Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ
CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: CB101058

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN

HÀ NỘI - 2012
1 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 


KÍCH TỪ ..................................................................................... 11
1.1. Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ ................................ 11
1.2. Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ........................................ 12
1.2.1. Phân loại và ứng dụng ................................................................... 12
1.2.2. Cấu tạo ........................................................................................ 13
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ .................................. 15
1.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ ................................... 17
1.4.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ ........................ 17
1.4.2. Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ .................................. 18
1.4.2.1. Tải đối xứng thuần trở ........................................................... 19
1.4.2.2. Tải đối xứng thuần cảm ......................................................... 21
1.4.2.3. Tải đối xứng thuần dung ........................................................ 21
1.4.2.4. Tải đối xứng hỗn hợp ............................................................. 22
1.4.3. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ ............................ 23
1.4.4. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ................................... 24
1.4.5. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ ........................... 25
1.4.6. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ....................................... 26
1.4.7. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ .......................... 28
1.5. Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của máy
phát điện đồng bộ ............................................................................ 29
1.5.1. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song ................. 29
1.5.2. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng ............. 31
1.5.2.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P............................................ 31
1.5.2.2. Điêu chỉnh công suất phản kháng Q ...................................... 34
1.6. Hệ thống kích từ máy phát ................................................................. 37
1.6.1. Khái niệm chung ........................................................................... 37
3 
 



3.1. Quá trình mồi từ ban đầu ..................................................................... 76
3.2. Quá trình tạo điện áp đặt tự động ......................................................... 79
3.3. Chức năng bảo vệ trong hệ thống kích từ ............................................ 80
3.4. Tổng hợp hệ thống kích từ ................................................................... 87
Chương 4 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS............................................ 91
4.1. Dao động của máy điện đồng bộ.......................................................... 91
4.2. Chức năng ổn định hệ thống điện - PSS .............................................. 91
4.3. Mô hình bộ ổn định hệ thống điện ....................................................... 92
4.4. Mô phỏng hệ thống .............................................................................. 96
KẾT LUẬN .................................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 99
4 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ф

Từ thông cực từ rotor (Wb)

f

Tần số (Hz)


Dòng điện stator, dòng điện kích từ (A)

Iq

Dòng điện stator ngang trục (A)

Id

Dòng điện stator dọc trục (A)

Xưq, Xq

Điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục, đồng bộ ngang trục

Xưd, Xd

Điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục, đồng bộ dọc trục

Et, Xt

Sức điện động tản, điện kháng tản

φ

Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện stator

θ, Ψ

Góc lệch pha giữa E0 và U, giữa E0 và I



s.đ.đ

Sức điện động

ĐC

Bộ điều chế xung

TX

Bộ tạo xung

KĐ

Bộ khuếch đại xung

BAX

Biến áp xung

G-Th

Cực gate của thyristor

RC

Bộ điều chế xung

SS

Hình 1.13. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ .......................... 28
Hình 1.14. Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát cực lồi ................. 32
Hình 1.15. Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi .33
Hình 1.16. Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ ........... 35
Hình 1.17. Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ............................ 36
Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống kích từ .................................... 44
Hình 2.2. Dòng điện tạo ra cảm ứng từ ........................................................... 45
Hình 2.3. Cấu trúc bán dẫn của thyristor ........................................................ 47
Hình 2.4. Đặc tính vôn-ampe của thyristor ..................................................... 48

7 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 2.5. Yêu cầu đối với xung điều khiển của thyristor ............................... 51
Hình 2.6. Chỉnh lưu hình tia ba pha ................................................................ 54
Hình 2.7. Dạng điện áp và dòng điều khiển các van....................................... 55
Hình 2.8. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ................................................ 56
Hình 2.9. Dạng điện áp và dòng điện điều khiển các van ............................... 57
Hình 2.10. Giới hạn dòng điện phần ứng ........................................................ 63
Hình 2.11. Bảo vệ chạm đất rotor ................................................................... 66
Hình 2.12. Bảo vệ quá áp rotor ....................................................................... 67
Hình 2.13. Bộ crow bar ................................................................................... 67
Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tạo góc mở van ............................... 69
Hình 2.15. Bộ điều chế .................................................................................... 71

thời kỳ hiện nay của nước ta. Phát triển đất nước gắn liền với đầu tư và phát
triển các ngành công nghiệp, và ngành công nghiệp đầu tiên là các ngành
công nghiệp năng lượng đặc biệt là điện năng. Tập đoàn điện lực nước ta biết
được nhiệm vụ quan trọng của mình nên không ngừng tìm kiếm ra phương
thức để phát triển ngành công nhiệp này. Với tình hình đó tập đoàn luôn luôn
tìm kiếm thăm dò những nguồn năng lượng có thể tái tạo được và tập đoàn
tập trung khai thác nguồn năng lượng thủy năng của nước ta. Qua quá trình
nghiên cứu khảo sát tập đoàn đã lựa chọn Sơn La để xây dựng thủy điện lớn
nhất Đông Nam Á với nguồn thủy năng lấy trên con sông Đà. Trong nhà máy
sản xuất điện máy phát là phần tử không thể thiếu và bộ phận đóng vai trò
quan trọng là hệ thống kích từ. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật
và các thiết bị điện thì hệ thống kích từ không ngừng cải tiến công nghệ và
phát triển. Qua quá trình làm việc tìm hiểu nắm bắt công nghệ với hệ thống
kích từ tôi thấy cần nắm bắt công nghệ mới này để vận hành sửa chữa và có
thể ứng dụng để cải tạo các hệ thống kích từ công nghệ cũ ở các nhà máy
khác và tạo điều kiện trong tương lai làm tiền đề để các nhà máy phát điện có
thể ứng dụng công nghệ ổn định hệ thống điện PSS trong hệ hệ thống kích từ
vào trong hệ thống điện. Đồng thời đây cũng là một tài liệu thực tiễn cho các
sinh viên, học viên tham khảo.
Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu tôi lựa chọn đề tài: “ nghiên cứu điều khiển
hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ”. Nội dung luận văn bao gồm
những phần chính sau:

9 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB

Máy phát điện đồng bộ là một loại máy điện đồng bộ biến cơ năng
thành điện năng, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ
năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong,
tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác. Máy điện đồng bộ là loại máy điện
quay có tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường phần ứng n1. Ở
chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi
tải thay đổi.
Máy phát điện đồng bộ là thiết bị chính để cung cấp điện năng cho nền
kinh tế quốc dân. Nó có vai trò cung cấp công suất tác dụng (P) và công suất
phản kháng (Q) cho các phụ tải điện. Đặc biệt chúng có thể phối hợp điều
chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa các máy phát trong
một hệ thống điện sao cho phù hợp với yêu cầu của phụ tải.

11 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

1.2. Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ
1.2.1. Phân loại và ứng dụng

Hình 1.1. Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ gồm có hai loại cơ bản:
+ Máy phát điện đồng bộ cực ẩn (Hình 1.1.a)
Loại này thường có trục quay nằm ngang chiều dài lớn, đường kính nhỏ
hoạt động với tốc độ cao. Loại này thường được kéo bởi turbine hơi và


: Vành góp và chổi than

Rotor

: Mạch từ Rotor

Field winding

: Dây quấn kích từ

+ Stator
Stato của máy phát điện đồng bộ cũng giống như Stato của máy điện không
đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép Stato và dây quấn ba pha Stato. Lõi
thép Stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ lớp sơn
cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm
ngang trục để làm mát. Lõi thép Stator được đặt cố định trên thân máy. Dây

13 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

quấn Stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của
Stator .
+ Rotor

4, tốc độ quay rotor chậm, đường kính rotor lớn và chiều dài ngắn

và thường dùng cho các máy phát công suất nhỏ và trung bình.
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng trong đó các
năng lượng cơ dạng sơ cấp ( như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiêt năng
của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức
gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào turbine nối với
rotor của máy phát. Khi rotor được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và
cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor cắt qua dây
quấn phần ứng stator và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị
số hiệu dụng:
E0 = Ke.Φ.f

(1.1)

Ke = 4,44 .W1.Kdq

(1.2)

Trong đó:
Ke : Hằng số điện từ
E0 : Là sức điện động pha (V)
W1 : Số vòng dây quấn 1 pha (vòng)
Kdq : Hệ số dây quấn
Φ : Từ thông cực từ rotor ( Wb)
15 
 




(1.4)

n : Tốc độ từ trường quay ( vòng/phút)
Tốc độ quay của rotor đúng bằng tốc độ quay của từ trường. Do đó, kiểu
máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ xoay chiều.
Từ công thức (1.1) ta thấy để thay đổi suất điện động E0 ta có thể có hai
cách thay đổi tần số f (hay thay đổi tốc độ quay của rotor) hoặc thay đổi
từ thông (hay thay đổi dòng điện kích từ If). Nhưng khi điều chỉnh tốc độ
quay của rotor lại ảnh hưởng đến tần số của nguồn điện dẫn đến ảnh hưởng
đến chất lượng của nguồn điện. Chính vì vậy cách này trong thực tế rất ít
dùng. Mà trong thực tế sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy

16 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

phát bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát để thay đổi suất
điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của máy phát.
1.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ
Khi vận hành bình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối
xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát.
Công suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép
nhỏ hơn hoặc bằng công suất định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua
các đại lượng như điện áp, dòng điện đầu cực máy phát, dòng kích từ, hệ số


Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Trong đó:
Eưd là sức điện động dọc trục (V)
Xưd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục (Ω)
Id Là dòng điện dọc trục (A)
Từ thông tản của dây quấn đặc trưng bởi điện kháng tản Xt không phụ
thuộc vào hướng dọc trục hoặc ngang trục.
Et = -j.(Iq+Id).Xt

(1.7)

Et Là sức điện động tản (V)
Xt Là điện kháng tản (Ω)
Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn phần ứng (I.Rư) ta có phương trình cân
bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
U = E0 – j.Id.Xưd – j.Id.Xt – j.Iq.Xưq – j.Iq.Xt

(1.8.1)

U = E0 – j.Id.(Xưd + Xt) – j.Iq.(Xưq+Xt)

(1.8.2)

Đặt:
Xd = Xưq+ Xt

:là điện kháng đồng bộ dọc trục

trong trường hợp máy điện hai cực có m = 3 và mỗi pha được tượng trưng bởi
một vòng dây. Các sức điện động (s.đ.đ) và dòng điện trong ba pha là hình
sin.
1.4.2.1. Tải đối xứng thuần trở

19 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Khi tải là đối xứng và thuần trở thì dòng điện ba pha trong dây quấn stator
sẽ trùng pha với các s.đ.đ tương ứng (Ψ = 00). Xét tại thời điểm dòng điện pha
A đạt cực đại.

Hình 1.5. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường
cực từ và từ trường phần ứng ở tải thuần trở.

Như vậy vị trí không gian của từ trường quay của phần ứng Fư trong trường
hợp đó có chiều trùng với trục của dây quấn pha A là pha có dòng điện cực
đại. Vì từ thông xuyên qua pha A cực đại trước s.đ.đ trong pha đó một phần
tư chu kỳ nên khi s.đ.đ của pha A cực đại thì cực từ đã quay được một góc
Π/2 so với vị trí trục cực từ trùng với trục pha A là lúc từ thông xuyên qua
pha A có trị số cực đại. Như vậy vị trí không gian của trục cực từ là vuông
góc với trục của pha A (tức là vuông góc với chiều của từ trường Fư). Ta kết
luận ở tải thuần trở, phương của Fư vuông góc với phương của Ft và phản ứng
phần ứng là ngang trục.

Hình 1.7. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải thuần dung

Ở tải thuần dung, s.đ.đ. E chậm sau dòng điện I một góc 900 (ψ = - 900),
nên ở thời điểm iA = Im thì cực từ còn phải quay thêm một góc Π/2 nữa mới
đến vị trí của nó ở hình 1.7. Ta thấy ở đây Fư và Ft cùng phương cùng chiều
nhau và phản ứng phần ứng là dọc trục trợ từ.
1.4.2.4. Tải đối xứng hỗn hợp

22 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Hình 1.8. Đồ thị véc tơ s.đ.đ và quan hệ về không gian giữa các từ trường cực
từ và từ trường phần ứng ở tải hỗn hợp

Trong trường hợp tải hỗn hợp có thể phân tích Fư thành hai thành phần dọc
trục và ngang trục. Phần dọc trục Fưd cùng phương với từ trường cực từ, phần
ngang trục cùng phương với s.đ.đ của pha. Khi tải có tính cảm phản ứng vừa
ngang trục vừa khử từ. Khi tải có tính dung phản ứng phần ứng là ngang trục
và trợ từ.
1.4.3. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là quan hệ : E0 = U0 = f (it) khi I = 0 và f = fđm
Dạng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác
nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I). Khi it = const; cos = const và f = fđm.
Đặc tính ngoài cho thấy lúc dòng điện kích từ không đổi, điện áp máy
phát thay đổi theo tải. Để có đặc tính này phải thay đổi I sao cho cos = const
rồi đo U,I tương ứng với giá trị khác nhau của tải.

Hình 1.10. Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ
24 
 


Vũ Văn Vương 

Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB
 

Từ hình 1.10 ta thấy đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu tải
có tính cảm, khi I tăng phản ứng phần ứng bị khử từ, điện áp giảm nên đường
đặc tính đi xuống. Nếu tải có tính dung kháng thì I tăng, phản ứng phần ứng
là trợ từ, điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên. Khi tải là thuần trở
thì đường đặc tính gần như song song với trục hoành.
Độ thay đổi điện áp định mức ∆Uđm của máy phát điện đồng bộ theo định
nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cos

đm

đến không tải theo điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích. Trị số ∆Uđm
thường biểu thị phần trăm của điện áp định mức.
∆Uđm(%) =

  đ