “đáp ứng tần số vòng hở ” tiêu biểu của một hệ thống điều khiển kích thích ở
trạng thái máy phát không tải được minh họa ở Hình 12.
Trang 19/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
Đặc tính “đáp ứng tần số vòng kín” tiêu biểu của một hệ thống điều khiển kích thích ở
trạng thái máy phát không tải được minh họa ở Hình 13.
* Định nghĩa về đáp ứng tần số: “Đáp ứng tần số của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra ở
trạng thái xác lập và tín hiệu vào hình sin.”
Trang 20/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
* Người ta đã chứng minh được:
Đặc tính tần số =
)(sG
|
s = j

ω
=
)(
ω
jG
=
)R(j
)(j C
ω
ω

* Tổng quát
)(
ω
jG
là một hàm phức nên có thể biểu diễn ở dạng đại số hoặc dạng cực:

)(
)()()()(
ωϕ
ωωωω
j
eMjQPjG ×=+=
Trong đó:
)()()()(
22
ωωωω
QPjGM +==
: gọi là “đáp ứng biên độ”.







=∠=
−
)(
)(
)()(
1
ω
ω
ωωϕ
P
Q
tgjG
: gọi là “đáp ứng pha”.
Đặt:
)(log20)(
ωω
ML ×=
: là“đáp ứng biên độ tính theo đơn vị dB(decibel)”
* Đặc tính đáp ứng tần số có các thông số quan trọng sau đây:
a) Đỉnh cộng hưởng
)(
p
M
: là giá trị cực đại của

)(
ω
M
.
b) Tần số cộng hưởng
)(
p
ω
: là tần số tại đó có đỉnh cộng hưởng.
c) Tần số cắt biên
π
ω
−
(
)là tần số mà tại đó biên độ của đặc tính bằng1 hay bằng 0 dB M
(ω
c)
= 1 hay L (ω
c)
= 0
d) Tần số cắt pha (ω
c)
: là tần số mà tại đó góc pha của đặc tính tần số bằng –
π
(hay bằng
-180
o
)
e) Độ dự trữ biên (Gain –Margin):
)(

1
π
ω
−
=
M
GM
(không đơn vị)
hoặc
)(
π
ω
−
−= LGM
, có đơn vị là dB.
f) Độ dự trữ pha (Phase – Margin):
)(180
c
o
M
ωϕ
+=Φ

* Có thể minh hoạ các đại lượng trên bằng 1 trong 2 dạng biểu đồ:
1) Biểu đồ BODE: là hình vẽ gồm 2 thành phần
a) Biểu đồ BODE về biên độ: là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa logarith của đáp ứng
biên độ L(
ω
) theo tần số
ω

.
b) Biểu đồ BODE về pha: là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng pha
)(
ωϕ
theo
tần số
ω
.
Cả 2 đồ thị đều được vẽ trong hệ trục toạ độ vuông góc, trục hoành
ω
cũng đã được
chia theo thang logarith.
Trang 21/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
Trang 22/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
2) Biểu đồ Nyquist (đường cong Nyquist): là đồ thị biểu diễn đặc tính tần số G(
)
ω
j
trong
hệ toạ độ cựckhi
ω
thay đổi từ 0
∞
* Đánh giá về đáp ứng tần số:
- Trị số của GM càng lớn : điều chỉnh điện áp xác lập càng tốt.
- Tần số cắt pha
c
ω

càng lớn: sẽ cho đáp ứng nhanh hơn.
- Độ dự trữ pha
MΦ
càng lớn và độ dự trữ biên
GM
càng lớn: sẽ cho điều khiển kích
thích ổn định hơn.
* Khi ta hiệu chỉnh trong bộ AVR, nhằm cải thiện hoặc thay đổi một chỉ tiêu này, thì ta đã
làm xáo trộn những chỉ tiêu khác.
* Một số chỉ tiêu: Thông thường độ dự trữ pha
MΦ
khoảng 40
o
hoặc hơn và độ dự trữ
biên
GM
khoảng 6dB hoặc hơn, độ vọt lố POT= 5
÷
15%,
6,11,1 ÷=
p
M
: sẽ được xem như là
một thiết kế tốt để đạt được độ ổn định và hệ thống điều áp không dao động.
* Những chỉ tiêu khác như: thời gian lên, thời gian quá độ và dải thông sẽ được xác định
qua các đường cong động lực học của máy phát đồng bộ.

*Sự vận hành ổn định của hệ thống điều khiển kích thích máy phát sẽ dựa vào những đặc
tính trên và cũng sẽ được kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác.Còn đối với những máy phát
có hệ điện phức tạp, nhiều thông số, hệ thống điều khiển nhiều cấp, thì các chỉ tiêu trên không

áp dụng được.
Trang 23/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
1.7 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống kích thích hiện đại gồm nhiều chức năng như: Điều khiển, giới hạn và bảo vệ.
• Chức năng điều khiển, điều chỉnh mỗi đại lượng cụ thể tại các cấp yêu cầu.
• Chức năng giới hạn ngăn chặn chắc chắn các đại lượng vượt quá giới hạn đặt.
• Chức năng bảo vệ sẽ loại bỏ các phần tử bị hư hoặc các bộ phận có liên quan (Hình 14).
Hình 14. Mạch bảo vệ và điều khiển hệ thống kích thích
1.7.1 BỘ ĐIỀU CHỈNH AC & DC
• Chức năng cơ bản của bộ điều chỉnh AC là duy trì điện áp stato máy phát. Ngoài ra còn
có chức năng bảo vệ và điều khiển phụ khác thông qua bộ điều chỉnh AC để điều khiển điện
áp kích thích máy phát. Hình 14
• Bộ điều chỉnh DC giữ cho điện áp kích thích máy phát không đổi (thường đưa vào điều
khiển bằng tay). Nó thường được sử dụng cho việc kiểm tra, khởi động và dự phòng khi bộ
điều chỉnh AC bị sự cố.
• Dùng điều chỉnh điểm đặt để hiệu chỉnh bổ sung điện áp kích thích. Để thuận tiện điểm
đặt được hiệu chỉnh tự động theo sai lệch về điện áp và công suất phản kháng.
• Các nguyên tắc làm việc của bộ điều chỉnh điện áp:
a/ Điều chỉnh theo modul dòng điện máy phát hoặc theo đại lượng nhiễu |I
F
| (Hình
15).
Trang 24/362
Nhà máy thủy điện Ialy Giáo trình đào tạo công nhân thí nghiệm, sửa chữa kích thích
Dòng điện máy phát I
F
là một trong những yếu tố chính làm thay đổi điện áp đầu cực
máy phát. Dòng kích thích là hàm số của dòng I
F

.
I
f =
f(|I
F
|)
Khi P không đổi mà I
F
thay đổi, ví dụ nó tăng lên sẽ làm U
F
giảm theo nhưng nhờ thành
phần I
f
được điều chỉnh tỷ lệ với |I
F
| đưa tới tăng, nên sức điện động máy phát tăng theo. Kết
quả là U
F
được duy trì ở mức cần thiết. Tuy nhiên kiểu điều chỉnh trên vẫn còn nhược điểm là
chưa tính tới giá trị cosφ. Vì với cùng giá trị I
F
như nhau nhưng phụ tải nào có cosφ nhỏ sẽ
làm cho điện áp máy phát giảm nhiều hơn. Do vậy ngày nay phương pháp này không còn
được sử dụng.
b/ Điều chỉnh theo dòng điện Stato máy phát I
f =
f(I
F
) ( Hình 17).
Trang 25/362