SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Mục lục
Mở đầu ................................................................................................. 2
Chương 1. Tổng quan về các phương pháp ổn định điện
áp máy phát điện đồng bộ....................................................... 3
1. Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ................................ 4
2. Các đặc tính của Máy phát điện Đồng bộ. .................................. 8
3. Thiết bị tự động điều chỉnh. ....................................................... 14
4. Hệ thống tự động điều khiển kích từ ......................................... 20
Chương 2: Sơ đồ tự động điều chỉnh điện áp máy phát
điện........................................................................................... 24
1. Hệ thống kích từ ........................................................................ 24
2. Lựa chọn phương án................................................................. 31
3. Sơ đồ điều khiển cho hệ thống kích từ dùng máy phát
điện xoay chiều theo phương án lựa chọn................................ 31
Chương 3 - Thiết kế và tính toán mạch động lực ......................... 32
1. Chỉnh lưu có điều khiển ba pha................................................. 32
2. Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu ......................................................... 39
3. Tính chọn Tiristor....................................................................... 40
4. Tính biến áp động lực................................................................ 41
5. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực ........................... 50
Chương 4 - Tính toán các thông số của mạch điều khiển ........... 51
1. Nguyên tắc điều khiển Thyristor. ............................................... 51
2. Chọn các khâu trong mạch điều khiển. ..................................... 53
3. Tính biến áp xung ...................................................................... 60
4. Tính tầng khuếch đại cuối cùng................................................. 62
5. Chọn tụ C2 và R6 ........................................................................ 63
6. Tính chọn tầng so sánh ............................................................. 64
7. Tính chọn khâu đồng pha.......................................................... 64
8. Tạo nguồn nuôi.......................................................................... 66
9. Tính chọn Diod cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi ........................... 67
10. Tính khâu phản hồi điện áp ....................................................... 67
Kết luận .............................................................................................. 70
Tài liệu tham khảo............................................................................. 72
SV: TBĐ
Trg. 1
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Mở đầu
Ở bất kỳ Quốc gia nào, năng lượng Điện lực luôn luôn được coi là
ngành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát triển của
nền kinh tế. Nó đã và sẽ luôn hỗ trợ thúc đẩy sự phát triển của tất cả
các ngành khác. Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu
quả nhưng phải phù hợp chi phí luôn được coi trọng đặc biệt. Ý
nghĩa quan trọng mà cũng chính là mục tiêu cao cả nhất của chiến
lược phát triển ngành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao
đời sống của mỗi người dân và kết quả của nó sẽ là một Xã hội Văn
minh, Tiến bộ và Thịnh vượng.
Máy phát điện đồng bộ nói chung đóng một vai trò trọng yếu trong
hệ thống điện, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi rất cao. Trong
hệ thống điện, sự ổn định của mỗi một máy phát điện ở các khía cạnh
kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định tới sự vận hành an
toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát điện đó thì sự
đóng góp của bộ ổn định điện áp máy phát, cùng với các thiết bị ổn
định khác là không thể thiếu.
Bộ Điều khiển ổn định điện áp máy phát bằng điều khiển dòng/áp
kích từ đi (Điều khiển kích từ - ĐKT) vào máy phát đã có một lịch sử
phát triển sâu rộng. Kể từ ngày đầu việc điều khiển này được tự động
hoá, thiết bị chỉ đóng vai trò như một thiết bị cảnh báo cho người vận
hành để tác động điều chỉnh trực tiếp vào máy phát. Vào những năm
1920, khi con người nhận thấy vai trò quan trọng của việc ổn định
quá trình quá độ của hệ thống thông qua các bộ điều khiển đáp ứng
nhanh, các thiết kế các hệ thống kích từ và điều khiển điện áp đã tiến
hóa và cải tiến công nghệ không ngừng: từ kích từ có vành trượt đến
không vành trượt, từ thao tác bằng tay đến tự động hoá hoàn toàn
thông qua vai trò không thể thiếu của các thiết bị điện tử công suất.
SV: TBĐ
Trg. 2
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Tuy công suất máy phát được giao thiết kế (125kW) là rất nhỏ và
không thực sự đóng vai trò ổn định trong hệ thống điện lớn, nhưng
em cho rằng việc thiết kế một thiết bị nhỏ và quan trọng như vậy
cũng là nền tảng cơ bản cho mọi thiết kế các bộ ổn áp máy phát khác
dù lớn. Nội dung Đồ án thiết kế của em bao gồm 4 chương, trong đó:
Chương 1 đưa ra giới thiệu tổng quan về các phương pháp ổn
định điện áp máy phát điện đồng bộ
Chương 2 đề cập cụ thể vào các phương pháp ổn định điện áp
với các sơ đồ tự động điều chỉnh điện áp máy phát điện, và lựa
chọn ra phương án của đồ án thiết kế.
Chương 3 là các thiết kế và tính toán cụ thể cho mạch động
lực của sơ đồ đã chọn và
Chương 4 bao chùm phần tính toán cho các thông số của
mạch điều khiển và tổng hợp sơ đồ
Với sự hướng dẫn và giũp đỡ nhiệt tình của Giáo viên hướng dẫn –
Thầy Trần Văn Thịnh, em ước mong rằng đồ án tốt nghiệp này sẽ
đưa đến một kết quả tốt nghiệp tốt đẹp, nhưng trên hết nó sẽ tạo và
xây dựng cho em một nền tảng kiến thức cơ bản, vững chắc trong
cuộc sống lao động kỹ thuật của một kỹ sư sau này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy giáo Trần Văn Thịnh
về những kiến thức, hướng dẫn, chỉ bảo mà Thầy đã dành cho em
trong thời gian học và đặc biệt trong việc hoàn thành đồ án này. Em
cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy Cô giáo khác của Bộ môn
Thiết bị Điện - Điện tử nói riêng và các Thầy Cô Khoa Điện và
Trường ĐH Bách khoa HN nói chung đã 5 năm vất vả nhiệt tình dạy
bảo và đã cho em những công cụ bằng các kiến thức để xây dựng
tương lai.
Chương 1. Tổng quan về các phương pháp ổn
định điện áp máy phát điện đồng bộ.
SV: TBĐ
Trg. 3
SV: TBĐ
1.
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ (MFĐ) thường được kéo bởi tuốc-bin hơi
hoặc tuốc-bin nước, vì vậy chúng được gọi chung là máy phát tuốcbin hơi hoặc máy phát tuốc-bin nước. Đối với tuốc-bin hơi, do đặc
trưng là tốc độ cao cỡ vài nghìn vòng phút nên máy phát thường có
kết cấu rô-to cực ẩn, với đường kính nhỏ để giảm thiểu lực ly tâm và
ngược lại, đối với tuốc-bin nước, tốc độ thấp nên thường có rô-to cực
lồi, đường kính có thể lên tới 15m tuỳ thuộc công suất của máy.
MFĐ ba pha (MFĐ3) thường gặp cơ bản là máy phát điện mà dòng
điện một chiều được đưa vào quận dây kích từ không thông qua vành
đổi chiều. Cực từ của MFĐ3 được kích thích bằng dòng điện một
chiều được đặt ở phần quay, còn dây quấn phần ứng với 3 điểm đối
xứng trên nó được nối ra ngoài tải thì được đặt ở phần tĩnh. Cũng có
thể đặt cực từ ở phần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phần quay giống
trong máy điện 1 chiều như ở máy điện đồng bộ công suất nhỏ, vì sự
trao đổi vị trí đó không làm thay đổi nguyên lý làm việc cơ bản của
máy. Nguyên lý làm việc cơ bản như sau:
Stator của máy phát điện đồng bộ có dây quấn 3 pha được đặt cách
nhau một góc 120o trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng
ra các điện áp cung cấp ra tải (Hình 1.1). Còn rotor của máy phát, với
cấu tạo dây quấn cực từ (cực lồi đối với máy phát có tuốc bin tốc độ
thấp như các máy phát tuốc bin nước, và cực ẩn đối với tuốc bin có
tốc độ cao như máy phát Diesel, tuốc bin hơi và khí) làm nhiệm vụ
cung cấp từ trường.
A
N
SV: TBĐ
Trg. 4
S
B
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Hình 1.1 - Cấu tạo của Stator.
Khi rotor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng
lên các dây quấn phần ứng các sức điện động (s.đ.đ.) xoay chiều lần
lượt lệch pha nhau 120o theo chu kỳ thời gian, với tần số:
f
p.n
60
Với p là số đôi cực của máy
Khi MFĐ3 làm việc khép mạch với tải, dòng điện 3 pha chảy trong 3
dây quấn lệch nhau góc 2ð/3 về thời gian sẽ tạo ra từ trường quay với
tốc độ:
n1
60 f
p
So sánh (1.1) và (1.2) ta có n=n1, hay có nghĩa là tốc độ quay của
rotor bằng tốc độ của từ trường quay. Vì vậy ta có máy phát đồng bộ.
Kết cấu MFĐ3
SV: TBĐ
Trg. 5
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Máy cực ẩn
Rotor được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành
khối hình trụ, trên đó người ta gia công phay tạo rãnh để đặt dây
quấn kích từ. Phần không phay rãnh (như hình ??) hình thành mặt
cực từ.
Các MFĐ3 cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p=2, như vậy tốc
độ quay của Rotor là 3000 vòng/phút. Để hạn chế lực ly tâm trong
phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Rotor,
đường kính D của Rotor không quá 1,1 – 1,5 m. Tăng công suất của
máy bằng cách tăng chiều dài l của Rotor. Chiều dài tối đa của Rotor
vào khoảng 6,5 m.
Dây dẫn kích từ đặt trong rãnh Rotor được chế tạo từ dây đồng trần,
tiết diện chữ nhật quẩn theo chiều mỏng thành các bối dây. Các vòng
dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica
mỏng. Dây quấn kích từ nằm trong rãnh được cố định và ép chặt
bằng các thanh nêm phi từ tính đưa vào miệng rãnh. Phần đầu nối ở
ngoài rãnh được đai chặt bằng các ống trụ thép phi từ tính nhằm bảo
vệ chống lại lực điện động do dòng điện gây ra. Hai đầu của dây
quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu
trục thông qua hai chổi điện, nối với dòng kích từ 1 chiều.
Dòng điện kích từ 1 chiều thường được cung cấp bởi một máy phát
điện 1 chiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu (có hoặc không có
vành trượt), nối chung trục với MFĐ.
Stator của MFĐ3 cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn 3
pha, ngoài là thân và vỏ máy. Lõi thép Stator được ghép và ép bằng
các tấm tôn Silic có phủ cách điện. Các đường thông gió làm mát cho
máy được chế tạo cố định trong thân máy để đảm bảo độ bền cách
điện của dây quấn và máy.
SV: TBĐ
Trg. 6
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Máy Cực lồi.
Máy cực lồi được chế tạo cho các MFĐ có tốc độ quay thấp, nên
khác với máy cực ẩn, đường kính D của Rotor có thể lớn tới 15 m
trong khi chiều dài l lại nhỏ với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2
Hình 1.2 Cực từ của máy đồng bộ cực lồi
Rotor của MFĐ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được
chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối hình trụ trên mặt có đặt
cực từ. ở các máy lớn, lõi thép đó được chế tạo từ các tấm thép dày,
từ 1-6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối
lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục của máy
mà được đặt trên giá đỡ của Rotor, giá này được lồng vào trục máy.
Cực từ đặt trên lõi thép Rotor được ghép bằng những lá thép dày 11,5 mm (vẽ hình và đánh số) chế tạo có đuôi hình T hoặc bằng các
bu-lông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Rotor.
Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật
quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng
dây là các lớp mica hoặc amiang. Sau khi gia công, các cuộn dây
được lồng vào các thân cực.
Dây quấn cản của MFĐ được đặt ở trên các đầu cực có cấu tạo như
dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ; nghĩa là làm
SV: TBĐ
Trg. 7
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và hai đầu nối với hai
vành ngắn mạch.
Stator của MFĐ cực lồi có cấu tạo như ở MFĐ cực ẩn.
Để đảm bảo vận hành ổn định, ngoài các yêu cầu chặt chẽ đỗi với kết
cấu về điện, các kết cấu về cơ học và hệ thống làm mát cũng được
thiết kế chế tạo phù hợp và tương thích với từng loại MFĐ, đáp ứng
được môi trường và chế độ làm việc. MFĐ, làm mát bằng gió – công
suất nhỏ, có các khoang thông gió làm mát được thiết kế chế tạo nằm
giữa vỏ máy và lõi thép Stator. Đầu trục của máy được gắn một cánh
quạt gió để khi quay không khí được thổi qua các khoang thông gió
này. Vỏ máy ngoài ra cũng được chế tạo với các sống gân hoặc cánh
toả nhiệt nhằm làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho máy. Phổ
biến nhất là các MFĐ được làm mát bằng nước hoặc bằng khí và
được áp dụng cho các máy có công suất lớn cỡ từ vài chục kW trở
lên.
2.
Các đặc tính của Máy phát điện Đồng bộ.
1. Đặc tính không tải E = U0 = f(it) khi I= 0 và f= fdm
2. Đặc tính ngắn mạch U = f(it) khi U = 0 ; f = fdm
3. Đặc tính ngoàiU = f(I) khi it = const ; cos =const ; f = fdm
4. Đặc tính điều chỉnh it = f(I) khi U = const ; cos = const ; f =
fdm
5. Đặc tính tải U= f(it) khi I = const ; cos = const ; f= fdm
2.1. Đặc tính không tải
E = U 0 = f(it) khi I= 0 và f= fđm
SV: TBĐ
Trg. 8
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra
quận dây stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng
không trong hệ đơn vị tương đối với:
i
E
E* =
i t* t
E dm
i tdmo
E*
It*
Hình 1.3 - Đặc tính không tải
2.2. Đặc tính ngắn mạch và tỉ số ngắn mạch
In = f(it) khi U= 0 ; f= fđm
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng điện tải khi ngắn
mạch (khi dây quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy) với
dòng điện kích từ khi điện áp bằng không và tần số bằng định
mức. Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng ( rư = 0) thì
mạch điện dây quấn phần lúc ngắn mạch là thuần cảm ( = 90
0
) như vậy
Iq = cos = 0
Id = Isin = I
E = jIxd
Vậy ta có đồ thị véc tơ.
SV: TBĐ
Trg. 9
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
E
jx dI
jIx d
jx I
I
Hình 1.4 - Đồ thị véc tơ
Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của
máy không bão hoà vì từ thông khe hở không khí cần thiết
để sinh ra.
E = E – Ixud = Ixư Rất nhỏ. Như vậy
quan hệ I = f(It) là đường thẳng
I
I = f(It)
It
Hình 1.5 - Đặc tính ngắn mạch
Tỷ số ngắn mạch: Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn
mạch Ino ứng với dòng điện kích thích sinh ra suất điện động E
= Udm khi không tải với dòng điện định mức.
U
I
(Trong đó: I no dm )
K no
I dm
xd
x d trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với
E = U dm
U
1
K dm
x d I dm x d*
x d* thường lớn hơn 1 vậy K < 1 Ino < Iđm
SV: TBĐ
Trg. 10
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
U.I
U = f(it)
Udm
I = f(it)
Idm
Ino
ito
itn
it
Hình 1.6
Tỷ số ngắn mạch:
I
i
K no to
I dm i tn
ito dòng điện kích thích khi không tải lúc Uo = Udm
itn dòng điện kích thích khi ngắn mạch lúc I = Idm
Tỷ số ngắn mạch K là một hằng số quan trọng trong máy điện
đồng bộ. Máy với K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp
U nhỏ khiến cho máy là việc ổn định khi tải thay đổi
2.3. Đặc tính ngòai và độ thay đổi điện áp U dm của máy
phát đồng bộ
U = f(I) khi it = const ; cos =const ; f = fdm
Đặc tính ngoài là quan hệ điện áp đầu ra của máy phát khi
dòng điện tải thay đổi với dòng điện kích từ, hệ số công suất
và tần số là không đổi. Dòng điện it - ứng với U dm ; Idm ; cos
=const ; f = fdm - được gọi là dòng điện từ hoá định mức
SV: TBĐ
Trg. 11
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
U
cos (®iÖn dung)
Udm
Udm
cos
cos(®iÖn c¶m)
0
Idm
I
Hình 1.7 - Đặc tính ngoài
Từ hình vẽ ta thấy dạng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất
tải. Nếu tải có tính cảm khi I tăng phản ứng khử từ của phần
ứng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn đi xuống. Ngược
lại nếu tải có tính dung khi I tăng , phản ứng phần ứng là trợ
từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên.
Độ thay đổi điện áp định mức U dm cuả máy phát điện đồng
bộ là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos
= cosdm đến không tải trong điều kiện không thay đổi dòng
điện kích thích
U dm =
2.4.
E U dm
100
U dm
Đặc tính điều chỉnh
it = f(I) khi U = const ; cos = const ; f = fdm .
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ của dòng kích từ với dòng điện
tải để luôn giữ cho điện áp không thay đổi. Nó cho biết hướng
điều chỉnh dòng điện it của máy phát đồng bộ để giữ cho điện
áp ra U ở đầu máy phát không đổi
SV: TBĐ
Trg. 12
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
It
cos (®iÖn c¶m)
cos
It
cos(®iÖn dung)
0
Idm
I
Hình 1.8 - Đặc tính điều chỉnh
Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng của phản ứng phần
ứng tăng làm cho U bị giảm. Để giữ cho U không đổi phải
tăng dòng điện từ hoá it. Ngược lại ở tải dung khi I tăng, muốn
giữ U không đổi phải giảm it thông thường cosdm = 0,8 (
thuần cảm) nên từ thông tải
(U = Udm ; I = 0) đến
tải đinh mức (U = U dm ; I = Idm) phải tăng dòng điện từ hoá
2.5.
Đặc tính tải
U= f(it) khi I = const ; cos = const ; f= fđm
Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu ra của MFĐ với dòng
kích từ khi tải là không đổi. Với các trị số khác nhau của I và
cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất
là đặc tính tải thuần cảm ứng cos = 0 ( = 900) và I = Iđm
Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải
và tam giác điện kháng
Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2) để có trị số In = Idm dòng
điện kích thích itn hoặc sức từ động Ftn cần thiết bằng Ftn=itn =
SV: TBĐ
Trg. 13
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
OC . Khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch sức từ động của
cực từ Ftn = OC gồm hai phần. Một phần để khắc phục phản
ứng khử từ của phần ứng BC = kưdFưd sinh ra Eưd phần còn lại
OB = OC – BC sẽ sinh ra suất điện động tản từ Fư = Idmxư =
AB ( A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải đường 1 vì
lúc đó mạch từ không bão hoà).
Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác
điện kháng các cạnh BC và AB của tam giác tỷ lệ với dòng tải
định mức Idm
Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC sao cho điểm A tựa
trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính thuần
cảm (đường 3)
U.I
I=0
I = Idm
M
A'
E
3
O' B'
C'
2
1
Idm
xIdm
O
kdFd
C Q
P
it
Hình 1.9 - Đặc tính tải
3.
Thiết bị tự động điều chỉnh.
Đối với máy phát điện khi tải thay đổi thì không những làm điện
áp ra của máy phát thay đổi mà nó còn làm thay đổi cả tốc độ của
SV: TBĐ
Trg. 14
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
động cơ sơ cấp của máy phát dẫn tới thay đổi cả tần số của máy
phát. Như vậy trong qúa trình điều khiển máy phát bên cạnh việc
ổn định điện áp ra của máy phát ta còn phải ổn định cả tần số máy
phát khi tải thay đổi. Thực chất của điều này là ta phải ổn định tốc
độ quay của động cơ khi tải thay đổi.
Đối với mỗi loại động cơ/tuốc-bin sơ cấp thì có các bộ điều tốc
khác nhau. Tuy nhiên, Đồ án Tốt nghiệp của em chỉ mong muốn
đề cập đến loại điều tốc của động cơ sơ cấp Diesel, nhằm tương
thích với công suất của yêu cầu của Đồ án
Động cơ Diezel dùng để kéo máy phát điện trong khi hoạt động
luôn thường xuyên phải thay đổi chế độ làm việc một cách đột
ngột, nghĩa là các chế độ làm việc ổn định của động cơ luôn bị
phá vỡ. Khi phụ tải thay đổi thì tốc độ của động cơ cũng thay đổi.
Khối lượng bánh đà có thể bù trừ phần nào mức độ chênh lệch
giữa công suất động cơ và công suất cần thiết của máy công tác,
nhưng nó chỉ mang tính chất tạm thời hơn nữa nếu kích thước
bánh đà càng nhỏ thì tác dụng bù trừ ấy càng ít
Muốn giữ cho số vòng quay của động cơ nằm trong một giới hạn
cần thiết phải luôn thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho động cơ để
loại trừ tình trạng mất cân bằng năng lượng giữa động cơ và máy
công tác. Nhưng trên thực tế trong điều kiện phụ tải luôn thay đổi
đột ngột không thể dùng tay để điều chỉnh lượng nhiên liệu, vì
vậy các loại đông cơ Diezel dùng để chạy máy phát điện luôn cần
có một cơ cấu đặc biệt điều chỉnh tự động lượng nhiên liệu cấp
cho động cơ trong mỗi chu trình công tác để đảm bảo công suất
động cơ luôn cân bằng với công suất của máy công tác qua đó giữ
cho số vòng quay của động cơ không thay đổi
Hiện nay có rất nhiều loại điều tốc trên mỗi động cơ sở dụng bộ
điều tốc nào là tuỳ thuộc vào loại động cơ, đặc điểm của máy
công tác và toàn bộ thiết bị
SV: TBĐ
Trg. 15
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Đối với động cơ Diezel dùng để chạy máy phát luôn phải hoạt
động trong điều kiện giữ tốc độ quay không đổi khi tải thường
xuyên thay đổi một cách đột ngột, nên động cơ rất dễ vượt quá số
vòng quay cho phép giới hạn của động cơ một mặt có thể gây ra
ứng suất cơ giới hạn vượt quá giá trị cho phép, mặt khác còn phá
hoại nghiêm trọng các quá trình làm việc của động cơ. Vì những
lý do trên mà đối với động cơ Diezel dùng để chạy máy phát điện
bắt buộc phải lắp bộ điều tốc
Động cơ Diezel thường rất nhạy cảm với các chế độ tốc độ. Nếu
tốc độ động cơ vượt quá số vòng quay thiết kế, thường làm giảm
nhanh chất lượng của các quá trình công tác vì lúc ấy hệ số dư
lượng không khí và chất lượng hình thành khí hỗn hợp đều giảm
nhanh lúc ấy một mặt thời gian cháy bị rút ngắn mặt khác chất
lượng của quá trình cháy cũng giảm. Nhiên liệu không cháy hết
và quá trình cháy còn phải kéo dài thêm trên đường giãn nở, làm
động cơ rất nóng (đặc biệt là cơ cấu thải và nhóm pittông). Tốn
nhiều nhiên liệu, có thêm muội than trong khí thải của đông cơ
dẫn đến động cơ chóng hỏng
Phân loại các loại điều tốc:
Nguyên tắc làm việc của phần tử cảm ứng (phần tử gây cảm ứng
trực tiếp với độ biến thiên của tốc độ) gồm các bộ điều tốc: Cơ
giới, thuỷ lực, chân không và điện
Theo công dụng gồm loại một chế độ (trong đó có loại chính xác,
loại giới hạn và loại bảo hiểm) hai chế độ (đảm bảo cho động cơ
làm việc ổn định ở số vòng quay cực tiểu và hạn chế số vòng
quay cực đại) và nhiều chế độ (qua cơ cấu điều khiển, có thể đảm
bảo cho động cơ làm việc ở bất kỳ số vòng quay nào trong phạm
vi số vòng quay công tác của động cơ)
SV: TBĐ
Trg. 16
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Ngoài sự phân loại như trên trong thực tế người ta con phân ra
làm rất nhiều loại tuỳ thuộc vào cơ cấu tác động, ….
Theo nguyên tắc hoạt động của máy phát điện thì để đảm bảo tần
số của dòng điện là không đổi khi tải thay đổi thì tốc độ quay của
roto phải không đổi như vậy động cơ sơ cấp kéo roto phải không
thay đổi. Như vậy đối với động cơ Diezel chạy máy phát điện thì
cơ cấu để đảm bảo tốc độ quay của roto không đổi người ta
thường dùng bộ điều tốc một chế độ
2
3
1
1 Lß xo
2 Qu¶ v¨ng
3 Khíp trît
Hình 1.10 - Bộ điều tốc một chế độ của máy phát điên Diezel
Lò xo của bộ điều tốc có lực ép ban đầu không đổi do đó quả
văng của bộ điều tốc dưới tác dụng cuả lực ly tâm chỉ có thể vận
động khi chế độ tốc độ của động cơ đạt tới một giá trị nhất định.
Nếu cắt phụ tải bên ngoài động cơ có khuynh hướng làm tăng số
vòng quay, lúc ấy dưới tác dụng của lực ly tâm, các quả văng của
bộ điều tốc sẽ văng ra ngoài làm di động khớp trượt và thanh răng
bơm cao áp. Qua đó làm lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu
trình giảm tới một giá trị cần thiết. Nếu tăng tải bên ngoài số vòng
quay của động cơ xẽ giảm một quá trình sẽ sảy ra ngược lại, lúc
ấy tác dụng của lực ly tâm nhỏ đi do tốc độ của động cơ giảm, các
quả văng của bộ điều tốc sẽ văng ít đi làm di động khớp trượt và
thanh răng bơm cao áp. Qua đó làm lượng nhiên liệu cung cấp
SV: TBĐ
Trg. 17
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
cho mỗi chu trình tăng tới một giá trị cần thiết đảm bảo tốc độ
động cơ sẽ được giữ không đổi. Tất cả các chế độ làm việc của
động cơ lúc này sẽ nằm trên đặc tính điều tốc ab là những chế độ
chính qui của động cơ có lắp thêm bộ điều tốc này. Tất nhiên là
động cơ có thể làm việc ở các chế độ ngoài đường đặc tính điều
tốc ab nhưng đó chỉ là các chế độ chuyển tiếp
Như vậy bộ điều tốc giữ cho số vòng quay của động cơ hầu như
không đổi và không phụ thuộc vào tải
z
a
1,2,3: ®Æc tÝnh ngoµi
1
2
ab: ®Æc tÝnh ®iÒu chØnh
3
n
b
Hình 1.11 - Đặc tính của bộ điều tốc một chế độ :
z
zn
nk no
n
Bên cạnh các bộ ổn định tốc độ cơ khí như trên thì trên thực tế
hiện nay người ta thường dùng những bộ ổn định tốc độ bằng điện
Một hệ thống ổn định tốc độ của động cơ bằng điện thông thường
gồm có hai phần: phần bảo vệ quá tốc độ động cơ và phần khống
chế điều chỉnh tốc độ động cơ
SV: TBĐ
Trg. 18
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Phần bảo vệ quá tốc độ động cơ:
Khi động cơ mất điều khiển tốc độ động cơ có thể tăng lên rất cao
điều này làm cho các cơ cấu cơ khí không thể chịu được các lực
ly tâm lớn xuất hiện do đó các cơ cấu cơ khí có thể bị phá hỏng
đồng thời có thể gây nguy hiểm cho người vận hành máy. Khi đó
bộ phận bảo vệ quá tốc độ có nhiệm vụ phát hiện ra sự cố đồng
thời khống chế tốc độ động cơ sơ cấp ở một tốc độ an toàn do đó
đảm bảo an toàn cho máy và người vận hành
Phần khống chế điều chỉnh tốc độ động cơ:
- Duy trì tốc độ không tải của động cơ tại một điểm đặt trước
- Duy trì tốc độ động cơ tại một điểm đặt trước khi tải thay
đổi
Không giống như các bộ khống chế bằng các cơ cấu cơ khí bộ
khống chế bằng điện có kích thước nhỏ gọn bao gồm các bộ phận
sau :
- Khối điều khiển
- Bộ cảm biến tốc độ động cơ
- Cơ cấu chấp hành
- Bộ bảo vệ quá tốc độ động cơ
So S¸nh
khuÕch
®¹i
chÊp
hµnh
®éng c¬
Hình 1.12 - Sơ đồ khối bộ ổn định tốc độ động cơ
SV: TBĐ
Trg. 19
SV: TBĐ
Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát
Hoạt động của sơ đồ được mô tả như sau:
Tốc độ động cơ được đo bằng một cảm biến, tín hiệu điện này sẽ
được gửi tới bộ so sánh ở đây bộ so sánh sẽ so sánh giữa tốc tộ
thực tế của động cơ và tốc độ đặt trước. Sau đó tín hiệu so sánh
được khuếch đại và chuyển tới một cơ cấu chấp hành (là một nam
châm điện từ) nó sẽ điều chỉnh cần điều khiển của bơm nhiên liệu
làm tăng hoặc giảm khối lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ
làm tốc độ động cơ không thay đổi
4. Hệ thống tự động điều khiển kích từ
Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ bao gồm một loạt các kênh liên
hệ ngược điều khiển điện áp kích từ của máy phát kích thích (gián
tiếp điều khiển điện áp kích từ của máy phát chính ). Trường hợp hệ
thống kích từ dùng Thyristor (chỉnh lưu có điều khiển) tín hiệu từ
thiết bị tự động điều chỉnh kích từ điều khiển trực tiếp dòng kích từ.
Lúc đầu thiết bị tự động điều chỉnh kích từ được thiết kế chỉ với mục
đích điều chỉnh điện áp (giữ điện áp đầu cực trong quá trình máy
phát làm việc). Cấu tạo đơn giản bởi các kênh phản hồi âm theo độ
lệch điện áp và phản hồi dương theo độ lệch dòng điện. Hiện nay
thiết bị tự động điều chỉnh kích từ có cấu trúc phức tạp hơn nhiều,
thực hiện các nhiệm vụ ổn định hệ thống giảm dao động công suất...
Các phần chính trong cấu trúc của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ
gồm:
Các kênh điều chỉnh theo độ lệch các tham số chế độ (điện áp
đầu cực máy phát , dòng stato...). Các kênh này có ảnh hưởng
chung nhưng chủ yếu đến các đặc tính tĩnh và chế độ xác lập.
Các kênh điều chỉnh theo tín hiệu đạo hàm của các tham số
chế độ. Các kênh này chỉ ảnh hưởng đến các đặc tính động của
hệ thống như điều kiện ổn định (chủ yếu ổn định tĩnh), đến
SV: TBĐ
Trg. 20
- Xem thêm -