Ứng dụng vi điều khiển trong tự động hóa đồng bộ chính xác máy phát điện công suất nhỏ

L¥ do chon dé tai Các tổ máy phát điện của các nhà máy điện hòa vào hệ thống điện thông qua hệ thống hòa đồng bộ.. Để ứng dụng vi điều khiển vào điều khiển các thiết bị, các dây chuyên

DAI HOC DA NANG

NGUYÊN ĐỨC VŨ

UNG DUNG VI DIEU KHIEN TRONG

TU DONG HOA DONG BO CHINH XAC

MAY PHAT DIEN CONG SUAT NHO

Chuyên ngành: Tự động hoá

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Tấn Duy

Phản Biện 1: PGS.TS Nguyễn Hồng Anh

Phản Biện 2: TS Võ Như Tiến

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 06 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MO DAU

1 L¥ do chon dé tai

Các tổ máy phát điện của các nhà máy điện hòa vào hệ thống điện

thông qua hệ thống hòa đồng bộ

Để ứng dụng vi điều khiển vào điều khiển các thiết bị, các dây

chuyên công nghệ, toi chon dé tai: “Ung dụng vỉ điều khiển trong tự

động hòa đông bộ chính xác máy phát điện công suất nhỏ”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng các tính năng của vi điều khiến để thiết ké,

chế tạo thiết bị hòa đồng bộ chính xác dùng cho các máy phát điện

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Vi điều khiển họ PIC, quá trình và các phương pháp hòa đồng bộ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế và chế tạo thiết bị thực

tế Chạy thử nghiệm thực tế với máy phát điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Thiết kế và chế tạo một thiết bị hòa đồng bộ chính xác sử dụng

cho nhà máy thủy điện Đại Đồng: Thiết kế và chế tạo mô hình tự

động hòa đồng bộ phục vụ cho công tác đào tạo

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 5 chương được trình bày theo cấu trúc sau:

Mở đầu;

Chương l - Tìm hiểu về các phương pháp hòa đồng bộ;

Chương 2 - Lựa chọn vi điều khiến;

Chương 3 - Sơ đồ khối và thiết bị phần cứng;

Chương 4 - Lưu đồ phần mềm và chương trình điều khiển;

Chương 5 - Thử nghiệm và đánh giá kết quả;

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 - TÌM HIỂU VẺ CÁC PHƯƠNG PHÁP

HOA DONG BO

1.1 Khai niém chung

Giả thiết có hai MEĐ F;¡, F; có tốc độ gdc M1, M2 Suất điện động

riêng lẻ là E, › E,

Hình 1.1: Sơ đồ nối điện, sơ đô thay thế và sơ đồ vector của E) và E›

Với: ö - góc lệch giữa hai vector suất điện dong E;, E>

A E - được gọi là điện áp phách

Trong đó: Xy = Xị + Xịa + X¿

Hình 1.2: Sơ đồ vector của dong I, khi E; # En, ò 0Ö

Ta xét các trường hợp có thể xảy ra trong lúc hòa điện:

Truong hop 1: E; 4 Ey; ©; = @2; 6 = 0

5=0° E,;>E, 5=0° E,; <E,

|

l„ =—j—— lụ = j———”

Hình 1.3: Sơ đồ vector của dòng ly khi E¡ £ E+ 6 = 0

Trường hợp 2: E¡ = Ea; @¡ = @¿; ö #0

Ie» =—[sin 6 + j(— cos ổ)| I = j—

Hình 1.4: Sơ đồ vector của dong I, khi Ey = E>, 0 #0

Truong hop 3: E; = E,; @; # 2; 6 = 0

+1

E,

Le = 0

Hình 1.5: Sơ đồ vector của dòng ly khi E; = E;, ồ = O

Từ các trường hợp khảo sát trên có thể có những kết luận sau:

- Hòa khi tần số khác nhau nhiều và có độ lệch điện áp sẽ xuất hiện dòng cân bằng có thành phần thực dẫn đến chế độ mất đồng bộ

- Hòa khi có lệch ö thì dòng cân bằng có thành phần thực, ảnh hưởng đến tác dụng cơ các phần tử và dẫn tới hư hỏng

- Trường hợp ít nguy hiểm nhất là khi điện áp khác nhau nhưng 0;

=@› và =0

1.2 Phân tích sự ổn định của máy phát điện đồng bộ khi hòa vào

hệ thống điện Xét trường hợp điện áp máy phát và điện áp hệ thống cùng thứ tự pha, bằng nhau về độ lớn và cùng tần số nhưng không cùng pha, có

đô thị dạng sóng như hình vẽ 1.6:

Hinh 1.6: Hai trường hợp của dạng sóng điện áp

trong quá trình mắt đồng bộ

Trong hai trường hợp, mô-men điện từ của MEĐ đồng bộ khác

nhau và thể hiện như hình 1.7.

z x

i on 1

es

Ww

II ^¬

in

1

-15

Đường liên tục: Điện áp máy phát nhanh pha

Đường nét đứt: Điện áp máy phát chậm pha

Hình 1.7: Mô-men xoắn lớn nhất và nhỏ nhất trong quá trình mất

đồng bộ

Để phân tích sự ôn định của MEĐ đồng bộ khi hòa vào lưới, sử

dụng phần mềm MATLAB SIMULINK để mô phỏng Sơ đổ và

thông số được cho như hình vẽ 1.8

(2}—œ—E=¬

Máy phái

Rô-to: Round

S: 5I7MVA

Vị: 21kV

F: 50Hz

Xq/Xa/Xq:

2.296/0.308/0.217

Ta/Ta /Xgo/Tat

0.99/0.018/7.4/0.38

Rs: 1.267x10”

P:2

Máy biến áp

S: 520MVA F: 50Hz Cuon day 1:

V iph-ph? 21kKV

Ry @w: 0.0027 Ly (puy: 0.08 Connection : Delta Cuộn đây 2:

Voph-ph: 400K V

Ro ew: 0.0027 Lo (uy: 0.08 Connection : Y,

=

=

Thanh cái

Vị ¡: 400kV F: 50Hz X/R: inf

Hình 1.8: Sơ đồ một sợi và các thông số của thiết bị được mô phỏng

t(sec)

¢

2

Hình 1.9: Dong dién stator (is) va gia tốc góc rotor ( i ) ứng với

t

các trường hợp góc lệch pha giữa điện áp máy phát với hệ thống

Dong dién stator va gia toc géc rotor trong hai trường hợp ứng với géc léch pha la +80° va -80°

d 2 }- d 2 | (i, ) ma (i, ) nin

Với kết quả mô phỏng trên, khi hòa đồng bộ trong trường hợp

điện áp máy phát chậm pha hơn so với điện áp hệ thống thì máy phát

ồn định, còn trong trường hợp ngược lại, máy phát không ổn định và

rất nguy hiểm và có thể dẫn đến hệ thông mắt ồn định

1.3 Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện

1.3.1 Điều kiện về điện áp

1.3.2 Điều kiện về tân số

1.3.3 Điều kiện vê pha

1.3.4 Đông vị pha máy phát

1.4 Các phương pháp hòa đồng bộ

1.4.1 Hòa đồng bộ bằng đồng bộ kiểu ánh sáng

1.4.2 Hòa đồng bộ chính xác bằng bộ đông bộ kiểu điện từ

1.4.3 Tự đông bộ

1.5 Xác định thời điểm hòa các máy phát đồng bộ

1.5.1 Các phương án truyền thống

Chúng ta có 2 phương án truyền thống là:

- Hoà theo góc vượt trước (öy)

- Hoà theo thời gian vượt trước (t)

Gitta géc vượt trước và thời gian vượt trước luôn có quan hệ

với nhau theo theo biểu thức:

Tương ứng với hai phương án truyền thống nói trên là hai loại thiết bị hoà như sau:

- Thiết bị hoà với góc vượt trước không đổi ( õ„ = const ) Trong

loại này lệnh hoà sẽ được phát tại thời điểm khi ö = ö„, nếu ta giữ

5, = const và đồng thời thoả mãn điều kiện trễ nói trên (t = t,,) thi

việc phát lệnh hoà được thực hiện chỉ khi phù hợp với một giá trị

duy nhất của tốc độ góc trượt

k,.U,

Hình 1.13: Xác định thời điểm hòa theo góc vượt trước không đổi

- Thiết bị hoà với thời gian vượt trước không đổi (t,= const)

Trong loai nay lénh hoa sé duoc phat tai thoi điểm sớm hơn thời

điểm hoà một thời gian xác định (t,) đúng bằng thời gian đóng trễ

của thiết bị đóng cắt ((= Ð Ngoài việc sử dụng tín hiệu

U, =k,.U, như phương án trên, ở phương án này còn dùng thêm

dU một tín hiệu thứ hai — Vi phan của điện áp phách (U; = ky

t

Trong vùng so sánh _ <0) khi giá trị tuyệt đôi của hai tín

t hiéu U, va U; bằng nhau thì đó chính là thời điểm phát lệnh hoà

Bằng cách lựa chọn k; và k› hợp lý chúng ta sẽ làm xuất hiện thời

II

điểm phát lệnh hoà sớm hơn thời điểm hoà đúng bằng thời gian

trễ t, thời điểm đó hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ góc

trượt Nhờ tính ưu việt đó nên phương án này đã được sử

dụng phổ biến

kị.U; ges fo S gm NNU

⁄ AN a >t

/

-ky.dUs/dt

Hình 1.14: Xác định thời điểm hòa theo thời gian đóng trước

không đổi 1.5.2 Phương án được đề xuất

Trên cơ sở kế thừa 2 phương án hòa truyền thống, phương án

được để xuất vẫn dùng 2 tín hiệu tỷ lệ (U;¡=k¡.U,) và vi phân

(U;=k›.đU/dt) của Us Nhưng khác ở chỗ hai tín hiệu này không

được so sánh ở dạng tín hiệu tương tự, mà chúng được biến đổi từ

giá trị tương tự thành tần số xung, trước khi đưa đến hai cửa vào

đếm của vi điều khiển Tại đây chúng được so sánh và xử lý bởi

chương trình

1.6 Một số sơ đồ hòa đồng bộ phổ biến tại Việt Nam và trên thé

giới

1.6.1 Hòa đông bộ máy phát vào thanh cái

1.6.2 Hòa đông bộ máy phát vào lưới thông qua máy biến áp

1.6.2.1 Máy biến áp đấu nối Y/A-1

1.6.2.2 May bién dp dau noi Y/A-11

12

1.6.3 Sơ đô hòa đồng bộ dùng thiết bị hòa đồng bộ được đề xuất

CB

L -|

chinh xAc so

Hình 1.20: Sơ đồ hòa đồng bộ đề xuất

- Điện áp lưới và điện áp máy phát được đưa vào thiết bị hòa đồng

bộ chính xác (rơ-le hòa) thông qua hai máy biến điện áp 220/110V

Vi điều khiển đo, giám sát 3 đại lượng điện áp, tần số, góc pha, tính toán và so sánh AU, Af, Ao với giá trị đặt cho phép, khi đủ điều kiện hòa ra lệnh đóng máy cắt hòa đồng bộ máy phát vào

lưới

Chuong 2 - LUA CHON VI DIEU KHIEN

2.1 Tổng quan lựa chọn vi điều khiển

2.1.1 Nhiệm vụ của vì điêu khiển

Nhiệm vụ của vi điều khiến 1:

- Đo các đại lượng đầu vào như U¡, f„ Ug, fg, tinh todn cdc dai

lượng AU, Af, Ao và hiễn thị lên màn hình LCD:

- Đọc phím để nhận các gia tri cai dat;

- Tính toán để đưa ra lệnh đóng máy cắt (lệnh hòa);

- Trao đổi số liệu đo được với vi điều khiến 2

Nhiệm vụ của vi điều khiển 2:

- Nhận số liệu do vi điều khiến I gửi sang, hiển thị các số

liệu này lên Led 7 đoạn và Led quay một cách trực quan

Để đáp ứng được những nhiệm vụ trên của hai vi điều khiển

thì trong để tài này tôi sử dụng họ vi điều khiển PIC 1§F4550

2.1.2 Sơ lược về cấu trúc của vi điều khiển

2.1.3 Tổng quan về vỉ điều khiển PIC

2.1.3.1 PIC là gì

2.1.3.2 Tại sao là PIC mà không là các họ vi điều khiến khác

2.1.3.3 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC

2.1.3.4 Ngôn ngữ lập trình PIC

2.1.3.3 Mạch nạp PIC

2.2 Vi diéu khién PIC 18F4550

2.2.1 Sơ đồ chân và chức năng của từng chân

2.2.1.1 Sơ đồ chân

Hình 2.3: Vị điều khién PICI8F4550

oon MCLR/VPP/RE3 ——~> [| 1 oT 40 0 ~—~ RB7/KBI3/PGD

RAO/ANO «—+[] 2 39 L]Ì ~——> RB6/KBI2/PGC RA1/AN1 ~—>[| 3 38 [~—> RB5/KBI1/PGM RA2IAN2/VREF-ICVREF ~—>[ | 4 37 []ÌS—~> RB4/AN11/KBI0/CSSPP RA3/AN3/VREF+ =—>[L] 5 36 LÌ ~—> RB3/AN9/CCP2)PO RA4/T0CKI/C1OUT/RCV ~——>[] 6 35 [Ì~—> RB2/AN8/INT2VMO RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT ~——~>L] 7 34 []~—> RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RE0/AN5/CK1SPP ~—>[L | 8 no 33 [] ~—> RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA

Vop ——>L] 11 se 30 [~—> RD7/SPP7/P1D Vss ——> [| 12 oo 29 L]~—> RD6/SPP6/P1C OSC1/CLKI ——> [] 13 an 28 L]Ì ~—> RD5/SPP5/P1B OSC2/CLKO/RA6 ~———[] 14 27 L] ——~ RD4/SPP4 RC0/T1OSO/T13CKI <=—>[ | 15 26 L] =—> RC7/RX/DT/SDO RC1/T1OSI/CCP2f)/UOE ^——>LL] 16 25 [] ~=—> RC6/TX/CK RC2/CCP1/P1A ~—> L| 17 24 LÌ ~—~ RC5/D+/VP VUs8B =—>[ | 18 23 L]=—> RC4/D-VM RD0/SPP0 ~——>[ | 19 22 H <~— > RD3/SPP3 RD1/SPP1 ~—>[ | 20 21] ~—> RD2/SPP2

Hình 2.4: Sơ đồ chân vi diéu khién PIC 18F4550

2.2.1.2 Chức năng của từng chân

2.2.2 Một vài thông số về vỉ điều khiển PIC 18F 4550 PIC hồ trợ ADC lây mẫu đồng thời trên 2 kênh, điều này thuận tiện cho việc lấy tín hiệu điện áp lưới và máy phát cùng I1 thời điểm

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

- Timer0: Bộ đếm 16 bit

- Timer1: Bộ đếm 16 bit

- Timer2: Bộ dém 8 bit

- Timer3: Bộ đếm 16 bit

Các đặc tính Analog:

- 13 kênh chuyên d6i ADC 10 bit

- Hai bộ so sánh

2.2.3 Sơ đô khối 2.2.4 Tổ chức bộ nhớ

2.2.4.1 Bộ nhớ chương trình 2.2.4.2 Bộ nhớ đữ liệu

15

2.2.5 Các công nhập xuất

Vi điều khiển PICI8E4550 có 5 cổng xuất nhập, bao

PORTA, PORTB, PORTC, PORTD va PORTE

2.2.5.1 PORTA

2.2.5.2 PORTB

2.2.5.3 PORTC

2.2.5.4 PORTD

2.2.5.5 PORTE

2.2.6 Cac b6 TIMER

2.2.6.1 TIMERO

2.2.6.2 TIMER]

2.2.6.3 TIMER2

2.2.6.4 TIMER3

2.2.7 Bộ chuyển đổi ADC

2.2.8 CCP

2.2.9 Chuẩn giao tiếp I2C

2.2.10 Ngắt (INTERRUPT)

2.2.11 Phan mém lap trinh

16

Chuong 3 - SO DO KHOI VA THIET BI PHAN CUNG

Thiết bị tự động hòa đồng bộ chính xác dùng vi điều khiển của đê tài có sơ đô khôi như sau:

[TT TC TT Tnhh Ti Tin TT -18R—

| [ie 1 Governor

increase

ID Timer 14 sienal Timr LÌ | Governor

; decrease

' signal

i :

- | Voltage

VB ) Ay ' Hz detection (> | increase

i | FB _—} Cycle 1 i si ị signal

i Phase differen Voltage

| Signal

! detection L—] cœnmäm —) : |

| |

— Detection r1 ị +150

MANUAL i +150 Ị

! 5 ae

| | !

Delta F +

! | €

| ở I

v |

- |

L2 7S TƯ rnererrrrsrereee J

Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết bi hoa dong bộ chính xác

dùng vi điêu khiên

3.2 Nguyén ly lam viéc

3.2.1 Điều chữnh tân số ( tăng tốc độ, giảm tốc độ)

3.2.2 Điều chỉnh điện áp (tăng điện áp, giảm điện áp)

3.2.3 Đầu ra +15"

3.2.4 Đầu ra 25

Điểm đồng bộ

Điện áp phách

Cảnh báo

Hình 4.2: Giản đô tín hiệu đâu ra ấi đóng máy cốt

3.3 Thiết kế phần cứng

3.3.1 Mạch đo và chuẩn hoá điện áp lưới và điện áp máy phát

3.3.1.1 Phương pháp ao

Tín hiệu điện áp xoay chiều từ máy phát và lưới được đưa qua bộ

biến áp trở thành điện áp xoay chiều biên độ thấp, qua bộ chỉnh lưu

AC/DC trở thành điện áp 1 chiều 5VDC qua bộ biến đổi ADC trở

thành tín hiệu số 10 bít đưa vào vi xử lý, vi xử lý tính toán giá trị Us,

U/, gửi kết quả hiển thị lên LCD déng thoi tinh ra AU = Ug - UL

10bit khien

Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch do va chuẩn hóa điện áp

3.3.1.2 Mạch ão, chuẩn hóa điện áp lưới, điện áp máy phát

3.3.2 Mach do va chuẩn hoá tân số lưới và tân số máy phát, đo góc lệch pha Áo

3.3.2.1 Cơ sở của pháp ẩo tân số

+

os Mẹh| | | [ | jChuẩn ƒ ]| ƒ | sau

Hình 3.4: Sơ đồ khối mạch đo và chuẩn hóa điện áp

- Tín hiệu điện áp xoay chiều được đưa qua một mạch điều chế

xung, biến đổi thành xung vuông cùng pha, cùng tân số, tín hiệu xung này đưa qua bộ chuẩn hóa xung để biến đôi thành dạng xung vuông

- Vi điều khiển sẽ dò, khi phát hiện sườn lên của xung thì ra lệnh khởi động Timer Khi vi điều khiển dò thấy sườn lên tiếp theo của

xung thi ra lénh dung Timer

- Vi điều khiển đọc số chứa trong thanh ghi dữ liệu của Timer và

tinh ra gid tri cua chu ky T, từ đó tính ra tần số f = 1/T

3.3.2.2 Mạch ão và chuẩn hoá tần số lưới và tần số máy phát

- Vị điều khiển sẽ đo chu ky T,, Tg sau d6 tinh ra fr, fo, Af 3.3.2.3 Cơ sở phép đo góc lệch pha 10 giữa điện áp lưới và

điện áp máy phát

Vi diéu

Hinh 3.6: So d6 khoi mach do géc léch pha Ag

19

- Vi điều khiển sẽ dò sườn lên của xung U¡„ khi phát hiện sườn

lên của xung U; thì ra lệnh khởi động Timer với tần số 5MHz Sau

đó vi điều khiển đò sườn lên của xung Uo, khi phát hiện thấy sườn

lén cua xung Ug thi ra lénh dtng Timer

- Vi điều khiển đọc số chứa trong thanh ghi dữ liệu của Timer và

tính ra khoảng sai lệch về thời gian giữa hai sườn lên đầu tiên của

xung U¡, ae, từ đó tính ra Ag

3.3.3 Mạch nguồn

- Nguồn cung cấp cho các mạch đo và vi điều khiển có cấp điện

áp là + 5V và + 12V

3.3.4 Mạch hiển thị độ lệch điện áp, độ lệch tân số, góc pha

- Góc lệch pha của điện áp lưới và điện áp máy phát được thể hiện

trên hệ thông 26 đèn LED đơn Khi điện áp lưới sớm pha hơn điện áp

máy phát thì các đèn LED đơn sẽ quay theo chiều kim đồng hồ,

ngược lại thì quay sẽ quay theo chiều ngược chiều kim đông hô

3.3.5 Khối ngoại vỉ

3.3.5.1 Phím

3.3.5.2 Mạch LCD

3.4 Thiết kế bàn thí nghiệm về rơ le hòa đồng bộ dùng vi điều

khiến

fall) HHHB

Hình 3.12: Mạch thí nghiệm rơ le tự động

hòa đông bộ chính xác dùng vi điêu khiên

20

Chương 4 - LUU DO PHAN MEM VA CHUONG TRINH

DIEU KHIEN

4.1 Lưu đồ phần mềm 4.1.1 Lưu đồ phần mêm chính của vi điều khiển 1 4.1.1.1 Lưu đồ phần mêm truyền đữ liệu sang Vi diéu khién 2 4.1.1.2 Lưu đô phần mêm cài đặt các giá trị

4.1.1.3 Lưu đô phần mêm äo điện áp lưới

4.1.1.4 Lưu đồ phần mêm ảo điện áp máy phát 4.1.1.5 Lưu đô phần mêm äo tân số lưới 4.1.1.6 Lưu đô phần mêm äo tân số máy phát 4.1.1.7 Lưu đô phần mêm đo độ lệch pha 4.1.1.8 Lưu đồ phần mêm tính độ lệch điện áp, độ lệch tân số 4.1.1.9 Lưu đồ thuật toán hòa đông bộ

tine - Must lệnh gián

Đếm thếri gian - Đếm: thoi gen

- Must lénh ting - Must inh giam

sản =o aan oy ai |

-~ Đếm thei sen > Dim thoi gin

¥ ¥

lénh: giám

> x

D

C6 te gee Airs res