Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu đề tài gồm có: Tổng quan về hệ điều khiển ổn định tần số trong máy phát điện diesel; Khảo sát tính toán và tổng hợp hệ ổn định tần số máy phát điện diesel với mạch vòng phản hồi vị trị tuyến tính dùng bộ điều khiển pid; Ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động điều tốc máy phát điện

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG HUY BÌNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - Năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG HUY BÌNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Võ Quang Lạp Thái Nguyên – Năm 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Huy Bình Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 8.52.02.01 Tác giả, Cán bộ hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/10/2020 với các nội dung sau: - Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn. - Đã chỉnh sửa lỗi câu chữ, thuật ngữ trong luận văn cho phù hợp với chuyên ngành theo theo góp ý của Hội đồng. Thái Nguyên, ngày 26 tháng 10 năm 2020 Cán bộ hƣớng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS. Võ Quang Lạp Hoàng Huy Bình CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Duy Cƣơng i
LỜI CAM ĐOAN Tôi là, Hoàng Huy Bình học viên lớp cao học khoá 21 – Hệ thống điện Trƣờng đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Hiện nay tôi đang công tác tại Điện lực Thành phố - Công ty Điện lực Sơn La. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Võ Quang Lạp là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đƣợc ghi trong danh mục. Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 05 tháng 08 năm 2020 Học viên Hoàng Huy Bình ii
LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn tận tình của thầy PGS.TS. Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel” đã đƣợc hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS. Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Tác giả Hoàng Huy Bình iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii MỤC LỤC ......................................................................................................................iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI ...........................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... vii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL ...........................................................................................1 1.1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số ..................................................................... 1 1.2 Các phƣơng pháp ổn định tần số máy phát điện ............................................... 1 1.2.1. Ổn định tần số thứ cấp .................................................................................. 2 1.2.2. Ổn định tần số sơ cấp .................................................................................... 3 1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen ..................................................... 6 1.3.1 Các thông số đặc trƣng của bộ điều tốc ......................................................... 6 1.3.2.Giới thiệu sơ đồ .............................................................................................. 8 1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel để ổn định tần số máy phát điện. ............................................................................................................... 12 CHƢƠNG 2: KHẢO SÁT TÍNH TOÁN VÀ TỔNG HỢP HỆ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL VỚI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI VỊ TRỊ TUYẾN TÍNH DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................................................................25 2.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ...................................................... 25 2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định tốc độ ..................................... 26 2.2.1. Giới thiệu sơ đồ ........................................................................................... 26 2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM.......................................... 26 2.2.3. Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động ......................................... 27 2.2.3.1 .Các biểu thức tính toán ........................................................................ 27 2.2.4. Tổng hợp hệ truyền động RI ....................................................................... 29 2.2.4.1 Mô phỏng hệ ......................................................................................... 33 2.3. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trí tuyến tính .............................................................................................................. 34 2.3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí ............................................. 35 iv
2.3.2 Mô phỏng hệ thống. ..................................................................................... 37 2.3.2.1. Chọn và xác định các thông số ............................................................ 37 2.3.2.2 Tiến hành mô phỏng ............................................................................. 40 2.3.2.3. Nhận xét:.............................................................................................. 42 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN .....................43 3.1. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí ......................................................... 43 3.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ............................... 44 3.2.1. Khái niệm về bộ điều khiển mờ thích nghi ................................................. 44 3.2.1.1. Định nghĩa ........................................................................................... 44 3.2.1.2. Điều khiển mờ ..................................................................................... 44 3.2.1.3. Điều khiển thích nghi .......................................................................... 46 3.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient .............. 48 3.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov ............ 49 3.2.4. Phân loại...................................................................................................... 50 3.2.5. Các phƣơng pháp điều khiển mờ thích nghi ............................................... 50 3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU SONG SONG. ....................................................................................................... 53 3.3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 53 3.3.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ..................................................... 54 3.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song ....... 58 3.3.3.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển ........................................................................................................... 58 3.3.3.2. Thiết kế khối mờ cơ bản ...................................................................... 61 3.3.3.3. Sơ đồ mô phỏng ................................................................................... 67 3.3.3.4. Kết quả mô phỏng chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thích nghi .......................................................................................................... 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................73 v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƢỚC NGOÀI Isolated : Chế độ vận hành độc lập Paralled : Chế độ vận hành hoà lƣới AVR : Automatic Voltage Regulator (hệ thống tự động ổn định điện áp PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm) MUNA : Chế độ đặt bằng tay AUTO : Chế độ tự động DAC : Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự ADC : Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số LVDT : Bộ cảm biến cánh hƣớng PWM : Bộ điều chế độ rộng xung FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo SRC : Khối tạo sóng răng cƣa SS : Khối so sánh TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp........................................................................2 Hình 1-2: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) ....................................3 Hình 1-3: Đƣờng đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3). ..................................4 Hình 1.4:Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel .............................................................8 Hình 1-5: Đồ thị công chỉ thị ...........................................................................................9 Hình 1-6:Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện .................................12 Hình 1-7: Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor(r,q)................13 Hình 1-8:Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần ..15 Hình 1-9: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ .......................16 Hình 1-10: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. .................................................................................................................................17 Hình 1-11: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín .........................................................................................................................18 Hình 1-12: Đồ thị tốc độ quay và dòng điện của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ ...................................................................................................................18 Hình 1-13: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một chiều ..........22 Hình 1-14: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM dạng H ................................................23 Hình 1-15: Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H .............................................23 Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí ......................................................................25 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ.......................................................26 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM ............................................................27 Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi ..........................................................28 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện ............................................................29 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện ...............................................30 Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ .....................................................31 Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ ...................................32 Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID ............................... 33 Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí .....................................................35 Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí ............................................................... 37 Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID ............................40 Hình 3-1: Quan hệ giữa và ω ...................................................................................44 vii
Hình 3-2: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ................................................45 Hình 3-3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ động .......................................................................46 Hình 3-4: Điều chỉnh hệ số khuếch đại .........................................................................47 Hình 3-5: Bộ điều khiển theo mô hình mẫu ..................................................................47 Hình 3-6: Bộ điều khiển tự chỉnh ..................................................................................47 Hình 3-7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình .............................48 Hình 3-8: Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tƣợng bậc nhất....50 Hình 3-9: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp. ................................ 51 Hình 3-10: Cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp ........................51 Hình 3-11: Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi .................................................52 Hình 3-12: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào ....................................53 Hình 3-13: Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào/ ra .........................................54 Hình 3-14: Luật hợp thành tuyến tính ...........................................................................55 Hình 3-15: Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính.............................................55 Hình 3-16: Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành ................................................56 Hình 3-17: Các vùng trong ô suy luận...........................................................................56 Hình 3-18: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K .......................................59 Hình 3-19: MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra ..............................................60 Hình 3-20: MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai lệch đầu vào ...........................................................................................................................61 Hình 3-21: Sơ đồ khối mờ cơ bản .................................................................................62 Hình 3-22: Các luật hợp thành ......................................................................................66 Hình 3-23: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ .........................................................67 Hình 3-24:Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thích nghi .......................................................................................................................67 Hình 3-25: Các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào đặt = 6V. .................................................................................................................69 Hình 3-26: Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều khiểnPID .....71 viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL 1.1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số Tần số thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện. Khi tần số giảm công suất cơ không đảm bảo. Cụ thể khi tần số giảm không đủ điều kiện để hòa vào lƣới điện. Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm thì tốc độ của động cơ cũng giảm. Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số không đảm bảo sẽ dẫn đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tƣ, chi phí vận hành, giảm năng suất và hiệu quả làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số không chỉ gây thiệt hại cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác. Vì vậy khi thiết kế vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng cao chất lƣợng tần số. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng ta nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định tần số 1.2 Các phƣơng pháp ổn định tần số máy phát điện Nhƣ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lƣợng điện năng của toàn hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thƣờng, tần số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của máy phát điện . Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thƣờng, xét đối với phát chạy thủy điện: PT  P p t   (1-1) Trong đó: PT : Công suất của tuabin kéo máy phát. Ppt : Công suất của phụ tải điện.  : Tổn thất công suất tác dụng . Mô men kéo của tuabin.  .Q H . M T   (1-2) Trong đó:  : Hằng số 1
Q : Lƣu lƣợng nƣớc vào tuabin H : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.  : Hiệu suất tuabin Để ổn định tần số máy phát điện có hai phƣơng pháp ổn định thứ cấp và ổn định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lƣợt từng phƣơng pháp. 1.2.1. Ổn định tần số thứ cấp Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đƣa tần số về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho diesel. Nhờ cơ cấu đo lƣờng khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu điều khiển. Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lƣờng đơn giản nhất phản ứng theo độ lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì dòng I1 và I2 bằng nhau. Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi X L hoặc XC và dòng I1 và I2 sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ cấp có thể phản ứng để đƣa ra tác động điều chỉnh phù hợp. - Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp  U,f Udf BĐ/Cf TB F Uphf CCĐ Hình 1-1: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số TB: diesel máy phát F : Máy phát CCĐ: Cơ cấu đo tần số 2
* R3 * L I1 R1 UR UL U1 +Ecc U R2 * Uf U2 U1 R -Ecc U2 I2 a) b) Hình 1-2: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1-2. Các tham số L và R của bộ lọc tần BLT đƣợc chọn sao cho U1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế độ làm việc bình thƣờng với tần số định mức U thì UR = UL. Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh lƣu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đƣa vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt. Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi đó U L = jω.L.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR = R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật toán Ur ≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh tần số không phải là gía trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lƣợng U r, dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị chuẩn. 1.2.2. Ổn định tần số sơ cấp Điều chỉnh sơ cấp: là quá trình điều chỉnh tốc độ quay diesel bằng thay đổi lƣợng dầu vào diesel… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữa cho tốc độ quay của rotor – máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải. Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc  của máy phát điện theo quan hệ  p .n f   (1-3) 2 60 Trong đó: p - Số đôi cực của máy phát điện n - Số vòng quay của máy phát điện Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ khác nhau. 3
Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt hầu nhƣ không phụ thuộc vào tần số, công suất tiêu thụ bởi động cơ của máy móc gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số... Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tƣơng quan giữa các thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi. P P * Pd d k   f f f * f dd (1-4) Trong đó : f , P : Tƣơng ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng. f dd , Pd d :Tần số và công suất danh định . Để thấy rõ sự thay đổi tƣơng quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát đƣờng đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải. Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay  M   P .  của phụ tải. Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong 1 ' trên hình vẽ đặc trƣng cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đƣợc xác định tại điểm cắt O1 của đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính 1 ' (phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô men cản của phụ tải M 1 Hình 1-3: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3). 4
Khi số lƣợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1 ' sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải ( 2 ) và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm ' O3 , tƣơng ứng với tần số f3 . Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính 1 ' sẽ bị dịch chuyển sang trái ( 3 ) và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin ' tại O2 , tƣơng ứng với tần số f2 . Nhƣ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi:  f  f2  f3 Để đảm chất lƣợng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tính tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của tuabin sang phải (đƣờng 2). Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2) và phụ tải ( 2 ' ) tại O4 tƣơng ứng với tần số f4 > f3 . Tƣơng tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tính tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và 3 ' tại O5 tƣơng ứng với tần số f5 < f2 . Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số  f  f5  f4 ' <  f  f2  f3 Tập hợp các điểm O 5 , O1 , O 4 hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M) hoặc f(P). Đặc tính điều chỉnh của tuabin đƣợc đặc trƣng bằng hệ số phụ thuộc tƣơng đối (còn đƣợc gọi là hệ số tĩnh) f f * f dd     * S P * P Pd d (1-5) Thông thƣờng S * của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong giới hạn S * =0.02  0.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất nhƣ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có S * bé hơn sẽ ít biến đổi hơn. 5
1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen 1.3.1 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do tác động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc đƣợc đăc trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau: Độ sai lệch Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình: n kt  n H   (1-6) n tb Trong đó: nkt: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph nH: vòng quay ứn với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph n kt  n H n tb  vòng quay trung bình, v/ph 2 δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì vòng quay ban đầu, δ càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành (δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh. Độ rộng vùng không nhạy Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hƣởng lực ma sát trong các cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển thủy lực nên khi vận tốc góc thay đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tƣơng ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:  cb   cb ' "  cb   cb ' "  kn     cb cb 2 6
Trong đó, ω,cb, ω”cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ. Trong bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm việc độc lập, độ không nhạy ảnh hƣởng không nhiều tới chất lƣợng làm việc của động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ nhạy nhỏ cũng có thể gây ra độ sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có thể đƣợc xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của động cơ. Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác động cơ và bảo dƣỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhƣng vùng 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 hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:   dd  n dd    (1-7)  H nH ndd ( ωdd) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá trình chuyển tiếp. Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất phụ thuộc vào chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định. Độ không ổn định vòng quay tương đối Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối (định mức, không tải …)       s s hay   kt H (1-8) Trong đó: ωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định ωH, ωkt: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải) 7
Thời gian điều chỉnh Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời gian tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định 1.3.2.Giới thiệu sơ đồ Động cơ diesel là động cơ trong đó không khí và nhiên liệu đƣợc đƣa riêng vào xilanh, còn khí hỗn hợp công tác (hỗn hợp giữa không khí mới và nhiên liệu và một ít sản phẩm cháy của chu trình trƣớc sót lại) đƣợc hình thành ở bên trong xi lanh động cơ do phun nhiên liệu dƣới dạng sƣơng mù vào trong xi lanh ở áp suất cao và tạo sự cháy. Trong động cơ diesel, pistong của động cơ chuyển động tịnh tiến. Chuyển động tịnh tiến của piston đƣợc biến thành chuyển động quay của trục tuabin máy phát. Do đó để ổn định tần số máy phát diesel khi tải thay đổi thì ta phải điều chỉnh lƣợng nhiên liệu cũng nhƣ lƣợng khí vào trong động cơ diesel thông qua bộ điều tốc. MF Hình 1.4:Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel 8
Mô men của động cơ Đối với động cơ diesel, để mômen quay của nó ta phải tiến hành thành lập nên đồ thị công chỉ thị. Đồ thị công chỉ thị gần đúng của động cơ diesel Hình 1-5: Đồ thị công chỉ thị Trong đó: Quá trình nén a-c (c’) Quá trình cháy trong động cơ diesel đƣợc xem là bao gồm hai quá trình; Quá trình cháy đẳng tích c-z1 Quá trình cháy đẳng tích z1-z Điểm c đƣợc coi là điểm bắt đầu cháy còn điểm z là điểm kết thúc quá trình cháy. Quá trình giãn nở z – b – a Từ đồ thị công chỉ thị ở trên ta có thể tính đƣợc công thực hiện của chất khí trong một chu trình công tác Li là diện tích của hình đƣợc giới hạn đƣờng cong ac’cz1zb. Khi đó công suất chỉ thị của động cơ là; n .i N i  Li (1-9) 60 . 75 . m Cuối cùng ta đƣợc mômen chỉ thị của động cơ là; .i M i  Li (1-10) 60 . 75 . m Giá trị mômen này phụ thuộc rất nhiều vào mức nhiên liệu cung cấp cho một chu trình và tốc độ của động cơ. Đây là mối quan hệ phi tuyến, kết luận này hết sức quan trọng nó là cơ sở cho việc khẳng định rằng các thông số của mô hình toán là thay đổi trong quá trình hoạt động. 9
Mô hình toán của Diesel Phƣơng trình biểu thị trạng thái động của Diesel đƣợc thể hiện nhƣ sau: d j  M d  M kd  M t  M pt (1-11) dt Trong đó: J: Mômen quán tính của chi tiết quay so với trục động cơ  : Vận tốc góc của động cơ (vòng/phút) Md: Mômen quay do động cơ sinh ra (KGm) Mkd: Mômen quay đƣợc tạo ra bởi khí nén khởi động (KGm), chỉ xảy ra khi khởi động Mt: Mômen cản ma sát (KGm) Mpt: Mômen cản của phụ tải (KGm) Khi động cơ làm việc có tải máy phát d j  M d  M pt (1-12) dt Trong trƣờng hợp này, do mômen khởi động bằng không, mômen ma sát có giá trị rất nhỏ so với mômen phụ tải nên có thể bỏ qua. Nhƣ ta đã biết, tín hiệu ra của động cơ là vòng quay hoặc vận tốc góc ω và tín hiệu vào là lƣợng cấp nhiên liệu h. Ta tiến hành lập phƣơng trình động mô tả đối tƣợng thông qua tín hiệu vào và ra kết hợp với nhiễu là tải. Mômen quay do động cơ sinh ra phụ thuộc vào vận tốc góc ω và lƣợng nhiên liệu cấp cho bơm cao áp h. Md=f(  ,h) (1-13) Mômen phụ tải Mpt=f(  ,Npt) (1-14) Dựa vào khai triển maclaurin có thể khai triển phƣơng trình mômen của động cơ dƣới dạng M   M  M  M 3 3 h h  M    0.    0  ....  h  h0 .  h  h0  ... d d d d M d d0   h h 2 2 1! 2! 1! 2! Tiến hành khai triển tƣơng tự cho mômen phụ tải 10