TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
Nhà máy điện
Một nhà máy điện bao gồm rất nhiều thành phần:
Đối với nhà máy thủy điện cần phải có những công trình chính sau:
- Đập ngăn hoặc dâng nước tạo thành hồ chứa
- Công trình lấy nước cho nhà máy thủy điện.
- Công trình tàu bè đi lại trên hệ thống đường thủy
Khu nhà máy là khu vực sản xuất điện năng, có nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng nước thành điện năng và đưa nguồn điện đó vào hệ thống điện theo yêu cầu tiêu thụ Do đó, tại các khu vực nhà máy có các công trình sau:
- Nhà máy thủy điện và các thiết bị tổ máy.
- Trạm phân phối điện cao áp.
- Các phòng phục vụ cho nhà máy.
Với nhà máy nhiệt điện, yêu cầu có khác nhà máy thủy điện về nguồn cung cấp nhiên liệu Trong khi nhà máy thủy điện nguồn cung cấp năng lượng là nước, thì nhà máy nhiệt điện ở nước ta nguồn cung cấp năng lượng chính chủ yếu là từ nguồn than trù phú.
Vì vậy, việc đặt nhà máy nhiệt điện nơi gần nguồn nhiên liệu là một yếu tố bắt buộc vì yếu tố kinh tế cũng như hiệu quả của nhà máy điện.
Hệ thống trong nhà máy nhiệt điện bao gồm:
- Hệ thống lò hơi công suất lớn.
Việc cung cấp điện năng cho hệ thống điện nói chung của nhà máy điện là giống nhau.
Nhà máy điện hạt nhân.
Thực chất đây là nhà máy nhiệt điện nhưng điểm khác chủ yếu là việc sử dụng nhiên liệu Vì việc sinh nhiệt bằng năng lượng nguyên tử, do vậy việc an toàn cần phải được đề cao nghiêm ngặt.
Còn các yếu tố còn lại không khác gì nhà máy nhiệt điện.
Tìm hiểu 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 tuốc-bin 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 củamáy
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 120 o trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng ra các điện áp cung cấp ra tải 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.
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 120 o theo chu kỳ thời gian, với tần số: f= (Hz) p: Số cặp cực.
Khi MFĐ3 làm việc khép mạch với tải, dòng điện 3 pha chảy trong 3 dây quấn lệch nhau góc 2
về thời gian sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 = (vòng/phút).
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 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 quấn 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.
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
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 1- 1,5 mm, 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 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.
các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
- Đặc tính không tải E=Uo =f(it) khi I=0 và f=fđm khi I= 0 và f= fđm
- Đặc tính ngắn mạch U = f(it) khi U = 0 ; f = fđm
- Đặc tính ngoài U = f(I) khi it = const ; cosφ =const ; f = fđm
- Đặc tính điều chỉnh it = f(I) khi U = const ; cosφ = const ; f =fđm
- Đặc tính tải U= f(it) khi I = const ; cosφ = const ; f= fđm
1.3.1 Đặc tính không tải. 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: E* m
Hinh 1.1 Đặc tính không tải
1.3.2 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 ( Ψ = 90 O ) như vậy:
Vậy ta có đồ thị véc tơ: jIx d jIx ưd jIx ưσ
Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hoà vì từ thông khe hở không khí Φσ cần thiết để sinh ra
Eσ = E – Ixưd = Ixσư Rất nhỏ, Như vậy quan hệ I = f(It) là đường thẳng
Hình 1.3 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 = Uđm khi không tải với dòng điện định mức
U x đ ) xd là tri số bão hòa của điện kháng dọc trục ứng với Uđm=E
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.
1.3.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp ∆U đm của máy phát đồng bộ. 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 Uđm ; Iđm ; cosφ= const ; f = fđm - được gọi là dòng điện từ hoá định mức.
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 ∆Uđm cuả máy phát điện đồng bộ là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cosφ = cosφđm đến không tải trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích.
1.3.4 Đặc tính điều chỉnh. 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
Hình 1.5 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 cosφđm 0,8 ( thuần cảm) nên từ thông tải (U = Uđm ; I = 0) đến tải đinh mức (U Uđm ; I = Iđm) phải tăng dòng điện từ hoá
1.3.5 Đặc tính tải 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 cosφ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng cosφ = 0 (φ = 90 0 ) 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 = Iđm dòng điện kích thích itn hoặc sức từ động Ftn cần thiết bằng Ftn=itn = 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
Fσư = Iđmxσư = 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 Iđm 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)
Các phương pháp điều chỉnh điện áp
Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các phương pháp sau đây:
1 Điều chỉnh điện áp máy phát điện bằng điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát.
2 Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp tăng áp và của máy biến áp giảm áp bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc điều áp dưới tải.
3 Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh và máy biến áp bổ trợ.
4 Đặt các thiết bị bù ngang có điều chỉnh để thay đổi tổn thất điện áp trên đường dây, có thể dùng bộ tụ điện, máy bù đồng bộ hoặc động cơ điện đồng bộ có điều chỉnh kích từ.
5 Đặt thiết bị bù dọc trên đường dây để thay đổi điện kháng đường dây nhằm thay đổi tổn thất điện áp
Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp, có thể ở nhà máy điện, trên mạng điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt ngay tại thiết bị dùng điện.
Theo bản chất vật lý chỉ có hai phương pháp điều chỉnh điện áp, hoặc tăng thêm nguồn công suất phản kháng (phương pháp 1 và 4) hoặc phân bố lại công suất phản kháng trong mạng điện (các phương pháp còn lại), phương pháp sau chỉ có hiệu quả khi hệ thống điện có đủ công suất phản kháng Khi hệ thống điện thiếu công suất phản kháng, phương pháp duy nhất để điều chỉnh điện áp là tăng thêm các nguồn công suất phản kháng. Để có thể điều chỉnh tốt điện áp, quá trình điều chỉnh được chia theo thời gian thành ba giai đoạn, mà hệ thống điều chỉnh điện áp của Điện lực Pháp thực hiện có hiệu quả là: điều chỉnh sơ cấp, điều chỉnh thứ cấp và điều chỉnh cấp ba
Điều chỉnh sơ cấp Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi nhanh và ngẫu nhiên của các thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát và các máy bù tĩnh Điều chỉnh sơ cấp thực hiện tự động trong thời gian vài chục phần trăm giây Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện ở mức an toàn, tránh nguy cơ suy áp trong điều kiện vận hành bình thường và nhất là khi sự cố
Điều chỉnh thứ cấp Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm của điện áp Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉnh định của các thiết bị điều chỉnh sơ cấp trong miền nó phụ trách và điều chỉnh các tụ bù, các kháng điện và các máy biến áp điều áp dưới tải trong từng miền Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút.
Điều chỉnh cấp 3 Điều chỉnh cấp 3 để điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh thứ cấp, với mục đích tối ưu hóa mức điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn Quá trình này có thể thực hiện bằng tay hay tự động Thực hiện nhiệm vụ này do hệ thống điều độ trung tâm thực hiện.
1.4.1 Các thiết bị điều chỉnh điện áp
Việc điều chỉnh điện áp trong phạm vi cho phép là vấn đề phức tạp vì hệ thống liên kết nhiều nguồn với nhiều phụ tải ở mọi cấp bậc của hệ thống điện Kết quả là giữ điện áp chỉ ở một điểm của hệ thống là chưa đủ mà trái lại phải giữ ở nhiều điểm ở mọi cấp bậc theo chiều ngang cũng như chiều dọc của hệ thống.
Nói cách khác, vấn đề điều chỉnh điện áp là xuyên suốt toàn bộ hệ thống và đòi hỏi một số lượng lớn các thiết bị đặt trong hệ thống để phục vụ cho hệ thống này
Việc lựa chọn và phối trí các thiết bị điều áp là một trong những vấn đề lớn của kỹ thuật hệ thống điện
Các thiết bị sử dụng để điều chỉnh điện áp gồm có:
- Đầu phân áp của máy biến áp
- Máy biến áp điều áp dưới tải
- Máy biến áp bổ trợ và máy biến áp điều chỉnh đường dây
- Bộ tụ điện có điều chỉnh
- Động cơ đồng bộ có điều chỉnh kích từ.
2 1 a Đầu phân áp của máy biến áp Ở đầu dây cao áp của máy biến áp ngoài đầu ra chính còn có các đầu ra phụ gọi là đầu phân áp Các đầu phân áp cho phép thay đổi số vòng dây của cuộn cao máy biến áp và do đó thay đổi hệ số biến áp của máy biến áp b Máy biến áp điều áp dưới tải
Máy biến áp điều áp dưới tải là loại máy biến áp có thể thay đổi đầu phân áp khi đang mang tải Máy biến áp điều áp dưới tải khác các loại máy biến áp thông thường ở chổ là có bộ chuyển đổi đầu phân áp dưới tải, có đầu phân áp nhiều hơn và phạm vi điều áp rộng hơn. c Máy biến áp bổ trợ và máy biến áp điều chỉnh đường dây
Máy biến áp bổ trợ cùng với máy biến áp động lực được sử dụng rộng rãi trong mạng điện để điều chỉnh điện áp dưới tải Máy biến áp bổ trợ có một cuộn dây được nối tiếp với đường dây có thể thay đổi được điện áp Cuộn dây này được cung cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp phụ Cuộn sơ cấp của máy biến áp phụ nhận điện từ mạng điện.
Tùy theo cách đấu nối cuộn dây của máy biến áp bổ trợ và của máy biến áp phụ, ta có thể tạo được sức điện động phụ E lệch pha hoặc cùng pha với điện áp. Để điều chỉnh điện áp ngang thì điện áp đặt vào cuộn dây của máy biến áp bổ trợ phải vuông góc với pha đang khảo sát. Để điều chỉnh điện áp dọc thì cuộn sơ của máy biến áp phụ được nối vào cùng với pha đang khảo sát.
Bộ điều chỉnh đường dây chỉ sử dụng có một máy biến áp Cuộn thứ cấp của máy biến áp được nối nối tiếp trên đường dây, có thể làm tăng hoặc làm giảm điện áp trên đường dây đó Các mạng điện công nghiệp, đại bộ phận điều dùng máy biến áp điều chỉnh đường dây. d.Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải – không có tải trên trục của nó Nếu bỏ qua tổn thất không tải, có thể coi như máy bù đồng bộ không tiêu tốn công suất tác dụng mà chỉ sản xuất công suất phản kháng So với động cơ đồng bộ thông thường thì máy bù đồng bộ có trục nhỏ hơn nên có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn.
Điều chỉnh điện áp ở nhà máy điện
1.5.1 Điều chỉnh điện áp ở máy phát điện Điện áp ở thanh cái máy phát có thể điều chỉnh được trong khoảng ± 5% so cới điện áp định mức của nó Ở chế độ phụ tải cực đại do tổn thất trong mạng lớn nên để đảm bảo chất lượng điện năng điện áp ở máy phát cần giữ cao Ngược lại trong chế độ phụ tải cực tiểu, tổn thất điện áp trong mạng điện nhỏ cần phải giảm thấp điện áp đầu cực máy phát.
1.5.2 Điều chỉnh ở máy biến áp tăng áp
Yêu cầu điện áp ở thanh cái cao áp của máy biến áp tăng áp được xác định bởi sự cân bằng công suất phản kháng của hệ thống điện trong các chế độ cực đại và cực tiểu Để đảm bảo điện áp yêu cầu chúng ta cần phải chọn đầu phân áp thích hợp.
Nếu ta đặt ở đầu vào của máy biến áp một giá trị bằng điện áp định mức của cuộn hạ áp UH thì điện áp ở đầu ra khi không tải là UPa và điện áp có tải là UPa - UB Trong đó UPa là điện áp của đầu phân áp cần chọn và
UB là tổn thất điện áp trong máy biến áp.
Khi điện áp vào Uv(UF) khác với UH(UFđm) thì điện áp ra UR cũng khác đi với cùng một tỉ lệ.
Từ đó ta suy ra được:
Khi biết điện áp yêu cầu chính là UR trong các chế độ phụ tải và biết
UB thì ta có thể lựa chọn đầu phân áp UPa phối hợp với UF để điều chỉnh điện áp.
1.5.3 Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi dòng công suất phản kháng
Nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải biến đổi theo thời gian. Nguồn cung cấp công suất phản kháng thường xuyên là do các nhà máy điện và do các điện dung của các đường dây cao áp và cáp phát ra Trong chế độ phụ tải cực đại, công suất phản kháng của các nguồn trên không đủ đáp ứng nên trong hệ thống phải đặt thêm các nguồn công suất phản kháng khác. Nhưng trong chế độ phụ tải cực tiểu, lại thừa công suất phản kháng do đó các nguồn công suất phản kháng phải điều chỉnh được; thậm chí khi đã giảm hết công suất phản kháng của nguồn, công suất phản kháng của một số điểm nào đó trên hệ thống điện vẫn thừa do công suất phản kháng do đường dây sinh ra quá lớn, làm điện áp tăng lên đến mức nguy hiểm, khi đó phải có thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng thừa này.
Thực tế ngoài máy phát điện và máy bù đồng bộ, người ta còn dùng các nguồn công suất phản kháng sau:
- Nguồn phát: tụ điện, tụ điện điều khiển bằng tiristor
- Tiêu thụ: kháng điện tuyến tính, kháng điện bão hòa, kháng điện dùng dòng một chiều điều khiển bảo hòa (kháng điện bảo hòa có khả năng ổn áp cao, thích hợp với chế độ điện áp dao động nhanh), kháng điện điều khiển bằng tiristor, máy biến áp kháng lớn điều khiển bằng tiristor
- Nguồn phát và tiêu thụ: máy bù tĩnh, đó là tổ hợp tụ điện và kháng điện có điều khiển bằng tiristor.
NHIỆM VỤ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP, ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
Yêu cầu và nhiệm vụ của ổn định điện áp và điều chỉnh công suất phản kháng
2.1 Yêu cầu và nhiệm vụ của ổn định điện áp và điều chỉnh công suất phản kháng
2.1.1 Vai trò của điện áp và các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp.
Duy trì điện áp bình thường là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện Điện áp giảm thấp quá mức có thể gây nên độ trượt quá lớn ở các động cơ không đồng bộ, dẫn đến quá tải công suất phản kháng ở các nguồn điện Điện áp thấp cũng làm giảm độ chiếu sáng, làm giảm khả năng truyền tải của đường dây và ảnh hưởng đến độ ổn định của máy phát làm việc song song Điện áp tăng cao có thể làm già cỗi cách điện của thiết bị điện (Làm tăng dòng dò), thậm chí có thể đánh thủng cách điện làm hư hỏng thiết bị. Điện áp tại các nút trong hệ thống điện được duy trì ở một giá trị định trước nhờ có những phương thức vận hành hợp lý Chẳng hạn, như tận dụng công suất phản kháng của máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải các phần tử trong hệ thống điện, tăng hoặc giảm tải hợp lý của những đường dây truyền tải, chọn tỷ số thích hợp của máy biến áp. Điện áp có thể được duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ của máy phát điện và máy bù đồng bộ.
2.1.2 Hệ kích từ của các máy điện đồng bộ.
Các hệ kích từ cơ bản.
Hệ kích từ dung máy kích từ một chiều.
1)Máy kích từ (KT) có dây quấn kích từ song song Ls và dây quấn kích từ độc lập Ln được nối đồng trục với máy điện đồng bộ (ĐB).
Dòng kích từ It được đưa vào dây quấn kích cừ có điện trở rt thông qua vành trượt và chổi điện ĐB
Hình 2.1 : Hệ kích từ dùng cho máy kích từ 1chiều
Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với chỉnh lưu: Gồm 2 cách:
- Máy KT xoay chiều có phần cảm quay, phần ứng tĩnh ( hình 2.2a)
- Máy KT xoay chiều có phần cảm tĩnh, phần ứng quay ( hình 2.2b)
Phần quay và phần tĩnh được trình bày tách biệt bằng đường phân ranh giới thẳng đứng muốn dòng điện đi qua ranh giới đó cần phải có vành trượt và chổi điện Ta thấy rằng phương án b không cần phải có vành trượt và chổi điện Đây là ưu điểm rất quan trọng đối với máy đồng bộ công suất lớn cần dòng kích từ lớn (khoảng 3000A cho máy phát 600MW) Tuy nhiên giải pháp này kéo theo những khó khăn về chế tạo phần ứng quay so với việc chế tạo phần cảm quay Máy kích từ xoay chiều cần phải được nối trục với máy phát đồng bộ Dòng điện phần ứng của máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ IT.
Dùng tiristor sẽ làm quá trình điều khiển được đáp ứng nhanh hơn, nhưng đối với phương án b khó khăn gặp phải là vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào tiristor quay
Phần quay Phần tĩnh Phần quay Phần tĩnh
Hinh 2.2 Hệ kích từ máy phát xoay chiều
Hình 2.3 Sơ đồ sự kích thích hỗn hợp Điện áp và dòng điện kích từ tỷ lệ với tổng véctơ các điện áp UT và ITcủa các máy biến áp TU và máy biến dòng TI.
Yêu cầu đối với hệ kích từ
Hệ kích từ máy biến đồng bộ phải đảm bảo:
1) Điều chỉnh dòng kích từ It = để duy trì điện áp máy U trong điều kiện làm việc bình thường( bằng cách điều chỉnh điện áp kích thích Ut).
2) Cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa Muốn vậy hệ kích
Utdm từ phải có khả năng tăng nhanh gấp đôi dòng kích từ trong khoảng 0,5 giây hay:
Hình 2.4 Cưỡng bức kích thích máy đồng bộ
3) Triệt tiêu từ trường kích thích, nghĩa là giảm nhanh dòng It đến không ( khi sự cố ngắn mạch nội bộ dây stato) mà điện áp điện trở triệt từ Rt không vượt quá 5 lần Utđm để bảo vệ cách điện của dây quấn kích từ.
2.1.3 Cấu tạo hệ thống kích từ.
Hệ thống kích từ gồm 2 phần:
- Bộ điều chỉnh kích từ
Bộ điều chỉnh kích từ có chức năng thay đổi kích từ máy phát theo thuật toán điều khiển đảm bảo tính ổn định của điện áp MF Khả năng cường hóa kích từ còn phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều chỉnh kích từ Hiện nay người ta sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ tác động nhanh, thì tốc độ tăng kích từ chỉ còn phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch kích từ.
Nguồn kích từ có khả năng cung cấp dòng một chiều kích từ MF Nguồn kích từ phải có độ dự trữ điện áp kích từ và công suất kích từ Điều này để đảm bảo khả năng cường hóa kích từ.
Nguồn kích từ độc lập Nguồn kích từ là nguồn 1 chiều độc lập với phần ứng của MF. Dùng nguồn này đảm bảo được độ tin cậy kích từ, song làm cho hệ thống kích từ phức tạp, kích thước lớn, khả năng tác động nhanh bị giảm do hệ thống thêm khâu quán tính.
Tự kích từ qua bộ chỉnh lưu tĩnh: Nguồn kích từ được lấy từ đầu ra của MF qua chỉnh lưu tĩnh Ngồn kích từ
- Ưu điểm: Dùng loại nguồn này đơn giản được kết cấu hệ thống kích từ, giảm kích thước, nâng cao được khả năng tác động nhanh.
- Chú ý: phải đảm bảo điều kiện tự kích
+ Phải có từ đủ trong cuộn kích từ+ Từ trường do cuộn kích từ tạo ra phải cùng chiều từ dư.
+ Điện trở trong mạch kích từ ( điện trở giới hạn Rgh phụ thuộc vào đặc tính đường cong từ hóa).
- Các trường hợp có thể gây ra mất kích từ
+ Do tiếp xúc cực và chổi than kém
+ Ngược cực do quá trình tháo lắp
+ Mất từ: Cưỡng bức từ, kích từ ngoài Để đảm bảo độ tin cậy kích từ ban đầu dùng cộng hưởng từ hoặc dùng bộ tụ mắc ở đầu cực máy phát.
2.1.4 Nhiệm vụ của các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (TĐĐCĐA)
1) Có khả năng điều chỉnh dòng kích từ it = t t
U r để duy trì điện áp trên các cực của máy phát không thay đổi Tự động ổn định điện áp của NMĐ là nhiệm vụ cơ bản nhất của một hệ thống TĐĐC điện áp Nhiệm vụ này được thực hiện bằng cách thay đổi kích từ MF điện theo sự thay đổi của phụ tải và các điều kiện khác.
2) Cưỡng bức kích từ để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa.
3) Có khả năng triệt từ trường kích thích giảm nhanh dòng điện kích thích it đến O mà điện áp không vượt quá giá trị cho phép.
4) Phân phối tỷ lệ công suất phản kháng giữa các tổ máy làm việc song song Việc phân phối hợp lý công suất phản kháng do đặc tính của bộ điều chỉnh kích từ quyết định.
Các thiết bị TĐĐC điện áp điển hình
Các bộ điều chỉnh điện áp ban đầu là những bộ tác động kiểu nam châm điện, thay đổi điện trở trong mạch kích từ một cách kiên tục hoặc thay đổi gián đoạn điện áp đặt vào cuộn kích từ Tiếp đến là các bộ điều chỉnh xung điện trở, nó tác động thay đổi gián đoạn điện trở trong mạch kích từ bằng rơle Các bộ điều chỉnh loại này tác động nhanh và chính xác hơn loại trên Khi kỹ thuật điện tử, bán dẫn phát triển, người ta thay tiếp điểm cơ khí bằng tiếp điểm bán dẫn, song nguyên lý điều chỉnh vẫn giữ nguyên.
Các bộ điều chỉnh điện áp loại này giới hạn ứng dụng trong các máy công suất nhỏ Để điều chỉnh kích từ các máy công suất vừa và lớn, người ta dùng các bộ điều chỉnh điều kiện từ trong đó chỉ sử dụng các phần tử điện từ có điều khiển như MBA hốn hợp dòng áp, khuếch đại từ.
Hiện nay người ta sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ dùng các van điều khiển công suất lớn (thyristor) Các van này vừa đóng vai trò nắn dòng để kích từ, vừa điều chỉnh dòng kích từ trong phạm vi rộng Do khả năng van có thể thực hiện điều chỉnh dòng kích từ trong giải rộng, nên có thể bỏ máy biến áp nguồn kích từ mà nối trực tiếp vào điện áp ra của MF để tạo nguồn kích từ Các van này có thuật toán điều khiển đơn giản, công suất điều khiển nhỏ nên rất thuận lợi cho việc áp dụng kỹ thuật xung số, kỹ thuật vi tính điều khiển.
2.2.1 Nguyên lý TĐĐC điện áp
Theo nguyên tắc tác động, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp được chia thành ba nhóm:
- Điều chỉnh điện áp theo nguyên lý tác động nhiễu (ví dụ: theo dòng điện của máy phát IF, theo góc φ giữa dòng điện và điện áp MF…)
- Điều chỉnh điện áp theo độ lệch của đại lượng điều chỉnh (ví dụ: theo độ lệch của điện áp UF).
- Điều chỉnh điện áp theo nguyên lý hốn hợp (theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh và theo tác động nhiễu).
2.2.2 Hệ thống kích từ của máy phát điện 1 chiều. Đối với các máy phát điện dùng máy kích thích 1 chiều, các thiết bị điều chỉnh điện áp có thể chia thành 2 nhóm: a) Thay đổi kích từ máy phát nhờ thay đổi Rkt trong mạch cuộn kích từ WKT của máy kích thích một cách từ từ nhờ con trượt (hình 2.5a) hoặc nối tắt 1 phần RKT theo chu kỳ (hình 2.5b)
Hình 2.5 Thay đổi kích từ máy phát nhờ thay đổi R kt b) Thay đổi kích từ máy phát nhờ dòng kích từ phụ IKTT tỷ lệ với ∆U và IF Dòng kích từ phụ có thể đưa vào cuộn kích từ chính WKT (hình
2.6a) hoặc cuộn kích từ phụ WKTT (hình 2.6b) của máy kích thích.
Hình 2.6 Thay đổi kích từ máy phát nhờ thay đổi dòng kích từ phụ
2.2.3 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp tác động theo sai lệch. a Sơ đồ khối chức năng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp tác động theo sai lệch. Điện áp đặt U 0 Bộ điều khiển Kích từ Máy phát
Hình 2.7 Sơ đồ chức năng hệ thống TĐĐCĐA theo sai lệch
Hệ thống xây dựng ở sơ đồ trên là hệ thống kín, tác động theo sai lệch điện áp nên độ chính xác cao, tuy nhiên khả năng tác động nhanh bị hạn chế, khả năng cường hóa kích từ kém Với hệ này, để cường hóa kích từ, người ta sử dụng rơle, cường hóa kích từ, khi điện áp máy phát giảm đột ngột 20% Uđm thì rơle cường hóa tác dụng ngắn mạch điện trở trong mạch kích từ làm tăng nhanh dòng kích từ, phục hồi nhanh điện áp MF Bộ tự động điều chỉnh kích từ này được sử dụng trong hệ thống kích từ có nguồn từ độc lập b Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐC điện áp tác dụng theo sai lệch.
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐC điện áp tác dụng theo sai lệch
Sơ đồ bao gồm: bộ phận đo lường( ĐL) và bộ phận khuếch đại (KĐ).
Bộ phận đo lường ĐL nối với máy biến điện áp BU qua tự ngẫu đặt TNĐ.Khi điện áp thay đổi, bộ phận đo lường ĐL sẽ phản ứng và điều khiển sự làm việc của bộ phận khuếch đại KĐ Tự ngẫu đặt TNĐ để thay đổi mức điện áp MF cần phải duy trì bồi bổ điều khiển (BĐK) Bộ khuếch đại KĐ cũng được cung cấp từ BU và đưa dòng BĐK đã được chỉnh lưu IC vào
Uo U1 U2 a) b) cuộn kích từ phụ WKTf của máy kích thích Dòng IC đi qua cuộn kích từ phụ cùng hướng với dòng cuộn kích từ chính WKT của máy kích thích.
Bộ phận đo lường gồm hai phần tử (hình 2.9a): phần tử tuyến tính TT và phần tử không tuyến tính KTT Phần tử tuyến tính TT tạo nên dòng điện tuyến tính ITT tỷ lệ với điện áp UF của MF, phần tử không tuyến tính KTT tạo nên dòng điện IKTT phụ thuộc không tuyến tính vào điện áp UF của MF
Khối chức năng Quan hệ I TF vàI KTT
Hình 2.9 Bộ phận đo lường
Bộ phận đo lường làm việc theo nguyên tắc so sánh dòng Itt và IKTT Từ đặc tính trên hình 2.5b ta thấy rằng: khi UF = UO (UO là một điện áp xác định trên thanh góp nối máy phát), dòng ITT = IKTT, lúc ấy sẽ có dòng ICmin nhỏ nhất đưa ra từ bộ điều khiển BĐK Khi UF giảm, ví dụ giảm đến Ut thì
ITT > IKTT và tín hiệu từ bộ phận đo lường ĐL sẽ điều khiển bộ phận khuếch đại KKĐ làm tăng dòng IC đưa vào cuộn kích từ phụ WKTf của máy kích thích để tăng UF lên.
Khi điện áp UF tăng, ví dụ tăng tối U2 thì ITT > IKTT, lúc này xuất hiện dòng IC > ICmin làm tăng UF thêm nữa Để ngăn chặn bộ điều khiển BĐK tác động không tốt như vậy, trong sơ đồ của BĐK có bố trí 2 phần tử khóa khi
Rd Đặc tính của BĐK là quan hệ giữa dòng IC với điện áp trên thanh góp nối máy phát. Điểm a tương ứng khi IC = ICmax, tại đây khả năng tăng cường kích từ lớn nhất có thể đảm bảo bởi BĐK Dòng ICmin tại điểm d xác định khả năng giảm kích từ thấp nhất khi UF tăng.
Hình 2.10 Đặc tính của bộ điều khiển
Sự giảm thấp của đặc tính ở đoạn ac là do điện áp nguồn cung cấp cho BĐK bị giảm thấp cùng với sự giảm thấp UF Đoạn được nằm ngang do tác dụng của phần tử khóa khi IKTT > ITT.
Xây dựng sơ đồ TĐĐC điện áp sử dụng Tiristor
Máy phát điện và máy phát kích thích là hai đối tượng cần điều chỉnh.Tín hiệu đầu ra của đối tượng cũng là tín hiệu đầu ra của hệ thống Tín hiệu trung gian giữa hai khâu trong đối tượng điều khiển là điện áp kích từ và dòng kích từ của máy phát Đây cũng là dòng điện, điện áp đầu ra của máy kích thích.
Gồm mạch cấp xung điều khiển, mạch xung này được xây dựng trên cơ sở các bộ tạo xung chữ nhật làm việc ở chế độ chờ Mạch phát xung này bình thường khi không có kích thích đầu vào thì luôn ở trạng thái khóa (không có xung đầu ra) Khi có tín hiệu kích thích đầu vào, mạch tạo xung sẽ chuyển trạng thái từ khóa mở, tạo tín hiệu ở đầu ra Biên độ xung phụ thuộc vào nguồn mạch xung và các tham số mạch xung, không phụ điện áp đầu vào Độ rộng xung bằng khoảng thời gian tồn tại điện áp đầu vào mạch xung. a)Mạch tạo xung dùng Tranzitor thường
Các mạch xung này được xây dựng trên cơ sở các bộ tạo xung chữ nhật làm việc ở chế độ chờ Các mạch phát xung này bình thường khi không có kích thích đầu vào thì luôn ở trạng thái khóa (không có xung đầu ra) Khi có tín hiệu kích thích ở đầu vào, mạch tạo xung sẽ chuyển trạng thái từ khóa sang mở, tạo tín hiệu ở đầu ra Biên độ xung phụ thuộc vào nguồn mạch xung với các tham số mạch xung, không phụ thuộc điện áp đầu vào mạch xung.
Khi khoảng thời này dài, không có lợi cho việc điều khiển Ti, ta có thể cho qua một bộ biến đổi A/D chia điện áp thành nhiều xung liên tiếp, lúc đó chỉ có tín hiệu đầu tiên là có tác dụng điều khiển Ti, các tín hiệu sau sẽ được loại trừ bằng bộ lọc xung. b)Mạch cấp xung điều khiển
Mạch tạo xung mới ban đầu có tác dụng tạo một xung điện áp và tác động vào cực điều khiển của Ti, kích Ti mở và cấp dòng điện kích từ cho máy phát kích từ.
Hình 2.18 Mạch cấp xung điều khiển
*Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính được thể hiện trên hình 2.19
Hình 2.19 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Theo nguyên tắc này, người ta dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ, ký hiệu là us, đồng bộ với điện áp đặt trên anot-catot của Ti, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh.
- Điện áp điều khiển, ký hiệu là ucm, (điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ), thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh.
Bây giờ, hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:
Mỗi khi ucm = us thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được
“sườn xuống” của điện áp đầu ra của khâu so sánh “Sườn xuống” này, thông qua đa hài một trạng thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển.
Như vậy, bằng cách làm biến đổi ucm, người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc α. Giữa α và ucm có quan hệ sau: α = ∏ x ( Uc/Usm)
Người ta lấy Ucmmax=Usm*
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng : “Arccos”
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng (arccos” được thể hiện trên hình 2.20
Theo nguyên tắc này, người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ us, vượt trước uAK = Umsinωt của tyristor mộtt của tyristor một góc bằng
: Us=Umcosωt của tyristor một
Hình 2.20 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos Điện áp điều khiển, ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều (dương và âm).
Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us=ucm ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái:
Ucmcosα = ucm do đó α = arcos()
- khi ucm =0 thì α - khi ucm = -Um thì α = π
Như vậy, khi điều chỉnh ucm từ trị ucm = +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến π.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao
THIẾT KẾ BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TUAPIN HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THÁI BÌNH
Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế bộ tự động điều chỉnh điện áp kiểu tĩnh dùng thyrist.
- Loại máy phát Máy phát đồng bộ trục ngang
- Công suất định mức 3MW
- Tốc độ vòng quay định mức 750v/ph
- Điện áp định mức 6,3KV
- Hệ số công suất (cosφ) 0,8
- Hiệu suất của máy phát 95,2%
- Sự tăng nhiệt tối đa Roto 110 o C
- Kiểu kích thích Dùng thyristor
- Kiểu đấu dây kiểu Y, trung tính cách ly.
- Trọng lượng máy phát 21tấn
Yêu cầu đối với hệ thống kích từ của máy phát:
- Điện trở dây quấn kích từ 2,5Ω
- Điện cảm của cuộn kích từ 0.04 Ω
- Dòng kích từ không tải 10A
- Dòng kích từ định mức 15A
- Điện áp kích từ định mức 45V
- Điện áp kích từ cực đại 120V
3.1.3 Hệ thống kích từ cho máy phát điện.
Hệ thống kích từ phải bảo đảm cho máy phát điện và bản thân nó làm việc an toàn, ổn định trong mọi chế độ vận hành Đồng thời phải bảo đảm các nhiệm vụ sau:
- Tự động điều chỉnh để ổn định điện áp đầu ra của máy phát điện trong giới hạn định trước.
- Tự động điều chỉnh công suất phản kháng trong mọi chế độ vận hành bình thường của nhà máy Có khả năng cường độ hóa kích từ khi cần.
- Có khả năng giao diện truyền thông với máy tính, để đáp ứng yêu cầu về tự đông hóa cũng như điều khiển tại chỗ và từ xa.
Tất cả các thiết bị của hệ thống kích thích được cung cấp đồng bộ với máy phát điện, có dự trữ đầy đủ và được tự động tối đa và làm việc để loại trừ khả năng mất kích thích cho máy phát điện khi có hư hỏng hoặc sai sót trong mạch điều khiển hệ thống kích từ Tuy nhiên, thực tế lắp đặt cần chú ý đáp ứng yêu cầu của các chế độ vận hành khác nhau
Hệ thống thiết bị này hợp bộ với máy phát bao gồm:
- Máy biến áp kích từ.
- Thiết bị nắn dòng thyristor
- Thiết bị báo hiệu trong mạch kích thích.
- Thiết bị đo lường, bảo vệ mạch kích thích.
- Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
3.1.4 Nhiệm vụ thiết bị tự động điều chỉnh điện áp kiểu tĩnh AVR.
Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp kiểu tĩnh cần đáp ứng các nhiệm vụ sau:
- Đóng mạch kích từ ban đầu khi tốc độ quay của roto đạt tốc độ định mức (750v/ph)
- Ở chế độ không tải sau khi đã xác lập được điện áp và cắt mạch kích từ ban đầu Thiết bị AVR có tự động duy trì điện áp ổn định ở giá trị định mức bằng 6,3KV và có thể tăng, giảm giá trị ổn định
- điện áp tới ±10% khi tốc độ thay đổi ở mức ±5%
- Khi n = nđm và tải của máy phát biến thiên từ 0 → Iđm với cosφ = cosφđm(±2%) và có thể điều chỉnh giá trị ổn định ở mức
- Có khả năng cường hóa kích từ với Kch= 3.
- Có khả năng triệt từ.
- Có thể kết nối với hệ thống tự động điều khiển toàn bộ nhà máy với các yêu cầu cụ thể là:
Điều khiển tăng, giảm công suất phản kháng của tổ máy phát và hệ thống từ trung tâm điều khiển của nhà máy.
Cho phép khởi động và cường hóa, triệt từ trường từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy hoặc từ thiết bị điều khiển tổ máy.
Thu thập các thông tin chính của hệ thống kích từ ở chế độ vận hành bình thường, chế độ sự cố cũng như trạng thái đóng cắt của các thiết bị triệt từ trường, nhiệt độ của cuộn dây kích từ.
Tính chọn thiết bị cho mạch động lực
3.2.1 Sơ đồ mạch động lực:
Hình 3.1 Sơ đồ mạch động lực và các thiết bị bảo vệ.
Mạch động lực dùng chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng , bao gồm 6 van bán dẫn: 3 van Diod và 3 van Thyristor.
Hình 3.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
Tại θ1 cấp xung điều khiển mở T1, điện áp 125pha A dương hơn pha B và pha C nhưng pha B âm hơn nên thyristor T1 và Diot D2 dẫn cho dòng chảy qua tải trong khoảng θ1 ÷β1 Đến β1 do điện áp pha C âm hơn nên T1 và D3 dẫn cho đến θ2.
Tại θ2 cấp xung điều khiển mở T2 điện áp pha B dương hơn pha A và pha C nhưng pha C âm hơn nên T1 và D3 dẫn Đến β2 do điện áp pha A âm hơn nên T2 và D3 dẫn cho đến θ3.
Tương tự như vậy: θ3 ÷β3, T3 và D1 dẫn θ4 ÷β4, T3 và D2 dẫn Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van dẫn nhỏ hơn 60 0 Khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn.
Theo dạng sóng điện áp tải ở trị số điện áp trung bình trên tải bằng không khi góc mở đạt tới 180 0 Có thể coi điện áp trên tải là tổng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha Φ1 β2 u
Hình 3.3 Giản đồ các đường cong điện áp tải, dòng điện tải, dòng điện các van.
3.2.2 Tính chọn các thông số của mạch động lực
Các thông số máy phát điện đồng bộ:
Các thông số của mạch kích từ:
Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng điện, điện áp, sơ đồ đã chọn, điều kiện làm việc và điện áp làm việc.
Theo yêu cầu thiết kế cho điện áp tải Ud = Uktmax = 120V
Dòng điện tải Id = Iktmax = 45A Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt ta nên chọn hệ thống tỏa nhiệt hợp lý Vì máy phát điện làm việc trong một thời gian dài nên ta chọn phương pháp tỏa nhiệt có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích bề mặt Van động lực cần chọn có thông số:
- Điện áp ngược của van lớn nhất phải chọn:
U2 = với sơ đồ chỉnh 1 cầu 3 pha không đối xứng
Ku = 2,45 2,34 120 = 125,64 (V) Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó kdtU = 2 hệ số dự trữ điện áp
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện hiệu dụng:
Trong đó khd = 0,58 hệ số xác định dòng điện
Với điều kiện làm việc như trên thì dòng định mức của van cần chọn là : Ilv = (10÷40)%Idmv
Trong đó ki = 4 hệ số dự trữ dòng điện Để van làm việc, từ các thông số trên Unv và Idmv ta chọn được 3 thyristor giống nhau có các thông số loại ST280CH04C0 có các thông số sau:
- Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 1600V
- Dòng điện làm việc cực đại Idm = 200A
- Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik = 400A
- Dòng điện xung điều khiển: Ig = 50mA
- Điện áp xung điều khiển: Ug = 3V
- Dòng điện rò: Ir = 10mA
- Sụt áp cực đại trên van khi mở: ∆U = 1,8V
- Đạo hàm điện áp: dU/dt = 200V/s
- Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125 0 C
Và ba Diod giống nhau loại HD25/02-4 có các thông số sau:
- Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 25A
- Điện áp ngược của Diod: Un = 200V
- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 300A
- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở Diod: ∆U = 1,4V
- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 180 0
Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu
1 Điện áp chỉnh lưu khi có tải
Udo.cosαmin = Ud +∆Uv + ∆Udn + ∆Uba
Trong đó: αmin = 10 0 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới
∆Uv tổn thất điện áp trên các van bán dẫn
∆Udn : tổn thất điện áp ở dây nối Coi ∆Udn = 0
∆Uba : sụt áp trong máy biến áp khi có tải Thường chọn ∆Uba (5÷10)% Vậy ∆Uba = 5%.Ud = 5%.45 = 2,25V
2 Công suất tối đa của tải
3 Công suất biến áp nguồn cấp
Ks = 1,05 hệ số máy biến áp
4 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp
5 Điện áp pha thứ cấp máy biến áp
6 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA
7 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của MBA
Tính toán mạch từ MBA.
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện, mỗi trụ được tính theo công thức:
K: Hệ số kinh nghiệm, thường lấy K = 5,8 ÷ 6,4, với MBA khô lấy
K = 6. c: Số trụ, c = 3. f: tần số, f = 50Hz.
SBA: Công suất biểu kiến MBA.
Thay số vào ta có:
Ta chọn mạch từ làm bằng tôn silic 310 có bề dày là 0,35mm, tỷ trọng b = 75kg/cm 3 , tổn hao p = 1,3w/kg. a) Tính toán chiều cao sơ bộ l của trụ: dựa vào công thức kinh nghiệm: l a b
Thq: Tiết diện hiệu quả Thq = Q.
: Là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của MBA.
3,14 3,14 19,14 l 1, 2 (cm) b) Tính trọng lượng G t của trụ.
Gt = c.ST. b l Trong đó: c: Số trụ, c = 3.
ST: Tiết diện trụ, ST = Q = 42 cm 2
b : Tỷ trọng tôn silic, b = 7,5kg/cm 3 Vậy trọng lượng của trụ là:
Hình 3.4 Gông của MBA lực.
Gg = t.TG b lG t: Số gông, t = 2
IG: Chiều dài của gông. thay số vào ta có:
Trọng lượng lõi thép của MBA:
- Số lá chắn đầu ngắn: 2 1
- Số lá chắn đầu dài: 1 1
4 Đường kính, số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp chọn mật độ từ cảm BT = 1(T).
Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:
Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của MBA:
Với dây dẫn bằng đồng, MBA khô chọn J1 = J2 =2,75 (A/mm 2 ).
Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA:
J = 0,75 2,75 0, 27 (mm 2 ). Đường kính dây dẫn sơ cấp MBA: d1 = 2 1 2 0, 27 0,59
Tiết diện dây dẫn thứ cấp của MBA:
J = 36,9 2,75 = 13,41 (mm 2 ) Đường kính dây dẫn thứ cấp MBA: d2 = 2 2 2 13, 41 4,13
Tính chọn các thiết bị bảo vệ.
Bảo vệ qua dòng điện cho van.
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA.
Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 3.Id1 = 3 3.0,75 = 4,44 (A)
Dòng quá tải: Iqt = 1,6.Id1 = 1,6 3.0,75 = 2,08 (A)
Cầu dao có dòng định mức: Iđm = IđmAp = 1,43 (A)
Cầu chảy: Dùng cầu chảy tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch thyristor
Nhóm 1cc: Dòng định mức 1,1.I2 = 1,1 36,9 = 40,59 (A)
Nhóm 2cc: Dòng định mức 1,1 26,1 = 28,71 (A)
Nhóm 3cc: Dòng định mức 1,1 45 = 49.5 (A)
Vậy ta chọn loại Hi-Mec 30MF loại ABE30a có thông số:
- Điện áp cách điện định mức : Ucd = 490V
- Điện áp xung định mức: Uimp = 6kV
- Điện áp phục vụ tối đa định mức: Ue = 460V
- Dòng điện định mức ở 40 0 C: Iđm = 3A
1 cầu dao định mức: Iđm ≥ 3A
Nhóm cầu chảy: 1cc có Iđm ≥ 41A
Nhóm cầu chảy: 2cc có Iđm ≥ 29A
Nhóm cầu chảy: 3cc có Iđm ≥ 50A
Bảo vệ quá điện áp cho van Để bảo vệ quá điện áp cho van do quá trình đóng cắt thyristor được thực hiện bằng cách R – C song song với thyristor và Diod.
Hình 3.5 Mạch bảo vệ điện áp cho van
Khi có sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp p-n Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Theo kinh nghiệm R1 = (5÷30)Ω ; C1 = (0,25÷4)μs đốiF.
Do đó ta chọn được: R1= 6 Ω và C1= 0,25 μs đốiF
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới
Chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R-C nhằm lọc xung Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như hoàn toàn nằm lại trên điện trở đường dây Trị số R2C2 được chọn như sau:
Hình 3.6 Mạch bảo vệ van tránh xung từ lưới
Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P, tổn hao này sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc với nhiệt độ cho phép (Tcp) Nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn ta phải chọn hệ thống tỏa nhiệt hợp lý.
Tổn thất công suất trên 1 thyristor:
Diện tích bề nặt tỏa nhiệt:
8.40 = 0,15 (m 2 ) Trong đó: km = 8(w/m 2 0 C) là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ γ = Tlv – Tmt = 80-40 = 40 0 C độ chênh nhiệt
Tmt: nhiệt độ môi trường u t t t
Nhiệt độ làm việc cực đại của van là 125 0 C Do đó chọn nhiệt độ trên cách tỏa nhiệt là: Tlv 0 C
Chọn loại cách tỏa nhiệt có 6 cánh, kích thước mỗi cánh: a × b = 12×12 = 144(cm×cm)
Tổng diện tích cánh tỏa nhiệt là:
Thiết kế mạch đo lường, điều khiển
3.3.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi chỉnh lưu, vì nó đóng vai trò chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi Nhiệm vụ của nó là biến đổi các tín hiệu điều khiển thành các xung hoặc chùm xung đưa vào cực điều khiển của thyristor Thyristor sẽ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương Anot-Katot và có xung dương đặt vào cực điều khiển Sau khi thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa Dòng chảy qua thyristor do thông số của mạch lực quyết định.
Hiện nay trong thực tế người ta thường dùng nguyên tắc điều khiển
“đứng” là phương pháp thay đổi góc α bằng cách dịch chuyển điện áp điều khiển theo phương thẳng đứng so với điện áp răng cưa Tại thời điểm điện áp điều khiển bằng điện áp răng cưa thì bộ so sánh sẽ tạo ra xung tam giác (hoặc vuông), xung này sẽ qua bộ khuếch đại và bộ tạo xung điều khiển cần thiết để mở thyristorTrong nguyên tắc này được chia làm 2 loại sau:
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng cosin
- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anot của thyristor, để điều khiển được góc mở α của thyristor trong vùng điện áp dương not cần tạo thêm điện áp tựa tam giác (điện áp răng cưa Urc) Dùng điện áp một chiều Udk so sánh với Urc (tại t1, t4) Khi đó Udk = Urc trong vùng điện áp dương anot thì u t t
0 t phát xung điều khiển Xdk , thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc khi dòng điện đến
Hình 3.7 Nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Như vậy bằng cách thay đổi Udk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm mở thyristor, do đó điều chỉnh được điện áp ra Nhược điểm của phương pháp này là điều khiển không được chính xác, nhưng có ưu điểm là việc tạo ra điện áp răng cưa Urc dễ dàng.
- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng cosin:
Người ta tạo điện áp tựa là điện áp dịch pha so với điện áp lưới một góc 60 0 , điện áp dịch pha ấy là điện áp cos, tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng điện áp dương anot thì phát xung mở thyristor
Hình 3.8 Nguyên lý điều khiển thẳng đứng cosin Ưu điểm của phương pháp này cho ta kết quả Ud = f(Udk) là tuyến tính, điều này nâng cao độ chính xác khi điều khiển và có lợi cho việc điều chỉnh hệ thống Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là việc tạo điện áp tựa có dạng cosin rất khó khăn, hơn nữa vì Urc có dạng cos nên điều khiển kém nhạy và có thể mất điều khiển tại vùng đó.
Qua phân tích hai phương pháp điều khiển trên, ta thấy mỗi phương pháp đều có nhược điểm riêng Trong đồ án này ta sẽ chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính để thực hiện cấp xung mở thyristor.
3.3.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển a Sơ đồ khối
Qua phân tích trên ta có được sơ đồ khối của mạch ổn định điện áp như sau:
U đặt Điều khiển Cuộn KT MF
Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống ổn định điện áp MF
Khối điều khiển được điều khiển bằng thyristor và thyristor được điều khiển thông qua các khối đồng pha, khối so sánh và khối tạo xung được ghép với nhau Ta có khối điều khiển như sau: Đồng pha So sánh Tạo xung
Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển
Mạch điều khiển bao gồm 3 khối cơ bản như hình 3.10 Nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ như sau:
- Khối đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc trùng pha với điện áp anot của thyristor.
- Khối so sánh sẽ nhận tín hiệu điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Udk Khối này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Udk để tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung đầu ra gửi sang tầng khuếch đại.
- Khối tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor.
Hình 3.11 Hình dạng xung điều khiển thyristor b Giới thiệu các khối trong mạch điều khiển
Là khâu tạo điện áp tựa dùng bộ ghép quang, có sơ đồ khối như sau:
Hình 3.12 Khối đồng pha dùng bộ ghép quang
Hoạt động của sơ đồ:
Khi UAT > 0 thì D dẫn Diod quang DQ khóa làm cho Tranzistor quang
TrQ khóa, tụ C nạp theo đường +E → R2→ C với bản cực dương ở trên âm ở dưới (như hình vẽ) ta có hằng số thời gian T = R2.C
Khi UAT < 0 thì D khóa Diod quang DQ dẫn làm cho Tranzistor TrQ dẫn, tụ C sẽ xả tạo điện áp răng cưa Urc.
Bộ ghép quang này có ưu điểm là không cần máy biến áo đồng pha do đó đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt Mặt khác bộ ghép quang này được chế tạo hợp bộ nên rất thuận tiện và đơn giản khi sử dụng chúng Bộ ghép quang DQ và TrQ có cấu tạo như sau:
Hình 3.13 Cấu tạo bộ ghép quang 4N35
Dùng bộ khuếch đại thuật toán Có sơ đồ như sau:
Sơ đồ khối Giản đồ đường cong điện áp
Hình 3.14 Sơ đồ khối so sánh dùng khuếch đại thuật toán
Từ thời điểm 0 ÷θ1: │U U đk│U >│U Urc│U thì Ura = -Ung
Từ thời điểm θ1÷θ2 : │U U đk│U Udk Điện áp ra sẽ nhận giá trị dấu của Urc Vì tín hiệu
