Ứng dụng máy tính công nghiệp để xây dựng hệ mô phỏng động cơ lai máy phát trong trạm phát điện tàu thủy

LỜI CẢM ƠN
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế thế giới đã
đưa nước ta phát triển về nhiều mặt, đặc biệt trong đó ngành giao thông vận tải
đã có những đóng góp cực kì quan trọng cho nền kinh tế. Cùng với đường bộ,
đường sắt và đường không, vận tải đường thủy đã có những bước phát triển rất
lớn như tiếp nhận công nghệ đóng tàu hiện đại, mở mới nhiều cảng nước sâu để
đón những con tàu hàng chục vạn tấn vào cảng. Đặc biệt việc đào tạo thuyền
viên, kỹ sư giỏi có khả năng làm chủ những con tàu hiện đại đã có những bước
đi rất dài và vững chắc. Việc áp dụng những công nghệ tiên tiến, những công
nghệ mới có tính ứng dụng cao đã làm tăng hiệu quả khải thác của các con tàu
đồng thời làm giảm thiểu những hạn chế.
Trải qua 5 năm học tập và rèn luyện tại trường, em đã bước vào kì học
cuối cùng và làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian tốt nghiệp, em đã được học
và làm cùng các thầy trong khoa thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng
hệ thống cung cấp điện của tàu cảnh sát biển TT400.
Sau đó, em đã được các thầy tin tưởng giao cho đề tài “Ứng dụng máy tính
công nghiệp để xây dựng hệ mô phỏng động cơ lai máy phát trong trạm
phát điện tàu thủy”. Nhờ sự tận tình dìu dắt, chỉ bảo của thầy giáo hướng dẫn
TS.Đào Minh Quân và sự trợ giúp của các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử
cùng với sự chung sức của các bạn sinh viên, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp
của mình Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn nhiều thiếu sót, kinh nghiệm
còn ít nên đề tài không tránh khỏi những thiết sót. Nên em rất mong nhận được
sự góp ý của các thầy, cô trong Khoa để đề tài của em được hoàn thiện.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung và số liệu trong đề tài là của em tự thu thập và
nghiên cứu, không có sự sao chép lại của tác giả nào khác.

Hải Phòng, ngày tháng năm 2016.
Sinh viên thực hiện:
Trần Văn Níp

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 2
MỤC LỤC ..................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. 5
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 7
Chương 1. THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MÔ
PHỎNG ......................................................................................................... 8
1.1 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu thủy .......................... 8
1.2 Thiết kế vật lý mô hình bảng điện chính mô phỏng ................................ 10
1.2.1 Đề xuất mô hình .................................................................................. 10
1.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý ..................................................................... 11
Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỔ HỢP MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LAI
MÁY PHÁT ................................................................................................. 12
2.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát và bộ điều chỉnh điện áp AVR ............ 12
2.1.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát ......................................................... 12
2.1.2 Mô hình toán bộ điều chỉnh điện áp .................................................... 22
2.2 Tìm hiểu mô hình toán động cơ ............................................................ 25
2.3 Nghiên cứu máy phát hòa đồng bộ các máy phát .................................... 27
2.3.1 Tìm hiểu lệnh PWM của PLC delta .................................................... 27
2.3.2 Tìm hiểu Đồng bộ kế ........................................................................... 27
2.4 Phương pháp mô phỏng khi công tác song song ..................................... 29
2.4.1 Phân bố tải vô công(Q) cho các máy phát đồng bộ khi công tác song

song. ............................................................................................................ 29
2.4.2 Phân bố tải tác dụng(P) cho các máy phát đồng bộ công tác song song
với nhau. ...................................................................................................... 30
Chương 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ
THỐNG TRẠM PHÁT MÔ PHỎNG ........................................................... 32
3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển .............................................................. 32
3


3.1.1 Thuật toán điều khiển khởi động hòa động bộ bằng tay ................... 32
3.1.2 Thuật toán chuyển tải và dừng máy bằng tay...................................... 33
3.1.3 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng. ......................................... 35
3.1.4 Thuật toán tự động cắt máy phát khi tải nhẹ. ...................................... 36
3.1.5 Thuật toán cắt ưu tiên. ......................................................................... 38
3.2 Xây dựng giao diện giám sát .................................................................. 39
3.2.1 Giới thiệu màn hình cảm ứng HMI ...................................................... 39
3.2.2 Giới thiệu máy tính giáo viên .............................................................. 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 46
KẾT LUẬN.................................................................................................. 47

4


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính ...................... 8
Hình 1.2 hình ảnh của bảng điện chính ................................................................. 9
Hình 1.3 mô hình đề xuất .................................................................................... 10
Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý .................................................................................... 11
Hình 2.1. Máy phát đồng bộ................................................................................ 12
Hình 2.2 Mạch từ hai cuộn dây ........................................................................... 14

Hình 2.3 Góc quay rotor  ................................................................................... 15
Hình 2.4 Sự thay đổi của Latheo góc quay rotor ................................................. 16
Hình 2.5. Sự thay đổi của La, Lb, Lctheo góc quay rotor .................................... 16
Hình 2.6 Mối quan hệ Mabtheo góc quay  ......................................................... 17
Hình 2.7. Sự thay đổi của hệ số hỗ cảm theo .................................................... 17
Hình 2.8. Các hệ trục (a, b, c) và (d, q) ............................................................... 20
Hình 2.9. Mối quan hệ giữa hai hệ trục............................................................... 20
Hình 2.10. Mối quan hệ đại lượng từ thông giữa hai hệ trục.............................. 21
Hình 2.11 sai lệnh ∆e .......................................................................................... 25
Hình 2.12 Mô hình động cơ một chiều .............................................................. 26
Hình 2.13 Sơ đồ đấu dây và sơ đồ cấu tạo của đồng bộ kế .............................. 28
Hình 2.14 Đặc tính ngoài của máy phát .............................................................. 29
Hình 2.15 Phân bố tải tác dụng cho các máy phát đồng bộ công tác song song. 30
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý, tương đươngvà vectơ máy phát khi nhận tải. ........ 30
Hình 2.17 Đặc tính công suất của máy phát cực ẩn ............................................ 31
Hình 3.1 Thuật toán điều khiển khởi động hòa động bộ bằng tay ................... 32
Hình 3.2 thuật toán chuyển tải và dừng máy bằng tay ........................................ 34
Hình 3.3 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng. ......................................... 35
Hình 3.4 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng .......................................... 36
Hình 3.5 Thuật toán tự động khởi động khi tải nhẹ ............................................ 38
Hình 3.6 Thuật toán cắt ưu tiên ........................................................................... 39
Hình 3.7 Giao diện màn hình Menu ................................................................... 40
Hình 3.8 Giao diện màn hình giám sát máy phát ................................................ 40
5


Hình 3.9 Giao diện màn hình giám vẽ đồ thị điện áp máy phát theo thời gian . 41
Hình 3.10 Giao diện màn hình giám sát lỗi ....................................................... 42
Hình 3.11 Giao diện màn hình chủ của máy tính giáo viên ............................... 43
Hình 3.12 Giao diện màn hình giám sát máy phát số 1 ..................................... 43

Hình 3.13 Giao diện màn hình tạo các tình huống giả định của Diesel - Máy
phát ........................................................................................................... 44
Hình 3.14 Giao diện màn hình tạo các tín hiệu quá tải cho một số phụ tải và tạo
tín hiệu điện trở cách điện thấp ........................................................................... 44

6


MỞ ĐẦU
1.Ý nghĩa của mô hình:
Đối với một sinh viên thì ngoài việc học lí thuyết trên lớp là chưa đủ mà
quan trọng hơn đó là việc được khai thác, vận hành trạm phát điện khi công tác
thực tế trên tàu. Cụ thể hơn qua mô hình này, sinh viên được làm quen với các
tình huống giả định rất giống với thực tế để có thể xử lí nhanh chóng, hiệu quả
và đạt được yêu cầu đề ra của nhiệm vụ, công việc khi công tác trên tàu. Điều
này sẽ giúp các kỹ sư trẻ sau khi ra trường tích lũy được những bài học, kinh
nghiệm quý báu và có thể khai thác, vận hành tốt những thiết bị ngoài thực tế
mà không mất nhiều thời gian làm quen, tìm hiểu và nghiên cứu.
Hiện nay ở các trường đại học và cao đẳng trong cả nước ta đã có những
thiết bị phục vụ cho thực hành trên trạm phát điện tàu thủy. Tuy nhiên, những
trang thiết bị đó chưa đầy đủ cùng với những bài thực hành chưa thực sự bám
sát với thực tế.
Thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng hệ thống cung cấp điện của
tàu Cảnh sát biển TT400 được ra đời dựa trên những yếu cầu cấp thiết nói trên
nhằm phục vụ việc giảng dạy, học tập của Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển.
Vậy việc xây dựng các bài thực hành trên thiết bị mô phỏng này là rất quan
trọng, cần thiết và có ý nghĩa khoa học đối với công tác đào tạo sĩ quan điện.
2.Đối tượng phục vụ:
Giảng viên, sinh viên, kỹ sư đang học tập, nghiên cứu tại các trường đại
học, cao đẳng và các trung tâm huấn luyện thuyền viên mà cụ thể ở đây là Trung

tâm huấn luyện Cảnh sát biển.
3.Nội dung nghiên cứu:
Sơ lược về thiết bị mô phỏng bảng điện chính. Mô hình có thể coi là 1
trang bị tốt để học viên được học tập trực quan về các phần tử của bảng điện
chính. Qua đó có thể sửa chữa, khắc phục những sự cố hay lỗi nhỏ khi vận hành.
Qua mô hình này, học viên sẽ được thực hành các bài tập, vận dụng lý
thuyết đã học để nắm vững chuyên môn cũng như tay nghề

7


Chương 1.THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN
CHÍNH MÔ PHỎNG
1.1 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu thủy
Hệ thống được xây dựng bao gồm 3 máy phát điện, trong đó một máy
phát (Máy phát số 3) được sử dụng khi tàu đỗ bến và trong những trường hợp sự
cố xảy ra với máy phát số 1 vầ máy phát số 2. Máy phát là được mô phỏng lai
bởi một động cơ Diesel .
Tải của hệ thống mô phỏng được thể hiện bằng các MCCB cấp cho
hệthống các phụ tải được đặt bên dưới của mỗi Panel.

Hình 1.1 sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính
Trên bảng điện chính của hệ thống mô phỏng có ba bảng điều khiển máy
phát, một bảng hòa đồng bộ và một bảng điện cấp nguồn 220V.

8


Hình 1.2 hình ảnh của bảng điện chính
Trên bảng điện điều khiển của 3 máy phát (Panel 1, Panel 3, Panel 4) có

các phần tử chính như sau:
- Hệ thống các đồng hồ đo công suất, điện áp, dòng điện và tần số.
- Hệ thống các đèn báo (đèn báo chế độ điều khiển, đèn báo lỗi, đèn báo
trạng thái của ACB…).
- Hệ thống các nút ấn (nút ấn chọn chế độ tự động, bán tự động, nút ấn
đóng, mở ACB…).
- Hệ thống công tắc cam (công tắc chọn chế độ điều khiển, công tắc đèn
chiếu sáng tủ điện, công tắc chuyển pha đo điện áp).
- Màn hình cảm ứng HMI điều khiển và giám sát hệ thống.
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.
Panel số 2 là Panel hòa đồng bộ máy phát, trên panel này có một số phần
tử chính như sau:
- Đồng hồ đo điện trở cách điện, đồng hồ đo dòng điện.
- Hệ thống đèn tắt (gồm có 3 đèn).
- Đồng bộ kế.
- Hệ thống công tắc cam điều khiển (công tắc chọn máy phát hòa đồng
9


bộ, công tắc chuyển mạch đo dòng điện, công tắc bật - tắt đèn chiếu sáng
bảng điện).
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.
Panel số 5 là Panel cấp nguồn 220V, trên panel này bao gồm các phần tử
chính như sau:
- Hệ thống các đèn báo (đèn báo nguồn 220V, đèn báo chọn biến áp 1,
đèn báo chọn biến áp 2…)
- Đồng hồ đo điện áp, dòng điện, đồng hồ đo điện trở cách điện.
- Hệ thống các công tắc điều khiển.
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.
1.2 Thiết kế vật lý mô hình bảng điện chính mô phỏng

1.2.1 Đề xuất mô hình
1 : Tổ hợp động cơ diesel lai máy phát;
1 : Công tắc điện;
3 : Bộ điều khiển gồm: Thiết bị vào ( nút ấn, công tắc,ACB), Thiết bị ra (
Đèn, đồng hồ).
4 : Màn hình cảm ứng HMI.

Hình 1.3 mô hình đề xuất
10


1.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Để có cái nhìn trực quan về hệ trạm phát điện mô phỏng thể hiện ở sơ đồ
khối của hệ như hình 1.4
+ HMI là các màn hình cảm ứng màn hiển thị các thông số hệ thống và cài
đặt.
+ Hệ thống áp tô mát cấp nguồn cho tải.
+ Các bóng đèn có công suất lớn là tải.
+ MCCB cấp nguồn cho hệ thống .
+ CPU: các PLC từ M0 đến M16.
+ chuông và còi báo động.
SUPPLY
AC 100-240V

(NB5.0)

MCCB

F1
1L

F2

2

7

1

8

2

(SW 5.4)

8

(PANEL 5)

1

CAM ÐÈN C/SÁNG

2

7

(SW 4.3)

8

(PANEL 4)

1

CAM ÐÈN C/SÁNG

2

7

(SW 3.3)

8

(PANEL 3)

1

CAM ÐÈN C/SÁNG

2

7

(SW 2.2)

8

(PANEL 2)

1

CAM ÐÈN C/SÁNG

220AC/24DC

7

(SW 1.3)

AC/DC
CONVERTER

(ADC 3.0)

L N

(PANEL 1)

CAM ÐÈN C/SÁNG

1N

(H5.5)

F4

(H4.7)

-

(H3.7)

F3

-

(H1.7)

+

(H2.3)

QUINT POWER

+

1P
1N

DVPEN01
(E0)

24V 0V

(M1)

(M0)

(M9)

(M10)

(M11)

(M12)

24V 0V

24V 0V

DVP28SV11T2 (MPU)

DVP-16SP11R-N01

16 DIGITAL INPUT ,
12 OPEN COLLECTORS OUTPUT

8 RELAY INPUT,
8 RELAY OUTPUT

ETHERNET PORT

...........

DVP-16SP11R-N09

DVP-08SN11R-N01

8 RELAY INPUT,

8 RELAY OUTPUT

DVP-08SN11R-N02

8 RELAY OUTPUT

8 RELAY OUTPUT

DVP04DA-S-N01
8 ANALOG OUTPUT

...........

RS485
PORT

RS485 CABLE
24V

HUB

0V

ETHERNET CABLE

(HMI 1.0)

LAN

(HMI 3.0)

LAN

(HMI 4.0)

LAN

(HMI 5.0)

LAN

HMI

HMI

HMI

HMI

MÁY PHÁT 1

MÁY PHÁT 2

MÁY PHÁT 3

SU ? N TRÁI

DC 24V
+ -

(M16)

POWER INPUT
POR T

DOPB07S(E)415

DC 24V
+ -

AUDIO OUT

DOPB07S(E)415

DC 24V
+ -

AUDIO OUT

RS485
PORT

HMI 1

DOPB07S(E)415

DC 24V
+ -

AUDIO OUT

(Master)

DOPB...
DC 24V
+ -

T21C

COMMON ALRAM SYSTEM

Input
L
N

SPEAKER 1.0

Input
L
N

Input
L
N

SPEAKER 3.0

SPEAKER 4.0

1L

1N

Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý

11

DVP04DA-S-N05
8 ANALOG OUTPUT


Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỔ HỢP MÔ PHỎNG
ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT
2.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát và bộ điều chỉnh điện áp AVR
2.1.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát
a. Thành lập hệ phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ trục cố định
+ Khái quát chung
Xét máy phát đồng bộ có cấu tạo như hình vẽ 2.1
a

Ws

b

c
Wf



q

WQ

d

WD

Hình 2.1. Máy phát đồng bộ
trong đó: Ws là cuộn dây ba pha stator; Wf là cuộn dây kích từ; WD, WQlà
cuộn dây ổn định theo trục dọc và trục ngang
Hệ (a, b, c) là hệ cố định gắn liền với stator;
Hệ (d, q) là hệ trục quay gắn liền với tốc độ quay của rotor;
 = (a, d) là góc giữa trục cuộn dây stator pha A và trục dọc rotor.
Để đưa ra các phương trình của máy phát đồng bộ miêu tả mối quan hệ
giữa các đại lượng điện áp, dòng điện và từ thông móc vòng của các cuộn dây
stator, kích từ và ổn định ta sử dụng định luật cảm ứng điện từ và định luật
Kirchhoff 2.
Ta ký hiệu các đại lượng như sau:
ua, ub, uc : Điện áp tức thời trên các cuộn dây pha ở stator.
12


ia, ib, ic : Dòng điện trên các cuộn dây pha.
a, b, c

: Từ thông của các cuộn dây pha a, b, c ở stator.

ra, rb, rc : Điện trở thuần của các cuộn dây stator (coi ra=rb=rc).
uf, if, f : Điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng của cuộn kích từ.
rf

: Điện trở thuần cuộn kích từ.

iD, iQ, D, Q, rD, rQ: Dòng điện, từ thông, điện trở thuần của cuộn ổn định
theo trục dọc và trục ngang.
b. Các phương trình cân bằng điện áp của các cuộn dây
+ Theo định luật Kirchhoff 2 ta có:
Phương trình cân bằng điện áp của các cuộn dây stator [10]:
u a  ea  ia .r  ia .r 

d a
dt

ub  eb  ib .r  ib .r 

d b
dt

uc  ec  ic .r  ic .r 

d c
dt

Trong đó:
ea  

d a
dt

; eb   d b ;
dt

ec  

d c
dt

Phương trình cân bằng điện áp của cuộn kích từ và cuộn ổn định:
dd
f f
u f uf eef f rrff ..i f  rrf f.i.if f
dtdt

ef  

d f
dt

0  rD .iD  eD  iD .rD 

0  iQ .rQ 

d D
dt

d Q
dt

c. Các phương trình tương hỗ từ của các cuộn dây
+ Mạch từ của hai cuộn dây
Để viết phương trình tương hỗ từ thì ta nhận thấy rằng từ thông móc

vòng của một cuộn dây không những phụ thuộc dòng điện của cuộn dây đó mà

13


còn phụ thuộc vào tất cả các cuộn dây nằm trong mạch từ của máy mang dòng
điện.
Xét mạch từ gồm 2 cuộn dây như hình vẽ 2.2
Theo định luật từ thông toàn phần
Ta có:

 H.dl  I
ltb
i1

W1

W2

i2

Hình 2.2 Mạch từ hai cuộn dây
Giả thiết rằng tất cả các đường từ thông của cuộn dây đều đi theo mạch từ
theo suốt chiều dài của mạch khi đó cường độ từ trường H=const.

 H.dlH.dlH.ltbH.ltb i  i1i.w1 i1.iw2 .1w2 i2 .w2

Với ltb là chiều dài trung bình của mạch từ (m).
   .W=B.S.W
   .W=B.S.WB


B=

Ở đó: .0 .H  H  .0 B .0 .S.W

B= .0 .H  H 

 .0  .0 .S.W

Trong đó:
B - Độ từ cảm;
S-

Tiết diện mạch từ;

l - Chiều dài mạch từ.
Như vậy đối với cuộn 1:
H1 

1

 .0 .W1.S

H1.ltb 

 1.ltb
 i .W  i .W
.0 .W1.S 1 1 2 2

W12 ..0 .S

W .W ..0 .S
 1 
.i1  1 2
.i2  L1.i1  M12 .i2
ltb
ltb

Ở đó: L1  W1 ..0 .S ; M 12  W1.W2 ..0 .S
2

ltb

Tương tự với cuộn 2:  2

ltb

 L2 .i2  M 21 .i1

14


Trong đó:
L1, L2 - Hệ số tự cảm của cuộn dây;
M12, M21 - Hệ số hỗ cảm của cuộn 1 và cuộn 2.
Áp dụng công thức trên cho mạch từ của 6 cuộn dây
 a  La .ia  M ab .ib  M ac .ic  M af .i f  M aD .iD  M aQ .iQ

 b  Lb .ib  M ba .ia  M bc .ic  M bf .i f  M bD .iD  M bQ .iQ
 c  Lc .ic  M ca .ia  M cb .ib  M cf .i f  M cD .iD  M cQ .iQ
 f  L f .i f  M fa .ia  M fb .ib  M fc .ic  M fcD .icD  M fcQ .icQ

 D  LD .iD  M Da .ia  M Db .ib  M Dc .ic  M Df .i f  M DQ .iQ
 Q  LQ .iQ  M Qa .ia  M Qb .ib  M Qc .ic  M Qf .i f  M QD .iD

Khi rotor quay thì các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các phương trình trên
thay đổi. Sự thay đổi được xác định ở phần tiếp theo.
Xét sự thay đổi của Latheo góc quay rotor
a

a

d
d

Wf

Wf
=0

=900

0

Hình 2.3 Góc quay rotor 

Ta có: La=L0+ Lm.cos2
Khi  = 00 thì La=L0+ Lm = Max
Khi  = 900 thì La=L0+ Lm = Min

15

La

Lmax

L0

Lmin

0

90

180

270



360

Hình 2.4 Sự thay đổi của Latheo góc quay rotor
Tương tự khi xét sự thay đổi của Lb, Lctheo góc quay rotor:
Lb  L0  Lm . cos(2  1200 )
Lc  L0  Lm . cos(2  1200 )
La, Lb, Lc
La

Lb

Lc

Lmax

L0

Lmin

0

90

180

270



360

Hình 2.5. Sự thay đổi của La, Lb, Lctheo góc quay rotor
Sự thay đổi của Mabtheo góc quay 
Ta nhận thấy hệ số hỗ cảm của cuộn dây pha a và pha b là âm vì góc lệch
pha giữa chúng lớn hơn 900. Mab lớn nhấtkhi rotor nằm chính giữa 2 trục a, b (
= 600) và Mab đạt giá trị nhỏ nhất khi rotor quay thêm

90 0 nữa.

thể hiện thông qua biểu thức:

M ab  M 0  M m . cos(2  1200 )

Tương tự thì:
M bc  M 0  M m . cos 2
M ac  M 0  M m . cos(2  1200 )

Mối quan hệ này được thể hiện thông qua hình 2.6

16

Mối quan hệ này


Mab, Mbc, Mca
0
Mab

Mca

Mbc

M0


Hình 2.6 Mối quan hệ Mabtheo góc quay 
+ Hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn kích từ
a

a

d
Wf

d
Wf

  180   90 0
0

Hình 2.7. Sự thay đổi của hệ số hỗ cảm theo
Sự thay đổi của Mafhệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator pha a và cuộn kích
từtheo : Ta thấy khi  = 0thì khoảng cách của cuộn kích từ và cuộn dây pha a sẽ
là gần nhất và lúc này hệ số hỗ cảm Maf là lớn nhất và mang dấu (+).
Khi  = 900 thì trục của cuộn kích từ và trục của cuộn dây pha vuông góc
nên chúng không tương hỗ với nhau nên Maf= 0.
Tương tự cho sự thay đổi của các hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator pha
b, c với cuộn kích từ.
Sự thay đổi này được thể hiện bằng công thức:
M af  M f . cos 

M bf  M f . cos(  1200 )

M cf  M f . cos(  1200 )

17


d. Hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn ổn định
Tương tự như lý luận quan hệ về hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và
cuộn kích từ thì các hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn ổn định như sau:

M aD  M D . cos 
M bD  M D . cos(  1200 )
M cD  M D . cos(  1200 )

M aQ  M Q . cos(  900 )
M bQ  M Q . cos(  300 )
M cQ  M Q . cos(  2100 )

Nhận xét: Vì cuộn kích từ và cuộn ổn định nằm trên và quay cùng với
rotor cho nên các hệ số tự cảm cũng như các hệ số hỗ cảm giữa chúng với nhau
là không đổi và không phụ thuộc vào vị trí rotor do vậy Lf = LD = LQ = const.
Như vậy ta nhận được hệ phương trình toán của máy phát đồng bộ:
ua  ia .r 

d a
dt

ub  ib .r 

d b
dt

uc  ic .r 

d c
dt

u f  i f .rf 
0  iD .rD 

0  iQ .rQ 

d f
dt

d D
dt

d Q
dt

 a  La .ia  M ab.ib  M ac.ic  M af .i f  M aD.iD  M aQ.iQ

 b  Lb .ib  M ba .ia  M bc.ic  M bf .i f  M bD.iD  M bQ.iQ

 c  Lc .ic  M ca .ia  M cb .ib  M cf .i f  M cD .iD  M cQ .iQ
 f  L f .i f  M fa .ia  M fb .ib  M fc .ic  M fcD .icD  M fcQ .icQ

 D  LD .iD  M Da .ia  M Db .ib  M Dc .ic  M Df .i f  M DQ .iQ
 Q  LQ .iQ  M Qa .ia  M Qb .ib  M Qc .ic  M Qf .i f  M QD .iD

18


La  L0  Lm . cos 2
Lb  L0  Lm . cos(2  1200 )
Lc  L0  Lm . cos(2  1200 )
M af  M f . cos 

M bf  M f . cos(  1200 )

M cf  M f . cos(  1200 )
M aD  M D . cos 
M bD  M D . cos(  1200 )
M cD  M D . cos(  1200 )

M aQ  M Q . cos(  900 )

M bQ  M Q . cos(  300 )
M cQ  M Q . cos(  2100 )
M ab  M 0  M m . cos(2  1200 )

M bc  M 0  M m . cos 2
M ac  M 0  M m . cos(2  1200 )

L f  const , LD  const , M fD  const  M Df

Các phương trình trên là phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ
trục (a, b, c).Hệ trục này gồm 3 trục a, b, c lệch nhau

120 0

trên mặt phẳng và

đứng yên khi rotor quay. Từ các phương trình này ta có thể tiến hành mô phỏng
để thu được các đường đặc tính, giá trị tức thời các đại lượng như dòng điện, từ
thông, điện áp theo góc quay. Chúng ta lưu ý góc  là góc lệch giữa trục của
cuộn dây pha a và trục cuộn kích từ là góc lệch về điện. Nếu máy phát đồng bộ
mà có số đôi cực p khác 1 thì:

điện =  hinhhoc

p

Khi tiến hành mô phỏng thì ta phải sử dụng bước tính nhỏ vì điện áp hình
sin có tần số khoảng (50÷60) Hz  T = (0,017÷0,2)s.

19


e. Hệ phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục quay
Hệ trục quay
q

b

q
c

u

uq

a

d



0

d

0

ud

cb

Hình 2.8. Các hệ trục (a, b, c) và (d, q)
Do tính chất phức tạp mô hình toán của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục
cố định gây nhiều khó khăn cho quá trình mô phỏng, cho nên ta tìm cách đưa
mô hình toán học của máy phát đồng bộ về một mô hình mới viết ở hệ trục
vuông góc (d, q) gắn liền với từ trường quay rotor. Hệ này gồm hai trục d và q
vuông góc với nhau quay cùng với tốc độ quay rotor (Hình 2.8).
Trục d đặt dọc theo trục rotor gọi là trục dọc.
Trục q đặt ngang theo trục rotor gọi là trục ngang.
Ở hệ trục mới này ta sẽ nhận được các phương trình có các hệ số không
đổi và có thể sử dụng ngay thông số của máy.Còn khi cần các thông số thực thì
ta có thể sử dụng công thức chuyển đổi để tính.
Mối quan hệ giữa hai hệ trục
q

b
Ub
U

Uq


0
c

d



Ud

Ua
p
a

Hình 2.9. Mối quan hệ giữa hai hệ trục

20


Lấy đại lượng điện áp để xét
Mối quan hệ giữa hai hệ trục trên hình 2.9, dùng phép chiếu đồ thị ta có:
ua  ud . cos   uq . sin 

ub  ud . cos(  1200 )  uq . sin(  1200 )
uc  ud . cos(  1200 )  uq .sin(  1200 )

Dòng điện
Tương tự như đại lượng điện áp, dùng phép chiếu đồ thị cho đại lượng
dòng điện ta có:
ia  id . cos   iq .sin 

ib  id . cos(  1200 )  iq . sin(  1200 )

ic  id . cos(  1200 )  iq . sin(  1200 )

Từ thông
Đối với đại lượng từ thông thì chiều dương của trục được chọn trùng với
chiều dương của điện áp, dòng điện.Còn chiều dương trên trục d được chọn
ngược với chiều điện áp, dòng điện (Hình 2.10).
  a   d . cos    q . sin 

 b   d . cos(  1200 )  q . sin(  1200 )
 c   d . cos(  1200 )  q . sin(  1200 )
q


q

u
i
d
d

Hình 2.10. Mối quan hệ đại lượng từ thông giữa hai hệ trục
f. Đơn giản hoá hệ phương trình của máy phát đồng bộ
Để đơn giản hoá việc mô phỏng máy phát đồng bộ nhằm đơn giản hoá
quá trình xây dựng mô hình mô phỏng nó thì ta có thể lược bỏ đi một số đại
21


lượng và thành phần không ảnh hưởng đến tính ổn định của máy. Tuy nhiên khi
lược bỏ đi thì kết quả mô phỏng thu được sẽ có độ chính xác thấp, ảnh hưởng
đến cả quá trình tĩnh và động. Mặc dù vậy nó vẫn thoả mãn được một số yêu cầu

cơ bản của bài toán đề ra.
Để đơn giản hoá máy phát đồng bộ ta nhận những giả thiết sau:
Bỏ qua cuộn ổn định thì những phương trình nào liên quan đến cuộn ổn định sẽ
được bỏ đi.
Bỏ qua điện trở thuần của cuộn stator.
Bỏ đi thành phần không tuần hoàn của cuộn stator tức là:
d d d q

0
dt
dt

Coi tốc độ quay của động cơ lai máy phát luôn không đổi và bằng tốc độ định
mức thì     * 
Ta có hệ phương trình của máy phát đồng bộ:
ud  X q .iq
uq   X d .id  i f

 f  i f   d . X d .id

u f  i f  Tf .

d f
dt

Kết luận: Như vậy hệ phương trình của máy phát đồng bộ đã đơn giản đi
rất nhiều và trong quá trình mô phỏng chỉ sử dụng đến 4 thông số đó là: Xd, Xq,
Tf, d.
2.1.2 Mô hình toán bộ điều chỉnh điện áp
A.Nguyên lý làm việc của bộ tự động điều chỉnh điện áp

a.Cấu tạo
Gồm có:
FĐB là máy phát đồng bộ;
KT là kích từ;
ĐCSC là động cơ sơ cấp;
Cầu C.Lưu là cầu chỉnh lưu;
22


Kênh dòng có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện máy phát.
Bộ hiệu chỉnh điện áp có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ lệch giữa
điện áp của máy phát UF và điện áp chuẩn Un.
Gọi tín hiệu ra là e  (U n  U ). k

Ts  1
TP

Ở đây Un : Điện áp chuẩn;
T : Hằng số thời gian;
k

: Hằng số khuếch đại của bộ hiệu chỉnh điện áp.

Sau đó, các tín hiệu ra của kênh điện áp, kênh dòng bộ hiệu chỉnh điện áp
đưa vào bộ cộng. Tín hiệu ra của bộ cộng qua bộ chỉnh lưu thành một chiều sau
đó cấp cho cuộn kích từ.
b. Nguyên lý làm việc:
Quay máy phát bởi động cơ sơ cấp, tại thời điểm ban đầu do hiện tượng
từ dư ở trong máy phát đồng bộ sẽ làm xuất hiện điện áp dư trên cuộn stator của

máy:
E0 = (2  5)% Uđm
Điện áp dư này qua kênh điện áp, cầu chỉnh lưu sẽ làm xuất hiện điện áp
kích từ ban đầu cho cuộn kích từ. Khi dòng kích từ xuất hiện sẽ làm tăng giá trị
của điện áp cuộn stator của máy phát. Điện áp máy phát mới qua kênh điện áp
và cầu chỉnh lưu bị cấp thêm cho cuộn kích từ. Cứ như vậy đến khi điện áp của
máy phát bằng điện áp định mức. Khi điện áp máy phát đạt giá trị định mức thì
bộ hiệu chỉnh điện áp sẽ có tác dụng làm ổn định điện áp máy phát bằng giá trị
định mức. Cụ thể nếu điện áp máy phát mà nhỏ hơn điện áp định mức thì tín
hiệu áp đưa đến bộ hiệu chỉnh mà ta đặt ban đầu. Ngược lại khi điện áp máy
phát mà tăng lên so với định mức thì bộ hiệu chỉnh điện áp sẽ lớn hơn giá trị
điện áp chuẩn Un. Khi đó E giảm xuống làm cho dòng kích từ cũng giảm làm
cho điện áp máy phát giảm xuống đạt đúng giá trị điện áp chuẩn.
Khi máy phát tự kích xong người ta tiến hành đóng tải cho máy phát. Nếu
tải công tác xong thì chúng có thể tự ngắt ra hay ta tiến hành ngắt bằng tay. Quá
trình đóng và ngắt tải như vậy sẽ làm cho điện áp máy phát dao động. Khi đó bộ
23


hiệu chỉnh điện áp và kênh dòng làm việc để làm ổn định giá trị điện áp cho máy
phát.
c. Mô hình toán học của bộ tự ðộng ðiều chỉnh ðiện áp
Thành lập mô hình toán
Căn cứ vào nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý của bộ tự động điều
chỉnh điện áp, ta có điện áp kích từ được tính [10]:
u f  K u .u  K i .i  e

e  (un  u ).

Kk

TP
Ts  1

Trong đó:
Ku là hệ số khuếch đại kênh áp;
Ki là hệ số khuếch đại kênh dòng.
d. Đồng nhất các phương trình
Để liên kết với mô hình toán học của máy phát đồng bộ ở giá trị tương
đối, người ta phải đưa các phương trình của bộ tự động điều chỉnh điện áp về giá
trị tương đối.
Mặt khác, khi máy phát ổn định ở giá trị định mức thì ∆e = 0 do vậy:
Phương trình (4.1)  u *f  K u* .u *  K i* .i *
Bên cạnh đó, đối với máy phát đồng bộ ta có:
u d  . X q .iq

u q  .(i f  X d .id )

d f  u f  u q  X d .id

u f  i f  T f .
dt



i


.
X


f
d
d .i d
 f

Ở quá trình xác lập ta có *=1. uf= if ; uq=if - Xd.id
Như vậy để có sự đồng nhất hai phương trình . Khi viết phương trình của
bộ tự động điều chỉnh điện áp ở giá trị tương đối, người ta phải thiết kế bộ tự
động điều chỉnh điện áp sao cho giá trị điện áp kích từ ở đơn vị tương đối.
u f  uq  X d .id  e

e  (un  u ).

K
k
TP
Ts  1

24


Ngoài ra do hiện tượng bão hoà từ mà điện áp kích từ không thể tăng mãi
được. Đến lúc đó nó bị bão hoà, tức là ta có uf  u fmax.
Theo quan điểm kỹ thuật, không nên tạo ra lượng dự trữ quá lớn cho dòng
kích từ, nên khi thiết kế bộ hiệu chỉnh điện áp người ta cũng không cho lượng
∆e quá lớn hoặc quá bé
E

 E max
U

0

 E max

Hình 2.11 sai lệnh ∆e
Suy ra mô hình toán học bộ tự động điều chỉnh điện áp:
u f  uq  X d .id  e

uf  u fmax
e  (un  u ).

Kk
TP
Ts  1

- ∆Emax  ∆e  ∆Emax
Thông số của bộ tự động điều chỉnh điện áp:
K  10  25

T  0,1  0,2

(s)

U fmax = 4÷4,5
∆Emax = 0,5÷1
un = 1.
2.2 Tìm hiểu mô hình toán động cơ
Động cơ được nạp từ nguồn có điện áp một chiều U và nguồn được lấy từ lưới
cứng.M là cơ cấu thực hiện có mô men cản MC (hình 2.1).
Phương trình cân bằng mô men:

J.

d
 Me  Mc
dt

(2.1)

Trong đó:
25