tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ điều CHỈNH tự ĐỘNG tần số máy PHÁT

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
Chun ngành: Tự Động Hóa
Mã số:

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2011

1


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”
Nội dung luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều chỉnh tần số trong máy phát điện
Chương 2: Tự động ổn định tần số máy phát điện
Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện ổn định tần số cho máy phát
Chương 4: Ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ
truyền động điều tốc máy phát.
Kết luận và kiến nghị
Thái nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn

Vũ Thị Yến

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN
1.1. Chất lượng điện năng của máy phát điện
Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lượng 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. .
- 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 khơng đủ điều kiện để hịa vào lưới 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 phí vốn đầu tư, chi phí 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 lượng 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
- 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


PT = Ppt + Π

(1-6)

Trong đó : PT : Cơng suất của tuabin kéo máy phát.
Ppt : Công suất của phụ tải điện.
Π : Tổn thất công suất tác dụng .

Mơ men kéo của tuabin.
MT =

γ .QH .η
ω

(1-7)
Trong đó : γ : Hằng số
Q : Lưu lượng nước vào tuabin
H : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.

η : Hiệu suất tuabin

Để ổn định tần số máy phát điện có hai phương pháp ổn định thứ cấp và ổn định sơ
cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng phương pháp.
1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là q trình tăng cơng suất máy phát điều tần để đưa tần số về trị
số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho tuabin. Nhờ cơ
cấu đo lường khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu
điều khiển.
-

Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp
ω

Udf

TB

BĐ/Cf

U,f
F

Uphf

CCĐ

Hình1-2: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp
BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số

TB: Tuabin máy phát

5


F : Máy phát
CCĐ: Cơ cấu đo tần số
R3

*
*

U1

U

L

I1

R1
R2

*
U2

R

UR

+Ecc

Uf
-Ecc

U2

UL
U1

I2

Hình 1-3: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)
Sơ đồ cơ cấu đo tần số được thể hiện trên hình 1.5.a. Các tham số L và C của bộ lọc
tần BLT được chọn sao cho U1 =U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế độ làm việc bình
thường với tần số định mức U thì U R =UL. Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh lưu
CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật tốn 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.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn U R = R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay giảm,
làm cho giá trị gia khuếch đại thuật tốn U r ≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh
tần số khơng 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
nước vào bánh xe công tác đối với nhà máy thuỷ điện hoặc lượng hơi vào cánh
tuabin đối với nhà máy nhiệt điện… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữa cho tốc
độ quay của rotor – máy phát là khơng đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.
Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc ω của máy phát điện theo quan
hệ
f =

ω
p.n
=
2π 60

(1-8)

Trong đó : p – Số đơi cực của máy phát điện
n- Số vòng quay của máy phát điện

6


Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin được thực hiện bằng cách
thay đổi năng lượng vào tuabin. Sau õy chỳng ta xột mt b iu tc.

fd

+
-



Đối tuợng
(Tuabin)

BB

f

Đo lng

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 ln 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 cịn 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 khơng nhạy

-

Độ khơng ổn định vịng 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
b. Quá trình của hơi làm việc trong cánh động:
2.2.1.3. Các bộ điều khiển chính của chu trình nhiệt
a. Bộ điều khiển áp suất hơi chính (Boiler Master)
- Giá trị đặt áp suất hơi chính (MSP setting)
- Tốc độ thay đổi của áp suất hơi chính
- Đại lượng đầu vào điều khiển lị hơi (Boiler Input Command)
b. Tuabine Master
c. Bộ điều khiển nhiên liệu (Fuel Control System)
d. Bộ điều khiển khói gió
-Bộ điều khiển tỉ lệ gió – nhiên liệu:
- Bộ điều khiển tốc độ quạt khói
e. Bộ điều khiển nước cấp
f. Bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt

Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động ổn định nhiệt
đóng một vai trị then chốt trong q trình ổn định tần số máy phát. Điều chỉnh tự
động nhiệt nhằm nâng cao chất lượng điện năng cũng như hiệu suất của nhà máy
bằng cách lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh sao cho phù hợp, chế độ làm việc tối
ưu của thiết bị theo thông số đã quy định. Trong nhà máy nhiệt điện thì q trình
nhiệt đóng một vai trị chủ yếu. Các q trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố và luôn thay đổi do ảnh hưởng của nhiên liệu, của lượng
nước, chế độ của khơng khí, đặc biệt là chế độ làm việc không ổn định của các thiết
bị chịu nhiệt do vận hành lâu dài. Do đó các thơng số của công nghệ sẽ thay đổi
trong một dải rộng, làm tần số máy phát thay đổi dẫn đến làm suy giảm hiệu suất
của các thiết bị trong nhà máy so với thiết kế ban đầu. Gây ra sự cố dẫn đến hỏng

8


hóc và phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt khơng thể thực hiện được ở chế độ
bình thường. Do đó để ổn định tần số máy phát cần đảm bảo ổn định các bộ điều
khiển của chu trình nhiệt.
2.2.2. Tự động ổn định tần số máy phát gió
1.2.2.1. Khái niệm về năng lượng gió:
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 dịng chảy của khơng khí, khi khơng 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. Dịng chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoáy,
gây bởi chuyển động của tuabin và sự tác động với các dịng khơng khí xung quanh.

Về ngun tắc, dịng 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 khơng. Muốn cho dịng 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 cơng thức do Carl Betz đưa ra năm 1927 :
Pmax
V3
=0,593 0
Ar
2

(2-7)

Trong đó : P là mật độ năng lượng
Ar là diện tích quét của cánh tuabin
V0 là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dịng

chảy khơng khí.
Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz.
Bằng phương pháp phân tích đơn giản về động lượng đối với động cơ gió trục
ngang tìm được hệ số cơng suất cực đại của nó là 16/27 tức là 59,3%. Điều này đã
được Betz chứng minh (1927). Hiển nhiên đây là trường hợp số cánh vô hạn (trở
lực bằng khơng) là điều kiện của một động cơ gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân
tố làm giảm nhỏ hệ số cơng suất cực đại:
(1) Phía sau tuabin gió tồn tại dịng xốy

(2) Số cánh của tuabin gió là có hạn
(3) Cd/Cl khơng bằng 0
Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản.
Cl =

L
1
ρV 2 . A
2

(2-8)

D

Cd = 1
2

Trong đó :

(2-9)

ρV 2 . A

ρ - mật độ khơng khí (kg/m3)
V - vận tốc dịng khơng khí (gió) khơng 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 cơng
suất trên trục tuabin hầu như khơng tăng lên.
Do đó để ổn định tần số phát ra của máy phát gió thì ta phải ổn định được
diện tích bề mặt hứng gió. Hay chính là việc xác định được góc điều khiển của
tuabin gió.
2.2.2.4. Xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió
Xét tuabin gió trục đứng gồm 5 cánh có biên dạng phẳng hình chữ nhật. Bài
tốn điều khiển đặt ra ở đây là trong quá trình tuabin làm việc cần phải liên tục thay
đổi góc cánh của mỗi cánh sao cho phù hợp với vị trí của cánh, hướng gió, cường
độ gió đồng thời phù hợp với cơng suất đặt của tuabin.
Để xác định góc cánh điều khiển ta đi phân tích động lực học của cánh gió
tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình 2-35.
Trong đó: α là góc định vị ở tâm
θ là góc cánh ( đại lượng cần điều khiển)
γ là góc tới
V là tốc độ góc

Hình 2-15:Phân tích động học cánh gió

11




Giả thiết tốc độ gió tác động vào cánh tuabin là V , ta phân tích nó thành hai


thành phần, một thành phần song song với mặt cánh là ¦ W , một thành phần vng


góc với mặt cánh là U

  
V =¦ W + U

(2-10)


Với biên độ dạng cánh là phẳng thì thành phần ¦ W sẽ gây lực Fd còn thành


phần U sẽ gây lực F1 mới có tác dụng gây ra chuyển động của cánh.


Ta phân tích U thành hai thành phần
 

U = U hd + U ht

(2-11)



Với U hd : Là tốc độ theo phương tiếp tuyến

U ht :là tốc độ theo phương hướng tâm

Thành phần theo phương hướng tâm gây ra lực hướng tâm trên cánh, thành
phần theo phương tiếp tuyến gây ra lực có tác dụng làm cánh chuyển động và ta gọi
đó là lực hiệu dụng Fhd
Ta có: Fhd =

1
2
ρC hd AU hd
2

Trong đó: ρ - mật độ khơng khí (kg/m3)
Uhd- vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến (m/s)
A - Diện tích của cánh gió
Chd- Hệ số lực hiệu dụng
Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác
định ( α xác định) giá trị Fhd phải đạt gía trị lớn nhất Fhdmax và từ biểu thức của Fhd ta
thấy Fhd đạt giá trị là lớn nhất khi Uhd đạt giá trị lớn nhất.
Từ hình 2-15 ta có:
U=Vsinγ, Uhd=Ucosθ=Vsinγcosθ
Với γ=θ-α-900

(

)

⇒ U = v sin α . cos θ = v. sin θ − α − 90 0 . cos θ = v cos(θ − α ). cos θ
⇒ U hd =

V

[ cos( 2θ − α ) + cos α ]
2

(2-12)
(2-13)

12


Khi α xác định thì Uhd đạt giá trị lớn nhất
Từ mối quan hệ giữa góc cánh θ và góc định vị α ta có thể xác định được góc
cánh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của cos( 2θ − α ) = 1 ⇒ θ =

α
cánh.
2

2.2.3. Tự động ổn định tần số máy phát thuỷ điện
Máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin có nhiệm vụ tự động thay đổi mô men
quay của tuabin bằng cách điều tiết lượng nước vào tuabin. Để điều tiết lượng nước
vào tuabin người ta dùng hệ thống cánh hướng nước.
Các máy điều tốc tuabin hiện đại được phân thành các loại: Kiểu cơ và
kiểu điện.
Máy điều tốc kiểu cơ có phần tử đo lường để phát hiện độ lệch số vòng quay
là hệ thống quả văng ly tâm có sơ đồ đơn giản sau:

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:
Giá trị đặt

1

2

3

4
Vị trí cánh
hướng

5

6

Hình 2-18: Sơ đồ ngun lý đơn giản hố của máy điều tốc tuabin kiểu điện
Trong đó: 1 Bộ tổng hợp mạch vịng 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 0c) 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.

14


Hình 2-19:Hệ thống điều tốc máy phát điện dầu
2.2.4.1. Mơ men của động cơ
Đối với động cơ diesel, để mômen quay của nó ta phải tiến hành thành lập
nên đồ thị công chỉ thị. Đồ thị công chỉ thị gần đúng của động cơ diesel

Hình 2-20: Đồ thị cơng chỉ thị
Trong đó: Q trình nén a-c (c’)
Q trình cháy trong động cơ diesel được xem là bao gồm hai quá trình;
Q trình cháy đẳng tích c-z1
Q trình cháy đẳng tích z1-z
2.2.4.2. Mơ hình tốn của Diesel
Phương trình biểu thị trạng thái động của Diesel được thể hiện như sau:

15

j

dω
= M d + M kd − M t − M pt
dt

(2-17)

Trong đó:
J: Mơmen qn tính của chi tiết quay so với trục động cơ
ω : Vận tốc góc của động cơ (vịng/phút)

Md: Mơmen quay do động cơ sinh ra (KGm)
Mkd: Mơmen quay được tạo ra bởi khí nén khởi động (KGm), chỉ xảy ra khi
khởi động
Mt: Mômen cản ma sát (KGm)
Mpt: Mômen cản của phụ tải (KGm)
Khi động cơ làm việc có tải máy phát
j

dω
= M d − M pt
dt

(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 iu khin s
Tín hiệu
yêu cầu

Bộ đếm
tiến - lùi

khuếch đại

DAC

Máy phát
tốc
Ghép nối
Encoder

Động cơ

Cánh huớng

Phản hồi tốc độ

Phản hồi vị trí

Hỡnh 3-1: Hệ thống điều khiển số
Hệ thống điều khiển tương tự

16

Encoder

Tín hiệu
yêu cầu
Cảm biến vị trí
khuếch đại

khuếch đại

Máy phát
tốc
Ghép nối
cảm biến vị trí

Động cơ

Cánh huớng

Phản hồi tốc độ

Phản hồi vị trÝ

Hình 3-2: Hệ thống điều khiển tương tự

3.1.2. Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện

Hình 3-3:Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện
Ri, Rω, Rφ: 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 Rω và

bộ điều khiển dịng điện Ri thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ
tĩnh và động.
*
U ϕ , U ϕ : Điện áp ứng với vị trí cho trước và phản hồi vị trí.
*
U n , U n : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và phản hồi tốc độ quay

U i* , U i : Điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện.

Bộ nguồn: Cung cấp nguồn cho động cơ
Cánh hướng: Cơ cấu hướng nước

17


LVDT: Bộ cảm biến cánh hướng
Hệ truyền động điện trong các bộ điều tốc phải đáp ứng yêu cầu về cơng nghệ
(ví dụ như tốc độ và momen). Các truyền động tồn phần phải có cấu trúc điều
khiển tối ưu, tác động nhanh.
Hiện nay hệ điều khiển dẫn động cánh hướng thường dùng hệ truyền động sau:
- Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha
- Hệ thống thyristor - động cơ
- Hệ thống xung điện áp
3.1.2.1. Hệ thống điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ 3 pha
3.1.2.2 Hệ thống thyristor - động cơ
3.1.2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh.
3.1.2.2.2 Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín
a. Mơ hình tốn học trạng thái động
b. Phân tích q trình khởi động
3.1.2.3. Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp –động cơ một chiều (PWM -Đ)

.

Giới thiệu sơ đồ

Hình 3-11: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một chiều
Chức năng của các khối trong sơ đồ như sau:
* Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (M): thay đổi tốc độ bằng cách
thay đổi điện áp phần ứng, dùng để làm di chuyển cánh hướng.

18


*Bộ biến đổi xung điện áp (PWM): được cung cấp nguồn điện áp từ bộ chỉnh
lưu T.
3.2. Tổng hợp hệ truyền động PWM –Đ cho điều tốc thuỷ điện
3.2.1 Xây dng s cu trỳc
WBD
MC
U*

R

U*n

U

R

U*I

UI

RPWM

RI

RC

RC

K

n



R

Un

WFT

WVị trí cánh huớng

Hỡnh 3-15: s đồ cấu trúc hệ thống điều tốc thuỷ điện
3.2.2. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển.
3.2.2.1. Hàm truyền của động cơ điện.
Khi giữ nguyên từ thơng kích từ khơng đổi: Kφ = const
U(p) = R ­ I(p).(1 + pT­ ) + Kϕω(p) ⇒ I(p) =

(3-12)

U(p) − E(p)
R ­ (1 + pT­ )

(3-13)

KϕI(p) − M C (p) = Jpω(p)

Sơ đồ cấu trúc động co khi từ thơng khơng đổi được thể hiện trên hình 3-21.
MC
U
E

1/RU
1+PTU

Kφ

1
JP

ϖ

Kφ

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:
WPWM ( p) = K PWM .e −Tp ≈

K PWM
Tp + 1

(3-17)

Trong đó:

19


K PWM = Uđ / Uđk : Hệ số khuyếch đại của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến
đổi PWM.
Uđ : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
Uđk: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
T : Thời gian chu kỳ điện áp ra.
3.2.2.3. Hàm truyền của máy phát tốc một chiều
Hàm truyền phát tốc:

WFT ( p ) =

Kω
Tω p + 1

(3-18)

Trong đó:
Tω: Hằng số thời gian của máy phát tốc.
Kω: Hệ số phản hồi của máy phát tốc.
3.2.2.4. Hàm truyền của thiết bị lấy tín hiệu dịng điện

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
WBI ( p) =

K BI
1 + TBI p

(3-19)

Trong đó: TBI - hằng số thời gian của máy máy biến dòng.
KBI - 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:
WCB ( p ) =

Kϕ

(3-20)

Tϕ p + 1

Trong đó: Tϕ - hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí.
Kϕ - hệ số phản hồi vị trí.

3.2.3. Tổng hợp hệ thống.
3.2.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau:

20

KBI
1+PTBI
MC
Uid

1
1+PTBI

Ui(P)

KPWM
(1+TdkP)(1+Tv.P)

RI

U(P)
E(P)

1/RU
1+PTU

1
JP

Kφ

ω

Kφ

Hìn 3-17: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện
Trong đó: T­ =

L
: Hằng số thời gian điện từ của động cơ
R

R: Điện trở mạch phần ứng.
L : Điện cảm mạch phần ứng.
Ti =R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện.
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau.
UIđ

UI(p)

(-)

RI(p)

I(p)

Udk(p
)

S0i(p)

Hình 3-18: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện
R i (P) =

R ­ (1 + T­ )
RT­
1
=
(1 +
)
2K PWM K BI Tsi p 2K PWM K BI Tsi
T­ p

(3-24)

Như vậy bộ điều chỉnh dịng điện Ri(p) có dạng là một khâu PI (tỷ lệ - tích phân)
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn mođul tối ưu ta có:
FOMi (p) =

U i (p)
1
1
=
≈
2 2
U id (p) 1 + 2.T .p + 2.T .p
1 + 2Tsi p
si
si
(3-25)

3.2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rω
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau :
Uωđ

U (p)
(-) ω

ω(p)
Rω(p)

S0ω(p)

21


Hình 3-19: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng tốc độ
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn mođul tối ưu:
Rω ( p ) =

K i .Kφ .TC
R.K ω .2.Tsω

(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 khơng
coi IC là nhiễu nữa.
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
ω(p)
1
1
1
1

=
.
≈
.
2 2
ω d (p) 1 + 2Tsω .p + 2Tsω p K ω 1 + 2Tsω .p K ω

(3-31)

3.2.3.3. Tổng hợp mạch vịng vị trí Rφ
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí:
ϕd (p)
(-)

R (p)
ϕ

ϕ(p)

S0ϕ(p)

Κϕ
1+Τϕ.p

Hình 3-20: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn mođul tối ưu:
Rϕ ( p) =

1

=

K r .K ϕ
K ω (1 + 2T sω p )

.2.Tϕ

K ω (1 + 2T sω p )
2.K r .K ϕ Tϕ

(3-37)

Với Rϕ = K p + K D p
KP =
KD =

Kω
2.K r .K ϕ Tϕ p

MC

1
JP

Tsω Kω
K r .KϕTϕ

(3-38)
(3-39)

Ui(p)
ϕ(p)
ω(p)
ϕđ(p) Rϕ(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). 1
R
Vậy
I (-)
ω
ω 1 ϕ
Rϕ d
Rω
Ki
C u điều
JP
Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc Tc P khiển vị trí động
(-)
(-)
cơ điện một chiều như hình 3-21.

Kω
1 + 2Tω P
22

Kϕ
1 + 2Tϕ P


Hình 3-21: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí
3.3. Mơ phỏng hệ thống.
3.3.1. Chọn và xác định các thông số

a. Các thông số cho trước
Pđm
:
Công suất định mức của động cơ 0.7 kW
Uđm
:
Điện áp định mức của động cơ 220 V
nđm
:
Tốc độ quay định mức của động cơ 1500 v/p
Iđm
:
Dòng điện định mức cùa động cơ 4.3 A
Lư
:
Điện cảm phần ứng 0.1944 H
Rư
:
Điện trở phần ứng 6.7 Ω
Ti
:
Hằng số thời gian của máy biến dòng 0.0025 s
TPWM
:
Hằng số thời gian của của bộ PWM 0.0033 s
Tđk
:
Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ PWM 0.001 s
Tω
:

Hằng số thời gian của máy phát tốc 0.001 s
Tφ
:
Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0.3 s
ηđm
:
Hiệu suất định mức của động cơ 90%
GD
:
0.045
b. Tính tốn các thơng số
3.3.2. Tiến hành mơ phỏng
Thay các thơng số đã tính được vào sơ đồ trên hình … và dùng Matlab
simulink ta có sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển như trên hình…

23


Hình 3-22: Sơ đồ mơ 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
tuy vẫn đảm bảo nhưng nói chung chất lượng vẫn còn chưa tốt lắm. Điều này được
thể hiện qua các chỉ tiêu chất lượng dưới đây:
- Thời gian quá độ: 12 giây.
- Dao động khi có tải : có.
- Độ quá điều chỉnh:5%
Mặc dù chất lượng đảm bảo nhưng thực chất trong mạch có khâu phi tuyến
nên hướng giải quyết triệt để nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống

điều chỉnh vị trí là thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi thay thế cho bộ điều khiển
PD kinh điển.

24


Chương tiếp theo sẽ đề cập đến vấn đề nâng cao chất lượng của hệ truyền
động điều tốc.

CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN
4.1. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
4.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi
4.2.1. Khái niệm
4.2.1.1. Định nghĩa
4.2.1.2. Điều khiển mờ
4.2.1.3. Điều khiển thích nghi
4.2.1.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient
4.2.1.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov
4.2.1.4. Phân loại
Hệ điều khiển mờ thích nghi có thể phân thành 2 loại:
- Bộ điều khiển mờ tự chỉnh là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh định các
tham số của các tập mờ (các hàm liên thuộc).
- Bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu trúc là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh
định lại các luật điều khiển. Đối với lại này hệ thống có thể bắt đầu làm việc với
một vài luật điều khiển đã được chỉnh định trước hoặc chưa đủ các luật.
4.2.1.5. Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi
4.2.3.Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ 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