Ứng dụng máy tính công nghiệp để xây dựng hệ mô phỏng động cơ lai máy phát trong trạm phát điện tàu thủy

Chương 1.THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MÔ PHỎNG 1.1 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu thủy Hệ thống được xây dựng bao gồm 3 máy phát điện, trong đó một máy ph

đi rất dài và vững chắc Việc áp dụng những công nghệ tiên tiến, những công nghệ mới có tính ứng dụng cao đã làm tăng hiệu quả khải thác của các con tàu đồng thời làm giảm thiểu những hạn chế

Trải qua 5 năm học tập và rèn luyện tại trường, em đã bước vào kì học cuối cùng và làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian tốt nghiệp, em đã được học

và làm cùng các thầy trong khoa thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng

hệ thống cung cấp điện của tàu cảnh sát biển TT400

Sau đó, em đã được các thầy tin tưởng giao cho đề tài “Ứng dụng máy tính

công nghiệp để xây dựng hệ mô phỏng động cơ lai máy phát trong trạm phát điện tàu thủy” Nhờ sự tận tình dìu dắt, chỉ bảo của thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Minh Quân và sự trợ giúp của các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử

cùng với sự chung sức của các bạn sinh viên, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn nhiều thiếu sót, kinh nghiệm còn ít nên đề tài không tránh khỏi những thiết sót Nên em rất mong nhận được

sự góp ý của các thầy, cô trong Khoa để đề tài của em được hoàn thiện

Em xin chân thành cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung và số liệu trong đề tài là của em tự thu thập và nghiên cứu, không có sự sao chép lại của tác giả nào khác

Hải Phòng, ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện:

Trần Văn Níp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MÔ PHỎNG 8

1.1 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu thủy 8

1.2 Thiết kế vật lý mô hình bảng điện chính mô phỏng 10

1.2.1 Đề xuất mô hình 10

1.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 11

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỔ HỢP MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT 12

2.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát và bộ điều chỉnh điện áp AVR 12

2.1.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát 12

2.1.2 Mô hình toán bộ điều chỉnh điện áp 22

2.2 Tìm hiểu mô hình toán động cơ 25

2.3 Nghiên cứu máy phát hòa đồng bộ các máy phát 27

2.3.1 Tìm hiểu lệnh PWM của PLC delta 27

2.3.2 Tìm hiểu Đồng bộ kế 27

2.4 Phương pháp mô phỏng khi công tác song song 29

2.4.1 Phân bố tải vô công(Q) cho các máy phát đồng bộ khi công tác song song 29

2.4.2 Phân bố tải tác dụng(P) cho các máy phát đồng bộ công tác song song với nhau 30

Chương 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG TRẠM PHÁT MÔ PHỎNG 32

3.1.1 Thuật toán điều khiển khởi động hòa động bộ bằng tay 32

3.1.2 Thuật toán chuyển tải và dừng máy bằng tay 33

3.1.3 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng 35

3.1.4 Thuật toán tự động cắt máy phát khi tải nhẹ 36

3.1.5 Thuật toán cắt ưu tiên 38

3.2 Xây dựng giao diện giám sát 39

3.2.1 Giới thiệu màn hình cảm ứng HMI 39

3.2.2 Giới thiệu máy tính giáo viên 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

KẾT LUẬN 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính 8

Hình 1.2 hình ảnh của bảng điện chính 9

Hình 1.3 mô hình đề xuất 10

Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý 11

Hình 2.1 Máy phát đồng bộ 12

Hình 2.2 Mạch từ hai cuộn dây 14

Hình 2.3 Góc quay rotor  15

Hình 2.4 Sự thay đổi của Latheo góc quay rotor 16

Hình 2.5 Sự thay đổi của La, Lb, Lctheo góc quay rotor 16

Hình 2.6 Mối quan hệ Mabtheo góc quay  17

Hình 2.7 Sự thay đổi của hệ số hỗ cảm theo 17

Hình 2.8 Các hệ trục (a, b, c) và (d, q) 20

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa hai hệ trục 20

Hình 2.10 Mối quan hệ đại lượng từ thông giữa hai hệ trục 21

Hình 2.11 sai lệnh ∆e 25

Hình 2.12 Mô hình động cơ một chiều 26

Hình 2.13 Sơ đồ đấu dây và sơ đồ cấu tạo của đồng bộ kế 28

Hình 2.14 Đặc tính ngoài của máy phát 29

Hình 2.15 Phân bố tải tác dụng cho các máy phát đồng bộ công tác song song 30 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý, tương đươngvà vectơ máy phát khi nhận tải 30

Hình 2.17 Đặc tính công suất của máy phát cực ẩn 31

Hình 3.1 Thuật toán điều khiển khởi động hòa động bộ bằng tay 32

Hình 3.2 thuật toán chuyển tải và dừng máy bằng tay 34

Hình 3.3 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng 35

Hình 3.4 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng 36

Hình 3.5 Thuật toán tự động khởi động khi tải nhẹ 38

Hình 3.6 Thuật toán cắt ưu tiên 39

Hình 3.7 Giao diện màn hình Menu 40

Hình 3.9 Giao diện màn hình giám vẽ đồ thị điện áp máy phát theo thời gian 41 Hình 3.10 Giao diện màn hình giám sát lỗi 42 Hình 3.11 Giao diện màn hình chủ của máy tính giáo viên 43 Hình 3.12 Giao diện màn hình giám sát máy phát số 1 43 Hình 3.13 Giao diện màn hình tạo các tình huống giả định của Diesel - Máy phát 44 Hình 3.14 Giao diện màn hình tạo các tín hiệu quá tải cho một số phụ tải và tạo tín hiệu điện trở cách điện thấp 44

MỞ ĐẦU

1.Ý nghĩa của mô hình:

Đối với một sinh viên thì ngoài việc học lí thuyết trên lớp là chưa đủ mà quan trọng hơn đó là việc được khai thác, vận hành trạm phát điện khi công tác thực tế trên tàu Cụ thể hơn qua mô hình này, sinh viên được làm quen với các tình huống giả định rất giống với thực tế để có thể xử lí nhanh chóng, hiệu quả

và đạt được yêu cầu đề ra của nhiệm vụ, công việc khi công tác trên tàu Điều này sẽ giúp các kỹ sư trẻ sau khi ra trường tích lũy được những bài học, kinh nghiệm quý báu và có thể khai thác, vận hành tốt những thiết bị ngoài thực tế

mà không mất nhiều thời gian làm quen, tìm hiểu và nghiên cứu

Hiện nay ở các trường đại học và cao đẳng trong cả nước ta đã có những thiết bị phục vụ cho thực hành trên trạm phát điện tàu thủy Tuy nhiên, những trang thiết bị đó chưa đầy đủ cùng với những bài thực hành chưa thực sự bám sát với thực tế

Thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng hệ thống cung cấp điện của tàu Cảnh sát biển TT400 được ra đời dựa trên những yếu cầu cấp thiết nói trên nhằm phục vụ việc giảng dạy, học tập của Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển Vậy việc xây dựng các bài thực hành trên thiết bị mô phỏng này là rất quan trọng, cần thiết và có ý nghĩa khoa học đối với công tác đào tạo sĩ quan điện

2.Đối tượng phục vụ:

Giảng viên, sinh viên, kỹ sư đang học tập, nghiên cứu tại các trường đại học, cao đẳng và các trung tâm huấn luyện thuyền viên mà cụ thể ở đây là Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển

3.Nội dung nghiên cứu:

Sơ lược về thiết bị mô phỏng bảng điện chính Mô hình có thể coi là 1 trang bị tốt để học viên được học tập trực quan về các phần tử của bảng điện chính Qua đó có thể sửa chữa, khắc phục những sự cố hay lỗi nhỏ khi vận hành

Qua mô hình này, học viên sẽ được thực hành các bài tập, vận dụng lý thuyết đã học để nắm vững chuyên môn cũng như tay nghề

Chương 1.THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN

CHÍNH MÔ PHỎNG

1.1 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu thủy

Hệ thống được xây dựng bao gồm 3 máy phát điện, trong đó một máy

phát (Máy phát số 3) được sử dụng khi tàu đỗ bến và trong những trường hợp sự

cố xảy ra với máy phát số 1 vầ máy phát số 2 Máy phát là được mô phỏng lai

bởi một động cơ Diesel

Tải của hệ thống mô phỏng được thể hiện bằng các MCCB cấp cho

hệthống các phụ tải được đặt bên dưới của mỗi Panel

Hình 1.1 sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính

Trên bảng điện chính của hệ thống mô phỏng có ba bảng điều khiển máy

phát, một bảng hòa đồng bộ và một bảng điện cấp nguồn 220V

Hình 1.2 hình ảnh của bảng điện chính

Trên bảng điện điều khiển của 3 máy phát (Panel 1, Panel 3, Panel 4) có các phần tử chính như sau:

- Hệ thống các đồng hồ đo công suất, điện áp, dòng điện và tần số

- Hệ thống các đèn báo (đèn báo chế độ điều khiển, đèn báo lỗi, đèn báo trạng thái của ACB…)

- Hệ thống các nút ấn (nút ấn chọn chế độ tự động, bán tự động, nút ấn đóng, mở ACB…)

- Hệ thống công tắc cam (công tắc chọn chế độ điều khiển, công tắc đèn chiếu sáng tủ điện, công tắc chuyển pha đo điện áp)

- Màn hình cảm ứng HMI điều khiển và giám sát hệ thống

- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải

Panel số 2 là Panel hòa đồng bộ máy phát, trên panel này có một số phần

tử chính như sau:

- Đồng hồ đo điện trở cách điện, đồng hồ đo dòng điện

- Hệ thống đèn tắt (gồm có 3 đèn)

- Đồng bộ kế

bộ, công tắc chuyển mạch đo dòng điện, công tắc bật - tắt đèn chiếu sáng bảng điện)

- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải

Panel số 5 là Panel cấp nguồn 220V, trên panel này bao gồm các phần tử chính như sau:

- Hệ thống các đèn báo (đèn báo nguồn 220V, đèn báo chọn biến áp 1, đèn báo chọn biến áp 2…)

- Đồng hồ đo điện áp, dòng điện, đồng hồ đo điện trở cách điện

- Hệ thống các công tắc điều khiển

- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải

1.2 Thiết kế vật lý mô hình bảng điện chính mô phỏng

1.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Để có cái nhìn trực quan về hệ trạm phát điện mô phỏng thể hiện ở sơ đồ khối của hệ như hình 1.4

+ HMI là các màn hình cảm ứng màn hiển thị các thông số hệ thống và cài

đặt

+ Hệ thống áp tô mát cấp nguồn cho tải

+ Các bóng đèn có công suất lớn là tải

+

HMI MÁY PHÁT 3

+

-DC 24V

RS485 PORT

1L 1N

1P 1N

L Input

L Input

SPEAKER 1.0 SPEAKER 3.0 SPEAKER 4.0

7 8 1 2

7 8 1 2

7 8 1 2

7 8 1 2

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỔ HỢP MÔ PHỎNG

ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT

2.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát và bộ điều chỉnh điện áp AVR

2.1.1 Tìm hiểu mô hình toán máy phát

a Thành lập hệ phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ trục cố định

+ Khái quát chung

Xét máy phát đồng bộ có cấu tạo như hình vẽ 2.1

trong đó: Ws là cuộn dây ba pha stator; Wf là cuộn dây kích từ; WD, WQlà cuộn dây ổn định theo trục dọc và trục ngang

Hệ (a, b, c) là hệ cố định gắn liền với stator;

Hệ (d, q) là hệ trục quay gắn liền với tốc độ quay của rotor;

 = (a, d) là góc giữa trục cuộn dây stator pha A và trục dọc rotor

Để đưa ra các phương trình của máy phát đồng bộ miêu tả mối quan hệ giữa các đại lượng điện áp, dòng điện và từ thông móc vòng của các cuộn dây stator, kích từ và ổn định ta sử dụng định luật cảm ứng điện từ và định luật Kirchhoff 2

Ta ký hiệu các đại lượng như sau:

ua, ub, uc : Điện áp tức thời trên các cuộn dây pha ở stator

ia, ib, ic : Dòng điện trên các cuộn dây pha

a, b, c : Từ thông của các cuộn dây pha a, b, c ở stator

ra, rb, rc : Điện trở thuần của các cuộn dây stator (coi ra=rb=rc)

uf, if, f : Điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng của cuộn kích từ

rf : Điện trở thuần cuộn kích từ

iD, iQ, D, Q, rD, rQ: Dòng điện, từ thông, điện trở thuần của cuộn ổn định theo trục dọc và trục ngang

b Các phương trình cân bằng điện áp của các cuộn dây

+ Theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

Phương trình cân bằng điện áp của các cuộn dây stator [10]:

dt

d r i r i e

a a

a a

D D D D D



 0

c Các phương trình tương hỗ từ của các cuộn dây

+ Mạch từ của hai cuộn dây

Để viết phương trình tương hỗ từ thì ta nhận thấy rằng từ thông móc vòng của một cuộn dây không những phụ thuộc dòng điện của cuộn dây đó mà

còn phụ thuộc vào tất cả các cuộn dây nằm trong mạch từ của máy mang dòng điện

Xét mạch từ gồm 2 cuộn dây như hình vẽ 2.2

Theo định luật từ thông toàn phần

Ta có: H dl  I

Hình 2.2 Mạch từ hai cuộn dây

Giả thiết rằng tất cả các đường từ thông của cuộn dây đều đi theo mạch từ theo suốt chiều dài của mạch khi đó cường độ từ trường H=const

l tb

L1, L2 - Hệ số tự cảm của cuộn dây;

M12, M21 - Hệ số hỗ cảm của cuộn 1 và cuộn 2

Áp dụng công thức trên cho mạch từ của 6 cuộn dây

Q aQ D aD f af c ac b ab a a



Q bQ D

bD f

bf c bc a ba b b



Q cQ D cD f cf b cb a ca c c

0 90 180 270 360 Lmin

L0 Lmax



Hình 2.4 Sự thay đổi của L a theo góc quay rotor

Tương tự khi xét sự thay đổi của L b , L ctheo góc quay rotor:

) 120 2

Lmax

La, Lb, Lc



Hình 2.5 Sự thay đổi của L a , L b , L c theo góc quay rotor

Sự thay đổi của Mabtheo góc quay 

Ta nhận thấy hệ số hỗ cảm của cuộn dây pha a và pha b là âm vì góc lệch pha giữa chúng lớn hơn 900 Mab lớn nhấtkhi rotor nằm chính giữa 2 trục a, b (

= 600) và Mab đạt giá trị nhỏ nhất khi rotor quay thêm 0

90 nữa Mối quan hệ này thể hiện thông qua biểu thức:

) 120 2

) 120 2

Hình 2.6 Mối quan hệ M ab theo góc quay 

+ Hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn kích từ

0 180

Hình 2.7 Sự thay đổi của hệ số hỗ cảm theo

Sự thay đổi của M afhệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator pha a và cuộn kích từtheo : Ta thấy khi  = 0thì khoảng cách của cuộn kích từ và cuộn dây pha a sẽ

là gần nhất và lúc này hệ số hỗ cảm M af là lớn nhất và mang dấu (+)

Khi  = 900 thì trục của cuộn kích từ và trục của cuộn dây pha vuông góc

nên chúng không tương hỗ với nhau nên M af= 0

Tương tự cho sự thay đổi của các hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator pha

b, c với cuộn kích từ

Sự thay đổi này được thể hiện bằng công thức:



cos

f

M 

)120cos(

M

d Hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn ổn định

Tương tự như lý luận quan hệ về hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn kích từ thì các hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn ổn định như sau:



cos

D

) 120 cos(

là không đổi và không phụ thuộc vào vị trí rotor do vậy Lf = LD = LQ = const

Như vậy ta nhận được hệ phương trình toán của máy phát đồng bộ:

dt

d r i

a a

b b

c c

af c ac b ab a a



Q bQ D bD f

bf c bc a ba b b



Q cQ D cD f cf b cb a ca c c

2 cos

) 120 2

f

M 

)120cos(

D

) 120 cos(

) 120 2

để thu được các đường đặc tính, giá trị tức thời các đại lượng như dòng điện, từ thông, điện áp theo góc quay Chúng ta lưu ý góc  là góc lệch giữa trục của cuộn dây pha a và trục cuộn kích từ là góc lệch về điện Nếu máy phát đồng bộ

e Hệ phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục quay

Do tính chất phức tạp mô hình toán của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục

cố định gây nhiều khó khăn cho quá trình mô phỏng, cho nên ta tìm cách đưa

mô hình toán học của máy phát đồng bộ về một mô hình mới viết ở hệ trục vuông góc (d, q) gắn liền với từ trường quay rotor Hệ này gồm hai trục d và q vuông góc với nhau quay cùng với tốc độ quay rotor (Hình 2.8)

Trục d đặt dọc theo trục rotor gọi là trục dọc

Trục q đặt ngang theo trục rotor gọi là trục ngang

Ở hệ trục mới này ta sẽ nhận được các phương trình có các hệ số không đổi và có thể sử dụng ngay thông số của máy.Còn khi cần các thông số thực thì

ta có thể sử dụng công thức chuyển đổi để tính

Mối quan hệ giữa hai hệ trục

d

a

p

Uac

0

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa hai hệ trục

b

c

Lấy đại lượng điện áp để xét

Mối quan hệ giữa hai hệ trục trên hình 2.9, dùng phép chiếu đồ thị ta có:



 sin cos

.)120cos(

.)120cos(

.)120cos(

.)120cos(

.)120cos(

.)120cos(

Hình 2.10 Mối quan hệ đại lượng từ thông giữa hai hệ trục

f Đơn giản hoá hệ phương trình của máy phát đồng bộ

Để đơn giản hoá việc mô phỏng máy phát đồng bộ nhằm đơn giản hoá

lượng và thành phần không ảnh hưởng đến tính ổn định của máy Tuy nhiên khi lược bỏ đi thì kết quả mô phỏng thu được sẽ có độ chính xác thấp, ảnh hưởng đến cả quá trình tĩnh và động Mặc dù vậy nó vẫn thoả mãn được một số yêu cầu

cơ bản của bài toán đề ra

Để đơn giản hoá máy phát đồng bộ ta nhận những giả thiết sau:

Bỏ qua cuộn ổn định thì những phương trình nào liên quan đến cuộn ổn định sẽ được bỏ đi

Bỏ qua điện trở thuần của cuộn stator

Bỏ đi thành phần không tuần hoàn của cuộn stator tức là:

  

dt

d T i

.



Kết luận: Như vậy hệ phương trình của máy phát đồng bộ đã đơn giản đi rất nhiều và trong quá trình mô phỏng chỉ sử dụng đến 4 thông số đó là: Xd, Xq,

Tf, d

2.1.2 Mô hình toán bộ điều chỉnh điện áp

A.Nguyên lý làm việc của bộ tự động điều chỉnh điện áp

Kênh dòng có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện máy phát

Bộ hiệu chỉnh điện áp có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ lệch giữa điện áp của máy phát UF và điện áp chuẩn Un

Gọi tín hiệu ra là

1 ).

1



Ts k

Ở đây U n : Điện áp chuẩn;

T : Hằng số thời gian;

k : Hằng số khuếch đại của bộ hiệu chỉnh điện áp

Sau đó, các tín hiệu ra của kênh điện áp, kênh dòng bộ hiệu chỉnh điện áp đưa vào bộ cộng Tín hiệu ra của bộ cộng qua bộ chỉnh lưu thành một chiều sau

đó cấp cho cuộn kích từ

b Nguyên lý làm việc:

Quay máy phát bởi động cơ sơ cấp, tại thời điểm ban đầu do hiện tượng

từ dư ở trong máy phát đồng bộ sẽ làm xuất hiện điện áp dư trên cuộn stator của máy:

E0 = (2  5)% Uđm

Điện áp dư này qua kênh điện áp, cầu chỉnh lưu sẽ làm xuất hiện điện áp kích từ ban đầu cho cuộn kích từ Khi dòng kích từ xuất hiện sẽ làm tăng giá trị của điện áp cuộn stator của máy phát Điện áp máy phát mới qua kênh điện áp

và cầu chỉnh lưu bị cấp thêm cho cuộn kích từ Cứ như vậy đến khi điện áp của máy phát bằng điện áp định mức Khi điện áp máy phát đạt giá trị định mức thì

bộ hiệu chỉnh điện áp sẽ có tác dụng làm ổn định điện áp máy phát bằng giá trị định mức Cụ thể nếu điện áp máy phát mà nhỏ hơn điện áp định mức thì tín hiệu áp đưa đến bộ hiệu chỉnh mà ta đặt ban đầu Ngược lại khi điện áp máy phát mà tăng lên so với định mức thì bộ hiệu chỉnh điện áp sẽ lớn hơn giá trị điện áp chuẩn Un Khi đó E giảm xuống làm cho dòng kích từ cũng giảm làm cho điện áp máy phát giảm xuống đạt đúng giá trị điện áp chuẩn

Khi máy phát tự kích xong người ta tiến hành đóng tải cho máy phát Nếu tải công tác xong thì chúng có thể tự ngắt ra hay ta tiến hành ngắt bằng tay Quá trình đóng và ngắt tải như vậy sẽ làm cho điện áp máy phát dao động Khi đó bộ