Bài giảng môn Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 2: Vận hành máy phát điện

VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 
 HỆ THỐNG ĐIỆN
 Chương 2
 Vận hành máy phát điện
 TLTK: Trịnh Hùng Thám, Vận hành
 Nhà máy điện, NXB Khoa học và Kỹ
 thuật, 2007.
 Chương 2: Vận hành máy phát điện
2.1. Khái niệm chung về máy phát điện
2.2. Hệ thống làm mát
2.3. Hệ thống kích thích
2.4. Chế độ làm việc bình thường
2.5. Chế độ quá tải
2.6. Chế độ không đồng bộ
2.7. Chế độ không đối xứng
2.8. Máy phát làm việc với phụ tải điện dung 
 2
2.1. Các khái niệm chung về máy phát 
 điện
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2.1.2. Phân loại
2.1.3. Các thông số chính
 3
 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
• MF sử dụng phổ biến trong HTĐ là MFĐ đồng bộ ba
 pha
• Gồm 2 phần chính: Phần cảm và phần ứng. Phần cảm
 đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator.
 o Rotor có một hoặc nhiều cặp cực trên đó có cuộn
 dây được nối với nguồn DC, cung cấp dòng điện
 DC để tạo ra từ trường DC. 
 o Stator gồm một hoặc nhiều hệ thống 3 cuộn dây đặt
 lệch nhau 120o điện trong không gian. 
 4
• Hình vẽ cấu trúc của MF đồng bộ 3 pha đơn giản:
• Rotor MF được truyền động bởi turbine (động cơ sơ 
 cấp) như hình vẽ sau đây:
 5
• Khi rotor quay, từ trường quay rotor sẽ sinh ra sđđ 
 cảm ứng AC 3 pha trên các cuỗn dây stator. Nếu các 
 cuộn dây stator nối với tải sẽ sinh ra dòng điện AC 3 
 pha. HT dòng điện AC 3 pha sẽ sinh ra từ trường 
 quay, quay đồng bộ với rotor.
• Trong chế độ vận hành bình thường, turbine cung cấp 
 cơ năng cho MF cùng chiều với chiều chuyển động 
 của rotor, đặc trưng bởi mô men cơ Tm . MF biến cơ 
 năng thành điện năng cung cấp cho phụ tải, đặc trưng 
 bởi Te ( Te = Pω0).
 6
• Quá trình chuyển hóa năng lượng trong MF:
• Để đảm bảo MF làm việc ở tốc độ đồng bộ, mô men 
 cơ phải cân bằng với mô men điện: Tm = Te.
 7
2.1.2. Phân loại
 • MF sử dụng trong HTĐ chủ yếu gồm 2 loại: nhiệt
 điện và thuỷ điện.
 • (i) MF nhiệt điện:
 o Tốc độ quay lớn, kích thước máy nhỏ và hiệu suất
 cao
 o Turbine hơi
 o Rotor có dạng cực ẩn
 o Khởi động và dừng tổ máy lâu, thay đổi công suất
 chậm
 o Có giới hạn công suất vận hành cực tiểu (30-40%)
 8
• (ii) MF thủy điện:
 o Tốc độ quay thấp, kích thước máy lớn
 o Turbine nước
 o Rotor có dạng cực lồi, nhiều cặp cực
 o Khởi động và dừng tổ máy nhanh, thay đổi
 công suất nhanh
 o Không có giới hạn công suất vận hành cực
 tiểu.
 9
2.1.3. Các thông số chính
• Công suất định mức: Sđm, Pđm
• Điện áp định mức: Uđm
• Dòng điện định mức: Iđm
• Hệ số công suất định mức: cosφđm
• Điện kháng:
 o Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục: Xd và
 Xq
 o Điện kháng quá độ dọc trục và ngang trục: X’d và
 X’q
 10
o Điện kháng siêu quá độ dọc trục và ngang trục: 
 X’’d và X’’q
o Điện kháng thứ tự nghịch: X2
o Điện kháng thứ tự không X0
 11
2.2. Hệ thống làm mát
2.2.1. Vai trò của hệ thống làm mát
2.2.2. Các môi chất làm mát
2.2.3. Các hệ thống làm mát
a. Hệ thống làm mát gián tiếp
b. Hệ thống làm mát trực tiếp
 12
2.2.1. Vai trò của hệ thống làm mát
• Đảm bảo các phần tử của MF không vượt quá phát 
 nóng cho phép
• Tăng công suất đơn vị của MF
• Hiệu quả làm mát phụ thuộc vào môi chất làm mát và 
 phương pháp làm mát. Việc sử dụng môi chất và 
 phương pháp làm mát tùy thuộc vào công suất định 
 mức của MF. 
 13
2.2.2. Các môi chất làm mát
• Môi chất làm mát bao gồm: Không khí, hydro, dầu, 
 nước
• Hiệu quả làm mát phụ thuộc vào khối lượng riêng, tỷ 
 nhiệt, nhiệt dẫn , khả năng tỏa nhiệt và áp suất (đối 
 với chất khí).
 14
2.2.3. Các hệ thống làm mát
a. Hệ thống làm mát gián tiếp
• Môi chất làm mát chạy bên ngoài cách điện của dây 
 dẫn, trong các khe hở thông gió
• Hiệu quả làm mát thấp
• Môi chất làm mát là không khí hoặc hydro
(i) Hệ thống làm mát bằng không khí
• Hệ thống hở: Không khí làm mát được thổi vào MF 
 sau đó được thảy ra ngoài; đơn giản; kém hiệu quả; 
 thích hợp với MF công suất thấp 
 15
• Hệ thống kín: Sử dụng lượng không khí nhất định 
 chạy tuần hoàn; không khí sau khi làm mát MF sẽ 
 được làm mát bằng nước; hiệu quả cao; thích hợp với 
 MF công suất nhỏ và trung bình 
(ii) Hệ thống làm mát bằng hydro
• Chỉ sử dụng hệ thống kín
• Hydro chạy tuần hoàn trong các khe hở thông gió; 
 hydro sau khi làm mát MF sẽ được làm mát bằng 
 nước
• Áp suất hydro phải lớn hơn áp suất khí quyển nhằm 
 trách Oxy trong không khí xâm nhập vào MF
• Hiệu quả cao, thích hợp với MF công suất trung bình 
 và lớn 
 16
b. Hệ thống làm mát trực tiếp
• Sử dụng dây dẫn rỗng
• Môi chất làm mát là hydro hoặc nước
• Thực hiện cho cả rotor và stator
• Hiệu quả rất cao, phù hợp với MF có công suất lớn và 
 cực lớn
 17
2.3. Hệ thống kích từ
2.3.1. Nhiệm vụ và các thông số chính
2.3.2. Yêu cầu đối với hệ thống kích từ
2.3.3. Phân loại và đặc điểm
2.3.4. Tự động diệt từ trường cuộn kích từ
 18
2.3.1. Nhiệm vụ và các thông số chính
• Nhiệm vụ: Cung cấp dòng điện kích từ DC cho cuộn
 dây rotor MF khi vận hành bình thường và thực hiện
 kích từ cưỡng bức khi cần thiết
• Các thông số chính
 o Điện áp định mức Ufđm
 o Dòng điện định mức Ifđm
 o Công suất định mức Pfđm
 o Bội số kích từ cưỡng bức: KU, KI
 o Tốc độ kích từ
 19
2.3.2. Yêu cầu đối với hệ thống kích từ
• Đảm bảo cung cấp dòng điện kích từ trong chế độ vận 
 hành bình thường cũng như sự cố
• Trong chế độ vận hành bình thường, hệ thống kích từ 
 phải được tự động điều chỉnh ổn định với điện áp đầu 
 cực MF nằm trong phạm vi 5% khi phụ tải máy phát 
 thay đổi từ không đến định mức
• Tác động nhanh: Tốc độ kích từ ≥ 2Ufđm/s. Khi MF 
 làm việc với đường dây tải điện dài tốc độ kích từ 
 phải bằng (7 – 9)Ufđm/s
 20
• Đáp ứng nhanh: Đạt được điện áp kích từ lớn nhất có 
 thể có trong thời gian nhất định để đảm bảo phục hồi 
 sự làm việc bình thường khi giải trừ sự cố; Điện áp 
 kích từ cưỡng bức giới hạn lớn nhất được xác định 
 bởi quá điện áp cho phép của mạch kích từ, nói chung 
 không được nhỏ hơn 2Ufđm (khi MF làm việc với 
 đường dây dài, đại lượng này bằng (3-4)Ufđm); dòng 
 điện kích từ lớn nhất khi kích từ cưỡng bức giới hạn 
 phụ thuộc vào phát nóng cho phép của rotor; Thời 
 gian duy trì dòng điện này phụ thuộc vào kiểu kích từ 
 và bằng khoảng (20 – 50) s.
 21
2.3.3. Phân loại và đặc điểm hệ thống
kích từ
a. Hệ thống kích từ dùng máy điện một chiều
b. Hệ thống kích từ kiểu chỉnh lưu bán dẫn
 22
a. Hệ thống kích từ dùng máy điện một chiều
• Có 2 loại hệ thống kích thích dùng máy điện DC: Tự 
 kích từ và kích từ độc lập. 
• Hình vẽ:
 23
• Ba chế độ làm việc của sơ đồ:
(i) Điều chỉnh điện áp bằng tay
(ii) Điều chỉnh điện áp tự động
(iii)Chế độ kích từ cưỡng bức
• Xác định điện áp kích từ giới hạn lớn nhất có thể có và
 dòng kích từ giới hạn lớn nhất tương ứng
• Máy kích từ thường được gắn đồng trục với MF
• Sử dụng hệ thống chổi than vành góp nên độ tin cậy
 thấp
• Thích hợp với MF có công suất 100 – 150 MW
 24
b. Hệ thống kích từ kiểu chỉnh lưu bán dẫn
(i) Chỉnh lưu bán dẫn cố định
• Dùng nguồn AC là máy phát điện tần số cao
 25
• Dùng MBA nối với đầu cực MF
(ii) Chỉnh lưu quay
 26
2.3.4. Tự động diệt từ trường cuộn kích
từ
• Khi cắt MF cần phải nhanh chóng tự động diệt từ 
 trường cuộn kích từ
• Diệt từ trường bằng cách nhanh chóng giảm dòng 
 điện kích từ
• Diệt từ trường càng nhanh càng hạn chế ảnh hưởng 
 do điện áp MF gây nên, tuy nhiên do điện cảm của 
 cuộn kích từ lớn nên điện áp tự cảm rất lớn làm quá 
 điện áp cuộn kích từ
• Thời gian diệt từ trường được xác định sao cho quá 
 điện áp cuộn dây kích từ nằm trong phạm vi cho phép
 27
a. Diệt từ bằng điện trở tác dụng
 28
b. Diệt từ bằng buồng dập hồ quang
 29
c. Diệt từ bằng chỉnh lưu ngược
 30