1

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NA

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*****

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

HỌC VIÊN

Cán bộ HD khoa học : PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

PGS.TS. Võ Quang Lạp
BAN GIÁM HIỆU

Nguyễn Tâm Phƣơng
KHOA SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

4

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

Tôi là , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá

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

Nguyễn Tâm Phƣơng

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
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể
phân loại

9

9


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15




5

6

I.2.1 Phần điều khiển

15

TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH

I.2.2 Phần động lực

22

TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực

22

III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển


III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R

75

II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện

31

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

32

II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợng vec
tơ không gian

32

II.2.2 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ tƣ̀ hệ véc
34

tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stato (,)
II.2.3 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọa độ cố đị nh trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stator (,)

37

II.2.4 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọa độ cố đị nh trên Rotor (d,q).
II.2.5 Xây dƣ̣ng mô hì nh toán học cho động cơ không đồng bộ
II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớng tƣ̀ thông trong hệ tọa độ tƣ̣a theo tƣ̀ thông


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

48

IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID

97

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn đị nh và đƣờng đặc tí nh tĩ nh

50

IV.3.1 Giới thiệu chung

97

II.3.2 Chất lƣợng động của hệ thống điều chỉ nh tốc độ hai mạch vòng kí n


113

66



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

8

DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình II.6

Hình vẽ

Tên hì nh vẽ

Trang

Hình I.1

Sơ đồ khối của một máy phát nối lƣới độc lập



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


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

Hình II.4

Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên

Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

44

Hình II.8

Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ


51

53

Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ
Hình II.15

thống điều chỉnh tốc độ

53

a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

Hình II.16

Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân

58

Ảnh hƣởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá
trình khởi động.

59

1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có



59

a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

10

Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có
Hình II.19

cài đặt suất biến đổi dòng điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4,3 A
63

CD – khâu vi phân dòng điện
Hình II.20
Hình II.21

Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi

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 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.7
Hình III.8
Hình III.9

Hình IV.11

Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

71

a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện
Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ
chỉnh lƣu
Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng.

Hình IV.12
72
Hình IV.13
74

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

75

Hình III.11

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

76


Hình IV.17

87

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 0 A
Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

89



Hình IV.19

100
101

Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai
PD
Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ
lai PD
Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai
PD
Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
lai PD

Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD

Hình IV.18


110

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 0 A
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 = 4.3 A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

112




11

12
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban

MỞ ĐẦU
Hiện nay, tần số trong hệ thống điện là một trong những chỉ tiêu để đánh giá
chất lƣợng điện năng. Do vậy để giữ tần số ổn định khi phụ tải thay đổi ở các nhà
máy thủy điện ngƣời ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh đó là hệ thống điều tốc.
Ngày nay khi công nghệ tự động hóa trong việc điều chỉnh tần số hệ thống

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

điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định

– 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




13

14

CHƢƠNG I

I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

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

I.1 Tổng quan về điều tốc

* Trong trƣờng hợp 2: Bộ điều tốc phải đảm bảo đƣợc điều chỉnh sơ cấp

điều kiện cân bằng công suất tác dụng:

khi tần số lƣới lệch khỏi giá trị định mức, còn điều khiển thứ cấp đƣợc điều khiển từ

PF = Ptt + Pth = PPT

xa theo lệnh của trung tâm điều độ. Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ
cấp xảy ra đồng thời khi phụ tải của hệ thống tăng lên hay giảm xuống, tất cả các

Trong đó:
PPT: Phụ tải tổng của các máy phát

nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất phát của mình để phù hợp

PF : Công suất phát

với phụ tải. Sau đó các nhà máy điều tần sẽ điều chỉnh công suất phát để đảm bảo

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

phần phụ tải thay đổi. Các nhà máy còn lại giữ nguyên công suất ban đầu để hệ
thống duy trì ở tần số định mức.
a. Tổ máy nối vào lƣới độc lập

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.

f2

* Đặc điểm của bộ điều tốc trong trƣờng hợp này là:

f0

- PPT = 0

f > fo

f1

- 0 < PPT < PMAX

f = fo

- PPT = PMAX

f < fo

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.
Hình I.2: Đặc tính tần số của lưới và máy phát

b. Tổ máy nối vào hệ thống:
Nếu công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy thì để đảm

Trong đó:

thỏa mãn phƣơng trình (1.1). Điều này cũng có nghĩa là, ta không chủ động đặt
đƣợc công suất phát cho mỗi tổ máy.

f

Để giải quyết vấn đề này, ngƣời ta thiết kế bộ điều tốc có phản hồi công suất
hay phản hồi vị trí cánh hƣớng theo sơ đồ:
Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




17

fo

18
Từ phƣơng trình (1.3) ta có đặc tính điều chỉnh Turbine - máy phát trong

f

trƣờng hợp này có dạng sau:

1


định khi f ≠ fo. Từ (1.3) ta thấy khi f = fo thì P = Po

- fo: tần số đặt

Vậy đặc điểm của bộ điều tốc trong trƣờng hợp này là:

- ep: độ rơi tốc độ
- GVo: giá trị đặt cánh hƣớng

- P = 0:

f > fo

- Po: giá trị đặt công suất

- P = Po:

f = fo

- P = Pmax:

Khi hệ thống đã ổn định  = 0

- 0 < P < Pmax

 (fo - f) + ep(GVo - GV) = 0
 f = fo + ep.GVo - ep.GV

(1.2)


20
không thay đổi ta phải điều chỉnh công suất của Turbine cho phù hợp, công suất của

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

NTB = 9,81..Q.H

Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều:

(1.4)

Trong đó:
- : Hiệu suất sử dụng cột nƣớc của Turbine

n.p
f 
60

- Q: Lƣu lƣợng dòng nƣớc (m3/s)

Trong đó:

- H: Chiều cao cột nƣớc (m)

- f: là tần số máy phát xoay chiều (Hz)

- NTB: Công suất Turbine (KW)


Trong đó:
- Mđ: Mômen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay

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

- Mc: Mômen cản trên trục Turbine - Máy phát gồm:

diện dòng chảy khi ra khỏi đƣờng ống

+ Mômen cản do ma sát
+ Mômen điện từ: mômen này do dòng điện chạy trong phần

Nhƣ vậy: 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

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

d
 0 nghĩa là
dt

cách khác là giữ cho tần số máy phát không đổi khi tần số lƣới thay đổi.
I.1.3 Phân loại các loại điều tốc
I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu
điều chỉnh có thể phân loại:

đƣợc trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trƣợt của bộ điều chỉnh và cơ

tác động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc đƣợc đặc

cấu điều chỉnh của đối tƣợng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.

trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:

I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại:

Độ sai lệch
Độ sai lệch  trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh giữa

- Bộ điều tốc một chế độ
- Bộ điều tốc hai chế độ

vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:

- Bộ điều tốc nhiều chế độ



- 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 đƣợc 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,

Trong đó:

nkt  nH

phân loại thành:

Độ rộng vùng không nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch

chuyển các có cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hƣởng lực ma sát trong các cơ cấu

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu

của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển thủy lực nên khi vận tốc góc thay đổi nhỏ, bộ

- 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:

điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tƣơng 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 kn:

- Bộ điều tốc có liên hệ ngƣợc cứng

 kn 

- Bộ điều tốc có liên hệ ngƣợc mềm
- Bộ điều tốc có liên hệ ngƣợc tổng hợp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



việc độc lập, độ không nhạy ảnh hƣởng không nhiều tới chất lƣợng làm việc của

tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ

động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không nhạy nhỏ cũng có thể gây ra

thay đổi tải theo quy định

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

I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc
I.1.5.1 Điều tốc cơ khí
Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều

động cơ
Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác

chỉnh. Phần dẫn động đƣợc cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển

động cơ và bảo dƣỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn

nhƣ bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều khiển và van

mới, bộ điều tốc giống nhau nhƣng vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau

phân phối... Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hƣớng bằng cách

nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.


trình chuyển tiếp
Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất  phụ thuộc vào chất lƣợng
bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

tƣợng chấp hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. Có hai loại phản hồi,
phản hồi cứng và phản hồi mềm. Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá
trình vận hành ổn định trƣớc khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song.

Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối
Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối  là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi

Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận

động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối (định

hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi

mức, không tải v.v..)

phục tần số của hệ thống.



 S

H

hay  


đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí đƣợc vẽ bằng nét liền.

Hình I.6: Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

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 đƣợc sử dụng làm tín hiệu vào, nó đƣợc đƣa qua
mạch cộng hƣởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số đƣợc xác định theo giá trị đặt sau
đó tín hiệu đầu ra đƣợc đƣa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển
động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




27

28
+ Module tƣơng tự đầu vào AI774: Hổi tiếp vị trí cánh hƣớng và công suất

I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền
Hệ thông điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền đƣợc chia làm hai phần

tác dụng


RS232

Tín hiệu điều khiển từ ngƣời vận hành đƣợc truyền song song qua các card
I/O hay nối tiếp qua RS23, CAN hay qua đƣờng truyền RS485.
- Bộ điều khiển PCC bao gồm:

IF321

ＣＡＮ

+ Module xử lý CP476: CPU, bộ nhớ; chạy chƣơng trình điều khiển

RS485

a. Cấu trúc bên trong tủ điều tốc
DI135

IF321

ＣＡＮ

DI135

CP476

+ Module nguồn: Cấp nguồn 24VDC cho PCC

LCU

CP476

lƣới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




29

30
Kiểm tra trình tự khởi động tổ máy là đảm bảo an toàn cho tổ máy đủ điều

b. Trình tự khởi động tổ máy

kiện để bắt đầu khởi động tổ máy
+ Dừng và dừng khẩn cấp để reset
+ Hồi tiếp cánh hƣớng là bình thƣờng
+ Bắt đầu tự động để đóng
Chƣơng trình sẽ mở cánh hƣớng đến độ mở nào đó an toàn đảm bảo rằng độ
mở cánh hƣớng này sẽ không gây ra quá tốc cho tổ máy trong suốt thời gian khởi
động. Khi cánh hƣớng mở để mở an toàn trong một thời gian và thời gian này đƣợc
kết hợp chặc chẽ với hằng số thời gian chuẩn của tổ máy nó có quan hệ để lựa chọn
độ mở cánh hƣớng mở an toàn. Sau chu kỳ của thời gian, tốc độ của tổ máy phải
đƣợc kiểm tra để đảm bảo bộ điều tốc vận hành bình thƣờng. Nếu nó bình thƣờng,
bộ điều tốc tự động điều chỉnh có thể đƣợc duy trì, nếu nó không bình thƣờng, báo
động sẽ đƣợc đặt ra và chế độ vận hành sẽ đƣợc thay đổi để điều chỉnh bằng tay độ

Khi tốc độ tổ máy bình thƣờng, modula tần số ứng dụng thuật toán PID đƣợc
đƣa vào. Khi hồi tiếp tần số hệ thống là bình thƣờng và vận hành là đặt cho “tần số
hệ thống tiếp tục có thể cho phép”, chƣơng trình sẽ sử dụng tổng của tần số hệ
thống và tần số đồng bộ (đặt khi vận hành) nhƣ là tần số cài đặt cho bộ điều chỉnh
PID. Trong chế độ vận hành này, chƣơng trình sẽ bỏ qua tính hiệu tăng/giảm từ xa
và tín hiệu điều khiển thiết bị không đồng bộ
Khi hồi tiếp tần số hệ thống ra ngoài chức năng hoặc tần số hệ thống tiếp tục
không đặt cho vận hành, chƣơng trình sẽ sử dụng cộng tổng tần số định mức 50Hz
chồng lên tín hiệu tăng giảm tần số nhƣ là sự cài đặt cho điều biến tần số
Trình tự điều khiển dừng của thiết bị phải bao gồm dừng khẩn cấp và dừng
bình thƣờng: Dừng khẩn cấp sẽ không đƣợc thực hiện hoặc phạm vi bảo vệ quá tốc
trong suốt quá trình dừng bình thƣờng.
d. Thuật toán điều khiển của bộ điều tốc Bình Điền NARI-PID2

Hình I.10: Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc
Trong trình tự điều khiển không tải tổ máy thì tổ máy phải đảm bảo điều kiện
không tải dƣới những điều kiện sau:
+ Tốc độ lớn hơn 80% tốc độ định mức

Hình I.11: Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên





+ Nó cung cấp khả năng điều khiển hiệu quả cho dao động thủy lực bởi
turbine thủy lực của hệ thống thủy lực và cải tiến đặc tính điều chỉnh
+ Tăng khả năng khử nhiễu của bộ điều tốc Turbine thủy lực

răng là 200mm, lỗi gia công bƣớc răng phải ít hơn 0,02mm
Thiết bị đo lƣờng tần số đĩa đƣợc bao gồm cả đĩa có rãnh, tiếp điểm xấp xỉ và
đo lƣờng tần số máy tính, nhƣ hình

c. Nguyên lý đo lƣờng tần số tổ máy
Tần số đo lƣờng đƣợc thiết kế cho bộ điều tốc Turbine thủy lực SAFR-2000H
là kết hợp giữa đo lƣờng tần số của điện áp dƣ và đo lƣờng tần số của đĩa đo tốc độ
hay đĩa có đƣờng rãnh (Encorder)
Mặc dù tần số đo lƣờng của điện áp dƣ có độ chính xác cao nhƣng khi tổ máy
vận hành ở tốc độ thấp, giá trị khuyếch đại tín hiệu điện áp dƣ nhỏ, vì vậy giá trị đo
lƣờng này là không chính xác, khi mất kích từ xảy ra ngoài tổ máy hoặc tổ máy có ít
từ dƣ sau khi dừng máy kéo dài, đo lƣờng tần số bằng điện áp dƣ sẽ không thích
hợp tƣơng ứng với tốc độ thực tế của tổ máy, kết quả bộ điều tốc điều chỉnh không
ổn định hoặc tổ máy sẽ vƣợt ra khỏi khả năng điều khiển giống nhƣ quá tốc độ v.v
Trong khi đĩa có rãnh đo lƣờng tần số, cảm biến sẽ đƣa tín hiệu ra dạng sóng
vuông của giá trị hằng số khuyếch đại sự truyền tần số là tƣơng đƣơng đến tốc độ tổ

Hình I.12: Sơ đồ nguyên lý đo lường tần số
I.2.2.Phần động lực:
Làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu thủy lực đóng mở cánh
hƣớng thực hiện nhiệm vụ điều tốc

máy. Do đó, để cải thiện sự tinh cậy của tần số đo lƣờng, đĩa đo lƣờng tần số đƣợc

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực



36

b. Bồn chứa dầu
- Dung tích bồn chứa: 400 lít
- Loại dầu sử dụng: Turbo 68
c. Bình tích năng
- Sử dụng không khí nén
- Dung tích bình: 50 lít
- Áp suất thiết kế: 4 Mpa
Ngoài ra còn có các bộ phận khác nhƣ van an toàn, túi thở cao su, các đồng
hồ chỉ báo và Rơle bảo vệ tạo thành một hệ thống thủy lực chính

Hình I.14: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực
I.5.2.2 Cấu trúc phần thủy lực
a. Bộ điều khiển thủy lực
Bao gồm các van Solenoid, van dẫn động, van điện từ và van cơ khí mỗi
van đảm nhiệm một chức năng trong bộ điều khiển
- Van S4.1: Van dẫn động cánh hƣớng có nhiệm vụ quan trọng nhất
trong việc điều chỉnh tốc độ của tổ máy phù hợp với tải ở chế độ tự động
Hình I.13: Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc

- Van S3.1: Van lựa chọn chế độ làm việc của bộ điều tốc
- Van S2.1: Van dẫn động cánh hƣớng ở chế độ bằng tay
- Van S1.2: Chức năng đóng nhanh hoặc mở nhanh cánh hƣớng
- Van EU: Van phân phối dầu đến các secvor làm nhiệm vụ điều tốc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



điều chỉnh để điều khiển cánh hƣớng.

* Nguyên lý làm việc của van
- Khi cuộn dây 1 có điện: lò xo 4 nén lại (do lực điện từ sinh ra) đẩy
trục van dịch chuyển sang phải làm mở thông các cửa dầu: P thông B và T thông A
- Khi cuộn dây 2 có điện: lò xo 3 nén lại (do lực điện từ sinh ra) đẩy
trục van dịch chuyển sang phải làm mở thông các cửa dầu: P thông A và T thông B
- Khi cuộn dây 1 và cuộn dây 2 không có điện van đƣợc giữ ở trạng
thái cân bằng, các cửa dầu A và B đƣợc khóa lại.
b. Van dẫn động cánh hƣớng (van tỉ lệ)
* Cấu tạo

Hình I.15: Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hướng
c. Thiết bị tác động quá tốc
Khi có quá tốc con lắc sẽ tác động lên van OSD điều khiển mở khẩn
cấp đƣờng dầu điều khiển đóng cánh hƣớng.
I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van
a. Van điện từ kiểu By pass (Van S2.1)
- Đầu nối dây

* Cấu tạo:

- Lõi van
- Đƣờng ống lót
- Bộ chuyển đổi vị trí LVDT
- Cuộn dây điện từ
Hình I.16: Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


qua van S4.1 (dầu chuyển từ TB) hồi về thùng dầu chính

* Nguyên lý làm việc của van

* Hành trình đóng cánh hƣớng ở chế độ tự động: dầu từ đƣờng dầu P qua

Điều khiển van dẫn động trực tiếp
Tín hiệu điện tƣơng ứng để điều khiển vị trí của lõi van đƣợc đặt từ bộ tích
phân và dòng điện vào cuộn dây làm dịch chuyển lõi van

van S4.1 ở vị trí đóng (dầu chuyển từ AT) qua van S3.1 ( dầu chuyển từ BT)
qua van EU (dầu chuyển từ AB) cung cấp cho secvo đi đóng cánh hƣớng. Dầu

Bộ dao động đƣợc kích thích từ bộ chuyển đổi vị trí cánh hƣớng LVDT của
lõi van nó tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với vị trí của lõi van

hồi về qua van S7.1, qua van EU (dầu chuyển từ ED) qua van S3.1 (dầu chuyển
từ PA) qua van S4.1 (dầu chuyển từ PB) hồi về thùng dầu

Tín hiệu chuyển đổi vị trí của lõi van đƣợc so sánh với lệnh điều khiển và kết
quả sai lệch của lõi van hình thành nên dòng điện vào cuộn dây điện từ và nó dẫn
động lõi van cho đến lúc vị trí lõi van đúng với vị trí đã đặt lệnh và sai số vị trí của
lõi van giảm về không (không còn sai lệch). Kết quả vị trí của lõi van tỉ lệ với tín
hiệu đã đặt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

thì các hệ thống điều tốc đều có cấu trúc và hệ điều khiển tƣơng tự nhau. Cấu trúc
của tất cả các hệ thống đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (giao diện ngƣời máy và
thực hiện nội suy, các module giao tiếp), phần điều khiển servo, động cơ servo,
phản hồi tốc độ-vị trí. Hệ thống điều khiển thông thƣờng có hai dạng: Điều khiển
vòng hở và điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển vòng hở thƣờng có độ chính
xác không cao, nhƣng rẻ tiền do đó trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng hệ điều
khiển vòng hở cho những hệ thống không đòi hỏi cao về độ ổn định tần số (nhƣ
máy các máy phát ở chế độ điều tần cấp 2 thì giá trị điều chỉnh f = ±0.5 Hz). Hệ
thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, nhƣng giá thành đắt, ngày
nay ngƣời ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín.
Hệ thống điều khiển điều tốc thông thƣờng gồm các khối: Khối điều khiển
máy, khối điều khiển servo, động cơ servo, khối phản hồi tốc độ, khối phản hồi vị
trí. Khối điều khiển chính của hệ thống điều tốc bao gồm: một máy tính có nhiệm
vụ điều khiển chung các hoạt động của hệ thống, giao tiếp với ngƣời sử dụng, nhận
tín hiệu từ cảm biến vị trí và cảm biến tốc và thực hiện các thuật toán nội suy, so
sánh và đƣa ra các lệnh điều khiển; các bộ điều khiển khả trình PCC làm nhiệm vụ
điều khiển các chức năng tuần tự của máy. Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ
nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm
biến tốc độ, thực hiện các thuật toán điều chỉnh hợp lý (PID, trƣợt, mờ, nơron) để
điều khiển năng lƣợng cấp cho động cơ servo. Cảm biến dùng để đo tốc độ trong
máy phát hiện nay thƣờng dùng là các loại Encoder, Reslve, Synchro. Cảm biến
dùng để đo vị trí trong hệ thống điều tốc thƣờng là biến áp vi sai hoặc Encoder hoặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Ri, R : Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm vụ tổng hợp và
tạo ra điện áp điều khiển đƣa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các lƣợng
phản hồi, lƣợng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ R và bộ điều chỉnh dòng
điện RI thích hợp sẽ đảm bảo chất lƣợng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động.

II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợng vec tơ
không gian.
Ta xét động cơ có số đôi cực p = 1, trên stator có ba cuộn dây bố trí lệch
nhau 1200. Dây quấn rôtor của động cơ không đồng bộ ba pha rôtor lồng sóc thực

U*n,

Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trƣớc và phản hồi tốc độ quay.

U*i,

Ui : Điện áp ứng với dòng điện cho trƣớc và điện áp phản hồi dòng điện.

chất là dây quấn nhiều pha, nhƣng ta có thể quy về dây quấn ba pha
B

Bộ nguồn: Cung cấp nguồn cho động cơ

Y

Cánh hƣớng: Cơ cấu hƣớng nƣớc

b

Trong hệ thống điều tốc hệ truyền động gồm hai thành phần cơ bản đó là bộ

khiển tối ƣu, tác động nhanh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




45

46

Phƣơng trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn có dạng: uk  R k . i k 

dψ k
dt

Trong đó: k là từ thông móc vòng của các cuộn dây: k = lkj.ik

(2.1)
(2.2)

Nếu dây quấn của động cơ là đối xứng và khe hở không khí là đều:
R A = RB = RC = R 1
R a = Rb = Rc = R2
LAA = LBB = LCC = L10
Laa = Lbb = Lcc = L20

ψ A 
ψs  ψ B 
ψ C 

ψ 
 a
ψ  ψ 
r
 b
ψ
 c 

-L

ms

R 2
R  0
r
0

 L
 20
L  - L
r
 mr
- L
 mr

ms 


3 

cos θ 



-L
L
-L


cos θ 

0 
0 
R 2 

0
R2
0

mr
20

-L 
mr 




Thay thế (2.3) vào (2.1) ta đƣợc phƣơng trình cân bằng điện áp rút gọn là:
ψ   L s
 s  
T
ψ
 r  L m0 θ 

L

m0

θ  i s 
 

(2.4)

L r  i r 

II.2.2 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ tƣ̀ hệ

véc tơ

(a,b,c) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stato (,).
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ
không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định

 
i c 
b


u s  u B 
u C 

ms


 cosθ 

2π 
 
L θ  L cos θ  
m0
m0
3 


2π 
 

cos θ 
3 
 

LAa = LaA = LBb = LbB = LCc = LcC = Lm0.cos
LAb = LbA = LBc = LcB = LCa = LaC = Lm0.cos( + 2/3)

-L

0
R

Trong đó R2, L2 là điện trở và điện kháng rotor quy đổi về hai pha.

a

0


c
Hình II.3: Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (,)
Việc quy đổi vector dòng điện và điện áp đƣợc thực hiện theo công thức:
i α   2/3
 
i β   0
u α   2/3
 
 u β   0

 1/6
1/2
 1/6
1/2

(2.5)

u A 
 1/6   
u B 
 1/2   
u C 





 0



L 2

0

0

L2 

L2  



cosθ   sin θ 
L m0  L m 

 sin θ  cosθ  

L2 = L20 + Lmr
(2.6)

0 
 i α 
1/2   

L1 = L10 + Lms

vector không gian(a,b,c) ta có công thức:

T

R

R 

Trong đó:

Nguợc lại khi quy đổi từ hệ trục toạ độ cố định trên stator (,) về hệ toạ độ
i A   2/3
  
i B    1/6
i   1/6
 C  

Sau khi quy đổi ta đƣợc kết quả:

0

i A 
 1/6   
 i B 
 1/2   
i C 





49

50

hệ toạ độ cố định trên rotor (x,y) gồm hai cuộn dây rotor nằm trên hai trục (x,y). Ta
có hệ phƣơng trình cân bằng điện áp nhƣ sau:




định trên rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên stator (,). ta có:




u 1α  R 1  pL1 i1α  pl m . cos θ.i 2x  sin θ.i 2y

u 1β  R 1  pL1 i1β  pl m . sin θ.i 2x  cos θ.i 2y

u 2x  pl m . cos θ.i1α  sin θ.i1β  R 2  pL 2 i 2x
u  pl . - sin θ.i  cos θ.i  R  pL i
m
1α
2
1β
2 2y
 2x


2
2
  2x 
pL .cosθ
0
R  pL  i 
2

2



i   cosθ
 2x   
i 2y  - sinθ

(2.12)

2y 

tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stator (,).
Từ mô hình mạch của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ cố định
stator (,), ta nhận thấy từng cặp (u1, u1); (u2x, u2y); (i1, i1); (i2x, i2y); có thể xem
nhƣ tọa độ của các vector không gian u ; u ; i ; i trên toạ độ (,) và (x,y).
1 1 1 2

i2

(quay vùng rotor)



 pL m .cos θ.i1α  sin θ.i1β   R 2 .i 2x  pL 2 .cos θ.i 2α  sin θ.i 2β 

(2.16)

 pL m .- sin θ.i1α  cos θ.i1β   R 2 .i 2y  pL 2 .- sin θ.i 2α  cos θ.i 2β 

Tƣơng tự, vector điện áp rotor đƣợc quy đổi theo công thức:
u 2α 
u 2x 

  C2 

u
 u 2y 
 2β 

(2.17)

Sau khi biến đổi ta nhận đƣợc hệ phƣơng trình cân bằng điện áp:

cố định trên rotor

i2



Thay u2x, u2y từ hệ (2.15) vào (2.16) và thay ký hiệu p bằng đạo hàm d/dt.

cố định trên

2
 sinθ cosθ 

0
R  pL

m



Ma trận biến đổi sẽ là:

Viết dƣới dạng ma trận là:
 u 1α   R 1  pL1

 
0
 u 1β  
u    pL .cosθ
 2x   m
u 2y  - pL .sinθ
m


 sinθ i 2x 
 
cosθ  i 

i2x


và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên