HệThống TựĐộng Hóa Nhà Máy Nhiệt Điện1Lời

Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành phần chính : - ROTOR: còn được gọi là phần cảm dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều không biến thiên biên độ theo thời gian.. - Phần ứng củ

Lời Nói Đầu

Năn lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội Ở bất cứ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn được coi là ngành công nghiệp nền tảng cho sự phát triển của nền kinh tế Việc sản suất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng Ý nghĩ quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của ngành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của kinh tế một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu ngành chế tạo máy điện có những yêu cầu ngày càng cao hơn

Máy phát điện luôn đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện Vì thế, trong học phần Hệ Thống Tự Động Hóa Nhà Máy Nhiệt Điện của kỳ 20151 này, nhóm chúng

em xin được phép tìm hiểu về máy phát điện tuabin hơi và khí Nội dung cho báo cáo môn học của nhóm gồm:

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

II KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN

III ĐẶC ĐIỂM MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN HƠI VÀ TUABIN KHÍ

IV CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

Trong quá trình tìm hiểu về môn học, nhóm em xin được cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy phụ trách học phần, Ts Nguyễn Huy Phương Song thời gian có hạn và vốn kiến thức có hạn nên trong quá trình tìm hiểu vẫn còn nhiều thiếu sót Nhóm mong nhận được sự chỉ bảo của thầy để có thể hoàn thiện hơn

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1 Giới Thiệu Về Nhà Máy Nhiệt Điện

Trong nhà máy nhiệt điện, cơ năng được tạo ra bởi động cơ nhiệt Động

cơ nhiệt tạo ra cơ năng bằng nhiệt được lấy bằng cách đốt nhiên liệu Cơ năng ở đây được lưu trữ dưới dạng động năng quay của tuabin Khoảng 80% các nhà máy điện dùng tuabin hơi nước, tức là dùng sử dụng hơi nước đã được làm bốc hơi bởi nhiệt để quay tuabin

1.2 Nguyên Lý Hoạt Động Chung Của Nhà Máy Nhiệt Điện

Hình 1 Nguyên lý cơ bản của nhà máy nhiệt điện

Hình 2 Mô hình nhà máy nhiệt điện

Than (nhiên liệu) được vận chuyển tới một hầm ngầm, từ đó được nghiền nhỏ và đưa vào lò hơi Bên trong bức tường lò hơi có các đường ống dẫn nước Khi lò hơi hoạt động nước ở trong các đường ống bị bay hơi Hơi nước tạo ra (ở nhiệt độ và áp suất cao) được đưa tới trụ hơi, ở đó nó được đưa qua máy sưởi rồi thông qua các đường ống phân phối hơi nước để tới cánh quạt của tua bin, một phần hơi nước ngưng tụ được bơm quay trở lại lò Tuabin được nối với máy phát điện Một phần hơi nước ngưng tụ được bơm quay trở lại lò Điện năng tạo

ra được nối tới hệ thống máy biến áp, rồi đưa ra mạng lưới điện Phần xỉ than, khói bụi được đưa qua hệ thống lọc xử lý rồi đưa ra ngoài

II KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường

sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động

cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năngkhác

Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện

Nó thực hiện ba chức năng: phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp

Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha,

là thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng

Ngày nay các máy phát điện công suất lớn có công suất vài trăm MVA với nguồn cơ năng dùng thủy lực hình thành các nhà máy thủy điện cung cấp cho khu vực hay quốc gia Các máy phát điện có công suất nhỏ từ 10KVA đến 1MVA , với nguồn cơ năng là động cơ nổ Diessel, hình thành các nhà máy nhiệt điện nhỏ hay các tổ động cơ máy phát dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp

III ĐẶC ĐIỂM MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN HƠI VÀ TUABIN KHÍ

Hình 3 Máy phát điện tuabin hơi nước

Các tua bin hơi và tua bin khí có tốc độ cao hơn tua bin nước Các máy phát điện tua bin hơi hoặc tua bin khí thường được chế tạo với tốc độ cao nhất (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50 Hz, và 3600 vòng/ phút đối với máy

60 Hz) Hầu hết các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn Loại này có rotor dài hơn nhiều

so với đường kính

Stator của máy cũng giống như máy phát cực lồi Thông thường với đa số các máy có đường kính lớn hơn 1 m, lõi thép stator được chế tạo thành nhiều

thiểu tổn thất điện năng Người ta thường không ghép thành một khối như các máy điện cỡ nhỏ, mà làm thành nhiều lớp, có khe hở ở giữa để thông gió làm mát

Hình 4 Các đầu dây Stator của một máy phát điện

Cuộn dây stator được làm từ các thanh dẫn đồng xếp nằm trong các rãnh, hai đầu nối lại với nhau thành các vòng dây Các thanh dẫn thường không phải

là thanh đặc nguyên khối, mà được làm từ các dây dẹp quấn bện theo kiểu Roebel, sao cho mỗi thanh nhỏ trong bó đều có một chiều dài bằng nhau, dù có phải uốn lượn theo nhiều hướng khác nhau Các dây nối ra ngoài và dây nối giữa các pha, các vòng dây với nhau được cố định chắc chắn hai đầu bằng các vật liệu cách điện có độ bền điện và độ bền cơ học cao

Điện áp ra của stator thường nằm trong khoảng vài kV đến 14,4 kV Muốn truyền đi xa hơn, người ta thường phải dùng một máy biến áp tăng áp Để lấy điện đưa xuống sử dụng cho các thiết bị điện phụ vụ cho tổ máy vận hành,

người ta dùng một máy biến áp hạ áp, trong trường hợp này gọi là máy biến áp

tự dùng

Hinh 5 Rotor của một máy phát điện

Rotor của nó có dạng trụ có xẻ rãnh, quấn nhiều cuộn dây kích từ đồng tâm Hai đầu chỗ các mối hàn nối các thanh và các cuộn dây với nhau được bảo

vệ bằng một vòng thép hình trụ, gọi là vòng hộ hoàn Các dây dẫn ra ngoài được dẫn xuyên qua dọc theo trục máy để đưa ra phía đầu rotor Từ đó có thể nối vào các vành nhận điện, để có thể đưa dòng điện từ bên ngoài vào qua các chổi than Dòng điện đưa vào rotor máy phát điện thường là dòng điện một chiều, gọi

là dòng kích thích

Hai đầu của rotor đều có lắp đặt cánh quạt để thổi chất khí

đi vào theo các dường dẫn đặt sẵn, để làm mát máy Chất khí đó có thể là không khí tự nhiên, thông với môi trường bên ngoài, hoặc khí hydrogen, tuần hoàn kín Trong trường hợp tuần hoàn kín, có thể phải lắp đặt thêm một số bộ trao đổi nhiệt, để làm mát chất khí đó bằng nước

Các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí có thể chế tạo

từ một vài MW đến 700 MW Ở đây ta nghiên cứu máy phát điện không đồng bộ

IV CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

4.1 Các Thành Phần Chính

Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành phần chính :

- ROTOR: còn được gọi là phần cảm dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (không biến thiên biên độ theo thời gian)

- ROTOR CỰC TỪ LỒI dây quấn trên các cực từ được quấn tập trung, hình dạng của rotor cực lồi trình bày trong hình H1

Hình 6 Kết cấu của rotor cực từ lồi, 2p=4

Rotor chưa Hình 7 Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục

- ROTOR CỰC TỪ ẦN :dây quấn trên rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố không tập trung, xem hình 8

Hình 8.Hình dạng của rotor cực từ ẩn, rotor chưa được quấn dây

- STATOR: còn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều giống như kết cấu của stator động cơ cảm ứng Trên stator bố trí một hay nhiều pha dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 120o Hình dạng của stator máy phát điện đồng bộ, trình bày trong hình 9

Hình 9 Dây quấn stator máy phát đang được thi công

4.2 Hệ Thống Vành Trượt Và Máy Phát Kích Từ Đầu Trục

Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor Khi rotor được kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dòng một chiều được cấp vào rotor thông qua hệ thống vành trượt và chổi than

Các vành trượt là hai vòng hình trụbằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bốtrí đồng trục với rotor Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện, xem hình 10

Hình 10 Kết cấu vành trượt và chổi than trên stato

Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dung cấp điện vào cho dây quấn rotor

Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo công nghệ nhất định (để hình thành các từ cực trên rotor) sẽ đưa ra 2 đầu dây Hai đầu dây này được bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này

Với các máy phát điện có công suất lớn, từ 200 KVA trở lên, dòng một chiều được cấp vào phần cảm có giá trị rất lớn từ vài chục đến vài trăm A trong quá trình vận hành Tiếp xúc giữa chổi than và vành trượt dễ sinh ra các tia lửa điện khi rotor đang hoạt động; vấn đề bảo trì và vận hành tương đối phức tạp, ngoài ra tổn hao nhiệt do điện trở

tiếp xúc (giữa chổi than và vành trượt) trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy phát điện

Dạng máy phát điện dùng hệ thống chổi than và vành trượt để cấp nguồn một chiều cho phần cảm, được gọi là máy phát điện kích từ trực tiếp

Ngày nay để khắc phục nhược điểm của hệ thống vành trượt và chổi than,các máy phát (sử dụng động cơ sơ cấp là động cơ nổ) thường được chế tạo theo dạng “brushless” không chổi than Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy phát điện đầu trục Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đều trục được

mô tả như sau:

- Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha

- Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát chính Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp

- Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần ứng của máy phát chính Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích (loại một chiều)

- Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát đầu trục Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình thành các sức điện động cảm ứng

- Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính

Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên đĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính

Toàn bộ kết cấu của máy phát điện dùng máy phát đầu trục kích từ được mô tả trong hình 11 Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng, tần số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục có giá trị cao hơn tần số lưới điện thông thường Tần số này có thể từ 120Hz đến 240Hz Do

đó, số cực từ của máy phát đầu trục lớn hơn số cực của máy phát chính từ 3 đến 6 lần

Hình 11 Cấu tạo máy phát điện có dùng máy phát điện đầu trục

4.3 Sơ Đồ Nguyên Lý Máy Phát Điện Đồng Bộ

Tùy thuộc vào phương pháp cấp dòng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm ta

có các dạng máy phát kích từ trực tiếp, và máy phát điện có máy phát kích từ đầu trục

Sơ đồ nguyên lý của mỗi loại được trình bày lần lượt trong các hình 12 và hinh 13 Trong hình 14, trình bày cấu tạo của nửa bộ chỉnh lưu cầu dùng chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha từ phần ứng máy phát điện đầu trục thành nguồn một chiều để cấp vào phần cảm của máy phát chính

Hình 12.Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại kích từ trực tiếp)

Hình 13 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ(loại không chổi than, dùng máy phát đầu trục.)

Hình 14 Hình dạng của nửa cầu chỉnh lưu dùng chỉnh lưu trong máy phát điện đồng bộ

4.4 Nguyên Tắc Hoạt Động Của Máy Phát Không Đồng Bộ

Hình 15 Mô hinh đơn giản máy phát điện

Xét mô hình nguyên lý đơn giản của máy phát điện đồng bộ gồm:

- Phần cảm (rotor) cực từ lồi 2p = 2

- Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây quấn, lệch vị trí không gian từng đôi 120𝑜

Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay phần cảm là n1 Vận tốc góc của động cơ

sơ cấp là Ω1=2π𝑛1 Vì từ thông tạo bởi dây quấn kích thích không biến thiên theo thời gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm của máy phát có biên độ không thay đổi

Do đó khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm tròn đều với tốc độ Ω1=2π𝑛1, từ trường tạo bởi phần cảm chuyển động tròn đều cho ta hình ảnh của từ trường quay tròn

Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thông xuyên qua bộ dây quấn AX Gọi α là góc hợp bởi phương của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta có kết quả như sau: 𝜙𝐴𝑋=B.A.cosα Trong đó A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, thay thế tích số A.B = 𝜙𝑚và α = Ω1.t ta có: 𝜙𝐴𝑋=𝜙𝑚.cos(Ω1.t)

Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thông tạo bởi từ trường phần cảm với

các bộ dây BYvà CZ được viết như sau:

𝜙𝐵𝑌=𝜙𝑚.cos(Ω1.t-1200) ;

𝜙𝐶𝑍=𝜙𝑚.cos(Ω1.t-2400)

Tóm lại khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các

từ thông biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ Nói một cách khác từ

trường phần cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng

trên mội bộ dây Áp dụng công thức Faraday ta có các kết quả sau:

𝑒𝐴𝑋= -𝑁𝑝ℎ𝑎 𝐾𝑑𝑞.𝑑[𝜙𝐴𝑋]

𝑑𝑡 =-𝑁𝑝ℎ𝑎 𝐾𝑑𝑞.𝑑[𝜙𝑚.cos(Ω1.t) ]

𝑑𝑡Hay

𝑒𝐴𝑋= 𝑁𝑝ℎ𝑎 𝐾𝑑𝑞 𝜙𝑚 Ω1.sin(Ω1.t)

Tương tự:

𝑒𝐴𝑋= 𝑁𝑝ℎ𝑎 𝐾𝑑𝑞 𝜙𝑚 Ω1.sin(Ω1.t-1200)

𝑒𝐴𝑋= 𝑁𝑝ℎ𝑎 𝐾𝑑𝑞 𝜙𝑚 Ω1.sin(Ω1.t-2400)

Từ trên cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn hợp thành nguồn áp

3 pha cân bằng Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H10 khi từ trường

phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận

Sức điện động hiệu dụng pha của mỗi bộ dây quấn trên stato:

𝐸𝑝ℎ𝑎 = 4,44.f.Npha 𝐾𝑑𝑞 𝜙𝑚=Ke 𝑛1 𝜙𝑚 (trong đó Ke=4,44.p.Npha.𝐾𝑑𝑞

60 𝑣à f=𝑝.𝑛160 ) Tóm lại

- Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thông số: từ trường 𝜙𝑚 kích thích của

phần cảm và tốc độ quay n1của động cơ sơ cấp

- Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đôi cực p của máy phát và tốc độ

quay n1của động cơ sơ cấp

4.5 Các Đặc Tính Của Máy Phát Điện Không Đồng Bộ

4.5.1 Đặc Tính Không Tải

Hình 16.Thí nghiệm không tải

Đặc tuyến không tải của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa sức điện động pha của phần ứng với dòng điện kích thích cấp vào phần cảm Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi :

- Không đấu tải vào dây quấn phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm

Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B trong khi dòng kích thích tỉ lệ thuận với sức từ động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm

Như vậy dòng kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát

Tóm lại đặc tuyến không tải của máy phát có dạng của đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ tạo thành máy phát Hình dạng của đặc tuyến không tải trình bày trong hình

17 Trên đặc tuyến này lúc Ikt= 0 ta vẫn có được giá trị của sức điện động pha Giá trị này hình thành do từ trường dư tồn tại trong phần cảm Sức điện động pha tạo bởi từ trường dư được gọi là Epha dư