thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều 20

Chương 1 Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kíchtừ cho máy phát điện 1 1 Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều Như ta đã biết để đ

Chương 1 Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích

từ cho máy phát điện

1 1 Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy

phát điện xoay chiều

Như ta đã biết để điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát người ta

thường điều chỉnh dòng kích từ nhờ một bộ điều chỉnh bằng tay hoặc tựđộng hệ thống kích từ Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòngkích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát thay đổi được lượngcông suất phản kháng phát vào lưới Bộ điều khiển kích từ làm việc

nhằm giữ điện áp không thay đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải biếnđộng Ngoài ra thiết bị tự động điều chỉnh kích từ còn nhằm mục đích nângcao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự

ổn định tĩnh, nâng cao sự ổn định động Trong thực tế người ta có 4 hệ thốngkích từ một cách tự động đó là các phương pháp sau:

+ Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp

+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều không vành

góp

+ Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển

1 2 Yêu cầu về công nghệ

Để cung cấp một cách tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ

của máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp vớicông suất định mức đủ lớn Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệthống kích từ bằng (0,2 – 0,6%) công suất định mức máy phát điện

Dòng điện kích từ chạy trong các cuộn dây rôto của máy phát điện đồng bộ

là dòng điện một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng Hệthống kích từ, điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tựđộng điều chỉnh kích từ Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bịđiều chỉnh kích từ có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượngđiều chỉnh điện áp mà còn đến tính ổn định hệ thống

1 3 Phạm vi ứng dụng của công nghệ

1) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

Ở các máy phát điện công suất nhỏ hệ thống kích từ là các máy phát điệnmột chiều Máy phát điện một chiều làm nhiệm vụ kích thích này (còn gọi làmáy phát điện kích thích) có thể được kích thích độc lập hoặc song songcuộn dây kích thích của nó có thể chia làm nhiều cuộn dây cùng làm việc2) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao chỉnh lưu Đối với các máy phát từ 100MW trở lên hiện nay đều sử dụng hệ thốngnguồn xoay chiều chỉnh lưu Trước hết phải kể đến hệ thống kích từ

dùng máy phát điện tần số cao chỉnh lưu

3) Hệ thống kích từ dùng máy phát kích từ xoay chiều không vành trượt:Một trong các phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay là

phương pháp dùng máy phát điện xoay chiều không vành trượt (hệ thốngkích từ không vành trượt) Trong hệ thống kích từ này người ta dùng một

máy phát điện xoay chiều 3 pha quay cùng trục với máy phát điện chính làmnguồn cung cấp Máy phát xoay chiều kích từ có kết cấu đặc biệt

4) Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển

Hệ thống này cho phép tạo ra hằng số có quán tính rất nhỏ 0,02 – 0,04s nhờkhả năng điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ (chạy qua các Thyristor) đi vàocuộn dây roto máy phát điện đồng bộ Hiện nay tại các nhà máy phát điệnchủ yếu sử dụng loại hệ thống kích từ này Hằng số quán tính nhỏ là điềukiện quan trọng cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổnđịnh

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Đức Hoàng

Chương 2 Tính chọn van công suất

2 1 Giới thiệu các mạch công suất

Trước đây khi đảo chiều người ta thường sử dụng hai công tắc tơ để

đảo chiều dòng điện Nhược điểm của việc sử dụng công tắc tơ để đảo chiều

là thời gian chuyển mạch chậm Muốn thời gian đảo chiều nhanh người tathiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều Sau đây là các mạch công suất của bộchỉnh lưu có đảo chiều

2 1 1 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

-Nhận xét:Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhấttrong thực tế vì nó có nhiều ưu điểm hơn cả Nó cho phép có thể đấu thẳngvào lưới điện ba pha, độ đập mạch nhỏ 5% Nếu có sử dụng máy biến áp thìgây méo lưới điện ít hơn cácloại trên Đồng thời, công suất mạch chỉnh lưunày có thể rất lớn đến hàng trăm kW

Nhược điểm của mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trên van trongmạch sơ đồ hình tia

2 1 2 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

I

o

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản ,kích thước gọn nhẹhơn

2 2 Phân tích các ưu nhược điểm của các mạch công suất

So sánh giữa các phương án điều khiển ta thấy:

- Đỉnh âm của máy điện áp chỉnh lưu bị cắt đỡ nhấp nhô hơn

- Không thể làm việc ở chế độ nghịch lưu

- Hiệu suất bộ biến đổi cao hơn

Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của

các sơ đồ chỉnh lưu, thì sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng làhợp lý hơn cả Bởi lẽ ở công suất này để tránh mất đối xứng biến áp, nên sơ

đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển đối xứng như hình vẽ sau:

2 3 Tính chọn van công suất

Khi tính toán van động lực ta cần dựa vào các yếu tố cơ ban sau: dòng tải, sơ

đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc

- Điện áp ngược của van

- Dòng điện của van

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy quavan

Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là

có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, không quạt đối lưu khôngkhí

Vậy thông số của van động lực là:

U

nv

= 33,504 (V)

I

Tra bảng thộng số các van, ta chọn được van 2N4441:

Dòng điện định mức của van I

2 4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng khôngkhí tự nhiên

3 Điện áp thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

m: Số trụ của máy biến áp

f: Tần số xoay chiều, ở đây f = 50 Hz

Tính toán dây quấn

10 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

Kết cấu dây dẫn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục

17 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục

30 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

31 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp

Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm

32 Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp

42 Tiết diện hiệu quả của trụ

50 Tính khoảng cách giữa hai tâm trục' = 11,37 + 7 = 18,37 cm

2 4 1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt van

∆U, do đó có tổn hao công suất ∆P Tổn hao này sinh ra nhiệt, đốt nóng vanbán dẫn Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ chophép (T

cp

), nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để

van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn vàthiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí

∆p: tổn hao công suất W

τ: độ chênh nhiệt độ so với môi trường

Chọn nhiệt độ môi trường T

2 4 2 Bảo vệ quá dòng điện cho van

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá

tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấpmáy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor,

ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu

2 4 3 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực

hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch,các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện

ngược trong thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngượcgây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá trìnhđiện áp giữa Anod và Catod của Thyristor Khi có mạch R-C mắc song songvới Thyristor tọa ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạchnên Thyristor không bị quá điện áp

Theo kinh nghiệm R

= 0,25 µF

+Để bảo vệ van do cắt đột biến áp áp non tải, người ta mắc một mạchR-C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode công suất bé Thôngthường giá trị tự chọn trong khoảng 10

Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển

3 1 Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết

Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển Trong mạchđiều khiển gồm các khâu sau:

- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp U

rc

thượng gặp là điện áp

răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor

- Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển,

có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U

) Tại thời điểm hai điện áp này

bằng nhau thì phát xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại

- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor

Xung để mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêucầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công suất;cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn)

- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor,tầng này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất

3 2 Tính toán các khâu điều khiển

Viêch tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng

khuyếch đại ngược trở lên

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở

Thyristor

3 2 1 Tính biến áp xung

- Chọn vật liệu làm bằng lõi thép Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến,làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m,không có khe hở không khí

- Tỷ số biến áp xung: thường m = 2

25 mm; D = 40 mm Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm

Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:

Theo định luật cảm ứng điện từ:

Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết

3 2 2 Tính tầng khuyếch đại cuối cùng

Chọn Tranzitor công suất Tr

3

loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có

các thông số:

Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si

Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: U

Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081

họ CMOS Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thông số:

Nguồn nuôi IC: V

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng

thỏa mãn diều kiện:

Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật toán, do đó ta

chon 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, mỗi IC này có 4khuyếch đại thuật toán Thông số củ TL048:

Điện áp nguồn nuôi: V

cc

= ± 18 V, chọn V

cc

= ± 12 V

Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V

Khuyếch đại thuật toán đã chọn loại TL084

Trong đó nếu nguồn nuôi V

3 2 8 Tạo nguồn nuôi

Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo

nguồn nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, mộtcuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp

Cuộn thứ cấp thứ nhất

Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho nuôi IC, các bộ điều

chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Nguồn này được cấp bởi bacuộn dây thứ cấp

Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC

Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V Điện áp thứ cấp các cuộn chọn là:

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812

và 7912, các thông số chung của vi mạch này như sau:

Điên áp đầu vào: U

Cuộn thứ cấp thứ 2: Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều

khiển cho các Thyristor + 12V Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớnlên nguồn này không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suấtxung đáng kể, nên cần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC,

để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC

Cuộn thứ cấp thứ 3,4 là các cuộn dây đồng pha Các cuộn dây này cầnlấy trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng Tuynhiên, theo kinh nghiệm có thê quấn chung với biến áp nguồn nuôi cũng cóthể được 3 2 9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha

1) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U

21

= 14V

2) Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật

toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND

220

6080 123123

===UUWW