ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TẠ XUÂN TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH
TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 1 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tạ Xn Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 2 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

LỜI CAM ĐOAN

Tơi là: Tạ Xn Tùng học viên lớp cao học khố 13 - Tự Động Hố
Trƣờng đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Ngun.
Hiện nay tơi đang cơng tác tại Cơng ty Điện lực Thái Ngun.
Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động
tần số máy phát Diesel” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp
là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc
ghi trong danh mục tham khảo, khơng sử dụng tài liệu nào khác mà khơng
đƣợc ghi trong danh mục.
Tơi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề
cƣơng và u cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu
trách nhiệm.
.
Ngƣời cam đoan Tạ Xn Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 4 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 2
LỜI CẢM ƠN 3
MỤC LỤC 3
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

1.1. Cơng dụng máy phát Diesel 12
1.2. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện 12
1.2.1. Đặt vấn đề 12
1.2.2. Ổn định tần số của máy phát điện 17
1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp 18
1.2.4. Ổn định tần số sơ cấp 18
1.3. Các chỉ tiêu và thơng số ổn định tần số 20
1.4 Các phƣơng án thiết kế 24
1.4.1. Hệ điều khiển tƣơng tự 23
1.4.2. Hệ điều khiển số 23
1.5. Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số 24

3.3.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện 53
3.3.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển uDC 54
3.3.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển mơ men 54
3.3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mơ men 54
3.3.9. Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 6 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
3.4. Các kết quả mơ phỏng 55
3.5. Nhận xét 60
3.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu 46
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu
IPM, điều khiển trực tiếp mơmen (DTC) 48
Hình 3.3: Sơ đồ ngun lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ
kích từ nam châm vĩnh cửu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 8 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ
vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC 51
Hình 3.5: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 52
Hình 3.6: Triển khai chi tiết INVERTER 52
Hình 3.7 Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER 53
Hình 3.8. Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER 53
Hình 3.9. Triển khai chi tiết khối SubSystem 54
Hình 3.10: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem 54
Hình 3.11: Triển khai chi tiết khối Momen controller trong SubSystem 54
Hình 3.12: Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem 55
Hình 3.13:Đồ thị tốc độ của hệ điều khiển máy phát Diesel sử dụng ĐC đồng
bộ kích thích vĩnh cửu 55
Hình 3.14: Đồ thị mơ men 56
Hình 3.15: Đồ thị điện áp ra của chỉnh lƣu PWM 56
Hình 3.16: Đồ thị dòng điện và điện áp khi xảy ra hãm tái sinh nđc nđb
(dòng và áp ngƣợc pha) 57
Hình 3.17: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ thay đổi 57
Hình 3.18: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ ổn định 58
Hình 3.19: Đồ thị dòng điện isq 58
Hình 3.20: Đồ thị dòng điện isd 59
Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là hệ điều khiển đƣợc ứng dụng
khá phổ biến trong thực tế. Việc tìm hiểu này giúp cho việc khai thác sử dụng
máy phát Diesel đƣợc hiệu quả nhất.
3. Mục đích nghiên cứu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 10 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Mục đích của luận văn là nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều
khiển tần số máy phát Diesel sao cho hệ thống đạt tối ƣu và có tính vạn năng
nhát. Tính vạn năng đo là khi sử dụng máy phát Diesel cho bất kì lĩnh vực
điều kiện làm việc nào cũng đều cho chất lƣợng nguồn điện phát ra ổn định
nhất để khơng gây hại cho các thiết bị sử dụng.
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống truyền động tự động ổn định tấn số
máy phát Diesel trong cac lĩnh vực phổ biến.
Nghiên cứu để đề suất những phƣơng án truyền động chất lƣợng cao
cho hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu thực tế tại nơi sự dụng máy phát Diesel tại Việt Nam
- Kiểm chứng kết quả bằng mơ phỏng dựa trên phần mềm matlab
simulink.
5. Nội dung nghiên cứu.
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:
Chương 1: Tổng quan về máy phát Diesel
Chương 2: Phân tích và tổng hợp hệ truyền động biến tần động cơ điện
ĐB_KTVC ứng dụng cho điều chỉnh ổn định tần số.
Chương 3: Khảo sát chất lƣợng hệ điều khiển tần số máy phát Diesel

Thái Ngun, ngày tháng năm 2013
Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 12 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

1.1. CƠNG DỤNG MÁY PHÁT DIESEL
Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện ln đƣợc coi là ngành cơng
nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó ln thúc đẩy
các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả
và chi phí phải đƣợc coi trọng đặc biệt.
Máy phát Diesel đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó
đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vận tải thủy, vận tải bộ và
sử dụng ở nhƣng nơi cần có nguồn điện cơng suất lớn nhƣ trong các ngành
cơng nghiệp,và những nơi khơng có điện lƣới nhƣ ngồi đảo xa
Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía
cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an
tồn và bền vững của tồn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp
của hệ thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là
khơng thể thiếu.
1.2. CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
1.2.1. Đặt vấn đề
Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lƣợng
điện năng.
- Điện áp: Trong q trình vận hành điện áp bằng điện áp định mức cung

% (1.1)
+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp khơng nhỏ hơn
1% trong 1 giây)

dm
U
UU
U
minmax
.100% (1.2)
+ Độ khơng hình sin của dạng đƣờng cong điện áp 1
sin
U
U
K
K
.100% (1.3)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 14 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Trong đó:
2
2
UU

U
1

2
= e
j240
Nếu điện áp có K
2
< 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng
+ Độ lệch trung tính

phadm
U
U
K
0
0
.100%=
dm
o
c
o
B
o
A
U
UUU
3
//
.100% (1.5)
Trong đó U
0
điện áp thứ tự khơng.

Bộ điều chỉnh điện áp tự động ln ln 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 kích thích 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)
.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 16 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

Hình 1.1:Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR

Mỗi hệ thống kích từ của máy phát đƣợc trang bị một bộ tự động điều
chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR đƣợc đấu nối
với các biến điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng
cắt máy phát. Bộ AVR đáp ứng đƣợc thành phần pha thứ tự thuận của điện áp
máy phát và khơng phụ thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số,
nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng ngun
lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức
năng điều chỉnh hằng số hệ số cơng suất và hằng số dòng điện trƣờng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 17 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu
tích phân tải để đạt đƣợc sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lƣờng điện
áp máy phát đƣợc thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều
chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành
từ khơng tải tới đầy tải.

M
(1.7)

Trong đó: : Hằng số

Q
: Lƣu lƣợng nƣớc vào máy phát diesel

H
: Độ chênh áp suất đầu và cuối máy phát diesel.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 18 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

: Hiệu suất máy phát diesel
Để ổn định tần số máy phát điện có hai phƣơng pháp ổn định thứ cấp
và ổn định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lƣợt từng phƣơng pháp.
1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là q trình tăng cơng suất máy phát điều tần để đƣa
tần số về trị số định mức. Tăng cơng suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho
tuabin. Nhờ cơ cấu đo lƣờng khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định
mức và phát tín hiệu điều khiển.
GOV.ACTUA
TOR
SERVO
MOTOR
DRIVER
ACTUAL
ACT
POS.SIGNAL
(-
)
SERVO
MOTOR
REDUCTION
GEAR
PRM ORDER
SIGNAL
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 19 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lƣờng đơn giản nhất phản ứng theo
độ lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện
kháng hoặc điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì
dòng I
1
và I
2
bằng nhau. Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi
X
L
hoặc X

R1
R3
R2
+Ecc
-Ecc
U1
U2
UR UL
I1
I2

a) b)
Hình 1.4: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 20 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng
Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1.3. Các tham số L và C
của bộ lọc tần BLT đƣợc chọn sao cho U
1
= U
2
và U
1
+U
2
= U
R
+ U
L

phát là khơng đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.
Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc của máy phát điện
theo quan hệ

.
2 60
pn
f

(1.8)
Trong đó:
p - Số đơi cực của máy phát điện
n - Số vòng quay của máy phát điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- 21 -
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng

Hình 1.5: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1
’
,2
’
,3).

Từ sơ đồ trên có thể viết sơ đồ khối bộ điều tốc cho máy phát Diesel nhƣ
hình vẽ sau: φ


tb
Hkt
n
nn
(1.9)
Trong đó:
n
kt
: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ khơng tải, v/ph
n
H
: vòng quay ứng 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 ban đầu, δ càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi
đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc
vng góc với trục hồnh (δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong
trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh.
Độ rộng vùng khơng nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất ít cũng làm
dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hƣởng lực ma sát trong
các cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển thủy lực nên khi vận tốc góc
thay đổi nhỏ, bộ điều tốc khơng có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc
tƣơng ứng vùng khơng có phản ứng gọi là khu vực khơng nhạy. Chiều rộng
khu vực khơng nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc ε

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 khơng nhạy khơng hồn tồn
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
n
n
(1.10)
Δn
dd
(Δω
dd
) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong
q trình chuyển tiếp.
Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất
lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.
Độ khơng ổn định vòng quay tương đối
Độ khơng ổn định vòng quay tƣơng đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay
khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối
(định mức, khơng tải …)
H
s
hay
kt
Hình 1.7: Hệ thống điều khiển ổn định máy phát tương tự tần số

1.4.2. Hệ điều khiển số
Có sơ đồ khối nhƣ hình vẽ: