Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 1 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 C 2 và R 6 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 2 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 3 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 4 1. 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 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 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 120 o 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. N S A B C SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 5 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 120 o theo chu kỳ thời gian, với tần số: 60 n.p f  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: p f n 60 1  So sánh (1.1) và (1.2) ta có n=n 1 , 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 6  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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 7 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 1- 1,5 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 8 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 = U 0 = f(i t ) khi I= 0 và f= f dm 2. Đặc tính ngắn mạch U = f(i t ) khi U = 0 ; f = f dm 3. Đặc tính ngoàiU = f(I) khi i t = const ; cos =const ; f = f dm 4. Đặc tính điều chỉnh i t = f(I) khi U = const ; cos = const ; f = f dm 5. Đặc tính tải U= f(i t ) khi I = const ; cos = const ; f= f dm 2.1. Đặc tính không tải E = U 0 = f(i t ) khi I= 0 và f= f đm SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 9 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 * = dm E E tdmo t *t i i i  E* It* Hình 1.3 - Đặc tính không tải 2.2. Đặc tính ngắn mạch và tỉ số ngắn mạch I n = f(i t ) khi U= 0 ; f= f đm 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 ( r ư = 0) thì mạch điện dây quấn phần lúc ngắn mạch là thuần cảm (  = 90 0 ) như vậy I q = cos = 0 I d = Isin = I  E = jIx d Vậy ta có đồ thị véc tơ. SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 10 E I jx­I jx­dI jIxd 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 – Ix ud = Ix ư Rất nhỏ. Như vậy quan hệ I = f(I t ) là đường thẳng I It I = f(It) Hình 1.5 - Đặc tính ngắn mạch Tỷ số ngắn mạch: Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn mạch I no ứng với dòng điện kích thích sinh ra suất điện động E = U dm khi không tải với dòng điện định mức. dm no I I K  (Trong đó: d dm no x U I  ) x d trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = U dm  *ddmd dm x 1 Ix U K  x d* thường lớn hơn 1 vậy K < 1  I no < I đm . lai. Chương 1. Tổng quan về các phương pháp ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ. SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg.. của các thiết bị điện tử công suất. SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 3 Tuy công suất máy phát được giao thiết kế (125kW)