Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức giócó công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

BGDĐT PTNTĐH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Phòng thí nghiệm Tự động hóa

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió

có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp nhà nước

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo

bộ phát điện bằng sức gió có công suất

10-30KW phù hợp với điều kiện việt nam

PTNTĐH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió

có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội, tháng 3/2007 Bản thảo viết xong tháng 3/2007

Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp

Nhà nước, mã số KC.06.20CN

Danh sách những người thực hiện

Số

TT Họ tên Cơ quan công tác Nội dung tham gia

1 PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Chủ nhiệm Đề tài

2 ThS Lê Anh Tuấn PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

3 KS Phí Kim Phúc PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

4 ThS Trương Xuân Hùng PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

5 KS Chu Đình Đức PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

6 KS Phạm Vũ Dương PTN Tự động hóa,

ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

7 ThS Triệu Đức Long PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

8 ThS Phạm Trung Kiên Bộ môn Điều khiển tự động, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN

9 TS Đỗ Quốc Quang Viện Công nghệ, Bộ CN Hệ thống cột tháp (chương 2)

10 TS Nguyễn Đình Kiên Viện Cơ học Việt Nam Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang

11 ThS Đỗ Xuân Ngôi Học viện Kỹ thuật quân sự Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang

12 KS Trần Xuân Thành Viện Công nghệ, Bộ CN Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang

13 TS Bùi Đức Hùng Bộ môn Thiết bị điện, ĐHBK Hà Nội Mục 1.2.2 và 1.2.3

14 TS Phạm Anh Tuấn Viện Cơ học Việt Nam Mục 1.3.2

Ngoài danh sách những người thực hiện phần chuyên môn kể trên, Đề tài còn

có sự đóng góp công sức của nhiều thành viên PTN Tự động hóa như PGS TS Bùi Quốc Khánh (Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu - Triển khai công nghệ cao, ĐHBK Hà Nội), ThS Nguyễn Thúy Hồng (Thư ký Đề tài) và một số người khác

Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt

Các ký hiệu

Br, Bs Ma trận vào phía Rotor, Stator

C Ah , C Ph Dung lượng dòng, dung lượng công suất của ắc-quy

F Wt , F Wc Sức cản của gió do Turbine, do cột gây nên

Hs, Hr Ma trận đầu vào phía Stator, phía Rotor

ir , i rd , i rq Vector dòng Rotor, hai thành phần trục d, q

is , i sd , i sq Vector dòng Stator, hai thành phần trục d, q

K, V Ma trận phản hồi trạng thái, ma trận lọc đầu vào

(ma trận tiền xử lý)

L s , L r , L m , Lσr , Lσs Điện cảm Stator, Rotor, hỗ cảm giữa 2 cuộn dây,

điện cảm tản phía Rotor và Stator

L sd , L sq Điện cảm dọc trục, ngang trục

m G , m M Mômen của máy phát, của động cơ

n Tốc độ quay, hay hệ số bằng phẳng của địa hình

T+, T-, T pulse Thời gian thực hiện u+, u-, chu kỳ băm xung

T r , T s Hằng số thời gian phía Rotor, Stator

T sd , T sq Hằng số thời gian phía Stator đo dọc, ngang trục

u+, u-, uT, uTα Hai vector điện áp chuẩn, vector quay tròn, vector

điện áp đặt lên đầu vào biến thế

l

su sv sw

U DC Điện áp mạch một chiều (DC) trung gian

ur , u rd , u rq Vector điện áp Rotor, hai thành phần trục d, q

us , u sd , u sq Vector điện áp Stator, hai thành phần trục d, q

v, v z Vận tốc gió, vận tốc gió ở độ cao z

y Vector biến ra của khâu điều chỉnh dòng

ψs, ψr Vector từ thông Stator, vector từ thông Rotor

ψ sq , ψ sq Hai thành phần của vector từ thông Stator ψs

ω r , ω s , ω Vận tốc góc mạch điện phía Rotor, Stator, vận tốc

góc cơ học của Rotor

DFIG Doubly-Fed Induction Generator

DSP Digital Signal Processor, vi xử lý tín hiệu

NDCCM Normalized DC Current Method

NL, NLMP, NLPL Nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu

phía lưới NSOTD Normalized direct current method for Short of

Open Transitor Detection PĐCSG, PĐCSG-ĐL Phát điện chạy sức gió, phát điện chạy sức gió độc

lập

PLECS Chương trình mô phỏng mạch điện tử công suất PWM Pulse Width Modulation, điều chế bề rộng xung S7-200 PLC loại Simatic S7-200 của Siemens

SAP2000 Phần mềm SAP2000

SCIG Squirel-Cage Induction Generator

SG Synchronous Generator, máy phát đồng bộ

SSOTD Simple direct current method for Short of Open

Transitor Detection

T4R Tựa theo từ thông Rotor

tự chế tạo sau này tại Việt Nam Xác định các kích thước cơ bản Tính toán mạch từ

Tổn hao ở chế độ làm việc định mức Các đặc tính làm việc của máy phát điện Tính toán độ tăng nhiệt

Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết các số liệu thiết kế Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục

vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam Xác định các kích thước chủ yếu Tính toán mạch từ

Các tham số của máy ở tần số 50Hz Tổn hao và hiệu suất của máy ở chế độ động cơ điện Động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát

Tính toán độ tăng nhiệt Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết các số liệu thiết kế Turbine gió (Wind Turbine) Turbine gió đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN

Mô tả Turbine Vận hành Turbine Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo tại Việt Nam

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Turbine gió

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển góc cánh gió

Tài liệu tham khảo của chương 1

1123

36101217181920

20262730344042434444464749

506267

Tải trọng gió do sức cản của cánh quạt Turbine F wt

Tải trọng gió do cản của cột chính F wc

Tải trọng của Turbine Phân tích, tính toán kết cấu theo lý thuyết của Timoshenco

Phân tích, tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000

Lựa chọn phần tử Phân tích 3D Kiểm tra ổn định của cột phụ khi lắp dựng

Độ bền kết cấu cụm quay tại chân cột Thiết kế kết cấu cột tháp

Mô tả thiết kế

Mô tả hoạt động của hệ thống Các bản vẽ thiết kế chi tiết Kết luận

Tài liệu tham khảo của chương 2

696970707172727376

76787880828287919292

Tổng quan về hệ thống Cấp điều khiển hiện trường Cấp điều khiển hệ thống Hardware điều khiển hiện trường sử dụng TMS 320F2812 (sản phẩm số 8)

Khái quát về vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812 Thiết kế Hardware của đề tài KC.06.20CN Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200 Khái quát về bài toán điều khiển và truyền thông trong

hệ thống Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200 Truyền thông giữa PC (ở xa), PLC S7-200 và DSP F2812 Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản phẩm số 9)

Khái quát về thiết bị nghịch lưu

9494

9496100101

101114129129

131147148148

5 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 187

Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ

Mô hình toán và các biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ

Mô hình toán của máy phát KĐB-RDQ

Mô hình trạng thái gián đoạn của máy phát KĐB-RDQ Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P và vô công Q

Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát

Mô hình dòng Rotor Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều chỉnh dòng 2 chiều

Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát Khái quát về phương pháp tuyến tính hóa chính xác (TTHCX, Exact Linearization)

Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo phương pháp TTHCX

Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo phương pháp cuốn chiếu (Backstepping)

Cấu trúc điều khiển phía lưới

Mô hình toán mạch điện phía lưới Cấu trúc điều khiển

Kết luận về cấu trúc ĐK phía lưới Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc

Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS

187189

189190190193194

197197197

198199

200200202

203203204206206206

Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát

Mô hình trạng thái gián đoạn Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều khiển dòng 2 chiều

Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát Đặc điểm phi tuyến của mô hình

Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác (Exact

Linearization) Tài liệu tham khảo của chương 5

208208210

212213213

ở chế độ hòa lưới

Mô hình toán của máy phát ĐB-KTVC

Mô hình trạng thái liên tục

Mô hình trạng thái gián đoạn Cấu trúc điều khiển tuyến tính Cấu trúc điều khiển phi tuyến Tài liệu tham khảo của chương 6

217218220

220221222223224225

Đáp ứng dòng điện khi ngắn mạch một van IGBT Xác định vị trí van IGBT bị lỗi

Phương pháp ASVS Phương pháp NDCCM Phương pháp chẩn đoán lỗi hở mạch điều khiển, ngắn mạch van IGBT được đề xuất

Chẩn đoán lỗi phía chỉnh lưu Lỗi ngắn mạch diode chỉnh lưu Lỗi hở mạch diode chỉnh lưu Lỗi mất một pha của máy phát hoặc hở mạch hai diode cùng pha

Mô phỏng kiểm chứng thuật toán

Mô phỏng lỗi phía nghịch lưu

228228

231233233234235

237237240241242242

Module phần mềm trên PLC S7-200 Giao thức truyền thông giữa PLC và DSP Các lưu đồ thuật toán

Module phần mềm trên máy tính Chế độ giám sát thực trạng vận hành Chế độ nạp firmware

Tài liệu tham khảo của chương 7

242246249249250251251253

254254255262262265267

8 Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo 269

Ý tưởng của phương pháp

Sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển

Sử dụng bộ điều khiển PI mờ Cấu trúc hệ thống điều chỉnh hệ số công suất

Mô phỏng kiểm chứng Cấu trúc Simulink và PLECS Kết quả mô phỏng

Tài liệu tham khảo của chương 8

269270270272273275275276279286

9 Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ 287

Các báo cáo hội nghị, hội thảo hay tạp chí trong và ngoài nước

Trong nước Ngoài nước

287287288288288

288289

10.1

• Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công

suất 10-30kW“ Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của

thuyết minh đề tài Chương này chiếm 67 trang, giới thiệu các vấn đề xung quanh hai mảng chính:

+ Giới thiệu thiết bị đang sử dụng: Máy phát và Turbine nhập ngoại vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng trước mắt của Đề tài, vừa giữ vai trò mẫu để học tập trong quá trình thiết kế mới

+ Giới thiệu các thiết kế, chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát và Turbine trong nước Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không đồng bộ Rotor lồng sóc, đồng bộ kích thích vĩnh cửu) đã được thực hiện một cách rất nghiêm túc và chi tiết Nội dung thiết kế lại và mô phỏng kiểm chứng Turbine đã được TS Phạm Anh Tuấn thực hiện với nhiều khiếm khuyết Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN đã phải hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer (Phó GĐ Trung tâm, PGS TS Bùi Chương) thực hiện bổ sung phần thiết kế - chế tạo khuôn mẫu cánh Turbine (bằng vật liệu Polymer) phục vụ chế tạo mới sau này

• Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“ Giới thiệu về

sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài Chương này chiếm 24 trang Sản phẩm này là một bộ phận quan trọng trong tổng thể hệ thống phát điện chạy sức gió 20kW của đề tài KC.06.20CN Sản phẩm hoàn toàn được tự lực thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam Đề tài KC.06.20CN đã hợp tác với nhóm chuyên gia do TS Đỗ Quốc Quang (Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp) đứng đầu để hoàn thành phần nhiệm

vụ này Kết quả thu được là một hệ thống cột tháp đáp ứng tốt công năng yêu cầu, đồng thời cho phép lắp ráp - nâng hạ một cách dễ dàng và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Chương này giới thiệu các nội dung:

+ Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng

+ Thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp

• Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“ Giới thiệu về sản

phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài Chương này chiếm 75 trang và là chương phong phú nhất của toàn bộ báo cáo Trạm điều khiển mặt đất bao gồm:

+ không chỉ hạng mục xây dựng như trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho các thiết bị và là nơi làm việc của nhân viên vận hành Trạm còn giới thiệu chi tiết về

+ các thiết bị điều khiển chứa trong tủ như: điều khiển hiện trường (dùng TMS320F2812), điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200), nghịch lưu xoay chiều 3 pha

• Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“ Giới thiệu về sản phẩm có

số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài Trong chương này, sản

phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3

trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu Chưong này gồm 18 trang chứa hai nội dung:

+ Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy

+ Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy

• Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“ Giới

thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài Chương này chiếm 30 trang với các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho:

+ Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG) Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía Rotor được nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất

+ Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage Induction Generator: SCIG) Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất

• Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh

cửu“ Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết

minh đề tài Chương này có 9 trang giới thiệu các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC, Permanentmagnet Excited Synchronous Generator: PMSG)

• Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống

thiết bị điều khiển“ Chương này chiếm 42 trang, giới thiệu về một nội

dung mới xuất hiện trong quá trình thực hiện đề tài và là sản phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đăng ký Ngoài chức năng thực hiện các thuật toán điều khiển, để phục vụ mục đích chẩn đoán tình trạng vận hành của hệ thống, DSP TMS320F2812 liên tục thu thập và lưu trữ các dữ liệu đo đạc của toàn bộ hệ thống Khi có nhu cầu phân tích và giám sát tình trạng vận hành, các dữ liệu này sẽ được PLC S7-200 chuyển

tới PC qua môi trường truyền thông là đường điện thoại Khả năng này cho phép ta kiểm tra thực trạng vận hành thiết bị từ xa, một ưu thế đặc biệt lợi hại khi lắp đặt thiết bị tại các vùng sâu, vùng xa

• Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“ Giới thiệu về sản

phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài Chương này gồm

18 trang giới thiệu phương pháp điều khiển bù hệ số công suất cosϕ cho

lưới phụ tải thông qua thay đổi tần số cung cấp trong phạm vi cho phép,

từ đó thiết kế bộ điều khiển Mục tiêu của nhiệm vụ này là góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải, giảm tổn thất biến đổi năng lượng, giảm điện áp rơi trên mạng phân phối

• Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“ Giới thiệu về sản

phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài Qua đây ta thấy rõ đóng góp của Đề tài KC.06.20CN trong công tác đào tạo chuyên gia: 9 Kỹ sư, 3 Thạc sĩ và 1 Tiến sĩ (sẽ bảo vệ trong năm 2007) Ngoài ra, với các nội dung khoa học của mình, Đề tài còn thực hiện 9 bài viết cho tạp chí và hội nghị khoa học trong nước, 3 bài viết cho tạp chí, hội nghị khoa học và Workshop tại nước ngoài

Ngoài ra, báo cáo còn có phần phụ lục được tổ chức thành 3 quyển:

• Phụ lục 1: Bao gồm các loại bản vẽ thuộc hạng mục sản phẩm „Sơ đồ“ có

số thứ tự 2 trong mục 16 của „Thuyết minh đề tài“ Đó là các sơ đồ tủ

điện chính, sơ đồ Hardware (mạch và Layouts), sơ đồ phần điện tử công suất Các bản vẽ cơ khí (hệ thống cột tháp) và xây dựng (hệ thống móng và nhà điều khiển) cũng được tập hợp trong phụ lục này Quyển phụ lục 1

giữ vai trò „Thuyết minh kỹ thuật“ cụ thể, hỗ trợ cho các thuyết minh

khoa học trong báo cáo chính

• Phụ lục 2: Gồm có hai nội dung „Hướng dẫn sử dụng“ sau:

+ Hướng dẫn nâng hạ hệ thống cột tháp

+ Hướng dẫn vận hành tủ điện điều khiển

• Phụ lục 3: Bao gồm các loại mã nguồn (Listings of Source Codes) của chương trình:

+ chạy trên PLC Simatic S7-200,

+ chạy trên DSP TMS320F2812 và

+ trên PC (truyền thông và chẩn đoán lỗi)

Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Lời nói đầu

Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN:

„Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“

Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo bao gồm các phần sau:

• Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công

suất 10-30kW“ Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của

thuyết minh đề tài

• Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“ Giới thiệu về

sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài

• Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“ Giới thiệu về sản

phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài

• Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“ Giới thiệu về sản phẩm có

số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài Trong chương này, sản

phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3

trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu

• Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“ Giới

thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài

• Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh

cửu“ Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết

minh đề tài

• Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống

thiết bị điều khiển“ Giới thiệu về sản phẩm phương pháp không có trong

thuyết minh đề tài

• Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“ Giới thiệu về sản

phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài

• Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“ Giới thiệu về sản

phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài

Các hạng mục sản phẩm dưới dạng „Sơ đồ“ có số thứ tự 2 trong mục 16

được tập hợp trong phụ lục của báo cáo

Với nội dung như trên, báo cáo giới thiệu một cách chi tiết và đầy đủ về các sản phẩm đã đăng ký (sản phẩm vật thể như máy móc - thiết bị, hay phi vật thể

như các phương pháp điều khiển), khối lượng tuy nhiều nhưng không sa đà vào liệt kê mà vẫn bảo đảm tính chất của một báo cáo khoa học

Đề tài KC.06.20CN được hoàn thành với sự hỗ trợ tích cực và có hiệu quả của Bộ Khoa học – Công nghệ, Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06, Ban Giám hiệu và các phòng ban liên quan của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Chủ nhiệm Đề tài xin chân thành cảm ơn các cơ quan nói trên

Xin cảm ơn Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp – đã tham gia Đề tài một cách rất có hiệu quả, góp phần sáng tạo nên hệ thống cột tháp không chỉ bền vững về kết cấu, đáp ứng tốt về công năng, mà còn hợp lý cả về kiểu dáng thẩm mỹ Trong quá trình thực hiện Đề tài KC.06.20CN đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn

về vật chất từ Công ty cổ phần Cung ứng Đầu tư và Xây lắp (tên viết tắt: SIC) như diện tích lắp đặt (≈ 4000m2), chi phí xây dựng (hệ thống móng cột, móng tời, móng giằng, nhà điều khiển), điều kiện ăn ở miễn phí cho đội ngũ Kỹ sư thi công, cùng với không khí cởi mở hợp tác giữa cán bộ nhân viên của hai đơn vị Xin chân thành cảm ơn Công ty SIC

Không thể hoàn thành được Đề tài nếu không có nỗ lực tối đa của nhóm thực hiện thuộc Phòng thí nghiệm Tự động hóa (trường ĐHBK Hà Nội): Các Kỹ sư của nhóm đã phát huy năng lực sáng tạo để đưa Đề tài tới đích, không quản thời gian, nắng mưa, phải xa nhà nhiều tháng khi thi công, khi khắc phục hậu quả thiên tai Một lời cảm ơn gửi tới nhóm sẽ là chưa đầy đủ: Chủ nhiệm Đề tài rất biết ơn về sự hợp tác đó

Cuối cùng, bản báo cáo đã được Chủ nhiệm Đề tài tự tay chấp bút, sử dụng các tài liệu của Đề tài, các đồ án và luận văn tốt nghiệp (nêu trong mục tài liệu tham khảo ở cuối mỗi chương) Tuy đã viết với sự cẩn trọng cao nhất, báo cáo vẫn khó tránh khỏi còn sai sót, người viết chân thành xin lỗi về các sơ suất đó

và cảm ơn về các đóng góp sửa sai

Các nội dung khoa học trong báo cáo là sở hữu trí tuệ của Đề tài KC.06.20CN, việc sao chép và sử dụng báo cáo cần phải được phép của Bộ Khoa học – Công nghệ và Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN

Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

Với mục tiêu nghiên cứu - thiết kế - chế tạo (NC-TK-CT) phục vụ nội địa hóa

cả hai thành phần trên, bản thuyết minh đăng ký đề tài ban đầu (cuối năm 2003) đã đưa ra một dự toán là 3,1 tỷ VNĐ Đây là một dự toán có cơ sở khảo sát kỹ lưỡng khả năng trong nước Ví dụ, báo giá của các đơn vị nhận gia công theo đơn đặt hàng (đầu năm 2004, khi đang thương thảo về kinh phí với Bộ KH&CN) là:

■ ≈800,00 triệu VNĐ / 1 cánh turbine Trong giá trên có bao gồm cả khuôn mẫu phục vụ chế tạo cánh do chúng ta mới chỉ chế tạo đơn chiếc

■ ≈80,00 triệu VNĐ / 1 máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu Đây là giá chế tạo máy phát mẫu, chưa phải là giá sản xuất hàng loạt

Tuy nhiên, Bộ KH&CN (sau 2 lần thay đổi) đã chỉ duyệt mức kinh phí là 2,2

tỷ VNĐ và đã đồng ý cho phép mua máy phát và turbine chế tạo sẵn của nước ngoài Điều này thể hiện rất rõ tại trang 19 của phiên bản chung kết của

„Thuyết minh Đề tài KC.06.20CN“, bộ phận của Hợp đồng NCKH & PTCN số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06

Vì lý do trên, đối với sản phẩm này kết quả sẽ ngừng lại ở các kết quả nghiên cứu - thiết kế (viết tắt: NC-TK), chưa có chế tạo thử Máy phát và turbine mua

về, một mặt được sử dụng trong hệ thống PĐCSG của đề tài, mặt khác, chúng cũng là vật mẫu hỗ trợ tích cực cho quá trình NC-TK phục vụ chế tạo sau này

1.2 Máy phát điện

Như đã đặt vấn đề ở trên, mục này giới thiệu khái quát các thông số của loại máy phát đang sử dụng trong hệ thống PĐCSG, là máy phát nhập về từ nước ngoài Một nội dung quan trọng khác là các kết quả NC-TK để phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

2

1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN

Máy phát hiện đang lắp trên tháp phát điện (được mua của Công ty WESTWIND Windturbines, Úc) là loại đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) với các tham số như sau:

Bảng 1.1 Tham số của máy phát đang sử dụng

Điện áp ra danh định (pha-pha) 220 V (AC 50 Hz)

Điện áp ra hở mạch khi quay ở

tốc độ danh định (pha-pha) 360 V (AC 50 Hz)

Dòng danh định 55 A (AC 50 Hz)

Tần số 0 – 50 Hz (thay đổi theo sức gió)

Điện trở Stator R s (pha, Stator

mắc hình sao) 0,41 Ω (nhiệt độ: 180

oC) 0,25 Ω (nhiệt độ: 20oC)

Điện cảm Stator L s (pha, Stator

mắc hình sao, L s = L sd = L sq) 6,8 mH (thu được qua phép đo điện áp hở mạch

và đo dòng ngắn mạch với tần số 50 Hz,

có thể lớn hơn khi vận hành) Kích từ 36 cực Nd-Fe-B (nam châm vĩnh cửu)

Số đôi cực 18 (36 cực với mỗi cuộn dây có 12 vòng) Tốc độ quay danh định 166,7 vòng / phút (ứng với f = 50 Hz)

Mômen quán tính toàn phần 412 kgm2 (trong đó 396 kgm2 thuộc về 3

cánh turbine) Mômen không tải

f = tần số công tác [Hz], t = thời gian [s]

Đây là đặc điểm cần phải được đặc biệt chú ý trong quá trình mô phỏng nghiên cứu và thiết kế cụ thể Thêm vào đó, do đặc điểm tần số máy phát (tốc

độ quay) biến thiên trong một dải khá rộng 0 – 50Hz, khiến cho điện kháng phức nội của máy phát cũng thay đổi phụ thuộc tỷ lệ thuận với tốc độ quay Nói

hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô

sản xuất lớn, điều chưa thể đặt ra trong khuôn khổ đề tài này Các tham số mục tiêu cần đạt của thiết kế chính là các tham số trong bảng 1

P

U I

6,1 10 '

p l

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1

272 1,4 1231,75

■ Tiết diện và đường kính dây quấn: Sơ bộ chọn mật độ dòng điện J =

4,8A/mm2 Từ đó ta tính đuợc tiết diện cần thiết:

thực của dây quấn là 6,63mm2

■ Từ thông khe hở không khí:

3 1

s z

z z z

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1

41 1

1,062

t k

t b b k

1.2 Máy phát điện 7

1 1 1

1 1 1 2

0,5.1,4 1,010,677.0,95

2 2 1,5 24,4 0,95

1 /( ) 3,14(55,45 1,5)

= + + + = (1.27)

■ Hệ số bão hòa toàn mạch:

1391 1,02281360

F k

p

= = (1.29)

Ta có:

1 1

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

220

L r

n a s I

,

' 1 2

1 41

U

δ δ

1.2 Máy phát điện 9

■ Điện kháng phần ứng:

2 0

p

A

π π

■ Lựa chọn nam châm vĩnh cửu: Loại nam châm N38, xem thông số theo bảng

của hãng NINBO (Trung Quốc, website: http://www.magnet-china.com)

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

10

Bảng 1.2 Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc)

kGs T kOe kA/m kOe kA/m MGOe kJ/m o C

■ Kích thước nam châm vĩnh cửu: Để tạo ra từ thông khe hở không khí theo yêu cầu của máy, kích thước tối thiểu của một miếng nam châm phải là:

+ Chiều dài: l nc =l δ =240mm

+ Bề rộng cung: τ nc ≈α δ *τ=0,96 * 420 40,4= mm

+ Bề dầy tính toán: b tt =18,175mm

Đây là giá trị tính toán nam châm theo phần mềm tính toán của hãng Ngoài

ra ta cần thêm hệ số dự trữ phòng sự lão hoá của nam châm theo thời gian trong quá trình vận hành

■ Tổn hao sắt trong lõi sắt Stator:

+ Tổn hao trong răng:

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1.2.2.4 Các đặc tính làm việc của máy phát điện

d) Quan hệ giữa sức điện động không tải (điện áp) với tốc độ máy phát ở từ thông

1 1 2

3

0,158

100 100

2160,158

δ

λ λ

+ Điện trở của dây quấn phần ứng: r = u 0,44Ω

+ Dòng điện tải: Giả sử dòng điện tải dược giữ ở định mức khi tốc độ thay đổi 31,75⇒ =I A

■ Quan hệ giữa điện áp và tốc độ (khi từ thông và dòng ở giá trị định mức):

e) Đặc tính của máy phát tại một số tốc độ quay khác nhau

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

1.2 Máy phát điện 17

f) Đặc tính hiệu suất và mômen của máy phát ở tốc độ quay định mức 166,7 vg/ph

Bảng 1.4 Đặc tính hiệu suất và mômen tại 166,7 vg/ph

1.2.2.5 Tính toán độ tăng nhiệt

Phần này sẽ phục vụ tính toán kiểm tra lại khi thiết kế kết cấu hoàn thiện trên bản vẽ

g) Độ tăng nhiệt của cuộn dây Stator

■ Độ tăng nhiệt ở phần cách điện Stator:

0

242,27 4,786 1,4 0,04 22

4020 0,01 7,287

s s s is s

i

C θ

δ θ

m W I A

D I

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

18

+ Với dây quấn chọn cách điện cấp B:

4020cm mm/ ; i 0,01 /W grad cm θ

■ Độ tăng nhiệt phần đầu nối cuộn dây Stator với nhiệt độ môi trường:

0 3

3 10 1 0,1

600014,26 10

s s

D n V

λ

θ υ

υ

γ

π α

π α

0,336 23,514,26 10

s v

A J q

Dl θ

1.2.2.6 Chỉ tiêu tiêu hao vật tư

■ Khối lượng tôn Silic:

+ Khối lượng tinh:

108 192,19 10 0,95 7,82 2,44

1.2 Máy phát điện 19

( 0,05)2 1,07 450

G = D + l K δ γ = kg (1.70) Trong đó:

■ Khối lượng dây đồng:

+ Chiều dài dây đồng:

3 1,1 3 134,5 1,1 444

L = L = ⋅ ⋅ = m (1.71) + Khối lượng dây đồng:

4

Cu d Cu

G =L S γ = ⋅ ⋅ − ⋅ = kg (1.72)

■ Khối lượng nam châm:

+ Kích thước nam châm quy đổi: a × b × l = 45,8 x 21,5 x 240 mm

+ Khối lượng của 1 cực nam châm:

0,458 0,215 2,4 5 1,18

G =a bl γ = ⋅ ⋅ ⋅ = kg (1.73) + Tổng khối lượng nam châm:

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

20

+ Số pha: 3

+ Kiểu đấu dây: ∆

■ Tổng kết các số liệu thiết kế:

Bảng 1.5 Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 20kW

11 Tốc độ quay vg/ph 0–166,7

13 Khối lượng tôn silic kg 105,7

14 Khối lượng dây đồng kg 26

15 Khối lượng nam châm kg 42,5

1.2.3 Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam

Để có thể sử dụng, thay thế tương thích trong các hệ thống PĐCSG của Đề tài KC.06.20CN, máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc (viết tắt: KĐB-RLS) được thiết kế với các tham số điện chính giống như máy phát được mua về Đó là: 20kW – 36 cực – 220V

Các số liệu thiết kế sẽ được kết hợp cùng với phương pháp điều khiển máy phát – có nghĩa là: với thiết bị điều khiển (Hardware, Software, điện tử công suất, hệ thống lưu điện) – là những yếu tố quyết định giá thành của hệ (so sánh với trường hợp máy phát ĐB-KTVC)

1.2.3.1 Xác định các kích thước chủ yếu

Việc tính toán máy phát điện KĐB-RLS sẽ được quy đổi về việc tính toán động cơ không đồng bộ với công suất quy đổi Do đây là loại máy đặc biệt với số cực lớn và số vòng quay thấp nên nhiều hệ số tính toán phải chọn theo kinh nghiệm sau đó sẽ kiểm chứng lại qua kết quả cuối cùng:

1.2 Máy phát điện 21

Bảng 1.6 Các số liệu dự kiến của máy phát KĐB-RLS 20kW

Thông số Phần máy phát dự kiến Phần động cơ dự kiến

■ Chọn bước răng Stator: t = 1,4cm

■ Bước cực và đường kính ngoài Stator:

6,1 10 '

P l

i) Dây quấn rãnh Stator và khe hở không khí

■ Số rãnh Stator: Máy 3 pha (m = 3), để số rãnh không quá nhiều, chọn số rãnh của một pha dưới 1 cực q = 1 Từ đó có số rãnh Stator:

Z = m p q = ⋅ ⋅ ⋅ = (1.80)

■ Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh: Chọn số mạch nhánh song song a=1

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW

22

1 1

1

272 1,4 1231,75

■ Tiết diện và đường kính dây: Sơ bộ chọn mật độ dòng điện J = 4,5A / mm2

Æ Tiết diện dây quấn sẽ là:

tiện cho việc quấn và lồng dây Tiết diện thực của dây quấn là 7,153mm2 Mật

5,6108

6,78

6,76 6,78 6,77

s z

s z

Z mm

■ Chọn chiều cao gông Stator: h g1=30mm

■ Từ đó có đường kính trong của lõi thép Stator:

Với đường kính này, lõi thép sẽ được ghép lên bạc thép hoặc gang trước khi

ép lên trục hoặc hàn gân trực tiếp trên trục để xếp ép các lá tôn Stator Các phương án ghép tùy chọn cho phù hợp với công nghệ chế tạo

trục; b) Ghép trên bạc trước khi ép trục