Hệ thống kích thích của máy phát điện là một trong những hệ thống quan trọng nhất trong máy phát điện và toàn bộ hệ thống điện và thường được coi là trái tim của máy phát điện. Hôm nay, chúng tôi sẽ cung cấp lời giải thích toàn diện và chi tiết từ ba khía cạnh: nguyên tắc, chế độ làm việc và chức năng.
I. Nguyên tắc cơ bản
Khái niệm cốt lõi: Điện tạo ra từ tính và từ tính tạo ra điện.
2. Cơ sở phát điện: Máy phát điện hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday - một dây dẫn kín chuyển động trong từ trường và cắt các đường sức từ sẽ tạo ra dòng điện.
3. Nguồn từ trường: Cần có từ trường mạnh. Từ trường này được tạo ra bởi cuộn dây kích thích (tức là cuộn dây rôto) mang dòng điện một chiều. Dòng điện một chiều này được gọi là dòng điện kích thích.
4. Chìa khóa điều khiển: Bằng cách điều chỉnh cường độ dòng điện kích thích, cường độ từ trường có thể được kiểm soát, từ đó xác định được điện áp đầu ra của máy phát và lượng công suất phản kháng mà nó tạo ra.
Tăng dòng điện kích thích → Tăng cường từ trường → Tăng điện thế bên trong máy phát → Có xu hướng tăng điện áp và tạo ra nhiều công suất phản kháng cảm hơn.
Giảm dòng điện kích thích → Làm suy yếu từ trường → Giảm điện thế trong máy phát → Có xu hướng hạ điện áp, tạo ra ít công suất phản kháng cảm ứng hơn (thậm chí còn hấp thụ công suất phản kháng).
Do đó, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống kích thích là cung cấp dòng điện kích thích một chiều có thể điều khiển được cho rôto của máy phát điện.
II. Phương pháp làm việc (Thành phần và quy trình hệ thống)
1. Hệ thống kích thích hiện đại chủ yếu sử dụng hệ thống tự kích thích tĩnh. Sơ đồ nguyên lý làm việc được thể hiện như sau:
2. Các thành phần cốt lõi tham gia vào quy trình trên và chức năng của chúng như sau:
1) Máy biến áp kích thích: Nó nhận năng lượng từ đầu máy, phục vụ chức năng giảm điện áp và cách ly điện, từ đó bảo vệ-các thiết bị điện áp thấp như cầu chỉnh lưu.
2) Cầu chỉnh lưu thyristor: Chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều có thể điều khiển được. Bằng cách thay đổi góc kích hoạt, cường độ của điện áp đầu ra dòng điện một chiều có thể được điều chỉnh trơn tru, từ đó kiểm soát chính xác dòng điện kích thích.
3) Bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR): Bộ não của hệ thống. Nó liên tục theo dõi điện áp đầu cực của máy phát và so sánh nó với giá trị đã đặt. Khi phát hiện sai lệch (chẳng hạn như giảm điện áp do tăng tải), nó sẽ ngay lập tức đưa ra lệnh thay đổi góc kích hoạt của thyristor, tăng dòng kích thích và đưa điện áp trở về giá trị cài đặt. Đây là quy trình điều khiển vòng lặp khép kín-tốc độ cao, liên tục.
4) Thiết bị chống từ hóa và bảo vệ quá áp rôto: Người bảo vệ hệ thống.
5) Loại bỏ từ hóa: Trong trường hợp có lỗi bên trong hoặc tắt máy phát điện, cần loại bỏ từ trường rôto một cách nhanh chóng và an toàn. Điều này đạt được bằng cách truyền năng lượng từ tính đến điện trở khử từ hóa để tiêu tán và đây là biện pháp hiệu quả nhất để bảo vệ máy phát điện.
6) Bảo vệ quá áp: Ngăn chặn hư hỏng lớp cách điện trong mạch rôto do hệ thống tăng vọt, hoạt động không đồng bộ, v.v., có thể tạo ra điện áp cao.
Các phương pháp khác: Bên cạnh hệ thống tự kích thích chính thống, còn có hệ thống kích thích truyền thống nhưng vẫn được sử dụng từ hệ thống kích thích riêng biệt (được cấp nguồn bởi một máy kích thích độc lập) và hệ thống kích thích không chổi than (sử dụng điốt quay để chỉnh lưu và không yêu cầu chổi than hoặc vòng trượt).
III. Chức năng chính
Hệ thống kích thích không chỉ cung cấp dòng điện một chiều. Nó cũng thực hiện các chức năng quan trọng khác:
1. Điều khiển và điều chỉnh điện áp
Đây là chức năng cơ bản nhất. Thông qua việc điều chỉnh tự động của AVR, điện áp tại đầu cực máy phát được duy trì ở mức định mức, đảm bảo chất lượng điện năng và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của phụ tải.
2. Điều khiển và phân phối công suất phản kháng
Khi vận hành ở chế độ nối lưới, việc điều chỉnh dòng điện kích thích có thể điều khiển được công suất phản kháng được máy phát gửi hoặc hấp thụ lên lưới.
Tăng cường kích thích: Xuất công suất phản kháng cảm ứng lên lưới để hỗ trợ điện áp lưới.
Khử từ: Giảm công suất phản kháng đầu ra, hoặc thậm chí hấp thụ công suất phản kháng cảm ứng từ lưới điện (vận hành không đối xứng) để giảm điện áp hệ thống quá cao.
Điều này rất quan trọng để duy trì sự ổn định điện áp và cân bằng công suất phản kháng của lưới điện.
3. Nâng cao độ ổn định vận hành song song của máy phát điện đồng bộ
Ổn định tĩnh: Một hệ thống kích thích mạnh mẽ và nhạy bén (chẳng hạn như sử dụng bộ ổn định hệ thống điện PSS) có thể triệt tiêu hiệu quả các dao động nhỏ trong hệ thống và tăng giới hạn công suất của đường dây truyền tải.
Ổn định nhất thời: Khi xảy ra sự cố nghiêm trọng như đoản mạch trên lưới điện, điện áp sẽ giảm mạnh.
Hệ thống kích từ sẽ thực hiện kích thích cưỡng bức, ngay lập tức nâng điện áp kích thích lên giá trị cực đại, bơm một lượng lớn công suất phản kháng vào hệ thống, giúp khôi phục điện áp lưới và duy trì máy phát điện không bị mất đồng bộ.
4. Chức năng bảo vệ
Thông qua việc ngắt từ hóa và bảo vệ quá áp, sự an toàn của thân rôto máy phát được đảm bảo.
IV. Bản tóm tắt
1. Nguyên lý: Điều khiển dòng điện kích thích để điều chỉnh cường độ từ trường, cuối cùng là điều chỉnh điện áp đầu ra và công suất phản kháng của máy phát.
2. Chế độ làm việc: Thường sử dụng hệ thống tự kích thích: được cấp nguồn bằng biến áp kích thích, được chỉnh lưu bằng thyristor và được điều khiển tự động bởi AVR để đạt được sự điều chỉnh chính xác và nhanh chóng.
3. Chức năng
1) Điều chỉnh điện áp: Duy trì ổn định điện áp.
2) Điều tiết công suất phản kháng: Kiểm soát dòng công suất phản kháng trong lưới điện.
3) Duy trì độ ổn định: Tăng cường độ ổn định tĩnh và nhất thời của hệ thống.
4) Bảo vệ an toàn: Tuyệt chủng từ hóa và bảo vệ quá áp.
Có thể nói rằng nếu không có hệ thống kích thích-hiệu suất cao, các máy phát điện đồng bộ lớn hiện đại sẽ không thể kết nối ổn định và đáng tin cậy với lưới điện, đồng thời chúng ta sẽ không thể tận hưởng nguồn điện chất lượng cao và có độ tin cậy cao.