Đồ án Trang thiết bị điện tàu Hong Kong Pioneer. Đi sâu trạm phát và vấn đề ổn định điện áp cho máy phát

m phát điện. b. Hệ thống phức hợp pha. Hệ thống phức hợp pha là hệ thống điều chỉnh điện áp theo hai nhiễu loạn chính đó là dòng tải và tính chất của tải ( cos ). Hệ thống cũng có hai phản hồi chính đó là: phản hồi điện áp và phản hồi dòng. Ta có thể định nghĩa hệ thống phức hợp pha như sau: Hệ thống phức hợp pha là hệ thống mà tín hiệu dòng và tín hiệu áp được cộng pha với nhau (cộng phía xoay chiều, trước chỉnh lưu). Hệ thống phức hợp pha có thể chia làm hai loại: - Hệ thống phức hợp pha song song. - Hệ thống phức hợp pha nối tiếp  Hệ thống phức hợp pha song song. Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ tương đương: Trong đó : It = Vt.I: Dòng thứ cấp biến dòng. Vt: Hệ số truyền đạt. It: Dòng tải máy phát. U: Điện áp máy phát. Icc: Dòng đi qua cuộn cảm. Hình 5.3. Sơ đồ nguyên và sơ đồ tương đương hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý phức hợp pha song song. b d m f C .c c l k t Trang 61 Ikt: Dòng kích từ. Hệ thống phức hợp pha song song là hệ thống phức hợp pha có tín hiệu dòng và tín hiệu áp song song cấp cho cuộn kích từ (thực chất là cộng dòng phía xoay chiều) . Từ sơ đồ tương đương trên ta có thể tính được dòng kích từ như sau: Rz RzXccJ XccJ UIVt Ikt RzXccJ XccJ UIVt Uab . 1 . 1 . 1 .. 1 . 1 . 1 ..             (5.1) Rút ra : XccJRz XccJ IVt XccJRz U Ikt . . .. .     (5.2) Sơ đồ véc tơ :  H×nh 5.4. S¬ ®å vÐc t¬ khi t¶i thay ®æi I= Var   H×nh 5.5. S¬ ®å vÐc t¬ khi tÝnh chÊt t¶i thay ®æi cos = Var  Một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp pha song song. +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp pha song song: Hãng STILL. Trang 62 R DLS TR C TP KT PG * Giới thiệu phần tử: Đây là hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc phức hợp pha song song. Biến dòng BD để lấy tín hiệu dòng. Cuộn cảm DL để lấy tín hiệu áp. Cầu chỉnh lưu 3 pha chỉnh lưu ra dòng kích từ 1 chiều. Tụ C cải thiện quá trình tự kích (cộng hưởng khi tần số máy phát chưa đạt định mức). Biến trở R dùng để điều chỉnh điện áp trong chế độ không tải. * Nguyên lí hoạt động. - Quá trình tự kích ban đầu: Khi roto được quay đến một tốc độ nhất định do có từ dư trong lõi thép của mạch kích từ làm cảm ứng sang cuộn dây stato một sức điện động Ecư = 2.5 – 5% Uđm. Điện áp này thông qua cuộn cảm DL qua cầu chỉnh lưu cho ta dòng kích từ ban đầu. Tại thời điểm ban đầu cuộn cảm DL kết hợp với tụ C cộng hưởng làm cho điện trở trong mạch rất nhỏ. Làm tăng điện áp đưa đến cầu chỉnh lưu và làm dòng kích từ tăng nhanh. Cứ như thế khi điện áp đạt định mức thì quá trình tự kích sẽ chấm dứt. - Qúa trình điều chỉnh: Tín hiệu áp lấy qua cuộn cảm DL. Tín hiệu dòng lấy qua biến dòng BD cộng hưởng với nhau (cộng điện) trước khi qua cầu chỉnh lưu, qua cầu chỉnh lưu cho ta dòng kích từ. Nếu dòng tải tăng dẫn đến dòng kích từ tăng. Trang 63 * Chỉnh định. + Chỉnh định điện áp máy phát ở chế độ không tải. Khi n = nđm, fmp = fđm ta chỉnh biến trở R. + Trong chế độ có tải. Nếu U không điều chỉnh được về định mức thì ta phải thay đổi tín hiệu dòng bằng cách thay đổi số vòng dây thứ cấp của biến dòng.  Hệ thống phức hợp pha nối tiếp. Hệ thống phức hợp pha nối tiếp là hệ thống phức hợp pha có tín hiệu dòng và tín hiệu áp cộng nối tiếp cấp cho cuộn kích từ (cộng áp). Trong đó: It = Vt.I: Dòng thứ cấp biến dòng. Vt: Hệ số truyền đạt. It: Dòng tải máy phát. U: Điện áp máy phát. Ikt: Dòng kích từ. Rz: Điện trở tương đương cuộn kích từ. Từ sơ đồ tương đương trên ta có thể tính toán dòng kích từ như sau: Hình 5. 6 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý phức hợp pha nối tiếp. b d m f x t c l k t Trang 64 Rz U XtJRz Rz UIVt Ikt XtJRz Rz UIVt Uab        . 11 1 .. . 11 1 .. (5.3) Rút ra : XtJRz XtJ IVt XtJRz U Ikt . . .. .     (5.4) Từ hai biểu thức dòng kích từ của hai hệ thống (5. 2 ) và (5.4) trên ta nhận thấy rằng chức năng của cuộn cảm Xcc trong sơ đồ nguyên lý hệ thống phức hợp pha song song được thay thế bằng trở kháng Xt trong sơ đồ nguyên lý hệ thống phức hợp pha nối tiếp. Từ các biểu thức dòng kích từ và đồ thị véc tơ cho ta thấy cả hai hệ thống phức hợp pha nối tiếp và song song đều có khả năng giữ ổn định điện áp với mọi giá trị của dòng tải và tính chất của tải . Hệ thống phức hợp pha có nhiều ưu điểm rất cơ bản. Đó là sự cấu trúc hệ thống đơn giản, tuổi thọ dài, độ bền và độ tin cậy cao. Nó có khả năng cường kích lớn và tính ổn định động tốt nên rất phù hợp với điều kiện công tác trên tàu thuỷ. Tuy nhiên, hệ thống phức hợp pha còn có những nhược điểm như: độ chính xác thấp, hệ thống thường cồng kềnh và khả năng tự kích ban đầu chưa tốt. Một trong những yếu điểm của hệ thống phức hợp pha là khả năng tự kích ban đầu kém. Cũng như máy phát một chiều ta lợi dụng từ dư ban đầu trong quá trình tự kích và cần phải có những biện pháp cải thiện tự kích. Trong mạch kích từ của máy phát đồng bộ được lắp đặt hệ thống phức hợp pha có thêm trở kháng Xcc hay Xt và cầu chỉnh lưu. Điều đó dẫn đến gia tăng tổng trở không tuyến tính trong mạch. Mặt khác trong mạch còn điện trở tiếp xúc vành khuyên chổi than mang tính phi tuyến. Các yếu tố trên làm tăng thêm khó khăn trong quá trình tự kích ban đầu. Trong thực tế đã sử dụng những biện pháp cải thiện tự kích ban đầu như sau: Giảm tính phi tuyến của mạch từ. Thay đổi đặc tính mạch kích từ trong giới hạn tự kích. Gia tăng từ dư ban đầu. Cấp nguồn điện áp khác thêm cho mạch kích từ. Làm tăng phản hồi dòng bằng cách làm ngắn mạch máy phát tại thời điểm ban đầu. Các biện pháp cải thiện tự kích trên được áp dụng phụ thuộc vào công suất của máy phát và điều kiện công tác của máy phát. Đặc tính minh hoạ quá trình tự kích ban đầu : Trang 65 Đường số 1 là đặc tính không tải của máy phát . Đường số 2 là đặc tính dòng - áp của mạch kích từ, trong hệ thống phức hợp pha, ở chế độ không tải.  Một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp pha nối tiếp. +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp pha nối tiếp – VCU tàu Việt Nam_Nam Tư: TP TK C WVU x y z cba X Y Z CBA ZYX CBAx y z cba G K I 1 2 PoU U U P Ikto Ikt E 0 Hình 5.7.Quá trình tự kích Trang 66 * Giới thiệu phần tử và chức năng : - TK: Biến áp phức hợp. - TP: Biến dòng. - C: Bộ tụ cải thiện quá trình tự kích. - F: Bộ lọc RC để bảo vệ điện áp đánh thủng cầu chỉnh lưu P. - P: Cầu chỉnh lưu ba pha. Sơ đồ tương đương của hệ thống: Biến áp phức hợp TK, cuộn sơ cấp là ax, by, cz, cuộn thứ cấp có nhiều trụ đấu dây cho phép thay đổi được hệ số truyền đạt của biến áp và trở kháng Xt. Biến dòng phụ TP, cuộn thứ cấp có thể đấu với bất kỳ trụ đấu dây nào phù hợp trên cuộn thứ cấp của biến áp TK, việc đó làm thay đổi được tín hiệu dòng và độ nghiêng của đặc tính ngoài . Trong hệ thống còn có bộ tụ C, kết hợp với cuộn thứ cấp của biến áp TK để tạo thành mạch cộng hưởng khi f  fđm, để cải thiện quá trình tự kích ban đầu được nhanh và chắc chắn . Với cách cấu trúc như trên, thì mỗi một sự thay đổi của dòng tải, tính chất của tải đều dẫn tới sự thay đổi dòng kích từ tương ứng. Hệ thống này, mạch kích từ không được tách với mạch phần ứng của máy phát mà nó được nối trực tiếp thông qua tín hiệu áp. Mạch kích từ không có bảo vệ ngắn mạch bởi vì trở kháng Xt của biến áp phức hợp sẽ hạn chế khi có ngắn mạch. Toàn bộ hệ thống này được lắp đặt trong hộp sắt ngay phía trên của máy phát. * Nguyên lý hoạt động. - Quá trình tự kích ban đầu: Khi roto được quay đến một tốc độ nhất định do có từ dư trong lõi thép của mạch kích từ làm cảm ứng sang cuộn dây stato một sức điện động Edư = 2.5 – 5% Uđm. Điện áp này thông qua cuộn cảm qua cầu chỉnh lưu cho ta dòng kích từ ban đầu. Tại thời điểm ban đầu tụ C kết hợp với các cuộn cảm tạo thành mạch cộng hưởng, cộng hưởng làm cho điện trở trong mạch rất nhỏ, làm tăng điện áp đưa đến cầu chỉnh lưu và làm VktI. VtpI . Xt R1 U Trang 67 dòng kích từ tăng nhanh. Cứ như thế khi điện áp đạt định mức thì quá trình tự kích ban đầu sẽ chấm dứt. - Quá trình điều chỉnh: Tín hiệu áp và tín hiệu dòng được cộng điện áp ở biến áp phức hợp TK. Tín hiệu tổng được đưa đến cầu chỉnh lưu, qua cầu cho ta dòng kích từ phù hợp với sự thay đổi điện áp của máy phát. Thay đổi tín hiệu dòng của hệ thống nhờ biến dòng phụ TP để có thể thay đổi được độ nghiêng đặc tính ngoài. * Chỉnh định. Chỉnh định hệ thống bằng cách thay đổi trụ đấu dây ở biến áp phức hợp pha TK. Từ cuộn thứ cấp của biến dòng TP đưa xuống cả trong chế độ không tải và có tải. 5.2.2. Nguyên lý điều chỉnh theo độ lệch Hệ thống điều chỉnh theo nhiễu có độ chính xác thấp, vì nó chỉ đáp ứng được hai nguyên nhân gây ra sự thay đổi điện áp. Do đó để hệ thống có khả năng giữ ổn định điện áp được với tất cả các nguyên nhân gây ra, người ta phải dựa vào nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch . Hệ thống điều chỉnh theo nguyên tắc độ lệch không cần quan tâm đến nguyên nhân riêng nào, mà cứ thay đổi điện áp (so với giá trị điện áp định mức) là ngay lập tức hệ thống sẽ có tín hiệu điều chỉnh dòng kích từ phù hợp, giữ cho điện áp ra không đổi. Nét đặc trưng dễ nhận thấy nhất của nguyên lý là hệ thống bao giờ cũng sử dụng mạch phản hồi với các thiết bị đo và biến đổi (nếu cần), tín hiệu phản hồi được đưa về so sánh với tín hiệu đặt để tạo nên tín hiệu điều khiển. Hình 5.8a Hình 5.8 b G k t G k t u 0 s s k d u u f Trang 68 Kdth Kdth BA KT U0 SS F G kt ss tx uo u uf Hình 5.8 c Hình 5.8d Cấu trúc của hệ thống đơn giản ở trên giới thiệu sơ đồ nguyên lý 5.8a, sơ đồ khối 5.8b. Dòng kích từ của máy phát được cấp từ phản hồi điện áp thông qua khuyếch đại từ thực hiện Kđ và cầu chỉnh lưu CL. Điện áp thực của máy phát được đưa tới phần tử SS để so sánh với điện áp chuẩn và phát tín hiệu điều chỉnh. Tín hiệu được khuyếch đại qua khuyếch đại từ thực hiện Kđ để đưa đến chỉnh lưu cấp dòng cho cuộn kích từ. Với nguyên lý trên, người ta đã chế tạo hai loại hệ thống cơ bản: Hệ thống như sơ đồ hình 5.8c, các phần tử trong hệ thống được chế tạo hầu như hoàn toàn là mạch từ. Hệ thống như sơ đồ hình 5.8d, các phần tử trong hệ thống là các thiết bị bán dẫn điện tử. * Ưu điểm : Có độ chính xác tĩnh cao, dễ tự kích ban đầu. Cấu trúc hệ thống đơn giản, kích thước và trọng lượng nhỏ (nhất là các hệ thống bằng các linh kiện bán dẫn điện tử thì rất nhỏ), độ chính xác điều chỉnh cao và tính chất điều chỉnh tốt. * Nhược điểm: Bên cạnh những ưu điểm đó, hệ thống còn có một nhược điểm cơ bản đó là: Tính chất ổn định kém. Nếu khởi động trực tiếp các động cơ có công suất lớn gần bằng công suất của máy phát, hệ thống sẽ mất ổn định dẫn đến mất hoàn toàn kích từ. Bởi vậy đối với những động cơ có công suất tương đối lớn bắt buộc phải áp dụng các phương pháp khởi động làm giảm dòng khởi động.  Một số ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý độ lệch. +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch được chế tạo bằng các phần tử mạch từ: Trang 69 c1 u3 u6 c2 314151 031323 021222 011121 G2 G1 G f a7 c6 d6 d7 b5b4 d3 d1 Tf Tf1 c5c3 c5 c4 z1y1x1 x y z a4a2 a3 b2 b3 b1 Tf2 Tf3 f * Giới thiệu phần tử: - Các phần tử tạo nên tín hiệu chuẩn bao gồm: Tf2: Biến áp nguồn. Toàn bộ điện áp thứ cấp Tf2 là nguồn cung cấp cho cuộn công tác của khuyếch đại từ TD2. Một phần điện áp của cuộn thứ cấp Tf2 (22,32) cấp cho cuộn cảm phi tuyến D2, cuộn tuyến tính D1, cuộn D3 là cuộn tuyến tính nhưng có tổng trở phụ thuộc vào f của dòng điện qua nó, D4 là cuộn cảm san phẳng điện áp sau chỉnh lưu E3 và điện áp này cấp cho cuộn điều khiển 31,32 của khuyếch đại từ TD2 . - Kênh tạo nên điện áp thực của máy phát để so sánh: Tf4: Biến áp nguồn . Cuộn thứ cấp 31,32 thông qua R6, R10 có chức năng nối với hệ thống của máy phát khác từ các đầu ra 9,10,11 để thực hiện phân bố tải vô công khi công tác song song. Điện áp đó qua chỉnh lưu E4, các chiết áp R5, R14, điển trở R3, R4 đưa đến cuộn điều khiển 21, 22 của TD2. Do đó TD2 chính là phần tử so sánh . - TD1: Khuyếch đại từ thực hiện được nhận tín hiệu điều khiển U(chính là dòng Is trong sơ đồ) đưa đến cuộn điều khiển 71,72 của TD1. Cuộn điều khiển thứ 2 của TD1 là 61,62 được cấp dòng kích từ của máy phát(đây là phản hồi dương) . - Tf3: Biến áp phản hồi mềm chỉ có tác động trong chế độ động . Trang 70 - R8: Điện trở 3 pha được đấu song song với phần dây của cuộn sơ cấp Tf1 để cải thiện quá trình tự kích . - Tf1: Biến áp, cuộn thứ cấp cấp nguồn cho cuộn kích từ, cuộn sơ cấp được nối hình sao, thông qua hai nhánh công tác của cuộn khuyếch đại từ TD1. - A3: Rơle dòng, có tác dụng đóng tiếp điểm C3 tại thời điểm ban đầu tự kích. * Nguyên lý hoạt động: - Nguyên tắc tạo nên tín hiệu chuẩn: Cuộn cảm phi tuyến D2 tạo ra điện áp trung bình rơi trên nó gần như ổn định không phụ thuộc vào điện áp của máy phát. Ta coi điện áp rơi trên D2 là chuẩn, nhưng điện áp trên D2 lại phụ thuộc vào f, để cuối cùng đưa đến cầu chỉnh lưu E3 cố định. Người ta mắc E3 nối tiếp với D3 nhằm mục đích bù trừ điện áp theo f . Dòng một chiều đi qua cuộn 31,32 là dòng chuẩn không phụ thuộc vào tần số và điện áp của máy phát . - Kênh tạo nên điện áp thực của máy phát để so sánh : Từ sơ đồ ta thấy dòng cấp cho cuộn điều khiển 21,22 hoàn toàn phụ thuộc vào điện áp của máy phát. Như vậy, tại khuyếch đại từ trung gian TD2 có sự so sánh như sau: FthTD2 : Sức từ động tổng hợp của khuyếch đại từ trung gian TD2 . F21.22 : Sức từ động của cuộn điều khiển 21,22 (tín hiệu điện áp của máy phát). F31.32 : Sức từ động của cuộn điều khiển 31,32 (tín hiệu điện áp chuẩn).  FthTD2 = F21.22(F) - F31.32(C’) FthTD1 : Sức từ động tổng hợp của khuyếch đại từ TD1. F61.62 : Sức từ động của cuộn điều khiển 61,62 tỉ lệ với Ikt của máy phát. F71.72 : Sức từ động của cuộn điều khiển 71,72 tỉ lệ với Is.  FthTD1 = F61.62 – F71.72 * Nguyên tắc hoạt động: Giả sử máy phát đang công tác với Uđm. Ta tăng tải của máy phát, điện áp của máy phát giảm : Uf   F21.22  FthTD2  Is  F71.72  XTD1 I sơ cấp Tf1  IKTMF  UMF . Còn nếu tải của máy phát giảm thì quá trình xảy ra ngược lại. * Nguyên lý tự kích ban đầu: Ban đầu khi máy phát được khởi động do chưa có dòng kích từ nên rơle A3 chưa hoạt động nên tiếp điểm thường đóng C3 đóng lại  R8 được đóng vào mạch nên cuộn sơ cấp của biến áp Tf1 và cuộn công tác của khuyếch đại từ TD1 được đấu song song với R8 ,làm cho điện Trang 71 trở tương đương trong mạch nhỏ dẫn đến sức điện động ở thứ cấp của biến áp Tf1 tăng, ta có dòng Ikt tăng . Khi điện áp của máy phát đã đạt: U = (60 - 70)% Uđm thì dòng kích từ đủ để cho rơle A3 hoạt động mở tiếp điểm của nó cắt R8 ra khỏi mạch. Quá trình tự kích cho đến điện áp định mức lúc này nhờ vào sự hoạt động của hệ thống giống như khi điện áp của máy phát giảm. * Các chỉnh định cần thiết: - Để chỉnh định điện áp của máy phát chúng ta có thể chỉnh định chiết áp R5( chỉnh tinh điện áp), ta có thể thay đổi điện áp của máy phát trong khoảng ± 5% Uđm. Chiết áp R6,R10 chỉnh định khi phân bố tải vô công không đều. - Do hệ thống có hệ số khuyếch đại lớn nên trong chế độ động công tác không ổn định vì vậy biến áp Tf3 được đưa vào để làm cho hệ thống hoạt động ổn định hơn . - Độ chính xác tĩnh của hệ thống : ± 1% . Chú ý: Trong hệ thống này toàn bộ Ikt đi qua Wđk(61-62) đó là phản hồi dương dongfcho nên HSKĐ của hệ thống rất lớn,làm cho hệ thống không ổn định. Trong chế độ động để khắc phục việc đó người ta lắp biến áp phản hồi mềm Tf3 để tăng tính ổn định +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch được chế tạo bằng các phần tử điện tử bán dẫn: ( Sơ đồ hệ hống TĐĐCĐA của Pháp) Trang 72 d z d z W B A 1 Z T h R 9 R 8 R 1 UY V X Z W R 23 R 13 T 4 R 11 T 3 C 3 R7 T 1 C 2 R 2 R 6 R 5 R 4 R 3 C 1 R 10 R 12 R 14 C 4 T 2 R 28 C 10 K T R 27 C 9 C 8 C 7 R 24 R 20 R 22 R 25 R 15 R 16 B A 2 C 5 R 21 R 19 C 26 R 26 C 11 R 18 R 17 Trang 73 * Giới thiệu phần tử: - BA1,BA2: Lấy tín hiệu điện áp thực của máy phát. Điện áp thứ cấp biến áp BA1 thông qua chỉnh cầu chỉnh lưu và đưa đến cầu đo không đối xứng gồm: Dz, R3, R4, R6, biến trở R5; Điện áp ra của cầu đo được đưa đến bóng T1. Cuộn sơ cấp của biến áp BA1 được nối với một điện trở R1 và song song với một tụ điện để tạo thành mạch cộng hưởng ở mạch sơ cấp, nếu tần số của dòng điện máy phát thấp đến mức độ cần phải làm mất dòng kích từ. - Điện áp thứ cấp của BA2 thông qua cầu chỉnh lưu và đưa đến cầu đo không đối xứng gồm Dz, điện trở R20, R21, R22 tạo thành cầu đo không đối xứng. Để điều khiển T1 còn có tín hiệu vi phân phản hồi mềm trong mạch R23, C8. - Tín hiệu ra của cầu đo từ BA2 được đưa đến điều khiển T2, cũng để điều khiển T2 còn có tín hiệu vi phân trong mạch C7, R24, mạch R17,R18,C11. - Nếu tần số của máy phát nằm trong giới hạn cho phép thì điện áp ra của cầu đo từ BA1 luôn luôn làm cho T1 thông hoàn toàn. Nếu tần số máy phát giảm đến mức thấp hơn giá trị cho phép thì giá trị điện áp ra của cầu đo sẽ làm cho T1 bị khoá hoàn toàn. - Điện áp ra từ cầu đo BA2 sẽ điều khiển T2 có mức độ thông khác nhau tuỳ thuộc vào sự chênh lệch điện áp của máy phát và điện áp chuẩn. Như vậy T1 & T2 cùng tham gia điều khiển T3, T3 điều khiển tốc độ nạp của C4, C4 điều khiển thời điểm đóng mở của T4, xung điện áp của R14 sẽ điều khiển góc mở của Tiristor TH. Khi Tiristor mở thì dòng kích từ được cấp từ một pha W thông qua chỉnh lưu, Tiristor, R27 đến cuộn kích từ rồi về Z. 3 Diode zene mắc nối tiếp và R9 tạo thành điện áp cung cấp ổn định cho mạch tạo xung. * Nguyên lý hoạt động: Giả sử máy phát nhận thêm tải Uf giảm < Uđm, T1 vẫn thông hoàn toàn, lúc này điện áp đưa vào cầu đo từ BA2 nhỏ đi, điện áp ra của cầu đo tăng lên làm cho T2 thông hơn, dòng đi qua R7 tăng. Điện áp R7 tăng làm cho T3 thông hơn, C4 được nạp nhanh hơn và đạt đến điện áp phóng, UJT T4 thông, tạo xung đưa đến điều khiển Tiristor mở sớm hơn, dòng kích từ của máy phát tăng, và điện áp của máy phát tăng dần lên đến giá trị định mức. Còn khi máy phát giảm tải thì quá trình xảy ra ngược lại, khi đó C4 nạp chậm lại, xung điều khiển đưa tới điều khiển Tiristor mở muộn hơn, dòng kích từ giảm, và điện áp ra của máy phát giảm xuống . Nguyên lý làm mất điện áp khi tần số máy phát f xuống thấp quá quy định: Nếu tần số f giảm quá thấp thì mạch sơ cấp của BA1 có hiện tượng cộng hưởng (với tần số thấp đó), điện áp thứ cấp tăng, điện áp vào cầu đo tăng, và điện áp ra nhỏ đi đột biến, dẫn tới Trang 74 T1 khoá, T3 cũng khoá, C4 không được nạp, do đó không có xung mở Tiristor, làm Tiristor bị khoá, kết quả là không có dòng kích từ và không có điện áp ra. * Các chỉnh định: - Chiết áp R5 dùng để điều khiển ngưỡng cộng hưởng khi tần số của máy phát thấp (under speed). - Khi chỉnh định chiết áp R20 ta có thể thay đổi được điện áp của máy phát ± 5%Uđm. Khi chỉnh định chiết áp R15, chỉnh định được điện áp của máy phát thay đổi khoảng ± 20%Uđm. - Để chỉnh định độ ổn định trong công tác của hệ thống ta thực hiện bằng chiết áp R18 . - Để chỉnh định độ hữu sai của đặc tính ngoài ta chỉnh định chiết áp R26. 5.2.3.Nguyên lý điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp. Do mức độ điện khí hoá và tự động hoá trên tàu thuỷ ngày càng cao, nên việc ứng dụng các phần tử điện tử vi mạch ngày càng nhiều. Đòi hỏi việc ổn định của máy phát cao hơn. Để tận dụng những ưu điểm của 2 nguyên lý: theo nhiễu và theo độ lệch, người ta chế tạo được hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp . Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp có thể phân làm hai loại: a. Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch: Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và theo độ lệch, máy phát có 2 cuộn kích từ có sức từ động ngược chiều nhau, cuộn kích từ 1 là cuộn kích từ chính, cuộn 2 là cuộn phụ, sai số U quyết định độ lớn dòng đi trong cuộn kích từ phụ. Hình 5.9a. Phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch kt G ss uo u uf tx C.c C.a C.d C.t.h Trang 75 b. Hệ thống phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch: Kết hợp giữa phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch. Cầu chỉnh lưu của tín hiệu áp là Tiristor cho phép điều chỉnh được độ lớn của tín hiệu áp để điện áp máy phát ổn định với bất cứ nguyên nhân nào gây ra dao động. Hình 5.9b. Hệ thống phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch  Một số ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp: +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp giữa phức hợp pha song song và điều chỉnh theo độ lệch: ( Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp hãng A.VAN.KAICK _ ) Sơ đồ khối của hệ thống: 1-Phần tử so sánh; 2-Phần tử phân bố tải vô công;3-bộ nguồn khuyếch đại trung gian; 4-Khuyếch đại trung gian; 5-Khuyếch đại thực hiện;Dt-Cuộn cảm; TP-Biến dòng; P1-Chỉnh lưu quay; P2-Chỉnh lưu đặt tĩnh. kt G ss uo u uf tx P1 2 Dt KT MF TP 1 3 iu iI iw P2 4 MFKT Trang 76 G Trang 77 * Giới thiệu phần tử và chức năng. + Các phần tử trong kênh điều chỉnh theo phức hợp pha song song: Tín hiệu áp IU thông qua cuộn cảm DL. Tín hiệu dòng Ii được cấp từ biến biến dòng TP. Cầu chỉnh lưu P2 đưa dòng tổng hợp iW đến cuộn kích từ của máy kích từ (I1K1). Các thông số của hệ thống phức hợp (điện cảm DL và hệ số truyền đạt của biến dòng TP) được chọn sao cho có thể bù quá phản ứng phần ứng của máy phát khoảng 10%. + Các phần tử trong kênh điều chỉnh theo độ lệch: - Khối đo và so sánh:  Biến áp hạ thế TN1.  Cầu chỉnh lưu 3 pha P3.  Các điện trở phân áp R1, R2, R4.  Tụ C1 san phẳng điện áp Up sau chỉnh lưu.  Điốt zenne DZ xác định điện áp chuẩn.  Điện trở R3 giới hạn dòng quay DZ. Chức năng của khối so sánh là cấp cho điện áp ra U, là hiệu giữa điện áp chuẩn và điện áp thực của máy phát, sai số điện áp là tín hiệu điều khiển khuyếch đại trung gian. Như vậy có thể chỉnh định điện áp thực của máy phát thông qua cách chọn điện trở R1, có thể mở rộng giới hạn thông qua chiết áp R4. - Khuyếch đại trung gian của bộ điều chỉnh (khuyếch đại Transistor ba tầng).  Transistor ngược T3 và các điện trở R5, R14 là tần khuyếch đại thứ nhất.  Transistor thuận T4 và các điện trở R7, R8 là tầng khuyếch đại thứ hai.  Transistor ngược T5 và các điện trở R9, R10 là tần khuyếch đại thứ ba. Khuyếch đại trung gian có phản hồi âm vi phân kiểu RC (điện trở R11 và tụ C3). Khuyếch đại trung gian được nuôi bằng nguồn không ổn định từ biến áp hạ áp TN2, chỉnh lưu P4 và tụ lọc C3. - Phần tử thực hiện:  Transistor ngược T2.  Các điện trở R13, R15 hạn chế dòng cực góp IR của T2.  Điốt silen S bảo vệ T2 khi có điện áp xuyên. Độ mở của T2 là hàm số của sai số điện áp U. Trang 78 - Để điều khiển sự phân tải vô công khi các máy phát công tác song song trong hệ thống được trang bị:  Biến dòng PP.  Điện trở bù VR7. * Nguyên lý hoạt động: Theo nguyên tắc điều chỉnh của hệ thống này, nếu không có tín hiệu điều khiển ở kênh điều chỉnh theo độ lệch (T2 đóng hoàn toàn) thì kênh điều chỉnh theo nguyên tắc phức hợp pha sẽ đảm bảo cho điện áp máy phát đạt tới 110%Uđm với mọi giá trị của tải. - Phần điều chỉnh theo nhiễu (phức hợp pha), tín hiệu áp lấy điện áp trực tiếp từ các pha của máy phát thông qua cuộn cảm DL, tín hiệu dòng được lấy thông qua biến dòng TP, tín hiệu dòng và tín hiệu áp được cộng trước chỉnh lưu bằng con đường điện, tín hiệu tổng được đưa đến cầu chỉnh lưu P2 để cấp cho cuộn kích từ I1K1. Theo cấu trúc của hệ thống thì nếu bóng T2 khoá hoàn toàn, tức là coi phần điều chỉnh theo độ lệch không hoạt động, và Uf luôn đạt (110 ÷ 115)%Uđm, việc kéo cho điện áp máy phát giảm xuống gần định mức là do tác động của phần điều chỉnh theo độ lệch, điều khiển mức độ thông của bóng T2. - Nguyên lý điều chỉnh của phần điều chỉnh theo độ lệch: UR6 = UĐZ + UR3 Giả sử máy phát được đóng thêm tải, điện áp máy phát giảm xuống nhỏ hơn giá trị định mức  UR6  UR3  T3 khoá bớt lại  UR5  T4 khoá bớt lại  UR8  T5 khoá bớt lại  UR10  T2 khoá bớt lại (có nghĩa là điện trở mắc song song với kích từ I1K1 tăng) dẫn tới UI1K1 tăng  UF. Điện trở R11 & tụ C3 là phản hồi vi phân được đưa đến cực gốc của T2, có nghĩa là khi có sự thay đổi đột biến thì phản hồi này nhằm hạn chế bớt biên độ dao động điện áp và rút ngắn thời gian điều chỉnh của hệ thống. Chiết áp R7 lấy tín hiệu từ biến dòng DP với chức năng điều chỉnh độ nghiêng đặc tính ngoài, phân bố tải vô công khi công tác song song . Công tắc S1 có chức năng khi máy phát công tác độc lập muốn có độ chính xác cao về ổn áp thì người ta đóng S1 lại. - Quá trình tự kích ban đầu của máy phát hoàn toàn phụ thuộc vào từ dư, hệ thống này Ud có thể đạt tới 5V, nhờ có phản hồi điện áp của hệ thống tự động điều chỉnh điện áp mà máy phát nhanh chóng được tự kích. Nếu máy phát không tự kích được hoặc tự kích kém ta có thể thực hiện mồi từ bằng nguồn điện một chiều ngoài vào I1 – K1. Khi mồi từ cần mắc thêm điốt để cản không cho dòng chạy ngược về nguồn ngoài khi điện áp kích từ tăng lên trong quá trình khởi động. Trang 79 * Các chỉnh định: - Thay đổi điện áp của máy phát trong giới hạn ± 5%Uđm, bằng cách chỉnh chiết áp R1, còn nếu muốn mở rộng giới hạn điều chỉnh nhiều hơn thì chỉnh định chiết áp R4. - Chỉnh độ hữu sai của đặc tính ngoài ta chỉnh bằng chiết áp R7, hệ thống có độ chính xác ±1% khi tải thay đổi từ 0 đến định mức, với cos thay đổi từ 0.8 ÷ 1, với tốc độ không vượt quá ±3% tốc độ định mức. +) Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp giữa phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch: ( Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp _ VCU tàu Long Châu). Trang 80 n 2 4 m 0 4 5 9 6 2 e 2 3 2 1 d 3 B (-) n3 1 1 m b p p p t s r V 1 g2gh 1 h c 5 1 3 2 1 17 16 1 11 2 1 5 12 15 11 4 2 14 13 E C B E C B 10 3 7 8 E C B 12 6 6 4 4 9 18 r k r r c k r b 2x r d k b m v g g t s r k r r m d r 3x r k3x r g h j r r r k r k r r r p r r r r r r r Trang 81 SS TX N F Ii BD KT Ikt Iu Hình 5.10: Sơ đồ khối Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp _ VCU tàu Long Châu * Giới thiệu phần tử và chức năng của phần tử: - Phần tử điều chỉnh theo phức hợp dòng : Tín hiệu áp được lấy từ một pha R: R  e2  2XR  B2  K  J  Th  dây 0. Tín hiệu dòng được lấy từ biến dòng 3 pha M1 thông qua cầu chỉnh lưu B3 rồi đưa tới cuộn kích từ KJ . Tín hiệu áp và tín hiêu dòng được cộng điện phía mmột chiều thoả mãn biểu thức: Ikt = IU + II - Phần điều chỉnh theo độ lệch : Biến áp tín hiệu M2 (phản ánh UF)  đưa đến chỉnh lưu B1  so sánh với điện áp chuẩn là điện áp ngược của diod zene n2 . Bóng P1, P2, P3 ,UJT P4 : là bộ tạo xung để điều khiển Th thông qua biến áp xung M3 . Như vậy việc điều chỉnh UF thông qua việc điều chỉnh tín hiệu áp bằng điều khiển góc mở của Th. Biến áp M4 và chỉnh lưu bằng diod D1 cộng với diod zene n1 là bộ nguồn ổn định để nuôi bộ khuyếch đại, bộ tạo xung. Để cải thiện quá trình tự kích ban đầu người ta dùng tiếp điểm thường đóng của rơle d1 . Trang 82 * Nguyên lý hoạt động: - Quá trình tự kích ban đầu: Khi khởi động máy phát, lúc đầu điện áp do từ dư sinh ra còn nhỏ d1 chưa đủ điện áp để hoạt động nên dòng kích từ sẽ lấy từ pha R  B2 cuộn kích từ KJ  tiếp điểm thường đóng của rơle d1  R17  dây 0. Khi điện áp máy phát UF = 60%Uđm thì d1 hoạt động mở tiếp điểm của nó ra và quá trình tự kích được tiếp tục nhờ mạch tạo xung đã điều khiển mở Th hoàn toàn, như vậy Th đã tham gia quá trình tự kích của máy phát từ lúc điện áp đạt 60%Uđm. - Nguyên lý điều chỉnh của hệ thống: Giả sử khi máy phát nhận tải, điện áp máy phát giảm xuống, một phần điện áp của máy phát được bù lại nhờ tín hiệu dòng tăng, phần khác do sự hoạt động của phần điều chỉnh theo độ lệch điều khiển cho Th mở sớm hơn. Quá trình đó xảy ra như sau : UF  UR7  P1 khoá bớt lại  K3 nạp nhanh và lớn hơn  P2 thông hơn  UR13  P3 khoá bớt lại  K2 nạp nhanh hơn, và đạt đến giá trị phóng  P4 phát xung sớm hơn Th mở sớm hơn  IKT  UF . Còn khi máy phát giảm tải thì quá trình xảy ra ngược lại, khi đó Th mở muộn hơn, dòng kích từ IKT giảm và điện áp của máy phát giảm xuống. * Các chỉnh định: - Ta có thể điều chỉnh chiết áp R5 để UF thay đổi ±5%, độ chính xác ±1% trong toàn bộ giới hạn tải cos = 0.8 ữ 1 và n thay đổi ±3% . Chỉnh chiết áp R6, ta đặt ngưỡng mở cho P1. 5.3.Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp tàu Hồng Kông Pioneer . Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp của tàu Hong Kong Pioneer là hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp giữa phức hợp pha song song và điều chỉnh theo độ lệch. Máy phát thuộc loại máy phát đồng trục không chổi than. 5.3.1 Giới thiệu phần tử. Trang 83 Cross - current compensating circuit Gen. voltage detecting circuit Error amplifier circuit Comparator circuit Gate drive circuit Power circuit Frequency detecting circuit Tranformer Reactor Current tranformer EXG 100 Reference voltage + 13V- Hình 5.11 Sơ đồ 1 dây  Kênh điều chỉnh theo độ lệch: CROSS – CURRENT COMPENSATING CIRCUIT: Mạch điều chỉnh độ hữu sai đặc tính U = f(Q). GEN.VOLTAGE DETECTING CIRCUIT: Mạch đo điện áp máy phát. ERROR AMPLIFIER CIRCUIT : Mạch khuyếch đại tín hiệu lệch. COMPARATOR CIRCUIT : Mạch so sánh. VOLTAGE SETTING DEVICE : Thiết bị chỉnh đặt điện áp. POWER CIRCUIT : Mạch cấp nguồn. FREQUENCY DETECTING CIRCUIT : Mạch nhạy cảm tần số. GATE DRIVE CIRCUIT : Mạch điều khiển TRANSFORMER : Biến áp. EX : Máy phát kích từ. Tín hiệu điện áp chuẩn được lấy qua mạch POWER CIRCUIT đưa đến so sánh với điện áp của máy phát được lấy qua mạch GEN.VOLTAGE DETECTING CIRCUIT.Tín hiệu chênh lệch điện áp đưa đến bộ khuếch đại để điều chỉnh góc mở của tiristor SCR1.  Kênh điều chỉnh theo phức hợp pha : Tín hiệu áp được lấy thông qua cuộn cảm REACTOR. Trang 84 Tín hiệu dòng được lấy thông qua biến dòng 2 pha, hai tín hiệu này được cộng điện đưa đến cầu chỉnh lưu cấp cho cuộn kích từ. - Sơ đồ mạch: SCR1 : Thyristor. LK : Biến dòng. AXPT : Biến áp. PRINTED BORAD : Bảng mạch. Biến dòng LK lấy tín hiệu dòng để thực hiện việc phân bố tải vô công khi công tác song song giữa các máy phát. 5.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống. a. Quá trình tự kích ban đầu: - Khởi động động cơ Diesel lai máy phát đến tốc độ định mức. Khi đó do có từ dư ở lõi từ của cuộn dây kích từ của máy phát kích từ nên ở cuộn dây phần ứng máy phát chính xuất hiện tín hiệu điện áp có giá trị khoảng từ (2 ÷ 5%) Uđm, tín hiệu điện áp này thông qua cầu chỉnh lưu cấp cho cuộn kích từ. Cho đến khi máy phát được tự kích đến giá trị định mức thì quá trình tự kích kết thúc. b. Nguyên lý hoạt động của mạch hiệu chỉnh AVR: - Khi máy phát đang công tác tín hiệu điện áp được lấy thông qua cuộn cảm REACATOR, tín hiệu dòng được lấy thông qua biến dòng. Hai tín hiệu này cộng vectơ với nhau rồi cấp đến cầu chỉnh lưu, dòng một chiều sau chỉnh lưu được cấp cho cuộn kích từ của máy phát kích từ. Cứ như vậy mạch phức hợp pha luôn đảm bảo cho điện áp máy phát có giá trị từ (100 ÷ 115%) Uđm. . Đồ thị véc tơ của mạch phức hợp pha như hình vẽ: UR IT -IT IR IRT IKT IST UT UST US Hình 5.12: Đồ thị véctơ Trang 85 c. Qúa trình phân chia tải vô công : - Khi dòng tải thay đổi, IR và IT thay đổi làm cho hiệu IR – IT thay đổi. Tải tăng, IR – IT tăng, dòng kích từ IKT tăng. Tải giảm dòng IKT giảm để giá trị điện áp máy phát không đổi. - Khi tính chất tải thay đổi thì  tăng, phản ứng phần ứng làm giảm điện áp máy phát. Từ đồ thị véctơ  tăng, góc  tăng làm IKT tăng giữ điện áp máy phát không đổi. - Mạch phức hợp pha trong các hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên lý kết hợp luôn đảm bảo điện áp máy phát có gía trị khoảng 110% Uđm . UR -IT IR IRT IKT IST   Hình 5.13 Đồ thị véc tơ Từ đồ thị ta có nhận xét : Khi tải tăng lên, véc tơ biểu diễn giá trị dòng tải II sẽ lớn dần lên, dẫn đến véc tơ IF lớn lên và dòng kích từ tăng lên. Khi tính chất tải thay đổi, giả sử hệ số công suất giảm xuống, lúc đó góc  tăng lên, điện áp giảm xuống thì dòng IF cũng sẽ tăng lên. Và dòng kích từ tăng lên, dẫn đến điện áp máy phát được phục hồi. - Mạch hiệu chỉnh AVR sẽ cú nhiệm vụ đưa điện áp máy phát trở về Uđm. d. Mạch AVR có 2 nhiệm vụ: - Giữ điện áp máy phát ở giá trị định mức. - Phân phối tải phản kháng khi các máy phát công tác song song. Khối AVR được chế tạo dưới dạng mạch in. Tín hiệu điện áp vào lấy qua biến áp AXPT 125V.8A đưa tới khối nguồn để cấp cho toàn bộ khối AVR và tạo điện áp chuẩn để đưa tới khâu so sánh. Tín hiệu điện áp cũng được đưa tới khâu đo điện áp và tần số. Tín hiệu ra từ khối đo điện áp được so sánh với điện áp chuẩn từ khối nguồn và đưa tới khối khuếch đại sai Trang 86 lệch rồi gửi tới mạch so sánh. Nếu tần số của điện áp máy phát không đạt yêu cầu ( nhỏ hơn 80%fđm ) thì mạch AVR sẽ bị khóa hay điện áp phát ra bằng không. Khi tần số máy phát lớn hơn giá trị định mức thì thông qua mạch hiệu chỉnh tấn số làm điện áp máy phát bằng giá trị định mức. Mạch so sánh hoạt động đưa tín hiệu tới mạch tạo xung mở thyristor làm rẽ mạch dòng điện đưa tới mạch kích từ của máy phát kích từ, kéo điện áp máy phát về giá trị định mức. Khi các máy phát công tác độc lập, tín hiệu dòng lấy từ thứ cấp biến dòng ( K1- L1) được nối ngắn mạch với tiếp điểm phụ của aptomat. Khi các máy phát công tác song song, tín hiệu từ dòng tải của hai máy phát nối với chân C3,C4 các khối hiệu chỉnh AVR. Khi tải phản kháng các máy phát ( tỷ lệ với dòng tải của các máy phát ) cân bằng, không có tín hiệu điều chỉnh lên kích từ của máy phát. Khi dòng tải phản kháng mất cân bằng, tín hiệu dòng từ biến dòng đưa tới khối bù dòng tác động lên mạch đo điện áp trong AVR để điều chỉnh kích từ máy phát, qua đó cân bằng tải phản kháng cho các máy phát 5.4. Đánh giá ưu nhược điểm của các nguyên tắc điều chỉnh điện áp. a. Đánh giá ưu nhược điểm. Như trên đã trình bày ta có thể thấy rõ hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nhiễu loạn có độ chính xác kém và không có khả năng giữ ổn định điện áp được do tất cả các nguyên nhân. Còn hệ thống điều chỉnh theo độ lệch không quan tâm đến cụ thể nguyên nhân nào gây sự dao động điện áp mà cứ có sự sai lệch điện áp khỏi giá trị chuẩn hệ thống sẽ có tín hiệu điều chỉnh dòng kích từ để sự sai lệch đó mất đi. Riêng đối với nguyên tắc kết hợp thì nó tận dụng được những ưu điểm cơ bản của hai nguyên tắc trên. b. Từ đó rút ra ý tưởng thiết kế một bộ tự động điều chỉnh điện áp điển hình. Từ những ưu nhược điểm ấy có thể thấy rằng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý kết hợp là tối ưu hơn cả. Sau thời gian nghiên cứu về máy phát đồng bộ cũng như bộ tự động điều chỉnh điện áp cho máy phát em quyết định lựa chọn một sơ đồ thực tế để nghiên cứu (sơ đồ sẽ đươc trình bày dưới đây). Các thông số tính chọn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tiễn áp dụng cho một máy phát không chổi than công suất lớn. 5.5. Nghiên cứu, thiết kế 1 bộ tự động điều chỉnh điện áp điển hình. 5.5.1.Đề suất sơ đồ điều chỉnh điện áp. Dưới đây là một sơ đồ nguyên lí của một hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lí độ lệch, Các thông số Uđm =380V,f= 50-60Hz, Ikt =0-20A,. Mạch sử dụng thysritor để điều chỉnh dòng kích từ. Trong mạch AVR này phối hợp 4 mạch cơ bản là: - Mạch giới hạn U/f. - Mạch tự kích ban đầu. Trang 87 - Mạch phân chia tải vô công. - Mạch điều chỉnh điện áp cho máy phát. k l C T J13 J19 1 2 1 2 J1 4 12 G 5 6 1 2 3 7 8 4 9 10 a v r R S T k l 3~KT Hình 5.14 Sơ đồ hệ thống tự động điếu chỉnh điện áp. Trang 88 J4 R60 R41 R43R59R44 R42 R45 R49 R1 R61R50 R40 R38 R39R35 R34 R33 R54 R53 R37 R52 R51 C19 C27C25 C20 C16C21 C 15 C14 C33 C32 C18 D12 D16 D13 D1 D14 D10 D1C13 Q1 Q2 Q3 Q10Q9 Q8 Q6 R36 C17 D17 R47 R48 J1 4 CL1 C26 C12 C28 R27 R30 R31 D9 R28 R29 R32 Q7 BC328 Q5 BC337 J18 2 5 + - +- 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 6 5 4 16 15 14 13 12 11 10 9 SW DIP - 8 SW1 SW2 SW 3 DIP-3J13 J19 C24 C23 C7 C22 C1 C31 C29 C30 C4 C2 C6C5 C8 C9 C10 C11 R 58 R55 R62 R57 R63 R64 R65 R66 R67 R68 R69 R3 R56 R8 R7 R5 R9 R10 R11 R13 R12 R14 R16 R15 R19 R17 R20 R20 R22 R23 R25 R24 R26 D3 D2 D4 D5 D6 C3 R18 4 11 4 11 4 11 4 11 J9 J10 J11 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 12 1 2 3 4 Vcc+15V Vcc+15V Vcc +15V 1 3 14 2 7 11 7 13 12 14 10 14 7 9 8 4 14 6 5 7 U2B U2D U2A U2C CD4001B CD4001B CD4001B CD4001B Vcc +30V Vcc +15V U0 U0 Vcc+15V U®k 1 3 4 6 7 8 9 10 FUSE Vcc+30V Vcc +15V + - Vcc +30V + Vcc+30V + - Vcc+30V 1 3 2 7 6 5 8 9 10 14 13 12 U1D U1C U1B U1A Q4 BC337 LM324 LM324 LM324 LM324 + - Vcc +30V Hình 5.15 :Sơ đồ nguyên lý hệ thống tự động điều chỉnh điện áp Trang 89 5.5.2 Nguyên lý hoạt động: a. Giới thiệu phần tử. Điện áp máy phát thông qua biến áp 3 pha đưa tới cầu nối J18. Tìn hiệu dòng lấy máy phát thông qua biến dòng đưa tới cầu nối J18. Cầu nối J18 bao gồm: - Các chân 1,2,3,4 : Nối tới 3 cuộn thứ cấp của biến áp và chân mát. - Các chân 5,6 : Nối tới thứ cấp biến dòng. - Các chân 7,8 : Cấp nguồn 220V cho cuộn kích từ. - Các chân 9, 10 : Nối với cuộn kích từ. - R55 ,R57,R62…R69.và SW1,SW2, SW DIP-3, SWDIP-8 : Phân chia tải vô công. - Cầu điốt D4,D5,D6: Tạo điên áp nguồn 30V,15V cấp cho LM324 và CD4001B. *Mạch tỉ lệ U/f : Bao gồm các KĐ LM324,Thyristor Q4,và mạch lưu giá trị U2A,U2B,U2C,U2D. R18 : Tạo tín hiệu tần số đặt ban đầu. Tín hiệu đầu ra U1A ta được điện áp chuẩn U0 đem tới so sánh với điện áp thực của máy phát. *Mạch tự kích ban đầu: Cấu điốt D8. Q7 và Q5 tạo thành mạch Trigơ Smith, Q3 MostFet ,Thysristor công suất Q2. *Mạch điều chỉnh điện áp: - Transitor Q6,Q8,Q9,Q10,Thysristor Q1. - Điốt phóng điện D15 (bảo vệ cuộn kích từ). - J4 cầu chì. b. Sơ đồ chân một số linh kiện : - C4001B và LM324. Hình 5.16. Sơ đồ chân IC LM324 Trang 90 Hình 5.17 .Sơ đồ chân CD4001B. - MU10: Hình 5.18 Hình dáng bên ngoài của Mosfet Q3 ( MU10); - Transitor BC337 Hình 5.19 Sơ đồ chân transritor Q6, Q10(BC 337) Trang 91 - Tranitor BC328 Hình 5.20 Sơ đồ chân Transritor Q8, Q9 (BC 328 ) - Thyristors công suất Q1 và Q2 Hình 5.21 Hình dáng bên ngoài của thyristors Công suất Q1 và Q2 (S2800). c. Nguyên lý hoạt động:  Mạch tự kích: Tín hiệu máy phát thông qua chân J14 ,qua cầu chình lưu D8 cấp cho Q7 và Q5 tạo ra mạch trigơ Smith mạch náy có tác dụng tự kích nhanh chóng Ukt máy phát lên 150V. Khi khởi động máy phát, lúc này Ukt còn nhỏ. Tìn hiệu qua mạch Q7,Q5 cấp tín hiệu Uđk=0V cho Q3, Q3 phát xung điều khiển Q2 Q2 thông nhất Q1 mở hết cỡ Ukt tăng lên. Khi Ukt =150V Uđk Q3 đóng Q2 đóng lại mạch tự kích ngừng hoạt động. Lúc này nhờ tín hiệu phản hồi áp từ máy phát thông qua mạch điều chỉnh sẽ đưa điện áp máy phát tới giá trị định mức.  Mạch tạo tín hiệu điện áp chuẩn U0: Trang 92 Tín hiệu điên áp máy phát được lấy từ 2 cuộn thứ cấp của biến áp thông qua chân 1 và 2 của J18 đưa tới D2 và D3 đưa tới cổng đảo của U1D tín hiệu ra dưới dạng xung đưa tới điều khiển Q4 tín hiệu sau Q4 đưa tín hiêu tới mạch lưu giá trị bao gồm: U2A, U2B, U2C, U2D . Tín hiệu ra đưa tới bộ lọc Better win bao gồm : U1C, U1B, tín hệu sau bộ lọc là dạng điện áp tỉ lệ với tần số, đưa tới cổng + của U1A ta được điện áp Ve ~f, tín hiệu Ve sau khi qua U1A ta được Ve= k.U0,.  Mạch điều chỉnh điện áp. Điện áp máy phát UMF được lấy qua biến áp, qua R58, qua mạch phân chia tải vô công ( R55-R69và SW1.SW2.SW-DIP 3,SW-DIP8) đưa đến cầu chỉnh lưu D4 ta được điện áp 1 chiều. Tín hiêu phản hồi điện áp máy phát được lấy qua chiết áp R7 tới Emiter của Q6 so sánh với điện áp chuẩn U0, Ta có : = U0 - UMF. Khi UMF . Q6 thông nhiều hơn điện áp rơi trên R34 tăng Q8 thông nhiều hơn tụ C14 nạp nhanh hơn UJT do Q9 và Q10 tạo thành phát xung sớm hơn Q1 thông hơn Ikt UMF t . Khi UMF tăng quá trình diễn biến tương tự theo chiều ngược lại.  Mạch phân chia tải vô công: Điều chỉnh tải vô công theo đặc tính ngoài. Tín hiệu dòng thông qua biến dòng đưa vào chân 5 và 6 của J18, thông qua cầu điện trở R55-R69 và SW1.SW2...SW-DIP 3,SW-DIP8. Quá trình thực hiện việc phân chia tải vô công thông qua các điện trở và SW.  Chỉnh định: - Thay đổi điện áp máy phát Umf= ± 5%Uđm bằng cách chỉnh R7. - Chỉnh độ ổn định của mạch điều chỉnh thông qua R53. - Chỉnh độ khuyếch đại của bộ ĐCĐA thông qua R39. - Chỉnh U/f (giá trị của mạch lưu giá trị f) thông qua R18. 5.5.3.Giải thích 1 số chức năng. a. Mạch tạo điện áp nguồn 15V và 30V: Mạch có nhiệm vụ tạo các điện áp 1 chiều 15V và 30V để nuôi các khuếch đại thuật toán LM324 và phần tử logic CD4001B. Trang 93 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 6 5 4 16 15 14 13 12 11 10 9 SW DIP - 8 SW1 SW2 SW3 DIP-3 J13 J19 C24 C23 C7 C22 C1 C31 C29 C30 C4 R 58 R55 R62 R57 R63 R64 R65 R66 R67 R68 R69 R3 R56 R8 R7 R5 R9 D3 D2 D4 D5 D6 C3 Vcc+30V Vcc +15V B C 5 6 1 2 1 2 Hình 5.22. Mạch tạo điện áp 15V và 30V Tín hiệu điện áp máy phát thông qua biến áp, qua mạch phân chia tải vô công cấp cho cầu chỉnh lưu D4 tạo thành điện áp 1 chiều , qua R8và điốt ổn áp D5 tạo điện áp 30 V và qua R56, R9, điốt D6 tạo điện áp 15V. Tụ C1, C23, C24, C29, C30, C3, C7, C4, C22 tạo thành các mạch lọc. b. Mạch tỉ lệ U/f: Mạch này có nhiêm vụ tạo điên áp chuẩn U0 đem tới so sánh với điện áp thực của máy phát,nhằm điều chỉnh Ikt khi điện áp máy phát tăng hoặc giảm trong quá trình máy phát hoạt động. Tín hiệu điện áp chuẩn U0 mà mạch tạo ra tỉ lệ với tần số của máy phát hay là tỉ lệ U/f= const. Nhằm không cho máy phát phát ra điện áp khi tần số quá thấp ( < f1 ) tránh quá tải cho mạch động lực tạo ra dòng kích từ. Mạch sử dụng Transitor BC337, IC LM324, Các phần tử Logic CD4001B. Điện áp máy phát qua D2 và D3 thông qua R10, R11đưa tới cổng đảo của U1D, tín hiệu sau C2 tỉ lệ với tần số f. tín hiệu sau U1D có dạng xung, xung này đưa đến điều khiển Q4 BC (337). Trang 94 t U 0 0 f Vcc+15V Vcc +15V Vcc +15V Vcc +15V 1 3 14 2 7 11 7 13 12 14 10 14 7 9 8 4 14 6 5 7 U2B U2D U2A U2C Q4 BC337 CD4001B CD4001B CD4001B CD4001B C6C5 R16 R15 R19 R17 R18 + M¹ch t¹o xung ®iÒu khiÓn Q4: + M¹ch l­u gi¸ trÞ tÇn sè: Vcc +15V B D + - Vcc +30VVcc +30V 14 13 12 U1D LM324 C2 R10 R11 R13 R12 R14 4 11    C E 0 U1 U1 D Tín hiệu sau Q4 đưa đến mạch lưu giá trị U2A, U2B, U2C U2D,. Tín hiệu sau khi qua mạch này sẽ lưu giá trị tần số trong 1 chu kì, ta có thể điều chỉnh giá trị của thông qua R18. Tín hiệu ra ra sau khi đi qua mạch lọc Better Win U1C và U1B ta được điện áp chuẩn Uo có dạng. t + - Vcc +30V + Vcc +30V 7 6 5 8 9 10 U1C U1B LM324 LM324 C8 C9 C10 C11 R20 R20 R22 R23 4 11 4 11 Ve 0 Ve U + - Vcc +30V 1 3 2 U1A LM324 R25 R24 R26 4 11 U0 E Sau khi qua U1A ta được điện áp U0 ~ f : Ve= k.U0. Trang 95 U U f fdm0 f1 kt 150v 380v dm U Hình 5.23 Đồ thị mối quan hệ giữa U và f. Khi fMF < f1 thì mạch sẽ điều chỉnh Ukt=0V Umf =0V. Khi Ukt = 150V, f = f1 mạch sẽ thực hiện quá trình điều chỉnh U/f cho đến khi U = Uđm và f = fđm. c. Mạch tự kích . Khi khởi động máy phát để cải thiện quá trình tự kích ban đầu của máy phát. Mạch có tác dụng nhanh chóng đưa điện áp máy phát lên giá trị định mức. Điện áp máy phát thông qua cuộn thứ cấp của biến áp ( chân 3 và 4 của J18) thông qua cầu chỉnh lưu D8 thành dòng 1 chiều đưa tới mạch Trigơ Smith. Khi khởi động máy phát, lúc này Ukt còn nhỏ. Tìn hiệu qua mạch Q7,Q5 cấp tín hiệu Uđk=0V cho Q3, Q3 phát xung điều khiển Q2 Q2 thông nhất Q1 mở hết cỡ Ukt tăng lên. Khi Ukt =150V Uđk Q3 đóng Q2 đóng lại mạch tự kích ngừng hoạt động, lúc này mạch điều chỉnh sẽ lấy phản hồi áp từ máy phát và điều chỉnh điện áp máy phát lên giá trị định mức. R27 R30 R31 D9 R28 R29 R32 Q7 BC328 Q5 BC337 A +- 1 2 3 U®k 12 150v U f J1 4 CL1 C26 C12 C28 Hình 5.24 Mạch tự kích ban đầu. Trang 96 d. Mạch điều chỉnh điện áp máy phát. Điện áp máy phát được lấy thông qua R7 đến so sánh với điện áp U0. Thông qua giá trị ΔU =U0 – UF mà các transitor Q6, Q8 ,Q9, Q10 ( Q9 và Q10 tạo thành UJT) phát xung điều khiển Q1 làm cho dòng kích từ thay đổi tăng hay giảm đưa điện áp máy phát về giá trị định mức. Mạch sử dụng các linh kiện điện tử sau: Q3, Q6, Q8, Q9, Q10, Q2, Q1. MU10. J4 R60 R41 R43R59R44 R42 R45 R49 R1 R61R50 R40 R38 R39R35 R34 R33 R54 R53 R37 R52 C19 C27C25 C20 C16C21 C 15 C14 C33 C32 C18 D12 D16 D13 D15 D14 D10 D1C13 Q1 Q2 Q3 Q10 Q9 Q8 Q6 R36 C17 D17 R47 R48 J20 A J18 2 3 4 5 6 7 8 9 10 + - J9 J10 J11 U0 1 2 1 2 1 2 1 3 4 2 1 2 U®k R51 H×nh 5.25 M¹ch ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p e. Mạch phân chia tải vô công . Khi các máy phát công tác song song thì việc phân chia tải vô công được thực hiện thông qua cầu điện trở từ R55- R69 và các công tắc SW1, SW2 .SW DIP-3… SW DIP -8. Mạch thực hiện phân chia tải vô công bằng phương pháp điều khiển đặc tính ngoài thông qua việc lấy tín hiệu từ dòng tải máy phát ( Hình 5.27). J18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 6 5 4 16 15 14 13 12 11 10 9 SW DIP - 8 SW1 SW2 SW3 DIP-3J13 J19 R 58 R55 R62 R57 R63 R64 R65 R66 R67 R68 R69 D2 1 2 1 2 D3 R S T R ba kC T k ll U v Hình 5.26 Mạch phân chia tải vô công và sơ đồ tương đương. Từ sơ đồ tương đương ta có: - Điện áp dây lấy từ 2 pha S,T: UST Trang 97 - Dòng pha R được lấy thông qua biến dòng CT và biến trở R. Hai tín hiệu này đươc đưa tới mạch đo và so sánh phía sau. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được giới thiệu như sau: UR UT US UST -UT IRP IRIRT IRP.R UST UV IRT.R 0 Hình 5.27 Sơ đồ vector IR: Dòng tải của pha R IRT: Thành phần tác dụng của dòng IR IRP :Thành phần phản tác dụng của dòng IR Điện áp dây pha S, T là UST được cộng đại số với thành phần điện áp rơi trên R do thành phần dòng tải phản tác dụng và cộng hình học với điện áp rơi trên R do thành phần tác dụng. Cuối cùng điện áp đưa đến điện áp đưa đến phần tử so sánh là UV. UV khác UST (UV UST) bao nhiêu chủ yếu là do điện áp rơi IRP.R . Vì vậy nó chính là thành phần làm nhỏ bớt điện áp của máy phát. Như vậy độ nghiêng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào giá trị của thành phần phản tác dụng . Để thay đổi độ nghiêng của đặc tính ngoài cùng 1 chỉ số dòng dòng IRP ta chỉ việc thay đổi giá trị biến trở R.  Giả sử UMF1 UMF2 Khi chưa có R thì : U1 = U0 –UST Khi có R: U2 =U0 - ( UST + IRP .R) Vì vậy : Để thay đổi độ nghiêng đặc tính ngoài ta chỉ việc thay đổi biến trở R. Trang 98 Phần 3 Kết luận Sau thời gian 3 tháng làm luận văn em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Đinh Anh Tuấn, cùng các thầy giáo trong khoa Điện- Điện tử tàu biển và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp, em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp theo yêu cầu của đề tài là: Trang thiết bị điện tàu Hong Kong Pioneer. Đi sâu trạm phát và vấn đề ổn định điện áp cho máy phát. Trong luận văn của mình em đã trình bày được một số vấn đề như sau: - Trong phần trang thiết bị điện của tàu em đã giới thiệu được những nét cơ bản của các hệ thống: Hệ thống lái, Hệ thống điều khiển nồi hơi, Hệ thống neo, Hệ thống bơm ballast,Quạt gió buồng máy, Máy nén khí. Ở mỗi hệ thống em đã nêu được các phần tử của hệ thống và nguyên lý hoạt động của hệ thống. - Trong phần đi sâu nghiên cứu Trạm phát và vấn đề ổn định điện áp cho máy phát em đã nêu được: Bảng điện chính và nguyên lý hoạt động của MSB. Đồng thời em cũng tìm hiểu vấn đề ổn định điện áp cho máy phát trên tàu thủy và thuyết minh một số sơ đồ AVR. Trong đó nghiên cứu thiết kế 1 bộ tự động điều chỉnh điện áp điển hình. Trang 99 Qua quá trình làm việc em đã được trang bị và học hỏi thêm rất nhiều kiến thức bổ ích, có lợi cho công việc của em sau này. Trước hết là ý thức tự giác trong công việc. Bên cạnh đó em đã nắm bắt được một số phương pháp cơ bản khi đọc sơ đồ và tìm đọc sơ đồ để phục vụ cho tìm hiểu sơ đồ. Tuy nhiên do trình độ nhận thức của em còn có hạn nên đề tài của em chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp nhận xét của các thầy cô cũng như các bạn đồng nghiệp để đề tài của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Đinh Anh Tuấn, các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện Tử Tàu Biển và các bạn trong lớp đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp! Hải Phòng, ngày 25 tháng 01 năm 2010 Sinh viên thực hiên Lê Đình Tú Tài liệu tham khảo [1] Trạm phát điện tàu thủy - Bùi Thanh Sơn.Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội 2000. [2] Giáo trình phần tử tự động - Th.S PHAN ĐĂNG ĐÀO. Nhà xuất bản Hải Phòng, Đại Học Hàng Hải. [3] Trạm Phát và lưới điện tàu thuỷ - GS.TSKH THÂN NGỌC HOÀN, Ts. NGUYỄN TIẾN BAN. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật [4] Truyền động điện tàu thuỷ - KSĐT. Lưu Đình Hiếu - Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam. [5] Công ty đóng tàu Phà Rừng : Tài liệu tàu dầu 6500T. [6] Datasheet các linh kiện điện tử.