-CHƯƠNG VI-

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
6.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .
Điện áp như đã biết, là một trong những chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng điện
năng. Trong quá trình vận hành bình thường mức điện áp ở từng nút của hệ thống điện
phải được giữ trong giới hạn cho phép. Trị số thực tế của điện áp ở mỗi nút của hệ
thống điện luôn thay đổi theo chế độ vận hành của hệ thống và cân bằng công suất
phản kháng ở từng nút phụ tải.
Cân bằng công suất phản kháng phải được thỏa mãn ứng với các thông số đảm
bảo điều kiện làm việc bình thường của lưới điện và các hộ tiêu thụ điện. Điện trở tác
dụng của các phần tử lưới điện thường có trị số không lớn lắm, còn điện kháng thì phụ
thuộc vào khoảng cách pha, nghĩa là phụ thuộc vào cấp điện áp của lưới điện. Nếu kể
cả điện kháng của máy biến áp thì điện kháng tổng của hệ thống có thể lớn hơn điện
trở tổng hàng chục lần.Vì vậy nếu vận chuyển công suất phản kháng từ chỗ này sang
chỗ khác của hệ thống sẽ gây nên tổn thất điện áp rất lớn trên các phân tử của hệ thống
điện.
Về mặt kinh tế, nên đảm bảo cân bằng công suất phản kháng ở từng cấp điện áp
của hệ thống điện, vì vậy vấn đề điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng trong hệ
thống điện mang tích cục bộ (địa phương) rất rõ rệt.
Nếu xét tổng thể hệ thống điện thì ở từng phần khác nhau, phương pháp và
phương tiện điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng rất khác nhau.
Điện áp trên thanh cái của máy điện và trong lưới cung cấp (truyền tải) có thể
điều chỉnh bằng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của máy phát điện. Các
máy phát điện đồng bộ có thể:
- Phát công suất phản kháng trong chế độ quá kích thích:
- Tiêu thu công suất phản kháng trong chế độ thiếu kích thích.
- Thay đổi điện áp và công suất phản kháng một cách liên tục (trơn, không nhảy
cấp).

thay đổi đầu phân áp của máy biến áp liên lạc sẽ làm thay đổi sự phân bố công suất
phản kháng giữa các lưới điện .
6.2. TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Và CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Ở
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng ở máy phát điện đồng bộ được thực
hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích từ trong cuộn dây rô-to của máy phát điện
thông qua máy tự động điều chỉnh kích từ (TĐK).
6.2.1. Các thông số đầu vào của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ.
1. Độ lệch tức thời của điện áp khỏi giá trị cho trước: Máy điều chỉnh tiếp
nhận độ lệch này và thay đổi dòng điện kích từ của máy phát điện nhằm khôi phục lại
trị số đã cho của điện áp.
Một số máy điều chỉnh không thể giữ chính xác trị số điện áp cho trước và có
thể có một sai số thống kê nào đó, sai số này càng bé nếu hệ số khuếch đại của máy
điều chỉnh càng lớn.
Khi điều chỉnh điện áp trên cực máy phát điện nhằm giữ cho điện áp máy phát
UF = const, ta có:
∆U F =

kc = −

∆U 0
1+ k

x
∆U F
= d 〉 0,
∆I F . P 1 + k

trong đó: ∆U F - sai số thống kê khi đưa máy điều chỉnh vào làm việc;
∆U 0 ≈ −∆I F .P . X d - độ lệch ban đầu khi chưa đưa máy điều chỉnh vào

* Nhiệm vụ: Nối tắt Rđc trong mạch kích từ của máy phát điện kích thích khi điện
áp đầu cực máy phát điện xoay chiều UF giảm nhiều ( lúc ngắn mạch ) nhằm mục đích
tăng kích từ đến trị số giới hạn để phục hồi nhanh chóng điện áp đầu cực máy điện
xoay chiều.
* Sơ đồ (hình 6.1)
* Nguyên lý làm việc
- Khi điện áp đầu cực máy phát điện giảm nhiều thì các rơ le 1RU, 2RU đóng
tiếp điểm, các rơ le 1RG, 2RG tác động, rơ le 3RG có điện đóng tiếp điểm nối tắt R đc
làm cho dòng kích từ của máy phát điện kích thích tăng nhanh, U KT tăng nhanh làm
cho IKTF tăng nhanh, dẫn đến tăng điện áp máy phát điện xoay chiều.
Dùng hai rơ le kém áp nối vào hai biến điện áp khác nhau đặt ở đầu cực máy phát
điện xoay chiều và dùng hai tiếp điểm của 1RG, 2RG nối tiếp với nhau, nhằm đảm bảo
cho thiết bị không tác động nhầm khi đứt cầu chì trong mạch của biến điện áp.
Nếu đứt cầu chì của một biến điện áp nào thì một trong hai rơ le kém áp tác động
đóng tiếp điểm thì chỉ có một trong hai rơ le trung gian có điện (1RG, 2RG) sẽ báo tín
hiệu đứt cầu chì.
Các rơ le kém áp được nối vào điện áp dây bảo đảm cho thiết bị kích từ cưỡng
bức tác động tốt khi ngắn mạch giữa các pha.
Chọn điện áp khởi động cho các rơ le kém áp
UKđR =

U dmF
trong đó: - kat = 1,2
k at .kv .nu

- kv = 1,05 ÷ 1,15
* Ưuku điểm: Thiết bị đơn giản nên được đặt ở hầu hết các máy phát điện và máy
bù đồng bộ.
* Nhược điểm: Không có tác dụng điều chỉnh trong vận hành bình thường
(khi điện áp đầu cực máy phát điện UF biến đổi ít theo phụ tải).


_

_
2RU

1RU
Từ 1BU đến

Từ 2BU đến

Hình 6 -1 Thiết bị tăng nhanh kích từ

2- Thiết bị giảm nhanh kích thích
* Nhiệm vụ:
Đưa thêm RP vào mạch kích thích của máy phát điện kích thích khi điện áp đầu
cực máy phát điện xoay chiều tăng nhiều (khi mất phụ tải đột ngột của máy phát điện
tuốc bin nước) nhằm mục đích làm cho điện áp máy phát điện xoay chiều được giảm
nhanh.
* Sơ đồ

∼

_
+

RP

BU


- kv = 0,8
* Phạm vi ứng dụng: Được trang bị cho các máy phát điện tuốc bin nước.
6.2.3. Thiết bị kompun dòng.
Thiết bị Kom pun dòng để thực hiện điều chỉnh điện áp của máy phát điện khi
dòng điện của máy phát IF thay đổi. Sơ đồ nguyên lý như hình 6.3.
Thiết bị Kom pun gồm chỉnh lưu CL, máy biến áp Kom pun BC và biến trở đặt R đ.
- Biến trở đặt dùng để xác định chế độ làm việc thích hợp nhất của Kom pun
(đưa nó vào làm việc cũng như cắt nó ra một cách từ từ) dùng để hiệu chỉnh Kom pun.
- Máy biến áp BC dùng để ngăn mạch kích thích máy phát điện kích thích với
mạch thứ cấp của máy biến dòng có điểm nối đất.
Dòng điện kích thích của máy kích thích gồm hai thành phần:
iKT = iRKT + iK
trong đó iRKT: thành phần dòng điện kích thích của máy kích thích qua biến trở kích
thích.
iK: thành phần dòng điện do thiết bị Kom pun cung cấp.
BI

∼

iKT
Rđc
iK

iRKT

BC

50

IF

0

IF

Hình 6-4
Quan hệ UF =f(IF) ở đầu cực máy phát khi có thiết
bị Kom pun

IFmin

IFđm

IF

Hình 6-5
Quan hệ UF =f(IF) ở đầu cực máy phát khi có thiết
bị Kom pun với góc ϕ khác nhau

* Nguyên lý làm việc:
- Khi IF tăng ( UF giảm ) thì iK tăng. Kết quả Kom pun điều chỉnh tăng điện áp UF.
- Khi IF giảm ( UF tăng ) thì iK giảm, Kom pun có tác dụng điều chỉnh điện áp UF.
- Quan hệ giữa IF và UF ở đầu cực máy phát điện khi có Kom pun như hình 6-4.
+ Đặc tính UF = f(IF) có điểm gẫy khi máy kích thích không có cuộn kích từ phụ.
Vì khi IF < IFmin thì điện áp ở hai đầu chỉnh lưu bé hơn điện áp một chiều ở hai
đầu cuộn kích thích nên không thể có iK.
Khi IF > IFmin thì áp ở hai đầu chỉnh lưu lớn hơn điện áp ở hai đầu cuộn kích thích
bắt đầu có iK. IFmin = ( 10 ÷ 30)IFđm, các máy phát điện nói chung không làm việc với
phụ tải nhỏ như vậy do đó nhược điểm này có thể bỏ qua.
+ Nếu máy phát điện kích thích có cuộn kích từ phụ thì đặc tính sẽ không có
điểm gẫy.


W∼

Wđk

Wđ

U
( R pt + R) 2 + (ωL) 2

Iđk

Trong đó R,L là điện trở và điện
cảm của cuộn dây W∼
Uđk
Rpt điện trở của phụ tải.
Thường thì ωL >> R nên với
Hình 6-6 Cấu tạo thiết bị corectơ điện áp
U∼ là hằng số và Rpt là hằng số thì trị
số của I∼ chỉ phụ thuộc vào điện cảm
L, mà điện cảm L lại phụ thuộc vào độ thẩm từ µ của lõi sắt.
* Vậy nguyên lý làm việc của khuếch đại từ là dùng một biến thiên công suất bé
trong cuộn điều khiển có thể khống chế được một biến thiên một công suất xoay chiều
lớn trên phụ tải.
* Hệ số khuếch đại của khuếch đại
từ là tỷ số giữa lượng biến thiên công suất
xoay chiều với lượng biến thiên công suất
một chiều tương ứng.
KP =



Hình 6 – 7 Quan hệ giữa B và H của lõi sắt

µ L, I∼
I∼


thì KP càng lớn.
* Tác dụng của cuộn đặt (Wđ): Cuộn
dây đặt dùng để xác định vị trí ban đầu
của đường đặc tính tính I ∼ = f(Iđk) của
khuếch đại từ. Khi có I đ bằng hằng số
trong cuộn Wđ thì ngay với iđk = 0 trong

Hình 6 - 8 Các đặc tính µ, L, I∼ theo Iđk

trụ giữa của khuếch đại từ đã có sẵn một từ thông chỉ khi (I đ = -Iđk) thì độ từ hoá trong
lõi sắt mới là nhỏ nhất.
Vậy khi thay đổi trị số và chiều của dòng điện đặt thì ta sẽ tịnh tiến đặc tính
I∼ = f(Iđk) sang phải hoặc sang trái trục tung (hình 6 - 9).
c. Khuếch đại từ có phản hồi.
Hệ số khuếch đại của khuếch đại từ được
đặc trưng bằng độ dốc của đặc tính I∼ = f(Iđk) .
I∼
Muốn thay đổi hệ số khuếch đại thì ta phải
thay đổi độ dốc của đặc tính I∼ = f(Iđk).
Để đạt mục đích trên ta dùng khuếch đại từ
có phản hồi.
Iđ =0
Trong khuếch đại từ có phản hồi, I∼ sau khi

U∼
Không có
phản hồi

WPh
Wđ
W∼

Iđk

Wđk

Hình 6 – 11
Đặc tính I∼ = f(Iđk) khi có IPh
Hình 6 – 10 Khuếch đại từ có phản hồi

2. Bộ phận đo lường.
Bộ phận đo lường cần cho tín hiệu độ lệch áp tỷ lệ của máy phát điện.
- Giả thiết khuếch đại từ có hai cuộn điều khiển nối vào hai mạch khác nhau về
tính chất nhưng được cung cấp từ một nguồn điện chung Uab ≡ UF (hình 6 - 12).
(i.Wđk)
Wđk1

R

(ixWđk2)

iR

(iRWđk1)

+ Khi UF > UFđm thì (iRWđk1) < (ixWđk2) nên (iWđk)Σ < 0.

54


Vậy khi điện áp đầu cực máy phát điện thay đổi thì (iW đk)Σ cũng thay đổi cả về trị
số và chiều, nguyên tắc này được ứng dụng để điều khiển khuếch đại từ.
3. Corectơ điện từ.
a. Sơ đồ (Hình 6-14)
b. Nguyên lý làm việc
* Corectơ thuận
- Trong corectơ thuận đầu ra của corectơ là i KTf1 đặt vào cuộn kích từ phụ cùng
chiều với dòng kích từ trong cuộn kích từ chính. Sức từ động trong cuộn phản hồi
cùng chiều với sức từ động trong cuộn điều khiển một.
(iW)ΣI = (iW)Ph + [(iW)đk1 - (iW)đk2]
hay sức từ động trong khuếch đại từ một là: (iW)ΣI = (iW)Ph + (iW)đkΣ

X

∼

iKT

iKTP2

iKTP1

Rđc

W∼


Wđk1

Wđk2

Hình 6 - 14
Sơ đồ nguyên lý iW
corectơ điện
Ph
từ
UF
0

iR

ix

iW

UFđm
đk∑
(a) UF < U
- Khi
1 thì (iW)ΣI của khuếch
đại từ 1 tăng lên làm cho dòng điện đầu ra
là iKTf1 tăng lên dẫn đến dòng kích từ tổng
của iW
máy
phát điện kích thích tăng lên. Kết
đk∑I

CL1 do đó có:
(iW)đk1 = (iW)đk2
Nhờ có chỉnh lưu CL1 mà sức từ động
tổng (iW)ΣI là đường nét đứt nằm ngang
(hình 6 - 15,b).
- Trong corectơ thuận người ta điều chỉnh cho điểm ứng với UFđm nằm về bên trái
điểm A trên hình 6 - 15,b.
Ứng dụng: Corectơ thuận được dùng cho các máy phát điện tuốc bin hơi vì máy
phát điện tuốc bin hơi ít có hiện tượng quá điện áp.
*Corectơ nghịch
Trong corectơ nghịch dòng đầu ra của khuếch đại từ hai ( KĐT II ) là iKTf2 ngược
chiều với dòng kích từ trong cuộn kích thích chính của máy phát điện kích thích. Sức
từ động trong cuộn phản hồi ngược chiều với sức từ động trong cuộn điều khiển một
(iW)đk1.
- Khi UF >U1 thì (iW)ΣII tăng cả về trị số do đó KĐT II được bão hoà thêm do đó
iKTf2 tăng làm cho corectơ nghịch có tác dụng điều chỉnh giảm điện áp UF∼ xuống.
- Khi UF < U1 thì dòng đầu của corectơ nghịch vẫn tăng, corectơ nghịch điều
chỉnh sai: Đáng lẽ cần làm tăng U F∼ thì lại làm UF∼ giảm hơn. Để tránh nhược điểm
này dùng chỉnh lưu khoá CL2.
Khi UF < U1 thì iRWđk1 > ixWđk2 sẽ có một thành phần dòng điện i R chạy qua
chỉnh lưu CL2 do đó có:
iRWđk1 = ixWđk2
Nhờ có CL2 mà sức từ động tổng của KĐTII là đường nét đứt nằm ngang.
Trong corectơ nghịch, người ta điều chỉnh cho điểm tương ứng với U Fđm nằm về
phía bên phải điểm A (hình 6 -16).
(iW)ΣII
0
UFđm

0

Khi các máy phát điện làm việc song song để có thể phân bố công suất giữa các
máy phát một cách ổn định đặc tuyến điều chỉnh điện áp của máy phát theo dòng điện
stato phải có một độ dốc dương nhất định (H6.18a). Để tạo nên độ dốc này có thể đưa
thành phần điện áp tỷ lệ với dòng điện stato vào điện áp đầu vào U TĐK của máy tự
động điều chỉnh kích từ.
UTĐK = U + IR

b)

a)
U
U0

UA

R

Udđ

TN

*

UTĐK = U + IR
BI

*

c)


dây (b) và đồ thị véc tơ (c)

Trên hình 6.18b và c trình bày sơ đồ đấu dây và đồ thị véc tơ tương ứng. Cần
lưu ý đến cực tính của các cuộn dây BI và BU cũng như việc chọn tổ hợp giữa dòng và
áp đặt vào TĐK. Nếu chọn dòng điện của một pha nào đó (chẳng hạn I A) thì điện áp sẽ
là điện áp dây của hai pha kia (U BC). Từ hình 6.18c có thể nhận thấy rằng, thành phần

57


phản kháng của IP của dòng điện stato sẽ có ảnh hưởng quyết định đến việc thay đổi trị
số của điện áp đầu vào UTĐK của máy điều chỉnh kích từ.
Khi dòng điện stato tăng lên thì điện áp đầu vào của TĐK cũng tăng theo, TĐK
sẽ cảm nhận như điện áp ở đầu cực máy phát tăng và sẽ tác động theo hướng giảm bớt
điện áp, tạo nên độ dốc dương của đặc tuyến điều chỉnh.
Thành phần điện áp do dòng điện stato đặt vào bộ phận đo lường của TĐK ở
chế độ làm việc danh định bằng:
∆U R = R.I dd F / n I ,
trong đó: R - điện trở mắc ở phía thứ cấp của máy biến dòng,
Idd – dòng điện danh định của máy phát, n1 – tỷ số biến của máy biến dòng.
Hệ số phụ thuộc (độ dốc) của đặc tính điều chỉnh có thể được xác định gần
đúng theo công thức sau:
∆U R cos α
kc ≅
kc ≅

U dd / nu

.100%,


U02

R1

2

U01

R2

1

R1> R2
Idđ

I

I
I1

I2

Hình 6.19. Thay đổi các đặc tính điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi hệ số phụ thuộc (a) và
dịch chuyển (tịnh tiến) đặc tính điều chỉnh (b)

Vì vậy, khi R có trị số càng lớn thì hệ số phụ thuộc k c càng lớn và mức độ phụ
thuộc của điện áp đầu cực máy phát vào dòng điện stato càng cao (hình 6.19a). Để giữ
điện áp đầu cực máy phát điện không thay đổi thành phần điện áp từ BU đặt vào bộ
phận đo lường để thay đổi UTĐK bằng biến trở hoặc biến áp tự ngẫu đặt ở phía thứ cấp
của BU (hình 6.20b).


Ip

UTĐK
Ia

BU

* *

UTĐK = U - IR

c)

IA
ỏ

A
B

Idđ I

C

IaR
UC

UTĐK

IpR


hoặc
kc % = −

∆U F *
∆I P*

.100 = −

∆U F * I Fdd
I
.
.100 = kc Fdd .100
U Fdd ∆I P
U Fdd

Điện áp trên thanh góp của nhà máy điện gồm nhiều máy phát điện làm việc
song song và phân bố công suất phản kháng giữa các máy phát điện phụ thuộc vào tác
động phối hợp giữa TĐK của các máy phát điện.
Sau đây sẽ đề cập đến một số phương pháp thường gặp để điều chỉnh công suất
phản kháng và điện áp giữa các máy phát điện làm việc song song lên thanh góp chung
của nhà máy điện.
a. Điều chỉnh theo đặc tuyến có độ phụ thuộc dương. Phương pháp đơn giản
nhất để điều chỉnh điện áp trên thanh góp nhà máy điện và phân bố công suất phản
kháng giữa các máy phát nối với thanh góp là điều chỉnh ở tất cả các máy có TĐK với
đặc tính được chỉnh định với hệ số phụ thuộc dương.
Vì độ biến thiên điện áp trên thanh góp giống nhau cho tất cả máy phát nên
phương trình đặc trưng cho quan hệ điều chỉnh của một máy thứ i nào đó có thể việt
dưới dạng:
∆U + kci∆Ipi = 0; ∀i = 1, n


∑ ∆I

pi

kcNMD
∆I pNMD
1 kci
∑
i =1 k ci

i =1
n

k ck
k ci

Như vậy, khi sử dụng phương pháp này điện áp trên thanh góp nhà máy điện
được điều chỉnh với hệ số phụ thuộc dương:
kcNMD =

1
n

1

∑k
i =1

ci

1

∑

2

Ip1

+Ip

Ip

Ip2
Ip2

Udđ
-Ip

I’p2
Ip1

2

Ip

Ip1

Ip

Ip2


61


Nếu TĐK của máy phát được chỉnh định ở chế độ độc lập (U’ F = const) thì đặc
tuyến điều chỉnh của bộ máy phát điện – máy biến áp sẽ có hệ số phụ thuộc dương, là:
UF = U0 + KcIp
Khi ấy điện áp trên thanh góp bằng:
U = (U0 + KcIp)N - I’PxB
= U’0 + KcNIP - I’PxB
= U’0 – (xB – K’c)I’P
trong đó:
N - hệ số biến đổi của máy biến áp
Máy điều chỉnh kích từ khi làm việc sẽ bù một phần điện áp giáng trong máy
biến áp. Phân bố công suất phản kháng tỷ lệ nghịch với đại lượng (x B – K’c).
b. Dịch chuyển đặc tính điều chỉnh có độ phụ thuộc dương. Phương trình
của đặc tuyến điều chỉnh của máy phát điện có dạng;
UF = Ud – kcQF
Trong đó:
QF – công suất phản kháng của máy phát điện
kc – hệ số phụ thuộc của đặc tuyến điều chỉnh theo công suất phản
kháng Q
Ud - điện áp đặt của máy phát điện khi QF = 0
Nếu giữ Ud = U0 = const thì điện áp trên thanh góp của nhà máy điện sẽ giảm
khi công suất phản kháng tăng.
Đã biết rằng trong nhiều trường hợp khi tiêu thụ công suất tác dụng tăng, tiêu
thụ công suất phản kháng cũng tăng (cos ϕ = const ), và do đó tổn thất điện áp trên lưới
điện tăng theo. Như vậy khi tăng công suất tác dụng cần phải tăng điện áp trên thanh
góp của nhà máy điện để giữ cho điện áp ở hộ tiêu thụ trong giới hạn cho phép.
Khi điều chỉnh điện áp theo phương pháp dịch chuyển đặc tính điều chỉnh có độ


P2 > P1
P1 > 0

Q1

P=0
Q2
QNMĐ
Q1

Q2

62 pháp dịch chuyển đặc tuyến
Hình 6.22 Điều chỉnh điện áp theo phương
điều chỉnh với hệ số phụ thuộc dương


c. Điều chỉnh theo tỷ phần phụ thuộc: Được sử dụng để điều chỉnh điện áp
theo quan hệ độc lập hoặc khác thường trên thanh góp nhà máy điện và phân bố công
suất phản kháng theo tỷ lệ giữa các nhà máy phát điện.
Quy luật điều chỉnh của mỗi máy phát điện theo phương pháp này khi điều
chỉnh theo quan hệ độc lập được thực hiện theo biểu thức sau:
n

∆U i + kci (QFi − βi ∑ QFk ) = 0;

i = 1, n

k =1

Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc khi ∆U = 0, vì rằng

n

∑β
i =1

i

= 1 vằ Kci >0 , công
n

QFk
suất phản kháng của máy phát thư i ở cuối quá trình điều chỉnh : QF1 = βi ∑
k =1

TĐK của mỗi máy phát điện sẽ điều chỉnh điện áp theo độ chênh lệch của công
suất phản kháng thực tế QFi so với trị số công suất phản kháng theo tỷ phần đã được
n

QFk
phân βi ∑
.Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc khi :
k =1
n

∆QFi = QFi -

βi ∑ QFk
k =1