Máy phát điện dự phòng để đảm bảo liên tục cho các phụ tải đặc biệt là một yêu cầu không thể thiếu được trong các nhà máy sản xuất công nghiệp và các cơ quan ví dụ như: Bệnh viện, đài phát thanh và các sinh hoạt công nghiệp khác. Do vậy tìm hiểu về những vấn đề liên quan đến điều khiển tự động máy phát điện dự phòng là rất cần thiết. Đối với bản đồ án của tôi cần quan tâm tới ba nội dung chính đó là: Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp 1. Ổn định điện áp của máy phát điện dự phòng sao cho không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và không chịu ảnh hưởng vào nguồn năng lượng cơ khí (động cơ sơ cấp). 2. Tự động chuyển đổi để máy phát dự phòng tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải khi lưới điện quốc gia mất và tự động ngừng máy phát dự phòng khi lưới điện quốc gia có trở lại. Ngoài ra bản đồ án này của tôi có thể cho học sinh tìm hiểu nghiên cứu và thực hành, vận dụng những điều đã nói ở trên thì cần phải có một mô hình thực hành và nội dung đồ án của tôi là xây dựng mô hình thực hành đó. Bản thuyết minh đồ án sau đây của tôi là những trình bày về quá trình tham gia chế tạo mô hình đó. Bản thuyết minh được chia thành nhiều chương: Chương I: Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ Chương II: Ổn định tần số điện áp máy phát. Chương III: Ổn định điện áp máy phát (AVR). ChươngIV: Mạch tự động chuyển đổi (ATS). ChươngV: Kết cấu của mô hình. Chương VI: Những bài thực hành thực hiện được trên mô hình.
ĐẶT VẤN ĐỀ Máy phát điện dự phòng để đảm bảo liên tục cho các phụ tải đặc biệt là một yêu cầu không thể thiếu được trong các nhà máy sản xuất công nghiệp và các cơ quan ví dụ như: Bệnh viện, đài phát thanh và các sinh hoạt công nghiệp khác. Do vậy tìm hiểu về những vấn đề liên quan đến điều khiển tự động máy phát điện dự phòng là rất cần thiết. Đối với bản đồ án của tôi cần quan tâm tới ba nội dung chính đó là: Ổn định tốc độ động cơ sơ cấp 1. Ổn định điện áp của máy phát điện dự phòng sao cho không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và không chịu ảnh hưởng vào nguồn năng lượng cơ khí (động cơ sơ cấp). 2. Tự động chuyển đổi để máy phát dự phòng tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải khi lưới điện quốc gia mất và tự động ngừng máy phát dự phòng khi lưới điện quốc gia có trở lại. Ngoài ra bản đồ án này của tôi có thể cho học sinh tìm hiểu nghiên cứu và thực hành, vận dụng những điều đã nói ở trên thì cần phải có một mô hình thực hành và nội dung đồ án của tôi là xây dựng mô hình thực hành đó. Bản thuyết minh đồ án sau đây của tôi là những trình bày về quá trình tham gia chế tạo mô hình đó. Bản thuyết minh được chia thành nhiều chương: 1 Chương I: Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều đồng bộ Chương II: Ổn định tần số điện áp máy phát. Chương III: Ổn định điện áp máy phát (AVR). ChươngIV: Mạch tự động chuyển đổi (ATS). ChươngV: Kết cấu của mô hình. Chương VI: Những bài thực hành thực hiện được trên mô hình. 2 CHƯƠNG I MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Đối với máy phát xoay chiều ở đây ta không quan tâm nhiều về vấn đề cấu tạo hay về nguyên lý làm việc mà chủ yếu ta quan tâm về: Năng lượng sơ cấp để kéo roto máy phát, vấn đề tự kích từ và tự động kích từ. Tự động ổn định điện áp, tần số điện áp máy phát. 1. Nguồn năng lượng sơ cấp. Điện áp do bất cứ máy phát nào phát ra đều phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ sơ cấp (n). Điều đó kéo theo tần số của điện áp cũng phụ thuộc vào động cơ sơ cấp ( f= f( n )). Khi tốc độ quay của động cơ sơ cấp tăng thì tần số của điện áp phát ra cũng tăng theo và ngược lại do đó đặt vấn đề phải giải quyết là phải tự động ổn định tần số điện áp phát ra. Nguồn năng lượng sơ cấp thì ta có thể sử dụng nhiều loại như: Tuabin nước. Tuabin gió. Động cơ điezen. Động cơ điện một chiều… 2. Từ trường biến thiên ban đầu Mặc dù khi có nguồn năng lượng sơ cấp ban đầu đã đủ lớn nhưng khi không có một từ trường biến thiên ban đầu (điện áp kích từ ban đầu) thì máy phát cũng không thể sinh ra được điện năng và điều quan trọng ở máy phát điện nói chung đó là giá trị điện áp do máy phát phát ra phụ thuộc vào điện 3 áp kích từ ( U f = f(u (kt) ). Khi đã có điện áp kích từ và nguồn năng lượng sơ cấp để kéo được roto của máy phát thì khi đó mới có điện năng do máy phát phát ra. Từ trường biến thiên ban đầu là do từ dư của nam châm (Roto) sinh ra. Khi roto quay thì từ dư của nam châm biến thiên trong lõi thép của roto sinh ra một sực điện động biến thiên điều hoà. Sức điện động biến thiên này gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn dây của stato và sinh ra một sức điện động tự cảm biến thiên cùng tần số trong cuộn dây stato. Tạo ra mạch ngoài một dòng điện biến thiên cùng tần số cùng biên độ. Khi đó một phần điện áp phát ra lại được lấy chỉnh lưu phản hồi lại để làm điện áp kích từ nuôi cho roto (đây chính là quá trình tự kích từ). Khi đó roto mới trở thành nam châm điện. Nhưng ở đây vấn đề đặt ra đó là ổn định điện áp ra của máy phát, và ổn định tần số của điện áp phát ra của máy phát. Ngoài ra đối với một mạng điện của bộ nguồn dự phòng thì vấn đề lớn nữa ta cần quan tâm đó là bộ tự động chuyển đổi (ATS). I. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Máy điện đồng bộ nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống. Được sản xuất từ các nhà máy phát điện quay tuabin hơi hoặc khí nước. Ngoài ra máy điện đồng bộ còn được làm động cơ đặc biệt trong các thiết bị lớn vì chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. 1. Phân loại. Theo kết cấu có thể chia máy phát điện đồng bộ thành hai loại: Máy phát điện đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p = 2) và máy phát điện đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp (2p ≥ 4). 4 Theo chức năng, có thể chia máy phát điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: a. Máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang. Máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nối chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ điezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện điêzen. Máy phát điện điêzen thường có cấu tạo cực lồi. b. Động cơ điện đồng bộ. c. Máy bù đồng bộ. 2. Kết cấu Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta sẽ xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi. a. Kết cấu của máy phát điện động bộ cực ẩn. Rôto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh của rôto hình thành mặt cực từ. Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3000vg/ph và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rôto, đường kính của rôto không vượt quá 1,1 -1,15m. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto. Chiều dài tối đa của rôto khoảng 6,5m. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôtođược chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng 5 dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính. Phần đầu nối nằm ngoài rãnh của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống không từ tính. 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 để nối với dòng kích từ một chiều. Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục với trục của máy đồng bộ. Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn ba pha và than máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng cac lá tôn silic dày 0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện. dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục,rộng 10 mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình, than máy được chế tạo kiểu kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy.Thân máy phải thiết kế và chế tạo đẻ sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện. Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ máy. b. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực lồi. Máy đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy đồng bộ cực ẩn, đường kính rôto D của nó có thể lớn tới 15 m trong khi chiều dài l lại nhỏ với tỷ lệ 1/D =0,15 ÷ 0,2. Rôto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được cấu tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ. ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 ÷ 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối 6 lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rôto. Giá này lồng vào trục máy. cực từ đặt trên lõi thép rôto được ghép bằng những lá thép dày 1 ÷ 1,5 mm. Việc xác định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các đuôi hình bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng quộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đã gia công được lồng vào các cuộc than cực. Dây quấn cản (trường hợp này máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp dộng cơ dồng bộ) được đặt trên các dầu cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch. Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn. Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như của máy dồng bộ cực ẩn. Trục của máy đồng bộ có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, máy phát diện điêzen hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng trên 200 vg/ph). ở trường hợp máy phát tuabin nước,tuabin nước công suất lớn, tốc dộ chậm, trục của máy được đặt thẳng đứng. Khi trục của máy được đặt thẳng đứng, trọng ổ trục đỡ rất quan. Nếu ổ trục đỡ đặt ở đầu trên của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù. Ở máy phát tuabin nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào than máy, do đó tương đối dài và phải rất khẻo vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của rôto máy 7 phát, rôto tuabin nước và xung lực của nước đi vào tuabin. Như vậy kích thước xà đỡ trên rất lớn tốn nhiều sắt thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng chi phí xây dựng buồng đặt máy. Ở máy phát tuốcbin nước kiểu dù, ổ đỡ trục nằm trên xà dưới. Xà đỡ dưới được cố định trên nền của gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ được đặt ngay trên nắp của tuabin nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân máy và buồng đặt máy đều thấp hơn. Trên cùng trục máy phát tuabin thường có đặt them các máy phụ - máy kích thích, để cung cấp dòng diện một chiều cho cực từ cuả máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin. Điều chỉnh điện áp máy phát ta điều chỉnh dòng kích từ I d dẫn đến từ thông và điện trường thay đổi, ta sẽ điều chỉnh được điện áp. Ta điều chỉnh tần số thì ta điều chỉnh tốc độ của động cơ sơ cấp ( tuabin nước, khí, dầu, gió). Ta điều chỉnh công suất máy phát ta phải điều chỉnh công suất điện từ, tức là ta điều chỉnh góc θ giữa U và E 0 . Muốn điều chỉnh góc θ ta phải điều chỉnh công suất của động cơ sơ cấp. Như điều chỉnh công suất của máy phát liên quan đến tần số máy phát, ta điều chỉnh dòng kích từ E 0 thay đó góc giữa U và I thay đổi công suất thay đổi, công suất phản kháng thay đổi. Việc điều chỉnh công suất phản kháng liên quan đến điện áp máy phát ra. + Điều kiện làm việc song song của máy phát. +U F = U l + f F = f l + Thứ tự pha giống nnhau 8 + U F , U l trùng pha nhau + F: máy phát, l: lưới điện. 3. Nguyên lý làm việc của máy phát. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng do đó ta phải dùng động cơ sơ cấp quay rôto với tốc độ n. vì rôto là nam châm điện nên cảm ứng trong dây quấn stato suất điện động 3 pha e A , e B , e C . Trị số hiệu dụng suất điện động 1 pha E 0 = 4,44. w.f.k.dq.φ. W: số vòng của một pha. f = 60 .np f: là tần số n: là tốc độ rôto p: là số đối cực k.dq: là hệ số dây quấn Φ 0 : từ trường dưới một cực Khi máy phát mang tải (mạch ngoài kín) trong dây quấn dòng điện 3 pha tạo ra một từ trường quay n 1 = n. 4. Phương trình và các quan hệ điện từ. a. Phản ứng phần ứng. Khi stato có dây điện, dòng điện stato (phần ứng) tạo ra từ trường gọi là từ trường phần ứng. Tác dụng của từ trường phần ứng làm từ trường phần cảm của rôto gọi là phản ứng phần ứng.Tuỳ theo tính chất của tải mà phản ứng phần ứng khác nhau. + Tải thuần dung. Φ 0 của cực từ cảm ứng suất diện động E 0 ở stato, E 0 chậm sau Φ 0 một góc π /2 tải thuần dung nên dòng stato I d vượt trước E 0 một ggóc 90 0 9 I d sinh ra từ trường phần ứng, Φưd trùng pha nhau sinh ra suất điện động tải thuần dung phản ứng phần ứng dọc trục (Φ ud , Φ 0 cùng trục), trợ từ (Φ ud cùng chiều Φ 0 ). + Tải thuần cảm: Tương tự như tải thuần dung nhưng tải thuần cảm dùng stato I d chậm sau E 0 một góc 90 0 , ta cs đồ thị véc tơ. E ud = - j.n ud .I d . Tải thuần cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ (Φ ud ngược chiều Φ 0 ). + Tải thuần trở: Dòng điện stato I n trùng pha với E 0 ta có đồ thị I n sinh ra Φ un Φ un sinh ra E un E un = - j.x un .I n . tải thuần trở thì phản cảm ứng ngang trục + Tải bất kỳ: Dòng điện stato I ta phân làm hai thành phần I = I d + I n . I n :gây ra phản ứng phần ứng ngang trục. I d : Gây ra phản ứng cảm ứng đồng trục(trợ từ hay khử từ) tuỳ thuộc vào tải mang tính chất tương ứng. Trợ từ mang tính chất điện dung . khử từ mang tính chất điện cảm. b. Phương trình của máy phát điện. Φ 0 sinh ra E 0 . I = I d +I n . I d sinh ra Φ ud , Φ ud sinh ra E ud . I n sinh ra Φ un , Φ un sinh ra E un . 10