Luận văn nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

HỒNG HUY BÌNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - Năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

HỒNG HUY BÌNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8.52.02.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Võ Quang Lạp

Thái Nguyên – Năm 2020


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

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Huy Bình
Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển chuyển động ổn định
tần số máy phát điện diesel.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.
Mã số: 8.52.02.01
Tác giả, Cán bộ hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/10/2020 với
các nội dung sau:
- Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn.
- Đã chỉnh sửa lỗi câu chữ, thuật ngữ trong luận văn cho phù hợp với chuyên
ngành theo theo góp ý của Hội đồng.
Thái Nguyên, ngày 26 tháng 10 năm 2020
Cán bộ hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

PGS.TS. Võ Quang Lạp

Hồng Huy Bình

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Duy Cƣơng

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi là, Hồng Huy Bình học viên lớp cao học khoá 21 – Hệ thống điện Trƣờng
đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại Điện lực Thành phố - Công ty Điện lực Sơn La.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động
ổn định tần số máy phát điện 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.
Thái Ngun, ngày 05 tháng 08 năm 2020
Học viên

Hồng Huy Bình

ii


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 khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel” 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 hoàn thành luận văn này.
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 q trình học tập.
Tác giả

Hồng Huy Bình

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI ...........................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... vii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL ...........................................................................................1
1.1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số ..................................................................... 1
1.2 Các phƣơng pháp ổn định tần số máy phát điện ............................................... 1
1.2.1. Ổn định tần số thứ cấp .................................................................................. 2
1.2.2. Ổn định tần số sơ cấp .................................................................................... 3
1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen ..................................................... 6
1.3.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc ......................................................... 6
1.3.2.Giới thiệu sơ đồ .............................................................................................. 8
1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel để ổn định tần số máy
phát điện. ............................................................................................................... 12

CHƢƠNG 2: KHẢO SÁT TÍNH TỐN VÀ TỔNG HỢP HỆ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL VỚI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI VỊ TRỊ TUYẾN TÍNH
DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................................................................25
2.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ...................................................... 25
2.2. Khảo sát và tính tốn hệ truyền động ổn định tốc độ ..................................... 26
2.2.1. Giới thiệu sơ đồ ........................................................................................... 26
2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM.......................................... 26
2.2.3. Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động ......................................... 27
2.2.3.1 .Các biểu thức tính tốn ........................................................................ 27
2.2.4. Tổng hợp hệ truyền động RI ....................................................................... 29
2.2.4.1 Mô phỏng hệ ......................................................................................... 33
2.3. Khảo sát và tính tốn hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trí
tuyến tính .............................................................................................................. 34
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí ............................................. 35

iv


2.3.2 Mô phỏng hệ thống. ..................................................................................... 37
2.3.2.1. Chọn và xác định các thông số ............................................................ 37
2.3.2.2 Tiến hành mô phỏng ............................................................................. 40
2.3.2.3. Nhận xét:.............................................................................................. 42
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN .....................43
3.1. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí ......................................................... 43
3.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ............................... 44
3.2.1. Khái niệm về bộ điều khiển mờ thích nghi ................................................. 44
3.2.1.1. Định nghĩa ........................................................................................... 44
3.2.1.2. Điều khiển mờ ..................................................................................... 44
3.2.1.3. Điều khiển thích nghi .......................................................................... 46

3.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient .............. 48
3.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov ............ 49
3.2.4. Phân loại...................................................................................................... 50
3.2.5. Các phƣơng pháp điều khiển mờ thích nghi ............................................... 50
3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU
SONG SONG. ....................................................................................................... 53
3.3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 53
3.3.2. Mô hình tốn học của bộ điều khiển mờ..................................................... 54
3.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song ....... 58
3.3.3.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi
kinh điển ........................................................................................................... 58
3.3.3.2. Thiết kế khối mờ cơ bản ...................................................................... 61
3.3.3.3. Sơ đồ mô phỏng ................................................................................... 67
3.3.3.4. Kết quả mô phỏng chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ
thích nghi .......................................................................................................... 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................73

v


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

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp........................................................................2
Hình 1-2: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) ....................................3
Hình 1-3: Đƣờng đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3). ..................................4
Hình 1.4:Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel .............................................................8
Hình 1-5: Đồ thị cơng chỉ thị ...........................................................................................9
Hình 1-6:Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện .................................12
Hình 1-7: Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thơng rotor(r,q)................13
Hình 1-8:Sơ đồ ngun lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần ..15
Hình 1-9: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ .......................16
Hình 1-10: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng

kín. .................................................................................................................................17
Hình 1-11: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vịng kín .........................................................................................................................18
Hình 1-12: Đồ thị tốc độ quay và dịng điện của q trình khởi động hệ thống điều
chỉnh tốc độ ...................................................................................................................18
Hình 1-13: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một chiều ..........22
Hình 1-14: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM dạng H ................................................23
Hình 1-15: Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H .............................................23
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ......................................................................25
Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ.......................................................26
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM ............................................................27
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng khơng đổi ..........................................................28
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện ............................................................29
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng dịng điện ...............................................30
Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng tốc độ .....................................................31
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ ...................................32
Hình 2.9: Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID ............................... 33
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí .....................................................35
Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí ............................................................... 37
Hình 2-12: Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID ............................40
Hình 3-1: Quan hệ giữa

và ω ...................................................................................44

vii


Hình 3-2: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ................................................45
Hình 3-3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ động .......................................................................46
Hình 3-4: Điều chỉnh hệ số khuếch đại .........................................................................47

Hình 3-5: Bộ điều khiển theo mơ hình mẫu ..................................................................47
Hình 3-6: Bộ điều khiển tự chỉnh ..................................................................................47
Hình 3-7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình .............................48
Hình 3-8: Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tƣợng bậc nhất....50
Hình 3-9: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp. ................................ 51
Hình 3-10: Cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp ........................51
Hình 3-11: Điều khiển thích nghi có mơ hình theo dõi .................................................52
Hình 3-12: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào ....................................53
Hình 3-13: Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào/ ra .........................................54
Hình 3-14: Luật hợp thành tuyến tính ...........................................................................55
Hình 3-15: Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính.............................................55
Hình 3-16: Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành ................................................56
Hình 3-17: Các vùng trong ơ suy luận...........................................................................56
Hình 3-18: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K .......................................59
Hình 3-19: MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra ..............................................60
Hình 3-20: MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai lệch
đầu vào ...........................................................................................................................61
Hình 3-21: Sơ đồ khối mờ cơ bản .................................................................................62
Hình 3-22: Các luật hợp thành ......................................................................................66
Hình 3-23: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ .........................................................67
Hình 3-24:Sơ đồ mơ phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ
thích nghi .......................................................................................................................67
Hình 3-25: Các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu
vào

đặt

= 6V. .................................................................................................................69

Hình 3-26: Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều khiểnPID .....71

viii


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL
1.1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số
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 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 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. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng ta
nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định tần số
1.2 Các phƣơng pháp ổn định tần số máy phát điện
Nhƣ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lƣợng điện năng của toàn 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, xét đối
với phát chạy thủy điện:
PT  P p t  

Trong đó:

(1-1)

PT

: Cơng suất của tuabin kéo máy phát.

Ppt

: Công suất của phụ tải điện.



: Tổn thất công suất tác dụng .

Mơ men kéo của tuabin.
M

Trong đó:



T



 .Q H .


(1-2)

: Hằng số

1


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.
1.2.1. Ổn định tần số thứ cấp
Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công 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 diesel. Nhờ 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 X L 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


Udf

BĐ/Cf

TB

U,f
F

Uphf

CCĐ

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

2


R3

*
*

U1

L

I1

R1

U

R2

*
U2

UR

+Ecc

Uf

U2

-Ecc

R

UL
U1

I2

a)

b)

Hình 1-2: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)
Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1-2. Các tham số L và R 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 tốn 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 U L = 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 khơng phải là
gía trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lƣợng U r, dẫn đến bộ điều chỉnh
sẽ tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị chuẩn.
1.2.2. Ổn định tần số sơ cấp
Điều chỉnh sơ cấp: là quá trình điều chỉnh tốc độ quay diesel bằng thay đổi
lƣợng dầu vào diesel… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữa 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

(1-3)

60

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.

3


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.
P
k



f

P

*

f

*



Pd d
f
f dd

Trong đó :

f
f dd

,
,

P
Pd d

(1-4)

: Tƣơng ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng.

: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
phụ tải. Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong

1

'

 M   P . 

trên hình vẽ đặc trƣng cho

đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đƣợc xác định tại điểm cắt
đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính
mơ men cản của phụ tải

M

1

'

của

O1

của

(phụ tải) ở đó mơ men kéo của tuabin cân bằng với

1

Hình 1-3: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3).

4


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
'

bớt phụ tải, đặc tính
tại

O2 ,

1

'

O3

, tƣơng ứng với tần số

f3

. Khi cắt

sẽ bị dịch chuyển sang trái ( 3 ) và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin
'

tƣơng ứng với tần số

f2

. Nhƣ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay

đổi:
 f  f2  f3

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

f4

>

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
với tần số
<

f5

<

f2

3

'

tại

O5

. Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số

tƣơng ứng
 f  f5  f4
'

 f  f2  f3

Tập hợp các điểm

O 5 , O1 , O 4

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
S

*

 

f

*

P

*

 

f dd
P
Pd d

Thơng thƣờng
giới hạn

S

*

S

*

(1-5)

của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong

=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.

5


1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen
1.3.1 Các thông số đặc trưng 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, khơng 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 quá trình điều chỉnh vòng 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

(1-6)

n tb

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

n kt  n H
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 không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể hiện bằng độ
nhạy của bộ điều tốc εkn:
 cb   cb
'

 kn 

"

 cb   cb
'



 cb

6

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

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





 n dd

(1-7)

nH

H

ndd ( ωdd) biên độ dao động vịng quay (vận tốc góc) lớn
nhất trong q trình chuyển tiếp.
Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất

phụ thuộc vào chất lƣợng bộ

điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.
Độ 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 …)
 





H

s

hay

 



 kt

s

(1-8)

Trong đó:
ωs: 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)

7


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
1.3.2.Giới thiệu sơ đồ
Động cơ diesel là động cơ trong đó khơng khí và nhiên liệu đƣợc đƣa riêng vào
xilanh, cịn khí hỗn hợp cơng tác (hỗn hợp giữa khơng khí mới và nhiên liệu và một ít
sản phẩm cháy của chu trình trƣớc sót lại) đƣợc hình thành ở bên trong xi lanh động cơ

do phun nhiên liệu dƣới dạng sƣơng mù vào trong xi lanh ở áp suất cao và tạo sự cháy.
Trong động cơ diesel, pistong của động cơ chuyển động tịnh tiến. Chuyển động tịnh
tiến của piston đƣợc biến thành chuyển động quay của trục tuabin máy phát.
Do đó để ổn định tần số máy phát diesel khi tải thay đổi thì ta phải điều chỉnh
lƣợng nhiên liệu cũng nhƣ lƣợng khí vào trong động cơ diesel thơng qua bộ điều tốc.

MF

Hình 1.4:Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel

8


Mô men của động cơ
Đối với động cơ diesel, để mơmen quay của nó ta phải tiến hành thành lập nên
đồ thị công chỉ thị. Đồ thị công chỉ thị gần đúng của động cơ diesel

Hình 1-5: Đồ thị cơng chỉ thị
Trong đó:

Q trình nén a-c (c’)
Q trình cháy trong động cơ diesel đƣợc xem là bao gồm hai quá trình;
Q trình cháy đẳng tích c-z1
Q trình cháy đẳng tích z1-z

Điểm c đƣợc coi là điểm bắt đầu cháy còn điểm z là điểm kết thúc quá trình
cháy.
Quá trình giãn nở z – b – a
Từ đồ thị công chỉ thị ở trên ta có thể tính đƣợc cơng thực hiện của chất khí
trong một chu trình cơng tác Li là diện tích của hình đƣợc giới hạn đƣờng cong

ac’cz1zb. Khi đó cơng suất chỉ thị của động cơ là;
N

i

 Li

n .i

(1-9)

60 . 75 . m

Cuối cùng ta đƣợc mômen chỉ thị của động cơ là;
M

i

 Li

.i

(1-10)

60 . 75 . m

Giá trị mômen này phụ thuộc rất nhiều vào mức nhiên liệu cung cấp cho một
chu trình và tốc độ của động cơ. Đây là mối quan hệ phi tuyến, kết luận này hết sức
quan trọng nó là cơ sở cho việc khẳng định rằng các thông số của mô hình tốn là thay
đổi trong q trình hoạt động.

9


Mơ hình tốn của Diesel
Phƣơng trình biểu thị trạng thái động của Diesel đƣợc thể hiện nhƣ sau:
j

d

 M

d

dt

 M

kd

 M

t

 M

(1-11)

pt

Trong đó:
J: Mơmen qn tính của chi tiết quay so với trục động cơ


: Vận tốc góc của động cơ (vịng/phút)

Md: Mơmen quay do động cơ sinh ra (KGm)
Mkd: Mơmen quay đƣợc tạo ra bởi khí nén khởi động (KGm), chỉ xảy ra khi
khởi động
Mt: Mômen cản ma sát (KGm)
Mpt: Mômen cản của phụ tải (KGm)
Khi động cơ làm việc có tải máy phát
j

d

 M

dt

 M

d

(1-12)

pt

Trong trƣờng hợp này, do mơmen khởi động bằng khơng, mơmen ma sát có giá
trị rất nhỏ so với mơmen phụ tải nên có thể bỏ qua.

Nhƣ ta đã biết, tín hiệu ra của động cơ là vịng quay hoặc vận tốc góc ω và tín
hiệu vào là lƣợng cấp nhiên liệu h. Ta tiến hành lập phƣơng trình động mơ tả đối tƣợng
thơng qua tín hiệu vào và ra kết hợp với nhiễu là tải. Mômen quay do động cơ sinh ra
phụ thuộc vào vận tốc góc ω và lƣợng nhiên liệu cấp cho bơm cao áp h.
Md=f(  ,h)

(1-13)

Mpt=f(  ,Npt)

(1-14)

Mômen phụ tải
Dựa vào khai triển maclaurin có thể khai triển phƣơng trình mơmen của động cơ
dƣới dạng
M

d

 M

d0



M


d

  0.


1!

 M
3





d
2

  0


2!

 .... 

M
h

d

h  h0 .

Tiến hành khai triển tƣơng tự cho mômen phụ tải

10

h
1!

 M
3



h

2

d

h  h0

h
2!

 ...


M

pt

 M

M



pt 0

pt

  0.




1!

 M
3





pt
2

  0



 .... 

2!

M
N

pt

N

pt

 N

N
pt 0

1!

pt

 M

N

3

pt



N

pt
2

N

pt

 N

pt 0

pt

2!

Thay thế phƣơng trình 2 vào phƣơng trình 1 bỏ qua phần tử có đạo hàm bậc cao
và khi xét đến điều kiện ở trạng thái cân bằng tĩnh Md0=Mpt0 có thể rút ra đƣợc
  M pt
M d
 


dt

 

d

j

M

M d
 
h 

h
N


pt

N

pt

(1-15)

pt

Ta chia cả hai vế của phƣơng trình trên cho giá trị lƣu lƣợng nhiên liệu định
mức hn và đặt
 

 



độ lệch tƣơng đối của vận tốc góc.

n
h

độ dịch chuyển tƣơng đối của thanh răng nhiên liệu bơm cao áp,

hn
f 

N
N

độ thay đổi tƣơng đối của phụ tải

pt

ptn

Ta có dạng:
Td .

Trong đó:

K

d

K

pt





Td 

d
dt

 K d    K

j n

  M pt

M d

0 
n 
 







 M d
hn 
 h
ptn

M

pt

 M

 N

pt

hn 
 h

d




(1-16)

f

hằng số thời gian(s)

 M d 
hn 

 h 

n

N

pt

hệ số chỉnh cùa động cơ

hệ số biểu thị sự ảnh hƣởng của phụ tải

Hệ số Td là hằng số thời gian đặc trƣng cho động cơ về tính quán tính,
Hệ số Kd là hệ số chỉnh đặc trƣng cho tính chất ổn định của động cơ,
Hệ số Kpt là hệ số đặc trƣng về sự thay đổi của phụ tải đối với động cơ
Trong thực tế các hệ số Td, Kd, Kpt luôn luôn thay đổi, chẳng hạn hệ số chỉnh Kd
phụ thuộc nhiều vào vòng quay và tình trạng cũ mới của động cơ…

11

pt

 ...


Sau khi xác định đƣợc phƣơng trình động của động cơ, trên cơ sở đó cần xây
dựng thuật tốn điều khiển của bộ điều tốc để hệ thống ổn định và đạt đƣợc chỉ tiêu

chất lƣợng mong muốn.
1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel để ổn định tần số máy phát
điện.
Từ hình vẽ 1.4 : ta xây dựng đƣợc sơ đồ khối của hệ truyền động trong bộ điều tốc
diesel nhƣ hình vẽ:

VandÉ
n

Hình 1-6:Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện
Ri, Rω, R : Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí nó có nhiệm vụ tổng hợp
và tạo ra điện áp điều khiển đƣa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các
lƣợng phản hồi, lƣợng đặt các thơng số của bộ điều chỉnh vị trí R , tốc độ Rω và bộ
điều khiển dòng điện Ri thích hợp sẽ đảm bảo chất lƣợng của hệ thống ở chế độ tĩnh và
động.
: Điện áp ứng với vị trí cho trƣớc và phản hồi vị trí.

*

U  ,U 
U

*

,U

n

U

*
i

: Điện áp ứng với tốc độ quay cho trƣớc và phản hồi tốc độ quay

n

,U

i

: Điện áp ứng với dòng điện cho trƣớc và điện áp phản hồi dòng điện.

Bộ nguồn: Cung cấp nguồn cho động cơ
CBVT: Bộ cảm biến vị trí
1.3.3.2 Các hệ thống truyền động được ứng dụng trong hệ ổn định tốc độ Diesel
A. Hệ thống điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ 3 pha
Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ toạ độ tự theo từ thông rotor

12


Hình 1-7: Định hướng từ thơng trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor(r,q)
Từ kết quả quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không động bộ ba pha từ hệ
toạ độ cố định trên Stato (α, β) về hệ toạ độ cố định trên Rotor(d, q) ta có.
(1+T2p)ψ2d – ωsT2ψ2q – Lm.i1d=0
ωsT2ψ2d+(1+T2p)ψ2q - Lm.i1q=0

(1-17)

Nếu ta giữ cho biên độ từ thông rotor ψ2 không đổi và vector khơng gian ψ2
trùng với trục 0x thì ta có :ψ2q = 0,ψ2d = ψ2 =const
Từ biểu thức (1-17) ta xác định đƣợc các thành phần của vector dòng điện stator :
i1 d 



2d



Lm

i1 q 

T 2

s

const

(1-18)



(1-19)

Lm

2d

 T 2  s i1 d

Mơmen điện từ khi đó là
M = Krψ2di1q =KrTωsLmi21d (vì ψ2d=Lm.i1d)

(1-20)

Ngƣợc lại khi ta điều chỉnh vector dịng điện stator theo đúng quy luật (1-20)
thì vector từ thơng ψ2 ln trùng với trục 0d và có biên độ khơng thay đổi.
Các thành phần của vector dòng điện rotor là :
i2d 
i2q 

1

(

L2
1
L2

2d

 L i i1 d )  0

(1-21)
(

2q

 L i i1 q )   k r i1 q

Nhƣ vậy khi định hƣớng vector từ thông rotor trùng với trục 0d với biên độ
khơng đổi thì ta rút ra đƣợc các đặc điểm quan trọng là :
- Vector dịng điện rotor ln vng góc với vector từ thơng rotor

13


- Thành phần i1d có giá trị khơng đổi, đóng vai trị là dịng điện từ hố.
- Các thành phần i1q, i2q và mômen M tỷ lệ với nhau và tỷ lệ với tốc độ trƣợt ωs.
Trong công thức (1-21) ta có thể xác định giá trị i1d theo các thông số định mức của
động cơ nhƣ sau :
i1 d 

M dm
k r . T2 . sdm . L m

M dm



k r . T2 . . dm sdm . L m

(1-22)

Trong đó:
Mđm : là mơmen định mức
ωđm : là tốc độ định mức (rad/s)

ωsđm : là tốc độ trƣợt định mức (rad/s)
sđm : là độ trƣợt định mức
Nếu coi từ thông rotor của động cơ không đồng bộ lúc không tải bằng từ thơng định
mức, thì vector dịng điện stator đƣợc xác định nhƣ sau :
i1 d 

3 / 2 .I 0 m 

i1 q 

3 T 2 . I 0 .

3I0

(1-23)

s

Trong đó:
I0m : là biên độ dịng điện khơng tải
I0 : là giá trị hiệu dụng của dòng điện không tải
3/2

là hệ số quy đổi từ 3 pha về 2 pha

Trên cơ sở phân tích trên ta xây dựng đƣợc sơ đồ điều khiển cho động cơ không
đồng bộ nhƣ hình 1-8. Trong hệ thống này thực hiện điều chỉnh vector dịng điện stator
theo luật (1-18) nhờ đó mà định hƣớng đƣợc vector từ thông rotor trong hệ toạ độ tựa
theo từ thông(d,q). Các đại lƣợng điều chỉnh đƣợc quy đổi từ hệ toạ độ tựa theo từ
thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đƣa vào điều khiển bộ nghịch lƣu. Tín hiệu

phản hồi dịng điện đƣợc quy đổi từ hệ 3 pha về hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).
Các ma trận quy đổi có tham số phụ thuộc vào góc quay θ1 và đƣợc xác định theo công
thức
t

1     s   



t
s

. dt    k r

0

i
0

14

1q

. dt

(1-24)


Với

K

s



s
i1 q



1
T 2 .i1 d

Hình 1-8:Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần
Từ phƣơng trình (1-17), (1-18) ta nhận thấy: Nếu trong q trình làm việc giữ
từ thơng rotor khơng đổi ψ2d=const có nghĩa là giữ ngun dịng điện I1d= const, lúc
này ta điều chỉnh dòng I1q để tiến hành điều chỉnh mômen (cách điều chỉnh này giống
nhƣ điều chỉnh động cơ điện một chiều) với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ
điều chỉnh đƣợc lƣợng vào của mạch vịng tốc độ, lƣợng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là
trị số điều chỉnh mômen của động cơ. Nhƣ vậy khi thay đổi lƣợng vào tốc độ tức là
thay đổi tốc độ đặt của động cơ. Vậy thay đổi tần số của bộ biến tần có thể thay đổi tốc
độ của động cơ.
B. Hệ thống thyristor - động cơ
Ngày nay việc ứng dụng hệ thống truyền động điện một chiều T – Đ với mạch
vịng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng
đƣợc sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công
suất nhỏ đến công suất lớn.
Cấu trúc hệ thống điều khiển T – Đ với hai mạch vịng kín tốc độ quay và dòng
điện.

15