nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

VŨ THỊ YẾN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TỰ ĐỘ NG HÓ A

NGÀNH: TỰ ĐỘ NG HÓ A


NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN
SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN



VŨ THỊ YẾN

TN
2011


THÁI NGUYÊN 2011



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ MÁY
PHÁT ĐIỆN



Ngành : TỰ ĐỘ NG HÓ A
Học Viên : VŨ THỊ YẾN
Người HD Khoa học: PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN – 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên
:
Vũ Thị Yến
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 25 tháng 02 năm 1984
Nơi sinh
:
Huyện Gia Lộc – Tỉnh Hải Dương
Nơi công tác
:
Trường Đại Học Sao Đỏ

Cơ sở đào tạo
:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành
:
Tự động hóa
Khóa học
:
K12- TĐH


TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ MÁY
PHÁT ĐIỆN



Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Võ Quang Lạp

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Ngày giao đề tài: / /
Ngày hoàn thành: / /


GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Võ Quang Lạp
HỌC VIÊN



Vũ Thị Yến
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là, Vũ Thị Yến học viên lớp cao học khoá 12 - Tự Động Hoá Trƣờng đại
học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Sao Đỏ.
Xin cam đoan: Đề tài ”Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động
tần số máy phát điện” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp là công
trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc ghi trong
danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đƣợc ghi trong
danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng
và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
.
Ngƣời cam đoan

Vũ Thị Yến












Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn
tận tình của thầy PGS – TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nghiên cứu nâng
cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát điện” đã đƣợc hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn PGS – TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng
nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.

Tác giả



Vũ Thị Yến











Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI 8
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG 10
MÁY PHÁT ĐIỆN 10
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện 10
1.2. Ổn định điện áp 10
1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp 14
1.3.2. Ổn định tần số sơ cấp 16

CHƢƠNG 2: TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 20
2.1 .Tổng quan về điều tốc 20
2.1.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc 20
2.1.2. Một số loại điều tốc 22
2.2. Một số hệ tự động ổn định tần số cho các loại máy phát điện 24
2.2.1.Tự động ổn định tần số cho nhà máy nhiệt điện 24
2.2.2. Tự động ổn định tần số máy phát gió 36
2.2.3. Tự động ổn định tần số máy phát thuỷ điện 43
2.2.4.Tự động ổn định tần số máy phát dầu. 46
CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
CHO MÁY PHÁT 52
3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển bộ điều tốc thuỷ điện 52
3.1.1. Các hệ điều khiển 52
3.1.2. Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện 52
3.2. Tổng hợp hệ truyền động PWM –Đ cho điều tốc thuỷ điện 68
3.2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc 68
3.2.2. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển. 69
3.2.3. Tổng hợp hệ thống. 72
3.3. Mô phỏng hệ thống. 78
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3.3.1. Chọn và xác định các thông số 78
3.3.2. Tiến hành mô phỏng 81
3.3.3. Nhận xét: 83
CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN 84
4.1. Tnh phi tuyến của bộ điều khiển vị tr 84
4.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thch nghi 85

4.2.1. Đặt vấn đề 94
4.2.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ 95
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thch nghi theo mô hình mẫu song song 99
KẾ T LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ 113

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1-1
Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR
13
Hình 1-2
Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp
15
Hình 1-3
Sơ đồ cơ cấu đo tần số a, biều đồ vectơ điện áp b
15
Hình 1-4
Đƣờng đặc tnh tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1
’
,2
’
,3
’
).
17
Hình 1-5
Sơ đồ khối bộ điều tốc
19

Hình 2-1
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ kh
23
Hình 2-2
Hệ thống điều khiển có máy phát tốc
23
Hình 2-3
Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện
25
Hình 2-4
Sơ đồ mạch điều khiển áp suất hơi chnh
27
Hình 2-5
Sơ đồ mạch đầu vào điều khiển lò hơi
28
Hình 2-6
Sơ đồ tuabin master
29
Hình 2-7
Sơ đồ mạch điều khiển nhiên liệu
30
Hình 2-8
Sơ đồ điều khiển khói gió
31
Hình 2-9
Sơ đồ mạch điều khiển gió cấp 2
32
Hình2-10
Sơ đồ mạch điều khiển Quạt khói
33

Hình 2-11
Sơ đồ mạch điều khiển mức nƣớc bao hơi
34
Hình 2-12
Sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt
35
Hình 2-13
Cấu tạo của tuabin gió
38
Hình 2-14
Sơ đồ hệ thống phát điện sức gió
39
Hình 2-15
Phân tch động học cánh gió
41
Hình 2-16
Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị tr khác nhau
43
Hình 2-17
Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu
hƣớng tâm
44
Hình 2-18
Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tuabin kiểu
điện
46
Hình 2-19
Hệ thống điều tốc máy phát điện dầu
47
Hình 2-20

Đồ thị công chỉ thị
47
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 3-1
Hệ thống điều khiển số
52
Hình 3-2
Hệ thống điều khiển tƣơng tự
52
Hình 3-3
Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện
53
Hình 3-4
Sai số tải đƣợc tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải đƣợc nối
giữa contact trƣợt và một đầu của dây điện trở
54
Hình 3-5
Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông ro-
tor(r,q)
55
Hình 3-6
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết
bị biến tần
57
Hình 3-7
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ
58

Hình 3-8
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai
mạch vòng kn.
59
Hình 3-9
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kn
60
Hình 3-10
Đồ thị tốc độ quay và dòng điện của quá trình khởi động hệ
thống điều chỉnh tốc độ
60
Hình 3-11
Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một
chiều
64
Hình 3-12
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM dạng H
65
Hình 3-13
Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H
65
Hình 3-14
Sơ đồ khối của mạch tạo xung điều khiển
67
Hình 3-15
sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc thuỷ điện
69
Hình 3-16
Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

69
Hình 3-17
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
72
Hình 3-18
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
73
Hình 3-19
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
74
Hình 3-20
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị tr
76
Hình 3-21
Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị tr
78
Hình 3-22
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
81
Hình 4-1
Quan hệ giƣ̃ a


và


85
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 4-2
Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thch nghi trực tiếp
86
Hình 4-3
Cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển thch nghi gián tiếp
87
Hình 4-7
Luật hợp thành tuyến tnh
89
Hình 4-8
Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tnh
98
Hình 4-9
Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp
92
Hình 4-10
Các vùng trong ô suy luận
92
Hình 4-11
Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K
93
Hình 4-12
MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
94
Hình 4-13
MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tch
phân sai lệch đầu vào
95
Hình 4-14

Sơ đồ khối mờ cơ bản
96
Hình 4-15
Các luật hợp thành
96
Hình 4-16
Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
97
Hình 4-17
Các vùng trong ô suy luận
97
Hình 4-18
Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K
100
Hình 4-19
MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
101
Hình 4-20
MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra và hệ số tch phân sai
lệch đầu vào
102
Hình 4-21
Sơ đồ khối mờ cơ bản
103
Hình 4-22
Các luật hợp thành

107
Hình 4-23
Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

108
Hình 4-24
Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều
khiển mờ thch nghi

108
Hình 4-25
Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ thích nghi
110
Hình 4-26
Các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng với các giá trị đặt khác nhau của
vị trí đặt đầu vào φ
đặt
= 6V
112


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI

Isolated
:
Chế độ vận hành độc lập
Paralled
:

Chế độ vận hành hoà lƣới
AVR
:
Automatic Voltage Regulator (hệ thống tự động ổn định điện áp
PID
:
Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tch phân, đạo hàm)
MUNA
:
Chế độ đặt bằng tay
AUTO
:
Chế độ tự động
DAC
:
Bộ chuyển đổi tn hiệu số sang tn hiệu tƣơng tự
ADC
:
Bộ chuyển đổi tn hiệu tƣơng tự sang tn hiệu số
LVDT
:
Bộ cảm biến cánh hƣớng
PWM
:
Bộ điều chế độ rộng xung
FXCĐ
:
Khối phát xung chủ đạo
SRC
:

Khối tạo sóng răng cƣa
SS
:
Khối so sánh
TXPCX
:
Khối tạo xung và phân chia xung













Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỞ ĐẦU
Tần số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng điện
năng. Vì thế việc ổn định 2 chỉ tiêu này luôn phải đƣợc quan tâm đúng mức. Nhƣng
việc đảm bảo chất lƣợng 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 lƣợng của hệ điều chỉnh tần số. Với
cách đặt vấn đề nhƣ vậy nên đề tài luận văn đƣợc chọn là :“Nghiên cứu nâng cao
chất lượng hệ điều chỉnh tự động tấn số máy phát điện”
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về điều chỉnh tần số trong máy phát điện
Chƣơng 2: Tự động ổn định tần số máy phát điện
Chƣơng 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện ổn định tần số cho máy phát
Chƣơng 4: Ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lƣợng hệ
truyền động điều tốc máy phát.
Kết luận và kiến nghị

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Tác giả luận văn


Vũ Thị Yến







Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện

Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lƣợng điện năng.
- Điện áp: Trong quá trình vận hành điện áp bằng điện áp định mức cung cấp cho
phụ tải. Trong quá trình làm việc điện áp thay đổi làm cho các thiết bị điện thay đổi
chế độ làm việc. V dụ khi điện áp giảm trong mạng điện chiếu sang sẽ làm giảm
hiệu quả phát sáng của đèn chiếu sáng. Động cơ điện xoay chiều cũng nhƣ động cơ
điện một chiều khi điện áp giảm làm tốc độ động cơ giảm. Khi điện áp giảm không
đảm bảo điều kiện hòa vào lƣới điện.
- Tần số: Thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện. Khi tần số giảm công suất
cơ không đảm bảo. Cụ thể khi tần số giảm không đủ điều kiện để hòa vào lƣới điện.
Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm thì tốc độ của động cơ cũng
giảm.
Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số và điện áp không đảm bảo sẽ dẫn
đến sự gia tăng chi ph vốn đầu tƣ, chi ph vận hành, giảm năng suất và hiệu quả
làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số và điện áp không chỉ gây thiệt hại
cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác. Vì vậy khi thiết kế
vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng cao chất lƣợng tần số và
điện áp. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng ta nghiên cứu các hệ thống tự
động ổn định.
1.2. Ổn định điện áp
- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp
+ Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây)
so với giá trị định mức.

100.


dm
dm
U
UU

U
% (1-1)
+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1%
trong 1 giây)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

dm
U
UU
U
minmax



.100% (1-2)
+ Độ không hình sin của dạng đƣờng cong điện áp


1
sin
U
U
K
K




.100% (1-3)
Trong đó:





2
2



UU

U
1
: Điện áp thành phần cơ bản
Khi K
Ksin
< 5% thì dạng của đƣờng cong điện áp đƣợc xem nhƣ là hình sin.
Khi xác định độ không hình sin của điện áp thƣờng chỉ cần tnh đến song bậc 1,3 là
đủ.
+ Độ không đối xứng của điện áp

phadm
U
U
K
2
2


.100%=
dm
o
c
o
B
o
A
U
aUUaU
3
2

.100% (1-4)
a = e
j120
, a
2
= e
j240
Nếu điện áp có K
2
< 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng
+ Độ lệch trung tnh

phadm
U
U
K

0
0

.100%=
dm
o
c
o
B
o
A
U
UUU
3
// 
.100% (1-5)
Trong đó U
0
điện áp thứ tự không.
 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp
Nhƣ chúng ta đã biết muốn điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát ngƣời ta
thƣờng điều chỉnh dòng kch từ nhờ hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (hệ thống
tự động điều chỉnh kch từ). Trong chế độ làm việc bình thƣờng điều chỉnh dòng
kch từ sẽ điều chỉnh đƣợc điện áp hai đầu cực của máy phát thay đổi đƣợc lƣợng
công suất phản kháng phát vào lƣới. Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp làm việc
nhằm giữa điện áp không đổi (với độ chnh xác nào đó) khi phụ tải biến động.
Ngoài ra thiết bị tự động điều chỉnh điện áp còn nhằm nâng cao giới hạn công suất
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự cố định tĩnh nâng cao sự cố
định động.
Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn kch từ của máy
phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kch từ thch hợp với công suất định
mức đủ lớn. Thông thƣờng đòi hỏi công suất định mức của hệ thống kch từ bằng
(0.2 ÷0,6)% công suất định mức của máy phát.
Dòng kch từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát điện là dòng điện một
chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ thống kch từ, điều chỉnh
dòng kch từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh kch từ. Đặc tnh
của hệ thống kch từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kch từ có ý nghĩa quyết định
không những đối với chất lƣợng điều chỉnh điện áp mà còn đến tnh ổn định hệ
thống.
Trong thực tế ngƣời ta có 4 phƣơng pháp để điều chỉnh dòng kch từ một cách
tự động đó là các phƣơng pháp sau:
- Hệ thống kch từ dùng máy phát điện một chiều
- Hệ thống kch từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp
- Hệ thống kch từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành góp
- Hệ thống kch từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lƣu có điều khiển
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR
Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát
điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đƣa ra những mệnh lệnh để
tăng giảm dòng điện kch thch sao cho sai số giữ điện áp đo đƣợc và điện áp tham
chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ngƣời ta chỉ cần thay
đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thƣờng đƣợc đặt tại giá trị định
mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp
lƣới tại chế độ vận hành hòa lƣới (Paralled) .
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình 1-1:Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR

Mỗi hệ thống kích từ của máy phát đƣợc trang bị một bộ tự động điều chỉnh
điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR đƣợc đấu nối với các biến
điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát. Bộ
AVR đáp ứng đƣợc thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ
thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là điện
áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện
áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và
hằng số dòng điện trƣờng.
Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu tích
phân tải để đạt đƣợc sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lƣờng điện áp máy
phát đƣợc thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 14 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành từ không tải tới đầy tải.
Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài đƣợc tác động vào bộ AVR để thay đổi liên tục
giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay nào. Một mạch cản
có thể đƣợc sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngoài, nếu cần thiết.
1.3. Ổn định tần số của máy phát điện
Nhƣ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lƣợng điện năng của toàn hệ
thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thƣờng, 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 thƣờng:

T pt
PP 
(1-6)

Trong đó:
T
P
: Công suất của tuabin kéo máy phát.

pt
P
: Công suất của phụ tải điện.

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


T
QH
M



(1-7)

Trong đó:

: Hằng số

Q
: Lƣu lƣợng nƣớc vào tuabin

H
: Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.


: Hiệu suất tuabin
Để ổn định tần số máy phát điện có hai phƣơng pháp ổn định thứ cấp và ổn
định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lƣợt từng phƣơng pháp.
1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đƣa tần số
về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho tuabin. Nhờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
cơ cấu đo lƣờng khá chnh xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tn hiệu
điều khiển.
Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lƣờng đơn giản nhất phản ứng theo độ
lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc
điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì dòng I
1
và I
2
bằng
nhau. Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi X
L
hoặc X

C
và dòng I
1
và
I
2
sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của
dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ
cấp có thể phản ứng để đƣa ra tác động điều chỉnh phù hợp.
- Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp
Uphf
U,f
Udf
F

BĐ/Cf
TB
CCĐ

Hình 1-2: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp

BĐ/C
f
: Bộ điều chỉnh tần số
TB: Tuabin máy phát
F : Máy phát
CCĐ: Cơ cấu đo tần số
U
L
R

*
*
*
U1
U2
Uf
R1
R3
R2
+Ecc
-Ecc
U1
U2
UR UL
I1
I2

a) b)

Hình 1-3: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1.3. Các tham số L và C của bộ
lọc tần BLT đƣợc chọn sao cho U
1
= U
2

và U
1
+U
2
= U
R
+ U
L
, ở chế độ làm việc
bình thƣờng với tần số định mức U thì U
R
= U
L.
Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh
lƣu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đƣa
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 ra khuếch đại thuật toán U
r
≠ 0. Khi đó tn hiệu vào bộ điều
chỉnh tần số không phải là ga trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1
lƣợng 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 lƣợng
nƣớc vào bánh xe công tác đối với nhà máy thuỷ điện hoặc lƣợng hơi vào cánh tua-
bin đối với nhà máy nhiệt điện… Nhiệm vụ chnh của bộ điều tốc là giữa cho tốc độ
quay của rotor – máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.
Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc

của máy phát điện theo quan hệ

.
2 60
pn
f





(1-8)

Trong đó: p - Số đôi cực của máy phát điện
n - Số vòng quay của máy phát điện
Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của
từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ
khác nhau.
Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt
hầu nhƣ không phụ thuộc vào tần số, công suất tiêu thụ bởi động cơ của máy móc

gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy
theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số
Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tƣơng quan giữa các thành
phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

*
*
dd
f
dd
P
P
P
k
f
f
f





(1-9)

Trong đó :
f

,
P
: Tƣơng ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng.

dd
f
,
dd
P
:Tần số và công suất danh định .
Để thấy rõ sự thay đổi tƣơng quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát
đƣờng đặc tnh tĩnh của tuabin và của phụ tải.
Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay
.MP

   

của phụ tải. Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong
'
1
trên hình vẽ đặc trƣng
cho đặc tnh tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đƣợc xác định tại điểm cắt
1
O
của đặc tnh 1 (tuabin) và đặc tnh
'
1
(phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân
bằng với mô men cản của phụ tải
1

M


Hình 1-4: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1
’
,2
’
,3).

Khi số lƣợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tnh tĩnh của phụ tải
'
1

sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tnh này sẽ bị dịch chuyển
sang bên phải (
'
2
) và sẽ cắt đặc tnh tuabin tại điểm
3
O
, tƣơng ứng với tần số
3
f
.
Khi cắt bớt phụ tải, đặc tnh
'
1
sẽ bị dịch chuyển sang trái (
'
3

) và sẽ cắt đặc tnh 1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
của tuabin tại
2
O
, tƣơng ứng với tần số
2
f
. Nhƣ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho
tần số thay đổi:
23
f f f  

Để đảm chất lƣợng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi
nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay
đổi đặc tnh tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tnh
tĩnh của tuabin sang phải (đƣờng 2). Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tnh tuabin (2)
và phụ tải (
'
2
) tại
4
O
tƣơng ứng với tần số
4
f
>

3
f
. Tƣơng tự khi phụ tải giảm ta
phải dịch chuyển đặc tnh tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tnh 3 và
'
3

tại
5
O
tƣơng ứng với tần số
5
f
<
2
f
. Nhờ sự dịch chuyển đặc tnh tuabin mà độ lệch
tần số
'
54
f f f  
<
23
f f f  

Tập hợp các điểm
5
O
,
1

O
,
4
O
hình thành đặc tnh điều chỉnh của tuabin f(M)
hoặc f(P).
Đặc tnh điều chỉnh của tuabin đƣợc đặc trƣng bằng hệ số phụ thuộc tƣơng đối
(còn đƣợc gọi là hệ số tĩnh)

*
*
*
dd
dd
f
f
f
S
P
P
P


   


(1-10)

Thông thƣờng
*

S
của đặc tnh điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong
giới hạn
*
S
=0.02

0.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là
với một mức biến đổi công suất nhƣ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ
thống có
*
S
bé hơn sẽ t biến đổi hơn.
Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin đƣợc thực hiện bằng cách
thay đổi năng lƣợng vào tuabin. Sau đây chúng ta xét một bộ điều tốc.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
BBĐ

+
-
f
fd
§èi tuîng
(Tuabin)

§o luêng

Hình 1-5: Sơ đồ khối bộ điều tốc

Tn hiệu sai lệch ε sẽ quyết định hƣớng dịch chuyển độ mở của cánh hƣớng
tuabin nƣớc. Khi hệ thống ổn định ε = 0 và công suất máy phát bằng công suất phụ
tải.
Chất lƣợng điện năng của máy phát điện đƣợc 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 đƣợc quan tâm đúng mức. Trong chƣơng này đã giới thiệu các phƣơng
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 phƣơng 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 tác giả chỉ tập trung giải quyết vấn đề ổn định tần số sơ cấp. Vấn đề này sẽ
đƣợc tiếp tục nghiên cứu ở chƣơng 2.










Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
CHƢƠNG 2: TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
2.1 .Tổng quan về điều tốc
2.1.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc

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 tnh của bộ điều tốc đƣợc đăc
trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch
Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:

tb
Hkt
n
nn 


(2-1)
Trong đó:
n
kt
: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph
n
H
: vòng quay ứn với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph
2
Hkt
tb
nn
n


vòng quay trung bình, v/ph
δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì vòng quay

ban đầu, δ càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian điều
chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tnh điều tốc vuông góc với trục hoành
(δ=0) gọi là đặc tnh siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tnh điều
tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tnh tĩnh.
Độ rộng vùng không nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất t cũng làm dịch
chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hƣởng 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 tƣơng ứng vùng
không có phản ứng gọi là khu vực không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể
hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc ε
kn
:
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
cb
cbcb
kn



"'



2
"'
cbcb

cb





Trong đó, ω
,
cb
, ω
”
cb
giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.
Trong 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 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 φ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn
nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:
H
dd
H
dd

n
n






(2-2)
Δn
dd
(Δω
dd
) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá trình
chuyển tiếp.
Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất lƣợng
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 tƣơng 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 tƣơng đối (định
mức, không tải …)
H
s




hay
kt
s







Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 22 - Chuyên ngành tự động hoá
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Vũ Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Trong đó:
Δω
s
: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
ω
H
, ω
kt
: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải)
Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh t
ct
là thời gian tnh 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.
2.1.2. Một số loại điều tốc
2.1.2.1 Điều tốc cơ khí

Các phần chnh của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều chỉnh.
Phần dẫn động đƣợc cấu tạo bởi các bộ phận cơ kh và các thiết bị điều khiển nhƣ
bộ chuyển đổi, van khởi động/ dừng, van điều khiển, pit-tông điều khiển và van
phân phối… phần dẫn động điều khiển về cơ kh góc mở cánh hƣớng bằng cách
điều chỉnh lƣợng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hƣớng của tuabin
theo tn hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh đƣợc cấu tạo bởi các
bộ điện và điện tử nhƣ các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh nhận tn
hiệu đo tốc độ quay của tuabin và góc mở của cánh hƣớng…, dựa vào các tnh hiệu
đo, nó phát ra tn hiệu điện tử tác động điều khiển chnh xác và đƣa tới phần dẫn
động.
Hình 2.1 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối
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 quá độ trƣớc khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc ổn định. Cơ
cấu phản hồi cứng có chức năng “ điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành
ổn định và điều chỉnh công suất phát của tuabin để khôi phục tần số của hệ thống.