Máy điều tốc pdf

Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01
117
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)
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:
a. Chức năng điều tốc
- Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình khởi động/dừng máy
- Điều chỉnh 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 chỉnh công suất phát.
c. Chức năng bảo vệ khi tốc độ quay tăng lên không bình thường
- Điều khiển quá trình dừng tránh hiện tượng tăng tốc không bình thường
trong trường hợp có hư hỏng sự cố.
Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều
chỉnh. Phần dẫn động được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều
khiển như bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều
khiển và van phân phối Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh
hướng bằng cách điều chỉnh lượng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở
cánh hướng của tua bin theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều
chỉnh được cấu tạo bởi các bộ phận điện và điện tử như các bản mạch và hệ
thống dây nối. 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
động điều khiển chính xác và đưa tới phần dẫn động.
Hình III.4 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng
đối tượng thừa hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. Có hai loại phản
hồi, phản hồi cứng 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 cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu
dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất

phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống.
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 xuống. 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 trí được vẽ bằng
nét đứt. Tốc độ quay sau đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí được vẽ bằng
nét liền.
118
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)
Phát điện Thuỷ điện JE-HYO-B-01
Thiết bị điều khiển
Đối tượng điều khiển
Thiết bị giới
hạn tải 77
(Khối làm việc)
(Nhiễu)
Tải hệ thống
(Giá trị chuẩn)
Độ mở
(Phần điều
(Khối điều khiển )
Thiết bị
điều chỉnh
tốc độ 65P
chỉnh )
Cơ cấu dầu áp
lực
(Phần làm việc)
Servo motor

(Đối tượng điều
∆ω
khiển )
Tua bin và máy
phát thủy lực
Phản hồi âm
Cơ cấu
phản hồi
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 tốc)
Quả cầu
z
x
Điểm tựa phản hồi
y
Van phân
Khớp nối
Đòn nối
phối
Dầu áp lực
Bộ phận giảm chấn
phản hồi cứng
Dầu thoát đi
Lỗ nhỏ
Cam phản hồi cứng

Đóng Mở
Vòng hướng
Servo motor
Cánh hướng
Hình III.5 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
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 dụng làm nhiệm vụ đo tốc độ, lực ly tâm tác dụng
lên quả cầu sẽ thay đổi khi tốc độ quay thay đổi. Ngoài các máy điều tốc sử
dụng con lắc ly tâm làm bộ phận phát động, 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
động bằng bánh răng và máy điều tốc sử dụng động cơ điện. Trong khi lực ly
tâm được ứng dụng cho máy điều tốc con lắc ly tâm thì các loại máy điều tốc
này được phát động bằng lò xo, lò xo lá, hoặc lực trọng trường.
b. Máy điều tốc điện
Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua
mạch cộng 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 động cơ khí bằng 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 dụng trong quá trình vận hành bình thường được
bỏ qua, máy điều tốc chỉ làm nhiệm vụ đóng đường vào của nước khi tốc độ
máy phát tăng lên không bình thường, tuy nhiên trong quá trình vận hành bình
thường việc mở servomotor bị cấm bởi thiết bị giới hạn tải, chúng được kết nối
với bộ phận điều chỉnh mức nước của bể áp lực .
Máy điều tốc còn được phân ra làm hai loại, loại một (loại A) là các máy
điều tốc mà bản thân nó (phần dẫn động) và servomotor được đặt trong một hệ
thống 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 động được đặt trong một
vỏ bọc và được nối với servomotor đặt trong gian tua bin bằng hệ thống 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 dụng cho tua bin Francis, đối với các máy điều tốc sử
dụng cho tua bin cánh quạt, 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. Tổng 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
khiển thay vì cánh tua bin, bộ đo được điều khiển thay vì cánh hướng. Trong
thực tế, bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển kỹ
thuật số, phương pháp này còn được ứng dụng trong quá trình đưa kết quả tính
toán của hệ thống 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 phương 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 dụng
Bộ đo thời gian
Xy lanh khởi động
Cam
Xy lanh dừng
Thiết bị giới hạn độ mở
Pít-tông
Xy lanh
Cơ cấu vận
Bộ dừng
hành bằng tay
ụ ngang

Thanh pít-tông
Hình III.6 (a) Mặt cắt MĐT cơ khí
Động cơ điện điều khiển
Chỉ thị
điều tốc
Chỉ thị mức
độ điều tốc
Van phân phối
Cơ cấu vận
hành bằng tay
Hình III.6 (b) Máy điều tốc cơ khí
Trục phản hồi
cánh tua bin
Max
Góc quay của cánh tua bin
Thanh nối trên
Min
Thanh phản hồi
cánh tua bin
Độ mở
của cửa
Cam thay
đổi góc mở
cánh tua bin
Dây neo phản hồi
cánh tua bin
Thanh nối dưới
Thanh phản hồi của van điều khiển
Tải trọng
Cần điều chỉnh

cánh tua bin
Trục phản
hồi cửa
Tải trọng
Pít-tông
điều khiển
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
Dầu áp lực
Van dầu thoát thường mở
Hướng mở
cánh tua bin
Van dầu áp lực thường đóng
Hình III.7 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua bin cánh quạt
(2) Phân loại máy điều tốc theo hoạt động
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 động của chúng. Bảng III.2
cho biết danh mục các hoạt động cả máy điều tốc.
Bảng III.2 Danh mục các hoạt động của máy điều tốc
Loại
Mục
X Y Z (*7)

Các hoạt động
- 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
- Thiết bị kết nối (*3)
- Thiết bị có đặc tính tốc độ quay
là đường phức hợp
- Tự động chuyển mạch hãm
hoặc P.I.D.
Có thể được trang bị
Có thể được trang bị
Có
Không có
Không có
Không có
Vùng điều
chỉnh
- Tốc độ quay (%) (*4)
- Độ suy giảm tốc độ làm việc lâu
dài (%)
- Độ suy giảm tốc độ tức thời (%)
(*5)
- Hằng số thời gian của mạ
ch
hãm (S)
90~108

0~6
0~50
0~15
90~108
0~6
0~50
0~10
Phương pháp đo tốc độ (*6)
PMG hoặc SSG
PMG, SSG,
PT,
Không có bộ
phận đo tốc độ
Cung cấp năng lượng điều khiển máy điều tốc
PMG hoặc DC PMG, DC
hoặc PT
DC hoặc AC
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
động (hoặc dừng) vận hành cánh hướng tua bin (Nói đúng ra đây phải
là [cửa nhận nước], tuy nhiên, cánh hướng 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 độ
định 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 khoảng thời gian từ khi vận tốc quay thay
đổi tại thời điểm bắt đầu quá trình dừng tải hoàn toàn đến khi cánh

hướng chuyển động. 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 tốc].
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 động tốc
Độ mở cánh hướng
Vận tốc quay (%)
độ và áp suất thủy lực tương đương theo thời gian chết tương đương
(khoảng 0,25 - 0,4s).
(*3) Nhà máy điện là nơi đòi hỏi có sự kết nối, (được áp dụng 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 bằng 6%.
(*5) Độ suy giảm tốc độ và hằng 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 tục.
(*6) Trong các phương pháp đo vận tốc quay, phương pháp PT không
thể đo vận tốc quay trong tình trạng 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 hướng, 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 dụng trong một số trường hợp.
Thời gian chết tương đương
Thời gian chết

Servomotor bắt đầu tác động
Thời gian đóng tương đương
Thời gian
Hành trình của servo motor
(hoặc servomotor phụ ) (%)
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 chết tương đương
τ
c
) 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 vọng của chúng đối với quá trình vận hành của lưới điện
được quyết định 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 điện công
suất lớn có thể cung cấp lượng nước ổn định, tần số của hệ thống được điều
chỉnh chính xác, đối với các nhà máy điện nhỏ và vừa kiểu kênh dẫn, việc cung
cấp nước không ổn định, công suất phát phụ thuộc vào lượng nước. Do đó cần
đề ra các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc, 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 Bản).
Bảng III.3 Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc

Loại
Các tiêu chuẩn có thể áp dụng
X
(a) Các nhà máy thủy điện tích năng
(b) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện bằng các máy điều tốc
làm việc tự do hoặc vận hành thiết bị AFC(Thiết bị điều chỉnh tần số tự động).
Y
(a) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện giống ở Loại X.
(b) Các nhà máy điện tương ứng với Loại X, thông qua chế độ vận hành đơn, tiến hành
nạp theo đường thử nghiệm và nạp theo đường cưỡng 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
chỉnh 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 thống 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 dụng 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 bằng 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 chỉnh 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 chỉnh công suất máy phát. Đây là loại thiết
bị chạy bằng động cơ.
(d) Cơ cấu phản hồi mềm và phản hồi cứng
Khi trọng lượng 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, mở
theo độ lệch tần số ∆F. Tuy nhiên, khi ∆F được duy trì, van tiết lưu sẽ được mở
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 định, nó được cấu tạo bởi cơ cấu phản hồi cứng là thiết bị
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 tổng hợp, khuếch
đại bằng 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 chỉnh theo dao động nhỏ.
(f) Bộ chuyển đổi
Bộ chuyển đổi là thiết bị tạo ra các chuyển động cơ khí tỷ lệ với tín hiệu
điện nhận được từ phần điện đã nói ở trên.
(g) Van điều khiển
Chuyển động 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
Đây là một servomotor được dẫn động 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 phối. Ngoài ra sự chuyển động của cần pít tông còn được phản hồi trở về
van điều khiển vì vậy có thể tạo ra được chuyển động ổn định.
(i) Van phân phối
Đây là một khuếch đại thủy lực làm chuyển động servomotor chính. Van

phân phối được điều khiển bằng pít tông điều khiển.
(j) Servo motor
Được sử dụng để dẫn động van tiết lưu. Trong một vài trường hợp sử dụng
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 mở
quá mức quy định. Trong nhiều trường hợp, thiết bị giới hạn tải được sử dụng
dưới dạng AWLR (Điều chỉnh mức nước tự động) hoặc ALR (Điều tải tự động).
Thiết bị này còn được sử dụng làm thiết bị khởi động tua bin.
(l) Thiết bị dừng khẩn cấp
Van tiết lưu trên tua bin được đóng lại hoàn toàn bằng thiết bị này. Trong
trường hợp tua bin phải dừng khẩn cấp vì trục trặc xảy ra đối với tua bin hoặc
máy phát thì thiết bị này khởi động và đóng hoàn toàn van tiết lưu của tua bin.
Thông thường, thiết bị dừng khẩn cấp được khởi động 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 dụng hay không.
Thiết bị điều
chỉnh tần số/tải
Thiết bị dừng
khẩn cấp
Đo độ
lệch tần số
Khuếch đại
tín hiệu
Chuyển đổi
Van
điều
khiển

Píttông
điều
khiển
Van phân
phối và
servomotor
Van tiết
lưu
(Tua bin
nước)
＊
Thiết bị giới
hạn tải
(Phần điện (Điều chỉnh))
Phản hồi
cứng/mềm
(Phần dẫn động)
Đo tần số
(Máy phát)
Hình III.9 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc