Khóa luận Nghiên cứu, thiết kế, thi công mô hình hòa đồng bộ hệ thống máy phát điện xoay chiều ba pha

MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii TÓM TẮT KHÓA LUẬN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xvi LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN 4 1.1. Khái niệm máy phát điện đồng bộ 4 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 5 1.2.1. Phần ứng (stato) 5 1.2.2. Phần cảm (roto) 6 1.2.3. Nguyên lý hoạt động 9 1.3. Phân loại nhà máy điện 9 1.3.1. Nhà máy nhiệt điện 10 1.3.2. Nhà máy thủy điện 13 1.4. Các đặc tính máy phát điện đồng bộ 15 1.4.1. Đặc tính không tải 16 1.4.2. Đặc tính ngắn mạch 16 1.4.3. Đặc tính tải 17 1.4.4. Đặc tính ngoài 18 1.4.4.1. Trường hợp tải thuần cảm 18 1.4.4.2. Trường hợp tải thuần dung 19 1.4.4.3. Trường hợp tải thuần trở 19 1.5. Hệ thống làm mát của máy phát điện đồng bộ 20 1.5.1. Hệ thống làm mát trực tiếp 20 1.5.2. Làm mát gián tiếp 21 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 24 2.1. Khái niệm và cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha 24 2.1.1. Khái niệm động cơ điện không đồng bộ ba pha 24 2.1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha 25 2.1.2.1. Phần tĩnh (stato) 25 2.1.2.2. Phần quay (roto) 26 2.1.2.3. Khe hở 28 2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha 28 2.3. Các phương pháp mở máy động cơ điện không đồng bộ ba pha 29 2.3.1. Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch roto 30 2.3.2. Phương pháp mở máy bằng điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stato. 31 2.3.3. Phương pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫu 31 2.3.4. Phương pháp đổi nối sao - tam giác khi mở máy 31 2.4. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 32 2.4.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 32 2.4.1.1. Nguyên lý điều chỉnh 32 2.4.1.2. Các đặc tính điều chỉnh 34 2.4.1.3. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 34 2.4.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 35 2.4.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 35 2.4.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh trở kháng mạch stato 35 2.4.3.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 36 2.4.4. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh mạch rotor 36 2.5. Biến tấn 38 2.5.1. Khái niệm biến tần 38 2.5.2. Phân loại biến tần 38 2.5.3. Cấu tạo biến tần và nguyên lý hoạt động 39 2.5.3.1. Cấu tạo 39 2.5.3.2. Nguyên lý hoạt động 43 2.5.4. Biến tần Mitsubishi FR-D740-7.5k 45 2.5.4.1. Thông số kỹ thuật 46 2.5.4.2. Cách cài đặt biến tần Mitsubishi D740- 7.5k 47 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA .52 3.1. Giới thiệu chung 52 3.2. Cấu tạo của hệ thống kích từ 54 3.2.1. Bộ kích từ 55 3.2.2. Bộ cảm biến điện áp 56 3.2.3. Bộ hạn chế và bảo vệ 56 3.2.3.1. Giới hạn dưới kích từ 56 3.2.3.2. Bộ giới hạn quá kích thích 57 3.2.3.3. Giới hạn bảo vệ điện áp và tần số 57 3.2.3.4. Mạch diệt từ 57 3.2.4. Bộ điều chỉnh AVR 58 3.2.4.1. Bộ AVR 61 3.2.4.2. Bộ điều chế và tạo xung 61 3.3. Các loại hệ thống kích từ 63 3.3.1. Hệ thống kích từ dùng máy kích từ 63 3.3.1.1. Hệ thống kích từ một chiều (DC Exciter) 64 3.3.1.2. Hệ thống kích từ xoay chiều (AC exciter) 65 3.3.2. Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 66 3.3.3. Hệ thống kích thích không chổi than dùng diod quay 68 3.4. Bộ kích từ máy phát điện trong mô hình thực hành 68 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 70 4.1. Giới thiệu chung 70 4.2. Các điều kiện hòa đồng bộ 71 4.2.1. Điều kiện về tần số 71 4.2.2. Điều kiện về điện áp 72 4.2.3. Điều kiện về Pha 72 4.3. Cách kiểm tra các điều kiện hòa đồng bộ 73 4.3.1. Kiểm tra thứ tự pha 73 4.3.2. Kiểm tra điện áp 74 4.3.3. Kiểm tra tần số 74 4.3.4. Kiểm tra góc lệch pha 76 4.4. Phương pháp hòa đồng bộ chính xác 77 4.4.1. Dòng điện cân bằng 78 4.4.2. Điện áp phách trong quá trình hòa đồng bộ 80 4.4.3. Các phương phương hoà đồng bộ chính xác bằng tay 82 4.4.3.1. Hoà đồng bộ bằng bộ hoà kiểu ánh sáng đèn nối theo kiểu nối tối 82 4.4.3.2. Hoà đồng bộ bằng bộ hoà nối theo kiểu ánh sáng đèn quay 84 4.4.3.3. Phương pháp hòa đồng bộ dùng bộ hoà đồng bộ kiểu điện từ 85 4.4.4. Đặc điểm của hòa đồng bộ chính xác bằng tay 86 4.5. Phương pháp hòa tự đồng bộ 86 4.5.1. Các loại momen tác động lên rotor máy phát điện trong quá trình tự đồng bộ 89 4.5.1.1. Momen không đồng bộ (M_kđb 89 4.5.1.2. Momen phản kháng (M_pk) 89 4.5.1.3. Momen đồng bộ( M_đb) 90 4.5.2. Dòng cân bằng 90 4.5.3. Đặc điểm của phương pháp tự đồng bộ 91 4.6. Phương pháp tự động hòa đồng bộ chính xác 92 4.6.1. Chức năng của hệ thống tự động hòa đồng bộ khi sử dụng kết nối các máy phát điện. 93 4.6.2. Thiết bị tự động hòa đồng bộ 95 4.6.2.1. Bộ phận đóng trước 97 4.6.2.2. Bộ phận kiểm tra độ lệch tần số 99 4.6.2.3. Bộ phận kiểm tra độ lệch điện áp 101 4.6.2.4. Bộ phận điều chỉnh tần số 102 4.6.2.5. Bộ phận đóng 105 4.6.3. Đặc điểm của phương pháp tự động hòa đồng bộ 106 CHƯƠNG 5: HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 107 5.1. Giới thiệu chung mô hình thực hành thí nghiệm hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha 107 5.2. Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha 110 5.3. Vận hành hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều trên mô hình thi công 112 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 119 6.1. Kết luận 119 6.2. Hướng phát triển đề tài 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

ii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế, thi công mô hình hòa đồng bộ hệ thống máy phát điện xoay chiều ba pha”, em đã thực hiện được các nội dung sau:

- Giới thiệu chung hệ thống máy pháy điện và truyền tải điện: Khái niệm, cấutạo, nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ ba pha; Phân loại các nhà máyđiện: thủy điện, nhiệt điện; Các đặc tính máy phát điện đồng bộ: đặc tính tải, không tải,ngắn mạch; Hệ thống làm mát máy phát điện đồng bộ: trực tiếp, gián tiếp

- Tổng quan động cơ không đồng bộ ba pha: Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng của động cơ không đồng bộ ba pha; Các phương pháp mở máy động cơ điệnkhông đồng bộ ba pha; Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bapha; Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của biến tần, cách cài đặt tần số chobiến tần

- Hệ thống kích từ máy phát điện xoay chiều ba pha: Giới thiệu chung hệ thốngkích từ máy phát điện xoay chiều ba pha; Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thốngkích từ máy phát điện xoay chiều ba pha; Phân loại các loại hệ thống kích từ máy phátđiện xoay chiều ba pha

- Tổng quan về hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha gồm các nội dungsau: Giới thiệu chung về hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha; Các điều kiện

về hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha: điện áp, tần số , góc pha; Cách kiếmtra các điều kiện hòa đồng bộ: điện áp, tần số , góc pha; Các phương pháp hòa đồng bộmáy phát điện xoay chiều ba pha: phương pháp hòa đồng bộ chính xác( bằng tay, tựđộng), phương pháp tự hòa đồng bộ

- Hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha: Giới thiệu chung mô hình thựchành thí nghiệm hòa đồng máy phát điện xoay chiều ba pha; Vận hành hòa đồng bộmáy phát điện xoay chiều trên mô hình thực hành

iii

Để hoàn thành nhiệm vụ được giao, ngoài sự nỗ lực học hỏi của bản thân còn có

sự hướng dẫn tận tình của thầy, cô cùng với sự hỗ trợ của các bạn

Em chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hải, người đã hướng dẫn cho em trongsuốt thời gian thực hiện đề tài Thầy không ngần ngại chỉ dẫn em, định hướng đi cho

em, để em hoàn thành tốt nhiệm vụ Một lần nữa em chân thành cảm ơn thầy và chúcthầy dồi dào sức khoẻ

Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinhnghiệm thực tiễn nên nội dung của báo cáo không tránh khỏi những thiếu xót, em rấtmong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy, cô để báo cáo này được hoàn thiệnhơn

Một lần nữa em xin gửi đến quý thầy cô, Khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện

tử, Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh và thầy Trần Văn Hảilời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất Chúc quý thầy cô sức khỏe dồi dào và thànhcông hơn nữa trên con đường giảng dạy

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày…….tháng…… năm 2018

Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Tấn

MỤC LỤCNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xvi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN 4

1.1.Khái niệm máy phát điện đồng bộ 4

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 5

1.2.1.Phần ứng (stato) 5

1.2.2.Phần cảm (roto) 6

1.2.3.Nguyên lý hoạt động 9

1.3 Phân loại nhà máy điện 9

1.3.1 Nhà máy nhiệt điện 10

1.3.2.Nhà máy thủy điện 13

1.4 Các đặc tính máy phát điện đồng bộ 15

1.4.1.Đặc tính không tải 16

1.4.2.Đặc tính ngắn mạch 16

1.4.3.Đặc tính tải 17

1.4.4.Đặc tính ngoài 18

1.4.4.1 Trường hợp tải thuần cảm 18

1.4.4.2 Trường hợp tải thuần dung 19

v

1.4.4.3 Trường hợp tải thuần trở 19

1.5 Hệ thống làm mát của máy phát điện đồng bộ 20

1.5.1.Hệ thống làm mát trực tiếp 20

1.5.2.Làm mát gián tiếp 21

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 24

2.1 Khái niệm và cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha 24

2.1.1.Khái niệm động cơ điện không đồng bộ ba pha 24

2.1.2.Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha 25

2.1.2.1 Phần tĩnh (stato) 25

2.1.2.2 Phần quay (roto) 26

2.1.2.3 Khe hở 28

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha 28

2.3 Các phương pháp mở máy động cơ điện không đồng bộ ba pha 29

2.3.1.Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch roto 30

2.3.2.Phương pháp mở máy bằng điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stato 31

2.3.3.Phương pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫu 31

2.3.4.Phương pháp đổi nối sao - tam giác khi mở máy 31

2.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 32

2.4.1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 32

2.4.1.1 Nguyên lý điều chỉnh 32

2.4.1.2 Các đặc tính điều chỉnh 34

2.4.1.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 34

2.4.2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 35

2.4.3.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 35

vi

2.4.3.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh trở kháng mạch stato 35

2.4.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 36

2.4.4.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh mạch rotor 36

2.5 Biến tấn 38

2.5.1.Khái niệm biến tần 38

2.5.2 Phân loại biến tần 38

2.5.3.Cấu tạo biến tần và nguyên lý hoạt động 39

2.5.3.1 Cấu tạo 39

2.5.3.2 Nguyên lý hoạt động 43

2.5.4.Biến tần Mitsubishi FR-D740-7.5k 45

2.5.4.1 Thông số kỹ thuật 46

2.5.4.2 Cách cài đặt biến tần Mitsubishi D740- 7.5k 47

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 52

3.1 Giới thiệu chung 52

3.2 Cấu tạo của hệ thống kích từ 54

3.2.1.Bộ kích từ 55

3.2.2.Bộ cảm biến điện áp 56

3.2.3.Bộ hạn chế và bảo vệ 56

3.2.3.1 Giới hạn dưới kích từ 56

3.2.3.2 Bộ giới hạn quá kích thích 57

3.2.3.3 Giới hạn bảo vệ điện áp và tần số 57

3.2.3.4 Mạch diệt từ 57

3.2.4.Bộ điều chỉnh AVR 58

3.2.4.1 Bộ AVR 61

vii

3.2.4.2 Bộ điều chế và tạo xung 61

3.3 Các loại hệ thống kích từ 63

3.3.1.Hệ thống kích từ dùng máy kích từ 63

3.3.1.1 Hệ thống kích từ một chiều (DC Exciter) 64

3.3.1.2 Hệ thống kích từ xoay chiều (AC exciter) 65

3.3.2.Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 66

3.3.3.Hệ thống kích thích không chổi than dùng diod quay 68

3.4 Bộ kích từ máy phát điện trong mô hình thực hành 68

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 70

4.1 Giới thiệu chung 70

4.2 Các điều kiện hòa đồng bộ 71

4.2.1.Điều kiện về tần số 71

4.2.2.Điều kiện về điện áp 72

4.2.3.Điều kiện về Pha 72

4.3 Cách kiểm tra các điều kiện hòa đồng bộ 73

4.3.1.Kiểm tra thứ tự pha 73

4.3.2.Kiểm tra điện áp 74

4.3.3.Kiểm tra tần số 74

4.3.4.Kiểm tra góc lệch pha 76

4.4 Phương pháp hòa đồng bộ chính xác 77

4.4.1.Dòng điện cân bằng 78

4.4.2.Điện áp phách trong quá trình hòa đồng bộ 80

4.4.3.Các phương phương hoà đồng bộ chính xác bằng tay 82

4.4.3.1 Hoà đồng bộ bằng bộ hoà kiểu ánh sáng đèn nối theo kiểu nối tối 82

viii

4.4.3.2 Hoà đồng bộ bằng bộ hoà nối theo kiểu ánh sáng đèn quay 84

4.4.3.3 Phương pháp hòa đồng bộ dùng bộ hoà đồng bộ kiểu điện từ 85

4.4.4.Đặc điểm của hòa đồng bộ chính xác bằng tay 86

4.5 Phương pháp hòa tự đồng bộ 86

4.5.1.Các loại momen tác động lên rotor máy phát điện trong quá trình tự đồng bộ 89

4.5.1.1 Momen không đồng bộ (M kđb 89

4.5.1.2 Momen phản kháng (M pk) 89

4.5.1.3 Momen đồng bộ(M đb) 90

4.5.2.Dòng cân bằng 90

4.5.3.Đặc điểm của phương pháp tự đồng bộ 91

4.6 Phương pháp tự động hòa đồng bộ chính xác 92

4.6.1.Chức năng của hệ thống tự động hòa đồng bộ khi sử dụng kết nối các máy phát điện 93

4.6.2.Thiết bị tự động hòa đồng bộ 95

4.6.2.1 Bộ phận đóng trước 97

4.6.2.2 Bộ phận kiểm tra độ lệch tần số 99

4.6.2.3 Bộ phận kiểm tra độ lệch điện áp 101

4.6.2.4 Bộ phận điều chỉnh tần số 102

4.6.2.5 Bộ phận đóng 105

4.6.3.Đặc điểm của phương pháp tự động hòa đồng bộ 106

CHƯƠNG 5: HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 107

5.1 Giới thiệu chung mô hình thực hành thí nghiệm hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha 107

5.2 Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha 110

5.3 Vận hành hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều trên mô hình thi công 112

ix

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 119

6.1 Kết luận 119

6.2 Hướng phát triển đề tài 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC Hình 1 1 Máy phát điện đồng bộ 4

x

Hình 1 2 Các yếu tố làm việc của máy phát điện 5

Hình 1 3 Cấu tạo stato 6

Hình 1 4 Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục 6

Hình 1 5 Hình dạng của rotor cực từ ẩn 7

Hình 1 6 Cấu tạo roto 7

Hình 1 7 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của máy phát điện 9

Hình 1 8 Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 10

Hình 1 9 Cấu tạo nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm chất đốt 10

Hình 1 10 Máy phát điện trong nhà máy nhiệt điện 12

Hình 1 11 Nhà máy thủy điện 13

Hình 1 12 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập 13

Hình 1 13 Máy phát điện trong nhà máy thủy điện 14

Hình 1 14 Đặc tính không tải của máy phát đồng bộ 16

Hình 1 15 Đặc tính ngắn mạch 16

Hình 1 16 Sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ 18

Hình 1 17 Đồ thị véc tơ khi tải thuần cảm 18

Hình 1 18 Đồ thị véc tơ khi tải thuần dung 19

Hình 1 19 Đồ thị véc tơ khi tải thuần trở 19

Hình 1 20 Cấu tạo dây dẫn rỗng 20

Hình 1 21 hệ thống làm mát hỗn hợp máy phát tuabin hơi 21

Hình 1 22 Tác dụng của việc nâng cao áp lực khí đến sự phát nóng cuộn dây 21

Hình 1 23 Hệ thống làm mát khép kín cho mát phát tua bin hơi 22

YHình 2 1 Động cơ không đồng bộ ba pha 24

Hình 2 2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 25

Hình 2 3 Tấm thép hình rẻ 26

Hình 2 4 Roto kiểu dây quấn 27

Hình 2 5 Dây quấn roto lồng sóc, lõi thép roto, ký hiệu động cơ trên sơ đồ 28

Hình 2 6 Quá trình tạo ra momen của động cơ điện không đồng bộ 29

Hình 2 7 Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ 30

xi

Hình 2 8 Sơ đồ động lực mạch khởi động sao-tam giác 32

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số 33

Hình 2 10 Đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng tần số 34

Hình 2 11 Sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng điện kháng 35 Hình 2 12 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 36

Hình 2 13 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở 37

Hình 2 14 Biến tần của hãng LS 38

Hình 2 15 Sơ đồ cấu tạo biến tần 39

Hình 2 16 Bộ chỉnh lưu trong biến tần 39

Hình 2 17 Tuyến dẫn một chiều 40

Hình 2 18 IGBT trong thực tế 40

Hình 2 19 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ sóng sin và sóng mang 41

Hình 2 20 Bộ điện kháng xoay chiều 41

Hình 2 21 Bộ điện kháng một chiều 42

Hình 2 22 Điện trở hãm 43

Hình 2 23 Sơ đồ khối các khối chức năng cấu thành biến tần 43

Hình 2 24 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần 44

Hình 2 25 Dạng sóng điện áp,dòng điện đầu vào và ra của biến tần 45

Hình 2 26 Biến tần Mitsubishi FR-D740-7.5k 45

YHình 3 1 Bộ điều chỉnh điện áp AVR-C1000 53

Hình 3 2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống kích từ 54

Hình 3 3 Cấu trúc bán dẫn của Thyristor 55

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý mạch AVR 58

Hình 3 5 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tạo mở van 60

Hình 3 6 Bộ điều chế 61

Hình 3 7 Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa tuyến tính 62

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích thích dùng máy kích từ 63

Hình 3 9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích thích tĩnh 67

xii

Hình 3 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích thích không chổi than 68

Hình 3 11 Bộ kích từ máy phát điện 69

YHình 4 1 Các máy phát điện trong hệ thống điện 70

Hình 4 2 Đồng hồ đo điện áp 74

Hình 4 3 Đồng hồ đo tần số 75

Hình 4 4 Đồng bộ kế 75

Hình 4 5 Kiểm tra góc lệch pha bằng đèn 76

Hình 4 6 Sơ đồ thay thế khi hòa đồng bộ máy phát điện 78

Hình 4 7 Đồ thị vecto điện áp 79

Hình 4 8 Sự thay đổi trị số tức thời của điện áp phách 81

Hình 4 9 Sự thay đổi biên độ của điện áp phách 81

Hình 4 10 Thời điểm thuận lợi đóng máy cắt máy phát 82

Hình 4 11 Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát theo kiểu nối tối 82

Hình 4 12 Đồ thị vector điện áp theo kiểu nối tối 83

Hình 4 13 Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát theo kiểu đèn quay 84

Hình 4 14 Đồ thị véc tơ điện áp khi nối theo kiểu ánh sáng đèn quay 84

Hình 4 15 Sơ đồ phương pháp hòa tự đồng bộ 87

Hình 4 16 Sự thay đổi của U, I, it của máy phát 100000 kW khi hoà tự đồng bộ 88

Hình 4 17 Đồ thị mômen không đồng bộ 89

Hình 4 18 Sơ đồ thay thế của hai máy phát điện khi hòa đồng bộ 91

Hình 4 19 Sơ đồ nguyên lý tự động hòa đồng bộ 93

Hình 4 20 Bộ hòa đồng bộ tự động UNIGEN 2.0 SYNCHRO 94

Hình 4 21 Thiết bị tự động hòa đồng bộ C2S 95

Hình 4 22 Sơ đồ cấu trúc của máy hòa đồng bộ có t đt = const 96

Hình 4 23 Bộ phận đóng trước của máy hòa đồng bộ 97

Hình 4 24 Thời điểm đóng máy cắt 98

Hình 4 25 Thời điểm đóng máy cắt thuận lợi 98

Hình 4 26 Bộ phận kiểm tra độ lệch tần số của máy hòa đồng bộ 99

Hình 4 27 Bộ phận kiểm tra độ lệch điện áp của máy hòa đồng bộ 101

xiii

Hình 4 28 Bộ phận điều chỉnh tần số 103

Hình 4 29 Đồ thị vectơ giải thích đặc tính của bộ phận điều chỉnh 104

Hình 4 30 Sơ đồ khối chức năng của bộ phận đóng 105

YHình 5 1 Bản vẽ hoàn chỉnh mô hình thực hành máy phát điện trên Autocad 107

Hình 5 2 Mô hình thực hành thí nghiệm hòa đồng bộ máy phát điện thực tế 107

Hình 5 3 Máy phát điện xoay chiều ba pha 108

Hình 5 4 Bộ nguồn 108

Hình 5 5 Bộ hòa đồng bộ 109

Hình 5 6 Đồng hồ đa năng 109

Hình 5 7 Biến tần, nút nhấn 109

Hình 5 8 Bộ kích từ 110

Hình 5 9 Tải R, L, C 110

Hình 5 10 Điều chỉnh tần số máy phát bằng biến tần Mitsubishi FR-D740-7.5k 111

Hình 5 11 Điều chỉnh điện áp bằng bộ kích từ 111

Hình 5 12 Đồng hồ đa năng Selec MFM383A 111

Hình 5 13 Bộ sáu đèn kiểm tra góc lệch pha 112

Hình 5 14 Đấu dây trên mô hình 113

Hình 5 15 Điện áp của máy phát 114

Hình 5 16 Tần số của máy phát 114

Hình 5 17 Điện áp của lưới 115

Hình 5 18 Tần số của lưới 115

Hình 5 19 Điện áp máy phát (a) và lưới (b) sau khi điều chỉnh 115

Hình 5 20 Tần số máy phát (a) và lưới (b) sau khi điều chỉnh 116

Hình 5 21 Thời điểm sáu đèn sáng mạnh 116

Hình 5 22 Thời điểm sáu đèn sáng mờ 117

Hình 5 23 Thời điểm sáu đèn đều tắt 117

Hình 5 24 Đóng CB hòa đồng bộ máy phát 118

Hình 5 25 Quá trình hòa đồng bộ kết thúc 118

xiv

xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Các thông số cài đặt trên biến tần Mitsubishi D740- 7.5k 47

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AVR Automatic Voltage Regulator Tự động điều chỉnh điện áp

IGBT Insulated Gate Bipolar

Transistor Transistor có cực điều khiển cách lyUEL Under Excitation Limiter Giới hạn kích từ

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

G-Th Gate Thyristor Linh kiện bán dẫn có cực điều khiển

AER Automatic Excitation Regulator

Hệ thống điều chỉnh kích thích tự

động

DC-E Direct Current Exciter Hệ thống kích từ một chiều

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là nguồn năng lượng không thể thiếu trong bất kỳ một lĩnh vực nàocủa nền kinh tế quốc dân Nó đóng góp vai trò vô cùng quan trọng trong việc phát triểnkinh tế của đất nước và đặc biệt là trong các xí nghiệp, nhà máy Theo thống kê thì cókhoảng 70% điện năng sản xuất ra được dùng trong các xí nghiệp, nhà máy côngnghiệp Vì vậy việc đảm bảo nhu cầu cung cấp điện liên tục cho xí nghiệp, nhà máy làmột vấn đề bức thiết được đặt ra

Nếu một dây chuyền sản xuất đang hoạt động, điện lưới bị sự cố đột ngột mấtđiện mà không khắc phục kịp thời thì sẽ gây thiệt hại rất lớn đến sản phẩm Do đó cầnphải trang bị máy phát điện để đề phòng khi điện lưới mất Việc trang bị máy phát điện

để ổn định các họat động kinh doanh sản xuất của doanh nghiệp là thiết yếu để sẵnsàng chủ động trong mọi tình huống và đem lại hiệu quả kinh tế cao Bên cạnh đó máyphát điện còn đóng một vai trò hết sức quan trọng, không thể thiếu được trong cungcấp điện liên tục cho các lĩnh vực như: y tế, an ninh, viễn thông, điều khiển, tiếp tân,hội nghị…

Vai trò của máy phát điện dự phòng là khá quan trọng, song việc đưa chúng vàovận hành sử dụng trong thực tế để thu được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao còn là mộtvấn đề cần được giải quyết Trong thực tế, để vận hành các tổ máy phát điện dự phòngnói chung ngoài việc đảm bảo công suất của tổ máy phát cho các hộ phụ tải thì hệthống còn phải đáp ứng các yêu cầu quan trọng khác: nâng cao chất lượng điện năngcung cấp cho các hộ tiêu thụ, bảo đảm độ tin cậy làm việc, bảo đảm khả năng cung cấpđiện liên tục và lâu dài cho các hộ tiêu thụ, nâng cao khả năng sẵn sàng làm việc củatrạm phát điện, …v.v

Thực tế, ở các khu công nghiệp như nhà máy, xưởng công nghiệp, trung tâmthương mại, cao ốc văn phòng, chung cư, bệnh viện, cảng, sân bay… nơi có các phụtải đòi hỏi phải cấp điện liên tục, hay những vùng hay có sự cố mất điện lưới đột ngột

và hoạt động với công suất tiêu thụ rất lớn, nếu chỉ sử dụng một máy phát điện thì khó

có thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất đặt ra nên do đó cần thiết phải cho các phát điệnlàm việc song song với nhau hay gọi là hòa đồng bộ máy phát điện

xvii

Mục đích chính của việc hòa đồng bộ là tăng cường công suất, bảo đảm độ tincậy cung cấp điện, điều hòa công suất điện giữa các khu vực, bảo đảm tính ổn địnhđộng và ổn định tĩnh của hệ thống điện, nâng cao chỉ tiêu kinh tế vận hành toàn hệthống.

Ngoài việc đòi hỏi công suất tăng cường ở các chế độ cần thiết, các hộ tiêu thụđiện đặc biệt còn đòi hỏi sự cung cấp điện liên tục và độ tin cậy cao Các trạm phátđiện làm việc song song với nhau, để có thể thay thế cho nhau cung cấp điện liên tục

và tin cậy cho các hộ tiêu thụ, khi có trạm phát điện cần nghỉ để bảo dưỡng hoặc khi

có sự cố Như vậy, hòa đồng bộ các máy phát điện làm việc song song là một yêu cầunhất thiết với các phát điện dự phòng

Do đó, em đã thực hiện đề tài “Nguyên cứu, thiết kế, thi công mô hình hệ thống hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha” với các nội dung sau:

- Giới thiệu chung hệ thống máy phát điện và truyền tải điện

- Tổng quan động cơ điện không đồng bộ ba pha

- Hệ thống kích từ máy phát điện xoay chiều ba pha

- Tổng quan về hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha

- Hòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha

Về mặt lý thuyết: giúp em tìm hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máyphát điện, động cơ không đồng bộ, cũng như hiểu thêm kiến thức về quá trình truyềntải điện năng của hệ thống điện Nắm được các quy trình, thao tác của hệ thống hòađồng bộ máy phát điện xoay chiều

Về mặt thực tiễn: áp dụng lý thuyết vào thực tế để thiết kế lắp đặt mô hình hòađồng bộ máy phát điện xoay chiều, cũng như trang bị thêm kiến thức cho bản thân,hiểu rõ trình tự các thao tác về hòa đồng bộ để áp dụng vận hành trực tiếp trên mô hìnhhòa đồng bộ máy phát điện xoay chiều ba pha

xviii

Trong quá trình nguyên cứu và thực hiện đề tài do còn hạn chế về sự hiểu biết về

lý thuyết cũng như thực hành, nên có nhiều thiếu sót mong quý Thầy, Cô và bạn đọc

bỏ qua

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện-Điện tử Trường Đạihọc Công Nghiệp Thực Phẩm TP.Hồ Chí Minh Đặc biệt em xin cảm ơn sâu sắc đếnThầy Trần Văn Hải đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện

đề tài cũng như hoàn thành môn học Khóa Luận Tốt Nghiệp

Tp.Hồ Chí Minh, ngày…….tháng…… năm 2018

Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Tấn

xix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT

ĐIỆN VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN1.1 Khái niệm máy phát điện đồng bộ

Hình 1 1 Máy phát điện đồng bộ

Thiết bị điện chiếm vị trí quan trọng nhất trong các nhà máy điện là máy phátđiện Máy phát điện có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng – khâu chính trongquá trình sản xuất điện năng Hầu hết các nhà máy phát điện hiện nay đều sử dụng máyphát điện là máy phát điện đồng bộ ba pha với điện áp định mức từ 380V đến 25kVvới công suất từ vài kW đến hàng nghìn MW Cùng với máy phát điện thì các bộ phậnkhông thể tách rời khi làm việc chung trong nhà máy điện đó là hệ thống kích từ, hệthống làm mát, hệ thống bôi trơn

Máy phát điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có tốc độ quay của roto bằngtốc độ từ trường quay Hầu hết các máy phát điện đồng bộ làm việc với tần số 50Hzhoặc 60Hz Máy phát điện đồng bộ cũng có thể làm việc như động cơ điện công suấtlớn Máy phát điện đồng bộ còn được dùng làm máy bù đồng bộ nhằm cải thiện hệ sốcông suất của lưới điện một xí nghiệp hay một nhà máy

Để máy phát điện làm việc và phát ra điện thì phải đầy đủ các điều kiện sau:

- Phải có dòng điện kích thích đưa vào cuộn dây roto của máy phát điện để tạo ra

từ thông chính ϕ0 Dòng điện kích thích được cấp bởi hệ thống kích từ một chiều

xx

- Phải có công suất cơ để tạo ra momen cơ M cơ làm quay roto của máy phát điện.Công suất cơ được cấp bởi động cơ sơ cấp (tuabin nước, tuabin hơi, ).

Các yếu tố làm việc của máy phát điện được sơ lược như sau:

Hình 1 2 Các yếu tố làm việc của máy phát điện 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Chuyển động tương đối của phần cảm và phần ứng cho phép phần cảm quayphần ứng đứng yên hoặc ngược lại Đối với các máy điện có công suất lớn thì việc dẫnđiện ba pha từ roto ra ngoài cung cấp cho phụ tải gặp rất nhiều phiền phức khi phảithông qua vành trượt, chổi than Mặt khác mạch kích từ và cuộn dây kích từ dùng điện

áp kích từ một chiều thấp, có cấu tạo cực từ đơn giản hơn nhiều so với cực từ của phầnứng Các cuộn dây phần ứng thường có nhiều vòng chịu điện áp cao, có cấu tạo mạch

từ và cách đấu nối dây khá phức tạp nên máy phát điện đồng bộ thường chế tạo phầncảm quay gọi là roto, phần ứng đứng yên gọi là stato Trong máy điện xoay chiều thì

dù là phần cảm hay phần ứng cũng phải được chế tạo từ thép lá kỹ thuật điện (thépđược pha chế một hàm lượng silic nhất định, có độ từ thẩm lớn μ> 1, tổn hao từ trễ vàdòng xoáy nhỏ, ), được cán nóng hoặc cán lạnh, có độ dày từ 0.35 đến 0.5mm, đượcdập định hình theo thiết kế, sơn cách điện rồi ghép chặt lại với nhau Dây dẫn điện củamáy phát điện đồng bộ được làm bằng các lim loại màu như đồng, nhơm và hợp kimcủa chúng, trong đó đồng mềm 99% là vật liệu cơ bản làm cuộn dây vì dẫn điện tốt, hệ

số nhiệt điện trở nhỏ,

1.2.1 Phần ứng (stato)

xxi

Hình 1 3 Cấu tạo stato

Phần tĩnh có dạng hình trụ tròn, rỗng gồm mạch từ được ghép bằng những láthép kỹ thuật điện phía trong có xẻ rãnh phân bố đều để quấn cuộn dây ba pha Ax, By,

Cz đặt lệch nhau một góc 1200 điện Nhưng đối với các máy điện có công suất lớn, dâydẫn phần ứng thường là các thanh đồng được đặt trên các rãnh xẻ sẵn trên stato, chính

vì vậy công nghệ chế tạo máy phát điện đồng bộ có nhiều công đoạn khác biệt với cáccách quấn dây dẫn các động cơ điện thông thường

1.2.2 Phần cảm (roto)

Là phần dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (không biến thiên biên

độ theo thời gian)

Có 2 loại roto: roto cực lồi và roto cực ẩn

- Roto cực lồi: dây quấn trên các cực từ được quấn tập trung

xxii

Hình 1 4 Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục

- Roto cực ẩn: dây quấn trên rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố khôngtập trung

Hình 1 5 Hình dạng của rotor cực từ ẩn

Roto gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục Giữa các chùm cực có cáccuộn dây kích thích đặt trên trục qua ống lót thép Các đầu của cuộn dây kích thíchđược nối với các vòng tiếp điện gắn trên trục máy phát Trục của roto được đặt trêncác ổ bi lắp trong các nắp bằng hộp kim nhôm Trên nắp phía vòng tiếp điện còn bắtgiá đỡ chổi điện Một chổi điện được nối với vỏ máy phát, chổi còn lại nối với đầu racách điện với vỏ Trên trục còn lắp cách quạt và puli dẫn điện

Hình 1 6 Cấu tạo roto

xxiii

Chú thích: 1 và 2: các nửa roto trái và phải.

roto cực ẩn cuộn dây được quấn rải trên 34 chu vi ngoài của roto, còn ở roto cực lồicuộn dây kích từ được quấn tập trung trên các cực từ, các cuộn dây này có thể nhìn rất

rõ khi rút roto máy điện đồng bộ ra khỏi stato Vật liệu cách điện dùng cho máy điệnđồng bộ có những đặc điểm sau: có tính cách điện tốt, chịu được nhiệt độ biến độngthay đổi trong một phạm vi lớn, có độ bền cơ học cao, chịu được ẩm và tác động củacác loại hóa chất Tuổi thọ của chất cách điện hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ và môitrường làm việc Chất cách điện được phân làm 7 loại khác nhau ứng với khả năngchịu dược nhiệt độ cao trong quá trình làm việc Cấp cách điện bao gồm: Y-95, A-105,E-120, B-130, F-155, H-180, C >180

Trên vỏ các máy phát điện đồng bộ người ta có gắn bảng định mức với các thôngsố:

- Điện áp định mức (V, kV)

- Dòng điện định mức (A, kA)

xxiv

Hình 1 7 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của máy phát điện

Nguyên lý hoạt động chung của máy phát điện đồng bộ dựa trên sự chuyển độngtương đối của phần cảm (còn gọi là phần kích từ) và phần ứng (phát ra điện xoaychiều) Khi roto chuyển động quay đều với vận tốc ω, dòng điện một chiều chạy trongcuộn dây kích từ của roto sẽ sinh ra từ trường có từ thông ϕ khép mạch qua cuộn dâycủa phần ứng stato và sinh ra sức điện động cảm ứng E0 biến đổi theo chu kỳ hình sin

có tần số f = 50Hz hoặc f = 60Hz Vấn đề quan trọng nhất của vận hành máy phát điện

là đảm bảo cho vận tốc luôn luôn không đổi và bằng vận tốc đồng bộ

Trong chế độ làm việc bình thường do dòng ba pha phần tĩnh lệch pha nhau vềthời gian một góc 1200 và ba cuộn dây ba pha Ax, By, Cz cũng đặt lệch nhau trongkhông gian một góc 1200 nên từ trường tổng hợp của dòng ba pha là từ trường quay

xxv

với vận tốc đồng bộ và cùng chiều với vận tốc roto ω R Do từ trường phần tĩnh và rotoquay đồng bộ với nhau nên từ trường quay phần tĩnh không quét qua roto vì thế nêntrong roto không có dòng cảm ứng mà chỉ có dòng kích từ một chiều.

1.3 Phân loại nhà máy điện

Hiện tại có rất nhiều loại nhà máy điện nhưng phổ biến hơn cả là nhà máy nhiệtđiện và nhà máy thủy điện Ngoài ra ta còn có các nhà máy phong điện, năng lượngđiện nguyên tử…

Nếu phân loại theo chức năng có thể chia máy phát điện đồng bộ thành:

- Máy phát tuabin hơi: có tốc độ cao thường được chế tạo cực ẩn có trục máynằm ngang

- Máy phát tuabin nước: tốc độ thấp, thường chế tạo theo cực lồi

- Máy phát Diezen: kéo bởi động cơ Diezen thường có cấu tạo cực lồi

1.3.1 Nhà máy nhiệt điện

Hình 1 8 Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1

xxvi

Hình 1 9 Cấu tạo nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm chất đốt

Quá trình sản xuất điện trong nhà máy nhiệt điện sử dụng than theo từng giaiđoạn:

- Than: Trong nhà máy điện, than được vận chuyển từ các mỏ than đến trạm phátđiện Thường sử dụng than bitum hoặc than nâu làm nhiên liệu Than được lưu trữtrong kho chứa, trữ lượng than trong kho để phát điện thường là 40 ngày nếu khôngđược cung cấp Than được làm sạch bằng một máy lọc từ tính để lọc ra các chất cặn,hạt sắt vì nó có thể gây hao mòn thiết bị Than từ lưu trữ trực tiếp lần đầu tiên đượcnghiền nhỏ và sau đó được đưa vào máy nghiền để tạo dạng bột Than bột thô trải quaquá trình đốt cháy hoàn toàn, sau đó nghiền than để cải thiện hiệu quả của nồi hơi Trotạo ra sau khi đốt than được lấy ra khỏi nồi hơi theo định kỳ và sau đó được xử lý đúngcách

- Lò hơi: Hỗn hợp của than nghiền và không khí (thường là không khí nóngcháy) được đưa vào lò hơi và sau đó đốt trong lò hơi Khi đốt nhiên liệu, một quả cầulửa được hình thành ở trung tâm đáy nồi hơi và một lượng lớn năng lượng nhiệt được

xxvii

tỏa ra từ đó Năng lượng nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nước thành hơi nước ởnhiệt độ và áp suất cao.

- Bình ngưng: Hơi nước sau khi đi qua tuabin hơi được ngưng tụ trong bình ngưng bằng phương pháp tuần hoàn nước lạnh Hơi nước mất áp suất, nhiệt độ được ngưng tụ hóa lỏng trở lại vào bể chứa Để nén một chất lỏng trong trạng thái khí đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ và thiết bị nén chất lỏng nên ở đây việc ngưng tụ

là giải pháp tối ưu hơn cả Vì vậy việc ngưng tụ làm tăng hiệu quả của chu kỳ

- Tuabin: Trục tuabin sẽ được gắn với trục roto, khi tuabin quay sẽ làm roto quay nên sinh ra điện Lượng điện năng được tạo ra một phần được sử dụng, phần còn lại sẽ được nâng áp bằng máy biến áp rồi được truyền tải đi xa

Máy phát điện trong nhà máy nhiệt điện thuộc loại quay nhanh với vận tốc lớn.Khi đó kích thích thước máy nhỏ tức giảm được tiêu hao vật liệu trên một đơn vị côngsuất và hiệu suất máy sẽ cao

Hình 1 10 Máy phát điện trong nhà máy nhiệt điện

Trong máy phát nhiệt điện vận tốc quay của máy được tính:

n= 60 f

p

Trong đó: f là tần số dòng điện (thường lấy 50Hz)

xxviii

Khi tăng tốc độ đột ngột thì công suất của máy bị hạn chế vì sự dãn nở nhiệt củaphần tuabin và hệ thống cung cấp hơi Và sau khi khởi động để tăng công suất máyphát sẽ tốn hàng giờ vì thế không thể tăng đột ngột công suất máy phát nhiệt điện.Hiện nay các nhà máy nhiệt điện thường làm việc theo sơ đồ khối “lò – tuabin –máy phát điện”, vì vậy các máy phát điện không thể làm việc với các phụ tải thấp tùy

ý Trong vận hành các máy phát nhiệt điện phải phát công suất lớn hơn hay bằng côngsuất cực tiểu kỹ thuật Đó là công suất xác định bởi điều kiện cho phép làm việc củaphần nhiệt (lò hơi và tuabin) Nếu vận hành với công suất nhỏ hơn cực tiểu kỹ thuật thì

lò hơi làm việc không ổn định và có thể tắt nếu không phun bổ sung và tuabin còn cóthể bị nóng Công suất cực tiểu kỹ thuật của máy phát nhiệt điện bằng khoảng 30 –40% công suất định mức

1.3.2 Nhà máy thủy điện

xxix

Hình 1 11 Nhà máy thủy điện

Hình 1 12 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập

Các nhà máy thủy điện kiểu đập thường được xây dựng trên các con sông có độdốc không lớn Để tạo ra cột nước cần thiết, người ta xây dựng đập ngăn giữa dòngsông, gian máy được đặt sau đập Nước được dẫn vào từ hồ chứa qua cổng kiểm soátvào ống dẫn nước, đi qua hệ thống tuabin và đi ra ngoài qua cửa xả đáy Máy phátđược đặt trong gian máy Tuabin quay nên năng lượng được tạo ra từ máy phát, lượngnăng lượng đó được đưa đến máy biến áp đặt ngoài trời Từ các máy biến áp đó theođường dây trên không truyền tải đến các khu dân cư hoặc khu công nghiệp với điện áp

xxx

phù hợp Phần còn lại được nâng áp rồi truyền tải đi xa Dây cáp truyền tải là các dâychống sét, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào dây dẫn.

Máy phát điện trong nhà máy thủy điện thuộc loại quay chậm vì tốc độ quay phụthuộc vào tốc độ dòng cháy và chiều cao cột nước hiệu dụng nơi đặt nhà máy Hiệnnay trên thế giới vận tốc quay của nhà máy thủy điện đạt khoảng 60 – 750v/p

Hình 1 13 Máy phát điện trong nhà máy thủy điện

Ta lấy ví dụ một nhà máy thủy điện quay với vận tốc 300 v/p thì số đôi cực củamáy được tính:

p= 60 f

60.50

300 =10(đôi cực)Theo đó ta thấy số đôi cực của máy phát thủy điện lớn hơn rất nhiều so với máyphát nhiệt điện Do máy có nhiều cực nên roto phải có dạng lắp ghép và kích thướcmỗi cực phải lớn để tránh bão hòa mạch từ Vì vậy roto của máy phát thủy điện códạng cực lồi, đường kính lớn làm cho roto thủy điện kém bền Do vận tốc quay nhỏnên lực ly tâm cũng nhỏ Tuy vậy kích thước của máy phát thủy điện lớn vì đườngkính roto lớn dẫn đến đường kính stato cũng lớn

Không như máy phát nhiệt điện, máy phát thủy điện không thể chế tạo hàng loạt

mà được chế tạo đơn chiếc theo điều kiện thủy năng nơi đặt nhà máy vì công suất địnhmức phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy và chiều cao cột nước hiệu dụng nơi đặt nhàmáy

xxxi

Tuy nhiên một ưu điểm của nhà máy thủy điện là vận hành linh hoạt hơn nhàmáy nhiệt điện Có thể tăng công suất đến định mức một cách nhanh chóng và có thểlàm việc với công suất kỹ thuật cực tiểu bằng 0 Dưới đây là mô hình nhà máy thủyđiện kiểu đập.

1.4 Các đặc tính máy phát điện đồng bộ

Để phân tích máy phát điện đồng bộ người ta dựa vào các đặc tính lấy được từ thìnghiệm hoặc xây dựng trên cơ sở đồ thị vecto Thông thường các máy phát làm việcvới tốc độ không đổi nhằm giữ cho tần số không đổi nên đặc tính được xét với tốc độkhông đổi

Để so sánh các máy điện có cấu tạo, công suất khác nhau người ta không dùngcác đại lượng vật lý mà dùng đại lượng tương đối Trong đó các đại lượng điện áp,dòng điện, công suất được biểu diễn bằng phần trăm đại lượng so sánh (đại lượng cơbản) được nhận giá trị 1 Dưới đây là các lượng cơ bản:

Đặc tính không tải của các máy phát khác nhau cắt nhau tại một điểm Nếuđường nào nằm trên điểm đó sẽ có độ bão hòa lớn hơn Để thuận lợi cho việc tính toán

ta thường dùng đặc tính không tải trung bình là đường thẳng đi qua gốc tọa độ vàkhông có vùng từ trễ

Hình 1 14 Đặc tính không tải của máy phát đồng bộ 1.4.2 Đặc tính ngắn mạch

Đặc tính ngắn mạch là mối quan hệ giữa dòng ngắn mạch với dòng điện kích từkhi điện áp U = 0 và n = nđm

Hình 1 15 Đặc tính ngắn mạch

Nếu máy có từ dư thì đường đặc tính sẽ cắt trục tung tại điểm tương ứng với từ

dư đó

xxxiii

Kết hợp giữa đặc tính không tải và đặc tính ngắn mạch ta xác định được tam giácđặc trưng và có thể dùng nó để dựng đồ thị vecto.

Khi ngắn mạch đối xứng (ba pha), ta đặt dòng kích từ Iktnm sao cho dòng ngắnmạch của máy bằng dòng định mức thì sức điện động cực từ F0 sẽ tạo ra sức điện độngE0

Xác định tỷ số ngắn mạch: tỷ số ngắn mạch là tỷ số dòng ngắn mạch đối xứng(ba pha) đối với dòng định mức Theo định nghĩa ta có:

K nm=I nm

I đm=

I 0 kt

I ktnm

Trong đó: I nm là dòng điện khi ngắn mạch

I 0 kt là dòng điện kích từ khi không tải khi U0=U đm

I ktnm là dòng điện kích từ lúc ngắn mạch khi I=I đm

Như vậy hệ số ngắn mạch có thể được lấy bằng tỷ số dòng kích từ

Hệ số ngắn mạch là một thông số rất quan trọng của máy điện vì cùng với Xd ta

có thể xác định giới hạn của tải ở chế độ làm việc ổn định Hệ số ngắn mạch càng lớnthì giới hạn tải càng lớn Các máy điện cực ẩn có hệ số ngắn mạch từ 0.8 đến 1.8 còncực lồi thì từ 0.4 đến 0.7 và đối với các máy phát điện dùng trong tàu thủy thì hệ sốngắn mạch ở mức 0.6 đến 1

1.4.3 Đặc tính tải

Đặc tính tải là mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện kích từ khi I = const, cos φ

= const và n = nđm

Đặc tính tải không liên quan trực tiếp tới một chế độ nào của máy phát và được

sử dụng như đặc tính phụ để biểu diễn một số đặc điểm, thông số của máy phát chẳnghạn như trở kháng Đặc tính tải quan trọng nhất là đặc tính tải thuần kháng (cos φ= 0,

φ= π

2¿ Vì vậy để thí nghiệm đặc tính tải người ta dùng biến áp tự ngẫu hoặc cuộnkháng có độ cảm kháng thay đổi được

xxxiv

Khi tải thuần cảm thì chỉ có phản ứng phần ứng dọc trục nên để có đặc tính tảithuần cảm ta có thể dùng đặc tính không tải và tam giác đặc trưng Các đặc tính nàykhông song song với đặc tính không tải Đối với đặc tính cos φ =0, φ< 0 có phản ứngphần ứng trợ từ nên đặc tính tải nằm trên đặc tính không tải.

1.4.4 Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là mối quan hệ giữa điện áp trên cực máy phát với dòng tải khi Ikt

= const, n = const và cos φ = const Để nghiên cứu đặc tính tải ngoài ta dựa vàophương trình cân bằng sức điện động và phân biệt đối với các loại tải khác nhau

Phương trình cân bằng sức điện động cho máy phát điện đồng bộ bỏ qua điện trởthuần của cuộn dây có dạng như sau:

´

U = ´E0± ´J X s ´I (*)Trong đó dấu “+” dùng cho trường hợp tải thuần dung, dấu “ – ” dùng cho trườnghợp tải thuần cảm

Hình 1 16 Sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ

.4.4.1 Trường hợp tải thuần cảm

xxxv

Hình 1 17 Đồ thị véc tơ khi tải thuần cảm

Gọi suất điện động do từ trường rotor tạo ra trong cuộn dây stator là e, dòng điệntrong cuộn dây đó là i

Khi tải điện cảm dòng i chậm pha góc 90oso với e, do đó ф ư chậm pha 180oso với

ф, hay ф ư cùng phương, ngược chiều với ф Tác động này làm giảm ф và gọi là phản

ứng dọc trục khử từ Từ trường ứng với thời điểm này là i A=I m và i B=i C=I m

2

.4.4.2 Trường hợp tải thuần dung

Hình 1 18 Đồ thị véc tơ khi tải thuần dung

Khi tải thuần dung dòng i nhanh pha góc 90oso với e, do đó i và ф ư cùng pha với

ф, hay ф ư cùng phương, cùng chiều với ф Tác động này làm tăng ф và gọi là phản

ứng dọc trục trợ từ Từ trường ứng với thời điểm này là i A=I m và i B=i C=I m

2

.4.4.3 Trường hợp tải thuần trở

xxxvi

Hình 1 19 Đồ thị véc tơ khi tải thuần trở

Khi tải thuần trở thì e, i cùng pha (góc lệch pha giữa e và i là ѱ = 0) Dòng i tạo

ra từ thông ф ư cùng pha với i Trong khi đó e chậm pha 90oso với ф , do đó hướng của

ф ư vuông góc với hướng của ф Trên hình vẽ biểu diễn thời điểm: i A=I m và i B=i C=I m

2

1.5 Hệ thống làm mát của máy phát điện đồng bộ

Hệ thống làm mát phụ thuộc vào công suất, hệ thống làm mát được thực hiện vớimôi chất là nước, dầu, không khí hoặc khí hydro Đối với các máy phát có công suấtnhỏ thường được làm mát bằng không khí hoặc khí hydro Còn đối với các máy phátcông suất lớn được làm mát bằng khí hydro Sự thay thế không khí bằng khí hydro chophép giảm ma sát và tăng hiệu suất của máy phát Ưu điểm khí hydro là có độ dẫnnhiệt cao gấp 7 lần và tốc độ nhận nhiệt cao gấp 1.5 lần so với không khí ở cùng ápsuất, thêm vào đó mật độ khí hydro thấp hơn nhiều nên giảm được ma sát Nhưng mộtnhược điểm khá lớn của hydro là có thể gây nổ nếu trong máy có chứa khí oxy, do đóđối với các máy được làm mát bằng khí hydro cần có độ bền cơ học cao và cấu trúcđặc biệt kín Để tăng cường hiệu quả làm mát, môi chất được thổi qua các rãnh đượcchế tạo sẵn ở trục roto và stato Quá trình làm mát được thực hiện theo hai phươngpháp trực tiếp và gián tiếp

1.5.1 Hệ thống làm mát trực tiếp

xxxvii

Hình 1 20 Cấu tạo dây dẫn rỗng

Trong hình 1.20 gồm: 1: lớp cách điện, 2: dây dẫn, 3: ống dẫn khí làm mát

Trong hệ thống làm mát trực tiếp môi chất làm mát (thường là không khí, khíhydro, nước hoặc dầu) được dẫn qua dây dẫn rỗng (hình 1.20) và các rãnh chế tạo sẵntrong lõi thép, do đó hiệu suất làm mát cao

Tuy nhiên với hệ thống làm mát này đòi hỏi kết cấu máy phức tạp, giá thành đắt.Trong các môi chất làm mát trên thì nước có nhiều tính năng tốt do không gây cháy

nổ, đọ dẫn nhiệt cao, độ nhớt thấp nên lưu thông dễ dàng Bên cạnh đó cũng có một sốnhược điểm như có thể gây ăn mòn và dẫn điện nếu nước không tinh khiết Để đưamôi chất vào trong ống dẫn người ta chế tạo ra các nối đặc biệt có răng chèn ở roto Đểnâng cao hiệu quả trong một số máy phát người ta áp dụng hệ thống làm mát hỗn hợp.Hình 1.21 là một ví dụ về hệ thống làm mát hỗn hợp máy phát tuabin hơi

Hình 1 21 hệ thống làm mát hỗn hợp máy phát tuabin hơi

xxxviii

Hình 1 22 Tác dụng của việc nâng cao áp lực khí đến sự phát nóng cuộn dây

Để nâng cao hiệu suất làm mát người ta áp dụng giải pháp nâng cao áp lực khí.Theo hình trên ta thấy áp lực từ 1.035 tăng lên đến 7atm thì có thể hạ nhiệt còn 70%,điều đó cho phép cải thiện đáng kể chế độ nhiệt của máy phát

1.5.2 Làm mát gián tiếp

Làm mát gián tiếp được thực hiện bằng cách thổi môi chất làm mát (không khíhoặc khí hydro) qua các khe hở giữa roto và stato và các khe hở được chế tạo với mụcđích làm mát Có thể thực hiện theo hai cách:

- Làm mát bằng không khí tuần hoàn tự nhiên: các cánh quạt được gắn vào haiđầu trục roto, khi roto quay sẽ tạo thành luồng gió tuần hoàn tự nhiên thổi mát máytheo hướng trục hoặc hướng kính Phương thức này đơn giản dễ thực hiện nhưng hiệusuất làm mát thấp, không khí làm mát có nhiều bụi bẩn làm hư hại cách điện Vớinhững nhược điểm trên phương thức này chỉ được áp dụng cho các máy có công suấtđịnh mức dưới 3MW

-Làm mát bằng không khí tuần hoàn cưỡng bức: phương thức làm mát này thườngđược áp dụng cho các máy có công suất trên 3MW Hệ thống làm mát này gồm cácquạt gió, buồng làm lạnh và làm sạch không khí sau khi đã quạt máy máy phát Theo

đó thì trước tiên hệ thống quạt thổi không khí lạnh vào máy phát, sau khi hấp thụ nhiệtcủa máy phát gió nóng đi ra được đưa vào buồng làm lạnh và được lọc sạch rồi lại táituần hoàn đi vào hai đầu máy phát Nhiệt từ các cuộn dây và lõi thép được truyền vàomôi chất làm mát qua lớp các điện Môi chất làm mát của hệ thống gián tiếp chuyển

xxxix

động theo hai phương thức: thổi qua và tuần hoàn khép kín Ở phương thức đầu khôngkhí sau khi đã thu nhiệt từ máy phát sẽ thoát ra ngoài, còn ở phương thức sau thì nó sẽ

đi qua bộ trao đổi nhiệt và lại trở về máy Sự lưu chuyển của các môi chất làm mátđược thực hiện bởi các cánh quạt Dưới đây là một ví dụ cho hệ thống làm mát giántiếp theo nguyên lý khép kín cho máy phát tuabin hơi

Hình 1 23 Hệ thống làm mát khép kín cho mát phát tua bin hơi