Đồ án Nghiên cứu điều khiển động cơ lai máy phát đồng bộ trong trạm phát dự phòng-Đi sâu phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phòng

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu điều khiển động cơ lai máy phát đồng bộ trong trạm phát dự phòng-Đi sâu phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phòng

1. LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế của nƣớc ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đời sống của ngƣời dân ngày càng nâng cao. Nhu cầu sử dụng điện năng trong đời sống sinh hoạt cũng nhƣ trong các nghành cơng nghiệp,nơng nghiệp và dịch vụ là tăng khơng ngừng. Đây là cơ hội nhƣng cũng là thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu của xã hội. Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đĩ chính là việc cung cấp điện một cách liên tục cho những nơi đặc biệt, những cơng ty xí nghiệp lớn, bệnh viện và xa hơn nữa là cung cấp điện năng cho sinh hoạt khi lƣới điện quốc gia bị xảy ra sự cố. Để thực hiện đƣợc việc này, yêu cầu đặt ra là phải cĩ các trạm phát điện dự phịng cung cấp điện ngay khi lƣới điện quốc gia bị mất. Trạm phát điện dự phịng đã ra đời từ rất lâu rồi và nĩ ngày càng khẳng định đƣợc vai trị cũng nhƣ tầm quan trọng trong việc phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân, . Vì vậy địi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sƣ Điện tự động cơng nghiệp phải nắm vững kiến thức cơ bản của trạm phát điện dự phịng. , em đã kết thúc khố học và đã tích luỹ đƣợc vốn kiến thức nhất định. Đƣợc sự đồng ý của nhà trƣờng và thầy cơ giáo trong khoa em đƣợc giao đề tài tốt nghiệp: ―Nghiên cứu điều khiển động cơ lai máy phát đồng bộ trong trạm phát dự phịng – Đi sâu phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phịng‖. Đồ án tốt nghiệp của em gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về trạm phát điện dự phịng Chƣơng 2: Điều khiển động cơ Diesel lai máy phát điện Chƣơng 3: Một số hệ thống cung cấp điện của trạm phát dự phịng
2. Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy giáo PGS.TS Hồng Xuân Bình, em đã hồn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ án cĩ hạn và trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sĩt. Em rất mong nhận đƣợc sự đĩng gĩp ý kiến của các thầy cơ cũng nhƣ là của các bạn sinh viên kiện giúp đỡ em trong thời gian qua. Hải Phịng, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện
3. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN Trạm phát điện dự phịng dùng làm nguồn dự phịng cho các cơng ty, xí nghiệp, các cơng trình, nhà xƣởng, văn phịng, cao ốc, bệnh viện, mạng lƣới viễn thơng, các khu cơng nghiệp, khu chế xuất, vvv . Tùy thuộc vào yêu cầu về cơng suất của tải, cơng suất của trạm phát điện dự phịng cĩ thể từ vài chục KW cho tới vài chục hoặc vài trăm MW. Máy phát điện của trạm phát điện dự phịng thƣờng là máy phát điện xoay chiều đồng bộ ba pha cĩ bộ tự động điều chỉnh điện áp. Động cơ lai máy phát điện cĩ thể là động cơ DIESEL, động cơ hơi nƣớc hoặc động cơ chạy GAS. Động cơ DIESEL đƣợc dùng phổ biến vì dễ dàng trong việc vận hành sửa chữa, khai thác, dễ dàng cho phép dùng các hệ thống tự động để điều khiển. Trạm phát điện dự phịng thƣờng đƣợc trang bị một hay nhiều tổ hợp DIESEL – Máy phát điện. Nếu trạm phát điện dự phịng cĩ từ hai tổ hợp DIESEL –Máy phát điện trở lên, các máy phát cĩ thể cơng tác song song với nhau. Các tổ hợp DIESEL – Máy phát điện cĩ thể đƣợc điều khiển bằng tay hoặc tự động. Để điều khiển tự động các tổ hợp DIESEL – Máy phát điện, ngƣời ta dùng các bộ tự động chuyển nguồn (ATS: Auto Transfer Switch). Khi lƣới điện chính bị mất, trạm phát điện dự phịng tự động hoạt động và tự động đĩng điện cho tải. Khi lƣới điện chính cĩ điện trở lại, tải đƣợc tự động chuyển sang nguồn chính, trạm phát điện dự phịng tự động dừng hoạt động và chuyển sang chế độ sẵn sàng (Stanby Mode). Để tự động giữ cho tần số của máy phát khơng đổi, các động cơ DIESEL đƣợc trang bị bộ tự động ổn định tốc độ (thƣờng gọi là bộ điều tốc). Các bộ điều tốc cĩ thể là bộ điều tốc li tâm hoặc là bộ điều tốc điện tử.
4. Ngày nay, trạm phát điện dự phịng ngày càng cĩ vị trí khơng thể thiếu đƣợc trong các cơng ty, xí nghiệp, các cơng trình, nhà xƣởng, văn phịng, cao ốc, bệnh viện, mạng lƣới viễn thơng, các khu cơng nghiệp. khu chế xuất, vvv . Bởi vì nĩ cĩ ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt của ngƣời dân, sự phát triển của cơng ty xí nghiệp, tính mạng của con ngƣời cũng nhƣ an ninh quốc gia . 1.1.1. Những yêu cầu chung của trạm phát dự phịng Với trạm phát vừa và lớn luơn phải đáp ứng các quy phạm của đăng kiểm về các vấn đề kỹ thuật: • Các chỉ tiêu chất lƣợng của máy phát với hệ tự động điều chỉnh điện áp hệ tự động ổn định tốc độ. • Các chỉ tiêu chất lƣợng và các yêu cầu về quy phạm cho bảng điện và các thơng số cần kiểm tra, giám sát cho trạm phát điện. Các yêu cầu về quy phạm luơn đƣợc kiểm tra giám sát bởi Đăng Kiểm trong các lần sửa chữa định kỳ và đột suất, ngồi ra cịn một số yêu cầu: • Hệ thống luơn giữ trạng thái sẵn sang hoạt động, dễ khởi động, thời gian khởi động ngắn, tính ổn định cao. • Cĩ khả năng cung cấp năng lƣợng liên tục, dài hạn, đáp ứng các chỉ tiêu chất lƣợng. • Hoạt động tin cậy, an tồn trong vận hành, khai thác. • Giảm thiểu tổn thất nhiên liệu, hiệu suất cao, khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng [Tr 285 – 2]. 1.1.2. Vấn đề tự động hĩa trong trạm phát dự phịng Để đảm bảo khai thác kinh tế và an tồn cho Diesel – Generator, vấn đề tự động hĩa trong trạm phát dự phịng phải thực hiện theo một số điều kiện sau: • Chỉ thực hiện khởi động hai đến ba lần cho mỗi lệnh khởi động. Nếu hệ thống thực hiện khởi động lần thứ nhất, thứ hai khơng thành cơng thì sẽ phát tín hiệu khởi động lần thứ ba. Vì một lý do nào đĩ, lần khởi động thứ ba cũng khơng
5. thành cơng thì phải hủy lệnh khởi động và cần phải tìm và khắc phục nguyên nhân tạo nên việc khởi động thất bại. • Khi lƣới điện xảy ra mất điện chập chờn (mất điện lƣới rồi lại cĩ điện trở lại ngay, rồi lại mất ) hoặc điện áp trên lƣới dao động rất lớn thì hệ thống phải cĩ thiết bị khẳng định trạng thái và phải định nghĩa đƣợc đĩ chƣa phải là mất điện để khơng đƣa ra lệnh điều khiển khởi động, tránh cho việc khởi động và dừng máy quá nhiều lần khơng cần thiết gây nên những hao mịn cơ học cho bánh răng truyền dẫn hoặc các bộ ly hợp. Với các hệ Diesel – Generator thƣờng lắp bánh đà, khi cĩ lệnh dừng máy, do quán tính, phải sau một thời gian nhất định hệ thống mới dừng hẳn. Khi bánh đà chƣa dừng mà lại cĩ lệnh khởi động lại Diesel thì sẽ gây lên lực va đập trong các bộ ly hợp hoặc giữa các bánh răng chủ và bị động cĩ thể làm mẻ, làm vỡ phá hỏng liên kết cơ khí của hệ. Chỉ khởi động Diesel khi hệ đã dừng hẳn. • Áp suất dầu bơi trơn (LO), áp suất nƣớc làm mát, nhiệt độ dầu bơi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát, nhiệt độ khí xả trên các xilanh, nhiệt độ vào ra của tuabin tăng áp, tốc độ Diesel là các thơng số và đại lƣợng rất quan trọng cần đƣợc kiểm tra, giám sát và cảnh báo. Riêng áp suất dầu bơi trơn quá thấp vƣợt giá trị đặt, tốc độ Diesel vƣợt 110% thì hệ thống phải hoạt động bảo vệ. • Khi khởi động Diesel thành cơng, tốc độ đạt đƣợc định mức mà máy phát khơng thành lập đƣợc điện áp hoặc điện áp khơng đạt đƣợc giá trị tối thiểu thì phải cĩ lệnh gửi đến điều khiển dừng Diesel. Quá trình khởi động D – G đƣợc gọi là thành cơng khi tốc độ Diesel đạt định mức và điện áp máy phát đạt định mức, ổn định [Tr 287 – 2]. 1.2. CẤU TRƯC CHUNG CỦA CÁC LOẠI TRẠM PHÁT ĐIỆN 1.2.1. Cấu trúc chung của trạm phát điện tàu thủy Trên tàu thủy nguồn năng lƣợng điện chính đƣợc tạo ra nhờ các máy phát điện đồng bộ ba pha, đƣợc truyền động bởi các động cơ Diesel phụ, Diesel chính
6. hoặc Turbin. Số lƣợng và cơng suất của các máy phát phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, hay cách khác là phụ thuộc vào kích thƣớc trọng tải và tính chất con tàu. Thơng thƣờng một trạm điện tàu thủy cĩ từ 02 - 05 tổ máy đƣợc thiết kế để chúng cĩ thể làm việc song song với nhau. Mục đích làm tăng tính an tồn, đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục cho các phụ tải đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả khai thác sử dụng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên khi các máy phát cơng tác song song với nhau thì các quá trình diễn ra trong hệ thống càng phức tạp, thậm chí cĩ thể dẫn đến hệ thống hoạt động mất ổn định. Khi lựa chọn cấu trúc trạm phát, ngƣời thiết kế cũng cĩ rất nhiều phƣơng án: • Trạm phát cĩ tất cả tổ hợp D – G giống hệt nhau: cùng chủng loại (series), cùng cơng suất với số lƣợng là hai, ba hoặc bốn tổ hợp , • Trạm phát cĩ các tổ hợp D – G chính giống hệt nhau nhƣng máy phát sự cố thì khác cơng suất, • Trạm phát cĩ các tổ hợp D – G khác hẳn nhau, • Trạm phát cĩ các tổ hợp D – G giống nhau nhƣng lại cĩ thêm một máy phát đồng trục. Trong ngành hàng hải cĩ một số con tàu cĩ những nhiệm vụ đặc biệt nhƣ các tàu nghiên cứu, khảo sát biển; tàu làm nhiệm vụ cứu hộ, lai dắt; tàu cuốc, hút bùn; tàu chế biến thủy sản; tàu khoan và khai thác dầu trên biển; tàu phá băng thƣờng đƣợc thiết kế trạm phát cĩ cơng suất lớn và rất lớn vì phụ tải của trạm phát là các động cơ lai chân vịt, động cơ tời lai dắt, tời kéo, bơm hút bùn sử dụng điện. Các động cơ này ngồi địi hỏi cơng suất lớn lại phải thỏa mãn yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong quá trình khai thác vì vậy với các trạm phát của các con tàu loại này thƣờng đƣợc lựa chọn cĩ độ dự trữ cơng suất lớn. Với các cách khởi động động cơ kinh điển thì năng lƣợng địi hỏi cho quá trình khởi động phải tính tốn đủ đáp ứng cho việc khởi động động cơ cĩ cơng suất lớn nhất thành cơng cĩ nghĩa cơng suất
7. dự trữ phải đạt đến 40%, điều này sẽ làm cho vốn đầu tƣ ban đầu và chi phí cho quá trình vận hành, khai thác, bảo trì, sửa chữa rất cao [Tr80 – 2]. Sơ đồ phân bố năng lƣợng điện tàu thủy đƣợc mơ tả trên hình 1.1 Trong đĩ: - MF1, MF2, MF3: Các máy phát đồng bộ 3 pha Hình 1.1. Cấu trúc chung của trạm phát điện tàu thuỷ - Đ1, Đ2, Đ3: Các động cơ cấp lai các máy phát, cĩ thể là động cơ Diesel hay Turbin. - AT1, AT2, AT3: Các Aptomat chính của máy phát. - TC: Thanh cái là nơi tập trung năng lƣợng điện, tuỳ theo cấu trúc các tàu khác nhau mà số lƣợng và sự bố trí thanh cái khác nhau. - PT1, PT2, PTn: Phụ tải tiêu thụ năng lƣợng điện. Tất cả các phụ tải tiêu thụ năng lƣợng điện đều đƣợc thiết kế, chế tạo cơng tác với một điện áp, tần số định mức cho trƣớc, và chỉ khi cơng tác với điện áp, tần số này thì thiết bị mới hoạt động tin cậy và cĩ tuổi thọ cao. Do vậy, để duy trì đƣợc một điện áp và tần số khơng đổi cung cấp cho các phụ tải, trạm phát điện tàu thuỷ đều đƣợc trang bị các hệ thống tự động ổn định điện áp, tự động điều chỉnh vịng quay Diesel, hệ thống phân chia tải phản tác dụng và tải tác dụng
8. Trong quá trình làm việc song song thì việc phân chia tải giữa các máy phát là một việc hết sức quan trọng. Việc chia tải tác dụng giữa các máy phát phụ thuộc vào động cơ sơ cấp và cụ thể hơn là liên quan đến hệ điều tốc. Phân chia tải phản tác dụng liên quan đến hệ điều chỉnh điện áp, hay là phụ thuộc giá trị dịng kích từ của từng máy khi chúng làm việc song song. Để đảm bảo hệ thống làm việc an tồn thì trạm phát điện tàu thuỷ cịn đƣợc trang bị các thiết bị báo động, bảo vệ nhƣ: với máy phát cĩ bảo vệ ngắn mạch, quá tải, cơng suất ngƣợc, với động cơ sơ cấp là động cơ diesel là các thơng số áp lực dầu bơi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát, quá tốc độ Chế độ hoạt động của hệ thống năng lƣợng điện tàu thuỷ luơn thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ hoạt động của con tàu. Tuy vậy hệ thống vẫn luơn phải đảm bảo tính ổn định và phải tuân thủ các quy định, yêu cầu về chất lƣợng hệ thống. 1.2.2. Cấu trúc chung của trạm phát cung cấp điện Trạm phát cung cấp điện nhìn chung cĩ cấu trúc nhƣ hình 1.2.
9. Hình 1.2. Cấu trúc chung của trạm phát cung cấp điện Trong đĩ: ĐCL - động cơ lai; MPĐ - máy phát điện; TĐ: bộ truyền động; Q - aptomat chính; BĐC - bảng điện chính; BĐP - bảng phân phối điện phụ; PT - các phụ tải điện. Động cơ lai cĩ thể là động cơ Diesel, tuabin nƣớc, tuabin khí nhƣng phổ biến nhất vẫn là động cơ Diesel vì nĩ dễ dàng trong việc khai thác,vận hành sửa chữa và dễ dàng cho phép dùng các hệ thống tự động để điều chỉnh. Máy phát điện thƣờng là các máy phát điện đồng bộ. Trong một trạm phát cĩ thể cĩ một hoặc nhiều tổ hợp Diesel - Máy phát tùy thuộc vào cơng suất của tải. Các trạm phát trên bờ thƣờng đƣợc trang bị từ hai tổ hợp Diesel – Máy phát trở lên để cho các máy phát cơng tác song song với nhau nhằm mục đích: - Tạo điều kiện giảm bớt các thiết bị chuyển mạch, dây cáp nối các phần tử và thiết bị với nhau. - Giảm bớt trọng lƣợng kích thƣớc của các thiết bị phân phối điện.
10. - Bảo đảm nguồn điện liên tục cho các phụ tải trong mọi trƣờng hợp (ngay cả khi chuyển tải này sang tải khác). - Giảm bớt sự dao động điện áp khi tải tăng đột ngột. - Nâng cao hiệu suất sử dụng cơng suất của các tổ máy phát. Bên cạnh đĩ thì việc cho các máy phát cơng tác song song cũng cĩ những khĩ khăn nhƣ: - Địi hỏi ngƣời sử dụng cĩ trình độ cao về chuyên mơn. - Độ lớn dịng ngắn mạch tăng, cần phải cĩ các thiết bị bảo vệ ngắn mạch phức tạp và bảo vệ cơng suất ngƣợc. - Sự phân chia tải phức tạp hơn. 1.3. CẤU TRƯC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG CÁC NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP Hiện nay trong nƣớc ta đã cĩ nhiều nhà máy xí nghiệp đƣợc bố trí những trạm phát điện dự phịng nhƣ khu cơng nghiệp Formosa Đài Loan, khu cơng nghiệp Numora Hải Phịng . Cấu trúc của trạm phát điện trong các nhà máy xí nghiệp nhìn tổng quát thì cũng chính là cấu trúc của trạm phát cung cấp điện nhƣ đã nêu ở phần trên (phần 1.2.2). Trên hình 1.3 là một sơ đồ cụ thể của trạm phát khu cơng nghiệp Nomura
11. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của trạm phát nhà máy khu cơng nghiệp Nomura • Các phần tử cơ bản Tủ thứ nhất (BUSA) đƣợc cung cấp từ máy phát GEN 1 ÷ GEN 4 và cĩ các lộ cung cấp điện từ các máy biến áp MTRA để hịa vào lƣới Quốc gia khi cĩ nhu cầu cung cấp điện cho lƣới Quốc gia. Lộ cung cấp điện thứ hai tới máy biến áp STRA cung cấp điện tới một số khu vực của khu cơng nghiệp.
12. • Tủ thứ hai (BUSB) đƣợc cung cấp từ máy phát GEN 6 ÷ GEN 9 các đầu ra cấp cho các lộ tới máy biến áp MTRB hịa vào lƣới Quốc gia và MTRB cung cấp cho một số phụ tải của khu cơng nghiệp. • Tủ liên động 1.L: tủ này nối trực tiếp với máy phát GEN 5 hay nĩi cách khác tủ này nối với máy phát dự phịng của trạm phát điện. Hai phía của tủ liên động nối với hai máy cắt 52 BCA và 52 BCB. Các máy cắt này nối với các tủ BUSA và BUSB. Nhƣ vậy máy phát GEN 5 cĩ thể cung cấp điện cho tủ BUSA và BUSB. Đồng thời ở tủ này thơng qua máy cắt 52 FVCV để nhận điện từ lƣới Quốc gia cho tồn bộ khu cơng nghiệp. • Thao tác trên trung tâm Các phƣơng án vận hành cung cấp điện cho khu cơng nghiệp từ hệ thống phân phối trung tâm cĩ thể thực hiện nhƣ sau: • Trạm phát điện cung cấp nguồn cho khu cơng nghiệp và bán điện cho lƣới Quốc gia. • BUSA đƣợc cấp nguồn từ GEN 1 ÷ GEN 4 cơng tác song song. BUSA hoạt động độc lập, cấp điện cho hai trạm biến áp MTRA – trạm biến áp bán dẫn cho điện lƣới Quốc gia bằng cách đĩng máy cắt 52 MVA, trạm STRA – bằng cách đĩng máy cắt 52 STA. • BUSB đƣợc cấp nguồn từ GEN 6 ÷ GEN 9, chế độ hoạt động độc lập, cấp điện cho MTRB qua máy cắt 52 MVB và STB qua máy cắt 52 STB Nếu BUSA hoặc BUSB quá tải cơng suất thì khởi động máy phát GEN 5 và đĩng máy cắt 52 BCA cho BUSA hoặc 52 BCB cho BUSB. Nếu tất cả các máy phát GEN 1 ÷ GEN 9 khơng thể cung cấp điện thì việc cung cấp điện cĩ thể thực hiện từ lộ dự phịng 6,6 KV thơng qua máy cắt 52 FVCB. Trƣờng hợp BUSA hoặc BUSB ngừng cung cấp điện từ các máy phát thì các phần tử phân phối BUSA hoặc BUSB vẫn cĩ thể vận hành bằng cách cắt điện các
13. máy cắt 52 MVA hoặc 52 MVB cấp điện cho các biến áp MTRA và MTRB sử dụng cầu dao liên động 52BCA hoặc 52 BCB để cung cấp cho hai trạm biến áp khu cơng nghiệp STRA và STRB [Tr11,12 – 3]. 1.4. HỆ THỐNG TRẠM PHÁT TRÊN MỘT SỐ THIẾT BỊ LÀM VIỆC DI ĐỘNG Hiện nay, các thiết bị làm việc di động nhƣ máy xúc, cần trục, cầu trục đều cĩ các hệ thống cung cấp điện cho riêng mình, đặc biệt là các thiết bị của Nhật Bản. Tùy vào mục đích sử dụng, kích thƣớc của thiết bị mà hệ thống cung cấp điện cĩ cơng suất khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một hệ thống cung cấp điện cho các thiết bị làm việc di động hiện nay hay dùng. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện đƣợc biểu diễn trên hình 1.4. Tồn bộ điện nguồn của hệ thống đƣợc cung cấp từ tổ máy phát đồng bộ, động cơ sơ cấp là Diesel. Chức năng các phần tử của hệ thống điều khiển máy phát điện trên hình 1.4 • ACG: Máy phát điện đồng bộ ba pha cĩ các thơng số kỹ thuật sau: • Cơng suất: 450kVA. • Tốc độ: 1800vg/ph. • Điện áp: AC 460V, 60Hz. • Loại: đồng bộ. • Cấp cách điện: F. • Số lƣợng: 01. • AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp. • R2: Chiết áp điều chỉnh độ lớn điện áp ra. • PTQA,B: 2 máy biến áp 1 một pha 440/110; 50VA đƣợc mắc với nhau cấp nguồn ba pha 110/60Hz cho mạch đo lƣờng. • WL1: đèn báo nguồn.
14. • 1VM: Vơn kế. • 1FM: Fa gơ mét. • 1WHM: Oát kế. • CT1, CT2: Máy biến dịng đo lƣờng 600/5A. • ACF-6: Ampe kế. • UV: Rơle kiểm tra điện áp. • PB1, N2: 2 trục đấu dây cấp nguồn DC 24V cho mạch điều khiển. • 1MCB: Aptomat chính cấp nguồn động lực từ máy phát tới các cơ cấu.
15. Hình 1.4a. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện trên một số thiết bị di động.
16. Hình 1.4b. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện trên một số thiết bị di động • 2MCB: Aptomat cấp điện cho mạch đo lƣờng. Cĩ 2 tiếp điểm thƣờng mở đĩng chậm 1T(02-2C); 1T(02-5B). • GB: Rơle một chiều điều khiển bật AVR, cĩ một tiếp điểm thƣờng mở GB(01-4C). • GBT: Rơle thời gian một chiều cĩ hai tiếp điểm thƣờng đĩng mở chậm GBT(02-4B); GBT(02-4C): khống chế thời gian đĩng AVR.
17. • FAL: Rơle một chiều báo sự cố cĩ một tiếp điểm thƣờng mở FAL(02-5A); 2 tiếp điểm thƣờng đĩng FAL(02-5D); FAL(02-2C). • RL1: đèn báo sự cố. 1.5. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.5.1. Khái quát chung về máy phát điện đồng bộ Ngày nay, máy phát điện đồng bộ đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cơng nghiệp, các nhà máy mà chủ yếu là hệ thống Diesl – Máy phát, cịn điện năng ba pha để dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống đƣợc sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nƣớc. Ở đây chúng ta sẽ nghiên cứu về máy phát điện Diesel loại cĩ cơng suất vừa và nhỏ, hay dùng trong các trạm phát dự phịng khu cơng nghiệp. a, Phân loại • Theo kết cấu cực từ: máy cực ẩn ( 2p = 2 ), máy cực lồi ( 2p 4). • Dựa theo động cơ lai: máy phát tuabin nƣớc, máy phát tuabin hơi, máy phát Diesel. Trong các trạm phát các khu cơng nghiệp thì máy phát thƣờng là máy phát điện Diesel và thƣờng cĩ cấu tạo cực lồi. b, Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ cực lồi
18. Hình 1.5. Máy phát điện đồng bộ cực lồi Máy điện đồng bộ cực lồi thƣờng cĩ tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy đồng bộ cực ẩn, đƣờng kính rơto D của nĩ cĩ thể lớn tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỉ lệ l/D = 0,15 ÷ 0,2. [Tr 8 – 1] Với các máy nhỏ và vừa, rơto thƣờng làm bằng thép đúc, gia cơng thành khối lăng trụ trên cĩ các cực từ, hình 1.6 Hình 1.6. Cực từ của máy đồng bộ cực lồi Trong đĩ: 1 - lá thép cực từ; 2 - dây quấn kích thích; 3 - đuơi hình T; 4 - nêm; 5 - lõi thép rơto Với các máy cơng suất lớn rơto đƣợc ghép từ các lá thép dày từ 1 – 6 mm, dập định hình và ghép trên giá đỡ rơto. Cực từ đặt trên rơto ghép bằng các lá thép dày từ 1 – 1,5mm. Dây quấn kích thích đƣợc quấn định hình và lồng vào thân cực từ, hình 1.6.
19. Hình 1.7. Dây quấn cản (dây quấn mở máy) của máy điện đồng bộ Trên bề mặt cực từ cĩ một bộ dây quấn ngắn mạch, nhƣ dây quấn kiểu lồng sĩc của máy điện khơng đồng bộ. Với máy phát điện đây là dây quấn cịn với động cơ là dây quấn mở máy, nhƣ hình 1.7. Dây quấn mở máy cĩ điện trở lớn hơn dây quấn cản. 1.5.2. Các thơng số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ Trong máy phát điện đồng bộ ngồi các thơng số nhƣ: Cơng suất, điện áp, dịng điện định mức cịn phải kể đến các thơng số cơ bản khác của máy phát điện đồng bộ là: điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số quán tính điện và cơ. a, Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục (Xd,Xq) Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thơng số đặc trƣng của máy phát điện ở chế độ xác lập. Ở máy phát điện cực lồi vì ở mặt cực, từ thơng khe hở khơng khí là khơng đều, nên mạch từ khơng bão hịa. Do đĩ điện kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau(Xd Xq). Cịn ở máy phát cực ẩn thì khe hở khơng khí là đều nhau, mạch từ bão hịa nên: Xd = Xq. a, Điện kháng quá độ X'd Đặc trƣng cho cuộn cảm của cuộn dây ở chế độ xác lập. Ở chế độ này từ thơng sinh ra bởi cuộn dây stato đi qua cuộn dây roto bị giảm do phản ứng hỗ cảm của cuộn dây này. Điện trở mạch kín của cuộn dây roto thƣờng nhỏ nên phần ứng hỗ cảm triệt tiêu hồn tồn từ thơng bên trong nĩ. Vì thế cĩ thể coi điện cảm của nĩ khi mạnh khép kín ra bên ngồi cuộn dây roto là rất nhỏ và khơng phụ thuộc vào dạng cực từ.
20. c, Điện kháng siêu quá độ Điện kháng này đặc trƣng cho điện cảm của cuộn dây stato ở giai đoạn đầu của chế độ quá độ. Ở giai đoạn đầu của chế độ này bị ảnh hƣởng của cuộn dây cản, làm giảm đi từ thơng cuộn dây stato. Do đĩ X"d < X'd. Do dịng điện xuất hiện trong cuộn dây cản là tức thời cho nên điện kháng X"d chỉ tồn tại trong giai đoạn đầu của chế độ quá độ. d, Hằng số quán tính cơ Tj Đặc trƣng cho mơmen quán tính phần quay, hằng số này đƣợc tính tốn tùy thuộc vào từng loại máy phát. (1.1) Trong đĩ: đm = ; J = Với: G - Khối lƣợng vật quay D - đƣờng kính vật quay 1.5.3. Phƣơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ Phƣơng trình điện áp của máy phát đồng bộ: = - (rƣ + jXƣ) Trong đĩ: U: Điện áp đầu cực máy phát Rƣ, Xu': Điện trở và điện kháng tản của dây quấn phần ứng. E: Sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trƣờng khe hở khơng khí. Khi cĩ tải thì suất điện động cảm ứng này đƣợc chia làm 2 thành phần = + ƣ (1.2) Phƣơng trình cân bằng điện áp cho máy cực lồi. = - j d Xƣd - j q Xƣq - j Xƣ - rƣ (1.3)
21. Vì trong máy cực lồi thành phần sức từ động đƣợc chia thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. ƣd = -j dXƣd (1.4) ƣq = -j qXƣq (1.5) Và thành phần -j Xƣ ta cũng phân tích thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. -j Xƣ = -j qXƣ - (-j dXƣ) Lúc này phƣơng trình (1.3) trở thành: = -j dXd -j qXq - rƣ (1.6) Với: Xd = Xƣd + Xƣ Xq = Xƣq + Xƣ Xd : điện kháng đồng bộ dọc trục. Xq : điện kháng đồng bộ ngang trục. Biểu diễn phƣơng trình (1.6) trên đồ thị vectơ. Hình 1.8: Đồ thị sđđ đã biến đổi của máy điện cực lồi + Trƣờng hợp mạch từ bão hồ:
22. Đối với máy phát đồng bộ cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ cĩ xét đến trạng thái bão hồ mạch từ cĩ gặp nhiều khĩ khăn. Vì lúc đĩ từ thơng d và q cĩ liên quan với nhau và trạng thái bão hồ theo hai phƣơng đĩ là khác nhau. Nhƣ vậy Xƣd khơng những phụ thuộc vào d mà cịn phụ thuộc vào q, và Xƣd cũng tƣơng tự. Để đơn giản, ta cho rằng từ thơng dọc trục và ngang trục chỉ ảnh hƣởng theo hƣớng trục và giả sử rằng mức độ bão hồ theo hƣớng ngang trục là đã biết (Kq đã biết). Từ phƣơng trình cân bằng điện áp: = - IdXd - IqXq - rƣ (1.7) Vẽ đồ thị vectơ cho phƣơng trình (1.7), trƣớc hết ta vẽ vectơ , rƣ , J rƣ ta đƣợc E rồi từ hƣớng Xƣq ta vẽ đoạn: CD = Xƣq = Và xác định phƣơng của E. Vì điểm D nằm trên phƣơng của nên đoạn thẳng CF thẳng gĩc với phƣơng của E chính là qXƣq Hình 1.9: Đồ thị vectơ sđđ của máy phát điện đồng bộ cực lồi khi bão hồ 1.5.4. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
23. a, Đặc tính khơng tải Đặc tính khơng tải là quan hệ E0 = U0 = f(it) khi I = 0 và f = fđm Dạng đặc tính khơng tải của các máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác nhau khơng nhiều và cĩ thể biểu thị theo đơn vị tƣơng đối E* = E0/Uđm và it* = it/itđm0 nhƣ trên hình 1.10, trong đĩ itđmo là dịng điện khơng tải khi U = Uđm. Ta chú ý rằng mạch từ của máy phát điện tuabin hơi bão hịa hơn mạch từ của máy phát điện tuabin nƣớc. Khi E0 = Uđm = E* = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi kµd = kµ = 1,2; cịn đối với máy phát điện tuabin nƣớc kµd = 1,06. [Tr 39 - 1] Hình 1.10. Đặc tính khơng tải của máy phát tuabin hơi (a) và máy phát tuabin nƣớc (b) b, Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(it) khi U = 0; f = fđm (khi đĩ dây quấn phần ứng đƣợc nối tắt ngay ở đầu máy). Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng (rƣ = 0) thì mạch điện dây quấn 0 phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (Ψ = 90 ), nhƣ vậy Iq = cos Ψ = 0 và Id = IsinΨ = I và đồ thị véctơ của máy phát điện lúc đĩ nhƣ trên hình 1.11a và mạch điện thay thế của máy cĩ dạng nhƣ hình 1.11b.
24. Hình 1.11. Đồ thị véctơ (a) và mạch điện thay thế của máy phát đồng bộ lúc ngắn mạch (b). Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ. Mạch từ của máy khơng bão hịa vì từ thơng khe hở khơng khí Φσ cần thiết để sinh ra Eδ = E0 – I.Xud = I.xσƣ rất nhỏ. Do đĩ quan hệ I = f(ikt) là đƣờng thẳng nhƣ hình 1.12. Hình 1.12. Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ Tỷ số ngắn mạch K theo định nghĩa là tỷ số giữa dịng điện ngắn mạch Ino ứng với dịng điện kích thích sinh ra suất điện động E0 = Uđm khi khơng tải với dịng điện định mức Iđm, nghĩa là : (1.8) Theo định nghĩa đĩ từ hình, ta cĩ : (1.9)
25. trong đĩ: xd trị số của điện kháng đồng bộ dọc trục cùng với E0 = Uđm. Hình 1.13. Xác định tỷ số ngắn mạch K U 1 K đm x .I x Thay trị số Ino theo (1.9) vào (1.8) ta cĩ: d đm d* (1.10) Thƣờng xd* >1 do đĩ K <1 và dịng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm. Vì vậy dịng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ khơng lớn là do tác dụng khử từ rất mạnh của phần ứng. Từ hình 1.13 dựa vào tam giác đồng dạng biểu diễn tỉ số ngắn mạch K nhƣ sau : , (1.11) trong đĩ: ito là dịng điện kích thích khi khơng tải lúc U0 = Uđm; itn là dịng kích thích lúc ngắn mạch khi Ino = Iđm. Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy điện đồng bộ. Máy với K lớn cĩ ƣu điểm cho độ thay đổi điện áp ∆U nhỏ và theo biểu thức sinh ra cơng suất điện từ lớn, sinh ra cơng suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động : (1.12)
26. nhƣng muốn K lớn nghĩa là xd* nhỏ, phải tăng khe hở δ và nhƣ vậy địi hỏi phải tăng cƣờng dây quấn kích thích từ và tƣơng ứng phải tăng kích thƣớc máy. Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao. Thơng thƣờng với máy phát tuabin nƣớc K = 0,8 – 1,8; cịn đối với máy phát tuabin hơi K = 0,5 – 1,0. [Tr 39,40,41 – 1] c, Đặc tính ngồi Đặc tính ngồi là quan hệ U = f(I) khi ikt = const, cosφ = const, f= fđm. Hình 1.14. Đặc tính ngồi của máy phát điện. Từ hình 1.14 ta thấy dạng đặc tính ngồi phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu tải cĩ tính cảm khi I tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và đƣờng biểu diễn đi xuống. Ngƣợc lại nếu tải cĩ tính dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đƣờng biểu diễn đi lên. Độ thay đổi điện áp định mức (1.13) Máy phát tuabin hơi thơng thƣờng ∆Uđm% = 25 ÷ 35 %. [Tr41,42 – 1] d, Đặc tính điều chỉnh
27. Đặc tính điều chỉnh là quan hệ ikt =f(I) khi U = const; cos φ = const; f = fđm. Nĩ cho biết hƣớng điều chỉnh dịng điện it của máy phát đồng bộ để giữ cho điện áp U ở đầu máy khơng đổi. [Tr 42 – 1] Hình 1.15. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử tử của phản ứng phần ứng tăng làm cho U bị giảm. Để giữ cho U khơng đổi phải tăng dịng điện từ hĩa it; ngƣợc lại ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U khơng đổi phải giảm it . Thơng thƣờng cosφđm = 0,8 ( thuần cảm ), nên từ khơng tải ( U = Uđm; I = 0 ) đến tải định mức ( U = Uđm ; I = Iđm ) phải tăng dịng điện từ hĩa it trong khoảng 1,7 ÷ 2,2 lần. e, Đặc tính tải Đặc tính tải là quan hệ U = f(ikt) khi I = const; cosφ = const; f = fđm. Với các trị số khác nhau của I và cosφ sẽ cĩ các đặc tính tải khác nhau, trong đĩ cĩ ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với cosφ = 0 (φ = π/2) và I = Iđm. [Tr 43 – 2]
28. Hình 1.16. Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính khơng tải và tam giác điện kháng Đặc tính tải thuần cảm cĩ thể suy ra đƣợc từ đặc tính khơng tải và tam giác điện kháng. Cách thành lập tam giác điện kháng nhƣ sau: Từ đặc tính ngắn mạch ( đƣờng 2 trên hình 1.16) để cĩ trị số In = Iđm dịng điện kích itn hoặc sức từ động Ftn cần thiết Ftn = itn= OC. Khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch, sức từ động của cực từ Ftn = OC gồm hai phần : một phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = kud.Fƣd sinh ra Eƣd; phần cịn lại OB = OC – BC sẽ sinh ra xuất hiện suất điện động tản từ Eσs = Iđm.xσƣ = AB. Điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính khơng tải (đƣờng 1) vì lúc đĩ mạch từ khơng bão hịa. Tam giác ABC đƣợc hình thành nhƣ trên đƣợc gọi là tam giác điện kháng. Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dịng tải định mức Iđm. [Tr 43, 44 – 1] Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC cũng đƣợc) sao cho điểm A tựa trên đặc tính khơng tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính thuần cảm (đƣờng 3). Nếu các cạnh của tam giác điện kháng đƣợc vẽ tỷ lệ với dịng điện tải I = Iđm, thì đặc tính tải thuần cảm U = f(it) trên là ứng với Iđm. [Tr 44 – 1]
29. Trên thực tế do ảnh hƣởng của bão hịa, đặc tính tải thuần cảm cĩ đƣợc bằng thí nghiệm tải trực tiếp hơi khác và cĩ dạng nhƣ đƣờng nét đứt. Nguyên nhân của sự sai khác đĩ ở chỗ, khi dịng điện kích từ tăng,cực từ của máy càng bão hịa do từ thơng tản của dây quấn kích từ lớn hơn thì sức từ động của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng càng phải lớn hơn, nghĩa là cạnh BC của tam giác điện kháng càng phải dài hơn. [Tr 44 – 1] f, Đặc tính gĩc cơng suất tác dụng Đặc tính gĩc cơng suất tác dụng của máy điện đồng bộ là quan hệ P = f(θ) khi E0 = const, U = const, trong đĩ θ là gĩc tải giữa các véctơ sức điện động E0 và điện áp U. Để đơn giản ta bỏ qua rƣ vì trị số của nĩ rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ (xđb, xd , xq). [Tr 31 – 1] Cơng suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy bằng: P = mUI cosφ Đối với máy cực lồi với rƣ = 0, ta cĩ: (1.14) Do đĩ: P = mUIcosφ = mUIcos(ψ – θ) = mU(Icos ψ cos θ + Isinψsinθ) = mU(Iqcosθ + Idsinθ) mU 2 mE U mU 2 sin cos 0 sin sin cos , x x x q d d (1.15) Hay là: (1.16) Từ biểu thức trên ta thấy cơng suất tác dụng của máy cực lồi gồm hai thành phần: thành phần tỉ lệ với sinθ và phụ thuộc vào E0 (hoặc it) và thành phần Pu tỷ lệ với sin2θ và khơng phụ thuộc vào E0 (hoặc it). Nhƣ vậy trong máy đồng bộ cực lồi,
30. khi mất hoặc khơng cĩ kích thích it = 0 (E0 = 0) cơng suất P = Pu # 0. [Tr 32,33 – 1] Ngƣời ta ứng dụng điều này để chế ra các động cơ điện phản kháng cĩ cơng suất vài chục ốt. Hình 1.17. Đặc tính gĩc cơng suất tác dụng của máy phát đồng bộ cực lồi 1.5.5. Hệ thống kích từ trong máy phát đồng bộ Hệ thống kích từ cĩ nhiệm vụ cung cấp dịng một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Nĩ phải cĩ khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự đồng điều chỉnh dịng kích thích để đảm bảo máy phát làm việc ổn định kinh tế, với chất lƣợng điện năng cao trong mọi tình huống. Trong chế độ làm việc bình thƣờng, điều chỉnh dịng kích từ sẽ điều chỉnh đƣợc điện áp ở đầu cực máy phát, thay đổi lƣợng cơng suất phản kháng phát vào lƣới điện. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm giữa điện áp máy phát khơng đổi khi phụ tải biến động. Ngồi ra TĐK cịn nhằm các mục đích khác nhƣ nâng cao giới hạn cơng suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đƣờng dây dài, đảm bảo ổn định tĩnh nâng cao tính ổn định động cho hệ thống điện.
31. Trong chế độ sự cố thì hệ thống kích từ làm việc ở chế độ cƣỡng bức để duy trì điện áp của máy phát. Để cung cấp tin cậy dịng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát đồng bộ, cần phải cĩ một hệ thống kích từ cơng suất đủ lớn (thƣờng dùng các loại máy phát một chiều, máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh lƣu ). Hệ thống kích từ máy phát đồng bộ phải đảm bảo: • Điều chỉnh dịng kích từ để duy trì điện áp máy phát trong điều kiện làm việc bình thƣờng bằng cách điều chỉnh điện áp kích thích. • Cƣỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lƣới khi điện áp lƣới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa. Muốn vậy hệ kích thích từ phải cĩ khả năng tăng nhanh gấp đơi dịng kích từ Ikt trong khoảng 0,5 giây. • Triệt từ trƣờng kích thích, nghĩa là giảm nhanh dịng It đến khơng (khi sự cố ngắn mạch nội bộ dây quấn stato) mà điện áp trên điện trở triệt từ RT khơng vƣợt quá 5 lần Utđm để bảo vệ cách điện của dây quấn kích từ. Ta cĩ thể chia hệ thống kích từ thành 3 nhĩm chính: • Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. • Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lƣu. • Hệ thống kích từ dùng chỉnh lƣu cĩ điều khiển. a, Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều Hình 1.18. Sơ đồ kích từ dùng máy phát điện một chiều Để điều chỉnh dịng kích từ it ta điều chỉnh bằng tay điện trở Rđc nhằm làm thay đổi dịng điện trong cuộn dây kích từ chính Wf. Dịng và áp trong các cuộn W2 và W3
32. thay đổi nhờ bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu thơng qua máy biến dịng BI và máy biến điện áp BU ở phía đầu cực máy phát điện đồng bộ. Cuộn W2 điều chỉnh tƣơng ứng với chế độ làm việc bình thƣờng, cịn cuộn W3 làm việc ứng với chế độ kích thích cững bức khi cĩ sự cố. • Hệ thống kích từ song song Hình 1.19. Sơ đồ kích từ song song Với sơ đồ này máy phát kích từ phụ tự kích song song, dịng kích từ của máy phát kích (FKT) cĩ thể thay đổi đƣợc nhờ Rđc cho phép điều chỉnh bằng tay dịng điện cuộn dây kích từ WKT. Khi làm việc dịng điện kích từ thay đổi là nhờ bộ tự động điều chỉnh kích từ (TĐK), bộ phận này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát điện qua bộ biến dịng và biến điện áp đo lƣờng để thực hiện mọi quá trình tự động thay đổi dịng kích từ cho máy phát. + Ƣu điểm: làm việc tin cậy, đơn giản, giá thành thấp nhƣng cĩ nhƣợc điểm là khi cần sửa chữa máy kích thích thì phải dừng máy phát. Việc chế tạo máy phát một chiều bị hạn chế nên chỉ sử dụng cho các loại máy phát cơng suất trung bình và nhỏ. • Hệ thống kích từ độc lập
33. Hình 1.20. Sơ đồ kích từ độc lập Hệ thống này dùng 2 máy phát điện một chiều một máy kích từ phụ và một máy kích từ chính. Máy phát kích từ phụ tự kích song song, dịng kích từ trong cuộn WKT cĩ thể điều chỉnh đƣợc nhờ biến trở RKTf và RKT. Dịng và áp trong cuộn WF của máy phát thay đổi nhờ bộ TĐK thay đổi dịng và áp đặt lên cuộn WKTf, bộ này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát thơng qua bộ đo lƣờng dùng bộ biến dịng BI và điện áp BU. Khi thay đổi dịng kích từ của máy phát kích phụ thì thay đổi dịng kích từ máy kích thích dẫn đến thay đổi đƣợc dịng điện kích từ của máy phát chính. + Ƣu điểm: làm việc tin cậy, độ điều chỉnh rộng. + Nhƣợc điểm: kết cấu phức tạp, giá thành cao nên chỉ dùng cho các máy phát cơng suất trung bình và nhỏ. b, Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều và chỉnh lƣu • Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh lƣu
34. Hình 1.21. Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh lƣu Máy phát xoay chiều tần số cao đƣợc chế tạo theo kiểu cảm ứng. Rơto khơng cĩ cuộn dây mà chỉ cĩ 10 rãnh trên bề mặt rơto.Cuộn kích từ đặt ở phần tĩnh, từ thơng thay đổi đƣợc là nhờ kết cấu răng rãnh. Dịng điện và tần số của máy kích từ tần số 500Hz đƣợc nối trực tiếp qua chỉnh lƣu cấp cho cuộn dây kích từ chính của máy phát. Cuộn dây kích từ chính WF đƣợc nối với tải của nĩ là cuộn dây W1 của máy xoay chiều tần số cao và đƣợc nối nối tiếp. Các cuộn W2 và W3 đƣợc cung cấp qua bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu từ đầu cực của máy phát chính. + Ƣu điểm: sơ đồ này cĩ ƣu điểm hơn hệ thống kích từ dùng máy phát một chiều, thƣờng đƣợc dùng cho những máy cĩ cơng suất lớn. + Nhƣợc điểm: vẫn cịn tồn tại vành trƣợt và chổi than để cung cấp dịng một chiều kích từ cho rơto máy phát đồng bộ. • Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều khơng vành trƣợt Hình 1.22. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều khơng vành trƣợt
35. Với hệ thống này ta nhằm mục đích tăng cơng suất kích từ lớn hơn. Trong hệ thống ngƣời ta dùng một máy phát xoay chiều 3 pha quay cùng trục với máy phát chính làm nguồn cung cấp. Máy phát kích từ xoay chiều cĩ kết cấu đặc biệt, cuộn kích từ đặt ở stato, cịn cuộn dây ba pha đặt ở rơto. Dịng xoay chiều ba pha tạo ra ở máy phát kích đuợc chỉnh lƣu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lƣu cơng suất lớn. Cuộn dây kích từ của máy phát chính nhận trực tiếp dịng một chiều qua chỉnh lƣu khơng qua vành trƣợt và chổi than. Để cung cấp dịng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát kích ngƣời ta dùng một bộ chỉnh lƣu cĩ điều khiển mà nguồn cung cấp của nĩ cĩ thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số cao hoặc từ một nguồn cụ thể khác. Bộ TĐK tác động trực tiếp vào bộ chỉnh lƣu cĩ điều khiển. TĐK nhận tín hiệu ở đầu cực máy phát qua bộ BI và BU làm thay đổi dịng kích từ của máy phát kích dẫn đến làm thay đổi dịng điện kích từ của máy phát chính. + Ƣu điểm: Máy phát kích từ cĩ cơng suất lớn, điện áp kích từ giới hạn lớn, hằng số thời gian điều chỉnh kích từ nhỏ. + Nhƣợc điểm: kết cấu của máy phát điện chính phức tạp dẫn đến giá thành cao. c, Hệ thống kích từ dùng chỉnh lƣu cĩ điều khiển. Để cĩ điện áp kích từ giới hạn lớn thì tốc độ tăng điện áp kích từ càng nhanh. Tức là hằng số thời gian của hệ thống kích từ nhỏ, hằng số này phụ thuộc vào tín hiệu ra của bộ tự động điều khiển kích từ (TĐK) và hệ thống kích từ cụ thể. Vì vậy hệ thống kích từ dùng chỉnh lƣu cĩ điều khiển là hợp lý hơn cả, xung điều khiển nhờ tác động của TĐK, bộ này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát và tác động trực tiếp vào điện áp kích từ của máy phát.
36. Hình 1.23. Sơ đồ kích từ dùng chỉnh lƣu cĩ điều khiển Với sơ đồ này dịng một chiều đƣợc cung cấp cho cuộn kích từ đƣợc nhận từ một nguồn từ máy phát xoay chiều hoặc lấy điện áp ra ở đầy cực máy phát qua chỉnh lƣu cĩ điều khiển. Chỉnh lƣu này đƣợc dùng bằng các Tiristo hoặc chỉnh lƣu thuỷ ngân cĩ cực điều khiển cĩ cơng suất lớn. Xung điều khiển đƣợc nhận trực tiếp từ bộ TĐK, bộ này lấy tín hiệu từ đầu ra của máy phát để làm thay đổi dịng, áp kích từ của máy phát. + Ƣu điểm: hệ thống kích từ đơn giản, điều khiển rất nhanh, làm việc tin cậy nên đƣợc áp dụng rộng rãi trong các máy cĩ cơng suất lớn. 1.5.6. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy phát đồng bộ Hình 1.24. Nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ
37. Trên hình 1.24 biểu diễn sơ đồ máy phát đồng bộ 3 pha 2 cực .Cuộn dây phần ứng đặt ở stato cịn cuộn kích từ đặt ở roto. Cuộn dây kích từ đƣợc nối với nguồn kích từ ( dịng một chiều ) qua hệ thống chổi than. Để nhận điện áp 3 pha trên chu vi stato ta đặt 3 cuộn dây cách nhau và đƣợc nối sao ( cĩ thể là nối tam giác ).Dịng một chiều tạo ra từ trƣờng khơng đổi, bây giờ ta gắn vào roto một động cơ lai và quay với tốc độ n. Ta đƣợc một từ trƣờng quay trịn cĩ từ thơng chính khép kín qua roto, cực từ và lõi thép stato. Từ thơng của từ trƣờng quay cắt các thanh dẫn phần ứng, làm xuất hiện trong 3 cuộn dây 3 sức điện động: (1.17) (1.18) (1.19) Trong đĩ tần số biến thiên của các sức điện động biểu diễn bằng: (1.20) Nếu số cặp cực là P thì tần số biến thiên f của dịng điện là: Ta nhận thấy tần số biến thiên f của dịng điện phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và số đơi cực Nếu bây giờ ta tải 3 pha của máy điện bằng 3 tải đối xứng,ta cĩ dịng 3 pha đối xứng Theo nguyên lý tạo từ trƣờng quay nên trong máy phát đồng bộ lúc này cũng xuất hiện từ trƣờng quay mà tốc độ xác đinh bằng biểu thức:
38. Thay(1.21) vào (1.22) ta cĩ . Nhƣ vậy ở máy đồng bộ,tốc độ quay của roto và tốc độ quay của từ trƣờng tải bằng nhau.Hai từ trƣờng này ở trạng thái nghỉ với nhau. CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL LAI MÁY PHÁT ĐIỆN 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG 2.1.1. Khái quát chung về động cơ Diesel lai máy phát điện Động cơ Diesel là loại động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên lý: nguyên liệu tự phát hỏa khi đƣợc phun vào buồng đốt chứa khơng khí bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao. Nguyên lý hoạt động nhƣ trên do ơng Rudolf Diesel – kỹ sƣ ngƣời Đức đề suất năm 1892. Trong thế giới ngày nay, giá nhiên liệu ngày càng tăng lên bởi nguồn cung ngày càng cạn kiệt, trong khi đĩ, nhu cầu của con ngƣời lại khơng hề giảm. Do đĩ, con ngƣời đang dần lựa chọn một loại nhiên liệu hiệu quả và tiết kiệm. Nhờ sáng chế của Rudolph Diesel, động cơ diesel đã đƣợc chứng minh hoạt động hiệu quả, lại rất tiết kiệm. Nhiên liệu diesel cĩ giá trung bình cao hơn so với xăng, nhƣng động cơ diesel cĩ một mật độ năng lƣợng cao hơn, nghĩa là nhiều năng lƣợng hơn cĩ thể đƣợc chiết xuất từ động cơ diesel so với cùng một khối lƣợng xăng dầu.
39. Chính vì điều này, động cơ diesel đã đƣợc ứng dụng sản xuất trong máy phát điện nhằm tiết kiệm và đạt hiểu quả cao. Động cơ chạy bằng xăng và động cơ chạy bằng dầu diesel đƣợc phân biệt bằng bộ phận đánh lửa. Trong khi động cơ xăng hoạt động dựa trên tia lửa điện để đánh lửa thì động cơ diesel sử dụng nén – đánh lửa để đốt cháy nhiên liệu. Hình 2.1. Động cơ diesel Gần đây, máy phát điện diesel khởi động bằng cách hút khơng khí vào động cơ và đƣợc nén cao nung nĩng nĩ lên. Điều này dẫn đến một nhiệt độ rất cao trong động cơ, cao hơn nhiều so với nhiệt độ đạt đƣợc trong một động cơ xăng. Đối với động cơ diesel, khơng khí và nhiên liệu đƣợc truyền vào động cơ ở các giai đoạn khác nhau. Trái ngƣợc với một động cơ xăng, nơi mà hỗn hợp khơng khí và khí đốt đƣợc hịa trộn cùng thời điểm. Nhiên liệu đƣợc tiêm vào các động cơ diesel bằng cách sử dụng vịi phun, trong khi động cơ xăng là bộ chế hịa khí. Trong máy phát điện xăng, nhiên liệu và khơng khí đƣợc đƣa vào động thời với nhau, và sau đĩ đƣợc nén lại. Khơng khí và hỗn hợp nhiên liệu làm giới hạn nén nhiên liệu kém, và do đĩ hiệu quả tổng thể khơng cao. Một máy phát điện diesel nén khơng khí và tỷ lệ cĩ thể cao hơn nhiều đối với máy phát điện chạy bằng xăng. Động cơ diesel nén với tỷ lệ 14:01 lên tới 25:1, trong khi ở một động cơ xăng, tỉ lệ nén giữa 8:1 và 12:1. Sau quá trình cháy, sản
40. phẩm đốt cháy đƣợc lấy ra thơng qua ống xả. Để khởi động trong những tháng lạnh, nhiệt đƣợc cung cấp thêm thơng qua Bugi xơng khi khởi động. Động cơ diesel cĩ thể cĩ dạng hai chu kỳ hoạt động hoặc bốn chu kỳ và đƣợc lựa chọn tùy thuộc vào phƣơng thức hoạt động. Động cơ diesel, cĩ hai cách làm mát, làm mát bằng khơng khí hoặc bằng chất lỏng làm mát, cả hai đều là các dạng thích hợp cĩ thể đƣợc lựa chọn. Tốt hơn nên sử dụng làm mát bằng chất lỏng với máy phát điện diesel, vì nĩ yên tĩnh khi hoạt động và kiểm sốt nhiệt độ đồng đều. • Động cơ 4 kỳ: là loại động cơ đốt trong cĩ chu trình cơng tác đƣợc hồn thành sau 4 hành trình của piston. • Động cơ 2 kỳ: là loại động cơ đốt trong cĩ chu trình cơng tác đƣợc hồn thành sau 2 hành trình của piston. 2.1.2. Cấu tạo động cơ Diesel
41. Hình 2.2. Cấu tạo động cơ Diesel Chú thích: 1: lọc khơng khí; 2: ống nạp; 3: Xupap nạp; 4: Xupap xả; 5: ống xả; 6: bình giảm thanh; 7: nắp xylanh; 8: xylanh; 9: piston; 10: xéc măng; 11: thanh truyền; 12: trục khuỷu; 13: cacte; 14: vịi phun nhiên liệu. a, Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 4 kỳ - Kỳ nạp: Xupáp xả đĩng và xupáp nạp mở. Hành trình đi xuống của píttơng chỉ hút khơng khí vào trong xylanh qua xupáp nạp lúc này đang mở. - Kỳ nén: Khi píttơng hồn tất hành trình đi xuống, xupáp nạp đĩng lại. Với hành trình đi lên của píttơng, khơng khí đƣợc hút vào trong xylanh bị nén mạnh và đạt đến nhiệt độ cao. Tỷ số nén của động cơ diesel = 15 đến 23 (khoảng 2 đến 3 lần so với động cơ xăng). Nhiệt độ buồng cháy = 5000đến 8000C. - Kỳ cháy và giãn nở: Khi píttơng gần hồn tất hành trình đi lên, vịi phun sẽ phun nhiên liệu dƣới áp suất cao vào khơng khí đã đạt đến áp suất và nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao của khơng khí làm cho nhiên liệu tự bốc cháy, kết quả gây nên cháy và nổ. Lực của sự cháy này sẽ ấn píttơng đi xuống và làm quay trục khuỷu. - Kỳ thải: Xupáp xả mở ra khi píttơng hồn tất hành trình đi xuống. Sau đĩ hành trình đi lên tiếp theo của píttơng sẽ làm khí xả, sản phẩm của quá trình cháy, bị đẩy ra khỏi xylanh. b, Đặc tính ngồi của Diesel Đặc tính ngồi của Diesel là sự phụ thuộc của cơng suất vào vịng quay trong điều kiện hành trình cĩ ích của bơm cao áp khơng thay đổi: Ne = f(n)
42. Hình 2.3. Đặc tính ngồi của động cơ Diesel Hình 2.3 trình bày đặc tính ngồi của động cơ trong đĩ: Đƣờng 1: đặc tính ngồi giới hạn, đƣờng này ứng với vị trí tay ga bơm cao áp đặt sao cho lƣợng nhiên liệu cấp vào trong động cơ là lớn nhất. Đƣờng 2: đặc tính ngồi khai thác lớn nhất, đƣờng ứng với vị trí tay ga bơm cao áp đặt hạn chế bởi chốt tỳ trên cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu, cơng suất quá tải 10% trong thời gian 1 ÷ 2 giờ, quá tốc 3% nđm (Nemax = 1,1Neđm, nmax = 1,03nđm). Đƣờng 3: đặc tính ngồi định mức, đƣờng ứng với vị trí tay ga bơm cao áp đặt sao cho lƣợng nhiên liệu cấp cho động cơ làm việc với cơng suất định mức. Các thơng số khai thác của động cơ theo đặc tính này đƣợc đảm bảo bởi nhà chế tạo cho phép khai thác khơng hạn chế thời gian [Tr 86 – 2]. Đặc tính ngồi của tổ hợp Diesel – Máy phát
43. Hình 2.4. Đặc tính ngồi của tổ hợp Diesel – Máy phát Trong tổ hợp D – G, đặc tính ngồi nhận đƣợc nhìn ở cửa ra của tổ hợp là mối quan hệ: U = f(I) (4.6) của máy phát đồng bộ trong các điều kiện: n = const, IKT(RKT) = const và hệ số cosφ = const. Đọc trên các điều kiện của đặc tính tĩnh thấy rằng nếu trong thực tế đảm bảo đƣợc các điều kiện nhƣ (4.6) thì đã coi khơng cĩ ảnh hƣởng của quá trình điện cơ lên quá trình điện từ và ngƣợc lại. Và đặc tính ngồi trình bày trên (4.6) là đặc tính ngồi chỉ của riêng máy phát đồng bộ. Thực tế thì khơng phải hồn tồn nhƣ vậy, đặc tính ngồi mặc dù nhìn từ cửa ra (hình 2.4) nhƣng ở đĩ là đặc tính ngồi chung của tổ hợp: của cả Diesel và máy phát nhƣng ẩn dƣới mối quan hệ giữa điện áp trên cực máy phát với dịng điện phụ tải nhƣ (4.6) đã viết nhƣng phải coi điều kiện n = const một cách biện chứng tức là phải hiểu điều kiện n = const ứng với một giá trị đặt của vị trí tay ga ứng với một giá trị tải trong lân cận nđm. Thực tế, trong quá trình hoạt động, khi cần thay đổi cơng suất tác dụng (cơng suất cĩ ích P), hoặc con ngƣời hoặc hệ thống tự động phải can thiệp vào bộ điều chỉnh tốc độ để đạt đến thao tác cuối cùng là thay đổi lƣợng nhiên liệu vào động cơ.
44. Muốn thay đổi cơng suất kháng Q thì hoặc con ngƣời hoặc hệ thống tự động phải can thiệp để thay đổi dịng điện kích từ đƣa vào máy phát. 2.2. CÁC THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL Để đo và điều khiển động cơ Diesel trong các hệ thống cung cấp điện, chúng ta cĩ thể dùng nhiều loại thiết bị khác nhau. Mỗi hệ thống khác nhau cĩ thể dùng nhiều loại khác nhau nhƣng mục đích chính của chúng là nhƣ nhau. Ở đây, chúng ta sẽ chỉ giới thiệu sơ qua về một số những thiết bị nhƣ vậy. a, Sensor áp suất Sensor áp suất ở đây đƣợc dùng để đo áp suất của dầu bơi trơn. Trong hệ thống tự động và bảo vệ hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng hai sensor áp suất với hai ngƣỡng đặt cho hai tín hiệu báo động và bảo vệ này. Một số hình ảnh về sensor áp suất hiện nay Hình 2.5. Sensor áp suất b, Rơle tốc độ - Speed Relay Rơle tốc độ - Speed Relay bao gồm một trung tâm xử lý tín hiệu và một sensor cảm biến tốc độ quay của Diesel
45. Hình 2.6. Rơle tốc độ c, Sensor cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát • Vị trí: Ở động cơ làm mát bằng nƣớc cảm biến đƣợc gắn trên đƣờng nƣớc ra khỏi động cơ. • Cấu tạo: Thƣờng là trụ rỗng cĩ ren bên ngồi, bên trong cĩ gắn một điện trở dạng bán dẫn cĩ hệ số nhiệt trở âm. Hình 2.7. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát - Nguyên lý làm việc: Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi nhiệt độ theo điện trở. Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngƣợc lại. Sự thay đổi giá trị của điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp đƣợc gửi tới bộ xử lý. + Khi nhiệt độ động cơ thấp giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn. Tín hiệu điện áp chuyển thành tín số và đƣợc giải mã nhờ bộ vi sử lý để thơng báo cho bộ xử lý biết động cơ đang lạnh.
46. + Khi động cơ nĩng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho bộ xử lý biết động cơ đang nĩng. Cảm biến nhiệt độ khí xả • Vị trí: đƣợc gắn ngay trên đƣờng ống khí xả • Cấu tạo: Hình 2.8. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ khí xả • Nguyên lý hoạt động : cũng giống nhƣ cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát nĩ gồm cĩ một điện trở gắn trên bộ đo giĩ hoặc trên đƣờng ống xả. Hoạt động dựa vào sự thay đổi của tỷ trọng khơng khí theo nhiệt độ. • d, Van tiết lƣu Van tiết lƣu cĩ cơng dụng điều chỉnh lƣu lƣợng chất lỏng trong hệ thủy lực hoặc một bộ phận hệ thủy lực, qua đĩ điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành: động cơ thủy lực. Hình 2.9. Hình ảnh van tiết lƣu
47. Để điều chỉnh lƣu lƣợng, từ cơng thức Q=V.S dẫn tới cĩ thể điều chỉnh vận tốc hoặc tiết diện dịng chảy. Với chất lỏng thực sự thay đổi vận tốc liên quan trực tiếp tới sự hao phí áp suất – hay chính là độ tụt áp suất qua van (cái này thì đo khá dễ đĩ là lắp 2 cái đồng hồ đo áp suất trƣớc vào sau van ). Do đĩ ta vấn đề điều chỉnh lƣu lƣợng cĩ thể thu đƣợc từ điều chỉnh độ tụt áp suất Δp. Hao phí áp suất qua van cĩ thể là hao phí do ma sát theo độ dài hoặc hao phí do trở lực cục bộ. Phân loại van tiết lƣu: • Phân loại theo chế độ chảy: van tiết lƣu chảy tầng, van tiết lƣu chảy rối • Phân loại theo khả năng điều chỉnh: van tiết lƣu điều chỉnh đƣợc và van tiết lƣu khơng điều chỉnh đƣợc. • Phân loại theo quan hệ giữa độ tụt áp suất và lƣu lƣợng qua van: van tiết lƣu tuyến tính Δp=f(Q) và van tiệt lƣu phi tuyến ( chính xác là tỷ lệ bình phƣơng) Δp=f(Q2). e, PLC Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống điều khiển đĩng vai trị điều phối tồn bộ các hoạt động của máy mĩc thiết bị. Các hệ thống máy mĩc và thiết bị sản xuất thƣờng rất phức tạp, cĩ rất nhiều đại lƣợng vật lý phải điều khiển để cĩ thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự cơng nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn. Từng đại lƣợng vật lý đơn lẻ cĩ thể đƣợc điều khiển bằng một mạch điều khiển cơ sở dạng tƣơng tự hay gián đoạn. Điều khiển nhiều đại lƣợng vật lý đồng thời chúng ta khơng thể dùng các mạch điều khiển tƣơng tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển logic. Trƣớc đây các hệ thống điều khiển logic đƣợc sử dụng là hệ thống logic rơle. Nhờ sự phát triển nhanh chĩng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơ le. Càng ngày PLC càng trở nên hồn thiện và đa năng. Các PLC ngày nay khơng những cĩ khả năng thay thể hồn tồn các thiết
48. bị điều khiển logic cổ điển, mà cịn cĩ khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tƣơng tự. Các PLC đƣợc sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp. Chức năng chính của PLC là kiểm tra trạng thái của các đầu vào và điều khiển các quá trình hoặc các hệ thống máy mĩc thơng qua các tín hiệu trên chính đầu ra của PLC. Tổ hợp logic của các đầu vào để tạo ra một hay nhiều tín hiệu ra đƣợc gọi là điều khiển logic. Các tổ hợp logic thƣờng đƣợc thực hiện theo trình tự điều khiển hay cịn gọi là chƣơng trình điều khiển. Chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu trong bộ nhớ của PLC cĩ thể lập trình bằng thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC hoặc lập trình trên máy tính cá nhân nhờ các phần mềm chuyên dụng và truyền vào PLC qua mạng hay qua cáp truyền dữ liệu. Bộ xử lý tín hiệu, thƣờng là các bộ vi xử lý tốc độ cao, thực hiện chƣơng trình điều khiển theo chu kỳ. Khoảng thời gian thực hiện một chu trình điều khiển từ lúc kiểm tra các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính logic hoặc đại số để cĩ đƣợc tín hiệu điều khiển, cho đến khi phát tín hiệu đến đầu ra đƣợc goi là chu kỳ thời gian quét. Các bộ điều khiển khả trình PLCs sử dụng các mạch điện tích hợp sẵn để thực hiện chức năng điều khiển. Chúng cĩ khả năng lƣu trữ các thơng tin nhƣ tần số, thời gian, giá trị đếm, giá trị tốn học và cĩ khả năng giao tiếp (communication) để điều khiển các máy mĩc và quá trình cơng nghiệp. Trên đầu vào của PLC cĩ thể cĩ các kênh tín hiệu tƣơng tự hoặc các kênh tín hiệu số. Các kênh tín hiệu này xuất phát từ các cảm biến, từ các cơng tắc hành trình, cơng tắc đĩng ngắt mạch điện hoặc từ các biến logic tƣơng ứng với các các trạng thái của máy mĩc, thiết bị. Tín hiệu vào đƣợc bộ xử lý trung tâm xử lý nhờ các phép tính logic hay số học và kết quả là các tín hiệu ra. Các tín hiệu tín hiệu ra là các tín hiệu truyền điện năng đến cho các cơ cấu chấp hành nhƣ cuộn hút, đèn hiệu, động cơ vv. Cĩ bốn dạng ngơn ngữ hay cơ bản hay sử dụng cho các PLC: - Bảng lệnh (STL – Statement List)
49. - Sơ đồ thang (LADDER) - Sơ đồ khối hàm logic (FBD – Function Block Diagram ) - Grafcet Cĩ nhiều loại PLC khác nhau, nhƣng chúng ta sẽ đi tìm hiểu sơ qua về một loại PLC đĩ là thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200 S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens (CHLB Đức), cĩ cấu trúc theo kiểu module và cĩ các module mở rộng. Các module này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU212 hoặc CPU214. Với hình thức bề ngồi, sự khác nhau của hai loại CPU này đƣợc nhận ra nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. - CPU212 cĩ 8 cổng vào, 6 cổng ra và cĩ khả năng mở rộng thêm 2 module mở rộng. - CPU 214 cĩ 14 cổng vào, 10 cổng ra và cĩ khả năng mở rộng thêm 7 module mở rộng. S7-200 cĩ nhiều loại module mở rộng khác nhau S7-200 sử dụng cổng truyền thơng nối tiếp RS485 với phích 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với các thiết bị lập trịnh hoặc các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập tr ình là 9600 baud, tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do từ 300 đến 38400. Hình 2.10. Sơ đồ chân của cổng truyền thơng
50. 1: Đất; 2: 24VDC; 3: Truyền và nhận dữ liệu; 4: khơng sử dụng; 5: Đất; 6: 5VDC (Điện trở trong 100Ω); 7: 24VDC (120mA tối đa); 8: Truyền và nhận dữ liệu; 9: khơng sử dụng Để ghép nối S7-200 với máy tính lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx cĩ thể sử dụng một cáp nối qua mạng MPI đi kèm với máy lập trình. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần cĩ cáp PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. Cĩ thể lập trình cho S7-200 bằng cách sử dụng phần mềm Step7. Những phần mềm này đều cĩ thể cài đặt trên các máy tính cá nhần PC hoặc máy lập trình PG7xx. Các chƣơng trình cho S7-200 phải cĩ cấu trúc bao gồm chƣơng trình chính (main program) và sau đĩ đến các chƣơng trình con và các chƣơng trình xử lý ngắt nếu cĩ. - Chƣơng trình chính đƣợc kết thúc bằng lệnh MEND. - Chƣơng trình con là một bộ phận của chƣơng trình chính. Các chƣơng trình con phải đƣợc viết sau lệnh kết thúc chƣơng trình chính (lệnh MEND). - Các chƣơng trình xử lý ngắt là một bộ phận của chƣơng trình. Nếu cần sử dụng chƣơng trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chƣơng trình chính (lệnh MEND). Các chƣơng trình con thƣờng đƣợc nhĩm lại thành một nhĩm ngay sau chƣơng trình chính. Sau đĩ đến các chƣơng trình xử lý ngắt. Bằng cách viết nhƣ vậy, cấu trúc chƣơng trình đƣợc rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc và xửa chữa chƣơng trình sau này. Cĩ thể tự do trộn lẫn các chƣơngtrình con và chƣơng trình xử lý ngắt đằng sau chƣơng trình chính. 2.3. ĐIỀU KHIỂN DIESEL LAI MÁY PHÁT Điều khiển Diesel lai máy phát bao gồm các quá trình sau: • Khởi động và dừng Diesel
51. • Ổn định tốc độ Diesel • Phân chia tải tác dụng giữa các máy phát cơng tác song song Việc bố trí trên bảng điều khiển cĩ thể sắp xếp nhƣ hình 2.11 Hình 2.11. Bố trí trên bảng điều khiển 2.3.1. Khởi động và dừng Diesel Việc khởi động và dừng Diesel cĩ thể đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2.12 • Khởi động (Start): • Chuẩn bị khởi động: • Via máy, sau khi via máy xong để tay via vào đúng vị trí. Nếu để khơng đúng vị trí sẽ khơng khởi động đƣợc (cĩ cơng tắc khĩa) • Kiểm tra mức dầu nhờn bơi trơn (LO) ở các te của Diesel
52. • Nếu máy cĩ bơm dầu bơi trơn sơ bộ, chạy bơm dầu bơi trơn sơ bộ • Kiểm tra áp suất giĩ khởi động, nếu khởi động bằng giĩ nén (P=15÷25kg/cm2). Kiểm tra ắc quy và các dây dẫn nếu khởi động bằng động cơ điện • Quan sát các phần quay cĩ bị vƣớng mắc gì khơng • Nếu Diesel trƣớc đĩ bị sự cố loại bỏ sự cố sau đĩ hồn nguyên hệ thống (ấn nút reset) • Chọn chế độ khởi động: Tay (Man), hay tự động (Auto)
53. Hình 2.12. Panel Diesel – Máy phát điện. • Khởi động (Start) Khi cĩ tín hiệu khởi động : • Ở chế độ tay (Man): ấn nút start • Ở chế độ tự động (Auto): mất nguồn chính Diesel đƣợc khởi động. Tốc độ Diesel tăng dần. Cĩ hai trƣờng hợp xảy ra: • Khởi động thành cơng: tốc độ Diesel tăng lên, khi đạt tới tốc độ nmin, cĩ tín hiệu ngắt khởi động. Tốc độ Diesel tiếp tục tăng tới tốc độ đặt (thƣờng bằng tốc độ định mức). Cĩ tín hiệu đƣa mạch báo động và bảo vệ áp lực dầu bơi trơn vào làm việc (trƣớc đĩ bị loại ra). Tắt bơm dầu bơi trơn sơ bộ (nếu cĩ). • Khởi động khơng thành cơng: sau một thời gian, cũng cĩ tín hiệu ngắt khởi động. Tốc độ Diesel giảm dần về khơng. Nếu hệ thống cho phép tự động khởi động lại một số lần (thƣờng là 3) thì hệ thống chờ một thời gian từ (8÷20)‖ để cho giĩ hoặc ắc quy hồi phục, khởi động lần 2. Nếu khơng thành cơng, sau thời gian trễ hệ thống tiếp tục khởi động lần 3. Nếu khơng thành cơng, phát tín hiệu báo động khởi động khơng thành cơng. Ngƣời vận hành xác định nguyên nhân, loại bỏ nguyên nhân, hồn nguyên hệ thống, sau đĩ cĩ thể phát lệnh khởi động tiếp. • Thuật giải khởi động Diesel lai máy phát Thuật giải khởi động Diesel lai máy phát đƣợc trình bày trên hình 2.13 Để thực hiện tự động khởi động và dừng máy cho Diesel, trƣớc đây ngƣời ta thƣờng thực hiện việc lắp đặt hệ thống bằng các rơle hoặc bằng các phần tử điện tử rời rạc. Ngày nay, việc thực hiện điều khiển chƣơng trình này đã cĩ rất nhiều cách thực hiện: cĩ thể dùng IC các họ 8051, PSOCK, AVR; cũng cĩ thể dùng PLC hoặc
54. một máy tính mini. Chƣơng trình điều khiển cĩ thể xây dựng trên cơ sở thuật giải nhƣ trên hình 2.13.
55. Hình 2.13. Thuật giải điều khiển quá trình khởi động Diesel • Dừng Diesel (Stop):
56. Hình 2.14. Thuật tốn dừng Diesel Thuật tốn dừng Diesel đƣợc thể hiện trên hình 2.14. Dừng Diesel lai máy phát cĩ 2 trƣờng hợp: • Dừng bình thƣờng: ngƣời vận hành chủ động dừng máy hoặc trạm phát chủ động phát lệnh dừng (điện lƣới đƣợc hồi phục, hoặc tải của trạm nhỏ khơng cần các máy phát cơng tác song song). Hệ thống cấp nguồn cho cuộn dừng cắt nhiên liệu vào Diesel, Diesel sẽ dừng • Dừng sự cố (Emergency Stop): • Khi các thơng số của Diesel khơng đảm bảo: áp suất dầu bơi trơn quá thấp hoặc nhiệt độ làm mát quá cao hoặc Diesel vƣợt tốc độ (n > nđm) hệ thống tự động cấp nguồn cho cuộn dừng sự cố kéo thanh răng nhiên liệu về khơng. Diesel dừng khẩn cấp sau đĩ hệ thống báo động bằng chuơng hoặc cịi kết hợp với đèn báo tên thơng số bị sự cố. Sau khi xác định đƣợc nguyên nhân loại bỏ nguyên nhân muốn cho Diesel hoạt động trở lại phải hồn nguyên hệ thống (ấn nút Reset hoặc tắt nguồn, sau đĩ bật nguồn trở lại). 2.3.2. Ổn định tốc độ Diesel lai máy phát • Ý nghĩa của việc giữ tốc độ Diesel lai máy phát khơng đổi • Nếu tần số của máy phát lớn hơn tần số định mức (f > fđm): Tốc độ quay của các động cơ điện > nđm nhanh chĩng bào mịn các chi tiết, cơng suất động cơ điện nhận từ mạng tăng > Pđm gây quá tải cho động cơ và cĩ thể gây quá tải cho động cơ và cĩ thể gây quá tải cho trạm phát, trở kháng của các cuộn hút của các cơng tắc tơ, rơ le tăng dịng điện của cuộn hút giảm lực hút của chúng giảm ảnh hƣởng đến sự hoạt động tin cậy của chúng. Tổng hao thép của động cơ điện tăng hiệu suất của động cơ giảm. • Nếu tần số của máy phát nhỏ hơn tần số của máy phát định mức (f<fđm): Tốc độ quay của động cơ điện giảm năng suất của các bơm, quạt giĩ giảm, các trở kháng giảm dịng trong các thiết bị tăng Giảm tuổi thọ các thiết bị. Đặ biết đối với
57. các động cơ cĩ mơmem cản Mc= const Dịng tải động cơ tăng gây quá tải về dịng đốt nĩng động cơ Tuổi thọ giảm. Đồng thời do tốc độ giảm kéo theo các quy trình sản xuất. • Một số bộ điều chỉnh tốc độ tiêu biểu • Bộ điều tốc tác động trực tiếp Phƣơng trình tốn học của bộ điều tốc tác động trực tiếp nhƣ sau: Trong đĩ: Ti – hằng số thời gian đặc trƣng khối lƣợng cơ cấu đo; µp – sự dịch chuyển của thiết bị điều chỉnh; TT – hắng số thời gian ma sát trƣợt của bộ điều chỉnh; δ – sai số tĩnh của bộ điều tốc; δi – thời gian tĩnh phụ - lƣu ý tới độ cứng của lị xo; – sự dịch chuyển van tiết lƣu của bộ điều tốc; s – độ trƣợt (độ lệch tƣơng đối của vận tốc); s0 – giá trị đặt của bộ điều tốc. Phƣơng trình của van tiết lƣu: Trong đĩ: TK là hằng số thời gian của van tiết lƣu. Với bộ điều tốc dải rộng bao giờ cũng đi kèm động cơ servo. Phƣơng trình của động cơ servo nhƣ sau: Trong đĩ: TC – hằng số thời gian của động cơ servo; σ – sự chuyển động tƣơng đối của van tiết lƣu. Các phƣơng trình trên miêu tả hoạt động của bộ điều chỉnh tốc độ hoạt động trực tiếp. Nếu trong hệ thống thực hiện phản hồi tín hiệu ở dạng nối cứng kinh điển về cơ học với sự chuyển động của xylanh thì phƣơng trình lien hệ giữa cơ cấu đo và xylanh cĩ dạng:
58. Trong đĩ là sự dịch chuyển tƣơng đối của phần tử cảm biến. [Tr 89 – 3] • Bộ điều tốc tác động gián tiếp Phƣơng trình viết cho khâu gián tiếp tổng quát cĩ dạng: Trong đĩ: zn - xung tác động lên hệ thống điều chỉnh; - hệ số tắt dần; kn – hệ số truyền gián tiếp; s – độ lệch tải trên trục tổ hợp (độ lệch tƣơng đối của vận tốc quay) [Tr 91 – 3]. • Bộ điều tốc tác động gián tiếp với van tiết lƣu Hiện nay, do yêu cầu về tính hệ thống cao và đặc biệt là vấn đề cần can thiệp sâu vào chất lƣợng hệ thống cho nên các thế hệ điều tốc cơ học, các bộ điều tốc tác động trực tiếp khơng cịn đáp ứng đƣợc. Vấn đề ứng dụng se giành cho các bộ điều tốc tác động gián tiếp với van tiết lƣu. Phƣơng trình tổng hợp của bộ điều tốc tác động gián tiếp cĩ van tiết lƣu nhƣ sau: • Bộ điều tốc điện tử ( Electronic governor): Bộ điều tốc điện tử thƣờng đƣợc chế tạo dựa trên nguyên lý độ lệch. Bộ điều tốc điện tử cĩ sơ đồ khối nhƣ hình 2.15.
59. Hình 2.15. Sơ đồ khối của bộ điều tốc điện tử • Bộ tạo chuẩn: tạo tốc độ tín hiệu đặt trƣớc Uo ứng với tốc độ định mức của Diesel. • Bộ phản hồi tốc độ: Nhận tín hiệu tốc độ Diesel sau đĩ biến đổi thành tín hiệu điện áp U đƣa vào bộ so sánh. • Bộ so sánh : = Uo – U • Bộ khuyêch đại: Khuyếch đại để đƣa ra tín hiệu cơng suất đủ lớn sau đĩ đƣa tới cuộn hút điện từ. Lực hút của cuộn điện từ phụ thuộc vào độ lớn của cuộn điện cần cấp từ bộ khuyếch đại. Độ dịch chuyển của lõi cuộn hút làm tha đổi độ mở của thanh răng nhiên liệu TRNL, dẫn đến thay đổi lƣợng dầu vào Diesel • Giả sử: máy phát nhận them tải tác dụng P mơmem cản Mc trên trục Diesel tăng tốc độ quay n = Uo - U tín hiệu ra của bộ khuyếch đại độ dịch chuyển của lõi cuộn hút Thanh răng nhiên liệu TRNL mở them nhiên liệu vào Diesel Tốc độ n giữu cho tốc độ n = no • Chú ý: Khi cuộn hút điện từ khơng đƣợc cấp dịng, lị xo của cuộn hút sẽ kéo lõi cuộn hút về khơng Độ mở của thanh răng nhiên liệu TRNL = 0. 2.3.3. Phân chia tải tác dụng theo đặc tính tĩnh
60. Bằng cách thay đổi độ hữu sai đặc tính: f = φ(P) ta cĩ thể thay đổi đƣợc sự phân chia tải tác dụng giữa các máy phát cơng tác song song (Trong đĩ f: là tần số của máy phát; P: là cơng suất tác dụng của máy phát). Đặc tính f = φ(P) đƣợc gọi là đặc tính tĩnh của Diesel lai máy phát. Ví dụ: trạm phát cĩ 3 máy phát đang cơng tác song song với nhau và cĩ các đặc tính tĩnh nhƣ hình 2.16. • Ban đầu: tải máy phát 1 là P1, máy phát 2 là P2, máy phát 3 là P3, tần số của lƣới là f1 • Tăng tải tác dụng cho trạm thêm ΔP → tần số lƣới giảm xuống f2 • Khi đĩ: máy phát 1 nhận thêm tải là ΔP1; máy phát 2 nhận thêm tải là ΔP2; máy phát 3 nhận thêm tải là ΔP3 Hình 2.16. Đặc tính tĩnh các máy phát cơng tác song song Ta cĩ: Δf = f1 – f2; ; ; Tổng quát trạm phát cĩ n máy phát ta cĩ: (2.10)
61. Ta cĩ: (2.11) (2.12) Ta cĩ: (2.13) (2.14) (2.15) Kết luận: - Nếu phân chia tải tác dụng theo đặc tính f = φ(P) thì tải tác dụng của các máy phát tỉ lệ nghịch với độ sai tĩnh Kc. Máy phát cĩ đặc tính tĩnh dốc hơn thì máy phát đĩ nhận ít tải tác dụng hơn - Chỉ cần 1 máy cĩ độ sai tĩnh Kc = 0 (Đặc tĩnh f = φ(P) vơ sai) thì hệ thống khơng phân chia tải tác dụng đƣợc. - Nếu các đặc tính f = φ(P) của các máy phát càng mềm thì sai số tần số Δf càng lớn.
62. - Muốn thay đổi độ sai số tĩnh Kc, ta chỉnh nút Speed droop của bộ điều tốc. 2.4. GIÁM SÁT ĐỘNG CƠ DIESEL Việc giám sát hay bảo vệ Diesel cĩ thể đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2.12 và hình 2.17. Thuật tốn giám sát động cơ Diesel nhƣ trên hình 2.18. Để đảm bảo an tồn cho động cơ sơ cấp sử dụng Diesel trong quá trình vận hành và khai thác khơng xảy ra các sự cố nghiêm trọng thì các đại lƣợng và thơng số cần đƣợc giám sát thơng qua hệ thống tự động kiểm tra bao gồm: - Nhiệt độ nƣớc làm mát: khi nhiệt độ của nƣớc làm mát đạt đến giá trị ngƣỡng đặt thì hệ thống phải phát ra tín hiệu báo cho ngƣời vận hành biết tình trạng khơng bình thƣờng đĩ để xử lý giữ cho máy đƣợc an tồn, khơng xảy ra sự cố. Trong nhiều trƣờng hợp với các đối tƣợng Diesel giữ vai trị quan trọng, với thơng số này ngƣời ta cũng đặt một ngƣỡng thứ hai để thực hiện hoạt động bảo vệ [Tr 289 – 2].
63. Hình 2.17. Panel Diesel – Máy phát điện
64. Hình 2.18. Thuật tốn giám sát Diesel - Áp suất dầu bơi trơn: dầu bơi trơn cĩ nhiệm vụ làm trơn, giảm ma sát bề mặt làm việc của các chi tiết chuyển động tƣơng đối với nhau đồng thời làm mát các chi tiết này. Áp lực dầu bơi trơn trong quá trình làm việc phải đƣợc giữ trong một phạm vi nhất định và vì vậy nĩ phải đƣợc thƣờng xuyên kiểm tra, thơng báo cho ngƣời vận hành biết thơng qua các thiết bị hiển thị liên tục. Nếu vì một lý do nào đĩ, áp lực dầu bơi trơn bị giảm xuống thấp (so với ngƣỡng đặt) thì lập tức hệ thống phải phát ra lệnh dừng máy. Nhƣ vậy, với thơng số quan trọng này trong hệ thống kiểm tra báo động ngƣời vận hành đã cĩ hai ngƣỡng đặt: một cho báo động và một cho bảo vệ. Trong các hệ thống tự động kiểm tra và bảo vệ hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng hai sensor áp suất với hai ngƣỡng đặt cho hai tín hiệu báo động và bảo vệ này [Tr 288 – 2]. - Tốc độ của Diesel: là một đại lƣợng khá nhạy cảm. Trong khai thác, Diesel khi xảy ra quá tốc trên 110% tốc độ định mức là một điều khá nguy hiểm vì đại lƣợng này liên quan đến tuổi thọ của các chi tiết nĩi riêng và Diesel nĩi chung. Khi Diesel bị vƣợt tốc các chi tiết máy sẽ nhanh chĩng bị phá hỏng do mài mịn, do nhiệt độ cao, do lực ly tâm Chính vì vậy, bảo vệ quá tốc là điều rất quan trọng. Để cảm nhận đƣợc tốc độ của Diesel ngƣời ta thƣờng sử dụng rơle tốc độ Speed relay bao gồm một trung tâm xử lý tín hiệu và một sensor cảm biến tốc độ quay của Diesel [Tr 288 – 2]. - Nhiệt độ khí xả: cũng là một thơng số đáng quan tâm (thơng số ít nguy hiểm), nhiệt độ khí xả thể hiện khả năng nhận tải của Diesel và hiệu quả sinh cơng của mỗi xylanh, của ống gĩp, của đầu vào/ra tuabin tăng áp. Thơng số này thƣờng đƣợc đo liên tục và thơng báo trên các đồng hồ hiển thị. Thơng số này khơng đặt ngƣỡng báo động nên để kiểm tra và giám sát nĩ khơng cĩ cách nào khác là ngƣời vận hành phải đọc trực tiếp trên đồng hồ hoặc trên màn hiển thị. Ngày nay, hệ thống tự động kiểm tra với bộ nhớ dung lƣợng lớn đã giúp cho ngƣời vận hành lƣu
65. lại đƣợc các thơng số này nhƣ là một cuốn nhật ký khai thác trong mỗi thời điểm hoạt động [Tr 289, 290 – 2]. CHƢƠNG 3. MỘT SỐ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT DỰ PHÕNG 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG Ngày nay trạm phát điện dự phịng đƣợc sử dụng rất phổ biến ở các khu cơng nghiệp, các cơng ty xí nghiệp, các bệnh viện, trƣờng học . Để tìm hiểu sâu về hệ thống cung cấp điện của trạm phát dự phịng đặc biệt là về tổ hợp Diesel – Máy phát thì chúng ta sẽ phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phịng hiện nay. Ở đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về ba trạm phát đĩ là trạm phát khu cơng nghiệp Nomura, trạm phát tàu thủy 53000 tấn và trạm phát trên một số thiết bị làm việc di động. 3.2. TRẠM PHÁT DỰ PHÕNG KHU CƠNG NGHIỆP NOMURA Tồn bộ nguồn điện lấy từ EVN cho khu cơng nghiệp Nomura đƣợc lấy từ thanh cái 110kV của trạm 220kV vật cách qua máy biến áp T1 với cơng suất 60MVA(Y/Y0tự ngẫu), biến đổi điện áp 110kV xuống 22kV cấp vào thanh cái 22kV vật cách qua máy cắt đƣờng dây 431 cấp về thanh cái 22kV của khu cơng nghiệp. Thanh cái 22kV của khu cơng nghiệp Nomura là hệ thống một thanh gĩp cĩ máy cắt liên lạc 483 là nguồn ngồi đƣợc cung cấp từ EVN. Khi nguồn chính bị sự cố, thì khu cơng nghiệp cĩ nguồn dự phịng đƣợc lấy từ nguồn trạm phát qua máy cắt 479. Nguồn của trạm phát IPP với 9 tổ máy cĩ cấp điện áp là 6,6kV và đƣợc cấp đến 2 máy biến áp tăng áp cĩ cơng suất là 31,25 MVA cấp biến đổi là 6,6/22 kV và cấp đến thanh cái 22kV của khu cơng nghiệp. Khi mất điện đƣờng dây từ lƣới EVN thì điều độ viên cĩ lệnh tách dao cách ly 431 ra khỏi lƣới EVN và
66. lệnh khởi động các máy phát từ G1 ÷ G9 để cung cấp điện áp 22 kV trở lại cho thanh cái 22kV của khu cơng nghiệp . Trƣờng hợp một trong hai tổ máy phát gặp sự cố thì trạm phát dự phịng PU đƣợc vận hành để đảm bảo cấp điện cho khu cơng nghiệp là liên tục. Hình 3.1. Sơ đồ phân phối điện chính khu cơng nghiệp Nomura 3.2.1. Phân tích hệ thống Diesel lai máy phát khu cơng nghiệp Nomura a, Sơ đồ điều khiển Diesel (đƣợc đính kèm ở cuối quyển – Tập bản vẽ 1).
67. Cách đọc đấu nối giữa các đầu dây trên bản vẽ khu cơng nghiệp Nomura từ bản 3A24608-036 đến bản vẽ 3A24608-045 Đầu ra : → SH - XX Đầu vào : ›— SH - XX Với XX là số trang mà đầu dây dẫn tới . Ví dụ : → SH – 10 nghĩa là đầu dây sẽ đƣợc nối tiếp đến trang 10. ›— SH – 10 nghĩa là đầu dây đƣợc đƣa đến từ trang 10. Cách tìm vị trí của tiếp điểm và rơle Kí hiệu của tiếp điểm đƣợc viết nhƣ sau : Tên rơle chứa tiếp điểm (vị trí ) Ví dụ : 3_DH (186 Q) Nghĩa là tiếp điểm của rơle 3_DH ở bản vẽ 186 cột Q. Ngồi ra cịn cĩ một số kí hiệu đặc biệt sau : đƣợc định nghĩa rõ theo từng trang, đọc đến trang nào ta thấy các biểu tƣợng này bằng ghi chú của trang đĩ. Với các tiếp điểm của rơle trong trong cùng trang thì sẽ kí hiệu là : - cột chứa rơle. Ví dụ : - bQ nghĩa là tiếp điểm của rơle trong cùng trang và nằm ở vị trí b cột Q. Khi hệ thống ở chế độ dừng và các điều kiện sau thỏa mãn: • Khơng xảy ra lỗi : 86E□X1, 86B□X1 đĩng • Nhiên liệu đủ : 5H□X1 đĩng • Đã đƣợc làm mát : 5AF□X đĩng • Đang ở chế độ dừng : 5-□X1 đĩng • Tốc độ < 30% : 14-□X1F đĩng • Dầu FO đủ : 33D□X1 đĩng • Khí khởi động đủ áp suất : 63AL□Y đĩng • Dầu LO đủ : 33QL□Y đĩng • Tay địn két dầu LO ở mức cao : 33QVL□Y đĩng
68. • Sẵn sàng để khởi động : 48PR□TY đĩng • Đƣờng khí tốt : 33D10□X, 33D5□X đĩng Khi đĩ điện đƣợc dẫn đến chờ ở rơle 4_SOFT□X(36F) và các rơle 3_□X1, 3_□X2, 3_□X(SH-36), rơle 3ST□X(36L) cĩ điện → tiếp điểm 3ST□X(81H,G) đĩng → đèn báo hệ thống sẵn sàng bật. Để chuyển sang chế độ chuẩn bị khởi động ta nhấn nút CS(36Y) → tiếp điểm 1_2 của CS(36L) đĩng → 3 rơle 3_□X1, 3_□X2, 3_□Y đƣợc cấp điện, khi đĩ 48T□(38F) cĩ điện → 48T□(101Q) đĩng sau 15s mà Diesel chƣa khởi động đƣợc → 48T□X(101Q) cĩ điện → 48T□X(107S) đĩng báo dừng khẩn cấp, 48T□X(104B) đĩng cấp điện cho rơle báo cĩ lỗi nặng 86E□X1(104B) → tiếp điểm 86EX1(36C) mở → khơng cho khởi động lại. • 20A□X(38D) cĩ điện → 20A□X(44C) đĩng → cấp điện cho cuộn van khởi động 20A□(44B) để khởi động Diesel. • 4_□X(38B) cĩ điện → 4_□X(38D) đĩng lại tự duy trì điện khi ta nhả nút Start. 4_□X(38Q) đĩng → 4_□Y2 cĩ điện → 4_□Y2(42C) đĩng dẫn điện đến chờ ở tiếp điểm này. Mặt khác 4_□Y2(151B) để đĩng máy phát vào lƣới. • 4_□X(36B) đĩng cùng với S0FT□X đã đĩng S0FT□X(36H) đĩng → tự duy trì nguồn qua. • 4_S0FT□X(36G), 4_S0FT□X(36D) đĩng → duy trì nguồn cấp cho việc khởi động. • 4_□X(37N) mở → ST□Y mất điện → ngắt đèn báo sẵn sàng khởi động 48PR□T(36R). Sau khi khởi động, tín hiệu tốc độ động cơ đƣợc biến đổi thành tín hiệu điện nhờ PMG(11K) và truyền đến rơle tốc độ SPR□(41C). Khi tốc độ điều chỉnh > 30% thì tiếp điểm 14□ của SPR□(41B) đĩng lại cấp điện cho các rơle 14_□XO, 14_□X, 14_□X1, 20KX, 20K□T(SH38) khi đĩ: • 14_□XO(81Q,S,G,J) đĩng → báo động cơ đang chạy • 20K□X(44F) đĩng → cấp điện cho van cấp dầu nhiên liệu cho Diesel.
69. • 14_□X1(36C) mở → ngắt điện tồn bộ rơle ở SH36, khi 3_□X1(36L) mất điện thì tiếp điểm 3_□X1(37F) mở → ngắt điện tồn bộ rơle SH37. Khi đĩ : ST□X(38C) và 4_SOFT□X(38D) mở ra → 4_□Y2(42C) đĩng → dẫn điện cho van cấp dầu HFO. 4_□Y2(51D,L) đĩng → cấp điện cho cuộn kích từ máy phát. • 14_□X1(38S) đĩng → 4_□Y2 cĩ điện → 4_□X, 20A□X, 48T□ mất điện, do 48T□ mất điện nên hệ thống sẽ khơng báo lỗi khởi động động cơ. • 14_□X1(39Q) đĩng → cấp điện cho 52GY1(39U) báo ON_Line. Khi tốc độ điều chỉnh Diesel tiếp tục tăng đến > 85% thì 13_□(41D) đĩng lại, khi đĩ SPR□, 13_□(41D) đĩng lại, SPR□, 13_□(39B) đĩng → 13_□XO cĩ điện → 13_□XO(39C) đĩng → 13G□T, 13E□1T, 13E□2T, 13□X1 cĩ điện đến các mạch bảo vệ, cảnh báo. • Khi Diesel ở chế độ running 4_□Y2(42C) đĩng → 33D□T1(42C) cĩ điện → 33D□T1(42H) đĩng lại sau 30’ → STHFOX(42H) cĩ điện → STHF□X(42N) đĩng → 20F□X(42R) cĩ điện → 20F□X(44K) đĩng cấp điện cho van điện từ cấp dầu HFO. Để dừng máy phát ta nhấn nút STOP(40R) → 5_□X1, 5_□X2, 5_□X3, 20T□X, 5_□T(SH-40) cĩ điện. Khi đĩ : • 5_□X1(40T) đĩng → tự duy trì nguồn khi bỏ nút STOP • 5_□X1(36C) mở → ngắt điện các rơle ở SH-36,37 • 5_□X1(38K) mở → 20K□X(38L) mất điện → 20K□X(44F) mở → ngắt điện vào van cấp dầu HFO. • 5_□X1(39C) mở → ngắt điện vào các rơle 13G□T, 13E□1T, 13E□2T, 13□2T, 13□X1(SH-39) → ngắt nguồn vào các khối bảo vệ và báo động. • 20T□X(44H) đĩng → cấp điện cho van dừng Diesel. Khi hoạt động nếu động cơ chạy quá 115% tốc độ thì tiếp điểm 12_□(41E) đĩng lại → 12_□(101M) đĩng → 12□X(101M) cĩ điện.
70. • 12_□X(104B) đĩng → 86E□X1(104B) cĩ điện → dừng Diesel • 12_□X(107M) đĩng → báo đèn cho biết quá tốc độ Diesel. Bình thƣờng rơle Y(118W) cĩ điện. Các tiếp điểm của rơle này đĩng lại để duy trì dịng qua (Y). Khi cĩ lỗi xảy ra tiếp điểm FAULT CONTACT đĩng → rơle (X) cĩ điện. Các tiếp điểm của rơle này đĩng lại cĩ chức năng sau: - Tự duy trì nguồn qua rơle (X) - Cấp nguồn báo động bên ngồi (Alarm output) - Cấp nguồn cho rơle 28BC1□X(118N), 28BC1□X(118G) đĩng → báo động bằng cịi. - 28BC1□X(118B) đĩng → 66C□T(118B) cĩ điện → tạo ra việc đĩng mở 66C□T(118B) theo chu kì 1s → 66C□X đƣợc cấp điện theo chu kì 1s (0.5s cĩ điện, 0.5s mất điện) → 66C□X(118L) đĩng mở theo chu kì 1s → đèn L(118Y) nhấp nháy. Khi ta nhấn nút Alarm stop (118M) → cuộn (118W) mất điện → mở các tiếp điểm của rơle này → ngắt nguồn vào 28BC1□X, 66C□X(SH-118) và chuyển bộ nguồn cấp qua đèn (L) để đèn sáng khơng nháy. b, Điều chỉnh tốc độ động cơ Diesel (cơng suất máy phát khi làm việc song song ) Việc tăng (giảm) tốc độ diesel xảy ra khi rơle 65G5HX(65G5LX) (SH- 147) cĩ điện. Ta cĩ thể thực hiện cấp điện cho các rơle này bằng các nút ấn 7_65G5(147C,D) hoặc đĩng các tiếp điểm của các rơle trung gian trong chế độ làm việc online. Khi rơle 65G5HX(147C) cĩ điện : - 65G5HX(147E) mở khống chế khơng cho điện áp vào rơle 65G5LX tránh cùng lúc xảy ra cả hai tín hiệu tăng và giảm tốc độ diesel. - 65G5HX(147U) đĩng báo đèn đang tăng tốc độ diesel Khi rơle 65G5LX(147E) cĩ điện :
71. - 65G5LX(147C) mở khống chế khơng cho điện áp vào 65G5HX(147C) tránh cùng lúc cả hai tín hiệu tăng và giảm tốc độ diesel . - 65G5LX(148W) đĩng báo đèn đang giảm tốc độ diesel - 65G5HX(147P,R) đĩng cấp điện cho động cơ một chiều (M)(148L) quay theo chiều ngƣợc giảm lƣợng dầu vào diesel. 3.2.2. Đánh giá hệ thống cung cấp điện Nomura Hệ thống cung cấp điện khu cơng nghiệpNomura là một hệ thống lớn, nĩ cung cấp điện cho cả khu cơng nghiệp và cịn cĩ thể bán điện cho lƣới quốc gia. Trạm phát khu cơng nghiệp Nomura gồm 9 tổ hợp máy phát cĩ cơng suất 6200KW/máy, với các hệ thống phân phối, điều khiển, vận hành, giám sát và bảo vệ rất tiên tiến, áp dụng nhiều khoa học kỹ thuật của Nhật Bản. Đây là một trong những trạm phát dự phịng lớn của miền Bắc cũng nhƣ là trong cả nƣớc ta. Chất lƣợng của hệ thống này cũng đã đƣợc thể hiện qua thời gian dài kể từ khi xây dựng xây dựng từ năm 1994 đến nay. Nĩ đang khẳng định vai trị, tầm quan trọng của mình trong việc gĩp phần vào phát triển nền kinh tế của khu cơng nghiệp, của thành phố cũng nhƣ của đất nƣớc ta. Đây là một hệ thống cung cấp điện tốt, chúng ta cần nghiên cứu để áp dụng hệ thống này cho các khu cơng nghiệp, các nhà máy khác . Hệ thống cung cấp điện của trạm phát là khá lớn, với những cơng nghệ tiên tiến địi hỏi ngƣời vận hành phải cĩ kiến thức vững vàng, trình độ tay nghề cao để vận hành và khai thác một cách hiệu quả nhất. Đây là một hệ thống cung cấp điện tốt cho các sinh viên chuyên ngành điện tìm hiểu, nghiên cứu để nâng cao kiến thức thực tế, áp dụng cho cơng việc sau này. 3.3. TRẠM PHÁT ĐIỆN TRÊN MỘT SỐ THIẾT BỊ LÀM VIỆC DI ĐỘNG 3.3.1. Phân tích hệ thống Diesel lai máy phát điện trong trạm phát của một số thiết bị làm việc di động (bản vẽ đƣợc đính kèm ở cuối quyển – Tập bản vẽ 2). - Các phần tử của mạch điều khiển đã đƣợc giới thiệu ở phần 1.4 - Các tiếp điểm đặc biệt của rơle trong mạch điều khiển Diesel:
72. Tiếp điểm thƣờng mở 13L(02-2B) đĩng khi tốc độ Diesel đạt 1530vg/ph 13L(102-4D): • Tiếp điểm thƣờng mở 15U cuộn dây 15U(101-7D). • Đĩng ở chế độ cĩ tải (RATED), mở ở chế độ khơng tải IDLE. • Tiếp điểm thƣờng đĩng 5Z (cuộn dây 5Z) mở khi dừng Diesel. • PB1: Nút ấn RESET. a, Nguyên lý làm việc Sau khi thực hiện những thao tác khởi động động cơ Diesel lai máy phát. Khi tốc độ động cơ Diesel đạt 1530 vg/ph thì tiếp điểm 13L đĩng cấp điện 24V-DC cho rơle thời gian 1T, đồng thời lúc này áp suất dầu bơi trơn đã đủ nên tiếp điểm 15U cũng đĩng lại đƣa hệ thống vào trạng thái sẵn sàng hoạt động. Khi máy phát đã làm việc ổn định tần số điện áp ra nằm trong khoảng từ 90% đến 110% tần số định mức thì lúc đĩ các cảm biến LV, OV chƣa tác động lên các tiếp điểm thƣờng mở LV(01-4D) = 0, OV(01-4D) = 0. Mặt khác khi Ura > 85% Uđm thì cuộn UV khơng tác động làm cho tiếp điểm thƣờng mở của nĩ là UV(01-5D) = 0 cho nên FAL = 0 đƣa hệ thống vào làm việc bình thƣờng. Khi rơle 1T cĩ điện thì sau 5s đặt trƣớc tiếp điểm 1T(02-2D) đĩng lại cấp điện cho rơle thời gian GBT và các rơle trung gian GB, sau một khoảng thời gian đã đƣợc đặt trƣớc thì tiếp điểm GBT(02-3D) và tiếp điểm GB(02-3D) đĩng lại cấp điện cho bộ điều chỉnh điện áp kích từ AVR, lúc này máy phát đƣợc kích thích bởi cuộn kích từ EX, cuộn EX đƣợc cấp nguồn bởi bộ điều chỉnh AVR. Điện áp đầu vào AVR đƣợc lấy từ máy phát điện và điện áp này đƣợc so sánh điều chỉnh với một đại lƣợng đặt sẵn trong AVR. Nếu điện áp ra của máy phát cao hơn đại lƣợng cho phép thì bộ điều chỉnh AVR điều khiển cuộn kích từ EX giảm kích từ máy phát với mục đích làm giảm điện áp ra của máy phát, ngƣợc lại, nếu điện áp ra nhỏ hơn đại lƣợng cho phép thì cuộn EX tăng kích từ cho máy phát.
73. Rơle sự cố FAL(02-4D) cĩ điện khi điện áp ra của các pha lệch nhau, tiếp điểm OV, LV đĩng hoặc khi tần số điện áp ra thấp, tiếp điểm UV đĩng. Rơle FAL(02-4B) cĩ điện ngắt nguồn của rơle GB qua tiếp điểm FAL(02-2D). Ngắt AVR ra khỏi hệ thống. Nếu hệ thống khơng cĩ sự cố, điện áp ra của máy phát là 470V/60Hz cấp điện tới trụ đấu dây JB-7(03-1A) chờ cấp nguồn động lực cho tồn bộ phụ tải của hệ thống. b, Các bảo vệ Bảo vệ thấp áp: bằng rơle UV khi Uf fđm khoảng 10% thì bộ cảm biến tần số tác động. Khi đĩ tiếp điểm LV(01-4D) đĩng lại và lúc này cuộn dây sự cố FAL cĩ điện dẫn đến tiếp điểm FAL(02-4D) của nĩ đĩng lại để duy trì dịng điện và đồng thời tiếp điểm FAL(02-4D) mở ra và dừng tồn bộ hệ thống. Khi f < fđm khoảng 10% thì quá trình diễn ra tƣơng tự. Bảo vệ dầu bơi trơn cho động cơ sơ cấp: Nếu áp suất dầu bơi trơn khơng đủ thì tiếp điểm thƣờng mở 15U = 0 thì hệ thống ngừng hoạt động. Bảo vệ 0: đƣợc thực hiện bằng cơng tắc tơ cấp nguồn Bảo vệ ngắn mạch: đƣợc thực hiện bằng cầu dao tự động. 3.3.2. Đánh giá hệ thống trạm phát điện của một số thiết bị làm việc di động Hệ thống trạm phát trên một số thiết bị làm việc di động nhƣ cần trục, cầu trục hay máy xúc là những hệ thống nhỏ lẻ, làm việc khá là đơn giản, khơng phức tạp nhƣ các hệ thống lớn. Tuy nhiên, nĩ cũng cĩ những yêu cầu riêng, đặc điểm riêng trong vận hành và khai thác. Các thiết bị làm việc di động cĩ vai trị rất quan trọng trong đời sống cũng nhƣ trong phát triển kinh tế. Việc nghiên cứu
74. những hệ thống này giúp cho việc phát triển hệ thống trạm phát trên các thiết bị lớn hơn và phức tạp hơn dễ dàng hơn. KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp, dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Hồng Xuân Bình đến nay em đã hồn thành bài đồ án tốt nghiệp với đề tài: ―Nghiên cứu điều khiển động cơ lai máy phát đồng bộ trong trạm phát dự phịng – Đi sâu phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phịng‖ Nhìn chung, bài đồ án của em đã thực hiện đƣợc một số nội dung cơ bản nhƣ sau: • Tìm hiểu tổng quan về trạm phát điện dự phịng • Nghiên cứu điều khiển Diesel lai máy phát điện • Đi sâu phân tích đánh giá một số hệ thống cung cấp điện dự phịng Tuy nhiên, em tự nhận thấy bản đồ án của mình vẫn cịn nhiều hạn chế nhƣ: chƣa viết đƣợc chƣơng trình điều khiển trên thực tế, chƣa đi phân tích đƣợc nhiều hệ thống cung cấp điện dự phịng, phần đánh giá vẫn cịn sơ sài . Do thời gian cĩ hạn và kiến thức cịn nhiều hạn chế nên bài đồ án của em khơng thể tránh khỏi những thiếu sĩt và hạn chế trên, rất mong nhận đƣợc sự đĩng gĩp ý kiến của thầy cơ và các bạn sinh viên để bài đồ án của em đƣợc hồn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Hồng Xuân Bình đã chỉ bảo hƣớng dẫn tận tình, đã giới thiệu em đến các cơng ty xí nghiệp để thu thập tài liệu thực tế cũng nhƣ đã cung cấp cho em một số tài liệu tham khảo, bản vẽ để em cĩ thể đủ tài liệu hồn thành bài đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn!
75. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện tập 2, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội năm 2006. 2. PGS.TS Thân Ngọc Hồn, TS. Nguyễn Tiến Ban, Trạm Phát và lƣới điện tàu thủy, NXB khoa học và kỹ thuật , năm 2008. 1 hệ thống cung cấp điện khu cơng nghiệp Nomura MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN 3 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN 3
76. 1.1.1. Những yêu cầu chung của trạm phát dự phịng 3 1.1.2. Vấn đề tự động hĩa trong trạm phát dự phịng 3 1.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC LOẠI TRẠM PHÁT ĐIỆN 3 1.2.1. Cấu trúc chung của trạm phát điện tàu thủy 3 1.2.2. Cấu trúc chung của trạm phát cung cấp điện 3 1.3. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG CÁC NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP 3 1.4. HỆ THỐNG TRẠM PHÁT TRÊN MỘT SỐ THIẾT BỊ LÀM VIỆC DI ĐỘNG 3 1.5. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 1.5.1. Khái quát chung về máy phát điện đồng bộ 3 1.5.2. Các thơng số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ 3 1.5.3. Phƣơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ 3 1.5.4. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 3 1.5.5. Hệ thống kích từ trong máy phát đồng bộ 3 1.5.6. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy phát đồng bộ 3 CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL LAI MÁY PHÁT ĐIỆN 3 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG 3 2.1.1. Khái quát chung về động cơ Diesel lai máy phát điện 3 2.1.2. Cấu tạo động cơ Diesel 3 2.2. CÁC THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL 3 2.3. ĐIỀU KHIỂN DIESEL LAI MÁY PHÁT 3 2.3.1. Khởi động và dừng Diesel 3 2.3.2. Ổn định tốc độ Diesel lai máy phát 3 2.3.3. Phân chia tải tác dụng theo đặc tính tĩnh 3 2.4. GIÁM SÁT ĐỘNG CƠ DIESEL 3
77. CHƢƠNG 3. MỘT SỐ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT DỰ PHÕNG 3 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG 3 3.2. TRẠM PHÁT DỰ PHỊNG KHU CƠNG NGHIỆP NOMURA 3 3.2.1. Phân tích hệ thống Diesel lai máy phát khu cơng nghiệp Nomura 3 3.2.2. Đánh giá hệ thống cung cấp điện Nomura 3 3.3. TRẠM PHÁT ĐIỆN TRÊN MỘT SỐ THIẾT BỊ LÀM VIỆC DI ĐỘNG3 3.3.1. Phân tích hệ thống Diesel lai máy phát điện trong trạm phát của một số thiết bị làm việc di động (bản vẽ đƣợc đính kèm ở cuối quyển – Tập bản vẽ 2). 3 3.3.2. Đánh giá hệ thống trạm phát điện của một số thiết bị làm việc di động 3 KẾT LUẬN 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 3