hệ thống kích từ của máy phát thủy điện

GS TS Lã Văn Út

BÀI GI NG CHUYÊN Đ

H TH NG KÍCH T

MÁY PHÁT

TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐI N LÀM VI C
V I H TH NG

ĐHBK HÀ N I - 2016


Bài 1
NHỮNG V N Đ CHUNG V VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐI N
TRONG NHÀ MÁY ĐI N
1.1 Ho t đ ng của máy phát trong nhà máy đi n
Trong NMĐ, các máy phát đi n đồng b cần ph i đ ợc ho t đ ng thống
nhất trong m t tổ hợp các trang thiết bị. Các thành phần trang thiết bị chính bao
gồm:

H thống kích
từ và di t từ

~

Tua bin
Máy phát

H thống đi n

H thống làm
mát

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc ho t đ ng MFĐ
1. B n thân máy phát, bao gồm các cu n dây và lõi thép stato và roto.
2. Tua bin phát đ ng, nhận năng l ợng từ bên ngoài biên thành cơ năng quay máy
phát. Trục tua bin và máy phát đ ợc nối cứng v i nhau quay cùng tốc đ . Tua bin
nhận đ ợc năng l ợng từ các dòng hơi, dòng khí (đối v i máy phát nhi t đi n)
hoặc dòng n

c (đối v i các máy phát thủy đi n).

3. H thống kích từ để t o ra dòng đi n m t chiều cung cấp cho cu n dây ro to.

1


4. H thống di t từ để tri t tiêu từ tr

ng khi cắt đ t ng t máy phát ra khỏi h

thống lúc đang làm vi c.
5. H thống làm mát.
Nếu m t trong những b phận trên bị sự cố hay không làm vi c bình th

ng máy

phát sẽ ph i ngừng làm vi c hoặc gi m công suất phát.
1.2 Phân lo i và đặc điểm

Có thể phân chia máy phát theo 2 lo i chính : máy phát NĐ và và máy phát TĐ
1. Máy phát nhi t đi n
- Làm vi c v i tua bin hơi hoặc tua-bin khí vì thế nó cần đ ợc làm vi c v i tốc độ
quay nhanh (nhằm nâng cao hi u suất). Thông th

ng đ ợc quay v i tốc đ 3000

v/ph. Nghĩa là tốc đ nhanh nhất khi tần số là 50 hez.
Ta có quan h tốc đ quay: n[v/ph] = 60f/p trong đó f-tần số, p- số đôi cực.
Khi p = 1 máy phát sẽ có tốc đ nhanh nhất: n = 50.60 = 3000 v/ph.

Hình 1.2. Roto máy phát nhi t đi n
- Do tốc đ quay nhanh nên: roto hình trụ tròn, vật li u ph i bền th

ng làm

bằng thép rèn để vừa dẫn từ tốt vừa có đ bền cơ cao (máy phát TĐ- thép đúc).
Đ

ng kính ro to không thể l n (th

ng không v ợt quá 1300 mm) để h n chế lực

li tâm. Muốn tăng công suất cần ph i tăng chiều dài. Dài quá l i có thể bị cong
nên công suất cũng bị h n chế. Để máy phát NĐ có công suất rất l n cần tính toán

2


cho máy phát làm vi c v i mật đ dòng đi n cao. Tuy nhiên khi đó cần có h

thống làm mát cực m nh.
- Do làm vi c v i hơi hoặc khí nhi t đ cao nên khi khởi động cần thời gian dài
nhằm cho vật li u giãn n nhi t từ từ, cũng nh tăng dần áp suất hơi hoặc khí (có
thể mất hàng gi ).
2. Máy phát thủy đi n
Làm vi c v i tua bin n
n

c nên tốc độ quay chậm. Hơn nữa tốc đ quay tua bin

c cần đ ợc thiết kế khác nhau phụ thu c đ cao c t n

cao nhất. Tốc đ quay của các tuan bin n
v/ph. C t n

c th

c nhằm đ t hi u suất

ng trong kho ng từ 60 - 750

c càng cao thì tốc đ quay càng ph i l n. Vì trục máy phát và tua-

bin nối cứng nên đó cũng là đặc điểm tốc đ quay của máy phát. Ta có thể tính ra
số đôi cực của máy phát thủy đi n:
p = 60 f /n = 60. 50 / 125 = 24 đôi cực. (ví dụ của máy phát Hòa Bình).
Do quay chậm số đôi cực lớn nên cần chế tạo ro to dạng tang trống có gắn các
cực từ xung quanh, hình bánh xe (đ

ng kính l n hơn chiều dài trục). Cũng vì thế

còn gọi là máy phát cực lồi (phân bi t v i máy phát NĐ -cực ẩn).
Vì d ng bánh xe l n nên trục thường được đặt thẳng đứng (d ng trụ treo hoặc
d ng trụ đỡ).

Hình 1.3. Roto máy phát thủy đi n và cách bố trí (kiểu đứng, trụ treo)
3


Máy phát thủy đi n có thể khởi động nhanh (vài phút) do không liên quan gì đến
quá trình tăng nhi t đ và áp suất hơi ( u điểm).
1.3 Các thông s cơ b n của máy phát
Máy phát đ ợc chế t o v i các thông số định mức sau:
1. Công suất tác dụng định mức: Pđm
Thực chất Pđm xác định b i công suất cơ tua bin b i: PF = PT - ΔP.
PT bị gi i h n tính toán theo l ợng hơi (n

c) tối đa đ a vào TB. Có thể hiểu là

công suất của tổ máy.
2. Điện áp định mức Uđm.
Uđm gi i h n b i đ bền cách đi n lựa chọn khi thiết kế. Th

ng hi n nay chế t o

v i đa 6,3 - 25 kV. Không chế t o v i đi n áp cao hơn do khó khăn về kích th

c

đ m b o kho ng cách an toàn không phóng đi n.

Hai đ i l ợng trên là các gi i h n khi vận hành, không thay đổi đ ợc.
3. Dòng định mức Iđm.
Iđm xác định b i gi i h n phát nóng cu n dây stato. Trị số Iđm ghi trong số tay
đ ợc xác định b i nhà theo các điều ki n tiêu chuẩn (về nhi t đ môi tr

ng, h

thống làm mát). Vì thế nó t ơng ứng v i gi i h n vận hành ứng v i các điều ki n
tiêu chuẩn. Khi điều ki n thay đổi gi i h n dòng vận hành (dòng đi n ch y trong
rotor) cũng ph i thay đổi theo. Ví dụ điều ki n làm mát có nh h

ng nhiều đến

gi i h n này. Khi làm mát kém không thể vận hành đến Iđm.
Có thể thấy các đ i l ợng vừa nêu phụ thu c kích th

c, vật li u cách đi n, vật

li u dây dẫn cũng nh lõi thép. Chúng đ ợc lựa chọn lúc thiết kế, chế t o. Các đ i
l ợng sau đây là dẫn xuất từ các đ i l ơng trên.
4. Công suất biểu kiến định mức Sđm
4


Thực chất là xác định b i dòng định mức Iđm và áp địh mức Uđm :
Sđm  3.U đm .I đm

5. Hệ số công suất định mức
Thực chất xác định b i : Sđm và Pđm :
cos  đm 

Pđm
Sđm

6. Các điện kháng
- Đi n kháng đồng b : dọc truc Xd, ngang trục Xq. Máy cực ẩn Xd = Xq.
- Đi n kháng quá đ X'd. (không có khái ni m X'q hay đôi khi hiểu X'q = Xq).
- Đi n kháng siêu quá đ : dọc truc X''d, ngang trục X''q. Cực ẩn X''d = X''q.
7. Các hàng số thời gian:
- của cu n dây phần ứng: Ta ;
- của cu n dây kích từ: Td .
1.4 Các h th ng đi u chỉnh t đ ng ch đ làm vi c máy phát
- Tự đ ng điều chỉnh tốc đ quay tua bin (TĐT)
- Tự đ ng điều chỉnh kích từ (TĐK)
Δω

Máy phát

TĐT
Tua bin
PT

~

ω

IF

BI

P F + j QF

Eq

UF
BU

If
H thống
kích từ

ΔI

ΔUF

TĐK

Δω

Hình 1.4
5


1.5 Đi u chỉnh ch đ làm vi c của máy phát
Khi vận hành bình th

ng, thông qua h thống điều chỉnh tốc đ quay của

tua bin và h thống kích từ, ng

i vận hành có thể thay đổi chế đ của máy phát.

Cũng có thể gọi đây là ph ơng thức điều chỉnh bằng tay (mặc dù hi n nay đa số
đ ợc thực hi n thống qua phần mềm điều khiển. Về b n chất đây là các tác đ ng
vào điểm đặt của thiết bị TĐK và TĐT. Tác đ ng thay đổi điểm đặt của b điều
tốc sẽ làm thay đ m cửa n

c (hoặc cửa hơi) đ a vào tua bin, do đó thay đổi

công suất tác dụng. Khi tác đ ng vào h thống kích từ sẽ cho phép điều chỉnh
dòng đi n kích từ trong cu n dây ro to, công suất ph n kháng phát của máy phát
sẽ thay đổi. Mặt khác sđđ máy phát tỉ l v i dòng kích từ nên điều chỉnh dòng
kích từ cũng đồng nghĩa v i điều chỉnh đi n áp. Ngoài ra khi thay đổi CSTD và
CSPK mọi thông số của máy phát sẽ thay đổi theo: dòng đi n phần ứng, góc l ch
δ, h số công suất (cosφ). Để hiểu rõ nh h

ng của các tác đông điều chỉnh ng

i

vận hành cần dựa vào quan h giữa các thông số.
1.5.1 Đồ thị vectơ và các đặc tính công suất
Q

A

φ

Y

B
I.Xd

P

U

X

C

Eq
δ

φ

I

0

Hình 1.5
6


Để kh o sát chế đ làm vi c bình th

ng của MFĐ ng

i ta th

ng sử dụng đồ thị

vec tơ (hình 1.5).
V i máy phát đi n cực ẩn (NĐ), Xd = Xq. Ph ơng trình quan h dòng, áp , sđđ cso
d ng:

  jIX
E  U
d

V i máy phát đi n cực ẩn (NĐ), Xd ≠ Xq. Ph ơng trình quan h dòng, áp , sđđ cso
d ng:
Tr

  jI X  jI X
E  U
d
d
q
q

c hết xét MF cực ẩn.

a) Quan h E, U, I :
Từ hình vẽ ta có:

E q  (U cos ) 2  (U sin   IX d ) 2
b) Đặc tính công suất
Trong tam giác ABC có:
AB = ACcosφ = IXdcosφ.

Trong tam giác OAB có: AB = OAsinδ = Eqsinδ.
IXdcosφ = Eqsinδ

Suy ra:
Nhân hai vế v i U:
Do đó:

UIXdcosφ = EqUsinδ
P = UIcosφ = EqUsinδ/Xd ;
P() 

Eq U
Xd

sin 

(gọi là đặc tính CSTD)

T ơng tự vẫn xét tam giác ABC:
BC = ACsinφ = IXdsinφ.
Mặt khác

BC = OB - OC = Eqcosδ - U.

Cân bằng 2 vế và nhân v i U ta có:
7


UIXdsinφ = EqUcosδ - U2
Suy ra đặc tính CSPK:

Q() 

Eq U
Xd

cos  

U2
Xd

(gọi là đặc tính CSPK)

Nhận xét:
- Trong tr

ng hợp chung ta có di n tích tam giác OAC bằng:

SOAC = 1/2. OC.AB = 1/2. U.I.Xdcosφ = Xd/2. UIcosφ = Xd/2. P
Nghĩa là công suất tác dụng phát của máy phát tỉ lên v i di n tích tam giác OAC.
Nhìn vào tam giác ta biết đ l n của P.
- Nếu U = const thì : AB = AC cosφ = IXd cosφ = Xd/U. P . Nghĩa là P tỉ l v i đ
dài AB. Có thể lấy trục X biểu di n P v i chiếu d ơng h

ng về trái.

- T ơng tự khi U = const thì : BC = AC sinφ = IXd sinφ = Xd/U. Q . Nghĩa là Q tỉ
l v i đ dài BC. Khi mút véc tơ Eq nằm trên trục X thì Q = 0. Nh vậy có thể lấy
truc Y biểu di n Q v i C là gốc tọa đ t ơng ứng v i Q = 0.
- Ngoài ra ta thấy: AC = I.Xd. mà Xd là hằng số nên dòng đi n phần ứng I tỉ l v i
đ dài AC.

- Do P ≥ 0 nên mút vec tơ Eq luôn

bên trái trục Y. Khi U = const thì O và C luôn

cố định. Dựa vào các đặc điểm trên ta kh o sát đ ợc sự biến thiên chế đ làm vi c
của máy phát.

8


1.5.2 Chế độ Eq = const, P = var (điều chỉnh CSTD, giữ nguyên kích từ).

Q

Y

A0
A
P

A*

φ

B
U

Eq

A1

Qmax

B1
δ

Agh

X

C
φ
0

I
Qmin

Hình 1.6
Kich từ không đổi nên Eq không đổi, mút của Eq ch y trên đ

ng tròn tâm 0. Ta

xét quá trình tăng P từ 0 lên đến gi i h n.
a) Góc l ch δ
Theo đặc tính CS: P = EqU/Xd sin δ. Eq, U, Xd đều là hằng số nên P thay đổi đồng
th i v i δ: P = 0 thì δ cũng bằng 0. Pgh = EqU/Xd t ơng ứng lúc δ = 90o.
Nh vậy thay vì kh o sát các đ i l ợng thay đổi theo P ta có thể kh o sát thay đổi
theo góc l ch δ. Ta xem quá trình trên các thông số khác thay đổi thế nào.
b) Thay đổi công suất ph n kháng
Nhìn đồ thị vectơ ta thấy khi P = 0, góc δ = 0 nên chính là lúc mút Eq

A0.

Tăng dần P thì δ cũng tăng, mút Eq ch y trên đừng tròn và đi dần về trái. Đến lúc
δ =90o thì P = Pgh, chính là điểm Agh.
Q tỉ l v i BC nên gi m dần. Lúc đầu l n nhất theo h

ng d ơng nghĩa là máy

phát phát Q cực đ i P = 0. Trị số tinh đ ợc theo đặc tính CSPK v i δ = 0:
9


Q max 

Eq U



Xd

U2
;
Xd

Khi B trùng C thì Q = 0. Trên đồ thị lúc đó mút Eq đến A* , δ=δ* . Có thể tính δ*
từ đặc tính CSPK (cho Q = 0). Ta nhận đ ợc δ* = arcos(U/Eq).
Tiếp tục tăng P thì B xuống d

i C coi nh BC đổi dấu Q có dấu âm. Thực chất là

máy phát tiêu thụ CSPK.
CSPK tiêu thụ tăng dần khi tiếp tục tăng P (giữ nguyên kích từ).
Khi P = Pgh thì:

Qmin = -U2/Xd .

c) Dòng I tỉ l v i AC, nên tăng dần cho đến Pgh là l n nhất (theo hình vẽ).

P

Cosφ
I

δ
δ

*

o

90
Q

Hình 1.7 Các đ

ng cong đặc tính khi điều chỉnh CSTD

10

V i máy phát đi n cực lồi bằng cách phân tích t ơng tự ta có đặc tính công suất:
Eq U

P() 

Xq

Q ( ) 

Eq U
Xq

sin  

U2 Xd  Xq
sin 2;
2 XdXq

cos  

U2 Xd  Xq
U2 Xd  Xq
cos 2 
;
2 XdXq
2 XdXq

Có thêm thành phần phụ thu c 2δ làm biến d ng đ

ng cong. Tuy nhiên, biểu

thức phụ thu c (Xd-Xq), đ l ch này nhỏ nên thành phần phụ cũng không l n. Các
đặc trựng thay đổi thông số vẫn gần giống nh máy cực ẩn.
1.5.3 Chế độ P = const Eq = var
Y

Q
QCP

A0
Eq CP
A
P

A*

B

φ
Eq

U
C

X
δ
Agh
Eq min

φ

X
I

0 Qmin

Y

Hình 1.8
Trong tr

ng hợp này P = const nên AB không đổi, mút Eq ch y trên YY.

Khi đó Eq nhỏ nhất

vị trí δ = 90o. Góc càng nhỏ khi Eq càng l n. Gi sử l n nhất

bằng Eqcp ta có điểm A0. Nh vậy ph m vi làm vi c đ ợc của máy phát trong
tr

ng hợp này là từ A0 đến Agh , v i Eq min < Eq < Eq CP.

Góc δ nhỏ nhất v i Eq = EqCP là (theo đặc tính P):
δmin = arcsin(PXd/EqCPU); còn δmax = 90o (lúc Eq min).
11


Từ đồ thị ta thấy khi Eq tăng từ Eq min đến Eqmax thì Q tăng từ âm sang d ơng. Giá
trị âm l n nhất khi B trùng v i điểm O, góc 90o, các giá trị t ơng ứng là:

Eq U

U2
U2

cos 90 
;
Q min 
Xd
Xd
Xd
E qCP U
U2
U
cos  min 

(E qCP cos  min  U).
Q CP 
Xd
Xd Xd
o

Khi B trùng C thì Q = 0, t ơng ứng v i Eq* = U/cosδ*. (Để tìm c Eq* và δ* cần
gi i h đặc tính công suất).
- Dòng đi n I.. Mút vec tơ AC (tỉ l v i I) ch y trên đ

ng thẳng đứng YY, ngắn

nhất lúc A trùng Eq*. Nh vậy I nhỏ nhất ứng v i góc δ* và Eq*.

Cosφ
I

δ

Eq
Eqmin

Eq

*

EqCP

Q

Hình 1.9 Các đ

ng cong đặc tính khi thay đổi dòng kích từ

12


1.5.4 Miền giới hạn làm việc cho phép của máy phát điện
Trong tr

ng hợp chung khi các thông số đồng th i bị điều chỉnh, mút của vec tơ

Eq có thể

vị trí bất kỳ. Để theo dõi vận hành của máy phát ng

i ta quan tâm

đến các giá trị gi i h n.
P
X
Eq = Eđm
θFe (Qmin)

θFe (Qmax)
PT = Pđm

A
Eq

I = Iđm

Eq
đm
δ
0
-U2/Xq đm

Q
C

B
Sđm

X

Hình 1.10
Các đ i l ợng định mức có thể đ ợc coi là gi i h n nếu không tính đến kh năng
quá t i. Ta có các gi i h n sau:
- Đi n áp định mức, xác định đ dài vectơ.
- Công suất tác dụng định mức xác định b i CS tua bin. Trên hình vẽ Pđm xác định
gi i h n là đ

ng nằm ngang. Trên đ

ng này là quá t i CSTB.

- Dòng định mức xác định b i vòng tròn tâm C . Nằm ngoài vòng tròn này cu n
dây stato bì phát nóng quá cho phép.
- Sức đi n đ ng Eq đm , xác định b i vòng trò tâm O. To đ (0, -U2/Xd). Bên ngoài
vòng tròn này cu n kích từ bị phát nóng quá mức đ cho phép.
13


- Gi i h n theo điều ki n ổn định tĩnh, đ

ng XX. Bên trái đ

ng này máy phát

không đ m b o điều ki n ổn định tĩnh vì góc delta v ợt qu 90 đ .
- Gi i h n phát nóng lõi thép, xác định chủ yếu b i giá trị CSPK Q. Khi Q quá l n
hoặc quá nhỏ lõi thép bị từ hóa m nh gây phát nóng mãnh li t t i mỏm các cực từ.
Nh vậy, khi thông số các máy phát t ơng ứng v i điểm A thì mọi điều kiên đểu

định mức. Trên hình 1.10 thì vùng g ch chéo là miền làm vi c cho phép. Không vi
ph m điều ki n gì.

14


Bài 2
H TH NG KÍCH T

VÀ DI T T

2.1 Ch c năng h th ng kích t
H thống kích từ là nguồn cung cấp dòng đi n m t chiều cho cu n dây roto
của máy phát đồng b , gọi là dòng kích từ. Dòng kích từ ch y trong cu n dây ro
to t o ra từ tr

ng quay cắt qua các cu n stato t o ra sức đi n đ ng 3 pha cho máy

phát. Khi máy phát làm vi c nối v i h thống điều chỉnh dòng kích từ cho phép
điều chỉnh đi n áp đầu cực đồng th i thay đổi công suất ph n kháng phát của máy
phát. H thống kích từ luôn đ ợc cấu t o kèm theo thiết bị tự đ ng điều chỉnh kích
từ (gọi tắt là TĐK) và thiết bị tự di t từ (TDT).
* Thiết bị tự đ ng điều chỉnh kích từ có các nhi m vụ sau:
- Duy trì đi n áp đầu cực máy phát trong chế đ làm vi c bình th
c

ng,

ng hành kích thích trong chế đ sự cố ngắn m ch.
- Gi m dao đ ng công suất, nâng cao ổn định h thống.

- Điều chỉnh chế đ phát CSPK vào h thống, đ m b o trị số tối thiểu.
- Kích thích c

ng hành nâng cao đi n áp l

i trong tr ng thái ngắn m ch.

* Thiết bị TDT có nhi m vụ nhanh chóng làm tri t tiêu từ tr

ng trong máy

những chế đ khẩn cấp: nh ngắn m ch bị duy trì đối v i máy phát, máy phát bị
mất t i đ t ng t.

~

IN

Hình 2.1 Các tr

U=Eq
~
ng hợp cần TDT

2.2. Các thông s của h th ng kích t
15


a. Đi n áp kích từ định mức Ufđm và đi n áp kích từ gi i h n Ufgh
Ufđm là đi n áp đặt vào 2 cực cu n dây ro to

của máy phát. Th

chế đ làm vi c định mức

ng chế t o Uf đm = (80 - 500) V. Đây ch a ph i đi n áp gi i

h n cuối cùng theo kh năng cách đi n. Thực tế, trong các chế đ ngắn h n (xuất
hi n quá đi n áp) đi n áp làm vi c còn đ ợc phép tăng đến Ufgh.
b. Dòng kích từ định mức: If đm và dòng kích từ gi i h n.
Dòng kích từ định mức đ ợc tính toán từ điều ki n phát nóng lâu dài của
cu n dây ro to nên cũng phụ thu c điều ki n làm mát. V i dòng kích từ định mức
máy phát t o ra đ ợc sđđ đồng b là Eqđm. Trong th i gian làm vi c ngắn h n (khi
sự có cần kích thích c

ng hành) dòng kích từ đ ợc phép nâng cao hơn đến dòng

kích từ gi i Ifgh. Khi đó sđđ t ơng ứng v i trị số Eqgh.
c. Công suất định mức: Pf đm = Ufđm.Ifđm (là đ i l ợng dẫn xuất).
Công suất kích từ định mức th

ng có trị số cỡ 0.2% đến 0.6% công suất

định mức của máy phát. Công suất này cần đ ợc cung cấp từ h thống kích từ t o
ra dòng m t chiều.
d. B i số kích từ
- B i số áp: KU = Ufgh/Uf đm . Th

ng có trị số KU = (3.5 - 4,0).

- B i số dòng: KI = Ifgh/If đm . D thấy KI = Eq gh/ Eq đm.. B i số KI liên quan

nhiều đến giá thành máy phát vì KI càng l n thì cu n dây kích từ càng ph i chịu
đ ợc dòng đi n cao. Cu n dây nằm trên roto nên rất khó chế t o v i dòng đi n
l n. Thực tế chế t o KI = (1,5 - 3,5). Chọn KI l n thì ph m vi điều chỉnh r ng
nh ng giá thành máy phát cao lên nhiều.
e. Hằng số quán tính Te. Là hằng số quán tính của toàn b h thống kích từ, tính
tín hi u điều chỉnh đi n áp (từ TĐK) đặt vào đến tr

c cu n dây roto. T e càng nhỏ

thì hi u qu điều chỉnh đi n áp trong chế đ sự cố càng cao.
2.3 Yêu cầu đ i v i h th ng kích t
16


a. Đủ dòng kích từ trong chế đ bình th

ng và sự cố.

Yêu cầu này là hiển nhiên, tuy nhiên khó khăn liên quan đến kh năng chế t o và
giá thành của h thống kích từ (nguồn 1 chiều). V i máy phát l n công suất của
nguồn m t chiều lên đến hàng chục MW rất khó để t o ra.
b. Giữ đi n áp ổn định trong ph m vi hẹp: khi công suất máy phát thay đổi từ 0
đến định mức cần giữ đ ợc đ l ch đi n áp (+-5%). Yêu cầu này liên quan đến
quán tính điều chỉnh của h thống kích từ Te và chất l ợng của thiết bị TĐK.
c. Tác đ ng nhanh. Yêu cầu này liên quan đến ổn định h thống. Nói chung đòi
hỏi đ m b o tốc đ điều chỉnh bằng 2Uf đm/sec. Những tr

ng hợp đặc bi t (có các

ĐDSCA 1 chiều và xoay chiều) có thể ph i đ m b o đến 7Uf đm/sec.

d. B i số kích từ đủ l n để giữ đi n áp trong tình huống sự cố.
Tùy theo vị trí và yêu cầu h thống, máy phát cần có b i số này cao hay thấp.
2.4 Phân lo i và đặc điểm các h th ng kich t
C1

C2

C3

F

U



U

Phần quay

R
TĐK

TĐK
a)
C3

F

C2

c)
F

C1

F

U

U

TĐK

TĐK
b)

d)

Hình 2.2 Các h thống kích từ
a. Dùng máy phát đi n 1 chiều
b. Dùng máy phát xoay chiều, chỉnh l u cố định
c. Dùng máy phát xoay chiều đặc bi t, chỉnh l u quay
d. Dùng chỉnh l u có điều khiển (Thyristor)

17


Mô hình m ch điều khiển h thống kích từ


HKT

TĐ K

W(p)

u đk

RO TO

ke
1  pTe

k
1  pTd

uf

If

MÁY

Eq

PHÁT

Hình 2.3
2.5 Thi t b t đ ng di t t
Khi máy phát đ ợc cắt ra khỏi l

i, cần nhanh chóng làm mất từ tr

ng

của cu n dây ro to. Điều này là rất cần thiết để đ m b o an toàn cho máy phát.
Tr ợng hợp điển hình nhất là ngắn m ch x y ra

đầu cực máy phát, máy cắt cắt

ra chỉ lo i trừ đ ợc dòng NM cho phía HT. Máy phát vẫn bị chập m ch. Cách duy
nhất để làm mất dòng NM là dập tắt từ tr

ng (hình 2.1). Các tr

ng hợp khác cắt

máy cắt ra ph i đồng th i di t từ để chống quá áp. Vì máy phát đ t ng t không t i,
nếu vẫn giữ nguyên dòng kích từ thì đ n áp đầu cực sẽ rất l n (U = Eq = (1,12,0)Uđm).
Th i gian di t từ càng ngắn thì máy phát càng an toàn. Tuy nhiên cu n roto
có đi n c m rất rất l n, tích lũ m t năng l ợng từ tr

ng đáng kể nên không d

tiêu tán nhanh năng l ợng và còn có thể gây ra quá áp trong QTQĐ. Để di t từ vì
thể cần có b phận đặc bi t gọi chung là h thống tự di t từ (TDT). Có 3 ph ơng
pháp cấu t o nên h thống TDT.
Các h thống TDT cần đ m b o các yêu cầu sau:
Ufmax < Ufgh
tTDT < tcp

(≈ 4Ufđm);
(≈ 5sec);

Trong đó Ufmax là đi n áp l n nhất trên cu n dây roto xuất hi n trong QTQĐ, tTDT
là th i gian di t từ tính cho đến lúc sđđ do cu n dây sinh ra gi m chỉ còn kho ng
200V ( đ m b o hồ quang sẽ tắt). Umax và tTDT càng nhỏ càng tốt.
18


2.5.1 Tự động diệt từ bằng điện trở tác dụng
Sơ đồ cấu t o nh trên hình 2.4. Thực ra chỉ thêm
If m t đi n tr R và 2 đầu tiếp
2
xúc.
F
1
H
thống

Uf
Uf0 UR

KT

R

Lf

~

Rf

Hình 2.4
Tr

c tác đ ng TDT: đầu tiếp xúc 2 đóng, tiếp xúc 1 m .
Uf = Uf0

(bằng đi n áp đầu nguồn).

if = Uf0/Rf .
Sau tác đông TDT: đầu tiếp xúc 1 đóng tr

c, đầu tiếp xúc 2 m ngay sau (tr ng

thái nh hình vẽ). M ch vòng khép kín có QTQĐ. H ph ơng trình cân bằng áp
nh sau:
Lf

dI f
 (R f  R )I f  0.
dt

Đây là ph ơng trình vi phân tuyến tính cấp 1. Điều ki n đầu t i t = 0:
If(0) = If0 = Uf0/Rf.
Gi i ph ơng trình ta có nghi m:
If(t) = If0.e-t/Te ;
Suy ra:

Uf(t) = -UR(t) = -If(t).R = -Uf0.R/Rf. e-t/Te .

Trong đó Te là hằng số th i gian của m ch vòng: Te = Lf/(Rf+R).
Xét trong suốt QTQĐ (xem hình vẽ) ta thấy:
Ufmax = │Uf(0)│ = Uf0.R/Rf.
19


Từ điều ki n an toàn: Ufmax < Ucp ta suy ra yêu cầu về đi n tr di t từ:
Uf 0

R
 U cp  4U fdm  4U f 0 ;
Rf

 R  4.R f .

If0
Uf0
If
t

Uf

-Uf0.R/Rf
Hình 2.5
Vì đi n tr b n thân cu n dây kích từ rất nhỏ nên đi n tr R cũng cần chọn nhỏ.
Công suất tỏa ra trên đi n tr : P = UR2/R sẽ l n (khó chế tao hơn cho đi n tr ).
Ngoài ra hằng số th i gian:
Te = Lf/(R+Rf) = Lf/5Rf.
Nh vậy Te sẽ có trị số l n, QTQĐ tắt chậm, tTDT kéo dài. Đó là nh ợc điểm của

lo i thiết bị TDT dùng đi n tr .
2.5.2 Tự động diệt từ bằng aptomat chuyên dụng
Aptomat có nguyên lí cấu t o nh hình 2.6. Đầu tiếp xúc của nó (số 2 trên
hình vẽ) nối nối tiếp v i cu n dây t o ra từ tr

ng H và nối v i 2 b n cực có

kho ng cách m r ng dần trong buồng dập tắt hồ quang.
Thiết bị còn có thêm đầu tiếp xúc bình th

ng (số 1 trên hình vẽ) nối song song

v i aptomat và nối nối tiếp trong m ch cu n dây kích từ.
20


Tr

c tác đ ng TDT: đầu TX 1 và đầu TX 2 đều đóng. Sau khi nhận đ ợc tín hi u

TDT: TX 1 m tr
Do m tr

c, TX 2 m sau.

c nên không có tia lửa

TX 1, đ m b o cho nó an toàn. Dòng ch y

qua TX 2 và cu n dây H t o ra từ tr

ng m nh có h

ng nh hình vẽ (đi vào).

R

H

2
1 Uhq

H
thống

F
Uf
Lf

Uf0

KT

If

~

Rf

Hình 2.6

Khi TX 2 m hồ quang xuất hi n giữa 2 b n cực có dòng đi n ch y qua hồ quang.
D

i tác đ ng của từ tr

ng (h

ng lực theo quy tắc bàn tay trái) kéo hồ quang

chuyển đ ng sau vào buồng dập tắt hồ quang. Hồ quang dài dần và bị chia cắt
thành nhiều đo n b i các b n cực nên tắt bị tắt nhanh chóng. M t phần năng
l ợng nhi t truyền vào các b n cực, m t phần tiêu tán trên đi n tr R. Khi hồ
quang tắt thì quá trình di t từ kết thúc vì dòng kích từ bằng 0.
Quá trình quá đ di n ra nh sau.
- Tr

c tác đ ng: các TX đều đỏng Uhq = 0 còn Uf = Uf0 ; If0 = Uf0/Rf.

- Sau khi TX 2 m , hồ quang xuất hi n Uhq ≠ 0 . Theo m ch vòng cu n dây ta có:
Uf + Uhq = Uf0
21


hay

dI f
 R f I f  U hq  U f 0 ;
dt
dI
L f f  R f I f  U f 0  U hq .

dt

Lf

Theo đặc tính phóng đi n trong chất khí, đi n áp trên hồ quang không thay đổi
nên vế ph i của ph ơng trình vi phân là hằng số.
V i điều ki n đầu: If(0) = Uf0/Rf d dàng gi i đ ợc nghi m:
I f (t) 

U f 0  U hq
Rf



U hq
Rf

e  t / Te .

Đi n áp trên cu n dây kích từ:
Uf(t) = Uf0 - Uhq.
Đ

ng cong di n biến theo th i gian của dòng đi n và đi n áp trên cu n dây kích

từ nh hình 2.7.
Uf , I f
If0
Uf0
tTDT

t

U f 0  U hq
Rf

Uf0-Uhq

Hình 2.7
22


Từ hình vẽ có thể thấy ngay trị số đi n áp cực đặt lên cu n dây kích từ trong
QTQĐ là:
Ufmax = │Uf0 - Uhq│.
Theo điều ki n an toàn, cần đ m b o: │Uf0 - Uhq│ < Ucp .
Đi n áp hồ quang ng ợc dấu v i Uf0 nên ta có điều ki n:
Uhq ≤ Uf0 + Ucp.
M i kho ng cách phóng đi n hồ quang trong chất khí có giá trị đi n áp xác định
(tùy thu c chất khí). Nếu thiết kế buồng dập tắt hồ quang có n kho ng (b i các
tấm kim lo i) và gọi đi n áp hồ quang m i kho ng nhỏ là Uhqkk (t ơng ứng v i
đi n áp hồ quang trong không khí) ta có điều ki n:
nUhqkk ≤ Uf0 + Ucp.
hay:
n

U f 0  U cp
U hqkk

.

V i Ucp ≈ 4Uf0 ta còn có thể tính: n 

5U f 0
.
U hqkk

Nhận xét:
Dòng đi n kích từ về lý thuyết đi theo đ

ng nét đứt. Tuy nhiên khi dòng

đi qua trị số không thì hồ quang tắt nên tiếp sau dòng bằng 0 (nh hình vẽ). Đi n
áp trên cu n dây kích từ khi còn hồ quang luôn không đổi bằng U fo - Uhq. Tuy
nhiên khi hồ quang đ t ng t tắt thì dòng đi n bằng 0 và đi n áp cũng đ t ng t
bằng 0. Nh vậy th i gian TDT chỉ bằng khỏng th i gian tồn t i dòng và áp. Th i
gian này rất ngắn mặc dù hằng số th i gian vẫn l n. Đó là u điểm của TDT dùng
aptomat. Ngoài ta khi chọn đ ợc số kho ng chia thích hợp thì Ufmax đủ an toàn.
Tuy nhiên theo công thức số tấm kim lo i cần chọn nhỏ theo trị số n tính toán. Khi

23


đó vi c dập tắt hồ quang l i khó khăn đặc bi t khi công suất h thống kích từ l n
(có thể không thực hi n đ ợc).
2.5.3 Tự động diệt từ bằng phản chỉnh lưu.
Trong h thống chỉnh l u dùng thyristor đi n áp t o ra sau chỉnh l u cũng
chính là đi n áp kích từ (đặt trên cu n dây kích từ). Đi n áp này có thể điều chỉnh
nhanh c về trị số và dấu nhơ tín hi u đặt vào cực điều khiển ĐK. Nói riêng có thể
tức th i đổi dấu đi n áp từ +UCL sang -UCL.

Gi sử tr

c tác đ ng TDT Uf = +UCL thì khi nhận đ ợc tín hi u di t từ có thể

chuyển đ t ng t sang Uf = -UCL.

If
Nguồn
xoay
chiều

UCL=Uf

F
Lf

~

Rf
ĐK
Uf , I f
If0 =UCL/Rf
Uf0=+UCL
tTDT

t

-UCL
 U CL
Rf

Hình 2.8
24