Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

VŨ THỊ YẾN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TỰ ĐỘ NG HÓ A

NGÀNH: TỰ ĐỘ NG HÓ A NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN
SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
VŨ THỊ YẾN
THÁI NGUYÊN – 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên
:
Vũ Thị Yến
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 25 tháng 02 năm 1984
Nơi sinh
:
Huyện Gia Lộc – Tỉnh Hải Dương
Nơi công tác
:
Trường Đại Học Sao Đỏ

PGS.TS. Võ Quang Lạp
HỌC VIÊN
Vũ Thị Yến
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là, Vũ Thị Yến học viên lớp cao học khoá 12 - Tự Động Hoá Trƣờng đại
học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Sao Đỏ.
Xin cam đoan: Đề tài ”Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động
tần số máy phát điện” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp là công
trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc ghi trong
danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đƣợc ghi trong
danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng
và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
.
Ngƣời cam đoan


Tác giả
Vũ Thị Yến Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI 8
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG 10
MÁY PHÁT ĐIỆN 10
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện 10
1.2. Ổn định điện áp 10
1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp 14
1.3.2. Ổn định tần số sơ cấp 16

4.2.1. Đặt vấn đề 94
4.2.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ 95
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thch nghi theo mô hình mẫu song song 99
KẾ T LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ 113
Hình 2-1
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ kh
23
Hình 2-2
Hệ thống điều khiển có máy phát tốc
23
Hình 2-3
Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện
25
Hình 2-4
Sơ đồ mạch điều khiển áp suất hơi chnh
27
Hình 2-5
Sơ đồ mạch đầu vào điều khiển lò hơi
28
Hình 2-6
Sơ đồ tuabin master
29
Hình 2-7
Sơ đồ mạch điều khiển nhiên liệu
30
Hình 2-8
Sơ đồ điều khiển khói gió
31
Hình 2-9
Sơ đồ mạch điều khiển gió cấp 2
32
Hình2-10
Sơ đồ mạch điều khiển Quạt khói
33

Đồ thị công chỉ thị
47
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 3-1
Hệ thống điều khiển số
52
Hình 3-2
Hệ thống điều khiển tƣơng tự
52
Hình 3-3
Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện
53
Hình 3-4
Sai số tải đƣợc tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải đƣợc nối
giữa contact trƣợt và một đầu của dây điện trở
54
Hình 3-5
Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông ro-
tor(r,q)
55
Hình 3-6
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết
bị biến tần
57
Hình 3-7
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ
58

69
Hình 3-17
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
72
Hình 3-18
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
73
Hình 3-19
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
74
Hình 3-20
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị tr
76
Hình 3-21
Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị tr
78
Hình 3-22
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
81
Hình 4-1
Quan hệ giƣ̃ a


và


85
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến


Sơ đồ khối mờ cơ bản
96
Hình 4-15
Các luật hợp thành
96
Hình 4-16
Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
97
Hình 4-17
Các vùng trong ô suy luận
97
Hình 4-18
Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K
100
Hình 4-19
MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
101
Hình 4-20
MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra và hệ số tch phân sai
lệch đầu vào
102
Hình 4-21
Sơ đồ khối mờ cơ bản
103
Hình 4-22
Các luật hợp thành

107
Hình 4-23
Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

Chế độ vận hành hoà lƣới
AVR
:
Automatic Voltage Regulator (hệ thống tự động ổn định điện áp
PID
:
Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tch phân, đạo hàm)
MUNA
:
Chế độ đặt bằng tay
AUTO
:
Chế độ tự động
DAC
:
Bộ chuyển đổi tn hiệu số sang tn hiệu tƣơng tự
ADC
:
Bộ chuyển đổi tn hiệu tƣơng tự sang tn hiệu số
LVDT
:
Bộ cảm biến cánh hƣớng
PWM
:
Bộ điều chế độ rộng xung
FXCĐ
:
Khối phát xung chủ đạo
SRC
:

đóng góp 1 phần nhỏ vào việc nâng cao chất lƣợng của hệ điều chỉnh tần số. Với
cách đặt vấn đề nhƣ vậy nên đề tài luận văn đƣợc chọn là :“Nghiên cứu nâng cao
chất lượng hệ điều chỉnh tự động tấn số máy phát điện”
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về điều chỉnh tần số trong máy phát điện
Chƣơng 2: Tự động ổn định tần số máy phát điện
Chƣơng 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện ổn định tần số cho máy phát
Chƣơng 4: Ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lƣợng hệ
truyền động điều tốc máy phát.
Kết luận và kiến nghị

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Tác giả luận văn Vũ Thị Yến

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện

U
% (1-1)
+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1%
trong 1 giây)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

dm
U
UU
U
minmax



.100% (1-2)
+ Độ không hình sin của dạng đƣờng cong điện áp 1
sin
U
U
K
K





.100%=
dm
o
c
o
B
o
A
U
aUUaU
3
2

.100% (1-4)
a = e
j120
, a
2
= e
j240
Nếu điện áp có K
2
< 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng
+ Độ lệch trung tnh

phadm
U
U
K

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự cố định tĩnh nâng cao sự cố
định động.
Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn kch từ của máy
phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kch từ thch hợp với công suất định
mức đủ lớn. Thông thƣờng đòi hỏi công suất định mức của hệ thống kch từ bằng
(0.2 ÷0,6)% công suất định mức của máy phát.
Dòng kch từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát điện là dòng điện một
chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ thống kch từ, điều chỉnh
dòng kch từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh kch từ. Đặc tnh
của hệ thống kch từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kch từ có ý nghĩa quyết định
không những đối với chất lƣợng điều chỉnh điện áp mà còn đến tnh ổn định hệ
thống.
Trong thực tế ngƣời ta có 4 phƣơng pháp để điều chỉnh dòng kch từ một cách
tự động đó là các phƣơng pháp sau:
- Hệ thống kch từ dùng máy phát điện một chiều
- Hệ thống kch từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp
- Hệ thống kch từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành góp
- Hệ thống kch từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lƣu có điều khiển
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR
Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát
điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đƣa ra những mệnh lệnh để
tăng giảm dòng điện kch thch sao cho sai số giữ điện áp đo đƣợc và điện áp tham
chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ngƣời ta chỉ cần thay
đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thƣờng đƣợc đặt tại giá trị định
mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp
lƣới tại chế độ vận hành hòa lƣới (Paralled) .
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến



T pt
PP 
(1-6)

Trong đó:
T
P
: Công suất của tuabin kéo máy phát.

pt
P
: Công suất của phụ tải điện.


: Tổn thất công suất tác dụng .
Mô men kéo của tuabin. T
QH
M



(1-7)

Trong đó:

: Hằng số

C
và dòng I
1
và
I
2
sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của
dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ
cấp có thể phản ứng để đƣa ra tác động điều chỉnh phù hợp.
- Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp
Uphf
U,f
Udf
F

BĐ/Cf
TB
CCĐ

Hình 1-2: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp

BĐ/C
f
: Bộ điều chỉnh tần số
TB: Tuabin máy phát
F : Máy phát
CCĐ: Cơ cấu đo tần số
U
L
R

và U
1
+U
2
= U
R
+ U
L
, ở chế độ làm việc
bình thƣờng với tần số định mức U thì U
R
= U
L.
Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh
lƣu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đƣa
vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt. Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi
đó U
L
= jω.L.I
L
sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn U
R
= R.I
R
tuỳ thuộc vào tần số tăng hay
giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật toán U
r
≠ 0. Khi đó tn hiệu vào bộ điều
chỉnh tần số không phải là ga trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1
lƣợng U

gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy
theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số
Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tƣơng quan giữa các thành
phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

*
*
dd
f
dd
P
P
P
k
f
f
f





(1-9)

Trong đó :
f

MHình 1-4: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1
’
,2
’
,3).

Khi số lƣợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tnh tĩnh của phụ tải
'
1

sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tnh này sẽ bị dịch chuyển
sang bên phải (
'
2
) và sẽ cắt đặc tnh tuabin tại điểm
3
O
, tƣơng ứng với tần số
3
f
.
Khi cắt bớt phụ tải, đặc tnh
'
1
sẽ bị dịch chuyển sang trái (
'
3

3
f
. Tƣơng tự khi phụ tải giảm ta
phải dịch chuyển đặc tnh tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tnh 3 và
'
3

tại
5
O
tƣơng ứng với tần số
5
f
<
2
f
. Nhờ sự dịch chuyển đặc tnh tuabin mà độ lệch
tần số
'
54
f f f  
<
23
f f f  

Tập hợp các điểm
5
O
,
1

S
của đặc tnh điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong
giới hạn
*
S
=0.02

0.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là
với một mức biến đổi công suất nhƣ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ
thống có
*
S
bé hơn sẽ t biến đổi hơn.
Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin đƣợc thực hiện bằng cách
thay đổi năng lƣợng vào tuabin. Sau đây chúng ta xét một bộ điều tốc.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
BBĐ

+
-
f
fd
§èi tuîng
(Tuabin)

§o luêng


Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do tác
động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tnh của bộ điều tốc đƣợc đăc
trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch
Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:

tb
Hkt
n
nn 


(2-1)
Trong đó:
n
kt
: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph
n
H
: vòng quay ứn với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph
2
Hkt
tb
nn
n


vòng quay trung bình, v/ph
δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì vòng quay

cb





Trong đó, ω
,
cb
, ω
”
cb
giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.
Trong bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm việc
độc lập, độ không nhạy ảnh hƣởng không nhiều tới chất lƣợng làm việc của động
cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ nhạy nhỏ cũng có thể gây ra độ sai lệch
lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có
thể đƣợc xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của động
cơ.
Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác
động cơ và bảo dƣỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn
mới, bộ điều tốc giống nhau nhƣng vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau
nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.
Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn
nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:
H
dd
H
dd




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 22 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Trong đó:
Δω
s
: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
ω
H
, ω
kt
: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải)
Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh t
ct
là thời gian tnh từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên
độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời gian t
ct

cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ
thay đổi tải theo quy định.
2.1.2. Một số loại điều tốc
2.1.2.1 Điều tốc cơ khí