II. HÖ thèng kÝch tõ m¸y ph¸t

Thiết bị điện-điện tử



Uf(t) = Ufgh ( Ufgh - Ufđm ) e-t/ Te



Đồ án cthiết bị điều khiển



(*)



Te hằng số thời gian của hệ thống kích từ

Ufgh



- điện áp kích từ giới hạn



Ufđm



- điện áp kích từ định mức



2. Phân loại và đặc điểm của một số hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ có thể chia làm bốn nhóm chính:

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu

Hệ thống kích từ dùng điện xoay chiều và chỉnh lu có điều khiển.

Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều.

II.2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

Trên hình II-2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.

Để điều chỉnh dòng kích từ If ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích

từ của máy phát điện một chiều. Biến trở R đc cho phép điều chỉnh bằng tay

dòng điện trong cuộn dây kích từ chính C1. Khi TĐK làm việc, dòng điện trong

các cuộn C2 và C3 đợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C 2 điều

chỉnh ứng với chế độ làm việc bình thờng, C2 ứng với chế độ kích thích cỡng

bức. Năng lợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đợc nhận qua máy

biến dòng và máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao

áp của máy biến áp tăng ).



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



10



Thiết bị điện-điện tử

C3



C2



Đồ án cthiết bị điều khiển



C1

KT



IF



CF



BI

MF

BU



Rđc



TĐK



Hình II-2. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng

máy phát điện một chiều



tới thiết bị đo lư

ờng



Máy phát điện một chiều trong hệ thống kích từ cũng có thể đợc kích

thích độc lập. Khi đó một máy phát điện xoay chiều nhỏ hơn sẽ đợc dùng làm

nguồn cung cấp cho cuộn dây C1 của máy phát điện kích thích chính.

Các phơng pháp quay máy điện kích thích.



c



BA



MP



a)



Đ



MP

b)



MP



Đ



MP



c)

a ) Máy phát điện kích thích nối cùng trục với máy phát điện chính.

b ) Máy phát điện kích thích quay bởi động cơ sử dụng điện áp lưới.

c ) MPĐ kích thích quay bởi động cơ sử dụng năng lượng từ MPĐ công

suất nhỏ.



Nhợc điểm chung của hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều là

hằng số thời gian Te lớn ( 0,3 ữ 0,6 ) giây và giới hạn điều chỉnh không cao

(Ufgh 2 ). Ngoài ra do có vành góp và chổi điện công suất chế tạo bị hạn chế.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



11



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



II.2.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu

Hệ thống kích từ dạng này có hai loại chính: Dùng máy phát điện xoay

chiều tần số cao và máy phát điện xoay chiều không vành trợt.

Ưu điểm của máy phát điện xoay chiều tần số cao, dòng điện một chiều

sau khi qua chỉnh lu có chất lợng ổn định ( độ bằng phẳng cao ), thiết bị có

kích thớc nhỏ, ngoài ra thiết bị làm việc với tần số cao còn có khả năng chống

đợc nhiễu công nghiệp.

Máy phát điện xoay chiều tần số cao đợc chế tạo theo kiểu cảm ứng.

Rôto không có cuộn dây, cuộn dây kích từ đợc đặt ở phần tĩnh. Từ thông thay

đổi là nhờ vào kết cấu răng rãnh của rôto.

Dòng điện này qua bộ chỉnh lu ba pha CL biến đổi thành dòng một

chiều. Hình II-4 trình bày sơ đồ hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều tần số

cao và chỉnh lu.

C3



C2



C1



Ff

CL



BI



CF



F

IF



BU



TĐK

Hình II-4. Hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh lưu



Cuộn kích từ chính C1 của máy phát điện ( MPĐ ) kích thích thờng đợc

nối nối tiếp với cuộn kích từ C f của máy phát. Các cuộn kích từ phụ C 2 và C3 đợc cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị TĐK với năng lợng nhận từ phía đầu cực

của MPĐ đồng bộ ( qua BU và BI ). Dùng MPĐ xoay chiều tần số cao làm

nguồn cung cấp, hệ thống kích từ có thể chế tạo đợc với công suất khá lớn và

có thể áp dụng cho các máy phát điện đồng bộ có công suất từ (100

300)MW. Hạn chế công suất trong trờng hợp này chủ yếu vẫn do tồn tại vành

trợt và chổi điện. Phơng pháp này còn có nhợc điểm là hằng số thời gian Te lớn

và Ufgh nhỏ.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



12



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Để tăng công suất kích từ lên nữa ngời ta áp dụng hệ thống kích từ

không vành trợt ( hình B-5 )

Hệ thống kích từ này sử dụng một máy phát điện xoay chiều ba pha

quay cùng trục với MPĐ chính làm nguồn cung cấp cho cuộn kích từ MPĐ

đồng bộ chính. Máy phát điện xoay chiều cho kích từ có kết cấu đặc biệt:

Cuộn kích từ đặt ở stato, cuộn dây ba pha đặt ở rôto. Dòng điện xoay chiều ba

pha tạo ra từ máy từ máy kích thích đợc chỉnh lu thành dòng điện một chiều

nhờ một bộ chỉnh lu công suất lớn gắn ngay trên trục rôto của máy phát. Nhờ

vậy, cuộn dây kích từ của máy phát điện chính Cf nhận ngay đợc dòng điện

một chiều mà không cần vành trợt và chổi điện. Để cung cấp nguồn cho cuộn

dây kích từ của máy phát kích thích (đặt ở stato ) dùng bộ chỉnh lu có điều

khiển, nguồn cung cấp cho nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số

cao hoặc từ nguồn điện xoay chiều bất kỳ.



CL



CLdk



BU

F



F1

phần quay



BI



TĐK

Hình II-5. Hệ thống kích từ không vành trượt



Tác động của TĐK đợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh lu

cấp điện cho cuộn kích từ của máy phát kích, làm thay đổi dòng kích từ tơng

ứng với mục đích điều chỉnh.

Ưu điểm của phơng pháp này là nâng cao đợc công suất chế tạo của máy

phát điện vì không có chổi than và vành trợt. Hằng số thời gian kích từ T e khá

nhỏ khoảng ( 0,1 0,15 )giây, điện áp kích thích giới hạn U fgh tơng đối lớn.

Tuy nhiên nó có nhợc điểm là chế tạo phức tạp, giá thành thiết bị đắt tiền.



II.2.3 Hệ thống kích từ dùng chỉnh lu có điều khiển



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



13



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Giảm thật nhỏ hằng số thời gian kích từ T e là một yêu cầu kỹ thuật quan

trọng xuất phát từ các bài toán đảm bảo độ ổn định và chất lợng điện năng.

Hằng số thời gian Te đợc xác định là hằng số thời gian tơng đơng của tất cả các

khâu, từ tín hiệu ra của bộ TĐK đến điện áp kích từ U f của máy phát đồng bộ

và thờng khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích. Vậy nếu tác

động của TĐK trực tiếp vào điện áp kích thích U f thì hằng số thời gian Te sẽ

giảm đi nhiều. Vấn đề này đã đợc giải quyết khi xuất hiện các loại chỉnh lu

điều khiển công suất lớn (sử dụng Tiristor ... ). Sơ đồ hệ thống kích từ trở nên

đơn giản ( hình II-6 ). Năng lợng cung cấp cho cuộn dây kích thích của MPĐ

đồng bộ có thể từ một máy phát điện xoay chiều ba pha có tần số từ ( 50

500 )Hz, hoặc từ lới điện từ dùng.

Trong mạch chỉnh lu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của

điện áp trên chỉnh lu, còn đòi hỏi một tín hiệu ( dòng điện ) xuất hiện trên cực

điều khiển thì bộ chỉnh lu mới cho phép dẫn dòng qua. Thờng ngời ta áp dụng

chỉnh lu ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ. Tốc độ điều chỉnh

của hệ thống này nhanh, có thể coi nh tác động tức thời vào điện áp kích từ.

Hằng số thời gian chỉ còn khoảng Te = ( 0,02 0,04 )giây.

nguồn

cấp



CLdk

F



TĐK



tín hiệu điều

khiển

Hình II-6. Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có

điều khiển



Do u điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng đợc áp dụng trong các

máy phát điện công suất trung bình và lớn có yêu cầu cao về chất lợng điều

chỉnh.



II.2.4 Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều có điều khiển.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



14



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển

N2



N1

R2

1



T1



C



T2



Rd

d



Sơ đồ mạch động lực T3 áp một chiều.

băm



Ud

Id

0



t

1



2

T



td

Sơ đồ điện áp & dòng điện đối với tải cảm.

Khi ta điều chỉnh góc mở của Tiristor () và điều chỉnh thời gian chu kỳ

(T) ta điện chỉnh đợc dòng điện tảI thay đổi .dòng điện này cung cấp cho cuộn

kích từ của máy phát.

Đặc điểm:

Đây là sơ đồ mới có độ điều chỉnh của hệ thống nhanh, có thể coi nh tác

động tức thời vào điện áp kích từ. Bên cạnh đó sự đóng các van còn gặp nhiều

khó khăn, mạch điều khiển phức tạp do đó cha đợc sử dụng rộng rãi.



Chọn sơ đồ mạch động lực.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



15



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



III. I. Tóm tắt lý thuyết

Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lu

với mục đích biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ

biến đổi này có thể là chỉnh lu không điều khiển và chỉnh lu có điêu khiển. Với

mục đích giảm công suất vô công, ngời ta thờng mắc song song ngợc với tải

một chiều một diod (loại sơ đồ này đợc gọi là sơ đồ có diod ngợc). Trong các

sơ đồ chỉnh lu có diod ngợc, khi có và không có điều khiển, năng lợng đợc

truyền từ phía lới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lu đó chỉ

có thể làm việc ở chế độ chỉnh lu. Các bộ chỉnh lu có điều khiển, không diod

ngợc có thể trao đổi năng lợng theo cả hai chiều.

Khi năng lợng truyền từ lới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn

làm việc ở chế độ chỉnh lu, khi năng lợng truyền theo chiều ngợc lại (nghĩa là

từ phía tải một chiều về lới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch

lu trả năng lợng về lới.

Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lu thành

một hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện và

điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch

trong một chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là

một chiều, hay xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp

một chiều hay xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của

tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều.

Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lu, với chuyển mạch tự nhiên, nguồn cấp xoay

chiều ba pha chúng ta có thể phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau:



A



Vũ công Lợng



T1



B



II-1. Chỉnh lu tia ba pha.



T2



C



TBĐ-ĐT 1_K42



L



T3

R



16



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Ud



Ud

Id

0



t1



Id



t2



t3



t4



t

I1

t



I2

I3



t1



t2



t3



t4



I1



t



I2



t



t



I3



t



t



t



t



t



UT1

b.



c.



Hình 2.1. Chỉnh lu tia ba pha



a. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đờng các cong khi góc mở = 300 tải thuần trở;

c- Giản đồ các đờng cong khi = 600 các đờng cong gián đoạn.

Khi biến áp có ba pha đấu sao ( ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van

nh hình 2.1.a, các catod đấu chung cho ta điện áp dơng của tải, còn trung tính

biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 120 0

theo các đờng cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dơng hơn

điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 120 0 ). Từ đó thấy

rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dơng hơn hai pha kia.

Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van

nào dơng hơn van đó mới đợc kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao

nhau đợc coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ đợc

mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (nh vậy trong

chỉnh lu ba pha, góc mở nhỏ nhất = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một

góc là 300).

Theo hình 2.1.b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, nh vậy

mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đờng cong



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



17



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



I1,I1,I3 trên hình 2.1.b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông

của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trờng hợp dòng điện trung bình

của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của

van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp

của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang

dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ữ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải

chịu một điện áp dây UAB, đến khoảng t3 ữ t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn

lúc này T1 chịu điện áp dây UAC.

Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ

thuộc góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn 300, các đờng

cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn > 300 điện áp và dòng điện tải gián

đoạn (đờng cong Ud, Id trên hình 2.1c).

A



B



C



A



A



B



C



t



a.



A

t



b.



Hình 2.2. Đờng cong điện áp tải khi góc mở

= 600

với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm.

Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đờng cong liên tục, nhờ năng lợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng

điện khi điện áp đổi dấu, nh đờng cong nét đậm trên hình 2.2b (tơng tự nh vậy

là đờng cong Ud trên hình 2.1b). Trên hình 2.2 mô tả một ví dụ so sánh các đờng cong điện áp tải khi góc mở = 600 tải thuần trở hình 2.2 a và tải điện

cảm hình 2.2 b



Trị số điện áp trung bình của tải sẽ đợc tính nh công thức (2-1) nếu điện

áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc mở

lớn) điện áp tải đợc tính:

Ud =



Udo





1

+sin 3

3







(2 1)



Trong đó; Udo = 1,17.U2f. điện áp chỉnh lu tia ba pha khi van la diod.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



18



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp.

So với chỉnh lu một pha, thì chỉnh lu tia ba pha có chất lợng điện một

chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao

bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trờng hợp này cũng tơng đối đơn

giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến

áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối

xứng làm cho công suất biến áp phải lớn , nếu ở đây biến áp đợc chế tạo từ ba

biến áp một pha thì công suất các biến áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến

áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung tính phải lớn

hơn dây pha vì theo sơ đồ hình 2.1. a thì dây trung tính chịu dòng điện tải.

II-2. Chỉnh lu tia sáu pha

T1



A



*



T2



B



A C* B A* C B*



*

*



T3



C

R



L

A*

B*

C*



T4



t



T5

T6



Hình 2.3. Chỉnh lu tia sáu pha.

a.- Sơ đồ động lực; b.- đờng cong điện áp tải.

Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha ở trên có chất lợng điện áp tải cha thật tốt lắm.

Khi cần chất lợng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn. Một

trong những sơ đồ đó là chỉnh lu tia sáu pha. Sơ đồ động lực mô tả trên hình

2.3a.

Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến

áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống

nhau và ngợc pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 60 0 nh mô tả trên

hình 2.3b. Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dơng hơn của các điện áp pha

với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng điện áp nh trên, ta thấy chất lợng điện áp

một chiều đợc coi là tốt nhất.



Vũ công Lợng



TBĐ-ĐT 1_K42



19



Thiết bị điện-điện tử



Đồ án cthiết bị điều khiển



Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 2.3b) chúng

ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ

đồ khác, thì ở chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do

đó sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn. Trong trờng hợp

đó chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn.

II-3. Chỉnh lu cầu ba pha.

Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng.

Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 2.4a có thể coi nh

hai sơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo

thành một chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn

T2,T4,T6 là một chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai

chỉnh lu này ghép lại thành cầu ba pha.

Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện

chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm

cần mở Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở

nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình

A

B

C

A

Uf2.4b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời

tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod các

0

t2 theo t4 tơng t6 t7

thời t1

điểm tiếp t3 cũng t5 tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển

cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha.

Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ

Ud có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ữ t2

pha

pha A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1,

T4 dòng điện dợc chạy từ A về B.

Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một

I1

X1

van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho

I3

X3

nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ữ t3 nh trên hình 1.11b Tiristor

I5

T1 nhóm anod dẫn, nhng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ữ t2 còn

X5

T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ữ t3. I2

X2

I4

X4



Vũ công Lợng



T4



T3



T6



I6



T1



T5



R



X6



T2



L



20



TBĐ-ĐT 1_K42



UT1