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 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 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 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. N S A BC 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 120o theo chu kỳ thời gian, với tần số: 60 n.pf  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 fn 601  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 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 = 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 = U0 = f(it) khi I= 0 và f= fđm 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* = dmE 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 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 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 – Ixud = Ixư Rất nhỏ. Như vậy quan hệ I = f(It) 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 Ino ứng với dòng điện kích thích sinh ra suất điện động E = Udm khi không tải với dòng điện định mức. dm no I I K  (Trong đó: d dm no x U I  ) xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Udm  *ddmd dm x 1 Ix U K  xd* thường lớn hơn 1 vậy K < 1  Ino < Iđm SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 11 ititnito I = f(it) U = f(it) Udm U.I Ino Idm Hình 1.6 Tỷ số ngắn mạch: tn to dm no i i I I K  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 Udm 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 Udm ; Idm ; cos =const ; f = fdm - được gọi là dòng điện từ hoá định mức SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 12 U I U dm 0 I dm cos   U dm cos  (®iÖn dung) cos  (®iÖn c¶m) 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 Udm cuả máy phát điện đồng bộ là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos = cosdm đến không tải trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Udm = 100 U UE dm dm 2.4. 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 13 It I It 0 Idm cos(®iÖn dung) cos cos (®iÖn c¶m) 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 cosdm = 0,8 ( thuần cảm) nên từ thông tải (U = Udm ; I = 0) đến tải đinh mức (U = Udm ; 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 14 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 Fư = Idmxư = 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) it U.I I = 0 I = Idm 2 3 1 E A' O' B' C' C Q PO M Idm k­dF­d x­Idm 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 Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát SV: TBĐ Trg. 15 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