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

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TẠ XUÂN TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH
TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2012


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-1-

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ
ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL
Học viên

: Tạ Xuân Tùng

Lớp

: CH - K13

Chuyên ngành

: Tự động hóa

CB hƣớng dẫn khoa học

: PGS-TS. Võ Quang Lạp

BAN GIÁM
HIỆU

KHOA ĐT SAU
ĐẠI HỌC

CB HƢỚNG DẪN
KHOA HỌC

PGS-TS. Võ Quang Lạp

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HỌC VIÊN

Tạ Xuân Tùng

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-2-

LỜI CAM ĐOAN

Tơi là: Tạ Xuân Tùng học viên lớp cao học khoá 13 - Tự Động Hố
Trƣờng đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại Công ty Điện lực Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động
tần số máy phát Diesel” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp
là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. 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 tơi xin hồn tồn chịu
trách nhiệm.
.
Ngƣời cam đoan

Tạ Xuân Tùng

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-3-

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 Diesel” đã
đƣợc hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn PGS – TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tác giả hoàn 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

Tạ Xuân Tùng

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-4-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 3
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL
1.1. Công dụng máy phát Diesel ..................................................................... 12
1.2. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện ................................................. 12
1.2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 12
1.2.2. Ổn định tần số của máy phát điện ......................................................... 17
1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp .......................................................................... 18
1.2.4. Ổn định tần số sơ cấp ............................................................................ 18
1.3. Các chỉ tiêu và thông số ổn định tần số ................................................ ...20
1.4 Các phƣơng án thiết kế............................................................................. 24
1.4.1. Hệ điều khiển tƣơng tự......................................................................... 23
1.4.2. Hệ điều khiển số ................................................................................... 23
1.5. Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số ..................................... 24
CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ
ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-5-

2.1. Xây dựng mơ hình tốn học của động cơ ĐB_KTVC ............................. 27
2.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ...................................... 30
2.3 Phƣơng trình của động cơ trong hệ tọa độ (a,b,c) ..................................... 32
2.4 Phƣơng trình động học của động cơ điện đồng bộ 3pha trên tọa độ các
vecto không gian ............................................................................................. 35
2.5. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC. ... 42
CHƢƠNG 3
KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
MÁY PHÁT DIESEL
3.2. Các vấn đề điều khiển ổn định tần số ...................................................... 46
3.1.1. Điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng (FOC) ...................................... 45
3.1.2. Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) ...................................................... 49
3.2. Thông số của hệ thống ............................................................................. 49
3.2.1. Động cơ PMSM .................................................................................... 49
3.2.2. Số liệu về biến tần 4Q ........................................................................... 49
3.3. Sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... 51
3.3.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống ..................................................................... 51
3.3.2. Sơ đồ khối mạch động lực của hệ thống .............................................. 52
3.3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển biến tần .................................................... 52
3.3.4. Sơ đồ khối tính giá trị đặt dòng điện ..................................................... 53
3.3.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện ..................................................... 53
3.3.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển uDC .............................................................. 54

3.3.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men ........................................................ 54
3.3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men ........................................................ 54
3.3.9. Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ ................................................. 55

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-6-

3.4. Các kết quả mô phỏng .............................................................................. 55
3.5. Nhận xét ................................................................................................... 60
3.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 62

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-7-

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR ......................................... 15
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel ......................... 17

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp ....................................................... 18
Hình 1.4: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) .................... 19
Hình 1.5: Đƣờng đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3). ........................... 20
Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ điều tốc máy phát Diesel ......................................... 21
Hình 1.7: Hệ thống điều khiển kín dùng Loadcell .......................................... 24
Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển kín dùng phản hồi số ..................................... 25
Hình 2.1. Mơ hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi ...... 30
Hình 2.2 Mơ hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn ....... 30
Hình 2.3 Mơ hình đơn giản của ĐCĐB ba pha ............................................... 37
Hình 2.4 thiết lập các vector khơng gian từ các đại lƣợng pha ...................... 38
Hình 2.5 Biểu diễn dịng điện Stator dƣới dạng vector khơng gian với các
phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định ......................................... 39
Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector khơng gian bất kỳ V ......................... 40
Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ .................................... 40
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC.................................................. 42
Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC............... 44
3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử dụng động
cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu .......................................................... 46
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu
IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC) ........................................................ 48
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ
kích từ nam châm vĩnh cửu .................................................................................

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-8-

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ
vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC ............................................. 51
Hình 3.5: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit ........................................... 52
Hình 3.6: Triển khai chi tiết INVERTER ....................................................... 52
Hình 3.7 Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER ........... 53
Hình 3.8. Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER ....... 53
Hình 3.9. Triển khai chi tiết khối SubSystem ................................................ 54
Hình 3.10: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem ....... 54
Hình 3.11: Triển khai chi tiết khối Momen controller trong SubSystem ....... 54
Hình 3.12: Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem ........................... 55
Hình 3.13:Đồ thị tốc độ của hệ điều khiển máy phát Diesel sử dụng ĐC đồng
bộ kích thích vĩnh cửu ..................................................................................... 55
Hình 3.14: Đồ thị mơ men .............................................................................. 56
Hình 3.15: Đồ thị điện áp ra của chỉnh lƣu PWM .......................................... 56
Hình 3.16: Đồ thị dịng điện và điện áp khi xảy ra hãm tái sinh nđc

nđb

(dòng và áp ngƣợc pha) ................................................................................... 57
Hình 3.17: Đồ thị dịng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ thay đổi ..... 57
Hình 3.18: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ ổn định ...... 58
Hình 3.19: Đồ thị dịng điện isq ..................................................................... 58
Hình 3.20: Đồ thị dịng điện isd ...................................................................... 59

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>-9-

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện luôn đƣợc coi là ngành công
nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó ln thúc đẩy
các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả
và chi phí phải đƣợc coi trọng đặc biệt.
Máy phát Diesel đóng vai trị hết sức quan trọng trong hệ thống điện,
nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vận tải thủy, vận tải bộ
và sử dụng ở nhƣng nơi cần có nguồn điện cơng suất lớn nhƣ trong các ngành
cơng nghiệp,và những nơi khơng có điện lƣới nhƣ ngoài đảo xa...
Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía
cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an toàn
và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp của hệ
thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là không thể
thiếu.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a. Ý nghĩa khoa học:
Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là một hệ điều khiển hiện đại cho
nên việc nghiên cứu nó là cần thiết. Từ đó có thể nắm vững lý thuyết về hệ
thống và ứng dụng hệ điều khiển các thiết bị thực tế.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là hệ điều khiển đƣợc ứng dụng
khá phổ biến trong thực tế. Việc tìm hiểu này giúp cho việc khai thác sử dụng
máy phát Diesel đƣợc hiệu quả nhất.
3. Mục đích nghiên cứu.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 10 -

Mục đích của luận văn là nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều
khiển tần số máy phát Diesel sao cho hệ thống đạt tối ƣu và có tính vạn năng
nhát. Tính vạn năng đo là khi sử dụng máy phát Diesel cho bất kì lĩnh vực
điều kiện làm việc nào... cũng đều cho chất lƣợng nguồn điện phát ra ổn định
nhất để không gây hại cho các thiết bị sử dụng.
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống truyền động tự động ổn định tấn số
máy phát Diesel trong cac lĩnh vực phổ biến.
Nghiên cứu để đề suất những phƣơng án truyền động chất lƣợng cao
cho hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu thực tế tại nơi sự dụng máy phát Diesel tại Việt Nam
- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng dựa trên phần mềm matlab
simulink.
5. Nội dung nghiên cứu.
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:
Chương 1: Tổng quan về máy phát Diesel
Chương 2: Phân tích và tổng hợp hệ truyền động biến tần động cơ điện
ĐB_KTVC ứng dụng cho điều chỉnh ổn định tần số.
Chương 3: Khảo sát chất lƣợng hệ điều khiển tần số máy phát Diesel

Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2013

Tác giả luận văn

Tạ Xuân Tùng

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 11 -

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 12 -

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL
1.1. CÔNG DỤNG MÁY PHÁT DIESEL
Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện ln đƣợc coi là ngành cơng
nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó ln thúc đẩy
các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả
và chi phí phải đƣợc coi trọng đặc biệt.
Máy phát Diesel đóng vai trị hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó
đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vận tải thủy, vận tải bộ và
sử dụng ở nhƣng nơi cần có nguồn điện công suất lớn nhƣ trong các ngành
công nghiệp,và những nơi khơng có điện lƣới nhƣ ngồi đảo xa...
Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía
cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an
toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp
của hệ thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là
không thể thiếu.
1.2. CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
1.2.1. Đặt vấn đề
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

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 13 -

chiều cũng nhƣ động cơ điện một chiều khi điện áp giảm làm tốc độ động cơ
giảm. Khi điện áp giảm không đảm bảo điều kiện hòa 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 khơng đủ điều kiện
để hịa 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.
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 dm
. 100 %
U dm

U

(1.1)

+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn
1% trong 1 giây)
U

U max U min
.100%
U dm

(1.2)

+ Độ khơng hình sin của dạng đƣờng cong điện áp

U
K K sin

U1

.100%

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

(1.3)

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 14 -

Trong đó:

U2

U
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 Ao
.100%=
U phadm

a 2U Bo aU co
.100%
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 không.


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 dịng 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 không đổi (với độ chính xác
nào đó) khi phụ tải biến động. Ngồi ra thiết bị tự động điều chỉnh điện áp
còn nhằm nâng cao giới hạn công suất 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 dịng 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

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 15 -

suất định mức đủ lớn. Thơng thƣờng địi hỏi cơng 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 dòng điện
một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ thống kích từ,
điều chỉnh dịng kích từ trong q 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 không những đối với chất lƣợng điều chỉnh điện áp mà
cịn 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 dịng 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

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 16 -

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 cơng suất và hằng số dịng điện trƣờng.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 17 -

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 trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành
từ khơng tải tới đầy tải.
Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài 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.
1.2.2. 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 (máy phát Diesel) 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 máy phát Diesel kéo máy phát.
Ppt : Công suất của phụ tải điện.

: Tổn thất công suất tác dụng .
Mơ men kéo của máy phát diesel.
MT

Trong đó:

.QH .

(1.7)

: Hằng số
Q : Lƣu lƣợng nƣớc vào máy phát diesel
H : Độ chênh áp suất đầu và cuối máy phát diesel.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 18 -

: Hiệu suất máy phát diesel
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.
1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là q 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 cơ cấu đo lƣờng khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định
mức và phát tín hiệu điều khiển.
SERVO
PANEL

ENGINE RPM CONTROL
UINT

Fule Limiter

GOV.ACTUA
TOR

SERVO
MOTOR
DRIVER

REDUCTION
GEAR
SERVO
MOTOR

PID CONTROL
PRM ORDER
SIGNAL

()
Scav limiter

INC

ACTUAL
ACT
POS.SIGNAL

PRM SIGNAL

DEC

IN
C

P/U
P/I

SCAV.AIR RECEIVER

DEC
C

FUEL PUMP

DIESEL ENGINE

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 19 -

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 dịng 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

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp
BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số
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 1.4: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 20 -

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
tốn 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.
1.2.3.2 Ổn định tần số sơ cấp
Sơ đồ hệ truyền động máy phát Diesel : Điều chỉnh tần số sơ cấp là điều
chỉnh trực tiếp tốc độ quay của tuabin thông qua bộ điều tốc. Một trong những
sơ đồ khối của hệ thống điều tốc máy phát điện Diesel đƣợc thể hiện nhƣ hình
vẽ. Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của rotor – máy
phát là khơng đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.
Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc

của máy phát điện

theo quan hệ
f

2

p.n
60

(1.8)

Trong đó:
p - Số đôi cực của máy phát điện
n - Số vòng quay của máy phát điện

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 21 -

Hình 1.5: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3).
Từ sơ đồ trên có thể viết sơ đồ khối bộ điều tốc cho máy phát Diesel nhƣ
hình vẽ sau:
Bộ
Điều khiển

f’

Động cơ

Cơ cấu
Điều tốc

φ

f

Cảm biến
vị trí (P/U)

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ điều tốc máy phát Diesel
1.3. Các chỉ tiêu và thông số ổn định tần số
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:

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 22 -

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

nH

(1.9)

ntb

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

ntb

nkt

nH
2

vịng quay trung bình, v/ph

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
vng 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 khơng nhạy. Chiều rộng
khu vực không nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:
'
cb

"

cb

kn

'
cb
cb

cb

"
cb

2

Trong đó, ω,cb, ω”cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực
khơng nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 23 -

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 cơng 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 vòng
quay lớn nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng
quay định mức:
dd
H

n dd
nH

(1.10)

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, khơng tải …)
s
H

s

hay
kt

Trong đó: Δωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>- 24 -

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.
1.4. Các phƣơng án thiết kế
Từ những nguyên lý đo và làm việc hệ điều tốc máy phát Diesel (mục
2.2) thấy có 2 nguyên tắc điểu khiển ổn định tần số sơ cấp đó là:
- Điều khiển tƣơng tự.
- Điều khiển số.
1.4.1. Hệ điều khiển tƣơng tự
Có sơ đồ nhƣ hình vẽ:

Hình 1.7: Hệ thống điều khiển ổn định máy phát tương tự tần số
1.4.2. Hệ điều khiển số
Có sơ đồ khối nhƣ hình vẽ:

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Tạ Xuân Tùng