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

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


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.


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


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


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.

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.


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


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


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


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*.


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


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.

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

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


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


(≈ 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

~



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


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

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


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.


Hình 2.8
24