THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN, 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN, thuyết minh 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN, 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN
MỞ ĐẦU
Trong thực tế hiện nay điện năng là nguồn năng lượng không thể trong tất cả các lĩnh vực, nhưng tình trang thiếu điện hiện nay diễn ra liên tục do tác động của thời thiết làm cho nhà máy thủy điện không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng nên đã ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế. Do vậy để đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện thì máy phát điện là sự lựa chọn tối ưu nhất và thực tế nó được sử dung rất rộng rãi. Động cơ sơ cấp kéo máy phát có thể là động cơ xăng hoặc động cơ diesel và nó tùy thuộc phụ tải mà ta lựa chọn hợp lý. Chất lượng điện năng phát ra thể hiện qua hai thông số là tần số và điện áp, nếu hai thông số này vượt quá giá trị cho phép thì nó ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của tải. Vì vậy vấn đền đặt ra ở đây là làm sao khi tải thay đổi mà vẫn giữ được điện áp và tần số cố định và đó cũng chính là lý do nhóm chúng em chọn đề tài nay.
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này ,ngoài sự cố gắng của cả nhóm nói chung và sự cố gắng của các thành viên trong nhóm nói riêng nhóm em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Thầy Phạm Văn Mạng đã trực tiếp hướng dẫn nhóm em hoàn thành đồ án này cùng với sự hổ trợ nhiệt tình của các Thầy, Cô của khoa Điện –Điện Lạnh.
Trong quá trình học hỏi lý luận và nghiên cứu thực tế tuy được sự giúp đỡ tận tình của thầy ,cô giáo nhưng do nhận thức và trình độ còn hạn hẹp nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu xót và hạn chế .Vậy,nhóm em rất mong nhận được ý kiến đóng góp, nhận xét của các thầy ,cô giáo và toàn thể các bạn để có điều kiện học hỏi thêm và nâng cao kiến thức của mình để phục vụ tốt hơn cho quá trình công tác sau này.Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và sự hướng dẫn của thầy giáo .
MỤC LỤC
Mở Đầu: Trang
Chương I: Giới Thiệu Động Cơ Diesel Và Máy Phát Điện Đồng Bộ 3Pha.............. 1
1.1. Sơ Lược Về Cấu Tạo Động Cơ Diesel............................................................... 2
1.1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ 4 Kỳ................................................... 5
1.1.3. So Sánh Điều Chỉnh Công Suất Động Cơ Diesel Và Động Cơ Xăng......... 7
1.1.4. So Sánh Lợi Ích Của Động Cơ Điesel Và Động Cơ Xăng............................ 8
1.1.5. Sơ Đồ Khối Máy Phát Điện Diesel................................................................ 9
1.2. Máy Phát Điện Đồng Bộ 3 Pha.......................................................................... 10
1.2.1. Giới Thiệu Máy Điện Đồng Bộ 3 Pha........................................................... 10
1.2.2. Phân Loại Và Kết Cấu, Cấu Tạo Của Máy Điện Đồng Bộ 3 Pha............... 10
1.2.3. Nguyên Lý Làm Việc Của Máy Phát Điện Đồng Bộ................................... 16
1.2.4 Phản Ứng Phần Ứng Trong Máy Phát Điện Đồng Bộ.................................. 17
1.2.5 Phương Trình Cân Bằng Điện Áp Máy Phát Điện Đồng Bộ....................... 18
1.2.6. Công Suất Điện Từ Của Máy Phát Điện Đồng Bộ....................................... 19
Chương II: Phương Pháp Ổ Định Điện Áp Và Tần Số Trong Máy Phát Điện.......... 22
2.1. Phương Pháp Ổn Định Điện Áp Tự Động Bằng AVR..................................... 23
2.1.1. Giới Thiệu Hệ Thống Kích Từ Trong Máy Phát.......................................... 23
2.1.2. Vai Trò Mạch Từ Động Điều Chỉnh Điện Áp AVR..................................... 23
2.1.3. Sơ Đồ Khối Mạch AVR................................................................................... 26
2.1.4. Giới Thiệu Về Một Số Mạch AVR Trong Máy Phát Điện........................... 27
2.2. Phương Pháp Ổn Định Tần Số........................................................................... 45
Chương III: Phương Pháp Hòa Đồng Bộ Các Máy Phát............................................... 47
3.1. Đại Cương ............................................................................................................ 48
3.2. Ghép Một Máy Phát Điện Làm Việc Song Song............................................. 48
3.2.1. Các Phương Pháp Hòa Đồng Bộ Chính Xác................................................. 50
3.2.1.1. Hoà Đồng Bộ Bằng Bộ Hoà Đồng Bộ Kiểu Ánh Sáng Đèn..................... 50
3.2.1.2. Hòa Đồng Bộ Bằng Bộ Đồng Bộ Kiểu Điện Từ....................................... 52
3.2.2. Phương Pháp Hòa Tự Đồng Bộ ...................................................................... 53
3.2.3. Hệ Thống Hòa Đồng Bộ Tự Động Sử Dụng Kỹ Thuật Số............................ 53
3.3. Giới Thiệu Về Một Số Tủ Hòa Đồng Bộ.......................................................... 55
3.3.1.Cấu Trúc Tủ....................................................................................................... 55
3.3.2. Các Chức Năng Của Tủ Hòa Đồng Bộ.......................................................... 56
3.3.3.Tự Động Hòa Đồng Độ..................................................................................... 57
Chương IV: Thiết Kế Mạch Theo Yêu Cầu...................................................................... 60
4.1. Giới Thiệu IC 89S52 .......................................................................................... 61
4.1.1. Tóm Tắt Phần Cứng......................................................................................... 61
4.1.2. Tóm Tắt Tập Lệnh............................................................................................ 69
4.1.3. Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch.................................................................................. 81
4.1.3.1. Nhiệm Vụ Các Linh Kiện Trong Sơ Đồ Nguyên Lý................................. 82
4.1.3.2. Mạch Tham Khảo Mạch Cầu H Dùng MOSFET....................................... 83
4.1.3.2. Lưu Đồ Và Chương Trình Vi Xử Lý........................................................... 85
Chương V: Thi Công............................................................................................................. 90
5.1. Thi Công Phần Cơ Khí ....................................................................................... 91
5.2. Thi Công Mạch Điều Khiển .............................................................................. 91
CHƯƠNG I :
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PH
- Sơ Lược Về Cấu Tạo Động Cơ Diesel:
Cấu trúc động cơ:
Bước đầu tiên để tìm hiểu về động cơ và cấu trúc của động cơ là tìm hiểu xem bên trong nó hoạt động như thế nào. Bất kể là một động cơ có tới bao nhiêu xilanh 1, 2, 6 hay 12.. thì trong mỗi xilanh vẫn diễn ra các hoạt động tương tự. Do động cơ diesel có cấu tạo cơ khí tương tự như động cơ xăng cho nên chúng ta có thể tìm
hiểu về cấu trúc và hoạt động của động cơ bằng cách nghiên cứu động cơ một xilanh. Động cơ này là những động cơ đốt trong, sử dụng nhiên liệu xăng 4 kỳ.
Xilanh và piston: Hình cắt của động cơ 1 xilanh được chỉ ra ở bên trong hình. Phía trên cùng là nắp máy, piston là 1 ống kim loại rỗng đỉnh đống kín và được lắp kít với xilanh và có thể chuyển động lên xuống ở trong xilanh. Sự chuyển động này có được là nhờ nhiên liệu cháy trong xilanh và kết quả là sản sinh ra năng lượng cho động cơ.
Thanh truyền và trục khuỷu:
Chuyển động lên xuống của piston được gọi là chuyển động khứ hồi. chuyển động này được chuyển thành chuyển động quay để quay các bánh trớn phương tiện vận tải sự thay đổi này được thực hiện nhờ thanh truyền và trục khuỷu nối với nhau và nối với piston của động cơ. Thanh truyền được nối với piston bằng 1 chốt, chốt được luồn qua bề mặt của ổ trục giữa piston và thanh truyền. Đầu phía dưới của thanh truyền được nối với chốt khuỷu, khi piston chuyền động lên xuống trong xilanh. Đầu trên của thanh truyền cũng chuyển động cùng với nó. Đầu dưới của thanh truyền cũng chuyển động lên xuống nhưng do nó được nối với chốt khuỷu nên nó chuyển động quay cùng với chốt khuỷu. Mổi chuyển động của piston từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên trên được gọi là 1 hành trình. Piston thực hiện 2 hành trình khi trục khuỷu quay được 1 vòng.
Khi piston ở phía trên của hành trình vị trí đó được gọi là điểm chết trên (TDC). Khi piston ở phía dưới hành trình thì vĩ trí đó được gọi là điểm chết dưới (BDC).
Xupap: có 2 xupap được đặt phía trên của động cơ. 1 vanh được thiết kế chính xác để lắp khít với cửa nạp của xilanh ở trên đỉnh của xilanh. Còn vanh được thiết kế chính xác để có thể lắp khít với cửa thải của xilanh. Cả 2 xupap ở trên xilanh lúc thì được đống lúc thì được mở. Xupap nạp dùng để đống mở khi cho hổn hợp và khí đi vào động cơ. Xupap xả dung để đống mở cho khí cháy của hổn hợp giữa không khí và nhiên liệu đi ra của xilanh.
Hoạt động của động cơ: được sảy ra ở 4 hành trình nạp, nén, sing công và xả.
Hành trình nạp:
Các hoạt động diễn ra bên trong xilanh của động cơ được chia làm 4 giai đoạn cơ bản được gọi là các hành trình. Trong hành trình nạp này piston chuyển động đi xuống và cupap nạp mở, tạo chân không ở phía trên xilanh hút khí nạp theo đường ống nạp qua xupap vào xilanh. Tại bộ chế hòa khí, khí và hơi xăng được hút vào tạo hổn hợp.
Hành trình nén:
Khí piston tới điểm chết dưới ở cuối hành trình nạp, xupap nạp đóng và bịt kín đầu phía trên của xilanh trung khi trục khuỷu vẩn tiếp tục quay truyền qua thanh truyền tới piston đẩy piston đi lên và nén hổn hợp trong xilanh. Đây gọi là quá trình nén.
Hành trình sinh công:
Khi piston tới điểm chết trên vào cuối kỳ nén ở đỉnh của xilanh hổn hợp khí- nhiên liệu bị nén được đốt cháy. Tia lửa được đốt cháy hổn hợp được cung cấp bởi một hệ thống đánh lửa. Trục khuỷu được truyền một mô men xoắn do đó hành trình này được gọi là hành trình sinh công.
Hành trình xả:
Ngay khi hành trình sing công kết thúc và piston thực hiện hành trình xả. piston chuyển động đi lên đẩy khí xả ra khỏi xilanh.
Hệ thống nạp và hệ thống thải:
Hệ thống nhiên liệu:
Hệ thống làm mát:
Hệ thống bôi trơn:
Tác dụng của dầu bôi trơn:
Trong động cơ dầu bôi trơn có nhiều chức năng:
Giảm mài mòn các mặt ma sát, giảm được tổn hao công suất do ma sát.
Dầu đi qua bề mặt ma sát và mang theo nhiệt độ của bề mặt đó. Dầu có nhiệt độ cao trở về cacte có niệt độ thấp hơn và giảm nhiệt độ xuống. Do đó dầu bôi trơn củng có thể xem như là một nhân tố làm mát.
Dầu làm tránh hiện tượng va đập thủy lực do tải tăng lên đột ngột.
Dầu còn có tác dụng bao kín buồn cháy tránh lọt khong khí xuống cácte.
Dầu là nhân tố làm sạch. Dầu chuyển động sẻ cuốn theo các bụi bẩn và mạt kin loại ở trên bề mặt ma sát và đưa xuống cacte.
Động cơ:
Thân máy:
Thân xilanh là thành phần thân của động cơ được chế tạo từ gang xám hoặc gang hợp kim với một số kim loại khác như niken, crôm và hợp kim nhôm. Xung quanh xilanh có áo nước và cho nước làm mát đi qua. Áo nước được đặc trong khoảng giữa chu vi của xilanh và mặt ngoài của than máy.
Cacte dầu:
Cacte dầu được làm bằng chất dẻo hoặc kim loại có hình dạng đảm bảo cho việc lắp khyít vào đáy của than xilanh để làm kín và chống rò rỉ dầu. Đấy cùa than máy cùng với cacte dâu tạo thành hộp trục khuỷu. chúng được làm rời hoặc chế tạo liền với nhau. Cacte dầu chứa từ 3 đến 8 lít dầu tùy vào động cơ. Bơm dầu từ cacte đến các bề mặt chuyển động. một số động cơ có cacte dầu dập tắc âm thanh.
Nắp xilanh:
Nắp xilanh được đúc bằng gang hoặc hợp kim nhôm. Nắp xilanh là bộ phận cùng với xilanh và piston tạo nên đáy của buồng cháy. Buồng cháy hình chêm có thể làm tăng mức độ rối của hổn hợp cháy nhưng tạo ra chất thải lớn. Buồng cháy hình bán cầu cung cấp khả năng cháy chậm. Hình dạng lồi lõm của đỉnh piston sẽ tạo ra xoáy ở trong xilanh động cơ diesel, động cơ tăng áp và động cơ cao tốc, hình dáng và độ cao của buồng cháy có thể quyết định tỷ số nén của động cơ lớn hay bé và độ xoáy của hổn hợp. Vận động rối càng mạnh thì hổn hợp không khí – nhiên liệu cháy càng nhanh. Nắp máy có khả năng giảm am, chúng được dập từ tấm có 3 lớp, 2lớp phía ngoài là kim loại và lớp giữa là chất dẻo.
Piston:
Nhiệt độ của đỉnh piston lên tới 4000oF (2204oC) hoặc cao hơn do đó piston phải đủ độ cứng để chịu áp lực này, khối lượng của piston cũng phải đủ nhỏ để giảm lực quán tính tác dụng lên ổ trục. do đó piston thường được chế tạo từ nhôm vì đây là một kim loại nhẹ. Các piston của động cơ khác nhau từ 3 – 4 inch (76 - 112mm) đường kính nặng khoảng 454g. Các piston nhôm đều được rèn và đúc gia công dưới áp lực và được sử lý nhiệt.
1.1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ 4 Kỳ:
1.1.2.1. Kỳ một- Kỳ nạp:
Pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc này trong thể tích buồng cháy Vc còn đầy khí sót của chu trình trước, áp suất khí sót bên trong xilanh cao hơn áp suất khí quyển. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch pittông từ ĐCT đến ĐCD, xuppap nạp mở thông xilanh với đường ống nạp. Cùng với sự tăng tốc của pittông, áp suất môi chất trong »pk Thể tích không gian trong xilanh trở nên nhỏ dần hơn so với áp suất trên đường ống nạp pk ( 0,01- 0,03Mpa). Sư giảm áp suất bên trong xilanh so với áp suất của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ đường ống nạp vào xilanh. Áp suất môi chất đối với động cơ bằng với áp suất khí quyển.
1.1.2.2. Kỳ hai- kỳ nén:
Pittông chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT, các xupap hút và xả đều đóng, môi chất bên trong xilanh bi nén lại. Cuối kỳ nạp khi pittông còn ở tại ĐCD, áp suất môi chất bên trong xilanh pa còn nhỏ hơn pk. Đầu kỳ nén, pittông từ ĐCD đến ĐCT khi tới điểm a’ áp suất bên trong xilanh mới đạt tới giá trị pk. Do đó, để hoàn thiện quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở . Việc đóng xupap nạp là nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa xilanh và đường ống nạp cũng như động năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới vào xilanh. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm áp suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá trình nén, phụ thuộc vào tỷ số , độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành vách xilanh . Việc tự bốc cháy của hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liêu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy phía ở lân cận ĐCT. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh động cơ đều được thực hiện trước khi pittông đến ĐCT.
1.1.2.3. Kỳ ba- kỳ cháy và giãn nở:
Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm nhiệt độ và áp suất môi chất tăng mạnh, mặt dù thể tích làm việc có tăng lên chút ít. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi là hành trình công tác (sinh công).
1.1.2.4. Kỳ bốn- kỳ thải:
Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Pittônng chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT đẩy khí thải ra khỏi xilanh qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bên trong xilanh ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khi pittông còn cách ĐCD 430 góc quay của trục khuỷu. nhờ vậy, giảm được lực cản đối với pittông trong quá trình thải khí và nhờ sự chênh áp lớn tạo sự thoát khí dễ dàng từ xilanh ra đường ống thải, cải thiện được việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theo pittông sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên. Để thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh, xupap xả không đóng tại vị trí ĐCT mà chậm hơn một chút, sau khi pittông qua khỏi ĐCT 170 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một. Để giảm sức cản cho quá trình nạp, nghĩa là cửa nạp phải được mở dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp cũng được mở sớm một chút trước khi pittông đến điểm chết trên 170 góc quay trục khuỷu. Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupap nạp và xả đều mở Tóm lại, quá trình động cơ thực hiện hoàn thiện bốn kỳ xem như là quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ nói chung
1.1.3. So Sánh Điều Chỉnh Công Suất Động Cơ Điêzen Và Động Cơ Xăng:
1.1.3.1. Điều chỉnh công suất động cơ điêzen:
Trong động cơ điêzen, nhiên liệu được đưa vào sau khi không khí bị nén và tạo nhiệt độ và áp suất cao. Để có áp suất nén cao ngay cả khi tốc độ của động cơ chậm, một lượng lớn không khí được đưa vào các xi-lanh. Do đó, không sử dụng bướm ga vì nó tạo ra lực cản nạp. (một số động cơ sử dụng cửa chắn nạp có hình dạng tương tự bướm ga.) Trong động cơ điêzen, công suất động cơ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào.
Lượng phun nhiên liệu nhỏ: Công suất nhỏ
Lượng phun nhiên liệu lớn: Công suất lớn
1.1.3.2. Điều chỉnh công suất động cơ xăng:
Công suất động cơ xăng được điều chình bằng cách đóng mở bướm ga, từ đó điều chỉnh hỗn hợp không khí-nhiên liệu được đưa vào.
Lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu nhỏ: Công suất nhỏ
Lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu lớn: Công suất lớn
1.1.4. So sánh lợi ích của động cơ diezen và động cơ xăng:
Khi so sánh về lợi ích của động cơ Diesel so với động cơ xăng người ta nhận thấy động cơ Diesel có nhiều lợi ích hơn theo nhiều gố độ:
1.1.4.1. Xét về gốc độ nhiệt trị:
Nhiệt trị khối lượng của Diesel lớn hơn nhiệt trị khối lượng của xăng khoảng 10% do đó khi xem xét 2 động cơ có cùng hiệu suất thì động cơ Diesel tiêu thụ nhiên liệu ít hơn khoảng 10%.
1.1.4.2. Xét về hiệu suất sử dụng nhiệt:
Hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ Diesel luôn lớn hơn động cơ xăng vì nó không có lá trập để tạo ra độ âm áp trong giai đoạn hút do đó trên đồ thị P-V diện tích của vùng áp suất thấp nhỏ hơn so với động cơ xăng. Tuy nhiên hiệu suất của động cơ Diesel giảm nhanh khi tốc độ tăng lên do tổn thất áp suất do ma sát tăng nhanh và quá trình cháy trong thời gian ngắn khó khăn hơn so với động cơ xăng.
1.1.4.3. Xét về gốc độ nhiên liệu
Giá thành của Diesel rẻ hơn xăng, theo tính toán ở nhà máy lọc dầu thì năng lượng tiêu thụ để sản xuất Diesel nhỏ hơn sản xuất xăng khoảng 6% (13% so với 19%).
1.1.4.4. Xét về nguyên lý hoạt động:
Kì nạp: động cơ xăng nạp hỗn hợp nhiên liệu (không khí - xăng được hoà trộn bên ngoài), động cơ điêzen nạp hỗn hợp (điêzen và không khí).
Cuối kì nén: động cơ xăng bugi đánh lửa đốt cháy nhiên liệu, động cơ điêzen dùng vòi phun tạo áp suất cao cho hỗn hợp (nhiên liệu và không khí) tự bốc cháy.
động cơ xăng cần bugi đánh lửa còn động cơ điêzen không cần?
Động cơ xăng công suất nhỏ, tỉ số nén nhỏ, xăng dễ kích nổ.
Động cơ điêzen có công suất lớn, tỷ số nén lớn, áp suất và nhiệt độ cuối kì nén cao, điêzen khó kích nổ hơn.
Một trong những điểm khác biệt cơ bản nhất giữa động cơ diesel và động cơ xăng là cơ chế đánh lửa. Trong khi động cơ xăng cần có bugi để kích hoạt cháy nổ của hỗn hợp xăng-không khí, thì động cơ diesel không có bộ phận đánh lửa mà nén khí và phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt. Chính sức nóng của khí nén sẽ đốt cháy nhiên liệu. Không khí bị đốt nóng nhờ tỷ số nén cao. Động cơ xăng nén hòa khí với tỷ số từ 8:1 đến 12:1, trong khi động cơ diesel nén với tỷ số từ 14:1 đến 25:1. Chính cơ chế tự cháy nổ này khiến động cơ diesel có hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu cao hơn động cơ xăng.
Tuy nhiên, quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ diesel sinh ra nhiều bụi than hơn nên khói xả thường đen. Diesel có nồng độ lưu huỳnh thấp đã khắc phục đáng kể nhược điểm này.
1.1.5. Sơ đồ khối máy phát điện diesel:
Không phải tất cả các máy phát điện diesel đều có sơ đồ khối thuộc dạng trên, tùy theo từng loại máy sẽ có đôi điểm khác biệt, tuy nhiên trên đây là sơ đồ tiêu biểu, là cơ sở để chúng ta hiểu được toàn bộ quá trình hoạt động của một máy phát điện diesel.
Hình1.1: Sơ đồ khối máy phát điện diesel
Khởi động động cơ diesel, đưa tốc độ rotor của máy phát đạt đến giá trị định mức, do trong máy có từ dư nên trong dây quấn phần ứng (dây quấn stator) của máy phát sẽ cảm ứng sức điện động xoay chiều, lúc này phụ tải của máy phát để hở mạch, sức điện động cảm ứng được đưa vào bộ phận điều chỉnh điện áp tự động AVR. Bộ điều chỉnh điện áp tự động so sánh điện áp đầu ra của máy phát với giá trị chuẩn và phát dòng kích từ điều khiển vào dây quấn stator của mát phát kích từ, dòng diện này sẽ sinh ra từ trường quét qua các thanh dẫn rotor của máy phát kích từ , cảm ứng trên chúng các sức điện động, dây quấn rotor của máy phát điện kích từ, được nối với dây quấn rotor của máy phát điện thông qua bộ chỉnh lưu diode, nguồn một chiều được đưa vào dây quấn rotor của máy phát tạo ra từ trường kích từ cho máy phát. Quá trình trên được tiếp diễn cho đến khi máy phát đồng bộ thành lập được điện áp ở đầu cực. Đồng thời lúc đó bộ ổn định tần số cũng sẽ hoạt động nếu tần số nhỏ hơn 50hz thì mạch sẽ xuất tính hiệu làm động cơ quay thuận kéo tay ga lên tới khi tần số phát ra bằng 50hz thì động cơ dừng và ngược lại.
Khi máy phát mang tải và khi phụ tải dao động nhờ có bộ AVR và bộ ổn định tần số tự động nên điện áp và tần số máy phát được giữ ổn định.
1.2.Máy Phát Điện Đồng Bộ 3 Pha:
Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ đặc biệt là các máy có công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và các chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài MFĐ. Để thiết kế tính toán các bảo vệ cần thiết cho máy phát, chúng ta phải biết các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ.
1.2.1. Giới Thiệu Máy Điện Đồng Bộ 3 Pha:
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phạm vi sử dung chính là biến đổ cơ năng thành điện năng nghĩa là làm máy phát điện. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong thiết bị lớn, vì khác với động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng.
Trong một số trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn để chỉ phát công suất phản kháng để bù hệ số công suất cosf cho lưới điện là hợp lý, máy như vậy ta gọi là máy bù đồng bộ. ngoài ra các động cơ công suất nhỏ (đặc biệt là động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được dùng rộng rãi trong trang bị tự động và điều khiển.
- Phân Loại Và Kết Cấu, Cấu Tạo Của Máy Điện Đồng Bộ 3 Pha:
1.2.2.1 Phân Loại:
Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành hai loại: Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao( số cực 2p=2) và máy đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc động quay thấp(2p ≥ 4).
Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại chủ yếu:
1.2.2.1.1 Máy phát điện đồng bộ: Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao do đó được chế tạo kiểu cực ẩn và có trục máy đặt nằm ngang. Trong máy phát điện công suất nhỏ và cần di động thì thường dung diezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện diezen, máy này thường có cấu tạo cực lồi.
1.2.2.1.2 Động cơ điện đồng bộ: Động cơ điện đồng bộ thường chế tạo theo kiểu cực lồi và được sử dụng để kéo tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ với công suất 200kw trở lên.
1.2.2.1.3 Máy bù đồng bộ:Máy bù đồng bộ chủ yếu dùng để thay đổi hệ số cosf của lưới điện
Ngoài các loại trên còn có các máy điện đồng bộ đặt biệt như máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao…và các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong tự động như động cơ bước, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trể…
-
Kết cấu:Để thấy rõ đặt điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta sẽ xét riêng hai kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi
- Kết cấu của máy điện đồng bộ cực ẩn: Roto của máy điện đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh của roto hình thành mặt cực từ, mặt cắt ngang trục lõi thép roto như
Hình:1.2 Mặt cắt ngang trục lõi thép roto
Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p=2, tốc độ roto là 3000v/p để hạn chế lực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thep hợp kim chế tạo thành lõi thép roto, đường kính D của roto không được vượt quá 1.1÷1.15m để tăng công suất của máy ta chỉ có thể tăng chiều dài l của roto vào khoảng 6.5 m.
- Kết cấu máy điện đồng bộ cực lồi:
Máy điện đồng bộ cực lồi có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy điện cực ẩn đường kính roto D có thể lớn tới 15m trong khi chiều dài L có thể nhỏ hơn tỷ lệ l/D=0.15÷0.2. Roto của máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ trên mặt có đặt các cực từ. Ở các máy lớn, lõi thép được hình thành bởi các tấm thép dày 1÷6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và được lồng vào trục máy, cực từ đặc trên lõi thép roto được ghép lại bằng những lá thép dày 1÷1.5mm.(hình 1.3)
Hình: 1.3 Cực từ máy đồng bộ cực lồi
- lá thép cực từ; 2. dây quấn kích từ
- đuôi hinh T; 4.nêm; lõi thép roto
Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây và được lồng vào thân cực.
Dây quấn cản(trường hợp máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy (trường hợp động cơ đồng bộ) được đặt lên các đầu cực, các dây quấn này giống với dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và nối hai đầu bởi vòng ngắn mạch(hình 1.3)
Hình 1-4. Dây quấn cản hoặc dây quấn mở máy
Dây quấn mở máy khác dây quấn cản ở chổ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn, stato máy điện cực lồi có cấu tạo tương tự như máy đồng bộ cực ẩn.
1.2.2.3. Cấu Tạo:
Máy phát điện đồng bộ gồm có 3 bộ phận chủ yếu sau: phần cảm, phần ứng và phần kích từ.
1.2.2.3.1. Phần Cảm(Rôtor):
Thông thường phần cảm được đặt trên trục quay. Cấu tạo phần cảm gồm có: lỏi thép trên đó có dây quấn, cho dòng điện một chiều đi qua để tạo thành một nam châm điện. Từ thông của nam châm điện phần cảm sinh ra khá mạnh và ổn định, số đôi cực của phần cảm tùy theo tốc độ quay của trục, máy có 2 cực (p = 1) ứng với tốc độ quay 3000 v/p, máy có 4 cực (p = 2) ứng với tốc độ quay 150 v/p… Theo tần số tiêu chuẩn của dòng điện dùng trong công nghiệp f = 50 Hz
Rô tor của máy phát điện đồng bộ có 2 dạng rôtor cực từ lồi và rôtor cực từ ẩn.
Rôtor kiểu cực từ lồi có lỏi thép là những lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, các cực lộ ra rõ rệt. Phía ngoài cực từ là mỏm cực, nó có tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bố dọc theo chu vi phía trong stator rất gần với hình sin. Dây quấn kích thích quấn trên các cực từ, hai đầu của nó nối với hai vành trượt, qua hai chổi than tới nguồn điện một chiều. các máy phát điện có tốc độ quay thấp (dưới 1000 v/p) rôtor thường là kiểu cực từ lồi.
Hình 1.5: Roto cực lồi
Rôtor kiểu cực từ ẩn. Rôtor của máy điện đồng bộ cực từ ẩn, làm bằng thép hợp
kim chất lượng cao được rèn thành khối hình trụ. Mặt ngoài được gia công phay rảnh để đặt dây quấn kích từ. phần không phay rảnh của rôtor hình thành mặt cực từ . cực từ của rôtor là cực ẩn, không lộ ra rõ rệt. Dây quấn kích thích được đặt điều trên chu vi rôtor, và được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chử nhật, quấn thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mi ca 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 bởi các ống trụ thép không từ tính. Hai đầu dây quấn kích thích đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với dòng kích từ một chiều.
Với cấu tạo như trên, rôtor cực từ ẩn có độ bền cơ khí cao, dây quấn kích thích rất vững chắc. vì vậy những máy điện đồng bộ có tốc độ từ 1500 v/p trở lên, rôtor điều chế tạo theo kiểu cực ẩn, mặc dù có phức tạp và khó khăn hơn kiểu cực từ lồi.
1.2.2.3.2. Phần Ứng (Stator):
Đây là phần mà các dây quấn của nó cảm ứng ra một sức điện động gọi là phần ứng. phần ứng gồm 3 cuộn dây có trục đặt lệch nhau trong không gian 120 độ điện và thường nối hình sao. Cấu tạo mạch từ và bố trí cuộn dây phần ứng tương tự stator của máy điện không đồng bộ. Các cuộn dây được cách ly tốt với vỏ máy, điều này rất quan trọng đối với máy phát chế tạo công suất lớn, điện áp cao.
Đối với các máy điện đồng bộ công suất nhỏ thì phần quây lại đống vai trò phần ứng, còn phần tĩnh đống vai trò phần cảm.
1.2.2.3.3. Phần Kích Từ:
Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn phải có dòng điện kích từ. Dòng điện kích từ là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rô to của máy phát để kích thích từ trường của Rô to máy phát.
Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát Dòng điện kích thích máy phát, ngoài việc tạo từ trường cho Rô to, còn có thể dùng để điều chỉnh điện áp máy phát. Ngoài ra, dòng điện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát nối vào lưới.
Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải có một bộ phận điều khiển. Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp
Điện kích từ là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rô to của máy phát để kích thích từ trường của Rô to máy phát.
Các nguyên lý của hệ thống kích thích máy phát được liệt kê dưới đây, tùy thuộc vào nguồn cấp điện dạng quay hay tĩnh, thể loại chỉnh lưu, và nguyên lý điều khiển
Hệ thống máy kích thích một chiều:
Đây là hệ thống kích thích sử dụng máy phát điện một chiều.
Dòng điện kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máy kích thích một chiều.
Máy điện một chiều này được kéo trực tiếp cùng trục với hệ thống Tua bin – máy phát hoặc qua bộ giảm tốc đối với các máy có dung lượng nhỏ và trung bình.
Đối với các máy lớn hơn, sẽ được kéo bằng một động cơ riêng biệt
Hệ thống kích thích xoay chiều: (hệ thống không tiếp xúc, hệ thống không chổi than.)
Ở đây muốn nói đến mạch kích thích kết hợp giữa một máy phát đồng bộ và hệ thống chỉnh lưu.
Máy phát đồng bộ dùng để kích thích gọi là máy kích thích xoay chiều, bao gồm một máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh, phần ứng là phần quay, kết hợp với bộ chỉnh lưu quay lắp đặt ngay trên trục.
Do đó, dòng điện kích thích sẽ đi trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ, qua bộ chỉnh lưu, vào thẳng Rotor, mà không qua bất kỳ mối tiếp xúc của vòng nhận điện với chổi than nào.
Do đó, hệ thống này thường được gọi là hệ thống kích thích không chổi than.
Hệ thống kích thích tĩnh:
Hệ thống này nói đến loại máy kích thích có sử dụng phối hợp biến áp kích thích và bộ chỉnh lưu.
Đối với loại máy kích thích có sử dụng Thyistor cho mạch chỉnh lưu gọi là hệ thống kích thích thyristor.
1.2.3. Nguyên Lý Làm Việc Của Máy Phát Điện Đồng Bộ:
Động cơ sơ cấp 1(tubin hơi,máy diezen…) quay roto của máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức(hình 1.9) Máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, roto 3 của máy phát đồng bộ trở thành nam châm điện, do roto quay từ trường roto quét qua dây dẫn phần ứng stato cảm ứng một sdd xoay chiều hình sin có giá trị hiệu dụng E0-=∏ √2 f N kdq ø0 .
Trong đó E0 là sdd pha, kdq là hệ số dây quấn, ø0 từ thông cực từ roto.
Nếu có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sdd trong dây quấn stato có tần số là:
f=p.n/60(Hz)
hoặc n=60f/p(vg/ph) (1).
Khi dấy quấn stato nối với tải trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha chạy qua, hệ thống này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phản ứng, có tốc độ là:
n1=60f/p(vg/ph)(2) .
Từ (1) và (2) ta thấy tốc độ quay roto n bằng tốc độ từ trường quay trong may n1, nên gọi là máy điện đồng bộ
1.2.4 Phản Ứng Phần Ứng Trong Máy Phát Điện Đồng Bộ:
Khi máy phát điện làm việc, từ thông cực từ ø0 cắt dây quấn stato và cảm ứng sdd E0 chậm pha so với từ thông ø0 góc 90 (hình 1.10a). Dây quấn stato nối với tải nên có dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I chạy qua dây quấn stato tạo nên từ trường quay phần ứng. Từ trường phần ứng quay đồng bộ với từ trường cực từ ø0 . Góc lệch pha giữa E0 với I có tính chất tải quyết định. Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng.
- Trường hợp tải thuần trở (hình 1.10a): E0 và I trùng pha nên C=0. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng øư cùng pha với dòng điện. Từ thông phần ứng theo hướng ngang trục, ta gọi phản ứng phấn ứng ngang trục. Từ thông này làm méo từ trường cực từ.
- Trường hợp tải thuần trở(hình 1.10b): E0 và I trùng pha nên C=90. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng øư ngược chiều với ø0 ta gọi là phản ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng.
Hình 1.10: Phản ứng phần ứng đối với các tải
- Trường hợp tải thuần dung (hình1.10c): E0 và I lệch pha nên C= -90. Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng øư cùng chiều với ø0 gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng.
- Trường hợp tải tổng hợp (hình1.10d, có tính cảm :0<C<∏/2): E0 và I lệch pha nhau một góc C. Ta phân tích dòng điện I làm hai thành phần: Thành phần dọc trục
Id =IsinC sinh ra từ thông phần ứng dọc trục øưd cùng chiều với ø0 và thành phần ngang trục Iq =IcosC sinh ra từ thông phần ứng ngang trục øưq vuông góc với ø0 gọi chung là phản ứng phần ứng ngang trục khử từ.
1.2.5 Phương Trình Cân Bằng Điện Áp Máy Phát Điện Đồng Bộ:
1.2.5.1 Phương Trình Cân Bằng Điện Áp Máy Phát Điện Cực Lồi:
Khi máy phát điện làm việc từ thông cực từ ø0 sinh ra sdd E0 ở dây quấn stato. Khi máy có tải dòng điện I trong dây quấn stato sinh ra từ trường phần ứng øư. Ở máy cực lồi do khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phân tích øư thành 2 thành phần dọc trục øưd và ngang trục øưq. Từ trường phần ứng ngang trục øưq tạo nên sdd ngang trục
Trong đó: Xưq điện khánh phản ứng phần ứng ngang trục và từ trường phần ứng dọc trục øưd tạo nên sdd
với Xưd điện khánh phản ứng phần ứng dọc trục.
Hình 1.11: Đồ thị vecto máy phát điện đồng bộ
a.Máy cực lồi, b. Máy cực ẩn
Ngoài ra dòng điện tải I còn sinh ra từ thông tản của dây quấn stato được đặt trưng bởi điện kháng tản Xt không phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục, tương ứng có sdd tản là:
Phương trình điện áp của máy điện đồng bộ cực lồi:
Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở phân ứng IRư, ta có:
Trong đó: Xd = Xưd + Xt là điện kháng đồng bộ dọc trục.
Xq= Xưq+ Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục.
Từ phương trình điện áp và đồ thị ta thấy góc lệch pha giữa sdd E0 và điện áp U gọi là góc công suất và do phụ tải quyết định.
1.2.5.2 Phương Trình Điện Áp Của Máy Phát Điện Cực Ẩn:
Đối với máy phát đồng bộ cực ẩn là trường hợp đặt biệt của của máy phát cực lồi, trong đó Xdb =Xd =Xq ,gọi là điện kháng đồng bộ. Phương trình điện áp của máy phát điện cực lồi có thể viết là:
Đồ thị vecto được trình bày ở Hình 1.13b
1.2.6. Công Suất Điện Từ Của Máy Phát Điện Đồng Bộ:
1.2.6.1. Công Suất Tác Dụng:
Máy phát cực lồi:
Công suất tác dụng của máy phát điện cung cấp cho tải là:
P =mIUcosF
Trong đó: U,I là điện áp và dòng điện pha tương ứng. Còn m là số pha
Theo đồ thị Hình 1.13a, ta có F=C-U, do đó:
Theo đồ thị Hình 1.13a ta rút ra:
Thế biểu thức Iq và Id vào phương trình trên, bỏ qua tổn hao ta suy được:
=mUsinU + m( -) sin2U
Ta thấy công suất điện từ gồm 2 thành phần (hình 1.12)
Hình 1.12: Đặc tính góc công suất
Máy điện cực lồi.
Máy Phát điện cực ẩn:
Đối với máy phát điện cực ẩn Xd =Xq =Xđb nên phương trình trên viết lại là:
1.2.6.2 Công Suất Phản Kháng:
Máy Phát Cực Lồi:
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
Thế biểu thức Iq và Id vào phương trình trên ta có công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
Máy Phát Điện Cực Ẩn:
Đối với máy phát điện cực ẩn Xd =Xq =Xđb nên phương trình trên ta có công suất phản kháng của máy điện đồng bộ cực ẩn là:
Giả thiết: U,f, P không đổi thì:
CHƯƠNG II:
PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN.
2.1. Phương Pháp Ổn Định Điện Áp Tự Động Bằng AVR:
Ta chia làm hai loại AVR chính:
- AVR trong máy điện xoay chiều 3 pha.
- AVR trong nguồn xoay chiều một pha(lấy từ lưới điện công nghiệp)
+Mạch AVR dùng máy biến áp tự ngẫu điều kiển bằng động cơ.
+Mạch AVR điều kiển ổn áp sắt từ.
2.1.1. Giới Thiệu Hệ Thống Kích Từ Trong Máy Phát:
Kích thích là yếu tố quan trọng của máy điện đồng bộ, bởi vì tính làm việc ổn định và đảm bảo của máy phát điện, phụ thuộc rất nhiều vào tính làm việc đảm bảo của máy kích thích. Vì vậy đối với hệ thống kích thích đề ra những yêu cầu sau:
Tính đảm bảo trong vận hành, tính ổn định của kích thích, kích thích giới hạn cao, tốc độ tăng kích thích lớn, khi kích thích cưỡng bức trong điều kiện sự cố.
Kích thích của máy phát điện là ổn định, nếu một sai lệch bất kỳ so với chế độ làm việc quy định không gây nên sự thay đổi nào đó của kích thích.
Khi điện áp giữa hai đầu cực máy phát giảm xuống thấp do ngắn mạch trong hệ thống cần phải tăng nhanh kích thích (cưỡng bức) của máy phát đến một trị số xác định, gọi là mức kích giới hạn. Tốc độ tăng kích thích lớn và mức kích thích giới hạn cao, đảm bảo phục hồi nhanh chóng điện áp sau khi cắt ngắn mạch và nâng cao tính ổn định của các máy phát làm việc song song trong hệ thống.
Để cung cấp dòng cho cuộn dây kích thích của máy phát cần có nguồn điện một chiều, dòng một chiều này có thể lấy từ máy phát điện một chiều làm nguồn kích thích và được gọi là máy kích thích. Đối với máy kích thích kiểu chỉnh lưu, điện áp đã chỉnh lưu được đưa đến cuộn dây kích thích từ nguồn cung cấp điện xoay chiều. Để điều chỉnh dòng kích thích của máy phát, được thực hiện điều chỉnh bằng tay (rất ít dùng). Thường kích thích được điều chỉnh tự động bằng những thiết bị tự động (TĐK). Thiết bị (TĐK) thực hiện hai nhiệm vụ chủ yếu: duy trì điện áp dã được quy định ở máy phát điện trong chế độ làm việc bình thường và đảm bảo nhanh chóng nâng cao (cưỡng bức) kích thích của máy phát điện khi ngắn mạch.
2.1.2. Vai Trò Mạch Từ Động Điều Chỉnh Điện Áp AVR:
Trong quá trình vận hành máy phát điện, lưới điện hay hệ thống điện lực nói chung. Điện thế của chúng thường hay bị thay đổi theo sự thay đổi của phụ tải. Khi ta khởi động một mô tơ lớn, điện thế của máy phát điện bị giảm thấp. Khi cắt điện một đường dây có công suất lớn thì điện thế của máy phát điện sẽ tăng cao. Hoặc khi xảy ra sự cố bị ngắn mạch, điện thế của máy phát lại bị giảm thấp….
Nói một cách tổng quát điện thế của máy phát điện thay đổi bởi hai loại nguyên nhân sau:
- Một loại là do chế độ vận hành thay đổi.
- Một loại là do sự cố gây ra.
Muốn đảm bảo sự hoạt động bình thường của các máy móc thiết bị dùng điện ở trong nhà máy, xí nghiệp, ở các đơn vị sản xuất kinh doanh, và các dịch vụ khác… Thì ta phải duy trì điện thế phát ra của máy phát điện luôn ở mức không đổi khi phụ tải thay đổi.
Mỗi lần phụ tải thay đổi ta phải thay đổi cường độ dòng điện kích thích của cuộn kích từ máy phát điện. Để giữ cho điện áp máy phát ra luôn được ổn định trong mọi trường hợp.
Thông thường, việc điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát được thực hiện theo hai cách sau:
- Điều chỉnh kích thích của máy phát điện đồng bộ bằng cách thay đổi điện trở shunt trong mạch cuộn dây kích thích.
- Điều chỉnh tự động. để thay đổi dòng điện chạy trong cuộn kích từ.
Ở trạng thái vận hành bình thường, mỗi khi công suất tiêu thụ của phụ tải thay đổi người công nhân vận hành máy phát điện phải điều chỉnh cường độ dòng điện kích thích cho máy theo sự thay đổi của phụ tải, bằng cách thay đổi vị trí tay gạt của biến trở shunt để thay đổi dòng kích thích cho máy. Việc thay đổi dòng kích từ cho máy theo phương pháp điều chỉnh bằng tay này là rất đơn giản, ít tốn kém nhưng hiệu quả không cao. Khi công suất phụ tải tăng giảm một cách lộn xộn và đột ngột trong khoảng thời gian tương đối ngắn, hoặc khi xảy ra sự cố chạm mạch. Thì lúc này nhân viên vận hành không kịp thay đổi cường độ dòng điện kích thích cho máy phát. Điện áp phát ra của máy phát bị giảm xuống đột ngột, làm ảnh hưởng trực tiếp tình trạng làm việc của các máy móc thiết bị dùng điện.
Trong trường hợp này cần phải có hệ thống thiết bị tự động điều chỉnh điện thế phát ra của máy phát điện. đó là bộ tiết chế điện thế AVR ( Automatic voltage Regulator). Khi phụ tải tăng hoặc giảm ga máy, thì bộ tiết chế điện thế AVR sẽ tác động làm tăng dòng kích thích cho máy hoặc ngược lại. Để giữ điện áp máy phát ra là luôn luôn không đổi trong mọi trường hợp.đảm bảo cho các máy móc thiết bị dùng điện làm việc một cách bình thường.
Ngày nay nghành công nghiệp điện đã phát triển mạnh mẽ, cùng với các tiến bộ khoa học kỹ thuật được áp dụng vào sản xuất. Người ta đã chế tạo được nhiều loại thiết bị tự động điều chỉnh cường độ dòng điện kích thích cho máy phát. Các bộ điều chỉnh tự động này làm việc rất an toàn, chắc chắn với độ tinh cậy cao, sẳn sàng tác động khi máy có sự cố. Do đó chúng được sử dụng rất rộng rải cho các nhà máy phát điện loại nhỏ và vừa hiện nay trên thị trường.
Tuy nhiên do sự phát triển vượt bậc của nền khoa học công nghệ chế tạo thiết bị điện. Cho nên hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại thiết bị tự động điều chỉnh khác nhau về nguyên lý hoạt động, về cách cấu tạo và sơ đồ đấu…
Nhưng chúng điều có chung nhiệm vụ là:
- Luôn duy trì điện thế phát ra ở mức đã định trong trạng thái vận hành bình thường.
- Khi xảy ra sự cố , chúng phải tác động để tăng cường độ dòng điện kích thích đến cực đại để nhanh chóng khôi phục điện thế ra của máy phát trở về trạng thái vận hành bình thường.
Dùng hệ thống thiết bị tự động điều chỉnh sự kích thích máy phát điện (gọi tắt là kích thích tự động) có những ưu điểm sau:
- Những ưu điểm của bộ VAR:
- Lúc vận hành bình thường nó luôn giữ điện thế ra ở trị số định mức không phụ thuộc vào công suất sẽ giúp cho người nhân viên trực nhật vận hành máy phát làm việc đỡ vất vả. Việc theo dõi, kiểm tra sự vận hành của máy phát được dễ dàng và thuận lợi hơn.
- Khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Đó là hiện tượng các pha chập nhau (đối với mạng trung tính cách điện đối với đất). Hoặc là hiện tượng các pha chập nhau và chập với đất (đối với mạng trung tính trực tiếp nố đất). Nói khác đi ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị nối tắt lại qua một tổng trở rất nhỏ có thể xem như bằng 0. Lúc ngắn mạch tổng trở của hệ thống bị giảm xuống và tùy theo vị trí điểm ngắn mạch xa hay gần nguồn cung cấp mà tổng trở của hệ thống giảm xuống ít hay nhiều.
Khi ngắn mạch, trong mạch điện xuất hiện một quá trình quá độ nghĩa là dòng điện và điện áp đều thay đổi. Dòng điện tăng lên rất nhiều lần so với lúc làm việc bình thường. Song song với sự biến thiên về dòng điện, điện áp trong mạch điện bị giảm xuống rất thấp, có khi xuống gần 0. Lúc này hệ thống bảo vệ rơle sẽ tác động làm cắt chổ chập mạch. Sau khi đã cắt chổ chập mạch điện thế của máy phát bắt đầu được khôi phục. Bộ kích thích tự động sẽ tác động làm cho điện thế của máy phát được khôi phục nhanh chóng hơn.
Điều này giúp cho các motor khởi động dể dàng. Như ta đã biết momen quay của các động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện thế:
Mq = k.U2
Trong đó:
Mq : momen quay
k : hệ số của từng motor
Nếu để cho điện thế bị giáng thấp kéo dài, momen hãm sẽ thắng momen quay, làm cho cường độ dòng điện tăng vọt và máy phát điện lúc này phải chịu một cường độ khởi động trong một thời gian dài. Nếu thời gian kéo dài thì hệ thống bảo vệ quá tải của máy phát điện sẽ tác động làm cắt máy.
Ngòai ra kích thích từ tự động giúp cho các hệ thống bảo vệ bằng rơle, nhất là những bảo vệ có thời gian, hoạt động một cách chắc chắn.
Hệ thống kích từ tự động làm tăng mức chắc chắn cho đường dây một khả năng chuyển tải lớn.
2.1.3. Sơ Đồ Khối Mạch AVR:
.............................................................
Chương trình ngắt timer
Chương trình đo tần số
Hình 4.9: Lưu đồ chương trình vi xử lý.
- Chương trình vi xử lý:
#include <REG52.H>
#include <stdio.h>
sfr WATCHDOG = 0xA6;
unsigned char timecounter;
unsigned int datahigh;
unsigned long tanso;
sbit FFLED = P2^0; //red
sbit FWLED = P2^2; //green
sbit RUNLED = P0^0; //red
sbit FF = P3^6;
sbit FW = P3^5;
//-----------------------------------------------------------------------------
void dotanso(void);
//-----------------------------------------------------------------------------
Isr_Timer0 () interrupt 1 using 1
{
datahigh++;
}
//------------------------------------------------
Isr_Timer1 () interrupt 3 using 1
{
timecounter--;
if (timecounter == 0)TR0 = 0;
}
//------------------------------
void main (void)
{
TMOD = 0x15;
EA = 1;
ET0 = 1;
ET1 = 1;
//-----------------------------------------------------------------------------
while(1)
{
dotanso();
RUNLED =~ RUNLED;
//reset WDT
WATCHDOG = 0x1E;
WATCHDOG = 0xE1;
//tanso = 52;
if((tanso==49)||(tanso==50)||(tanso==51))
{
// Dung dong co, bat den TRUELED
FFLED = 1;
FWLED = 1;;
FF = 1;
FW = 1;
}
if(tanso<49)
{
// Cho dong co qua trai, bat den FF
FFLED = 0;
FWLED = 1;
FF = 0;
FW = 1;
}
if(tanso>51)
{
// Cho dong co qua phai, bat den FW
FFLED = 1;
FWLED = 0;
FF = 1;
FW = 0;
}
}
}
//-----------------------------------------------------------------------------
void dotanso(void)
{
// 1 s = 2 000 000 chu ki may
// 2^16 = 65536
timecounter = 16;
datahigh = 00;
TH0 = 00;
TL0 = 00;
TH1 = 0xBD;
TL1 = 0xC0;
TR0 = 1;
TR1 = 1;
while(timecounter>0)
{
//reset WDT
WATCHDOG = 0x1E;
WATCHDOG = 0xE1;
}
tanso = (unsigned long)(datahigh *65536) +(unsigned long)(TH0 * 256) + (unsigned long)TL0;
}
//------------------------------------------------------------------------------
CHƯƠNG V:
THI CÔNG
5.1. Thi công phần cơ khí:
Hình 5.1: Bộ phận cơ khí gắn động cơ để kéo tay ga
5.2Thi công mạch điều kiển:
5.2.1. Quá trình thi công:
Thi công bo mạch là giai đoạn cuối của quá trình toán, thiết kế và thi công mạch điều kiển này nó phù hợp với tất cả các máy phát hiện nay. Đòi hỏi khi thi công mạch phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, thẩm mỹ, cách bố trí các linh kiện trên mạch một cách hợp lý.
Giai đoạn thi công mạch gồm có những bước sau:
- Khảo sát lược đồ, hình dạng, cấu tạo và kích thước.
- Cách bố trí các linh kiện trên mạch để nhận dạng, thao tác lắp ráp dễ dàng nhanh gọn, đẹp mắt đảm bảo điều kiện phát nóng của từng linh kiện, không gây ảnh hưởng đến các linh kiện kế bên.
- Bo mạch in được chọn phải đảm bảo kích thước, nhỏ gọn đạt các yêu cầu kỹ thuật, không bị tróc hay rổ mạch.
- Các mối hàn phải đảm bảo bóng, chắc, đẹp mắt.
5.2.2.Thành phần các linh kiện để thi công mạch:
- Một IC 89C52 và một động cơ giảm tốc DC 24V.
- Một máy biến thế 220 -110/ 12V, 24V (loại 450mA)
- Các điện trở:
R1, R2 = 10 (kΩ)
R3, R6, R7 = 470 (Ω)
R4, R5 = 3k3
R8, R9 = 2,2 (kΩ) – 0.5w
- Các tụ điện:
C1 = 1000µF-50v
C3 = 470µF-16v
C4= 1µF
- Các diod:
D1 : diod zener có mã hiệu: 1N963A ổn áp 12v
D1, D2, D3, D4, D5, D6,D7,D8, :có mã hiệu : 1N4007-3A
D9: có mã hiệu 1N4148
Transistor Q1,Q3: có ký hiệu là H1061
Transistor Q2,Q4: có ký hiệu là A671
- Một IC ổ áp LM7805.
- Ba con OPTO loại PL817
- Ba con Led, 1 xanh,1 đỏ, 1 vàng.
- Mạch in thì nhờ đặt, ta chỉ lắp ráp linh kiện theo đúng sơ đồ nguyên lý trên.
Hình 5.2: Bo mạch điều kiển
5.2.3. Quá trình kiểm tra thử mạch:
- Ta nối máy biến áp một pha vào đầu ra máy phát điện, từ đó ta nối vào hai cầu diode để tạo nguồn DC, nguồn 12VDC để nuôi mạch vi xử lý, nguồn 24VDC để cấp cho mạch cầu H và nối 1P của máy phát vào bo mạch để làm tín hiệu so sánh, sau đó ta nối động cơ DC vào và mắc cho đúng cực tính như ta đã lập trình trong vi xử lý và ta cần một bộ tải trở để thử như vậy ta sẽ để nhận thấy khi tải thay đổ thì tần số luôn ổn định. Sau đó cho máy chạy và ta thấy để tần số ổn định thì cần có một khoảng thời gian và có sự sai số không đáng kể có thể do đồng hồ hiển thị hoặc bộ phận cơ khí gắn động cơ kéo tay ga. Sau khi thử nghiệm xong, bo mạch lắp đặt vào tủ máy phát, kết thúc quá trình thi công, kiểm tra và thử nghiệm mạch.
MỤC LỤC HÌNH
HÌNH 1.1: Sơ đồ khối máy phát điện diesel........................................................................ 9
HÌNH 1.2: Mặt cắt ngang trục lõi thép roto...................................................................... 11
HÌNH 1.3: Cực từ máy đồng bộ cực lồi............................................................................... 12
HÌNH 1.4: Dây quấn cản hoặc dây quấn mở máy............................................................. 12
HÌNH 1.5: Roto cực lồi......................................................................................................... 13
HÌNH 1.6: Máy kích từ một chiều....................................................................................... 14
HÌNH 1.7: Hệ thống kích từ một chiều............................................................................... 15
HÌNH 1.8: Hệ thống kích từ tĩnh.......................................................................................... 16
HÌNH 1.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát đồng bộ.................................................................. 16
HÌNH 1.10: Phản ứng phần ứng đối với các tải................................................................. 18
HÌNH 1.11: Đồ thị vecto máy phát điện đồng bộ.............................................................. 19
HÌNH 1.12: Đặc tính góc công suất máy điện cực lồi...................................................... 20
HÌNH 2.1: Sơ Đồ Khối Mạch AVR Trong Máy Phát Xoay Chiều................................. 26
HÌNH 2.2: Mạch 1.................................................................................................................. 28
HÌNH 2.3: Mạch 2................................................................................................................. 30
HÌNH 2.4: Mạch 3.................................................................................................................. 32
HÌNH 2.5: Sơ đồ chân và dạng xung ra của IC NE555..................................................... 40
HÌNH 2.6: Sơ đồ AVR dùng vi mạch.................................................................................. 41
HÌNH 3.1: Sơ đồ hoà đồng bộ máy phát điện kiểu nối “tối” (a)
và kiểu ánh sáng đèn “quay” (b)`....................................................................... 50
HÌNH 3.2a. Đồ thị vector điện áp khi nối theo kiểu nối tối.......................................... 51
HÌNH 3.2.b. Đồ thị vector điênj áp nối theo kiểu ánh sang quay................................... 52
HÌNH 3.3. Sự thay đổ U,I,i của máy phát 100000kva khi hòa đồng bộ vào lưới........ 53
HÌNH 3.4: Tủ Hòa Đồng Bộ................................................................................................ 55
HÌNH 4.1: Sơ đồ chân của chip 89S52............................................................................... 61
HÌNH 4.2: Mạch giao động TTL bên ngoài........................................................................ 63
HÌNH 4.3 : Các kỳ hiệu thường dùng nhất cho việc lập lưu đồ...................................... 77
HÌNH 4.4 : Lưu đồ của cấu trúc WHILE / DO................................................................... 79
HÌNH 4.5: Lưu đồ cấu trúc IF/THEN/ELSE....................................................................... 79
HÌNH 4.6: Lưu đồ cấu trúc CASE........................................................................................ 80
HÌNH 4.7: Mạch cầu H dùng Transistor............................................................................. 82
HÌNH 4.8. Mạch cầu H dùng MOSFET............................................................................... 85
HÌNH 4.9: Giản đồ chương trình vi xử lý........................................................................... 87
HÌNH 5.1: Bộ phận cơ khí gắn động cơ để kéo tay ga...................................................... 91
HÌNH 5.2: Bo mạch điều khiển............................................................................................ 92
PHỤ LỤC
A- Cấu Trúc Và Lập Trình Họ Vi Khiển 8051 Của Tống Văn On.
B- Máy Điện II Của Nguyễn Văn Sáu, Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ.
C- Điện Tử Ứng Dụng Trong Công Nghiệp Của Nguyễn Tấn Phước.
D- Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, (2002), Trang Bị Điện-Điện Tử Máy Công Nghiệp Dùng Chung, NXB Giáo Dục.
E- Giáo Trình Điện Tử Kĩ Thuật Của Nguyễn Tấn Phước.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN, 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN, thuyết minh 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN, 3 PHA –DIESEL CÔNG SUẤT LỚN
