Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát điện

..

VŨ THỊ YẾN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TỰ ĐỘNG HÓA
TN
2011

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN
SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

VŨ THỊ YẾN

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ MÁY
PHÁT ĐIỆN

Ngành
: TỰ ĐỘNG HÓA
Học Viên
: VŨ THỊ YẾN
Người HD Khoa học: PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN – 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-----------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên
Ngày tháng năm sinh
Nơi sinh
Nơi cơng tác
Cơ sở đào tạo
Chun ngành
Khóa học

:
:
:
:
:
:
:

Vũ Thị Yến
Ngày 25 tháng 02 năm 1984
Huyện Gia Lộc – Tỉnh Hải Dương
Trường Đại Học Sao Đỏ
Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
Tự động hóa
K12- TĐH

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ MÁY
PHÁT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Võ Quang Lạp
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Ngày giao đề tài: ........./....../.........
Ngày hoàn thành: ......./....../.........

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN

PGS.TS. Võ Quang Lạp
BAN GIÁM HIỆU

Vũ Thị Yến
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-1-

Chuyên ngành tự động hoá

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là, Vũ Thị Yến học viên lớp cao học khoá 12 - Tự Động Hoá Trƣờng đại
học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.

Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Sao Đỏ.
Xin cam đoan: Đề tài ”Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động
tần số máy phát điện” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp là cơng
trình nghiên cứu riêng của tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc ghi trong
danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đƣợc ghi trong
danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng
và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
.
Ngƣời cam đoan

Vũ Thị Yến

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

-2-

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn
tận tình của thầy PGS – TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nghiên cứu nâng
cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát điện” đã đƣợc hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn PGS – TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hồn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng
nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Vũ Thị Yến

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-3-

Chuyên ngành tự động hoá

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI ....................................... 8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 9

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG ..............................10
MÁY PHÁT ĐIỆN ...................................................................................................10
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện .......................................................10
1.2.

Ổn định điện áp ..........................................................................................10

1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp .............................................................................14
1.3.2. Ổn định tần số sơ cấp ...............................................................................16
CHƢƠNG 2: TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.........................20
2.1

.Tổng quan về điều tốc ...............................................................................20

2.1.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc ....................................................20
2.1.2. Một số loại điều tốc .................................................................................22
2.2. Một số hệ tự động ổn định tần số cho các loại máy phát điện .......................24
2.2.1.Tự động ổn định tần số cho nhà máy nhiệt điện .......................................24
2.2.2. Tự động ổn định tần số máy phát gió ......................................................36
2.2.3. Tự động ổn định tần số máy phát thuỷ điện ............................................43
2.2.4.Tự động ổn định tần số máy phát dầu.......................................................46
CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
CHO MÁY PHÁT.....................................................................................................52
3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển bộ điều tốc thuỷ điện .............................................52
3.1.1. Các hệ điều khiển.....................................................................................52
3.1.2. Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện...........................52
3.2. Tổng hợp hệ truyền động PWM –Đ cho điều tốc thuỷ điện ..........................68
3.2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc ...............................................................................68
3.2.2. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển. .............69
3.2.3. Tổng hợp hệ thống. ..................................................................................72

3.3. Mô phỏng hệ thống.........................................................................................78
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-4-

Chuyên ngành tự động hoá

3.3.1. Chọn và xác định các thông số ................................................................78
3.3.2. Tiến hành mô phỏng ................................................................................81
3.3.3. Nhận xét: ..................................................................................................83
CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN............................................84
4.1. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí ..........................................................84
4.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi...............................85
4.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................94
4.2.2. Mô hình tốn học của bộ điều khiển mờ .................................................95
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song ....99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................113

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

-5-

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1-1

Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR

13

Hình 1-2

Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp

15

Hình 1-3

Sơ đồ cơ cấu đo tần số a, biều đồ vectơ điện áp b

15

Hình 1-4

Đƣờng đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’).

17

Hình 1-5

Sơ đồ khối bộ điều tốc

19

Hình 2-1

Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí

23

Hình 2-2

Hệ thống điều khiển có máy phát tốc

23

Hình 2-3

Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện

25

Hình 2-4

Sơ đồ mạch điều khiển áp suất hơi chính

27

Hình 2-5

Sơ đồ mạch đầu vào điều khiển lị hơi

28

Hình 2-6

Sơ đồ tuabin master

29

Hình 2-7

Sơ đồ mạch điều khiển nhiên liệu

30

Hình 2-8

Sơ đồ điều khiển khói gió

31

Hình 2-9

Sơ đồ mạch điều khiển gió cấp 2

32

Hình2-10

Sơ đồ mạch điều khiển Quạt khói

33

Hình 2-11

Sơ đồ mạch điều khiển mức nƣớc bao hơi

34

Hình 2-12

Sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt

35

Hình 2-13 Cấu tạo của tuabin gió

38

Hình 2-14 Sơ đồ hệ thống phát điện sức gió

39

Hình 2-15 Phân tích động học cánh gió

41

Hình 2-16 Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác nhau

43

Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu 44
hƣớng tâm
Hình 2-18 Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tuabin kiểu 46
điện
Hình 2-19 Hệ thống điều tốc máy phát điện dầu

47

Hình 2-20 Đồ thị công chỉ thị

47

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hố

-6-

Hình 3-1

Hệ thống điều khiển số

52

Hình 3-2

Hệ thống điều khiển tƣơng tự

52

Hình 3-3

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

53

Hình 3-4

Sai số tải đƣợc tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải đƣợc nối

54

giữa contact trƣợt và một đầu của dây điện trở
Hình 3-5

Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông ro-

55

tor(r,q)
Hình 3-6

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết

57

bị biến tần
Hình 3-7

Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ

Hình 3-8

Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai 59

58

mạch vịng kín.
Hình 3-9

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ

60

hai mạch vịng kín
Hình 3-10 Đồ thị tốc độ quay và dịng điện của q trình khởi động hệ

60

thống điều chỉnh tốc độ
Hình 3-11 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một

64

chiều
Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM dạng H

65

Hình 3-13 Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H

65

Hình 3-14 Sơ đồ khối của mạch tạo xung điều khiển

67

Hình 3-15

sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc thuỷ điện

69

Hình 3-16 Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng khơng đổi

69

Hình 3-17 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện

72

Hình 3-18 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng dịng điện

73

Hình 3-19 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

74

Hình 3-20 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí

76

Hình 3-21 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí

78

Hình 3-22 Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

81

Hình 4-1

Quan hệ giƣ̃a  và 

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

85
HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-7-

Chun ngành tự động hố

Hình 4-2

Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

86

Hình 4-3

Cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

87

Hình 4-7

Luật hợp thành tuyến tính

89

Hình 4-8

Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính

98

Hình 4-9

Sự hình thành ơ suy luận từ luật hợp

92

Hình 4-10 Các vùng trong ơ suy luận

92

Hình 4-11 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K

93

Hình 4-12 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra

94

Hình 4-13 MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích 95
phân sai lệch đầu vào
Hình 4-14 Sơ đồ khối mờ cơ bản

96

Hình 4-15 Các luật hợp thành

96

Hình 4-16 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

97

Hình 4-17 Các vùng trong ô suy luận

97

Hình 4-18 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K

100

Hình 4-19 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra

101

Hình 4-20 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai

102

lệch đầu vào

Hình 4-21 Sơ đồ khối mờ cơ bản

103

Hình 4-22 Các luật hợp thành

107

Hình 4-23 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

108

Hình 4-24 Sơ đồ mơ phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều

108

khiển mờ thích nghi

Hình 4-25 Sơ đồ mơ phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ

110

điều khiển mờ thích nghi
Hình 4-26 Các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng với các giá trị đặt khác nhau của

112

vị trí đặt đầu vào φđặt = 6V

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-8-

Chuyên ngành tự động hoá

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI

Isolated

: Chế độ vận hành độc lập

Paralled : Chế độ vận hành hoà lƣới
AVR

: Automatic Voltage Regulator (hệ thống tự động ổn định điện áp

PID

: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm)

MUNA

: Chế độ đặt bằng tay

AUTO

: Chế độ tự động

DAC

: Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự

ADC

: Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số

LVDT

: Bộ cảm biến cánh hƣớng

PWM

: Bộ điều chế độ rộng xung

FXCĐ

: Khối phát xung chủ đạo

SRC

: Khối tạo sóng răng cƣa

SS

: Khối so sánh

TXPCX

: Khối tạo xung và phân chia xung

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-9-

Chuyên ngành tự động hoá

MỞ ĐẦU
Tần số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng điện
năng. Vì thế việc ổn định 2 chỉ tiêu này luôn phải đƣợc quan tâm đúng mức. Nhƣng
việc đảm bảo chất lƣợng điện áp và tần số là 2 vấn đề lớn và phức tạp. Trong bản
luận văn này chỉ giải quyết 1 vấn đề trong việc ổn định tần số. Cụ thể luận văn sẽ đi
sâu nghiên cứu các bộ điều tốc để ổn định tần số. Với kết quả của luận văn này sẽ

đóng góp 1 phần nhỏ vào việc nâng cao chất lƣợng của hệ điều chỉnh tần số. Với
cách đặt vấn đề nhƣ vậy nên đề tài luận văn đƣợc chọn là :“Nghiên cứu nâng cao
chất lượng hệ điều chỉnh tự động tấn số máy phát điện”
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về điều chỉnh tần số trong máy phát điện
Chƣơng 2: Tự động ổn định tần số máy phát điện
Chƣơng 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện ổn định tần số cho máy phát
Chƣơng 4: Ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lƣợng hệ
truyền động điều tốc máy phát.
Kết luận và kiến nghị

Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2011

Tác giả luận văn

Vũ Thị Yến

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 10 -

Chuyên ngành tự động hoá

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN
1.1. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện
Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lƣợng điện năng.
- Điện áp: Trong quá trình vận hành điện áp bằng điện áp định mức cung cấp cho
phụ tải. Trong quá trình làm việc điện áp thay đổi làm cho các thiết bị điện thay đổi
chế độ làm việc. Ví dụ khi điện áp giảm trong mạng điện chiếu sang sẽ làm giảm
hiệu quả phát sáng của đèn chiếu sáng. Động cơ điện xoay chiều cũng nhƣ động cơ
điện một chiều khi điện áp giảm làm tốc độ động cơ giảm. Khi điện áp giảm khơng
đảm bảo điều kiện hịa vào lƣới điện.
- Tần số: Thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện. Khi tần số giảm công suất
cơ không đảm bảo. Cụ thể khi tần số giảm không đủ điều kiện để hòa vào lƣới điện.
Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm thì tốc độ của động cơ cũng
giảm.
Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số và điện áp không đảm bảo sẽ dẫn
đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tƣ, chi phí vận hành, giảm năng suất và hiệu quả
làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số và điện áp không chỉ gây thiệt hại
cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác. Vì vậy khi thiết kế
vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng cao chất lƣợng tần số và
điện áp. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng ta nghiên cứu các hệ thống tự
động ổn định.
1.2. Ổn định điện áp
- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp
+ Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây)
so với giá trị định mức.
U 

U  U dm
. 100 %
U dm

(1-1)

+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1%
trong 1 giây)
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 11 -

U 

U maxU min
.100%
U dm

(1-2)

+ Độ khơng hình sin của dạng đƣờng cong điện áp

K K sin 

Trong đó: U   

U

 .100%
U1

(1-3)



U 


2

2

U1: Điện áp thành phần cơ bản
Khi KKsin < 5% thì dạng của đƣờng cong điện áp đƣợc xem nhƣ là hình sin.
Khi xác định độ khơng hình sin của điện áp thƣờng chỉ cần tính đến song bậc 1,3 là
đủ.
+ Độ không đối xứng của điện áp
K2 

U2

U o  a 2U Bo  aU co
.100%= A
.100%
U phadm
3U dm

(1-4)

a = ej120, a2 = ej240
Nếu điện áp có K2 < 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng
+ Độ lệch trung tính
K0 

U0
/ U o  U Bo  U co /
.100%= A
.100%
U phadm
3U dm

(1-5)

Trong đó U0 điện áp thứ tự khơng.
 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp
Nhƣ chúng ta đã biết muốn điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát ngƣời ta
thƣờng điều chỉnh dòng kích từ nhờ hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (hệ thống
tự động điều chỉnh kích từ). Trong chế độ làm việc bình thƣờng điều chỉnh dịng
kích từ sẽ điều chỉnh đƣợc điện áp hai đầu cực của máy phát thay đổi đƣợc lƣợng
công suất phản kháng phát vào lƣới. Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp làm việc
nhằm giữa điện áp khơng đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải biến động.

Ngoài ra thiết bị tự động điều chỉnh điện áp cịn nhằm nâng cao giới hạn cơng suất
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 12 -

truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự cố định tĩnh nâng cao sự cố
định động.
Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn kích từ của máy
phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với cơng suất định
mức đủ lớn. Thơng thƣờng địi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng
(0.2 ÷0,6)% cơng suất định mức của máy phát.
Dịng kích từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát điện là dịng điện một
chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ thống kích từ, điều chỉnh
dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ. Đặc tính
của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kích từ có ý nghĩa quyết định
khơng những đối với chất lƣợng điều chỉnh điện áp mà còn đến tính ổn định hệ
thống.
Trong thực tế ngƣời ta có 4 phƣơng pháp để điều chỉnh dịng kích từ một cách
tự động đó là các phƣơng pháp sau:
-

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

-

Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp

-

Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều khơng vành góp

-

Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lƣu có điều khiển

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR
Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát
điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đƣa ra những mệnh lệnh để
tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữ điện áp đo đƣợc và điện áp tham
chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ngƣời ta chỉ cần thay
đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thƣờng đƣợc đặt tại giá trị định
mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp
lƣới tại chế độ vận hành hòa lƣới (Paralled) .

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 13 -

Chuyên ngành tự động hố

Hình 1-1:Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR
Mỗi hệ thống kích từ của máy phát đƣợc trang bị một bộ tự động điều chỉnh
điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR đƣợc đấu nối với các biến
điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát. Bộ
AVR đáp ứng đƣợc thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ
thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là điện
áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện
áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và
hằng số dịng điện trƣờng.
Bộ AVR cơ bản gồm có một vịng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu tích
phân tải để đạt đƣợc sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lƣờng điện áp máy
phát đƣợc thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 14 -

trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành từ không tải tới đầy tải.
Một tín hiệu điều khiển từ bên ngồi đƣợc tác động vào bộ AVR để thay đổi liên tục
giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay nào. Một mạch cản
có thể đƣợc sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngồi, nếu cần thiết.
1.3. Ổn định tần số của máy phát điện
Nhƣ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lƣợng điện năng của tồn hệ
thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thƣờng, tần số ở mọi
điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công
suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác
dụng của máy phát điện .
Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thƣờng:
PT  Ppt  

(1-6)

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

Mô men kéo của tuabin.
MT 

 .QH .


(1-7)

Trong đó:  : Hằng số
Q : Lƣu lƣợng nƣớc vào tuabin

H : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.

 : Hiệu suất tuabin

Để ổn định tần số máy phát điện có hai phƣơng pháp ổn định thứ cấp và ổn
định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lƣợt từng phƣơng pháp.
1.3.1. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng cơng suất máy phát điều tần để đƣa tần số
về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho tuabin. Nhờ

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 15 -

Chuyên ngành tự động hoá

cơ cấu đo lƣờng khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu
điều khiển.
Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lƣờng đơn giản nhất phản ứng theo độ
lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc
điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì dịng I1 và I2 bằng
nhau. Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi XL hoặc XC và dòng I1 và
I2 sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của

dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ
cấp có thể phản ứng để đƣa ra tác động điều chỉnh phù hợp.
- Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp


Udf

BĐ/Cf

TB

U,f
F

Uphf

CCĐ

Hình 1-2: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp
BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số
TB: Tuabin máy phát
F : Máy phát
CCĐ: Cơ cấu đo tần số
R3

*
*

U1

L

I1

R1

U

R2

*
U2

Uf
-Ecc

R

UR

+Ecc

U2

UL
U1

I2

a)

b)

Hình 1-3: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 16 -

Chuyên ngành tự động hoá

Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1.3. Các tham số L và C của bộ
lọc tần BLT đƣợc chọn sao cho U1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế độ làm việc
bình thƣờng với tần số định mức U thì UR = UL. Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh
lƣu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đƣa
vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt. Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi
đó UL = jω.L.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR = R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay
giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật toán Ur ≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều
chỉnh tần số không phải là gía trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1
lƣợng Ur, dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị
chuẩn.
1.3.2. Ổn định tần số sơ cấp
Điều chỉnh sơ cấp: là quá trình điều chỉnh tốc độ quay tuabin bằng thay đổi lƣợng

nƣớc vào bánh xe công tác đối với nhà máy thuỷ điện hoặc lƣợng hơi vào cánh tuabin đối với nhà máy nhiệt điện… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữa cho tốc độ
quay của rotor – máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.
Tần số f của dịng điện phụ thuộc vào tốc độ góc  của máy phát điện theo quan hệ
f 

 p.n

2 60

(1-8)

Trong đó: p - Số đơi cực của máy phát điện
n - Số vòng quay của máy phát điện
Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của
từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ
khác nhau.
Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt
hầu nhƣ không phụ thuộc vào tần số, công suất tiêu thụ bởi động cơ của máy móc
gia cơng kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy
theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số...
Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tƣơng quan giữa các thành
phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi.
CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 17 -

P
P
P
k f  *  dd
f
f
f dd
*

(1-9)

Trong đó : f , P : Tƣơng ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng.
f dd , Pdd :Tần số và công suất danh định .

Để thấy rõ sự thay đổi tƣơng quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát
đƣờng đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải.
Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay M  P.
của phụ tải. Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong 1' trên hình vẽ đặc trƣng
cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đƣợc xác định tại điểm cắt
O1 của đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính 1' (phụ tải) ở đó mơ men kéo của tuabin cân

bằng với mơ men cản của phụ tải M 1

Hình 1-4: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3).
Khi số lƣợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1'

sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển
sang bên phải ( 2' ) và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm O3 , tƣơng ứng với tần số f3 .
Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính 1' sẽ bị dịch chuyển sang trái ( 3' ) và sẽ cắt đặc tính 1

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 18 -

Chuyên ngành tự động hoá

của tuabin tại O2 , tƣơng ứng với tần số f 2 . Nhƣ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho
tần số thay đổi:
f  f 2  f 3

Để đảm chất lƣợng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi
nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay
đổi đặc tính tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính
tĩnh của tuabin sang phải (đƣờng 2). Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2)
và phụ tải ( 2' ) tại O4 tƣơng ứng với tần số f 4 > f3 . Tƣơng tự khi phụ tải giảm ta
phải dịch chuyển đặc tính tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và 3'
tại O5 tƣơng ứng với tần số f5 < f 2 . Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch
tần số f '  f5  f 4 < f  f 2  f 3
Tập hợp các điểm O5 , O1 , O4 hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M)

hoặc f(P).
Đặc tính điều chỉnh của tuabin đƣợc đặc trƣng bằng hệ số phụ thuộc tƣơng đối
(còn đƣợc gọi là hệ số tĩnh)
f
f
f
S *   *   dd
P
P
Pdd
*

(1-10)

Thông thƣờng S * của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong
giới hạn S * =0.02  0.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là
với một mức biến đổi cơng suất nhƣ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ
thống có S * bé hơn sẽ ít biến đổi hơn.
Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin đƣợc thực hiện bằng cách
thay đổi năng lƣợng vào tuabin. Sau đây chúng ta xét một bộ điều tốc.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 19 -



fd

+
-

Đối tuợng
(Tuabin)

BB



f

Đo luờng

Hỡnh 1-5: S khi b iu tốc
Tín hiệu sai lệch ε sẽ quyết định hƣớng dịch chuyển độ mở của cánh hƣớng
tuabin nƣớc. Khi hệ thống ổn định ε = 0 và công suất máy phát bằng công suất phụ
tải.
Chất lƣợng điện năng của máy phát điện đƣợc đánh giá bởi hai chỉ tiêu tần số
và điện áp. Để các thiết bị điện làm việc tin cậy và cho hiệu suất cao thì hai chỉ tiêu
này luôn đƣợc quan tâm đúng mức. Trong chƣơng này đã giới thiệu các phƣơng
pháp ổn định tần số và điện áp. Để ổn định điện áp dùng hệ thống tự động điều

chỉnh điện áp cịn ổn định tần số có hai phƣơng pháp ổn định trực tiếp và ổn định
gián tiếp. Tuy nhiên việc đảm bảo tần số và điện áp là hai vấn đề lớn và phức tạp.
Do đó tác giả chỉ tập trung giải quyết vấn đề ổn định tần số sơ cấp. Vấn đề này sẽ
đƣợc tiếp tục nghiên cứu ở chƣơng 2.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 20 -

Chuyên ngành tự động hoá

CHƢƠNG 2: TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
2.1 .Tổng quan về điều tốc
2.1.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc
Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vịng quay khơng thay đổi hay thay đổi do tác
động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc đƣợc đăc
trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch
Độ sai lệch δ trong q trình điều chỉnh vịng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ khơng đến tồn tải với vịng quay trung bình:



n kt  n H
ntb

(2-1)

Trong đó:
nkt: vịng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph
nH: vòng quay ứn với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph

ntb 

nkt  nH
vịng quay trung bình, v/ph
2

δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì vịng quay
ban đầu, δ 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 hồnh
(δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều
tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh.
Độ rộng vùng khơng nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch
chuyển các cơ 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 khơng có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tƣơng ứng vùng
khơng có phản ứng gọi là khu vực không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể
hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 21 -

 kn

 cb'   cb"

 cb

 cb 

cb'  cb"
2

Trong đó, ω,cb, ω”cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không
nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.
Trong 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 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 khơng nhạy khơng hồn tồn giống nhau
nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.
Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ là tỉ số giữa biên độ dao động vịng quay lớn
nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:


 dd

H



n dd
nH

(2-2)

Δndd (Δωdd) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong q trình
chuyển tiếp.
Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất lƣợng
bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.
Độ khơng ổn định vịng quay tương đối
Độ khơng ổn định vòng quay tƣơng đối ψ 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 …)


 s

H

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

hay



 s

 kt

HVTH: Vũ Thị Yến



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 22 -

Chuyên ngành tự động hố

Trong đó:
Δωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
ωH, ωkt: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải)
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.
2.1.2. Một số loại điều tốc
2.1.2.1 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, pit-tông điều khiển và van
phân phối… phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở cánh hƣớng bằng cách
điều chỉnh lƣợng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hƣớng của tuabin
theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh đƣợc cấu tạo bởi các
bộ điện và điện tử nhƣ các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh nhận tín
hiệu đo tốc độ quay của tuabin và góc mở của cánh hƣớng…, dựa vào các tính hiệu
đo, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đƣa tới phần dẫn
động.
Hình 2.1 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 quá độ trƣớc khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc ổn định. Cơ
cấu phản hồi cứng có chức năng “ điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành
ổn định và điều chỉnh công suất phát của tuabin để khôi phục tần số của hệ thống.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HVTH: Vũ Thị Yến