1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ THỊ YẾN
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU
CHỈNH TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT
Chuyên ngành: Tự Động Hóa
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Võ Quang Lạp
Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Phản biện 2 : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 09 giờ 30 phút ngày 25 tháng 10 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
Mở đầu
Tần số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện
năng. Vì thế việc ổn định 2 chỉ tiêu này luôn phải được quan tâm đúng mức. Nhưng
việc đảm bảo chất lượng điện áp và tần số là 2 vấn đề lớn và phức tạp. Trong bản
luận văn này chỉ giải quyết 1 vấn đề trong việc ổn định tần số. Cụ thể luận văn sẽ đi
sâu nghiên cứu các bộ điều tốc để ổn định tần số. Với kết quả của luận văn này sẽ
đóng góp 1 phần nhỏ vào việc nâng cao chất lượng của hệ điều chỉnh tần số. Với
cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là :“Nghiên cứu nâng cao
chất lượng hệ điều chỉnh tự động tấn số máy phát điện”

1.2. Ổn định điện áp
- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp
- Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR
1.3. Ổn định tần số của máy phát điện
Như ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lượng điện năng của toàn hệ
thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thường, tần số ở mọi
điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công
suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác
dụng của máy phát điện .
Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường:
4

T pt
P P= + Π
(1-6)
Trong đó :
T
P
: Công suất của tuabin kéo máy phát.

pt
P
: Công suất của phụ tải điện.

Π
: Tổn thất công suất tác dụng .
Mô men kéo của tuabin.

. .

d


ω

Đ




Đ
Hình1-2: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp
BĐ/C
f
: Bộ điều chỉnh tần số
TB: Tuabin máy phát
5
F : Máy phát
CCĐ: Cơ cấu đo tần số












2
= U
R
+ U
L
, ở chế độ làm việc bình
thường với tần số định mức U thì U
R
=U
L.
Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh lưu
CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đưa 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 gia khuếch đại thuật toán U
r
≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh
tần số không phải là gía trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lượng U
r
,
dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị chuẩn
1.3.2. Ổn định tần số sơ cấp
Điều chỉnh sơ cấp: là quá trình điều chỉnh tốc độ quay tuabin bằng thay đổi lượng

(Tuabin)
ε

Hình1-5: Sơ đồ khối bộ điều tốc
Tín hiệu sai lệch ε sẽ quyết định hướng dịch chuyển độ mở của cánh hướng tuabin
nước. Khi hệ thống ổn định ε = 0 và công suất máy phát bằng công suất phụ tải.
Chất lượng điện năng của máy phát điện được đánh giá bởi hai chỉ tiêu tần số và
điện áp. Để các thiết bị điện làm việc tin cậy và cho hiệu suất cao thì hai chỉ tiêu
này luôn được quan tâm đúng mức. Trong chương này đã giới thiệu các phương
pháp ổn định tần số và điện áp. Để ổn định điện áp dùng hệ thống tự động điều
chỉnh điện áp còn ổn định tần số có hai phương pháp ổn định trực tiếp và ổn định
gián tiếp. Tuy nhiên việc đảm bảo tần số và điện áp là hai vấn đề lớn và phức tạp.
Do đó chúng ta chỉ tập trung giải quyết vấn đề ổn định tần số sơ cấp. Vấn đề này sẽ
được tiếp tục nghiên cứu ở chương 2.
CHƯƠNG 2: TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
2.1.Tổng quan về điều tốc
2.1.1 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc
- Độ sai lệch
- Độ rộng vùng không nhạy
- Độ không ổn định vòng quay tương đối
- Thời gian điều chỉnh
2.1.2. Một số loại điều tốc
2.1.2.1 Điều tốc cơ khí
2.1.2.2. Điều tốc điện
7
2.2. Một số hệ tự động ổn định tần số cho các loại máy phát điện
2.2.1.Tự động ổn định tần số cho nhà máy nhiệt điện
2.2.1.1. Giới thiệu về công nghệ sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện
2.2.1.2. Nguyên lý làm việc của tuabin hơi
a. Quá trình giãn nở của hơi trong ống phun

2.2.2.2.Cấu tạo của hệ điều khiển tuabin gió:
2.2.2.3. Sơ đồ hệ thống phát điện sức gió
Hình 2-14: Sơ đồ hệ thống phát điện sức gió
Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ bản về khả năng
sử dụng gió và khả năng tối ưu của các tuabin.
Đặt tuabin gió trong dòng chảy của không khí, khi không khí đến gần tuabin
bị ứ lại, áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc giảm, đến khi dòng chảy chạm vào
mặt tuabin trao cho tuabin năng lượng. Dòng chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoáy,
gây bởi chuyển động của tuabin và sự tác động với các dòng không khí xung quanh.
Về nguyên tắc, dòng chảy phải được duy trì. Do đó, năng lượng tuabin thu
nhận được bị hạn chế. Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được tuabin thu
nhận, thì vận tốc gió đằng sau tuabin sẽ bằng không. Muốn cho dòng chảy được cân
9
bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua tuabin phải bị mất mát. Đối
với hệ tối ưu, số phần trăm cực đại của năng lượng gió có thể thu nhận được tính
theo công thức do Carl Betz đưa ra năm 1927 :2
V
0,593
Ar
P
3
0max
=
(2-7)
Trong đó : P là mật độ năng lượng

Ar

V
C
l
ρ
=
(2-8)
C
d
=
A . V
2
1
2
ρ
D
(2-9)
Trong đó : ρ - mật độ không khí (kg/m
3
)
V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn
A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích hứng gió) m
2
.
L - Lực nâng.
D - Lực cản.
10
Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu
suất sử dụng năng lượng gió của tuabin thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên
cánh làm quay tuabin. Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công
suất trên trục tuabin hầu như không tăng lên.

+=V
(2-10)
Với biên độ dạng cánh là phẳng thì thành phần
W¦

sẽ gây lực F
d
còn thành
phần
U

sẽ gây lực F
1
mới có tác dụng gây ra chuyển động của cánh.
Ta phân tích
U

thành hai thành phần

ht
UU

+=
hd
U
(2-11)
Với
hd
U


định (
α
xác định) giá trị F
hd
phải đạt gía trị lớn nhất F
hdmax
và từ biểu thức của F
hd
ta
thấy F
hd
đạt giá trị là lớn nhất khi U
hd
đạt giá trị lớn nhất.
Từ hình 2-15 ta có:
U=Vsinγ, U
hd
=Ucosθ=Vsinγcosθ
Với γ=θ-α-90
0

( )
( )
θαθθαθθα
cos.coscos.90sin.cos.sin
0
−=−−==⇒ vvvU
(2-12)

( )

Hình 2-17:Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu hướng tâm
Trong đó : 1- Là phần tử đo lường 3-Cơ cấu thừa hành thủy lực
13
2- Là phần tử khuếch đại 4-Phần tử hiệu chỉnh
5- Phần tử đặt ( Cơ cấu đặt)
Bộ điều tốc tuabin kiểu điện có sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 2-18: Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tuabin kiểu điện
Trong đó: 1 Bộ tổng hợp mạch vòng vị trí
2 Bộ tổng hợp mạch vòng tốc độ
3 Động cơ điều chỉnh cánh hướng
4 Cánh hướng
5 Máy phát tốc
6 Cảm biến đo vị trí
2.2.4.Tự động ổn định tần số máy phát dầu.
Nguyên lý làm việc của tuabin khí cũng tương tự như tuabin hơi: Hỗn hợp
khí đốt có nhiệt độ cao (800÷1150
0
c) qua ống dẫn vào bánh tĩnh thứ nhất qua ống
phun áp suất và nhiệt độ giảm xuống, tốc độ tăng lên (ứng với sự giảm của nhiệt độ
và áp suất), ở ống phun nhiên nhiệt năng biến thành động năng. Dòng khớp cháy có
tốc độ… qua đáy cánh động làm quay cánh động dẫn đến tốc độ giảm: động năng
biến thành cơ năng.
1 2 3 4
5
6
Vị trí cánh
hướng
Giá trị đặt
14

M
d
: Mômen quay do động cơ sinh ra (KGm)
M
kd
: Mômen quay được tạo ra bởi khí nén khởi động (KGm), chỉ xảy ra khi
khởi động
M
t
: Mômen cản ma sát (KGm)
M
pt
: Mômen cản của phụ tải (KGm)
Khi động cơ làm việc có tải máy phát

ptd
MM
dt
d
j −=
ω
(2-18)
CHƯƠNG 3
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CHO MÁY PHÁT
3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển bộ điều tốc thuỷ điện
3.1.1. Các hệ điều khiển
Hệ thống điều khiển số
!"!#$%
!"!#&'()
*+(

R
i
, R
ω
, R
φ
: Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí nó có nhiệm vụ tổng
hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn
các lượng phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh vị trí R
φ
, tốc độ R
ω
và
bộ điều khiển dòng điện R
i
thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ
tĩnh và động.
ϕϕ
UU ,
*
: Điện áp ứng với vị trí cho trước và phản hồi vị trí.

nn
UU ,
*
: Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và phản hồi tốc độ quay

ii
UU ,
*

ϕ

ϖ
?

?
@'()0!!2

ϕ

ϕ








?
7


WM


A
φ

ĐC

ϖ
Aφ

F
/

 
U

U
Aφ


Hình3-16: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
3.2.2.2. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM
Vậy hàm truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến đổi PWM là:
1
.)(
+
≈=
−
Tp
K
eKpW
PWM
Tp
PWMPWM
(3-17)
Trong đó:
19

ω
: Hằng số thời gian của máy phát tốc.
K
ω
: Hệ số phản hồi của máy phát tốc.
3.2.2.4. Hàm truyền của thiết bị lấy tín hiệu dòng điện
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
pT
K
pW
BI
BI
BI
+
=
1
)(
(3-19)
Trong đó: T
BI
- hằng số thời gian của máy máy biến dòng.
K
BI
- hệ số phản hồi dòng điện.
3.2.2.5. Hàm truyền của cảm biến vị trí
Cảm biến vị trí dùng kiểu chiết áp, có hàm số truyền như sau:

1
)(
+


F

A
φ
A
?/
C
d
4
DC
&
E D




d
 

A



C D

 

ω
Hìn 3-17: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện


p2T1
1
.p2.T.p2.T1
1
(p)U
(p)U
(p)F
si
2
2
sisi
id
i
OMi
+
≈
++
==
(3-25)
3.2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R
ω
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau :
I(p)
R
I
(p) S
0i
(p)
U

TKR
TKK
pR
.2

)( =
(3-30)
Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ R
ω
(p) là một khâu P (tỷ lệ).
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không
coi I
C
là nhiễu nữa.
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
ωsωω
22
sωsω
d
K
1
.
.p2T1
1
K
1
.
p2T.p2T1
1
(p)ω

ϕ
ωω
ϕ
ϕ
TKK
pTK
T
pTK
KK
pR
r
s
s
r
2
)21(
.2.
)21(
.
1
)(
+
=
+
=
(3-37)
Với
pKKR
Dp
+=

K
ω
ω
+
PTC
R
cu
JP
1
i
K
1
R
ω
R
ϕ
JP
1
P2T1
K
ϕ
ϕ
+
ϕ
đ
(p)
ϕ(p) ω(p)
ω
d
(-)

ư
: Điện trở phần ứng 6.7 Ω
T
i
: Hằng số thời gian của máy biến dòng 0.0025 s
T
PWM
: Hằng số thời gian của của bộ PWM 0.0033 s
T
đk
: Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ PWM 0.001 s
T
ω
: Hằng số thời gian của máy phát tốc 0.001 s
T
φ
: Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0.3 s
η
đm
: Hiệu suất định mức của động cơ 90%
GD : 0.045
b. Tính toán các thông số
3.3.2. Tiến hành mô phỏng
Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình … và dùng Matlab
simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình…
23
Hình 3-22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
Kết quả mô phỏng:
3.3.3. Nhận xét:
Chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PD kinh điển

4.2.1.5. Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi
4.2.3.Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song
4.2.3.1. Đặt vấn đề
Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ logic mờ (FLC –Fuzzy Logic Control) là
cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch. Sơ đồ như hình 4-12
25