thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau u=400v,i=300a,ukt=48v,ikt=3,5a

Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kíchtừ cho máy phát điện1.1 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

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

từ cho máy phát điện1.1 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 tự động hệ thống kích từ Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát thay đổi được lượng công  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 nâng cao 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

của máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn.Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệ thống 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 Hệ thống kích từ, điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kích từ có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượng điều 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 điện một chiều.Máy phát điện một chiều làm nhiệm vụ kích thích này (còn gọi là máy phát điện kích thích) có thể được kích thích độc lập hoặc song song cuộn dây kích thích của nó có thể chia làm nhiều cuộn dây cùng làm việc

  2) 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 thống nguồn 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 thống kích 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 nhờ khả năng điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ (chạy qua các Thyristor) đi vào cuộn dây roto máy phát điện đồng bộ Hiện nay tại các nhà máy phát điện chủ yếu sử dụng loại hệ thống kích từ này Hằng số quán tính nhỏ là điều kiện quan trọng cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn định

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 ta thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều Sau đây là các mạch công suất của bộ chỉnh lưu có đảo chiều

2.1.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

-Điện áp trên tải: Ud= Ud0cosα= 2,34U2cosα 

-Dòng điện trên tải: Id= 

-Dòng điện trung bình qua van: IT=

-Điện áp ngượcđặt lên van: Ung=2,45U2

-Dòng điện phía thứ cấp: I2= 0,816Id

-Dòng điện phía sơ  cấp: I1= 0,816Id.Kba

-Công suất máy biến áp: Sba= 1,05Pd

-Công suất tải: Pd= Udo.Io

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 nhất trong thực tế vì nó có nhiều ưu điểm hơn cả Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ đập mạch nhỏ 5% Nếu có sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn cácloại trên Đồng thời, công suất mạch chỉnh lưu này có thể rất lớn đến hàng trăm kW

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

2.1.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

Một số công thức cơ bản:

-Dòng điện trên tải: Id= 

-Dòng điện trung bình qua van: IT=

-Điện áp ngượcđặt lên van: Ung=2,45U2

-Công suất máy biến áp: Sba= 1,05Pd

-Công suất tải: Pd= Udo.Io

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 3 pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản ,kích thước gọn nhẹ hơn

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 củacác 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

Ulv = knv.U2

Với U2 = Ud /ku thay số vào ta được:

- Dòng điện của van

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

Id = 30 (A)

Dòng điện hiệu dụng của van:

Ilv = Ihd = khd Id = 0,58 x 30 = 17,4 (A)

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:

Unv = 33,504 (V)

Idlv = ki x Ilv = 4 x 17,4 = 69,6 (A)

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

Dòng điện định mức của van Idmv = 12 A

Điện áp ngược cực đại của van Unv = 120 V

Điện sụt áp trên van ∆U = 3,0 V

Dòng điện rò Ir = 2 mA

Điện áp điều khiển Udk = 2,5 V

Dòng điện điều khiển Idk = 0,06 A

Thời gian chuyển mạch tcm = 15 µs

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:

Udo Cosαmin = Ud + 2.∆Uv + ∆Udn + ∆Uba

Trong đó:

αmin = 100 là góc dự trữ khi có sự giảm điện lưới

∆Uv = 2,0 V là sự sụt áp trên Thyristor

∆Udn ≈ 0 là sự sụt áp trên đường dây nối

∆Uba = ∆Ur+ ∆Ux là sự sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ:

∆Uba = 6%.Ud = 6%.48 = 9,6 V

Với phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

4 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp

5 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp

6 Tiết diện sơ bộ trụ

Trong đó:

kQ: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6

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

vòngLấy tròn W1 = 4947 vòng

11 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp

vòngLấy tròn W2 = 359 vòng

12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2

13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 0,077mm2

Kích thước dây dẫn có kể cách điện

S1cđ = 0,1052 = 0,07 cm2

14 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

15 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp

Chọn dây dẫn tiết diện hìmh tròn, cách điện áp cấp B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 1,05 mm2

Kích thước dây dẫn có kể cách điện

S1cđ = 0,5552 = 0,9676 cm2

16 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp

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

vòngTrong đó:

kc = 0,95 hệ số ép chặt

h: chiều cao trụ

hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp

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

18 Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp

lớp

19 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp

20 Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy:

S01 = 0,1 cm

21 Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn cd01 = 1,0 cm

22 Đường kính trong cuă ống cách điện

Dt = dFe + 2.cd01 - 2.S01 = 3+2.1-2.0,1 = 4,8 cm

23 Đường kính trong của ống cuộn sơ cấp

Dt1 = Dt + 2.S01 = 4,8 + 2.0,1 = 5 cm

24 Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm

25 Bề dầy cuộn sơ cấp

Bd1 = 0,21.137 = 28 cm

26 Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp

Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 5+ 2.28 = 51 cm

27 Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp

28 Chiều dài dây quấn sơ cấp

l1 = W1 .Dtb = 4947.28 = 435,16 m

29 Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 1,0cm

Kết cấu dây dẫn thứ cấp

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

30 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

h1 = h2 = 7 cm

31 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp

vòngTrong đó:

kc = 0,95 hệ số ép chặt

h: chiều cao trụ

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

32 Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp

lớp

33 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp

34 Đường kính trong của cuộn sơ cấp

38 Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp

39 Chiều dài dây quấn thứ cấp

Chiều dày gông bằng chiều dài của trụ: b = dt = 7 cm

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7cm

Tiết diện gông: Qbg = a x b = 49 cm2

45 Tiết diện hiệu quả của gông

59 Khối lượng của đồng

MCu = VCu mCu = 0,1883.8,9 = 1,676 Kg

Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực

2.4 Chọn thiết bị bảo vệ

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

: độ chênh nhiệt độ so với môi trường

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C

Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp = 1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 800C

Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh STN = 12.2.12 = 288 cm2

2.4.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quátải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấpmáy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thựchiện 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 điệnngược 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 song

với Thyristor tọa ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạchnên Thyristor không bị quá điện áp.

Theo kinh nghiệm R1= (5 30)Ω; C1 = (0,25 4) µF

Chọn theo tài liệu: R1 = 5,1 Ω; C1 = 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 10 200 µF

Theo tài liệu: R3 = 470Ω; C3 = 10µF

Chọn giá trị điện trở R4 = 1,4(KΩ)

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 Urc thượng gặp là điện áprăng 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 Udk, tìm thờiđiểm với điện áp này bằng nhau (Udk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp nàybằng 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 tầngkhuyếch đại ngược trở lên

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

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 3, chọn m = 3

- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V

- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U2 = 3.2,5 = 7V

- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,06 A

- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,06/3 = 0,02 A

- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µtb = ∆B/µ0 ∆H = 8.103

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:

Kiểm tra hệ số lấp đầy:

Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết

3.2.2 Tính tầng khuyếch đại cuối cùng

Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung cócác thông số:

Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si

Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 40 V

Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V

Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 500 mA

Công suất tiêu tán của Colecto: Pc = 1,7 W

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C

Hệ số khuyếch đại: β = 50

Dòng làm việc của Colecto: Ic3 = 33,3 A

Dòng làm việc của Bazơ: IB3 = Ic3/ β = 33,3/50 = 0,66 mA

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở

R10 nối tiếp với cực Emito của Tr3

R10 = (E-U1)/I1 = 92 Ω

Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 cótham số:

- Dòng điện định mức: Idm = 10 A

- Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V

- Điện áp để cho diode mở thông: Um = 1 V

3.2.3 Chọn cổng AND

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: Vcc = (3 18) V, ta chọn: Vcc = 12 V

Nhiệt độ làm việc: -400C 800C

Điện áp ứng với logic: "1": 2 4,5 V

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng

Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 18 V, chọn Vcc = ± 12 V

Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V

Nhiệt độ làm việc: T = -25 850C

Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W

Tổng trở đầu vào: Rin = 106MΩ

Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs