1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
*****
NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN
-
PGS.TS.
Ngu
-
-
1
I.1 Tổng quan về điều tốc
1
I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện
2
I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số
7
I.1.3 Phân loại các loại điều tốc
8
I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ
cấu điều chỉnh có thể phân loại
8
I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại
I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực
24
I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van
25
31
II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện
31
II.2 Hệ điề u khiể n vector biế n tầ n độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha
32
II.2.1 Mô tả độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha dƣớ i dạ ng cá c đạ i lƣợ ng vec
tơ không gian
32
II.2.2 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ tƣ̀ hệ vé c
tơ (a,b,c) về hệ tọ a độ cố đị nh trên Stato (,)
34
II.2.3 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọ a độ cố đị nh trên Rotor (x,y) về hệ tọ a độ cố định trên Stator (,)
37
II.2.4 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọ a độ cố đị nh trên Rotor (d,q).
39
II.2.5 Xây dƣ̣ ng mô hình toá n họ c cho độ ng cơ không đồ ng bộ
43
II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớ ng tƣ̀ thông trong hệ tọ a độ tƣ̣ a theo tƣ̀ thông
Rotor (d,q)
45
II.3 Hệ thố ng Thyristor – độ ng cơ
I
, R
, R
75
III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID
82
III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện
một chiều kích từ độc lập
82
III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ
điều khiển PID
85
90
IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
90
IV.2 Các bộ điều khiển mờ
92
IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển
92
IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh
93
IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động
93
IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID
Sơ đồ khối của bộ điều tốc
3
Hình I.4
Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí
cánh hƣớng
5
Hình I.5
Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát
6
Hình I.6
Hệ thống điều khiển có máy điều tốc
13
Hình I.7
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
14
Hình I.8
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền
16
Hình I.9
Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc
17
Hình I.10
Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc
19
Hình I.11
Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền
20
Hình I.12
Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số
22
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình II.6
Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).
39
Hình II.7
Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ
44
Hình II.8
Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ
45
Hình II.9
Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
45
Hình II.10
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng
thiết bị biến tần
48
Hình II.11
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động
cơ.
49
Hình II.12
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình II.19
Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có
cài đặt suất biến đổi dòng điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.
CD – khâu vi phân dòng điện
63
Hình II.20
Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện
63
Hình II.21
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi
dòng điện
64
Hình III.1
Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ
66
Hình III.2
Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.
67
Hình III.3
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều
69
Hình III.4
Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải
69
Hình III.14
Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí
81
Hình III.15
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
85
Hình III.16
Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10 V, I = 0 A
87
Hình III.17
Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
89
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10 V, I = 4,3 A
Hình IV.1
Quan hệ giƣ̃ a
và
Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai
PD
104
Hình IV.12
Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ
lai PD
104
Hình IV.13
Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai
PD
105
Hình IV.14
Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD
105
Hình IV.15
Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
lai PD
106
Hình IV.16
Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD
107
Hình IV.17
Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ lai PD
108
Hình IV.18
Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10 V, I = 0 A
ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT
LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN.
Tôi xin bà y tỏ lò ng biế t ơn chân thà nh tớ i PGS. đã
hƣớ ng dẫ n tậ n tì nh , chỉ bảo cặn k để tôi hoàn thành luận văn này . Xin gƣ̉ i lờ i
cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2010
Tác giả luận văn
Nguyễn Tâm Phương
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
PT
P
PT
: Phụ tải tổng của các máy phát
P
F
: Công suất phát
Khi có sự cân bằng công suất thì tần số đƣợc giữ không đổi. Nhƣng vào mỗi
thời điểm tùy thuộc số lƣợng hộ tiêu thụ đƣợc nối vào và tải của chúng, phụ tải của
hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy sự cân bằng công suất và làm tần số
luôn biến động. Để duy trì tần số định mức trong hệ thống điện yêu cầu phải thay
đổi công suất tác dụng một cách tƣơng ứng và kịp thời.
Nhƣ vậy vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chắt ch với điều chỉnh và phân
phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện. Tần số
đƣợc điểu chỉnh bằng cách thay đổi lƣợng hơi hoặc nƣớc vào Turbine. Khi thay đổi
lƣợng hơi hoặc nƣớc vào Turbine, công suất tác dụng của máy phát cũng thay đổi.
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trong
Điều tốc là một trong những khâu quan trọng của nhà máy điện. Điều tốc
chính là quá trình điều chỉnh tốc độ quay của Turbine bằng cách thay đổi lƣu lƣợng
nƣớc vào bánh xe công tác. Mục đích của điều tốc là đảm bảo sự cân bằng giữa
công suất phát của tổ máy và công suất tiêu thụ (phụ tải). Quá trình điều tốc giữ cho
tần số không đổi hoặc độ lệch của tần số trong phạm vi cho phép nhờ vậy mà hệ
thống luôn làm việc ổn định.
Yêu cầu trong lƣới là: Khi đóng thêm phụ tải Z2 (hoặc cắt Z2) tần số vẫn ở
giá trị định mức. Đặc tính của lƣới, máy phát lúc này có dạng nhƣ sau: Hình I.2: Đặc tính tần số của lưới và máy phát
- (1) : Đặc tính của phụ tải Z1
- (2) : Đặc tính phụ tải Z1 và Z2
- (3) : Đặc tính tần số của Turbine - Máy phát
Nhƣ vậy ta thấy khi làm việc trong lƣới độc lập, đặc tính tần số của Turbine -
Máy phát phải có dạng nhƣ đƣờng số (3)
Để có đƣợc đặc tính nhƣ trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc nhƣ sau:
Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc
f
2
f
0
o
- 0 < P
PT
< P
MAX
f = f
o
- P
PT
= P
MAX
f < f
o
Với bộ điều tốc nhƣ trên, tần số lƣới luôn giữ giá trị định mức. Tuy nhiên,
nếu tổng công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy phát thì lúc
này bộ điều tốc không còn khả năng điều chỉnh đƣợc nữa lúc này buộc phải dừng
máy.
Nếu công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy thì để đảm
bảo cân bằng công suất của lƣới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lƣới.
Giả sử cấu trúc của tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy đầu tiên ( nhƣ đã
xét ở trên). Khi hệ thống máy phát đã cân bằng công suất của lƣới ta có:
- f = f
o
- P
1
Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng
Lúc này ta có:
1
= f
o
– f
2
= (GV
o
– GV).ep hoặc
2
= (P
o
- P).ep
=
1
+
- f
(x)
: hàm tuyến tính (biến đổi giá trị công suất đặt sang vị trí secvo
Để thuận tiện cho sử dụng phản hồi công suất:
Khi hệ thống ổn định = 0 hay f = f
o
+ ep.P
o
– ep.P (1.3)
f
o
(P
o
)(GV
o
)
(P)(GV)
1
f
218
Vậy đặc điểm của bộ điều tốc trong trƣờng hợp này là:
- P = 0: f > f
o
- P = P
o
: f = f
o
- P = P
max
: f < f
o
- 0 < P < P
max
f
2
< f < f
1
Trong đó:
- f
1
: là tần số giới hạn trên
- f
2
: là tần số giới hạn dƣới
Từ sơ đồ đặc tính điều chỉnh Turbine, ta thấy nếu đặt ep = 0 thì sơ đồ v có
dạng nhƣ khi làm việc ở lƣới độc lập.
dt
d
JMM
cđ
.
- M
đ
: Mômen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay
- M
c
: Mômen cản trên trục Turbine - Máy phát gồm:
+ Mômen cản do ma sát
+ Mômen điện từ: mômen này do dòng điện chạy trong phần
ứng của máy phát và nó thay đổi khi phụ tải thay đổi.
+ J: là mômen quán tính quy đổi về trục Turbine
+ : là tốc độ góc của Rotor - máy phát đƣợc xác định:
Từ phƣơng trình trên ta thấy số vòng quay không đổi khi
0
dt
d
nghĩa là
mômen động lực bằng mômen cản hay công suất Turbine bằng công suất của phụ
tải máy phát, do công suất của phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số
20
HgV .2
Vì độ cao của cột nƣớc H hầu nhƣ không thay đổi trong khoảng thời gian ta
xét nên vận tốc dòng chảy qua Turbine là không đổi
Vậy để điều chỉnh Q dẫn đến thay đổi tốc độ thì ngƣời ta phải thay đổi tiết
diện dòng chảy khi ra khỏi đƣờng ống
Điều tốc cho Turbine thủy lực là điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc vào
Turbine để giữ cho tốc độ quay Rotor máy phát không đổi khi tốc độ thay đổi. Nói
cách khác là giữ cho tần số máy phát không đổi khi tần số lƣới thay đổi.
I.1.3
I.1.3
- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp
- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nếu khớp trƣợt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối
tƣợng thì bộ điều tốc loại này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp. Còn bộ điều tốc
đƣợc trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trƣợt của bộ điều chỉnh và cơ
cấu điều chỉnh của đối tƣợng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.
I.1.3
- Bộ điều tốc một chế độ
- Bộ điều tốc hai chế độ
- Bộ điều tốc nhiều chế độ
- Bộ điều tốc giới hạn
I.1.3
Trên thực tế có thể các bộ điều tốc đƣợc chế tạo dựa trên ứng dụng các tín
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 tính của bộ điều tốc đƣợc đặc
trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:
- n
kt
: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không 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
là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì
vòng quay ban đầu, 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 vuông góc
với trục hoành ( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính isodrom).
Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc ( > 0) gọi là đặc tính tĩnh.
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong đó, ’
cb
, ’’
cb
giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ
Trong các 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 không 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 là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất
(vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:
H
dd
H
dd
n
n
s
: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
H
,
kt
: vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (Chế độ định mức và không tải)
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thời gian điều chỉnh t
ct
là thời gian tính 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
I.1.5
I.1.5
Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều
chỉnh. Phần dẫn động đƣợc cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển
nhƣ 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 hƣớng bằng cách
Hình I.6: Hệ thống điều khiển có máy điều tốc
Copyright: Tài liệu đại học ©