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

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

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
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



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.


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

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

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

I = f(i
t
)
U = f(i
t
)
U
dm
U.I
I
no
I
dm

Hình 1.6
Tỷ số ngắn mạch:
tn
to
dm
no
i
i
I
I
K 
i
to
dòng điện kích thích khi không tải lúc U
o
= U

; I
dm
; cos
=const ; f = f
dm
- 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



2.4. Đặc tính điều chỉnh

i
t
= f(I) khi U = const ; cos = const ; f = f
dm
.

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 i
t
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)


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 ( = 90
0
) và I = I
đmĐặc 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 I
n
= I
dm
dòng
điện kích thích i
tn
hoặc sức từ động F
tn
cần thiết bằng F
tn
=i
tn
=
SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ
Trg. 14



it
U.I
I = 0
I = Idm
2
3
1
E
A'
O'
B' C'
C
Q
P
O
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


cho động cơ trong mỗi chu trình công tác để đảm bảo công suất
động cơ luôn cân bằng với công suất của máy công tác qua đó giữ
cho số vòng quay của động cơ không thay đổi

Hiện nay có rất nhiều loại điều tốc trên mỗi động cơ sở dụng bộ
điều tốc nào là tuỳ thuộc vào loại động cơ, đặc điểm của máy
công tác và toàn bộ thiết bị
SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ
Trg. 16 Đối với động cơ Diezel dùng để chạy máy phát luôn phải hoạt
động trong điều kiện giữ tốc độ quay không đổi khi tải thường
xuyên thay đổi một cách đột ngột, nên động cơ rất dễ vượt quá số
vòng quay cho phép giới hạn của động cơ một mặt có thể gây ra
ứng suất cơ giới hạn vượt quá giá trị cho phép, mặt khác còn phá
hoại nghiêm trọng các quá trình làm việc của động cơ. Vì những
lý do trên mà đối với động cơ Diezel dùng để chạy máy phát điện
bắt buộc phải lắp bộ điều tốc

Động cơ Diezel thường rất nhạy cảm với các chế độ tốc độ. Nếu
tốc độ động cơ vượt quá số vòng quay thiết kế, thường làm giảm
nhanh chất lượng của các quá trình công tác vì lúc ấy hệ số dư
lượng không khí và chất lượng hình thành khí hỗn hợp đều giảm
nhanh lúc ấy một mặt thời gian cháy bị rút ngắn mặt khác chất
lượng của quá trình cháy cũng giảm. Nhiên liệu không cháy hết
và quá trình cháy còn phải kéo dài thêm trên đường giãn nở, làm
động cơ rất nóng (đặc biệt là cơ cấu thải và nhóm pittông). Tốn


1
2
3
1 Lß xo
2 Qu¶ v¨ng
3 Khíp tr­ît

Hình 1.10 - Bộ điều tốc một chế độ của máy phát điên Diezel

Lò xo của bộ điều tốc có lực ép ban đầu không đổi do đó quả
văng của bộ điều tốc dưới tác dụng cuả lực ly tâm chỉ có thể vận
động khi chế độ tốc độ của động cơ đạt tới một giá trị nhất định.
Nếu cắt phụ tải bên ngoài động cơ có khuynh hướng làm tăng số
vòng quay, lúc ấy dưới tác dụng của lực ly tâm, các quả văng của
bộ điều tốc sẽ văng ra ngoài làm di động khớp trượt và thanh răng
bơm cao áp. Qua đó làm lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu
trình giảm tới một giá trị cần thiết. Nếu tăng tải bên ngoài số vòng
quay của động cơ xẽ giảm một quá trình sẽ sảy ra ngược lại, lúc
ấy tác dụng của lực ly tâm nhỏ đi do tốc độ của động cơ giảm, các
quả văng của bộ điều tốc sẽ văng ít đi làm di động khớp trượt và
thanh răng bơm cao áp. Qua đó làm lượng nhiên liệu cung cấp
SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ
Trg. 18

cho mỗi chu trình tăng tới một giá trị cần thiết đảm bảo tốc độ
động cơ sẽ được giữ không đổi. Tất cả các chế độ làm việc của
động cơ lúc này sẽ nằm trên đặc tính điều tốc ab là những chế độ

chế điều chỉnh tốc độ động cơ

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

SV: TBĐ
Trg. 19

 Phần bảo vệ quá tốc độ động cơ:

Khi động cơ mất điều khiển tốc độ động cơ có thể tăng lên rất cao
điều này làm cho các cơ cấu cơ khí không thể chịu được các lực
ly tâm lớn xuất hiện do đó các cơ cấu cơ khí có thể bị phá hỏng
đồng thời có thể gây nguy hiểm cho người vận hành máy. Khi đó
bộ phận bảo vệ quá tốc độ có nhiệm vụ phát hiện ra sự cố đồng
thời khống chế tốc độ động cơ sơ cấp ở một tốc độ an toàn do đó
đảm bảo an toàn cho máy và người vận hành

 Phần khống chế điều chỉnh tốc độ động cơ:
- Duy trì tốc độ không tải của động cơ tại một điểm đặt trước
- Duy trì tốc độ động cơ tại một điểm đặt trước khi tải thay
đổi

Không giống như các bộ khống chế bằng các cơ cấu cơ khí bộ
khống chế bằng điện có kích thước nhỏ gọn bao gồm các bộ phận
sau :
- Khối điều khiển
- Bộ cảm biến tốc độ động cơ
- Cơ cấu chấp hành
- Bộ bảo vệ quá tốc độ động cơ


Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ bao gồm một loạt các kênh liên
hệ ngược điều khiển điện áp kích từ của máy phát kích thích (gián
tiếp điều khiển điện áp kích từ của máy phát chính ). Trường hợp hệ
thống kích từ dùng Thyristor (chỉnh lưu có điều khiển) tín hiệu từ
thiết bị tự động điều chỉnh kích từ điều khiển trực tiếp dòng kích từ.
Lúc đầu thiết bị tự động điều chỉnh kích từ được thiết kế chỉ với mục
đích điều chỉnh điện áp (giữ điện áp đầu cực trong quá trình máy
phát làm việc). Cấu tạo đơn giản bởi các kênh phản hồi âm theo độ
lệch điện áp và phản hồi dương theo độ lệch dòng điện. Hiện nay
thiết bị tự động điều chỉnh kích từ có cấu trúc phức tạp hơn nhiều,
thực hiện các nhiệm vụ ổn định hệ thống giảm dao động công suất...

Các phần chính trong cấu trúc của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ
gồm:

 Các kênh điều chỉnh theo độ lệch các tham số chế độ (điện áp
đầu cực máy phát , dòng stato...). Các kênh này có ảnh hưởng
chung nhưng chủ yếu đến các đặc tính tĩnh và chế độ xác lập.

 Các kênh điều chỉnh theo tín hiệu đạo hàm của các tham số
chế độ. Các kênh này chỉ ảnh hưởng đến các đặc tính động của
hệ thống như điều kiện ổn định (chủ yếu ổn định tĩnh), đến
SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ
Trg. 21

chất lượng của quá trình quá độ, nhưng không có tác dụng đối
với các đặc tính tĩnh.



- Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động mạnh:

B§

SS

U

B§

VP

CH

VP

U'


U

f'


Trg. 22

- Các cuộn dây kích từ - C1, C2 và C3
- Kênh phản hồi – PHM
- Kích thích cường hành – CH
- Bộ ổn định công suất – VP
- Bộ chỉnh lưu Thyristor - TCL

Các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động tỉ lệ chỉ gồm các
kênh điều chỉnh theo độ lệch thông số, do đó tác động điều chỉnh
tương đối chậm (tương thích với hệ thống kích từ bằng máy phát
một chiều hoặc máy phát xoay chiều tần số cao). Do bị giới hạn
bởi hệ số khuếch đại chất lượng điều chỉnh điện áp cũng không
cao. Hiện nay sử dụng chủ yếu loại này ở những nhà máy không
có yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh điện áp, không có yêu
cầu đặc biệt về ổn định hệ thống, các nước Tây âu coi thiết bị tự
động điều chỉnh kích từ có cấu trúc này là chuẩn cho các máy
phát điện thông thường

Các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động nhanh có cấu tạo
đặc biệt , thêm các kênh điều chỉnh theo đạo hàm thông số. Lý
thuyết thiết bị tự động điều chỉnh kích từ hiện nay chưa thống
nhất. Các nước thuộc Liên Xô cũ xây dựng cơ sở lý thuyết về
thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động mạnh trên cơ sở ổn
định hệ thống nói chung, nhằm tạo ra các thiết bị tự động điều
chỉnh kích từ chất lượng điều chỉnh điện áp rất cao, trong khi vẫn
đảm bảo được ổn định cho bản thân thiết bị điều chỉnh (và do đó
nâng cao đáng kể tính ổn định của hệ thống nói chung). Trong khi
các nước Tây âu đặt thêm bộ phận điều chỉnh phụ ghép với thiết
bị tự động điều chỉnh kích từ nhằm giảm dao động công suất (gọi

kích từ tác động tỉ lệ có thêm kênh phản hồi tốc độ PHM tác động
theo tín hiệu đạo hàm cấp 1 của điện áp kích từ (của máy kích
thích)

Bộ phận kích thích cường hành thực chất là một rơle điện áp thấp
nối với khâu khuếch đại điện áp đầu cực máy phát giảm tới 20%
so với trị số định mức rơle tác động đưa điện áp tối đa vào cuộn
C
3
. Nhờ đó điện áp đầu ra của máy kích thích đạt trị số cực đại.
Tác động này làm tăng momen điện từ máy phát nhờ đó nâng cao
tính ổn định

Về cấu trúc, khác với thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động
tỉ lệ, thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động mạnh có thêm
một loạt kênh tín hiệu là đạo hàm thông số chế độ, cùng đưa vào
bộ khuếch đại. Phần tác động điều chỉnh điện áp theo độ lệch và
kích thích cường hành không thay đổi. Các kênh mới này rõ ràng
không có tác động nào ở chế độ xác lập (vì tín hiệu bằng 0). Tuy
nhiên lại có hiệu quả cao đối với chất lượng điều chỉnh điện áp và
ổn định tĩnh hệ thống điện. Vấn đề là ở chỗ, nhờ có các kênh này
có thể nâng cao hệ số khuếch đại tín hiệu độ lệch điện áp lên rất
lớn do kênh điều chỉnh, trong khi vẫn giữ được ổn định cho bộ
phận điều chỉnh. Khi đó một cách gián tiếp đem lại hiệu quả cao
về phương diện chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn định
chung của hệ thống. Vấn đề là phải chọn được cấu trúc thích hợp
và hiệu chỉnh đúng các hệ số đặt ứng với hệ thống điện cụ thể

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


Yêu cầu cơ bản theo tiêu chí này là hệ thống kích từ phải cung cấp và
tự động điều chỉnh dòng điện đi vào dây quấn kích từ của máy phát
đồng bộ để đảm bảo duy trì điện áp đầu ra của máy phát khi tải thay
đổi trong khả năng cung cấp liên tục của máy phát. Các giới hạn về
thay đổi nhiệt độ, điều kiện làm việc của thiết bị, điều kiện quá tải
v.v.. phải được tính toán khi chế độ ổn định được xác định.
SV: TBĐ Đồ án Tốt nghiệp - Thiết kế mạch ổn áp Máy phát

SV: TBĐ
Trg. 25 Thêm vào đó, hệ thống kích từ phải đáp ứng được các biến động quá
độ của tải bằng áp đặt từ trường phù hợp với khả năng đáp ứng đồng
thời và ngắn hạn của máy phát. Khả năng của máy phát ở đây là các
giới hạn của một số yếu tố như: cách điện dây quấn rô-to khi điện áp
tăng cao, độ tăng nhiệt độ rô-to do dòng điện từ trường tăng cao, độ
tăng nhiệt độ của stator do dòng tải tăng ở dây quấn phần ứng; độ
tăng nhiệt các đầu búi dây ở chế độ thiếu kích thích và quá điện áp
hoặc quá tần số. Các giới hạn về nhiệt có hằng số thời gian quán tính
nhất định và khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể ở trong
khoảng từ 15 đến 60 giây. Để đảm bảo sử dụng tối ưu hệ thống kích
từ, hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu của hệ
thống bằng cách tận dụng triệt để các khả năng ngắn hạn của máy
phát sao cho không vượt quá các giới hạn

1.2.2. Theo tiêu chí hệ thống điện

Theo tiêu chí này, hệ thống kích từ phải đóng vai trò điều khiển hiệu
quả điện áp và nâng cao tính ổn định của hệ thống điện. Nó phải có