Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

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

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Chuyên ngành

: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số

: 605260

Ngƣời thực hiện

: NGUYỄN TÂM PHƢƠNG

Học viên

: Nguyễn Tâm Phƣơng

Lớp

: Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH

: PGS.TS. Võ Quang Lạp

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

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

2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo
và đặc biệt là thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,
tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ.

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu nâng cao chất
lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền".
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự

MỞ ĐẦU
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY

hƣớng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt

PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu

I.1 Tổng quan về điều tốc

có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

1

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

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



8

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

thể phân loại

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

1

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

I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực

24

III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện

67

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van

25

III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR

72

CHƢƠNG II

III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

74

PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU 31

III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện

74

TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

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

Rotor (d,q)

39
43
45

III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID
III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện
một chiều kích từ độc lập
III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ
điều khiển PID

67

82
82

85

CHƢƠNG IV
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ

90

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí

90

IV.2 Các bộ điều khiển mờ

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

52

IV.3.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.

99

II.3.3 Hạn chế quá điều khiển tốc độ quay bằng

56

IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD

101

IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD

109

II.3 Hệ thống Thyristor – động cơ

II.3.4 Hệ thống điều chỉ nh tốc độ nhiều mạch vòng kí n có mạch vòng
trong cài đặt suất biến đổi dòng điện
CHƢƠNG III

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

61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

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

2

Hình I.2

Đặc tính tần số của lƣới và máy phát

3

Hình I.3

Sơ đồ khối của bộ điều tốc

3

Hình I.4

Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí
cánh hƣớng

5

Hình I.5

Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát

6

Hình I.6

Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

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

20

Hình I.12

Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số

22

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 hƣớng

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

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

45

Hình II.9
Hình II.10
Hình II.11
Hình II.12
Hình II.13
Hình II.14

Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng
thiết bị biến tần
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động
cơ.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
Đƣờng đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc
độ shai mạch vòng kín.

45

48

49

50

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

36
Hình II.18

Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

39

Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ

Hình II.17

rotor(x,y)
Hình II.5

stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

Hình II.7

35

stator (,)

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định

37



cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:

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

dòng điện

Hình IV.1

Quan hệ giƣ̃a  và 

91

Hình IV.2

Hệ điều khiển mờ theo luật I

94

Hình IV.3

Hệ điều khiển mờ theo luật PD

94

63

Hình IV.4

Hệ điều khiển mờ theo luật PI

95

64

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.3

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều

69

Hình IV.8

Hình III.4

Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

69

Hình IV.9

Hình III.5

Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá

70

Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD

Hình III.6

Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi.

71

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 III.12

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

77

Hình III.13

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

79

Hình III.14

Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí

81

Hình III.15

Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

85

Hình III.17

Hình IV.15

Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ

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

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

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

khiển PID

Hình IV.14 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD

Hình III.10

Hình III.16

Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều

103
104

104

105
105
106
107

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ lai PD

108

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

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

Tác giả luận văn

tần số là hết sức cấp thiết. Ngoài việc thành công trong nghiên cứu còn mang tính
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 lƣợng hệ thống điều tốc ổn định tần số
máy phát Thủy điện Bình Điền” còn có một ý nghĩ a rất lớn trong ngành tƣ̣ động

Nguyễn Tâm Phương

hóa. Đó chí nh là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi .
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng sau:
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU
TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ.
CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƢƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN
ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƢƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT
LƢỢNG 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

hƣớng dẫn tận tì nh , chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này
cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện

. Xin gƣ̉i lời

– 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

Tấn số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lƣợng điện năng. Tốc

công suất phát của tổ máy và công suất tiêu thụ (phụ tải). Quá trình điều tốc giữ cho

độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ

tần số không đổi hoặc độ lệch của tần số trong phạm vi cho phép nhờ vậy mà hệ

thuộc và tần số của dòng điện xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng

thống luôn làm việc ổn định.

cũng bị giảm thấp. Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lƣợng quá mức do vậy
tần số phải luôn đƣợc giữ ở định mức. Đối với hệ thống điện Việt Nam trị số định
mức của tần số đƣợc quy định là 50 Hz. Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là

* Một máy phát điện có hai chế độ làm việc cơ bản là:
- Trƣờng hợp 1: Máy phát làm việc trong lƣới độc lập tức là lƣới chỉ do
công suất của tổ máy này cung cấp
- Trƣờng hợp 2: Máy phát làm việc trong hệ thống, trong trƣờng hợp này

±0,1 Hz.
Việc sản xuất và tiêu thụ công suất tác dụng xảy ra đồng thời. Vì vậy trong
chế độ làm việc bình thƣờng, công suất phát PF do máy phát của các nhà máy điện
phát ra phải bằng tổng công suất do các phụ tải tiêu thụ Ptt và công suất tổn thất Pth
trên đƣờng dây truyền tải và các phần tử khác của mạng điện, nghĩa là tuân theo

công suất của hệ thống do nhiều máy cung cấp và lớn hơn nhiều công suất của tổ
máy đang xét.
* Trong trƣờng hợp 1: Bộ điều tốc duy trì tần số có giá trị định mức

* 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.

Nhƣ 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
đƣợc điểu chỉnh bằng cách thay đổi lƣợng hơi hoặc nƣớc vào Turbine. Khi thay đổi
lƣợng hơi hoặc nƣớc vào Turbine, công suất tác dụng của máy phát cũng thay đổi.

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



Hình I.1: Sơ đồ khối của một máy phát nối lưới độc lập
Trong đó: Z1, Z2 là phụ tải của máy phát

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




15

16

Yêu cầu trong lƣới là: Khi đóng thêm phụ tải Z2 (hoặc cắt Z2) tần số vẫn ở
giá trị định mức. Đặc tính của lƣới, máy phát lúc này có dạng nhƣ sau:

f

Tín hiệu sai lệch ( = fo- f) sẽ quyết định hƣớng dịch chuyển độ mở của cánh
hƣớng. Khi hệ thống đã ổn định,  = 0 hay f = fo và công suất máy phát cân bằng
với công suất tải.

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:

bảo cân bằng công suất của lƣới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lƣới.

- (1) : Đặc tính của phụ tải Z1

Giả sử cấu trúc của tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy đầu tiên ( nhƣ đã

- (2) : Đặc tính phụ tải Z1 và Z2

xét ở trên). Khi hệ thống máy phát đã cân bằng công suất của lƣới ta có:

- (3) : Đặc tính tần số của Turbine - Máy phát
Nhƣ vậy ta thấy khi làm việc trong lƣới độc lập, đặc tính tần số của Turbine Máy phát phải có dạng nhƣ đƣờng số (3)

- f = fo
- P1 + P2 =PR

Để có đƣợc đặc tính nhƣ trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc nhƣ sau:

(1.1)

Trong đó:
P1, P2 là công suất phát của tổ máy 1 và 2
PR là tổng công suất phụ tải



fo

Từ phƣơng trình (1.1) ta thấy rằng có vô số giá trị P1, P2 có thể nhận đƣợc để

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



2

(Po)(GVo)

(P)(GV)
P01

Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng

P02

Lúc này ta có:
Hình I.5: Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát

1 = fo – f

Đặc tính biểu diễn những điểm làm việc của máy phát ứng với các giá trị

2 = (GVo – GV).ep hoặc 2 = (Po- P).ep

khác nhau của tần số f. Khi thay đổi công suất đặt từ P01P02, đặc tính sẽ chuyển từ

 = 1 + 2

đƣờng số (1) sang đƣờng số (2). Nhƣ vậy, với loại Turbine nhƣ trên hệ thống vẫn ổn

Trong đó:

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)

- 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:

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

Trong đó:
- f1: là tần số giới hạn trên

Trong đó: GVo = Po.f(x)

Khi hệ thống ổn định  = 0 hay f = fo + ep.Po – ep.P

f < fo
f2 < f < f 1

(1.3)



- f2: là tần số giới hạn dƣới
Từ sơ đồ đặc tính điều chỉnh Turbine, ta thấy nếu đặt ep = 0 thì sơ đồ vẽ có
dạng nhƣ khi làm việc ở lƣới độc lập.

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




19

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)

- n: tốc độ quay của Rotor máy phát (v/ph)

Từ công thức (1.4) ta có thể thay đổi thông số , Q, H để điều chỉnh công

- p: Số đôi cực của máy phát
Ta thấy vì số đôi cực của máy phát là không đổi nên muốn đảm bảo tần số
không đổi (thay đổi trong phạm vi cho phép) thì ta phải ổn định tốc độ quay của
Rotor.
Rotor của máy phát đƣợc nối vào trục Turbine, dƣới tác dụng của năng lƣợng
dòng nƣớc làm Turbine quay và Rotor quay theo. Lúc này phƣơng trình động lực
đƣợc xác định trên trục Turbine - Máy phát là:
M đ  M c  J.

Turbine do dòng nƣớc cung cấp đƣợc xác định

suất của Turbine. Việc thay đổi thông số Q là tiện lợi nhất:
Lƣu lƣợng Q của dòng nƣớc qua tiết diện S đƣợc tính nhƣ sau:
Q = V.S (m3/s)
Trong đó:
- V: là vận tốc dòng chảy qua tiết diện S(m/s)
- S: là tiết diện mặt cắt ngang dòng nƣớc (m2)
Mặt khác ta có:

d
dt

V  2 g .H

Vì độ cao của cột nƣớc H hầu nhƣ không thay đổi trong khoảng thời gian ta

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:

mômen động lực bằng mômen cản hay công suất Turbine bằng công suất của phụ

- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp

tải máy phát, do công suất của phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số

- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

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



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




21

22

Nếu khớp trƣợt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối

I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc

tƣợng thì bộ điều tốc loại này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp. Còn bộ điều tốc

Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do

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

ntb

- nkt: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph
- nH: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph
nkt  n H
vòng quay trung bình, v/ph
2

cơ học hoặc điện để truyền các thông tin. Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu công tác

- ntb 

khác nhau có thể phân loại:

 là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì

- Bộ điều tốc cơ học

vòng quay ban đầu,  càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó

- Bộ điều tốc khí nén

thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc vuông góc

- Bộ điều tốc thủy lực

với trục hoành ( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính isodrom).

- 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:

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

Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc ( > 0) gọi là đặc tính tĩnh.



 cb'   cb''
 cb

;  cb 

cb'  cb''
2

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




23

24

Trong đó, ’cb, ’’cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không

Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc

nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ
Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm

biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời gian

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.

điều chỉnh lƣợng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hƣớng của tua bin

Độ thay đổi vòng quay lớn nhất  là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất

theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh đƣợc cấu tạo bởi các

(vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:

bộ phận điện và điện tử nhƣ các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh



 dd

H



nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hƣớng..., dựa vào các

n dd
nH

tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đƣa tới phần

ndd(dd) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá

dẫn động.
Hình I.6 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối

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  

 S

Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. Khi tốc

 kt

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

Trong đó:
s: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định

phản hồi của đòn nối đƣợc nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí

H,kt: vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (Chế độ định mức và không tải)

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



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




25

26

đƣợc vẽ bằng đƣờng nét chấm gạch tới vị trí đƣợc vẽ bằng nét đứt. Tốc độ quay sau

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

rõ rệt là phần động lực và phần điều khiển

+ Module tƣơng tự đầu ra AO352: Module điều khiển vị trí cánh hƣớng
+ Module lai số DM465: Module tín hiệu vào/ra số bộ điều tốc

I.2.1 Phần điều khiển
Bộ điều tốc Turbine nhà máy thủy điện Bình Điền là loại SAFR-2000H.

+ Module ZEN: Lựa chọn PCC làm việc

SAFR-2000H là bộ điều tốc kiểu số và đƣợc thực hiện nhờ bộ điều khiển PCC

+ Module nguồn SDZ-1: Cấp nguồn AC220 và DC220

(Programmable control computer) và đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C#

+ Màn hình LCD: dùng để cài đặt các thông số điều tốc

Bộ điều tốc bao gồm các nguồn, mạch tƣơng tự để đo lƣờng tần số, đo lƣờng

+ LVDT DC/DC±10: Card biến đổi vị trí cánh hƣớng

vị trí cánh hƣớng, tín hiệu điều khiển và các mạch giao diện với hệ thống điều khiển
trung tâm
Screen

RS232
To
RS485

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

AI774

AI774

Process Interface
AO352

DM465

AO352

16*DI

16*DI

DM465

ZEN
16*DO

16*DO

Guide Control

+ Module truyền thông IF321: Giao tiếp giữa PCC của điều tốc với PLC của

Hình I.8: Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền

tổ máy qua bus truyền dữ liệu CAN
+ Module số đầu vào DI135: Đo lƣờng và điều khiển tần số tổ máy và tần số

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

mở cánh hƣớng để hoàn thành khởi động tổ máy. Dƣới điều kiện vận hành bình
thƣờng với sự hồi tiếp tốc độ tổ máy bình thƣờng, cánh hƣớng mở đƣợc đặt ở độ mở
không tải và nó sẽ vào vận hành ở điêu kiện có tải khi tốc độ lớn hơn 80% tốc độ
định mức
Khi tốc độ tổ máy ổn định, tổ máy cho phép ngƣời vận hành điều chỉnh mở
cánh hƣớng từ xa bằng cách đƣa xung tăng/giảm độ mở cánh hƣớng và chuyến chế
độ bằng tay điều chỉnh tốc độ tổ máy. Tuy nhiên, khi tốc độ tổ máy tăng đến phạm
vi điều khiển cho phép bởi thiết bị đồng bộ dƣới chế độ điều khiển bằng tay, sự
không đồng bộ phải đƣợc ngƣời vận hành đặt để đồng bộ tổ máy

Hình I.9: Sơ đồ khối trình tự khởi động 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




31

32
+ Điều kiện công suất phát của tổ máy, sụt tải về 0, các vị trí của tổ máy

c. Trình tự khởi động không tải tổ máy

không đƣợc hiển thị ở vị trí dừng và dừng khẩn cấp , với hồi tiếp tốc độ bình thƣờng
và ít hơn 110%

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

33

34

Thuật toán điều khiển NARI-PID2 đƣợc phát triển bởi công ty điều khiển
điện thuộc Tập đoàn NARI đƣợc áp dụng cho thiết bị điều chỉnh điện bộ điều tốc
Turbine thủy lực series SAFR-2000H và các đặt tính chính với những thuận lợi:

và CPU, do đó CPU tiến hành tính toán điều chỉnh và quá trình điều khiển của bộ
điều tốc dựa trên tần số này
Yếu tố phát tín hiệu đo lƣờng tần số đĩa gồm có các đầu dò trên đĩa đƣợc lắp

+ Những cải tiến hiệu quả trong giải quyết vấn đề tăng dải chết và có hiệu

đặt trên trục của Turbine máy phát và đƣợc đặt trên khung. Khi trục của tổ máy

lực trong dải hẹp sau khi nhận thức đúng và lƣợng tử hóa số đó thƣờng xảy ra với

quay, nó sẽ mang đĩa quay quanh trục, do đó các đầu dò sẽ phát ra một tín hiệu

thuật toán điều khiển PID

xung vuông với tần số tƣơng đƣơng với tần số tổ máy. Tuy nhiên, nếu một cảm biến

+ Tín hiệu đặt đƣợc so sánh với tín hiệu phản hồi thông qua bộ điều chỉnh
để điều chỉnh tần số

đầu dò đƣợc sử dụng để phát hiện, khi dải tốc độ chết yêu cầu bộ điều tốc 0,02%,
việc gia công chính xác đĩa có rãnh phải gấp đôi dãi tốc độ chết, nghĩa là khi bƣớc

+ 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

thêm vào trong phƣơng pháp đo lƣờng

a. Động cơ bơm dầu

Tín hiệu tần số của tổ máy và tín hiệu tần số tổ máy trở thành tín hiệu song

- Loại: 3 pha Rotor lồng sóc

vuông sau đó đƣợc khuyếch đại và phục hồi hình dạng tách biệt của module điều

- Kiểu: bơm pittông

khiển tần số và dạng tín hiệu song vuông này đƣợc gởi đến TPU qua kênh đầu ra

- Công suất 4 kW

của CP476 qua cách ly và bộ lọc DI135; tần số đƣợc đo lƣờng đƣợc xử lý bởi TPU

- Điện áp: 380V

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



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




35

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

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




37

38

- Van S9.1: Chức năng đóng mở chốt thủy lực để chốt cánh hƣớng ở
vị trí dừng

- 1,2 cuộn dây nam châm vĩnh cửu
- 3,4 lò xo phục hồi
- Có 3 vị trí làm việc: Cuộn 1 có điện hoặc cuộn 2 có điện hay cuộn 1

b. Secvo cánh hƣớng
Cánh hƣớng: có 24 cánh đƣợc lắp ngay cửa vào của bánh xe công tác.

hoặc cuộn 2 có đều không có điện

Các cánh đều chuyển động quay theo xu hƣớng quanh trục đồng bộ nhau, hành trình

- Có 4 cửa: A,B, P,T

o

từ 0÷33 . Cánh hƣớng đƣợc điều chỉnh thông qua điều khiển từ hai secvo van.
Xylanh của secvo gắn vào tƣờng và còn một đầu của pittong đƣợc gắn với vành

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

- Mạch tích phân

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




39

40
Từ nguyên lý làm việc của van dẫn động cánh hƣớng ta thấy:
* Ƣu điểm: Van làm việc tin cậy trong trƣờng hợp mở nhanh và đóng nhanh
cánh hƣớng
* Nhƣợc điểm: Khi làm việc sẽ không ổn định do cuộn dây điện từ có độ trễ
lớn
- Hệ thống dùng cuộn dây tỷ lệ thì yêu cầu nhƣ sử dụng hai cuộn dây với
nhiều dây nối
- Một cách khác khi dùng một cuộn dây điện từ nhƣ của van dẫn động cánh
hƣớng nhà máy thủy điện Bình Điền sự trở về của lõi van là nhờ lực lò xo nên khả
năng ổn định là không cao
Để khắc phục các nhƣợc điểm trên chung ta có thể thay cuộn dây điện từ
bằng một động cơ nối đồng trục để dẫn động lõi van.
e. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều tốc:
Dầu thủy lực đƣợc cung cấp tới hai điểm P và P1.
* Hành trình mở cánh hƣớng ở chế độ tự động: dầu từ đƣờng dầu P qua
van S4.1 ở vị trí mở (dầu chuyển từ AP) qua van S3.1 (dầu chuyển từ AP) qua
van EU (dầu chuyển từ DE) qua van S7.1 cung cấp cho secvo đi mở cánh hƣớng.
Dầu hồi về qua van EU (dầu chuyển từ BA) qua van S3.1 (dầu chuyển từ TB)

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

41

42

Kết lụân

Inductosyn. Từ những phân tích ƣu nhƣợc điểm của van dẫn động cánh hƣớng nên

Chất lƣợng điện năng là một trong những chỉ tiêu quan trong để đánh giá độ

trong phạm vi đề tài ta thay truyền động của lõi van thông qua cuộn dây điện từ

ổn định của hệ thống điện hiện nay nên sự ra đời và phát triển của hệ thống điều tốc

bằng truyền động của các hệ truyền động, động cơ một chiều, động cơ servo một

đã thúc đẩy sự phát triển khả năng ổn định tần số của hệ thống điện đóng góp to lớn

chiều không chổi than hoặc động cơ servo xoay chiều.

vào việc tạo ra của cải của xã hội. Sự ra đời của hệ thống điều ổn định tần số máy

Chương tiếp theo sẽ đề cập tới các hệ truyền động trong hệ thống điều tốc.

phát điện đảm bảo cho chất lƣợng điện ngày càng tốt hơn. Hệ thống điều tốc của
mỗi loại Turbine có mỗi một công nghệ riêng, tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý

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

43

44
Ngày nay hệ điều khiển dẫn động cánh hƣớng thƣờng dùng hệ truyền động

CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

sau:

- Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha.
- Hệ thống Thyristor – Động cơ.

ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha.
Nhằm đạt đƣợc các tính năng điều khiển tƣơng tự nhƣ động cơ một chiều ta
tiến hành mô tả động có không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ tựa theo từ thông
rotor, nghĩa là chuyển đổi đƣợc cấu trúc mạch và các mối quan hệ phức tạp của các
đại lƣợng ba pha thành các đại lƣợng tƣơng quan minh bạch (dòng điện ~ từ thông,
dòng điện ~ mômen) nhƣ của động cơ một chiều. Các phƣơng thức điều khiển
động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên cơ sở phƣơng pháp mô tả đó đƣợc gọi là

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

phƣơng thức điều khiển tựa theo từ thông rotor (rotor flux orientation)

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

y
a

điều khiển và điều khiển van secvo . Thành ph ần điều khiển làm nhiệm vụ chuyển
đổi tí n hiệu điều khiển tƣ̀ bộ điều tốc thành tí n hiệu điều khiển van secvo

z

. Van

Secvo làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng tƣ̀ các dạng năng lƣợng khác nhau thành

Z

x

X

A

c

chuyển động cơ học để điều khiển cánh hƣớng nƣớc (Guide van).
C
Hệ truyền động điện trong các bộ điều tốc phải đáp ƣ́ng các yêu cầu về công
nghệ (ví dụ nhƣ tốc độ và mômen). Các truyền động toàn phần phải có cấu trúc điều

Hình II.2: Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng 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

LAB = LAC = LBC = - Lms
Lab = Lbc = Lac = - Lmr
Hỗ cảm giữa dây quấn stator với dây quấn rôtor phụ thuộc vào góc lệch
không gian giữa 2 dây quấn và đƣợc xác định theo công thức:

R
 1
Các ma trận thông số là: R  0
s
0


 L
 10
L  - L
s
 ms
- L
 ms

LaB = LBa = LbC = LCb = LcA = LAc =Lm0.cos( - 2/3)

i A 
i s  i B 
i C 

i a 
 
i r  i 

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 

-L 
ms 

L 
10






1




cos θ 


2π 

3 

cosθ 


2π 



3 

cos θ 



-L
L
-L


cos θ 

0 
0 
R 2 

0
R2
0

mr
20

-L 
mr 




L 
20 

-L

mr

mr

2π 


3 

2π 

cos θ  
3 

cosθ  


L m0 θ  i s 
 

(2.3)

L r  i r 

Trong đó Lm0()t là chuyển vị của ma trận Lm0().

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

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

10

1

0

-L 

ψ   L s
 s  
T
ψ r  L m0 θ 

ma trận thông số. Ta có các vector:
 u a  0 
u r  u b   0
u c  0

L

0
0
R

Khi đó biểu thức tính từ thông có thể viết dƣới dạng ma trận rút gon là:

Khi viết ta coi các đại lƣợng điện và điện từ là các vector và các thông số là
u A 

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

trên stator(,) với quy ƣớc là trục 0 trùng với trục 0a. Một cách trực quan ta có
thể coi hệ tọa độ cố định trên stator (,) bao gồm hai cuộn dây stator nằm trên hai
trục (,).



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




47

48



b

R1 = C1.Rs. C1T

R2 = C1.Rr.C1T

L1 = C1.Ls.C1T

L2 = C1.Lr.C1T

Lm() = C1.Lm0().C1

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 

 1/6
1/2

 1/6 

 1/2 

1

0
R 
1

L1

0

L1 

L1  

R 2

0

0

R2

R2  



 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   

i β 
 1/2   

Lm = 1,5.Lm0
Các giá trị R1, R2 không thay đổi

x
y

(2.7)

Trong trƣờng hợp này ma trận biến đổi ngƣợc chính là ma trận chuyển vị của





Hình II.4: Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y)

ma trận biến đổi thuận:
 2/3

C   1/6
1

 1/6


1

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 



Nhƣ vậy ma trận biến đổi sẽ là: C   2/3
1
 0

(2.9)

T



1/2 
 1/2 

0

Bên cạnh khái niệm về hệ tọa độ cố định trên stator (,), trên rotor cũng đặt
(2.8)

một hệ tọa độ cố định khác có tên gọi là (x,y). Hệ tọa độ cố định trên rotor (x,y) còn
có một tên gọi khác là hệ toạ độ quay cùng rotor. Một cách trực quan ta có thể coi

Tƣơng tự các ma trận thông số đƣợc quy đổi theo công thức:

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



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

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






 

Bây giờ ta thực hiện quy đổi dòng điện của dây quấn rotor từ hệ tọa độ cố

(2.11)



i  cosθ
 2α   
i 2β   sinθ

pL .cosθ - pL .sinθ i1α 
m
m
 
pL .sinθ pL .cosθ  i1β 
1
1
m
m
 i .
pL .sinθ R  pL
0
m

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)

x

i2

0

2β 



(2.15)

2β 

u 1α

u 1β

u 2x
u
 2y





 R 1  pL .i1α  pL m .i 2α
1

 R 1  pL1 .i1β  pL m .i 2β

 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

stator

i 
sinθ  i 2α 
 1 2α
 i   C 2 i 
cosθ  
 

Khi đó hệ (2.11) trở thành:

bằng cách nhƣ vậy ta có thể quy đổi các đại lƣợng sang các toạ độ khác nhau.

y

(2.14)

Ngƣợc lại ta có:

II.2.3 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀ hệ



(2.13)

2y 

cosθ  sinθ
C 


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

i2



Hình II.5: Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (,)

u 1α

u 1β
u
 2α
u
 2β

 R 1  pL1 .i1α  pL m .i 2α
 R 1  pL1 .i1β  pL m .i 2β

 pL m .i1α  ω.L m .i1β  R 2  pL 2 .i  ω.L 2 .i 2β

(2.18)

2α

 ω.L .i1α  pL m .i1β  ω.L .i 2α  R 2  pL 2 .i 2β
2
m

Trong đó  = d/dt là tốc độ góc của rotor (rad/s).
Viết dƣới dạng ma trận sẽ là:

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