Ch III III may dieu toc

III. Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện
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 1.1 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 1.2 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.

112


Thiết bị điều khiển

Đối tượng điều khiển

Thiết bị giới
hạn tải 77

(Nhiễu)
Tải hệ thống

(Khối làm việc)

Độ mở

(Giá trị chuẩn)

Thiết bị
điều chỉnh
tốc độ 65P

(Phần điều
chỉnh )
Cơ cấu dầu áp
lực

(Đối tượng điều
khiển )
Tua bin và máy
phát thủy lực

(Phần làm việc)
Servo motor

Phản hồi âm

(Khối điều khiển )



Cơ cấu
phản hồi
(Bộ phận đo)
Bộ phận đo tốc
độ

Phản hồi chính

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

Cơ cấu đo tốc độ
(Bộ điều tốc)

Quả cầu z

Điểm tựa phản hồi

x
y

Khớp nối

Van phân
phối

Đòn nối

Bộ phận giảm chấn
phản hồi cứng

Dầu áp lực

Dầu thoát đi

Lỗ nhỏ

Cam phản hồi cứng

Đóng

Mở

Vòng hướng

Servo motor

Cánh hướng

Hình 1.2 Nhuyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí

113


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 1.3), 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 1.4, 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.
114


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

Cam
Xy lanh khởi động
Thiết bị giới hạn độ mở

Xy lanh dừng
Pít-tông

Xy lanh
Cơ cấu vận
hành bằng tay

Bộ dừng

ụ ngang
Thanh pít-tông

Hình 1.3 (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 1.3 (b) Máy điều tốc cơ khí

115


Max
Trục phản hồi
cánh tua bin
Góc quay của cánh tua bin
Min

Thanh nối trên

Thanh phản hồi
cánh tua bin

Độ mở
của cửa

Dây neo phản hồi
cánh tua bin
Thanh nối dưới

Cam thay
đổi góc mở
cánh tua bin

Tải trọng
Cần điều chỉnh
cánh tua bin

Thanh phản hồi của van điều khiển

Pít-tông
điều khiển
Trục phản
hồi cửa

Servomotor
cánh tua bin

Tải trọng

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

Hình 1.4 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua binHướng

cánhmởquạt
cánh tua bin

Dầu áp lực
Van dầu thoát thường mở
Van dầu áp lực thường đóng

(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 1 cho biết danh mục
các hoạt động cả máy điều tốc.

116


Bảng 1

Danh mục các hoạt động của máy điều tốc
Loại

X

Y

Z (*7)

Mục
Các hoạt động

Chức năng

Vùng
chỉnh

điều

- Vùng chết (%) (*1)
- Thời gian chết (S) (*2)

Nhỏ hơn 0.02
Nhỏ hơn 0.25

Nhỏ hơn 0.1
Nhỏ hơn 0.3

- 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

Không có
Không có

Có

Không có

- 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 mạch
hãm (S)

90~108
0~6

90~108
0~6

0~50

0~50

0~15

0~10

PMG hoặc SSG

PMG, SSG,
PT, ...

Không có bộ
phận đo tốc độ

PMG hoặc DC

PMG,
DC
hoặc PT

DC hoặc AC

Phương pháp đo tốc độ (*6)
Cung cấp năng lượng điều khiển máy điều tốc

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 (a)). Vì vậy cần tính toán mức
độ dao động tốc 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 (b). Phần
gạch chéo là phần có thể điều chỉnh được trong trường hợp độ suy giảm tốc độ bằng 6%.

117


(*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 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 (Tc).

Thời gian chết

Độ mở cánh hướng

Servo motor bắt đầu tác động

Vận tốc quay (%)

Thời gian đóng tương đương

Thời gian

Hình (a) Thời gian chết và thời gian đóng

Hành trình của servo motor
(hoặc servomotor phụ ) (%)

Hình (b) Quan hệ giữa tốc độ quay và
hành trình của servomotor

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 2: Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật
điện

(Nhật Bản).

118


Bảng 2 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.

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 1.5 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 (ΔF)
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 ΔF.
Tuy nhiên, khi ΔF 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
119


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.

120


Thiết bị dừng
khẩn cấp

Thiết bị điều
chỉnh tần số/tải

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 1.5 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc

121