Kích từ trong động cơ điện đồng bộ công suất lớn

Để giải quyết nguồn động lực dẫn động trong các nhà máy công nghiệp, với tải đòi hỏi động cơ điện dẫn động công suất lớn phải sử dụng động cơ điện đồng bộ công suất lớn vì loại động cơ này có tính ưu việt hơn hẳn động cơ không đồng bộ cùng công suất.

Trong các nhà máy công nghiệp, với tải đòi hỏi động cơ điện dẫn động công suất lớn (đôi khi lên đến vài nghìn kW, như trong ngành công nghiệp hoá chất với tải là máy nén khí cao áp) thì việc sử dụng động cơ không đồng bộ là không cho phép. Để giải quyết nguồn động lực dẫn động trong trường hợp này, phải sử dụng động cơ điện đồng bộ công suất lớn do loại động cơ này có tính ưu việt hơn hẳn động cơ không đồng bộ cùng công suất, ở chỗ:

– Có khả năng hoạt động ở Cosj=”1,” điều này cho phép nâng cao hệ số cosjcủa mạng lưới điện nhà máy và giảm kích thước-trọng lượng bản thân động cơ do dòng nhỏ hơn;

– Độ nhậy với dao động điện áp nguồn thấp hơn do mô men cực đại tỷ lệ bậc nhất với điện áp;

– Tần số quay không đổi và không phụ thuộc vào dao động tải (trong một giới hạn cho phép nào đó) trên trục rôto.

Tuy nhiên, khi sử dụng động cơ điện đồng bộ thì vấn đề kích từ với việc áp dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn, kỹ thuật điều khiển xung lại còn khá phức tạp. Qua hoạt động thực tiễn người viết bài nhận thấy: Khả năng tiếp nhận và sử dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn, kỹ thuật điều khiển pha-xung trong điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn của cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp còn nhiều hạn chế. Dẫn đến quá trình soạn thảo tài liệu kỹ thuật phục vụ cho khai thác vận hành, sửa chữa, quản lý và nâng cấp các hệ TĐĐ động cơ đồng bộ cũ rất khó khăn.

Với mong muốn làm rõ một phần các vấn đề kỹ thuật cơ bản của hệ TĐĐ động cơ điện đồng bộ công suất lớn, bài viết này giới thiệu vài vấn đề về kích từ động cơ điện đồng bộ với công suất động cơ đến 3000kW có áp dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn và kỹ thuật xung trong tự động điều khiển kích từ.

* Những đặc điểm kỹ thuật cơ bản của hệ TĐĐ động cơ đồng bộ công suất lớn:

    + Nguồn điện áp cung cấp cho Stato là nguồn trung áp 6kV-50Hz, cung cấp cho thiết bị kích từ là 380V-50Hz;Thiết bị kích từ (tủ kích từ) được chế tạo phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau:+ Dòng một chiều kích từ Rôto thay đổi từ 60A đến 125A;

    + Tự động điều khiển đảm bảo các chế độ: Chất lượng khởi động (phương pháp khởi động không đồng bộ được sử dụng) tốt, được hiểu gồm hai vấn đề là: Dập sức điện động cảm ứng E và tự động bơm dòng DC vào cuộn kích từ khi hệ số trượt s suy giảm đến giá trị »0,05 để đưa Rôto về tần số quay đồng bộ; Đóng-cắt máy cắt trung áp (cấp nguồn 6kV cho Stato) đồng thời điểm với tủ kích từ hoạt động một cách tự động trong các chế độ; Bảo vệ không đồng bộ; Cường kích.

    + Cho phép thao tác thực hiện các chế độ: Thử nghiệm các chế độ làm việc của tủ kích từ một cách độc lập; Điều chỉnh hệ số Cosj.

* Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu có điều khiển (Tiristo) kết hợp điều khiển “ĐÓNG-CẮT” máy cắt trung áp, như Hình 1.

Trong đó:

    + MC: Máy cắt trung áp có chức năng “ĐÓNG-CẮT” nguồn 6kV cho Stato động cơ đồng bộ ĐC. MC là loại máy cắt có các mạch điều khiển “ĐÓNG-CẮT” có sự can thiệp của các khí cụ điện trong tủ kích từ như khởi động từ K2, áp tômát Q, công tắc xoay CTX3.

    + Q: Áptômát có chức năng cấp nguồn 380V~ cho tủ kích từ, là loại áptômát có cặp tiếp điểm phụ thường hở Q tham gia vào điều khiển “ĐÓNG” MC.

    + BA: Biến áp lực có chức năng: Cấp nguồn phù hợp cho các Tiristo; Đảm bảo cho các Tiristo quan hệ với mạng lưới điện 380V~ qua môi trường từ . Biến áp được đấu nối theo kiểu D/Y (khi thực hiện chế tạo, ngoài tính toán công suất phù hợp còn chú ý đến cực tính các cuộn dây như trên Hình 1).

    + V1 đến V6: Các Tiristo lực có chức năng chỉnh lưu cho ra dòng DC thay đổi được bơm vào Rôto động cơ ĐC. Việc điều khiển các Tiristo này được thực hiện nhờ khối điều khiển pha-xung và giới hạn Imax là 155A.

    + QG: Quạt gió có chức năng làm mát quá trình tỏa nhiệt của V1-V6. Trong thực tế nên thiết kế QG gồm 6 quạt nhỏ mắc song song, trong đó 3 quạt hút lắp trên nóc tủ kích từ, 3 quạt thổi lắp dưới đáy tủ để tạo luồng gió tối ưu trong tủ.

    + F3a, F3b, F3c: Các cầu chì tác động nhanh có chức năng bảo vệ các Tiristo trong trường hợp xuất hiện xung dòng đỉnh và xung áp đỉnh. Các cầu chì tác động nhanh có kết cấu đặc biệt là có các cặp tiếp điểm thường hở KF3a,3b, 3c tương ứng, khi các cầu chì này tác động sẽ gây nên đóng các cặp tiếp điểm này, dẫn đến ngừng mọi chế độ làm việc của cả hệ thống TĐĐ.

    + F3a, F3b, F3c: Các cầu chì tác động nhanh có chức năng bảo vệ các Tiristo trong trường hợp xuất hiện xung dòng đỉnh và xung áp đỉnh. Các cầu chì tác động nhanh có kết cấu đặc biệt là có các cặp tiếp điểm thường hở KF3a,3b, 3c tương ứng, khi các cầu chì này tác động sẽ gây nên đóng các cặp tiếp điểm này, dẫn đến ngừng mọi chế độ làm việc của cả hệ thống TĐĐ.

Vinamain.com

Vinamain.com

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý chỉnh l­ưu có điều khiển bơm dòng DC cho Rôto động cơ đồng bộ đến 3000kW

+ Các mạch R-C mắc song song với các Tiristo có chức năng bảo vệ quá áp pha cho các Tiristo này. Bảo vệ quá áp dây cho các tiristo sử dụng mạch như Hình 2, ba đầu dây tự do được đấu nối tới 3 điểm A, B, C trên Hình 1.

Vinamain.com

Vinamain.com

Hình 2: Mạch bảo vệ quá áp dây

    + CTX1: Công tắc xoay 2 vị trí có chức năng đặt tủ kích từ vào các chế độ: Hoạt động cùng hệ TĐĐ hoặc thử các chế độ làm việc độc lập.

    + CTX2: Công tắc xoay 2 vị trí có chức năng chọn tín hiệu báo sự cố là chuông (CĐ) hay đèn (Đ4). Trong thực tế luôn để CTX2 ở vị trí cho chuông CĐ, khi xảy ra sự cố trong Hệ TĐĐ sẽ dẫn đến ngừng hệ và chuông kêu báo cho cán bộ kỹ thuật vận hành biết, sau đó chuyển sang báo sự cố bằng đèn (động tác này có thể tự động hoá bằng cách bố trí một IC timer trongmạch này);

    + CTX3: Công tắc xoay 2 vị trí có chức năng cho phép điều khiển “ĐÓNG” MC hoặc thử nghiệm độc lập tủ kích từ chuẩn bị cho hệ thống TĐĐ vào hoạt động;

    + K1, K2, RN là các khởi động từ và rơle nhiệt thực hiện chức năng bảo vệ và điều khiển liên động giữa MC và tủ kích từ;

    + Các phần tử còn lại như các đèn, đồng hồ, cầu chì có có chức năng báo trạng thái nguồn (trong thực tế thiết kế nên bố trí 3 đèn báo 3 pha với các màu tương ứng) đo VDC và ADC trong mạch động lực…

Từ việc mô tả chức năng các phần tử như trên, không khó lắm để hiểu nguyên lý hoạt động của tủ kích từ có gắn kết với điều khiển “ĐÓNG-CẮT” máy cắt MC. Trong hệ TĐĐ động cơ đồng bộ cần chú ý đến đặc điểm phải “ DẬP TỪ ” trong giai đoạn khởi động nhằm bảo vệ cuộn kích từ không bị đánh thủng lớp cách điện bởi sức điện động cảm ứng E. Cụ thể như sau: Khi Stato động cơ được cấp nguồn 6kV~ thì trong Rôto xuất hiện một sức điện động cảm ứng E, được tính theo biểu thức:

E = 4,44. f1.s.wkt.fm

Với: Fmlà biên độ từ trường quay;

wkt là số vòng dây cuộn kích từ trong Rôto;

f1 là tần số điện áp nguồn.

Tại thời điểm ban đầu của quá trình khởi động, do hệ số s»1, nên E có giá trị khá lớn và yêu cầu phải “DẬP” ngay E để bảo vệ cuộn kích từ (thường gọi trong thực tế là “DẬP TỪ”). Sơ đồ nguyên lý đơn giản mạch “DẬP TỪ” như Hình 3.

Vinamain.com

Vinamain.com

Hình 3: Mạch “dập từ”

* Điều khiển pha-xung thực hiện kích mở các Tiristo: Việc kích mở các Tiristo được thực hiện từ khối điều khiển pha-xung, có sơ đồ chức năng như Hình 4.

Vinamain.com

Vinamain.com

Hình 4: Sơ đồ chức năng khối điều khiển pha xung

Trong đó:

+ Rđc: Chiết áp điều chỉnh dòng kích từ;

+ U1: Điện áp tỷ lệ với dòng Stato;

+ U2: Điện áp tỷ lệ với P.cosj;

+ Bảo vệ không đồng bộ: Là khối có chức năng thực hiện phép toán xác định sự không đồng bộ. Khi xuất hiện sự không đồng bộ, khối này phát tín hiệu đến RL1 để RL1 tác động điều khiển “CẮT” MC, dẫn đến dừng hoạt động hệ TĐĐ;

+ Đầu vào kích áp (so sánh Ukt với giới hạn trên và dưới cho phép của nó, các giá trị giới hạn này do kỹ thuật viên cài đặt tương ứng với công suất động cơ) và Đầu ra toàn áp (phát điện áp đủ lớn gây tác động RL2 khi xuất hiện mất điều khiển): Là các khối có chức năng phát tín hiệu đến RL2 khi xuất hiện trường hợp mất điều khiển (điện áp Ukt luôn ở một giá trị không cho phép nào đó hoặc không điều khiển được), dẫn đến RL2 tác động điều khiển “CẮT” MC, dẫn đến dừng hoạt động hệ TĐĐ;

+ RL1 và RL2: Là các khối rơle có chức năng điều khiển “CẮT” MC, dẫn đến dừng hoạt động hệ TĐĐ;

+ Bộ tạo xung: Là khối có chức năng tạo các xung kích mở các V1-V6, thời điểm xuất hiện xung phụ thuộc góc quay của chiết áp Rđc.

Bộ tạo xung còn thực hiện việc tạo xung cường kích, chế độ cường kích diễn ra trong thời gian ngắn và được quyết định bởi rơle cường kích. Rơle này thường bố trí trong tủ máy cắt MC, rơle này có cặp tiếp điểm thường hở và thường đóng mắc nối tiếp nhau và nối tiếp vào bộ tạo xung. Các cặp tiếp điểm này tác động lệnh nhau một khoảng thời gian ngắn tương ứng với khoảng thời gian kích từ. Trong thực tế, với các động cơ đồng bộ có công suất dưới 2000kW thì không cần bố trí rơle này.

+ Khuyếch đại xung: Là khối có chức năng khuyếch đại xung lên công suất đủ lớn để kích mở các V1-V6.

Khối điều khiển pha-xung được cấp bởi 2 nguồn điện áp: Nguồn 3 pha 380V~ lấy ngay sau áptômát Q, nguồn 220V~ lấy sau khởi động từ K1. Như vậy, rõ rằng khối điều khiển pha-xung chỉ có thể hoạt động nếu mọi tình trạng kỹ thuật của cả hệ thống đảm bảo hạot động tốt.

Việc thiết kế và chế tạo tủ kích từ với các tính năng như trên không khó lắm, chỉ lưu ý nên sử dụng các mạch vi điện tử trong thiết kế-chế tạo khối điều khiển pha-xung. Trong thực tế, một số hãng tại Trung Quốc, Pháp, Đức… đã chế tạo sẵn mang tính thương mại cả khối này với nhiều tính năng khác. Vì vậy, khi chế tạo nên nhập nguyên khối này và khai thác sử dụng các tính năng cần thiết cho từng mục đích (ví dụ: Một hãng của Trung Quốc chế tạo khối này có ký hiệu KCL32/1-11A 11B).

* Những ứng dụng khác: Có thể ứng dụng trong điều khiển quá trình điện phân ở những bể điện phân lớn (thường dùng trong các nhà máy luyện kim mầu), nạp ắc quy với số lượng ắc quy lớn (thường dùng trong điều kiện không cho phép sử dụng máy phát điện như là một nguồn điện dự phòng, mà phải dùng ắc quy)… Trong những trường hợp này, cần chú ý:

+ Khối điều khiển pha-xung không cần khối điều khiển bảo vệ không đồng bộ và chuyển việc điều khiển trường hợp mất điều khiển, mất làm mát, cầu chì tác động nhanh về điều khiển cắt nguồn 380V~ cho tủ chỉnh lưu có điều khiển;

+ Ổn định dòng hoặc áp sau chỉnh lưu: Có thể lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng ngay trên hai đầu điện trở Rs của Ampe kế một chiều hoặc điện áp chỉnh lưu và đưa về bộ tạo xung để thay đổi thời điểm phát xung kích mở các V1-V6, qua đó thực hiện được tự động ổn định dòng hoặc áp ở giá trị đặt trước nhờ Rđc.

Nguồn: hiendaihoa.com

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s