NGHIÊN CỨU CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN

ứng để tạo ra một từ trường quay, được chia làm 3 loại: nam châm vĩnh cửu, bệkích thích và sự di chuyển của ROTO quanh STATO tạo nên sự khác biệt điện ápgiữa các cuộn dây của STATO, tạo

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KĨ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Nghệ An , 2021

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: MÁY PHÁT ĐIỆN 4

1.1 KHÁI NIỆM MÁY PHÁT ĐIỆN 4

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN 4

1.3 CẤU TẠO MÁY PHÁT ĐIỆN 5

1.3.1 Động cơ 6

1.3.2 Đầu phát 6

1.3.3 Hệ thống nhiên liệu 7

1.3.4 Ổn áp 7

1.3.5 Hệ thống làm mát 8

1.3.6 Hệ thống bôi trơn 8

1.3.7 Bộ sạc ắc quy 9

1.3.8 Bảng điều khiển 9

1.3.9 Hệ thống xả 9

CHUƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU 10

2.1.GIỚI THIỆU MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU 10

2.2 CẤU TẠO MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU 11

2.3.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU 14

2.4 ƯU ĐIỂM,NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU ………….15

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU 16

3.1.MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 16

3.1.1 Định nghĩa 16

3.1.2 Cấu tạo 16

3.1.3 Nguyên lí hoạt động 17

3.1.4 Công dụng 17

3.2 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 19

1

3.2.1 Định nghĩa 18

3.2.2 Cấu tạo 18

3.2.3 Nguyên lí hoạt động 20

3.2.4 Công dụng 21

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA MÁY PHÁT ĐIỆN 21

4.1.Khái quát hệ thống kích từ máy điện đồng bộ …21

4.2.Các loại hệ kích từ máy phát đồng bộ 22

4.2.2 Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lưu 23

4.2.3 Hệ tự kích thích .23

4.2.4 Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điểu khiển .24

4.3.Giới thiệu các sơ đổ chỉnh lưu thường dùng hiện nay 25

4.3.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ .25

4.3.2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp nối trung tính 27

4.3.3 Chính lưu có điều khiển cầu một pha 28

4.3.4 Chính lưu tia 3 pha .29

4.3.5 Chỉnh lưu cầu ba pha .34

4.4 Đi sâu vào mạch ổn định điện áp 36

4.4.1 Nguyên lý thiết kế mạch điểu khiển .37

4.4.2 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu 39

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

2

CHƯƠNG 1: MÁY PHÁT ĐIỆN

1.1 KHÁI NIỆM MÁY PHÁT ĐIỆN

Máy phát điện thực chất là một thiết bị giúp biến đổi cơ năng thành điệnnăng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Sản phẩm này đóng vai trò then chốttrong các thiết bị cung cấp điện với 3 chức năng chủ yếu là phát điện, chỉnh lưu,hiệu chỉnh điện áp

Hình 1.1: Máy phát điện gia đình

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN

chuyển của điện tích trong cuộn dây qua một mạch điện ở phía ngoài Dòng điệntích tạo nên là nhờ vào dòng điện bên ngoài do máy phát cung cấp

Nguyên lý này được phát biểu như sau: khi số đường sức từ của nam châm đixuyên qua tiết diện của cuộn dây tăng giảm một cách luân phiên (do nam châmquay tròn hoặc do cuộn dây quay tròn) Khi đó, trong cuộn dây cũng xuất hiệndòng điện cảm ứng luân phiên đổi chiều

3

Hình 1.2: Nguyên lý cảm ứng từ

phát hiện ra rằng dòng điện tích có thể bị cảm ứng khi nó di chuyển qua một

cuộn cảm, cũng như dòng mang điện tích biến thiên trong từ trường Sự chuyển

động này tạo nên sự chênh lệch về hiệu điện thế giữa 2 đầu dây dẫn hoặc hai đầucuộn cảm Và ngược lại, nó sẽ tạo ra các điện tích, từ đó tạo ra dòng điện

1.3 CẤU TẠO MÁY PHÁT ĐIỆN

Một thiết bị máy phát điện hoàn chỉnh sẽ bao gồm những bộ phận: động

cơ, đầu phát, hệ thống nhiên liệu, ổn áp, hệ thống làm mát và hệ thống xả, hệ

thống bôi trơn, hệ thống sạc, bảng điều khiển và hộp nắp chính

4

1.3.1 Động cơ

Là bộ phận quan trọng nhất của máy phát điện, là nguồn năng lượng cơhọc đầu vào của máy phát điện Kích thước của động cơ cũng tỷ lệ thuận với sảnlượng điện tối đa mà một thiết bị máy phát điện có thể cung cấp

Hình 1.3.1: Động cơ máy phát điện Trên thị trường hiện nay, máy phát điện sử dụng nhiều loại nhiên liệu đầuvào khác nhau cho động cơ hoạt động như: diesel, xăng, propan và khí thiênnhiên Động cơ nhỏ hoạt động bằng xăng, động cơ lớn hơn sẽ chạy bằng dầudiesel, propan lỏng hoặc khí hoặc khí tự nhiên Ngoài ra, một số dòng máy phátđiện cũng có thể hoạt động dựa trên một nguồn dữ liệu kép, nhiên liệu diesel vàkhí đốt

1.3.2 Đầu phát

Là tên gọi chung của một tập hợp các bộ phận tĩnh và các phần có thể dichuyển được Những phần này làm việc với nhau để tạo nên chuyển động tươngđổi giữa từ trường và điện, từ đó tạo ra dòng điện

Bộ phận tĩnh là STATO (còn gọi là phần cảm) bao gồm các dây điện quấnlại thành cuộn trên một lõi sắt Bộ phận chuyển động là ROTO (còn gọi là phần

5

ứng) để tạo ra một từ trường quay, được chia làm 3 loại: nam châm vĩnh cửu, bệkích thích và sự di chuyển của ROTO quanh STATO tạo nên sự khác biệt điện ápgiữa các cuộn dây của STATO, tạo nên dòng cảm ứng bên trong máy phát điện

1.3.3 Hệ thống nhiên liệu

Thông thường, bình nhiên liệu cho máy phát điện hiện nay đều đủ để máy

có thể hoạt động liên tục từ 6 -8h ở trên mức trung bình Đối với máy phát điệndân dụng thì bồn chứa nhiên liệu là một phần đề trượt của máy hoặc được lắptrên khung máy Còn các loại máy phát điện công nghiệp, có thể cần xây dựng

và cài đặt thêm một bình chứa nhiên liệu bên ngoài Các tính năng của hệ thốngnhiên liệu:

nhiên liệu vào và ra của động cơ

trong quá trình bơm và hệ thông thoát nước của bể chứa

thường hoạt động bằng điện

trong quá trình bơm khiến cho nhiên liệu không đổ lên máy phát điện

động cơ

phận khác của máy phát điện khỏi sự ăn mòn và chất bẩn có thể gây tắc nghẽn

1.3.4 Ổn áp

Đây là bộ phận quản lý điện áp đầu ra của máy phát điện, được chia ralàm nhiều thành phần:

6

- Ổn áp: có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, điều chỉnhmột phần nhỏ điện áp đầu ra thành điện áp xoay chiều và chuyển đổi thànhđiện áp một chiều

- Cuộn dây kích thích: có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòngđiện xoay chiều Các cuộn dây kích thích tạo ra dòng điện xoay chiều nhỏ vàđược kết nồi với các đơn vị được gọi chung là chỉnh lưu quay

- ROTO có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoaychiêu Thực chất thì ROTO sinh ra dòng điện xoay chiều lớn hơn xung quanhcuộn dây STATO và các dòng máy phát điện hiện nay sản xuất một điện thế

xoay chiều AC lớn hơn ở phần đầu ra

Hình 1.3.5:1 bộ làm mát ở máy phát

1.3.6 Hệ thống bôi trơn

Hệ thống này giúp cho máy phát điện hoạt động êm ái hơn, đảm bảo khảnăng hoạt động liên tục và bền bỉ Nguyên liệu để bôi trơn thường được thựchiện bằng dầu được lưu trữ trong một chiếc máy bơm

7

1.3.7 Bộ sạc ắc quy

Thông thường, máy phát điện khởi động bằng pin và bộ sạc pin là bộ phậngiữ cho pin luôn đầy với một điện áp thả nổi chính xác Khi điện áp thả nổi thấpthì pin sẽ nạp thiếu, còn điện áp cao thì sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin

Bộ sạc ắc quy của máy phát điện thường được làm từ thép không gỉ, hạnchế ăn mòn, tự động và không cần phải điều chỉnh hoặc cài đặt nào khác

và tự động tắt máy khi không cần thiết

Bên cạnh đó là thiết bị đo hệ thống đồng hồ hiển thị áp suất dầu, nhiệt độnước làm mát, điện áp pin, tốc độ quay của động cơ và thời gian hoạt động Cuốicùng là đồng hồ đo máy phát điện có đơn vị để đo sản lượng điện hiện tại, điện

áp và tần số hoạt động

1.3.9 Hệ thống xả

Mùi của khí thải được thải ra từ máy phát điện cũng giống với mùi của bất

kỳ động cơ diesel hay động cơ xăng nào khác Do vậy, nó chứa hàm lượng chấtđộc hóa học khá cao Chính vì thế, người dùng cần phải kiểm soát hệ thống xảthải một cách chặt chẽ Đồng thời, lắp đặt hệ thống khí thải chính xác để giảiquyết lượng khí thải do máy phát điện xả ra

8

CHUƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU

2.1 GIỚI THIỆU MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU

Tìm hiểu một chút về máy phát điện nói chung là thiết bị điện từ, cónguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, cầu tạo gồm có mạchđiện và mạch từ và có chức năng biển đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngượclại hoặc biển đổi thông số điện năng như biển đổi điện áp, dòng điện, tần số, gócpha

Máy phát điện một chiều là máy điện phát ra nguồn điện một chiều có tínhchất thuận nghịch Khi được cấp nguồn thì là một động cơ , khi được kéo bởi

một máy khác thì là máy phát

2.2 CẤU TẠO MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU

Máy có cấu tạo gồm 2 phần đó là: Phần cảm và Phần ứng

a Phần cảm (Stator)

Hình 2.3.1: Cấu tạo stato máy điện một chiều

 Cực từ chính: gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ

9

b Phần ứng (rôto)

10

Hình 2.3.3: Cấu tạo rotor máy điện 1 chiều Lõi thép phần ứng

Hình 2.3.4: Lõi thép phần ứng

- Nhiệm vụ: Dùng để dẫn từ

- Vật liệu: thép lá kỹ thuật điện 0,35 ÷ 0,5 mm, rãnh để đặt dây quấn

 Dây quấn phần ứng:

 Cổ góp:

những tấm mica dày 0,4 đến 1,2 mm

 Các bộ phận khác:

thường được làm bằng thép cacbon tốt

11

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU

Hình 2.4: Nguyên lý làm việc của máy phát điện 1 chiều Máy gồm một khung dây hai đầu nối với hai phiến góp Khung dây vàphiến góp được quay quanh trục của nó với một vận tốc không đổi trong từtrường của hai cực nam châm Các chổi than đặt cố định và luôn tì sát vào phiếngóp Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điện từ, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động e =B l v

Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải

2.4 ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 1 CHIỀU

Vậy thì ưu điểm của máy phát điện một chiều là gì? Có thể nói máy phátmột chiều có thế dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều

kiện làm việc khác nhau

Ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khảnăng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thế đáp ửng đượchoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm rất đắt tiềnthì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng vả chính xác mà

12

cấu trúc mạch lực, mạch điều khiến đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng

cao

Nhược điểm của máy phát điện một chiều là động cơ điện một chiều có hệthống cổ góp chỗi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các

môi trường bụi bặm, dễ cháy nỗ

Việc vận hành máy sao cho khắc phục tốt nhất những khuyết điểm vànâng cao hiệu suất hoạt động luôn là vấn đề được chúng ta quan tâm Vì vậyviệc hiểu thấu đáo ưu nhược điểm của máy cũng là một cách để vận hành máytốt

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

3.1 MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

3.1.1 Định nghĩa:

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảmứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n.Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát.3.1.2 Cấu tạo

13

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chủ yếu là stator vàrotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục làm bằng thép, trên đógắn rotor, ổ bị và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

điện, được dập rãnh bên trong

rồi ghép lại với nhau tạo thành

các rãnh theo hướng trục Lõi

thép được ép vào trong vỏ máy

Dây quấn stator

Dây quấn stator thường được

làm bằng dây đồng có bọc cách

điện và đặt trong các ranh của

lõi thép Dòng điện xoay chiều

ba pha chạy trong dây quấn ba

pha stator sẽ tạo nên từ trường quay

Trục

Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto

Dây quấn rotor

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch còngọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

14

Hình 3.2: Cấu tạo máy phát điện kông đồng bộ

3.1.3 Nguyên lý hoạt động

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p (f là tần số lưới điện; p là số đội cực từ của máy; n là tốc độ từ trường quay bậc một) Từ trường này quét qua dâyquấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, làm cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện động E, Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I, chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tống ở khe hở Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từthông khe hở sinh ra mô men Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay

n của roto Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ

3.1.4 Công dụng

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơđiện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nênđộng cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngànhkinh tế quốc dân Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làmnguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy côngcụ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùnglàm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày máyđiện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ

tủ lạnh…Tóm lại phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càngrộng rãi

3.2.MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Phạm vi sử dụngchính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện.Điệnnăng ba pha chủ yếu dùng trong nền kính tế quốc dân và trong đời sống sinhhoạt được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khí hoặcnước Ngoài ra máy phát điện còn được kéo các động cơ khác như động cơĐiêzel, động cơ xy lanh hơi nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hydro đượcchế tạo với công suất vừa và nhỏ nhằm dùng cho các tải địa phương, dùng làmmáy phát dự phòng Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhố( đặc biệt là các

15

động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãitrong các trang bị tự động và điều khiển

3.2.1 Định nghĩa

Những máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay Rotor n bằng tốc độ quay

khi tải thay đổi

lá thép kỹ thuật điện được dập

rãnh bên trong, ghép lại với

nhau tạo thành các rãnh theo

hướng trục và được ép vào

Rotor của máy điện đồng bộ bao

gồm lõi thép cực từ và dây quấn

kích từ

Dây quấn kích từ được nối với

nguồn điện một chiều nhằm tạo

ra từ trường cố định trên các cực

từ

Rotor máy điện đồng bộ có hai

kiểu là rotor cực lồi và rotor cực

ẩn

16

Hình 3.2.2.1 Stator máy điện đồng bộ

Hình 3.2.2.2 Dây quấn phần ứng rotor và sức điện động trong mạch phần ứng

+ Rotor máy cực ẩn:

Khe không khí đều, lõi thép là một khối thép

hình trụ

Mặt ngoài phay thành rãnh để đặt dây quấn

kích từ, phần không phay tạo thành mặt cực

từ

Rotor cực ẩn có độ bền cơ khí cao, dây quấn

kích từ vững chắc Vì vậy thường được sử

dụng ở những máy điện đồng bộ có tốc độ từ 1500rpm trở lên, công suất lớn (1000 – 1500MVA)

Hai đầu của dây quấn kích từ được nối với hai vành trượt đặt ở hai đầu trục thông qua haichổi than để nối với dòng kích từ 1 chiều

Dây quấn kích từ được quấn quanh thân cực từ,

hai đầu của nó được nối với hai vành trượt, qua

hai chổi than tới nguồn điện 1 chiều

Dùng cho máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực

Đường kính: D có thể lớn hơn 15m

Chiều dài: l/D = 0.15 ∼ 0.2m

3.2.3 Nguyên lý hoạt động máy phát điện đồng bộ

Để nhận được điện áp 3 pha, trên chu vi stator đặt ba cuộn dây cách nhau 120°

và được nối sao (có thể nối tam giác) Dòng điện 1 chiều tạo ra từ trường khôngđổi.Bây giờ ta gắn vào trục rotor một động cơ lai và quay với tốc độ n.Ta đượcmột từ trường quay tròn có từ thông chính ϕ khép kín qua rotor, cực từ và lõithép stator

17

Hình 3.2.2.2 Lõi thép rotor cực ẩn

Hình 3.2.2.3 Lõi thép rotor cực lồi