JE-HYO-B-01
ỷ
Phát đi n Thu ệ đi nệ
III. Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện
III.1 Chức năng và nguyên lý làm việc của máy điều tốc
Máy điều tốc của tua bin là thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ của
máy phát điện. Các chức năng chính của máy điều tốc:
dừng máy
a. Chức năng điều tốc - Điều ch nỉ h tốc độ quay của tua bin trong quá trình khởi đ ng/ộ - Điều ch nỉ h tốc độ quay của tua bin trong quá trình làm việc với tải. b. Chức năng điều tải - Điều khiển cánh hướng nước và van kim ... để điều ch nỉ h công suất phát. c. Chức năng bảo vệ khi tốc độ quay tăng lên không bình thư ngờ - Điều khiển quá trình dừng tránh hiện tư nợ g tăng tốc không bình
thường trong trường hợp có hư h nỏ g sự cố.
lượng dầu áp
Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn đ nộ g và phần điều ch nhỉ . Phần dẫn đ nộ g được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển như bộ chuyển đ iổ , van khởi động/dừng, van điều khi nể , pít- tông điều khiển và van phân ph i..ố . Phần dẫn đ nộ g điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hướng b nằ g cách điều ch nỉ h lực vào servomotor, nó đóng m ở cánh hư nớ g của tua bin theo tín hiệu điều khiển từ . Phần điều chỉnh được cấu tạo bởi các bộ phận điện và phần điều ch nhỉ điện tử như các bản mạch và h ệ thống dây n iố . Phần điều chỉnh nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hướng..., dựa vào các tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác đ nộ g điều khiển chính xác và đưa tới phần dẫn đ ng.ộ
Hình III.4 minh họa sơ đồ khối của hệ th nố g điều khiển hoàn chỉnh cùng đối tượng thừa hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. Có hai loại phản h iồ , phản hồi c nứ g và phản hồi mềm. Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá trình vận hành ổn định trước khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song. Cơ cấu phản hồi c nứ g có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều ch nỉ h công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ th ng.ố
Hình III.5 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. Khi tốc độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xu ngố . Khi servomotor đóng lại, điểm tựa phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị t đứt. Tốc độ quay sau đó giảm xuống và đòn nối trở lại trí được vẽ b ng né
ằ
117
ẫ
i n (JICA-EVN) ệ
Dự án đào tạo giáo viên/hướng d n viên ngành đ
JE-HYO-B-01
ỷ
Phát đi n Thu ệ đi nệ
vị trí được vẽ b ng né
ằ
t liền.
118
ẫ
i n (JICA-EVN) ệ
Dự án đào tạo giáo viên/hướng d n viên ngành đ
(
JE-HYO-B-01
ỷ
Phát đi n Thu ệ đi nệ
Đối tượng điều khiển Thiết bị điều khiển
(Nhiễu)
Thiết bị giới
(Khối làm việc)
hạn tải 77
Tải hệ thống
Độ mở
(Giá trị chuẩn) (Khối điều khiển )
(Phần điều
∆ω
(Phần làm vi c)ệ Servo motor
Thiết bị điều chỉnh tốc độ 65P
chỉnh ) Cơ cấu dầu áp lực
(Đối tượng điều khiển ) Tua bin và máy phát thủy lực
Cơ cấu phản hồi
Phản hồi âm
Phản hồi chính
(Bộ phận đo) Bộ phận đo tốc độ
Hình III.4 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc
Cơ cấu đo tốc độ (Bộ điều t c)ố
z x
y
Quả cầu Điểm tựa phản hồi
Khớp nối Đòn nối Van phân phối Dầu áp lực
Dầu thoát đi Bộ phận giảm chấn phản hồi cứng
Lỗ nhỏ Cam phản hồi cứng
Đóng Mở
Vòng hướng
119
ẫ
i n (JICA-EVN) ệ
Dự án đào tạo giáo viên/hướng d n viên ngành đ
JE-HYO-B-01
ỷ
Phát đi n Thu ệ đi nệ
Servo motor
Hình III.5 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
Cánh hướng
120
ẫ
i n (JICA-EVN) ệ
Dự án đào tạo giáo viên/hướng d n viên ngành đ
III.2 Phân loại máy điều tốc (1) Phân loại máy điều tốc a. Máy điều tốc cơ khí
Con lắc ly tâm được sử d nụ g làm nhiệm vụ đo tốc độ, lực ly tâm tác dụng
tốc
lên quả cầu sẽ thay đổi khi tốc độ quay thay đổi. Ngoài các máy điều tốc s ử d nụ g con lắc ly tâm làm bộ phận phát đ ngộ , còn có máy điều tốc sử dụng dây đai, máy điều tốc nối trực tiếp với trục chính của tua bin, máy điều tốc truyền đ nộ g b nằ g bánh răng và máy điều tốc sử d nụ g đ nộ g cơ đi nệ . Trong khi lực ly tâm được ứng d nụ g cho máy điều tốc con lắc ly tâm thì các loại máy điều tốc này được phát đ nộ g b nằ g lò xo, lò xo lá, hoặc lực tr nọ g trường. b. Máy điều điện
Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua mạch c nộ g hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển đ nộ g cơ khí b nằ g các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ. c. Các loại máy điều tốc khác
Máy điều tốc không có bộ điều tốc (Speederless governors) là máy điều tốc trong đó phần đo tốc độ sử d nụ g trong quá trình vận hành bình thư nờ g được bỏ qua, máy điều tốc chỉ làm nhiệm vụ đóng đư nờ g vào của y phát tăng lên không bình thường, tuy nhiên trong quá nước khi tốc đ máộ trình vận hành bình thư nờ g việc mở servomotor bị cấm bởi thiết bị giới hạn iả , chúng được kết nối với bộ phận điều chỉnh mức nước của bể áp lực . t
Máy điều tốc còn được phân ra làm hai lo iạ , loại một (loại A) là các máy điều tốc mà bản thân nó (phần dẫn đ ngộ ) và servomotor được đặt trong một h ệ th nố g hoàn chỉnh (Xem hình III.6), loại còn lại (loại B) là các máy điều tốc có hai phần trên tách rời nhau. Đối với loại B, phần dẫn đ nộ g được đặt trong một vỏ bọc và được nối với servomotor đặt trong gian tua bin b nằ g hệ th nố g ống dẫn thủy lực.
Ngoài ra, máy điều tốc còn được phân loại theo tua bin. Các máy điều tốc được mô tả ở trên sử d nụ g cho tua bin Francis, đối với các máy điều tốc s ử d nụ g cho tua bin cánh qu tạ , độ mở cánh tua bin tiếp nhận sự điều khiển tiếp theo từ cam, với các độ mở khác nhau của cánh hướng cho phép
quá trình vận hành hiệu quả cao. T nổ g quan về máy điều tốc được thể hiện trong Hình 1.4. Tương tự đối với máy điều tốc tua bin Pelton, ở đó cơ chế mở/đóng của bộ đo được điều khiển bởi máy điều tốc và độ mở của van kim tiếp nhận điều khiển tiếp theo cùng với độ mở của bộ đo. Cụ thể trong hình III.7, van kim được điều
H H
khiển thay vì cánh tua bin, bộ đo được điều khiển thay vì cánh hướng. Trong thực tế, bộ vi xử lý được sử d nụ g r nộ g rãi trong các hệ th nố g điều khiển k ỹ thuật số, phương pháp này còn được ứng d nụ g trong quá trình đưa kết quả tính toán của hệ th nố g điều khiển số tới bộ chuyển đổi điện-cơ để điều khiển cánh tua bin hoặc van kim, do đó cam cơ khí thường dùng để điều khiển cánh tua bin và van kim được thay thế theo phư nơ g pháp điện tử nói trên. Ngoài ra, trong các nhà máy điện loại nhỏ và trung bình, servomotor điện
không dùng dầu áp lực được sử d ngụ
Bộ đo thời gian
Cam Xy lanh khởi động Xy lanh dừng
Pít-tông Xy lanh Thiết bị giới hạn độ mở
Bộ d nừ g Cơ cấu vận hành bằng tay
ụ ngang
Hình III.6 (a) Mặt cắt MĐT cơ khí
Thanh pít-tông
Động cơ điện điều khiển
Chỉ thị điều tốc
Van phân phối Chỉ thị mức độ điều tốc
Cơ cấu vận hành bằng tay
Hình III.6 (b) Máy điều tốc cơ khí
⁄
Max
Góc quay của cánh tua bin Trục phản hồi cánh tua bin
Min Thanh nối trên Thanh phản hồi cánh tua bin
Độ mở của cửa
Tải trọng
Dây neo phản hồi cánh tua bin Cần điều Thanh nối dưới chỉnh cánh tua bin
Cam thay đổi góc mở cánh tua bin Thanh phản hồi của van điều khiển
Pít-tông điều khiển
Trục phản hồi cửa Tải trọng Servomotor cánh tua bin
Dây neo phản hồi cửa Hướng vào
Phần cuối của thanh servomotor cửa Pít-tông của van phân phối cánh tua bin
Van phân phối của cánh tua bin Dầu thoát
Hướng mở cánh tua bin Dầu áp lực
Van dầu thoát thường mở
Hình III.7 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua bin cánh quạt
Van dầu áp lực thư nờ g đóng
(2) Phân loại máy điều tốc theo hoạt đ ngộ
Theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện Nhật Bản, máy điều tốc được chia thành ba loại: Loại X, Loại Y và Loại Z, theo hoạt đ nộ g của chúng.
Bảng III.2 cho biết danh mục các hoạt động cả máy điều t c.ố
B nả g III.2 Danh mục các hoạt động của máy điều tốc
X
Y
Z (*7)
Loại
Mục Các hoạt đ ngộ
- Vùng chết (%) (*1) - Thời gian chết (S) (*2)
Nhỏ hơn 0,02 Nhỏ hơn 0,25
Nhỏ hơn 0,1 Nhỏ hơn 0,3
Chức năng
Không có Không có
Có thể được trang bị Có thể được trang bị
- Thiết bị kết nối (*3) - Thiết bị có đặc tính tốc độ quay là đường phức hợp
- Tự đ nộ g chuyển mạch
Có
Không có
hãm hoặc P.I.D.
điều
90~108 0~6
90~108 0~6
Vùng chỉnh
0~50
0~50
0~15
0~10
- Tốc độ quay (%) (*4) - Độ suy giảm tốc độ làm việc lâu dài (%) - Độ suy giảm tốc độ tức thời (%) (*5) - H nằ g s ố thời gian của
PMG hoặc SSG
Phương pháp đo tốc độ (*6)
Không có bộ phận đo tốc độ
PMG, SSG, PT, ...
DC
PMG hoặc DC
DC hoặc AC
Cung cấp năng lượng điều khiển máy điều tốc
PMG, hoặc PT
PMG: Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu SSG: Máy phát tín hiệu tốc độ (Chú ý)
(*1) Vùng chết cho biết trị số biên độ của tốc độ quay yêu cầu để khởi đ nộ g (hoặc dừng) vận hành cánh hư nớ g tua bin (Nói đúng ra đây phải là [cửa nhận nước], tuy nhiên, cánh hư nớ g được nói tới ở đây mang tính tượng trưng) để dừng (hoặc khởi động) quá trình làm việc, đưa tốc độ tới trị số định mức định mức. Tuy nhiên, tốc độ quay trước sự biến đổi này được duy trì ở tốc đ đ nộ ị h mức và được thay đổi từ từ. Khi có thêm servomotor phụ, vùng chết của servomotor phụ được mô tả tương tự như vùng chết của máy điều tốc.
(*2) Thời gian chết biểu thị kho nả g thời gian từ khi vận tốc quay thay đổi tại thời điểm bắt đầu quá trình dừng tải hoàn toàn đến khi cánh hư nớ g chuyển đ ngộ . Nếu như máy điều tốc được trang bị servomotor phụ, khoảng thời gian đó được tính đến khi servomotor phụ khởi động và được mô tả tương tự như [Thời gian chết của máy điều t c].ố Đối với các servomotor điện, thời gian chết khác nhau và thời gian chết tương đương có thể lớn hơn phụ thuộc vào độ trễ của cơ cấu
làm việc. (Xem hình III.8(a)). Vì vậy cần tính toán mức độ dao đ nộ g tốc
8 8
độ và áp suất thủy lực tương đương theo thời gian chết tư nơ g đương (khoảng 0,25 - 0,4s).
(*3) Nhà máy điện là nơi đòi hỏi có sự kết n iố , (được áp d nụ g
trong máy điều tốc Loại X).
(*4) Quan hệ giữa tốc độ quay và hành trình của servomotor được minh họa trên hình III.8(b). Phần gạch chéo là phần có thể điều chỉnh được trong trường hợp độ suy giảm tốc độ b nằ g 6%.
(*5) Độ suy giảm tốc độ và h nằ g số thời gian của mạch hãm (phản hồi mềm) được nói tới trong các máy điều tốc có mạch hãm. Trong trường hợp này, điều chỉnh bậc thang có thể sử dụng thay cho điều chỉnh liên t c.ụ
(*6) Trong các phương pháp đo vận tốc quay, phương pháp PT không thể đo vận tốc quay trong tình tr nạ g không có điện áp máy phát (trong quá trình nạp điện và làm khô khi thử nghiệm) vậy nên cần phải chú ý.
(*7) Máy điều tốc Loại Z là một thiết bị điều tải chỉ thông qua quá trình điều chỉnh độ mở của cánh hư ngớ , không được trang bị thiết bị đo tốc độ. Tuy nhiên thiết bị này có chức năng điều khiển tốc độ nê máy phát có thể làm việc ở chế độ vận hành song song, điều chỉnh cánh hướng chỉ được áp d nụ g trong một số trư nờ g h p.ợ
Thời gian chết tương đương
Thời gian chết
Servomotor bắt đầu tác động
g n ớ ư h h n á c
)
%
ở m ộ Đ
( y a u q c ố
t n ậ V
Thời gian đóng tương đương
Hình III.8(a) Thời gian chết và thời gian
Hình III.8(b) Quan hệ giữa tốc độ quay và hành trình của servomotor
Thời gian Hành trình của servo motor (hoặc servomotor phụ ) (%)
(∗) Thời gian chết tương đ ngươ
τc ) Biểu thị khoảng thời gian từ khi tốc độ quay thay đổi đến thời điểm bắt đầu dừng máy tương đương (T c ).
Các nhà máy thủy điện được phân loại chung thành thủy điện kiểu đập và kiểu kênh dẫn, triển v nọ g của chúng đối với quá trình vận hành của lưới điện được quyết đ nị h bởi khả năng phát và tỷ lệ công suất phát hàng năm (tỷ lệ công suất phát sẵn có hàng năm) Các yếu tố này phụ thuộc vào tình trạng cung cấp nước của nơi nhà máy được xây dựng. Ví dụ, đối với các nhà máy , tần số của hệ điện công suất lớn có thể cung cấp lượng nước ổn đ nhị th nố g được điều ch nỉ h chính xác, đối với các nhà máy điện nhỏ và vừa kiểu kênh dẫn, việc cung cấp nước không ổn đ nhị , công suất phát phụ thuộc vào lượng nước. Do đó cần đề ra các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều t cố , trước hết cho phép lựa chọn chính xác máy điều tốc được lắp đặt mới hoặc thay thế.
Bảng III.3: Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc theo Tổ chức
Nghiên cứu Kỹ thuật điện (Nhật B n).ả
B nả g III.3 Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc
Các tiêu chuẩn có thể áp d ngụ
Loại
X
(a) Các nhà máy thủy điện tích năng (b) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện b nằ g các máy điều tốc làm việc tự do hoặc vận hành thiết bị AFC(Thiết bị điều chỉnh tần số tự đ ng).
ộ
(a) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện gi nố g ở Loại X. (b) Các nhà máy điện tương ứng với Loại X, thông qua chế độ vận hành đ nơ , tiến
Y
hành nạp theo đường thử nghiệm và nạp theo đ
nườ g cư nỡ g bức.
Z
(Máy điều tốc không có bộ điều tốc) (a) Các nhà máy điện không làm nhiệm vụ điều tần (b) Các nhà máy điện sử dụng máy phát cảm ứng.
III.3 Cấu tạo của máy điều tốc
Máy điều tốc theo định nghĩa trước đây là một tổ hợp các chức năng điều ch nỉ h độ mở của van tiết lưu. Mục này mô tả các chức năng đó được thực hiện như thế nào trong thực tế. Hình III.9 minh họa hệ th nố g điều khiển máy điều tốc cùng với các chức năng của nó. Các chức năng của chúng được giải thích theo hình vẽ. (a) Bộ phận đo tần số
Đây là bộ phận làm nhiệm vụ đo tốc độ quay (tần số) của tua bin thủy lực và PMG (Máy phát sử d nụ g nam châm vĩnh cửu) được nối trực tiếp với trục của máy phát hoặc thường được nối qua máy biến áp (PT) của máy phát. (b) Bộ phận đo độ lệch tần số (∆F)
Bộ phận này có bộ đặt tần số chuẩn và đo độ lệch tần số b nằ g cách so
sánh giá trị chỉnh định (50 hoặc 60 Hz) và tín hiệu từ PMG hay PT. Trong khối này
còn có các chức năng (1) điều ch nỉ h độ suy giảm tốc độ và (2) điều chỉnh vùng chết của tần số. (c) Thiết bị điều tần/tải
Thiết bị này thường được nói tới là 65P. Thiết bị điều tần/tải được sử dụng để điều chỉnh tần số khi đưa máy phát vào vận hành song song với lưới điện và khi người vận hành thực hiện điều ch nỉ h công suất máy phát. Đây là loại thiết bị chạy bằng đ nộ g cơ. (d) Cơ cấu phản hồi mềm và phản hồi cứng
Khi trọng lư nợ g của tua bin và máy phát lớn, tốc độ quay không thay đổi tức thời sau khi van tiết lưu của tua bịn đuợc điều chỉnh mở hoặc đóng. Nếu cho rằng tốc độ quay của tua bin thay đổi thì van tiết lưu được điều chỉnh đóng, m ở theo độ l cệ h tần số ∆F. Tuy nhiên, khi ∆F được duy trì, van tiết lưu sẽ được m ở hoặc đóng quá mức do đó tốc độ quay không thể đạt được trị số không đổi khi nó không thay đổi nhanh như trên. Thiết bị phản hồi có tác dụng hỗ trợ cho quá trình điều chỉnh ổn đ nhị , nó được cấu tạo bởi cơ cấu phản hồi c nứ g là thiết b ị điều tốc và cơ cấu phản hồi mềm là mạch hãm. (e) Bộ khuếch đại các tín hiệu thành phần
Các tín hiệu nói tới trong các mục (b), (c), và (d) được t nổ g hợp, khuếch đại b nằ g bộ khuếch đại số và khuếch đại công suất để phát ra tính hiệu truyền tới bộ chuyển đổi. Khối này còn có chức năng điều ch nỉ h theo dao động nhỏ. (f) Bộ chuyển đổi
Bộ chuyển đổi là thiết bị tạo ra các chuyển đ nộ g cơ khí tỷ lệ với tín hiệu
điện nhận được từ phần điện đã nói ở trên. (g) Van điều khiển
Chuyển đ nộ g cơ khí được chuyển thành sự thay đổi lưu lượng của dầu
áp lực để điều chỉnh pít tông điều khiển. (h) Pít tông điều khiển
ị
Đây là một servomotor được dẫn đ nộ g bằng dầu áp lực từ van điều khiển. Cần pít tông được nối trực tiếp với van phân phối và chuyển động theo van phân ph iố . Ngoài ra sự chuyển đ nộ g của cần pít tông còn được phản hồi trở v ề van điều khiển vì vậy có thể tạo ra được chuyển đ nộ g ổn đ nh. (i) Van phân phối
Đây là một khuếch đại thủy lực làm chuyển đ nộ g servomotor chính.
Van phân phối được điều khiển b nằ g pít tông điều khiển. (j) Servo motor
Được sử d nụ g để dẫn đ nộ g van tiết l uư . Trong một vài trường hợp sử d ngụ
một servomotor chính và một servomotor phụ. (k) Thiết bị giới hạn tải
Thiết bị này tạo ra một giới hạn theo đó van tiết lưu trên tua bin không . Trong nhiều trư nờ g hợp, thiết bị giới hạn tải được sử ưới d nạ g AWLR (Điều ch nỉ h mức nước tự đ ngộ ) hoặc ALR (Điều tải
iết bị này còn được sử d nụ g làm thiết bị khởi đ nộ g tua bin.
ộ
m ở quá mức quy đ nhị d ng d ụ tự đ ng). Th (l) Thiết bị d nừ g khẩn cấp
Van tiết lưu trên tua bin được đóng lại hoàn toàn bằng thiết bị này. Trong trường hợp tua bin phải d nừ g khẩn cấp vì trục trặc xảy ra đối với tua bin hoặc máy phát thì thiết bị này khởi đ nộ g và đóng hoàn toàn van tiết lưu của tua bin. Thông thường, thiết bị d nừ g khẩn cấp được khởi đ nộ g khi dừng tua bin thủy lực. (m) Van tiết lưu
Nó cho biết cánh hướng hoặc van kim (kim phun) có phù hợp với loại tua
bin được sử d nụ g hay không.
Thiết bị d ngừ khẩn cấp
Thiết bị điều ch nỉ h tần s /ố tải
Chuyển đổi
Van điều khiển
Píttông điều khiển
Van phân phối và servomotor
Đo độ l cệ h tần số
Van tiết lưu (Tua bin nư c)ớ
Khu cế h đại tín hiệu
ớ
Thiết bị giới hạn tải
Phản hồi c ngứ /mềm
(Phần dẫn động)
(Phần điện (Điều chỉnh))
Đo tần số (Máy phát)
Hình III.9 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc
