Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp xảy ra đồng thời khi phụ tải của hệ thống tăng lên hay giảm xuống, tất cả các nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số : 605260 Người thực hiện : NGUYỄN TÂM PHƯƠNG Cán bộ HD khoa học : PGS.TS VÕ QUANG LẠP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Học viên : Nguyễn Tâm Phương Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH : PGS.TS Võ Quang Lạp

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Võ Quang Lạp

HỌC VIÊN

Nguyễn Tâm Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là , Nguyễn Tâm Phương học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá

2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo

và đặc biệt là thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi,

tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học thạc sĩ

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu nâng cao chất

lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền"

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt

kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu

có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Nguyễn Tâm Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

1

I.1.1 Tần số trong chất lượng điện 2 I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số 7 I.1.3 Phân loại các loại điều tốc 8 I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ

I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại 9 I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh 9 I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có

I.2.1 Phần điều khiển 15

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực 22

I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực 24

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van 25

CHƯƠNG II

PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU

TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

31

II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha 32

II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vec

II.2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ véc

tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên Stato (,) 34

II.2.3 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ

hệ tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên Stator (,) 37

II.2.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ

hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọa độ cố định trên Rotor (d,q) 39

II.2.5 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ 43

II.2.6 Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông

II.3 Hệ thống Thyristor – động cơ 48

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh 50

II.3.2 Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 52

II.3.3 Hạn chế quá điều khiển tốc độ quay bằng 56

II.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ nhiều mạch vòng kín có mạch vòng

trong cài đặt suất biến đổi dòng điện 61

TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 67 III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 67 III.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn THYRISTOR 72 III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 74 III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 74 III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 75 III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID 82 III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện

III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

90

IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 90

IV.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển 92 IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 93 IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động 93

IV.3.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 99 IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD 101 IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD 109

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình I.1 Sơ đồ khối của một máy phát nối lưới độc lập 2

Hình I.2 Đặc tính tần số của lưới và máy phát 3

Hình I.3 Sơ đồ khối của bộ điều tốc 3

Hình I.4 Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí

Hình I.5 Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát 6

Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13

Hình I.7 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí 14

Hình I.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền 16

Hình I.9 Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc 17

Hình I.10 Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc 19

Hình I.11 Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền 20

Hình I.12 Sơ đồ nguyên lý đo lường tần số 22

Hình I.13 Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc 23

Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực 24

Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hướng 25

Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass 25

Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31

Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 32

Hình II.3 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên

Hình II.4 Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên

Hình II.5 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định

stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 37

Hình II.6 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định

stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 39 Hình II.7 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 44 Hình II.8 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 45 Hình II.9 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor

a Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu

b Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá

59

Hình II.19

Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có

cài đặt suất biến đổi dòng điện

ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện

CD – khâu vi phân dòng điện

63

Hình II.20 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 63

Hình II.21 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi

Hình III.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 66

Hình III.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 67

Hình III.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 69

Hình III.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 69

Hình III.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70

Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 71

Hình III.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

a Theo tốc độ, b Theo dòng điện 71

Hình III.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ

Hình III.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor

a khi chuẩn xác, b khi gần đúng 74

Hình III.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 75

Hình III.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 76

Hình III.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 77

Hình III.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 79

Hình III.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 81

Hình III.15 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 85

Hình III.16 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 0 A 87

Hình III.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau 89

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4,3 A Hình IV.1 Quan hệ giữa  và  91 Hình IV.2 Hệ điều khiển mờ theo luật I 94 Hình IV.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 94 Hình IV.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 95 Hình IV.5 Hệ điều khiển mờ PID 96 Hình IV.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 98 Hình IV.7 Mô hình bộ điều khiển mờ bù 98 Hình IV.8 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều

Hình IV.9 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 101 Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 103 Hình IV.11 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai

Hình IV.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 0 A

110

Hình IV.19 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4.3 A

112

MỞ ĐẦU

Hiện nay, tần số trong hệ thống điện là một trong những chỉ tiêu để đánh giá

chất lượng điện năng Do vậy để giữ tần số ổn định khi phụ tải thay đổi ở các nhà

máy thủy điện người ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh đó là hệ thống điều tốc

Ngày nay khi công nghệ tự động hóa trong việc điều chỉnh tần số hệ thống

điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định

tần số là hết sức cấp thiết Ngoài việc thành công trong nghiên cứu còn mang tính

ứng dụng thực tiễn cho Nhà máy thủy điện Bình Điền, góp phần vào ổn định tần số

của hệ thống điện khi phụ tải dao động

Việc “Nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số

máy phát Thủy điện Bình Điền” còn có một ý nghĩa rất lớn trong ngành tự động

hóa Đó chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi

Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU

TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ

THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN

ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

CHƯƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT

LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã

hướng dẫn tận tình , chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời

cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn

thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Tâm Phương

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

I.1 Tổng quan về điều tốc

Tấn số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng Tốc

độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ

thuộc và tần số của dòng điện xoay chiều Khi tần số giảm thì năng suất của chúng

cũng bị giảm thấp Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức do vậy

tần số phải luôn được giữ ở định mức Đối với hệ thống điện Việt Nam trị số định

mức của tần số được quy định là 50 Hz Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là

±0,1 Hz

Việc sản xuất và tiêu thụ công suất tác dụng xảy ra đồng thời Vì vậy trong

chế độ làm việc bình thường, công suất phát PF do máy phát của các nhà máy điện

phát ra phải bằng tổng công suất do các phụ tải tiêu thụ Ptt và công suất tổn thất Pth

trên đường dây truyền tải và các phần tử khác của mạng điện, nghĩa là tuân theo

điều kiện cân bằng công suất tác dụng:

PF = Ptt + Pth = PPT

Trong đó:

PPT: Phụ tải tổng của các máy phát

PF : Công suất phát Khi có sự cân bằng công suất thì tần số được giữ không đổi Nhưng vào mỗi

thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ được nối vào và tải của chúng, phụ tải của

hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy sự cân bằng công suất và làm tần số

luôn biến động Để duy trì tần số định mức trong hệ thống điện yêu cầu phải thay

đổi công suất tác dụng một cách tương ứng và kịp thời

Như vậy vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chắt chẽ với điều chỉnh và phân

phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện Tần số

được điểu chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi hoặc nước vào Turbine Khi thay đổi

lượng hơi hoặc nước vào Turbine, công suất tác dụng của máy phát cũng thay đổi

I.1.1 Tần số trong chất lượng điện

Điều tốc là một trong những khâu quan trọng của nhà máy điện Điều tốc chính là quá trình điều chỉnh tốc độ quay của Turbine bằng cách thay đổi lưu lượng nước vào bánh xe công tác Mục đích của điều tốc là đảm bảo sự cân bằng giữa công suất phát của tổ máy và công suất tiêu thụ (phụ tải) Quá trình điều tốc giữ cho tần số không đổi hoặc độ lệch của tần số trong phạm vi cho phép nhờ vậy mà hệ thống luôn làm việc ổn định

* Một máy phát điện có hai chế độ làm việc cơ bản là:

- Trường hợp 1: Máy phát làm việc trong lưới độc lập tức là lưới chỉ do

công suất của tổ máy này cung cấp

- Trường hợp 2: Máy phát làm việc trong hệ thống, trong trường hợp này

công suất của hệ thống do nhiều máy cung cấp và lớn hơn nhiều công suất của tổ máy đang xét

* Trong trường hợp 1: Bộ điều tốc duy trì tần số có giá trị định mức

* Trong trường hợp 2: Bộ điều tốc phải đảm bảo được điều chỉnh sơ cấp

khi tần số lưới lệch khỏi giá trị định mức, còn điều khiển thứ cấp được điều khiển từ

xa theo lệnh của trung tâm điều độ Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp xảy ra đồng thời khi phụ tải của hệ thống tăng lên hay giảm xuống, tất cả các nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất phát của mình để phù hợp với phụ tải Sau đó các nhà máy điều tần sẽ điều chỉnh công suất phát để đảm bảo phần phụ tải thay đổi Các nhà máy còn lại giữ nguyên công suất ban đầu để hệ thống duy trì ở tần số định mức

a Tổ máy nối vào lưới độc lập

Hình I.1: Sơ đồ khối của một máy phát nối lưới độc lập

Trong đó: Z1, Z2 là phụ tải của máy phát

Yêu cầu trong lưới là: Khi đóng thêm phụ tải Z2 (hoặc cắt Z2) tần số vẫn ở

giá trị định mức Đặc tính của lưới, máy phát lúc này có dạng như sau:

Hình I.2: Đặc tính tần số của lưới và máy phát

Trong đó:

- (1) : Đặc tính của phụ tải Z1

- (2) : Đặc tính phụ tải Z1 và Z2

- (3) : Đặc tính tần số của Turbine - Máy phát

Như vậy ta thấy khi làm việc trong lưới độc lập, đặc tính tần số của Turbine -

Máy phát phải có dạng như đường số (3)

Để có được đặc tính như trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc như sau:

Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc

* Đặc điểm của bộ điều tốc trong trường hợp này là:

- PPT = 0 f > fo

- 0 < PPT < PMAX f = fo

- PPT = PMAX f < fo Với bộ điều tốc như trên, tần số lưới luôn giữ giá trị định mức Tuy nhiên, nếu tổng công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy phát thì lúc này bộ điều tốc không còn khả năng điều chỉnh được nữa lúc này buộc phải dừng máy

b Tổ máy nối vào hệ thống:

Nếu công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy thì để đảm bảo cân bằng công suất của lưới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lưới Giả sử cấu trúc của tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy đầu tiên ( như đã xét ở trên) Khi hệ thống máy phát đã cân bằng công suất của lưới ta có:

- f = fo

Trong đó:

P1, P2 là công suất phát của tổ máy 1 và 2

PR là tổng công suất phụ tải

Từ phương trình (1.1) ta thấy rằng có vô số giá trị P1, P2 có thể nhận được để thỏa mãn phương trình (1.1) Điều này cũng có nghĩa là, ta không chủ động đặt được công suất phát cho mỗi tổ máy

Để giải quyết vấn đề này, người ta thiết kế bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng theo sơ đồ:

Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng

- f(x): hàm tuyến tính (biến đổi giá trị công suất đặt sang vị trí secvo

Để thuận tiện cho sử dụng phản hồi công suất:

Khi hệ thống ổn định  = 0 hay f = fo + ep.Po – ep.P (1.3)

Hình I.5: Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát

Đặc tính biểu diễn những điểm làm việc của máy phát ứng với các giá trị khác nhau của tần số f Khi thay đổi công suất đặt từ P01P02, đặc tính sẽ chuyển từ đường số (1) sang đường số (2) Như vậy, với loại Turbine như trên hệ thống vẫn ổn định khi f ≠ fo Từ (1.3) ta thấy khi f = fo thì P = Po

Vậy đặc điểm của bộ điều tốc trong trường hợp này là:

- P = 0: f > fo

- P = Po: f = fo

- P = Pmax: f < fo

- 0 < P < Pmax f2 < f < f1Trong đó:

I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số

Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của Rotor - Máy phát

là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải

Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều:

60

p n

f 

Trong đó:

- f: là tần số máy phát xoay chiều (Hz)

- n: tốc độ quay của Rotor máy phát (v/ph)

- p: Số đôi cực của máy phát

Ta thấy vì số đôi cực của máy phát là không đổi nên muốn đảm bảo tần số

không đổi (thay đổi trong phạm vi cho phép) thì ta phải ổn định tốc độ quay của

Rotor

Rotor của máy phát được nối vào trục Turbine, dưới tác dụng của năng lượng

dòng nước làm Turbine quay và Rotor quay theo Lúc này phương trình động lực

được xác định trên trục Turbine - Máy phát là:

dt

d J M

- Mđ: Mômen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay

- Mc: Mômen cản trên trục Turbine - Máy phát gồm:

+ Mômen cản do ma sát + Mômen điện từ: mômen này do dòng điện chạy trong phần ứng của máy phát và nó thay đổi khi phụ tải thay đổi

+ J: là mômen quán tính quy đổi về trục Turbine + : là tốc độ góc của Rotor - máy phát được xác định:

Từ phương trình trên ta thấy số vòng quay không đổi khi 0

dt

d

nghĩa là

mômen động lực bằng mômen cản hay công suất Turbine bằng công suất của phụ

tải máy phát, do công suất của phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số

không thay đổi ta phải điều chỉnh công suất của Turbine cho phù hợp, công suất của Turbine do dòng nước cung cấp được xác định

NTB = 9,81..Q.H (1.4) Trong đó:

- : Hiệu suất sử dụng cột nước của Turbine

- Q: Lưu lượng dòng nước (m3/s)

- H: Chiều cao cột nước (m)

- NTB: Công suất Turbine (KW)

Từ công thức (1.4) ta có thể thay đổi thông số , Q, H để điều chỉnh công suất của Turbine Việc thay đổi thông số Q là tiện lợi nhất:

Lưu lượng Q của dòng nước qua tiết diện S được tính như sau:

Q = V.S (m3/s) Trong đó:

- V: là vận tốc dòng chảy qua tiết diện S(m/s)

- S: là tiết diện mặt cắt ngang dòng nước (m2) Mặt khác ta có:

H g

Như vậy: Điều tốc cho Turbine thủy lực là điều chỉnh lưu lượng nước vào

Turbine để giữ cho tốc độ quay Rotor máy phát không đổi khi tốc độ thay đổi Nói cách khác là giữ cho tần số máy phát không đổi khi tần số lưới thay đổi

I.1.3 Phân loại các loại điều tốc I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh có thể phân loại:

- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp

- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

Nếu khớp trượt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối

tượng thì bộ điều tốc loại này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp Còn bộ điều tốc

được trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trượt của bộ điều chỉnh và cơ

cấu điều chỉnh của đối tượng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại:

- Bộ điều tốc một chế độ

- Bộ điều tốc hai chế độ

- Bộ điều tốc nhiều chế độ

- Bộ điều tốc giới hạn

I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh

Trên thực tế có thể các bộ điều tốc được chế tạo dựa trên ứng dụng các tín

hiệu công tác khác nhau: chẳng hạn bộ điều tốc đó có thể sử dụng tín hiệu thủy lực,

cơ học hoặc điện để truyền các thông tin Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu công tác

khác nhau có thể phân loại:

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp

I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể phân

n n

n 





I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc

Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do tác động của con người, không phụ thuộc vào tải Đặc tính của bộ điều tốc được đặc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau:

Độ sai lệch

Độ sai lệch  trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh giữa vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:

Trong đó:

- nkt: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph

- nH: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph

-

2

H kt tb n n

 vòng quay trung bình, v/ph

 là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trưng cho khả năng duy trì vòng quay ban đầu,  càng nhỏ chất lượng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian điều chỉnh tăng lên Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành ( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính isodrom) Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc có độ dốc ( > 0) gọi là đặc tính tĩnh

Độ rộng vùng không nhạy

Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch chuyển các có cấu bộ điều tốc Thực tế do ảnh hưởng 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 không có phản ứng gì Giới hạn thay đổi vận tốc góc tương ứng vùng không có phản ứng gọi là khi vực không nhạy Chiều rộng khu vực không nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc kn:

cb cb cb

cb cb cb





Trong đó, ’cb, ’’cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không

nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ

Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ Trong điều kiện làm

việc độc lập, độ không nhạy ảnh hưởng không nhiều tới chất lượng làm việc của

động cơ Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không 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 được 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 dưỡng Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn

mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhạy không hoàn toàn 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 vòng quay lớn nhất

(vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:

H dd

H dd n n

Giá trị độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất  phụ thuộc vào chất lượng

bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

Độ không ổn định vòng quay tương đối

Độ không ổn định vòng quay tương đối  là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi

động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối (định

s: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định

H,kt: 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 lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc I.1.5.1 Điều tốc cơ khí

Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều chỉnh Phần dẫn động được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển như bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tông điều khiển và van phân phối Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hướng bằng cách điều chỉnh lượng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hướng của tua bin theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh Phần điều chỉnh được cấu tạo bởi các

bộ phận điện và điện tử như các bản mạch và hệ thống dây nối Phần điều chỉnh nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hướng , dựa vào các tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đưa tới phần dẫn động

Hình I.6 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối tượng chấp hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc Có hai loại phản hồi, phản hồi cứng và phản hồi mềm Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá trình vận hành ổn định trước khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song

Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống

Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí Khi tốc

độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống Khi servomotor đóng lại, điểm tựa phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, đòn nối chuyển động từ vị trí

được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị trí được vẽ bằng nét đứt Tốc độ quay sau

đó giảm xuống và đòn nối trở lại vị trí được vẽ bằng nét liền

Hình I.6: Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

Hình I.7: Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí

I.1.5.2 Điều tốc điện

Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua mạch cộng hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau

đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ

I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền

Hệ thông điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền được chia làm hai phần

rõ rệt là phần động lực và phần điều khiển

I.2.1 Phần điều khiển

Bộ điều tốc Turbine nhà máy thủy điện Bình Điền là loại SAFR-2000H

SAFR-2000H là bộ điều tốc kiểu số và được thực hiện nhờ bộ điều khiển PCC

(Programmable control computer) và được lập trình bằng ngôn ngữ C#

Bộ điều tốc bao gồm các nguồn, mạch tương tự để đo lường tần số, đo lường

vị trí cánh hướng, tín hiệu điều khiển và các mạch giao diện với hệ thống điều khiển

trung tâm

Tín hiệu điều khiển từ người vận hành được truyền song song qua các card

I/O hay nối tiếp qua RS23, CAN hay qua đường truyền RS485

a Cấu trúc bên trong tủ điều tốc

- Bộ điều khiển PCC bao gồm:

+ Module xử lý CP476: CPU, bộ nhớ; chạy chương trình điều khiển

+ Module nguồn: Cấp nguồn 24VDC cho PCC

+ Module truyền thông IF321: Giao tiếp giữa PCC của điều tốc với PLC của

tổ máy qua bus truyền dữ liệu CAN

+ Module số đầu vào DI135: Đo lường và điều khiển tần số tổ máy và tần số

+ Module nguồn SDZ-1: Cấp nguồn AC220 và DC220 + Màn hình LCD: dùng để cài đặt các thông số điều tốc + LVDT DC/DC±10: Card biến đổi vị trí cánh hướng

CP476

IF321 DI135

DM465 16*DI

16*DO

CP476

IF321 DI135

DM465

16*DI 16*DO

AO352

Guide Control

Hình I.8: Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền

b Trình tự khởi động tổ máy

Hình I.9: Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc

Kiểm tra trình tự khởi động tổ máy là đảm bảo an toàn cho tổ máy đủ điều kiện để bắt đầu khởi động tổ máy

+ Dừng và dừng khẩn cấp để reset + Hồi tiếp cánh hướng là bình thường + Bắt đầu tự động để đóng

Chương trình sẽ mở cánh hướng đến độ mở nào đó an toàn đảm bảo rằng độ

mở cánh hướng này sẽ không gây ra quá tốc cho tổ máy trong suốt thời gian khởi động Khi cánh hướng mở để mở an toàn trong một thời gian và thời gian này được kết hợp chặc chẽ với hằng số thời gian chuẩn của tổ máy nó có quan hệ để lựa chọn

độ mở cánh hướng mở an toàn Sau chu kỳ của thời gian, tốc độ của tổ máy phải được kiểm tra để đảm bảo bộ điều tốc vận hành bình thường Nếu nó bình thường,

bộ điều tốc tự động điều chỉnh có thể được duy trì, nếu nó không bình thường, báo động sẽ được đặt ra và chế độ vận hành sẽ được thay đổi để điều chỉnh bằng tay độ

mở cánh hướng để hoàn thành khởi động tổ máy Dưới điều kiện vận hành bình thường với sự hồi tiếp tốc độ tổ máy bình thường, cánh hướng mở được đặt ở độ mở không tải và nó sẽ vào vận hành ở điêu kiện có tải khi tốc độ lớn hơn 80% tốc độ định mức

Khi tốc độ tổ máy ổn định, tổ máy cho phép người vận hành điều chỉnh mở cánh hướng từ xa bằng cách đưa xung tăng/giảm độ mở cánh hướng và chuyến chế

độ bằng tay điều chỉnh tốc độ tổ máy Tuy nhiên, khi tốc độ tổ máy tăng đến phạm

vi điều khiển cho phép bởi thiết bị đồng bộ dưới chế độ điều khiển bằng tay, sự không đồng bộ phải được người vận hành đặt để đồng bộ tổ máy

c Trình tự khởi động không tải tổ máy

Hình I.10: Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc

Trong trình tự điều khiển không tải tổ máy thì tổ máy phải đảm bảo điều kiện

không tải dưới những điều kiện sau:

và tín hiệu điều khiển thiết bị không đồng bộ Khi hồi tiếp tần số hệ thống ra ngoài chức năng hoặc tần số hệ thống tiếp tục không đặt cho vận hành, chương trình sẽ sử dụng cộng tổng tần số định mức 50Hz chồng lên tín hiệu tăng giảm tần số như là sự cài đặt cho điều biến tần số

Trình tự điều khiển dừng của thiết bị phải bao gồm dừng khẩn cấp và dừng bình thường: Dừng khẩn cấp sẽ không được thực hiện hoặc phạm vi bảo vệ quá tốc trong suốt quá trình dừng bình thường

d Thuật toán điều khiển của bộ điều tốc Bình Điền NARI-PID 2

Hình I.11: Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền

Thuật toán điều khiển NARI-PID2 được phát triển bởi công ty điều khiển

điện thuộc Tập đoàn NARI được áp dụng cho thiết bị điều chỉnh điện bộ điều tốc

Turbine thủy lực series SAFR-2000H và các đặt tính chính với những thuận lợi:

+ Những cải tiến hiệu quả trong giải quyết vấn đề tăng dải chết và có hiệu

lực trong dải hẹp sau khi nhận thức đúng và lượng tử hóa số đó thường xảy ra với

thuật toán điều khiển PID

+ Tín hiệu đặt được so sánh với tín hiệu phản hồi thông qua bộ điều chỉnh

để điều chỉnh tần số

+ Nó cung cấp khả năng điều khiển hiệu quả cho dao động thủy lực bởi

turbine thủy lực của hệ thống thủy lực và cải tiến đặc tính điều chỉnh

+ Tăng khả năng khử nhiễu của bộ điều tốc Turbine thủy lực

c Nguyên lý đo lường tần số tổ máy

Tần số đo lường được thiết kế cho bộ điều tốc Turbine thủy lực SAFR-2000H

là kết hợp giữa đo lường tần số của điện áp dư và đo lường tần số của đĩa đo tốc độ

hay đĩa có đường rãnh (Encorder)

Mặc dù tần số đo lường của điện áp dư có độ chính xác cao nhưng khi tổ máy

vận hành ở tốc độ thấp, giá trị khuyếch đại tín hiệu điện áp dư nhỏ, vì vậy giá trị đo

lường này là không chính xác, khi mất kích từ xảy ra ngoài tổ máy hoặc tổ máy có ít

từ dư sau khi dừng máy kéo dài, đo lường tần số bằng điện áp dư sẽ không thích

hợp tương ứng với tốc độ thực tế của tổ máy, kết quả bộ điều tốc điều chỉnh không

ổn định hoặc tổ máy sẽ vượt ra khỏi khả năng điều khiển giống như quá tốc độ v.v

Trong khi đĩa có rãnh đo lường tần số, cảm biến sẽ đưa tín hiệu ra dạng sóng

vuông của giá trị hằng số khuyếch đại sự truyền tần số là tương đương đến tốc độ tổ

máy Do đó, để cải thiện sự tinh cậy của tần số đo lường, đĩa đo lường tần số được

thêm vào trong phương pháp đo lường

Tín hiệu tần số của tổ máy và tín hiệu tần số tổ máy trở thành tín hiệu song

vuông sau đó được khuyếch đại và phục hồi hình dạng tách biệt của module điều

khiển tần số và dạng tín hiệu song vuông này được gởi đến TPU qua kênh đầu ra

của CP476 qua cách ly và bộ lọc DI135; tần số được đo lường được xử lý bởi TPU

và CPU, do đó CPU tiến hành tính toán điều chỉnh và quá trình điều khiển của bộ điều tốc dựa trên tần số này

Yếu tố phát tín hiệu đo lường tần số đĩa gồm có các đầu dò trên đĩa được lắp đặt trên trục của Turbine máy phát và được đặt trên khung Khi trục của tổ máy quay, nó sẽ mang đĩa quay quanh trục, do đó các đầu dò sẽ phát ra một tín hiệu xung vuông với tần số tương đương với tần số tổ máy Tuy nhiên, nếu một cảm biến đầu dò được sử dụng để phát hiện, khi dải tốc độ chết yêu cầu bộ điều tốc 0,02%, việc gia công chính xác đĩa có rãnh phải gấp đôi dãi tốc độ chết, nghĩa là khi bước răng là 200mm, lỗi gia công bước răng phải ít hơn 0,02mm

Thiết bị đo lường tần số đĩa được bao gồm cả đĩa có rãnh, tiếp điểm xấp xỉ và

a Động cơ bơm dầu

- Loại: 3 pha Rotor lồng sóc

- Kiểu: bơm pittông

- Công suất 4 kW

- Điện áp: 380V

- Áp suất thiết kế: 4 Mpa

Ngoài ra còn có các bộ phận khác như van an toàn, túi thở cao su, các đồng

hồ chỉ báo và Rơle bảo vệ tạo thành một hệ thống thủy lực chính

Hình I.13: Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc

Hình I.14: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực

I.5.2.2 Cấu trúc phần thủy lực

a Bộ điều khiển thủy lực

Bao gồm các van Solenoid, van dẫn động, van điện từ và van cơ khí mỗi van đảm nhiệm một chức năng trong bộ điều khiển

- Van S4.1: Van dẫn động cánh hướng có nhiệm vụ quan trọng nhất trong việc điều chỉnh tốc độ của tổ máy phù hợp với tải ở chế độ tự động

- Van S3.1: Van lựa chọn chế độ làm việc của bộ điều tốc

- Van S2.1: Van dẫn động cánh hướng ở chế độ bằng tay

- Van S1.2: Chức năng đóng nhanh hoặc mở nhanh cánh hướng

- Van EU: Van phân phối dầu đến các secvor làm nhiệm vụ điều tốc

- Van S9.1: Chức năng đóng mở chốt thủy lực để chốt cánh hướng ở

vị trí dừng

b Secvo cánh hướng

Cánh hướng: có 24 cánh được lắp ngay cửa vào của bánh xe công tác

Các cánh đều chuyển động quay theo xu hướng quanh trục đồng bộ nhau, hành trình

từ 0÷33o Cánh hướng được điều chỉnh thông qua điều khiển từ hai secvo van

Xylanh của secvo gắn vào tường và còn một đầu của pittong được gắn với vành

điều chỉnh để điều khiển cánh hướng

Hình I.15: Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hướng

c Thiết bị tác động quá tốc

Khi có quá tốc con lắc sẽ tác động lên van OSD điều khiển mở khẩn

cấp đường dầu điều khiển đóng cánh hướng

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van

a Van điện từ kiểu By pass (Van S2.1)

* Cấu tạo:

Hình I.16: Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass

- 1,2 cuộn dây nam châm vĩnh cửu

- 3,4 lò xo phục hồi

- Có 3 vị trí làm việc: Cuộn 1 có điện hoặc cuộn 2 có điện hay cuộn 1 hoặc cuộn 2 có đều không có điện

- Có 4 cửa: A,B, P,T

* Nguyên lý làm việc của van

- Khi cuộn dây 1 có điện: lò xo 4 nén lại (do lực điện từ sinh ra) đẩy trục van dịch chuyển sang phải làm mở thông các cửa dầu: P thông B và T thông A

- Khi cuộn dây 2 có điện: lò xo 3 nén lại (do lực điện từ sinh ra) đẩy trục van dịch chuyển sang phải làm mở thông các cửa dầu: P thông A và T thông B

- Khi cuộn dây 1 và cuộn dây 2 không có điện van được giữ ở trạng thái cân bằng, các cửa dầu A và B được khóa lại

* Nguyên lý làm việc của van

Điều khiển van dẫn động trực tiếp

Tín hiệu điện tương ứng để điều khiển vị trí của lõi van được đặt từ bộ tích

phân và dòng điện vào cuộn dây làm dịch chuyển lõi van

Bộ dao động được kích thích từ bộ chuyển đổi vị trí cánh hướng LVDT của

lõi van nó tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với vị trí của lõi van

Tín hiệu chuyển đổi vị trí của lõi van được so sánh với lệnh điều khiển và kết

quả sai lệch của lõi van hình thành nên dòng điện vào cuộn dây điện từ và nó dẫn

động lõi van cho đến lúc vị trí lõi van đúng với vị trí đã đặt lệnh và sai số vị trí của

lõi van giảm về không (không còn sai lệch) Kết quả vị trí của lõi van tỉ lệ với tín

hiệu đã đặt

Từ nguyên lý làm việc của van dẫn động cánh hướng ta thấy:

* Ưu điểm: Van làm việc tin cậy trong trường hợp mở nhanh và đóng nhanh

Để khắc phục các nhược điểm trên chung ta có thể thay cuộn dây điện từ bằng một động cơ nối đồng trục để dẫn động lõi van

e Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều tốc:

Dầu thủy lực được cung cấp tới hai điểm P và P1

* Hành trình mở cánh hướng ở chế độ tự động: dầu từ đường dầu P qua

van S4.1 ở vị trí mở (dầu chuyển từ AP) qua van S3.1 (dầu chuyển từ AP) qua van EU (dầu chuyển từ DE) qua van S7.1 cung cấp cho secvo đi mở cánh hướng Dầu hồi về qua van EU (dầu chuyển từ BA) qua van S3.1 (dầu chuyển từ TB) qua van S4.1 (dầu chuyển từ TB) hồi về thùng dầu chính

* Hành trình đóng cánh hướng ở chế độ tự động: dầu từ đường dầu P qua

van S4.1 ở vị trí đóng (dầu chuyển từ AT) qua van S3.1 ( dầu chuyển từ BT) qua van EU (dầu chuyển từ AB) cung cấp cho secvo đi đóng cánh hướng Dầu hồi về qua van S7.1, qua van EU (dầu chuyển từ ED) qua van S3.1 (dầu chuyển

từ PA) qua van S4.1 (dầu chuyển từ PB) hồi về thùng dầu

Kết lụân

Chất lượng điện năng là một trong những chỉ tiêu quan trong để đánh giá độ

ổn định của hệ thống điện hiện nay nên sự ra đời và phát triển của hệ thống điều tốc

đã thúc đẩy sự phát triển khả năng ổn định tần số của hệ thống điện đóng góp to lớn

vào việc tạo ra của cải của xã hội Sự ra đời của hệ thống điều ổn định tần số máy

phát điện đảm bảo cho chất lượng điện ngày càng tốt hơn Hệ thống điều tốc của

mỗi loại Turbine có mỗi một công nghệ riêng, tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý

thì các hệ thống điều tốc đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc

của tất cả các hệ thống đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (giao diện người máy và

thực hiện nội suy, các module giao tiếp), phần điều khiển servo, động cơ servo,

phản hồi tốc độ-vị trí Hệ thống điều khiển thông thường có hai dạng: Điều khiển

vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở thường có độ chính

xác không cao, nhưng rẻ tiền do đó trong thực tế người ta thường dùng hệ điều

khiển vòng hở cho những hệ thống không đòi hỏi cao về độ ổn định tần số (như

máy các máy phát ở chế độ điều tần cấp 2 thì giá trị điều chỉnh f = ±0.5 Hz) Hệ

thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, nhưng giá thành đắt, ngày

nay người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Hệ thống điều khiển điều tốc thông thường gồm các khối: Khối điều khiển

máy, khối điều khiển servo, động cơ servo, khối phản hồi tốc độ, khối phản hồi vị

trí Khối điều khiển chính của hệ thống điều tốc bao gồm: một máy tính có nhiệm

vụ điều khiển chung các hoạt động của hệ thống, giao tiếp với người sử dụng, nhận

tín hiệu từ cảm biến vị trí và cảm biến tốc và thực hiện các thuật toán nội suy, so

sánh và đưa ra các lệnh điều khiển; các bộ điều khiển khả trình PCC làm nhiệm vụ

điều khiển các chức năng tuần tự của máy Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ

nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm

biến tốc độ, thực hiện các thuật toán điều chỉnh hợp lý (PID, trượt, mờ, nơron) để

điều khiển năng lượng cấp cho động cơ servo Cảm biến dùng để đo tốc độ trong

máy phát hiện nay thường dùng là các loại Encoder, Reslve, Synchro Cảm biến

dùng để đo vị trí trong hệ thống điều tốc thường là biến áp vi sai hoặc Encoder hoặc

Inductosyn Từ những phân tích ưu nhược điểm của van dẫn động cánh hướng nên trong phạm vi đề tài ta thay truyền động của lõi van thông qua cuộn dây điện từ bằng truyền động của các hệ truyền động, động cơ một chiều, động cơ servo một chiều không chổi than hoặc động cơ servo xoay chiều

Chương tiếp theo sẽ đề cập tới các hệ truyền động trong hệ thống điều tốc

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện

Hình II.1: Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện

Ri, R : Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm vụ tổng hợp và

tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung Bằng cách lựa chọn các lượng

phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ Rvà bộ điều chỉnh dòng

điện RI thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động

U*, Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và phản hồi tốc độ quay

U*i, Ui : Điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện

Bộ nguồn: Cung cấp nguồn cho động cơ

Cánh hướng: Cơ cấu hướng nước

Trong hệ thống điều tốc hệ truyền động gồm hai thành phần cơ bản đó là bộ

điều khiển và điều khiển van secvo Thành phần điều khiển làm nhiệm vụ chuyển

đổi tín hiệu điều khiển từ bộ điều tốc thành tín hiệu điều khiển van secvo Van

Secvo làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ các dạng năng lượng khác nhau thành

chuyển động cơ học để điều khiển cánh hướng nước (Guide van)

Hệ truyền động điện trong các bộ điều tốc phải đáp ứng các yêu cầu về công

nghệ (ví dụ như tốc độ và mômen) Các truyền động toàn phần phải có cấu trúc điều

khiển tối ưu, tác động nhanh

Ngày nay hệ điều khiển dẫn động cánh hướng thường dùng hệ truyền động sau: - Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha

- Hệ thống Thyristor – Động cơ

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

Nhằm đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động cơ một chiều ta tiến hành mô tả động có không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor, nghĩa là chuyển đổi được cấu trúc mạch và các mối quan hệ phức tạp của các đại lượng ba pha thành các đại lượng tương quan minh bạch (dòng điện ~ từ thông, dòng điện ~ mômen) như của động cơ một chiều Các phương thức điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên cơ sở phương pháp mô tả đó được gọi là phương thức điều khiển tựa theo từ thông rotor (rotor flux orientation)

II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vec tơ không gian

Ta xét động cơ có số đôi cực p = 1, trên stator có ba cuộn dây bố trí lệch nhau 1200 Dây quấn rôtor của động cơ không đồng bộ ba pha rôtor lồng sóc thực chất là dây quấn nhiều pha, nhưng ta có thể quy về dây quấn ba pha

Hình II.2: Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn có dạng:

dt

dψi

k k

k 

Trong đó: k là từ thông móc vòng của các cuộn dây: k = lkj.ik (2.2)

Nếu dây quấn của động cơ là đối xứng và khe hở không khí là đều:

Hỗ cảm giữa dây quấn stator với dây quấn rôtor phụ thuộc vào góc lệch

không gian giữa 2 dây quấn và được xác định theo công thức:

uu

uu

uuuru

c b a

ii

ii

ii

s

ψψ

ψψ

ψψ

R00

0R0

00

RR

R00

0R0

00

RR

ms 10 ms

ms ms 10 s

L

L-

L-

L-

L

L-

L-

L-

L L

mr 20 mr

mr mr 20 r

L -

L-

L-

L

L-

L-

L-

L L

2πθcos3

2πθcos

3

2πθcosθcos3

2πθcos

3

2πθcos3

2πθcosθcos

Khi đó biểu thức tính từ thông có thể viết dưới dạng ma trận rút gon là:

m0 s r

s

i

iLTθL

θLLψ

ψ

(2.3)

Trong đó Lm0()t là chuyển vị của ma trận Lm0()

Thay thế (2.3) vào (2.1) ta được phương trình cân bằng điện áp rút gọn là:

m0 s r

s

iiLTθL

θLLψ

Hình II.3: Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (,)

Việc quy đổi vector dòng điện và điện áp được thực hiện theo công thức:

α

iii

1/21/2

0

1/61/62/3i

α

uuu

1/21/2

0

1/61/62/3u

u

Như vậy ma trận biến đổi sẽ là: (2.6)

Nguợc lại khi quy đổi từ hệ trục toạ độ cố định trên stator (,) về hệ toạ độ

vector không gian(a,b,c) ta có công thức:

B

A

ii

1/21/61/21/602/3

i

i

i

(2.7)

Trong trường hợp này ma trận biến đổi ngược chính là ma trận chuyển vị của

ma trận biến đổi thuận:

1/61/62/3C

1

R1 = C1.Rs C1T R2 = C1.Rr.C1T

L1 = C1.Ls.C1T L2 = C1.Lr.C1T (2.9)

Lm() = C1.Lm0().C1T Trong đó R2, L2 là điện trở và điện kháng rotor quy đổi về hai pha

Sau khi quy đổi ta được kết quả:

R00RR

L00L

L00LL

θsinθcosL

Hình II.4: Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y)

Bên cạnh khái niệm về hệ tọa độ cố định trên stator (,), trên rotor cũng đặt một hệ tọa độ cố định khác có tên gọi là (x,y) Hệ tọa độ cố định trên rotor (x,y) còn

có một tên gọi khác là hệ toạ độ quay cùng rotor Một cách trực quan ta có thể coi

hệ toạ độ cố định trên rotor (x,y) gồm hai cuộn dây rotor nằm trên hai trục (x,y) Ta

có hệ phương trình cân bằng điện áp như sau:

m

2x

2x 2 2 1β 1α

m

2x

2y i 2x m 1β 1 1

1β

2y 2x

m 1α 1 1

1α

u

ipLRθ.icosθ.isin -

pl

u

ipLRθ.isin θ.icos

u

θ.isin θ.icos.plipLR

Viết dưới dạng ma trận là:

iiii

pLR0.cosθpL.sinθpL

-0pLR.sinθpL.cosθpL

.cosθpL.sinθpLpLR0

.sinθpL-.cosθpL0pLR

2 2 m

m

2 2 m

m

m m

1 1

m m

1 1

II.2.3 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ

tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên Stator (,)

Từ mô hình mạch của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ cố định

stator (,), ta nhận thấy từng cặp (u1, u1); (u2x, u2y); (i1, i1); (i2x, i2y); có thể xem

như tọa độ của các vector không gian u ; 1

1

u ; 1

i ; 2

i trên toạ độ (,) và (x,y)

bằng cách như vậy ta có thể quy đổi các đại lượng sang các toạ độ khác nhau

Hình II.5: Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (,)

và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

cố định trên stator

2α

iicosθsinθsinθcosθi

2α 2y

2x

i

i12Ciicosθsinθ-sinθcosθi

i 2 2y 2 1β 1α

m 2y

2β 2α

2 2x 2 1β 1α

m 2x

2β m 1β 1 1 1β

2α m 1α 1 1 1α

θ.icosθ

sin -.pL.iRθ.icosθ.isin -.pLu

θ.isin θ.icos.pL.iRθ.isin θ.icos.pLu

.ipL.ipLRu

.ipL.ipLRu

u

uCu

m 1α m 2β

2β i 2 2α 2 2 1β m 1α m 2α

2β m 1β 1 1 1β

2α m 1α 1 1 1α

.ipLR.i2ω.L.ipL.iω.Lu

.ω.L.ipLR.iω.L.ipLu

.ipL.ipLRu

.ipL.ipLRu

(2.18)

Trong đó  = d/dt là tốc độ góc của rotor (rad/s)

Viết dưới dạng ma trận sẽ là:

2 2 2 m

m

2 2 2 m m

m 1

1

m 1

pLRωLpL

ωL

ωLpLRωLpL

pL0

pLR0

0pL

0pLR

II.2.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ

tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọa độ cố định trên Rotor (d,q)

Hình II.6: Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (,) và

hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

Thực hiện quy đổi các vector từ hệ tọa độ cố định trên stator (,) về hệ tọa

độ tự theo từ thông rotor (d,q) quay đồng bộ với từ trường quay Trong đó trục 0d

trùng với phương của từ thông rotor 2 và hợp với trục 0 một góc 1 = 1.t

ta có công thức quy đổi:

1d

i

icosθsinθ-sinθcosθi

2d

i

icosθsinθ-sinθcosθi

3 -sinθ cosθ

sinθcosθ

1α

i

icosθsinθsinθ-cosθi

2α

i

icosθsinθsinθ-cosθi

3 sinθ cosθ

sinθ-cosθC

1d

u

uCu

2d

u

uCu

2q 2 s 2d 2 2 1q m s 1d m 2d

2q m L 2d i m 1 1q i 1 1 1d 1 1 1q

2q m 1 2d m 1q 1 1 1d 1 1 1d

.ipLR.i.Lω.ipL.im.Lω

.i.Lω.ipLR.i.Lω.ipLu

.ip Lω.pLR.i.Lωu

.i.Lω.ipL.i Lω.ipLRu

2 2 2 s m m

s

2 s 2 2 m s m

m m

1 1 1 1 1

m1 1 m 1

1 1 1

2q 2d 1q 1d

iiii

pLR.LωpL.L

ω

LωpLRLωpL

pL.L

ωpLR.Lω

.LωpL

.LωpLR

uuuu

(2.26)

Trong đó:

 = d/dt là tốc độ góc của rotor (rad/s)

s = 1 -  là tốc độ trượt của rotor với từ trường quay (rad/s)

Các thành phần của từ thông rotor 2 được xác định theo phương trình:

2d = lm.i1d + l2d

2q = lm.i1q + l2q (2.27)

Để tiện cho nghiên cứu hệ thống ta sẽ biến đổi hệ phương trình cân bằng

điện áp theo các biến i1d, i1q, 2d, 2q

Thay (2.27) vào (2.15), hai phương trình dưới của (2.25) được viết lại như

2q 2q

1d r 2

2d 2d

.ikL

ψi

.ikL

ψi

2 2d s 1q 2 r 2q

2q s 2d 2

2 1d 2 r 2d

.ψpL

R.ψω.i.Rku

.ψω.ψpL

R.i.Rku

u1q = L1.1.i1d + (R1+ pL1).i1q + Kr.(p2d - Lm 1.i1d + p2q - pLm.i1q) = 1.(L1 – Kr.Lm)].i1d +[R1+ p(L1 – Kr.Lm)].i1q + Kr.1.2q + Kr.p2d

Từ đó ta có:

2d 2

r 2d r 1q n 2q n 1d n 1 2q r 1q

2q r 2d 2 r K 1q n 1 1d n 2d n 2d r 1d

.ψL

K.ωω

K.ipL.iR.i.Lω.uKu

.ωω

K.ψL.i.Lω.ipL.iR.uKu

L1 = Lm + L1t

L2 = Lm + L2tTrong đó L1t, L2t là hệ số tự cảm tản của đây quấn stator và rotor

Khi đó ta có: Ln = L1t + (1 – Kr).Lm

2t r 1t n

2 m 2t 1t 2t m m 2t 1t m 2t m

m 1t

n

.LKLL

L.LLLLL.LLL.LLL

L1LL

L  là hằng số thời gian của mạch vòng điện từ

Kết hợp (2.31) và (2.32) với chú ý là u2d = u2q = 0 ta được hệ phương trình:

2q 2 s 2d 2 1d

m

2q 2 2d 1 r 1q n n 1d 1

1

1q

2q 1 r 2d 2 r K 1q 1 1 1d n n

1d

.ψpT1.ψ.Tω.i

L

0

.ψ.Tω.ψpT1.i

L

0

ψTrK.ψ.ωK.ipLR.i.L

ω

u

.ψ.ωKψT.i Lω.ipLR

2 2 s m

2 s 2 m

2

r n

n n 1

r 2

r n 1 n 1q

1d

ψψii

pT1.TωL-0

TωpT10L

-T

K.ωrKpLR.Lω

.ωKT

K.LωpLn

Hệ phương trình (2.34) cho thấy mối quan hệ giữa từ thông rotor với điện áp

và dòng điện stator Điều đó có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích hệ thống

điều chỉnh từ thông theo dòng điện stator

II.2.5 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ

Từ phương trình (2.33) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ không đồng

bộ rô to lồng sóc trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) như Hình II-6 và Hình

II-7 Các tín hiệu phản hồi e1d, e1q, e2d, e2q được xác định theo phương trình phi

T1ω.ψKE

T

1ω.ψKE

E2d = 1.Ln.i1q ; E2q = 1.Ln.i1d

Sơ đồ Hình II-6 mô tả cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ

Sơ đồ Hình II-7 mô tả cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ

Trong đó các tín hiệu điện áp, dòng điện, từ thông được mô tả bằng các vector

B0

Hình II.7: Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ

1 T p

R 1

n

n 

2

T 1

m

2

L T

jp 1



Hình II.8: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ

II.2.6 Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor

n

n 

2

T 1

0.iL.ψ.Tω.ψpT1

1q m 2q 2 2d 2 s

1d m 2q 2 s 2d 2

2d 1d

.i.ωTψLs.ω2Ti

constL

ψi

2 2q

1d m 2d 2 2d

.ik.iLψL

1i

0.iLψL

1i

- Vector dòng điện rôtor luôn vuông góc với vector từ thông rotor

- Thành phần i1d có giá trị không đổi, đóng vai trò là dòng điện từ hoá

- Các thành phần i1q, i2q và mômen M tỷ lệ với nhau và tỷ lệ với tốc độ trượt

s

Từ công thức (2.37) ta có thể xác định giá trị i1d theo các thông số định mức của động cơ như sau:

m dm dm 2 r dm m

sdm 2 r

dm 1d

.L.s.ω.Tk

M.L

.ω.Tk

Nếu coi từ thông rôtor của động cơ không đồng bộ lúc không tải bằng từ

thông định mức, thì vector dòng điện stator được xác định như sau:

s 0 2 1q

0 0m 1d

.ω.IT3i

I3.I3/2i







Trong đó:

i0m : là biên độ dòng điện không 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 dung được sơ đồ điều khiển cho động cơ

không đồng bộ như Hình II.8 Trong đó hệ thống này thực hiện điều chỉnh vector

dòng điện stator theo luật (2.36) nhờ đó mà định hướng được vector từ thông rotor

trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Các đại lượng điều chỉnh được quy đổi

từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đưa vào điều khiển

bộ nghịch lưu Tín hiệu phản hồi dòng điện được quy đổi từ hệ 3 pha về hệ tọa độ

tựa theo từ thông rotor (d,q) Các ma trận quy đổi có tham số phụ thuộc vào góc

quay 1 và được xác định theo công thức:

0 ss

1 θ θ θ tω.dt θ k i dt

θ

với

1d 2 1q

s s

.iT

1i

Với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômen của động cơ Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt của động cơ  thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ

II.3 Hệ thống Thyistor – động cơ

Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T –Đ với mạch vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chi tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được 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 vòng kín tốc độ quay và dòng điện

Hình II.11: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ

VF, VR – Hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược Bằng cách

điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận,

quay ngược của động cơ

RI, R - Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm vụ tổng hợp và

tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung Bằng cách lựa chọn các lượng

phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ Rvà bộ điều chỉnh dòng

điện RI thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động

GVF, GVR – Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lưu có điều khiển VF, VR

U*, Un - Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và điện áp phản hồi tốc độ

quay

U*

i, Ui – điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện

Để tổng hợp hai tín hiệu phản hồi là âm tốc độ quay và âm dòng điện tác

dụng riêng rẽ, trong hệ thống dùng hai bộ điều chỉnh, một dùng cho tốc độ quay và

một dùng cho dòng điện, mà giữa chúng dùng cách ghép nối tiếp Điều này có nghĩa

là, lấy đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay để làm đầu vào của bộ điều chỉnh dòng

điện, sau đó dùng đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện đi khống chế thiết bị phát

xung của hai bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor

R RI

GVF

GVR -1

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh

Để phân tích đường đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch

vòng kín ta dựa vào sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định, như hình II.12

Mấu chốt để phân tích đường đặc tính tĩnh là nắm chắc đường đặc tính trạng thái ổn định Thường có hai trạng thái : bão hoà (đầu ra đạt tới giá trị biên) và không bão hoà (đầu ra không đạt tới giá trị biên) Lúc bộ điều chỉnh bão hoà, đầu ra chưa phải là hằng số, sự biến đổi của lượng đầu vào ảnh hưởng trở lại đầu ra, trừ khi tín hiệu đầu vào ngược chiều là cho bộ điều chỉnh mất bão hoà, nói cách khác

bộ điều chỉnh bão hoà tạm thời tách khỏi mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, tương đương với việc làm cho khâu điều chỉnh tách ra thành vòng hở Trên thực tế, trong vận hành bình thường, bộ điều chỉnh dòng điện không bao giờ đạt tới trạng thái bão hoà Vì vậy, đối với đặc tính tĩnh mà nói, chỉ có hai trường hợp là bộ điều chỉnh tốc

độ quay bão hoà và không bão hoà

Hình II.12: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch

a Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa

Khi cả hai bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện không bão hoà, khi ổn định,

điện áp chênh lệch đầu vào đều bằng 0 Vì vậy:

U* = Un = n

U*i = Ui = id

từ quan hệ thứ nhât ta có:

0 s

*

nUα

U

Từ đó ta nhận được đoạn n0 – a trên đặc tính tĩnh ở hình II.13

Cũng tại thời điểm đó, bởi vì bộ điều chỉnh RI không bão hoà, U*i < U*im, từ

hệ thức thứ hai ở trên ta biết Id < Idm, có nghĩa là, đoạn n0 – A trên đường đặc tính

tĩnh liên tục từ Id = 0 (trạng thái không tải lý tưởng) đến tận Id = Idmax, mà nói chung

Idmax đều lớn hơn dòng điện định mức Idnom Đó chính là đoạn vận hành của đường

đặc tính tĩnh

Hình II.13: Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng

kín

b Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa

Lúc này, đầu ra của bộ điều chỉnh RI đạt tới giá trị giới hạn biên độ U*im

mạch vòng ngoài tốc độ quay trở thành mạch vòng hở, sự thay đổi của tốc độ quay

đối với hệ thống không còn phát sinh ảnh hưởng Hệ thống hai mạch vòng kín biến

thành hệ thống mạch vòng kín đơn không có sai số tĩnh dòng điện Lúc ổn định:

Đặc tính là đường thẳng đứng được mô tả trên Hình II.13 (đoạn thẳng AB)

Đường đặc tính tĩnh của hệ thống điều khiển hai mạch vòng kín khi dòng điện phụ tải nhỏ hơn Idmax thì biểu hiện thành không có sai số tốc độ quay, lúc đó phản hồi âm tốc độ sẽ gây tác dụng chủ yếu Sau khi dòng điện phụ tải đạt tới trị số

Idmax, bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hoà, bộ điều chỉnh dòng điện gây tác dụng chủ yếu, hệ thống thể hiện không sai số tĩnh dòng điện, nhận được sự bảo vệ tự động về dòng điện quá mức cho phép Đó chính là hiệu quả của việc sử dụng hai bộ điều khiển tạo thành hai mạch vòng kín trong ngoài riêng rẽ Đường đặc tĩnh như vậy rõ ràng tốt hơn so với đường đặc tính hệ thống mạch vòng kín đơn phản hồi âm dòng điện có ngắt Nhưng trên thực tế hệ số khuếch đại mạch vòng hở của bộ khuếch đại thuật toán không thể là vô cùng lớn nên đặc tính tĩnh của hệ thống có chút ít sai số

tĩnh, thể hiện bằng nét đứt trên hình II-12

II.3.2 Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

a Mô hình toán học trạng thái động

Dựa vào sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T –Đ dùng hai mạch vòng kín là âm

tốc độ quay và âm dòng điện (hình II-11) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ điều khiển hai mạch vòng kín, như trên hình II-14