Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện:
- Điều kiện về tần số: 2 máy phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số máy phải bằng tần số lưới.
- Điều kiện về điện áp: 2 máy phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp máy phải bằng điện áp lưới.
- Điều kiện về pha: 2 máy phải cùng thứ tự pha, và góc pha phải trùng nhau
Lý thuyết thì như vậy, nhưng thực tế, ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau. Vì nếu muốn cho góc pha của 2 phía trùng nhau, thì phải điều chỉnh tần số. Mà đã điều chỉnh tần số thì tần số không thể bằng nhau. Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau, thì mãi mãi chằng thể điều chỉnh được góc pha.
Vậy thì phải nói là tần số của 2 máy xấp xỉ bằng nhau. Sai biệt nằm trong khoảng Delta f cho phép. df này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơ le hòa điện tự động, hoặc rơ le chống hòa sai.
Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho df có trị số >0 một chút, nghĩa là tần số máy cao hơn tần số lưới một chút. Như vậy khi hòa vào lưới, máy phát sẽ bị tần số lưới ghì lại, nghĩa là máy phát sẽ phát một công suất be bé ra lưới ngay thời điểm đóng máy cắt.
Một số rơ le cho phép đóng cả khi tần số máy phát thấp hơn tần số lưới. Nhưng Vận hành viên thường vẫn điều chỉnh sao cho tần số máy cao hơn. Nếu tần số máy thấp hơn lưới, thì sau khi đóng máy cắt, máy phát sẽ bị tần số lưới kéo cho chạy nhanh lên, công suất sẽ bị âm một ít, mát phát làm việc ở chế độ động cơ.
Thông thường, các bộ điều tốc sẽ chỉnh định tốc độ FSNL [full speed no load] bằng 100,3 % định mức. Và đây cũng là tần số ban đầu để đưa hệ thống hòa đồng bộ vào vận hành.
- Với Df nhỏ hơn Df cho phép, thì khi hòa đòng bộ, công suất phát ra hoặc thu vào rất bé, không ảnh hưởng gì đến hệ thống.
- Tương tự, đối với điện áp. Người ta cũng cho phép điện áp có sai biệt chút ít so với điện áp lưới. Và thường người ta cũng chỉnh định sao cho điện áp máy phát bằng hoặc hơn U lưới một chút, để khi đóng điện thì công suất vô công của máy nhỉnh hơn 0 một chút. Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho U máy = U lưới chính xác mà không có vần đề gì.
- Điều kiện về Pha: đây là điều kiện bắt buộc, và phải tuyệt đối chính xác.
- Thứ tự pha, thường chỉ kiểm tra một lần đầu tiên khi lắp đặt máy. Từ đó về sau, không ai kiểm lại làm gì, ngoại trừ nếu có công tác gì đó phải tháo nhiều thứ ra và lắp lại.
Vì phải điều chỉnh tần số, nên 2 tần số không bằng nhau. Do đó góc pha sẽ thay đổi liên tục theo tần số phách = hiệu của 2 tần số. Các rơ le phải dự đoán chính xác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt, và phải cho ra tín hiệu đóng MC trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó. Thường khoảng dưới 100 ms đến vài trăm ms.
[hiendaihoa.com]
Ngay từ khi máy phát điện ra đời các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để tìm ra những giải pháp tối ưu nâng cao hiệu suất, nâng cao tính ổn định về điện áp và tần số của máy phát. Trong vận hành máy phát điện chịu ảnh hưởng của phụ tải điện, do các máy phát điện có công suất lớn thường có quán tính cơ điện rất lớn nên việc duy trì sự ổn định điện áp và tần số là việc làm khó khăn. Để duy trì ổn định điện áp máy phát điện ở trong giới hạn cho phép phải điều chỉnh liên tục dòng điện kích từ vào cuộn dây rotor máy phát điện. Hệ thống kích từ có chức năng cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của rotor máy phát, điều chỉnh bằng tay hoặc tự động dòng kích từ, thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới khi phụ tải biến động, nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống.
Hệ thống kích phân loại: 1- Hệ thống kích từ dùng MPĐ một chiều: hình 1.
Để điều chỉnh dòng kích từ If người ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích từ của máy phát điện một chiều. Biến trở Rđc 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 được điều chỉnh tự động: Dòng trong cuộn C2 được điều chỉnh tương ứng với chế độ làm việc bình thường, còn trong cuộn C3 – tương ứng với chế độ kích thích cưỡng bức. Năng lượng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK được nhận qua các máy biến dòng và máy biến điện áp phía đầu cực máy phát hoặc lấy từ thanh góp phía cao áp của máy biến áp tăng áp.
Máy phát điện một chiều trong hệ thống kích từ cũng có thể được kích thích độc lập. Khi đó một MPĐ một chiều nhỏ hơn sẽ được dùng làm nguồn cung cấp cho cuộn dây C1 của MPĐ kích từ chính. Để quay MPĐ một chiều kích thích người ta sử dụng năng lượng của chính trục quay của máy phát điện. Cũng có thể sử dụng một động cơ điện xoay chiều riêng cho mục đích này. Động cơ được cung cấp từ lưới điện tự dùng của nhà máy qua máy biến áp hoặc từ một MPĐ đồng bộ riêng ghép cùng trục với MPĐ chính nhưng có công suất nhỏ hơn nhiều [hình 1].
| Hình 1- Các phương pháp làm quay MPĐ kích thích |
Trường hợp đầu có ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành hạ, tốc độ quay ổn định không phụ thuộc vào điện áp của lưới điện tự dùng. Tuy nhiên, có nhược điểm là khi cần sửa chữa máy kích thích, nhất thiết phải dừng máy phát thuỷ điện, không thay thế được bằng nguồn kích thích dự phòng. Đối với máy phát thuỷ điện, tốc độ trục quay quá nhỏ cũng hạn chế công suất chế tạo MPĐ kích thích. Nhược điểm của phương pháp dùng động cơ điện xoay chiều là vận hành phức tạp, giá thành cao, chịu ảnh hưởng của sự thay đổi tần số và điện áp lưới [nhất là trong chế độ sự cố]. Về mặt này phương pháp cung cấp cho động cơ từ máy phát điện xoay chiều, nối cùng trục với máy phát điện tỏ ra có ưu điểm hơn. Nhược điểm chung của hệ thống kích từ dùng MPĐ một chiều là hằng số thời gian Te lớn [0,3 0,6s] và giới hạn điều chỉnh không cao [Ufgh 2,0]. Ngoài ra do dùng vành góp và chổi than nên công suất chế tạo bị hạn chế. Vì vậy hệ thống kích từ loại này thường chỉ được áp dụng ở các máy phát công suất nhỏ và trung bình.
2 – Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu
Có hai loại chính: Dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao và dùng máy phát điện xoay chiều không vành trượt. Máy phát điện xoay chiều tần số cao được chế tạo theo kiểu cảm ứng: rotor không có cuộn dây, cuộn kích từ cũng đặt ở phần tĩnh. Từ thông thay đổi được nhờ kết cấu răng rãnh của rotor [Hình 2].
| Hình 2- Hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh lưu |
Cuộn kích từ chính C1 của MPĐ kích thích thường được nối nối tiếp với tải của nó [cuộn Cf]. Các cuộn C2 và C3 được cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị TĐK với năng lượng 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 được với công suất khá lớn và có thể áp dụng cho các máy phát điện công suất [200 300] MW. Hạn chế công suất trong trường hợp này chủ yếu vẫn do tồn tại vành trượt và chổi than để cung cấp dòng điện kích từ cho rotor của máy phát thuỷ điện. Để tăng công suất kích từ lên hơn nữa người ta dùng hệ thống kích từ không vành trượt [hình 3].
| Hình 3 – Hệ thống kích từ không vành trượt |
Trong hệ thống kích từ trên người ta dùng một MPĐ xoay chiều ba pha quay cùng trục với máy phát điện làm nguồn cung cấp. Máy phát xoay chiều kích từ có kết cầu đặc biệt: Cuộn kích từ đặt ở stator, còn cuộn dây ba pha lại đặt ở rotor. Dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra ở máy phát kích thích được chỉnh lưu thành dòng một chiều nhờ một bộ chỉnh lưu công suất lớn cũng gắn ngay trên trục rotor của máy phát, nhờ vậy cuộn dây kích từ của máy phát điện Cf có thể nhận ngay được dòng điện chỉnh lưu không qua vành trượt và chổi than. Để cung cấp cho cuộn dây kích từ của máy phát kích thích [đặt ở stator] người ta dùng một bộ chỉnh lưu khác [thường là chỉnh lưu có điều khiển] mà nguồn cung cấp của nó có thể là MPĐ xoay chiều tần số cao hoặc nguồn xoay chiều bất kỳ khác. Tác động của TĐK được đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh lưu, làm thay đổi dòng kích từ của MPĐ kích thích, tương ứng với mục đích điều chỉnh. Ngoài ưu điểm có công suất lớn, hằng số thời gian kích từ Te của hệ thống kích từ loại này cũng khá nhỏ [0,1 0,15]s, điện áp kích từ giới hạn lớn hơn.
| Hình 4- Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển |
3 – Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển
Giảm thật nhỏ hằng số thời gian kích từ Te là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng, xuất phát từ các bài toán đảm bảo ổn định và chất lượng điện năng. Hằng số thời gian Te này được xác định là hằng số thời gian tương đương của tất cả các khâu, từ tín hiệu ra của TĐK đến điện áp kích từ Uf của máy và thường khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích. Nếu tác động của TĐK trực tiếp vào điện áp kích từ Uf thì hằng số thời gian sẽ giảm đi rất nhiều, điều này thực hiện được khi xuất hiện các loại chỉnh lưu có điều khiển công suất lớn [chỉnh lưu thuỷ ngân có cực điều khiển, các bộ thyristo]. Sơ đồ hệ thống kích từ như vậy rất đơn giản [hình 4].
Năng lượng [nguồn điện xoay chiều ba pha] cung cấp cho cuộn dây kích thích của máy phát điện qua chỉnh lưu có điều khiển CLĐ có thể là một máy phát điện xoay chiều ba pha tần số [50 60Hz], hoặc máy biến áp chuyên dùng. Khác với chỉnh lưu bình thường, trong chỉnh lưu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của điện áp trên chỉnh lưu, còn đòi hỏi có một tín hiệu [dòng điện] xuất hiện trên cực điều khiển mới có dòng điện chạy qua.
Hình 5 là sơ đồ và đồ thị điện áp ra tương ứng của chỉnh lưu có điều khiển một pha. Có thể thấy rằng, trong nửa chu kỳ điện áp thuận chiều, mạch điện cũng chỉ thông từ thời điểm có xung điều khiển. Tín hiệu điều khiển sau đó có thể mất đi nhưng mạch điện vẫn thông cho đến khi điện áp trên chỉnh lưu trở nên ngược chiều. Đến nửa chu kỳ thuận sau, mạch điện muốn thông lại vẫn cần xung điều khiển, thay đổi thời điểm đưa xung vào, có thể thay đổi được trị số hiệu dụng của điện áp ra. Trong hệ thống kích từ người ta áp dụng chỉnh lưu nhiều pha có điều khiển. Tốc độ điều chỉnh của hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển rất nhanh, có thể coi như tác động tức thời vào điện áp kích từ. Hằng số thời gian chỉ còn khoảng [0,02 0,04]s. Hiện nay, do ưu điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng được áp dụng rộng rãi trong các máy phát công suất lớn, có yêu cầu điều chỉnh điện áp cao. các thiết bị chính của hệ thống này bao gồm: bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR, máy biến điện áp TU, máy biến áp chuyên dùng 6 pha hoặc 12 pha, nguồn điện 1 chiều 220V…
| Hình 5 – Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển và đồ thị điện áp ra tương ứng |
a] Bộ tự động điều chỉnh điện áp [Automatic Voltage Regulator -AVR]:
Để duy trì điện áp đầu cực máy phát không đổi, dòng điện kích thích chạy trong cuộn dây rotor cần được tăng hay giảm theo sự thay đổi dòng tải hay hệ số công suất. Sự dao động điện áp đầu cực diễn ra thường xuyên, sự dao động đó được ngăn chặn bằng cách thay đổi trị số dòng điện kích từ: Khi điện áp tăng thì giảm dòng điện kích từ, ngược lại khi điện áp giảm thì dòng điện kích từ phải giảm đi tương ứng. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp đóng vai trò quan trọng của mỗi máy phát hoặc hệ thống tổ máy phát điện, nếu mất tính năng tự động điều chỉnh này thì không đáp ứng được yêu cầu chất lượng cung cấp điện. Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện áp. Bộ AVR được đấu nối với các máy biến điện áp một pha TU~ đặt ở trong tủ thiết bị điều khiển máy phát. Bộ AVR đáp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ thuộc vào tần số. Điện áp đầu cực của máy phát đồng bộ thay đổi phụ thuộc vào dòng tải và hệ số công suất của tải.
b] Máy biến áp chuyên dùng cho kích từ [MBACD]: MBACD có công suất bằng 1/10 công suất của máy phát điện, đây là máy biến áp 3 pha thông qua các chỉnh lưu có điều khiển [Thyristo] để chuyển thành điện 1 chiều cấp điện cho cuộn dây kích từ rotor. MBACD cũng giống như MBA tự dùng nhưng: – MBACD có từ 2 hoặc 4 cuộn dây thứ cấp, tạo ra 6 hoặc 12 pha điện áp thứ cấp. – Các cuộn dây 3 pha thứ cấp [W2 & W2’] đấu Y có điểm trung tính [cực o] đấu chung, khi các cuộn dây đấu vào Thyristo [cực o] sẽ trở thành [cực âm].
– Điện áp trên các pha là 230V~, điện áp các pha lệch nhau 60o hoặc 30o.
| Hình 8- Sơ đồ nguyên lý MBACD có tổ đấu dây [Y/ Y-o/ Y-o]; [ / Y-o/ Y-o]; sơ đồ véc tơ điện áp 6 pha và sơ đồ véc tơ điện áp 12 pha |
Để tạo ra MBA có 6 pha người ta dùng 1 MBACD 3 pha có tổ đấu dây [Y/ Y- o/ Y- o], 2 cuộn dây thứ cấp có chiều quấn dây ngược nhau, điểm trung tính [cực o] nối chung. Để tạo ra điện áp 12 pha người ta ghép 2 MBACD 3 pha có tổ đấu dây [Y/ Y-o/ Y- o] / Y- o/ Y- o], 4 cuộn dây thứ cấp có chiều quấn dây ngược nhau, điểm trung tính [cực o] nối chung [hình 7].
Có 12 cực a1, a3, c2, c4, b1, b3, a2, a4, c1, c3, b2, b4, mỗi cực đấu vào 1 Thyristor [thực chất Thyristo là Diode có cực điều khiển]. 12 cực điều khiển của 12 Thyristo đấu vào AVR. Bộ AVR điều khiển các Thyristor làm việc luân phiên liên tục đưa dòng điện 1 chiều vào cuộn dây kích từ để tạo ra điện áp và giữ ổn định điện áp trên cuộn dây stator của máy phát, bằng cách này giảm được thời gian làm việc của các thyristo, làm tăng độ bền và tuổi thọ của hệ thống chỉnh lưu. Ta gọi chế độ hoạt động đó là Diode quay [hình 9].
Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển hiện nay được dùng trong các nhà máy phát điện, nó không ngừng được cải tiến nâng cấp có kết cấu cực nhỏ gọn, góp phần hiện đại hóa hệ thống điện quốc gia.
Kỳ sau : Hệ thống AVR
TRỊNH QUANG MINH Ban quản lý đầu tư Tổng công ty điện lực Hà Nội
Số 184 [6/2016]