CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KÍCH TỪ 1.1.Tổng quan về công nghệ kích từ Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Chức năng điều khiển bao gồm việc 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 từ và các thiết bị khác không được vượt qua giới hạn. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng điện 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. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp… cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 - 3,5 KW/MVA của định mức máy phát. Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát ở đây xem như được giới hạn bởi các yếu tố: - Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao. - Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn - Nóng stator do dòng tải ở phần ứng lớn. - Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz) - Giới hạn nhiệt độ 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 sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích từ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng đáp ứng độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh. Về phương diện lịch sử, vai trò của hệ thống kích từ trong việc nâng cao hiệu quả hệ thống điện được phát triển liên tục. Hệ thống kích từ đầu tiên được điều khiển bằng tay để duy trì điện áp và công suất phản kháng của tải ở đầu ra của máy phát như mong muốn. Khi điện áp được điều khiển tự động lần đầu tiên, nó cho phản ứng rất chậm. Đầu năm 1920, người ta đã sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định độ tĩnh và hoạt động liên tục, đáp ứng nhanh. Đáng chú ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày nay càng phát triển, các bộ kích thích và điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh đã sớm được đưa vào trong công nghiệp. Hệ thống kích từ từ đó đã phát triển liên tục. Sự tiến bộ trong hệ thống điều khiển kích từ từ hơn 20 năm qua là nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn. Việc phát triển các mạch tích phân tín hiệu phân tự đã giúp cho các công nghệ điều khiển phức tạp có thể thực hiện một cách dễ dàng. Sự phát triển sau cùng là kỹ thuật số đã được đưa vào trong hệ thống kích từ. Thyristo tiếp tục được sử dụng cho mạch công suất. Chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý thực hiện bằng các tín hiệu số, mà các chức năng trước đó được thự hiện bởi mạch tín hiệu tương tự. Điều khiển bằng tín hiệu số được sử dụng rộng rãi ngày nay vì chúng rẻ hơn và độ tin cậy cao hơn các mạch tín hiệu tương tự khác. Chúng tiến bộ hơn nhờ tính liên động cao, cho phép thực hiện các công nghệ điều khiển phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của máy phát khác. Những hệ thống kích từ hiện đại thực tế có khả năng cung cấp các đáp ứng tức thời ở điện áp rất cao. Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể được chia làm 3 loại cơ bản dựa trên nguồn năng lượng mà bộ kích từ sử dụng: - Hệ thống kích từ một chiều. - Hệ thống kích từ xoay chiều. - Hệ thống kích từ tĩnh. Ở trong nội dung đề tài này, em chỉ xin được đề cập đến hệ thống kích từ xoay chiều: Hệ thống kích từ xoay chiều sở dụng máy phát điện xoay chiều như là nguồn năng lượng kích từ của máy phát chính. Thường máy kích từ có cùng trục với trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển (SCR) hoặc không có điều khiển (diode) để tạo ra dòng điện một chiều cần cho từ trường của máy phát. Bộ chỉnh lưu có thể là tĩnh hoặc quay. a. Hệ thống chỉnh lưu tĩnh Với hệ thống chỉnh lưu tĩnh, ngõ ra một chiều cấp cho từ trường cuộn dây của máy phát chính thông qua các vòng trượt. Khi chỉnh lưu không có điều khiển được sử dụng, bộ điều chỉnh sẽ điều khiển từ trường của bộ kích từ xoay chiều, như thế nó sẽ điều khiển tiếp điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Sơ đồ tuyến đơn giản của hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường được trình bày như hình 1. Bộ kích từ máy phát xoay chiều được kéo nhờ rotor của máy phát chính với năng lượng từ trường được cung cấp từ bộ chỉnh lưu Thyristor. Năng lượng của bộ điều chỉnh điện áp được cấp từ điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Khi bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor được sử dụng, bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp một chiều ở ngõ ra của bộ kích từ. Hình 1: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát điện xoay chiều Hình 2 biểu diễn sơ đồ hệ thống chỉnh lưu có điều khiển. bộ chỉnh lưu điện áp điều khiển việc dẫn của thyristor. Bộ kích từ của máy phát điện xoay chiều là tự kích và sử dụng điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để duy trì điện áp ở ngõ ra. Vì thyristor điều khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ khích từ nên hệ thống này cho đáp ứng nhanh ngay từ đầu (thời gian đáp ứng nhỏ). Hình 2: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển được cung cấp bởi máy phát xoay chiều Ở hình 1 và 2 có 2 kiểu điều chỉnh độc lập: - Bộ điều chỉnh xoay chiều tự động duy trì điện áp đầu cực máy phát chính bằng với điện áp ra mong muốn. - Bộ điều chỉnh một chiều duy trì điện áp kích từ máy phát là hằng số, xác định bằng điện áp chuẩn DC. Bộ điều chỉnh một chiều hay bộ điều khiển bằng tay được sử dụng khi bộ điều khiển xoay chiều bị hư hoặc cần ngừn làm việc. tín hiệu đưa vào bộ điều khiển xoay chiều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng điều khiển và bảo vệ. b. Hệ thống chỉnh lưu quay Với bộ chỉnh lưu quay, các vòng trượt và chổi than được bó, điện áp 1 chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trường máy phát chính. Phần ứng của bộ kích từ xoay chiều và chỉnh lưu diode quay kích từ máy phát chính. Một bộ kích từ xoay chiều phụ có một rotor nam châm vĩnh cửu quay với phần ứng của bộ kích từ và diode chỉnh lưu. Ngõ ra chỉnh lưu của stator bộ kích từ nhỏ cung cấp năng lượng từ trường tĩnh của bộ kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại của máy phát chính. Một hệ thống như vậy được gọi là một hệ thống kích từ không có chổi than. Nó được phát triển để tránh việc sử dụng các chổi than khi các dòng điện kích từ lớn cho các máy phát lớn. Tuy nhiên với chổi than và các vòng trượt hiện đại, bảo hành tốt, vấn đề cung cấp dòng kích từ lớn không quan trọng. hệ thống kích từ xoay chiều có và không có chổi than đều hoạt động tốt như nhau. Hiệu suất đáp ứng ban đầu của các kích thích dùng chổi than không cho phép trực tiếp đo lường dòng và áp từ trường của máy phát. Điều khiển bằng tay điện áp của máy phát chính được thực hiện bằng cách thay đổi trị số đặt nhập một chiều cho mạch cổng của thyristor. Hình 3: Hệ thống chỉnh lưu quay 1.2. Phạm vi ứng dụng của công nghệ Để cung cấp nguồn cho tải một chiều cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Để giảm công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược các tải một chiều một điốt( loại sơ đồ này gọi là sơ đồ có điốt ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt ngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại( nghĩa là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. 1.3. Yêu cầu của công nghệ Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V, I= 200A, U kt = 20V, I kt = 25A. . thống kích từ xoay chiều sở dụng máy phát điện xoay chiều như là nguồn năng lượng kích từ của máy phát chính. Thường máy kích từ có cùng trục với trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay chiều. sẽ điều khiển tiếp điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Sơ đồ tuyến đơn giản của hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường được trình bày như hình 1. Bộ kích từ máy phát. kích từ. Khi bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor được sử dụng, bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp một chiều ở ngõ ra của bộ kích từ. Hình 1: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát điện xoay chiều Hình