Hệ Thống Kích Từ Nhà Máy Thủy điện Tuyên Quang - 123doc

1. Khái niệm chung hệ thống kích từ: Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn phải có một dòng điện một chiều đưa vào rotor máy phát điện. Dòng điện kích từ là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rô to của máy phát để kích thích từ trường của Rô to máy phát. Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát( hệ thống kích từ). Dòng điện kích thích máy phát tạo ra từ trường cho Rô to và điều chỉnh điện áp máy phát nằm trong giải yêu cầu. Ngoài ra, dòng điện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát nối vào lưới. Để có thể thay đổi trị số của dòng 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 dòng điện kích thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp và viết tắt là AVR hay TĐK.

BÀI GIẢNG VÊ HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TUYÊN QUANG

I PHẦN MỞ ĐẦU:

1 Khái niệm chung hệ thống kích từ:

- Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp

kéo, còn phải có một dòng điện một chiều đưa vào rotor máy phát điện Dòng điệnkích từ là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rô to của máy phát để kích thích

từ trường của Rô to máy phát

- Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kíchthích máy phát( hệ thống kích từ) Dòng điện kích thích máy phát tạo ra từ trườngcho Rô to và điều chỉnh điện áp máy phát nằm trong giải yêu cầu Ngoài ra, dòngđiện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát nối vàolưới

- Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêucầu trên, cần phải có một bộ phận điều khiển Hệ thống mạch điện để điểu khiểndòng điện kích thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều

áp và viết tắt là AVR hay TĐK

Máy phát được đặc trưng bằng sức điện động EF và công suất phản kháng XF.Điện áp đầu cực được xác định theo biểu thức: UF = EF- jIF*XF.

Nếu EF= const, khi IF thay đổi thì UF thay đổi, để giữ UF= const thì phải thay đổi

EF tức là thay đổi dòng kích từ máy phát

Theo nguyên tắc tác động, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp chia làm 03nhóm:

- Điều chỉnh điện áp theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh(ví dụ theo độlệch của UF)

- Điều chỉnh điện áp tùy thuộc vào tác động nhiễu (ví dụ theo dòng điện củamáy phát IF, theo góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp máy phát,…)

- Điều chỉnh điện áp theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh và tác độngnhiễu

2.1 Nguyên tắc điều chỉnh theo dòng điện máy phát:

- Thiết bị compun dòng điện tác động theo nhiễu dòng điện IF của máy phát.Dòng điện thứ cấp I2 của BI tỷ lệ với dòng điện máy phát IF Dòng điện nàybiến đổi qua máy biến áp trung gian BTG, được chỉnh lưu và đưa vào cuộndây kích từ WKT của máy kích thích Dòng điện IK gọi là dòng điện Compun

đi vào cuôn dây kích từ của máy phát kích thích Như vậy dòng điện tổng

IKT+IK trong cuộn dây kích từ WKT của máy phát kích thích phụ thuộc vàodòng điện máy phát

- Biến áp BTG để cách ly mạch mạch kích thích của máy phát kích thích với

BI có điểm nối đất, ngoài ra nhờ chọn hệ số biến đổi thích hợp có thể phốihợp dòng I2 của BI với dòng compun IK

- Biến trở đặt Rđ để thay đổi một cách đều đặn dòng IK khi đưa thiết bịcompun vào làm việc, cũng như khi nó tác ra

Sơ đồ cấu trúc thiết bị compun kích từ máy phát

Ưu điểm của thiết bị compun là đơn giản, tác động nhanh

2.2 Phương pháp điều chỉnh Correctơ điện áp:

Sơ đồ cấu trúc của correctơ điện áp như sau:

- Correctơ điện áp là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động theo độ lệchđiện áp, thường được dùng kết hợp với thiết bọ compun kích từ để điềuchỉnh điện áp ở đầu cực máy phát một cách hiệu quả.

- Sơ đồ correctơ bao gồm các bộ phận: bộ phận đo lường ĐL và bộ phậnkhuyeechs đại KĐ Bộ phân đo lường ĐL nối với máy biến điện áp BU qua

tự ngẫu đặt TNĐ Khi điện áp thay đổi, bộ phận đo lường ĐL sẽ phản ứng vàđiều khiển sự làm việc của bộ phận khuyeechs đại KĐ Tự ngẫu đặt TNĐ đểthay đổi mức điện áp máy phát cần phải duy tri bởi correctơ Bộ phậnkhuyeecsh đại cũng được cung cấp từ BU và đưa dòng correctơ đã đượcchỉnh lưu IC vào cuộn kích từ phụ WKTf của máy kích thích Dòng IC vàocuộn kích từ phụ WKTf của máy kích thích Dòng IC đi qua cuộn kích từ phụcùng hướng với dòng trong cuộn kích từ chính WKT của máy kích thích

- Bộ phận đo lường gồm 2 phần tử: Phần tử tuyến tính TT và phần tử khôngtuyến tính KTT Phần tử tuyến tính TT tạo nên dòng điện tuyến tính ITT tỷ lệvới điện áp UF của máy phát, phần tử không tuyến tính KTT tạo nên dòngđiện IKTT phụ thuộc một cách không tuyến tính vào điện áp UF của máy pháttheo hình dưới đây

- Bộ phận đo lường làm việc theo nguyên tắc so sánh dòng ITT và IKTT Từ đặctính trên ta thấy rằng: Khi UF= U0, dòng ITT = IKTT lúc đó sẽ có dòng ICmin nhỏnhất đưa ra từ correctơ Khi UF giảm, ví dụ giảm đến U1 thì ITT> IKTT và tínhiệu từ bộ phận đo lường ĐL sẽ điều khiển bộ phân khuyeechs đại KĐ làmtăng dòng IC đưa vào cuộn dây kích từ phụ WKTf của máy kích thích để tăng

UF lên

- Khi điện áp UF tăng, ví dụ tăng tới U2 thí IKTT>ITT, lúc này cũng xuất hiệndòng IC>ICmin làm tăng UF Để ngăn chặn việc này trong sơ đồ Correctơ bố trịmột phần tử khóa khi IKTT> ITT

- Đặc tính của correctơ là quan hệ giữa dòng IC với điện áp trên thanh góp nối

máy phát Điểm a tương ứng với khi IC= ICmax xác định khả năng tăng cườngkích từ lớn nhất có thể đảm bảo bởi correctơ Dòng ICmin tại điểm d xác địnhkhả năng giảm kích từ thấp nhất khi UF tăng Sự giảm thấp của đặc tính ở

đoạn ac là do điện áp nguồn cung cấp cho correctơ bị giảm thấp cùng với sự

giảm thấp UF Đoạn de nằm ngang do tác dụng của phần tử khóa khi

IKTT>ITT

- Đặc tính correctơ như sau:

2 Phân loại và đặc điểm hệ thống kích từ:

Hệ thống kích từ được chia làm 03 nhóm chính:

- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều;

- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu không điềukhiển;

- Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển

2.1Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều:

- Trường hợp điều chỉnh dòng kích từ chỉ theo điện áp máy phát: Thay đổiđiện áp máy phát thông qua biến trở điều chỉnh

- Trường hợp thay đổi dòng kích từ theo độ biến thiên điện áp hay dòng điệnmáy phát If hoặc cả hai: Khi bộ AVR làm việc thì cuộn dây C1 làm việc ởchế độ bình thường, bộ C2 làm việc ở chế độ cường hành Tín hiệu đưa vào

bộ AVR thông qua Tu, Ti

- Nhược điểm loại kích từ này: Hằng số thời gian gia tăng điện áp là lớn vàgiới hạn điều chỉnh không cao

2.2Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu không điềukhiển:

- Hệ thống kích từ này có hai loại chính như sau: Dùng máy phát điện tần sốcao và máy phát điện xoay chiều không có vành trượt

2.2.1 Dùng máy phát điện tần số cao:

- Máy phát điện tần số cao được chế tạo theo nguyên tắc cảm ứng Roto máyphát không có cuộn dây, cuộn dây kích từ được đặt tại phần tĩnh Từ thông

biến đổi nhờ vào kết cầu rãnh của rotor Điện áp từ máy phát điện tần số cao

sẽ được chỉnh lưu để đưa vào rotor máy phát điện chính

- Nguyên lý hoạt động phương pháp này: Cuộn dây kích thích máy phát điệntần số cao sẽ được mắc nối tiếp với cuộn dây kích từ máy phát chính Máyphát điện tần số cao được ngắn vào một cơ cấu truyền động riêng, điều chỉnhđược tốc độ và khởi động bằng tư dư

- Ưu điểm của phương pháp này: Điện áp sau khi chỉnh lưu sẽ được bằngphẳng hơn và có khả năng chống nhiễu công nghiệp

- Nhược điểm: Thời gian gia tăng điện áp dài và bị giới hạn điện áp điềuchỉnh

2.2.2 Máy phát điện xoay chiều không vành trượt:

- Hệ thống kích từ này sử dụng máy phát xoay chiều ngắn đồng trục với máyphát điện chính làm nguồn cấp cho kích từ máy phát điện chính Máy phátxoay chiều không có vành trượt có kết cấu đặc biệt: Cuộn dây kích từ nằmtrên stato, cuộn day máy phát nằm trên rotor trên trục rotor được lắp bộchỉnh lưu do đó rotor máy phát điện chính nhận được ngay dòng điện 1chiều mà không qua chổi thanh và vành góp Cuộn dây kích từ máy phátđiện phụ được lấy từ nguồn bên ngoài và cũng được chỉnh lưu có điều khiển

- Ưu điểm: Thời gian nâng điện áp rất nhanh và có điện áp giới hạn kích từlớn.

- Nhược điểm:Chế tạo phức tạp

2.3 Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển:

- Yếu tố điều chỉnh điện áp máy phát trong thời gian ngắn là một khâu hết sứcquan trọng đảm bảo chất lượng điện năng Do đó việc tác động trược tiếpvào bộ AVR dẫn đến thay đổi điện áp kích từ ngay tức thời Vậy bộ chỉnhlưu có điều khiển thysristor ra đời sẽ đáp ứng được yêu cầu trên Nguồnchỉnh lưu được lấy từ một may phát điện hoặc điện tự dùng nhà máy để đảmbảo yêu cầu trên

2.4 Chức năng bộ AVR:

- Bộ điều chỉnh điện áp tự động có các nhiệm vụ sau:

• Điều chỉnh điện áp máy phát điện

• Giới hạn tỷ số điện áp / tần số

• Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện

• Bù trừ điện áp suy giàm trên đường dây

• Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, đề cân bằng sự phân phốicông suất vô công giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hànhnối lưới

• Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệthống, khi máy nối lưới

• Cường hành kích thích khi có sự cố trên lưới

Điều chỉnh điện áp của máy phát điện

- Bộ điều chỉnh điện thế tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máyphát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu Nó phải đưa ra nhữngmệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữa điện áp đođược và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất

- Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áptham chiếu này

Giới hạn tỷ số điện áp / tần số

- Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của Rotor còn thấp, tần số phát

ra sẽ thấp Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăngdòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra Điều này dẫn đến quá kíchthích: cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phátnhư biến thế chính, máy biến áp tự dùng sẽ bị quá kích thích, bão hòa từ,

và quá nhiệt

- Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điềuchỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đếnđiện áp tham chiếu

Điều khiển công suất vô công của máy phát điện

- Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉthay đổi điện áp đầu cực máy phát Quan hệ giữa điện áp máy phát đối vớidòng điện kích từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến khôngtải

- Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn sovới máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổiđiện áp lưới Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện

áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng (còn gọi làcông suất vô công, công suất ảo) của máy phát

- Khi dòng kích thích tăng, công suất vô công tăng Khi dòng kích thích giảm,công suất vô công giảm Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó,công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngượclại (chiều âm), nếu dòng kích thích tiếp tục giảm thêm

- Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy,

có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện

áp lưới dao động

- Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện

áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công Thực chất của việcđiều khiển này là điều khiển dòng kích thích khi công suất vô công và điện

áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áplưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý

Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây

- Khi máy phát điện vận hành độc lập, hoặc nối vào lưới bằng 1 trở kháng lớn.Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây Sụt áp này làm cho điện áp tại

hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng

- Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khảnăng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó.Tác động bù này giúp cho điện đáp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và

hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút

so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải

Để có được tác động này, người ta đưa thêm 1 tín hiệu dòng điện vào trongmạch đo lường Dòng điện của 1 pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biếndòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áptương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà tamuốn giữ ổn định điện áp.

- Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máyphát đã đo lường được Bộ điều áp tự động sẽ căn cừ vào điện áp tổng hợpnày mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện áp tổng hợp nói trên là khôngđổi Nếu các cực tính của biến dòng đo lường và biến điện áp đo lường đượcnối sao cho chúng trừ bớt lẫn nhau, ta sẽ có: Ump – Imp (r + jx) = const

- Như vậy chiều đấu nối này làm cho điện áp máy phát sẽ tăng nhẹ khi tăngtải Độ tăng tương đối được tính trên tỷ số giữa độ tăng phần trăm của điện

áp máy phát khi dòng điện tăng từ 0 đến dòng định mức

- Thí dụ khi dòng điện máy phát =0, thì điện áp máy phát là 100% Khi dòngđiện máy phát = dòng định mức, điện áp máy phát là 104% điện áp địnhmức

- Vậy độ tăng tương đối là + 4% Độ tăng này còn gọi là độ bù(compensation) Độ bù của bộ điều áp càng cao, thì điểm ổn định điện ápcàng xa máy phát và càng gần tải hơn

2.5.Chức năng phân phối công suất vô công giữa các tổ máy:

- Khi thay đổi kích từ của máy phát điện làm việc song song với các máy phátkhác thì công suất phản kháng cũng thay đổi theo Vì vậy vấn đề điều chỉnhkích từ của máy phát có liên quan chặt chẽ với vấn đề điều chỉnh và phânphối công suất phản kháng trong hệ thông điện

- Xét trường hợp hai máy phát làm việc song song nối chung ở thanh góp điện

KPT: hệ số phụ thuộc, đặc trưng cho độ dốc của đặc tính KPT nhỏ thì độ dốc

ít và ∆IFlớn tức công suất phản kháng tỷ lệ nghịch với KPT

II PHẦN CHI TIẾT VỀ THIẾT BỊ

1 Cấu tạo chi tiết:

Hệ thống kích từ có cấu tạo như sau:

- Máy biến áp khô T02;

- Khối chỉnh lưu cầu 3 pha G31, G32;

- Khối điều khiển kênh A, B và C;

- Khối bảo vệ quá áp F02;

- Khối mồi từ;

- Khối tạo nguồn điều khiển và kiển tra đồng bộ T05;

2 Khối điều khiển:

2.1 Các kênh điều khiển:

- Khối điều khiển gồm ba kênh: A, B và C trong đó kênh A và kênh B làmviệc ở chế độ tự động, kênh C làm việc ở chế độ bằng tay; Trong điều kiệnvận hành bình thường A làm việc chính, kênh B và C dự phòng Kênh B điềukhiển tự động luôn bám đổi kênh A khi kênh A bị sự cố nó sẽ tự độngchuyển sang kênh B, kênh B bị sự cố tự động chuyển sang kênh C và ngườivận hành phải tiến hành đi dừng máy

- Kênh A lấy tín hiệu điều khiển thông quá biến áp Pt1 và Ct1;

- Kênh B lấy tín hiệu điều khiển thông quá PT2 và Ct2;

- Tín hiệu kiểm tra đồng bộ điện áp cho cả ba kênh đều được lấy từ T05 phíathứ cấp máy biến áp kích từ.

2.2 Cấu tạo phần điều khiển:

2.2.1 Các khối điều khiển:

- Kênh điều khiển tự động A, B bao gồm:

01 CPU;

Module đo lường DSP;

Module vao ra I/O

01 Bus giao tiếp số;

01 Bus giao tiếp tương tự dùng cho kênh C;

01 khối LOU thao tác tại chỗ;

- Chức năng giưới hạn: quá kích từ V/F; gưới hạn cường hành; kém kích từ;giới hạn dòng Stator;

- Các chức năng khác: online dữ liệu, ghi sự kiện

* Thông số kỹ thuật CPU:

- CPU: 486DX5-133;

- APCI bus Interface;

- DOS interface;

- 4KB EEPROM;

- Công giao tiếp: RS232 hai cổng, RS485/422,RJ45;

- Nguồn nuôi (5.0VDc- 5.25VDC), dòng điện 4A

2.2.3 Khối DSP:

- Panel xử lý dữ liệu thông minh nó tiếp nhận dữ liệu thông qua (Panel AP4),

có 34 đầu vào dữ liệu cùng với 16 đầu ra tốc độ cao CPU có thể độc dữ liệucủa DSP thông qua RAM

* Chức năng chính:

- Kết nối dữ liệu: Điện áp và dòng điện máy phát, điện áp hệ thống, điện áp

và dòng điện máy biến kích từ

- Dữ liệu xử lý: Điện áp và dòng điện máy phát, điện áp hệ thống, dòng điệnkích từ, tần số điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng;

- Truyền dữ liệu: đến RAM, tới CPU

2.2.4 Khối I/O:

* Chức năng chính:

- Tiếp nhận dữ liệu điều chỉnh: Tăng hoặc giảm kích từ, dập từ, nghịch lưu…

- Thực hiện truyền thông điều khiển và kết nối nội bộ Canbus(Local Canbus);

- Báo lỗi PT, mất đồng bộ, tín hiệu Watchdog…

- Đầu ra là tín hiệu xung số (khối AP3) đưa

2.2.5 Khối panel tương tự(Ap4):

- Toàn bộ các tín hiệu đo lường TI, TU đầu cực máy phát, lưới, sau máy biến

áp kích từ được đưa vào khối này ( hay còn gọi là khối tương tự A/D ) toàn