Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 67

Mã bài: 16
Đề xuất phương pháp kích từ cho máy phát đồng trục sử dụng
máy điện dị bộ nguồn kép trong trạm phát điện tàu thủy
A novel excitation method for shaft generators using doubly-
fed induction machines on power –station on shipboards
Th.S Nguyễn Trọng Thắng
Đại học Dân lập Hải Phòng, e-Mail:
PGS,TS. Nguyễn Tiến Ban
Đại học Hải Phòng, e-Mail:

Tóm tắt:
Bài báo đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới cho hệ thống điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép làm máy
phát đồng trục trong trạm phát điện Tàu thủy. Trong bài báo, các tác giả sử dụng một máy điện dị bộ rotor dây
quấn có cấu tạo tương tự như máy phát dị bộ nguồn kép nhưng công suất nhỏ để tạo ra tín hiệu đồng dạng
trong rotor. Các tín hiệu đồng dạng cảm ứng được tạo ra làm cơ sở để xây dựng phương thức điều khiển với
các dòng điều khiển trong rotor máy phát hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu điều khiển. Với đề xuất này, nhóm
tác giả đã xây dựng được một mô hình đối tượng có kết cấu đơn giản, dễ thực hiện điều khiển do các thành
phần công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát cung cấp cho lưới điện sẽ phụ thuộc riêng rẽ thông
qua hai hệ số K
p
và K
q
. Ngoài ra, do vector từ thông của máy phát được tạo ra bởi các dòng điện liên tục nên
dạng điện áp ra của máy phát là tín hiệu liên tục và sin chuẩn.
Abstract:
This paper proposes a novel technique for the control system of the shaft generator using doubly-fed
induction machine on power-station on shipboards. Another doubly-fed machine which is similar to the
machine working in the generator but has a smaller capacity is used to create the similarizing sine-waves in the
rotor of the generator, which are similar to the control signals. Based on this method, a simple but effective

,

Wb Véc tơ từ thông stator, rotor
thuộc hệ tọa độ dq
r
s
r
r
ii ,
V Véc tơ dòng điện rotor, stato
thuộc hệ tọa độ rotor
s
s
u
V Véc tơ điện áp stato thuộc hệ
tọa độ stato
s
s


Wb Véc tơ từ thông stato thuộc hệ
tọa độ stato
r
r
u
V Véc tơ điện áp rotor thuộc hệ
tọa độ rotor
,
s r
R R


A Các thành phần của vector
dòng stator trên hệ toạ độ dq
rqrd
ii ,

A Các thành phần của vector
dòng rotor trên hệ toạ độ dq

Chữ viết tắt
DFIG Máy điện dị bộ rotor dây quấn làm việc
trong chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía Mở đầu
68 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012
Ngày nay, trên tầu thủy trạm phát điện luôn hướng
tới khả năng khai thác tối ưu trong hành trình trên
biển để giảm tiêu hao năng lượng, giảm thời gian
khai thác vận hành và giảm thiểu tiếng ồn, giảm ô
nhiễm môi trường, tránh tác động xấu tới con
người cũng như thiên nhiên. Vì vậy, với các tàu
trọng tải lớn, trạm phát thường được thiết kế có
các máy phát đồng trục cùng làm việc với các cụm
diesel – generator (DG). Hệ thống máy phát đồng
trục (SG – Shaft Generator) đã có rất nhiều
phương án kĩ thuật thoả mãn các yêu cầu vận

suất nhỏ có tác dụng tạo tín hiệu suất điện
động cảm ứng đồng dạng ở rotor
 Khâu đồng dạng và cách ly sức điện động rotor
của máy điện 1: là mạch khuếch đại tín hiệu sử
dụng khuếch đại thuật toán với trở kháng đầu
vào vô cùng lớn
 Khâu điều chế điện áp (dòng điện) rotor cho
máy điện 2
 Máy điện 2: là máy phát dị bộ nguồn kép có tác
dụng phát ra điện áp hòa với lưới điện tầu
thủy.
Máy điện 1 và máy điện 2 được nối cứng trục với
nhau sao cho các tọa độ góc của các cuộn dây
rotor và stator trùng với nhau.

1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Máy điện 1 có stato được nối trực tiếp với lưới
điện tàu thủy, các cuộn dây stato của máy điện 1
kín mạch nên sẽ có dòng điện chạy qua, các dòng
điện sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ ω
s
bằng
với tốc độ góc của điện lưới.
Rotor của máy điện 1 có trục được nối cứng với
trục của máy chính đang quay với tốc độ ω, cuộn
dây rotor của máy 1 hở mạch nên không có dòng
điện chạy qua, sức điện động của rotor được sinh
ra hoàn toàn bởi từ thông của stator cảm ứng sang.
Từ trường stator quay với tốc độ góc ω
s

sinh ra từ trường quay so với rotor vận tốc góc
ω
r
=ω
s
-ω.
Vì trục của rotor máy điện 2 cũng được nối với
trục của máy chính và cùng quay với vận tốc góc
ω, nên từ trường của rotor máy điện 2 quay so với
các cuộn dây stator vận tốc góc là (ω
s
-ω)+ω=ω
s
.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 69

Mã bài: 16
Từ trường này sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng ở
phía stator của máy điện 2 với tốc độ góc ω
s
trùng
với tốc độ góc ω
s
của lưới điện.
Vấn đề còn lại là biên độ và pha điện áp đầu ra của
máy điện 2 như thế nào? có trùng với lưới điện
không? nhóm tác giả sẽ làm rõ vấn đề này khi
phân tích và triển khai cụ thể mô hình toán các
khâu trong hệ thống.


1
1
11
1
1
1
11
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
dcba
LiLi
LiLi
j
dt
d
iRu
j
dt
d
iRu
r
f

s





















Vì rotor của máy điện 1 hở mạch nên
f
r
i
1
= 0 thay
vào phương trình (1c) và (1d) ta có từ thông của
stator và rotor như sau:

Thay
0
1

f
r
i
và các phương trình từ thông vào
phương trình (1a) và (1b), ta có phương trình điện
áp ở stator và rotor máy điện 1 như sau:
),.3(

)(

)(

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ba
iLj






Tương tự tập hợp hệ phương trình mô tả máy điện
dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ quay tựa theo điện
áp lưới cho máy điện 2, có hệ phương trình sau:
),,,.4(
)(
.

)(
.
2
2
2
22
2
2
2
22
2
2
2
2
2

f
r
r
f
r
f
r
r
f
r
f
s
s
f
s
f
ss
f
s












22

,
thay
0
2

f
s
i
và
f
r
f
r
ii
0
22

vào phương trình (4c) và
(4d) nhận được từ thông stator và rotor như sau:
),.5(
.
.
2
0
22
2
0
22

)(
.
0
2
2
0
2
2
0
2
2
2
0
2
2
0
2
2
2
ba
iLj
dt
id
LiRu
iLj
dt
id
Lu
f
r

cl
u
như sau:
)7()
)(
(.
1
1
1
1
1 f
smr
f
s
mcl
f
rcl
f
cl
iLj
dt
id
LKuKu


Ở khâu điều chế điện áp rotor cho máy điện 2, bù
thêm thành phần
f
rr
iR

f
cl
f
r
iLj
dt
id
LKiR
iRuu




So sánh với phương trình điện áp rotor của máy
điện 2 ở phương trình (6b) ta có:
f
rrr
f
r
r
f
rr
f
smr
f
s
mcl
f
rr
iLj





=>
f
s
f
r
iKi
1
120
2
.

(với
rmcl
LLKK
21
12
/.
) (9)
Thay
f
s
f
r
iKi
1
120

điện áp stator của máy điện 1:
)3(
)(

1
1
1
1
1
1
1
aiLj
dt
id
LiRu
f
sss
f
s
s
f
ss
f
s


Ta có nhận xét như sau:

f
s

so với điện
áp:

f
sss
f
s
s
f
ss
f
s
iLj
dt
id
LiRu
1
1
1
1
1
1
1

)(



của
lưới là cố định

2
12
2 f
sms
f
s
m
f
s
iLj
dt
id
LKu


Ta
thấy
constLLKuu
sm
f
sl
f
s

12
12
12
/./
, vậy
f

cl
.
Giả thiết để biên độ đầu ra của máy phát trùng
với biên độ điện áp lưới ta phải chỉnh giá trị
K
cl
= K
0
, cụ thể có thể tìm K
0
từ hệ phương
trình
),.11(
/.
1/./
21
12
12
12
12
ba
LLKK
LLKuu
rmcl
sm
f
sl
f
s


iR
0
2
2
.
của rotor máy
điện 2 để có mối quan hệ điện áp stato giữa
máy điện 1 và máy điện 2 là tuyến tính.
 Chỉnh hệ số khuếch đại ở khâu đồng dạng
và cách ly với hệ số khuếch đại
)./().(
2121
0 mmrscl
LLLLKK 
để biên độ
điện áp đầu ra của máy phát bằng biên độ
của điện áp lưới.
Thấy rằng, ba khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh trên
đều là cố định. Sau khi thiết kế các mạch hiệu
chỉnh và điều chỉnh ở chế độ không tải, sẽ giữ
nguyên cấu trúc các khâu đó trong các chế độ có
tải sau này, gọi là các khâu hiệu chỉnh không tải.
Như vậy mô hình hệ thống ở chế độ không tải như
hình 2:

H.2 Sơ đồ khối mô hình hệ thống khi không có tải
với mạch công suất nguồn áp
Từ mô hình trên thấy rằng có khâu tạo dòng
f
r

1
dt
id
L
dt
d
iRu
r
s
m
r
r
r
rr
r
r



Từ phương trình (9)
120
21
/ Kii
r
r
r
s

, thay
120

LLKK
21
12
/.

thay
vào phương trình (14) =>
 
 )15()(
1
).(
1
2
1
2
0
2
dtu
L
dtuK
L
i
r
cl
r
r
rcl
r
r
r

Phương trình điện áp stator của máy phát trên tọa
độ cuộn dây stato (bỏ qua thành phần điện áp rơi
trên điện trở) như sau [3]:
dt
d
u
s
s
s
s
)(
2
2


hoặc
)16(
22 s
s
s
s
s
ju



Phương trình (16) cho thấy từ thông stator luôn
chậm pha so với điện áp stator một góc khoảng
90
0


chính là pha của dòng điện rotor ngang
trục theo tọa độ điện áp lưới của máy điện 2 là
rq
i
2
, và pha của dòng điện rotor dọc trục theo tọa
độ điện áp lưới
rd
i
2
sẽ chính là pha của
)(
0
2 f
r
i

trừ đi góc π/2, hay là pha của
f
r
i
0
2
cộng góc π/2.
2.2 Chế độ có tải của máy phát
Giả sử yêu cầu của máy phát là phải bơm ra lưới
điện dòng điện tải là
f
s

2
để stator của máy phát bơm ra lưới điện
dòng
f
s
i
2
mà vẫn đảm bảo điện áp ra các cực stator
của máy phát trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ
với lưới điện.
Thay
f
rt
f
r
f
r
iii
2
0
22

và
f
s
i
2
vào phương trình (4c),
nhận được từ thông stator của máy điện 2 như sau:


)(

2
2
2
0
2
2
2
2
2
0
2
2
2
2
2
2
2
m
f
rt
sm
f
r
ss
f
s
s
f

được so với tổng điện áp rơi trên các thành phần
còn lại nên:
)19(
)(
.
)(
.
)(
.
2
2
2
0
2
2
2
2
2
0
2
2
2
2
2
m
f
rtsm
f
rss
f

f
rt
sm
f
r
ss
f
s
s
f
rt
m
f
r
m
f
s
sm
f
rs
f
r
m
f
s
LijLijLij
dt
id
L
dt

.
)(
.
)(

)(
.




=>
)20()./(
2
22
2 f
sms
f
rt
iLLi 

=>
),.21(
)/(
)/(
2222
2222
ba
iLLi
iLLi




Với
2
U
s
,
2
I
s
là điện áp và cường độ dòng điện hiệu
dụng một pha của máy phát, φ là độ lệch pha giữa
điện áp và dòng điện trên một pha của máy phát.
72 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012
Biểu diễn véc tơ điện áp và dòng điện stato của
máy phát trên tọa độ tựa theo điện áp lưới dq quay
với vận tốc góc
s

là
f
s
u
2
và
f

s
u
và
||
2 f
s
i
)
chính là biên độ của điện áp và dòng điện tức
thời
)23(2.||;2.||
2
2
2
2
s
f
ss
f
s
IiUu 

Từ hình 5 =>
),,.24(
sin.||
cos.||
||
2
2
2

trình (23) vào các phương trình (22.a,b) có:
),25(
.).2/3(
.).2/3(
22
22
ba
iuQ
iuP
sqsd
sdsd








H.5 Véc tơ dòng điện và điện áp stato máy điện 2
trên tọa độ tựa theo điện áp lưới
Thay
2
sd
i

ở phương trình (21a) và
2
sq
i

iKi
rqqrtq
rdprtd








(Với tín hiệu đồng dạng
0
2
rq
i =
f
r
i
0
2
 và
0
2
rd
i là
véc tơ
f
r
i





Với X, Y là các thành phần cố định vì trong tọa độ
quay theo điện áp lưới thì các thành phần
2 2 2
0 0
, ,
sd rd rq
u i i
đều cố định.
Vậy để điều chỉnh công suất tác dụng P của máy
phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số
khuếch đại K
p
, điều chỉnh công suất phản kháng Q
của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều
chỉnh hệ số khuếch đại K
q
.
Sau đây là sơ đồ khối mô hình của hệ thống với
mạch công suất là nguồn dòng:

H.6 Mô hình hệ thống khi có tải với mạch công
suất rotor là nguồn dòng
Thấy rằng các thành phần công suất P, và Q hoàn
toàn tỉ lệ với các hệ số khuếch đại K
p
, và K

0
2
(đường 3) có biên độ
không thay đổi, nhưng tần số thay đổi từ 30hz về
20hz và theo [2] thì
f
r
i
0
2
sẽ không thay đổi. Điện
áp pha a của máy phát
sa
u (đường 5) luôn đáp ứng
trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp
pha a của lưới
La
u (đường 4).

3.2 Chế độ có tải
Ở chế độ có tải, điện áp ra của máy phát được hòa
với lưới điện, kết quả mô phỏng được thể hiện ở
hình 8.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 73

Mã bài: 16
Ta cho hệ số điều khiển công suất tác dụng K
p

(đường 1) thay đổi từ giá trị 0.5 sang 1 tại thời

0
(tức là phát ra công suất phản
khảng ra lưới) và dòng tăng biên độ gấp đôi
khi K
q
tăng giá trị lên gấp đôi (tại t=0.7s).

H.7 Kết quả mô phỏng không tải

H.8 Kết quả mô phỏng có tải Kết luận
Phương pháp kích từ mà nhóm tác giả đề xuất đã
đáp ứng được rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng
biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát
với điện áp lưới.
74 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012
Trong quá trình khảo sát cho thấy tín hiệu điện áp
đồng dạng sẽ phản ứng tức thời khi điện áp lưới
hoặc tốc độ rotor thay đổi. Vì vậy, phương pháp
điều khiển dựa trên tín hiệu đồng dạng sẽ cho kết
quả điện áp đầu ra luôn bám theo điện áp lưới
ngay cả khi điện áp lưới hay tốc độ rotor của DFIG
thay đổi. Do đó, mô hình này rất phù hợp ứng
dụng trong máy phát đồng trục để hòa với lưới
điện trên tầu thủy vì lưới điện tầu thủy là lưới

xuất bản Giáo dục, 1998.
[4] Cao Xuân Tuyển, Tổng hợp các thuật toán phi
tuyến trên cơ sở phương pháp Backstepping để
điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ
thống máy phát điện sức gió, Luận án tiến sỹ kỹ
thuật, 2008.
[5] Đặng Danh Hoằng, Cải thiện chất lượng điều
khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng
trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng
phương pháp điều khiển phi tuyến, Luận án tiến
sỹ kỹ thuật 2012.

PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban: Nhận bằng kỹ sư
Điện Tàu thủy tại trường Đại Học Hàng Hải Việt
nam 1981, Tiến sĩ Kỹ thuật tại Đại học Bách khoa
Hà Nội 2005. Hiện là Chủ nhiệm
khoa Khoa học Tự Nhiên Đại
học Hải Phòng. Lĩnh vực nghiên
cứu chính là Tự động hóa và
Điều khiển, lĩnh vực chuyên sâu:
Tàu thủy.
Nguyễn Trọng Thắng sinh năm
1982, nhận bằng Kỹ sư Điện
chuyên ngành Điều khiển tự
động tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005,
nhận bằng Thạc sỹ Kỹ thuật
ngành Tự động hóa tại Trường
Đại Học Hàng hải Việt Nam
năm 2009, bắt đầu làm Nghiên
cứu sinh ngành Tự động hóa tại