Hệ thống Khích từ

Hệ thống Khích từ

Định nghĩa

Hệ thống khích từ là một thành phần quan trọng trong các máy đồng bộ, có nhiệm vụ cung cấp dòng điện trường cần thiết cho cuộn dây rotor. Nói cách khác, nó được thiết kế để tạo ra từ thông bằng cách truyền dòng điện qua cuộn dây trường. Các thuộc tính chính xác định một hệ thống khích từ lý tưởng bao gồm độ tin cậy không thay đổi trong mọi tình huống hoạt động, cơ chế điều khiển đơn giản, dễ bảo trì, ổn định và phản ứng nhanh chóng khi có biến đổi.

Mức độ khích từ mà một máy đồng bộ yêu cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm dòng điện tải, hệ số công suất tải và tốc độ quay của máy. Dòng điện tải lớn hơn, tốc độ thấp hơn và hệ số công suất chậm chạp đòi hỏi mức độ khích từ cao hơn trong hệ thống.

Trong một hệ thống khích từ, mỗi máy phát thường có riêng một máy khích từ, hoạt động như một máy phát điện. Trong hệ thống khích từ tập trung, hai hoặc nhiều máy khích từ được sử dụng để cung cấp điện cho thanh bus. Mặc dù cách tiếp cận tập trung này tiết kiệm chi phí, nhưng lỗi trong hệ thống có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến các máy phát đang hoạt động trong nhà máy điện.

Các Loại Hệ thống Khích từ

Hệ thống khích từ có thể được phân loại chủ yếu thành vài loại, với ba loại sau đây là quan trọng nhất: Hệ thống Khích từ DC, Hệ thống Khích từ AC, và Hệ thống Khích từ Tĩnh. Ngoài ra, còn có các loại phụ như Hệ thống Khích từ Rotor và Hệ thống Khích từ Không chổi than, sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.

Hệ thống Khích từ DC

Hệ thống khích từ DC bao gồm hai máy khích từ: máy khích từ chính và máy khích từ phụ. Bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống này bằng cách điều chỉnh đầu ra của máy khích từ. Điều chỉnh này nhằm mục đích kiểm soát chính xác điện áp đầu ra của máy phát. Đầu vào từ biến áp dòng điện vào AVR đóng vai trò bảo vệ, đảm bảo rằng dòng điện máy phát được giới hạn trong các tình huống lỗi.

Khi công tắc trường ở vị trí mở, một điện trở xả trường được kết nối song song với cuộn dây trường. Do tính chất cảm ứng cao của cuộn dây trường, điện trở này rất cần thiết để tiêu tán năng lượng đã lưu trữ, từ đó bảo vệ các thành phần hệ thống khỏi bị hư hỏng do điện áp cảm ứng.

Hệ thống Khích từ DC (Tiếp theo)

Cả máy khích từ chính và máy khích từ phụ đều có thể được cấp nguồn theo hai cách: hoặc trực tiếp bởi trục chính của máy đồng bộ hoặc độc lập bởi một động cơ bên ngoài. Máy khích từ trực tiếp thường là lựa chọn được ưa chuộng. Điều này là vì chúng duy trì sự toàn vẹn của hệ thống hoạt động của đơn vị, đảm bảo quá trình khích từ không bị ảnh hưởng bởi các gián đoạn bên ngoài.

Máy khích từ chính thường có điện áp định mức khoảng 400 volt, và công suất của nó khoảng 0.5% công suất của máy phát. Tuy nhiên, trong các máy phát tua-bin, vấn đề với máy khích từ tương đối phổ biến. Tốc độ quay cao của các máy này góp phần tăng mòn và làm hỏng, khiến máy khích từ dễ gặp sự cố hơn. Để giải quyết điều này, các máy khích từ chạy bằng động cơ riêng biệt được lắp đặt như đơn vị dự phòng, sẵn sàng thay thế trong trường hợp máy khích từ chính gặp sự cố.

Hệ thống Khích từ AC

Hệ thống khích từ AC tích hợp một máy phát và một cầu chỉnh lưu thyristor, cả hai đều được kết nối trực tiếp với trục chính của máy phát. Máy khích từ chính trong hệ thống này có thể hoạt động theo hai chế độ: tự khích từ, nơi nó tạo ra từ trường của mình để sản xuất điện, hoặc khích từ riêng biệt, dựa trên nguồn điện bên ngoài để khởi động quá trình khích từ. Hệ thống khích từ AC có thể được chia thành hai loại riêng biệt, mỗi loại có đặc điểm riêng, sẽ được khám phá chi tiết dưới đây.

Hệ thống Khích từ Thyristor Quay

Như được minh họa trong hình vẽ kèm theo, hệ thống khích từ thyristor quay có phần quay được xác định rõ ràng, được đánh dấu bằng đường nét đứt. Hệ thống này bao gồm một máy khích từ AC, một trường tĩnh và một armature quay. Đầu ra từ máy khích từ AC được chỉnh lưu thông qua mạch chỉnh lưu cầu thyristor sóng toàn phần. Đầu ra dòng điện một chiều đã chuyển đổi này sau đó được cung cấp cho cuộn dây trường của máy phát chính, cho phép tạo ra từ trường cần thiết cho hoạt động của máy phát.

Trong hệ thống khích từ thyristor quay, cuộn dây trường của máy phát cũng được cấp điện thông qua mạch chỉnh lưu bổ sung. Máy khích từ có thể thiết lập điện áp của nó bằng cách sử dụng từ thông dư. Đơn vị nguồn điện, cùng với cơ chế điều khiển chỉnh lưu, tạo ra tín hiệu kích thích được kiểm soát chính xác. Trong chế độ vận hành tự động, tín hiệu điện áp của máy phát được trung bình hóa và sau đó so sánh trực tiếp với giá trị điều chỉnh điện áp do người vận hành đặt. Ngược lại, trong chế độ vận hành thủ công, dòng điện khích từ của máy phát được so sánh với một giá trị tham chiếu điện áp được điều chỉnh thủ công riêng biệt.

Hệ thống Khích từ Không Chổi Than

Hệ thống khích từ không chổi than được mô tả trong hình vẽ dưới đây, với các thành phần quay được bao bọc trong hình chữ nhật có đường nét đứt. Hệ thống tinh vi này bao gồm một máy phát, một chỉnh lưu, một máy khích từ chính và một máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Cả máy khích từ chính và máy khích từ phụ đều được dẫn động bởi trục chính của máy. Máy khích từ chính có một trường tĩnh và một armature quay. Đầu ra của armature quay được kết nối trực tiếp, thông qua chỉnh lưu silic, với cuộn dây trường của máy phát chính, đảm bảo quá trình chuyển đổi điện năng cho mục đích khích từ một cách liền mạch và không có chổi than.

Máy khích từ phụ là một máy phát điện nam châm vĩnh cửu dẫn động bằng trục. Nó có các nam châm vĩnh cửu quay gắn trên trục và một armature ba pha tĩnh. Armature này cung cấp điện cho trường của máy khích từ chính thông qua chỉnh lưu silic, cuối cùng góp phần vào việc khích từ máy phát chính. Ngoài ra, trong một cấu hình khác, máy khích từ phụ, vẫn là máy phát điện nam châm vĩnh cửu dẫn động bằng trục, sử dụng các cầu thyristor điều khiển pha ba pha toàn sóng để cấp điện cho máy khích từ chính.

Hệ thống khích từ không chổi than mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý. Bằng cách loại bỏ việc sử dụng commutator, thu thập và chổi than, nó giảm đáng kể yêu cầu bảo dưỡng. Nó cũng có hằng số thời gian rất ngắn, với thời gian phản hồi ít hơn 0,1 giây. Hằng số thời gian ngắn này cải thiện hiệu suất động nhỏ của hệ thống, cho phép nó phản ứng nhanh chóng và chính xác hơn đối với các nhiễu điện nhỏ. Hơn nữa, nó đơn giản hóa việc tích hợp các tín hiệu ổn định hệ thống điện bổ sung, rất quan trọng để duy trì sự ổn định của lưới điện.

Hệ thống Khích từ Tĩnh

Trong hệ thống khích từ tĩnh, nguồn điện được lấy trực tiếp từ máy phát. Điều này được thực hiện thông qua một biến áp hạ áp ba pha kết nối sao/đelta. Cuộn dây sơ cấp của biến áp này được kết nối với thanh bus của máy phát, trong khi cuộn dây thứ cấp phục vụ nhiều chức năng. Nó cung cấp điện cho chỉnh lưu, chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cho mục đích khích từ. Ngoài ra, nó cung cấp năng lượng điện cho mạch điều khiển lưới và các thiết bị điện liên quan khác, đảm bảo hoạt động liền mạch của toàn bộ hệ thống khích từ và điều khiển.

Hệ thống khích từ tĩnh có thời gian phản hồi rất ngắn, cho phép nó phản ứng nhanh chóng với các thay đổi về điều kiện điện. Sự phản ứng nhanh chóng này, ngược lại, mang lại hiệu suất động xuất sắc, cho phép hệ thống duy trì hoạt động ổn định ngay cả dưới tải dao động và nhu cầu điện thay đổi.

Một trong những lợi ích chính của hệ thống này nằm ở khả năng giảm đáng kể chi phí vận hành. Bằng cách loại bỏ các máy khích từ truyền thống, nó loại bỏ tổn thất gió—năng lượng tiêu tán do ma sát giữa các bộ phận di chuyển và không khí xung quanh. Ngoài ra, không cần bảo dưỡng thường xuyên cuộn dây máy khích từ, chi phí bảo dưỡng được giảm đáng kể. Những đặc điểm tiết kiệm chi phí này làm cho hệ thống khích từ tĩnh trở thành một lựa chọn kinh tế hấp dẫn cho nhiều ứng dụng khác nhau.