Nghiên cứu chế tạo hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY ĐIỆN TỬ VÀ TIN HỌC VIỆT MAM
CÔNG TY CỔ PHẦN VIETTRONICS ĐỐNG ĐA

BÁO CÁO
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
NĂM 2007

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KÍCH THÍCH CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN, ỨNG DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THỦY
ĐIỆN TRUNG BÌNH VÀ NHỎ, THAY THẾ HÀNG NHẬP KHẨU.
Mã số:195-07RD/2007

Cơ quan chủ trì :
Chủ nhiệm đề tài :

Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa
Số 56 - Nguyễn Chí Thanh – q. Đống Đa – tp. Hà Nội.
Lưu Hoàng Long -

Kỹ sư Điện - Giám đốc Cty.

6803
12/4/2008

HÀNỘI 12.2007


KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PSS (Power System Stabilizer)

:

Bộ ổn định hệ thống nguồn

AVR (Auto voltage regulator)

:

Bộ điều ổn áp tự động

FCR (Field control regulator)

:

Bộ điều chỉnh kích từ

THYRISTOR BRIDGE

:

CẦU THYRISTOR

DIODE BRIDGE

:

CẦU ĐIỐT

IGBT BRIDGE

:

CẦU IGBT

MUB

:

Card đo lường

COB

:

Card điều khiển

LCP

:

Panel điều khiển tại chỗ

RCP

:

Panel điều khiển từ xa

AC

:

Dòng điện xoay chiều

DC

:

Dòng điện một chiều

CROWBAR

:

Mạch diệt từ

trang 2


MỤC LỤC
Trang:
MỞ ĐẦU

6

1. Giới thiệu chung
2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài

6

3. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

7

4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu

7

5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước và Cơ sở lý
thuyết

7

7

5.1

Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước

7

5.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

8

5.3

Phương pháp tiến hành nghiên cứu

8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

9

I.1. Phân loại kích thích

10

I.2. Xem xét điều khiển kích thích máy phát

14

I.3. Xem xét về mặt điều khiển

16

I.4. Chức năng bảo vệ hệ thống.

17

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU

19

II.1. Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB:

19

II.2. Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000

19

II.3. Cấu hình hệ thống UNITROL 5000

20

II.3.1. Khối chuyển đổi công suất

20

II.3.2. Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar)

21

II.3.3. Khối điều chỉnh điện áp.

22

II.3.3.1. Chức năng điều chỉnh.

22

II.3.3.2. Chức năng giám sát và bảo vệ.

23

II.3.3.3. Chức năng ghi dữ liệu

23

II.3.3.4. Chức năng giám sát bộ xử lý.

23

II.3.3.5. Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS).

23

II.3.3.6. Chức năng truyền thông với hệ thống.

24

trang 3


CHƯƠNG III.

THIẾT KẾ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

26

Quy trình cơng nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tĩnh

26

CHƯƠNG IV.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN
TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT SỐ
IV.1. Thiết kế mơ hình hệ thống

27
27

IV.1.1. Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thống

27

IV.1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống

28

IV.1.3. Thông số yêu cầu đáp ứng của hệ thống

29

IV.1.4. Thiết kế mơ hình cấu trúc hệ thống

30

IV.1.5. Nguyên lý điện của hệ thống điều khiển kích thích tĩnh

33

IV.2. Nghiên cứu xây dựng phần mềm hệ thống kích thích

34

IV.3. Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống kích thích

52

IV.3.1. Thiết kế chế tạo hệ thống tủ điều khển

52

IV.3.2. Chế tạo card (board) đo lường

57

IV.3.2.1. Đặc điểm của board đo lường:

57

IV.3.2.2. Mô tả:

57

IV.3.2.3. Sơ đồ cấu trúc chung của board đo lường:

58

IV.3.2.4. Mô tả chức năng của các khối:

59

IV.3.2.5. Mơ tả DSP TMS320VC5510:

68

IV.3.3. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển V1000SE (COB)

73

IV.3.2.1. Giới thiệu hệ thống môdul PC104 và các card I/O
IV.3.2.2. Mô tả Môdul PPM-GX500

74

- PC104 module

75

IV.3.2.3. Mô tả Môdul PC104 - PCM-A/D16

78

IV.3.2.4. Mô tả phần màn hình hiển thị LK204-25 của hãng MATRIX ORBITAL

85

IV.3.2.5. Thiết kế tổng thể phần cứng hộp bộ điều khiển

85

IV.3.2.6. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều
khiển loại V1000SE (COB)
IV.3.4.
Chế tạo panel hiển thị tại chỗ và từ xa
IV.3.4.1. Mô tả phần màn hình hiển thị của hãng MATRIX ORBITAL

86
86
90

IV.3.4.2. Mơ tả cấu trúc, kích thước bộ điều khiển tại chỗ và từ xa

91

IV.3.4.3. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều
khiển tại chỗ và từ xa loại V1000SE LCP và RCP
IV.3.5. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển công suất

91
93

trang 4


IV.3.6. Chế tạo/ tích hợp bộ mồi từ

96

IV.3.7. Chế tạo/ tích hợp bộ diệt từ

96

CHƯƠNG V. THỰC NGHIỆM

98

V.1. Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hoá chất sử dụng cho nghiên
cứu
V.2. Lắp ráp chạy thử hệ thống

98
98

V.3. Hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống

101

V.4. Chạy thủ nghiệm tại nhà máy phát điện 5MW

101

V.5. Kết quả thực nghiệm (nêu rõ các điều kiện tiến hành thực nghiệm
và kết quả đạt được) và thảo luận

101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt được (kết luận)

106

106

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo (kiến nghị)

106

TÀI LIỆU THAM KHẢO

107

PHỤ LỤC

108

trang 5


MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung
Làm chủ cơng nghệ, tính tự động hóa, chất lượng điều khiển, tính ổn định,
hiệu quả kinh tế là các tiêu chí hàng đầu đặt ra cho việc nghiên cứu chế tạo
“Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt
điện và thủy điện có cơng suất trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”.
Việc làm chủ công nghệ và chủ động cung cấp các hệ thống điều khiển đồng
bộ bằng nội lực hiện nay là một yêu cầu cấp bách, nhằm nâng cao tỷ trọng nội
địa hoá các sản phẩm sản xuất trong nước. Do chưa làm chủ được công nghệ
thiết kế chế tạo nên phần lớn các hệ thống thiết bị đồng bộ chúng ta vẫn phụ
thuộc vào các tập đoàn Quốc tế. Tỷ trọng phần giải pháp công nghệ, thiết kế
thông thường chiếm từ 30% đến 60%, thậm chí trong một vài dự án cụ thể nó

chiếm tới 80% tổng giá thành của hệ thống thiết bị đồng bộ. Như vậy cho dù
các điều kiện công nghệ sản xuất trong nước chưa cho phép ta sản xuất hết
được các thiết bị điều khiển địi hỏi cơng nghệ cao, chúng ta vẫn đạt được tỷ
lệ sản xuất trong nước cao trong các hệ thống thiết bị đồng bộ bằng giá trị
công nghệ, thiết kế trong hệ thống. Bài viết này đề cập về vấn đề nghiên cứu
làm chủ cơng nghệ thiết kế, tích hợp, chế tạo hệ thống điều khiển đồng bộ về
việc điều khiển kích từ (kích thích) máy phát cho các nhà máy thuỷ điện, nhiệt
điện cơng suất trung bình và nhỏ.

trang 6


2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài
Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa là đơn vị thực hiện đề tài khoa học năm 2007
Theo hợp đồng số 195-07RD /HĐ-KHCN, ký ngày 01 thánđg 03 năm 2007 về việc
“NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ”
với nội dung
“Nghiên cứu chế tạo Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà
máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”.
Giữa bên giao là Bộ Công nghiệp và bên nhận là Cơng ty Cổ phần Viettronics Đống
Đa.

3 .Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Thay thế hàng ngoại nhập với chất lượng tương đương.
Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ.
Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo tiên tiến, đảm bảo tính khả thi.

4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển kích thích máy phát điện.
Thiết kế chế tạo một hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở kết hợp thiết kế chế

tạo ra các khối đo lường kỹ thuật số, khối mạch công suất, bảo vệ … từ những linh
kiện rời (Chíp DSP xử lý tín hiệu số - DS1609; DSP TMS320VC5510;
DSP56303PV100, Dualport RAM - IDT 71342SA, EEPROM nhớ chương trình M29F040B-70K6 & AM29F040-120JC, RAM cho dữ liệu - K6R1008V1C-JC12,
Thạch anh 32MHz - SG-615PH C 32.0000M…) và ứng dụng các bộ điều khiển tiên
tiến chuyên dùng cho công nghệp thuộc dịng PC104.
Thử nghiệm và hồn thiện thiết kế hệ thống.
Thử nghiệm thực tế hệ thống cho ngành điện nói chung, nhà máy điện cơng suất
5MW nói riêng.

5.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước và Cơ
sở lý thuyết
5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước
Hệ thống kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ đã được nghiên cứu, chế tạo từ
rất lâu tại các nước phát triển. Một số hang chế tạo hệ thống điều khiển kích thích nổi
tiếng trên thế giới như: ABB, AREVA, BASLER, VATech…

trang 7


Cho đến nay các giải pháp về điều khiển kích thích cho nhà máy điện đã gần như hồn
thiện, khơng những hồn thiện về tính năng và chất lượng điều khiển mà cịn đáp ứng
các tính năng liên quan khác như quản lý giám sát từ xa, thu thập và lưu giữ dữ liệu,
kiểm soát ghi lại các trạng thái sự cố, giao diện thân thiện hơn…

5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Các hệ thống kích thích cho các nhà máy điện hiện nay chủ yếu vẫn là nhập khẩu với
giá thành cao, thời gian nhập khẩu kéo dài nhiều tháng, việc cài đặt hiệu chỉnh cũng
phải thuê chun gia, giá cơng cao tính theo giờ.
Trong khi đó nhu cầu về việc xây dựng các nhà máy phát điện ngày càng nhiều, theo
quy hoạch phát triển ngành điện đến năm 2010 nước ta cần phải xây dựng 50 nhà máy

điện các loại.
Hiện nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, cũng như việc hội nhập của Việt
Nam. Để chủ động về công nghệ cũng như kết hợp đội ngũ kỹ sư sẵn có chúng ta hồn
tồn có thể nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phục vụ cho
các nhà máy điện thay thế các thiết bị nhập ngoại, đảm bảo đáp ứng thời gian cung cấp,
bảo hành thiết bị kịp thời.
Làm chủ công nghệ để chủ động trong thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ nói
chung và hệ thống điều khiển đồng bộ nhà máy thuỷ điện nói riêng là một địi hỏi cấp
bách hiện nay, nó vừa là cơ hội và cũng là thử thách đối với các đơn vị chế tạo trong
nước. Việc chế tạo được tất cả các thiết bị công nghệ cao để nâng cao tỷ lệ sản xuất
trong nước và chủ động trong việc thiết kế chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ là
mong muốn của toàn Đảng, toàn dân ta trong giai đoạn hiện nay. Trình độ cơng nghệ
chế tạo trong nước chưa cho phép chúng ta sản xuất hết được các thiết bị địi hỏi cơng
nghệ, nghiên cứu cơ bản rất cao như các thiết bị PLC, PC thiết bị đo lường đặc biệt...
để đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá thành cạnh tranh thì giải pháp thiết kế tích hợp và lập
trình điều khiển để chủ động cung cấp các hệ thống thiết bị đồng bộ là giải pháp tốt nhất
hiện nay. Nếu làm được như vậy thì tỷ lệ nội địa hố các hệ thống thiết bị đồng bộ đã
đạt trên 50%, mặc dù chúng ta chưa chế tạo được các thiết bị công nghệ cao.

5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu
Khảo sát mẫu nhập ngoại
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phù hợp với điều
kiện các nhà máy điện trong nước.
Thử nghiệm hệ thống tại nhà máy điện 5MW và kiểm định các thông số kỹ thuật.

trang 8


CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH
Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngồi việc phải có động cơ sơ cấp kéo, cịn

phải có dịng điện kích thích. Dịng điện kích thích là một dịng điện một chiều, được
đưa vào Rơto của máy phát để kích thích từ trường của Rôto máy phát.
Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy
phát Dịng điện kích thích máy phát, ngồi việc tạo từ trường cho Rơto, cịn có thể dùng
để điều chỉnh điện áp máy phát theo giá trị danh định hoặc theo giá trị đặt để hịa lưới.
Ngồi ra, dịng điện này cịn điều chỉnh cơng suất vơ cơng của máy phát khi máy phát
đã hịa vào lưới.
Để có thể thay đổi trị số của dịng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên,
cần phải có một bộ phận điều khiển. Hệ thống mạch điện để điểu khiển dịng điện kích
thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp.
Hệ thống kích thích, với chức năng cung cấp dịng kích thích cho máy điện đồng bộ bao
gồm tất cả, công suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh ổn định điện áp đầu cực
máy phát, ra đời và phát triển cùng với máy điện đồng bộ với các tính năng ngày càng
hiện đại và đáp ứng yêu cầu cao về ổn định điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn
[IEEE std 421.4 - 2004].

Hình I.1: Sơ đồ khối hệ thống kích từ và điều khiển kích từ

Hệ thống điều khiển kich từ là một bộ điều khiển hồi tiếp bao gồm máy phát điện và hệ
thống điều khiển kích thích của nó. Thơng qua điện áp cảm nhận được từ đầu cực máy
phát, hệ thống điều khiển kích thích sẽ cấp dịng kích thích phù hợp đến cuộn dây kích
thích máy phát để ổn định điện áp đầu cực máy phát theo giá trị mong muốn.
Khi máy phát điện hoạt động song song với các máy phát điện khác hoặc nối lưới, điện
áp đầu cực máy phát là do lưới quy định, trong trường hợp này chức năng chính của hệ
thống điều khiển kích thích là cung cấp dịng kích thích cho máy phát điện đồng bộ để
giữ công suất cảm kháng trên lưới, từ đó ổn định điện áp đầu cực máy phát.

trang 9

I.1. Phân loại kích thích
Căn cứ vào cách tạo ra dịng kích thích cung cấp cho dây quấn kích thích, nguời ta chia
hệ thống kich từ thành hai nhóm chính: Hệ thống kích thích quay xây dựng trên các bộ
kích thích quay một chiều DC (DC Exciter), bộ kích thích quay xoay chiều AC (AC
Exciter) và hệ thống kích thích tĩnh xây dựng trên các bộ kích thích tĩnh (Static Exciter).
Bộ kích thích AC và DC được xây dựng trên cơ sở sử dụng các máy phát điện một
chiều (DC Exciter) hoặc xoay chiều có chỉnh lưu (AC Exciter) gắn đồng trục của Rotor,
quay đồng bộ với Rotor để cấp dịng cho dây quấn kích thích.
Bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) đặt độc lập với máy phát, cấp dịng kích thích cho dây
quấn kích thích qua cơ cấu chổi quét vịng góp điện. Dịng kích thích của bộ kích thích
tĩnh được lấy từ đầu cực máy phát thông qua khối cầu chỉnh luư Thyristor có điều khiển.
a)

Hệ thống kích thích một chiều (DC)

Ngày nay, bộ kích thích DC vẫn cịn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ
(Synchronous Generator-SG) có cơng suất thấp hơn 100MVA. Nó được cấu tạo gồm
hai máy phát điện một chiều kiểu vành góp điện DC (DC commutator electric generator)
đóng vai trị là: Bộ kích thích chính (Main Exciter- ME) và bộ kích thích bổ trợ (Auxiliary
Exciter- AE) gắn đồng trục và quay đồng bộ với Rotor máy phát.

Hinh I.2: Hệ thống kích thích một chiều
Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dịng điện cấp cho máy phát điện ME. Tới
lượt mình, ME sẽ tạo ra dòng một chiều cấp cho dây quấn kích thích máy phát để tạo ra
sức điện động cảm ứng trên đầu cực máy phát. Bộ kích thích DC được điều khiển bởi
AVR thông qua điện áp điều khiển Vcon.
Hệ AE và ME đóng vai trị như một bộ khuyếch đại công suất với hệ số khuyếch đại lên
tới 600/1 (20.30), do vậy ta chỉ cần công suất thấp để cấp cho bộ kích thích. Tuy nhiên
lợi thế này bị trả giá bởi:
- Đáp ứng thời gian chậm, mà nguyên nhân là hằng số thời gian ở cuộn dây kích

thích ở ME và AE lớn.
- Vấn đề ăn mòn chổi quét ở ME và AE

trang 10


-

Có thể gây ra hiện tượng xốn trục khi có tải, mà ngun nhân là đáp ứng chậm
của nó.
Khơng có khả năng dự phịng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành
phần của hệ thống đều là cơ cấu quay.

Vì những nguyên nhân này mà hiện nay phần lớn hệ thống kích thích DC đã được thay
thế bằng hệ thống kích thích tĩnh
b)

Bộ kích thích xoay chiều (AC)

Bộ kích thích AC vẫn được sử dụng trong cơng nghiệp ngay cả ở các máy đồng bộ mới.
Nó được thiết kế trên cơ sở sử dụng một máy phát điện đồng bộ (Excitation
Synchronous Generator-ESG) và một cầu chỉnh lưu diode gắn trên trục của nó. Bộ kích
thích AC gắn đồng trục với máy phát.

Hình I.3: Hệ thống kích thích xoay chiều

Khi hệ thống hoạt động, điện áp xoay chiều đầu cực ESG được chỉnh lưu bằng cầu
chỉnh lưu diode để tạo ra dòng DC cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích của máy
phát.Điện áp đầu cực máy phát được điều khiển bởi bộ AVR thông qua điện áp Vcon.
Bộ kích thích AC có hệ số khuyếch đại khoảng 1/20(30) do chỉ sử dụng một máy phát

kích thích, do vậy chỉ cần công suất bé để cấp cho hệ thống.
Hệ thống kích thích AC có đặc điểm
- Đáp ứng thời gian của hệ thống vẫn cịn lớn.
- Cơng suất điều khiển nhỏ
- Vẫn cịn khả năng gây xốn trục khi có tải.
- Khả năng dự phịng thấp, chỉ có thể dự phịng hệ chỉnh lưu.
- Khơng có khả năng dự phịng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành
phần của hệ thống đều là cơ cấu quay, khơng tĩnh.
c)

Bộ kích thích tĩnh

Bộ kích thích tĩnh, thiết kế trên cơ sở cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển, được sử
dụng rộng rãi từ những năm 1960. Trong bộ kích thích tĩnh, điện áp (có thể cả dịng
điện) ở đầu cực máy phát được chuyển đổi về một mức thích hợp, được chỉnh lưu có

trang 11


hoặc khơng có điều khiển và cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích thơng qua cơ cấu chổi
qt, vịng góp điện.

Hình I.4: - Vị trí của hệ thống kích thích tĩnh

Hình I.5: Hệ thống kích thích tĩnh

Sự ra đời IGBT công suất lớn mở ra hướng thay thế cầu chỉnh lưu Thyristor có điều
khiển bằng hệ Diode-IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế biên độ xung PWM
Hệ chỉnh lưu Diod-IGBT có ưu điểm về điều khiển và bảo vệ là huớng phát triển triển
vọng trong tương lai.

trang 12


V_EX

Hình I.6: Cầu chỉnh lưu cơng suất có điều khiển dùng Thyristor và IGBT

Hệ thống kích thích tĩnh có ưu điểm về tính ổn định cao, dễ dàng thiết kế, chế tạo, vận
hành và thuận lợi cho dự phòng thay thế. Hơn nữa, bộ kích thích tĩnh được thiết kế trên
cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor, có cơng suất kích thích được lấy từ đầu cực máy phát do
vậy hằng số thời gian của hệ thống là bé. Tuy nhiên, Hệ thống kích thích tĩnh gặp một
số hạn chế như:
- Nguồn kích thích được lấy trực tiếp từ đầu cực máy phát nên cần phải có một
nguồn cơng suất phụ độc lập để mồi từ cho hệ thống. Hơn nữa, dễ sinh ra tia lửa
điện ở cơ cấu vành trượt và chổi than.
- Điện áp đầu cực máy phát biến thiên liên tục trong một dải lớn, do vậy miền biến
thiên của điện áp kích thích là lớn, gây ra những ảnh hưởng xấu tới thiết bị nối
với máy cũng như dây quấn Rotor và Stator.
Những hạn chế này là nhỏ và được giải quyết bởi trình độ của khoa học kỹ thuật hiện
tại. Người ta có thể đưa ra các khái niệm về giới hạn kích thích và định ra giới hạn hoạt
động của hệ thống. Do vậy, hệ thống kích thích tĩnh được sử dụng rộng rãi, phổ biến
trong các nhà máy phát điện.
Bộ kích thích tĩnh có hai kiểu chính:
- Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn thế (Potential source-rectifier exciter)
- Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp (Compound source-rectifier exciter)
d)

Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế

Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế, được sử dụng phổ biến hiện nay có cơng suất kích
thích được cấp từ một máy biến thế (Potential Transformer - PT) nối với đâu cực máy
phát, và được chỉnh lưu bởi cầu chỉnh lưu Thyristor hoặc hệ Diode-IGBT có điều khiển.
e)

Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp

Bộ kích thích kiểu nguồn hỗn hợp, được sử dụng trong một vài ứng dụng cụ thể, u
cầu duy trì dịng ngắn mạch 3 pha trên đầu cực máy phát.Dịng ngắn mạch này khơng
phải do lỗi gây ra mà là do dòng khởi động của một động cơ rất lớn gây nên sụt giảm
điện áp máy phát gây ra. Khi qua quá trình khởi động động cơ, điện áp sẽ được phục

trang 13


hồi một cách nhanh chóng. Trong trường hợp này hệ thống sẽ khơng thực hiện việc cắt
máy cắt vì khơng phải là lỗi
Trong bộ kích thích này, ngồi biến áp lực người ta còn sử dụng 2 hoặc 3 biến dịng
cơng suất lớn để cấp dịng kích thích trực tiếp tới cuộn Rotor khi ngắn mạch. Bởi vì
trong trường hợp đó ta khơng điều khiển được điện áp nữa do sự sụt giảm rất nhanh
của điện áp đầu cực khi ngắn mạch, hoặc sụt áp.

I.2 Xem xét điều khiển kích thích máy phát
Hầu hết các đối số điều chỉnh mà ảnh hưởng đến thao tác của hệ thống điều khiển kích
thích được chứa trong các phần tử của hệ thống kích thích bao gồm bộ xác định lỗi điều
chỉnh điện áp, các bộ bù, các giới hạn và bộ ổn định hệ thống kích thích.
Điều khiển điện áp đầu cực là chức năng đầu tiên của bộ điều khiển kích thích, trong
trường hợp máy phát điện đồng bộ nối lưới, chức năng điều khiển của hệ kích thích
được chuyển sang ổn định công suất phản kháng hoặc ổn định hệ số công suất.
f)

Chức năng điều khiển bằng tay

Điều khiển bằng tay là một thành phần không thể thiếu của hệ thống kích thích, chức
năng điều khiển bằng tay thường được thiết kế để điều chỉnh máy dòng điện hoặc điện
áp kích thích từ khơng tải đến đầy tải. Chức năng này được thực hiện khi thí nghiệm
bàn giao (commissning) hệ thống và điều khiển dự phịng khi có lỗi xảy ra với bộ điều
khiển tự động.
g)

Chức năng điều khiển tự động

Chức năng điều khiển tự động bao gồm các giới hạn của nó chứuc năng ổn định, điều
chỉnh điện áp đầu cực máy phát đồng bộ bởi cung cấp tín hiệu điều khiển tới cầu chỉnh
lưu công suất. Tất cả sự điều chỉnh, máy phát và hệ thống công suất đều ảnh hưởng
đến điện áp đầu cực máy phát.
Đặc tính ổn định
Đáp ứng của hệ thống kích thích biến đổi chậm theo tải, tần số và nhiệt độ của môi
trường, tất cả kết hợp nên đặc tính ổn định của hệ thống. Thuật ngữ điều chỉnh tải là
điểm quan tâm kế của sự thay đổi điện áp mà kết quả là sự thay đổi tải. Giả sử tải thay
đổi từ không tải đến đủ tải trừ các trường hợp khác. Bộ điều chỉnh tải thường được lấy
ở +/-0.5%.
Đặc tính tín hiệu nhỏ.
Đặc tính tín hiệu nhỏ tham chiếu tới các đáp ứng của nó khi sự khơng tuyến tính trong
thực hiện của hệ thống điều khiển kích thích có thể bỏ qua. Đặc tính quá độ và tần số
kết hợp với hệ thống điều khiển hồi tiếp là cơ sở đặc biệt của đặc tính tín hiệu nhỏ.

trang 14

Đặc tính tín hiệu lớn
Đặc tính tín hiệu lớn tham chiếu tới các đáp ứng của đầu ra hệ thống kích thích bất ngờ
thay đổi lớn theo hệ tải mà đặc tính thực hiện của hệ thống kích thích khơng tuyến tính.
a) Chức năng điều khiển bù
Một số lớn các chức năng điều khiển bù ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống kích
thích. Các chức năng này có thể không được trang bị trong hầu hết các hệ thống hoặc
chỉ được active trong các trường hợp đặc biệt khi thực hiện ở chế độ điều khiển tự
động. Thông thường nó bao gồm các thành phần trong hệ thống điều khiển kích thích
máy phát đồng bộ và khơng bao gồm các chức năng bảo vệ, mặc dù nó cần thực hiện
đóng với vài chức năng bảo vệ nào đó. Những hệ thống kích thích hiện đại thường
được kết hợp giữa hai phần này. Hệ thống kích thích được kết hợp bao gồm những
thành phần: Bộ điều khiển điện áp tự động, bộ điều chỉnh bằng tay, giới hạn kích thích,
bộ ổn định hệ thống công suất, giới hạn Volts/Hertz.
Các chức năng điều khiển bù bao gồm: Bù độ chúc cảm kháng, Bù sự chênh lệch cảm
kháng khi các máy nối lưới hoặc nối song song với nhau, bù sự sụt áp gây ra do tải.
Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất(PSS) là một chức năng điều khiển bổ
sung để trang bị cho hệ thống kích thích nhằm tăng tính ổn định của hệ thống cơng
suất, ổn định của tần số máy phát khi máy nối tải.PSS sẽ giảm thiểu sự giao động của
tần số máy phát.
b) Chức năng giới hạn.
Giới hạn dưới kích thích
Giới hạn dưới kích thích được tính đến trong hầu hết các ứng dụng để ngăn cản sự
hoạt động phần dưới kích thích của đường cong khả năng của máy đồng bộ (thướng
gây ra sự nóng của lõi thép Stator), hoặc hoạt động trong một khu vực tiệm cận với giới
hạn cân bằng trạng thái ổn định hoặc cả hai. Mặc dù giới hạn dưới kích thích thường là
một thiết bị cảm nhận trở kháng, mục đích là nó có thể được so sánh với đường cong
khả năng của máy phát điện đồng bộ hoặc giới hạn cân bằng trạng thái ổn định. Thao
tác của nó được kết hợp với bảo vệ mất kích thích cho máy phát đồng bộ. Trong một vài
trường hợp, giới hạn dưới kích thích khơng được đóng với PSS. Giới hạn dưới kích
thích có thể được chỉ lại trên cơ sở nhiệt độ hoạt động của máy phát điện đồng bộ.

Giới hạn quá kích thích
Giới hạn quá kích thích được sử dụng ban đầu để tránh sự quá nhiệt của cuộn dây kích
thích máy phát điện đồng bộ khi dịng kích thích trên sự hoạt động danh định. Nhiệt độ
quá tải của cuộn dây này tỉ lệ nghịch với thời gian, và hơn nữa giới hạn này có thể được
chậm trể. Giới hạn này thường được kết hợp trong một hệ điều khiển đa bậc và các
khối bảo vệ cho dây kích thích. Giới hạn q kích thích có thể được đưa ra trên cơ sở
làm lạnh máy phát điện đồng bộ.
Giới hạn Volts/Hertz

trang 15


Giới hạn Volts/Hertz có cùng tên như vậy vì từ thông tỉ lệ với điện áp đầu cực trên tần
số. Từ thơng dư thừa này có thể gây ra sự quá nhiệt và phá hỏng lõi sắt và sự cách
điện của cuộn dây Stator. Giới hạn V/Hz được sử dụng để ngăn cản sự quá nhiệt xuất
hiện từ sự dư thừa từ thông do sự hoạt động dưới tần số hoặc quá áp hoặc cả hai.
Giới hạn V/Hz thường được dùng để bảo vệ một máy phát điện đồng bộ (và các máy
biến thế kết nối với nó) trong suốt q trình khởi động, các chủ thể có thể của máy phát
(và các máy phát kết nối với nó) tới hệ kích thích trong suốt q trình giảm tốc độ (và
sau đó là giảm tần số). Nó cũng được dùng để bảo vệ máy phát đồng bộ (và các máy
biến thế nối với nó) từ mức từ thơng cao, khi điều này xảy ra với máy ở chế độ off-line,
trong suốt q trình đó khơng có dịng cảm ứng phần ứng để chống lại sự tăng điện áp
đầu cực máy phát tương ứng với sự tăng dịng kích thích. Cũng như vậy, thỉnh thoảng
được sử dụng khi hai máy đồng bộ được khởi động đồng bộ với nhau, một như motor
và một như máy phát. Trong kiểu hoạt động này, giới hạn V/Hz hành động khi điện áp
đầu cực máy phát tăng khi tần số tăng. Đặc tính V/Hz nên được xem xét.
Chức năng điều khiển Var/Pf
Trong vài ứng dụng, bộ điều khiển điện áp thỉnh thoảng được bổ sung hoặc thay thế với
một bộ điều khiển hoặc điều chỉnh Var hoặc hệ số công suất PF. Vậy đối tượng điều
khiển lúc đó sẽ là cơng suất phản kháng Q(Var), hoặc hệ số công suất Cosϕ.

I.3.Xem xét về mặt điều khiển
a. Diệt từ
Phương pháp triệt tiêu năng lượng có thể bao gồm một ngắt từ AC kết hợp với mạch
shunt cầu chỉnh lưu có điều khiển crowbar và một điện trở lớn. Mạch điều khiển kích
thích đặc biệt cưỡng bức đầu ra tới khơng hoặc điện áp âm có thể được sử dụng trong
hầu hết các hệ thống kích thích hiện đại. Phương pháp shutdown dự phòng thường sử
dụng để chống lại lỗi của ngắt.
Trong các cấu hình của hệ thống kích thích tĩnh cho phép dùng một bộ ngắt ngắn mạch.
Đặc biệt mạch điều khiển kích thích cưỡng bức đầu ra tới 0 được sử dụng cho hầu hết
hệ thống. Bộ diệt từ tác động nhanh có thể được thực hiện theo phương pháp số.
b. Đơn vị điều khiển bằng tay
Chức năng điều khiển bằng tay có thể dùng một biến trở trong trường hợp bộ kích thích
quay DC. Chức năng điều khiển này thường được dùng trong hệ chỉnh lưu quay. Trong
hầu hết kiểu kích thích, vài dạng điều chỉnh DC được kết hợp để cung cấp chức năng
điều khiển điện áp kích thích hoặc dịng kích thích. Quá trình tự động điều chỉnh tới
chức năng điều khiển bằng tay điện áp hoặc dịng hoặc cả hai có thể là kết quả từ lỗi
gây ra bởi một thành phần điều khiển, hoặc khi phát hiện ra lỗi hoặc q kích thích (q
áp hoặc q dịng).
Trong vài hệ thống, AVR được yêu cầu cho thao tác vận hành độc lập. Trên các hệ
thống này, chuyển đổi tới thao tác điều khiển bằng tay không cho phép và lỗi của AVR
có thể là làm đóng ngắt một thiết bị chuyển mạch hoặc chuyển sang chế độ hoạt động
dự phòng.

trang 16


c. Đơn vị điều khiển tự động
Chức năng điều khiển tự động được xây dựng theo yêu cầu điều khiển máy điện đồng
bộ. Thông thường một hệ thống điều khiển kích từ được trang bị nhiều chức năng điều

khiển như điều khiển điện áp đầu cực máy phát, điều khiển công suất phản kháng, hệ
số công suất… Mỗi chức năng điều khiển hoạt động theo yêu cầu và trong các trường
hợp khác nhau.
Chức năng điều khiển tự động của hệ thống điều khiển kích thích có thể được điều
khiển và giám sát từ xa, qua giao tiếp mạng.
Một đơn vị tự động start/stop được xem xét để đưa hệ thống kích thích vào hoạt động
hoặc remove nó ra khỏi hệ thống trên cơ sở đóng mở các tiếp điểm.

I.4.Chức năng bảo vệ hệ thống.
Chức năng bảo vệ hệ thống được xem xét trên cơ sở những sự cố có thể xảy ra và ảnh
hưởng của nó đối với hệ thống kích thích và các thiết bị liên kết với hệ thống. Theo đó,
những lỗi được xem xét khi xây dựng hệ thống kích thích là:
- Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR
- Lỗi ở AVR
- Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor
- Ngắn mạch
- Chạm đất cuộn dây Rotor
a) Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR
Khi mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR do nguyên nhân lỗi đường truyền từ máy biến thế
trường tới AVR. AVR nhận được một điện áp rất thấp và sẽ cố làm tăng nó bằng cách
điều khiển tăng điện áp kích thích, dấn đến điện áp đầu cực sẽ tăng. Điện áp đầu cực
có thể tăng đến 60% tùy vào các giá trị quá kích thích, hoặc dưới kích thích đặt cho
máy. Đây là mức điện áp nguy hiểm đối với cuộn dây máy phát và các thiết bị sử dụng.
Nếu máy nối lưới, khi tăng công suất kích thích khơng làm tăng điện áp đầu cực máy
phát mà chỉ làm tăng công suất phản kháng lên lưới. Những máy khác sẽ hấp thụ công
suất phản kháng của lưới để duy trì sự ổn định điện áp đầu cực, gây ra sụt cơng suất
tác dụng của tồn lưới và làm quá nhiệt ở cuộn dây Rotor.
Lỗi này được xử lý bởi các Roler quá áp đặt ở đầu vào dây quấn Rotor, các Roler quá
áp để quan sát điện áp pha hoặc một chuỗi các Role quan sát cảm nhận đầu vào AVR.
b) Lỗi ở AVR

Lỗi ở AVR thường tạo ra một trong hai chế độ hoạt động của máy phát đó là: Chế độ
hoạt động thiếu hoặc mất kích thích và chế độ hoạt động quá kích thích.
Hệ thống hoạt động ở chế độ mất kích thích:
Lỗi này thường xảy ra khi có sự sụt áp đầu cực máy phát, do các nguyên nhân như
ngắn mạch…Trong trường hợp này, máy sẽ không đủ công suất cấp cho tải. Ngồi ra,
cơng suất từ trong máy nhỏ hơn cơng suất cơ rất nhiều, góc tải sẽ tăng nhanh vượt quá
900 gây mất tính đồng bộ của máy. Điều này sẽ làm tăng nhiệt độ của cuộn dây Stator,

trang 17


phá hỏng lớp cách điện của dây dẫn. Khi máy nối lưới, máy sẽ hấp thụ công suất phản
kháng của lưới để duy trì điện áp đầu cực. Máy sẽ biến thành động cơ với công suất
được cấp bởi lưới có thể gây ra xoắn trục Rotor, quá nhiệt ở cuộn dây Rotor do dịng
kích thích cưỡng bức phản hồi từ lưới.
Hệ thống hoạt động ở chế độ quá kích thích:
Trong trường hợp này, dịng kích thích lớn sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và có thể làm
hỏng lớp cách nhiệt ở cuộn dây Rotor. Ngoài ra, điện áp đầu cực của máy sẽ rất lớn
gây ra quá áp ở tải cũng như quá nhiệt ở cuộn Stator. Khi máy nối lưới, máy sẽ bơm
công suất phản kháng vào lưới, các máy khác sẽ hấp thụ công suất phản kháng của
lưới để duy trì điện áp lưới ổn định, gây ra sụt cơng suất tác dụng của tồn lưới và gây
ra quá nhiệt trên cuộn Rotor.
Đây là hai chế độ hoạt động nguy hiểm đối với máy phát và các thiết bị kết nối với máy.
Để bảo vệ, ở đầu các cuộn dây kích thích, người ta sẽ gắn các Roler bảo vệ quá/dưới
dòng, áp. Các cảm biến nhiệt được cài đặt để đo nhiệt độ của dây quấn Rotor và Stator.
c) Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor.
Các lỗi xảy ra với cầu Thyristor là: Mất điều khiển, luôn mở, ln đóng, hoặc một chiếc
Thyristor nào đó bị hỏng…Khi đó chất lượng điện áp cạnh DC của Thyristor sẽ không
tốt, hài không mong muốn, ảnh hưởng xấu đến điện áp kích thích cung cấp cho máy.
Để bảo vệ, người ta sử dụng các Rơle quan sát độ gợn sóng của dịng kích thích.

Lỗi cầu Thyristor cịn xảy ra khi nhiệt độ trong tủ đựng là lớn, ảnh hưởng đến điều kiện
làm việc của Thyristor. Do vậy ở trong các tủ đựng Thyristor nhiệt độ làm việc luôn
được điều khiển và quan sát, hệ thống làm mát và bảo vệ quá nhiệt phải được lắp đặt
tại đây.
d) Ngắn mạch.
Dưới điều kiện ngắn mạch, đáp ứng của hệ thống kích thích phụ thuộc vào thiết kế, và
khoảng cách từ vị trí ngắn mạch tới. Khi ngắn mạch xảy ra điện áp đầu cực máy phát sẽ
giảm, dịng điện đầu cực tăng, có thể gây mất điều khiển AVR. AVR có thể chuyển sang
hoạt động ở chế độ điều khiển FCR hoặc ngắt mạch khi dòng tăng quá lớn và điện áp
đầu cực tiến tới 0.
Dịng điện tăng đột ngột này có thể phá hỏng Thyristor vì vậy trên các đầu vào của mỗi
van chỉnh lưu Thyristor người ta còn đặt các cầu chì tác động nhanh để giới hạn dịng
điện bảo vệ Thyristor.
e) Lỗi chạm đất.
Lỗi này được xem xét một cách ngiêm túc do hậu quả mà nó gây ra. Cơ cấu chổi qt
vịng góp điện có khả năng bị bụi bám vào gây chạm đất, vì thế người ta có thể xem đó
là điểm đất của dây Rotor và máy vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên, nếu vì một
nguyên nhân nào dó mà mạch từ có điểm chạm đất thứ 2. Khi đó, sự quá nhiệt nội tại
của các thanh dẫn có thể phá hỏng sự cách điện của dây quấn Rotor. Trong trường hợp
này một rơle xác định điểm chạm đất được áp dụng cho điểm chạm đất thứ nhất, và
cảnh báo hoặc ngắt mạch khi có một điểm chạm đất thứ 2 xuất hiện.

trang 18


CHƯƠNG II

KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng nổi tiếng chế tạo hệ thống điều khiển kích thích

máy phát, với cơng nghệ hiện đại với các hãng như Basler, ABB, AREVA… và hầu hết
việc ứng dụng điều khiển các máy phát là những hệ thống kích thích tĩnh vì nó bộc lộ
nhiều ưu điểm đáp ứng được yêu cầu hiện nay. Thực tế, chúng tơi đã được chứng kiến
phía cơng ty Nhiệt điện ng Bí tại thị xã ng Bí tỉnh Quảng Ninh đã và đang sử dụng
02 hệ thống kích thích tĩnh UNITROL5000 của hãng ABB cho hai máy phát 55MW từ
năm 2001, hệ thống này đã thay thế hẳn phần máy phát kích nối liền trục với máy phát
chính nên đã hạn chế nhiều sự cố do khâu máy phát kích ln phải đại tu, hoặc sự cố
và nhược điểm lớn nhất là do chổi than và vành trượt. Đến nay hệ thống kích thích tĩnh
làm việc rất ổn định, điều khiển tối ưu, gần như không gặp phải sự cố trong nhiều quý
vận hành nên năng xuất phát điện của công ty tăng lên rõ rệt.
Trên cơ sở đó, chúng tơi đã chọn hệ thống điều khiển kích thích tĩnh của hãng ABB để
làm mục tiêu nghiên cứu học hỏi với mục đích chế tạo, tích hợp hệ thống để có sản
phẩm tương tự và có giá thành rẻ hơn, chất lượng vẫn đảm bảo, làm chủ hơn về công
nghệ. Sau đây chúng tôi sẽ đề cập đến các vấn liên quan:

II.1.Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB:
UNITROL 5000 là dịng sản phẩm Hệ thống kích thích sử dụng công nghệ vi xử lý công
nghệ mới nhất. UNITROL là dòng sản phẩm kế thừa kinh nghiệm 40 năm chế tạo bộ
chuyển đổi công suất và 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế tạo hệ thống kích thích
trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lý.
Hệ thống kích thích tĩnh (Static Excitation Systems - SES) được sử dụng cho các nguồn
công suất 50Hz, 60Hz hoặc 16 2/3 Hz với dịng kích thích từ 1000Adc đến hơn
10.000Adc.
Bộ điều chỉnh điện áp tự động (Automatic Voltage Regulating Systems – AVR) điều
chỉnh điện áp đầu cực máy phát được thiết kế đặc biệt sử dụng được với tần số từ 16
2/3 đến 400Hz.
Ứng dụng truyền thông qua cáp quang, cáp đồng trục với chuẩn ARCnet.

II.2.Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000
-

Có 2 bộ điều khiển điện áp, một bộ có chức năng dự phịng (có thể lựa chọn).

-

Tín hiệu đầu vào được xử lý số bao gồm:
o Điện áp 3 pha
o Dòng điện 3 pha.

-

Các chức năng điều khiển bổ sung được thực hiện bằng phần mềm, không cần
bổ sung thêm phần cứng.

-

Dễ dàng mở rộng thêm đầu vào ra tương tự và số với bus ARCnet.

trang 19


-

Có chức năng tự động ghi chép lại các sự kiện và các lỗi với tính thời gian thực.

-

Có khả năng truy nhập từ xa thông qua các giao thức chuẩn như:
o Modbus, Mobus+, Profibus.

-

Bộ chuyển đổi công suất (Power Converter) được dự phịng. Có thể lên tới 8 bộ
chuyển đổi công suất được kết nối song song. Sự dự phịng độc lập với cấu hình
điều khiển.

-

Bộ chuyển đổi cơng suất được trang bị một thiết bị giám sát và hiển thị bao gồm:
o Giám sát dòng vào thyristor
o Giám sát và điều khiển quạt
o Giám sát cầu chì, nhiệt độ bộ chuyển đổi cơng suất, luồng gió làm mát
o Hiển thị dòng qua cầu thiristor.

-

Một Panel điều khiển được sử dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị các thông số
của máy phát, với khoảng cách lên tới 300m.

-

Một phần mềm CMT được sử dụng để giám sát và chẩn đoán từ xa các lỗi gây ra
cho hệ thống.

II.3.Cấu hình hệ thống UNITROL 5000
Hệ thống kích thích tĩnh UNITROL 5000 được thiết kế trên cơ sở ghép nối các module
được chế tạo riêng biệt.
Hệ thống kích thích tĩnh được xây dựng trên cơ sở ghép nối các ngăn module chức
năng (hình II.1):
Ngăn thứ nhất chứa các bộ điều khiển, cấp nguồn điều khiển và panel điều khiển – hiển

thị. Ngăn tiếp theo là ngăn cấp nguồn chính cho mạch lực bao gồm máy cắt chính, thiết
bi đo phía xoay chiều, Tiếp nữa là một hoặc nhiều bộ chuyển đổi công suất dùng cầu
sáu Thyristor trong một hoặc nhiều ngăn, ngăn cuối là phần bảo vệ diệt từ (Crowbar),
mạch mồi từ (Field Flashing) và phần đầu ra một chiều.
Sự trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều chỉnh, giữa các thành phần bộ chuyển đổi công
suất và với các thiết bị hiển thị được thực hiện thông qua bus nối tiếp ARCnet.
Các Panel điều khiển có thể đặt và thao tác với khoảng cách lên tới 1000m thông qua
cáp quang.

II.3.1 Khối chuyển đổi công suất
UNITROL 5000 sử dụng hoặc bộ chuyển đổi công suất kiểu DCS500 hoặc UNL 13300.
Kiểu và số bộ chuyển đổi công suất mắc song song dựa trên yêu cầu về điện áp trần và
chu kỳ làm việc lớn nhất đối với hệ thống.
Các chọn lựa có thể được đáp ứng theo:

trang 20


Hình II.1: Hệ thống tủ kích thích tĩnh

-

Mức độ làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức.
Các quạt làm mát dự phịng
Khả năng thực hiện cơng việc bảo dưỡng mỗi bộ chuyển đổi công suất trong
trong khi hệ thống đang làm việc (với 5 cực cách ly).

Bộ chuyển đổi công suất điều chỉnh phân bố tổng dòng giữa các đơn vị tích cực, điều
này có thể ngăn cản sự q tải đối với mỗi nhánh Thyristor và giảm tính lỗi cho bộ
chuyển đổi công suất riêng biệt.

II.3.2.Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar)
Chức năng chính là tạo từ trường ban
đầu cho hệ thống khi từ dư trong roto
máy phát không đủ, diệt từ trong các
trường hợp đặc biệt, như cắt kích từ đột
ngột, sự cố roto hoặc ngắn mạch từ lưới.
Lúc đó điện áp sẽ bị hạn chế giá trị đỉnh
sao cho trong vùng an toang, khơng gây
phóng điện chọc thủng cách điện của
thiết bị.

Hình
II.2: Mơ tả khối mồi từ và diệt từ

trang 21


II.3.3.Khối điều chỉnh điện áp.

Hình II.3: Tủ điều khiển (COB)

Khối (bộ) điều chỉnh điện áp được
xây dựng trên cơ sở kỹ thuật Vi xử lý,
sử dụng công nghệ kỹ thuật số và
thực hiện bởi phần mềm UNITROL
5000. Đặc trưng nổi bật của
UNITROL 5000 đó là sự mở rộng bổ
sung các chức năng được thực hiện
bằng phần mềm và không cần bổ

sung thêm các thiết bị phần cứng.

Hình II.4: Khối điều khiển 2 kênh

Hình II.5: Card diều khiển (COB)

Hầu hết các chức năng của UNITROL được thực hiện bằng phần mềm. Phần mềm
chuẩn được đưa ra bao hàm nhiều chức năng tạo sự hoạt động ổn định cho hệ thống
kích thích, bao hàm cả các bộ ghi chép dữ liệu tự động, các sự kiện chẩn đoán và bảo
dưỡng.
II.3.3.1.Chức năng điều chỉnh.
-

Bộ điều chỉnh điện áp với PID (chế độ điều khiển tự động)
Bộ điều chỉnh dịng kích thích với PI (Chế độ điều khiển bằng tay)
Chức năng bù tải phản kháng, hoặc bù độ dốc khi có tải tác dụng
Chức năng chuyển đổi giữa các kênh điều khiển, giữa các chế độ hoạt động
thường trực/dự phòng.
Chế độ hoạt động tự động/bằng tay.
Bộ ổn định hệ thống công suất phù hợp với IEEE-PSS2A
Bộ ổn định hệ thống cơng suất tự thích nghi
Bộ ổn định hệ thống công suất nhiều dải.

trang 22


II.3.3.2.Chức năng giám sát và bảo vệ.
-

Thời gian tăng kích thích.

Bảo vệ q dịng (tức thời/ thời gian)
Bảo vệ Volts/Hertz
Bảo vệ mất kích thích
Nhiệt độ bộ chuyển đổi cơng suất
Nhiệt độ Rotor
Giám sát sự dẫn thyristor
Giám sát cầu chì của bộ chuyển đổi công suất
Giám sát quạt của bộ chuyển đổi công suất
Giám sát mạch đo lường.
Chức năng giám sát và bảo vệ được phân lớp theo 3 mức khác nhau:
o Chỉ hiện thỉ lỗi
o Chuyển đổi kênh hoạt động đến thứ 2 hoặc bộ điều chỉnh dự phòng hoặc
dùng bộ chuyển đổi cơng suất dự phịng.
o Đóng ngắt tức thời cả hệ thống kích thích.

II.3.3.3.Chức năng ghi dữ liệu
Phần mềm UNITROL 5000 có một bộ ghi các sự kiến (ghi chép tự động lỗi), nó có thể
ghi tới 100 sự kiện và cảnh báo với thời gian thực. Các sự kiện này được đọc và phân
tích với Panel điều khiển hoặc một phần mềm CMT.
Có đến 6 tín hiệu đo có thể được ghi chép trong thời gian thực với bộ ghi chép dữ liệu
(Bộ ghi chép tự động dữ liệu). Các dữ liệu này có thể được hiển thị trên màn hình trong
phần mềm hoặc hình LCD riêng.
II.3.3.4.Chức năng giám sát bộ xử lý.
Sau khi bộ cung cấp công suất được chuyển mạch on, bộ xử lý bắt đầu quá trình tự
kiểm tra. Bộ xử lý cũng giám sát sự biến đổi của điện áp cung cấp công suất.
Card xử lý có chức năng watchdog giám sát chính xác sự vận hành của chương trình.
II.3.3.5.Chức năng điều khiển ổn định hệ thống cơng suất (PSS).
Mục đích của PSS là cải thiện sự ổn định của nguồn bằng cách cản lại sự dao động của
tải.
PSS được thực hiện bởi bổ sung vào đầu vào của bộ điều chỉnh điện áp, mang lại hiệu

quả lớn đối với hệ thống kích thích tĩnh, nhưng cũng có hiệu quả cho hệ thống kích
thích quay. ABB đưa ra 3 kiểu khác nhau của PSS.
-

PSS phù hợp với IEEE

Với PSS phù hợp với 1EEE-PSS2A, cố định các đối số được xác định bởi sự tối ưu sự
cản với bộ lọc điều chỉnh lead/lag. Để xác định các đối số này, ABB có một phần mềm
tính tốn để lấy số liệu máy phát và dữ liệu hệ thống kích thích, cũng như máy biến áp
và độ cảm kháng của lưới.

trang 23


-

Bộ ổn định hệ thống cơng suất thích nghi (APSS)

Bộ ổn định hệ thống cơng suất thích nghi (APSS) làm việc với các đối số biến đổi được
tính tốn liên tục với các điểm làm việc và trạng thái dòng của hệ thống công suất. Với
UNITROL 5000, không cần phải bổ sung phần cứng như UNITROL P.
- Bộ ổn định hệ thống cơng suất đa dải (MBPSS)
Thay vì một bộ lọc LEAD/LAG, MBPSS có 3 dải điều chỉnh làm việc riêng lẻ. Đảm bảo
làm việc hiệu quả trên một dải tần số rộng 0.05…4.0Hz. Ba dải được thiết kế để ngăn
cản các dao động từ trường tại tần số thấp, trung bình và cao.
Bộ ổn định hệ thống nguồn là đặc thù tiêu chuẩn của hệ thống UNITROL500. Chức
năng này được thực hiện trong phần mềm của card đo lường. Mục đích của PSS là
thiết lập một tín hiệu ổn định được yêu cầu để cải thiện làm giảm dao động của máy
đồng bộ và dao động của hệ thống nguồn, vì thế để đóng góp ổn định hồn tồn hệ
thống. Thuật toán điều khiển của PSS là dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE Std.421-Type

2A
Sự ổn định tín hiệu phù hợp với kết quả tín hiệu nguồn tăng từ sự kết hợp các tín hiệu
đầu vào lưới điện (Pe) và tần số góc rotor (∆ω). Tín hiệu ra được đưa tới bộ điều khiển
AVR.
Hình II.6 Dưới đây mơ tả tồn bộ các hàm truyền và sự tính tốn đầy đủ cho tính năng
PSS

Trong đó:
Pe: tín hiệu đầu vào lưới điện
∆ω: tần số góc rotor.
Txx, Kxx: Hằng số thời gian
và hệ số của các khối.
Hình II.6: Tồn bộ các hàm truyền và sự tính tốn đầy đủ cho tính năng PSS

II.3.3.6.Chức năng truyền thông với hệ thống.
Panel phục vụ vận hành (LCP) nối với hệ thống thông qua giao tiếp RS485. Bộ hiển thị
4 line được sử dụng để chỉ chức năng của hệ thống, các đối số của hệ thống, giá trị đo
lường, các báo hiệu… dạng text. Hệ thống kích thích có thể được điều khiển thơng qua
các phím Push-buttons.

trang 24


Panel điều khiển LCP có thể được sử
dụng cho bộ điều khiển tại chỗ, hặc từ
xa. Kết nối truyền thông với bộ điều
khiển qua chuẩn ARCnet. LCP được sử
dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị
các gía trị hiện thời như điện áp và dòng
điện Satator, điện áp và dòng điện rotor,

công suất P, Q, tần số… và các sự kiện
trong quá trình vận hành.
Hình II.7: Panel điều khiển tại chỗ và từ xa

UNITROL 5000 có thể được kết nối tới
máy tính với phần mềm CMT và thơng
qua một kết nối quang. Điều này đảm
bảo truyền thông nhanh với hệ thống
kích thích. Các thao tác điều khiển hệ
thống có thể thực hiện ngay trên máy
tính. Việc hiển thị, giám sát các trạng
thái làm việc cũng dễ dàng.

Hình II.8: Khả năng truyền thơng với máy tính

trang 25