Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
1
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 605260
Người thực hiện : NGUYỄN TÂM PHƯƠNG
Cán bộ HD khoa học : PGS.TS. VÕ QUANG LẠP
THÁI NGUYÊN-NĂM 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN
Học viên : Nguyễn Tâm Phương
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Võ Quang Lạp
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY
PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ
1
I.1 Tổng quan về điều tốc 1
I.1.1 Tần số trong chất lượng 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 9
I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh 9
I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có
thể phân loại
9
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể
phân loại
9
I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc 10
I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc 12
I.1.5.1 Điều tốc cơ khí 12
I.1.5.2 Điều tốc điện 14
I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền 15
I.2.1 Phần điều khiển 15
I.2.2 Phần động lực 22
I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực 22
I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực 24
I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van 25
CHƯƠNG II
PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH
TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
66
III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 67
III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 67
III.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn THYRISTOR 72
III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 74
III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 74
III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển R
I
, R
ω
, R
ϕ
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
CHƯƠNG IV
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
90
IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 90
IV.2 Các bộ điều khiển mờ 92
IV.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển 92
IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 93
Hình I.13 Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc 23
Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực 24
Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hướng 25
Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass 25
Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31
Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 32
Hình II.3
Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
stator (α,β)
35
Hình II.4
Hệ tọa độ cố định trên stator (α,β) và hệ toạ độ cố định trên
rotor(x,y)
36
Hình II.5
Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (α,β) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)
37
Hình II.6
Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator (α,β) 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 hướng 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
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
59
Hình II.18
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có
cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:
a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá
59
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.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70
Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 71
Hình III.7
Sơ đồ cấu trúc thu gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện
71
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
∆
và
ω
91
Hình IV.2 Hệ điều khiển mờ theo luật I 94
Hình IV.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 94
Hình IV.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 95
Hình IV.5 Hệ điều khiển mờ PID 96
Hình IV.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 98
Hình IV.7 Mô hình bộ điều khiển mờ bù 98
Hình IV.8
Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ
điều khiển PID
100
Hình IV.9 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 101
Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 103
Hình IV.11
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
ứng dụng thực tiễn cho Nhà máy thủy điện Bình Điền, góp phần vào ổn định tần số
của hệ thống điện khi phụ tải dao động.
Việc “Nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số
máy phát Thủy điện Bình Điền” còn có một ý nghĩa rất lớn trong ngành tự động
hóa. Đó chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi.
Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương sau:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU
TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ.
CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN
ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƯƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã
hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời
cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
11
Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường 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!
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2010
Tác giả luận văn
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Trong đó:
P
PT
: Phụ tải tổng của các máy phát
P
F
: Công suất phát
Khi có sự cân bằng công suất thì tần số được giữ không đổi. Nhưng vào mỗi
thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ được 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 tương ứng và kịp thời.
Như vậy vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chắt chẽ với điều chỉnh và phân
phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện. Tần số
được điểu chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi hoặc nước vào Turbine. Khi thay đổi
lượng hơi hoặc nước vào Turbine, công suất tác dụng của máy phát cũng thay đổi.
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
13
I.1.1 Tần số trong chất lượng điện
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 lưu lượng
nước 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.
* Một máy phát điện có hai chế độ làm việc cơ bản là:
- Trường hợp 1: Máy phát làm việc trong lưới độc lập tức là lưới chỉ do
công suất của tổ máy này cung cấp
- Trường hợp 2: Máy phát làm việc trong hệ thống, trong trường hợp này
Để có được đặc tính như trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc như sau:
Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
f
2
f
0
f
1
f
f
o
ε
f
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
15
Tín hiệu sai lệch (ε = f
o
- f) sẽ quyết định hướng dịch chuyển độ mở của cánh
hướng. Khi hệ thống đã ổn định, ε = 0 hay f = f
o
và công suất máy phát cân bằng
với công suất tải.
* Đặc điểm của bộ điều tốc trong trường hợp này là:
- P
PT
= 0 f > f
o
- 0 < P
PT
1
, P
2
là công suất phát của tổ máy 1 và 2
P
R
là tổng công suất phụ tải
Từ phương trình (1.1) ta thấy rằng có vô số giá trị P
1
, P
2
có thể nhận được để
thỏa mãn phương trình (1.1). Điều này cũng có nghĩa là, ta không chủ động đặt
được công suất phát cho mỗi tổ máy.
Để giải quyết vấn đề này, người ta thiết kế bộ điều tốc có phản hồi công suất
hay phản hồi vị trí cánh hướng theo sơ đồ:
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
16
Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng
Lúc này ta có:
ε
1
= f
o
– f
ε
2
= (GV
o
- ep.GV (1.2)
Trong đó: GV
o
= P
o
.f
(x)
- 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 ε = 0 hay f = f
o
+ ep.P
o
– ep.P (1.3)
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
f
o
(P
o
)(GV
o
)
(P)(GV)
ε
1
ε
f
: 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 dưới
Từ sơ đồ đặc tính điều chỉnh Turbine, ta thấy nếu đặt ep = 0 thì sơ đồ vẽ có
dạng như khi làm việc ở lưới độc lập.
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
P
01
P
02
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
18
I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số
Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của Rotor - Máy phát
là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải
Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều:
60
.pn
0=
dt
d
ω
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
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
19
không thay đổi ta phải điều chỉnh công suất của Turbine cho phù hợp, công suất của
Turbine do dòng nước cung cấp được xác định
N
TB
= 9,81.η.Q.H (1.4)
Trong đó:
- η: Hiệu suất sử dụng cột nước của Turbine
- Q: Lưu lượng dòng nước (m
3
/s)
- H: Chiều cao cột nước (m)
- N
TB
: Công suất Turbine (KW)
Từ công thức (1.4) ta có thể thay đổi thông số η, Q, H để điều chỉnh công
suất của Turbine. Việc thay đổi thông số Q là tiện lợi nhất:
Lưu lượng Q của dòng nước qua tiết diện S được tính như sau:
Q = V.S (m
3
/s)
- Bộ điều tốc giới hạn
I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh
Trên thực tế có thể các bộ điều tốc được chế tạo dựa trên ứng dụng các tín
hiệu công tác khác nhau: chẳng hạn bộ điều tốc đó có thể sử dụng tín hiệu thủy lực,
cơ học hoặc điện để truyền các thông tin. Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu công tác
khác nhau có thể phân loại:
- Bộ điều tốc cơ học
- Bộ điều tốc khí nén
- Bộ điều tốc thủy lực
- Bộ điều tốc điện tử
I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có thể
phân loại thành:
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể phân
loại:
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
tb
Hkt
n
nn
−
=
δ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
21
chuyển các có cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hưởng 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 không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tương ứng vùng
không có phản ứng gọi là khi vực không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể
hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc ε
kn
:
cb
cbcb
kn
ω
ωω
ε
'''
−
=
;
2
'''
cbcb
cb
ωω
ε
+
=
Trong đó, ω’
cb
, ω’’
cb
giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
(∆ω
dd
) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá
trình chuyển tiếp
Giá trị độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất ϕ phụ thuộc vào chất lượng
bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định
Độ không ổn định vòng quay tương đối
Độ không ổn định vòng quay tương 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 tương đối (định
mức, không tải v.v )
H
S
ω
ω
∆
=Ψ
hay
kt
S
ω
ω
∆
=Ψ
Trong đó:
∆ω
s
: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
ω
H
,ω
Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận
hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi
phục tần số của hệ thống.
Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. Khi tốc
độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm
cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống. Khi servomotor đóng lại, điểm tựa
phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí
được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị trí được vẽ bằng nét đứt. Tốc độ quay sau
đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí được vẽ bằng nét liền.
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
24
Hình I.6: Hệ thống điều khiển có máy điều tốc
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
25
Hình I.7: Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
I.1.5.2 Điều tốc điện
Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua
mạch cộng hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau
đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển
động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ.
I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền
Hệ thông điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền được chia làm hai phần
rõ rệt là phần động lực và phần điều khiển
CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp HVTH: Nguyễn Tâm Phương
Copyright: Tài liệu đại học ©