Bài giảng Mô hình hoá hệ thống điện - Th.S Trần Anh Dũng

132 trang phuongnguyen 4521

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Mô hình hoá hệ thống điện - Th.S Trần Anh Dũng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mo_hinh_hoa_he_thong_dien_th_s_tran_anh_dung.doc

Nội dung text: Bài giảng Mô hình hoá hệ thống điện - Th.S Trần Anh Dũng

Tác giả: Th.S TRẦN ANH DŨNG, KS VƯƠNG ĐỨC PHÚC Hiệu đính: Th.S ĐỖ VĂN A MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG ĐIỆN HẢI PHÒNG - 2007 1
Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU 5 PHẦN I: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRÊN TÀU THUỶ 6 Chương 1: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CÓ CHỔI THAN 6 1.1: THÀNH LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Ở HỆ TRỤC CỐ ĐỊNH. 6 1.2: HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VIẾT Ở HỆ TRỤC QUAY 14 1.3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 33 1.4: ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 40 Chương 2 : MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TẢI ĐỐI XỨNG 42 2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TẢI ĐỐI XỨNG Ở HỆ TRỤC ĐỨNG YÊN (A,B,C) 43 Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 47 3.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Ở HỆ TRỤC QUAY (d,q) 47 3. 2. ĐƯA HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỀ GIÁ TRỊ TƯƠNG ĐỐI 52 3.3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 57 3. 4 . ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 59 Chương 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 60 4.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP. 60 Chương 5 : ỨNG DỤNG SIMULINK TRONG MATLAB XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ 64 5.1 KH ÁI QU ÁT CHUNG V Ề PHẦN MỀM MATLAB 64 2
5.2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 71 5.3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 71 5.4. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG TẢI ĐỐI XỨNG R - L VÀO MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ. 73 5.5. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỘNG BỘ LẤY NGUỒN TỪ LƯỚI CỨNG 79 5.6. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LẤY NGUỒN TỪ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 84 5.7 MÔ PHỎNG TỔNG HỢP CÁC QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH ĐỘNG 85 Chương 6 : MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CỚ CẤP CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 88 6.1. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU TỐC TRỰC TIẾP 88 6.2. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ BỘ ĐIỀU TỐC TÁC ĐỘNG TRỰC TIẾP 90 6.3. BỘ ĐIỀU TỐC TÁC ĐỘNG GIÁN TIẾP VÀ PHƯƠNG TRÌNH CỦA NÓ 92 6.4. ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ BỘ ĐIỀU TỐC 93 6.4. BỘ ĐIỀU TỐC LIÊN HỢP 93 6.5. ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA BỘ ĐIỀU TỐC LIÊN HỢP 95 6.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO ĐỘNG CƠ SƠ CẤP – MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ - TẢI 96 Chương 7: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 98 7.1. MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU NỬU CHU KỲ. 98 7.2: MÔ PHỎNG CẦU CHỈNH LƯU MỘT PHA DÙNG THIRISTOR 104 4, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẦU CHỈNH LƯU 3 PHA : 114 115 Chương 8: MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP VÀ CÁC BỘ BIẾN TẦN CÔNG SUẤT 121 3
BÀI 8.1 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT PHA DÙNG TIRISTOR. 121 BÀI 8.2 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 3 PHA 125 BÀI 8.3 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI BBIGT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 130 4
LỜI NÓI ĐẦU Mô hình hoá và mô phỏng là nột phương pháp nghiên cứu khoa học để nghiên cứu đối tượng, nó thay thế đối tượng bằng một mô hình để nhằm thu thập các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình. Ngày nay với sự trợ giúp của các máy tính có tóc độ cao mà phương pháp mô hình hoá được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, đến vận hành các hệ thống trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội như: Quân sự, kinh tế, xã hội Phương pháp mô hình hoá thường được sử dụng trong các trường hợp sau đây: 1. Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn do nhiều nguyên nhân: - Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt - Nghiên cứu trên hệ thống thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho con người cũng như thiết bị - Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài 2. Phương pháp mô hình hoá cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc câu trúc của hệ thốngcũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển. Những số kiệu này dùng để thiết kế hệ thống cũng như vận hành hệ thống 3. Phương pháp mô hình hoá cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thống thực: Trong trường hợp chưa có hệ thống thực thì nghiên cứu trên mô hình là biện pháp duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật, kựa chọn cấu trúc và các thông số tối ưu của hệ thống Xuất phát từ tầm quan trọng đó nhóm tác giả đã tổng hợp và viết cuốn sách “ Mô hình hoá hệ thống điện”. Cuốn sách trình bày mô hình toán của các loại máy điện,các bộ biến đổi và hệ thống năng lượng điện từ đó mô phóng các hệ thống này trên máy tính. Có nhiều phần mềm cho phép ta mô phỏng và nghiên cứu song phần mềm dễ sử dụng và đáp ứng được những yêu cầu của đối tưọng thực đó là phần mềm Matlab. Cuốn sách là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, sinh viên trong lĩnh vực công nghệ. Hải Phòng tháng 2 năm 2007 Nhóm tác giả 5
PHẦN I: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRÊN TÀU THUỶ Chương 1: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CÓ CHỔI THAN 1.1: THÀNH LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Ở HỆ TRỤC CỐ ĐỊNH. 1.1.1. Xét máy phát đồng bộ có cấu tạo như hình vẽ, trong đó Ws: Cuộn dây 3 pha stato, Wf : Cuộn dây kích từ còn WD , WQ : Cuộn dây ổn định theo trục dọc và ngang. a Ws b c  q d WD WQ Wf Hình 1.1 Hệ(a,b,c) hệ cố định gắn liền với Stator Hệ (d,q) hệ trục quay gắn liền với tốc độ quay của Rotor. 6
 a,d : 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 đaị 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 Kiêchốp 2. Ta ký hiệu các đại lượng như sau: ua, ub, uc : Điện áp tức thời trên các cuộn dây pha ở Stato. ia, ib, ic : Dòng điện trên các cuộn dây pha. a, b, c : từ thông của các cuộn dây pha a,b,c ở Stato. r ra rb rc : điện trở thuần của các cuộn dây stato. 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. 1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP CỦA CÁC CUỘN DÂY. Theo định luật kiechop 2: ua ea ia .r (1.1) ub eb ib .r (1.2) uc ec ic .r (1.3) Trong đó : d d d e a ;; e b e c a dt b dt c dt Cuộn kích từ và cuộn ổn định: u f e f rf .i f (1.4) d e f (1.5) f dt d 0 r .i e i .r D (1.6) D D D D D dt 7
d 0 i .r Q (1.7) Q Q dt 1.1.2. CÁC PHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG HỖ TỪ CỦA CÁC CUỘN DÂY. a. 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 dâynhư hình vẽ ltb i1 W1 W2 i2 Hình 1.2 Theo định luật dòng điện toàn phần Ta có : H.dl I 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 H.dl H.l i i .w i .w tb 1 1 2 2  . B.S.w ở đó:  B .0 .H H w.S..0 ( Trong đó B là độ từ cảm đo bằng T, S Tiết diện mạch từ, l chiều dài mạch từ) Như vậy đối với cuộn 1: 8
 1  1.ltb H1 H1 i1.W1 i2.W2 .0.W1.S .0.W1.S 2 W1 ..0 W1.W2..0.S  1 .i1 .i2 L1.i1 M12.i2 ltb ltb 2 W1 ..0 .S W1.W2 ..0 .S ở đó: L1 ;M 12 ltb ltb Tương tự với cuộn 2:  2 L2 .i2 M 21.i1 Ta thấy: M 12 M 21 Trong đó:L1 , L2 : Hệ số tự cảm của cuộn dây. M 12 M 21 :Hệ số hỗ cảm của cuộn 1 và cuộn 2. b. Áp dụng công thức trên cho mạch từ của 6 cuộn dây:  a La .ia M ab .ib M ac .ic M af .i f M aD .iD M aQ .iQ (1.8)  b Lb .ib M ba .ia M bc .ic M bf .i f M bD .iD M bQ .iQ (1.9)  c Lc .ic M ca .ia M cb.ib M cf .i f M cD .iD M cQ .iQ (1.10)  f L f .i f M fa .ia M fb .ib M fc .ic M fod .iod (1.11)  D LD .iD M Df .i f M DQ .iQ (1.12)  Q LQ .iQ M Qf .i f M QD .iD (1.13) Khi Rotor quay thì các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các phương trình trên thay đổi. Nó thay đổi sau: c. Xét sự thay đổi của La theo góc quay Rotor. La Lo Lm.cos 2 (1.14) a a Wf Wf 0   9  9
Hình 1.3 Khi  00 thì La Lo Lm Max Khi  900 thì La Lo Lm Min Hình 1.4 Tương tự khi xét sự thay đổi của Lb, Lc theo góc quay Rotor. 0 Lb L0 Lm .cos(2 120 ) (1.15) 0 Lc L0 Lm .cos(2 120 ) (1.16) Hình 1.5 d. Sự thay đổi của Mab theo góc quay . 10
Ta nhận thấy hệ số hỗ cảm của cuộn dây pha a và pha b là âm vì góc lệch pha giữa chúng >900 . Mab max khi Rotor nằm chính giữa 2 trục a,b  600 và đạt giá trị nhỏ nhất khi Rotor quay thêm 900 nữa. Mối quan hệ này thể hiện thông qua biểu thức 0 M ab M 0 M m .cos(2 120 ) (1.17) Tương tự thì : M bc M 0 M m .cos 2 (1.18) 0 M ac M 0 M m .cos(2 120 ) (1.19) Mối quan hệ này được thể hiện Hình 1.6 e. Quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn kích từ. Sự thay đổi của Maf theo : Ta thấy khi  0 thì khoảng cách của cuộn kích từ và cuộn dây pha a sẽ là gần nhất và lúc này hệ số hỗ cảm Maf là max 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 Maf 0.Tương tự cho sự thay đổi của các cuộn dây pha b, c với cuộn kích từ. Sự thay đổi này được thể hiện bằng công thức : a a d 11 Wf d Wf
 1800  900 Hình 1.7 M af M f .cos (1.20) 0 M bf M f .cos( 120 ) (1.21) 0 M cf M f .cos( 120 ) (1.22) f. Quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn ổn định. Tương tự như lí luận quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn kích từ ta được: M aD M D .cos (1.23) 0 M bD M D .cos( 120 ) (1.24) 0 M cD M D .cos( 120 ) (1.25) 0 M aQ M Q .cos( 90 ) (1.26) 0 M bQ M Q .cos( 30 ) (1.27) 0 M cQ M Q .cos( 210 ) (1.28) Nhận xét : Vì cuộn kích từ và cuộn ổn định nằm trên và quay cùng với Rotor cho nên các hệ số tự cảm cũng như các hệ số hỗ cảm giữa chúng với nhau là không đổi và không phụ thuộc vào vị trí Rotor do vậy L f = LD = La = const. Ta nhận được hệ phương trình toán của máy phát đồng bộ d u i .r a (1.29) a a dt d u i .r b (1.30) b b dt 12
d u i .r c (1.31) c c dt d u i .r f (1.32) f f f dt d 0 i .r oD (1.33) oD oD dt d 0 i .r oQ (1.34) oQ oQ dt  a La .ia M ab .ib M ac .ic M af .i f M aD .iD M aQ .iQ (1.35)  b Lb .ib M ba .ia M bc .ic M bf .i f M bD .iD M bQ .iQ (1.36)  c Lc .ic M ca .ia M cb.ib M cf .i f M cD .iD M cQ .iQ (1.37)  f L f .i f M fa .ia M fb .ib M fc .ic M fod .iod (1.38)  D LD .iD M Df .i f M DQ.iQ (1.39)  Q LQ .iQ M Qf .i f M QD .iD (1.40) La L0 Lm .cos 2 (1.41) 0 Lb L0 Lm .cos(2 120 ) (1.42) 0 Lc L0 Lm .cos(2 120 ) (1.43) M af M f .cos (1.44) 0 M bf M f .cos( 120 ) (1.45) 0 M cf M f .cos( 120 ) (1.46) M aoD M oD .cos (1.47) 0 M boD M oD .cos( 120 ) (1.48) 0 M coD M oD .cos( 120 ) (1.49) L f const, LD const, M fD const M Df 13
Các phương trình trên là phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục (a,b,c). Hệ trục này gồm 3 trục a,b,c lệch nhau 1200 trên mặt phẳng và đứng yên khi Rotor quay. Từ các phương trình này ta có thể tiến hành mô phỏng 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 mà có số đôi cực khác 1 thì  hinhhoc điện = p (1.50) Khi tiến hành mô phỏng thì ta phải sử dụng bước tính nhỏ vì điện áp hình sin có tần số khoảng (50-60)Hz. T 0,017 0,02 s. 1.2: HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VIẾT Ở HỆ TRỤC QUAY 1.2.1. 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. Trục d đặt dọc theo trục rotor gọi là trục dọc. Trục q đặt ngang theo trục rotor gọi la trục ngang. d q c u ud a d  q 0 0 uq b Hình 1.8 14
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. 1.2.2. MỐI QUAN HỆ GIỮA HAI HỆ TRỤC a. Lấy đại lượng điện áp để xét q b Ub Uc Uq U  d 0  Ud c Ua p a Hình 1.9 ua ud .cos uq .sin  (1.51) 0 0 ub ud .cos( 120 ) uq .sin( 120 ) (1.52) 0 0 uc ud .cos( 120 ) uq .sin( 120 ) (1.53) b. Dòng điện ia id .cos iq .sin  (1.54) 0 0 ib id .cos( 120 ) iq .sin( 120 ) (1.55) 0 0 ic id .cos( 120 ) iq .sin( 120 ) (1.56) c. Từ thông Đối với từ thông thì chiều dương của trục được chọn trùng với chiều dương của điện áp, dòng điện. Còn chiều dương trên trục d được chọn ngược với chiều điện áp, dòng điện 15
q   q u i d  d Hình 1.10  a  d .cos  q .sin (1.57) 0 0  b  d .cos( 120 )  q .sin( 120 ) (1.58) 0 0  c  d .cos( 120 )  q .sin( 120 ) (1.59) 1.2.3. BIẾN ĐỔI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TỪ HỆ (a,b,c) SANG HỆ (d,q) + Ta có: ua ud .cos uq .sin (1.60) 0 0 ub ud .cos( 120 ) uq .sin( 120 ) (1.61) 0 0 uc ud .cos( +120 ) uq .sin( 120 ) (1.62) Nhân (1.60) với cos (1.61) với cos( 1200 ) (1.62) với cos( +1200 ) Rồi cộng lại với nhau: 1 u .cos u .cos( 1200 ) u .cos( 1200 ) u .cos2  .u .sin2 a b c d 2 q 1 1 u .cos2 ( 1200 ) .u .sin2( 1200 ) u .cos2 ( 1200 ) .u .sin2( 1200 ) d 2 q d 2 q 0 0 ua .cos ub.cos( 120 ) uc .cos( 120 ) 2 2 0 2 0 ud .cos  cos ( 120 ) cos ( 120 ) 1 .u .sin 2 sin 2( 1200 ) sin 2( 1200 ) 2 q 16
0 0 3 ua cos ub cos  120 uc cos  120 ud 2 2 u u cos u cos( 1200 ) u cos( 1200 ) (1.63) d 3 a b c Tương tự: nhân (1.60) với sin (1.61) vớisin  1200 (1.62) với sin  1200 2 u u sin u .sin( 1200 ) u .sin( 1200 ) (1.64) q 3 a b c Tương tự với dòng điện và từ thông: 2 i i cos i cos( 1200 ) i .cos( 1200 ) (1.65) d 3 a b c 2 i i sin i sin( 1200 ) i .sin( 1200 ) (1.66) q 3 a b c 2  . .cos  .cos( 1200 )  .cos( 1200 ) (1.67) d 3 a b c 2  . .sin  .sin( 1200 )  .sin( 1200 ) (1.68) q 3 a b c Thực hiện chuyển đổi bằng cách thay các công thức biến đổi này vào các phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ a, b, c. Ta có: d u r.i a a a dt d b ub r.ib dt d c uc r.ic dt Như vậy (1.63), (1.64) trở thành: 2 da db 0 dc 0 ud ( ia.r )cos ( ib.r ).cos( 120 ) ( ic.r ).cos( 120 ) 3 dt dt dt 17
2 u . r.i .cos i .cos( 1200 ) i .cos( 1200 ) d 3 a b c d a d b 0 d c 0 .cos .cos( 120 ) .cos( 120 )  dt dt dt 3 Biểu thức ở trong cặp dấu ngoặc vuông thứ nhất .i (theo công thức 2 d biến đổi hệ trục đối với dòng điện) Để tính biểu thức trong dấu ngoặc vuông thứ hai trước hết tính đại d lượng d dt d d d d a .cos  .sin. b .cos( 1200 )  .sin( 1200 ). d 2 dt a dt dt b dt d . dt 3 d d c .cos( 1200 )  .sin( 1200 ). dt c dt d a d b 0 d c 0  2 .cos .cos( 120 ) .cos( 120 ) . dt dt dt  3 0 0 . a .sin  b .sin( 120 )  c .sin( 120 )  2 d d d d . a .cos b .cos( 1200 ) c .cos( 1200 ) d . 3 dt dt dt dt q Như vậy : 2 3 d d u .r. .i d . r.i d . (1.69) d 3 2 d dt q d dt q Tương tự ta nhận được: d u r.i q . (1.70) q q dt d + Các phương trình do điện áp của cuộn ổn định và cuộn kích từ: - Phương trình cân bằng điện áp của cuộn kích từ : Vì cuộn kích từ nằm trên rotor và quay cùng rotor và trục của nó nằm trùng với trục của rotor nên phương trình cân bằng điện áp của cuộn kích từ khi viết ở hệ trục (d,q) vẫn không đổi: d f u f rf .i f (1.71) dt 18
- Phương trình cân bằng của cuộn ổn định: d 0 r .i oD (1.72) 0D oD dt Mặc dù cuộn ổn định gắn liền với rotor, quay cùng rotor nhưng trục của nó không trùng với trục của rotor do vậy khi viết ở hệ trục d,q nó vẫn có hai thành phần theo trục dọc và trục ngang. (d,i ) Gọi: oD  (d, oD ) i 1 d (1.72) trở thành: 0 r . D . D oD cos cos dt cos d 0 .i .r D cos D oD dt d 0 r .i D (1.73) D D dt cos Ở đó: r r . điện trở thuần của cuộn ổn định theo trục dọc D oD cos Hoặc (1.72): i 1 d 0 r . Q . Q oD sin sin  dt sin d 0 r . .i Q oD sin  Q dt d 0 r .i Q (1.74) Q Q dt sin  r r . : điện trở thuần của cuộn ổn định theo thành phần trục ngang. Q oD sin + Các phương trình tương hỗ viết ở hệ (d,q): Để chuyển đổi các phương trình tương hỗ giữa các cuộn dây từ hệ trục a,b,c sang hệ trục (d,q) người ta đưa ra một máy phát điện đồng bộ giả tưởng gồm các cuộn dây giả tưởng gắn liền với hệ trục (d,q). d : cuộn stator giả tưởng theo trục dọc q : cuộn stator giả tưởng theo trục ngang 19
f : cuộn kích từ giả tưởng D : cuộn ổn định giả tưởng theo trục dọc Q : cuộn ổn định giả tưởng theo trục ngang ds , fs , Ds ,qs ,Qs , là các từ thông tản của các cuộn dây tương ứng. ad ,aq : từ thông tương hỗ giữa các cuộn dây q  ds  Qs d 0  ds  fs  Ds Hình 1.11 - Giả thiết rằng các cuộn dây trên cùng một trục thì có chung từ thông tương hỗ , còn các cuộn dây nằm khác nhau thì không tương hỗ với nhau vì hai trục vuông góc nhau - Giả thiết rằng từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây sẽ là từ thông tổng của từ thông tản của mỗi cuộn dây đó với cuộn dây tương hỗ  d  ds  ad  q  qs  aq  f  fs  ad  D  Ds  ad  Q  Qs  aq Vì cảm kháng tỷ lệ với từ thông do vậy mà : X d X ds X ad 20
X q X qs X aq X f X fs X ad X D X Ds X ad X Q X Qs X aq Ta nhận thấy từ thông tản của cuộn stator theo trục dọc và trục ngang là gần bằng nhau nên ta có thể coi: ds qs  s X ds X qs X s - Trở kháng gồm hai thành phần: X dS X qS X S - Các phương trình tính từ thông tổng các cuộn dây được tính theo nhận định trên: 2 Ta có:  cos + cos( 1200 )  cos( 1200 ) (1.75) d 3 a b c 2   cos + cos( 1200 )  cos( 1200 ) (1.76) q 3 a b c Thay:  a La .ia M ab .ib M ac .ic M af .i f M aD .iD M aQ .iQ  b Lb .ib M ba .ia M bc .ic M bf .i f M bD .iD M bQ .iQ  c Lc .ic M cb .ib M ca .ic M cf .i f M cD .iD M cQ .iQ ia id .cos iq .sin 0 0 ia id .cos( 120 ) iq .sin( 120 ) 0 0 ib id .cos( 120 ) iq .sin( 120 ) La L0 Lm .cos2 0 M ab M 0 M m .cos(2 120 ) M af M f .cos M aoD M oD .cos 21
i i D oD cos i i D DQ sin   d Ld .id M dD .iD M df .i f  q Lq .iq M dQ .iQ Ld : Hệ số tự cảm của cuộn stator theo trục dọc M dD : Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn ổn định M df :Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn kích từ M dQ : Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn ổn định theo trục ngang Tất cả các hệ số này đều là các hệ số không được tính trên cơ sở các phép tính, biến đổi. Nó phụ thuộc vào các hệ số :Lo, Mo, Lm, Mm, Mf, MoD nhưng không phụ thuộc vào góc quay của roto  nên nó là các hệ số không đổi. Chẳng hạn: 3 L L M .L d 0 0 2 m 3 L L M .L q 0 0 2 m Bằng các phép biến đổi tương tự người ta đưa ra phương trình từ thông tổng cuộn ổn định và cuộn kích từ theo từng trục d và q như sau:  f Lf .i f M df .i f M fD .iD (1.77)  D LD .iD M Dd .id M Df .i f (1.78) Q LQ .iQ M Qq .iq (1.79) Theo giả thiết tất cả các hệ số hỗ cảm theo cùng một trục thì bằng nhau và các cuộn dây trên cùng một trục thì có cùng một hệ số hỗ cảm : M df M fD M Dd M fD M Df M qQ M Qq 22
Suy ra các phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ (d,q): d u r.i d . (1.80) d d dt q d u r.i q . (1.81) q q dt d d u r.i f (1.82) f f dt d 0 r .i D (1.83) D D dt d 0 r .i Q (1.84) Q Q dt  d Ld .id M dD .iD M df .i f (1.85)  q Lq .iq M dQ .iQ (1.86)  f L f .i f M fD .iD M fd .id (1.87)  D LD .iD M dD .id M fD .i f (1.88)  Q LQ .iQ M Qq .iq (1.89) 1.2.4. HỆ PHƯƠNG TRÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VIẾT Ở HỆ TRỤC (d,q) VÀ GIÁ TRỊ TƯƠNG ĐỐI. - Khi mô phỏng thông thường người ta nghiên cứu các đại lượng ở giá trị tương đối để khảo sát máy điện về mặt định tính. Nếu muốn định lượng thì người ta tính giá trị tương đối nhân với giá trị so sánh cơ bản. a) Chọn các đại lượng so sánh cơ bản: - Điện áp Stato: U U n . 2 : Biên độ điện áp pha định mức. b 3 - Dòng điện Stato: Ib I n . 2 - Vận tốc quay: 23
b n 2 fn - Dòng kích từ: I fb I f kt : (Dòng kích từ khi máy phát không tải và điện áp máy phát là định mức) - Từ thông móc vòng cuộn kích từ:  fb  fKT L f .I fb - Từ thông móc vòng cuộn Stato:  b : Chọn là từ thông khi máy phát không tải và điện áp là định mức d u r.i d . d d dt q d u r.i q . q q dt d d d Khi không tải thì i i 0 d q 0 d q dt dt ud . q uq . d 2 2 2 2 u ud uq .  d  q ub ub . b hay  b Lb .ib b Lb : Giá trị cơ bản của hệ số tự cảm cuộn Stator khi không tải  d Ld .id M df .i f M dD .iD M df .i f  q Lq .iq M qQ .iQ 0   d M df .i f  b M df .i fb - Điện trở cuộn Stator: U b Zb b .Lb Ib - Dòng điện ổn định theo trục dọc: 24
 b I Db M dD - Từ thông móc vòng cuộn ổn định theo trục dọc:  Db Lb .I Db - Dòng điện, từ thông móc vòng cuộn ổn định theo trục ngang:  b iQb ;  Qb LQ .IQb M qQ - Từ thông tổng cuộn ổn định theo trục dọc:  Db LD .iDb b) Chuyển đổi hệ phương trình về giá trị tương đối. - Phương trình cân bằng điện áp cuộn stator theo trục dọc: Ta có: d u r.i d  . d d dt q u r.i 1 d . d d . d q Ub Ub Ub dt Ub u r.i 1 d . d d . d q Ub Zb.Ib b. b dt b. b * * * * 1 d d * * ud r .id .  . q (1.90) b dt Phương trình cân bằng điện áp cuộn stator theo trục ngang: d u r.i q . q q dt d u r.i 1 d . q q . q d Ub Ub Ub dt Ub u r.i 1 d . q q . q d Ub Zb.Ib b. b dt b. b 25
* * * * 1 d q * * uq r .iq .  . d (1.91) b dt - Phương trình cân bằng điện áp cuộn kích từ: d u r .i f f f f dt u r .i 1 d f f f . f U fb U fb U fb dt u r .i 1 d f f f . f U fb rf .I fb rf . fb dt d * u* i* T . f (1.92) f f f dt L f Tf : Hằng số thời gian của cuộn kích từ rf - Phương trình cân bằng điện áp cuộn ổn định theo trục dọc: d 0 r .i D D D dt r .i 1 d 0 D D . D rD .I Db rD .iDb dt * LD d D 0 iD . rD . Db dt d * 0 i* T . D (1.93) D D dt LD Ở đó : TD : Hằng số thời gian của cuộn ổn định theo trục dọc rD - Phương trình cân bằng điện áp cuộn ổn định theo trục ngang: d 0 r .i Q Q Q dt 26
r .i 1 d 0 Q Q . Q rQ .IQb rQ .iQb dt * LQ d Q 0 iQ . rQ .iQb dt d * 0 i* T . Q (1.94) Q Q dt LQ Ở đó : TQ : Hằng số thời gian của cuộn ổn định theo trục ngang rQ - Phương trình tính từ thông tổngcủa cuộn stator theo trục dọc:  d Ld .id M df .i f M dD .iD  L .i M .i M .i d d d df f dD D  b  b  b  b * Ld .id M df .i f M dD .iD  d Lb .Ib Lb .Ib Lb .Ib * Ld * M df .i f M dD .iD  d .id (1.95) Lb  b  b Ta có:  d Ld .id M df .i f M dD .iD Khi không tải thì:  d M df .i f  q Lq .iq M qQ .iQ 0   d  b  db M df .I fb M dD .I Db Như vậy (1.95) trở thành: * Ld * M df .i f M dD.iD  d .id Lb M df .I fb M dD.I Db * b.Ld * * *  d .id i f iD b.Lb 27
* * * * *  d X d .id i f iD (1.96) - Phương trình tính từ thông tổngcủa cuộn Stator theo trục ngang:  q Lq .iq M qQ .iQ  L .i M .i q q q qQ Q  b  b  b Do:  b Lb .Ib  b M qQ .IQb * b .Lq iq iQ  q . b .Lb Ib Ib * * * *  q X q .iq iQ (1.97) X q b .Lq : Trở kháng đồng bộ cuộn stator theo trục ngang. Lq : Hệ số tự cảm của cuộn stator theo trục ngang. - Phương trình tính từ thông tổng của cuộn kích từ:  f L f .i f M fd .id M fD .iD  L .i M .i M .i f f f fd d fD D  fb  fb  fb  fb  b Lb .Ib  M .I b df fb Do:  b M dD .I Db  b Lb .Ib  fb L f .I fb L f . L f . M df M df * L f .i f M fd .id M fD .iD  f L f .I fb L f .Lb L f .M dD .Ib .I Db M df M df * * M fd .M df * M fD .M df *  f i f .id .iD L f .Lb L f .M dD Ta có: 28
L .L X d * d d * X d ; X d Lb .Lb X b Ld Lb * X d * * M fd .M df * * M fD .M df *  f i f .X d .id .iD (1.98) L f .Ld L f .M dD M d.Md Đặt: f f : hệ số tương quan cuộn kích từ và cuộn stato theo L f Ld trục dọc. Do giả thiết rằng các cuộn dây giả tưởng của máy phát đồng bộ nằm trên trục cùng một trục có chung từ thông hỗ cảm là  ad đối với trục d, aq đối với trục q - Các hệ số hỗ cảm của các cuộn dây nằm trên cùng trục phải bằng nhau. Cho nên: M df M fd M dD M Dd M fD M Df M qQ M Qq X d , X f , X D : trở kháng tự cảm của các cuộn dây d, f, D X q , X Q : Trở kháng tự cảm của các cuộn dây q, Q X ad : Trở kháng hỗ cảm chung cho các cuộn nằm trên trục dọc X aq : trở kháng hỗ trợ chung cho các cuộn nằm trên trục ngang X dS , X fS , X DS :Trở kháng khuếch tán (tản) của các cuộn d,f,D X qS ,X QS : Trở kháng khuếch tán các cuộn q,Q Ta có: X dS = X qS = X S : Trở kháng khuếch tán cuộn stato thường có trong hồ sơ tài liệu máy. X d X S X ad X f X fS X ad 29
X D X DS X ad X q X S X aq X Q X QS X aq Từ những nhận định trên ta có: 2 X ad .X ad X ad d X f .X d X d .X f M fD .M df g1 : Hệ số tương quan cuộn dây kích từ và cuộn stator theo trục L f M dD dọc * * * * *  f i f d .X d .id g1.iD (1.99) - Phương trình tính từ thông tổng của cuộn ổn định: +)  D LD .iD M Dd .id M Df .i f  L .i M .i M .i D D D Dd d Df f  Db  Db  Db  Db Ta có:  Db LD .I Db  L .I b b b  b M df .I fb  b M dD .I Db  b LD .Lb  Db LD .I Db LD . .Ib M dD M dD  b LD .M df  Db LD .I Db LD . .I fb M dD M dD * * LD .iD M Db .id M Df .i f  D LD .I Db LD .Lb LD .M df .Ib .I fb M dD M dD 30
* * M Dd .M dD * M Df .M dD *  D iD .id .i f LD .Lb LD .M df Ta lại có: Ld X b .Ld Ld Lb * ; Lb * X  X d X d . d X b * * M Dd .M dD * * M Df .M dD *  D iD .X d .id .i f LD .Ld LD .M df ' M Dd .M dD Đặt: d : Hệ số tương quan cuộn ổn định và cuộn stator theo trục LD .Ld dọc M Df .M dD g2 : Hệ số tương quan cuộn ổn định và cuộn kích từ theo trục LD .M df dọc * * ' * * *  D iD d .X d .id g2.i f (1.100) +) Theo trục ngang:  Q LQ .iQ M Qq .iq  L .i M .i Q Q Q Qq q  Qb  Qb  Qb Ta có:  Qb LQ .IQb  b Lb .Ib  b M qQ .IQb  b LQ .Lb  Qb LQ .IQb LQ . .Ib M qQ M qQ 31
 L .i M .i Q Q Q Qq q  Qb LQ .IQb LQ .Lb .Ib M qQ 2  Q * M Qq * iQ .iq  Qb LQ .Lb Ta lại có: X .L L L b q q b  .L X * . q q X b 2 * * M Qq * *  Q iQ .X q .iq LQ .Lq 2 2 M Qq X Qq Đặt q LQ .Lq X Q .X q * * * *  Q iQ d .X q .iq (1.111) Như vậy ta nhận được hệ phương trình sau: * * * * 1 d d * * ud r .id .  . q (1.112) b dt * * * * 1 d q * * uq r .iq .  . d (1.113) b dt d * u* i* T . f (1.114) f f f dt d * 0 i* T . D (1.115) D D dt d * 0 i* T . Q (1.116) Q Q dt * * * * *  d X d .id i f iD (1.117) * * * *  q X q .iq iQ (1.118) 32
* * * * *  f i f d .X d .id g1.iD (1.119) * * ' * * *  D iD d .X d .id g2.i f (1.120) * * * *  Q iQ d .X q .iq (1.121) Trong đó: 2 X ad .X ad X ad  d X f .X d X d .X f 2 ' M Dd .M dD X ad d LD .Ld X D .X d M fD .M df X ad g1 L f M dD X f M Df .M dD X ad g2 LD .M df X D 2 2 M Qq X Qq q LQ .Lq X Q .X q Khi sử dụng hệ phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ tương đối ta quy ước bỏ dấu (*), nhưng ngầm định các đại lượng đều đo ở giá trị tương đối. Trừ một số đại lượng đặc biệt. 1.3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 1.3.1. LÝ THUYẾT: Trong các hồ sơ, tài liệu của máy điện có thể biết được một số thông số có trong hệ phương trình của máy phát đồng bộ việt ở hệ phương trình tương đối, còn một số khác như hệ số tương quan, hằng số thời gian của cuộn ổn định thì không tra cứu ngay được mà phải tính toán từ các thông số khác thường trong hồ sơ có các thông số sau : Pn ,U n , I n , fn : Những thông số định mức . r : Điện trở thuần cuộn stator ( ). rf : Điện trở cuộn kích từ ( ). 33
Xd : Trở kháng theo trục d . Xq : Trở kháng theo trục q. Xs : Trở kháng tản của cuộn stato chung cho cả 2 trục d và q ( cho ở gía trị tương đối ) . ' X d : Trở kháng quá độ theo trục d . " X d : Trở kháng siêu quá độ theo trục d . " X q : Trở kháng siêu quá độ theo truc q . Td : Hằng số thời gian của cuộn kích từ . " Td : Hằng số thời gian siêu quá độ của cuộn stato theo trục dọc . " Tq : Hằng số thời gian siêu quá độ của cuộn stato theo trục ngang . Như vậy để viết hệ phương trình của máy phát đồng bộ cần phải tính toán các thông số : ' d , q , d , g1, g2 ,TD ,TQ . Trở kháng siêu quá độ được xác định bằng tỷ số giữa gia số của từ thông tăng với gia số dòng điện ứng với từng trục . "  d "  q X d ; X q . id iq Còn trở kháng quá độ cũng được định nghĩa như trở kháng siêu quá độ nhưng không tính cuộn ổn ' định . X q X q . " " Tìm công thức tính X d và X q :  d X d .id i f iD  d X d . id i f iD Ta có :  f i f d .X d .id g1.iD . '  D iD d .X d .id g2.i f .  f i f d .X d . id g1. iD 0 . 34
'  D iD d .X d . id g2. i f 0 . Do đặc thù trong cấu trúc của máy phát đồng bộ là quán tính các cuộn dây đặt trên roto lớn hơn nhiều quán tính của cuộn dây stato. có thể giả thiết rằng  f  D 0 nếu so sánh chúng với  d . Khi đó ta tính được i f , iD theo id : ' d d .g1 i f X d . . id . 1 g1.g2 ' d d .g2 id X d . . id . 1 g1.g2 Thay các biểu thức tính iD và i f vào phương trình  d ta sẽ có: ' d . 1 g2 d . 1 g1  d X d . 1 id . 1 g1.g2   . 1 g  ' . 1 g " d d 2 d 1 .X d 1 .X d id 1 g1.g2 Mặt khác : 2 2 2 X ad ' X ad X aq X ad X ad d ; d ; q ; g1 ; g2 . X f .X d X D .X d X Q .X q X f X D Trong đó : X d X S X ad X f X S X ad X D X S X ad " Sau khi biến đổi ta thu được biểu thức tính X d : 35
1 X " X 1.122 d S 1 1 1 X ad X fS X DS ' Đại lượng trở kháng quá độ của cuộn stato theo trục dọc X d được định nghĩa tương tự như đại lượng trở kháng siêu quá độ nhưng bỏ qua cuộn ổn định. 1 X ' X 1.123 d S 1 1 X ad X fS " Bằng phép biến đổi tương tự như trên ta nhận được công thức tính X q : 1 X " X 1.124 q S 1 1 X aq X QS Từ (1.122), (1.123), (1.124) người ta đưa ra sơ đồ thay thế của máy phát đồng bộ như sau: X S " X d X ad X fS X DS X S X S " ' X X aq X QS X ad X fS q X d Hình 1.12 Từ các công thức thu được, người ta đưa ra phương pháp tính các hệ số trong hệ phương trình của máy phát đồng bộ như sau: 36
2 2 2 X ad ' X ad X ad X ad X aq d ; d ; g1 ; g2 ; q ; X f .X d X D .X d X f X D X Q .X q * Tính d : X d X S X ad X ad X d X S 1 X X X ; X ' X f fS ad d S 1 1 X ad X fS 2 1 X ad X fS ; d 1 1 X f .X d ' X d X S X ad * Tính TD : Hằng số thời gian siêu quá độ cuộn stator và cuộn ổn định có thể coi bằng nhau: " " Td TD Ta có : " LD X D " X D TD TD rD b .rD b .rD T X T X X D D hay D D T T ". D " " " " D d " TD X D Td X D X D 1 X " X d S 1 1 1 X ad X fS X DS 1 X " X D DS 1 1 1 X ad X S X fS 37
" " Tq TQ LQ X Q TQ rQ b .rQ Tương tự ta nhận được: " " " LQ X Q TQ rQ b .rQ TQ X Q " X Q " " TQ TQ . " TQ X Q X Q " X Q TQ Tq . " X Q 1 1 Ta có: X " X Nên: X " X q S 1 1 Q QS 1 1 X aq X QS X aq X S " Nếu trong máy chỉ cho biết Td 1.3.2-BÀI TẬP : Cho máy phát đồng bộ MCC 92-4, công suất là 100kW. Trong hồ sơ tài liệu cho: Un = 400V, In = 181A, fn 50Hz , r = 0.032 () , Xd = 2 (tđ), Xq = 0.83 (tđ), ' XS = 0.065, X d 0.25 , " " " X d 0.17 , X q 0.19 , Tf 1.64(s) , Td 0.018(s) Tính toán các thông số và viết phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ trục d, q theo giá trị tương đối. Giải . U 400. 2 U n . 2 (V ) b 3 3 Ib I n . 2 181. 2 A U b 400 Zb 1,27  Ib 3.181 b n 2 . fn 2 .50 314 rad / s 38
Ta có: r 0,032 r * 0,025 Zb 1,27 X ad X d X S 2 0,065 1,935 1 1 X 0,205 fS 1 1 1 1 ' X d X S X ad 0,25 0,065 1,935 X f X fS X ad 0,205 1,935 2,14 2 2 X ad 1,935 d 0,875 X f .X d 2,14.2 X ad 1,935 g1 0,904 X f 2,14 1 1 X 0,242 DS 1 1 1 1 1 1 " X d X S X ad X fS 0,17 0,065 1,935 0,205 X D X DS X ad 0,242 1,935 2,177 2 ' X ad 1,935 d 0,86 X D .X d 2,177.2 X ad 1,935 g2 0,89 X D 2,177 Tính : X aq X aq X q X S 0,83 0,065 0,765 X Q X QS X aq 1 1 X 0,149 QS 1 1 1 1 ' X q X S X aq 0,19 0,065 0,765 X Q X QS X aq 0,149 0,765 0,914 2 2 X aq 0,765 q 0,77 X Q .X q 0,914.0,83 " X D 2,177 TD Td . " 0,018. 0,135 s X D 0,29 39
1 1 Vì: X " X 0,242 0,29 D DS 1 1 1 1 1 1 X ad X S X fS 1,935 0,065 0,205 1 1 X " X 0,149 0,21 Q QS 1 1 1 1 X qS X S 0,765 0,065 " X Q " X Q 0,914 TQ Tq . " Td . " 0,018. 0,078 s X Q X Q 0,21 Vậy hệ phương trình của máy phát đồng bộ đã cho viết ở hệ d,q và giá trị tương đối như sau : d u 0,025.i 0,0032. d . d d dt q d u 0,025.i 0,0032. q . q q dt d d u i 1,64. f f f dt d 0 i 0,135. D D dt d 0 i 0,078. Q Q dt  d i f 2.id iD  q 0,83.iq iQ  f i f 0,875.2.id 0,904.iD  D iD 0,86.2.id 0,89.i f  Q iQ 0,77.0,83.iq 1.4: ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Để đơn giản hoá việc mô phỏng máy phát đồng bộ nhằm đơn giản hoá quá trình xây dựng mô hình 40
mô phỏng nó thì ta có thể lược bỏ đi 1 số đại 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 1 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 : d d d q 0 dt dt - Coi tốc độ quay của động cơ lai máy phát luôn không đổi và bằng tốc độ định mức thì     * . Ta có hệ sau: (1.80) ud  q (1.125) (1.81) uq  d (1.126) d (1.82) u i T . f (1.127) f f f dt (1.83), (1.84), (1.88), (1.89) bỏ qua (1.85)  d X d .id i f (1.128) (1.86)  q X q .iq (1.129) (1.87)  f i f d .X d .id (1.130) ud X q .id (1.131) uq X d .iq i f (1.132)  f i f d .X d .id (1.133) d u i T . f (1.134) f f f dt 41
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. Chương 2 : MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TẢI ĐỐI XỨNG Hình 2.1 Tải được nối hình sao có: 42
Ra , Rb , Rc : Điện trở thuần các pha La , Lb , Lc : Điện cảm ở các pha ia ,ib ,ic : Dòng điện chạy trong các pha Vì tải là đối xứng nên: R R R R a b c n La Lb Lc Ln Vì tải đối xứng nên có thể coi điện thế điểm o’ của tải và điện thế điểm o của máy phát là bằng nhau. 2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TẢI ĐỐI XỨNG Ở HỆ TRỤC ĐỨNG YÊN (A,B,C) di u R .i L . a (2.1) a a a a dt di u R .i L . b (2.2) b b b b dt di u R .i L . c (2.3) c c c c dt 2.1. 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VIẾT Ở HỆ d,q +) Để liên kết hệ phương trình của tải với hệ phương trình của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục quay (d,q) ta biến đổi phương trình của tải. +) Ta đã biết khi biến đổi từ (a,b,c) (d,q) 2 u .u .cos u .cos( 1200 ) u .cos( 1200 ) (2.4) d 3 a b c 2 u .u .sin u .sin( 1200 ) u .sin( 1200 ) (2.5) q 3 a b c Ta biến đổi ud còn uq tương tự: 43
2 dia dib 0 dic 0 ud . Ra.ia La. .cos Rb.ib Lb. .cos( 120) Rc.ic Lc. .cos( 120) 3 dt dt dt 2 .R .i .cos i .cos  1200 i .cos  1200  3 n a b c 2 dia dib 0 dic 0 .Ln . .cos .cos  120 cos  120 3 dt dt dt Ta lại có : 2 +) i .i .cos i .cos( 1200 ) i .cos( 1200 ) d 3 a b c 3 i .cos i .cos( 1200 ) i .( 1200 ) .i a b c 2 d did 2 dia d dib 0 0 d +) . .cos ia .sin . .cos( 120 ) ib.sin( 120 ). dt 3 dt dt dt dt dic 0 0 d .cos( 120 ) ic .sin( 120 ). dt dt 2 dia dib 0 dic 0 . .cos .cos  120 .cos  120 3 dt dt dt 2 d .i .sin  i .sin  1200 i .sin  1200 . 3 a b c dt 2 dia dib 0 dic 0 . .cos .cos  120 .cos  120 iq . 3 dt dt dt Như vậy : 2 3 did ud .Rn . .id Ln . .iq 3 2 dt di u R .i L . d .L .i (2.6) d n d n dt n q +) Hoàn toàn tương tự ta nhận được: di u R .i L . q .L .i (2.7) q n q n dt n d 44
X Thay L n ta được: n  X di u R .i n . d X .i (2.8) d n d  dt n q X di u R .i n . q X .i (2.9) q n q  dt n d 2.1.3. ĐƯA HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA TẢI VỀ GIÁ TRỊ TƯƠNG ĐỐI: +) Chọn các giá trị so sánh cơ bản: - Đối với điện áp : 2 U U . b n 3 Un : điện áp dây định mức tải, bằng với điện áp dây của máy phát - Dòng điện : Ib I n . 2 In : dòng điện định mức của tải, phải nhỏ hơn dòng điện định mức của máy phát U b Zb Ib Từ : X di u R .i n . d X .i d n d  dt n q u R .i X di X .i d n d n . d n q Ub Zb.ib .Zb Ib.dt Zb.Ib X * di* u* R*.i* n . d X *.i* (2.10) d n d  dt n q Tương tự : X * di* u* R*.i* n . q X *.i* (2.11) q n q  dt n d Hệ phương trình mới thu được bỏ dấu (*) ngầm định các đại lượng viết ở giá trị tương đối, tuy nhiên còn đại lượng  được viết ở giá trị thật. Để tránh 45
nhầm lẫn với  trong hệ phương trình của máy phát ta ký hiệu đại lượng  thật là T . Ta nhận được: X di u R .i n . d X .i (2.12) d n d  dt n q X di u R .i n . q X .i (2.13) q n q  dt n d 46
Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Ở HỆ TRỤC QUAY (d,q) Me 3(~) M Mc r §CK§B Hình 3.1 Từ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ta nhật thấy động cơ có 3 phương trình sau. - Phương trình cân bằng điện áp ở mạch roto và stato. - Phương trình cân bằng từ thông (tương hỗ) giữa roto và stato. - Phương trình cân bằng mômen trên trục của động cơ và tải. 3.1.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP. a) Phương trình cân bằng điện áp mạch stato. Ta nhận thấy chiều của sđđ ở chế độ động cơ quay ngược với chiều sđđ ở máy phát. Ta xét pha a như hình vẽ ta được: Hình 3.2 (với r là điện trở thuần 1 pha a.) 47
u a e a i a r a d a ea . dt d u i r a . (3.1) a a a dt d Việc quy ước e a xuất phát từ quy định về chiều dương của từ a dt thông móc vòng cuộn stato của động cơ không đồng bộ. Tương tự: d u i .r b (3.2) b b b dt d u i .r c (3.3) c c c dt (ta có r r r r ). a b c n Trong đó: - ua, ub, uc : điện áp đặt lên các pha của động cơ. - ia, ib, ic : dòng điện chạy trong mỗi pha của động cơ. - a, b, c : từ thông móc vòng của các cuộn dây stato. - ra = rb = rc = r : điện trở thuần ở các pha. Áp dụng các công thức chuyển đổi từ hệ trục (a,b,c) sang trục (d,q). Tương tự như máy phát đồng bộ. Chú ý vectơ  móc vòng trong chế độ động cơ thì quy định về chiều dương của vectơ điện áp và dòng điện. 1 d d ud r.id . s . q (3.4) b dt 1 d d ud r.id . s . q (3.5) b dt Với : s là tốc độ quay của từ trường quay stato. r là tốc độ quay của roto (s r). Phương trình (3.4) và (3.5) là phương trình cân bằng điện áp mạch stato viết ở hệ trục (d,q) và các đại lượng trên đã viết ở đại lượng tương đối, còn  b là gía trị thực . b. Phương trình cân bằng điện áp của động cơ dị bộ ở mạch roto. 48
Về cơ bản cách viết phương trình cân bằng điện áp của mạch roto cũng giống như các phương trình cân bằng điện áp của cuộn ổn định ở máy phát đồng bộ. Nó gồm có 2 thành phần dọc trục và ngang trục nhưng chúng ta chú ý đến các thành phần này ở hệ trục (D,Q) gắn liền với tốc độ quay của roto.  là góc lệch giữa hệ trục (d,q) và hệ (D,Q). q Q  Qa   r iQa ir iQ iD d S  Da iDa D r Hình 3.3 Phương trình cân bằng điện áp ở hệ (D,Q) như sau. d 0 r .i Da (3.6) D Da dt d 0 r .i Qa (3.7) Q Qa dt - rD, rQ là điện trở thuần mạch roto theo trục (D,Q). Do mạch từ của động cơ không đồng bộ người ta đã thiết kế đối xứng theo hai trục dọc và ngang, nên R, L,  là bằng nhau rD = rQ. Để có thể ghép nối các phương trình cân bằng điện áp của mạch rotor với mạch stator ta phải chuyển đổi hai phương trình trên sang hệ trục (d, q) Trên hệ toạ độ (d, q) i r có hai thành phần iD và iQ hệ toạ độ (D, Q) i r có iDa , iQa : Ta có công thức chuyển đổi hệ trục: 49
iDa iD .cos iQ .sin iQa iQ .cos iD .sin Tương tự với từ thông ta có :  Da  D .cos  Q .sin  Qa  Q .cos  D .sin Thay iDa , Da vào (3.6) ta nhận được: d d d d 0 r . i .cos i .sin D .cos  .sin. Q .sin  .cos. D D Q dt D dt dt Q dt d d d Q d D 0 cos. rD .iD  Q . sin. rQ .iQ  D . dt dt dt dt Biểu thức trên luôn đúng với mọi  , do vậy đồng nhất hai vế ta nhận được hệ phương trình: d d r .i D  . 0 D D dt Q dt d d r .i Q  . 0. D Q dt Q dt Ta lại có : rD rQ d S r S r .S S.S dt S   ( S S r : Độ trượt ) S d r .i D  .S. 0 D D dt Q S (3.8) d r .i Q  .S. 0 Q Q dt D S (3.9) 50
3.1. 2. CÁC PHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG HỖ GIỮA MẠCH ROTO VÀ STATO. Để viết các phương trình tính từ thông móc vòng của động cơ không đồng bộ người ta đưa ra 1 động cơ không đồng bộ giả tưởng, động cơ giả tưởng này sẻ có các cuộn dây giả tưởng ở các trục d và q như sau: - d là cuộn dây stato theo trục dọc. - q là cuộn dây stato theo trục ngang. - D,Q là cuộn dây roto theo trục doc và trục ngang. q  d s  Qs 0  ds  fs  Ds d Hình 3.4 Ta có các phương trình.  d Ld .id M dD .iD (3.10)  q Lq .iq M qQ .iQ (3.11)  D LD .iD M Dd .id (3.12)  Q LQ .iQ M Qq .iQ (3.13) Ở đó: L: Hệ số tự cảm của các cuộn dây M: Hệ số hỗ cảm từng cặp cuộn dây 3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG MÔMEN TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ. dr M M J. (3.14) e c dt 51
Trong đó: Me là mômen điện từ hay là mômen quay. Mc là mômen cản của tải. J là mômen quán tính Ta đã biết Me được tính theo: 3 M ( .i  .i ) (3.15) e 2 d q q d 3. 2. ĐƯA HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỀ GIÁ TRỊ TƯƠNG ĐỐI 3. 2.1. CHỌN GIÁ TRỊ SO SÁNH CƠ BẢN. - Điện áp stato : 2 U b U n . 3 Biên độ điện áp pha định mức - Dòng điện : I b 2I n - Tổng trở : U b Z b I b - Công suất : 3 P 3U I U I Công suất định mức của động cơ b n n 2 b b - Tốc độ : b n 2 . f n - Mômen : Pb M b b - Từ thông : 52
U b U b  b Lb I b .Lb . Z b b  b : Giái trị từ thông móc vòng của stato khi động cơ không tải hoàn toàn và quay với tốc độ định mức. - Dòng điện roto :  I b . Db M dD b I Qb M Qq - Từ thông móc vòng roto :  L I Db D Db Qb LQ I Qb 3. 2.2. THỰC HIỆN CHUYỂN ĐỔI . + Các pt (3.4), (3.5) đã viết ở giái trị tương đối . + Từ pt (3.8). d r .i D  .S. 0 D D dt Q S d D r .i  .S. dt D D Q S d D rD .iD  Q S.S .  Dbdt LD .I Db  Db * d D rD * * .iD S.S . Q dt LD M dD M qQ (Vì I Db IQb  Db  Qb ) LD LQ * * d D iD * S.S . Q (3.16) dt Tr 53
LD LQ Trong đó Tr là hằng số thời gian của mạch rotor. rD rQ + Từ pt(3.9) : Tương tự (3.8) ta nhận được: * * d Q iQ * S.S . D (3.17) dt Tr Tr : Được dùng để biểu diễn động cơ không đồng bộ là roto lồng sóc hay dây quấn. + Từ pt(3.10) :  d Ld .id M dD .iD  L .i M .i d d d dD D  b Lb.Ib M dD .I Db * Ld * *  d .id iD Lb * * * *  d X .id iD (3.18) Ld .Ld X d * * ( Vì: X d X q X ) Lb .Lb X b + Từ pt (3.11) : Tương tự (3.10) * * * *  q X .iq iQ (3.19) + Từ pt (3.12) :  D LD .iD M Dd .id  L .i M .i D D D Dd d  Db LD .I Db  Db  b LD .Lb LD .Ld Do cách chọn  Db LD .I Db LD . .Ib * .Ib M dD M dD X .M dD * * * M Dd .M dD *  D iD X . .id LD .Ld Đặt : 54
M .M Dd dD  : Hệ số tương quan của mạch roto và stato theo trục dọc, LD .Ld hệ số này chung cho cả hai trục d và q. * * * *  D iD X ..id (3.20) + Từ pt (3.13) : Tương tự (3.12) ta nhận được: * * * *  Q iQ X ..iq (3.21) M .M M .M  Qq qQ Dd dD LQ .Lq LD .Ld + Từ pt (3.14) : d M M J. r e c dt M M d e c r .M b J.b . M b M b b .dt d * M * M * .M J. . r e c b b dt * * * b dr M e M c J. . M b dt d* M * M * T . r (3.22) e c M dt J. b TM : Hằng số thời gian cơ khí M b + Từ pt (3.15) : 3 M .  .i  .i e 2 d q q d M e 3  d .iq  q .id . M b 2 M b M b Pb 3 U b .Ib 3 Do M b . . b .Ib b 2 b 2 55
3  .i  .i (3.15) M * . d q q d e 2 3 3 . .I . .I 2 b b 2 b b * * * * * M e  d .iq  q .id (3.23) Như vậy ta nhận được 10 phương trình sau khi viết ở hệ trục tương đối ngầm định bỏ dấu (*). 1 d d ud r.id . S . q (3.24) b dt 1 d q uq r.iq . S . d (3.25) b dt d D iD S.ST . Q (3.26) dt Tr (ST: Vận tốc từ trường quay ở giá trị thật) d Q iQ S.ST . D (3.27) dt Tr  d X.id iD (3.28)  q X.iq iQ (3.29)  D iD X..id (3.30)  Q iQ X..iq (3.31) d M M T . r (3.32) e c M dt M e  d .iq  q .id (3.33) + Hệ phương trình trên được viết chung cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và roto dây quấn, nhưng cuộn stato được nối hình sao. Để chuyển từ roto lồng sóc sang roto dây quấn chỉ cần giảm giái trị Tr là được. + Nếu là động cơ không đồng bộ mà các cuộn stato nối hình tam giác ta sử dụng các phương trình (3.24) (3.33) với chú ý : - Vế trái của phương trình (3.24) , (3.25) ta nhân lên 3 lần, vế phải giữ nguyên 56
- Các phương trình còn lại vẫn giữ nguyên 3.3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ +) Ta nhận thấy trở kháng của từng cuộn dây bao gồm hai thành phần: Trở kháng của bản thân cuộn dây và trở kháng hỗ cảm giữa các cuộn dây. +) Ta có sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ. Vì mạch từ của động cơ là đối xứng nên sơ đồ tương đương theo trục dọc và ngang giống nhau. Sơ đồ tương đương cho cả hai trục: ' r X1 X 2 ' r2 X m Hình 3.5 r : Điện trở thuần cuộn stato X1 : Trở kháng cuộn stato Xm : Trở kháng hỗ cảm mạch stato và mạch roto ' X 2 : Trở kháng mạch roto ' r2 : Điện trở thuần mạch roto Như vậy trở kháng đồng bộ cuộn stato X = X1 + Xm ' Trở kháng mạch roto Xr = X 2 + Xm Khi đó hằng số thời gian mạch roto: 57
Lr X r Tr ' ' r2 b .r2 Hệ số tương quan giữa mạch roto và stato  M .M X 2  Dd dD m LD .Ld X r .X Ví dụ: Tính toán thông số của động cơ không đồng bộ. Một động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 4A160 M80 M2 Có: X 18.23 Pn 11KW nn 730v / p U 400V X m 17.7 n f 50Hz I 25.6A r ' 0.239 n n 2 r 0.57 ' cos n 0.75 X 2 1.337 Yêu cầu tính toán thông số và viết ra hệ phương trình động cơ ở giá trị tương đối Giải. U 400 U n . 2 . 2 b 3 3 Ib In. 2 25,6. 2 Ub 400 Zb 8,6  Ib 3.25,6 b n 2 . fn 2 .50 314 rad / s r 0,57 r * 0,066 td Zb 8,6 X 18,23 X * 2,12 td Zb 8,6 ' X r X 2 X m 1,337 17,7 19,037  X r 19,037 Tr ' 0,253 s b .r2 314.0,239 X 2 17,72  m 0,91 X r .X 19,037.18,23 58
Như vậy hệ phương trình của động cơ đã cho khi nối sao như sau: 1 d u 0,066.i . d  . d d 314 dt S q 1 d u 0,066.i . q  . q q 314 dt S d ( Nếu f fn thì S 1(tđ) ) d i D D S. . dt 0,253 ST Q ( Nếu f fn thì ST 314 ) d i Q Q S. . dt 0,253 ST D  d 2,12.id iD  q 2,12.iq iQ  D iD 0,91.2,12.id  Q iQ 0,91.2,12.iq dr M e M c TM . ; TM 1 2 s dt M e  d .iq  q .id 3. 4 . ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Trong hệ phương trình của động cơ không đồng bộ có thể bỏ đi những thành phần không ảnh hưởng đến tính ổn định của động cơ và không gây ra sai số lớn. Cụ thể: - Bỏ qua thành phần không tuần hoàn trong phương trình cân bằng điện áp cuộn Stator d d ( coi d q 0 ) dt dt Như vậy các phương trình cân bằng điện áp cuộn Stator còn lại: 59
ud r.id cos q (3.34) uq r.iq cos d (3.35) Các phương trình còn lại giữ nguyên. Chương 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 4.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP. 4.1.1 CẤU TẠO ( SƠ ĐỒ KHỐI ) §CSC KT MF§B u CÇu C.Lu Kªnh ®iÖn ¸p i + + Kªnh dßng ®iÖn + e Bé HC§A un Hình 4.1 + Đây là bộ tự động điều chỉnh điện áp làm việc theo nguyên lý phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch. Trong đó: Kênh điện áp có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với điện áp máy phát Kênh dòng có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện máy phát 60
Bộ hiệu chỉnh điẹn áp có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ lệch giữa điện áp của máy phát UF và điệ áp chuẩn Un k Gọi tín hiệu ra là e (U U ). n TP 1 ở đây Un : 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. 4.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC : - Quay MF bởi động cơ sơ cấp, tại thời điểm ban đầu do hiện tượng từ dư ở trong MFĐB 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 này bị 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 điện áp sẽ nhỏ hơn giá trị điện áp chuẩn Un. Khi đó E tăng lên làm cho dòng kích từ cũng tăng lên làm cho điện áp máy phát tăng lên đạt đúng giá trị điện áp chuẩn mà ta đặt ban đầu. Ngược lại khi điện áp máy phát mà tăng lên so với định mức. 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. Để làm ổn định giá trị điện áp cho máy phát thì bộ hiệu chỉnh điện áp và kênh dòng làm việc. 4.1.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP. - Căn cứ vào nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý của bộ tự động điều chỉnh điện áp, ta có điện áp kích từ được tính : u f Ku .u Ki .i e (4.1) 61
K e (u u). n TP 1 Ku : Hệ số khuếch đại kênh áp Ki : Hệ số khuếch đại kênh dòng Để liên kết với mô hình toán học của máy phát đồng bộ ở giá trị tương đối, người ta phải đưa các phương trình của bộ tự động điều chỉnh điện áp về giá trị tương đối. Mặt khác, khi MF ổn định ở giá trị định mức thì E 0 do vậy: * * * * * u f K u .u K i .i (4.2) Bên cạnh đó, đối với máy phát đồng bộ ta có : ud .X q .iq uq .(i f X d .id ) u u X .i (4.3) d f f q d d u f i f T f . dt  f i f d .X d .id Như vậy để có sự đồng nhất hai phương trình (4.1) và (4.2) khi viết phương trình của bộ tự động điều chỉnh điện áp ở giá trị tương đối, người ta phải thiết kế bộ tự động điều chỉnh điện áp sao cho giá trị điện áp kích từ ở đơn vị tương đối. u f uq X d .id e (4.4) K e (u u). n TP 1 Ngoài ra do hiện tượng bão hoà từ mà điện áp kích từ không thể tăng mãi được. Đến lúc đó nó bị bão hoà, tức là ta có U f U fma . Theo quan điểm kỹ thuật, không nên tạo ra lượng dự trữ quá lớn cho dòng kích từ, nên khi thiết kế bộ hiệu chỉnh điện áp người ta cũng không cho lượng E quá lớn hoặc quá bé. E e E max 62
Hình 4.2 Suy ra: u f uq X d .id e (4.5) U f U f max (4.6) K e (u u). (4.7) n TP 1 E e E max (4.8) Thông số của bộ tự động điều chỉnh điện áp: K 10  25 T 0,1 0,2 (S) U f max 4  4,5 E max 0,5 1 un 1 63
Chương 5 : ỨNG DỤNG SIMULINK TRONG MATLAB XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ 5.1 KH ÁI QU ÁT CHUNG V Ề PHẦN MỀM MATLAB 5.1.1 KHÁI NIỆM VÀ CHỨC NĂNG. MATLAB ( Matrix Laboratory ) là phần mềm ứng dụng chạy trong môi trường Windows ,dùng để mô phỏng các hệ thống điều khiển dưới dạng hệ phương trỡnh trạng thỏi hoặc sơ đồ cấu trúc, thực hiện các phép toán về xử lý ma trận, xử lý tớn hiệu cũng như xử lý đồ hoạ. Simulink là một thư viện trợ giúp của Matlab dùng để mô hỡnh hoỏ, mụ phỏng và phõn tớch cỏc hệ thống . Đặc điểm của Simulink là lập trỡnh ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Nghĩa là , để mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trỡnh vi phõn, phương trỡnh trạng thỏi, hàm truyền đạt hay sô đồ cấu trúc thỡ chỳng ta cần chuyển sang chương trỡnh Simulink dưới dạng các 64
khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc cần khảo sát. Với cách lập trỡnh như vậy người nghiên cứu hệ thống sẽ thấy trực quan và dễ hiểu hơn. 5.1.2 CÁC KHỐI TRONG THƯ VIỆN SIMULINK 5.1.2.1 Thư viện các khối Sources ( Khối phát tín hiệu ): Thư viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau. Trong thư viện Sources có các khối như trong bảng dưới đây: Tờn khối Chức năng Band-Limited White Đưa nhiễu trắng vào hệ Noise Chirp- Signal Tạo súng sin tần số bất kỳ Clock Cấp thời gian thực Constant Tạo đại lượng không đổi, tín hiệu đầu vào không đổi Digital Clock Cấp thời gian, với thời gian lấy mẫu Discrete Pulse Khối phát tín hiệu dao động rời rạc Generator From Workspace Đọc dữ liệu trong vùng nhớ đệm From file Đọc dữ liệu từ một file Pule Generator Tạo cỏc xung với cỏc chu kỳ khỏc nhau Ramp Phát tín hiệu đường y= ax +b Random Number Tạo cỏc số ngẫu nhiờn phõn bố chuẩn 65
Repeating Sequence Tạo tớn hiệu tuỳ ý lặp lại theo chu kỳ Signal Generator Tạo cỏc dạng tớn hiệu khỏc nhau Sine Wave Tạo tớn hiệu hỡnh sin Step Tạo tín hiệu dạng hàm bậc thang đơn vị (hàm bước nhảy) Uniform Random Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều Number 5.1.2.2 Thư viện các khối Sinks. Ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khối trong hệ thống được khảo sát. Trong thư viện Sinks có các khối sau: Tờn khối Chức năng Display Hiển thị tín hiệu dưới dạng chữ số Scope Khối quan sỏt Stop simulation Ngừng quỏ trỡnh mụ phỏng khi lượng vào khác không To File Ghi dữ liệu vào File To Workspace Ghi dữ liệu vào vựng làm việc XY graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cử sổ đồ thị MATLAB 66
5.1.2.3 Thư viện các khối Discrete ( tớn hiệu rời rạc hay tớn hiệu số Z ). Thư viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thời gian rời rạc. Cụ thể bao gồm các khối như trong bảng sau: Tờn khối Chức năng Discrete Transfer Ecn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc Discrete Zero- pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thụng qua Pole và Zero Discrete -Filter Biểu diễn cỏc bộ lọc HR và FIR Discrete State- Space Biểu diễn hệ thống trong khụng gian trạng thỏi rời rạc Discrete-Time Biểu diễn tớch phõn tớn hiệu rời rạc Integrator theo thời gian Fist Order Hold Khõu tạo dạng bậc nhất Unit Display Hiển thị tớn hiệu trong một chu kỳ rời rạc Zero order Hold Khõu tạo dạng bậc thang khụng 5.1.2.4 Thư viện các khối Continuous. 67
Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn. Thư viện gồm các khối sau: Tờn khối Chức năng Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào ( d/dt) Integrator Tớch phõn tớn hiệu Memory Bộ nhớ ghi lại dữ liệu State- Space Biểu diễn hệ thống trong khụng gian trạng thỏi tuyến tớnh Transfer Fcn Hàm truyền đạt tuyến tính của các khâu hoặc hệ thống Transport Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước. Variable Transport Giữ chậm lượng vào với khoảng thời Delay gian biến đổi Zero- pole Hàm truyền theo Pole(điểm cực) và Zero(điểm không) 5.1.2.5 Thư viện các khối Nonlinear ( các khâu phi tuyến ). Thư viện Nonlinear có các khối biểu diễn các hàm phi tuyến điển hỡnh cỏc khối trong hệ thống phi tuyến. Cụ thể bao gồm cỏc khối sau: 68
Dead Zone Mụ tả vựng khụng nhạy (vựng chết). Quantizer Lượng tử hoá tỡn hiệu vào trong cỏc khoảng xỏc định. Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi của tín hiệu Relay Khâu rơle. Saturation Khõu bóo hoà tớn hiệu (khõu hạn chế). Switch Chuyển mạch giữa hai lượng vào. 5.1.2.6 Thư viên khối Signal & System : Thư viện Signal & System có các khối biểu diễn tín hiệu và hệ thống. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau : Tờn khối Chức năng Sub&Systems Xõy dựng hệ thống con bờn trong hệ thống lớn In1 Tạo cổng vào cho một hệ thống Demux (phõn kờnh) Tách tín hiệu véctơ thành các tín hiệu vô hướng Mux (Dồn kờnh) Gộp các tín hiệu thành một véctơ Out1 Tạo cổng ra cho một hệ thống 69
5.1.2.7 Thư viện chứa các khối toán học Math: Thư viện Math có các khối biểu diễn hàm toán học. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tờn khối Chức năng Abs Biểu diễn giá trị tuyệt đối của lượng vào Combuanatoril logic Biểu diễn bảng chõn lý. Product Thực hiện nhân các lượng vào Gain Bộ (khâu) khuyếch đại Matrix gain BKĐ có hệ số khuyếch đại là một Ma trận Math function Cỏc hàm toỏn học MinMax Tỡn giỏ trị min, max Relational Toỏn tử quan hệ Sum Tớnh tổng của cỏc lượng vào Trigonometric Function Hàm lượng giác Ngoài ra cũn cỏc thư viện như : + Thư viện chứa các khối Function & Tables. + Thư viện các khối mở rộng của Simulink. 70
5.2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (Tin học ứng dụng) 5.3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 5.3.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH. - Trong quá trình tự kích, máy phát làm việc không tải nên dòng điện máy phát có thể coi bằng 0, giả thiết rằng tốc độ động cơ lai n S.cấp = const và bằng giá trị định mức. Như vậy ta có hệ phương trình sau: ud .X q .iq 0 (5.1) u .(i f X d .id ) i f X d .id i f (5.2) d u i T . f (5.3) f f f dt  f i f d .X d .id i f (5.4) u f uq X d .id e uq e (5.5) u f u f max (5.6) K e (u u). (5.7) n TP 1 E e E max (5.8) 5.3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH: d u i T . f (5.9) f f f dt 1 1  f (u f i f ). . (5.10) T f S 71
u uq i f  f (5.11) Hình 5.1 Hình 5.2 Quá trình tự kích bao giờ cũng xuất phát từ gía trị điện áp dư, như vậy giá trị điện áp ban đầu của máy phát u = E0 = 5% Uđm = 0,05 (tđ) Trong cửa sổ tham số khối tích phân cần phải có giá trị ban đầu là 0,05 5.3.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH : 72
- Khảo sát thời gian tự kích của máy phát đồng bộ T f ,T càng lớn thì ttk càng lớn và ngược lại. e max càng nhỏ thì thời gian tự kích càng lớn và ngược lại. - Khảo sát độ quá chỉnh: U max Udm  .100% Udm Hệ số k càng lớn thì  càng lớn và ngược lại. 5.4. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG TẢI ĐỐI XỨNG R - L VÀO MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ. 5.4.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA HỆ THỐNG + ud .X q .iq (5.12) uq .(i f X d .id ) (5.13) d u i T . f (5.14) f f f dt  f i f d .X d .id (5.15) Phương trình (5.12), (5.13), (5.14), (5.15) dùng để xây dựng mô hình con của máy phát đồng bộ. + Hệ phương trình của bộ tự động điều chỉnh điện áp: u f uq X d .id e (5.16) u f U f max (5.17) k e (u u). (5.18) n TP 1 E max e E max (5.19) + Hệ phương trình của tải R-L X n did ud rn.id X n.iq . (5.20) T dt X n diq uq rn.iq X n.id . (5.21) T dt 73
Khi đóng tải cho máy phát thì điện áp của máy phát cấp ra chính là điện áp cấp cho tải, và dòng điện chạy qua stator của máy phát cũng chính là dòng điện qua tải. Cho nên để xây dựng mô hình cho máy phát cần đồng nhất các giá trị điện áp và dòng điện giữa máy phát và tải. Tuy nhiên những giá trị đồng nhất này là các giá trị thực, để đưa về giá trị tương đối cần phải khảo sát các giá trị so sánh cơ bản của từng đại lượng. - Đối với điện áp và dòng điện của máy phát đồng bộ U nMF U bMF . 2 3 I bMF I nMF . 2 - Với tải: U nT U bT . 2 3 I bT I nT . 2 Điện áp địng mức của tải và của máy phát phải bằng nhau, và dòng định mức của tải phải nhỏ hơn dòng định mức của máy phát. Như vậy ta nhận được: * * U bMF U bT U MF U T * * * * I bMF I bT iMF iT iMF k.iT I P k nT nT I nMF PnMF k: hệ số công suất giữa tải và máy phát ( k < 1 ). 5.4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH: - Để xây dựng mô hình của một hệ thống phức tạp người ta thường chia mô hình ra làm nhiều mô hình con. Mỗi mô hình con là của một thiết bị thành phần rồi ghép chúng lại với nhau. Xuất phát từ cấu trúc của hệ thống ta có thể chia thành 3 mô hình con: Mô hình máy phát đồng bộ, bộ tự động điều chỉnh điện áp và tả đối xứng R-L. 74
Hình 5.3 + Mô hình con của bộ máy phát đồng bộ: - Đầu vào là : id , iq , u f - Đầu ra là : ud , uq , u + Mô hình bộ tự động điều chỉnh điện áp: - Đầu vào là : uq , id , u - Đầu ra là : u f + Tải R-L: - Đầu vào là : ud , uq - Đầu ra là : id , iq , i Khi ghép nối lại chúng ta chú ý đến K p , K p1 là hệ số đồng nhất K K p K p1 a) Mô hình con của máy phát đồng bộ như sau: Gồm 4 phương trình (5.12), (5.13), (5.14), (5.15) 75
Hình 5.4 Ta thấy : - Coi tốc độ động cơ sơ cấp lai máy phát luôn không đổi và bằng giá trị định mức  1 - Quá trình đòng tải chỉ thực hiện khi xong quá trình tự kích, như vậy điện áp của máy phát đạt định mức. u = 1 và dòng điện i = 0 Từ phương trình ta nhận được: u 0 d uq i f  f  f u 1 Do đó trong mô hình con của máy phát đồng bộ cần đặt điều kiện ban đầu cho khối tích phân tính  f là 1. b) Mô hình con của bộ tự động điều chỉnh điện áp. Các thông số: u max 4  4,5 f T 0,1 0,2 E max 0,5 1 u 1 K 10  25 r 76
Hình 5.5 c) Mô hình tải R-L. Hình 5.6 Đối với tải: 2 2 Z n rn X n , cos 0,8 Do vậy: Nếu chọn Z n 1 rn 0,8 , X n 0,6 Z n 2 rn 1,6 , X n 1,2 Không cần điều kiện đầu cho khối tích phân ở mô hình tải. 5.4.3. ĐẶC TÍNH KIỂM TRA SỰ ĐÚNG ĐẮN: a) Đặc tính: 77
Hình 5.7 b) Thực nghiệm: - Đối với dòng tải khi hệ thống đã đóng tải xong và ổn định thì tất cả các thành phần đạo hàm bằng 0. Do vậy: ud rn .id X n .iq uq rn .iq X n .id 2 2 2 2 2 2 2 u ud uq (rn .id X n .iq ) (rn .iq X n .id ) i .Z n u i Z n Do vậy mà dòng điện tải khi hệ thống ổn định sẽ là: 1 iod Z n - Lượng sụt áp u Do trong thành phần của điện áp máy phát giá trị uq chiếm đa số, và từ phương trình của uq ta nhận thấy lượng sụt áp u khi đóng tải sẽ phụ thuộc vào X d .id ud .X q .iq uq .(i f X d .id ) - Như vậy ở máy phát nào mà Xd càng lớn thì sụt áp u càng lớn và ngược lại. - Zn càng nhỏ thì id ban đầu càng lớn, dẫn đến u càng lớn và ngược lại. 78
- Khi lượng sụt áp càng nhiều thì bộ tự động điều chỉnh điện áp càng phải tăng điện áp kích từ để bù vào lượng điện áp bị mất đi. Ta có : u f uq X d .id e k e (u u). n TP 1 u = un – u mà tăng e tăng u f tăng. - Bộ tự động điều chỉnh điện áp: Giả sử mà bộ tự động điều chỉnh điện áp hỏng k = 0 . Khi đó xem đặc tính điện áp của máy phát thay đổi. 5.5. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỘNG BỘ LẤY NGUỒN TỪ LƯỚI CỨNG 5.5.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Mc M (~)  Me r CB Hình 5.8 + Vì lưới cứng do vậy ta nhận được trong quá trình làm việc cũng như khởi động thì u, f const và bằng định mức. utđ = 1 , f f n 50Hz ST 314(rad / s)  S 1 S r S 1 r S 79
2 2 Ngoài ra ở trong hệ trục d,q có ud uq u 1 và ud , uq của lưới cứng cũng là những thành phần không đổi trong quá trình làm việc của động cơ, nên có thể giả thiết ud 1 , uq 0 Hệ phương trình của động cơ không đồng bộ (Đấu hình sao): ud r.id S . q r.id  q (5.22) uq r.iq S . d r.id  d (5.23) d D iD iD S.ST . Q (1 r ).314. Q (5.24) dt Tr Tr d Q iQ iQ S.ST . D (1 r ).314. D (5.25) dt Tr Tr  d X.id iD (5.26)  q X.iq iQ (5.27)  D iD .X.id (5.28)  Q iQ .X.iq (5.29) dr M e M c TM . (5.30) dt M e  d .iq  q .id (5.31) 5.5.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG Ta có 10 phương trình (5.22) (5.31) trong đó có 10 ẩn id , iq ,  d ,  q , iD , iQ ,  D ,  Q , r , M e . Từ (5.22)  q ud r.id (5.32) (5.23)  d uq r.iq (5.33) iD 1 (5.24)  D (1 r ).314. Q . (5.34) Tr S iQ 1 (5.25)  Q (1 r ).314. D . (5.35) Tr S 80
1 (5.26) id ( d iD ). (5.36) X 1 (5.27) iq ( q iQ ). (5.37) X (5.28) i D  D .X.id (5.38) (5.29) i Q  Q .X.iq (5.39) 1 1 (5.30)  r (M e M c ). . (5.40) TM S (5.31) M e  d .iq  q .id (5.41) Mô hình như sau: Hình 5.9 5.5.3. THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TÍNH: a) Thông số : + Loại : 4A160 M80 M2 81
Pn = 11 KW, Un = 400 V, In = 25.6 A, cos n = 0.75, nn = 730 Vòng/phút r = 0.066 (tđ), X = 2.12 (tđ),  = 0.91 (tđ), Tr = 0.253 (s) + Loại : S2Je -54A Pn = 10 KW, In = 20.5 A, Un = 400 V, cos n = 0.83, nn = 1400 V/P, r = 0.05, X = 2.27,  = 0.905, Tr = 0.185 b) Đặc tính : Đường đặc tính màu đỏ là Me = f(t) Đường đặc tính màu xanh lá cây là ’ = f(t) Đường đặc tính màu xanh đậm là i = f(t) 82
Hình 5.10: Đặc tính cơ động cơ điện không đồng bộ 5.5.4. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH:  Thực nghiệm với tải: -M C tăng thì iS sẽ tăng, iSôđ và tôđ sẽ tăng và ngược lại.  Điện trở Roto: - Khi Rr tăng thì Tr giảm, khi đó rth giảm còn MKĐ tăng, Mth không đổi và ngược lại.  Điện áp nguồn: Hình 5.11 2 U tăng K lần thì M KĐ và Mth tăng lên K lần, rth const . Trong thực tế người ta thay đổi điện áp nguồn cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ. Việc thay đổi điện áp nguồn được thực hiện thông qua bộ biến đổi điện áp, bộ này dùng các van bán dẫn có điều khiển.  Tần số : - Việc thay đổi tần số được điều chỉnh cùng với việc thay đổi điện áp theo luật nhất định. Khi mà u và S giảm thì r giảm và M KĐ tăng và ngược lai. 83
Hình 5.12 5.6. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LẤY NGUỒN TỪ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 5.6.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MF§B §CK§B §CSC M kt u i f §C§A u Hình 5.13 +) Giả thiết tốc độ động cơ sơ cấp luôn không đổi và bằng đinh mức =>S 1 +) Mô hình hệ thống phân thành 3 mô hình con gồm mô hình con của máy phát đồng bộ, mô hình con của bộ tự động điều chỉnh đện áp và mô hình con của động cơ không đồng bộ. Khi ghép thành mô hình lớn ta phải đồng nhất dòng điện và điện áp của máy phát với động cơ. Ta nhận thấy điện áp của máy phát cấp cho động cơ là bằng nhau và bằng U n, dòng điện thì phải đưa vào hệ số công suất. Trong đó hệ số công suất được tính theo: 84
I dmdc Pdmdc K p (5.42) I dmMF PdmMF 5.6.2. MÔ HÌNH Hình 5.14 5.6.3. ĐẶC TÍNH Hình 5.15 5.7 MÔ PHỎNG TỔNG HỢP CÁC QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH ĐỘNG VÀ NGẮT TẢI CHO MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 5.7.1. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH MÔ PHỎNG . - Trong quá trình tự kích đóng và ngắt tải thì cấu trúc cuả mô hình mô phỏng hệ thống là không thay đổi mà chỉ thay đổi giá trị tổng trở của tải Z N 85
trong các quá trình tự kích và ngắt tải thì Z N vô cùng lớn còn trong quá trình đóng tải thì ZN một quá trình xác định. Như vậy về cấu trúc mô hình mô phỏng tổng hợp các quá trình tự kích đóng và ngắt tải trong máy phát đồng bộ sẽ tương tự như mô hình mô phỏng quá trình đóng tải. Mô hình này chỉ khác ở chỗ là các giá trị R n,Xn không phải là các giá trị cố định mà nó là các giá trị thay đổi theo từng khoảng thời gian. Do vậy cần phải xây dựng thêm mô hình con bên trong mô hình con của tải có nhiệm vụ xác định các giá trị của R n,Xn theo từng khoảng thời gian. 5.7.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH +) Mô hình lớn: Giống như quá trình đóng tải đối xứng +) Mô hình con: Mô hình của máy phát đồng bộ và bộ tự động điều chỉnh điện áp được giữ nguyên, mô hình con của máy phát đồng bộ chỉ cần thay đổi giá trị ban đầu cho ỉf trong khối tích phân theo giá trị điện áp dư +) Mô hình con của tải R-L X n did ud Rn.id . X n.iq (5.43) ST dt X n diq uq Rn.iq . X n.id (5.44) ST dt ST 1 id (ud Rn.id X n.iq ). . (5.45) X n S ST 1 iq (uq Rn.iq X n.id ). . (5.46) X n S 86
Hình 5.16 Xây dựng mô hình không tải. Khoảng thời gian cho các quá trình tự kích đóng và ngắt tải tuỳ chọn nhưng phải đảm bảo cho mỗi quá trình phải ổn định xong thì mới chuyển sang trạng thái khác Hình 5.17 - Để chương trình có thể chạy toàn bộ các quá trình cần mô phỏng thì cần phải thay đổi thông số stoptime trong mục parametler trên thanh công cụ của sổ xây dựng mô hình để lựa chọn thời gian dừng cho phù hợp. 87
Hình 5.18 Chương 6 : MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CỚ CẤP CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 6.1. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU TỐC TRỰC TIẾP 6.1.1. CẤU TẠO 88
Nhiªn liÖu  §CSC MF§B P G M D L K B  E SM SM Hình 6.1 Trong đó: ĐCSC: động cơ sơ cấp MFĐB: máy phát đồng bộ G : Cơ cấu ly tâm M : Khớp nối L : Lò xo B : Trục vít E : Ecu SM : Động cơ servo D : Bộ giảm chấn K : Kim điều chỉnh P : Bộ phận động cơ nhiên liệu 6.1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: +) Ở trạng thái ban đầu (ứng với tốc độ đặt nào đó) thì chuyển động quay của động cơ sơ cấp được biến đổi thành chuyển động thẳng nhờ cơ cấu ly tâm G lực của lò xo L giữ khớp nối M nằm ở vị trí mà tại đó bộ phận điều 89
chỉnh nhiên liệu phải đảm bảo cấp một lượng nhiên liệu nhất định cho động cơ sơ cấp và tốc độ động cơ ổn định ở đó. +) Nếu vì 1 lý do nào đó mà tốc độ động cơ sơ cấp tăng thì cơ cấu ly tâm sẽ kéo khớp nối M di chuyển lên trên và qua thanh cần tác động lên bộ phận điều chỉnh nhiên liêu P làm cho lượng nhiên liệu cấp cho động cơ sơ cấp ít đi dẫn đến tốc độ của động cơ giảm xuống trở về trạng thái ban đầu. +) Tương tự nếu tốc độ động cơ sơ cấp giảm. +) Tín hiệu đặt trước cho vận tốc quay của động cơ sơ cấp được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí của điểm tựa lò xo L. Khi vị trí điểm tựa thay đổi sẽ làm thay đổi lực của lò xo L dẫn tới thay đổi vị trí cân bằng của khớp nối M làm thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho động cơ sơ cấp. Khi đó động cơ sơ cấp quay ở một tốc độ khác. Để điều khiển từ xa giá trị của tín hiệu cho trước người ta sử dụng động cơ Servơ SM. Động cơ SM có thể đảo chiều để điều kiện theo chiều tăng hay giảm nhiên liệu. Động cơ SM sẽ tác động lên Ecu E di chuyển trục vít B làm thay đổi vị trí điểm tựa của lò xo L. +) Ngoài ra người ta sử dụng bộ giảm chấn D làm khâu hiệu chỉnh. Trong xi lanh bộ giảm chấn có chứa dầu khi khớp nối M dịch chuyển, thanh cần sẽ kéo theo pittông bộ giảm chấn. Dầu chảy từ khoang này sang khoang khác của xi lanh làm chậm lại bộ hiệu chỉnh. Hiệu suất bộ D hiệu chỉnh bằng vít K. *) Sơ đồ khối của khâu điều tốc:  +  S n Bé hiÖu chØnh PT thùc hiÖn - §o (C¬ cÊu ly t©m) Hình 6.2 6.2. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ BỘ ĐIỀU TỐC TÁC ĐỘNG TRỰC TIẾP 6.2.1. PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP: +) Phương trình động cơ sơ cấp được đưa ra từ phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ với máy phát đồng bộ d J. S M M (6.1) dt D e 90
MD : Mô men động cơ sơ cấp (phụ thuộc vào lượng nhiên liệu được cấp) Me : Mô men điện từ của máy phát đồng bộ, đóng vai trò là mô men cản của tải J : Mô men quán tính +) Phương trình cân bằng mô men viết ở hệ tương đối và viết theo độ lệch tương đối của vận tốc quay của động cơ sơ cấp so với giá trị định mức thì ta có phương trình : d T . .  M (6.2) j dt P e   S n : Độ lệch tương đối của vận tốc quay so với giá trị điịnh mức n  P : Độ lệch tương đối của bộ phận điều chỉnh nhiên liệu P so với giá trị định mức của nó  : Hệ số tự cân bằng Me : Mô men điện từ của máy phát ở giá trị tương đối n Tj : Hằng số thời gian cơ khí: T j J. M n  n : Tốc độ quay định mức Mn : Mô men quay định mức 6.2.2. PHƯƠNG TRÌNH BỊ ĐIỀU TỐC +) Để đưa ra phương trình ta cần đưa ra phương trình chuyển động của khớp nối M của cơ cấu ly tâm dưới tác động tổng hợp của các lực quán tính, lực lò xo, lực ly tâm lực của bộ giảm chấn và lực ma sát nhớt Ta viết phương trình theo độ lệch tương đối so với trạng thái định mức thì chuyển động của điểm M được biểu diễn qua 2 phương trình sau: d 2 d Tr.  T .   .(  )  (6.3) dt 2 K dt  i n d  T .   (6.4) i dt  : Sự dịch chuyển của khớp nối M so với trạng thái định mức. 91
 : Sự dịch chuyển pit tông bộ giảm chấn so với trạng thái định mức. : Độ lệch tương đối của vận tốc quay. n : Giá trị đặc trưng cho tín hiệu đặt. Tr : Hằng số thời gian quán tính của tất cả các phần tử chuyển động của bộ điều tốc. Tk : Hằng số thời gian của ma sát nhớt.  : Độ không đòng đều bộ điều tốc.  i : Độ không đồng đều tam thời. Ti : Hằng số thời gian bộ giảm chấn. 6.3. BỘ ĐIỀU TỐC TÁC ĐỘNG GIÁN TIẾP VÀ PHƯƠNG TRÌNH CỦA NÓ 6.3.1. BỘ ĐIỀU TỐC GIÁN TIẾP - Cấu tạo: PH V XC PV DÇu PC CV Hình 6.3 XC : xi lanh chính PC : pit tông chính PH : cần phản hồi V : van trượt PV : pit tông của van trượt CV : cửa van trượt +) Hiện nay trên tàu thuỷ nói riêng và bộ điều tốc nói chung người ta chủ yếu dùng bộ điều tốc tác động gián tiếp. Tức sự dịch chuyển của khớp nối của cơ cấu ly tâm không tác động lên bộ phận điều chỉnh nhiên liệu mà qua khâu trung gian dùng cơ cấu thuỷ lực. ở trạng thái ổn định các pit tông của van 92
trượt luôn đóng các cửa van. Nếu khớp nối của cơ cấu ly tâm thay đổi vị trí của mình thì một trong 2 cửa van mở ra dầu dưới áp cao sẽ chảy vào xi lanh chính làm dịch chuyển pit tông của xi lanh chính làm thay đổi vị trí của bộ điều kiển nhiên liệu cho động cơ sơ cấp làm thay đổi tốc độ sao cho có xu hướng trở lại tốc độ đặt. 6.3.2. PHƯƠNG TRÌNH +) Phương trình của bộ thuỷ lực có thể viết: (TKD p 1). P K. (6.5) Tkd : Hằng số thời gian bộ khuyếch đại thuỷ lực K: Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại thuỷ lực K  P . Sự dịch chuyển TKD p 1 6.4. ĐƠN GIẢN HOÁ HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ BỘ ĐIỀU TỐC Khi đánh giá mối quan hệ của các hằng số thời gian và hệ số khuyếch đại trong bộ điều tốc người ta tìm cách triệt tiêu các thông số  và  . Coi tất cả khâu phản hồi là 1 khâu quán tính bậc nhất như vậy ta nhận được : d T .  M (6.6) j dt p e (Ts P 1). p k p . n (6.7) Trong đó: Ts : Hằng số thời gian toàn bộ của bộ điều tốc Kp : Hệ số khuyếch đại toàn bộ của bộ điều tốc n : Đặc trưng cho tín hiệu đặt cho bộ điều tốc 6.4. BỘ ĐIỀU TỐC LIÊN HỢP 6.4.1. CẤU TẠO - Đối với bộ điều tóc đã nghiên cứu thì tín hiệu điều chỉnh tốc độ được tạo nên nhờ độ lệch của vân tốc quay so với giá trị định mức. Nguyên lý như vậy khôngt cho phép đạt được sự tác động nhanh của hệ thống. Bộ điều tốc sẽ hoạt động chính xác và hiệu quả hơn nếu ta áp dụng nguyên lý liên hợp, có nghĩa là tín hiệu tác động lên bộ phận điều chỉnh nhiên liệu không những được tạo 93
thành từ độ lệch của vận tốc quay mà cái được tạo thành từ nguyên nhân gây độ lệch tức là giá trị tải của máy phát đồng bộ. - Hình vẽ:   P §CSC MF§B T¶i + B§L CT + N§ K§ Hình 6.4 CT : Cảm biến công suất BĐL : Bộ phận của bộ điều tốc làm việc theo nguyên lý độ lệch NĐ : Nam chân điện từ; KĐ : Khuyếch đại - Nguyên lý hoạt động : Tín hiệu từ khâu cảm biến công suất sẽ đưa qua khâu khuyếch đại và đưa đến man châm điện NĐ phần ứng của nam châm điện từ tức bộ phận chuyển động được kết hợp cơ khí với phần động của khâu điều chỉnh theo đọ lệch. Tổng hợp 2 tín hiệu này tạo ra sự dịch chuyển tổng hợp cho bộ phận điều chỉnh nhiên liệu của động cơ sơ cấp. 6.4.2. HỆ PHƯƠNG TRÌNH d T .  M (6.8) j dt p e (Ts P 1). p1 k p . n (6.9) (Te P 1). p2 k.Pmp k.M e (6.10)  p  p1  p2 (6.11)  P1 : Đặc trưng cho độ dịch chuyển của bộ phận điều chỉnh nhiên liệu dưới tác động của của bộ điều chỉnh theo độ lệch.  P2 : Đặc trưng cho độ dịch chuyển của bộ phận nđiều chỉnh nhiên liệu dưới tác động của bộ điều chỉnh theo tải. Te : Hằng số thời gian của nam châm điện từ. K : Hệ số khuyếch đại của toàn bộ khâu tác động theo tải. 94
6.4.3. CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ ĐIỀU TỐC Tj = 1,5- 4 (s) :Đối với diesel Ti = 5 – 14(s) : Đối với Tuabin Te = 0,01 – 0,02 s K 1  :sai lệch điều chỉnh P  Nếu  =0,03 => kp = 33 => k 1 6.5. ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA BỘ ĐIỀU TỐC LIÊN HỢP S f (Me) : Khi hệ thống đã ổn định .Tức là khi đó tất cả các đạo hàm của hệ phương trình bộ điều tốc đều bằng 0. (6.8)  P Me (6.9)  P1 K P . n (6.10)  P2 K.Me (6.11)  P  P1  P2 K P . n K.Me Me (K 1) n .Me (6.12) K P K P Đặc tính ngoài là chùm đường thẳng: Hình 6.5 Đặc tính ngoài mong muốn là đặc tính ngoài mà tốc độ quay của động cơ sơ cấp luôn không đổi và không phụ thuộc vào giá trị tải. Để thoả mãn điều kiện này thì K = 1. Muốn triệt tiêu độ sai lệch tĩnh thì S n ở trạng thái ổn định 0 , n 0 95
Đối với hệ số n 0 , K 1 ta thu được đặc tính ngoài tối ưu. 6.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO ĐỘNG CƠ SƠ CẤP – MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ - TẢI Hình 6.6 Các mô hình con của máy phát đồng bộ , động cơ không đồng bộ và bộ tự động điều chỉnh điện áp về cơ bản vẫn giống như ta xây dựng ở trước. Riêng mô hình con của máy phát đồng bộ và động cơ không đồng bộ cần phải thay đổi phương trình cân bằng điện áp của stato dẫn đến cấu trúc của chúng thay đổi theo. +) Máy phát đồng bộ: ud . q (6.13) uq . d (6.14) d u i T . f (6.15) f f f dt 96
 d X d .id i f (6.16)  q X q .iq (6.17)  f i f d .X d .id (6.18) M e  d .iq  q .id (6.19) Suy ra: ud .X q .iq (6.20) uq .(i f X d .id ) (6.21)  f i f d .X d .id (6.22) d u i T . f (6.23) f f f dt +) Động cơ không đồng bộ: r.i u u r.i .  d d (6.24) d d q q  u r.i u r.i .  d d (6.25) q q d d  Độ trượt S =  - r +) Mô hình con của động cơ sơ cấp và bộ điều tốc: Hình 6.7 Đồ thị thu được: Hình vẽ: 97
+) Thực nghiệm trên mô hình : - Đối với khâu điều chỉnh theo tải - Bộ điều tốc thường k = 0 - Bộ điều tốc liên hợp k = 1 Hình vẽ Chương 7: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 7.1. MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU NỬU CHU KỲ. 1.SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: + Sơ đồ: Tải R - L 98
T A K id G Rd u ~ Ud Ld Hình7.1 + Nguyên lý hoạt động: - Khi Tiristor thông sẽ có dòng id chạy qua tải - Khi Tiristor khoá sẽ không có dòng qua tải - Để Tiristor dẫn thì: + UAK > 0 + Có dòng điều khiển qua cực G - Khi Tiristor đã mở mà muốn khoá thì ta phải tạo ra dòng qua T phải nhỏ hơn dòng hãm, thông thường dòng hãm bằng 0. + Thuật toán điều khiển T: B¾t ®Çu NhËp u , Rd, Ld u > 0 i t > ih UAK > 0 T = 0 T = 1 Hình 7.2 + Giản đồ thời gian: 99
Hình 7.3 2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG: Với mạch điện tử công suất lớn không đòi hỏi độ chính xác cao, nên khi xây dựng sơ đồ mạch tương đương ta có thể giả thiết Tiristor (T) là một van lý tưởng chỉ có hai trạng thái là khoá và mở. Khi mở điện trở rất nhỏ, khi khoá điện trở rất lớn. Do đó có thể thay Tiristor (T) thành một tổng trở gồm một điện trở thuần và một điện cảm, với chú ý là giá trị của nó không phải là một giá trị cố định mà nó phụ thuộc vào trạng thái dẫn của T. RT LT id Rd u Ud Ld Hình 7.4 + Áp dụng định luật Kishop 2 ta có: di u (R R ).i (L L ). (7.1) T d d T d dt di u R .i L . (7.2) d d d d dt 3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN: 100
Để điều khiển đóng mở các T thì cực điều khiển của nó được liên kết với mạch phát xung. Sơ đồ chức năng tổng quát của mạch phát xung như sau: u®k ug S2 logic K§ ut Hình 7.5 + Nguyên lý hoạt động: Mạch phát xung có 2 loại điện áp: điện áp điều khiển một chiều U đk có giá trị thay đổi được và điện áp tựa lặp lại điện áp nguồn. Điện áp tựa có dạng sau: điện áp dạng răng cưa, dạng cosin và nghịch tam giác. a) Dạng Cosin: Điện áp tựa này có pha lệch với nguồn 90 0, và thời điểm mở cho T là thời điểm giao nhau của điện áp điều khiển và sườn âm của điện áp tựa. Hình 7.6 b) Dạng răng cưa: Dạng này hay sử dụng hơn trong thực tế, nó có chu kỳ bằng nửa chu kỳ của điện áp nguồn. Mạch so sánh sẽ so sánh hai tín hiệu điện áp điều khiển u đk và điện áp tựa ut. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì mạch so sánh cho tín hiệu ra qua mạch logic, mạch điều khiển thì tạo thành tín hiệu tác động lên cực điều khiển G của Tiristor. 101
Hình 7.7 - Từ nguyên lý hoạt động của mạch phát xung ta có bài toán logic để tính tổng trở các van T như sau: + Nếu u > 0 và uđk ut hoặc id > 0 thì: RT Rmin LT Lmin + Nếu các điều kiện trên không xảy ra thì: RT Rmax LT Lmax 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: Xuất phát từ thuật toán đã nêu ta có thể xây dựng mô hình trên hai mô hình con: + Mô hình chỉnh lưu: Dùng để giả các phương trình vi phân. + Mô hình điều khiển: Giải các bài toán logic dùng để đóng mở các T. Đầu vào và đầu ra như sau: Hình 7.8 102
a) Xây dựng mô hình điều khiển: Hình 7.9 b) Xây dựng mô hình chỉnh lưu: u (Rd RT ).id 1 + Từ pt(7.1):id . (7.3) Ld LT s di + Từ pt(7.2):u R .i L . d (7.4) d d d d dt Hình 7.10 103
5. MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔ PHỎNG: + Chọn f 50Hz u U m Sin314t T f 50Hz T 0,02s T 0,01s ut 2 Biên độ của ut là 1 0 < uđk < 1 Rd 2  4() Ld 0,1 0,5(H ) R 0,0001() min Rmax 10000() Lmin 0,0001(H ) Lmax 10000(H ) + Ta thay đổi góc mở hay tải xem kết quả. + Đặc tính: 7.2: MÔ PHỎNG CẦU CHỈNH LƯU MỘT PHA DÙNG THIRISTOR 1.SƠ ĐỒ MẠCH: + Sơ đồ: T1 T2 Rd Bé ph¸t xung u~ T3 T4 Ld Hình 7.11 + Nguyên lí hoạt động: Giả sử điện áp nguồn đặt vào có dạng: u U m .Sint (V) Tại thời điểm t ta phát xung (0 1800 ) 104
Điều kiện mở T1 và T3 : I ng T1 tải T3 nguồn. -Ở nửa chu kỳ tiếp theo: (nửa chu kỳ âm) thì ta phát xung điều khiển mở T2 và T4: I ng T2 tải T4 nguồn. t Với các góc mở khác nhau ta nhận thấy có khả năng xảy ra các trường hợp sau: a. Chế độ dòng điện liên tục: - Trong trường hợp tải có L tương đối lớn thì khi ta điều khiển phát xung cho T2 và T4 mở thì dòng qua T1 và T3 chưa trở về 0, lúc này dòng tiếp tục tăng. Hình 7.12 b. Chế độ dòng điện gián đoạn: Trong trường hợp khi góc mở tương đối lớn thì khi ta điều khiển T2 và T4 mở thì lúc đó dòng qua T1 và T3 đã trở về 0 (T1 và T3 khoá), lúc này dòng điện trên tải có một đọn bằng 0. 105
Hình 7.13 c. Hiện tượng trùng dẫn: Trong một số trường hợp điện áp nguồn được lấy sau biến áp, lúc này thành phần điện cảm phía xoay chiều tương đối lớn. Ta đã biết điện cảm không cho phép dòng điện biến thiên đột ngột, nên khi T2 và T4 mở thì dòng i1 không giảm đột ngột từ id về 0, cũng như dòng i2 không tăng đột ngột từ 0 đến id. Như vậy sẽ tồn tại một khoảng thời gian nào đó mà cả bốn Thiristor đều dẫn điện Hiện tượng trùng dẫn. Hiện tượng này xảy ra khi điện cảm phía xoay chiều tương đối lớn. Hình 7.14 2. XÂY DỰNG MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG: 106
id A i1 i2 3 RT1 RT 2 Rd 1 LT1 LT 2 u~ LT 4 LT 3 Ld R R T 4 2 T 3 i4 i3 B Hình 7.15 Ta coi các Thiristor là các van lý tưởng, có nghĩa là chúng có hai trạng thái mở hoặc khoá. Khi mở thì tổng trở của nó nhỏ, khi khoá thì tổng trở của nó rất lớn. Ở sơ đồ tương đương mỗi Thiristor được thay bằng một điện trở thuần và một điện cảm. 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH: di di + Vòng 1: u i .R L . 1 i .R L . 2 (7.5) 1 T1 T1 dt 2 T 2 T 2 dt di di + Vòng 2: u i .R L . 3 i .R L . 4 (7.6) 3 T 3 T 3 dt 4 T 4 T 4 dt di di + Vòng 3: i .R L . 2 u i .R L . 3 0 (7.7) 2 T 2 T 2 dt d 3 T 3 T 3 dt + Nút A (B): i1 i2 i3 i4 id (7.8) di + u i .R L . d (7.9) d d d d dt Van T1 và T3 mở đồng thời cùng nhau nên dòng điện cũng như tổng trở của nó hoàn toàn giống nhau tại mọi thời điểm. Tương tự T2 và T4 cũng vậy. Vậy ta có: Trong các phương trình từ (7.5) đến (7.9) ta có thể bỏ (7.5) hoặc (7.6), lúc ấy ta được hệ phương trình mới gồm 4 ẩn: i1, i2, ud, id. 107
4. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN: Việc mở Thiristor ta cần có uđk đưa vào cực điều khiển của nó. Để làm được điều này người ta đưa vào bộ so sánh hai điện áp. + uđk : là điện áp một chiều có giá trị thay đổi. + Điện áp đồng bộ với điện áp nguồn. Hình 7.16 + Ở chu kỳ dương của ung : (ung > 0) Tại thời điểm ut = uđk thì các van T1, T3 sẽ mở với góc mở + Ở chu kỳ âm của ung : (ung < 0) Tại thời điểm ut = uđk thì các van T2, T4 sẽ mở với góc mở Ta có bài toán logic để giải bài toán tính tổng trở các van như sau: * Nếu u 0 và uđk ut thì các van T1 và T3 sẽ mở i1 0. Lúc này: RT1 = RT3 = RTmin LT1 = LT3 = LTmin Nếu không thoả mãn điều kiện trên thì: RT1 = RT3 = RTmax LT1 = LT3 = LTmax * Nếu u < 0 và uđk ut thì T2 và T4 mở tới khi i2 0 5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: 108
Hình 7.17 a. Xây dựng mô hình điều khiển: Hình 7.18 b. Xây dựng mô hình chỉnh lưu: di2 1 1 + Từ pt(7.5): i1 u i2 .RT 2 LT 2 . i1.RT1 . . (7.10) dt LT1 s di1 1 1 + Từ pt(7.7): i2 ud i1.RT1 LT1. i2 .RT 2 . . (7.11) dt LT 2 s + Từ pt(7.8): id i1 i2 (7.12) 109
di + Từ pt(7.9): u R .i L . d (7.13) d d d d dt Hình 7.19 6. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH: a. Thông số: Chọn f 50Hz u U m .Sin(314t) T f 50Hz T 0.02s T 0.01s ut 2 Biên độ của ut là 1 0 < uđk < 1 Rd 2  4() Ld 0,1 0,5(H ) 4 4 Rmin 10 () Rmax 10 () 4 4 Lmin 10 (H ) Lmax 10 (H ) b. Đặc tính: 110
BÀI 7.3 : MÔ HÌNH CẦU CHỈNH LƯU 3 PHA DÙNG TIRISTOR. 1, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC. Hình7.20 : Cầu chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor Bất kỳ ở thời điển nào đều có hai van mở. Do có sự điều khiển phat xung mà mỗi Tiristor dẫn trong khoảng 1200. Nhưng 600 đầu dẫn với một Tiristor còn 600 sau dẫn với một Tiristor khác.Điêu khiển mở của từngTiristor như sau : Tiristor nằm ở pha nào thì nó sẽ mở khi điện áp pha đó dương ( Anôt ) hoặc U 0 nếu pha nối với K, đồng thời có xung điều khiển tác động vào cực điều khiển của nó. Tiristor đã mở rồi thì sẽ đóng khi dòng qua nó nhỏ hơn dòng IG = 0. Như vậy điện áp tựa Ut là dạng lặp lại của các điện áp Ud, Uab, Uba, Uac,Uca,Ucb, Ubc. Hình 7.21 2, XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG : Coi các Tiristor là các van lý tưởng. Nghĩa là khi nó dẫn điện thì giá trị tổng trở Z là bé, còn khi không dẫn Z vô cùng lớn.Vì vậy mỗi Tiristor thay thế 111
bằng Z = R + L mà giá trị của chúng thay đổi phụ thuộc vào các trạng thái đóng mở của từng Tiristor. Hình 7.22 Áp dụng hai định luật kihoff để đưa ra hệ phương trình vi phân của mạch như sau. di di3 Mạch vòng 1 : u R i L . 1 R .i L (7.14) ab 1. 1 1 dt 3 3 3. dt di di Mạch vòng 2 : u R i L . 4 R .i L 6 (7.15) ab 4 4 4 dt 6 6 6. dt di di Mạch vòng 3 : u R i L . 3 R .i L 5 (7.16) bc 3 3 3 dt 5 5 5. dt di di Mạch vòng 4 : u R i L . 6 R .i L 2 (7.17) bc 6 6 6 dt 2 2 2. dt di di Mạch vòng 5 : 0 R i L . 5 R .i L 2 u (7.18) 5. 5 5 dt 2 2 2. dt d di u R .i L d (7.19) d d d d. dt id i1 i2 i3 i2 i4 i6 (7.20) Các điện áp dây tính như sau : uab ua ub (7.21) uac ua uc (7.22) ubc ub uc (7.23) 112
ua um .sin.t (7.24) 2 u u .sin(.t ) (7.25) b m 3 2 u u .sin(.t ) (7.26) c m 3 3, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN : Để mở các Tiristor thì mạch phát xung phải cung cấp cho mạch chỉnh lưu 3 xung mở khác nhau. Mỗi một xung mở sẽ dùng chung cho hai Tiristor. ở cùng một pha. Xung mở thu được trên cở sở so sánh giữa điện áp điều khiển Uđk với điện áp tựa U t trong mạch phát xung. Như vậy máy phát điện áp tựa phải cung cấp 3 điện áp tựa khác đồng bộ với 3 điện áp pha của nguồn có chu kỳ T bằng nửa chu kỳ điện áp nguồn lệch nhau 600. Hình 7.23 0 0 Đối với cầu chỉnh lưu 3 pha thì 30 < gh < 150 nên giá trị của điện áp 1 5 điều khiển chỉ có thể thay đổi như sau : .U U .U 6 t dk 6 t T1 mở khi : U ab 0 và U ac 0 và U dk U t1 i1 0 Và ta có 0 U dk U tm Thuật toán điều khiển : + Đối với T1 : 113
Nếu U a 0 và U dk U t1 thì R1 = Rmin L1 = Lmin i1 0 Nếu không T khoá R1 = Rmax ; L1 = Lmax + Đối với T2 : Nếu U c 0 và U dk U t3 thì R2 = Rmin L2 = Lmin i2 0 Nếu không T khoá R2=Rmax ; L2=Lmax + Đối với T3 : Nếu U b 0 và U dk U t 2 thì R3=Rmin L3 = Lmin i3 0 Nếu không T khoá R3 = Rmax ; L3 = Lmax + Đối với T4 : Nếu U a 0 và U dk U t1 thì R4 = Rmin L4 = Lmin i4 0 Nếu không T khoá R4 = Rmax ; L4 = Lmax + Đối với T5 : Nếu U c 0 và U dk U t 3 thì R5 = Rmin L5 = Lmin i5 0 Nếu không T khoá R5 = Rmax ; L5 = Lmax + Đối với T6 : Nếu U b 0 và U dk U t 2 thì R6 = Rmin L6 = Lmin i6 0 Nếu không T khoá R6=Rmax ; L6=Lmaxd 4, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẦU CHỈNH LƯU 3 PHA : 114
Hình 7.24 e, Xây dựng mô hình điều khiển : Để đơn giản thì mô hình con điều khiển được phân cấp làm 6 mô hình nhỏ nữa. Xây dựng tính giá trị Z của Tiristor. + Mô hình điều khiển : 115
Hình 7.25 - Xây dựng mô hình T1 : Hình 7.26 116
- Mô hình điều khiển T2: Hình 7.27 - Mô hình điều khiển T3: Hình 7.28 117
- Mô hình điều khiển T4: Hình 7.29 - Mô hình điều khiển T5: Hình 7.30 118
- Mô hình điều khiển T6: Hình 7.31 5, MỘT SỐ THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH : + Thay đổi góc mở Tiristor : Uđk  thì Ud  và id  Uđk  thì Ud  và id  + Thực nghiệm với hiện tượng trùng dẫn : Tăng Lmin = 10-7  10 -3 Hình 7.32 119
+ Xây dựng mô hình cầu chỉnh lưu trên cơ sở nguyên lý hoạt động : Bản chất : Ud = Ur lặp lại điện áp Ud phụ thuộc từng cặp Tiristor nào đó mở. Tại mọi thời điểm đều có hai Tiristor mở. Gọi Ti = 1 : Tiristor Ti mở Ti = 0 : Tiristor Ti đóng. ud uab.T1.T6 uac .T1.T2 ucb.T3.T6 uba .T3.T4 uca .T4.T5 ubc .T3.T2 Phương trình điện áp tải : did 1 1 ud Rd .id Ld. id (ud Rd .id ). . (7.27) dt Ld S Vì phương pháp này không khảo sát được dòng qua các van. Nếu điều kiện để các van bắt đầu mở vẫn tương tự như phương pháp cũ, nhưng điều kiện để các van đóng phải giả thiết rằng khi van kế tiếp mở ra thì van chung A hoặc K mở ra trước sẽ đóng lại. VD : Điều kiện để đóng mở Tiristor 1 - Nếu U a 0 và U dk U t1 i1 0 thì R1 = Rmin ; L1 = Lmin ( R3= Rmax ; L3 = Lmax ) Vậy Tiristor 1 sẽ mở - Nếu không Tiristor 1 khoá R1 = Rmax ; L1 = Lmax Trên cơ sở bài toán lôgic của phương trình tính U d theo nguyên lý hoạt động có thể xây dựng mô hình mô phỏng để khảo sát điện áp, dòng tải . Mô hình này đơn giản hơn nhiều so với mô hình vi phân ở các cách cũ tuy nhiên nó không khảo sát hết được. 120
Chương 8: MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP VÀ CÁC BỘ BIẾN TẦN CÔNG SUẤT BÀI 8.1 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT PHA DÙNG TIRISTOR. Hình 8.1 A.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG : U > 0 và có xung điều khiển tác động thì T1 mở đến khi nào dòng qua nó còn dương. U < 0 và có xung điều khiển tác động thì T2 mở đến khi dòng qua nó còn dương. Điện áp trên tải U d sẽ lập lại dạng của điện áp nguồn cả phần âm và dương. nhưng giá trị của nó thay đổi phụ thuộc vào góc mở Hình 8.2 B. XÂY DỰNG MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG. 121
Coi các van Tiristor là các van lý tưởng khi mở thì Z bé còn khi đóng thì Z lớn nên ta thay các Tiristor bằng Z = R + L trong đó giá trị của chúng thay đổi phụ thuộc vào giả thiết điều kiện. Hình 8.3 Hệ phương trình của mạch : di u u R .i L 1 (8.1) d 1 1 1. dt di u u R .i L 2 (8.2) d 2 2 2. dt di u R .i L d (8.3) d d d d. dt id i1 i2 (8.4) C. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN : + Đối với T1 : Nếu U 0 và U dk U t thì R1 = Rmin ; L1 = Lmin i1 0 Nếu không T khoá R1 = Rmax ; L1 = Lmax + Đối với T2 : Nếu U 0 và U dk U t thì R2 = Rmin ; L2 = Lmin i2 < 0 122
Nếu không T khoá R2=Rmax ; L2=Lmax D. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG : Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở hai mô hình con là mô hình điều khiển và mô hình vi phân. + Mô hình điều khiển : Sử dụng thuật toán điều khiển Z cho các Tiristor + Mô hình vi phân : Sử dụng hệ phương trình của mạch tương đương và các thông số Z do mô hình điều khiển đưa tới để tính các thông số đại lượng của mạch gồm i1, i2, ud, id Ta có : u d u.T1 u.T 2 Trong lúc : T1 = 1 nếu T1 mở , T2 = 1 nếu T2 mở T1 = 0 nếu T1 đóng , T2 = 0 nếu T2 đóng. di u R .i L d d d d d . dt Các giá trị lôgic của T1,T2 được tính theo thuật toán điều khiển như sau : + Đối với T1 : Nếu U 0 và U dk U t thì T1 mở id 0 Nếu không T1 khoá + Đối với T2 : Nếu U 0 và U dk U t thì T2 mở id < 0 Nếu không T2 khoá Hình 8.4 : Xây dựng mô hình theo nguyên lý hoạt động. 123
Hình 8.5 : Xây dựng mô hình điều khiển Hình 8.6 : Xây dựng mô hình nguyên lý u d u.(T1 T2 ) 1 1 id (ud Rd .id ). . Ld S Hình 8.7 124
BÀI 8.2 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 3 PHA Hình 8.8 A. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Theo nguyên lý hoạt động, theo cách phát xung mở mà có khả năng xẩy ra + Trường hợp đối xứng : ở mỗi pha có một Tiristor mở vì tải là đối xứng nên điện áp rơi trên UTa ,UTb ,UTc sẽ lặp lại điện áp Ua, Ub, Uc. + Trường hợp không đối xứng : Có hai pha có Tiristor mở, còn pha còn lại không có Tiristor mở 125
Hình 8.9 , là các góc mở và khoá của Tiristor T1. Vì tính chất đối xứng Tiristor T3, T5 sẽ mở với góc ( + 2 /3) và ( + 4 /3 ) và đóng ở các góc ( + 2 /3) và ( + 4 /3 ). Các Tiristor T2, T4, T6 sẽ mở ở các góc + , + +2 /3 , + +4 /3 và đóng ở các góc  + ,  + +2 /3,  + +4 /3. B. MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 3 PHA THEO PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN Để mô phỏng bộ biến đổi theo phương pháp này phải đưa ra sơ đồ tương đương trong đó các Tiristor là các Z = R + L và giá trị của chúng thay đổi phụ thuộc vào điều khiển. Lúc van đóng Z lớn, van mở thì Z nhỏ C. MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 3 PHA THEO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG : Gọi Ti ( i = 1 6 ) là biến lôgic Ti = 1 : Nếu Tiristor thứ i mở Ti = 0 : Nếu Tiristor thứ i đóng Theo nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp thì điện áp pha trên tải lặp lại điện áp nguồn. Nếu cùng một lúc có 3 Tiristor mở hoặc một nửa của điện áp dây nếu cùng lúc có hai Tiristor mở. u u u u .(T .T .T T T .T T .T .T T .T T T T .T T .T .T ) ab (T T ) ac (T T ) ta a 1 4 5 1. 4 6 1 3 6 2 3 6 2 2 5 2 4 5 2 14 23 2 16 25 (8.7) Trong đó : T14 , T23 , T16 , T25 là các biến lôgic + T14 = 1 nếu T1=1 và T4 =1 và T5 = 0, T6 = 0 Nếu không T14 = 0 + T23 = 1 nếu T2=1 và T3 =1 và T5 = 0, T6 = 0 Nếu không T23 = 0 + T16 = 1 nếu T1=1 và T6 =1 và T3 = 0, T4 = 0 Nếu không T16 = 0 + T25 = 1 nếu T2=1 và T5 =1 và T3 = 0, T4 = 0 Nếu không T25 = 0 Các giá trị biến lôgic T1 đến T6 được xác định như sau : + Đối với T1 : Nếu U a 0 và U dk U t1 thì Tiristor T1 mở ia 0 126
Nếu không T1 khoá R1 = Rmax ; L1 = Lmax + Đối với T2 : Nếu U a 0 và U dk U t1 thì R2 = Rmin ; L2 = Lmin: Tiristor T2 mở ia 0 Nếu không T2 khoá R2=Rmax ; L2=Lmax + Đối với T3 : Nếu U b 0 và U dk U t 2 thì R3=Rmin ; L3 = Lmin : Tiristor T3 mở ib 0 Nếu không T3 khoá R3 = Rmax ; L3 = Lmax + Đối với T4 : Nếu U b 0 và U dk U t 2 thì R4 = Rmin ; L4 = Lmin : Tiristor T4 mở ib 0 Nếu không T4 khoá R4 = Rmax ; L4 = Lmax + Đối với T5 : Nếu U c 0 và U dk U t 3 thì R5 = Rmin , L5 = Lmin : Tiristor T5 mở ic 0 Nếu không T5 khoá R5 = Rmax ; L5 = Lmax + Đối với T6 : Nếu U c 0 và U dk U t3 thì R6 = Rmin , L6 = Lmin : Tiristor T6 mở ic 0 Nếu không T6 khoá R6=Rmax ; L6=Lmax  Xây dựng mô hình theo nguyên lý : Bao gồm hai mô hình con. + Mô hình nguyên lý : Sẽ sử dụng các biến lôgic do mô hình điều khiển đưa tới để tính điện áp và dòng trên tải từng pha + Mô hình điều khiển : Xác định giá trị của các biến lôgic đạec trưng cho sự đóng mở của các Tiristor trong các điều kiện Lôgic có sử dụng dòng điều khiển 127
dòng điện trên tải, các dòng này do mô hình nguyên lý tính ra đưa sang mô hình điều khiển để thực hiện. Hình 8.10 - Xây dựng mô hình điều khiển : Để đơn giản hoá quá trình xây dựng mô hình thì chia mô hình điều khiển thành 12 mô hình con mỗi mô hình con đặc trưng cho một biến lôgic. 128
Hình 8.11 - Xây dựng mô hình biến lôgic đơn T1 : Hình 8.12 - Xây dựng mô hình biến lôgic kép T14 : Hình 8.13 129
BÀI 8.3 : MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI BBIGT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM ( Pulse Width Modulation ) 1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT : Nguyên lý : Bộ nghịch lưu một pha PWM dùng Tiristor Hình 8.14 Khi T1 mở (T2 đóng ) thì điện áp tải U AB. Khi T2 mở UBA. Điện áp ra tải có xung hình chữ nhật cả phần âm và phần dương. Thời điểm mở xung và độ rộng xung phụ thuộc vào cách điều khiển T1, T2. D1, D2 : Phóng điện cho T1, T2 ( chuyển mạch cho T1, T2 ) Hình 8.15 + Bộ phát chuẩn hình Sin UR + Bộ phát điện áp mang ( Điện áp đồng bộ ) có dạng tam giác cân là Ut 130
Tại những thời điểm mà hai điện áp này bằng nhau thì sẽ lần lượt phát xung mở T1, T2 T1 mở trong khoảng: UR > Ut T2 mở trong khoảng : UR Ut 131
Còn các Tiristor có cùng K sẽ mở khi UR < Ut Như vậy điện áp ra 3 pha sẽ có xung HCN có cả phần âm và phần dương song giá trị trung bình của chúng là hình sin lệch nhau 1200 Để thay đổi tần số của điện áp ra ta chỉ cần thay đổi f của máy phát điện áp ra. Còn để thay đổi giá trị của điện áp ra có thể thay đổi điẹn áp dây bằng cách thay đổi góc mở của Tiristor trong một chu kỳ điện áp chuẩn 3 pha U a, 0 Ub , Uc lệch pha nhau 120 . Bất kỳ thời điển nào mỗi pha có một Tiristor mở. Điện áp từng pha của tải sẽ phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể là ở mỗi một pha thì Tiristor này mở và Tiristor kia đóng. Công thức tính Uta : 1 2 1 2 u 0.(T T ) .u (T T ) .u .T .u (T T ) .u .T ta 135 246 3 d 132 156 3 d 162 3 d 524 324 3 d 351 (8.8) Tương tự utb ,utc + Đối với Tiristor T1 : ua ut thì T1 = 1 nếu không T1 = 0 + Đối với Tiristor T4 : ua ut thì T4 = 1 nếu không T4 = 0 + Đối với Tiristor T3 : ub ut thì T3 = 1 nếu không T3 = 0 + Đối với Tiristor T6 : ub ut thì T6 = 1 nếu không T6 = 0 + Đối với Tiristor T5 : uc ut thì T5 = 1 nếu không T5 = 0 + Đối với Tiristor T2 : uc ut thì T2 = 1 nếu không T2 = 0 Điện áp trên tải Uta, Utb , Utc có thể dùng cung cấp cho động cơ không đồng bộ, tần số và biên độ của điện áp 3 pha có thể thay đổi nhờ biến tần. 132