Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển tốc độ turbine nước loại nhỏ nhằm ổn định tần số của dòng điện đầu ra

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------o0o------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
TURBINE NƯỚC LOẠI NHỎ NHẰM ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
CỦA DÒNG ĐIỆN ĐẦU RA

Người hướng dẫn :

Học viên

:

PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Mai
Nguyễn Mạnh Đức

HÀ NỘI 5/2016
1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1

1.

Lý do lựa chọn đề tài ................................................................................ 1

2.

Mục tiêu đề tài .......................................................................................... 2

3.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 2

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 2

5.

Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề tài ................................................. 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TỐC
TURBINE NƯỚC ............................................................................................................ 4
1.1 Ý nghĩa, vai trò việc điều chỉnh tần số của máy phát điện[17] ................ 4
1.1.1 Tính tất yếu của việc điều chỉnh tần số....................................................................5
1.1.2 Bản chất và ý nghĩa điều chỉnh tần số trong hệ thống điện ....................................5
1.1.3 Tần số của máy phát và phương trình động học của Turbine .................................7
1.1.4 Đặc tính điều chỉnh của turbine ............................................................................ 12
1.1.5 Quá trình thay đổi công suất đặt của tổ máy trong nhà máy điện ....................... 14

1.2 Tổng quan chung về kỹ thuật điều khiển dòng nước vào turbine .......... 16

1.2.1 Kiểu van lưỡi gà..................................................................................................... 16
1.2.2 Kiểu thùng chụp .................................................................................................... 17
1.2.3 Kiểu cánh hướng nước .......................................................................................... 18

1.3 Điều khiển dòng chảy bằng van cánh bướm .......................................... 20
1.4 Nguyên lý điều tốc turbine nước ............................................................ 20
1.4.1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp - luật điều khiển P(Proportional) ......................... 20
1.4.2 Nguyên lý điều khiển gián tiếp - luật điều khiển PI(Proportional Intergral) ......... 22

1.5 Kết luận .................................................................................................. 27
CHƯƠNG 2 .CÁC PHẦN TỬ CƠ SỞ SỬ DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC
........................................................................................................................................ 28
2.1 Đo tốc độ quay sử dụng Encoder ........................................................... 29
2.2 Lập trình bộ điều khiển trên nền vi điều khiển ...................................... 29
2


2.3 Van điểu khiển không trục ..................................................................... 30
2.4 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VAN KHÔNG TRỤC ........................... 32
2.4.1 Các phương án chế tạo cơ cấu điều khiển van không trục ................................... 32

2.5 Cơ sở lý thuyết tổng hợp bộ điều khiển ................................................. 44
2.5.1 Nhận dạng đối tượng ............................................................................................ 44
2.5.2 Thuật toán điều khiển PID .................................................................................... 48
2.5.3 Tính toán tham số của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu[2][13]. ............................. 49
2.5.4 Thực thi bộ PID số[2]............................................................................................. 51

2.6 Kết luận .................................................................................................. 55
CHƯƠNG 3 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU
TỐC TURBINE ............................................................................................................. 56

3.1 Tổ chức và thiết kế các phần tử cơ bản của hệ thống thí nghiệm[14].... 56
3.1.1 Cơ cấu phản hồi tốc độ Turbine ............................................................................ 56
3.1.2 Thiết kế cơ cấu điều khiển van không trục ........................................................... 57
3.1.3 Bộ điều khiển ATMEGA8 ....................................................................................... 60

3.2 Phần mềm giám sát hệ thống .................................................................. 65
3.3 Quá trình thử nghiệm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm bộ điều tốc
Turbine
68
3.3.1 Mô tả mô hình thủy điện siêu nhỏ........................................................................ 68
3.3.2 Lắp đặt mô hình thí nghiệm .................................................................................. 74
3.3.3 Quá trình thử nghiệm bộ điều tốc trên cơ sỏ van trượt bám - mô hình thủy điện
thực nghiệm 76

3.4 Kết luận .................................................................................................. 93
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT................................................................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 96
Phụ lục 1: Code lập trình phần mềm nhập tham số điều khiển .......................... 99
Phụ lục 2: Code lập trình vẽ đồ thì giám sát hệ thống ...................................... 107
Phụ lục 3: Code lập trình vi điều khiển............................................................. 112

3


LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS
Nguyễn Thị Phương Mai
Để hoàn thành bản luận văn này tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục
tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào mà không được
ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình thiết kế hoặc đồ án tốt nghiệp của

người khác
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Học viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Đức

4


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đặc tính phụ tải tổng hợp theo tần số .................................................. 6
Hình 1.2 Ví dụ chênh áp cột nước ..................................................................... 10
Hình 1.3. Đặc tính quan hệ giữa tần số và công suất của turbine máy phát ...... 12
Hình 1.4. Quá trình thay đổi công suất đặt của máy phát .................................. 15
Hình 1.5. Kiểu lưỡi gà........................................................................................ 16
Hình 1.6. Kiểu thùng chụp ................................................................................ 17
Hình 1.7. Hệ thống cánh hướng nước ................................................................ 18
Hình 1.8. Hình vẽ chi tiết kiểu cánh hướng nước .............................................. 19
Hình 1.9. Van bướm........................................................................................... 20
Hình 1.10. Máy điều tốc tác động trực tiếp ....................................................... 22
Hình 1.11. Máy điều tốc tác động gián tiếp ....................................................... 23
Hình 2.1. Sơ đồ khối các phần từ ....................................................................... 28
Hình 2.2. Mặt cắt bổ dọc của van không trục .................................................... 30

Hình 2.3. Đường cong đặc tính động của van điều khiển không trục ............... 31
Hình 2.4. Bộ phận điều khiẻn van sử dụng kiểu cuộn dây nam châm điện ....... 33
Hình 2.5. Lò xo có biên dạng thẳng và biên dạng đặc biệt. ............................... 34
Hình 2.6. Bộ phận điều khiển van kiểu dùng nam châm vĩnh cửu. ................... 34
Hình 2.7. Nối ty van với phần dịch chuyển qua một cơ cấu kiểu xoay. ............ 36
Hình 2.8. Nguyên lý cấp điện cho cuộn dây để điều khiển động cơ bước ........ 38
Hình 2.9.Ví dụ về điều chế độ rộng xung(PWM) và góc quay của servo ......... 39
Hình 2.10. Sử dụng động cơ điện một chiều cùng với cơ cấu xoay. ................. 39
Hình 2.11. Đặc tính tĩnh học của van một bệ..................................................... 40
Hình 2.12. Cơ cấu kiểu xoay. ............................................................................. 40
Hình 2.13. Biểu diễn mối quan hệ giữa x và φ. ................................................. 40
Hình 2.14. Tổng hợp đặc tính tĩnh học của van một bệ theo góc quay φ. ......... 41
Hình 2.15. Sử dụng cam để tuyến tính đường đặc tính tĩnh của van. ................ 42
5


Hình 2.16. Cơ cấu điều khiển van kiểu ròng rọc ............................................... 43
Hình 2.17. Sơ đồ thí nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống hở. ............. 45
Hình 2.18. Đặc tính quá độ thực nghiệm. .......................................................... 46
Hình 2.19. Sơ đồ bộ điều khiển PID tổng hợp liên tục ...................................... 49
Hình 2.20. Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu vào của bộ điều chỉnh PID số ................ 51
Hình 2.21. Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều chỉnh PID số ..................................... 52
Hình 3.1. Dạng xung ra của encoder Autonics E30S4 ..................................... 56
Hình 3.2. Thông số kĩ thuật opto TOSHIBA TLP250 ........................................ 57
Hình 3.3. Kích thước động cơ servo Futaba MG995 .......................................... 58
Hình 3.4.Dạng tín hiệu điều khiển động cơ servo .............................................. 59
Hình 3.5. Hình ảnh ghép nối cơ cấu chấp hành kiểu ròng rọc ............................ 59
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ....................................................... 60
Hình 3.7. Sơ đồ thuật toán điều khiển................................................................. 62
Hình 3.8. Sơ đồ ghép nối cơ cấu điều khiển ...................................................... 64

Hình 3.9. Sơ đồ hoạt động bộ điều khiển........................................................... 65
Hình 3.10. Phần mềm Data Collect trên Windows ............................................. 66
Hình 3.11. Đồ thị theo dõi hệ thống trong chế độ mô phỏng trên máy tính ....... 67
Hình 3.12. Nguyên lý làm việc của nhà máy thủy điện .................................... 68
Hình 3.13. Sơ đồ dòng chảy ............................................................................... 69
Hình 3.14. Turbin Turgo .................................................................................... 70
Hình 3.15. Bơm chìm trục đứng đa tầng cánh ................................................... 71
Hình 3.16. Van trượt bám .................................................................................. 72
Hình 3.17. Sơ đồ mạch điện tiêu thụ.................................................................. 73
Hình 3.18. Ảnh chụp hệ thống lắp đặt trên thực tế ............................................ 74
Hình 3.19. Sơ đồ khối khởi động mô hình thủy điện ......................................... 76
Hình 3.20. Sơ đồ khối tính toán bộ điều khiển .................................................. 78
Hình 3.21. Đồ thị đáp ứng quá độ trước và sau khi đã xử lý ............................. 80
6


Hình 3.22. Đồ thị đáp ứng quá độ của mô hình Turbine .................................... 81
Hình 3.23. Sơ đồ hệ thống điều khiển................................................................ 83
Hình 3.24. Đồ thị đáp ứng của đầu ra bộ điều khiển ......................................... 84
Hình 3.25. Sơ đồ các bước thí nghiệm đáp ứng của hệ thống ........................... 86
Hình 3.26. Phần mềm data collect trên máy tính cài đặt các thông số điều khiển
........................................................................................................................................ 87
Hình 3.27. Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine khi thay đổi tải ................................. 88
Hình 3.28. Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine khi thay đổi lượng nước vào ........... 90
Hình 3.29. Đồ thị tốc độ turbine khi chạy ổn định ............................................ 92

7


MỞ ĐẦU

1. Lý do lựa chọn đề tài
Với nhu cầu về điện năng ngày càng tăng, số lượng các nhà máy thủy điện nhỏ,
đặc biệt là các công trình thủy điện gia đình ở nước ta hiện nay đang tăng nhanh. Tuy
nhiên, trong các công trình thủy điện qui mô hộ gia đình chỉ lắp đặt mạch khống chế điện
áp mà không trang bị cơ cấu ổn định tấn số của dòng điện phát ra, do đó khả năng sử
dụng rất hạn chế.
Đối với các turbine thủy điện công suất lớn, ngoài việc ổn định điện áp thì việc
ổn định tần số nguồn điện phát ra là tất yếu và việc đó do bộ điều tốc turbine đảm nhiệm.
Cấu tạo cơ bản của bộ điều tốc turbine bao gồm: cơ cấu điều khiển, cơ cấu khuếch
đại lực và hệ thống cánh hướng (van cánh hướng) điều chỉnh nước. Cơ cấu điều khiển
trước đây có cấu tạo kiểu cơ – thủy lực, nay đã thay thế bằng cơ cấu thủy lực điện tử số.
Nhưng trong bộ điều tốc turbine vẫn tồn tại một cơ cấu khuếch đại dùng dầu áp
lực cao để điều khiển hệ thống van cánh hướng.
Các van cánh hướng đang sử dụng hiện nay có nhược điểm cơ bản là tiêu thụ lớn
năng lượng phụ trợ và cần trang bị kèm theo cơ cấu khuếch đại lực phức tạp và đắt tiền.
Do vậy, các bộ điều tốc nói trên có thể lắp đặt cho các loại turbine thủy điện công suất
lớn nhưng là tốn kém đối với các turbine loại nhỏ, đặc biệt bất khả thi đối với turbine
qui mô hộ gia đình.
Do đó cần nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc có thể ứng dụng cho turbine loại nhỏ.

1


2. Mục tiêu đề tài
Trước những tiềm năng về thủy điện quy mô nhỏ, hộ gia đình ở Việt Nam, tác giả
với mong muốn mang ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào đời sống thực tế, đề tài đưa
ra mục tiêu thiết kế bộ điều tốc turbine loại nhỏ hộ gia đình dựa trên cơ sở những đề tài
nghiên cứu khoa học hiện đại, nhằm khắc phục và hoàn thiện những thiếu sót trên hệ
thống thủy điện nhỏ thô sơ truyền thống.

3. Phương pháp nghiên cứu
+Tìm hiểu, tổng hợp, biên tập tài liệu kĩ thuật về các phương pháp điều tốc turbine
từ các tác phẩm trong và ngoài nước.
+Đánh giá về các loại van và cơ cấu điều khiển truyền thống đang có
+Thiết kế bộ điều tốc turbine thủy điện trên cơ sở van điều khiển.
+Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng sự hoạt động của bộ điều tốc kiểu
mới.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+Tập trung vào phương pháp điều tốc những loại turbine siêu nhỏ công suất từ
200-500W
+Kế thừa và phát triển các các cơ cấu điều khiển van không trục. Đặc biệt là sử
dụng cơ cấu servo vào điểu chỉnh độ mở van
+Xây dựng bộ điều khiển PID trên nền vi xử lý, tương thích với van không trục
+Thiết lập phần mềm giám sát khả năng hoạt động và vận hành của thiết kế mới.

2


5. Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề tài
 Đề xuất cấu trúc điều khiển turbine dựa trên van không trục. Ứng dụng cho
bộ điều tốc turbine không cần trang bị hệ thống trợ lực bên ngoài.
 Thiết kế cơ cấu ghép nối hợp lý giữa mạch điều khiển PID và van điều
khiển.
 Đề xuất dùng Encoder có sẵn trên thị trường làm bộ cảm biến đo tốc độ
quay turbine.
 Đề xuất phương pháp nhận dạng đối tượng theo đáp ứng quá độ với tính
toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế.
 Xây dựng phần mềm giám sát điều khiển hệ thống turbine máy phát như là
một tổ máy phát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập.

3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
TỐC TURBINE NƯỚC
1.1 Ý nghĩa, vai trò việc điều chỉnh tần số của máy phát điện[17]
Quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng có tính chất đặc biệt so với các sản phẩm
khác, đó là sự cân bằng giữa cung và cầu diễn ra liên tục trong từng phút, từng giây…điều
này có nghĩa là cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện diễn ra một cách tự
nhiên.
Một nhiệm vụ hết sức quan trọng của việc cung cấp điện là đảm bảo các chỉ tiêu
về chất lượng điện năng của hệ thống điện, trong đó hai chỉ tiêu đặc biệt quan trọng là
chỉ tiêu về điện áp và tần số phải nằm trong phạm vi cho phép theo quy định Ulv = Uđm ±
5%Uđm và flv = fđm ± 0,2Hz. Trong đó thông số điện áp mang tính chất cục bộ còn tần số
mang tính chất hệ thống, bởi vì điện áp có thể thay đổi bằng biến áp hoặc ổn áp đối với
từng thiết bị tiêu thụ điện. Đối với máy phát điện, việc điều chỉnh điện áp chính là điều
chỉnh từ thông qua roto của máy phát(hoặc điều chỉnh bằng biến áp ngoài mắc sau máy
phát) còn việc điều chỉnh tần số hệ thống chính là điều chỉnh công suất hữu công của tổ
máy phát ra. Đối với máy phát thủy điện, việc điều chỉnh công suất hữu công của tổ máy
chính là điều chỉnh công suất cơ của turbine thủy lực bằng cách điều chỉnh độ mở cánh
hướng để thay đổi lưu lượng nước qua turbine.
Như vậy, hệ thống điều tốc trong các máy phát thủy điện là một hệ thống tự động
điều chỉnh công suất cơ của turbine thủy lực để duy trì tốc độ quay (tần số) của máy phát
trong giới hạn cho phép, đồng thời đảm bảo cho máy phát làm việc ở các chế độ: tần số,
công suất yêu cầu.
Đối với trường hợp cụ thể, turbine hộ gia đình ở Việt Nam, công suất máy phát
thủy điện cần đảm bảm lớn hơn công suất tiêu thụ của tổng các thiết bị điện. Bộ điều tốc
4

máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh thủy năng hay nói một cách trực quan là điều chỉnh
lưu lượng nước vào turbine để duy trì tốc độ quay ổn định của turbine khi công suất tiêu
thụ thay đổi.
1.1.1 Tính tất yếu của việc điều chỉnh tần số
Quan điểm để đưa ra kết luận khẳng định phải thay đổi công suất phát máy phát
để duy trì ổn định tần số bởi vì khi có sự thay đổi về tần số thì sẽ gây ra những hậu quả
xấu cho thiết bị như:
 Các thiết bị được thiết kế và làm việc tối ưu ở tần số định mức.
 Khi tần số giảm thì hiệu suất của thiết bị cũng giảm ví dụ như: Quạt, động
cơ...
 Làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm từ máy dệt, mài, tiện...
Các yếu tố gây ra việc thay đổi tần số, công suất là do sự không phù hợp giữa
năng lượng điện sản sinh và tiêu thụ như:
 Giờ trong ngày như: sử dụng nhiều thiết bị điện khi ở nhà
 Ngày trong tuần như: Thứ bảy, chủ nhật...
 Ảnh hưởng của thời tiết như: Mưa, nắng..., tác động đến lượng nước đầu
vào
 Những yếu tố ngẫu nhiên khác...
1.1.2 Bản chất và ý nghĩa điều chỉnh tần số trong hệ thống điện
- Tấn số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng điện năng. Mỗi
một thiết bị tiêu thụ điện làm việc với một tần số nhất định. Khi tần số của nguồn cung
cấp cho thiết bị tiêu thụ điện lệch khỏi tần số định mức của nó thì công suất tác dụng P,
công suất phản kháng Q và các thông số khác của thiết bị đó cũng thay đổi. Người ta đã
5


xây dựng được đặc tính về mối quan hệ giữa P và Q theo tần số ở một phụ tải tổng hợp
có dạng như sau:

P,Q

f
fđm

Hình 1.1. Đặc tính phụ tải tổng hợp theo tần số
Trong đó:
+ Đối với công suất tác dụng (P), đặc tính có dạng tuyến tính. Độ dốc của đặc tính
phụ thuộc vào thành phần động cơ đồng bộ (ĐB), động cơ không đồng bộ (ĐK) có trong
phụ tải tổng hợp đó.
-

Đối với ĐB: Khi tần số thay đổi 1% thì P thay đổi 1%;

-

Đối với ĐK: Khi tần số thay đổi 1% thì P thay đổi 3%;

-

Các lò điện trở, hồ quang …P không phụ vào tần số.
+ Đối với công suất phản kháng (Q), tại một nút phụ tải ta có:
Q = Q0 + ΔQ - Qc

(1.1)

6


Với:
-

Qo : Công suất phản kháng mà các động cơ và máy biến áp tiêu thụ (công suất từ
hoá);

-

ΔQ : Tổn thất công suất phản kháng trong hệ thống;

-

Qc : Công suất phản kháng do đường dây sinh ra.
Khi tần số giảm, Qo tăng, ΔQ và Q tăng. Đối với một nút phụ tải, khi tần số giảm

1% thì Q tăng (1÷5)%.
Ngoài ra sự thay đổi tần số của hệ thống cũng có một phần ảnh hưởng đến điện
áp, nhờ vậy khi hệ thống thiếu công suất phản kháng làm điện áp giảm, có thể giảm bớt
độ sụt áp bằng cách nâng tần số lên.
Như vậy, tần số có vai trò quan trọng đến hệ thống điện, có ảnh hưởng trực tiếp
đến các thiết bị tiêu thụ điện, cho nên việc giữ tần số ở một giá trị cố định (hay giữ cho
tần số chỉ được sai lệch trong một phạm vi cho phép) là một yêu cầu quan trọng của hệ
thống.
Khác với điện áp, tần số tại mọi điểm trong hệ thống đều như nhau. Quá trình
điều chỉnh để duy trì tần số ở một giá trị nhất định (hay được sai lệch trong phạm vi cho
phép) được gọi là điều tốc. Vì vậy điều tốc là một trong những thiết bị quan trọng trong
dây chuyền sản xuất điện năng. Tuy nhiên việc điều chỉnh tần số hiện nay chỉ được thực
hiện tại các nhà máy điện vì các cơ cấu cồng kềnh phức tạp.
1.1.3 Tần số của máy phát và phương trình động học của Turbine
Ta có tần số dòng điện của máy phát điện xoay chiều được xác định theo biểu
thức:

7


f 

n. p
60

(1.2)

Trong đó:
- f: Tần số dòng điện xoay chiều (Hz)
- n: Tốc độ quay của rotor máy phát (v/ph)
- p: Số đôi cực từ của máy phát
Vì số đôi cực p của máy phát không đổi nên muốn bảo đảm tần số dòng điện
không đổi ta phải duy trì số vòng quay n của rotor.
Rotor của máy phát được nối vào trục của turbine. Dưới tác dụng của năng lượng
dòng nước, turbine thủy lực quay làm rotor máy phát quay theo. Phương trình động lực
trên trục turbine máy phát là:
Mt  Mc  J

d
dt

(1.3)

Trong đó:
-

Mt: Moment động lực, có tác dụng làm turbine quay. Moment này do năng lượng

dòng nước sinh ra.

-

Mc: Moment cản trên trục turbine máy phát. Moment này do ma sát, moment điện
từ …Moment điện từ do dòng điện chạy trong phần ứng của máy phát sinh ra.
Moment này thay đổi khi phụ tải máy phát thay đổi.

-

J: Moment quán tính của tổ máy, quy về trục turbine.

-

ω: Tốc độ góc của trục turbine máy phát.
8


  2.. f o  2.

n. p
60

(1.4)

Thấy rằng khi số vòng quay không đổi (n=const) khi dn/dt = 0 hay dω/dt = 0.
Thay vào phương trình (1.3) ta được:

 Mt = Mc
Vậy để giữ tốc độ turbine không đổi ta phải đảm bảo moment động lực bằng

moment cản hay công suất turbine bằng công suất máy phát (N=M.ω). Vì công suất của
phụ tải máy phát thay đổi liên tục nên muốn bảo đảm tần số dòng điện không đổi ta phải
liên tục thay đổi công suất của turbine thủy lực cho phù hợp.
Công suất của turbine thủy lực do dòng nước cung cấp và được xác định bằng
biểu thức:
NTB = 9,81.Q.H.η

(1.5)

Trong đó:
NTB: Công suất turbine (kW)
η : Hiệu suất sử dụng cột nước của turbine
Q: Lưu lượng dòng nước (m3/s)
H: Chiều cao cột nước hiệu dụng (m)
Từ công thức trên ta thấy có thể thay đổi η, Q hay H để điều chỉnh công suất của
turbine nhưng tiện lợi và kinh tế nhất là điều chỉnh lưu lượng Q.
Lưu lượng Q của một dòng nước qua tiết diện S được xác định theo biểu thức:
Q = v.S (m3/s)

(1.6)
9


Với:
v : Vận tốc dòng chảy qua tiết diện S (m/s)
S: Mặt cắt ngang dòng nước (m2)
Ta tính vận tốc dòng nước như sau:

v  2.g.H

(1.7)

Với:
H: Độ cao cột nước, đó chính là chênh lệch mực nước hồ với hạ lưu turbine.
v : Vận tốc của dòng chảy khi ra khỏi đường ống.
1

1

H
2

2

Hình 1.2 Ví dụ chênh áp cột nước
Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt (1-1) và (2-2) bỏ qua tổn thất và coi
nước là chất lỏng lý tưởng, ta có:

v12 p1
v2 p
  Z1  2  2  Z 2 (2)
2.g 
2.g 
Trong đó:
p1 = p2 =po: Áp suất khí trời
v1 = 0: Vì thể tích hồ chứa rất lớn
10

(1.8)

γ : Trọng lượng riêng của nước
Z1, Z2 :Độ cao mặt đang xét so với mặt chuẩn. (Z1 - Z2 = H)
Thay vào phương trình [1.8] ta được:

v2 2 p0
0   Z1 
  Z2

2.g 
p0

(1.9)



v22  2.g (Z1  Z2 )  2.g.H

(1.10)



v2  2.g.H

(1.11)

Vì độ cao cột nước H hầu như không đổi trong khoảng thời gian xét nên vận tốc
dòng nước chảy qua turbine là không đổi.
Vậy để điều chỉnh lưu lượng Q người ta phải thay đổi tiết diện dòng chảy khi ra
khỏi đường ống.

Tùy vào từng loại turbine mà có những biện pháp điều chỉnh lưu lượng khác nhau.
Đối với turbine tâm trục người ta thường thay đổi độ mở cánh hướng nước và góc quay
của bánh xe công tác. Đối với turbine cánh gáo người ta vừa điều khiển kim phun và vừa
điều khiển cánh hướng dòng.
Vòi phun có tác dụng hướng dòng nước đến bánh xe công tác và để điều chỉnh
lưu lượng cho phù hợp với yêu cầu phụ tải. Trong vòi phun có van kim (kim phun). Nhờ
có cơ cấu điều khiển van kim sẽ di chuyển dọc theo trục làm thay đổi tiết diện miệng
vòi, do đó điều chỉnh được lưu lượng.
Tóm lại, điều tốc cho turbine thủy lực là điều khiển lưu lượng nước vào turbine
để giữ cho tốc độ quay turbine không đổi khi phụ tải thay đổi.

11


1.1.4 Đặc tính điều chỉnh của turbine
Phương trình đặc tính điều chỉnh của turbine biểu diễn mối quan hệ giữa tần số
đối với công suất tác dụng của tổ máy như sau:



(f0 - f) + Bp(P0 - P) = 0

(1.12)

f = f0 + Bp(P0 - P)

(1.13)

Trong đó:
f : Tần số dòng điện máy phát

f0 : Tần số định mức f0 =50Hz
P : Công suất điện phát ra của tổ máy
P0: Công suất đặt
Có đặc tĩnh như đồ thị sau:

Hình 1.3. Đặc tính quan hệ giữa tần số và công suất của turbine máy phát

12


Trong đó:
Δf: Độ lệch tần số tương ứng với độ thay đổi công suất
Pmax: Công suất cực đại của tổ máy

Độ giảm tốc thường xuyên của đặc tính được định nghĩa như sau:

Bp 

f / fdm
(%)
P / Pmax

(1.14)

Khi Bp càng nhỏ thì sự tham gia của nhà máy vào quá trình điều tốc càng lớn, tần
số được điều chỉnh càng nhanh.
Quá trình điều chỉnh của turbine gồm hai loại: Điều chỉnh sơ cấp và điều chỉnh
thứ cấp.
a)Điều chỉnh sơ cấp
Điều chỉnh sơ cấp là quá trình tăng lượng nước vào turbine khi tần số giảm. Kết

thúc quá trình điều chỉnh sơ cấp, tần số máy phát vẫn nhỏ hơn tần số quy định, do lượng
công suất phát lên không bù hoàn toàn được độ gia tăng công suất phụ tải. Theo đặc tính
(H 1.2) thì khi phụ tải tăng, công suất máy phát tăng lên P1 > P0 ,điểm làm việc di chuyển
từ A→ A1 và tần số mới là f1 < fđm. Từ công thức trên ta thấy độ gia tăng công suất phát
ứng với độ giảm tần số Δf là:

P 

f / f0
.Pmax
Bp

(1.15)

b)Điều chỉnh thứ cấp
Đó là quá trình đặt lại công suất của tổ máy làm đường đặc tính di chuyển từ
13


đường (1) sang đường (2) trên hình 1.2. Điểm làm việc sau cùng là A’ với tần số là f0 và
công suất phát là P2.
Từ phương trình đặc tính của turbine (1.13), ta có:
f = f0 + Bp(P0 - P)
Vì f0 luôn không đổi (f0 = 50Hz), do đó thấy rằng bản chất của việc điều chỉnh
thứ cấp là đặt lại giá trị P0.
Ở các nhà máy điện, bằng việc điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp, công suất phát của
tổ máy tăng lên để đáp ứng phụ tải và vẫn giữ được tần số ban đầu.
Điều chỉnh sơ cấp được thực hiện ở tất cả các nhà máy điện, còn điều khiển thứ
cấp chỉ có ở một số nhà máy. Điều khiển thứ cấp có thể thực hiện bằng tay hay tự động.
Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp xảy ra đồng thời. Khi phụ tải

của hệ thống tăng lên tất cả các nhà máy có điều chỉnh tốc độ, tự động tăng công suất
phát của mình lên để bù vào phụ tải. Sau đó các nhà máy điều tần sẽ tăng công suất phát
để đảm bảo phần phụ tải tăng lên, các nhà máy còn lại vẫn giữ nguyên công suất ban đầu
để hệ thống duy trì ở tần số định mức.
1.1.5 Quá trình thay đổi công suất đặt của tổ máy trong nhà máy điện
Mỗi tổ máy của nhà máy thường có khả năng phát nhiều giá trị công suất khác
nhau. Khi tổ máy đang làm việc, muốn thay đổi lượng công suất phát (chủ động) thì yêu
cầu tần số trong quá trình thay đổi đó chỉ được dao động trong phạm vi cho phép. Xét
quá trình thay đổi công suất từ P1 sang P2 như hình dưới:

14


f

A'

f đm

B
A
P'

f

2
1'''
1"
1'
1

P

P1

P2

P

Hình 1.4. Quá trình thay đổi công suất đặt của máy phát
Ban đầu điểm làm việc là A ứng với lượng công suất phát ra là P1. Khi có yêu cầu
tăng lượng công suất lên P2 thì điểm làm việc không di chuyển ngay sang đường (2). Vì
công suất phát ra không thể thay đổi nhảy cấp (do các van không di chuyển tức thời) và
tần số chỉ được dao động trong phạm vi cho phép, do đó điểm làm việc di chuyển sang
điểm A’ trên đường đặc tính (1’). Công suất của một tổ máy nhỏ hơn nhiều công suất
của hệ thống nên lượng gia tăng công suất này làm tần số ít biến đổi. Lượng công suất
gia tăng khi chuyển sang đặc tính (1’) là ΔP’. Sau đó công suất đặt lại tiếp tục tăng lên,
đặc tính turbine dời sang 1”, công suất gia tăn là ΔP”. v.v…Quá trình cứ tiếp tục cho đến
khi lượng công suất phát ra đạt được là P2 và đặc tính turbine đổi sang đường (2).
Như vậy quá trình thay đổi công suất phát thực chất là quá trình đặt lại liên tiếp
nhiều giá trị công suất kế tiếp nhau. Đó là kết quả của quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ
cấp của turbine.

15


1.2 Tổng quan chung về kỹ thuật điều khiển dòng nước vào turbine
Mỗi loại turbine có một kiểu điều tốc khác nhau. Các loại điều tốc thường dùng
là: Kiểu van lưỡi gà, kiểu cánh hướng nước, kiểu thùng chụp. v.v…
1.2.1 Kiểu van lưỡi gà

Van lưỡi gà đặt ở cửa vào turbine. Khi thay đổi vị trí van lưỡi gà, lưu lượng
nước vào turbine sẽ thay đổi, do đó thay đổi được công suất turbine. Kiểu van này thường
dùng cho loại turbine xung kích hai lần. Sơ đồ turbine dùng van lưỡi gà như sau

Hình 1.5. Kiểu lưỡi gà
1. Van lưỡi gà

3. Vỏ turbine

2. Bánh xe công tác

4. Tay quay điều khiển

Khi quay tay quay điều khiển (4) thông qua cơ cấu truyền động, van lưỡi gà sẽ
quay theo, do đó điều khiển được công suất turbine.
Phương pháp điều tốc này đơn giản nhưng hiệu quả thấp.
16


1.2.2 Kiểu thùng chụp
Thiết bị điều tốc kiểu thùng chụp được sử dụng với các loại turbine phản kích(kiểu
turbine dùng áp lực nước chảy vào buồng turbine để tạo lực quay). Người ta dùng thùng
hình trụ bao quanh bộ phận hướng nước. Bằng cách dịch chuyển thùng hình trụ lên
xuống, lưu lượng nước vào bánh xe công tác sẽ thay đổi.
Sơ đồ turbine loại này như hình:

1

2

3

4
5

Hình 1.6. Kiểu thùng chụp

1. Đối trọng

4. Cánh hướng nước

2. Cần điều khiển

5. Bánh xe công tác

3. Thùng chụp
Thiết bị điều tốc bằng tay là những thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, vận hành dễ dàng,
17


giá thành rẻ. Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm sau:
- Vì phụ tải thay đổi liên tục, do đó để đảm bảo sự cân bằng công suất, giữ tần số
không đổi phải thay đổi liên tục công suất turbine. Như vậy người vận hành phải sẵn
sàng điều khiển máy điều tốc khi phụ tải thay đổi.
- Do điều khiển bằng tay nên tính tác động nhanh, độ chính xác, …không đảm
bảo, điều đó dẫn đến độ lệch tần số lớn.
- Việc điều khiển bằng tay của máy điều tốc sẽ không kịp thời khi phụ tải biến
động lớn có thể gây ra hiện tượng lồng tốc, ghìm turbine, gây ra hư hỏng turbine.
1.2.3 Kiểu cánh hướng nước
Đối với loại turbine phản kích, nước từ ống dẫn chảy vào buồng turbine.

Sau khi qua cánh hướng dòng, nước sẽ chảy vào bánh xe công tác của turbine làm turbine
quay. Do đó, để thay đổi lưu lượng vào bánh xe công tác, người ta thay đổi vị trí cánh
hướng nước.
Cánh hướng nước

Xy lanh dầu
thủy lực
Hình 1.7. Hệ thống cánh hướng nước
Sơ đồ của turbine này như sau:

18