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

Header Page 1 of 16.

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

Chuyên ngành

: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số

: 605260

Ngƣời thực hiện

: NGUYỄN TÂM PHƢƠNG

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

THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

Footer Page 1 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 2 of 16.

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*****

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

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

Học viên

: Nguyễn Tâm Phƣơng

Lớp

: Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH

: PGS.TS. Võ Quang Lạp

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp
BAN GIÁM HIỆU

Footer Page 2 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HỌC VIÊN

Nguyễn Tâm Phƣơng
KHOA SAU ĐẠI HỌC




Header Page 3 of 16.

3

LỜI CAM ĐOAN

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.
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
hƣớng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt
kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu
có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

Nguyễn Tâm Phƣơng

Footer Page 3 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 4 of 16.

4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY

1

PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ
I.1 Tổng quan về điều tốc

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

8

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

9

I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh

9

I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có
thể phân loại
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

Footer Page 4 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15




Header Page 5 of 16.

5
I.2.1 Phần điều khiển

15

I.2.2 Phần động lực

22

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực

22

I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực

24

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van

25

CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU 31
TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
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)
II.3 Hệ thống Thyristor – động cơ

39
43
45
48

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

50

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

52

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

56

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

Footer Page 5 of Số

16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

61
66




Header Page 6 of 16.

6
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH
TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển

67

III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện

67

III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR

72

III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

74

III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện

74

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

75

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

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

IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID

97

IV.3.1 Giới thiệu chung

97

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

99

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

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Footer Page 6 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

113




Header Page 7 of 16.

7
DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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
35

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

36

rotor(x,y)
Hình II.5

Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định

stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

Footer Page 7 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

37




Header Page 8 of 16.

8

Hình II.6

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

39

Hình II.7

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

44

Hình II.8

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

45

Hình II.9
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
Hình II.17

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

Hình II.18

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

Footer Page 8 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 9 of 16.

9
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.

63

CD – khâu vi phân dòng điện
Hình II.20

Hình II.21

Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện

63

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi
dòng điện

64

Hình III.1

Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ

66

Hình III.2

Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.

67

Hình III.3

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều

69

Hình III.4

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

69

Hình III.5

Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá

70

Hình III.6

Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi.

71

Hình III.7
Hình III.8
Hình III.9

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.

72

74

Hình III.10

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.16
Hình III.17

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

Footer Page 9 of Số
16.hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

89




Header Page 10 of 16.

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

Hình IV.4

Hệ điều khiển mờ theo luật PI

95

Hình IV.5

Hệ điều khiển mờ PID

96

Hình IV.6

Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển

98

Hình IV.7

Mô hình bộ điều khiển mờ bù

98

Hình IV.8
Hình IV.9

Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều
khiển PID
Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ

101

Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD
Hình IV.11
Hình IV.12
Hình IV.13

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

Hình IV.14 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD
Hình IV.15

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.17
Hình IV.18

Hình IV.19

100

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

Footer Page 10 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

112




Header Page 11 of 16.

11
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
điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định
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
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.

Footer Page 11 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 12 of 16.

12
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
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
Tác giả luận văn

Nguyễn Tâm Phương

Footer Page 12 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 13 of 16.

13
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ
I.1 Tổng quan về điều tốc
Tấn số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lƣợng điện năng. Tốc
độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ

thuộc và tần số của dòng điện xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng
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
±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
điều kiện cân bằng công suất tác dụng:
PF = Ptt + Pth = PPT
Trong đó:
PPT: Phụ tải tổng của các máy phát
PF : Công suất phát
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
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.

Footer Page 13 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 14 of 16.

14
I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện
Điều tốc là một trong những khâu quan trọng của nhà máy điện. Điều tốc
chính là quá trình điều chỉnh tốc độ quay của Turbine bằng cách thay đổi lƣu lƣợng
nƣớc vào bánh xe công tác. Mục đích của điều tốc là đảm bảo sự cân bằng giữa
công suất phát của tổ máy và công suất tiêu thụ (phụ tải). Quá trình điều tốc giữ cho
tần số không đổi hoặc độ lệch của tần số trong phạm vi cho phép nhờ vậy mà hệ
thống luôn làm việc ổn định.
* Một máy phát điện có hai chế độ làm việc cơ bản là:
- 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
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
khi tần số lƣới lệch khỏi giá trị định mức, còn điều khiển thứ cấp đƣợc điều khiển từ
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
nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất phát của mình để phù hợp
với phụ tải. Sau đó các nhà máy điều tần sẽ điều chỉnh công suất phát để đảm bảo
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

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

Footer Page 14 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 15 of 16.

15
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
f2
f0
f1

Hình I.2: Đặc tính tần số của lưới và máy phát
Trong đó:
- (1) : Đặc tính của phụ tải Z1
- (2) : Đặc tính phụ tải Z1 và Z2
- (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)
Để có đƣợc đặc tính nhƣ trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc nhƣ sau:



fo

f

Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc

Footer Page 15 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 16 of 16.

16
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.
* Đặc điểm của bộ điều tốc trong trƣờng hợp này là:
- PPT = 0

f > fo

- 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.
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
bảo cân bằng công suất của lƣới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lƣới.
Giả sử cấu trúc của tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy đầu tiên ( nhƣ đã
xét ở trên). Khi hệ thống máy phát đã cân bằng công suất của lƣới ta có:
- f = fo
- P1 + P2 =PR

(1.1)

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

Footer Page 16 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 17 of 16.

17

fo

f

1



2

(Po)(GVo)

(P)(GV)

Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng
Lúc này ta có:
1 = fo – f
2 = (GVo – GV).ep hoặc 2 = (Po- P).ep
 = 1 + 2
Trong đó:
- fo: tần số đặt
- ep: độ rơi tốc độ
- GVo: giá trị đặt cánh hƣớng
- Po: giá trị đặt công suất
Khi hệ thống đã ổn định  = 0
 (fo - f) + ep(GVo - GV) = 0
 f = fo + ep.GVo - ep.GV

(1.2)

Trong đó: GVo = Po.f(x)
- f(x): hàm tuyến tính (biến đổi giá trị công suất đặt sang vị trí secvo
Để thuận tiện cho sử dụng phản hồi công suất:
Khi hệ thống ổn định  = 0 hay f = fo + ep.Po – ep.P

Footer Page 17 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(1.3)




Header Page 18 of 16.

18
Từ phƣơng trình (1.3) ta có đặc tính điều chỉnh Turbine - máy phát trong
trƣờng hợp này có dạng sau:

P01

P02

Hình I.5: Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát
Đặc tính biểu diễn những điểm làm việc của máy phát ứng với các giá trị
khác nhau của tần số f. Khi thay đổi công suất đặt từ P01P02, đặc tính sẽ chuyển từ
đƣờng số (1) sang đƣờng số (2). Nhƣ vậy, với loại Turbine nhƣ trên hệ thống vẫn ổn
định khi f ≠ fo. Từ (1.3) ta thấy khi f = fo thì P = Po
Vậy đặc điểm của bộ điều tốc trong trƣờng hợp này là:

- P = 0:

f > fo

- P = Po:

f = fo

- P = Pmax:

f < fo

- 0 < P < Pmax

f2 < f < f 1

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

Footer Page 18 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 19 of 16.

19
I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số
Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của Rotor - Máy phát
là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải
Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều:
f 

n.p
60

Trong đó:
- f: là tần số máy phát xoay chiều (Hz)
- n: tốc độ quay của Rotor máy phát (v/ph)
- 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.

d
dt

Trong đó:
- Mđ: Mômen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay
- Mc: Mômen cản trên trục Turbine - Máy phát gồm:
+ Mômen cản do ma sát
+ Mômen điện từ: mômen này do dòng điện chạy trong phần

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

mômen động lực bằng mômen cản hay công suất Turbine bằng công suất của phụ
tải máy phát, do công suất của phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số

Footer Page 19 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 20 of 16.

20
không thay đổi ta phải điều chỉnh công suất của Turbine cho phù hợp, công suất của
Turbine do dòng nƣớc cung cấp đƣợc xác định
NTB = 9,81..Q.H

(1.4)

Trong đó:
- : Hiệu suất sử dụng cột nƣớc của Turbine
- Q: Lƣu lƣợng dòng nƣớc (m3/s)

- H: Chiều cao cột nƣớc (m)
- NTB: Công suất Turbine (KW)
Từ công thức (1.4) ta có thể thay đổi thông số , Q, H để điều chỉnh công
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:
V  2 g .H

Vì độ cao của cột nƣớc H hầu nhƣ không thay đổi trong khoảng thời gian ta
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
diện dòng chảy khi ra khỏi đƣờng ống
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
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:
- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp
- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

Footer Page 20 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 21 of 16.

21
Nếu khớp trƣợt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối
tƣợng thì bộ điều tốc loại này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp. Còn bộ điều tốc
đƣợc trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trƣợt của bộ điều chỉnh và cơ
cấu điều chỉnh của đối tƣợng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.
I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại:
- Bộ điều tốc một chế độ
- Bộ điều tốc hai chế độ
- 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,
cơ học hoặc điện để truyền các thông tin. Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu công tác
khác nhau có thể phân loại:
- Bộ điều tốc cơ học
- Bộ điều tốc khí nén
- Bộ điều tốc thủy lực
- Bộ điều tốc điện tử
I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có thể
phân loại thành:
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể phân
loại:
- Bộ điều tốc có liên hệ ngƣợc cứng

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

Footer Page 21 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 22 of 16.

22
I.1.4 Các thông số 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 tính của bộ điều tốc đƣợc đặc
trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch
Độ sai lệch  trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:


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

- ntb 

nkt  n H
vòng quay trung bình, v/ph
2

 là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì
vòng quay ban đầu,  càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó
thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc vuông góc
với trục hoành ( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính isodrom).
Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc ( > 0) gọi là đặc tính tĩnh.
Độ rộng vùng không nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch
chuyển các có 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 khi vực không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể
hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc kn:
 kn 

 cb'   cb''
 cb

;  cb 

cb'  cb''
2

Footer Page 22 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 23 of 16.

23
Trong đó, ’cb, ’’cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
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
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 không 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  là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất
(vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:


 dd

H



n dd
nH

ndd(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  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 tƣơng đối
Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối  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 v.v..)


 S

H

hay  

 S

 kt

Trong đó:
s: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
H,kt: vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (Chế độ định mức và không tải)

Footer Page 23 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Header Page 24 of 16.

24
Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính 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
tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ
thay đổi tải theo quy định
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
chỉnh. Phần dẫn động đƣợc cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển
nhƣ bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều khiển và van
phân phối... Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hƣớng bằng cách
điều chỉnh lƣợng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hƣớng của tua bin
theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh đƣợc cấu tạo bởi các
bộ phận điện và điện tử nhƣ các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh
nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hƣớng..., dựa vào các
tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đƣa tới phần
dẫn động.
Hình I.6 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 ổn định trƣớc khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song.
Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận
hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi
phục tần số của hệ thống.
Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. Khi tốc
độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm

cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống. Khi servomotor đóng lại, điểm tựa
phản hồi của đòn nối đƣợc nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí

Footer Page 24 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Header Page 25 of 16.

25
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

Footer Page 25 ofSố16.
hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên