Đề tài Thiết kế mô hình điều khiển điện áp máy phát điện độc lập (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Thiết kế mô hình điều khiển điện áp máy phát điện độc lập (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LÊ ANH HÙNG NGUYỄN PHI QUÂN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀUS K C 0 0 0 2 8 1 KHIỂN ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỘC LẬP S K C 0 0 2 7 7 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM  ĐỀ TÀI NCKH (SINH VIÊN) THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỘC LẬP MÃ SỐ: 2010 - 120 GVHD : TS. TRƯƠNG VIỆT ANH SVTH : LÊ ANH HÙNG NGUYỄN PHI QUÂN TP. HỒ CHÍ MINH – 07/2010
3. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh PHẦN 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. – Hệ thống điều khiển điện áp máy phát điện độc lập II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC. – Hiện nay trong nƣớc ta chƣa cĩ nhiều nghiên cứu về mơ hình nhà máy điện để ứng dụng trong dạy học. – Các quốc gia khác đã cĩ các mơ hình nhà máy điện phục vụ việc giảng dạy và học tập nhƣng chi phí cho một mơ hình của nƣớc ngồi là quá đắt. III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI. – Thiết bị sử dụng trong mơ hình chƣa thật sự chính xác,các thiết bi đo chƣa đáp ứng hồn tồn những sự thay đổi nhỏ trong thí nghiệm. – Máy phát điện do mua ngồi thị trƣờng nên cĩ những thơng số chƣa phù hợp với thí nghiệm, tuy đã cĩ những chỉnh sữa nhƣng cũng chƣa đáp ứng đƣợc hồn tồn. – Thời gian làm đề tài cĩ hạn nên chƣa tối ƣu hĩa đƣợc mơ hình. SVTH: Lê Anh Hùng 1 Nguyễn Phi Quân
4. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI. Với những thành tựu khoa học kỹ thuật trong những năm đầu của thế kỷ 21, cho thấy thế kỷ 21 thật sự là thế kỷ của khoa học kỹ thuật. Trong giai đoạn hội nhập và phát triển cùng thế giới, Việt Nam đã và đang đầu tƣ rất nhiều vào lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Một sự đầu tƣ đúng đắn thể hiện tầm nhìn chiến lƣợc của Đảng và Nhà Nƣớc ta trong giai đoạn cơng nghiệp hĩa và hiện đại hĩa đất nƣớc hiện nay. Bên cạnh đĩ giáo dục và đào tạo cũng đƣợc đặt biệt quan tâm. Vì giáo dục là nền tảng cho sự phát triển của mọi lĩnh vực nĩi chung và khoa học kỹ thuật nĩi riêng. Muốn nâng cao chất lƣợng giáo dục địi hỏi phải đầu tƣ và phát triển mơ hình dạy học. Nhằm rút ngắn khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành. Trên tinh thần đĩ, nhằm giúp sinh viên cĩ dịp làm quen với mơ hình thực tập đƣợc mơ phỏng giống thiết bị thực tế bên ngồi và gĩp phần làm giảm chi phí đầu tƣ cho mơ hình thực tập, nhĩm chúng em đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu khao học: “ THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỘC LẬP”. Mục đích là xây dựng mơ hình thí nghiệm giúp sinh viên hiểu đƣợc nguyên lý làm việc và làm quen với các thao tác vận hành máy phát điện. Mơ hình máy phát điện hiện nay đang rất cần thiết để đƣa vào giảng dạy cho sinh viên ở các trƣờng đại học và cao đẳng. Việc sử dụng động cơ 1 chiều để điều khiển máy phát thì rất dễ dàng nhƣng giá thành lại cao vì những mơ hình này khơng sản xuất đại trà dẫn đến chi phi bảo trì cũng cao. Hiện nay động cơ ba pha đƣợc sản xuất hàng loạt với đủ loại cơng suất để lựa chọn nhƣng việc điều chỉnh lai khĩ khăn hơn động cơ DC. Do thời gian cĩ hạn nên nhĩm thực hiện sẽ khơng tránh khỏi một số thiếu sĩt, kính mong sự gĩp ý của quý thầy cơ cũng nhƣ các bạn sinh viên để đề tài này hồn thiện hơn. Nhĩm sinh viên thực hiện SVTH: Lê Anh Hùng 2 Nguyễn Phi Quân
5. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU – Giải thích tốn học và khảo sát trên mơ hình vật lý. III. NỘI DUNG 1. Bài tốn điều khiển điện áp máy phát: Duy trì điện áp bình thƣờng là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lƣợng điện năng của hệ thống điện. Điện áp giảm thấp quá mức cĩ thể gây nên độ trƣợt quá lớn ở các động cơ khơng đồng bộ, dẫn đến qúa tải về cơng suất phản kháng ở các nguồn điện. Điện áp giảm thấp cũng làm giảm hiệu quả phát sáng của các đèn chiếu sáng, làm giảm khả năng truyền tải của đƣờng dây và ảnh hƣởng đến độ ổn định của các máy phát làm việc song song. Điện áp tăng cao cĩ thể làm già cỗi cách điện của thiết bị điện (làm tăng dịng rị) và thậm chí cĩ thể đánh thủng cách điện làm hƣ hỏng thiết bị. Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện đƣợc duy trì ở một giá trị định trƣớc nhờ cĩ những phƣơng thức vận hành hợp lí, chẳng hạn nhƣ tận dụng cơng suất phản kháng của các máy phát (MF) hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các phần tử trong hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lí của những đƣờng dây truyền tải, chọn tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp Điện áp cũng cĩ thể đƣợc duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của các máy phát điện và máy bù đồng bộ, các thiết bị tự động thay đổi tỷ số biến đổi của máy biến áp, các thiết bị tự động thay đổi dung lƣợng của các tụ bù tĩnh 2. Mơ hình tốn: Trong tự đĩng nhanh (TĐN) với các loại khác nhau, ngƣời ta sử dụng các thơng số sau để đặc ’ ’ ’’ trƣng cho chế độ khơng bình thƣờng: độ lệch điện áp MF UF ; vận tốc IF và gia tốc IF thay đổi của dịng MF hay dịng của đƣờng dây truyền tải; độ lệch gĩc δ và vận tốc thay đổi của nĩ ’ ’ δ ; độ lệch tần số f và vận tốc thay đổi của nĩ f ; vận tốc thay đổi dịng rotor MF I r . Tần số và gĩc lệch tần số là những thơng số liên hệ với nhau: f ≡ δ’; f’ ≡ δ’’. Do lý do kinh tế điều kiện thực ’ ’ ’ hiện thực tế, ngày nay các bộ TĐN, ngƣời ta sử dụng các thơng số nhƣ : UF, U F , f, f , I r. Tƣơng ứng với quy luật điều chỉnh, TĐN cĩ các kênh điều chỉnh sau: theo độ lệch điện áp, theo tần số, theo đạo hàm bậc 1 của độ lệch tần số, theo đạo hàm bậc 1 của dịng rotor, hàm số điều chỉnh như sau: SVTH: Lê Anh Hùng 3 Nguyễn Phi Quân
6. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh If = k U U + kU’ +k f f + kf’f’ + kI’rI’r Trong đĩ các hệ số k là hệ số khuếch đại các phần tử theo quy luật điều chỉnh. Ví dụ, cho giá trị k từ một máy TĐN: k U – 25 hay 50 đv kích từ/đv điện áp, đv – đơn vị) kU – 0 ÷0,75 đv kích từ/đv điện áp/giây k f – 0÷12 đv kích từ/ Hz kf – 0 ÷5 đv kích từ/Hz/giây kI’r – 0 ÷2 đv kích từ/đv dịng rotor/giây. Phƣơng pháp này tối ƣu, từ biểu thức (1.1) ta nhận thấy điện áp ra ổn định bộ TĐN khơng chỉ phụ thuộc vào độ lệch điện áp mà cịn phụ thuộc vào độ lệch tần số và dịng điện rotor. Do đĩ, hầu hết ngày nay trong các MF cĩ cơng suất lớn đều sử dụng phƣơng pháp này. 3. Mơ hình điều khiển và sơ đồ khối: 1 + PM (1+sTG )(1+sTT ) - Pc S 5 1 VC + 1 R . 1+sTR + δ 6 S ‘ EC V - E + ref V fd + K 3 1 δ = ω C ( ) 2 2 + - 1+K3 T ’ωs - Ms +Ds+T - Exciter Flux decay Rotor angle transfer function transfer function 4 . δ P SS S Block diagram of generator with voltage and power control loops SVTH: Lê Anh Hùng 4 Nguyễn Phi Quân
7. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh 4. Mơ hình thi cơng: VC 1 6 1+sTR ‘ EC Vref E K V fd 3 C ( ) 1+K3 T ’ωs Exciter Flux decay transfer function 5. AVR 5.1. Đại cƣơng Máy phát điện xoay chiều cĩ sức điện động ra đƣợc tính theo cơng thức: + Sức điện động trên một đoạn dây: ed = Bm. l. v. sinωt + Sức điện động trên một vịng dây: ev = 2.Bm. l. v. sinωt + Sức điện động trên phần ứng cĩ N vịng dây: e = 2.Bm. l. v. sinωt => e = Em. sinωt với Em = 2B. l. v. N trong đĩ: - Bm: cƣờng độ từ trƣờng cực đại của phần cảm - l : chiều dài lõi thép phần ứng - v : tốc độ qay - N: số vịng dây quấn trên phần ứng Do l, v, N đều là hằng số nên để thay đổi đƣợc sức điện động E ngƣời thay đổi cƣờng độ từ trƣờng cực đại Bm bằng cách thay đổi dịng điện kích từ cấp cho phần cảm. SVTH: Lê Anh Hùng 5 Nguyễn Phi Quân
8. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh Nguyên lý này đƣợc áp dụng để thực hiện việc tự động ổn định điện áp trong các máy phát điện xoay chiều. 5.2. Sơ đồ khối mạch AVR Nguyên lý hoạt động của mạch AVR theo sơ đồ khối hình 3.1 nhƣ sau: Tạo Mạch điện áp đồng bộ chuẩn Vr Khuếch Io Mạch tạo Vi Nắn điện L1 Khối đại so L3 Vs xung kích cơng suất L2 nguồn sánh N Vf Vo Lấy mẫu Mạch hồi điện áp tiếp If L1 L2 G L3 N Hình 3.1: sơ đồ khối mạch AVR trong máy phát xoay chiều. Điện áp ra của máy phát pha L1-L2 đƣợc đƣa vào khối nguồn (qua mạch giảm áp, nắn điện, lọc điện) để tạo nguồn một chiều, làm nguồn nuơi cho các linh kiện điện tử. Một phần điện áp này đƣợc lấy làm điện áp mầu Vs (sample) để thể hiện mức biến thiên điện áp của lƣới. Đồng thời, nguồn một chiều qua mạch ổn áp để tạo điện áp chuẩn VR ( reference) làm cơ sở cho việc so sánh mức điện áp của lƣới với điện áp danh định. Bình thƣờng chỉnh cho Vs = VR. Mạch khuếch đại so sánh chính là mạch khuếch đại vi sai, để khuếch đại sự sai biệt điện áp giữa Vs và VR, điều khiển dịng điện ra I0 của mạch so sánh. Mạch khuếch đại so sánh làm việc theo nguyên lý sau: SVTH: Lê Anh Hùng 6 Nguyễn Phi Quân
9. Đề tài NCKH GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh - nếu Vs = VR thì dịng điện I0 cĩ trị số khơng đổi theo thiết kế. - nếu Vs > VR ( do điện áp lƣới tăng) thì dịng điện I0 sẽ giảm trị số xung kích trễ để giảm dịng kích từ IF Bm giảm. - nếu VS < VR ( do điện áp lƣới giảm) thì dịng điện I0 sẽ tăng trị số xung kích sớm để tăng dịng kích từ IF Bm tăng. Dịng điện ra I0 của mạch khuếch đại so sánh dùng để điều khiển mạch tạo xung kích. Mạch tạo xung kích là mạch dao động tích thốt, nạp ổn dịng, cĩ đồng bộ (xem giao trình “Kỹ thuật xung”). Xung kích Vi do mạch tạo ra là xung nhọn để kích điều khiển các SCR trong mạch nắn điện cơng suất. Thời điểm của xung kích sẽ tùy thuộc trị số dịng I0 của mạch so sánh, nếu dịng I0 giảm sẽ cho ra xung kích trễ hơn, nếu dịng I0 tăng sẽ cho ra xung kích sớm hơn. Mạch đồng bộ điều khiển đồng thời hai khối nắn điện cơng suất và mạch tạo xung kích sao cho mỗi bán kỳ của lƣới điện đều cĩ xu kích đầu tiên trong bán kỳ đĩ sẽ là xung kích SCR. Mạch nắn điện cơng suất là mạch đổi từ nguồn một pha =L3/ N thành dịng điện một chiều cấp cho cuộn kích từ. Dịng điện một chiều này cĩ thể thay đổi đƣợc( để thay đổi cƣờng độ từ trƣờng cực đại Bm) qua cầu điốt cĩ hai SCR để cĩ thể thay đổi dịng điện kích từ bằng cách thay đổi thời điểm tạo xung kích cho các SCR. Mạch hồi tiếp lấy một phần điện áp ra V0 trên cuộn kích từ, tạo thành điện áp hồi tiếp VF đƣa về điều chỉnh lại độ khuếch của mạch khuếch đại so sánh theo nguyên lý hồi tiếp âm nhƣ sau: + nếu sức điện động của máy phát tăng điện áp mẫu Vs tăng dịng I0 giảm mạch tạo xung kích trễ giảm dịng kcihs từ vì V0 giảm. Khi V0 giảm, mạch hồi tiếp sẽ cho ra VF tăng đƣa về mạch khuếch đại so sánh để chống lại sự giảm dịng I0. + nếu sức điện động của máy phát giảm điện áp mẫu VS giảm dịng I0 tăng mạch tạo xung kích sớm tăng dịng kích từ vì V0 tăng. Khi V0tăng. Khi V0 tăng, mạch hồi tiếp sẽ cho ra VF giảm đƣa về mạch khuếch đại so sánh để chống lại sự tăng dịng I0. Mạch hồi tiếp cĩ tác dụng tránh hiện tƣợng điện áp ra bị dao động chung quanh điện áp danh định, khi cĩ tác động điều chỉnh bởi mạch AVR. SVTH: Lê Anh Hùng 7 Nguyễn Phi Quân